特許 6303386 熱遷移流ポンプシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6303386

(24)【登録日】2018年3月16日

(45)【発行日】2018年4月4日

(54)【発明の名称】熱遷移流ポンプシステム

(51)【国際特許分類】

   F04B 37/06 20060101AFI20180326BHJP

   F04D 33/00 20060101ALI20180326BHJP

【ＦＩ】

   F04B37/06

   F04D33/00

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-216195(P2013-216195)

(22)【出願日】2013年10月17日

(65)【公開番号】特開2015-78645(P2015-78645A)

(43)【公開日】2015年4月23日

【審査請求日】2016年7月19日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】釘本 恒

【審査官】 松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−１３０５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１８６４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ３７／０６

Ｆ０４Ｄ ３３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の孔径を有する細孔膜が吸入口側と排出口側との間に配置される熱遷移流ポンプを複数台縦続接続して構成される熱遷移流ポンプシステムであって、
［１−｛（吸入口気体圧）／（排出口気体圧）｝］を熱遷移流ポンプの減圧比として、排出口気体圧に対する減圧比の変化を示す減圧比特性について、第１の孔径の細孔膜を有する第１の熱遷移流ポンプと、第１の孔径よりも大きな孔径の細孔膜を有する第２の熱遷移流ポンプとを比較すると、第１の熱遷移流ポンプは排出口の気体圧が高圧側から低圧側の広い範囲に渡って良好な減圧比特性を有し、第２の熱遷移流ポンプは気体圧が高圧側では減圧比特性があまり良くないが低圧側で減圧比特性が良好であることに基づき、縦続接続の高圧側に配置される熱遷移流ポンプの細孔膜の孔径よりも低圧側に配置される熱遷移流ポンプの細孔膜の孔径が大きく設定され、
第１の熱遷移流ポンプの減圧比特性と第２の熱遷移流ポンプの減圧比特性が所定の排出口気体圧で交差し、所定の排出口気体圧よりも高圧側では第１の熱遷移流ポンプの減圧比特性が優れ、所定の排出口気体圧よりも低圧側では第２の熱遷移流ポンプの減圧比特性が優れていることに基づき、所定の排出口気体圧よりも高圧側では第１の熱遷移流ポンプが複数台縦続接続され、所定の排出口気体圧よりも低圧側では第２の熱遷移流ポンプが複数台縦続接続された熱遷移流ポンプシステム。

【請求項2】

請求項１に記載の熱遷移流ポンプシステムにおいて、
粗引き用の減圧ポンプと、
第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口を減圧ポンプの吸入口に接続する連通路と、
第１の熱遷移流ポンプの排出口と連通路の間、及び第２の熱遷移流ポンプの排出口と連通路の間にそれぞれ設けられ、減圧ポンプの作動中は、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口を減圧ポンプの吸入口と連通させ、減圧ポンプの停止中は、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口と減圧ポンプの吸入口との間を遮断する連通切替弁と、
を備え、
連通切替弁は、
連通切替弁が設けられる熱遷移流ポンプの排出口における媒体流体の圧力変化によって連通と遮断との間を切り替える圧力差感知弁である熱遷移流ポンプシステム。

【請求項3】

請求項１に記載の熱遷移流ポンプシステムにおいて、
粗引き用の減圧ポンプと、
第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口を減圧ポンプの吸入口に接続する連通路と、
第１の熱遷移流ポンプの排出口と連通路の間、及び第２の熱遷移流ポンプの排出口と連通路の間にそれぞれ設けられ、減圧ポンプの作動中は、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口を減圧ポンプの吸入口と連通させ、減圧ポンプの停止中は、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口と減圧ポンプの吸入口との間を遮断する連通切替弁と、
を備え、
連通切替弁は、
連通切替弁が設けられる熱遷移流ポンプを流れる媒体気体の温度変化によって連通と遮断との間を切り替える温度感知弁である熱遷移流ポンプシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱遷移流ポンプシステムに係り、特に、複数の熱遷移流ポンプを縦続接続した熱遷移流ポンプシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

希薄気体中に温度勾配のある壁面が存在しているとき、壁面の低温部から高温部に向かって壁面に沿う一方向の熱遷移流が誘起されることが知られている。希薄気体とは、ある領域を考えたときに、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である。このような希薄気体の例としては、１ｃｍ³程度の領域内の圧力が１Ｐａ程度の低圧である場合、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等である。後者のように、ｎｍ程度の領域内では大気圧でも希薄気体となって、熱遷移流を誘起することができる。

