JP2010219557A - 気体噴出装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】極力騒音の発生を抑制しつつ、発熱体から発せられる熱を効果的に放熱することができる気体噴出装置及び当該気体噴出装置が搭載された電子機器を提供すること。
【解決手段】気体噴出装置1は、振動体25を有し、該振動体25の振動により、ノズル23及び24から気体が噴出されるときにそれぞれ生じる音波が互いに打ち消されるように該気体を脈流として噴出する。ノズル23及び24の開口部間の間隔は、音波の波長の1/2以下である。また、制御部20が振動体25の周波数を最適な周波数にすることで、騒音を抑えつつ気体の噴出量を極力多くして効果的に発熱体を放熱することができる。
【選択図】図2
【解決手段】気体噴出装置1は、振動体25を有し、該振動体25の振動により、ノズル23及び24から気体が噴出されるときにそれぞれ生じる音波が互いに打ち消されるように該気体を脈流として噴出する。ノズル23及び24の開口部間の間隔は、音波の波長の1/2以下である。また、制御部20が振動体25の周波数を最適な周波数にすることで、騒音を抑えつつ気体の噴出量を極力多くして効果的に発熱体を放熱することができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、気体を噴出して発熱体から発生する熱を放熱する気体噴出装置及び当該気体噴出装置が搭載された電子機器に関する。
従来から、PC(Personal Computer)の高性能化に伴うIC(Integrated Circuit)等の発熱体からの発熱量の増大が問題となっており、様々な放熱の技術が提案され、あるいは製品化されている。その放熱方法として、例えばICにアルミなどの金属でなる放熱用のフィンを接触させて、ICからの熱をフィンに伝導させて放熱する方法がある。また、ファンを用いることにより、例えばPCの筐体内の温まった空気を強制的に排除し、周囲の低温の空気を発熱体周辺に導入することで放熱する方法もある。さらには放熱フィンとファンとを併用することにより、放熱フィンで発熱体と空気の接触面積を大きくしつつ、ファンにより放熱フィンの周囲の暖まった空気を強制的に排除する方法もある。
しかしながら、このようなファンによる空気の強制対流では、放熱フィンの下流側でフィン表面の温度境界層が生起され、放熱フィンからの熱を効率的に奪えないという問題がある。このような問題を解決するためには、例えばファンの風速を上げて温度境界層を薄くすることが上げられる。しかし、風速を上げるためにファンの回転数を増加させることにより、ファンの軸受け部分からの騒音や、ファンからの風が引き起こす風切り音などによる騒音が発生するという問題がある。
上記温度境界層を破壊し、放熱フィンからの熱を効率よく空気に逃がす方法として、合成噴流を用いたものがある。これはチャンバ内に設けられた往復するピストンなどにより生じる空気の動きを、チャンバの一端に設けられた孔から噴出させるものである。この孔から噴出された空気は合成噴流と呼ばれ、空気の混合を促進し上記温度境界層の破壊を引き起こし、従来のファンによる強制対流に比べ効率よく放熱することができる(例えば、特許文献1、2参照。)。
しかしながら、上記特許文献1に記載の技術では、ピストンの往復運動による空気振動が音波として伝搬するため、この音による騒音が問題となる。また、近年のICの高クロック化によって発生する熱量は増加の一途をたどっているため、例えばその発熱によって放熱フィン付近に形成される温度境界層を破壊するためには、そのICや放熱フィンに向けてこれまでより多量の空気を送り込まなければならない。そうすると、上記特許文献1におけるFIG.1A等に示された装置のように、振動膜を振動させて空気を噴出させる装置であっても、その振動の振幅を上げて空気の噴出量を上げなければならない。したがってその振動膜の振動数が可聴帯域にある場合には、その振動膜の騒音も問題となる。逆に、振動数を下げると騒音は低減するが、空気の噴出量が少なくなってしまう。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、極力騒音の発生を抑制しつつ、発熱体から発せられる熱を効果的に放熱することができる気体噴出装置及び当該気体噴出装置が搭載された電子機器を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る気体噴出装置は、
振動体と、
複数の開口部を有し、前記振動体を振動可能に支持し、前記振動体の振動により前記複数の開口部から交互に気体を脈流として噴出させ、前記気体が噴出されるときに前記複数の開口部からそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように、前記複数の開口部間の間隔が前記音波の波長の1/2以下となるように構成された筐体と、
前記振動体の振動の周波数を制御する制御手段と
を具備する。
振動体と、
