JPH07217954A - 超音波を用いた冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡易な構成で高い冷却効率を得る。 【構成】 冷却すべき空気が導入される通路１ｅと、通
路１ｅ内を流通する空気中に水の粒子を発生させる水粒
子発生手段５と、粒子を含有する空気中に向けて超音波
を放射して粒子を空気中から回収する超音波発生手段１
０とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を用いた冷房
機、空調機、冷風発生機等の冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の冷却装置としては、フロ
ンガス等の冷媒の気化・凝集時に発生する冷媒の熱変化
を利用した冷房機・空調機や、水の気化熱を利用した冷
風発生機などが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の冷却装置には、次のような問題があった。ま
ず、冷媒の気化・凝集を用いた冷房機・空調機では、冷
媒を強制的に凝集させてこれを空気と接触させて気化さ
せる必要があり、コンプレッサー等を備えた凝集器、熱
交換器およびこれらをつなぐ配管等の設備を要して構成
が複雑でかつ高価なものであった。

【０００４】また、水の気化熱を利用した冷風発生機
は、水と空気とを強制的に接触させる設備があれば足り
るので簡易な構成で済むが、基本的には乾球・湿球温度
差しか空気の温度を下げることができず、加えて、空気
の湿度によって冷却効率が左右されていた。

【０００５】本発明の目的は、簡易な構成で高い冷却効
率を得ることの可能な超音波を用いた冷却装置を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１、図
４および図１１に対応付けて説明すると、本発明は、冷
却すべき空気が導入される通路１ｅと、通路１ｅ内を流
通する空気中に水の粒子を発生させる水粒子発生手段５
と、粒子を含有する空気中に向けて超音波を放射して粒
子を空気中から回収する超音波発生手段１０とを備え
た、超音波を用いた冷却装置を構成することにより、上
述の目的を達成している。

【０００７】ここで、通路１ｅ内に配置され、自身が固
有周波数で共振した際にその内部に形成される音場も共
振状態となるようにその寸法が定められた円筒形の振動
板１２と、振動板１２を固有周波数で共振させてこの振
動板１２から超音波を放射させる超音波駆動源１３を超
音波発生手段１０に設けることが好ましい。あるいは、
通路１ｅ内に配置され、自身が固有周波数で共振した際
にその周囲に形成される音場も共振状態となるようにそ
の寸法が定められた長方形の振動板３０と、振動板３０
を固有周波数で共振させてこの振動板３０から超音波を
放射させる超音波駆動源１３とを超音波発生手段１０に
設けることが好ましい。

【０００８】

【作用】水粒子発生手段５は、通路１ｅ内を流通する空
気中に水の粒子を発生させる。水の粒子は周囲の空気と
の間で熱交換を行い、空気を冷却する。熱交換が終了し
た、または熱交換中の水の粒子は超音波発生手段１０か
らの超音波により回収され、通路１ｅの外に排出される
ことはない。

【０００９】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１０】

【実施例】

−第１実施例− 図１は、本発明による超音波を用いた冷却装置の第１実
施例が適用された冷風機を示す部分透視斜視図、図２は
縦断面図、図３は横断面図である。これらの図におい
て、１は外形略箱状の冷風機本体であり、その正面（図
２において右端）中央に吸気口１ａが、その上面に送風
口１ｂが形成されている。冷風機本体１は、その中央に
設けられた箱状の仕切部材２によりその内部が区分さ
れ、仕切部材２の下方が下部チャンバー１ｃ、上方が上
部チャンバー１ｄとされる。上部チャンバー１ｄおよび
下部チャンバー１ｃの間は、上下に延びる一対のダクト
１ｅにより連通されている。

