(57)【要約】【課題】液冷媒の水量を抑え、効率よく熱源を冷却することができる冷却構造体を提供する。【解決手段】外形形状が所定の厚みを有する板状であり、内部が中空の冷却器２１を備える冷却構造体２０であって、冷却器２１は、中空内部Ｓに流す液冷媒の給水口６と排水口７とを有し、中空内部Ｓには、給水口６から排水口７に向かって流れる液冷媒の流れによって回転する回転体５０が備えられている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外形形状が所定の厚みを有する板状であり、内部が中空の冷却器を備える冷却構造体であって、
前記冷却器は、中空内部に流す液冷媒の入口と出口とを有し、前記中空内部には、前記入口から前記出口に向かって流れる液冷媒の流れによって回転する回転体が備えられている
ことを特徴とする冷却構造体。
【請求項２】
前記冷却器は、厚み方向の一面が、熱源が配置される受熱面を構成し、
前記回転体は、回転軸から放射方向に延びる複数の羽根を有し、
複数の前記羽根が、前記受熱面の裏面である一方の内壁に寄せて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項３】
前記冷却器の中空内部は、前記一方の内壁と、当該一方の内壁に対向する他方の内壁とが、互いに平行な平面であり、
前記回転体の羽根は、前記中空内部の厚み方向に延びる板状であり、前記羽根は、前記一方の内壁側から、前記他方の内壁側に液冷媒を送る傾斜を有していることを特徴とする請求項２に記載の冷却構造体。
【請求項４】
液冷媒の前記入口と、前記出口とは、前記冷却器の板厚面に設けられ、前記入口と、前記出口とが、前記回転体の回転軸に対して対称の位置に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却構造体。
【請求項５】
液冷媒の前記入口と、前記出口とは、前記冷却器の板厚面に設けられ、前記入口と、前記出口とが、同じ面に設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却構造体。
【請求項６】
請求項１に記載の冷却構造体と、
前記冷却器の厚み方向の一面に取り付けられる複数の光源と、を備えたことを特徴とする光源ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却構造体、及び、光源ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光素子を光源とした各種の光源ユニット、及び当該光源ユニットを備えた各種の照射装置が実用化されている。また一般に、出力が比較的大きな光源を備えた光源ユニットは、光源を冷却するために、空冷式、或いは水冷式の冷却構造を備えている。
【０００３】
水冷式の冷却構造としては、熱源を冷却器に取り付け、当該冷却器の内部に液冷媒を流して水冷する構造が知られている。水冷ユニットとしては、液冷媒の流路となる溝が表面に刻まれたユニット体と、このユニット体の表面を覆って流路を封じるプレート状の蓋体とを備え、この蓋体に熱源が取り付けられ、熱源を水冷する冷却構造を有したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２０８７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、水冷式の冷却構造においては、熱源の熱量が大きい場合には、それを冷却するために、多大な水量の液冷媒を流す必要があり、そのため大型のチラーユニットを冷却構造に接続する必要があった。また、熱源の熱量が大きい場合に、液冷媒の水量を抑えて冷却構造を冷却するためには、放熱面積を大きくする必要があり、冷却器の構造が複雑化し、冷却器が大型化してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、液冷媒の水量を抑え、効率よく熱源を冷却することができる冷却構造体、及び光源ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、外形形状が所定の厚みを有する板状であり、内部が中空の冷却器を備える冷却構造体であって、前記冷却器は、中空内部に流す液冷媒の入口と出口とを有し、前記中空内部には、前記入口から前記出口に向かって流れる液冷媒の流れによって回転する回転体が備えられていることを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、上記冷却構造体において、前記冷却器は、厚み方向の一面が、熱源が配置される受熱面を構成し、前記回転体は、回転軸から放射方向に延びる複数の羽根を有し、複数の前記羽根が、前記受熱面の裏面である一方の内壁に寄せて配置されていることