JP2016162912A - 温度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の駆動を妨げたり、損傷を与えることなく、対象物で発生する熱を確実に吸収して対象物の温度を設定温度に調節することのできる温度調節装置を提供する。【解決手段】設定温度を超えて相変化するときの転移熱を蓄える潜熱蓄熱材を内部に収容し、対象物に接触するように配置された中空の収容体と、収容体に接触するように配置され、収容体が発する熱を吸収して外部へ放出するペルチェ素子と、を備え、収容体は、可撓性を有する材料で構成されるとともに、少なくとも一部が弾性変形可能なエラストマで構成され、収容した潜熱蓄熱材の相変化に応じて膨張又は収縮が可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、発熱により温度変化する対象物の温度を調節する温度調節装置に関する。

特許文献１は、光源ユニットが光を出射した際に発生する熱を蓄える蓄熱部材と、この蓄熱部材を冷却する冷却部材とを備えた光源装置を開示している。この光源装置においては、光源ユニットを一定の温度に保つために、蓄熱部材として潜熱蓄熱材を用い、潜熱蓄熱材のみでは光源ユニットを一定の温度に保つことができない際には、冷却部材としてのペルチェ素子によって潜熱蓄熱材を冷却している。

特開２０１３−２５４８１３号公報

しかしながら、特許文献１の光源装置においては、潜熱蓄熱材やペルチェ素子の具体的な形状や、光源ユニットを収容した筐体部に対する潜熱蓄熱材やペルチェ素子の配置が開示されていないため、光源ユニットで発生する熱がどのような経路で、潜熱蓄熱材を経てペルチェ素子へ伝達されるのかが明らかではない。このため、光源ユニットを効率的かつ確実に冷却することができるかどうかが明確ではなかった。さらに、例えば、冷却対象の表面が平坦でない場合や、駆動によって形状が変化する素子（例えば変調素子）が対象である場合は、蓄熱部材が適切に配置されていなければ高い冷却効果を発揮することは困難であり、駆動によって形状が変化する素子が対象である場合には、蓄熱部材によって精密な駆動を妨げるとともに、素子の変形等を起こして素子の特性を低下させるおそれがあった。

そこで本発明は、対象物の駆動を妨げたり、損傷を与えることなく、対象物で発生する熱を確実に吸収して対象物の温度を設定温度に調節することのできる温度調節装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の温度調節装置は、設定温度を超えて相変化するときの転移熱を蓄える潜熱蓄熱材を内部に収容し、対象物に接触するように配置された中空の収容体と、収容体に接触するように配置され、収容体が発する熱を吸収して外部へ放出するペルチェ素子と、を備え、収容体は、可撓性を有する材料で構成されるとともに、少なくとも一部が弾性変形可能なエラストマで構成され、収容した潜熱蓄熱材の相変化に応じて膨張又は収縮が可能であることを特徴としている。

このような構成によれば、対象物が設定温度を超えて高温となった場合には、潜熱蓄熱材が相変化して転移熱を蓄えることに伴って対象物から熱を奪うとともに、蓄熱によって温度が上昇した収容体の熱をペルチェ素子が吸収して外部へ放出することが可能となる。これにより、対象物の温度を設定温度に調節することが可能となる。さらに、収容体が可撓性を有し、かつ、弾性変形可能なエラストマを備えているため、相変化によって潜熱蓄熱材の体積が変化しても収容体はこれに従って変形可能であることから、収容体と対象物の接触を維持して確実に対象物で発生する熱を吸収でき、かつ、対象物の形状や動作を妨げることがない。

本発明の温度調節装置において、収容体は、熱伝導性と可撓性を有する熱伝導膜で被覆されていることが好ましい。

これにより、対象物で発生する熱を効率的に潜熱蓄熱材へ伝えることができるため、温度調節特性を高めることができる。

本発明の温度調節装置において、収容体は、その内部に、熱伝導性を有する線状の金属体を収容していることが好ましい。

これにより、対象物から吸収した熱を潜熱蓄熱材全体に広げることができるとともに、ペルチェ素子へ効率的に熱を伝えることが可能となる。

本発明の温度調節装置において、収容体の膨張及び収縮に拘わらず、対象物と収容体の接触、及び、収容体とペルチェ素子の接触状態を保持するように、ペルチェ素子及び収容体と対象物との間に圧力を加える加圧部を備えることが好ましい。

