WO2012067347A2 - 엘이디 조명기구용 냉각장치 및 이를 이용한 엘이디 조명기구 - Google Patents

엘이디 조명기구용 냉각장치 및 이를 이용한 엘이디 조명기구 Download PDF

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    • Y10S362/00—Illumination
    • Y10S362/80—Light emitting diode

Definitions

  • the problem is heat dissipation.
  • the light emitting part is concentrated, so the temperature is likely to rise.
  • the increasing amount of heat is increasing because brighter and brighter lighting is preferred.
  • the LED lighting device cooling apparatus 100 includes a heat pipe 110, a heat dissipation fin 120 and a coupling member 130.
  • the heat pipe 110 is generally made of a metal having high thermal conductivity such as copper, but has a disadvantage in that copper is higher in price than steel. Therefore, in this embodiment, heat pipes are formed using stainless steel. In order to compensate for the poor heat transfer rate compared to copper, a material different from that of a general heat pipe is used as a working fluid as described below.
  • the heat dissipation fin 120 is installed at the other end of the heat pipe 110, it is preferably made of a material having a high heat transfer rate, such as aluminum.
  • the heat pipe 110 and the heat dissipation fins 120 are coupled to each other in a manner of expanding the heat pipe 110 and compressing the heat pipes 110 with the heat dissipation fins 120. In this case, the heat transfer rate from the heat pipe 110 to the heat dissipation fin 120 is increased, and the space inside the heat pipe 110 is increased.
  • the heat pipe 110 and the LED lighting device may be coupled in a mechanical manner as described above.
  • the heat pipe 110 is coupled to the mounting plate 210 which is a part of the LED lighting apparatus by means of a bolt or the like through the coupling member 130 having the first cooling fin.
  • the coupling member 130 and the heat pipe 110 is preferably coupled to each other in a manner in which the heat pipe (110) of the pipe shape to expand and compress.
  • a working fluid is provided in the inner space of the heat pipe 110.
  • the working fluid contains methyl alcohol and powder containing infrared emission characteristics.
  • the working fluid does not contain water (distilled water).
  • the medium of the working fluid used in the heat pipe according to the present invention is not limited to methyl alcohol, and various kinds of liquids can be used as long as the liquid has a lower boiling point than water at room temperature.
  • various kinds of liquids can be used as long as the liquid has a lower boiling point than water at room temperature.
  • ammonia, methyl chloroform to water can also be used.
  • a flow path forming protrusion is formed inside the heat pipe 110 to form a flow path in the inner space so that the working fluid in the gaseous state moved in the direction of the heat dissipation fin 120 is easily condensed and returned to its original position.
  • the heat pipe 110 is preferably installed to be inclined upward in the direction of the heat radiation fin 120.
  • the heat pipe 110 may be provided with a wick to allow the working fluid to return to its original position.
  • the wick uses a capillary action to return the condensed working fluid.
  • a cooling effect of about 20% can be maintained even if the angle at which the heat pipe is mounted is disadvantageous to perform the cooling operation smoothly.
  • Electromagnetic waves including infrared radiation, transfer heat in a radiant manner, and unlike in the case of conduction or convection, heat can be transferred in a vacuum. Electromagnetic waves are classified in various ways according to wavelengths. For example, electromagnetic waves are classified into infrared rays, visible rays, and ultraviolet rays according to the length of the wavelength. In general, a material absorbs electromagnetic waves having a wavelength in a specific band, and as the temperature rises, it emits electromagnetic waves in a specific wavelength band.
  • the material When a material generating electromagnetic waves is mixed with the working fluid of the heat pipe 110, the material generates electromagnetic waves as the temperature increases.
  • the generated electromagnetic waves transfer heat to the wall of the medium and the heat pipe occupying the space inside the heat pipe 110 in a radiation manner. If the powder of the material is an unionized solid, it does not vaporize, so that the liquid medium mainly collects in the evaporating region.
  • the electromagnetic waves emitted by the material are mainly absorbed by the liquid medium and do not reach the region where the gaseous medium is condensed. Accordingly, the evaporation of the medium contained in the working fluid is accelerated while the condensation may not be disturbed.
