(57)【要約】サイズが比較的小さい熱音響冷却器（１０）は、１つまたは複数の圧電駆動子（１８）を利用して、概ね４０００Ｈｚと超音波周波数との間の周波数で共振子内に高周波音響を発生させている。この高周波音と１つまたは複数のスタック（２２）との相互作用によってスタック（２２）の両端に温度勾配が生成され、スタック（２２）の反対側に配置させた一対の熱交換器（２６、２８）を通じて伝達される。スタック（２２）は、スタック内の共振子で軸方向、放射方向および方位角方向の共振モードを可能にする熱音響冷却器（１０）の冷却能力が強化されるように連続気泡材料により構成させている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部および第２の端部を有し、有効直径に概ね等しい長さを有する内部チャンバを画定する第１の共振子と、
前記内部チャンバ内に配置した作動流体と、
第１の定在波の少なくとも一部分を前記チャンバ内に発生させるために前記作用流体と連絡して配置された第１の高周波駆動子と、
前記第１の高周波駆動子と前記第２の端部の間で前記第１の共振子内に配置され、第１の側面および第２の側面を有する第１のスタックであって、スタック内で軸方向モードの存在下で音波の放射方向および方位角方向共振モードを可能にする比較的大きな表面積を有するランダム構成の連続気泡材料から形成された第１のスタックと、
対の一方が前記スタックの前記第１の側面に隣接して位置決めされ、対のもう一方が前記スタックの前記第２の側面に隣接して位置決めされる第１の一対の熱交換器と
を備える小型熱音響冷却器。
【請求項２】
前記第１の共振子が、第１および第２の閉じた端部を有する、また前記第１の駆動子によって発生される前記第１の定在波の半波長に概ね等しい長さおよび直径を有する概ね円筒状のチャンバを画定する、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３】
前記第１のスタックが、前記第１の共振子の長さの概ね０．１の厚さを有している、請求項２に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項４】
前記第１のスタックが、概ね１から５パーセントの体積占有率を有している、請求項２に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項５】
前記一対の熱交換器が、前記第１の定在波の半波長の概ね１０パーセントの間隔を有している、請求項４に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項６】
前記第１のスタックの密度が、概ね０．２ｇ／ｃｃである、請求項５に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項７】
前記第１のスタックが、前記第１の共振子の長さの概ね１０パーセントの厚さを有している、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項８】
前記第１のスタックの占有率が、概ね１から５パーセントである、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項９】
前記ランダム構成の連続気泡材料が、脱脂綿、グラスウールおよびエーロゲルのうちの少なくとも１つから構成されている、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項１０】
さらに、第２のスタックと、前記第１のスタックと前記第１の共振子の前記第２の端部との間に配置された前記第２のスタックに関連づけられた第２の一対の熱交換器とを含む、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項１１】
前記第１の共振子が、前記駆動子によって発生される音の波長に概ね等しい長さを有している、請求項１０に記載の小型冷却器。
【請求項１３】
さらに、第３のスタックと、前記第３のスタックに関連づけられた第３の一対の熱交換器と、第４のスタックと、前記第４のスタックに関連づけられた第４の一対の熱交換器とを含む、請求項１１に記載の小型冷却器。
【請求項１４】
前記作用流体が、空気、１つの不活性ガス、複数の不活性ガスの混合体のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項１５】
前記第１の高周波駆動子が、４，０００Ｈｚを超える周波数で音を発生させるために圧電駆動子から構成されている、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項１６】
さらに、第２の定在波の少なくとも一部分を前記チャンバ内に発生させるために前記作用流体と連絡して配置された第２の高周波駆動子を含む、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項１７】
前記第１および第２の高周波駆動子が、前記チャンバの反対側の端部に位置決めされている、請求項１６に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項１８】
前記第１の共振子が、概ね長方形をしたチャンバを画定する、請求項１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項１９】
第２の共振子によって画定される第２のチャンバをさらに含み、前記第１および第２の共振子が互いに結合されている、請求項１８に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２０】
第２の高周波駆動子をさらに含み、前記第１および第２の高周波駆動子が背中合せに位置決めされている、請求項１９に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２１】
第１の端部および第２の端部を有し、第１の封止型チャンバを画定する第１の共振子と、
前記第１の封止型チャンバ内に配置した作用流体と、
前記第１の共振子の前記第１の端部のすぐ近くで前記第１の共振子と連絡して配置された第１の駆動子と、
前記第１の共振子内に配置され、前記第１の駆動子と前記第２の端部との間で位置決めされ、第１の側面と、スタック内で軸方向モードの存在下で音波の放射方向と方位角方向共振モードのうちの少なくとも一方を可能にする連続気泡材料から形成された第２の側面とを有する第１のスタックと、
前記第１のスタックの前記第１の側面に隣接する第１の熱交換器と、
前記第１のスタックの前記第２の側面に隣接する第２の熱交換器と
を備える小型熱音響冷却器。
【請求項２２】
前記第１の共振子が、第１および第２の閉じた端部を有し、前記第１の駆動子によって発生される第１の定在波の半波長に概ね等しい長さおよび有効直径を有する概ね円筒状のチャンバを画定する、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２３】
前記第１のスタックが、チューニングのために前記第１の共振子に対して長手方向で調節可能となるように構成されている、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２４】
さらに、冷却効率を最適化するために前記第１の共振子に対して前記第１のスタックを調整するための手段を含む、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２５】
前記第１の共振子が、第１および第２の閉じた端部と、前記第１の駆動子によって発生される定在波の２分の１波長を超える波長に概ね等しい長さとを有する概ね円筒状のチャンバを画定する、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２６】
前記第１の共振子の前記第１のスタックと前記第２の端部の間に配置された第２のスタックをさらに含む、請求項２５に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２７】