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、上記冷却構造体において、前記冷却器の中空内部は、前記一方の内壁と、当該一方の内壁に対向する他方の内壁とが、互いに平行な平面であり、前記回転体の羽根は、前記中空内部の厚み方向に延びる板状であり、前記羽根は、前記一方の内壁側から、前記他方の内壁側に液冷媒を送る傾斜を有していることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記冷却構造体において、液冷媒の前記入口と、前記出口とは、前記冷却器の板厚面に設けられ、前記入口と、前記出口とが、前記回転体の回転軸に対して対称の位置に配置されたことを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、上記冷却構造体において、液冷媒の前記入口と、前記出口とは、前記冷却器の板厚面に設けられ、前記入口と、前記出口とが、同じ面に設けられたことを特徴とする。
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明は、光源ユニットにおいて、前記冷却構造体と、前記冷却器の厚み方向の一面に取り付けられる複数の光源と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外形形状が所定の厚みを有する板状であり、内部が中空の冷却器を備える冷却構造体であって、前記冷却器は、中空内部に流す液冷媒の入口と出口とを有し、前記中空内部には、前記入口から前記出口に向かって流れる液冷媒の流れによって回転する回転体が備えられている構成とした。この構成によれば、回転体の回転により、冷却器と、液冷媒と境界層を薄くすることができ、冷却効果を改善することができるため、液冷媒の水量を抑え、効率よく熱源を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る光源ユニットを示す斜視図である。
【図２】光源ユニット構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は左側面図である。
【図３】光源ユニットの分解斜視図である。
【図４】図２のＡ−Ａ断面図であり、光源ユニットの内部構成を示す図である。
【図５】図２のＢ−Ｂ断面図であり、光源ユニットの内部構成を示す図である。
【図６】回転体の羽根の構成を示す模式図である。
【図７】変形例の光源ユニットを示す斜視図である。
【図８】変形例の回転体を備えた光源ユニットを示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る光源ユニット１を並列に複数並べて構成した照射装置６０の概略構成を示す斜視図である。
図１に示すように、光源ユニット１は、冷却器２１を有する冷却構造体２０と、冷却器２１の受熱面２２に配置される複数の光源１０と、を備えている。
【００１６】
冷却器２１は、外形形状が所定の厚みを有する矩形板状に形成されている。また、冷却器２１は、厚み方向の一面が受熱面２２として構成されている。冷却器２１には、給水管３、及び、排水管４が管継手８を介して接続されている。冷却器２１は、詳細については後述するが内部が中空であり、この中空内部Ｓに給水管３を流れる液冷媒が導入され、冷却器２１が冷却されるように構成されている。そして、冷却器２１を冷却した液冷媒は、排水管４を介して排水されるように構成されている。
なお、図示は省略するが、給水管３、排水管４は、チラーユニットに接続されて、当該チラーユニットによって冷却された液冷媒を冷却器２１に循環させる構成であっても良い。また、給水管３、排水管４には、図１に示すように、光源ユニット１が複数並列に接続されている構成でも良い。
【００１７】
光源１０（熱源）は、ＬＥＤ基板１１と、ＬＥＤ基板１１に直線状に並べて実装された複数のＬＥＤ１２と、を備えている。光源１０は、冷却器２１の受熱面２２に複数並べて取り付けられ、これにより、光源ユニット１は面状の発光面を有するように構成されている。
【００１８】
図２に示すように、冷却器２１は、幅Ｗが２００ｍｍ、長さＬが２００ｍｍ、厚みＴが２５ｍｍの平面視正方形状の所定の厚みを有する冷却器２１を備えている。光源ユニット１は、図２（Ａ）に示すように、長さＬ方向に互いに平行に並べられた５つの光源１０を備え、各光源１０には、１５個のＬＥＤ１２が設けられている。
また、光源ユニット１には、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、長さＬ方向に延びる一対の板厚面５Ａ，５Ｂに、給水口６（入口）と、排水口７（出口）と、が設けられている。給水口６は、一方の板厚面５Ａに２つ並べて設けられ、各給水口６に接続された管継手８を介して給水管３から液冷媒を冷却器２１内に導くように構成されている。排水口７は、他方の板厚面５Ｂに２つ並べて設けられ、各排水口７に接続された管継手８を介して冷却器２１内を流れた液冷媒を排水管４に排水するように構成されている。
