JP5612096B2 - 加熱される液体のための自立型ポンプ、およびこれを用いた熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム - Google Patents

加熱される液体のための自立型ポンプ、およびこれを用いた熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム Download PDF

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Description

本開示は、加熱される液体のための改良された自立型ポンプに関連している。本開示はまた、改良された自立型ポンプを用いた熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムにも関連している。
自立型ポンプ及び熱駆動式液体自動循環システムは、カナダ特許出願（第０２６２８６０５号）およびカナダを受理官庁とするＰＣＴ出願に開示されている。当該技術および当該技術に基づく製品は、現在良好に作動している。しかしながら、上述した特許出願で用いられている着想は、より普遍的な状況に拡張させることが可能である。このことは、上述した出願中の特許に係る着想が、熱を単に高いところから低いところへ輸送するためだけではなく、熱を同じ高さの場所、もしくはよりも高い場所へと輸送することも可能であることを意味している。本件特許出願は、このトピックにおける我々の研究開発の進展を反映するものである。
本開示に係るソーラー式加熱システムにて採用される熱駆動式の液体自動循環システムは、下記の利点をシステムにもたらすことが考えられよう。
既存の自然循環型のユニット式のソーラー式温水器と比較して、新システムは、水タンクを建物の中に設置しながら、ソーラー式収集器を屋根に設置することが可能である。
既存の電力ポンプ強制循環式のソーラー式加熱システムと比較して、熱駆動式の太陽熱自動循環システムは、電力ポンプ、拡張タンクおよびコントローラーを必要としない。
以下は、自立型ポンプ及び熱駆動式液体自動循環システムに関する要旨である。
加熱される液体のために、液体熱収集器と共に使用される自立型ポンプであって、
加熱される液体を収容するための気密の容器を有し、当該容器は、
外部空間と内部空間とを分離するための壁であって、前記内部空間は加熱される液体で部分的に満たされ、且つ液面よりも上に上部空気／蒸気空間を、また液面よりも下に下部液体空間を有する壁と、
前記容器の壁に配置されいずれも前記容器の液面よりも下方に位置する注入口及び排出口であって、前記注入口は前記排出口よりも低くない注入口及び排出口と、
液面よりも上にある上部空気／蒸気空間の内部と外気とを連結するために前記容器の壁に搭載された通気チャンネルであって、液体蒸気凝縮還流構造を有する通気チャンネルと、
を有することを特徴とする自立型ポンプ。
前記容器は断熱容器である請求項１に記載のポンプ。
前記容器はガラス、もしくはポリマー材からなる透明容器である請求項１に記載のポンプ。
前記容器は脱気された容器（evacuated container）である請求項１に記載のポンプ。
前記注入口と前記排出口にそれぞれに搭載される注入パイプ及び排出パイプを有し、
注入パイプもしくは排出パイプのいずれかにおける前記容器の外部に延在する部分は、取り外し可能である請求項１に記載のポンプ。
前記通気チャンネルは、
前記容器の液面よりも上の前記壁に配置された開口器具と、
前記容器の壁の頂部に搭載された下端、及び取り外し可能なカップ付きの反対側の上端を有するチューブと、
外気と前記容器の液面よりも上の前記内部空間とを連結するためのチューブのために前記壁面に配置された穴と、
液体蒸気の凝縮および復水還流のために前記通気チューブの内部に配置される蒸気凝縮の部品セット、例えば銅片もしくは銀片と、
を含む請求項１に記載のポンプ。
搭載された上向きのチューブは、ガラスもしくはポリマー材からなる透明チューブである請求項６に記載のポンプ。
前記通気チャンネルは、
前記容器内の前記液面よりも下の前記壁に配置される開口器具と、
前記容器内の前記液面よりも下の前記開口器具に取付けられる通気チューブであって、前記容器の液面よりも上にある空気／蒸気空間の内部に上向きに延在する通気チューブと、
を含み、
前記通気チューブは、前記容器の壁の外部にある部分を有し、且つ液体蒸気の凝縮および復水の一時的な貯蔵及び還流のために、湾曲した形状、例えばU字もしくはW字型の形状である請求項１に記載のポンプ。
前記加熱される液体は水である請求項１に記載のポンプ。
前記加熱される液体は不凍液である請求項１に記載のポンプ。
熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムであって、
液体の熱輸送媒体で完全に満たされた液体容器を有する熱収集器であって、前記液体容器は注入口と排出口とを有し且つ前記排出口は前記注入口よりも低くない熱収集器と、
液体熱収集器と共に使用される加熱される液体のための自立型ポンプと、
を含み、当該自立型ポンプは、
加熱される液体を収容するための気密容器であって、その外部空間と内部空間とを分離するための壁を有し、前記内部空間は加熱される液体で部分的に満たされ、液面よりも上に上部空気／蒸気空間を、液面よりも下に下部液体空間を有する気密容器と、
前記容器の前記壁に配置された注入口及び排出口であって、いずれも前記容器内の液面よりも下に位置し、且つ前記注入口は排出口よりも低くない注入口及び排出口と、
前記液面よりも上の上部空気／蒸気空間の内部と外気とを連結するために前記容器の前記壁に搭載された通気チャンネルであって、液体蒸気凝縮還流構造を有する当該通気チャンネルと、
一方の端部が前記熱収集器の前記排出口に連結され、反対側の端部が前記自立型ポンプの前記注入口に連結された第１の導管であって、前記自立型ポンプの前記注入口は前記熱収集器の排出口よりも低くない第１の導管と、
