KR20130136609A

KR20130136609A - 경량 급속방열 엘이디조명 등기구

Info

Publication number: KR20130136609A
Application number: KR1020120060110A
Authority: KR
Inventors: 이점호; 조기현
Original assignee: 주식회사 엔엘그린텍; 이점호
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-12-13

Abstract

본 발명은 경량 급속방열 엘이디조명 등기구에 관한 것으로, 투광부를 갖는 하우징 내에 엘이디 패키지가 실장되어 인가된 전원에 의해 투광부를 통하여 조명을 제공하는 엘이디 조명기구를 제시함에 있어서, 상기 투광부와 결합된 하우징 내부는 밀폐구조로 조립되고, 일면은 상기 엘이디 패키지를 구성하는 PCB와 유착을 위한 유착면이 형성되고 다른 일면에 히트파이프의 증발부와 맞춤 결합되는 히트파이프홀더가 형성되는 히트파이프 베이스가 PCB와 일체로 결합된 상태로 하우징 내부에 설치되며, 증발부가 상기 하우징을 관통하여 히트파이프홀더에 맞춤되고 응축부는 하우징 외부로 노출되도록 하우징 상부에 수직방향으로 결합되는 히트파이프와, 상기 히트파이프의 몸통이 하우징과 일체로 고착된 상태에서 응축부에 다수의 플레이트형 방열핀(fin)이 일정 간격으로 고착 형성된 구조로 이루어지고, 방열핀의 표면에 나노 크기의 이산화티탄(TiO₂)을 도포하여 이산화티탄 표면층을 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

경량 급속방열 엘이디조명 등기구{ LED lamp}

본 발명은 엘이디조명 등기구에 관한 것이며, 특히 히트파이프를 사용하여 방열장치를 경량화시킴으로써 슬림구조의 가로등주를 포함하여 기존 가로등주에도 그대로 적용할 수 있으며, 이산화티탄의 친수성과 온도차에 의한 금속의 대기 수분 응축작용에 의해 방열핀이 자기정화가 이루어지도록 구성함으로써 대기오염물질의 유착을 억제하여 방열성능을 지속적으로 유지할 수 있도록 한 경량 급속방열 엘이디조명 등기구에 관한 것이다.

LED 조명은 기존 전구 등 조명기구에 비하여 소비전력이 낮고 수명이 길어 옥외용 조명기를 포함한 다양한 분야에서 확대 적용되고 있다.

조명에 이용하는 엘이디는 백색광 및 고휘도 LED를 주로 적용하고, 메탈 PCB 등에 일체화한 패키지 형태로 제작하여 등기구를 구성하는 일정한 형태의 하우징에 실장한 구조로 이루어져 가로등주나 지지체 등에 고정 사용하는 형태를 갖는다.

엘이디는 인가된 전류가 P-N 접합부에서 빛을 생성하는 특성상 조명에 필요한 고휘도를 얻기 위하여 작은 P-N 접합부 소자에 전류를 투입하여야 하고, 전류의 흐름과정에서 소자 주변부의 발열이 발생하여 열에 취약한 엘이디소자의 광출력을 감소시키고, 패키지의 열화현상을 야기한다.

엘이디패키지의 열화현상은 광 출력 감소, 출력 빛의 파장 증가, 열응력 발생에 의한 Bond Wire 파손, 열응력 발생에 의한 접합부 박리, 에폭시 렌지 황변, Solder부 파괴로 이어져 LED 수명과 광 성능을 저하시키는 요인이 되기 때문에 LED 조명에서 방열구조가 필수적으로 요구된다.

엘이디 패키지(엘이디소자, PCB, Heatsink Slug 및 기타 배선회로를 포함한 개념으로 사용함)에 적용된 방열장치는 하우징 내에 실장한 엘이디 패키지로 부터 발생한 열을 PCB에 접촉한 히트싱크를 통하여 외부로 방열하는 구조로 이루어지는데, 구체적인 방열방법에 있어서, 열전모듈을 이용하는 방법, 팬에 의한 강제 대류 또는 냉각수에 의한 수냉 방법, 다공성알루미늄 방열핀(fin)의 형상 배열등의 최적설계에 의해 방열면적을 늘린 히트싱크를 외기에 노출되도록 하우징과 일체형으로 구성하여 하우징 내부에서 엘이디 패키지로 부터 흡수한 열을 외기로 방출하는 히트싱크형 방열장치, 작동유체의 상변화를 이용하여 열을 펌핑하는 히트파이프를 이용하는 방법 등 다양한 방법이 알려져 적용되고 있으며, 패드나 젤타입의 접촉열전도체 또는 탄소나노코팅 등의 표면처리에 의해 열전달을 촉진시키는 방법 등이 복합적으로 적용되고 있으나 조명기구의 특성상 방열장치 구조에 제한을 받는다.

