JP2007299809A - 冷却ジャケットならびにそれを利用した光源装置および表示装置 - Google Patents

冷却ジャケットならびにそれを利用した光源装置および表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】冷却ジャケット内での冷媒の流速分布の偏りに起因する放熱効率の低下を防止することが可能な技術を提供する。
【解決手段】ベース101に設けられ、発熱体900に熱的に接続される円柱102に放熱用の複数のフィン120を軸方向に積層して装着し、フィン120をケース103で覆うことにより、円柱102の周囲に円環状の流路110を形成した冷却ジャケット100Aにおいて、フィン120の上下両面に同心円状に複数の仕切り122および仕切り123を突設し、上下に隣り合う二つのフィン120の仕切り122および仕切り123によって、流路110をフィン120の径方向にて複数の幅の狭い流路111〜流路114に区切り、個々の流路111〜流路114に冷媒10を流通させ、冷媒10の遠心力による流速分布の偏りを防止し、フィン120の全面で高い放熱効率を実現する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、冷却ジャケットならびにそれを利用した光源装置および表示装置に関し、たとえば、電気機器や電子機器の冷却に用いられる冷却システムにおいて、発熱部を冷却する冷却ジャケット等に適用して有効な技術に関するものである。
複数の平面状の薄板フィンを間隔をおいて積み重ねる様にして略円環状の流路内部に配置した冷却ジャケットは一般の電気機器や電子機器の冷却に幅広く用いられている。
このような冷却ジャケットとしては、特許文献1に開示された構造のものが知られている。
すなわち、発熱体に接合される平面状のベースに垂直に立設された円柱の外周面に対し、円柱の軸方向に複数の平面状の円盤フィンを等間隔にはめ込み、その外側を入口と出口を備えたケースにより覆う構成としたものである。そして、入口からケース内に流入した冷却液はベース、円柱、フィン、ケースで形成された円環状の流路を、熱を奪いながら通過して出口に至り、ケース外に流出することにより、フィン、円柱、ベースを介して発熱体の冷却を行うものである。
この特許文献1に示されるような従来の冷却ジャケットの構造においては、冷却液のような流体が円環状流路のような曲率を持つ流路を流れる際に、遠心力により、流路断面内での外側(曲率半径の大きい側)の流速が大きくなり、内側の流速が小さくなるような偏った流速分布が発生する。
固体から流体(冷媒)への熱伝達は流体の流速の0.5乗(層流)〜0.8乗(乱流)に比例することが知られている。
このため、特許文献1のような従来の構造の冷却ジャケットでは、流速が小さくなる内側における流体への熱伝達が小さくなるため、フィン全面を効率良く放熱に利用できない、という技術的課題がある。
このため、従来技術の冷却ジャケットでは、流速分布がない状態と同一の放熱性能を実現するために、必要以上にフィンを大きくして大型化する必要がある。
この流速分布の偏りによるフィン全面での熱伝達のばらつきの発生、すなわち曲率を持つ流路断面内の流速が小さくなる内側での放熱効率の低下は、放熱容量を大きくするためにフィンの放熱面積を増大させた冷却ジャケット、つまりフィンの外径を大きくした冷却ジャケットでより顕著にあらわれる。
特開2005−116815号公報
本発明の目的は、冷却ジャケット内での冷媒の流速分布の偏りに起因する放熱効率の低下を防止することが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、小型で高い放熱効率を実現することが可能な冷却ジャケットを提供することにある。
本発明の他の目的は、発光素子の冷却手段として冷却ジャケットを備えた光源装置の小型化、高性能化を実現することにある。
本発明の他の目的は、光源部に冷却ジャケットを備えた表示装置の小型化、高性能化を実現することにある。
鋭意研究の結果、本発明者は上記の課題を解決するための手段として次の構成を見出した。
すなわち、冷媒が流通する曲折した流路と、この流路内に配置されたフィンとを含む冷却ジャケットにおいて、曲折した前記流路を流通する前記冷媒に作用する遠心力の作用方向にて前記流路を区切るように前記フィンに突設された仕切り部を設ける構成としたものである。
この場合、前記流路を区切るように突設された仕切り部の高さを、フィンの配列間隔と一致させることでフィン間の流路を前記遠心力の作用方向に対し完全に区切る構成としてもよいし、あるいは、フィン間の流路を完全に区切ることが、たとえば、技術的・コスト的に難しいときは、流路高さ(フィン間隔)の30%以上を区切るように仕切り部の高さを設定することで、同様の効果が得られる。
なお、本明細書において「曲折」とは、円環形状、楕円環形状、多角環形状、蛇行環形状、屈曲環形状等のように、冷媒の流通方向が非直線的で、流通する冷媒に遠心力が作用するような曲りを有する、あらゆる流路形状を含む概念である。
以上の構成により、冷却ジャケット内の流路において、遠心力による径外側方向への流体移動が阻止され、径内側と径外側との冷媒の速度差が小さくなり、結果としてフィン全面から効率良く熱伝達を行うことができる。
換言すれば、同一の放熱性能を、より小型の冷却ジャケットにて実現することが可能となる。あるいは、同じ大きさでも従来構造に比べ冷却能力を向上させることができる。
また、このような冷却ジャケットを光源装置に備えることにより、発光素子からの放熱を効率よく実現でき、たとえば、光源装置の小型化、高性能化を実現できる。
具体的には、照明光を出射する複数の発光素子と、前記発光素子を保持する保持手段と、前記保持手段を介して前記発光素子の冷却を行う冷却ジャケットと、を含み、前記冷却ジャケットは、冷媒が流通する曲折した流路と、前記流路内に配置され、前記保持手段と熱的に接続されたフィンと、曲折した前記流路を流通する前記冷媒に作用する遠心力の作用方向にて前記流路を区切るように前記フィンに突設された仕切り部と、を含む光源装置として構成する。
また、このような冷却ジャケットを表示装置の光源部に備えることにより、発光素子からの放熱を効率よく実現でき、たとえば、光源部を含む表示装置全体の小型化、高性能化を実現できる。
具体的には、発光素子を冷却する冷却ジャケットを備え、前記発光素子から照明光を出射する光源部と、前記照明光を画像情報に応じて変調する画像変調手段と、前記画像変調手段で変調された変調光を目視可能に表示する表示光学系と、を含む表示装置であって、前記冷却ジャケットは、冷媒が流通する曲折した流路と、前記流路内に配置され、前記発光素子を保持する保持手段と熱的に接続されたフィンと、曲折した前記流路を流通する前記冷媒に作用する遠心力の作用方向にて前記流路を区切るように前記フィンに突設された仕切り部と、を含む表示装置として構成する。
