(57)【要約】本発明の方法及び装置は、高不拡散放射エネルギーを放出するための表面（１８）のジオメトリを構成するためのものである。ターゲット表面（１２）が、放出表面（１８）によってターゲットとされる領域に配置されている場合、ターゲット表面（１２）が放出表面（１８）よりも高い温度である得るにも拘らず、ターゲット表面（１２）へ放射エネルギーを放出する表面からネット熱フローが起こり得る。この方法は、エネルギー放射線を放出するための表面がターゲットを囲んでいる、放射熱ポンプにおいて使用される。工業的プロセスにおいて使用するために、ターゲットは、ターゲットを通る熱の流れを増大させるべく、温度上昇分を利用することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面から放出される不拡散エミッション・パターンを増強するための方法であって、前記表面のジオメトリを構成するステップからなる、方法。
【請求項２】
前記表面から特定の方向に流れる放射熱フラックスが、同じ構成及び温度の通常の表面に比べて、より集中しているか又はより少なく集中している、請求項１の方法。
【請求項３】
特定の方向から感知された前記表面の見かけの温度が、前記表面の実際温度よりも高いか又は低い、請求項２の方法。
【請求項４】
前記表面とターゲット表面の間で放射熱が交換され、前記表面の見かけの温度が前記表面の実際温度よりも高い領域に前記ターゲット表面が配置されている、請求項３の方法。
【請求項５】
前記表面からターゲット表面へ放射熱のネットフローが起きる、請求項４の方法。
【請求項６】
さらに、前記表面及びターゲット表面の間の対流及び伝導熱フローを最小化するステップを含む、請求項４の方法。
【請求項７】
さらに、前記表面及びターゲット表面の間において伝導及び対流により結合されたヒート・フローが、前記表面及びターゲット表面の間において放射線によるネット・ヒート・フローの一部分になるように、前記表面及びターゲット表面の間における対流及び伝導熱フローを最小化するためのステップを含む、請求項６の方法。
【請求項８】
さらに、少なくとも１つの前記表面によって完全又は殆ど完全に前記ターゲット表面を囲むステップを含む、請求項７の方法。
【請求項９】
さらに、前記表面に熱を供給し、前記ターゲット表面から熱を取除くステップを含む、請求項５の方法。
【請求項１０】
表面から放出される不拡散エミッション・パターンを増強するための方法であって、前記表面のジオメトリをＶ形状に構成するステップからなる、方法。
【請求項１１】
表面の実際温度が該表面の見かけの温度よりも低い場合、該表面の見かけの温度をターゲット表面へ伝える方法であって、前記ターゲット表面の領域に不拡散放射エミッション・パターンを放出するために前記表面のジオメトリを構成し、不拡散放射エミッション・パターンの放出を改善するために、反射性の高い表面材料を提供するステップからなり、前記表面からターゲット表面への放射熱のネット・フローを確実にする、方法。
【請求項１２】
前記表面のジオメトリが、Ｖの開口部がターゲット表面に面しているＶ形状である、請求項１１の方法。
【請求項１３】
上記方法がさらに、前記表面及びターゲット表面の間の対流及び伝導エネルギーを最小化するステップを含む、請求項１１の方法。
【請求項１４】
上記方法がさらに、対流を減少させるために、前記表面及びターゲット表面の間に部分真空を導入するステップを含む、請求項１１の方法。
【請求項１５】
放射熱を表面からターゲット表面へ放出する方法であって、前記ターゲット表面が、該ターゲット表面への放射熱のネット・フローを達成するために、前記表面の実際温度よりも高いが表面の見かけの温度より低い実際温度を有し、不拡散放射エミッション・パターンを放出するためにエミッタの表面のジオメトリを構成するステップ、不拡散放射エミッション・パターンの放出を向上させるために反射性の高い表面を有するエミッタ表面を提供するステップ、及び前記表面及びターゲット表面の間において対流及び伝導エネルギーを最小化するステップからなる、方法。
【請求項１６】
さらに、前記ターゲット表面により吸収された放射熱を最大化するために、非反射性のターゲット表面を使用するステップを含む、請求項１５の方法。
【請求項１７】
或るエンクロージャの外側から該エンクロージャ内のターゲットへ前記ターゲットの温度がエンクロージャの外側の温度よりも高い場合に放射熱を伝える方法であって、前記ターゲットへ熱を放射するために、不拡散放射エミッション・パターンの放出を向上させるための高い反射性を有する表面を、前記エンクロージャの外側の熱エネルギーに伝わるように前記エンクロージャ内に提供するステップ、前記ターゲットへ向けて不拡散放射エミッション・パターンを放出するために前記表面のジオメトリを構成するステップ、及び前記表面とターゲット表面の間の対流及び伝導エネルギーを最小化するステップからなる、方法。
【請求項１８】
さらに、前記ターゲットを複数の表面で囲むステップを含む、請求項１７の方法。
【請求項１９】
前記エンクロージャの外側が、それ以外は同じ特徴を有する、より大きな同様のエンクロージャのターゲットの外面を形成する、請求項１８の方法。
【請求項２０】
ターゲットがシステムの外側の温度よりも高温であるヒート・ポンプ内において、前記ターゲットの熱を上昇させるため放射熱ポンプの外側の熱を吸収するために、発電所内に少なくとも１つの放射熱ポンプを設置するステップからなる、発電所において廃熱を再利用するための方法。
【請求項２１】
エネルギー放射を放出する表面、該表面よりも高温で該表面からエネルギーを受けるために前記表面と関連するターゲット表面とを有し、前記表面が前記ターゲット表面へ向けて不拡散放射エミッション・パターンを放出するために幾何学的に調整されたものである、熱を伝えるための放射熱ポンプ装置。
【請求項２２】
さらに、放出表面に外熱を伝える手段及び前記ターゲット表面から装置の外側へ熱を逃がす手段という追加的要素を有する、請求項２１の熱ポンプ。
【請求項２３】