열전모듈을 이용하는 방법은 열전 반도체 소자에 전류를 흘러주면 열전소자 각각의 양단에 흡열, 발열현상이 발생하는 원리를 이용하여 엘이디 패키지를 냉각하는 방법으로서 구동체가 없어 무소음,소형 경량화가 가능한 장점이 있으나 낮은 냉각효율과 옥외 사용 대상인 가로등에는 관리상의 어려움 때문에 적용에 한계가 있다.

수냉식 및 공냉식 물 또는 공기의 강제 순환에 의해 방열시키는 구조로 방열성능이 우수한 장점이 있으나 팬이나 모터 등의 내구 수명이 LED에 비하여 낮아 유지 관리가 어렵고, 중량이 커서 가로등주의 설계부하가 증가하고, 팬과 펌프 등의 관리가 어려워 옥외 사용 대상인 가로등 적용에 한계가 있다.

히트싱크형 방열장치는 pin-fin 타입 또는 plate-fin 타입으로 알루미늄 fin을 압출성형하여 구성한 히트싱크를 엘이디패키지의 메탈 PCB에 부착한 구조로서 PCB 및 Heatsink Slug를 통하여 흡수한 열을 핀에 의한 확장된 비표면적을 통하여 방열하는 구조로 이루어지는바, 구조가 단순하고, 수냉식이나 공냉식에 비하여 부피 및 무게에 있어 상대적인 장점이 있고, 하우징커버와 히트싱크를 일체형으로 구성하여 디자인 품질을 높일 수 있는 장점이 있어 기존 대부분의 엘이디 등기구는 히트싱크형 방열장치를 적용하고 있다.

그러나 상기한 히트싱크형 방열장치는 기존 전구형 등기구에 비하여 히트싱크가 추가됨으로써 등기구의 부피가 커지고, 무게도 증가되어 천정에 설치하거나 가로등주에 적용할 때 설계하중부하 증가에 따른 구조물의 규격이 달라져 기존 등기구를 대체하는 데 따른 제한이 있다. 즉, 기존 전구형 등기구에 맞추어 설계된 가로등주나 천정은 히트싱크가 추가된 등기구의 무게를 안전하게 지지할 수 없는 경우가 대부분이어서 가로등 날개부분 구조 보강에 추가 비용이 들어가기 때문에 엘이디조명기구의 많은 장점에도 불구하고 보급이 제한적일 수 밖에 없었다.

특히 가로등과 같이 옥외에 사용하는 경우에 차량의 배기가스에 의한 질소산화물이나 황산화물이 Heatsink 표면에 침착하여 대류나 복사에 의한 방열을 방해함으로써 방열성능이 급속히 감소되고 설치된 상태에서 이들 오염물질의 제거가 현실적으로 곤란하기 때문에 기존 엘이디 조명기구는 시간경과에 따라 이론적 수명과 효율에 미치지 못하는 성능감소가 불가피하였다.

한편, 최근들어 히트파이프를 이용한 방열장치의 사용이 확대되고 있다.

히트파이프는 열전도 성능이 우수한 금속 파이프 내부에 윅(wick)을 형성하고 음압 상태로 작용유체를 넣어 증발과 응축에 의한 작용유체의 상변화 싸이클에 의해 증발부에서 열을 흡수하여 응축부에서 방열하는 원리를 이용한 것으로, 열원부와 방열부의 온도차가 1~2℃에서도 작동이 가능하고, 열전도도가 대략 구리의 400배 정도로서 열전도가 매우 빠르게 이루어지며, 히트파이프 자체는 저 중량으로 구성할 수 있기 때문에 가로등용 방열장치에 효과적으로 적용할 수 있는 장점이 있다.

이러한 히트파이프의 장점을 활용하여 다양한 방열구조의 엘이디 조명등기구가 제시되고 있다.