  • the heat cycle inside the heat pipe 110 may be rotated at a higher speed than when the corresponding material is not included.
  • the condensation of the medium must also occur at a faster rate.
  • infrared rays tend to be well absorbed because they have a frequency similar to the natural frequency of the material in a molecular state, although there are differences depending on the band. Therefore, a material that emits infrared rays when the temperature rises is one of materials suitable for being accommodated in the heat pipe 110 according to the present invention.
  • Materials that mainly emit infrared rays when the temperature rises include silicate mineral powders, jade powders, carbon powders, and the like used in the above-described embodiments.
  • the heat pipe 110 is preferably injected with a material that emits electromagnetic waves of the band that absorbs well in the main medium constituting the working fluid.
  • the material generating electromagnetic waves is included in the working fluid of the heat pipe 110, it is preferable to form a powder. If the particle size of the powder is small, the energy (heat) for raising the temperature of the particles is small, so that the temperature can be raised to a temperature for emitting a sufficient amount of electromagnetic waves in a short time.
  • the cost increases to reduce the size of the particles, and the cost increases exponentially to reduce the size below a certain level.
  • the particle size is large, the manufacturing cost decreases, but since relatively large energy (heat) must be supplied until a large amount of electromagnetic waves are generated, the heat pipe 110 does not rise to a temperature enough to generate electromagnetic waves as a result. May not contribute to the cooling effect.
  • the powder has a particle size that can be quickly raised to a temperature capable of generating a sufficient amount of electromagnetic waves even when a small amount of energy is delivered without costly manufacturing.
  • methyl alcohol is used as a working fluid of the heat pipe
  • silicate mineral powder is used as a material for generating electromagnetic waves.
  • the injected silicate mineral powder emits a specific band of infrared rays when the temperature rises, and the infrared rays activate the evaporation of methyl alcohol. If the medium is changed to another, the absorption band of the electromagnetic wave may be changed, so the powder injected according to the medium of the working fluid should be changed to generate the electromagnetic wave of the band that the medium absorbs well.
  • FIG. 3 and 4 shows the LED lighting device to which the cooling device according to the present invention is applied.
  • FIG. 3 is a case where the lamp is applied to the street lamp 10 and
  • FIG. 4 is a case where the lamp 20 is applied.
  • the illustrated LED luminaires 10 and 20 include a cooling device for the LED luminaire described above.
  • Each of the lighting fixtures 10 and 20 is made of a metal material, the mounting plate 210 to which the LED luminaire cooling apparatus is coupled in a mechanical manner, the LED is installed on the mounting plate 210 and one or more LEDs are arranged
  • An LED driving circuit (not shown) for driving an LED arranged on the substrate 220 and the LED substrate 220 is included.
  • the mounting plate 210 is mechanically coupled with the LED lighting device cooling device 100.
  • the heat pipe 110 of the cooling device 100 is fixed to the mounting plate 210 via the coupling member 130 having the first cooling fins.
  • the mounting plate 210 is preferably made of a high heat transfer material, for example, is formed of a metal such as aluminum.
  • the LED luminaire may further include a reflector (not shown) for reflecting light emitted from the LED in the intended illumination direction.
  • the present invention relates to a heat dissipation device used for high-power LED lighting fixtures and LED lighting fixtures using the same, and can be widely used in the industry because it can be used for catching fish as well as street lamps in general roads, government offices, schools and the like.

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Abstract

엘이디를 이용한 조명기구에서 발생하는 열을 방출시키기 위한 엘이디 조명기구용 냉각장치가 제공된다. 상기 엘이디 조명기구용 냉각장치는, 한쪽 단부가 엘이디 조명기구와 결합되며, 적외선 방출 특성을 갖는 분말이 혼합된 매질을 작동유체로 이용하는 히트파이프, 및 히트파이프의 다른 쪽 단부에 설치되는 방열핀을 포함한다. 상기 엘이디 조명기구용 냉각장치를 구비하는 엘이디 조명기구는 금속 재질로 이루어지고 냉각장치가 결합되는 장착판, 장착판에 설치되고 하나 이상의 엘이디가 배열된 엘이디 기판, 및 엘이디 기판에 배열된 엘이디를 구동하기 위한 엘이디 구동회로를 포함한다. 상기 엘이디 조명기구는 가로등, 집어등, 투광등과 같이 큰 광량이 요구되는 실내등 또는 실외등에 적용될 수 있다.