不拡散放射エミッション・パターンの放出を向上させるために、前記表面が磨かれた金属表面である、請求項２１の放射熱ポンプ。
【請求項２４】
前記表面及びターゲット表面の間のエネルギーの対流及び伝導移動が最小化される、請求項２１の放射熱ポンプ。
【請求項２５】
前記表面のジオメトリがＶ形状である、請求項２１の放射熱ポンプ。
【請求項２６】
前記表面がターゲット表面を囲む、請求項２１の放射熱ポンプ。
【請求項２７】
前記表面に向けて不拡散放射エミッション・パターンを放出するために、第２放出表面が表面を囲む、請求項２１の放射熱ポンプ。
【請求項２８】
真空密封エンクロージャを画定する中空エミッタ・アセンブリ、放射線を集め、エミッタ・アセンブリの外部へ前記放射線を導くための中空エミッタ・アセンブリを通して配置される中空円筒ターゲット、及びエミッタ・アセンブリの内面上に複数のエミッタ・プレートを有するエミッタ・アセンブリからなり、前記エミッタ・プレートが前記エミッタ・アセンブリから放出された放射線を前記エミッタ・プレート及び前記中空円筒ターゲットへ反射するために滑らかな表面を有している、放射熱ポンプ。
【請求項２９】
隣接したエミッタ・プレートがＶ形状を形成する、請求項２８の放射熱ポンプ。
【請求項３０】
前記エミッタ・アセンブリに向けて不拡散放射エミッション・パターンを放出するために、第２エミッタ・アセンブリの内側の放射表面が中空エミッタ・アセンブリを囲む、請求項２８の放射熱ポンプ。
【請求項３１】
真空密封エンクロージャを画定する中空エミッタ・アセンブリ、内側のエミッタ・アセンブリに伝熱するために内側エミッタ・アセンブリを同心で囲み、熱表面に連通している外側中空エミッタ・アセンブリ、内側のエミッタ・アセンブリから熱を吸収し、前記吸収した熱を外側の両方のエミッタ・アセンブリに伝熱するために内側のエミッタ・アセンブリを通って配置されている中空円筒ターゲット、各エミッタ・アセンブリの内面上に複数のエミッタ・プレートを有しており、前記内側のエミッタ・アセンブリの内面上のエミッタ・プレートが中空円筒ターゲットに面しており、内側のエミッタ・アセンブリから放出された熱をエミッタ・プレートそして中空円筒ターゲットへ反射するために滑らかな表面を有している各エミッタ・アセンブリ、及び内側のエミッタ・アセンブリへのヒート・フローを増加させ、それにより中空円筒ターゲットへの放射線によってヒート・フローを増加させるため、内側のエミッタ・アセンブリに面しており、外側エミッタ・アセンブリから放出された熱をエミッタ・プレートそして内側のエミッタ・アセンブリに反射するための滑らかな表面を有する外側のエミッタ・アセンブリの内面上に配置されるエミッタ・プレートからなる、放射熱ポンプ。
【請求項３２】
内面及び外面、第１端及び第２端を有する外側部材、前記外側部材内の内側部材、前記外側部材の内面の周りに配置されており、前記内側部材に向けて放射熱を放出することが可能な複数のＶ形状の放出ユニット、前記外側部材の各端に配置され、前記外側部材及び前記内側部材を連結するエンド・キャップ、前記内側部材から遠ざけて伝熱することが可能な前記内側部材内の流体、前記外側部材及び前記内側部材の間に設けられている真空、及び前記外側部材の周りに配置されている流体からなる、放射熱ポンプ。
【請求項３３】
前記外側部材が細長いシリンダであり、前記内側部材が前記外側部材と同心の細長いシリンダである、請求項３２の放射熱ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射エネルギー装置、伝熱装置及びその方法の分野に関し、特に、熱ポンプに関する。
【発明の背景】
【０００２】
先進工業国において、エネルギー消費は、商業及び日常生活の基本的な態様である。他の国々が、先進工業国と経済的に同等に成長するにつれて、地球上のエネルギー使用量は急速に上昇している。
【０００３】
最近まで、実質的に観測可能な化石燃料消費の有害な影響は、スモッグや酸性雨等の比較的局地的な影響に限られていた。現在、大多数の科学者は、現在の消費レベルでさえも、未来の生物圏の安定性に高い危険を起こす地球上の気候変化に関与していると考えている。消費が増加し続けるにつれて、この状況は悪化するのである。
【０００４】
京都議定書は、二酸化炭素及びその他の温室効果ガス（ＧＨＧｓ）のネット排出量を減らすことにより化石燃料消費の気候変化への影響を最小化することを目的とする、初の国際的協定である。このような発案を実現するためには、化石燃料に伴うＧＨＧ排出量を除去又は有意に減らす技術が支援されなければならない。風力、太陽エネルギー、原子力等の代替エネルギー技術は、ゼロ又はゼロに近い排出量のエネルギー供給貢献をし続けている。しかしながら、このような代替エネルギー技術がＧＨＧバランスを十分に逆転し、化石燃料を置換するためには、数十年はかかる。それまで、エネルギー使用及び化石燃料変換の効率を増やすための処置は、ＧＨＧ排出量の減少を助けることができる。
【０００５】
化石燃料（主に石炭）は、世界中で使用される総電力の大部分を生成するために燃焼されている。消費率は大きく異なるが、北アメリカにおいては、家庭の電気使用に伴う毎月のＣＯ2排出量の平均値は、一世帯につきおよそ３トンである。或る地理的地域では、１世紀以上も存続すると思われる埋蔵炭量がある。従って、それがＧＨＧ排出の一因であるにも拘らず、石炭の燃焼を続ける大きな誘因がある。残念ながら、従来の火力発電所の基礎となっている水蒸気のサイクルは、４０％以下の正味効率で作動する。水蒸気が圧縮されると、エネルギーの殆どは周囲に廃熱として放出される。
【０００６】
これらの懸念に対処する努力の結果、また、エネルギー費の上昇の結果、産業、商業及び地域社会レベルにおける消費者が、我々が購入し消費するエネルギーの量を減らすための方法を探求している。過去１０年間、成果をあげて活用されてきた１つの方法は、廃熱の回収及び再利用である。大気中、地中及び地表水の大水域から、遊離且つ再生可能なエネルギーを集めるシステムもまたより一般的になった。上記の例を使用して、この種のシステムは、廃熱を減らすために石炭燃焼発電所の廃水からエネルギーを再生することができる。