本発明によれば、冷却ジャケット内での冷媒の流速分布の偏りに起因する放熱効率の低下を防止することが可能となる。
また、小型で高い放熱効率を実現することが可能な冷却ジャケットを提供することができる。
また、発光素子の冷却手段として冷却ジャケットを備えた光源装置の小型化、高性能化を実現することができる。
また、光源部に冷却ジャケットを備えた表示装置の小型化、高性能化を実現することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
<実施の形態1>
図を参照して本発明の実施の形態1である冷却ジャケット100Aを説明する。図1は本発明の実施の形態1である冷却ジャケット100Aの上方からの斜視図であり、図2は下方からの斜視図である。図3は、本実施の形態1の冷却ジャケット100Aの一部を破断して示す斜視図である。図4は、本実施の形態1の冷却ジャケット100Aの一部を破断して示す平面図である。図5は、図1の線A−Aで示される部分の断面図である。
本実施の形態1の冷却ジャケット100Aは、ベース101、円柱102、ケース103を含んでいる。
銅やアルミなどの熱伝導率が大きい材料で作られたベース101の下面に発熱体900が熱的接続している。そして、後述のように、冷却ジャケット100Aを流通する冷媒10によって発熱体900の冷却が行われる。
図3は、冷却ジャケット100Aのケース103の上部を破断した斜視図である。図3を用いて冷却ジャケット100Aの構造を詳細に説明する。熱伝導率の大きい材料で作られたベース101は同じく熱伝導率が大きな材料で作られた伝熱部材としての円柱102と機械的、熱的に接続している。
なお、本実施の形態1では、簡単のためベース101と円柱102が一体に図示されているが、これらを別体にして嵌合させる構造としてもよい。
発熱体900からベース101、円柱102に伝えられた熱を効率よく冷媒10に伝えるため、熱伝導率が大きい材料で作られた複数の円盤状のフィン(以下、フィンという)120が円柱102の軸方向に一定間隔で取り付けられている。
すなわち、円柱102に取り付けられるフィン120の中心側には円形開口が形成されることにより、フィン120は円環状を呈し、円形開口となる内周には、筒状のスリーブ121が設けられている。そして、図6の分解組立図に例示されるように、円柱102の外周面およびベース101の上面に密着する円環状の座107を挿通した後、個々のフィン120のスリーブ121を、当該スリーブ121が円柱102の外周面に密着するように挿通して積み重ねることにより、複数のフィン120が、円柱102の軸方向に所定の間隔で配列されている。
この複数のフィン120の外周側および所定の間隔で重ねた複数のフィン120の最上面を覆うように屈曲するとともに一部が径方向に突出することにより形成された開口部を有するケース103が設けられており、当該ケース103は、ベース101、円柱102とともに略円環状の流路110を形成する。ケース103の開口部には、円柱102の軸方向に延びて複数のフィン120に対して直交する向きとなる隔壁104が設けられ、開口部を冷媒入口105と冷媒出口106に分けている。
また、個々のフィン120の互いに表裏をなす上面および下面には、円柱102を囲むように同心円状に複数の仕切り部としての仕切り122および仕切り123が互いに対応する位置に突設されている。
すなわち、図5に例示されるように、円柱102の軸方向に互いに隣り合う二つのフィン120において、下側のフィン120の上面に突設された仕切り122の頂部と、上側のフィン120の下面に突設された仕切り123の頂部が密着することで、隣り合う複数のフィン120の間の略円環状の流路110は、複数の独立した流路111、流路112、流路113、流路114に完全に区切られている。
なお、隣り合う複数のフィン120の間の流路110を径方向にて区切る仕切り122、仕切り123は個々のフィン120と別体でも良いが、フィン120と仕切り122、仕切り123を一体成形した方が、仕切り122、仕切り123の表面積の分だけ、フィン120の放熱面積を増やすことができるため、より望ましい構造である。
図3および図4に例示されるように、本実施の形態1では、複数のフィン120において、冷媒入口105および冷媒出口106付近の領域は、円弧状(扇形)に一部切り取られて、切欠部124を構成している。これは切欠部124がない場合、フィン120の両面に突設された仕切り122、仕切り123により、冷媒入口105の付近では冷媒10が冷媒入口105から冷却ジャケット100A内の流路110の中心部に流入することが妨げられ、一方、冷媒出口106付近では冷媒10が流路110の中心部から冷媒出口106の方向に流出することが妨げられるための処置である。
円弧状に限らず、矩形状、三角形状などの切欠部124を設置しても良い。他の手段としては円盤状のフィン120の表裏をなす両面に突設された仕切り122、仕切り123を、冷媒入口105および冷媒出口106の付近のみ切除する形状とすることも挙げられる。なお、この切欠部124は、ケース103の突出した開口部の位置に形成されている。
本実施の形態1の冷却ジャケット100Aの内部が見える図3および図4を参照して、冷媒10の流れを説明する。冷媒入口105から流入する冷媒10はベース101、円柱102、ケース103、複数のフィン120で形成された略円環状の流路110を熱を奪いながら通り、冷媒出口106から流出することにより、フィン120、円柱102、ベース101を介して発熱体900を冷却する。
このとき、略円環状の流路110を通過する冷媒10は、フィン120の径方向に遠心力を受ける。
ここで、上述のように、本実施の形態1の場合には、個々のフィン120には当該フィン120間の流路110を径方向にて区切る(すなわち、径方向に対して略垂直となる向きに突設されて区切る)仕切り部としての仕切り122、仕切り123が設けられているため、冷媒入口105から流入する冷媒10は分流されて矢印10aのような複数の流路111、流路112、流路113、流路114を通ることとなる。この仕切り122、仕切り123の作用により、曲率を持つ流路110を冷媒10が通る際に生じる、遠心力による内側と外側の冷媒10の速度差は、個々の幅が狭い流路111、流路112、流路113、流路114の内のそれぞれにしか生じず、フィン120の最内径側の流路111と最外径側の流路114での冷媒10の流速差は小さくなる。