【００１９】
図３は、光源ユニット１の分解斜視図である。図３に示すように、冷却構造体２０は、冷却器２１と、冷却器２１の中空内部Ｓに収容される回転体５０とを備えている。冷却器２１は、矩形箱型の冷却器本体２３と、冷却器本体２３を塞口する蓋体２４とを備えている。冷却器本体２３と、蓋体２４とは、アルミニウム合金等の熱伝導性に優れた金属材料から別体に形成されている。
蓋体２４は、所定の厚みを有する平板状の部材であり、冷却器本体２３の開口２３Ｂを閉塞するように、冷却器本体２３の上面２３Ａにろう付けして、一体化される。このように、冷却器２１は、箱型の冷却器本体２３の開口２３Ｂを平板状の蓋体２４で閉塞することで内部が中空となるように構成されている。
【００２０】
図４は、図２のＡ−Ａ断面図であり、図５は、図２のＢ−Ｂ断面図である。図４、図５に示すように、蓋体２４は、厚み方向の一方の面が、光源１０が取り付けられる受熱面２２として構成されている。また、蓋体２４は、受熱面２２の裏面が、中空内部Ｓの天面２７（一方の内壁）を構成している。蓋体２４で冷却器本体２３の開口２３Ｂを閉塞した際に、天面２７に対向する冷却器本体２３の内壁は、中空内部Ｓの底面２８（他方の内壁）として構成され、天面２７と、底面２８とは互いに略平行な平面となるように構成されている。
【００２１】
回転体５０は、中空内部Ｓに収まる大きさに形成され、中空内部Ｓの深さＤ方向に延びる回転軸部５１と、回転軸部５１の外周面から放射方向に延びる複数の羽根５２と、を備えている。回転体５０は、例えば、円筒状の回転軸部５１の外周面に、羽根５２を溶接して形成されていても良い。回転体５０は、直径Ｒが、中空内部Ｓの幅Ｗ２、及び、長さＬ２よりも若干小さく形成され、冷却器本体２３の内側面２５に干渉することなく、中空内部Ｓで回転できるように構成されている。回転体５０は、熱伝導性の高い材料、例えば銅、から形成することができる。なお、本実施形態の例では、回転体５０は、直径Ｒが１６４ｍｍに設定され、厚み１ｍｍの薄板状の羽根５２が１２枚備えられている。また、冷却器２１の中空内部Ｓの幅Ｗ２、及び、長さＬ２は１８０ｍｍに設定されている。
【００２２】
中空内部Ｓの底面２８の中心位置には、回転体５０の回転軸部５１を受ける軸受２９が、底面２８に略垂直に立設されている。軸受２９は、冷却器本体２３に一体に形成されている構成であっても良いし、別体に形成されて底面２８に取りつけられている構成であっても良い。軸受２９は、棒状の軸部２９Ａと、軸部２９Ａの根元に形成され、軸部２９Ａよりも径の大きな座部２９Ｂとを備えている。回転体５０の回転軸部５１は、リング形状を有し、軸受２９の軸部２９Ａが挿入される軸孔５３を備えている。
【００２３】
回転体５０の羽根５２は、中空内部Ｓの深さＤ方向に延びる板状に形成され、羽根の高さＦＨは、中空内部Ｓの深さＤよりも小さく構成されている。なお、本実施形態の例では、中空内部Ｓの深さＤは１０ｍｍ、羽根の高さＦＨは７ｍｍに設定されている。回転体５０は、軸受２９の軸部２９Ａを、回転軸部５１の軸孔５３に挿入した際に、回転軸部５１の一端５４Ａが蓋体２４側の天面２７の近傍まで延び、他端５４Ｂが座部２９Ｂに載置されて保持される。これにより、回転体５０を軸受２９に回転可能に保持した際には、羽根５２は、天面２７側に寄せて配置され、底面２８からは浮いた状態となる。
【００２４】
図５に示すように、液冷媒の給水口６と、排水口７とは、回転体５０の回転軸部５１に対して対称の位置に配置されている。中空内部Ｓは、給水口６から供給される液冷媒で満たされた状態となり、回転体５０は、液冷媒中に浮いた状態となる。そして、回転体５０は、給水口６から導入され、排水口７から排水される液冷媒によって中空内部Ｓ内に形成される水流により回転するように構成されている。回転体５０は、例えば、体積流量が１０Ｌ／ｍｉｎの液冷媒を冷却器２１の中空内部Ｓ内に流すことで、２１ｒａｄ／ｓで回転させることができる。なお、図示は省略するが、液冷媒の給水口６と、排水口７とは、板厚面５Ａまたは、板厚面５Ｂの何れか一方の同一面に設けられている構成でも良く、中空内部Ｓ内に形成される液冷媒の流れにより回転する構成であればよい。
【００２５】
このように、回転体５０の羽根５２を受熱面２２の裏面である天面２７に寄せて配置して、回転体５０を回転させている。これにより、天面２７と、天面２７の近傍で、天面２７の温度に近い温度となる液冷媒と、の間の境界層を回転体５０の回転により壊すことができる。よって、天面２７に温度の低い液冷媒を直接接触させて、天面２７と液冷媒との間で効率良く熱交換をさせることができ、受熱面２２の冷却効率を向上することができる。
