CN106461274B - 冷却装置、具有冷却装置的光源装置以及具有光源装置的投射型图像显示装置 - Google Patents

冷却装置、具有冷却装置的光源装置以及具有光源装置的投射型图像显示装置 Download PDF

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Abstract

冷却装置包括：制冷剂回路，所述制冷剂回路利用配管依次将压缩机(21)、冷凝器(22)、膨胀阀(23)以及蒸发器(25)呈环状连接，供制冷剂循环；加热器(26)，所述加热器(26)设置在制冷剂回路中，蒸发器(25)与发热体热连接。

Description

冷却装置、具有冷却装置的光源装置以及具有光源装置的投 射型图像显示装置
技术领域
本发明涉及冷却装置、具有冷却装置的光源装置以及具有光源装置的投射型图像显示装置。
背景技术
以往，公知一种投射型图像显示装置，该投射型图像显示装置具有光源、对自光源射出的光进行调制的光调制元件、和将利用光调制元件调制后的光投射到投射面上的投射机构。
在以往的很多投射型图像显示装置中，用于生成三原色的光的光源采用灯，利用分色镜将由灯发出的白色光分离成红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的三原色，在根据画像信息对该三原色进行调制并利用合成棱镜进行了合成后，将该三原色经由投射透镜显示在屏幕上。
近年来，进一步的高亮度化(高输出化)、颜色再现范围的扩大以及长寿命化的要求日益高涨，利用灯光源推进进一步的高亮度化，会产生发热的增多、冷却构造的大型化、噪声的产生和电源的大型化等问题，所以较难进行，颜色再现范围的扩大以及长寿命化也较难实现。
那么，近年来，代替灯光源，将颜色再现范围广且寿命长的半导体激光器、LED用作光源元件，使用多个该种光源元件，从而能够获得高输出的光源的开发以及使用了该光源的投射型图像显示装置的开发得到推进。
为了使各色(R、G、B)的半导体激光器、LED等稳定地发光、振荡，重要的是将动作设定温度维持恒定，在光源元件为半导体激光器的情况下，温度越低，发光效率越高。通常，作为半导体激光器的冷却技术，利用珀耳帖元件，但由于热负荷较大，所以产生由热管、散热器的大型化、风扇风量的增大导致的噪声增大、消耗电力增加等问题。
另外，由水冷进行的冷却方法与珀耳帖元件相比能够抑制热负荷，但冷却器的出入口水温的差变大，不能将多个半导体激光器的温度保持为恒定，无法供给稳定的输出光。
作为解决上述问题的方法之一，提出了如下方法：使用具有由压缩机、冷凝器、风扇、减压器以及蒸发器(冷却器)构成的制冷剂回路的冷却装置，并利用制冷剂的蒸发潜热(例如参照专利文献1、2)。
在专利文献1中，提出了使制冷剂配管直接与光源零件相连接或者借助热管与光源零件间接连接，从而将温度保持为恒定的方式。另外，在专利文献2中，提出了在光源零件中设置加热部件，通过控制该加热部件来调整温度的方式。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-042703号公报(例如参照第25段～第28段和图2)
专利文献2：日本特开2009-086269号公报(例如参照第26段～第29段和图3)
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1中，由于在冷却装置侧不存在加热部件，所以当在装置起动时使冷却(冷却装置)侧比热源(光源零件)侧先起动了的情况下，制冷剂温度下降，当达到露点温度以下时，在装置内部发生结露，容易在装置的内部发生短路而使装置出现故障。另外，当在装置起动时使热源侧比冷却侧先起动了的情况下，来不及进行制冷剂的供给，光源零件的温度上升而容易发生故障。此外，由于制冷剂在冷却器内不蒸发，以液体状态流入到压缩机中，所以压缩机容易发生故障。因此，存在装置的可靠性下降的问题。
