KR101479012B1 - 절연된 엘이디 장치 - Google Patents

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자레드 제이. 워츠
아론 디. 마티네즈
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에어 모션 시스템즈, 인크.
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Abstract

LED 장치는 히트 싱크와 연결된 또는 접하는 LED 조립체를 가지며, 상기 히트 싱크는 냉각 다리와 연결되고 절연된 커넥터 엔드 캡 및 크로스오버 엔드 캡과 리플렉터 커버 및 사이드 커버로 선택적으로 둘러싸인다. 상기 냉각 다리는 리플렉터 커버, 및 사이드 커버로부터 히트 싱크로 열을 전도하며, 열은 냉각수의 순환에 의해 제거될 수 있다. 이 요약은 검색자 또는 다른 독자가 기술적인 개시의 주제를 신속하게 알아낼 수 있도록 요구하는 규칙을 지키기 위해 제공되는 것으로 강조되어야 한다. 그것은 청구항의 의미나 범위를 설명하거나 한정하기 위해 사용될 수 없는 것으로 이해되어야 한다. 37 C.F.R§1.72(b).

Description

절연된 엘이디 장치{INSULATED LED DEVICE}
관련된 출원의 교차 참조
이 출원은 본 명세서에 참조문헌으로 포함되는, 2010년 8월 9일 출원된 미국 가출원 제61/372,060호에 대한 우선권을 35 U.S.C.§119(e) 하에서 주장한다.
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 방사선을 발생시키고 안내하는데 사용되는 발광 다이오드를 사용하는 장치를 냉각하는 방법에 관한 것이다.
UV-고분자화 프린팅 잉크 및 코팅과 같은 산업적 사용을 위해 방사선을 발생시키는 것에 있어서 LED는 상당한 발전을 보여주나, 이러한 장치들은 그럼에도 불구하고 상당한 양의 열을 만들어 낸다. LED 이용 장치들로부터 열을 분산시키거나 또는 제거하지 않는다면, 열은 어떤 반사면을 비틀고 LED 그 자체에 상당한 손상을 줄 수 있다. LED 이용 장치들로부터의 원하지 않는 열을 제거하기 위한 효율적이고 구조적으로 간단한 디자인에 대한 요구가 있다.
발명의 요약
본 발명은 LED 장치를 구동하는 것으로부터 발생하는 열을 제거하기 위한 간단하지만 효율적인 구조를 LDE 장치에게 제공하여 전술한 산업의 요구를 실질적으로 만족시킨다.
본 발명에서는 LED 장치가 제공되는데, 상기 LED 장치는 LED 조립체, 복수의 냉각 다리(cooling bridge), 히트 싱크(heat sink), 리플렉터 커버(reflector cover), 사이드 커버(side cover), 리플렉터, 및 커넥션 및 크로스오버 엔드 캡(connection and crossover end cap)을 포함한다. 상기 LED 조립체는 복수의 LED 칩(chip)을 포함할 수 있다. 상기 냉각 다리는 히트 싱크에 부착되거나 인접할 수 있다. 상기 리플렉터는 LED 조립체로부터 방사선을 안내하도록 리플렉터 커버에 의해 배치될 수 있다. 상기 커넥션 및 크로스오버 엔드 캡은 전기 또는 열적으로 절연인 물질을 포함한다.
본 발명에서는 LED 장치를 생산하는 방법 또한 제공되는데, 상기 방법은 1)복수의 냉각 다리를 축 방향으로 형성된 채널 쌍을 가지는 워터 레일(water rail)에 부착하는 단계; 2)LED 칩에서 방출하는 방사선을 안내하도록 리플렉터를 배치하는 단계; 4)유체 회로(fluidic circuit)를 형성하기 위해 커넥션 엔드 캡 및 크로스오버 엔드 캡을 워터 레일에 부착하는 단계를 포함한다.
또한, LED 어레이, LED 어레이에서 방출된 방사선을 안내하는 리플렉터 및 LED 어레이와 냉각 다리에 부착되거나 인접한 워터 레일을 포함하는 LED 장치를 냉각하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 워터 레일에 형성된 축방향 채널 안에 있는 냉각수를 순환하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징들은 첨부된 도면을 고려할 때 하기의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 절연된 LED 장치의 일 구현예의 사시도이다.
