JP5023711B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器における高温体の冷却に係り、特に液晶パネルなどのライトバルブ素子を用いてスクリーン上に映像等の情報を拡大投影して表示する液晶表示機器等の電子機器における液晶パネル、及び偏光板などの冷却技術に関する。

液晶表示機器のひとつである液晶プロジェクタでは、ライトバルブとして液晶パネルを備え、光源からの光を変調し、液晶パネル上の画像情報をスクリーン上に投射して表示するようにしている。このような構成のため、液晶プロジェクタでは、画像情報を投射するための光源からの光が、液晶パネルの液晶層を通過することによって光吸収されるとともに、不要光源の遮断を行うブラックマスク等においても光吸収され、この光吸収によって、液晶パネルは温度上昇することになる。また、光源からの光における所定の偏光軸を有さない光は液晶パネル前後に配置される偏光板によって吸収される。偏光板に蓄積された熱は、液晶パネルに熱伝達されて、液晶パネルの温度上昇につながる。

過度の液晶パネルの温度上昇は液晶パネルの信頼性低下を招くため、液晶プロジェクタでは、他の電子機器において行われているのと同様に、機器内に設置されたファンで外気を取り込んで送風する空冷方法を適用して、液晶パネルや偏光板の冷却がおこなわれている。

近年、この液晶表示機器の液晶パネルに照射される光は、液晶表示機器の使用状況の多様化による表示画面の高輝度化の要求もあって、より強いものになっている。一方、市場での製品の廉価への要求も大きく、使用される液晶パネルはますます小型化している。この要因等が合わさって、液晶パネルの加熱密度は非常に大きな状況となっている。この液晶パネルの温度上昇は、液晶パネルの品質劣化をも加速させ、液晶表示機器の製品寿命への問題となっており、冷却装置は、温度上昇に相応した冷却能力の向上を要求されている。

また、液晶表示機器等の光を照射して拡大投射する表示機器は、機器内にごみや塵埃を吸引して保有すると、これらを投射光によって表示してしまい画質劣化を招くことから、発熱体の冷却方法も外部からの空気を通流させない冷却方法が望まれている。

ごみや塵埃対応を図りながら、冷却能力を向上する方法として、特許文献１に記載されているような液冷媒を設けた液冷方式が色々と検討されている。この冷却装置は、液体冷媒を封入した受熱部材を液晶パネルと偏光板の間に密接して配置し、液晶パネルと偏光板に蓄熱した熱を受熱部材を通流する液体冷媒に伝達し、受熱した液体冷媒を液体ポンプによって離間した位置に配置されたラジエータに移送して、このラジエータによって放熱するものである。この液体冷媒は、受熱部材とラジエータの間を液体ポンプによって循環され、熱移送による最適な熱交換状態を設定することで冷却能力を向上するものである。

また、特許文献２には、冷却冷媒を流す流路を有した受熱部材を光源で照射される液晶パネルモジュールの光透過領域を除く周辺の領域のみに密接させて配置している。液晶パネルに蓄熱した熱を液晶パネル周辺で循環する冷却冷媒に伝達し、受熱した冷却冷媒をポンプによって離間した位置に配置された放熱ユニットに移送して、放熱ユニットで放熱するものであり、冷却冷媒が直接光の照射を受けることがないようにしたものであり、投射画質への影響を回避した冷却装置が記載されている。

さらに、液晶表示機器へのごみや塵埃の混入を遮断しながら、液晶パネル等の高温体を冷却する方法として、特許文献３に記載の冷却装置がある。この冷却装置は、筐体により液晶表示装置を気密状態にし、筐体内の空気を一旦圧縮した後にノズルより高温体に向けて放射する。このノズルからの断熱膨張によって温度低下した空気流によって高温体を冷却するものである。この際、圧縮時に起きる温度上昇は圧縮する器の外部に設けられて外気と接触させた放熱フィンで外気空気中に放熱させるものである。

ここで、液晶表示装置に関する冷却手段としての例ではないが、異なる冷却手段２つを併用して冷却する冷却装置として、特許文献４に記載の冷却装置がある。この冷却装置は、発熱体の熱を冷媒により受熱して熱移送する冷却循環系と、コンプレッサによって圧縮した後に断熱膨張させて温度低下した冷媒を循環する冷却循環系を設け、前者の冷却系で発熱体の熱を受熱して熱移送して、その冷媒の熱を後者の他の冷却系で熱接続して吸熱させ、後者の循環系において放熱する冷却システムである。