Description

엘이디 조명기구용 냉각장치 및 이를 이용한 엘이디 조명기구
본 발명은 엘이디(LED: Light Emitting Diode)를 이용한 조명기구, 특히, 1W급 이상의 고출력 엘이디 패키지가 탑재된 조명기구에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 엘이디 조명기구용 냉각장치 및 이를 이용한 엘이디 조명기구에 관한 것이다.
발광 다이오드, 즉, 엘이디를 이용한 조명은 최근 친환경 기술로서 큰 관심을 받고 있다. 세계적으로 백색 엘이디 조명 시장은 2006년 이후 연간 50% 가까이 성장해 왔으며, 엘이디 기술의 발전에 따라 향후 엘이디가 형광등 및 기타 다른 광기구를 대체할 것이라는 전망이 점차 현실화되고 있다.
일반적으로 최근의 엘이디 조명기구는 여러 개의 저출력 엘이디를 배열하는 것보다 고출력형인 1W급 이상의 엘이디 패키지를 사용하여 엘이디 장착 개수를 줄이려는 경향을 나타낸다.
저출력 엘이디를 이용한 조명기구의 일례로서, 0.5W 출력을 나타내는 엘이디가 전구형에서는 약 70개, 직관형에서는 약 4백개 이상이 탑재된다. 저출력 엘이디로 조명기구를 제조하면 효율면이나 조명의 기능 향상면에서 일부 이점이 있다.
다만, 조명기구에 많은 수의 저출력 엘이디를 저비용으로 장착하기 위해서는, 스스로 제조한 엘이디 패키지를 사용하고 장착 과정을 자신들의 기존 설비로 처리해야 한다는 제약이 따른다. 따라서, 엘이디 패키지를 스스로 제조하지 않는 대부분의 업체들은 패키지 조달 및 장착 비용 등을 절감하기 위해 고출력 엘이디를 이용하여 조명기구를 제조하려는 경향을 보인다.
고출력 엘이디를 조명기구에 이용하는 경우 문제가 되는 것이 방열이다. 고출력 엘이디를 조명기구에 사용하면 발광부가 집중되기 때문에 온도가 올라가기 쉽다. 게다가 점점 더 밝은 조명이 선호되고 있기 때문에 발열의 절대량도 늘어나는 추세다.
특히 가로등이나 집어등과 같은 실외 조명의 경우 이러한 경향이 두드러진다. 엘이디는 온도가 높아지면 순전압이 떨어져 발광효율이 악화될 뿐만 아니라 수명도 짧아진다. 쉽게 고온 상태가 되는 고출력 엘이디를 이용하는 경우 패키지에 내열성이 있는 값비싼 소재를 사용해야 하기 때문에 이는 또 다른 비용 상승 요인으로 작용한다.
이러한 방열 문제를 해결하기 위하여, 메탈 베이스 기판을 사용하는 엘이디 조명기구들이 많이 제안되고 있다. 그러나 메탈 베이스 기판조차도 방열성을 충분히 확보하기가 어려운 형편이다. 고출력 엘이디용 기판으로는 열전도율이 높은 AlN(Aluminum Nitride)판에 은 페이스트를 인쇄한 세라믹 기판이 널리 알려져 있는데, AlN는 제조비용이 높다는 게 단점이다.
