KR101180495B1 - 엘이디 조명장치 및 이를 구비한 차량용 헤드라이트 - Google Patents

엘이디 조명장치 및 이를 구비한 차량용 헤드라이트 Download PDF

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Abstract

엘이디 조명장치 및 이를 구비한 차량용 헤드라이트가 개시된다. 엘이디(LED) 모듈, 엘이디 모듈에 인접하게 배치되어 있으며 엘이디 모듈에서 발산된 빛이 대상물을 향하도록 빛을 안내하는 광가이드부재, 엘이디 모듈에 결합되어 엘이디 모듈의 열을 흡열하는 전열부재, 세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며 전열부재에 결합되어 열을 흡수하는 흡열부 및 흡열부에서 흡수된 열을 방출하는 방열부를 구비한 히트파이프 루프를 포함하는 엘이디 조명장치는, 넓은 방열면적과 높은 열전달 성능을 가지는 방열장치를 구성하여 높은 출력을 가지면서도 냉각팬 없는 간단한 구조를 가질 수 있으며, 냉각팬 등의 부수적인 냉각장치 없이도 자체로 방열이 가능하므로 잔고장이 없고 유지보수가 용이해질 수 있다.

Description

엘이디 조명장치 및 이를 구비한 차량용 헤드라이트{LED lighting apparatus and headlight having the same}
본 발명은 엘이디 조명장치 및 이를 구비한 차량용 헤드라이트에 관한 것이다.
엘이디(LED)를 이용한 조명장치에서는 엘이디의 발열로 인하여 다량의 열이 발생된다. 일반적으로 전자장치가 과열되면 작동오류가 발생되거나 손상될 수 있는 바, 엘이디 조명장치에는 과열을 방지하기 위한 방열장치가 필수적으로 요구된다.
특히, 엘이디를 이용한 차량용 헤드라이트의 경우에는 높은 출력의 엘이디를 사용하므로 발열량도 매우 커서 과열을 방지하기 위한 방열이 중요하게 요구된다.
엘이디를 이용한 헤드라이트에 대한 종래의 방열장치로는 방열핀 구조의 방열장치가 개시된 바 있다.
그러나, 방열핀 구조의 방열장치는 엘이디 모듈의 크기가 작아서 흡열부의 크기가 작아져야 하는 상황에서 방열핀의 표면적을 넓게 유지하기 어렵다는 문제점이 있다. 그리고, 방열핀의 표면적을 넓히더라도 흡열부와 방열부 사이의 거리가 멀어져서 열전달 속도가 떨어지므로 방열효율을 향상시키는데 한계가 있다.
이에 따라, 방열핀 구조의 방열장치의 한계를 극복하기 위하여 냉각팬을 추가로 설치하는 제시하는 방법이 제시되었으나, 냉각팬의 설치로 인하여 구조가 복잡해짐으로써 잔고장이 발생하고 제조 비용이 증가되는 문제가 있다.
본 발명은 열전달 성능 및 방열효율이 높으며 구조가 간단한 엘이디 조명장치 및 이를 구비한 차량용 헤드라이트를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 잔고장이 발생하지 않고 유지보수가 용이한 엘이디 조명장치 및 이를 구비한 차량용 헤드라이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 엘이디(LED) 모듈, 상기 엘이디 모듈에 인접하게 배치되어 있으며, 상기 엘이디 모듈에서 발산된 빛이 대상물을 향하도록 상기 빛을 안내하는 광가이드부재, 상기 엘이디 모듈에 결합되어 상기 엘이디 모듈의 열을 흡열하는 전열부재, 세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 상기 전열부재에 결합되어 열을 흡수하는 흡열부 및 상기 흡열부에서 흡수된 열을 방출하는 방열부를 구비한 히트파이프 루프를 포함하는 엘이디 조명장치가 제공된다.
상기 전열부재는, 내벽에 위크(wick)가 형성되어 있으며 작동유체가 주입되는 위크형의 전열파이프를 포함할 수 있다.
상기 전열파이프는 양단부가 대향되도록 만곡되어 있으며, 상기 전열파이프의 대향된 양단부에 상기 히트파이프 루프가 권취되어 결합될 수 있다.
