JP4644189B2 - ポンプ装置及びそのポンプユニット - Google Patents

Description

本発明は、熱尖端流を利用したポンプ装置に関する。

工業的に利用されている真空ポンプには、くみ出し式と溜め込み式とが存在する。くみ出し式ポンプは、気体を吸気口から吸引しポンプ内部で圧縮して排気口から排出するものである。モータで羽根や歯車を回転させて気体を圧縮する機械式ポンプはくみ出し式ポンプの一種であり、この種のポンプとしては油回転ポンプ、ダイヤフラムポンプ、ルーツポンプ、ターボ分子ポンプが実用に供されている。また、高速の油蒸気ジェットを用いて気体分子をたたき出す蒸気噴射式ポンプもくみ出し式ポンプの一種である。一方、溜め込み式ポンプは、外部からポンプ内部に気体を捕えることによって外部を減圧し、ポンプの動作終了後に捕らえた気体を大気に放出する再生作業を行うものである。この種のポンプとしてはクライオポンプ、ソープションポンプ、ゲッターポンプが利用されている。

近年、くみ出し式ポンプの一種として、クヌーセンコンプレッサと呼ばれる新型の真空ポンプが研究されている（例えば特許文献１、２及び非特許文献１参照）。このポンプ（本明細書においてコンプレッサはポンプの一概念とみなす。）は、軸に沿って温度勾配を持つパイプの内部で低温側から高温側へ気体が流れるという熱遷移流を利用したものである。クヌーセンコンプレッサは、運動する部品を用いずに気体を輸送できる点で従来の機械式ポンプと大きな相違がある。

また、気体の温度場によって発生する気体の挙動として、鋭い先端部（尖端部）を有する物体を加熱又は冷却して気体中に置いた場合、その尖端部の周囲で気体の流れが誘起されるという熱尖端流の存在が指摘され（非特許文献２）、実験的に確認されている（非特許文献３）。但し、熱尖端流を利用したポンプ装置はこれまで何ら検討されていない。
米国特許第５８７１３３６号明細書 特開２００１−２２３２６３号公報 Y. Sone and H. Sugimoto, 天acuum pump without a moving part and its performance,・in Rarefield Gas Dynamics, ed. by A.D.Ketsdever and E.P.Muntz (AIP, New York, 2003) 1041-1048 K.Aoki, Y.Sone, and N.Masukawa,"A rarefield gas flow induced by a temperature field," in Rarefield Gas Dynamics, ed. by G.Lord (Oxford U.P., Oxford, 1995) 35-41 Y.Sone and M.Yoshimoto, "Demonstration of a rarefield gas flow induced near the edge of a uniformly heated plate," Phys. Fluids 9 (1997) 3530-3534.

熱遷移流を利用したクヌーセンコンプレッサでは、温度勾配が大きいほど吸気側と排気側との圧力差や排気流量が拡大する。しかしながら、大きな温度勾配を実現するためには流路内にて高温部と低温部とをできる限り近接させる必要があり、そのためには流路を構成する連続した壁面の一方をヒーターで加熱しつつ、その直ぐ近傍をクーラーで冷却する必要がある。このような構成では、高温部と低温部との間で温度勾配を打ち消すように壁面を介して熱が伝達されるためにエネルギー効率が悪く、得られるポンプ性能に比して消費エネルギーが極めて大きい。

そこで、本発明は熱尖端流を利用して従来のクヌーセンコンプレッサよりもエネルギー効率を改善したポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明のポンプ装置は、気体の流路を横断する方向に間隔を空けて並べられた複数の低温物体を有する低温部と、前記流路を横断する方向に間隔を空けて並べられた複数の高温物体を有する高温部と、前記低温部よりも前記高温部が高温となるように前記低温部又は前記高温部の少なくともいずれか一方の温度を操作する温度操作手段と、を具備し、前記低温物体と高温物体とが前記流路の流れ方向にずらして配置され、かつ前記低温物体と前記高温物体との間には気体による断熱層が介在され、前記横断する方向に関して前記低温物体と前記高温物体とが交互に並んでいることにより、上述した課題を解決する。

熱尖端流が生じるためには、ｉ）気体中に固体境界となる壁面が存在すること、及び、ii）壁面上の任意の点に到着する分子を考えたときに、その点を含み壁面に垂直な一方の側から飛来する気体分子の平均速度と他方の側から飛来する気体分子の平均速度との間に差があること、が必要である。本発明のポンプ装置によれば、低温物体と高温物体との近接部分においてそれらの物体の先端部が固体境界を提供し、かつ、それらの物体の近接部分の任意の点において低温物体側から飛来する気体分子と高温物体側から飛来する気体分子との間に平均速度の差が生じるから上記の二条件は満たされる。これにより、低温部から高温部へと向かう気体の一方向流れが誘起されてポンプ作用が得られる。また、本発明においては、低温物体と高温物体とが互いに接しない。つまり２つの物体は互いに離れている。このため、低温物体と高温物体との間に断熱層（この場合は気体層）が介在するようになり、低温部と高温部とが接近していても、両者が接している場合と比較して低温側と高温側との間の温度勾配を拡大してエネルギー効率を高めることが容易である。

本発明のポンプ装置の一形態においては、さらに前記低温物体と前記高温物体とが前記流れ方向に関して部分的に重複していてもよい。

本発明のポンプ装置の一形態において、前記低温部には前記横断する方向に互いに平行に並べられた第１の平板群が前記低温物体として設けられ、前記高温部には前記横断する方向に互いに平行に並べられた第２の平板群が前記高温物体として設けられてもよい。あるいは、前記低温物体又は前記高温物体の少なくともいずれか一方が柱状に構成されていてもよい。さらに、前記低温部又は前記高温部の少なくともいずれか一方に多孔質体が設けられ、前記多孔質体の透孔を囲む壁部が前記低温物体又は前記高温物体として機能するようにしてもよい。

本発明の一形態においては、前記横断する方向に隣接する低温物体同士の間隔と、前記高温物体同士の間隔とが、それぞれポンプ装置の使用圧力範囲における気体分子の平均自由行程の数百倍から数百分の一の範囲内に設定されてもよい。また、前記低温物体及び前記高温物体のそれぞれの近接部分の端部が気体分子の平均自由行程以下の曲率半径を有していてもよい。さらに、前記流れ方向に関して複数のポンプユニットが連結され、各ポンプユニットに前記低温部及び前記高温部が設けられてもよい。

本発明のポンプユニットは、気体の流路を横断する方向に間隔を空けて並べられた複数の低温物体を有する低温部と、前記流路を横断する方向に間隔を空けて並べられた複数の高温物体を有する高温部とを含み、前記低温物体と高温物体とが前記流路の流れ方向にずらして配置され、かつ前記低温物体と前記高温物体との間には気体による断熱層が介在され、前記横断する方向に関して前記低温物体と前記高温物体とが交互に並んでいることにより、上述した課題を解決する。このようなポンプユニットを単独で、又は流れ方向に複数連結して低温部と高温部との間に温度勾配を与えることにより、本発明のポンプ装置におけるポンプ作用を得ることができる。

本発明のポンプユニットの一形態において、前記低温部には前記横断する方向に互いに平行に並べられた第１の平板群が前記低温物体として設けられ、前記高温部には前記横断する方向に互いに平行に並べられた第２の平板群が前記高温物体として設けられてもよい。この場合、ポンプユニットは、ポンプハウジングを構成する中空のフランジと、前記フランジに対して熱遮断部を介して連結されたヒーターユニットとを備え、前記フランジにはそのフランジの中空部を横断するように第１の平板群が取り付けられ、前記ヒーターユニットには電熱線材を前記第２の平板群が形成されるように蛇腹状に折り曲げた発熱体が設けられてもよい。前記ヒーターユニットには、前記発熱体が取り付けられるフレームと、前記フレームの外周に張り巡らされたワイヤとが設けられ、前記ワイヤと前記フランジとを接続する接続手段とが前記熱遮断部として機能するようにしてもよい。前記フレームには複数のパイプ状の断熱部材が固定され、前記ワイヤは前記断熱部材を通されることにより前記フレームと連結され、前記接続手段は前記ワイヤと前記フランジとを接続するようにしてもよい。前記接続手段は、前記ヒーターユニットを複数点で支持するフローティング機構を含んでいてもよい。前記フランジには冷却媒体が通過する冷媒流路が設けられてもよい。