【００１１】仕切部材２内には、吸気口１ａに面して送
風ファン３が配置されている。この送風ファン３は、図
２に示すように、吸気口１ａから吸入された外気を下部
チャンバー１ｃに送風する機能を有する。下部チャンバ
ー１ｃには冷却水４が満たされ、かつ、この下部チャン
バー１ｃの底面には超音波加湿器５が配置されている。
超音波加湿器５は、図２に示すように板状の超音波振動
子６を備え、この超音波振動子６が励振されることによ
りチャンバー１ｃ内の水を霧化して飽和水蒸気量以上の
水の粒子をチャンバー１ｃ内の空気中に発生させる。

【００１２】仕切部材２内には、一対の超音波発生源１
０が配置されている。この超音波発生源１０は、図４
(ａ)に示すように、円筒形の振動板１２と、超音波振動
を発生する超音波振動子（ドライバー）１３と、この超
音波振動子１３からの超音波振動を振動板１１に伝達す
るホーン１４とを備え、このホーン１４の先端は振動板
１２の側面にねじ止めされている。各超音波発生源１０
は、円筒形振動板１２が冷風機本体１の各ダクト１ｅ内
に、超音波振動子１３が仕切部材２内に位置し、かつ、
振動板１２の軸線が上下方向に延びるように配置されて
いる。

【００１３】超音波振動子１３およびホーン１４は、振
動板１２の有する固有周波数（共振周波数）でこの振動
板１２を駆動し、振動板１２の周方向に曲げ振動が優勢
に起るようにこの振動板１２を共振させて固有周波数
（共振周波数）の超音波を放射させる。加えて、振動板
１２は、放射された超音波によりこの振動板１２内に形
成される音場が共振状態となるようにその寸法、材質、
形状等が定められている。したがって、この観点からホ
ーン１４の形状・材質、振動板１２の形状・材質および
ホーン１４のねじ止め位置等が定められている（詳細は
後述）。なお、本実施例では、振動板１２、ホーン１４
ともに疲労強度が大きく、損失の少ないアルミニウム合
金（ジュラルミンなど）やチタン合金で形成されてい
る。

【００１４】ここで、曲げ振動とは、弾性体の板が伸縮
の生じない面を持ち、かつ、その面が屈曲するように変
形する振動をいい、たわみ振動とも呼ばれる。曲げ振動
は、曲げ波が一定方向に伝播することにより生じ、本実
施例では、この曲げ波が振動板１２の周方向に伝播す
る。曲げ波は、棒状や板状などの弾性体に生じる曲げの
変形が伝わる波であり、板状の物体では面と垂直な方向
に変位が生じる横波の一種である。図５に、振動板１２
に励起された曲げ振動、曲げ波を模式的に表したものを
示す。

【００１５】振動板１２の周方向に曲げ振動が優勢に起
るようにこの振動板１２を共振させる条件は、次式によ
り与えられる。

【数１】 ここに、 fm：共振周波数 ｒ：振動板の半径 ｈ：振動板の肉厚 ｍ：振動モードの次
数 Ｅ：振動板の材質のヤング率 ρ：振動板の材質の
密度 である。

【００１６】また、振動板１２内に形成される音場が共
振状態となる条件は、本発明者の研究結果によれば、次
式で与えられる。

【数２】 但し、fmsは共振周波数、βmsはベッセル（Bessel）関
数を用いた漸化式の根、ｃは音速である。加えて、音場
共振条件を満足するための振動板の全長は別の式により
与えられる。

【００１７】したがって、共振周波数fm＝fmsを定めれ
ば、(１)、(２)式および振動板の全長を規定する別式を
用いて、内部に形成される音場が共振状態となる振動板
１２の寸法（半径ｒ、肉厚ｈ、全長）が定められる。

【００１８】本発明者による数値計算の結果、これら３
つの式をともに満足する振動板１２の寸法は、一例とし
て図６に示すような組合せである。本発明者は、図６に
示す寸法の振動板１２について超音波放射実験を行った
ところ、従来の超音波源では得られなかった160[dB]以
上の音圧を発生できることを確認した。また、上述の
(１)式のみを満足する寸法の振動子１２について超音波
放射実験を行ったところ、高々140[dB]程度の音圧しか
発生できないことも確認している。参考までに、音圧レ
ベルと粒子速度の実効値との関係を図７に示す。

