特開 2023-87939 光を利用したヒートサイクルシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023087939

(43)【公開日】2023-06-26

(54)【発明の名称】光を利用したヒートサイクルシステム

(51)【国際特許分類】

   F25B 23/00 20060101AFI20230619BHJP

   F25B 27/00 20060101ALI20230619BHJP

   H01S 3/00 20060101ALN20230619BHJP

   H01S 3/067 20060101ALN20230619BHJP

【ＦＩ】

F25B23/00 Z

F25B27/00 Z

H01S3/00 A

H01S3/067

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021202504

(22)【出願日】2021-12-14

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】波多野 龍

(72)【発明者】

【氏名】元土肥 計彦

(72)【発明者】

【氏名】磯谷 和巨

(72)【発明者】

【氏名】籾木 崇

(72)【発明者】

【氏名】大竹 秀幸

(72)【発明者】

【氏名】永井 正也

【テーマコード（参考）】

5F172

【Ｆターム（参考）】

5F172AF06

5F172AM08

5F172EE13

5F172NS04

5F172ZZ20

(57)【要約】

【課題】光源によるエネルギー消費量の増加を抑制しつつ、光源からの光を効率よく利用して熱を吸収または放出することができるヒートサイクルシステムの提供。
【解決手段】本開示のヒートサイクルシステムは、光を利用して熱を吸収または放出するものであって、無端状の光伝送路と、当該光伝送路に所定波長の光を入射する光源と、光伝送路の光源の下流側に設けられ、光源側からの光により励起された系が基底状態に戻る際に、熱を吸収または放出すると共に光源側からの光とは異なる波長の光を出力する熱交換部と、光伝送路の熱交換部の下流側に設けられ、熱交換部からの光の波長を上記所定波長に変換し、所定波長の光を熱交換部に供給する波長変換部とを含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を利用して熱を吸収または放出するヒートサイクルシステムであって、
無端状の光伝送路と、
前記光伝送路に所定波長の光を入射する光源と、
前記光伝送路の前記光源の下流側に設けられ、前記光源側からの光により励起された系が基底状態に戻る際に、熱を吸収または放出すると共に前記光源側からの光とは異なる波長の光を出力する熱交換部と、
前記光伝送路の前記熱交換部の下流側に設けられ、前記熱交換部からの光の波長を前記所定波長に変換し、前記所定波長の光を前記熱交換部に供給する波長変換部と、
を備えるヒートサイクルシステム。

【請求項2】

請求項１に記載のヒートサイクルシステムにおいて、
前記波長変換部は、前記熱交換部からの光により励起された系が基底状態に戻る際に、熱を放出または吸収すると共に前記熱交換部からの光の波長を前記所定波長に変換して前記所定波長の光を出力する第２の熱交換部であるヒートサイクルシステム。

【請求項3】

請求項２に記載のヒートサイクルシステムにおいて、
前記熱交換部および前記第２の熱交換部は、希土類元素がドープされたコアを有する光ファイバにより形成されるヒートサイクルシステム。

【請求項4】

請求項３に記載のヒートサイクルシステムにおいて、
前記熱交換部および前記第２の熱交換部の各々は、熱交換対象物の少なくとも一部に接触するように前記熱交換対象物に巻回される前記光ファイバにより形成されるヒートサイクルシステム。

【請求項5】

請求項１から４の何れか一項に記載のヒートサイクルシステムにおいて、
前記熱交換部と熱交換する熱交換対象物の温度に応じて、少なくとも前記光伝送路での光の損失に相当する光を前記光伝送路に入射するように前記光源を制御する制御装置を更に備えるヒートサイクルシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光を利用して熱を吸収または放出するヒートサイクルシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、反射率を調整した誘電体ミラーを用いた光学式冷凍機が知られている（例えば、特許文献１参照）。この光学式冷凍機は、光源からの単色レーザー光により光学的に励起される作動物質を含み、かかる作動物質が光学的に励起されて生じる蛍光（反ストークス蛍光）は、当該レーザー光のエネルギーよりも高い平均光子エネルギーをもつ。これにより、高い光子エネルギーの放射に伴って作動物質を冷却することが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第６０４１６１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来の光学式冷凍機では、作動物質を冷却するために当該作動物質に光源から継続して光を当て続けなければならず、光源によるエネルギー消費量が増加してしまう。また、当該光学式冷凍機の冷却能力を高めるためには、高出力の光源が必要となるが、高出力光源を採用することでエネルギー消費量の更なる増加を招いてしまう。更に、上記光学式冷凍機において、作動物質の励起により生じた蛍光は、当該作動物質を収容するチャンバの内面にコーティングされた蛍光吸収物質により吸収され、再利用されることはない。