【０００７】
従来技術は、受動熱交換、化学熱ポンプ及び蒸気圧縮熱ポンプ（オープン又はクローズドサイクル・熱ポンプ）を使用した廃熱の再生を教示している。
【０００８】
これらの各従来技術システム及びそれらの欠点の簡単な説明は以下のとおりである。廃熱源の温度が、直接再利用されるのに十分高温である場合、受動熱交換は、たいてい最も経済的な再生方法である。しかしながら、廃熱源の殆どは、他にエネルギーの必要性がある温度よりかなり下である。従って、受動熱再生の適用範囲は極めて限定されている。産業において、これらの源の殆どは既に利用されている。
【０００９】
化学熱ポンプは、特定の化学反応が有利な率で進行する温度範囲を含む適用に限定される。これは、技術が経済的であるための装置数、及び作動状態において経済的に変化に適応するための各装置の適応性の両方を限定する。また、化学熱ポンプは、使用される化学薬品の性質によって、いくつかの用途には望ましくない。恐らく、化学熱ポンプがそれらの蒸気圧縮対応物に対して享受する唯一の利点は、それらの動機（電気）エネルギー・インプットの必要条件が総エネルギー・インプットのごく僅かな分数であるという事実である。
【００１０】
明らかに、使用されている世界最大数の熱ポンプは、蒸気圧縮熱ポンプである。殆ど全ての蒸気圧縮熱ポンプは、冷媒をクローズドループの周りで連続的に再循環させるクローズドサイクル・ユニットである。蒸気圧縮熱ポンプの最も一般的な例は、冷蔵庫である。
【００１１】
蒸気圧縮熱ポンプの主な問題点は圧縮技術（これは、蒸気圧縮ポンプの核心である）及び適切な冷媒の有用性にある。
【００１２】
より具体的には、蒸気圧縮熱ポンプは歴史的に信頼性に欠けると考えられており、また複雑であるためメンテナンスが必要とされる。多くの製造会社は生産関連の装置に気をとられ、故に機能しなかったり又は他に作動している産業システムに作動問題を起こしてしまうかもしれない周辺機器を容易に受入れない。さらに、製造会社は専門のメンテナンス技術を必要とする周辺機器を望まない。
【００１３】
特に、クローズドサイクル蒸気圧縮熱ポンプに伴うもう１つの問題点は、ハンドリング、メインテナンス及び適切な動作流体（冷媒）の必要性である。動作流体は関心の十分高い温度において化学的に不安定になるか、不経済的又は危険にさえもなる（爆発性又は毒性、又はその両方）。
【００１４】
オープンサイクル・ヒートポンプは、冷媒として産業プロセス流体を使用するため、クローズドサイクル・ユニットに伴う冷媒問題がない。これは、固定動作流体を有する熱交換の必要性をなくす。しかしながら、オープンサイクル・ユニットの適用可能範囲を厳格に制限するいくつかの要因がある。例えば、プロセス液は時には腐食性であるか、そうでなければ、取扱い、維持及び使用が難しく、これによりコンプレッサの費用が追加されてしまう。さらにプロセス液は、しばしば混合液であり、この混合液は異なる温度で蒸発し、サイクルを難しくしてしまう。またさらに、プロセス液はしばしば溶解又は懸濁した固体物を含んでおり、これによりいくつかの装置を複雑にするか又は作業不可能にしてしまう。最後に、オープン・システムは、空気を有する作業蒸気の汚染を防ぐのは困難であるため、廃液からの熱回収に適しておらず、それによってサイクル効率及び経済的魅力を限定する。
【００１５】
高温のオープンサイクル・熱ポンプは、これらに対応するクローズドサイクルと同じコンプレッサ問題の対象となる。オープン及びクローズドサイクル・システムの両方とも、蒸気圧縮に相当な量の高額な電気エネルギーが必要であるという限度がある。経済的なクローズドサイクル・システムにおいては、電気エネルギー・インプットは、ユニットが供給する総高温エネルギーの最高０．５を構成することができる。適当に設計されたオープンサイクル・システムにおいては、電気エネルギー・インプットは供給される熱のわずか７％又は８％であり得る。他のエネルギー源の費用に関連する電気の費用は、蒸気圧縮装置の経済的生存力を決定する主要因である。
【００１６】
従って、廃熱源からエネルギーを回収するための蒸気圧縮又は化学反応が必要でなく、有意義且つ有用な温度上昇を達成する単純な伝熱装置及び方法を提供することにより、従来技術の伝熱装置を改良するエネルギーを節約する方法の必要性がある。
【発明の開示】
【００１７】
本発明は、さもなければ失われてしまう熱を回収し、また、回収エネルギーの使用を可能にするために熱の温度を十分に上昇させることにより、エネルギー効果を増大させるための方法及び装置を目的とする。
【００１８】
本発明は、表面のジオメトリ(geometry、すなわち、幾何学的構造・配置)を工夫することにより、当該表面から放出される不拡散(nondiffuse)エミッション・パターンを増強(exaggerate)するための方法を提供する。この方法は、結果として、同じ構成及び温度の通常の表面よりも、より集中している(concentrated)か又はより少なく集中している(less concentrated)パターンで、当該表面から特 定の方向に流れる放射熱フラックスとなる。この方法の他の結果は、特定の方向から感知された表面の見かけの温度が表面の実際温度よりも高いか又は低いことである。従って、受表面、すなわち、ターゲット表面が、表面の見かけの温度が表面の実際温度よりも高い領域に配置されるなら、その結果、表面（すなわち、放出表面）からターゲット表面への放射熱のネット・フローが起こる。
【００１９】
放射伝熱のネット・フローは、表面及びターゲット表面の間の対流性及び熱伝導性のヒート・フローを最小限に抑える（表面及びターゲット表面の間の熱伝導及び対流による結合した熱フローが表面及びターゲット表面の間の放射によるネット熱フローのごく一部であるように）ことにより、さらに実現される。
【００２０】