상기 전열부재는, 상기 엘이디 모듈 및 상기 전열파이프와 결합되어 있으며, 상기 엘이디 모듈에서 발생된 열을 상기 전열파이프로 전달하는 전열블록을 더 포함할 수 있다.
상기 전열부재는, 상기 엘이디 모듈 및 상기 히트파이프 루프를 지지하도록 결합되어 있으며, 상기 엘이디 모듈에서 발생된 열을 상기 히트파이프 루프로 전달하는 써멀베이스를 포함할 수 있다.
상기 써멀베이스에는 트렌치(trench) 형상의 전열홈이 형성되어 있으며, 상기 히트파이프 루프는 상기 흡열부와 상기 방열부를 반복적으로 형성하는 나선형 구조로 형성되고, 상기 흡열부는 상기 트렌치 형상의 전열홈에 삽입되어 결합될 수 있다.
상기 히트파이프 루프는, 상기 써멀베이스의 테두리를 따라 방사형으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 엘이디 조명장치를 포함하는 차량용 헤드라이트가 제공된다.
본 발명에 따르면, 넓은 방열면적과 높은 열전달 성능을 가지는 방열장치를 구성하여 높은 출력을 가지면서도 냉각팬 없는 간단한 구조의 엘이디 조명장치를 구성할 수 있다.
또한, 냉각팬 등의 부수적인 냉각장치 없이도 자체로 방열이 가능한 엘이디 조명장치가 구성됨으로써 잔고장이 없고 유지보수가 용이해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 분해사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 측면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치의 히트파이프 루프를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 분해사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 평면도.
이하에서 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 평면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치는 엘이디 모듈(10), 반사경(20), 전열부재(30), 히트파이프 루프(40)를 포함한다.
엘이디 모듈(10)은 전기 에너지를 이용해 빛을 발산할 수 있는 엘이디 (LED, 12)를 구비함으로써 조명에 필요한 빛을 발생시키는 부분이다.
도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 엘이디 모듈(10)은 엘이디(12) 및 엘이디(12)가 장착되는 모듈기판(14)을 포함하여 이루어지며, 엘이디 모듈(10)은 지지부재(15)에 의해 지지되어 반사경(20)을 향하도록 배치된다.
또한, 본 실시예에서는 엘이디 조명장치가 차량용 헤드라이트로 사용될 수 있도록 고출력의 엘이디(12)가 사용된다.
광가이드부재(20)는 엘이디 모듈(10)에서 발산된 빛이 대상물을 향하도록 빛을 안내하는 부분이다. 이를 위해, 광가이드부재(20)는 엘이디 모듈(10)에서 발산된 빛을 받을 수 있도록 엘이디 모듈(10)에 인접하여 배치된다.
본 실시예에서는 반사경이 빛을 안내하는 광가이드부재(20)로 사용된다. 구체적으로, 반사경은 엘이디 모듈(10)에서 발산된 빛을 대상물을 향하여 반사시킬 수 있도록 엘이디 모듈(10)을 둘러싸게 배치된다.
도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 반사경은 엘이디(12)에서 발산된 빛을 오목한 반사경으로 받아서 평행한 광선 다발로 바꾸어 줌으로써, 전방으로 빛을 쏘아주는 차량용 헤드라이트에 필요한 조명의 형태를 형성한다.
한편, 본 실시예에서는 광가이드부재(20)로 반사경을 제시하였으나, 광가이드부재(20)는 이에 한정되지는 않으며 렌즈 등과 같이 빛을 굴절 또는 반사시켜 빛의 경로를 조절할 수 있는 다양한 광학수단이 광가이드부재(20)로 사용될 수 있다.
전열부재(30)는 엘이디 모듈(10)에 직접 또는 간접적으로 결합되어 엘이디 모듈(10)에서 발산된 열을 빨아들여 흡열하고 흡수한 열을 후술할 히트파이프 루프(40)에 전달하는 부분이다.
