JP4625851B2 - 冷却システム及びそれを備えた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒の沸騰・凝縮を利用した冷却システム及びそれを備えた電子機器に関するものである。

電子機器内部の発熱部品を冷却する従来の技術として、例えばＣＰＵ等の発熱部品から発生する熱を液媒体に伝熱してポンプで放熱部に輸送して放熱を行う、いわゆる液冷式の冷却装置が知られている。この液冷式冷却装置の従来技術としては特許文献１や特許文献２等がある。

特許文献１はコンピュータ、特許文献２は液晶プロジェクタを対象としたものである。上記液冷方式は、発熱部品から液体に熱を輸送する冷却部、液体から熱を放熱する放熱部および冷却部と放熱部で液を循環させるポンプから構成されている。

特開２００５−６４１８６号公報 特開２００７−４１４１３号公報 これらに示されている液冷方式においては、主にエチレングリコール等の不凍液が液体として用いられ、冷却システム内で循環する際には常に液が単相流状態となっている。従って冷却部で吸熱した液体は高温となって放熱部にポンプで輸送され、放熱部で低温に冷却される。すなわち発熱部品からの発生熱は液温の変化として放熱部に輸送される。

これに対し、同様に冷却部と放熱部および液体を循環させるためのポンプからなる冷却方式において、不凍液として比較的低沸点の液（以下冷媒と呼ぶ）を用い、冷媒の沸騰・凝縮を利用して熱を輸送する方法が考えられる。すなわち、冷却部において冷媒を沸騰させることで、冷媒を液相から蒸気相へ相変化させ、発熱部品で発生した熱を蒸発潜熱の形で冷媒に吸熱させるものである。

吸熱し蒸気となった冷媒は放熱部に輸送され、放熱部で凝縮潜熱として熱を放出することにより再度液相に戻る。液相となった冷媒は再度ポンプ等の液駆動手段により冷却部へ輸送される。すなわち、発熱部品からの発生熱は相変化による潜熱として放熱部に輸送される（以下、この沸騰・凝縮による冷却方式を相変化冷却方式という）。

相変化冷却方式では、潜熱を利用するために、単位液量あたりの熱輸送量が非常に大きく、単相流を用いた場合と比較して、冷却に必要な液流量を大幅に低減することが可能となる。このためポンプが小型化され、冷却システム及びそれを備えた電子機器をコンパクトにすることが可能である。

しかしながら、相変化冷却方式では以下に示す課題がある。
第１に、冷却部で安定した沸騰を起こす事が難しいため冷却性能が安定しない。このため、電子機器の冷却に適用した場合において発熱体である部品の動作状態によっては、沸騰が生じずその結果部品が高温にさらされてしまう恐れがある。特に、発熱体の発熱量が変動する場合に沸騰状態が不安定となりやすい。

第２に、液相から蒸気相の変化によって、冷媒の体積が大きく変化するため、これが振動発生源となり、冷却部に熱的に接続された電子部品等の発熱体に振動を引き起こす。特に単相状態から沸騰状態に移行する際に局所的に突沸が生じると振動を引き起こしやすい。

本発明の目的は、安定した冷却性能を備えた相変化冷却を実現し、相変化冷却方式によって安定した発熱部品の冷却を行うとともに、振動が発熱部品に与える影響を低減した冷却システム及びそれを備えた電子機器を提供することにある。

上記目的は、発熱素子から発生した熱を沸騰する冷媒で冷却する冷却部と、この冷却部と前記発熱素子を熱的に接続して前記冷媒に吸収された熱を凝縮によって放熱する放熱部と、この放熱部で凝縮した前記冷媒を再度冷却部に送液するための冷媒駆動部と、この冷媒駆動部と前記冷却部と前記放熱部を接続する配管を備えた冷却システムにおいて、前記冷媒駆動部と前記冷却部との間に前記冷媒駆動部から前記冷却部に向かう冷媒を加熱するための加熱手段を備えたことにより達成される。

また上記目的は、前記加熱手段は加熱量が変動可能であって、前記冷却部に熱的に接続された前記発熱体の動作状態によって前記加熱手段による加熱量を制御する加熱制御手段を備えたことにより達成される。

また上記目的は、前記加熱手段は電子機器の起動時に一時的な加熱量の増加を行うことにより達成される。

また上記目的は、電子機器は光源と光の変調・反射・吸収等による発熱を伴う少なくとも１個以上の映像表示素子からなる映像表示素子ユニットを備える透写型画像プロジェクタであって、前記映像素子ユニットが前記冷却部と熱的に接続され、前記映像素子ユニットの冷却を行うことにより達成される。

また上記目的は、電子機器はマザーボードに装着された演算処理を行うＣＰＵ及びチップセットを有するコンピュータであって、前記ＣＰＵが前記冷却部と熱的に接続され、前記ＣＰＵの冷却を行うことにより達成される。

また上記目的は、発熱素子から発生した熱を沸騰する冷媒で冷却する冷却部と、この冷却部と前記発熱素子を熱的に接続して前記冷媒に吸収された熱を凝縮によって放熱する放熱部と、この放熱部で凝縮した前記冷媒を再度冷却部に送液するための冷媒駆動部と、この冷媒駆動部と前記冷却部と前記放熱部を接続する配管を備えた冷却システムにおいて、前記冷却部は複数の発熱素子それぞれに熱的に接続するため少なくとも２箇所以上設けられ、前記冷媒駆動部と前記冷却部との間に前記冷媒駆動部から前記冷却部に向かう冷媒を加熱するための加熱手段を備えたことにより達成される。