複数の開口部を有し、前記振動体を振動可能に支持し、前記振動体の振動により前記複数の開口部から交互に気体を脈流として噴出させ、前記気体が噴出されるときに前記複数の開口部からそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように、前記複数の開口部間の間隔が前記音波の波長の1/2以下となるように構成された筐体と、
前記振動体の振動の周波数を制御する制御手段と
を具備する。
本発明において、互いに弱め合うようにとは、振動体により生じた音波が伝播される領域の一部またはすべてにおいて、当該音波が互いに弱め合うようにすることである。
本発明では、その音波の波長の1/2以下の間隔で設けられた複数の開口部により、気体が噴出するときに生じる音波が互いに弱め合うように気体が噴出されるので騒音を低減することができる。特に、第1の制御手段により振動体の周波数を最適な周波数にすることで、騒音を抑えつつ気体の噴出量を極力多くして効果的に発熱体を放熱することができる。音波が互いに弱め合うようにするには、例えば、それぞれの音波の位相をずらすことが考えられる。または、音波が弱め合うようにするためには、少なくとも1つの振動体で区画する各チャンバを形成し、当該振動体を振動させて該各チャンバから交互に気体を噴出させるようにすればよい。
本発明の一の形態によれば、前記振動体の振幅を制御する第2の制御手段をさらに具備する。例えば振動体の振幅を最適な振幅にすることで、所望の気体の噴出量を得ることができる。
本発明の一の形態によれば、前記振動体の最低共振周波数が200(Hz)以下である。一般に、最低共振周波数より低い周波数帯域における、振動体から発生する音の音圧レベルを示す傾きまたは曲線は、振動体に依らずほぼ同じである。したがって、最低共振周波数が低いほど、当該最低共振周波数より低い周波数帯域で振動させた振動体の音圧レベルを極力大きくすることができる。つまり、振幅を大きくすることができるので気体の噴出量を極力多くできる。また、周波数は低いほど人間の聴感は鈍くなる傾向があるので、振動体の駆動周波数帯域が200(Hz)以下であれば、人間の聴感特性を考慮した場合に静粛性を保つことができる。最低共振周波数を150(Hz)以下とし、150(Hz)以下の周波数帯域で振動させることがより好ましい。
本発明の一の形態によれば、前記第1の制御手段は、前記周波数を100(Hz)以下に制御する。これにより、人間の聴感特性を考慮した場合、騒音をより低減することができる。特に、周波数を35(Hz)以下とすることが好ましい。
本発明の一の形態によれば、前記振動体は、該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、該面の面積が1,500(mm2)〜70,000(mm2)である。例えば、1500(mm2)未満とすると、所望の気体噴出量を得るためには、周波数が上述した200(Hz)を超えなければならならず騒音が増してしまい、または、振幅を例えば5(mm)以上としなければならず実用化には適さない。この場合、振動面の面積が2000(mm2)以上であることがより好ましい。
本発明の一の形態によれば、前記各開口部から噴出された前記気体が供給される発熱体と、該発熱体の周囲の気体との間の領域の熱抵抗が0.7(K/W)以下であり、前記音波の音源からほぼ1(m)離れた位置での騒音レベルが30(dBA)以下である。熱抵抗は、気体噴出装置の冷却能力でもある。騒音レベルを25(dBA)以下とすることがより好ましい。発熱体としては、例えばICチップや抵抗等の電子部品、あるいは放熱フィン(ヒートシンク)等が挙げられるが、これらに限られず発熱するものなら何でもよい。以下、同様である。
その場合、前記筐体と前記発熱体とを含めた包絡体積が250(cm3)以下である。
あるいは、前記各開口部から噴出された前記気体が供給される発熱体と、該発熱体の周囲の気体との間の領域の熱抵抗が0.5(K/W)以下であり、前記音波の音源からほぼ1(m)離れた位置での騒音レベルが30(dBA)以下であり、前記筐体と前記発熱体とを含めた包絡体積が500(cm3)以下である。
本発明の一の形態によれば、前記振動体は、該振動体の振動の方向に垂直な面に対してほぼ対称な形状を有する。このような対称構造とすることにより、各音波の振幅等を同一とすることができるだけでなく、その音波のひずみ成分である高調波の振幅等も極力同一とすることができるため、騒音をより低減することができる。
本発明の一の形態によれば、前記振動体は、振動する方向に垂直な面を有し、該面に対して非対称な形状を有する第1の振動体と、前記第1の振動体とほぼ同一形状を有し、該第1の振動体の振動方向とほぼ同一方向に振動するように、かつ、当該振動方向で前記第1の振動体とは逆向きに配置された第2の振動体とで構成される。このような構成によれば、非対称な形状を有する振動体であっても、互いに逆向きに配置することで全体的な対称性を確保することができる。したがって、複数の開口部により生じるそれぞれの音波の波形を極力同一にすることができ、静粛性の向上を図ることができる。非対称な形状の振動体としては、例えばコイル部やマグネット部を有するスピーカの形状を有するものを用いることができる。
