JPWO2004085934A1 - 冷却装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第一の従来技術として、作動流体に不活性ガスが封入されたチューブと、チューブの一端に配されたスピーカと、このチューブの端部近傍に設けられたスタックで構成された熱音響冷凍機がある(例えば、「スティーブン・ギャレット(Steven L Garrett)、他1名著「熱音響冷凍」.冷凍.平成5年6月号.第64巻.第788号」参照)。この熱音響冷凍機は、スピーカがチューブ内で定在波を起こす周波数で振動すると、前記作動流体はスタックを形成するプレート間に沿って前後に振動し、定在音波に伴う圧力が変化し断熱圧縮及び断熱膨張が生じることとなり、その結果冷却される。しかしながら、スタック内で定在波が効率よく熱に変換して熱交換させることが容易ではなかったことが課題であった。
第二の従来技術として、ループ管内の一つのスタックで自励発振により定在波及び進行波を発生せしめ、もう一方のスタックで冷却効果を得るという、2個のスタックを有する熱音響冷凍機がある(例えば、「特許第3015786号公報」参照)。この自励発振による熱音響冷凍機は、約20年近くを経て成功したと記載されている(例えば、「スティーブン・ギャレット(Steven L Garrett)、他1名著「音の力(The Power of Sound)」.(米国).アメリカン・サイエンティスト(American Scientist).2000年.88巻.p.523.図8.」参照)。これからも伺えるように、熱音響効果を利用した冷凍機は、自励的に定在波及び進行波を発生させることが容易でないばかりか、発生開始までの時間を要することが大きな欠点であった。その理由は、装置を構成するループ管に2個の熱交換器に挟まれたスタック2個が該ループ管の所定の位置に厳密に配置されることや同時にループ管の形状などが所定の条件を満たさなければ自励発振しないからであり、かつスタック内で定在波及び進行波が効率よく熱に熱交換されないからだと考えられてきた。すなわち、自励発振条件を見出し、その条件を満たす発振可能な装置を創作することが最大の課題であった。また、発振周波数をできるだけ低くして熱音響効果の効率及び/或いは出力を上げるためには、冷凍機のループ管長を長くしなければならかったため、装置が大きくなるということが課題であった。以上のように、自励的に定在波及び進行波を発生させることが容易でないばかりか、発生開始までの時間を要すること及び装置が大きくなるという両課題は産業利用上大いに発展を阻害し、実用的に提供され普及することを阻んできた。
本願の第1の発明は、高温用熱交換器と低温用熱交換器とが接合されたスタックと冷却用熱交換器と冷却出力用熱交換器とが接合されたスタックのそれぞれの両端が相互に連結して形成されるループ管と該ループ管の外側或いは/及び内側に音波発生装置を少なくとも一つ以上設けて形成される管路に作動流体を封入し、該作動流体に定在波及び進行波を発生させて冷却することを特徴とする冷却装置である。第1の発明は、主に定在波及び進行波が発生する開始時間を著しく短縮し、かつ安定した制御ができる。
第2の発明は、前記音波発生装置が前記ループ管の一部或いは全部を構成されて成ることを特徴とする前記記載の冷却装置である。
第3の発明は、前記音波発生装置が圧電膜にて成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。第2及び第3の発明は、主に前記冷却装置を簡便に実現でき小型化を図ることができる。
第4の発明は、前記音波発生装置が前記ループ管内部の圧力と圧力差を有する作動流体を弁或いはバルブにより該ループ管と連通されるよう設けられた容器を有することを特徴とする前記記載の冷却装置である。
第5の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方に振動発生装置を有することを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。
第6の発明は、定在波及び進行波が発生する開始時間を著しく短縮し、かつ安定した制御ができるばかりでなく、スタックに接合する熱交換器の効率が向上し、冷却出力を増大させることができる。
第7の発明は、前記振動発生装置が圧電素子から成ることを特徴とする前記記載の冷却装置である。第7の発明は、効率の良い冷却装置を簡便に実現できる。
第8の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方が圧電素子から成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。第8の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方が流路断面積の異なる流路で構成されて成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。
