(57)【要約】【課題】振動及びノイズを防止でき、集積度を増大させうる合成ジェットアクチュエータおよび合成ジェットアクチュエータアレイを提供する。【解決手段】ハウジング１１１と、ハウジングの内部に形成されるものであって、ガスが充填される第１チャンバ１１４と、ハウジングの内部に第１チャンバと連通するように形成されるものであって、液体が充填される第２チャンバ１１５と、ハウジングを貫通するように形成されて、第１チャンバと外部とを連通させるオリフィス１１６と、第２チャンバ内に充填された液体を加熱してバブルを発生させるヒータ１２１と、を備え、ヒータによって第２チャンバ内に充填された液体の内部にバブルを発生及び消滅させることによって、第１チャンバの体積を周期的に変化させてオリフィスの出口でジェットを発生させることを特徴とする合成ジェットアクチュエータである。【選択図】図３
2007203283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジングの内部に形成されるものであって、ガスが充填される第１チャンバと、
前記ハウジングの内部に前記第１チャンバと連通するように形成されるものであって、液体が充填される第２チャンバと、
前記ハウジングを貫通するように形成されて、前記第１チャンバと外部を連通させるオリフィスと、
前記第２チャンバ内に充填された液体を加熱してバブルを発生させるヒータと、を備え、
前記ヒータによって前記第２チャンバ内に充填された液体の内部にバブルを発生及び消滅させることによって、前記第１チャンバの体積を周期的に変化させて前記オリフィスの出口でジェットを発生させることを特徴とする合成ジェットアクチュエータ。
【請求項２】
前記第１チャンバ及び第２チャンバは、それぞれ前記ハウジング内の上部及び下部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の合成ジェットアクチュエータ。
【請求項３】
前記ハウジングの内壁には、前記第１チャンバと第２チャンバとを分離させるチャンバ分離壁が設けられており、前記チャンバの分離壁には、前記第１チャンバと第２チャンバとを連通させる貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の合成ジェットアクチュエータ。
【請求項４】
前記オリフィスは、前記第１チャンバの上部に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の合成ジェットアクチュエータ。
【請求項５】
前記ヒータは、前記第２チャンバの底面に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の合成ジェットアクチュエータ。
【請求項６】
前記第２チャンバの底面には、前記ヒータに電流を印加するための電極が形成されることを特徴とする請求項５に記載の合成ジェットアクチュエータ。
【請求項７】
前記ヒータ及び電極の表面には、前記ヒータ及び電極を保護するための保護層が形成されることを特徴とする請求項６に記載の合成ジェットアクチュエータ。
【請求項８】
前記第２チャンバと連通するように形成されて、前記第２チャンバ内に液体を供給するための液体貯蔵部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の合成ジェットアクチュエータ。
【請求項９】
複数の合成ジェットアクチュエータからなる合成ジェットアクチュエータアレイにおいて、
前記合成ジェットアクチュエータのそれぞれは、
ハウジングと、
前記ハウジングの内部に形成されるものであって、ガスが充填される第１チャンバと、
前記ハウジングの内部に前記第１チャンバと連通するように形成されるものであって、液体が充填される第２チャンバと、
前記ハウジングを貫通するように形成されて、前記第１チャンバと外部を連通させするオリフィスと、
前記第２チャンバ内に充填された液体を加熱してバブルを発生させるヒータと、を備えることを特徴とする合成ジェットアクチュエータアレイ。
【請求項１０】
前記合成ジェットアクチュエータのそれぞれは、前記ヒータに電流を印加するための電極をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の合成ジェットアクチュエータアレイ。
【請求項１１】
前記ヒータ及び電極の表面には、前記ヒータ及び電極を保護するための保護層が形成されることを特徴とする請求項１０に記載の合成ジェットアクチュエータアレイ。
【請求項１２】
前記ハウジングの内壁には、前記第１チャンバと第２チャンバとを分離させるチャンバ分離壁が設けられており、前記チャンバの分離壁には、前記第１チャンバと第２チャンバとを連通させする貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の合成ジェットアクチュエータアレイ。
