JP6658207B2 - heat pump - Google Patents

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Description

本発明は、熱遷移流ポンプ、および熱遷移流ポンプにより熱媒体を送るヒートポンプに関する。   The present invention relates to a thermal transition flow pump and a heat pump that sends a heat medium by the thermal transition flow pump.

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気体の流れが誘起される。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。   In the case of a lean gas, if there is a surface having a temperature gradient in the lean gas, a gas flow from a low-temperature portion to a high-temperature portion is induced along the surface. This flow is called a thermal transition flow. Whether a gas is lean or not is determined by the ratio between the mean free path of gas molecules and the representative length of the system to be treated.Thus, even in a dense gas such as under atmospheric pressure, a gas in a nanoporous material with a pore size of about several Behaves as a rarefied gas. When a temperature difference is generated between the front and back surfaces of the porous body, the gas in the porous body flows from a surface having a lower temperature to a surface having a higher temperature. Non-Patent Document 1 below describes a thermal transition flow pump device using a porous body that induces such a thermal transition flow.

下記非特許文献１では、多孔質体としてゼオライトが採用されている。また、多孔質体としてシリカエアロゲルを採用した熱遷移流ポンプも知られている。シリカエアロゲルは、二酸化ケイ素材料の内部に細孔が多数形成された材料である。   In Non-Patent Document 1 below, zeolite is employed as a porous body. A thermal transition flow pump employing silica airgel as a porous body is also known. Silica airgel is a material in which many pores are formed inside a silicon dioxide material.

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

上記のゼオライトまたはシリカエアロゲルを採用した熱遷移流ポンプは、主に大気圧下での使用を想定したものであり、低真空などの低圧環境下での使用に必ずしも適しているとはいえない。   The thermal transition flow pump employing the above-mentioned zeolite or silica airgel is mainly intended for use under atmospheric pressure, and is not necessarily suitable for use in a low-pressure environment such as a low vacuum.

本発明は、低圧環境下の使用に好適な熱遷移流ポンプを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a thermal transition flow pump suitable for use in a low-pressure environment.

本発明に係る熱遷移流ポンプは、熱遷移流を発生させる多孔質体として細孔径が０．５〜５μｍの石英繊維フィルタを採用している。本発明に係る熱遷移流ポンプは、ハウジングを有し、ハウジングを第１室と第２室に分割するように上記の石英繊維フィルタが配置される。さらに、石英繊維フィルタの第１室側の面を冷却する冷却器と、石英繊維フィルタの第２室側の面を加熱する加熱器と、が備えられ、冷却器および加熱器により発生する石英繊維フィルタ表裏の温度差により、石英繊維フィルタ内に熱遷移流が発生し、石英繊維フィルタを介して第１室から第２室への流れが形成される。   The thermal transition flow pump according to the present invention employs a quartz fiber filter having a pore diameter of 0.5 to 5 μm as a porous body for generating a thermal transition flow. A thermal transition flow pump according to the present invention has a housing, and the quartz fiber filter is arranged so as to divide the housing into a first chamber and a second chamber. Further, a cooler for cooling the surface of the quartz fiber filter on the first chamber side and a heater for heating the surface of the quartz fiber filter on the second chamber side are provided, and the quartz fiber generated by the cooler and the heater is provided. Due to the temperature difference between the front and back of the filter, a thermal transition flow is generated in the quartz fiber filter, and a flow from the first chamber to the second chamber is formed via the quartz fiber filter.

ハウジングは、内部の圧力が１０ｋＰａ以下にされているものとすることができる。   The housing may have an internal pressure of 10 kPa or less.

上記の熱遷移流ポンプを用いてヒートポンプを構成することができる。１個または複数個の上記の熱遷移流ポンプを用いて熱遷移流ポンプユニットが構成される。複数個の熱遷移流ポンプを用いる場合、これらの熱遷移流ポンプは直列に接続される。熱遷移流ポンプユニットの一端の第１室に熱媒体を蒸発させる蒸発器が接続され、他端の第２室に熱媒体を凝縮させる凝縮器が接続される。熱遷移流ポンプユニットにより熱媒体を蒸発器から凝縮器に送る。   A heat pump can be configured using the above-described thermal transition flow pump. A thermal transition flow pump unit is configured using one or more thermal transition flow pumps. When using a plurality of thermal transition flow pumps, these thermal transition flow pumps are connected in series. An evaporator for evaporating the heat medium is connected to the first chamber at one end of the thermal transition flow pump unit, and a condenser for condensing the heat medium is connected to the second chamber at the other end. A heat transfer medium pumps heat medium from the evaporator to the condenser.

熱媒体は、水とすることができ、このとき、ハウジング内部の圧力を１０ｋＰａ以下とすることができる。   The heat medium can be water, and at this time, the pressure inside the housing can be 10 kPa or less.

