KR102413940B1 - 열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대용량 엘이디 등기구에서 발생하는 열이 냉매와의 열교환을 통해 배출되도록 하여 방열 효과를 향상시킴과 아울러 냉매가 기화 및 액화에 따른 비중 차이에 의한 자연대류를 통해 순환되도록 하여 전체적인 중량을 감소시킴으로써 추락 사고 등을 예방하고 유지비용을 절감할 수 있게 됨은 물론 냉매의 급격한 온도 변화로 인한 냉매배관의 열충격을 방지하고 냉매가 원활하게 순환할 수 있도록 한 열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 관한 것으로,
플루오르화케톤으로 이루어진 냉매의 순환을 이용하는 냉각장치에 있어서, 수직방향 또는 경사방향으로 배치되는 발열체(50)의 배면에 부착되고, 하단부의 냉매유입구(11)와 상단의 냉매배출구(12)가 지그재그 형태 또는 계단 형태로 연결되고 상변화물질을 이용하여 열충격을 흡수하는 복수의 열충격흡수부(13)가 설치된 냉매유로(15)를 구비하여 발열체(50)의 열을 흡수하며, 냉매유로(15)가 하측의 냉매유입구(11)에서 상측의 냉매배출구(12)로 갈수록 단면적이 감소하는 형태로 형성된 흡열부재(10); 열교환을 통해 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매를 응축시켜 액화시킨 후 중력을 이용하여 흡열부재(10)에 공급하며, 흡열부재(10)에 비해 상대적으로 높은 위치에 설치되는 방열라디에이터(20); 흡열부재(10)의 냉매유입구(11)와 방열라디에이터(20)를 연결하여 상측에 위치한 방열라디에이터(20)의 액상냉매가 중력에 의해 하측에 위치한 흡열부재(10)에 공급되는 통로를 형성하는 냉매주입관(32); 흡열부재(10)의 냉매배출구(12)와 방열라디에이터(20)를 연결하여 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매가 상변화에 따른 압력에 의해 흡열부재(10)로부터 방열라디에이터(20)로 배출되는 통로를 형성하는 냉매배출관(31); 및 상기 냉매주입관(32)과 냉매배출관(31)을 연결하여 냉매배출관(31)으로 배출되는 냉매의 일부가 냉매주입관(32)으로 바이패스되도록 하는 바이패스 유로(33)에 설치되어 냉매배출관(31)으로 배출되는 냉매의 압력이 설정치를 초과하는 경우에만 냉매의 일부가 바이패스 유로(33)를 통해 바이패스되도록 하는 압력댐퍼(35);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구{Double Diffusion Natural Convection Ciculation-type Cooling Device including Thermal Shock Absorber and Large Capacity LED Luminaire using the Same}

본 발명은 열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투광기나 경기장 조명등과 같은 대용량 엘이디 등기구에서 발생하는 열이 냉매와의 열교환을 통해 배출되도록 하여 방열 효과를 향상시킴과 아울러 냉매가 기화 및 액화에 따른 비중 차이에 의한 자연대류를 통해 순환되도록 하여 전체적인 중량을 감소시킴으로써 추락 사고 등을 예방하고 유지비용을 절감할 수 있게 됨은 물론 냉매의 급격한 온도 변화로 인한 냉매배관의 열충격을 방지하고 냉매가 원활하게 순환할 수 있도록 한 열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 관한 것이다.

일반적으로 엘이디(LED; Light Emitting Diode)는 전력소비가 적고, 수명이 긴 장점을 갖고 있는 광원 소자로 알려져 있다. 이러한 엘이디 소자를 등기구에 적용하게 되면, 등기구의 소비전력을 낮춰 줄 수 있는 장점이 있다. 특히, 최근 반사갓 기술의 발달로 인해 엘이디를 이용하고도 기존 할로겐 램프 또는 수은등에 버금가는 조도를 제공하는 등기구를 제공할 수 있게 되었다.

한편, 상기 엘이디를 이용한 등기구는 경관조명등, 신호등, 가로등, 터널등, 투광등, 경광조명등 등 다수가 제공되고 있다. 그런데, 엘이디 등기구는 다수의 엘이디 소자가 결합된 기판을 밀폐된 등기구의 내부에 결합한 상태에서 다수의 엘이디 소자에 전원을 공급하도록 하고 있어, 등기구의 내부 공기는 엘이디 소자의 열손실에 의해 고열이 되고, 그 고열에 의해 엘이디 소자의 수명이 단축되거나 또는 파손되는 문제점이 있다. 이에 따라, 엘이디용 등기구에는 기판의 열을 신속하게 배출할 수 있도록 하는 방열구조체가 설치된다.