これにより、流路110の断面内における遠心力の作用方向での冷媒10の流速分布の偏りに起因する冷却効率の低下が確実に防止され、フィン120の全面を効率良く放熱に利用でき、高性能の冷却ジャケット100Aを実現することができる。
換言すれば、一定の放熱性能を達成するために必要なフィン120の直径や枚数を削減でき、冷却ジャケット100Aを小型化することが可能になる。
ひいては、同じ大きさでも従来構造に比べて、冷却ジャケット100Aの冷却能力を向上させることができる。
なお、フィン120の径方向における仕切り122(仕切り123)のピッチ寸法P(配置間隔)はフィン120の内径と外径の差や流路高さ(フィン間隔H)により最適な値が存在するが、流路高さ(フィン間隔H)の5倍以内が望ましい。
また、発熱体900からの熱を円柱102の軸方向に効率よく伝えるため、図7に示すように円柱102の内部にヒートパイプまたはベーパーチャンバーなどのヒートパイプと類似の伝熱構造体102aを設けても良い。
<実施の形態2>
実施の形態1のようにフィン間の流路110を完全に区切ることが技術的・コスト的に難しい場合、以下のように、流路110を部分的に区切ることによっても遠心力による径外側方向への流体(冷媒10)の移動、すなわち冷媒10の流速分布の偏りを阻止できる。
冷却に対する仕切り高さの依存性が実験などにより図8中の曲線901のように求められた。図8は横軸に流路高さ(フィン間隔H)に対する仕切り高さhの割合をとり、縦軸に発熱体900の温度上昇をとったグラフであり、曲線901は冷媒10の流速を変えて実験を行った際の複数の測定値を平均化して得られた傾向を表している。
この図8の曲線901から、仕切り高さhを流路高さ(フィン間隔H)に対し30%以上とした場合、仕切りの効果が出始め、60%以上とすると完全に流路を区切った場合と同等の効果が得られることがわかる。
以上の知見に基づいて、上述の実施の形態1の冷却ジャケット100Aの変形として、実施の形態2の冷却ジャケット100Bを図9および図10に例示する。
なお、実施の形態1と共通する部分は同一の符号を付して重複した説明は割愛する。
図9は実施の形態2の冷却ジャケット100Bにおいて、ケース103の上部を破断して示す斜視図である。また、図10は図9における線B−Bで示される部分の断面図である。
図10に示すように、本実施の形態2の冷却ジャケット100Bでは、片面のみに仕切り132が突設された複数の円盤状のフィン130を備えている。個々のフィン130の中央部には、スリーブ131が設けられ、円柱102に座107の挿通後に挿通されることによって、所定の配列間隔(フィン間隔)Hで当該円柱102の軸方向に装着されている。
フィン130には、隔壁104を挟んで、冷媒入口105、冷媒出口106に臨む位置に切欠部134が設けられている。
この場合、個々のフィン130に、フィン130の径方向にて流路110をそれぞれ区切るように設けられた仕切り132は、流路高さ(フィン間隔)Hを完全に区切るものではなく、また仕切り132はフィン130から下面側もしくは上面側に伸びるように片面のみに形成されていればよい。
フィン130から伸びる仕切り132の高さをh、流路高さ(フィン間隔)をHとすると、上述のように、h ≧ 0.3×H(仕切り高さが流路高さの30%以上)の場合、仕切り132によって、流路110を複数の流路111〜流路114に区切る効果、すなわち流路110の断面(流路に対して直交する断面)内における冷媒10の流速分布の偏りを防止する効果が得られる。
すなわち、この実施の形態2の冷却ジャケット100Bの場合には、上述の冷却ジャケット100Aと同等の冷却効率の向上を実現できる。
さらに、本実施の形態2のフィン130では、片面に高さの比較的低い仕切り132を突設するだけでよく、フィン130の構造の簡単化、所要材料の使用量の削減が可能であり、フィン130の加工コストならびに素材コストの低減、すなわち、冷却ジャケット100Bの製造コストの低減や、軽量化を実現できる。
<実施の形態3>
実施の形態2の変形として、実施の形態3を図11および図12に示す。図11は実施の形態3において、ケース103の上部を破断して示す斜視図である。また、図12は図11における線C−Cで示される部分の断面図である。
図12に示すように、本実施の形態3の冷却ジャケット100Cでは、複数の円盤状のフィン140の各々は、中央の筒状のスリーブ141、および片面に突設される仕切り142がプレス加工による一体成形加工にて製作されている。
フィン140には、開口部の隔壁104を挟んで冷媒入口105、冷媒出口106に臨む位置に切欠部144が設けられている。
フィン140およびフィン140上の仕切り142はプレス成形により作成されるので、大量生産する場合、切削加工で作成するものに比べコスト的に優れている。フィン140に設けられた流路110を同心円状に区切る仕切り142は流路高さ(フィン間隔H)を完全に区切るものではなく、また仕切り142はフィン140から下面側もしくは上面側に伸びる形状の片方のみでよい。フィン140から伸びる仕切り142の高さをh、流路高さ(フィン間隔)をHとすると、h≧0.3×H(仕切り高さが流路高さの30%以上)の場合に、仕切り142による冷媒10の流速分布の偏り防止効果、すなわち、フィン140からの放熱効率の向上の効果が得られる。
なお、仕切り142のフィン140の表面(水平部)に対する内径側の角度θは90°に近いことが望ましい。
また、図13は量産時の円柱102へのフィン140の取り付け作業のイメージを示す分解組立図であり、プレス成形されたフィン140が座107とともに円柱102に等間隔にはめ込まれて組み立てられる。
このように、本実施の形態3の冷却ジャケット100Cによれば、上述の実施の形態2の冷却ジャケット100Bと同様の効果が得られるとともに、フィン140のプレス加工による量産効果によって、より低コストにて高性能の冷却ジャケット100Cを製造できるという利点がある。
<実施の形態4>
図14は、本発明の実施の形態4である冷却ジャケット100Dの一部を破断して示す斜視図、図15は、図14において線D−Dの部分の断面図である。
図15に示すように、本実施の形態の冷却ジャケット100Dは、上下両面の同心円上で対向する同一位置に仕切り152および仕切り153がそれぞれ突設された円盤状のフィン150を備えている。複数のフィン150は、中央部のスリーブ151を円柱102に挿通させることによって、隣り合うフィン150が所定のフィン間隔Hで積み重ねられるように配置されている。
フィン150には、隔壁104を挟んで冷媒入口105、冷媒出口106に臨む位置に切欠部154が設けられている。
この場合、フィン150に設けられた仕切り152および仕切り153は、低く設定されており、流路高さ(フィン間隔H)を完全に区切るものではない。