また上記目的は、前記複数の冷却部に熱的に接続される前記複数の発熱体の中で許容動作温度が相対的に低い発熱体を前記複数の冷却部を前記冷媒駆動部から始まり、冷媒の送液方向に従って順序付けしたとき少なくとも２番目以降の冷却部に熱的に接続させたことにより達成される。

また上記目的は、電圧と電流を電子部品に供給するための電源ユニットと、光源の光の変調と反射と吸収等による発熱を伴う少なくとも１個以上の映像表示素子ユニットとを備えた透写型画像プロジェクタの電子機器であって、前記複数の冷却部のうち１個が前記表示素子ユニットであり、残りの冷却部のうち１個が前記光源あるいは前記電源ユニットのいずれかにそれぞれ熱的に接続され、前記表示素子ユニットと前記光源あるいは前記電源の冷却を行うことにより達成される。

また上記目的は、前記映像表示素子ユニットが、前記複数の冷却部を前記冷媒駆動部から始まって冷媒の送液方向に従って順序付けしたとき少なくとも２番目以降の冷却部に熱的に接続され、前記映像表示素子ユニットの冷却を行うことにより達成される。

また上記目的は、所定の電圧と電流を電子部品に供給するための電源ユニットと、マザーボードに装着された演算処理を行うＣＰＵ及びチップセットを有するコンピュータであって、前記ＣＰＵが前記複数の冷却部を前記冷媒駆動部から始まって冷媒の送液方向に従って順序付けしたとき少なくとも２番目以降の冷却部に熱的に接続され、前記ＣＰＵの冷却を行うことにより達成される。

本発明によれば、安定した冷却性能を備え、相変化によって生じる振動の影響を低減した電子機器を提供できる。

以下、図１〜図８を参照して一実施例を説明する。

本実施例における電子機器は、光源と液晶パネルおよび偏光素子等で構成される映像表示素子ユニットを備える透写型液晶プロジェクタである。
図１は、本実施の形態における透写型液晶プロジェクタを上部から見た概略構成図である。
図１において、筐体１０の内部には光を発生させるための光源ランプ１１が設けられている。光源ランプ１１から発生した白色光はレンズアレイ１２，偏光変換素子１３，集光レンズ１４を経て光量が均一化され、光軸が大よそ揃えられた偏光となってダイクロイックミラー１７，１８および全反射ミラー１９，２０，２１によって赤色光２２，緑色光２３，青色光２４に分解される。分解された３色の光は赤色光液晶パネルモジュール１，緑色光液晶パネルモジュール２，青色光液晶パネルモジュール３およびプリズム４から構成される映像表示素子ユニットにそれぞれ異なる方向から入射する。

光の迷光および塵埃の付着を防止するためにレンズアレイ１２，ダイクロイックミラー１７，１８等の光学部品は光学部品カバー１６内に配置されている。液晶パネルモジュール１〜３（赤，緑，青）を透過した３色の光はプリズム４によって合成され、透写レンズ５を透過して所望の画像となって透写されて図示しないスクリーンに映像が表現される。また、筐体１０の内部には光源ランプ１１等の部品に電力を供給するための電源ユニット３５と、この電源ユニット３５と光源ランプ１１を冷却するためのファン３６とが設けられている。ファン３６の動作によって、筐体１０に設けられた入気口３１から空気が流入し、電源ユニット３５と光源ランプ１１が流入した空気により冷却されて排気口３３から空気が排出される。また図示しないが、筐体１０の内部には外部から映像信号を取り込み、液晶パネルモジュール，ファン等の動作を制御する制御回路を備えた制御基板（図示せず）が設けられている。この制御基板は例えば映像表示素子ユニットと筐体上面の隙間に配置される。

赤色光液晶パネルモジュール１，緑色光液晶パネルモジュール２，青色光液晶パネルモジュール３およびプリズム４から構成される映像表示素子ユニットは、相変化冷却システムによって冷却される。相変化冷却システムは赤色光液晶パネルモジュール１，緑色光液晶パネルモジュール２，青色光液晶パネルモジュール３およびプリズム４の下部に設けられた放熱部４０，図中に斜線で示した冷媒を循環させる冷媒配管４１，冷媒を循環させるためのポンプ４２からなる冷媒駆動部，冷却部で発生した蒸気を凝縮させるための凝縮器４３とファン４４からなる放熱部、蒸気と液を分離しポンプ４２に蒸気が流入することを防止するための気液分離部４５およびポンプ４２からなる冷媒駆動部と冷却部の間に設けられた予備加熱部４６から構成されている。

ポンプ４２の動作によって冷媒はポンプから予備加熱部４６，放熱部４０，凝縮器４３，気液分離部４５を順に通りポンプによって循環される。また、ファン４４の動作によって入気口３１から空気が流入し、ポンプ４２，気液分離部４５を冷却しながら流れ、凝縮器４３を冷却して排気口３３より排気される。すなわちポンプ４２，気液分離部４５は冷却空気の流れからみて凝縮部の上流側に配置されている。