在专利文献2中，由于将加热部件直接设置在光源零件上，所以在加热部件的加热量比光源零件的发热量大的情况下，光源零件的温度上升，存在寿命缩短的问题。此外，由于只通过观察光源零件的温度来决定加热量，不能辨别压缩机的吸入侧的制冷剂的状态，所以液体容易返回到压缩机内，存在压缩机容易发生故障的问题。
本发明是考虑到以上这样的问题而做成的，目的在于提供一种能使搭载有连接的发热体的装置的可靠性得到提高的冷却装置、具有冷却装置的光源装置以及具有光源装置的投射型图像显示装置。
用于解决问题的方案
本发明的冷却装置包括：制冷剂回路，上述制冷剂回路利用配管将压缩机、冷凝器、膨胀阀以及蒸发器依次呈环状连接，供制冷剂循环；加热器，上述加热器设置在上述制冷剂回路中，上述蒸发器与发热体热连接。
发明效果
采用本发明的冷却装置，通过具有加热器，能对搭载有热连接的发热体的装置的结露进行抑制，所以能够抑制装置的故障，提高装置的可靠性。
附图说明
图1是具有本发明的实施方式1的冷却装置的光源装置的整体结构图。
图2是本发明的实施方式1的冷却装置的主要部分放大图。
图3是表示本发明的实施方式2的光源装置的激光光源组件及其液体分布的图。
图4是设置在本发明的实施方式3的光源装置中的冷却装置的主要部分放大图。
图5是设置在本发明的实施方式4的光源装置中的冷却装置的制冷剂回路图。
图6是具有本发明的实施方式6的光源装置的投射型图像显示装置的整体结构图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施方式。另外，本发明并不被以下说明的实施方式限定。另外，在以下的附图中，各构成构件的大小的关系有时与实际的情况不同。
实施方式1.
图1是具有本发明的实施方式1的冷却装置15的光源装置90的整体结构图，图2是本发明的实施方式1的冷却装置15的主要部分放大图。
另外，在本实施方式1中，作为利用冷却装置15冷却的电子设备，说明光源装置90。
本实施方式1的光源装置90包括激光光源组件10、光学***机构13、光纤14、光纤集结部14a、光纤集合线14b、冷却装置15、热单元(日文：ヒートブロック)30、电气基板60、激光光源驱动电路基板61、电源电路基板62和控制电路基板63。
激光光源组件10由射出绿色(G)的激光的绿色激光光源组件10a、射出红色(R)的激光的红色激光光源组件10b以及射出蓝色(B)的激光的蓝色激光光源组件10c构成。
另外，激光光源驱动电路基板61由对各色(R、G、B)的激光光源组件10进行驱动的绿色激光光源驱动电路基板61a、红色激光光源驱动电路基板61b以及蓝色激光光源驱动电路基板61c构成。另外，激光光源组件10相当于本发明的“发热体”。另外，红色激光光源组件10b以及蓝色激光光源组件10c相当于本发明的“单位激光光源组件”。
另外，激光光源组件10具有电气端子部12，经由电气基板60对激光光源组件10进行通电，从而使激光光源组件10射出激光。并且，射出的该激光经由光学***机构13被引导到光纤14。
光纤14与各色的激光光源组件10相连接，自激光光源组件10射出的激光经由光纤14、光纤集结部14a以及光纤集合线14b输出到激光光源外部。
电源电路基板62是将电源供给到光源装置90的电路基板，控制电路基板63是控制光源装置90的电路基板。另外，控制电路基板63相当于本发明的“控制部件”。
冷却装置15具有制冷剂回路，该制冷剂回路利用配管20依次将压缩机21、冷凝器22、膨胀阀23以及对激光光源组件10进行冷却的蒸发器25呈环状连接，该制冷剂回路供制冷剂循环。另外，在冷凝器22设置有通风用的风扇24。
配管20供制冷剂流动，在膨胀阀23与压缩机21之间的配管20中安装有作为散热体的多个热单元30。并且，利用膨胀阀23与压缩机21之间的配管20和热单元30构成蒸发器25。另外，激光光源组件10与热单元30接合。也就是说，配管20和激光光源组件10借助热单元30而热连接。并且，激光光源组件10被在配管20的内部流动的制冷剂冷却。
