JP2015162530A - 液冷装置および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】重力方向にかかわらず、冷媒液内の気泡が冷却対象物の冷却を妨げないようにする。
【解決手段】液冷装置は、冷却対象物６が取り付けられるジャケット部材１に対して冷媒液を流入および流出させるとともに、該冷媒液の放熱を行う。ジャケット部材は、該ジャケット部材の外側に配置された冷却対象物からの熱が伝達される受熱部１０２と、該ジャケット部材の内側において受熱部に面する空間であって冷媒液が通る冷媒室１０ａとを有する。ジャケット部材の内側であって受熱部側にて冷媒室に面する部分のうち受熱部の外側に、冷却対象物側に凹となる形状を有する空気溜まり１０１を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒液を用いて冷却対象物を冷却する液冷装置に関し、特に光学機器にて熱を発生する光学素子の冷却に好適な液冷装置に関する。

光学機器の中でも画像投射装置に用いられる液晶パネル等の光変調素子や偏光板といった光学素子は、光源からの高強度の光の入射によって高温になるため、効率良く冷却する必要がある。このような光学素子の冷却に冷媒液を使用する画像投射装置が、特許文献１に開示されている。

ただし、冷媒液を使用する場合に、光学素子からの熱が伝達される受熱部や伝達した熱を放熱する放熱部等の熱交換部において、冷媒液に発生した気泡は熱交換効率を低下させる。特に画像投射装置は、載置台に載せて使用されるほか、装置の天地を反転させて天吊り状態で設置されることも多いため、装置の設置姿勢、つまりは重力方向を特定することができず、設置姿勢に応じた気泡による熱交換効率の低下を考慮する必要がある。
特許文献２には、光学素子の周囲に形成した空間に冷媒液を循環させる画像投射装置において、ポンプから該空間（受熱部）に冷媒液を供給する配管の途中に気泡抜き部を設け、光学素子から冷媒液に熱が伝達される受熱部への気泡の侵入を防ぐ構成が開示されている。

特開２０１０−２５００４２号公報 特開２００５−３２６６６０号公報

しかしながら、特許文献２にて開示された構成では、受熱部より前段階で冷媒液から気泡を除去することはできるが、受熱部やその直前（受熱部を構成するジャケット部材と配管との継ぎ目等）で発生する気泡を冷媒液から除去することはできない。

本発明は、重力方向にかかわらず、受熱部やその直前で冷媒液に発生した気泡が冷却対象物の冷却を妨げないようにすることができる液冷装置およびこれを備えた光学機器を提供する。

本発明の一側面としての液冷装置は、冷却対象物が取り付けられるジャケット部材に対して冷媒液を流入および流出させるとともに、該冷媒液の放熱を行う。ジャケット部材は、該ジャケット部材の外側に配置された冷却対象物からの熱が伝達される受熱部と、該ジャケット部材の内側において受熱部に面する空間であって冷媒液が通る冷媒室とを有する。そして、ジャケット部材の内側であって受熱部側にて冷媒室に面する部分のうち受熱部の外側に、冷却対象物側に凹となる形状を有する空気溜まりを有すること特徴とする。

なお、上記液冷装置と、冷却対象物としての光学素子とを有する光学機器（例えば、光学素子としての液晶パネルにより変調された光を投射する画像投射装置）も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明の液却装置によれば、重力方向にかかわらず、ジャケット部材の内側やその直前で冷媒液に発生した気泡をもジャケット部材内の空気溜まりに導くことができる。したがって、この液冷装置を搭載した光学機器において、その使用姿勢にかかわらず、冷却対象物としての光学素子を効率良く冷却することができる。