すなわち、隣り合う二つのフィン150の上面に突設された仕切り152と、下面に設けられた仕切り153は、所定の間隙をなして互いに対向している。
上側のフィン150から下面側に伸びる仕切り153の高さをh1、下側のフィン150から上面側に伸びる仕切り152の高さをh2、流路高さ(フィン間隔)をHとすると、(h1+h2)≧0.3×H、の場合(仕切り高さh1、h2の和が流路高さの30%以上)に、仕切り152、仕切り153による冷媒10の流速分布の偏り防止効果、すなわち、フィン150からの放熱効率の向上の効果が得られる。
<実施の形態5>
上述の実施の形態4に例示した冷却ジャケット100Dの変形として、実施の形態5の冷却ジャケット100Eを図16、図17に示す。
図16は実施の形態5の冷却ジャケット100Eにおいて、ケース103の上部を破断して示す斜視図である。また、図17は図16における線E−Eで示される部分の断面図である。
図17に示すように、この冷却ジャケット100Eの場合には、複数の円盤状のフィン160の各々は、上下両面の対向する面の各々において、互い違いの位置に仕切り162および仕切り163が、円柱102を中心として同心円状に突設されている。
また、個々のフィン160の中央部には、スリーブ161が設けられ、座107が配置された円柱102をこのスリーブ161に挿通させることで、円柱102の軸方向に複数のフィン160が、フィン間隔Hで装着されている。
フィン160には、隔壁104を挟んで冷媒入口105、冷媒出口106に臨む位置に切欠部164が設けられている。
個々のフィン160に設けられた、流路110を径方向にて区切る仕切り162および仕切り163の各々の高さは、流路高さ(フィン間隔H)よりも小さく設定され、流路110を完全に区切るものではない。
上側のフィン160の下面に突設された仕切り163の高さをh1、下側のフィン160の上面に突設された162の高さをh2、流路高さ(フィン間隔)をHとすると、h1≧0.3×Hかつh2≧0.3×Hの場合(仕切り高さh1、h2のそれぞれが流路高さの30%以上)に、仕切り162、仕切り163による冷媒10の流速分布の偏り防止効果、すなわち、フィン160からの放熱効率の向上の効果が得られる。
また、本実施の形態5の冷却ジャケット100Eの場合、フィン160における仕切り162および仕切り163の突設位置が上面と下面とで互い違いに設定されていることにより、個々のフィン160において、ほぼ半分の仕切り162および仕切り163の数、すなわち広いピッチ寸法(2×P)で、2倍の仕切りの数の場合と同等の狭いピッチ寸法P(配置間隔)を実現できる。
換言すれば、フィン160における仕切り162および仕切り163の個数を減らすことによる加工コスト、材料コストの低減や重量の軽減を実現しつつ、上述の冷却ジャケット100Dの場合と同等の、冷媒10の流速分布の偏り防止効果、すなわち、フィン160からの放熱効率の向上の効果が得られる。
<実施の形態6>
上述の実施の形態1に例示した冷却ジャケット100Aの変形例として、実施の形態6の冷却ジャケット100Fを図18、図19、図20、図21に示す。
図18は本実施の形態6の冷却ジャケット100Fの上方から見た斜視図であり、図19は図18において、ケース109の上部を取り外した斜視図である。
図19に示すように、本実施の形態6の冷却ジャケット100Fでは、円柱102の回りの冷媒10の流路110が、円柱102の中心軸を通る平面上に配置された隔壁104a、隔壁104bにより、流路110aおよび流路110bに2分割されている。
そして、一方の流路110aは冷媒入口105aと冷媒出口106aをもち、他方の流路110bは冷媒入口105bと冷媒出口106bを備えており、それぞれ独立に冷媒10の流通が可能な構成となっている。
図20は、冷却ジャケット100Fの上部を破断して例示した図19の平面図である。
冷媒入口105aから流入した冷媒10は流路110aを通り、円柱102の回りを反時計回りにほぼ半周する間にフィン120から熱を奪って冷媒出口106aから流出する。
一方、冷媒入口105bから流入した冷媒10は流路110bを通り円柱102の回りを時計回りにほぼ半周する間にフィン120から熱を奪って冷媒出口106bから流出する。
流路110aおよび流路110bの各々における冷媒10の流れは、仕切り122、仕切り123により区分された複数の流路111、流路112、流路113、流路114に分かれて通過するにより、遠心力による外径方向への移動が阻止され、最内径側の流路111と最外径側の流路114における冷媒10の速度差は小さくなる。
ここで、熱伝達の効率は冷媒10とフィン120との温度差に比例する。冷媒10がフィン120に対して長距離にわたって接触して熱交換した場合、冷媒10の温度が徐々に上がりフィンとの温度差が少なくなってくるため、流路下流では熱伝達の効率が下がってくる。
冷媒10がフィン120上を通過する距離は、上述の実施の形態1〜実施の形態5の冷却ジャケット100A〜冷却ジャケット100Eでは、流路110の略360°分(円柱102の回りに略全周)なのに対し、本実施の形態6の冷却ジャケット100Fでは略180°分(円柱102の回りに略半周)となっているため、熱伝達の効率が良くなり、より高い放熱効率を達成することが可能となる。
換言すれば、同一の放熱効率を上述の冷却ジャケット100A〜冷却ジャケット100Eの場合よりも小型の冷却ジャケット100Fによって達成することができる。
ところで、図20に例示されるように、流路110aおよび流路110bに区分した場合において、両者の冷媒入口105aと冷媒入口105b、および冷媒出口106aと冷媒出口106bを隣接して配置した場合、冷媒入口105aおよび冷媒入口105bに近い、冷媒10の流通方向の上流側に接する円柱102の領域の冷却効率が、冷媒出口106aおよび冷媒出口106bに近い下流側の領域よりも高くなる。
このため円柱102において、冷媒10の入口側の近傍に低温部102Lが発生し、出口側の近傍に高温部102Hが発生するような温度分布となる。
そこで、さらに、図21に示すように、冷却ジャケット100Fと同様の構造において、冷媒入口105bと冷媒出口106bの位置を反対に設定し、流路110aおよび流路110bの各々に反対向きに冷媒10を流すように冷却ジャケット100F’を使用する。この場合、冷媒入口105bと冷媒出口106bの役割を入れ換えるだけなので、冷却ジャケット100Fの構造の変更は必要ない。
これにより、発熱体900からの放熱を行う円柱102において、上流側の低温部102Lと下流側の高温部102Hの温度差が打ち消しあい、円柱102の全体を均一に冷却することが可能となる。