엘이디 조명등은 다수의 엘이디 소자가 구비된 기판으로 이루어진 엘이디모듈이 바디의 내부에 수용된 형태로 구성되고 있는데, 엘이디모듈을 형성하는 기판에서는 많은 열이 발생하고 있다. 즉, 기판에는 엘이디 등의 발열소자가 실장되고 있으며, 이들의 작동 과정에서 많은 열이 발생한다. 특히, 발광다이오드와 같은 광소자의 경우에는 매우 많은 열을 발생하게 된다. 따라서, 발열소자가 실장된 회로기판에서 원활한 방열이 이루어지지 않으면, 기판 자체의 온도가 상승하여 발열소자의 오작동 및 동작불능이 야기되고, 이는 제품의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.

따라서, 플라스틱 등의 절연재 또는 알루미늄과 같은 금속으로 이루어진 기판에 별도의 방열구조체를 부착하는 방식으로 방열 문제를 해결하고 있으며, 경우에 따라 기판을 구성하는 알루미늄 판재나 엔지니어링 플라스틱에 방열 기능성 도료를 직접 코팅함으로써 방열이 이루어지도록 하거나, 압출 방식으로 기판을 형성할 때 알루미늄 판재 또는 압출제에 방열 기능성 도료를 코팅함으로써 방열이 이루어지도록 하고 있다.

그러나 다수의 엘이디 소자가 구비된 엘이디 모듈이 복수개 설치된 대용량 등기구의 경우에는 기존의 공랭식 방열구조를 채용할 경우에는 방열이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 즉, 기존의 공랭식 방열구조는 대략 200W급 이하의 소형 등기구에는 적당하였지만, 200W급 이상의 대용량 엘이디 등기구에서는 충분한 방열을 위해 방열판의 면적 및 무게가 급격히 증가하는 문제가 발생한다. 이에 따라 대용량 등기구의 경우에는 큰 면적과 무게가 나가는 공랭식 방열구조가 아닌 팬(Fan)과 순환펌프를 이용하는 수냉식 방열구조를 적용하고 있다.

하지만, 대용량 등기구에 수냉식 방열구조를 채용하게 되면, 냉매의 순환을 위한 펌프 등의 설비가 필요하게 되어 추가적인 소비전력이 필요하고, 이로 인해 광효율이 저하 될 뿐만 아니라, 안정적인 지지구조를 위해 전체적으로 중량이 무거워지게 되며, 이로 인해 설치 위치로부터의 추락 안전사고가 발생할 수 있음은 물론 원하는 위치에 설치가 어려워지는 문제가 발생한다.

이에 따라, 본 출원인은 냉매의 기화 및 액화에 따른 비중 차이에 의한 자연대류를 통해 냉매가 순환되도록 하여 전체적인 중량을 감소시켜 추락 사고 등을 예방하고 유지비용을 절감할 수 있게 되는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 등기구를 출원하여 특허 제1237238호(특허문헌 5)로 등록받은 바 있다.

그러나, 상기한 선등록 특허의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치에서는 흡열부재의 냉매유로가 냉매유입구에서 냉매배출구로 갈수록 직경이 증가하는 형태로 형성되어 냉매가 원활하게 유동하지 않게 되는 현상이 발생하고, 냉매의 순환과정에서 냉매의 상변화에 따라 비등히스테리시스 손실이 발생하며 발열체가 오프될 경우 냉매가 급격하게 냉각되는 등 상변화에 따른 열충격어 발생하게 되는 문제점이 있다.

한편, 본 발명과 관련한 선행기술을 조사한 결과 다수의 국내외 특허문헌이 검색되었으며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다,

특허문헌 1은, 상면에 다수의 엘이디소자가 실장된 기판; 기판을 지지하는 동시에 액상의 열매체를 수용할 수 있는 기판케이싱과, 엘이디소자에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하는 전구본체; 상기 기판케이싱에 수용된 열매체를 순환시킴으로써 상기 기판과 상기 열매체 간에 열교환이 일어나도록 하는 열매체순환부; 및 상기 전구본체 및 열매체순환부를 천정 또는 벽에 매달거나 바닥에 설치하기 위한 지지체를 포함하며, 액상의 열매체를 이용한 수냉식을 채용하여 엘이디 전구의 방열성능을 행상시킬 수 있도록 한 수냉식 엘이디 조명장치를 개시하고 있다,