【0003】

例えば、非特許文献１には、流れを誘起する媒体気体の平均自由行程の５倍の長さ以下の小さい孔径を有する細孔が内部に多数形成された多孔体膜を用いて、大気圧下で熱遷移流を発生させることが述べられている。大気圧下の空気の平均自由行程は約６０ｎｍである。非特許文献１では、多孔体膜の片面側の媒体気体をヒータによって加熱し、多孔体膜の片面とその裏面との間に温度差を発生させ、多孔体膜の内部に温度勾配を形成させ、多孔体膜の低温側から高温側に熱遷移流を発生させる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｎ．Ｋ．Ｇｕｐｔａ他，Ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｘｅｄ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｅｓｔｅｒ ｍｅｎｍｒａｎｅｓ：Ｅｎａｂｌｉｎｇ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ，ｍｏｔｉｏｎｌｅｓｓ ｇａｓ ｐｕｍｐｓ，Ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ ａｎｄ Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｖｏｌ．１４２，ｐｐ．５３５−５４１，２０１１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１の手法を用いると、大気圧から熱遷移流による減圧を行うことができる。実験の１例では、１ユニットの熱遷移流ポンプにおいて適当な温度差を付けることで大気圧１ａｔｍから２５％の減圧である０．７５ａｔｍを得ることが可能であった。この結果からは、１ユニットで例えば大気圧の１／１００である１０^-2ａｔｍまで減圧するには、非常に高い温度差が必要であることが予想でき、それを可能とする熱源、多孔体材料の耐熱性、減圧時間効率等の課題が多く存在する。

【0006】

１つの解決法は、複数の熱遷移流ポンプを縦続接続することが考えられるが、縦続接続数が多くなり、また、例えば、大気圧下の空気の平均自由行程の約６０ｎｍの５倍以下の孔径を有する多孔体膜では、排出流量が制限され、所望の減圧を達成するための時間がかかる。

【0007】

本発明の目的は、効率的な減圧を行える熱遷移流ポンプシステムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る熱遷移流ポンプシステムは、所定の孔径を有する細孔膜が吸入口側と排出口側との間に配置される熱遷移流ポンプを複数台縦続接続して構成される熱遷移流ポンプシステムであって、［１−｛（吸入口気体圧）／（排出口気体圧）｝］を熱遷移流ポンプの減圧比として、排出口気体圧に対する減圧比の変化を示す減圧比特性について、第１の孔径の細孔膜を有する第１の熱遷移流ポンプと、第１の孔径よりも大きな孔径の細孔膜を有する第２の熱遷移流ポンプとを比較すると、第１の熱遷移流ポンプは排出口の気体圧が高圧側から低圧側の広い範囲に渡って良好な減圧比特性を有し、第２の熱遷移流ポンプは気体圧が高圧側では減圧比特性があまり良くないが低圧側で減圧比特性が良好であることに基づき、縦続接続の高圧側に配置される熱遷移流ポンプの細孔膜の孔径よりも低圧側に配置される熱遷移流ポンプの細孔膜の孔径が大きく設定され、第１の熱遷移流ポンプの減圧比特性と第２の熱遷移流ポンプの減圧比特性が所定の排出口気体圧で交差し、所定の排出口気体圧よりも高圧側では第１の熱遷移流ポンプの減圧比特性が優れ、所定の排出口気体圧よりも低圧側では第２の熱遷移流ポンプの減圧比特性が優れていることに基づき、所定の排出口気体圧よりも高圧側では第１の熱遷移流ポンプが複数台縦続接続され、所定の排出口気体圧よりも低圧側では第２の熱遷移流ポンプが複数台縦続接続されている。

【0009】

本発明に係る熱遷移流ポンプシステムにおいて、粗引き用の減圧ポンプと、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口を減圧ポンプの吸入口に接続する連通路と、第１の熱遷移流ポンプの排出口と連通路の間、及び第２の熱遷移流ポンプの排出口と連通路の間にそれぞれ設けられ、減圧ポンプの作動中は、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口を減圧ポンプの吸入口と連通させ、減圧ポンプの停止中は、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口と減圧ポンプの吸入口との間を遮断する連通切替弁と、を備え、連通切替弁は、連通切替弁が設けられる熱遷移流ポンプの排出口における媒体流体の圧力変化によって連通と遮断との間を切り替える圧力差感知弁であることが好ましい。

【0014】

本発明に係る熱遷移流ポンプシステムにおいて、連通切替弁は、弁の前後の圧力差に応じて連通と遮断の間を切り替えるリリーフ弁であることが好ましい。

【0016】

本発明に係る熱遷移流ポンプシステムにおいて、粗引き用の減圧ポンプと、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口を減圧ポンプの吸入口に接続する連通路と、第１の熱遷移流ポンプの排出口と連通路の間、及び第２の熱遷移流ポンプの排出口と連通路の間にそれぞれ設けられ、減圧ポンプの作動中は、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口を減圧ポンプの吸入口と連通させ、減圧ポンプの停止中は、第１の熱遷移流ポンプの排出口と第２の熱遷移流ポンプの排出口と減圧ポンプの吸入口との間を遮断する連通切替弁と、を備え、連通切替弁は、連通切替弁が設けられる熱遷移流ポンプを流れる媒体気体の温度変化によって連通と遮断との間を切り替える温度感知弁であることが好ましい。

