KR101457601B1 - 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 복수 개의 분할방열체(10)가 상호 밀착되어 방열조립체(1)를 이루되, 각각의 분할방열체(10) 외측에는 방사형으로 형성되는 복수 개의 방열핀(16)이 마련되는 엘이디 조명장치용 방열기구로서, 각 분할방열체(10)에는 양단이 개구된 일정길이의 삽입공(14)이 형성되어 상호 밀착되는 방열조립체(1)와; 진공상태로 밀봉된 내부공간에 열수송매체가 채워져 각 분할방열체(10)의 삽입공(14)에 삽입되되 일면 부위가 엘이디 모듈(50)이 결합되는 방열판(30)의 하면과 접하는 방열관(20);으로 이루어지는 조립방식의 엘이디 조명장치 방열기구를 제공한다.

Description

조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구{A heat-dissipating device for LED lighting apparatus}

본 발명은 엘이디 조명장치용 방열기구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열수송매체가 채워진 방열관이 구비되는 분할방열체를 이용하여 엘이디에서 발생하는 열을 외부로 신속하게 배출할 수 있는 조립방식의 방열기구에 관한 것이다.

근자 엘이디(LED)를 이용한 조명장치가 각광받고 있다. 엘이디 조명장치는 기존의 밸열등이나 형광등에 비해 수명이 상대적으로 길어 자주 교체할 필요가 없음은 물론, 에너지 변환효율이 뛰어나고, 폐기 과정에서 환경에 유해한 물질을 배출하지 않는다는 장점이 있어 여러 산업분야에서 백열등 및 형광등을 빠르게 대체하고 있다.

하지만, 엘이디는 그 특성상 작동과정에서 백열등이나 형광등에 비해 상당한 양의 열이 발생하기 때문에 넓은 작업현장 또는 도로 등과 같이 고휘도(고출력)의 조명이 필요한 분야에 엘이디를 조명장치로 사용하기 위해서는 작동과정에서 발생하는 열을 적절하게 제거할 수 있는 방열기구나 냉각장치가 반드시 마련되어야 한다. 고출력의 엘이디 조명장치에 있어 열 제거수단으로 널리 사용되고 있는 것이, 얇은 금속판재를 가공한 복수 개의 방열핀을 방사형으로 배치하는 방열기구이다. 도 6에 개시된 것은 대한민국 등록특허 제1022621호로서 이의 일례를 보여준다.

이러한 방열기구는 복수 개의 방열핀 사이공간으로 자연스럽게 유동하는 외부 공기를 이용하여 엘이디의 작동과정에서 발생하는 열을 제거할 수 있다는 점에서 별도의 냉각장치를 마련하지 않아도 되는 편리함이 있다. 하지만, 이를 구성하기 위해서는 금속판재를 수회 가공한 다음, 가공된 금속판재를 일일이 조립하여야 하는 번거로움이 있다. 방열핀 구조가 가지는 장점은 살리되 제조과정의 번거로움을 해결하기 위해 제안된 기술에 대한민국 등록특허 제0947499호가 있다.

이 기술은 알루미늄과 같이 가공성이 뛰어난 소재를 압출 방식으로 엘이디 모듈이 장착되는 원통형 베이스와, 베이스 외면에 방사형으로 배치되는 방열핀을 일체로 구현하는 방식을 제안하고 있다. 이럴 경우 한 번의 압출 작업에 의해 방열핀이 일체로 구비되는 방열기구를 제조할 수 있다는 점에서 높은 생산성을 기대할 수 있다. 그런데, 이들 방식은 소형의 엘이디 조명장치에는 적용할 수 있을지 몰라도, 적어도 135W 이상의 고출력을 보장해야 하는 대형의 엘이디 조명장치에는 적용하기에는 압출 한계를 벗어나는 문제가 있다.

