JP2007103748A - 熱交換器、液冷システム、光源装置、プロジェクタ、電子デバイスユニット、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高いアスペクト比の流路であっても流路の高さ方向の熱分布発生を効果的に抑制することができる熱交換器、液冷システム、及びこれを備える光源装置、プロジェクタ等を提供する。
【解決手段】 発熱体Ｈに接触する接触面１０ｓと複数の微細流路１１を有する熱交換器１０であって、微細流路１１を流れる流体Ｗを接触面１０ｓに略直交する方向に対流させる流体案内部１５を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、矩形の断面形状の微細流路を複数有する熱交換器、これを備える液冷システム等に関する。

プロジェクタは、近年、小型化、高輝度化、長寿命化、廉価化等が図られてきている。例えば、小型化に関しては、液晶パネル（光変調素子）サイズが対角１．３インチから０．５インチ程度となり、面積比で１／６強の小型化がなされている。

プロジェクタの光源としては、固体光源である発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を用いることで、小型化が図られている。ＬＥＤ光源等は、電源を含めて小型であり、瞬時点灯／消灯が可能であること、色再現性が広く長寿命であることなど、プロジェクタ用光源としてメリットを有している。また、水銀などの有害物質を含まないため、環境保全上からみても好ましいものである。

ところが、ＬＥＤ光源等の高輝度化に伴い、ＬＥＤ光源からの発熱は増大して発光効率が低下するため、発熱対策をとる必要がある。一般的に採用されているファンによる強制空冷方式では冷却効率が不十分であったり、ファンの騒音が問題となったりしている。
このため、液体が流通する複数の流路を有する熱交換器を用いてＬＥＤ光源等を強制冷却する方法がある。このような熱交換器としては、特許文献１に示すように、複数のリブが設けられた一対の部材を組み合わせることで、複数の流路を形成する方法が提案されている。
特開平７−３８０２５号公報

しかしながら、従来の技術では、熱交換器の冷媒接触面積を増大させるために、流路のアスペクト比（流路幅と流路高さの比）を高くした場合には、流路の高さ方向において熱分布が発生してしまい、熱交換の効率の向上が必ずしも図られないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、高いアスペクト比の流路であっても流路の高さ方向の熱分布発生を効果的に抑制することができる熱交換器、液冷システム、及びこれを備える光源装置、プロジェクタ等を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器、液冷システム、光源装置、プロジェクタ、電子デバイスユニット、電子機器では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、発熱体に接触する接触面と複数の微細流路とを有する熱交換器であって、前記微細流路を流れる流体を前記接触面に略直交する方向に対流させる流体案内部を備えるようにした。
この発明によれば、複数の微細流路が接触面に略直交する方向を長手方向とする断面形状であっても、液体を接触面に略直交する方向に対流させることで、接触面に近接するにしたがって液体の温度が高温となる状態を回避することができる。つまり、液体に温度分布が発生しづらくなり、高い熱交換効率を得ることができる。これにより、接触面の面積を変えることなく、高効率の熱交換器を実現できる。

前記流体案内部は、前記微細流路を構成する隔壁に、前記流体の流れ方向に対して傾斜して延設された溝部からなるものがある。また、前記流体案内部は、前記微細流路を構成する隔壁に、前記流体の流れ方向に対して傾斜して延設された突出部からなるものがある。
また、対向配置される前記流体案内部における前記流れ方向に対する傾斜方向が、相反するものでは、流路を流れる液体が流路の高さ方向に対流しやすくなる。
また、打ち抜き加工及び／又はエッチング処理された金属薄板を積層して形成されるものでは、高いアスペクト比の断面形状の流路に対して、容易に流体案内部を形成することができる。

第２の発明は、発熱部品と熱的に接触する吸熱器と、前記吸熱器に対して液体を供給するポンプと、前記吸熱器から排出される液体を放熱するラジエタと、を備える液冷システムであって、前記吸熱器として、第１の発明の熱交換器を用いるようにした。
この発明によれば、発熱部品との接触面積が小さくても、高い熱交換効率を有する液冷システムを実現することができる。

第３の発明は、電流を供給されることによって発光及び発熱する固体発光光源と、該固体発光光源を冷却する液冷部を有する光源装置であって、前記液冷部として、第２の発明の液冷システムを用いるようにした。
この発明によれば、固体発光光源の発熱を効率的に抑制できるので、高輝度の光源装置を実現することができる。

