WO2016167540A1 - 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치 - Google Patents

헤드 램프의 결로 발생 방지 장치 Download PDF

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WO2016167540A1
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thermoelectric module
lens
head lamp
outlet
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PCT/KR2016/003838
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김지훈
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엘지이노텍 주식회사
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Definitions

  • the present invention relates to a device for preventing condensation of a head lamp of an automobile.
  • the headlamp of the vehicle is used to illuminate the front of the vehicle when the vehicle is driven.
  • a headlight is provided inside the headlamp, and irradiates light to the upper or lower portion of the front of the vehicle by the light emitted from the light source.
  • the temperature of the upper and lower portions of the inside of the head lamp decreases as shown in FIG. 1B, and the dew point temperature also decreases.
  • the air descending speed of the headlamp lower than the descending speed of the dew point temperature is faster than the temperature reversal phenomenon occurs, which causes moisture inside the headlamp.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a head lamp dew condensation prevention device that prevents condensation from occurring.
  • the condensation prevention device of the head lamp is provided with a light source therein and the housing is provided with a lens in the front end; A thermoelectric module formed in the housing and having one side heated and one side cooled when power is supplied; A heat sink that radiates heat generated by the thermoelectric module; A blowing fan formed at the rear of the heat sink; And a blowing duct forming a flow path such that air blown by the blowing fan rises along the inner surface of the lens.
  • the heat sink may include a heat generating part heat sink formed in contact with one side of the thermoelectric module being heated and a cooling part heat sink formed in contact with one side of the thermoelectric module being cooled. Can be.
  • the blower duct may be formed in a shape in which the inlet is wrapped around the heat generating unit heat sink so that the air blown from the heat generating unit heat sink.
  • the outlet of the blowing duct may be formed to face the lower surface of the lens.
  • the blowing duct may be narrower toward the outlet from the inlet to the outlet.
  • the length of the outlet of the blowing duct may be the same as the width of the lens.
  • the ratio of the width and the length of the outlet of the blowing duct may be 1: 90 to 1: 150.
  • the blowing fan may be formed in contact with the heat generating unit heat sink.
  • the cooling unit heat sink may include a panel in contact with one side surface of the thermoelectric module and a plurality of heat dissipation fins formed on the left and right sides of the panel.
  • the lens and the air blowing duct may further include a bezel dividing the internal space of the head lamp.
  • the air heated by the thermoelectric module raises the lens surface temperature of the head lamp, thereby preventing the condensation from occurring.
  • the life and performance can be significantly improved, and the reliability can be greatly improved.
  • 1 is a graph for explaining the principle of dew condensation in a head lamp.
  • Figure 2 shows the appearance of the head lamp dew condensation prevention device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of a portion of FIG. 2;
  • Figure 4a is an exploded perspective view of the main part of the headlamp condensation preventing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4b is a perspective view
  • Figure 4c is a front view.
  • thermoelectric element 5 illustrates a cross-sectional view of a thermoelectric element.
  • thermoelectric module 40 in which a plurality of thermoelectric elements are arranged.
  • Figure 7 shows the minimum inflow flow rate according to the ratio of the width and length of the outlet of the blower duct in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 illustrates a simulation result of the head lamp dew condensation prevention device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 shows the experimental environment and results of the head lamp condensation generation prevention device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the appearance of the head lamp according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a perspective view of a portion of Figure 2 cut
  • Figure 4 is a major part of the head lamp according to an embodiment of the present invention It is an exploded perspective view, a perspective view and a front view as seen from the blowing fan side.
  • the head lamp 100 includes a housing 10 constituting an appearance, a lens 20 formed in the front direction of the housing, and a light source 30 formed inside the housing.
  • the lens 20 allows the light emitted from the light source to be radiated forward.
  • the light source 30 may be used a variety of light sources, such as halogen lamps, HID lamps, LED lamps, the light source 30 generates heat with light when turned on.
  • thermoelectric module 40, the heat sink 50, the blowing fan 60, the blowing duct 70, and the bezel 80 are installed in the inner space of the housing 10.
  • the bezel 80 is formed obliquely to connect the upper and lower portions of the housing 10 to divide the internal space of the housing.
  • the bezel 80 may be equipped with a light source 30.