図２から図４を用いて映像表示素子ユニット周辺の構成を説明する。
図２と図３は映像表示素子ユニット周辺の斜視図である。
図２，図３において、赤色光液晶パネルモジュール１，緑色光液晶パネルモジュール２、青色光液晶パネルモジュール３およびプリズム４から構成される映像表示素子ユニットは、図１に示した放熱部４０上に熱的に接続されて設置されている。
なお、本発明においては熱的に接続されているとは、固体同士が接触或いは固体同士の間の隙間を埋めるために相対的に柔らかい樹脂・グリース等の材料が充填されていることを表し、又は柔軟性のあるシート等が固体間の隙間を埋めるように挟みこまれていることを表す。

冷媒配管は図３に示すように放熱部４０の裏面側に設けられた溝５０の内部に埋め込まれている。本実施の形態において放熱部４０は溝に冷媒配管が埋め込まれているが、例えば放熱部４０自体の内部に冷媒が流れる流路が形成されていても良い。

図４は赤色光液晶パネルモジュール，プリズムおよび青色光液晶パネルモジュールを通過する断面図である。
図４において、３色の液晶パネルモジュールは構成が同じであるため、赤色光液晶パネルモジュール１を用いてその内部構成を説明すると、液晶パネルモジュールは液晶パネル５５とその前後に配置された入射偏光板５６，出射偏光板５７および入射偏光板５６を保持し熱的に接続された入射側フレーム５８，出射偏光板５７を保持し熱的に接続された出射側フレーム５９から構成されている。液晶パネル５５はフレキシブルコネクタ６０によって制御基板（図示せず）に接続されている。また、入射偏光板５６上には入射偏光フィルム５６ａ，出射偏光板５７上には出射偏光フィルム５７ｂがそれぞれ貼り付けられている。液晶パネル５５はその光透過部５５ａの両側がそれぞれ入射偏光板５６，出射偏光板５７と熱的に接続している。液晶パネルは画素を構成する多数のライトバルブ素子を内部に備え、画素毎に透過光の偏光状態を変化させる。

入射側偏光フィルム，出射側偏光フィルムはそれぞれ特定の偏光成分のみを透過させるためのものであり、入射側偏光フィルム，液晶パネル，出射側偏光フィルムを組み合わせライトバルブ素子を制御基板で制御する事により、所望の画像を得る事が出来る。また入射偏光フィルム，液晶パネル，出射偏光フィルムで発生した熱は、入射偏光板５６，入射偏光板５７に熱伝導で伝えられた後に、さらに入射側フレーム５８，出射側フレーム５９を熱伝導で伝わり、さらに放熱部４０に伝えられる。放熱部４０に伝えられた熱は冷媒配管４１に伝わり、内部を流れる冷媒によって放熱部に輸送される。

入射偏光板５６，出射偏光板５７は入射偏光フィルム，液晶パネル，出射偏光フィルムで発生した熱を入射側フレーム，出射側フレームに伝えるため、熱伝導の良好な材料で構成されている必要があるとともに、光透過性を備えていなければならない。両者を同時に満たす材料としては、サファイア，水晶が上げられる。入射側フレーム，出射側フレームは光透過性の必要性はないが、放熱部４０に熱を伝えるために熱伝導性の良好な材料で構成されている必要があり、例えば銅，アルミニウム等で構成される。

以上、赤色光液晶パネルモジュール１，緑色光液晶パネルモジュール２，青色光液晶パネルモジュール３、およびプリズム４から構成される映像表示素子ユニットで発生した熱は、熱伝導によって放熱部４０により冷媒配管４１に伝えられる。

なお本実施の形態では光透過型の液晶パネルを用いた光学系を想定しているが、本発明は例えば反射型の液晶パネル（LIQUID CRYSTAL ON SILICON）や微小の可動ミラー（DIGITAL MICROMIRROR DEVICE）を利用した他の光学系の冷却にも適用可能である。

また、本実施の形態のように映像表示素子ユニットを相変化冷却する場合は、冷却空気を映像表示素子ユニットにあてる必要がないので、映像表示素子ユニットを光学部品カバー１６と同様の手法でカバーしても良い。これにより、映像表示素子ユニットへの塵埃の付着が防止される効果がある。

次に、図１および図５，図６を用いて相変化冷却システムの構成を説明する。
図５は本発明の一実施例を備えた予備加熱部の斜視図である。
図６は本発明の一実施例を備えた予備加熱部の構造を示す断面図である。
図１および図５，図６において、図１に示したポンプ４２によって液状の冷媒は予備加熱部４６に送液される。図５に予備加熱部４６の構成図、図６に内部構造を示す断面図を示すと、図中の点線の矢印は冷媒の流れを表す。予備加熱部４６は図５に示すように内部に冷媒が流れる流路が形成されており、外側に加熱ヒータ６５が設けられている。また、冷媒が流れる流路上には沸騰開始を促進させるための沸騰促進手段６６が設けられている。また、加熱ヒータ６５には加熱量を制御するための予備加熱制御手段６７が接続されており、加熱量が制御できるように構成されている。更に予備加熱制御手段６７は外部から映像信号を取り込み、液晶パネルモジュール，ファン等の動作を制御する前述の制御回路３７に接続されている。

