JP4572548B2 - 気体噴出装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体を噴出して発熱体から発生する熱を放熱する気体噴出装置、当該気体噴出装置が搭載された電子機器及び気体噴出方法に関する。

従来から、ＰＣ（Personal Computer）の高性能化に伴うＩＣ（Integrated Circuit）等の発熱体からの発熱量の増大が問題となっており、様々な放熱の技術が提案され、あるいは製品化されている。その放熱方法として、例えばＩＣにアルミなどの金属でなる放熱用のフィンを接触させて、ＩＣからの熱をフィンに伝導させて放熱する方法がある。また、ファンを用いることにより、例えばＰＣの筐体内の温まった空気を強制的に排除し、周囲の低温の空気を発熱体周辺に導入することで放熱する方法もある。さらには放熱フィンとファンとを併用することにより、放熱フィンで発熱体と空気の接触面積を大きくしつつ、ファンにより放熱フィンの周囲の暖まった空気を強制的に排除する方法もある。

しかしながら、このようなファンによる空気の強制対流では、放熱フィンの下流側でフィン表面の温度境界層が生起され、放熱フィンからの熱を効率的に奪えないという問題がある。このような問題を解決するためには、例えばファンの風速を上げて温度境界層を薄くすることが上げられる。しかし、風速を上げるためにファンの回転数を増加させることにより、ファンの軸受け部分からの騒音や、ファンからの風が引き起こす風切り音などによる騒音が発生するという問題がある。

上記温度境界層を破壊し、放熱フィンからの熱を効率よく空気に逃がす方法として、合成噴流を用いたものがある。これはチャンバ内に設けられた往復するピストンなどにより生じる空気の動きを、チャンバの一端に設けられた孔から噴出させるものである。この孔から噴出された空気は合成噴流と呼ばれ、空気の混合を促進し上記温度境界層の破壊を引き起こし、従来のファンによる強制対流に比べ効率よく放熱することができる（例えば、特許文献１、２参照。）。
米国特許第６１２３１４５号明細書（ＦＩＧ．８等） 特開２０００−２２３８７１号公報（図２）

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、ピストンの往復運動による空気振動が音波として伝搬するため、この音による騒音が問題となる。また、近年のＩＣの高クロック化によって発生する熱量は増加の一途をたどっているため、例えばその発熱によって放熱フィン付近に形成される温度境界層を破壊するためには、そのＩＣや放熱フィンに向けてこれまでより多量の空気を送り込まなければならない。そうすると、上記特許文献１におけるＦＩＧ．１Ａ等に示された装置のように、振動膜を振動させて空気を噴出させる装置であっても、その振動の振幅を上げて空気の噴出量を上げなければならない。したがってその振動膜の振動数が可聴帯域にある場合には、その振動膜の騒音も問題となる。逆に、振動数を下げると騒音は低減するが、空気の噴出量が少なくなってしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、極力騒音の発生を抑制しつつ、発熱体から発せられる熱を効果的に放熱することができる気体噴出装置、当該気体噴出装置が搭載された電子機器及び気体噴出方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る気体噴出装置は、振動体を有し、該振動体の振動により、気体が噴出されるときにそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように前記気体を脈流として噴出する複数の噴出部と、前記振動体の振動の周波数を制御する第１の制御手段とを具備する。

本発明において、互いに弱め合うようにとは、振動体により生じた音波が伝播される領域の一部またはすべてにおいて、当該音波が互いに弱め合うようにすることである。

本発明では、複数の噴出部により、気体が噴出するときに生じる音波が互いに弱め合うように気体が噴出されるので騒音を低減することができる。特に、第１の制御手段により振動体の周波数を最適な周波数にすることで、騒音を抑えつつ気体の噴出量を極力多くして効果的に発熱体を放熱することができる。音波が互いに弱め合うようにするには、例えば、それぞれの音波の位相をずらすことが考えられる。または、音波が弱め合うようにするためには、少なくとも１つの振動体で区画する各チャンバを形成し、当該振動体を振動させて該各チャンバから交互に気体を噴出させるようにすればよい。

また、複数の噴出部は、例えば、気体を噴出させるための開口部を複数有する１つの筐体、または、開口部を少なくとも１つ有する複数のチャンバ（あるいは筐体）等で構成される。後者の場合、例えば１つの筐体の内部に少なくとも１つの振動体が設けられ、この振動体が仕切りとなって筐体中に複数のチャンバが形成されるような形態が考えられる。

本発明の一の形態によれば、前記振動体の振幅を制御する第２の制御手段をさらに具備する。例えば振動体の振幅を最適な振幅にすることで、所望の気体の噴出量を得ることができる。

本発明の一の形態によれば、前記振動体は、最低共振周波数が２００（Ｈｚ）以下である。一般に、最低共振周波数より低い周波数帯域における、振動体から発生する音の音圧レベルを示す傾きまたは曲線は、振動体に依らずほぼ同じである。したがって、最低共振周波数が低いほど、当該最低共振周波数より低い周波数帯域で振動させた振動体の音圧レベルを極力大きくすることができる。つまり、振幅を大きくすることができるので気体の噴出量を極力多くできる。また、周波数は低いほど人間の聴感は鈍くなる傾向があるので、振動体の駆動周波数帯域が２００（Ｈｚ）以下であれば、人間の聴感特性を考慮した場合に静粛性を保つことができる。最低共振周波数を１５０（Ｈｚ）以下とし、１５０（Ｈｚ）以下の周波数帯域で振動させることがより好ましい。

