JP2008306084A

JP2008306084A - 冷却装置

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Publication number: JP2008306084A
Application number: JP2007153549A
Authority: JP
Inventors: Hisaharu Yagi; 久晴八木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-11
Also published as: JP4728285B2

Abstract

【課題】イオン風を利用した冷却装置において、湿度の影響を受けずに安定してイオン風を発生させる。
【解決手段】放電電極１と対向電極２との間に、高電圧を印加して、放電を起こし、イオン風を発生する。イオン風によって被冷却部である電球４を冷却する。電球４と放電電極１との間に、熱伝導部１０を設け、電球４と放電電極１とは熱的に接続される。電球４からの熱が、熱伝導部１０を通じて放電電極１に伝達し、放電電極１が加熱される。高湿度の環境になっても、放電電極１には水分が付着せず、安定した放電が起こる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電により発生したイオン風を利用した冷却装置に関する。

近年のテレビ、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末などの電子機器においては、データの処理速度の著しい増大や、装置の小型化に伴う部品の高密度集積化などにより、部品の発熱による温度上昇が大きくなっている。そのため、効率よく放熱するための工夫が必要にされる。小型機器における冷却方法として、一般に送風ファンが多く用いられている。送風ファンは動作時に風切音が発生する問題と、駆動機構の磨耗による劣化が激しいという問題がある。

そこで、上記の問題を解決するため、駆動機構のない冷却方式が期待されており、その冷却方式として、イオン風を用いて、冷却することが提案されている。

例えば特許文献１には、放電により発生させたイオン風を用いて、複写機のコンタクトガラス１００を冷却するものが開示されている。図５に示すように、コンタクトガラス１００は輻射熱により加熱される箇所であり、イオン風送風部１０１はタングステンワイヤ１０２からなる放電電極と、該ワイヤ１０２よりコンタクトガラス側に位置する電極板１０３、１０４より構成されている。電極板１０３、１０４は接地されている。

電源１０５からタングステンワイヤ１０２に高電圧が印加されると、コロナ放電が発生する。これにより、イオン風が生じ、イオン風は、ワイヤ１０２と電極板１０３、１０４の近傍の空気を押し出すように作用し、コンタクトガラス１００に向かう風Ａが発生する。この風によって、コンタクトガラス１００が冷却される。

また、他の先行技術として、特開昭６０−２００２７号公報には、冷却した空気をイオン風を用いて室内へ送り込むことにより、室内の気温を制御する冷却装置が提案されている。実開昭６０−６９９７７号公報には、冷蔵庫内にイオン風発生装置を配置し、冷蔵庫内を循環させることが記載されている。実開昭６１−１７８９４０号公報には、セラミックス材料等を構成要素とする放電電極を用いた送風機が記載されている。特開昭６１−２７９４５１号公報には、精密機械において、イオン風の制御により、対象とする機器の温度制御を行うことが記載されている。特開平４−１０３４２９号公報には、熱交換器を形成するチューブの上流に線電極を配置して、該電極からチューブへ向かうイオン風により、効率よく冷却風を発生することが記載されている。特開平１０−２４１５５６号公報には、コロナ発生電極からコロナを発生させることによりイオン風を生じさせ、プラズマディスプレイの冷却を行うことが記載されている。特開２００３−８８３４７号公報には、冷凍装置内部にイオン風発生装置を配置し、内部に冷気を循環させることが記載されている。特開２００５−２７５２００号公報には、投射型映像表示装置の冷却装置として、イオン風発生装置を利用することが記載が示されている。
特開昭５９−１７１９６４号公報

イオン風を冷却に利用する場合、外部から比較的低温の空気を導入する必要がある。外部の湿度条件等が様々に変化するため、外部から空気が流入すると、放電電極とこれに対向する対向電極との間の放電領域の湿度が変化し、放電効率が変動するという問題がある。

すなわち、放電電極表面に水分が付着し、電界を弱めることや、電流の流れを阻害することなどが放電効率の変動の原因となると考えられる。極端な場合には、放電電極が結露することにより放電が停止し、イオン風が生じないという問題が発生する。

本発明は、上記に鑑み、湿度の変化の影響を受けないようにすることにより、安定して発生するイオン風を利用した冷却装置の提供を目的とする。

本発明は、放電電極と、放電電極に対向して配置された対向電極とを備え、両電極間での放電により発生したイオン風を利用して、被冷却部を冷却する冷却装置であって、被冷却部の熱を放電電極に伝えて、放電電極を加熱するための熱伝導部を備えたものである。

