KR101447129B1 - 방열유니트 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 평판 형상인 베이스 플레이트(31)의 일면 상방으로 4각형 둘레 형태로 히트파이프(33, 43)가 형성되어 방열 면적을 형성하는 것을 특징으로 하는 방열유니트에 관한 것이다.

Description

방열유니트{Cooling Unit}

본 발명은 500W이상의 LED조명용 방열유니트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방열 효율이 향상된 구조가 형성된 500W이상의 LED조명용 방열유니트에 관한 것이다.

일반적으로 히트싱크(Heat sink)는 발열체에 접촉되는 베이스 플레이트와, 베이스 플레이트에 일체로 형성된 방열핀으로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 히트싱크에서는 발열체로부터 발생된 열이 베이스 플레이트로 전도되고, 전도된 열은 방열핀으로 재전도 되어 방열핀에서 최종 방열이 이루어진다.

그런데, 베이스 플레이트와 방열핀간의 거리가 멀어질 경우, 베이스 플레이트와 방열핀간의 열전도 효율이 낮음으로 인해 방열 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 이는 히트싱크의 크기가 커질 경우 방열 효율의 문제는 더욱 심각해진다.

즉, 조명등이 고용량일 경우에 이에 비례하여 히트싱크의 부피가 커지게 되는데, 히트싱크의 부피가 커질수록 베이스 플레이트와 방열핀간의 거리가 더욱 멀어지게 되므로, 고용량의 조명등에서는 방열 문제가 더욱 심각해지게 되는 것이다.

또한, 히트싱크의 부피가 커질수록 히트싱크가 적용된 조명등 전체의 무게가 증가함으로 인해 이를 지지하는 별도의 구조물이 필요하게 되므로 제조비용이 상승하는 문제점도 있다.

따라서, 베이스 플레이트에서 방열핀으로 열을 최대한 신속하게 전달할 수 있도록 하는 방안이 필요하다.

최근 열전도 효율 향상을 위해 다양한 연구가 진행되고 있으며, 그 중 하나가 히트파이프(Heat Pipe)이다.

히트파이프(Heat Pipe)는 자기증발, 온도차 등의 열적 불균형으로 인하여 형성되는 유체의 밀도차와 모세관 압력에 의해 유체의 유동이 이루어지는 열전달 장치이다.

히트파이프와 관련한 기술로서, 국내공개특허 제2005-0017632호에는 금, 은 또는 구리로 선택된 나노입자의 금속을 함유한 작동유체가 개시되어 있다. 또한, 국내공개특허 제2005-0093959호에는 탄소나노튜브, 또는 탄소나노섬유를 갖는 작동유체가 개시되어 있다. 그리고, 국내공개특허 제2004-0019150호에는 평판 파이프의 내부에 작동유체의 증기이동을 안내하는 채널이 복수개 형성되어 있고, 채널 각각이 평판 파이프의 횡방향을 따라 병렬로 배치된 히트파이프가 개시되어 있다.

그러나, 종래에는 히트파이프를 이용한 발열구조가 구체적이고 효율적으로 적용되지 않는 문제가 발생된다.

본 발명의 실시예에 따른 방열유니트는 방열구조를 공간 대비 최적화함으로써 500W이상의 LED조명에도 적용 가능한 방열유니트를 제공하고자 한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 평판 형상인 베이스 플레이트(31)의 일면 상방으로 4각형 둘레 형태로 히트파이프(33, 43)가 형성되어 방열 면적을 형성하는 것을 특징으로 하는 방열유니트가 제공될 수 있다.

그리고 상기 베이스 플레이트(31)의 일면에는 제1고정부(37)와, 상기 제1고정부(37)를 제1중심부가 관통하며 상기 제1중심부에서 양측 상방으로 만곡지게 수직으로 연장되는 제1양측부(33a, 33b)를 포함하는 제1히트파이프(33)가 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1양측부(33a, 33b)에 복수개의 제1방열핀(35a, 35b)이 형성될 수 있다.

상기 제1고정부(37)의 타면에 형성되는 제2고정부(47)와, 상기 제2고정부(47)를 제2중심부가 관통하며 상기 제2중심부에서 양측 상방으로 만곡지게 수직으로 연장되는 제2양측부(43a, 43b)를 포함하는 제2히트파이프(43)가 더 형성될 수 있다.

