JP5516227B2 - ダクト、電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器を冷却するためのダクト、および電子機器に関する。

近年、電子機器の小型化に伴いながらも高性能が要求されるため、発熱密度が大きくなり、十分な放熱を行う困難な素子が出現するようになった。

特に高輝度タイプのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、大電流を必要としながらもその発光面積は小さく、発熱量は大きい。さらに高輝度タイプのＬＥＤは、温度が上昇すると輝度が下がる場合もあり、放熱が課題になる場合が多々生じる。

また、プロジェクタの光学部品等の場合、光が通過するため、熱伝導を用いた熱拡散は使用できない。しかし、光学部品の高輝度化が進むため、十分な放熱性能が要求されるようになってきている。

ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）に関しても、素子の発熱量が小さくなりながらも素子、筐体ともにサイズが小さくなっている。しかしＬＳＩの場合、ヒートシンクのような放熱部材の導入が難しく、結果として放熱が困難になる場合も十分あり得る。

そこで、冷却風を冷却対象物に当てることで、冷却対象物の放熱を促進させることが行われている。さらに、特許文献１、２では、ペルチェ素子の吸熱面側と熱的に接続されたフィンや導風板を冷却風の流路に導入することで、冷却風そのものの温度を下げ、冷却対象物の温度をより効率的に低減している。

特開２０００−２６９６７４号公報 特開２０００−２２８７５４号公報

しかしながら、冷却風の流路にフィンや導風板等を置くと、結果的に流路内の圧力損失を増加させ、冷却風の流量を減少させてしまうことになる。その結果、意図したほどには冷却効率が向上せず、むしろ、冷却性能が低下してしまうということがある。

また、流路に湾曲部や屈曲部がある場合、遠心力により冷却風の流れは湾曲部や屈曲部の外周側に偏るため、その下流側にフィンや導風板を置いた場合、均一に冷却が行えない。また、そのように風量の分布が偏った冷却風を冷却対象物に吹き付けると、冷却対象物の冷却を均一に行えないという問題もある。

そこでなされた本発明の目的は、冷却効率を高め、冷却対象物を効率よく冷却することのできるダクト、電子機器を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明のダクトは、冷却対象物を冷却するため、冷却対象物に接触させる流体の流路を構成するダクトであって、流体の流れ方向を変換する曲がり部位が設けられ、曲がり部位の曲がり方向内周側に位置するダクトの内周壁面と外周側に位置する外周壁面との間に設けられ、曲がり部位の曲がり方向に沿って曲げられたフィンと、フィンに熱的に接続された熱電変換素子と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、本来流量低下の要因となる圧力損失の発生部である曲がり部位にフィンを設けることにより、曲がり部位における流体の流れを均一化することができるので、フィンを設けることにより発生する圧力損失をカバーすることができる。これにより、流体の流量を増加させつつ、流体の流速分布を均一に近づけた流れを、曲がり部位の下流側に整流された低温の流体の流れを形成することができる。また、冷却対象物との熱伝達率を高め、冷却対象物を効率よく冷却することができる。

本発明の第１の実施形態の液晶プロジェクタの送風ダクトの斜視図である。 第１の実施形態における液晶プロジェクタの送風ダクトの断面図である。 送風ダクトの曲がり部位の構造を示す斜視断面図である。 本発明の第２の実施形態の液晶プロジェクタ装置を示す平面図である。 送風ダクトの中心を通る断面における静圧分布図である。 送風ダクトの中心を通る断面における流速分布図である。

以下、添付図面を参照して、本発明によるダクト、電子機器を実施するための最良の形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態である液晶プロジェクタの送風ダクト（ダクト）４の斜視図である。
送風ダクト４は、断面四角形状の管路であり、シロッコファン（流体送給源）５の噴出口に設けられている。シロッコファン５の吸気口６から取り込まれた周囲雰囲気（流体）は、噴出口から送風ダクト４内へ冷却風として吐き出される。
送風ダクト４には、曲がり部位９が設けられており、噴出口から送風ダクト４内に吐き出された冷却風は、曲がり部位９において流れ方向を変換しながら下流に流れ、送風ダクト４の噴出口７から、冷却対象となる液晶パネルや偏光フィルターへ向けて噴出される。

