JP5761455B2

JP5761455B2 - 冷却装置、加熱冷却装置

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Publication number: JP5761455B2
Application number: JP2014514435A
Authority: JP
Inventors: 神谷　岳; 岳神谷; 平田　篤彦; 篤彦平田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
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Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2015-08-12
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Description

この発明は、被冷却体に送風して被冷却体を冷却する冷却装置、及び当該冷却装置を備える加熱冷却装置に関する。

特許文献１において、ＣＰＵ等の被冷却体に送風して被冷却体を冷却する圧電マイクロブロアが開示されている。

図１２は、特許文献１の圧電マイクロブロアの主要部の断面図である。図１２の（ａ）は、圧電マイクロブロアの初期状態（電圧を印加していないとき）を示している。図１２の（ｂ）〜（ｅ）は、図１２の（ａ）に示すダイヤフラム２を１次共振モードで屈曲変形させた場合の圧電マイクロブロアのブロア動作を示している。図１２の（ｂ）〜（ｅ）中の矢印は空気の流れを示している。

この圧電マイクロブロアは、図１２の（ａ）に示すように、ブロア本体１と、外周部がブロア本体１に対して固定されたダイヤフラム２と、ダイヤフラム２の背面中央部に貼り付けられた圧電素子３と、を備えている。ブロア本体１の第１壁部１ａとダイヤフラム２との間にはブロア室４が形成されており、ダイヤフラム２の中心部と対向する第１壁部１ａの領域には、ブロア室４に連通する第１開口部５ａが形成されている。

ブロア本体１には、第１壁部１ａと間隔をあけて第２壁部１ｂが設けられ、第１開口部５ａと対向する第２壁部１ｂの領域には、ブロア室４に連通する第２開口部５ｂが形成されている。第１壁部１ａと第２壁部１ｂとの間には、第１開口部５ａ及び第２開口部５ｂに連通する流入通路７が形成されている。

以上の構成において、圧電素子３に駆動電圧が印加されると、図１２の（ｂ）〜（ｅ）に示すように、ダイヤフラム２が圧電素子３の伸縮により屈曲変形して、ブロア室４の容積が周期的に変化する。

まず、図１２の（ｂ）に示すように、圧電素子３に駆動電圧が印加され、ダイヤフラム２が圧電素子３側へ屈曲すると、ブロア室４の容積が増大する。これに伴い、流入通路７の空気の一部が第１開口部５ａを介してブロア室４内に吸い込まれる。

次に、図１２の（ｃ）（ｄ）に示すように、圧電素子３に駆動電圧が印加され、ダイヤフラム２がブロア室４側へ屈曲すると、ブロア室４の容積が減少する。これに伴い、ブロア室４内の空気が第１開口部５ａを介して第２開口部５ｂから吐出する。

この時、ブロア室４から吐出される気流が、ブロア本体１の外部に存在する空気を、流入通路７を介して引き込みながら第２開口部５ｂから吐出する。その後、ダイヤフラム２は、図１２の（ｅ）に示す状態を経て図１２の（ｂ）に示す状態に戻る。

特許文献１の圧電マイクロブロアでは、第２開口部５ｂをＣＰＵ等の被冷却体に向けることで、ブロア本体１の外部から吸い込んだ空気を被冷却体に対して吐出し、被冷却体を冷却している。

国際公開第２００８／０６９２６６号パンフレット

しかしながら、前記特許文献１の圧電マイクロブロアでは、被冷却体に対して吐出する空気の温度がブロア本体１の外部の空気の温度（以下、「環境温度」と称する。）と同じであるため、環境温度より低い温度に被冷却体を冷却することができない。

また、前記特許文献１の圧電マイクロブロアは小型であるため、ブロア本体１の外部から吸い込むことのできる空気の流量が少ない。そのため、吐出流量が小さく、被冷却体を冷却するために長時間を要する。

したがって、前記特許文献１の圧電マイクロブロアには、被冷却体を環境温度以下に速やかに冷却することができないという問題がある。

本発明の目的は、被冷却体を環境温度より低い温度に速やかに冷却することができる小型の冷却装置、及び当該冷却装置を備える加熱冷却装置を提供することにある。

本発明の冷却装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。

（１）吸引孔および吐出孔を有するポンプと、
気体を収納するタンクと、
前記ポンプの前記吐出孔に接続された第１通気孔と、前記タンクに接続された第２通気孔と、前記タンク内の前記気体を被冷却体に向けて排出するための排気孔とを有するバルブと、を備え、
前記バルブは、前記第１通気孔と前記第２通気孔とを連通させるとともに前記第２通気孔と前記排気孔との通気を遮断する第１連通状態と、前記第１通気孔と前記第２通気孔との通気を遮断するとともに前記第２通気孔と前記排気孔とを連通させる第２連通状態とを切り替える。

この構成において、タンクは耐圧容器である。

この構成では、バルブが第１連通状態のとき、ポンプが駆動すると、冷却装置の外部の気体がポンプの吐出孔から第１通気孔と第２通気孔を経由してタンクへ送出される。タンクへの気体の送出が継続されると、タンク内の気体が圧縮され、徐々にタンク内の気体の圧力が高まる。同時に、タンク内の気体の温度も徐々に上昇する。

ただし、気体の熱がタンクへ伝導するため、上昇した気体の温度は、時間の経過とともに下がり、タンク外部の温度（環境温度）に近づいていく。

次に、バルブが第１連通状態から第２連通状態に切り替わると、第２通気孔と排気孔とが連通するため、タンク内の圧縮された気体が大気開放されて断熱膨張し、気体の温度が環境温度より低下する。

そして、環境温度より低い温度の気体が、第２通気孔を経由して排気孔から急速に排出される。よって、環境温度より低い温度の大流量の気体が瞬間的に、排気孔から被冷却体に向けて排出される。