なお、本発明において、複数のポンプユニットを流れ方向に関して直列的に連結する場合には、各ポンプユニットの両端における温度を等しく設定する必要がある。また、各ポンプユニットがポンプ作用を発揮するためには、ユニット一組の幾何形状が流れ方向に折り返された系と重ならないことが必要である。そして、多数のポンプユニットを直列に連結してポンプ装置を構成した場合には、ポンプ装置の両端において大きな圧力差を実現することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、温度が異なる低温物体群と高温物体群とをそれらの間に断熱層が介在された状態で並べることにより、低温物体と高温物体との近接部分で同一方向の熱尖端流を生じさせているので、連続した壁面上で温度勾配を生じさせていた従来のクヌーセンコンプレッサと比較して、エネルギー効率に優れたポンプ装置を実現することができる。

熱尖端流を説明するための２次元モデルを示す図。 図１Ａのモデルにおける流れのシミュレーション結果を示す図。 本発明のポンプ装置の単純化された第１の形態を示す図。 図２Ａの形態において予想される温度分布を示す図。 高温部を変更した第２の形態のポンプ装置を示す図。 高温部をさらに変更した第３の形態のポンプ装置を示す図。 低温部を変更した第４の形態のポンプ装置を示す図。 低温部をさらに変更した第の形態のポンプ装置を示す図。 低温部及び高温部にそれぞれ円柱状の物体を設けた第６の形態のポンプ装置を示す図。 低温部又は高温部をワイヤ又は網状に構成した例を示す図。 低温部又は高温部を多孔質体によって構成した例を示す図。 熱尖端流の他の形態における流れのシミュレーション結果を示す図。 本発明のポンプ装置の一実施例における流れ方向の断面図。 図５のポンプ装置にて使用されるポンプユニットの断面図。 図６のポンプユニットの左側面図。 図６のポンプユニットの右側面図。 図６のポンプユニットに使用されるフランジの軸方向断面図。 図９Ａのフランジの側面図。 図９ＡのIXc部の拡大図。 図９ＢのIXd部の拡大図。 ポンプユニットに使用されるヒーターユニットの正面図。 図１０のヒーターユニットの下面図。 図１０のヒーターユニットに使用されるフレームの正面図。 図１２ＡのXIIb−XIIb線に沿った断面図。 ヒーターユニットに使用される発熱体の正面図。 図１３ＡのXIIIb−XIIIb線に沿った断面図。 発熱体の端部の曲げ加工を示す図。 ヒーターユニットのサブアッセンブリの正面図。 図１４ＡのXIVｂ−XIVｂ線に沿った断面図。 ヒーターユニットのサブアッセンブリの下面図。 実験装置の概略構成を示す図。 実験結果を示す図。 比較例を示す図。 円筒体を組み合わせて平板群を構成した実施例を示す図。 平板の間隔を流れ方向において変化させた実施例を示す図。 同一平板上で温度勾配を生じさせる実施例を示す斜視図。 図１９Ａに示す実施例の流れ方向に沿った断面図。 本発明のポンプ装置の他の実施例を示す部分斜視図。 解析に使用するポンプユニットのモデルにおけるパラメータを示す図。 図２１Ａのポンプ装置における基本ユニットを示す図。 希薄度と質量流量との関係を示す図。 本発明の一形態に係るポンプ装置における流れの解析結果を示す図。 本発明の一形態に係るポンプ装置における温度場の解析結果を示す図。 基本ユニットにおける流路数と質量流量との関係を示す図。 本発明の一形態に係るポンプ装置における圧力の解析結果を示す図。 本発明の一形態に係るポンプ装置における数密度の解析結果を示す図。 本発明の一形態に係るポンプ装置における希薄度と圧縮率との関係の解析結果を示す図。 本発明の一形態に係るポンプ装置においてポンプユニットを１０段連結した場合の希薄度と圧縮率との関係の解析結果を示す図。 平板同士を流れ方向に一直線に並べた形態を示す図。 図２８の形態における流れの解析結果を示す図。 図２８の形態における温度場の解析結果を示す図。 図３Ａの形態における流れの解析結果を示す図。 図３Ｂの形態における流れの解析結果を示す図。 図３Ｃの形態における流れの解析結果を示す図。 図３Ｄの形態における流れの解析結果を示す図。 図３Ｅの形態における流れの解析結果を示す図。 図３Ｅの形態に対して、低温物体及び高温物体を一直線に並べた変形例における流れの解析結果を示す図。 本発明に係るポンプ装置を実用化した場合の基本形態を示す図。 図３６の形態に対して排気側にポンプを追加した形態を示す図。 図３７の形態に対して真空タンクを追加した形態を示す図。

符号の説明

１ 容器
２ 平板
３ 壁面
４ 流路
５ 低温側の平板（低温物体）
５ａ 前端部
５ｂ 後端部
６ 高温側の平板（高温物体）
６ａ 前端部
６ｂ 後端部
７ 円筒体（平板）
１１ 楕円管
１２ 楕円柱
１３、１４、１８ 低温物体
１５、１６、１７ 高温物体
２０ 真空ポンプ
２１ ポンプユニット
２２ フランジ
２３ 低温平板群
２４ 高温平板群
２５ フランジの中空部
２８ フィン取付溝
３３ 通水孔（冷媒流路）
３６ 冷却フィン（低温側の平板）
４０ ヒーターユニット
４１ フレーム
４２ 発熱体
４３ 支持機構
４５ 加熱フィン（高温側の平板）
５１ 断熱部材
５２ ワイヤ
５３ 支持リング
５５ フローティング機構
６０ ポンプハウジング
６１ 内部流路
６２ 冷却水通路
６５ ヒーター電源
６６ 冷却水供給装置
７０ 発熱部
７１ 熱源
８０ 第１のガス透過性シート（低温部）
８１ 第２のガス透過性シート（高温部）
９０ 排気ポンプ
９１ 開閉弁
９２ 真空タンク
Ｃ 低温平板群（低温部）
Ｈ 高温平板群（高温部）

［第１の形態］
本発明の一形態に係るポンプ装置の理解のため、まず熱尖端流の一例について説明する。図１Ａに示すように、温度Ｔ_０の正方形状の容器１の中央部に温度Ｔ_１の平板２が置かれている場合を考える。図１Ｂは容器１内の流れに関する数値シミュレーションによって得られた流れベクトル及び等温線の様子を示している。但し、図１Ｂに示した平板２の中心に原点を置き、平板２と直交する方向にＸ_１軸を、平板２と平行な方向にＸ_２軸を設定したときの第一象限の部分のみを図１Ｂに示している。また、ここに示す数値シミュレーション結果は、Ｔ_１／Ｔ_０＝５、容器１内における気体分子の平均自由行程が平板２の幅の５％に相当する場合である。図１Ｂによれば、平板２の尖端部２ａの付近において、気体の温度が急激に変化し、その低温側から高温側へ向かう流れが生じていることが判る。このような流れが熱尖端流である。

次に本発明の一形態に係るポンプ装置について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは本発明のポンプ装置の単純化された一形態を示している。このポンプ装置では、一対の壁面３によって規定される流路４に第１の平板群としての低温平板群（低温部）Ｃと第２の平板群としての高温平板群（高温部）Ｈとが設けられている。流路４における気体の流れ方向は図２ＢにおけるＸ軸正方向である。低温平板群Ｃにおいては、複数の平板５が流路４を横断する方向（具体的には流路における流れ方向と直交する方向）に一定間隔を空けて互いに平行に並べられている。高温平板群Ｈにおいても、複数の平板６が低温平板群Ｃの平板５と同一方向に一定間隔を空けて互いに平行に並べられている。平板５と平板６とは互いに接しないようにして流路４の流れ方向に並べられている。高温平板群Ｈの平板６は低温平板群Ｃの隣接する一対の平板５に対して等距離となる位置に、言い換えれば平板５同士の隙間を二等分する位置に配置されている。但し、平板６の位置は平板５の隙間を二等分する位置に限定されず、高温平板群Ｈの平板６は低温平板群Ｃの隣接する一対の平板５の間に平板６が配置されていればよい。また、流路４の流れ方向に関して、低温平板群Ｃの平板５の後端部５ｂと高温平板群Ｈの平板６の前端部６ａとは一定長さに亘って互いに重複している。つまり、平板５と平板６とは、流路４を横断する方向においてそれぞれの端部５ａ、６ａが一定間隔Ｗで交互に並ぶように設けられている。

