WO2004085934A1 - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、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り、本冷却装置により、主に定在波及び進行波が発生する開始時間が著しく短縮しかつ安定し制御できる。

Description

明 細 書

冷却装置 技術分野

本発明 は、 熱音響効果 を利用 し た冷却装置 に 関す る も の であ る 。 背景技術

熱音響効果 を利用 し た冷却装置は、 圧縮機な ど を用 い る 冷却装置 に 比べて可動部分が少な い た め、 信頼性が高 い な どの利点 に着 目 さ れて い る 。 ま た、 最近は廃熱利用 が可能 で、 かつ フ ロ ンガス を用 い な い冷却装置 と し て環境面力 ら も注 目 さ れて い る 。

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 ピ一力 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 テイ 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 6 4 卷 . 第 7 8 8 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 つ 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 3 0 1 5 7 8 6 号公報」 参照）。 こ の 自 励発振に よ る熱音響冷凍機は、 約 2 0 年近 く を経て成功 し た と記載さ れてい る （例え ば、 「ス テ イ ー ブ ン · ギ ヤ レ ツ 卜 ( S t e v e n L G a r r e t t )、 他 1 名著 「音の力 （ T h e P o w e r o f S o u n d )」 . (米国） . ア メ リ カ ン ' サイ エ ンテ ィ ス ト ( A m e r i c a n S c i e n t i s t ) . 2 0 0 0 年 . 8 8 卷 . p . 5 2 3 . 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 ばカゝ 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 夕 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 つ 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 Z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。 発明の開示

上述 の よ う な欠点 を解決する た め に、 自 励発振 を容易 に 発生せ し めて冷却 を 開始す る ま での時間 を短縮 し 、 効率 を 向上 し 、 小型化 を 図 る こ と が可能な冷却装置 を提供す る こ と を 目 的 とする 。

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 Z 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 1 0 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 z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 1 1 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 1 2 の発明 は、 前記二つ の ス 夕 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 1 3 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 Z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 1 4 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 Z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 1 4 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 1 5 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 1 5 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 。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発 明 に係わ る 冷却装置の一実施形態 を示す断 面概略図で あ 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 。 発明 を実旒する た の最良の形鱲

以下、 本発明 に につ いて 図面 を参照 し なが ら 詳細 に説明 する 。

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 夕 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 、 ル一プ管 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 カゝ 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 ifi得 ら れなか つ 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 c

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 R .ければよ い

音波発生装置 9 は、 図 2 で は圧電膜 1 0 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 1

2 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 ィ ド ( P V D ) の圧電膜 1 0 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 1 2 に入れ ら れた作動流体は弁 ま た はバル ブ 1 1 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 P V p 変化 （ p は圧力 、 V は体積、 p 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 1 3 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 1 3 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 はル一 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 ツ 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 ツ 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 つ 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 つ て も 、 ス 夕 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 つ て い て も 良い。

ま た 、 本発明 に 関わ る 振動発生装置 1 3 を設けたス タ ツ 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 4 4 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 6 6 6 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 6 6 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 6 6 6 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 ゥ 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 レゝ が、 0 . 1 〜 ： 1 M P a 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。'

(実施例）

図 1 に示 し た冷却装置の実施形態 につ い て具体的 に説明 する 。 ルー プ管 7 、 8 は、 内径 を 4 5 m m、 肉厚 3 m m の 銅配管 を使用 し て直線部の長部 を 9 5 0 m m、 短部 を 4 5 O m m と し 、 長部 と 短部の銅配管は曲率半径 5 O m m と な る よ う 銅ェルポで溶接 し て形成 し た。 二つ の ス タ ッ ク 1 及 ぴ 2 は、 直径 4 5 m m、 長 さ 5 O m m のセ ラ ミ ク ス を使用 し て ., # 1 2 0 0 ( 1 2 0 0 個，/平方イ ンチ） の細管 を形 成 し た。 高温用 熱交換器 3 は直径 1 . 6 m m、 長 さ 1 0 0 O m mで 3 0 Ω の シ 一 ズ ヒ ー タ 一 に よ り 3 6 0 Wの電 力 を 供 し 高温部 を形成、 低温用 熱交換器 4 及び冷却用 熱交換器 5 は 2 0 メ ッ シ ュ の銅製網 を 1 5 で の循環水流量 0 . 6 1 /分 にて冷却 し て低温部 を形成 し た。 ス タ ッ ク 1 は熱交換 器 3 及び 4 と 、 ま た ス タ ッ ク 2 は熱交換器 3 及び 4 と 接合 し、 それぞれがルー プ管路内で等距離にな る よ う 設置 し た。 ま た、 該管路内 にス ピーカ 8 を 1 個設置 し 、 該管路 に は作 動流体 と し て 0 . I M P a の空気 と H e の混合物 を封入 し た。 熱交換器 3 に電力 を供給 し て高温部が 4 0 0 °C程度 に 達 し た時、 ス ピーカ を 1 0 0 H z で発振す る と 約 1 秒後 に 定在波及び進行波が発生する こ と が確認さ れた。 その結果、 熱交換器 6 では室温 2 4 か ら 7 °C ま で冷却す る こ と で き た。 産業上の利用可能性

本発明 にかか る 冷却装置 は、 冷却 を'開始す る ま で の時間 を短縮 し 、 ま た効率 を 向上する 、 熱音響効果 を利用 し た冷 却装置 と して有用 であ る 。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 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

2 . 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。

3 . 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。

4 . 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。

5 . 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。

6 . 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。

7 . 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。

8 . 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。

9 . 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。

1 0 . 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 はノ'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。

1 1 . 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 Z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。

1 2 . 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。

1 3 . 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 夕 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。

1 4 . 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 1 5 . 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 Z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 夕 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 夕 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。

1 6 . 請求の範囲第 1 項か ら 請求の範囲第 1 5 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 1 5 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。