第４の発明は、プロジェクタが、第３の発明の光源装置を備えるようにした。この発明によれば、小型で高輝度のプロジェクタを実現することができる。

第５の発明は、電流を供給されることによって発熱する電子デバイスと、該電子デバイスを冷却する液冷部を有する電子デバイスユニットであって、前記液冷部として、第２の発明の液冷システムを用いるようにした。
この発明によれば、電子デバイス発熱を効率的に抑制できるので、処理能力の高い電子デバイスユニットを実現することができる。

第６の発明は、電子機器が、第５の発明の電子デバイスユニットを備えるようにした。この発明によれば、小型且つ処理能力が高い電子機器を実現することができる。

以下、本発明の熱交換器、液冷システム、光源装置、プロジェクタ、電子デバイスユニット、電子機器の実施形態について、図を参照して説明する。

〔熱交換器〕
図１は、熱交換器の概略構成を示す図であって、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は縦断面、図１（ｃ）は横断面である。
熱交換器１０は、銅やアルミニウムのように熱伝導性が高い金属の薄板（積層プレート１ａ，１ｂ等）を複数積層させることで形成された板状部品であって、その内部に水Ｗ等の液体を流通可能な微細な流路１１を複数有する。
図１（ａ）に示すように、熱交換器１０の側面には、内部に水Ｗを導入するための導入管２と、内部に導入された水Ｗを排出するための出口管３とが接続される。また、熱交換器１０の主面（接触面）１０ｓは発熱体Ｈと接触するために平坦に形成される。
なお、発熱体Ｈと接触する主面１０ｓに直交する方向（熱交換器１０の厚み方向）をＺ方向、流路１１内の水Ｗの流れ方向をＸ方向とする。

図１（ｂ）に示すように、熱交換器１０の内部には、複数の微細な流路１１が形成されている。この流路１１は、水Ｗとの接触面積を大きくするために、流路１１の断面形状の縦横比（アスペクト比）が大きく形成されている。具体的には、図１（ｃ）に示すように、各流路１１の高さは２〜３ｍｍ、幅は５０〜１００μｍ程度に形成されている。
このような構成により、導入管２から熱交換器１０の内部に導入された水Ｗは、空隙部分１３から複数の微細な流路１１に分流し、その後、空隙部分１４を介して出口管３から外部に排出されるようになっている。なお、空隙部分１３，１４は、複数の流路１１のそれぞれに水Ｗを略均一に流すために設けられる空間である。
また、水Ｗの流量は、例えば、３ｃｃ／秒程度である。

各流路１１を構成する隔壁１２には、流路１１を流れる水Ｗを流路１１の高さ方向（Ｚ方向）に対流させるための溝部１５が形成されている。
図１（ｃ）において、水Ｗは、紙面に直交する方向（Ｘ方向）に流れる。この際、各流路１１の幅が微細であるため、水Ｗは層流となって流れる。このため、流路１１を流れる水Ｗのうち、発熱体Ｈに近接する領域（＋Ｚ方向）を流れる水Ｗの温度は高く、一方、発熱体Ｈから離れた領域（−Ｚ方向）を流れる水Ｗの温度は低くなる。このように、流路１１を流れる水Ｗに、流路１１の高さ方向に対する温度分布が発生した状態は、発熱体Ｈの冷却効率が悪い。
それに対し、隔壁１２に溝部１５を設けることで、流路１１を流れる水Ｗに流路１１の高さ方向の対流を発生させ、流路１１を流れる水Ｗを攪拌する。これにより、発熱体Ｈに近接する領域（＋Ｚ方向）を流れる水Ｗの温度が下がり、流路１１の高さ方向に対する水Ｗの温度分布の発生が抑制されるので、発熱体Ｈを効率よく冷却できる。

図２は、隔壁１２に形成された溝部１５を示す図である。
溝部１５は、図２（ａ）に示すように、水Ｗの流れ方向（Ｘ方向）に対して傾斜するように隔壁１２に形成される。
このように、流路１１を構成する隔壁１２に、水Ｗの流れ方向に対して傾斜する溝部１５を設けることで、水Ｗが流路１１の高さ方向（Ｚ方向）にも流れるようになる。
隔壁１２に形成される溝部１５の数、形状（幅、深さ）、Ｘ方向に対する傾斜角は、水Ｗの流量や発熱体Ｈとの熱交換率等に応じて、適宜、変更可能である。

溝部１５の形状としては、図２（ａ）に示すように直線形であってもよいし、また、図２（ｂ）に示すように曲線形であってもよい。
また、隔壁１２に凹形の溝部１５を形成する場合に限らず、凸形の突出部を形成してもよい。