특허문헌 2는, 전열이 발생되는 전자부품의 표면에 접착 구성된 흡열챔버와, 흡열챔버의 내부에 내입되는 비등점이 낮은 플루오르화케톤액으로 이루어진 냉매와, 흡열챔버에서 기화된 냉매가 상승 대류에 의해서 이송되도록 흡열챔버의 설치 위치보다 높은 위치에 고정 설치된 열교환기와, 열교환기의 일측에 고정 설치된 방열팬과, 흡열챔버의 기화배출구와 열교환기의 유입구에 양단이 연결 설치된 기화순환호스와, 열교환기의 유출구와 흡열챔버의 액화투입구에 양단이 연결 설치된 액화순환호스로 이루어지며, 냉각효율이 월등하고 냉매의 자체 대류현상만을 이용함에 따라 펌프를 사용할 필요가 없고 냉매가 누출되더라도 쇼트를 일으키지 않아 전자제품의 고장방지 및 화재 예방으로 안전성을 극대화시킬 수 있는 등 다수의 효과를 기대할 수 있는 전자부품용 대류 순환형 냉각장치를 개시하고 있다.

특허문헌 3은, 상면에 다수의 엘이디소자가 실장되는 엘이디 기판; 상기 엘이디 기판과 결합되는 것으로서, 상기 엘이디 기판과의 사이에 액상의 열매체를 수용할 수 있는 열교환챔버가 마련되도록 하는 냉각케이스; 상기 냉각케이스의 상기 열교환챔버 내부로 액상의 열매체를 순환 공급시키기 위한 열매체 공급부; 상기 열교환챔버를 통과하여 배출되는 열매체를 냉각시키기 위한 냉각팬; 상기 냉각케이스, 열매체 공급부 및 냉각팬을 수용하여 설치하기 위한 수용부와 가로등의 지주에 연결시키기 위한 지주연결부를 가지는 케이싱;을 포함하며, 방열효과가 획기적으로 개선되어 엘이디 소자가 안정적으로 기동하게 하고 엘이디의 수명을 연장시킬 수 있도록 한 수냉식 냉각수단을 구비한 엘이디를 이용한 가로등을 개시하고 있다.

특허문헌 4는, 발열소자로부터 열을 수열하는 제1 및 제2수열부와, 제1수열부에 의해 수여로딘 열을방열하는 제1방열부와 제2수열부에 의해 집열된 열을 방열하는 제2방열부를 구비하고, 제1 및 제2방열부는 평판형상이며, 평판형상의 주면에 대하여 대략 수직방향으로 공기가 투과하는 구성을 가지고, 상기 제1방열부에서 평판형상의 주면인 제1의 주면과 제2방열부에서 주면인 제2의 주면이 서로 마주보도록 배치됨으로써, 발열소자에서 발생하는 열을 방열하는 기능을 저하시키지 않으면서 소형화가 가능한 냉각장치와 전자장치를 개시하고 있다.

