KR20090012385A - Ｌｅｄ 램프용 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고발열 LED가 부착된 금속PCB를 냉각하기 위해 평판형 다채널 히트파이프를 배치 설치된 LED 램프의 냉각장치에 관한 것이다.

Description

ＬＥＤ 램프용 냉각장치{COOLING APPARATUS OF ＬＥＤ LAMP}

본 발명은 고발열 LED가 부착된 금속PCB를 냉각하기 위해 평판형 다채널 히트파이프를 배치 설치된 LED 램프의 냉각장치에 관한 것이다.

고발열 LED(1)를 적용한 조명 모듈의 경우 금속PCB(10) 상부에 히트싱크(5)를 결합하거나(도 1 참조) 수냉 유닛 또는 열전 모듈을 이용한 냉각 방법을 사용하고 있다.

도 9에 도시한 바와 같이 베이스블록(5a)과 다수의 냉각핀(5b)으로 구성된 일반 히트싱크(5)를 결합한 경우인 공냉방식은 열을 상온 수준 이하로 냉각시킬 수 없다는 열전도 계수의 한계로 인하여 LED를 충분히 냉각시켜 주지 못한다.

특히 다수의 고휘도 LED를 사용한 조명등의 경우 LED 접합(Junction) 온도가 (20℃의 환경 온도일 경우) 80℃를 넘어 불량률이 증가되며, 빛의 강도가 감소하는 특징이 있다. 즉, 고휘도 LED 에미터의 특성상 온도가 올라가면 조도가 떨어지게 되는데 10% 정도의 조도가 떨어진다.

도 10은 종래의 히트싱크를 적용한 냉각장치에 대한 테스트 결과이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 종래 히트싱크(5)만으로 냉각할 경우 금속PCB(10) 상의 온도가 거의 68℃로서 본 발명의 40℃ 보다 28℃도 높음을 알 수 있다.

한편, 수냉 유닛 또는 열전 모듈의 경우는 추가적인 부품 구성이 필요하며 별도의 전원을 이용하여 방열 부분을 제어해야 하는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제어가 간단하면서 LED의 방열 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 LED 램프용 냉각장치를 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 청구항1에 관한 LED 램프용 냉각장치는 하면에 LED칩이 부착되는 금속PCB와, 상기 금속PCB의 상면에 배치되는 냉각모듈를 포함하되,

상기 냉각모듈은 평판형 다채널 히트파이프인 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 기-액간의 상변화 과정을 통해 열을 이동시켜 큰 열전달 성능을 발휘하는 히트파이프와 접촉면적이 넓은 평판형 히트파이프는 제어가 간단하면서 LED의 방열 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

청구항2에 관한 LED 램프용 냉각장치는

상기 평판형 다채널 히트파이프는 U자 평판형 다채널 히트파이프로서, 상기 히트파이프의 센터는 상기 금속PCB의 후면에 배치되는 증발영역이고, 상기 히트파이프의 양 사이드는 응축영역인 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, U자 히트파이프는 증발 잠열이 낮은 작동유체의 경우 유동 단면적의 증가로 열수송 한계를 높이며, 설치공간을 줄일 수 있는 장점이 있다.

청구항3에 관한 LED 램프용 냉각장치는

상기 응축영역에는 사이드내측히트싱크 및 사이드외측히트싱크로 구성되는 사이드히트싱크가 설치되되, 상기 사이드내측히트싱크는 상기 응축영역의 내측면과 일부 접하는 폐단면의 사이드내측베이스블록과, 상기 응축영역의 내측면과 접하지 않는 상기 사이드내측베이스블록의 외주면에 형성된 다수의 사이드내측냉각핀으로 구성되고, 상기 사이드외측히트싱크는 상기 응축영역의 외측면과 접하는 사이드외측베이스블록과, 상기 사이드외측베이스블록의 외주면에 형성된 다수의 사이드외측냉각핀으로 구성되고; 상기 증발영역에는 센터베이스블록과 다수의 센터냉각핀으로 구성되는 센터히트싱크가 설치되되, 상기 센터베이스블록은 상기 금속PCB와 체결되어 상기 증발영역에 접촉되고, 상기 센터냉각핀은 상기 사이드내측베이스블록의 내부 공간에 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 평판형 히트파이프에 스페이스를 최소화하면서 방열효율을 극대화시킬 수 있도록 히트싱크를 평판형 히트파이프에 조립한 형태이다.

