JP2020079566A - Heat transition flow pump system - Google Patents

Heat transition flow pump system Download PDF

Info

Publication number
JP2020079566A
JP2020079566A JP2018212393A JP2018212393A JP2020079566A JP 2020079566 A JP2020079566 A JP 2020079566A JP 2018212393 A JP2018212393 A JP 2018212393A JP 2018212393 A JP2018212393 A JP 2018212393A JP 2020079566 A JP2020079566 A JP 2020079566A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
heat
space
transition flow
thermal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018212393A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
恒 釘本
Tsune Kugimoto
恒 釘本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2018212393A priority Critical patent/JP2020079566A/en
Publication of JP2020079566A publication Critical patent/JP2020079566A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

To reduce an energy loss caused by the sensible heat of a gas in a heat transition flow pump system.SOLUTION: A heat transition flow pump system is formed by combining a heat transition flow pump 102 having a porous body 10 for partitioning a first space and a second space, and having an air hole whose fine hole diameter is ten times of an average free stroke of an inside gas or smaller, and transiting the gas into the first space from the second space via the air hole by heating a first face of the porous body 10 which contacts with the first space, and a thermal energy collection device for collecting the sensible heat of the gas which is heated by the heat transition flow pump 102.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、熱遷移流ポンプシステムに関する。   The present invention relates to thermal transient flow pump systems.

多孔体の一主面を加熱する事で多孔体によって仕切られた第1空間の気体を第2空間の空間に移送させるクヌーセンポンプが知られている(特許文献1)。また、クヌーセンポンプに使用される多孔体の表面に光吸収体として炭素(カーボン)を塗布し、光によって多孔体を加熱する構成が開示されている(非特許文献1)。   There is known a Knudsen pump that transfers the gas in the first space partitioned by the porous body to the space in the second space by heating one main surface of the porous body (Patent Document 1). Further, there is disclosed a configuration in which carbon is applied as a light absorber on the surface of a porous body used in a Knudsen pump and the porous body is heated by light (Non-Patent Document 1).

一方、太陽熱を集熱する部材として銅板等の表面部に太陽光吸収性能と赤外線放射抑制性能の両方に優れた選択吸収膜を使用する技術が開示されている(特許文献2)。   On the other hand, a technique of using a selective absorption film excellent in both sunlight absorption performance and infrared radiation suppression performance on the surface portion of a copper plate or the like as a member for collecting solar heat is disclosed (Patent Document 2).

特開2014−145305号公報JP, 2014-145305, A 特開2011−64395号公報JP, 2011-64395, A

M. Young, et. al., "Characterization and Optimization of a Radiantly Driven Multi-Stage Knudsen Compressor", RGD24 (2005)M. Young, et. al., "Characterization and Optimization of a Radiantly Driven Multi-Stage Knudsen Compressor", RGD24 (2005).

ところで、クヌーセンポンプ等の熱遷移流ポンプにおいてエネルギー損失に繋がる要因として、材料からの放射エネルギー損失、構造体に対する伝熱エネルギー損失及び気体の顕熱エネルギー損失が挙げられる。このうち、放射エネルギー損失は、熱遷移流ポンプを構成する材料として放射抑制材料を採用することで低減することができる。また、伝熱エネルギー損失は、熱伝達による損失が大きい部分において低熱伝導率材料を採用することで低減することができる。   By the way, as a factor leading to energy loss in a thermal transition flow pump such as a Knudsen pump, there are radiant energy loss from materials, heat transfer energy loss to a structure, and sensible heat energy loss of gas. Among these, the radiant energy loss can be reduced by adopting a radiation suppressing material as a material forming the thermal transition flow pump. Further, the heat transfer energy loss can be reduced by adopting a low thermal conductivity material in a portion where the loss due to heat transfer is large.

これに対して、熱遷移流ポンプでは低温側から高温側へ気体を輸送する原理を利用しているため、熱遷移流ポンプ自体において気体の顕熱エネルギー損失を低減することは不可能である。一方、放射エネルギー損失と伝熱エネルギー損失に対する対策を進めるほど気体の温度及び流量が増加して顕熱エネルギー損失の割合が高くなる。   On the other hand, since the thermal transition flow pump uses the principle of transporting gas from the low temperature side to the high temperature side, it is impossible to reduce the sensible heat energy loss of gas in the thermal transition flow pump itself. On the other hand, as the countermeasures against the radiant energy loss and the heat transfer energy loss are advanced, the temperature and flow rate of the gas increase and the ratio of the sensible heat energy loss increases.

本発明の1つの態様は、第1空間と第2空間とを仕切り、細孔径が内部の気体の平均自由行程の10倍以下である気孔を有する多孔体を備え、前記第1空間に接する前記多孔体の第1面を加熱することによって前記気孔を介して前記第2空間から前記第1空間へ気体を移送する熱遷移流ポンプと、前記熱遷移流ポンプにおいて加熱された気体の顕熱を回収する熱エネルギー回収装置と、を組み合わせた熱遷移流ポンプシステムである。   One aspect of the present invention includes a porous body that partitions the first space and the second space, and has a pore having a pore diameter that is 10 times or less the mean free path of the gas inside, and is in contact with the first space. A thermal transition flow pump that transfers gas from the second space to the first space through the pores by heating the first surface of the porous body, and sensible heat of the gas heated in the thermal transition flow pump. It is a thermal transition flow pump system that combines a heat energy recovery device for recovery.