KR 10-1237283 B1 KR 10-2014-0055824 A KR 10-1406836 B1 WO 2015-107899 A1 KR 10-1237283 B1

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 투광기나 경기장 조명등과 같은 대용량 엘이디 등기구에서 발생하는 열이 냉매와의 열교환을 통해 배출되도록 하여 방열 효과를 향상시킴과 아울러 냉매가 기화 및 액화에 따른 비중 차이에 의한 자연대류를 통해 순환되도록 하여 전체적인 중량을 감소시킴으로써 추락 사고 등을 예방하고 유지비용을 절감할 수 있는 기존 제품의 효과를 유지하면서도 냉매의 급격한 온도 변화로 인한 냉매배관의 열충격을 방지하고 냉매가 원활하게 순환할 수 있도록 한 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 등기구를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치는, 플루오르화케톤으로 이루어진 냉매의 순환을 이용하는 냉각장치에 있어서, 수직방향 또는 경사방향으로 배치되는 발열체의 배면에 부착되며, 하단부의 냉매유입구와 상단의 냉매배출구가 U자 형태로 연결되고 상변화물질을 이용하여 열충격을 흡수하는 복수의 열충격흡수부가 설치된 냉매유로를 구비하여 발열체의 열을 흡수하고, 냉매유로가 하측의 냉매유입구에서 상측의 냉매배출구로 갈수록 단면적이 감소하는 형태로 형성된 흡열부재; 열교환을 통해 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매를 응축시켜 액화시킨 후 중력을 이용하여 흡열부재에 공급하며, 흡열부재에 비해 상대적으로 높은 위치에 설치되는 방열라디에이터; 흡열부재의 냉매유입구와 방열라디에이터를 연결하여 상측에 위치한 방열라디에이터의 액상냉매가 중력에 의해 하측에 위치한 흡열부재에 공급되는 통로를 형성하는 냉매주입관; 흡열부재의 냉매배출구와 방열라디에이터를 연결하여 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매가 상변화에 따른 압력에 의해 흡열부재로부터 방열라디에이터로 배출되는 통로를 형성하는 냉매배출관; 및 상기 냉매주입관과 냉매배출관을 연결하여 냉매배출관으로 배출되는 냉매의 일부가 냉매주입관으로 바이패스되도록 하는 바이패스 유로에 설치되어 냉매배출관으로 배출되는 냉매의 압력이 설정치를 초과하는 경우에만 냉매의 일부가 바이패스 유로를 통해 바이패스되도록 하는 압력댐퍼;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치에 따르면, 상기 열충격흡수부는 흡열부재에 형성된 냉매유로의 고압부에 일정 간격으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치에 따르면, 상기 열충격흡수부는 고체와 액체의 상변화를 통해 열충격을 흡수하는 파라핀계 유기 PCM이 충전되어 이루어지고, 파라핀계 유기 PCM은 냉매의 순환이 이루어지기 전에 먼저 열을 흡수하여 30~60℃에서 용융되어 열충격을 흡수하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치에 따르면, 상기 방열라디에이터는 케이스에 복수개의 응축모듈이 병렬로 설치되어 이루어지고, 냉매배출관이 연결된 방열입구관과 냉매주입관에 연결되는 방열출구관이 각각의 응축모듈에 가지관으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 대용량 엘이디 등기구는 상기한 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치를 구비하며, 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치의 전면에 설치되는 발열체가 다수의 LED를 구비한 LED 모듈이 하나 이상 설치되어 조명을 형성하는 조명조립체로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구는 수냉식 냉각구조로서 냉각효율이 공랭식 냉각구조에 비해 대폭 향상되면서도 자연대류를 통해 냉매가 순환되도록 함에 따라 펌프 등을 사용하지 않게 되어 추가되는 소비전력이 없어 광효율 손실이 없게 되고, 무게 감소로 인해 추락 사고 등의 위험이 방지되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 따르면, 흡열부재에 구비되는 냉매유로가 하측의 냉매유입구에서 상측의 냉매배출구로 갈수록 단면적이 감소하는 형태로 형성되는 등 냉매회로의 구조가 최적화되어 기화된 냉매로 인한 압력 상승에도 냉매회로가 파손되지 않게 되고, 냉매유로에 열충격흡수부가 구비되어 는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 따르면, 냉매유로에 파라핀계 유기 PCM으로 이루어진 상변화물질이 채워진 열충격흡수부가 구비되어 상변화물질의 상변화를 통해 냉매가 기화되거나 냉각되는 과정에서 범퍼 역할을 수행함에 따라 냉매의 급격한 온도 변화로 인한 열충격이 해소되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 따르면, 냉매배출구를 통해 냉매배출관으로 배출된 혼합냉매 중 액상냉매를 냉매주입관으로 바이패스시킴에 따라 방열라이에이터로 유입되는 냉매의 압력이 감소하여 과도한 압력으로 인해 방열라디에이터가 파손되는 것을 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 따르면, 방열라디에이터에 복수의 응축모듈이 병렬 설치됨에 따라 응축 길이가 짧아져 냉매의 흐름 저항이 감소하게 되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 따르면, 바이패스 유로에 압력댐퍼가 구비됨에 따라 방열라디에이터의 압력을 설정치 이하로 유지할 수 있게 됨은 물론 불필요한 바이패스로 인한 냉각효율의 저하가 방지되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 따르면, 수냉식 냉각구조로 인해 방열효율이 향상됨에 따라 등기구에 구비되는 LED 모듈의 내구성이 향상되어 수명이 증가하게 되며, LED 모듈에 구비된 반도체소자나 LED 등의 발열소자가 오작동하는 일이 최소화되어 제품에 대한 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 따르면, 수냉식 냉각구조로 인해 방열효율이 향상되면서도 펌프 등의 부가시설을 사용하지 않음에 따라 추가적인 전력 손실이 발생하지 않고 조명의 광효율 저하가 없을 뿐 아니라, 전체적인 하중이 감소하여 높은 곳에 설치하더라도 추락 사고 등이 발생하지 않아 다양한 용도로 사용할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치가 도시된 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치의 흡열부재에 형성된 냉매유로를 나타낸 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치의 흡열부재에 형성된 냉매유로의 다른 예를 나타낸 참고도.
도 4는 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치의 방열라디에이터의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치가 구비된 대용량 엘이디 등기구가 도시된 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치 및 이를 이용한 대용량 엘이디 등기구에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 발명의 기술적 사항에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

아울러, 본 발명의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예이다.

