KR20200076210A - 가로등 방열 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 발열체상에 설치되고 상기 발열체가 발생시키는 열을 흡수하는 방열 장치에 있어서, 본체를 형성하고 중공상이며 내부가 진공상태인 하우징 바디, 상기 하우징 바디의 하부에 형성되고, 내부에는 상변화를 통해 열을 흡수하는 매체인 작동유체를 저장하는 작동유체 저장부, 상기 하우징 바디의 일측에 형성되고 상기 작동유체 저장부 내부로 상기 작동유체를 안내하는 작동유체 주입구, 상기 작동유체 저장부를 포위하도록 형성된 격벽, 상기 격벽의 일측면에 형성된 기체 배출부, 및 상기 하우징 바디의 상부에 형성된 하우징 커버를 포함하는, 열전도 시스템을 제공한다.

Description

가로등 방열 구조 {Streetlight heat dissipation structure}

본 발명은 발열부품 냉각용 열전도 시스템에 관한 것으로서, 그 예로 반도체 칩이나 LED와 같은 발열 기구에 설치되어, 발열 기구로부터 발생되는 열을 최소한의 부피로도 신속하게 배출시키는 발열부품 냉각용 열전도 시스템에 관한 것이다.

전자기기 및 조명기기를 설계할 때에 가장 염려되는 문제 중의 하나는 그 구동 중에 전자부품들로부터 발생하는 열이 악영향을 미쳐 전자기기 또는 조명기기의 성능을 저해하는 것이다.

예컨대, 컴퓨터 및 이동통신 등의 전자 기기에는 많은 양의 데이터를 처리할 수 있는 전자부품, 즉, 패키징된 반도체칩들이 장착되며, 이러한 반도체칩이 데이터를 처리하는 과정에서 열이 발생하게 되고, 이렇게 발생하는 열이 일정 온도 이상으로 상승하게 되면, 반도체칩 자체는 물론 주변부품들에까지 영향을 미쳐 전자기기 전체의 성능에 악영향을 미치게 된다.

마찬가지로, LED 조명기기의 경우에도 그 사용중에 LED칩으로부터 많은 열이 발생하게 되고, 이렇게 발생하는 열이 일정 온도 이상으로 상승하게 되면, LED칩은 물론 주변부품들까지 영향을 미쳐 LED 조명기기 전체의 성능에 치명적인 악영향을 미치게 된다.

따라서, 전자기기 및 조명기기의 사용 중에 발생하는 열을 외부로 신속하게 방출시키기 위한 열전도 시스템이 필요하게 되었으며, 최근의 전자기기 및 조명기기가 소형화 및 경량화됨에 따라 기기 내부에 내장되는 전자부품들이 고집적화됨으로 인해 단위 체적당 발생하는 열이 더욱 증가함으로써 반도체칩 및 LED칩과 같은 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키기 위한 열전도 시스템에 대한 요구가 더욱 높아지고 있다.

