CN100366991C - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冷却装置，其特征在于，具备：接合高温用热交换器和低温用热交换器的片堆；接合冷却用热交换器和冷却输出用热交换器的片堆；上述两个片堆的两端相互连结而形成的环路管；和设置在所述环路管的外部或/和内部的、产生规定的频率的声波产生装置，在所述环路管的内部形成管路，在所述管路中封入工作流体，使用所述声波产生装置，在所述工作流体中产生驻波及行波并进行冷却，而根据该冷却装置，主要能够使驻波及行波产生的开始时间明显缩短，且能进行稳定的控制。

Description

冷却装置
技术领域
本发明涉及利用热声效应的冷却装置。
背景技术
由于利用热声效应的冷却装置与采用压缩机等的冷却装置相比，可动部分少，因此具有可靠性高等优点，越来越引起注意。此外，最近从环境的角度来看，可利用废热且不采用氟碳气的冷却装置也越来越引起重视。
作为第一现有技术，具有：由在工作流体中封入惰性气体的管子、配置在管子一端的扬声器及设置在该管子的端部附近的片堆(stack)构成的热声制冷机(例如“史蒂文·加勒特(Steven Garrett)等二人共著“热声冷冻”，冷冻，平成5年6月号，第64卷，第788号”)。该热声制冷机中，如果扬声器在管子内以引起驻波的频率振动，则所述工作流体沿形成片堆的板间前后振动，伴随驻声波的压力变化，产生绝热压缩以及绝热膨胀，结果被冷却。然而，存在下述课题：不容易在片堆内使驻波高效地变换为热而进行热交换。
作为第二现有技术，具有：在环路管内的一个片堆内通过自励振荡产生驻波及行波，用另一方的片堆得到冷却效果的、具有两个片堆的热声制冷机(例如“日本专利第3015786号公报”)。该自励振荡的热声制冷机，已被记载了经过近20年成功的例子(参照例如“史蒂文·加勒特(StevenGarrett)等二人共著“声音的力(The Power of sound)”、(美国)、美国·科学”、2000年、88卷、P.523、图8)。从这种设备来看，存在下述缺点：利用热声效应的制冷机仍不容易自励地使驻波及行波产生，且到开始产生为止所需要的时间长。其理由可认为是，如果构成装置的环路管中被两个热交换器夹持的两个片堆严格配置在该环路管的给定位置上或同时环状管的形状等没有满足规定条件，则不产生自励振荡，而且是由于在片堆内驻波以及行波没有高效地进行热交换等的缘故。即，发现自励振荡条件、创作满足该条件的可振荡的装置是最大的课题。此外，为了使振荡频率尽可能低，提高热声效应的效率以及/或者输出，不得不使制冷机的环路管长变长，因此存在装置变大的课题。如上所述，仍存在不容易自励地使驻波以及行波产生，或者到开始产生为止所需要的时间变长及装置变大的两个课题，并在工业利用上极大地阻碍了发展，从实用性的角度来看阻碍了对所提供的产品的普及。
发明内容
本发明的目的在于，用于解决上述缺点，提供一种可容易地使自励振荡产生并缩短到开始冷却为止的时间、提高效率、实现小型化的冷却装置。
第1发明的冷却装置，其特征在于，将接合高温用热交换器和低温用热交换器的片堆、和接合冷却用热交换器和冷却输出用热交换器的片堆的各自的两端相互连结而形成的环路管，和在该环路管的外部或/和内部至少设置一个以上的声波产生装置构成的管路内封入工作流体，在该工作流体中产生驻波及行波，并进行冷却。根据第1发明，能够使驻波及行波产生的开始时间明显缩短且进行稳定的控制。
第2发明是上述的冷却装置，其特征在于，所述声波产生装置由压电膜构成。
第3发明是上述任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述声波产生装置通过构成所述环路管的一部分或者全部而形成。根据第2及第3发明，主要可谋求实现冷却装置的简便化的小型化。
第4发明是上述的冷却装置，其特征在于，所述声波产生装置具有容器，该容器按以下方式设置，即，利用阀门，将与所述环路管内部的压力之间具有压力差的工作流体连通至该环路管。
第5发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方具有振动产生装置。第5发明不仅可明显缩短驻波及行波产生的开始时间，且可进行稳定的控制，而且可提高与片堆接合的热交换器的效率，使冷却输出增大。
第6发明是一种冷却装置，其特征在于，具备：接合高温用热交换器和低温用热交换器的片堆；接合冷却用热交换器和冷却输出用热交换器的片堆；上述两个片堆的两端相互连结而形成的环路管；和在所述两个片堆中的一方或者两方片堆上设置的振动产生装置，在所述环路管的内部形成管路，在所述管路中封入工作流体，使用所述振动产生装置，在所述工作流体中产生驻波及行波并进行冷却。