特開平１−１５９６８４号公報 特開２００５−２７５１８９号公報 特開２００５−１４８６２４号公報 特開２００４−３１９６２８号公報

上記にあげた従来技術においても、つぎのような解決しなければならない課題がある。
特許文献１に記載の冷却装置では、光源から照射される光が液体冷媒を透過するため、気泡や塵埃が液体冷媒に混入すると画像に気泡や塵埃の映像が投射されてしまう新たな問題がある。また、液体冷媒に温度差が生じると液体冷媒内での対流などによって画像に揺らぎが発生する問題や、さらには、液体冷媒が光源からの照射する光によって変質による品質の劣化を起こして、光の液晶パネルへの透過率が低下し、画像の照度低下を生じてしまう問題も呈している。

特許文献２に記載の冷却装置では、光源から照射される光が透過する領域を避けた領域で液晶パネル等の冷却冷媒を循環させて冷却しているので、冷却冷媒における光の影響によって生じる特許文献１の問題は回避できるが、光源から照射される光による液晶パネルや偏光板の熱を周辺への冷却冷媒に効率良く伝達する必要がある。このため、熱伝達には光透過率が良く、熱伝導率の高い高光透過、高熱伝導材の材料が用いられることになる。現状では、この高光透過、高熱伝導材は限られた材質であり高価なものであり、商業製品としてのコスト的な課題となっている。また、放熱ユニットにより吸入される空気によりごみや塵埃を吸入するため高熱伝導材や液晶パネルの表面部に防塵ガラス等を設置する液晶表示装置もある。

特許文献３に記載の冷却装置では、噴射される空気の圧力や温度が、コンプレッサによる圧縮状態を制御することで制御可能となるが、コンプレッサのような大形の装置を必要とする。さらには、断熱膨張による空気の急冷により機器内の空気中の水分が液化し、これらの水滴が液晶パネル等に付着すると映像の劣化を招く要因となる。また、コンプレッサによる空気流の噴射周期等によって温度の周期変動が生じ、その周期によっては映像への影響も懸念される。

特許文献４に記載の冷却装置は、電子機器への冷却装置の着脱を実行するために電子機器と冷却装置を独立に設けて着脱の操作性の向上を図ったものである。しかし、密封性を要求した冷却装置の着脱を不要とする電子機器などにおいては、どちらか一方の冷却方法でも冷却可能な状況にあり、あえて独立した２つの冷却循環系を設けることは、互いの冷却循環系を熱接続させて熱伝達を間接的に行うだけの仕組みとなり、冷却装置の冗長性を呈することになる。

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決し、液晶プロジェクタ等に適用して有効な、外部からのごみや塵埃の吸引のない冷却装置を提供することにある。

本発明の冷却装置は、循環する第1の冷媒により電子機器の高温体を冷却する第１の冷却手段と、循環する第２の冷媒により前記第1の冷媒を冷却する第２の冷却手段と、 前記第1の冷媒と前記第２の冷媒が循環するように駆動するひとつの冷媒駆動手段とを備える構成とした。

また、本発明の冷却装置は、空気を吸引および吐出する第1のポンプ室と冷却液を吸引および吐出する第２のポンプ室とを含み、第1のポンプ室と第２のポンプ室が連動して動作する冷媒駆動部と、液晶パネルあるいは偏光板に冷却空気を噴出するノズルと、前記第1のポンプ室により吸引および吐出された前記冷却空気が流入して前記冷却空気を冷却するともに前記ノズルに冷却した冷却空気が流出する熱交換部とを含み、液晶パネルおよび偏光板を内包する電子機器の気密部の内部に設置される空冷手段と、前記第２のポンプ室で吸引および吐出された冷却液により前記熱交換部を冷却する受熱部と、前記受熱部で吸熱した冷却液の放熱をおこなうとともに前記気密部の外部に設置された放熱部と、前記第２のポンプ室と前記受熱部と前記放熱部を冷却液が循環するように接続し前記冷却液が通流する管路とを含む液冷手段と、を備える構成とした。

本発明の冷却装置によれば、内部部品の温度劣化がなく信頼性や画質の高い液晶表示機器等の電子機器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明における冷却装置を用いた液晶表示機器の概略構成図を模式的に示したものである。液晶表示装置は、被冷却部材が光を照射される液晶パネル等であり、本発明の冷却装置は、光が透過する液晶パネル特有の冷却の問題を解決する上で好ましいものである。加えるに、液晶表示装置に限らず外部空気を遮断することを欲される他の電子機器においても有効なものである。

液晶表示機器１は、光源から照射される光を変調して画像情報を形成し、形成した画像情報をスクリーン上に投射して拡大表示するものである。この液晶表示機器１は、筐体２内に光学ユニット３を有し、光学ユニット３によって形成された画像情報を投射レンズ４によってスクリーン（図示しない）上に投射する。本発明は、この光学ユニット３を冷却するための冷却装置５を備えている。