【0005】

そこで、本開示は、光源によるエネルギー消費量の増加を抑制しつつ、光源からの光を効率よく利用して熱を吸収または放出することができるヒートサイクルシステムの提供を主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のヒートサイクルシステムは、光を利用して熱を吸収または放出するヒートサイクルシステムであって、無端状の光伝送路と、前記光伝送路に所定波長の光を入射する光源と、前記光伝送路の前記光源の下流側に設けられ、前記光源側からの光により励起された系が基底状態に戻る際に、熱を吸収または放出すると共に前記光源側からの光とは異なる波長の光を出力する熱交換部と、前記光伝送路の前記熱交換部の下流側に設けられ、前記熱交換部からの光の波長を前記所定波長に変換し、前記所定波長の光を前記熱交換部に供給する波長変換部とを含むものである。

【0007】

本開示のヒートサイクルシステムは、無端状の光伝送路と、光伝送路に所定波長の光を入射する光源と、光伝送路の光源の下流側に設けられた熱交換部と、光伝送路の熱交換部の下流側に設けられた波長変換部とを含む。かかるヒートサイクルシステムにおいて、無端状の光伝送路に光源から所定波長の光が入射されると、光源の下流側に設けられた熱交換部は、光源側からの光により励起された系が基底状態に戻る際に、熱を吸収または放出すると共に光源側からの光とは異なる波長の光を出力する。すなわち、光伝送路の熱交換部は、光源側からの光よりも高いエネルギーをもった光を出力（反ストークス発光）するか、あるいは光源側からの光よりも低いエネルギーをもった光を出力（ストークス発光）し、入力した光と出力する光とのエネルギー差に相当する熱を吸収または放出する。そして、熱交換部からの光は、波長変換部に供給され、波長変換部は、熱交換部からの光の波長を上記所定波長に変換して当該所定波長の光を熱交換部に供給する。これにより、光源から光伝送路に入射された光を無端状の光伝送路で循環させることができるので、光源からの光を効率よく利用して熱交換部で熱を吸収または放出することが可能となる。更に、光伝送路に光源から高いエネルギーの光を継続して入射する必要がなくなるので、当該光源によるエネルギー消費量の増加を抑制することができる。この結果、本開示のヒートサイクルシステムによれば、光源によるエネルギー消費量の増加を抑制しつつ、光源からの光を効率よく利用して熱を吸収または放出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示のヒートサイクルシステムを示す概略構成図である。

【図2】本開示のヒートサイクルシステムの動作を説明するための模式図である。

【図3】本開示のヒートサイクルシステムの動作を説明するための模式図である。

【図4】本開示の他のヒートサイクルシステムを示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

【0010】

図１は、本開示のヒートサイクルシステム１を示す概略構成図である。同図に示すヒートサイクルシステム１は、光を利用して熱を吸収・放出するものである。図示するように、ヒートサイクルシステム１は、光伝送路２と、光伝送路２に光を入射する光源（励起光源）３と、光伝送路２の光源３の下流側に設けられた第１熱交換部４と、光伝送路２の第１熱交換部４の下流側に設けられた第２熱交換部（波長変換部）５と、光源３等を制御する制御装置１０とを含む。

【0011】

光伝送路２は、光ファイバにより無端状（環状）に形成されており、第１および第２熱交換部４，５に加えて、それぞれ図示しない光アダプタを介して第１および第２熱交換部４，５に接続される第１伝送路２ａおよび第２伝送路２ｂを含む。光伝送路２の第１および第２熱交換部４，５は、希土類元素（添加物）がドープされたコアを有する光ファイバにより形成される。本実施形態では、第１および第２熱交換部４，５を形成する光ファイバとして、イッテルビウム（Ｙｂ）がドープされたコアを有するものが採用されている。ただし、第１および第２熱交換部４，５は、例えばサマリウム（Ｓｍ）がドープされたコアを有する光ファイバにより形成されてもよい。また、第１および第２熱交換部４，５以外の第１および第２伝送路２ａ，２ｂは、より光を通しやすい、コアに希土類元素がドープされていない一般的な光ファイバにより形成されている。

【0012】

光源３は、光伝送路２の第１伝送路２ａに形成された光入射部２ｉに接続される出射口を有し、予め定められた一定の波長（所定波長）の光を光入射部２ｉから光伝送路２（第１伝送路２ａ）に入射可能である。本実施形態において、光源３は、例えば１０４０ｎｍの波長をもったレーザー光（赤外光）を光伝送路２に入射することができるレーザーダイオードである。光源３から光入射部２ｉに入射されたレーザー光は、図１において点線で示すように、光伝送路２を図中時計方向に進行する。