加熱器の熱源を、当該ヒートポンプの外部に設置された装置の廃熱とすることができる。   The heat source of the heater can be the waste heat of a device installed outside the heat pump.

石英繊維フィルタを用いることにより多孔質体の細孔径を０．５〜５μｍとすることで、大気圧下の使用を想定した多孔質体に比べ、これを通過する熱媒体の流速を高めることができ、熱遷移流ポンプの流量を増加させることができる。この熱遷移流ポンプを利用したヒートポンプにおいては、ヒートポンプの能力（熱移動量）を大きくすることができる。   By using a quartz fiber filter to make the pore diameter of the porous body 0.5 to 5 μm, the flow rate of the heat medium passing through the porous body can be increased as compared with a porous body assumed to be used under atmospheric pressure. The flow rate of the thermal transition flow pump can be increased. In the heat pump using this heat transition flow pump, the capacity (heat transfer amount) of the heat pump can be increased.

熱遷移流ポンプを使用したヒートポンプの概略構成図である。It is a schematic structure figure of a heat pump using a thermal transition flow pump. 多孔質体（シリカエアロゲル／石英繊維フィルタ）の違いによる熱遷移流ポンプの性能を比較した図である。It is the figure which compared the performance of the thermal transition flow pump by the difference of a porous body (silica airgel / quartz fiber filter). 多孔質体（シリカエアロゲル／石英繊維フィルタ）の違いによる熱遷移流ポンプの性能を比較した図である。It is the figure which compared the performance of the thermal transition flow pump by the difference of a porous body (silica airgel / quartz fiber filter). 温度と最大減圧率の関係を示す図である。It is a figure showing the relation between temperature and the maximum pressure reduction rate. 温度と最大無次元流速の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between temperature and the maximum dimensionless flow velocity. 多段化した熱遷移流ポンプを使用したヒートポンプの概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a heat pump using a multi-stage thermal transition flow pump.

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、熱駆動型のヒートポンプ１０の概略構成を示す模式図である。ヒートポンプ１０は、熱媒体の駆動源として熱遷移流ポンプユニット１２を備える。熱遷移流ポンプユニット１２は、この実施形態では、単一の熱遷移流ポンプ１４から構成されるが、複数の熱遷移流ポンプ１４を直列接続して多段ポンプの構成としてもよい。熱遷移流ポンプ１４は、内部に熱遷移流が生じる多孔質体としての石英繊維フィルタ１６と、石英繊維フィルタ１６を収容するハウジング１８とを有する。ハウジング１８は、石英繊維フィルタ１６によって第１室２０と第２室２２に分割されている。第１室２０には、石英繊維フィルタ１６の第１室２０側の面を冷却する冷却器２４が配置され、第２室２２には、石英繊維フィルタ１６の第２室２２側の面を加熱する加熱器２６が配置される。冷却器２４および加熱器２６は、石英繊維フィルタ１６に接するように配置されてもよく、また間隔をあけて配置されてもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a heat-driven heat pump 10. The heat pump 10 includes a thermal transition flow pump unit 12 as a drive source of a heat medium. In this embodiment, the thermal transition flow pump unit 12 is composed of a single thermal transition flow pump 14, but may be configured as a multi-stage pump by connecting a plurality of thermal transition flow pumps 14 in series. The thermal transition flow pump 14 has a quartz fiber filter 16 as a porous body in which a thermal transition flow occurs, and a housing 18 that houses the quartz fiber filter 16. The housing 18 is divided into a first chamber 20 and a second chamber 22 by the quartz fiber filter 16. In the first chamber 20, a cooler 24 for cooling the surface of the quartz fiber filter 16 on the first chamber 20 side is arranged, and in the second chamber 22, the surface of the quartz fiber filter 16 on the second chamber 22 side is heated. A heater 26 is arranged. The cooler 24 and the heater 26 may be arranged so as to be in contact with the quartz fiber filter 16 or may be arranged at intervals.

冷却器２４には、石英繊維フィルタ１６に対向する面とその反対側の面との間に貫通孔２８が形成されている。さらに、冷却器２４には、冷却器２４を冷却するための冷却流体が流れる冷却流体流路３０が形成されている。冷却流体流路３０は、貫通孔２８とは独立し、ヒートポンプ１０の外部の冷却流体源３２に接続されている。冷却流体は、冷却流体源３２と冷却器２４の間で循環してもよく、また冷却流体源３２から冷却器２４に一方向に供給してもよい。冷却流体としては、例えば常温の水や空気であってよい。   In the cooler 24, a through hole 28 is formed between a surface facing the quartz fiber filter 16 and a surface on the opposite side. Further, the cooler 24 is provided with a cooling fluid channel 30 through which a cooling fluid for cooling the cooler 24 flows. The cooling fluid passage 30 is connected to a cooling fluid source 32 outside the heat pump 10 independently of the through hole 28. The cooling fluid may circulate between the cooling fluid source 32 and the cooler 24 or may be supplied from the cooling fluid source 32 to the cooler 24 in one direction. The cooling fluid may be, for example, room temperature water or air.

