JP3746940B2 - 対流装置、対流式放熱装置及び対流式オーブン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱及び密度の一様な分布を要するシステムに用いられる音響対流装置に関し、特に、電子及び電気機器等内の発熱要素を冷却させる対流式放熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子装置の複雑化及び高集積化に伴い、そのような電子装置に用いられる冷却装置の性能を向上させるため、去る数十年間に亘って多くの研究開発がなされてきた。コンピュータ又は通信機器のように多数の発熱要素を組み込んだ電子装置から発生する熱を効率的に放熱させるためには、該発熱要素からの熱を周囲の冷却媒体へ移熱させなければならない。しかしながら、電子装置が段々小型化されることに伴い、冷却媒体の流路が非常に狭くなり、冷却媒体の流速が遅くなる。また、そのような狭い流路では渦のない層流のみが存在する。この層流の存在のため、冷却媒体の混合が余り行われず、発熱要素から冷却媒体への対流による熱伝達が効率的に行われなかった。
【０００３】
上記の問題点を克服するため多様な方法が行われてきた。その中の一つは強制対流方法である。この方法は冷却ファン又はポンプを用いて冷却媒体の流速を増加させる。電子要素からの発熱量が増加すれば、それに伴い高出力の冷却ファン又はポンプを用いて空気流量を増加させなければならない。しかしながら、このような強制対流式冷却システムは電力消費が大きいのみならず、騒音を齎す欠点がある。また、超小型の電子装置内で冷却ファン又はポンプを利用することはスペースの制約があって容易ではない。
【０００４】
他の方法として、乱流促進物質を加えて層流の流体を乱流のものに遷移させることによって冷却媒体の混合を増進させる方法がある。しかし、これらの方法は騒音が発生し信頼度が低いという不都合がある。また、冷却分野の機器で用いられるファンは、槽、炉、乾燥機又は冷蔵庫のような熱系における流体混合の向上の目的で採用されている。このような冷却ファンによって発生される気流により、温度又は密度の分布がある程度一様化することになる。しかしながら、気流の不一様化が発生すると言うことは、そのようなシステムは効率が低いという不都合があることを意味する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、加熱及び密度の一様な分布を要する空間内で発生する流体、例えば気流の不一様性の一様化を促進し、該空間内の全体システムの効率を向上させる対流装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、小型軽量電子装置から発生する熱を効率的に放熱させる対流式放熱装置を提供することにある。
【０００７】
本発明のある観点によれば、システム内の流体媒体に対して対流を発生させる対流装置であって、駆動信号を出力するドライバと、上記駆動信号に応じて上記システムの内部に音波を発生させるバイブレータとを備え、上記ドライバは、所定の周波数の駆動信号、または上記流動媒体の流動の固有周波数と同期する周波数を有する駆動信号を出力すること、を特徴とする対流装置が提供される。上記対流装置は、音波によってシステム内の流体媒体に対流を発生させることができる。上記音波は、上記流動媒体の流動の固有周波数と同期する周波数を有する駆動信号に応じて発生される。あるいは、所定の周波数を有する駆動信号に応じて発生されるようにすることもできる。このような対流装置は、従来の放熱装置の如く冷却媒体の流速を増加させたり冷却媒体を従来の技術が用いた他の物質に代替することなく、冷却媒体の流動に固有に存在する流体力学的不安定性を用いてシステム内の流体媒体に対流を発生させる。また、上記対流装置では、冷却媒体の流動固有周波数に同調する信号を発生するドライバによって駆動される音響バイブレータが、電子装置内に音波を供給して冷却媒体の混合を活発に促進させることによって、電子装置の放熱をより一層向上させることができる。
【０００８】
本発明の別の観点によれば、少なくとも一つの発熱要素を有するシステム内の冷却を促進する対流装置において、所定の周波数の駆動信号を出力するドライバと、上記駆動信号に応じて上記システムの内部に音波を発生させるバイブレータと、上記発熱要素から発生された熱を上記音波によって外部に放熱するように少なくとも一つの放熱口が設けられたケーシングとを含み、前記所定の周波数は、前記システムの内部の形状または大きさのうち少なくとも一つによって決定されることを特徴とする対流装置が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施例について、図面を参照しながらより詳しく説明する。
【００１０】