第7发明是上述的冷却装置，其特征在于，所述振动产生装置由压电元件构成。第7发明可实现简便的高效冷却装置。
第8发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方由压电元件构成。
第9发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方由流路截面积不同的流路构成。
第10发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方由越靠近片堆的中心、流路截面积越小，越朝向该片堆的外周、流路截面积越大的流路构成。
第11发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方、以及所述高温用热交换器和所述低温用热交换器或/和所述冷却用热交换器和所述冷却输出用热交换器由流路截面积不同的流路构成。即，上述记载中，以下的3方式特征是构成由流路截面积不同的流路构成。第一，由上述两个片堆的一方或者两方、及上述高温用热交换器和上述低温用热交换器由流路截面积不同的流路构成。第二，由上述两个片堆的一方或者两方、及上述冷却用热交换器和上述冷却输出用热交换器由流路截面积不同的流路构成。第三，由上述两个片堆的一方或者两方、及上述高温用热交换器和上述低温用热交换器和上述冷却用热交换器和上述冷却输出用热交换器由流路截面积不同的流路构成。
第12发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方、以及所述高温用热交换器和所述低温用热交换器或/和所述冷却用热交换器和所述冷却输出用热交换器由越靠近片堆的中心、流路截面积越小，越朝向该片堆的外周、流路截面积越大的流路构成。
第13发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方由片堆的流路长度不同的流路构成。
第14发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或两方由越靠近片堆的中心、流路长度越长，越朝向该片堆的外周、流路长度越短的流路构成。
第15发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方、以及所述高温用热交换器和所述低温用热交换器或/和所述冷却用热交换器和所述冷却输出用热交换器由片堆的流路长度不同的流路构成。
第16发明是上述任一项的冷却装置，其特征在于，所述两个片堆的一方或者两方、以及所述高温用热交换器和所述低温用热交换器或/和所述冷却用热交换器和所述冷却输出用热交换器由越靠近片堆的中心、流路长度越长，越朝向该片堆的外周、流路长度越短的流路构成。
从第7到第16为止的发明，提高了与片堆接合的热效应器的效率，提高了冷却效率，可实现装置的小型化。
第17发明提供一种冷却装置，其特征在于，通过连接上述任一项所述的冷却装置的冷却输出用热交换器和上述任一项所述的另外的冷却装置的冷却用热交换器并将该连接进行多次而构成。第17发明提高了冷却容量，可得到更低的温度。
附图说明
图1是表示有关本发明的冷却装置的一实施方式的截面概略图。
图2是表示有关本发明的冷却装置的另一实施方式的截面概略图。
图3是表示有关本发明的冷却装置的再一实施方式的截面概略图。
图4是表示具有有关本发明的振动产生装置的片堆的冷却装置的再一或者另一实施方式的截面概略图。
图5是表示有关本发明的片堆的一实施方式的细管径的截面概略图。
图6是表示有关本发明的片堆的一实施方式的细管长的截面概略图。
图7是表示有关本发明的片堆及热交换器的一实施方式的细管长的截面概略图。
图8是表示有关本发明的多级式冷却装置的一实施方式的截面概略图。
图中：1、2-片堆；3、33、333-高温用热交换器；4、44、444-低温用热交换器；5、55、555-冷却用热交换器；6、66、666-冷却输出用热交换器；7、8-环路管；9-声波产生装置；10-压电膜；11-阀或者阀门；12-工作流体容器；13-振动产生装置。
具体实施方式
以下，边参照附图，边对本发明进行详细的说明。