まず、画像情報を形成する光学ユニット３の機能と構成の概略について、図１によって説明する。光学ユニット３は、光源から射出された光を光学的な処理によって画像情報を光学画像に形成するための構造物であり、照明光学系３１、色分離光学系３２、光学変換素子３３、色合成光学系３４、等で構成されている。

照明光学系３１は、光源３１１より照射された光を、リフレクタ３1２によって反射させて平行光として射出し、小レンズ群で構成されたレンズアレイ３１３で複数の部分光に分離し、重畳レンズ３１４で後述する液晶パネル上に結像するように構成されている。

色分離光学系３２は、照明光学系３１から射出された複数の部分光を透過・反射させるダイクロイックミラー３２１（青分離）、３２２(緑、赤分離)、及び部分光を反射させる反射ミラー３２３、３２４、３２５によって赤、緑、青の3色の色光に分離する機能を有している。

色分離光学系３２で分離された赤、緑、青の３色光は各々の光学変換素子３３の後述する各色光用の液晶パネルに投射される。

光学変換素子３３は、入射側偏光板３３１Ｒ（Ｇ、Ｂ）と射出側偏光板３３３Ｒ（Ｇ、Ｂ）で液晶パネル３３２Ｒ（Ｇ、Ｂ）を挟んだ位置に配置され、3組で構成されている。各入射側偏光板３３１（Ｒ、Ｇ、Ｂ）には、偏光方向が略一方向に揃えられた各色光が入射されるが、光の偏光軸とほぼ同一の方向の偏光光のみを通過させて、その他の光を吸収するものである。各出射側偏光板３３３（Ｒ、Ｇ、Ｂ）は、液晶パネル３３２（Ｒ、Ｇ、Ｂ）から射出された光のうち入射側偏光板３３１（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を通過した光の透過軸と直行する偏光軸を有するもののみ透過させて、その他の光を吸収するものである。よって、入射側偏光板３３１（R、G、B）および射出側偏光板３３３（Ｒ、G、B）はこの吸収光によって温度上昇することになる。特に射出側偏光板における蓄熱が大きいものとなる。

色合成光学系３４は、各液晶パネル３３２（Ｒ、Ｇ、Ｂ）によって変調され、各射出側偏光板３３３（Ｒ、Ｇ、Ｂ）から射出された各色光ごとの画像情報を合成してカラー画像に形成するために４つの直角プリズムを張り合わせたものである。

投射レンズ４は、複数のレンズを組合せた構成であり、色合成光学系３４で形成されたカラー画像をスクリーン上に拡大投射するものである。

上記のような液晶表示機器１において、例えば、光源からの光によって温度上昇する偏光板３３１（R、G、B）、３３３（R、G、B）、及び液晶パネル３３２（R、G、B）を冷却する冷却装置５を有している。

この液晶表示機器１の冷却装置５の基本構成について、図１によって説明する。
まず、本発明において従来の電子機器の冷却装置と比較して大きく異なる特徴は、２つの冷媒を駆動するポンプの使い方と、そのポンプにより駆動される２つの冷媒の被冷却体にあると云える。ポンプ５１は渦流式ポンプとして、1つの渦流ポンプ５１のポンプ室を第１のポンプ室５１１、及ぶ第２のポンプ室５１２に2分割し独立のポンプ流路を構成している。第１のポンプ室５１１、及び第２のポンプ室５１２には各々、冷媒の第１の流入路口５１３、及び第2の流入路口５１４と、冷媒の第１の流出路口５１５、及び第２の流出路口５１６とを設けている。

２つの冷却手段の冷媒は、それぞれのポンプ室によって駆動される構成としている。渦流ポンプ５１の第１のポンプ室５１１によって冷媒を循環する冷却系は、受熱部材５２と、放熱部材５３と、液タンク５４とを複数の配管５５１により循環接続して構成された第１の冷却手段である。また、渦流ポンプ５１の第２のポンプ室５１２によって冷媒を移送する冷却系は、配管５５２により接続された空気熱交換部材５６と、移送された冷媒を噴射する制御部材を含むノズル群５７を有する噴射手段とで構成された第２の冷却手段である。

本発明の実施例とした液晶表示機器１の被冷却体は、光が透過する3組の液晶パネル３３２（R、G、B）、及び偏光板３３１（R、G、B）、３３３（R、G、B）部分としている。その液晶パネル等を冷却する冷却装置５は、低温風を液晶パネルや偏光板の平面に直接噴射する冷却方式であり、液冷方式における液晶パネル等の光の透過部分を冷却する際に生じる問題を解消しようとするものである。

