(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンを動力源とする移動体に取り付けられた赤外線センサーを冷却する赤外線センサーの冷却装置であって、
前記内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンの排気熱により加熱する加熱部と、前記内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンの冷却手段により冷却する第１冷却部とに挟持された第１スタックを内部に有する第１管体と、
前記内燃機関の冷却手段により冷却する第２冷却部と、前記赤外線センサーに密着する冷凍部とに挟持された第２スタックを内部に有する第２管体と、
前記第１管体と前記第２管体とを連結する共鳴管と、
前記第１管体、第２管体及び共鳴管の内部に封入された流体とを備え、
前記第２管体が直線状に延びる直管であって、その直管の一端部を絞り弁を介してバッファータンクに接続するとともに、他端部を開放して前記共鳴管に接続したことを特徴とする赤外線センサーの冷却装置。
【請求項２】
前記第１管体が、環状に延びるループ管、又は直線状に延びる直管である請求項１に記載の赤外線センサーの冷却装置。
【請求項３】
前記流体が、空気、ヘリウム、水素、アルゴン及び窒素の中から選ばれる少なくとも１つである請求項１又は２に記載の赤外線センサーの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線センサーの冷却装置に関し、更に詳しくは、内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンを動力源とする移動体に取り付けられた赤外線センサーを、維持費をかけることなく容易に冷却することができる赤外線センサーの冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱をもつ物体は、その温度に比例した赤外線を放出することが知られており、その特性を利用して夜間や暗所でも視界を確保することができる赤外線暗視装置が開発されている。この赤外線暗視装置は、従来は主に軍事目的に利用されてきたが、近年では車両に装備されて、運転者や操作者に進行方向の画像をモニターを通じて提供することで、夜間での安全走行に寄与するようになっている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
この赤外線暗視装置は通常は常温下に置かれるので、自身が赤外線を発することとなる。そのため、画像に多くのノイズがのってしまい、運転者や操作者に鮮明な画像を提供することが難しいという問題がある。この問題を解決するためには、赤外線暗視装置において赤外線を検知するセンサー部分を極低温に冷却することが考えられる。しかし、このように赤外線センサーを極低温に冷却する方法は、ミサイルなどのようにコストよりも性能を重視する製品には容易に適用することができるが、一般の車両に適用する場合にはコストやスペースなどの点から限られたものとなる。
【０００４】
一般の車両に適用できる赤外線センサーの冷却方法としては、液体窒素やスターリング冷凍機を利用することが考えられる。しかし、前者の液体窒素は補給の手間がかかり、後者のスターリング冷凍機は冷却のために動力を必要とするので、車両の燃費が著しく低下してしまう。つまり、一般の車両に適用した場合には、両者ともに維持費が高騰してしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３０８０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンを動力源とする移動体に取り付けられた赤外線センサーを、維持費をかけることなく容易に冷却することができる赤外線センサーの冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成する本発明の赤外線センサーの冷却装置は、内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンを動力源とする移動体に取り付けられた赤外線センサーを冷却する赤外線センサーの冷却装置であって、前記内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンの排気熱により加熱する加熱部と、前記内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンの冷却手段により冷却する第１冷却部とに挟持された第１スタックを内部に有する第１管体と、前記内燃機関の冷却手段により冷却する第２冷却部と、前記赤外線センサーに密着する冷凍部とに挟持された第２スタックを内部に有する第２管体と、前記第１管体と前記第２管体とを連結する共鳴管と、前記第１管体、第２管体及び共鳴管の内部に封入された流体とを備え、前記第２管体が直線状に延びる直管であって、その直管の一端部を絞り弁を介してバッファータンクに接続するとともに、他端部を開放して前記共鳴管に接続したことを特徴とするものである。