以上のようなポンプ装置において、高温平板群Ｈの平板６の温度Ｔ_Ｈを、低温平板群Ｃの平板５の温度Ｔ_Ｃよりも高く設定した場合を考える。まず、平板５、６の食い違い部分（流れ方向に関してオーバーラップしている部分）における温度分布に着目すると、この部分では２つの平板群Ｃ、Ｈの間の温度差により周囲の気体中に大きな温度勾配が生じる。一方、平板５の前端部５ａの周囲及び平板６の後端部６ｂの周囲では、低温又は高温の平板５又は６のみが連続しているために、平板温度Ｔ_Ｃ又はＴ_Ｈとほぼ一致する一様な温度場が生じる。以上の結果から、平板群Ｃ、Ｈの付近の温度分布は図２Ｂに示すようになる。なお、図中のハッチング領域は高温部分を示す。

個々の平板５、６の温度が前端部５ａ、６ａから後端部５ｂ、６ｂまでほぼ一定であるとすれば、それぞれの平板５、６上において熱遷移流は生じない。これに対して、平板５の後端部５ｂ及び平板６の前端部６ａにおいては、周囲の気体中に温度勾配が生じているために熱尖端流が生じる。より具体的に考察すれば次の通りである。

まず、低温側の平板５の後端部５ｂ付近の点Ｐにおいては、−Ｘ方向において低温の気体分子が存在し、＋Ｘ方向には高温の気体分子が存在する。温度勾配が生じている環境において、気体分子はより高温側に移動する傾向を示すから、点Ｐでは＋Ｘ方向の流れ（熱尖端流）が誘起される。次に、高温側の平板６の前端部６ａ付近の点Ｑにおいても上記と同様の現象が生じて＋Ｘ方向の流れが誘起される。一方、平板５の前端部５ａ付近の点Ｐ′、及び平板６の後端部６ｂ付近の点Ｑ′においては、周囲の気体温度がＴ_Ｃ又はＴ_Ｈでほぼ一定であるため、流れが生じない。

以上の考察から明らかなように、図２Ｂにおいては、平板５の後端部５ｂ及び平板６の前端部６ａの周囲のみで気体の流れが誘起され、流れ方向はいずれも＋Ｘ方向である。従って装置全体においても＋Ｘ方向への流れが生じる。本発明の一形態に係るポンプ装置はこのような原理によりポンプとして動作する。

本発明の一形態のポンプ装置においては、低温側の第１の平板群Ｃと高温側の第２の平板群Ｈのそれぞれが複数の平板５、６を備えている。低温側及び高温側のそれぞれに一枚ずつ平板を設けてそれらを流れ方向に並べた構成では、それぞれの平板の両端で互いに逆向きの熱尖端流が生じ、装置全体で見ればそれらの流れが打ち消し合って有効な流れを発生させることは難しい。また、本発明の一形態に係るポンプ装置においては、低温側の平板５と高温側の平板６とが互いに接しない。つまり２つの平板群Ｃ、Ｈは互いに離れている。このため、平板群の間に断熱層（この場合は気体層）が介在するようになり、平板群同士が接近していても、平板同士が接している場合と比較して両者間の温度勾配を拡大してエネルギー効率を高めることが容易である。なお、図２Ａ、図２Ｂにおいては、流路４を横断する方向に関して低温側の平板５と高温側の平板６とを交互に並ぶように配置しているが、本発明は必ずしもこれを必須とするものではない。平板５と平板６とは互いに接しないようにして流れ方向に並べられていればよく、例えば両者を流れ方向に一直線状に並べてもよい（図２８参照）。平板群間の断熱層は気体層に限らず、平板群間における熱伝導を十分に抑えられる断熱性能を有している材料からなる断熱体を両平板群の間に配置してもよい。要するに、本発明においては、両平板群の間で他の部材を介在することなく熱が交換されないように両平板群が離されていればよい。

本発明の一形態に係るポンプ装置において、両平板群の端部を流れ方向に重複させて食い違い部分を設けた場合には、その食い違い部分において互いの温度の影響が生じて各平板の温度が不均一になる可能性がある。例えば図２Ｂにおいて平板群Ｃの温度Ｔ_Ｃは食い違い部分で上昇し、平板群Ｈの温度Ｔ_Ｈは食い違い部分で低下する可能性がある。このような温度勾配は低温側から高温側への熱遷移流を生じさせるが、その流れ方向は上述した熱尖端流による流れ方向と同じく＋Ｘ方向となる。従って、仮に上記のような温度勾配が生じてもそれはポンプ装置の効果を高める方向に作用する。

本発明の一形態に係るポンプ装置において、平板群同士の間で温度差を発生させるためには、いずれか一方の平板群のみを加熱し又は冷却する。あるいは、いずれか一方の平板群を加熱し、かつ他方の平板群を冷却してもよい。

本発明の一形態に係るポンプ装置において、流路を横断する方向に隣接する同一平板群の平板同士の間隔（図２Ｂの間隔Ｄ′に相当）は、ポンプ装置の使用圧力範囲における気体分子の平均自由行程の数百倍から数百分の一の範囲内（以下、この範囲を推奨エッジ間隔と呼ぶ。）に設定することが好ましい。但し、本発明のポンプ装置は、平板間隔が推奨エッジ間隔外であっても動作し、かつ実用に供される可能性があり、推奨エッジ間隔の用語はそれ以外の平板間隔の設定を否定するものではない。要するに、同一平板群の平板同士の間隔Ｄ′は、流路４に導入される気体分子の挙動の観点からみて、その気体分子の平均自由行程と実質的に同等とみなし得る範囲に設定されていればよい。

本発明の一形態に係るポンプ装置においては、流れ方向に関して複数のポンプユニットが連結され、各ポンプユニットに低温平板群Ｃ及び高温平板群Ｈが設けられてもよい。

［他の形態］
上記の形態では、低温物体及び高温物体のいずれもが、流れ方向の長さに比して厚さが十分に小さい平板状に形成されている。しかしながら、熱尖端流を生じさせる低温物体及び高温物体はこのような平板状のものに限られない。上述したように、熱尖端流を生じさせるためには、気体中に固体境界となるべき物体が存在し、かつ、固体境界上のある点（点Ａとする。）に到着する気体分子を考えたときに、点Ａを含み、物体の表面（壁面）に垂直な面の一方の側から飛来する気体分子の平均速度と他方の側から飛来する気体分子の平均速度との間に差があればよい。このような条件を満たす限りにおいて、低温物体及び高温物体は様々な形状に形成することが可能である。以下、低温物体又は高温物体を変更した他の形態について説明する。

図３Ａは、図２Ａの高温側の平板６に代えて、断面略正方形の柱状の高温物体１３を流路４の横断方向に一定間隔Ｄ′で並べて高温部Ｈを構成した第２の形態を示す。この形態では、高温物体１３は低温平板群Ｃの平板５と同数設けられており、かつ平板５と高温物体１３とは流れ方向において一直線に並べられている。平板５と高温物体１３とは接しておらず、両者の間には気体による断熱層が介在されている。

図３Ｂは、図３Ａの高温物体１３に代えて、断面寸法がより小さい柱状の高温物体１４を流路４の横断方向に並べて高温部Ｈを構成した第３の形態を示す。高温物体１４は流れ方向に複数列（図の例では２列）が設けられており、各列における高温物体１４は流路４の横断方向に互い違いにずらされている。また、各列における高温物体１４の間隔は低温側の平板５のそれよりも小さい。平板５と高温物体１４とは接しておらず、両者の間には気体による断熱層が介在されている。