대한민국 공개특허 10-2010-0112831호는 도 1a에 도시한 바와 같이, 피씨비(14) 하면으로 복수의 엘이디(12)가 장착되고, 엘이디(12)를 보호하며 빛의 확산을 유발하고 외부 공기유입이 원활할 수 있도록 모서리가 만곡된 형태로 형성된 엘이디 케이스(130)와 상기 엘이디(12)를 통해 상기 피씨비(14) 상부로 발생되는 열을 1차적으로 방열하기 위한 제 1 방열핀(52)이 구비되며, 2차 방열을 위해 상기 제 1 방열핀(52) 위로 천공(54)이 구비된 아치형상의 제 2 방열핀(70)이 형성되며, 내부는 상기 제 2 방열핀(70)이 천정으로부터 일정간격 이격되어 구비될 수 있는 공간이 형성되어 있고,상부에는 상기 제 2 방열핀(70)의 천공(54)을 통해 공기가 외부로 배출될 수 있도록 처마 형상의 환기구(94)가 구비되며, 하부면에는 공기가 원활히 유입될 수 있도록 하나 이상의 통풍구(22,24)가 구비된 케이스부(92)가 포함되는 구조의 엘이디 방열조명등을 제시하고 있다. 이것은 엘이디에서 발생하는 열을 제 1 방열핀(52)에서 수집하고, 다수의 히트파이프(54)를 사용하여 케이스(92)내부에 설치한 제 2 방열핀(70)으로 열을 이송하며, 케이스부(92)에 형성한 환기구를 통한 공기의 흐름에 의해 제 2 방열핀(70)의 방열이 이루어지도록 한 것으로 히트파이프(54)를 사용하여 제1방열핀에서 제2방열핀으로 신속하게 열이송하고 굴뚝효과에 의한 통기성능을 개선한 장점을 제공하고 있으나 케이스 내부 방열특성상 방열성능이 제한적이며, 구조상 기존 히트싱크 방열장치의 문제점인 부피와 중량 증가에 따른 제반 문제점을 해소할 수 없고, 우수나 습기의 차단이 요구되는옥외 램프 적용시 내부 밀폐성에 한계가 있고, 차량배기에 의한 핀 표면 오염문제를 해소할 수 없는 문제점이 있었다.

대한민국 특허 10-1105383호는 도1b에 도시한 바와 같이, 원판형 써멀 베이스(10)를 발열원에 접합하고, 상기 써멀베이스의 트렌치(trench) 형상 전열홈에 히트파이프 루프(20)를 원기둥 형태로 결합하는 구조를 제시하며, 대한민국 등록특허 10-1108238는 도 1c에 도시된바와 같이, LED모듈의 PCB와 접촉하는 히트파이프(31)에 제1방열체(33)를 접촉하고, 제1방열체에 복수의 방열날개를 갖는 제2방열체(35)를 결합하는 LED 조명장치를 제시하고 있다.

상기한 엘이디 조명장치는 히트파이프 자체를 방열장치로 구성하거나 히트파이프의 응축부에 방열체를 형성한 구조의 방열장치를 엘이디모듈에 결합한 조명장치로서 엘이디의 빠른 열전달 특성을 이용하면서도 엘이디모듈에 의한 조명능력에 비하여 방열장치부의 부피 및 중량이 커서 기존 등주나 구조물에 설치 사용하는데 한계가 있고, 방열장치의 복잡한 구조에 의해 비용이 증가하는 문제점 및 표면오염시 성능저하 문제가 해결되지 못하였다.

KR 10-2010-0112831 A1 KR 10-1105383 B1 KR 10-1108238 B1

본 발명은 투광부를 포함한 하우징 내에 엘이디 패키지가 실장되어 인가된 전원에 의해 조명을 제공하는 엘이디 조명등기구를 제시함에 있어서, 하우징 내부가 밀폐된 상태에서 하우징 내부 열을 외부로 이송하여 방출하도록 방열장치를 구성하여 가로등을 포함하여 안정적인 옥외 사용이 가능한 엘이디 조명기구를 제시하고, 방열 성능을 높이면서 경량화한 방열장치를 제시하여 조명기구 설비를 위한 지지체의 보강 없이도 기존 조명기구를 대체하여 설치할 수 있도록 할 목적을 갖는다.

또한, 본 발명은 자동차 배기가스 등의 오염물질이 방열핀(fin) 표면에 유착하여 방열을 방해함으로써 시간경과에 따른 엘이디 조명 성능저하 문제점을 해소할 목적을 갖는다.

본 발명은 상기한 기존 엘이디 조명기구가 갖는 문제점을 해소하기 위하여 투광부를 갖는 하우징 내에 엘이디 패키지가 실장되어 인가된 전원에 의해 투광부를 통하여 조명을 제공하는 엘이디 조명등기구를 제시함에 있어서, 상기 투광부와 결합된 하우징 내부는 밀폐구조로 조립되고, 일면은 상기 엘이디 패키지를 구성하는 PCB와 유착을 위한 유착면이 형성되고 다른 일면에 히트파이프의 증발부와 맞춤 결합되는 히트파이프홀더가 형성되는 히트파이프 베이스가 PCB와 일체로 결합된 상태로 하우징 내부에 설치되며, 증발부가 상기 히트파이프 베이스의 히트파이프홀더에 맞춤된 상태에서 응축부가 상기 하우징을 관통하여 하우징 외부로 노출되도록 결합되는 히트파이프와, 상기 히트파이프의 몸통이 하우징과 일체로 고착된 상태에서 응축부에 다수의 플레이트형 방열핀(fin)이 일정 간격으로 고착 형성된 구조를 갖는 경량 급속방열 엘이디조명 등기구를 제시한다.