加熱器２６には、石英繊維フィルタ１６に対向する面とその反対側の面との間に貫通孔３４が形成されている。さらに、加熱器２６は、加熱器２６を加熱するための加熱流体が流れる加熱流体流路３６が形成されている。加熱流体流路３６は、貫通孔２８とは独立し、ヒートポンプ１０の外部の加熱流体源３８に接続されている。加熱流体は、加熱流体源３８と加熱器２６の間で循環してもよく、また加熱流体源３８から加熱器２６に一方向に供給してもよい。加熱流体は、当該ヒートポンプ１０の外部の装置の冷却水、例えば熱機関や発電機などの冷却水であってもよく、またこの冷却水により加熱された水や空気であってもよい。つまり、加熱器２６の熱源として、外部の装置の廃熱を利用することができる。   The heater 26 has a through hole 34 formed between the surface facing the quartz fiber filter 16 and the surface on the opposite side. Further, the heater 26 has a heating fluid channel 36 through which a heating fluid for heating the heater 26 flows. The heating fluid flow path 36 is independent of the through hole 28 and is connected to a heating fluid source 38 outside the heat pump 10. The heating fluid may circulate between the heating fluid source 38 and the heater 26 or may be supplied from the heating fluid source 38 to the heater 26 in one direction. The heating fluid may be cooling water for a device external to the heat pump 10, for example, cooling water for a heat engine or a generator, or water or air heated by the cooling water. That is, waste heat of an external device can be used as a heat source of the heater 26.

冷却流体源３２から冷却流体が冷却器２４に供給され、一方加熱流体源３８から加熱流体が加熱器２６に供給され、これにより石英繊維フィルタ１６の第１室２０側の面と、第２室２２側の面の間に温度差が生じる。この温度差により石英繊維フィルタ１６の内部に第１室２０側から第２室２２側に向かう熱遷移流が発生する。冷却器２４および加熱器２６は、石英繊維フィルタ１６の表裏に温度差を生じさせるための手段であり、熱遷移流ポンプ１４の運転開始前の状態から石英繊維フィルタ１６を、それぞれ冷却および加熱するための手段と解するべきでない。つまり、石英繊維フィルタ１６の冷却器２４側の面の熱遷移流ポンプ運転中の温度が、運転開始前の温度より高いこともありえる。このとき、加熱器２６側の面の温度は、冷却器２４側の面の温度より更に高い温度となっている。   A cooling fluid is supplied to the cooler 24 from a cooling fluid source 32, while a heating fluid is supplied to the heater 26 from a heating fluid source 38, whereby the surface of the quartz fiber filter 16 on the first chamber 20 side and the second chamber A temperature difference occurs between the surfaces on the 22 side. Due to this temperature difference, a thermal transition flow from the first chamber 20 side to the second chamber 22 side is generated inside the quartz fiber filter 16. The cooler 24 and the heater 26 are means for generating a temperature difference between the front and back of the quartz fiber filter 16, and cool and heat the quartz fiber filter 16 from the state before the operation of the thermal transition flow pump 14 is started, respectively. Should not be interpreted as a means for. That is, the temperature of the surface of the quartz fiber filter 16 on the side of the cooler 24 during the operation of the thermal transition flow pump may be higher than the temperature before the operation is started. At this time, the temperature of the surface on the heater 26 side is higher than the temperature of the surface on the cooler 24 side.

ヒートポンプ１０は、さらに第１室２０に接続された蒸発器４０と、第２室２２に接続された凝縮器４２を有する。蒸発器４０は、液相の熱媒体４４を収容し、蒸発器４０内が減圧されると、熱媒体４４は気化して気相となる。このときの気化熱により、蒸発器４０の周囲の熱を奪い、周囲を冷却することができる。凝縮器４２においては、気相の熱媒体４４が凝縮して液化する。このときの凝縮熱により凝縮器４２の周囲を加熱することができる。   The heat pump 10 further includes an evaporator 40 connected to the first chamber 20 and a condenser 42 connected to the second chamber 22. The evaporator 40 accommodates the heat medium 44 in a liquid phase, and when the pressure in the evaporator 40 is reduced, the heat medium 44 evaporates to a gas phase. The heat of vaporization at this time can take the heat around the evaporator 40 and cool the periphery. In the condenser 42, the heat medium 44 in the gas phase is condensed and liquefied. The surroundings of the condenser 42 can be heated by the condensation heat at this time.