予備加熱部４６に流入した液状の冷媒は加熱ヒータ６５によって加熱され、沸騰が開始され一部が蒸気となった２相流状態となる。予備加熱部４６によって２相状態となった冷媒は放熱部４０へ送られ映像表示素子ユニットから発生した熱を受けて更に沸騰する。冷媒は沸騰し蒸気となる際の気化熱として熱を吸収し、放熱部へ輸送される。沸騰によって熱が奪われることによって放熱部４０が冷却される。

加熱ヒータ６５は予備加熱制御手段６７によって以下のように制御される。
まず、起動時において予備加熱制御手段６７は制御回路３７から起動信号を受けて加熱ヒータ６５を加熱させて予備加熱部４６を高温にする。予備加熱部４６が沸騰を起こすのに必要な程度まで高温になった後に予備加熱制御手段６７は加熱ヒータ６５の加熱量を減少させる。すなわち制御回路３７からの起動信号を受けて起動時のみ一時的に加熱量を増加させる制御を行う。また、その後の動作時においては制御回路３７から表示している画像状態を示す信号を受け、映像表示素子ユニットの発熱量を推定しながら加熱量を増減させる。前述のように映像表示素子ユニットは光の一部を吸収するために発熱するが、光の吸収量は画像によって変化する。

本実施例の形態で示すような透過型液晶パネルを用いた光学系では黒色の画像を透写する際には光を遮断するために大きくなり、逆に白色の画像を透写する際には小さくなる。このため発生熱量が画像によって大きく変動する。この変動に対応し、映像表示素子ユニットの発熱量が小さい時には加熱ヒータ６５の加熱量を増大させ、逆に映像表示素子ユニットの発熱量が大きい時には加熱量を減少させる。

沸騰促進手段６６は例えば、図６に示すように流路上に多数の凹形状を備えたものが望ましい。これによって、凹形状の内部で冷媒の流れが緩やかになり、沸騰開始初期に発生する微細な気泡核が成長して沸騰状態に遷移しやすくなる。また、あるいは超音波振動子によって強制的な振動を予備加熱部に与え沸騰を促進しても良い。

放熱部へ輸送された２相状態の冷媒は凝縮器４３で凝縮され液となる。凝縮によって発生した凝縮熱はファン４４によって空気に放熱される。再び液状となった冷媒は気液分離部を通りポンプによって再度循環される。

本実施例の形態によれば、ポンプ４２と放熱部４０の間に予備加熱制御手段４６を設けることによって沸騰を安定化させ、冷却性能を向上する事が出来る。

図７は映像表示素子ユニットの変わりに模擬発熱体を用いた場合の実験結果を示すグラフ図である。
図８はその際の実験条件である。
図７において、図７は模擬発熱体の発熱量と模擬発熱体温度の関係を示すものであり、まず予備加熱手段を設けない場合は図中に黒塗りの点で示すように、模擬発熱体の発熱量の増加すると温度が急激に上昇する。これは発熱量が小さい時は沸騰が生じず、単相の液体によって冷却が行われているためである。１０Ｗ程度の発熱量に達した時点で沸騰が生じ始め、発熱量に対する温度上昇は緩やかになるが、温度上昇は大きくばらついている事が分かる。これは冷却部における沸騰が部分的に生じているためである。

これに対し、予備加熱部を設けた場合は冷却部で沸騰が安定し生じるため、予備加熱部による追加の入熱があるにもかかわらず全体にわたり冷却部の温度上昇が小さく、また温度のばらつきも小さい。すなわち、予備加熱手段を設け冷却部に冷媒が流入する前に予め沸騰状態を作り出しておく事で、冷却部をより冷却できる。また温度上昇のばらつきも小さく、映像表示素子ユニットのように発熱量が変動するような発熱体を冷却する場合においても安定した冷却性能が実現できる。

また、予備加熱制御手段を設け予備加熱部の加熱量を制御することによって、少ない加熱量で沸騰状態を作り出す事ができ、消費電力を低減することが出来る。また特に起動時は予備加熱部が低温であるため、沸騰が開始するまでに時間を要するが、起動時の入熱量を一時的に高くすることで、より短時間で沸騰状態を作りだす事ができ、短時間で冷却性能を安定化し、起動時に冷却部が高温になる事を防ぐ事ができる。また、制御回路３７から表示している画像状態を示す信号を受け、映像表示素子ユニットの発熱量を推定しながら加熱量を増減させることにより冷却性能を安定化しながらより加熱量を低減することができる。その結果消費電力を低減することができる。

また、さらには予備加熱部を設けることによって、冷却部における振動を低減することができる。すなわち、相変化冷却システムにおいては、沸騰によって蒸気が発生するが、その際の内部における急激な体積変化によって振動が生じる。特に冷媒の沸騰が開始する時点においては、部分的に始まった沸騰が全体に広がる過程或いは部分的な沸騰の位置・程度が変動する過程で強い振動が生じる。

