JPS6356431B2 - - Google Patents

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JPS6356431B2
JPS6356431B2 JP16193383A JP16193383A JPS6356431B2 JP S6356431 B2 JPS6356431 B2 JP S6356431B2 JP 16193383 A JP16193383 A JP 16193383A JP 16193383 A JP16193383 A JP 16193383A JP S6356431 B2 JPS6356431 B2 JP S6356431B2
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JP
Japan
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diffusion
gas
pair
heat diffusion
heat
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Application number
JP16193383A
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Japanese (ja)
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JPS59130519A (en
Inventor
Mitsutoshi Kashiwajima
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Individual
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Publication of JPS59130519A publication Critical patent/JPS59130519A/en
Publication of JPS6356431B2 publication Critical patent/JPS6356431B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、本件と同一の出願人が昭和48年7月
18日に特許出願した昭和48年特許願第80323号
(発明の名称:「異種拡散媒体の組合せによる熱分
離効果重量拡大方法」)の利用発明である。
[Detailed Description of the Invention] The present invention was filed in July 1972 by the same applicant as the present case.
This invention utilizes Patent Application No. 80323 of 1972 (title of invention: ``Method for increasing thermal separation effect weight by combining different types of diffusion media'') filed on the 18th.

先に出願した発明は、熱拡散による原子、分
子、イオンの輸送現象を重畳し、その効果を高め
ることによつて種々の物理的化学的操作に応用せ
んとするものであるが、本発明はこれらのうち特
に気体分子の輸送にこれを適用することに関する
ものであつて、拡散媒体として多孔性物質を用い
た後に詳述する熱拡散対と称する構成を多数連結
することによる、拡散物質とする気体の輸送圧縮
装置に関するものである。
The previously filed invention aims to apply to various physical and chemical operations by superimposing the transport phenomenon of atoms, molecules, and ions due to thermal diffusion and enhancing the effect, but the present invention Among these, it is particularly concerned with the application of this to the transport of gas molecules, in which a porous material is used as a diffusion medium and a diffusion material is created by connecting a large number of structures called thermal diffusion pairs, which will be detailed later. This invention relates to a gas transportation and compression device.

熱拡散は物質中に温度勾配が存在するときに、
その勾配に沿つて粒子の移動が行われ、拡散した
粒子の偏在、濃度差を生じる周知の現象である。
Thermal diffusion occurs when a temperature gradient exists in a substance.
This is a well-known phenomenon in which particles move along the gradient, resulting in uneven distribution of diffused particles and a difference in concentration.

この熱拡散を応用した熱拡散対及び熱拡散対列
に温度勾配を与えてやると、混合気体の場合には
成分気体の分離を行うことができるが、このこと
は、別の見方をすれば気体の圧縮が行なえること
を示している。すなわち、熱拡散対及び熱拡散対
列に温度勾配を与えることにより気体分子を一方
の系から他方の系に輸送でき、これを系の成分分
子別に見れば、輸送能力が各分子毎に異なるので
一方の系である成分が密になり、他方の系で疎に
なるため混合気体の分離を行うことができ、また
系の成分を度外視して全体を見れば気体分子の輸
送によつて一方の系が圧縮され他方の系が減圧さ
れるということになる。
If a temperature gradient is applied to a thermal diffusion pair or a thermal diffusion pair that applies this thermal diffusion, it is possible to separate the component gases in the case of a mixed gas, but this can be seen from another perspective. This shows that gas can be compressed. In other words, gas molecules can be transported from one system to the other by providing a temperature gradient to the thermal diffusion pair and the thermal diffusion pair, and if we look at this for each component molecule of the system, the transport ability differs for each molecule. A mixture of gases can be separated because one component becomes dense in one system and sparse in the other, and if we ignore the components of the system and look at the whole system, one system becomes denser and the other system becomes sparser. One system will be compressed and the other system will be depressurized.

本発明は、熱拡散を応用した熱拡散対及び熱拡
散対列に温度勾配を与えることにより気体の輸送
圧縮を行わんというものである。
The present invention is to perform gas transport compression by applying thermal diffusion to a thermal diffusion pair and by applying a temperature gradient to the thermal diffusion pair.

従来、気体の輸送、圧縮に関しては、主として
電力を中心とした原動機により駆動される種々の
機械式ポンプがあり、吐出圧力の大きさにより、
細かくは通風機、送風機、圧縮機に分類されてい
る。また気体の輸送を逆の観点から意図し減圧を
目的とするものに真空ポンプがある。真空ポンプ
には、機械式であるロータリーポンプの他に、油
滴による排気系の気体分子の補足を目的とした油
拡散ポンプ等がある。気体を輸送、圧縮するこれ
らのポンプは空気をはじめとする種々の気体に対
して用いられ、気体の輸送の他に、冷凍冷房装
置、ガスの液化装置、化学プロセスへの圧縮ガス
の給供、空気機器の空気圧源等の用途に供せられ
ている。従来、種々のものが考案され、使用条件
に応じた選択に幅をもたせることができるまでに
至つている。しかしながら、機械系の駆動による
振動、騒音は機械系ポンプに不可避的なものであ
り、また用途によつては、潤滑油等の汚物の圧縮
気体あるいは真空排気系への混入を嫌う場合があ
る。
Conventionally, for the transportation and compression of gas, there are various mechanical pumps that are mainly driven by electric motors, and depending on the magnitude of the discharge pressure,
They are classified into ventilators, blowers, and compressors. In addition, there is a vacuum pump that is intended to transport gas from the opposite perspective and whose purpose is to reduce pressure. In addition to mechanical rotary pumps, vacuum pumps include oil diffusion pumps that use oil droplets to capture gas molecules in the exhaust system. These pumps, which transport and compress gases, are used for various gases including air, and in addition to transporting gases, they are also used for refrigeration and cooling equipment, gas liquefaction equipment, supply of compressed gas to chemical processes, It is used for purposes such as air pressure sources for pneumatic equipment. In the past, various types have been devised, and it has now become possible to have a wide range of choices depending on the conditions of use. However, vibrations and noise caused by mechanical drive are unavoidable for mechanical pumps, and depending on the application, it may be undesirable to mix lubricating oil or other contaminants into the compressed gas or vacuum exhaust system.

また駆動に際して電力等のエネルギーを消費す
るが、近年の省エネ、エネルギー開発の観点か
ら、もしも気体の輸送、圧縮が低質熱エネルギー
の利用により行う事ができれば、その資源化に道
を与える事になり、産業上寄与するところ大であ
ると思われる。
Also, energy such as electricity is consumed during drive, but from the perspective of energy conservation and energy development in recent years, if gas transport and compression can be performed by using low-quality thermal energy, it will provide a way to use it as a resource. , it is thought that it will make a great contribution to industry.

本発明は、上記した問題に鑑みてなされ、新規
な気体の輸送圧縮装置を提供するもので、すなわ
ち熱拡散を応用し、拡散媒体として多孔性物質を
用いた熱拡散対を多数連結して、そのうちを拡散
する分子の成分気体の圧縮及び輸送を行わんとす
るものである。本発明による熱拡散対は、機械的
設備を全く必要としないため、機械式気体圧縮装
置での騒音、振動等が全くなく、また、潤滑油を
必要としないため、圧縮気体に潤滑油等の混入が
全くないため安定性、耐久性は非常に高い。しか
も、熱拡散対を多数連結することによつて、理論
的には容器の強度が限界となるだけで超高圧を得
ることができる。その上、本発明は、この熱拡散
対列に与える温度差についての特別な条件がなく
幅広いエネルギーの利用が可能なため、工場廃
熱、地熱、海水の温度差、太陽熱といつた低質な
エネルギーを使用かつ資源化することができ、装
置の運転費を安く抑えることができる。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a novel gas transport and compression device that applies thermal diffusion and connects a large number of thermal diffusion pairs using porous materials as diffusion media. The purpose is to compress and transport the component gases of the molecules that diffuse through them. The heat diffusion couple according to the present invention does not require any mechanical equipment, so there is no noise, vibration, etc. in mechanical gas compression equipment, and it does not require lubricating oil, so it does not require any lubricating oil etc. Because there is no contamination, stability and durability are extremely high. Furthermore, by connecting a large number of heat diffusion pairs, it is theoretically possible to obtain an extremely high pressure, with only the strength of the container being the limit. Furthermore, the present invention does not require any special conditions regarding the temperature difference imparted to this heat diffusion pair, making it possible to utilize a wide range of energy sources. can be used and recycled, and the operating costs of the equipment can be kept low.

