KR20120052242A - 열 관리 장치 - Google Patents

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KR20120052242A
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앨도 트랠리
티어도어 코넬리스 트레어르니트
랄프 커트
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

히트 싱크, 열 파이프들 및 강제 대류에 의한 열 관리를 결합하여 고전력 조명 응용들의 효율적인 냉각을 달성하는 광원용 열 관리 장치(100)가 제공된다. 열 관리 장치는 적어도 하나의 광원(106)에 열적으로 접속하도록 배열된 상측을 갖는 열 확산 요소(104)를 포함한다. 광원으로부터 방출되는 광은 보조 광학계(103)에 의해 제어된다. 열 관리 장치는 열 확산기에 그리고 열 확산기에 열적으로 접속된 열 파이프들의 제1 세트에 열적으로 접속되는 히트 싱크를 포함한다. 히트 싱크의 적어도 일부는 보조 광학계를 둘러싸도록 배열된다. 열 파이프들은 히트 싱크 내에 내장된다. 게다가, 히트 싱크에 강제 공기 대류를 제공하기 위한 팬이 장치에 포함된다. 대응하는 조명 장치도 제공된다.

Description

열 관리 장치{HEAT MANAGING DEVICE}
본 발명은 일반적으로 발광 다이오드 장치들, 구체적으로는 고전력 발광 다이오드 장치들의 열 관리에 관한 것이다.
더 많은 전통적인 광원들에 대한 에너지 효율의 눈부신 향상에도 불구하고, 발광 다이오드(LED)들을 사용하는 광원들은 여전히 그들이 공급받는 전력의 50 내지 80%를 열로 바꾼다. 이와 동시에, 효율 및 컬러 안정성에 관한 LED 성능은 온도 증가에, 그리고 특히 80℃ 이상의 고온에 매우 민감하다. 이러한 임계성은 고전력 LED 응용들에서 특히 명백하다. 전통적으로, LED 장치들의 열 관리를 위해 히트 싱크들 및 강제 공기 대류가 사용되어 왔다. 더 최근에는, LED 장치들의 열 관리를 위해 열 파이프들이 사용되어 왔다. 열 파이프는 액체가 모세관 작용에 의해 증발기로 복귀하는 증발기-응축기 시스템이다. 열 파이프는 그의 가장 간단한 형태에서 내벽을 따르는 심지 구조(wick structure)를 가지는 진공 밀폐 공동 튜브, 및 작업 유체로 구성된다. 심지 구조는 소결 파우더 금속과 같이 다공성이고, 감기며, 축방향으로 배열된 그루브들, 스크린들 등으로 구성될 수 있다. 튜브의 중심 코어는 증기 흐름을 허용하도록 개방되어 있다. 열 파이프는 배기된 후에 심지를 적시기에 충분할 정도로만 소량의 작업 유체로 다시 채워진다. 이용 가능한 작업 유체들의 예들은 나트륨, 리튬, 물, 암모니아 및 메탄올이다. 열 파이프 내의 분위기는 액체와 기체의 평형에 의해 설정된다. 열 파이프는 3개의 부분, 즉 증발기, 단열부 및 응축기를 갖는다. (이하, 본 명세서에서 고온부라고도 하는) 증발기 부분에 가해지는 열은 작업 유체의 증발에 의해 흡수된다. 증기는 약간 더 높은 압력을 가지며, 이는 증기가 열 파이프의 중심 아래로 해서, 단열부를 통해 응축기 부분으로 이동하게 한다. (이하, 본 명세서에서 저온부라고도 하는) 응축기 부분에서, 더 낮은 온도는 증기가 응축되어 그의 증발 잠열을 내놓게 한다. 이어서, 응축된 유체는 심지 구조에서 발생하는 모세관 힘에 의해 증발기 부분으로 다시 펌핑된다. 열 파이프 동작은 완전 수동적이고 연속적이다. 이러한 연속 사이클은 매우 적은 열 기울기(gradient)로 많은 양의 열을 전달한다. 열 파이프의 동작은 수동적이며, 전달되는 열에 의해서만 구동된다. 중력장에서, 증발기는 응축기 아래에 배치되어, 액체 흐름을 지원할 수 있다. 열 파이프들은 상이한 형상들로 배열될 수 있다.
LED 기반 조명 장치들의 열 관리를 위해 히트 싱크, 열 파이프들 및 강제 대류를 결합하는 것이 공지되어 있다. 미국 특허 No. 7,144,135 B2는 히트 싱크 위에 배열된 LED 광원을 포함하는 조명 장치를 개시하고 있다. 히트 싱크는 핀(fin)들 및/또는 열 파이프들을 갖도록 배열된다. 광 반사기가 광원을 둘러싼다. 장치는 외부 쉘을 더 포함하고, 쉘 내에는 광 반사기와 쉘 사이에 공기 채널이 형성되도록 광 반사기가 배치된다. 히트 싱크의 핀들 및/또는 열 파이프들은 공기 채널을 따라 연장하도록 배열된다. 게다가, 팬이 히트 싱크 아래에 배열되고, 쉘/광 반사기에 의해 정의되는 공기 입구들 및 배기 개구들로부터 공기가 흐르게 하여, 히트 싱크가 냉각되게 한다. 예시적인 실시예에서는, Luxeon 500lm LED가 냉각된다.