【０００８】
上記の赤外線センサーの冷却装置において、前記第１管体を、環状に延びるループ管、又は直線状に延びる直管とする。
【００１１】
上記の赤外線センサーの冷却装置において、前記第１管体、第２管体及び共鳴管の内部に封入された流体には、空気、ヘリウム、水素、アルゴン及び窒素の中から選ばれる少なくとも１つを用いる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の赤外線センサーの冷却装置によれば、内燃機関、外燃機関又はロケットエンジンの排気熱を利用して、赤外線センサーの冷却を行うことができるので、赤外線センサーを維持費をかけることなく冷却することができる。また、冷却装置の構造が簡易かつ軽量であるため、赤外線センサーの冷却を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の参考例からなる赤外線センサーの冷却装置の構成図である。
【図２】本発明の第２の参考例からなる赤外線センサーの冷却装置の構成図である。
【図３】熱音響エンジンの変形例である。
【図４】本発明の実施形態からなる赤外線センサーの冷却装置における熱音響冷凍機の構造図である。
【図５】本発明の第３の参考例からなる赤外線センサーの冷却装置の構成図である。
【図６】本発明の第４の参考例からなる赤外線センサーの冷却装置の構成図である。
【図７】本発明の第５の参考例からなる赤外線センサーの冷却装置を備えたミサイルの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の参考例からなる赤外線センサーの冷却装置を示す。
【００１７】
この赤外線センサーの冷却装置（以下、「冷却装置」という。）１Ａは、内燃機関であるエンジンを動力源とする車両に装備されるものであり、第１ループ管２と第２ループ管３との間を共鳴管（音波伝達管）４で連結した構造を有している。ループ管２、３及び共鳴管４は、ステンレスや真鍮などから形成され、共鳴管４がほぼ直線状であるのに対して、ループ管２、３は略矩形の環状に延びている。これらのループ管２、３及び共鳴管４のサイズは、冷却装置への要求性能、例えば冷却温度や装置の大きさなどにより適宜設定される。
【００１８】
ループ管２、３及び共鳴管４の内部には、一定の圧力を有する流体５が封入されており、その流体５としては、空気、ヘリウム、水素、アルゴン及び窒素の中から選ばれる気体又は混合気体が好ましく用いられる。特に、ヘリウムとアルゴンの混合気体を用いることが望ましい。
【００１９】
第１ループ管２の内部には第１スタック６が配置され、その第１スタック６を両側から挟持するように加熱部７と第１冷却部８とがそれぞれ設置されている。第１スタック６は、複数積層された金属製のメッシュから、又はセラミックス製のハニカムから構成されている。加熱部７は、流体の流れを妨げない形状を有する伝熱性の高い物体、例えば並行に配列された複数の金属板などから構成されており、その一部が第１ループ管２の管壁内面に接触している。そして、その加熱部７を第１ループ管２の管壁を介して包絡するようにエンジンの排気管９が通過している。加熱部７が接触する部分に対応する第１ループ管２の管壁外面には、伝熱性能を向上するために多数のフィン１０を設けている。また、第１冷却部８は、第１ループ管２を径方向に貫通するエンジンの冷却水配管１１の途中に形成された太径部から構成されている。
【００２０】
これらの第１ループ管２、第１スタック６、加熱部７及び第１冷却部８により熱音響エンジン１２Ａが構成される。
【００２１】
第２ループ管３の内部には第２スタック１３が配置され、その第２スタック１３を両側から挟持するように第２冷却部１４と冷凍部１５とがそれぞれ設置されている。第２スタック１３及び第２冷却部１４は、熱音響エンジン１２Ａの第１スタック６及び第１冷却部８とそれぞれ同じ構造を有している。冷凍部１５は、第２ループ管３を貫通する伝熱性の高い金属体などから構成され、外側に露出する端部が赤外線暗視装置の赤外線センサー１６に密着している。
【００２２】
これらの第２ループ管３、第２スタック１３、第２冷却部１４及び冷凍部１５により熱音響冷凍機１７Ａが構成される。
【００２３】
このような冷却装置１Ａにおいて、エンジンを運転して排気管９を流れる排気ガス１８の排気熱（例えば、ガソリンエンジンで約１００〜１０００℃、ディーゼルエンジンで約１００〜４００℃）により熱音響エンジン１２Ａの加熱部７を加熱するとともに、エンジンの冷却水１９により第１冷却部８を冷却すると、第１スタック６に温度勾配が発生する。この第１スタック６の両端の温度差が一定値以上になると、第１ループ管２内の流体５が自励振動して音波２０が発生する。発生した音波２０は第１ループ管２内を循環しながらエネルギーを徐々に蓄積するとともに、その一部は共鳴管４を通じて熱音響冷凍機１７Ａの第２ループ管３へ伝達される。第２ループ管３へ伝達された音波２０は、第２ループ管３内で循環しながら第２スタック１３において流体５を圧縮・膨張させる。この流体５の圧縮・膨張が微少なサイクルで繰り返されることで、第２スタック１３が発熱し流体５の流れに沿って温度勾配が生じる。このとき、第２スタック１３の高温側端部に位置する第２冷却部１４をエンジンの冷却水１９で冷却すると、低温側端部に位置する冷凍部１５が極低温になるため、赤外線センサー１６を冷却することができる。