第9の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方がスタックの中心に近い流路断面積が小さい流路でかつ該スタックの外周に向けて流路断面積が大きい流路で構成されて成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。
第10の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器または/および前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器が流路断面積の異なる流路で構成されて成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。つまり、上記は、以下の3パターンの構成が流路断面積の異なる流路で構成されて成ることを特徴とする。第一は、前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器が流路断面積の異なる流路で構成されている。第二は、前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器が流路断面積の異なる流路で構成されている。第三は、前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器と前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器が流路断面積の異なる流路で構成されている。
第11の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方がスタックの流路長が異なる流路で構成されて成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。
第12の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方がスタックの流路長が中心に近い流路長が長い流路でかつ該スタックの外周に向けて流路長が短い流路で構成されて成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。
第13の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器または/および前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器がスタックの流路長が異なる流路で構成されて成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。
第14の発明は、前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器または/および前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器がスタックの流路長が中心に近い流路長が長い流路でかつ該スタックの外周に向けて流路長が短い流路で構成されて成ることを特徴とする前記いずれか記載の冷却装置である。
第7から第14までの発明は、スタックに接合された熱効果器の効率を向上し、冷却効率を向上し、装置の小型化を図ることができる。
第15の発明は、前記いずれか記載の冷却装置の冷却出力用熱交換器と、前記いずれか記載の別の冷却装置の冷却用熱交換器とを結合し、該結合を複数結合して構成されることを特徴とする冷却装置である。第15の発明は、冷却容量を向上し、より低い温度を得ることができる。
図2は、本発明に係わる冷却装置の別の一実施形態を示す断面概略図である。
図3は、本発明に係わる冷却装置のさらに別の一実施形態を示す断面概略図である。
図4は、本発明に係わる振動発生装置を有するスタックの冷却装置のさらにまた別の一実施形態を示す断面概略図である。
図5は、本発明に係わるスタックの一実施形態を示す細管径の断面概略図である。
図6は、本発明に係わるスタックの一実施形態を示す細管長の断面概略図である。
図7は、本発明に係わるスタック及び熱交換器の一実施形態を示す細管長の断面概略図である。
図8は、本発明に係わる多段式冷却装置の一実施形態を示す断面概略図である。
図1は、本発明に係わる冷却及び冷凍装置の一実施形態を示す断面概略図である。図1において、高温用熱交換器3と低温用熱交換器4に接合されたスタック1と冷却用熱交換器5と冷却出力用熱交換器6に接合されたスタック2が、ループ管7及び8で相互に連結され、かつ該ループ管7の内側に1個の音波発生装置が設けられて管路が形成され、該管路には所定の作動流体が封入されている。スタック1及び2はループ管7及び8で形成される装置の中心に対しほぼ対称位置に設置され、かつスタック1及び2間の距離がほぼ同距離に設置されていれば良く、さらにスタック1及び2の位置がループ管直線部の端部近くに設置されていれば更に好ましいが、スタック1及び2の位置について本発明は従来技術のように厳密に拘束されることは無い。