前記作用流体が、空気、１つの不活性ガス、複数の不活性ガスの混合体のうちの少なくとも１つから選択される、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２８】
前記第１のスタックが、前記共振子の長さの概ね０．１の厚さを有している、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項２９】
前記第１および第２の熱交換器が、第１の定在波の半波長の概ね１０パーセントの間隔を有している、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３０】
前記第１のスタックの密度が、概ね０．２ｇ／ｃｃである、請求項２９に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３１】
前記第１のスタックが、前記第１の共振子の長さの概ね１０パーセントの厚さを有している、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３２】
前記第１のスタックの占有率が、概ね１から５パーセントである、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３３】
前記ランダム構成の連続気泡材料が、脱脂綿、グラスウールおよびエーロゲルのうちの少なくとも１つから構成されている、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３４】
前記第１の共振子の前記第１のスタックと前記第２の端部との間に配置された第２のスタックと、前記第２のスタックに関連づけられた第３および第４の熱交換器をさらに含む、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３５】
前記第１の共振子が、前記第１の駆動子によって発生される音の一波長に概ね等しい長さを有している、請求項３４に記載の小型冷却器。
【請求項３６】
さらに、第３のスタックと、前記第３のスタックに関連づけられた第５および第６の熱交換器と、第４のスタックと、前記第４のスタックに関連づけられた第７および第８の熱交換器とを含む、請求項３５に記載の小型冷却器。
【請求項３７】
前記作用流体が、空気、１つの不活性ガス、複数の不活性ガスの混合体のうちの少なくとも１つから選択される、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３８】
前記第１の駆動子が、４，０００Ｈｚを超える周波数で音を発生させるために圧電駆動子から構成されている、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項３９】
さらに、第２の定在波の少なくとも一部分を前記チャンバ内に発生させるために前記作用流体と連絡して配置された第２の駆動子を含む、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項４０】
前記第１および第２の駆動子が、前記チャンバの反対側の端部に位置決めされている、請求項３９に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項４１】
前記第１の共振子が、概ね長方形をしたチャンバを画定する、請求項２１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項４２】
第２の共振子によって画定される第２のチャンバをさらに含み、前記第１および第２の共振子が互いに結合されている、請求項４１に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項４３】
第２の駆動子をさらに含み、前記第１および第２の駆動子が背中合せに位置決めされている、請求項４２に記載の小型熱音響冷却器。
【請求項４４】
熱音響冷却器の効率を最適化する方法であって、
共振子の長さの概ね半分の有効半径を有する共振子を設けるステップと、
前記共振子と連絡する高周波駆動子を設けるステップと、
前記共振子の長さの概ね１０パーセントの厚さと、概ね約１パーセントと５パーセントの間の占有率とを有するスタックを設けるステップと、
前記スタックの厚さの両端間で最大温度差が概ね達成されるように前記スタックを前記共振子内に位置決めするステップと
を含む方法。
【請求項４５】
スタックを設ける前記ステップが、グラスウール、脱脂綿およびエーロゲルのうちの少なくとも１つから形成されたスタックを設けるステップを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記共振子に加圧するステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
空気、不活性ガス、比較的低いプラントル数を有するその他の気体のうちの少なくとも１つを用いて前記共振子を加圧するステップをさらに含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
流体のインピーダンスを前記駆動子のインピーダンスとより厳密に整合させるステップをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
電磁場を放出しない駆動子を選択するステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記共振子内に少なくとも１つの追加のスタックを設けるステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
前記共振子と連絡する少なくとも１つの追加の駆動子を設けるステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項５２】
高周波駆動子を設ける前記ステップが、超音波を発生することができる駆動子を設けるステップを含む、請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に熱音響冷却器に関し、より詳細には、１つまたは複数の圧電駆動子を利用して共振子内に高周波音響を発生する、サイズが比較的小さい熱音響冷却器に関する。高周波音の１つまたは複数のスタックとの相互作用により、各端部で各スタックの反対側に位置する一対の熱交換器に熱的に碇止（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ａｎｃｈｏｒｅｄ）されたスタックの両端に温度差が生じる。
【背景技術】
【０００２】
共振管内の熱音響効果によって冷却を生じさせることが可能であることがＭｅｒｋｌｉおよびＴｈｏｍａｎｎによって発見されて以降、この効果を実際の応用例に発達させることに研究が傾注されてきた。本技術分野におけるアプローチの１つは、オーディオポンピング速度を上昇させることである。ＭｅｒｋｌｉおよびＴｈｏｍａｎｎの実験では概ね１００Ｈｚの周波数が使用されていたが、Ｗｈｅａｔｌｅｙらはその動作周波数を概ね５００Ｈｚまで上昇させ、その冷却器において卓越した冷却率を達成するのに成功した。これによって、他の者による熱音響冷却器のさまざまな構成の製作が促進されることとなった。
【０００３】
熱音響冷却器の動作における重要な要素の１つは、スタックと呼ばれる１つのプレートまたは一連のプレートとのその音場の特殊な熱相互作用である。この相互作用は、ωがオーディオポンプ周波数であり、またτが薄層状の気体がプレートすなわちスタックと熱相互作用する際の熱緩和時間であるとして、ωτ≒１によって与えられる時定数によって特徴付けされる弱い熱相互作用である。スタックと相互作用させる気体の量は、スタックの表面積と、次式で与え得るような熱透過深度δｋによって概ね決定される。
【０００４】
【数１】
2004534195.tif 000003