従って、この構成によれば、小型でありながら、被冷却体を環境温度より低い温度に速やかに冷却することができる。

（２）前記バルブは、前記第１通気孔、前記第２通気孔、及び前記排気孔が形成された弁筐体と、前記弁筐体内を分割して、前記第１通気孔に連通する第１領域および前記第２通気孔に連通する第２領域を前記弁筐体内に構成するダイヤフラムとを有し、
前記ダイヤフラムは、
前記第１領域の圧力が前記第２領域の圧力よりも高い場合、前記第１通気孔と前記第２通気孔とを連通させるとともに、前記第２通気孔と前記排気孔との通気を遮断し、
前記第１領域の圧力が前記第２領域の圧力よりも低い場合、前記第１通気孔と前記第２通気孔との通気を遮断するとともに、前記第２通気孔と前記排気孔とを連通させるよう、前記弁筐体に固定されている。

この構成においてポンプが駆動を行うと、気体は、ポンプの吐出孔から第１通気孔を介して弁筐体内の第１領域に流入する。これにより弁筐体内では、第１領域の圧力が第２領域の圧力よりも高くなり、第１通気孔と第２通気孔とが連通するとともに、第２通気孔と排気孔との通気が遮断される。

この結果、気体がポンプから第１通気孔と第２通気孔とを経由してタンクへ送出される。タンクへ気体の送出を続けると気体が圧縮され、徐々に気体の圧力が高まる。同時に、タンク内の気体の温度が上昇する。ただし、気体の熱がタンクへ伝導するため、上昇した気体の温度は、時間の経過とともに下がり、タンク外部の温度（環境温度）に近づいていく。

次に、ポンプが駆動を停止すると、ポンプ室と第１領域との体積はタンクの収容できる気体の体積に比べて極めて小さいため、ポンプ室と第１領域とに存在する気体は、ポンプの吐出孔を経由してポンプの吸引孔からポンプの外部へ速やかに排出される。

この結果、弁筐体内では、ポンプが駆動を停止すると、第１領域の圧力が第２領域の圧力より低下する。第１領域の圧力が第２領域の圧力より低下すると、第１通気孔と第２通気孔との通気が遮断されるとともに、第２通気孔と排気孔とが連通する。

これにより、タンク内の圧縮された気体が大気開放されて断熱膨張し、気体の温度が環境温度より低下する。そして、環境温度より低い温度の気体が、第２通気孔を経由して排気孔から急速に排出される。よって、環境温度より低い温度の大流量の気体が瞬間的に、排気孔から被冷却体に向けて排出される。

（３）前記タンクには、ヒートシンクが取り付けられている。

この構成では、ポンプの駆動によりタンクに送出され、温度の上昇した気体の熱がタンクからヒートシンクに伝導し、放散される。この構成では、熱伝導性に優れたヒートシンクがタンクに取り付けられているため、タンク内の気体の温度が環境温度まで速やかに低下する。

（４）前記ダイヤフラムは、前記第１領域と前記第２領域との圧力差により前記第１通気孔と前記第２通気孔との連通を制御する逆止弁と、前記第１領域と前記第２領域との圧力差により前記第２通気孔と前記排気孔との連通を制御する排気弁と、を前記弁筐体とともに構成する。

この構成において、冷却装置は、逆止弁と、排気弁と、ポンプと、を備える。

そして、第１領域の圧力が第２領域の圧力よりも高い場合、逆止弁は、第１通気孔と第２通気孔とを連通させ、排気弁は、第２通気孔と排気孔との通気を遮断する。

反対に、第１領域の圧力が第２領域の圧力よりも低い場合、逆止弁は、第１通気孔と第２通気孔との通気を遮断し、排気弁は、第２通気孔と排気孔とを連通させる。

（５）前記ダイヤフラムは、一枚の可撓板から構成されている。

この構成では、ダイヤフラムを一枚の可撓板から構成するため、冷却装置の製造コストを低減できる。

また、本発明の加熱冷却装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。

（６）前記（１）〜（５）のいずれかに記載の冷却装置と、被加熱冷却体を加熱する加熱装置と、を備え、前記冷却装置の前記ポンプは、前記加熱装置が前記被加熱冷却体を加熱している間、駆動を行い、前記加熱装置が前記被加熱冷却体の加熱を完了した後、駆動を停止する。

この構成により、前記（１）〜（５）のいずれかの冷却装置を用いることで、当該冷却装置を備える加熱冷却装置にも同様の効果を奏する。

さらに、この構成では、加熱装置が被加熱冷却体を加熱している間に気体をタンクに充填し、加熱装置が被加熱冷却体の加熱を完了した後、被加熱冷却体に向けて気体を排出して冷却する。そのため、この構成によれば、加熱と冷却を速やかに行うことができる。

なお、この構成において、前記ポンプは、例えば、周縁部が実質的に拘束されていなくて、中心部から周縁部にかけて屈曲振動するアクチュエータと、前記アクチュエータに近接対向して配置される可撓板とを有し、前記可撓板のうち前記アクチュエータと対向するアクチュエータ対向領域に、１つまたは複数の通気孔が形成されたものを用いてもよい。

この構成によれば、小型・低背でありながら高い圧力と大きな流量が得られるポンプを使用するので、さらに小型・低背な冷却装置および加熱冷却装置を提供できる。

本発明によれば、小型でありながら、被冷却体を環境温度より低い温度に速やかに冷却できる冷却装置、及び当該冷却装置を備える加熱冷却装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る分析装置１０の主要部の構成を示すブロック図である。図１に示す冷却装置１００の主要部の断面図である。図１に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。図１に示す圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。図１に示す逆止弁１０２の主要部の断面図である。図１に示す排気弁１０３の主要部の断面図である。図１に示す制御部１１５が行う動作を示すフローチャートである。図１に示す圧電ポンプ１０１が駆動を行っているときの空気の流れを示す説明図である。図１に示す圧電ポンプ１０１が駆動を停止した直後の空気の流れを示す説明図である。図１に示す排気弁１０３の弁が開であるときの主要部の断面図である。本発明の第２の実施形態に係るエアブロア装置１１の主要部の構成を示すブロック図である。特許文献１の圧電マイクロブロアの主要部の断面図である。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態に係る分析装置１０について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る分析装置１０の主要部の構成を示すブロック図である。分析装置１０は、加熱装置１１３と、冷却装置１００と、制御部１１５と、を備える。分析装置１０は、例えばＤＮＡやＲＮＡなどの核酸の塩基配列を分析する装置である。