또한, 본 발명은 상기 히트파이프 베이스는 하부부재에 유착면이 형성되고 상부부재에 히트파이프홀더가 형성되는 H형으로 구성하고, 상기 히트파이프는 각기 ∪ 형과 ∩형을 갖는 제1히트파이프와 제2히트파이프 2개로 이루어져 제1히트파이프의 ∪형 하부가 히트파이프 베이스에 형성한 히트파이프홀더에 맞춤 결합된 상태에서 그 상단부가 하우징을 관통하여 외부로 노출되고, 상기한 방열핀은 그 중심하부가 제2히트파이프의 ∩형 상부 몸체에 관통 고착되며, 방열핀이 결합된 제2히트파이프의 ∩형 하단부와 제1히트파이프의 ∪형 상단부가 각기 커플링에 의해 연결되는 구조로 이루어지는 경량 급속방열 엘이디조명 등기구를 제시한다.

또한, 본 발명은 상기한 각 방열핀의 표면에 나노 크기의 이산화티탄(TiO₂)을 도포하여 이산화티탄 표면층을 형성한 경량 급속방열 엘이디조명 등기구를 제시한다.

본 발명은 하우징 내부의 엘이디 패키지의 구동에 의해 발생한 열이 PCB표면에서의 전도과정을 통하여 히트파이프 베이스에 흡수되고, 흡수된 열은 히트파이프를 통하여 하우징 외부로 이송되고 응축부에 형성한 방열핀에 의해 방출하는 구조를 갖는다. 따라서, 하우징 내부를 통기되지 않는 밀폐형으로 구성하더라도 온도상승을 억제할 수 있어 우수나 습기의 영향을 받는 가로등을 포함한 옥외 엘이디 등기구로 사용할 수 있고, 엘이디의 발광 상태에서 히트파이프의 증발부가 하부 열원부에 위치하고 상부 응축부와 거의 수직 형태를 이루어 응축된 작용유체가 중력방향으로 순환되는 배열 구성이 가능하여 히트파이프의 완전한 성능유지와 그에 의한 고효율을 방열성능을 유지할 수 있으며, 히트파이프 베이스와 히트파이프 및 플레이트형 방열핀(fin)에 의한 단순 방열장치 구조에 의해 엘이디 등기구의 경량화가 가능하여 기존 전구를 사용한 가로등주나 천정 구조물에 별도의 보강 없이도 엘이디 조명등기구를 대체하여 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 히트파이프베이스를 H형으로 구성함으로써 엘이디패키지로 부터 발생하는 열을 효과적으로 흡수하고 확대된 단면에 의해 열의 신속한 분산이 가능하며, 하우징외부로 연장되는 히트파이프의 길이를 짧게 구성할 수 있어 히트파이프의 열이송 효율을 향상할 수 있는 장점이 있다.

또한, 제1히트파이프와 제2히트파이프를 커플링에 의해 연결하는 구조로 함으로써 하우징 내장부와 외장부를 분리할 수 있어 조립이 용이하고, 유지관리가 용이한 장점을 제공한다.

또한, 방열핀의 중심 하단부에 히트파이프의 응축부가 관통 결합됨으로써 히트파이프를 기점으로 열이 상향으로 전도되며, 그에 따라 방열핀에서의 열 전달 효율이 높아지고 그만큼 방열 성능이 향상된다.

방열핀 표면에 형성된 이산화티탄 표면층은 나노 크기의 이산화티탄을 사용함으로써 투명하고 얇은 막을 형성하여 방열핀의 방열성능을 감소시키지 않는다. 또한 태양광에 포함된 자외선이 이산화티탄에 조사됨으로써 여기된 정공(h⁺)이 공기중의 수분과 반응하여 강력한 산화력을 갖는 수산화라디칼(·OH) 생성하여 자동차배기가스에 의해 방열핀 표면에 흡착된 황산화물,질소산화물을 산화 분해한다. 또한, 자외선에 반응한 이산화티탄은 매우 강한 친수성을 가지고 대기에서 생성된 수분을 표면에 확산 침투시킴으로써 광촉매반응에 의해 산화분해된 상태로 표면에 묻어 있는 황산화물,질소산화물 사이로 파고 들어 이들 물질이 유착되는 것을 방지하며, 조명등의 가동을 중지한 아침 시간대에 냉각된 방열핀에서 응축된 수분이 방열핀 표면에서 유착되지 못하고 쌓여 있는 오염물질을 씻어 내는 작용을 한다. 이와 같은 기전에 의하여 방열핀 표면은 초기상태를 유지하며, 표면 오염에 의한 방열성능의 저화, 그로 인한 발광성능의 감소 문제가 해소되는 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 엘이디조명등기구의 구성도
도 2는 본 발명의 기본 구성도
도 3은 본 발명에 의한 등기구 실시 예의 측면 상태도
도 4는 히트파이프 베이스와 제1히트파이프의 결합 실시 예도
도 5는 방열핀의 실시 예도
도 6은 본 발명에 의한 제2방열핀의 조립 상태도
도 7은 본 발명에 의한 방열 흐름도
도 8는 본 발명의 방열핀 표면 정화 원리도

이하 첨부된 도면에 의한 실시 예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시한 것으로, 본 발명은 하우징(10)과 투광부(20) 및 하우징 내에 실장된 엘이디패키지(30)와, 상기 엘이디 패키지에 적용된 방열장치(40)를 포함하여 구성되는 엘이디 조명등기구에 적용된다.