まず、本発明に係る熱拡散対の原理について図
面を用いて説明する。
First, the principle of the heat diffusion pair according to the present invention will be explained using the drawings.

第1図は本発明に係る熱拡散対の模式的原理図
であり、1は熱拡散対、M,Nは相異なる二つの
物質系であり、Nには多孔性物質7が使用されて
いる。
FIG. 1 is a schematic diagram of the principle of a heat diffusion pair according to the present invention, where 1 is a heat diffusion pair, M and N are two different material systems, and a porous material 7 is used for N. .

熱拡散対1は、相異なる二つの物質系M及びN
からなり、その一方また両方の系に拡散媒体とし
て多孔性物質が使用されている。M,Nの両方の
系に多孔性物質を用いる場合には、性質の異なる
物質を使用する必要がある。
Thermal diffusion pair 1 consists of two different material systems M and N.
One or both systems use porous materials as the diffusion medium. When using porous materials for both M and N systems, it is necessary to use materials with different properties.

多孔性物質とは、その内に無数の細孔を含む物
質のことで、多孔体、多孔材料、多孔質物質とも
呼ばれており、陶磁器、ガラス、耐火物セメント
などのセラミツクをはじめ金属の焼結材、高分子
材料、繊維束等が存在する。本発明で用いる多孔
性物質としては、その細孔径が拡散気体分子の平
均自由行程の近傍かそれ以下で、連通となつてい
る細孔を有することが必要である。
A porous substance is a substance that contains countless pores, and is also called a porous body, porous material, or porous substance. There are binders, polymer materials, fiber bundles, etc. The porous substance used in the present invention needs to have pores with a pore diameter close to or smaller than the mean free path of the diffusing gas molecules, and which are connected to each other.

この多孔性物質を拡散媒体としてM,Nの一方
または両方の系に使用する目的は、第一に、多孔
性物質の細孔径が気体分子の平均自由行程の近傍
またはそれ以下の場合には、そこを通過する気体
分子が分子流あるいは粘性流を構成し、多孔性物
質中における気体分子の物理的及び化学的性質が
通常の状態下の気相系(Bulk相)における性質
と著しく相違するという周知の現象を利用し、二
つの物質系M,Nにおける気体分子の拡散に対し
て与える物理的環境に差を設けるためである。第
二に、M,Nの両系にその輸送を目的とする気体
に対して透過性を有する金属膜等の固体を用いた
場合に生じる輸送抵抗の増大をなくして、気体の
圧縮を行なえるようにするためである。
The purpose of using this porous material as a diffusion medium in one or both systems of M and N is, firstly, when the pore diameter of the porous material is close to or smaller than the mean free path of gas molecules, The gas molecules passing through the porous material constitute a molecular flow or viscous flow, and the physical and chemical properties of the gas molecules in the porous material are significantly different from those in the bulk phase system under normal conditions. This is to create a difference in the physical environment given to the diffusion of gas molecules in the two material systems M and N by utilizing a well-known phenomenon. Second, it is possible to compress the gas by eliminating the increase in transport resistance that occurs when a solid such as a metal film that is permeable to the gas to be transported is used for both the M and N systems. This is to ensure that.

第1図はNにのみ多孔性物質7を用い、Mは通
常の気相系(Bulk相)のままで、M,Nを異な
る二つの物質系とした場合が示されている。異な
る二つの物質系M,Nは、その一端の界面6で互
いに接触するようにされ、また系M及びNは高温
部8、低温部9,9′によつてそれぞれ温度勾配
が生じるようにされている。ここで、高温部8を
低温部とし、低温部9,9′を高温部として温度
勾配を与えてもよい。系Nに使用する多孔性物質
7としては、温度勾配を保ちやすい低熱伝導性で
圧縮に用いる気体に対しては化学的に安定である
ことが必要である。
FIG. 1 shows a case where a porous material 7 is used only for N, M remains in a normal gas phase (bulk phase), and M and N are made of two different material systems. The two different material systems M and N are brought into contact with each other at an interface 6 at one end thereof, and a temperature gradient is created in the systems M and N by a high temperature section 8 and a low temperature section 9 and 9', respectively. ing. Here, a temperature gradient may be provided by setting the high temperature section 8 as a low temperature section and setting the low temperature sections 9 and 9' as high temperature sections. The porous material 7 used in the system N needs to have low thermal conductivity to easily maintain a temperature gradient and be chemically stable with respect to the gas used for compression.

以上のように構成された熱拡散対1は異なる二
つの物質系M,N両方で温度勾配が存在するた
め、双方で温度勾配の方向に拡散が生じることに
なる。
In the thermal diffusion pair 1 configured as described above, since a temperature gradient exists in both of the two different material systems M and N, diffusion occurs in the direction of the temperature gradient in both.

この熱拡散対による気体の圧縮は、単一成分の
気体のみでなく、多成分の混合気体でも行うこと
ができるが、ここでは単一成分系について説明す
る。
Compression of gas by this thermal diffusion couple can be performed not only for a single component gas but also for a multi-component mixed gas, but a single component system will be described here.

第1図は熱拡散対1の原理を示す模式的原理
図、熱拡散対1の拡散媒体として多孔性物質7を
使用した系Nにおいては、温度勾配が存在しない
状態ではその分布は均一一様であるが、高温部8
と低温部9′を設けて温度勾配を与えると、温度
勾配の方向に気体分子の熱拡散が生じ、多くの場
合高温側から低温側に向けて気体分子の輸送が行
なわれる。気体分子と多孔性物質の組合せによつ
てはまれにこの逆方向への拡散もあり得る。熱拡
散により気体分子の偏在が生じると、今度はそれ
を打消す方向に濃度拡散が生じ、温度勾配に対応
した一定の気体分子の偏在、あるいは濃度差に達
すると、やがて両者が釣合つた状態で定常状態に
達し、みかけの拡散は消滅する。
Figure 1 is a schematic diagram showing the principle of thermal diffusion pair 1. In system N using porous material 7 as the diffusion medium of thermal diffusion pair 1, the distribution is uniform in the absence of a temperature gradient. However, the high temperature section 8
When a temperature gradient is provided by providing a low temperature section 9', thermal diffusion of gas molecules occurs in the direction of the temperature gradient, and in most cases, gas molecules are transported from the high temperature side to the low temperature side. In rare cases, diffusion in the opposite direction may occur depending on the combination of gas molecules and porous materials. When the uneven distribution of gas molecules occurs due to thermal diffusion, concentration diffusion occurs in the direction that cancels this, and when a certain uneven distribution of gas molecules corresponding to the temperature gradient or a concentration difference is reached, the two eventually become balanced. A steady state is reached at , and the apparent diffusion disappears.

この時の気体分子のNの高温側4における化学
ポテンシヤルをμ4、それと対応するBulk相の圧
力をP4、Nの低温側5におけるそれらをμ5,P5
とする。温度勾配が存在しない場合にはμ4=μ5
P4=P5であるが、高温部8と低温部9′の温度差
による熱拡散で、μ4とμ5に差を生じる。その化学
ポテンシヤルの差をΔμN=μ5−μ4とすると、ΔμN
はNに用いた物質と気体分子に固有の値である。
At this time, the chemical potential of the gas molecules at the high temperature side 4 of N is μ 4 , the corresponding bulk phase pressure is P 4 , and those at the low temperature side 5 of N are μ 5 , P 5
shall be. When there is no temperature gradient, μ 4 = μ 5 ,
Although P 4 =P 5 , a difference occurs between μ 4 and μ 5 due to thermal diffusion due to the temperature difference between the high temperature section 8 and the low temperature section 9'. If the difference in chemical potential is Δμ N = μ 5 − μ 4 , then Δμ N
is a value specific to the substance and gas molecule used for N.