一方の端部が前記自立型ポンプの前記排出口に連結され、反対側の端部が前記熱収集器の前記注入口に連結された第２の導管であって、前記自立型ポンプの前記排出口は前記熱収集器の前記注入口よりも低くなく、且つ前記第２の導管は、前記熱収集器の位置と比較して高い部分、低い部分、および同じレベル部分の、連続する３つの部分を含む第２の導管と、
を含む熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム。
前記熱収集器は太陽熱収集器である請求項１１に記載のシステム。
前記熱収集器は断熱された熱収集器、例えばボイラーの断熱された水タンクである請求項１１に記載のシステム。
前記熱収集器の加熱される液体は水である請求項１１に記載のシステム。
熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムであって、
液体の熱輸送媒体で完全に満たされる液体容器を有する熱収集器であって、前記液体容器は注入口と排出口とを有し、前記排出口は前記注入口よりも低くない熱収集器と、
加熱される液体で部分的に満たされる液体加熱貯蔵タンクと、
を含み、
前記液体加熱貯蔵タンクは、
内部空間を上部空気／蒸気空間と下部加熱液体空間とに分割する加熱される液体の液面と、
いずれも加熱される液体の液面よりも下部にある加熱される液体の注入口及び加熱される液体の排出口であって、加熱される液体の注入口は加熱される液体の排出口よりも低くない注入口及び排出口と、
液面よりも上にある上部空気／蒸気空間の内部と外気とを接続するために前記貯蔵タンクの前記壁に搭載された通気チャンネルであって、液体蒸気凝縮還流構造を有する通気チャンネルと、
一方の端部が前記熱収集器の前記排出口に接続され、反対側の端部が液体加熱貯蔵タンクの前記注入口に接続された第１の導管であって、前記加熱貯蔵タンクの前記注入口は前記熱収集器の排出口よりも低くない第１の導管と、
一方の端部が前記液体加熱貯蔵タンクの前記排出口に接続され、反対側の端部が前記熱収集器の前記注入口と接続された第２の導管であって、前記液体加熱貯蔵タンクの排出口は熱収集器の注入口よりも高くない第２の導管と、
を含む熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム。
前記貯蔵タンクの前記壁に搭載された前記通気チャンネルは、搭載された圧力逃し弁を有する連結器具であり、前記液体加熱貯蔵タンクは圧力タンクである請求項１５に記載のシステム。
前記熱収集器の前記加熱される液体は水である請求項１５に記載のシステム。
前記液体貯蔵タンクの前記通気チャンネルは、
前記液体加熱貯蔵タンクの液面よりも上において前記液体加熱貯蔵タンクの壁に配置された開口器具と、
前記液体加熱貯蔵タンクの前記壁の頂部に搭載された下端、及び取外し可能なキャップの付いた反対側の上端を有するチューブと、
前記液体加熱貯蔵タンク内の液面よりも上の前記内部空間と外気とを連結するために前記壁に設けられた前記チューブのための穴と、
液体蒸気の凝縮および復水還流のために前記通気チューブの内部に配置される蒸気凝縮の部品セット、例えば銅片もしくは銀片と、
を含む請求項１５に記載のシステム。
搭載された上向きのチューブは、ガラスもしくはポリマー材からなる透明チューブである請求項１５に記載のシステム。
前記熱収集器は太陽熱収集器である請求項１５に記載のシステム。
前記加熱される液体は水である請求項１５に記載のシステム。
前記液体加熱貯蔵タンクは、冷却された液体の供給のための液体注入口と、加熱される液体をユーザに供給するための液体排出口と、圧力逃し弁と、ドレンと、を有する請求項１５に記載のシステム。
熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムであって、
液体の熱輸送媒体で完全に満たされる液体容器を有する熱収集器であって、前記液体容器は注入口と排出口を有し、前記排出口は前記注入口よりも低くない熱収集器と、
流体加熱貯蔵タンクと、
を含み、前記流体加熱貯蔵タンクは、
一次流体のための貯蔵タンクであって、一次流体注入口、一次流体排出口、二次流体注入口および二次流体排出口を有する貯蔵タンクと、
液体である二次流体を前記貯蔵タンクを通じ一次流体から隔離して流れさせるために、前記貯蔵タンク内に配置された装置であって、前記二次流体注入口と前記二次流体排出口とを相互に流体接続し、且つ熱交換器を含み、且つ上向きに延在し前記貯蔵タンクの頂部壁に搭載される通気チャンネルを有し、当該通気チャンネルは前記装置の内部で前記二次流体に流体接続し且つ外気に解放される装置と、
一方の端部が前記熱収集器の前記排出口に接続され、反対側の端部が前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体注入口に接続された第１の導管であって、前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体注入口は前記熱交換器の前記排出口よりも低くない第１の導管と、
一方の端部が前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体排出口と接続され、反対側の端部が前記熱収集器の前記注入口と接続された第２の導管であって、前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体排出口は前記熱収集器の前記注入口よりも高くない第２の導管と、
を含む熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム。
前記流体貯蔵タンクの前記通気チャンネルは、
前記液体加熱貯蔵タンクの前記壁の頂部に搭載される下端、及び取外し可能なキャップ付きの反対側の上端を有するチューブと、
外気と前記装置の内部の二次流体の液面よりも上の空気／蒸気空間の内部とを連結するための前記チューブのために前記壁に設けられた穴と、
液体蒸気の凝縮および復水還流のために前記通気チューブの内部に配置される蒸気凝縮の部品セット、例えば銅片もしくは銀片と、
を更に含む請求項２３に記載のシステム。
流体貯蔵タンクの前記一次液体は水であり、前記二次流体は不凍液である請求項２３に記載のシステム。