ここで、前記熱遷移流ポンプを複数備え、複数の前記熱遷移流ポンプが直列多段に接続されており、前記熱遷移流ポンプの1つにおいて加熱された気体の顕熱を前記熱エネルギー回収した後、気体を他の前記熱遷移流ポンプに入力することが好適である。   Here, a plurality of the thermal transition flow pumps are provided, the plurality of the thermal transition flow pumps are connected in series and in multiple stages, and the sensible heat of the gas heated in one of the thermal transition flow pumps is recovered as the thermal energy. Afterwards, it is preferred to input the gas into another said thermal transition flow pump.

また、前記熱エネルギー回収装置は、熱交換器又はヒートポンプの少なくとも1つを含むことが好適である。   Further, it is preferable that the heat energy recovery device includes at least one of a heat exchanger and a heat pump.

また、前記多孔体の前記第1面と反対側の面を冷却するための熱交換器を備え、当該熱交換器と前記熱エネルギー回収装置とが直列接続されていることが好適である。   Further, it is preferable that a heat exchanger for cooling the surface of the porous body opposite to the first surface is provided, and the heat exchanger and the thermal energy recovery device are connected in series.

また、前記熱遷移流ポンプと前記熱エネルギー回収装置とを接続する気体の流路が断熱されていることが好適である。   Further, it is preferable that a gas flow path connecting the thermal transition flow pump and the thermal energy recovery device is thermally insulated.

本発明によれば、クヌーセンポンプ等の熱遷移流ポンプシステムにおける気体の顕熱によるエネルギー損失を低減することができる。   According to the present invention, energy loss due to sensible heat of gas in a thermal transition flow pump system such as a Knudsen pump can be reduced.

熱遷移流ポンプの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a thermal transition flow pump. 伝熱板の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a heat transfer plate. 冷却器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a cooler. 熱遷移流ポンプの別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of a thermal transition flow pump. 本発明の実施の形態における熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the thermal transition flow pump system in embodiment of this invention. 変形例1における熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the thermal transition flow pump system in the modification 1. 変形例2における熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the thermal transition flow pump system in the modification 2. 変形例3における熱遷移流ポンプシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the thermal transition flow pump system in the modification 3. 変形例3における熱遷移流ポンプの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the thermal transition flow pump in the modification 3.

<クヌーセンポンプの構成>
本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムの構成を説明する前に熱遷移流ポンプの例について説明する。本実施の形態では、熱遷移流ポンプとしてクヌーセンポンプを例に説明する。
<Structure of Knudsen pump>
Before describing the configuration of the thermal transition flow pump system in the present embodiment, an example of the thermal transition flow pump will be described. In the present embodiment, a Knudsen pump will be described as an example of the thermal transition flow pump.

クヌーセンポンプ100は、図1に示すように、多孔体10、伝熱板12、基材14、選択吸収膜16、冷却器18、気密シール20及び筐体22を含んで構成される。   As shown in FIG. 1, the Knudsen pump 100 includes a porous body 10, a heat transfer plate 12, a base material 14, a selective absorption film 16, a cooler 18, an airtight seal 20 and a housing 22.

クヌーセンポンプ100は、多孔体10によって第1空間と第2空間とを仕切り、第1空間側の多孔体10の表面(第1表面)を加熱することによって第2空間側の多孔体10の表面(第2表面)との間に温度勾配を発生させることで第2空間から第1空間へ気体を移送する。例えば、第2空間に対して所望のガスを生成するためのガス生成器を接続し、ガス生成器から供給された気体を第2空間から第1空間へ移送するためにクヌーセンポンプ100は用いられる。   The Knudsen pump 100 partitions the first space and the second space by the porous body 10 and heats the surface (first surface) of the porous body 10 on the side of the first space to thereby surface the porous body 10 on the side of the second space. A gas is transferred from the second space to the first space by generating a temperature gradient with the (second surface). For example, the Knudsen pump 100 is used to connect a gas generator for generating a desired gas to the second space and transfer the gas supplied from the gas generator from the second space to the first space. ..

多孔体10は、多数の気孔を有する平板形状の部材である。多孔体10の気孔の細孔径は、第1空間及び第2空間の気体の平均自由行程の10倍以下とすることが好適である。例えば、大気圧下での気体の平均自由行程は約60nmであることから、多孔体10の気孔の孔径は10nm程度とすることが好ましい。   The porous body 10 is a flat plate-shaped member having a large number of pores. The pore size of the pores of the porous body 10 is preferably 10 times or less than the mean free path of the gas in the first space and the second space. For example, since the mean free path of gas under atmospheric pressure is about 60 nm, it is preferable that the pore diameter of the porous body 10 be about 10 nm.

多孔体10は、熱伝導率の低い材料、言い換えると、第1空間側の第1面から対向する第2空間側の第2面に熱が伝わりにくい材料とすることが好適である。多孔体10は、例えば、二酸化珪素(シリカ、SiO)材料の内部に気孔が多数形成されたシリカエアロゲルやガラス繊維を束ねたグラスファイバーフィルタ等により構成することができる。 The porous body 10 is preferably made of a material having a low thermal conductivity, in other words, a material in which heat is hard to be transferred from the first surface on the first space side to the second surface on the second space side opposite to the first surface. The porous body 10 can be configured by, for example, a silica airgel in which a large number of pores are formed inside a silicon dioxide (silica, SiO 2 ) material, a glass fiber filter in which glass fibers are bundled, or the like.