一方、気相系(Bulk相)Mにおいても同様に
Mの高温側2及びMの低温側3での化学ポテンシ
ヤルと圧力をそれぞれμ2,P2,μ3,P3とする。温
度勾配が存在しない時にはμ2=μ3、P2=P3であ
る。「熱拡散」は単一成分系では一般に用語とし
ては用いられていないが、単一成分系でも温度勾
配が与えられれば気体分子の移動が生じる。高温
部8が空間的に上部にあり対流が無視できるとす
ると、多くの場合Mの高温側2からMの低温側3
に向けて気体分子の移動が生じ、閉鎖系であると
その結果生じた密度差による濃度拡散と定常状態
に達する。この場合も高温部8と低温部9の温度
差に対応して、ΔμM=μ3−μ2が現れるが、(単一
成分系のBulk相であれば、P2=P3は保持され
る。)ΔμMは気相系Mに固有の値である。
On the other hand, in the gas phase system (bulk phase) M, the chemical potentials and pressures at the high temperature side 2 of M and the low temperature side 3 of M are respectively μ 2 , P 2 , μ 3 , and P 3 . When there is no temperature gradient, μ 23 and P 2 =P 3 . Although "thermal diffusion" is not generally used as a term in single-component systems, movement of gas molecules occurs even in single-component systems if a temperature gradient is applied. Assuming that the high temperature section 8 is spatially at the top and convection can be ignored, in most cases the distance from the high temperature side 2 of M to the low temperature side 3 of M
In a closed system, the gas molecules move toward , and in a closed system, the resulting density difference leads to concentration diffusion and a steady state is reached. In this case as well, Δμ M = μ 3 − μ 2 appears corresponding to the temperature difference between the high temperature part 8 and the low temperature part 9, but (if it is a bulk phase of a single component system, P 2 = P 3 is held) ) Δμ M is a value specific to the gas phase system M.

さて、界面6においては、系Mと系Nとの間で
気体分子の交換が可能であり、Mの高温側2とN
の高温側4は同一温度にあるから、明らかにμ2
μ4、従つてP2=P4である。一方Mの低温側3と
Nの低温側5においては共に低温部9,9′が等
しい温度にあるとすると、前述の定義式より μ5=μ4+ΔμN μ3=μ2+ΔμM の関係にある。ところがΔμN、ΔμMはそれぞれの
拡散媒体N,Mに固有の値であり、一般にΔμN
ΔμMであるから、界面6における気体分子の交換
により、μ4=μ2となると、μ5≠μ3である。これ
は、μ5,μ3のそれぞれに対応するP5,P3につい
て、P5≠P3が成立する事を意味している。すな
わちNの低温側5と接触させて低温部9′に別に
気相系を設けると、Nの低温側5との気体分子の
交換によつてその圧力はP5となるが、これは熱
拡散対をはさんで対向するMの低温側3における
圧力P3とは異なる。これは、熱拡散対により一
方が圧縮、他方が減圧された結果であると言え
る。多孔性物質7を使用した系Nと拡散気体の気
相系(Bulk相)Mの組合せに限らず、気体分子
がその内部で拡散可能な物質の組合せであれば、
それぞれで気体分子の拡散に固有の環境を与え、
一般にΔμN≠ΔμMであるから、P5≠P3となる。と
ころが、N,Mが同一物質の系であれば、ΔμN
ΔμMとなつてしまいP5=P3であり、気体分子の圧
縮減圧の効果は生じない。従つてM,Nの双方に
多孔性物質を用いる時には、互いに異なつた性質
のものを用いなければならない。M,Nの一方に
気体分子が透過可能な金属箔を用いたり、あるい
はM,Nの双方に選択性透過膜を介して封じ込め
た互いに異なつた混合気相系を用いる等の熱拡散
対の構成も可能ではあるが、拡散抵抗を少なくす
ることや、装置構成の簡略性、安定性等の観点か
ら、前述の本発明の原理の説明に供した、拡散気
体分子のBulk気相系と、先に示した一定の条件
を具備した多孔性物質との組合せが最も実用性に
富んでいると思われる。
Now, at the interface 6, gas molecules can be exchanged between the system M and the system N, and the high temperature side 2 of M and N
Since the high temperature side 4 of is at the same temperature, it is clear that μ 2 =
μ 4 , so P 2 =P 4 . On the other hand, assuming that the low-temperature parts 9 and 9' are at the same temperature on both the low-temperature side 3 of M and the low-temperature side 5 of N, then from the above definition formula, the relationship μ 5 = μ 4 +Δμ N μ 3 = μ 2 +Δμ M It is in. However, Δμ N and Δμ M are values specific to the respective diffusion media N and M, and generally Δμ N
Since Δμ M , when μ 42 due to the exchange of gas molecules at the interface 6, μ 5 ≠ μ 3 . This means that P 5 ≠ P 3 holds true for P 5 and P 3 corresponding to μ 5 and μ 3 , respectively. In other words, if a separate gas phase system is provided in the low temperature part 9' in contact with the low temperature side 5 of N, the pressure becomes P 5 due to the exchange of gas molecules with the low temperature side 5 of N, but this is caused by thermal diffusion. This is different from the pressure P 3 on the low temperature side 3 of M, which faces the pair across the pair. This can be said to be the result of the heat diffusion pair compressing one side and reducing the pressure on the other. It is not limited to the combination of the system N using the porous material 7 and the gas phase system (bulk phase) M of the diffused gas, but as long as it is a combination of substances in which gas molecules can diffuse,
Each provides a unique environment for the diffusion of gas molecules,
Generally, since Δμ N ≠Δμ M , P 5 ≠ P 3 . However, if N and M are the same substance system, Δμ N =
Δμ M , and P 5 =P 3 , and the effect of compression and depressurization of gas molecules does not occur. Therefore, when using porous materials for both M and N, materials with different properties must be used. A configuration of a thermal diffusion pair, such as using a metal foil that allows gas molecules to pass through one of M and N, or using a mutually different mixed gas phase system sealed through a selectively permeable membrane for both M and N. However, from the viewpoints of reducing diffusion resistance, simplicity of device configuration, stability, etc., it is preferable to use the bulk gas phase system of diffused gas molecules described above to explain the principle of the present invention. It is thought that the combination with a porous material that meets the certain conditions shown in (a) is the most practical.