予備加熱部がない場合は沸騰は冷却部で開始されるため、沸騰開始によって生じた振動が冷却したい発熱体に伝わりやすい。特に本実施の形態の映像表示素子ユニットは集光された光を拡大して投影するために映像表示素子ユニットでの小さな振動も画像の振動や赤色光・緑色光・青色光の間の色ずれを引き起こし悪影響を与える。予備加熱部を設けることによって、沸騰開始による振動は予備加熱部で発生するため、予備加熱部から離れた位置にある冷却部の振動が低減される。特に、本実施の形態の場合は映像表示素子ユニットの振動に伴う画像の振動や色ずれを低減することができる。

また、予備加熱部に沸騰促進手段を設けることによって、より低い加熱ヒータの入熱量で沸騰状態を作り出す事ができ、消費電力を低減することができる。

またポンプ４２、及び気液分離部４５は、冷却空気の流れからみて凝縮部の上流側に配置されているが、これにより、ポンプ４２、および気液分離部４５は、凝縮部を通過する前の相対的に冷たい空気によって冷却される事になる。仮にポンプ４２が高温にさらされると、ポンプ内で沸騰が生じる恐れがある。ポンプ内で蒸気が発生すると、ポンプの機能が低下し、最悪の場合送液が出来なくなってしまう。ポンプ４２、及び気液分離部４５は、冷却空気の流れからみて凝縮部の上流側に配置することで、ポンプ４２を相対的に低い温度に保つ事ができ、ポンプ内における蒸気の発生を抑制し、安定した送液を実現する事ができる。
次に、他の実施形態による相変化冷却システムとそれを備えた電子機器を図９で説明する。本実施の形態における電子機器は、前述の実施形態と同じ透写型液晶プロジェクタである。
図９は、本実施の形態における透写型液晶プロジェクタを上部から見た概略構成図である。
図９において、本実施例の形態は図１で示した実施の形態に対し、予備加熱手段が設けられていない点、映像表示素子ユニットを冷却する放熱部４０に加えて、電源ユニット３５上の電源部品３５１を冷却するために電源部品３５１と熱的に接続した放熱部４０ｂと光源ランプ１１とを冷却するために、光源ランプ１１と熱的に接続した放熱部４０ｃが設けられている点を除いて同様の構成である。放熱部４０ｂ，放熱部４０ｃ及び放熱部４０は冷媒配管４１によって順次直列に接続されており、映像表示素子ユニットを冷却する放熱部４０は放熱部４０ｂ，４０ｃよりも冷媒の送液方向に対し下流側に配置されている。

本実施例の形態で示す映像表示素子ユニットは液晶パネル，入射偏光板，出射偏光板から構成されているが、液晶パネルや入射偏光板，出射偏光板上に貼り付けられる偏光フィルムは有機物質が用いられているため、おおむね７０〜８０℃程度の高温になると光学特性や寿命の低下を引き起こす。これに対し、電源部品３５１は例えば、電源ユニットに供給される交流電力を所定の電圧の直流電流に変換するレギュレータであるが、このような電源部品は通常１２５〜１５０℃程度までの動作が許容されている。また光源ランプに用いられている水銀ランプは１５０℃乃至それ以上での動作が可能である。すなわち本実施例の形態においては、複数の部品ないしユニットを冷却する上で、動作許容温度の相対的に低い映像表示素子ユニットの放熱部４０を放熱部４０ｂないし放熱部４０ｃより下流側に配置している。

ポンプ４２によって液状の冷媒はまず電源部品３５１を冷却するための放熱部４０ｂへ送液される。電源部品３５１は例えば、電源ユニットに供給される交流電力を所定の電圧の直流電流に変換するレギュレータである。放熱部４０ｂに流入した液状の冷媒は、電源部品３５１が発熱する熱によって加熱され、沸騰が開始され一部が蒸気となった２相流状態となる。この際電源部品３５１は、冷媒が沸騰し蒸気となる際の気化熱として熱を吸収することで冷却される。２相状態となった冷媒は次に放熱部４０ｃに輸送される。放熱部４０ｃに流入した液状の冷媒は、光源ランプ１１が発熱する熱によって加熱され、さらに沸騰し、光源ランプ１１を冷却する。次に冷媒は放熱部４０に輸送されて映像表示素子ユニットを冷却する。

放熱部へ輸送された２相状態の冷媒は凝縮器４３で凝縮されて液となる。凝縮によって発生した凝縮熱はファン４４によって空気に放熱される。再び液状となった冷媒は気液分離部を通りポンプによって再度循環される。

最上流側の放熱部４０ｂでは液状の冷媒が流入し沸騰が開始するので、部分的な沸騰が生じ沸騰が安定せず冷却性能も低い。しかしながら電源部品３５１は動作許容温度が高いため、多少冷却性能が悪くても許容する事ができる。また、本実施例の形態ではもともと電源ユニットを空冷するファンが設けられているため、電源部品は十分許容温度まで冷却可能となる。あるいは逆に空冷の効果が高く電源部品３５１の温度が低くなりすぎると、放熱部４０ｂに流入した液状の冷媒に沸騰開始に必要な熱が供給されない場合もある。このような場合には例えば発熱量の多い電源部品に対し放熱部４０ｂを接続するか、或いは空冷の効果によって冷えすぎないように電源部品と放熱部４０ｂの周囲を断熱しても良い。

