(57)【要約】【課題】多孔質体の表裏の温度差をより大きく、かつより小さいエネルギーで発生、維持させることができる熱遷移流ポンプを提供する。【解決手段】熱遷移流用流路、および、熱遷移流用流路とは空間的に分離される、低温の熱輸送媒体用流路を有する、熱伝導性物質で構成される低温熱源部と、熱遷移流用流路、および、熱遷移流用流路とは空間的に分離される、高温の熱輸送媒体用流路を有する、熱伝導性物質で構成される高温熱源部と、低温熱源部と高温熱源部との間に配置される多孔質体と、を有し、熱輸送媒体用流路の周囲に、低温熱源部および高温熱源部と外界との熱交換、ならびに、低温熱源部と高温熱源部との間での多孔質体を介さない熱交換のうち少なくともいずれかを抑制するための、熱伝導率を小さくする断熱構造として真空封入層、または熱伝導率の小さい断熱材が配置されている、熱遷移流ポンプである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱遷移流用流路、および、前記熱遷移流用流路とは空間的に分離される、低温の熱輸送媒体用流路を有する、熱伝導性物質で構成される低温熱源部と、
熱遷移流用流路、および、前記熱遷移流用流路とは空間的に分離される、高温の熱輸送媒体用流路を有する、熱伝導性物質で構成される高温熱源部と、
前記低温熱源部と前記高温熱源部との間に配置される多孔質体と、
を有し、
前記熱輸送媒体用流路の周囲に、前記低温熱源部および前記高温熱源部と外界との熱交換、ならびに、前記低温熱源部と前記高温熱源部との間での前記多孔質体を介さない熱交換のうち少なくともいずれかを抑制するための、熱伝導率を小さくする断熱構造、または熱伝導率の小さい断熱材が配置されていることを特徴とする熱遷移流ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱遷移流ポンプであって、
前記熱遷移流ポンプは、内部の気体の平均自由行程の１０倍以下の細孔径を有する前記多孔質体の両端に温度差が設けられると、低温側から高温側に向かって熱遷移流が生じる構成を有することを特徴とする熱遷移流ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱遷移流ポンプであって、
前記断熱構造は、前記低温熱源部および前記高温熱源部の内部に設けられた真空封入層であることを特徴とする熱遷移流ポンプ。
【請求項４】
請求項３に記載の熱遷移流ポンプであって、
前記真空封入層は、前記熱輸送媒体用流路を製作するための金属プレート間の真空ロウ付けのときに共に形成されることを特徴とする熱遷移流ポンプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱遷移流ポンプであって、
前記低温熱源部および前記高温熱源部は、シール部材により内部と外部とが空間的に断絶されていることを特徴とする熱遷移流ポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載の熱遷移流ポンプであって、
前記断熱構造または前記断熱材は、前記シール部材と前記熱輸送媒体用流路との間に配置されていることを特徴とする熱遷移流ポンプ。
【請求項７】
請求項５に記載の熱遷移流ポンプであって、
前記シール部材は、軸方向の断面形状が四角形状の角リングであり、前記シール部材によって前記低温熱源部と前記高温熱源部とを接触させないことにより、前記断熱構造が構成されることを特徴とする熱遷移流ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱遷移流を利用した熱遷移流ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
希薄気体においては、希薄気体中に温度勾配がある面が存在すると、この面に沿って低温部から高温部に向かう流れが誘起される。この流れは熱遷移流と呼ばれている。気体が希薄かどうかは、気体分子の平均自由行程と取り扱う系の代表長との比で決まるため、大気圧下のような濃い気体でも、孔径が数十ｎｍ程度のナノ多孔質体内では、気体は希薄気体として振る舞う。多孔質体の表裏に温度差を生じさせると、多孔質体内の気体が温度の低い面から高い面に向けて流れる。
【０００３】
このような熱遷移流を誘起させる多孔質体を用いた熱遷移流ポンプ装置として、特許文献１には、媒体を蒸発させる蒸発器と、媒体を凝縮させる凝縮器と、蒸発器と凝縮器との間に設けられる媒体輸送ユニットと、を備え、媒体輸送ユニットは、蒸発器側に配置される中温熱源部と、凝縮器側に配置される高温熱源部と、中温熱源部と高温熱源部との間に配置される熱遷移流ポンプと、を含む、熱遷移流ヒートポンプが記載されている。