以上は、多孔性物質を使用した熱拡散対の原理
の、温度勾配に沿つた物質移動、熱拡散という一
般論的な観点からの説明であるが、多孔性物質の
物性あるいは多孔性物質に関する輸送現象という
べき観点からは、より現象論的な説明が可能であ
る。第2図には、二つの容器31,32に入れら
れた単一成分気体が、多孔性物質33で作られた
栓34によりへだてられている様相を示してい
る。気体分子は多孔性物質33中を透過可能であ
り、一方の容器31は温度T1に他方の容器32
は温度T2でT1≠T2に保たれている。二つの容器
31,32内の気体はBulk相であるが、それぞ
れの温度を保つたまま十分に放置すると両容器を
はさんで生じる気体分子の多孔性物質33を介し
ての移行は平衡に達して止まる。その時、一方の
容器31の圧力P1と他方の容器32の圧力P2
同一ではない事が知られている。もし両容器が多
孔性物質ではなく、適宜のパイプ等の通路でつな
がれていれば、両者の温度が異つていてもP1
P2となるはずである。多孔性物質や透過膜、毛
細管等を通してのこのような現象はクヌーセン効
果(Knudsen effect)と呼ばれ、また、この時
に生じる圧力差は熱分子圧(Thermomolecular
Pressure)と言われる事がある。第2図における
多孔性物質33の両端における、すなわちそれぞ
れの容器の気相と接している界面近傍35,36
における気体分子の圧力を、それと平衡する気相
系(Bulk相)の圧力で表わし、多孔性物質33
の一端35の圧力をP1′、他端36の圧力をP2′と
すると、P1=P1′、P2=P2′はその定義より明らか
である。そこで第2図を先の第1図と対照する
と、第2図の多孔性物質33の栓34は、第1図
の拡散媒体Nに相当し、第2図でT1>T2とすれ
ば、P1′はP4に相当し、P2′はP5に相当するので、
第1図の熱拡散対1において温度勾配が与えられ
た時、P4≠P5となることは現象論的にも説明さ
れ、またこの時Mは気相系(Bulk相)であるか
ら系内の圧力はいたるところ等しく、P2=P3
た界面6を介して気体分子の交換があるので、
P2=P4、すなわち、P3=P2=P4であるが、クヌ
ーセン効果により上記のようにP4≠P5となるの
で、P3≠P5となるのは自明である。このように
現象論的結果からも、多孔性物質を用いた熱拡散
対において両端の圧力に差が生じ気体分子の輸送
効果が認められる事が説明される。
The above is an explanation of the principle of a thermal diffusion couple using a porous material from the general viewpoint of mass transfer along a temperature gradient and thermal diffusion. From the viewpoint of phenomena, a more phenomenological explanation is possible. FIG. 2 shows a situation in which single-component gases contained in two containers 31 and 32 are separated by a stopper 34 made of a porous material 33. Gas molecules are permeable through the porous material 33, and one container 31 is brought to a temperature T 1 of the other container 32.
is maintained at temperature T 2 such that T 1 ≠ T 2 . The gas in the two containers 31 and 32 is in the bulk phase, but if the respective temperatures are maintained for a sufficient period of time, the migration of gas molecules between the two containers through the porous material 33 will reach equilibrium. It stops. At that time, it is known that the pressure P 1 in one container 31 and the pressure P 2 in the other container 32 are not the same. If both containers are not made of porous material and are connected by a suitable passage such as a pipe, P 1 =
It should be P 2 . This phenomenon through porous materials, permeable membranes, capillaries, etc. is called the Knudsen effect, and the pressure difference that occurs at this time is called thermomolecular pressure.
Pressure) At both ends of the porous material 33 in FIG. 2, that is, near the interfaces 35 and 36 in contact with the gas phase of each container.
The pressure of the gas molecules in the porous material 33 is expressed by the pressure of the gas phase system (bulk phase) that is in equilibrium with it.
Assuming that the pressure at one end 35 is P 1 ' and the pressure at the other end 36 is P 2 ', it is clear from the definitions that P 1 = P 1 ' and P 2 = P 2 '. Therefore, when comparing FIG. 2 with the previous FIG. 1, the plug 34 of the porous material 33 in FIG. 2 corresponds to the diffusion medium N in FIG. 1, and if T 1 > T 2 in FIG. , P 1 ′ corresponds to P 4 and P 2 ′ corresponds to P 5 , so
It can be explained phenomenologically that when a temperature gradient is given in the thermal diffusion pair 1 in Figure 1, P 4 ≠ P 5 , and since M is in the bulk phase, the system Since the pressure inside is equal everywhere, P 2 = P 3 and there is an exchange of gas molecules through the interface 6,
P 2 = P 4 , that is, P 3 = P 2 = P 4 , but since P 4 ≠ P 5 as described above due to the Knudsen effect, it is obvious that P 3 ≠ P 5 . In this way, the phenomenological results also explain that in a heat diffusion pair using a porous material, there is a difference in pressure between both ends, and a gas molecule transport effect is observed.

第2図では、容器に閉じ込められた言えなれば
閉鎖系である気相系間での現象であるが、多孔性
物質の両端に接触した気相系が開放系で、気体分
子の一方から他方への移動により圧力増加または
圧力減少が生じない場合には、温度勾配による定
常的な気体の流動という形で観測される。
In Figure 2, the phenomenon occurs between a gas phase system confined in a container, which is a closed system, but the gas phase system in contact with both ends of the porous material is an open system, and gas molecules are transferred from one side to the other. If no pressure increase or decrease occurs as a result of movement to , a steady flow of gas due to a temperature gradient is observed.

このような多孔性物質中の気体の流れは
Feddersenによつて発見され、(W.Feddersen、
Pogg.Ann.Physik Chem.(5)148、P.302(1873))、
彼はこの現象を熱拡散(thermal diffuson)と称
したが、今日では多成分系における温度勾配によ
る粒子の圧力や濃度差によらない移動を熱拡散と
称し、単一成分等の温度勾配による流れのことを
熱浸透(thermoosmosis)と慣例上呼んでいる。
熱拡散は現象論的には成分気相系における温度勾
配による組成の偏りよりはじまり、これとは別に
溶液中の溶質の温度勾配による拡散はソレツト効
果(Soret effect)として知られ、また金属等の
固体中に固溶している軽元素原子の温度勾配に沿
う拡散現象等も認められていたが、これらはその
後オンサーガー(Onsager)等による不可逆過程
の熱力学の展開に伴い、全て温度勾配による熱流
に伴う物質移動として理解され今日に至つてい
る。前述のクヌーセン効果がこれに含まれること
はもちろんであるが、温度測定に用いられる二種
金属よりなる熱電対を機能させている熱電能
(Seebek effect)も、熱流に伴う電子の移動であ
り、これに連なる現象として理解できる。
The flow of gas in such a porous material is
Discovered by Feddersen (W.Feddersen,
Pogg.Ann.Physik Chem.(5)148, P.302 (1873)),
He called this phenomenon thermal diffusion, but today the movement of particles due to a temperature gradient in a multi-component system is called thermal diffusion, and the movement of particles due to a temperature gradient in a multi-component system is called thermal diffusion. This is conventionally called thermoosmosis.
Phenomenologically, thermal diffusion begins with a deviation in composition due to a temperature gradient in a component gas phase system. Separately, the diffusion of solutes in a solution due to a temperature gradient is known as the Soret effect, and Diffusion phenomena along the temperature gradient of light element atoms dissolved in solids were also observed, but these were later explained as heat flow due to temperature gradients with the development of thermodynamics of irreversible processes by Onsager et al. It has been understood to this day as a mass transfer associated with Of course, this includes the aforementioned Knudsen effect, but the thermoelectric power (Seebek effect) that makes thermocouples made of two metals used for temperature measurement function is also the movement of electrons accompanying heat flow. This can be understood as a phenomenon related to this.

熱流に伴う物質移動は、現象論的には歴史的背
景もあり種々に分割かつ、異なつた名称で呼ばれ
ており、比較的包括的と思われる“熱拡散”とい
う呼称も必ずしも全ての現象を捨うものではない
のであるが、本明細書では慣例上の意味の他に熱
流すなわち温度勾配に伴う、原子、分子、イオン
あるいはこれらの会合体の移動の総称としても、
「熱拡散」を用いる。「熱拡散対」の呼称は拡散媒
体たるM,Nに種々の物質系を想定しての命名で
あり、それゆえM,Nの一方が単一成分気相系の
場合にもあえて適用している。熱拡散対の効果を
外部にとり出さんとするには、熱拡散対を作用さ
せんとする系、被作用系R,Sにその二つの拡散
媒体の各々の端部を接触させる。R,Sは拡散媒
体分子による通常の気相系(Bulk相)である。
その様相は第3図のごときである。第一図の場合
と同様に拡散媒体M及びNの端部をそれぞれ4
3,45とし、かつそこにおける拡散物質圧P43
P45を定義すると、Mの端部43とR間及びNの
端部45とS間で気体分子の交換が可能であれ
ば、Rの圧力、PR,Sの圧力PSとして、P43
PR、R45=PSとなる。
From a phenomenological point of view, the mass transfer associated with heat flow has been divided into various parts and called by different names due to historical backgrounds, and the relatively comprehensive term "thermal diffusion" does not necessarily cover all phenomena. In this specification, in addition to its conventional meaning, it is also used as a general term for the movement of atoms, molecules, ions, or aggregates of these due to heat flow, that is, temperature gradient.
Uses "thermal diffusion". The name "thermal diffusion couple" was given assuming various material systems for the diffusion media M and N, and therefore it is intentionally applied even when one of M and N is a single component gas phase system. There is. In order to extract the effect of the heat diffusion couple to the outside, the ends of each of the two diffusion media are brought into contact with the systems R and S to be affected, which are the systems on which the heat diffusion couple is to be applied. R and S are a normal gas phase system (bulk phase) with diffusion medium molecules.
The situation is as shown in Figure 3. As in the case of Figure 1, the ends of the diffusion media M and N are
3,45, and the diffused material pressure P 43 there,
Defining P 45 , if gas molecules can be exchanged between the end 43 of M and R and between the end 45 of N and S, the pressure of R, P R , and the pressure of S, P S , P 43 =
P R , R 45 = P S.