본 발명의 목적은 고전력 광원들에 대한 대안적이고 개량된 열 관리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 개념의 제1 양태에 따르면, 광원에 대한 열 관리 장치가 제공된다. 열 관리 장치는 적어도 하나의 광원에 열적으로 접속하도록 배열된 상측을 갖는 열 확산 요소, 및 광원으로부터 방출되는 광을 제어하기 위한 보조 광학계(secondary optics)를 포함한다. 장치는 열 확산기에 열적으로 접속되는 히트 싱크, 열 확산기에 열적으로 접속되는 열 파이프들의 제1 세트, 및 히트 싱크에서 강제 공기 대류를 제공하기 위한 팬을 더 포함한다. 히트 싱크의 적어도 일부는 보조 광학계를 둘러싸도록 배열된다. 열 파이프들은 히트 싱크 내에 내장된다.
따라서, 강제 대류 및 히트 싱크 내에 내장된 열 파이프들의 결합에 의해 보조 광학계를 갖는 광원에 대한 효율적인 열 관리를 가능하게 하는 열 관리 장치가 제공된다. 히트 싱크는 광원이 배열된 열 확산기에 열적으로 접속되므로, 발생하는 열의 일부가 열 확산기를 통해 히트 싱크로 직접 전달된다. 게다가, 히트 싱크는 보조 광학계를 둘러싸며, 따라서 보조 광학계에서 발생하는 열도 히트 싱크에 의해 관리될 수 있다. 이러한 배열은 또한 장치의 큰 각도 공간을 열 관리 목적으로 사용하는 것을 가능하게 한다. 이제, 예를 들어 LED들을 포함하는 광원에 대한 열 관리 장치를 통하는 단면들의 각도들을 참조하면, LED 광원에 대한 통상의 열 관리 시스템은 약 180도를 커버한다(통상적으로 LED 광원 아래에 배열된다). LED 위의 공간(180도)은 설계 및 응용의 자유를 제공할 수 있는 광학적 목적으로 사용된다. 본 발명의 개념에서는, 통상적으로 90도 미만의 공간이 보조 광학계를 위해 사용된다. 보조 광학계는 히트 싱크의 적어도 일부에 의해 둘러싸이며, 결과적으로 250도 이상, 바람직하게는 270도 이상, 가장 바람직하게는 300도 이상의 공간이 열 관리 시스템을 위해 사용될 수 있고, 따라서 고전력 응용들에 유리한 높은 열 관리 효율을 제공할 수 있다. 위의 각도들은 시스템을 통한 단면을 지칭한다.
계속하여, 자연 또는 강제 대류에 의해 많은 양의 열을 효과적으로 방산하기 위하여 히트 싱크의 젖는 표면이 상당히 커야 한다. 또한, 이것은 예를 들어 알루미늄과 같은 양호한 도전성 재료가 사용되는 경우에도 히트 싱크에서 상당히 큰 온도 기울기를 유발할 것이다. 본 발명의 개념에서, 이러한 온도 기울기는 히트 싱크 내에 내장된 열 파이프들에 의해 유리하게 감소한다. 게다가, 팬은 열 확산기, 히트 싱크 또는 이들 양자에서 강제 공기 대류를 제공하도록 배열될 수 있다. 히트 싱크/열 파이프들은 팬에 의해 제공되는 강제 대류와 연계하여 열 관리 장치를 효율적으로 냉각시키며, 따라서 고전력 광원에 의해 생성되는 열을 방산할 수 있다. 열 관리 장치는 100W 내지 1000W, 바람직하게는 200W 내지 700W, 가장 바람직하게는 300W 내지 500W의 (냉각될) 열 전력을 갖는 광원을 효율적으로 관리하기 위한 솔루션을 제공한다.