加熱装置１１３には、被検体１１２が不図示の搬送部によって載置されている。被検体１１２は、ＤＮＡを収納した容器である。ここで、一般的にＤＮＡの塩基配列の分析は、ＤＮＡを加熱により変性させた後に行われる。

冷却装置１００は、圧電ポンプ１０１と逆止弁１０２と排気弁１０３とエアタンク１０９とを備える。冷却装置１００は、加熱装置１１３上の被検体１１２に送風して被検体１１２を冷却する。

エアタンク１０９は空気を収納するタンクであり、エアタンク１０９の外側にはヒートシンク１１０が装着されている。エアタンク１０９とヒートシンク１１０とは、例えばアルミニウム等の、熱伝導性に優れた材料から構成されている。

制御部１１５は、例えばマイクロコンピュータで構成され、分析装置１０の各部の動作を制御する。制御部１１５は、圧電ポンプ１０１及び加熱装置１１３のそれぞれに接続されており、圧電ポンプ１０１及び加熱装置１１３のそれぞれに制御信号を送信する。さらに詳細には、制御部１１５は、商用の交流電源から交流の駆動電圧を生成して圧電ポンプ１０１に印加し、圧電ポンプ１０１を駆動する。

なお、分析装置１０が、本発明の「加熱冷却装置」に相当する。被検体１１２が、本発明の「被冷却体」に相当し、本発明の「被加熱冷却体」に相当する。また、逆止弁１０２が、本発明の「逆止弁」に相当し、排気弁１０３が、本発明の「排気弁」に相当する。そして、逆止弁１０２及び排気弁１０３の複合体が、本発明の「バルブ」に相当する。

以下、前記冷却装置１００の構造について詳述する。

図２は、図１に示す冷却装置１００の主要部の断面図である。冷却装置１００は、圧電ポンプ１０１と、基板１０７と、弁筐体１０５と、蓋体１０６と、をこの順に積層した構造を有する。

弁筐体１０５は、防塵フィルタ１０５Ａと逆止弁１０２と排気弁１０３とをダイヤフラム１０８とともに構成する。即ち、逆止弁１０２及び排気弁１０３は一体に形成されている。

蓋体１０６には、接続口１０６Ａが形成されている。エアタンク１０９の通気口１０９Ａが蓋体１０６の接続口１０６Ａに連通するよう位置合わせしてから、エアタンク１０９は、パッキンＰを介して蓋体１０６に接合させる。

基板１０７には、外気を吸引するための吸引口１０７Ａと、防塵フィルタ１０５Ａを通過した空気を圧電ポンプ１０１内へ流入させるための流入路１０７Ｂと、圧電ポンプ１０１から吐出された空気を弁筐体１０５内へ流出させるための流出路１０７Ｃと、エアタンク１０９の空気を排出するための排気口１０７Ｄと、が形成されている。

圧電ポンプ１０１の貫通孔９８及び吐出孔５５が基板１０７の流入路１０７Ｂ及び流出路１０７Ｃに連通するよう位置合わせしてから、圧電ポンプ１０１は、パッキンＰを介して基板１０７に接合される。

ダイヤフラム１０８の材質は、例えばエチレンプロピレンゴムまたはシリコーンゴム等の弾性部材である。ダイヤフラム１０８は、例えばダイヤフラムシートのような一枚の可撓板から構成されている。そのため、冷却装置１００の製造コストを低減できる。

ここで、前記冷却装置１００に備えられる圧電ポンプ１０１と逆止弁１０２と排気弁１０３との構造について詳述する。まず、図２、図３、図４を用いて圧電ポンプ１０１の構造について詳述する。

図３は、図１に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図であり、図４は、同圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。圧電ポンプ１０１は、基板９１、可撓板５１、スペーサ５３Ａ、補強板４３、振動板ユニット６０、圧電素子４２、スペーサ５３Ｂ、電極導通用板７０、スペーサ５３Ｃ及び蓋板５４を備え、それらを順に積層した構造を有している。

円板状の振動板４１の上面には圧電素子４２が接着固定され、振動板４１の下面には補強板４３が貼着されて、振動板４１と圧電素子４２と補強板４３とによって円板状の圧電アクチュエータ４０が構成される。圧電素子４２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。

振動板４１は圧電素子４２および補強板４３よりも線膨張係数の大きな金属板であるので、接着時に加熱硬化をさせたとしても、全体が反ることなく、圧電素子４２に適切な圧縮応力を残留させることができ、圧電素子４２の割れを防止できる。例えば、振動板４１をリン青銅（Ｃ５２１０）やステンレススチールＳＵＳ３０１など線膨張係数の大きな材料とし、補強板４３を４２ニッケルまたは３６ニッケルまたはステンレススチールＳＵＳ４３０などとするのがよい。

なお、振動板４１、圧電素子４２、補強板４３については、上から圧電素子４２、補強板４３、振動板４１の順に配置してもよい。この場合も圧電素子４２に適切な圧縮応力が残留するように、補強板４３、振動板４１の材質を逆にすることで線膨張係数が調整されている。

振動板４１の周囲には枠板６１が設けられていて、振動板４１は枠板６１に対して連結部６２で連結されている。連結部６２は例えば細いリング状に形成されており、小さなバネ定数の弾性をもたせて弾性構造としている。

したがって振動板４１は二つの連結部６２で枠板６１に対して２点で柔軟に支持されている。そのため、振動板４１の屈曲振動を殆ど妨げない。すなわち、圧電アクチュエータ４０の周縁部が（勿論中心部も）実質的に拘束されていない状態となっている。

なお、スペーサ５３Ａは可撓板５１と一定の隙間をあけて圧電アクチュエータ４０を保持するために設けられる。枠板６１には電気的に接続するための外部端子６３が形成されている。

振動板４１、枠板６１、連結部６２及び外部端子６３は金属板の打ち抜き加工により成形されていて、これらによって振動板ユニット６０が構成されている。

枠板６１の上面には、樹脂製のスペーサ５３Ｂが接着固定されている。スペーサ５３Ｂの厚みは圧電素子４２と同じか少し厚く、スペーサ５３Ｂは、ポンプ筺体８０の一部を構成するとともに、次に述べる電極導通用板７０と振動板ユニット６０とを電気的に絶縁する。