【発明の効果】

【0017】

上記構成の少なくとも１つによれば、孔径の小さな細孔を用いる第１の熱遷移流ポンプと、孔径の大きな細孔を用いる第２の熱遷移流ポンプを併用するので、減圧比と流量のバランスを取ることができる。これにより効率的な減圧を行える。

【0018】

また、上記構成の少なくとも１つによれば、粗引き用の減圧ポンプを併用するので、効率的な減圧を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る実施の形態の熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。（ａ）は、５つの熱遷移流ポンプを縦続接続した場合の構成図で、（ｂ）は、１つの熱遷移流ポンプの構成図である。

【図2】本発明に係る実施の形態の熱遷移流ポンプシステムに用いられる熱遷移流ポンプの原理図である。

【図3】図１の構成において、隣接する２つの熱遷移流ポンプの関係を示す図である。

【図4】本発明に係る実施の形態の熱遷移流ポンプシステムにおいて、隣接する２つの熱遷移流ポンプについて細孔の孔径分布例を示す図である。（ａ）は、第１の熱遷移流ポンプに用いられる細孔膜における細孔の孔径分布図で、（ｂ）は、第１の熱遷移流ポンプに用いられる細孔膜における細孔の孔径分布図である。

【図5】図４（ａ）の細孔膜を用いた熱遷移流ポンプと（ｂ）のの細孔膜を用いた熱遷移流ポンプについて、それぞれの減圧比特性を示す図である。

【図6】図４、図５の結果をまとめた図である。

【図7】本発明に係る実施の形態の熱遷移流ポンプシステムについて、同一性能の熱遷移流ポンプの縦続接続数と到達圧力の関係を示す図である。

【図8】他の実施形態の熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。

【図9】図８における連通切替弁の構成の１例を示す図である。

【図10】図９とは別の連通切替弁の構成の１例を示す図である。

【図11】図９、図１０とは別の連通切替弁の構成の１例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下で述べる寸法、形状、材質、圧力、減圧比、孔径、熱遷移流ポンプの縦続接続数等は説明のための例示であって、熱遷移流ポンプシステムの仕様に応じ適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0021】

図１は、熱遷移流ポンプシステム１０の構成図である。（ａ）は全体構成図、（ｂ）は熱遷移流ポンプの内部構成を示す図である。この熱遷移流ポンプシステム１０は、５つの熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８を縦続接続して、大気圧Ｐ₀からＰ_-1，Ｐ_-2，Ｐ_-3，Ｐ_-4，Ｐ_-5と５段階の減圧を行い、減圧チャンバ１２の内部空間である減圧室１４の圧力をＰ_-5とするシステムである。試料８は、減圧下で処理が行われる対象物である。減圧チャンバ１２は、熱遷移流ポンプシステム１０の構成要素としてもよく、しなくてもよい。

【0022】

なお、圧力Ｐに付記した（−１，−２，−３，−４，−５）の（−）の符号は大気圧Ｐ₀よりも低い圧力であることを示し、（−）の後の数字は、値が大きいほど高真空であることを示す。圧力計１６は、減圧室の圧力を検出する圧力検出手段である。

【0023】

熱遷移流ポンプシステム１０を構成する５つの熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８は、図２以下で述べる細孔径の相違を除いて基本構成は同じであるので、その中の熱遷移流ポンプ２４に代表させて、その基本構成について、図１（ｂ）を用いて説明する。

【0024】

ケーシング３０は、凹部を有する蓋型部材である。ケーシング３０は、次に述べるヒートシンク３２と一体化して熱遷移流ポンプ２４の外形を形作り、凹部によって内部空間を形成する。かかるケーシング３０は、気密性を有し熱絶縁性の良好な材料を用いることができる。例えば、セラミック、耐熱性プラスチック等を用いることができる。

【0025】

ヒートシンク３２は、熱伝導率の大きな材料で構成され、熱遷移流を発生させる温度差を形成するために低温側となる中実筒部材である。かかるヒートシンク３２としては、断面が円形や矩形等の形状に成形された金属製の円柱や角柱を用いることができる。金属の材質としては、銅、アルミニウム等を用いることができる。

【0026】

ヒートシンクの３２の一方側の端面を含む外壁は大気に面し、必要があれば、適当な放熱フィンを設け、あるいは冷媒流路を設けて冷却してもよい。ヒートシンク３２の他方側の端面３３は、平坦面に加工され、ケーシング３０の凹部の先端面と気密に接合される。これによって、ケーシング３０とヒートシンク３２の一体化によって形成される内部空間は、次に述べる吸入路３５と排出路３７を除いて、気密空間となる。