本発明の冷却装置５は、図１に示すように、被冷却体として、3色光の液晶パネル３３２（R、G、B）と偏光板３３１（R、G、B）、３３３（R、G、B）を有していることから、少なくとも3組のノズル５７を有することになる。液晶表示機器１内における他の発熱電子部品の冷却を行うにあたっては必要に応じてノズル５７を冷却対象とする被冷却体に対向して配置することで、同様な冷却を可能とする。

ここで、第１の冷却手段、及び第２の冷却手段の構成と動作内容を説明する。まず、直接の冷却対象である液晶パネル３３２、偏光板３３１、３３３などの冷却にあたる第２の冷却手段の構成と、空気の噴射の方法について図１を参照にして説明する。

噴射する空気冷媒は、渦流ポンプ５１の第２のポンプ室５１２によって作動される。すなわち、第２のポンプ室５１２に設けられた第２の流入路口５１４から、外部との通風を遮断し密閉された液晶表示機器１内部の空気を流入し、渦流ポンプ５１の第２の流出路口５１６より第２の配管５５２によって接続された空気熱交換部材５６に空気を移送する。空気熱交換部材５６の内部には、移送されてきた空気を通流するにあたって空気と接触する面識を広く確保し熱伝達を図るためにフィン形状等を有した流路（図示せず）を形成している。移送された空気は、空気熱交換部材５６内で滞留した後にノズル５７より被冷却体に向けて噴射される。

ここで、高温体３３２、３３１、３３３（温度：Ｔｈ）を冷却するにあたり低温（Ｔ２）の噴射風の形成について図１、及び図２を参照にして説明する。図２は、本発明における冷却装置の熱変換状態を示したものである。

空気熱交換部材５６内に吸引される空気は、密閉された液晶表示機器１内の空気であり、外部よりのごみや塵埃を遮断することについては好適であるが、高温体３３２、３３１、３３３（温度：Ｔｈ）に噴射して吸熱（温度：Ｔｃ）した空気である。この吸熱した空気の熱（温度：Ｔｃ）は、液晶表示機器１の内部を浮遊中に筐体２などによって熱拡散されて放熱されることで、やや低温度（Ｔ１）となる状況にはあるが、液晶表示機器１の内部には他の発熱体等も保有しており、吸熱した空気熱を放出しきれない状況に至ると、空気は吸熱した温度（Ｔｃ）に近い温度状態のままとなる。この吸熱した状態の空気（温度：Tｃ）を被冷却体３３１、３３２、３３３（温度Tｈ）に噴射しても、被冷却体の高温状態を十分に冷却できないので、噴射する空気は低温（温度：Ｔ２）の噴射風とすることが必要となる。

噴射する低温（T2）空気の形成について説明する。空気熱交換部材５６は、後述する第１の冷却手段の受熱部材５２と熱接続されている。筐体２内の空気はこの空気熱変化部材５６に吸入され、通流する空気の熱（温度：Ｔ１）を受熱部材５２の内部を通流する液冷媒により受熱させて低温（Ｔ２）風として形成する構成としている。空気熱交換部材５６に滞留し、冷却された低温（Ｔ２）の空気は、噴射制御手段によりノズル５７から、連続的に、あるいは所定の周期を有して間歇的に高温体３３２、３３１、３３３（温度：Ｔｈ）に向けて噴射され、液晶パネル３３２や偏光板３３１、３３３などを冷却（温度：Ｔｃ）する。高温体３３２、３３１、３３３から吸熱（温度：Ｔｃ）した空気は、再び、液晶表示機器１内を浮遊して、液晶表示機器１の筐体２等を介して放熱（温度：Ｔ１）されながら、再度渦流ポンプ５１の第２の流入路口５１４で吸入され、第１の冷却手段の受熱部材５２を通流する冷媒液によって受熱され低温（Ｔ２）風となってノズル５７で噴射される循環を繰り返すことになる。

ここで、まず被冷却体に近い部分からの熱変換について順に説明する。液晶パネル３３２、及び偏光板３３１、３３３の冷却は、空気と被冷却体の界面からの熱伝達と、空気冷媒による熱移送による熱変換で行わることになる。これらの熱変換を説明するために、本発明の熱変換に関与する空気の物性の特性を、一般的な液冷媒である水と比較して、図５に示している。

まず、被冷却体と空気の界面における空気冷媒の受熱量Ｗsは、
Ｗｓ＝（熱伝達率）×（温度差）×（接触面積） ・・・・（１）
で表わされる。

ここで、熱伝達率は、プラントル数と熱伝導率に関する関数でありながら、冷媒の流速によっても変化し、一般的には、液冷媒と空気冷媒との比率は約２０倍程度とされる。すなわち、空気冷媒で一般的な液冷媒による冷却と同温度とする冷却結果を得るためには、少なくとも、液晶パネルや偏光板等と空気との接触面積を約２０倍程度拡大する必要があることになる。

