特許 6459771 熱遷移流ヒートポンプ

(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】6459771

(24)【登録日】2019年1月11日

(45)【発行日】2019年1月30日

(54)【発明の名称】熱遷移流ヒートポンプ

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20190121BHJP

   F25B 27/00 20060101ALI20190121BHJP

   F25B 27/02 20060101ALI20190121BHJP

   F04B 37/06 20060101ALI20190121BHJP

【ＦＩ】

   F25B1/00 Z

   F25B27/00 R

   F25B27/02 Q

   F25B27/02 R

   F04B37/06

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-102580(P2015-102580)

(22)【出願日】2015年5月20日

(65)【公開番号】特開2016-217619(P2016-217619A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2017年1月10日

(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

(72)【発明者】

【氏名】廣田 靖樹

(72)【発明者】

【氏名】山内 崇史

(72)【発明者】

【氏名】岩田 隆一

【審査官】 笹木 俊男

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２５７８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０７８６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６５３３５５４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開昭５９−１３０５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０９０７９５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ １９／００ 〜 ３０／０６

Ｆ０４Ｂ ２５／００ 〜 ３７／２０

Ｆ０４Ｂ ４１／００ 〜 ４１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液相の媒体である水を蒸発させて気相の媒体である水蒸気にする蒸発器、気相の媒体である水蒸気を凝縮させて液相の媒体である水にする凝縮器、蒸発器と凝縮器の間に設けられて可動部を有せずに蒸発器の内部圧力を減圧し且つ凝縮器の内部圧力を加圧するとともに蒸発器から凝縮器に向かって気相の媒体を流す媒体輸送ユニット、及び、凝縮器で凝縮された液相の媒体を蒸発器に還流させる媒体流路を備えるヒートポンプであって、
蒸発器は、
媒体流路によって還流された液相の媒体である水を底面側に貯留し、液相の媒体である水について媒体輸送ユニットによって内部圧力が減圧されることで、減圧された内部圧力を飽和蒸気圧とする気相の媒体である水蒸気に蒸発させて媒体輸送ユニットを介して凝縮器側に流す蒸発器であり、
凝縮器は、
媒体輸送ユニットによって内部圧力が加圧されることで、蒸発器側から輸送される気相の媒体である水蒸気について加圧された内部圧力を飽和蒸気圧とする液相の媒体である水に凝縮させ底面に貯留する凝縮器であり、
媒体輸送ユニットは、
蒸発器側に配置され中温熱源流が流れる中温熱源部と、
凝縮器側に配置され高温熱源流が流れる高温熱源部と、
媒体の飽和蒸気圧における平均自由行程の１０倍以下の細孔径を有する多孔体または多孔性プレートが中温熱源部と高温熱源部とに挟まれた構造を有し、蒸発器側の中温熱源流の中温と凝縮器側の高温熱源流の高温との間の温度差によって蒸発器側から凝縮器側に気相の媒体である水蒸気の熱遷移流を生じさせる熱遷移流ポンプと、を含み、
媒体流路は、凝縮器と蒸発器とを接続する流路であり、
蒸発器の内部圧力は、
蒸発器において液相の媒体である水が蒸発するときの蒸発潜熱によって発生する冷熱の温度であって中温熱源流の温度よりも低温である冷熱の温度における飽和蒸気圧であり、
凝縮器の内部圧力は、
凝縮器において気相の媒体である水蒸気が凝縮するときに蒸発器における蒸発潜熱と同量の凝縮熱によって発生する温熱であって高温熱源流の温度よりも低温、且つ中温熱源流の温度よりも高温である温熱の温度における飽和蒸気圧であることを特徴とする熱遷移流ヒートポンプ。

【請求項2】

請求項１に記載の熱遷移流ヒートポンプにおいて、
中温熱源部は、熱遷移流ポンプの蒸発器側の面に直接的に接触して設けられ、蒸発器から熱遷移流ポンプに向かう気相の媒体である水蒸気の熱遷移流路、及び、気相の媒体である水蒸気の熱遷移流路とは空間的に分離される中温熱源流路を有する熱伝導性物質で構成され、
高温熱源部は、熱遷移流ポンプの凝縮器側の面に直接的に接触して設けられ、熱遷移流ポンプから凝縮器に向かう気相の媒体である水蒸気の熱遷移流路、及び、気相の媒体である水蒸気の熱遷移流路とは空間的に分離される高温熱源流路を有する熱伝導性物質で構成されることを特徴とする熱遷移流ヒートポンプ。

