KR101633615B1 - 두개의 연결가능한 부재 사이에서의 열 전도를 위한 시스템 - Google Patents

두개의 연결가능한 부재 사이에서의 열 전도를 위한 시스템 Download PDF

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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

제1 부재(1)를 제2 부재(2)에 분리가능하게 연결하기 위한 시스템이 개시된다. 제1 부재(1)는 제2 부재(2)의 부분(5)에 의해 둘러싸이는 부분(4)을 포함한다. 상기 부분들(4, 5)은 두개의 부재(1, 2) 간에서 열을 전달하기 위해 서로 접촉하기 위해 열 전도성 재료의 표면들을 갖는다. 제1 부재(1)의 둘러싸인 부분(4)의 재료의 열 팽창 계수는 제2 부재(2)의 둘러싸는 부분(5)의 재료의 열 팽창 계수보다 크다. 구체적으로, 그러한 시스템은 LED 램프를 그 LED 램프를 위한 소켓과 분리가능하게 연결하기 위해 이용될 수 있다.

Description

두개의 연결가능한 부재 사이에서의 열 전도를 위한 시스템{A SYSTEM FOR HEAT CONDUCTION BETWEEN TWO CONNECTABLE MEMBERS}
본 발명은 제1 부재를 제2 부재에 분리가능하게(detachably) 연결하기 위한 시스템으로서, 제1 부재 및 제2 부재는 상기 시스템에 포함되며, 제1 부재는 두개의 부재가 서로 연결될 때 제2 부재의 부분에 의해 둘러싸이는 부분을 포함하고, 상기 부분들은 두개의 부재 간에서 열을 전달하기 위해 서로 접촉하기 위해 열 전도성 재료의 표면들을 갖고, 제1 부재의 둘러싸이는 부분 및 제2 부재의 둘러싸는 부분이 가열될 때 금속 표면들이 서로에 대해 눌려지도록, 제1 부재의 둘러싸이는 부분의 재료의 열 팽창 계수는 제2 부재의 둘러싸는 부분의 재료의 열 팽창 계수보다 큰 시스템에 관한 것이다.
시스템은 2개의 상호연결된 부재 간에서 열이 전달되어야 하는 어떠한 분리가능한 연결을 위해서도 이용될 수 있지만, 특히, 이 시스템은 LED 램프를 LED 램프용 소켓과 분리가능하게 연결하기 위해 이용될 수 있다. 본 명세서에서, "LED 램프"라는 표현은 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 및 베이스 부분 또는 플러그를 포함하며, 그 LED 램프를 유지하기 위해 베이스 부분이 소켓과 연결될 수 있는 램프를 위해 이용된다.
그러한 시스템은 US-A-2006/0050514에 개시되어 있다. 이 공개 공보는 종래의 백열 램프의 형상을 갖는 LED 램프를 기술한다. 램프는 LED를 둘러싸는 배(pear) 형상의 벌브를 포함한다. 램프의 베이스 부분은 금속 외측 표면을 가지며, 이 표면은 나사산(screw thread)을 구비한다. 베이스 부분은 나사산을 갖는 금속 내측 표면을 구비하는 램프 홀더인, 대응하는 소켓에 돌려서 고정될 수 있다(screwed). LED 및 그것의 구동 회로에 의해 발생된 열은 램프의 베이스 부분을 통해 소켓의 금속 내측 표면으로 전달된다.
LED들은 LED의 베이스 부분의 금속 표면이 LED에 의해 발생되는 열을 흡수할 수 있는 인쇄 회로 보드(PCB)의 부분에 접촉하도록 솔더링에 의해 PCB에 부착되는 경우가 많다. 그러나, LED 램프가, 예를 들어 다른 컬러를 갖는 LED 램프나 다른 광 강도를 갖는 LED 램프에 의해 교체될 수 있도록, PCB 또는 다른 LED 램프 캐리어에 대한 LED 램프의 분리가능한 연결이 필요하다. 특히, 밝은 광(bright light)의 LED들의 경우에서, 열 전달 용량이 비교적 높아야만 하여서, 비교적 넓은 접촉 영역, 또는 LED 램프의 베이스 부분과 그 LED 램프가 연결되는 소켓 간의 강건한 접촉이 요구된다.