伝熱板12は、後述する選択吸収膜16から多孔体10へ熱を伝達するための部材である。伝熱板12は、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、銀、金等の金属材料を含む材料から構成することが好適である。   The heat transfer plate 12 is a member for transferring heat from the selective absorption film 16 described later to the porous body 10. The heat transfer plate 12 is preferably made of a material having a high thermal conductivity, for example, a material containing a metal material such as copper, silver or gold.

伝熱板12は、選択吸収膜16から多孔体10の第1表面へ熱を効率良く伝達するために多孔体10及び選択吸収膜16の表面においてできるだけ広い面積で接触することが好適である。一方、第2空間から第1空間へ移送される気体を多孔体10の第1表面からできるだけ高い効率で放出させることが必要である。そこで、図2の平面図及び断面図(A−Aラインに沿った断面図)に示すように、伝熱板12に気体が流れる溝である気体流路12aを形成することが好適である。本実施の形態では、互いに平行に伝熱板12の縁部まで延びた気体流路12aを複数設けた円盤状の部材としている。ただし、伝熱板12の形状はこれに限定されるものではない。   In order to efficiently transfer heat from the selective absorption film 16 to the first surface of the porous body 10, the heat transfer plate 12 is preferably in contact with the surfaces of the porous body 10 and the selective absorption film 16 in the largest possible area. On the other hand, it is necessary to release the gas transferred from the second space to the first space from the first surface of the porous body 10 with the highest possible efficiency. Therefore, as shown in the plan view and the cross-sectional view (cross-sectional view taken along the line AA) of FIG. 2, it is preferable to form a gas flow path 12a that is a groove through which gas flows in the heat transfer plate 12. In the present embodiment, the disk-shaped member is provided with a plurality of gas flow paths 12a extending parallel to each other to the edge of the heat transfer plate 12. However, the shape of the heat transfer plate 12 is not limited to this.

選択吸収膜16は、太陽光等の光の照射を受けて、吸収された光エネルギーを熱エネルギーに変換して多孔体10を加熱するための部材である。選択吸収膜16は、波長によって光に対する反射率が異なる材料を含む。すなわち、選択吸収膜16に光が入射した場合、ある波長の光に対しては反射率が低く、吸収が高くなり、別の波長の光に対しては反射率が高く、放射が大きくなる。本実施の形態では、選択吸収膜16は100℃における放射光のピーク波長における反射率が吸収光のピーク波長における反射率の5倍以上の材料を含むことが好適である。また、選択吸収膜16は200℃及び300℃における放射光のピーク波長における反射率が吸収光のピーク波長における反射率の5倍以上の材料を含むことがより好適である。このような選択吸収膜16の材料として、例えば、アルメコ社製ティノックスが挙げられる。   The selective absorption film 16 is a member for receiving the irradiation of light such as sunlight and converting the absorbed light energy into heat energy to heat the porous body 10. The selective absorption film 16 includes a material having a different reflectance for light depending on the wavelength. That is, when light is incident on the selective absorption film 16, the reflectance is low for light of a certain wavelength and the absorption is high, and the reflectance is high for light of another wavelength and the radiation is large. In the present embodiment, it is preferable that the selective absorption film 16 contains a material whose reflectance at the peak wavelength of the emitted light at 100° C. is 5 times or more the reflectance at the peak wavelength of the absorbed light. Further, it is more preferable that the selective absorption film 16 contains a material whose reflectance at the peak wavelength of the emitted light at 200° C. and 300° C. is 5 times or more the reflectance at the peak wavelength of the absorbed light. As a material of such a selective absorption film 16, for example, Tinox manufactured by Armeco Co., Ltd. may be mentioned.

炭素(カーボン)等の一般的な吸収板は太陽エネルギーの吸収率は高いが、熱を保持することができず、100℃ではエネルギーの約半分を放射(輻射)として逃がしてしまう。これに対して、選択吸収膜16は、一度吸収した熱を逃がさず、100℃では太陽光から吸収したエネルギーの約90%を熱に変換することができる。したがって、選択吸収膜16を用いることによって、光を照射することで多孔体10の第1面を効率的に加熱することができる。   Although a general absorption plate made of carbon or the like has a high absorption rate of solar energy, it cannot hold heat, and at 100° C., about half of the energy is released as radiation. On the other hand, the selective absorption film 16 does not release the heat once absorbed, and can convert about 90% of the energy absorbed from sunlight into heat at 100°C. Therefore, by using the selective absorption film 16, the first surface of the porous body 10 can be efficiently heated by irradiating with light.

選択吸収膜16は、入射光のスペクトルの波長帯域において高い吸収率を有し、熱放射のスペクトルの波長帯域において低い放射率を有する。例えば、選択吸収膜16としてアルメコ社製ティノックスを用いた場合、太陽光を90%以上吸収し、100℃では熱放射は90%以上削減することができる。   The selective absorption film 16 has a high absorptivity in the wavelength band of the spectrum of incident light and a low emissivity in the wavelength band of the spectrum of thermal radiation. For example, when TINOX manufactured by ALMECCO is used as the selective absorption film 16, sunlight can be absorbed by 90% or more, and thermal radiation can be reduced by 90% or more at 100°C.

