(57)【要約】【課題】吸収を利用したポンプにおいて、光の利用効率を高める。【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と、第１空間において多孔体１０に対向するように配置され、波長によって光に対する反射率が異なる選択吸収膜１６と、第２空間に配置され、多孔体１０を冷却する冷却器１８と、を備え、第１空間に接する多孔体１０の第１面を加熱することによって、気孔を介して第２空間から第１空間へ気体を移送することが可能なポンプ１００とする。【選択図】図１
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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と、
前記第１空間において前記多孔体に対向するように配置され、波長によって光に対する反射率が異なる選択吸収膜と、
前記第２空間に配置され、前記多孔体を冷却する冷却器と、
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ことが可能なことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプであって、
前記選択吸収膜は、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倍以上であることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のポンプであって、
前記選択吸収膜と前記多孔体との間、又は、前記選択吸収膜自体に気体流路が設けられていることを特徴とするポンプ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンプであって、
透過窓を備え、前記透過窓を介して前記選択吸収膜に対して光を入射させることを特徴とするポンプ。
【請求項５】
請求項４に記載のポンプであって、
前記透過窓と前記選択吸収膜との間に透明断熱材を備え、
前記透明断熱材によって前記選択吸収膜が前記多孔体側に押し付けられていることを特徴とするポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載のポンプであって、
前記透明断熱材の熱伝導率は、前記透過窓の熱伝導率の１／２以下であることを特徴とするポンプ。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のポンプであって、
前記透明断熱材は、細孔径が２００ｎｍ以下の気孔を有することを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光吸収を利用したポンプに関する。
【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、光吸収を用いたポンプにおいて光の利用効率を高めることが望まれているが実現されていない。すなわち、光吸収体として用いられている炭素（カーボン）は放射損失が大きく、光の利用効率が極めて低い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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と、前記第１空間において前記多孔体に対向するように配置され、波長によって光に対する反射率が異なる選択吸収膜と、前記第２空間に配置され、前記多孔体を冷却する冷却器と、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ことが可能なことを特徴とするポンプである。
【０００８】
ここで、前記選択吸収膜は、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倍以上であることが好適である。また、前記選択吸収膜は、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倍以上であることがより好適である。
【０００９】
また、前記選択吸収膜と前記多孔体との間、又は、前記選択吸収膜自体に気体流路が設けられていることが好適である。
【００１０】
また、透過窓を備え、前記透過窓を介して前記選択吸収膜に対して光を入射させることが好適である。
【００１１】
また、前記透過窓と前記選択吸収膜との間に透明断熱材を備え、前記透明断熱材によって前記選択吸収膜が前記多孔体側に押し付けられていることが好適である。
【００１２】
また、前記透明断熱材の熱伝導率は、前記透過窓の熱伝導率の１／２以下であることが好適である。
【００１３】
また、前記透明断熱材は、細孔径が２００ｎｍ以下の気孔を有することが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光吸収を利用したポンプにおいて、光の利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態におけるポンプの構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態における伝熱板の構成を示す図である。
【図３】選択吸収膜の特性を示す図である。
【図４】第１の実施の形態における冷却器の構成を示す図である。
【図５】選択吸収膜の効果を調べるための試験装置の構成を示す図である。
【図６】変形例１におけるポンプの構成を示す図である。
【図７】変形例２におけるポンプの構成を示す図である。
【図８】変形例３におけるポンプの構成を示す図である。
【図９】変形例４におけるポンプの構成を示す図である。
【図１０】第２の実施の形態におけるポンプの構成を示す図である。
【図１１】変形例５におけるポンプの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態におけるポンプ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】
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クヌーセンポンプである。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】
図３は、選択吸収膜１６の反射率及び熱放射率の波長依存性の例を示す。図３において太陽光吸収エネルギーとして示すように、選択吸収膜１６では太陽光の波長スペクトルの波長帯域では反射率が小さく、太陽光に対する光吸収効率が高い。一方、図３において１００℃での熱放射として示すように、１００℃における放射熱の波長スペクトルの波長帯域では反射率が大きく、放射熱は非常に小さい。なお、参考のために、図３には、１００℃での黒体からの熱放射の波長スペクトルも併せて示している。
【００２４】
すなわち、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、エネルギーの約半分を放熱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、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。
【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４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、ポンプ１００の動作原理について説明する。ポンプ１００は、熱遷移流を利用した、いわゆるクヌーセン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】
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】
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、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ポンプ１００の外部へ送出される。
【００３４】
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。
【００３５】