本発明の一の形態によれば、前記第１の制御手段は、前記周波数を１００（Ｈｚ）以下に制御する。これにより、人間の聴感特性を考慮した場合、騒音をより低減することができる。特に、周波数を３５（Ｈｚ）以下とすることが好ましい。

本発明の一の形態によれば、前記振動体は、該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、該面の面積が７０，０００（ｍｍ^２）以下の場合、前記第１の制御手段は、前記周波数を１００（Ｈｚ）以下に制御し、前記第２の制御手段は、前記振幅を１（ｍｍ）〜３（ｍｍ）に制御する。振動体の面の面積を７０，０００（ｍｍ^２）以下としたのは、例えばデスクトップ型またはラップトップ型のＰＣに気体噴出装置を内蔵しようとしても、気体噴出装置が大きいため内蔵できない可能性があり、実用化には適さないからである。

この場合に、周波数が１００（Ｈｚ）以下であって、振幅が１ｍｍ未満の場合には、所望の気体噴出量を得るためには振動体の面の面積をかなり大きくしなければならず実用化には適さない。

一方、例えば、振動体の面の面積が７０，０００（ｍｍ^２）程度であって、１００（Ｈｚ）近傍で振動体を振動させる場合には、振幅を３（ｍｍ）を超えると、振動体の慣性も大きくなり機構的に負荷が大きくなるからである。周波数が１００（Ｈｚ）以下の場合は、所望の気体噴出量を得るために振幅を１．５（ｍｍ）〜３（ｍｍ）とすることがより好ましい。

また、特に、前記振動体は、該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、該面の面積が７０，０００（ｍｍ^２）以下の場合、前記第１の制御手段は、前記周波数を３５（Ｈｚ）以下に制御し、前記第２の制御手段は、前記振幅を１（ｍｍ）〜５（ｍｍ）に制御することで、騒音をより低減できる。周波数が３５（Ｈｚ）以下であって、振幅が１ｍｍ未満の場合には、所望の気体噴出量を得るためには後述する振動体の面の面積をかなり大きくしなければならず実用化には適さない。

一方、例えば、振動体の面の面積が７０，０００（ｍｍ^２）程度であって、３５（Ｈｚ）近傍で振動体を振動させる場合には、振幅を５（ｍｍ）を超えると、振動面が大きい分、振動体の慣性も大きくなり機構的に負荷が大きくなるからである。周波数が３５（Ｈｚ）以下の場合は、所望の気体噴出量を得るために振幅を２（ｍｍ）〜５（ｍｍ）とすることがより好ましい。理想的には３（ｍｍ）〜５（ｍｍ）である。

本発明の一の形態によれば、前記振動体は、該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、該面の面積が１，５００（ｍｍ^２）〜７０，０００（ｍｍ^２）である。例えば、１５００（ｍｍ^２）未満とすると、所望の気体噴出量を得るためには、周波数が上述した２００（Ｈｚ）を超えなければならならず騒音が増してしまい、または、振幅を例えば５（ｍｍ）以上としなければならず実用化には適さない。この場合、振動面の面積が２０００（ｍｍ^２）以上であることがより好ましい。

本発明の一の形態によれば、前記振動体は該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、前記第１の制御手段による駆動される前記周波数をＡ（Ｈｚ）、前記第２の制御手段により駆動される前記振幅をＢ（ｍｍ）、前記面の面積をＣ（ｍｍ^２）とした場合、Ａ×Ｂ×Ｃ＝１００，０００（ｍｍ^３／ｓ）〜１０，０００，０００（ｍｍ^３／ｓ）である。この範囲であれば、所望の気体の噴出量が得られ、効果的に放熱処理することができるとともに騒音を低減できる。特に、Ａ×Ｂ×Ｃ＝２００，０００（ｍｍ^３／ｓ）以上であることがより好ましい。ここで、振動体の前後の振れ幅は振幅Ｂの倍であり、振動体が振動板を有する場合、その振動板の表面と裏面を用いた場合は、Ｃは振動板の前記表面または裏面の面積の倍である。

本発明の一の形態によれば、前記各噴出部から噴出された前記気体が供給される発熱体と、該発熱体の周囲の気体との間の領域の熱抵抗が０．７（Ｋ／Ｗ）以下であり、前記音波の音源からほぼ１（ｍ）離れた位置での騒音レベルが３０（ｄＢＡ）以下である。熱抵抗は、気体噴出装置の冷却能力でもある。騒音レベルを２５（ｄＢＡ）以下とすることがより好ましい。発熱体としては、例えばＩＣチップや抵抗等の電子部品、あるいは放熱フィン（ヒートシンク）等が挙げられるが、これらに限られず発熱するものなら何でもよい。以下、同様である。

その場合、前記各噴出部と前記発熱体とを含めた包絡体積が２５０（ｃｍ^３）以下である。

あるいは、前記各噴出部から噴出された前記気体が供給される発熱体と、該発熱体の周囲の気体との間の領域の熱抵抗が０．５（Ｋ／Ｗ）以下であり、前記音波の音源からほぼ１（ｍ）離れた位置での騒音レベルが３０（ｄＢＡ）以下であり、前記前記各噴出部と前記発熱体とを含めた包絡体積が５００（ｃｍ^３）以下である。

