(57)【要約】【課題】動力・圧損の大幅な増大や、機器への機械的負担を与えることなく、伝熱性能を飛躍的に向上させる。【解決手段】熱交換器１は、冷媒（冷却用作動流体）を流すための流路が形成された冷媒流路ブロック１０と、流路ブロック１０内に流れる冷媒を直接振動させる振動子ブロック２０と、振動子ブロック２０による冷媒の振動を制御する振動子駆動制御装置３０とを備えている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換を行う作動流体を流す流路が形成された流路部材と、前記流路内の作動流体に振動面が接した状態で、前記作動流体に超音波を直接照射する超音波発生素子と、
前記超音波発生素子を駆動させる駆動手段と、
を備えた熱交換器。
【請求項２】
前記駆動手段は、連続的又は間欠的な超音波を発生するように前記超音波発生素子を駆動させる
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記駆動手段は、周期１秒以下かつディーティ比０．５以下の駆動電圧に基づいて、間欠的な超音波を発生するように前記超音波発生素子を駆動させる
請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に係り、特に、作動流体に超音波を照射することで熱交換機能の向上を図った熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器の伝熱性能を向上させるために、一般的には、伝熱面積拡大のためフィン・冷媒流路といった伝熱面の微細化（マイクロチャネルヒートシンク、マイクロチャネル熱交換器等）や、伝熱面への伝熱促進体（溝付き伝熱面、渦発生体形成等）の付与が行われている。これらは伝熱面の幾何学的形状変更による受動的伝熱促進法に分類される。
【０００３】
一方、外力（特に振動）を利用した能動的な伝熱促進法の例として、櫛形フィン状ヒートシンクに圧電素子を設置して、素子に構造的歪みを発生させ、発熱デバイスとヒートシンクを一体的に振動させ、速度境界層の発達を抑制することで放熱性能の増加を図っている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
同様に加振を利用した伝熱性能向上例としては、熱交換器の枠体に加振器を設置して熱交換器全体を振動させるもの（例えば、特許文献２参照。）や、伝熱フィン表面に圧電材料層を積層させてフィンを変形させて流体を加速させるといったもの（例えば、特許文献３参照。）が挙げられる。
【０００５】
また、振動装置を利用して通気孔より空気を取り入れ、強制対流を発生させ、フィンの放熱性能向上を図った例もある（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２７７９５９号公報（図１）
【特許文献２】
特開平８−８６５３７号公報（図１）
【特許文献３】
特開平７−２４８１９７号公報
【特許文献４】
特開平７−５８２４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
伝熱性能を向上させるために、伝熱面の微細化や、伝熱促進体付与が実施された熱交換器は、伝熱性能向上以上に圧損増大（ポンプ・送風動力の増大）を伴うという潜在的課題がある。
【０００８】
これら受動的伝熱促進法では、通常使用する場合、伝熱性能（熱伝達率）は流量によりー義的に決まるため、更なる熱交換量増加を図る場合は流量増加させる必要があり、これもまた前述の圧損増大を伴う。
【０００９】
現状、微細化が進む中、更なる微細化や伝熱促進体の付与を行おうとすると、伝熱促進体設置スペースの確保や実用的な微細形状製造技術の限界、コスト増大という技術的・経済的デメリットも発生してくる。
【００１０】
振動を利用した上記ヒートシンク・熱交換器の伝熱性能向上例では、いずれの場合もヒートシンク・熱交換器部材そのものを加振させている。このため、十分な効果を得るためには、機器の体格に応じた多大な振動子駆動電力を要する問題がある。また、機器全体を加振するためには振動子設置箇所に大きな構造的歪みを起こす必要があるため、機器の構造的寿命も低下してしまう。
【００１１】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、動力・圧損の大幅な増大や、機器への機械的負担を与えることなく、伝熱性能を飛躍的に向上させた熱交換器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