図３Ｃは、図３Ｂの低温平板群Ｃにおける平板５に代え、厚さが十分に大きい断面矩形の柱状の低温物体１５を流路４の横断方向に並べて設けることにより低温部Ｃを構成した第４の形態を示す。低温物体１５同士の間隔（ピッチ）は図２Ａの平板間隔Ｄ′に等しく、低温物体１５と高温物体１４との間には断熱層が介在されている。

図３Ｄは図３Ａの低温平板群Ｃの平板５に代えて、断面略正方形の柱状の低温物体１６を流路４の横断方向に一定間隔Ｄ′で並べることにより低温部Ｃを構成した第５の形態を示す。この形態では、低温物体１６と高温物体１３とは流路４を横断する方向に関して互い違いに並べられている。低温物体１６と高温物体１３とは接しておらず、両者の間には気体による断熱層が介在されている。

ここまでは低温物体及び高温物体のそれぞれの壁面（表面）が流れ方向において直線的に延び、低温物体及び高温物体の近接部分においてそれらが鋭利な尖端を有する場合について説明した。しかしながら、熱尖端流を生じさせる尖端は、気体分子の平均自由行程を下回る曲率半径という意味に拡張して考えることができる。例えば、図４に示すように、温度が一様にＴ_０である楕円管１１の内部に一様な温度Ｔ_１（Ｔ_１＞Ｔ_０）の楕円柱１２を置いた場合においては、楕円管１１の内壁面付近で流れが生じている。このように、一見して尖端とは考えられない物体の周りにおいても熱尖端流と同じ原理による気体の流れを発生させることが可能である。従って、低温物体又は高温物体がそれらの近接部分の先端部において有限の曲率を持っている場合でも熱尖端流を利用したポンプ装置を構成することができる。図３Ｅはその一例としての第６の形態を示している。図３Ｅの形態では、円柱状（断面円形）の低温物体１７と高温物体１８とが図２Ａの形態と同様にして配置されている。それぞれの物体１７、１８の曲率半径は気体分子の平均自由行程以下であればよい。なお、図３Ａ〜図３Ｃに示した形態において、低温部Ｃと高温部Ｈの構成を入れ替えてもよい。すなわち、図３Ａ及び図３Ｂにおいて高温部Ｈを平板群にて構成し、低温部Ｃを柱状の低温物体にて構成してもよいし、図３Ｃにおいて高温部Ｈの高温物体を断面が大きな柱状に形成し、低温部Ｃの低温物体を断面がより小さい柱状に形成してもよい。

以上に示した形態では、簡単のため低温部及び高温部の二次元断面を示しているが、実際には紙面と直交する方向においても同様の断面形状を有する三次元形状に低温部及び高温部を構成してもよい。この場合、図３Ｆに示すような格子状等に組み合わされたワイヤ又は網、あるいは図３Ｇに示すような多孔質体によって低温部又は高温部を構成することができる。その他にも低温物体又は高温物体をハニカム状等の種々の形状を形成するように組み合わせ、あるいはそれらの物体の表面を波板状に湾曲させる等して低温部又は高温部を構成してよい。いずれの場合でも、ポンプ内の流路を平均自由行程程度の幅の微小流路に区分する壁部分が低温物体又は高温物体として機能することになる。

次に、図５〜図１４Ｃを参照して本発明のより具体的な実施例について説明する。図５は本発明の一実施例に係る真空ポンプの流れ方向に沿った断面図である。このポンプ２０は、気体の流れ方向に連ねられた複数（図では９個）のポンプユニット２１を有している。図６は各ポンプユニット２１の流れ方向に沿った断面図、図７は図６における左方からの側面図、図８は図６の右方からの側面図である。図６〜図８に示すように、ポンプユニット２１は、円盤状のフランジ２２と、そのフランジ２２に取り付けられる低温平板群（低温部）２３及び高温平板群（高温部）２４とを有している。

フランジ２２は真空ポンプ２０の外壁を構成するハウジングとして機能するものである。フランジ２２は、例えば真空ポンプ２０が取り付けられる配管部品用のフランジの素材に必要な追加工を施して得ることができる。図９Ａ及び図９Ｂはフランジ２２の一例を示し、図９Ａは軸線方向の断面図、図９Ｂは右側面図（但し半円分のみ）である。また、図９Ｃは図９Ａに示したIXc部の拡大図、図９Ｄは図９Ｂに示したIXd部の拡大図である。これらの図に示すように、フランジ２２の中心部にはフランジ２２を軸線方向に貫く中空部２５が設けられている。中空部２５は、フランジ２２の一方の端面２２ａに開口する凹部２６と、その凹部２６の底面２６ａとフランジ２２の他方の端面２２ｂとの間を貫く通し孔２７とを備えている。通し孔２７はフランジ２２の軸線方向からみて矩形状をなす角穴であり、その対向する一対の内面２７ａの端面２２ｂ側におけるエッジにはフィン取付溝２８が一定間隔を空けて設けられている（図９Ｃ及び図９Ｄ参照）。各々のエッジにおけるフィン取付溝２８の数は同数であり、かつ、一方のエッジにおけるフィン取付溝２８の延長線上に他方のエッジのフィン取付溝２８が対を成すように位置している。また、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、通し孔２７の周囲にはフランジ端面２２ｂと凹部２６の底面２６ａとの間を貫くねじ通し孔３０が設けられ、その外側には端面２２ｂに開口するシール溝３１が設けられている。さらに、シール溝３１の外側にはフランジ２２を軸線方向に貫くボルト通し孔３２が周方向に等ピッチで設けられ、それらボルト通し孔３２の間には冷却媒体としての冷却水を通すための通水孔（冷媒通路）３３がフランジ２２を軸線方向に貫くように設けられている。各通水孔３３の端面２２ｂ側の口元にはシール溝３４が設けられている。

フランジ２２のフィン取付溝２８には、図８に示すように低温平板群２３を構成する冷却フィン（低温側の平板に相当）３６の端部３６ａが固定されている。すなわち、通し孔２７のエッジ上で対をなすフィン取付溝２８同士の間に冷却フィン３６を架け渡すことにより、通し孔２７内には複数の冷却フィン３６が互いに平行かつ等間隔で設けられ、それにより通し孔２７内に低温平板群２３が構成されている。各冷却フィン３６は熱伝導性に優れた素材で形成されており、一例としてアルミナの薄板を冷却フィン３６の素材として利用することができる。冷却フィン３６は種々の固定手段を利用してフランジ２２へ固定してよいが、一例としてアルミナ系接着剤を利用することができる。冷却フィン３６同士の間隔Ｄ′は真空ポンプ２０が使用される圧力に対応して定められる推奨エッジ間隔に設定する。推奨エッジ間隔の中でも特に平均自由行程の数十倍から数十分の一の範囲に設定するとさらに好ましい。

一方、フランジ２２の凹部２６にはヒーターユニット４０が配置されている。ヒーターユニット４０は高温平板群２４を含み、かつその高温平板群２４の温度を操作する手段を兼ねるものである。図１０はヒーターユニット４０の正面図、図１１は側面図である。ヒーターユニット４０は、フレーム４１と、フレーム４１に保持された発熱体４２と、フレーム４１を支える支持機構４３とを有している。

図１２Ａ及び図１２Ｂにも示すようにフレーム４１は矩形状に形成され、互いに平行な一対の内面には収容溝４４が設けられている。フレーム４１は発熱体４２の熱を均一化するために熱伝導性に優れた素材で形成することが望ましく、一例としてアルミナをフレーム４１の素材として使用することができる。

一方、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、発熱体４２は、電気抵抗が大きい素材、例えばニクロムにて形成された帯状の電熱線材を一定ピッチで蛇腹状に折り曲げてなるもので、端部４２ａ、４２ｂ間に通電することにより全体を発熱させることができる。従って、発熱体４２の折り返し部間で直線状に延びる領域が加熱フィン４５として機能し、それらの加熱フィン４５の集合によって高温平板群２４が構成される。加熱フィン４５の間隔は、冷却フィン３６の間隔と一致する。発熱体４２の一方の端部４２ａは加熱フィン４５よりも外側へ延ばされており、その延長部分には図１３Ｃに示すようにほぼ９０°に曲げ返されて端子部４６が形成されている。

