(57)【要約】      （修正有）【課題】熱遷移流ポンプシステムにおける気体の顕熱によるエネルギー損失を低減する。【解決手段】第１空間と第２空間とを仕切り、細孔径が内部の気体の平均自由行程の１０倍以下である気孔を有する多孔体１０を備え、前記第１空間に接する前記多孔体１０の第１面を加熱することによって前記気孔を介して前記第２空間から前記第１空間へ気体を移送する熱遷移流ポンプ１０２と、熱遷移流ポンプ１０２において加熱された気体の顕熱を回収する熱エネルギー回収装置と、を組み合わせた熱遷移流ポンプシステム。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１空間と第２空間とを仕切り、細孔径が内部の気体の平均自由行程の１０倍以下である気孔を有する多孔体を備え、前記第１空間に接する前記多孔体の第１面を加熱することによって前記気孔を介して前記第２空間から前記第１空間へ気体を移送する熱遷移流ポンプと、
前記熱遷移流ポンプにおいて加熱された気体の顕熱を回収する熱エネルギー回収装置と、
を組み合わせた熱遷移流ポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の熱遷移流ポンプシステムであって、
前記熱遷移流ポンプを複数備え、複数の前記熱遷移流ポンプが直列多段に接続されており、
前記熱遷移流ポンプの１つにおいて加熱された気体の顕熱を前記熱エネルギー回収した後、気体を他の前記熱遷移流ポンプに入力することを特徴とする熱遷移流ポンプシステム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱遷移流ポンプシステムであって、
前記熱エネルギー回収装置は、熱交換器又はヒートポンプの少なくとも１つを含むことを特徴とする熱遷移流ポンプシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱遷移流ポンプシステムであって、
前記多孔体の前記第１面と反対側の面を冷却するための熱交換器を備え、当該熱交換器と前記熱エネルギー回収装置とが直列接続されていることを特徴とする熱遷移流ポンプシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載に熱遷移流ポンプシステムであって、
前記熱遷移流ポンプと前記熱エネルギー回収装置とを接続する気体の流路が断熱されていることを特徴とする熱遷移流ポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱遷移流ポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔体の一主面を加熱する事で多孔体によって仕切られた第１空間の気体を第２空間の空間に移送させるクヌーセンポンプが知られている（特許文献１）。また、クヌーセンポンプに使用される多孔体の表面に光吸収体として炭素（カーボン）を塗布し、光によって多孔体を加熱する構成が開示されている（非特許文献１）。
【０００３】
一方、太陽熱を集熱する部材として銅板等の表面部に太陽光吸収性能と赤外線放射抑制性能の両方に優れた選択吸収膜を使用する技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４５３０５号公報
【特許文献２】特開２０１１−６４３９５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M. Young, et. al., "Characterization and Optimization of a Radiantly Driven Multi-Stage Knudsen Compressor", RGD24 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、クヌーセンポンプ等の熱遷移流ポンプにおいてエネルギー損失に繋がる要因として、材料からの放射エネルギー損失、構造体に対する伝熱エネルギー損失及び気体の顕熱エネルギー損失が挙げられる。このうち、放射エネルギー損失は、熱遷移流ポンプを構成する材料として放射抑制材料を採用することで低減することができる。また、伝熱エネルギー損失は、熱伝達による損失が大きい部分において低熱伝導率材料を採用することで低減することができる。
【０００７】
これに対して、熱遷移流ポンプでは低温側から高温側へ気体を輸送する原理を利用しているため、熱遷移流ポンプ自体において気体の顕熱エネルギー損失を低減することは不可能である。一方、放射エネルギー損失と伝熱エネルギー損失に対する対策を進めるほど気体の温度及び流量が増加して顕熱エネルギー損失の割合が高くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様は、第１空間と第２空間とを仕切り、細孔径が内部の気体の平均自由行程の１０倍以下である気孔を有する多孔体を備え、前記第１空間に接する前記多孔体の第１面を加熱することによって前記気孔を介して前記第２空間から前記第１空間へ気体を移送する熱遷移流ポンプと、前記熱遷移流ポンプにおいて加熱された気体の顕熱を回収する熱エネルギー回収装置と、を組み合わせた熱遷移流ポンプシステムである。