보조 광학계는 혼합 광학계, 시준 광학계, 반사기들, 렌즈들, 줌 및/또는 집광 광학계를 포함할 수 있으며, 본 명세서에 참고로 반영되는 Marshall 등의 US6,200,002를 참고한다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 보조 광학계는 열 확산 요소에 배열되고, 또한 광원을 둘러싸도록 배열되며, 이는 예를 들어, 시준 구조들을 제공하는 데 유리하다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 히트 싱크는 적어도 하나의 개구를 통해 공간과 흐름이 통하는 공동을 더 포함하며, 공동 내에는 팬이 배열된다. 따라서, 팬은 히트 싱크 내에 통합되며, 따라서 히트 싱크는 열 관리 장치에 대한 외부 케이싱을 형성한다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 열 파이프들의 제1 세트는 보조 광학계를 따라 연장하도록 배열된다. 열 파이프들은 히트 싱크 내의 온도 기울기들을 효과적으로 브리지하는 데 사용되며, 따라서 온도 기울기들이 감소하여, 그에 따라 더 효율적인 냉각이 달성된다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 열 파이프들의 제1 세트는 열 확산 요소의 하측에 배열된다. 옵션으로서, 열 파이프들의 제1 세트는 열 확산 요소 내에 (적어도 부분적으로) 내장될 수도 있다. 열 확산 요소의 하측으로부터의 방향으로 더 연장하는 히트 싱크를 구비할 때, 열 파이프들은 히트 싱크의 이 부분에서 온도 기울기들을 효과적으로 브리지하도록 배열되며, 이는 효율적인 냉각을 달성하는 데 유리하다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 장치는 열 확산기에 열적으로 접속되고 열 파이프들의 제1 세트에 대해 열 확산기의 대향 측에 배열된 열 파이프들의 제2 세트를 더 포함하며, 이는 광 열 확산기 요소로부터 2개의 반대 방향으로 연장할 수 있는 큰 히트 싱크에서 향상된 냉각 효과 및 더 균형화된 온도 분포를 제공한다. 히트 싱크는 열 확산기 요소에 대해 실질적으로 대칭으로 연장하도록 유리하게 배열될 수 있다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 열 파이프들은 열 확산기 내에 적어도 부분적으로 내장된다. 열 파이프들의 증발기 부분들은 높은 열 관리 효율을 위해 열 확산기 내에 내장되도록 유리하게 배열된다. 각각의 열 파이프의 응축기 부분은 히트 싱크 내에 내장된다. 이것은 광원에서 통상적으로 발생하는 최고 온도를 갖는 열 확산기와 히트 싱크(의 먼 부분들) 사이에서 발생하는 온도 기울기들을 유리하게 줄인다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 보조 광학계는 포물선, 타원, 원뿔 및 트럼펫 형상들 중 하나이다. 보조 광학계는 조명 장치의 통상적인 광학 컴포넌트인 시준 유닛일 수 있다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 히트 싱크는 보조 광학계가 배열된 포물선 또는 원뿔 공동을 포함한다. 이것은 공동 내의 보조 광학계의 설치에 의해 보조 광학계를 배열하는 것을 가능하게 하거나, 예를 들어 공동 표면 상의 유전체 또는 금속 코팅에 의해 실제로 보조 광학계를 히트 싱크의 통합부로서 제공하는 것을 가능하게 한다. 이것은 기계적으로 안정된 장치를 제공한다. 게다가, 후자의 경우, 장치의 구성 부품들의 수가 감소한다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 히트 싱크는 핀들을 갖도록 배열된다. 자연 또는 강제 대류에 의해 많은 양의 열을 효과적으로 방산하기 위하여, 히트 싱크의 젖는 표면이 상당히 커야 한다. 히트 싱크에 핀들을 제공함으로써, 젖는 표면이 유리하게 증가하며, 이는 또한 열 관리 장치의 냉각 효율을 향상시킨다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 핀들은 히트 싱크의 외부 형상이 절두 회전 타원체(truncated spheroid), 원통 또는 절두 원뿔을 형성하도록 배열된다. 이러한 히트 싱크의 형상들은 열 관리 장치의 전체 부피에 대한 젖는 표면 간의 높은 비율을 달성하므로 유리하다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 광원은 고상(solid state) 발광 요소, 특히 발광 다이오드 또는 레이저이다. 따라서, 본 발명의 개념은 고전력 LED 응용들을 위한 효율적인 열 관리 장치를 유리하게 제공한다.
열 관리 장치의 일 실시예에 따르면, 열 파이프들 중 적어도 하나는 평판식 열 파이프(planar heat pipe)이다. 평판식 열 파이프들은 열 확산은 물론, 젖는 표면들을 제공하기 위해 유리하게 사용된다. 더구나, 평판식 열 파이프들은 배향에 덜 민감하도록(즉, 열 파이프들에 대한 중력의 영향을 줄이도록) 배열될 수 있다. 더욱이, 평판식 열 파이프들의 사용은 장치의 광학계가 아래를 향할 때, 예를 들어 극장 스폿들과 같은 응용들에서 효과적이다.
본 발명의 개념의 제2 양태에 따르면, 본 발명의 개념에 따른 열 관리 장치를 사용하는 조명 장치가 제공된다. 조명 장치는 열 관리 장치 내에 설치된 적어도 하나의 광원을 포함한다.
따라서, 전술한 바와 같이, 열 관리 장치는 적어도 하나의 광원에 의해 생성되는 열을 관리하는 데 매우 효과적이다. 따라서, 다수의 광원 또는 단일 고전력 광원을 이용하여 높은 휘도를 제공하는 것을 가능하게 하는 조명 장치가 제공된다. 조명 장치는 히트 싱크 내에 내장된 열 파이프들 및 강제 대류의 결합에 의해 유리하게 냉각된다. 더구나, 조명 장치는 소형의 기능적인 고휘도 광원 유닛을 유리하게 형성한다.