すなわち、円柱102を介して発熱体900を均一に冷却することが可能となる。この図21に例示される冷却ジャケット100Fの使用態様は、冷却の温度差に敏感な発熱体900の場合に特に有効である。なお、本実施の形態6では、流路110が2分割されているが、必要に応じてn分割(n:整数)した構成でもよい。
<実施の形態7>
図22は、本発明の一実施の形態である光源装置および表示装置の構成の一例を実施の形態7として示す概念図であり、図23は、その熱交換器系260を含めた全体構成の一例を示す概念図である。
現在、LED(Light Emitting Diode)などの発光素子を用いた光源が用いられており、さらに画像表示装置の光源としての利用が進められている。画像表示装置用の光源としては高輝度が要求されるが、LEDなどの発光素子は、通常の定常動作による発光では要求される輝度が得られ難い。
このため定常発光での電流値を超える電流を瞬間的に流し、瞬間的に輝度の高い光を取り出す方法がとられる。しかしながら、この手法では瞬間発光となるので、擬似的に連続光とするために、発光素子を多数並べ、それらを順次瞬間発光させ、瞬間光を順次光学系に取り出す技術が確立された。
この場合、大電流で瞬間発光する光源部の発熱が大きくなるため、光源部の効率的な冷却が不可欠となる。本実施の形態7は、このような光源部を回転光学系240に有する表示装置200の構成例を図22、図23に示している。
図22は主に、本実施の形態7の表示装置200における電気回路系、光学系および冷却系を示した模式図で、図23は図22の構造を線F−Fから見た図である。なお、図23には、冷却ジャケット210がその一部を破断して示され、図22で示されていない熱交換器系も合わせて例示する。
すなわち、本実施の形態7の表示装置200は、冷却ジャケット210、光源部の発光制御手段220、冷却ジャケット210の内周側に光源部として配設された発光素子230、および発光素子230から光線を導いて出射する回転光学系240とを備えた光源装置と、表示光学系250を含んでいる。
冷却ジャケット210は、上述した冷却ジャケット100Aとほぼ同様な構成を有するので、共通する部分は同一符号を付して重複した説明は割愛する。
すなわち、本実施の形態7においては、冷却ジャケット210は、伝熱部材としての円柱102の代わりに、発熱体となる複数の発光素子230が内周面に上下複数列(図では2列)で周方向に配列された筒状の保持手段211を備えた点が冷却ジャケット100Aと異なっている。
筒状の保持手段211は、熱伝導率が大きな材料からなる熱の良導体で構成され、発光素子230で発生した熱をフィン120に伝達して発光素子230を冷却する。
発光素子230としては、本実施の形態7の場合、表示光学系250におけるカラー表示のため、赤色発光素子231a、赤色発光素子231b、赤色発光素子231c、赤色発光素子231d、および青色発光素子232a、青色発光素子232b、青色発光素子232c、青色発光素子232d、および緑色発光素子233a、緑色発光素子233b、緑色発光素子233c、緑色発光素子233dが用いられる。
構造的には円筒形の保持手段211の内周面に上下2列で周方向に、赤色、緑色、青色の発光素子230の順に反復して規則的に配列される。
なお、本実施の形態7では、保持手段211は、一例として円筒形の場合が例示されているが、個々の発光素子230を簡易かつ安定に実装する観点からは、多角形の筒体構造を採用し、平坦な各辺の平面に個々の発光素子230を実装する構成が望ましい。
なお、発光素子230として、図22では赤色、青色、緑色それぞれ4個ずつを例示しているが、光源に要求される光量や各色の発光素子の性能により発光素子230の各色の個数は決められる。
筒状の保持手段211の内部には、モーター241、平行ロッド242、テーパーロッド243、プリズム244を含む回転光学系240が設けられている。
平行ロッド242は、発光素子230で発光される光線230aの光漏れ損失を防止するために外表面に反射処理が施されている。そして、平行ロッド242は保持手段211の径方向に光軸方向が一致するように配置され、平行ロッド242の外端部が発光素子230に臨み、内端部が、保持手段211の中心部に位置するプリズム244に接続されている。
このプリズム244には、保持手段211の軸方向に光軸方向が一致するように配置されたテーパーロッド243の小径側の下端部が接続されている。
テーパーロッド243には、光線230aの光漏れ損失を防止するために外表面に反射処理が施されている。
また、プリズム244は、モーター241によって、テーパーロッド243の光軸(すなわち保持手段211の中心軸)の回りに、赤色、青色、緑色に発光する発光素子230の配列方向に回転させられる。
テーパーロッド243の上端部には、当該テーパーロッド243の光軸にその光軸方向が一致するように、表示光学系250が配置されている。
表示光学系250は、光線230aを映像化する液晶等の画像変調手段251、映像化した光線230aを投影するレンズ系により構成される表示光学手段252およびスクリーン253を含んでいる。
そして、発光素子230から出射される照明光となる光線230aは、平行ロッド242の外端部から光軸方向に進んでプリズム244で90度の角度で反射され、テーパーロッド243の内部を光軸方向に進んで表示光学系250に出射される。
この場合、平行ロッド242、テーパーロッド243、プリズム244は、モーター241によって保持手段211の中心軸の回りに回転されるため、平行ロッド242の回転による外端部の位置が発光素子230の周方向の配列位置に一致したタイミングで当該発光素子230を発光させることにより、発光素子230から入射し、表示光学系250に出射される光線230aは、平行ロッド242の回転による外端部の位置に応じて、赤色、青色、緑色の順に周期的に変化する。
ここで、保持手段211の内周面に配設された発光素子230は、発光制御手段220により発光動作が制御される。
発光制御手段220は、タイミングコントローラー221、発光素子ON/OFF制御信号222、フォトダイオード223、モーター同期信号224、電流制御信号225、赤色発光素子用FET234a〜赤色発光素子用FET234d、青色発光素子用FET235a〜青色発光素子用FET235d、緑色発光素子用FET236a〜緑色発光素子用FET236d、電源制御回路237、電流制御回路238を含んでいる。
電源制御回路237は、発光素子230に発光電力を供給する。
電流制御回路238は、個々の発光素子230の発光効率等に応じて、当該発光素子230に対して印加される瞬間電流値を制御する。