選択吸収膜16は、基材14の表面に形成することができる。基材14は、選択吸収膜16から伝熱板12へ熱を効率良く伝達できる材料から構成することが好適である。また、基材14は、その表面に選択吸収膜16を形成することが容易な材料から構成することが好適である。基材14は、例えば、銅、銀、金等の金属材料を含む材料から構成することができる。基材14は、選択吸収膜16から伝熱板12へ熱を効率良く伝達するために伝熱板12とできるだけ広い面積で接触することが好適である。したがって、基材14は、伝熱板12の形状及び大きさと同一の形状及び大きさとすることが好適である。   The selective absorption film 16 can be formed on the surface of the base material 14. The base material 14 is preferably made of a material that can efficiently transfer heat from the selective absorption film 16 to the heat transfer plate 12. In addition, the base material 14 is preferably made of a material on which the selective absorption film 16 can be easily formed. The base material 14 can be made of a material including a metal material such as copper, silver, or gold. In order to efficiently transfer heat from the selective absorption film 16 to the heat transfer plate 12, the base material 14 is preferably in contact with the heat transfer plate 12 in the largest possible area. Therefore, the base material 14 preferably has the same shape and size as the heat transfer plate 12.

基材14は、選択吸収膜16が形成された面と反対側面を伝熱板12に接着される。接着には、例えば、銀ペースト等を用いることができる。   The base material 14 is bonded to the heat transfer plate 12 on the side surface opposite to the surface on which the selective absorption film 16 is formed. For the adhesion, for example, a silver paste or the like can be used.

冷却器18は、多孔体10の第2面を冷却するための部材である。冷却器18は、ヒートシンクや熱交換器とすることができる。冷却器18は、熱伝達率の高い材料で構成することが好適である。冷却器18は、例えば、銅、銀、金等の金属材料を含む材料から構成することが好適である。   The cooler 18 is a member for cooling the second surface of the porous body 10. The cooler 18 can be a heat sink or a heat exchanger. The cooler 18 is preferably made of a material having a high heat transfer coefficient. The cooler 18 is preferably made of a material containing a metal material such as copper, silver or gold.

冷却器18は、多孔体10の第2表面から熱を効率良く奪うために多孔体10の表面においてできるだけ広い面積で接触することが好適である。一方、第2空間から第1空間へ移送される気体を多孔体10の第2表面へできるだけ高い効率で供給することが必要である。そこで、図3の平面図及び断面図(B−Bラインに沿った断面図)に示すように、冷却器18に気体が流れる溝である気体流路18aを形成することが好適である。本実施の形態では、互いに平行に配置された貫通孔である気体流路18aを複数設けた円盤状の部材としている。ただし、冷却器18の形状はこれに限定されるものではない。   The cooler 18 is preferably in contact with the surface of the porous body 10 in the largest possible area in order to efficiently remove heat from the second surface of the porous body 10. On the other hand, it is necessary to supply the gas transferred from the second space to the first space to the second surface of the porous body 10 as efficiently as possible. Therefore, as shown in the plan view and the cross-sectional view (cross-sectional view taken along the line BB) of FIG. 3, it is preferable to form a gas flow path 18a that is a groove through which gas flows in the cooler 18. In the present embodiment, the disk-shaped member is provided with a plurality of gas flow paths 18a that are through holes arranged in parallel with each other. However, the shape of the cooler 18 is not limited to this.

気密シール20は、多孔体10及び冷却器18によって第1空間及び第2空間を仕切る際に多孔体10と冷却器18との間の隙間や冷却器18と筐体22との間の隙間を埋めるための部材である。気密シール20は、例えば、熱硬化樹脂、接着剤、Oリング等とすることができる。気密シール20を用いることにより、第1空間と第2空間とが多孔体10の気孔のみを介して繋がった構成とされる。   The airtight seal 20 forms a gap between the porous body 10 and the cooler 18 or a gap between the cooler 18 and the housing 22 when the first space and the second space are partitioned by the porous body 10 and the cooler 18. It is a member for filling. The hermetic seal 20 can be, for example, a thermosetting resin, an adhesive, an O-ring, or the like. By using the airtight seal 20, the first space and the second space are connected via only the pores of the porous body 10.

筐体22は、多孔体10、伝熱板12、基材14、選択吸収膜16、冷却器18及び気密シール20を収納すると共に、これらの部材と共に気体の流路を構成する部材である。筐体22は、機械的な強度を有する部材で構成される。本実施の形態では、筐体22は、筒状の部材とされている。   The housing 22 is a member that houses the porous body 10, the heat transfer plate 12, the base material 14, the selective absorption film 16, the cooler 18, and the airtight seal 20, and constitutes a gas flow path together with these members. The housing 22 is made of a member having mechanical strength. In the present embodiment, the housing 22 is a tubular member.