특히, 본 실시예의 전열부재(30)는 엘이디(12)모듈에서 발생된 대량의 열을 빠르게 방열부(40b)로 전달할 수 있도록, 엘이디 모듈(10)에 인접 배치되는 위크형의 전열파이프(31)를 구비한다.
위크형의 전열파이프(31)는, 작동유체가 주입되는 밀폐된 파이프와, 파이프 내벽에 작동유체가 이동하는 위크(wick) 및 파이프 내부에서 기화된 작동유체가 이동하는 증기이동공간으로 이루어진다. 구체적인 기능을 살펴보면, 열이 전달된 부분에서 기화된 작동유체가 증기이동공간을 통하여, 외부로 열을 전달하는 전열부(32)로 이동한다. 그리고, 전열부(32)로 이동한 기화된 작동유체는 응축되어 기화열을 전열부(32)로 전달한다. 응축된 작동유체는 위크를 통하여 원위치로 환류된다. 이에 따라, 전열부(32)로 열을 전달하는 열전달 사이클이 이루어진다.
상술한 열전달 구조를 가지는 위크형 전열파이프(31)는, 히트파이프 루프(40) 에 비하여 상대적으로 큰 직경의 관을 가지며 내부에 많은 작동유체가 주입된다. 이에 따라, 한번에 많은 작동유체가 기화 및 응축되는 과정을 통하여, 대량의 열이 전열부(32)로 신속하게 전달될 수 있는 특징을 가진다. 따라서, 엘이디 모듈(10)에서 발생된 열이 적체되지 않도록, 열을 히트파이프 루프(40)로 신속하게 전달하여 방열효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 측면도이다.
도 2 내지 도 4에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 전열파이프(31)는 양단부가 대향되게 (예를 들면, 'U'자형으로) 만곡되어 있다. 그리고, 전열파이프(31)의 대향된 양단부에는 히트파이프 루프(40)가 권취되어 결합된다. 이에 따라, 전열파이프(31)의 양단부는 전열부(32)가 되어 히트파이프 루프(40)로 열을 전달할 수 있다.
또한, 본 실시예의 전열파이프(31)는 전열블록(33)을 통하여 엘이디 모듈(10)에 결합되어 엘이디 모듈(10)에서 발생된 열을 흡수할 수 있다. 예를 들면, 상부 블록(33a) 및 하부 블록(33b)으로 이루어진 전열블록(33) 사이에 전열파이프(31)가 끼워져 결합되고, 상부블록(33a)에는 엘이디 모듈(10)이 결합되어 엘이디 모듈(10)과 전열파이프(31)가 열전달이 가능하도록 결합될 수 있다. 이 때, 전열블록(33)은 높은 열전달 특성을 가지는 구리, 알루미늄 등을 포함하는 재질로 이루어진다. 그리고, 전열블록(33)에는 반사경도 함께 조립되어 지지될 수 있다.
한편, 전열파이프(31)는 전열블록(33)을 통하여 간접적으로 엘이디 모듈(10)과 결합되는 방식 이외에 솔더링 등의 방법으로 엘이디 모듈(10)에 직접 결합될 수도 있다.
히트파이프 루프(40)는 전열부재(30)에 결합되어 열을 흡수하고 흡수된 열을 외부로 방열하는 부분이다. 특히, 본 실시예에서는 대량의 열을 빠르게 발산하기 위해, 진동세관형의 히트파이프 루프(40)가 이용된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치의 히트파이프 루프를 나타낸 사시도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 히트파이프 루프(40)는 흡열부(40a)와 방열부(40b)를 포함하며, 흡열부(40a)와 방열부(40b) 내부에는 기포(44)와 함께 작동유체(43)가 주입된다. 흡열부(40a)는 열을 전달하는 전열파이프(31)에 결합되어 열을 흡수한다. 그리고, 방열부(40b)는 전열파이프(31)로부터 떨어져 위치하고 흡열부(40a)와 연통되어, 흡열부(40a)로부터 전달된 열을 외부로 방출한다.
구체적으로, 본 실시예의 히트파이프 루프(40)는 유체동압을 이용한 진동세관형의 히트파이프로 이루어진다.