液晶パネルや偏光板は、光学的に最適状態に配置されており、それぞれの全面に液冷媒を通流する受熱部材を接触させて設けることは困難であるため、液晶パネル３３２と射出側偏光板３３３間に受熱部材を配置するに留まらざるを得ない。このため、液冷媒による冷却方式では、限られた接触面積での熱伝達がおこなわれている。

これに対して、空気冷媒を噴射する冷却方式においては、液晶パネル３３２、及び偏光板３３１、３３３の各々の配置は空気を通流するに可能な隙間を設けて、各々の両平面に空気冷媒を噴射するようにする。このことは、冷媒との接触面積の増加が容易であることを意味しており、一例では約６倍程度拡大することが可能である。さらには、液晶パネル３３２や偏光板３３１、３３３の取り付け部材に３〜４倍程度の接触面積を有するフィン部材を設ける構造とする。

以上から、空気冷媒との接触面積を水冷方式の受熱部材との接触面積の約２０倍程度の拡大は図ることは容易に実現され、空気冷媒でも液冷媒への熱伝達とおなじ伝達熱量を確保可能である。

つぎに、熱移送による吸熱量Ｗtについて説明する。空気冷媒の熱移送による吸熱量Ｗｔは、
Ｗｔ＝（密度）×（比熱）×（流量）×（温度差） ・・・・・（２）
で表されるものである。

ここで、図５に示されるように、液冷媒と空気冷媒の密度は、１：0.0012９であり、比熱は、１：0.24であるから、液冷媒の冷却駆動性能のポンプによって駆動される空気冷媒の流量と温度差が同じとすると、空気冷媒による熱移送性能は、液冷媒による吸熱量Ｗｔの約1／３２００となることを示している。

このため、低温（Ｔ２）風を噴射して仕様冷却温度（Ｔｃ）に冷却するに必要な熱量（Ｗｔ）を得るには、噴射する空気流量を大幅に増加させる必要がある。

ここで、温度差（ΔＴ）が大きいほど吸熱する熱量を上げることができるため、ノズル５７より噴射する空気は、筐体２等で熱拡散により放熱された温度（Ｔ１）状態の空気よりも、第１の冷却手段の液冷媒によって冷却され、低温（Ｔ２）となった空気を噴射することによって高温体から吸熱する熱量を上げることにしていることは前述した通りである。この空気熱交換部材５６において、噴射する空気を低温（Ｔ２）とするための第１の冷却手段について説明する。

第１の冷却手段は、渦流ポンプ５１の第１のポンプ室５１１と、受熱部材５２と、放熱部材５３と、タンク５４とを第１の配管群５５１で閉循環流路として構成しており、閉循環流路内で液冷媒を移送して２つの熱交換器（受熱部材５２、放熱部材５３）により熱変換を行うものである。前述したように、受熱部材５２は内部に液冷媒を通流する通流路を有して、空気熱交換部材５６と熱接続している。

空気熱交換部材５６内の移送された空気は、液晶表示機器１内で滞留する間に放熱されるが、放熱しきれていない熱は、受熱部材５２に通流する液冷媒に受熱され、低温風（Ｔ２）とされる。一方、受熱した液冷媒（温度：Ｔ２）は、渦流ポンプ５１の第１のポンプ室５１１に接続された配管５５１により移送されて放熱部材５３まで移送される。

ここで放熱部材５３は、液晶表示機器１の筐体２の外部に取り付けられており、受熱した液冷媒の熱（Ｔ２）は筐体の外部に取り付けたファン（図示しない）等によって筐体２の外部において、外気（温度；Ｔa）を通風されて冷却され、筐体２の外で放熱される。放熱された冷媒液（温度：Ｔa）は配管５５１を通流して受熱部材５２へと循環されるものである。

すなわち、1つの冷媒駆動部材としての渦流ポンプ５１によって、2系統の冷却手段にそれぞれの冷媒を循環駆動している。またそれぞれの冷却手段の双方の利点を生かすように組みあわせることにより、液晶表示装置１としての特有の被冷却体を冷却するための冷却装置５を実現している。

次に、本発明における冷却の状態を図３、及び図４によって説明する。図３は、冷媒の流量と冷媒による吸熱量の関係を概念的に示したものである。図３に示す特性曲線は定性的なものを示したに過ぎないが、共に、前述の（２式）で示されるように冷媒の流量（Ｑ）と吸熱量（Ｗ）の関係は比例関係にある。

