JP5943673B2 - 光源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光源装置に関し、特にレーザ素子、発光ダイオード素子等を有する光源部材の冷却構造に関するものである。
従来から光源装置に関して、レーザ素子、発光ダイオード素子等を有する光源部材を冷却するための様々な技術が提案されている。例えば特許文献1には、投射型映像表示装置で使用される光源装置において、外郭筐体内に配置された複数の光源部材の配置方向に沿って冷却風を送り込む風冷冷却方式の冷却機構が記載されている。
特開2011−154855号公報
しかしながら、外郭筐体内に階層構造が形成され各階層に複数の光源部材が配置された光源装置において、風冷冷却方式の冷却機構を採用した場合、各階層に配置された複数の光源部材の配置方向に沿って冷却風を送り込む構造であるため、例えば外郭筐体内において各階層の長手方向に複数の光源部材が配置された場合、外郭筐体内の風路における相対的に小さな断面積に対して多くの流量を流すことが必要となる。その結果、冷却風の流速が増し、排熱するための流体系において圧力損失が大きくなるため、冷却効率が悪くなるという問題がある。
そこで、本発明は、階層構造を有する風冷冷却方式の光源装置において冷却効率を向上させることを目的とする。
本発明に係る光源装置は、外郭筐体と、前記外郭筐体内において階層構造を形成し、各階層を仕切るための仕切り部材と、前記外郭筐体内の各階層に配置され、それぞれが光源部材と当該光源部材を冷却する冷却体とを有する複数の光源ユニットと、前記冷却体に供給される冷却風としての空気を前記外郭筐体の外部から内部に取り込むための第1開口部と、前記仕切り部材において、前記複数の光源ユニットの配置に沿って略中心部に形成された第2開口部とを備え、前記複数の光源ユニットは前記第1開口部の付近に配置され、前記外郭筐体の略上部に、前記第1開口部から前記外郭筐体の内部に前記冷却風を取り込み、前記第2開口部を通る風路を形成し、外部に排気する冷却ファンが配設されたものである。
本発明によれば、各階層を仕切る仕切り部材において、複数の光源ユニットの配置に沿って略中心部に第2開口部が形成されたため、外部から取り込まれた冷却風は第2開口部を介して下の階層から上の階層に流れる。このように、冷却風が外郭筐体内の風路における相対的に大きな断面積に対して流れるため、外郭筐体内の風路における圧力損失が低減され、冷却効率を向上させることができる。
実施の形態1に係る光源装置の横断面図である。 実施の形態1に係る光源装置の縦断面図である。 仕切り部材の平面図である。 仕切り部材の側面図である。 他の例における仕切り部材の平面図である。 他の例における仕切り部材の側面図である。 比較例に係る光源装置の横断面図である。 比較例に係る光源装置の縦断面図である。 比較例に係る光源装置の仕切り部材の平面図である。 比較例に係る光源装置の仕切り部材の側面図である。 実施の形態2に係る光源装置の横断面図である。 実施の形態2に係る光源装置の縦断面図である。 実施の形態3に係る光源装置の横断面図である。 実施の形態3に係る光源装置の縦断面図である。 実施の形態4に係る光源装置の横断面図である。 実施の形態4に係る光源装置の縦断面図である。 実施の形態5に係る光源装置の横断面図である。 実施の形態5に係る光源装置の縦断面図である。
<実施の形態1>
本発明の実施の形態1について、図面を用いて以下に説明する。図1および図2は本発明の実施の形態1に係る光源装置500の横断面図および縦断面図である。光源装置500は、例えば直方体の外郭筐体12と、外郭筐体12内において階層構造を形成しかつ各階層を仕切るための仕切り部材16と、外郭筐体12内の各階層に配置された複数の光源ユニット70,80と、外郭筐体12に形成された開口部12a(第1開口部)と、仕切り部材16において複数の光源ユニット70の配置に沿って形成された開口部16a(第2開口部)とを備えている。
