JP2016200304A - 熱音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱授受の効率が高い熱音響装置を提供する。
【解決手段】ハウジング１と、ハウジング１内に配置され、音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するスタック５と、スタック５近傍に配置される熱交換器３、４とを含み、スタック５と熱交換器３、４とが接合材料を介して接合されてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響効果を用いて管内の気体(流体)に与えた振動から温度勾配を得る熱音響装置に関するものである。

熱音響装置の一種である熱音響冷却装置は、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー変換を行う装置であり、クリーンな冷却機構として注目されている。

この種の熱音響冷却装置は、図２に示すように、空気などの流体Ａ（気体)を封入した直管状のハウジング１と、ハウジング１の一方側に設けられたスピーカー等の音エネルギー発生器２と、高温側熱交換器３と、低温側熱交換器４と、これらの熱交換器３、４の間に挟まれた状態で配置されたスタック５とを備えている。なおスタック５は、ハウジング１の管軸方向に連通する複数の流体流通経路を有する。

このような構成を備えた熱音響冷却装置１０の動作原理は次の通りである。

まず、音発生器２より音波を発生させる。この音波はハウジング１に沿って伝搬し、ハウジング１内に配置されたスタック５に音エネルギーとして入力される。この音エネルギーが入力されたスタック５では、その流通経路内で流体Ａが膨張・収縮を繰り返し、その過程で流体Ａに蓄積された音エネルギーが、熱エネルギーとしてスタック５の流通経路を構成する壁面に放出または吸収される。そして、この放出された熱は音エネルギーの移送方向と逆方向、すなわち、低温側熱交換器４から高温側熱交換器３に向けて移動するが、その過程で熱を奪って低温側熱交換器４を冷却し、この冷却された低温側熱交換器４を用いて外部の冷却対象物（図示せず）を冷却する。
従来、様々な材料のスタックで構成された熱音響冷却装置が提案されている。例えば、特許文献１には、ガラス製のスタックを用いた熱音響冷却装置が提案されている。

特開２０１２−２２９８９２号公報

しかしながら特許文献１に記載されている熱音響冷却装置は、熱交換器とスタックの間での熱授受の効率が低く、熱音響冷却装置の性能が十分でないという課題がある。

本発明の課題は、熱授受の効率が高い熱音響装置を提供することである。

本発明者等の検討の結果、特許文献１に記載の熱音響冷却装置は、熱交換器とスタックとの間に空気が介在していることが熱授受の効率を低下させていることを見出し、本発明を提案するに至った。

即ち、本発明の熱音響装置は、ハウジングと、ハウジング内に配置され、音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するスタックと、スタック近傍に配置される熱交換器とを含み、スタックと熱交換器とが接合材料を介して接合されてなることを特徴とする。ここで「ハウジング」とは、音エネルギーや熱エネルギーの伝達が可能な程度に外界と内部を仕切る管状の容器であり、必ずしも完全に密閉されていることを要しない。

本発明においては、熱交換器として高温側熱交換器を備え、スタックの高温側端部の表面と高温側熱交換器とが、接合材料で接合されてなることが好ましい。

スタックの高温側端部と低温側端部の温度差は常に一定となることから、スタックの高温側端部の温度が上昇すると、それに伴って低温側端部の温度も上昇してしまう。熱音響装置を利用して冷却対象物を冷却する場合、スタックの低温側端部の温度が上昇すると、冷却効率が低下する。そこで上記構成を採用すれば、スタックの高温側端部から高温側熱交換器に熱を効率的に逃すことができ、スタックの高温側端部の温度上昇を抑制できる結果、スタックの低温側端部の温度上昇を効果的に抑制することが可能となる。

