KR20140009768A - 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등 - Google Patents

히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등에 관한 것으로서, LED 모듈과, LED 모듈에 접촉된 접촉부와, 일측이 접촉부에 접촉된 히트파이프와, 히트파이프가 연장된 타측에 접촉된 방열유닛을 포함하며, LED 모듈, 접촉부 및 히트파이프가 수납됨과 아울러, 방열유닛이 일부 또는 전체로서 그 외부를 형성하는 케이스로 구성함으로써, 히트파이프 및 외부에 노출된 히트싱크에 의해 방열 효율을 최대화할 수 있으므로, 케이스 내부의 방열 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 고용량의 LED 가로등일지라도 상대적으로 방열유닛의 크기를 소형화할 수 있으므로 조명등 전체의 크기를 줄일 수 있고, LED 가로등 전체의 크기를 줄일 수 있으므로, 조명등의 무게가 줄어들어 조명등을 지지하는 별도의 구조물을 제작하지 않아도 되는 장점이 있다.

Description

히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등{STREETLIGHT HAVING EXPOSURED HEAT SINK APPLICATING HEAT PIPE}
본 발명은 가로등에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가로등 내부의 열 적체현상을 방지할 수 있도록 하는 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등에 관한 것이다.
최근 소비전력이 상대적으로 낮은 LED 모듈이 적용된 LED 가로등이 많이 설치되고 있다.
LED 가로등은 크게 LED 모듈, PCB 회로기판, 방열유닛, 전원공급부, 렌즈, 기구물 등으로 구성된다.
LED 가로등은 주로 외부에 설치되므로 방수 및 방진 기능을 수행할 수 있도록 설계되어진다.
한편, LED 모듈은 열에 취약하므로 방열을 위해 히트싱크를 사용하게 된다. 히트싱크는, LED 모듈로부터 발생된 열이 베이스 플레이트로 전도되면, 전도된 열은 방열핀으로 재전도되어 방열핀에서 최종 방열이 이루어지도록 구성되어 있다. 그러나, 히트싱크가 LED 가로등 내부에 설치됨으로 인해, 히트싱크만으로 방열 문제를 해결할 수는 없다.
이에 LED 가로등 하단부에 외부 공기가 순환할 수 있도록 통기공을 형성시키고 있으나, 자연 대류가 원활하지 않으므로 강제 대류를 위해서는 팬(Fan) 등의 부가물이 필요하게 되어 제조비용이 상승하는 문제점이 있다.
그리고, 외부에 설치되는 LED 가로등은 일정 조도 이상을 유지하여야 하므로 대부분 고용량 가로등에 속한다. 이 고용량의 LED 가로등은 더욱 많은 열을 발생시키게 되므로, 더욱 큰 히트싱크를 필요로 하게 된다.
히트싱크의 부피가 커질수록 베이스 플레이트와 방열핀간의 거리가 더욱 멀어지게 되므로, 고용량의 조명등에서는 방열 문제가 더욱 심각해지게 된다. 베이스 플레이트와 방열핀간의 거리가 멀어질 경우, 베이스 플레이트와 방열핀간의 열전도 효율이 낮음으로 인해 방열 효율이 떨어지는 것이다. 게다가, 히트싱크의 부피가 커질수록 히트싱크가 적용된 조명등 전체의 무게가 증가함으로 인해 이를 지지하는 별도의 구조물이 필요하게 되므로 제조 비용이 상승하는 문제점도 있다.
결국, 기존 사용되는 가로등보다 소비전력이 월등히 낮은 LED 가로등임에도 불구하고, 이러한 부대 비용이 상승함으로 인해 신속한 교체가 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0035934호(공개일 2010.04.07.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 중공채널에 작동유체를 채운 히트파이프(나노튜브)와 외부로 노출된 방열유닛을 이용하여 가로등의 방열 효율을 높일 수 있도록 하는 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등은, LED 모듈; 상기 LED 모듈에 접촉된 접촉부; 일측이 상기 접촉부에 접촉된 히트파이프; 상기 히트파이프가 연장된 타측에 접촉된 방열유닛; 및 상기 LED 모듈, 상기 접촉부 및 상기 히트파이프가 수납됨과 아울러, 상기 방열유닛이 일부 또는 전체로서 그 외부를 형성하는 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 방열유닛은, 상기 히트파이프에 접촉되는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트에 일체로 형성된 방열핀을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접촉부는 상기 LED 모듈이 형성된 기판일 수 있다.