以上のように構成された発熱体４２は、図１４Ａ〜１４Ｃに示すようにフレーム４１の収容溝４４にその折り返し部分を一致させるようにしてフレーム４１に取り付けられる。さらに、フレーム４１に取り付けられた発熱体４２は適当な固定手段、例えばアルミナ系接着剤によりフレーム４１に固定される。フレーム４１に固定された発熱体４２の端子部４６には導線４７を介して電極板４８が溶接等の固定手段を利用して接続される。導線４７には例えばステンレスワイヤが使用される。一方、発熱体４２の反対側の端部４２ｂには電極板４９が溶接等の固定手段を利用して接続される。

図１０及び図１１に戻って、ヒーターユニット４０の支持機構４３は、フレーム４１の四隅に接着層５０を介して固定されるパイプ状の断熱部材５１と、その断熱部材５１を結ぶように設けられたワイヤ５２と、フレーム４１の各辺のほぼ中間位置の付近に設けられた支持リング５３とを有している。断熱部材５１には例えばジルコニアが使用される。ワイヤ５２は各断熱部材５１の内部に通された上で両端が接合されることにより、全体として概略八角形状の閉じた形状を描くように設けられている。支持リング５３はワイヤ５２の湾曲部５２ａに嵌め合わされてワイヤ５２に連結されている。支持リング５３の中心には通し孔５３ａが形成されている。

以上のように構成されたヒーターユニット４０は、図６〜図８に示したように電極板４８、４９を凹部２６から突出させるようにして凹部２６に収容され、フローティング機構５５によってフランジ２２に取り付けられる。フローティング機構５５は、ヒーターユニット４０を複数点で支持する接続手段として機能するものであり、ねじ通し孔３０（図９Ａ及び図９Ｂ参照）に端面２２ｂ側から装着されて先端がヒーターユニット４０の支持リング５３の通し孔５３ａ（図１０参照）に通される皿小ねじ５６と、その支持リング５３から突出した皿小ねじ５６がねじ込まれる一対のナット５７と、凹部２６の底面２６ａと支持リング５３との間に配置されるコイルばね５８とを備えている。一対のナット５７は、コイルばね５８が最大圧縮量よりも少ない適正量だけ圧縮されるように底面２６ａと支持リング５３との隙間を調整する手段として機能する。

以上のようなフローティング機構５５により、ヒーターユニット４０はフランジ２２の軸線方向に幾らか移動できる状態でフランジ２２に連結される。そして、コイルばね５８の圧縮反力で支持リング５３が凹部２６から端面２２ａ側に脱出する方向、言い換えれば加熱フィン４５が冷却フィン３６から離れる方向に付勢されることにより、ヒーターユニット４０は支持リング５３とナット５７及びコイルばね５８との接触部分を除いて、フランジ２２から浮いた状態に支持される。これにより、ヒーターユニット４０とフランジ２２との間の熱伝導が十分に抑えられる。さらに、ヒーターユニット４０においても、支持リング５３とフレーム４１とが断熱部材５１とワイヤ５２とを介して接続されているのでフレーム４１と支持リング５３との間の熱伝導も小さく抑えられる。これらが相俟って、加熱フィン４５とフランジ２２との間の断熱性能が極めて高くなり、少ないエネルギーでヒーターユニット４０の加熱フィン４５を所望の高温域に保持できるようになる。以上のように本実施形態では、断熱部材５１、ワイヤ５２、支持リング５３及びフローティング機構５５によって熱遮断部を構成している。

図６から明らかなように、ヒーターユニット４０は加熱フィン４５と冷却フィン３６とが図２Ａに示したものと同様に、すなわち各フィンの並び方向に関しては加熱フィン４５と冷却フィン３６とが一定間隔で互い違いに並ぶように、かつフランジ２２の軸線方向に関しては加熱フィン４５と冷却フィン３６との端部同士が一定長さに限って重複するようにして、フランジ２２に取り付けられている。隣接する加熱フィン４５と冷却フィン３６との間隔は図２Ａの間隔Ｄ′と同じく、真空ポンプ２０が使用される圧力に応じて定まる推奨エッジ間隔に設定される。

図５に戻って、真空ポンプ２０は、複数のポンプユニット２１をフランジ２２の軸線方向に向きを揃えかつ半径方向には交互に１８０°ずつ向きを変えながら連結することによって構成される。その連結はフランジ２２のボルト通し孔３２に通しボルトを装着してこれを反対側のナットにねじ込むことにより実現される。ポンプユニット２１の連結により各フランジ２２が連続して筒状のポンプハウジング６０が形成され、各フランジ２２の中空部２５が連続して真空ポンプ２０の内部流路６１が形成される。ポンプハウジング６０の両端は真空ポンプ２０が適用される配管路に接続される。

内部流路６１の気密性を確保するために、各フランジ２２のシール溝３１にはリング状のシール部材（図示略）が取り付けられ、それによりフランジ２２同士の繋ぎ目がシールされる。また、フランジ２２の連結によって通水孔３３が連続し、それによりポンプハウジング６０に冷却水通路６２が形成される。冷却水通路６２からの水漏れを防止するためシール溝３４にもシール部材（図示略）が取り付けられる。さらに、フランジ２２を相互に連結することにより、各ポンプユニット２１の電極板４８は隣接するポンプユニット２１の電極板４９と接触する。これにより、各ヒーターユニット４０の発熱体４２が直列接続される。そして、ポンプ２０の一端に配置されたポンプユニット２１の電極板４８と、反対側の端に配置されたポンプユニット２１の電極板４９とはヒーター電源６５に接続される。また、冷却水通路６２は冷却水供給装置６６に接続される。

以上のような真空ポンプ２０によれば、冷却水供給装置６６から冷却水通路６２に冷却水を導いて各ハウジング２２を冷却し、これに固定された冷却フィン３６を冷却する一方で、ヒーター電源６５から発熱体４２に通電して加熱フィン４５を加熱することにより、低温平板群２３と高温平板群２４との間に十分な温度差を発生させることができる。従って、ハウジング６０の内部流路６１の排気側（図５では左端側）をポンプ２０の使用圧力領域まで減圧することにより、各ポンプユニット２１の冷却フィン３６と加熱フィン４５との間に高温側へ向かう熱尖端流を生じさせ、それにより全体としては図５の右から左への気体の流れを誘起することができる。

以上の実施例においては、ヒーターユニット４０とヒーター電源６５とによって平板群２４を加熱する手段が構成され、冷却水通路６２と冷却水供給装置６６とによって平板群２３を冷却する手段が構成される。そして、これらの手段はいずれも平板群の温度を操作する手段を構成する。つまり、上記の実施例では、高温平板群２４が平板群の温度を操作する手段の一部として兼用されていることになる。

なお、ポンプユニット２１の個数は真空ポンプに求められる圧力差に応じて適宜に選択してよく、１以上の任意の個数が選択可能である。低温側の平板群２３と高温側の平板群２４との間に生じさせるべき温度差によっては冷却水による冷却を省略してもよい。冷却が必要な場合でも、水冷式の冷却に代え、空冷その他の適宜の冷却方式を適用できる。平板群２４の加熱に関しても電気抵抗による発熱に限らず、各種の手段を利用してよい。上記の実施例では低温物体及び高温物体をいずれも平板状に形成しているが、これらについては図３Ａ〜図３Ｅに示した柱状、厚板状、円柱状といった各種の形状に変更可能である。