本発明においては、熱交換器として低温側熱交換器を備え、スタックの低温側端部表面と低温側熱交換器とが接合材料で接合されてなることが好ましい。

上記構成を採用すれば、スタックの低温側端部が低温側熱交換器から効率的に熱を奪うことができることから、外部の冷却対象物を効率的に冷却することが可能になる。

本発明においては、熱交換器が、ハウジング外に配置されていることが好ましい。

熱交換器がスタックを挟むようにして設置されている場合、スタックに入力されるべき音エネルギーの一部が熱交換器によって遮られる恐れがある。一方、本発明の構成を採用すれば、このような恐れがない。

本発明においては、さらに音エネルギー発生器を含み、音エネルギー発生器から流体に付与された音エネルギーを、スタックにて熱エネルギーに変換することが好ましい。ここで「音エネルギー発生器」とは、スピーカー等の音波を発生する装置をいう。

上記構成によれば、音エネルギーから熱エネルギーへのエネルギー変換を利用して外部の冷却対象物を冷却する場合に、熱音響装置の小型化が容易になる。なお熱音響装置に音エネルギーを供給しない場合、まず熱エネルギーを供給して音エネルギーに変換してから、スタックに供給する必要がある。この場合、ハウジングをループ状にするとともに熱エネルギーを音エネルギーに変換するための第二のスタックが必要となり、装置が大型になる。

本発明においては、スタックが、多数の細管が外套管内に固定されてなる形態であることが好ましい。

本発明においては、スタックを構成する細管及び／又は外套管が、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料からなることが好ましい。

上記構成を採用すれば、スタックの高温側端部及び低温側端部の温度勾配を大きくすることが容易になる。

本発明においては、スタックを構成する細管及び／又は外套管が、ガラスからなることが好ましい。

上記構成を採用すれば、金属等でスタックを形成する場合に比して、スタックの熱伝導率を低く抑えることができる。そのため、スタックの両端間における温度勾配を大きく維持することができ、低温側端部の冷却効果を高めることが可能となる。また細管ガラスの外径と内径をそれぞれ小さくすることは技術的に容易であるため、スタックの両端に連通する流通経路の数を容易に増加させることができる。

本発明においては、接合材料が、熱伝導率が０．１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなることが好ましい。

上記構成によれば、スタックと熱交換器との間の熱授受がより効率的になる。

本発明においては、接合材料が、樹脂系材料又はガラス系材料であることが好ましい。ここで「樹脂系材料」或いは「ガラス系材料」とは、樹脂やガラスを主成分とする材料を意味する。

上記構成によれば、スタックがガラス製であっても、接合材料とスタックの接合強度を高めることができる。

本発明においては、接合材料が、金属粒子又はセラミック粒子をフィラーとして含むことが好ましい。

上記構成を採用すれば、樹脂やガラスからなる接合材料の熱伝導率を高めることが可能になる。

本発明においては、表示装置の冷却に使用されることが好ましい。

上記構成を採用すれば、プロジェクター等の表示装置を効果的に冷却することが可能になる。

本発明の熱音響装置は、熱交換器とスタックとの熱授受の効率が高いことから、冷却装置として使用すれば、外部の冷却対象物を効果的に冷却することができる。

本発明の熱音響装置の一実施態様を示す説明図である。 従来の熱音響装置を示す説明図である。

以下、図１を参照しながら本発明の熱音響装置を詳述する。なお以下の説明は本発明の好適な一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明の熱音響装置１０は、ハウジング１、音エネルギー発生器２、高温側熱交換器３、低温側熱交換器４、スタック５、及び各熱交換器とスタックとを接合する接合層６とを含む。なお本実施態様では、スタック５は、上流側（音エネルギー発生装置側）が高温側に、下流側（音エネルギー発生装置と反対側）が低温側となるように設計されているが、これに限られるものではなく、上流側が高温側に、下流側が低温側になるように装置を設計してもよい。

ハウジング１は、空気などの流体Ａをその内部に封入した管状体である。本実施態様では、直管形状のハウジングを例示しているが、必ずしも直管状である必要はなく、熱音響装置を組み込むデバイスの形状や大きさ等を考慮して最適な形状を選択すればよい。例えばループ管形状であってもよい。またハウジングは、完全な密閉構造である必要はなく、音エネルギーをスタックに効率的に伝達できる程度に、外部環境からの影響を遮蔽する壁面を有していればよい。