外郭筐体12には、互いに対面する2つの側板12c,12dのそれぞれに対して、冷却風を外郭筐体12の外側から内側に取り込むための複数の開口部12aが形成され、開口部12aの外側にフィルタ31と遮光カバー30がそれぞれ取り付けられている。また、外郭筐体12の内部(より具体的には外郭筐体12の上板の内側)には冷却ファン13が取り付けられている。この冷却ファン13が回転することによって、外郭筐体12の外側の空気が冷却風として複数の開口部12aから外郭筐体12の内部に取り込まれる。外郭筐体12内に取り込まれた冷却風は、外郭筐体12内に設けられた複数の光源ユニット70,80を冷却して、排出開口部12bから外郭筐体12の外部に排出される。なお、図面において示される矢印は冷却風が流れる方向を示すものとする。
次に外郭筐体12内に収容された光源ユニット70,80について説明する。本実施の形態では、外郭筐体12の内部は2階層からなる。外郭筐体12内において、例えば10個の第1光源ユニット70が上の階層である上段部に配置され、10個の第2光源ユニット80が下の階層である下段部に配置されている。上段部において、10個の光源ユニット70のうちの5個の光源ユニット70が、外郭筐体12の一方の側板12cに沿ってー列に配置されており、残りの5個の光源ユニット70が、外郭筐体12の他方の側板12dに沿ってー列に配置されている。第1光源ユニット70は、例えば赤色レーザを出力する第1光源部材72と、第1光源部材72を冷却するヒートパイプユニット3(冷却体)と、駆動回路(図示省略)が配設された第1駆動基板71とを備えている。
一方、下段部においても、10個の第2光源ユニット80が上段部と同様に配置されている。第2光源ユニット80は、例えば緑色レーザを出力する第2光源部材82と、第2光源部材82を冷却するヒートパイプユニット3(冷却体)と、駆動回路(図示省略)が配設された第2駆動基板81とを備えている。第1駆動基板71および第2駆動基板81は、外郭筐体12内の各階層に配置された電源600から各駆動回路の動作に必要な電力が供給される。なお、第1駆動基板71または第2駆動基板81は必須のものではなく、設計によっては電源600から光源部材72,82を直接駆動する場合もある。
第1光源部材72は、例えば赤色を発光する発光素子を有する第1光源本体部72aと、第1光源本体部72aで生成された赤色光を出力する第1光源先端部72bとで構成されている。第1光源本体部72aが備える発光素子は、例えばレーザ素子である。なお、当該発光素子は発光ダイオードであってもよい。第1光源先端部72bには光ファイバ等が取り付けられる。
第2光源部材82は、例えば緑色を発光する発光素子を有する第2光源本体部82aと、第2光源本体部82aで生成された緑色光を出力する第2光源先端部82bとで構成されている。第2光源本体部82aが備える発光素子は、例えばレーザ素子である。なお、当該発光素子は発光ダイオードであってもよい。第2光源先端部82bには光ファイバ等が取り付けられる。
複数の光ファイバは束ねられて、例えば外郭筐体12の上板から外郭筐体12の外側に引き出される。これにより、複数の光源ユニット70,80が出力する赤色レーザ光、緑色レーザ光が外郭筐体12の外部に取り出される。光源装置500から出力される赤色レーザ光、緑色レーザ光は、例えばプロジェクタなどのディスプレイ装置における光源として使用される。
ヒートパイプユニット3は、ヒートブロック3aと、少なくとも1つのヒートパイプ3bと 、複数のフィン3cとをそれぞれ備えている。
第1光源ユニット70では、ヒートパイプユニット3は、第1光源部材72とヒートブロック3aにおいて接触しており、第1光源部材72で発生する熱を吸収して第1光源部材72を冷却する。同様に、第2光源ユニット80では、ヒートパイプユニット3は、第2光源部材82にヒートブロック3aにおいて接触しており、第2光源部材82で発生する熱を吸収して第2光源部材82を冷却する。
外郭筐体12の側板12c,12dの上段部に対応する位置に、それぞれ5個の開口部12aが形成され、外郭筐体12の側板12c,12dの下段部に対応する位置に、それぞれ5個の開口部12aが形成されている。各第1,第2光源ユニット70,80は、ヒートパイプユニット3が開口部12aと対向する位置に位置するように配置されている。