【請求項3】

請求項１に記載の熱遷移流ヒートポンプにおいて、
媒体輸送ユニットを多段接続して、蒸発器側の圧力と凝縮器側の圧力との間の圧力差を所定の圧力差とすることを特徴とする熱遷移流ヒートポンプ。

【請求項4】

請求項１に記載の熱遷移流ヒートポンプにおいて、
中温熱源流および高温熱源流は、液体流または気体流であることを特徴とする熱遷移流ヒートポンプ。

【請求項5】

請求項１に記載の熱遷移流ヒートポンプにおいて、
高温熱源流は、廃熱源から熱回収を連続的に行う熱源流であることを特徴とする熱遷移流ヒートポンプ。

【請求項6】

請求項１に記載の熱遷移流ヒートポンプにおいて、
中温熱源流は、大気または室内空気と熱交換する熱交換器に接続されることを特徴とする熱遷移流ヒートポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱遷移流を用いるヒートポンプである熱遷移流ヒートポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

排熱を用いて冷媒の蒸発と凝縮を利用したヒートポンプとして、吸着式ヒートポンプが知られている。これは、蒸発器で発生した冷媒の蒸気を吸着材に取り込む形で除去し、その後吸着材を加熱することで、取り込んだ冷媒を凝縮器側で放出し、再び冷媒の蒸気を取り込める状態にし、これを繰り返すことにより蒸発器側で冷熱を、凝縮器側で温熱を発生し続ける方法である。

【0003】

非特許文献１には、最新のゼオライト系水蒸気吸着材を適用した小型吸着式冷凍機の性能と導入事例が紹介されている。それによると、外形が１３７０ｍｍ×１１００ｍｍ×７５０ｍｍ（容積１１３０×１０³ｃｍ³）の装置１台で１０ｋＷの性能を発揮する。

【0004】

本発明に密接に関連する技術として、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発生す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、孔径が１０ｎｍ程度の領域内では大気圧でも希薄気体となって、熱遷移流を発生させることができる。

【0005】

例えば、非特許文献２には、媒体気体の平均自由行程の５倍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２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】

【0006】

【非特許文献1】鈴木将大他，ＡＱＳＯＡ（商標登録）を適用した小型吸着式冷凍機，２０１３年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集，２０１３年９月１０−１２日，ｐｐ．４３−４４

【非特許文献2】Ｎ．Ｋ．Ｇｕｐｔａ他，Ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｘｅｄ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｅｓｔｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ：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】

【0007】

従来の吸着式ヒートポンプでは、加熱と冷却のサイクルの時間的な切り替えが必要である。そのために複数のバルブ、それらを操作する制御機器等が必要となる。バルブには可動部分がありその可動制御を行うので、耐久性や信頼性のための配慮が必要となる。