【0027】

吸入口３４は、熱遷移流ポンプ２４の内部空間へ媒体気体が吸い込まれる流入口である。吸入口３４は、ヒートシンク３２の内部に設けられる吸入路３５の一方側の開口部で、ヒートシンク３２の外壁に設けられる。吸入口３４における媒体気体の圧力は、図１の例ではＰ_-3である。吸入路３５の他方側の開口部は、ケーシング３０とヒートシンク３２とで形成される熱遷移流ポンプ２４の内部空間に面してケーシング３０の他方側の端面３３に設けられる。ここで媒体気体とは、熱遷移流ポンプ２４の内部空間にある気体、特に多孔体膜５０の周囲にあって熱遷移流を生じさせる周囲気体のことである。したがって、媒体気体の平均自由行程とは、周囲気体の圧力や温度等で決まる。

【0028】

排出口３６は、熱遷移流ポンプ２４の内部空間から媒体気体を排出する流出口である。排出口３６は、ヒートシンク３２の内部に設けられる排出路３７の一方側の開口部で、吸入口３４とは別の場所でヒートシンク３２の外壁に設けられる。排出口３６における媒体気体の圧力は、図１の例ではＰ_-2である。ここで、Ｐ_-2は吸入口３４の圧力のＰ_-3よりも大気圧Ｐ₀に近い高圧である。排出路３７の他方側の開口部は、ケーシング３０とヒートシンク３２とで形成される熱遷移流ポンプ２４の内部空間に面してケーシング３０の他方側の端面３３に、吸入路３５の他方側の開口部とは別の場所に設けられる。

【0029】

ヒータ３８は、配線４０によって外部から電力が供給されて発熱する発熱体である。ヒータ３８としては、赤外線を放出する赤外ヒータ等を用いることができる。抵抗線ヒータ等を用いてもよい。

【0030】

多孔体膜５０は、細孔５２を含む細孔体膜で、複数の細孔５２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。細孔５２は、媒体気体の平均自由行程の５倍の長さ以下の孔径を有する。孔径の詳細については、図３から図５を用いて後述する。多孔体膜５０は、熱伝導率の小さい材料で構成される。熱伝導率としては、０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が好ましい。多孔体膜５０における細孔５２の多孔率は、例えば、孔部分の体積占有率で評価表出来る。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。多孔体膜５０の厚さの一例を挙げると、約０．５ｍｍから約１ｍｍである。これ以外の厚さであっても構わない。かかる多孔体膜５０としては、シリカ（ＳｉＯ₂）を多孔質にしたエアロジェル（物質名）を用いることができる。

【0031】

多孔体膜５０は、その一方側の端面と他方側の端面に温度差があると、低温側の端面から高温側の端面に向かって、熱遷移流５４が生じる。熱遷移流５４については、図２を用いて後述する。

【0032】

シール部４２は、ヒートシンク３２の他方側の端面３３と多孔体膜５０の間に設けられ、熱伝導率の小さい材料で構成される気密シール手段である。シール部４２は、ヒートシンク３２の他方側の端面３３に設けられる吸入路の開口部を内側に囲み、排出口の開口部を含まないように、多孔体膜５０の一方側の端面とヒートシンク３２の他方側の端面３３との間に配置される。

【0033】

かかるシール部４２としては、多孔体膜５０とヒートシンク３２の双方に対し接着性が良好で、熱伝導性の小さい気密性接着剤を用いることができる。このような接着剤として、アラルダイト（登録商標）を用いることができる。例えば、アラルダイト（登録商標）を多孔体膜５０の一方側端面の外周側に沿って一周全部に塗布し、その塗布側をヒートシンク３２の他方側の端面３３に向けて押し付けることで、シール部４２を形成することができる。

【0034】

低温側空間５６は、多孔体膜５０の他方側の端面とヒートシンク３２の他方側の端面３３とシール部４２の内側面とで形成される空間である。シール部４２としてアラルダイト（登録商標）を用いるときは、シール部４２の内側面は、アラルダイト（登録商標）の塗布厚さに対応する高さを有する内側面となる。低温側空間５６には、吸入路３５の他方側の開口部が開口する。

【0035】

高温側空間５８は、熱遷移流ポンプ２４の内部空間において、シール部４２によって低温側空間５６と気密分離された空間である。高温側空間５８には、排出路３７の他方側の開口部が開口する。このように、多孔体膜５０は、熱遷移流ポンプ２４の内部空間において、吸入口側の低温側空間５６と排出口側の高温側空間の間に配置される。ヒータ３８は、高温側空間５８において、多孔体膜５０の他方側の端面に面して配置される。