图1是表示有关本发明的冷却及冷冻装置的一实施方式的剖视概略图。在图1中，与高温用热交换器3和低温用热交换器4接合的片堆1、与冷却用热交换器5和冷却输出用热交换器6接合的片堆2用环路管7及8相互连结，且在该环路管7的内侧设置一个声波发生装置并形成管路，在该管路上封入规定的工作流体。片堆1及2也可设置在与用环路管7及8形成的装置的中心大致对称的位置上，且片堆1及2间的距离设置为大致相同的距离，更优选片堆1及2的位置设置于环路管直线部的端部附近，但关于片堆1及2的位置，本发明不像现有技术那样严格地限制。
在图1中，基于有关本发明的热声效应对冷却效应进行说明。在片堆1中，如果由高温用热交换器3的高温部及低温用热交换器4的低温部形成急剧的温度梯度，则由急剧的温度梯度的形成而摇动工作流体。接着，工作流体振动变大、绕着环路管内转动，通过传播而在环路管内产生共鸣。即，在环路管内产生驻波及行波。同时，如果由声波发生装置9强制产生规定频率的声波，则在环路管内产生驻波及行波的开始时间明显被缩短，且稳定。
声波产生装置9助长了自励振荡，可明显缩短产生驻波及行波的开始时间，且进行稳定的控制。虽然后文进行了说明，但是本发明通过设置振动产生装置也具有同样的效果。产生的驻波及行波，从片堆1的高温用热交换器3向片堆2的冷却用热交换器5的方向行进。该驻波及行波，用片堆2改变伴随驻波及行波的压力及体积等，通过膨胀过程吸热，从冷却输出用热交换器6向冷却用热交换器5由泵效应汲热，其结果冷却输出用交换器6被冷却，得到冷却输出。以往为了增大该冷却输出，虽然要求了将驻波及行波的频率变小，但减小频率需要增长声波产生的开始时间。
此外，如果为了缩短声波开始时间而减小驻波及行波的频率，则其结果，不能得到充足的冷却输出。本发明不通过将频率减小为必要以上，就能显著缩短驻波及行波产生的开始时间，且可进行稳定的控制，从而能谋求得到期望的冷却输出并实现效率提高。
有关本发明的声波产生装置9，虽然在图1中是表示了将一个扬声器设置在环路管的内侧的优选的实施例，但也可以设置在环路管的内侧、或者也可设置在外侧或者两侧，更优选在所产生的驻波以及行波的每1/2波长、1/4波长的规定位置设置多个。助长所产生的驻波及行波，缩短所产生的开始时间，且也可按照稳定产生的方式设置在规定位置上。
声波产生装置9，在图2中是采用压电膜10的有关本发明的实施例，在图3中是形成流入工作流体的容器12的有关本发明的实施例。具有柔韧性和强度的例如聚偏二氟乙烯(PVD)的压电膜10为声波产生装置，同时可形成环路管的一部分或者全部。另一方面，流入工作流体容器12的工作流体通过用阀或者阀门(valve)11开闭而与环路管连通，此时产生的工作流体的pvρ变化是(p压力，v是体积，ρ是密度)助长声波产生的变化。只要该声波产生装置是对工作流体产生作用并助长驻波及行波的产生的装置，则除此之外可利用广泛使用例如共振器等的装置，而且对它们也可以并用设置。
图4中，表示了在片堆1及2设置振动产生装置13的有关本发明的实施例。该振动产生装置13通过对片堆1及2给予振动而对工作流体起作用，助长驻波及行波的产生。该振动产生装置，根据情况只设置在片堆的一方，也可得到效果。此外，该振动产生装置通过具体地采用压电元件而简便地实现。除此之外，更优选片堆本身由压电元件构成的该振动产生装置。所述振动产生装置，是通过振动片堆对工作流体起作用，助长驻波及行波的产生的装置，而使片堆振动能得到最好效果。然而，并不限制将所述振动产生装置设置于本发明的热声冷却装置的任何位置或者任何部分。
有关本发明的片堆1实施使驻波及行波产生在环路管内、片堆2反过来实施基于驻波及行波的汲热等本发明的重要功能。本发明通过由片堆1及2的流路截面积不同的截面积构成，可发现片堆1的自励振荡、以及片堆2的热交换效率的提高。此外，同样，不只片堆1及2，通过将各热交换器(高温用热交换器3、低温用热交换器4、冷却用热交换器5、冷却输出用热交换器6)的流路截面积不同的截面面积构成，在高温用热交换器3、低温用热交换器4中自励振荡提高，此外冷却用热交换器5、冷却输出用热交换器6中提高热交换效率。图5中所示的片堆1及2，或者片堆1及2及各热交换器(3、4、5、6)是有关流路截面积设计为中心部附近的流路截面积小、朝向外周面流路截面积大，即片堆1及2、或者片堆1及2及各热交换器(3、4、5、6)的本发明的实施例中，优选图5是与环路管轴垂直的截面概略图。还有，与上述相反，片堆1及2、或者片堆1及2及各热交换器(3、4、5、6)的流路截面积也可为中心部附近的流路截面积大、朝向外周部流路截面积小。