ハウジング内に封入される流体Ａは、ハウジング１内で音エネルギー又は熱エネルギーをスタックに伝える媒体であり、空気等の気体からなることが好ましい。

音エネルギー発生器２は、ハウジング１の一端に配置され、ハウジング１内の流体Ａに音エネルギーを付与するものである。音エネルギー発生器としては、スピーカーを使用することが好ましい。なお音エネルギー発生器を使用せず、熱エネルギーを入力して音エネルギーに変換し、これを利用する形態を採用することもできる。

スタック５は、ハウジング１内に配置され、音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するものである。スタックの形態は特に制限されないが、多数の細管が管軸に沿って外套管内に並列に固定されてなる形態を採用することが好ましい。この形態の場合、多数の細管が流体Ａの流通経路として機能する。

スタックを構成する細管は、外套管内に３００本／ｉｎｃｈ^２以上、５００本／ｉｎｃｈ^２以上、１０００本／ｉｎｃｈ^２以上、特に２０００本／ｉｎｃｈ^２以上の割合で配置されていることが好ましい。このようにすれば、細管の内孔の数に準じてスタック全体の流通経路が適度に細分化され、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を効率よく行うことが可能となる。さらに、スタックの軸直角断面における開孔率は５０％以上、６０％以上、特に７０％以上であることが好ましい。開孔率が大きいほど、流通経路となり得る細管の内孔の大きさを確保することが容易になるので、エネルギーの交換効率を良好に維持することが可能となる。開孔率が小さすぎると、流通経路が極端に狭くなりすぎ、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でのエネルギー変換において損失が生じ得る。なおスタックを構成する複数の細管及び外套管は、相互に熔着していてもよいし、熔着することなく外套管内に保持されていてもよい。

スタックを構成する細管や外套管は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料からなることが好ましい。より具体的には細管や外套管はガラスからなることが好ましい。スタックを構成するガラスの種類に特に制限はないが、構成部材の大半（具体的には質量基準で８０％以上）、好ましくは全ての部材が、融点又はガラス転移点が３００℃以上のガラスからなることが望ましい。なお融点とガラス転移点とは示差熱分析装置で測定した値を指す。この種のガラス材料として、例えばソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラスなどを用いることができる。

高温側熱交換器３は、ハウジング１外に配置され、スタック５の高温側端部の熱を受け取って系外に熱エネルギーを放出する機能を有している。

低温側熱交換器４は、ハウジング１外に配置され、冷却対象物（図示せず）から熱を奪う機能を有している。

なお熱交換器は、高温側及び低温側の双方に設けることが望ましいが、一方のみでもよい。その場合、高温側に熱交換器を設置することが好ましい。

接合層６は、高温側熱交換器３とスタック５の高温側端部表面を、また低温側熱交換器４とスタック５の低温側端部表面とを接合する。接合層６は、スタック５の外表面全体に亘って形成してもよいが、スタック５の高温側端部の外表面及び低温側端部の外表面のみに形成することが望ましい。高温側及び低温側の接合層を分離しておけば、スタック５の高温側端部及び低温側端部における熱授受を効率よく行うことが可能になる。

接合層６を形成する接合材料は、熱伝導率が０．１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を選択することが好ましい。スタックを構成する材料が金属やセラミックである場合には接合材料に制限はないが、ガラスからなるスタックを採用する場合には接合強度の面から樹脂系材料やガラス系材料を選択することが好ましい。樹脂系材料としてはアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等を採用することができる。またガラス系材料としては、Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス、Ｖ_２Ｏ_５−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス等の低融点ガラスを採用することができる。なお接合層の形成の容易さから、接合材料として樹脂系材料を選択することが好ましい。