図1において、本発明に係わる熱音響効果に基づく冷却効果について説明する。スタック1において高温用熱交換器3の高温部及び低温用熱交換器4の低温部によって急激な温度勾配が形成されると、急激な温度勾配の形成により作動流体が揺らぐ。次に、作動流体が大きく振動してループ管内を周回し、伝播することによってループ管内で共鳴が発生する。すなわち、ループ管内に定在波及び進行波が発生する。同時に音波発生装置9により所定の周波数の音波を強制発生すると、ループ管内に定在波及び進行波の発生する開始時間が著しく短縮され、かつ安定する。
音波発生装置9は自励発振を助長し、定在波及び進行波の発生する開始時間を著しく短縮し、かつ安定した制御ができる。後に説明するが、本発明では振動発生装置を設けることよっても同様の効果がある。発生した定在波及び進行波は、スタック1の高温用熱交換器3からスタック2の低音用熱交換器5の方向に進行する。該定在波及び進行波は、スタック2で定在波及び進行波に伴う圧力及び体積などが変化して膨張過程によって吸熱し、冷却出力用熱交換器6から冷却用熱交換器5へポンプ効果によって熱が汲み上げられ、その結果、冷却出力用熱交換器6が冷却されて冷却出力が得られる。従来から該冷却出力を大きく得るために、定在波及び進行波の周波数を小さくすることが求められてきたが、周波数を小さくすることによって音波発生の開始時間を長く要した。
また、音波発生開始時間を短縮するために定在波及び進行波の周波数を小さくすると、その結果、十分な冷却出力が得られなかった。本発明は周波数を必要以上に小さくすることも無く、定在波及び進行波が発生する開始時間を著しく短縮し、かつ安定した制御ができ、所望する冷却出力が得られて効率向上を図ることができる。
本発明に係わる音波発生装置9は、図1ではスピーカ1個をループ管の内側に設けた好ましい実施例であるが、ループ管の内側に設けてもまた外側に或いは両側に設けても良く、発生する定在波及び進行波の1/2波長、1/4波長ごとに所定の位置に複数個設けるとより好ましい。発生する定在波及び進行波の共鳴を助長し、発生する開始時間が短縮され、かつ安定させて発生させるように所定の位置に設ければよい。
音波発生装置9は、図2では圧電膜10を用いた本発明に係わる実施例であり、図3では作動流体を入れた容器12を形成した本発明に係わる実施例である。フレキシブルで強度を有する例えばポリビニリデンフルオライド(PVD)の圧電膜10は音波発生装置であると同時に、ループ管の一部または全部を形成することが可能である。一方、作動流体容器12に入れられた作動流体は弁またはバルブ11で開閉することによりループ管と連通し、その際に発生する作動流体のpvρ変化(pは圧力、vは体積、ρは密度)が音波発生を助長するものである。該音波発生装置は作動流体に作用して定在波及び進行波の発生を助長するものであれば、この他に例えば共振器など広く用いられているものが利用でき、また併用して設置することも可能である。
図4では、スタック1及び2に振動発生装置13が設けられた本発明に係わる実施例である。該振動発生装置13はスタック1及び2に振動を与えることによって作動流体に作用し、定在波及び進行波の発生を助長する。該振動発生装置は、場合によってはスタックの一方のみに設置しても効果が得られる。また、該振動発生装置は具体的に圧電素子を用いることにより簡便に実現できる。さらにまた、スタックそのものが圧電素子から成る該振動発生装置は一層好ましい。前記振動発生装置は、スタックを振動することにより作動流体に作用して定在波及び進行波の発生を助長するものであり、スタックを振動させることが最も効果的であった。しかしながら、前記振動発生装置を本発明の熱音響冷却装置のどの位置或いはどの部分に設けるかは拘束されるものではない。
本発明に係わるスタック1はループ管内に定在波及び進行波を発生させ、スタック2は逆に定在波及び進行波が熱を汲み上げるという本発明の重要な機能を果たす。本発明は、スタック1及び2の流路断面積を異なる断面積で構成することによってスタック1では自励発振が、またスタック2では熱交換効率が向上することを見出した。また、同様に、スタック1及び2だけではなく、各熱交換器(高温用熱交換器3、低温用熱交換器4、冷却用熱交換器5、冷却出力用熱交換器6)の流路断面積を異なる断面積で構成することによって高温用熱交換器3、低温用熱交換器4では自励発振が、また冷却用熱交換器5、冷却出力用熱交換器6では熱交換効率が向上する。図5に示されるスタック1及び2、またはスタック1及び2及び各熱交換器(3,4,5,6)の流路断面積は中心部近傍の流路断面積が小さく外周部に向けて流路断面積が大きく設計された、好ましいスタック1及び2、またはスタック1及び2及び各熱交換器(3、4、5、6)の本発明に係わる実施例であり、図5はループ管軸と直交する断面概略図である。なお、上記とは逆に、スタック1及び2、またはスタック1及び2及び各熱交換器(3,4,5,6)の流路断面積は中心部近傍の流路断面積が大きく外周部に向けて流路断面積を小さくしても良い。
