(57)【要約】      （修正有）【課題】熱授受の効率が高いスタックと、これを用いた熱音響装置を提供する。【解決手段】ハウジング１内に配置され、ハウジング１内で音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するスタック５であって、スタック５の外表面の少なくとも一部に金属又は合金からなる金属系被膜６、７が形成されていることを特徴とする。スタックの高温側端部及び低温側端部における熱授受を効率よく行うことが可能になり、高温側端部及び低温側端部の温度勾配を大きくすることが、容易になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に配置され、ハウジング内で音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するスタックであって、スタックの外表面の少なくとも一部に金属又は合金からなる金属系被膜が形成されていることを特徴とするスタック。
【請求項２】
金属系被膜が、スタックの高温側外表面及び低温側外表面に各々独立して形成されていることを特徴とするスタック。
【請求項３】
多数の細管が外套管内に固定されてなる形態であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスタック。
【請求項４】
細管及び／又は外套管が、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料からなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のスタック。
【請求項５】
細管及び／又は外套管が、ガラスからなることを特徴とする請求項３又は４に記載のスタック。
【請求項６】
ハウジングと、ハウジング内に配置され、音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するスタックと、スタック近傍に配置される熱交換器とを含み、スタックが請求項１〜５のいずれかのスタックからなるとともに、スタック外表面の金属系被膜と熱交換器とが金属又は合金からなる金属系接合材料で接合されてなることを特徴とする熱音響装置。
【請求項７】
熱交換器として高温側熱交換器を備え、スタックの高温側端部表面の金属被膜と高温側熱交換器とが金属系接合材料で接合されてなることを特徴とする請求項６に記載の熱音響装置。
【請求項８】
熱交換器として低温側熱交換器を備え、スタックの低温側端部表面の金属被膜と低温側熱交換器とが金属系接合材料で接合されてなることを特徴とする請求項６又は７に記載の熱音響装置。
【請求項９】
熱交換器が、ハウジング外に配置されていることを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載の熱音響装置。
【請求項１０】
さらに音エネルギー発生器を含み、音エネルギー発生器から流体に付与された音エネルギーを、スタックにて熱エネルギーに変換することを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載の熱音響装置。
【請求項１１】
表示装置の冷却に使用されることを特徴とする請求項６〜９の何れかに記載の熱音響装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響効果を用いて管内の気体(流体)に与えた振動から温度勾配を得る熱音響装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱音響装置の一種である熱音響冷却装置は、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー変換を行う装置であり、クリーンな冷却機構として注目されている。
【０００３】
この種の熱音響冷却装置は、図２に示すように、空気などの流体Ａ（気体)を封入した直管状のハウジング１と、ハウジング１の一方側に設けられたスピーカー等の音エネルギー発生器２と、高温側熱交換器３と、低温側熱交換器４と、これらの熱交換器３、４の間に挟まれた状態で配置されたスタック５とを備えている。なおスタック５は、ハウジング１の管軸方向に連通する複数の流体流通経路を有する。
【０００４】
このような構成を備えた熱音響冷却装置１０の動作原理は次の通りである。
【０００５】
まず、音発生器２より音波を発生させる。この音波はハウジング１に沿って伝搬し、ハウジング１内に配置されたスタック５に音エネルギーとして入力される。この音エネルギーが入力されたスタック５では、その流通経路内で流体Ａが膨張・収縮を繰り返し、その過程で流体Ａに蓄積された音エネルギーが、熱エネルギーとしてスタック５の流通経路を構成する壁面に放出または吸収される。そして、この放出された熱は音エネルギーの移送方向と逆方向、すなわち、低温側熱交換器４から高温側熱交換器３に向けて移動するが、その過程で熱を奪って低温側熱交換器４を冷却し、この冷却された低温側熱交換器４を用いて外部の冷却対象物（図示せず）を冷却する。
