JP5565517B1 - 冷却装置、冷却構造、画像投射装置、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱部の冷却能力を高めると同時に、放熱部よりも下流側に位置する冷却対象に関しても、放熱部を冷却した後の空気を利用して冷却する。
【解決手段】複数のフィンを有し、第１冷却対象と接触することで放熱を行う放熱部と、前記放熱部に対して空気を送風する送風部と、を備える冷却装置であって、前記放熱部は、第１領域と、前記第１領域よりフィンの間隔が小さい第２領域と、を含み、前記空気の流路の当該第１領域よりも下流側に、前記第１冷却対象と異なる別の第２冷却対象が位置し、前記第１領域を通過した前記空気が前記第２冷却対象へと当たる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、ヒートシンク、冷却装置、冷却構造、画像投射装置、電子機器に関する。

発熱源を冷却する手法として、発熱源に放熱板を押し付け放熱面積を拡大し、放熱部に冷却空気を吹き付ける方法が既に知られている。さらに冷却効率を高める手法として、例えば熱伝導率の高い素材で放熱板を成形するといったことが実施されている。熱伝導率の高い素材で放熱板を成形することで、発熱源との接触部から伝わってきた熱を放熱板全体に均一に広げることが可能となる。その結果、放熱面積を大きくすることができるため、効率良く発熱源を冷却することが可能となるのである。

また、冷却空気と放熱板との接触面積を大きくすることも有効である。発熱源から熱を受け取ることで熱せられた放熱板は、冷却空気との接触箇所において冷却される。そのため、冷却空気との接触面積を拡大することによって、冷却効率を高めることが可能となるのである。なお、接触面積を拡大する方法として、放熱板にフィンを立てる方法が既に知られている。細かいピッチでフィンを立て、各ピッチ間に冷却空気を吹き付けることにより、冷却空気との接触面積が拡大し、冷却効率が高められる。

さらには、ファンを用いて放熱板を冷却する強制空冷方式も採用されている。冷却能力はフィンのピッチ間を通過する空気の風速に依存している。そのため、冷却能力を高めるためには、ピッチ間を通過する風速を高める必要があり、自然空冷ではなく強制空冷の方がより高い冷却効果を得ることができる。なお、強制空冷としてはファンを用いる方法が一般的であり、特に静圧の高いシロッコファンの吐き出し口を放熱板のフィンに対向するように配置し、シロッコファンから吐き出された空気を直接フィンに吹き付ける冷却構造が一般的であると言える。

しかしながら、上記従来の冷却方法では、構造的に冷却効率を高めようとした場合に、冷却効率向上には放熱板の表面積を大きくしたり、より強力な大型のファンが求められたりと、構造が大型化するという問題があった。そのため、いずれの場合も構造が大型かつ重量化してしまい、小型軽量な電気装置内に収納することが困難になるという問題があった。

また、フィンのピッチを細かくする方法の場合、冷却用の空気はフィンのピッチ間を通過するため、フィンのピッチを細かくした場合、通風抵抗が増大することになる。冷却能力は風量に依存しているため、通風抵抗が増大した場合、フィンを通過する空気の量が減るため、フィン通過後の空気をその他の部品の冷却に利用し難いという問題があった。すなわち、ファンと放熱部とその他の冷却対象を、上記の順番に直列に並べ、ファンから吐出された冷却空気を利用して放熱部のみならずその他の冷却対象も同時に冷却する構成を形成する場合、フィンのピッチを細かくすると、放熱部の冷却能力は高まるが、放熱部よりも下流側にある冷却対象に関しては冷却し難い構成となるのである。

そのため、従来のピッチを細かくすることによって冷却能力を高める方法では、ファンが冷却する対象は放熱部のみとする構成が一般的であり、仮に放熱部を冷却した後の空気を利用して他の部品を冷却する構成にしたとしても、その冷却能力に関してはあまり期待ができない構成であった。また、フィン形状に工夫を施し複雑な形状にした場合には、フィンのコストが高くなるという問題があった。そのため、理想としては、単純形状でありながら放熱部の表面積を拡大する方法が求められている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、放熱部の冷却能力を高めると同時に、放熱部よりも下流側に位置する冷却対象に関しても、放熱部を冷却した後の空気を利用して冷却することが可能となるヒートシンクを提案することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数のフィンを備え、前記複数のフィンは、少なくとも第１領域と第２領域とを有し、前記第１領域よりも前記第２領域の方が、フィンピッチが小さいヒートシンクと、前記ヒートシンクに対し、前記第１領域よりも前記第２領域に、多くの空気が流れるように配置されたシロッコファンと、を備え、前記ヒートシンクのフィンは、前記シロッコファンから生じた空気の流れの出口側の端部において、前記第１領域のフィンよりも前記第２領域のフィンの方が長いことを特徴とする。