【００１９】なお、本実施例ではホーン１４が仕切部材
２を貫通して設けられているが、この貫通点は、ホーン
１４からの振動エネルギーと振動板１２からの振動エネ
ルギーとがちょうど釣り合う点とされており、互いに振
動を打ち消し合うことによりホーン１４からの振動が仕
切部材２に伝達されないように構成されている。

【００２０】図４に戻って、１５は超音波振動子１３を
駆動するジェネレータであり、振動板１２が予め定めら
れた共振周波数で振動するように超音波振動子１３を駆
動する。外乱要因によりホーン１４、振動板１２が加熱
され膨張し、形状変化が生じて超音波の周波数変動を招
いた場合、ジェネレータ１５はホーン１４から振動周波
数をフィードバックしてこれを一定範囲内に収める周波
数制御機能を備えている。

【００２１】すなわち、図４(ｂ)に示すように、ホーン
１４には振動センサ２１が設けられ、この振動センサ２
１からはホーン１４の振動周波数に比例する電圧信号が
出力される。センサ２１からの信号と、ジェネレータ１
５内に設けられた基準電圧発生器２２からの基準電圧と
の偏差は偏差器２５ａで求められる。この偏差電圧は、
減算器２５ｂで駆動電圧発生器２３からの駆動電圧から
減算され、この減算された駆動電圧により電圧制御発振
器２４が駆動されて超音波振動子１３駆動用の信号が出
力される。このように、ホーン１４の振動周波数がフィ
ードバックされ、この振動周波数と基準電圧発生器２２
から出力される基準電圧に対応する周波数との差分が小
さくなるように電圧制御発振器２４が発振されて振動周
波数が一定範囲内に収められる。

【００２２】なお、本実施例では、振動板１２から放射
される超音波の周波数は20[kHz]±500[Hz]とした。１６
はアンプであり、ジェネレータ１５からの駆動信号を増
幅する。アンプ１６の出力は振動板１２の大きさとの関
係で定まり、本実施例ではおよそ500[W]〜1000[W]程度
の出力である。

【００２３】以上のような構成の冷風機を作動させるに
は、まず、送風ファン３を作動させて外気を下部チャン
バー１ｃ内に導入し、かつ、超音波加湿器５により飽和
蒸気量以上の水の粒子を発生させる。水の粒子のうち飽
和水蒸気量を越える量の水の粒子は空気中に水蒸気とし
て存在することはできず、水の粒子そのままで空中に浮
遊することになる。これにより、水の粒子が浮遊する外
気が下部チャンバー１ｃからダクト１ｅを経て上部チャ
ンバー１ｄに向かう気流が形成される。水の粒子は外気
との間で熱交換を行い、冷却水４と外気との温度差に応
じて外気の温度を低下させる。

【００２４】空中に浮遊する水の粒子が多ければ多いほ
ど外気との熱交換は効率よく行われる。水粒子の発生量
は外気温、水温等を考慮して定められるが、相対湿度に
換算して２００％、３００％といった水粒子を発生させ
ることが好ましい。

【００２５】これとともに、超音波発生源１０のジェネ
レータ１５、アンプ１６を介して超音波振動子１３を駆
動すると、振動子１３で発生された超音波振動がホーン
１４を介して振動板１２に伝達され、振動板１２の周方
向に曲げ振動が優勢に起るようにこの振動板１２が共振
し、振動板１２近傍の気体がこの振動板１２により加速
されて超音波が放射される。加えて、振動板１２から放
射された超音波によりこの振動板１２内に形成される音
場が共振状態となる。

【００２６】この際、本実施例では振動板２が円筒形に
形成されているので、この振動板１２による超音波音場
は、振動板２の軸線に直交する平面上において図８(ａ)
に示すようなものになり、振動板２の内部では中心に集
中する音場が形成される。