【0036】

図２は、ヒータ３８が通電されたときに多孔体膜５０に熱遷移流５４が生じることを示す原理図である。ヒータ３８が通電されると、多孔体膜５０の他方側端面６０が加熱されて高温側端面となる。多孔体膜５０は熱伝導率が小さく、シール部４２も熱伝導率が小さく、一方でヒートシンク３２は熱伝導率が大きいので、多孔体膜５０の一方側端面６２は低温側端面となる。多孔体膜５０の細孔５２の孔径は媒体気体の平均自由行程の５倍の長さ以下の孔径を有するので、多孔体膜５０の低温側端面である一方側端面６２から高温側端面である他方側端面６０に向かって熱遷移流５４が生じる。これによって、低温側空間５６から媒体気体が多孔体膜５０の一方側端面６２から吸い込まれ、多孔体膜５０の細孔５２を通って多孔体膜５０の他方側端面６０に抜けて高温側空間５８へ流れる。したがって、低温側空間５６の気圧は、高温側空間５８の気圧Ｐ_-2よりも減圧されたＰ_-3となる。

【0037】

図１の熱遷移流ポンプシステム１０は、複数の熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８において、多孔体膜５０の細孔５２の孔径が異なる。そのことを、図３を用いて説明する。図３は、隣接して配置される２つの熱遷移流ポンプ２４，２６の接続関係を示す図である。熱遷移流ポンプシステム１０においては、減圧チャンバ１２から媒体気体が吸い込まれて大気圧Ｐ₀側に排出されるので、熱遷移流ポンプ２４は熱遷移流ポンプ２６よりも高圧側に配置されていることになる。したがって、減圧側の熱遷移流ポンプ２６の排出口３６は、接続流路５９を介して、高圧側の熱遷移流ポンプ２４の吸入口３４に接続される。

【0038】

ここで、熱遷移流ポンプ２４，２６は、基本的構造は互いに同一であるが、熱遷移流ポンプ２６の多孔体膜５１の細孔５３の孔径は、熱遷移流ポンプ２４の多孔体膜５０の細孔５２の孔径よりも大きい。孔径の差は、多孔体膜５０，５１の材料であるエアロジェルの種類を変えることで異ならせることができる。

【0039】

隣接して配置される２つの熱遷移流ポンプ２４，２６を区別して、高圧側の熱遷移流ポンプ２４を第１の熱遷移流ポンプと呼び、低圧側の熱遷移流ポンプ２６を第２の熱遷移流ポンプと呼ぶ。すなわち、図３の構成は、媒体気体の平均自由行程の５倍の長さ以下の第１の孔径の細孔を有する第１細孔膜が吸入口側と排出口側との間に配置される第１の熱遷移流ポンプと、第１の孔径よりも大きな孔径の細孔を有する第２細孔膜が吸入口側と排出口側との間に配置される第２の熱遷移流ポンプと、第１熱遷移流ポンプの吸入口と第２熱遷移流ポンプの排出口とを接続する接続流路とを備えるものである。

【0040】

図４は、第１の熱遷移流ポンプである熱遷移流ポンプ２４の多孔体膜５０の細孔５２の孔径分布と、第２の熱遷移流ポンプである熱遷移流ポンプ２６の多孔体膜５１の細孔５３の孔径分布を示す図である。図４（ａ）が細孔５２の孔径分布、（ｂ）が細孔５３の孔径分布である。いずれの図も横軸が細孔径、縦軸が頻度である。孔径は、周知の窒素置換法によって細孔の壁面に吸着した窒素ガス量から換算して求めた。孔径分布は、単位断面積当たり同じ孔径の細孔の数、つまり細孔数密度の分布として求めた。

【0041】

図４（ａ）と（ｂ）を比較すると、細孔の孔径分布がかなり異なる。孔径分布で頻度の最大値を取る孔径を代表孔径として代表孔径の大きさを比較すると、第１の熱遷移流ポンプである熱遷移流ポンプ２４の多孔体膜５０の細孔５２の代表孔径は約１０ｎｍであり、第２の熱遷移流ポンプである熱遷移流ポンプ２６の多孔体膜５１の細孔５３の代表孔径は約３０ｎｍである。

【0042】

ここでは、代表孔径として、細孔数密度で評価した孔径分布で最大値を取る孔径としたが、この他に、細孔数密度で評価した孔径分布の平均値を用いることができる。また、これらに代えて、細孔体積で評価した孔径分布の平均値、または、細孔体積で評価した孔径分布で最大値を取る孔径を代表孔径とすることもできる。