ヒートポンプ１０を空気調和装置に利用する場合には、熱媒体４４としては、５０℃以下における飽和蒸気圧が１０１３ｈＰａ以下、蒸発潜熱が１０ｋＪ／ｍｏｌ以上の物質であることが好ましい。このような物質としては、例えば、水、メタノール、エタノールがある。   When the heat pump 10 is used for an air conditioner, the heat medium 44 is preferably a substance having a saturated vapor pressure of 1013 hPa or less at 50 ° C. or less and a latent heat of vaporization of 10 kJ / mol or more. Examples of such a substance include water, methanol, and ethanol.

さらに、ヒートポンプ１０は、凝縮器４２で液化した熱媒体４４を蒸発器４０に還流する還流路４６が設けられ、還流路４６には還流ポンプ４８が備えられている。また、ハウジング１８には、ハウジング１８内を減圧する減圧ポンプ５０が接続されている。減圧ポンプ５０は、ハウジング１８内の圧力を、熱媒体４４の使用状態における飽和蒸気圧程度またはそれ以下に減圧するためのポンプである。水の飽和蒸気圧は、０℃で０．８７ｋＰａ、１５℃で１．７ｋＰａ、３０℃で４．２ｋＰａであり、このような常温域の場合、ハウジング１８内の圧力を１０ｋＰａ以下とすることで、熱媒体４４として水を用いることができる。   Further, the heat pump 10 is provided with a return path 46 for returning the heat medium 44 liquefied in the condenser 42 to the evaporator 40, and the return path 46 is provided with a return pump 48. The housing 18 is connected to a decompression pump 50 for reducing the pressure inside the housing 18. The decompression pump 50 is a pump for reducing the pressure in the housing 18 to about the saturated vapor pressure in the use state of the heat medium 44 or lower. The saturated vapor pressure of water is 0.87 kPa at 0 ° C., 1.7 kPa at 15 ° C., and 4.2 kPa at 30 ° C. In such a normal temperature range, the pressure in the housing 18 is set to 10 kPa or less. As the heat medium 44, water can be used.

１０ｋＰａ以下の環境で用いられる熱遷移流ポンプの多孔質体として、細孔径が０．５〜５μｍの石英繊維フィルタが好適である。細孔径は、ろ過の際にフィルタが捕捉可能な粒子径で表される。１０ｋＰａでは、気体分子の平均自由行程は数百ｎｍであり、多孔質体の代表長がこれと同程度から数倍程度であれば熱遷移流が発生する。石英繊維フィルタの場合、細孔径はフィルタが捕捉可能な粒子の径で表されるが、実際にはこの径より小さい径の細孔も存在する。これを考慮すれば、石英繊維フィルタの細孔径が平均自由行程の１０倍程度であっても熱遷移流が発生すると考えられる。よって、１０ｋＰａ以下の環境で用いられる石英繊維フィルタとして、細孔径が０．５〜５μｍのものが好適であると考えられる。   As the porous body of the thermal transition flow pump used in an environment of 10 kPa or less, a quartz fiber filter having a pore diameter of 0.5 to 5 μm is suitable. The pore size is represented by a particle size that can be captured by the filter during filtration. At 10 kPa, the mean free path of gas molecules is several hundred nm, and if the representative length of the porous body is about the same to several times, a thermal transition flow is generated. In the case of a quartz fiber filter, the pore diameter is represented by the diameter of particles that can be captured by the filter, but there are actually pores having a diameter smaller than this diameter. Considering this, it is considered that a thermal transition flow occurs even when the pore diameter of the quartz fiber filter is about 10 times the mean free path. Therefore, it is considered that a quartz fiber filter used in an environment of 10 kPa or less has a pore size of 0.5 to 5 μm.

次に、水を熱媒体４４としたヒートポンプ１０の運転について説明する。初期の準備として、ハウジング１８、蒸発器４０および凝縮器４２の内部を減圧ポンプ５０にて減圧する。水の飽和蒸気圧より十分に低い圧力に減圧した後、蒸発器４０内に水を注入する。蒸発器４０内は減圧されているため、注入された水の一部は蒸発する。蒸発器４０内が飽和蒸気圧に達するとそれ以上蒸発しなくなる。冷却器２４および加熱器２６により石英繊維フィルタ１６の表裏を冷却、加熱する。これにより、第１室２０から第２室２２に向かう気流が生成される。この気流により水蒸気が凝縮器４２に送られ、凝縮器４２内で熱が奪われると液化する。液化した水は、還流路４６を通じて蒸発器４０に戻される。蒸発器４０は周囲から吸熱を行うので、蒸発器４０で空気を冷やし、これを室内等に供給すれば、冷房を行うことができる。   Next, the operation of the heat pump 10 using water as the heat medium 44 will be described. As an initial preparation, the interior of the housing 18, the evaporator 40, and the condenser 42 are depressurized by the decompression pump 50. After reducing the pressure to a pressure sufficiently lower than the saturated vapor pressure of water, water is injected into the evaporator 40. Since the pressure inside the evaporator 40 is reduced, a part of the injected water evaporates. When the inside of the evaporator 40 reaches the saturated vapor pressure, it is no longer evaporated. The front and back of the quartz fiber filter 16 are cooled and heated by the cooler 24 and the heater 26. Thereby, an airflow from the first chamber 20 to the second chamber 22 is generated. Water vapor is sent to the condenser 42 by this air flow, and liquefies when heat is removed in the condenser 42. The liquefied water is returned to the evaporator 40 through the reflux path 46. Since the evaporator 40 absorbs heat from the surroundings, if the air is cooled by the evaporator 40 and supplied to a room or the like, cooling can be performed.

