JP6406236B2 - 熱遷移流ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱遷移流を利用したポンプ装置に関し、特にその構造に関する。

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。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が下記非特許文献１に記載されている。

Naveen K.Gupta and Yogesh B.Gianchandani、"Thermal transpiration in zeolites:A mechanism for motionless gas pumps"、APPLIED PHYSICS LETTERS 93、[online]、2008年11月14日、American Institute of Phsics、＜URL:http://dx.doi.org/10.1063/1.3025304＞

熱遷移流ポンプ装置において、多孔質体の表裏に温度差を生じさせるための冷却器または加熱器が装置の外形を大きくする。

本発明は、冷却器または加熱器を有効に利用して多孔質体の冷却または加熱を効率良く行い、また装置外形を小形とすることを目的とする。

本発明の熱遷移流ポンプ装置は、交互に積層されている複数の冷却板および複数の加熱板と、冷却板と加熱板の各間に位置し、冷却板との間に第１室を画定し、加熱板との間に第２室を画定する多孔質体を含む。多孔質体の冷却板に対面する第１面と加熱板に対面する第２面の間に温度差があると多孔質体中に第１面から第２面に向かう熱遷移流が生じる。第１室に通じる吸込み口と第２室に通じる吐出口とが設けられ、熱遷移流により生じた流れにより気体が吸込み口から第１室に吸い込まれ、また第２室から吐出口を通じて気体が吐出される。一つの多孔質体とこの多孔質体に隣接する冷却板および加熱板とにより単ポンプが形成され、この熱遷移流ポンプ装置は、単ポンプが積層された構造をなし、各単ポンプは並列接続されている。

冷却板、加熱板および多孔質体は、積層されて積層構造物を形成する。この積層構造物の積層方向に対して側方の第１側面に吸込み口を設けることができ、第１側面の反対側の第２側面に吐出口を設けることができる。

冷却板は、冷却板を冷やす冷却流体が内部を流れるものとすることができ、加熱板は、加熱板を温める加熱流体が内部を流れるものとすることができる。冷却流体と加熱流体は、積層構造物の第１側面と第２側面が対向する方向と交差する方向に流れるようにできる。

熱遷移流ポンプ装置が、複数の吸込み口に接続され、各吸込み口に取扱い気体を分配する分配室と、複数の吐出口に接続され、各吐出口からの取扱い気体を集合させる集合室とを有するようにできる。

複数の熱遷移流ポンプ装置を直列に接続し、多段熱遷移流ポンプ装置を形成することができる。このとき、直列接続された隣接する熱遷移流ポンプ装置の集合室と分配室が接続される。

冷却板、加熱板および多孔質体を積層することにより、冷却板および加熱板の表裏にそれぞれ多孔質体を配置することができ、冷却板、加熱板の表面積を有効に利用することができる。また、これにより装置を小形化することができる。

本実施形態の熱遷移流ポンプ装置１０の概略構成を示す断面図である。 冷却器４８を示す図である。 冷却器４８の断面図を示す図である。 加熱器５６を示す図である。 加熱器５６の断面を示す図である。 冷却器４８に多孔質体１６を取り付けた状態を示す図である。 図６の冷却器４８と多孔質体１６に加熱器５６を取り付けた状態を示す図である。 冷却流体および加熱流体の配管の一例を示す図である。 多段の熱遷移流ポンプ装置の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、熱遷移流ポンプ装置１０の概略構成を示す断面図である。熱遷移流ポンプ装置１０は、冷却板１２、加熱板１４および板状の多孔質体１６を積層して形成された積層構造体１８を有する。冷却板１２と加熱板１４は交互に積層され、これらの間に多孔質体１６が位置する。したがって、多孔質体１６は、一方の面が冷却板１２に対面し、この面と反対側の面が加熱板１４に対面する。冷却板１２と多孔質体１６は、これらの間に第１室２０を画定する。また、加熱板１４と多孔質体１６は、これらの間に第２室２２を画定する。多孔質体１６と、冷却板１２または加熱板１４の隙間はシール材２４にて封止され、第１室２０と第２室２２は隔離される。

多孔質体１６は、第１室２０と第２室２２を連通する多数の細孔を有し、この細孔の孔径は、取扱い対象となる気体（以下、取扱い気体と記す。）の分子の平均自由行程（大気圧下では６０〜７０ｎｍ程度）の５倍以下、例えば６０ｎｍ程度に形成されている。多孔質体１６の材料としては、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。前記の細孔を有する多孔質体１６内においては、気体は希薄気体として振る舞い、多孔質体１６の表裏に温度差が生じると、温度の低い側から高い側に向けて、熱遷移流と呼ばれる気体の流れが発生する。多孔質体１６の一方の面が、この面に対向する冷却板１２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加熱板１４に温められる。これにより、多孔質体１６の表裏の面に温度差が生じ、多孔質体内に熱遷移流が発生する。この流れにより気体が第１室２０から多孔質体１６を通って第２室２２に送られ、一つの多孔質体１６と、これを挟んで位置する冷却板１２および加熱板１４が、一つのポンプとして機能する。このポンプを単ポンプ２６と記す。冷却板１２、加熱板１４および多孔質体１６が積層された積層構造体１８は、単ポンプ２６が積層された構造体でもある。