本発明の一の形態によれば、前記振動体は、該振動体の振動の方向に垂直な面に対してほぼ対称な形状を有する。このような対称構造とすることにより、各音波の振幅等を同一とすることができるだけでなく、その音波のひずみ成分である高調波の振幅等も極力同一とすることができるため、騒音をより低減することができる。

本発明の一の形態によれば、前記振動体は、振動する方向に垂直な面を有し、該面に対して非対称な形状を有する第１の振動体と、前記第１の振動体とほぼ同一形状を有し、該第１の振動体の振動方向とほぼ同一方向に振動するように、かつ、当該振動方向で前記第１の振動体とは逆向きに配置された第２の振動体とで構成される。このような構成によれば、非対称な形状を有する振動体であっても、互いに逆向きに配置することで全体的な対称性を確保することができる。したがって、複数の噴出部により生じるそれぞれの音波の波形を極力同一にすることができ、静粛性の向上を図ることができる。非対称な形状の振動体としては、例えばコイル部やマグネット部を有するスピーカの形状を有するものを用いることができる。

本発明の一の形態によれば、前記各噴出部は、ほぼ容積が等しくなるように前記振動体により仕切られて形成され、前記気体を噴出させるための複数のチャンバを有する筐体を有する。例えば、筐体が、各チャンバと外部とをそれぞれ連通させる複数の開口部を有することで、開口部を介して気体を噴出させることができる。本発明では、各チャンバの容積を等しくすることで、それぞれ生じる気体の噴出量、あるいは音の振幅等を同じにすることができる。したがって、効果的に放熱処理することができるとともに、騒音を極力低減することができる。本発明の気体噴出装置は、各噴出部がそれぞれ筐体を有するのではなく、噴出部が全部集まって１つの筐体を構成するものである。振動体は１つであってもよいし、複数であってもよい。以下、同様である。

本発明の一の形態によれば、前記各噴出部は、前記振動体により仕切られて形成され、前記気体を噴出するための複数のチャンバを有する筐体と、前記筐体の外部に配置され、前記振動体を駆動するためのアクチュエータとを有する。アクチュエータが筐体の外部に配置されれば、各チャンバの容積を極力等しくすることができる。また、アクチュエータが筐体の内部にあると、チャンバにそのアクチュエータの熱がこもる可能性があり、熱がこもると放熱の能力が低下する。しかしながら、本発明ではそのような不都合を回避することができる。これにより、上記したように効果的に放熱処理することができるとともに、騒音を極力低減することができる。

本発明の一の形態によれば、前記筐体は、前記外部から前記各チャンバのうち少なくとも１つのチャンバにかけて貫通する穴部を有し、当該気体噴出装置は、前記穴部に挿通されて前記振動体に取り付けられ、前記アクチュエータと一体的に可動するロッドと、前記穴部に設けられ、前記ロッドを支持する支持部材とをさらに具備する。支持部材が設けられることにより、ロッドのぶれを抑えることができ、振動体を安定して振動させることができる。また、例えば、支持部材が穴部を覆って筐体を密閉するように設けられることにより、振動体が振動したときに筐体内部の気体が当該穴部から漏れることを防止することができる。

本発明に係る電子機器は、発熱体と、振動体を有し、該振動体の振動により、気体が噴出されるときにそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように前記気体を脈流として前記発熱体に噴出する複数の噴出部と、前記振動体の振動の周波数を制御する手段とを具備する。

本発明では、振動体の周波数を最適な周波数にすることで、騒音を抑えつつ気体の噴出量を極力多くして効果的に発熱体を放熱することができる。電子機器としては、コンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、カメラ、ディスプレイ装置、オーディオ機器、その他の電化製品等が挙げられる。

本発明に係る気体噴出方法は、振動体の振動により、気体が噴出されるときにそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように前記気体を脈流として噴出する工程と、前記振動体の振動の周波数を制御する工程とを具備する。

本発明では、振動体の周波数を最適な周波数にすることで、騒音を抑えつつ気体の噴出量を極力多くして効果的に発熱体を放熱することができる。

以上のように、本発明によれば、極力騒音の発生を抑制しつつ、発熱体から発せられる熱を効果的に放熱することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る気体噴出装置を示す斜視図である。図２はその断面図である。

気体噴出装置１は１つの筐体２２を有している。筐体２２の内部には振動体２５が配置されており、筐体２２の内部は、この振動体２５によって２つのチャンバ２２ａ及び２２ｂに区画されている。チャンバ２２ａ及び２２ｂには例えば空気が含まれている。このように区画されたチャンバ２２ａ及び２２ｂと筐体２２の外部とをそれぞれ連通させるように、筐体２２に開口部２２ｃ及び２２ｄがそれぞれ複数形成されている。この場合、開口部２２ｃの数と開口部２２ｄの数とが同じとなるように構成される。この開口部２２ｃ（２２ｄ）は１つであってもよい。開口部２２ｃ及び２２ｄには、それぞれ、チャンバ２２ａ及び２２ｂ内の空気を噴出可能なノズル２３及び２４が設けられている。ノズル２３等は必ずしも必要ではなく、開口部２２ｃ等が形成されているのみでもよい。