本発明によれば、放熱部の冷却能力を高めると同時に、放熱部よりも下流側に位置する冷却対象に関しても、放熱部を冷却した後の空気を利用して冷却することが可能となるという効果を奏する。

図１は、実施形態の画像投射装置の使用態様を示す斜視図である。 図２は、実施形態の光学エンジン部、及び光源装置を示す斜視図である。 図３は、実施形態の光学エンジン部を示す斜視図である。 図４は、実施形態の照明光学部と、画像処理部を示す斜視図である。 図５は、実施形態の画像処理部を示す斜視図である。 図６は、実施形態の投射光学部を示す斜視図である。 図７は、実施形態の投射光学部を示す斜視図である。 図８は、実施形態の投射光学部を示す側面図である。 図９は、実施形態のヒートシンクの構成を示す斜視図である。 図１０は、実施形態のシロッコファンの構成を示す斜視図である。 図１１は、実施形態のシロッコファンの構成を示す底面図である。 図１２は、実施形態のヒートシンクと光源装置の位置関係を示す斜視図である。 図１３は、実施形態のヒートシンクと光源装置の位置関係を示す斜視図である。 図１４は、実施形態の画像投射装置の底面図である。 図１５は、実施形態の画像投射装置の側面図である。 図１６は、従来の画像投射装置の側面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる画像投射装置１を斜めから見て示した外観斜視図である。画像投射装置１は、パソコンやビデオカメラ等から入力される映像データを基に映像を生成し、その映像を被投射面であるスクリーン２等に投影表示する。画像投射装置１として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。また、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広くこれら画像投射装置が利用されるようになってきている。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われるようになってきている。

図２は、図１における画像投射装置１の外層カバー３を取りはずした状態を示す斜視図である。図２に示されるように、画像投射装置１は、大きく分けて光学エンジン部３０と、光源装置２０とを備えている。光源装置２０は、例えば高圧水銀ランプなどの光源を制御して、画像の投射に必要な光を光学エンジン部３０へと白色光を供給する。

光源装置２０は、光源２１を保持する保持部材である光源ブラケット２２を有しており、光源ブラケット２２の上部にハロゲンランプ、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプなどの光源２１が装着されている。

また、光源ブラケット２２の上部の光源２１の光出射側には、不図示のリフレクタなどが保持されたホルダ２４がネジ止めされている。ホルダ２４の光源２１配置側と反対側の面には、出射窓２３（図３参照）が設けられている。光源２１から出射した光は、ホルダ２４に保持された不図示のリフレクタにより出射窓２３に集光され、出射窓２３から出射する。

また、ホルダ２４の側面には、光源２１を冷却するための空気が流入する光源給気口が設けられており、ホルダ２４の上面には、光源２１の熱により加熱された空気が排気される光源排気口２４Ｃが設けられている。

光学エンジン部３０は、光源装置２０から供給された光を用いて、入力された画像データを処理して投射する制御を行う。図３は、光学エンジン部３０の詳細な構成を示す斜視図である。光学エンジン部３０は、照明光学部３１、投射光学部３３、及び画像処理部３２を備えている。上述した光源装置２０からの白色光は、まず照明光学部３１に照射される。照明光学部３１は、光源装置２０からの白色光をＲＧＢのそれぞれの成分へと分光し、画像処理部３２へと導光する。画像処理部３２は、変調信号に応じて画像形成を行い、入力された画像データから投影する画像を生成する。投射光学部３３は、画像処理部３２で生成された画像を被照射面に拡大投射する。

図４は照明光学部３１と画像処理部３２の配置構成図である。照明光学部３１は、カラーホイル３８、ライトトンネル３７、リレーレンズ３６、シリンダミラー３５、凹面ミラー３４を備えている。カラーホイル３８は、円盤状のカラーフィルタにより上記光源装置２０から出射した白色光を単位時間毎にＲＧＢの各色が繰り返す光に変換して出射する。ライトトンネル３７は、板ガラスを張り合わせて筒状に構成されており、カラーホイル３８から出射する光を導く。リレーレンズ３６は、２枚のレンズを組み合わせて構成されており、ライトトンネル３７より出射される光の軸上色収差を補正しつつ集光する。