최근에는 엘이디 패키지의 기판 구조를 개선함으로써 방열성을 높이려는 시도가 있다. 다른 접근방법으로서, 엘이디 칩의 기계적 구조를 개선하여 방열성을 높이려는 시도도 발견된다. 그러나, 이러한 방법은 모두 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 고출력 엘이디 조명기구를 저비용으로 효과적으로 냉각시킬 수 있는 엘이디 조명기구용 냉각장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 엘이디 조명기구용 냉각장치를 이용한 고출력 엘이디 조명기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 엘이디 조명기구용 냉각장치는, 한쪽 단부가 엘이디 조명기구와 결합되며, 적외선 방출 특성을 갖는 분말과 매질이 혼합된 작동유체를 이용하는 히트파이프, 및 상기 히트파이프의 다른 쪽 단부에 설치되는 방열핀을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 전술한 엘이디 조명기구용 냉각장치, 금속 재질로 이루어지고, 상기 엘이디 조명기구용 냉각장치가 기계적 방식으로 결합되는 장착판, 상기 장착판에 설치되고 하나 이상의 엘이디가 배열된 엘이디 기판, 및 상기 엘이디 기판에 배열된 엘이디를 구동하기 위한 엘이디 구동회로를 포함하는 엘이디 조명기구가 제공된다.
본 발명에 따르면, 1W급 이상의 고출력 엘이디를 사용하는 조명기구를 저비용으로 효과적으로 냉각시킬 수 있는 엘이디 조명기구용 냉각장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따라, 상기 엘이디 조명기구용 냉각장치를 이용하여 방열효율이 우수한 고출력 엘이디 조명기구가 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 엘이디 조명기구용 냉각장치가 엘이디 조명기구의 장착판에 고정된 상태를 배면에서 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 엘이디 조명기구용 냉각장치가 엘이디 조명기구의 장착판에 고정된 상태를 전면에서 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 엘이디 조명기구의 일예로서, 가로등으로 사용되는 경우를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 엘이디 조명기구의 다른 예로서, 집어등으로 사용되는 경우를 도시한 도면.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 및 2에는 본 발명에 따른 엘이디 조명기구용 냉각장치(100)가 엘이디 조명기구의 일부인 장착판(210)에 결합된 상태가 도시되어 있다.
도시된 실시예에서, 엘이디 조명기구용 냉각장치(100)는 히트파이프(110), 방열핀(120) 및 결합 부재(130)를 구비한다.
상기 히트파이프(110)는 한쪽 단부가 엘이디 조명기구의 일부인 상기 장착판(210)과 기계적 방식으로 결합된다. 상기 히트파이프(110)는 파이프 형상을 가지며, 스테인레스 강으로 이루어진다.
상기 히트파이프(110)는 주로 구리와 같이 열전도성이 높은 금속으로 이루어지는 것이 일반적이지만, 구리의 경우 강에 비해 가격이 높다는 단점이 있다. 따라서, 본 실시예에서는 스테인레스 강을 이용하여 히트파이프를 형성한다. 구리에 비해 떨어지는 열전달율을 보상하기 위하여, 후술하는 바와 같이 작동유체로서 일반적인 히트파이프에서와는 다른 재료를 이용한다.
상기 방열핀(120)은 상기 히트파이프(110)의 다른 쪽 단부에 설치되며, 알루미늄과 같이 열전달율이 높은 재료로 이루어지는 것이 좋다. 상기 히트파이프(110)와 상기 방열핀(120)은 상기 히트파이프(110)를 확관시켜 상기 방열핀(120)과 압착시키는 방식으로 서로 결합된다. 이 경우, 상기 히트파이프(110)로부터 방열핀(120)으로의 열전달율이 증가하고, 상기 히트파이프(110) 내부 공간이 증가하는 이점이 있다.
상기 히트파이프(110)와 상기 엘이디 조명기구는 전술한 바와 같이 기계적 방식으로 결합될 수 있다. 본 실시예에서 상기 히트파이프(110)는 제1 냉각핀을 구비한 결합 부재(130)를 매개로 상기 엘이디 조명기구의 일부인 장착판(210)과 보울트 등의 수단에 의해 결합된다.
상기 방열핀(120)의 경우와 마찬가지로, 상기 결합 부재(130)와 상기 히트파이프(110)는 파이프 형상의 상기 히트파이(110)프를 확관시켜 압착시키는 방식으로 서로 결합되는 것이 좋다.