前記熱収集器は太陽熱収集器である請求項２３に記載のシステム。
前記流体加熱貯蔵タンクは、冷却された液体の供給用の液体注入口と、加熱される液体をユーザに供給するための液体排出口と、圧力逃し弁と、ドレンとを有する請求項２３に記載のシステム。
熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムであって、
液体の熱輸送媒体で完全に満たされる液体容器を持つ熱収集器であって、前記液体容器は注入口と排出口とを有し、前記排出口は前記注入口よりも低くない熱収集器と、
加熱される液体のための自立型ポンプと、
を含み、
前記自立型ポンプは、
液体である加熱された二次流体を収容するための気密容器であって、外部空間と内部空間とを分離する壁を有し、前記内部空間は加熱された二次液体で部分的に満たされ、液面よりも上部に空気／蒸気空間を有し、液面よりも下部に下部液体空間を有する気密容器と、
前記容器の壁に配置された注入口及び排出口であって、いずれも前記容器内の二次液面よりも下に位置し、且つ前記注入口は前記排出口よりも低くない注入口及び排出口と、
外気と前記液面よりも上の空気／蒸気空間の内部とを接続するために前記容器の前記壁に搭載された通気チャンネルであって、液体蒸気凝縮還流構造を有する通気チャンネルと、
流体加熱貯蔵タンクと、
を備え、
前記流体加熱貯蔵タンクは、
一次流体のための貯蔵タンクであって、一次流体注入口、一次流体排出口、二次流体注入口及び二次流体排出口を有する貯蔵タンクと、
液体である二次流体を貯蔵タンクを通じて一次流体から隔離して流れさせるために前記貯蔵タンクの内部に配置された装置であって、前記二次流体注入口と前記二次流体排出口とを相互に流体接続し、且つ熱交換器を含み、且つ前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体注入口は前記流体加熱貯蔵タンクの二次流体排出口よりも低くない装置と、
一方の端部が前記熱収集器の排出口に接続され、反対側の端部が前記自立ポンプの前記二次液体注入口に接続された第１の導管であって、前記熱収集器の前記排出口は自立型ポンプの前記二次流体注入口よりも高くない第１の導管と、
一方の端部が前記自立型ポンプの前記二次流体排出口に接続され、反対側の端部が前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体注入口に接続された第２の導管であって、前記自立型ポンプの前記二次流体排出口は前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体注入口よりも低くない第２の導管と、
一方の端部が前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体排出口に接続され、反対側の端部が前記熱収集器の前記注入口に接続された第３の導管であって、前記流体加熱貯蔵タンクの前記二次流体排出口は前記熱収集器の前記注入口よりも高くない第３の導管と、
を含む熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム。
前記熱収集器は太陽熱収集器である請求項２８に記載のシステム。
前記熱貯蔵タンクの前記一次流体は水であり、前記二次液体は不凍液である請求項２８に記載のシステム。
前記流体加熱貯蔵タンクは冷却された液体の供給のための液体注入口と、加熱される液体をユーザに供給するための液体排出口と、圧力逃し弁と、ドレンとを有する請求項２８に記載のシステム。
熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムであって、
液体の熱輸送媒体で完全に満たされた液体容器を有する熱収集器であって、前記液体容器は注入口と排出口とを有し、前記排出口は前記注入口よりも低くない熱収集器と、
加熱される液体のための自立型ポンプと、
を含み、
前記自立型ポンプは、
液体である加熱された二次流体を収容するための気密容器であって、外部空間と内部空間とを分離する壁を有し、前記内部空間は加熱された二次液体で部分的に満たされ、且つ液面よりも上部の空気／蒸気空間と、液面よりも下部の下部液体空間とを有する気密容器と、
前記容器の前記壁に配置された注入口及び排出口であって、いずれも前記容器内の二次液面よりも下に位置し、且つ前記注入口は前記排出口よりも低くない注入口及び排出口と、
外気と液面よりも上にある空気／蒸気空間の内部とを接続するために前記容器の前記壁に搭載された通気チャンネルであって、液体蒸気凝縮還流構造を有する通気チャンネルと、
熱交換器と、
を含み、
前記熱交換器は、
一次流体のための流体タンクであって、当該タンクは一次流体注入口、一次流体排出口、二次流体注入口および二次流体排出口を有する流体タンクと、
液体である二次流体を貯蔵タンクを通じて一次流体から隔離して流れさせるために前記タンク内に配置された装置であって、前記二次流体注入口と前記二次流体排出口とを相互に流体接続し、且つ前記熱交換器の前記二次流体注入口は前記熱交換器の二次流体排出口よりも低くない装置と、
一方の端部が前記熱収集器の前記排出口に接続され、反対側の端部が前記自立ポンプの前記二次液体注入口に接続された第１の導管であって、前記熱収集器の前記排出口は前記自立型ポンプの前記二次流体注入口よりも高くない第1の導管と、
一方の端部が前記自立型ポンプの前記二次流体排出口に接続され、反対側の端部が前記熱交換器の前記二次流体注入口に接続された第２の導管であって、前記自立型ポンプの前記二次流体排出口は前記熱交換器の前記二次流体注入口よりも低くない第２の導管と、
一方の端部が前記熱交換器の前記二次流体排出口に接続され、反対側の端部が前記熱収集器の注入口に接続された第３の導管であって、前記熱交換器の前記二次流体排出口は前記熱収集器の前記注入口よりも高くない第３の導管と、
を含む熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム。
３３．前記熱収集器は太陽熱収集器である請求項３２に記載のシステム。