  • thermoelectric module 40 is mounted to the lower portion of the housing 10. When power is supplied to the thermoelectric module 40, the temperature of one side of the thermoelectric module is increased and the temperature of the other side is lowered. That is, the thermoelectric module 40 includes a heat generating part 42 and a cooling part 44. The heat generation principle and detailed configuration of the thermoelectric module 40 will be described later.
  • the heat sink 50 is manufactured and installed with a material having excellent heat transfer efficiency, and a plurality of heat dissipation fins that are thinly processed to increase the surface area are arranged.
  • the heat sink 50 is divided into a heat generating part heat sink 52 and a cooling part heat sink 54.
  • the heat generating part heat sink 52 is installed to contact the upper part of the heat generating part 42 of the thermoelectric module 40 and is heated by heat generated from the heat generating part. When the heat generating part heat sink 52 is heated, the air passing through the heat generating part heat sink 52 may also be heated to increase the temperature of the inner surface of the lens 20.
  • the cooling unit heat sink 54 is formed to contact the lower portion of the cooling unit 44 of the thermoelectric module 40. As illustrated in FIG.
  • the panel 54a may be in contact with the cooling unit 44 of the thermoelectric module 40, and a plurality of heat dissipation fins 54b and 54c may be formed at left and right sides of the panel.
  • the cooling unit heat sink 54 functions to condense moisture inside the head lamp 100 to lower the humidity to lower the dew point.
  • the cooling unit heat sink 54 is in contact with the light source 30 (not shown), a function of dissipating heat generated by the light source 30 may be performed.
  • the blower fan 60 is formed at the rear of the thermoelectric module to blow air heated by the thermoelectric module 40 and the heat sink 50. Blowing fan 60 is preferably formed in close contact with the rear of the heat generating portion heat sink 62 to prevent the air from leaking.
  • the blowing duct 70 forms a flow path so that the heated air can flow along the inner surface of the lens.
  • the inlet 72 of the air blowing duct 70 is connected to the heat generating part heat sink 52 and the heat generating part heat sink 52 to prevent the air shown in FIG. ) Is wrapped around the structure. Since the inlet 72 has a structure surrounding the heat generating part heat sink 52, the inlet 72 preferably has the same shape as that of the heat generating part heat sink 52, that is, the shape is not limited thereto. Looking at the enlarged view of Figure 3, it is possible to more easily check the structure of the blowing duct 70.
  • the lower surface 76 of the blower duct 70 is formed in parallel with the housing, and the upper surface 78 of the blower duct is inclined so that the width of the blower duct is gradually narrowed from the inlet 72 to the outlet 74. .
  • the extent to which the width 74a of the blowing duct outlet is narrow will be described later.
  • the length 74b of the outlet 74 of the blower duct 70 is preferably formed to be equal to or substantially the same as the width of the lens so that the escaped air can be evenly spread on the inner surface of the lens.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a thermoelectric element
  • FIG. 6 shows a thermoelectric module 40 in which a plurality of thermoelectric elements are arranged.
  • thermoelectric module including a thermoelectric device includes a first substrate 41 and a second substrate 42 and the first substrate 41 that face each other. And at least one unit cell including a second semiconductor element 44 electrically connected to the first semiconductor element 43 between the second substrate 42.
  • the first substrate 41 and the second substrate 42 may use an insulating substrate, such as an alumina substrate.
  • a metal substrate may be used to realize endothermic, heat generating efficiency, and thinning. have.
  • the electrode layers 45a and 45b formed on the first and second substrates 41 and 42 as shown in FIG. It is preferable that the dielectric layers 47a and 47b are further included between the two layers.
  • the thickness that can be thinned can be formed in a range of 0.1 mm to 0.5 mm. If the thickness of the metal substrate is thinner than 0.1mm or more than 0.5mm, the heat dissipation characteristics are too high or the thermal conductivity is too high, which greatly reduces the reliability of the thermoelectric module.
  • the dielectric layers 47a and 47b materials having a thermal conductivity of 5 to 10 W / K are used considering the thermal conductivity of the cooling thermoelectric module as a dielectric material having high heat dissipation performance, and the thickness is 0.01 mm to 0.15. It can be formed in the range of mm.
  • the insulation efficiency (or withstand voltage characteristic) is greatly reduced, and when it exceeds 0.15 mm, the thermal conductivity is lowered, and the heat radiation efficiency is lowered.