【0008】

本発明の目的は、熱遷移流を用いることで、加熱と冷却のサイクル切り替えを不要とする可動部レスの熱遷移流ヒートポンプを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプは、液相の媒体である水を蒸発させて気相の媒体である水蒸気にする蒸発器、気相の媒体である水蒸気を凝縮させて液相の媒体である水にする凝縮器、蒸発器と凝縮器の間に設けられて可動部を有せずに蒸発器の内部圧力を減圧し且つ凝縮器の内部圧力を加圧するとともに蒸発器から凝縮器に向かって気相の媒体である水蒸気を流す媒体輸送ユニット、及び、凝縮器で凝縮された液相の媒体である水を蒸発器に還流させる媒体流路を備えるヒートポンプであって、蒸発器は、媒体流路によって還流された液相の媒体である水を底面側に貯留し、液相の媒体である水について媒体輸送ユニットによって内部圧力が減圧されることで、減圧された内部圧力を飽和蒸気圧とする気相の媒体である水蒸気に蒸発させて媒体輸送ユニットを介して凝縮器側に流す蒸発器であり、凝縮器は、媒体輸送ユニットによって内部圧力が加圧されることで、蒸発器側から輸送される気相の媒体である水蒸気について加圧された内部圧力を飽和蒸気圧とする液相の媒体である水に凝縮させ底面に貯留する凝縮器であり、媒体輸送ユニットは、蒸発器側に配置され中温熱源流が流れる中温熱源部と、凝縮器側に配置され高温熱源流が流れる高温熱源部と、媒体の飽和蒸気圧における平均自由行程の１０倍以下の細孔径を有する多孔体または多孔性プレートが中温熱源部と高温熱源部とに挟まれた構造を有し、蒸発器側の中温熱源流の中温と凝縮器側の高温熱源流の高温との間の温度差によって蒸発器側から凝縮器側に気相の媒体である水蒸気の熱遷移流を生じさせる熱遷移流ポンプと、を含み、媒体流路は、凝縮器と蒸発器とを接続する流路であり、蒸発器の内部圧力は、蒸発器において液相の媒体である水が蒸発するときの蒸発潜熱によって発生する冷熱の温度であって中温熱源流の温度よりも低温である冷熱の温度における飽和蒸気圧であり、凝縮器の内部圧力は、凝縮器において気相の媒体である水蒸気が凝縮するときに蒸発器における蒸発潜熱と同量の凝縮熱によって発生する温熱であって高温熱源流の温度よりも低温、且つ中温熱源流の温度よりも高温である温熱の温度における飽和蒸気圧であることを特徴とする。

【0011】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、中温熱源部は、熱遷移流ポンプの蒸発器側の面に直接的に接触して設けられ、蒸発器から熱遷移流ポンプに向かう気相の媒体である水蒸気の熱遷移流路、及び、気相の媒体である水蒸気の熱遷移流路とは空間的に分離される中温熱源流路を有する熱伝導性物質で構成され、高温熱源部は、熱遷移流ポンプの凝縮器側の面に直接的に接触して設けられ、熱遷移流ポンプから凝縮器に向かう気相の媒体である水蒸気の熱遷移流路、及び、気相の媒体である水蒸気の熱遷移流路とは空間的に分離される高温熱源流路を有する熱伝導性物質で構成されることが好ましい。

【0012】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、媒体輸送ユニットを多段接続して、蒸発器側の圧力と凝縮器側の圧力との間の圧力差を所定の圧力差とすることが好ましい。

【0016】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、中温熱源流および高温熱源流は、液体流または気体流であることが好ましい。

【0017】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、高温熱源流は、廃熱源から熱回収を連続的に行う熱源流であることが好ましい。

【0018】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、中温熱源流は、大気または室内空気と熱交換する熱交換器に接続されることが好ましい。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプは、蒸発器と凝縮器との間に設けられる媒体輸送ユニットとして、中温熱源部と高温熱源部との間に熱遷移流ポンプを配置したものを用いる。熱遷移流ポンプは、その両側に温度差があると熱遷移流を発生するので、吸着型ヒートポンプのように加熱と冷却のサイクル切り替えをしなくても、連続的に蒸発器側から凝縮器側へ媒体を流し続けることができる。これにより、可動部レスの熱遷移流ヒートポンプとなる。

【0021】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、熱遷移流ポンプとして、媒体の飽和蒸気圧における平均自由行程の１０倍以下の細孔径を有する多孔体または多孔性プレートを用いることができる。同じ細孔径を有する多孔性プレートを用いることで、材料の選択幅が拡大する。

【0022】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、中温熱源部は熱遷移流ポンプの蒸発器側の面に直接的に接触する熱伝導性物質で構成され、高温熱源部は熱遷移流ポンプの凝縮器側の面に直接的に接触する熱伝導性物質で構成される。例えば、銅板等で熱遷移流ポンプを挟んだ構成とできる。そして、これらの熱伝導性物質にはそれぞれ媒体の熱遷移流路と、媒体の熱遷移流路とは空間的に分離される熱源流路が設けられる。これにより、例えば、非接触式の輻射熱伝導を用いるものに比べ、熱遷移流ポンプの両側の温度差を効率よく生成することができる。また、これらの熱伝導物質にはそれぞれ媒体の熱遷移流路が設けられるので、接触熱伝導を用いても、熱遷移流ポンプによる熱遷移流を蒸発器側から凝縮器側に流すことができる。