【０００４】
多孔質体の表裏の温度差により気流を発生させる熱遷移流ポンプは、温度差が大きいほど気流の発生流量、圧力差とも大きくなる。また熱遷移流ポンプの駆動に必要なエネルギーは、この温度差を発生、維持するエネルギーである。これらにより、多孔質体の表裏に如何に大きな温度差を与え、それを小さなエネルギーで維持するかが熱遷移流ポンプの性能、効率を高める上で課題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１７６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、多孔質体の表裏の温度差をより大きく、かつより小さいエネルギーで発生、維持させることができる熱遷移流ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、熱遷移流用流路、および、前記熱遷移流用流路とは空間的に分離される、低温の熱輸送媒体用流路を有する、熱伝導性物質で構成される低温熱源部と、熱遷移流用流路、および、前記熱遷移流用流路とは空間的に分離される、高温の熱輸送媒体用流路を有する、熱伝導性物質で構成される高温熱源部と、前記低温熱源部と前記高温熱源部との間に配置される多孔質体と、を有し、前記熱輸送媒体用流路の周囲に、前記低温熱源部および前記高温熱源部と外界との熱交換、ならびに、前記低温熱源部と前記高温熱源部との間での前記多孔質体を介さない熱交換のうち少なくともいずれかを抑制するための、熱伝導率を小さくする断熱構造、または熱伝導率の小さい断熱材が配置されている、熱遷移流ポンプである。
【０００８】
前記熱遷移流ポンプは、内部の気体の平均自由行程の１０倍以下の細孔径を有する前記多孔質体の両端に温度差が設けられると、低温側から高温側に向かって熱遷移流が生じる構成を有することが好ましい。
【０００９】
前記熱遷移流ポンプにおいて、前記断熱構造は、前記低温熱源部および前記高温熱源部の内部に設けられた真空封入層であることが好ましい。
【００１０】
前記熱遷移流ポンプにおいて、前記真空封入層は、前記熱輸送媒体用流路を製作するための金属プレート間の真空ロウ付けのときに共に形成されることが好ましい。
【００１１】
前記熱遷移流ポンプにおいて、前記低温熱源部および前記高温熱源部は、シール部材により内部と外部とが空間的に断絶されていることが好ましい。
【００１２】
前記熱遷移流ポンプにおいて、前記断熱構造または前記断熱材は、前記シール部材と前記熱輸送媒体用流路との間に配置されていることが好ましい。
【００１３】
前記熱遷移流ポンプにおいて、前記シール部材は、軸方向の断面形状が四角形状の角リングであり、前記シール部材によって前記低温熱源部と前記高温熱源部とを接触させないことにより、前記断熱構造が構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、多孔質体の表裏の温度差をより大きく、かつより小さいエネルギーで発生、維持させることができる熱遷移流ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の熱遷移流ポンプの概略構成の一例を示す（ａ）上面図、（ｂ）断面図である。
【図２】本実施形態の熱遷移流ポンプの概略構成の一例を示す断面図である。
【図３】本実施形態の熱遷移流ポンプにおける熱交換の様子を示す模式図である。
【図４】本実施形態の熱遷移流ポンプの概略構成の他の例を示す（ａ）上面図、（ｂ）断面図である。
【図５】本実施形態の熱遷移流ポンプの概略構成の他の例を示す断面図である。
【図６】本実施形態の熱遷移流ポンプにおける熱交換の様子を示す模式図である。
【図７】本実施形態の熱遷移流ポンプを多段化した構成の一例の概略を示す断面図である。
【図８】本実施形態の熱遷移流ポンプを多段化した構成における熱交換の様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