以下、クヌーセンポンプ100の動作原理について説明する。クヌーセンポンプ100は、熱遷移流を利用したポンプとして機能する。熱遷移流とは、希薄気体に特有の流れであって、希薄気体中に温度勾配のある壁が存在するとき、壁の低温部から高温部に向かって形成される一方向の気体の流れを指す。希薄気体とは、ある領域を考えたとき、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をいう。希薄気体では、気体分子と壁との衝突の影響が壁から遠方(ある程度離れた距離)まで及ぶようになる。例えば、1cm程度の領域内の圧力が1Pa程度に低い場合に熱遷移流が生じる。また、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にも、熱遷移流が生じる。 Hereinafter, the operation principle of the Knudsen pump 100 will be described. The Knudsen pump 100 functions as a pump that uses a thermal transition flow. The thermal transition flow is a flow unique to a lean gas, and when a wall with a temperature gradient exists in the lean gas, a unidirectional gas flow formed from a low temperature portion to a high temperature portion of the wall. Point to. The dilute gas is a gas in which, when a certain region is considered, the number of collisions between gas molecules is so small that an equilibrium state cannot be maintained therein. In a dilute gas, the influence of collision between gas molecules and the wall extends far from the wall (distance to some extent). For example, when the pressure in the region of about 1 cm 3 is as low as about 1 Pa, a thermal transition flow occurs. A thermal transition flow also occurs when the pressure in the narrow region of the space of about 10 nm×10 nm×10 nm is about atmospheric pressure.

クヌーセンポンプ100では多孔体10の気孔に壁の役割を持たせている。具体的には、多孔体10の気孔径を第1空間及び第2空間の気体の平均自由行程の10倍以下としている。   In the Knudsen pump 100, the pores of the porous body 10 have a role of a wall. Specifically, the pore diameter of the porous body 10 is set to 10 times or less of the mean free path of gas in the first space and the second space.

クヌーセンポンプ100では、選択吸収膜16に光を入射させることで選択吸収膜16によって吸収された光エネルギーを熱エネルギーに変換し、当該熱エネルギーを基材14及び伝熱板12を介して多孔体10に伝達させることで多孔体10の第1面を加熱する。一方、冷却器18により多孔体10の第2面を冷却する。これにより、多孔体10の第1面と第2面との間に温度勾配が発生する。温度勾配に伴って熱遷移流が発生し、第2空間の気体が第1空間に移送される。すなわち、クヌーセンポンプ100の第1空間は加圧され、第2空間は減圧される。減圧された第2空間には、ガス生成器等からの生成された気体が引き込まれる。気体は、第2空間から冷却器18の気体流路18aを介して多孔体10へ流入し、多孔体10の気孔を経由して、伝熱板12の気体流路12aを介して第1空間へ移送される。第1空間に移送された気体はクヌーセンポンプ100の外部へ送出される。   In the Knudsen pump 100, the light energy absorbed by the selective absorption film 16 is converted into thermal energy by making light incident on the selective absorption film 16, and the thermal energy is passed through the base material 14 and the heat transfer plate 12 to form a porous body. The first surface of the porous body 10 is heated by being transmitted to the porous body 10. On the other hand, the cooler 18 cools the second surface of the porous body 10. Thereby, a temperature gradient is generated between the first surface and the second surface of the porous body 10. A thermal transition flow is generated with the temperature gradient, and the gas in the second space is transferred to the first space. That is, the first space of the Knudsen pump 100 is pressurized and the second space is depressurized. The gas generated from the gas generator or the like is drawn into the depressurized second space. The gas flows into the porous body 10 from the second space via the gas flow path 18a of the cooler 18, passes through the pores of the porous body 10, and passes through the gas flow path 12a of the heat transfer plate 12 into the first space. Transferred to. The gas transferred to the first space is sent to the outside of the Knudsen pump 100.

また、図4に示すように、クヌーセンポンプ102として、多孔体10、伝熱板12、基材14、選択吸収膜16、冷却器18、気密シール20、筐体22、窓24及び透明断熱材26を含む構成としてもよい。クヌーセンポンプ102では、透明断熱材26が窓24と選択吸収膜16との間の隙間を埋める構成とされている。   In addition, as shown in FIG. 4, as the Knudsen pump 102, the porous body 10, the heat transfer plate 12, the base material 14, the selective absorption film 16, the cooler 18, the airtight seal 20, the housing 22, the window 24, and the transparent heat insulating material. It may be configured to include 26. In the Knudsen pump 102, the transparent heat insulating material 26 is configured to fill the gap between the window 24 and the selective absorption film 16.

クヌーセンポンプ102の構成によれば、第1空間における気体の対流による熱損失を低減することができる。したがって、選択吸収膜16による加熱の効果をより高めることができ、クヌーセンポンプ102の性能を向上させることができる。   With the configuration of the Knudsen pump 102, heat loss due to convection of gas in the first space can be reduced. Therefore, the effect of heating by the selective absorption film 16 can be further enhanced, and the performance of the Knudsen pump 102 can be improved.

また、筐体22の外部の第3空間に比べて第1空間の圧力が低い場合、透明断熱材26を設けることによって窓24を薄くすることができる。したがって、コストを低減できると共に、重量を軽減することができる。さらに、透明断熱材26の光の透過率が窓24より高い場合、窓24を薄くすることで選択吸収膜16への光の照射が増え、選択吸収膜16による加熱の効果を高めることができる。   Further, when the pressure in the first space is lower than that in the third space outside the housing 22, the window 24 can be thinned by providing the transparent heat insulating material 26. Therefore, the cost can be reduced and the weight can be reduced. Further, when the light transmittance of the transparent heat insulating material 26 is higher than that of the window 24, the irradiation of light to the selective absorption film 16 is increased by making the window 24 thin, and the heating effect by the selective absorption film 16 can be enhanced. ..