조명 장치의 일 실시예에 따르면, 장치는 백열 광원을 사용하는 조명 기구 내에 리트로피팅(retrofitting)하는 데 적합하며, 따라서 예를 들어 백열 고전력 광원을 통상적으로 사용하는 조명 기구 내에 피팅되는 조명 장치가 제공된다. 본 발명과 관련하여, "리트로피팅"이라는 용어는 필라멘트형 전구, 할로겐 램프 등과 같은 백열 광원들에 통상적으로 사용되는 광 정착물 내에 피팅하는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 광원을 백열 광원을 통상적으로 사용하는 조명 기구 내에 리트로피팅한다는 것은 조명 기구 내의 백열 광원을 본 발명에 따른 광원으로 교체한다는 것을 의미한다.
더구나, 본 발명의 제2 양태는 일반적으로 제1 양태와 동일한 특징들 및 장점들을 갖는다.
본 발명의 개념의 실시예들 중 일부는 광원들에 의해 생성되는 열을 관리하는 새로운 대안적인 방법을 제공한다. 본 발명의 일부 실시예들의 장점은 향상된 열 관리를 제공하는 것은 물론, 능동적인 냉각 능력을 통합한 기계적으로 안정된 소형 장치를 제공한다는 것이다. 본 발명은 청구항들에 기재된 특징들의 모든 가능한 조합들과 관련된다는 점에 유의한다.
본 발명의 개념의 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 아래의 상세한 개시, 첨부된 종속 청구항들은 물론, 도면들로부터 명백해질 것이다.
일반적으로, 청구항들에서 사용되는 모든 용어들은 본 명세서에서 달리 명확히 정의되지 않는 한은 기술 분야에서의 그들의 통상의 의미에 따라 해석되어야 한다. "하나의/상기 [요소, 장치, 컴포넌트, 수단 등](a/an/the [element, device, component, means, etc])"에 대한 모든 참조들은 달리 명확히 언급되지 않는 한은 요소, 장치, 컴포넌트, 수단 등의 적어도 하나의 예를 참조하는 것으로 개방적으로 해석되어야 한다.
이하, 본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태들을 본 발명의 실시예(들)를 도시하는 아래의 첨부 도면들을 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 열 관리 장치의 일 실시예의 개략적인 단면 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 개념에 따른 열 관리 장치의 일 실시예의 개략적인 사시 정면도이고, 도 2b는 그의 단면도이며, 도 2c는 도 2a 및 2b에 도시된 열 관리 장치의 대안 실시예의 단면도이다.
도 3은 ANSYS CFX v11.0에서 수행된 열 시뮬레이션의 결과인, 본 발명의 개념에 따른 열 관리 장치의 일 실시예의 열 분포의 단면도이다.
도 4a 및 4b는 ANSYS CFX v11.0에서 수행된 열 시뮬레이션의 결과인, 본 발명의 개념에 따른 열 관리 장치의 일 실시예의 열 분포를 나타낸다.
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 개념에 따른 열 관리 장치의 일 실시예에 따라 열 파이프들의 제1 및 제2 세트를 구비한 열 확산기의 상부 및 하부 사시도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 소정 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 더 충분히 설명한다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 오히려 이들 실시예는 예시적으로 제공되며, 따라서 본 개시는 충분하고 완전할 것이며, 본 발명의 사상을 이 분야의 기술자들에게 충분히 전달할 것이다. 전반적으로, 동일한 번호들은 동일한 요소들을 지칭한다.
열 관리 장치(100)의 예시적인 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 열 관리 장치(100)는 절두 원뿔과 같은 형상의 히트 싱크(101)와 열 접촉하고 그의 좁은 단부에 배열된 원통형의 열 확산기(104)를 포함한다. 열 확산기(104)의 상면(104a)의 일부는 히트 싱크(101)에 의해 형성된 포물선 벽에 의해 둘러싸인다.
게다가, 보조 광학계(103)가 히트 싱크(101)에 의해 형성된 포물선 벽 내에 배열된다. 여기서, 보조 광학계(103)는 절두 원뿔 형상의 시준 구조이며, 그의 좁은 개구는 LED들(106)로부터 방출되는 광을 시준하기 위한 목적으로 열 확산기(104)에 배열된다. LED들(106)은 열 확산기(104)의 상면(104a) 위에 배열된다. 히트 싱크(101) 내의 개구(101a)는 공기 냉각을 위한 접근, 및 옵션으로서 광원들(106)의 제어 및 급전(powering)을 위한 전자 배선(도시되지 않음)을 제공한다. 이 예시적인 실시예에서, 개구(101a)는 상면(104a)과 반대인 열 확산기(104)의 표면이 접근 가능하도록 배열된다.