[実験例について]
次に実験例を説明する。図５に示した実施例の真空ポンプ２０を実際に作成し、図１５に示す試験装置１００によりその性能を確認した。試験装置１００においては、真空ポンプ２０の排気側（図において左側）に気体導入装置１０１及び排気ポンプ１０２（例えば油回転真空ポンプ）を接続して排気口の圧力を制御可能とし、吸気側には別の気体導入装置１０３を設置して真空ポンプ２０の吸気口から内部を通って流れる気体の流量（あるいは吸気口の圧力）を制御可能とした。真空ポンプ２０の吸気側及び排気側にはそれぞれ圧力計１０４、１０５を設置した。なお、真空ポンプ２０におけるポンプユニット２１の個数は１０とした。

以上の試験装置１００において、真空ポンプ２０の排気口の圧力（Ｐｏｕｔ）を一定に保ちながら、真空ポンプを通過する気体の流量（Ｖ）と吸気口の圧力（Ｐｉｎ）との関係を調べた結果を図１６Ａに示す。なお、図１６Ｂは、比較例として従来のクヌーセンコンプレッサにおいて同一実験を行った結果を示す。ユニットの消費電力は図１６Ａにおいてほぼ１００ワット、図１６Ｂにおいてほぼ４０ワットであった。両者の比較（例えばＰｏｕｔ、Ｐｉｎがともに１０Ｐａのときの流量の比較）から、本発明の真空ポンプによれば２倍の消費エネルギーで５０倍程度の流量が得られていることが判る。エネルギー効率に関しては、流量Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔ（Ｐｏｕｔ＜Ｐｉｎ）の値、真空ポンプ装置２０の前後の気体温度から、気体の圧縮に要する熱力学的エネルギーの理論値を求め、消費エネルギーとの比を調べればよい。

試験装置１００において測定される真空ポンプ２０の前後の圧力差Ｐｏｕｔ−Ｐｉｎや真空ポンプ２０の消費エネルギーには、真空ポンプ２０を通過する間の気体の運動量や運動エネルギーの減少による効果が含まれる。但し、これらの効果の割合は、流れのマッハ数の２乗程度の大きさである。真空ポンプ２０内のマッハ数は１よりも十分に小さい。従って、測定される圧力差Ｐｏｕｔ−Ｐｉｎや真空ポンプ２０の消費エネルギーは真空ポンプ２０の性能を表していると考えてよい。

[他の実施例について]
本発明は以上の実施例に限定されることなく、種々の変形が可能である。以下に他の実施例を説明する。但し、以下の図においては、図２Ａとの共通部分に同一の参照符号を使用する。

本発明において、平板はその全体に亘って一様に平坦である必要はなく、流路に沿った断面上において流れ方向に延びる平板状に形成されていればよい。例えば、図１７に示すように複数の円筒体７、８を同軸的にかつ半径方向に互い違いに組み合わせた構成であっても、軸線方向の断面においては図２Ａと同様の構成が得られるものであり、このような円筒体７、８も本発明の低温物体及び高温物体としての平板の概念に含まれる。

図５の実施例では各ポンプユニット２１における平板同士の間隔が一定であるが、吸気口から排気口へ向かうほど圧力が上昇して気体分子の平均自由行程が減少することに鑑みれば、平板の間隔を流れ方向の上流側よりも下流側で減少させるようにしてもよい。図１８の例では流れ方向（矢印Ｘ方向）下流側に向かうほど圧力が増加して、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４の関係が成立するから、平板群Ｃ、Ｈにおける平板５、６のそれぞれの間隔Ｄ′１〜Ｄ′３を圧力変化とは逆順で変化させてＤ′１＞Ｄ′２＞Ｄ′３としている。

図５の実施例では加熱フィン４５の全体を均等に発熱させているが、平板上にて熱尖端流と同一方向の熱遷移流が生じるように平板の温度分布を操作してもよい。その一例を図１９Ａに示す。この例では、高温側平板群Ｈを構成する平板６の後端部６ｂにのみ発熱部（ハッチング部分）７０を設け、それぞれの発熱部７０を熱源７１と接続して発熱させている。発熱部７０は図５の加熱フィン４５と同様にニクロム等の電熱線材でよく、熱源７１は電源でよい。

このような構成によれば、図１９Ｂに一点鎖線で示したように、低温側の平板５と高温側の平板６との間に温度勾配（Ｔ１＜Ｔ２）が生じて矢印Ｆ１で示すように熱尖端流による流れが生じるとともに、高温側の平板６上においても温度勾配（Ｔ２＜Ｔ３）が形成されて矢印Ｆ２で示すように熱遷移流による流れがさらに発生する。これにより、ポンプ効果のさらなる向上が期待できる。

図２０はさらなる実施例を示す。この実施例では低温部として第１のガス透過性シート８０を、高温部として第２のガス透過性シート８１を流れ方向（矢印Ｆ方向）に交互に配置している。透過性シート８０及び８１は、いずれも気体分子が通過可能な多数の微細な透孔（貫通孔）を有するものであり、それらの透孔を囲む壁部が低温物体又は高温物体として機能する。一対の透過性シート８０、８１は不図示のスペーサ又は接着剤を適宜の箇所に挟むことにより微小な気体層（断熱層）を介して互いに対向している。スペーサ又は接着剤はシート８０、８１間の熱伝導を抑えるべく断熱性に優れた材料にて構成される。このような実施例においては、第１のガス透過性シート８０を冷却する一方で第２のガス透過性シート８１を加熱することにより、シート８０、８１間で温度勾配が生じ、シート８０、８１の透孔が図２Ａに示した形態における平板５間、又は平板６間の幅Ｄ′の通路として機能して熱尖端流による一方向の流れが誘起される。シート８０、８１の透孔を十分に小さく設定することにより、圧力が比較的高い場合（一例として大気圧程度）でも低温物体間又は高温物体間の通路の幅Ｄ′を気体分子の平均自由行程程度に維持することができ、高圧下においても本発明のポンプ作用を得ることができる。

［数値解析について］
本発明のポンプ装置の性能を評価するため、本発明のポンプ装置をモデル化して流れを解析した結果を以下に説明する。

１．解析すべき問題について
解析対象のポンプモデルの形状を図２１Ａ、図２１Ｂに示す。このモデルはポンプユニットの２次元モデルの全体である。この形状をポンプ装置の１ユニットと考えて数値解析を行う。ユニットの長さはＬ、ユニットの径（領域の高さ）はＤである。ユニットの内壁の表面温度をＴ_０とする。ユニットの片方の端部（図中の左端部）は、流路に平行な複数の平板（温度Ｔ_０、幅ｄＬ／２）によってｎ等分されている。これらの平板よりもユニット中央側の部分に、流路に平行なｎ枚の平板（温度Ｔ_１、幅ｄＬ／２）が、温度Ｔ_０の平板と互いに食い違うように配置されている。温度Ｔ_０、Ｔ_１の２種類の平板群全体は、流路方向に長さｂＬであるとする。従って、ｂ＞ｄであれば、図に示すように、２種類の平板群が互いに食い込んだ形になる。

この形状のポンプユニットについて、
（Ａ）ポンプユニットの両端の温度、圧力を等しくした場合に得られる流量、及び
（Ｂ）ポンプユニットで流量が０となる場合のユニット両端の圧力差、
を１番目の問題（問題１）として調べる。

上で述べたポンプユニットは、内部に多数の仕切り板を持っている。仕切りの数が十分に多ければ、ユニットの中央部では流路に垂直な方向に周期Ｄ′＝Ｄ／ｎの流れが生じることが予想される。そこで、２番目の問題（問題２）として、仕切りの１組を基本領域と考えて取り出し、そのポンプ性能について、上の問題と同様に解析を行う。基本領域の形状を、図２１Ｂに示す。長さＬ、幅Ｄ′の２次元領域であり、上下の壁面の中間には、幅ｄＬ／２、温度Ｔ_０の水平な固体壁面がおかれているものである。上下壁面のうち、幅ｄＬ／２の部分が温度Ｔ_１の固体壁面、残りは鏡面反射壁面であり、この固体部分の右端が、領域全体の左端からｂＬだけ離れている。

２．解析の前提
解析にあたって、次の仮定をおく。
・気体の振舞は、剛体球分子ボルツマン（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）方程式に従う。
・固体境界面では、気体分子は拡散反射を行う。