本発明の実施例１である液冷装置におけるジャケット部の構成を示す分解斜視図。 上記ジャケット部の断面図および平面図。 上記ジャケット部における受熱部の拡大断面図。 液冷装置の構成を示す斜視図。 上記ジャケット部の断面図（重力方向Ａ）。 上記ジャケット部の断面図（重力方向Ｂ）。 実施例１の液冷装置を備えた画像投射装置の光学構成を示す図。 本発明の実施例２である液冷装置におけるジャケット部の構成を示す斜視図。 実施例２のジャケット部の断面図、平面図および拡大断面図。 実施例２における空気溜まりの勾配を説明する図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図４には、本発明の実施例１である液冷システム（液冷装置）の構成を示している。この液冷システムは、後述する画像投射装置としての液晶プロジェクタにおいて、冷却対象物（熱源）および光学素子としての液晶パネル（ライトバルブ）の冷却を行う。

図４において、１はジャケット部（ジャケット部材）であり、その外側に配置された液晶パネル６からの熱の伝達を受ける（吸熱する）機能を有する。２はポンプであり、液冷システム内において冷媒液を循環させる機能を有する。３はラジエータ部であり、ジャケット部１で液晶パネル６から吸熱した熱を放熱する機能を有する。４はタンク部であり、その内部には冷媒液（冷媒液層）が空気層を残して充填されている。ポンプ２、ジャケット部１、タンク部４、ラジエータ部３およびポンプ２はこの順で配管チューブ５によって接続され、これらの内部を冷媒液が循環することで液晶パネルの冷却が行われる。

図１には、上記ジャケット部１の構成を示している。図１（ａ）は上側からの斜視図であり、図１（ｂ）は下側からの斜視図である。ジャケット部１は、ジャケット部１の本体となるベース１０と、そのベース１０の内側に冷媒液が通る空間として形成された冷媒室１０ａの裏面開口を塞ぐカバー１１とを有する。ベース１０とカバー１１との間には、これらの間からの液漏れを防ぐためのシール部材１２が配置される。カバー１１は、ベース１０に対してビスにより取り付けられる。

また、ベース１０における冷媒室１０ａへの冷媒液の流入側と流出側には、配管チューブ５を接続するための継手１３が取り付けられる。継手１３には雄ねじ部が形成されており、該雄ねじ部をベース１０に形成された雌ねじ部に締め込むことで継手１３がベース１０に取り付けられる。継手１３は、その内部に形成された通路を通してベース１０内の冷媒室１０ａと継手１３に接続されたチューブ５の内部とを連通させる。ベース１０と継手１３との間には、これらの間からの液漏れを防ぐためのシール部材１４が設けられる。

図２には、ジャケット部１の組み立て状態での構成を示しており、図２（ａ）はジャケット部１をカバー１１側から見た図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線での断面を示す。また、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ線での断面を示す。図２（ｄ）は図２（ｃ）中のＣ部を拡大して示す。ベース１０とその両端に設けられた継手１３とが延びる方向を、以下の説明において液流方向という。

ベース１０は、上述した冷媒室１０ａに面し、液晶パネル（図示せず）からの熱を吸熱する受熱部１０２と、この受熱部１０２の両側に液流方向に延びるように設けられた側壁部１０３（図２（ｃ），（ｄ）参照）とを有する。受熱部１０２は、上述したカバー１１に冷媒室１０ａを挟んで対向する部分として設けられており、その外面（上面）には、図１（ｂ）にも示すように、矩形状の凸部を有する。この凸部の上面（以下、パネル受け面という）には、液晶パネルが配置される。

また、図２（ｄ）に示すように、ベース１０の内側には、空気溜まり１０１が形成されている。空気溜まり１０１は、ベース１０の内側であって受熱部側にて冷媒室１０ａに面する部分のうち受熱部１０２の外側（受熱部１０２と側壁部１０３との境界部分）に、液晶パネル側（冷却対象物側）に凹となる形状を有する。そして、空気溜まり１０１は、受熱部１０２を囲むように液流方向およびこれに直交する方向に延びる周溝として形成されている。この空気溜まり１０１は、冷媒室１０ａ内の冷媒液から浮き出た気泡を溜めるための空間である。