ここで、ｋは作用流体の熱拡散率を意味している。ωを増加させると、δｋの減少、したがってτの減少によってこの弱い結合状態が満たされる。冷却器内におけるような温度勾配で熱を音響式にポンプアップさせる作用は、概ね透過深度範囲にある気体によって本質的に実行される。この気体の量は、オーディオ駆動の周波数と重要な依存関係を有する。高周波冷却器では、より短い距離やより小さい体積を利用し、これによって熱伝導過程を比較的迅速にさせている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術の熱音響冷却器のそれぞれは、製造が比較的複雑であり、したがって高価である。さらに、当技術分野で周知の熱音響冷却器は、大規模になりがちであり、また典型的には、半導体その他の小型の電子デバイスや生物学的試料を冷却する際に使用するためなど、極めて小さいレベルでの使用にはあまり適していない。したがって、良好な冷却能力を保持しながら速い応答時間を有するように比較的小型に製作できるような熱音響冷却器を提供できると有利である。さらに、比較的効率よく動作すると共に、製造が比較的簡単で経済的であるような熱音響冷却器を提供できると有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の原理によれば、高周波熱音響冷却器が提供される。この熱音響冷却器は少なくとも４，０００Ｈｚの周波数で動作することが好ましい。高周波数で動作する駆動子を利用すると、こうした周波数では波長が短くなるためそのデバイスをより小さいサイズで製作することが可能となる。したがって、その寸法がオーディオ駆動の波長にスケール合せされた小型熱音響冷却器を提供することが本発明の原理的目的の１つである。
【０００７】
本発明は、スタック両端に比較的大きな温度差を発生させ、これに応じて比較的低い冷却温度を達成させているような熱音響冷却器を提供する。
本発明はさらに、スタックに沿って小さい変位を伴う大きな温度振動を利用し、これによって熱音響式冷却においてスタックの両端の大きな臨界温度勾配を導いているような熱音響冷却器を提供する。
【０００８】
本発明はさらに、超音波領域で動作することができるような熱音響冷却器を提供する。
本発明はさらに、製造が簡単かつ廉価であると共に比較的小型であるような熱音響冷却器を提供する。
【０００９】
本発明はさらに、作用気体の高圧動作によく適合しているような熱音響冷却器を提供する。
本発明はさらに、極小型化（ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ）に容易に適合できるような熱音響冷却器を提供する。
【００１０】
本発明はさらに、電子デバイスの熱管理に関して迅速な応答および速い平衡速度を有するような熱音響冷却器を提供する。
本発明はさらに、その圧電駆動子が比較的軽量で、小型で、効率がよく、かつ廉価であるために圧電駆動子に関して好都合な周波数範囲を利用しているような熱音響冷却器を提供する。
【００１１】
本発明はさらに、熱交換器やスタックなど幾つかの構成要素をフォトリソグラフィ、ＭＥＭＳおよびその他の薄膜テクノロジを使用して製作することができるような熱音響冷却器を提供する。
【００１２】
本発明はさらに、周波数を上昇させ、これによりそのサイズを小さくすることによってデバイスのパワー密度を上昇させることができるような熱音響冷却器を提供する。
本発明はさらに、たとえば小さい電子部品や小さな生物系を冷却するために使用できるような比較的簡単で、密度が高く、かつ廉価なデバイスを提供するためなど小型で密度が高い冷却器を必要とするような多くの用途で有用であるような熱音響冷却器を提供する。
【００１３】
この熱音響冷却器は、音響式駆動子に対するハウジングの役目も果たすような共振子と、スタックと、このスタックの反対側に位置決めした一対の熱交換器とから構成される。この駆動子は、少なくとも４，０００Ｈｚの高周波数で動作することができるような圧電式デバイスやその他の同様のデバイスである。このスタックは、綿やグラスウールやエーロゲルなどのように熱伝導率は悪いが比較的大きな表面積を有する材料から構成されたランダム繊維から形成することがある。この熱交換器は、銅などの熱伝導率がよい材料から構成することが好ましい。最後に、この共振子は、１気圧以上の圧力にある空気やその他の気体などの作用流体を含んでいる。
【００１４】
本発明の原理に従った小型熱音響冷却器は、細長い共振子であって、第１および第２の閉じた端部を有しており、かつこの駆動子によって発生される音の波長の１／２に概ね等しい長さを有するような全体として円筒状のチャンバを画定するような共振子を含んでいる。
【００１５】
実施の一形態では、熱音響冷却器は、チャンバの一方または両方の端部を互いに近づけるようにあるいはさらに遠ざけるように移動させるための機構および／またはチャンバ内にスタック／熱交換器アセンブリを位置決めするための移動機構によるなどのチューニングのために、調節可能な長さを有している。
【００１６】
別の実施形態では、本発明の原理に従った熱音響冷却器は、比較的高い熱伝導率を有する材料から構成した個々のセグメントまたは部分から構成させたハウジングを含んでいる。これらの部分は、隣接した区画を互いに熱的に隔絶させているセグメントやリング（円筒状ハウジングの場合）によって離間されている。熱的に隔絶させた区画の各々は、その内部に含まれる１つの熱交換器と接触した状態とし、熱交換器の温度が変化するに従って、この変化が対応するセグメントを通じて伝達されるようにしている。
【００１７】
本発明のさらに別の実施形態では、熱音響冷却器は、対応する駆動子によって発生される音の１／２波長に概ね等しい長さを有するような全体として円筒状のチャンバを画定する共振子を含んでいる。第２のスタックは第１のスタックと駆動子に相対している共振子の第２の端部との間に配置させることが好ましい。こうした構成では、その温度変化を合成して用いてその効率を上昇させることができるように、第１のスタックは第１の温度差分を発生させ、また第２のスタックは第２の温度差分を発生させることになる。同じことはより高いモードの共振子（たとえば、１波長、１と１／２波長、２波長、など）にも当てはまる。
【００１８】
別の本発明の実施形態では、熱音響冷却器は、共振子の一方の端部の位置に配置させた第１の駆動子と、共振子のこれと反対側の端部の位置に配置させた第２の駆動子とを含んでいる。複数のスタックは、共振子内の定在波の位置に応じて共振子内の最適な箇所に配置させている。
【００１９】
また別の実施形態では、こうした熱音響冷却器の１つは、２つのスタックを含んでおり、その１つを第１の駆動子のすぐ近くに配置させ、また第２のスタックは第２の駆動子のすぐ近くに配置させている。これらのスタックは、駆動子によって共振子内に発生する定在波による決定に従って、共振子内で最大冷却効率となる箇所に配置させている。
【００２０】
本発明の熱音響冷却器のまた別の好ましい実施形態では、その熱音響冷却器には、共振子の内部に複数のスタックを設けており、そのスタックの各々は各スタックの両端で最大の温度差が得られるように共振子の内部に配置させている。各スタックの位置は一対の駆動子によって共振子内に発生する定在波に対したある特定の位置に対応する。
【００２１】
別の本発明の実施形態では、熱音響冷却器は、長方形をした共振子と、駆動子と、スタック両端で最大の温度差が得られるように共振子内の最適な箇所に配置させた一対のスタックとから構成されている。
【００２２】
別の本発明の実施形態では、熱音響冷却器は、長方形をした共振子と、共振子の中心のすぐ近くに配置した互いに反対方向を向いた一対の駆動子と、共振子の反対側の端部上に位置決めした各駆動子のための一対のスタックとから構成されている。
【００２３】
本発明のまた別の実施形態では、熱音響式テクノロジを用いて冷却する方法は、第１および第２の熱交換器をその内部に配置させた封止型の細長いチャンバと、熱交換器と熱的に結合させたランダム繊維スタックとを設けることを含む。この封止型チャンバ内にはこのチャンバ内に定在波を生じさせるように高周波音響が発生する。スタックの低温側端部から高温側端部まで対応して熱が流れこの低温側熱交換器を冷却し、かつ高温側熱交換器に熱を与える。その長さに等しい直径およびランダムスタック材料を有するチャンバを利用することによって、軸方向、放射方向および方位角方向の共振モードの混合を実現することができる。放射方向および方位角方向のモードでは、ランダムなスタックにおける熱的混合が提供され、一方軸方向モードでは、低温側と高温側の熱交換器の間でスタックに沿った軸方向ヒートポンプが提供される。本発明の熱音響冷却器のサイズを小さくするに従って、その放射方向および方位角方向モードは、より効率のよいヒートポンプを提供し、これにより冷却器の効率を高めるのに役立つ。
