(57)【要約】【課題】衝撃音の発生やエネルギーロス、耐久性の低下を招くことなく、振動エネルギーを利用して外部からのエネルギー供給を受けることなく送風を効率良く行うことができる振動送風装置を提供すること。【解決手段】内部が吸気室Ｓ１とピストン室Ｓ２及び排気室Ｓ３に区画されたケーシング２と、該ケーシング２の前記ピストン室Ｓ２に摺動可能に配置されたフリーピストン７と、大気と前記ケーシング２の吸気室Ｓ１との連通を断接する吸気弁９と、前記ケーシング２のピストン室Ｓ２と排気室Ｓ３との連通を断接する排気弁１０と、を有する振動送風装置１であって、前記フリーピストン７と前記吸気弁９及び前記排気弁１０を互いに反発する磁石で構成する。【選択図】図２
2013113245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が吸気室とピストン室及び排気室に区画されたケーシングと、
該ケーシングの前記ピストン室に摺動可能に配置されたフリーピストンと、
大気と前記ケーシングの吸気室との連通を断接する吸気弁と、
前記ケーシングのピストン室と排気室との連通を断接する排気弁と、
を有する装置であって、
前記フリーピストンと前記吸気弁及び前記排気弁を互いに反発する磁石で構成したことを特徴とする振動送風装置。
【請求項２】
吸気口と排気口が形成されたケーシング内を隔壁によって前記吸気室と前記ピストン室及び前記排気室に区画するとともに、該隔壁に連通孔をそれぞれ形成し、
前記ケーシングの吸気室に、前記吸気口を開閉する前記吸気弁を摺動可能に配置し、
前記ケーシングの排気室に、排気室側の前記隔壁の連通孔を開閉する前記排気弁を摺動可能に配置し、
前記ピストン室に、該ピストン室の前記フリーピストンによって区画される第１室と第２室とを選択的に連通させるバイパス通路を形成したことを特徴とする請求項１記載の振動送風装置。
【請求項３】
前記フリーピストンを含む振動系の固有振動数を使用環境の振動周波数に略一致させてフリーピストンを共振させるようにしたことを特徴とする請求項１又は３記載の振動送風装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギーを利用して送風を行う振動送風装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車載電子機器は、車体内の限られたスペースに密集して組み込まれている。このため、パワーデバイスや二次電池等の発熱する電子デバイス類を冷却する場合、微細な部品や数ｍｍオーダーの隙間に空冷若しくは液冷の機構を組み込む必要がある。
【０００３】
しかしながら、微細な隙間には既存の電動ファン等の送風装置や水冷循環器配管等とその動力供給手段を配置することができないという問題があった。このため、既存の空冷及び液冷技術のように外部からエネルギーを供給するシステムを使用せず、数ｍｍオーダーの微小隙間に配置することができる送風機や液冷循環器が必要となっている。
【０００４】
そこで、特許文献１には、振動機械に取り付けられるケーシング内に、吸込室と吐出室とを連通する通路を有するピストンを往復動自在に設け、ケーシングの吸込口とピストンの通路に、ピストンの往復動により交互に開閉する逆止弁を設けて成る振動ポンプが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１８２４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１において提案された振動ポンプにおいては、ピストンが振動によってシリンダ内を往復動する場合、ピストンがシリンダ内壁に衝突するため、騒音の発生や衝突によるピストンやシリンダの劣化と破損の可能性がある。又、ピストンとシリンダとの衝突によるエネルギーロスや振動周波数によるエネルギーの伝達ロスについて配慮されていないため、振動ポンプの効率的で安定した動作を望むことができないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、衝撃音の発生やエネルギーロス、耐久性の低下を招くことなく、振動エネルギーを利用して外部からのエネルギー供給を受けることなく送風を効率良く行うことができる振動送風装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