본 발명에서 하우징(10)은 엘이디패키지(30)를 실장하여 보호하기 위한 케이스로서 투광부(20)를 구성하는 벌브와 결합하여 내부에 밀폐된 공간을 제공함으로써 우수의 유입이나 습기에 의해 내부 엘이디패키지(30)가 손상되는 것을 방지하는 구조로 이루어짐으로서 가로등을 포함한 옥외 조명등으로 사용 가능하게 된다.

상기한 하우징은 다양한 소재가 적용될 수 있으나 중량과 방열특성 및 내구성을 위하여 알루미늄 재질을 사용함이 바람직하고, 장식감을 위하여 다양한 디자인 형상으로 제작이 가능하며, 사용목적에 따라 가로등주나 설치용 브라켓 결합을 위한 소켓(11)이 포함된다. 도시된 실시예는 가로등주 결합을 위한 각도 조절형 소켓을 형성한 예를 도시한 것이다.

투광부(20)는 엘이디광원을 보호하면서 조명을 투사할 수 있도록 투명 벌브를 사용하여 하우징에 결합되며, 하우징 내부로 우수 및 습한 공기가 유입되어 누전을 일으키는 것을 차단하기 위하여 하우징에 대하여 밀폐구조를 가지며, 필요에 따라 내부를 개방할 수 있도록 클립(21)에 의해 결합한다.

엘이디패키지(30)는 PCB(31)에 엘이디소자를 부착 구성한 회로와 구동장치(SMPS)를 포함하여 이루어지고, 엘이디소자의 내구수명에 미치지 못하는 구동장치의 교체와 보수의 편리성을 위하여 구동장치는 외장형태로 구성하여 하우징 외부에 설치한 구조로 이루어진다.

상기 PCB는 엘이디 패키지에서 발생한 열을 1차 흡수하는 요소로 효율적인 열흡수를 위하여 메탈PCB의 적용이 바람직하다.

본 발명에 의한 방열장치(40)는 히트파이프베이스(41)와, 히트파이프(42) 및 방열핀(43,fin)으로 이루어진다.

히트파이프베이스(41)는 평판 플레이트형으로 구성할 수 있고, 도시한 바와 같이 수평으로 배열한 H형으로 구성할 수 있다.

히트파이프베이스(41) 일면은 상기 엘이디 패키지를 구성하는 PCB와 유착을 위한 유착면(411)이 형성되고 다른 일면에 히트파이프(42)의 증발부(421)와 맞춤 결합되는 히트파이프홀더(412)가 형성되며, 히트파이프 베이스가 PCB(31)와 일체로 결합된 상태로 하우징 내부에 설치된다.

상기 히트파이프베이스(41)는 평판 플레이트형으로 구성한 경우에 무게에 대한 부담이 완화됨으로 열전도가 우수한 구리로 구성할 수 있고, H형으로 구성한 경우에는 알루미늄을 소재로 구성할 수 있다.

히트파이프베이스(41) 유착면(411)은 접촉면에서 열저항이 감소되도록 평활면으로 가공하여 구성하며, PCB와 결합시에 유착면(411)에서 열저항을 감소시키도록 써멀그리스를 도포한 상태에서 볼트 등에 의해 PCB와 밀착 체결하는 형태로 결합한다.

상기 히트파이프베이스(41)에 형성한 히트파이프홀더(412)는 히트파이프의 형상에 대응하여 적정 접촉면을 유지할 수 있도록 형성한다. 예를들어, 1자형 히트파이프를 적용한 경우에는 히트파이프베이스(41)로부터 돌출단을 형성하고 돌출단부에 히트파이프삽입을 위한 홈을 형성하여 히트파이프의 증발부(가열부)가 히트파이프베이스(41)와 적절한 접촉면적을 유지할 수 있도록 구성하고, 도시한 바와 같이 U형 히트파이프를 적용한 경우에는 히트파이프의 바닥부가 맞춤삽입되어 면 접촉상태를 유지하도록 일자형으로 길게 형성한 홈으로 구성한다.

히트파이프베이스를 H형으로 구성하여 수평상태로 배열 사용한 실시예는 평판 플레이트형에 비하여 단면적을 증가시킬 수 있고, 확대된 단면적은 엘이디패키지로 부터 발생하는 열을 효과적으로 흡수하고 확대된 단면에 의해 열의 신속한 분산이 가능하다. 또한, 하우징 외부로 연장되는 히트파이프의 길이를 짧게 구성할 수 있으며, 일반적으로 히트파이프의 길이가 짧을 수록 열이송 능력이 높음으로 히트파이프의 열이송 효율을 향상할 수 있는 장점을 제공한다.