게다가, 보조 광학계(103)는 히트 싱크(101) 내에 피팅되도록 배열된다. 보조 광학계는 얇은 유연성 시트들, 예를 들어 알루미늄 또는 미로(Miro) 포일들로 제조될 수 있다(www.Alanod.de를 참고한다). 이러한 포일들은 특정 응용의 요구들에 따르는 형상, 예컨대 히트 싱크의 형상에 의해 미리 결정되는 형상을 가질 수 있다. 대안 실시예에서, 보조 광학계는 옵션으로서 히트 싱크의 내면의 표면 처리에 의해, 예컨대 반사 코팅, 또는 내부 전반사(TIR) 필터를 형성하기 위한 재료들의 다수의 얇은 층의 증착에 의해 제공될 수 있다. 보조 광학계는 얇은 절연층 또는 이격(도시되지 않음)에 의해 열 확산기로부터 분리될 수 있다.
더구나, 복수의 열 파이프(102)가 열 확산기(104) 내에 부분적으로 내장된다. 열 파이프들(102)은 열 확산기(104)로부터 히트 싱크(101) 내로, 또한 히트 싱크(101)의 벽의 연장부를 따라 연장하도록 배열된다. 도 1에는, 7개의 열 파이프(102)가 보인다. 열 파이프들은 열 관리 장치(100) 내에 대칭으로 배열되며, 열 확산기(104)의 중심으로부터 방사상 방향으로 연장하는 제1 단부(102a) 내에 위치한다. 게다가, 제2 단부(102b) 내에서, 열 파이프들(102)은 히트 싱크(101)의 벽을 따라, 따라서 보조 광학계(103)를 따라 연장하도록 배열된다.
LED들(106)은 납땜에 의해 열 확산기(104)의 상면(104a) 위에 설치되며, 따라서 열 확산기(104)와 LED들(106) 사이에는 효율적인 열 접촉이 제공된다. LED들의 설치는 옵션으로서 열 확산기에 대한 열 전도 접착제 또는 기계적 부착에 의해 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이, LED들은 또한 LED들의 급전 및/또는 제어를 위한 배선을 갖도록 배열된다. 배선은 바람직하게 열 확산기를 통해, 또한 개구(101a)를 통해 급전 및/또는 제어 유닛(도시되지 않음)으로 연장하도록 배열된다. 간략화를 위해, 배선 및 외부 급전 및/또는 제어 유닛은 도시되지 않는다.
히트 싱크(101)의 재료는 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 황동, 구리, 강(steel), 스테인리스 스틸, 또는 임의의 적절한 열 전도 재료, 화합물 또는 합성물일 수 있다. 열 확산기(104)는 Cu, Au, Al, Fe, 강, 또는 AlN, Al2O3와 같은 세라믹들, 또는 금속 코어 인쇄 회로 보드(MCPCB), 또는 절연 금속 기판(IMS, 여기서 금속은 Cu, Al 또는 강이다)이거나 이들을 포함한다. 따라서, 바람직하게 이러한 재료는 열 소스들, 즉 주로 LED들로부터의 효율적인 열 전달을 제공할 수 있는 높은 열 전도성을 갖는 적절한 재료이다.
게다가, 히트 싱크(101)의 좁은 단부에 팬(110)이 배열된다. 강제 공기 대류가 개구(101a)를 통해 히트 싱크 및 열 확산기에 제공된다. 바람직하게, 팬은 열 관리 장치의 하단에, 바람직하게는 시스템의 대칭 축에 배치된다. 옵션으로서, 팬은 히트 싱크(101)에 강제 공기 대류를 제공하기 위해 임의의 적절한 위치에 배열된다. 팬(110)의 목적은 젖은 표면들로부터 공기로의 열 전달을 증가시키는 것이다.
이제, 도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 개념에 따른 일 실시예(200)가 제공된다. 열 관리 장치(200)는 히트 싱크(221)의 원뿔 부분(201)의 좁은 단부와 열 접촉하고 그 부분에 배열된 원통 형상의 열 확산기(104)를 포함한다. 원뿔 부분(201)은 절두 원뿔과 같은 형상을 갖는다. 열 확산기(104)의 상면(104a)의 일부는 원뿔 부분(201)에 의해 형성된 포물선 벽에 의해 둘러싸인다.
게다가, 보조 광학계(203)는 히트 싱크(201)에 의해 형성된 포물선 벽 내에 배열된다. 보조 광학계(203)는 열 확산기(104)의 상면(104a)에 배열된 LED들(106)로부터 방출되는 광의 방향을 제어한다. 여기서, 보조 광학계(203)는 원뿔 부분(201)의 내면을 커버하도록 설치된 알루미늄 포일로서 제공된다.
더구나, 복수의 열 파이프(202)가 열 확산기(104) 내에 부분적으로 내장되고, 열 확산기(104)로부터 원뿔 부분(201) 내로, 또한 원뿔 부분(201)의 벽의 연장부를 따라 연장하도록 배열된다. 도 2b에는 2개의 열 파이프(202)가 보인다. 열 파이프들은 열 관리 장치(200) 내에 대칭으로 배열되며, 기본적으로는 전술한 실시예(100)에서와 같이 배열된다. 그러나, 여기서 열 파이프들(202)은 벽을 따라 원뿔 부분(201)의 외부 테까지 연장한다. 옵션으로서, 열 파이프들은 원뿔 부분(201)의 외부 테 밖으로 연장할 수 있다.
