JP2019071316A - 冷却手段 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁性流体の循環路利用した冷却手段において、冷却対象となる発熱源と冷却部を１本の流路を用いてループ状に接続し、循環流路を構成する場合、電子機器が大型化してしまうという課題がある。【解決手段】 磁性流体と、前記磁性流体が封入された同軸管路と、前記同軸管路の外周の一部に設けられた受熱部と、前記受熱部の一部を覆うように近接して設けられ前記同軸管路の流路方向に磁場を発生させる磁場印加部と、前記同軸管路の外周の一部に設けられた放熱部とで、冷却手段を構成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性流体を循環させることによる冷却手段に関する。

近年、デジタルカメラやスマートフォン、タブレット、ゲーム機といった電子機器は高機能化等により、消費電力が増加する傾向にある。一方でこのような電子機器に関して、携行性を向上させるため、小型化したいという要請も強い。このような環境下では、電子機器の発熱が課題となる。これを解決するために、様々な発熱対策の手法が提案されている。

電子機器における発熱対策手法の一つとして、特許文献１や特許文献２では、磁場を印加させ磁性流体をループ形状の流路内で循環させることで電子機器の発熱源の熱を冷却部に輸送するという技術の開示がある。磁性流体は発熱源により温められることで磁化が低下し、それを利用して磁場により磁気体積力と呼ばれる駆動力を発生させて、循環させることで熱を輸送することができ、発熱源の温度が高い場合に効率的に熱を輸送することが可能である。

特開２０１４−０５０１４０号公報 ＷＯ０６／０５９６２２

磁性流体の循環を利用した熱輸送手法では、磁場を印加する磁石が配置された配管内の、熱源が接する側ともう一方の側の磁性流体の温度差が大きいと、流路内を循環する磁性流体に加わる磁気体積力が大きくなることが知られている。また、磁性流体の循環を利用した冷却手段では、磁性流体によって輸送される熱を、発熱源とは異なる位置に設けられたフィンやファン等の冷却部で冷却し、温度の下がった磁性流体を再度流路内で循環させ、発熱部に送る。

したがって、特許文献１に示す従来技術では、冷却対象となる発熱源と冷却部を１周する循環流路で接続しなければならない。そのため、小型化の進む電子機器においてこのような循環流路を機器内に設けるには電子機器が大型化してしまうという課題がある。また、特許文献２に示す従来技術では、循環流路の内壁の一部に磁石を配置し１本のパイプ内で流路を形成する技術の開示があるが、流路の内部に磁石を配置するのは構造上複雑であるという課題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、電子機器内に磁性流体を用いた冷却手段を小型かつ簡易に構成することを目的とする。

上記目的を達成する為の、本発明の冷却手段は以下の構成を備える。
すなわち、
・磁性流体と、
・前記磁性流体が封入された同軸管路と、
・前記同軸管路の外周の一部に設けられた受熱部と、
・前記受熱部の一部を覆うように近接して設けられ前記同軸管路の流路方向に磁場を発生させる磁場印加部と、
・前記同軸管路の外周の一部に設けられた放熱部とで、
冷却手段を構成する。

本発明によれば、磁性流体の循環を利用した冷却手段を小型かつ簡易に構成することが可能になる。

本発明の第１実施形態の電子機器を表す模式図。 本発明の第１実施形態の冷却部を説明する図。 従来例を説明する図。 従来例と本発明の第１実施形態の循環流路の断面を説明する図。 本発明の第１実施形態の同軸管路を説明する図。

［実施例１］
（電子機器の説明）
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。本実施例では、冷却手段による冷却対象の電子機器としてプロジェクタを例にとり説明するが、その他の電子機器についても本手法は有効である。図１、２は本発明の第１の実施形態を説明する図であり、図１は、本発明の実施形態に関わるプロジェクタの構成の概略を模式的に表している図である。図２は本発明の実施形態に関わるプロジェクタにおける冷却手段を説明する図である。

図１において、１０はプロジェクタを、１１はプロジェクタ１の筐体を、１２は回路素子が実装されたプロジェクタの制御部を含む制御基板を、１４はランプ１４ａを有する光源ユニットを、１３は光源ユニット１４を含む照明光学系を表している。また、１５は照明光学系からの出射光を入射するＲ・Ｇ・Ｂの３色用の液晶パネルを備えた色分離合成光学系を、１６は色分離合成光学系からの出射光を入射して不図示のスクリーン（被投射面）に画像を投射する投射レンズユニットを、１７は電源ユニットを示している。