図１は、本発明による音響対流装置の正面とその側面及びドライバのブロック図とを示す図である。本発明の音響対流装置は信号発生器１及び増幅器２を有するドライバ３と、バイブレータ４とを含む。好ましくは、信号発生器１及び増幅器２は一体化された電子回路として設計される。バイブレータ４は耐熱性材料ででき、音圧信号を容易に発生し得る音響スピーカを用いて具現可能である。対案として、バイブレータ４はモータにより周期的に振動する薄膜又はピストンを用いても具現可能である。
【００１１】
信号発生器１は、正弦波、のこぎり波、矩形波のような時間周期的電気信号を発生する。こうして発生された信号は増幅器２にて電流及び電圧に対して増幅が行われる。増幅された信号はバイブレータ４が時間周期的音波を発生するようにする駆動信号としてバイブレータ４へ伝達される。ユーザが対流装置のスイッチ(図示せず)をオン状態にすれば、駆動信号はドライバ３から発生されバイブレータ４へ供給される。バイブレータ４はドライバ３から受け取った駆動信号に応じて音波を発生し、音響対流を起こして、音響対流装置が取り付けられている空間内における加熱及び密度の分布を一様化する。
【００１２】
信号発生器１において、時間周期的信号の周波数は、図４及び図５を参照して詳記される二つの方法によって決定され得る。要するに、時間周期的信号の周波数は対流装置を稼動する前に固定されるか、稼動中の実時間に修正され得る。
【００１３】
図２には、本発明の音響対流装置が取り付けられる対流式オーブンの正面及び側面が示されている。この対流式オーブンは通常のガスオーブン又は電気オーブンに対流装置を取り付けて構成される。このような対流装置はオーブン内の空気を循環させることによってオーブンの効率を高める。
【００１４】
音響バイブレータ５はオーブンの内壁のほぼ中央に装着され、オーブン９の内部に音波を供給することができる。ドライバ７はオーブン９上部の制御板に設けられる。対流式オーブン９上のスイッチ６をオン状態にすれば、ドライバ７は駆動信号を発生して音響バイブレータ５へ供給する。音響バイブレータ５は駆動信号に応じて音波をオーブン９の内部へ供給することによってオーブン内部の加熱分布を一様にする。
【００１５】
図３は、本発明による音響対流装置のテスト結果を示したグラフであって、詳記すると、本発明の音響対流装置が取り付けられた対流式オーブンの上下部における温度変化を時間に従って測定したグラフである。音響対流装置を作動させる前に、対流式オーブンの上下部における温度差は約２５℃であった。音響対流装置をオン状態にし、約５分経過した後約１分以内での温度差は１℃未満に減少される。２０分後、音響対流装置をオフ状態にすれば、オーブン上下部の温度差は初期値に戻してオーブン９内の空気は層化した温度分布を呈する。
【００１６】
このように、本発明の音響対流装置はオーブン内における加熱や密度の分布の一様化を促進することによって、オーブンの効率を高め、使用中のシステムのエネルギー消費をより一層減らすことができる。このような音響対流装置は冷蔵庫、冷凍機、乾燥機、溶鉱炉などの効率を高めるにも適用することができる。また、本発明の音響対流装置は空調区域内の送風分布を向上させるにも用いられ得る。
【００１７】
前述した本発明の音響対流装置は電子装置を冷却させるのに使用することもできる。この音響対流装置は電子装置内の発熱要素に対して冷却媒体の対流を増加させることによって良好な冷却、即ち、放熱効果を提供する。図４は、電子装置に用いられる対流式放熱装置１０の一実施例を示すもので、駆動信号の周波数は電子装置の固有周波数に従って決定される。
【００１８】
図４において、電子装置はケース１７内に組み込まれ、そのケース内にはコンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ）のような発熱する要素１８を有する。放熱口１９はケース１７の側壁に設けられ、この放熱口１９を通じてケース１７内の空気を外部に排出することができる。
【００１９】
対流式放熱装置１０はケース１７内の冷却媒体からの下記の「流動信号」を受け取る信号検出器１１と、駆動信号を発生するドライバ２０と、この駆動信号に応じて音波を発生しケース１７内部へ供給する音響バイブレータ１６とを含む。家庭向け電子装置における冷却媒体は典型的に気体である。
【００２０】
信号検出器１１は発熱要素１８に近く位置して「流動信号」、即ち、ケース１７内の冷却媒体の流れによって求められる信号を受け取る。この信号検出器１１は、流度、温度、圧力及び密度の変化が測定できる少なくとも一つのセンサを有し得る。
【００２１】
信号検出器１１によって検出された流動信号はドライバ２０に供給される。このドライバ２０は、入力された流動信号を分析してその固有周波数を検出する周波数検出器１２、該周波数検出器１２にて検出された固有周波数を示す周波数信号を供給する周波数同期化器１３、この周波数信号に応じて駆動信号を発生する信号発生器１４、及び駆動信号を増幅する増幅器１５から成る。
【００２２】
詳記すると、周波数検出器１２は信号検出器１１にて検出された流動信号を受け取って、高速フーリエ変換(ＦＦＴ)を用いて該流動信号の周波数成分を分析し、分析した流動信号の周波数成分のうちで主周波数、即ち、流体の固有周波数を検出する。