그리고, 아래 실시예에서의 선택적인 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이에, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한, 도 1은 본 발명에 따른 열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치가 도시된 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치의 흡열부재에 형성된 냉매유로를 나타낸 확대도이며, 도 3은 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치의 흡열부재에 형성된 냉매유로를 다른 예를 나타낸 참고도이고, 도 4는 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치의 방열라디에이터의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도이며, 도 5는 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치가 구비된 대용량 엘이디 등기구가 도시된 구성도이다.

본 발명에 따른 열충격흡수부를 포함하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 플루오르화케톤으로 이루어진 냉매의 순환을 이용하는 냉각장치로서, 흡열부재(10)와 방열라디에이터(20), 냉매주입관(31), 냉매배출관(32) 및 압력댐퍼(35)를 포함하여 이루어진다.

상기 흡열부재(10)는 수직방향 또는 경사방향으로 배치되는 발열체(50)의 배면에 부착되는 것으로, 냉매유로(15)를 구비하여 발열체(50)의 열을 흡수하게 된다. 이때, 상기 흡열부재(10)에 구비되는 냉매유로(15)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉매유입구(11)에서 냉매배출구(12)로 갈수록 직경(또는 단면적)이 감소하는 U 자 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 냉매가 발열체(50)의 열을 흡수하여 기화됨으로써 체적이 증가하고 압력이 대폭 상승함으로써 냉매배출구(12)를 통해 빠르게 배출될 때, 냉매유입구(11)에서 냉매배출구(12)로 갈수록 냉매유로(15)의 직경(또는 단면적)을 감소함에 따라 냉매배출구(12)에서의 유동 속도인 배출속도를 가속화하기 위한 것이다.

이때, 상기 냉매유로(15)는 도 3에 도시된 바와 같이 지그재그 형태로 설치되는 코일로 이루어질 수도 있고, 평판형태로 형성되는 흡열부재(10)에 형성되는 지그재그 형태 또는 계단 형상의 홀로 이루어질 수도 있다. 다만, 흡열부재(10)에 홀의 형태로 형성하는 경우에는 냉매유로(15)를 형성하는 홈이 형성된 두 부재를 맞대어 형성하되, 냉매유로(15)의 양측에 실링부를 두어 냉매가 유실되지 않도록 구성하여야 한다. 따라서 냉매유입구(11)를 통해 유입된 냉매가 발열체(50)의 열을 흡수하여 기화되면서 압력이 급격히 증가하여 냉매배출구(12)를 통해 빠르게 빠져나가게 된다.

그리고 상기 흡열부재(10)의 냉매유로(15)에는 상변화물질을 이용하여 열충격을 흡수하는 복수의 열충격흡수부(13)가 설치되는 것이 바람직하며, 상기 열충격흡수부(13)는 흡열부재(10)에 형성된 냉매유로(15)의 고압부에 일정 간격으로 설치되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 열충격흡수부(13)는 용융잠열을 이용하여 냉매의 상변화에 따른 열충격을 해소하기 위한 것으로, 고체와 액체의 상변화를 통해 열충격을 흡수하는 파라핀계 유기 PCM(Phase Change Material)이 충전되어 이루어진다. 이때, 파라핀계 유기 PCM은 플루오르화케톤으로 이루어진 냉매의 순환이 이루어지기 전에 먼저 열을 흡수하여 30~60℃에서 용융됨으로써 냉매의 급격한 기화에 따른 열충격을 흡수하게 된다. 그리고 발열체(50)의 전원이 오프되면 응고되면서 보유하고 있던 잠열을 방출하여 냉매가 급격하게 냉각되지 않도록 함으로써 냉매의 급격한 액화로 인한 열충격을 흡수하게 된다.

상기한 파라핀계 유기 PCM은 화학적으로 매우 안정된 물질로서 내부식성과 방습성이 우수하여 다양한 외부환경에 노출되더라도 안전하게 사용할 수 있고, 열사이클의 반복시에도 상변화온도와 잠열량이 균일하게 유지되므로 장기적인 사용이 가능한 장점이 있다. 그리고 파라핀계 유기 PCM은 30~60℃에서 용융을 시작하지만 열전도도가 낮아 완전 용융시까지 오랜 시간 동안 냉매의 부하를 줄여주게 되며, 플루오르화케톤으로 이루어진 냉매의 기화온도에 비해 높은 끓는점을 가짐으로써 냉매 순환시 냉매의 최대온도 도달의 범퍼 역할을 수행하게 된다.

상기 방열라디에이터(20)는 열교환을 통해 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매를 응축시켜 액화시킨 후 중력을 이용하여 흡열부재(10)에 공급하는 것으로, 흡열부재(10)에 비해 상대적으로 높은 위치에 설치된다. 이때, 상기 방열라디에이터(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 케이스(21)에 복수개의 응축모듈(25)이 병렬로 설치되어 이루어지는 것이 바람직하며, 냉매배출관(31)이 연결된 방열입구관(22)과 냉매주입관(32)에 연결되는 방열출구관(23)이 각각의 응축모듈(25)에 가지관(24)으로 연결된다.