详细而言，被压缩机21压缩了的高温高压的制冷剂与利用冷凝器22以及风扇24的作用进行通风的外部空气进行热交换，温度下降而成为低温高压的制冷剂，同时其冷凝热利用风扇24排出到光源装置90的外部。接着，制冷剂在被膨胀阀23减压后，在通过安装有与激光光源组件10接合的热单元30的配管20时，带走蒸发潜热，从而一边进行吸热(也就是说，一边将激光光源组件10冷却)一边成为低温低压的制冷剂。利用这一连串的所谓的热泵动作，激光光源组件10将本身的发热连续地排出到光源装置90的外部，将温度保持为恒定。
利用该制冷剂回路的作用，使安装有图2中的热单元30的配管20内的制冷剂温度下降至周边温度以下。另外，使低压侧(压缩机21的吸入侧)的配管20的表面下降至与制冷剂温度同等的温度。另外，在激光光源组件10与热单元30的接合部，来自激光光源组件10的发热使温度上升，但由于除接合部以外的热单元30的表面的热的输入输出较少，所以此处热单元30的表面温度下降至与制冷剂温度同等的温度。并且，在它们达到了露点温度以下的情况下，在低压侧的配管20、热单元30的表面发生结露。
为了对此进行改善，在本实施方式1中，制冷剂回路即冷却装置15具有加热器26。通过控制该加热器26，将制冷剂温度调整为不会达到露点温度以下，从而抑制结露。当装置起动时，当从冷却装置15的压缩机21开始起动时，由于光源组件未发热，所以配管20、热单元30的温度下降，在该配管20和热单元30的表面发生结露。另一方面，当从激光光源组件10起动时，由于冷却装置15的压缩机21未起动，所以激光光源组件10的温度立即升高，激光光源组件10发生故障，寿命缩短。
为此，当装置起动时，通过使加热器26最先起动而加热制冷剂后使压缩机21起动，来将制冷剂温度调整为不会达到露点温度以下。并且，随后使激光光源组件10起动，从而抑制激光光源组件10的温度的上升。
另外，通过设置加热器26，能在进行制冷剂的蒸发温度的调整的同时，使被吸入到压缩机21中的制冷剂的状态成为蒸气。这里，在将加热器26控制为将制冷剂以蒸气的状态吸入到压缩机21中时，若将加热器26直接设置在激光光源组件10上，则难以如上述那样地同时进行控制。因此，(在将压缩机21的排出侧设置作为上游，将吸入侧设置作为下游时)在激光光源组件10中最下游的蓝色激光光源组件10c近旁流动的制冷剂未被过热蒸气冷却，或者被吸入到压缩机21中的制冷剂的状态未成为蒸气。
为此，当在制冷剂回路内的低压侧(在本实施方式1中是蒸发器25与压缩机21的吸入口之间)设置加热器26时，能使潮湿状态的制冷剂在蒸发器25中流动，另一方面能使被吸入到压缩机21中的制冷剂的状态成为蒸气，不仅能够提高激光光源组件10的可靠性，而且还能提高压缩机21的可靠性。
另外，由于不必设置结露回收容器，并且在回路内不需要多个加热器26，所以能够便宜地制作装置。通过观察激光光源组件10内的最低配管温度、压缩机21的吸入温度，依据激光光源组件10的发热量控制加热器26来调整制冷剂温度即可，所以与使用了多个加热器26的情况相比，制冷剂的温度调整容易进行。
另外，在本实施方式1中，由于只设置1个加热器26，所以能够抑制成本，另外由于不必进行多个加热器26的控制，所以控制不复杂，也能提高装置的响应性。
另外，也可以分别在激光光源组件10的上游侧和下游侧设置加热器26。通过那样设置，通过控制上游侧的加热器26，能够调整制冷剂的蒸发温度，并能利用下游侧的加热器26调整被吸入压缩机21的制冷剂的状态。
如上所述，采用具有本实施方式1的冷却装置15的光源装置90，利用由加热器26进行的结露的抑制，来抑制在装置内部发生结露而使装置的内部短路，能够获得可靠性高的光源装置90。
另外，由于使激光光源组件10的内部的激光二极管的发光部温度下降，因此具有使电-光转换效率提高的特性。因此，通过如上述那样降低制冷剂温度，使向光源装置90外部的光输出增大。结果，也能减少用于获得光源装置90所需的光输出的激光光源组件10的数量，获得能使光源装置90的成本变得便宜的效果。
另外，由于能够进行蒸发器25的制冷剂温度的调整，并且能使被吸入压缩机21的制冷剂的状态成为蒸气，所以能够提高压缩机21的可靠性。
另外，在本实施方式1中，作为利用冷却装置15进行冷却的电子设备，说明了光源装置90，但本发明不限定于此，例如也可以是搭载有电脑等发热元件的电子设备。
实施方式2.