本実施形態においては、曲がり部位９は、その上流側４ａから下流側４ｂに流れを９０°に折曲する。このため、曲がり部位９の内周側の内周壁面９ａと、外周側の外周壁面９ｂは、上流側４ａの流れ方向に対し、４５°に２回折曲されて形成されている。

内周壁面９ａと外周壁面９ｂの間は、その一端側が内周壁面９ａ、外周壁面９ｂと同材料の壁材９ｃにより覆われ、他端側は、矩形プレート状のスプレッダ（プレート）１１により覆われている。図２に示すように、スプレッダ１１は、曲がり部位９において、内周壁面９ａの周方向中心（流れ方向の中心）と外周壁面９ｂの周方向中心とを結ぶ仮想線Ｃを含むよう、設けられている。

図２に示すように、スプレッダ１１の表面には、対向する壁材９ｃに向けて延びるフィン１０が、一枚以上（本実施形態においては三枚）設けられている。
フィン１０は、送風ダクト４の流れ方向上流側の端部１０ａが曲がり部位９の上流側４ａの流れ方向に沿って形成され、下流側の端部１０ｂが曲がり部位９の下流側４ｂの流れ方向に沿って形成され、上流側の端部１０ａと下流側の端部１０ｂとの中間部１０ｃは、端部１０ａから端部１０ｂに向けて、仮想線Ｃ上の点を中心とした一定の曲率で、曲がり部位９の曲がり方向に沿って湾曲して形成されている。このとき、複数枚のフィン１０は、仮想線Ｃ上の同一の点を中心として湾曲させることで、同心状に設けても良い。
これらフィン１０は、仮想線Ｃ上を通過しており、内周壁面９ａと外周壁面９ｂとを結ぶ方向（仮想線Ｃに沿った方向）において、互いに等間隔に形成されている。また、仮想線Ｃ上において、内周側のフィン１０と内周壁面９ａ、外周側のフィン１０と外周壁面９ｂも、フィン１０の間隔と等間隔で形成するのが好ましい。

図３に示すように、このとき、各フィン１０は、上流側の端部１０ａは、流れ方向上流側に行くに従い、その厚さが漸次薄くなるように形成するのが好ましい。

スプレッダ１１において、送風ダクト４の外側には、ペルチェ素子（熱電交換素子）１３が、吸熱面１３ａを突き合わせた状態で設けられている。ここでスプレッダ１１は、ペルチェ素子１３の吸熱面１３ａ全体を覆うよう設けられている。
そして、ペルチェ素子１３において吸熱面１３ａとは反対側の放熱面１３ｂには、金属製のヒートシンク等の放熱部材１４が設けられている。これにより、ペルチェ素子１３には、吸熱面１３ａ側にスプレッダ１１およびフィン１０が熱的に接続され、放熱面１３ｂ側に放熱部材１４が熱的に接続されている。ここで熱的に接続とは、熱伝導による熱移動が可能な接続および接触を意味する。なお、放熱部材１４は、グラファイトシートを用いて熱を拡散する方法を用いても良い。

フィン１０とスプレッダ１１は熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上の物質から形成するのが好ましく、そのような物質としては、例えば、銅等の金属がある。このような物質でフィン１０、スプレッダ１１を形成することで、冷却風、ペルチェ素子１３との熱伝達を効率よく行える。

スプレッダ１１と放熱部材１４にはさまれているペルチェ素子１３は、通電することにより、スプレッダ１１側より吸熱し、放熱部材１４側より放熱するように設置されている。この際、放熱部材１４は液晶プロジェクタの装置筐体内部に存在し、ペルチェ素子１３より流れてきた熱を、前記シロッコファン５とは異なる装置内ファンにより発生した空気流れを利用し放熱することができるが、さらに、噴出口７から噴出されて液晶プロジェクタを冷却した後の排気風を放熱部材１４に当て、放熱を促進させても良い。