【請求項１３】
前記第２チャンバと連通するように形成されて、前記第２チャンバのそれぞれに液体を供給するための液体貯蔵部をさらに備えることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の合成ジェットアクチュエータアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成ジェットアクチュエータおよび合成ジェットアクチュエータアレイに係り、さらに詳細には、振動及びノイズを防止でき、集積度を増大させうる合成ジェットアクチュエータおよび合成ジェットアクチュエータアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
合成ジェットアクチュエータは、物質伝達なしにガスの運動量ソースを生成する流動アクチュエータである。一般的に、合成ジェットアクチュエータは、チャンバの一方にオリフィスが位置し、チャンバの他方には、圧電素子などにより駆動されるメンブレインが位置する構造を有する。このような構造で、圧電素子などによりメンブレインが駆動されて、チャンバの体積が周期的に変化すれば、オリフィスの出口の周りで渦流が発生し、このような渦流によってガスジェットが形成される。一方、この過程でノズルを通じて流動する純質量流束は、０になる。このように、ジェットを発生させる合成ジェットアクチュエータは、熱流動の制御、電子装備の冷却、自動車・飛行機の抗力低下、自動車運転ノイズの減少のような多様な用途への応用可能性が非常に高い装置である。
【０００３】
図１には、特許文献１に開示された合成ジェットアクチュエータを示す。図１に示すように、上壁１３及び側壁１２からなるハウジング１１の内部にチャンバ１４が形成されている。そして、前記チャンバ１４の上部に位置する上壁１３には、オリフィス１６が形成されており、前記チャンバ１４の下部には、チャンバ１４の内側及び外側に動くメンブレイン１８が設けられている。このようなメンブレイン１８は、圧電素子のような制御システム２４によって周期的に駆動される。図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示す従来の合成ジェットアクチュエータの動作過程を説明する図面である。図２Ａは、メンブレインがチャンバの内側に動く状態を示す図面であり、図２Ｂは、メンブレインがチャンバの外側に動く状態を示す図面である。まず、図２Ａに示すように、制御システム２４によってメンブレイン１８がチャンバ１４の内側に動けば、チャンバ１４の体積が減り、これにより、チャンバ１４内の空気がオリフィス１６を通じて吐出される。そして、このように吐出された空気は、オリフィス１６のコーナー部分で分離されて、渦流３４が発生する。次いで、図２Ｂに示すように、制御システム２４によってメンブレイン１８がチャンバ１４の外側に動けば、チャンバ１４の体積は増加し、これにより、チャンバ１４の外気がチャンバ１４内に吸い込まれる。そして、この過程で、オリフィス１６出口の付近で発生した渦流３４によってエアージェットが合成される。
【０００４】
しかし、前記のような従来の合成ジェットアクチュエータでは、メンブレイン１８が圧電素子によって駆動される場合には、ノイズや振動が発生するという問題点がある。また、圧電素子を利用した合成ジェットアクチュエータがアレイで製作される場合には、集積度を１００ｃｐｉ（ｃｅｌｌｓ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ）以上にし難いため、集積度が低いという問題点がある。
【特許文献１】米国特許第６，４５７，６５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、相変化によるバブルの生成及び消滅を利用してジェットを発生させることによって振動及びノイズを防止でき、集積度を増大させうる合成ジェットアクチュエータおよび合成ジェットアクチュエータアレイを提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を解決するために、本発明の具現例に係る合成ジェットアクチュエータは、ハウジングと、前記ハウジングの内部に形成されるものであって、ガスが充填される第１チャンバと、前記ハウジングの内部に前記第１チャンバと連通するように形成されるものであって、液体が充填される第２チャンバと、前記ハウジングを貫通するように形成されて、前記第１チャンバと外部を連通させるオリフィスと、前記第２チャンバ内に充填された液体を加熱してバブルを発生させるヒータと、を備え、前記ヒータによって前記第２チャンバ内に充填された液体の内部にバブルを発生及び消滅させることによって、前記第１チャンバの体積を周期的に変化させて前記オリフィスの出口でジェットを発生させることを特徴とする。