被冷却部と放電電極とは熱伝導部によって、熱的に接続される。被冷却部は発熱し、イオン風によって冷却される。被冷却部の熱の一部は、熱伝導部を通じて放電電極に伝達される。放電電極が加熱されることにより、周囲の湿度が高くなっても、放電電極への水分の付着を防げる。これにより、放電の安定化を図れ、冷却のために常にイオン風を利用することができる。

被冷却部は、イオン風の流れ方向において、放電電極よりも上流側に位置し、被冷却部から放電電極に通じる通風路が設けられる。イオン風の発生に伴い、放電電極よりも上流側の空気が吸い込まれ、通風路内に下流側に向かう風が生じる。この風により、被冷却部から放射された熱が放電電極に運ばれ、放電電極が温められる。したがって、熱伝導部からの熱に温風も加わり、放電電極を効率よく加熱できる。

熱伝導部は、被冷却部と放電電極とを電気的に絶縁する。放電電極に印加される高電圧が被冷却部に漏れることを防止でき、被冷却部の電気的安定性を維持できる。

熱伝導部は、被冷却部と放電電極との間に介装された熱伝導体と、熱伝導体と被冷却部あるいは放電電極との間に介装された電気絶縁材とを有する。電気絶縁材により、被冷却部と放電電極とが電気的に絶縁される。電気絶縁材が熱を伝えることにより、被冷却部と放電電極との熱的な接続は確保される。

熱伝導部が断熱材で覆われる。被冷却部からの熱が伝わる途中で、放熱されるのを防げる。そのため、放電電極に効率よく熱を伝達できる。

放電電極と対向電極との間に高電圧を印加する駆動部を備え、被冷却部の動作に連動して、駆動部が動作する。すなわち、被冷却部が動作していないとき、駆動部は動作しない。これによって、無駄な電力の消費をなくせる。そして、被冷却部が動作すると、発熱する。このとき、駆動部は連動して動作するので、イオン風が発生し、被冷却部が冷却される。

冷却用の送風ファンが設けられ、送風ファンによる冷却とイオン風による冷却のうち、いずれか一方が利用される。イオン風による冷却では対応できない場合、送風ファンが動作する。このとき、大風量の風が発生するので、冷却効果は高まる。必要に応じて送風ファンによる冷却とイオン風による冷却とを切り替えることにより、無駄に動作させることがなくなり、効率的に冷却を行える。

被冷却部の温度を検出する温度センサが設けられ、所定の温度を超えたとき、送風ファンが動作する。所定の温度に達するまでは、イオン風による冷却が行われ、動作時の静音化を図れる。

本発明によると、被冷却部の熱を利用して、放電電極を加熱することにより、高湿度等の放電を不安定にさせる環境下でも、放電電極への水分の付着を防止して、安定した放電を行える。これによって、安定した冷却効果が得られる冷却装置を実現できる。

本発明の冷却装置を図１に示す。本冷却装置は、空気中に荷電粒子を放出する放電電極１と、放電電極１に対向して配置され、荷電粒子を捕集する対向電極２と、両電極１、２間に高電圧を印加する駆動部３とを備えている。

この冷却装置は、照明装置の冷却用に用いられる。図中、４は電球、５は電源線、６はスイッチ、７は電球取付部、８は筐体である。

そして、冷却装置は、イオン風を利用して、発熱する電球４を冷却する。この電極４が被冷却部とされ、被冷却部と放電電極１とを熱的に接続する熱伝導部１０を備えている。

放電電極１は、タングステン製ワイヤを針状に形成した針電極であり、電気絶縁性の取付台１１に取り付けられている。対向電極２は、ステンレス製の網であり、導電性の支持部材（図示せず）によって筐体８に支持されている。放電電極１と対向電極２とは、所定の間隔をあけて配置され、放電電極１の先端は、電球４に向いている。すなわち、イオン風の流れ方向の下流側に電極４が位置し、上流側にイオン風発生部が位置する。

熱伝導部１０は、電球４と放電電極１との間に介装された熱伝導体１２を有する。熱伝導体１２は、金属製の棒からなり、筐体８に固定される。この棒は、銅製とされ、全長５ｃｍ、断面積１ｃｍ^２である。

熱伝導体１２の一端が、取付台１１に接続され、熱伝導体１２が取付台１１を支持する。熱伝導体１２の他端が、電球取付部７に接続される。熱伝導体１２は、断熱材１３により覆われている。断熱材１３は、電気絶縁性のプラスチックからなる。