シリンダミラー３５、および凹面ミラー３４は、リレーレンズ３６より出射される光を反射する。反射された光は、画像処理部３２へと入光され、画像処理部３２は、複数のマイクロミラーからなる略矩形のミラー面を有し、映像や画像のデータに基づいて各マイクロミラーが時分割駆動されることにより、所定の映像を形成するように投射光を加工して反射するＤＭＤ素子を備えている。そして、画像処理部３２において、ＤＭＤ素子により時分割で映像データに基づいて複数のマイクロミラーが使用する光は図中で矢印Ｂで示される投射レンズ５１の方向へ反射し、捨てる光は矢印Ｃで示されるＯＦＦ光板へと反射される。

図５は画像処理部３２の構成を示す斜視図である。画像処理部３２はＤＭＤ素子４１とＤＭＤ素子４１を制御するＤＭＤプリント基板４２とＤＭＤ素子４１を冷却するヒートシンク４３とヒートシンク４３をＤＭＤ素子４１に押し付ける固定板４４とを備える。本実施形態において、ヒートシンク４３が放熱部に相当する。ヒートシンク４３は、第１冷却対象のＤＭＤ素子４１と接触することで、ＤＭＤ素子４１の熱を放熱する。また、図６は、投射光学部３３の詳細な構成を示す斜視図である。画像処理部３２を通過した光は図６の投射レンズ５１へ反射され、捨てられる光は図６のＯｆｆ光板５３へと反射される。

図７と、図８は、投射光学部３３の構成を示す斜視図、および側面図である。投射レンズ５１を通過し、拡大された映像光は折り返しミラー５４によって光路が折り返され、自由曲面ミラー５５によってスクリーン２上へ拡大投影される。以上の構成によって、光学エンジン部３０はスクリーン２に近接して配置でき、光軸路が垂直方向である縦型で設置面積が小さく、立体的にコンパクトに設計することができる。

図９は、本実施形態で用いられるヒートシンク４３の構成を示す図である。本実施形態にあっては、このヒートシンク４３が画像処理部３２と、光源装置２０の２つの装置を冷却するための冷却構造を実現している。ヒートシンク４３には、その内側（装置の底面側）にシロッコファン６１が設けられている。シロッコファン６１は、ヒートシンク４３に対して、外気を取り込み送風する送風部に相当する。シロッコファン６１は、多数の小型の前向き羽根をもった筒と整風器をくみ合わせた構造であり、静圧効率が６０％程度の一般的なものが用いられる。

また、シロッコファン６１は、図１０に示すように第１吸い込み口７１、第２吸い込み口７２、及び吐き出し口７３を有している。第２吸い込み口７２は、第１吸い込み口７１の反対面側に設けてられており、シロッコファン６１は、両面吸い込み式のファンとなっている。すなわち、本実施形態では、第１吸い込み口７１は、シロッコファン６１の上面側、第２吸い込み口７２はシロッコファン６１の底面側に設けられている。また、本構成では吐き出し口７３が幅広、すなわち厚みよりも横幅のほうが大きい吐き出し口７３を有するシロッコファン６１を使用しているが、これは冷却効率をさらに高めるためである。吐き出し口７３が幅広なシロッコファン６１の方が冷却空気の吐出される面積を大きくすることが可能となり、冷却空気とヒートシンク４３との接触面積を大きくすることが可能となるのである。そして、冷却用の空気とヒートシンク４３との接触面積を増大させることにより冷却効率を向上させることができるようになる。

図１１は、シロッコファン６１が吐出する空気の流れをシロッコファン６１の底面側から見た図である。図１１に示すように、シロッコファン６１には吐き出し口７３のうち、矢印で示した端部側に大きな風量が集中する構成となっている。そのため、吐出される冷却空気の流量は均一ではなく、所定の第１流量の空気が流れて流量が少ない第１部位と、第１流量よりも多い第２流量で空気が流れる第２部位と、に区分することが可能である。

そして、シロッコファン６１が生成する冷却空気のうち、流量の大きい第２領域４３ｂに関しては、ヒートシンク４３のフィンの長さを長くしてフィンの表面積を拡大している。また、フィンのピッチに関しても、流量の多い冷却用の空気が通過する第２領域４３ｂに関してはそのピッチを細かくし、流量の少ない冷却用の空気が通過する第１領域４３ａに関してはピッチを粗くする。ピッチとは各フィン間の間隔である。