상기 히트파이프(110)의 내부 공간에는 작동유체가 마련된다. 본 실시예에서, 작동유체로서는 메틸 알콜(methyl alcohol)과 적외선 방출 특성을 갖는 분말이 포함된 것을 이용한다. 본 실시예에서는, 작동유체가 물(증류수)을 포함하지 않는다.
그러나, 본 발명에 따른 히트파이프에 이용되는 작동유체의 매질은 메틸 알콜에 한정되지는 않으며, 상온에서 물보다 비등점이 낮은 액체라면 다양하게 종류의 것이 이용될 수 있다. 예를 들어, 암모니아, 메틸클로로포름(methyl chloroform) 내지 물도 사용 가능하다.
본 출원인이 실험적으로 발견한 바에 따르면, 상기 히트파이프(110)의 작동유체가 적외선 방출 특성을 갖는 분말을 포함하는 경우는 그렇지 않은 경우보다 낮은 온도에서도 냉각 작용이 활발하게 이루어지는 것을 확인하였다.
일 실시예로서 적외선 방출 특성을 갖는 분말은 규산염 광물의 분말이 이용될 수 있다. 본 실시 예에서 이용된 적외선 방출 특성을 갖는 분말의 입자의 크기는 15 내지 150 마이크로미터 정도(100 내지 1000 메쉬)이며, 7 내지 20 마이크로미터 대역의 적외선 파장을 방출한다.
상기 히트파이프(110)는 원형 단면의 파이프 형상을 가지며, 내부 공간은 진공으로 유지된다. 상기 히트파이프(110)의 내부 공간의 진공 정도는 냉각하고자 하는 목표온도에 따라 설정된다. 예를 들면, 상기 히트파이프(110)의 내부압력은 0.001 ~ 0.0001mmhg 로 설정될 수 있다.
여기서, 작동유체를 형성하는 메틸 알콜과 적외선 방출 특성을 갖는 분말은 각각 부피를 기준으로 내부 공간의 15% 내지 30% 및 0.5% 내지 2%를 점유한다.
상기 히트파이프(110)의 내부에는 상기 방열핀(120) 방향으로 이동되었던 기체상태의 작동유체가 응축되어 다시 원래의 자리로 용이하게 귀환할 수 있도록 내부 공간에 유로를 형성하기 유로형성돌기가 구비될 수 있다. 여기서, 상기 히트파이프(110)는 상기 방열핀(120)의 방향으로 상향경사지게 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 히트파이프(110) 내부에는 상기 작동유체가 원래의 자리로 귀환할 수 있도록 하기 위한 윅(wick)을 구비될 수도 있다. 상기 윅은 모세관 현상을 이용하여 응축된 작동유체를 귀환시킨다. 상기 윅을 구비하는 경우 히트파이프가 장착되는 각도가 냉각 작용을 원활하게 수행하기에 불리하더라도 20% 정도의 냉각 효과를 유지할 수 있는 이점이 있다.
상기 히트파이프(110) 내부에서의 열전달 과정을 살펴보면 다음과 같다.
상기 엘이디 조명기구가 발열하게 되면, 상기 엘이디 조명기구의 열은 상기 히트파이프(110)로 전달되고, 상기 히트파이프(110)의 내부에 있는 매질은 기화되기 시작한다. 동시에 상기 분말은 적외선을 방출하기 시작한다.
그러면, 기화된 매질은 상기 방열핀(120)의 방향으로 이동하면서 열을 상기 방열핀(120)으로 전달하게 된다. 여기서, 상기 히트파이프(110)는 진공상태에 있기 때문에 열전달 과정이 급속도로 진행되게 된다.
열을 방출한 기체상태의 매질은 상기 히프파이프의 내측표면에 응축되어 다시 하부로 이동하게 된다.
상기 분말에 의한 열전달 과정을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
적외선을 포함한 전자기파는 복사 방식으로 열을 전달하며, 전도 또는 대류의 경우와 달리 진공 중에서도 열의 전달이 가능하다. 전자기파는 파장에 따라 다양하게 구분되며, 예를 들어, 파장의 길이에 따라 적외선, 가시광선, 자외선 등으로 나뉜다. 일반적으로 물질은 특정 대역의 파장을 갖는 전자기파를 흡수하며, 온도가 올라감에 따라 특정 파장 대역의 전자기파를 방출하기도 한다.