【００２３】
周波数検出器１２にて検出された固有周波数は周波数同期化器１３へ供給される。周波数同期化器１３は該固有周波数を表す周波数信号を信号発生器１４へ供給する。この周波数信号は信号発生器１４への入力として適合した信号であれば何れのフォーマットでもよい。
【００２４】
信号発生器１４は前述したように、周波数同期化器１３からの周波数信号に応じて駆動信号を発生する。この駆動信号は正弦波、のこぎり波又は矩形波のような固有周波数を有する信号であり得、好ましくは、対流式放熱装置１０から発生される騒音を最小化するために正弦波が使用される。その後、駆動信号は増幅器１５にて増幅され音響バイブレータ１６へ供給される。
【００２５】
音響バイブレータ１６は増幅された駆動信号に応じて、流体の固有周波数を有する音波を発生する。この音響バイブレータ１６は音波発生の容易な音響スピーカを用いて具現できる。対案として、モータと結合されたピストン、カム、薄膜(振動膜)、フラップなどを用いて音波を発生することができる。このような音波によって、ケース１７内の流体で共鳴が発生し、発熱要素１８からの熱は放熱口１９を通じて外部に放散される。音響バイブレータ１６は音波をケース１７の内部に供給し得る壁なら、何れの所に取り付けてもよい。また、小型の音響バイブレータを発熱要素１８寄りに設けてもよい。
【００２６】
図５は、本発明の他の実施例によって対流装置を採用する対流式放熱装置を示すことで、流体の固有周波数が時間に従って大きく変化しない電子装置に用いられる。図５の対流式放熱装置３０は信号発生器２１、増幅器２２及び音響バイブレータ２３を有する。電子装置からの発熱が時間変化に従って大きくない場合、流体の固有周波数も大きく変化しない。この場合、固有周波数は実時間に動的変化させなく予め定められた値に設定され得る。対流式放熱装置３０において、信号発生器２１は予め定められた周波数を有する駆動信号を発生するように予め設定されている。
【００２７】
従って、図５の冷却装置３０は、図４の対流式放熱装置１０に組み込まれて固有周波数を決定して信号発生器１４に供給する信号検出器１１、周波数検出器１２及び周波数同期化器１３を備えない。信号発生器２１からの駆動信号は前述したように、増幅器２２を経て音響バイブレータ２３へ伝達される。音響バイブレータ２３は電子装置のケース２４の内部へ音波を発生する。その後、図４に示した対流式放熱装置１０と同様に、ケース２４内部で共鳴が発生することによって、発熱要素２５からの熱は放熱口２６を通じて外部へ放散される。
【００２８】
対流式放熱装置１０又は３０において、流体の固有周波数は数百Hz未満であって、電気器具の機械的な共振周波数より非常に低い。従って、そのような音波を使用しても電子装置の構造的な安定性に有害しない。さらに、冷却媒体の移動を促進させるためにファンを使用した従来の冷却装置に比べて、本発明の対流式放熱装置は騒音がより一層少なく、装置の小型化が可能になる。
【００２９】
本発明による装置の性能をテストするために、発熱要素及び本発明の対流式放熱装置を有する電子装置に対して実験を行った。図６〜図１１は各々、多様な周波数及び振幅を有する音波が対流式放熱装置によって発熱要素に適用されるとき、該発熱要素の温度変化を示したグラフである。
【００３０】
まず、図６、図７及び図８は、振動周波数が各々２０Hz、５０Hz及び１００Hzである音波を適用して励振した場合、発熱要素の温度変化を示したグラフである。詳記すると、図６では、発熱要素の初期温度が約８８℃であり、２０Hzの振動周波数の下で音波を１０分間適用して励振させた場合、発熱要素の温度は約１０℃減少したことが分かる。図７では、５０Hzの振動周波数の下で音波を１０分間適用して励振させた場合、発熱要素の温度は約７０℃以下に減少したことが分かる。図６及び図７に示したように、励振中止の際、発熱要素の温度は元の温度に戻ることが分かる。図８では、１００Hzの振動周波数の下で音波を適用した場合、発熱要素の温度変化は殆どないことが分かる。図６〜図８から分かるように、流体に共鳴を誘発させ発熱要素を最適に冷却させる最適周波数が存在する。
【００３１】
図９は、音波の周波数と発熱要素の温度変化率との間の関係を表すグラフである。図９に示したように、音波の周波数が５０Hz寄りであるとき、発熱要素の温度は最大１２％まで減少することがわかる。
【００３２】
また、駆動信号の振幅変化による発熱要素の温度変化を調べるために、音響バイブレータに供給される駆動信号の振幅を変化させながら、対流式放熱装置を５０Hzの固定振動周波数の下で稼動した。その結果、発熱要素の温度は図１０に示したように変化し、振幅１６Ｖ寄りで発熱要素の温度は最大に減少したことが分かる。
【００３３】
図１１は、駆動信号の周波数及び振幅の変化に対する温度変化率の分布を示した模式図である。最適の温度変化を得るのに必要な周波数及び振幅は、例えば、大きさ、形状等の各電子装置の特性によって左右される。