これにより、潜熱蓄熱材の膨張・伸縮状態に拘わらずに、対象物と収容体との接触を確保できるため、対象物で発生する熱を潜熱蓄熱材でより効率的に吸収することができる。

本発明の温度調節装置において、エラストマは、加圧部による加圧方向に直交する方向に収容体の膨張又は伸縮が可能となる位置に設けられていることが好ましい。

これにより、収容体の膨張及び伸縮が加圧方向に直交する方向において発生するようになるため、加圧方向における収容体の形状変化を小さく抑えることができる。これにより、対象物と収容体との接触をより確実に保持できるようになるため、潜熱蓄熱材による熱の吸収効率が高まって温度調節特性を安定させることができる。

本発明の温度調節装置において、対象物は、ヘッドアップディスプレイ装置に用いる光源及び／又は位相変調素子であることが好ましい。

これにより、ヘッドアップディスプレイ装置に用いる光源や位相変調素子を所望の温度範囲で動作させることが可能となるため、これらのデバイスの動作を安定させることができ、これによって高画質の画像を作製することが可能となる。

本発明によると、対象物の駆動を妨げたり、損傷を与えることなく、対象物で発生する熱を確実に吸収して対象物の温度を設定温度に調節することのできる温度調節装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る温度調節装置を、温度調節の対象物としてのＬＣＯＳに取り付けた状態を示す側面図である。 第１実施形態における潜熱蓄熱材が収容された収容体の構成を示す上面図である。 図２の収容体のＺ方向に直交する断面図である。 図２の収容体のＸ方向に直交する断面図である。 第２実施形態に係る温度調節装置を、温度調節の対象物としてのＬＤに取り付けた状態を示す、Ｚ方向に沿った断面図である。 第２実施形態における潜熱蓄熱材が収容された収容体の構成を示す上面図である。

以下、本発明の実施形態に係る温度調節装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態は、本発明の温度調節装置をヘッドアップディスプレイ装置の変調素子としてのＬＣＯＳに適用した場合の実施形態であり、以下、図面を参照しつつ詳しく説明する。図１は、第１実施形態に係る温度調節装置を、温度調節の対象物としてのＬＣＯＳに取り付けた状態を示す側面図である。図２は、第１実施形態における潜熱蓄熱材４１が収容された収容体１０の構成を示す上面図、図３は、図２の収容体１０のＺ方向に直交する断面図、図４は、図２の収容体のＸ方向に直交する断面図である。各図には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｘ軸とＹ軸は互いに直交し、Ｘ−Ｙ面はＺ方向に直交する面である。以下の説明において、Ｚ方向から見た状態を平面視ということがある。

図１に示すように、温度調節装置は、収容体１０と、ペルチェ素子２１と、放熱フィン２２と、送風ファン２３とを備える。

収容体１０は、可撓性を有し、熱伝達可能な材料で形成された中空形状を備える。収容体１０を形成する材料としては、例えば、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニルが挙げられる。図３に示すように、収容体１０の内部空間１１には、潜熱蓄熱材４１と線状の金属体４２がバインダ材料に混ぜ込まれた形で収容されている。このバインダ材料は、柔軟性を有する材料であって、例えば、アクリル樹脂、ポリオレフィン、ポリカーボネートを用いる。

潜熱蓄熱材４１は、設定温度を超えると相変化し、この相変化の際の転移熱（潜熱）を蓄える材料である。バインダ材料に対する潜熱蓄熱材４１の重量比は、ＬＣＯＳ３０の動作温度範囲やペルチェ素子２１の吸熱特性等を考慮して設定する。

