JP3788619B2 - ランプ冷却装置、それを用いたプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、ランプ冷却装置、それを用いたプロジェクタ、より詳細には、高圧放電ランプ等の光源ランプを備えた光学機器、映像機器（プロジェクタ装置）などの機器において、光源ランプ及び反射鏡などを冷却する冷却装置に関するものである。

照明光学系は、通常、光源ランプと、その光源ランプから放射された光を反射するための回転放物面、或いは回転楕円面を有する反射鏡とを含む光源装置を備えている。また、光源から放射された強い熱線に照射された電子部品や画像表示素子などを保護するため、反射鏡はコールドミラーになっている。光源ランプとして、プロジェクタ装置にはメタルハライドランプや高圧水銀ランプ、写真現像装置にはハロゲンランプ、映写機にはキセノンランプなどが利用されている。そしてそのほとんどの場合がファンによる強制対流冷却のみの方式を採用している。
それらについては、特許文献１の「プロジェクタ用冷却装置」や特許文献２の「光学装置及びその冷却方法」に記載されている。

近年、光源ランプの高輝度（高電力）化に伴う発熱量の増加と、製品の小型化に伴い冷却能力の低下（冷却ファンの小型化）に対応できる冷却効率の改善が求められている。
図３及び図４は、従来のプロジェクタ装置の高圧水銀ランプの冷却機構を示す図で、図３は、プロジェクタのランプ冷却装置の側断面概略図、図４は図３のランプユニットを後面からみた構成図である。

図３において、２１は陰極−陽極間のアーク放電により封止された水銀原子を励起することにより発光させるランプバルブ、２２は硬質ガラスや結晶化ガラスなどの耐熱ガラスの凹面に多重干渉膜が形成された反射鏡（リフレクタと称する）、２３は防爆用の前面ガラス板、２３ａは前面ガラスに設けられた穴、２４はリフレクタ２２と前面ガラス板２３とを固定するセラミック系の接着剤、２５はランプバルブ２１とリフレクタ２２とを支持するランプベース、２５ａは空気排出用の穴、２６ａはリフレクタ２２とランプベース２５とを固定するセラミック系の接着剤、２６ｂはランプバルブ２１とランプベース２５とを固定するセラミック系の接着剤、２７はリフレクタ２２を取付けるランプケース、２７ａはランプケースに設けられた格子、２８はランプバルブ２１を冷却（吹付け）するブローファン、２９はブローファン２８からの冷却風をランプバルブ２１に注ぐためのファンダクト、３０はリフレクタ２２後方の熱を排出する排気ファンである。また図中の矢印は、空気の流れを模式的に示している。

図３及び図４の構成品の組立手順に従って、その構成を説明する。まずランプベース２５とリフレクタ２２の後方の穴にランプバルブ２１を通し、接着剤２６ａ，２６ｂでこれらを固定する。そして、リフレクタ２２の前方に前面ガラス板２３を配置し、接着剤２４にてその外周を接着固定する。これらランプバルブ２１、ランプベース２５、リフレクタ２２、及び前面ガラス板２３からなる構成品をランプユニットと称する。

前面ガラス板２３の片隅には、空気を取り入れる穴２３ａが設けられていて、その穴２３ａにブローファン２８とファンダクト２９を取付ける。また、リフレクタ２２の後方に固着したランプベース２５には、図４に示すごとくの空気を排出する複数の穴２５ａが設けられている。そして上記のランプユニットをランプケース２７に取付け、その後方に、ランプユニットを冷却する排気ファン３０を配置する。またランプケース２７の後方には、ランプバルブ２１からの放射光（特に赤外光）を製品外部へ漏れないようするための斜めの格子２７ａが数枚設けられている。

ランプ入力電力に対するランプバルブ２１の熱量のエネルギー変換配分は、可視光３０％、赤外光５０％、紫外光１０％、その他電極、発光管などの損失が１０％程度である。ランプバルブ２１の発光による熱は、ブローファン２８からの冷却風で強制対流冷却される。また、可視光と赤外光は、リフレクタ２２の多重干渉膜により可視光と赤外光に分離され、可視光は反射してランプバルブ２１の前方に照射され、赤外光はその一部がリフレクタ２２に吸収されその他の一部が透過してそれぞれ熱に変換される。それらの変換された熱は、排気ファン３０により強制対流冷却される。

