KR20060090509A - 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트 - Google Patents

Abstract

수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트가 개시되어 있다.

이 개시된 조명유니트는 광을 조사하는 광원과; 광원이 부착되는 기판부와, 기판부와 일체로 형성되는 것으로서 그 내부에 형성되는 냉매가 지나가는 통로와 통로로 냉매가 유입되는 냉매유입구 및 냉매가 유출되는 냉매유출구를 가지는 열전달부를 가진 방열구조체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트{Illuminating unit with a water cooling structure}

도 1은 종래의 전자부품용 냉각장치를 보인 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 제1실시예의 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 제1실시예의 종단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 제1실시예의 횡단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 제2실시예의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 실시예와 비교예의 전력에 따른 온도분포를 보인 그래프이다.

〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉

10... 조명유니트 11, 31a, 31b... 광원

12, 32a, 32b... 기판부 13, 33a, 33b... 열전달부

14,24a, 24b... 방열구조체 17... 통로

15, 16, 35a,35b,36a,36b... 냉매유입구, 냉매출입구

본 발명은 수냉식 냉각장치를 구비한 조명유니트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광원에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시켜 냉각의 효율을 높이도록 수냉식 냉각장치의 구조를 개선한 조명유니트에 관한 것이다.

조명유니트는 광을 조사하는 광원과, 이 광원에서 조사된 빔을 전달하는 조명광학계로 구성되는 것으로, 자체적으로 발광 능력이 없는 액정표시소자 또는 디지털 마이크로미러 소자 등의 화상형성소자를 이용하여 화상을 구현하는 화상투사장치 등에 널리 채용된다. 최근 들어, 발광다이오드(LED), 레이저 다이오드 등의 소형의 발광소자를 광원으로 채용한 조명유니트 및 이를 이용한 화상투사장치가 개발되고 있다.

그런데, LED와 같은 발광소자를 화상투사장치에 사용하기 위해 고출력의 소자가 사용되는데, 이 경우도 일반적인 광원으로 이용되는 메탈 할라이드 램프나 수은 램프에 비하여 광량이 매우 적으므로 이를 복수개로 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 고출력의 발광소자가 밀집하게 되면, 단위면적당 발광소자에서 발생하는 열이 급격히 증가하며, 이에 따라 발광소자의 열화현상이 심각하게 나타날 수 있다.

따라서 발광소자를 이용한 화상투사장치의 개발에 있어서, 광원에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각하는 것이 절실하게 요구되고 있다. 이에 따라 상기 발광소자를 포함하는 조명유니트에 수냉식 냉각장치의 채용이 고려되고 있다.

미국특허 제6,664627B2호에는 도 1에서 도시되는 바와 같이 전자부품을 냉각하는데 쓰이는 수냉식 냉각장치(5)가 개시되어 있다. 도면을 참조하면, 열을 발산하는 전자부품(3)에 열전달판(4)을 사이에 두고 냉매의 유출입구(6,7)를 구비한 냉 각장치(5)가 접촉되어 있다. 상기 냉각장치(5)의 내부에 형성된 통로를 따라 흐르는 냉매는 상기 전자부품(3)에서 발생하여 상기 열전달판(4)을 거쳐 상기 냉각장치(5)로 전달된 열을 냉각하게 된다.

그런데 이와 같은 종래의 수냉식 냉각장치를 조명장치에 사용하는 경우, 광을 방출하는 발광소자 위에 직접 냉각장치를 설치하면 광경로를 방해하므로 상기 발광소자가 부착된 기판의 후면에 냉각장치를 부착하여야 한다. 그러나, 이 경우, 상기 발광소자에서 발생한 열은 기판과 열전달판을 거쳐 냉각장치에 전달하므로, 상기 열은 기판과 열전달판의 접촉면과 열전달판과 냉각장치의 접촉면에서 발생하는 열저항으로 인해 냉각효율이 떨어진다.