この方法は、ターゲット表面への表面からの放出(surface emitting)に効果的であるが、ターゲット表面に放射熱を放射するために複数の表面を使用することができることを当業者は認識するであろう。当業者は、さらに、表面のジオメトリ又は放出表面は様々な方法で構成されることが可能であると認識するであろう。１つの方法において、表面のジオメトリは、Ｖ字形の開口部分がターゲット表面に向いているＶ形状に形成される。また、さらに、表面は様々な材料から作られる。１つの方法において、材料は非常に反射性が高く、また、より具体的な実施形態においては、表面は非常によく研磨された金属製表面である。
【００２１】
１つの実施形態において、ターゲット表面を連続的表面又は複数の表面により、完全又は殆ど完全に囲むことは、さらにこの方法の効果を増大させる。この実施形態において、放出表面に熱を供給し、またターゲット表面から熱を取り除くことにより、本発明は有用な放射熱ポンプを製造するための方法を提供する。
【００２２】
放射熱ポンプ(radiant heat pump)の概念は、２つの物体の間の放射熱交換が 、各方向への独立し且つ計量化できるエネルギーのフローを伴うという事実に基づいている。少なくともマクロのスケール上、伝導及び対流伝熱は勾配に沿って一方向であるため、このことは、放射伝熱と伝導及び対流とを区別する。或る温度の放出表面からそれより高い温度の受表面への放射エネルギーのフローが、それに逆う、通常の主な流れより起こりやすい(favoured)人工的環境を作ることにより、本発明は、温度差に逆らう放射熱のネット・フローを確立することを提案する。
【００２３】
人工的環境を作る１つの方法は、放出表面のジオメトリを、受表面から見た見かけの温度がその実際温度よりも高くなるように変えることである。これは、その放出がより集中され(focused)、より拡散されない(nondiffuse)ように放出表 面のジオメトリを変え、また、放出表面が受表面の方向により大きな熱集中を放射するように放出表面を方向付けることにより達成される。人口環境は、例えば、真空を導入することによって伝導及び対流伝熱を排除することにより、さらに強化され、これはまた、放出量の拡散及び放射エネルギー・フローとの干渉を減らす利点がある。
【００２４】
放射熱ポンプはコンプレッサ又は他の複雑な機械を一切必要とせず、化学薬品又は冷媒も一切必要とせず、広温度範囲にわたって作動可能であり、低費用で大量生産が可能な多数の同一構成部分から組立てられることが可能なため、他の従来技術システムに伴う主な問題点の多くを克服する。
【００２５】
放射熱ポンプの他の利点は、熱輸送流体のポンピングのためだけに電気エネルギー・インプットを必要とし、作動（熱電気装置のように）又は圧縮には必要としないことである。通常液のポンピングは非常に成熟した技術であるため、この技術は効率的に実行するのに殆ど問題点を有しない。
【００２６】
放射熱ポンプは冷媒又は他の複雑な化学薬品を一切含まない。従って実用的且つ経済的作動温度範囲は化学的性質により制限されない。各ポンプの性能はそのジオメトリ、放出表面の特性及び放出表面製法の質で決まる。放射熱ポンプは、従来技術の熱ポンプよりはるかに広温度範囲にわたって作動することは明らかである。
【００２７】
恐らく、放射熱ポンプの最も重要な利点は、放射伝熱が温度を上昇させることにより強化されるという事実である。放射率は、絶対温度の４乗に比例するため、既存の技術に対する放射熱ポンプの魅力は、源温度の上昇に伴って、典型的に増加する。
【００２８】
上記方法により、本発明は、ターゲット表面が放出表面よりも高い温度を有する場合に、或る表面から受表面、すなわち、ターゲット表面に伝熱するための放射熱ポンプを提供する。表面は、ターゲット表面に向けてエネルギー放射を発する。さらに表面は、ターゲット表面に向けて不拡散放射エミッション・パターンを放出するように幾何学的に構成される。上記方法から明らかなように、結果は温度差に逆らう、放出表面からターゲット表面へのネット熱フローである。
【００２９】
放射熱ポンプ装置の他の実施形態において、中空のエミッタ・アセンブリは真空密閉エンクロージャを画定する。中空のエミッタ・アセンブリの中を通るのは、放射線を集め、その放射線をエミッタ・アセンブリの外へ導くための中空の円筒ターゲットである。エミッタ・アセンブリは、エミッタ・アセンブリの内面上の複数の放出プレート、中空の円筒ターゲットに向いているエミッタ・プレート及びエミッタ・アセンブリから放出された放射線をエミッタ・プレートそれから中空の円筒ターゲットへ反射するために滑らかな表面を有するエミッタ・プレートからなる。
【００３０】
本発明の実施例を添付図面に基づいて、例としてのみ、以下に説明する。
【発明の詳細な説明】
【００３１】
当業者は、伝導及び対流とは異なり、２つの物体の間の放射伝熱は各方向に独立的且つ計量可能ななフローを伴うということを解している。放射伝熱の従来理論は、黒体として知られている理想的表面に基づいている。黒体は、その絶対温度の４乗に比例して、全方向に向けて一様に（広く）放出し、特有且つ予測可能な波長分散で放出し、また、そこに入射された全ての放射エネルギーを吸収する、総放出力を有する。
【００３２】
黒体ほど理想的でないとされる理論的表面は、灰色体と呼ばれ、これもまた広い範囲で、特有な波長分散で放射する。しかしながら、灰色体は黒体の場合より、何分の１かの乗数で放射するだけであり、この比率（全ての波長について同一）は放射率と呼ばれる。逆に、灰色体もまた入射放射エネルギーの一部のみを吸収し、この比率（全ての波長について同一）は吸収率と定義される（吸収されない、如何なる入射エネルギーも広く反射される。）。さらに、灰色体において、吸収率は通常、放射率に等しい。
【００３３】
互いに見えるように配置されている如何なる２つの黒体又は灰色体も、それらの温度が収束するように、放射エネルギーを交換する。すなわち、１つの物体が他の物体よりも高い温度を有する場合、より低温の物体へ伝導されるより高温の物体からの総放射エネルギーは、より高温の物体に伝導されるより低温の物体からの総放射エネルギーよりも大きくなる。