第１室２０に対応して吸込み口２８が設けられ、単ポンプ２６は吸込み口２８を介して取扱い気体を吸い込む。第２室２２に対応して吐出口３０が設けられ、単ポンプ２６は吐出口３０を介して取扱い気体を吐出する。この熱遷移流ポンプ装置１０においては、吸込み口２８は、隣接する２個の単ポンプ２６に対して１個が設けられ、吐出口３０も、隣接する２個の単ポンプ２６に対して１個が設けられている。吸込み口２８は、積層構造体１８の、積層方向に対して側方の１つの側面に設けられ、吐出口３０は、吸込み口２８が設けられた側面とは反対側の側面に設けられている。積層構造体１８の、吸込み口２８が設けられた側面を吸込み側側面３２、吐出口３０が設けられた側面を吐出側側面３４と記す。

積層構造体１８を構成する単ポンプ２６は並列接続され、取扱い気体は各吸込み口２８に分配して供給され、各吐出口３０から吐出された取扱い気体は集合される。

積層構造体１８の吸込み側側面３２に対向して分配箱３６が配置され、分配箱３６と吸込み側側面３２により分配室３８が画定される。各単ポンプ２６の吸込み口２８が分配室３８に対向する。分配箱３６には吸込み管４０が接続され、吸込み管４０から分配室３８に送られた取扱い気体が吸込み口２８を介して各単ポンプ２６に分配される。積層構造体１８の吐出側側面３４に対向して集合箱４２が配置され、集合箱４２と吐出側側面３４により集合室４４が画定される。各単ポンプ２６の吐出口３０が集合室４４に対向する。各単ポンプ２６の吐出口３０から吐出された取扱い気体が集合室４４で集合し、集合箱４２に接続されている吐出管４６から吐出される。

図２，３は、冷却板１２を含む冷却器４８の構成を示す図である。図２は、冷却器４８を吸込み側側面３２から視た図であり、図３は、図２中のＡ−Ａ線による断面図である。この熱遷移流ポンプ装置１０においては、冷却器４８は冷却板１２から構成される。冷却器４８および冷却板１２の外形は、長方形（正方形を含む。以下同じ。）の板形状であり、長方形の一辺に、この辺に沿って延びる細長い吸込み口２８が形成されている。冷却板１２内には、吸込み口２８から延び、途中で分岐し、冷却板１２の表裏に開口する吸込み流路５０が形成されている。吸込み流路５０は、吸込み口２８の形状とほぼ同じ断面形状を有する。冷却板１２内には、冷却流体が流れる冷却流体流路５２が設けられ、冷却流体流路５２は外部の冷却流体配管５４，５５に接続されている。冷却流体流路５２は、直線状の複数本が並行に配置されてもよく、また１本または複数本が冷却板１２内で蛇行するように配置されてもよい。また、冷却板１２内を空洞とし、冷却流体配管５４からこの空洞内に冷却流体が供給され、空洞内から冷却流体配管５５へと排出されるようにしてもよい。冷却板１２の材質として、熱伝導性の良い材料、例えば金属、好ましくはアルミニウムを採用することができる。

図４，５は、加熱板１４を含む加熱器５６の構成を示す図である。図４は、加熱器５６を吸込み側側面３２から視た図であり、図５は、図４中のＢ−Ｂ線による断面図である。この熱遷移流ポンプ装置１０においては、加熱器５６は、加熱板１４と加熱板の周囲を囲むように設けられた周囲壁５８から構成される。加熱板１４は、長方形の板形状であり、一辺に吐出口３０が形成されている。吐出口３０は、図２に示す吸込み口２８と同様、一辺に沿って延びる細長い形状を有する。加熱板１４内には、吐出口３０から延び、途中で分岐し、加熱板１４の表裏に開口する吐出流路６０が形成されている。吐出流路６０は、吐出口３０の形状とほぼ同じ断面形状を有する。加熱板１４内には、加熱流体が流れる加熱流体流路６２が設けられ、加熱流体流路６２は外部の加熱流体配管６４，６５に接続されている。加熱流体流路６２は、直線状の複数本が並行に配置されてもよく、また１本または複数本が加熱板１４内で蛇行するように配置されてもよい。また、加熱板１４内を空洞とし、加熱流体配管６４からこの空洞内に加熱流体が供給され、空洞内から加熱流体配管６５へと排出されるようにしてもよい。加熱板１４の材質として、熱伝導性の良い材料、例えば金属、好ましくはアルミニウムを採用することができる。周囲壁５８は、加熱板１４の表裏両側に設けられ、それぞれの側において、加熱板１４と共に、１面が開放した空間を画定する。周囲壁５８は、断熱性の高い材料、例えば樹脂材料とすることができる。また、周囲壁５８を高い熱伝導性の材料で形成した場合には、加熱板１４からの熱伝導を抑制するために、樹脂材料等の断熱性の高い材料を介して加熱板１４と周囲壁５８を接続することが好ましい。