한국등록특허 제10-1439524호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기화된 작동유체로 하여금 발열체의 열을 신속하게 냉각시키는 열전도 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 발열체상에 설치되고 상기 발열체가 발생시키는 열을 흡수 전달하는 방열 장치에 있어서, 본체를 형성하고 중공상이며 내부가 진공상태인 하우징 바디, 상기 하우징 바디의 내부에 형성되고, 내부에는 상변화를 통해 작동유체를 저장하는 작동유체 저장부, 상기 하우징 바디의 일측에 형성되고 상기 작동유체 저장부 내부로 상기 작동유체를 안내하는 작동유체 주입구, 상기 작동유체 저장부를 포위하도록 형성된 격벽, 상기 격벽의 일측면에 형성된 기체 배출부, 및 상기 하우징 바디의 외벽에 형성된 하우징 커버를 포함하는, 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 하우징 바디는, 발열체 접촉면 내부에 상기 발열체의 형상에 대응되도록 형성된 그루브를 포함하고, 상기 발열체와 접촉됨으로써 열을 전도받는 것을 특징으로 하는, 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 작동유체 저장부는, 상기 작동유체를 함침할 수 있는 구조체를 포함하고, 상기 구조체는 유연성 및 열전도성을 갖는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는, 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 작동유체 저장부는, 상기 작동유체가 상기 발열체의 열을 흡수하고 증발하는 공간인 증발부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 격벽은, 상기 하우징 바디 내부를 상기 작동유체 저장부와 그 외의 공간인 확산부로 구분하고, 상기 확산부의 부피가 상기 작동유체 저장부의 부피보다 크고, 상기 격벽과 상기 하우징 바디 사이에는 작동유체가 흐르는 갭부가 형성된 것을 특징으로 하는, 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 기체 배출부는, 상기 작동유체 저장부에서 증발된 기체상의 작동유체 부피에 따라, 상기 기체상의 작동유체가 제트류를 형성하여 배출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 하우징 커버는, 상기 하우징 바디 내부에서 재응축된 작동유체가 중력에 의해 상기 작동유체 저장부로 안내될 수 있게, 적어도 일부가 음의 기울기를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 격벽의 적어도 일부는 일 면을 향하여 돌출되도록 구비되는 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 황동소결체로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 기체 배출부는 상기 돌출부상에 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 기체 배출부의 직경의 평균은 50 마이크론인 것을 특징으로 하는 열전도 시스템을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 기체 배출부의 직경의 크기는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 열전도 시스템을 제공한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 반도체 칩이나 LED 조명등과 같은 다량의 열이 발생하는 발열체상에 설치되어서, 발열체로부터 발생된 열을 흡수한 작동유체가 기화되고 제트류를 형성하여 방열 장치 내에서 빠르게 순환됨으로써 발열체를 신속하게 냉각시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 방열 장치를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열 장치 일부를 나타내는 개략 사시도이다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열 장치를 나타내는 개략 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 한정되지 않음을 이해하여야 한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 방열 장치를 나타내는 개략 사시도이고, 도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열 장치 일부를 나타내는 개략 사시도이며, 도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열 장치를 나타내는 개략 사시도이다.

도 1 에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 방열 장치 (100) 는 하우징 바디 (10), 작동유체 저장부 (20), 작동유체 주입구 (30), 격벽 (40), 기체 배출부 (50) 및 하우징 커버 (60) 를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 방열 장치 (100) 는 발열체 (H) 상에 설치되고 발열체 (H) 가 발생시키는 열을 흡수할 수 있다.

발열체 (H) 예로는 CPU, 파워트랜지스터, LED, 통신기기의 RF모듈, 자동차 배터리 등의 전자부품이 있으며, 발열체 (H) 의 종류나 형상에 따라 본 발명의 실시예에 따른 방열 장치 (100) 의 크기와 형상은 적절히 변형될 수 있다.

하우징 바디 (10) 는 본체를 형성하고 중공상이며 내부가 진공상태일 수 있다.

하우징 바디 (10) 는 열전도율이 높은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 전해동, 스테인레스 스틸, 저탄소강, 알루미늄 등의 전도성이 큰 금속재질이나 또는 고온 저항성이 높고, 내부식성이 높은 폴리프로필렌 등의 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.

일 실시예에 의하면, 하우징 바디 (10) 는 0.3mm ~ 0.6mm 의 두께로 형성될 수 있다.

이로써, 경제성, 제작 용이성, 고온에 의한 충진물의 팽창에 따른 파손 위험 예방이 가능하다.

일 실시예에 의하면, 하우징 바디 (10) 는, 저면에 발열체 (H) 의 형상에 대응되도록 형성된 그루브를 포함하고, 발열체 (H) 와 접촉됨으로써 열을 전도받을 수 있다.

따라서, 발열체 (H) 와의 접촉상태를 안정적으로 유지할 수 있고, 향상된 열 전도성을 가진다.

작동유체 저장부 (20) 는 하우징 바디 (10) 의 하부에 형성되고, 내부에는 상변화를 통해 열을 흡수하는 매체인 작동유체를 저장할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 작동유체는 냉각시키고자 하는 발열체 (H) 의 작동온도 범위에서 비등점을 갖는 물, 알코올 등 비열용량이 큰 액체를 포함한다.