このように、熱伝導部１０は、電球４と放電電極１との間に、電球取付部７、熱伝導体１２、取付台１１を配置することにより、これらを通じて電球４の熱を放電電極１に伝える。また、電球４と放電電極１との間に、電気絶縁材である取付台１１が介装されることにより、電球４と放電電極１とは電気的に絶縁される。

駆動部３は、高電圧を発生させるための高圧トランスを有する高電圧発生回路と、高電圧発生回路に所定の範囲内の電圧を供給するスイッチング回路と、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換してスイッチング回路に供給する整流回路と、高電圧発生回路からの出力電圧が一定になるようにスイッチング回路を制御する制御回路とを有する。なお、駆動電源として交流電源が使用されるが、直流電源を使用してもよい。この場合、整流回路は不要となる。

駆動部３の一方の出力端子は、リード線１４を介して放電電極１に接続され、他方の出力端子は、リード線１４を介して対向電極２に接続される。また、駆動部３は、電源線５に接続され、電源の供給を受ける。

電球４および駆動部３は、制御部によって動作が制御される。ユーザの操作により、制御部は、スイッチ６をオンする。電球４に電流が流れ、点灯する。これに伴い、電球４は発熱する。一方、駆動部３にも電流が流れ、駆動部３が連動して動作する。放電電極１と対向電極２との間に約６ｋＶの高電圧が印加される。両電極１、２の間で、コロナ放電が発生し、放電電極１から生成した荷電粒子は、対向電極２に向かって空気中を移動する。これに伴いイオン風が矢印Ｂの方向に進み、電球４を冷却する。

このとき、電球４で発生した熱の一部は、熱伝導体１２を介して放電電極１に伝わり、放電電極１は加熱される。なお、熱伝導体１２は断熱材１３によって保護されているため、電球４から放電電極１まで離れていても、途中での放熱を防止でき、効率よく熱を伝えることができる。

放電電極１が加熱されることにより、冷却装置の周囲が高湿度の環境であっても、放電電極１に付着した水分が蒸発しやすくなる。そのため、放電が妨げられることがなくなって、安定した送風が可能となり、冷却装置の安定した動作を実現できる。

このように、イオン風を利用した送風によって電球４からの放熱を助長するとともに、熱の一部を放電電極１に伝達することによっても、電球４を冷却できる。したがって、効果的に電球４を冷却でき、異常な加熱による電球４の破損や寿命の低下を防ぐことができる。

また、送風ファンを使用しないので、騒音が小さくなる。さらに、放電電極１と電球４とは電気的に分離されているので、高電圧が電球４に供給されることを防止でき、発光への影響を及ぼさない。しかも、電球交換に伴う人間の作業への感電等の悪影響も防げる。

なお、本実施の形態では、スイッチ６のオンにより、電球４の発光と、イオン風の発生が同時に行える構成であるが、電球４への通電を検出する電流センサを設け、制御部は、通電時にのみ駆動部３が動作するように制御してもよい。また、被冷却部は、電球４に限定されるものではなく、調理用の発熱部や、工業用の発熱部を有する機器などにも、本冷却装置は適用可能である。

他の実施の形態の冷却装置を図２に示す。本冷却装置は、ＬＥＤモジュールの冷却用に用いられる。図中、２０は基板、２１はＬＥＤパッケージ、２２は透明パネル、２３はＬＥＤチップ、２４はリードフレーム、２５はＬＥＤ駆動部である。ＬＥＤパッケージ２１およびＬＥＤチップ２３を備えたＬＥＤ２６は、基板２０と透明パネル２２との間の空間に配される。このＬＥＤ２６は、発光することにより発熱するので、被冷却部となる。

冷却装置の基本的な構成は、上記の実施形態と同じである。放電電極１は、ＬＥＤチップ２３を搭載したリードフレーム２４上に導電性の保持材２７を介して設置される。放電電極１には、ＬＥＤチップ２３と同極性の電圧が印加される。対向電極２は、基板２０と透明パネル２２とに挟まれて支持される。

そして、ＬＥＤ２６の存在する空間に、両電極１、２が配置され、放電電極１は、被冷却部であるＬＥＤ２６に近い側に配され、対向電極２は遠い側に配される。図中矢印Ｂで示す方向にイオン風が流れる。すなわち、この空間が通風路２８となり、イオン風の流れによって、通風路２８の上流側から外部の空気が流入する。ＬＥＤ２６は、イオン風の流れ方向において、放電電極１の上流側に位置する。

熱伝導部は、ＬＥＤチップ２３を搭載したリードフレーム２４とされる。ＬＥＤパッケージ２１は、アクリル樹脂からなり、断熱材として機能する。リードフレーム２４の熱伝導係数は、ＬＥＤパッケージ２１の熱伝導係数より大とされる。したがって、ＬＥＤ２６からの熱がリードフレーム２４を通じて放電電極１に効果的に伝達される。