【０００６】
従来、様々な材料のスタックで構成された熱音響冷却装置が提案されている。例えば、特許文献１には、ガラス製のスタックを用いた熱音響冷却装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２２９８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら特許文献１に記載されている熱音響冷却装置は、熱交換器とスタックの間での熱授受の効率が低く、熱音響冷却装置の性能が十分でないという課題がある。
【０００９】
本発明の課題は、熱授受の効率が高いスタックと、これを用いた熱音響装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等の検討の結果、特許文献１に記載の熱音響冷却装置は、熱交換器とスタックとの間に空気が介在していることが熱授受の効率低下の原因であることを見出し、本発明を提案するに至った。
【００１１】
即ち、本発明のスタックは、ハウジング内に配置され、ハウジング内で音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するスタックであって、スタックの外表面の少なくとも一部に金属又は合金からなる金属系被膜が形成されていることを特徴とする。ここで「ハウジング」とは、音エネルギーや熱エネルギーの伝達が可能な程度に外界と内部を仕切る管状の容器であり、必ずしも完全に密閉されていることを要しない。
【００１２】
本発明においては、金属系被膜が、スタックの高温側外表面及び低温側外表面に各々独立して形成されていることが好ましい。ここで「独立して形成されている」とは、高温側外表面の金属系被膜と低温側金属系被膜とが、スタックの外表面上で電気的（或いは熱的）に絶縁されていることを意味する。
【００１３】
上記構成を採用すれば、スタックの高温側端部及び低温側端部における熱授受を効率よく行うことが可能になる。
【００１４】
本発明においては、多数の細管が外套管内に固定されてなる形態であることが好ましい。
【００１５】
本発明においては、細管及び／又は外套管が、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料からなることが好ましい。
【００１６】
上記構成を採用すれば、スタックの高温側端部及び低温側端部の温度勾配を大きくすることが容易になる。
【００１７】
本発明においては、細管及び／又は外套管が、ガラスからなることが好ましい。
【００１８】
上記構成を採用すれば、金属等でスタックを形成する場合に比して、スタックの熱伝導率を低く抑えることができる。そのため、スタックの両端間における温度勾配を大きく維持することができ、低温側端部の冷却効果を高めることが可能となる。また細管ガラスの外径と内径をそれぞれ小さくすることは技術的に容易であるため、スタックの両端に連通する流通経路の数を容易に増加させることができる。
【００１９】
本発明の熱音響装置は、ハウジングと、ハウジング内に配置され、音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するスタックと、スタック近傍に配置される熱交換器とを含み、スタックが上記のスタックからなるとともに、スタック外表面の金属系被膜と熱交換器とが金属又は合金からなる金属系接合部材で接合されてなることを特徴とする。
【００２０】
本発明においては、熱交換器として高温側熱交換器を備え、スタックの高温側端部表面の金属被膜と高温側熱交換器とが金属系接合材料で接合されてなることが好ましい。
【００２１】
スタックの高温側端部と低温側端部の温度差は常に一定となることから、スタックの高温側端部の温度が上昇すると、それに伴って低温側端部の温度も上昇してしまう。熱音響装置を利用して冷却対象物を冷却する場合、スタックの低温側端部の温度が上昇すると、冷却効率が低下する。そこで上記構成を採用すれば、スタックの高温側端部から高温側熱交換器に熱を効率的に逃すことができ、スタックの高温側端部の温度上昇を抑制できる結果、スタックの低温側端部の温度上昇を効果的に抑制することが可能となる。
【００２２】
本発明においては、熱交換器として低温側熱交換器を備え、スタックの低温側端部表面の金属被膜と低温側熱交換器とが金属系接合材料で接合されてなることが好ましい。
【００２３】
上記構成を採用すれば、スタックの低温側端部が低温側熱交換器から効率的に熱を奪うことができることから、外部の冷却対象物を効率的に冷却することが可能になる。
【００２４】
本発明においては、熱交換器が、ハウジング外に配置されていることが好ましい。
【００２５】