図２および図３は、石英繊維フィルタとシリカエアロゲルの特性を比較した図である。実線が石英繊維フィルタの特性を表し、破線がシリカエアロゲルの特性を表してる。使用した石英繊維フィルタの細孔径は０．７μｍであり膜厚は３８０μｍである。このような石英繊維フィルタとして、例えばメルクミリポア社のグラスファイバーフィルタＡＰＦＦタイプがある。比較対象のシリカエアロゲルは、二酸化ケイ素材料の内部に数十μｍ程度の細孔が多数形成されたものである。この細孔径は、大気圧下での使用を考慮した値である。石英繊維フィルタとシリカエアロゲルの両者とも空隙率を９０％としている。   FIG. 2 and FIG. 3 are diagrams comparing the characteristics of the quartz fiber filter and the silica airgel. The solid line represents the characteristics of the quartz fiber filter, and the dashed line represents the characteristics of the silica airgel. The quartz fiber filter used had a pore diameter of 0.7 μm and a film thickness of 380 μm. As such a quartz fiber filter, for example, there is a glass fiber filter APFF type manufactured by Merck Millipore. The silica airgel to be compared has a large number of pores of about several tens of μm formed inside a silicon dioxide material. This pore diameter is a value in consideration of use under atmospheric pressure. Both the quartz fiber filter and the silica airgel have a porosity of 90%.

まず、熱遷移流ポンプ内の圧力を基準圧力Ｐｓとし、次いで多孔質体（石英繊維フィルタ、シリカエアロゲル）の表裏に温度差を生じさせる。当初は多孔質体の表裏において圧力差は０であるが、熱遷移流によって気体が移動し、これにより圧力差が発生する。圧力差により生じる多孔質体内の流れは、熱遷移流とは逆向きとなり、圧力差がある値となったところで、定常状態（流速０）となる。定常状態となったときの低圧側の圧力Ｐｍ、高圧側の圧力Ｐｈとしたとき、１−（Ｐｍ／Ｐｈ）を最大減圧率τと記す。図２は、基準圧力Ｐｓと最大減圧率τの関係を示す図であり、最大減圧率τは百分率で示されている。図３は、多孔質体の表裏に圧力差が発生する以前、つまり試験開始当初における、基準圧力Ｐｓと無次元最大流速Ｕの関係を示す図である。   First, the pressure in the thermal transition flow pump is set to the reference pressure Ps, and then a temperature difference is generated between the front and back of the porous body (quartz fiber filter, silica airgel). Initially, the pressure difference between the front and back of the porous body is 0, but the gas is moved by the thermal transition flow, thereby generating a pressure difference. The flow in the porous body caused by the pressure difference is opposite to the thermal transition flow, and when the pressure difference reaches a certain value, the flow becomes a steady state (flow velocity 0). When the pressure Pm on the low pressure side and the pressure Ph on the high pressure side at the time of the steady state are set, 1- (Pm / Ph) is described as the maximum pressure reduction rate τ. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the reference pressure Ps and the maximum pressure reduction rate τ, where the maximum pressure reduction rate τ is shown as a percentage. FIG. 3 is a diagram showing a relationship between the reference pressure Ps and the dimensionless maximum flow velocity U before a pressure difference occurs between the front and back of the porous body, that is, at the beginning of the test.