スペーサ５３Ｂの上には、金属製の電極導通用板７０が接着固定されている。電極導通用板７０は、ほぼ円形に開口した枠部位７１と、この開口内に突出する内部端子７３と、外部へ突出する外部端子７２とで構成されている。

内部端子７３の先端は圧電素子４２の表面にはんだ付けされる。はんだ付け位置を圧電アクチュエータ４０の屈曲振動の節に相当する位置とすることにより内部端子７３の振動は抑制できる。

電極導通用板７０の上には、樹脂製のスペーサ５３Ｃが接着固定される。スペーサ５３Ｃはここでは圧電素子４２と同程度の厚さを有する。スペーサ５３Ｃは、圧電アクチュエータ４０が振動したときに、内部端子７３のはんだ部分が、蓋板５４に接触しないようにするためのスペーサである。また、圧電素子４２表面が蓋板５４に過度に接近して、空気抵抗により振動振幅の低下するのを防止する。そのため、スペーサ５３Ｃの厚さは、前述の通り、圧電素子４２と同程度の厚さであればよい。

蓋板５４には吐出孔５５が形成されている。蓋板５４は、スペーサ５３Ｃの上部に被せられ、圧電アクチュエータ４０の周囲を覆う。

一方、可撓板５１の中心には吸引孔５２が形成されている。この可撓板５１と振動板ユニット６０との間に、補強板４３の厚みへ数１０μｍ程度加えたスペーサ５３Ａが挿入されている。このように、スペーサ５３Ａが存在しても、振動板４１は枠板６１に拘束されているわけではないので、吐出孔５５に付与される圧力（負荷）の変動に応じて間隙は自動的に変化する。

但し、振動板４１は連結部６２（バネ端子）の拘束の影響を多少は受けるので、このようにスペーサ５３Ａを挿入することで、低負荷のときには積極的に隙間を確保して流量を増大することができる。また、スペーサ５３Ａを挿入した場合でも、高負荷のときには連結部６２（バネ端子）がたわんで、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との対向領域の隙間が自動的に減少し、高い圧力で動作することが可能である。

なお、図３に示した例では、連結部６２を二箇所に設けたが、三箇所以上に設けてもよい。連結部６２は圧電アクチュエータ４０の振動を妨げるものではないが、振動に多少の影響を与えるため、例えば三箇所で連結（保持）することにより、より自然な保持が可能となり、圧電素子４２の割れを防止することもできる。

可撓板５１の下部には、中心に平面視して円柱形の開口部９２が形成された基板９１が設けられている。可撓板５１における開口部９２を覆う部分は、圧電アクチュエータ４０の振動に伴う圧力変動により、圧電アクチュエータ４０と実質的に同一周波数で振動することができる。この可撓板５１と基板９１との構成により、可撓板５１における開口部９２を覆う部分は、屈曲振動可能な可動部となり、可撓板５１における可動部より外側の部分は基板９１に拘束された固定部となる。可動部は、可撓板５１におけるアクチュエータ４０に対向する領域の中心を含む。この円形の可動部の固有振動数は、圧電アクチュエータ４０の駆動周波数と同一か、やや低い周波数になるように設計している。

従って、外部端子６３，７２に交流の駆動電圧が制御部１１５により印加されると、圧電アクチュエータ４０が同心円状に屈曲振動し、圧電アクチュエータ４０の振動に呼応して、吸引孔５２を中心とした可撓板５１の可動部も大きな振幅で振動する。可撓板５１の振動位相が圧電アクチュエータ４０の振動位相よりも遅れた（例えば９０°遅れの）振動となれば、可撓板５１と圧電アクチュエータ４０との間の隙間空間の厚さ変動が実質的に増加する。そのことによってポンプの能力をより向上させることができる。

基板９１の下部には、図２に示すようにカバー板部９５が設けられている。カバー板部９５は、流路板９６及びカバー板９９を接合したものである。また、ポンプ筺体８０には貫通孔９８が形成されている。これらにより、圧電ポンプ１０１は、流入路１０７Ｂと開口部９２とを連通させるＬ字状の連通路９７が形成された形状を有している。

次に、図２、図５を用いて逆止弁１０２の構造について詳述する。

図５は、図１に示す逆止弁１０２の主要部の断面図である。逆止弁１０２は、円筒状の第１弁筐体２１と円状の薄膜からなる第１ダイヤフラム１０８Ａとを有する。第１ダイヤフラム１０８Ａは、逆止弁１０２を構成するダイヤフラム１０８の一領域である。

第１弁筐体２１には、圧電ポンプ１０１の吐出孔５５に連通する第１連通孔２４と、エアタンク１０９に連通する第２連通孔２２と、第１ダイヤフラム１０８Ａ側へ突出した円柱状の突出部２０と、が形成されている。

第１ダイヤフラム１０８Ａには、図１、図５に示すように、突出部２０に対向する領域の中心部に円形の孔部２９が形成されている。第１ダイヤフラム１０８Ａは、突出部２０に接触して第１弁筐体２１に固定されている。孔部２９の直径は、第１ダイヤフラム１０８Ａに当接する突出部２０の面の直径よりも小さく形成されている。

これにより、第１ダイヤフラム１０８Ａは、第１弁筐体２１内を分割して、第１連通孔２４に連通するリング状の第１バルブ室２６と第２連通孔２２に連通する円柱状の第２バルブ室２３とを構成する。

突出部２０は、第１ダイヤフラム１０８Ａにおける孔部２９の周囲を与圧するよう第１弁筐体２１に形成されている。

以上の構造において逆止弁１０２は、第１バルブ室２６と第２バルブ室２３との圧力差によって、第１ダイヤフラム１０８Ａが突出部２０に対して接触または離間することで、弁を開閉する。