진동세관형 히트파이프는 세관(41) 내부에 작동유체(43)와 기포(44)가 소정 비율로 주입된 후 세관(41) 내부가 외부로부터 밀폐되는 구조를 가진다. 이에 따라, 진동세관형 히트파이프는 기포(44) 및 작동유체(43)의 부피팽창 및 응축에 의하여 열을 잠열 형태로 대량으로 수송하는 열전달 사이클을 가진다.
열전달 메카니즘을 살펴보면, 흡열부(40a)에서는 흡수된 열량만큼 핵비등(Nucleate Boiling)이 일어나면서 흡열부(40a)에 위치된 기포(44)들이 부피 팽창을 하게 된다. 이때 세관(41)은 일정한 내부 체적을 유지하므로, 흡열부(40a)에 위치된 기포(44)들이 부피 팽창을 한 만큼 방열부(40b)에 위치된 기포(44)들은 수축하게 된다. 따라서 세관(41) 내의 압력 평형상태가 붕괴되면서, 히트 파이프는 작동유체(43) 및 기포(44)의 진동을 포함한 유동을 수반하게 되고, 이에 따라 기포(44)의 체적 변화에 의한 온도의 승강에 의하여 잠열 수송을 함으로써 방열 기능을 수행한다.
여기서, 히트파이프 루프(40)는 열전도도가 높은 구리, 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어진 세관(41)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 열을 빠른 속도로 전도 받음과 아울러 그 내부에 주입된 기포(44)의 체적변화를 빠르게 유발할 수 있다.
그리고, 히트파이프 루프(40)의 연통구조는 개루프(open loop)와 폐루프(close loop) 모두 가능하다. 또한, 히트파이프 루프(40)가 복수 일 때, 히트파이프 루프(40)의 전부 또는 일부는 이웃하는 히트파이프 루프(40)와 연통될 수 있다. 이에 따라, 복수의 히트파이프 루프(40)는 설계상 필요에 따라 전체적으로 개루프 또는 폐루프 형상을 가질 수도 있다.
이 때, 도 4에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 히트파이프 루프(40)는 전열파이프(31)의 양단부에 권취된 나선형 구조로 형성된다. 그리고, 히트파이프 루프(40)를 형성하는 세관(41)은 전열파이프(31)에 비하여 작은 직경으로 형성되어 있다. 이에 따라, 전열파이프(31)의 전열부(32)에 히트파이프 루프(40)를 이루는 세관(41)이 여러 부분에서 결합될 수 있다. 따라서, 히트파이프 루프(40)의 흡열부(40a)의 면적이 크게 증가되어, 히트파이프 루프(40)는 전열파이프(31)를 통하여 전달되는 대량의 열을 효율적으로 흡수할 수 있다.
그리고, 나선형의 히트파이프 루프(40)에서, 전열파이프(31) 사이에 나란하게 배열된 다수의 세관(41)이 방열부(40b)가 된다. 따라서, 히트파이프 루프(40)의 방열부(40b) 면적이 크게 증가되어, 히트파이프 루프(40) 내부의 열을 효율적으로 발산할 수 있다.
따라서, 넓은 방열면적과 높은 열전달 성능을 가지는 방열장치를 구성하여 높은 출력을 가지면서도 냉각팬 없는 간단한 구조의 엘이디 조명장치를 구성할 수 있다. 이에 따라, 냉각팬 등의 부수적인 냉각장치 없이도 자체로 방열이 가능한 엘이디 조명장치가 구성됨으로써 잔고장이 없고 유지보수가 용이해질 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 사시도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 분해사시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타낸 평면도이다.
본 실시예에 따른 엘이디 조명장치는 엘이디 모듈(10) 및 히트파이프 루프(45)를 지지하는 써멀베이스(35)를 전열부재로 이용한다는 점에서 상술한 실시예와 차이가 있다.
써멀베이스(35)는 엘이디 모듈(10)에 발생된 열을 받아서 히트파이프 루프(45)에 전달하는 부분으로, 엘이디 모듈(10) 및 히트파이프 루프(45)를 지지하는 역할도 한다. 이를 위해, 써멀베이스(35)는 엘이디 모듈(10) 및 히트파이프 루프(45)와 열전달이 가능하게 결합되어 있다.
