(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を流路内で往復流動させる振動アクチュエータであって、
バイモルフ圧電素子を含むＮ個の振動板（Ｎは２以上の整数）と、
頂部、底部および側壁から成り、側壁の頂部付近から底部付近にかけて間隔をおいて順次設けたＮ＋１個の流出入口を有する密閉容器とを備え、
上記側壁の各流出入口間にそれぞれ１箇所として合計Ｎ箇所に、それぞれ１個の上記振動板をその周縁部で可動且つ液密に支持することにより、該振動板で相互に分離され且つそれぞれ１個の上記液流出入口を備えたＮ＋１個の液室を上記密閉容器内に画定し、
更に、上記各バイモルフ圧電素子に、極性が繰返し反転する作動電圧を、隣り合う振動板が互いに逆位相に同期して変位するように印加する給電系を備えたことを特徴とする振動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を流路内で往復流動させる振動アクチュエータおよびこれを用いて伝熱管の内部で液体を往復流動させることにより伝熱管の一端から他端へ熱輸送する熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用、家庭用等の種々の機器において冷却用あるいは加熱用の伝熱手段として、潜熱利用型熱伝達素子および液体往復流動型伝熱素子とが知られている。
【０００３】
潜熱利用型伝達素子は一般に「ヒートパイプ」と呼ばれ、既に多くの分野で実用化されている。ヒートパイプは、減圧したパイプの中に適量の作動液とその還流を促進するグルーブを装備した伝熱素子である。その伝熱原理は、熱媒体の潜熱を利用したものであり、熱媒体である作動液がヒートパイプの一端で加熱されて蒸発し、圧力差によって他端に移動し、そこで冷却され凝縮する。このサイクルを繰り返すことにより、作動液の潜熱を介して、熱が一端から他端へと伝達される。ヒートパイプは機械的駆動部が不要で構造も単純であると利点がある反面、作動温度が作動液の蒸発温度、凝縮温度によって限定されるため適用対象に限界があった。
【０００４】
液体往復流動型伝熱素子は、伝熱管の内部で熱媒体としての液体を往復流動させることにより伝熱管の一端から他端へ熱輸送する熱伝達素子である。往復流動による熱伝達の原理は、管内における液の往復流動の特異な形態に基づく。すなわち、主流は管の中央部分でのみ起こり、管の内壁に近い境界層の部分は静止に近い状態を保つ。１回の往復流動サイクルのうち、まず往路段階では、管の一端で液に伝達された熱が液流に伴って管内部のある位置まで侵入し、その位置で静止している境界層へ伝達される。次の復路段階では、管の他端側から低温の液がその位置に侵入してきて、静止境界層から熱の伝達を受ける。次の往復流動サイクルが開始すると、熱を受け取った低温液が往路段階で管の他端側へ流動する。このサイクルを繰り返すことにより、管の一端側から他端側へ熱が伝達される。この液体往復流動型伝熱素子は潜熱利用型伝熱素子（ヒートパイプ）に比べて、管内を減圧する必要がなく、還流促進用のグルーブも必要がないため管の構造を更に単純化できるばかりでなく、作動温度が液の蒸発温度や凝縮温度に限定されない上、熱伝達効率が遥かに高い、という優れた特徴がある。しかし、往復流動を起こすための機械的駆動部を必要とすることが、構造面およびコスト面で実用上不利であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、液体往復流動型伝熱素子の極めて単純な構造の駆動部として最適な振動アクチュエータおよびこれを駆動部に用いた液体往復流動型伝熱素子としての熱交換器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の振動アクチュエータは、
バイモルフ圧電素子を含むＮ個の振動板（Ｎは２以上の整数）と、
頂部、底部および側壁から成り、側壁の頂部付近から底部付近にかけて間隔をおいて順次設けたＮ＋１個の流出入口を有する密閉容器とを備え、
上記側壁の各流出入口間にそれぞれ１箇所として合計Ｎ箇所に、それぞれ１個の上記振動板をその周縁部で可動且つ液密に支持することにより、該振動板で相互に分離され且つそれぞれ1個の上記液流出入口を備えたＮ＋１個の液室を上記密閉容器内に画定し、
更に、上記各バイモルフ圧電素子に、極性が繰返し反転する作動電圧を、隣り合う振動板が互いに逆位相に同期して変位するように印加する給電系を備えていることを特徴とする。