赤色発光素子用FET234a〜赤色発光素子用FET234d、青色発光素子用FET235a〜青色発光素子用FET235d、緑色発光素子用FET236a〜緑色発光素子用FET236dは、この電流制御回路238によって制御された前記瞬間電流値の発光素子230に対する印加の有無(ON/OFF)、すなわち発光の有無を制御する。
フォトダイオード223は、モーター241によって回転される平行ロッド242の回転による外端部の位置を検出し、モーター同期信号224としてタイミングコントローラー221に出力する。
タイミングコントローラー221は、電流制御信号225を介して個々の発光素子230の電流制御回路238を制御する。
また、タイミングコントローラー221は、フォトダイオード223から入力されるモーター同期信号224に同期して、発光素子ON/OFF制御信号222により、平行ロッド242の回転による外端部の位置の発光素子230に対応した赤色発光素子用FET234a〜赤色発光素子用FET234d、青色発光素子用FET235a〜青色発光素子用FET235d、緑色発光素子用FET236a〜緑色発光素子用FET236dの各々のON/OFFを制御する。
以下、本実施の形態7の作用について説明する。
個々の発光素子230には電源制御回路237から電圧が与えられ、電流制御回路238からそれぞれの色の発光効率に応じた瞬間電流値が与えられる。
個々の発光素子230からの出射瞬間光(光線230a)はモーター241により駆動される平行ロッド242、テーパーロッド243、プリズム244の回転光学系240により取り出される。
すなわち、回転する平行ロッド242の回転による外端部の位置はフォトダイオード223により検出され、モーター同期信号224としてタイミングコントローラー221に送られる。タイミングコントローラー221は回転する平行ロッド242の外端部と対面する発光素子230に対応した各色の発光素子用FETに対する瞬間電流の印加のON/OFF(すなわち瞬間発光のON/OFF)を制御する発光素子ON/OFF制御信号222を出力することによって、回転する平行ロッド242に順次瞬間光を出射する。
出射瞬間光としての光線230aは、平行ロッド242中を進み、プリズム244により回転軸方向に略90度曲げられ、切頭した円錐状のテーパーロッド243を進む。なお、テーパーロッド243は外表面に反射処理が施された切頭した多角錐形状でも良い。
テーパーロッド243から出射した発光素子230からの瞬間光としての光線230aは液晶等の画像変調手段251により映像化され、レンズにより構成される表示光学手段252によりスクリーン253に投影される。
これらの発光素子230は照明光としての光線230aの出射時に電力を消費し、発光に使われなかった電力は熱に変わる。この際、発光素子230は高温になると発光効率が低くなったり、寿命が短くなったりするので、冷却する必要がある。
また、図22、図23のように多数の発光素子230が保持手段211に配置された場合、冷却の手法によっては個々の発光素子230の間で冷却温度のばらつきが生じる。このような温度差は、発光効率の差により発光輝度に差を生じさせたり、発光素子230の寿命に差を生じさせたりする。この結果、回転光学系240が1回転する中でも光線230aの輝度にばらつきが生じ、時間的に光線230aの輝度が安定しない光源となる。
本実施の形態7の場合、発光素子230からの熱は銅やアルミなどの熱伝導率が大きい材料で作られた保持手段211と、同じく銅やアルミなどの熱伝導率が大きい材料で作られたフィン120、仕切り122、仕切り123と、隔壁104を挟んで冷媒10の冷媒入口105と冷媒出口106を有するケース103により構成された冷却ジャケット210に冷媒10を流すことにより冷却される。
冷却ジャケット210の構造は、上述した前記実施の形態1〜6の冷却ジャケット100A〜冷却ジャケット100Fのいずれかの構成において、円柱102の代わりに保持手段211を備えた構成を適用する。
図22、図23では代表例として実施の形態1の冷却ジャケット100Aの構成を採用した場合が例示されている。図23は図22の構造を線F−Fの方向から見た平面図であり、ケース103の上部を破断して示している。
本実施の形態7における熱交換器系260は、継手261、チューブ262、ポンプ263、熱交換器264、を含んでいる。
冷却ジャケット210に供給される冷媒10はポンプ263により圧送され、冷却ジャケット210の内部の流路110を流通する。冷媒入口105から流入した冷媒10は、仕切り122、仕切り123で区切られた流路111〜流路114を通過しつつフィン120と熱交換を行い、保持手段211を介して発光素子230を冷却する。この冷却によって温度が上昇した冷媒10は冷媒出口106から出て、継手261と接続したチューブ262を通りポンプ263に導かれる。
ポンプ263により圧送される、温度が上昇した冷媒10は表示装置200の筐体の外部に設けられた熱交換器264に送られ、外気と熱交換を行う。必要であれば他のポンプにより熱交換器264に強制冷却流を導いて二次冷却を行っても良い。温度が低下した冷媒10はチューブ262、継手261を通って再度、冷却ジャケット210の冷媒入口105に導かれる。
なお、冷媒10として液体を用いた場合は図23のような外部との熱交換を行う熱交換器264を用いるが、冷媒10として表示装置200の筐体の外周部の空気を用いる場合は熱交換器264を用いず、直接、表示装置200の筐体の外周部の空気を、ポンプ263による圧送や、図示しないファンによる強制的な流動により冷媒入口105から吸入し、冷却ジャケット210で発光素子230との熱交換をさせ、温度が上昇した空気を直接、表示装置200の筐体外周部に排出しても良い。
なお、本実施の形態7においては、発熱体900は、円筒形の保持手段211の内面に配置された発光素子230であり、前述したように発光輝度差や寿命差をなくす目的で保持手段211の内周上の個々の発光素子230を、特に温度差なく均一に冷却する必要がある場合には、上述の実施の形態6で示した冷却ジャケット100Fの構造、あるいは実施の形態6の変形例の構造が適している。
本実施の形態7における表示装置200の光源装置に、上述した実施の形態6の冷却ジャケット100Fの構成を適用した構造例を図24、図25、図26、図27に示す。
すなわち、この実施の形態7の場合、冷却ジャケット100Fの円柱102の代わりに、内周面に複数の発光素子230が配置された筒状の保持手段211が設けられる。
継手261、チューブ262は、流路110a、流路110b(冷媒入口105a、冷媒入口105b、冷媒出口106a、冷媒出口106b)の数に合わせて設ける。ポンプ263および熱交換器264は、流路毎に複数個設けてもよいし、共通に使用するようにしてもよい。