振動体２５は、振動板２７を有しており、振動板２７は例えば柔軟な膜状の物質、例えばＰＥＴ（polyethylene terephthalate）フィルム等により形成されている。振動体２５は、例えばスピーカの構造を有しており、図示しないコイル、マグネット等でなっている。振動体２５は制御部２０によって制御されるように構成されている。制御部２０は、例えば、振動体２５のコイルに正弦波の交流電圧を印加するための電源回路、振動体２５の振動の波形を制御するための制御回路等を有している。制御回路は、特に、振動体の２５に加える電圧すなわち振幅、あるいは、駆動周波数等を制御するようになっている。

筐体２２は、剛性の高い物質、例えばアルミ等の金属やプラスチックによって構成されている。形状は例えば直方体状である。筐体２２は、例えば、形状、材質、開口部等の形状を等しくしたものを用いる。

以上のように構成された気体噴出装置１の作用を説明する。制御部２０が振動体２５を所定の周波数で駆動し、振動板２７を正弦波振動させることにより、チャンバ２２ａ及び２２ｂの圧力が交互に増減する。これに伴い、開口部２２ｃ及び２２ｄを介して空気の流れが発生する。この空気の流れは、ノズル２３と２４とにおいて、筐体２２の内部から外部へ、外部から内部へ流れるように交互に発生する。ノズル２３等から噴出される空気は合成噴流となる。合成噴流とは、ノズル２３等から空気が噴出されることにより噴出された空気の周囲の気圧が下がるので、噴出された空気の周囲にある気体が巻き込まれることによって発生する噴流である。すなわち、噴出された空気とその周囲の空気とが合成され噴流となる。このようにチャンバ２２の外部へ空気が脈流として噴出されることで、この噴出された空気を例えばＩＣチップやヒートシンク等の発熱体に吹き付けて効果的に放熱することができる。

一方、振動板２７の振動によって、ノズル２３及び２４から音が交互に発生し、この音波が空気中を伝播する。ノズル２３及び２４から発生する音波は、チャンバ２２ａ及び２２ｂの形状等、開口部２２ｃ及び２２ｄの形状、ノズル２３及び２４の形状等を等しくしているため、波形が等しく、位相が反転したものとなる。したがって、ノズル２３及び２４を介して発生する音波が相殺され騒音を抑制することができる。

ここで、ノズル２３と２４との間隔ｄは、ｄ<λ／２（λは発生する音波の波長）となるように設定されることが望ましい。この式を満たすようにすれば、ノズル２３等から発生した音波のほぼ最大振幅同士で強め合う箇所がなくなるので、騒音の発生を極力防止することができる。

図３は、気体噴出装置１を用いて、例えばＩＣチップ等を放熱するときの例を示す斜視図である。ＩＣチップ５０は例えばヒートスプレッダ（またはヒートパイプの機能を有する熱輸送体）５１等に接触して設けられ、ヒートスプレッダ５１には複数のヒートシンク５２が取り付けられている。気体噴出装置１は、例えばノズル２３及び２４からの気体の噴出方向をヒートシンク５２に向けて配置されている。

ＩＣチップ５０から発せられる熱はヒートスプレッダ５１で拡散されヒートシンク５２に伝達される。そうすると、ヒートシンク５２の近傍は高熱の空気が滞留して温度境界層が形成されてしまう。そこで、例えば振動体２５の振動によってノズル１３及び１４から発生した噴流をヒートシンク５２に向けて吹き付ける。この噴流によって当該温度境界層が破壊され、効率よく放熱される。

図４及び図５は、本発明の他の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。図５は、図４に示すＡ−Ａ線断面図であり、図４は、図５に示すＢ−Ｂ線断面図である。この気体噴出装置６１は、筐体６８内にチャンバ６２ａ及び６２ｂを有して構成されている。チャンバ６２ａ及び６２ｂは筐体６８及び筐体６８内に設けられた壁６９によって構成されている。チャンバ６２ａ及び６２ｂには、振動体６５ａ及び６５ｂがそれぞれ配置されている。振動体６５ａ及び６５ｂの構成は、例えば図１及び図２で示した振動体２５等と同様である。筐体６８には、チャンバ６２ａ及び６２ｂに内部がそれぞれ連通するノズル６３ａ及び６３ｂが設けられ、これによりチャンバ６２ａ及び６２ｂから空気がそれぞれ吐出される。振動体６５ａ及び６５ｂは壁６９に設けられた開口部６６ａ及び６６ｂをそれぞれ塞ぐように設けられている。振動体６５ｂがチャンバ６２ａ内の空気を振動させることにより、ノズル６３ａから空気を吐出させる。また、振動体６５ａがチャンバ６２ｂ内の空気を振動させることにより、ノズル６３ｂから空気を吐出させる。振動体６５ａ及び６５ｂは図２に示す制御部２０と同様な図示しない制御部に接続され、例えば互いに逆位相で、かつ、同一振幅で振動するように制御される。

このように、振動体６５ａ及び６５ｂが振動方向Ｒが同じとなるように、かつ、互いに逆向きとなるように配置されることで、スピーカのように非対称な形状を有する振動体であっても、全体的な対称性を確保することができる。したがって、ノズル６３ａ及び６３ｂから生じるそれぞれの音波の波形を極力同一にすることができ、静粛性の向上を図ることができる。