【0023】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、熱遷移流ポンプを含む媒体輸送ユニットは、１段で発生できる圧力差は小さい。そこで、これを多段接続することで、所定の圧力差を得ることができる。

【0024】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、蒸発器側では低下した圧力に相当して低温の冷熱が出力され、凝縮器側では蒸発器側の圧力低下を補って媒体が凝縮されることで高温の温熱が出力される。これによって、可動部レスのヒートポンプを構成できる。

【0026】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、媒体は、水、メタノール、エタノールの中の１つである。このように、特別な媒体を必要としない。

【0027】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、中温熱源流および高温熱源流は、液体流または気体流である。したがって、熱源流を連続的に流すことが容易である。

【0028】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、高温熱源流は、廃熱源から熱回収を連続的に行う熱源流である。これにより、特別な高熱発生装置を用いずに、室温より高温である廃熱を利用できるので、経済的である。

【0029】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、中温熱源流は、大気または室内空気と熱交換する熱交換器に接続されるので、中温熱源流として特別な熱源を用いることなく、暖かい大気または室内空気を熱源流として利用できる。

【0030】

本発明に係る熱遷移流ヒートポンプにおいて、蒸発器から出力される冷熱が冷房用冷熱として用いられる。このように、凝縮器側の温熱で暖房を行い、蒸発器側の冷熱で冷房を行うヒートポンプとできる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明に係る実施の形態の熱遷移流ヒートポンプの構成図である。図１(ａ)は全体構成図であり、（ｂ）は中温熱源部の断面図であり、（ｃ）は高温熱源部の断面図である。

【図2】本発明に係る実施の形態の熱遷移流ヒートポンプにおいて、複数の媒体輸送ユニットを多段接続する例を示す図である。

【図3】本発明に係る実施の形態の熱遷移流ヒートポンプにおいて、媒体輸送ユニットが媒体圧力値によって（圧力差−流量）特性が異なることを示す図である。図３（ａ）は、媒体圧力値が低い蒸発器側の特性図であり、（ｃ）は媒体圧力値が高い凝縮器側の特性図であり、（ｂ）はその中間の媒体圧力値における特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

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、孔径、熱遷移流ポンプの接続数等は説明のための例示であって、熱遷移流ヒートポンプ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。

【0033】

図１は、熱遷移流ヒートポンプ１０の構成図である。図１（ａ）は熱遷移流ヒートポンプ１０の全体構成図である。熱遷移流ヒートポンプ１０は、媒体の輸送手段として熱遷移流ポンプ７０を用いたヒートポンプである。

【0034】

熱遷移流ヒートポンプ１０は、蒸発器１２と凝縮器１４と媒体輸送ユニット１６とを含む。熱遷移流ヒートポンプ１０は、さらに中温熱源２０と高温熱源２２とを含む。媒体輸送ユニット１６は、中温熱源部５０と高温熱源部６０と熱遷移流ポンプ７０とを含む。図１（ａ）では、蒸発器１２、凝縮器１４、媒体輸送ユニット１６の断面図を示したが、媒体輸送ユニット１６の部分の尺度を他の構成要素に比較して拡大して示した。図１（ａ）に直交する３方向としてＸＹＺ方向を示す。Ｘ方向は蒸発器１２から凝縮器１４に向かう方向であり、Ｙ方向は紙面の手前側から向こう側に向かう方向であり、Ｚ方向は媒体輸送ユニット１６において媒体が流れる方向である。

【0035】

図１（ｂ）は、中温熱源部５０を媒体輸送ユニット１６の−Ｚ側である底面側から見た図であり、（ｃ）は、高温熱源部６０を媒体輸送ユニット１６の＋Ｚ側である上面側から見た図である。図１（ｂ），（ｃ）で示すＡ−Ａ線に沿った媒体輸送ユニット１６の断面図が図１（ａ）に相当する。

【0036】

蒸発器１２は、液相の媒体３０を底面側に貯留し、蒸発器１２の内部圧力が減圧されることで液相の媒体３０を気相の媒体３２に蒸発させる容器である。減圧は、媒体輸送ユニット１６の熱遷移流ポンプ７０の機能によって行われる。蒸発器１２の外周壁に設けられるフィン４６は、蒸発器１２と外気または室内空気との間の熱交換を行う放熱フィンである。蒸発器１２では、液相の媒体３０が蒸発して気相の媒体３２となるときの蒸発潜熱によって冷熱を発生する。発生した冷熱によって、外気または室内空気はフィン４６を介して冷やされる。このように、蒸発器１２で発生した冷熱を冷房用冷熱として利用することができる。