図６，７は、単ポンプ２６の組み立てに関する説明図である。図６は、冷却器４８（冷却板１２）に多孔質体１６を取り付けた状態を示す図である。多孔質体１６は、冷却板１２より一回り小さい長方形である。冷却板１２の表裏両側に多孔質体１６がシール材２４を介して取り付けられる。シール材２４は、多孔質体１６の周囲を巡るように配置され、全周において多孔質体１６と冷却板１２の間を封止する。シール材２４は、接着剤であってよい。多孔質体１６は、冷却板１２に対して隙間を設けて取り付けられ、この隙間が第１室２０となる。吸込み口２８から延びる吸込み流路５０は、第１室２０に対して開口する。

図７は、図６の状態からさらに加熱器５６を取り付けた状態を示す図である。冷却器４８に加熱器５６の周囲壁５８の端面を当接して、冷却器４８に加熱器５６を取り付ける。冷却板１２と加熱板１４は、ほぼ同じ形状であり、周囲壁５８は冷却器４８（冷却板１２）の周縁に当接する。また、周囲壁５８と冷却器４８の接合部分は、接着剤などにより封止される。多孔質体１６は、加熱板１４と周囲壁５８により画定された空間に収容され、周囲壁５８により周囲を囲まれる。冷却器４８に加熱器５６を取り付けた状態で、加熱板１４と多孔質体１６の間には、隙間が形成され、この隙間が第２室２２となる。吐出口３０から延びる吐出流路６０は、第２室２２に対して開口する。多孔質体１６と、これの両側に位置する冷却器４８および加熱器５６により単ポンプ２６が形成される。

図７に示される１個の冷却器４８と１個の加熱器５６からなるユニットを積層することにより、図１に示される積層構造体１８を形成することができる。ただし、最上段に位置する冷却器４８は、下側にのみ多孔質体１６が取り付けられ、最下段に位置する冷却器４８は、上側にのみ多孔質体１６が取り付けられる。前述のように、この熱遷移流ポンプ装置１０においては、冷却板１２および加熱板１４が長方形であるので、これらを積層した積層構造体１８は直方体または四角柱となる。吸込み口２８と吐出口３０は、直方体の積層構造体１８の、積層方向（各図において上下方向）に対して側方の側面のうち、対向する２つの側面にそれぞれ設けられる。したがって、取扱い気体は、吸込み口２８から吐出口３０へと流れ、概略的に、積層方向に対して直交する方向に流れる。冷却流体配管５４，５５は、吸込み口２８および吐出口３０が設けられた側面以外の２つの側面に対して設けられ、冷却流体は、概略的に、一方の側面から他方の側面へと流れ、積層方向に対して直交し、かつ取扱い気体の流れに対しても直交する方向に流れる。加熱流体配管６４，６５は、吸込み口２８および吐出口３０が設けられた側面以外の２つの側面に対して設けられ、加熱流体は、概略的に、一方の側面から他方の側面へと流れ、積層方向に対して直交し、かつ取扱い気体の流れに対しても直交する方向に流れる。

図８は、各冷却器４８および各加熱器５６に冷却流体または加熱流体を送る配管を示す図である。積層構造体１８は、吸込み口２８が設けられた吸込み側側面３２が正面を向いた状態で示されている。入口側の冷却流体配管５４には、冷却流体分配管６６が接続され、冷却流体が分配されて各冷却器４８に供給される。出口側の冷却流体配管５５には、冷却流体集合管６８が接続され、各冷却器４８からの冷却流体を集合させる。入口側の加熱流体配管６４には、加熱流体分配管７０が接続され、加熱流体が分配されて各加熱器５６に供給される。出口側の加熱流体配管６５には、加熱流体集合管７２が接続され、各加熱器５６からの加熱流体を集合させる。