청구항4에 관한 LED 램프용 냉각장치는

상기 냉각모듈의 외관에 열전도가 낮고 공기 유동이 가능한 하우징이 설치되는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 열전도가 낮은 재질의 하우징에 의해 사용자가 느끼는 조명 등의 표면온도를 낮출 수 있어 램프 교환 등의 취급시 손의 화상 등을 방지할 뿐 아니라 공기 유동 가능한 하우징에 의해 방열 효율 향상에도 기여할 수 있다.

본 발명에 관한 LED 램프용 냉각장치에 의하면, 평판형 다채널 히트파이프를 통해 큰 열전달 성능을 발휘하여 조명의 방열 효율을 현저히 향상시킬 뿐 아니라 제어도 간단하다.

또한, 최소한의 스페이스를 차지하면서 방열 효율을 부가하여 극대화시킬 수 있는 센터히트싱크와 사이드히트싱크의 형상 및 히트파이프에의 조립을 구현하고 있다.

또한, 표면온도가 높은 냉각모듈 주위를 하우징으로 감싸 상대적으로 표면온도를 낮추어서 램프 교체 등의 취급시 사용자의 손 화상의 방지할 뿐 아니라 공기 유동이 원활한 형상으로 방열 효율을 향상시키고 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하는데, 종래의 것과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 램프용 냉각장치를 분리 도시한 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 상부 및 하부에서 본 결합 사시도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 램프의 정면도이고, 도 5 및 도 6은 도 4의 상부 및 하부에서 본 결합 사시도이고, 도 7은 도 6에서 하우징을 제거한 상태를 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 LED 램프용 냉각장치의 열적 테스트 결과 그래프이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, LED 램프용 냉각장치는 크게 금속PCB(10)와 이 금속PCB(10)을 냉각하는 냉각모듈로 구성하여 있다.

금속PCB(10)의 하면에는 LED칩(1)이 부착되어 있다.

냉각모듈은 U자 평판형 다채널 히트파이프(30)로 구현되어 있다.

U자 평판형 다채널 히트파이프(30)는 하나의 증발영역에 2개의 응축영역을 갖는 구조이다.

즉, 평판형 다채널 히트파이프(30)는 센터(31)엔 증발영역이, 양 사이드(33)엔 응축영역으로 설정되어 있다.

센터(31)는 금속PCB(10)의 상면에 접촉하여 열을 흡수하며, 이 흡수된 열에 의해 증발된 증기는 양 사이드(33)에서 응축하며 열을 방출한 후, 응축수(작동유체)는 다시 센터(31)로 귀환하는 사이클을 이룬다.

평판형 다채널 히트파이프(30)의 제조와 기능은 한국공개특허 제2002-2873호의 공보를 참조하고 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이, 접촉면적이 넓고, 상 변화에 따른 잠열을 이용하여 열을 이동시킴으로써 큰 열전달 성능과 균일한 온도 분포를 유지시킬 수 있어, 금속PCB(10)의 냉각효율뿐 아니라 내구성도 향상시킬 수 있다. 또한, U자 히트파이프는 증발 잠열이 낮은 작동유체의 경우 유동 단면적의 증가로 열수송 한계를 높이며, 설치공간을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 냉각모듈에는 사이드히트싱크(50)(90)가 더 설치되는 것이 바람직하 다.

사이드히트싱크(50)(90)는 사이드내측히트싱크(90)와 사이드외측히트싱크(70)로 구성하여 있다.