【０００７】
前記第１チャンバ及び第２チャンバは、それぞれ前記ハウジング内の上部及び下部に形成されうる。そして、前記ハウジングの内壁には、前記第１チャンバと第２チャンバとを分離させるチャンバ分離壁が設けられており、前記チャンバの分離壁には、前記第１チャンバと第２チャンバとを連通させる貫通孔が形成されうる。
【０００８】
前記オリフィスは、前記第１チャンバの上部に形成され、前記ヒータは、前記第２チャンバの底面に設けられうる。
【０００９】
前記第２チャンバの底面には、前記ヒータに電流を印加するための電極が形成されることが望ましい。そして、前記ヒータ及び電極の表面には、前記ヒータ及び電極を保護するための保護層が形成されうる。
【００１０】
一方、前記合成ジェットアクチュエータは、前記第２チャンバと連通するように形成されて、前記第２チャンバ内に液体を供給するための液体貯蔵部をさらに備えうる。
【００１１】
本発明の具現例に係る合成ジェットアクチュエータアレイは、複数の合成ジェットアクチュエータからなる合成ジェットアクチュエータアレイにおいて、前記合成ジェットアクチュエータのそれぞれは、ハウジングと、前記ハウジングの内部に形成されるものであって、ガスが充填される第１チャンバと、前記ハウジングの内部に前記第１チャンバと連通するように形成されるものであって、液体が充填される第２チャンバと、前記ハウジングを貫通するように形成されて、前記第１チャンバと外部とを連通させるオリフィスと、前記第２チャンバ内に充填された液体を加熱してバブルを発生させるヒータと、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による合成ジェットアクチュエータは、相変化によるバブルの生成及び消滅を利用してジェットを発生させることによって、従来の圧電素子を利用した合成ジェットアクチュエータよりノイズ及び振動を大きく減らしうる。また、本発明に係る合成ジェットアクチュエータをアレイで製作する場合には、集積度を約６００ｃｐｉまで増大させうるので、従来の圧電素子を利用した合成ジェットアクチュエータより集積度を大きく増大させうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付された図面を参照して、本発明に係る望ましい実施形態を詳細に説明する。なお、図面における同じ参照符号は、同じ構成要素を示す。
【００１４】
図３は、本発明の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータを概略的に示す図面である。
【００１５】
図３に示すように、ハウジング１１１の内部には、相互連通する第１チャンバ１１４及び第２チャンバ１１５が形成されている。ここで、前記第１チャンバ１１４は、ハウジング１１１内の上部に形成されており、前記第２チャンバ１１５は、ハウジング１１１内の下部に形成されうる。そして、前記第１チャンバ１１４の内部には空気のようなガスが充填され、前記第２チャンバ１１５の内部には、水、オイルのような液体が充填される。
【００１６】
前記第１チャンバ１１４の上部に位置するハウジング１１１の上壁１１３には、第１チャンバ１１４と外部とを連通させるオリフィス１１６が貫通して形成されている。そして、前記ハウジング１１１の内壁には、前記第１チャンバ１１４と第２チャンバ１１５とを分離するチャンバ分離壁１１２が設けられており、前記チャンバ分離壁１１２には、第１チャンバ１１４と第２チャンバ１１５とを連通させる貫通孔１１７が形成されている。ここで、前記第２チャンバ１１５内に充填される液体のメニスカス１２０は、貫通孔１１７の内部に位置する。
【００１７】
前記第２チャンバ１１５の底面には、第２チャンバ１１５内に充填された液体を所定の温度に加熱してバブルを発生させるヒータ１２１が設けられている。このようなヒータ１２１は、タンタル−アルミニウム合金、タンタル窒化物、チタン窒化物、タングステンシリサイドのような抵抗発熱体からなりうる。前記ヒータ１２１は、第２チャンバ１１５に充填された液体を所定温度に瞬間的に加熱し、これにより、液体が沸騰しつつバブルが生成されて膨脹する。ここで、前記ヒータ１２１の加熱温度は、第２チャンバ１１５に充填される液体の種類によって多様に調節されうる。そして、前記第２チャンバ１１５の底面には、前記ヒータ１２１に周期的に電流を印加するための電極１２２が形成されている。このような電極１２２は、アルミニウム、アルミニウム合金、金、銀のような電気伝導度の高い物質からなりうる。前記ヒータ１２１及び電極１２２の表面には、保護層１２３が形成されうる。このような保護層１２３は、第２チャンバ１１５内に充填された液体からヒータ１２１及び電極１２２を保護するためのものである。