【0037】

凝縮器１４は、内部圧力が加圧されることで気相の媒体３４を液相の媒体３６に凝縮させ底面に貯留する容器である。加圧は、媒体輸送ユニット１６の熱遷移流ポンプ７０の機能によって行われる。凝縮器１４の外壁側に設けられるラジエータファン４８は、凝縮器１４と外気または室内空気との間の熱交換を行う放熱ファンである。凝縮器１４では、気相の媒体３４が凝縮して液相の媒体３６となるときに蒸発器１２における蒸発潜熱と同量の凝縮熱が放出されて温熱を発生する。発生した温熱によって、外気または室内空気はラジエータファン４８を介して暖められる。このように、凝縮器１４で発生した温熱を暖房用温熱として利用することができる。

【0038】

媒体流路３８は、凝縮器１４の底面に貯留された液相の媒体３６を、蒸発器１２の底面に還流させる流路である。媒体循環ポンプ４０は、媒体流路３８に設けられ、凝縮器１４と蒸発器１２との間の冷媒を循環させるポンプである。

【0039】

媒体としては、減圧によって気化し、加圧によって凝縮する流体を用いることができる。好ましくは、５０℃以下における飽和蒸気圧が１０１３ｈＰａ以下で、蒸発潜熱が１０ｋＪ／ｍｏｌ以上の物質であることがよい。このような媒体として、水を用いることができる。参考実施例としては、これ以外でも、例えば、メタノール、エタノール、ＮＨ₃等を媒体として用いてもよい。

【0040】

媒体輸送ユニット１６は、蒸発器１２と凝縮器１４との間に設けられ、蒸発器１２における減圧下の気相の媒体３２を高圧下の気相の媒体３４に変換して連続的に凝縮器１４に輸送する可動部レスの媒体輸送装置である。媒体輸送ユニット１６は、熱遷移流ポンプ７０を中温熱源部５０と高温熱源部６０で挟んだ構造を有する。

【0041】

中温熱源部５０は、熱伝導性物質で構成される板部材５２に、中温熱源流路５４と媒体の熱遷移流路５６とを設けたものである。図１（ｂ）に中温熱源部５０の平面図を示す。中温熱源流路５４は、中温熱源２０から供給される中温熱源流２４を流す流路である。中温熱源流路５４は、Ｙ方向に平行な方向に設けられる。熱伝導性物質としては、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ／Ｋから１０００Ｗ／ｍ／Ｋの範囲の物質を用いることが好ましい。例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができる。

【0042】

中温熱源２０は、室温程度の温度を有する冷却水である。図１（ａ）では冷却水タンクで中温熱源２０を示す。冷却水タンク等に熱交換器を設け、大気または室内空気と、冷却水との間の熱交換を行うことで、冷却水の温度をほぼ大気温度または室内空気温度と同じにできる。中温熱源流２４は、冷却水流である。これによって、中温熱源部５０は、中温熱源２０である冷却水の温度を有する熱源となる。中温熱源流２４として、冷却水流に代えて、他の中温液体流または中温気体流を用いてもよい。

【0043】

高温熱源部６０は、熱伝導性物質で構成される板部材６２に、高温熱源流路６４と媒体の熱遷移流路６６とを設けたものである。図１（ｃ）に高温熱源部６０の平面図を示す。高温熱源流路６４は、高温熱源２２から供給される高温熱源流２６を流す流路である。高温熱源流路６４はＹ方向に平行な方向に設けられる。

【0044】

高温熱源２２は、室温よりかなり高い温度を有する発熱体である。高温熱源２２としては、回転電機やエンジン等の発熱する装置等の廃熱源を用いることができる。高温熱源流２６は、この廃熱源からの熱流をそのまま用いることができる。ここでは、廃熱源の高温雰囲気の高温空気を高温ガス流として高温熱源流２６として用いる。これによって、高温熱源流２６は、廃熱源から熱回収を連続的に行う熱源流とでき、高温熱源部６０は、高温熱源２２である高温ガスの温度を有する熱源となる。高温熱源流２６として、高温ガス流に代えて、他の高温気体流または高温液体流を用いてもよい。