さらに、スタック1及び2は異なる流路長で構成することによっても、スタック1では自励発振が向上し、また、スタック2では熱交換効率が向上することを見出した。図6に示されるスタック1及び2は中心部近傍の流路長が長く外周に向けて流路長が短く設計された、好ましいスタック1及び2の実施例であり、図6はループ管軸に平行な断面概略図である。前記流路断面積と流路長の両方を設計に取り入れたスタック1及び2はより好ましい。スタック1及び2の流路断面積の大きさとその面内分布及び流路長の長さとその形状・分布は作動流体の種類やその物理的性質とスタックの材料や材質と相互に関連し、それらに基づいて設計されるものである。スタック1、2の自励発振や熱交換効率を向上することにより、冷却を開始するまでの時間を短縮し、小型化を図ることが可能となった。上記スタック1及び2を形成する材料はセラミクス、金属、金網などやそれらの多孔体、積層体などを広く用いることが出来る。なお、図6に示される上記のスタック1及び2とは逆に、スタックの中心部近傍の流路長が短く、外周に向けて流路長が長くなっていても良い。
また、スタック1及び2だけではなく、熱交換器3、4、5及び6を異なる流路長で構成することによっても、スタック1、熱交換器3、4では自励発振がまたスタック2、熱交換器5、6では熱交換効率が向上することを見出した。図7に示されるスタック1、2及び熱交換器3、4、5、6は中心部近傍の流路長が長く外周に向けて流路長が短く設計された、好ましいスタック及び熱交換器の実施例であり、図7はループ管軸に平行な断面概略図である。前記流路断面積と流路長の両方を設計に取り入れたスタック1、2及び熱交換器3、4、5、6はより好ましい。スタック1、2及び熱交換器3、4、5、6の流路断面積の大きさとその面内分布及び流路長の長さとその形状・分布は作動流体の種類やその物理的性質とスタックの材料や材質と相互に関連し、それらに基づいて設計されるものである。スタック1、2及び熱交換器3、4、5、6の自励発振や熱交換効率を向上することにより、冷却を開始するまでの時間を短縮し、小型化を図ることが可能となった。上記スタック1及び2を形成する材料はセラミクス、金属、金網などやそれらの多孔体、積層体などを広く用いることが出来る。また、熱交換器の材料としては、銅やニッケルなどの熱伝導率の良い材料が好適である。なお、上記とは逆に、スタック1、2及び熱交換器3、4、5、6は中心部近傍の流路長が短く、外周に向けて流路長が長くなっていても良い。
また、本発明に関わる振動発生装置13を設けたスタック(図4)は、振動を与えることによって作動流体に作用し定在波及び進行波の発生を助長することを前に説明したが、同時に該スタックは定在波及び進行波を熱に変換して熱交換効率をも向上する。前記図5及び図6に示す好ましい本発明に係わるスタックに該振動発生装置を設けるとより一層の熱交換効率が向上する。また、スタックそのものが圧電素子から成る該振動発生装置は熱交換効率を向上させると同時に、装置の小型を可能とする。
図8は、本発明に係わる多段式熱音響冷却装置の一実施形態を示す断面概略図である。本発明に係わる多段式熱音響冷却装置は、上述の熱音響冷却装置の冷却出力用熱交換器6と、上述の別の熱音響冷却装置の冷却用熱交換器44とを結合し、該結合を複数結合して構成されることを特徴とする。従って、最終的に得られる冷却出力は図7の実施例の場合では冷却出力用熱交換器666より得られ、達成される冷却温度は冷却出力用熱交換器6で得られる温度より冷却出力用熱交換器66で得られる温度の方が低く、更にまた冷却出力用熱交換器666で得られる温度の方が更に低い。また、結合される冷却装置は全く同じ装置で構成されても良いし、本発明に示される異なる冷却装置で構成されても構わない。
前記記載の高温用熱交換器3はヒーターによって或いは廃熱を利用した熱水などを通して高温部が形成される。廃熱利用の場合は環境面から好ましいばかりでなく、本発明に係わる熱音響冷却装置の場合、平常時はスタック1で自励的に発生する低出力の冷却及び冷凍出力で運転し、必要時に音波発生装置を稼動することにより瞬時に高出力の冷却出力が得られるという利点がある。低温用熱交換器4は通常常温水道水などを通して低温部が形成される。また、スタック2の冷却用熱交換器5は低温用熱交換器4と連結して、或いは低温用熱交換器4と同種の媒体を用いて独立に、冷却される。冷却出力用熱交換器6は冷却され、媒体により冷却及び冷凍部に運ばれ、目的を実現する。これらに用いる熱交換器3、4、5及び6は、銅、ステンレスなど、またメッシュ状、球状、板状など材質および形状は当該分野で使用されるもので特に限定されるものではない。また、媒体は水、オイル、グリコール、ブラインなど当該分野で使用されるもので特に限定されるものではない。
前記記載の作動流体は窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンの混合物などの不活性ガスが使用でき、また空気も使用できる。一般にはプランドル数が小さい作動流体がより有効であるとされている。また作動流体は常圧でも良いが、0.1〜1MPaが好ましいが、特に限定されるものではない。
以下、本発明を、実施例を用いて更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図面の参照符号の一覧表
1、2 スタック
3、33、333 高温用熱交換器
4、44、444 低温用熱交換器
5、55、555 冷却用熱交換器
6、66、666 冷却出力用熱交換器
7、8 ループ管
9 音波発生装置
10 圧電膜
11 弁またはバルブ
12 作動流体容器
13 振動発生装置
Claims (16)