対流熱伝達を向上させるためには、伝熱面近傍に形成される温度境界層を薄くするか、境界層内部の温度勾配を大きくさせる必要がある。従来、伝熱面自体を振動させ境界層に変化を起こすことで、対流熱伝達の向上を図っていた。本発明は、作動流体に直接乱れ成分を付与することで、対流熱伝達の向上を図っている。
【００１３】
そこで、請求項１に記載の発明である熱交換器は、熱交換を行う作動流体を流す流路が形成された流路部材と、前記流路内の作動流体に振動面が接した状態で、前記作動流体に超音波を直接照射する超音波発生素子と、前記超音波発生素子を駆動させる駆動手段と、前記超音波発生素子を駆動させる駆動手段と、を備えている。
【００１４】
流路部材は、熱交換を行う作動流体を流す流路が形成されていれば特に限定されるものではなく、鋳造等による一体成形体の他、流路プレートとヘッダープレートとカバープレー卜とを接合したもの、さらに積層構造のものであってもよい。また、流路の断面形状は、矩形、半円、三角、台形のいずれの形状であってもよい。
【００１５】
超音波振動子は、その振動面が作動流体に接するように設置されている。したがって、超音波振動子は、作動流体に直接超音波を照射して、伝熱面近傍の境界層を撹乱し、さらに超音波照射によって生じる定在波・音響流に起因した２次流れのマクロな撹乱作用により、作動流体の伝熱性能を向上させている。なお、超音波振動子は、他部位への機械的振動伝播を抑制するため、弾性体を介して支持体に設置されているのが好ましい。また、超音波振動子は、１つに限らず、２つ以上設けられてもよい。
【００１６】
駆動手段は、超音波振動子を駆動させて、超音波の照射条件調整し、所望の伝熱促進効果を得ることができる。なお、駆動手段は、超音波振動子が２つ以上設けられている場合には、各超音波振動子をそれぞれ独立に駆動させるようにしてもよい。
【００１７】
したがって、請求項１に記載の発明によれば、流路部材に形成された流路内の作動流体に超音波振動子の振動面が接する状態で、その作動流体に超音波を直接照射することにより、超音波照射によって生じる定在波・音響流に起因した２次流れのマクロな撹乱作用により、伝熱性能を向上させることができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記駆動手段は、連続的又は間欠的な超音波を発生するように前記超音波発生素子を駆動させる。
【００１９】
したがって、請求項２に記載の発明によれば、連続的又は間欠的な超音波を作動流体に照射することで定在波・音響流が発生し、伝熱性能を向上させることができる。
【００２０】
ここで、連続照射の場合、作動流体には連続的な音響流が発生する。このとき、主流は流路内で若干湾曲するものの、時間的な変動はなく定常流のままである。
【００２１】
これに対して、間欠照射の場合、音響流は超音波のオン／オフと同様に間欠的に発生する。したがって、主流はこれに共振する形で周期的な大きい蛇行流を呈するようになり、流れ場全体が乱され（乱流化し）、更なる伝熱促進効果が付加される。すなわち、間欠照射の場合、音響流により主流自体が非定常性を有することにより、更なる伝熱促進を図ることができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記駆動手段は、周期１秒以下かつディーティ比０．５以下の駆動電圧に基づいて、間欠的な超音波を発生するように前記超音波発生素子を駆動させる。
【００２３】
後述する実験結果によると、伝熱促進効果は、周期０．２〜０．５秒程度にそれぞれピーク値をとり、周期が大きくなるに従って伝熱促進効果は徐々に低下した。また、デューティ比が小さいほど伝熱促進効果は大きくなった。そこで、実用的には、周期が１秒以下であり、かつディーティ比０．５以下であるのが好ましい。
【００２４】
したがって、請求項３に記載の発明によれば、周期１秒以下かつディーティ比０．５以下の駆動電圧に基づいて、超音波振動子２３に間欠的な超音波を発生させることにより、伝熱促進効果を更に高めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器１の外観斜視図である。熱交換器１は、例えばＬＳＩやコンデンサ等の発熱素子が実装された発熱体１００の冷却用ヒートシンクとして機能するものである。
【００２７】
（熱交換器１の構成）