【００２４】
スタック両端に最適な温度差が得られるようなチャンバ内でのスタックの最適位置は、その音波の周波数および波長に関連したスタックの長さの関数であるため、共振子の長さの調整、あるいはスタック／熱交換器ユニットの位置の共振子内の最適位置への調整を可能とし、最大効率が得られるように状況に応じて共振子またはスタック／熱交換器を「チューニング（ｔｕｎｅ）」できることが望ましい。したがって、この冷却方法はさらに、所与の駆動子に関する第１の熱交換器と第２の熱交換器の間の温度差が最大となるようにチャンバの長さを調整すること、またはスタックおよび熱交換器を位置決めすることを含む。
【００２５】
本発明のその他の目的および利点は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を読み、添付の図面を参照することによって明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
ここで、全体を通じて同じ部分は同じ番号によって指定している図面を参照する。概ね４，０００Ｈｚ以上の周波数で動作している熱音響冷却器に関して本発明を検討することに留意すべきである。しかし当業者であれば、本発明を理解した後は、使用する構成要素の周波数およびサイズを本明細書で提供する教示に従って容易に極小型化することができることを理解するであろう。
【００２７】
ここで図１を参照すると、全体を番号１０で示している小型熱音響冷却器を図示している。この熱音響冷却器１０は、この熱音響冷却器１０の構成要素を収容するための容器を形成している共振子１２から構成されている。この共振子１２は、第１の閉じた端部１４および第２の閉じた端部１６を有しており、また簡略とするために全体として円筒状の構成であることが好ましいが、長方形、正方形、六角形、八角形あるいはその他の対称な形状など別の幾何学形状も企図される。製造を目的として、この共振子１２は全体として対称な形状を有している。第１の端部１４のすぐ近くで共振子１２によって画定されるチャンバ内に駆動子１８を収容している。この駆動子１８は、高周波音響を発生させることができる。さらに、この共振子の長さは、共振子１２内で駆動子１８によって概ね半波長２０が生成されるように構成されている。駆動子１８と第２の端部１６の間にはスタック２２を位置決めしている。このスタック２２（後でより詳細に記載する）は、共振子１２の内部に包含させた作用流体２４の熱透過深度に反比例するような密度を有する。このスタック２２は本質的には一対の熱交換器２６および２８の間に「挟み込まれ（ｓａｎｄｗｉｃｈｅｄ）」ている。すなわち、交換器２６および２８は、スタック２２の端部３０および３２のそれぞれに隣接させ、かつ接触させている。熱交換器２６は、典型的にはそれ自身である量の熱を発生させる駆動子１８の最も近くにあるあるため高温側交換器を含むことが好ましい。したがって熱交換器２８は低温側交換器となる。しかし、共振子内でスタック２２と熱交換器２６および２８とを異なる点に位置決めすると、熱交換器２６が低温側交換器となる可能性もある。
【００２８】
製造が比較的簡単かつ廉価となるようにデバイスを生産するためには、その作用流体を１気圧にある空気とすることが好ましい。しかし、その他の気体や、より高圧の気体の組合せを利用してスタック２２の全体を冷却させる効率を高めることができることも企図される。さらに、熱音響冷却器はそのサイズを小さくするためにより高い周波数で動作させることが望ましいため、駆動子１８は圧電デバイスを備えることが好ましい。同様に、スタック２２は、好ましくは綿やグラスウールやエーロゲル（たとえば、概ね０．１グラム／ｃｃの密度を有する二酸化ケイ素ガラス構造）の形態をしたランダム繊維、あるいは音との相互作用のために大きな表面積を提供しながら音響減衰が小さいような当技術分野で周知の同様の何か別の材料から構成されている。すなわち、スタックは本質的に、比較的大きな表面積を有するランダム構成の連続気泡材料である。本発明に従って別のランダムまたは非ランダムな材料を利用することもできるが、音波の放射方向および／または方位角方向共振モードを利用するような連続気泡性スタック材料を選択することが極めて好ましい。軸方向共振モード（すなわち、スタック内で軸方向に整列した共振モード）に加えてこうした共振モードによって、本発明の原理に従った熱音響冷却器の冷却能力が向上している。したがって、こうした追加の共振モードはこのデバイスの冷却能力に寄与している。さらに、その共振子１２を、その幅が概ね同じ長さの内部チャンバを画定する（すなわち、その長さは有効長さに概ね等しい）ように構成することによって、音の放射方向および／または方位角方向モードが強化される。こうしたスタックは、熱交換器２６および２８と接触させて配置させており、所望により同様なまたは同一の構成を有するような銅など熱伝導率が高い材料により構成している。
【００２９】
本発明によって利用する構成要素は、簡略とするためにこれらの理想的状態からかけ離れて実現するように選択している。しかし、当業者であれば、本明細書に開示した構成要素に対するさまざまな修正やこれらに対する等価的な構成要素によって、本発明の精神および範囲を逸脱することなく熱音響冷却器の効率を向上させることができることが理解されよう。
【００３０】
図２に示すように、音響式駆動子１８はバイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈ）またはモノモルフ（ｍｏｎｏｍｏｒｐｈ）タイプの圧電駆動子であり、その一例はより良好なインピーダンス整合が得られるようにホーン搭載したＭｏｔｏｒｏｌａ  ＫＳＮ１０４６である。このモデルは比較的高い感度と広い周波数応答を有している。その特性には、１．３ｇの質量、約９５ｄＢ／ワット／ｍの感度（そのユニットに応じて数デシベル変動することがある）、ならびに４〜２７ｋＨｚの周波数応答が含まれる。さらに、こうした駆動子はその具体的なユニットに応じて周波数応答に広範な違いがある。こうしたモデルの１つに関するホーン円錐４０は、概ね４ｃｍの最大直径を有する。その駆動子効率はその負荷に応じて５０〜９０％程度の高さとすることができる。圧電素子を伴った円錐を用いるのではなく、その圧電をチューニングすることも可能である。
【００３１】
バイモルフ駆動子１８では、真ちゅう製シム（図示せず）の各側上で２枚の圧電円板４２および４４を互いに結合させている。圧電円板４２および４４は電圧の印加によってその長さが反対向きに変化し、これにより大きな曲げ作用が生じる。円錐仕切板４０と結合させると、この円錐４０から音波が伝えられる。このデバイスは、加熱によって折れ曲がるバイメタル片と同様の挙動を示す。
【００３２】
このタイプの駆動子１８は高周波冷却器１０で使用するために理想的な特性を有している。圧電性物質は誘電体を備えたコンデンサであるため散逸する電力損失は極めて小さい。上で記載したモデルは１４５ナノファラッドのキャパシタンスＣを有しており、その損失は誘電体のヒステリシス挙動により生じている。そのボイスコイルが約８オームの抵抗を有するのが典型的であるような従来技術で利用される電磁式駆動子と比較すると、圧電駆動子１８ではその電力損失は通常の電磁式駆動子と比べてはるかに小さい。さらに、圧電駆動子１８は電圧デバイスであるが、一方電磁式駆動子は電流デバイスである。さらに、圧電駆動子１８は極めて軽量であり、またこのため小型の電子機器などの用途で有用である。その効率は電磁式駆動子の効率と比べてはるかに高い。圧電駆動子は概ね７０パーセントの効率とすることができ、極めて軽量であり、かつ電磁式駆動子と比べて発散させる熱がはるかに少ない。さらに、圧電駆動子は非磁性であり、このため磁場を発生させることがないため、電磁場が回路、電子的なデバイスまたはシステムの動作に影響を及ぼす可能性があるようなさまざまな電子的その他の用途である種の有用性を有することができる。