【０００９】
ここで、前記熱遷移流ポンプを複数備え、複数の前記熱遷移流ポンプが直列多段に接続されており、前記熱遷移流ポンプの１つにおいて加熱された気体の顕熱を前記熱エネルギー回収した後、気体を他の前記熱遷移流ポンプに入力することが好適である。
【００１０】
また、前記熱エネルギー回収装置は、熱交換器又はヒートポンプの少なくとも１つを含むことが好適である。
【００１１】
また、前記多孔体の前記第１面と反対側の面を冷却するための熱交換器を備え、当該熱交換器と前記熱エネルギー回収装置とが直列接続されていることが好適である。
【００１２】
また、前記熱遷移流ポンプと前記熱エネルギー回収装置とを接続する気体の流路が断熱されていることが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、クヌーセンポンプ等の熱遷移流ポンプシステムにおける気体の顕熱によるエネルギー損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】熱遷移流ポンプの構成例を示す図である。
【図２】伝熱板の構成例を示す図である。
【図３】冷却器の構成例を示す図である。
【図４】熱遷移流ポンプの別の構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。
【図６】変形例１における熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。
【図７】変形例２における熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。
【図８】変形例３における熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。
【図９】変形例３における熱遷移流ポンプの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜クヌーセンポンプの構成＞
本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムの構成を説明する前に熱遷移流ポンプの例について説明する。本実施の形態では、熱遷移流ポンプとしてクヌーセンポンプを例に説明する。
【００１６】
クヌーセンポンプ１００は、図１に示すように、多孔体１０、伝熱板１２、基材１４、選択吸収膜１６、冷却器１８、気密シール２０及び筐体２２を含んで構成される。
【００１７】
クヌーセンポンプ１００は、多孔体１０によって第１空間と第２空間とを仕切り、第１空間側の多孔体１０の表面（第１表面）を加熱することによって第２空間側の多孔体１０の表面（第２表面）との間に温度勾配を発生させることで第２空間から第１空間へ気体を移送する。例えば、第２空間に対して所望のガスを生成するためのガス生成器を接続し、ガス生成器から供給された気体を第２空間から第１空間へ移送するためにクヌーセンポンプ１００は用いられる。
【００１８】
多孔体１０は、多数の気孔を有する平板形状の部材である。多孔体１０の気孔の細孔径は、第１空間及び第２空間の気体の平均自由行程の１０倍以下とすることが好適である。例えば、大気圧下での気体の平均自由行程は約６０ｎｍであることから、多孔体１０の気孔の孔径は１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００１９】
多孔体１０は、熱伝導率の低い材料、言い換えると、第１空間側の第１面から対向する第２空間側の第２面に熱が伝わりにくい材料とすることが好適である。多孔体１０は、例えば、二酸化珪素（シリカ、ＳｉＯ２）材料の内部に気孔が多数形成されたシリカエアロゲルやガラス繊維を束ねたグラスファイバーフィルタ等により構成することができる。
【００２０】
伝熱板１２は、後述する選択吸収膜１６から多孔体１０へ熱を伝達するための部材である。伝熱板１２は、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、銀、金等の金属材料を含む材料から構成することが好適である。
【００２１】
伝熱板１２は、選択吸収膜１６から多孔体１０の第１表面へ熱を効率良く伝達するために多孔体１０及び選択吸収膜１６の表面においてできるだけ広い面積で接触することが好適である。一方、第２空間から第１空間へ移送される気体を多孔体１０の第１表面からできるだけ高い効率で放出させることが必要である。そこで、図２の平面図及び断面図（Ａ−Ａラインに沿った断面図）に示すように、伝熱板１２に気体が流れる溝である気体流路１２ａを形成することが好適である。本実施の形態では、互いに平行に伝熱板１２の縁部まで延びた気体流路１２ａを複数設けた円盤状の部材としている。ただし、伝熱板１２の形状はこれに限定されるものではない。