【００２７】また、振動板１２の軸線に沿った平面上に
おける超音波音場は図９に示すようなものになり、軸線
Ａに沿った部分では図９に示すように振動板１２から図
中左右に広がる超音波振幅分布および音圧分布が得られ
る。したがって、振動板１２の内部にある外気は軸線Ａ
に沿って左右に加速され、超音波風が生じる。この超音
波風は、音圧160[dB]時において約７[m/sec]程度の風速
である。特に、ダクト１ｅ内には送風ファン３により下
方から上方に向かう気流が形成されているので、超音波
風はこの気流に沿った方向にのみ流れる。

【００２８】したがって、振動板１２から放射される超
音波によりダクト１ｅ内を流通する水の粒子が励振さ
れ、超音波の振動方向に沿って振動する。この際、超音
波の音速はダクト１ｅ内の気体の流速に比較して圧倒的
に速いため、振動板１２近傍の水の粒子は、気体の流速
に影響されることなく音速に近い速度で振動されるもの
と考えられる。そして、熱交換中、または熱交換が終了
した水の粒子が超音波の音速に近い速度で振動し、これ
ら粒子どうしが互いに衝突、凝集して水滴を形成し、こ
の水滴が重力により落下して下部チャンバー１ｃに回収
される。水粒子が回収されて温度が低下した外気は、上
部チャンバー１ｄを介して送風口１ｂから外部へ送風さ
れる。

【００２９】このようにして、本実施例の冷風機では、
送風ファン３により下部チャンバー１ｃ内に導入した外
気内に、超音波加湿器５によって飽和水蒸気量以上の水
の粒子を発生させ、空中を浮遊する水の粒子と外気との
間で熱交換を行って外気の温度を低下させている。特
に、超音波加湿器５により発生された水の粒子の粒子径
は小さいため、同一の水量に対する水の粒子の表面積を
大きくすることができ、熱交換の効率を高めることがで
きる。加えて、水の粒子の粒子径が小さければ自重に対
する空気抵抗が大きく、水の粒子がいつまでも消えずに
外気中に漂って熱交換の効率がさらに高まる。

【００３０】そして、熱交換中または熱交換が終了した
水の粒子は、超音波振動子１２から放射される超音波に
より励振され、互いに衝突、凝集して水滴を形成し、自
重により落下して下部チャンバー１ｃ内に回収され、再
利用される。本実施例では、外気中を浮遊する水の粒子
の粒子径が小さく軽いため、超音波の放射により水の粒
子が激しく運動して衝突、凝集し、水滴形成および回収
が速やかに行われる。特に、本実施例の超音波発生源１
０は、今までに実現されたことのない、たとえば160[d
B]以上の音圧を実現できるため、水粒子の凝集、水滴形
成がさらに強力にかつ速やかに行われる。本発明者の実
験結果によれば、超音波振動板２から放射される超音波
の音圧が160[dB]以上であれば、超音波発生源１０の下
方において水滴形成、回収がほとんど行われ、送風口１
ｂから送風される空気中には水粒子はほとんど含まれて
いなかった。したがって、超音波加湿器５により過剰の
水粒子を発生させてもこの水粒子が送風口１ｂから排出
されることがなく、逆に超音波加湿器５により大量の水
粒子を発生させて冷却効率を十分に高めることができ
る。

【００３１】よって、本実施例では、送風ファン３、冷
却水４、超音波加湿器５および超音波発生源１０から構
成される冷風機により外気を冷却しており、簡易な構成
で冷却効果を得ることができる。また、飽和水蒸気量以
上の水粒子と外気との熱交換により冷却効果を得ている
ので、水の気化熱を利用した冷風機等と異なり、外気の
湿度に左右されずに高い冷却効率を得ることができる。
この冷却効率は、冷却水４を冷却することによっても高
めることができる。