【００１８】
一方、前記ハウジング１１１の一側には、前記第２チャンバ１１５と連通する液体貯蔵部１３０が設けられうる。前記第２チャンバ１１５内に充填された液体は、蒸発などによって一部が消耗されうるが、この消耗された量に対応して、液体貯蔵部１３０が第２チャンバ１１５に液体を供給する。
【００１９】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータの動作過程を説明する図面である。
【００２０】
まず、図４Ａに示すように、電極１２２を通じてヒータ１２１に電流を印加すれば、ヒータ１２１は、発熱して第２チャンバ１１５内に充填された液体を所定温度に加熱する。そして、このように加熱された液体は、沸騰してバブルＢを発生させ、このバブルＢは、第２チャンバ１１５の内部で膨脹する。この過程で、バブルＢの膨張力によって第２チャンバ１１５内に充填された液体のメニスカス１２０は、チャンバ分離壁１１２に形成された貫通孔１１７を通じて上昇して第１チャンバ１１４の内部に入る。これにより、第１チャンバ１１４の体積は減り、第１チャンバ１１４内に充填されたガス、例えば、空気がオリフィス１１６を通じて外部に吐出される。そして、このように吐出されたガスは、オリフィス１１６のコーナー部分で分離されて、渦流１３４が発生する。
【００２１】
次いで、図４Ｂに示すように、ヒータ１２１に印加された電流を遮断すれば、第２チャンバ１１５の内部では、膨脹したバブルＢが収縮して消滅する。この過程で、第２チャンバ１１５内に充填された液体のメニスカス１２０は、チャンバ分離壁１１２に形成された貫通孔１１７を通じて下降して、第２チャンバ１１５の内部に入る。これにより、第１チャンバ１１４の体積は増加し、オリフィス１１６の出口の周りのガス、例えば、空気がオリフィス１１６を通じて第１チャンバ１１４内に入る。これにより、オリフィス１１６の出口の周りに発生した渦流１３４によってガスのジェットが合成される。
【００２２】
以上のように、液体が充填された第２チャンバ１１５の内部でバブルＢを周期的に膨脹及び収縮させれば、ガスが充填された第１チャンバ１１４の体積が周期的に変化し、その結果、オリフィス１１６の出口では、所定速度を有するガスのジェット流れが周期的に生成される。
【００２３】
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータのエアージェット噴射シミュレーションの結果を示す写真である。この実験では、第１チャンバ１１４内に充填されるガスとして空気を使用し、第２チャンバ１１５内に充填される液体として水を使用した。図５Ａは、第２チャンバ１１５内でバブルＢが膨脹する過程において、オリフィス１１６の出口の付近でのエアージェットの噴射を示す写真であり、図５Ｂは、第２チャンバ１１５内で膨脹したバブルＢが収縮する過程において、オリフィス１１６の出口の付近でのエアージェットの噴射を示す写真である。
【００２４】
そして、図６は、本発明の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータにおいて、第２チャンバ１１５の内部でバブルＢが周期的に膨脹・収縮することによって、オリフィス１１６の出口から６０μｍ離れた地点で測定されたエアージェットの速度を示すグラフである。ここで、オリフィスの直径は、３０μｍとした。図６に示すように、エアージェットの速度は、オリフィスの出口から６０μｍ離れた地点で約１５〜２０ｍ／ｓになることが分かる。
【００２５】
一方、前述した合成ジェットアクチュエータは、図７に示すように、アレイ状に製作されうる。図７は、本発明の他の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータアレイを示す図面である。
【００２６】
図７に示すように、合成ジェットアクチュエータアレイは、複数の合成ジェットアクチュエータが所定の形態に配列される構造を有する。具体的に、ハウジング２１１の内部に相互に連通する複数の第１チャンバ２１４及び第２チャンバ２１５が形成されている。前記第１チャンバ２１４には、空気のようなガスが充填され、前記第２チャンバ２１５には、水、オイルのような液体が充填される。前記第１チャンバ２１４のそれぞれの上部には、オリフィス２１６がハウジング２１１を貫通して形成されている。そして、ハウジング２１１の内壁には、第１チャンバ２１４と第２チャンバ２１５とを分離するチャンバ分離壁２１２が設けられており、前記チャンバ分離壁２１２には、第１チャンバ２１４と第２チャンバ２１５とを連通させる貫通孔２１７が形成されている。
