JP2016200724A - 冷却装置および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱密度の高い発熱体と冷媒との熱交換を効率的に行い、安定した冷却性能を発揮できる冷却装置を提供する。【解決手段】発熱体を冷却する冷却装置は、発熱体に熱的に接続し、発熱体が発する熱により内部空間に収容した液相状態の冷媒を蒸発させる蒸発部１２を有している。蒸発部１２は、発熱体に熱的に接続する面３１の裏側の面であり、内部空間を規定する第１の面３２に形成され、互いに所定の間隔を置いて配列された複数の板状フィン３３と、第１の面３２に対向して内部空間を規定する第２の面４２に開口し、内部空間に液相状態の冷媒を流入させるための流入開口部４６と、第２の面４２に開口し、蒸発部１２で蒸発した気相状態の冷媒を内部空間から流出させるための流出開口部４７と、を有している。流入開口部４６の開口形状は、複数の板状フィン３３の配列方向Ｙに延びる細長い形状である。【選択図】図５

Description

本発明は、冷却装置および投写型表示装置に関する。

近年、投写型表示装置（プロジェクタ）として、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）に代表される反射型表示素子を用いたものが主流になりつつある。ＤＭＤは、マトリクス状に配列された多数の微小ミラーから構成され、画像信号に応じて各ミラーの角度を独立して制御し、光の反射方向を変化させることで光変調を行うものである。
プロジェクタの高輝度化・小型化に伴って、ＤＭＤの熱密度は上昇傾向にある。ＤＭＤの使用温度と性能劣化には強い相関があり、使用温度が高いと、ＤＭＤの性能劣化が早く進んでしまう。したがって、プロジェクタにおいて、ＤＭＤ本来の性能を長期間維持するためには、冷却手段を用いてＤＭＤの温度上昇を抑えることが必要になる。

発熱量の大きな発熱体を効率良く冷却する方式として、多くの場合、冷媒の相変化を利用した沸騰冷却方式が用いられている。沸騰冷却方式は、蒸発部において発熱体が発する熱により冷媒を蒸発させ、冷媒の蒸気を凝縮部に移動させることで熱の輸送を行い、発熱体を冷却する方式である。
沸騰冷却方式では、冷媒が蒸発部内部の沸騰面（蒸発部の発熱体に接する面の裏側の面）で蒸発する際に発生する気泡がその沸騰面に滞留すると、沸騰面における熱交換が効率的に行われなくなり、冷却能力の向上が阻害されることが知られている。そこで、例えば、特許文献１では、沸騰面に滞留する冷媒の気泡を積極的に除去することで、沸騰面における熱交換を促進させ、発熱量の大きな発熱体に対して効率良く冷却を行うための技術が提案されている。この技術は、沸騰面に形成された複数の板状フィンの間を沸騰面に沿って液相冷媒が流動するように、蒸発部への液相冷媒の流入口を、沸騰面の板状フィンが延びる方向の端部に隣接して設ける技術である。これにより、沸騰面に留まろうとする気相冷媒の気泡を液相冷媒の流動によって移動させることができ、沸騰面における熱交換を効率的に行うことができる。

国際公開第２０１０／０５０１２９号

上述した特許文献１に記載の技術には、冷却すべき発熱体に対して液相冷媒の流入口の位置が制限されるという問題がある。そのため、ＤＭＤを用いたプロジェクタに対しては、この技術をそのまま適用することは困難である。すなわち、ＤＭＤは、反射面（受光面）の裏面がＤＭＤ駆動基板に対向するように、ＤＭＤよりも大きなＤＭＤ駆動基板に保持されている。したがって、上記技術を適用しようとすると、液相冷媒の流入口の位置がＤＭＤ駆動基板と重なってしまい、液相冷媒の流入口を所望の位置に設けることが困難になる。そこで、ＤＭＤなど熱密度の高い発熱体と冷媒との熱交換を効率的に行うための新たな方策が求められている。
本発明の目的は、熱密度の高い発熱体と冷媒との熱交換を効率的に行い、安定した冷却性能を発揮できる冷却装置を提供することである。また、本発明は、その冷却装置を備えた投写型表示装置を提供することも目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の冷却装置は、発熱体を冷却する冷却装置であって、発熱体に熱的に接続し、発熱体が発する熱により内部空間に収容した液相状態の冷媒を蒸発させる蒸発部と、蒸発部で蒸発した気相状態の冷媒を外部と熱交換することで凝縮させる凝縮部と、を有し、蒸発部が、内部空間を規定する第１の面であって、発熱体に熱的に接続する面の裏側の第１の面に形成され、互いに所定の間隔を置いて配列された複数の板状フィンと、第１の面に対向して内部空間を規定する第２の面に開口し、内部空間に液相状態の冷媒を流入させるための流入開口部と、第２の面に開口し、蒸発部で蒸発した気相状態の冷媒を内部空間から流出させるための流出開口部と、を有し、流入開口部の開口形状が、複数の板状フィンの配列方向に延びる細長い形状である。
また、本発明の投写型表示装置は、画像信号に応じて光源からの光を変調する表示素子と、上記に記載の冷却装置であって、表示素子に熱的に接続して表示素子を冷却する冷却装置と、を有している。