また、透明断熱材26によって選択吸収膜16、基材14、伝熱板12を冷却器18へ押し付けることで、各部の接触熱抵抗を小さくすることができる。これにより、選択吸収膜16による加熱の効果を高めることができる。また、多孔体10と冷却器18との間の気密シールが容易になる。例えば、気密シール20を用いることなく多孔体10と冷却器18との間の気密性を高めることができる。また、選択吸収膜16や透明断熱材26の固定のために接着剤等の固定材を用いる必要がなくなる。特に、選択吸収膜16と多孔体10の間で接着剤等の固定材を用いると流路が塞がれ易くなってクヌーセンポンプ102の特性が低下するおそれがあるので、それを防ぐことができる。   Further, by pressing the selective absorption film 16, the base material 14, and the heat transfer plate 12 against the cooler 18 by the transparent heat insulating material 26, it is possible to reduce the contact thermal resistance of each part. Thereby, the effect of heating by the selective absorption film 16 can be enhanced. Further, the airtight seal between the porous body 10 and the cooler 18 becomes easy. For example, the airtightness between the porous body 10 and the cooler 18 can be enhanced without using the airtight seal 20. Further, it is not necessary to use a fixing material such as an adhesive for fixing the selective absorption film 16 and the transparent heat insulating material 26. In particular, when a fixing material such as an adhesive is used between the selective absorption film 16 and the porous body 10, the flow passage is likely to be blocked and the characteristics of the Knudsen pump 102 may be deteriorated, which can be prevented. ..

なお、本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムに適用される流体ポンプは、上記例に限定されるものではなく、熱遷移流ポンプであればよい。   The fluid pump applied to the thermal transition flow pump system in the present embodiment is not limited to the above example, and may be a thermal transition flow pump.

<熱遷移流ポンプシステムの構成>
本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムは、図5に示すように、クヌーセンポンプ100と熱交換器200とを組み合わせて構成される。熱交換器200は、クヌーセンポンプ100から送出される気体の顕熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収装置として使用される。
<Configuration of thermal transition flow pump system>
The thermal transition flow pump system in the present embodiment is configured by combining a Knudsen pump 100 and a heat exchanger 200, as shown in FIG. The heat exchanger 200 is used as a heat energy recovery device that recovers the sensible heat energy of the gas delivered from the Knudsen pump 100.

上記のように、クヌーセンポンプ100には、低温の気体が導入され、当該気体が内部で加熱されると共に移送されて外部へ送出される。このとき、当該気体にはクヌーセンポンプ100において顕熱エネルギーが与えられた状態で外部へ送出される。   As described above, the low temperature gas is introduced into the Knudsen pump 100, and the gas is heated inside and is transferred and sent to the outside. At this time, the gas is sent to the outside in a state where sensible heat energy is applied to the gas by the Knudsen pump 100.

クヌーセンポンプ100と熱交換器200とは配管30を介して接続される。すなわち、クヌーセンポンプ100から送出された気体は、配管30を介してクヌーセンポンプ100に接続された熱交換器200に送られる。   The Knudsen pump 100 and the heat exchanger 200 are connected via a pipe 30. That is, the gas delivered from the Knudsen pump 100 is delivered to the heat exchanger 200 connected to the Knudsen pump 100 via the pipe 30.

熱交換器200では、クヌーセンポンプ100から送られてきた気体と熱媒体との間で熱エネルギーの交換が行われる。ここで、クヌーセンポンプ100から送られてきた気体を一次側の熱媒体とし、熱交換器200に入力された二次側の熱媒体との間で熱エネルギーの交換が行われる。これによって、クヌーセンポンプ100から送出された気体の顕熱エネルギーが回収される。   In the heat exchanger 200, heat energy is exchanged between the gas sent from the Knudsen pump 100 and the heat medium. Here, the gas sent from the Knudsen pump 100 is used as the heat medium on the primary side, and heat energy is exchanged with the heat medium on the secondary side input to the heat exchanger 200. As a result, the sensible heat energy of the gas delivered from the Knudsen pump 100 is recovered.

熱交換器200から出力される高温熱媒体は、例えば、温水として利用や室内の暖房への利用等に適用することができる。   The high-temperature heat medium output from the heat exchanger 200 can be used, for example, as hot water or for heating the room.

なお、図5に示すように、クヌーセンポンプ100と熱交換器200とを接続する配管30に断熱材32を設けることが好適である。例えば、配管30の外周面や内周面を断熱材32によって覆うことが好適である。断熱材32は、熱伝導率が0.3W/m・K以下であることが好ましく、0.05W/m・K以下であることがより好ましい。   In addition, as shown in FIG. 5, it is preferable to provide a heat insulating material 32 in the pipe 30 that connects the Knudsen pump 100 and the heat exchanger 200. For example, it is preferable to cover the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the pipe 30 with the heat insulating material 32. The heat insulating material 32 preferably has a thermal conductivity of 0.3 W/m·K or less, and more preferably 0.05 W/m·K or less.

これによって、クヌーセンポンプ100と熱交換器200とを接続する配管30において気体から放出される顕熱エネルギーを低減することができ、熱交換器200における顕熱エネルギーの回収をより効率的に行うことが可能になる。   As a result, the sensible heat energy released from the gas in the pipe 30 connecting the Knudsen pump 100 and the heat exchanger 200 can be reduced, and the sensible heat energy in the heat exchanger 200 can be recovered more efficiently. Will be possible.