図２に示すように、最大減圧率τは、シリカエアロゲルが大きく、これはシリカエアロゲルが圧力差を生じさせるのに有利であることを示している。基準圧力Ｐｓが１ｋＰａのとき、石英繊維フィルタの最大減圧率τは、シリカエアロゲルの約６０％である。この理由として、石英繊維フィルタの細孔径が、シリカエアロゲルに比して大きいことが挙げられる。細孔径が大きいために、気体が通過する際の抵抗が小さく、圧力差による逆流も生じやすく、圧力差が小さくなっていると考えられる。一方、無次元最大流速Ｕは、図３に示すように、石英繊維フィルタが大きく、基準圧力Ｐｓが１ｋＰａのときシリカエアロゲルの約２２倍となっている。この理由も、石英繊維フィルタの細孔径が大きいためと考えられる。細孔径が大きいため、抵抗が小さく流速が大きくなっていると考えられる。   As shown in FIG. 2, the maximum decompression rate τ is larger for silica airgel, which indicates that silica airgel is advantageous for generating a pressure difference. When the reference pressure Ps is 1 kPa, the maximum decompression rate τ of the quartz fiber filter is about 60% of that of silica airgel. The reason is that the pore diameter of the quartz fiber filter is larger than that of silica airgel. It is considered that since the pore diameter is large, the resistance when the gas passes through is small, the backflow easily occurs due to the pressure difference, and the pressure difference is considered to be small. On the other hand, the dimensionless maximum flow velocity U is about 22 times that of the silica airgel when the quartz fiber filter is large and the reference pressure Ps is 1 kPa, as shown in FIG. It is considered that the reason is that the pore diameter of the quartz fiber filter is large. It is considered that the resistance is small and the flow velocity is large because the pore diameter is large.

石英繊維フィルタを用いた場合と、シリカエアロゲルを用いた場合とで熱遷移流ポンプの性能を同等にする、つまり圧力差および流量を同等にすることを考える。１個の熱遷移流ポンプでは、発生する圧力差は前述のように石英繊維フィルタの方が小さいが、ポンプを多段化してポンプユニットを構成することで、全体としてシリカエアロゲルと同等の圧力差を得ることができる。一方、流量は、流速と流路断面（多孔質体の面積）の積であるので、石英繊維フィルタを用いた場合、多孔質体の面積を大幅に削減することができる。基準圧力Ｐｓのときの値を参考にすれば、石英繊維フィルタを用いることにより、シリカエアロゲルを用いる場合に比してポンプユニットの体積を約１／１３（＝１／（２２×０．６））とすることができる。このように、１０ｋＰａ以下の低圧環境下では、多孔質体として石英繊維フィルタを用いることにより、ポンプユニットの体積を小さくすることができる。   Consider the case where the performance of the thermal transition flow pump is made equal between the case where the quartz fiber filter is used and the case where the silica airgel is used, that is, the pressure difference and the flow rate are made equal. With a single thermal transition flow pump, the generated pressure difference is smaller in the quartz fiber filter as described above, but by constructing the pump unit with multiple pumps, the pressure difference as a whole is equivalent to that of silica airgel. Obtainable. On the other hand, since the flow rate is the product of the flow velocity and the cross section of the flow path (the area of the porous body), when the quartz fiber filter is used, the area of the porous body can be significantly reduced. Referring to the value at the reference pressure Ps, the volume of the pump unit is reduced to about 1/13 (= 1 / (22 × 0.6) by using a quartz fiber filter as compared with the case of using silica airgel. ). As described above, in a low pressure environment of 10 kPa or less, the volume of the pump unit can be reduced by using the quartz fiber filter as the porous body.

図２を見ると、基準圧力Ｐｓが１０ｋＰａのとき、石英繊維フィルタの最大減圧率τは、シリカエアロゲルに比して２０％弱である。また、図３を見ると、基準圧力Ｐｓが１０ｋＰａのとき、石英繊維フィルタの無次元最大流速Ｕは、シリカエアロゲルの１２倍強である。したがって、基準圧力Ｐｓが１０ｋＰａのときにも、無次元最大流速Ｕの増加の効果が、最大減圧率τの減少の効果を上回り、石英繊維フィルタが優位である。   Referring to FIG. 2, when the reference pressure Ps is 10 kPa, the maximum decompression rate τ of the quartz fiber filter is slightly less than 20% as compared with silica airgel. Referring to FIG. 3, when the reference pressure Ps is 10 kPa, the dimensionless maximum flow velocity U of the quartz fiber filter is slightly more than 12 times that of the silica airgel. Therefore, even when the reference pressure Ps is 10 kPa, the effect of increasing the dimensionless maximum flow velocity U exceeds the effect of decreasing the maximum pressure reduction rate τ, and the quartz fiber filter is superior.