히트파이프(42)는 열전도 성능이 우수한 금속 파이프 내부에 윅(wick)을 형성하고 음압 상태로 작용유체를 넣어 증발과 응축에 의한 작용유체의 상변화 싸이클에 의해 증발부에서 열을 흡수하여 응축부에서 방열하는 원리를 이용한 것으로, 제조 공정에 따라 1자형 또는 U자형으로 제조 가능하다.

1자형의 경우에는 하부에 증발부(가열부)가 형성되고, 상부에 응축부(방열부)가 형성된 구조로 이루어져 증발된 작용유체가 히트파이프의 중심관을 통하여 상부 응축부로 매우 빠른 속도로 이동하고 응축부에서 열을 빼앗긴 작용유체는 액체로 응축되어 윅을 통하여 증발부로 반송되는 순환사이클에 의해 열이동이 이루어진다.

U자형의 경우에는 하부 증발부(가열부)에서 기화한 작용유체가 양측으로 상승 이동하고 응축부에서 반송되는 순환사이클에 의해 열이동이 이루어진다.

본 발명에서 상기한 히트파이프는 증발부가 상기 하우징을 관통하여 히트파이프홀더에 맞춤되고 응축부는 하우징 외부로 노출되도록 하우징 상부에 수직방향으로 결합된다.

히트파이프홀더와 히트파이프의 맞춤결합은 히트파이프홀더에 써멀구리스를 충전한 상태에서 히트파이프를 끼워맞춤하는 방법으로 결합하여 히트파이프베이스와 히트파이프와의 열저항을 감소시키고, 하우징 관통부는 우수차단과 하우징을 통한 열발산이 원할하게 이루어지도록 관통후 써멀에폭시를 사용하여 고착시킨다.

하우징을 관통한 히트파이프는 밀폐상태의 하우징 내부에서 발생한 열을 히트파이프를 통하여 하우징 외부로 이송시킨 후 방열하는 구성원리에 의해 하우징 내부의 통기를 제한하여 우수나 온도차에 의한 응축수가 누전을 일으키는 문제를 방지할 수 있으며, 그에 따라 방수성이 요구되는 가로등을 포함하여 옥외 등기구로 사용할 수 있게 된다.

또한, 히트파이프는 사용상태에서 하우징 상부에 수직방향으로 결합됨으로써 윅을 통하여 회수되는 액상의 작용유체가 중력의 영향을 받아 원할하게 복귀됨으로 작용유체의 원할한 순환에 의한 히트파이프의 열전달 성능을 완전하게 발휘할 수 있게 된다.

도시된 실시 예는 ∪형과 ∩형 2개의 히트파이프, 즉, 제1히트파이프( 42A)와 제2히트파이프(42B)를 커플링(42C)에 의해 연결한 구조를 도시한 것이다.

도시된 실시에에 따른 히트파이프(42)는 각기 ∪ 형과 ∩형을 갖는 제1히트파이프( 42A)와 제2히트파이프(42B)로 이루어져 제1히트파이프( 42A)의 ∪형 하부가 히트파이프 베이스(41)에 형성한 히트파이프홀더(412)에 맞춤 결합된 상태에서 그 상단부(422)가 하우징(10)을 관통하여 외부로 노출되고, 상기한 방열핀(43)은 그 중심 하부가 제2히트파이프(42B)의 ∩형 상부 몸체에 관통 고착되며, 방열핀(43)이 결합된 제2히트파이프(42b)의 ∩형 하단부와 제1히트파이프(42A)의 ∪형 상단부가 각기 커플링(42C)에 의해 연결되는 구조를 갖는다.

상기한 제1히트파이프와 제2히트파이프를 커플링에 의해 연결한 구조는 각기 증발부와 응축부로 나뉘어 내부 작용유체의 독립적인 순환이 이루어지지만 열의 이동 측면에서 제1히트파이프에서 흡수한 열을 제2히트파이프에서 방열하는 형태임으로 단일의 히트파이프와 동일한 열이동 특성을 가지면서 하우징 내장부와 외장부를 분리할 수 있는 효과를 제공한다. 그에 따라 제1히트파이프를 하우징에 완전 조립한 상태에서 도 6에 도시한 바와 같이 방열핀을 결합한 상태의 제2히트파이프를 커플링을 이용하여 조립할 수 있어 조립이 용이하고, 비교적 훼손이 쉬운 방열핀을 최종 조립단계에서 조립할 수 있어 조립 설치시 안전성이 향상되며, 엘이디패키지의 소손이 발생하였을 경우에도 하우징의 분해가 용이하여 유지관리가 편리한 장점을 제공한다.