潜熱蓄熱材４１としては、単一成分ものと複数成分のものがあり、固相と液相で相変化する材料としては次のものがある。単一成分の潜熱蓄熱材としては、例えば、（１）塩化カルシウム水和物、硫酸ナトリウム水和物、チオ硫酸ナトリウム水和物、酢酸ナトリウム水和物、アルカリ又はアルカリ土類水酸化物などの無機水和塩、（２）パラフィン、脂肪酸、ポリエチレングリコール共重合架橋結合体などの有機化合物、（３）アルミニウム、銅などの金属、（４）エリスリトールなどの糖アルコール、（５）水が挙げられる。また、複数成分の潜熱蓄熱材としては、例えば、硝酸マグネシウム水和物と塩化マグネシウム水和物の混合物、ラウリン酸とカプリン酸の混合物、硝酸アンモニウムと尿素の混合物、アルミニウムとケイ素の合金が挙げられる。第１実施形態において、潜熱蓄熱材４１は、ＬＣＯＳ３０の動作温度範囲中の一定の温度（設定温度）（例えば６０°Ｃ）で相変化（相転移）する材料を用いる。

金属体４２は、熱伝導性を有する熱伝導体として、収容体１０の内部空間１１内で、収容体１０内全体に延びるように分散して配置されるとともに、ＬＣＯＳ３０側からペルチェ素子２１に至る伝熱経路を形成するように配置されている。金属体４２の形状及びバインダに対する重量比は、ＬＣＯＳ３０側からペルチェ素子２１に至る伝熱経路を形成でき、かつ、潜熱蓄熱材４１の蓄熱特性を損なわないように設定する。金属体４２としては、例えば、アルミニウム、銅、銀が挙げられる。また、熱伝導体としては、所定の熱伝導性を有していれば、金属以外の材料、例えばカーボン材料で構成してもよい。

収容体１０は、熱伝導膜としての金属膜１２によって外表面が被覆されている。金属膜１２は、熱伝導性と可撓性を有する材料が好ましく、例えばアルミニウム箔や銅箔を収容体１０の外面に接着する。接着は熱伝導性の接着剤を用いて行うことが好ましい。また、熱伝導膜としては、所定の熱伝導性と可撓性を有していれば、金属以外の材料、例えばカーボン材料で形成してもよい。

さらに、図３に示すように、収容体１０及び金属膜１２は、一部の壁部が弾性変形可能なエラストマ１３、１４、１５、１６、１７に置き換えられた形で封止されている。これらのエラストマは、Ｚ方向に直交する方向に配置されており、ＬＣＯＳ３０の動作温度範囲では軟化することのない耐熱性を有し、かつ、相変化に応じて膨張又は収縮する潜熱蓄熱材４１に合わせて弾性変形可能な材料とする。これにより、収容体１０及び金属膜１２は、潜熱蓄熱材４１の相変化に応じて、Ｘ方向及びＹ方向に膨張又は収縮が可能となる。ここで、エラストマ１３、１４、１５、１６、１７の形状、数、及び配置は、潜熱蓄熱材４１が蓄えた熱を所望量外部へ伝達することができれば、図３に示す例に限定されない。

以上の構成の収容体１０は、第１面１０ａがＬＣＯＳ３０の背面３０ａに接触するように配置されている。このＬＣＯＳ３０は、ベース部材３０ｂが、取り付け部材３１、３２に接着固定されている。ＬＣＯＳ３０は、反射型ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）であって、ベース部材３０ｂ上に液晶層とアルミニウムなどの電極層とが設けられたパネルである。ＬＣＯＳ３０は、液晶層に電界を与える電極が規則的に並んで複数のピクセルが構成されており、それぞれの電極に与えられる電界強度の変化により、液晶層内の結晶の層の厚さ方向への倒れ角度が変化し、入射光はピクセル毎に位相が変調させられる。

収容体１０の第２面１０ｂには、ペルチェ素子２１が接触配置されている。このペルチェ素子２１は、電源（不図示）から電流を供給されたときに、収容体１０に接触する第１面２１ａで吸熱するとともに、第１面２１ａに対向する第２面２１ｂで発熱する。これにより収容体１０が発する熱はペルチェ素子２１によって吸収される。すなわち、ＬＣＯＳ３０が設定温度を超えたことによって相変化した潜熱蓄熱材４１が蓄えた熱を、金属体４２、金属膜１２等が収容体１０の内部から外部へ伝達し、この熱をペルチェ素子２１が吸収する。