熱交換器が図２のようにスタックを挟むようにして設置されている場合、スタックに入力されるべき音エネルギーの一部が熱交換器によって遮られる恐れがある。一方、本発明の構成を採用すれば、このような恐れがない。
【００２６】
本発明においては、さらに音エネルギー発生器を含み、音エネルギー発生器から流体に付与された音エネルギーを、スタックにて熱エネルギーに変換することが好ましい。
【００２７】
上記構成によれば、音エネルギーから熱エネルギーへのエネルギー変換を利用して外部の冷却対象物を冷却する場合に、熱音響装置の小型化が容易になる。なお熱音響装置に音エネルギーを供給しない場合、まず熱エネルギーを供給して音エネルギーに変換してから、スタックに供給する必要がある。この場合、ハウジングをループ状にするとともに熱エネルギーを音エネルギーに変換するための第二のスタックが必要となり、装置が大型になる。
【００２８】
本発明においては、表示装置の冷却に使用されることが好ましい。
【００２９】
上記構成を採用すれば、プロジェクター等の表示装置を効果的に冷却することが可能になる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のスタックは、熱交換器との熱授受の効率が高いことから、外部の冷却対象物を効果的に冷却可能な熱音響装置用スタックとして好適である。
【００３１】
また本発明の熱音響装置は、熱交換器とスタックとの熱授受の効率が高いことから、冷却装置として使用すれば、外部の冷却対象物を効果的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の熱音響装置の一実施態様を示す説明図である。
【図２】従来の熱音響装置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図１を参照しながら本発明を詳述する。なお以下の説明は本発明の好適な一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３４】
本発明の熱音響装置１０は、ハウジング１、音エネルギー発生器２、高温側熱交換器３、低温側熱交換器４、スタック５、及び各熱交換器３、４とスタック５の表面に形成された金属系被膜６、７とを接合する金属系接合部材８、９とを含む。なお本実施態様では、スタック５は、上流側（音エネルギー発生装置側）が高温側に、下流側（音エネルギー発生装置と反対側）が低温側となるように設計されているが、これに限られるものではなく、上流側が高温側に、下流側が低温側になるように装置を設計してもよい。
【００３５】
ハウジング１は、空気などの流体Ａをその内部に封入した管状体である。本実施態様では、直管形状のハウジングを例示しているが、必ずしも直管状である必要はなく、熱音響装置を組み込むデバイスの形状や大きさ等を考慮して最適な形状を選択すればよい。例えばループ管形状であってもよい。またハウジングは、完全な密閉構造である必要はなく、音エネルギーをスタックに効率的に伝達できる程度に、外部環境からの影響を遮蔽する壁面を有していればよい。
【００３６】
ハウジング内に封入される流体Ａは、ハウジング１内で音エネルギー又は熱エネルギーをスタックに伝える媒体であり、空気等の気体からなることが好ましい。
【００３７】
音エネルギー発生器２は、ハウジング１の一端に配置され、ハウジング１内の流体Ａに音エネルギーを付与するものである。音エネルギー発生器としては、スピーカーを使用することが好ましい。なお音エネルギー発生器を使用せず、熱エネルギーを入力して音エネルギーに変換し、これを利用する形態を採用することもできる。
【００３８】
スタック５は、ハウジング１内に配置され、音エネルギーと熱エネルギーとを相互にエネルギー交換するものである。スタックの形態は特に制限されないが、多数の細管が管軸に沿って外套管内に並列に固定されてなる形態を採用することが好ましい。この形態の場合、多数の細管が流体Ａの流通経路として機能する。
【００３９】
スタック５を構成する細管は、外套管内に３００本／ｉｎｃｈ２以上、５００本／ｉｎｃｈ２以上、１０００本／ｉｎｃｈ２以上、特に２０００本／ｉｎｃｈ２以上の割合で配置されていることが好ましい。このようにすれば、細管の内孔の数に準じてスタック全体の流通経路が適度に細分化され、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を効率よく行うことが可能となる。さらに、スタック５の軸直角断面における開孔率は５０％以上、６０％以上、特に７０％以上であることが好ましい。開孔率が大きいほど、流通経路となり得る細管の内孔の大きさを確保することが容易になるので、エネルギーの交換効率を良好に維持することが可能となる。開孔率が小さすぎると、流通経路が極端に狭くなりすぎ、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でのエネルギー変換において損失が生じ得る。なおスタックを構成する複数の細管及び外套管は、相互に熔着していてもよいし、熔着することなく外套管内に保持されていてもよい。