次に、図２、図６を用いて排気弁１０３の構造について詳述する。

図６は、図１に示す排気弁１０３の主要部の断面図である。排気弁１０３は、円筒状の第２弁筐体３１と円状の薄膜からなる第２ダイヤフラム１０８Ｂとを有する。第２ダイヤフラム１０８Ｂは、排気弁１０３を構成するダイヤフラム１０８の一領域である。

第２弁筐体３１には、冷却装置１００外部に連通する第３連通孔３２と、圧電ポンプ１０１の吐出孔５５及び第１連通孔２４に連通する第４連通孔３７と、エアタンク１０９及び第２連通孔２２に連通する第５連通孔３４と、第３連通孔３２の周縁から第２ダイヤフラム１０８Ｂ側へ突出した弁座３０と、が形成されている。

第２ダイヤフラム１０８Ｂは、弁座３０に接触して第２弁筐体３１に固定されている。

これにより、第２ダイヤフラム１０８Ｂは、第２弁筐体３１内を分割して、第５連通孔３４に連通するリング状の第３バルブ室３３と第４連通孔３７に連通する円柱状の第４バルブ室３６とを構成する。

以上の構造において排気弁１０３は、第３バルブ室３３と第４バルブ室３６との圧力差によって第２ダイヤフラム１０８Ｂが弁座３０に対して接触または離間することで、弁を開閉する。

なお、第１バルブ室２６及び第４バルブ室３６は、本発明の「第１領域」に相当し、第２バルブ室２３及び第３バルブ室３３は、本発明の「第２領域」に相当する。また、第１連通孔２４及び第４連通孔３７は、本発明の「第１通気孔」に相当する。第２連通孔２２及び第５連通孔３４は、本発明の「第２通気孔」に相当する。第３連通孔３２は、本発明の「排気孔」に相当する。

ここで、分析装置１０の動作について説明する。

図７は、図１に示す制御部１１５が行う動作を示すフローチャートである。図８は、図１に示す圧電ポンプ１０１が駆動を行っているときの空気の流れを示す説明図である。図９は、図１に示す圧電ポンプ１０１が駆動を停止した直後の空気の流れを示す説明図である。図８と図９中の矢印は空気の流れを示している。図１０は、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置１００に備えられる排気弁１０３の弁が開であるときの主要部の断面図である。

まず、制御部１１５は、ＤＮＡを収納した被検体１１２を加熱装置１１３により加熱する（図７：Ｓ１）。この加熱により、ＤＮＡは変性していく。

なお、ＤＮＡの塩基配列の分析は、前述したように、ＤＮＡを加熱により変性させた後に行われる。

次に、加熱装置１１３が被検体１１２を加熱している間、制御部１１５は、図８に示すように、圧電ポンプ１０１を駆動する（図７：Ｓ２）。これにより、外気が、吸引口１０７Ａから吸引され、防塵フィルタ１０５Ａ（図２参照）を介して圧電ポンプ１０１内のポンプ室４５に流入する。そして、圧電ポンプ１０１の吐出孔５５から吐出される空気は、逆止弁１０２に流入する。

逆止弁１０２では、圧電ポンプ１０１の駆動により第１連通孔２４から第２連通孔２２への順方向の吐出圧力が発生し、第１バルブ室２６の圧力が第２バルブ室２３の圧力より高くなる。これにより、第１ダイヤフラム１０８Ａが突出部２０から離間して第１連通孔２４と第２連通孔２２とが孔部２９を介して連通する。

また、排気弁１０３では、圧電ポンプ１０１の駆動により第４バルブ室３６が昇圧し、第４バルブ室３６の圧力が第３バルブ室３３の圧力より高くなる。これにより、第２ダイヤフラム１０８Ｂが弁座３０に当接して第３連通孔３２をシールし、第５連通孔３４及び第２連通孔２２と第３連通孔３２との通気を遮断する。

以上の結果、空気が圧電ポンプ１０１から逆止弁１０２の第１連通孔２４と孔部２９と第２連通孔２２を経由してエアタンク１０９へ送出される（図８参照）。エアタンク１０９への空気の送出が継続されると、エアタンク１０９内の空気が圧縮され、徐々にエアタンク１０９内の圧力（空気圧）が高まる。同時に、エアタンク１０９内の空気の温度も徐々に上昇する。

ただし、エアタンク１０９内の空気の熱がエアタンク１０９及びヒートシンク１１０へ伝導して放散するため、上昇した空気の温度は、時間の経過とともに下がり、外気の温度（環境温度）に近づいていく。この実施形態では、熱伝導性に優れたヒートシンク１１０がエアタンク１０９に取り付けられているため、エアタンク１０９内の空気の温度が環境温度まで速やかに低下する。

なお、第１ダイヤフラム１０８Ａは、第１ダイヤフラム１０８Ａの孔部２９の周囲が突出部２０に接触するよう第１弁筐体２１に固定されている。そして、この突出部２０は、第１ダイヤフラム１０８Ａにおける孔部２９の周囲を与圧している。

これにより、逆止弁１０２の第１連通孔２４を経由して孔部２９から流出する空気は、圧電ポンプ１０１の吐出圧力より若干低い圧力となって、孔部２９から第２バルブ室２３に流入する。一方、第１バルブ室２６には圧電ポンプ１０１の吐出圧力が加わる。

この結果、逆止弁１０２では、第１バルブ室２６の圧力が第２バルブ室２３の圧力より若干勝り、第１ダイヤフラム１０８Ａが突出部２０から離間して孔部２９を開放した状態が維持される。また、第１バルブ室２６と第２バルブ室２３との圧力差が小さいため、当該圧力差が極端に偏ることもなく、第１ダイヤフラム１０８Ａが破損するのを防ぐこともできる。

また、冷却装置１００は、逆止弁１０２の第２連通孔２２と排気弁１０３の第５連通孔３４とが連通した構造となっている。また、排気弁１０３は、第３連通孔３２を中心に第５連通孔３４を外周に形成した形状を有している。

これにより、逆止弁１０２の第１連通孔２４を経由して第２連通孔２２から流出する空気は、圧電ポンプ１０１の吐出圧力より若干低い圧力となって、第５連通孔３４から排気弁１０３の第３バルブ室３３に流入する。一方、第４バルブ室３６には圧電ポンプ１０１の吐出圧力が加わる。