光源ランプ１１を冷却する放熱部４０ｃや映像表示素子ユニットを冷却する放熱部４０においては、流入する冷媒は既に放熱部４０ｂにおいて沸騰状態となっているため、安定した冷却性能が得られる。

また、本実施の形態では、電源部品３５１を冷却する放熱部４０ｂと光源ランプを冷却するための放熱部４０ｃが設けられているが、いずれか一方のみでも良い。この場合でも映像表示素子ユニットの放熱部４０には既に沸騰状態となった冷媒が流入するため、放熱部４０において安定した冷却性能を得る事ができる。

本実施例の形態によれば、少なくとも２箇所以上の複数の冷却部を備えたことで、複数の発熱体を冷却できるだけでなく、冷媒の送液方向にそって下流側に配置された発熱体をより冷却する事ができる。本実施の形態でいえば、映像表示素子ユニットを冷却する冷却部だけを備えた場合は、液状の冷媒が映像表示素子ユニットの冷却部に流入するため、沸騰状態が部分的に生じ冷却性能が安定しない。これに対し電源部品，光源等の冷却部を追加することで、複数の部品ないしユニットが冷却できるだけでなく、映像表示素子ユニットの冷却性能自体が安定化し向上する。

また、複数の部品ないしユニットを冷却する上で、動作許容温度の相対的に低い映像表示素子ユニットの放熱部４０を、放熱部４０ｂないし放熱部４０ｃより下流側に配置している。放熱部４０には既に沸騰状態となった冷媒が流入するため、動作許容温度の低い映像表示素子ユニットを冷却する放熱部４０において安定した冷却性能を得る事ができる。また、図１で示した実施の形態に比較すると、加熱ヒータによる入熱を行わないため、消費電力を低減することができる。また、同じく図１で示した実施の形態と比較して、電源部品３５１や光源ランプの冷却を相変化冷却システムで行うために電源ユニットや光源ランプを冷却するファン３６を小型化することができる。また図１に示した実施の形態と同様に映像表示素子ユニットに対する振動を低減し、画像の振動や色ずれを低減することができる。

次に、他の実施例による相変化冷却システムとそれを備えた電子機器を説明する。
本実施の形態における電子機器は、マザーボード上に演算処理を行うＣＰＵ及びチップセットを有するコンピュータである。

図１０は本実施の形態におけるコンピュータの概略構成図である。
図１０において、筐体１１０の内部には演算処理を行うＣＰＵ１０２および必要なチップセット１０３を搭載したマザーボード１０１，マザーボード１０１及びハードディスク１１５や他の部品ないしモジュールに電源を供給するための電源ユニット１３５が設けられている。

本実施例の形態においても図１に示した実施の形態と同様に、ポンプ１４２，冷媒配管１４１，予備加熱部１４６，冷却部１４０，凝縮器１４３，気液分離部１４５およびファン１４４からなる相変化冷却システムが筐体１１０の内部に設けられている。また、ファン１４４の動作によって、入気口１３１から空気が流入し、ポンプ１４２からなる冷媒駆動部，気液分離部１４５，ハードディスク１１５，電源ユニット１３５の上を冷却しながら流れた後、図９に示した凝縮器４３を冷却して排気口１３３より排気される。すなわちポンプ４２，気液分離部４５は冷却空気の流れからみて凝縮部の上流側に配置されている。

図１１は冷却部１４０周辺の斜視図である。
図１１において、冷却部１４０はマザーボード１０１上のＣＰＵの上部に熱的に接続されている。また、図１に示した実施の形態と同様に冷媒配管１４１は冷却部１４０に設けられた溝１５０の内部に埋め込まれており、ＣＰＵで発生した熱は熱伝導によって冷却部１４０より冷媒配管１４１に伝えられる。本実施の形態において冷却部１４０は溝１５０に冷媒配管１４１が埋め込まれているが、例えば冷却部１４０自体の内部に冷媒が流れる流路が形成されていても良い。

本実施例の形態の相変化冷却システムの構成は図１に示した実施の形態と同様であり、ポンプ１４２によって液状の冷媒は予備加熱部１４６に送液される。予備加熱部１４６は予備加熱制御手段（図示せず）によって加熱量が制御される。予備加熱部で沸騰が開始し２相状態となった冷媒は冷却部１４０へ送られ、ＣＰＵから発生した熱を受けて更に沸騰してＣＰＵを冷却する。放熱部へ輸送された２相状態の冷媒は凝縮器１４３で凝縮され液となる。凝縮によって発生した凝縮熱はファン１４４によって空気に放熱される。再び液状となった冷媒は気液分離部を通りポンプによって再度循環される。

本実施例の形態によれば、まず、図１に示した実施の形態と同様にポンプ１４２と冷却部１４０の間に予備加熱制御手段１４６を設けることによって沸騰を安定化させ、冷却性能を向上する事が出来る。特に本実施例の形態で示すようなコンピュータのＣＰＵは、演算量の変動により発熱量が大きく変動する。これに対し図７の実験結果で示したように、予備加熱手段を設け、冷却部に冷媒が流入する前に予め沸騰状態を作り出しておく事で沸騰が安定化し、温度上昇のばらつきも小さくなるため安定したＣＰＵの冷却性能が実現できる。