일 실시예에 의하면, 작동유체 저장부 (20) 는 작동유체를 함침할 수 있는 구조체(미도시)를 포함하고, 이러한 구조체는 유연성 및 열전도성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 구조체는 그물망 또는 편조선 형태일 수 있으며, 작동유체 저장부 (20) 의 내측이자 하우징 바디 (10) 의 내부 바닥 상에 열접촉하여 배치될 수 있다.

이러한 구조체는 높은 열전도율을 가지므로, 본 발명의 일 실시예에 의한 방열 장치 (100) 의 방열효과를 향상시킴과 동시에 단면적을 넓혀 함침할 수 있는 작동유체의 양을 늘려주는 역할을 한다.

일 실시예에 의하면, 작동유체 저장부 (20) 는, 작동유체가 발열체 (H) 의 열을 흡수하고 증발하는 공간인 증발부를 포함하여, 증발된 작동유체를 일시적으로 보유하여 후술할 제트류를 효과적으로 형성할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 작동유체 저장부 (20) 는 하우징 바디 (10) 의 내측에 형성된 실린더 형상일 수 있으며, 발열체 (H) 의 형상 및/또는 하우징 바디 (10) 의 형상에 따라 반구체 형상(도 2 참조)과 같이 다양하게 변형 실시될 수 있다.

작동유체 주입구 (30) 는 하우징 바디 (10) 의 일측에 형성될 수 있고 작동유체 저장부 (20) 내부로 작동유체를 안내할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 작동유체 주입구 (30) 는 작동유체 저장부 (20) 와 연결될 수 있으며, 작동유체 저장부 (20) 의 형성위치에 대응되도록 하우징 바디 (10) 의 일측에 형성될 수 있다.

격벽 (40) 은 하우징 바디 (10) 의 내측에서 작동유체 저장부 (20) 를 포위하도록 형성될 수 있다.

일 실시예에 의하면, 격벽 (40) 은 하우징 바디 (10) 내부를 작동유체 저장부 (20) 와 그 외의 공간인 확산부로 구분할 수 있고, 확산부의 부피는 작동유체 저장부 (20) 의 부피보다 클 수 있다.

이로써, 증발된 작동유체가 확산부로 이동되었을 때, 작동유체 저장부 (20) 와 확산부의 압력이 동일해지는 것이 방지된다.

또한, 격벽 (40) 과 하우징 바디 (10) 사이에는 작동유체가 흐르는 갭부가 형성될 수 있다.

격벽 (40) 은 작동유체 저장부 (20) 를 포위하는 형상이면 충분하고 도 2 에서와 같이 돔 또는 반구형상을 갖는 쉘로 형성될 수 있다.

기체 배출부 (50) 은 격벽 (40) 의 일측면에 형성될 수 있다.

일 실시예에 의하면, 기체 배출부 (50) 은, 작동유체 저장부 (20) 에서 증발된 기체상의 작동유체 부피에 따라, 기체상의 작동유체가 제트류를 형성하여 배출되도록 형성될 수 있다.

기체 배출부 (50) 은 발열체 (H) 의 발열량에 근거한 방열 장치 (100) 의 냉각 용량 및/또는 작동유체의 포화증기압에 따라 형성될 수 있다.

일 실시예에 의하면, 작동 유체를 증류수라고 가정하고, 100W의 LED를 냉각하는데 있어서, 작동유체 저장부 (20) 의 온도가 60℃, 작동유체 저장부 (20) 이외의 공간인 확산부의 온도가 45℃라면, 증류수의 포화증기압은 60℃에서 20kPa, 45℃에서 10kPa이므로, 작동유체 저장부 (20) 와 확산부 사이에 10kPa의 압력차이가 형성된다.

10kPa의 압력은 1/2*작동유체 저장부 (20) 의 밀도*유동속도^2이므로, 작동유체 저장부 (20) 의 밀도(증류수의 밀도)는 60℃에서 130g/m^3 이므로, 수증기(증발된 증류수)는 400m/s의 유동속도를 가진다.