３４．前記熱交換器の前記一次流体は水であり、二次流体は不凍液である請求項３２に記載のシステム。
本発明の例示的な実施形態を描写している各図面のうち、図１は簡単な熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムを説明する概念図である。 図２は図１の自立型ポンプであってその最上部に通気チャンネルが設けられたたものを説明する概念図である。 図３は図１の自立型ポンプであって別の通気チャンネル構造が設けられたものを説明する概念図である。 図４は熱交換器を有しない熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムを説明する概念図である。 図５は外気に開放された熱交換器を有する熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムを説明する概念図である。 図６は太陽熱収集器と熱貯蔵タンクの間に位置する熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムを説明する概念図である。 図７は太陽熱収集器と熱貯蔵タンクの間に位置する熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムを説明する概念図である。 図８は熱交換器を有する熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムを説明する概念図である。
図１を参照し、使用状態の例示的な熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムが説明されている。システム１１０は、液体１１３である熱輸送媒体で完全に満たされた容器１１２を持つ熱収集器１１１を含み、当該容器は注入口１１５と排出口１１４とを持っており、排出口１１４は注入口１１５よりも低くない。
加熱される液体のための自立型ポンプ１２１が、液体熱収集器１１１と共に用いられる。自立型ポンプ１２１は、加熱される液体を収容するための気密容器１２１０を有し、気密容器１２１０は、外部空間と内部空間とを分離するための壁を有する。当該内部空間は、加熱される液体で部分的に満たされ、これによって液面１２６（liquid level surface）よりも上に上部空気／蒸気空間１２７が、また液面１２６よりも下に下部液体空間１２５が形成される。当該容器の壁に、注入口１２２と排出口１２３とがそれぞれ設置され、これらは共に当該容器の液面１２６よりも下方に位置する。そして注入口１２２は排出口１２３よりも低くない。
前記容器１２１の壁に、通気チャンネル１２４が設けられ、これによって内部の、液面１２６よりも上にある上部空気／蒸気空間１２７と外気とが連結される。当該通気チャンネル１２４は、液体蒸気凝縮還流構造を持ち、その説明は図２と図３にて行う。
第１の導管１３１が、その一方の端部１３１１において、熱収集器１１１の排出口１１４に連結されている。導管１３１の反対側の端部は、自立型ポンプ１２１の注入口１２２に連結されている。また自立型ポンプ１２１の注入口１２２は、熱収集器１１１の排出口１１４よりも低くない。これは、熱によって駆動された液体を自立型ポンプ１２１に向けて上向きに移動させるためである。
第２の導管１３２が、その一方の端部１３２１において、自立型ポンプ１２１の排出口１２３に連結されており、また反対側の端部１３２２において、熱収集器１２１の注入口１１５に連結されている。また、自立型ポンプ１２１の排出口１２３は、熱収集器１１１の注入口１１５よりも低くない。図１は、第２の導管１３２の上端部分が熱収集器１１１よりも高く、下端部分が熱収集器１１１よりも低く、かつ中間部分が熱収集器１１１と同じ高さであることを示す。
図１において、熱収集器１１１、導管１３１、自立型ポンプ１２１、および導管１３２によって、加熱される液体の閉ループ回路が形成される。熱収集器１１１が熱を受け取ると、加熱される液体は上向きに動こうとし、より冷たい液体は反対の方向に動こうとする。加熱される液体は、自立ポンプ１２１に向かって動き、熱収集器１１１と導管１３２の底部にあるより冷たい液体は、その空間を再び満たす（replenishes）。よって、システム１１０内で循環力が生成され、熱が利用可能である限り、システムの動作が継続的にされる。
この例示的な回路は、自立型ポンプを熱収集器の上位に設置することによって、閉ループを形成することが可能であることを示している。この回路では、外部動力ポンプなしで、加熱器がそれよりも高い場所、低い場所、もしくは同じ高さのレベルの場所のいずれかを問わず、そこへ熱を輸送することが可能である。
図２を参照し、加熱される液体のための例示的な自立型ポンプ２２１の使用中の状態が説明されている。このポンプは、加熱される液体を収容するための気密容器２２１０を含み、外部空間と内部空間とを分離するための壁２２１１を有する。内部空間は、加熱される液体で部分的に満たされ、液面２２６よりも上には上部空気／蒸気空間２２７を、液面２２６よりも下には下部液体空間２２５を有する。
容器２２１０の壁２２１１に、注入口２２２及び排出口２２３、及び２２９又は２２４及び２６０をそれぞれ配置し、両方とも当該容器２２１０の液面２２６よりも下方に位置し、かつ注入口２２２は排出口２２３よりも低くない。通気チャンネルの部品２２４は、液面２２６よりも上にある上部空気／蒸気空間２２７の内部と外気とを連結するために、容器２２１の壁２２１１に搭載された連結器具である。液体蒸気凝縮還流構造２２９もしくは２６０を有する当該通気チャンネルは、器具２２４に搭載される。部品２２９はN字型のチューブである。容器２２１０からの液体蒸気が、チューブ２２９内で凝縮され、凝縮液は一時的に内部下端部分２２９０に貯蔵されうる。自立型ポンプ内の液体が冷却された場合、負圧により凝縮液を容器２２１０に引き戻すことがあり、よって、閉ループにある液体が保持されうる。これはまた、チューブ２２９の末端２２９２がよりも高い位置にある場合に、液体を閉ループ回路に加えるチャンネルでもある。