プロジェクタ１０は照明光学系１３内の光源ユニット１４から発せられた射出光が、色分離合成光学系１５に入射される。そして、入射光は色分離合成光学系１５を通過し、色分離合成光学系１５内の液晶表示パネルに表示した画像が投射レンズユニットを介して、スクリーンに投射される。照明光学系１３のランプ１４ａの発光制御、色分離合成光学系１５の表示制御等が、制御基板１２内の制御部で行われる。プロジェクタ１０の駆動時において、照明光学系１３内の光源ユニット１４と色分離合成光学系１５の液晶パネルが主な発熱源となる。

またプロジェクタは、冷却部１８及び、熱輸送部である循環流路１９を含む冷却手段を備えており、プロジェクタの状態に応じて適当に冷却手段を動作させて放熱を行うことが可能な構成となっている。さらに熱輸送部である循環流路１９が、発熱源となる色分離光学系１５や光源ユニット１４に接触して配置されており、色分離光学系１５や光源ユニット１４およびその近傍で発生した熱を効率よく輸送して排熱できる構成となっている。

（冷却手段の説明）
次にプロジェクタ１０内の磁性流体を用いた冷却手段の構成について図２を用いて述べる。冷却部１８において、１８ａは冷却フィンを、１８ｂは冷却ファンをそれぞれ表している。１９は磁性流体が充填されたループ構造をなす同軸管路で構成された循環流路を表している。２０は発熱源である色分離光学系１５及び、光源ユニット１４に近接して設けられ、循環流路１９の流路方向に磁場を発生させる請求項で言うところの磁場印加部である磁石を表している。２１は各発熱源から発生した熱を循環流路１９へ輸送する熱伝導部を表している。

本実施例における冷却手段は磁性流体が封入された循環流路１９が同軸管路で形成されていることに特徴がある。つまり、図１や図２において、磁性流体は同軸管路の内側（以下、内側管路１９ａ）を紙面右方向へ流れ、同軸管路の端部で折り返し、同軸管路の外側（以下外側管路１９ｂ）を紙面左方向へ流れている。

また、磁石２０は循環経路１９に近接して配置され、循環流路１９内に磁場を発生させる。発熱源である糸分離光学系１５や光源ユニット１４にそれぞれ当接している熱伝導部２１が循環流路１９における外側管路１９ｂを包み込むように配置されている。そのため、発熱源で発生した熱は、熱伝導部２１における受熱部２１ａに輸送され、循環流路１９における外側管路１９ｂ内の磁性流体を加熱する。熱伝導部２１は熱伝導率の高いアルミや銅といった金属部品や、柔軟性を有するグラファイトシートなどが望ましい。また、熱伝導部２１は図１や図２に示すように磁石２０の極性の切り替わる中央線２２を境に、循環流路１９の外側である外側管路１９ｂに接触している（図１、図２ではＮ極側）。

次に、本発明の要部である磁性流体を用いた冷却手段の動作について図２を用いて説明する。プロジェクタ１０が起動されると、色分離光学系１５や光源ユニット１４において発熱が起こる。発熱源において発生した熱は、熱伝導部２１を通して、受熱部２１ａにおいて外側管路１９ｂ近傍の封入された磁性流体に輸送される。

この時、上述したように磁石２０の中央線２２の一方の極側の磁性流体が温められ、磁石２０によって形成される磁場内に温度勾配が生じる。磁場内に温度勾配が生じることによって高温部側の磁性流体の磁化が低下するため、磁石２０の磁場により、磁気体積力（磁石２０に引き寄せられる力）の非対称性が生じることになる。高温部側の磁性流体が低温部側よりも磁化が低下するため、図１において磁性流体は、相対的に紙面左側に進む力を受け、循環流路１９内を矢印の方向に移動を始める。

この時、外側管路１９ｂ内の、磁石２０の中央線２２を挟んで、熱伝導部が接触している側（高温側）の磁性流体と接触していない側（低温側）の磁性流体との温度差が大きいほど駆動力となる磁気体積力が大きくなる。つまり、温度差が大きければ大きいほど磁石２０内の磁性流体の磁化のバランスが崩れ、発生する力が強くなるため、循環効率が高くなる。その後、熱せられた磁性流体は、外側管路１９ｂ内を矢印の方向に進み、冷却部１８上で冷却フィン１８ａと熱交換を行う。