또한 복수개의 발광소자로 이루어진 광원에서 나오는 광을 가이드하고 균일한 광으로 만들기 위하여 조명유니트에는 전반사프리즘과 같은 조명광학계가 더 설치되는 것이 일반적이므로, 냉각장치를 설치하는데 공간적 제약이 따르게 되며, 이에 따라 조명유니트를 이루는 기판과 열전달판의 제작이 복잡해질 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 단순화된 구조를 가지면서도 냉각 효율이 향상된 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트는,

광을 조사하는 광원과;

상기 광원이 부착되는 기판부와, 상기 기판부와 일체로 형성되는 것으로서 그 내부에 형성되어 냉매가 지나가는 통로와 상기 통로로 냉매가 유입되는 냉매유입구 및 상기 냉매가 유출되는 냉매유출구를 가지는 열전달부를 구비한 방열구조체;를 포함한다.

이때 상기 광원은 복수개로 되어 있으며, 상기 통로는 상기 광원의 배열 방향을 따라서 상기 열전달부의 내부에 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 냉매유입구와 냉매유출구는 상기 열전달부의 동일한 측면에 이웃하게 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트는,

광을 조사하는 복수개의 제1 및 제2광원과;

상기 제1광원이 부착되는 제1기판부와, 상기 제2광원이 부착되며 상기 제1기판부와 마주보는 위치에 배치되는 제2기판부와, 각각의 상기 제1및 제2기판부와 일체로 형성되는 것으로서 각각의 내부에 형성되어 냉매가 지나가는 제1 및 제2통로와 상기 제1 및 제2통로 내로 냉매가 유입되는 제1 및 제2냉매유입구와 상기 냉매가 유출되는 제1 및 제2냉매유출구를 가진 제1 및 제2열전달부를 구비한 제1 및 제2방열구조체;와

상기 제1 및 제2광원에서 각각 출사된 광이 동일 방향으로 균일하게 조사되도록 하는 조명광학계;를 포함한다.

이때, 상기 제1 및 제2통로는 상기 제1 및 제2광원 각각의 배열 방향을 따라서 상기 제1 및 제2열전달부의 내부에 형성되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 조명유니트를 보여주는 사시도이며, 도 3은 상기 조명유니트를 Ⅲ-Ⅲ의 단면에서 본 종단면도이다. 그리고 도 4는 상기 조명유니트의 냉각을 설명하기 위하여 냉매가 흐르는 통로를 보이기 위해 상기 조명유니트를 Ⅳ-Ⅳ에서 본 횡단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 조명유니트(10)는 광을 조사하는 광원(11)과, 상기 광원(11)이 부착되는 것으로, 수냉식 방열구조를 가지는 방열구조체(14)를 포함한다.

한편, 상기 조명유니트(10)는 예를 들어, 프로젝션 텔레비전과 같은 화상형성장치에 사용되므로 고휘도의 광량이 요구된다. 따라서, 상기 광원(11)은 고휘도의 광량을 확보하기 위하여 복수개의 발광소자와 같은 광원(11)이 상기 방열구조체(14)의 일측에 형성된 기판부(12)에 정렬된다.

한편, 다수의 광원(11)이 밀집함에 따라 단위면적당 상기 광원(11)에서 발생되는 열이 급증하므로, 이 열을 효과적으로 방출하기 위하여 상기 방열구조체(14)는 상기 기판부(12)와 일체로 형성되며, 상기 광원(11)에서 발생하는 열을 냉매로 전달하는 열전달부(13)를 가진다. 상기 방열구조체(14)는 상기 냉매로 열이 효과적으로 전달되기 위하여 열전도율이 우수한 금속 재질로 되는 것이 바람직하다.

도 4는 상기 냉매가 지나가는 통로(17)를 도시한다. 설명의 편의를 위해 상기 도 2에 도시된 조명유니트(10)의 단면 외에도 라디에이터(19)와 냉매를 가이드하는 파이프(19)를 함께 도시하였다.