【００３２】加えて、本実施例では水の粒子により熱交
換を行っているので、熱交換が無駄なくかつ短時間に行
え、冷却に必要なエネルギーの節約にもなる。本発明者
の実験結果によれば、通常のヒートポンプタイプのパッ
ケージエアコンに比較して、使用電気量を約１／１０程
度に節約することができる。

【００３３】なお、本実施例の冷風機では、水の粒子と
外気との熱交換により外気の温度が低下し、結果として
露点温度が低下するため、超音波による凝集時に余分な
水分までが除去され、結果として除湿作用が果たされ
る。また、本実施例の冷風機は、いわば十分な水量によ
り外気を水洗していることに等しく、空気中の粉塵、匂
い粒子などが水の粒子中に捕捉されて下部チャンバー１
ｃに回収され、結果として集塵、匂い除去作用が果たさ
れる。あるいは、外気中に粉塵等が浮遊していても、超
音波により粉塵相互、あるいは粉塵と水粒子とが衝突し
て凝集し、粉塵等の回収が行える。

【００３４】なお、ダクト１ｅを円筒状に形成すると、
この振動板１２による超音波音場は、振動板１２の軸線
に直交する平面上において図８(ｂ)に示すようなものに
なり、振動板１２とダクト１ｅとの間では均一音圧、振
動板１２内方では中心に集中する音場が形成される。

【００３５】−第２実施例− 本実施例では、図１０(ａ)に示すように、ホーン１４の
軸線Ｂ（これは超音波の伝播方向に等しい）と、ホーン
１４のねじ止め位置を通る振動板１２の直径方向の線Ｃ
とが角度θをなすように、ホーン１４を振動板１２に対
して固定してある。ホーン１４を振動板１２に対して斜
めに固定すると、振動板１２から放射される超音波ビー
ムＵＢの方向は、振動板１２の軸線Ａに直交する平面に
おいて図１０(ｂ)に示すようなものになり、その放射方
向が振動板１２の軸線Ａを逸れる方向に延びる。この結
果、振動板１２の励振により自発的に図中矢印Ｔに示す
ような方向の渦巻流（超音波風）が形成され、ダクト１
ｅ内に気流が発生される。

【００３６】超音波発生源１０により渦巻流を形成する
と超音波による励振に加えて渦巻流によっても水の粒子
が相互に衝突、凝集し、水の回収効率がさらに高まる。
しかも、振動板１２を励振すれば自発的に渦巻状の超音
波風が発生し、送風装置がなくとも自然にダクト１ｅ内
に気流が発生する。いわば超音波発生源１０が送風装置
としての機能も果たすので、集塵装置に加えて送風装置
等を付設する必要がなく、経済効率に優れている。

【００３７】角度θは、０゜＜θ＜90゜の範囲内で使用
可能であるが、本発明者の実験結果によれば、θが１〜
２゜程度であっても超音波風の回転方向が一定になり、
渦巻流が形成されることが確認されている。

【００３８】−第３実施例− 図１１は、本発明による超音波を用いた冷却装置の第２
実施例が適用された例風機を示す断面図である。本実施
例と上述の第１実施例との相違点は、振動板の形状にあ
る。すなわち、本実施例では、振動板３０が長方形状に
形成され、長手方向の中心線がダクト１ｅの上下方向に
延びるようにこのダクト１ｅ内に配置されている。

【００３９】また、本実施例においては、超音波振動子
１３およびホーン１４は、振動板３０の有する固有周波
数（共振周波数）でこの振動板３０を駆動し、振動板３
０の長手方向に曲げ振動が優勢に起るようにこの振動板
３０を共振させて固有周波数（共振周波数）の超音波を
放射させる。加えて、振動板３０は、放射された超音波
によりダクト１ｅ内に形成される音場が共振状態となる
ようにその寸法、材質、形状等が定められている。した
がって、この観点からホーン１４の形状・材質、振動板
３０の形状・材質およびホーン１４のねじ止め位置等が
定められている。振動板３０の振動モードと変位分布の
一例を図１２に、振動板３０の寸法の一例を図１３に示
す。従って、本実施例によっても、上述の一実施例と同
様の作用効果を得ることができる。