고출력의 엘이디 조명장치에 적용함에 있어 이러한 현실적인 제조상의 문제를 해결하기 위해 제안된 기술의 일례가 대한민국 등록특허 제1169741호이며, 이에 대한 개략적인 구성이 도 7a에 개시되어 있다. 이 기술은 일체형의 방열기구를 단일의 압출 방식에 의해 구현하는 것이 아니라, 방사형으로 배치되는 방열핀이 구비되는 분할방열체를 복수 개 압출한 다음, 이들을 상호 조립하여 방열기구를 완성하는 방식이다.

방열핀이 일체형으로 마련되는 분할방열체를 압출 방식으로 구현한다는 점에서 생산성을 높일 수 있으며, 복수 개의 분할방열체를 조립하여 방열기구를 구성하면 단일의 대형 방열기구와 동일한 기능을 수행할 수 있어 고출력의 엘이디 조명장치에 적용이 가능한 장점이 있다. 하지만, 대한민국 등록특허 제1169741호를 고출력의 엘이디 조명장치에 장착하는 경우 엘이디 모듈에 심각한 손상이 발생할 우려가 있다.

도 7a 및 도 7b 각각에 개시된 것과 같이, 대한민국 등록특허 제1169741호는 기본적으로, 엘이디(22)가 작동과정에서 열이 발생하면, 이 열은 회로기판(23) 및 베이스(24)로 전달된 다음, 각 방열통로(14)에 삽입되는 연결부(24b)를 통해 방열핀(11)으로 전달되어 제거된다. 즉, 이 기술은 각 방열핀(11)의 사이공간을 유동하는 외부 공기의 자연대류에 의해 열을 제거하는 방식임을 알 수 있다.

하지만, 이러한 외부 공기를 이용한 자연대류 방식은 소형의 엘이디 조명장치의 방열기구로서는 적합할지 몰라도, 고출력의 대형 엘이디 조명장치에 사용되는 방열기구로는 적합하지 못한데 이는 다량의 열을 제거함에 있어 자연대류 방식은 효율적이지 못하기 때문이다. 이는 첨부된 도 4b 및 도 5b 각각에 의해서 명확하게 알 수 있다.

도 4b 및 도 5b 각각은 대한민국 등록특허 제1169741호와 같은 자연대류를 이용하는 방열기구에 300W의 엘이디 모듈을 장착한 다음 2시간 이후 PCB 기판의 온도를 측정한 것이다. 이중에서 도 4b는 복수 개의 엘이디를 PCB에 산재하여 설치한 경우이며, 도 5b는 COB 엘이디(Chip-on-Board LED)를 각 방열통로(14) 하부의 PCB에 설치한 경우이다. 이에 의하면, PCB 기판의 각 온도는 87℃ 및 88℃로서 엘이디의 작동과정에서 발생하는 열이 제대로 제거되지 않고 PCB 기판에 집중되고 있음을 알 수 있다.

이러한 현상이 발생하는 이유는 PCB 기판에서 방열핀(11)으로 열이 제대로 전달되지 않기 때문이다. 즉, 이 기술에 있어 방열통로(14)는 열이 이동하는 직접적인 통로로서 기능해야 하는데, 제안된 구성에 의하면 방열통로(14)는 연결부(24b)와 접한 상태에서 연결부를 통해 전달되는 열을 단순히 방열핀(11)으로 전달하는 매개체로서만 기능하고 있을 뿐이다. 더욱이, 연결부(24b) 내부공간에 채워져 있는 공기 자체도 소켓(21)에 의해 외부와 차단된 상태로서 상대적으로 낮은 온도의 외부 공기와 자연스럽게 혼합되거나 교체되기는 곤란하여, 그 자체로 PCB 기판의 열을 제거하는 수단으로 작용할 수 없는 구성이다.

따라서, 이 기술을 고출력의 엘이디 조명장치에 적용하는 경우에는 엘이디 작동과정에서 발생하는 열이 적절하게 제거되지 않고 일정시간 지속될 수 있다는 점에서 PCB 기판에 집중된 열에 의해 엘이디 모듈 자체가 안정적으로 작동하지 않는 문제가 발생할 개연성이 상당히 높다.