図３は、流路１１を構成する一対の隔壁１２の両方に溝部１５が設けられた構成を示す図である。
溝部１５は、流路１１を構成する一対の隔壁１２の両方に設けることもできる。この場合、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、対向する溝部１５の水Ｗの流れ方向（Ｘ方向）に対する傾斜方向が、相反するように形成される。つまり、一方の溝部１５は水Ｗの流れ方向に対して＋Ｚ方向に傾斜し、他方の溝部１５は水Ｗの流れ方向に対して−Ｚ方向に傾斜する。
これにより、図３（ａ）に示すように、水Ｗを流路１１内において、流路１１の高さ方向（上下方向）に対流させることができる。

図４は、積層プレートを示す図である。
上述したように、熱交換器１０は、銅やアルミニウムのように熱伝導性が高い積層プレート１ａ，１ｂ等を積層させて形成される。積層プレート１ａ，１ｂ等は、打ち抜き加工やエッチング加工により所定形状に成形され、これら積層プレート１ａ，１ｂを積層し、ろう付け等で接合することで、熱交換器１０が形成される。

積層プレート１ａは、熱交換器１０の内部に形成される複数の流路１１同士を仕切る隔壁１２を構成するための薄板部材である。積層プレート１ａは、図４（ａ）に示すように、長方形の中央部分は中実であり、長手方向の両端側に抜き穴部３１，３２が形成されている。中央の中実部分は、隔壁１２を構成する。そして、隔壁１２を構成する中央の中実部分には、溝部１５がエッチング加工により形成される。また、抜き穴部３１，３２は、熱交換器１０の内部に形成される流路に一部であって、複数の微細な流路１１の上流側及び下流側に形成される空隙部分１３，１４を構成する。

積層プレート１ｂは、熱交換器１０の内部に形成される複数の流路１１を構成するための薄板部材である。積層プレート１ｂは、図４（ｂ）に示すように、長方形の枠形に形成されており、その内側の抜き穴部３３の中央部分は流路１１を構成し、抜き穴部３３の長手方向の両端側は流路１１の上流側及び下流側に形成される空隙部分１３，１４を構成する。
なお、積層プレート１ｂの外形は積層プレート１ａと同一であり、更に、積層プレート１ｂの抜き穴部３３の一部の形状が積層プレート１ａの抜き穴部３１，３２の一部と一致するように形成されている。

このように、積層プレート１ａ，１ｂ等を積層させることで、微細かつ高いアスペクト比の断面形状の流路１１を複数有する熱交換器１０を容易に形成することができる。
なお、本実施形態においては、積層プレート１ａ，１ｂ等をＹ方向に積層させる場合について説明したが、Ｘ方向に積層させて形成するようにしてもよい。

〔液冷システム〕
次に、上記熱交換器１０を備える液冷システム２０について説明する。
図５は、液冷システム２０の概略構成を示す図である。
液冷システム２０は、熱交換器１０、熱交換器１０の導入管２及び出口管３等に接続する液送管２２、導入管２側の液送管２２に設けられたポンプ２４、出口管３側の液送管２２に設けられたラジエタ２６を備える。
このような構成により、ポンプ２４から液送管２２及び導入管２を介して、熱交換器１０の内部に水Ｗが供給される。熱交換器１０は、発熱体Ｈと接触しており、内部の流路１１を流れる水Ｗに発熱体Ｈからの熱が伝わる。
発熱体Ｈの熱を奪うことで加熱された水Ｗは、出口管３から液送管２２を介して、ラジエタ２６に導入される。そして、ラジエタ２６において、水Ｗの熱が大気中に放熱される。
液冷システム２０によれば、熱交換器１０は小型であり、発熱体Ｈとの接触面積が小さくても、流路１１の断面形状のアスペクト比が大きいので、熱交換効率が高い。したがって、発熱体Ｈを効率的に冷却することができる。