本実施の形態に係る気体噴出装置６１について、振動体を２個用いた構成を示したが、振動体を偶数個用いれば、同様に音波は互いに弱め合うようになる。

図６は、図４及び図５に示す気体噴出装置６１のノズル６３ａ及び６３ｂの数をさらに増やした気体噴出装置及びヒートシンクを示す平面図である。このヒートシンク３１は、例えばその１つ１つのフィン部材３２の空気の流通部３２ａに、各ノズル６３ａ（６３ｂ）が対向するように、ヒートシンク３１に対して気体噴出装置６１が配置されている。これにより、有効にヒートシンク３１を活用することができるので放熱効率が向上する。

図７は、本発明のさらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。本実施の形態に係る気体噴出装置は、図２に示した気体噴出装置１の振動体２５の代わりに、板状の振動体４５を有している。振動体４５は、例えば樹脂製のフィルムに図示しない平面型のコイルが貼り付けられて構成されている。制御部４０により当該コイルに交流電圧が印加されることで、例えば、筐体２２内に配置された図示しないマグネットの磁場を利用して図中上下に振動するようになっている。このように、板状の振動体４５を設けることでチャンバ２２ａ側と２２ｂ側とで対称的な構造とすることができ、ノイズ等を極力小さくすることができる。

以上のように、上記各実施の形態に係る気体噴出装置１，６１、４１は、発熱体を効果的に放熱しつつ、騒音を低減することができるが、発生する音を完全に消すことは難しい。その理由として次の項目が上げられる。
１）ノズルから出る基本周波数の振幅が振動体の表と裏側で同じではない。
２）ノズルから出る基本周波数の表と裏の位相ずれが１８０度からずれる。
３）ノズルから出る高調波（ひずみ成分）の振幅が振動体の表と裏側で同じではない。
４）ノズルから出る高調波の表と裏の位相ずれが１８０度からずれる。

例えば図１及び図２に示す気体噴出装置１では、チャンバ２２ｂには振動体２５の前面が面し、チャンバ２２ａには振動体２５の裏のフレーム（アクチュエータ側）が面することとなる。一般に振動体２５のスピーカのような後方の音圧はあまり考慮されておらず、フレームが遮音効果をもつ場合があり、表よりも裏の音圧は小さい。すなわち、この構成では一般には基本波の振幅が表と裏で異なりノイズが残る。この構成で各ノズル２３及び２４から出た音波の測定結果を図８（ａ）に示す。上のグラフが図１で示す下方のノズル２４から出た音波を示し、下のグラフが上方のノズル２３から出た音波を示している。図８（ａ）より、ノズル２４から出た音波の方が振幅が大きいことがわかる。また、それらを合成した音を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）からわかるように、基本波の周波数でのノイズが残っている。

次に図４及び図５に示した気体噴出装置６１を用いた場合、各チャンバに対してスピーカの表と裏が１つずつ面するので、２つのチャンバ６２ａ及び６２ｂに設けられた各ノズル６３ａ及び６３ｂから出る基本波の振幅は同程度となる。この場合、基本波の消音はある程度できているが、高調波成分を消しきれていない。この場合の各ノズル６３ａ及び６３ｂから出た音波の測定結果を図９（ａ）に示す。また、これらの合成音した音を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）では、振幅のスケールは図８（ｂ）で示したものより小さいが、高調波成分、つまり図９（ａ）で示す基本波の２次高調波及びそれより高次波が残っているのがわかる。これは、振動体を複数使うために、その個体差からノズルから出てくる高調波の振幅と互いに位相がそろわないことによる。

これらの課題に対する対策としては、振動体の構造がなるべく対称形で、振動体はなるべく１つを用い、その両側にチャンバを配置することが考えられる。さらに、より効果的な対策として、基本周波数をなるべく下げることである。

ここで、図１０は人の聴感特性を示したグラフである。このグラフは、ＪＩＳ規格で規定された等ラウドネス曲線（Ａ特性のもの）であり、２０（Ｈｚ）〜２０（ｋＨｚ）の周波数帯域において、人が同じ音圧レベルに晒されたときに、どれほどの大きさに聞こえるかを表したものである。すなわち、１（ｋＨｚ）の音波を基準として、各周波数の音がどれだけの大きさで聴こえるかを表したものである。この図より、同じ音圧レベルでも、１（ｋＨｚ）の音に比べ５０（Ｈｚ）の音は３０（ｄＢ）小さく聴こえるということがわかる。なお、音圧レベルＬｐ（ｄＢ）は以下の式で定義される。
Ｌｐ＝２０ｌｏｇ（ｐ／ｐ０）・・・式（１）
ｐは音圧（Ｐａ）、ｐ０は基準音圧（２０μＰａ）である。

２０Ｈｚまで下げるまでもなく、その近傍の音であれば聴感度は十分低く聴感特性を考慮したＡ特性のノイズレベル（騒音レベル）としては小さくなる。また、基本波の周波数を低くすれば、高調波の周波数もそれに伴い低くなり、聴感特性が極力低いところへ高調波のノイズも持っていくことができる。周波数を下げるということは、ノズルからの気体の噴出量も下げるということになるので、単に周波数を下げれば良いというわけではない。