【００３３】
ここで図３を参照すると、スタック２２の断面図を表している。本発明のスタック２２はサイズが比較的小さい（厚さがΔｘ５ｍｍ以下）ため、Ｍｙｌａｒの平行プレートからなるような従来のスタックでは組み込みが容易ではない。小さい均等な間隔を維持することは困難であり、またスタック２２の各端部において熱交換器２６および２８と良好な熱接触を得ることは困難である。こうしたことから、本発明はスタック２２を形成させるために脱脂綿５０などのランダム繊維材料を利用している。この脱脂綿５０は所望の厚さ（たとえば、０．５ｃｍ）まで圧縮させる。脱脂綿５０は概ね０．０８ｇ／ｃｍ３の密度、各繊維質に関して０．０４Ｗ／ｍ℃の熱伝導率、ならびに１０μｍの平均繊維直径を有することがある。こうしたことから、脱脂綿は作用流体２４から繊維までの熱伝達により十分に適応できるように非常に大きい表面積を提供しており、かつこれにより極めて高い効率となる。実際に、直径３ｃｍのスタック内の繊維の本数は概ね４×１０６本である。さらに、ヒートポンピングに関する有効断面積が７．５×１０−３ｍ２であり、かつ音場に曝露されるスタックの総作用面積が概ね７．５×１０３ｃｍ２であるときに、こうしたスタックの繊維の典型的な有効総周長は概ね１２６ｍである。
【００３４】
図４および５は、本発明による熱交換器６０および７０のそれぞれを図示している。図４は銅板から熱交換器６０を形成させるためにフォトリソグラフィを使用して製作した熱交換器を表している。熱交換器６０は穴６２、６３および６４などの正方形の穴を有しており、この穴の寸法は、０．８ｍｍ×０．８ｍｍの寸法を有するスペーサ６５および６６などの中実なスペーサを備えるような上述した駆動子１８のサイズでは０．５ｍｍ×０．５ｍｍである。こうした交換器６０は、概ね２５％の音響透過性を提供する。４ｃｍの駆動子円錐４０を備えるような応用では、その直径は概ね３．４ｃｍとし、かつ概ね０．３ｍｍの厚さを有することが好ましい。熱交換器６０は共振子１２と接触させて共振子１２に熱を伝えるために外側リング６８を有している。
【００３５】
図５は、本発明による熱交換器７０の別の好ましい実施形態を表している。熱交換器７０は、たとえば、０．８ｍｍ×０．８ｍｍの寸法を有する穴７１、７２および７３などの正方形の穴、および隣接したワイヤに対して１．２ｍｍのワイヤ距離としたワイヤを有するようにして、プレスによって平坦化させた銅スクリーンから形成させることがある。こうした熱交換器では、その音響透過性は概ね４４％である。こうした熱交換器７０を高温側熱交換器２６として利用する場合、高温側熱交換器での熱伝達を向上させるため（低温側交換器と比べてより大量の熱を処理するため）、熱交換器７０は大型の（たとえば、０．５ｃｍ厚の）銅製熱交換器やヒートシンク（図示せず）に熱的に碇止させることがある。薄い場合であっても、熱交換器６０および７０は熱交換器の両端であまり大きなΔＴ（ΔＴは０．１℃未満）を生成させることなく概ね２ワットの熱流を維持する。
【００３６】
本発明では、作用流体は単に１気圧の空気から構成させることができる。空気を利用するとより複雑な加圧および組み上げ技法が不要である点において簡単な製造手段を提供することができる。空気の特性には、０．２６ｍＷ／ｃｍ／℃の熱伝導率、１気圧２０℃で０．００１２１ｇ／ｃｍ３の密度、ならびに２０℃で１８．１マイクロポアズの粘度、２０℃で３４４ｍ／ｓｅｃに等しい音速、５ｋＨｚで０．０５ｍｍの熱透過深度、５ｋＨｚで０．０３５ｍｍの粘性透過深度、ならびに０．７０７のプラントル数が含まれる。本発明の原理ではその他の気体により熱音響冷却器の性能を向上させることができることも企図している。たとえば、アルゴンとヘリウムの混合物においてより良好な性能が期待される。具体的にＡｒ０．３６Ｈｅ０．６４の混合物では、その熱伝導率は０．０９Ｗ／ｍ／Ｋであり、そのプラントル数は０．３５１であり、かつ２０℃における音速は４９７ｍ／ｓである。
【００３７】
図１に示すように、共振子１２は比較的単純な幾何学形状を有することが好ましい。たとえば、この好ましい実施形態では、その共振子は端部１４および１６の両方が閉じており、その一方の端部で駆動させているような円筒状である。こうした管共振子１２は図１に示すように５０００Ｈｚにチューニングさせた半波長共振子とすることや、図６に示すように５０００Ｈｚにチューニングさせた二重半波長共振子８０（すなわち、その半波長部分を５０００Ｈｚにチューニングさせると共に共振子は一全波を含んでいる）とすることがある。本発明の熱音響冷却器は、概ね４ｃｍから０．８５ｃｍの長さや、超音波領域（たとえば、２４ｋＨｚ以上）に達する周波数を備えるようにより短い長さを有することがある。したがって、共振子のサイズを小さくし音波周波数を対応して上昇させることによって超極小型化（ｍｉｃｒｏｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ）を達成することも可能である。
【００３８】
本実施形態では、その動作周波数は４ｋＨｚと５ｋＨｚの間であり、これに対応してその波長は１気圧の空気内で８ｃｍから６．８ｃｍである。したがって、５，０００Ｈｚにある半波長共振子は概ね３．４ｃｍの長さとなる。このタイプの共振子には、小型の冷却器を製作する見込みがある。しかし、概ね５０００Ｈｚにチューニングした二重半波長共振子では、半波長共振子と同じ波長の半波長を２つ含んでいるため半波長共振子の２倍の長さとなる。このことを、共振子８６内で圧力定在波８８に関して適当な位置にスタック８２および８４と関連する熱交換器とを位置決めしている図６に表している。
【００３９】
二重半波長音響式冷却器８０では、２つのスタック／熱交換器ユニット８２および８４を二重半波長共振子８６内の適当な位置に配置している。この共振子８６は音波の一全波長８８に概ね等しい長さを有している。こうしたシステムでは、一方のスタックが第１のΔＴ１を発生させ、またもう一方のスタックは同時に第２のΔＴ２を発生させている。第１と第２の温度変化の差は共振子８６内におけるスタック８２および８４の位置決めに由来することがある。こうしたことから、スタック８２および８４の各々を熱的に隔絶させることによって、２つのユニット８２および８４をタンデム式に熱的に取り付けて効率を上昇させることが可能である。したがって、二重半波長共振子８０の幾何学構成によって、２つ以上のスタックをタンデム式または並列式に接続させるようにして有するという選択肢を提供することができる。
【００４０】
図１に示す半波長共振子１０に対する実験により、スタック２２の両端で達成される温度差ΔＴは、音響定在波内でのスタック位置の関数であることが分かった。したがって、スタック両端のΔＴはスタック位置の関数である。ある点では、音場の圧力変化による温度変化は温度勾配内の流体変位によって相殺され、これにより臨界温度勾配∇Ｔｃｒｉｔに至る。これは次式で規定される。
【００４１】
【数２】
2004534195.tif 000004
上式において、γは定圧対定積の比熱の比であり、Ｔｍは流体の平均温度であり、λはラジアン長であり、βは熱膨張係数であり、かつｘは圧力波腹に対したスタック位置である。実験によって、音響式定在波に対したスタックの位置は、音波のラジアン波長に合わせて正規化した空間依存性に従ってスタック両端の温度変化に影響を及ぼすことが分かった。図７に示すように、スタックの位置は概ね４０℃のΔＴの変動を生じさせている。これらの結果は、音響式定在波内におけるスタックの位置および圧力勾配の方向によりΔＴの符号および大きさがどのように決定されるかを示している。
【００４２】