图3是表示本发明的实施方式2的光源装置90的激光光源组件10及其液体分布的图。
以下，说明本实施方式2，省略说明与实施方式1重复的部分，对于与实施方式1相同的部分或相当的部分，标注与实施方式1相同的附图标记。
在以上的实施方式1中，说明了具有冷却装置15的光源装置90，在本实施方式2中，说明的是多个激光光源组件10中的一个射出绿色激光，该绿色激光光源组件10a位于上游侧的例子。
另外，在图3中，将制冷剂的流动方向的最上游的区域称为区域A，将最下游的区域称为区域C，将区域A与区域C之间的区域称为区域B。
在本实施方式2中，如图3中的配管20内的液体分布所示，在气液两相状态的制冷剂中，液体制冷剂的液量按照区域A>B>C的顺序增多。并且，在区域C内，制冷剂的液量较少，过热蒸气也在区域C内流动，所以制冷剂的潜热小，当制冷剂从气液两相状态变为只有蒸气的状态时，制冷剂温度急剧上升。为此，在本实施方式2中，在制冷剂的液量上存在分布的光源装置90中，将存在冷却温度的制约的绿色激光光源组件10a配置在上游侧(区域A或区域B)，保持制冷剂的气液两相状态，从而能够抑制绿色激光光源组件10a的急剧的温度的上升，能够容易地调整制冷剂温度。另外，在将绿色激光光源组件10a尽量配置在上游侧(区域A)时，能够进一步抑制绿色激光光源组件10a的急剧的温度的上升，容易调整制冷剂温度。由此，能够提高激光光源组件10的可靠性，射出稳定的激光。
另外，在本实施方式2中，如图3所示，串联地排列各色(R、G、B)的激光光源组件10，但本发明并不限定于此。也可以是与本实施方式2不同颜色的组合、与本实施方式2不同的数量，也可以并联地排列各色的激光光源组件，但在存在具有绿色的列的情况下，将绿色激光光源组件10a配置在上游侧较好。
实施方式3.
图4是设置在本发明的实施方式3的光源装置90中的冷却装置15的主要部分放大图。
以下，说明本实施方式3，省略说明与实施方式1重复的部分，对于与实施方式1相同的部分或相当的部分，标注与实施方式1相同的附图标记。
在以上的实施方式2中，说明了多个激光光源组件10中的一个为绿色激光光源组件10a，该绿色激光光源组件10a位于上游侧的例子，在本实施方式4中，说明的是利用加热器26使被吸入压缩机21的制冷剂的状态成为蒸气的例子。
在本实施方式3中，如图4所示，在蒸发器25与压缩机21的吸入侧之间设置有加热器26a，在蒸发器25与膨胀阀23之间设置有加热器26b。另外，在蒸发器25与加热器26a之间设置有第一温度传感器27，在加热器26a与压缩机21之间设置有第二温度传感器28。
并且，利用第二温度传感器28检测压缩机21的吸入温度，利用第一温度传感器27检测蒸发温度(在本实施方式3中是蒸发器25的出口温度)，从而能够根据上述吸入温度与蒸发温度的温度差，辨别被吸入压缩机21的制冷剂的气液状态。因此，能将加热器26控制为使制冷剂在存在很多液体的气液两相状态下自蒸发器25流出，在压缩机21的吸入侧成为蒸气。由此，蒸发器25内的制冷剂的温度分布恒定，所以激光光源组件10能够射出稳定性高的激光，寿命也变长。此外，能够抑制液体返回到压缩机21内，所以能够提高压缩机21的可靠性。
另外，使用2个加热器，通过控制上游侧的加热器26b来调整制冷剂的蒸发温度，通过控制下游侧的加热器26a来使被吸入压缩机21的制冷剂的状态成为蒸气，从而与利用一个加热器进行控制的情况相比，能够进行精度高的控制。另外，第一温度传感器27的位置(蒸发温度的检测位置)并不限定于上述设定，只要位于从膨胀阀23的出口到蒸发器25的出口的配管20中，则可以位于任意位置。
实施方式4.