【0043】

図５は、代表孔径の小さな細孔５２の多孔体膜５０を用いた熱遷移流ポンプ２４と、代表孔径の大きな細孔５３の多孔体膜５１を用いた熱遷移流ポンプ２６について、減圧比特性を比較したものである。横軸は排出口３６の気体圧を基準圧力Ｐｂとして（Ｐｂ／大気圧Ｐ₀）で、縦軸は減圧比である。減圧比とは、吸入口３４の気体圧をＰａとして、減圧比＝｛１−（Ｐａ／Ｐｂ）｝で与えられる。例えば、排出口３６の圧力Ｐｂ＝１ａｔｍとし、吸入口３４の圧力Ｐａ＝０．７５ａｔｍの場合は、減圧比＝｛１−（０．７５／１）｝＝０．２５である。

【0044】

図５に示されるように、代表孔径の小さな細孔５２を用いた場合は、基準圧力Ｐｂの広い範囲に渡って良好な減圧比特性を有する。したがって、代表孔径の小さな細孔５２を用いた熱遷移流ポンプ２４のみを縦続接続して熱遷移流ポンプシステムを構成すれば、高圧側から低圧側の広い範囲に渡って良好な減圧比特性を得ることができる。しかし、代表孔径の小さな細孔５２を用いた熱遷移流ポンプ２４は、流量が小さいので、目標圧力まで減圧する時間が長くなり、減圧効率が低い。

【0045】

これに対し、代表孔径の大きな細孔５３を用いた場合は、高圧側では減圧特性があまり良くないが、低圧側で良好な減圧比特性を発揮する。これは、大きい代表孔径の細孔５３が多いと、高圧下において媒体気体の平均自由行程と代表孔径の差が小さく、熱遷移流が発生しにくいが、低圧下では媒体気体の平均自由行程と代表孔径の差が大きくなって、熱遷移流が発生でき、大きい代表孔径の細孔５３が多い分、より多くの熱遷移流が発生することによると考えられる。また、代表孔径の大きな細孔５３を用いた熱遷移流ポンプ２６は、流量が大きいので、目標圧力まで減圧する時間が短くでき、減圧効率を高くできる。

【0046】

図６は、その結果をまとめたものである。この結果から、代表孔径が大きく、大きな流量が取れ、低圧側で良好な減圧特性を発揮する熱遷移流ポンプ２６を低圧側に配置し、代表孔径が小さく、流量はあまり取れないが高圧側でも良好な減圧特性を有する熱遷移流ポンプ２４を高圧側に配置することがよいことが分かる。

【0047】

図１の熱遷移流ポンプシステム１０は、図６の結果に基づき、高圧側の熱遷移流ポンプの多孔体膜の代表孔径よりも低圧側の熱遷移流ポンプの多孔体膜の孔径を大きくするように複数の熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８を縦続接続したものである。多孔体膜の代表孔径の設定方法としては、最も高圧側の熱遷移流ポンプ２０から最も低圧側の熱遷移流ポンプ２８に向かって、代表孔径を次第に大きくするものとできる。あるいは、例えば、図５では、代表孔径の小さい細孔５２を有する熱遷移流ポンプ２４の減圧比特性と代表孔径の大きい細孔５３を有する熱遷移流ポンプ２６の減圧比特性が約０．２ａｔｍで交差するので、この０．２ａｔｍより低圧側では代表孔径の大きい細孔５３を有する熱遷移流ポンプを複数台縦続接続し、この０．２ａｔｍより高圧側では代表孔径の小さい細孔５２を有する熱遷移流ポンプを複数台縦続接続するものとしてもよい。

【0048】

図５の結果から、基準圧力Ｐｂが低いほど、熱遷移流ポンプの減圧比特性がより向上することが分かる。図７は、同じ性能の熱遷移流ポンプの縦続接続数を増やしたときのそれぞれの到達圧力を示す図である。横軸は縦続接続数、縦軸は大気圧を基準とした到達圧力である。１台の熱遷移流ポンプの到達圧力は、縦続接続数＝１のときの値である。

【0049】

図７の例では、１台の熱遷移流ポンプの減圧比は約０．８５である。破線は、この１台の減圧比を縦続接続数Ｎだけ掛け合わせた値（０．８５^N）をその接続数Ｎのときの到達圧力として計算した値である。Ｎ＝１５とすると、最も低圧側の熱遷移流ポンプにおける減圧は、１ａｔｍ×（０．８５¹⁵）で、約０．１ａｔｍとなる。実線は、約０．８５の減圧比性能を有する熱遷移流ポンプを実際に縦続接続したときの到達圧力の実測値である。Ｎ＝１５のときの最も低圧側の熱遷移流ポンプにおける減圧は、約０．０３ａｔｍであった。このことからも、熱遷移流ポンプは、媒体気体の圧力が低圧になる程、減圧比性能がより向上していることが分かる。

【0050】

これらのことから、熱遷移流ポンプについて、一般的な真空ポンプ等を用いて粗引きし、熱遷移流による減圧比が高くなる状態の圧力まで短時間で持ってくるようにすれば、その後の熱遷移流による減圧が効率よく行え、より短時間で所望の減圧に到達させることができ、減圧効率を向上させることができる。