図５は、選択吸収膜１６を用いた場合の多孔体１０の第１面の加熱についての試験装置２００の構成を示す。試験装置２００は、多孔体１０、多孔体１０の第１面に接触させた選択吸収膜１６、多孔体１０の第２面に接触させた冷却器１８、選択吸収膜１６に対して光を導入するための石英窓３０を筐体３２に組み込んだ構成とした。石英窓３０から入射させる光の光源はハロゲンランプ３４とした。多孔体１０は、直径３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの石英繊維フィルタとした。選択吸収膜１６は、３０ｍｍ角、厚さ０．３ｍｍのアルメコ社製ティノックスを用いた。冷却器１８は、２１．５℃の水を流した直径１５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの熱交換器とした。また、筐体３２内は１００００Ｐａの減圧状態とした。このような試験装置２００において、石英窓３０を透してハロゲンランプ３４から選択吸収膜１６へ光を照射し、選択吸収膜１６の表面温度を測定した。
【００３６】
なお、比較試験として、選択吸収膜１６を用いず、多孔体１０の第１面に黒色塗料を塗布した構成にて同様の試験を行った。
【００３７】
試験の結果、選択吸収膜１６を用いた場合、表面温度は２６５℃まで上昇した。これに対して、比較試験では表面温度は１５５℃にしかならなかった。気体が十分に希薄な場合、クヌーセンポンプでは、数式（１）に示すように、多孔体１０の第２面側の圧力ＰＨは、第１面側の圧力ＰＬに対して第１面の温度ＴＨと第２面の温度ＴＬとの１／２乗倍となる。したがって、数式（２）に示すように、多孔体１０の第１面と第２面との間の差圧の最大値ΔＰＭＡＸは、第１面と第２面との間の温度差の１／２乗に依存する。すなわち、選択吸収膜１６を用いることによって多孔体１０の第１面と第２面との従来より大きな温度差を生じさせることができ、ポンプ１００の性能を高めることができる。
【数１】
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【数２】
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【００３８】
以上のように、本実施の形態におけるポンプ１００によれば、光吸収を利用したポンプにおいて、光の利用効率を高めることができる。
【００３９】
［変形例１］
変形例１におけるポンプ１０２は、図６に示すように、多孔体１０、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。本変形例では、伝熱板１２の代わりに、選択吸収膜１６を形成するための基材１４に気体流路を形成した構成としている。
【００４０】
変形例１におけるポンプ１０２においても選択吸収膜１６を用いることによって多孔体１０の第１面と第２面との従来より大きな温度差を生じさせることができ、ポンプ１００の性能を高めることができる。
【００４１】
［変形例２］
変形例２におけるポンプ１０４は、図７に示すように、多孔体１０、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。本変形例では、基材１４と共に選択吸収膜１６に気体流路を形成した構成としている。
【００４２】
変形例２におけるポンプ１０４においても選択吸収膜１６を用いることによって多孔体１０の第１面と第２面との従来より大きな温度差を生じさせることができ、ポンプ１００の性能を高めることができる。
【００４３】
［変形例３］
変形例３におけるポンプ１０６は、図８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に加えて窓２４を含んで構成される。本変形例では、選択吸収膜１６と光源（例えば、太陽光）との間に窓２４を設けている。
【００４４】
窓２４は、光源から出射される光のうち選択吸収膜１６で吸収される波長領域の少なくとも一部を透過する材料から構成される。光源が太陽光の場合、窓２４は、例えば、石英、ガラス等とすることができる。
【００４５】
変形例３におけるポンプ１０６においても選択吸収膜１６を用いることによって多孔体１０の第１面と第２面との従来より大きな温度差を生じさせることができ、ポンプ１００の性能を高めることができる。さらに、窓２４を設けることによって、筐体２２の形状の自由度を高めることができる。
【００４６】
なお、ポンプ１０６の構成は、変形例１のポンプ１０２や変形例２のポンプ１０４にも同様に適用することができる。すなわち、変形例１のポンプ１０２や変形例２のポンプ１０４の構成に窓２４を適用してもよい。
【００４７】
［変形例４］
変形例４におけるポンプ１０８は、図９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に加えて窓２４及び透明断熱材２６を含んで構成される。本変形例では、選択吸収膜１６と光源（例えば、太陽光）との間に窓２４及び透明断熱材２６を設けている。
【００４８】
窓２４は、変形例３と同様に、光源から出射される光のうち選択吸収膜１６で吸収される波長領域の少なくとも一部を透過する材料から構成される。光源が太陽光の場合、窓２４は、例えば、石英、ガラス等とすることができる。
【００４９】
透明断熱材２６は、光源から出射される光のうち選択吸収膜１６で吸収される波長領域の少なくとも一部を透過する材料から構成される。特に、窓２４を透過する光のうち選択吸収膜１６で吸収される波長領域の少なくとも一部を透過する材料から構成される。透明断熱材２６は、窓２４と選択吸収膜１６との間に配置される。
【００５０】
また、透明断熱材２６の熱伝導率は、窓２４の１／２以下であることが好適である。例えば、透明断熱材２６は、細孔径が２００ｎｍ以下の気孔を有する多孔体とすることが好適である。具体的には、透明断熱材２６は、例えば、シリカエアロゲル等とすることができる。
【００５１】
変形例３におけるポンプ１０６においても選択吸収膜１６を用いることによって多孔体１０の第１面と第２面との従来より大きな温度差を生じさせることができ、ポンプ１００の性能を高めることができる。さらに、窓２４を設けることによって、筐体２２の形状の自由度を高めることができる。また、透明断熱材２６を設けることによって、第１空間における気体の対流による熱損失を低減させることができる。
【００５２】
なお、ポンプ１０８の構成は、変形例１のポンプ１０２や変形例２のポンプ１０４にも同様に適用することができる。すなわち、変形例１のポンプ１０２や変形例２のポンプ１０４の構成に窓２４及び透明断熱材２６を適用してもよい。
【００５３】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態におけるポンプ３００は、図１０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、筐体２２、窓２４及び透明断熱材２６を含んで構成される。
【００５４】
ポンプ３００では、変形例４の構成に比べて、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。
【００５５】
ポンプ３００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、ポンプ３００の性能を向上させることができる。
【００５６】
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。
【００５７】
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ポンプ３００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。
【００５８】
［変形例５］
変形例５におけるポンプ３０２は、図１１に示すように、多孔体１０、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を含んで構成される。本変形例では、基材１４と共に選択吸収膜１６に気体流路を形成した構成において、選択吸収膜１６と窓２４との間を透明断熱材２６で埋めた構成としている。変形例５の構成においても、ポンプ３００と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
なお、第２の実施の形態におけるポンプ３００及び変形例５におけるポンプ３０２の構成を変形例２〜変形例４に適用してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
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  石英窓、３２  筐体、３４  ハロゲンランプ、１００，１０２，１０４，１０６，１０８，３００，３０２  ポンプ、２００  試験装置。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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