그리고, 상기 히트파이프는, 길이방향으로 중공채널을 갖는 몸체와, 상기 중공채널을 채우는 작동유체를 포함하며, 상기 중공채널의 내벽은 요철이 형성되며, 상기 작동유체는 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브의 나노입자를 포함한다.
한편, 상기 히트파이프는, 상기 접촉부의 단부에서 절곡되어 상기 방열유닛에 접촉되며, 상기 히트파이프의 단부를 지지하는 지지부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 케이스의 내부에는 전원공급부가 더 내설될 수 있으며, 상기 전원공급부에는 상기 히트파이프가 접촉되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 히트파이프를 이용하여 방열 효율을 최대화할 수 있으므로, 고용량의 LED 가로등에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 고용량의 LED 가로등일지라도 상대적으로 방열유닛의 크기를 소형화할 수 있으므로 조명등 전체의 크기를 줄일 수 있다.
이와 같이, 조명등 전체의 크기를 줄일 수 있으므로, 조명등의 무게가 줄어들어 조명등을 지지하는 별도의 구조물을 제작하지 않아도 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 LED 가로등의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 LED 가로등의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 LED 가로등의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 히트파이프의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 진공상태로 봉입된 히트파이프의 사시도이다.
이하, 본 발명의 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 LED 가로등의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 LED 가로등은, 외부에 방열유닛(10)을 노출시키고 있다. 이 방열유닛(10)은 상부케이스(12)에 일체로 형성되거나 결합될 수 있다. 즉, 상부케이스(12)가 방열유닛(10)으로 구성될 수 있다. 물론, 상부케이스(12)에만 한정되는 것도 아니다. 이와 같이, 방열유닛(10)은 방열부로서의 기능을 수행하게 되며, 최종적으로 방열이 이루어지는 방열유닛(10)이 외부에 형성되어 있으므로 방열 효율을 최대화할 수 있다. 그리고, 이 방열유닛(10)은 기존의 히트싱크로 구성할 수 있다. 즉, 이 방열유닛(10)은 베이스 플레이트(도 3의 101)와, 베이스 플레이트에 일체로 형성된 방열핀(도 3의 102)으로 구성될 수 있다. 이에 방수가 가능하게 된다.
한편, 하부케이스(14)에는 보호커버(16)가 결합되며, 하부케이스(14)에는 통기공(H)이 형성되어 있다.
그리고, LED 가로등은 기둥에 고정 설치될 수 있도록 기둥 고정부(18)를 형성시키고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 LED 가로등의 분해사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 LED 가로등은, 상부케이스(12)와 하부케이스(14) 사이에 LED 모듈(20), 전도 플레이트(22), 및 히트파이프(24)를 순차적으로 적층시키고 있다. 여기서 전도 플레이트(22)는 접촉부로서의 기능을 수행하게 된다. 한편, 전도 플레이트(22)가 LED 모듈(20)이 형성되는 기판일 수 있다.
히트파이프(24)는 상부케이스(12)에 일체로 형성되거나 결합되는 방열유닛(10)과 접촉하고 있다. 이 히트파이프(24)를 이용함으로써, LED 모듈(20)에서 발생된 열이 전도 플레이트(22)에 적체되는 현상을 방지할 수 있다. 한편, 히트싱크의 베이스 플레이트(도 3의 101)에 열이 적체된다 하더라도 이 베이스 플레이트는 외부에 노출되어 있으므로 열 적체 현상을 최소화할 수 있다.
전도 플레이트(22)와 히트파이프(24) 사이에는 히트파이프 고정지지부(26)가 형성되어 있다. 이 히트파이프 고정지지부(26)는 결합수단을 이용하여 전도 플레이트(22)에 결합함으로써 히트파이프(24)가 전도 플레이트(22)에 밀착고정되도록 함과 아울러, 히트파이프(24)와 접촉되는 방열유닛(10)과의 결합에 의한 가압을 유지하여 히트파이프(24)의 변형을 방지함과 아울러 히트파이프(24)와 방열유닛(10)이 밀착고정될 수 있도록 한다.