进一步，通过用不同的流路长度构成片堆1及2，也可发现片堆1提高自励振荡、此外片堆2提高热交换效率。图6中所示的片堆1及2是设计为中心部附近的流路长度长，朝向外周的流路长度短，即片堆1及2的实施例，优选图6是与环路管轴平行的截面概略图。更优选采纳对上述流路截面积及流路长的两方进行设计的片堆1及2。片堆1及2的流路截面积的大小与其面内分布及流路长度的长度与其形状、分布是与工作流体的种类、其物理的性质和片堆的材料、材质相互关联，而上述的是基于此进行的设计。通过提高片堆1、2的自励振荡和热交换效率，可缩短到开始冷却为止的时间，实现小型化。形成上述片堆1及2的材料可广泛采用陶瓷、金属、金网等或它们的多孔体、层叠体等。还有，图6中所示的上述的片堆1及2相反也可为片堆的中心部附近的流路长度短，朝向外周流路长度长。
此外，不只片堆1及2，通过由不同的流路长度构成热交换器3、4、5及6，也可发现片堆1、热交换器3、4提高自励振荡，此外片堆2、热交换器5、6提高热交换效率。图7中所示的片堆1、2及热交换器3、4、5、6是设计为中心部附近的流路长度长、朝向外周的流路长度短的、优选的片堆及热交换器的实施例，具体说图7是与环路管轴平行的截面概略图。更优选采纳对上述流路截面积及流路长的两方进行设计的片堆1、2及热交换器3、4、5、6。片堆1及2及热交换器3、4、5、6的流路截面积的大小与其面内分布及流路长度的长度与其形状、分布是与工作流体的种类、其物理的性质和片堆的材料、材质相互关联，并基于此进行的设计。通过提高片堆1、2及热交换器3、4、5、6的自励振荡和热交换效率，可缩短到开始冷却为止的时间，实现小型化。形成上述片堆1及2的材料可广泛采用陶瓷、金属、金网等或它们的多孔体、层叠体等。还有，作为热交换器的材料，适于铜和镍等的热传导率好的材料。还有，与上述相反，片堆1及2及热交换器3、4、5、6也可为片堆的中心部附近的流路长度短，朝向外周流路长度长。
此外，前文已说明了涉及本发明的、设计振动产生装置13的片堆(图4)，通过给予振动、对工作流体进行作用，助长驻波及行波的产生的实施例，同时该片堆将驻波及行波变换为热、也提高了热效率。如果在上述图5及图6中所示的优选的有关本发明的片堆中设置该振动产生装置，则可更加提高热交换效率。此外，片堆本身由压电元件构成的该振动产生装置使热交换效率提高的同时，可使装置小型化。
图8是表示有关本发明的多级式热声冷却装置的一实施方式的截面概略图。有关本发明的多级式热声冷却装置的特征在于，连接上述的热声冷却装置的冷却输出用热交换器6和上述的其他的热声冷却装置的冷却用热交换器44，将该连接进行多次连接而构成。因此，最终得到的冷却输出在图7的实施例的情况下由冷却输出用热交换器666得到，达到的冷却温度是由冷却输出用热交换器66得到的温度比由冷却用输出用热交换器6得到的温度更低，且由冷却输出用热交换器666得到的温度相比更低。此外，被连接的冷却装置也可由完全相同的装置构成，当然也可由本发明所示的不同的冷却装置构成。
上述所记载的高温用热交换器3由加热器或通过利用废热的热水等形成高温部。在利用废热的情况下，不仅从环境的角度来看优选，而且还有以下优点，即，在有关本发明的热声冷却装置的情况下，平常时由片堆1自励地产生的低输出的冷却及冷冻输出而进行运转，必要时通过使声波产生装置工作而瞬时得到高输出的冷却输出等。低温用热交换器4，通过通常常温自来水等而形成低温部。此外，片堆2的冷却用热交换器5与低温用热交换器4连结，或者采用与低温用热交换器4同种的介质独立地被冷却。冷却输出用热交换器6被冷却，由介质冷却及冷冻部工作，实现目的。其中所采用的热交换器3、4、5及6并不特定限于被使用于该领域的铜、不锈钢等、或者网眼状、球状、板状等材质及形状。此外，介质也不特定限于水、油、乙二醇、盐水等在该领域被使用的物质。
上文所述的工作流体可使用氮、氦、氩、氦和氩的混合物等的惰性气体，此外也可使用空气。一般来说富兰德(Prandtl)数小的工作流体更有效。此外工作流体即使在常压下也良好，优选0.1～1MPs，并不特定进行限定。
以下，采用实施例更具体地说明本发明，本发明并不限定于上述。
(实施例)
对图1所示的冷却装置的实施方式进行具体地说明。环路管7、8使用内径45mm、厚度3mm的铜配管，直线部的长部为950mm、短部为450mm，长部与短部的铜配管由曲率半径50mm的铜肘管焊接而形成。两个片堆1及2使用直径45mm、长度50mm的陶瓷，形成#1200(1200个/平面英寸)的细管。高温用热交换器3是直径1.6mm、长度1000mm，由30Ω的种加热器(seeds heater)供给360W的电能，形成高温部，低温用热交换器4及冷却用热交换器5以15℃的循环水流量0.61/分，冷却20网眼的铜制网，形成低温部。片堆1接合热交换器3及4，此外片堆2接合热交换器3及4，分别在环路管路内等距离设置。此外，在该管路内设置一个扬声器8，在该管路中封入0.1MPa的空气和He的混合物作为工作流体。对热交换器3供给电能，在高温部达到400℃左右时，如果以100Hz振动扬声器，则在约1秒后，确认产生了驻波及行波。其结果，热交换器6可从室温24℃冷却到7℃。
