特許 6658207 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】6658207

(24)【登録日】2020年2月10日

(45)【発行日】2020年3月4日

(54)【発明の名称】ヒートポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04B 37/06 20060101AFI20200220BHJP

【ＦＩ】

   F04B37/06

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-67117(P2016-67117)

(22)【出願日】2016年3月30日

(65)【公開番号】特開2017-180235(P2017-180235A)

(43)【公開日】2017年10月5日

【審査請求日】2019年1月22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

【審査官】 井古田 裕昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１４５３０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０３２１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３３２７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９０２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０２４４３５６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ３７／０６

Ｆ２５Ｂ ２３／００

Ｆ２５Ｂ ２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】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＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【発明の効果】

【0012】

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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】温度と最大減圧率の関係を示す図である。

【図5】温度と最大無次元流速の関係を示す図である。

【図6】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。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【符号の説明】

【0032】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】