ところで、本発明の実施例とした冷媒を駆動するポンプ５４は、第１のポンプ室５１１と第２のポンプ室５１２に２分割しているため、ポンプ形状を等しいとした場合には、本来のポンプ室を分割しない１流路の渦流ポンプの流量（Ｑ１）に対し、各ポンプ室で駆動される冷媒液の流量は約半減（１/２・Ｑ１）となる。

このため、一方のポンプ室により通流される冷媒量（１/２・Ｑ１）のみで被冷却体（液晶パネル、あるいは空気）から吸熱して冷却する場合には、吸熱できる熱量は冷媒量の縮小されたＷ１＝１／２Ｗ１（ロ点）となる。被冷却体温度（Ｔｈ）を所定の仕様冷却温度（Ｔｃ）に冷却するに必要な吸熱量Ｗ１（イ点）を得ることが出来ないことになる。被冷却体（Ｔｈ）を仕様冷却温度（Ｔｃ）にするためには、吸熱量（Ｗ１）との差分（（Ｗ１）−（Ｗ１’））を他方のポンプ室により駆動される冷媒によって吸熱することで所望の冷却性能を得るようにしている。

すなわち、本発明における冷却装置は、光が透過する液晶パネル等の冷却に不向きな液冷媒による冷却を回避し、空気冷媒によって冷却しようとするものであり、第１のポンプ室５１１により駆動される液冷媒による吸熱量（ロ）と第２のポンプ室５１２により駆動される空気冷媒による吸熱量（ハ）によって、液晶パネル等の発熱体温度（Ｔh）を冷却（温度：Ｔc）をする方法を実現するものである。

しかし、空気冷媒による吸熱量は、液冷媒との同一流量によると、前述のように約１／3200でしか吸熱できないことになり、1つの駆動ポンプ５１によってポンプ室を2分割した実施例においては、液冷媒と空気冷媒の駆動流量は必然的に同量となることから、図２に示すように吸熱量（ハ）分を増加するに留まってしまい、所望の吸熱量W1を得ることができない。よって、空気冷媒を約３２００倍蓄積して通流する必要があることを示している。

本発明の冷却方式の熱変換状態を図４により説明する。
図４は一般的な冷却方式の考えをもとに本発明の冷却方式についての冷却の熱変換状態を説明したものである。図４の（ａ）は、基本となる一般的な冷却状況の考え方を模式的に示している。図４の（ｂ）は、本発明における冷却状況を模式的に説明している。横方向（軸）は、熱変換に関する流量を想定する時間的な概念を示し、縦方向（軸）は熱変換に関する温度的な概念を示している。

一般的に電子機器の発熱体の冷却装置は、図４の（ａ）に示すように、被冷却体の発熱温度（Ｔｈ）を被冷却体の許容温度（Ｔ０）以下の冷却仕様温度（Ｔｃ）に冷却するために温度（Ｔa）の冷媒によって熱変換によって行なわるものとすると、被冷却体の発熱温度（Ｔh）を水冷方式の受熱部材の液冷媒、あるいは空冷方式の通流空気で受熱して冷却温度（Ｔｃ）を得るに要した熱量（温度変化：（Tｈ−Tｃ））、すなわち冷媒が吸熱した熱量（W１）は、冷媒の受熱温度（Ｔｃ）を放熱部材により放熱し、受熱する前の冷媒温度（Ｔa）となす熱量（温度：（Tｃ−Ta））、すなわち冷媒が放熱した熱量（Ｗ２）に等しいものである。このように、あらゆる冷却装置において、吸熱と放熱により熱量の授受が均衡されるものである。

本発明の冷却装置における、吸熱量（Ｗ１）と放熱量（Ｗ２）の関係によって、所定の吸熱量（Ｗ１）を得るための冷却状態を図４の（ｂ）により前述した内容も含め再度説明する。

液晶表示機器１内の発熱体に噴射され吸熱した空気の温度（Ｔｃ）は、筐体2内に滞留している間に筐体2などによって熱拡散されて放熱され、空気の温度（Ｔ１）となると仮定する。温度（Ｔ１）の空気は、第２の冷却手段の第２の流入路口５１４より吸入され、ポンプ室５１２に取り込まれ、第２の流出路口５１６より、配管５５２を通流して空気熱交換部材５６に移送される。

仮に、温度（Ｔ１）の空気を被冷却体（温度：Ｔｈ）にノズル５７から噴射して、被冷却体の温度（Ｔｈ）からポンプ室５１２に吸入した空気（温度：Ｔ１）によって吸熱するには、筐体２での自然放熱量が大きく、空気温度の下がった空気が冷却性能の観点で好ましい。しかし、現実的にはこの自然放熱だけでは空気温度（Ｔ１）を大きく下げることは困難であるため、所定の冷却温度（Ｔｃ）に冷却することは難い状況にあるといえる。