以上、本発明によれば、熱密度の高い発熱体と冷媒との熱交換を効率的に行い、安定した冷却性能を発揮できる冷却装置と、それを備えた投写型表示装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る投写型表示装置を示す斜視図である。 図１の投写型表示装置の内部構造を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置を示す斜視図である。 図２の画像形成ユニットおよび冷却装置の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置の蒸発部の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置の蒸発部の上面図および断面図である。 本発明の他の実施形態に係る冷却装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る冷却装置の蒸発部の分解斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る冷却装置の蒸発部の上面図および断面図である。 本発明の他の実施形態に係る冷却装置の蒸発部の分解斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る投写型表示装置を示す斜視図である。図２は、図１の投写型表示装置の内部構造を示す斜視図である。
図１および図２を参照すると、投写型表示装置１は、光源を含む照明光学ユニット（図示せず）と、画像形成ユニット２と、投写レンズ（投写光学系）３とを有している。画像形成ユニット２は、画像信号に応じて光を変調する表示素子を備え、照明光学ユニットから出射された光に基づいて画像を形成する機能を有している。本実施形態では、表示素子として、反射型表示素子であるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）が用いられている。さらに、本実施形態では、画像形成ユニット２は、赤色光、緑色光、および青色光に対応した３つのＤＭＤを備えている。投写レンズ３は、画像形成ユニット２から出射された光をスクリーンなどに投写して、画像として表示する機能を有している。
また、投写型表示装置１は、図２にはその一部しか示されていないが、画像形成ユニット２のＤＭＤを冷却するための冷却装置を備えている。以下、図３を参照して、冷却装置の構成について詳細に説明する。図３は、本実施形態の冷却装置を示す斜視図である。

冷却装置１０は、３つの蒸発部１１，１２，１３と、凝縮部１４と、冷媒タンク１５と、ポンプ１６とを有し、これらは、冷媒管１７ａ〜１７ｆによって冷媒循環経路を形成するように互いに接続されている。
３つの蒸発部１１，１２，１３は、上述した３つのＤＭＤに対応し、それぞれこれらに熱的に接続されている。具体的には、各蒸発部１１，１２，１３は、後述するように、ＤＭＤの反射面（受光面）の裏面に接触するように配置されている。蒸発部１１，１２，１３は、ＤＭＤの発熱により内部に収容した液相状態の冷媒を蒸発（気化）させ、その蒸発潜熱を利用してＤＭＤを冷却するものである。本実施形態では、装置サイズやコストなどを考慮して、冷媒が３つの蒸発部１１，１２，１３を順次流れるように、３つの蒸発部１１，１２，１３は、冷媒管１７ａ，１７ｂを介して直列に接続されている。しかしながら、このような接続は、本発明を限定するものではなく、３つの蒸発部１１，１２，１３は、例えば並列に接続されていてもよい。
凝縮部１４は、冷媒管１７ｃを介して蒸発部１１，１２，１３の下流側に接続されている。凝縮部１４は、例えば放熱フィンや放熱ファンなどの放熱部材（図示せず）を備え、蒸発部１１，１２，１３から流入した気相状態の冷媒を外部（例えば外気）と熱交換させることで冷却し、凝縮（液化）させるものである。
冷媒タンク１５は、凝縮部１４で液化された冷媒を一時的に貯留するためのタンクであり、冷媒管１７ｄを介して凝縮部１４の下流側に接続されている。ポンプ１６は、直列に接続された３つの蒸発部１１，１２，１３に冷媒タンク１５内の冷媒を流通させるためのポンプであり、冷媒管１７ｅを介して冷媒タンク１５に接続され、冷媒管１７ｆを介して蒸発部１１の上流側に接続されている。なお、冷媒タンク１５およびポンプ１６は、３つの蒸発部１１，１２，１３に冷媒を強制的に流通させる必要がない場合など、適宜省略することもできる。