液体蒸気凝縮還流構造２６０は、器具２２４に搭載される別種の構造である。これはカップ２４３付きの透明なチューブ２４１である。そのチューブ２４１の壁面に穴２２４があり、これによって空間２２７を外気と連結することが可能になる。蒸気凝縮の部品セット、例えば銅片が、液体蒸気の凝縮および復水の容器への還流のために、通気チューブ２４１内に配置される。
図３を参照し、もう一つの例示的な通気チャンネル３２１の使用中の状態が説明されている。加熱される液体を収容するための気密容器３２１０は、外部空間と内部空間とを分離するための壁３２１１を有する。内部空間は、加熱される液体で部分的に満たされ、液面３２６よりも上に上部空気／蒸気空間３２７を、また液面３２６よりも下に下部液体空間３２５を有する。当該容器３２１０の壁３２１１に、注入口３２２と排出口３２３とがそれぞれ配置されている。これらはいずれも、液面３２６よりも下方に位置する。そして注入口３２２は、排出口３２３よりも低くない。
内部空間内の液面３２６よりも上にある内部の上部空気／蒸気空間３２７と外気とを接続するために、容器の壁に通気チャンネル３２４が搭載されている。通気チャンネルは、液体蒸気凝縮還流構造を有する。それは、容器の液面３２６よりも下の壁に開口器具３２４を含む。容器の液面３２６よりも下の開口器具３２４に、通気チューブ３２９が搭載され、容器の液面３２６よりも上に位置する内部の空気／蒸気空間３２７にまで上向きに延在している。当該通気チューブ３２９は、容器の外部にあり且つ湾曲した形状（例えばU字型）の、部分３２９０を有する。それは図２で説明したように、液体蒸気の凝縮、および凝縮液３２９０の一時保管と還流のためのものである。
図４を参照し、使用中である例示的な熱駆動式の液体閉ループ自動循環システムが説明されている。当該システムには、熱収集器４１１、液体加熱貯蔵タンク４３１および接続導管４５１と４５２が含まれる。熱収集器４１１は二つの太陽熱収集器４１２と４１６の結合である。当該熱収集器は、液体である熱輸送媒体４１３で満たされた容器４１２を有する。当該容器は、注入口４１５と排出口４１４を有する。排出口４１４は、注入口４１５よりも低くない。
液体加熱貯蔵タンク４３１は、部分的に加熱される液体で満たされる。当該タンクは、加熱される液体の注入口４３２と、加熱される液体の排出口４３３とを有する。これらは両方とも、加熱される液体の液面よりも下部にある。加熱される液体の注入口４３２は、加熱される液体の排出口４３３よりも低くない。液面よりも上にある上部空気／蒸気空間の内部と外気とを連結するために、貯蔵タンクの壁に、通気チャンネル４３７が搭載されている。図２および図３にて説明したとおり、当該通気チャンネルは、液体蒸気凝縮還流構造を有する。第１の導管４５１は、その一方の端部４５１１が熱収集器４１１の排出口４５１１に連結されており、反対側の端部４５１２が液体加熱貯蔵タンク４３１の注入口４３２に連結されている。注入口４３２は、熱収集器の排出口４１４よりも低くない。第２の導管４５２は、その一方の端部４５２１が液体加熱貯蔵タンクの排出口４３３に連結されており、反対側の端部４５２２が熱収集器の注入口４１５と連結されている。液体加熱貯蔵タンク４３１の排出口４３３は、熱収集器４１１の注入口４１５よりも高くない。
図４において、熱収集器４１１、導管４５１、貯蔵タンク４３１および導管４５２は、加熱液体閉ループ回路を形成する。太陽熱収集器４１１が太陽熱を受けると、加熱される液体は上向きに動こうとし、より冷たい液体は反対の方向に動こうとする。加熱される液体、すなわち水は、貯蔵タンク４３１に移動し、熱収集器４１１と導管４５２の底部にあるより冷たい液体は、その空間を再び満たす。よって、システム４１０内で循環力が生成され、熱が利用可能である限り、システムの動作が継続的にされる。
貯蔵タンク４３１の器具に搭載される逃し弁が、通気チャンネル４３７を代替しうる場合がある。この場合、貯蔵タンク４３１は加圧タンクになる。逃し弁は通気チャンネルになりうる。この種の加圧タンクにおける熱輸送速度は、開放タンクほど良くはない。さらに、逃し弁の頻繁な開閉には安全面の懸念がある。解決策の一つは、異なる始動圧力の設定値を持つ逃し弁を、器具４３４に加えることである。
通常のタンク同様に、貯蔵タンクは、低温液体注入口４３６、高温液体排出口４３５、ドレン４３９、および保護用陽極４３８を有する。
図５を参照し、例示的な熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム５１０の使用中の状態が説明されている。この場合、太陽熱収集器は建物の壁５５０の外側に配置され、蓄熱タンク５３１は凍結防止のため室内に設置される。熱収集器５１０は、液体である熱輸送媒体で完全に満たされた液体容器５１３を有する。この液体容器５１３は、注入口５１５と排出口５１４とを有する。排出口５１４は、注入口５１５よりも低くない。
流体加熱貯蔵タンク５３１は、一次流体のための貯蔵タンクを有する。貯蔵タンクは、一次流体すなわち水、注入口５３６、一次流体排出口５３５、二次流体注入口５４１および二次流体排出口５４２を有する。貯蔵タンクは更に、液体である二次流体を貯蔵タンクを通じて一次流体から隔離して流れさせるために、貯蔵タンク５３１の内部に配置された装置５４０を有する。この装置は、二次流体注入口５３２と二次流体排出口５３３とを相互に接続し、且つ熱交換器５４０を含む。この装置５４０は、上向きに延在する通気チャンネルを有し、また貯蔵タンク５３１の頂部壁５３１１に搭載される。通気チャンネルは、装置の内部で二次流体と流動的に連結され、かつ外気に開放される。
第１の導管５４５が、その一方の端部において、熱収集器５１１の排出口５４５２に連結されており、また反対側の端部５４５１において、流体加熱貯蔵タンク５３１の二次流体注入口５３２に連結されている。流体加熱貯蔵タンク５３１の二次流体注入口５３２は、熱収集器５１１の排出口よりも低くない。第２の導管５４６が、その一方の端部５４６１において、流体加熱貯蔵タンク５３１の二次流体排出口５３３に連結されており、また反対側の端部５４６２において、熱収集器５１１の注入口に連結されている。流体加熱貯蔵タンク５１１の二次流体排出口５３３は、熱収集器の注入口５１５よりも高くない。