このようにして、送風ダクト４の曲がり部位９において、送風ダクト４の流路内に、ペルチェ素子１３に熱的に接続されたフィン１０を設けることで、流路を流れる冷却風を冷却することができる。さらに、冷却風は、曲がり部位９においてフィン１０との間に摩擦を受けながら向きを変えるため、直線的に冷却風が流れる部位に、流れに沿ってフィン１０を設けた場合に比較し、温度境界層が薄くなり、その結果熱伝達率が向上し、冷却風の冷却効率を高め、ペルチェ素子１３との熱交換が効率良く行えるようになる。

このとき、フィン１０により、曲がり部位９において、本来であれば外周側に偏ってしまう冷却風の流れを、均一化することができるので、フィン１０を設けることにより発生する圧力損失をカバーして低減することができる。これにより、冷却風の流量を増加させつつ、冷却風の流速分布を均一に近づけた流れを、曲がり部位９の下流側で実現することができる。
さらに、フィン１０は、上流側の端部１０ａを、流れ方向上流側に行くに従い、その厚さが漸次薄くなるように形成することで、圧力損失の低減をより一層確実に防止できる。

また、プレート状のスプレッダ１１を備えることで、スプレッダ１１自身が送風ダクト４の流路の内壁面の一面を形成して冷却風に触れるため、冷却風からの吸熱を促進することができる。
さらにスプレッダ１１でペルチェ素子１３の吸熱面１３ａ全体を覆うことで、吸熱面１３ａ全体をフィン１０と熱的に接続しつつ、スプレッダ１１を熱拡散板としての機能させることができ、吸熱面１３ａ全体の温度を均一に近づけることができる。これにより、放熱面１３ｂ側より熱を奪いづらくし、ペルチェ素子１３の性能を高めることができる。

さらに、ペルチェ素子１３の放熱面１３ｂ側に、放熱部材１４を設けたので、ペルチェ素子１３における熱交換を効率よく行える。加えて、この放熱部材１４に、前記シロッコファン５とは異なる装置内ファンにより発生した空気流れを当てたり、噴出口７から噴出されて液晶プロジェクタを冷却した後の排気風を当てることで、放熱を促進させることができ、熱交換をより一層効率的に行うことができる。

さらに、曲がり部位９では送風ダクト４を、９０度ではなく、４５度で二回の曲げを行っている。これら送風ダクト４の形状とフィン１０の配列を組み合わせることで、前述した作用効果が一層顕著なものとなる。

このようにして、本来流量低下の要因となる圧力損失の発生部である送風ダクト４の曲がり部位９において、圧力損失を抑えて流量を増加させつつ、曲がり部位９の下流側に整流された低温の冷却風の流れを形成することができる。これにより従来熱伝達率を容易に改善できない冷却対象物の温度上昇を低減することが可能になる。

なお、上記実施形態では、曲がり部位９を１箇所のみ設ける構成としたが、これに限らず、２箇所以上設けても良い。曲がり部位９を、４５°ずつ２回に折曲させる構成としたが、３回以上に分けて折曲させても良いし、一定の曲率で湾曲させても良い。またもちろん、曲がり部位９における曲がり角度は９０°以外であっても良い。
また、フィン１０の枚数も何ら限定するものではない。フィン１０の枚数が２枚以下の場合は、曲がり部位９の内周壁面９ａ側に寄った位置にフィン１０を形成しても良い。そうすることで、曲がり直後に発生するダクト内の空気の渦の発生を抑えて圧力損失を低減することが可能になる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態として、上記第１の実施形態で示した送風ダクト４構造を搭載した液晶プロジェクタ装置（電子機器）１００であり、送風ダクト４の配置を装置天井側から見た図である。
図４に示すように、液晶プロジェクタ装置１００においては、光源からの光は光学素子によりＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つに分岐され、赤、緑、青の各色の液晶パネル（冷却対象物、電子機器本体）１５、１６、１７と、赤、緑、青の偏光子（冷却対象物）１８、１９、２０を通過した後、色合成プリズム２１により統合され、投射レンズ部２２より映像を投影する。