図３には、受熱部１０２に液晶パネル６を配置した状態を示している。受熱部１０２のパネル受け面上には、伝達媒体である熱伝導グリス７を介して液晶パネル６が配置される。これにより、液晶パネル６からの熱が、液晶パネル６と受熱部１０２との間に隙間なく設けられた熱伝導グリス７を介して効率良く受熱部１０２に吸熱される。

上述したように、空気溜まり１０１は受熱部１０２よりも外側に設けられている。このため、冷媒室１０ａ内の冷媒液から浮き出た気泡は、受熱部１０２に面する領域よりも外側の空気溜まり１０１に溜まる。したがって、受熱部１０２に面して気泡が溜まり、受熱部１０２から冷媒液への熱伝達効率が低下することを防止できる。つまり、ジャケット部１の内側において受熱部１０２の全面が冷媒液と接触するため、受熱部１０２から冷媒液への熱伝達が高い効率で行われ、冷媒液の液晶パネル６からの熱の吸熱効果を高めることができる。

空気溜まり１０１に気泡（空気）が蓄積していくと、その量が空気溜まり１０１の容積より多くなる。このとき、図２（ｂ）に示すように、空気溜まり１０１における冷媒室１０ａに面する開口の高さ位置と継手１３内の通路の開口における空気溜まり側の縁の高さ位置とがほぼ同じであるため、空気は冷媒液とともにジャケット部１の外部に流出する。

なお、ここまでは空気溜まり１０１が周溝として形成されている場合について説明したが、液流方向またはこれに直交する方向にのみ延びる溝として形成されていてもよいし、ひとつながりの溝ではなく、途中で分割された溝（凹部）として形成されていてもよい。また、ベース１０と継手１３は一体成形部品として製作されてもよい。

上述したようにジャケット部１の受熱部１０２を介して液晶パネル６からの熱を吸熱した冷媒液は、チューブ５内を通ってタンク４を経由した後、ラジエータ部３を通過する。この際、冷媒液から熱が放熱される。

ラジエータ部３は、蛇行するように配置された金属チューブに放熱フィンが取り付けられた構成を有する。この液冷システムがプロジェクタ内に設けられると、該プロジェクタ内に設けられた不図示のファンによってプロジェクタ外から取り込まれた冷媒液よりも低温の空気流が放熱フィンの周囲を流れる。これにより、金属チューブ内を流れる冷媒液からの放熱が効率良く行われる。

ラジエータ部３にて放熱された冷媒液は、ポンプ２により吸引されて吐出され、再びジャケット部１に流入する。このような冷媒液の循環によって、液晶パネル６が冷却される。

ここで、図５に示すように、ジャケット部１の姿勢（つまりは液冷システムが設けられたプロジェクタの設置姿勢）が矢印Ａの方向が重力方向となる姿勢である場合は、受熱部１０２（液晶パネル６）が冷媒室１０ａ内の冷媒液よりも重力方向（下側）に位置する。この場合、冷媒液内の気泡は受熱部１０２とは反対側（上側）に溜まるので、受熱部１０２から冷媒液への熱伝達を妨げない。

しかし、図６に示すように、ジャケット部１の姿勢が矢印Ｂの方向が重力方向となる姿勢である場合は、受熱部１０２が冷媒室１０ａ内の冷媒液よりも重力方向とは反対側（上側）に位置する。この場合、仮に空気溜まり１０１がなければ、冷媒液内の気泡は受熱部１０２に面する領域に溜まって、受熱部１０２から冷媒液への熱伝達を妨げる。しかし、本実施例では、気泡を、受熱部１０２の周囲（外側）に形成された空気溜まり１０１に導いてここに溜めることができるため、気泡が受熱部１０２に面する領域に溜まって受熱部１０２から冷媒液への熱伝達を妨げることを防止できる。しかも、本実施例では、ジャケット部１の内部に空気溜まり１０１を設けているので、ジャケット部１の内側やその直前で冷媒液に発生した気泡をも空気溜まり１０１に導くことができ、その気泡が受熱部１０２から冷媒液への熱伝達を妨げることを防止できる。