ここで、図４を参照して、本実施形態の冷却装置（蒸発部）とＤＭＤとの接続構造について説明する。図４は、図２の画像形成ユニットおよび冷却装置の分解斜視図である。図４では、３つのＤＭＤのうち、１つのＤＭＤ（緑色光に対応）に関する接続構造のみが分解して示されており、他の２つのＤＭＤについては、接続構造そのものの図示を省略している。
ＤＭＤ２１は、ＤＭＤソケット２２とＤＭＤ保持部材２３との間に挟まれて保持されている。ＤＭＤソケット２２は、ＤＭＤ駆動基板２４に接続され、これにより、ＤＭＤソケット２２に装着されたＤＭＤ２１が、ＤＭＤ駆動基板２４の回路と電気的に接続されている。ＤＭＤ駆動基板２４のＤＭＤソケット２２が接続される面の裏側の面には、押さえ板２５が接続されている。冷却装置１０の蒸発部１２は、押さえ板２５に固定されて保持され、押さえ板２５の開口２５ａと、ＤＭＤ駆動基板２４の開口２４ａと、ＤＭＤソケット２２の開口２２ａとを通じて、ＤＭＤ２１に面接触している。すなわち、蒸発部１２の受熱面３１がＤＭＤ２１の裏面と接触することで、蒸発部１２とＤＭＤ２１との熱的な接続が確保されている。

次に、図５および図６を参照して、本実施形態の冷却装置における蒸発部の構成について詳細に説明する。なお、３つの蒸発部は、同一の構成を有しているため、以下では、１つの蒸発部の構成について説明する。図５（ａ）および図５（ｂ）は、本実施形態の冷却装置における蒸発部の分解斜視図である。図６（ａ）は、本実施形態の冷却装置における蒸発部の上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
図５および図６を参照すると、蒸発部１２は、ベース部材３０と、ケース部材４０と、一対のアダプタ５０とを有している。
ベース部材３０は、矩形板状に形成され、発熱体（本実施形態ではＤＭＤ２１）に面接触する受熱面３１と、受熱面３１の裏側のベース面３２と、ベース面３２に垂直に形成された複数の板状フィン３３とを有している。複数の板状フィン３３は、それぞれがＸ方向に延び、Ｘ方向に垂直なＹ方向に互いに所定の間隔を置いて配列されている。
ケース部材４０は、一面が開口する箱状に形成され、ベース部材３０に固定されている。これにより、ケース部材４０は、ベース部材３０と共に、冷媒を収容する内部空間４１を形成している。ケース部材４０は、ベース部材３０のベース面３２に対向するベース対向面４２を有する上壁部４３と、側壁部４４とを有している。側壁部４４には、蒸発部１２を画像形成ユニット２の押さえ板２５（図４参照）に固定するためのフランジ４５が形成されている。

また、ケース部材４０は、上壁部４３に形成され、ベース対向面４２に開口する２つの開口部４６，４７を有している。一方が、内部空間４１に液相冷媒を流入させるための流入開口部４６であり、もう一方が、内部空間４１から気相冷媒を流出させるための流出開口部４７である。流入開口部４６および流出開口部４７は、上壁部４３のＸ方向の両端部にそれぞれ配置されている。
これら流入開口部４６および流出開口部４７には、一対のアダプタ５０がそれぞれ挿入されて固定されている。冷媒管１７ａ，１７ｂ（図３参照）が装着される一対のアダプタ５０には、それぞれ冷媒が流通する貫通孔５１が形成されている。
さらに、ベース対向面４２には、図５（ｂ）に示すように、Ｙ方向に平行な一対のリブ４８が形成されている。一対のリブ４８は、流入開口部４６を横切るように延び、流入開口部４６の開口形状を規定している。したがって、流入開口部４６の開口形状は、Ｙ方向に延びる細長い形状、実質的に矩形状となる。

