KR200474947Y1

KR200474947Y1 - Ｌｅｄ 램프의 방열장치

Info

Publication number: KR200474947Y1
Application number: KR2020120007384U
Authority: KR
Inventors: 김민중
Original assignee: 주식회사 삼진엘앤디
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-10-27
Also published as: KR20140001261U

Abstract

본 고안은 히트파이프의 원리를 이용하여 LED 소자에서 발생하는 열을 효율적으로 방출할 수 있는 LED 램프의 방열장치에 관한 것이다.
본 고안은 고출력 LED를 사용하는 실외 조명 등에 주로 적용하기 위하여 기존 알루미늄 압출이나 다이캐스팅 제품을 이용한 방열 구조가 아닌 히트파이프를 이용한 새로운 형태의 방열 방식을 구현함으로써, 최적의 방열 성능을 확보할 수 있으며, 이에 따라 램프의 광효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 한편, 히트파이프를 사용한 방사형의 방열 최적 설계를 통해 빛의 손실을 최소화함으로써, 램프의 광효율을 한층 향상시킬 수 있는 LED 램프의 방열장치를 제공한다.

Description

ＬＥＤ 램프의 방열장치{Apparatus radiating heat for LED lamp}

본 고안은 LED 램프의 방열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 히트파이프의 원리를 이용하여 LED 소자에서 발생하는 열을 효율적으로 방출할 수 있는 LED 램프의 방열장치에 관한 것이다.

일반적으로 LED는 작은 소비전력과 반영구적인 수명, 내충격성, 고정밀성 등의 장점이 있고, 형광등과 같은 수은이나 방전용 가스를 사용하지 않기 때문에 환경 오염을 유발하지 않으며, 예열시간이 필요하지 않아 빠른 응답속도를 얻을 수 있는 등 형광등이나 전구의 대체 광원으로 점차 사용되고 있는 것이 최근의 추세이다.

예를 들면, LED의 경우 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 색상의 다양성 부족, 다른 조명장치에 비해 휘도가 떨어지는 단점 때문에 근래까지 주식변동 시세판, 지하철의 전광판, 각종 전기/전자기기의 표시화면 등 일부 디스플레이 영역에서만 주로 사용되었다.

이후 LED의 휘도를 향상시키기 위한 많은 연구를 통해 LED에 관한 기술이 점차적으로 발전함에 따라 고휘도 고출력 LED 개발이 이루어지고 있고, LED를 램프에 응용하는 기술이 계속적으로 연구되고 있다.

현재는 고출력의 파워 LED를 가지는 램프가 가로등, 보안등, 공장등, 투광등 등과 같이 실내 조명 뿐만 아니라 실외 조명으로 많이 사용되고 있는 추세이다.

보통 LED 램프의 경우 LED 소자로부터 열이 많이 발생되며, 이렇게 발생되는 제품 내부의 열을 외부로 확산시키기 못하면 제품 안전성에 심각한 우려를 초래하고, 결국 제품의 수명 단축이나 고장, 오동작 등을 유발하게 된다.

즉, LED 소자로부터 발생한 열은 LED 소자의 발광 성능 및 수명에 직접적인 영향을 미친다.

이에 따라, LED 램프의 경우 LED 소자로부터 발생되는 열을 효율적으로 제어하기 위한 방법으로 히트싱크나 냉각팬 등을 이용한 방열장치를 대부분 적용하고 있다.

일 예로서, 한국등록특허 10-0945459호, 한국등록특허 10-0997172호, 한국등록특허 10-1060445호 등에는 LED 소자의 열을 방출시키기 위한 다양한 방열장치들이 개시되어 있다.

그러나, 위와 같은 방열장치들은 전자기기의 성능 향상, 경량화, 슬림화 등에 의해 적용하는데 많은 제약이 따를 뿐만 아니라, 전반적으로 방열 효율을 높이는데 한계가 있다.

예를 들면, 옥외 조명의 경우 일반적으로 높은 광출력을 필요로 하는 조명인 관계로 주로 고출력 LED를 사용하여 개발하고 있고, LED의 수명과 광출력의 유지를 위해서는 방열이 가장 중요한 기술적인 해결해야 할 요소이다.

이를 위해서 LED 조명 제조업체들은 주로 방열이 가능한 알루미늄 다이캐스팅 일체형 등기구를 사용하거나, LED 광원모듈에 히트싱크를 부착한 방식을 사용하여 기존 아웃도어 조명용 램프들과는 달리 LED 조명에서는 등기구까지 일체형으로 개발되어지고 있다.