本発明の一の形態によれば、前記筐体は、前記複数の開口部にそれぞれつながる複数のチャンバを有し、前記複数のチャンバは、それらの容積が等しくなるように前記筐体内が前記振動体により仕切られて形成されている。本発明では、各チャンバの容積を等しくすることで、それぞれ生じる気体の噴出量、あるいは音の振幅等を同じにすることができる。したがって、効果的に放熱処理することができるとともに、騒音を極力低減することができる。
本発明の一の形態によれば、気体噴出装置は、前記筐体は、前記複数の開口部にそれぞれつながる複数のチャンバを有し、前記複数のチャンバは、前記振動体により前記筐体内が仕切られて形成され、前記気体噴出装置は、前記筐体の外部に配置された、前記振動体を駆動するためのアクチュエータをさらに具備する。アクチュエータが筐体の外部に配置されれば、各チャンバの容積を極力等しくすることができる。また、アクチュエータが筐体の内部にあると、チャンバにそのアクチュエータの熱がこもる可能性があり、熱がこもると放熱の能力が低下する。しかしながら、本発明ではそのような不都合を回避することができる。これにより、上記したように効果的に放熱処理することができるとともに、騒音を極力低減することができる。
本発明の一の形態によれば、前記筐体は、前記外部から前記各チャンバのうち少なくとも1つのチャンバにかけて貫通する穴部を有し、当該気体噴出装置は、前記穴部に挿通されて前記振動体に取り付けられ、前記アクチュエータと一体的に可動するロッドと、前記穴部に設けられ、前記ロッドを支持する支持部材とをさらに具備する。支持部材が設けられることにより、ロッドのぶれを抑えることができ、振動体を安定して振動させることができる。また、例えば、支持部材が穴部を覆って筐体を密閉するように設けられることにより、振動体が振動したときに筐体内部の気体が当該穴部から漏れることを防止することができる。
本発明に係る電子機器は、
発熱体と、
振動体と、複数の開口部を有し、前記振動体を振動可能に支持し、前記振動体の振動により前記複数の開口部から交互に気体を脈流として噴出させ、前記気体が噴出されるときに前記複数の開口部からそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように、前記複数の開口間の間隔が前記音波の波長の1/2以下となるように構成された筐体と、前記振動体の振動の周波数を制御する制御手段と含む気体噴出装置と
を具備する。
発熱体と、
振動体と、複数の開口部を有し、前記振動体を振動可能に支持し、前記振動体の振動により前記複数の開口部から交互に気体を脈流として噴出させ、前記気体が噴出されるときに前記複数の開口部からそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように、前記複数の開口間の間隔が前記音波の波長の1/2以下となるように構成された筐体と、前記振動体の振動の周波数を制御する制御手段と含む気体噴出装置と
を具備する。
本発明では、振動体の周波数を最適な周波数にすることで、騒音を抑えつつ気体の噴出量を極力多くして効果的に発熱体を放熱することができる。電子機器としては、コンピュータ、PDA(Personal Digital Assistance)、カメラ、ディスプレイ装置、オーディオ機器、その他の電化製品等が挙げられる。
以上のように、本発明によれば、極力騒音の発生を抑制しつつ、発熱体から発せられる熱を効果的に放熱することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る気体噴出装置を示す斜視図である。図2はその断面図である。
気体噴出装置1は1つの筐体22を有している。筐体22の内部には振動体25が配置されており、筐体22の内部は、この振動体25によって2つのチャンバ22a及び22bに区画されている。チャンバ22a及び22bには例えば空気が含まれている。このように区画されたチャンバ22a及び22bと筐体22の外部とをそれぞれ連通させるように、筐体22に開口部22c及び22dがそれぞれ複数形成されている。この場合、開口部22cの数と開口部22dの数とが同じとなるように構成される。この開口部22c(22d)は1つであってもよい。開口部22c及び22dには、それぞれ、チャンバ22a及び22b内の空気を噴出可能なノズル23及び24が設けられている。ノズル23等は必ずしも必要ではなく、開口部22c等が形成されているのみでもよい。
振動体25は、振動板27を有しており、振動板27は例えば柔軟な膜状の物質、例えばPET(polyethylene terephthalate)フィルム等により形成されている。振動体25は、例えばスピーカの構造を有しており、図示しないコイル、マグネット等でなっている。振動体25は制御部20によって制御されるように構成されている。制御部20は、例えば、振動体25のコイルに正弦波の交流電圧を印加するための電源回路、振動体25の振動の波形を制御するための制御回路等を有している。制御回路は、特に、振動体の25に加える電圧すなわち振幅、あるいは、駆動周波数等を制御するようになっている。
筐体22は、剛性の高い物質、例えばアルミ等の金属やプラスチックによって構成されている。形状は例えば直方体状である。筐体22は、例えば、形状、材質、開口部等の形状を等しくしたものを用いる。