사이드내측히트싱크(90)는 응축영역(33)의 내측면과 일부 접하는 폐단면의 사이드내측베이스블록(91)과, 응축영역(33)의 내측면과 접하지 않는 사이드내측베이스블록(91)의 외주면에 형성된 다수의 사이드내측냉각핀(93)으로 구성되어 있다.

즉, 본 실시예의 사이드내측히트싱크(90)는 중심(95)이 빈 트랙형상으로서, 트랙의 곡선 코스에 사이드내측냉각핀(93)이 형성된 형태이다.

또한, 사이드외측히트싱크(50)는 응축영역(33)의 외측면과 접하는 사이드외측베이스블록(51)과, 사이드외측베이스블록(51)의 외주면에 형성된 다수의 사이드외측냉각핀(53)으로 구성되어 있다.

이 구성에 의해, 사이드내측히트싱크(90)와 사이드외측히트싱크(70)가 체결볼트(60)에 의해 체결됨으로써, 응축영역(33)의 내외측면과 접촉한 채 지지되어 있다.

이와 같이, 사이드히트싱크(90)의 설치로 인해, 응축영역(33)의 강제 방열로 인해 냉각효율을 배가시킬 수 있다.

또한, 증발영역(31)에는 센터히트싱크(70)가 배치 설치되는 것이 바람직하다.

센터히트싱크(70)는 센터베이스블록(71)과 다수의 센터냉각핀(73)으로 구성되어 있다.

센터베이스블록(71)은 금속PCB(10)와 볼트(12)로 체결되어 다채널 히트파이프(30)를 지지한 채 증발영역(31)에 접촉되고, 센터냉각핀(73)은 사이드내측베이스블록(91)의 내부 공간(95)에 배치되어 있다.

이러한 구성에 의해서, 사이드히트싱크(50)(90)와 센터히트싱크(70)는 최소한의 스페이스를 차지하면서 조립되기 때문에, 콤팩트에도 기여를 한다.

이와 같은 LED 램프용 냉각장치는 도 7에 도시한 바와 같이, 컨버터(미도시)와 소켓(80)을 이루는 전원부가 설치된다.

컨버터의 외주면에는 열전도가 낮고 공기 유동이 가능한 통기공(112)이 형성된 커버(110)가 설치되어 있다.

한편, LED 램프를 교환할 때 손의 화상 등을 보호하기 위하여, 냉각장치 주위에 하우징(100)이 설치되는 것이 바람직하다.

하우징(100)도 커버(110)와 마찬가지로 열전도가 낮고 공기 유동이 원활한 형상으로 설치되어 있다.

즉, 하우징(100) 및/또는 커버(110)는 폴리에틸렌(PE), 강화 사기, ABS Plastic 등 절연 물질의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

특히 하우징(100)은 커버(110)와 달리 직접 조명과 가까이 위치하고 있기 때문에, 냉각효율에 적합한 구조가 바람직하다.

하우징(100)의 상면에는 다수의 통기공(101)이 형성되고, 또한 사이드외측히트싱크(50)의 상단과 일정 간격을 유지하여 유동 통로를 확보하고 있다.

하우징(100)의 측면에는 다수의 장공 형상의 통기공(107)이 형성되고, 사이 드히트싱크(50)(90)의 냉각핀(53)(93)의 끝단과 측면 사이에 1~3mm 이격시켜 사용자 접촉 온도 하강 효과를 부여할 수 있다.

또한, 하우징(100)의 하면과 이 하면의 측면에도 통기공(103)(105)를 다수 형성하여 공기 유입을 원활하게 한다.

이와 같은 하우징(100)은 2개로 분할하여 조립하는 것이 바람직하다.

또한, 하우징(100)의 하부에는 탭 가공을 하여 글루브(전구)(3)의 착탈을 행하도록 하는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명의 LED 램프용 냉각장치의 열적 테스트를 행한 그래프이다.