熱拡散対に温度勾配が与えられていないとき
は、PR=P43=P45=PSであるが、温度勾配が与え
られると、先に示したごとくP43≠P45となり、従
つてPR≠PSとなる。すなわちR,Sの一方から
他方へ気体分子の輸送が行なわれる。
When no temperature gradient is given to the thermal diffusion couple, P R = P 43 = P 45 = P S , but when a temperature gradient is given, P 43 ≠ P 45 as shown above, and therefore P R ≠ P S. That is, gas molecules are transported from one of R and S to the other.

その結果として、R,Sが閉鎖系であれば、
PRとPSの間に一定の圧力差を残して定常状態に
達し、気体分子の一方から他方への流れは止まる
が、もしPRとPSが開放系であれば、熱拡散対の
作用により、常に一方から他方へ定常的な気体分
子の流れを生ざしめる事になる。すなわち熱拡散
対は温度勾配を与えられる事により、ガス流体の
ポンプとして機能する事になる。
As a result, if R and S are closed systems,
A steady state is reached with a constant pressure difference remaining between P R and P S , and the flow of gas molecules from one side to the other stops. However, if P R and P S are open systems, the thermal diffusion couple This action results in a constant flow of gas molecules from one side to the other. In other words, the heat diffusion couple functions as a gas fluid pump by being given a temperature gradient.

熱拡散により気体の圧縮減圧が可能である事は
前述の通りであるが、第1図を用いて説明した1
基の熱拡散対の両端に生じる圧力P5とP3の間の
差は極めて小さなものであるから、これだけでは
実用に供さない。ところが本発明では、この熱拡
散対基体を多数連結してこの効果を重畳する事が
できる。この重畳が可能である点に熱拡散対構成
の根拠が存在する。次に、この熱拡散対の連結に
よる効果の重畳について述べる。
As mentioned above, it is possible to compress and reduce the pressure of gas by thermal diffusion, but as explained in Figure 1,
Since the difference between the pressures P 5 and P 3 generated at both ends of the base thermal diffusion pair is extremely small, this alone is not practical. However, in the present invention, this effect can be superimposed by connecting a large number of heat diffusion pair substrates. The basis for the heat diffusion pair configuration lies in the fact that this superposition is possible. Next, the superposition of effects due to the connection of this heat diffusion pair will be described.

第4図には、二基の熱拡散対11,21を直列
に連結して熱拡散対列を構成した状態が示されて
いる。両熱拡散対について、その気体分子輸送の
方向、すなわち極性を一致させるために、一方の
熱拡散対11の多孔性物質を使用したN1と、も
う一方の熱拡散対基体21の通常の気相系
(Bulk相)であるM2とが、接触界面16′で拡散
物質たる気体分子の交換が可能になるように連結
されている。熱拡散対を数百数千と連結する場合
も相隣合う熱拡散対の多孔性物質を用いたNと通
常の気相系(Bulk相)Mとを接触させ極性を一
致させて連結する必要がある。第4図で、18,
28は高温部で、19,29,29′は低温部で
あり、これによつてM1,N1,M2,N2に温度勾
配を与えるようにされている。簡便のために一成
分系を考え、第1図の場合と同様に、それぞれの
場所における拡散気体分子の化学ポランシヤル、
及びそれに対応する圧力を、第4図に指図された
番号に従つて、 μ13,μ12,μ14,μ15,μ23,μ22,μ24,μ25
P13
P12,P14,P15,P23,P22,P24,P25とする。温
度勾配が存在しない時には、 μ13=μ12=μ14=μ15=μ23=μ22=μ24=μ25及び P13=P12=P14=P15=P23=P22=P24=P25であ
る。18,28を高温部、19,29,29′を
低温部として各拡散媒体に温度勾配を与えると、
まず、熱拡散対21について、第1図の場合と同
様、温度勾配によつて生じた気体分子の移動の結
果、 μ25+μ24+ΔμN μ23=μ22+ΔμM、またμ24=μ22となる。
FIG. 4 shows a state in which two heat diffusion pairs 11 and 21 are connected in series to form a heat diffusion pair array. For both thermal diffusion pairs, in order to match the direction of gas molecule transport, that is, the polarity, one thermal diffusion pair 11 using a porous material and the other thermal diffusion pair substrate 21 using normal gas. M2 , which is a phase system (bulk phase), is connected at the contact interface 16' so as to enable exchange of gas molecules as a diffusing substance. Even when connecting hundreds or thousands of thermal diffusion pairs, it is necessary to connect the adjacent thermal diffusion pairs with N using a porous material and a normal gas phase system (bulk phase) M to match the polarity. There is. In Figure 4, 18,
28 is a high temperature section, and 19, 29, 29' are low temperature sections, which provide a temperature gradient to M 1 , N 1 , M 2 , and N 2 . For the sake of simplicity, we consider a one-component system, and as in the case of Fig. 1, we calculate the chemical polarities of the diffused gas molecules at each location,
and the corresponding pressures according to the numbers indicated in FIG .
P13 ,
Let P 12 , P 14 , P 15 , P 23 , P 22 , P 24 , P 25 . When there is no temperature gradient, μ 13 = μ 12 = μ 14 = μ 15 = μ 23 = μ 22 = μ 24 = μ 25 and P 13 = P 12 = P 14 = P 15 = P 23 = P 22 = P 24 = P 25 . When a temperature gradient is given to each diffusion medium by setting 18, 28 as a high temperature part and 19, 29, 29' as a low temperature part,
First, regarding the thermal diffusion pair 21, as in the case of FIG. 1, as a result of the movement of gas molecules caused by the temperature gradient, μ 25 + μ 24 + Δμ N μ 23 = μ 22 + Δμ M , and μ 24 = μ 22 becomes.

ΔμN≠ΔμMではあるが、いずれが大であるか
は、拡散気体分子と、M及びNに用いられる物質
系の組合せによる。今、仮に、ΔμM>ΔμNとする
と、μ23>μ25従つてそれぞれに対応する、P23
P25の間にはP23>P25なる関係が成立し、また、
μ23−μ25=ΔμM−ΔμNである。この時、熱拡散対
21についてみれば、気体分子の輸送が温度勾配
を与える事により、N2の低温側25からN2の高
温側24、M2の高温側22を経て、M2の低温側
23に向けて行われた事になる。
Although Δμ N ≠Δμ M , which one is larger depends on the combination of the diffused gas molecules and the material system used for M and N. Now, if Δμ M > Δμ N , then μ 23 > μ 25 , so the corresponding P 23 ,
The relationship P 23 > P 25 holds between P 25, and
μ 23 −μ 25 =Δμ M −Δμ N. At this time, regarding the thermal diffusion pair 21, the transport of gas molecules creates a temperature gradient, so that the gas flows from the low temperature side 25 of N 2 to the high temperature side 24 of N 2 and the high temperature side 22 of M 2 . This means that the attack was made towards side 23.