この冷却ジャケット100Fの構成を冷却ジャケット210として用いた場合の効果は実施の形態6に記述したとおりであり、保持手段211の内周の周方向における冷却温度が均一化され、当該周方向に配列された複数の発光素子230の各々の冷却温度を均一化することができる。
特に、図27に例示されるように、二分された流路110aと流路110bの各々を流れる冷媒10の流通方向が逆の冷却ジャケット210(冷却ジャケット100F)の使用態様が、発光素子230の均一な冷却の観点からは、より望ましい。
このように、本実施の形態7によれば、冷却ジャケット210として、冷却ジャケット100A〜冷却ジャケット100F等の構成を採用することで、冷却ジャケット210の小型化により、冷却ジャケット210によって冷却される光源装置や光源装置を備えた表示装置200の小型化が実現できる。
また冷却ジャケット210の冷却能力を向上させることにより、発熱量の比較的大きな、より明るい発光素子230を光源装置に利用できるようになり、結果として明るい光源装置や明るい光源装置を備えた高画質、高性能な表示装置200を実現することができる。
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
たとえば、流路の形状としては、円環形状に限らず、楕円環形状、多角環形状、蛇行環形状、屈曲環形状等のように、流路の曲がりによって冷媒に遠心力が作用する曲折形状に適用できる。
本発明の実施の形態1である冷却ジャケット100Aの上方からの斜視図である。 本発明の実施の形態1である冷却ジャケット100Aの下方からの斜視図である。 本発明の実施の形態1である冷却ジャケット100Aの一部を破断して示す斜視図である。 本発明の実施の形態1である冷却ジャケット100Aの一部を破断して示す平面図である。 図1の線A−Aで示される部分の断面図である。 本発明の実施の形態1である冷却ジャケット100Aにおけるフィンの組み立て方法の一例を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態1である冷却ジャケット100Aの変形例を示す断面図である。 フィンに突設される仕切りの流路高さに対する割合と、発熱体の温度上昇との関係の測定結果を例示した線図である。 本発明の実施の形態2である冷却ジャケット100Bの上部を破断して示す斜視図である。 図9の線B−Bで示される部分の断面図である。 本発明の実施の形態3である冷却ジャケット100Cの上部を破断して示す斜視図である。 図11の線C−Cで示される部分の断面図である。 本発明の実施の形態3である冷却ジャケット100Cにおけるフィンの組み立て方法の一例を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態4である冷却ジャケット100Dの上部を破断して示す斜視図である。 図14の線D−Dの部分の断面図である。 本発明の実施の形態5である冷却ジャケット100Eの上部を破断して示す斜視図である。 図16の線E−Eで示される部分の断面図である。 本発明の本実施の形態6である冷却ジャケット100Fの上方から見た斜視図である。 図18に例示される冷却ジャケット100Fの上部を破断して示す斜視図である。 図19に例示される冷却ジャケット100Fの平面図である。 19に例示される冷却ジャケット100Fの使用態様の変形例を示す平面図である。 本発明の一実施の形態である光源装置および表示装置の構成の一例を実施の形態7として示す概念図である。 本発明の一実施の形態である光源装置および表示装置の熱交換器系を含めた全体構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である光源装置および表示装置に備えられる冷却ジャケットの変形例を示す斜視図である。 図24に例示される冷却ジャケットの上部を破断して示す斜視図である。 図25に例示される冷却ジャケットの平面図である。 図26に例示される冷却ジャケットの使用態様の変形例を示す平面図である。
符号の説明
10 冷媒
100A 冷却ジャケット
100B 冷却ジャケット
100C 冷却ジャケット
100D 冷却ジャケット
100E 冷却ジャケット
100F 冷却ジャケット
100F’ 冷却ジャケット
101 ベース
102 円柱
102H 高温部
102L 低温部
102a 伝熱構造体
103 ケース
104 隔壁
104a 隔壁
104b 隔壁
105 冷媒入口
105a 冷媒入口
105b 冷媒入口
106 冷媒出口
106a 冷媒出口
106b 冷媒出口
107 座
109 ケース
110 流路
110a 流路
110b 流路
111 流路
112 流路
113 流路
114 流路
120 フィン
121 スリーブ
122 仕切り
123 仕切り
124 切欠部
130 フィン
131 スリーブ
132 仕切り
134 切欠部
140 フィン
141 スリーブ
142 仕切り
144 切欠部
150 フィン
151 スリーブ
152 仕切り
153 仕切り
154 切欠部
160 フィン
161 スリーブ
162 仕切り
163 仕切り
164 切欠部
200 表示装置
210 冷却ジャケット
211 保持手段
220 発光制御手段
221 タイミングコントローラー
222 発光素子ON/OFF制御信号
223 フォトダイオード
224 モーター同期信号
225 電流制御信号
230 発光素子
230a 光線
231a〜231d 赤色発光素子
232a〜232d 青色発光素子
233a〜233d 緑色発光素子
234a〜234d 赤色発光素子用FET
235a〜235d 青色発光素子用FET
236a〜236d 緑色発光素子用FET
237 電源制御回路
238 電流制御回路
240 回転光学系
241 モーター
242 平行ロッド
243 テーパーロッド
244 プリズム
250 表示光学系
251 画像変調手段
252 表示光学手段
253 スクリーン
260 熱交換器系
261 継手
262 チューブ
263 ポンプ
264 熱交換器
900 発熱体
H フィン間隔
P 仕切りのピッチ寸法
θ 仕切りの角度

Claims (21)

  1. 冷媒が流通する曲折した流路と、
    前記流路内に配置されたフィンと、
    曲折した前記流路を流通する前記冷媒に作用する遠心力の作用方向にて前記流路を区切るように前記フィンに突設された仕切り部と、
    を含むことを特徴とする冷却ジャケット。
  2. 請求項1記載の冷却ジャケットにおいて、