次に、仕切り部材16について説明する。図3および図4は、仕切り部材16の平面図および側面図である。仕切り部材16は、外郭筐体12内において上の階層である上段部と、下の階層である下段部との間に配置され、仕切り部材16の上面に第1光源ユニット70が配置されている。仕切り部材16の中央部には、複数の光源ユニット70の配置に沿ってスリット状の開口部16aが形成されている。図3と図4に示すように、下段部において開口部12aから各ヒートパイプユニット3のフィン3c間に取り込まれた冷却風は、仕切り部材16に形成されたスリット状の開口部16aを通って、排出開口部12bから排出される。
風路各部における圧力損失ΔPiは以下の式で表される。
ΔPi=ξi・vi・γi/(2g)
vi=Qi/Si
ここで、ξi:流体路の損失係数、vi:流速、γi:空気の比重量、g:重力加速度、Qi:流体系の流量、Si:流体系各部の断面積、を表す。また、トータルの圧力損失ΔPtotalは
ΔPtotal=Σξi・vi・γi/(2g)
で表せられる。上記の関係において圧力損失は流速の2乗に比例し、また、その流速は流量一定の系において流路の断面積に反比例することがわかる。
一般的にヒートパイプユニット3を用いた冷却における流体系設計では、フィン3cを通過する際の圧力損失が必然的に大きくなる。これは効率良く冷却を行なうために、フィン3c間のピッチを1〜2mmと狭くする一方で、0.5〜1.5m/sの流速の空気を流す必要があるからである。冷却ファン13に対する負荷(圧力損失、電力)、サイズ等を抑制し、効率良く冷却するための空気を流すには、ヒートパイプユニット3の設計のみならず、その他の部分における圧力損失低減の工夫が重要となる。本発明では、仕切り部材16において、複数の第1光源ユニット70の配置に沿ってスリット状の開口部16aを形成することで冷却風の排出に伴う流路系の断面積Siを大きく設定でき、冷却ファン13への必要圧力損失低減、負荷低減に成功している。
次に、仕切り部材の他の例について説明する。図5および図6は、他の例における仕切り部材17の平面図および側面図である。仕切り部材17は、側板17aと、支持部17bと、端板17cと、開口部17dにより構成される。仕切り部材を図3および図4に示すように構成した場合、複数の第1光源ユニット70の配置に沿って開口部16aが形成されたことで、仕切り部材16が上段部の光源ユニット70を支える上で強度不足となる場合がある。そのような場合は、側板17aを複数の支持部17bで支える構造としてもよい。
この場合、仕切り部材17の開口部17dの一部が複数の支持部17bにより塞がれることになるが、支持部17bの幅が開口部17dの面積と比べて小さいことから、現実的にその影響を無視することができる。これにより、十分な流路系の断面積Siを確保することができることから、本発明の効果を抑制するものではない。
なお、本実施の形態において、第1光源部材72が出力する光の色と、第2光源部材82が出力する光の色とを互いに異ならせていたが、同じとしてもよい。この場合には、第1光源部材72と第2光源部材82を同じ構造とすることができ、第1駆動基板71と第2駆動基板81とを同じ構造とすることができる。よって、第1光源ユニット70と第2光源ユニット80とを同じ構造で構成することができる。
次に、本実施の形態に係る光源装置500の利点について、他の構成である比較例に係る光源装置900と比較しながら説明する。図7および図8は、比較例に係る光源装置900の横断面図および縦断面図である。図7は図1に対応し、図8は図2に対応している。
光源装置900では、外郭筐体12内において、10個の第1光源ユニット910が上段部に、10個の第2光源ユニット920が下段部に配置されている。各光源ユニット910,920は、本実施の形態に係る各第1,第2光源ユニット70,80と同様の構造を有している。第1光源ユニット910は、例えば赤色レーザを出力する第1光源部材912と、第1光源部材912を冷却するヒートパイプユニット3と、第1駆動基板911とを備えている。第1光源部材912は、例えば赤色を発光する発光素子を有する第1光源本体部912aと、第1光源本体部912aで生成された赤色光を出力する第1光源先端部912bとで構成されている。