この際、各色の液晶パネル１５、１６、１７、偏光子１８、１９、２０からなる光学部品は、光を吸収し温度が上昇する。
そこで、この液晶プロジェクタ装置１００は、これら光学部品の温度上昇を抑えるため、シロッコファン５を用いて装置外部より吸引した冷却風を、冷却用ダクト２３、２４、２５を通し、噴出口７より前記光学部品に向け噴出させて冷却している。使用する液晶や通過する光の波長により、各光学部品ごとに温度上昇値は異なっており、温度条件の厳しい部品には冷却性能を高める必要がある。

比較的温度条件の厳しいものは緑、青の液晶パネル１６、１７、偏光子１９、２０である。そこで、緑、青の液晶パネル１６、１７、偏光子１９、２０を冷却する冷却用ダクト２３、２４は、上記第１の実施形態で示した送風ダクト４と同様の構成を有している。ここで、冷却用ダクト２３、２４は互いに隣接して並んで設けられており、冷却用ダクト２３、２４の曲がり部位９Ａ、９Ｂをまたぐように、一枚のスプレッダ１１が設けられている。そして、曲がり部位９Ａ、９Ｂにおいては、スプレッダ１１にフィン１０Ａ、１０Ｂが設けられている。
このうち、より温度上昇の大きい青の液晶パネル１７、偏光子２０を冷却する冷却用ダクト２３のフィン１０Ｂは、曲がり部位９Ｂから下流に向かってスプレッダ１１の端部１１ｂまで延長して形成されている。このようにフィン１０Ｂの長さを調節することで、冷却風とフィン１０Ｂが熱交換する距離（接触面積）を変えることができる。

このような構成においては、上記実施形態と同様、図３に示したように、スプレッダ１１に放熱部材１４を備えたペルチェ素子１３が熱的に接続されており、これにより、低温の冷却風を緑、青の液晶パネル１６、１７、偏光子１９、２０に吹き付けることが可能となり、冷却性能を向上させることが可能になる。

上記第１の実施形態で示した構成についてのシミュレーション計算の結果を示す。
シミュレーション対象とする送風ダクトは、断面が３０ｍｍ×３０ｍｍで、流路が９０°に折曲した曲がり部位を一箇所に有したものとした。この送風ダクトに、３０ｍｍ角のファンから、最大静圧８０Ｐａ、最大流量０．６ｍ^３／ｍｉｎで送風した際のダクトの中心を通る断面の静圧と流速の分布について、シミュレーションソフトウェアにより、シミュレーション計算を行った。
ここで、シミュレーション対象とする送風ダクトの曲がり部位は、
条件（ａ）は流路を９０°に１回だけ折曲させたもの、
条件（ｂ）は流路を４５°に２回折曲させたもの、
条件（ｃ）は（ｂ）の曲がり部位に、フィンを２枚設けたもの、
の３通りとした。

図５、図６は、上記のシミュレーション結果を示すものである。図５、図６の（ａ）〜（ｃ）は、上記の条件（ａ）〜（ｃ）に対応している。ここで、ファンからの冷却風は、図中、左側から送風ダクトに流入し、曲がり部位において下方向へ曲げられ、下方に流出している。
図５（ａ）に示すように、条件（ａ）においては、ファンから吐き出された冷却風は慣性を有し、曲がり部位では遠心力により外周側の壁に衝突する。そのため、静圧分布は、曲がり部位の外周側は高圧、内周側は極端に低圧となっている。その結果、曲がり部位の周辺で圧力変動が発生し圧力損失が生じ、その圧力損失が大きいほど、ファンから得られる風量は小さくなる。
また、図６（ａ）に示すように、流速分布は、冷却風が曲がり部位において外周側の側壁に衝突したため、曲がり部位の下流側で、外周側と内周側で大きな流速の傾斜が発生し、均一な流速を得られなくなっている。