本発明の実施形態に係る熱遷移流ポンプの一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。図１（ａ）は熱遷移流ポンプの上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。図１に示す熱遷移流ポンプ１は、熱遷移流用流路１８、および、熱遷移流用流路１８とは空間的に分離される、低温の熱輸送媒体用流路１６を有する、熱伝導性物質で構成される低温熱源部１０と、熱遷移流用流路２４、および、熱遷移流用流路２４とは空間的に分離される、高温の熱輸送媒体用流路２２を有する、熱伝導性物質で構成される高温熱源部１２と、低温熱源部１０と高温熱源部１２との間に配置される多孔質体１４と、を有する。熱遷移流ポンプ１において、低温の熱輸送媒体用流路１６および高温の熱輸送媒体用流路２２の周囲の少なくとも一部に、低温熱源部１０および高温熱源部１２と外界（外気）との熱交換、ならびに、低温熱源部１０と高温熱源部１２との間での多孔質体１４を介さない熱交換のうち少なくともいずれかを抑制するための、熱伝導率を小さくする断熱構造として、真空封入層２０，２６が配置されている。熱輸送媒体入口３６および熱輸送媒体出口３８は、熱輸送媒体用流路２２と連通している。
【００１８】
熱遷移流ポンプ１は、図２に示すように、例えば、板状の低温熱源部１０と板状の高温熱源部１２とが板状の多孔質体１４を挟んで積層されて形成された積層構造体である。したがって、図１に示すように、多孔質体１４は、一方の面が低温熱源部１０に対面し、この面と反対側の面が高温熱源部１２に対面する。低温熱源部１０と多孔質体１４は、これらの間に第１室３２を画定する。また、高温熱源部１２と多孔質体１４は、これらの間に第２室３４を画定する。多孔質体１４と、低温熱源部１０または高温熱源部１２との隙間（図１，２の例では、多孔質体１４と低温熱源部１０との隙間）はシール部材２８によって封止され、第１室３２と第２室３４は隔離される。低温熱源部１０と高温熱源部１２とは、シール部材３０によって封止され、内部（第１室３２および第２室３４）と外部とが空間的に断絶されている。断熱構造として真空封入層２６が、シール部材３０と熱輸送媒体用流路２２との間に配置され、真空封入層２０が、シール部材３０と熱輸送媒体用流路１６との間に配置されている。
【００１９】
図１の例では、低温熱源部１０と多孔質体１４との間、および高温熱源部１２と多孔質体１４との間は、シール部材２８によって隔離されているが、低温熱源部１０と多孔質体１４、または、高温熱源部１２と多孔質体１４とは、接触していてもよい。
【００２０】
細孔を有する多孔質体１４内においては、気体は希薄気体として振る舞い、多孔質体１４の一方の面と他方の面とに温度差が生じると、温度の低い側の面から高い側の面に向けて、熱遷移流と呼ばれる気体の流れが発生する。多孔質体１４の一方の面が、この面に対向する低温熱源部１０により冷やされ、また、この面と反対側の面がこの面に対向する高温熱源部１２に温められる。これにより、多孔質体１４の表裏の面に温度差が生じ、多孔質体１４内に熱遷移流が発生する。この流れにより気体が第１室３２から多孔質体１４を通って第２室３４に送られ、一つの多孔質体１４と、これを挟んで位置する低温熱源部１０および高温熱源部１２とが、一つのポンプとして機能する。
【００２１】
熱遷移流ポンプ１における熱遷移流の発生は、多孔質体１４の表裏の温度差に影響される。この温度差が大きいほど、熱遷移流の発生が増加する。本実施形態に係る熱遷移流ポンプ１では、低温の熱輸送媒体用流路１６および高温の熱輸送媒体用流路２２のそれぞれの周囲に、熱伝導率を小さくする断熱構造として真空封入層２０または真空封入層２６が配置されている。これらの真空封入層２０，２６により、図３に示すように、低温熱源部１０と外界（外気）との熱交換（熱移動）、高温熱源部１２と外界（外気）との熱交換（熱移動）、ならびに、低温熱源部１０と高温熱源部１２とが接触していることによる低温熱源部１０と高温熱源部１２との間での多孔質体１４を介さない熱交換（熱移動）のうち少なくともいずれかが抑制されるため、多孔質体１４の表裏の温度差をより大きくすることができ、かつ多孔質体１４の表裏の温度差をより小さいエネルギーで発生、維持させることができる。よって、多孔質体１４の表裏の温度差が小さくなるのを抑制することができ、エネルギーのロスや熱遷移流ポンプ１の出力の低下を抑制することができる。
【００２２】
多孔質体１４は、多数の細孔を所定の多孔率で有する多孔質の膜を用いることができる。多孔質体１４の細孔は、第１室３２と第２室３４を連通する。この細孔の孔径は、内部の気体の分子の平均自由行程（大気圧下では６０〜７０ｎｍ程度）の１０倍以下、例えば６〜７ｎｍ以下程度に形成されている。多孔質体１４は、熱伝導率の小さい材料で構成される。多孔質体１４の熱伝導率としては、０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が好ましい。多孔質体１４における細孔の多孔率は、例えば、孔部分の体積占有率で評価することができる。多孔率の一例を挙げると、約９０％である。これ以外の多孔率であっても構わない。多孔質体１４の材料としては、例えば、ゼオライトを用いることができ、また二酸化ケイ素材料の内部に細孔が多数形成されたシリカエアロジェルを用いることもできる。