一方、熱拡散対11についても、同様に μ15=μ14+ΔμN μ13=μ12+ΔμM 及びμ14=μ12 なる関係が成立し、熱拡散対21と極性が同じで
あるから、 μ13−μ15=ΔμM−ΔμN>0 であり、気体分子の移行がN1の低温側15から
N1の高温側14、M1の高温側12を経てM1
低温側13に至り、ためにP13>P15となる。とこ
ろが、両熱拡散対11,21は接触界面16′に
おいて拡散気体分子の交換が行なわれているので
μ15=μ23が常に保たれている。すなわち熱拡散対
21においてN2の低温側25よりM2の低温側2
3に輸送された気体分子は、熱拡散対11のN1
の低温側15における気体分子濃度が、熱拡散対
11のN1の低温側15からM1の低温側13に向
けての輸送により下がると、M2の低温側23か
らN1の低温側15に両者の圧力に等しくなるま
で移行し、N1の低温側15に移した気体分子は
更にM1の低温側13に至るまで輸送される。こ
れは熱拡散対列全体が定常状態に達するまで行な
われる。
On the other hand, regarding the thermal diffusion pair 11, the following relationships also hold: μ 15 = μ 14 +Δμ N μ 13 = μ 12 +Δμ M and μ 14 = μ 12 , and the polarity is the same as that of the thermal diffusion pair 21, so μ 13 −μ 15 = Δμ M −Δμ N > 0, and the transition of gas molecules is from the low temperature side 15 of N 1 .
It reaches the low temperature side 13 of M 1 via the high temperature side 14 of N 1 and the high temperature side 12 of M 1 , so that P 13 >P 15 . However, since the diffusion gas molecules are exchanged between the two thermal diffusion pairs 11 and 21 at the contact interface 16', μ 1523 is always maintained. In other words, in the heat diffusion pair 21, the M 2 low temperature side 2 is lower than the N 2 low temperature side 25.
The gas molecules transported to 3 are N 1 of thermal diffusion couple 11
When the concentration of gas molecules at the low temperature side 15 of the thermal diffusion pair 11 decreases due to transport from the low temperature side 15 of N 1 toward the low temperature side 13 of M 1 , the concentration of gas molecules decreases from the low temperature side 23 of M 2 to the low temperature side 15 of N 1 . The gas molecules transferred to the low temperature side 15 of N1 are further transported to the low temperature side 13 of M1 . This is done until the entire heat diffusion pair reaches steady state.

その結果熱拡散対列の両端の化学ポテンシヤル
の差は、 μ15=μ23より、 μ13−μ25=(μ13−μ15)+(μ15−μ25) =(μ13−μ15)+(μ23−μ25) =2(ΔμM−ΔμN)>0 となり、熱拡散対基体一基の場合の両端の化学ポ
テンシヤル差の2倍となる。またμ13>μ15=μ23
μ25であるから、対応する圧力もP13>P15=P23
P25となり、熱拡散対一基により圧縮された値、
P23よりも、大きくなる。これを更に分り易く定
量化するために、気体の圧力と化学ポランシヤル
の関係を理想気体モデルで近似すると、19,2
9,29′の低温部の絶対温度をTとすると、熱
拡散対21において、μ25=RTln P25、μ23
RTln P23より、μ23−μ25=ΔμM−ΔμN=RTln
P23/P25が成立する。ただし、Rは気体定数であ
る。
As a result, the difference in chemical potential at both ends of the thermal diffusion pair is: μ 15 = μ 23 , so μ 13 − μ 25 = (μ 13 − μ 15 ) + (μ 15 − μ 25 ) = (μ 13 − μ 15 )+(μ 23 −μ 25 )=2(Δμ M −Δμ N )>0, which is twice the chemical potential difference between the two ends in the case of thermal diffusion versus one substrate. Also, μ 13 > μ 15 = μ 23 >
Since μ 25 , the corresponding pressure is also P 13 > P 15 = P 23 >
P 25 , the value compressed by the thermal diffusion pair,
It will be larger than P 23 . In order to quantify this more easily, if we approximate the relationship between gas pressure and chemical porosity using an ideal gas model, we get 19,2
If the absolute temperature of the low-temperature part of 9, 29' is T, then in the thermal diffusion pair 21, μ 25 = RTln P 25 , μ 23 =
From RTln P 23 , μ 23 − μ 25 = Δμ M − Δμ N = RTln
P 23 /P 25 holds true. However, R is a gas constant.

熱拡散対21の圧縮率kを k=P23/P25 で表わすと、熱拡散対11においても同様に μ13−μ15=ΔμM−ΔμN=μ23−μ25 であるから μ13−μ15=RTln P13/P15=RTln P23/P25とな
り、P13/P15=P23/P25=k 一方、P15=P23であるから、従つて、熱拡散対列
の圧力、P13,P25の比は P13/P25=P13/P15・P15/P25=P13/P15・P23
P25=k2 となる。
If the compressibility k of the thermal diffusion pair 21 is expressed as k=P 23 /P 25 , similarly for the thermal diffusion pair 11, μ 13 − μ 15 = Δμ M −Δμ N = μ 23 − μ 25 , so μ 13 −μ 15 = RTln P 13 /P 15 = RTln P 23 /P 25 , and P 13 /P 15 = P 23 /P 25 = k On the other hand, since P 15 = P 23 , therefore, the thermal diffusion pair The pressure of , the ratio of P 13 and P 25 is P 13 /P 25 = P 13 /P 15・P 15 /P 25 =P 13 /P 15・P 23 /
P 25 = k 2 .

熱拡散対列の連結基数を更に増加させると、同
様に効果は重畳され、n基連結されると、両端に
おける拡散気体分子の化学ポテンシヤル差は、熱
拡散対1つの場合のn倍に、それに対応して圧縮
比はknになる。
When the number of connected groups of thermal diffusion pairs is further increased, the effects are similarly superimposed, and when n groups are connected, the chemical potential difference of the diffusing gas molecules at both ends is n times that of the case of one thermal diffusion pair, and Correspondingly, the compression ratio will be k n .

第5図は熱拡散対を直列に連結した状態を示す
説明図であり、N,N,N,Nは拡散媒体として
多孔性物質を用いた系であり、M,M,M,Mは
拡散気体分子と同一成分よりなる通常の気相系
(Bulk相)である。8,8,8,8は高温部、
9,9,9,9,9′は低温部とされている。こ
のように熱拡散対の極性を一致させて直列に連結
してやることにより、第4図を用いて二基の熱拡
散対の連結で説明したごとく温度勾配による拡散
で、気体の圧縮あるいは減圧の効果の重畳が行な
われることになる。ここで高温部、低温部は両者
の間の相対的な関係を意味し、一般的意味におけ
る高温や低温、たとえば1000℃以上とか0℃以下
とか液体窒素温度付近とかを示すものではない。
Figure 5 is an explanatory diagram showing a state in which thermal diffusion pairs are connected in series, where N, N, N, N are systems using porous materials as diffusion media, and M, M, M, M are diffusion pairs. It is a normal gas phase system (bulk phase) consisting of the same components as gas molecules. 8, 8, 8, 8 are high temperature parts,
9, 9, 9, 9, 9' are considered low temperature parts. By matching the polarities of the heat diffusion pairs and connecting them in series in this way, the effect of compression or depressurization of the gas can be achieved by diffusion due to the temperature gradient, as explained in connection of two heat diffusion pairs using Figure 4. The superposition of will be performed. Here, the term "high temperature part" or "low temperature part" refers to the relative relationship between the two, and does not indicate high temperature or low temperature in a general sense, such as 1000° C. or higher, 0° C. or lower, or around the temperature of liquid nitrogen.