도 2는 도 1의 절연된 LED 장치의 분해 조립도이다.
도 3은 도 1의 절연된 LED 장치의 측면도이다.
도 4는 도 1의 A-A선을 따른 단면도이다.
상기에서 기술된 도면들은 오직 본 발명을 설명하는 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의된 것이 아니라면, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명의 기술분야에서 보통의 기술을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 같은 동일한 의미를 가진다. 비록 본 명세서에서 기술된 그것들과 유사하거나 또는 동등한 방법 및 물질들이 본 발명을 실시하기 위해 사용될 수 있지만, 적당한 방법 및 물질들이 하기에서 기술된다. 본 명세서에서 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허, 및 다른 참조들은 그 전체로 참조에 의해 결합된다. 갈등의 경우, 정의를 포함하는 본 발명의 상세한 설명은 조정될 것이다. 게다가, 물질, 방법, 및 예시들은 오직 설명적인 것이며 한정하려는 의도는 아니다.
앞 및 뒤, 오른쪽 및 왼쪽, 꼭대기 및 바닥, 위 및 아래, 수명 및 수직, 또는 이와 유사한 상대적인 용어에 대한 어떤 언급은 설명의 편의를 위한 것이지 본 발명 또는 그것의 구성요소의 어떤 한 위치 또는 공간적인 방향을 한정하려는 의도는 아니다. 첨부된 도면에 있는 구성요소의 치수는 잠재적인 디자인 및 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 본 발명의 구현예의 의도하는 사용에 따라 변경될 수 있다.
본 명세서에서 개시된 추가적인 각 특징들 및 방법들은 본 발명 및 방법을 동일하게 만들고 사용하기 위한 향상된 장치를 제공하기 위해 개별적으로 또는 다른 특징 및 방법과 결합하여 이용될 수 있다. 본 발명에서 시사하는(teaching), 많은 이러한 추가적인 특징 및 방법을 결합으로 이용하는 전형적인 예시들은 도면의 참조와 함께 상세하게 설명될 것이다. 이 상세한 설명은 단지 본 시사의 선호되는 양태를 실시하기 위해 기술분야에서 기술을 가진 자에게 자세하게 알려주기 위한 의도이지 본 발명의 범위를 한정하기 위한 의도는 아니다. 따라서, 오직 하기의 상세한 설명에서 개시된 특징 및 방법의 조합들은 가장 넓은 의미로 본 발명을 실시하기 위해 필수적인 것은 아니며, 그 대신에 단지 본 발명의 전형적이고 바람직한 구현예를 특히 설명하기 위한 것이다.
본 발명의 절연된 LED 장치의 일 구현예가 도면들에 도면부호 100으로 표현되었고, 상기 장치는 LED 조립체와 같은 광 엔진(light engine:102), 복수의 냉각 다리(104), 워터 레일(106)과 같은 히트 싱크, 리플렉터 커버(108), 사이드 커버(110), 커넥션 엔드 캡 조립체(112), 및 크로스오버 엔드 캡 조립체(114)를 포함한다. 기술분야에서 보통의 지식을 가진 자는 LED 조립체(102)가 구리판(copper plate:124)위에서 지지되는 복수의 LED 칩(122)을 포함하는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. LED 조립체(102)를 위한 몇가지 구성 및 물질들이 의도된 발명에 제공될 수 있다.