상기 히트파이프(110)의 작동유체에 전자기파를 발생시키는 물질을 혼합시키는 경우 이 물질은 온도가 올라감에 따라 전자기파를 발생시킨다. 발생된 전자기파는 상기 히트파이프(110) 내부 공간을 점유하고 있는 매질 및 히트파이프의 벽면에 복사 방식으로 열을 전달한다. 물질의 분말이 이온화되지 않은 고체인 경우 기화하지 않기 때문에 주로 액체 상태의 매질이 증발하는 영역에 모여 있게 된다.
따라서, 물질에 의해 방출되는 전자기파는 주로 액체 상태의 매질에 흡수되고 기체 상태의 매질이 응축되는 영역까지 도달하지 않게 된다. 이에 따라, 작동유체에 포함된 매질의 증발은 빨라지는 반면 응축은 방해를 받지 않을 수 있다.
결국, 상기 히트파이프(110) 내부의 열사이클이 해당 물질이 포함되지 않은 경우에 비해 더 빠른 속도로 회전될 수 있다. 열사이클이 더 빨리 이루어지려면, 매질의 응축도 더 빠른 속도로 이루어져야 한다. 본 출원인이 확인한 바에 따르면, 모든 조건이 동일한 상태에서 작동유체가 전자기파를 발생시키는 물질을 포함한 경우와 그렇지 않은 경우의 방열핀의 온도를 비교하면, 전자의 경우에 방열핀의 온도가 더 높았다.
한편, 적외선의 경우 대역에 따라 차이는 있지만, 대체로 분자 상태인 물질의 고유진동수와 유사한 주파수를 갖기 때문에 잘 흡수되는 경향이 있다. 따라서, 온도가 상승하였을 때 적외선을 방출시키는 물질은 본 발명에 따른 상기 히트파이프(110)의 내부에 수용되기에 적합한 물질 중에 하나이다.
온도가 상승할 때 적외선을 주로 방출시키는 물질로는 전술한 실시예에서 이용된 규산염 광물 분말, 옥 분말, 탄소 분말 등이 있다. 여기서, 상기 히트파이프(110)에는 작동유체를 이루는 주요 매질에 잘 흡수하는 대역의 전자기파를 방출하는 물질이 투입되는 것이 바람직하다.
전자기파를 발생시키는 물질을 상기 히트파이프(110)의 작동유체에 포함시키는 경우 분말의 형태로 하는 것이 바람직하다. 상기 분말의 입자 크기가 작으면 입자의 온도를 올리기 위한 에너지(열)이 작아지므로 짧은 시간 내에 충분한 양의 전자기파를 방출시킬 온도까지 올라갈 수 있다.
그러나, 일반적으로 입자의 크기를 작게 하기 위해서는 비용이 증가하며, 어느 수준 이하로 작게 하려면 비용이 기하급수적으로 증가한다. 한편, 입자의 크기가 크면 제조 비용이 적어지지만 많은 양의 전자기파를 발생시키기까지 상대적으로 큰 에너지(열)을 공급해야 하기 때문에 충분히 빨리 전자기파를 발생시킬 온도까지 상승하지 못하고 결과적으로 상기 히트파이프(110)의 냉각효과에 기여할 수 없게 될 수 있다.
따라서,상기 분말은 제조에 많은 비용이 소요되지 않으면서도 작은 양의 에너지를 전달받아도 충분한 양의 전자기파를 발생시킬 수 있는 온도까지 빠른 시간 내에 올라갈 수 있는 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에서는 히트파이프의 작동유체로서 메틸 알콜을 사용하고, 전자기파를 발생시키는 물질로서 규산염 광물의 분말을 이용하였다. 투입된 규산염 광물의 분말은 온도가 상승하는 경우 특정 대역의 적외선을 방출하며, 상기 적외선에 의해 메틸 알콜의 증발이 활발해지게 된다. 만약 매질을 다른 것으로 바꾸는 경우 흡수하는 전자기파 대역이 달라질 수 있으므로, 작동유체의 매질에 따라 투입되는 분말도 그 매질이 잘 흡수하는 대역의 전자기파를 발생시키는 것으로 달라져야 할 것이다.