〔光源装置〕
次に、上記液冷システム２０を備える光源装置１００について説明する。
図６は光源装置１００の概略構成を示す平面図であり、図７は光源装置１００の断面図である。
光源装置１００は、基台１１０と、ＬＥＤチップ１２０（固体発光光源）と、樹脂フレーム１３０と、キャップ１４０とを備えて構成されている。
基台１１０は、ＬＥＤチップ１２０が載置されるものであり、上記液冷システム２０に対して密着して接続されている。
ＬＥＤチップ１２０は、電流を供給されることによって発光及び発熱するものであり、シリコン等によって形成されかつＬＥＤチップ１２０に電力を供給するための配線が形成されたサブマウント上にフリップチップ実装され、このサブマウントごと熱伝導性の接着剤（例えば、銀ペースト）によって基台１１０上に実装されている。
また、第１基台１１０の上面には、リフレクタ１１４が配置されており、さらに当該リフレクタ１１４を囲うように樹脂フレーム１３０が配置されている。そして、樹脂フレーム１３０の上部に支持されてキャップ１４０が配置されており、キャップ１４０と樹脂フレーム１３０によって形成された空間内には、シリコンオイル等が充填されている。

図６及び図７に示すように、樹脂フレーム１３０には、アウターリード１３１，１３２がインサードモールドされており、このアウターリード１３１，１３２の一端が基台１１０上に配置されたフレキシブル基板１１７，１１８と接続され、他端が金ワイヤ１２２等によってサブマウント１２１上に形成された接続パッドと接続されている。そして、サブマウント１２１、フレキシブル基板１１７，１１８、アウターリード１３１，１３２及び金ワイヤ１２２を介してＬＥＤチップ１２０に電力が供給される。
なお、本実施形態においては、各アウターリード１３１，１３２に３本ずつの金ワイヤ１２２が接続されているが、ＬＥＤチップ１２０に供給される電力量に応じて金ワイヤ１２２の本数は変更される。

このように構成された光源装置１００において、ＬＥＤチップ１２０に電流が供給されると、ＬＥＤチップ１２０から光が射出され、この射出された光がキャップ１４０を介して光源装置１００から射出される。そして、ＬＥＤチップ１２０から側方に射出された光は、リフレクタ１１４によってキャップ１４０方向に反射され、その後、キャップ１４０を介して光源装置１００から射出される。
そして、光源装置１００においては、基台１１０に対して上記液冷システム２０（熱交換器１０）が密着して接続されているため、熱交換器１０の流路１１に水Ｗを流すことによって、ＬＥＤチップ１２０を効率的に冷却することが可能となり、ＬＥＤチップ１２０の熱による破損を防止することが可能となる。したがって、高輝度かつ信頼性に優れた光源装置１００となる。

〔プロジェクタ〕
次に、上記光源装置１００を備えるプロジェクタ５００について説明する。
図８は、プロジェクタ５００の概略構成を示す模式図である。図９は、プロジェクタ５００に設けられた液冷システムの配管構成を示す図である。
プロジェクタ５００は、光源装置５１２，５１３，５１４、液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４、クロスダイクロイックプリズム５２５、及び投写レンズ５２６を備える。
３個の光源装置５１２，５１３，５１４は、上記光源装置１００により構成されている。各光源装置５１２，５１３，５１４には、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に発光するＬＥＤチップが採用されている。なお、光源光の照度分布を均一化させるための均一照明系として、各光源装置の後方にロッドレンズやフライアイレンズを配置してもよい。

赤色光源装置５１２からの光束は、重畳レンズ５３５Ｒを透過して反射ミラー５１７で反射され、赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。また、緑色光源装置５１３からの光束は、重畳レンズ５３５Ｇを透過して緑色光用液晶ライトバルブ５２３に入射する。
また、青色光源装置５１４からの光束は、重畳レンズ５３５Ｂを透過して反射ミラー５１６で反射され、青色光用液晶ライトバルブ５２４に入射する。
なお、均一照明系としてフライアイレンズを用いた場合には、各光源からの光束は重畳レンズを介することにより液晶ライトバルブの表示領域において重畳され、液晶ライトバルブが均一に照明されるようになっている。

また、各液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４の入射側および出射側には、偏光板（図示せず）が配置されている。そして、各光源装置５１２，５１３，５１４からの光束のうち所定方向の直線偏光のみが入射側偏光板を透過して、各液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４に入射する。
また、入射側偏光板の前方に偏光変換手段（図示せず）を設けてもよい。この場合、入射側偏光板で反射された光束をリサイクルして各液晶ライトバルブに入射させることが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。

各液晶ライトバルブ５２２、５２３、５２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。
そして、合成された光は投写光学系である投写レンズ５２６により投写スクリーン５２７上に投写され、拡大された画像が表示される。