なお、特許請求しない第１参考技術によれば、液体を流路内で往復流動させる振動アクチュエータであって、
バイモルフ圧電素子を含む振動板、
この振動板の周縁部を可動状態に支持しつつこの振動板で液密シールされる開口部と、液体の流出入口とを有する液室、および
上記バイモルフ圧電素子に極性が繰返し反転する作動電圧を印加する給電系を備えたことを特徴とする振動アクチュエータが提供される。
【０００７】
なお、特許請求しない第２参考技術によれば、伝熱管の内部で液体を往復流動させることにより伝熱管の一端から他端へ熱輸送する熱交換器であって、
伝熱管の両端のうち少なくとも一方の開口に第１発明の振動アクチュエータの流出入口を接続したことを特徴とする熱交換器が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１参考技術の第１参考形態においては、振動アクチュエータは、底部、側壁および開口端から成り且つ側壁を貫通する流出入口を有する液室構成部材を、その開口端を取り巻く領域でＯリングを介して振動板の周縁部の片面に当接させて液密かつ可動状態に支持して構成されている。
【０００９】
第１参考技術の第２参考形態においては、振動アクチュエータは、一対の前記液室構成部材を、各々の開口端を取り巻く領域でＯリングを介して振動板の周縁支持部の両面にそれぞれ当接させて液密かつ可動状態に支持して構成されている。
【００１０】
上記第２参考形態においては、上記一対の液室構成部材を備えた振動アクチュエータは、各液室構成部材の底面と振動板とがほぼ平行である構造とすることもできるし、あるいは、各液室構成部材の底面同士はほぼ平行であり、これら底面に対して振動板が傾斜している構造とすることもできる。
【００１２】
第２参考技術の一実施形態によれば、
前記伝熱管の構造が、偶数個の流路が互いにて並行し、２つの隣接流路から成る流路対が順次一対おきに両端で互いに連通し且つ外部に対しては密閉された流路群が全体として単一の蛇行流路を構成している構造であって、
上記伝熱管の一端に蛇行流路の始端と終端となる各開口を設け、各開口と前記いずれかの振動アクチュエータの流出入口とを接続したことを特徴とする熱交換器が提供される。
【００１３】
【実施例】
〔参考例１〕
図１を参照して、第１参考技術の第１参考形態による振動アクチュエータの具体例を説明する。
【００１４】
まず、図１（１）に示したように、振動アクチュエータ１０は、バイモルフ圧電素子１１を含む振動板１３、この振動板１３の周縁部１２を可動状態に支持しつつこの振動板１３で液密シールされる開口部１４と液体の流出入口１５とを有する液室１６、および上記バイモルフ圧電素子１１に極性が繰返し反転する作動電圧を印加する給電系１７を備えている。流出入口１５は図示しない外部の流路に接続されている。
【００１５】
液室１６は、底部１８、側壁１９および開口端１４から成り且つ側壁１９を貫通する流出入口１５を有する液室構成部材２０を、その開口端１４を取り巻く領域でＯリング２１を介して振動板１３の周縁支持部１２の片面に当接させて液密かつ可動状態に支持して画定されている。液密かつ可動状態の支持は、図１（２）に示したように、中央部に円形の穴２２が開いた締め板２３を弾性ワッシャ等（図示せず）を介してねじ２４で液室構成部材２０に締め付けることにより行なっている。
【００１６】
バイモルフ圧電素子１１は２枚の円形圧電素子１１Ａ、１１Ｂがシム材１１Ｃを挟んでシリーズに接合されて作製されており、給電手段１７から給電穴２５を通る電源リード線２６を介して、極性が繰返し反転する作動電圧を供給される。これにより、バイモルフ圧電素子１１は、図２に示したように、供給される作動電圧の極性に応じて上向き（図２(１)）、下向き（図２(２)）に繰返し湾曲変形する。作動電圧の極性反転に周期性があれば、当然それに伴ってバイモルフ圧電素子１１の繰返し湾曲変形も周期性を持つ。図２の矢印は、「←→」が個々の圧電素子の伸び変形を、「→←」が縮み変形を、それぞれ表している。
【００１７】
バイモルフ圧電素子１１の湾曲変形により振動板１３が繰返し湾曲変形し、液室１６内の液体が流出入口１５を介して流路（図示せず）との間で繰返し流出または流入する。
【００１８】