- 高温用熱交換器と低温用熱交換器とが接合されたスタックと、冷却用熱交換器と冷却出力用熱交換器とが接合されたスタックと、前記二つのスタックの両端が相互に連結して形成されるループ管と、前記ループ管の外側或いは/及び内側に設置される音波発生装置を具備し、
管路を形成し、前記管路に作動流体が封入されており、前記作動流体に定在波及び進行波を発生させて冷却する冷却装置。 - 前記音波発生装置が前記ループ管の一部或いは全部を構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項記載の冷却装置。
- 前記音波発生装置が圧電膜にて成ることを特徴とする請求の範囲第1項または請求の範囲第2項いずれか記載の冷却装置。
- 前記音波発生装置が前記ループ管内部の圧力と圧力差を有する作動流体を弁或いはバルブにより該ループ管と連通されるよう設けられた容器を有することを特徴とする請求の範囲第1項記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方に振動発生装置を有することを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第4項いずれか記載の冷却装置。
- 前記振動発生装置が圧電素子から成ることを特徴とする請求の範囲第5項記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方が圧電素子から成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第6項いずれか記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方が流路断面積の異なる流路で構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第7項いずれか記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方がスタックの中心に近い流路断面積が小さい流路でかつ該スタックの外周に向けて流路断面積が大きい流路で構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第7項いずれか記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器または/および前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器が流路断面積の異なる流路で構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第7項いずれか記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器または/および前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器がスタックの中心に近い流路断面積が小さい流路でかつ該スタックの外周に向けて流路断面積が大きい流路で構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第7項いずれか記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方がスタックの流路長が異なる流路で構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第9項いずれか記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方がスタックの流路長が中心に近い流路長が長い流路でかつ該スタックの外周に向けて流路長が短い流路で構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第9項いずれか記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器または/および前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器がスタックの流路長が異なる流路で構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第9項いずれか記載の冷却装置。
- 前記二つのスタックの一方或いは両方、及び前記高温用熱交換器と前記低温用熱交換器または/および前記冷却用熱交換器と前記冷却出力用熱交換器がスタックの流路長が中心に近い流路長が長い流路でかつ該スタックの外周に向けて流路長が短い流路で構成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第9項いずれか記載の冷却装置。
- 請求の範囲第1項から請求の範囲第15項記載いずれかの冷却装置の冷却出力用熱交換器と、請求の範囲第1項から請求の範囲第15項記載いずれかの別の冷却装置の冷却用熱交換器とを結合し、該結合を複数結合して構成されることを特徴とする冷却装置。
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