この結果、排気弁１０３では第４バルブ室３６の圧力が第３バルブ室３３より若干勝り、排気弁１０３では第２ダイヤフラム１０８Ｂが第３連通孔３２をシールした状態が維持される。また、第４バルブ室３６と第３バルブ室３３との圧力差が小さいため、当該圧力差が極端に偏ることもなく、第２ダイヤフラム１０８Ｂが破損するのを防ぐこともできる。

次に、被検体１１２の温度が所定温度（例えば３５０Ｋ）に達すると（図７：Ｓ３）、制御部１１５は、加熱装置１１３による被検体１１２への加熱を停止する（図７：Ｓ４）。

次に、制御部１１５は、図９に示すように、圧電ポンプ１０１の駆動を停止する（図７：Ｓ５）。ここで、ポンプ室４５と第１バルブ室２６と第４バルブ室３６との体積は、エアタンク１０９の収容できる空気の体積に比べて極めて小さい。

そのため、圧電ポンプ１０１の駆動が停止すると、ポンプ室４５と第１バルブ室２６と第４バルブ室３６の空気は、圧電ポンプ１０１の吸引孔５２および開口部９２を経由して冷却装置１００の吸引口１０７Ａから冷却装置１００の外部へ速やかに排気される。また、第２バルブ室２３及び第３バルブ室３３には、エアタンク１０９の圧力が加わる。

この結果、逆止弁１０２では、圧電ポンプ１０１の駆動が停止すると、第１バルブ室２６の圧力が第２バルブ室２３の圧力より低下する。同様に、排気弁１０３では、圧電ポンプ１０１の駆動が停止すると、第４バルブ室３６の圧力が第３バルブ室３３の圧力より低下する。

逆止弁１０２では、第１バルブ室２６の圧力が第２バルブ室２３の圧力より低下すると、第１ダイヤフラム１０８Ａが突出部２０に当接して孔部２９をシールする。また、排気弁１０３では、第４バルブ室３６の圧力が第３バルブ室３３の圧力より低下すると、図１０に示すように第２ダイヤフラム１０８Ｂが弁座３０から離間して第５連通孔３４と第３連通孔３２とが連通する。

以上により、エアタンク１０９内の圧縮空気が大気開放されて断熱膨張し、空気の温度が環境温度より低下する。環境温度より低い温度の空気（例えば２４６Ｋ）は、第５連通孔３４及び第３連通孔３２を経由して排気口１０７Ｄから急速に排気される（図９参照）。よって、環境温度より低い温度の大流量の空気が瞬間的に、第５連通孔３４及び第３連通孔３２を経由して排気口１０７Ｄから被検体１１２に向けて排出される。

次に、制御部１１５は、被検体１１２に収納されている変性後のＤＮＡの塩基配列を分析装置１０で分析する（図７：Ｓ６）。

次に、制御部１１５は、分析の終了した被検体１１２を不図示の搬送部によって加熱装置１１３上から別の場所に移し、次の被検体１１２を不図示の搬送部によって加熱装置１１３上に載置する（図７：Ｓ７）。そして、制御部１１５は、Ｓ１に戻り処理を継続する。

なお、Ｓ７では、次の冷却のために圧電ポンプ１０１の駆動を開始しておくとよい。

ここで、大気圧１００ｋＰａ、環境温度３００Ｋの条件下で、体積１００ｃｃのエアタンク１０９と吐出圧力２００ｋＰａの圧電ポンプ１０１とを用いた具体例を示す。

まず、圧電ポンプ１０１が駆動を行うと、前述したように、空気が圧電ポンプ１０１から逆止弁１０２の第１連通孔２４と孔部２９と第２連通孔２２を経由してエアタンク１０９へ送出される。

圧電ポンプ１０１は、エアタンク１０９の体積１００ｃｃよりも多くの空気を順次送出するので、エアタンク１０９内の空気が徐々に圧縮される。このようにして空気が圧縮されることで、エアタンク１０９内の圧力は最終的に３００ｋＰａまで高まる。同時に、エアタンク１０９内の空気の温度も徐々に上昇する。

一方で、エアタンク１０９内の空気の熱はエアタンク１０９及びヒートシンク１１０へ伝導して放散するため、前述の上昇した空気の温度は、時間の経過とともに下がり、環境温度３００Ｋまで低下する。

次に、圧電ポンプ１０１が駆動を停止すると、前述したように、逆止弁１０２では第１ダイヤフラム１０８Ａが突出部２０に当接して孔部２９をシールし、排気弁１０３では第２ダイヤフラム１０８Ｂが開放して第５連通孔３４と第３連通孔３２とが連通する。

これにより、エアタンク１０９内の圧縮空気が大気開放されて断熱膨張し、空気の温度が環境温度より低下する。環境温度より低い温度の空気は、エアタンク１０９分の体積１００ｃｃを残して、第５連通孔３４及び第３連通孔３２を経由して排気口１０７Ｄから急速に排気される（図９参照）。

よって、環境温度より低い温度の大流量の空気が瞬間的に、第５連通孔３４及び第３連通孔３２を経由して排気口１０７Ｄから被検体１１２に向けて排出される。実験では、排気口１０７Ｄの直径が約０．５ｍｍであるとき、エアタンク１０９の圧力が約１．５秒で大気圧になることが明らかになった。

ここで、まず、空気の体積変化は、ポアソンの式と状態方程式から、大気開放される直前のエアタンク１０９内の空気の圧力をＰ_０、大気開放された後の当該空気の圧力をＰ_１、大気開放される直前のエアタンク１０９内の空気の体積をＶ_０、大気開放された後の当該空気の体積をＶ_１、としたとき、Ｖ_１＝Ｖ_０×（Ｐ_０／Ｐ_１）＾（１／１．４）の第１式で求められる。１．４は、比熱比の値である。