한편, LED 모듈(20)과 보호커버(16) 사이에는 렌즈 및 렌즈커버(28)가 더 형성될 수 있다.
그리고, 상부케이스(12)와 하부케이스(14) 사이에는 전원공급부(30)가 내설될 수 있다. 이때, 전원공급부(30)에는 히트파이프(24)가 접촉되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 LED 가로등의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 히트파이프(24)는 전도 플레이트(22)와 히트싱크의 베이스 플레이트(101)와 접촉되며, 접촉 면적을 최대로 하기 위해 히트파이프(24)는 전도 플레이트(22)의 단부에서 절곡되어 있다.
본 실시예에서는 전도 플레이트(22)의 양측에서 절곡시킨 1개의 히트파이프(24)를 예시하고 있으나, 전도 플레이트(22)의 일측에서 각각 절곡시킨 2개의 히트파이프(24)를 이용할 수 있다.
도 4는 본 발명에 적용되는 히트파이프의 사시도이고, 도 5는 본 발명에 적용되는 진공상태로 봉입된 히트파이프의 사시도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 히트파이프(24)는, 길이방향으로 중공채널(C)을 갖는 몸체(241)와, 중공채널(C)을 채우는 작동유체로 이루어져 있다. 중공채널(C) 내벽은 요철(243)이 형성되어 있다.
구체적으로, 본 실시예에서 제시하는 히트파이프(24)는, 전도 플레이트(22) 및 베이스 플레이트(101)와의 접촉 면적을 최대화할 수 있도록 평판형의 금속 몸체(241)를 가지며, 몸체(241)의 내부에는 다수의 중공채널(C)이 길이방향으로 다수개 형성되어 있다. 중공채널(C)은 내벽 상하로 대칭되게 요철(243)(WICK)을 길이방향(ℓ)으로 다수개 형성되어 있다. 몸체(241)의 양단은 압착과 동시에 밀봉하여 단부(245)를 형성한다. 한편, 본 실시예에서 평판형의 히트파이프(24)에 대해서 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 접촉 면적을 최대화할 수 있는 다양한 형태로의 변형이 가능하다. 또한, 중공채널(C)의 요철(243)은 작동유체의 접촉 면적을 최대화할 수 있는 다양한 형태로의 변형이 가능하다.
몸체(241)는 전도성 향상과 제작의 용이성을 위하여 알루미늄으로 제작된다. 즉, 몸체(241)의 재질로서 알루미늄을 선택함으로써 압출방식에 의해 사각관 형상으로 용이하게 제작할 수 있다. 몸체(241)는 중공채널(C)에 주입되는 작동유체의 유입량 내지 열전달의 설계에 따라 몸체(241)의 길이방향(ℓ)의 길이와 두께가 결정되며, 길이방향(ℓ)의 길이는 30mm 내지 100cm이고, 두께(t)는 1.5mm 내지 3mm인 것이 바람직하지만, 방열해야 할 열량에 따라 그 길이 및 두께는 변경될 수 있다. 또한, 중공채널(C)의 내벽에 형성되는 요철(243)의 크기 및 개수는 열전달 설계에 따라 결정되는 것이지만, 예를 들면, 깊이가 0.3mm 내지 0.4mm, 너비(폭)가 0.2mm 내지 0.3mm 인 크기의 요철(243)이 상하로 대칭되게 형성되는 것이 바람직하며, 중공채널(C)의 크기 및 개수도 열전달 설계에 따라 정해지며, 또한, 본 발명이 적용되는 응용분야의 구조에 따라 중공채널(C)의 크기 및 개수가 변경될 수 있다. 몸체(241)의 내부에 형성되는 중공채널(C)의 개수도 열전달 거리 등 열전달의 설계에 따라 결정되며, 비교적 열전달의 거리가 짧고 신속한 방열을 목적으로 제작하는 경우 최대 12 내지 14개 채널로 구성되며, 보다 열전달 거리가 먼 경우 이동 간의 열의 방출을 적게 하기 위해 채널을 다소 크게 하면서 길이방향(ℓ)의 길이는 전달해야 할 총 열량을 고려하여 결정한다.