以上のように構成された気体噴出装置1の作用を説明する。制御部20が振動体25を所定の周波数で駆動し、振動板27を正弦波振動させることにより、チャンバ22a及び22bの圧力が交互に増減する。これに伴い、開口部22c及び22dを介して空気の流れが発生する。この空気の流れは、ノズル23と24とにおいて、筐体22の内部から外部へ、外部から内部へ流れるように交互に発生する。ノズル23等から噴出される空気は合成噴流となる。合成噴流とは、ノズル23等から空気が噴出されることにより噴出された空気の周囲の気圧が下がるので、噴出された空気の周囲にある気体が巻き込まれることによって発生する噴流である。すなわち、噴出された空気とその周囲の空気とが合成され噴流となる。このようにチャンバ22の外部へ空気が脈流として噴出されることで、この噴出された空気を例えばICチップやヒートシンク等の発熱体に吹き付けて効果的に放熱することができる。
一方、振動板27の振動によって、ノズル23及び24から音が交互に発生し、この音波が空気中を伝播する。ノズル23及び24から発生する音波は、チャンバ22a及び22bの形状等、開口部22c及び22dの形状、ノズル23及び24の形状等を等しくしているため、波形が等しく、位相が反転したものとなる。したがって、ノズル23及び24を介して発生する音波が相殺され騒音を抑制することができる。
ここで、ノズル23と24との間隔dは、d<λ/2(λは発生する音波の波長)となるように設定されることが望ましい。この式を満たすようにすれば、ノズル23等から発生した音波のほぼ最大振幅同士で強め合う箇所がなくなるので、騒音の発生を極力防止することができる。
図3は、気体噴出装置1を用いて、例えばICチップ等を放熱するときの例を示す斜視図である。ICチップ50は例えばヒートスプレッダ(またはヒートパイプの機能を有する熱輸送体)51等に接触して設けられ、ヒートスプレッダ51には複数のヒートシンク52が取り付けられている。気体噴出装置1は、例えばノズル23及び24からの気体の噴出方向をヒートシンク52に向けて配置されている。
ICチップ50から発せられる熱はヒートスプレッダ51で拡散されヒートシンク52に伝達される。そうすると、ヒートシンク52の近傍は高熱の空気が滞留して温度境界層が形成されてしまう。そこで、例えば振動体25の振動によってノズル13及び14から発生した噴流をヒートシンク52に向けて吹き付ける。この噴流によって当該温度境界層が破壊され、効率よく放熱される。
図4及び図5は、本発明の他の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。図5は、図4に示すA−A線断面図であり、図4は、図5に示すB−B線断面図である。この気体噴出装置61は、筐体68内にチャンバ62a及び62bを有して構成されている。チャンバ62a及び62bは筐体68及び筐体68内に設けられた壁69によって構成されている。チャンバ62a及び62bには、振動体65a及び65bがそれぞれ配置されている。振動体65a及び65bの構成は、例えば図1及び図2で示した振動体25等と同様である。筐体68には、チャンバ62a及び62bに内部がそれぞれ連通するノズル63a及び63bが設けられ、これによりチャンバ62a及び62bから空気がそれぞれ吐出される。振動体65a及び65bは壁69に設けられた開口部66a及び66bをそれぞれ塞ぐように設けられている。振動体65bがチャンバ62a内の空気を振動させることにより、ノズル63aから空気を吐出させる。また、振動体65aがチャンバ62b内の空気を振動させることにより、ノズル63bから空気を吐出させる。振動体65a及び65bは図2に示す制御部20と同様な図示しない制御部に接続され、例えば互いに逆位相で、かつ、同一振幅で振動するように制御される。
このように、振動体65a及び65bが振動方向Rが同じとなるように、かつ、互いに逆向きとなるように配置されることで、スピーカのように非対称な形状を有する振動体であっても、全体的な対称性を確保することができる。したがって、ノズル63a及び63bから生じるそれぞれの音波の波形を極力同一にすることができ、静粛性の向上を図ることができる。
本実施の形態に係る気体噴出装置61について、振動体を2個用いた構成を示したが、振動体を偶数個用いれば、同様に音波は互いに弱め合うようになる。
図6は、図4及び図5に示す気体噴出装置61のノズル63a及び63bの数をさらに増やした気体噴出装置及びヒートシンクを示す平面図である。このヒートシンク31は、例えばその1つ1つのフィン部材32の空気の流通部32aに、各ノズル63a(63b)が対向するように、ヒートシンク31に対して気体噴出装置61が配置されている。これにより、有効にヒートシンク31を活用することができるので放熱効率が向上する。
図7は、本発明のさらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。本実施の形態に係る気体噴出装置は、図2に示した気体噴出装置1の振動体25の代わりに、板状の振動体45を有している。振動体45は、例えば樹脂製のフィルムに図示しない平面型のコイルが貼り付けられて構成されている。制御部40により当該コイルに交流電圧が印加されることで、例えば、筐体22内に配置された図示しないマグネットの磁場を利用して図中上下に振動するようになっている。このように、板状の振動体45を設けることでチャンバ22a側と22b側とで対称的な構造とすることができ、ノイズ等を極力小さくすることができる。