接合材料の熱伝導率が低い場合、これらの材料よりも熱伝導率の高い材料、具体的には金属粒子やセラミック粒子を接合材料中にフィラーとして添加してもよい。金属粒子としては、例えば、アルミニウム、銅等を採用することができる。セラミック粒子としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を採用することができる。

接合層６は、例えば以下の方法によって形成することができる。まず、接合材料をスタックの外表面に塗布する。続いて接合材料と接するようにして熱交換器を配置、固定する。その後、紫外線照射や加熱等、接合材料の固化条件に応じた固化処理を行う。このようにしてスタックと熱交換器とを接合層を介して接合する。

次に上記構成を有する熱音響装置を用いた冷却方法を説明する。

まずハウジング１の一端に配置された音エネルギー発生器２を作動させて、音エネルギーを入力する。音エネルギーは流体Ａを媒体としてハウジング１内を伝搬し、スタック５内の流通経路に入力される。スタック５内の流通経路では、流体Ａが膨張・収縮を繰り返し、その過程で流体Ａに蓄積された音エネルギーが、スタック５の流通経路を構成する壁面に熱エネルギーとして放出または吸収される。放出された熱は音エネルギーの移送方向と逆方向、すなわち、スタック５の低温側から高温側へ移動する。この熱の移動により、スタック５の低温側から熱が奪われる。

スタック５の高温側端部では、接合層６を介してスタック５の高温側端部表面から高温側熱交換器３に向けて熱が移動する。高温側熱交換器３では、接合層６を介して受け取った熱を系外に効率的に排出する。このようにしてスタック５の高温側端部に移動した熱が高温側熱交換器３に速やかに移動することによって、スタック５の高温側端部の温度の極端な上昇が防止され、スタック５の低温側端部の温度が上昇することを抑制する。

またスタック５の低温側端部では、接合層６を介して低温側熱交換器４からスタック５の低温側端部に向けて熱が移動する。低温側熱交換器４は、冷却対象物から熱を奪い、冷却対象物を冷却するが、奪った熱が接合層６を介してスタック５の低温側端部に速やかに移動することから、冷却対象物を冷却し続けることができる。

本発明は、プロジェクター等の表示装置、半導体素子や高速演算装置、電動機や電熱装置などを冷却するための熱音響冷却装置として好適である。

１ ハウジング
２ 音エネルギー発生器
３ 高温側熱交換器
４ 低温側熱交換器
５ スタック
６ 接合層
１０ 熱音響装置
Ａ 流体

Claims (12)

1. ハウジングと、ハウジング内に配置され、音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するスタックと、スタック近傍に配置される熱交換器とを含み、スタックと熱交換器とが接合材料を介して接合されてなることを特徴とする熱音響装置。
2. 熱交換器として高温側熱交換器を備え、スタックの高温側端部表面と高温側熱交換器とが接合材料で接合されてなることを特徴とする請求項１に記載の熱音響装置。
3. 熱交換器として低温側熱交換器を備え、スタックの低温側端部表面と低温側熱交換器とが接合材料で接合されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱音響装置。
4. 熱交換器が、ハウジング外に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の熱音響装置。
5. さらに音エネルギー発生器を含み、音エネルギー発生器から発生させた音エネルギーを、スタックにて熱エネルギーに変換することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の熱音響装置。
6. スタックが、多数の細管が外套管内に固定されてなる形態であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の熱音響装置。
7. スタックを構成する細管及び／又は外套管が、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料からなることを特徴とする請求項６に記載の熱音響装置。
8. スタックを構成する細管及び／又は外套管が、ガラスからなることを特徴とする請求項６又は７に記載の熱音響装置。
9. 接合材料が、熱伝導率が０．１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の熱音響装置。
10. 接合材料が、樹脂系材料又はガラス系材料であることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の熱音響装置。
11. 接合材料が、金属粒子又はセラミック粒子をフィラーとして含むことを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の熱音響装置。
12. 表示装置の冷却に使用されることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の熱音響装置。