ランプバルブ２１の温度が均一化されないと、その中に封入されたガスがランプバルブ２１の内壁において蒸着して白濁や黒化が誘発され輝度低下が発生し、さらにフリッカや破裂の原因にもなる。さらに、ランプバルブ２１の先端シール部のモリブデンは、高温で酸化しやすく、これらを抑制するため冷却を行い、信頼性を保つ必要がある。
従って、ランプバルブ２１やリフレクタ２２の反射面を所定の温度に保つために、ブローファン２８の冷却能力が非常に重要である。

凹面反射鏡（リフレクタ）の鏡面を効率良く冷却する方法としては、例えば、特許文献３が開示されている。特開文献３においては、前面開口が光透過性ガラスで覆われた凹面反射鏡の首部に光軸が一致するように放電ランプが固定され、この放電ランプが略水平に配置される光源装置において、首部には冷却排風穴を有するとともに、前面開口の下側周縁部には冷却送風穴を有し、この冷却送風穴は、凹面反射鏡の鏡面に向かって形成されている。

また、反射鏡と同じガラス材で放熱フィンを一体で設け、冷却効率を向上させる技術が、特許文献４などに開示されている。このように、凹面反射鏡の前面開口を光透過性ガラスで覆う内部に放電ランプを有する光学装置において、放電ランプや凹面反射鏡の鏡面を効率良く冷却できる構造が提案されている。

さらに、特許文献５の「光源装置及びこれを用いたプロジェクタ」は、リフレクタそのものを熱伝導率０.００５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅｇ以上のセラミックで形成し、光源ランプからの熱を、リフレクタを介して効果的に放出すると共に、リフレクタの背面に備えた排気ファンにより、熱気を筐体外部に排出しようとするものである。

また、特許文献６の「画像投映装置」では、筐体内の温度を各部品の耐熱温度以内に略均一に維持するために、筐体外部に配置されたファンにより外気を吹き込んで筐体内の空気を攪拌して冷却するようにしている。
特開平６−２６６００８号公報 特開平８−２２７０５号公報 特開２０００−８２３２１号公報 特開平９−５５１０９号公報 特開２００１−１２５１９４号公報 公報特開平２−１３０５４２号公報

図３及び図４に示した構成や、上記特許文献３に示す構成では、飛散防止ガラスの中央や、凹面反射鏡前面開口の下側周縁部に冷却送風用の小さな穴を設けるため、通風抵抗が大きく冷却効果が悪かった。このために大きな送風機が必要となり、セットのサイズが大きくなってしまうことや、ファンから発生する騒音も大きくなってしまうという問題が生じる。

また、特許文献５に記載の技術は、不透明な反射鏡のため、可視光と共に赤外光も反射され、照射物に大きな悪影響を与える。また反射鏡の温度が高温になり、リフレクタ背面に配置した排気ファンも高温になり、排気口からかなりの熱風が排出されることが予測できる。

また特許文献６に記載の技術は、放熱フィンを設けているがガラス材の熱伝導率が低くフィン先端に熱が伝わらないため、冷却効率が向上したとは言いがたい。また、放熱フィンは、できるだけ表面積を大きくすることが求められるが、粘性の高いガラス材の加工で薄肉の加工は困難である。

本発明は、従来技術における上述の課題を解決するために、光源ランプからの熱量を逸早くランプベースに伝えて強制対流冷却の促進を図るとともに、リフレクタを透過する赤外光による変換熱量を筐体に伝熱して放熱することにより、効率的な冷却を行うことができるようにしたランプ冷却装置を提供することを目的としている。