最大のΔＴとなる位置を確定した後、スタックをこの位置に固定して熱音響冷却器の効率を最大とすることができる。その全体を番号１００で示す熱音響冷却器の共振子１０４に対してスタック１０２を調整することができるような多くの方法が存在する。たとえば、図８に示すように、駆動子１０６は、ねじ切りした調整ねじ１１０によるなど共振子１０４に対して長手方向に調整できるような調節可能な円板１０８に取り付けている。共振子１０４の遠位端１１２に関しても同様に、第２の調節可能な円板１１４を調整ねじ１１６によって共振子１０４の長手方向の軸に対していずれの方向にも調節が可能である。こうしたことから、共振子の一方の端部を調整することによって、共振子の端部とスタックとの間の有効距離が変更され、共振子の長さ１０４が変化し、さらに共振子１０４内での定在波の位置がシフトすることになる。
【００４３】
同様に図９に示すように、共振子１２２に対してスタック１２０を長手方向のいずれかに移動するように回転させることが可能な調整ねじ１２４を用いて、スタック１２０は共振子１２２に対して調節可能である。こうしたことから、このスタックは、音響式駆動子１２８によってスタック１２０を横断して低温側熱交換器１２７および高温側熱交換器１２９に対して生成させる冷却効果が最大限となるように有効に「チューニング」されている。
【００４４】
ここで図１０を参照すると、全体を番号２００で示している本発明による熱音響冷却器は、ボルト２０８および２１０により互いに保持させているような、第１のハウジング部材２０２、第２のハウジング部材２０４、および間に置かれたリング部材２０６を備えている。このハウジング部材２０２および２０４とリング部材２０６とにより、細長いチャンバすなわち共振子２１２が形成されている。スタック２１８を第１のハウジング部材２０２と第２のハウジング部材２０４の間に位置決めした状態で、この共振子２１２の一方の端部２１６に圧電駆動子２１４を配置させている。ハウジング部材２０２および２０４は比較的高い熱伝導率を有する材料から構成させることが好ましいが、一方リング部材２０６は比較的低い熱伝導率特性を有しており、これにより第１のハウジング部材２０２と第２のハウジング部材２０４を互いから分離させかつ熱的に隔絶させている。ハウジング部材２０２および２０４は、熱交換器２２０および２２２に対して、あるいは熱交換器２２０および２２２から（状況に応じて決まる）熱を熱的に伝達させるために、熱交換器２２０および２２２のそれぞれと機械的に接触させている。熱交換器２２０を高温側熱交換器とし、かつ熱交換器２２２を低温側熱交換器とすることが好ましい。こうしたことから、ハウジング部材２０４の遠位端２２４すなわち低温側熱交換器は半導体など別のデバイスと接触するように配置させ、こうしたデバイスに冷却を提供することができる。
【００４５】
こうした冷却器２００は、少なくとも１５６ｄＢ（０．４Ｗ／ｃｍ２に対応する）の音響強度で動作することが好ましい。３ｃｍ直径のスタック２１８では、入力音響パワーレベルは概ね２．５ワットである。駆動子２１４からの最大パワーでは、スタックの高温側と低温側端部の間での５０℃の温度差ΔＴの形成は容易に達成することができる。こうしたケースでは、スタック２１８は駆動子２１４から離れる方向で最後の圧力波腹のすぐ前に配置することが好ましい。
【００４６】
全体として番号３００で示している本発明による熱音響冷却器のさらに別の好ましい実施形態では、音響駆動子３０４と、スタック３０６と、熱交換器３０９および３１１とを収容している共振子ハウジング３０２を備えている。この駆動子は共振子ハウジング３０２の第１の端部３１２に対して装着した圧電駆動子３０８から構成されている。駆動子３０４はさらに、圧電駆動子３０８からハウジング３０２の内壁面３１４まで延びている円錐構造３１０を含む。この円錐構造３１０は、圧電駆動子３０８からの振動と協働して、ハウジング３０２内に定在波３１６を生成させている。円錐を使用するように図示しているが、その共振子のサイズによっては、駆動子自体が共振子の直径を完全にまたはほぼ完全に満たすことができれば必ずしも円錐とする必要はないことに留意すべきである。さらに、本明細書では駆動子が圧電駆動子を含むものとして検討してきたが、この駆動子は当技術分野で目下のところ周知であるか将来的に開発されるかによらず、任意のタイプの高周波音響発生デバイスを含むことができる。
【００４７】
この好ましい実施形態では、共振子ハウジング３０２の長さは、圧電駆動子３０８によって発生される音の半波長の長さと実質的に等しくなるように構成させている。さらに、円筒形状をした共振子ハウジング３０２では、駆動子円錐３１０の円周を共振子ハウジング３０２内径と実質的に整合させている。別の幾何学構成では、駆動子円錐３１０は、共振子ハウジング３０２の内壁３１４まで延びるように構成させることもできる。駆動子円錐３１０は、図１および２に示すような個別の構成要素とすることや、駆動子円錐３１０が圧電駆動子３０８の動きに連れて振動しないように共振子ハウジングの第１の端部３１２内に一体化させるように形成させることができる。同様に、駆動子円錐３１０の外周囲３２０は、ハウジング３０２内に円錐３１０によって圧電駆動子３０８を吊着させるように共振子ハウジング３０２の内側表面３１４におおまかに装着させることがある。スタック３０６と、関連する熱交換器３０９および３１１とは、スタック３０６の両端で高温側熱交換器３０９の高温側が圧力波腹の最も近くの方向に向きかつ低温側熱交換器３１１の低温側がこれから離れる方向に向くような圧力勾配となるようにして、定在波３１６に対して位置決めしている。共振子３０２に対するスタック３０６の相対的位置は、そのデバイスの構成および圧電駆動子３０８によって発生される音の周波数に応じてさまざまとなり得るような定在波３１６の位置の関数である。したがって、同様に構成されたデバイスは動作することができる。
【００４８】
図１２では、全体として番号４００で示す熱音響冷却器は、共振子４０２の反対側の端部４０８および４１０のそれぞれに装着した一対の圧電駆動子４０４および４０６を収容している半波長共振子４０２から構成されている。圧電駆動子４０４および４０６は互いに対面しており、互いに対して位相がずれており、これによりこれらの間に定在波４１２を形成させている。駆動子４０４の外周４１４は、定在波４１２を駆動子４０４の前側に維持するために放射方向に延びるリング部材４１６に対して接触させるかリング部材４１６に装着している。これによって、高温側熱交換器４２０と低温側熱交換器４２２の間でより大きな温度差を形成させるような定在波に対する位置にそのスタック４１８が配置される。スタック４２４、低温側高温側熱交換器４２６および低温側熱交換器４２８に関しても同様であるが逆転させた配置を提供している。こうした構成では、共振子４０２の有効長は駆動子４０４および４０６（この場合では、半波長共振子）のそれぞれの前面４３０と４３２の間の距離である。その各々が定在波に寄与している一対の駆動子４０４および４０６を利用することによって、スタック４１８と４２４の両者は、それぞれ実質的に等しい冷却能力を提供する。したがって、スペースを節約するために、単一の半波長共振子４０２内においてその冷却能力をほぼ２倍にすることができる。
【００４９】
図１３は、全体として番号５００で示す熱音響冷却器のさらに別の好ましい実施形態を表しており、図１３では複数の駆動子および複数のスタックを利用して共振子５０６の単位体積あたりの冷却能力をより高めている。この冷却器は本質的に、互いに対面させた２つの単一駆動子／二重スタック熱音響冷却器から構成させている。こうした配置では、２つのスタックと、これらに関連する熱交換器とは、定在波５０８の各半波長に対した最適な箇所に配置させている。したがって、各々に関連する低温側熱交換器５１４、５１５、５１６および５１７と高温側熱交換器５１８、５１９、５２０および５２１とを備えた４つのスタック５１０、５１１、５１２および５１３は、駆動子５０２および５０４によって発生される定在波５０８を利用して単一スタック配置と比べてより高い冷却能力を提供することができる。
【００５０】
図１４は、長方形または立方体様の形状をした熱音響冷却器６００を表している。共振子６０４の最上部にはスピーカ６０２を配置させ共振子６０４内に定在波６０６を発生させている。本明細書で提供している別の実施形態と同様に、スタック／熱交換器の配置は、その定在波６０６に対する最良の冷却性能を達成できるようなスタック／熱交換器の箇所に応じて、共振子６０４内で所望の箇所に配置させることができる。