그리고 상기 베이스 플레이트(31)의 타면에는 LED조명(51)이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예는 평판 형상인 베이스 플레이트의 일면 상방으로 4각형 둘레 형태로 히트파이프가 형성되어 방열 면적을 최대로 형성하는 효과가 발생된다.

도 1은 본 발명에 적용되는 히트파이프의 사시도.
도 2는 본 발명에 적용되는 진공상태로 봉입된 히트파이프의 사시도.
도 3은 본 발명의 방열모듈을 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 방열유니트를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 변형예를 상부에서 본 사시도.
도 6은 본 발명의 변형예를 하부에서 본 사시도.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

그리고, 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 히트파이프의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 적용되는 진공상태로 봉입된 히트파이프의 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 히트파이프(13, 33)는, 길이방향(ℓ)으로 중공채널(H)을 갖는 몸체(131)와, 중공채널(H)을 채우는 작동유체로 이루어져 있다. 중공채널(H) 내벽에는 요철(133)이 형성되어 있다.

구체적으로, 본 실시예에서 제시하는 히트파이프(13, 33)는 평판형의 금속 몸체(131)를 가지며, 몸체(131)의 내부에는 다수의 중공채널(H)이 길이방향으로 다수개 형성되어 있다. 중공채널(H)은 내벽 상하로 대칭되게 요철(133)(WICK)이 길이방향으로 다수개 형성되어 있다. 몸체(131)의 양단은 압착과 동시에 밀봉하여 단부(135)를 형성한다.

한편, 본 실시예에서 평판형의 히트파이프(13, 33)에 대해서 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 접촉 면적을 최대화할 수 있는 다양한 형태로의 변형이 가능하다. 또한, 중공채널(H)의 요철(133)은 작동유체의 접촉 면적을 최대화할 수 있는 다양한 형태로의 변형이 가능하다.

그리고 상기 몸체(131)는 전도성 향상과 제작의 용이성을 위하여 알루미늄으로 제작된다. 즉, 몸체(131)의 재질로서 알루미늄을 선택함으로써 압출방식에 의해 사각관 형상으로 용이하게 제작할 수 있다. 몸체(131)는 중공채널(H)에 주입되는 작동유체의 유입량 내지 열전달의 설계에 따라 몸체(131)의 길이방향(ℓ)의 길이와 두께가 결정되며, 길이방향(ℓ)의 길이는 30mm 내지 50cm이고, 두께(t)는 1.5mm 내지 3mm인 것이 바람직하지만, 방열해야 할 열량에 따라 그 길이 및 두께는 변경될 수 있다.

또한, 중공채널(H)의 내벽에 형성되는 요철(133)의 크기 및 개수는 열전달 설계에 따라 결정되는 것이지만, 예를 들면, 깊이가 0.3mm 내지 0.4mm, 폭이 0.2mm 내지 0.3mm 인 크기의 요철(133)이 상하로 대칭되게 형성되는 것이 바람직하며, 중공채널(H)의 크기 및 개수도 열전달 설계에 따라 정해지며, 또한, 본 발명이 적용되는 응용분야의 구조에 따라 중공채널(H)의 크기 및 개수가 변경될 수 있다. 몸체(131)의 내부에 형성되는 중공채널(H)의 개수도 열전달 거리 등 열전달의 설계에 따라 결정되며, 비교적 열전달의 거리가 짧고 신속한 방열을 목적으로 제작하는 경우 최대 12 내지 14개 채널로 구성된다.

한편, 작동유체는 나노입자가 함유된 물질이다. 구체적으로, 작동유체는 각각의 중공채널(H) 내부에 채워져 밀봉되며, 나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브를 함유하는 증류수형 작동유체 또는 알코올형 작동유체로 이루어지는 것이 바람직하다.

나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브는 1 ~ 50nm의 입자크기를 갖는 금속재 나노입자이며, 바람직하게는 30nm 입자크기의 금속재 나노입자로 이루어진다.

나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브는 작동유체에 부피비로 1 ~ 5% 정도로 혼입되며, 바람직하게는 2 ~ 2.5% 정도로 혼입된다

나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브를 함유하는 작동유체는 열전달계수와 열용량이 큰 혼합 유체이므로, 증발부에서 발생하는 열을 응축부로 처리하는 능력을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 작동유체 내부에서 열전달 면적과 유체의 열용량을 증대 및 유체 상호간의 전도성을 향상시켜 열전달 특성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이 구성된 히트파이프(13, 33)는, 액상의 작동유체가 응축부(condenser section)에서 증발부(evaporator section)쪽으로 유동하기 위한 통로 역할을 하는 종래의 윅을 사용하지 않고서도 중공채널(H)의 내부 벽에 상하로 형성된 요철(133)에 의해 발생되는 모세관력에 의해 액상의 작동유체가 유동하도록 구성되어 있다. 즉, 중공채널(H)의 내부 벽에 상하로 형성된 요철(133)이 종래의 윅 역할을 수행하는 것이다.