하지만, LED 출력이 나날이 높아짐에 따라 방열에 대한 설계가 중요시 되고 있는데, 기존의 히트싱크를 부착한 조명들은 너무 무겁거나, 그에 비해 방열성능이 충분히 나오지 못하고 있다.

결국, 열에 민감한 LED는 방열설계가 광효율에 미치는 영향이 크기 때문에 방열에 대한 문제는 나날이 더 커진다고 하겠다.

따라서, 본 고안은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고출력 LED를 사용하는 실외 조명 등에 주로 적용하기 위하여 기존 알루미늄 압출이나 다이캐스팅 제품을 이용한 방열 구조가 아닌 히트파이프를 이용한 새로운 형태의 방열 방식을 구현함으로써, 최적의 방열 성능을 확보할 수 있으며, 이에 따라 램프의 광효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 LED 램프의 방열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 고안은 히트파이프를 사용한 방사형의 방열 최적 설계를 통해 빛의 손실을 최소화함으로써, 램프의 광효율을 한층 향상시킬 수 있는 LED 램프의 방열장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서 제공하는 LED 램프의 방열장치는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 LED 램프의 방열장치는 아래쪽으로 LED 소자가 장착되어 있는 PCB 기판의 윗쪽으로 설치되는 것으로서, 다수의 방열핀을 가지면서 "U"자 모양으로 되어 있는 다수의 히트파이프를 수직으로 세워서 설치한 구조로 이루어지고, 각각의 히트파이프는 PCB 기판의 중심을 기준하여 방사형으로 배치되는 구조로 이루어지는 것이 특징이다.

여기서, 상기 히트파이프는 수평부재를 통해 파이프 홀더상에 밀착 결합되면서 그 위에 세워지는 상태로 고정 설치될 수 있다.

특히, 상기 히트파이프의 수평부재는 PCB 기판에 있는 한 쌍의 LED 소자 사이에 걸쳐 위치되므로서, 하나의 히트파이프가 한 쌍씩의 LED 소자를 담당하여 효과적으로 방열작용을 수행할 수 있다.

그리고, 상기 히트파이프에 부착되는 방열핀은 다수의 슬롯을 가지는 타원 형상의 얇은 판으로 구성하고, 히트파이프의 양쪽 수직부재 사이에 걸쳐져 그 양단부를 통해 관통되면서 수평자세로 지지되는 구조로 고정되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 히트파이프를 지지하고 있는 파이프 홀더는 사각의 블럭 형태로 이루어지고, 블럭 상면에는 히트 파이프의 수평부재를 일부 수용할 수 있는 파이프 안착홈이 형성되는 동시에 공기 흐름을 위한 다수의 공기유도홈이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

본 고안에서 제공하는 LED 램프의 방열장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, LED 소자가 배치되어 있는 PCB 이면에 히트파이프 원리를 이용한 방열장치를 설치함으로써, 최적의 방열 성능을 확보할 수 있는 등 램프의 광효율 및 신뢰성을 높일 수 있으며, 고출력 LED를 사용하는 실외 조명에 적합한 용도로 적용할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 다수의 단위 히트파이프 모듈을 방사형으로 배치한 방열 최적 설계를 통해 빛의 손실을 최소화할 수 있고, 결국 램프의 광효율을 한층 향상시킬 수 있는 장점이 있다(95∼100lm/W).

셋째, 램프 어셈블리에 교체가능한 착탈식의 렌즈를 적용함으로써, 렌즈 교체를 통해 원하는 배광각을 만들 수 있는 장점이 있다.

넷째, 램프의 전체적인 중량을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 방열장치를 나타내는 사시도
도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 방열장치에서 히트파이프의 방열작용을 나타내는 단면도
도 3a 및 3b는 본 고안의 일 실시예에 따른 방열장치를 적용한 LED 램프를 나타내는 분해 사시도
도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 방열장치를 적용한 LED 램프를 나타내는 결합 사시도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 방열장치를 나타내는 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 방열장치는 소정의 형상과 배치구조를 가지는 히트파이프를 이용하여 LED 소자로부터의 열을 효과적으로 방출시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 2개의 나란한 수직부재(13b)와 1개의 수평부재(13a)의 일체형으로 이루어진 히트파이프(13), 예를 들면 "U"자 모양으로 이루어진 히트파이프(13)가 마련되며, 이때의 히트파이프(13)는 LED 소자(10)가 장착되어 있는 PCB 기판(11)의 윗쪽으로 위치되면서 파이프 홀더(14)상에 세워지는 구조로 설치된다.