内部が吸気室とピストン室及び排気室に区画されたケーシングと、
該ケーシングの前記ピストン室に摺動可能に配置されたフリーピストンと、
大気と前記ケーシングの吸気室との連通を断接する吸気弁と、
前記ケーシングのピストン室と排気室との連通を断接する排気弁と、
を有する振動送風装置であって、
前記フリーピストンと前記吸気弁及び前記排気弁を互いに反発する磁石で構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、吸気口と排気口が形成されたケーシング内を隔壁によって前記吸気室と前記ピストン室及び前記排気室に区画するとともに、該隔壁に連通孔をそれぞれ形成し、
前記ケーシングの吸気室に、前記吸気口を開閉する前記吸気弁を摺動可能に配置し、
前記ケーシングの排気室に、排気室側の前記隔壁の連通孔を開閉する前記排気弁を摺動可能に配置し、
前記ピストン室に、該ピストン室の前記フリーピストンによって区画される第１室と第２室とを選択的に連通させるバイパス通路を形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記フリーピストンを含む振動系の固有振動数を使用環境の振動周波数に略一致させてフリーピストンを共振させるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１及び２記載の発明によれば、ケーシングが振動すれば、その内部に配置されたフリーピストンが慣性によってケーシングに対して相対的に往復動するため、ポンピング作用によって吸気口からケーシングに吸い込まれた空気がフリーピストンによって排気口から吐出されて所要の送風がなされる。この場合、フリーピストンと吸気弁及び排気弁は互いに反発する磁石で構成されているため、フリーピストンのストローク端での衝突が磁気バネの緩衝作用によって防がれ、衝撃音の発生やエネルギーロス、耐久性の低下を招くことなく、振動エネルギーを利用して外部からのエネルギー供給を受けることなく送風が効率良くなされる。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、フリーピストンの固有振動数を使用環境の振動周波数に略一致させて該フリーピストンを共振させるようにしたため、振動エネルギーを効率良く利用して送風を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る振動送風装置の斜視図である。
【図２】本発明に係る振動送風装置の送風作用を示す側断面図である。
【図３】本発明に係る振動送風装置の振動系モデルを示す図である。
【図４】本発明に係る振動送風装置の別形態を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る振動送風装置の本発明に係る振動送風装置の使用例を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る振動送風装置において複数の吐出ノズルを並設した例を示す部分斜視図である。
【図７】本発明に係る振動送風装置の使用例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る振動送風装置の斜視図、図２は同振動送風装置の送風作用を示す側断面図であり、図示の振動送風装置１は、取り付けられた機器の振動エネルギーを利用して送風するものであって、例えば車載の電子デバイスの空冷に供される。
【００１６】
図示の振動送風装置１は、振動する機器に取り付けられ、この機器の振動に伴って振動する円筒のケーシング２を備えており、このケーシング２の一端面２Ａ（図１及び図２の右端面）の中心部には円孔状の吸気口３が形成され、他端面２Ｂ（図１及び図２の左端面）には複数（図示例では、６つ）の円孔状の排気口４が形成されている。又、図２に示すように、ハウジング２内は２つの隔壁２Ｃ，２Ｄによって吸気室Ｓ１とピストン室Ｓ２及び排気室Ｓ３に区画されており、吸気室Ｓ１側（図２の右側）の隔壁２Ｃには複数の連通孔５が形成され、排気室Ｓ３側の隔壁２Ｄの中心には連通孔６が形成されている。