この具体例ではＰ_０＝３００ｋＰａ、Ｐ_１＝１００ｋＰａ、Ｖ_０＝１００ｃｃであるため、Ｖ_１は、この第１式より約１６４ｃｃである。そのため、排気口１０７Ｄから排出される空気の体積は、エアタンク１０９の体積１００ｃｃを減じて、約６４ｃｃとなる。この約６４ｃｃの空気が、約１．５秒で排出されるため、平均流量は約６．６Ｌ／ｍｉｎとなる。すなわち、大流量の空気が瞬間的に、排気口１０７Ｄから被検体１１２に向けて排出される。

また、空気は排気口１０７Ｄの直径０．５ｍｍから排出するため、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の極めて小さい被検体１１２に送風して冷却することができる。通常のファンモーターなどでは、空気の流量は大きいが、空気がファンの面積、例えば、４０ｍｍ×４０ｍｍなどの領域を流れる。そのため、ファンモーターから送出される空気を１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の被検体１１２に向けたとしても冷却に使用できる空気は極僅かであり、冷却効率が悪い。

次に、空気の温度変化は、ポアソンの式と状態方程式から、大気開放される直前のエアタンク１０９内の空気の圧力をＰ_０、大気開放された後の当該空気の圧力をＰ_１、大気開放される直前のエアタンク１０９内の空気の温度をＴ_０、大気開放された後の当該空気の温度をＴ_１、としたとき、Ｔ_１＝Ｔ_０×（Ｐ_０／Ｐ_１）＾｛（１−１．４）／１．４｝の第２式で求められる。１．４は、比熱比の値である。

この具体例ではＰ_０＝３００ｋＰａ、Ｐ_１＝１００ｋＰａ、Ｔ_０＝３００Ｋであるため、排気口１０７Ｄから排出される空気の温度Ｔ_１は、この第２式より約２４６Ｋである。

そのため、排気口１０７Ｄから排出される空気の温度は、環境温度（３００Ｋ）より低い。

よって、環境温度の外気よりも冷たい空気を被検体１１２に向けて排出することができる。そして、例えば被検体１１２の熱容量が小さい場合、被検体１１２を冷凍することも可能である。

なお、エアタンク１０９の容量や圧電ポンプ１０１の吐出圧力は、被検体１１２の熱容量や、被検体１１２の温度をどの温度まで下げるかによって定めると良い。

従って、この実施形態の冷却装置１００によれば、小型でありながら、被検体１１２を環境温度より低い温度に速やかに冷却することができる。また、逆止弁１０２と排気弁１０３は、圧電ポンプ１０１の動作に合わせてパッシブに開閉する構成であるため、製造コストを低減できる。

また、この実施形態の冷却装置１００を用いることで、当該冷却装置１００を備える分析装置１０にも同様の効果を奏する。

また、この実施形態の冷却装置１００によれば、圧電ポンプ１０１は内部に非常に狭い流路を有するため、エアタンク１０９に大きな異物を送出してしまう恐れがない。従ってエアタンク１０９にクリーンな空気を送出できる。また、圧電ポンプ１０１は駆動時に可聴域の騒音を生じないため、エアタンク１０９への空気の送出を静音に行うことができる。

また、この実施形態の冷却装置１００によれば、圧電ポンプ１０１はその構造上、直列多段接続することで高い圧力を実現できるという特徴がある。もちろん、急速充填が必要な場合には、並列接続してもよい。

また、この実施形態の冷却装置１００によれば、温室効果ガスや可燃性物質を使用せず、繰り返し使用することができる。

さらに、この実施形態の分析装置１０では、加熱装置１１３が被検体１１２を加熱している間に空気をエアタンク１０９に充填し、加熱装置１１３が被検体１１２の加熱を完了した後、被検体１１２に向けて空気を排出して冷却する。そのため、この実施形態の分析装置１０によれば、加熱と冷却を速やかに行うことができる。

《第２の実施形態》
以下、本発明の第２の実施形態に係るエアブロア装置１１について説明する。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係るエアブロア装置１１の主要部の構成を示すブロック図である。エアブロア装置１１は、冷却装置２００と、制御部２１５と、を備える。エアブロア装置１１は、例えばコールドスプレーとして用いられる。

冷却装置２００は、圧電ポンプ２０１と、逆止弁２０２と、排気弁２０３と、排気ノズル２０４と、エアタンク２０９と、を備える。冷却装置２００は、被検体（図示せず）に送風して被検体を冷却する。

エアタンク２０９は空気を収納する耐圧容器である。エアタンク２０９は、例えばアルミニウム等の、熱伝導性に優れた材料から構成されている。

なお、被検体が、本発明の「被冷却体」に相当する。また、逆止弁２０２が、本発明の「逆止弁」に相当し、排気弁２０３が、本発明の「排気弁」に相当する。そして、逆止弁２０２及び排気弁２０３の複合体が、本発明の「バルブ」に相当する。

以下、エアブロア装置１１の構成について詳述する。なお、圧電ポンプ２０１、逆止弁２０２、排気弁２０３、及びエアタンク２０９については、第１の実施形態の圧電ポンプ１０１、逆止弁１０２、排気弁１０３、及びエアタンク１０９と同じ構成のため記載を省略する。

排気ノズル２０４は、軸方向に長い円筒状であり、一端が排気口２０７Ｄに設けられている。

制御部２１５は、駆動回路２１６と、電源回路２１７と、電池２１８と、駆動スイッチ２１９と、を備える。制御部２１５は、圧電ポンプ２０１に電気的に接続されており、制御部２１５で生成された制御信号を送信することで圧電ポンプ２０１を駆動する。

詳述すると、制御部２１５は、電池２１８による直流信号を電源回路２１７によって適切な電位に調整する。その後、制御部２１５は、駆動回路２１６によって該直流信号の周波数や波形を適切に調整して交流信号（制御信号）を生成する。制御部２１５は、この交流信号を圧電ポンプ２０１に印加することによって、冷却装置２００を駆動する。

駆動スイッチ２１９は例えば押しボタン式である。エアブロア装置１１では、操作者が駆動スイッチ２１９を押圧している間だけエアタンク２０９に空気の充填が行われる。そして、操作者が駆動スイッチ２１９を離すと同時にエアタンク２０９からの空気の排出が行われる。

