(57)【要約】【課題】熱駆動ポンプの向きに関係なく、蒸気泡の発生及び成長と収縮を活発にさせるとともにポンプ内部の流体が通過する気液交換室内の流路抵抗を小さくしてポンプ効率を向上させた熱駆動ポンプを提供する。【解決手段】吸込孔（５）及び吐出孔（６）が、吐出孔からの流体の流出と吸込孔からの液体の流入により気液交換室（４ａ）内の液体をその内壁（４ｂ）に沿って回動させるように内壁（４ｂ）に対して配置され、前記気液交換室内の液体の回動により、凹部（２）から成長して気液交換室内へ突出する蒸気泡を凹部（２）に対して側方に変形させ且つ冷えた液体により、次の蒸気泡を発生させるための液体を凹部（２）に侵入させるようにした熱駆動ポンプを提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する加熱部と、内部に気液交換室を有し、外気液交換室と連通した吸込孔及び吐出孔を有し、且つ吸込孔と吐出孔に吸込側及び吐出側の逆止弁及び導管をそれぞれ接続した気液交換部と、を含み、気液交換室は、加熱部の凹部と連通しており、加熱部からの加熱により凹部内の液体から発生した蒸気泡の成長及び冷たい液体との接触による蒸気泡の収縮から起こる、気液交換室内の液体の容積変動、それに伴う圧力変動により前記気液交換室内の液体を吐出側の逆止弁を通して導管へ吐出させ、吸込側逆止弁を通して液体を吸込側導管から気液交換室に流入させるようにして液体を移動させる熱駆動ポンプにおいて、前記吸込孔及び吐出孔は、吐出孔からの液体の吐出と吸込孔からの液体の流入により前記気液交換室内の液体を気液交換室の内壁に沿って回動させるように前記内壁に対して配置され、前記気液交換室内の液体の回動により、凹部から成長して気液交換室内へ突出する蒸気泡を凹部に対して側方に変形させ且つ冷たい液体によりて次の蒸気泡を発生させるための液体を凹部に侵入させるようにしたことを特徴とする熱駆動ポンプ。
【請求項２】
気液交換室は水平な中心軸線を有する円形内壁を有し、加熱部は円形内壁の中心軸線を含む平面に配置され、吸込孔及び吐出孔は、前記平面の両側で、気液交換室の円形内壁に対して接線方向に延びている、請求項１に記載の熱駆動ポンプ。
【請求項３】
気液交換室は垂直な中心軸線を有する円形内壁を有し、加熱部は円形内壁に隣接してその中心軸線を含む平面に配置され、吸込孔及び吐出孔は、前記平面の両側で、気液交換室の円形内壁に対して接線方向に延びている、請求項１に記載の熱駆動ポンプ。
【請求項４】
気液交換室の内壁は、液体の円滑な回動を保証する種々の曲面で構成されている、請求項１に記載の熱駆動ポンプ。
【請求項５】
気液交換室内に島を設けて島と気液交換室の内壁との間に液体をドーナツ状に回動させる流路を形成した、請求項２又は３に記載の熱駆動ポンプ。
【請求項６】
気液交換室内に、加熱部の凹部に隣接してその上流側に整流ベーンを設け、整流ベーンと気液交換室の内壁との間に液体の流速を増大させる流路を形成した請求項２又は３に記載の熱駆動ポンプ。
【請求項７】
気液交換室の内壁は球形であり、球の中心を含む平面に加熱部が位置し、吸込孔及び吐出孔は、前記平面の両側で、気液交換室の球形内壁に対して接線方向に延びている、請求項１に記載の熱駆動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、熱駆動ポンプに関し、特に、防寒服や家屋の暖房装置のための熱駆動ポンプに関する。また、本発明による熱駆動ポンプは、本出願人の所有する特許第３，０８８，１２７号に記載された携帯式熱伝達装置に用いることができる。更に、本発明による熱駆動ポンプは、本出願人の所有する特許第３，０８８，１２７号明細書に記載された携帯式熱伝達装置に使用することができ、また本出願人の所有する特許第２，６２２，８１１号、特許第２，５１９，９５９号、特許第２，５９４，４４６号及び特許第２，７５１，０５１号にも用いることができる。本発明は、特に、本出願人が所有する特許第２，０１３，０９６号に記載された発明を更に発展させたものである。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