특히, 본 실시예의 써멀베이스(35)에는 히트파이프 루프(45)가 삽입되어 결합되는 전열홈(36)이 형성되어 있다. 이 때, 전열홈(36)은 트렌치(trench) 형상 즉, 도랑의 형태로 형성되어 히트파이프 루프(45)가 용이하게 삽입되고 안정적으로 지지될 수 있다. 그리고, 히트파이프 루프(45)를 삽입한 후에는 전열홈(36)에 솔더 등이 충전됨으로써, 히트파이프 루프(45)는 써멀베이스(35)에 용이하게 결합될 수 있다.
도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 써멀베이스(35)는 원판형으로 형성되고, 써멀베이스(35)의 가장자리 영역을 따라 환형의 전열홈(36)이 형성되어 있다. 이에 따라, 전열홈(36)에 삽입된 히트파이프 루프(45)는 원기둥 형태로 배치되어 넓은 표면적을 확보할 수 있다. 또한, 원기둥 형태의 히트파이프 루프(45)는 내측 배치되는 발열원 및 써멀베이스(35)의 열을 방열하기 유리한 방사형 구조를 가지게 된다.
이 때, 히트파이프 루프(45)는 흡열부(45a)와 방열부(45b)를 반복적으로 형성하는 나선형 구조로 형성되고, 반복적으로 형성된 흡열부(45a)는 트렌치 형상의 전열홈(36)에 연속적으로 삽입되어 결합된다.
한편, 전열홈(36) 및 히트파이프 루프(45)의 배치형태가 이에 한정되지는 않으며, 전열홈(36)이 다각형 구조로 형성되거나 복수의 전열홈(36)이 소정의 패턴으로 배치되는 등 다양한 배치형태를 가질 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
10: 엘이디 모듈
12: 엘이디
14: 모듈기판
20: 광가이드부재
30: 전열부재
31: 전열파이프
32: 전열부
33: 전열블록
35: 써멀베이스
36: 전열홈
40, 45: 히트파이프 루프
41: 세관
43: 작동유체
44: 기포
40a, 45a: 흡열부
40b, 45b: 방열부

Claims (8)

  1. 엘이디(LED) 모듈;
    상기 엘이디 모듈에 인접하게 배치되어 있으며, 상기 엘이디 모듈에서 발산된 빛이 대상물을 향하도록 상기 빛을 안내하는 광가이드부재;
    상기 엘이디 모듈에 결합되어 상기 엘이디 모듈의 열을 흡열하는 전열부재; 및
    세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 상기 전열부재에 결합되어 열을 흡수하는 흡열부 및 상기 흡열부에서 흡수된 열을 방출하는 방열부를 구비한 히트파이프 루프를 포함하고,
    상기 전열부재는,
    상기 엘이디 모듈 및 상기 히트파이프 루프를 지지하도록 결합되어 있으며, 상기 엘이디 모듈에서 발생된 열을 상기 히트파이프 루프로 전달하는 써멀베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전열부재는,
    내벽에 위크(wick)가 형성되어 있으며 작동유체가 주입되는 위크형의 전열파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전열파이프는 양단부가 대향되도록 만곡되어 있으며,
    상기 전열파이프의 대향된 양단부에 상기 히트파이프 루프가 권취되어 결합된 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전열부재는,
    상기 엘이디 모듈 및 상기 전열파이프와 결합되어 있으며, 상기 엘이디 모듈에서 발생된 열을 상기 전열파이프로 전달하는 전열블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 써멀베이스에는 트렌치(trench) 형상의 전열홈이 형성되어 있으며,
    상기 히트파이프 루프는 상기 흡열부와 상기 방열부를 반복적으로 형성하는 나선형 구조로 형성되고, 상기 흡열부는 상기 트렌치 형상의 전열홈에 삽입되어 결합된 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프 루프는, 상기 써멀베이스의 테두리를 따라 방사형으로 배치된 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  8. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 엘이디 조명장치를 포함하는 차량용 헤드라이트.
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