도 3 및 도 4에는 본 발명에 따른 냉각장치가 적용된 엘이디 조명기구가 도시되어 있다. 도 3은 가로등(10)에 적용된 경우이며, 도 4는 집어등(20)에 적용된 경우이다.
도시된 엘이디 조명기구(10, 20)는 전술한 엘이디 조명기구용 냉각장치를 포함한다. 각각의 조명기구(10, 20)는, 금속 재질로 이루어지고, 엘이디 조명기구용 냉각장치가 기계적 방식으로 결합되는 장착판(210), 상기 장착판(210)에 설치되고 하나 이상의 엘이디가 배열된 엘이디 기판(220) 및 상기 엘이디 기판(220)에 배열된 엘이디를 구동하기 위한 엘이디 구동회로(도시되지 않음)를 포함한다.
도시된 실시 예에서, 엘이디는 1W급 이상의 고출력 엘이디인 것이 좋다. 고출력 엘이디를 사용하는 경우, 적은 수의 엘이디 소자만으로도 필요로 하는 광량을 발생시킬 수 있기 때문에 조명기구의 무게가 줄어들고, 제조 비용이 감소한다.
1W급 미만의 저출력 엘이디를 사용하는 경우에는 상기 엘이디에서 발생하는 열이 크게 문제되지 않기 때문에 냉각장치를 이용할 필요성이 줄어든다. 다만, 동일한 양의 광량을 제공하기 위해서는 많은 수의 저출력 엘이디를 사용해야 하며, 이에 따라 조명기구의 가격과 무게가 증가할 수 있다.
가로등, 집어등 또는 투광등과 같은 실내용 또는 실외용 엘이디 조명기구에서는, 예를 들어, 3W급 이상의 고출력 백색 엘이디, 각각 1W급 이상인 고출력 적녹청(RGB) 단일칩 엘이디를 조합한 멀티칩 엘이디, 또는 조명기구의 목적에 따라 1W급 이상의 적녹청(RGB) 단일칩 엘이디 등이 이용될 수 있다. 사용되는 엘이디는 엘이디 조명기구의 용도에 따라 달라질 수 있다. 집어등의 경우에는 백색이 아닌 청색광이 요구되는 경우도 있다.
엘이디 구동회로는 고출력 엘이디에 최대 구동 전류의 60% 이상의 전류를 공급한다. 고출력 엘이디는 허용가능한 최대 전류의 60% 내지 70% 정도를 구동 전류로 공급받는다. 구동 전류가 이보다 커질 경우 엘이디 소자에 의해 발생되는 광량은 증가하지만, 발생하는 열이 급격하게 증가하여 효율이 떨어지고 수명이 매우 짧아진다.
그러나, 본 발명에 따른 냉각장치를 이용하는 경우 최대 구동 전류의 60% 이상의 전류, 예를 들어 90%의 전류가 구동 전류로 공급되는 경우에도 충분한 냉각이 제공될 수 있기 때문에 엘이디 소자가 적절한 효율을 유지하면서 더 많은 광량을 발생시킬 수 있다.
상기 장착판(210)은 엘이디 조명기구용 냉각장치(100)와 기계적 방식으로 결합된다. 본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각장치(100)의 히트파이프(110)가 제1 냉각핀을 구비한 결합 부재(130)를 매개로 하여 상기 장착판(210)에 고정된다. 상기 장착판(210)은 열전달율이 높은 소재로 이루어지는 것이 좋으며, 예를 들어, 알루미늄과 같은 금속으로 형성된다.
본 실시예에 따른 냉각장치를 이용하는 경우 조명 작동시 장착판의 온도는 20℃ 내지 80℃ 사이의 온도로 유지된다. 이러한 온도에서는 고출력 엘이디의 효율이 높게 유지되며, 수명도 길어진다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각장치를 사용하지 않는 경우, 고출력 엘이디의 온도가 높아짐으로써 효율이 떨어지고 수명이 매우 짧아지게 된다.