【００２４】
このようにして、内燃機関であるエンジンの排気熱を利用して、赤外線センサー１６の冷却を行うことができるので、赤外線センサー１６を維持費をかけることなく冷却することができる。それにより、車両に積載された赤外線暗視装置の画像をクリアにすることができる。また、エンジンの動力損失がないため、車両の性能を妨げることがない。更には、冷却装置１Ａの構造が簡易かつ軽量であるため、赤外線センサー１６の冷却を容易に行うことができる。
【００２５】
上記の冷却装置１Ａにおいて、ループ管２、３の長手方向におけるスタック６、１３の位置は、特に限定するものではない。また、熱音響エンジン１２Ａにおける第１スタック６（加熱部７及び第１冷却部８を含む）の台数も限定するものではなく、長手方向に一定の間隔をおいて複数配置するようにしてもよい。
【００２６】
図２は、本発明の第２の参考例からなる赤外線センサーの冷却装置を示す。
【００２７】
この冷却装置１Ｂは、上述したループ管２、３の代わりに、一端部が閉止された直線状に延びる直管２１、２２を用いたものである。なお、熱音響エンジン１２Ｂにおける加熱部７及び第１冷却部８、並びに熱音響冷凍機１７Ｂにおける第２冷却部１４及び冷凍部１５は、上述した冷却装置１Ａの場合と同じ構造を有している。
【００２８】
このような冷却装置１Ｂにおいて、エンジンを運転して排気管９を流れる排気ガス１８の排気熱により熱音響エンジン１２Ｂの加熱部７を加熱するとともに、エンジンの冷却水１９により第１冷却部８を冷却することで第１直管２１内で発生した音波２０は、そのまま共鳴管４を通じて熱音響冷凍機１７Ｂの第２直管２２へ伝達される。そして、第２直管２２へ伝達された音波２０により第２スタック１３が発熱し、流体５の流れに沿って温度勾配が生じる。このとき、第２スタック１３の高温側端部に位置する第２冷却部１４をエンジンの冷却水１９で冷却することで、低温側端部に位置する冷凍部１５が極低温になるため、赤外線センサー１６を冷却することができる。
【００２９】
この冷却装置１Ｂは、冷却装置１Ａのようにループ管２、３内での音波２０の循環がないため、第２スタック１３を発熱させる音波２０のエネルギーが低くなって冷凍部１５の冷却性能が低下することになる。しかしながら、冷却装置１Ｂの構造を更に簡易かつ軽量化できるという長所を有している。
【００３０】
上記の冷却装置１Ｂにおいても、直管２１、２２の長手方向におけるスタック６、１３の位置は、特に限定するものではない。また、熱音響エンジン１２Ｂにおける第１スタック６（加熱部７及び第１冷却部８を含む）の台数も限定するものではなく、長手方向に一定の間隔をおいて複数配置するようにしてもよい。
【００３１】
なお、熱音響エンジン１２Ｂに第１スタック６（加熱部７及び第１冷却部８を含む）を複数設ける場合には、図３に示すように、それぞれの第１スタック６が配置される部分における第１直管２１の外径を変化させるようにしてもよい。この図３に示す熱音響エンジン１２ｂにおいては、第１直管２１の閉止された側の端部を、外径の小さい直線状の細管２３に連通させ、その細管２３内に新たに２個目の第１スタック６（加熱部７及び第１冷却部８を含む）を配置している。このようにすることで、複数の第１スタック６から効率よく音波２０を発生させることができるとともに、流体５の流動損失を適切に調整することができる。
【００３２】
そして、本発明の実施形態からなる赤外線センサーの冷却装置は、図２に示す第２の参考例において、熱音響冷凍機１７Ｂを、図４に示す熱音響冷凍機１７ｂの構造にしたものである。この熱音響冷凍機１７ｂは、第２直管２２の閉止された側の端部を絞り弁２４を介してバッファータンク２５に連通させている。このようにすることで、絞り弁２４の開閉により直管２１、２２内を流れる流体５の圧力を調整して、冷却性能を向上することができる。
【００３３】
上述した冷却装置１Ａ、１Ｂにおいては、熱音響エンジン１２Ａ、１２Ｂと熱音響冷凍機１７Ａ、１７Ｂの構成を互いに組み合わせることができる。
【００３４】
例えば、図５に示す本発明の第３の参考例からなる冷却装置１Ｃは、冷却装置１Ａにおける熱音響エンジン１２Ａと、冷却装置１Ｂにおける熱音響冷凍機１７Ｂとを組み合わせたものである。このように構成することにより、冷却性能の向上と冷却装置の構造の簡易化及び軽量化とを両立させることができる。なお、この組み合わせの対象には、図３、４にそれぞれ示す熱音響エンジン１２ｂ及び熱音響冷凍機１７ｂの構成も含まれることはいうまでもない。
【００３５】
図６は、本発明の第４の参考例からなる赤外線センサーの冷却装置を示す。
【００３６】