熱交換器１は、冷媒（冷却用作動流体）を流すための流路が形成された冷媒流路ブロック１０と、流路ブロック１０内に流れる冷媒を直接振動させる振動子ブロック２０と、振動子ブロック２０による冷媒の振動を制御する振動子駆動制御装置３０と、を備えている。
【００２８】
図２は、熱交換器１の断面斜視図である。図３は、流路ブロック１０の断面図である。流路ブロック１０は、様々な溝状の流路を形成することで、全面に冷媒を循環させている。
【００２９】
流路ブロック１０には、図３に示すように、流路として具体的には、入口管５を介して供給された冷媒を一時貯蔵する第１のヘッダ部１１と、第１のヘッダ部１１に貯蔵された冷媒を流すための複数の冷媒流路溝１２と、各冷媒流路溝１２から供給された冷媒を貯蔵して出口管１５を介して排出するための第２のヘッダ部１３とが形成されている。
【００３０】
第１のヘッダ部１１は、外部から供給された冷媒を一時貯蔵してから流路ブロック１０の全面に循環させるために、比較的容量の大きな溝（凹部）状に形成されている。
【００３１】
冷媒流路溝１２は、第１のヘッダ部１１に貯蔵された冷媒を流路ブロック１０の全面に循環させるために、比較的細い溝状に形成され、かつ多数設けられている。ここで、冷媒流路溝１２の一端は第１のヘッダ部１１に接続され、冷媒流路溝１２の他端は第２のヘッダ部１３に接続されている。また、第１のヘッダ部１１と第２のヘッダ部１３との間には、伝熱面積を確保するために、複数の冷媒流路溝１２が並列に形成されている。さらに、冷媒流路溝１２の側面部材はフィンとして機能する。
【００３２】
なお、流路ブロック１０の材料としては、例えば、熱伝達率の高い銅やアルミニウムや耐食性に優れたステンレスが用いられる。
【００３３】
図４は、溝開口部幅Ｗと溝深さＨを表した冷媒流路溝１２の断面図である。冷媒流路溝１２の断面は、（ａ）矩形、（ｂ）台形、（ｃ）半円、（ｄ）三角形状のいずれであってもよい。冷媒流路溝１２の溝開口部幅Ｗと溝深さＨは、０．５＜（Ｈ／Ｗ）＜３０の範囲内であって、定在波が形成されれば、任意に設定される。なお、本実施形態では、冷媒流路溝１２の断面は矩形であるものとする。
【００３４】
図５は、振動子ブロック２０の断面図である。振動子ブロック２０は、流路ブロック１０とほぼ同じ大きさである。振動子ブロック２０は、流路ブロック１０に形成された流路が外部に現れないように流路ブロック１０に組み合わせられ、流路を流れる冷媒を直接振動させる。
【００３５】
振動子ブロック２０には、外周内側に沿ってガスケット溝２１が形成されている。ガスケット溝２１には、弾性体ガスケット２２が設置されている。弾性体ガスケット２２としては、ゴムやテフロン（Ｒ）等の樹脂系材料、コイルスプリング内蔵の金属ガスケット等が用いられる。
【００３６】
超音波振動子２３は、円形もしくは矩形をした板状または膜状の圧電素子である。超音波振動子２３は、弾性体ガスケット２２にはめ込まれ、その外周部が振動子ブロック２０に固定されている。これにより、超音波振動子２３は、振動子ブロック２０や流路ブロック１０に振動を伝えることなく、超音波を発生することができる。なお、超音波振動子２３のコード２４は、カバーブロック外部に取り出され、振動子駆動制御装置３０に接続されている。
【００３７】
流路ブロック１０と振動子ブロック２０は、冷媒流路溝１２と超音波振動子２３が向き合うように組み付けられる。これにより、冷媒は、外部に漏れることなく、流路ブロック１０と振動子ブロック２０とによって形成された流路内を流れるようになる。
【００３８】
したがって、振動子ブロック２０は、超音波振動子２３の振動面が冷媒に直接触れるように構成されているので、流路内を流れる冷媒に対して直接超音波を照射できる。
【００３９】
振動子駆動制御装置３０は、超音波振動子２３を駆動させて、冷媒に照射する超音波の発振周波数を１００ｋＨｚ以上で制御したり、連続的又は間欠的に冷媒に超音波を照射させることができる。
【００４０】
このように構成された熱交換器１は、冷媒に超音波を間欠照射したり、連続照射をすることにより、熱伝達率・放熱量を促進させることができる。なお、熱交換器１は、連続照射をする場合に比べて間欠照射をする場合の方が、熱伝達率・放熱量を促進させることができる。また、間欠照射の場合には、駆動電圧のパルス周期が１秒以下、かつデューティー比０．５以下が好ましい。
【００４１】
以下、超音波の照射方法及び照射条件の詳細について説明する。
【００４２】
（間欠照射と連続照射の比較）