このように、本実施例によれば、ジャケット部１の姿勢、つまりはプロジェクタの設置姿勢（使用姿勢）により変化する重力方向にかかわらず、液晶パネル６の冷却能力を高く維持することができる。

なお、液冷システムの起動時にポンプ２からの冷媒液の吐出流量を通常状態より高くする制御を行ってもよい。これにより、ジャケット部１内の冷媒液とともに気泡をタンク部４内に強制的に流入させ、その気泡をタンク部４内の空気層に排出することができる。このようにして起動時の液冷システム内の気泡除去を行ってもよい。

図７には、上述した液冷システムが搭載される液晶プロジェクタの光学的構成を示す。光源ランプ２０００は、超高圧水銀ランプ等の高輝度光源であり、白色光を発光する放電発光管と該発光管からの光を照明光学系３０００に向けて集光するリフレクタとを有する。

照明光学系３０００は、シリンドリカルレンズアレイ等の光学部材によって光源ランプ２０００からの光束を複数に分割し、偏光変換素子によって無偏光である該光束をＰ偏光に変換し、コンデンサーレンズによって該複数の光束を液晶パネル６上にて重畳させる。照明光学系３０００からの白色光は、色分解合成光学系１０００に入射し、ダイクロイックミラー１００１によって青（Ｂ）および赤（Ｒ）光と緑（Ｇ）光とに分離される。Ｇ光は、１／２波長板１００２にてＳ偏光に変換された後、Ｇ用の入射側偏光板１００３を通って、第１の偏光ビームスプリッタ１００４にて反射され、Ｇ用１／４波長板１００５Ｇで円偏光に変換されてＧ用反射型液晶パネル６Ｇに導かれる。Ｇ用液晶パネル６Ｇにて画像変調され、かつ反射されたＧ光は、Ｇ用１／４波長板１００５ＧでＰ偏光に変換されて第１の偏光ビームスプリッタ１００４を透過し、Ｇ用出側偏光板１０１０Ｇにて検光された後、ダイクロイックプリズム１０１１に入射する。

一方、ダイクロイックミラー１００１で反射されたＲＢ光はたＲＢ用入射側偏光板１００６を通り、色選択性位相差板１００７に入射する。色選択性位相差板１００７では、Ｒ光のみがＳ偏光に変換され、Ｂ光はＰ偏光のまま通過する。そして、Ｒ光およびＢ光は、Ｒ光の色純度を高めるトリミングフィルタ１００８を通過した後、第２の偏光ビームスプリッタ１００９に入射する。

Ｒ光は、第２の偏光ビームスプリッタ１００９にて反射され、Ｒ用１／４波長板１００５Ｒで円偏光に変換されてＲ用反射型液晶パネル６Ｒに導かれる。Ｒ用液晶パネル６Ｒにて画像変調され、かつ反射されたＲ光は、Ｒ用１／４波長板１００５ＲでＰ偏光に変換されて第２の偏光ビームスプリッタ１００９を透過し、Ｂ用出側偏光板１０１０Ｂを通過した後、ダイクロイックプリズム１０１１に入射する。

また、Ｂ光は、第２の偏光ビームスプリッタ１００９を透過し、Ｂ用１／４波長板１００５Ｂで円偏光に変換されてＢ用反射型液晶パネル６Ｂに導かれる。Ｂ用液晶パネル６Ｂにて画像変調され、かつ反射されたＢ光は、Ｂ用１／４波長板１００５ＢでＳ偏光に変換されて第２の偏光ビームスプリッタ１００９で反射され、Ｂ用出側偏光板１０１０Ｂで検光された後、ダイクロイックプリズム１０１１に入射する。