【００３４】
黒体及び灰色体とは対照的に、実際の表面は、波長によって変化する放射率及び吸収率を有し、真実の拡散から変動する程度で逸れる分散パターンで放出し、また、部分的に鏡面的でありまた部分的に拡散する反射を有する。従って、実際の表面は、黒体又は灰色体の表面よりも通常少ない異なる量の放射エネルギーを放出する。
【００３５】
本発明は、表面からの放射を、その表面の通常の放射ほど拡散しないようにすることにより、実際の表面の不拡散放出パターンを増強するための方法及び装置を提供する。結果として、不拡散エミッション・パターンは受表面に集中される。さらに、より低温の（放出）表面から、より高温のターゲット表面又は受表面へ放射熱エネルギーのネット・フローが起こり得る。下記のように、大多数の表面が拡散して熱放射をすることを考慮すると、「通常」パターンと反するこの方法は、温度勾配に抗する受面への放射熱エネルギーのネット伝熱を容易にし、これは非常に有益な商業的用途がある。
【００３６】
図１に図示の不拡散エミッション・パターンを増強する方法の１つの実施形態においては、各々が同じ大きさの２つのエミッタ・プレート１６及び放出表面１８が同じ長さの端に沿って接して配置されている。断面図（図２）において、この接触は、幅の狭い長手方向のＶ字形の頂点を形成する。この形成において、いずれかのプレート１６から、全体としてＶの開口部方向へのエミッション（放射）は、プレート１６の対向する放出表面１８により閉じ込められ反射され、また、Ｖの開口部へ向かって反射される。
【００３７】
エミッションの反射の性質は、特に関心のあるものである。図２に図示のように、放射線と対称軸３０の間の角度は、反射前の方が反射前の角度よりも、プレート１６を分離する角度と等しい角度で小さい。すなわち、各反射は、一種の焦点、すなわち、フォーカス(focus)現象である。システムのジオメトリ及びエミ ッションの元の位置次第で、エミッションはＶの開口部から出てくる前にさらに数回の反射を受けることもある。プレート１６が十分滑らかである場合、各反射において極少（トリビアル）な量の拡散のみ生じる。結果として、元のエミッションの高割合が反射される。
【００３８】
この構成の放出表面１８からの多数のエミッションに対する多重反射の蓄積効果は、放射熱エネルギーのおおよそ集光されたビームであり、その構成要素たるエミッションは、正確度に差はあるが、対称軸３０に平行な方向に向かって近づく。
【００３９】
金属特有の放射率特性により、金属表面は放出表面１８に好ましい。より具体的には、金属は反対の放射率特性を示し（小さい角度において増加する）、拡散からはほど遠い。よく磨かれた金属表面は、放射熱エネルギーの反射により、結果として、より少ない拡散をもたらす。
【００４０】
特定のジオメトリへの複数の磨かれた金属製放出表面１８の連結は、連結した放出表面１８の不拡散放射エミッション・パターンの放出を生じさせる。理想的な黒体エミッタにより生成された放射エミッション・パターンと比較した場合、放出表面１８からの放射エネルギーの総エミッションは、同じ放出エリアを有する理想的な黒体に対応する総数におのずと等しくなるか、又は少なくなる。しかしながら、放出表面１８は、特定の領域に比較的より高い集光度、また他の領域にはより低い集光度の放射熱エネルギーを放出する。すなわち、各放射プレート１６の対のために、対称軸３０に沿って放出された放射フラックスの密度は、拡散エミッションの場合の密度よりもかなり高いが、対称軸３０からの大きい角度におけるフラックス密度はそれに対応してより低い。従って、放出表面１８は対象領域において黒体の相当エミッション・レベルの数倍まで成すことができ、拡散エミッタと比較した場合、よりいっそう大きなエミッションを成すことができる。
【００４１】
上記方法を使用し、図３に図示のような対称軸３０に直角であるターゲット平面２０を加えることにより、放出表面１８からの放射熱エネルギーのビームをターゲット平面２０（又は図５に図示のようなより特定の対象、すなわち、ターゲット３１）上に集中させることが可能であり、これは放出表面１８が通常の拡散放出表面（又は理想的な黒体放出表面）である場合よりも、より多くの放射エネルギーをターゲット平面２０に伝える。
【００４２】
エミッタ・アセンブリ１４は、エミッタ・プレート１６からの最大相対フラックス密度が対象３１上又はその近くに起こりやすくするように構成されている。従って、対象から見ると、高放射フラックス密度は、エミッタ・プレート１６の見かけの温度をエミッタ・プレートの実際温度よりも高くする。対象３１への熱フローは、ターゲット表面により感知される放出表面の見かけの温度に基づいているため、ターゲット３１は、ターゲット３１がエミッタ・プレートの実際温度を感知できる場合よりも、エミッタ・プレート１６から放出されたより多くの熱を吸収する。従って、ターゲット３１がエミッタ・プレート１６の表面温度よりもより高い表面温度であっても、ターゲット３１への熱ネット・フローが起きる。
【００４３】
円筒ターゲットへの伝熱を最大にする１つの方法は、円筒ターゲット上に集中したエミッションを放出するように方向付けられているエミッタ・プレート１６の対の数を増やすことである。この方法は、以下に説明する放射ヒート・ポンプ装置において実施することができる。
【００４４】
放出表面１８からターゲット３１への有利な放射伝熱を最大にする他の方法は、ゼロスの法則の結果として起きる伝導及び対流による「逆流」を最小化することである。熱伝導は、対象３１からエミッタ・プレート１６へ再び熱伝導するために使われる断面を制限することにより最小化される。対流は、放射及びターゲット表面の間に真空を保つことにより最小化される。
【００４５】
ターゲット３１からの伝導及び対流による望ましくないヒートロスが最小化される場合、以下の方程式が対象の温度と放出表面の関係及び対象及び放出表面の間のヒート・フロー率を記述する。
式１
ＲＡＤt＝ＲＡＤe−ＣＯＮＶ