즉, 알루미늄 재질 등으로 이루어진 사각블럭 형태의 파이프 홀더(14)가 마련되고, 이때의 블럭 윗면에 히트파이프(13)의 수평부재(13a)가 밀착 결합되므로서, 히트파이프(13)는 수평부재(13a)를 지지체로 삼으면서 2개의 수직부재(13b)를 위로 한 상태로 세워질 수 있게 된다.

특히, 상기 파이프 홀더(14)의 경우 사각의 블럭 형태로 이루어지며, 이때의 블럭 상면에는 히트 파이프(13)의 수평부재(13a)를 일부 수용할 수 있는, 예를 들면 파이프 단면 1/2 정도를 수용할 수 있는 파이프 안착홈(18)이 형성되고, 또 이렇게 형성되는 파이프 안착홈(18)의 양편으로는 공기 흐름을 위한 다수의 공기유도홈(17)이 나란하게 형성된다.

이때, 상기 히트파이프(13)의 수평부재(13a)와 파이프 홀더(14) 간의 결합은 납땜, 용접, 브라켓 등을 이용한 체결 방식 등으로 이루어질 수 있게 된다.

특히, 상기 히트파이프(13)의 경우 "U"자 모양에서의 수평부재(13a)를 이용하여 파이프 홀더(14)측과 충분한 길이구간을 가지고 접촉하고, 또 파이프 단면 일부가 파이프 안착홈(18) 내에 수용되면서 접촉하기 때문에 열전도 효율을 높일 수 있게 된다.

이러한 히트 파이프(13)는 다수 개가 소정의 배치구조로 조합되어 LED 소자의 열을 효과적으로 방출시킬 수 있게 되는데, 예를 들면 다수의 LED 소자(10)가 장착되어 있는 PCB 기판(11)의 중심, 실질적으로는 상기 PCB 기판(11)의 윗면에 적층 결합되는 알루미늄 재질 등의 원판형 베이스(20)의 중심을 기준하여 방사형으로 배치되는 구조로 조합될 수 있게 된다.

즉, 각각의 히트파이프(13)는 그 수평부재(13a)를 반경방향을 따라 나란하게 놓이도록 하면서 원판형 베이스(20)의 중심을 향하는 모양으로 배치될 수 있게 된다.

여기서, 상기 히트파이프(13)를 받쳐주는 파이프 홀더(14)도 원판형 베이스(20) 위에서 수평부재(13a)와 마찬가지로 방사형의 배치구조를 이루면서 융착 등의 방식으로 고정 설치될 수 있게 된다.

이때, 상기 파이프 홀더(14)의 경우 한 쪽 단부의 양측면이 경사면(25)으로 되어 있어서, 방사형으로 배치되는 파이프 홀더(14)들은 그 안쪽 부분이 서로 이웃하는 것끼리 서로의 경사면(25)을 맞댄 상태로 밀착될 수 있게 된다.

결국 이러한 홀더들의 밀착구조로 인해 파이프 홀더(14)들의 방사형 배치형태를 좀더 밀집시킬 수 있게 되므로, 전체적인 사이즈 및 점유면적을 줄일 수 있게 된다.

특히, 이렇게 배치되는 각 히트파이프(13)들은 PCB 기판(11)에 있는 다수의 LED 소자(10)를 2개씩 담당하는 형태로 방열작용을 수행할 수 있게 되므로서, 전체 LED 소자(10)들을 각각의 히트파이프(13)들이 서로 분산하여 방열작용을 수행할 수 있게 되고, 결국 전체 LED 소자(10)에 대한 균형있는 방열이 이루어질 수 있게 된다.

이를 위하여, 상기 히트파이프(13)의 수평부재(13a)는 PCB 기판(11)에 있는 한 쌍의 LED 소자(10) 사이에 걸쳐 위치되면서, 즉 하나의 히트파이프(13)가 2개의 LED 소자(10)의 윗쪽에 배속되어 그 수평부재(13a)를 통해 한 쌍의 LED 소자(10) 사이의 구간상에 놓여지면서 방열작용을 수행할 수 있게 된다.