【００４０】
スタック５を構成する細管や外套管は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料からなることが好ましい。より具体的には細管や外套管はガラスからなることが好ましい。スタックを構成するガラスの種類に特に制限はないが、構成部材の大半（具体的には質量基準で８０％以上）、好ましくは全ての部材が、融点又はガラス転移点が３００℃以上のガラスからなることが望ましい。なお融点とガラス転移点とは示差熱分析装置で測定した値を指す。この種のガラス材料として、例えばソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラスなどを用いることができる。
【００４１】
スタック５の外表面には、金属又は合金からなる金属系被膜６、７が形成されている。金属系被膜６、７は、スタック５の外表面全体に亘って形成することも可能であるが、スタック５の高温側端部の外表面及び低温側端部の外表面のみに形成することが望ましい。高温側及び低温側の金属系被膜６、７を各々独立して形成しておけば、スタック５の高温側端部及び低温側端部における熱授受を効率よく行うことが可能になる。金属系被膜６、７としては、アルミニウム、銅、銀、鉄、ニッケル、亜鉛等の金属やこれらの合金からなる被膜が採用できる。また被膜の形成に当たっては、スパッタ法、真空蒸着法等の方法を採用することができる。
【００４２】
高温側熱交換器３は、ハウジング１外に配置され、スタック５の高温側端部の熱を受け取って系外に熱エネルギーを放出する機能を有している。
【００４３】
低温側熱交換器４は、ハウジング１外に配置され、冷却対象物（図示せず）から熱を奪う機能を有している。
【００４４】
なお熱交換器は、高温側及び低温側の双方に設けることが望ましいが、一方のみでもよい。その場合、高温側に熱交換器を設置することが好ましい。
【００４５】
スタック５の金属系被膜６、７と熱交換器３、４とは、金属又は合金からなる金属系接合部材８、９によって接合されている。金属系接合部材８は、高温側熱交換器３とスタック５の高温側端部表面の金属系被膜６を、また金属系接合部材９は、低温側熱交換器４とスタック５の低温側端部表面の金属系被膜７とを接合する。金属系接合部材８、９としては、鉛、スズ、銅、ビスマス、亜鉛等を含む半田や、銀粉末、銅粉末等の金属粉末を含有する樹脂材料等が採用できる。
【００４６】
次に上記構成を有する熱音響装置を用いた冷却方法を説明する。
【００４７】
まずハウジング１の一端に配置された音エネルギー発生器２を作動させて、音エネルギーを入力する。音エネルギーは流体Ａを媒体としてハウジング１内を伝搬し、スタック５内の流通経路に入力される。スタック５内の流通経路では、流体Ａが膨張・収縮を繰り返し、その過程で流体Ａに蓄積された音エネルギーが、スタック５の流通経路を構成する壁面に熱エネルギーとして放出または吸収される。放出された熱は音エネルギーの移送方向と逆方向、すなわち、スタック５の低温側から高温側へ移動する。この熱の移動により、スタック５の低温側から熱が奪われる。
【００４８】
スタック５の高温側端部では、金属系被膜６及び金属系接合部材８を介してスタック５の高温側端部表面から高温側熱交換器３に向けて熱が移動する。高温側熱交換器３では、金属系被膜６及び金属系接合部材８を介して受け取った熱を系外に効率的に排出する。このようにしてスタック５の高温側端部に移動した熱が高温側熱交換器３に速やかに移動することによって、スタック５の高温側端部の温度の極端な上昇が防止され、スタック５の低温側端部の温度が上昇することを抑制する。
【００４９】
またスタック５の低温側端部では、金属系接合部材９及び金属系被膜７を介して低温側熱交換器４からスタック５の低温側端部に向けて熱が移動する。低温側熱交換器４は、冷却対象物から熱を奪い、冷却対象物を冷却するが、奪った熱が金属系接合部材９及び金属系被膜７を介してスタック５の低温側端部に速やかに移動することから、冷却対象物を冷却し続けることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のスタックを用いて作製した熱音響装置は、プロジェクター等の表示装置、半導体素子や高速演算装置、電動機や電熱装置などを冷却するための熱音響冷却装置として好適である。
【符号の説明】
【００５１】
１  ハウジング
２  音エネルギー発生器
３  高温側熱交換器
４  低温側熱交換器
５  スタック
６、７  金属系被膜
８、９  金属系接合部材
１０  熱音響装置
Ａ  流体
【図１】
2016217586.tif 000003
【図２】
2016217586.tif 000004