ここで、ＲＡＤtは対象からの放射率、ＲＡＤeは対象により得られた放射熱ゲイン、及びＣＯＮＶは対流熱排除率である。
式２
ＲＡＤt＝ＡtＥtＳＴt4；  Ｔt＝（ＲＡＤt／ＡtＥtＳ）1/4
ここで、Ｅtは対象の放射率（吸収率）、Ｓはステファン−ボルツマン定数、 Ａtは対象の表面積、及びＴtは対象の絶対温度である。
式３
ＲＡＤe＝ＲＡtＳＥtＴe4
ここで、Ｒは黒体エミッションに対する入射エミッション率及び、Ｔeはエミ ッタ・プレートの温度である。
式１、２及び３を組合せ、Ｅt＝１と設定すると以下のとおりである。
ＲＡtＳＴe4−ＣＯＮＶ
Ｔt＝（−−−−−−−−−−）1/4
ＡtＳ
【００４６】
（１）エミッタ・アセンブリ１４が黒体パワーで放射し、（２）全てのエミッションがターゲット３１に入射する理想的な場合において、達成可能な最大集光率は、エミッタ・アセンブリ１４のジオメトリにより定まる。
【００４７】
放出表面の特有な形及び配置は可変である。例えば、図示されているＶ形状は、様々な替りとなる形状がある。より具体的に、Ｖ形状の開口部分の角度（図１に大体３０度として図示されている）は、より狭いか又はより広くてもよく、エミッタ・プレート１６は様々な幅であってよく、また、エミッタ・プレート１６は平面でなくてもよい。より一般的には、他のジオメトリ構成（いくつかの表面が拡散して放出もできる複数の表面を有する場合）が、１つの領域又は複数の領域に向けて放射エネルギーの集光を生成するように不拡散エミッション・パターンを増強するという同じ目的を達することが可能であるため、Ｖ形状は不可欠ではない。
【００４８】
上記方法を使用することにより、放射熱ポンプ１０の設計が可能である。
【００４９】
図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ及び６Ｄに図示の１つの実施形態において、本発明は、真空密封凹部１５を画定する中空シェル・アセンブリ１４及び放射線によりエネルギーを収集し、収集したエネルギーを前記シェル・アセンブリの外へ導くための、エミッタ・アセンブリ１４を通って配置されている中空円筒ターゲット１２からなる放射熱ポンプ１０を提供する。この実施形態において、シェル・アセンブリ１４はシェル・アセンブリの内面１７上の複数のエミッタ・プレート１６、中空円筒ターゲット１２に面するエミッタ・プレート１６及び滑らかな活性放射表面を有するエミッタ・プレート１６又はシェル・アセンブリ１４から伝わった放射線をエミッタ・プレート１６へ、そして、その後、放射線により中空円筒ターゲット１２へ反射するための放出表面１８からなる。放射熱ポンプ１０は、伝導又は対流伝熱を最小化する如何なる手段も有効であるが、放射伝熱と比較した場合、伝導及び対流伝熱効果が極小であるように、真空を囲むように設計されている。
【００５０】
この実施形態は分かりやすくするために２次元で図示されているが、３次元シンメトリも使用できる。例えば、もう１つの実施形態において、エミッタ・アセンブリ１４は球状であってもよく、また、エミッタ・プレート１６は、このような実施形態においては球状であってもよいターゲット１２に集光エミッションを放射するための円錐状凹部を画定してもよい。当業者は、この他の２次元及び３次元の形状も効果があることを認識するであろう。
【００５１】
もう１つ又はさらなる実施形態において、当業者は、シェル・アセンブリ１４が図７に図示にように中に収容可能であることを認識するであろう。すなわち、（１つのシェル・アセンブリの外面が他のシェル・アセンブリの中に集光器を形成するように）同心の複数のシェル・アセンブリが中空円筒（又は球状）ターゲット１２の周りに設けられてもよい。放出力は絶対温度の４乗に比例するため、外側のエミッタ・アセンブリから内側のエミッタ・アセンブリに与えられたより高い源温度は、放射熱ポンプ１０をターゲット１２への温度上昇に関してより効果的にする。
【００５２】
通常の作動において、放射熱ポンプ１０は、加熱された液体又は蒸気が外側の放射熱ポンプと接触する発電所又は他のエネルギー施設のような環境に設置される。通常、液体又は蒸気は、温度を上昇させずに発電所でさらに利用するのに、十分に高い温度ではない（すなわち、熱は廃熱である）。熱又は加熱された水が放射熱ポンプ１０に接触するのに伴って、シェル・アセンブリ１４の外側は熱を吸収し、エミッタ・プレート１６からなる内面１７に熱を伝える。同時に、水又は他の熱エネルギー排除手段が中空円筒部材１２を通って流れる。エミッタ・プレート１６の放出表面１８に変更を加え、また、エミッタ・プレート１６の不拡散エミッション・パターンを増強するためにエミッタ・プレート１６のジオメトリに変更を加えるための上記方法を使用した結果、円筒部材１２から見たエミッタ・プレート１６の見かけの温度は、エミッタ・プレート１６の実際温度よりも大きく、結果として、円筒部材１２は、円筒部材１２がエミッタ・プレート１６の実際（より低い）温度を感知した場合よりも、より多くの熱を吸収することとなる。従って、円筒部材１２がエミッタ・プレート１６よりも高い温度であったとしても、円筒部材１２の温度を有用な温度まで上昇させることができる、放射線による円筒部材１２へのエネルギー・ネット・フローが起きる。
【エミッタ・プレート】
【００５３】
エミッタ・プレート１６は、例えば、機械加工、鍛造、スタンピング、ダイカスト又はインベストメント鋳造により形成された長細い構成部材であってよい。使用する材料は、高熱伝導率を有する、強力で剛性及び経済的なものが好ましい。熱伝導率の高い順に、銅、アルミニウム及びスチールが現在入手可能な最も利用されている材料である。高温度において十分な強度及び剛性を有するプラスチック又は複合材が、十分な熱伝導率、耐久性及び非常に低い通気性を有している場合、これらもエミッタ・プレート１６を作るのに使用可能である。これらの複合材は、重量の有利により金属よりも強みがある。エミッタ・プレートを形成するための適当なプラスチック成型技術は、ロトモールディングやサーモフォーミングを含み、また、複合材が十分に小さい場合は射出成形も可能である。