以上のように、上記各実施の形態に係る気体噴出装置1,61、41は、発熱体を効果的に放熱しつつ、騒音を低減することができるが、発生する音を完全に消すことは難しい。その理由として次の項目が上げられる。
1)ノズルから出る基本周波数の振幅が振動体の表と裏側で同じではない。
2)ノズルから出る基本周波数の表と裏の位相ずれが180度からずれる。
3)ノズルから出る高調波(ひずみ成分)の振幅が振動体の表と裏側で同じではない。
4)ノズルから出る高調波の表と裏の位相ずれが180度からずれる。
1)ノズルから出る基本周波数の振幅が振動体の表と裏側で同じではない。
2)ノズルから出る基本周波数の表と裏の位相ずれが180度からずれる。
3)ノズルから出る高調波(ひずみ成分)の振幅が振動体の表と裏側で同じではない。
4)ノズルから出る高調波の表と裏の位相ずれが180度からずれる。
例えば図1及び図2に示す気体噴出装置1では、チャンバ22bには振動体25の前面が面し、チャンバ22aには振動体25の裏のフレーム(アクチュエータ側)が面することとなる。一般に振動体25のスピーカのような後方の音圧はあまり考慮されておらず、フレームが遮音効果をもつ場合があり、表よりも裏の音圧は小さい。すなわち、この構成では一般には基本波の振幅が表と裏で異なりノイズが残る。この構成で各ノズル23及び24から出た音波の測定結果を図8(a)に示す。上のグラフが図1で示す下方のノズル24から出た音波を示し、下のグラフが上方のノズル23から出た音波を示している。図8(a)より、ノズル24から出た音波の方が振幅が大きいことがわかる。また、それらを合成した音を図8(b)に示す。図8(b)からわかるように、基本波の周波数でのノイズが残っている。
次に図4及び図5に示した気体噴出装置61を用いた場合、各チャンバに対してスピーカの表と裏が1つずつ面するので、2つのチャンバ62a及び62bに設けられた各ノズル63a及び63bから出る基本波の振幅は同程度となる。この場合、基本波の消音はある程度できているが、高調波成分を消しきれていない。この場合の各ノズル63a及び63bから出た音波の測定結果を図9(a)に示す。また、これらの合成音した音を図9(b)に示す。図9(b)では、振幅のスケールは図8(b)で示したものより小さいが、高調波成分、つまり図9(a)で示す基本波の2次高調波及びそれより高次波が残っているのがわかる。これは、振動体を複数使うために、その個体差からノズルから出てくる高調波の振幅と互いに位相がそろわないことによる。
これらの課題に対する対策としては、振動体の構造がなるべく対称形で、振動体はなるべく1つを用い、その両側にチャンバを配置することが考えられる。さらに、より効果的な対策として、基本周波数をなるべく下げることである。
ここで、図10は人の聴感特性を示したグラフである。このグラフは、JIS規格で規定された等ラウドネス曲線(A特性のもの)であり、20(Hz)〜20(kHz)の周波数帯域において、人が同じ音圧レベルに晒されたときに、どれほどの大きさに聞こえるかを表したものである。すなわち、1(kHz)の音波を基準として、各周波数の音がどれだけの大きさで聴こえるかを表したものである。この図より、同じ音圧レベルでも、1(kHz)の音に比べ50(Hz)の音は30(dB)小さく聴こえるということがわかる。なお、音圧レベルLp(dB)は以下の式で定義される。
Lp=20log(p/p0)・・・式(1)
pは音圧(Pa)、p0は基準音圧(20μPa)である。
Lp=20log(p/p0)・・・式(1)
pは音圧(Pa)、p0は基準音圧(20μPa)である。
20Hzまで下げるまでもなく、その近傍の音であれば聴感度は十分低く聴感特性を考慮したA特性のノイズレベル(騒音レベル)としては小さくなる。また、基本波の周波数を低くすれば、高調波の周波数もそれに伴い低くなり、聴感特性が極力低いところへ高調波のノイズも持っていくことができる。周波数を下げるということは、ノズルからの気体の噴出量も下げるということになるので、単に周波数を下げれば良いというわけではない。
本発明者らの実験では、30Hz程度の基本周波数で十分な消音効果があることを確認している。図10に示すように、同じ音圧レベルの場合、周波数が200(Hz)から100(Hz)に落ちると、ノイズレベルは約10(dBA)低下し、100から30Hzに落ちると、ノイズレベルはそこからさらに約15(dBA)低下する。
単一周波数の音に対してみてみると、低周波での振動体の駆動がノイズレベルを低下させるが、一方で、上述したように駆動周波数が低いとその分振動体の往復回数が減るので、ノズルからの気体の噴出量が低下することになる。そのためには低周波でも十分に振幅が得られる振動体を用いる必要がある。つまり、スピーカ等の振動体の特性で考えると、30(Hz)や100(Hz)等、例えば200(Hz)以下での音圧レベルが十分に得られなければならない。