【0013】

第１熱交換部４は、レーザー光の進行方向における光源３の下流側で、例えば電磁弁のソレノイド部や電子制御装置（ＥＣＵ）といった発熱体である熱交換対象物Ｏ１と熱を交換して当該熱交換対象物Ｏ１を冷却するものである。第１熱交換部４は、希土類元素がドープされたコアを有する光ファイバを螺旋状（コイル状）に複数回だけ巻回することにより形成されており、熱交換対象物Ｏ１の少なくとも一部に接触（密着）するように当該熱交換対象物Ｏ１に巻き付けられる。

【0014】

第２熱交換部５は、レーザー光の進行方向における第１熱交換部４の下流側で、熱交換対象物Ｏ２と熱を交換するものである。第２熱交換部５は、希土類元素がドープされたコアを有する光ファイバを螺旋状（コイル状）に複数回だけ巻回することにより形成されており、熱交換対象物Ｏ２の少なくとも一部に接触（密着）するように当該熱交換対象物Ｏ２に巻き付けられる。本実施形態において、熱交換対象物Ｏ２は、ファンＦから空気が送り込まれるヒートシンクである。すなわち、熱交換対象物Ｏ２（ヒートシンク）およびファンＦは、放熱器を構成する。

【0015】

ヒートサイクルシステム１の制御装置１０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、入出力インターフェース等を有するコンピュータや、各種駆動回路、各種ロジックＩＣ等を含むものである。制御装置１０は、熱交換対象物Ｏ１に取り付けられた温度センサＴにより検出される当該熱交換対象物Ｏ１の温度を取得し、取得した温度に基づいて光源３を制御する。更に、制御装置１０は、熱交換対象物Ｏ２に空気を送り込むファンＦを制御する。

【0016】

続いて、上述のように構成されるヒートサイクルシステム１の動作について説明する。

【0017】

ヒートサイクルシステム１において、無端状の光伝送路２に光源３から予め定められた一定の波長（ここでは、例えば１０４０ｎｍ）のレーザー光が入射されると、図２に示すように、光源３の下流側で第１熱交換部４を形成する光ファイバでは、コアにドープされたイッテルビウムのイオン（Ｙｂ³⁺）が光源３側からのレーザー光により励起される。すなわち、第１熱交換部４を形成する光ファイバが発熱体である熱交換対象物Ｏ１に接触しているので、当該第１熱交換部４では、光源３側からのレーザー光によるイッテルビウムのイオン（Ｙｂ³⁺）の励起が促進される。

【0018】

そして、第１熱交換部４を形成する光ファイバは、励起されたイッテルビウムのイオン（Ｙｂ³⁺）が基底状態に戻る際に、図２に示すように、熱交換対象物Ｏ１から熱を吸収すると共に光源３からの光よりも短い（異なる）波長（ここでは、例えば９８０ｎｍ）のレーザー光を出力する。すなわち、光伝送路２の第１熱交換部４は、入力したレーザー光と出力するレーザー光とのエネルギー差に相当する熱を熱交換対象物Ｏ１から吸収し、光源３側からのレーザー光よりも高いエネルギーをもったレーザー光を出力（反ストークス発光）する。これにより、光源３側からのレーザー光を利用して発熱体である熱交換対象物Ｏ１、すなわち冷却対象を冷却することが可能となる。

【0019】

また、第１熱交換部４からのレーザー光は、第２伝送路２ｂを介して第２熱交換部５に供給される。図３に示すように、第１熱交換部４の下流側で第２熱交換部５を形成する光ファイバでは、コアにドープされたイッテルビウムのイオン（Ｙｂ³⁺）が第１熱交換部４からのレーザー光により励起される。すなわち、第２熱交換部５を形成する光ファイバが放熱器を構成する熱交換対象物（ヒートシンク）Ｏ２に接触しているので、当該第２熱交換部５では、第１熱交換部４からのレーザー光によるイッテルビウムのイオン（Ｙｂ³⁺）の励起が促進される。

【0020】

第２熱交換部５を形成する光ファイバは、励起されたイッテルビウムのイオン（Ｙｂ³⁺）が基底状態に戻る際に、図３に示すように、熱交換対象物Ｏ２に熱を放出すると共に第１熱交換部４からのレーザー光の波長を変換して光源３からのレーザー光と同一の波長（ここでは、例えば１０４０ｎｍ）のレーザー光を出力する。すなわち、光伝送路２の第２熱交換部５は、入力したレーザー光と出力するレーザー光とのエネルギー差に相当する熱を熱交換対象物Ｏ２に放出し、第１熱交換部４からのレーザー光よりも低いエネルギーをもったレーザー光を出力（ストークス発光）する。

【0021】

これにより、光源３から光入射部２ｉに入射されたレーザー光を無端状の光伝送路２で循環させることが可能となり、光源３側からのレーザー光を効率よく利用して発熱体である熱交換対象物Ｏ１から熱を吸収すると共に、吸収した熱を熱交換対象物Ｏ２から外部に放出することができる。加えて、光伝送路２に光源３から高いエネルギーの光を継続して入射する必要がなくなるので、当該光源３によるエネルギー消費量の増加を抑制することができる。この結果、ヒートサイクルシステム１によれば、光源３によるエネルギー消費量の増加を抑制しつつ、光源３からのレーザー光を効率よく利用して熱を吸収または放出することが可能となる。