本発明者らの実験では、３０Ｈｚ程度の基本周波数で十分な消音効果があることを確認している。図１０に示すように、同じ音圧レベルの場合、周波数が２００（Ｈｚ）から１００（Ｈｚ）に落ちると、ノイズレベルは約１０（ｄＢＡ）低下し、１００から３０Ｈｚに落ちると、ノイズレベルはそこからさらに約１５（ｄＢＡ）低下する。

単一周波数の音に対してみてみると、低周波での振動体の駆動がノイズレベルを低下させるが、一方で、上述したように駆動周波数が低いとその分振動体の往復回数が減るので、ノズルからの気体の噴出量が低下することになる。そのためには低周波でも十分に振幅が得られる振動体を用いる必要がある。つまり、スピーカ等の振動体の特性で考えると、３０（Ｈｚ）や１００（Ｈｚ）等、例えば２００（Ｈｚ）以下での音圧レベルが十分に得られなければならない。

図１１及び図１２は、最低共振周波数ｆ０がそれぞれ１１０（Ｈｚ）及び２００（Ｈｚ）のスピーカの音響特性の例を示す図である。ｆ０より高い周波数での音圧レベルは共に９０（ｄＢ）程度である。しかしながら、ｆ０より低い周波数帯域では、ｆ０の低いスピーカの方が同じ周波数での音圧は大きくなる。例えば５０（Ｈｚ）での音圧をみると、ｆ０＝１１０（Ｈｚ）のスピーカでは音圧が７０（ｄＢ）であるのに対しｆ０＝２００（Ｈｚ）のスピーカのそれは約６２（ｄＢ）となっている。これはｆ０より低い周波数帯域では音圧は４０（ｄＢ／ｄｃ）の増幅特性があるためである。

すなわち、スピーカの特性を上記各実施の形態に係る振動体２５等の駆動特性と同等と考えた場合、ｆ０が低いほうが低周波での音圧が高いと言える。音圧が高い方がノズルからの気体の噴出量あるいは流速が大きくなる。したがって、駆動系も含んだ振動体の最低共振周波数ｆ０が低いほど低周波領域での噴出量または流速を上げることができると言える。例えば、３０（Ｈｚ）で駆動する場合、ｆ０は低く、かつ、３０（Ｈｚ）に近いほうがよいが、本発明者らが行ったスピーカの実験では、ｆ０＝１００（Ｈｚ）程度のスピーカであれば、３０（Ｈｚ）で駆動した場合でも、必要な振動体の音圧（つまり振幅）を得ることができることがわかっている。

したがって、ｆ０が２００（Ｈｚ）以下、より好ましくは１５０（Ｈｚ）以下、さらに好ましくは１００（Ｈｚ）以下の振動体を用い、それぞれのｆ０より低い周波数帯域で振動体を駆動させればよい。

上記各実施の形態で示した気体噴出装置１、６１の気体の噴出量を向上させるためには次の要因が考えられる。
１）振動体の面積が大きい。
２）振動体の振幅が大きい。
３）振動体の駆動周波数が高い。

そこで、本発明者らは次のような評価値を考えた。振動体の駆動周波数をＡ（Ｈｚ）、振動体の振幅を±Ｂ（ｍｍ）、振動体の面積（振動体が複数の場合はその合計）をＣ（ｍｍ^２）とした場合に評価値Ｄ＝Ａ×Ｂ×Ｃを計算してみる。図１３は、評価値等と気体の流速との関係を示す表である。また、図１４は、当該評価値Ｄと気体が噴出されるときの流速との関係を示すグラフである。この場合、流速は、気体の噴出量（単位時間当りの気体の移動量）に比例すると考えてよい。

この実験では、上記図１、図４に示したような気体噴出装置であって、ノズルの内径は３ｍｍでその本数は３２本のものを用いた。また、振動体として、市販のスピーカを用いた。２０（Ｈｚ）から２００（Ｈｚ）程度で往復運動をする振動体として最も手軽に入手できるものがスピーカだからである。図１３及び図１４より、評価値Ｄが大きくなると流速が大きくなる傾向が見られる。

このように、気体噴出装置から出た空気をヒートシンクに吹き付けて放熱能力を見ると、概ね流速が高いほど放熱能力が高い。図１４より、評価値Ｄから見ると、１００，０００（ｍｍ^３／ｓ）を超えれば熱抵抗で１（Ｋ／Ｗ）程度になる。また、２００，０００（ｍｍ^３／ｓ）を超えると０．７（Ｋ／Ｗ）を下回り、その流速が４（ｍ／ｓ）を超え、放熱デバイスとして満足できる値となることが判明した。ちなみに７０（Ｗ）級のＣＰＵの放熱には熱抵抗０．３（Ｋ／Ｗ）を下回る放熱デバイスが用いられている。ただし、放熱能力は機器の応用状況により、仕様が決まるため、流速だけでは評価できないことは考慮する必要はあるが、大まかな判断材料にはなる。

ここで、ＪＩＳ規格では、熱抵抗の単位は（（ｍ^２Ｋ）／Ｗ）である。熱抵抗の定義は、「考えている２面間の温度差を熱流束１（Ｗ／ｍ^２）で除した値」とされているからである。熱流束とは、「単位面積当り及び単位時間当りに移動する熱量」（熱量の単位はＪ）である。本発明では、上記のように熱抵抗の単位を（Ｋ／Ｗ）とし、上記「２面間」という「面積」の単位を考慮していないが、（Ｋ／Ｗ）という熱抵抗の単位も一般的に用いられる単位である。本実施の形態の場合、例えば、発熱体とその周囲の空気との温度差Δｔとした場合に、熱抵抗Ｒは、Ｒ＝Δｔ／発熱体のワット数、で表すことができる。