图5是设置在本发明的实施方式4的光源装置90中的冷却装置15的制冷剂回路图。
以下，说明本实施方式4，省略说明与实施方式1重复的部分，对于与实施方式1相同的部分或相当的部分，标注与实施方式1相同的附图标记。
在以上的实施方式3中，说明了通过控制加热器26，来使被吸入压缩机21的制冷剂的状态成为蒸气的例子，在本实施方式4中，说明的是利用高压侧的热源来加热低压侧的制冷剂，使被吸入压缩机21的制冷剂成为蒸气的例子。
在本实施方式4中，如图5所示，在冷凝器22与膨胀阀23之间设置有换热器29。另外，加热器26设置在膨胀阀23与蒸发器25之间。并且，将自冷凝器22的出口流出的液体制冷剂作为热源，使该液体制冷剂与自蒸发器25的出口流出的制冷剂在换热器29中进行热交换，从而能使制冷剂成为蒸气而流到压缩机21的吸入口。因此，能够通过控制加热器26调整制冷剂的蒸发温度，通过控制换热器29来使被吸入压缩机21的制冷剂的状态成为蒸气。
这样，通过使换热器29与膨胀阀23的入口侧相连接，在换热器29内利用自冷凝器22的出口流出的液体制冷剂将自蒸发器25的出口流出的制冷剂加热，能使被吸入压缩机21的制冷剂的状态成为蒸气。
当如上述那样使用制冷剂本身具有的热量，使流到压缩机21的吸入口的制冷剂蒸发时，能够减少加热器26的热量，所以能够降低加热器26的成本。
另外，通过利用制冷剂的潜热降低制冷剂温度，与以往的采用珀耳帖元件或水冷的冷却方式相比，能将激光光源组件10的温度保持为低温。由于激光光源组件10内部的激光二极管具有发光部温度越低，寿命越长的特性，所以能够获得可靠性更高的光源装置90。
另外，在本实施方式4中，将自冷凝器22的出口流出的液体制冷剂设定为热源，但也可以将压缩机21的排出侧的排出配管设定为热源。通过那样设置，与冷凝液不同，热量较小，但由于温度差较大，所以能够获得使自蒸发器25的出口流出的制冷剂成为蒸气的热量。
另外，也可以将膨胀阀23形成为毛细结构，而与自蒸发器25的出口流出的制冷剂进行热交换。
实施方式5.
以下，说明本实施方式5，省略说明与实施方式1重复的部分，对于与实施方式1相同的部分或相当的部分，标注与实施方式1相同的附图标记。
在以上的实施方式4中，说明了利用高压侧的热源加热低压侧的制冷剂，来使被吸入压缩机21的制冷剂的状态成为蒸气的例子，在本实施方式6中，说明的是通过控制加热器26来调整制冷剂温度，使蒸发器25的温度不会达到露点温度以下的例子。
在本实施方式5中，如图4所示，利用加热器26将利用第一温度传感器27检测到的制冷剂温度调整为不会达到露点温度以下，从而能够抑制配管20的结露。另外，在因冷却装置15起动时、停止时的过渡的运转而发生结露的情况下，也能通过控制加热器26的热量，升高制冷剂温度而将蒸发器25、周围的配管20的温度维持为高于露点温度的值，从而能够抑制上述蒸发器25和周围的配管20的结露。
例如在起动时，将蒸发器25的温度维持为高于露点温度的值，并且使制冷剂回路的动作稳定。随后，根据由激光光源组件10产生的发热量的增加，降低加热器26的热量。在停止时，一边减少由激光光源组件10产生的发热量，一边增加由加热器26产生的热量，在切换为只利用加热器26进行发热后，使装置停止。通过进行这样的运转，能够抑制装置内的结露，延长激光光源组件10的寿命，获得可靠性高的装置。
实施方式6.