<変形例1>
図6に示すように、複数のクヌーセンポンプ100を直列多段に接続する構成としてもよい。この場合、一段目のクヌーセンポンプ100aから送出された気体の顕熱エネルギーを熱交換器200にて回収し、当該気体を二段目のクヌーセンポンプ100bに導入する。以降の段についても同様に複数のクヌーセンポンプ100を接続する。
<Modification 1>
As shown in FIG. 6, a plurality of Knudsen pumps 100 may be connected in series and in multiple stages. In this case, the sensible heat energy of the gas sent from the first-stage Knudsen pump 100a is recovered by the heat exchanger 200, and the gas is introduced into the second-stage Knudsen pump 100b. Similarly, a plurality of Knudsen pumps 100 are connected to the subsequent stages.

クヌーセンポンプ100に導入する気体は十分に低温であることが好ましい。本変形例の熱遷移流ポンプシステムの構成によれば、熱交換器200において顕熱エネルギーを回収して低温下された気体を次の段のクヌーセンポンプ100に導入できるのでシステム全体としての効率を高めることができる。   The gas introduced into the Knudsen pump 100 is preferably sufficiently low in temperature. According to the configuration of the thermal transition flow pump system of this modification, the sensible heat energy is recovered in the heat exchanger 200 and the gas whose temperature has been lowered can be introduced into the Knudsen pump 100 in the next stage, so that the efficiency of the entire system is improved. Can be increased.

なお、図6では、4個のクヌーセンポンプ100に対して1個の熱交換器200を共通に接続した構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、クヌーセンポンプ100の個数を変更してもよいし、熱交換器200の個数を変更してもよい。   In FIG. 6, one heat exchanger 200 is commonly connected to four Knudsen pumps 100, but the present invention is not limited to this. For example, the number of Knudsen pumps 100 may be changed, or the number of heat exchangers 200 may be changed.

<変形例2>
図7に示すように、本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムは、クヌーセンポンプ100と熱交換器200とヒートポンプ300とを組み合わせて構成してもよい。ヒートポンプ300は、クヌーセンポンプ100から送出される気体の顕熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収装置として使用される。
<Modification 2>
As shown in FIG. 7, the thermal transition flow pump system in the present embodiment may be configured by combining Knudsen pump 100, heat exchanger 200, and heat pump 300. The heat pump 300 is used as a thermal energy recovery device that recovers the sensible heat energy of the gas delivered from the Knudsen pump 100.

本変形例では、熱交換器200から排出された気体の顕熱エネルギーを利用してヒートポンプ300を動作させる構成としている。ヒートポンプ300は、クヌーセンポンプ100へ導入される気体の冷却に用いることができる。また、ヒートポンプ300で熱媒体に伝達された顕熱エネルギーは温水としての利用や室内の暖房等に用いることができる。   In this modification, the heat pump 300 is operated by utilizing the sensible heat energy of the gas discharged from the heat exchanger 200. The heat pump 300 can be used for cooling the gas introduced into the Knudsen pump 100. Further, the sensible heat energy transferred to the heat medium by the heat pump 300 can be used as hot water or used for heating the room.

<変形例3>
図8に示すように、本実施の形態における熱遷移流ポンプシステムは、クヌーセンポンプ100における冷却器18を冷却するための熱交換器202からの冷媒を熱交換器200へ導入する構成としてもよい。すなわち、冷却器18から伝熱エネルギーを回収するための熱交換器202からの熱媒体をクヌーセンポンプ100から送出された気体の顕熱エネルギーを回収するための熱交換器200へ導入する。
<Modification 3>
As shown in FIG. 8, the thermal transient flow pump system in the present embodiment may be configured to introduce the refrigerant from the heat exchanger 202 for cooling the cooler 18 in the Knudsen pump 100 into the heat exchanger 200. .. That is, the heat medium from the heat exchanger 202 for recovering the heat transfer energy from the cooler 18 is introduced into the heat exchanger 200 for recovering the sensible heat energy of the gas sent from the Knudsen pump 100.

熱交換器202は、例えば、図9に示すように、冷却器18に対して配管34を設けて熱媒体を流すことで冷却器18と熱交換する構成することが好適である。ただし、熱交換器202の構成は、これに限定されるものではなく、冷却器18から伝熱エネルギーを回収できるものであればよい。   For example, as shown in FIG. 9, the heat exchanger 202 is preferably configured to exchange heat with the cooler 18 by providing a pipe 34 for the cooler 18 and flowing a heat medium. However, the configuration of the heat exchanger 202 is not limited to this, and may be any one that can recover the heat transfer energy from the cooler 18.

このような構成とすることによって、熱遷移流ポンプシステムにおける熱エネルギーの損失を低減することができる。   With such a configuration, it is possible to reduce the loss of thermal energy in the thermal transition flow pump system.

10 多孔体、12 伝熱板、12a 気体流路、14 基材、16 選択吸収膜、18 冷却器、18a 気体流路、20 気密シール、22 筐体、24 窓、26 透明断熱材、30 配管、32 断熱材、34 配管、100(100a,100b),102 クヌーセンポンプ、200,202 熱交換器、300 ヒートポンプ。
10 porous body, 12 heat transfer plate, 12a gas channel, 14 base material, 16 selective absorption film, 18 cooler, 18a gas channel, 20 airtight seal, 22 housing, 24 window, 26 transparent heat insulating material, 30 piping , 32 heat insulating material, 34 piping, 100 (100a, 100b), 102 Knudsen pump, 200, 202 heat exchanger, 300 heat pump.