【００２６】
図６は、回転体５０の羽根５２の構成を模式的に示す図である。回転体５０の羽根５２は、図６に示すように、液冷媒を受熱面２２側の天面２７から、受熱面２２の反対側の底面２８に送って流すように傾斜αを有している。羽根５２の傾斜αは、例えば、水流方向Ｘに対して、受熱面２２から７５°に構成することできる。このように、回転体５０の羽根５２を受熱面２２側の面から反対側の面に液冷媒を流すように傾斜させることで、受熱面２２の冷却効率を向上させ、ＬＥＤ１２の熱を効率的に熱交換させることができる。また、これらの構成によれば、回転体５０を冷却器２１に設けない冷却構造体と比較した場合に、羽根５２を傾斜させた回転体５０を設けた場合では、最大２５％の液冷媒流量を削減しても、同等の冷却効果を得ることが発明者らは実験によって明らかにしている。また、発明者らの実験によれば、羽根５２の傾斜αは、水流方向Ｘに対して、受熱面２２から８９°〜６５°の範囲とすることができ、特に、８０°〜７５°の範囲で大きな効果が得られることが分かった。
【００２７】
このように、回転体５０の羽根５２を受熱面２２側の面から反対側の面に液冷媒を流すように、水流方向Ｘに対して、受熱面２２から８９°〜６５°の範囲で、好ましくは、８０°〜７５°の範囲で傾斜させることで、天面２７から受熱して温度の上昇した液冷媒を受熱面２２と反対側の面に向かって流すことができる。これにより、天面２７と、液冷媒と、の間の境界層を壊すことができるとともに、温度の上昇した液冷媒を受熱面２２から遠ざけるように流して、液冷媒をかき混ぜることができる。よって、中空内部Ｓ内の液冷媒の温度分布の偏りを防ぐことができ、天面２７と液冷媒との間で効率良く熱交換をさせることができ、受熱面２２の冷却効率を向上することができる。
【００２８】
図７は、変形例の光源ユニット１０１を並列に複数並べて構成した照射装置１６０の概略構成を示す分解斜視図である。なお、この変形例の説明において、上述の実施形態と同様の構成については、図７に同一の符号を付して、その説明を省略する。
上述の実施形態の光源ユニット１では、冷却器２１は、蓋体２４が、冷却器本体２３の上面２３Ａにろう付けして、一体化されている構成であったが、この変形例の光源ユニット１０１では、蓋体１２４は、冷却器本体１２３の上面１２３Ａにパッキンを挟んでねじ止めされている構成である。
【００２９】
冷却器１２１は、外形形状が所定の厚みを有する矩形板状に形成されている。冷却器１２１は、矩形箱型の冷却器本体１２３と、冷却器本体１２３を塞口する蓋体１２４と、を備えている。冷却器本体１２３と、蓋体１２４とは、アルミニウム合金等の熱伝導性に優れた金属材料から別体に形成されている。蓋体１２４は、平板状の部材であり、冷却器本体１２３の開口１２３Ｂを閉塞するように、四隅の角部が冷却器本体１２３の上面１２３Ａにねじ止めされて一体化される。このように、冷却器１２１は、箱型の冷却器本体１２３の開口１２３Ｂを平板状の蓋体１２４で閉塞することで内部が中空となるように構成されている。
【００３０】
冷却器本体１２３の上面１２３Ａには、パッキンが嵌め込まれる溝１３１が、開口１２３Ｂを囲んで設けられている。冷却器本体１２３の上面１２３Ａに、蓋体１２４をねじ止めした際には、溝１３１に嵌め込まれたパッキンが冷却器本体１２３と蓋体１２４との間で潰されて、液冷媒の漏れが防がれる。
なお、パッキンを用いて液冷媒の漏れを防ぐこの変形例の構成では、エルボ型チューブフィッティング１０８を冷却器本体１２３の下面に接続して、下面側から内部の中空空間に水を流すことができる。また、図示は省略するが、冷却器本体１２３を、パッキン用の溝１３１分深さを深くして、ストレート型チューブフィッティングを設置して側面から水を流すようにしてもよい。
【００３１】
図８は、別の変形例の光源ユニット１０２を示す斜視図である。上述した実施形態では、回転体５０は、円筒状の回転軸部５１と、回転軸部５１の外周面から放射方向に延びる複数の羽根５２と、を備えている構成であった。この別の変形例の光源ユニット１０１では、回転体１５０は、羽根５２を補強する円筒部材１５１，１５２を備えている。なお、この別の変形例の説明において、上述の実施形態と同様の構成については、図８に同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３２】