상기 열전달부(13)는 상기 광원에서 발생하는 열을 흡수하는 냉매가 유입되는 냉매유입구(16)와, 상기 열을 흡수한 냉매가 유출되는 냉매유출구(15)와, 상기 냉매가 지나가는 통로(17)를 가진다.

상기 냉매는 상기 통로(17)를 지나가면서, 상기 광원(11)에서 발생하여 상기 방열구조체(14)로 전달된 열을 냉각하게 된다. 그리고 열을 흡수한 냉매는 상기 냉매유출구(15)를 통해 상기 열전달부(13)를 빠져나와 냉매를 가이드하는 파이프(19)를 통해 별도의 라디에이터(20)에서 냉각된다. 상기 냉매를 냉각시키는 라디에이터(20)나 상기 냉매를 순환시키는 장치는 당업자에게 잘 알려져 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.

한편, 상기 통로(17)는 열원이 상기 광원(11)에 가까이 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 3 및 도 4에서 도시된 바와 같이 상기 광원(11)이 복수개로 되어 있는 경우, 냉매가 지나가는 상기 통로(17)는 상기 기판부(12)에 부착된 상기 광원(11)의 배열 방향에 따라 상기 열전달부(13)의 내부에 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 통로(17)가 열원이 되는 상기 광원(11)에 인접하게 형성됨에 따라 냉각효율을 보다 높일 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 광원(11)이 2열로 배열되어 있는 경우, 상기 광원(11)에 인접하여 U자 형태로 상기 통로(17)가 형성된다. 이와 같은 구조 는 상기 광원(11)에서 발산하는 열이 보다 잘 방출되어 냉각효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 냉매유입구(16)와 냉매유출구(15)가 상기 방열구조체(13)의 동일한 측면에 이웃하여 형성될 수 있으므로 외부의 라디에이터(20)와 연결될 때 보다 간단한 구조가 가능한 장점도 있다.

상술한 바와 같이 통상적으로 화상형성장치에 사용되는 조명유니트는 고휘도의 광량이 요구되므로, 복수개의 광원이 하나의 기판 위에 부착될 뿐만 아니라 보다 많은 광원이 이용될 수 있도록 복수개의 광원이 부착된 기판이 여러 개 모여 하나의 조명유니트를 이루기도 한다. 도 5은 이와 같은 경우, 본 발명에 따르는 제2실시예에 따른 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트를 도시한다.

도면을 참조하면, 상기 조명유니트는 광을 조사하는 복수개의 제1 및 제2광원(31a,31b)과, 상기 제1 및 제2광원(31a,31b)이 부착되는 제1 및 제2기판부(32a,32b)와, 상기 제1 및 제2기판부(32a,32b) 각각과 일체로 형성되며 상기 제1 및 제2광원(31a,31b)에서 발생되는 열을 냉매로 전달하는 제1 및 제2열전달부(33a,33b)가 구비된 제1 및 제2방열구조체(34a,34b)와 상기 제1 및 제2광원에서 각각 출사된 광이 동일 방향으로 균일하게 조사되도록 하는 조명광학계(38);를 포함한다. 이때 상기 제1 및 제2방열구조체(34a,34b)는 도 3에서 도시되듯이, 상기 제1 및 제2기판부(32a,32b)가 서로 마주보도록 되어 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2광원(31a,31b)에서 발생하는 열은 각각 바깥쪽에 위치한 상기 제1 및 제2열전달부(31a,31b)를 통해 빠져나간다.