図６は、超音波の発振周波数が１．６ＭＨｚ、冷媒に水を用いた場合の冷媒流路の熱伝達率特性を示す図である。なお、超音波の発振周波数は、十分な定在波が形成されるように、流路形状（特に流路深さＨ）に併せて１００ｋＨ〜数ＭＨｚに設定した。
【００４３】
超音波を連続照射した場合は、超音波を照射しない場合に比べて、圧損の増大を招くことなく、熱伝達率が１０〜３０％向上した。これは指向性の強い超音波が冷媒を伝播して、流路壁面近傍の温度境界層を撹乱するとともに、振動子上流路壁面間に形成された定在波による流れのマクロな乱れにより熱伝達が促進したためである。
【００４４】
図７は、間欠照射と連続照射のそれぞれについて、超音波振動子２３への投入電力（振動子出力に相当）と超音波照射なしの条件に対する熱伝達率α・放熱量Ｑの増加率との関係を示す図である。なお、縦軸の放熱量Ｑは、冷媒が奪った全熱量から超音波振動子２３への投入電力を差し引いた実効値を用いた。横軸は、超音波振動子２３への最大投入電力に対する実施投入電力の時間平均割合（％）を表している。
【００４５】
図８は、図７の測定時における超音波振動子２３の駆動電圧の波形図であり、（ａ）は超音波を間欠照射したとき、（ｂ）は超音波を連続照射したときである。なお、間欠照射の場合、駆動電圧のパルス周期は０．４〜０．６秒にすると共に、駆動電圧は固定し、デューティ比は可変とした。また、連続照射の場合、駆動電圧（投入電圧）は可変とした。
【００４６】
図７によると、振動子への投入電力が同一の場合、連続照射に比べて間欠照射の方が、熱伝達率・放熱量の促進効果が大きくなった。冷媒に対して超音波を照射すると、超音波伝播方向に音響流と呼ばれるマクロな流れが形成される。そこで、冷媒流れに垂直方向に超音波を間欠照射すると、冷媒流れに直角方向の速度成分が非定常的に作用する。このため、主流冷媒流れは流路内で蛇行流を呈し、それに伴う境界層変化（マクロな撹乱）が起こる。
【００４７】
すなわち、間欠照射では、超音波の直接作用としての境界層の撹乱効果と、超音波によって形成された音響流による間接的な撹乱効果とが、同時に作用する。このため、間欠照射では、振動子投入電力が同じであっても、連続照射に比べて伝熱促進効果が大きく表れた。次に、間欠照射の好ましい条件について説明する。
【００４８】
（間欠照射の条件）
間欠照射の場合、上述のように、伝熱促進効果は主流自体の周期的な蛇行流化にあり、その周期（乱れ）は主流速度と音響流強さ、流路寸法等で決定される。したがって、流速に応じて、熱伝達向上が最大となる照射周期は変化する。そこで、最初に照射周期τについて検討する。
【００４９】
図９は、デューティ比０．５で固定し、照射周期τを変えた場合の超音波照射時の伝熱促進効果を示す図である。図中白丸と白三角は冷媒のレイノルズ数Ｒｅ＝１００、黒丸と黒三角はＲｅ＝２８０での実験結果である。
【００５０】
伝熱促進効果は、周期０．２〜０．５秒程度にそれぞれピーク値をとり、それより周期が大きくなるにしたがい伝熱促進効果は徐々に低下した。ピーク値をとる周期は流速（Ｒｅ相当）の影響を受けると考えられる。
【００５１】
ここで、超音波振動子２３は照射パワーに制限があるため、流速（Ｒｅ）が大きくなると、間欠照射による周期的乱れを付加しても、相対的に主流の慣性が大きいため伝熱促進効果は低下する（図６、図９）。
【００５２】
図９に示すように、流速（Ｒｅ）の増加に対してピーク周期は短くなる。また、ピーク周期以上では伝熱促進効果は単調的に減少する。これらのことから、現状振動子能力では、２８０＜Ｒｅ＜１０００の範囲において、照射周期に対して伝熱促進効果は単調的に減少する。したがって、常用流速範囲（Ｒｅ＜１０００）では、照射周期τは１秒以下が適正である。
【００５３】
図１０は、照射周期τ＝０．６秒、超音波投入電力を一定にしてデューティ比を変えた場合の超音波照射時の伝熱促進効果を示す図である。
【００５４】
伝熱促進効果はデューティ比が小さいほど大きくなった。すなわち、同一投入電力で間欠照射を行う場合、デューティ比を小さくして振幅の大きい超音波を照射するのが望ましい。
【００５５】
これは、超音波照射によって発生する音響流（蛇行流れを誘起するマクロ流れ）の駆動源が、超音波が伝播する際の吸収・減衰によるエネルギー散逸に起因した力であり、デューティ比を小さくして振幅が大きくなるほど非線形な減衰が増加し、それに伴って音響流が強くなり、乱れ効果が増加するからである。実用上、同一投入電力で十分な促進効果を得るためには、デューティ比を低く設定（０．５以下）すればよい。
【００５６】