また、第2光源ユニット920は、例えば緑色レーザを出力する第2光源部材922と、第2光源部材922を冷却するヒートパイプユニット3と、第2駆動基板921とを備えている。第2光源部材922は、例えば緑色を発光する発光素子を有する第2光源本体部922aと、第2光源本体部922aで生成された緑色光を出力する第2光源先端部922bとで構成されている。
図9および図10は、比較例に係る光源装置900の仕切り部材18の平面図および側面図である。図9と図10に示すように、光源装置900では、下段部の排熱を上段部に導く開口部18aは仕切り部材18において光源ユニット910の配置に沿って形成されておらず、その端部のみに存在する。また、排熱するための開口部12aと冷却ファン13は、外郭筐体12において仕切り部材18の開口部18aのほぼ上方に設けられている。
このような構造を有する比較例に係る光源装置900では、冷却ファン13が回転すると、冷却風が、外郭筐体12の表面に取り付けられた遮光カバー30の底面の開口部30aを通った後に、フィルタ31、複数の開口部12aから外郭筐体12内に取り込まれる。上段部では外郭筐体12内に取り込まれた冷却風は、冷却ファン13の推進力によって、ヒートパイプユニット3の複数のフィン3c間を通った後、光源ユニット910が並ぶ外郭筐体12の長手方向の中央部に沿って流れ、外郭筐体12の端部に設けられた排出開口部12bから外郭筐体12の外部に排出される。
また、下段部では外郭筐体12内に取り込まれた冷却風は、冷却ファン13の推進力によって、ヒートパイプユニット3の複数のフィン3c間を通った後、光源ユニット920が並ぶ長手方向の中央部に沿って流れ、仕切り部材18の端部に設けられた開口部18aを通過して上段部に入り、排出開口部12bを介して外部に排出される。このようにして、比較例に係る光源装置900において複数の光源ユニット910,920の光源部材912,922が冷却されることになる。
比較例に係る光源装置900では前記のように、各ヒートパイプユニット3のフィン3c間を通った冷却風が外郭筐体12の長手方向に沿って流れる構成のため、外郭筐体12内における相対的に小さな断面積に対して多くの流量を流すことが必要となり、その結果その間の流速が増し、排熱するための流体系において圧力損失が増すことになる。このため、冷却ファン13に対して大きな静圧特性を有するブロワが必要となり、ブロワでの消費電力が大きくなり、また、ブロワの寸法が大きくなるという課題が生じる。また、冷却ファン13の音も相対的に大きくなり性能上の課題となる。
これに対して、本実施の形態に係る光源装置500では、上段部に配置された第1光源ユニット70と下段部に配置された第2光源ユニット80の構成において、上段部と下段部との間に配置された仕切り部材16に対し、外郭筐体12の長手方向において第1光源ユニット70の配置に沿うように略中心部に大きな断面積の開口部16a(風路)を設けたため、外部から取り込まれた冷却風は大きな断面積の開口部16aを介して下段部から上段部に流れる。このように、冷却風が外郭筐体12内の風路における大きな断面積に対して流れるため、外郭筐体12内の風路における圧力損失が低減され、冷却効率を向上させることができる。
また、外郭筐体12の内部に、開口部12aから外郭筐体12の内部に冷却風を取り込む冷却ファン13が配設されたため、冷却風を効率よく流すことができ、さらに外郭筐体12内の風路における圧力損失が低減されることから、冷却ファン13の負荷が低減され、冷却風を一層効率よく流すことが可能となる。
また、冷却ファン13の消費電力が小さくなると共に、冷却ファン13のサイズも小型化され、冷却ファン13の騒音も低減できるというメリットがある。さらに、上述した効果に伴い、光源装置500の小型化および耐久性の向上、エネルギー消費量の削減および製品のライフサイクルにおける各段階での環境負荷の低減等の効果が得られる。
なお、本実施の形態では、排出開口部12bと冷却ファン13は、外郭筐体12の上板のほぼ中心部に設けられているが、外郭筐体12の長手方向端部に設けられた場合にも同様の効果が得られる。
<実施の形態2>