【００１７】
更に、ケーシング２内に形成された前記ピストン室Ｓ２にはフリーピストン７が図２の左右方向に摺動可能に嵌装されており、ピストン室Ｓ２はフリーピストン７によって吸気室Ｓ１側の第１室Ｓ２１と排気室Ｓ３側の第２室Ｓ２２とに区画されている。そして、ピストン室Ｓ２には、一端が第１室Ｓ２１の吸気室Ｓ１側位置（フリーピストン７のストローク端）に開口し、他端がピストン室Ｓ２のほぼ中央位置（フリーピストン７の摺動範囲の略中央）に開口し、フリーピストン７の位置によって他端の開口が第２室Ｓ２２に開口することとなって第１室Ｓ２１と第２室Ｓ２２とを連通させるバイパス通路８が形成されている。
【００１８】
又、ケーシング２内に形成された前記吸気室Ｓ１と排気室Ｓ３には吸気弁９と排気弁１０がそれぞれ図２の左右方向に摺動可能に配置されているが、吸気弁９は、大気とケーシング２の吸気室Ｓ１との連通を断接するよう機能し、排気弁１０は、ケーシング２のピストン室Ｓ２（第２室Ｓ２２）と排気室Ｓ３との連通を断接するよう機能する。
【００１９】
而して、本実施の形態では、前記フリーピストン７と吸気弁９及び排気弁１０は、互いに反発する永久磁石で構成されており、これらの磁石の対向する磁極同士は互いに同極となるよう配置されている。具体的には、図２に示すように、フリーピストン７と吸気弁９の相対向する側にはＳ極、フリーピストン７と排気弁１０の相対向する側にはＮ極が着磁されている。
【００２０】
次に、以上のように構成された振動送風装置１の作用を図２に基づいて説明する。
【００２１】
振動送風装置１のケーシング２が取り付けられた機器の振動（車体振動）によって図２（ａ）の矢印ａ方向（右方向）に移動すると、フリーピストン７は、慣性によってケーシング２のピストン室Ｓ２内を矢印Ａ方向（逆方向）に移動する。すると、このフリーピストン７の移動によってケーシング２のピストン室Ｓ２の第１室Ｓ２１の空間が広がり、第１室Ｓ２１と吸気室Ｓ１には負圧が発生する。この負圧によって、吸気弁９がフリーピストン７と同方向（左方向）に移動して隔壁２Ｃに着座してケーシング２の吸気口３が開かれるとともに、外部の空気（吸気）が図２（ａ）に矢印にて示すようにケーシング２の吸気室Ｓ１及び隔壁２Ｃの連通孔５を通ってピストン室Ｓ２の第１室Ｓ２１に流入する。
【００２２】
同時に、フリーピストン７の矢印Ａ方向の移動によって、バイパス通路８の前記他端の開口が閉じられてケーシング２のピストン室Ｓ２の第２室Ｓ２２の空間が縮小され、第２室Ｓ２２に正圧が発生する。この正圧によって排気弁１０がフリーピストンと同方向に移動してケーシングの端面（左端面）に着座して隔壁の連通孔６を開くため、ピストン室Ｓ２の第２室Ｓ２２の空気がフリーピストン７によって押し出される。この空気（排気）は図２（ａ）に矢印にて示すように隔壁２Ｄの連通孔６と排気室Ｓ３を通って排気口４からケーシング２外へと排出されて車載の電子デバイス等の冷却（空冷）に供される。尚、このとき、フリーピストン７が排気弁１０に近づくストローク端においては、該フリーピストン７と排気弁１０との間には磁気反発力が発生するため、この磁気反発力によってフリーピストン７の隔壁２Ｄへの衝突が防がれる。又、この磁気反発力によって、連通孔６を開放する方向への排気弁１０の移動が確実となる。
【００２３】
他方、図２（ａ）の状態から振動送風装置１のケーシング２が車体振動によって図２（ｂ）の矢印ｂ方向（左方向）に移動すると、フリーピストン７は、慣性によってケーシング２のピストン室Ｓ２内を矢印Ｂ方向（逆方向）に移動する。すると、このフリーピストン７の移動によってケーシング２のピストン室Ｓ２の第１室Ｓ２１の空間が縮小され、第１室Ｓ２１と吸気室Ｓ１には正圧が発生する。この正圧によって吸気弁９がフリーピストン７と同方向（右方向）に移動してケーシング２の端面（右端面）２Ａに着座し、ケーシング２の吸気口３が閉じられて吸気室Ｓ１及びピストン室Ｓ２の第１室Ｓ２１の空気が圧縮される。
【００２４】