したがって、図９及び図１０の実験結果によると、間欠照射の場合、駆動電圧のパルス周期が１秒以下、かつデューティー比０．５以下にすれば、高い伝熱促進効果を得ることができる。
【００５７】
以上のように、本実施形態に係る熱交換器１は、冷媒に対して直接超音波を照射することにより、伝熱促進によって熱交換能力が向上する。具体的には、照射された超音波により、流路壁面近傍の熱抵抗となる温度境界層が撹乱され、壁面と流体との熱伝達が促進される。さらに、照射された超音波によって、流路内にマクロスケールの定在波・音響流が発生する。これにより、壁面近傍の速度境界層が変化し、それに伴い温度境界層が薄くなり、境界層内部の温度勾配が大きくなって熱伝達が促進される。したがって、上記熱交換器１は、熱交換に必要な伝熱面積を削減できるため、機器の小型化が可能となる。
【００５８】
従来、熱交換能力向上のため、伝熱面積を拡大（流路微細・多パス化）したり、伝熱促進体を設置することによって圧損が増大する問題があった。また、循環する作動流体（冷媒）の流量を増加させることによって、システムの総圧力の損失が増大する問題があった。
【００５９】
これに対して、熱交換器１は、振動子駆動制御装置３０を介して超音波振動子２３が発生する超音波を調整することにより、伝熱性能（伝熱促進分の熱交換量）を空間的・時間的に制御することができる。すなわち、冷媒の流量を固定（冷媒循環動力・圧損を固定）条件で熱交換能力向上が可能となるため、省動力化が図れる。
【００６０】
また、熱交換器１は、冷媒に超音波を照射することで、伝熱面を洗浄することができる。具体的には、流路の微細部分まで超音波が到達するので、壁面近傍で流体撹乱とキャビテーション効果（無数の微小な真空気泡が発生し、消滅時に衝撃波を発生して汚れを引き剥がす）が作用し、汚れの付着・堆積抑制と付着物の脱離が行われる。この結果、伝熱面の汚れ（熱抵抗として作用する。）の付着が抑制され、常に洗浄面が維持されるため、熱交換器性能の経時劣化を抑制することができる。
【００６１】
さらに、熱交換器１は、作動流体（冷媒）として気液二相流や不溶性混合流体を用いた場合、超音波の乳化作用（エマルジョン化）により、密度差に起因した気液二相分離や不溶性流体の分離・凝集が抑制され、冷媒を各流路に均質かつ均等に分配することができ、この結果、熱交換器内部の伝熱分布の形成（伝熱性能の低下）を抑制することができる。
【００６２】
また、熱交換器１は、超音波を照射することで、流路内での沸騰、反応現象を促進させるため、相変化・反応を伴う熱交換を行う場合、伝熱性能を更に向上させることができる。
【００６３】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で様々な設計上の変更を行ってもよい。例えば、流路ブロックは、図２及び図３に示したような鋳造等による一体成形体に限定されるものではなく、次のように構成してもよい。
【００６４】
（流路ブロックの他の構成）
図１１は、流路ブロック１０Ａの構成を示す図である。流路ブロック１０Ａは、ほぼ同じ大きさの平板長方形状の流路プレート１６及びヘッダプレート１７と、平板長方形状のカバープレート１８で構成されている。
【００６５】
流路プレート１６には、複数の流路貫通孔１６Ａが形成されている。流路貫通孔１６Ａは、流路プレート１６の一辺側から対向する他辺側に向かって形成された細長い孔である。そして、各流路貫通孔１６Ａは、流路プレート１６の全面に、それぞれ並列になるように形成されている。
【００６６】
ヘッダプレート１７には、入口管５を介して供給された冷媒を一時貯蔵するための第１のヘッダ貫通孔１７Ａと、出口管１５を介して冷媒を排出する前に一時貯蔵するための第２のヘッダ貫通孔１７Ｂとが形成されている。第１のヘッダ貫通孔１７Ａ及び第２のヘッダ貫通孔１７Ｂは、断面形状が比較的大きな長方形状の孔である。第１のヘッダ貫通孔１７Ａと第２のヘッダ貫通孔１７Ｂは、流路貫通孔１６Ａの断面の長手方向の長さにほぼ等しい距離だけ離れて、平行に形成されている。
【００６７】
そして、流路貫通孔１６Ａと第１のヘッダ貫通孔１７Ａとが直交するように、流路プレート１６とヘッダプレート１７とを組み合わせる。このとき、流路貫通孔１６Ａの一端側と第１のヘッダ貫通孔１７Ａとが対向し、流路貫通孔１６Ａの他端側と第２のヘッダ貫通孔１７Ｂとが対向する。
【００６８】
次に、ヘッダプレート１７に形成された第１のヘッダ貫通孔１７Ａ及び第２のヘッダ貫通孔１７Ｂをふさぐように、ヘッダプレート１７とカバープレート１８とを組み合わせる。
【００６９】