ペルチェ素子２１の第２面２１ｂには熱伝導性の放熱フィン２２が設けられ、第２面２１ｂで発生した熱が放熱フィン２２に伝達される。この放熱フィン２２に対して、送風ファン２３から送風することによって、ペルチェ素子２１から放熱フィン２２に伝達された熱が外部へ放出される。ここで、送風ファン２３は、外部部材に固定された固定部材３３に設けられている。

取り付け部材３１、３２と固定部材３３は、Ｚ方向に互いに引き合うようにテンションをかける引っ張りばね３４、３５によって接続されており、これによって、収容体１０、ペルチェ素子２１、放熱フィン２２、及び送風ファン２３と、ＬＣＯＳ３０との間にＺ方向において互いに引き合う力が加えられるため、収容体１０の膨張及び収縮に拘わらず、ＬＣＯＳ３０と収容体１０の接触、及び、収容体１０とペルチェ素子２１の接触状態が保持される。ここで、引っ張りばね３４、３５は、Ｚ方向を加圧方向とする加圧部を構成する。なお、ＬＣＯＳ３０と、収容体１０及びペルチェ素子２１との接触を保持するように力を加えることができれば、引っ張りばね３４、３５以外の構成、例えば、固定部材３３をＬＣＯＳ３０側へ加圧する構成としてもよい。

以上のように構成されたことから、第１実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）対象物としてのＬＣＯＳ３０が設定温度を超えて高温となった場合には、ＬＣＯＳ３０に接触する収容体１０を介して伝達された熱によって、潜熱蓄熱材４１が相変化するとともに転移熱を蓄え、これに伴ってＬＣＯＳ３０から熱を奪う。さらに、潜熱蓄熱材４１の蓄熱によって温度が上昇した収容体１０の熱を、これに接触するペルチェ素子２１が吸収し、さらに放熱フィン２２に伝達された熱を送風ファン２３の作用によって外部へ放出することが可能となる。以上の作用により、ＬＣＯＳ３０の温度が設定温度より高い場合は、潜熱蓄熱材４１によって熱が吸収され、設定温度より低い場合は、潜熱蓄熱材４１が蓄えている熱をＬＣＯＳ３０が吸収することから、ＬＣＯＳ３０の温度を設定温度に調節することが可能となる。

（２）収容体１０が可撓性を有し、かつ、弾性変形可能なエラストマ１３、１４、１５、１６、１７を備えることによって、潜熱蓄熱材４１の相変化による体積変化に拘わらず、収容体１０とＬＣＯＳ３０の接触を維持しやすくなるため、ＬＣＯＳ３０で発生する熱を確実に吸収できる。また、収容体１０が可撓性を有するため、表面に微小な凹凸を有するＬＣＯＳ３０であっても密着度を維持することができ、また、ＬＣＯＳ３０の動作を妨げることがない。

（３）収容体１０が、熱伝導性と可撓性を有する金属膜１２で被覆されているため、ＬＣＯＳ３０で発生する熱を効率的に潜熱蓄熱材４１へ伝えることができる。

（４）収容体１０の内部に、熱伝導性を有する線状の金属体４２を収容している。金属体４２を収容体１０内全体に広がるように配置しているため、ＬＣＯＳ３０から吸収した熱を潜熱蓄熱材全体に広げることができ、これにより、収容体１０内の潜熱蓄熱材４１の全体で相変化を起こさせることができるため、蓄熱効果を高めることができる。また、ＬＣＯＳ３０側からペルチェ素子２１側への熱伝達路を形成するように金属体４２を配置しているため、ペルチェ素子２１へ効率的に熱を伝えることが可能となる。