すなわち、バイモルフ圧電素子１１が上向き（図２(１)）に湾曲変形すると、液室１６内が減圧されるので、液体が流路（図示せず）から流出入口１５を通って図１の液室１６内に流入する。逆にバイモルフ圧電素子１１が下向き（図２(２)）に湾曲変形すると、液室１６内が加圧されるので、液体が液室１６から流出入口１５を通って流路（図示せず）へ流出する。供給される作動電圧の極性反転によって上記の減圧・加圧が反転し、流出入口１５に接続された流路（図示せず）内で液体が往復流動する。
【００１９】
図示の例では、バイモルフ圧電素子１１の圧電素子１１Ａと１１Ｂとはシリーズ接合であるが、接合形態をこれに限定する必要は無く、圧電素子１１Ａと１１Ｂとをパラレル接合としてもよい。もちろん従来公知のように、バイモルフ圧電素子１１と電源リード線２６との接続形式は、圧電素子同士の接合形態によって異なる接続形式となる。すなわち、シリーズ接合の場合には、図示のように電源リード線２６は上下の圧電素子１１Ａ、１１Ｂのそれぞれ上面と下面に接続されて反対極性の２本のリード線として機能する。これに対して、パラレル接合の場合には、図示の電源リード線２６同士は同一極性のリード線としてバイモルフ圧電素子１１の外部で合流させて１本とした上で、別に１本の電源リード線（図示せず）をシム材１１Ｃに接続して反対極性のリード線とする。
【００２０】
バイモルフ圧電素子１１は、図１に示した形態に限定する必要は無く、例えば図３（１）〜（３）に示したような種々の形態であってよい。
【００２１】
図３（１）に（Ａ）平面図および（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面図で示したバイモルフ圧電素子１１は、図１の例に用いた形態であり、円板状の圧電素子１１Ａと１１Ｂの間に、これらと同じ直径の円板状のシム材１１Ｃを挟んで接合してある。
【００２２】
この場合、図１の振動板１３の作製は、この形態のバイモルフ圧電素子１１を、例えば図４に示したように弾性樹脂３０中に埋め込んで一体として成形することにより行なえる。振動板１３の中央部では弾性樹脂３０の中央部３１がバイモルフ圧電素子１１の上下面を覆っており、振動板１３の周縁部では弾性樹脂３０の周縁部３２がバイモルフ圧電素子１１の周縁を取り囲んで振動板１３の周縁部１２を構成している。また、例えば図５に示したように、バイモルフ圧電素子１１の全面に樹脂コーティング４０を被覆して振動板１３としてもよい。この場合、樹脂コーティング４０に被覆されたバイモルフ圧電素子１１の周縁部を振動板１３の周縁部１２として可動かつ液密状態に支持すればよい。
【００２３】
図３（２）に（Ａ）平面図および（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面図で示したバイモルフ圧電素子１１は、円板状の圧電素子１１Ａと１１Ｂの間に、これらより大きい直径の円板状のシム材１１Ｃを挟んで接合してある。
【００２４】
図３（３）に（Ａ）平面図および（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面図で示したバイモルフ圧電素子１１は、円板状の圧電素子１１Ａと１１Ｂの間に、これらより大きい直径の正方形のシム材１１Ｃを挟んで接合してある。
【００２５】
図３（２）、（３）のようにシム材１１が張り出した形態のバイモルフ圧電素子１１は、特に上下の圧電素子１１Ａと１１Ｂをパラレル接合した場合にシム材への電源リード線の接続に便利である。図３（１）の形態と同様に弾性樹脂に埋め込み一体化して振動板１３を作製することができる。
〔参考例２〕
図６を参照して、第１参考技術の第２参考形態による振動アクチュエータの具体例を説明する。図１と同じ参照番号を付した箇所は、図１で説明したものに対応している。
【００２６】
振動アクチュエータ５０は、一対の液室構成部材２０を、各々の開口端１４を取り巻く領域でＯリング２１を介して振動板１３の周縁部１２の両面にそれぞれ当接させて液密かつ可動状態に支持して構成されている。。これにより、振動板１３の上下に一対の液室１６が形成される。
【００２７】
振動板１３が上下に湾曲変形すると、上下の液室１６から液体が逆位相に同期して流出／流入する。このように作動する振動アクチュエータは、両端が開口した一対の流路から成る伝熱管にそれぞれ液体を往復流動させる駆動手段として用いることももちろん可能であるが、むしろ特徴的な使用形態としては、一本の流路が一端から伸びて他端で折り返し一端に戻る折り返し流路から成る伝熱管に液体を往復流動させる駆動手段として特に有用である。この場合、折り返し流路の始端と終端はいずれも伝熱管の一端に開口しており、各開口部に振動アクチュエータ５０の各流出入口１５を接続して用いる。