본 발명의 목적은 제1 부재를 제2 부재에 분리가능하게 연결하기 위한 시스템으로서, 제1 부재는 두개의 부재가 서로 연결될 때 제2 부재의 부분에 의해 둘러싸이는 부분을 포함하며, 상기 부분들은 두개의 부재 간에서 열을 전달하기 위해, 열을 매우 잘 전달하는 방식으로 서로 접촉하기 위해 금속 표면들을 갖는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 LED 램프의 베이스 부분의 금속 표면이 소켓의 대응하는 금속 표면과 고도의 열 전도성 접촉을 이루도록, LED 램프를 소켓과 분리가능하게 연결하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적들 둘다를 달성하기 위해, 시작 문단에서 설명한 바와 같은 유형의 시스템은 부재들 중 하나가 LED 램프인 것을 특징으로 한다. 열 팽창 계수의 차이가 비교적 작은 경우에서도, 부재들의 상기 부분들이 가열되자마자, 두개의 금속 표면들 간에 집중적인 열 전도성 접촉이 존재할 것이다. 그러므로, LED 램프의 베이스 부분, 및 그 베이스 부분이 연결되는 소켓이 비교적 작을 수 있다. 예를 들어, 열 팽창 계수들의 적합한 차이가 달성되도록, 둘러싸이는 부분은 주로 구리 및 알루미늄을 포함하는 합금으로 만들어질 수 있고, 둘러싸는 부분은 주로 구리를 포함하는 합금으로 만들어질 수 있다. 이에 의해, 두개의 부재 간의 열 전도가 상당히 증가된다. 상호 접촉하는 표면들의 일부분이 상기 금속 표면들일 수 있지만, 바람직하게는 상기 부분들 둘다의 접촉 표면들 모두가 금속으로 만들어진다. 바람직하게는, 두개의 표면은 가능한 한 넓은 상호 접촉 영역을 갖는데, 이것은 제1 및 제2 부재의 접촉 표면들이 상호 대응하고 딱 맞게 하는 것에 의해 촉진된다. 예를 들어, 표면들은 직사각형, 정사각형, 원기둥체의 형상, 또는 포물선의 한 가지(branch)의 회전체의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 표면들이 매끄러우므로, 또는 예를 들어 표면들이 연성(soft) 재료로 만들어지므로 불규칙한 표면들을 따르도록 잘 맞으므로, 두개의 부재 간의 간격/공동의 발생은 가능한 한 많이 상쇄된다. 그러한 연성 재료는, 예를 들어 10±2의 쇼어 A 경도(Shore A hardness), 0.13-15㎜ 범위 내의 두께, 및 -50 내지 +220℃ 범위 내의 온도에서 적용될 수 있는 2.2W/mK의 열 전도율을 갖는 MAJR로부터의 열 관리 포일 재료(thermal management foil member) 6003 시리즈이다. 연성의 금속 유사(metal-like) 재료는 약 70℃의 용융점을 갖는 우드 메탈(Woods metal), 58℃의 용융점을 갖는 InCuBi 합금, 갈륨, 인듐, Indalloy 1E, Indalloy 117이다. 이러한 금속 화합물(metal-compounds) 전부는 30℃ 내지 200℃ 범위 내의 용융점을 가지며, 그들의 연성으로 인해, 부과된 표면 구조에 적응하며, 따라서 양호한 열 접촉을 보장한다.
두개의 부재의 재료는, 예를 들어 적절한 열 팽창 계수를 갖는 임의의 금속 또는 금속 합금, 금속 페이스트, 또는 금속기 복합재료(metal matrix composite)를 포함하는 Galinstan과 같은 금속 합금 페이스트일 수 있다. 예를 들어, 제1 부재의 둘러싸인 부분의 재료는 20℃에서 캘빈 온도(degree K) 당 약 23×10-6의 선형 열 팽창 계수를 갖는 알루미늄이고, 제2 부분의 둘러싸는 부분의 재료는 20℃에서 캘빈 온도 당 약 17×10-6의 선형 열 팽창 계수를 갖는 구리이다. 바람직하게는, 두개의 재료의 선형 열 팽창 계수의 차이는 20℃에서 캘빈 온도 당 3×10-6을 초과, 더 바람직하게는 20℃에서 캘빈 온도 당 6×10-6을 초과하여, 제1 부재와 제2 부재 간의 긴밀한 접촉을 더 촉진한다. 금속들은 비교적 작업하기가 쉽고, 쉽게 입수가능하며, 동시에, 두개의 부재 간에서 전기 접촉이 확립되는 것을 가능하게 하므로, 표면들은 금속으로 만들어지는 것이 바람직하다.