気体領域の代表長をＤ′、基準の温度をＴ_０、気体領域内部の平均密度を基準の密度ρ_０に選んで、基礎方程式と境界条件を境界条件を無次元化すると、問題のパラメータは次の通りになる。

（１）問題１（基本ユニットのシミュレーション）について
・温度比Ｔｒ＝Ｔ_１／Ｔ_０
・希薄度Ｋｎ＝ｌ_０／Ｄ′
・基本領域の縦横比Ｌ／Ｄ′
（あるいは、領域の縦横比Ｌ／Ｄ（＝（１／ｎ）×（Ｌ／Ｄ′））
・流路数ｎ
・駆動部分の長さｄ
・平板の重なりｓ
ここに、ｌ_０は温度Ｔ_０、密度ρ_０の静止した平衡状態にある気体における分子の平均自由行程である。

（２）問題２（基本流路のシミュレーション）
・温度比Ｔｒ＝Ｔ_１／Ｔ_０
・希薄度Ｋｎ＝ｌ_０／Ｄ′
・領域の縦横比Ｌ／Ｄ′
・駆動部分の長さｄ
・平板の重なりｓ

以下では、断らない限りＴｒ＝３とする。また、近接する温度Ｔ_０の平板右端と温度Ｔ_１の平板左端が１３５度の角度をなす（ｓＬ＝Ｄ′／２）場合を考える。さらに、ポンプユニットの駆動部分の長さｄＬ−ｓＬがＬ／２となるように、ｄ＝１／２＋ｓの場合を考える。座標系は、直交座標系ＸｉのＸ_１方向をポンプ（流路）の軸方向とし、Ｘ_１−Ｘ_２の２次元問題として取り扱う。原点は、気体領域の中央左端である。対称性より、Ｘ_２＞０の領域だけを解析する。解析には、ＤＳＭＣ直接シミュレーション法を用いる。

３．解析Ａ（最大流量について）
ポンプユニット両端で周期境界条件を与え、ユニット内部で得られる質量流量Ｍ_ｆを求める。これは、ポンプの両端で圧力が等しい場合に対応する。このとき、ポンプで得られる最大の質量流量が求められる。質量流量は、次のように定める。

ここに、ρ、ｖ_ｉは気体の密度、流速である。
問題１と問題２の質量流量を比較する便宜のため、無次元質量流量ｍ_ｆを、

と定める。問題１の無次元質量流量ｍ_ｆは、

と表せるから、問題１におけるｍ_ｆは、基本流路１本あたりの流量について、問題２と同じ無次元化を行った値と考えてもよい。なお、ＤＳＭＣ数値計算を用いたことによる結果の振動を小さくするために、Ｍ_ｆがＸ_１について一定値をとることを利用し、

によって数値を算出した。

最初に問題１の結果を示す。図２２はＬ／Ｄ′＝５、ｎ＝１０、ｄ＝０．６、ｓ＝０．１、Ｔｒ＝３に設定し、種々の希薄度Ｋｎについて、定常状態における質量流量Ｍ_ｆを計算した結果を示したものである。この図から判るように、Ｋｎ＝０．１〜１の範囲で最大の流量が得られている。Ｌ／Ｄ′＝５、ｎ＝１０、Ｋｎ＝１．０の場合のシミュレーション結果を図２３Ａ及び図２３Ｂに示す。図２３Ａが流速場の様子である。流速のスケールは図の右上に示す（Ｒは単位質量あたりの気体定数である。）図２３Ｂは気体の温度Ｔの様子をＴ／Ｔ０の等値線図で示している。

これらの図から明らかなように、温度の異なる２種類の平板群の食い違い部分では大きな温度勾配が生じている。この温度勾配に比べると、食い違い部分の反対側の平板端部では、周囲の壁面の温度がすべて同じであるため、温度勾配が小さくなっている。この温度分布によって、平板の食い違い部分で、Ｘ_１方向の大きな熱尖端流が生じている。また、平板上およびユニットの壁面では流速が遅くなっている。このため、平板の無い部分ではユニット中央部に流れが集中する傾向が見られる。

このユニットでは、平板自身は気体の温度分布を生み出す役割をもつだけであり、流れに対しては抵抗として働くはずである。従って、平板が長過ぎると、抵抗が増えて流量が小さくなるであろう。逆に、平板が短かすぎると、気体の温度が十分に上昇せず、流量が小さくなるであろう。

次に問題２について検討する。問題１において、Ｌ／Ｄ′＝５、Ｋｎ＝１、ｄ＝０．６、ｓ＝０．１、Tｒ＝３に固定し、ｎ＝１０、２０、４０の各ケースについて質量流量を計算した結果と問題２について質量流量を計算した結果の比較を図２４に示す。問題１の質量流量は、流路数ｎが増えるにつれて問題２の結果に近付く。両者のずれはほぼ１／ｎである。このことから、ｎが大きいシステムでは、ユニットの外壁の影響を無視し、問題２の結果から、ポンプユニットの性能を求めることができる。

４．解析Ｂ（最大圧力比について）
次に、基本ユニットで得られる圧力比を求める。ユニットをｍ個連結し、両端を拡散反射壁で塞いで計算を行う。計算は、Ｌ／Ｄ′＝５、ｎ＝１０、Ｔｒ＝３、ｄ＝０．６、ｓ＝０．１で行う。

まず、流路内部の断面平均量ｈ_Ｓ（Ｘ_１）とユニット平均量ｈ_Ｄ（Ｘ_１）を次の通り定義する。

定常状態における平均圧力ｐ_Ｓ、ｐ_Ｄ及び平均数密度ρ_Ｓ、ρ_Ｄの分布を図２５Ａ、図２５Ｂに示す。これは、Ｋｎ＝１、ポンプユニット数ｍ＝５又は１０のときのデータである。なお、図中のｐ_０は、密度ρ_０、温度Ｔ_０における気体の圧力である。ユニット平均量ｐ_Ｄ、ρ_Ｄの挙動から判るように、全体としてはＸ_１方向の圧力及び密度勾配が生じている。

ポンプユニットの局所クヌーセン数ＫｎＲ（Ｘ_１）及び圧縮率Π（Ｘ_１）を、

と定める。上のデータから両者を求め、その関係をプロットした結果を図２６に示す。全体のユニット数ｍに拘わらず、圧縮率が局所クヌーセン数によって定まる様子が判る。なお、Ｋｎ大側の末端は一致していないが、その部分はポンプ装置の終端に対応しており、そこで流路を塞いだ影響が現れていると考えられる。

そこで、ユニット１０段接続（ｍ＝１０）の場合で、様々なＫｎに対して計算を行った。計算で使用したクヌーセン数は、Ｋｎ＝０．１、０．２、０．４、１、２、３．５、５である。その結果求められた圧縮率と局所クヌーセン数の関係を図２７に示す。１ユニットあたりの圧縮率は最大で１．１程度である。

ここまでの結果から、モデルとして採用されたジオメトリーを採用することによって、熱尖端流によるポンプ装置を構成できることが判った。特に本発明のポンプ装置の流速を増大させるには、平板群間により大きな温度差を生じさせればよい。図２Ａに示したモデルは、この点を考慮し、平板を食い違わせることによって、大きな温度勾配を形成させるものである。さらに、この形状では高温部と低温部が離れているために実際の製作も容易である。但し、図２８に示したように、低温平板群の平板と高温平板群の平板とを所定の隙間ｓＬを介して流れ方向に一直線に並べても流れを発生させることができる。図２８に示したタイプのポンプ装置について、ＤＳＭＣ法で解析した結果の流速場の様子を図２９Ａに、そのときの温度場の様子を図２９Ｂにそれぞれ示す。

さらに、上述した図３Ａ〜図３Ｅの形態に対する流れ場のシミュレーション結果を図３０〜図３４にそれぞれ示す。なお、各図においては、上から順に流速場、温度場及び圧力場の解析結果をそれぞれ示している。但し、いずれの場合も温度比Ｔｒ＝３としてシミュレーションを実施した。希薄度（クヌーセン数）Ｋｎは、図３０及び図３１がＫｎ＝１、図３２〜図３４がＫｎ＝０．５とした。これらの図から明らかなように、いずれの形態においても低温側（図において左側）から高温側へと一方向流が見られることが判る。また、図３４に示した円柱状の低温物体及び高温物体を流れ方向に一直線に並べた場合のシミュレーション結果を図３５に示す。図３５の例においては、一方向流の強さが図３４の例よりも強くなっている。低温物体及び高温物体が一直線に並ぶことにより、流れが妨げられなくなることがその原因と推察される。