さらにまた、予備加熱部を設けることによって冷却部における振動を低減することができる。特に本実施例の形態のＣＰＵはマザーボード上に実装されているが、近年のＣＰＵはマザーボードと電気的に接続するためにＣＰＵ裏面に設けられたピン数が膨大となっており、それらは通常は微小なはんだボールによってマザーボードにはんだ付けで接続されている。このためＣＰＵに振動が加わると、半田ボールの界面において亀裂が発生し、最悪の場合導通が取れなくなってしまう恐れがある。したがって、予備加熱部を設けることによって、沸騰開始による振動は予備加熱部で発生し、離れた位置にある冷却部の振動が低減されためＣＰＵの実装信頼性を向上する事ができる。

次に、別の実施形態による相変化冷却システムとそれを備えた電子機器を説明する。
本実施の形態における電子機器は、演算処理を行うＣＰＵ及びチップセットを有するコンピュータである。
図１２は本実施例の形態におけるコンピュータの概略構成図である。
図１２において、本実施の形態は図１０で示した実施の形態に対し、予備加熱手段が設けられていない点、ＣＰＵを冷却する冷却部１４０に加えて電源ユニット１３５上の電源部品１３５１を冷却するために電源部品１３５１と熱的に接続した冷却部１４０ｂが設けられている点を除いて同様の構成である。

冷却部１４０ｂ，１放熱部４０は冷媒配管４１によって順次直列に接続されており、ＣＰＵを冷却する冷却部１４０は冷却部１４０ｂよりも下流側に配置されている。ＣＰＵは通常８５℃程度までの動作が保証されている。また、これより許容温度が高い場合もあるが、近年のＣＰＵは発熱量の増大に伴い、温度が制限因子となり高温になった場合は動作周波数を低下或いは動作モードを省電力モードに移行させて動作させる場合もあり、この点からも許容動作温度は低いほど望ましい。

これに対し、電源部品１３５１は例えば、電源ユニットに供給される交流電力を所定の電圧の直流電流に変換するレギュレータであるが、このような電源部品は通常１２５〜１５０℃程度までの動作が保証されている。すなわち本実施の形態においては、複数の部品ないしユニットを冷却する上で動作許容温度の相対的に低いＣＰＵの冷却部１４０を冷却部１４０ｂより下流側に配置している。

ポンプ４２によって、液状の冷媒はまず電源部品１３５１を冷却するための冷却部１４０ｂへ送液される。電源部品３５１は例えば、電源ユニットに供給される交流電力を所定の電圧の直流電流に変換するレギュレータである。冷却部１４０ｂに流入した液状の冷媒は電源部品１３５１が発熱する熱によって加熱され、沸騰が開始され一部が蒸気となった２相流状態となる。この際電源部品１３５１は、冷媒が沸騰し蒸気となる際の気化熱として熱を吸収することで冷却される。２相状態となった冷媒は冷却部１４０に輸送されてＣＰＵを冷却する。

放熱部へ輸送された２相状態の冷媒は凝縮器１４３で凝縮され液となる。凝縮によって発生した凝縮熱はファン１４４によって空気に放熱される。再び液状となった冷媒は気液分離部を通りポンプによって再度循環される。

上流側の冷却部１４０ｂでは液状の冷媒が流入し沸騰が開始するので、部分的な沸騰が生じ沸騰が安定せず冷却性能も低い。しかしながら電源部品１３５１は動作許容温度が高いため、多少冷却性能が悪くても許容する事ができる。また、本実施例の形態ではもともと電源ユニットを冷却するファンが設けられているため、電源部品は十分許容温度まで冷却可能となる。

また本実施例の形態では、もともと電源ユニットを空冷するファンが設けられているため電源部品は十分許容温度まで冷却可能となる。あるいは逆に空冷の効果が高く電源部品３５１の温度が低くなりすぎると、冷却部１４０ｂに流入した液状の冷媒に沸騰開始に必要な熱が供給されない場合もある。このような場合には例えば発熱量のより多い電源部品に対し冷却部１４０ｂを接続するか、或いは空冷の効果によって冷えすぎないように電源部品と冷却部１４０ｂの周囲を断熱しても良い。ＣＰＵを冷却する冷却部１４０においては、流入する冷媒は既に冷却部１４０ｂにおいて沸騰状態となっているため安定した冷却性能が得られる。

本実施例の形態によれば、少なくとも２箇所以上の複数の冷却部を備えたことで、複数の発熱体を冷却できるだけでなく、冷媒の送液方向にそって下流側に配置された発熱体をより冷却する事ができる。本実施の形態でいえば、ＣＰＵを冷却する冷却部だけを備えた場合は、液状の冷媒がＣＰＵの冷却部に流入するため、沸騰状態が部分的に生じ冷却性能が安定しない。これに対し電源部品，光源等の冷却部を追加することで、複数の部品ないしユニットが冷却できるだけでなく、ＣＰＵの冷却性能自体が安定化し向上する。

また、複数の部品ないしユニットを冷却する上で、動作許容温度の相対的に低いＣＰＵの冷却部１４０を、冷却部１４０ｂより下流側に配置している。冷却部１４０には既に沸騰状態となった冷媒が流入するため、動作許容温度の低いＣＰＵを冷却する冷却部１４０において安定した冷却性能を得る事ができる。また、図１０で示した実施の形態に比較すると、加熱ヒータによる入熱を行わないため、消費電力を低減することができる。