  • the electrode layers 45a and 45b electrically connect the first semiconductor element and the second semiconductor element using electrode materials such as Cu, Ag, and Ni, and when a plurality of illustrated unit cells are connected, the electrode layers 45a and 45b are shown in FIG. As such, the electrical connection is formed with adjacent unit cells.
  • the electrode layer may have a thickness ranging from 0.01 mm to 0.3 mm. If the thickness of the electrode layer is less than 0.01mm, the electrical conductivity is poor due to poor function as an electrode, and even if it exceeds 0.3mm, the conductivity becomes lower due to the increase in resistance.
  • the thermoelectric device constituting the unit cell may be a thermoelectric device including a unit device having a stacked structure according to an embodiment of the present invention.
  • one side of the thermoelectric device includes a P-type semiconductor as the first semiconductor device 43.
  • the second semiconductor element 44 may be composed of an N-type semiconductor, and the first semiconductor and the second semiconductor are connected to the metal electrodes 45a and 45b, and a plurality of such structures are formed, and electrodes are formed on the semiconductor element.
  • the Peltier effect is realized by circuit lines L1 and L2 supplied with current.
  • a P-type semiconductor or an N-type semiconductor material may be used for the semiconductor device in the thermoelectric module.
  • the N-type semiconductor device is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B ), Gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), bismuth telluride-based (BiTe-based) including indium (In) and 0.001 ⁇ 1.0wt% of the total weight of the main raw material It can be formed using a mixture of Bi or Te corresponding to.
  • the main raw material may be a Bi-Se-Te material, and may be formed by adding Bi or Te to a weight corresponding to 00.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Se-Te. That is, when 100 g of Bi-Se-Te is added, it is preferable to add Bi or Te to be mixed in a range of 0.001 g to 1.0 g.
  • the weight range of the material added to the above-described main raw material is in the range of 0.001wt% to 0.1wt%, the thermal conductivity is not lowered, the electrical conductivity is lowered can not be expected to improve the ZT value
  • the P-type semiconductor material is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium (A mixture of a main raw material consisting of Te), bismuth (Bi), bismuth telluride (BiTe) including indium (In), and Bi or Te corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material It is preferable to form using.
  • the main raw material may be a Bi-Sb-Te material, and may be formed by adding Bi or Te to a weight corresponding to 0.001 to 1.0wt% of the total weight of Bi-Sb-Te.
  • Bi or Te further mixed may be added in the range of 0.001g ⁇ 1g.
  • the weight range of the material added to the above main raw material has a significance in that the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity decreases outside the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%, so that the ZT value cannot be improved.
  • the shape and size of the first semiconductor element and the second semiconductor element which form a unit cell and face each other are the same, but in this case, the electrical conductivity of the P-type semiconductor element and that of the N-type semiconductor element are different from each other, resulting in cooling efficiency. In consideration of the fact that it acts as a deterrent factor, it is also possible to improve the cooling performance by forming one volume different from the volume of the other semiconductor element facing each other.
  • differently forming the volume of the semiconductor elements of the unit cells that are arranged to face each other may form a large overall shape or widen the diameter of one of the cross-sections of a semiconductor device having the same height, or of the same shape. It is possible to implement the semiconductor device by a method of varying the height or the diameter of the cross section. In particular, the diameter of the N-type semiconductor device is formed larger than the P-type semiconductor device to increase the volume to improve the thermoelectric efficiency.
  • thermoelectric module 40 when power is applied to the thermoelectric module 40, the heat generating part 42 of the thermoelectric module 40 is heated and the cooling part 44 is cooled by the Peltier effect. Therefore, the heat generating part heat sink 52 in contact with the heat generating part 42 of the thermoelectric module is heated, and the cooling part heat sink 54 in contact with the cooling part 44 of the thermoelectric module is cooled.
  • the air in the head lamp starts to flow.
  • the air in the head lamp moves while forming a constant flow path along the blowing duct 70.
  • the air duct 70 is designed to move air along the inner surface of the lens 20
  • the air heated in the heat generating unit heat sink 52 moves along the inner surface of the lens 20, so that the temperature of the inner surface of the lens 20 is increased. Will increase.
  • condensation By raising the temperature of the inner surface of the lens to maintain the temperature above the dew point, condensation can be prevented from occurring and previously generated condensation can be removed.
  • the air cooled by the cooling unit heat sink 54 serves to lower the dew point by condensing moisture inside the head lamp to lower the humidity.
  • FIG. 7 illustrates the minimum inflow rate according to the width 74a and the length 74b ratio of the outlet duct 70.