［実用化システムについて］
以上に説明したポンプ装置を実用化する場合の最小限の構成を図３６に示す。この例では、真空ポンプ２０に電力、熱等のエネルギーを与えて吸気口から排気口へと気体を流しつつ余剰の熱を排熱するものである。図３７は真空ポンプ２０の排気側に別の排気ポンプ９０を追加的に接続した例である。この例では排気ポンプ９０を作動させて真空ポンプ２０内の圧力を低下させつつ、ポンプ装置２０にエネルギーを与えて熱尖端流によるポンプ作用を効率よく引き出すことができる。排気ポンプ９０としては油回転ポンプ等の公知のポンプを利用してよい。ポンプ装置９０から生じる汚染・振動が問題になる場合、図３８に示すように真空ポンプ２０と排気ポンプ９０との間に開閉弁９１を設け、その上流側に真空タンク９２を接続してもよい。この例では、開閉弁９１を開いて排気ポンプ９０を作動させることにより真空ポンプ２０及び真空タンク９２の圧力を低下させ、その後、開閉弁９１を閉じて真空ポンプ２０にエネルギーを与えることにより、熱尖端流によるポンプ作用を生じさせてその真空ポンプ２０からの排気を真空タンク９２に導く。真空タンク９２の圧力が上昇して真空ポンプ２０の動作が止まるまでの間、汚染・振動なく吸気口から気体を取り込むことができる。

産業上の利用分野

本発明のポンプ装置は次のような分野において適用できる。

（ａ）精密工学分野、材料工学分野
この分野では低圧下で微細な加工、観察を行うことが多い。本発明のポンプ装置は、運動する部品はもとより、油などの液体、蒸気、あるいはワックス状物質を必要としないため、他の形式の真空ポンプで見られる振動、汚染を全く発生しない。これは、表面物性の観察などを行う場合、非常に重要な特性である。さらに、ポンプ装置の吸気口と排気口との間が完全に塞がれることがないため、圧力が異なる領域間にリンク等の運動伝達部材やケーブル等の情報伝達部材を配置して運動や情報の伝達を行える利点がある。

（ｂ）半導体工学等の大流量ポンプが必要となる分野
本発明のポンプ装置は運動部分が存在しないので、大口径、大排気量のポンプ装置を容易に実現することができる。

（ｃ）原子核工学、宇宙工学分野
本発明のポンプ装置は構造が単純で運動する部分が存在しないため、メンテナンスの必要性も少ない。従って、原子炉内や宇宙空間のような極限環境に関連する分野への適合性が高い。

（ｄ）宇宙工学、原子核工学、化学工学分野
本発明のポンプ装置は熱源があれば動作する特性を有している。従って、これらの分野においては、太陽光や化学反応等による各種のエネルギー源を利用することが考えられる。核融合装置では低温が常用されるため、その低温と常温との温度差を利用して平板群に温度差を生じさせてもよい。

（ｅ）マイクロ、ナノ工学分野
クヌーセンコンプレッサは、気体分子の平均自由行程に比例してスケールを変更すれば同様に動作する。構造が単純なために微細化も容易であり、常圧から高圧下で動作する微細なポンプシステムを実現することもできる。

（ｆ）真空乾燥など、低圧の気体・蒸気の流れを扱う材料加工分野
本発明のポンプ装置は、汚染を発生させずに、低圧の気体や蒸気に流れを発生させることができる。この特徴を用いれば、真空凍結乾燥工程（フリーズドライ）において素材を汚染することなく素材の周囲の低圧蒸気を制御したり、真空槽内部で薄膜の製作や金属加工を行う場合に、真空装置内の気体流を制御することも可能である。

Claims (15)

1. 気体の流路を横断する方向に間隔を空けて並べられた複数の低温物体を有する低温部と、前記流路を横断する方向に間隔を空けて並べられた複数の高温物体を有する高温部と、前記低温部よりも前記高温部が高温となるように前記低温部又は前記高温部の少なくともいずれか一方の温度を操作する温度操作手段と、を具備し、前記低温物体と高温物体とが前記流路の流れ方向にずらして配置され、かつ前記低温物体と前記高温物体との間には気体による断熱層が介在され、
   前記横断する方向に関して前記低温物体と前記高温物体とが交互に並んでいるポンプ装置。
2. 前記低温物体と前記高温物体とが前記流れ方向に関して部分的に重複している請求の範囲１に記載のポンプ装置。
3. 前記低温部には前記横断する方向に互いに平行に並べられた第１の平板群が前記低温物体として設けられ、前記高温部には前記横断する方向に互いに平行に並べられた第２の平板群が前記高温物体として設けられている請求の範囲１又は２に記載のポンプ装置。
4. 前記低温物体又は前記高温物体の少なくともいずれか一方が柱状に構成されている請求の範囲１又は２に記載のポンプ装置。
5. 前記低温部又は前記高温部の少なくともいずれか一方に多孔質体が設けられ、前記多孔質体の透孔を囲む壁部が前記低温物体又は前記高温物体として機能する請求の範囲１又は２に記載のポンプ装置。
6. 前記横断する方向に隣接する低温物体同士の間隔と、前記高温物体同士の間隔とが、それぞれポンプ装置の使用圧力範囲における気体分子の平均自由行程の数百倍から数百分の一の範囲内に設定されている請求の範囲１〜５のいずれか一項のポンプ装置。
7. 前記低温物体及び前記高温物体のそれぞれの近接部分の端部が気体分子の平均自由行程以下の曲率半径を有している請求の範囲１〜６のいずれか一項のポンプ装置。
8. 前記流れ方向に関して複数のポンプユニットが連結され、各ポンプユニットに前記低温部及び前記高温部が設けられている請求の範囲１〜７のいずれか一項のポンプ装置。
9. 気体の流路を横断する方向に間隔を空けて並べられた複数の低温物体を有する低温部と、前記流路を横断する方向に間隔を空けて並べられた複数の高温物体を有する高温部とを含み、前記低温物体と高温物体とが前記流路の流れ方向にずらして配置され、かつ前記低温物体と前記高温物体との間には気体による断熱層が介在され、
   前記横断する方向に関して前記低温物体と前記高温物体とが交互に並んでいるポンプユニット。
10. 前記低温部には前記横断する方向に互いに平行に並べられた第１の平板群が前記低温物体として設けられ、前記高温部には前記横断する方向に互いに平行に並べられた第２の平板群が前記高温物体として設けられている請求の範囲９のポンプユニット。
11. ポンプハウジングを構成する中空のフランジと、前記フランジに対して熱遮断部を介して連結されたヒーターユニットとを備え、前記フランジにはそのフランジの中空部を横断するように第１の平板群が取り付けられ、前記ヒーターユニットには電熱線材を前記第２の平板群が形成されるように蛇腹状に折り曲げた発熱体が設けられている請求の範囲１０のポンプユニット。
12. 前記ヒーターユニットには、前記発熱体が取り付けられるフレームと、前記フレームの外周に張り巡らされたワイヤとが設けられ、前記ワイヤと前記フランジとを接続する接続手段とが前記熱遮断部として機能する請求の範囲１１のポンプユニット。
13. 前記フレームには複数のパイプ状の断熱部材が固定され、前記ワイヤは前記断熱部材を通されることにより前記フレームと連結され、前記接続手段は前記ワイヤと前記フランジとを接続する請求の範囲１２に記載のポンプユニット。
14. 前記接続手段は、前記ヒーターユニットを複数点で支持するフローティング機構を含む請求の範囲１２又は１３のポンプユニット。
15. 前記フランジには冷却媒体が通過する冷媒流路が設けられている請求の範囲１０〜１４のいずれか一項のポンプユニット。

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