구현예에서 표현된, 상기 워터 레일(106)은 알루미늄과 같은 열 전도성 물질로 만들어 질 수 있다. 그러나, 기술분야에서 보통의 기술을 가진 자는 본 워터 레일을 제조하기 위해 허용가능한 다른 물질들을 쉽게 알 수 있을 것이다. LED 조립체(102) 및 워터 레일(106)에 복수의 냉각 다리(104)가 연결된 경우, 상기 복수의 냉각 다리(104)는 LED 조립체(102) 밖으로 열을 전도할 수 있고 본 LED 조립체에서 방출되는 방사선을 안내하도록 LED 조립체(102)를 배치할 수 있다. 핀이 부착된(finned) 복수의 채널(132,134)은 워터 레일(106)에서 축방향으로 한정될 수 있다. 인접한 각 채널(132,134)에 형성된 핀(136,138)은 채널(132,134)을 통해 냉각수가 순환되는 경우, 워터 레일(106)로부터 열을 더 효과적으로 추출하도록 채널(132,134)에 인접한 워터 레일(106)의 표면적을 증가시킨다. 이와 같이 순환되는 냉각수는 액체 또는 기체일 수 있다. 적당한 액체는 물, 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)-수용액, 액체 질소, 및 이와 유사한 종류들을 포함한다. 적당한 기체는 냉각된 대기(atmospheric air)를 포함한다.
터미널 블럭(terminal block:144)은 각 광 엔진 부분을 함께 접속하기 위한 점퍼로 사용되거나, 또는 하나 이상의 광 엔진을 다른 것과 분리하여 제어되도록 허용하기 위해 그룹으로 사용되며, 냉각 다리의 밑면 및/또는 리플렉터 커버에 부착될 수 있다. 터미널 블럭은 광 엔진 및 외부 전력원 사이가 열 및 전기적으로 절연되도록 연결한다.
상기 리플렉터 커버(108)는 외부 포션(portion)(150) 및 외부 포션(150)으로부터 연장하는 내부 로브(lobe)(152)를 가진다. 채널(153)에서, 외부 포션(150)을 축방향 슬롯(155)을 형성하는 립 구조물(lip structure:154)에 부착한다. 슬롯(156)은 외부 포션(150)의 하부에 형성된다. 또 다른 슬롯(160)은 외부 포션(150)의 보다 낮은 위치에 안쪽에 있는 개구(opening inboard)로 형성된다. 상기 슬롯(155,156)은 리플렉터(162)를 수용하기 위해 배치된다. 상기 리플렉터(162)는 슬롯(155,156) 내의 가장자리에 배치되고 로브(152)에 인접하는 것에 의해 원하는 위치 및 배치가 유지된다.
상기 사이드 커버(110)는 채널(170)에서 워터 레일(106)에 부착 또는 접촉한다. 사이드 커버(110)는 위쪽으로는 연장부(172)에서 아랫쪽으로는 슬롯(174)에서 끝난다. 연장부(172)은 리플렉터 커버(108)의 슬롯(158) 내에 배치된다. 그러나, 기술분야에서 보통의 기술을 가진 자는 연장부(172) 및 슬롯(158)이 각 리플렉터 커버(108) 및 사이드 커버(110) 위에 제공될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 사이드 커버(110)의 슬롯(174) 및 리플렉터 커버(108)의 슬롯(160)에 윈도우(180)는 수용되어 위치한다.
상기 윈도우(180)는 원하는 방사선 파장이 그것을 통해 지나갈 수 있는 아크릴(acrylic) 또는 기술분야에서 보통의 기술을 가진 자에게 널리 알려진 물질과 같은 물질들로부터 선택될 수 있다.
상기 커넥션 엔드 캡 조립체(112)는 커넥션 엔드 캡(190) 및 커넥션 절연 블럭(192)을 가진다. 커넥션 엔드 캡(190)은 리플렉터 커버(108) 및 사이드 커버(110)에 고정되어 위치한다. 커넥션 절연 블럭(192)은 아세틸 폴리머(acetyl polymer), Delran™ 중 하나의 적당한 물질과 같은 전기적으로 절연인 물질로 구성된다. 그러나 기술분야에서 보통의 기술을 가진 자는 적당한 다른 물질들 또한 사용될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 피팅(fitting:194)은 냉각수의 소스(source)와 연결하고 워터 레일(106)에 냉각수의 입구 및 출구를 제공하기 위해 위해 커넥션 절연 블럭(192)에 부착될 수 있다. 피팅(194)은 사용되는 냉각수 및 워터 레일(106)이 냉각되고 유지되는 조건에 따라 변경될 수 있다.