여기서, 상기 히트파이프(13)는 다양한 윅(Wick) 구조를 가질 수 있으며, 모세관 현상으로 방열핀에 의해 냉각된 유체를 방열부로 이동시키는 작용을 하는 기능을 갖는다.

예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이, 증발부는 열원으로부터 열을 흡수하여 작동유체가 기체상태로 증발하게 되고, 그럼으로써 열이 증발부에서 응축부의 방향으로 이동을 하는 것이다.

이와는 반대로 응축부에서는 방열핀을 이용하여 온도가 낮은 외부로 열을 빼앗기도록 해서 기체상태로 된 작동유체를 응축시킨다.

이렇게 과정의 반복으로 인하여 열이 증발부에서 응축부로 이동하게 되는 것이다.

본 고안에서 제공하는 히트파이프(13)는 Sintered Power 타입, Grooved Tube 타입, Screen Mash 타입 등 다양한 종류의 윅을 적용할 수 있다.

그리고, 본 고안에서는 히트파이프(13)의 방열작용과 더불어 공기와의 열교환을 통해 방열효과를 높일 수 있도록 해주는 수단으로 방열핀(12)을 제공한다.

상기 방열핀(12)은 마치 나무잎 모양과도 같은 타원 형상의 얇은 판으로 이루어지고, 판 길이방향을 따라 나란한 3개 정도의 슬롯(15)과 양단부에 형성되어 히트파이프(13)에 끼워지는 체결구멍을 갖는다.

그리고, 상기 방열핀(12)에는 슬롯(15)의 한쪽 가장자리를 따라 세워지는 형태로 형성되는 날개부(26)가 구비되며, 이때의 날개부(26)로 인해 방열핀(12)은 공기와의 접촉면적을 넓게 확보할 수 있게 된다.

이때, 상기 날개부(26)는 슬롯(15)을 형성하기 위해 절개한 부분을 위로 세워올리는 방식으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 방열핀(12)은 히트파이프(13)의 양쪽 수직부재(13b) 사이에 걸쳐지는 상태로 위치되고, 이 상태에서 그 양쪽 단부에 있는 체결구멍을 통해 수직부재(13b)에 관통되면서 수평자세로 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

이러한 방열핀(12)은 하나의 히트파이프(13)에 다수 개가 배속되고, 각각의 방열핀(12)은 상하방향으로 일정간격, 예를 들면 5∼10mm 정도의 간격을 유지하면서 배치되는 형태로 설치된다.

그리고, 이렇게 설치되는 방열핀(12)의 경우에도 히트파이프(13)와 함께 방사형의 배열을 이룰 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 히트파이프(13)는 다수의 방열핀(12)을 통해 공기와의 접촉면적을 넓게 확보할 수 있게 되고, 결국 방열작용을 위한 충분한 열교환성능을 갖출 수 있게 된다.

도 3a 및 3b는 본 고안의 일 실시예에 따른 방열장치를 적용한 LED 램프를 나타내는 분해 사시도이고, 도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 방열장치를 적용한 LED 램프를 나타내는 결합 사시도이다.

도 3a 및 3b와 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 LED 램프는 전체적으로 원형의 형태로서, 소켓(19)을 이용하여 기존 전구 타입과 같은 방식으로 설치하여 사용할 수 있도록 되어 있다.

이를 위하여, 상기 LED 램프는 상단부에 소켓(19)과 둘레면의 다수의 홀(16)을 가지는 램프 케이스(24), 다수의 LED 소자(10)가 배열되어 있는 PCB 기판(11), 예를 들면 메탈 PCB 기판, 빛의 유도를 위한 다수의 렌즈(21), 마감수단으로서의 투명커버를 가지는 캡(23) 등을 포함한다.

여기서, 상기 램프 케이스(24)의 내부에는 전력공급을 위한 수단으로 SMPS(22)가 설치되고, 이때의 SMPS(22)는 PCB 기판(11)측과 전기적으로 연결된다.

그리고, 방열장치의 히트파이프(13)는 파이프 홀더(14)와 함께 원판형의 베이스(20)상에 배열 조합되고, 이때의 베이스(20)는 LED 소자(10)가 있는 PCB 기판(11)과 위아래로 적층 결합된다.

또한, 상기 렌즈(21)는 원형의 관 형태로 이루어지며, 각 LED 소자(10)에 하나씩 배속되면서 PCB 기판(11)상에 부착되는 구조로 설치된다.