さらに、流路プレート１６に形成された流路貫通孔１６Ａを覆うように、流路ブロック１０Ａと上述した振動子ブロック２０とを組み合わせる。この結果、冷媒は、入口管５を介して第１のヘッダ貫通孔１７Ａに貯蔵された後、各流路貫通孔１６Ａの内部を図中ｘ方向に流動し、第２のヘッダ貫通孔１７Ｂに貯蔵され、そして出口管１５を介して排出される。
【００７０】
このように、流路ブロック１０，１０Ａは、熱伝達率・放熱量を促進させることができれば、特に限定されるものではない。
【００７１】
［第２の実施形態］
つぎに、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一の部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。第２の実施形態に係る熱交換器１は、発熱体形状が広く、かつ発熱分布が生じる発熱素子群に対するヒートシンクとして用いて好適なものである。
【００７２】
図１２は、第２の実施形態に係る熱交換器１の流路ブロック１０Ｂの断面図である。流路ブロック１０Ｂには、入口管５を介して供給された冷媒を一時貯蔵する第１のヘッダ部１１と、第１のヘッダ部１１に貯蔵された冷媒を流路ブロック１０Ｂの全面に循環させる流路１４と、各流路１４を流動した冷媒を出口管１５を介して排出する前に一時貯蔵する第２のヘッダ部１３と、が形成されている。
【００７３】
各流路１４（本実施形態では３本の流路１４）は、束になって、流路ブロック１０Ｂの全面を覆うように千鳥状に形成されている。そして、各流路１４の任意の箇所（図中、点線の円）には、冷媒に直接超音波を照射できるように複数の超音波振動子２３が設置されている。各超音波振動子２３は、コード２４を介して振動子駆動制御装置３０に接続されている。
【００７４】
振動子駆動制御装置３０は、発熱体各部の温度情報が入力され、発熱体を構成する各電子部品を適正温度に維持するように、各超音波振動子２３の出力を独立に駆動できる。
【００７５】
以上のように構成された第２の実施形態に係る熱交換器１は、複数個の超音波振動子２３を備え、かつ、それぞれの超音波振動子２３を独立に制御することで、冷媒の局所的な反応・相変化を制御することができる。また、発熱体の局所的又は一時的発熱にも対応して、系全体として適正かつ省電力となるように発熱体を冷却することができる。
【００７６】
すなわち、熱交換器１は、振動子駆動制御装置３０によって超音波の発振強度、周波数、発振条件を制御して伝熱促進を任意に調整し、かつ、複数の超音波振動子２３をそれぞれ独立に制御することで、部位毎（空間的）に、かつ熱交換器１自体の作動状況にあわせて（時間的に）、熱伝達率や放熱量を制御することができる。
【００７７】
なお、上記熱交換器１は、本実施形態で説明した効果だけでなく、第１の実施形態で説明した効果も得ることができるのは勿論である。
【００７８】
［第３の実施形態］
つぎに、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一の部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。第３の実施形態に係る熱交換器１は、２面で発熱体を冷却することができようにコンパクト化されたヒートシンクの変形例である。
【００７９】
図１３は、第３の実施形態に係る熱交換器１の要部断面斜視図である。図１４は、上記熱交換器１の断面図である。
【００８０】
熱交換器１は、第１の流路ブロック１０Ｃと、第２の流路ブロック４０と、これらに挟まれた振動子ブロック２０と、振動子駆動制御装置３０とを備えている。なお、第１の流路ブロック１０Ｃと第２の流路ブロック４０は、振動子ブロック２０に対して、対称に構成されている。
【００８１】
ここで、第１の流路ブロック１０Ｃは、第１の実施形態の流路ブロック１０とほぼ同様に構成されている。しかし、本実施形態では、第１の流路ブロック１０Ｃの第２のヘッダ部１３は、出口管１５に接続されてなく、振動子ブロック２０に形成された貫通孔１９に接続されている。貫通孔１９は、第２のヘッダ部１３に貯蔵された冷媒を、第２の流路ブロック４０に供給するための孔である。
【００８２】
第２の流路ブロック４０には、貫通孔１９から供給された冷媒を一時貯蔵する第３のヘッダ部４１と、第３のヘッダ部４１に貯蔵された冷媒を流すための複数の冷媒流路溝４２と、各冷媒流路溝４２から供給された冷媒を貯蔵して出口管１５を介して排出するための図示しない第４のヘッダ部とが形成されている。