【００５１】
ここで図１５の二重長方形熱音響冷却器７００を参照する。スピーカまたは駆動子７０２および７０４は、２つの共振子７０６と７０８の間の界面７１０に沿った共振子７０６および７０８の中心に配置させている。駆動子７０２および７０４は、それぞれ共振子７０６の端部７１６および７１８までと、共振子７０８の端部７２０および７２２までとに延びるような定在波７１２および７１４を発生させる。こうしたことから、これらのスタック／熱交換器アセンブリ７３０、７３１、７３２および７３３は、これらの冷却能力の合成を容易にできるようにするため、ならびにマイクロプロセッサ、マイクロチップ、または別の電子デバイスや電子部品など所望の箇所に対してこうした冷却能力を容易に伝達できるようにするために、共振子７０６および７０８の端部７１６、７１８、７２０および７２２のすぐ近くに配置させることができる。したがって、定在波を共振子の端部まで延ばす一方で駆動子を共振子の中心に配置すること、また同時に駆動子が共振に寄与しないようにすることによって、その品質係数Ｑを向上させることができる。さらに、上で指摘したように、こうした長方形の構成では多くの場合、回路基板その他の上で使用するように伝導性がより高くなる。
【００５２】
図１６は、半波長円筒状共振子の品質係数を、共振子半径を共振子の長さで割り算した値の関数としてグラフ表示したものである。図のように、デバイスの半径が共振子の長さの概ね０．５に近づくに従ってデバイスの性能すなわち品質は上昇している。したがって本発明では、共振子の長さの概ね０．５の半径（あるいは、非円筒状の共振子では有効半径）を有するように共振子を提供することが望ましい。
【００５３】
さらに図１７および１８に図示しているように、本発明による熱音響冷却器の性能を最大限にするために、スタックの重量（図１７）および熱交換器の間隔（図１８）をさまざまに変え、これによる性能への影響を分析してみた。これらの試験は直径が４．１ｃｍで長さが４．１ｃｍの共振子を備えた熱音響冷却器に対して実施した。これらの試験で利用したスタック材料はグラスウールである。共振子のサイズに関しては、重量が概ね０．１グラムと０．１５グラムの間であるようなスタックの場合に最適性能が得られる。熱交換器の間隔に関しては、概ね０．３センチメートルと０．５センチメートルの間の間隔で熱交換器は最適な性能を示した。こうしたことから、最適な間隔またはスタック厚さは共振子長さの概ね１０％（すなわち、定在波の半波長の１０％）であることが分かった。共振子の直径を増加させるに従って、スタックの所与の厚さおよびスタック材料の密度に関してスタック内により多くのスタック材料が存在することになることに留意すべきである。これらの結果に基づいて、使用する共振子のサイズおよびスタック材料に関して、スタック材料の最適密度は概ね０．０２２ｇ／ｃｃであると見られる。さらに、スタック材料が占有するスタック空間の体積である占有率は概ね２．５％であり、また好ましくは概ね１％と５％の間である。この占有率は、スタック材料の体積をスタック空間の体積で割り算することによって計算している（ここで、スタック空間の体積とは、スタック長さとスタックの断面積（すなわち、共振子の断面積）との積である。こうした結果は、所望の任意のスタック材料、共振子サイズ、スタック厚さ、その他に対して本発明に従って最適なスタック密度および／または占有率を決定するための基礎を提供することができる。したがって、熱交換器間の隙間を埋めるために使用するスタック材料の占有率および／または密度を知ることによって、本発明の熱音響冷却器の冷却効率を最大とすることができる。断熱材料と同等の脱脂綿やグラスウールなどのスタック材料を用いた実験では有望な結果が得られており、この２つのうちグラスウールは予想外に性能で脱脂綿を大きく上回ることが分かった。グラスウールは綿菓子に類似した粘稠性（ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）を有しているが、脱脂綿と比べて湿度による影響をより受けにくい。さらに、グラスウールは、熱交換器間にぎっしり詰めた場合にその弾力性、さらにはその表面積が保持される。スタックに関する望ましい別の材料はエーロゲルである。エーロゲルは本質的には、ケイ酸ゲルを、乾燥過程中にゲルの形状を維持させながら乾燥させることによって形成しているような連鎖シリカ網状構造（ｌｉｎｋｅｄ  ｓｉｌｉｃａ  ｎｅｔｗｏｒｋ）である。乾燥後に残るものは、大きな表面積を有するが極めて軽量であるような、複雑な開口気孔（ｏｐｅｎ−ｐｏｒｅ）シリカ（すなわち、二酸化ケイ素）構造である。こうしたエーロゲルは、高速の宇宙塵のサンプルを収集し回収するために航空宇宙産業においてろ過媒体として一般に使用されている。エーロゲルは、０．００３〜０．３５ｇ／ｃｃの範囲の見掛けの密度を有している。最も一般的な密度は概ね０．１ｇ／ｃｃである。こうしたエーロゲルの内表面積��、窒素の吸着／脱離によって決定するようにして概ね６００から１０００ｍ２／ｇの範囲にある。エーロゲルの固体百分率は概ね０．１３〜１５％であり、また典型的には概ね５％で９５％の自由空間を伴う。平均気孔直径は窒素の吸着／脱離によって決定するようにして概ね２０ｎｍであり、またエーロゲルの密度によってさまざまな値となる。エーロゲル構造を形成する１次粒子直径は、電子顕微鏡による決定により概ね２〜５ｎｍである。その熱膨張率は超音波方式を用いて決定するようにして概ね２．０〜４．０×１０−６である。こうしたことから、エーロゲルは極めて多孔性であり、また本発明に従って共振子内で発生する定在波と相互作用させるような大きな表面積を提供することができる。さらに、共振子の品質係数Ｑを実質的に低下させることなく音に対して低抵抗の通路を提供するために、音場の方向に沿って並列のチャンネルを有することが好ましい。
【００５４】
こうした熱音響冷却器の性能を向上させるには、こうしたデバイスのサイズを小さくすることによって、当技術分野で周知の別のデバイスと比べてより大きな圧力まで冷却器を加圧することができる。さらに、作用流体は空気から何か別の気体、あるいは複数の気体の組合せに変更することもできる。制約要因の１つは粘性透過深度δＶにより特徴付けされる粘性境界層である。そのプラントル数が０．３５０７でありその音速が４９７ｍ／ｓｅｃであるような６４％Ｈｅと３６％Ａｒの混合物などプラントル数が低い流体を選択するのが適当である。このために、空気の場合と同じ周波数での共振を維持するには、空気と比較して１．４倍のサイズのスケールファクタが必要となる。
【００５５】
その流体がより高い圧力にある場合に達成できるような性能の向上は、スケール変換相似原理、ならびに駆動子と流体の間での優れたインピーダンス整合のためである。小さい冷却器は極めて高い圧力に耐えるだけの十分に高い構造強度であるため、高い圧力で作用させることは本発明に伴う利点の１つである。
【００５６】
スタックの両端に発生させることができる最大温度差は、作用流体の断熱圧力変化による温度変化と、温度勾配を有するようなスタックに沿ったその変位による温度変化との競合から得られる。断熱圧縮による温度上昇がスタックの温度勾配に沿った変位による温度上昇を超えている場合、機関はヒートポンプまたは冷却器として機能する。これと逆の場合、この機関は原動機として機能する。上で与えている臨界勾配∇Ｔｃｒｉｔによって２つの型（ｒｅｇｉｍｅ）に分けられる。この基本的限界は本発明によって克服することができる。先ず、二重１／２波長共振子内部で２つのスタックおよび対応する熱交換器を使用することによって、それぞれのΔＴを多段構成にする（ｃａｓｃａｄｅｄ）ことが可能となる。このことは、その波長が短くこのため使用するスタックも短くなっているような超音波の型で特に重要である。第２に、空気中の場合と比べてその音速がより速いような流体を用いることによってスタック長さΔｘを長くすることができる。
【００５７】