回転体１５０は、上述した回転体５０と同様に、回転軸部５１と、複数の羽根５２と、を備えている。また、回転体１５０は、回転軸部５１の同心円上に大小の円筒部材１５１，１５２を備えている。円筒部材１５１，１５２は、円筒部材１５１，１５２に設けたスリット状の切り欠きに羽根５２を通し、円筒部材１５１，１５２と羽根との間を溶接して、固定されている構成であっても良い。このように、回転体は、羽根５２と、回転軸部５１と同心の大小の円筒部材１５１，１５２と、を一体に構成することで、羽根５２の補強を図ることができる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、外形形状が所定の厚みを有する板状であり、内部が中空の冷却器２１を備える冷却構造体２０であって、冷却器２１は、中空内部Ｓに流す液冷媒の給水口６と排水口７とを有し、中空内部Ｓには、給水口６から排水口７に向かって流れる液冷媒の流れによって回転する回転体５０が備えられている。
この構成によれば、回転体５０の回転によって、冷却器２１と液冷媒との間の境界層を壊すことができ、液冷媒の水量を抑え、効率よく熱源を冷却することができる。
【００３４】
また本実施形態によれば、冷却器２１は、厚みＴ方向の一面が、ＬＥＤ１２が配置される受熱面２２を構成し、回転体５０は、回転軸部５１から放射方向に延びる複数の羽根５２を有し、複数の羽根５２が、受熱面２２の裏面である天面２７に寄せて配置されている。
この構成によれば、受熱面２２の裏面である天面２７と、液冷媒との間の境界層を回転体５０の回転により壊すことができ、天面２７と液冷媒との間で効率良く熱交換をさせることができる。これにより、液冷媒の水量を抑えて、受熱面２２の冷却効率を向上することができ、ＬＥＤ１２を効率よく冷却することができる。
【００３５】
また本実施形態によれば、冷却器２１の中空内部Ｓは、天面２７と、天面２７に対向する底面２８とが、互いに平行な平面であり、回転体５０の羽根５２は、中空内部Ｓの深さＤ方向に延びる板状であり、羽根５２は、天面２７側から、底面２８側に液冷媒を送る傾斜αを有している。
この構成によれば、天面２７との間で熱交換して温度が上昇した液冷媒を、受熱面２２とは反対側の底面２８側に送ることができるので、天面２７と液冷媒との間の境界層を壊すことができる。また、天面２７との間で熱交換して温度が上昇した液冷媒を、受熱面２２とは反対側の底面２８側に送ることができるので、中空内部Ｓ内の液冷媒の温度分布の偏りを防ぐことができる。これにより、天面２７と液冷媒との間で効率良く熱交換をさせることができ、受熱面２２の冷却効率を向上することができる。
【００３６】
また本実施形態によれば、液冷媒の給水口６と、排水口７とは、冷却器２１の板厚面５Ａ，５Ｂに設けられ、給水口６と、排水口７とが、回転体５０の回転軸部５１に対して対称の位置に配置された。
この構成によれば、冷却器２１の中空内部Ｓ内に、給水口６から排水口７に向かう液冷媒の流れが形成され、この液冷媒の流れによって、回転体５０の羽根５２を押して、回転体５０を回転させることができる。
【００３７】
また本実施形態によれば、液冷媒の給水口６と、排水口７とは、冷却器２１の板厚面５Ａ，５Ｂに設けられ、給水口６と、排水口７とが、同じ面に設けられた。
この構成によれば、給水口６と、排水口７に向かって、冷却器２１の中空内部Ｓ内に回転するような液冷媒の流れが形成されるため、回転体５０をこの液冷媒の流れによって効率よく回転させることができる。
【００３８】
また本実施形態によれば、回転体５０を中空内部Ｓに有する冷却器２１を備えた冷却構造体と、冷却器２１の厚みＴ方向の一面である受熱面２２に取り付けられる複数のＬＥＤ１２と、を備えた。この構成によれば、ＬＥＤ１２の熱を受熱面２２で受熱して、冷却器２１と、冷却器２１内を流れる液冷媒とにより効率よく移送し、ＬＥＤ１２を冷却することができる。
【００３９】
なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一実施の態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。
【００４０】
例えば上述した実施形態において、発光素子にはＬＥＤ１２に限らず、任意の発光素子を用いることができる。また、上述した実施形態においては、冷却構造体２０には、ＬＥＤ１２が熱源として設けられている構成であるが、これに限らず、周囲に対して高い温度を発するものを冷却するために広く用いることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１、１０１、１０２  光源ユニット
５Ａ、５Ｂ  板厚面
６  給水口
７  排水口
１０  光源
１２  ＬＥＤ
２０  冷却構造体
２１、１２１  冷却器
２２  受熱面
２３、１２３  冷却器本体
２４、１２４  蓋体
２７  天面（一方の内壁）
２８  底面（他方の内壁）
５０、１５０  回転体
５１  回転軸部
５２  羽根
６０、１６０  照射装置
Ｔ  厚み
α  傾斜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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