【0051】

粗引きの減圧と熱遷移流による減圧の順序は、前者をより早い時期に行うことがよい。例えば、粗引き用の減圧ポンプ６６をまず作動させ、熱遷移流ポンプの内部空間の圧力を予め定めた圧力まで減圧した後、熱遷移流ポンプのヒータ３８に通電するものとできる。これに代えて、熱遷移流ポンプのヒータ３８を通電すると共に粗引き用の減圧ポンプ６６も作動させ、熱遷移流ポンプの内部空間の圧力が所定の圧力まで減圧されたときに、あるいは熱遷移流ポンプの内部空間の温度が所定の温度まで上昇したときに、粗引き用の減圧ポンプ６６の作動を停止させることとすることもできる。このように、粗引きの減圧ポンプ６６の作動停止は、熱遷移流ポンプの内部空間における媒体気体の圧力や温度が、熱遷移流による減圧を効率よく行える定常状態になったときに実行される。

【0052】

図８は、粗引き用の減圧ポンプ６６を備える熱遷移流ポンプシステム６４の構成図である。図８（ａ）は全体構成図である。図８（ｂ）は熱遷移流ポンプ２４の内部構成を示す図で、図１（ｂ）と同じ内容である。

【0053】

この熱遷移流ポンプシステム６４は、縦続接続された５つの熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８と、粗引き用の減圧ポンプ６６と、各熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８の排出口をそれぞれ減圧ポンプ６６の吸入口に接続する連通路６８と、各熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８の排出口と連通路６８の間にそれぞれ設けられる連通切替弁７０，７２，７４，７６，７８を備える。

【0054】

なお、図８では、連通路６８、連通切替弁７０，７２，７４，７６，７８を、縦続接続された５つの熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８とは別体として示したが、これらを一体化構造としてもよい。例えば、５つの熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８を縦続接続するために、隣接する熱遷移流ポンプの一方の排出口と他方の吸入口とを接続する接続流路に、連通路と連通切替弁の機能を持たせて一体化するものとしてもよい。

【0055】

縦続接続された５つの熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８は、図１の熱遷移流ポンプシステム１０の５つの熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８と同様に、高圧側の熱遷移流ポンプの多孔体膜の代表孔径よりも低圧側の熱遷移流ポンプの多孔体膜の孔径を大きくする構成とすることができる。また、減圧ポンプ６６を用いて所定の減圧まで粗引きするので、全ての熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８について多孔体膜の代表孔径を同じとし、同じ性能の熱遷移流ポンプを５台縦続接続する構成としてもよい。その場合には、多孔体膜の代表孔径を大きくし、流量を大きく取れるようにすることが好ましい。例えば、図４（ｂ）で説明した孔径分布の細孔５３を有する多孔体膜５１とすることがよい。

【0056】

粗引き用の減圧ポンプ６６は、適当な真空ポンプを用いることができる。連通路６８は、各熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８の排出口をそれぞれ減圧ポンプ６６の吸入口に接続する流路である。排出口を減圧ポンプ６６に接続するようにするのは、流体抵抗の大きな多孔体膜を通らずに、熱遷移流ポンプの内部空間において多孔体膜の両側の空間を減圧ポンプ６６によって排出して減圧するためである。なお、図８のように減圧チャンバ１２が設けられている場合には、減圧チャンバ１２の排出口に別個の開閉弁を設けることがよい。かかる連通路６８は、適当な材質の管路で構成することができる。

【0057】

連通切替弁７０，７２，７４，７６，７８は、減圧ポンプ６６が作動していないときに、５つの熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８の各排出口が連通することを防止するための開閉切替弁である。すなわち、連通切替弁７０，７２，７４，７６，７８は、各熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８の排出口と連通路６８の間にそれぞれ設けられ、減圧ポンプ６６の作動中は、各熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８の排出口を減圧ポンプ６６の吸入口と連通させる。また、減圧ポンプ６６が停止中は、各熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８の排出口と減圧ポンプの吸入口との間を遮断する。

【0058】

連通と遮断の切替は、圧力計１６の圧力を見ながら、所定の圧力まで各熱遷移流ポンプ２０，２２，２４，２６，２８の内部空間が粗引きされたかどうかを操作者が判断し、その判断に基づいて操作者が手動で行うことができる。切替を行う所定の圧力は、熱遷移流ポンプシステム６４の減圧効率の目標値に基づいて予め設定することができる。例えば、図５の結果を参考として、切替を行う所定の圧力を約０．２ａｔｍとすることができる。

【0059】

連通と遮断の切替を手動に代えて、機械的信号または電気的信号等によって行うこともできる。また、連通切替弁７０，７２，７４，７６，７８を所定の圧力等になったときに自動的に連通と遮断の切替を行うような機構を有するものとしてもよい。そのような連通切替弁の例を図９から図１１に示す。以下では、図８（ｂ）の熱遷移流ポンプ２４の排出口３６と連通路６８との間に連通切替弁が配置される場合を例として説明する。