（５）加圧部としての引っ張りばね３４、３５を設けることによって、収容体１０の膨張及び収縮に拘わらず、ＬＣＯＳ３０と収容体１０の接触、及び、収容体１０とペルチェ素子２１の接触状態を保持するように構成している。これにより、潜熱蓄熱材４１の膨張・伸縮状態に拘わらずに、ＬＣＯＳ３０と収容体１０との接触を確保できるため、ＬＣＯＳ３０で発生する熱を潜熱蓄熱材４１でより効率的に吸収することができる。

（６）エラストマ１３、１４、１５、１６、１７を、引っ張りばね３４、３５による加圧方向に直交する方向（Ｘ−Ｙ面方向）に収容体１０の膨張又は伸縮が可能となる位置に設けているため、この方向に収容体１０が膨張及び伸縮可能となる。これにより、加圧方向における収容体１０の形状変化を小さく抑えることができることから、ＬＣＯＳ３０と収容体１０との接触をより確実に保持できるようになる。

（７）以上のように温度調節することにより、ＬＣＯＳ３０を所望の温度範囲で動作させることが可能となるため、その動作を安定させることができ、これによって高画質の画像を作製することが可能となる。

＜第２実施形態＞
つづいて、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、本発明の温度調節装置を、ヘッドアップディスプレイ装置の光源としてのＬＤ（レーザーダイオード）に適用した場合の実施形態である。図５は、第２実施形態に係る温度調節装置を、温度調節の対象物としてのＬＤ１３０に取り付けた状態を示す、Ｚ方向に沿った断面図である。図６は、第２実施形態における潜熱蓄熱材が収容された収容体１１０の構成を示す上面図である。図５においてはＬＤ１３０への配線の図示を省略している。

図５に示すように、温度調節装置は、中空の収容体１１０と、ペルチェ素子１２１と、放熱フィン１２２と、送風ファン１２３とを備える。

収容体１１０は、第１実施形態の収容体１０と同様に、可撓性を有し、熱伝達可能な材料で形成された中空形状を備え、熱伝導膜としての金属膜１１２によって外表面が被覆されている。さらに、収容体１１０には、平面視略中央において、厚さ方向（Ｚ方向）に貫通する円形状の孔部１１８が設けられている。この孔部１１８の内径は、収容体１１０が変形していない状態において、ＬＤ１３０のキャップ部１３０ａの外径と略同一である。孔部１１８の表面にも金属膜１１２が被覆されている。収容体１１０の内部空間１１１には、第１実施形態の収容体１０と同様に、潜熱蓄熱材１４１と線状の金属体１４２がバインダ材料に混ぜ込まれた形で収容されている。潜熱蓄熱材１４１と線状の金属体１４２は、第１実施形態の潜熱蓄熱材４１と金属体４２と同様の材料で構成される。

金属体１４２（熱伝導体）は、第１実施形態の金属体４２と同様に、収容体１１０の内部空間１１１内で、収容体１１０内全体に延びるように分散して配置されるとともに、ＬＤ１３０側からペルチェ素子１２１に至る伝熱経路を形成するように配置されている。

図６に示すように、収容体１１０及び金属膜１１２は、第１実施形態の収容体１０及び金属膜１２と同様に、一部の壁部が弾性変形可能なエラストマ１１３、１１４、１１５、１１６、１１７に置き換えられた形で封止されている。

収容体１１０は、第１面１１０ａがＬＤ１３０のフランジ部１３０ｂに接触するように配置されている。このフランジ部１３０ｂは取り付け部材１３１、１３２に接着固定されている。収容体１１０の第２面１１０ｂには、第１実施形態のペルチェ素子２１と同様のペルチェ素子１２１が接触配置され、さらに、ペルチェ素子１２１には、第１実施形態の放熱フィン２２と同様に放熱フィン１２２が設けられ、ペルチェ素子１２１で発生した熱が放熱フィン１２２に伝達される。この放熱フィン１２２に対して、固定部材１３３に設けられた送風ファン１２３から送風することによって、ペルチェ素子１２１から放熱フィン１２２に伝達された熱が外部へ放出される。