本実験より、口径が大きく振幅が大きいほど流速を大きくする合成ジェット流を作ることができる。特にスピーカのコーン（例えば図２で示した振動板２７）の振幅が１（ｍｍ）以上のもので流速が大きくなり、放熱能力が高いことがわかった。振幅が１ｍｍ未満の場合には、所望の気体噴出量を得るためには上記面積Ｃをかなり大きくしなければならず実用化には適さない。振幅は１（ｍｍ）よりは大きいほどよく、好ましくは駆動周波数Ａが１００（Ｈｚ）以下で、１（ｍｍ）〜３（ｍｍ）、理想的には３０（Ｈｚ）で３（ｍｍ）以上である。

また、振動体の大きさの上限を考えると、振幅は５（ｍｍ）以下とすることが好ましい。振動体の大きさは、面積Ｃが７０，０００（ｍｍ^２）以下、つまりその口径（直径）が３００（ｍｍ）以下が望ましい。７０，０００（ｍｍ^２）を超えると、デスクトップ型またはラップトップ型のＰＣに気体噴出装置を内蔵しようとしても、気体噴出装置が大きくなって内蔵できない可能性があり、実用化には適さないからである。

面積Ｃが７０，０００（ｍｍ^２）以下の場合に、振幅を５（ｍｍ）以下とするのは、次の理由による。すなわち、面積Ｃが７０，０００（ｍｍ^２）程度であって、例えば３５（Ｈｚ）近傍で振動体を振動させる場合には、振幅を５（ｍｍ）を超えると、振動体の慣性も大きくなり機構的に負荷が大きくなるからである。また、この場合、１００（Ｈｚ）近傍で振動体を振動させる場合には、振幅を５（ｍｍ）を超えると、振動体の慣性も大きくなり機構的に負荷が大きくなる。

一方、本実験より、口径が６０（ｍｍ）以上（面積Ｃ＝２８２７（ｍｍ^２））のスピーカで熱抵抗０．５（Ｋ／Ｗ）以下のデータを得ている。面積Ｃがこの半分程度であれば熱抵抗が倍くらいになると想定すると、面積Ｃは１５００（ｍｍ^２）以上であればよい。１５００（ｍｍ^２）未満とすると、所望の気体噴出量を得るためには、周波数が２００（Ｈｚ）を超えなければならならず騒音が増してしまい、または、振幅を例えば５（ｍｍ）以上としなければならず実用化には適さない。この場合、面積Ｃが２０００（ｍｍ^２）以上であることがより好ましい。

これまでに述べた上記各実施の形態に係る気体噴出装置１、６１に、上記面積Ｃを持つ振動体を適用し、駆動周波数Ａ及び振幅Ｂで制御することにより、効果的な放熱処理を行うことができるとともに騒音を低減できる。特に、ノイズレベルが３０（ｄＢＡ）以下、熱抵抗が０．７（Ｋ／Ｗ）以下の放熱デバイスを実現することができる。

図１５は、騒音レベルと熱抵抗との特性を示す図であり、回転する羽根車を備えた従来のファンと、本実施の形態に係る気体噴出装置とを比較した例を示す。ここでの熱抵抗は、発熱体としてのヒートシンクと当該ヒートシンクの周囲の空気との間の熱抵抗である。この図より、従来のファンに比べ、本実施の形態に係る気体噴出装置の方が、熱抵抗と騒音レベルの両方について良い値を得ていることがわかる。

本実施の形態に係る気体噴出装置の小型化を目指す場合、口径の小さな振動体を使うことが必要となる。しかし、口径が小さいことは先の評価値Ｄの考え方からわかるように有利ではない。その対策として、振幅の大きな振動体を用いると良い。本発明の手法を用いればヒートシンクを含めた２５０ｃｃ程度の包絡体積で、熱抵抗が０．７（Ｋ／Ｗ）以下、音源から１ｍ程度離れた位置での騒音レベルが３０（ｄＢＡ）以下、あるいは２５（ｄＢＡ）以下を実現することができる。

図１６は、本発明のさらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。本実施の形態に係る気体噴出装置７１の振動体としては、図７に示した板状の振動体４５が用いられている。振動体４５には、該振動体４５を可動させるアクチュエータ７８のロッド８５が取り付けられている。ロッド８５は、筐体７２に設けられた穴部７２ｅに挿通されている。アクチュエータ７８は、ヨーク８２、マグネット８３、コイル８４等を有している。制御部７０によってコイルに例えば交流電圧が印加されることで、ロッド８５が図中上下に移動し、これにより振動体４５が振動する。

本実施の形態では、アクチュエータ７８が筐体７２の外部に配置されているので、各チャンバ７２ａ及び７２ｂの容積を極力等しくすることができる。また、アクチュエータ７８が筐体７２の内部にあると、チャンバ７２ａまたは７２ｂにそのアクチュエータ７８の熱がこもる可能性がある。この状態で振動体を振動させると、その熱を持った気流が噴出されてしまい、放熱の能力が低下する。しかしながら、本実施の形態ではそのような不都合を回避することができる。