【００２８】
折り返し流路は、一本の流路が折り返す形が基本であるが、複数本の流路が並行して折り返す形とすることもできる。
【００２９】
図７および図８に、並列する複数本の折り返し流路から成る伝熱管の具体例を示す。
【００３０】
図７に示した伝熱管９０は、複数部材を組み立てて作製した形態である。同図（２）または（３）に（１）のＡ−Ａ断面を示したように、金属バー９１に押出し等により複数本の並列流路９２を２段に成形し、一端（図中左端）は開口したままにしておき、他端（図中右端）は上段・下段の流路９２同士を連通させる空洞９３を設けた上で外部から凸型の栓９３を挿入するか（同図（２））、またはキャップ状の栓９４を被せる（同図（３））。これにより複数の並列流路９２は、例えば上段左端の開口を始端として右方に伸び、右端の連通空洞９３で下段へ折り返して左方へ伸び、下段左端の開口が終端となって、折り返し流路が構成される。なお、左端に設けた突起部９６は振動アクチュエータとの接続・固定に用いるためのものであり、必要に応じて設ければよい。
【００３１】
図８に示した伝熱管９７は、金属バー９１に押出し等により複数の並列流路９２を形成した後、金属バー９１の中間部分Ｃで矢印Ｂのように１８０°折り曲げ成形して作製する。その際、例えば、左方部分は振動アクチュエータとの接続用に上段・下段間を適当に開いておき、右方部分（折り曲げ部寄り部分）はろう付け等にて上段と下段を接合する。
【００３２】
更に、折り返し流路は一端に戻った流路が更に折り返して他端まで伸び、そこで更に折り返して一端に戻る形で、複数回の折り返しを繰り返す蛇行流路であってもよい。その一例として、後出の参考例４において、蛇行流路から成る伝熱管を用いた本発明の熱交換器について詳述する。
【００３３】
図６に示した振動アクチュエータ５０は、各液室構成部材２０の底面１８と振動板１３の３者がほぼ平行であるが、図９に示した振動アクチュエータ５０のように、各液室構成部材２０の底面１８同士はほぼ平行であり、これら底面１８に対して振動板１３が傾斜している構造とすることもできる。これらを含めて、振動アクチュエータの形状は、振動アクチュエータを配置する部位の形状等に応じて適宜決定することができる。
〔実施例〕
図１０を参照して、本発明の一実施形態よる振動アクチュエータの具体例を説明する。図示および説明を簡潔にするためにＮ＝２とした。図１と同じ参照番号を付した箇所は、図１で説明したものに対応している。
【００３４】
振動アクチュエータ６０は、参考例１において説明したいずれかのバイモルフ圧電素子１１を含む２個（＝Ｎ個）の振動板１３と、頂部６１、底部６２および側壁６３から成り、側壁６３の頂部付近から底部付近にかけて順次設けた３個（＝Ｎ＋１個）の流出入口１５を有する密閉容器６４とを備えている。
【００３５】
側壁の各流出入口１５間にそれぞれ１箇所として合計２箇所（＝Ｎ箇所）に、それぞれ１個の振動板１３をその周縁部で可動且つ液密に保持することにより、振動板１３で相互に分離され且つそれぞれ１個の液流出入口１５を備えた３個（＝Ｎ＋１個）の液室１６が密閉容器６４内に画定されている。
【００３６】
そして、各振動板１３のバイモルフ圧電素子に、極性が繰返し反転する作動電圧を、隣り合う振動板１３が互いに逆位相に同期して変位するように印加する給電系（図示せず）を備えている。
【００３７】
流出入口１５からは１つおきに同位相に同期して液体が流出・流入する。各流出入口１５にそれぞれ予備流路６５を接続し、１つおきの予備流路６５同士を合流させて、互いに逆位相に同期する一対の予備流路とすることができる。この場合、図６に示した参考例２の振動アクチュエータ５０と同様な使用形態で、複数個のバイモルフ圧電素子を備えたことにより多量かつ強力な往復液流が得られる。
〔参考例３〕
図１１を参照して、第２参考技術による熱交換器の具体例を説明する。
【００３８】
熱交換器７０は、伝熱管７１の内部で液体を往復流動させることにより伝熱管７１の一端から他端へ熱輸送する液体往復流動型熱伝達素子としての熱交換器である。
【００３９】
図示の例では伝熱管７１の両端の開口にそれぞれ配置した参考例１の振動アクチュエータ１０の流出入口１５を接続してある。ただし、伝熱管７１のいずれか一端のみに振動アクチュエータ１０を配置して接続し、他端は液槽に接続してもよい。液体は伝熱管７１内を両頭矢印のように往復流動する。
【００４０】