【００５４】
エミッタ・プレート１６は望ましくは中実であり、かなりの分量の放射熱を中空円筒ターゲット１２に導くように設計されている。当業者は、複数のエミッタ・プレートが１つの連続的ピースにおいて機械加工され、これにより中空円筒ターゲット１２の周りに１つの連続的表面を形成することができることを認識するであろう。
【００５５】
活性放射表面又は放出表面１８は、望ましくは非常に滑らかである。上記の反射率に関する、磨かれた金属の有利な性質により、エミッタ・プレート１６は磨かれた金属表面１８からなるか、又はこれでコーティングされていることが望ましい。
【００５６】
エミッタ・プレート１６の多数のデザインの変更が考えられる。例えば、エミッタ・プレート１６はカーブしていてもよく、また、エミッタ・プレート１６は拡散放射材及び磨かれた金属又は他の非常に反射しやすい材料の組合せからなってもよい。上記のように、全体的な放出表面（この場合、特にエミッタ・プレート１６）の特有の形状や配置は可変である。
【００５７】
エミッタ・プレートに加えて、放射熱ポンプ１０は、非常に反射しやすい材料で平面又はカーブして作られた、円筒又は球状又は他の放出表面１４の各端の反射表面からなってもよい。或いは、エミッタ・アセンブリ１４の各端は拡散して放出する、平面又はカーブした表面で作られた放出表面からなってもよい。またさらに、エンド・キャップ２２は、拡散して放出し非常によく反射する複数の材料の組合せで構成されてもよい。
【００５８】
上記した具体化において、また、設計される使用する材料、及びジオメトリの影響がエミッタからコレクタを含む領域への放射されたエネルギーに集中することである場合、関心の波長を送る材料を有する屈折強化を達成することが可能である。
【中空円筒ターゲット１２】
【００５９】
中空円筒ターゲット１２は、ターゲットにより吸収された熱をシェル・アセンブリ１４の外側及び伝熱システムへ（通常、集光器の表面から吸光により有効な温度に加熱された、中空円筒部材を流通する流体を通して）伝熱するために使用される。この上昇されたエネルギーは、エネルギーを節約し、廃エネルギーを再生し、費用を削減するために、その後システム内で再利用される（図８に図示のように）。
【００６０】
中空円筒ターゲット１２は反射しないのが望ましい（すなわち、中空円筒ターゲット１２の表面は、中空円筒ターゲット１２へのネット熱フローを最大にするために、高い吸収性がなくてはならない）。有効な結果を得るために、中空円筒ターゲット１２の表面積は、エミッタ・プレート１６の見かけ、すなわち、有効表面積よりも小さくなければならない。
【環境】
【００６１】
エミッタ・アセンブリ１４と中空円筒ターゲット１２の間の人工的環境は、伝導又は対流による（対象からエミッタへの）如何なる逆流も最小化することを通して、中空円筒ターゲット１２へのヒート熱フローの最大化を助けることができる。これは、例えば、エミッタ・アセンブリ１４を密封する真空及び、エミッタ及びターゲットの接触の、互いに又は間の取付部材と必然的に接触するこれらの部材の間に断熱材を設けることによる最小化により成されてもよい。
【放射熱ポンプの工業用途】
【００６２】
本発明の通常の直接使用は：１．廃エネルギー再生及び改善、及び産業及び広範囲の商業用とにおける伝熱処理、及び２．火力発電所からの熱回収の強化である。
【００６３】
放射熱ポンプが競争技術より優れているこれらの分野に加えて、本発明は、低温でエネルギー・インプットを捨てる(reject)ことにより、現在、総エネルギー・インプットの約４０％を、通常、近くの水体へ廃棄している火電発電所において使用されることができる。この廃棄は、熱を機械エネルギーに変換するために用いられるサイクルの熱力学的限界の結果である。蒸気は、各タービンの放出口において圧縮され、水として高圧側へ再び送り込まれる。発電サイクルの効率を最大にするため、この熱はできるだけ低温で捨てられ、また、回収する価値もない。放射熱ポンプは、この捨てられた廃熱のいくらかを、発電所の全体の効率を上げるために、工程へ再注入すべく回収するのに使用されることが可能である。回収システムを最適化するために、蒸気タービンからの吐出温度は、通常の大気温度から、恐らく３００度まで上げられる。結果としての既存サイクルの効率の小さな減少は、回収された熱により、それを上回る。既に説明したとおり、既存のいずれの熱交換技術も、この高温で、エネルギー源を効果的に処理することは不可能である。
【００６４】
本発明の用途、特に産業への用途は、現存しない、産業毎に特別の用途に、結果としてなるかもしれない。例として、２つのフローの間の熱交換において、現在使用されている受動熱交換のように温度を下げてではなく、むしろ、温度を上げてでのほうが有利になるかもしれない。本発明の生産費用次第で、本発明は、例えば、最終的に（大気又は非常に低温な源を使用した）ビル暖房又は冷房に適用される可能性もある。
【放射熱ポンプの製造及び組立方法】
【００６５】
エミッタ・プレート１６の金属部材の大まかな形成後、隣接したエミッタ・プレート１６の正確な相対位置付けが可能な結合面が高精度に（〜±０．００５”又はより良く）機械加工される。この精度は、現在のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工技術の生成により、経済的且つ実用的である。機械加工操作業中に、配置キー用のタブや真空密封部材のための溝等の性能の配置をエミッタ・プレートの間に加えてもよい。同じ機械加工作業、又は別の機械加工又は研磨作業において、放射交換に関与するエミッタ・プレート１６の表面は、高品質に仕上げられている。放射熱ポンプの経済的性能に必要な表面仕上げの品質、及び熱ポンプの運転の際に機械加工又は研磨により残される方向上の表面のマーキングは実験に基づいて決定され、また選ばれた材料及び製造方法により左右される。しかしながら、金属エミッタ・プレート１６のより高い表面品質が必要である場合、ラップ仕上げ及び／又は電解研磨等の二次加工により製造されてもよい。
【００６６】