このような構造とすることで、第２領域４３ｂにおけるヒートシンク４３の表面積を拡大することが可能となり、流量の多い冷却用の空気が通過する第２領域４３ｂにおいて、ヒートシンク４３の冷却効率を高めることが可能となるのである。一方、流量の少ない冷却用の空気が通過する第１領域４３ａに関しては、フィンのピッチを粗くすることにより通風抵抗を低減することとし、この第１領域４３ａを通過した冷却空気は下流側の部品の冷却に利用するものとする。すなわち、ピッチが細かく、フィンの長さも長い第２領域４３ｂにおいてヒートシンク４３の冷却を行い、ピッチが粗い第１領域４３ａにおいて下流側の部品の冷却を実施する。

続いて、以下にヒートシンク４３における空気の流路の下流側に位置する第２冷却対象の光源装置２０と、シロッコファン６１、及びヒートシンク４３の位置関係を図１２を用いて説明する。図１２に示されるように、フィンのピッチの粗い第１領域４３ａの直線状に光源装置２０の冷却用のダクト２５を連結する構成とする。このような構成とすることで、風量を損なうことなく第１領域４３ａを通過した冷却空気が上記ダクト２５内に入り、光源装置２０を冷却することができる。このように、強制空冷用の冷却源であるシロッコファン６１とヒートシンク４３と、ヒートシンク４３を通過した空気による冷却対象である光源装置２０を順番に直線状に並べる。そして、ピッチを粗くした第１領域４３ａと対向する位置に光源装置２０の冷却用のダクト２５を設ける構成とすることで、フィンのピッチの粗い第１領域４３ａでは光源装置２０の冷却を効率的に行うことができる。一方で、フィンのピッチの細かい第２領域４３ｂではヒートシンク４３の冷却が効率的に行われる。よって、ヒートシンク４３と光源装置２０の２つの部品の冷却を、１つのシロッコファン６１で効率的に行うことができるようになる。なお、より損失なく第１領域４３ａを通過した後の冷却空気を光源装置２０の冷却用のダクト２５へ導く方法として、以下の図１３に示すような連結用ダクト６２を新たに設けることが望ましい。

次いで、こうした冷却用の空気を取り入れる画像投射装置１自体の構成について説明する。図１４は、画像投射装置１の設置面側を見た斜視図である。図１４に示すように、画像投射装置１の底面を構成するベース部８３には、開閉カバー８４が設けられている。開閉カバー８４には、回転操作部８４ａが設けられている。回転操作部８４ａを回転すると、開閉カバー８４と装置本体との固定が解除され、開閉カバー８４が、装置本体から取り外し可能となる。また、画像投射装置１のベース部８３の底面には、吸気開口部Ｆ２が設けられている。

図１５は、本実施形態の画像投射装置１内の空気の流れを説明する説明図である。この図は、画像投射装置１をスクリーン２に対して直交する方向（Ｘ方向）から見た図である。図１５において、図中の矢印は空気の流れる方向を示している。図１５に示すように、画像投射装置１の底面の一方（図中左側下部）に画像投射装置１内に外気を取り込むため開口した吸気開口部Ｆ２が設けられており、画像投射装置１の側面の他方（図中右側上部）に画像投射装置１内の空気を排気するために開口した排気開口部８５が設けられている。また、吸気開口部Ｆ２と対向するように、吸気ファンＦ１が設けられている。排気開口部８５と対向するように、排気ファン８６が設けられている。

例えば、吸気ファンＦ１はシロッコファンであり、排気ファン８６は軸流ファンである。また、吸気ファンＦ１と吸気開口部Ｆ２は、ヒートシンク４３に近接して配置されている。図１６に示す従来の画像投射装置内の空気の流れと比較すると、図１６では、プロジェクタ側面に吸気開口部Ｆ２と吸気ファンＦ１があり、屈折したダクト経路を経て、光源２１の後部に至る。一方、図１５に示す本実施形態の画像投射装置１では、吸気開口部Ｆ２から吸気ファンＦ１によって吸気した空気は、直線状のダクト２５を経て、従来技術よりも短い距離で光源２１の後部に到達する。