図11及び図12は、最低共振周波数f0がそれぞれ110(Hz)及び200(Hz)のスピーカの音響特性の例を示す図である。f0より高い周波数での音圧レベルは共に90(dB)程度である。しかしながら、f0より低い周波数帯域では、f0の低いスピーカの方が同じ周波数での音圧は大きくなる。例えば50(Hz)での音圧をみると、f0=110(Hz)のスピーカでは音圧が70(dB)であるのに対しf0=200(Hz)のスピーカのそれは約62(dB)となっている。これはf0より低い周波数帯域では音圧は40(dB/dc)の増幅特性があるためである。
すなわち、スピーカの特性を上記各実施の形態に係る振動体25等の駆動特性と同等と考えた場合、f0が低いほうが低周波での音圧が高いと言える。音圧が高い方がノズルからの気体の噴出量あるいは流速が大きくなる。したがって、駆動系も含んだ振動体の最低共振周波数f0が低いほど低周波領域での噴出量または流速を上げることができると言える。例えば、30(Hz)で駆動する場合、f0は低く、かつ、30(Hz)に近いほうがよいが、本発明者らが行ったスピーカの実験では、f0=100(Hz)程度のスピーカであれば、30(Hz)で駆動した場合でも、必要な振動体の音圧(つまり振幅)を得ることができることがわかっている。
したがって、f0が200(Hz)以下、より好ましくは150(Hz)以下、さらに好ましくは100(Hz)以下の振動体を用い、それぞれのf0より低い周波数帯域で振動体を駆動させればよい。
上記各実施の形態で示した気体噴出装置1、61の気体の噴出量を向上させるためには次の要因が考えられる。
1)振動体の面積が大きい。
2)振動体の振幅が大きい。
3)振動体の駆動周波数が高い。
1)振動体の面積が大きい。
2)振動体の振幅が大きい。
3)振動体の駆動周波数が高い。
そこで、本発明者らは次のような評価値を考えた。振動体の駆動周波数をA(Hz)、振動体の振幅を±B(mm)、振動体の面積(振動体が複数の場合はその合計)をC(mm2)とした場合に評価値D=A×B×Cを計算してみる。図13は、評価値等と気体の流速との関係を示す表である。また、図14は、当該評価値Dと気体が噴出されるときの流速との関係を示すグラフである。この場合、流速は、気体の噴出量(単位時間当りの気体の移動量)に比例すると考えてよい。
この実験では、上記図1、図4に示したような気体噴出装置であって、ノズルの内径は3mmでその本数は32本のものを用いた。また、振動体として、市販のスピーカを用いた。20(Hz)から200(Hz)程度で往復運動をする振動体として最も手軽に入手できるものがスピーカだからである。図13及び図14より、評価値Dが大きくなると流速が大きくなる傾向が見られる。
このように、気体噴出装置から出た空気をヒートシンクに吹き付けて放熱能力を見ると、概ね流速が高いほど放熱能力が高い。図14より、評価値Dから見ると、100,000(mm3/s)を超えれば熱抵抗で1(K/W)程度になる。また、200,000(mm3/s)を超えると0.7(K/W)を下回り、その流速が4(m/s)を超え、放熱デバイスとして満足できる値となることが判明した。ちなみに70(W)級のCPUの放熱には熱抵抗0.3(K/W)を下回る放熱デバイスが用いられている。ただし、放熱能力は機器の応用状況により、仕様が決まるため、流速だけでは評価できないことは考慮する必要はあるが、大まかな判断材料にはなる。
ここで、JIS規格では、熱抵抗の単位は((m2K)/W)である。熱抵抗の定義は、「考えている2面間の温度差を熱流束1(W/m2)で除した値」とされているからである。熱流束とは、「単位面積当り及び単位時間当りに移動する熱量」(熱量の単位はJ)である。本発明では、上記のように熱抵抗の単位を(K/W)とし、上記「2面間」という「面積」の単位を考慮していないが、(K/W)という熱抵抗の単位も一般的に用いられる単位である。本実施の形態の場合、例えば、発熱体とその周囲の空気との温度差Δtとした場合に、熱抵抗Rは、R=Δt/発熱体のワット数、で表すことができる。
本実験より、口径が大きく振幅が大きいほど流速を大きくする合成ジェット流を作ることができる。特にスピーカのコーン(例えば図2で示した振動板27)の振幅が1(mm)以上のもので流速が大きくなり、放熱能力が高いことがわかった。振幅が1mm未満の場合には、所望の気体噴出量を得るためには上記面積Cをかなり大きくしなければならず実用化には適さない。振幅は1(mm)よりは大きいほどよく、好ましくは駆動周波数Aが100(Hz)以下で、1(mm)〜3(mm)、理想的には30(Hz)で3(mm)以上である。
また、振動体の大きさの上限を考えると、振幅は5(mm)以下とすることが好ましい。振動体の大きさは、面積Cが70,000(mm2)以下、つまりその口径(直径)が300(mm)以下が望ましい。70,000(mm2)を超えると、デスクトップ型またはラップトップ型のPCに気体噴出装置を内蔵しようとしても、気体噴出装置が大きくなって内蔵できない可能性があり、実用化には適さないからである。