第１の技術手段は、ランプバルブと、該ランプバルブから射出された出射光を反射するリフレクタと、前記ランプバルブと前記リフレクタとを支持し、高熱伝導体の放熱フィンを一体に備えたランプベースと、該ランプベースと前記ランプバルブとの間の熱伝導を促進しかつ前記ランプバルブとランプベースとを電気的に絶縁するバルブパイプと、前記リフレクタの外面側を覆い、該リフレクタに固着された遮光板とを有するランプ冷却装置であって、前記バルブパイプは、円筒形状を有し、前記ランプベースと前記遮光板とが接着剤にて複数箇所で固定されていることを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、バルブパイプは、高熱伝導率材料で形成されていることを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第２の技術手段において、バルブパイプは、熱伝導率１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料を用いて形成されることを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１の技術手段において、バルブパイプは、絶縁材料で形成されていることを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第１乃至第４のいずれか１の技術手段において、バルブパイプは、セラミックス材料を用いて形成されることを特徴としたものである。

第６の技術手段は、第５の技術手段において、セラミックス材料は、窒化ホウ素、窒化アルミ、及びアルミナのいずれかを用いていることを特徴としたものである。

第７の技術手段は、第１乃至第６のいずれか１の技術手段において、リフレクタとランプバルブとランプベースとは、熱伝導率４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料を用いて固定されていることを特徴としたものである。

第８の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、ランプベースは、高熱伝導率の金属材料で形成されていることを特徴としたものである。
第９の技術手段は、第１乃至第８のいずれか１の技術手段において、リフレクタの後部には通気口が設けられていることを特徴としたものである。

第１０の技術手段は、第１乃至第９のいずれか１に記載のランプ冷却装置を用いたことを特徴としたものである。

本発明のランプ冷却装置によれば、送風ファンによる強制対流のみの従来の冷却方式に比べ、送風ファンによる強制対流を主体として、光源ランプからの熱量を迅速にランプベースに伝えて強制対流冷却の促進を図るとともに、リフレクタを透過する赤外光による変換熱量を筐体に伝熱させて放熱することにより、効率的な冷却を行うことができ、ランプ冷却装置を備える機器の送風ファンによる騒音を減少させることができる。
また、上記ランプ冷却装置を備えたプロジェクタ装置によれば、従来のような大きなファンを用いる必要がないため、ファンの騒音の少ないプロジェクタ装置を実現することができる。また、冷却効率が高いため、より高出力のランプが使用可能となり、高輝度のプロジェクタ装置を実現することができる。

図１は、本発明のランプ冷却装置の側断面概略図で、図２は図１のランプユニットを後面から見た図である。図１及び図２において、１は陰極−陽極間のアーク放電により封止された水銀原子を励起することにより発光させるランプバルブ、２は硬質ガラスや結晶化ガラスなどの耐熱ガラスの凹面に多重干渉膜が形成された反射鏡（リフレクタと称する）、３は防爆用の前面ガラス板、３ａは前面ガラス板３に設けられた穴、４はリフレクタ２と前面ガラス板３とを固定するセラミック系の接着剤、５はランプバルブ１とリフレクタ２を支持するとともにランプバルブ１の熱量を放熱する高熱伝導体の放熱フィン５ａを有したランプベース、６はランプベース５とランプバルブ１の熱伝導及びランプバルブ１の電極とランプベース５の絶縁のためのバルブパイプ、７はリフレクタ２の外面側を覆う遮光板、８は遮光板７に固着した熱輸送平板、９は筐体の一部であるランプドア、９ａはランプドア９に設けられた放熱フィン、１０は熱輸送平板８とランプドア９とを接合するクッション材、１１ａはランプバルブ１とバルブパイプ６の間全周に配した高熱伝導率のセラミック接着剤、１１ｂはバルブパイプ６とランプベース５の間全周に注入した高熱伝導率のセラミック接着剤、１１ｃはリフレクタ２と遮光板７とランプベース５とを固定する高熱伝導率のセラミック接着剤、１２はリフレクタ２を取付けるランプケース、１３はランプバルブ１を冷却するブローファン、１４はブローファン１３からの冷却風をランプバルブに注ぐファンダクト、１５は通気口、１６はリフレクタ２後方の熱を排出する排気ファンである。また、図中の矢印は空気の流れを模式的に示している。