이와 같이, 방열라디에이터(20)의 응축모듈이 병렬로 설치되면, 응축모듈이 소형화되어 냉매유로가 짧아지게 되어 냉매의 유동저항이 감소하게 되고, 이로 인해 냉매가 끊임없이 연속적으로 순환할 수 있게 된다.

상기 냉매배출관(31)은 흡열부재(10)의 냉매배출구(12)와 방열라디에이터(20)를 연결하는 것으로, 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매가 상변화에 따른 압력에 의해 흡열부재(10)로부터 방열라디에이터(20)로 배출되는 통로를 형성하게 된다. 그리고 상기 냉매주입관(32)은 흡열부재(10)의 냉매유입구(11)와 방열라디에이터(20)를 연결하는 것으로, 상측에 위치한 방열라디에이터(20)의 액상냉매가 중력에 의해 하측에 위치한 흡열부재(10)에 공급되는 통로를 형성하게 된다.

상기 압력댐퍼(35)는 냉매주입관(32)과 냉매배출관(31)을 연결하여 냉매배출관(31)으로 배출되는 냉매의 일부가 냉매주입관(32)으로 바이패스되도록 하는 바이패스 유로(33)에 설치되는 것으로, 냉매배출관(31)으로 배출되는 냉매의 압력이 설정치를 초과하는 경우에만 냉매의 일부가 바이패스 유로(33)를 통해 바이패스되도록 하게 된다. 이때, 상기 바이패스 유로(33)는 고압의 혼합냉매가 배출되는 냉매배출관(31)에 최대한 근접하여 배치됨으로써 혼합냉매 중의 액상냉매가 바이패스 유로(33)를 통해 냉매주입관(32) 측으로 유입되도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 바이패스 유로(33)를 형성하는 이유는, 냉매배출관(31)을 통과하는 혼합냉매 중의 액상냉매가 기화하면서 급격하게 상승한 냉매의 압력으로 인해 방열라디에이터(20) 등이 파손되는 것을 방지하기 위한 것이다. 상기 바이패스 유로(33)를 형성하게 되면, 바이패스 유로(33)를 통해 냉매주입관(31)으로 유입된 혼합냉매 중의 기상냉매는 냉매주입관(32)을 따라 흐르는 액상냉매에 의해 급격히 냉각되어 액상냉매로 변화하게 되므로, 상기 냉매배출관(31)과 냉매주입관(32)의 압력 차이로 인해 별도의 역류방지장치를 설치하지 않더라도 냉매주입관(32)의 냉매가 냉매배출관(31)으로 역류하지 않게 된다.

이에 따라, 방열라디에이터(20)에 공급된 혼합냉매의 과도한 압력으로 인해 방열라디에이터(20)가 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다. 그리고, 바이패스 유로(33)에 압력댐퍼(35)가 설치됨에 따라, 방열라디에이터(20)로 공급되는 혼합냉매의 압력을 설정치 이하로 유지할 수 있게 됨은 물론 불필요한 바이패스로 인한 냉각효율의 저하가 방지된다.

여기서, 상기 방열라디에이터(20)를 흡열부재(10)에 비해 높은 위치에 배치하는 이유는 흡열부재(10)의 냉매가 발열체(50)의 열을 흡수하여 일부가 기화함으로써 압력은 높고 비중이 낮은 혼합냉매가 방열라디에이터(20)로 상향 이동하도록 하고, 방열라디에이터(20)에서 응축된 액상냉매가 상대적으로 높은 비중에 의해 하강하여 흡열부재(10)의 냉매주입구(11)로 주입되도록 하기 위한 것이다. 이때, 상기 방열라디에이터(20)와 흡열부재(10)의 높이차는 흡열부재(10)의 높이보다 커야 하는 것은 당연하다.

이에 따라, 엘이디 전구 등의 발열체(50)에서 발생한 열을 흡열부재(10)의 냉매가 흡수하여 기화한 후 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매의 형태로 흡열부재(10)의 냉매배출구(12)로 빠져나간 후 냉매배출관(31)을 통해 방열라디에이터(20)로 공급된다. 방열라디에이터(20)에서는 혼합냉매와 공기의 열교환을 통해 기상냉매가 응축되어 액상냉매로 변화되고, 액상냉매는 냉매주입관(32)을 거쳐 흡열부재(10)의 냉매유입구(11)로 공급된다. 즉, 냉매의 기화와 액화에 따른 비중 변화로 인해 펌프 등과 같은 별도의 순환장치를 사용하지 않고 자연대류에 의한 순환이 이루어지는 것이다.