ダイクロイックプリズム１０１１に入射したＧ光はここで反射されて投射レンズ４０００に向かい、同じくダイクロイックプリズム１０１１に入射したＲ光とＢ光はここを透過して投射レンズ４０００に向かう。これにより、Ｇ光、Ｂ光およびＲ光が合成されて投射レンズ４０００によりスクリーン等の被投射面（図示せず）に投射され、カラー画像を表示する。

このように構成されたプロジェクタにおいて、上述したジャケット部１は、Ｇ用液晶パネル６Ｇ、Ｒ用液晶パネル６ＲおよびＢ用液晶パネル６Ｂのそれぞれに対して、Ｇ用ジャケット部１Ｇ、Ｒ用ジャケット部１ＲおよびＢ用ジャケット部１Ｂとして設けられている。そして、これらＧ用，Ｒ用およびＢ用ジャケット部１Ｇ，１Ｒ，１Ｂに対して、上述したポンプ２、ラジエータ部３およびタンク部４が配管チューブ５を介して接続され、プロジェクタ内の３つの液晶パネル６Ｇ，６Ｒ，６Ｂを冷却する液冷システムが構成される。各液晶パネルは、光源ランプ２０００からの高強度の光から熱を吸収するとともに、画像変調動作によって自ら発熱するが、液冷システムで効率的に冷却される。

図８には、本発明の実施例２である液冷システムに用いられるジャケット部１′の構成を示している。図８（ａ）は上側からの斜視図であり、図８（ｂ）は下側からの斜視図である。ジャケット部１′は、ベース２０と、そのベース２０の内側に空間として形成された冷媒室２００ａの裏面開口を塞ぐカバー１１とを有する。実施例１と同様に、ベース２０とカバー１１との間には、これらの間からの液漏れを防ぐためのシール部材１２が配置される。ベース２０には、実施例１と同様に、シール部材１４を挟んで継手１３が取り付けられ、ベース２０内の冷媒室２０ａと継手１３に接続されたチューブ５の内部とが連通される。ジャケット部１′以外の液冷システムの構成および冷媒液の流れは、実施例１の液冷システムと同じである。

図９には、ジャケット部１′の組み立て状態での構成を示しており、図９（ａ）はジャケット部１′をカバー１１側から見た図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＥ−Ｅ線での断面を示す。また、図９（ｃ）は図９（ａ）におけるＤ−Ｄ線での断面を示す。図９（ｄ）は図９（ｃ）中のＦ部を拡大して示す。

実施例１のベース１０と同様に、ベース２０は、冷媒室２０ａに面し、液晶パネル（図示せず）からの熱を吸熱する受熱部２０２と、この受熱部２０２の両側に液流方向に延びるように設けられた側壁部２０３（図９（ｃ），（ｄ）参照）とを有する。受熱部２０２が、カバー１１に冷媒室２０ａを挟んで対向する部分として設けられ、その外面（上面）に図８（ｂ）にも示すように矩形状の凸部を有する点も、実施例１のベース１０と同じである。そして、受熱部２０２の上面であるパネル受け面には、実施例１と同様に、熱伝導グリスを挟んで液晶パネルが配置される。

さらに、本実施例でも、図９（ｄ）に示すように、ベース２０の内側には、空気溜まり２０１が形成されている。空気溜まり２０１は、ベース２０の内側であって受熱部側にて冷媒室２０ａに面する部分のうち受熱部２０２の外側（受熱部２０２と側壁部２０３との境界部分）に、液晶パネル側（冷却対象物側）に凹となる形状を有する。本実施例でも、空気溜まり２０１は、受熱部２０２を囲むように液流方向およびこれに直交する方向に延びる周溝として形成されている。