  • the width of the ventilation duct is gradually narrowed from the inlet to the outlet, but the degree of narrowing can be variously changed. That is, although the length 74b of the outlet port is fixed, the width 74a can be variously designed. However, the design change is preferably made within a certain range. It is preferred that the aspect ratio is approximately 1:90 to 1: 150.
  • the outlet width 74a becomes narrower when the aspect ratio becomes smaller, and the outlet width 74a becomes larger when the aspect ratio becomes larger. This widens. Therefore, when the outlet width 74a is too narrow, the flow path resistance is increased, and when the outlet width 74a is too wide, a blower fan having a larger output is required to meet the minimum flow rate. Therefore, it is preferable to adjust suitably within the above ranges. For example, if the outlet aspect ratio is reduced to about 1:80, the length of the outlet width becomes too narrow to increase the flow resistance, and when the aspect ratio is increased to about 1: 160, the cost of using a large blower fan is required. Will increase.
  • the minimum inflow rate is the minimum air flow rate to prevent condensation, so it is irrelevant to introduce a larger amount of air, but in order to introduce too much air, the output of the blower fan must be increased. Increasing the output of the blower fan can increase the cost, so it is important to use a blower fan with the proper output considering the minimum flow rate required to prevent condensation.
  • FIG. 8 illustrates a condensation prevention simulation result of the head lamp device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A shows the temperature of the inner surface of the lens
  • FIGS. 8B and 8C show the flow of air
  • FIG. 8D shows the flow rate of air.
  • FIG. 8B and 8C both show the flow of air.
  • the direction of air movement is indicated by an arrow, and in FIG. 8C, a path through which air flows, that is, a flow path is connected.
  • the air heated by the heat sink rises along the inner surface of the lens and the temperature of the inner surface of the lens increases together. And it can be seen that the flow rate at the lower surface of the lens is relatively faster than the upper surface.
  • FIG. 9 shows the results of experiments to prevent the dew condensation mounted on the vehicle headlamps according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 (a) conceptually shows an experimental environment briefly, and
  • FIG. 9 (b) shows experimental results.
  • the head lamp was operated for 10 minutes to keep the temperature inside the head lamp at 60 ° C. and the humidity at 30%, and to sprinkle water at 20 ° C. for 5 minutes from the outside so that the temperature and humidity were 18 ° C. and 80%, respectively.

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Abstract

헤드 램프의 결로 발생 방지 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예의 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치는, 내부의 광원이 마련되며 전단부에 렌즈가 설치된 하우징; 상기 하우징의 내부에 형성되며, 전원이 공급되면 일측면은 가열되고 다른 일측면은 냉각되는 열전모듈; 상기 열전모듈에서 발생되는 열을 방열시키는 히트싱크; 상기 히트싱크의 후방에 형성되는 송풍팬; 및 상기 송풍팬에 의해 송풍되는 공기가 상기 렌즈의 내측면을 따라 상승하도록 유로를 형성하는 송풍덕트를 포함할 수 있다.

Description

헤드 램프의 결로 발생 방지 장치
본 발명은 자동차의 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치에 관한 것이다.
자동차의 헤드 램프는 차량의 운행시 차량 전방을 비추기 위해 사용되는 것으로, 헤드 램프의 내부에는 광원이 구비되어 있고, 광원에서 발산되는 빛에 의해 차량 전방의 상부 또는 하부로 빛을 조사한다.
이러한 헤드 램프의 광원 자체의 열과 자동차의 엔진에서 전해지는 열 등으로 인해 고온의 환경에 높이게 되고 외부와 온도 차이가 발생하게 되고, 이로 인해 헤드 램프 내부에 결로가 발생하게 된다.
즉, 도 1의 (a)와 같이 램프의 초기 점등시에는, 램프 내부의 이슬점 온도가 램프의 점등에 따른 고온환경으로 인해 증발됨으로써, 외부에 비해 상승된 상태에 있게 된다.
다만, 램프 소등 후에 일정 시간이 경과하게 되면, 도 1의 (b)와 같이 헤드램프 내부의 상부 및 하부의 온도가 함께 하강하게 되면서, 이슬점온도 역시 하강하게 된다. 이때, 헤드램프의 실링 처리로 인해 이슬점온도의 하강 속도보다 헤드램프 하부의 공기 하강 속도가 더 빨라지게 되면서 온도 역전 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 헤드램프 내부에 습기가 발생하는 것이다.