이 그래프에 의하면, ②하우징 통기공 에어, ③LED 근처 PCB, ④센터히트싱크의 베이스블록, ⑤사이드내측히트싱크의 베이스블록, ⑥사이드외측히트싱키의 냉각핀, ⑦센터히트싱크의 냉각핀 각각의 위치에 서머커플(thermocouple)를 부착하여 실험한 데이터이다.

본 발명의 열적 테스트와 도 10의 종래 열적 테스트의 데이터를 비교하면 다음과 같다.

△Ｔ［℃］	센터히트싱크(Sink-fin-base)	PCB
기존 냉각모듈	66.6	68.0
본 냉각모듈	40.7	40.5

테스트 결과에 따르면, 본 발명을 적용한 냉각모듈의 경우 기존 제품에 비해 약 28℃ 정도의 냉각 효과를 발휘하는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경 또는 변형하여 실시할 수 있음은 해당기술분야의 당업자라면 자명하다 할 것이다.

위에서 냉각모듈로 U자 평판형 다채널 히트파이프를 설명하고 있지만, 냉각효율과 레이아웃에 따라 Ｌ자 또는 ㅁ자 평판형 다채널 히트파이프로 LED 램프를 냉각시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 램프용 냉각장치를 분리 도시한 사시도.

도 2 및 도 3은 도 1의 상부 및 하부에서 본 결합 사시도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 램프의 정면도.

도 5 및 도 6은 도 4의 상부 및 하부에서 본 결합 사시도.

도 7은 도 6에서 하우징을 제거한 상태를 도시한 사시도.

도 8은 본 발명의 LED 램프용 냉각장치의 열적 테스트 결과 그래프.

도 9는 종래 히트싱크를 적용한 LED 램프용 냉각장치의 분리 정면도.

도 10은 도 9에 따른 열적 테스트 결과 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : LED칩 3 : 글루브(전구)

5 : 히트싱크 10 : 금속PCB

30 : U자 평판형 다채널 히트파이프

31 : 증발영역(센터) 33 : 응축영역(사이드)

50 : 사이드외측히트싱크 70 : 센터히트싱크

80 : 소켓 90 : 사이드내측히트싱크

100 : 하우징 110 : 커버

Claims (4)

1. 하면에 LED칩이 부착되는 금속PCB와, 상기 금속PCB의 상면에 배치되는 냉각모듈를 포함하되,

   상기 냉각모듈은 평판형 다채널 히트파이프인 것을 특징으로 하는 LED 램프용 냉각장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 평판형 다채널 히트파이프는 U자 평판형 다채널 히트파이프로서,

   상기 히트파이프의 센터는 상기 금속PCB의 후면에 배치되는 증발영역이고,

   상기 히트파이프의 양 사이드는 응축영역인 것을 특징으로 하는 LED 램프용 냉각장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 응축영역에는 사이드내측히트싱크 및 사이드외측히트싱크로 구성되는 사이드히트싱크가 설치되되,

   상기 사이드내측히트싱크는 상기 응축영역의 내측면과 일부 접하는 폐단면의 사이드내측베이스블록과, 상기 응축영역의 내측면과 접하지 않는 상기 사이드내측베이스블록의 외주면에 형성된 다수의 사이드내측냉각핀으로 구성되고,

   상기 사이드외측히트싱크는 상기 응축영역의 외측면과 접하는 사이드외측베 이스블록과, 상기 사이드외측베이스블록의 외주면에 형성된 다수의 사이드외측냉각핀으로 구성되고,

   상기 증발영역에는 센터베이스블록과 다수의 센터냉각핀으로 구성되는 센터히트싱크가 설치되되,

   상기 센터베이스블록은 상기 금속PCB와 체결되어 상기 증발영역에 접촉되고,

   상기 센터냉각핀은 상기 사이드내측베이스블록의 내부 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 LED 램프용 냉각장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 냉각모듈의 외관에는 열전도가 낮고 공기 유동이 가능한 하우징이 설치되는 것을 특징으로 하는 LED 램프용 냉각장치.

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