本実施例では、図９（ｃ），（ｄ）に示すように、受熱部２０２における冷媒室側の面を、冷媒液内の気泡を空気溜まり２０１に導くためのアーチ曲面からなる勾配面２０４として形成している。勾配面２０４は、空気溜まり２０１に向かって液晶パネル側に近づく勾配を有する。この勾配面２０４を設けることで、気泡は冷媒液の表面張力や対流によって受熱部２０２に面する領域から空気溜まり２０１に向かって移動し易くなる。このため、実施例に比べて、気泡が受熱部２０２に面する領域に停滞することをさらに抑制することができる。加また、勾配面２０３は、受熱部２０２に配置された液晶パネルの面内温度勾配を解消する効果も有する。

図１０（ａ）には、カバー１１を取り外したベース２０を示しており、勾配面２０４は、受熱部２０２の中央から、その周囲を囲む矩形状の周溝の４つの辺に相当する溝部分に向かってそれぞれ勾配を有する４つの面として形成されている。

さらに、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるＧ−Ｇ線での断面を、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）中のＨ部を拡大してそれぞれ示している。これらの図に示すように、空気溜まり２０１の底面（空気溜まり２０１の内面のうち液晶パネル側の面で、冷媒室２０ａ側の開口に対向する面）は、液流方向（図１０（ａ）に矢印Ｆｌｏｗで示す方向）に向かって液晶パネル側に近づくように形成された勾配を有する。この勾配により、空気溜まり２０１に導かれた気泡が冷媒液の流れによって液流方向下流の継手１３に向かって導かれ易くなり、気泡をジャケット部１′内に長く溜めることなくジャケット部１′の外部に排出することができる。

なお、勾配面２０４の形状は、その勾配によって気泡を空気溜まり２０１に導き易くする形状であれば、アーチ曲面である必要はなく、他の形状、例えば傾斜した平面であってもよい。

また、上記各実施例では、液晶プロジェクタにおける液晶パネルを冷却する液冷システムについて説明したが、冷却対象物としては、偏光板等の液晶パネル以外の光学素子を含む。さらに、各実施例で説明した液冷システムは、液晶プロジェクタ等の画像投射装置に限らず、冷却対象物としての光学素子を備えた様々な光学機器に搭載することが可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

設置姿勢にかかわらず効率良い冷却を行うことが可能な液冷装置およびこれを備えた各種装置を提供できる。

１ ジャケット
２ ポンプ
３ ラジエータ
４ タンク
５ チューブ
６ 液晶パネル
１０ ベース
１０１，２０１ 空気溜まり
２０２ 受熱部

Claims (7)

1. 冷却対象物が取り付けられるジャケット部材に対して冷媒液を流入および流出させるとともに、該冷媒液の放熱を行う液冷装置であって、
   前記ジャケット部材は、
   該ジャケット部材の外側に配置された前記冷却対象物からの熱が伝達される受熱部と、
   該ジャケット部材の内側において前記受熱部に面する空間であって前記冷媒液が通る冷媒室とを有し、
   前記ジャケット部材の内側であって前記受熱部側にて前記冷媒室に面する部分のうち前記受熱部の外側に、前記冷却対象物側に凹となる形状を有する空気溜まりを有すること特徴とする液冷装置。
2. 前記空気溜まりは、前記冷媒室に面する前記受熱部の周囲を囲むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液冷装置。
3. 前記空気溜まりのうち前記冷媒室に面する開口の位置が、前記ジャケット部材から前記冷媒液を排出するための開口における前記空気溜まり側の縁の位置と同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の液冷装置。
4. 前記受熱部のうち前記冷媒室側の面が、前記空気溜まりに向かって前記冷却対象物側に近づく勾配を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の液冷装置。
5. 前記空気溜まりの内面のうち前記冷却対象物側の面が、前記冷媒室を前記冷媒液が流れる方向に向かって前記冷却対象物側に近づく勾配を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の液冷装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の液冷装置と、
   前記冷却対象物としての光学素子とを有することを特徴とする光学機器。
7. 前記光学素子としての液晶パネルと、
   該液晶パネルにより変調された光を投射して画像を表示する光学系とを有する画像投射装置であることを特徴とする請求項６に記載の光学機器。