また第5図についての前述の説明とは逆に、
8,8,8,8を低温部とし、9,9,9,9,
9′を高温部として温度勾配を与えるようにして
もよい。この場合には熱拡散対列の極性は逆にな
る。各熱拡散対に対する高温部、低温部はすべて
同一の温度としなくても重畳の効果を得ることが
できる。さらに、この高温部と低温部の温度差に
ついては、温度差が大きいほど熱拡散対一つあた
りの効果を大きくする事ができるが、温度差が小
なる場合でも連結基数を増加させる事で効果を高
める事ができるので、たかだか数度から数百度以
上の温度差まで利用することができる。熱拡散対
列中を拡散する気体分子が単一成分ではない場合
には、各成分の分圧について重畳の効果があり、
従つて気相系の全圧についても重畳の効果があ
る。たとえば空気を拡散物質とする熱拡散対列も
可能である。現象論的にも多孔性物質に温度勾配
が与えられた時に、空気の流れが生じることは前
述のFeddersenや、Lippmann(G.Lippmann、
Compt.Rend.145、P.105(1907)により確かめら
れている。熱拡散対列の極性、すなわち、第5図
において気体分子の輸送が右側から左側に移る
か、あるいはその逆であるかという事は拡散物質
たる気体分子と用いられる多孔性物質また図4
で、8,8,8,8と9,9,9,9,9′のい
ずれを高温部側にするかということの組合わせに
よつて決まる。Feddersenの報告によると、多孔
性物質に温度勾配を与えた時には、常に低温側か
ら高温側への気体の流れが生じたという事である
が、これに従えば、第4図で8,8,8,8を高
温側に9,9,9,9,9′を低温側にした時に
は、気体分子の輸送は右側から左側に生じること
になる。しかしながら多孔性物質中の気体分子の
拡散環境に要因を与えるものとしては、分子流、
粘性流の形成の他に、細孔壁との気体分子の吸着
の問題、拡散物質が二成分以上の場合の拡散気体
分子間の相互作用等があり、組合せによつては極
性が逆転する可能性は皆無ではないと思われる。
Also, contrary to the above explanation regarding Figure 5,
8, 8, 8, 8 is the low temperature part, 9, 9, 9, 9,
9' may be used as a high temperature section to provide a temperature gradient. In this case, the polarity of the heat diffusion pair is reversed. The superimposed effect can be obtained even if the high-temperature part and the low-temperature part for each heat diffusion pair are not all at the same temperature. Furthermore, regarding the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part, the larger the temperature difference, the greater the effect per thermal diffusion pair, but even if the temperature difference is small, increasing the number of connected groups will increase the effect. It can be used for temperature differences ranging from a few degrees to several hundred degrees or more. When the gas molecules diffusing in the thermal diffusion pair are not a single component, there is a superposition effect on the partial pressure of each component,
Therefore, there is also a superposition effect on the total pressure of the gas phase system. For example, a thermal diffusion pair using air as the diffusion material is also possible. Phenomenologically, when a temperature gradient is applied to a porous material, air flow occurs, as described by the aforementioned Feddersen and Lippmann (G. Lippmann,
Confirmed by Compt.Rend.145, P.105 (1907). The polarity of the thermal diffusion pair, that is, whether the transport of gas molecules shifts from the right side to the left side in Figure 5, or vice versa, is determined by the difference between the gas molecules serving as the diffusing substance and the porous substance used, as well as Figure 4.
It is determined by the combination of which of 8, 8, 8, 8 and 9, 9, 9, 9, 9' should be on the high temperature side. According to Feddersen's report, when a temperature gradient was applied to a porous material, a gas flow always occurred from the low temperature side to the high temperature side. When 8 and 8 are set to the high temperature side and 9, 9, 9, 9, and 9' are set to the low temperature side, transport of gas molecules occurs from the right side to the left side. However, factors that affect the diffusion environment of gas molecules in porous materials include molecular flow,
In addition to the formation of viscous flow, there are problems such as adsorption of gas molecules with the pore walls, interactions between diffused gas molecules when the diffusing substance is two or more components, and depending on the combination, the polarity may be reversed. It seems that there is no gender at all.

また本明細書において、拡散物質が気体分子と
しているのは、熱拡散対列が作用している温度、
圧力にある、拡散物質の成分のBulk相が気相系
であるという趣旨であり、多孔性物質内で実際に
拡散物質分子がいかなる状態にあるか、すなわち
細孔壁吸着しているか、あるいは細孔内で凝縮し
ているか等を問うものではない。一方、熱拡散対
列を作用させている温度域がその臨界温度以下で
ある拡散物質成分を扱う時には、圧縮が進むにつ
れて、拡散気体分子が熱拡散対内の気相系
(Bulk相)側の拡散媒体中で液化してしまうおそ
れもあり、この場合にも輸送のための駆動力を与
えるという点でなお熱拡散対列は機能するという
ものの、拡散抵抗が増し、流速が低下するので、
このような時には熱拡散対列の低温部の温度を引
きあげて作用させる。以上が熱拡散対の原理及び
熱拡散対列による効果の重畳の原理である。
In addition, in this specification, the diffusion substance is a gas molecule at the temperature at which the thermal diffusion pair acts;
This means that the bulk phase of the components of the diffusive substance under pressure is a gas phase system, and it is not clear what state the diffusing substance molecules are actually in within the porous material, that is, whether they are adsorbed on the pore walls or not. It does not ask whether there is condensation inside the hole. On the other hand, when dealing with a diffusive substance component whose temperature range in which the thermal diffusion pair acts is below its critical temperature, as compression progresses, the diffusing gas molecules diffuse into the bulk phase side of the thermal diffusion pair. There is also the risk of liquefaction in the medium, and although in this case the thermal diffusion pair still functions in terms of providing the driving force for transport, the diffusion resistance increases and the flow rate decreases.
In such cases, the temperature of the low temperature part of the heat diffusion pair is raised. The above is the principle of heat diffusion pairs and the principle of superimposition of effects by heat diffusion pairs.

次に、図面を用いて本発明に係る熱拡散対列の
具体例を説明する。
Next, a specific example of the thermal diffusion pair according to the present invention will be explained using the drawings.

第6図は、前述した熱拡散対列を平型に構成し
た平型熱拡散対列51の側断面図を示している。
FIG. 6 shows a side sectional view of a flat heat diffusion pair 51 that is a flat heat diffusion pair.

平型熱拡散対列51は、上部遮断壁53を設け
た上部板51aと下部遮断壁53′を設けた下部
板51b及び側板52,52からなり、これらに
よつて〓形の気相系M及び多孔性物質を使用した
Nが交互となるようにされている。気相系Mが〓
形にされているのは、拡散気体の移動は、多孔性
物質中の方が気相系よりも抵抗が大きいため、多
孔性物質を使用したNの拡散断面積を大きくし
て、平型熱拡散対列51全体としての拡散速度が
速くなるようにするためである。そして、上部板
51aを高温側、下部板51bを低温側として平
型熱拡散対列51に温度勾配を与えるようにされ
ている。また、熱拡散対列51の両端には気相の
被作用系R及びSが設けられている。
The flat heat diffusion pair 51 consists of an upper plate 51a provided with an upper blocking wall 53, a lower plate 51b provided with a lower blocking wall 53', and side plates 52, 52. and N using a porous material are alternately used. Gas phase system M is
The reason for this is that the movement of diffused gas has greater resistance in a porous material than in a gas phase system, so by increasing the cross section of N diffusion using a porous material, a flat thermal This is to increase the diffusion speed of the diffusion pair array 51 as a whole. A temperature gradient is given to the flat heat diffusion pair 51 by setting the upper plate 51a on the high temperature side and the lower plate 51b on the low temperature side. Further, gas phase affected systems R and S are provided at both ends of the heat diffusion pair 51.

拡散媒体としてNに使用する多孔性物質は、陶
磁器、ガラス、耐火セメントなどのセラミツクス
をはじめ、金属の焼結材、高分子材料、繊維束等
がある。これらの多孔性物質に必要とされる条件
は、細孔径が拡散気体の平均自由行程の近傍また
はそれ以下で連通された細孔を有することであ
る。
Porous materials used for N as a diffusion medium include ceramics such as ceramics, glass, and refractory cement, as well as sintered metal materials, polymer materials, fiber bundles, and the like. A condition required for these porous materials is that they have pores connected to each other with a pore diameter close to or smaller than the mean free path of the diffusing gas.

多孔性物質を用いた系Nと気相系Mとは、上部
遮断壁53及び下部遮断壁53′によつて接触面
54,54′でのみ拡散気体の交換が行われるよ
うにされている。ここで、特別に遮断壁53,5
3′を設けないで多孔性物質の側面の細孔を塞ぐ
ことによつて接触面54,54′でのみ拡散気体
の交換が行われるようにしてもよい。
The system N using a porous material and the gas phase system M are arranged so that the exchange of diffused gas is carried out only at the contact surfaces 54, 54' by the upper blocking wall 53 and the lower blocking wall 53'. Here, especially the blocking walls 53, 5
3' may be omitted and the pores on the side surfaces of the porous material are closed so that the exchange of the diffused gas takes place only at the contact surfaces 54, 54'.