【0045】

媒体の熱遷移流路５６，６６の内容を述べる前に、熱遷移流ポンプ７０の説明を行う。熱遷移流ポンプ７０は、多孔体膜で構成される。多孔体膜は、細孔７２を含む細孔体膜で、複数の細孔７２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７２は、媒体の飽和蒸気圧における平均自由行程の１０倍以下の孔径を有する。多孔体膜は、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。多孔体膜における細孔７２の多孔率は、例えば、孔部分の体積占有率で評価出来る。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。かかる多孔体膜としては、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）であるシリカ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。細孔径が一様である多孔体プレートを用いてもよい。

【0046】

多孔体膜は、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７４が生じる。媒体輸送ユニット１６においては、多孔体膜である熱遷移流ポンプ７０の蒸発器１２側の端面に中温熱源部５０が配置され、凝縮器１４側の端面に高温熱源部６０が配置される。中温熱源部５０の温度はほぼ大気温度または室内空気温温度であり、高温熱源部６０の温度はこれに比べかなり高温である。したがって、多孔体膜である熱遷移流ポンプ７０の蒸発器１２側が低温側の端面となり、凝縮器１４側が高温側の端面となり、多孔体膜である熱遷移流ポンプ７０の低温側端面である中温熱源部５０から高温側端部である高温熱源部６０へ向かって熱遷移流７４が生じる。これによって、低温側空間である蒸発器１２における気相の媒体３２が、熱遷移流ポンプ７０の中温熱源部５０の側より吸い込まれ、細孔７２を通って、高温熱源部６０の側に抜けて高温側空間である凝縮器１４へ流れる。したがって、低温側空間である蒸発器１２は減圧され、高温側空間である凝縮器１４は加圧される。

【0047】

熱遷移流ポンプ７０における熱遷移流７４の発生は、熱遷移流ポンプ７０の中温熱源部５０との界面の温度と、熱遷移流ポンプ７０の高温熱源部６０との界面の温度との間の温度差に影響される。この温度差が大きいほど、熱遷移流７４の発生が増加する。そこで、中温熱源部５０は、熱遷移流ポンプ７０の蒸発器側の面に直接的に接触して配置され、高温熱源部６０は、熱遷移流ポンプ７０の凝縮器側の面に直接的に接触して配置される。直接的に接触して配置とは、密着して配置すること、熱伝導性のよい接着剤等で結合することを含む。直接的に接触して配置することで、熱遷移流ポンプ７０の蒸発器側の面を冷却し、熱遷移流ポンプ７０の凝縮器側の面を加熱することに比べ、中温熱源流２４、高温熱源流２６の熱量を効率よく熱遷移流ポンプ７０の両側の面にそれぞれ伝熱でき、熱遷移流ポンプの両側の温度差を効率よく生成することができる。

【0048】

中温熱源部５０と高温熱源部６０は、それぞれ熱伝導性物質で構成される板部材５２，６２が用いられる。板部材５２，６２としては熱伝導性の高い金属を用いることが好ましい。熱伝導性の高い金属としては、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ／Ｋから１０００Ｗ／ｍ／Ｋの範囲の金属を用いることが好ましい。例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼等を板部材５２，６２として用いることがよい。

【0049】

熱遷移流ポンプ７０の蒸発器側の面に中温熱源部５０である金属製の板部材５２を直接的に接触させると、蒸発器１２の気相の媒体３２が金属製の板部材５２に妨げられて熱遷移流ポンプ７０の蒸発器側の面に到達しない。そこで、中温熱源部５０に媒体の熱遷移流路５６が設けられる。媒体の熱遷移流路５６は、蒸発器１２から熱遷移流ポンプ７０に向かう流路であって、熱遷移流７４に対応する気相の媒体３２が流れる流路である。媒体の熱遷移流路５６は、冷却水が流れる中温熱源流路５４とは空間的に分離されて設けられる。図１（ｂ）の例では、中温熱源流路５４はＹ方向の流路で、媒体の熱遷移流路５６はＺ方向の流路で、互いに交差しないように配置される。これは配置の一例であって、互いに交差しない配置であれば、他の配置方法を用いてよい。