대한민국 등록특허 제0947499호, 대한민국 등록특허 제1022621호, 대한민국 등록특허 제1169741호, 대한민국 등록실용신안 제0418814호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 고출력의 엘이디 조명장치에 적용할 수 있는 방열기구를 조립식으로 구성하되 엘이디 작동과정에서 발생하는 열을 적절하게 제거할 수 있는 방열기구를 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 복수 개의 분할방열체(10)가 상호 밀착되어 방열조립체(1)를 이루되, 각각의 분할방열체(10) 외측에는 방사형으로 형성되는 복수 개의 방열핀(16)이 마련되는 엘이디 조명장치용 방열기구로서, 각 분할방열체(10)에는 양단이 개구된 일정길이의 삽입공(14)이 형성되어 상호 밀착되는 방열조립체(1)와; 진공상태로 밀봉된 내부공간에 열수송매체가 채워져 각 분할방열체(10)의 삽입공(14)에 삽입되되 일면 부위가 엘이디 모듈(50)이 결합되는 방열판(30)의 하면과 접하는 방열관(20);으로 이루어지되, 상기 각 분할방열체(10)의 결합부위인 내측 일면에는 삽입단(13)이 형성되고, 내측 타면에는 삽입홈(15)이 형성되어 인접하는 분할방열체(10) 상호간에 결합되어 고출력의 대면적 엘이디 조명장치에서 발생하는 열을 제거할 수 있는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

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본 발명은 방열핀이 구비되는 분할방열체를 조립하여 방열기구를 구성하되, 각 분할방열체에는 엘이디 작동과정에서 발생하는 열을 신속하게 각 방열핀으로 전달하도록 열수송매체가 내장된 방열관을 마련함으로써, 고출력의 대형 엘이디 조명장치가 안정적으로 작동할 수 있는 방열기구를 제공해주는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 별도의 결합매개수단을 이용하여 분할방열체를 조립하는 방식이 아니라 각 분할방열체에 삽입단과 삽입홈을 마련하여 인접하는 분할방열체 상호간을 결합하여 방식을 제안함으로써, 보다 단순한 구성으로 대형의 방열기구를 구현할 수 있도록 해준다.

도 1a는 본 발명에 따른 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구의 개략적인 일 구성도.
도 1b는 도 1a에 개시된 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구에 있어 방열조립체의 개략적인 평면 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구의 개략적인 다른 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구에 있어 방열조립체의 개략적인 다른 평면 구성도.
도 4a는 도 1a에 개시된 본 발명에 따른 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구를 이용하여 측정된 PCB 기판의 온도 분포도.
도 4b는 도 4a와의 비교를 위해 종래 조립방식 엘이디 조명장치용 방열기구를 이용하여 측정된 PCB 기판의 온도 분포도.
도 5a는 도 2에 개시된 본 발명에 따른 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구에 COB 엘이디를 장착하여 측정된 PCB 기판의 온도 분포도.
도 5b는 도 5a와의 비교를 위해 종래 조립방식 엘이디 조명장치용 방열기구에 COB 엘이디를 장착하여 측정된 PCB 기판의 온도 분포도.
도 6은 종래 엘이디 조명장치용 방열기구의 개략적인 일 구성도.
도 7a 및 도 7b 각각은 종래 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구의 일 구성도.

본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명의 실시예를 상술함에 있어 본 발명의 기술적 특징과 직접적인 관련성이 없거나, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1a 및 도 2 각각은 본 발명에 따른 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구의 개략적인 구성도이며, 도 1b는 도 1a에 개시된 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구에 있어 방열조립체의 개략적인 평면 구성도이다. 도면에 개시된 것과 같이, 본 발명은 복수 개의 분할방열체(10)의 조립으로 이루어지는 방열조립체(1)와, 각 분할방열체(10)에 삽입되는 방열관(20)으로 이루어진다.