【００２２】
選択吸収膜１６は、太陽光等の光の照射を受けて、吸収された光エネルギーを熱エネルギーに変換して多孔体１０を加熱するための部材である。選択吸収膜１６は、波長によって光に対する反射率が異なる材料を含む。すなわち、選択吸収膜１６に光が入射した場合、ある波長の光に対しては反射率が低く、吸収が高くなり、別の波長の光に対しては反射率が高く、放射が大きくなる。本実施の形態では、選択吸収膜１６は１００℃における放射光のピーク波長における反射率が吸収光のピーク波長における反射率の５倍以上の材料を含むことが好適である。また、選択吸収膜１６は２００℃及び３００℃における放射光のピーク波長における反射率が吸収光のピーク波長における反射率の５倍以上の材料を含むことがより好適である。このような選択吸収膜１６の材料として、例えば、アルメコ社製ティノックスが挙げられる。
【００２３】
炭素（カーボン）等の一般的な吸収板は太陽エネルギーの吸収率は高いが、熱を保持することができず、１００℃ではエネルギーの約半分を放射（輻射）として逃がしてしまう。これに対して、選択吸収膜１６は、一度吸収した熱を逃がさず、１００℃では太陽光から吸収したエネルギーの約９０％を熱に変換することができる。したがって、選択吸収膜１６を用いることによって、光を照射することで多孔体１０の第１面を効率的に加熱することができる。
【００２４】
選択吸収膜１６は、入射光のスペクトルの波長帯域において高い吸収率を有し、熱放射のスペクトルの波長帯域において低い放射率を有する。例えば、選択吸収膜１６としてアルメコ社製ティノックスを用いた場合、太陽光を９０％以上吸収し、１００℃では熱放射は９０％以上削減することができる。
【００２５】
選択吸収膜１６は、基材１４の表面に形成することができる。基材１４は、選択吸収膜１６から伝熱板１２へ熱を効率良く伝達できる材料から構成することが好適である。また、基材１４は、その表面に選択吸収膜１６を形成することが容易な材料から構成することが好適である。基材１４は、例えば、銅、銀、金等の金属材料を含む材料から構成することができる。基材１４は、選択吸収膜１６から伝熱板１２へ熱を効率良く伝達するために伝熱板１２とできるだけ広い面積で接触することが好適である。したがって、基材１４は、伝熱板１２の形状及び大きさと同一の形状及び大きさとすることが好適である。
【００２６】
基材１４は、選択吸収膜１６が形成された面と反対側面を伝熱板１２に接着される。接着には、例えば、銀ペースト等を用いることができる。
【００２７】
冷却器１８は、多孔体１０の第２面を冷却するための部材である。冷却器１８は、ヒートシンクや熱交換器とすることができる。冷却器１８は、熱伝達率の高い材料で構成することが好適である。冷却器１８は、例えば、銅、銀、金等の金属材料を含む材料から構成することが好適である。
【００２８】
冷却器１８は、多孔体１０の第２表面から熱を効率良く奪うために多孔体１０の表面においてできるだけ広い面積で接触することが好適である。一方、第２空間から第１空間へ移送される気体を多孔体１０の第２表面へできるだけ高い効率で供給することが必要である。そこで、図３の平面図及び断面図（Ｂ−Ｂラインに沿った断面図）に示すように、冷却器１８に気体が流れる溝である気体流路１８ａを形成することが好適である。本実施の形態では、互いに平行に配置された貫通孔である気体流路１８ａを複数設けた円盤状の部材としている。ただし、冷却器１８の形状はこれに限定されるものではない。
【００２９】
気密シール２０は、多孔体１０及び冷却器１８によって第１空間及び第２空間を仕切る際に多孔体１０と冷却器１８との間の隙間や冷却器１８と筐体２２との間の隙間を埋めるための部材である。気密シール２０は、例えば、熱硬化樹脂、接着剤、Ｏリング等とすることができる。気密シール２０を用いることにより、第１空間と第２空間とが多孔体１０の気孔のみを介して繋がった構成とされる。
【００３０】
筐体２２は、多孔体１０、伝熱板１２、基材１４、選択吸収膜１６、冷却器１８及び気密シール２０を収納すると共に、これらの部材と共に気体の流路を構成する部材である。筐体２２は、機械的な強度を有する部材で構成される。本実施の形態では、筐体２２は、筒状の部材とされている。
【００３１】