이같은, 헤드램프 내부의 습기 발생 문제는 헤드 램프의 광원부 고장 및 상품성을 저하시키고, 또한 차량 헤드 램프 시스템에서 고질적인 문제점으로 인식되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 해결책이 제시되고 있기는 하지만, 근본적인 해결이 이루어지지 않는 실정이다.
예를 들어 헤드 램프 렌즈의 내부면에 결로 방지 코팅을 하거나 실리카겔 등을 사용하여 결로를 예방하는 방법이 있으나 이는 근본적인 해결책이 될 수 없으며, 수명, 성능 및 신뢰성에도 문제가 있다.
따라서 결로가 생성되는 것을 원천적으로 차단할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 결로가 발생하는 것을 원천적으로 차단하는 헤드 램프 결로 발생 방지 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치는 내부의 광원이 마련되며 전단부에 렌즈가 설치된 하우징; 상기 하우징의 내부에 형성되며, 전원이 공급되면 일측면은 가열되고 다른 일측면은 냉각되는 열전모듈; 상기 열전모듈에서 발생되는 열을 방열시키는 히트싱크; 상기 히트싱크의 후방에 형성되는 송풍팬; 및 상기 송풍팬에 의해 송풍되는 공기가 상기 렌즈의 내측면을 따라 상승하도록 유로를 형성하는 송풍덕트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 히트싱크는 상기 열전모듈의 가열되는 일측면과 접촉하여 형성되는 발열부 히트싱크와 상기 열전모듈의 냉각되는 일측면과 접촉하여 형성되는 냉각부 히트싱크를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 송풍덕트는 상기 발열부 히트싱크에서 송풍되는 공기가 유입되도록 유입구가 상기 발열부 히트싱크를 감싸는 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 송풍덕트의 유출구는 상기 렌즈의 하부면을 향하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 송풍덕트는 유입구에서 유출구쪽으로 갈수록 폭이 좁아질 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 송풍덕트의 유출구의 길이는 상기 렌즈의 너비와 동일할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 송풍덕트의 유출구의 폭과 길이의 비는 1: 90 내지는 1:150일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 송풍팬은 상기 발열부 히트싱크와 접촉하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 냉각부 히트싱크는 상기 열전모듈의 냉각되는 일측면과 접촉하는 패널과 상기 패널의 좌우 측면에 형성되는 다수의 방열핀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 렌즈와 송풍덕트 사이에는 헤드 램프 내부 공간을 분할하는 베젤을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 열전모듈에 의해 가열된 공기가 헤드 램프의 렌즈 표면 온도를 상승시켜 결로가 발생하는 것을 원천적으로 차단할 수 있다.
따라서 종래 헤드 램프의 결로 방지 장치에 비해 수명 및 성능을 현저히 개선할 수 있으며 신뢰성도 크게 개선할 수 있다.
도 1은 헤드 램프에서의 결로 발생 원리를 설명하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헤드 램프 결로 발생 방지 장치의 외관을 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 일부를 절단한 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 헤드 램프 결로 방지 장치의 주요 부분의 분해 사시도이고, 도 4b는 사시도이고, 도 4c는 정면도이다.
도 5는 열전소자의 단면도를 도시한 것이다.
도 6은 열전소자가 다수개 배열되어 있는 열전모듈(40)을 도시한 것이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 송풍덕트의 유출구의 폭과 길이의 비에 따른 최소 유입 유량을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 헤드 램프 결로 발생 방지 장치의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 헤드 램프 결로 발생 방지 장치의 실험 환경 및 결과를 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 램프의 외관을 도시한 것이고, 도 3은 상기 도 2의 일부를 절단한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 램프의 주요 부분에 대한 분해사시도, 사시도 및 송풍팬 쪽에서 바라본 정면도를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 램프(100)는 외관을 구성하는 하우징(10), 상기 하우징의 전면 방향 형성된 렌즈(20), 및 하우징의 내부에 형성된 광원(30)을 포함한다. 상기 렌즈(20)는 상기 광원에서 발산되는 빛이 전방으로 조사되도록 한다. 상기 광원(30)은 할로겐 램프, HID램프, LED 램프 등 다양한 광원이 사용될 수 있으며, 상기 광원(30)은 점등시 빛과 함께 열이 발생한다.