図５において、熱収集器５１１、導管５４５、貯蔵タンク５３１内の装置５４０、および導管４４６によって、加熱される液体の閉ループ回路が形成される。太陽熱収集器５１１が太陽熱を受け取ると、加熱される液体は上向きに動こうとし、より冷たい液体は反対の方向に動こうとする。加熱される液体は、貯蔵タンク５３１内の装置５４０に向かって動き、熱収集器５１１と導管５４６の底部にあるより冷たい液体は、その空間を再び満たす。よって、システム５１０内で循環力が生成され、熱が利用可能である限り、システムの動作が継続的にされる。装置５４０（この例ではフィンチューブである）は、加熱された二次液体にある熱をタンク内の一次流体へと、また冷却された二次液体の戻り分を太陽熱収集器へと、それぞれ輸送する。よって熱輸送処理が完成される。この場合、閉ループ回路は開放されるが、一次流体の回路は閉じられており、加圧される。
通常のタンク同様に、貯蔵タンク５３１は、低温液体注入口５３６、高温液体排出口５３５、ドレン５３９、および保護用陽極５３８を有する。
図６を参照し、例示的な熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム６１０の使用中の状態が説明されている。この場合、自立型ポンプ６２１が使用され、太陽熱収集器は建物の屋根６５１に搭載される。
このシステムは、太陽熱収集器６１１、自立型ポンプ６２１、および熱交換器６４０付きの貯蔵タンク６３１、及び接続導管を含む。
太陽熱収集器６１１は、液体の熱輸送媒体６１３で完全に満たされる液体容器６１３を有する。液体容器６１３は、注入口６１５と排出口６１４とを有する。排出口６１４は、注入口６１５よりも低くない。
加熱される液体のための自立型ポンプ６２１は、加熱された不凍液である二次流体を収容するために、気密容器６２１０を有する。ポンプ６２１は、外部空間と内部空間とを分離するための壁を有する。内部空間は、加熱された二次液体で部分的に満たされ、液面６２６よりも上に上部空気／蒸気空間６２７を、また液面６２６よりも下に下部液体空間６２５を有する。
当該容器の壁には、注入口６２２と排出口６２３とが配置されている。注入口６２２と排出口６２３とは、共に容器６２１０の二次液体の液面６２６よりも下方に位置する。注入口６２２は、排出口６２３よりも低くない。液面６２６よりも上にある上部空気／蒸気空間６２７の内部と外気を連結するために、通気チャンネル６２４が、容器の壁に搭載されている。当該通気チャンネル６２４は、液体蒸気凝縮還流構造を持つが、この図では表示されていない。通気チャンネルの詳細の構造については、図２と図３にて詳細に説明した。
流体加熱貯蔵タンク６３１は、一次流体のための貯蔵タンク６３１２を有する。不凍液体である二次流体を貯蔵タンク６３１を通じて一次流体から隔離して流れさせるために、貯蔵タンク６３１は、一次流体注入口６３６、一次流体排出口６３５、二次流体注入口６３２および二次流体排出口６３３、および貯蔵タンク６３１の内部に配置された装置６４０を有する。装置６４０は、二次流体注入口６３２と二次流体排出口を相互に接続し、且つ熱交換器を含む。流体加熱貯蔵タンクの二次流体注入口６３２は、流体加熱貯蔵タンク６３１の二次流体排出口６３３よりも低くない。
第１の導管６４８は、その一方の端部６４８２が熱収集器６１１の排出口６１４に連結されており、反対側の端部６４８１が自立ポンプ６２１の二次流体注入口６２２に連結されている。熱収集器６１１の排出口６１５は、自立型ポンプ６２１の二次流体注入口６２２よりも高くない。第２の導管６４９は、その一方の端部６４５１が自立型ポンプ５２１の二次流体排出口６２３に連結されており、反対側の端部６４９２が流体加熱貯蔵タンク６３１の二次流体注入口６３２に連結されている。自立型ポンプ６２１の二次流体排出口６２３は、流体加熱貯蔵タンク６３１の二次流体注入口６３２よりも低くない。第３の導管６４７は、その一方の端部６４７１が流体加熱貯蔵タンク６３１の二次流体排出口６３３に連結されており、反対側の端部６４７２が熱収集器６１１の注入口６１５に連結されている。流体加熱貯蔵タンク６３１の二次流体排出口６２２は、熱収集器６１１の注入口６１５よりも高くない。
図６において、熱収集器６１１、導管６４８、自立型ポンプ６２１、導管６４９、貯蔵タンク６３１および導管６４７によって、加熱される液体の閉ループ回路が形成される。太陽熱収集器６１１が太陽熱を受け取ると、加熱される液体は上向きに動こうとし、より冷たい液体は反対の方向に動こうとする。加熱される液体すなわち水は、貯蔵タンク６３１に向かって動き、熱収集器６１１および導管６４７の底部にあるより冷たい液体は、その空間を再び満たす。よって、システム６１０内で循環力が生成され、熱が利用可能である限り、システムの動作が継続的にされる。
図７を参照し、例示的な熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム７１０の使用中の状態が説明されている。図７と図６を比較すると、その違いは、建物の屋根６５１が建物の壁７５０１に入れ替わったことである。図６では熱レシーバー６１０は貯蔵タンク６３１よりも高いが、図７では熱レシーバー７１０は貯蔵タンク７３１と同じ高さにある。タンク７３１は、各システムでは見られなかった任意的な構成要素である電気ヒーター７４５及び７４６を有する。
図７と図６とを比較すれば、システム及びその動作を容易に理解することができる。よって、さらなる説明は必要ではない。
図８を参照し、例示的な熱駆動式の液体閉ループ自動循環システム８１０の使用中の状態が説明されている。当該システムは熱交換器を含むが、蓄熱タンクは含まない。これは、蓄熱タンクが内部取付けの熱交換器を有しないようなエンジニアリングケースのためのものである。
このシステムは、熱収集器８１１、自立型ポンプ８２１、熱交換器８３１および接続導管８６１、８６２、８６３を有する。
熱収集器８１１は、断熱材料内の液体容器を有するが、図８には示していない。液体容器は、不凍液である熱輸送媒体で完全に満たされる。液体容器は、注入口８１５と排出口８１４とを有する。排出口８１４は、注入口８１５よりも低くない。