蒸気泡の膨張・収縮作用を利用したポンプは従来から知られそして現に存在しているが、ポンプの動作が不安定でかつポンプ効率の悪いものであった。本出願人が所有する特許第１，７７６，３１１号は、安定した動作を可能とした熱駆動ポンプを提供し、特許第２，０１３，０９６号は、更に高い動作安定性（負荷等によりポンプの停止が少なくなる）を有し且つ重力などに影響されにくい熱駆動ポンプを提供した。特許第３，０８８，１２７号で提案した携帯式熱伝達装置は、このような熱駆動ポンプを利用したものであるが、熱駆動ポンプは、これを使用する向きによっては動作が安定しないことが分かった。そこで熱駆動ポンプをどのような向き（重力の方向が変わる）でも安定的に動作させるために、特許第２，０１３，０９６号で提案したように、成長した蒸気泡を確実に収縮させるようにした凝縮管を熱駆動ポンプに導入する必要があった。一方、ポンプ作用を向上させるためには、蒸気泡の成長・収縮を活発にさせるとともにポンプ内部の液体が通過する気液交換室内の流路抵抗を少なくしなければならない。しかしながら、特許第２，０１３，０９６号で提案されているような形式の気液交換室や凝縮管の存在が流路抵抗を増大（凝縮管が無いタイプのものと比較して）させ、ポンプ効率を低下させている。
【０００３】
従って、本発明の目的は、熱駆動ポンプの向きに関係なく、蒸気泡の発生及び成長と収縮を活発にさせるとともにポンプ内部の流体が通過する気液交換室内の流路抵抗を小さくしてポンプ効率を向上させた熱駆動ポンプを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、凹部を有する加熱部と、内部に気液交換室を有し、外気液交換室と連通した吸込孔及び吐出孔を有し、且つ吸込孔と吐出孔に吸込側及び吐出側の逆止弁及び導管をそれぞれ接続した気液交換部と、を含み、気液交換室は、加熱部の凹部と連通しており、加熱部からの加熱により凹部内の液体から発生した蒸気泡の成長及び冷たい液体との接触による蒸気泡の収縮から起こる、気液交換室内の液体の容積変動、それに伴う圧力変動により前記気液交換室内の液体を吐出側の逆止弁を通して導管へ吐出させ、吸込側逆止弁を通して液体を吸込側導管から気液交換室に流入させるようにして液体を移動させる熱駆動ポンプにおいて、前記吸込孔及び吐出孔は、吐出孔からの液体の吐出と吸込孔からの液体の流入により前記気液交換室内の液体を気液交換室の内壁に沿って回動させるように前記内壁に対して配置され、前記気液交換室内の液体の回動により、凹部から成長して気液交換室内へ突出する蒸気泡を凹部に対して側方に変形させ且つ冷たい液体によりて次の蒸気泡を発生させるための液体を凹部に侵入させるようにしたことを特徴とする熱駆動ポンプを提供する。
【０００５】
本発明の好ましい実施形態では、気液交換室は水平な中心軸線を有する円形内壁を有し、加熱部は円形内壁の中心軸線を含む平面に配置され、吸込孔及び吐出孔は、前記平面の両側で、気液交換室の円形内壁に対して接線方向に延びる。
別の実施形態では、気液交換室は垂直な中心軸線を有する円形内壁を有し、加熱部は円形内壁に隣接してその中心軸線を含む平面に配置され、吸込孔及び吐出孔は、前記平面の両側で、気液交換室の円形内壁に対して接線方向に延びる。
気液交換室の内壁は、必ずしも円形である必要はなく、ただし液体の円滑な回動を保証するような種々の曲面で構成されてもよい。
【０００６】
本発明の更なる実施形態では、気液交換室内に島を設けて島と気液交換室の内壁との間に液体をドーナツ状に回動させる流路を形成してもよい。また、気液交換室内に、加熱部の凹部に隣接してその上流側に整流ベーンを設け、整流ベーンと気液交換室の内壁との間に液体の流速を増大させる流路を形成してもよい。
【０００７】
【発明の実施形態】
図１及び２は本発明による熱駆動ポンプの一実施形態の断面図及び側面図である。熱駆動ポンプは、銅等の高熱伝導性材料で作られた加熱部１を含み、加熱部１には、上方に開口した凹部２が形成され、この凹部２は気泡の発生を容易にするために円錐形のＶキャビティの形態のものであるのが好ましい。気液交換部４が、加熱部１からの熱が気液交換部に伝わりにくくする、例えばステンレス綱等の低熱伝導性材料で作られた結合部３を介して加熱部１に結合され、且つ凹部２と連通した気液交換室４ａを有している。この例では、気液交換室４ａは水平な中心軸線を有する円形内壁４ｂを有し、加熱部１は円形内壁４ｂの中心軸線を含む平面に配置され、吸込孔５及び吐出孔６は、前記平面の両側で、気液交換室４ａの円形内壁４ｂに対して接線方向に延びている。吸込孔５は、加熱部１の凹部２の上流側でこれに隣接して位置し、吐出孔６は、加熱部１の凹部２の下流側でそこから遠く離れて位置している。吸込孔５と吐出孔６には、逆止弁７と吸込側導管８、逆止弁９と吐出側導管１０がそれぞれ接続されている。吸込側導管８及び吐出側導管１０は、熱負荷部を含む液体循環流路を構成してもよいし、或いは液体を移動させる単なる流体流路を構成していてもよいことは当業者において容易に理解されよう。
【０００８】