上述した本実施形態の光源装置５１２，５１３，５１４は、ＬＥＤチップを冷却する液冷システム２０を備えているので、高輝度化されるとともに安価に製造することができるものである。したがって、表示特性の優れたプロジェクタ５００を安価に提供することができる。
なお、光源装置５１２，５１３，５１４における液冷システム２０の配管構成としては、図９（ａ）に示す直列配管型と、図９（ｂ）に示す並列配管型のいずれであってもよい。
また、固体発光光源としてＬＥＤチップを採用したが、固体発光光源として半導体レーザ等を採用することも可能である。さらに、上述したプロジェクタでは光変調手段として液晶ライトバルブを採用したが、光変調手段として微小ミラーアレイデバイス等を採用することも可能である。

〔電子デバイスユニット、電子機器〕
次に、上記液冷システム２０を備える電子デバイスユニット７００及び情報処理装置８００について説明する。
図１０は、パソコンなどの情報処理装置８００の一例を示した模式図である。
情報処理装置（電子機器）８００は、キーボードなどの入力部８０２、情報処理装置本体（筐体）８０４、表示部８０６等を備える。
そして、情報処理装置本体８０４の内部には、ＣＰＵ（中央演算処理装置）７０２と、これを液冷する液冷システム２０とからなる電子デバイスユニット７００が設けられている。なお、電子デバイスユニットに適用される液冷システム２０のポンプとしては、マイクロポンプが好適に用いられる。
ＣＰＵは、その駆動時における発熱が液冷システム２０により奪われて、一定温度以下に抑制される。これにより、高い処理能力を発揮することができる。したがって、高度な演算能力を有する情報処理装置８００を実現することができる。
なお、電子デバイスユニット７００を備える電子機器としては、情報処理装置８００に限らない。一定温度以下に冷却すべき発熱体Ｈを有する電子機器であればよい。

以上、図を参照しながら本発明に係る熱交換器、液冷システム、光源装置、プロジェクタ、電子デバイスユニット、電子機器の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、熱交換器の内部（流路）に供給する液体としては、水に限らない。冷媒に適する液体であればよい。

熱交換器の概略構成を示す図である。 隔壁に形成された溝部を示す図である。 流路を構成する一対の隔壁の両方に溝部が設けられた構成を示す図である。 積層プレートを示す図である。 液冷システムの概略構成を示す図である。 光源装置の概略構成を示す平面図である。 光源装置の断面図である。 プロジェクタの概略構成を示す模式図である。 プロジェクタに設けられた液冷システムの配管構成を示す図である。 情報処理装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ…積層プレート、 １０…熱交換器、 主面…１０ｓ、 １１…流路、 １２…隔壁、 １５…溝部、 ２０…液冷システム、 ２２…液送管、 ２４…ポンプ、 ２６…ラジエタ、 １００…光源装置、 １２０…ＬＥＤチップ、 ５００…プロジェクタ、 ５１２，５１３，５１４…光源装置、 ７００…電子デバイスユニット、 ７０２…ＣＰＵ、 Ｃ…水
Ｈ…発熱体

Claims (10)

1. 発熱体に接触する接触面と複数の微細流路を有する熱交換器であって、
   前記微細流路を流れる流体を前記接触面に略直交する方向に対流させる流体案内部を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記流体案内部は、前記微細流路を構成する隔壁に、前記流体の流れ方向に対して傾斜して延設された溝部からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記流体案内部は、前記微細流路を構成する隔壁に、前記流体の流れ方向に対して傾斜して延設された突出部からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 対向配置される前記流体案内部における前記流れ方向に対する傾斜方向は、相反することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 打ち抜き加工及び／又はエッチング処理された金属薄板を積層して形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 発熱部品と熱的に接触する吸熱器と、
   前記吸熱器に対して液体を供給するポンプと、
   前記吸熱器から排出される液体を放熱するラジエタと、を備える液冷システムであって、
   前記吸熱器として、請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の熱交換器を用いることを特徴とする液冷システム。
7. 電流を供給されることによって発光及び発熱する固体発光光源と、該固体発光光源を冷却する液冷部を有する光源装置であって、
   前記液冷部として、請求項６に記載の液冷システムを用いることを特徴とする光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置を備えることを特徴とするプロジェクタ。
9. 電流を供給されることによって発熱する電子デバイスと、該電子デバイスを冷却する液冷部を有する電子デバイスユニットであって、
   前記液冷部として、請求項６に記載の液冷システムを用いることを特徴とする電子デバイスユニット。
10. 請求項９に記載の電子デバイスユニットを備えることを特徴とする電子機器。
    
    
    

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