吸気開口部Ｆ２から冷却対象物である光源２１の後部までの距離が短く、かつそのダクト２５が直線状であることから、吸気ファンＦ１から冷却対象物までの経路上での圧力損失を少なくすることができる。また、吸気ファンＦ１を両面吸気のシロッコファンとすることで、ヒートシンク４３の冷却フィン近辺には、底面の吸気開口部Ｆ２の反対面側のシロッコファンの吸気により強制気流が発生し、効率よく冷却することができる。

なお、本発明における実施形態であるピッチが異なるヒートシンク４３は、押し出し成形でもダイキャストでも成形が可能である。そのため、一般的なピッチが一様なヒートシンクと同じ加工方法で成形できるため、本発明において示したヒートシンク４３を加工することにおいて、特別なコストが必要になるということはないと言える。

以上に示したように、まず、ヒートシンク４３の下流側にさらに冷却対象を配置する構成とすると同時にフィンのピッチを粗くすることにより、１つのファンで２つ以上の部品を同時に冷却することが可能となる。この結果、冷却効率が高まり、冷却装置をコンパクトに設計することが可能となる。

また、ヒートシンク４３が複雑な形状ではないため、コストアップをすることなく上記の冷却効果を得ることが可能となる。そのため、安価でありながら小型かつ高効率な冷却構造系の設計が可能となるのである。

また、画像投射装置１にて、吸気開口部Ｆ２と吸気ファンＦ１を装置底面に配置することで、冷却対象物である光源装置２０とヒートシンク４３との配置が近接し、光源装置２０への送風のためのダクト形状が直線的にできるため、ダクト内での圧力損失が低減し、光源装置２０の冷却効率が向上する。その結果、吸気ファンＦ１の回転数を低減することができ、装置騒音の低減に繋がる。また、吸気開口部Ｆ２とその開口部に近接した吸気ファンＦ１を装置底面に配置することで、側面吸気より吸気ファンＦ１からの騒音がユーザーの耳に届くまでに減衰し易いことと音の伝播方向が発散し易いことから騒音低減にも繋がる。

なお、以上で示したヒートシンク、冷却装置、冷却構造は、画像投射装置以外にも、通常のＰＣや電子回路など電子機器の冷却対象の装置に対しても用いることができる。

１ 画像投射装置
２ スクリーン
３ 外層カバー
２０ 光源装置
２１ 光源
２２ 光源ブラケット
２３ 出射窓
２４ ホルダ
２５ ダクト
３０ 光学エンジン部
３１ 照明光学部
３２ 画像処理部
３３ 投射光学部
３４ 凹面ミラー
３５ シリンダミラー
３６ リレーレンズ
３７ ライトトンネル
３８ カラーホイル
４１ ＤＭＤ素子
４２ ＤＭＤプリント基板
４３ ヒートシンク
４３ａ 第１領域
４３ｂ 第２領域
４４ 固定板
５１ 投射レンズ
５３ Ｏｆｆ光板
５４ 折り返しミラー
５５ 自由曲面ミラー
６１ シロッコファン
６２ 連結用ダクト
７１ 第１吸い込み口
７２ 第２吸い込み口
７３ 吐き出し口
８３ ベース部
８４ 開閉カバー
８５ 排気開口部
８６ 排気ファン
Ｆ１ 吸気ファン
Ｆ２ 吸気開口部

特開２００８−１３４４３２号公報 特許第４９０１５９５号公報 特許第４９２７９２３号公報

Claims (5)

1. 複数のフィンを備え、前記複数のフィンは、少なくとも第１領域と第２領域とを有し、前記第１領域よりも前記第２領域の方が、フィンピッチが小さいヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに対し、前記第１領域よりも前記第２領域に、多くの空気が流れるように配置されたシロッコファンと、を備え、
   前記ヒートシンクのフィンは、前記シロッコファンから生じた空気の流れの出口側の端部において、前記第１領域のフィンよりも前記第２領域のフィンの方が長い
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記ヒートシンクのフィンは、前記シロッコファンから生じた空気の入り口側の端部が直線状に揃っていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置が第１冷却対象に対して固定され、前記シロッコファンから生じた空気の流れに対して前記第１領域の下流側に第２冷却対象が配置されている冷却構造。
4. 画像を表示するための画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された前記画像を投射するための投射光学部と、請求項３に記載の冷却構造を備える画像投射装置であって、
   前記第１冷却対象は、前記画像表示素子であり、
   前記第２冷却対象は、前記画像表示素子に照明するための光源である画像投射装置。
5. 冷却対象と、前記冷却対象に設けられた請求項１または２に記載の冷却装置を備える電子機器。

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