또한 상기 제1 및 제2열전달부(33a,33b)는, 상기 제1 및 제2광원에서 발생하 는 열을 흡수하는 냉매가 각각 유입되는 제1 및 제2냉매유입구(36a,36b)와, 상기 열을 흡수한 냉매가 유출되는 제1 및 제2냉매유출구(35a,35b)와, 상기 냉매가 지나가는 제1 및 제2통로를 가진다. 이와 같이 복수개의 열전달부를 가지는 조명유니트의 경우, 외부의 라디에이터와 연결되는 구조를 간단히 하기 위하여 모두 같은 방향으로 냉매의 입출입구를 형성하는 것이 바람직하다. 그 밖의 상기 제1 및 제2 방열구조체(34a,34b)에 대한 설명은 앞의 제1실시예에서 설명한 방열구조체(도 2a의 14)와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

그리고, 복수개의 광원(31a,31b)으로부터 방사되는 광을 동일 방향(A)으로 가이드하며 상기 광을 균일하게 조사되도록 하는 조명광학계(38)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 도 5에서 도시된 조명광학계(38)는 글래스로드를 이용한 콜리메이터 구조로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 제2실시예에서는 2개의 방열구조체를 갖는 조명광학게에 대하여 설명하였으나, 이는 예일 뿐이고, 필요에 따라 그 이상의 방열구조체를 갖는 조명광학계에도 본 발명을 적용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예와 비교예의 전력에 따른 온도분포를 보인 실험데이터를 나타낸 그래프이다. 도표를 참조하면, 가령 20W의 저전력의 광원을 사용하는 경우, 본 발명에 따르는 수냉식 냉각구조를 가진 조명유니트와 종래의 수냉식 냉각장치를 부착한 조명유니트에 있어서 냉각된 온도의 차이가 거의 없으나, 가령 120W의 전력을 소모하는 고출력의 광원을 사용하는 경우, 본 발명에 따르는 조명유니트의 냉각온도가 비교예에 비하여 5℃가 더 낮아, 본 발명에 따르는 조명유니트 의 냉각효율이 훨씬 좋음을 알 수 있다.

이에 더하여, 광원을 부착하는 기판부와 냉매로 열을 전달하는 열전달부를 일체로 제작함으로써 조명유니트를 제작하는 공정을 보다 단순화할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수냉식 냉각장치를 구비한 조명유니트는 광원을 부착하는 기판부와 냉매로 열을 전달하는 열전달부를 일체로 제작함으로써 냉각효율를 높일 수 있다. 또한, 일체형 구조로 제작되므로 제작공정을 보다 단순화할 수 있다.

이러한 본원 발명인 수냉식 냉각장치를 구비한 조명유니트는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 광을 조사하는 광원과;

   상기 광원이 부착되는 기판부와, 상기 기판부와 일체로 형성되는 것으로서 그 내부에 형성되어 냉매가 지나가는 통로와 상기 통로로 냉매가 유입되는 냉매유입구 및 상기 냉매가 유출되는 냉매유출구를 가지는 열전달부를 구비한 방열구조체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광원은 복수개로 되어 있으며, 상기 통로는 상기 광원의 배열 방향을 따라서 상기 열전달부의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 냉매유입구와 냉매유출구는 상기 열전달부의 동일한 측면에 이웃하게 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각장치를 구비한 조명유니트.
4. 광을 조사하는 복수개의 제1 및 제2광원과;

   상기 제1광원이 부착되는 제1기판부와, 상기 제2광원이 부착되며 상기 제1기판부와 마주보는 위치에 배치되는 제2기판부와, 각각의 상기 제1및 제2기판부와 일체로 형성되는 것으로서 각각의 내부에 형성되어 냉매가 지나가는 제1 및 제2통로와 상기 제1 및 제2통로 내로 냉매가 유입되는 제1 및 제2냉매유입구와 상기 냉매가 유출되는 제1 및 제2냉매유출구를 가진 제1 및 제2열전달부를 구비한 제1 및 제2방열구조체;와

   상기 제1 및 제2광원에서 각각 출사된 광이 동일 방향으로 균일하게 조사되도록 하는 조명광학계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 및 제2통로는 상기 제1 및 제2광원 각각의 배열 방향을 따라서 상기 제1 및 제2열전달부의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각구조를 채용한 조명유니트.

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