図１の構成品の組立手順に従って、その構成を説明する。まず遮光板７に、接着あるいは溶接などの一般的な手段で熱輸送平板８を固定し、この熱輸送平板８にグラファイト、シリコン等の高熱伝導率材料の中から選択したクッション材１０を貼り付ける。そしてリフレクタ２に、上記の遮光板７，熱輸送平板８，及びクッション材１０による組立品を接着剤により固着する。この接着剤は、高熱伝導率である必要はなく、一般的なセラミック接着剤でもよい。

また、遮光板７及び熱輸送平板８を形成する材料は、銅、アルミ、ステンレス等の高熱伝導率の金属材料から選択することが好ましい。さらに、クッション材１０は、グラファイトやシリコン等の高熱伝導率の材料で形成することが好ましい。

そしてバルブパイプ６の内面全周にセラミック接着剤１１ａを塗布し、バルブパイプ６の中にランプバルブ１を通す。さらにバルブパイプ６の外面全周にセラミック接着剤１１ｂを塗布し、リフレクタ２の後方の穴とランプベース５の中に通す。そして上述の遮光板７とリフレクタ２とを接着した箇所で、セラミック接着剤１１ｃによりランプベース５と遮光板７とを固定する。上記セラミック接着剤１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、熱伝導率４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率の接着剤を好適に使用できる。

バルブパイプ６は、ランプベース５とランプバルブ１との間の熱伝導を促進し、かつランプバルブ１の電極とランプベースとを絶縁するものであって、１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率材料で、円筒形状で薄肉に形成されている。特に高熱伝導材料のセラミック、特に窒化ホウ素、窒化アルミ、アルミナのいずれかを用いることが好適である。また、ランプベース５は、銅、アルミ、及びステンレス等の高熱伝導率の金属材料から選択された材料によって形成することが好ましい。

さらにリフレクタ２の前方には、前面ガラス板３を配置し、接着剤４にてその外周を接着固定する。上記の手順で作成された構成品をランプユニットと称する。

そして前面ガラス板３の片隅に設けられている空気取り入れるための穴３ａに、ブローファン１３とファンダクト１４を取付ける。さらに、上記のランプユニットをランプケース１２に取付け、その後方には、ランプユニットを冷却する排気ファン１６を配置する。
また、ランプケース１２の下面に形成された開口部においてクッション材１０に接するようにランプドア９を形成する。ランプドア９のクッション材１０との接触面は、熱輸送平板８からの熱を奪い取るための熱伝達面として機能する。

ランプベース５には、ランプバルブ１から伝わった熱を逸早く広げるため、金属材料による数枚の放熱フィン５ａが備えられている。隣接する放熱フィン５ａ間には、リフレクタ２の内部の空気を後方に排出する通気口１５が形成されている。
また、ランプドア９には、リフレクタ２を透過した赤外光を受けた遮光板７の熱を自然対流で放熱させるために、複数枚の放熱フィン９ａが備えられている。

また上記の熱輸送平板８は、冷媒が封入された蛇行配管を内蔵した平板形状の熱輸送手段として構成してもよい。また、遮光板７の内面に、さらなる赤外光を吸収するための黒色焼付塗装または黒色亜鉛メッキを施すようにしてもよい。

ランプ入力電力に対するランプバルブ１の熱量のエネルギー変換配分は、可視光３０％、赤外光５０％、紫外光１０％、その他電極、発光管などの損失が１０％程度である。ランプバルブ１の発光による熱は、ブローファン１３からの冷却風によって、ランプベース５の放熱フィン５ａ間に設けられた通風口１５から後方に排出されると同時に、ランプバルブ１からバルブパイプ６を介しランプベース５の放熱フィン５ａに伝わり、排気ファン１６の冷却風により強制対流冷却される。