커플링(42C)는 상부와 하부에 제1히트파이프와 제2히트파이프의 말단부를 끼워맞춤할 수 있도록 홈이 형성된 구조로서 조립시 열저항을 감소시키기 위하여 내부 홈은 평할면으로 구성하고, 조립시 써멀구리스를 도포하여 접촉면에서의 열저항을 최소화한다.

본 발명에서 응축부에서 방열은 일정 간격으로 히트파이프에 고착시킨 다수의 플레이트형 방열핀(43,fin)에 의해 달성된다.

상기한 방열핀은 원판형, 사각형, 사다리꼴 등 다양한 형상의 구리 또는 알루미늄 판재로 구성하며, 써멀에폭시를 사용하여 히트파이프의 응축부에 고착시킨 것으로 각기 0.5mm~1.0mm내외의 두께를 가짐으로 히트싱크에 의한 방열핀 구조에 비하여 현저한 중량 감소를 실현할 수 있고, 각각의 핀에 의해 증가된 비표면적은 우수한 방열성능을 발휘한다.

각각의 방열핀(43)은 히트파이프를 관통시킨 후 대략 5mm내외의 간격을 유지도록 배열하여 써멀에폭시로 고착시키고, 상기한 방열핀과 히트파이프 접촉부에서 열전도를 향상하기 위하여 방열핀 사이에 스페이스링을 삽입하여 고착하거나 각 방열핀에 플랜지(431)을 형성하여 접촉면을 확대한다.

본 발명은 방열핀의 중심 하단부에서 히트파이프가 관통되도록 한 구성을 특징으로 한다.

도 5은 역 사다리꼴 형태로서 중심 하단부에서 히트파이프가 관통되도록 구성한 실시 예로써, 방열핀의 중심 하단부에 히트파이프의 응축부가 관통 결합됨으로써 히트파이프를 기점으로 열이 상향으로 전도되며, 역사다리꼴 구조임으로 보다 많은 열이 상향으로 전도되어 방열핀에서의 열 전달 효율이 높아지고 그만큼 방열 성능이 향상된다.

상기한 각 방열핀은 0.5mm~1.0mm 내외의 얇은 알루미늄 판으로 구성함으로써 경량화 하는 효과를 달성하였으나 외부적 충격에 의해 훼손될 수 있다. 따라서, 도시하지는 않았으나 필요에 따라 방열핀 외측으로 보호용 커버를 형성하여 엘이디등기구의 설치전 또는 설치후에도 보존하여 방열핀을 보호할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 구조에서 열의 흐름을 도시한 것이다.

도시된 바에 따라, 엘이디패키지에 전원이 인가되면 발광과 함께 열이 발생하고, 발생한 열은 PCB기판을 통하여 히트파이프베이스에 그대로 전달된다.

히트파이프베이스에 전달된 열의 대부분은 히트파이프를 가열하는데 사용된다.

제1히트파이프와 제2히트파이프를 결합한 구조로 히트파이프를 구성한 실시 예에서는 히트파이프베이스에 전달된 열이 낮은 압력을 유지하는 내부 작용유체를 기화시키며, 기화증기는 내부 깔데기 모양의 축소된 관 입구에서 가속되어 히트파이프 중심관을 매우 빠른 속도로 진행하여 하우징 내부에서 외부로 이동시키며, 제1히트파이프 말단부는 깔데기 모양의 확대된 관을 구성하여 기체의 팽창과 제2히트파이프로 직접 열 전달을 통하여 응축되어 기상에서 액상으로 전환되며, 액상의 작용유체는 윅을 통하여 중심관 외측에서 증발부로 복귀하는 제1히트파이프 내에서 열순환 싸이클을 형성한다.

제2히트파이프는 제1히트파이프와의 접부가 가열부가 되어 내부 작용유체의 기화와 열펌핑, 제2히트파이프 정점부에서 기체의 팽창과 방열핀에 의한 방열에 의해 기상에서 액상으로 응축된 후 증발부로 복귀하는 제2히트파이프 내에서 열순환 싸이클을 형성한다.

이와 같이 제1히트파이프-제2히트파이프-방열핀으로 이어지는 열이동에 의해 하우징 내부에서 발생하는 대부분의 열이 방출되고, 하우징 내부의 일부열은 하우징 내부의 공기의 전도 및 히트파이프 표면에서의 전도 작용에 의해 하우징을 구성하는 알루미늄 케이스에 전달 방열된다.

상기한 열이동에 의해 하우징 내부의 밀페된 공간에서 발생한 열이 히트파이프를 통하여 하우징 외부로 효율적으로 방출되고, 얇고 가벼우며 확대된 비표면을 갖는 방열핀에 의해 효과적인 방열이 가능하여 기존 히트싱크나 수 십개의 히트파이프를 배열 구성한 방열장치에 비하여 현저히 가볍게 등기구를 구성할 수 있으며, 그에 따라 기존 가로등주나 프레임에 그대로 적용할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 상기한 각 방열핀의 표면에 나노 크기의 이산화티탄(TiO₂)을 도포하여 이산화티탄 표면층(432)을 형성한 구성을 아울러 제시한다.