【００８３】
本実施形態では、振動子ブロック２０の超音波振動子２３は、第１の流路ブロック１０Ｃ及び第２の流路ブロック４０の各冷媒流路溝１２，４２を流れる冷媒に対して、それぞれ直接超音波を照射できるように設置されている。
【００８４】
以上のような構成の熱交換器１において、入口管５を介して供給された冷媒は、第１の流路ブロック１０Ｃの第１のヘッダ部１１に貯蔵され、第１のヘッダ部１１から各冷媒流路溝１２に分配された後、熱交換を行う。熱交換後の冷媒は、第２のヘッダ部１３に集合した後、貫通孔１９を介して、第２の流路ブロック４０に供給される。そして、冷媒は、第３のヘッダ部４１に貯蔵された後、各冷媒流路溝４２において熱交換を行い、第４のヘッダ部、出口管１５を介して排出される。
【００８５】
ここで、冷媒は、第１の流路ブロック１０Ｃにおける熱交換によって相変化を伴った場合、気液２相状態になる。気液２相状態の冷媒は、第２のヘッダ部１３及び第３のヘッダ部４１内において超音波の乳化作用により均質化され、第２の流路ブロック４０の各冷媒流路溝４２に均等に分配される。これは、冷媒の流量が変化しても同様である。
【００８６】
これにより、第３の実施形態に係る熱交換器１は、多パス流路の熱交換器の大きな課題である気液密度差に起因した冷媒分配不良（冷却性能低下）を回避することができる。
【００８７】
なお、上記熱交換器１は、本実施形態で説明した効果だけでなく、第１の実施形態で説明した効果も得ることができるのは勿論である。
【００８８】
［第４の実施形態］
つぎに、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同一の部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。第４の実施形態に係る熱交換器１は、低温流体と高温流体の熱交換を行うものである。
【００８９】
図１５は、第４の実施形態に係る熱交換器１の要部分解斜視図である。図１６は、上記熱交換器１の断面図である。第４の実施形態に係る熱交換器１は、両面に流路が形成された流路ブロック５０と、流路内の流体に対して直接超音波を照射する振動子ブロック２０とを対にして積層させたものである。
【００９０】
熱交換器１は、入口管５Ｈから供給された高温流体と入口管５Ｌから供給された低温流体との熱交換を行う。そして、熱交換器１は、出口管１５Ｈを介して熱交換後の高温流体を排出し、出口管１５Ｌを介して熱交換後の低温流体を排出する。
【００９１】
各流路ブロック５０の上面側には、低温流体が流れる低温用流路５２が形成されている。各流路ブロック５０の下面側には、高温流体が流れる高温用流路５７が形成されている。
【００９２】
ここで、流路ブロック５０の上面側には、図１５に示すように、熱交換前の低温流体を一時貯蔵する第１のヘッダ部５１と、上述した複数の低温用流路５２と、低温用流路５２を流れて熱交換された低温流体を排出する前に一時貯蔵する第２のヘッダ部５３と、高温流体を各流路ブロック５０に移動させるための貫通孔５４とが形成されている。第１のヘッダ部５１には、他の流路ブロック５０に設けられた第１のヘッダ部５１と連絡するための図示しない貫通孔が形成されている。第２のヘッダ部５３には、他の流路ブロック５０に設けられた第２のヘッダ部５３と連絡するための図示しない貫通孔が形成されている。
【００９３】
一方、流路ブロック５０の下面側には、熱交換前の高温流体を一時貯蔵する図示しない第３のヘッダ部と、上述した複数の高温用流路５７と、高温用流路５７を流れて熱交換された高温流体を排出する前に一時貯蔵する第４のヘッダ部５８と、低温流体を各流路ブロック５０に移動させるための図示しない貫通孔とが形成されている。
【００９４】
振動子ブロック２０には、弾性体ガスケット２２及び超音波振動子２３が設けられている。振動子ブロック２０には、さらに、流路ブロック５０の貫通孔相当位置に低温流体移動用の貫通孔２５，２６と、高温流体移動用の貫通孔２７及び図示しない貫通孔が形成されている。
【００９５】
以上のように構成された熱交換器１において、入口管５Ｈを介して供給された高温流体は、貫通孔を通って各流路ブロック５０に分配供給され、熱交換を行った後、戻り側の貫通孔を通って集合し、出口管１５Ｈを介して外部に排出される。入口管５Ｌを介して供給された低温流体も、高温流体と同様に処理された後、出口管１５Ｌを介して外部に排出される。
【００９６】