ＬＥＤ２６では、制御部からの指示によって、ＬＥＤ駆動部２５から電流が供給され、ＬＥＤチップ２３が発光する。また、同時に駆動部３から約７ｋＶの正電圧が対向電極２に印加される。放電電極１には、ＬＥＤ駆動部２５から負電圧が印加される。すなわち、駆動部３は、ＬＥＤ２６に連動して動作するように制御部により制御される。なお、対向電極２に高電圧を印加するので、放電電極１とＬＥＤ２６とは電気的に絶縁しなくても、ＬＥＤ２６は高電圧の影響を受けない。

放電電極１と対向電極２との間に生じた高電界により放電が起こり、イオン風が発生する。このイオン風により、通風路２８内に外部から空気が流入し、ＬＥＤ２６に向かって流れる。発熱しているＬＥＤ２６から熱が奪われ、ＬＥＤ２６は放熱する。温められた空気は、通風路２８の下流側から外部に排出される。

また、ＬＥＤ２６で生じた熱はリードフレーム２４を通じて放電電極１に伝達され、放電電極１は、加熱される。外部から湿った空気が流入しても、放電電極１の周辺の空気は加熱され、湿度が低下する。放電電極１では、結露等による水分の付着が抑制され、放電が妨げられることがない。

しかも、ＬＥＤ２６によって温められた空気が放電電極１を通過する。外部から取り込まれた空気の湿度が変動した場合でも、放電電極１に達する空気の温度が上昇するため、飽和蒸気圧が増大し、結露が抑制される。このように、リードフレーム２４からの熱伝導と温風との相乗効果により、安定したイオン風の発生が可能になる。

ここで、本実施の形態のＬＥＤモジュールを室内で連続動作させたところ、通風路２７内の風速は毎秒２ｍであった。また、放電電極１の温度は加熱の影響で約５０℃に保たれ、結露がなく、長時間の安定した駆動が可能であることを確認できた。

他の実施の形態の冷却装置を図３に示す。本冷却装置は、パーソナルコンピュータの制御基板３０およびＣＰＵ（中央制御装置）３２の冷却に用いられる。制御基板３０の上には、電子部品３１、ＣＰＵ３２が搭載されている。また、被冷却部であるＣＰＵ３２の上には、グリス３３、金属製熱伝導板３４、セラミック薄板３５が積層されている。

セラミック薄板３５の上に、冷却装置が設けられる。すなわち、放電電極１および駆動部３がセラミック薄板３５の上面に搭載され、放電電極１の上方に、対向電極２が配される。対向電極２は、駆動部３に設けられた導電性の支持材３６によって保持される。放電電極１は、先端が尖った山形状に形成され、放電電極１の根元が、テフロン製の断熱材３７に覆われている。

ここでは、ＣＰＵ３２と放電電極１との間にある、グリス３３、熱伝導板３４およびセラミック薄板３５によって、熱伝達性に優れている熱伝導部１０が構成される。そして、熱伝導板３４が熱伝導体とされる。セラミック薄板３５が電気絶縁材とされ、ＣＰＵ３２を放電電極１から電気的に絶縁する。

パーソナルコンピュータの電源がオンされると、ＣＰＵ３２が動作を開始する。ＣＰＵ３２は、駆動部３の動作を制御する。そのため、ＣＰＵ３の動作と同時に、駆動部３が連動して動作する。放電電極１に駆動部３から高電圧が印加され、放電が起こり、上方に向かってイオン風が生じる。このイオン風により、周囲の空気が放電電極に向かって吸い込まれ、図中の矢印Ｃで示す風の流れが生じる。この風により、ＣＰＵ３２から放射される熱が上方に向かって運ばれ、ＣＰＵ３２の放熱が促進され、ＣＰＵ３２が冷却される。したがって、ＣＰＵ３２の温度上昇が抑制され、安定したＣＰＵ３２の動作が保障される。

一方、ＣＰＵ３２からの熱は、グリス３３、熱伝導板３４およびセラミック薄板３５を通じて、放電電極１に伝達される。放電電極１は加熱され、結露することがなく、安定した放電およびイオン風の発生が可能になる。

また、放電電極１の根元は、先端よりも断面積が大とされるので、ＣＰＵ３２からの熱がセラミック薄板３５を通じて効率よく伝達される。しかも、断熱材３７で覆われているので、周囲から吸い込んだ風によって放熱することを防止できる。これにより、放電電極１の先端に熱を集中させることができ、放電電極１が効率よく加熱される。したがって、放電電極１は、高湿度の空気に触れても、結露することがない。