以下、クヌーセンポンプ１００の動作原理について説明する。クヌーセンポンプ１００は、熱遷移流を利用したポンプとして機能する。熱遷移流とは、希薄気体に特有の流れであって、希薄気体中に温度勾配のある壁が存在するとき、壁の低温部から高温部に向かって形成される一方向の気体の流れを指す。希薄気体とは、ある領域を考えたとき、その中で平衡状態が保たれないほど気体分子間の衝突が少ない場合の気体をいう。希薄気体では、気体分子と壁との衝突の影響が壁から遠方（ある程度離れた距離）まで及ぶようになる。例えば、１ｃｍ３程度の領域内の圧力が１Ｐａ程度に低い場合に熱遷移流が生じる。また、１０ｎｍ×１０ｎｍ×１０ｎｍ程度の空間の狭い領域内の圧力が大気圧程度である場合にも、熱遷移流が生じる。
【００３２】
クヌーセンポンプ１００では多孔体１０の気孔に壁の役割を持たせている。具体的には、多孔体１０の気孔径を第１空間及び第２空間の気体の平均自由行程の１０倍以下としている。
【００３３】
クヌーセンポンプ１００では、選択吸収膜１６に光を入射させることで選択吸収膜１６によって吸収された光エネルギーを熱エネルギーに変換し、当該熱エネルギーを基材１４及び伝熱板１２を介して多孔体１０に伝達させることで多孔体１０の第１面を加熱する。一方、冷却器１８により多孔体１０の第２面を冷却する。これにより、多孔体１０の第１面と第２面との間に温度勾配が発生する。温度勾配に伴って熱遷移流が発生し、第２空間の気体が第１空間に移送される。すなわち、クヌーセンポンプ１００の第１空間は加圧され、第２空間は減圧される。減圧された第２空間には、ガス生成器等からの生成された気体が引き込まれる。気体は、第２空間から冷却器１８の気体流路１８ａを介して多孔体１０へ流入し、多孔体１０の気孔を経由して、伝熱板１２の気体流路１２ａを介して第１空間へ移送される。第１空間に移送された気体はクヌーセンポンプ１００の外部へ送出される。
【００３４】
また、図４に示すように、クヌーセンポンプ１０２として、多孔体１０、伝熱板１２、基材１４、選択吸収膜１６、冷却器１８、気密シール２０、筐体２２、窓２４及び透明断熱材２６を含む構成としてもよい。クヌーセンポンプ１０２では、透明断熱材２６が窓２４と選択吸収膜１６との間の隙間を埋める構成とされている。
【００３５】
クヌーセンポンプ１０２の構成によれば、第１空間における気体の対流による熱損失を低減することができる。したがって、選択吸収膜１６による加熱の効果をより高めることができ、クヌーセンポンプ１０２の性能を向上させることができる。
【００３６】
また、筐体２２の外部の第３空間に比べて第１空間の圧力が低い場合、透明断熱材２６を設けることによって窓２４を薄くすることができる。したがって、コストを低減できると共に、重量を軽減することができる。さらに、透明断熱材２６の光の透過率が窓２４より高い場合、窓２４を薄くすることで選択吸収膜１６への光の照射が増え、選択吸収膜１６による加熱の効果を高めることができる。
【００３７】
また、透明断熱材２６によって選択吸収膜１６、基材１４、伝熱板１２を冷却器１８へ押し付けることで、各部の接触熱抵抗を小さくすることができる。これにより、選択吸収膜１６による加熱の効果を高めることができる。また、多孔体１０と冷却器１８との間の気密シールが容易になる。例えば、気密シール２０を用いることなく多孔体１０と冷却器１８との間の気密性を高めることができる。また、選択吸収膜１６や透明断熱材２６の固定のために接着剤等の固定材を用いる必要がなくなる。特に、選択吸収膜１６と多孔体１０の間で接着剤等の固定材を用いると流路が塞がれ易くなってクヌーセンポンプ１０２の特性が低下するおそれがあるので、それを防ぐことができる。
【００３８】
なお、本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムに適用される流体ポンプは、上記例に限定されるものではなく、熱遷移流ポンプであればよい。
【００３９】
＜熱遷移流ポンプシステムの構成＞
本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムは、図５に示すように、クヌーセンポンプ１００と熱交換器２００とを組み合わせて構成される。熱交換器２００は、クヌーセンポンプ１００から送出される気体の顕熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収装置として使用される。
【００４０】
上記のように、クヌーセンポンプ１００には、低温の気体が導入され、当該気体が内部で加熱されると共に移送されて外部へ送出される。このとき、当該気体にはクヌーセンポンプ１００において顕熱エネルギーが与えられた状態で外部へ送出される。
【００４１】
クヌーセンポンプ１００と熱交換器２００とは配管３０を介して接続される。すなわち、クヌーセンポンプ１００から送出された気体は、配管３０を介してクヌーセンポンプ１００に接続された熱交換器２００に送られる。
【００４２】
熱交換器２００では、クヌーセンポンプ１００から送られてきた気体と熱媒体との間で熱エネルギーの交換が行われる。ここで、クヌーセンポンプ１００から送られてきた気体を一次側の熱媒体とし、熱交換器２００に入力された二次側の熱媒体との間で熱エネルギーの交換が行われる。これによって、クヌーセンポンプ１００から送出された気体の顕熱エネルギーが回収される。