상기 하우징(10)의 내부 공간에는 열전모듈(40), 히트싱크(50), 송풍팬(60), 송풍덕트(70), 및 베젤(80)이 설치된다. 상기 베젤(80)은 비스듬히 형성되어 하우징(10)의 상부와 하부를 연결해 하우징 내부 공간을 분할한다. 상기 베젤(80)에는 광원(30)이 장착될 수 있다.
상기 열전모듈(40)은 하우징(10)의 하부에 장착된다. 열전모듈(40)에 전원이 공급되면 열전모듈 일측면의 온도는 상승하고 다른 일측면의 온도는 하강하게 된다. 즉 열전모듈(40)은 발열부(42)와 냉각부(44)로 구성된다. 열전모듈(40)의 발열원리 및 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
상기 히트싱크(50)는 열전달 효율이 우수한 재질로 제조되어 설치되고, 표면적을 넓힐 수 있도록 얇게 가공한 방열핀이 다수 배열된다. 히트싱크(50)는 발열부 히트싱크(52)와 냉각부 히트싱크(54)로 구분된다. 상기 발열부 히트싱크(52)는 열전모듈(40)의 발열부(42) 상부에 접촉하도록 설치되며 발열부에서 발생하는 열에 의해 가열된다. 발열부 히트싱크(52)가 가열되면 발열부 히트싱크(52)를 지나는 공기도 함께 가열되어 렌즈(20) 내부면의 온도를 상승시킬 수 있다. 상기 냉각부 히트싱크(54)는 열전모듈(40)의 냉각부(44) 하부에 접촉하도록 형성된다. 도 4(c)에 도시된 것과 같이, 열전모듈(40)의 냉각부(44)에 패널(54a)이 접촉되고, 패널의 좌우측에 다수의 방열핀(54b, 54c)이 형성될 수 있다. 냉각부 히트싱크(54)는 헤드 램프(100) 내부의 습기를 응축시켜 습도를 낮추어 이슬점을 떨어뜨리는 기능을 한다. 또한, 냉각부 히트싱크(54)가 광원(30)과 접촉되도록 하면(미도시) 광원(30)에서 발생한 열을 방열시키는 기능도 수행할 수 있다.
상기 송풍팬(60)은 열전모듈의 후방에 형성되어 열전모듈(40) 및 히트싱크(50)에 의해 가열된 공기를 송풍시킨다. 송풍팬(60)은 발열부 히트싱크(62)의 후방에서 밀착 형성되어 바람이 새지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 송풍덕트(70)는 가열된 공기가 렌즈의 내부면을 따라 흐를 수 있도록 유로를 형성한다. 송풍덕트(70)의 유입구(72)는 도 4(b)에 도시된 것과, 발열부에서 가열된 도시된 공기가 빠져 나가지 못하도록 발열부 히트싱크(52)와 연결되어 있으며 발열부 히트싱크(52)를 감싸는 구조로 형성되어 있다. 상기 유입구(72)는 발열부 히트싱크(52)를 감싸는 구조이기 때문에 발열부 히트싱크(52)와 동일한 형상 즉, 사각형 형상인 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다. 도 3의 확대도를 살펴보면, 송풍덕트(70)의 구조를 보다 쉽게 확인할 수 있다. 송풍덕트(70)의 하부면(76)은 하우징과 평행하게 형성되며 송풍덕트의 상부면(78)은 경사지게 형성되어 유입구(72)에서 유출구(74)쪽으로 송풍덕트의 폭은 점점 좁아지는 형상이다. 송풍덕트 유출구의 폭(74a)이 좁아지는 정도는 후술하기로 한다. 송풍덕트(70)의 유출구(74)의 길이(74b)는 빠져 나온 공기가 렌즈의 내부면에 골고루 퍼질 수 있도록 렌즈의 폭과 동일하거나 거의 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
도 5는 열전소자의 단면도를 도시한 것이고, 도 6은 열전소자가 다수개 배열되어 있는 열전모듈(40)을 도시한 것이다.
도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈은 상호 대향 하는 제1기판(41) 및 제2기판(42)과 상기 제1기판(41) 및 제2기판(42) 사이에 제1반도체소자(43)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(44)를 포함하는 단위셀을 적어도 1 이상 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 상기 제1기판(41) 및 상기 제2기판(42)은 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 다른 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 흡열 및 발열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 제1기판(41) 및 제2기판(42) 금속기판으로 형성하는 경우에는 도 5에 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(41, 42)에 형성되는 전극층(45a, 45b)과의 사이에 유전체층(47a, 47b)을 더 포함하여 형성됨이 바람직하다.