Claims (5)

第1空間と第2空間とを仕切り、細孔径が内部の気体の平均自由行程の10倍以下である気孔を有する多孔体を備え、前記第1空間に接する前記多孔体の第1面を加熱することによって前記気孔を介して前記第2空間から前記第1空間へ気体を移送する熱遷移流ポンプと、
前記熱遷移流ポンプにおいて加熱された気体の顕熱を回収する熱エネルギー回収装置と、
を組み合わせた熱遷移流ポンプシステム。
The first space and the second space are partitioned from each other, and a porous body having pores whose pore diameter is 10 times or less of the mean free path of the gas inside is provided, and the first surface of the porous body in contact with the first space is heated. A thermal transition pump that transfers gas from the second space to the first space through the pores;
A thermal energy recovery device for recovering sensible heat of gas heated in the thermal transition flow pump,
A combined heat transfer pump system.
請求項1に記載の熱遷移流ポンプシステムであって、
前記熱遷移流ポンプを複数備え、複数の前記熱遷移流ポンプが直列多段に接続されており、
前記熱遷移流ポンプの1つにおいて加熱された気体の顕熱を前記熱エネルギー回収した後、気体を他の前記熱遷移流ポンプに入力することを特徴とする熱遷移流ポンプシステム。
The thermal transient flow pump system of claim 1, wherein
A plurality of the thermal transition flow pumps are provided, and the plurality of thermal transition flow pumps are connected in series and in multiple stages,
A thermal transition flow pump system, wherein the sensible heat of a gas heated in one of the thermal transition flow pumps is recovered to the thermal energy, and then the gas is input to another thermal transition flow pump.
請求項1又は2に記載の熱遷移流ポンプシステムであって、
前記熱エネルギー回収装置は、熱交換器又はヒートポンプの少なくとも1つを含むことを特徴とする熱遷移流ポンプシステム。
A thermal transient flow pump system according to claim 1 or 2, wherein
The thermal energy recovery device includes at least one of a heat exchanger and a heat pump, and a thermal transition flow pump system.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱遷移流ポンプシステムであって、
前記多孔体の前記第1面と反対側の面を冷却するための熱交換器を備え、当該熱交換器と前記熱エネルギー回収装置とが直列接続されていることを特徴とする熱遷移流ポンプシステム。
A thermal transient flow pump system according to any one of claims 1-3.
A heat transition flow pump comprising a heat exchanger for cooling the surface of the porous body opposite to the first surface, and the heat exchanger and the thermal energy recovery device are connected in series. system.
請求項1〜4のいずれか1項に記載に熱遷移流ポンプシステムであって、
前記熱遷移流ポンプと前記熱エネルギー回収装置とを接続する気体の流路が断熱されていることを特徴とする熱遷移流ポンプシステム。
A thermal transient flow pump system according to any one of claims 1 to 4,
A thermal transition flow pump system, wherein a gas flow path connecting the thermal transition flow pump and the thermal energy recovery device is insulated.
JP2018212393A 2018-11-12 2018-11-12 Heat transition flow pump system Pending JP2020079566A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018212393A JP2020079566A (en) 2018-11-12 2018-11-12 Heat transition flow pump system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018212393A JP2020079566A (en) 2018-11-12 2018-11-12 Heat transition flow pump system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2020079566A true JP2020079566A (en) 2020-05-28

Family

ID=70801594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018212393A Pending JP2020079566A (en) 2018-11-12 2018-11-12 Heat transition flow pump system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2020079566A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9557077B2 (en) Solar flux conversion module
JP2018025382A (en) Method and apparatus for solar power generation through gas heat absorption based on characteristic absorption spectrum
JP5794581B2 (en) A device for temperature limitation in a sealed solar energy collector.
JP2009141079A (en) Thermoelectric element module
US20150226456A1 (en) Solar flux conversion module with supported fluid transport
US20120000530A1 (en) Device for harnessing solar energy with integrated heat transfer core, regenerator, and condenser
US11125469B2 (en) Apparatus and method for the co-production of high temperature thermal energy and electrical energy from solar irradiance
CN103075816A (en) High-temperature heat absorber based on disc type solar power system
JP2020079566A (en) Heat transition flow pump system
KR101908138B1 (en) Micron-gap thermal photovoltaic large scale sub-micron gap method and apparatus
JP2007205645A (en) Solar heat collector and solar heat utilization device having the same
TWI540298B (en) High temperature and high efficiency solar thermal receiver
JP2019196751A (en) pump
US20170338766A1 (en) Hybrid flow solar thermal collector
Arslan et al. Investigation of energetic and exergetic performances of parabolic trough collector with using different heat transfer fluids
US10215446B2 (en) Induced flow solar thermal collector and method
US9099591B1 (en) Hybrid solar receiver
US20170122621A1 (en) Heat receiver tube, method for manufacturing the heat receiver tube, solar collector with the heat receiver tube and method for producing electricity by using the solar collector
KR101341447B1 (en) Solar receiver for compressed air
CN102620441A (en) Solar heat source system and method
JP2020204276A (en) pump
EP3286506A1 (en) Solar flux conversion module with supported fluid transport
US20170122622A1 (en) Heat receiver tube, method for manufacturing the heat receiver tube, solar collector with the heat receiver tube and method for producing electricity by using the solar collector
TWI604623B (en) Method and apparatus for converting heat energy to electric power using sub-micron gap thermal photovoltaic technology
CN116761962A (en) Multi-temperature heat collection system