各エミッタが一旦正しい形状をなすと、放射表面１８は、適当な材料の薄膜で（恐らく＜０．００２”）コーティングされる。現在、好適な材料はクロム又はアルミニウムであるが、後でより適当であると判明する他の材料もここに含まれるものとする。コーティング技術は経済状況に左右され、放出表面１８に良好な放射及び反射性を提供する、最も経済的なコーティング方法が好ましい。金属にのみ使用される電気鍍金、及び蒸着が、コーティング技術の最適な候補の１つである。
【００６７】
プラスチック又は複合材が使用される場合、モールディング・プロセスは、エミッタ・プレート１６の形成後に必要な作業の量及び費用を最小化するように設計できる。特に、高性能の剥離剤と共に使用される磨かれたモールドは、ファイナル・コーティングの準備が整っている活性な表面品質をもたらすであろう。
【００６８】
放射熱ポンプ１０内への組立の前に、エミッタ・プレート１６は、入念に掃除され、また、マイクロエレクトロニクスの製造に使用されているのと同じような、クリーンルーム標準を満たすアセンブリ・エリアに運ばれる。完成したエミッタ・プレート１６はその後、１度に１つのユニットを互いに隣接して配置することにより、円筒アセンブリ中に重ねられ、円弧のグループ・スパン１８０°が完成するまで位置決め部材と係合する。
【００６９】
エミッタ・アセンブリ１４の組立の次の工程は、エミッタ・プレート１６の完全な円筒アレイに２つの半管状体を結合することである。最終工程は、アレイを金属又は複合材の外輪と一緒に締付けることである。真空密封部材は、組立中に個々にエミッタの間に配置されてもよく、又は締付け工程後の単一工程において、全てのアレイに密封溝を通して送り込まれてもよい。後者の場合、密封材は、エミッタ・アセンブリ１４にさらなる機械的安定度をもたらし、その構成部分をまとめて結合するのを助ける剛性状態になるまで硬化される。結合後、締付けはもはや必要でなくなる。エミッタ・アセンブリ１４上の外側に塗られた密封剤は、さらにガス拡散を制限することができる。
【００７０】
機械加工された金属又は複合材のエンド・キャップ２２は、各エンクロージャ及びその真空シールを完成する。エンド・キャップ２２の内面は、好ましくは、赤外線波長によく反射する。エンド・キャップ２２はまた真空ライン（図示せず。）のため、及び操業開始前に表面酸化物の除去を促進するために各チェインバを通して流されるガスをできる限り減らすための接続ポイントを提供する。更なる必要条件として、各エンド・キャップ２２は、そのセントラル・ポイントを通過する、シェル・アセンブリ１４及びターゲット１２の間の伝導伝熱を最小化するためのバリアを提供する。２つのターゲット用エンド・キャップ接続の少なくとも１つは比較的円滑に滑ることが可能であるため、ターゲット１２の熱膨脹差はそれを圧縮状態に置かない。両方とも、ターゲット１２がシェル（及び故にエミッタ）から（伝導のために）断熱されるように熱から離される。
【００７１】
中空円筒ターゲット１２は、内外径比＜０．１の厚さ、十分な強度及びターゲット１２内を流通する流動媒体の内圧に耐える剛性を有し、放射熱ポンプから離れて高温熱を伝導する、薄壁管である。ターゲット１２は、また、アセンブリ内におけるその同心性を受入可能な精度で維持するために十分に硬くなければならない。銅のような高伝導性金属は、ターゲット１２を構成するのに適した材料であるが、他の材料が本発明の必要条件を満たす場合には、これらを除外しないものとする。ターゲット１２内の対流性能は、ターゲット１２の内側に乱流誘導挿入を提供するか、又はターゲット１２の内側壁の表面を粗くすることにより強化される。各ターゲット１２の外面は非常に高い赤外線吸光度を有する材料でコーティングされる。
【００７２】
全体として、本発明の放射熱ポンプ１０の幾何学的パラメータは、約３°から１２°のエミッタ・プレート１６の離れ角、２：１から６：１の範囲にあるエミッタ・アセンブリ１４の長さ対内外径比、及び１０：１から５０：１の間のシェル・アセンブリ１４の内径とターゲット１２の外径の割合を含むことが望ましい。
【００７３】
上記方法により組立てられた複合材又は金属製のエミッタ・アセンブリ１４の剛性が不適切であると判明した場合、エミッタ・アセンブリ１４は外部金属フレーム（図示せず。）で補強されることができる。この方法は、特に、複合材エミッタの場合において、金属エミッタ・プレート１６の使用よりもより経済的であることが証明される。
【００７４】
本発明の上記実施形態は、単なる例であるものとする。添付の特許請求の範囲のみにより定められる本発明の範囲から外れることなく、当業者は、特定の実施形態に変更をなし得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】各々が放出表面を有する２つのエミッタ・プレートからなる、本発明のエミッタ・アセンブリ。
【図２】２つの隣接した放出表面の間のエミッションの反射を示す、本発明の図１のエミッタ・アセンブリの上面図。
【図３】ターゲットに関する本発明のエミッタ・アセンブリの斜視図。
【図４】本発明の理論的黒体フラックスと比較した放出表面からの集中フラックスの率を示すグラフ。
【図５】本発明の円筒ターゲットに関するエミッタ・アセンブリ。
【図６Ａ】本発明の放射熱ポンプの１つの実施形態の側面図。
【図６Ｂ】図６Ａ中の線Ａ−Ａにおける、本発明の放射熱ポンプの断面図。
【図６Ｃ】図６Ｂ中の線Ｂ−Ｂにおける、本発明の放射熱ポンプの断面図。
【図６Ｄ】図６Ｃ中の線Ｃ−Ｃにおける、本発明の放射熱ポンプの断面図。
【図７】本発明の放射熱ポンプの１つの実施形態の断面図。
【図８】本発明の放射熱ポンプのシステム。
【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６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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