대안적으로, 실리콘 고무, Coolpoly®, 실리콘이 함침된 실리콘 카바이드(silicon carbide impregnated with silicon), 또는 SiC, Al2O3 또는 BN으로 채워진 EPDM(ethylene-propylene-diene terpolymer)이 열 전도성 재료로서 적용가능하다.
바람직하게는, 모든 열 전도성 재료가 적어도 1W/mK의 열 전도율을 가져서 용이한 냉각을 촉진하고, 더 바람직하게는, 열 전도율이 적어도 2.5W/mK 내지 10W/mK 또는 그보다도 더 높아서, 그들이 비교적 많은 열이 발생되는 고전력 응용들에 대해서도 잘 맞게 한다.
바람직한 실시예에서, 제1 부재의 상기 둘러싸인 부분은 점점 좁아지는(tapering) 외측 표면을 포함하고, 제2 부재의 상기 둘러싸는 부분은 대응하는 점점 좁아지는 내측 표면을 포함하며, 이 표면들은 부재들이 서로 연결될 때 서로 접촉한다. 좁아진다(tapering)는 것은 제1 부재의 둘러싸인 부분 및 제2 부재의 둘러싸는 부분의 단면 치수가, 둘러싸인 부분이 둘러싸는 부분 내에 삽입되는 방향으로 감소한다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 두개의 부재가 서로에 대해 어떠한 회전 위치에서도 상호연결될 수 있도록, 표면들 둘다가 일치하는(matching) 원뿔 형상 또는 원뿔대 형상을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 그러한 2개의 부분이 그 2개의 부분의 좁아지는 표면들 간의 마찰로 인해 한 부분이 다른 부분의 내부에 머무르도록, 2개의 좁아지는 표면들의 정점 각도(apex angle)는 비교적 작다. 이를 위해, 정점 각도는 바람직하게는 5°와 45° 사이, 더 바람직하게는 10°와 15° 사이이다. 정점 각도는 좁아지는 표면 상의 2개의 직선 사이의 최대의 각도이다.
베이스 부분은 오직 접촉하는 표면들의 마찰에 의해 소켓 내에 고정될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 제1 부재 및 제2 부재를 서로 연결된 상태로 유지하기 위해, 해제가능한 고정 수단(releasable fixation means)이 존재한다. 그러한 고정 수단은 바요넷(bayonet) 연결 또는 나사산 연결일 수 있지만, 바람직한 실시예에서, 상기 해제가능한 고정 수단은 부재들 중 하나에 부착되는 탄성 요소를 포함하는 소위 스냅 연결(snap connection)을 포함하며, 이 탄성 요소는 두개의 부재가 상호연결될 때 다른 부재의 대응하는 요소 뒤에 맞물린다(engaging). 이는, 두 부분의 표면이 원뿔형일 때, 두개의 부재가 서로에 대해 상이한 회전 위치들에서 상호연결되는 것을 가능하게 하는 단순한 연결 수단이다. 이것은 두개의 부재를 상호연결하는 동작을 단순하게 한다.
바람직하게는, 상기 해제가능한 고정 수단은 부재들 중 하나, 바람직하게는 제1 부재에 부착되어 다른 부재의 대응하는 요소에 맞물리는 탄성 요소를 포함한다.
삭제
바람직한 실시예에서, 둘러싸이는 부분을 포함하는 제1 부재는 LED 램프이고, 둘러싸는 부분을 포함하는 제2 부재는 LED 램프를 위한 소켓이다. LED 램프는 플러그를 형성하는 베이스 부분을 구비하고, 소켓은 플러그에 대응하는 홀을 구비하여 플러그가 소켓의 홀 내에 삽입되게 할 수 있다.