【００３４】
上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【００３５】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、本発明の対流式放熱装置は相当に小さい内部空間を有するポータブルコンピュータや通信機器内に組み込むことができる。また、本発明の対流式放熱装置は振動周波数の調整によって冷却性能を容易に最適化することができる。更に、多数の発熱要素を組み込む電子装置を有効に冷却させるためには多数の冷却ファンが必要であるが、本発明によれば、一つの対流式放熱装置を用いて電子装置を十分に冷却させることができる。従って、本発明の対流式放熱装置は小型軽量で、且つ低騒音であり、冷却の性能をより一層向上させることができる。
【００３６】
さらに、本発明の対流式放熱装置は、電力変換装置及び原子炉のように冷却性能が全システムの動作及び安全性に重大な影響を及ぶ機器にも適用することができる。また、本発明の対流式放熱装置は、化学工程、冷蔵システムや空調システム及び建物冷暖房向け放熱システムにおける熱交換機にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による音響対流装置の正面図とそのブロック図である。
【図２】本発明の音響対流装置が取り付けられる対流式オーブンの正面及び側面を示す図である。
【図３】図２の対流式オーブンの上下部における温度変化を示したグラフである。
【図４】本発明の一実施例によって、電子装置に用いられる対流式放熱装置のブロック図である。
【図５】本発明の他の実施例によって、流体の固有周波数が時間に従って大きく変化しない電子装置に用いられる対流式放熱装置のブロック図である。
【図６】振動周波数２０Hzの音波を適用したとき、発熱要素の温度変化を示すグラフ図である。
【図７】振動周波数５０Hzの音波を適用したとき、発熱要素の温度変化を示すグラフ図である。
【図８】振動周波数１００Hzの音波を適用したとき、発熱要素の温度変化を示すグラフ図である。
【図９】音波の周波数とそれに応じる発熱要素の温度変化率との間の関係を表すグラフである。
【図１０】駆動信号の振幅とそれに応じる発熱要素の温度変化率との間の関係を表すグラフである。
【図１１】駆動信号の周波数及び振幅の変化に対する温度変化率の分布を示した模式図である。
【符号の説明】
１、１４、２１ 信号発生器
２、１５、２２ 増幅器
３、７、２０ ドライバ
４、５、１６、２３ 音響バイブレータ
６ スイッチ
９ オーブン
１０、３０ 対流式放熱装置
１１ 信号検出器
１２ 周波数検出器
１３ 周波数同期化器
１７ ケース
１８、２５ 発熱要素
１９、２６ 放熱口

Claims (10)

1. システム内の流体媒体に対して対流を発生させる対流装置であって、
   前記流体媒体の流動の固有周波数と同期する周波数を有する駆動信号を出力するドライバと、
   前記駆動信号に応じて前記システムの内部に音波を発生させるバイブレータと、
   を備えることを特徴とする対流装置。
2. 前記ドライバは、駆動信号を生成する信号発生器と、前記駆動信号を増幅する増幅器とを含むことを特徴とする請求項１に記載の対流装置。
3. 前記信号発生器及び前記増幅器は、一体化されて単一の小型電子回路内に組み込まれることを特徴とする請求項２に記載の対流装置。
4. 前記駆動信号は、正弦波、三角波、のこぎり波または矩形波の時間周期的信号であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の対流装置。
5. 前記流体媒体の流速、温度、圧力又は密度を感知する少なくとも一つのセンサを含んで前記流体媒体の流動信号を検出する信号検出器を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の対流装置。
6. 前記ドライバは、前記信号検出器からの流動信号に基づいて前記流体媒体の流動の固有周波数を検出する周波数検出器と、前記検出された固有周波数を表す周波数信号を上記信号発生器に供給する周波数同期化器とを更に含むことを特徴とする請求項５に記載の対流装置。
7. 前記システムは、少なくとも一つの発熱要素が冷却媒体を内部に有するケースに組み込まれる電子装置であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の対流装置。
8. 前記バイブレータは、前記発熱要素の近傍に設けられることを特徴とする請求項７に記載の対流装置。
9. 請求項７又は８のいずれかに記載の対流装置を備えたことを特徴とする対流式放熱装置。
10. 前記バイブレータは、耐熱性を有し、薄膜、ピストンまたは音響スピーカのいずれかを備えることを特徴とする請求項１に記載の対流装置。

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