여기서, 수증기의 초당 체적 배출량은 기체 배출부 (50) 의 면적*유동속도이므로, 결정된 유동속도(400m/s)에 따라, 기체 배출부 (50) 의 면적을 설정하여 수증기의 초당 체적 배출량을 설정할 수 있다.

이와 같이, 기체 배출부 (50) 에서 배출되는 수증기의 초당 체적 배출량을 기체 배출부 (50) 의 면적에 의해 제어함으로써, 원하는 속도의 제트류를 유도할 수 있다.

따라서, 방열 장치 내에서 빠르게 순환됨으로써 발열체를 신속하게 냉각시킬 수 있다.

기체 배출부 (50) 의 형상 및/또는 개수는 제한되지 않으며, 발열체 (H) 의 발열량에 따라 제트류 형성을 위해 변형실시 될 수 있다.

하우징 커버 (60) 는 하우징 바디 (10) 의 상부에 형성될 수 있고, 하우징 바디 (10) 내부에서 재응축된 작동유체가 중력에 의해 작동유체 저장부 (20) 로 안내될 수 있게, 적어도 일부가 음의 기울기를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 방열 장치 (100) 의 작동에 대해 설명한다.

하우징 바디 (10) 는 진공상태를 유지하도록 형성될 수 있다.

발열체 (H) 의 열은 하우징 바디 (10) 의 저면을 따라 전도되고, 작동유체 저장부 (20) 내의 작동유체가 흡열반을 통해 증발된다.

이로써, 작동유체 저장부 (20) 내에 작동유체의 포화증기(포화증기압 도달)가 형성된다.

이 때, 확산부는 작동유체 저장부 (20) 에 비해 압력이 낮으므로, 기체 배출부 (50) 을 통해 증발된 작동유체는 확산부를 향해 단열 팽창된다.

단열 팽창된 작동유체는 확산부내에서 상승하면서 다시 외기의 낮은 온도에 의해 응축되고, 응축된 작동유체는 하우징 커버 (60) 와 하우징 바디 (10) 의 내면을 따라 다시 작동유체 저장부 (20) 로 복귀된다(격벽 (40) 과 하우징 바디 (10) 사이의 갭부를 통해 복귀).

이 과정에서 냉각된 작동유체는 하우징 커버 (60) 를 포함한 하우징 바디 (10) 의 상부를 냉각시키고, 방열 장치 (100) 상하부의 온도차를 형성함으로써 방열 장치 (100) 의 외벽을 통한 열전도 냉각을 형성한다.

도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열 장치를 나타내는 개략 사시도이다.

도 1 및 도 2 에 도시된 실시예의 방열 장치와의 차이점을 위주로 설명하도록 한다.

도 3 을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열 장치의 격벽 (421, 423, 425) 은 작동유체를 포위하도록 구비되는 제 1 격벽 (421), 일단이 제 1 격벽 (421) 과 연통되게 구비되고, 타단이 제 3 격벽 (425) 와 연통되게 구비되어, 증발된 작동유체가 이동하는 유로를 제공하는 제 2 격벽 (423) 및 제 1 격벽 (421) 및 제 2 격벽 (423) 을 통하여 이동된 작동유체의 증기를 배출하는 적어도 하나 이상의 기체 배출부 (52) 를 포함하는 제 3 격벽 (425) 를 포함할 수 있다.

제 3 격벽 (425) 는 황동소결체로 구비될 수 있다.

제 3 격벽 (425) 는 구형의 주석합금 황동소결체 분말을 금속 금형에 넣고 약 700˚C 에서 압력을 가하여 소결처리하여 제조될 수 있다.

황동소결체의 제조방법에 대해서는 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

상기 제 3 격벽 (425) 는 황동 뿐만 아니라 스테인리스 스틸, 니켈, 플라스틱 또는 세라믹 분말로 이루어지는 소결체로 구비될 수 있다.

이러한 제 3 격벽 (425) 의 재료는 이해를 돕기 위하여 예를 든 것이고, 사용자는 필요에 따라 다양한 재료를 이용하여 소결체를 형성할 수 있고, 이는 본 발명의 권리범위를 한정하려는 의도는 아니다.