【0022】

また、上記実施形態において、ヒートサイクルシステム１の制御装置１０は、温度センサＴにより検出される熱交換対象物Ｏ１の温度に応じて、少なくとも光伝送路２での光の損失に相当する光を光入射部２ｉに入射するように光源３を制御する。より詳細には、制御装置１０は、光源３が連続レーザー光を出力するものである場合、熱交換対象物Ｏ１の温度が予め定められた目標温度に達していないときに、レーザー光の出力を大きくし、熱交換対象物Ｏ１の温度が目標温度に達したときに、レーザー光の出力を小さくする。また、光源３がパルスレーザー光を出力するものである場合、熱交換対象物Ｏ１の温度が予め定められた目標温度に達していないときに、パルス同士の間隔を短くし、熱交換対象物Ｏ１の温度が目標温度に達したときに、パルス同士の間隔を長くする。これにより、光源３によるエネルギー消費量の増加を良好に抑制しつつ、第１熱交換部４と熱交換する熱交換対象物Ｏ１の温度を所望温度に調整することが可能となる。

【0023】

更に、上記実施形態において、光伝送路２の第１熱交換部４および第２熱交換部５は、それぞれイッテルビウム等の希土類元素（添加物）がドープされたコアを有する光ファイバにより形成される。これにより、光源３側からのレーザー光により励起された希土類元素のイオンが基底状態に戻る際に、第１および第２熱交換部４，５に熱を吸収または放出させることが可能となる。

【0024】

ただし、ヒートサイクルシステム１において、第１熱交換部４および第２熱交換部５を形成する光ファイバは、希土類元素（添加物）がドープされたコアを有するものであれば、互いに異なる光ファイバであってもよい。更に、ヒートサイクルシステム１において、第１および第２伝送路２ａ，２ｂを形成する光ファイバは、光を通しやすいものであれば、互いに同一のものであってもよく、互いに異なるものであってもよい。

【0025】

また、第１および第２熱交換部４，５の各々は、熱交換対象物Ｏ１またはＯ２の少なくとも一部に接触するように当該熱交換対象物Ｏ１またはＯ２に巻回される光ファイバにより形成される。これにより、ヒートサイクルシステム１の大型化を抑制しつつ、第１および第２熱交換部４，５により熱交換対象物Ｏ１またはＯ２を効率よく冷却または加熱（放熱）することが可能となる。

【0026】

なお、上記ヒートサイクルシステム１において、第１熱交換部４は、コアにドープされた添加物（希土類元素等）のイオンが光源３側からのレーザー光により励起された後に基底状態に戻る際に、光源３からのレーザー光の波長（例えば９８０ｎｍ）よりも長い（異なる）波長（例えば１０４０ｎｍ）のレーザー光を出力すると共に加熱対象としての熱交換対象物Ｏ１に熱を放出するものであってもよい。この場合、第２熱交換部５は、コアにドープされた添加物（希土類元素等）のイオンが第１熱交換部４からのレーザー光により励起された後に基底状態に戻る際に、吸熱対象としての熱交換対象物Ｏ２から熱を吸収すると共に光源３からのレーザー光の波長と同一波長（例えば９８０ｎｍ）のレーザー光を出力するものであってもよい。これにより、光源３側からのレーザー光を利用して熱交換対象物Ｏ１すなわち加熱対象を加熱することが可能となる。

【0027】

また、上記ヒートサイクルシステム１において、第１熱交換部４からのレーザー光により励起された系が基底状態に戻る際に熱を放出または吸収する第２熱交換部５の代わりに、図４に示すように、波長変換器５０が適用されてもよい。すなわち、ヒートサイクルシステム１では、第２熱交換部５の代わりに、熱を放出または吸収する機能をもたない（あるいは放熱性能または吸熱性能の低い）波長変換器５０が用いられてもよく、当該波長変換器５０により第１熱交換部４からのレーザー光の波長が光源３からのレーザー光の波長と同一の波長に変換されてもよい。

【0028】

そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

【産業上の利用可能性】

【0029】

本開示の発明は、ヒートサイクルシステムの製造産業等において利用可能である。

【符号の説明】

【0030】

１ ヒートサイクルシステム、２ 光伝送路、２ａ 第１伝送路、２ｂ 第２伝送路、２ｉ 光入射部、３ 光源、４ 第１熱交換部、５ 第２熱交換部、１０ 制御装置、５０ 波長変換器、Ｆ ファン、Ｏ１，Ｏ２ 熱交換対象物、Ｔ 温度センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】