【００４０】以上説明した実施例と請求の範囲との対応
において、超音波加湿器５は水粒子発生手段を、超音波
発生源１０は超音波発生手段を、超音波振動子３は超音
波駆動源をそれぞれ構成している。

【００４１】なお、本発明の超音波を用いた冷却装置
は、その細部が上述の各実施例に限定されず、種々の変
形例が可能である。一例として、上述の各実施例では超
音波加湿器を用いて水粒子を発生させていたが、スプレ
ー等の周知の水粒子発生手段を用いることもできる。ま
た、本発明の冷却装置は、上述の実施例のごとく冷風機
に用いられるのみならず、ラジエータなど空気との間で
熱交換を行う構成にも用いることができる。さらに、上
述の各実施例では例えば音圧160[dB]以上の超音波を発
生することが可能な強力超音波発生源を用いていたが、
冷房効率は若干劣るものの一般の超音波発生源を用いて
水粒子の回収を図ってもよい。

【００４２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、水粒子発生手段および超音波発生手段といった簡
易な構成により外気を冷却することができ、冷媒を使用
した冷房機に比較して簡易な構成で冷却効果を得ること
ができる。また、水粒子と外気との熱交換により冷却効
果を得ているので、水の気化熱を利用した冷風機等と異
なり、外気の湿度に左右されずに高い冷却効率を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である冷風機を示す一部透
視斜視図である。

【図２】第１実施例の冷風機の縦断面図である。

【図３】第１実施例の冷風機の横断面図である。

【図４】第１実施例に用いられる超音波発生源を示す断
面図である。

【図５】第１実施例の振動板の振動モードと変位分布を
示す図である。

【図６】第１実施例の振動板の寸法の一例を示す図であ
る。

【図７】音圧と粒子速度の実効値との関係を示す図であ
る。

【図８】第１実施例の振動板による超音波音場を示す側
面図である。

【図９】第１実施例の振動板による超音波振幅分布およ
び音圧分布を示す図である。

【図１０】本発明の第２実施例における超音波発生源お
よび超音波ビームの放射方向を示す側面図である。

【図１１】本発明の第３実施例である冷風機の断面図で
ある。

【図１２】第３実施例の振動板の振動モードと変位分布
を示す図である。

【図１３】第３実施例の振動板の寸法の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 冷風機本体 １ａ 吸気口 １ｂ 送風口 １ｃ 下部チャンバー １ｄ 上部チャンバー １ｅ ダクト ３ 送風ファン ４ 冷却水 ５ 超音波加湿器 １０ 超音波発生源 １２、３０ 振動板 １３ 超音波振動子 １４ ホーン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却すべき空気が導入される通路と、 前記通路内を流通する空気中に水の粒子を発生させる水
   粒子発生手段と、 前記粒子を含有する前記空気中に向けて超音波を放射し
   て前記粒子を前記空気中から回収する超音波発生手段と
   を備えたことを特徴とする超音波を用いた冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の冷却装置において、 前記超音波発生手段は、 前記通路内に配置され、自身が固有周波数で共振した際
   にその内部に形成される音場も共振状態となるようにそ
   の寸法が定められた円筒形の振動板と、 前記振動板を前記固有周波数で共振させてこの振動板か
   ら超音波を放射させる超音波駆動源とを備えたことを特
   徴とする超音波を用いた冷却装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の冷却装置において、 前記超音波発生手段は、 前記通路内に配置され、自身が固有周波数で共振した際
   にその周囲に形成される音場も共振状態となるようにそ
   の寸法が定められた長方形の振動板と、 前記振動板を前記固有周波数で共振させてこの振動板か
   ら超音波を放射させる超音波駆動源とを備えたことを特
   徴とする超音波を用いた冷却装置。