冷却フィン１８ａは冷却ファン１８ｂが駆動されることにより、空気が送られることで冷却が行われ、外側管路１９ｂ内の磁性流体の温度が下げられる。冷却部１８において冷却された磁性流体は、同軸管路の端において折り返し、内側管路１９ａを通り、再び磁性流体の駆動部となる磁石２０近傍の外側管路１９ｂへ流れていく。

（従来例の説明、課題）
次に、従来の磁性流体を用いた冷却手段の構成について図３を用いて説明し、本発明の効果について述べる。図３は従来の磁性流体を用いた冷却手段の構成を示す図である。図１や図２と同じ機能を有するものについては同じ番号を付してある。

図３に示したように従来の磁性流体を用いた冷却手段では、循環流路１９が１本の管路をループ形状につなぎ、熱源近傍に磁場印加部である磁石２０及び、熱伝導部２１上の受熱部２１ａが設けられており、それとは異なるところに冷却部１８が設けられている。したがって、従来は磁性流体を用いた冷却手段を電子機器に搭載する際には、ループ形状の流路を引き回して配置する必要があり、大型化してしまう。

（ポイント）
そこで本発明では、循環流路１９を同軸の管路及び内側管路１９ａと外側管路１９ｂとを接続する端部を用い、同軸管路１９の内側管路１９ａと外側管路１９ｂの内部をそれぞれ逆方向に磁性流体を流すことで循環させるように構成する。これにより図１のように電子機器内に１本の流路を引き回すことなく、１本の管状部材を配置するのみで循環流路を構成可能であり、冷却手段の小型化を行うことが可能となる。また、同軸管路と、その外周部に熱伝導部、冷却部、磁場印加部となる磁石を設けるだけで冷却手段を構成可能なため、磁場印加部を流路内に設けるといった、従来の構成よりも簡易に冷却手段を構成することが可能である。

次に図４を用いて他の効果も説明する。図４は従来例と本発明の冷却手段について説明する図であり、図４（ａ）は従来例の冷却手段を、図４（ｂ）は本発明における冷却手段を、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＡＡ´の断面を、図４（ｄ）は図４（ｂ）におけるＢＢ´断面を表している。４１は従来例における熱伝導部２１と循環流路１９の接触部分である受熱部の断面を表しており、４２は熱伝導部２１と循環流路１９（外側管路１９ｂ）の接触部分である受熱部２１ａの断面を表している。

ここで、循環流路１９において、磁性流体が流れる流路の断面積が等しいとすると、つまり、内側管路１９ａの断面積と外側管路１９ｂの断面積が等しいとすると、受熱部の面積が本発明のほうが大きくなる。例えば、循環流路１９もしくは、内側管路１９ａの直径をＤとすると、外側管路１９ｂの直径は√２Ｄとなり、したがって、受熱部の周長も√２倍の長さとなる。

そのため、受熱部の流路方向の長さが等しい場合には、受熱部の面積が大きくなるため、熱交換を行う際には有利になり、本発明のほうが磁性流体によく熱を伝えることが可能である。これにより、上述した磁性流体にかかる駆動力である磁気体積力が大きくなるため、磁性流体の循環効率を高くすることが可能になる。

次に、磁性流体が封入された循環流路１９と熱の授受を行う部分の構造について説明する。本実施例では、循環流路１９と熱伝導部２１の接続部分である受熱部２１ａや、冷却部１８における循環流路１９と放熱フィン１８ａの接続部分（以下、放熱部）は管路の外周を覆うように配置した場合について説明したが、本発明ではその限りではない。例えば、図１において、受熱部２１ａを、循環流路１９の上部にのみ配置し、循環流路１９の上面のみで熱伝導部２１から熱を受け取るというような構成でも構わない。