面積Cが70,000(mm2)以下の場合に、振幅を5(mm)以下とするのは、次の理由による。すなわち、面積Cが70,000(mm2)程度であって、例えば35(Hz)近傍で振動体を振動させる場合には、振幅を5(mm)を超えると、振動体の慣性も大きくなり機構的に負荷が大きくなるからである。また、この場合、100(Hz)近傍で振動体を振動させる場合には、振幅を5(mm)を超えると、振動体の慣性も大きくなり機構的に負荷が大きくなる。
一方、本実験より、口径が60(mm)以上(面積C=2827(mm2))のスピーカで熱抵抗0.5(K/W)以下のデータを得ている。面積Cがこの半分程度であれば熱抵抗が倍くらいになると想定すると、面積Cは1500(mm2)以上であればよい。1500(mm2)未満とすると、所望の気体噴出量を得るためには、周波数が200(Hz)を超えなければならならず騒音が増してしまい、または、振幅を例えば5(mm)以上としなければならず実用化には適さない。この場合、面積Cが2000(mm2)以上であることがより好ましい。
これまでに述べた上記各実施の形態に係る気体噴出装置1、61に、上記面積Cを持つ振動体を適用し、駆動周波数A及び振幅Bで制御することにより、効果的な放熱処理を行うことができるとともに騒音を低減できる。特に、ノイズレベルが30(dBA)以下、熱抵抗が0.7(K/W)以下の放熱デバイスを実現することができる。
図15は、騒音レベルと熱抵抗との特性を示す図であり、回転する羽根車を備えた従来のファンと、本実施の形態に係る気体噴出装置とを比較した例を示す。ここでの熱抵抗は、発熱体としてのヒートシンクと当該ヒートシンクの周囲の空気との間の熱抵抗である。この図より、従来のファンに比べ、本実施の形態に係る気体噴出装置の方が、熱抵抗と騒音レベルの両方について良い値を得ていることがわかる。
本実施の形態に係る気体噴出装置の小型化を目指す場合、口径の小さな振動体を使うことが必要となる。しかし、口径が小さいことは先の評価値Dの考え方からわかるように有利ではない。その対策として、振幅の大きな振動体を用いると良い。本発明の手法を用いればヒートシンクを含めた250cm3程度の包絡体積で、熱抵抗が0.7(K/W)以下、音源から1m程度離れた位置での騒音レベルが30(dBA)以下、あるいは25(dBA)以下を実現することができる。
図16は、本発明のさらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。本実施の形態に係る気体噴出装置71の振動体としては、図7に示した板状の振動体45が用いられている。振動体45には、該振動体45を可動させるアクチュエータ78のロッド85が取り付けられている。ロッド85は、筐体72に設けられた穴部72eに挿通されている。アクチュエータ78は、ヨーク82、マグネット83、コイル84等を有している。制御部70によってコイルに例えば交流電圧が印加されることで、ロッド85が図中上下に移動し、これにより振動体45が振動する。
本実施の形態では、アクチュエータ78が筐体72の外部に配置されているので、各チャンバ72a及び72bの容積を極力等しくすることができる。また、アクチュエータ78が筐体72の内部にあると、チャンバ72aまたは72bにそのアクチュエータ78の熱がこもる可能性がある。この状態で振動体を振動させると、その熱を持った気流が噴出されてしまい、放熱の能力が低下する。しかしながら、本実施の形態ではそのような不都合を回避することができる。
図17は、図16に示す気体噴出装置の変形例を示す断面図である。この気体噴出装置91は、ロッド75を支持する支持部材92が設けられている。この支持部材92は、例えば蛇腹の部材で構成される。この支持部材92により、振動体45の振動方向に対するロッド75の横ぶれを抑えることができ、振動体45を安定して振動させることができる。また、例えば、支持部材92が穴部72eを覆って筐体72を密閉するように設けられることにより、振動体45が振動したときに筐体72内部の空気が当該穴部72eから漏れることを防止することができる。
本発明は以上説明した実施の形態には限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
上記各実施の形態に係る気体噴出装置としては、筐体が1つの例を示した。しかし、複数の独立した筐体を用意し、各筐体ごとに振動体を設ける構成としてもよい。この場合も、振動体の位相や、周波数を制御して騒音を低減させることができる。
図7に示した気体噴出装置は、その振動体45がコイルによって振動する例を示したが、例えば圧電デバイスを用いた振動体であってもかまわない。圧電体を用いる場合、気体噴出装置がマイクロ化された場合に、特に有効である。
1,41,61,71,91…気体噴出装置
20,40、70…制御部
22,68,72…筐体
22a,22b,62a,62b,72a,72b…チャンバ
25,45,65a,65b…振動体
31…ヒートシンク
50…ICチップ
61…気体噴出装置
75…ロッド
78…アクチュエータ
20,40、70…制御部
22,68,72…筐体
22a,22b,62a,62b,72a,72b…チャンバ
25,45,65a,65b…振動体
31…ヒートシンク
50…ICチップ
61…気体噴出装置