대안 실시예들에서, 열 파이프들(202)의 길이는 보조 광학계의 길이의 0.5 내지 2배, 바람직하게는 보조 광학계의 길이의 0.7 내지 1.3배이다. 바람직한 실시예에서, 열 파이프들의 제1 세트 내에는 5-30개의 열 파이프가 사용되고, 바람직하게는 7개 내지 21개, 가장 바람직하게는 7개, 9개, 14개 또는 18개가 사용된다. 열 파이프들의 수는 사용된 보조 광학계의 대칭에 맞도록 바람직하게 적응된다.
더구나, 열 파이프들(211)의 제2 세트가 열 확산기(104) 내에 부분적으로 내장되도록 배열되며, 열 확산기(104)의 하측으로부터 열 확산기(104) 아래에 배열된 공동(201a) 내로의 방향으로 연장하도록 배열된다.
히트 싱크(221)는 또한 복수의 핀(207)을 갖도록 배열된다. 핀들(207)은 히트 싱크(201)의 외면 상에 부분적으로 주변에(그리고 옵션으로서 대칭으로) 배열되고, 또한 원뿔 부분(201) 아래로 연장한다. (핀들은 옵션으로서 원뿔 부분 상에만 배열될 수 있다.) 핀들의 총 외부 표면적은 바람직한 실시예에 따르면 0.05m2 내지 0.8m2이고, 바람직하게는 0.1m2 내지 0.6m2이고, 가장 바람직하게는 0.2m2 내지 0.4m2이다. 핀들의 수는 바람직한 실시예에 따르면 7개 내지 32개이고, 바람직하게는 10개 내지 20개이며, 가장 바람직하게는 12개 내지 16개이다. 대안으로서, 핀들의 수는 열 파이프들의 수와 관련하여, 예를 들어 열 파이프들의 수의 1배, 2배, 3배 또는 4배로 설정된다. 통상적으로, 원뿔 부분(201) 및 핀들(207)의 총 연장은 보조 광학계에 맞게 연장하도록 또는 이 예시적인 실시예에서와 같이 보조 광학계보다 약 2배 길도록 배열된다. 핀들(207)의 재료는 금속(예를 들어, Al, Cu, Fe 등), 세라믹(예를 들어, Al2O3, AlN, TiOx 등) 및/또는 탄소 함유 재료(예로서, 흑연, 다이아몬드, 또는 합성물들을 포함하는 유기 분자들 등)이거나 이들을 포함한다.
히트 싱크(221) 내에 공동(210)이 형성되며, 그 안에는 강제 공기 대류를 제공하기 위해 팬(110)이 배열된다.
본 발명의 개념에 적용 가능한 광원은 통상적으로 작은 크기를 갖는 LED 어레이이다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 10mm 내지 100mm, 바람직하게는 20mm 내지 50mm, 가장 바람직하게는 약 30mm의 광원 직경이 적절하다. 예시적인 광원의 전력 밀도는 통상적으로 1x106 내지 5x107W/m2이다.
결과적인 열 확산기와 주변 공기(25℃) 사이의 온도 차이는 <100℃, 바람직하게는 <90℃, 가장 바람직하게는 <80℃이다.
일 실시예에서, 광원은 복수의 LED, 바람직하게는 9-500개의 LED, 더 바람직하게는 50-200개의 LED를 포함하는 LED 어레이를 포함한다. 바람직한 실시예에서, LED들은 200㎛ 내지 5mm, 바람직하게는 500㎛ 내지 3mm, 가장 바람직하게는 2mm 내지 3mm의 피치(개별 발광 요소들 간의 거리)로 함께 밀접하게 팩킹된다.
다른 바람직한 실시예에서, 광원은 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 컬러 LED(R, G, B, A, C, W, WW, NW와 같은 컬러들을 갖는 광을 방출함)를 포함한다.
도 2c는 도 2a 및 2b와 관련하여 전술한 실시예와 유사한 실시예를 나타내며, 이 실시예에서 팬(110)은 히트 싱크(221) 아래에 배열된다.
본 발명의 개념을 설명하기 위하여, 예시적인 실시예의 열 시뮬레이션들이 도 3 및 4에 예시된다. 조명 장치(300)는 기본적으로 도 2와 관련하여 설명된 광원들(106)에 대한 열 관리 장치(200)의 실시예와 동일한 구조를 갖는다. 열 파이프들(302)은 중력의 영향을 최소화하도록 배치된다. 중력의 영향을 최소화하는 한 가지 방법은 복수의 열 파이프가 사용될 때 열 파이프들을 상이한 방향들로 배열하여 열 파이프들 중 적어도 일부가 (광원의 방향은 응용에서 변경될 수 있으므로, 광원의 방향과 무관하게) 항상 위 방향을 향하게 하는 것일 수 있다.