상기 크로스오버 엔드 캡 조립체(114)는 크로스오버 엔드 캡(200) 및 커넥션 절연 블럭(202)을 포함한다. 크로스오버 엔드 캡(200)은 커넥션 절연 블럭(202)을 수용하고 위치를 정하는 슬롯(204)을 한정한다. 커넥션 절연 블럭은 Delran™ 또는 절연 블럭(192)에 대해 기술한 것과 같은 다른 적합한 절연 물질로 만들어질 수 있다. 커넥션 절연 블럭(202)은 슬롯(206)을 한정하며, 상기 슬롯(206)은 채널들(132,134) 중 하나의 채널에서 다른 채널로 나가는 냉각수를 안내하기 위해 치수결정되고 배치되며, 그렇게 함으로써 본 발명의 LED 장치(100)를 위한 냉각 회로를 제공하고 갖추게 된다. 유체를 새지않게 밀봉하는 것은 채널(132,134)의 각 개구에 있는 ○-링(도시되지 않음)에 의해 촉진될 수 있다. 절연 블럭의 한 기능은 LED 조립체(102), 냉각 다리(104), 워터 레일(106), 및 리플렉터 및 사이드 커버(108,110)를 제외한 인스턴트(instant) LED 장치의 나머지 부분은 냉각되지 않는 것이며, 그렇게 함으로써 원하는 온도로 유지되는 것을 필요로 하는 본 발명의 구성요소를 보다 효율적으로 냉각한다.
선택적인 도관(206)은 LED 조립체(102)에 전기를 공급하는 전선을 포함할 수 있다. 만약 존재한다면, 도관(206)은 또한 LED 장치를 지지 및 고정시키기 위한 수단을 제공할 수 있다. 도시되진 않았지만, 기술분야에서 보통의 기술을 가진 자는 워터 레일(106)에서 워터 레일(106)로 순환하는 냉각수를 공급 및 수용하기 위한 냉각수 공급 장치가 제공될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 냉각수 공급 장치는 예를 들어, 사용되는 냉각수와 원하는 냉각수 온도 및 유속에 따라 다양할 수 있다.
리플렉터 커버(108), 사이드 커버(110), 및 워터 레일(106)에서의 각 열 접촉(220,222,224)은 이러한 특징들과 냉각 다리(104) 사이에서 인접하는 접촉에 의해 이루어진다. 열과 같은 방사되는 에너지의 퍼센티지는 조사된 돌출부분(extrusion)(커버 106,108) 및 리플렉터(162)에 의해 흡수되어 이러한 외부 돌출부분의 원하지 않는 가열을 가져온다. 본 발명의 냉각 다리(106)는 리플렉터 커버(108) 및 사이드 커버(110)로부터 전도되는 원하지 않는 열이 냉각 다리(106)를 통해 히트 싱크인 워터 레일(106)로 가는 통로를 제공하며, 이로 인해 외부 돌출부분의 온도를 낮추게 된다.
냉각 다리(104)는 또한 리플렉터(162)를 지지하는 돌출부분을 정밀하게 조정하는 것에 의해 방사선 소스(LED 칩:122) 및 리플렉터(162) 사이의 동일한 광정렬(optical alignment)을 본 발명의 LED 장치의 길이를 따라 몇몇 장소에 있는 워터 레일(106)에 제공한다.
적절한 LED 조립체의 하나는 비경질 열가소성 폴리에테르미드(polyethermide)와 같은 내열성 및 전기적으로 절연인 합성수지에 장착된 복수의 LED 칩(102)을 가진다. 폴리에테르미드와 같은 적절한 하나는 Ultem®(SABIC Innovative Plastics)이다. 상기 내열성 합성수지는 열은 전도되지만 전기적으로 절연인 SARCON®과 같은 합성수지에 장착되거나 접착되며, 상기 합성수지는 구리 또는 알루미늄과 같은 열 및 전기 전도성인 판(124)에 접착되거나 연결된다.
상기에서 개시된 그것들에 더하여, 다른 적당한 폴리머 또는 인조 합성수지가 본 명세서에 전체로 참조에 의해 결합한 Handbook of Plastics, Elastomers, and Composites, Third Edition, Charles an Harper, Editor-in-Chief, McGraw-Hill New York(1996)에 개시되고 기술되어 있다.