しかしながら、循環流路１９と熱伝導部２１の接続部分である受熱部２１ａや、冷却部１８における循環流路１９と放熱フィン１８ａの接続部分である放熱部は管路の外周を覆うように配置されるのが好ましい。図４を用いて説明したように、磁性流体へ熱をより効率よく受け渡すことができるほうが、磁性流体の循環効率が高くなるため、熱の授受を行う部分の面積を大きくし、より熱を伝えやすい構造のほうが好ましい。したがって、循環流路１９と、熱伝導部２１や冷却部１８との接続部分は循環流路１９の外周を覆うように配置されるのが好ましい。

次に、循環流路１９を構成する同軸管路の好ましい構造について図５を用いて説明する。図５は本実施例における循環流路を構成する同軸管路を説明する図であり、図５（ａ）は本実施例における循環流路１９を、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＣＣ´断面及びＤＤ´断面を、図５（ｃ）は図５（ａ）におけるＥＥ´断面を表している。

図１、２と同様に、図５（ａ）において１９は循環流路を、２１ａは熱源から熱を輸送する熱伝導部２１における受熱部を、５１は冷却部１８における冷却フィン１８ｂと循環流路１９との接触部分である放熱部を表している。つまり、図５において、ＣＣ´断面及びＤＤ´断面はそれぞれ受熱部２１ａ、放熱部５１での断面、つまり熱交換を行う部分での断面を表しており、ＥＥ´断面は循環流路１９内の、熱の授受を行わない部分での断面を表している。５２は循環流路１９における内側管路１９ａを支える構造部材（以下、連結部材）を表しており、この連結部材５２により、内側管路１９ａと外側管路１９ｂを相互に固定している。

図５（ｂ）に示したように、ＣＣ´断面、ＤＤ´断面での連結部材５２は、図５（ｃ）に示したようなＥＥ´断面での連結部材５２に比べて、その数が多く、密度が高い。ＣＣ´断面及びＤＤ´断面は循環流路１９に封入された磁性流体と、循環流路１９の外にある熱伝導部２１または冷却部１８とで熱交換を行う場所であり、熱交換を行う面積が大きいほど、熱交換を行いやすくなる。そのため、連結部材５２を熱伝導部材２１と共に磁性流体と熱交換を行う場所とし、連結部材５２の密度を高くすることで熱交換を行う面積を増やしている。

一方で、ＣＣ’断面では熱交換を行わないため、内側管路１９ａを支えるのに十分な密度で連結部材５２が設けられていればよい。また、磁性流体の駆動力を取り出すうえで、受熱部２１ａに流れ込む磁性流体の温度は低いほうが好ましいため、内側管路１９ａ内の磁性流体は暖まらない方が好ましい。したがって、熱交換を行う場所以外では、連結部材５２の密度は小さいほど好ましい。

以上説明したように、本発明においては、
・磁性流体と、
・前記磁性流体が封入された同軸管路と、
・前記同軸管路の外周の一部に設けられた受熱部と、
・前記受熱部の一部を覆うように近接して設けられ前記同軸管路の流路方向に磁場を発生させる磁場印加部と、
・前記同軸管路の外周の一部に設けられた放熱部とで、
冷却手段を構成する。

これにより、磁性流体の循環を利用した冷却手段を小型かつ簡易に構成することが可能になった。

以上は冷却手段の搭載される電子機器としてプロジェクタを例にして説明してきたが、その他のディスプレイ装置、携帯電話等発熱する電子機器にも展開可能である。

１０ プロジェクタ
１４ 光源ユニット
１５ 色分離光学系
１８ 冷却部
１８ａ 冷却フィン
１８ｂ 冷却ファン
１９ 循環流路
１９ａ 内側管路
１９ｂ 外側管路
２０ 磁石
２１ 熱伝導部

Claims (3)

1. ・磁性流体と、
   ・前記磁性流体が封入された同軸管路と、
   ・前記同軸管路の外周の一部に設けられた受熱部と、
   ・前記受熱部の一部を覆うように近接して設けられ前記同軸管路の流路方向に磁場を発生させる磁場印加部と、
   ・前記同軸管路の外周の一部に設けられた放熱部とで、
   構成される冷却手段。
2. ・前記受熱部及び前記放熱部の少なくとも一方は前記同軸管路の外周を覆うように配置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却手段。
3. ・前記同軸管路の内側管路と外側管路を支える連結部材を有し該連結部材は前記受熱部や前記放熱部が設けられる箇所において、その他の箇所に比べて密度が高くなるように配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却手段。