また図１０に示した実施の形態と同様にＣＰＵに対する振動を低減し、実装信頼性を向上する事ができる。

以上、述べたように本発明によれば、予備加熱手段を設けるあるいは、複数の冷却部を備え、また特に複数の冷却部を送液方向に従って適正に配置する事により、安定した冷却性能を備え、相変化によって生じる振動の影響を低減した電子機器を実現する事が出来る。特に冷却性能を安定化させるとともに沸騰・凝縮の相変化に伴う振動が電子機器に与える影響を低減する。

本発明による一実施の形態に係る透写型映像プロジェクタの概略構成図である。 一実施の形態に係る映像表示素子ユニットの斜視図である。 一実施の形態に係る映像表示素子ユニットの斜視図である。 一実施の形態に係る映像表示素子ユニットの構造を示す断面図である。 一実施の形態に係る予備加熱部の斜視図である。 一実施の形態に係る予備加熱部の構造を示す断面図である。 予備加熱部の効果を示す実験結果である。 予備加熱部の効果を示す実験の条件である。 本発明による一実施の形態に係る透写型映像プロジェクタの概略構成図である。 本発明による一実施の形態に係るコンピュータの概略構成図である。 本発明による一実施の形態に係るＣＰＵ冷却部周辺の斜視図である。 本発明による一実施の形態に係るコンピュータの概略構成図である。

符号の説明

１ 赤色光液晶パネルモジュール
２ 緑色光液晶パネルモジュール
３ 青色光液晶パネルモジュール
４ プリズム
５ 透写レンズ
１０，１１０ 筐体
１１ 光源ランプ
１２ レンズアレイ
１３ 偏光変換素子
１４ 集光レンズ
１７，１８ ダイクロイックミラー
１９，２０，２１ 全反射ミラー
２２，２３，２４ 赤色光，緑色光，青色光のそれぞれの進行方向を示す矢印
４０，４０ｂ，４０ｃ 放熱部
４１，１４１ 冷媒配管
４２，１４２ ポンプ
４３，１４３ 凝縮器
４４，１４４ ファン
４５，１４５ 気液分離部
４６，１４６ 予備加熱部
５０，１５０ 溝
６５ 加熱ヒータ
６６ 沸騰促進手段
６７ 予備加熱制御手段
１０１ マザーボード
１０２ ＣＰＵ
１０３ チップセット
１１５ ハードディスク
１４０，１４０ｂ 冷却部
３５１ 電源部品

Claims (5)

1. 発熱素子から発生した熱を沸騰する冷媒で冷却する冷却部と、この冷却部と前記発熱素子を熱的に接続して前記冷媒に吸収された熱を凝縮によって放熱する放熱部と、この放熱部で凝縮した前記冷媒を再度冷却部に送液するための冷媒駆動部と、この冷媒駆動部と前記冷却部と前記放熱部を接続する配管を備えた冷却システムにおいて、
   前記冷却部は複数の発熱素子それぞれに熱的に接続するため少なくとも２箇所以上設けられ、前記冷媒駆動部と前記冷却部との間に前記冷媒駆動部から前記冷却部に向かう冷媒を加熱するための加熱手段を備えたことを特徴する冷却システム。
2. 請求項１に記載の冷却システムにおいて、
   前記複数の冷却部に熱的に接続される前記複数の発熱素子の中で許容動作温度が相対的に低い発熱素子を前記複数の冷却部を前記冷媒駆動部から始まり、冷媒の送液方向に従って順序付けしたとき少なくとも２番目以降の冷却部に熱的に接続させたことを特徴とする冷却システム。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の冷却システムにおいて、
   電圧と電流を電子部品に供給するための電源ユニットと、光源の光の変調と反射と吸収等による発熱を伴う少なくとも１個以上の映像表示素子ユニットとを備えた透写型画像プロジェクタの電子機器であって、前記複数の冷却部のうち１個が前記表示素子ユニットであり、残りの冷却部のうち１個が前記光源あるいは前記電源ユニットのいずれかにそれぞれ熱的に接続されて前記表示素子ユニットと前記光源あるいは前記電源ユニットの冷却を行うことを特徴とする冷却システム。
4. 請求項３記載の冷却システムにおいて、
   前記映像表示素子ユニットが、前記複数の冷却部を前記冷媒駆動部から始まって冷媒の送液方向に従って順序付けしたとき少なくとも２番目以降の冷却部に熱的に接続されて前記映像表示素子ユニットの冷却を行うことを特徴とする冷却システム。
5. 請求項１又は２のいずれかに記載に冷却システムにおいて、
   所定の電圧と電流を電子部品に供給するための電源ユニットと、マザーボードに装着された演算処理を行うＣＰＵ及びチップセットを有するコンピュータであって、前記ＣＰＵが前記複数の冷却部を前記冷媒駆動部から始まって冷媒の送液方向に従って順序付けしたとき少なくとも２番目以降の冷却部に熱的に接続されて前記ＣＰＵの冷却を行うことを特徴とする冷却システム。

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