自立型ポンプ６２１は、前に説明された通りである。それは、図３で説明したような通気チャンネルを有する。
熱交換器は以下のものにより構成される：流体タンク８３１０は一次流体のために設置される。このタンク８３１０は、一次流体注入口８４１、一次流体排出口８４２、二次流体注入口８３２、及び二次流体排出口８３３を有する。装置８４０は、液体である二次流体をタンク８３１０を通じて、一次流体とは隔離して流れさせるために、タンク８３１０の内部に配置される。この装置は、二次注入口８３２を二次排出口８３３に流体的に接続する。熱交換器８３１の二次流体注入口８４１は、当該熱交換器の二次流体排出口８４２よりも低くない。
第１の導管８６２、第２の導管８６３及び第３の導管８６１は、太陽熱収集器８１１、自立型ポンプ８２１及び熱交換器８３１を接続し、これによって熱駆動式の閉ループ液体流回路が構成される。図６について言及された理由で、二次液体を循環させ、且つ太陽熱収集器８１１から熱交換器６３１内の一次流体へと熱を輸送する熱駆動式の動力が存在する。
上記の議論から、外部動力やポンプなしに、加熱される液体を閉ループ回路の内部で循環させる可能性があるということができる。熱収集器内に受容された熱は、熱収集器の位置よりも高い、低い、あるいは同じ高さの場所に輸送されることができる。上記の結果は熱工業、特に太陽熱水工業において要望されるものである。
他の変更は当業者に自明であり、よって本発明は特許請求の範囲に定義される。

Claims (15)

  1. 液体熱収集器を用いた熱駆動式自己循環デバイスであって、
    加熱される液体を収容するための密閉容器であって、液面よりも上に上部空気／蒸気空間を有し液面よりも下に下部液体空間を有する密閉容器と、
    前記容器に配置された加熱液体注入口と加熱液体排出口であって、前記加熱液体排出口が前記容器内の液面よりも下であり、前記加熱液体注入口が前記加熱液体排出口よりも低くない加熱液体注入口と加熱液体排出口と、
    外気を前記上部空気／蒸気空間に連続的に連結するための通気チャンネルであって、前記通気チャンネルは液体蒸気凝縮還流構造を有する通気チャンネルと、
    を含んで構成される熱駆動式自己循環デバイス。
  2. 熱駆動式液体自己循環システムであって、
    熱収集器注入口と熱収集器排出口とを有する熱収集器であって、前記熱収集器排出口が熱収集器注入口よりも低くない熱収集器と、
    液体熱収集器と共に用いられる加熱される液体のための熱駆動式自己循環デバイスと、
    を含み、
    前記熱駆動式自己循環デバイスは、
    加熱される液体を収容するための密閉容器であって、液面よりも上に上部空気／蒸気空間を有し液面よりも下に下部液体空間を有する密閉容器と、
    前記容器に配置された加熱液体注入口と加熱液体排出口であって、前記加熱液体排出口が前記容器内の液面よりも下であり、前記加熱液体注入口が前記加熱液体排出口よりも低くない加熱液体注入口と加熱液体排出口と、
    外気を前記上部空気／蒸気空間に連続的に連結するための通気チャンネルであって、前記通気チャンネルは液体蒸気凝縮還流構造を有する通気チャンネルと、
    前記熱収集器の排出口と連結する一方の端部と、前記熱駆動式自己循環デバイスの加熱液体注入口と接続される反対側の端部と、を有する第１の連結導管であって、前記加熱液体注入口は前記熱収集器の排出口よりも低くない熱駆動式液体自己循環システム。
  3. 請求項１に記載の熱駆動式自己循環デバイスであって、
    一次流体の注入口と、
    一次流体の排出口と、
    前記加熱される液体である二次流体を前記密閉容器を通じて前記一次流体から隔離して流させるために、前記デバイスの内部に配置された装置であって、前記二次流体の注入口を前記二次流体の排出口に流体接続し、且つ熱交換器を含む装置と、
    前記装置の内部で前記二次流体と流体接続された通気チャンネルと、
    を含んで構成される熱駆動式自己循環デバイス。
  4. 請求項１に記載の熱駆動式自己循環デバイスであって、前記密閉容器は、
    加熱される液体の自立型ポンプ、
    前記加熱される液体を収容する流体貯蔵タンクであって、前記通気チャンネルは前記タンクの壁に搭載され、前記加熱液体注入口は前記加熱液体排出口よりも高い流体貯蔵タンク、及び、
    熱交換器付きの流体貯蔵タンクであって、前記加熱される液体は前記二次流体であり、前記加熱液体注入口は前記加熱液体排出口よりも高い流体貯蔵タンク、
    からなる群から選択される熱駆動式自己循環デバイス。
  5. 請求項２に記載の熱駆動式液体自己循環システムであって、
    加熱液体自立型ポンプである前記自己循環デバイスの前記加熱液体排出口に一方の端部が接続され、前記熱収集器の注入口に反対側の端部が接続された第２の導管であって、前記熱収集器の位置とそれぞれ比較して高い部分、低い部分、および同じレベル部分の、連続する３つの部分を含む第２の導管を更に含む熱駆動式液体自己循環システム。
  6. 請求項２に記載の熱駆動式液体自己循環システムであって、
    前記加熱液体排出口に接続された一方の端部と、前記熱収集器注入口に接続された他方の端部と、を有する第２の導管と、
    低温液注入口及び高温液排出口と、
    を含んで構成される熱駆動式液体自己循環システム。
  7. 請求項２に記載の熱駆動式液体自己循環システムであって、
    前記加熱液体排出口と連結された一方の端部と、前記熱収集器の注入口と連結された反対側の端部と、を有する第２の導管を更に備え、
    前記密閉容器は流体貯蔵タンクであって、
    前記気密容器の一次流体注入口、
    前記気密容器の一次流体排出口、
    前記加熱される液体である二次流体を前記貯蔵タンクを通じて前記一次流体から隔離して流させるために、前記貯蔵タンクの内部に配置された装置であって、前記二次流体の注入口を前記二次流体の排出口に流体接続し、且つ熱交換器を含む装置と、