LED 램프와 소켓 간의 열 전도성 접촉과는 별도로, LED 램프에 전기 전력을 공급하기 위해, 전기 전도성 접촉도 존재한다. US-A-2006/0050514에 기술된 시스템의 경우에서와 같이, 전기 접촉 요소들은 열 전도성 접촉 표면들 내에 통합될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, LED 램프는, LED 램프와 소켓이 서로 연결될 때 소켓의 2개의 대응하는 전기 접촉 요소에 접촉하는 2개의 전기 접촉 요소를 포함한다.
본 발명은 또한 LED 램프로부터 소켓으로 열을 전달하기 위해 소켓의 대응하는 금속 내측 표면에 접촉하기 위한 금속 외측 표면을 갖는 베이스 부분을 포함하는 LED 램프에 관한 것으로, 금속 외측 표면은 점점 좁아지는 형상을 가지며, 외측 표면의 단면 치수는 LED 램프의 LED로부터 멀어지는 방향으로 감소한다.
본 발명은 또한 LED 램프의 베이스 부분의 대응하는 금속 외측 표면에 접촉하기 위한 금속 내측 표면을 포함하는 소켓에 관한 것으로, 금속 내측 표면은 점점 좁아지는 형상을 가지며, 내측 표면의 단면 치수는 LED 램프가 소켓 내에 삽입되어야 하는 방향으로 감소한다.
이하에서는, LED 램프 및 그 LED 램프를 위한 소켓의 실시예에 관한 설명에 의해 더 분명해질 것이며, 도해들(diagrammatic Figures)을 포함하는 도면들이 참조된다.
도 1은 LED 램프가 그것의 소켓 내에 있는 것의 사시도이다.
도 2는 LED 램프가 소켓으로부터 들어올려진 것의 도면이다.
도 3은 LED 램프의 플러그와 소켓의 단면도이다.
도 4는 소켓으로부터 약간 들어올려진 플러그를 도시한 것이다.
도 5는 플러그의 단면도이다.
도 6은 소켓의 단면도이다.
도면들은 설명되는 실시예를 명확하게 하는 데에 기여하는 부분들만을 도시한 개략적인 표현이다.
도 1 및 도 2는 LED 램프(1), 및 LED 램프(1)를 위한 램프 홀더인 소켓(2)을 도시하고 있다. LED 램프(1)는 LED(3), 및 베이스 부분 또는 플러그(4)를 포함한다. 플러그(4)는 원뿔 형상을 가지며, 알루미늄으로 만들어진다. 플러그(4)의 원뿔형 외측 표면은 소켓(2)의 대응하는 원뿔형 내측 표면(5)(도 2 참조)에 맞는다. 소켓은 구리로 만들어지며, 원주방향 홈(circumferential groove)(7)을 갖는 플라스틱 링(6)을 구비한다. 플러그(4)의 원뿔형 외측 표면은, 플러그(4)가 소켓(2) 내에 삽입될 때 소켓(2)의 원뿔형 내측 표면(5)에 접촉한다. 플러그(4)가 가열될 때, 플러그(4)의 재료와 소켓(2)의 재료의 열 팽창 계수들의 차이로 인해, 플러그(4)의 팽창은 소켓(2)의 열 팽창보다 크다.
LED 램프(1)는 2개의 탄성 요소(8)를 포함하는데, 플러그(4)가 소켓(2) 내에 유지되도록, 요소(8)들은 소켓(2)의 플라스틱 링(6)의 홈(7)과 협동할 수 있다. 도 1은 LED 램프(1)가 소켓(2)에 대하여 약간 들어올려진 위치에 있는 것을 도시하며, 도 2는 LED 램프(1)가 더 들어올려진 위치에 있는 것을 도시한다.
도 3-5는 LED 램프(1)의 플러그(4)와 소켓(2)의 개략적인 단면도이다. 도 3은 소켓(2) 내에 완전하게 삽입되는 플러그(4)를 도시한 것이고, 도 4는 도 1에 대응하는 것으로서, 플러그(4)가 소켓(2)으로부터 약간 들어올려진 위치를 도시하고 있다. 플러그(4)의 상단에는, 2개의 탄성 요소(8)를 갖는 금속 부재(9)가 있다. 부재(9)는 플러그(4) 상에 용접되고, 그것의 상측에 LED(3)를 두는데, LED(3)는 도 3-5에는 나타나 있지 않다.