대안 실시예(도시되지 않음)에서는, 긴 열 파이프들의 중간이 열 확산기 내에 삽입되어 긴 열 파이프들의 대향 단부들이 고온부(긴 파이프들의 중간)로부터의 증기가 향해 탈출할 수 있는 2개의 저온부를 형성하도록 긴 열 파이프들이 배열된다.
조명 장치(300)는 100개의 LED(106)를 갖는 LED 어레이를 포함하는 광원을 갖도록 배열된다. (100개 이상의 LED를 갖는 장치가 이용 가능하다는 점에 유의해야 한다.) 많은 수의 LED를 이용하여, 500 루멘 이상을 방출하는 조명 장치를 얻을 수 있다. 이것은 또한 400W 정도의(그리고 아마도 LED들에 더 의존하는) 상당한 열 부하를 유발할 것이며, 이러한 열은 10cm2 정도 또는 아마도 그 이하의 작은 영역들에서 발생한다. LED들은 3개의 상이한 컬러, 예로서 적색, 녹색 및 청색을 갖도록 배열되며, 이는 매우 양호한 컬러 혼합을 가능하게 한다.
LED들(106)에 의해 방출된 광은 효율적인 컬러 혼합기이기도 한 US6200002 B1에 설명된 바와 같은 트럼펫 형상의 반사기(203)를 이용하여 시준된다. 반사기 세그먼트들은 한 방향에서는 편평하고 다른 방향에서는 곡선이다. 반사기 표면(203)은 Alanod의 미로 은으로 된 반사성이 큰 박막이다.
조명 장치(300)는 여기서 명시적으로 도시되지 않은 전력 공급 장치 및 컬러 제어 유닛을 더 포함한다. 조명 장치(300)는 LED 어레이(106)가 열 관리 장치(200)의 열 확산기(104) 상에 설치되도록 배열된다. 따라서, 고휘도 컬러 조절 가능 스폿을 갖는 조명 장치(300)가 얻어질 수 있으며, 이는 고전력 응용에서 생성되는 열을 관리할 수 있다.
여기서 히트 싱크(322)의 직경(L)은 20cm이고, 여기서 히트 싱크(322)의 길이(H)는 30cm이다. 상업적으로 입수 가능한 팬(110, SUNON mec0251-v3)이 그 자신의 동작 곡선과 더불어 시뮬레이션들에서 사용된다. 이것은 그의 저잡음 방출로 인해 선택된 120x120x25 팬이다. 여기서, 히트 싱크(322)의 기하 구조는 다이 캐스트 알루미늄에 의해 얻어질 수 있도록 선택된다. 두꺼운 테이퍼 형태의 핀들의 수는 약 2.5mm의 평균 두께를 갖는 27개 내지 36개로 선택된다. 옵션으로서, 압출(extrusion)에 의해 얻어지는 더 많은 수의 얇은(0.2mm) 핀들이 사용될 수도 있다. 여기서, 열 파이프들 및 핀들의 수 사이의 비율은 2/1(2개의 핀당 하나의 열 파이프)로 설정되며, 이는 균일한 열 확산을 보증한다. 그러나, 열 확산과 설계 복잡성 사이의 절충이 필요해지는 경우에는 3/1 비율이 양호한 후보이다.
도 3은 ANSYS CFX v11.0을 이용하는 열 시뮬레이션들을 나타내는 조명 장치(300)의 단면도를 도시한다. 히트 싱크 상의 온도 패턴은 도 3의 실시예의 좌측 절반에 도시되며, 여기서 열 파이프들(302)의 측면을 따라 균일한 온도 분포가 달성된다는 것을 알 수 있다. 도 3의 실시예의 좌측 절반 상의 온도 패턴은 단면 상에서 취해졌다. 이것은 열 파이프들에 의해 보증되는 향상된 열 전달을 나타내며, 온도 기울기는 열 파이프 패턴을 따라 덜 가파르다. 도 4는 전체 실시예의 열 시뮬레이션들을 나타내며, 히트 싱크의 외피 상의 온도 패턴은 도 3의 단면과 일치한다.
히트 싱크(102, 322)의 크기는 가능한 한 커야 한다. 제한 팩터들은 전체 열 관리 장치 또는 조명 장치(100, 200, 300)의 여유 공간(clearance) 및 장치를 균일한 (그리고 아마도 높은) 온도로 유지함에 있어서의 열 파이프들의 유효성이다. 시뮬레이션들은 본 발명의 개념이 열 확산기 내의 최대 온도를 90℃ 아래로(주변 공기 온도 25℃) 유지하면서 500W까지의 열을 제거하는 것을 가능하게 한다는 것을 보여준다. 또한, LED들의 대응하는 접합 온도는 120℃ 내지 135℃의 범위 내에 있으며, 이는 현재의 LED 기술로 가능하다. 본 발명에 따른 열 관리 장치는 LED 어레이 내의 LED들의 접합 온도를 동작 조건들에서(주변 공기 온도 25℃) 실질적으로 150℃ 아래, 바람직하게는 135℃ 아래, 더 바람직하게는 120℃ 아래, 가장 바람직하게는 90℃ 아래로 유지하는 것을 가능하게 한다.