この冷却装置１Ｄは、熱音響エンジン１２Ｄの第１スタック６（加熱部７及び第１冷却部８を含む）と、熱音響冷凍機１７Ｄの第２スタック１３（第２冷却部１４及び冷凍部１５を含む）とを、環状に延びる環状管２６の内部に一定の距離をおいてそれぞれ配置したものである。言い換えれば、熱音響エンジン１２Ｄ及び熱音響冷凍機１７Ｄの構成部材として両端部が開放した直管２１、２２をそれぞれ用い、それらの直管２１、２２の端部同士を２本の共鳴管４で連結したものと捉えることができる。
【００３７】
このような冷却装置１Ｄにおいては、エンジンを運転して排気管９を流れる排気ガス１８の排気熱により熱音響エンジン１２Ｄの加熱部７を加熱するとともに、エンジンの冷却水１９により第１冷却部８を冷却することで環状管２６内で発生した音波２０は、そのまま環状管２６内を伝わって熱音響冷凍機１７Ｄへ伝達される。そして、その伝達された音波２０により第２スタック１３が発熱し、流体２０の流れに沿って温度勾配が生じる。  このとき、第２スタック１３の高温側端部に位置する第２冷却部１４をエンジンの冷却水１９で冷却すると、低温側端部となる冷凍部１５が極低温になるため、赤外線センサー１６を冷却することができる。
【００３８】
なお、発生した音波２０の一部は環状管２６内を循環して、徐々にエネルギーが蓄積されるため、冷却装置１Ａとほぼ同じ冷却性能を得ることができる。従って、このような冷却装置１Ｄを用いることにより、冷却性能を損なうことなく、冷却装置の構造の簡易化及び軽量化を向上することができる。
【００３９】
本発明の参考例である冷却装置１Ａ〜１Ｄ、及び実施形態からなる冷却装置は、上述したように内燃機関であるエンジンを動力源とする車両への装備に限るものではない。動力源は外燃機関であってもよく、また車両の他に航空機などに装備することもできる。
【００４０】
更に、例えば図７に示すような、ロケットエンジンにより飛行するミサイル２７に搭載された赤外線追尾装置の赤外線センサー１６の冷却に用いることも可能である。
【００４１】
本発明の第５の参考例からなる冷却装置１Ｅは、図７に示すように、上記の冷却装置１Ａと同じく、熱音響エンジン１２Ｅ及び熱音響冷凍機１７Ｅの構成部材としてループ管２、３を用いている。熱音響エンジン１２Ｅの加熱部７は、燃料タンク２８から供給される燃料が燃焼する燃焼室２９に密着している。また、熱音響エンジン１２Ｅ及び熱音響冷凍機１７Ｅの第１冷却部８及び第２冷却部１４は、ミサイル２７外面に突出する冷却フィン３０にそれぞれ密着している。
【００４２】
このような冷却装置１Ｅにおいて、ミサイル２７の飛行中に燃料を燃焼させた排気熱（例えば、約５００〜７００℃）により熱音響エンジン１２Ｅの加熱部７を加熱するとともに、外気により空冷された冷却フィン３０により第１冷却部８を冷却することで発生した音波２０は、第１ループ管２内を循環しながらエネルギーを徐々に蓄積するとともに、その一部は共鳴管４を通じて熱音響冷凍機１７Ｅの第２ループ管３へ伝達される。そして、第２ループ管３へ伝達された音波２０により第２スタック１３が発熱し、流体５の流れに沿って温度勾配が生じる。このとき、第２スタック１３の高温側端部に位置する第２冷却部１４を空冷された冷却フィン３０で冷却することで、低温側端部に位置する冷凍部１５が極低温になるため、赤外線センサー１６を冷却することができる。
【００４３】
このようにして、ロケットエンジンの排気熱を利用して、赤外線センサー１６の冷却を行うことができるので、赤外線センサー１６を維持費をかけることなく冷却することができる。それにより、ミサイル２７に積載された赤外線追尾装置の画像をクリアにすることができる。また、ロケットエンジンの動力損失がないため、ミサイル２７の性能を妨げることがない。更には、冷却装置１Ｅの構造が簡易かつ軽量であるため、赤外線センサー１６の冷却を容易に行うことができる。
【００４４】
なお、巡航ミサイルのように、ジェットエンジンを用いて長時間飛行するミサイルについても、上記の冷却装置１Ｅを装着することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  赤外線センサーの冷却装置
２  第１ループ管
３  第２ループ管
４  共鳴管
５  流体
６  第１スタック
７  加熱部
８  第１冷却部
９  排気管
１０  フィン
１１  冷却水配管
１２  熱音響エンジン
１３  第２スタック
１４  第２冷却部
１５  冷凍部
１６  赤外線センサー
１７  熱音響冷凍機
１８  排気ガス
１９  冷却水
２０  音波
２１  第１直管
２２  第２直管
２３  細管
２４  絞り弁
２５  バッファータンク
２６  環状管
２７  ミサイル
２８  燃料タンク
２９  燃焼室
３０  冷却ファン
【図１】
0005760712.tif 000002
【図２】
0005760712.tif 000003
【図３】
0005760712.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005760712.tif 000008