このような構成により、流入開口部４６を通じて内部空間４１に流入する液相冷媒は、複数の板状フィン３３の設置面（ベース面３２）に対向する位置から、Ｙ方向に広がった状態で複数の板状フィン３３に対して吐出される。その結果、Ｙ方向に配列された複数の板状フィン３３全体にわたって、液相冷媒を複数の板状フィン３３の間に流動させることができる。これにより、複数の板状フィン３３の全体で冷媒の蒸発（気化）を連続的かつ効率的に行うことができ、それと同時に、複数の板状フィン３３の間やベース面３２に滞留する冷媒の気泡も連続的に除去することができる。したがって、熱密度の高いＤＭＤに対しても、熱交換を効率的に行うことができ、安定した冷却性能を確保することができる。なお、冷媒を複数の板状フィン３３全体に行き渡らせるという観点からは、流入開口部４６は、複数の板状フィン３３の配列方向（Ｙ方向）の中心に対向する位置に設けられていることが好ましい。
また、本実施形態では、流入開口部４６は、ベース対向面４２での開口面積が、アダプタ５０に形成された貫通孔５１の流路断面積よりも小さくされている。これにより、貫通孔５１内を流通する冷媒は、流入開口部４６によって流路が狭められた状態で内部空間４１内に流入することになる。このことは、冷媒の流速が高められ、それにより、冷媒を板状フィン３３の根元まで効率的に流入させることができる点で有利である。同様に、冷媒を板状フィン３３の根元まで効率的に流入させるためには、ベース面３２から突出する一対のリブ４８の先端は、複数の板状フィン３３にできるだけ近接していることが好ましい。

図７は、本発明の他の実施形態に係る冷却装置の概略斜視図である。以下、上述した実施形態と共通の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、上述した実施形態と異なる構成のみ説明する。また、上述した実施形態では、３つの蒸発部が直列に接続されている場合を例に挙げて説明したが、ここでは、蒸発部が１つの場合を例に挙げて説明する。
本実施形態の冷却装置１０では、前述の実施形態と異なり、１つの流入開口部に対して、２つの流出開口部が設けられている。すなわち、蒸発部１２は、ポンプ１６とは、１本の冷媒管１８ａを介して接続されているのに対して、凝縮部１４とは、２本の冷媒管１８ｂ，１８ｃを介して接続されている。なお、凝縮部１４、冷媒タンク１５、およびポンプ１６は、前述の実施形態と同様に、それぞれ１本の冷媒管１８ｄ，１８ｅを介して接続されている。
図８（ａ）および図８（ｂ）は、本実施形態の冷却装置における蒸発部の分解斜視図である。図９（ａ）は、本実施形態の冷却装置における蒸発部の上面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
上述したように、蒸発部１２は、１つの流入開口部４６と、２つの流出開口部４７ａ，４７ｂとを有しており、それに応じて、３つのアダプタ５０を有している。流入開口部４６は、上壁部４３の中央付近に配置されており、より好ましくは、複数の板状フィン３３の、Ｙ方向だけでなくＸ方向における中心に対向する位置に配置されている。これにより、ＤＭＤに接するベース部材３０において温度分布が高い部分、すなわちベース面３２（受熱面３１）の中央付近により多くの液相冷媒を流入させることができ、冷却性能の向上を図ることができる。２つの流出開口部４７ａ，４７ｂは、流入開口部４６を挟んで上壁部４３のＸ方向の両側に配置されている。

本発明の投写型表示装置は、水平面に据え置き設置したり、天井に設置（いわゆる天吊り設置）したりするなど、様々な位置に設置することが想定されている。そのため、その設置姿勢によっては、前述の実施形態のように、１つの流入開口部４６に対して１つの流出開口部４７が設けられている場合、流入開口部４６が、流出開口部４７に対して鉛直方向の上側に位置する場合がある。その場合、蒸発部１２に収容された冷媒の液面が低下して、複数の板状フィン３３がむき出しの状態になってしまい、冷却性能が悪化する可能性がある。
本実施形態の構成では、２つの流出開口部４７ａ，４７ｂが設けられていることで、投写型表示装置の設置姿勢を変更したとしても、上述のような複数の板状フィン３３がむき出しの状態になることを抑制することができる。その結果、投写型表示装置の設置姿勢の変更による冷却性能の悪化を抑制することが可能になる。