本実施の形態の冷却装置において、図４に示すように、送風ファン４０が追加される。送風ファン４０は、対向電極２の上方に配置される。送風ファン４０は、駆動部３から供給される電源によって駆動される。

そして、ＣＰＵ３２の温度を検出する温度センサ４１が設けられ、駆動部３は、検出された温度に基づいて、放電電極１の動作を制御するとともに、送風ファン４０の動作を制御する。なお、温度センサ４１は、直接ＣＰＵ３２の温度を検出してもよいが、ＣＰＵ３２からの熱が伝わってくるセラミック薄板３５の表面温度を検出してもよい。

すなわち、駆動部３は、ＣＰＵ３２が低温のとき、イオン風により冷却する第１モードを実行し、ＣＰＵ３２が高温のとき、送風ファン４０により冷却する第２モードを実行する。

ＣＰＵ３２が動作を開始したとき、まだＣＰＵ３２の温度は低いので、駆動部３は放電電極１に電圧を印加しない。ＣＰＵ３２の温度が第１所定温度に達したとき、駆動部３は、放電電極１に高電圧を印加する。イオン風が発生して、上記のような騒音のない冷却が行われる。しかも、放電によりイオン風を発生する場合、送風ファン４０を動作させるよりも消費電力が低い。したがって、通常の冷却のときには、低消費電力化を図れる。

ＣＰＵ３２の温度が第１所定温度より高い第２所定温度に達すると、駆動部３は、放電電極１への電圧印加を停止し、送風ファン４０に電源を供給する。送風ファン４０が動作すると、風量が増し、周囲の空気が大量に吸い込まれ、冷却効果が高まる。ただし、騒音が発生する。そして、ＣＰＵ３２の温度が第１所定温度まで低下すると、送風ファン４０が停止し、放電電極１に高電圧が印加されて、イオン風による冷却が行われる。

このように、段階的に冷却装置の運転を行うことにより、冷却の必要がないときには、運転されないので、低消費電力を実現できる。そして、冷却の程度に応じて送風量を調整した運転を行うことにより、通常の運転では静音化を実現できる。そして、強制的な冷却が必要になると、大風量となるので、高速に冷却することができ、被冷却部が異常な高温になることを防げる。

以上のように、本発明の冷却装置では、発熱する被冷却部の熱を利用して、放電電極１を加熱することにより、高湿度の環境になっても、放電電極に水分が付着することを防止できる。そのため、別途、加熱用の熱源を設ける必要がなく、安定してイオン風を発生することができるコンパクトな冷却装置を提供することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。被冷却部は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、エンジン、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、その他電子部品等を対象とする。また、放電電極として、針電極以外に、沿面放電電極や、板状や棒状の放電電極などの熱導電性を有する電極としてもよい。

本発明の電球冷却用の冷却装置を示す図ＬＥＤ冷却用の冷却装置を示す図ＣＰＵ冷却用の冷却装置を示す図他の形態のＣＰＵ冷却用の冷却装置を示す図従来のイオン風を利用した冷却装置を示す図

符号の説明

１放電電極
２対向電極
３駆動部
１０熱伝導部
１２熱伝導体
１３断熱材

Claims

放電電極と、放電電極に対向して配置された対向電極とを備え、両電極間での放電により発生したイオン風を利用して、被冷却部を冷却する冷却装置であって、被冷却部の熱を放電電極に伝えて、放電電極を加熱するための熱伝導部を備えたことを特徴とする冷却装置。
被冷却部は、イオン風の流れ方向において、放電電極よりも上流側に位置し、被冷却部から放電電極に通じる通風路が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
熱伝導部は、被冷却部と放電電極とを電気的に絶縁することを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
熱伝導部は、被冷却部と放電電極との間に介装された熱伝導体と、熱伝導体と被冷却部あるいは放電電極との間に介装された電気絶縁材とを有することを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
熱伝導部が断熱材で覆われたことを特徴とする請求項３または４記載の冷却装置。
放電電極と対向電極との間に高電圧を印加する駆動部を備え、被冷却部の動作に連動して、駆動部が動作することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置。
冷却用の送風ファンが設けられ、送風ファンによる冷却とイオン風による冷却のうち、いずれか一方が利用されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置。
被冷却部の温度を検出する温度センサが設けられ、所定の温度を超えたとき、送風ファンが動作することを特徴とする請求項７記載の冷却装置。