次に、実施の形態2に係る光源装置500について説明する。図11および図12は、実施の形態2に係る光源装置500の横断面図および縦断面図である。なお、実施の形態2において、前記実施の形態で説明したものと同様構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態2に係る光源装置500においては、ヒートパイプ3bは途中部でほぼ90度に曲げられ、その結果、ヒートブロック3aは仕切り部材16に対してほぼ平行に配置されている。このような構造を採用することにより外郭筐体12の幅が長くなる可能性はあるが、高さを低く抑えることができるというメリットがある。
<実施の形態3>
次に、実施の形態3に係る光源装置500について説明する。図13および図14は、実施の形態3に係る光源装置500の横断面図および縦断面図である。なお、実施の形態3において、前記実施の形態で説明したものと同様構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態3に係る光源装置500には、2台の冷却ファン13が配設されている。冷却ファン13が2台に増加された場合、冷却ファン13の最大静圧は変化せず、風量のみが2倍の特性となる。この際、静圧特性の余裕に応じて冷却風の流速を増大することができ、ヒートパイプユニット3における冷却能力を増大することができる。ちなみに、流体系の圧力損失が冷却ファン13の静圧特性に比べて十分に低い場合には、ファン台数を2台に増加させると、冷却風の流速を最大2倍弱まで増大することができ、その際、冷却ファン13に負荷される圧損は最大4倍弱まで増加することになる。
<実施の形態4>
次に、実施の形態4に係る光源装置500について説明する。図15および図16は、実施の形態4に係る光源装置500の横断面図および縦断面図である。なお、実施の形態4において、前記実施の形態で説明したものと同様構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態4に係る光源装置500においては、外郭筐体12の外部に冷却ファン13が配設されている。冷却ファン13を外郭筐体12の外側に配設することにより、外郭筐体12の高さを低く抑えることができ、また、外郭筐体12の幅を小さく抑えることができるメリットがある。その際、冷却ファン13は、例えば外郭筐体12の上板上に配設されることになるが、建屋設備として排気ダクトが設けられ、排熱を周囲に出さない場合においては、排気ダクトにより元々スペースを取られることになり問題とならない。
<実施の形態5>
次に、実施の形態5に係る光源装置500について説明する。図17および図18は、実施の形態5に係る光源装置500の横断面図および縦断面図である。なお、実施の形態5において、前記実施の形態で説明したものと同様構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態5に係る光源装置500においては、3階層構造とした例について示しており、上段部には第1光源ユニット70、中段部には第2光源ユニット80、下段部には第3光源ユニット90が配置されている。
中段部と下段部との間には長手方向に開口部19a(第2開口部)を有する仕切り部材19が配置されている。開口部19aは、仕切り部材16に形成された開口部16aと同様に、仕切り部材19において複数の第2光源ユニット80の配置に沿って形成されている。
第3光源ユニット90は、例えば青色レーザを出力する第3光源部材92と、第3光源部材92を冷却するヒートパイプユニット3(冷却体)と、駆動回路(図示省略)が配設された第3駆動基板91とを備えている。
第3光源部材92は、例えば青色を発光する発光素子を有する第3光源本体部92aと、第3光源本体部92aで生成された青色光を出力する第3光源先端部92bとで構成されている。第3光源本体部92aが備える発光素子は、例えばレーザ素子である。なお、当該発光素子は発光ダイオードであってもよい。第3光源先端部92bには光ファイバ等が取り付けられる。
本実施の形態においても、冷却風が中段部、下段部から上段部に流れ込む過程における流路の圧力損失は、各々外郭筐体12の長手方向に沿った開口部16a,19aにおいて大きな流路断面積が確保されているため、ほぼ最小にすることが可能となる。
<実施の形態1〜5の変形例>