    前記装置の内部で前記二次流体と流体接続された前記通気チャンネルと、
    を更に含む熱駆動式液体自己循環システム。
  8. 請求項２に記載の熱駆動式液体自己循環システムであって、
    流体貯蔵タンクを更に備え、当該流体貯蔵タンクは、
    一次流体のための貯蔵タンクであって、一次流体注入口、一次流体排出口、加熱液体注入口、及び加熱液体排出口を有する貯蔵タンクと、
    二次流体である前記加熱される液体を前記貯蔵タンクを通じて前記一次流体から隔離して流れさせるために前記貯蔵タンクの内部に配置された装置であって、前記加熱液体注入口を前記加熱液体排出口に流体接続し、熱交換器を含む装置であって、前記流体貯蔵タンクの前記加熱液体注入口は前記流体貯蔵タンクの前記加熱液体排出口よりも低くない装置と、
    自立型ポンプである前記熱駆動自己循環デバイスの前記加熱液体排出口に連結された第１の端部と、前記流体貯蔵タンクの前記加熱液体注入口に連結された反対側の端部と、を有する第２の導管であって、前記自立型ポンプの前記加熱液体排出口は、前記流体貯蔵タンクの前記加熱液体注入口よりも低くない第２の導管と、
    前記流体貯蔵タンクの前記加熱液体排出口に連結された第１の端部と、前記熱収集器の前記注入口に接続された反対側の端部とを有する第３の導管と、
    を含む熱駆動式液体自己循環システム。
  9. 請求項２に記載の熱駆動式液体自己循環システムであって、
    熱交換器を更に含み、当該熱交換器は、
    一次流体のための流体リザーバであって、一次流体注入口、一次流体排出口、加熱液体流入口及び加熱液体排出口を有する流体リザーバと、
    二次液体である前記加熱される液体を前記リザーバを通じて前記一次流体から隔離して流れさせるために前記リザーバ内に配置された装置であって、前記加熱液体注入口を前記加熱液体排出口と流体接続し、前記熱交換器の前記加熱液体注入口は、前記熱交換器の前記加熱液体排出口よりも低くない装置と、
    加熱液体自立式ポンプである前記熱駆動式自己循環デバイスの前記加熱液体排出口に連結された一方の端部と、前記熱交換器の前記加熱液体注入口に連結された反対側の端部と、を有する第２の導管であって、前記自立式ポンプの前記加熱液体排出口は、前記熱交換器の前記加熱液体注入口よりも低くない第２の導管と、
    前記熱交換器の前記加熱液体排出口に連結された一方の端部と、前記熱収集器の前記注入口に連結された反対側の端部と、を有する第３の導管と、
    を含んで構成される熱駆動式液体自己循環システム。
  10. 請求項１に記載のデバイス又は請求項２に記載のシステムであって、前記熱駆動式自己循環デバイスは、
    前記容器は、
    断熱された容器、
    透明の容器、及び、
    脱気された容器
    からなる群から選択されるデバイス又はシステム。
  11. 請求項１に記載のデバイス又は請求項２に記載のシステムであって、熱駆動式自己循環デバイスの前記通気チャンネルは、
    前記容器の前記壁に搭載された通気器具であって、前記液面よりも低い通気器具、及び、
    前記容器の前記壁であって液面よりも下に搭載された通気器具、前記開口器具に搭載された第１の端部、及び前記容器の前記液面よりも上で内部空気／蒸気空間の内部へと上向きに延在する反対側の端部を有する通気チューブ、
    からなる群から選択される器具を更に含むデバイス又はシステム。
  12. 請求項１に基づいた熱駆動式自己循環デバイスであって、
    前記液体蒸気凝縮還流構造は、
    通気器具、
    前記通気チャンネルと連結されたチューブ、
    前記容器の通気器具に搭載された一方の低位の端部と、取り外し可能なカップつきの反対側の上位の端部と、を有するチューブ、外気を前記容器の液面よりも上の前記内部空間と連結するための前記壁に設けられた前記チューブの穴、液体蒸気の凝縮及び凝縮液の還流のために前記通気チューブ内に配置された一組の金属蒸気凝縮小片、
    前記気密容器の前記通気器具に搭載された第１の端部と、当該第１の端部及び液面よりも高い第２の端部と、を有する還流パイプ、
    前記気密容器から脱出した加熱される液体及び蒸気を収容するための凝縮気密容器であって、液体蒸気を凝縮させるための内部器具、及び外気に開放された上部ポートを有する凝縮気密容器と、前記気密容器の内部へと上向きに延在し且つ前記凝縮気密容器の底部に搭載された上位の端部と、前記気密容器で前記通気器具と連結された反対側の端部と、を有する通気パイプ、及び、
    前記気密容器からの加熱される液体の蒸気を収容するための凝縮気密容器、前記気密容器の内部へと上向きに延在する一方の端部及び前記気密容器の前記通気器具に連結された通気パイプの反対側の端部とを有する通気パイプと、前記凝縮気密容器の内部へと上向きに延在し且つ凝縮気密容器内であって前記凝縮気密容器の内部頂面よりも低い位置に配置された一方の端部と、脱出した蒸気を凝縮させ再生（ｒｅｃｌａｉｍｉｎｇ）のために凝縮液を一時的に貯蔵するために前記凝縮気密容器の外部に配置された反対側の端部と、を有する還流通気凝縮パイプ、
    からなる群から選択される熱駆動式自己循環デバイス。
  13. 請求項２に記載の熱駆動式液体自己循環システムであって、
    前記熱収集器は、
    太陽熱収集器、又は
    断熱された熱収集器
    からなる群から選択される熱駆動式液体自己循環システム。
  14. 請求項１に記載のデバイス又は請求項２に記載のシステムであって、前記熱駆動式自己循環デバイスは、
    液体の注入口、液体の排出口、圧力逃し弁、電気ヒーター、及びドレン
    からなる群から選択された１以上のものを更に含むデバイス又はシステム。
  15. 請求項１に記載のデバイス又は請求項２に記載のシステムであって、前記熱駆動式自己循環デバイスは、
    当該熱駆動式自己循環デバイスが圧力デバイスであるように、前記通気チャンネルが圧力逃し弁を含むデバイス又はシステム。
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