なお、投写型表示装置の設置姿勢の観点からは、２つの流出開口部４７ａ，４７ｂは、流入開口部４６を挟んで対称的な位置に配置されていることが好ましい。したがって、２つの流出開口部４７ａ，４７ｂは、必ずしも流入開口部４６に対してＸ方向に整列している必要はなく、例えば、図１０（ａ）に示すように、流入開口部４６に対して上壁部４３の対角線方向に整列していてもよい。この配置は、設計・作製の観点から有利な場合がある。また、より多くの設置姿勢に対応するためにも、流出開口部の数は、２つに限定されるものではなく、例えば、１０（ｂ）に示すように、４つの流出開口部４７ａ〜４７ｄが設けられていてもよい。この場合、４つの流出開口部４７ａ〜４７ｄは、流入開口部４６を取り囲むように配置されており、より好ましくは、流入開口部４６を中心として回転対称に配置されている。
蒸発部においては、熱交換の効率が上がり、気相冷媒の発生が増大すると、内圧が上昇して、気相冷媒の流出圧力が流入圧力を上回り、気相冷媒が流入開口部から流出しようとする場合がある。それを回避するためには、流入開口部の開口面積よりも流出開口部の面積が大きいことが好ましい。本実施形態において、１つの流入開口部に対して、複数の流出開口部が設けられている構成は、そのような点でも有利である。

１ 投写型表示装置
２ 画像形成ユニット
３ 投写レンズ
１０ 冷却装置
１１，１２，１３ 蒸発部
１４ 凝縮部
１５冷媒タンク
１６ ポンプ
１７ａ〜１７ｆ，１８ａ〜１８ｅ 冷媒管
２１ ＤＭＤ
２２ ＤＭＤソケット
２２ａ 開口
２３ ＤＭＤ保持部材
２４ ＤＭＤ駆動基板
２４ａ 開口
２５ 押さえ板
２５ａ 開口
３０ ベース部材
３１ 受熱面
３２ ベース面
３３ 板状フィン
４０ ケース部材
４１ 内部空間
４２ ベース対向面
４３ 上壁部
４４ 側壁部
４５ フランジ
４６ 流入開口部
４７，４７ａ〜４７ｄ 流出開口部
５０ アダプタ
５１ 貫通孔

Claims (9)

1. 発熱体を冷却する冷却装置であって、
   前記発熱体に熱的に接続し、該発熱体が発する熱により内部空間に収容した液相状態の冷媒を蒸発させる蒸発部と、
   前記蒸発部で蒸発した気相状態の前記冷媒を外部と熱交換することで凝縮させる凝縮部と、を有し、
   前記蒸発部が、
   前記内部空間を規定する第１の面であって、前記発熱体に熱的に接続する面の裏側の第１の面に形成され、互いに所定の間隔を置いて配列された複数の板状フィンと、
   前記第１の面に対向して前記内部空間を規定する第２の面に開口し、前記内部空間に液相状態の前記冷媒を流入させるための流入開口部と、
   前記第２の面に開口し、前記蒸発部で蒸発した気相状態の前記冷媒を前記内部空間から流出させるための流出開口部と、を有し、
   前記流入開口部の開口形状が、前記複数の板状フィンの配列方向に延びる細長い形状である、
   冷却装置。
2. 前記流入開口部が、前記複数の板状フィンの前記配列方向における中心に対向する位置に配置されている、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記流入開口部が、前記複数の板状フィンの、前記配列方向に垂直な方向における中心に対向する位置に配置されている、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記蒸発部が、複数の前記流出開口部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 前記複数の流出開口部が、前記第２の面において、前記流入開口部を取り囲むように配置されている、請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記複数の流出開口部が、前記第２の面において、前記流入開口部を中心として回転対称に配置されている、請求項５に記載の冷却装置。
7. 前記流入開口部の前記開口形状が、前記第２の面に形成された前記配列方向に平行な一対のリブによって規定されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却装置。
8. 画像信号に応じて光源からの光を変調する表示素子と、請求項１から７のいずれか１項に記載の冷却装置であって、前記表示素子に熱的に接続して該表示素子を冷却する冷却装置と、を有する投写型表示装置。
9. 前記表示素子が反射型表示素子であり、前記冷却装置が、前記反射型表示素子の反射面の裏側の面に熱的に接続されている、請求項８に記載の投写型表示装置。

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