ここで、噴射する空気の温度（Ｔ１）を下げる（温度：T2）ことによって被冷却体の温度（Ｔｈ）からの吸熱量を増すために、第２の冷却手段における空気熱交換部材５６に通流、貯留される空気（温度：Ｔ１）を第１の冷却手段で冷却（温度：Ｔ２）する。第１の冷却手段での熱変換状態は、前述したとおりである。

ここで、この渦流ポンプ５１の2分割された２つのポンプ室の容積が等しい状態で、ポンプ室５１２によって駆動される冷媒が空気である実施例の場合を想定して説明する。ポンプ室を２分割したポンプを使用することは、ポンプ数を少なくし、組み立て性や取り扱い性を容易にする効果が大きい半面、冷媒量が半減するため冷却能力を低下させることは言うまでもなく、この対応は後述する。

空気冷媒と液冷媒との熱移動量は約１：３２００の違いがあるために、同構成の冷却装置において、空気冷媒による冷却は、液体冷媒による冷却に対し、空気の流量をこの比率分で増加させない限り液冷媒による受熱時と同性能の冷却が行われないことになる。換言すると、ノズル５７より噴射される空気の噴射方法が連続的であれば、１つの渦流ポンプ５１によって各冷媒を駆動する本発明においては、吸入される空気の流量は液冷の流量と同量であり、高温体の所定の冷却を行えないことを示している。この熱移動量の不足分を補うために空気の噴射方法を制御によって行っている。

高温体を冷却するためのノズル５７からの空気の噴射は、渦流ポンプ５１を駆動して空気熱交換器５６に所定量の空気を送り込んだ後、噴射制御手段によって所定の周期で制御して噴射している。所定の周期によって、ノズル５７を開放するため、空気は噴射周期の期間、空気熱交換部材５６において空気を若干圧縮状態で貯留する状態になることも想定されるが、断熱圧縮することを意図的に行うものではない。また、噴射は、図示しない噴射装置によってノズル５７より、ノズルの圧力抵抗をもってノズルより開放されるため、多少の空気の断熱膨張による噴射空気の温度を下げることも期待されるが、この断熱膨張による温度低下を意図的に行うものでもなく適度の圧縮、膨張にとどめている。噴射の目的は、空気と被冷却体の熱移送を行うために、空気流量を瞬間的に確保するための方法である。

ここで、通流する空気流量はポンプ流量を変えない限り、連続的な空気の通流であろうが、周期的な間欠噴射であろうが、空気冷媒の流量は所定の時間内において一定であるためトータル的な吸熱量は一定と考えられるが、吸熱量は流速に比例するため、通流する空気冷媒の流量を増加させるよりも、噴射による流速の増加を図ることが容易に対応できるものである。

ただ、冷媒駆動流量を変えることないポンプにおいて、空気の駆動総量は変わらないために所定の熱量を吸熱するためには空気の総量を得るために所定時間蓄積することになる。この所定の時間蓄積する繰り返しを行うことが、すなわち周期的な駆動を行うことになる。

周期的な冷却空気の噴射によって、発熱体の吸熱を行うため、噴射時に冷却された状態から、その後に次第に被冷却体の発熱温度は上昇する。被冷却体の温度上昇期間が長時間持続すると液晶パネルへの影響が懸念されるが、液晶パネルの温度が上昇しきらないうちに断続的に低温風を噴射し、冷却することによって、発熱体の許容温度（Ｔ０）を平均的に確保することにしている。

一方、周期的な空気の噴射による冷却を行うことから、噴射の周期に伴って被冷却体の冷却温度が変動することになる。この問題に対応するためには、被冷却体への冷却空気の噴射の周期は、画像情報を形成するフィールド周波数,あるいはフィールド周波数の整約数とすることが好ましい。

液晶表示機器等は、映像を構成する画素を順次走査してフィールド周波数により１枚の画像を構成している。フィールド周波数に同期して冷却風を噴射すると、冷却風の噴射されるタイミングにおいて走査されている画面上の画素位置は、いつも一定の走査位置であることから、画面上で同じ場所の走査時点で冷却されることから、画面上の温度変化による映像の輝度変化の状態が同一の周期をもつことになるため、視覚的な変化を一定にすることが可能である。

フィールド周波数は、例えばNTSCのTV方式においては１／６０秒であるので先の１／３２００の６０倍を蓄積した後に噴射することになる。すなわち、空気冷媒を噴射において約１／５０の吸熱量を充足する必要があることを示している。ノズルによる流速を従来の液冷媒の流速に比べて50倍となるようにノズル口径を絞ることになる。