도 5a 및 5b는 일 실시예의 일부를 나타내며, 여기서 열 파이프들(401)의 제1 세트 및 열 파이프들(411)의 제2 세트는 평판식 열 파이프들로서 배열되며, 이들은 열 확산기(404) 내에 부분적으로 내장된다. 이 실시예의 주요 특징은 팬(도 5에 도시되지 않음)에 매우 가까운 평판식 열 파이프들(411)의 사용이다. 게다가, 열 파이프들(411)은 열을 확산하는 역할을 하며, 또한 예를 들어 팬(이전의 도 1-4에서 110)에 의해 생성된 공기 흐름과 접촉하는 젖은 표면들의 역할을 한다. 이러한 구현은 배향(즉, 중력)에 대한 민감도의 감소를 필요로 하고 향상된 열 확산을 제공하는 설계들에 유리하다. 실제로, 평판식 열 파이프들(411)은 옵션으로서 히트 싱크(322) 및 공기 양자의 온도가 비교적 낮은 영역으로 연장할 수 있다. 평판식 열 파이프들은 열 파이프들에 대한 최대 효과로 인해 극장 스폿들과 같은 응용들에서와 같이 광학계가 아래로 향하는 경우에 특히 효과적이다.
바람직하게는, 열 파이프는 열 파이프의 고온부가 저온부보다 낮은 위치에 배치되도록 배향되며, 이는 증기가 쉽게 저온부를 향해 이동할 수 있게 한다. 증기를 생성하는 고온부가 저온부보다 높은 위치에 있는 경우, 연속 열 흐름을 실현하기가 더 어려우므로, 덜 효율적인 가열이 달성된다. 평판식 열 파이프들의 경우, 증기는 고온부로부터 탈출하는 실질적으로 2개의 방향을 갖는다. 이러한 2개의 방향 중 하나는 위쪽이며, 열 파이프의 저온부를 향할 가능성이 더 크다.
본 발명의 개념은 예를 들어 자동차 전면 조명, 스폿 라이트들 또는 다른 일반 조명 유닛들, 극장 스폿들 및 고전력 조명에서 이용 가능하다.
이 분야의 기술자는 본 발명이 전술한 바람직한 실시예들로 결코 한정되지 않는다는 것을 인식한다. 오히려, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 많은 변경 및 변형이 가능하다.

Claims (15)

  1. 광원에 대한 열 관리 장치(100)로서,
    적어도 하나의 광원(106)에 열적으로 접속하도록 구성된 상측을 갖는 열 확산 요소(104);
    상기 광원으로부터 방출되는 광을 제어하기 위한 보조 광학계(secondary optics)(103);
    상기 열 확산기에 열적으로 접속되는 히트 싱크;
    상기 열 확산기에 열적으로 접속되는 열 파이프들의 제1 세트; 및
    상기 히트 싱크에서 강제 공기 대류를 제공하기 위한 팬
    을 포함하고,
    상기 히트 싱크의 적어도 일부는 상기 보조 광학계를 둘러싸도록 구성되고, 상기 열 파이프들은 상기 히트 싱크 내에 내장(embed)되는 열 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조 광학계(103)는 상기 열 확산 요소에 구성되며, 상기 광원(106)을 둘러싸도록 더 구성되는 열 관리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 히트 싱크는 적어도 하나의 개구를 통해 공간과 흐름이 통하는 공동(cavity)을 더 포함하고, 상기 공동 내에 상기 팬이 구성되는 열 관리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 파이프들의 제1 세트는 상기 보조 광학계를 따라 연장되도록 구성되는 열 관리 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 파이프들의 제1 세트는 상기 열 확산 요소의 하측에 구성되는 열 관리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 확산기에 열적으로 접속되고, 상기 열 파이프들의 제1 세트에 대해 상기 열 확산기의 반대쪽에 배치된 열 파이프들의 제2 세트를 더 포함하는 열 관리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 파이프들은 상기 열 확산기 내에 적어도 부분적으로 내장되는 열 관리 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 광학계는 포물선, 타원 또는 원뿔 또는 트럼펫 형상을 갖는 열 관리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 포물선 또는 원뿔 형상의 공동을 포함하고, 상기 공동 내에는 상기 보조 광학계가 배치되는 열 관리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 핀들(fins)을 갖도록 구성되는 열 관리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 핀들은 상기 히트 싱크의 외부 형상이 절두 회전 타원체(truncated spheroid), 원통 또는 절두 원뿔 중 하나를 형성하도록 구성되는 열 관리 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 고상(solid state) 발광 요소, 특히 발광 다이오드 또는 레이저인 열 관리 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 파이프들 중 적어도 하나는 평판식 열 파이프(planar heat pipe)인 열 관리 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 열 관리 장치 내에 설치된 적어도 하나의 광원을 포함하는 조명 장치.
  15. 제14항에 있어서, 백열 광원을 사용하는 조명 기구 내에 리트로피팅(retrofitting)하도록 더 구성된 조명 장치.
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