기술분야에서 보통의 기술을 가진 자는 본 발명의 다양한 구현예에서 보여진 개별적인 구성성분들은 어느 정도 교체가능하고 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 다른 구현예에 추가되거나 또는 교체될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 사상을 벗어나지 않는 본 발명의 다양한 변경들이 만들어 질 수 있기 때문에, 본 발명의 범위는 설명되고 기술된 구현예에 제한되지 않는다. 오히려 본 발명의 범위는 첨부된 청구항 및 그것의 균등물에 의해 결정될 것이다.

Claims (20)

  1. LED 조립체;
    상기 LED 조립체에 연결되는 복수의 열 전도성 냉각 다리;
    상기 복수의 냉각 다리에 부착된 히트 싱크;
    상기 LED 조립체를 수용하는 리플렉터 커버에 의해 위치가 정해지며, 상기 LED 조립체로부터 방사선을 안내하기 위한 리플렉터;
    상기 리플렉터 커버의 일측에 고정되는 커넥션 엔드 캡; 및
    상기 리플렉터 커버의 타측에 고정되는 크로스오버 엔드 캡을 포함하는 LED 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히트 싱크로 냉각수를 유입 및 배출시키는 냉각수 공급 장치를 더 포함하는 LED 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 냉각수가 흐르기 위한 워터 레일 채널을 한정하는 워터 레일을 포함하는 LED 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 냉각 다리는 금속을 포함하고, 상기 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 커넥션 엔드 캡 및 상기 크로스오버 엔드 캡은 알루미늄 및 열적으로 절연인 물질을 포함하고,
    상기 열적으로 절연인 물질은 아세틸 폴리머를 포함하며 상기 히트 싱크와 접촉하는 LED 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 축 방향으로 한정된 복수의 워터 레일 채널을 가지는 워터 레일을 포함하는 LED 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 크로스오버 엔드 캡의 슬롯에 수용되는 커넥션 절연블럭을 더 포함하고,
    상기 커넥션 절연블록은 상기 워터 레일 채널들 중 하나의 워터 레일 채널에서 다른 워터 레일 채널로 나가는 냉각수를 안내하는 슬롯을 한정하는 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 커넥션 엔드 캡 및 크로스오버 엔드 캡에 부착되는 사이드 커버를 포함하는 LED 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 리플렉터 커버 및 사이드 커버 사이를 연장하는 윈도우를 더 포함하는 LED 장치.
  10. 복수의 LED 칩을 가지는 LED 조립체를 히트 싱크에 부착하는 단계;
    축 방향으로 형성된 채널 쌍을 가지는 상기 히트 싱크에 복수의 냉각 다리를 부착하는 단계;
    상기 LED 칩에서 방출하는 방사선을 안내하도록 리플렉터를 배치하는 단계; 및
    유체 회로를 형성하기 위해 커넥션 엔드 캡 및 크로스오버 엔드 캡을 상기 히트 싱크에 구비되는 워터 레일에 부착하는 단계;
    를 포함하는, 청구범위 1항의 LED 장치를 제조하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 LED 조립체를 수용하기 위한 리플렉터 커버와 사이드 커버를 상기 커넥션 엔드 캡과 상기 크로스오버 엔드 캡에 부착하는 단계;를 더 포함하는 LED 장치를 제조하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 리플렉터에서 반사된 방사선이 윈도우를 통해 지나가도록 상기 윈도우를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 리플렉터는 상기 리플렉터 커버에 배치된 것을 특징으로 하는 LED 장치를 제조하는 방법.
  13. 청구범위 제 3항의 LED 장치를 냉각하는 방법에 있어서,
    상기 방법은 상기 워터 레일에 형성된 축방향 채널 안에서 냉각수를 순환시키는 단계를 포함하는 LED 장치를 냉각하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 냉각수가 상기 크로스오버 엔드 캡 내로 순환되는 LED 장치를 냉각하는 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 냉각수는 상기 커넥션 엔드 캡에서 상기 워터 레일로 공급되는 LED 장치를 냉각하는 방법.
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