【００４３】
熱交換器２００から出力される高温熱媒体は、例えば、温水として利用や室内の暖房への利用等に適用することができる。
【００４４】
なお、図５に示すように、クヌーセンポンプ１００と熱交換器２００とを接続する配管３０に断熱材３２を設けることが好適である。例えば、配管３０の外周面や内周面を断熱材３２によって覆うことが好適である。断熱材３２は、熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることがより好ましい。
【００４５】
これによって、クヌーセンポンプ１００と熱交換器２００とを接続する配管３０において気体から放出される顕熱エネルギーを低減することができ、熱交換器２００における顕熱エネルギーの回収をより効率的に行うことが可能になる。
【００４６】
＜変形例１＞
図６に示すように、複数のクヌーセンポンプ１００を直列多段に接続する構成としてもよい。この場合、一段目のクヌーセンポンプ１００ａから送出された気体の顕熱エネルギーを熱交換器２００にて回収し、当該気体を二段目のクヌーセンポンプ１００ｂに導入する。以降の段についても同様に複数のクヌーセンポンプ１００を接続する。
【００４７】
クヌーセンポンプ１００に導入する気体は十分に低温であることが好ましい。本変形例の熱遷移流ポンプシステムの構成によれば、熱交換器２００において顕熱エネルギーを回収して低温下された気体を次の段のクヌーセンポンプ１００に導入できるのでシステム全体としての効率を高めることができる。
【００４８】
なお、図６では、４個のクヌーセンポンプ１００に対して１個の熱交換器２００を共通に接続した構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、クヌーセンポンプ１００の個数を変更してもよいし、熱交換器２００の個数を変更してもよい。
【００４９】
＜変形例２＞
図７に示すように、本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムは、クヌーセンポンプ１００と熱交換器２００とヒートポンプ３００とを組み合わせて構成してもよい。ヒートポンプ３００は、クヌーセンポンプ１００から送出される気体の顕熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収装置として使用される。
【００５０】
本変形例では、熱交換器２００から排出された気体の顕熱エネルギーを利用してヒートポンプ３００を動作させる構成としている。ヒートポンプ３００は、クヌーセンポンプ１００へ導入される気体の冷却に用いることができる。また、ヒートポンプ３００で熱媒体に伝達された顕熱エネルギーは温水としての利用や室内の暖房等に用いることができる。
【００５１】
＜変形例３＞
図８に示すように、本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムは、クヌーセンポンプ１００における冷却器１８を冷却するための熱交換器２０２からの冷媒を熱交換器２００へ導入する構成としてもよい。すなわち、冷却器１８から伝熱エネルギーを回収するための熱交換器２０２からの熱媒体をクヌーセンポンプ１００から送出された気体の顕熱エネルギーを回収するための熱交換器２００へ導入する。
【００５２】
熱交換器２０２は、例えば、図９に示すように、冷却器１８に対して配管３４を設けて熱媒体を流すことで冷却器１８と熱交換する構成することが好適である。ただし、熱交換器２０２の構成は、これに限定されるものではなく、冷却器１８から伝熱エネルギーを回収できるものであればよい。
【００５３】
このような構成とすることによって、熱遷移流ポンプシステムにおける熱エネルギーの損失を低減することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  多孔体、１２  伝熱板、１２ａ  気体流路、１４  基材、１６  選択吸収膜、１８  冷却器、１８ａ  気体流路、２０  気密シール、２２  筐体、２４  窓、２６  透明断熱材、３０  配管、３２  断熱材、３４  配管、１００（１００ａ，１００ｂ），１０２  クヌーセンポンプ、２００，２０２  熱交換器、３００  ヒートポンプ。
【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】
2020079566.tif 000009
【図８】
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【図９】
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