冷却板１２と加熱板１４によって、多孔質体１６の表裏に温度差が生じると多孔質体１６内に冷やされた面の側の第１室２０から、温められた面の側の第２室２２に向かう熱遷移流が発生する。この熱遷移流に駆動されて、吸込み口２８から取扱い気体が第１室２０に吸い込まれ、第２室２２内の取扱い気体が吐出口３０から吐出される。１つの吸込み口２８から吸い込まれた取扱い気体は、分岐して冷却板１２の表裏に形成された２つの第１室２０それぞれ流入する。また、加熱板１４の表裏に形成された２つの第２室２２内の取扱い気体は、合流して１つの吐出口３０から吐出される。

図９は、図１に示す熱遷移流ポンプ装置１０を２個繋げた多段熱遷移流ポンプ装置７４を示す図である。２個の熱遷移流ポンプ装置１０Ａ，１０Ｂの構成は、前述の熱遷移流ポンプ装置１０と同一の構成を有する。前段の熱遷移流ポンプ装置１０Ａの吐出管４６に後段の熱遷移流ポンプ装置１０Ｂを接続して２段構成とする。さらに、段を増やしてもよい。

熱遷移流ポンプ装置１０，１０Ａ，１０Ｂにおいて、各冷却板１２（ただし、上端、下端の冷却板は除く）および各加熱板１４のそれぞれについて表裏両面に多孔質体１６を配置したことで、冷却板１２および加熱板１４の表裏両面を有効に利用することができ、装置の体積を減らすことができる。

冷却板、加熱板および多孔質体は、長方形板形状に限らず、他の多角形、円形などの板形状とすることもできる。また、冷却板、加熱板および多孔質体は、それぞれ異なる形状とすることができる。例えば、冷却板、加熱板は長方形とし、多孔質体は円形とすることができる。

周囲壁は、加熱板でなく冷却板に設けてもよく、また加熱板の一方の面と冷却板の一方の面に設けてもよい。多孔質体を取り付けるのは、冷却板でなく加熱板であってもよく、また冷却板と加熱板に１つずつ取り付けてもよい。

冷却流体および加熱流体は、液体であっても、気体であってもよい。一方が液体で、他方が気体であってもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 熱遷移流ポンプ装置、１２ 冷却板、１４ 加熱板、１６ 多孔質体、１８ 積層構造体、２０ 第１室、２２ 第２室、２４ シール材、２６ 単ポンプ、２８ 吸込み口、３０ 吐出口、３２ 吸込み側側面、３４ 吐出側側面、３６ 分配箱、３８ 分配室、４０ 管、４２ 集合箱、４４ 集合室、４６ 吐出管、４８ 冷却器、５０ 吸込み流路、５２ 冷却流体流路、５４，５５ 冷却流体配管、５６ 加熱器、５８ 周囲壁、６０ 吐出流路、６２ 加熱流体流路、６４，６５ 加熱流体配管、６６ 冷却流体分配管、６８ 冷却流体集合管、７０ 加熱流体分配管、７２ 加熱流体集合管、７４ 多段熱遷移流ポンプ装置。

Claims (5)

1. 交互に積層されている複数の冷却板および複数の加熱板と、
   複数の冷却板および複数の加熱板と共に積層され、冷却板と加熱板の各間に位置し、冷却板との間に第１室を画定し、加熱板との間に第２室を画定する多孔質体であって、冷却板に対面する第１面と加熱板に対面する第２面の間に温度差があると当該多孔質体中に第１面から第２面に向かう熱遷移流が生じる、多孔質体と、
   第１室に通じる吸込み口と、
   第２室に通じる吐出口と、
   を有し、
   多孔質体のそれぞれは、当該多孔質体の両側の冷却板および加熱板と共に単ポンプを形成し、各単ポンプが並列接続されている、
   熱遷移流ポンプ装置。
2. 請求項１に記載の熱遷移流ポンプ装置であって、冷却板、加熱板および多孔質体が積層されている積層構造物の、積層方向に対して側方の第１側面に吸込み口が設けられ、第１側面の反対側の第２側面に吐出口が設けられている、熱遷移流ポンプ装置。
3. 請求項２に記載の熱遷移流ポンプ装置であって、冷却板内に冷却流体が流れ、加熱板内に加熱流体が流れ、冷却流体と加熱流体は、積層構造物の第１側面と第２側面の対向方向と交差する方向に流れる、熱遷移流ポンプ装置。
4. 請求項３に記載の熱遷移流ポンプ装置であって、複数の吸込み口に接続されており、吸込み口に取扱い気体を分配する分配室と、複数の吐出口に接続されており、吐出口からの取扱い気体を集合させる集合室と、を有する、熱遷移流ポンプ装置。
5. 請求項４に記載された熱遷移流ポンプ装置を複数備え、ある熱遷移流ポンプ装置の集合室と別の熱遷移流ポンプ装置の分配室が接続され、複数の熱遷移流ポンプ装置が直列接続されている、多段熱遷移流ポンプ装置。

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