石英繊維フィルタは耐熱性が高く、これもシリカエアロゲルに比べて有利に作用する。石英繊維フィルタの耐熱温度は、５００〜１０００℃であり、これに対してシリカエアロゲルは３００℃程度である。図４および図５は、冷却器と加熱器を流れる流体の温度差ΔＴに対する最大減圧率および最大無次元流速の関係を示す図である。これらの図から分かるように、最大減圧率および最大無次元流速は、温度差ΔＴに対して線形の関係がある。したがって、石英繊維フィルタによる耐熱性の向上によって冷却器と加熱器の温度差を大きく採ることができれば、より小さいポンプユニットの体積であっても同等の性能を得ることができる。例えば温度差を２倍にすることができれば、最大減圧率および最大無次元流速も２倍となり、同等の性能を有するポンプユニットの体積は約１／４（＝１／（２×２））となる。   Quartz fiber filters have high heat resistance, which also works better than silica airgel. The heat-resistant temperature of the quartz fiber filter is 500 to 1000 ° C., whereas that of silica airgel is about 300 ° C. 4 and 5 are diagrams showing the relationship between the maximum pressure reduction rate and the maximum dimensionless flow rate with respect to the temperature difference ΔT between the fluid flowing through the cooler and the heater. As can be seen from these figures, the maximum pressure reduction rate and the maximum dimensionless flow velocity have a linear relationship with the temperature difference ΔT. Therefore, if the temperature difference between the cooler and the heater can be increased by improving the heat resistance of the quartz fiber filter, the same performance can be obtained even with a smaller pump unit volume. For example, if the temperature difference can be doubled, the maximum decompression rate and the maximum dimensionless flow rate also double, and the volume of a pump unit having the same performance is about ４ (= 1 / (2 × 2)). Become.

さらに、石英繊維フィルタは、同等の空隙率のシリカエアロゲルに比べ薄膜形状での強度が高く、しなやかで引っ張り、曲げ等の変形に強いため、以下の３点の利点がある。第１に、熱遷移流ポンプに適した薄膜形状（１ｍｍ以下）で材料を生産できるため、薄膜に加工する工程を省け、生産性が向上する。第２に、ヒートポンプでの使用において、初期の減圧時に発生する多孔質体表裏での圧力差による破断のリスクが小さい。第３に、多孔質体を大きな面積とすることが容易であり、流量の向上に寄与する。   Further, the quartz fiber filter has higher strength in the form of a thin film than a silica airgel having the same porosity and is flexible and resistant to deformation such as bending and the like, and therefore has the following three advantages. First, since a material can be produced in a thin film shape (1 mm or less) suitable for a thermal transition flow pump, a step of processing into a thin film is omitted, and productivity is improved. Secondly, in use in a heat pump, the risk of breakage due to the pressure difference between the front and back of the porous body generated at the time of initial pressure reduction is small. Third, it is easy to increase the area of the porous body, which contributes to the improvement of the flow rate.

図６は、多段化された熱遷移流ポンプユニットを有するヒートポンプ６０の概略構成を示す図である。ヒートポンプ６０は、前述のヒートポンプ１０に対して熱遷移流ポンプユニット６２の構成が異なり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。冷却流体源、加熱流体源、減圧ポンプならびに冷却流体および加熱流体の流路は、簡略化のために図示を省略している。   FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a heat pump 60 having a multi-stage thermal transition flow pump unit. The heat pump 60 differs from the heat pump 10 in the configuration of the heat transition flow pump unit 62, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted. The cooling fluid source, the heating fluid source, the pressure reducing pump, and the flow paths of the cooling fluid and the heating fluid are not shown for simplicity.

熱遷移流ポンプユニット６２は、共通ハウジング６４の中に、４個の熱遷移流ポンプ６６が配置されている。熱遷移流ポンプ６６の数は、他の数とすることができる。１個の熱遷移流ポンプ６６は、前述の熱遷移流ポンプ１４と同様、石英繊維フィルタ１６と、これの表裏両側に配置された冷却器２４と加熱器２６を含む。各熱遷移流ポンプ６６の構成は、前述の熱遷移流ポンプ１４と基本的に同一である。つまり、図６中の最も下に示された熱遷移流ポンプ６６Ａにおいて、共通ハウジング６４のこのポンプ６６Ａに対応する部分が、石英繊維フィルタ１６Ａにより第１室２０Ａと第２室２２Ａに分けられている。他の熱遷移流ポンプ６６Ｂ，６６Ｃ，６６Ｄも同様に、それぞれ対応する空間が石英繊維フィルタ１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄにより、第１室２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄと第２室２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄに分けられている。隣接する熱遷移流ポンプ６６Ａ，６６Ｂの第２室２２Ａと、第１室２０Ｂは共通の空間となっている。残りの熱遷移流ポンプ６６Ｂと６６Ｃ、６６Ｃと６６Ｄについても同様である。熱遷移流ポンプ６６Ａの第１室２０Ａが蒸発器４０に接続され、熱遷移流ポンプ６６Ｄの第２室２２Ｄが凝縮器４２に接続される。このように、多段化することで、１段当たりの圧力上昇が小さくても全体として大きく圧力を高めることができる。   In the thermal transition flow pump unit 62, four thermal transition flow pumps 66 are arranged in a common housing 64. The number of thermal transition flow pumps 66 can be other numbers. One thermal transition flow pump 66 includes the quartz fiber filter 16 and the cooler 24 and the heater 26 disposed on both sides of the quartz fiber filter 16, similarly to the thermal transition flow pump 14 described above. The configuration of each thermal transition flow pump 66 is basically the same as the above-described thermal transition flow pump 14. That is, in the thermal transition flow pump 66A shown at the bottom in FIG. 6, the portion of the common housing 64 corresponding to the pump 66A is divided into the first chamber 20A and the second chamber 22A by the quartz fiber filter 16A. I have. Similarly, the corresponding spaces of the other thermal transition flow pumps 66B, 66C, 66D are divided into the first chambers 20B, 20C, 20D and the second chambers 22B, 22C, 22D by the quartz fiber filters 16B, 16C, 16D. ing. The second chamber 22A and the first chamber 20B of the adjacent thermal transition flow pumps 66A and 66B are a common space. The same applies to the remaining thermal transition flow pumps 66B and 66C, and 66C and 66D. The first chamber 20A of the thermal transition flow pump 66A is connected to the evaporator 40, and the second chamber 22D of the thermal transition flow pump 66D is connected to the condenser 42. In this way, by increasing the number of stages, even if the pressure rise per stage is small, the pressure can be largely increased as a whole.