LED에 전기 전류를 공급하기 위한 접촉 요소들은 도면들에 나타나지 않는다. 이러한 접촉 요소들은 2개의 탄성 요소(8) 내에, 및 플라스틱 링(6) 내에 통합될 수 있다.
소켓(2)의 하부 금속 표면이, LED에 의해 발생되는 열을 흡수할 수 있는 인쇄 회로 기판(PCB)의 부분에 접촉하도록, 소켓(2)은 솔더링 또는 나사연결(screwing)에 의해 PCB에 부착될 수 있다. LED에 의해 발생되는 열은 플러그(4) 및 소켓(2)의 재료를 통해 PCB에 전달된다.
본 발명이 도면 및 상기의 설명에서 도시되었지만, 이러한 도시 및 설명은 제한적인 것이 아니라, 예시 또는 사례로서 고려되어야 하며, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않는다. 상호 다른 종속 청구항들에서 특정한 수단들이 인용되었다는 단순한 사실이, 이러한 수단들의 조합이 유리하게 이용될 수 없음을 나타내지는 않는다. 청구항들 내의 어떠한 참조 부호도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.

Claims (12)

  1. 제1 부재(1)를 제2 부재(2)에 분리가능하게 연결하기 위한 시스템으로서,
    상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 상기 시스템에 포함되며, 상기 제1 부재(1)는 두개의 부재(1, 2)가 서로 연결될 때 상기 제2 부재(2)의 부분(5)에 의해 둘러싸이는 부분(4)을 포함하고, 상기 부분들(4, 5)은 상기 두개의 부재(1, 2) 간에서 열을 전달하기 위해 서로 접촉하기 위해 적어도 부분적으로 열 전도성 재료로 만들어진 표면들을 가지며, 상기 제1 부재(1)의 상기 둘러싸인 부분(4) 및 상기 제2 부재(2)의 상기 둘러싸는 부분(5)이 가열될 때, 상기 표면들이 서로에 대해 눌려지도록, 상기 둘러싸인 부분(4)의 재료의 열 팽창 계수는 상기 둘러싸는 부분(5)의 재료의 열 팽창 계수보다 크며, 상기 부재들 중 하나는 LED 램프(1)인 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면들은 완전히 상기 열 전도성 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열 전도성 재료는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 부재(1)의 상기 둘러싸인 부분(4)은 점점 좁아지는(tapering) 외측 표면을 포함하고, 상기 제2 부재(2)의 상기 둘러싸는 부분은 대응하는 점점 좁아지는 내측 표면(5)을 포함하며, 상기 표면들은 상기 부재들(1, 2)이 서로 연결될 때 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 표면들은 원뿔 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 점점 좁아지는 표면들의 정점 각도(apex angle)는 5°와 45° 사이인 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 부재(1) 및 상기 제2 부재(2)를 서로 연결된 상태로 유지하기 위해, 해제가능한 고정 수단(releasable fixation means)(7, 8)이 존재하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 해제가능한 고정 수단은 상기 부재들 중 한 부재(1)에 부착되어 다른 부재(2)의 대응하는 요소(7)에 맞물리는(engaging) 탄성 요소(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 부재는 상기 LED 램프(1)이고, 상기 제2 부재는 상기 LED 램프(1)를 위한 소켓(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 따른 시스템에서 사용하기 위한 LED 램프로서,
    상기 LED 램프(1)로부터 소켓(2)으로 열을 전달하기 위해 상기 소켓(2)의 대응하는 금속 내측 표면(5)에 접촉하기 위한 금속 외측 표면을 갖는 베이스 부분(4)을 포함하고,
    상기 금속 외측 표면은 점점 좁아지는 형상을 가지며, 상기 외측 표면의 단면 치수는 상기 LED 램프(1)의 LED(3)로부터 멀어지는 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 LED 램프.
  11. 제9항에 따른 시스템에서 사용하기 위한 소켓으로서,
    LED 램프(1)의 베이스 부분(4)의 대응하는 금속 외측 표면에 접촉하기 위한 금속 내측 표면(5)을 포함하고,
    상기 금속 내측 표면(5)은 점점 좁아지는 형상을 가지며, 상기 내측 표면의 단면 치수는 상기 LED 램프(1)가 상기 소켓(2) 내에 삽입되어야 하는 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 소켓.
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