각 분할방열체(10)에는 삽입공(14)이 형성되며, 그 외측에는 방사형으로 형성되는 방열핀(16)이 마련된다. 삽입공(14)은 분할방열체(10)의 몸체(12)에 형성되며 일정길이를 가지되 그 양단은 개구된다. 삽입공의 크기는 특별히 제한되지 않으나 엘이디(52, 53)가 탑재되는 PCB 기판(56, 57)의 크기를 감안해서 결정하는 것이 바람직하다. 도면에는 분할방열체가 4분할 구조로 이루어지는 경우가 개시되어 있으나 이는 단지 일례일 뿐 여러 다양한 분할 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.

방열핀(16)은 몸체(12)의 외면에 상호간에 일정간격 이격되는 복수 개로 이루어지는 것이 바람직하며, 각각의 개별 길이, 두께, 그리고 구체적인 형상은 다양하게 변경 적용될 수 있다. 방열핀은 몸체와 일체형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 도 3에 개시된 것과 같이, 각 분할방열체(10)의 내측 부위에 삽입단(13) 및 삽입홈(15)이 마련되는 경우를 제안한다. 삽입단(13)은 분할방열체(10)의 내측 일면에 마련되며, 삽입홈(15)은 분할방열체(10)의 내측 타면에 마련된다. 이럴 경우, 별도의 결합매개수단이 없더라도 인접하는 분할방열체들은 일측의 분할방열체에 형성되는 삽입단과 타측의 분할방열체에 형성되는 삽입홈의 결합에 의해 조립될 수 있다. 삽입단 및 삽입홈의 구체적인 형상은 다양하게 변경될 수 있다.

미설명 도면부호 2는 배선을 위한 공간으로서, 각 분할방열체(10)의 몸체(12)의 내측 부위에 홈을 마련하고, 각 분할방열체(10)를 조립하는 과정에서 형성된다. 이 부분은 배선을 위한 공간이라는 점에서, 전술한 대한민국 등록특허 제1169741호에 있어 방열을 위한 공간으로서의 중심부(12)와는 그 기능이 상이하다.

방열관(20)은 각 분할방열체(10)의 삽입공(14)에 삽입되며, 진공상태로 밀봉된 내부공간에는 열수송매체가 채워진다. 각 방열관(20)의 일면 부위는 방열판(30)의 하면과 접한다. 방열판(30)은 금속재질로 이루어지며, 별도의 체결수단에 의해 각 분할방열체(10)와 결합된다. 방열판(30)의 상면에는 엘이디(52, 53)가 탑재되는 엘이디 모듈(50)이 장착된다.

방열관(20)의 타면 부위는 지지판(40)에 의해 밀착된다. 지지판(40)은 일정두께의 금속재질로 이루어질 수 있다. 삽입공에 방열관을 삽입한 다음, 방열관의 타면 부위에는 별도의 합성수지를 충전한 상태에서 지지판으로 밀착할 수도 있을 것이다.

방열관(20)의 내부에 채워지는 열수송매체는 관련업계에서 사용되는 여러 가지의 매체 중에서 임의 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 방열관의 내부 공간에 열수송매체를 어느 정도 채울지 여부는 방열판(30)에 탑재되는 엘이디의 출력을 감안해서 결정하는 것이 바람직하다.

도 1a 및 도 2 각각과 같이, 방열기구를 구성함에 있어 분할방열체(10)를 상호 결합하여 방열조립체(1)를 이루고, 이에 부가하여 각 분할방열체(10)에 열수송매체가 내장된 방열관(20)을 삽입하는 경우의 열 전달과정을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

엘이디(52, 53)가 작동하면서 열이 발생하면, 열은 엘이디 모듈(50)을 거쳐 방열판(30)으로 전달된 다음 방열판(30)과 접하고 있는 방열관(20)으로 전달된다. 방열관(20)으로 전달된 열의 대부분은 방열관 내부에 채워져 있던 열수송매체의 하부를 가열하며, 이에 따라 방열관의 하부에 위치하고 있던 열수송매체 부위는 방열관의 내면으로 따라 서서히 상승하고, 이와 동시에 방열관의 상부에 위치하고 있던 열수송매체 부위는 방열관의 중앙부위를 통해 서서히 하강한다.