また、可視光と赤外光は、リフレクタ２の多重干渉膜により、可視光と赤外光に分離され、可視光は反射してランプ前方に照射され、赤外光は一部がリフレクタに２吸収されその他の一部が透過して遮光板７で受けられる。遮光板７において赤外光で生じる熱は、熱輸送平板８に伝えられ、さらにクッション材１０を介し、ランプドア９の放熱フィン９ａにて放熱することによって自然対流冷却する。また、遮光板７は、赤外光を吸収すると同時に、筐体外部への光漏れを防ぐ機能を有している。

また、上記本発明に係わるランプ冷却装置をプロジェクタ装置に適用することにより、従来のような大きなファンを用いる必要がないため、ファンの騒音の少ないプロジェクタ装置を実現することができる。また、ランプ冷却装置による冷却効率が高いため、より高出力のランプが使用可能となり、高輝度のプロジェクタ装置を実現することができる。

本発明のランプ冷却装置は、高圧放電ランプ等の光源ランプを備えた光学機器、映像機器（プロジェクタ装置）などの機器において、光源ランプ及び反射鏡などを冷却する各種冷却装置に適用することができる。

本発明のランプ冷却装置の側断面概略図である。 図１のランプユニットを後面から見た図である。 プロジェクタのランプ冷却装置の側断面概略図である。 図３のランプユニットを後面からみた構成図である。

符号の説明

１，２１…ランプバルブ、２，２２…反射鏡（リフレクタ）、３，２３…前面ガラス板、３ａ，２３ａ…穴、４，２４…接着剤、５，２５…ランプベース、５ａ…放熱フィン、６バルブパイプ、７…遮光板、８…熱輸送平板、９…ランプドア、９ａ…放熱フィン、１０…クッション材、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…セラミック接着剤、１２…ランプケース、１３ブローファン、１４…ファンダクト、１５…通気口、１６…排気ファン、２５ａ…空気排出用の穴、２６ａ，２６ｂ…接着剤、２７…ランプケース、２７ａ…格子、２８…ブローファン、２９…ファンダクト、３０…排気ファン。

Claims (10)

1. ランプバルブと、該ランプバルブから射出された出射光を反射するリフレクタと、前記ランプバルブと前記リフレクタとを支持し、高熱伝導体の放熱フィンを一体に備えたランプベースと、該ランプベースと前記ランプバルブとの間の熱伝導を促進しかつ前記ランプバルブとランプベースとを電気的に絶縁するバルブパイプと、前記リフレクタの外面側を覆い、該リフレクタに固着された遮光板とを有するランプ冷却装置であって、
   前記バルブパイプは、円筒形状を有し、前記ランプベースと前記遮光板とが接着剤にて複数箇所で固定されていることを特徴とするランプ冷却装置。
2. 請求項１に記載のランプ冷却装置において、前記バルブパイプは、高熱伝導率材料で形成されていることを特徴とするランプ冷却装置。
3. 請求項２に記載のランプ冷却装置において、前記バルブパイプは、熱伝導率１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料を用いて形成されることを特徴とするランプ冷却装置。
4. 請求項１に記載のランプ冷却装置において、前記バルブパイプは、絶縁材料で形成されていることを特徴とするランプ冷却装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１に記載のランプ冷却装置において、前記バルブパイプは、セラミックス材料を用いて形成されることを特徴とするランプ冷却装置。
6. 請求項５に記載のランプ冷却装置において、前記セラミックス材料は、窒化ホウ素、窒化アルミ、及びアルミナのいずれかを用いていることを特徴とするランプ冷却装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１に記載のランプ冷却方式において、前記リフレクタと前記ランプバルブと前記ランプベースとは、熱伝導率４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料を用いて固定されていることを特徴とするランプ冷却装置。
8. 請求項１又は２に記載のランプ冷却装置において、前記ランプベース材料は、高熱伝導率の金属材料で形成されていることを特徴とするランプ冷却装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１に記載のランプ冷却装置において、前記リフレクタの後部には通気口が設けられていることを特徴とするランプ冷却装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１に記載のランプ冷却装置を用いたことを特徴とするプロジェクタ。

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