ここで、各流路ブロック５０の上面側を流れる低温流体と下面側を流れる高温流体とは、対向するように流れ、流路ブロック５０の部材を介して熱交換を行う（溝側面部材はフィンとして機能する）。
【００９７】
なお、高温流体及び冷温流体の流路配置がお互いに平行な場合は、並流もしくは向流型熱交換器として機能する。高温流体及び冷温流体の流路配置がお互いに直交して形成されている場合は、直交流型熱交換器として機能する。図１５及び図１６に示した熱交換器１は、向流型熱交換器である。
【００９８】
各振動子ブロック２０の超音波振動子２３は、振動子駆動制御装置３０により、それぞれ独立に出力が制御される。したがって、振動子駆動制御装置３０は、作動流体の温度・流量変化に応じて、超音波振動子２３の出力を調整して、所望の熱交換性能を維持させることができる。
【００９９】
従来、沸騰・蒸発といった相変化現象を伴う作動流体を用いる場合や、熱交換器内で化学反応も同時に行う（例えば、流路に触媒を担示した触媒反応、混合流体の反応等）場合、熱交換器内での気液二相状態や発熱・吸熱状態が、熱交換器の温度分布や熱交換量に影響を及ぼす問題があった。
【０１００】
これに対して、本実施形態に係る熱交換器１は、各超音波振動子２３の出力を制御することによって、相変化・反応・伝熱の促進をする。つまり、超音波によって、壁面・界面近傍での作動流体の微小振動・撹乱により、加熱壁面では沸騰核形成が促進され、さらに、界面では流体混合が活発になり、反応を促進することができる。これにより、適正な相変化や所望の反応生成物を得るための熱交換器温度分布を形成することができる。
【０１０１】
さらに、上記熱交換器１は、超音波の洗浄作用（壁面近傍での流体撹乱とキャビテーション効果（無数の微小な真空気泡が発生し、消滅時に衝撃波を発生して汚れを引き剥がす））により、熱抵抗として伝熱性能低下の要因となる汚れの付着・堆積を排除して、伝熱面を常に清浄するため、熱交換性能の経時劣化を抑制することができる。
【０１０２】
なお、上記熱交換器１は、本実施形態で説明した効果だけでなく、第１の実施形態で説明した効果も得ることができるのは勿論である。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明に係る熱交換器は、流路部材に形成された流路内の作動流体に超音波振動子の振動面が接した状態で、その作動流体に超音波を直接照射することにより、超音波照射によって生じる定在波・音響流に起因した２次流れのマクロな撹乱作用により、伝熱性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の外観斜視図である。
【図２】熱交換器の断面斜視図である。
【図３】流路ブロックの断面図である。
【図４】溝開口部幅Ｗと溝深さＨを表した冷媒流路溝の断面図であり、冷媒流路溝の断面が（ａ）矩形、（ｂ）台形、（ｃ）半円、（ｄ）三角形状のそれぞれの場合を示す図である。
【図５】振動子ブロックの断面図である。
【図６】超音波の発振周波数が１．６ＭＨｚ、冷媒に水を用いた場合の冷媒流路の熱伝達率特性を示す図である。
【図７】間欠照射と連続照射のそれぞれについて、超音波振動子への投入電力（振動子出力に相当）と超音波照射なしの条件に対する熱伝達率α・放熱量Ｑの増加率との関係を示す図である。
【図８】図７の測定時における超音波振動子の駆動電圧の波形図であり、（ａ）は超音波を間欠照射したとき、（ｂ）は超音波を連続照射したときの図である。
【図９】デューティ比０．５で固定し、照射周期τを変えた場合の超音波照射時の伝熱促進効果を示す図である。
【図１０】照射周期τ＝０．６秒、超音波投入電力を一定にしてデューティ比を変えた場合の超音波照射時の伝熱促進効果を示す図である。
【図１１】流路ブロックの他の構成を示す図である。
【図１２】第２の実施形態に係る熱交換器の流路ブロックの断面図である。
【図１３】第３の実施形態に係る熱交換器の要部断面斜視図である。
【図１４】第３の実施形態に係る熱交換器の断面図である。
【図１５】第４の実施形態に係る熱交換器の要部分解斜視図である。
【図１６】第４の実施形態に係る熱交換器の断面図である。
【符号の説明】
１　熱交換器
１０，１０Ａ，１０Ｂ，５０　流路ブロック
１０Ｃ　第１の流路ブロック
２０　振動子ブロック
２３　超音波振動子
３０　振動子駆動制御装置
４０　第２の流路ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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