이에 중공채널(H) 내부가 진공 상태로 유지된 상태에서 주입된 액상의 작동유체에 의해 액체-증기 간의 상변화에 의해 신속한 열전달이 이루어지도록 함으로써, 발열체(L)로부터 발생된 열을 방열핀으로 신속하게 전달함으로써 방열 효율을 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 방열모듈을 나타낸 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 방열유니트를 구성하는 기본 단위인 방열모듈(1)은 발열체(L)에 접촉되는 베이스 플레이트(11)와, 일측이 베이스 플레이트(11)에 접촉되는 히트파이프(13)와, 히트파이프(13)가 연장된 타측에 형성된 방열핀(15)을 포함한다. 여기서, 베이스 플레이트(11)는 발열체에 접촉하는 접촉부로서의 기능을 수행하고, 방열핀(15)은 방열부로서의 기능을 수행한다.

여기에, 방열모듈(1)은 히트파이프(13)가 베이스 플레이트(11)에 밀착되도록 하는 고정부(17)를 더 형성시키는 것이 바람직하다. 이 고정부(17)는 베이스 플레이트(11)에 결합수단(19)을 통해 결합되는 것이 바람직하다. 이에 고정부(17)와 베이스 플레이트(11)가 히트파이프(13)와 접촉됨으로 인해 고정부(17)와 베이스 플레이트(11)에는 발열체(L)가 형성되거나 부착될 수 있다.

즉, 고정부(17)와 베이스 플레이트(11)에는 LED 모듈, PCB 등의 발열체(L)가 실장될 수 있다. 한편, 베이스 플레이트(11)는 LED 모듈 등의 발열체(L)가 형성된 기판일 수 있다.

본 실시예에서는 베이스 플레이트(11)와 히트파이프(13)가 평판 형상으로 구성된 것을 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 베이스 플레이트(11)는 발열체(L)의 상태인 종류, 모양 및 위치에 대응하는 형상으로 제조되는 것이 바람직하며, 이에 베이스 플레이트(11)에 접촉되는 히트파이프(13) 역시 베이스 플레이트(11)의 형상에 대응한 형상으로 제조되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 방열유니트를 나타낸 사시도이다.

본 발명의 일실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, 도 3에서 제시한 방열모듈(1)이 다수개 적용되어 방열유니트(2)를 구성하고 있다.

이 방열유니트(2)는 방열모듈(1)의 개수 및 위치를 변경함으로써 조명등의 크기 및 종류에 용이하게 대응할 수 있다.

이와 같이 구성된 방열유니트(2)는, 발열체(L)와 방열핀(15)의 온도격차가 심하지 않기 때문에 대류전도에 의한 방열에 있어 우수한 성능을 발휘할 수 있으므로, 열의 발생이 많은 LED 가로등, 투광등, 집어등 등에 활용이 가능하다.

한편, 조명등의 종류 및 크기에 따라, 방열모듈(1)을 다수개 적용하거나, 방열모듈(1)의 크기를 임의로 세팅함으로써 모든 조명등에 용이하게 적용할 수 있으며, 이에 대ㆍ중ㆍ소량 생산방식에 모두 적합하다.

도 5는 본 발명의 변형예를 상부에서 본 사시도이고, 도 6은 본 발명의 변형예를 하부에서 본 사시도이다.

본 변형예에서 제시하는 방열유니트(3)는 평판 형상인 베이스 플레이트(31)의 일면에 형성되는 제1고정부(37)와, 상기 제1고정부(37)를 제1중심부가 관통하며 상기 제1중심부에서 양측 상방으로 만곡지게 수직으로 연장되는 제1양측부(33a, 33b)를 포함하는 제1히트파이프(33) 및 상기 제1양측부(33a, 33b)에 복수개가 형성되는 제1방열핀(35a, 35b)을 포함한다.

그리고 본 변형예에서는 방열유니트(3)에 상기 제1고정부(37)의 타면에 형성되는 제2고정부(47)와, 상기 제2고정부(47)를 제2중심부가 관통하며 상기 제2중심부에서 양측 상방으로 만곡지게 수직으로 연장되는 제2양측부(43a, 43b)를 포함하는 제2히트파이프(43) 및 상기 제2양측부(43a, 43b)에 복수개가 형성되는 제2방열핀(45a, 45b)을 더 포함한다.