상기 제 3 격벽 (425) 에 적어도 하나 이상 구비되는 기체 배출부 (52) 의 직경은 20 마이크론 내지 100 마이크론으로 구비될 수 있다.

또한, 적어도 하나 이상의 기체 배출부 (52) 의 평균 직경은 50 마이크론으로 구비될 수 있다.

또한, 적어도 하나 이상의 기체 배출부 (52) 의 각각의 직경은 서로 상이하게 구비될 수 있다.

이와 같이, 적어도 하나 이상의 기체 배출부 (52) 의 각각의 직경이 일정 범위 내로 구비됨과 함께, 서로 상이하게 구비되는 이유는 하기와 같다.

발열체의 열부하에 따라 증발이 일어나는 부위의 온도가 응축이 일어나는 부위의 온도보다 상대적으로 높고, 응축이 일어나는 부분의 온도 또한 주위공기 (Room temperature) 에 따라 변하게 된다.

포화증기 압력 차이에 의해 작동유체가 증발된 기체가 적어도 하나 이상의 기체 배출부 (52) 을 관통하기 때문에, 기체 배출부 (52) 의 직경은 작동유체가 증발된 기체의 속도를 결정하게 된다.

따라서, 본 발명와 같이 적어도 하나 이상의 기체 배출부 (52) 의 각각의 직경이 서로 상이하게 구비됨으로 인하여, 외부 요인의 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 효과가 존재한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

100 : 방열 장치
10 : 하우징 바디
20 : 작동유체 저장부
30 : 작동유체 주입구
40 : 격벽
50 : 기체 배출부
60 : 하우징 커버

Claims (10)

1. 발열체상에 설치되고 상기 발열체가 발생시키는 열을 흡수 전달하는 열전도 장치에 있어서,
   본체를 형성하고 중공상이며 내부가 진공상태인 하우징 바디,
   내부에는 상변화를 통해 열을 흡수 전달하는 작동유체 저장부,
   상기 하우징 바디의 일측에 형성되고 상기 작동유체 저장부 내부로 상기 작동유체를 안내하는 작동유체 주입구,
   상기 작동유체 저장부를 포위하도록 형성된 격벽,
   상기 격벽의 일측면에 형성된 기체 배출부, 및
   상기 하우징 바디에 형성된 하우징 커버를 포함하는, 열전도 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징 바디는,
   저면에 상기 발열체의 형상에 대응되도록 형성된 그루브를 포함하고,
   상기 발열체와 접촉됨으로써 열을 전도받는 것을 특징으로 하는, 열전도 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 작동유체 저장부는,
   상기 작동유체를 함침할 수 있는 구조체를 포함하고, 상기 구조체는 유연성 및 열전도성을 갖는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는, 열전도 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 작동유체 저장부는,
   상기 작동유체가 상기 발열체의 열을 흡수하고 증발하는 공간인 증발부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열전도 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 격벽은,
   상기 하우징 바디 내부를 상기 작동유체 저장부와 그 외의 공간인 확산부로 구분하고,
   상기 확산부의 부피가 상기 작동유체 저장부의 부피보다 크고,
   상기 격벽과 상기 하우징 바디 사이에는 작동유체가 흐르는 갭부가 형성된 것을 특징으로 하는, 열전도 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 기체 배출부는,
   상기 작동유체 저장부에서 증발된 기체상의 작동유체 부피에 따라,
   상기 기체상의 작동유체가 제트류를 형성하여 배출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 열전도 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징 커버는,
   상기 하우징 바디 내부에서 재응축된 작동유체가 상기 작동유체 저장부로 안내될 수 있게, 적어도 일부가 음의 기울기를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 열전도 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 격벽의 적어도 일부는 일 면을 향하여 돌출되도록 구비되는 돌출부를 포함하고,
   상기 돌출부는 열전도성 다공성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 기체 배출부는 상기 돌출부상에 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 돌출부는 하우징 바디의 내벽과 접촉하는 적어도 하나 이상의 접촉면을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 장치.

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