次に、実施の形態1〜5の変形例について説明する。前記実施の形態では、開口部12aにおいて遮光カバー30を設けているが、これは例えば第1光源先端部72bまたは第2光源先端部82bに対し接続する光ファイバが誤って外れた場合、外郭筐体12内の光が外部に漏れ出さないようにするためのものである。このため、光源先端部72b,82bと光ファイバとの接続が強固であれば、遮光カバー30は必要ではなく、必ずしも本発明において必須の構成要件ではない。
また、光ファイバは必ずしも必須の構成要件ではなく、複数の光源材料から出射された光を例えば光学系を使って合成する光源装置においても、本発明が有効なことはいうまでもない。
また、第1光源ユニット70、第2光源ユニット80、第3光源ユニット90は、例えば同じ構造を有する赤色光源であってもよいし、緑色光源であってもよいし、青色光源であってもよいし、同じ階層においてこれらが混在していてもよい。
また、前記実施の形態では、第1光源ユニット70と第2光源ユニット80に対して第1駆動基板71と第2駆動基板81をそれぞれ設けていたが、第1光源ユニット70に第1駆動基板71を設けなくてもよいし、第2光源ユニット80に第2駆動基板81を設けなくてもよい。
さらに、第1光源ユニット70は、第1光源部材72を駆動する駆動回路が配設された第1駆動基板71を備えているが、第1駆動基板71について、熱伝導部材を間に挟んで板状部材(図示省略)に取り付けてもよい。具体的には、第1駆動基板71に搭載されている、動作中に温度が上昇する電子部品に対して熱伝導シート(熱伝導部材)を貼り付け、熱伝導シートが板状部材に押し付けられた状態で第1駆動基板71を板状部材に取り付ける。板状部材はヒートパイプユニット3に取り付けられるため、第1駆動基板5とヒートパイプユニット3とが熱的に接続されることになる。これにより、ヒートパイプユニット3を利用して駆動回路を含む第1駆動基板71を冷却することができる。なお、第2駆動基板81、第3駆動基板91についても同様に、熱伝導部材を間に挟んで板状部材に取り付けてもよい。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
3 ヒートパイプユニット、12 外郭筐体、12a 開口部、13 冷却ファン、16 仕切り部材、16a 開口部、17 仕切り部材、17d 開口部、19 仕切り部材、19a 開口部、70 第1光源ユニット、72 第1光源部材、80 第2光源ユニット、82 第2光源部材、90 第3光源ユニット、92 第3光源部材、500 光源装置。

Claims (5)

  1. 外郭筐体と、
    前記外郭筐体内において階層構造を形成し、各階層を仕切るための仕切り部材と、
    前記外郭筐体内の各階層に配置され、それぞれが光源部材と当該光源部材を冷却する冷却体とを有する複数の光源ユニットと、
    前記冷却体に供給される冷却風としての空気を前記外郭筐体の外部から内部に取り込むための第1開口部と、
    前記仕切り部材において、前記複数の光源ユニットの配置に沿って略中心部に形成された第2開口部と、
    を備え
    前記複数の光源ユニットは前記第1開口部の付近に配置され、
    前記外郭筐体の略上部に、前記第1開口部から前記外郭筐体の内部に前記冷却風を取り込み、前記第2開口部を通る風路を形成し、外部に排気する冷却ファンが配設された、光源装置。
  2. 前記第1開口部の外部に遮光カバーを設けた、請求項1記載の光源装置。
  3. 前記複数の光源ユニットは、前記光源ユニットの光ファイバ等が取り付けられる先端部を筐体の内部方向に向けて配置された、請求項1または請求項2記載の光源装置。
  4. 前記複数の光源ユニットは、前記光源部材を駆動する駆動回路をさらに備えた、請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の光源装置。
  5. 前記光源部材と当該光源部材を冷却する前記冷却体はヒートパイプにて結合され、前記ヒートパイプは略90度に曲げられている、請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の光源装置。
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