한편, 본 발명에서 냉매로 사용되는 플로오르화케톤(Flourinated Ketone)의 화학식은 CF₃CF₂OCF(CF₃)₂이며, 어는점은 영하 108℃이고 끓는점은 49℃로 물보다 훨씬 낮으며, 상온에서는 액상으로 존재하지만 온도의 상승에 따라 빠르게 기화하는 특징이 있다. 또한, 플로오르화케톤의 증기압은 물에 비해 12배 정도이고 상온에서의 증발잠열이 물의 1/25에 불과하여, 상변화에 따른 대류가 원활하게 이루어지므로 펌프 등을 사용하지 않더라도 자연대류를 통해 순환시킬 수 있다. 그리고, 절연내력이 질소의 2배 이상으로 전기가 통하지 않고, 접촉한 물질과의 산화 등의 반응을 일으키지 않는 등 안정적인 장점이 있으므로, 냉각을 위한 열전달 매체로 충분하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치는 냉매가 상변화와 비중차이에 의한 자연대류에 의해 흡열부재와 방열라디에이터 사이를 순환하면서 발열체의 열을 흡수하여 발열체를 냉각시키게 됨과 아울러 냉매유로에 구비된 열충격흡수부재가 융융잠열을 이용하여 범퍼의 역할을 수행함에 따라 냉매의 급격한 상변화가 방지되는 등 열충격이 최소화된다.

흡열부재(10)의 냉매유입구(11)로 유입된 냉매는 냉매유로(15)를 따라 이동하는 과정에서 발열체(50)의 열을 흡수하여 발열체(10)를 냉각시키면서 일부가 기화되어 액상냉매와 기상냉매가 혼합되어 이루어지는 혼합냉매를 형성하게 된다. 혼합냉매는 액상냉매에 비해 비중이 작을 수밖에 없으므로 혼합냉매는 점차 상승하게 되고, 흡열부재(10)의 냉매배출구(12)를 통해 배출된 후 냉매배출관(31)을 거쳐 방열라디에이터(20)로 공급된다. 방열라디에이터(20)는 혼합냉매와 공기 사이의 열교환을 통해 혼합냉매 중의 기상냉매를 응축시키게 되고, 응축에 의해 형성된 액상냉매는 방열라디에이터(20)에서 배출된 후 비중에 의해 하강하여 냉매주입관(32)을 거쳐 흡열부재(10)의 냉매유입구(11)로 들어가게 된다. 즉, 냉매의 상변화와 비중 차이에 의하여 냉매의 자연대류가 일어나게 되고, 이로 인해 펌프와 같은 별도의 냉매 이송수단을 사용하지 않더라도 냉매가 흡열부재(10)와 방열라디에이터(20) 사이를 순환하게 되는 것이다.

다만, 혼합냉매의 압력이 과도하게 상승하게 되면 냉매배출관(31) 또는 방열라디에이터(20)가 고압에 의해 손상될 수 있으므로, 혼합냉매의 압력을 적절하게 조절할 필요가 있다. 따라서, 냉매배출관(31)을 통해 배출되는 혼합냉매의 일부, 주로 액상냉매가 냉매배출관(31)과 냉매주입관(32)을 연결하는 바이패스 유로(33)를 통해 냉매주입관(32)으로 공급되며, 냉매주입관(32)으로 공급된 혼합냉매 중의 기상냉매는 즉시 냉각되어 액상냉매로 변화된다. 이때, 상기 바이패스 유로(33)에 구비된 압력댐퍼(35)는 혼합냉매의 압력이 설정치 이상인 경우에만 혼합냉매가 냉매주입관(32)으로 공급되도록 제한함으로써 방열효율이 저하되지 않게 한다.

그리고, 본 발명에 따른 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치가 구비된 대용량 등기구는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기한 대류순환형 냉각장치가 구비된 등기구로서, 상기 발열체(50)는 다수의 LED를 구비한 LED 모듈이 하나 이상 설치되는 모듈조립체로 이루어지며, 200W 이상의 대용량의 등기구를 구성한다. 이때, 상기 발열체(50)가 설치되는 발열체 지지대(55)에 비해 상기 방열라디에이터(20)가 설치되는 라디에이터 지지대(26)가 더 높은 곳에 위치하는 것은 당연하다.