【００２３】
低温熱源部１０は、熱伝導性物質で構成される板状部材に、熱輸送媒体用流路１６と熱遷移流用流路１８とを設けたものである。熱輸送媒体用流路１６は、低温熱源等から供給される低温の熱輸送媒体を流す流路である。熱輸送媒体用流路１６は、板状部材の面内方向に設けられる。
【００２４】
低温熱源は、例えば、冷却水タンクであり、低温の熱輸送媒体は、例えば、冷却水流である。熱輸送媒体用流路１６に冷却水等の低温の熱輸送媒体が流されることによって、低温熱源部１０は、低温熱源である冷却水の温度を有する熱源となる。低温の熱輸送媒体として、冷却水流に代えて、他の低温液体流または低温気体流を用いてもよい。冷却水タンク等に熱交換器を設け、大気と冷却水との間の熱交換を行うことで、冷却水の温度をほぼ大気温度と同じにすることができる。
【００２５】
高温熱源部１２は、熱伝導性物質で構成される板状部材に、熱輸送媒体用流路２２と熱遷移流用流路２４とを設けたものである。熱輸送媒体用流路２２は、高温熱源等から供給される高温の熱輸送媒体を流す流路である。熱輸送媒体用流路２２は、板状部材の面内方向に設けられる。
【００２６】
高温熱源は、例えば、室温よりかなり高い温度を有する発熱体であり、例えば、回転電機やエンジン等の発熱する装置等の廃熱源を用いることができる。高温の熱輸送媒体は、例えば、この廃熱源からの熱流をそのまま用いることができる。また、廃熱源の高温雰囲気の高温空気を高温ガス流として高温の熱輸送媒体として用いることができる。これによって、高温の熱輸送媒体は、廃熱源から熱回収を連続的に行う熱源流とすることができ、熱輸送媒体用流路２２に高温ガス等の高温の熱輸送媒体が流されることによって、高温熱源部１２は、高温熱源である高温ガスの温度を有する熱源となる。高温の熱輸送媒体として、高温ガス流に代えて、他の高温気体流または高温液体流（例えば、オイル）を用いてもよい。低温の熱輸送媒体および高温の熱輸送媒体は、一方が液体で、他方が気体であってもよい。
【００２７】
熱伝導性物質としては、熱伝導率が例えば１０Ｗ／ｍ／Ｋから１０００Ｗ／ｍ／Ｋの範囲の熱伝導性の高い物質、例えば金属を用いることが好ましい。熱伝導性物質としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができる。
【００２８】
低温熱源部１０、高温熱源部１２、および多孔質体１４は、長方形状等の多角形状、円形状等の板形状とすることができる。また、低温熱源部１０、高温熱源部１２、および多孔質体１４は、それぞれ異なる形状としてもよい。例えば、低温熱源部１０および高温熱源部１２は長方形とし、多孔質体１４は円形状としてもよい。
【００２９】
真空封入層２０，２６は、低温の熱輸送媒体用流路１６、高温の熱輸送媒体用流路２２の周囲であって、例えば、板状の低温熱源部１０および高温熱源部１２の外周部に形成された、真空状態で密閉された空間からなる真空断熱構造である。真空封入層２０，２６は、例えば、複数の金属板をロウ付けして熱輸送媒体用流路を製作する場合、ロウ付け後に外部と連通しない空間を設けるようにあらかじめ設計することにより、熱輸送媒体用流路と同時に製作することができる。
【００３０】
シール部材２８，３０としては、多孔質体１４と低温熱源部１０または高温熱源部１２との隙間（図１，２の例では、多孔質体１４と低温熱源部１０との隙間）、または低温熱源部１０と高温熱源部１２とを封止することができるものであればよく、特に制限はないが、例えば、接着剤、Ｏリング、ガスケット、ロウ付け、溶接等が挙げられる。
【００３１】
本発明の実施形態に係る熱遷移流ポンプの他の例の概略構成を図４に示す。図４（ａ）は熱遷移流ポンプの上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線による断面図である。図４に示す熱遷移流ポンプ３は、熱遷移流用流路１８、および、熱遷移流用流路１８とは空間的に分離される、低温の熱輸送媒体用流路１６を有する、熱伝導性物質で構成される低温熱源部１０と、熱遷移流用流路２４、および、熱遷移流用流路２４とは空間的に分離される、高温の熱輸送媒体用流路２２を有する、熱伝導性物質で構成される高温熱源部１２と、低温熱源部１０と高温熱源部１２との間に配置される多孔質体１４と、を有する。熱遷移流ポンプ３において、低温の熱輸送媒体用流路１６および高温の熱輸送媒体用流路２２の周囲の少なくとも一部に、低温熱源部１０および高温熱源部１２と外界（外気）との熱交換、ならびに、低温熱源部１０と高温熱源部１２との間での多孔質体１４を介さない熱交換のうち少なくともいずれかを抑制するための、熱伝導率の小さい断熱材４０，４２が配置されている。