よって、このような機構にすることで、空気の排出流量や排出圧力の調整を容易に行うことができる。従って、この実施形態のエアブロア装置１１によれば、前述の冷却装置１００と同様の効果を奏する。

なお、エアブロア装置１１は、コールドスプレーだけでなく、例えばホコリ落とし用途（エアダスター）として用いることもできる。

《その他の実施形態》
なお、前述の実施形態では気体として空気を用いているが、これに限るものではなく、当該気体が、空気以外の気体であっても適用できる。

また、前述の実施形態では冷却装置１００がＤＮＡを収納した被検体１１２を冷却しているが、これに限るものではない。例えば、冷却装置１００でＣＰＵ等の電子部品を冷却しても良い。同様に、前述の実施形態では加熱冷却装置として分析装置１０を挙げているが、これに限るものではない。

また、前述の実施形態ではユニモルフ型で屈曲振動するアクチュエータ４０を設けたが、アクチュエータ４０は、振動板４１の両面に圧電素子４２を貼着してバイモルフ型で屈曲振動するように構成してもよい。

また、前述の実施形態のポンプは、圧電素子４２の伸縮によって屈曲振動するアクチュエータ４０を備えるが、これに限るものではない。例えば、電磁駆動で屈曲振動するアクチュエータを備えてもよい。

また、前述の実施形態において、圧電素子４２はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成しているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などから構成してもよい。

また、前述の実施形態において、ヒートシンク１１０はエアタンク１０９の外側に設けられているが、これに限るものではない。例えば、ヒートシンク１１０をエアタンク１０９の内側に設けて、エアタンク１０９内部の空気の熱をヒートシンク１１０からエアタンク１０９へ逃がすようにして冷却を行ってもよい。

また、前述の実施形態ではエアタンク１０９が図２に示すように、蓋体１０６に対して着脱自在に取り付けられているが、これに限るものではない。例えばエアタンク１０９は蓋体１０６に対して、着脱自在でなく完全に固定されていてもよい。

最後に、前述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…ブロア本体
１ａ…第１壁部
１ｂ…第２壁部
２…ダイヤフラム
３…圧電素子
４…ブロア室
５ａ…第１開口部
５ｂ…第２開口部
７…流入通路
１０…分析装置
２０…突出部
２１…第１弁筐体
２２…第２連通孔
２３…第１バルブ室
２４…第１連通孔
２６…第２バルブ室
３０…弁座
３１…第２弁筐体
３２…第３連通孔
３３…第３バルブ室
３４…第５連通孔
３６…第４バルブ室
３７…第４連通孔
４０…圧電アクチュエータ
４１…振動板
４２…圧電素子
４３…補強板
４５…ポンプ室
５１…可撓板
５２…吸引孔
５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ…スペーサ
５４…蓋板
５５…吐出孔
６０…振動板ユニット
６１…枠板
６２…連結部
６３，７２…外部端子
７０…電極導通用板
７１…枠部位
７３…内部端子
８０…ポンプ筺体
９１…基板
９２…開口部
９５…カバー板部
９６…流路板
９７…連通路
９８…貫通孔
９９…カバー板
１００、２００…冷却装置
１０１、２０１…圧電ポンプ
１０２、２０２…逆止弁
１０３、２０３…排気弁
１０５…弁筐体
１０５Ａ…防塵フィルタ
１０６…蓋体
１０６Ａ…接続口
１０７…基板
１０７Ａ…吸引口
１０７Ｂ…流入路
１０７Ｃ…流出路
１０７Ｄ…排気口
１０８…ダイヤフラム
１０９、２０９…エアタンク
１０９Ａ…通気口
１１０…ヒートシンク
１１２…被検体
１１３…加熱装置
１１５…制御部
２０４…ノズル
２１５…制御部
Ｐ…パッキン

Claims

吸引孔および吐出孔を有するポンプと、
気体を収納するタンクと、
前記ポンプの前記吐出孔に接続された第１通気孔と、前記タンクに接続された第２通気孔と、前記タンク内の前記気体を被冷却体に向けて排出するための排気孔とを有するバルブと、を備え、
前記バルブは、前記第１通気孔と前記第２通気孔とを連通させるとともに前記第２通気孔と前記排気孔との通気を遮断する第１連通状態と、前記第１通気孔と前記第２通気孔との通気を遮断するとともに前記第２通気孔と前記排気孔とを連通させる第２連通状態とを切り替え、
前記バルブは、前記第１通気孔、前記第２通気孔、及び前記排気孔が形成された弁筐体と、前記弁筐体内を分割して、前記第１通気孔に連通する第１領域および前記第２通気孔に連通する第２領域を前記弁筐体内に構成するダイヤフラムとを有し、
前記ダイヤフラムは、
前記第１領域の圧力が前記第２領域の圧力よりも高い場合、前記第２通気孔と前記排気孔との連通を遮断させ、
前記第１領域の圧力が前記第２領域の圧力よりも低い場合、前記第２通気孔と前記排気孔とを連通させるよう、前記弁筐体に固定されている、冷却装置。
前記ダイヤフラムは、
前記第１領域の圧力が前記第２領域の圧力よりも高い場合、更に前記第１通気孔と前記第２通気孔とを連通し、
前記第１領域の圧力が前記第２領域の圧力よりも低い場合、更に前記第１通気孔と前記第２通気孔との通気を遮断する、請求項１に記載の冷却装置。
前記ダイヤフラムは、前記第１領域と前記第２領域との圧力差により前記第１通気孔と前記第２通気孔との連通を制御する逆止弁と、前記第１領域と前記第２領域との圧力差により前記第２通気孔と前記排気孔との連通を制御する排気弁と、を前記弁筐体とともに構成する、請求項２に記載の冷却装置。
前記タンクには、ヒートシンクが取り付けられている、請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却装置。
前記ダイヤフラムは、一枚の可撓板から構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の冷却装置と、
被加熱冷却体を加熱する加熱装置と、を備え、
前記冷却装置の前記ポンプは、前記加熱装置が前記被加熱冷却体を加熱している間、駆動を行い、前記加熱装置が前記被加熱冷却体の加熱を完了した後、駆動を停止する、加熱冷却装置。