熱交換器７０の使用形態としては、例えば伝熱管７１の一端（図中左端）を発熱部７２に熱伝達可能に係合させ、他端（図中右端）を排熱部７３に熱伝達可能に係合させる。振動アクチュエータ１０によって駆動された液体の往復流動により、発熱部７２で発生した熱が伝熱管７１を通して排熱部７３に伝達されて排出され、発熱部７２の冷却が行なわれる。
〔参考例４〕
図１２を参照して、第２参考技術による熱交換器の他の具体例を説明する。
【００４１】
熱交換器８０は、伝熱管８１の構造が、偶数個（図示の例では８個）の流路８２が互いに並行し、２つの隣接流路８２から成る流路対が順次一対おきに両端で互いに連通し且つ外部に対しては密閉された流路群が全体として単一の蛇行流路を構成している構造である。
【００４２】
この伝熱管８１の一端（図中左端）に蛇行流路の始端と終端となる各開口８５を設け、各開口８５と例えば参考例２の振動アクチュエータ５０（図６、図９）または実施例の振動アクチュエータ６０（図１０）の流出入口１５とを接続してある。
【００４３】
熱交換器８０の使用形態としては、例えば伝熱管８１の一端（図中左端）を発熱部８３に熱伝達可能に係合させ、他端（図中右端）を排熱部８４に熱伝達可能に係合させる。振動アクチュエータ５０または７０によって駆動された液体の往復流動により、発熱部８３で発生した熱が伝熱管８１を通して排熱部８４３に伝達されて排出され、発熱部８３の冷却が行なわれる。
【００４４】
この形態によれば、液体往復流動型伝熱素子における中央往復流動部と管壁静止境界層との熱伝達が蛇行流路の多数箇所で行なわれるので、更に高い熱伝達効率が得られる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、液体往復流動型伝熱素子の極めて単純な構造の駆動部として最適な振動アクチュエータおよびこれを駆動部に用いた液体往復流動型伝熱素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、参考技術の振動アクチュエータの一実施形態を示す（１）断面図および（２）平面図である。
【図２】  図２は、参考技術の振動アクチュエータに用いるバイモルフ圧電素子の湾曲変位を示す断面図である。
【図３】  図３は、参考技術の振動アクチュエータに用いるバイモルフ圧電素子の種々の形態を示す（Ａ）平面図および（Ｂ）断面図である。
【図４】  図４は、参考技術の振動アクチュエータに用いる振動板の構成例を示す断面図である。
【図５】  図５は、参考技術の振動アクチュエータに用いる振動板の他の構成例を示す断面図である。
【図６】  図６は、参考技術の振動アクチュエータの他の実施形態を示す（１）断面図および（２）平面図である。
【図７】  図７は、参考技術の振動アクチュエータに接続する折り返し流路型の伝熱管の例を示す（１）斜視図、（２）断面図および（３）断面図である。
【図８】  図８は、参考技術の振動アクチュエータに接続する折り返し流路型の伝熱管の他の例を示す（１）斜視図および（２）断面図である。
【図９】  図９は、参考技術の振動アクチュエータの別の実施形態を示す断面図である。
【図１０】  図１０は、本発明の振動アクチュエータの一実施形態を示す断面図である。
【図１１】  図１１は、参考技術の熱交換器の一実施形態を示す概略断面図である。
【図１２】  図１２は、参考技術の熱交換器の他の実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０…振動アクチュエータ
１１…バイモルフ圧電素子
１１Ａ…圧電素子
１１Ｂ…圧電素子
１１Ｃ…シム材
１２…振動板周縁部
１３…振動板
１４…液室開口部（開口端）
１５…液体の流出入口
１６…液室
１７…給電系
１８…底部
１９…側壁
２０…液室構成部材
２１…Ｏリング
２２…穴
２３…締め板
２４…ねじ
２５…給電穴
２６…電源リード線
３０…弾性樹脂
３１…弾性樹脂中央部
３２…弾性樹脂周縁部
４０…樹脂コーティング
５０…振動アクチュエータ
６０…振動アクチュエータ
６１…密閉容器頂部
６２…密閉容器底部
６３…密閉容器側壁
６４…密閉容器
７０…熱交換器
７１…伝熱管
７２…発熱部
７３…排熱部
８０…熱交換器
８１…伝熱管
８２…流路
８３…発熱部
８４…排熱部
８５…開口
【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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