冷却動作中のスタックに沿った熱の段階的な伝達は、各端部における対称性が崩れた時点で終了しており、これによって熱の廃棄または熱の吸収のために各端部の位置に熱交換器が必要となる。低温側端部では、その界面は熱Ｑｃを伝達させる必要があり、一方高温側端部では、ここで伝達される熱がＱｃ＋Ｗ（ここで、Ｗは音によってシステムに対してなされる仕事である）となる。スタック／熱交換器の界面の位置において脱脂綿繊維の熱交換器への熱接触によって熱が伝達されるため、その接触熱抵抗により熱の流れが制限される可能性がある。この制限は、熱交換器とスタックの間の十分に小さいギャップを越えて熱をスタックに沿って小さい階段状で移動させるような音場のシャッフル作用によって軽減される。
【００５８】
接触熱抵抗Ｒｃｏは次式のように規定することができる。
Ｒｃｏ＝１／ｈｃｏ  Ａｅ
ここで、ｋｓは接触させた２つの固体に関する調和平均熱伝導率であるとしてｈｃｏ＝１．２５ｋｓ（ｍ／σ）（Ｐ／Ｈ）であり、σは２つの固体の表面あらさの尺度であり、ｍは接触角に関連し、Ｐは接触圧力であり、またＨはより柔らかい方の固体の微小硬度である。トランジスタケーシングおよびナイロンワッシャーの場合、この抵抗は２°Ｃ／Ｗであり、一方空気と接触させたトランジスタの場合は５°Ｃ／Ｗである。熱交換器界面に対して脱脂綿とした場合には、その熱抵抗はＲｃｏ＝３．５〜７°Ｃ／Ｗとなると推定される。２ワットの総熱流の場合には、その界面は７〜１５℃のΔＴを容易に生成させることができる。さらに、ランダムスタックをより厳密に検査してみると、繊維のより多くの割合を熱伝播の軸と垂直に整列させて互いに圧力をかけた脱脂綿の幾つかの層から形成されていることが分かる。繊維をよりランダムに分布させ、かつ好ましくは繊維を熱伝播の軸に沿って長手方向に整列させることによって性能の向上が得られる。
【００５９】
スタックの重要な機能の１つは、熱流がスタックの一方の端部から他方までのシャッフルを受ける際に熱流を蓄積および矯正させることである。このためには、大きな表面積が必要であり、この作用のためには脱脂綿が著しくよく適合している。脱脂綿スタックは非常に大きな表面積（たとえば、概ね５，０００ｃｍ２）を提供する。脱脂綿スタックはスタック体積の１〜５％を占有し、残りは空気となっている。こうしたスタックの厚さは、各繊維の周りの熱透過深度に対応するように計算する必要がある。スタックが短い場合、ランダム繊維の方式は従来技術のＭｙｌａｒシートと比較してより大きな音場との相互作用を提供することによって性能の向上を提供することができ、またスタック製作の簡略化を得ることができる。
【００６０】
本明細書に記載するように複数のスタックを使用すると、従来技術の制約の多くが克服される。たとえば、これらのスタックを熱的に直列の多段接続とすることによって効率の向上を達成させることができ、熱音響式を用いた極低温冷却の方式を切り開く可能性がある。さらに、高周波数での動作のためには、スタックを含めた寸法のすべてを小さくする必要がある。しかし、複数のスタックを多段接続で利用することによって、各スタックの小さい厚みに関する問題が克服され、これによって超音波領域まで進むことが可能となる。
【００６１】
本発明によって熱音響冷却器を高周波数で動作させる際に、駆動子と作用流体の間のインピーダンス整合が向上することになるため作用流体の圧力が上昇する場合は、必ずしも円錐とする必要はない。こうしたことから、高周波数動作およびこれによるより小さいデバイスに関する別の利点は、こうしたデバイスの表面積は極めて小さいため材料強度の限界が効いてくるより前に極めて高い流体圧力を使用することができることである。さらに、この冷却器の高周波数動作に関する重要な検討事項の１つは、大きな臨界勾配∇Ｔｃｒｉｔを達成することができることである。このパラメータは本質的にＴ１／ｘ１であるため、ｘ１＝ｕ１／ω（ここで、ｕ１はその音場内の粒子速度）であることから、音響圧力変動Ｐ１による温度変化Ｔ１と音波の変位ｘ１とから、変位ｘ１が小さければ温度変化Ｔ１が大きいことが得られる。音場の収縮および拡大によって気体温度の振動が生じ、これによりこの気体とスタックの間に温度差が生じる。こうした温度差によって、このサイクルの高圧部分上で気体からスタックへの熱流を生じさせる。一方、スタックに沿った温度勾配のために、スタックが気体より高温であるときスタックから気体までの逆方向の熱流が生じる。本質的に、音響式に生成させた勾配がスタック両端の臨界温度勾配より小さいときは、低温側から高温側へ熱がポンピングされる。このことによって、ｘ１が小さくかつＰ１が大きいとスタック両端に大きな温度差が生じ、これにより低い最小温度に至る仕組みが分かる。
【００６２】
さらに、高周波数動作とすると高パワー密度に有利である。単位体積あたりのエネルギーフラックスはポンプ周波数に比例する。概ね５，０００Ｈｚで比較的高い音響レベルでは、概ね１０Ｗ／ｃｍ３のパワー密度を達成することができる。
【００６３】
最後に、共振システムに関する高周波数動作によって冷却器の総体積が小さくなる。このことは、密集性と高速な冷却が重要な因子であるような用途において特に有用である。
本発明の装置および方法は、単にそのうちの幾つかを上で図示し説明しているようなさまざまな実施形態の形で実装することができることを理解されたい。本発明はその精神や本質的特徴を逸脱することなく別の形で具現化することもできる。上述した実施形態は、そのすべての点に関して単なる例示と考えるべきであり制限と理解すべきではなく、また本発明の範囲は、したがって、上述の記載によるのではなく添付の特許請求の範囲によって指示している。この特許請求の範囲の意味および等価性の範囲に属するようなあらゆる変更もその範囲内に含めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第１の実施形態の側面断面図である。
【図２】本発明の原理に従って装填したバイモルフ圧電駆動子円錐の斜視側面図である。
【図３】本発明の原理に従ってランダム繊維から形成したスタックの側面断面図である。
【図４】本発明の原理に従った熱交換器の第１の実施形態の上面概要図である。
【図５】本発明の原理に従った熱交換器の第２の実施形態の上面概要図である。
【図６】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第２の実施形態の側面断面図である。
【図７】本発明の原理に従って共振子内のスタックの位置に対してスタックの両端の温度変化を表したグラフである。
【図８】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第３の実施形態の側面断面図である。
【図９】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第４の実施形態の側面断面図である。
【図１０】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第５の実施形態の側面断面図である。
【図１１】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第６の実施形態の側面断面図である。
【図１２】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第７の実施形態の側面断面図である。
【図１３】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第８の実施形態の側面断面図である。
【図１４】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第９の実施形態の側面断面図である。
【図１５】本発明の原理に従った小型熱音響冷却器の第１０の実施形態の側面断面図である。
【図１６】本発明による円筒状共振子の品質係数を共振子のサイズに対して表したグラフである。
【図１７】共振子の性能をスタックの重量に対して表したグラフである。
【図１８】共振子の性能を熱交換器の相対間隔に対して表したグラフである。
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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