１０ ヒートポンプ、１２ 熱遷移流ポンプユニット、１４ 熱遷移流ポンプ、１６ 石英繊維フィルタ、１８ ハウジング、２０ 第１室、２２ 第２室、２４ 冷却器、２６ 加熱器、２８ 貫通孔、３０ 冷却流体流路、３２ 冷却流体源、３４ 貫通孔、３６ 加熱流体流路、３８ 加熱流体源、４０ 蒸発器、４２ 凝縮器、４４ 熱媒体、４６ 還流路、４８ 還流ポンプ、５０ 減圧ポンプ、６０ ヒートポンプ、６２ 熱遷移流ポンプユニット、６４ 共通ハウジング、６６ 熱遷移流ポンプ。   Reference Signs List 10 heat pump, 12 heat transition flow pump unit, 14 heat transition flow pump, 16 quartz fiber filter, 18 housing, 20 first chamber, 22 second chamber, 24 cooler, 26 heater, 28 through hole, 30 cooling fluid flow Path, 32 cooling fluid source, 34 through hole, 36 heating fluid flow path, 38 heating fluid source, 40 evaporator, 42 condenser, 44 heating medium, 46 reflux path, 48 reflux pump, 50 pressure reducing pump, 60 heat pump, 62 Thermal transition flow pump unit, 64 common housing, 66 thermal transition flow pump.

Claims (3)

１個の、または直列に接続された複数個の熱遷移流ポンプを用いて構成される熱遷移流ポンプユニットであって、各熱遷移流ポンプが、ハウジングと、ハウジングを第１室と第２室に分割し、細孔径が０．５〜５μｍの石英繊維フィルタと、石英繊維フィルタの第１室側の面を冷却する冷却器と、石英繊維フィルタの第２室側の面を加熱する加熱器とを有して石英繊維フィルタを介して第１室から第２室への流れを形成するものである、熱遷移流ポンプユニットと、
熱遷移流ポンプユニットの一端の第１室と接続され、熱媒体を蒸発させる蒸発器と、
熱遷移流ポンプユニットの他端の第２室と接続され、熱媒体を凝縮させる凝縮器と、
を有し、
熱遷移流ポンプユニットにより熱媒体を蒸発器から凝縮器に送る、ヒートポンプ。 A thermal-transition flow pump unit comprising one or a plurality of thermal- transition flow pumps connected in series , wherein each thermal-transition flow pump comprises a housing, a housing, a first chamber and a second chamber. A quartz fiber filter having a pore diameter of 0.5 to 5 μm, a cooler for cooling the surface of the quartz fiber filter on the first chamber side, and a heating device for heating the surface of the quartz fiber filter on the second chamber side A thermal transition flow pump unit having a vessel and forming a flow from the first chamber to the second chamber via a quartz fiber filter ;
An evaporator connected to the first chamber at one end of the thermal transition flow pump unit to evaporate the heat medium;
A condenser connected to the second chamber at the other end of the thermal transition flow pump unit to condense the heat medium;
Has,
A heat pump in which a heat transfer medium is sent from an evaporator to a condenser by a thermal transition flow pump unit. 熱媒体が水であり、熱遷移流ポンプのハウジング内が１０ｋＰａ以下となっている、請求項１に記載のヒートポンプ。 Heat medium is water, the housing of the thermal transpiration flow pump has a 10kPa or less, the heat pump according to claim 1. 請求項１または２に記載のヒートポンプであって、加熱器の熱源が、当該ヒートポンプの外部に設置された装置の廃熱である、ヒートポンプ。 3. The heat pump according to claim 1 , wherein the heat source of the heater is waste heat of a device installed outside the heat pump. 4.
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