同時に、フリーピストン７の矢印Ｂ方向の移動によってケーシング２のピストン室Ｓ２の第２室Ｓ２２の空間が広がり、第２室Ｓ２２及び排気室Ｓ３には負圧が発生するため、この負圧によって排気弁１０がフリーピストン７と同方向に移動して隔壁２Ｄに着座して該隔壁２Ｄの連通孔６を閉じる。更に、フリーピストン７の矢印Ｂ方向の移動によって、ピストン室Ｓ２のほぼ中央に位置するバイパス通路８の他端が第２室Ｓ２２に開口連通する。従って、フリーピストン７によって圧縮された吸気室Ｓ１及びピストン室Ｓ２の第１室Ｓ２１の空気は、図２（ｂ）に矢印にて示すようにバイパス通路８を通ってピストン室Ｓ２の第２室Ｓ２２に移動して貯留される。尚、このとき、フリーピストン７が吸気弁９に近づくストローク端においては、該フリーピストン７と吸気弁９との間には磁気反発力が発生するため、この磁気反発力によってフリーピストン７の隔壁２Ｃへの衝突が防がれる。又、この磁気反発力によって、吸気口３を閉じる方向への吸気弁９の移動が確実となる。
【００２５】
その後、図２（ｂ）に示す状態からケーシング２が図２（ａ）の矢印ａ方向に移動すると、前述のようにケーシング２のピストン室Ｓ２の第２室Ｓ２２に溜められていた空気（図２（ｂ）参照）がフリーピストン７によって押し出されて図２（ａ）に矢印にて示すように隔壁２Ｄの連通孔６及び排気室Ｓ３を通って排気口４からケーシング２外へと排出される。以下、当該振動送風装置１においては、車体振動によって図２（ａ），（ｂ）に示す作用が交互に繰り返され、吸気口３からケーシング２内に吸い込まれた空気が排気口４から排出されて所望の送風がなされる。
【００２６】
以上において、本実施の形態に係る振動送風装置１においては、ケーシング２が振動すれば、その内部に配置されたフリーピストン７が慣性によってケーシング２に対して相対的に往復動するため、ポンピング作用によって吸気口３からケーシング２に吸い込まれた空気がフリーピストン７によって排気口４から吐出されて所要の送風がなされる。この場合、フリーピストン７と吸気弁９及び排気弁１０は互いに反発する磁石で構成されているため、フリーピストン７のストローク端での衝突が磁気バネの緩衝作用によって防がれ、衝撃音の発生やエネルギーロス、耐久性の低下を招くことなく、振動エネルギーを利用して外部からのエネルギー供給を受けることなく送風が効率良くなされる。尚、吸気室Ｓ１と排気室Ｓ３に形成されて各室の上流側（送風の流れに関して上流側）となる吸気口３と連通孔６は、端面や隔壁の中心部に配置され、この端面や隔壁に対向する吸気室Ｓ１と排気室Ｓ３の隔壁や端面に形成されて各室の下流側（送風の流れに関して下流側）となる連通孔５と排気口４は、隔壁や端面の中心部以外に配置されている。これによって、吸気弁９や排気弁１０の周囲を通過して空気の送風を可能とし、吸気弁９や排気弁１０によって吸気口３と連通孔６を閉じることを可能とし、更に、逆流する空気の流れを吸気弁９や排気弁１０の周縁部に作用させて吸気弁９や排気弁１０の移動を促すことが可能となっている。
【００２７】
ところで、本実施の形態では、フリーピストン７を含む振動系の固有振動数を使用環境の振動周波数に略一致させて該フリーピストン７を共振させるようにしている。
【００２８】
フリーピストン７を含む振動系を図３に示すバネ振り子モデルで考える。即ち、フリーピストン７と吸気弁９及び排気弁１０の間に作用する磁気反発力を考慮してフリーピストン７の両端が仮想バネ１１，１２によって支持されているモデルを考えると、フリーピストン７と吸気弁９及び排気弁１０の間に作用する磁気反発力ｆは次式で表される。
【００２９】
ｆ＝ｋ・ｘ              …  （１）
ここに、ｋ：仮想バネ１１，１２のバネ定数
ｘ：仮想バネ１１，１２の変位（変形量）
又、振動系の固有振動数ω０は次式で表される。
【００３０】
ω０＝√（ｋ／ｍ）      …  （２）
ここに、ｍ：フリーピストン７の質量
従って、（２）式で表される固有振動数ω０が使用環境の振動周波数ωに略一致するようにバネ定数ｋとフリーピストン７の質量ｍを決定すれば、フリーピストン７を共振させることができ、振動エネルギーを効率良く利用して送風をより効果的に行うことができる。
【００３１】