따라서, 하나의 어셉블리 형태로 조합되어 있는 히트파이프(13), 베이스(20), LED 소자(10)를 갖는 PCB 기판(11)은 램프 케이스(24)와 캡(23) 사이에 위치되고, 이렇게 위치된 상태에서 히트파이프(13)는 램프 케이스(24)의 내측으로 수용되는 동시에 캡(23)이 베이스(20)의 가장자리 둘레를 받쳐주면서 램프 케이스(24)에 체결 조립되므로서, LED 램프의 완성된 모습이 만들어질 수 있게 된다.

이와 같은 방열장치를 포함하는 LED 램프에서 방열이 이루어지는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

LED 램프 사용시 LED 소자(10)에서 발생되는 열은 그 윗쪽의 메탈 PCB 기판(11)→베이스(20)→파이프 홀더(14)로 전달되고, 이렇게 파이프 홀더(14)로 전달되는 열은 이와 접하고 있는 히트파이프(13)의 방열작용에 의해 외부로 방출된다.

즉, 히트파이프(13) 내에서의 증발부와 응축부 간의 작동유체 반복적인 이동을 이용한 방열작용에 의해 열이 외부로 방출될 수 있게 된다.

이와 같이, 수직으로 세워지는 히트파이프와 수직 방향의 바로 아래쪽에 LED 소자를 배치하여, LED 소자에서 나오는 열을 최단 거리로 빠지게 하면서 히트파이프의 방열작용으로 열을 방출시킴으로써, LED 램프의 방열성능을 향상시킬 수 있고, 특히 히트파이프의 배열을 방사형으로 구성함으로써 방열에 최적의 성능을 발휘하는 LED 램프를 구현할 수 있다.

그리고, 다수의 LED 소자들을 2개씩 묶어서 각 묶음에 하나씩의 히트파이프를 개별적으로 배속시키는 분산 방열방식을 채택함으로써, 하나의 LED 램프에 속해 있는 LED 소자 전체에 대해 고른 방열작용이 이루어질 수 있게 되고, 결국 LED 램프 전반에 걸쳐 우수한 방열효과를 얻을 수 있게 된다.

궁극적으로, LED 소자에 대한 최적의 방열 설계를 통해 LED 램프의 성능저하를 막을 수 있고, 따라서 빛의 손실을 최소화하여 광효율을 향상시킬 수 있다.

10 : LED 소자 11 : PCB 기판
12 : 방열핀 13 : 히트파이프
13a : 수평부재 13b : 수직부재
14 : 블럭 15 : 슬롯
16 : 홀 17 : 공기유도홈
18 : 파이프 안착홈 19 : 소켓
20 : 베이스 21 : 렌즈
22 : SMPS 23 : 캡
24 : 램프 케이스 25 : 경사면
26 : 날개부

Claims

아래쪽으로 LED 소자(10)가 장착되어 있는 PCB 기판(11)의 윗쪽으로 설치되는 것으로서, 다수의 방열핀(12)을 가지면서 "U"자 모양으로 되어 있는 다수의 히트파이프(13)를 수직으로 세워서 설치한 구조로 이루어지고, 각각의 히트파이프(13)는 PCB 기판(11)의 중심을 기준하여 방사형으로 배치되며,
상기 히트파이프(13)는 수평부재(13a)를 통해 파이프 홀더(14)에 있는 파이프 안착홈(18)에 수용됨과 더불어 납땜이나 용접으로 결합되면서 그 위에 세워지는 상태로 고정되고,
상기 히트파이프(13)에 부착되는 방열핀(12)은 다수의 슬롯(15)을 가지는 타원 형상의 판으로 이루어지고, 히트파이프(13)의 양쪽 수직부재(13b) 사이에 걸쳐져 그 양단부를 통해 관통되면서 수평자세로 지지되는 구조로 고정되며,
상기 파이프 홀더(14)는 사각의 블럭 형태로 이루어지고, 블럭 상면에는 히트 파이프(13)의 수평부재(13a)를 일부 수용할 수 있는 파이프 안착홈(18)이 형성되는 동시에 상기 파이프 안착홈(18)의 양편으로는 공기 흐름을 위한 다수의 공기유도홈(17)이 나란하게 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 램프의 방열장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 히트파이프(13)의 수평부재(13a)는 PCB 기판(11)에 있는 한 쌍의 LED 소자(10) 사이에 걸쳐 위치되면서 한 쌍의 LED 소자(10)에 대한 방열작용을 수행할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 LED 램프의 방열장치.
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