이러한 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치가 구비된 대용량 엘이디 등기구는 투광기나 전광판은 물론, 공장이나 경기장의 조명등, 서치라이트 등 다양한 용도로 사용할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치가 구비된 대용량 등기구는 LED 모듈과 같은 발열체(50)에서 발생한 열을 흡열부재(10)의 냉매가 흡수하게 되므로 방열효율이 대폭 향상되고, 이로 인해 LED 모듈의 내구성이 향상되어 수명이 증가하게 되며, LED 모듈에 구비된 반도체소자나 LED 등의 발열소자가 오작동하는 일이 최소화되어 제품에 대한 신뢰도가 향상된다.

또한, 수냉식 냉각구조로 인해 방열효율이 향상되면서도 펌프 등의 부가시설을 사용하지 않음에 따라 추가적인 전력 손실 및 이로 인한 광손실이 발생하지 않게 됨은 물론 전체적인 하중이 감소하여 높은 곳에 설치가 용이하고 고소 설치시에도 고중량으로 인한 추락 등의 사고가 발생하지 않게 된다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 발명의 설명에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10...흡열부재
11...냉매유입구
12....냉매배출구
13...열충격흡수부
15....냉매유로
20...방열라디에이터
21...케이스
22...방열입구관
23...방열출구관
24...가지관
25...응축모듈
26...라디에이터 지지대
31...냉매배출관
32...냉매주입관
33...바이패스 유로
35...압력댐퍼
50...발열체(LED 모듈)
55...발열체 지지대

Claims (5)

1. 플루오르화케톤으로 이루어진 냉매의 순환을 이용하는 냉각장치에 있어서,
   수직방향 또는 경사방향으로 배치되는 발열체(50)의 배면에 부착되고, 하단부의 냉매유입구(11)와 상단의 냉매배출구(12)가 지그재그 형태 또는 계단 형태로 연결된 냉매유로(15)를 구비함으로써 냉매의 기화열을 이용하여 발열체(50)의 열을 흡수하며, 냉매유로(15)가 하측의 냉매유입구(11)에서 상측의 냉매배출구(12)로 갈수록 단면적이 감소하는 형태로 형성되고, 고압부인 출구측에 상변화물질을 이용하여 열충격을 흡수하는 복수의 열충격흡수부(13)가 냉매배출구측에 설치된 흡열부재(10);
   열교환을 통해 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매를 응축시켜 액화시킨 후 중력을 이용하여 흡열부재(10)에 공급하며, 흡열부재(10)에 비해 상대적으로 높은 위치에 설치되는 방열라디에이터(20);
   흡열부재(10)의 냉매유입구(11)와 방열라디에이터(20)를 연결하여 상측에 위치한 방열라디에이터(20)의 액상냉매가 중력에 의해 하측에 위치한 흡열부재(10)에 공급되는 통로를 형성하는 냉매주입관(32);
   흡열부재(10)의 냉매배출구(12)와 방열라디에이터(20)를 연결하여 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 혼합냉매가 상변화에 따른 압력에 의해 흡열부재(10)로부터 방열라디에이터(20)로 배출되는 통로를 형성하는 냉매배출관(31); 및
   상기 냉매주입관(32)과 냉매배출관(31)을 연결하여 냉매배출관(31)으로 배출되는 냉매의 일부가 냉매주입관(32)으로 바이패스되도록 하는 바이패스 유로(33)에 설치되어 냉매배출관(31)으로 배출되는 냉매의 압력이 설정치를 초과하는 경우에만 냉매의 일부가 바이패스 유로(33)를 통해 바이패스되도록 하는 압력댐퍼(35);를 포함하고,
   상기 열충격흡수부(13)는 고체와 액체의 상변화를 통해 열충격을 흡수하는 파라핀계 유기 PCM이 충전되어 이루어지되, 파라핀계 유기 PCM은 냉매의 순환이 이루어지기 전에 먼저 열을 흡수하여 30~60℃에서 용융되어 열충격을 흡수함과 아울러 발열체(50)의 전원이 오프되면 응고되면서 보유하고 있던 잠열을 방출하여 냉매가 급격하게 냉각되지 않도록 하여 냉매의 급격한 액화로 인한 열충격을 흡수하며,
   상기 방열라디에이터(20)는 케이스(21)에 복수개의 응축모듈(25)이 병렬로 설치되어 이루어지고, 상기 냉매배출관(31)이 연결된 방열입구관(22)과 냉매주입관(32)에 연결되는 방열출구관(23)이 각각의 응축모듈(25)에 가지관(24)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항의 이중확산 자연대류 순환형 냉각장치를 구비하며,
   이중확산 자연대류 순환형 냉각장치의 전면에 설치되는 발열체(50)가 다수의 LED를 구비한 LED 모듈이 하나 이상 설치되어 조명을 형성하는 조명조립체로 이루어진 것을 특징으로 하는 대용량 엘이디 등기구.

Images