取り付け部材１３１、１３２と固定部材１３３は、Ｚ方向に互いに引き合うようにテンションをかける引っ張りばね１３４、１３５によって接続されており、これによって、収容体１１０、ペルチェ素子１２１、及び放熱フィン１２２と、ＬＤ１３０との間にＺ方向において互いに引き合う力が加えられるため、収容体１１０の膨張及び収縮に拘わらず、ＬＤ１３０と収容体１１０の接触、及び、収容体１１０とペルチェ素子１２１の接触状態が保持される。ここで、引っ張りばね１３４、１３５は、Ｚ方向を加圧方向とする加圧部を構成する。

以上の構成においては、ＬＤ１３０のキャップ部１３０ａとフランジ部１３０ｂが収容部１１０に接触してＬＤ１３０で発生する熱が伝達されることから、対象物としてのＬＤ１３０が設定温度を超えて高温となった場合には、ＬＤ１３０に接触する収容体１１０を介して伝達された熱によって、潜熱蓄熱材１４１が相変化するとともに転移熱を蓄え、これに伴ってＬＤ１３０から熱を奪う。さらに、潜熱蓄熱材１４１の蓄熱によって温度が上昇した収容体１１０の熱を、これに接触するペルチェ素子１２１が吸収し、さらに放熱フィン１２２に伝達された熱を送風ファン１２３の作用によって外部へ放出することが可能となる。以上の作用により、ＬＤ１３０の温度が設定温度（例えば２５°Ｃ）より高い場合は、潜熱蓄熱材１４１によって熱を吸収し、設定温度より低い場合は、潜熱蓄熱材１４１が蓄えている熱をＬＤ１３０が吸収することから、ＬＤ１３０の温度を設定温度に調節することが可能となる。
なお、その他の構成、作用、効果は第１実施形態と同様である。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る温度調節装置は、駆動に伴って発熱するデバイスの温度調節に有用である。

１０ 収容体
１１ 内部空間
１２ 金属膜（熱伝導膜）
１３、１４、１５、１６、１７ エラストマ
２１ ペルチェ素子
２２ 放熱フィン
２３ 送風ファン
３０ ＬＣＯＳ（対象物）
３４、３５ 引っ張りばね（加圧部）
４１ 潜熱蓄熱材
４２ 金属体（熱伝導体）
１１０ 収容体
１１１ 内部空間
１１２ 金属膜（熱伝導膜）
１１３、１１４、１１５、１１６、１１７ エラストマ
１１８ 孔部
１２１ ペルチェ素子
１２２ 放熱フィン
１２３ 送風ファン
１３０ ＬＤ（対象物）
１３４、１３５ 引っ張りばね（加圧部）
１４１ 潜熱蓄熱材
１４２ 金属体（熱伝導体）

Claims (6)

1. 設定温度を超えて相変化するときの転移熱を蓄える潜熱蓄熱材を内部に収容し、対象物に接触するように配置された中空の収容体と、
   前記収容体に接触するように配置され、前記収容体が発する熱を吸収して外部へ放出するペルチェ素子と、
   を備え、
   前記収容体は、可撓性を有する材料で構成されるとともに、少なくとも一部が弾性変形可能なエラストマで構成され、収容した前記潜熱蓄熱材の相変化に応じて膨張又は収縮が可能である
   ことを特徴とする温度調節装置。
2. 前記収容体は、熱伝導性と可撓性を有する熱伝導膜で被覆されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度調節装置。
3. 前記収容体は、その内部に、熱伝導性を有する線状の熱伝導体を収容している
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度調節装置。
4. 前記収容体の膨張及び収縮に拘わらず、前記対象物と前記収容体の接触、及び、前記収容体と前記ペルチェ素子の接触状態を保持するように、前記ペルチェ素子及び前記収容体と前記対象物との間に圧力を加える加圧部を備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の温度調節装置。
5. 前記エラストマは、前記加圧部による加圧方向に直交する方向に前記収容体の膨張又は伸縮が可能となる位置に設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載の温度調節装置。
6. 前記対象物は、ヘッドアップディスプレイ装置に用いる光源及び／又は位相変調素子である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の温度調節装置。

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