상기 제2양측부(43a, 43b)의 위치는 제1양측부(33a, 33b)에 대략 수직이다.

상기 베이스 플레이트(31)의 타면에는 500W이상의 LED조명(51)이 형성된다.

본 발명의 실시예는 평판 형상인 베이스 플레이트(31)의 일면 상방으로 4각형 둘레 형태로 히트파이프(33, 43)가 형성되어 방열 면적을 최대로 형성하는 효과가 발생된다.

이처럼, LED 모듈의 크기, 즉 조명등의 크기에 대응하여 하나의 베이스 플레이트(31)를 제작한 후, 이 베이스 플레이트(31)에 히트파이프(33, 43) 및 방열핀(35, 45)을 다수 배치함으로써 조명등 크기 및 종류에 용이하게 대응할 수 있다.

본 변형예에서는 방열 효율을 더욱 향상시키기 위해 방열핀(35, 45) 그룹을 베이스 플레이트(31)의 일면 상방으로 4각형 둘레 형태로 분산시키고 있다.

이렇게 함으로써 기존 방식은 LED조명의 소비전력이 커질수록 전체적인 베이스 크기가 커져야 하는 반면, 4면을 모두 활용할 수 있기 때문에 절반정도의 면적을 줄일 수 있는 대응 방안이 갖추어져, 여려가지 조명에 적합한 용도로 사용이 가능하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

1: 방열모듈 2, 3: 방열유니트
11, 31: 베이스 플레이트 13, 33, 43: 히트파이프
15, 35, 45: 방열핀 17: 고정부
19: 결합수단 33a, 33b: 제1양측부
35a, 35b: 제1방열핀 37: 제1고정부
43: 제2히트파이프 43a, 43b: 제2양측부
45a, 45b: 제2방열핀 47: 제2고정부
51: LED조명 131: 몸체
133: 요철 135: 단부
ℓ: 길이방향 t : 두께
H : 중공채널 L : 발열체

Claims (5)

1. 평판 형상인 베이스 플레이트(31)의 일면 상방으로 4각형 둘레 형태로 히트파이프(33, 43)가 형성되어 방열 면적을 형성하며,
   상기 베이스 플레이트(31)의 일면에는 제1고정부(37)와, 상기 제1고정부(37)를 제1중심부가 관통하며 상기 제1중심부에서 양측 상방으로 만곡지게 수직으로 연장되는 제1양측부(33a, 33b)를 포함하는 제1히트파이프(33)가 형성되고,
   상기 제1양측부(33a, 33b)에 복수개의 제1방열핀(35a, 35b)이 형성되며, 상기 제1고정부(37)의 타면에 형성되는 제2고정부(47)와, 상기 제2고정부(47)를 제2중심부가 관통하며 상기 제2중심부에서 양측 상방으로 만곡지게 수직으로 연장되는 제2양측부(43a, 43b)를 포함하는 제2히트파이프(43)가 더 형성되고,
   상기 베이스 플레이트(31)의 타면에는 LED조명(51)이 형성되며,
   상기 제1히트파이프(33)는 길이방향으로 중공채널(H)을 갖는 몸체(131)와, 중공채널(H)을 채우는 작동유체로 이루어지고,
   상기 중공채널(H)은 내벽 상하로 대칭되게 요철(133)이 다수개 형성되며,
   상기 몸체(131)의 양단은 압착과 동시에 밀봉하여 단부(135)를 형성하고,
   상기 몸체(131)는 알루미늄으로 제작하며, 몸체(131)의 길이는 30mm 내지 50cm이고, 몸체(131)의 두께(t)는 1.5mm 내지 3mm이며,
   상기 요철(133)은 깊이가 0.3mm 내지 0.4mm이고, 폭이 0.2mm 내지 0.3mm 이며,
   상기 작동유체는 각각의 중공채널(H) 내부에 채워져 밀봉되고, 나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브를 함유하는 증류수형 작동유체 또는 알코올형 작동유체로 이루어지며,
   상기 나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브는 1 ~ 50nm의 입자크기를 갖는 금속재 나노입자이며,
   상기 나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브는 작동유체에 부피비로 1 ~ 5%로 혼입되는 것을 특징으로 하는 방열유니트.
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