本发明所述的冷却装置可作为缩短直到开始冷却为止的时间、且提高效率的、利用热声效应的冷却装置使用。

Claims (17)

1.一种冷却装置，其特征在于，
具备：接合高温用热交换器和低温用热交换器的片堆；接合冷却用热交换器和冷却输出用热交换器的片堆；上述两个片堆的两端相互连结而形成的环路管；和设置在所述环路管的外部或/和内部的、产生规定的频率的声波产生装置，
在所述环路管的内部形成管路，在所述管路中封入工作流体，使用所述声波产生装置，在所述工作流体中产生驻波及行波并进行冷却。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，
所述声波产生装置由压电膜构成。
3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，
所述声波产生装置通过构成所述环路管的一部分或者全部而形成。
4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，
所述声波产生装置具有容器，该容器按以下方式设置，即，利用阀门，将与所述环路管内部的压力之间具有压力差的工作流体连通至该环路管。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方具有振动产生装置。
6.一种冷却装置，其特征在于，
具备：接合高温用热交换器和低温用热交换器的片堆；接合冷却用热交换器和冷却输出用热交换器的片堆；上述两个片堆的两端相互连结而形成的环路管；和在所述两个片堆中的一方或者两方片堆上设置的振动产生装置，
在所述环路管的内部形成管路，在所述管路中封入工作流体，使用所述振动产生装置，在所述工作流体中产生驻波及行波并进行冷却。
7.根据权利要求6所述的冷却装置，其特征在于，
所述振动产生装置由压电元件构成。
8.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方由压电元件构成。
9.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方由流路截面积不同的流路构成。
10.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方由越靠近片堆的中心、流路截面积越小，越朝向该片堆的外周、流路截面积越大的流路构成。
11.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方、以及所述高温用热交换器和所述低温用热交换器或/和所述冷却用热交换器和所述冷却输出用热交换器由流路截面积不同的流路构成。
12.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方、以及所述高温用热交换器和所述低温用热交换器或/和所述冷却用热交换器和所述冷却输出用热交换器由越靠近片堆的中心、流路截面积越小，越朝向该片堆的外周、流路截面积越大的流路构成。
13.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方由片堆的流路长度不同的流路构成。
14.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或两方由越靠近片堆的中心、流路长度越长，越朝向该片堆的外周、流路长度越短的流路构成。
15.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方、以及所述高温用热交换器和所述低温用热交换器或/和所述冷却用热交换器和所述冷却输出用热交换器由片堆的流路长度不同的流路构成。
16.根据权利要求1或者6所述的冷却装置，其特征在于，
所述两个片堆的一方或者两方、以及所述高温用热交换器和所述低温用热交换器或/和所述冷却用热交换器和所述冷却输出用热交换器由越靠近片堆的中心、流路长度越长，越朝向该片堆的外周、流路长度越短的流路构成。
17.一种冷却装置，其特征在于，
通过对权利要求1或者6所述的冷却装置的冷却输出用热交换器、和权利要求1或者6所述的另外的冷却装置的冷却用热交换器进行连接，并将该连接进行多次而构成。
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