나노 크기의 이산화티탄을 사용한 이산화티탄 표면층은 침지, 스프레이 등의 간편한 방법으로 완성된 플레이트 타입 핀에 형성함으로써 나노 두께의 투명하고 얇은 막을 형성할 수 있으며, 방열핀의 방열성능을 감소시키지 않으면서 태양에 의한 자정작용을 하여 방열핀 표면의 오염을 방지함으로써 엘이디등기구의 성능저하를 방지할 수 있다.

도 8는 본 발명에 의한 이산화티탄 표면층의 작용을 설명하기 위한 것으로, 태양광에 포함된 자외선이 이산화티탄에 조사됨으로써 여기된 정공(h⁺)이 공기중의 수분과 반응하여 강력한 산화력을 갖는 수산화라디칼(·OH) 생성하여 자동차배기가스에 의해 방열핀 표면에 흡착된 황산화물,질소산화물을 산화 분해한다.

이산화티탄의 광촉매작용은 오염물질의 분해와 함께 대기중에서 생성한 수분으로 나노단위의 수막을 형성하여 분해된 황산화물,질소산화물의 표면유착을 억제하며, 조명등의 가동을 중지한 아침 시간대에 냉각된 방열핀과 대기와의 온도차에 의해 형성된 결로에 의해 표면에 다량으로 생성된 수분은 해가 떠오르면서 조사되는 자외선에 의해 초친수성을 발휘하여 유착 오염물질 사이로 수분이 파고 들면서 방열핀 표면에서 유착되지 못하고 쌓여 있는 오염물질을 씻어 내는 작용을 한다.

이와 같은 기전에 의하여 방열핀 표면은 초기상태를 유지하며, 표면 오염에 의한 방열성능의 저화, 그로 인한 발광성능의 감소 문제가 해소되는 것이다.

10: 하우징
11: 소켓
20: 투광부
21: 클립
30: 엘이디패키지
31: PCB
40: 방열장치
41: 히트파이프베이스
411: 유착면
412: 히트파이프홀더
42: 히트파이프
42A: 제1히트파이프
42B: 제히트파이프
42C: 커플링
43: 방열핀
431: 플랜지
432: 이산화티탄 표면층

Claims

투광부를 갖는 하우징 내에 엘이디 패키지가 실장되어 인가된 전원에 의해 투광부를 통하여 조명을 제공하는 엘이디 조명등기구를 제시함에 있어서, 상기 투광부와 결합된 하우징 내부는 밀폐구조로 조립되고, 일면은 상기 엘이디 패키지를 구성하는 PCB와 유착을 위한 유착면이 형성되고 다른 일면에 히트파이프의 증발부와 맞춤 결합되는 히트파이프홀더가 형성되는 히트파이프 베이스가 PCB와 일체로 결합된 상태로 하우징 내부에 설치되며, 증발부가 상기 히트파이프 베이스의 히트파이프홀더에 맞춤된 상태에서 응축부가 상기 하우징을 관통하여 하우징 외부로 노출되도록 결합되는 히트파이프와, 상기 히트파이프의 몸통이 하우징과 일체로 고착된 상태에서 응축부에 다수의 플레이트형 방열핀(fin)이 일정 간격으로 고착 형성된 구조를 갖는 경량 급속방열 엘이디조명 등기구.
청구항 1에 있어서,
히트파이프 베이스는 하부부재에 유착면이 형성되고 상부부재에 히트파이프홀더가 형성되는 H형으로 구성하고, 상기 히트파이프는 각기 ∪ 형과 ∩형을 갖는 제1히트파이프와 제2히트파이프 2개로 이루어져 제1히트파이프의 ∪형 하부가 히트파이프 베이스에 형성한 히트파이프홀더에 맞춤 결합된 상태에서 그 상단부가 하우징을 관통하여 외부로 노출되고, 방열핀이 결합된 제2히트파이프의 ∩형 하단부와 제1히트파이프의 ∪형 상단부가 각기 커플링에 의해 연결되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량 급속방열 엘이디조명 등기구.
청구항 2에 있어서,
방열핀은 역 사다리꼴 형태로서 그 중심하부가 제2히트파이프의 ∩형 상부 몸체에 관통 고착된 것을 특징으로 하는 경량 급속방열 엘이디조명 등기구.
청구항 1 내지 청구항 3항 중 어느 한 항에 있어서,
방열핀의 표면에 나노 크기의 이산화티탄(TiO₂)을 도포하여 이산화티탄 표면층을 형성한 것을 특징으로 하는 경량 급속방열 엘이디조명 등기구.