한편, 작동유체는 나노입자가 함유된 물질이다. 구체적으로, 작동유체는 각각의 중공채널(C) 내부에 채워져 밀봉되며, 나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브를 함유하는 증류수형 작동유체 또는 알코올형 작동유체로 이루어지는 것이 바람직하다.
나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브는 1 ~ 50nm의 입자크기를 갖는 금속재 나노입자이며, 바람직하게는 30nm 입자크기의 금속재 나노입자로 이루어진다.
나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브는 작동유체에 부피비로 1 ~ 5% 정도로 혼입되며, 바람직하게는 2 ~ 2.5% 정도로 혼입된다
나노입자의 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브를 함유하는 작동유체는 열전달계수와 열용량이 큰 혼합 유체이므로, 증발부에서 발생하는 열을, 응축부로 처리하는 능력을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 작동유체 내부에서 열전달 면적과 유체의 열용량을 증대 및 유체 상호간의 전도성을 향상시켜 열전달 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 히트파이프(24)는, 액상의 작동유체가 응축부(condenser section)에서 증발부(evaporator section)쪽으로 유동(귀환)하기 위한 통로 역할을 하는 종래의 윅을 사용하지 않고서도 중공채널(C)의 내부 벽에 상하로 형성된 요철(243)에 의해 발생되는 모세관력에 의해 액상의 작동유체가 유동하도록 구성되어 있다. 즉, 중공채널(C)의 내부 벽에 상하로 형성된 요철(243)이 종래의 윅 역할을 수행하는 것이다.
이에 중공채널(C) 내부가 진공 상태로 유지된 상태에서 주입된 액상의 작동유체에 의해 액체-증기 간의 상변화에 의해 신속한 열전달이 이루어지도록 함으로써, LED 모듈(20)로부터 발생된 열을 방열유닛(10)으로 신속하게 전달함으로써 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 LED 가로등은, 히트파이프(24)와 외부에 노출된 히트싱크를 이용하여 LED 모듈(20)에 의해 발생된 열이 내부에 적체되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 LED 가로등은 방열 효율의 향상을 통해 고용량의 가로등에의 적용이 용이할 뿐 아니라, LED 가로등의 크기를 줄일 수 있으므로 제조비용을 절감할 수 있다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
10 : 방열유닛 12 : 상부케이스
14 : 하부케이스 16 : 보호커버
18 : 기둥 고정부 20 : LED 모듈
22 : 전도 플레이트 24 : 히트파이프
241 : 몸체 243 : 요철
245 : 단부 26 : 히트파이프 고정지지부
28 : 렌즈커버 30 : 전원공급부
H : 통기공 C : 중공채널

Claims (6)

  1. LED 모듈;
    상기 LED 모듈에 접촉된 접촉부;
    일측이 상기 접촉부에 접촉된 히트파이프;
    상기 히트파이프가 연장된 타측에 접촉된 방열유닛; 및
    상기 LED 모듈, 상기 접촉부 및 상기 히트파이프가 수납됨과 아울러, 상기 방열유닛이 일부 또는 전체로서 그 외부를 형성하는 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열유닛은, 상기 히트파이프에 접촉되는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트에 일체로 형성된 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접촉부는 상기 LED 모듈이 형성된 기판인 것을 특징으로 하는 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프는,
    길이방향으로 중공채널을 갖는 몸체와, 상기 중공채널을 채우는 작동유체를 포함하며,
    상기 중공채널의 내벽은 요철이 형성되며,
    상기 작동유체는 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소나노튜브의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프는, 상기 접촉부의 단부에서 절곡되어 상기 방열유닛에 접촉되며,
    상기 히트파이프의 단부를 지지하는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에는 전원공급부가 더 내설되며,
    상기 전원공급부에는 상기 히트파이프가 접촉되는 것을 특징으로 하는 히트파이프가 적용된 노출형 방열유닛을 갖는 가로등.
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