상기 엘이디 조명기구는, 상기 엘이디로부터 방출되는 광을 의도된 조명 방향으로 반사시키기 위한 반사판(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엘이디 조명기구는 상기 엘이디 조명기구용 냉각장치(100)의 대응하는 위치에 열을 방출시키기 위한 방열공(11, 21)을 구비한 하우징을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 기초로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 점은 명백하다. 본 명세서에 기재된 어떤 사항도 본 발명의 범위를 첨부된 특허청구의 범위보다 좁히려는 것은 아니다. 전술한 실시예들은 예시를 위한 것이며 이와 다른 실시 형태를 갖는 것을 배제하고자 하는 것은 아니다.
본 발명은 고출력 엘이디 조명기구에 사용되는 방열장치 및 이를 이용한 엘이디 조명기구에 관한 것으로서, 일반도로, 관공서, 학교 등의 가로등뿐만 아니라 고기잡이를 위한 집어등에 사용될 수 있으므로 산업상 널리 이용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 엘이디(LED:Light Emitting Diode)를 이용한 엘이디 조명기구에서 발생하는 열을 방출시키기 위한 냉각장치로서,
    한쪽 단부가 엘이디 조명기구와 결합되며, 매질과 적외선 방출 특성을 갖는 분말이 혼합된 작동유체가 내장된 히트파이프; 및
    상기 히트파이프의 다른 쪽 단부에 설치되는 방열핀을 포함하고,
    상기 히트파이프의 내부 공간의 진공 정도는 냉각하고자 하는 목표온도에 따라 설정되며, 상기 매질은 부피를 기준으로 상기 히트파이프의 내부 공간의 15% 내지 30%를 점유하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매질은 물보다 끓는점이 낮은 물질로 구성되며, 상기 분말은 부피를 기준으로 상기 히트파이프의 내부공간의 0.5% 내지 2%를 점유하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 매질은 메틸 알콜, 암모니아, 메틸클로로포름 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분말은 규산염 광물의 분말, 옥 분말, 탄소 분말중의 하나 이상을 포함하며, 상기 분말은 가열되는 경우 상기 매질에 흡수되는 대역의 적외선을 방출하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분말의 입자크기는 15 내지 150 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프의 내부압력은 0.001 ~ 0.0001mmhg 인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프는 스테인레스 강으로 이루어지고 파이프 형상을 가지며, 상기 방열핀은 알루미늄 재질로 이루어지고, 상기 히트파이프는 확관되어 상기 방열핀과 압착되는 방식으로 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프와 상기 엘이디 조명기구의 결합은 제1 냉각핀을 구비한 결합 부재를 매개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 결합부재는 상기 히트파이프의 확관에 의하여 상기 히트파이프와 압착되는 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구용 냉각장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 엘이디 조명기구용 냉각장치;
    금속 재질로 이루어지고, 상기 엘이디 조명기구용 냉각장치가 기계적 방식으로 결합되는 장착판;
    상기 장착판에 설치되고 하나 이상의 엘이디가 배열된 엘이디 기판; 및
    상기 엘이디를 구동하기 위한 엘이디 구동회로를 포함하는 엘이디 조명기구.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 엘이디는 1W급 이상의 고출력 엘이디인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 엘이디 구동회로는 상기 엘이디에 최대 구동 전류의 60% 이상의 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구
  13. 제10항에 있어서,
    상기 엘이디의 작동시 상기 장착판의 온도는 20℃ 내지 80℃ 사이의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 엘이디로부터 방출되는 광을 의도된 조명 방향으로 반사시키기 위한 반사판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 엘이디 조명기구용 냉각장치의 대응하는 위치에서 열을 방출시키기 위한 방열공이 구비된 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 엘이디는 3W급 이상의 고출력 백색 엘이디인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 엘이디는 각각 1W급 이상인 고출력 적녹청(RGB) 단일칩 엘이디를 조합한 멀티칩 엘이디인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명기구.
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