图6是具有本发明的实施方式6的光源装置90的投射型图像显示装置91的整体结构图。
以下，说明本实施方式6，省略说明与实施方式1重复的部分，对于与实施方式1相同的部分或相当的部分，标注与实施方式1相同的附图标记。
在以上的实施方式5中，说明了通过控制加热器26调整制冷剂温度，来使蒸发器25的温度不会达到露点温度以下的例子，在本实施方式6中，说明的是具有光源装置90的投射型图像显示装置91。
本实施方式6的投射型图像显示装置91如图6所示，利用光纤集合线14b与光源装置90的光纤集结部14a相连接，利用对内部所具有的激光进行空间调制而生成图像光的部件和投射图像光的投射光学***，向投射仪外部投射图像。
采用本实施方式6的投射型图像显示装置91，能够获得高可靠性、低成本以及较高的节能性。
附图标记说明
10、激光光源组件；10a、绿色激光光源组件；10b、红色激光光源组件；10c、蓝色激光光源组件；12、电气端子部；13、光学***机构；14、光纤；14a、光纤集结部；14b、光纤集合线；15、冷却装置；20、配管；21、压缩机；22、冷凝器；23、膨胀阀；24、风扇；25、蒸发器；26、加热器；26a、加热器；26b、加热器；27、第一温度传感器；28、第二温度传感器；29、换热器；30、热单元；60、电气基板；61、激光光源驱动电路基板；61a、绿色激光光源驱动电路基板；61b、红色激光光源驱动电路基板；61c、蓝色激光光源驱动电路基板；62、电源电路基板；63、控制电路基板；90、光源装置；91、投射型图像显示装置。

Claims (7)

1.一种光源装置，其中，
所述光源装置包括冷却装置以及至少控制所述冷却装置的加热器的控制部件，
所述冷却装置包括：制冷剂回路，所述制冷剂回路利用配管依次将压缩机、冷凝器、膨胀阀以及蒸发器呈环状连接，供制冷剂循环，所述蒸发器与发热体热连接；以及所述加热器，所述加热器设置在所述制冷剂回路中，
所述控制部件控制所述加热器，使得所述蒸发器的温度不会达到露点温度以下，
所述发热体是激光光源组件，
所述蒸发器具有作为散热体的热单元，
所述压缩机与所述膨胀阀之间的配管借助所述热单元与所述激光光源组件热连接。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其中，
所述蒸发器由所述压缩机与所述膨胀阀之间的配管构成。
3.根据权利要求1或2所述的光源装置，其中，
所述控制部件在使所述加热器起动后，使所述压缩机起动，在使所述压缩机起动后，使所述激光光源组件起动。
4.根据权利要求1或2所述的光源装置，其中，
所述激光光源组件由射出绿色的激光的绿色激光光源组件，和射出其他颜色的激光的单位激光光源组件构成，
所述绿色激光光源组件设置在比所述单位激光光源组件靠上游侧的位置。
5.根据权利要求1或2所述的光源装置，其中，
所述激光光源组件由射出绿色的激光的绿色激光光源组件，和射出其他颜色的激光的单位激光光源组件构成，
所述光源装置至少具有2个所述单位激光光源组件，
所述绿色激光光源组件设置在至少比1个所述单位激光光源组件靠上游侧的位置。
6.根据权利要求1或2所述的光源装置，其中，
所述控制部件通过控制所述加热器，使被吸入所述压缩机的制冷剂的状态成为蒸气。
7.一种投射型图像显示装置，其中，
所述投射型图像显示装置具有权利要求1～6中任一项所述的光源装置。
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