本発明は、ノズル５７により噴射する空気流をトータル的に渦流ポンプ５１の流量を増加させることなく、且つ冷却装置の大形化を抑制するために噴射空気流を時間的に間歇噴射する制御方法を用いたが、電子機器の防塵を図る目的を最重視し、かつ液晶パネル等の冷却を図るために冷却風を連続的に通風して、所定の冷却温度を得たい場合には、空気の噴射用のポンプと空気を冷却する液冷媒駆動用のポンプとを2つ専用に独立に設けてもよい。

また、ポンプの駆動流量によって、冷却性能を上げることは従来の冷却方法と同様に可能である。

被冷却体が液晶パネル以外の発熱部材であっても同様なノズルを被冷却体の近傍に増設して配置することも可能である。

さらには、密閉を要求される液晶表示機器以外の他の電子機器においても好適な冷却装置である。

上記のような構成とした本発明の冷却装置によれば、光を投射するような液晶表示機器の高温体の冷却に関し、外部よりのごみや塵埃を液晶表示装置内に吸引することなく、投射光源による液晶パネルあるいは偏光板で発生する熱を効率的に冷却することができ、画質への冷却による影響も与えることなく、投射される画質の視覚的均一感を得るに最適な液晶表示機器を提供することができる。

本発明の冷却装置を用いた液晶表示機器の概略構成図である。 本発明の冷却装置の冷却の温度状態の説明図である。 冷媒の流量と冷媒による吸熱量の関係をしめす図である。 本発明の冷却の熱交換状態を説明する図である。 空気と水の物性値をしめす図である。

符号の説明

１…液晶表示機器、２…筐体、３…光学ユニット、
３３１…入射側偏光板、３３２…液晶パネル、３３３…射出側偏光板、
５１…渦流ポンプ、５１１…第のポンプ室、５１２…第２のポンプ室、
５２…受熱部材、５３…放熱部材、５４…ポンプ、５５…配管、
５５１…第１の配管群、５５２…第２の配管、
５６…空気熱交換部材、５７…ノズル

Claims (5)

1. 電子機器用の冷却装置において、
   循環する第1の冷媒により電子機器の高温体を冷却する第１の冷却手段と、
   循環する第２の冷媒により前記第1の冷媒を冷却する第２の冷却手段と、
   前記第1の冷媒を吐出する第1のポンプ室と前記第２の冷媒を吐出する第２のポンプ室とに分割されたポンプ室を有し、前記第1の冷媒と前記第２の冷媒が各々個別に循環するように駆動するひとつの冷媒駆動手段と、を備えたことを特徴とする電子機器用の冷却装置。
2. 請求項１に記載の電子機器用の冷却装置において、
   前記第１の冷却手段は、前記第1の冷媒が気体であって、空冷方式により前記高温体の冷却をおこない、
   前記第２の冷却手段は、前記第２の冷媒が液体であって、液冷方式により前記第1の冷媒の冷却をおこない、
   前記冷媒駆動手段は、前記第1の冷媒を吐出する第1のポンプ室と前記第２の冷媒を吐出する第２のポンプ室を有することを特徴とする電子機器用の冷却装置。
3. 請求項２に記載の電子機器用の冷却装置において、
   前記第１の冷却手段は前記高温体が設けられた電子機器の気密部の内部に設置され、
   前記第２の冷却手段は放熱部を前記気密部の外部に設置して、前記第２の冷媒を冷却することを特徴とする電子機器用の冷却装置。
4. 電子機器用の冷却装置において、
   空気を吸引および吐出する第1のポンプ室と冷却液を吸引および吐出する第２のポンプ室とに分割されたポンプ室を有し、前記ポンプ室の第1のポンプ室と第２のポンプ室が連動して動作するひとつの冷媒駆動手段と、
   液晶パネルあるいは偏光板に冷却空気を噴出するノズルと、前記第1のポンプ室により吸引および吐出された空気が流入して当該空気を冷却するとともに前記ノズルに冷却した冷却空気を流出する熱交換部とを含み、液晶パネルおよび偏光板を内包する電子機器の気密部の内部に設置される空冷手段と、
   前記第２のポンプ室で吸引および吐出された冷却液により前記熱交換部を冷却する受熱部と、前記受熱部で吸熱した冷却液の放熱をおこなうとともに前記気密部の外部に設置された放熱部と、前記第２のポンプ室と前記受熱部と前記放熱部を冷却液が循環するように接続し前記冷却液が通流する管路とを含む液冷手段と、を備えたことを特徴とする電子機器用の冷却装置。
5. 請求項４に記載の電子機器用の冷却装置において、
   前記ノズルの空気噴出は、前記液晶パネルのフィールド周波数、あるいはその約数の周波数に同期した周波数で行われることを特徴とする電子機器用の冷却装置。

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