【0050】

同様に、高温熱源部６０に媒体の熱遷移流路６６が設けられる。媒体の熱遷移流路６６は、熱遷移流ポンプ７０から凝縮器１４に向かう流路であって、熱遷移流７４に対応する気相の媒体３４が流れる流路である。媒体の熱遷移流路６６は、高温熱源流２６が流れる高温熱源流路６４とは空間的に分離されて設けられる。図１（ｃ）の例では、高温熱源流路６４はＹ方向の流路で、媒体の熱遷移流路６６はＺ方向の流路で、互いに交差しないように配置される。これは配置の一例であって、互いに交差しない配置であれば、他の配置方法を用いてよい。

【0051】

上記構成の媒体輸送ユニット１６の寸法の一例を示す。中温熱源部５０と高温熱源部６０は基本的に同じ寸法で、Ｚ方向に沿った厚さは約０．３ｍｍである。熱遷移流ポンプ７０のＺ方向に沿った厚さは約０．４ｍｍである。したがって、中温熱源部５０と熱遷移流ポンプ７０と高温熱源部６０の積層体のＺ方向に沿った厚さは合計で約１．０ｍｍである。媒体輸送ユニット１６としては、中温熱源部５０の蒸発器１２側に蒸発器１２の気相の媒体３２を流す流路が必要であり、同様に高温熱源部６０の凝縮器１４側に気相の媒体３４を流す流路が必要である。これらから、媒体輸送ユニット１６の全体としての必要な厚さは、約１．２ｍｍと考えてよい。

【0052】

中温熱源部５０における中温熱源流路５４の直径、高温熱源部６０における高温熱源流路６４の直径は、それぞれ約０．３ｍｍ程度である。中温熱源部５０における媒体の熱遷移流路５６の直径、高温熱源部６０における媒体の熱遷移流路６６の直径は、それぞれ約０．３ｍｍである。これらの寸法は、説明のための例示であり、これ以外の寸法であってもよい。

【0053】

上記構成の熱遷移流ヒートポンプ１０によれば、蒸発器１２で発生した冷熱を室内冷房用の冷熱として利用し、凝縮器１４で発生した温熱を室内暖房用の温熱として利用するヒートポンプとなる。ここで、各部位における温度関係をまとめると以下の通りである。中温熱源２０の温度θ１は、高温熱源２２の温度θ３よりも低温である。蒸発器１２が発生する冷熱の温度θ０は、θ１より低温である。凝縮器１４で発生する温熱の温度θ２はθ３より低温で、θ０より高温である。一例を示すと、θ０は、室内冷房温度の１５°Ｃ前後の温度であり、θ２は、室内暖房温度の２５℃前後の温度である。θ１は、室温前後の温度で、室内が冷房を行うときは３０℃前後の温度、室内が暖房を行うときは５℃前後の温度である。θ３は、回転電機やエンジンの廃熱温度であり、約１００℃の温度である。

【0054】

上記構成の熱遷移流ヒートポンプ１０を用いて冷暖房空調装置を構成する適用例を試算した。試算は、非特許文献１に開示されている小型吸着式冷凍機の特性と比較することを試みた。非特許文献１の小型吸着式冷凍機は、容積１１３０×１０³ｃｍ³の装置１台で１０ｋＷの性能を発揮する。

【0055】

目標性能として、車両の室内空間の床面積を約２０ｍ²とし、作動温度域を１５〜３０℃として、出力を２．４ｋＷとした。試算の結果の一例を示すと、必要なポンプ性能は、蒸発器１２の圧力を２ｋＰａ、凝縮器１４の圧力を４ｋＰａ、流量を１ｇ／ｓとすればよい。この流量を確保するには、図１で説明した媒体輸送ユニット１６の流路面積を増加させる必要があり、圧力差を確保するには、直列に多段接続する必要がある。