열수송매체의 하부 및 하측 부위가 이러한 형태로 대류하면, 열수송매체가 수송하고 있는 열은 방열관의 내면을 따라 상승하는 과정에서 방열관의 내면으로 전달하게 되고, 방열관으로 전달된 열은 방열관과 접하고 있는 분할방열체(10)의 몸체(12)로 전달된 다음 방열핀(16)을 통해 외부로 배출된다. 즉, 열수송매체가 상승하면서 순차적으로 접하는 방열관(20)의 각 부위로 열을 전달하면, 이들 각 열들은 연속하여 몸체(12) 및 방열핀(16)을 통해 배출하면서 신속히 제거되는 것이다.

본 발명에 따라 열이 신속하게 제거될 수 있음은 첨부된 도 4a 및 도 5a 각각에 의해서 확인할 수 있다. 도 4a 및 도 5a 각각은 300W의 엘이디 모듈(50)을 장착한 다음 2시간 이후의 PCB 기판 온도 변화를 측정한 것이다. 이는 배경기술에서 설명한 바 있는 대한민국 등록특허 제1169741호의 구성을 적용하여 측정한 도 4b 및 도 5b와 동일한 조건을 적용한 것이다.

이에 의하면, 복수 개의 엘이디를 PCB에 산재하여 설치한 경우(도 4a) 및 COB 엘이디를 각 방열관 하부의 PCB에 설치한 경우(도 5a) 모두 공히 70℃로서 기판은 상당히 안정적인 온도 상태를 유지하고 있음을 알 수 있다. 그리고, 열 분포에 있어서도 대한민국 등록특허 제1169741호의 경우에는 중앙 부위에 집중됨에 비해 본 발명의 경우에는 적절하게 분산됨을 알 수 있다. 근자 경제성을 감안하여 대면적의 COB 엘이디를 기판에 탑재하는 경우가 많은데, 이럴 경우 본 발명에 따라 방열기구를 구성하는 경우 엘이디 조명장치가 매우 안정적으로 작동할 수 있음을 알 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 한정하여 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명은 이에 한정되지 않고 여러 다양한 방법으로 변경되어 실시될 수 있으며, 나아가 개시된 기술적 사상에 기초하여 별도의 기술적 특징이 부가되어 실시될 수 있음은 자명하다 할 것이다.

1 : 방열조립체 10 : 분할방열체
12 : 몸체 14 : 삽입공
16 : 방열핀 20 : 방열관
30 : 방열판 40 : 지지판
50 : 엘이디 모듈

Claims (2)

1. 복수 개의 분할방열체(10)가 상호 밀착되어 방열조립체(1)를 이루되, 각각의 분할방열체(10) 외측에는 방사형으로 형성되는 복수 개의 방열핀(16)이 마련되는 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구로서,
   각 분할방열체(10)에는 양단이 개구된 일정길이의 삽입공(14)이 형성되어 상호 밀착되는 방열조립체(1)와;
   진공상태로 밀봉된 내부공간에 열수송매체가 채워져 각 분할방열체(10)의 삽입공(14)에 삽입되되 일면 부위가 엘이디 모듈(50)이 결합되는 방열판(30)의 하면과 접하는 방열관(20);으로 이루어지되,
   상기 각 분할방열체(10)의 결합부위인 내측 일면에는 삽입단(13)이 형성되고, 내측 타면에는 삽입홈(15)이 형성되어 인접하는 분할방열체(10) 상호간에 결합되어 고출력의 대면적 엘이디 조명장치에서 발생하는 열을 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 조립방식의 엘이디 조명장치용 방열기구
   
2. 삭제

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