【００２７】
前記第２チャンバ２１５のそれぞれの底面には、第２チャンバ２１５内に充填された液体を加熱してバブルＢを発生させるヒータ２２１、及び前記ヒータ２２１に電流を印加するための電極２２２が設けられている。そして、前記ヒータ２２１及び電極２２２の表面には、それらを保護するための保護層２２３が形成されている。一方、前記ハウジング２１１の外側には、前記第２チャンバ２１５と連通する液体貯蔵部２３０が設けられうる。ここで、前記液体貯蔵部２３０は、第２チャンバ２１５の内部に充填された液体が蒸発などによって消耗される場合、消耗される量に対応して液体を第２チャンバ２１５に供給する。
【００２８】
前記のような構造において、第２チャンバ２１５の内部でヒータ２２１によって発生したバブルＢが周期的に膨脹及び収縮すれば、第１チャンバ２１４の体積が周期的に変化し、これにより、オリフィス２１６のそれぞれの出口では、ガスのジェットが周期的に発生する。図７は、第２チャンバ２１５の内部でバブルＢが膨脹する状態を示す図面である。図７における符号２３４は、オリフィス２１６の出口の周りに発生する渦流を示す。
【００２９】
このような合成ジェットアクチュエータアレイは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）工程を利用して製作され、これにより、アレイの集積度は、概略数ｃｐｉないし６００ｃｐｉになりうる。
【００３０】
以上では本発明の望ましい実施形態が詳細に説明されたが、本発明の技術的範囲は、これに限定されず、多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、ガスジェットを発生させる合成ジェットアクチュエータおよび合成ジェットアクチュエータアレイに係り、このような合成ジェットアクチュエータおよび合成ジェットアクチュエータアレイは、熱流動の制御、電子装備の冷却、自動車・飛行機の抗力低下、自動車運転ノイズの減少のような多様な用途への応用可能性が非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の合成ジェットアクチュエータを示す図面である。
【図２Ａ】図１に示す合成ジェットアクチュエータの動作過程を説明するための図面である。
【図２Ｂ】図１に示す合成ジェットアクチュエータの動作過程を説明するための図面である。
【図３】本発明の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータを概略的に示す図面である。
【図４Ａ】図３に示す合成ジェットアクチュエータの動作過程を説明するための図面である。
【図４Ｂ】図３に示す合成ジェットアクチュエータの動作過程を説明するための図面である。
【図５Ａ】本発明の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータのエアージェット噴射シミュレーションの結果を示す写真である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータのエアージェット噴射シミュレーションの結果を示す写真である。
【図６】本発明の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータにおいて、オリフィス出口から６０μｍ離れた地点で測定されたエアージェットの速度を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施形態に係る合成ジェットアクチュエータアレイを示す図面である。
【符号の説明】
【００３３】
１１１    ハウジング、
１１２    チャンバ分離壁、
１１３    上壁、
１１４    第１チャンバ、
１１５    第２チャンバ、
１１６    オリフィス、
１１７    貫通孔、
１２０    メニスカス、
１２１    ヒータ、
１２２    電極、
１２３    保護層、
１３０    液体貯蔵部。
【図１】
2007203283.tif 000003
【図２Ａ】
2007203283.tif 000004
【図２Ｂ】
2007203283.tif 000005
【図３】
2007203283.tif 000006
【図４Ａ】
2007203283.tif 000007
【図４Ｂ】
2007203283.tif 000008
【図６】
2007203283.tif 000009
【図７】
2007203283.tif 000010
【図５Ａ】
2007203283.tif 000011
【図５Ｂ】
2007203283.tif 000012