금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다. 금속기판의 두께가 0.1mm 보다 얇은 경우나 0.5mm를 초과하는 두께에서는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전모듈의 신뢰성이 크게 저하되게 된다. 또한, 상기 유전체층(47a, 47b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.15mm의 범위에서 형성될 수 있다. 이 경우, 두께가 0.01mm 미만에서는 절연효율(혹은 내전압 특성)이 크게 저하되며, 0.15mm를 초과하는 경우에는 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어지게 된다. 상기 전극층(45a, 45b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우, 도 6에 도시된 것과 같이 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 전극 층의 두께가 0.01mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 0.3mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.
특히, 이 경우 단위셀을 이루는 열전소자는 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용할 수 있으며, 이 경우 한쪽은 제1반도체소자(43)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(44)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (45a, 45b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(L1, L2)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다.
아울러, 도 5 및 도 6에서 열전모듈 내의 반도체소자는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용할 수 있다. 이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 N형 반도체소자는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
단위셀을 이루며 상호 대향 하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향 하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
즉, 상호 대향 하여 배치되는 단위셀의 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 램프의 동작 및 결로 발생을 방지하는 원리를 설명한다.
먼저 상기 열전모듈(40)에 전원이 인가되면 펠티어 효과에 의해 열전모듈(40)의 발열부(42)는 가열되고 냉각부(44)는 냉각된다. 따라서 열전모듈의 발열부(42)에 접촉된 발열부 히트싱크(52)는 가열되고, 열전모듈의 냉각부(44)에 접촉된 냉각부 히트싱크(54)는 냉각된다.
다음으로 송풍팬(60)을 회전시키게 되면 헤드 램프 내의 공기가 유동을 시작한다. 이때 헤드 램프 내 공기는 송풍덕트(70)를 따라 일정한 유로를 형성하면서 움직이게 된다. 송풍덕트(70)는 공기가 렌즈(20)의 내부면을 따라 움직이도록 설계되어 있으므로, 발열부 히트싱크(52)에서 가열된 공기가 렌즈(20)의 내부면을 따라 움직이면서 렌즈 내부면의 온도를 높이게 된다. 렌즈 내부면의 온도를 상승시켜 이슬점 이상의 온도로 유지함으로써 결로가 발생하는 것을 차단하고 기 생성된 결로도 제거할 수 있다. 이때 냉각부 히트싱크(54)에 의해 냉각된 공기는 헤드 램프 내부의 습기를 응축시켜 습도를 낮춤으로써 이슬점을 떨어뜨리는 역할을 한다.
도 7은 송풍덕트(70) 유출구의 폭(74a)과 길이(74b) 비(ratio, 이하 종횡비)에 따른 최소 유입 유량을 도시한 것이다. 앞서 살펴본 바와 같이 송풍덕트의 폭은 유입구에서 유출구 쪽으로 갈수록 점점 좁아지는데 좁아지는 정도는 다양하게 변경가능하다. 즉, 유출구의 길이(74b)는 고정되어 있지만 폭(74a)는 다양하게 설계할 수 있다. 하지만 설계변경은 일정한 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 종횡비가 대략 1:90 내지 1: 150 인 것이 바람직하다. 이때 유출구의 길이(74b)는 렌즈의 너비와 동일하거나 유사하도록 형성되어 길이가 일정하게 정해져 있기 때문에 종횡비가 작아지게 되면 유출구 폭(74a)이 좁아지게 되고, 종횡비가 커지게 되면 유출구 폭(74a)이 넓어지게 된다. 따라서 유출구 폭(74a)이 지나치게 좁아지면 유로 저항이 상승하게 되고 유출구 폭(74a)이 지나치게 넓어지게 되면 최소 유량을 맞추기 위해서 출력이 더 큰 송풍팬이 필요하게 된다. 따라서 상기와 같은 범위 내에서 적당하게 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 만약 유출구 종횡비가 1:80 정도로 작아지게 되면 유출구 폭의 길이가 지나치게 좁아져 유로 저항이 높아지는 문제점이 있고, 종횡비가 1:160 정도까지 커지게 되면 송풍팬을 큰 것을 사용해야 하기 때문에 비용이 증가하게 된다.