【００３２】
熱遷移流ポンプ３は、図５に示すように、例えば、板状の低温熱源部１０と板状の高温熱源部１２とが板状の多孔質体１４を挟んで積層されて形成された積層構造体である。したがって、図４に示すように、多孔質体１４は、一方の面が低温熱源部１０に対面し、この面と反対側の面が高温熱源部１２に対面する。低温熱源部１０と多孔質体１４は、これらの間に第１室３２を画定する。また、高温熱源部１２と多孔質体１４は、これらの間に第２室３４を画定する。多孔質体１４と、低温熱源部１０または高温熱源部１２との隙間（図４，５の例では、多孔質体１４と低温熱源部１０との隙間）はシール部材２８によって封止され、第１室３２と第２室３４は隔離される。低温熱源部１０と高温熱源部１２とは、シール部材３０によって封止され、内部（第１室３２および第２室３４）と外部とが空間的に断絶されている。断熱材４２が、シール部材３０と熱輸送媒体用流路２２との間に配置され、断熱材４０が、シール部材３０と熱輸送媒体用流路１６との間に配置されている。
【００３３】
図４の例では、低温熱源部１０と多孔質体１４との間、高温熱源部１２と多孔質体１４との間は、シール部材２８によって隔離されているが、低温熱源部１０と多孔質体１４、または、高温熱源部１２と多孔質体１４とは、接触していてもよい。
【００３４】
本実施形態に係る熱遷移流ポンプ３では、低温の熱輸送媒体用流路１６および高温の熱輸送媒体用流路２２のそれぞれの周囲に、熱伝導率の小さい断熱材４０または断熱材４２が配置されている。これらの断熱材４０，４２により、図６に示すように、低温熱源部１０と外界（外気）との熱交換（熱移動）、高温熱源部１２と外界（外気）との熱交換（熱移動）、ならびに、低温熱源部１０と高温熱源部１２とが接触していることによる低温熱源部１０と高温熱源部１２との間での多孔質体１４を介さない熱交換（熱移動）のうち少なくともいずれかが抑制されるため、多孔質体１４の表裏の温度差をより大きくすることができ、かつ多孔質体１４の表裏の温度差をより小さいエネルギーで発生、維持させることができる。よって、多孔質体１４の表裏の温度差が小さくなるのを抑制することができ、エネルギーのロスや熱遷移流ポンプ３の出力の低下を抑制することができる。
【００３５】
断熱材４０，４２としては、熱伝導率が例えば２Ｗ／ｍ／Ｋ以下の熱伝導性の低い物質から構成され、例えば、テトラフルオロエチレン、ポリイミド等の耐熱性樹脂（例えば、耐熱温度が１００℃以上、好ましくは２００℃以上）等の樹脂を用いることができる。
【００３６】
なお、真空封入層２０，２６による真空断熱構造は、断熱材４０，４２を用いる場合に比べて、低温熱源部１０および高温熱源部１２の構造をよりシンプルに、部品点数を少なく構成できるメリットがある。
【００３７】
熱遷移流ポンプ１および熱遷移流ポンプ３において、低温熱源部１０と高温熱源部１２とを封止するシール部材３０として、軸方向の断面形状が四角形状等の角リングを用いることが好ましい。シール部材３０として角リングを用いて低温熱源部１０と高温熱源部１２とを接触させずに封止することによって、断熱構造が構成され、角リングにシール部材と断熱構造としての機能を合わせ持たせることができる。
【００３８】
図７に示すように、熱遷移流ポンプ１または熱遷移流ポンプ３を単ポンプとして、この単ポンプを２層以上積層して多段化して、多段化構造体としてもよい。図８に示すように、多段化構造体において、断熱構造または断熱材によって、低温熱源部１０と外界（外気）との熱交換（熱移動）、高温熱源部１２と外界（外気）との熱交換（熱移動）、ならびに、低温熱源部１０と高温熱源部１２とが接触していることによる低温熱源部１０と高温熱源部１２との間での多孔質体１４を介さない熱交換（熱移動）のうち少なくともいずれかが抑制される。
【００３９】
本実施形態に係る熱遷移流ポンプは、ヒートポンプ等として利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１，３  熱遷移流ポンプ、１０  低温熱源部、１２  高温熱源部、１４  多孔質体、１６，２２  熱輸送媒体用流路、１８，２４  熱遷移流用流路、２０，２６  真空封入層、２８，３０  シール部材、３２  第１室、３４  第２室、３６  熱輸送媒体入口、３８  熱輸送媒体出口、４０，４２  断熱材。
【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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