    前記流路は、発熱体に熱的に接続された伝熱部材の周囲に略環状に配置され、
    複数の前記フィンが、前記遠心力の作用方向に略平行に所定の配列間隔で配置されていることを特徴とする冷却ジャケット。
  3. 請求項2記載の冷却ジャケットにおいて、
    隣り合う前記フィンの各々に突設された前記仕切り部が互いに接することで、前記流路が独立な複数の流路に分離されることを特徴とする冷却ジャケット。
  4. 請求項2記載の冷却ジャケットにおいて、
    隣り合う前記フィンの一方に前記仕切り部が突設され、前記仕切り部の高さは、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする冷却ジャケット。
  5. 請求項2記載の冷却ジャケットにおいて、
    隣り合う前記フィンの双方の前記作用方向における対向する面の同一位置にそれぞれ前記仕切り部が突設され、前記仕切り部の高さの和は、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする冷却ジャケット。
  6. 請求項2記載の冷却ジャケットにおいて、
    隣り合う前記フィンの双方の前記作用方向における対向する面の異なる位置に互い違いにそれぞれ前記仕切り部が突設され、個々の前記仕切り部の高さの和は、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする冷却ジャケット。
  7. 請求項2記載の冷却ジャケットにおいて、
    前記伝熱部材の周囲に前記複数のフィンに区分けされて複数の前記流路が配置され、個々の前記流路に対する前記冷媒の入口部および前記冷媒の出口部が隣り合うように配置されていることを特徴とする冷却ジャケット。
  8. 照明光を出射する複数の発光素子と、
    前記発光素子を保持する保持手段と、
    前記保持手段を介して前記発光素子の冷却を行う冷却ジャケットと、を含み、
    前記冷却ジャケットは、
    冷媒が流通する曲折した流路と、
    前記流路内に配置され、前記保持手段と熱的に接続されたフィンと、
    曲折した前記流路を流通する前記冷媒に作用する遠心力の作用方向にて前記流路を区切るように前記フィンに突設された仕切り部と、
    を含むことを特徴とする光源装置。
  9. 請求項8記載の光源装置において、
    前記流路はほぼ環状を呈し、前記保持手段は前記流路の内周壁面の一部を構成し、
    複数の前記フィンが、前記遠心力の作用方向に略平行に所定の配列間隔で配置されていることを特徴とする光源装置。
  10. 請求項9記載の光源装置において、
    隣り合う前記フィンの各々に突設された前記仕切り部が互いに接することで、前記流路が独立な複数の流路に分離されることを特徴とする光源装置。
  11. 請求項9記載の光源装置において、
    隣り合う前記フィンの一方に前記仕切り部が突設され、前記仕切り部の高さは、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする光源装置。
  12. 請求項9記載の光源装置において、
    隣り合う前記フィンの双方の前記作用方向における対向する面の同一位置にそれぞれ前記仕切り部が突設され、前記仕切り部の高さの和は、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする光源装置。
  13. 請求項9記載の光源装置において、
    隣り合う前記フィンの双方の前記作用方向における対向する面の異なる位置に互い違いにそれぞれ前記仕切り部が突設され、個々の前記仕切り部の高さの和は、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする光源装置。
  14. 請求項9記載の光源装置において、
    前記保持手段の周囲に複数の前記流路が略環状に配置され、
    個々の前記流路に対する前記冷媒の入口部および前記冷媒の出口部が隣り合うように配置されていることを特徴とする光源装置。
  15. 発光素子を冷却する冷却ジャケットを備え、前記発光素子から照明光を出射する光源部と、
    前記照明光を画像情報に応じて変調する画像変調手段と、
    前記画像変調手段で変調された変調光を目視可能に表示する表示光学系と、
    を含む表示装置であって、
    前記冷却ジャケットは、
    冷媒が流通する曲折した流路と、
    前記流路内に配置され、前記発光素子を保持する保持手段と熱的に接続されたフィンと、
    曲折した前記流路を流通する前記冷媒に作用する遠心力の作用方向にて前記流路を区切るように前記フィンに突設された仕切り部と、
    を含むことを特徴とする表示装置。
  16. 請求項15記載の表示装置において、
    前記冷却ジャケットの前記流路は、内周面に前記発光素子が配置された筒状の前記保持手段の周囲に略環状に配置され、
    複数の前記フィンが、前記遠心力の作用方向に略平行に所定の配列間隔で配置されていることを特徴とする表示装置。
  17. 請求項16記載の表示装置において、
    隣り合う前記フィンの各々に突設された前記仕切り部が互いに接することで、前記流路が独立な複数の流路に分離されることを特徴とする表示装置。
  18. 請求項16記載の表示装置において、
    隣り合う前記フィンの一方に前記仕切り部が突設され、前記仕切り部の高さは、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする表示装置。
  19. 請求項16記載の表示装置において、
    隣り合う前記フィンの双方の前記作用方向における対向する面の同一位置にそれぞれ前記仕切り部が突設され、前記仕切り部の高さの和は、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする表示装置。
  20. 請求項16記載の表示装置において、
    隣り合う前記フィンの双方の前記作用方向における対向する面の異なる位置に互い違いにそれぞれ前記仕切り部が突設され、前記仕切り部の高さの和は、前記隣り合うフィン間隔のほぼ30%以上となっていることを特徴とする表示装置。
  21. 請求項16記載の表示装置において、
    前記冷却ジャケットは、前記保持手段の周囲に略環状に配置された複数の前記流路を備え、
    前記流路の各々毎に設けられた前記冷媒の入口部および前記冷媒の出口部が隣り合うように配置されていることを特徴とする表示装置。
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