図１７は、図１６に示す気体噴出装置の変形例を示す断面図である。この気体噴出装置９１は、ロッド７５を支持する支持部材９２が設けられている。この支持部材９２は、例えば蛇腹の部材で構成される。この支持部材９２により、振動体４５の振動方向に対するロッド７５の横ぶれを抑えることができ、振動体４５を安定して振動させることができる。また、例えば、支持部材９２が穴部７２ｅを覆って筐体７２を密閉するように設けられることにより、振動体４５が振動したときに筐体７２内部の空気が当該穴部７２ｅから漏れることを防止することができる。

本発明は以上説明した実施の形態には限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

上記各実施の形態に係る気体噴出装置としては、筐体が１つの例を示した。しかし、複数の独立した筐体を用意し、各筐体ごとに振動体を設ける構成としてもよい。この場合も、振動体の位相や、周波数を制御して騒音を低減させることができる。

図７に示した気体噴出装置は、その振動体４５がコイルによって振動する例を示したが、例えば圧電デバイスを用いた振動体であってもかまわない。圧電体を用いる場合、気体噴出装置がマイクロ化された場合に、特に有効である。

本発明の一実施の形態に係る気体噴出装置を示す斜視図である。 図１に示す気体噴出装置の断面図である。 ＩＣチップ等を放熱するときの例を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。 図４に示すＡ−Ａ線断面図である。 図４に示す気体噴出装置のノズルの数をさらに増やした気体噴出装置及びヒートシンクを示す平面図である。 本発明のさらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。 図１に示す気体噴出装置の各ノズルから出た音波の測定結果を示す図である。 図４に示す気体噴出装置の各ノズルから出た音波の測定結果を示す図である。 人の聴感特性を示したグラフである。 最低共振周波数ｆ０が１１０（Ｈｚ）のスピーカの音響特性の例を示す図である。 最低共振周波数ｆ０が２００（Ｈｚ）のスピーカの音響特性の例を示す図である。 評価値等と気体の流速との関係を示す表である。 当該評価値と気体が噴出されるときの流速との関係を示すグラフである。 騒音レベルと熱抵抗との特性を示す図であり、 本発明のさらに別の実施の形態に係る気体噴出装置を示す断面図である。 図１６に示す気体噴出装置の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１，４１，６１，７１，９１…気体噴出装置
２０，４０、７０…制御部
２２，６８，７２…筐体
２２ａ，２２ｂ，６２ａ，６２ｂ，７２ａ，７２ｂ…チャンバ
２５，４５，６５ａ，６５ｂ…振動体
３１…ヒートシンク
５０…ＩＣチップ
６１…気体噴出装置
７５…ロッド
７８…アクチュエータ

Claims (6)

1. 振動体を有し、該振動体の振動により、気体が噴出されるときにそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように前記気体を脈流として噴出する複数の噴出部と、
   前記振動体の振動の周波数を制御する第１の制御手段と、
   前記振動体の振幅を制御する第２の制御手段とを具備し、
   前記振動体は、該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、該面の面積が７０，０００（ｍｍ ^２ ）以下の場合、
   前記第１の制御手段は、前記周波数を１００（Ｈｚ）以下に制御し、
   前記第２の制御手段は、前記振幅を１（ｍｍ）〜３（ｍｍ）に制御する
   気体噴出装置。
2. 請求項１に記載の気体噴出装置であって、
   前記第２の制御手段は、前記振幅を１．５（ｍｍ）〜３（ｍｍ）に制御する
   気体噴出装置。
3. 振動体を有し、該振動体の振動により、気体が噴出されるときにそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように前記気体を脈流として噴出する複数の噴出部と、
   前記振動体の振動の周波数を制御する第１の制御手段と、
   前記振動体の振幅を制御する第２の制御手段とを具備し、
   前記振動体は、該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、該面の面積が７０，０００（ｍｍ ^２ ）以下の場合、
   前記第１の制御手段は、前記周波数を３５（Ｈｚ）以下に制御し、
   前記第２の制御手段は、前記振幅を１（ｍｍ）〜５（ｍｍ）に制御する
   気体噴出装置。
4. 請求項３に記載の気体噴出装置であって、
   前記第２の制御手段は、前記振幅を２（ｍｍ）〜５（ｍｍ）に制御する
   気体噴出装置。
5. 振動体を有し、該振動体の振動により、気体が噴出されるときにそれぞれ生じる音波が互いに弱め合うように前記気体を脈流として噴出する複数の噴出部と、
   前記振動体の振動の周波数を制御する第１の制御手段と、
   前記振動体の振幅を制御する第２の制御手段とを具備し、
   前記振動体は該振動体の振動の方向にほぼ垂直な面を有し、
   前記第１の制御手段による駆動される前記周波数をＡ（Ｈｚ）、前記第２の制御手段により駆動される前記振幅をＢ（ｍｍ）、前記面の面積をＣ（ｍｍ ^２ ）とした場合、
   Ａ×Ｂ×Ｃ＝１００，０００（ｍｍ ^３ ／ｓ）〜１０，０００，０００（ｍｍ ^３ ／ｓ）である
   気体噴出装置。
6. 請求項５に記載の気体噴出装置であって、
   Ａ×Ｂ×Ｃ＝２００，０００（ｍｍ^３／ｓ）以上である
   気体噴出装置。

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