【0060】

図９は、連通切替弁として用いることができるリリーフ弁８０を示す図である。リリーフ弁８０は、筐体８２と、熱遷移流ポンプ２４の排出口３６に接続される開口部８４と、連通路６８に接続される開口部８６を有する。筐体内部には、弁体８８と、弁体８８の先端部９０を開口部８４の周辺部の弁座に押し付ける付勢力を発生するリリーフバネ９２が配置される。リリーフバネ９２の付勢力は、圧力に換算した値がリリーフ圧Ｐ_Rとなるように設定される。

【0061】

これにより、排出口３６の圧力が高く、連通路６８の圧力よりもリリーフ圧Ｐ_R以上のときには排出口３６と連通路６８とが連通し、減圧ポンプ６６の作用によって、熱遷移流ポンプ２４の内部空間が粗引きされる。この連通によって排出口３６の圧力が低下し、連通路６８の圧力よりリリーフ圧Ｐ_Rだけ高い値まで低下すると、排出口３６と連通路６８の間が遮断される。この遮断の後で、熱遷移流ポンプ２４のヒータ３８が通電され、熱遷移流による減圧が始まる。したがって、リリーフ圧Ｐ_Rを予め設定することで、連通路６８の圧力と排出口３６の圧力との差圧がリリーフ圧Ｐ_R以下かどうかで、連通と遮断が自動的に切り替わる。

【0062】

図１０は、流通切替弁として用いることができる弾性体９４を示す図である。弾性体９４は、内部に圧力Ｐ_Sの流体が封止され、ゴム等の弾性材料で構成される球状またはパイプ状の外形を有するものである。弾性体９４は、排出口３６と連通路６８の間の管路内に配置される。

【0063】

図１０（ａ）は、排出口３６の圧力が大気圧等の高圧であるときを示す図で、弾性体９４の内部圧力Ｐ_Sの大きさを大気圧よりも低圧とすることで、排出口３６と連通路６８とが連通し、減圧ポンプ６６の作用によって、熱遷移流ポンプ２４の内部空間が粗引きされる。

【0064】

図１０（ｂ）は、排出口３６と連通路６８の連通によって排出口３６の圧力が低下し、弾性体９４の内部圧力Ｐ_S以下の低圧になったときを示す図である。このとき、弾性体９４が堆積膨張し、排出口３６と連通路６８の間が遮断される。この遮断の後で、熱遷移流ポンプ２４のヒータ３８が通電され、熱遷移流による減圧が始まる。したがって、弾性体９４の内部圧力Ｐ_Sを予め設定することで、排出口３６の圧力がＰ_S以上かどうかで、連通と遮断が自動的に切り替わる。このように、弾性体９４は、媒体気体の圧力変化によって連通と遮断との間を切り替える圧力差感知弁として用いることができる。

【0065】

図１１は、流通切替弁として用いることができる温度感知式弁９６を示す図である。温度感知式弁９６は、温度が上昇すると全閉の遮断状態となり、温度が低下すると全開の連通状態となる弁である。かかる温度感知式弁９６としては、例えば、シールテック社製の製品名が大気温度感知式バルブである弁を用いることができる。温度感知式弁９６は、排出口３６と連通路６８の間の管路に配置され、その配置位置は、熱遷移流ポンプ２４のヒータ３８の真上等で、媒体気体の温度を反映できる場所とすることが好ましい。温度感知式弁９６を熱遷移流ポンプ２４と一体化構造としてもよい。このように、温度感知式弁９６は、媒体気体の温度変化によって連通と遮断との間を自動的に切り替える温度感知弁として用いることができる。

【符号の説明】

【0066】

８ 試料、１０，６４ 熱遷移流ポンプシステム、１２ 減圧チャンバ、１４ 減圧室、１６ 圧力計、２０，２２，２４，２６，２８ 熱遷移流ポンプ、３０ ケーシング、３２ ヒートシンク、３３ 端面、３４ 吸入口、３５ 吸入路、３６ 排出口、３７ 排出路、３８ ヒータ、４０ 配線、４２ シール部、５０，５１ 多孔体膜、５２，５３ 細孔、５４ 熱遷移流、５６ 低温側空間、５８ 高温側空間、５９ 接続流路、６０ 他方側端面、６２ 一方側端面、６６ 減圧ポンプ、６８ 連通路、７０，７２，７４，７６，７８ 連通切替弁、８０ リリーフ弁、８２ 筐体、８４，８６ 開口部、８８ 弁体、９０ 先端部、９２ リリーフバネ、９４ 弾性体、９６ 温度感知式弁。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】