아래 [표 1]은 유출구 폭과 길이의 비에 따른 결로 방지를 위한 최소 유입 유량을 나타낸 것이다.
송풍덕트의 유출구 종횡비 최소 유입 유량(CFM)
1:90 37.29
1:112 33.90
1:150 30.51
상기 표에서 확인하는 바와 같이 종회비가 클수록, 즉 유출구 폭(74b)이 넓어질수록 결로 방지에 필요한 최소 유입 유량이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 물론 최소 유입 유량은 결로 방지를 위해 최소한의 공기 유량이므로 이 보다 더 많은 양의 공기가 유입되는 것은 무관하지만 지나치게 많은 공기를 유입시키기 위해서는 송풍팬의 출력을 증가시켜야 한다. 송풍팬의 출력을 증가시기케 되면 비용이 증가할 수 있으므로, 결로 방지를 위해 필요한 최소 유입 유량을 고려하여 적절한 출력의 송풍팬을 사용하는 것이 중요하다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 램프 장치를 결로 방지 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 도 8a는 렌즈 내부면의 온도를 도시한 것이고, 도 8b와 도 8c는 공기의 흐름을 도시한 것이고, 도 8d는 공기의 유동 속도를 도시한 것이다.
도 8b와 도 8c는 모두 공기의 흐름을 도시한 것으로, 도 8b에서는 공기가 움직이는 방향을 화살표로 나타내었고, 도 8c에서는 공기가 흐르는 경로 즉, 유로를 선으로 연결해서 도시한 것이다.
상기 시뮬레이션 결과에서와 같이, 본 발명에 의하면 히트싱크에 의해 가열된 공기가 렌즈의 내부면을 따라 상승하면서 렌즈의 내부면의 온도가 함께 상승하게 되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 렌즈의 하부면에서의 유속이 상부면에서 보다 상대적으로 빠른 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 램프를 자동차에 장착하고 결로 방지를 실험한 결과를 도시한 것이다. 도 9(a)는 실험 환경을 개념적으로 간략히 도시한 것이고, 도 9(b)는 실험 결과를 도시한 것이다.
헤드 램프를 10분간 가동하여 헤드 램프 내부의 온도 60℃, 습도가 30%가 되도록 유지하고 외부에서 20℃의 물을 5분간 살수하여 온도와 습도가 각각 18℃와 80%가 되도록 하였다.
실험 결과 내외부의 온도차가 발생함에도 결로가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 내부의 광원이 마련되며 전단부에 렌즈가 설치된 하우징;
    상기 하우징의 내부에 형성되며, 전원이 공급되면 일측면은 가열되고 다른 일측면은 냉각되는 열전모듈;
    상기 열전모듈에서 발생되는 열을 방열시키는 히트싱크;
    상기 히트싱크의 후방에 형성되는 송풍팬; 및
    상기 송풍팬에 의해 송풍되는 공기가 상기 렌즈의 내측면을 따라 상승하도록 유로를 형성하는 송풍덕트를 포함하는 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히트싱크는
    상기 열전모듈의 가열되는 일측면과 접촉하여 형성되는 발열부 히트싱크와 상기 열전모듈의 냉각되는 일측면과 접촉하여 형성되는 냉각부 히트싱크를 포함하는 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 송풍덕트는
    상기 발열부 히트싱크에서 송풍되는 공기가 유입되도록 유입구가 상기 발열부 히트싱크를 감싸는 형태로 형성되는 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 송풍덕트의 유출구는 상기 렌즈의 하부면을 향하도록 형성되는 헤드 렘프의 결로 발생 방지 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 송풍덕트는 유입구에서 유출구쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 송풍덕트의 유출구의 길이는 상기 렌즈의 너비와 동일한 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 송풍덕트의 유출구의 폭과 길이의 비는 1: 90 내지는 1:150인 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치.
  8. 제2항 있어서, 상기 송풍팬은
    상기 발열부 히트싱크와 접촉하여 형성되는 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 냉각부 히트싱크는
    상기 열전모듈의 냉각되는 일측면과 접촉하는 패널과 상기 패널의 좌우 측면에 형성되는 다수의 방열핀을 포함하는 헤드 램프의 결로 발생 방지 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 렌즈와 송풍덕트 사이에는 헤드 램프 내부 공간을 분할하는 베젤을 더 포함하는 헤드 램프 결로 발생 방지 장치.
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