本発明による熱駆動ポンプに液体を満たし、加熱部１を外部熱源により加熱すると、凹部２であるＶキャビティの先端部の液体がいち早く加熱されて昇温して蒸気泡が発生する。この蒸気泡にＶキャビティの壁面より蒸発した蒸気が加わり、蒸気泡は、Ｖキャビティ内で成長し、ついには気液界面１１が気液交換室４ａ内に突出して行く。この時、成長した蒸気泡に相当する容積の液体が気液交換室４ａから吐出孔６を通り、吐出側の逆止弁９を開け、吐出側の導管１０へ吐出される。突出した蒸気泡は気液交換室内に満たされた冷えた液体により直ちに冷却されて収縮を始める。このことにより、気液交換室４ａは減圧され、吐出側逆止弁９は閉じ、吸込側逆止弁８が開き、冷えた液体が吸込側導管８から吸込側逆止弁７を通り、吸込孔５より勢い良く気液交換室４ａに吸い込まれる。
【０００９】
液体が吸込孔５より吸い込まれて気液交換室４ａに勢い良く入ってくるのは、気液交換部４の気液交換室４ａが円形であり、吸込孔５が気液交換室の円形内壁４ｂに対して接線方向に開口しているためである。気液交換室４ａに流入する液体の運動エネルギーは気液交換室４ａ内の液体１２に回転エネルギーを与え、これにより、液体１２は、図に矢印で示すように、気液交換室の中心軸線を中心に時計回りに回動を起こす。一方、加熱部で液体が加熱されると、次の蒸気泡が成長して、気液交換室内に突出し、気液界面１１は回動した液体１２に晒されて、下流方向に変形され、その分、上流側では、次の蒸気泡を発生させるための冷えた液体が凹部２内に侵入し易くなる。液体が気液交換室内で常に回動を起こしているために、熱駆動ポンプの向きに関係なく冷えた液体が蒸気泡の気液界面に当たり、成長した蒸気泡を強力に収縮させることができる。このことにより、本発明による熱駆動ポンプでは蒸気泡の発生・成長と収縮が活発に行われる。
【００１０】
本発明の熱駆動ポンプでは、加熱部に熱を加えて間もない時や加熱量が少ないときには、気液交換室内で１個の蒸気泡の成長と収縮が起こり、それによりポンプ作用が繰り返されるが、加熱量が多くなって、吸い込む液体の温度が高くなったりすると、気液交換室内に数個の蒸気泡が別々に又は連なって存在するようになる。つまり、蒸気泡が収縮しきれないで気液交換室内に残っている間に新たな蒸気泡が加熱部の凹部より成長してくる。このような状況下では、複数個の蒸気泡が気液交換室内に常に存在することになる。この状態でのポンプ作用、即ち吐出側逆止弁の開放は、これら複数個の蒸気泡の容積変化の総和で行われる。気液交換室内の圧力が導管内の圧力よりも低くなると、吐出側の逆止弁が閉じ、吸込側の逆止弁が開き、導管より冷えた液体が気液交換室に導入され、導管内の圧力よりも高くなると、吸込側の逆止弁が閉じ、吐出側の逆止弁が開いて気液交換室より液体が導管へ吐き出される。
【００１１】
液体の回動方向は、図１に示す実施形態では、時計回りの方向であるが、これは、吸込孔、吐出孔の設置位置により決定され、反時計周りの方向であっても全く問題はない。液体がはずみ車のように回転し続けることが蒸気泡を素早く収縮させるために必要であが、この場合、回転軸線周りの慣性モーメントが大きい方が有利であることは容易に理解されよう。従って同一容積の気液交換室であれば、図３に示すように、気液交換室は円筒形態よりも厚さの薄いディスク形態の方が有利である。しかし、気液交換室の厚さをあまり薄くすると、気液交換室の壁面との流体の粘性抵抗が増大し、液体が回動しにくくなるとともに、液体がポンプを通過しにくくなるので厚さには設計上自ずと限度がある。
【００１２】
図４及び５は本発明による熱駆動ポンプの熱駆動ポンプの気液交換部４に設けられる吸込孔５及び吐出孔６の異なる構成を示している。図４に示す実施形態では、吸込孔５び吐出孔６は両方とも加熱部と反対側にあって、気液交換室４ａの円形内壁４ｂに対して接線方向に互いに平行に形成されている。図５に示す実施形態では、吸込孔５及び吐出孔６は、加熱部１の凹部２に隣接して気液交換部４の気液交換室４ａの円形内壁４ｂに対して接線方向で、互いに一直線上に形成されている。
【００１３】
図６及び７は本発明の熱駆動ポンプの変形実施形態を示し、この例では、気液交換部４の気液交換室４ａは垂直な中心軸線を有する円形内壁４ｂを有し、加熱部１は円形内壁に隣接してその中心軸線を含む平面に配置される。吸込孔５及び吐出孔６は、前記平面の両側で、気液交換室４ａの円形内壁４ｂに対して接線方向に延びる。
【００１４】
気液交換室４ａの内壁は、必ずしも円形である必要はなく、図８に示すように、液体の円滑な回動をもたらす色々な曲面で構成された形態のものであってもよい。この場合、内壁を、吸込孔に向かって液体の回動を速めるように構成する。
【００１５】