75…ロッド
78…アクチュエータ
Claims (17)
- 振動体と、
複数の開口部を有し、前記振動体を振動可能に支持し、前記振動体の振動により前記複数の開口部から交互に気体を脈流として噴出させ、前記気体が噴出されるときに前記複数の開口部からそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように、前記複数の開口部間の間隔が前記音波の波長の1/2以下となるように構成された筐体と、
前記振動体の振動の周波数を制御する制御手段と
を具備する気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記振動体の最低共振周波数が200(Hz)以下である
気体噴出装置。 - 請求項2に記載の気体噴出装置であって、
前記振動体の最低共振周波数が150(Hz)以下である
気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記制御手段は、前記周波数を100(Hz)以下に制御する
気体噴出装置。 - 請求項4に記載の気体噴出装置であって、
前記制御手段は、前記周波数を35(Hz)以下に制御する
気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記振動体は、該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、該面の面積が1,500(mm2)〜70,000(mm2)である
気体噴出装置。 - 請求項6に記載の気体噴出装置であって、
前記振動体は、前記面の面積が2000(mm2)以上である
気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記各開口部から噴出された前記気体が供給される発熱体と、該発熱体の周囲の気体との間の領域の熱抵抗が0.7(K/W)以下であり、前記音波の音源からほぼ1(m)離れた位置での騒音レベルが30(dBA)以下である
気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記騒音レベルが25(dBA)以下である
気体噴出装置。 - 請求項9に記載の気体噴出装置であって、
前記筐体と前記発熱体とを含めた包絡体積が250(cm3)以下である
気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記振動体は、該振動体の振動の方向に垂直な面に対してほぼ対称な形状を有する
気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記各開口部から噴出された前記気体が供給される発熱体と、該発熱体の周囲の気体との間の領域の熱抵抗が0.5(K/W)以下であり、前記音波の音源からほぼ1(m)離れた位置での騒音レベルが30(dBA)以下であり、前記各開口部と前記発熱体とを含めた包絡体積が500(cm3)以下である
気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記振動体は、
振動する方向に垂直な面を有し、該面に対して非対称な形状を有する第1の振動体と、
前記第1の振動体とほぼ同一形状を有し、該第1の振動体の振動方向とほぼ同一方向に振動するように、かつ、当該振動方向で前記第1の振動体とは逆向きに配置された第2の振動体とで構成される
気体噴出装置。 - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記筐体は、前記複数の開口部にそれぞれつながる複数のチャンバを有し、
前記複数のチャンバは、それらの容積が等しくなるように前記筐体内が前記振動体により仕切られて形成されている - 請求項1に記載の気体噴出装置であって、
前記筐体は、前記複数の開口部にそれぞれつながる複数のチャンバを有し、
前記複数のチャンバは、前記振動体により前記筐体内が仕切られて形成され、
前記気体噴出装置は、前記筐体の外部に配置された、前記振動体を駆動するためのアクチュエータをさらに具備する気体噴出装置。 - 請求項15に記載の気体噴出装置であって、
前記筐体は、前記外部から前記各チャンバのうち少なくとも1つのチャンバにかけて貫通する穴部を有し、
当該気体噴出装置は、
前記穴部に挿通されて前記振動体に取り付けられ、前記アクチュエータと一体的に可動するロッドと、
前記穴部に設けられ、前記ロッドを支持する支持部材と
をさらに具備する気体噴出装置。 - 発熱体と、
振動体と、複数の開口部を有し、前記振動体を振動可能に支持し、前記振動体の振動により前記複数の開口部から交互に気体を脈流として噴出させ、前記気体が噴出されるときに前記複数の開口部からそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように、前記複数の開口間の間隔が前記音波の波長の1/2以下となるように構成された筐体と、前記振動体の振動の周波数を制御する制御手段と含む気体噴出装置と
を具備する電子機器。
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