尚、以上の実施の形態では円筒状のケーシング２及び円柱状のフリーピストン７を用いたが、図４に示すような扁平で薄い矩形平板型のケーシング２’及び角柱状のフリーピストン７’を用いれば、当該振動送風装置１を数ｍｍオーダーの微小な隙間に配置することができる。
【００３２】
次に、本発明に係る振動送風装置１の使用例を図５に示す。
【００３３】
図５は本発明に係る振動送風装置を冷却対象である放熱板の端面に設置して例を示す斜視図であり、振動送風装置１の上下方向に配された矩形ダクト状のケーシング２内には図２に示したと同様のフリーピストン、吸気弁，排気弁等（何れも不図示）が組み込まれている。尚、放熱板は、振動送風装置１のフリーピストンの摺動方向である上下方向に振動する。
【００３４】
又、ケーシング２の下端面には吸気口３が開口しており、上端面には排気口４が開口している。そして、ケーシング２内の中間高さには、空気を絞る先細状の吐出ノズル１３が設けられており、ケーシング２の吐出ノズル１３の周囲には矩形孔状の吸気スリット１４が開口している。又、ケーシング２の吐出ノズル１３よりも上方の内壁には放熱板の複数（図示例では３つ）の放熱用リブ１５が上下方向に沿って取り付けられている。
【００３５】
而して、当該振動送風装置１によってケーシング２内を上方へと送り出される空気（吸気）は、吐出ノズル１３を通過することによって絞られて流速が高められるため、動圧の増加分だけ静圧が下がってその周囲が負圧となるベンチュリ効果によって外気が吸気スリット１４からケーシング２内に吸引される。このため、風量が増し、複数の放熱用リブ１５による放熱効果とも相俟って放熱板２０が効果的に冷却されてその温度上昇が抑えられる。
【００３６】
上記ベンチュリ効果を有効に利用するため、図６に示すように複数の吐出ノズル１３をケーシング２内に並設すれば、冷却に必要な風速と風量を得ることができる。その具体的な例を図７に示す。
【００３７】
即ち、図７は振動送風装置をリチウムイオン電池等の二次電池セルの冷却に使用した例を示す斜視図であり、扁平で薄い矩形ダクト状のケーシング（二次電池セル）２内にフリーピストン７と吸気弁９及び排気弁１０から成る主要部品が３組並設されるとともに、これらの先端には吐出ノズル１３がそれぞれ取り付けられている。そして、各吐出ノズル１３の周囲には吸気ガイド１６がそれぞれ配置され、その上方には複数の放熱用リブ１５が設けられている。
【００３８】
而して、本使用例においては、ケーシング（二次電池セル）２の下面に開口する吸気口３からケーシング内に吸引された空気（吸気）に、吐出ノズル１３によるベンチュリ効果によって不図示の吸気スリットからケーシング２内に吸引された空気が加えられるために送風量が増し、この空気がケーシング２の上面の排気口４から排気として排出され、放熱用リブ１５による放熱効果とも相俟ってケーシング（二次電池セル）２が効果的に冷却されてその温度上昇が抑えられる。
【００３９】
尚、以上の実施の形態では、上下方向の振動を利用した振動送風装置１を示したが、これに限定されず、水平方向の振動やそれ以外の振動方向にも使用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１          振動送風装置
２          ケーシング
２Ｃ，２Ｄ  ケーシングの隔壁
３          吸気口
４          排気口
５，６      隔壁の連通孔
７          フリーピストン
８          バイパス通路
９          吸気弁
１０        排気弁
Ｓ１        吸気室
Ｓ２        ピストン室
Ｓ２１      ピストン室の第１室
Ｓ２２      ピストン室の第２室
Ｓ３        排気室
【図１】
2013113245.tif 000003
【図２】
2013113245.tif 000004
【図３】
2013113245.tif 000005
【図４】
2013113245.tif 000006
【図５】
2013113245.tif 000007
【図６】
2013113245.tif 000008
【図７】
2013113245.tif 000009