図９は本発明の熱駆動ポンプの更なる実施形態を示し、この例では、気液交換室４ａ内に島１３を設けて島１３と気液交換室４ａの内壁４ｂとの間に液体をドーナツ状に回動させる流路が形成されている。島１３は、該島１３と気液交換室４ａの内壁４ｂとの間の流路に、加熱部１の凹部２に隣接してその上流側に液体の流速を増大させるための狭窄部１４を形成するように形作られてもよい。同様な観点から、島の代わりに、図１０に示すように、気液交換室４ａ内に、加熱部１の凹部２に隣接してその上流側に整流ベーン１５を設け、整流ベーン１５と気液交換室の内壁４ｂとの間に液体の流速を増大させる狭窄部１４ａを形成してもよい。いずれの場合においても、増大した流速の液体により、加熱部１の凹部２から膨出した蒸気泡を大きく変形させ、凹部における気液の交換をより急速に行わせることができる。
【００１６】
図１１は、本発明による熱駆動ポンプの更なる実施形態を示し、この例では、気液交換部４の気液交換室４ａは球形の内壁を有し、液体を球面上を回動させる。
【００１７】
図１に示す加熱部１は、その凹部２が気液交換室の中心軸線を含む平面と整合するように位置決めされているが、加熱部１は、図１２に示すように、その凹部２の中心線が気液交換室４ａの中心軸線を含む平面から下流側に所定距離ｄだけオフセットして配置されてもよい。後者の場合には、Ｖキャビティで成長した蒸気泡がより広い部分で液体の回動流れを受けることになり、これは蒸気泡の収縮にとって有利である。
【００１８】
本発明によれば、気液交換室内での液体の回動流れの速度分布を調べた結果、気液交換室の円形内壁に向かう程流速は増加して行くが、壁面では流体がその粘性による剪断力を受けるために壁面の近くでは流速は急激に減少することがわかった。図１３は、このことを考慮して設計された加熱部１を示す。即ち、加熱部１の内端を、流速が最大になるような気液交換室の壁面より少し内側に突出させて凹部２を気液交換室４ａの内壁４ｂから離して開口させたものである。この例では、凹部２から突出した蒸気泡がより速い液体の流れの中に晒されより速く変形・収縮を受けることになる。
【００１９】
上記の説明から、本発明は、より簡単な気液交換室を有し、流路抵抗が小さくなり、ポンプ作用が促進され従ってポンプ効率が増大した熱駆動ポンプを提供していることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱駆動ポンプの縦断面図である。
【図２】図１に示す熱駆動ポンプの側面図である。
【図３】熱駆動ポンプの気液交換室の形態を示す説明図である。
【図４】本発明による熱駆動ポンプの別の実施形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明による熱駆動ポンプの更に別の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】本発明による熱駆動ポンプの更に他の実施形態の横断面図である。
【図７】図６に示す熱駆動ポンプの正面図である。
【図８】本発明による熱駆動ポンプの更に他の実施形態を示す縦断面図である。
【図９】本発明による熱駆動ポンプの更に他の実施形態の縦断面図である。
【図１０】本発明による熱駆動ポンプの更なる実施形態の断片的な断面図である。
【図１１】本発明による熱駆動ポンプの更なる実施形態の斜視図である。
【図１２】加熱部の凹部と気液交換室との関係を示す変形実施形態の断片的な縦断面図である。
【図１３】本発明による熱駆動ポンプの更に他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１    加熱部
２    Ｖキャビティ
３    結合部
４    気液交換部
４ａ  気液交換室
５    吸込孔
６    吐出孔
７    逆止弁
８    導管
９    逆止弁
１０    導管
１１    気液界面
１２    液体
１３    島
１４    狭窄部
１５    整流ベーン
【図１】
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【図２】
2004169603.tif 000004
【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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【図１２】
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【図１３】
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