【0056】

図２に、蒸発器１２（２ｋＰａ）から凝縮器１４（４ｋＰａ）の間にＮ段の媒体輸送ユニット１６を配置するモデル図を示す。熱遷移流ポンプ７０の（圧力差−流量）特性は、媒体の圧力値によって変化する。媒体の圧力値が低くなるほど、同じ圧力差でも流量が少なくなる。図３は、媒体の圧力値が変わると熱遷移流ポンプ７０の（圧力差−流量）特性が変化することを示す図である。図３の各図の横軸は圧力差、縦軸は単位面積当たりの熱遷移流の流量である。

【0057】

図３の各図は、θ３温度が２２０℃程度、θ１温度が２０℃程度の場合における特性図である。図３（ａ）は、蒸発器１２の２ｋＰａの圧力値における熱遷移流ポンプ７０の（圧力差−流量）特性を示す。（ｃ）は、凝縮器１４の４ｋＰａにおける熱遷移流ポンプ７０の（圧力差−流量）特性であり、（ｂ）はその中間の３ｋＰａにおける熱遷移流ポンプ７０の（圧力差−流量）特性である。

【0058】

これらの図から、例えば、単位面積当たりの流量Ｑを、０．０６ｇ／ｓ／ｍ²とすると、蒸発器１２の２ｋＰａでは、約０．１ｋＰａの圧力差が生じ、凝縮器１４の４ｋＰａでは、約０．４ｋＰａの圧力差が生じる。中間の３ｋＰａでは約０．３ｋＰａの圧力差が生じる。このようなデータを逐次計算すると、蒸発器１２の圧力を２ｋＰａ、凝縮器１４の圧力を４ｋＰａとするには、媒体輸送ユニット１６をＮ＝８段の直列接続構成が必要であることが分かった。このときの計算基礎は、単位面積当たりの流量Ｑ＝０．０６ｇ／ｓ／ｍ²である。目標特性の流量１ｇ／ｓとするには、[（１ｇ／ｓ）／（０．０６ｇ／ｓ）｝から、各段の媒体輸送ユニット１６の流路面積は約１７ｍ²が必要となる。

【0059】

したがって、２．４ｋＷの出力を得るには、媒体輸送ユニット１６としては、｛８段×（面積１７ｍ²）×（厚さ１．２ｍｍ）｝の容積が必要である。この必要容積は、１６３×１０³ｃｍ³である。非特許文献１の小型吸着式冷凍機において、２．４ｋＷの出力に対応する容積は、｛１１３０×１０³ｃｍ³｝×０．２４＝２７２×１０³ｃｍ³である。このように、上記構成の熱遷移流ヒートポンプ１０によれば、非特許文献１の小型吸着式冷凍機に比べ、容積で約６０％の小型化が可能で、さらに、バルブ等の可動部とその制御装置が不要で信頼性が向上する。なお、図３で示した圧力差−流量特性は、加熱方法や多孔体の厚さ、細孔径等の条件によって変化し、さらなる向上の余地がある。これらの特性が向上すれば、その向上に応じて、装置のさらなる小型化も可能である。

【0060】

図３に示されるように、熱遷移流ポンプ７０の両端に発生する圧力差は、大きくても１ｋＰａ程度であるので、大気圧下で駆動する場合に比べて小さい圧力差であり、圧力差による熱遷移流ポンプ７０の破断が抑制される。また、熱遷移流ポンプ７０は、蒸発器１２と凝縮器１４の間に配置されて外界から隔離されているので、浮遊微粒子等による細孔７２の目詰まりの発生が抑制される。なお、細孔７２の径の上限は飽和蒸気圧下における平均自由行程の１０倍以下としたが、下限は、目詰まり等の制約が無ければ、工業的に製作できる範囲であればよい。

【符号の説明】

【0061】

１０ 熱遷移流ヒートポンプ、１２ 蒸発器、１４ 凝縮器、１６ 媒体輸送ユニット、２０ 中温熱源、２２ 高温熱源、２４ 中温熱源流、２６ 高温熱源流、３０，３６ 液相の媒体、３２，３４ 気相の媒体、３８ 媒体流路、４０ 媒体循環ポンプ、４６ フィン、４８ ラジエータファン、５０ 中温熱源部、５２，６２ 板部材、５４ 中温熱源流路、５６，６６ 媒体の熱遷移流路、６０ 高温熱源部、６４ 高温熱源流路、７０ 熱遷移流ポンプ、７２ 細孔、７４ 熱遷移流。

【図1】

【図2】

【図3】