また、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すように、条件（ｂ）においては、条件（ａ）に比較すると、曲がり部位の下流側における流速分布が多少均一になるものの、条件（ａ）と大きな差は得られていない。

図５（ｃ）、図６（ｃ）に示すように、条件（ｃ）においては、フィンにより、外周側の側壁に冷却風が衝突することによる圧力の発生を抑え、曲がり部位の内周側への冷却風の流れを供給することで、圧力の低下を抑えている。また、曲がり部位の内周側を流れる冷却風は外周側に寄ることなくフィンによりそのまま内周側で流れの向きが曲げられるため、曲がり部位の下流側でも流速の偏りも抑えられている。このように曲がり部位にフィンを設けることで、本来、冷却風の流れが曲げられた際に発生する圧力損失を低減し、その結果、冷却風の流量を増加させることが可能となる。これと同時に、曲がり部位の下流側で冷却風の流れを整え、送風ダクト内の流れを均一化することができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記第１の実施形態では、液晶プロジェクタ装置に本発明のダクトを適用する例を挙げたが、これに限るものではなく、他のいかなる冷却対象物に対しても本発明を適用できる。

また、冷却対象物を冷却する流体としては、空気に限らず、各種のガスを用いることもでき、さらには、水等の各種液体を用いることも可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

４ 送風ダクト（ダクト）
４ａ 上流側
４ｂ 下流側
５ シロッコファン（流体送給源）
６ 吸気口
７ 噴出口
９、９Ａ、９Ｂ 曲がり部位
９ａ 内周壁面
９ｂ 外周壁面
１０ フィン
１０ａ 端部
１１ スプレッダ（プレート）
１３ ペルチェ素子（熱電交換素子）
１３ａ 吸熱面
１３ｂ 放熱面
１４ 放熱部材
１５、１６、１７ 液晶パネル（冷却対象物、電子機器本体）
１８、１９、２０ 偏光子（冷却対象物）
２１ 色合成プリズム
２２ 投射レンズ部
２３、２４、２５ 冷却用ダクト
１００ 液晶プロジェクタ装置（電子機器）

Claims (9)

1. 冷却対象物を冷却するため、前記冷却対象物に接触させる流体の流路を構成するダクトであって、
   前記流体の流れ方向を変換する曲がり部位が設けられ、
   前記曲がり部位の曲がり方向内周側に位置する前記ダクトの内周壁面と外周側に位置する外周壁面との間に設けられ、前記曲がり部位の曲がり方向に沿って曲げられたフィンと、
   前記フィンに熱的に接続された熱電変換素子と、
   を備えることを特徴とするダクト。
2. 前記内周壁面と前記外周壁面とを結ぶ前記ダクトの直交壁面を形成するプレートをさらに備え、
   前記フィンは、前記プレートの一面側に設けられ、前記熱電交換素子は、前記プレートの他面側に熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のダクト。
3. 前記プレートは、前記熱電交換素子の吸熱面全体を覆って設けられていることを特徴とする請求項２に記載のダクト。
4. 前記フィンおよび前記プレートは、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫよりも大きい材質から形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のダクト。
5. 前記熱電変換素子の放熱面側に設けられた放熱部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のダクト。
6. 前記放熱部材に、前記冷却対象物に吹き付けられて当該冷却対象物を冷却した後の前記流体が接触することにより、前記放熱部材が放熱することを特徴とする請求項５に記載のダクト。
7. 前記曲がり部位は、前記内周壁面および前記外周壁面が複数回折曲されることで形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のダクト。
8. 前記フィンは、流れ方向上流側の端部が、上流側に行くに従いその厚さが漸次小さくなる形状とされていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のダクト。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のダクトと、
   前記ダクトに流体を送り込む流体送給源と、
   前記ダクトから吹き付けられる前記流体により冷却される電子機器本体と、
   を備えることを特徴とする電子機器。