第7図は、第6図に示した平型熱拡散対列51
を1つの単位要素として厚みの方向に6列重ね、
それぞれの被作用系R,Sを共通にして並列に接
続した平型熱拡散対列板55を示す平断面図であ
る。被作用系R及びSには、次の段の熱拡散対列
板55のS及びRと連結したり、圧縮気体を取り
出したりするための吸排口56,57が設けてあ
る。
FIG. 7 shows the flat heat diffusion pair 51 shown in FIG.
are stacked in 6 rows in the thickness direction as one unit element,
FIG. 7 is a plan cross-sectional view showing a flat thermal diffusion pair plate 55 in which the affected systems R and S are connected in parallel. The affected systems R and S are provided with intake and exhaust ports 56 and 57 for connecting them to the heat diffusion parallel plates 55 S and R of the next stage and for taking out compressed gas.

第6図には6基の熱拡散対を直列に連結したも
のが示され、第7図には6列の平型熱拡散対列5
1の被作用系R,Sを共通にして並列に接続した
ものが示されているが、これらは適宜その数を増
減することができる。
FIG. 6 shows six heat diffusion pairs connected in series, and FIG. 7 shows six rows of flat heat diffusion pairs 5.
Although one affected system R and S are shown in common and connected in parallel, the number of these can be increased or decreased as appropriate.

第8図は、熱拡散対列を管状に配置した管状熱
拡散対列61の断面図を示している。この管状熱
拡散対列61は、同心状の内側遮断壁63を設け
た内管62と外側遮断壁63′を設けた外管65
からなり、これらによつて平型熱拡散対列51と
同様に〓形の気相系M及び多孔性物質を使用した
Nが交互になるようにされている。そして、内管
62の内側に熱水または熱気を通し高温部とし、
外管65の外側は空冷、水冷または湿潤させて大
気中に放置するなどで低温部とし、これによつて
管状熱拡散対列61に温度勾配を与えるようにさ
れている。
FIG. 8 shows a cross-sectional view of a tubular heat diffusion pair 61 in which heat diffusion pairs are arranged in a tubular shape. This tubular heat diffusion pair 61 consists of an inner tube 62 provided with a concentric inner blocking wall 63 and an outer tube 65 provided with an outer blocking wall 63'.
As with the flat heat diffusion pair 51, the square-shaped gas phase system M and the N using a porous material are alternately arranged. Then, hot water or hot air is passed inside the inner tube 62 to form a high temperature part,
The outside of the outer tube 65 is air-cooled, water-cooled, or moistened and left in the atmosphere to form a low-temperature part, thereby providing a temperature gradient to the tubular heat diffusion pair 61.

また、逆に情況によつては外側を加熱して内側
に冷水を通してもよい。熱の流れはパイプの内側
から外側に向つて放射状またはこの逆の方向に生
じる。熱の流れが全て熱拡散対列を通して生じ、
高い熱効率を期待できる。断面の形状は、円形の
場合が最も簡明で、設計の際の取扱いにおいて有
利だが、惰円でも角形でもよい。連結基数、熱拡
散対一基に用いる多孔性物質の大きさ等からパイ
プの径を適当に決定する。パイプの壁厚は、前述
の平型の板厚に相当する。地熱、海水の温度差、
工場廃熱などの資源化には、パイプに熱水や冷水
を通すだけでよいのであるから、この形態のもの
はきわめて有効である。熱の供給源の形態には特
に制限がないので、特殊な場合としてパイプの内
側に電熱線を通すという構成もある。
Alternatively, depending on the situation, the outside may be heated and cold water passed inside. Heat flow occurs radially from the inside of the pipe to the outside, or vice versa. All heat flow occurs through thermal diffusion pairs,
High thermal efficiency can be expected. The cross-sectional shape is simplest to be circular and is advantageous in handling during design, but it may also be circular or square. The diameter of the pipe is appropriately determined based on the number of connections, the size of the porous material used for one heat diffusion pair, etc. The wall thickness of the pipe corresponds to the thickness of the flat plate described above. geothermal heat, seawater temperature difference,
This type of system is extremely effective in converting factory waste heat into resources, as it is only necessary to pass hot or cold water through the pipes. Since there are no particular restrictions on the form of the heat supply source, in special cases there may be a configuration in which a heating wire is passed inside the pipe.

次に、これら熱拡散対列の連結数及び流量につ
いての概算を行う。熱拡散の大きさは現象論的に
は定常状態においてもそれと対向する濃度拡散を
引きおこす濃度差をもつて表わす。拡散の媒体に
対して、σ(ソレツト係数、Soret Coefficient)、
拡散物質の濃度、C(体積モル濃度mol/vol.)と
すると、それぞれ温度勾配、濃度勾配に対して 1/Cgrap C=σ grad T … なる関係が定常時には成立し、σをもつて熱拡散
の大きさの目安とする。気体系の場合にはα≡
σTで定義される熱拡散定数(Thermal
diffusion factor)が主に用いられる。実測値で
は、σにつき0.1〜1.0の値が報告されており、σ
にして常温近傍で約10-3(K-1)として大かたの
概算が可能である。これは高温側と低温側の圧力
比にして温度勾配ΔT度の時(1+ΔT×10-3
を与える。熱拡散対の両端に現れる圧力比すなわ
ち、第1図の2と3の間、あるいは第2図のRと
Sの間の比は、2種の拡散媒体のそれぞれによつ
てもたらされる圧力差の差分により規定される
が、オーダー的にはこの値を用いる事ができる。
熱拡散対一基による圧縮比をkとすると、これを
n基直列に接続した熱拡散対列では、knの圧縮比
を得る。σ=10-3の時、温度差が50度であるとす
ると、k=1.05となり、一気圧の気体を二気圧に
するには、(1.05)16=〜2.18より、たかだか16基
の連結を要する。
Next, the number of connections of these heat diffusion pairs and the flow rate will be roughly estimated. Phenomenologically, the magnitude of thermal diffusion is expressed by the concentration difference that causes the opposite concentration diffusion even in a steady state. For the medium of diffusion, σ (Soret Coefficient),
When the concentration of a diffusing substance is C (volume molar concentration mol/vol.), the relationship 1/Cgrap C=σ grad T... holds for the temperature gradient and concentration gradient, respectively, and thermal diffusion with σ Use this as a guideline for the size of. In the case of gaseous systems, α≡
Thermal diffusion constant defined by σT
diffusion factor) is mainly used. In actual measurements, values of 0.1 to 1.0 are reported for σ, and σ
A rough estimate can be made as approximately 10 -3 (K -1 ) at around room temperature. This is the pressure ratio between the high temperature side and the low temperature side when the temperature gradient is ΔT degrees (1 + ΔT × 10 -3 )
give. The pressure ratio appearing at both ends of the thermal diffusion couple, i.e. between 2 and 3 in Figure 1 or between R and S in Figure 2, is the ratio of the pressure differences caused by each of the two diffusion media. Although it is defined by the difference, this value can be used for ordering.
If the compression ratio of thermal diffusion to one unit is k, then a compression ratio of k n can be obtained by connecting n units of thermal diffusion pairs in series. When σ = 10 -3 , if the temperature difference is 50 degrees, then k = 1.05, and in order to change one atmosphere of gas to two atmospheres, (1.05) 16 = ~ 2.18, we need to connect at most 16 groups. It takes.

さて、流量であるが、式が成立する時には、
温度勾配による物質流と温度勾配(圧力勾配)に
よる物質流が相殺して、見かけ上物質流は0であ
る。従つて濃度勾配が0である時には、定常時の
濃度拡散による物質流に等しい大きさの物質流が
温度勾配によつて生じるとみなせ、熱拡散による
物質流の問題を濃度拡散による取扱いに置き換え
る事が可能である。熱拡散対列を被作用系R,S
に作用させる時、R,Sがそれぞれ閉鎖系であれ
ば、最終的にはR,S間に生じた圧力差による逆
方向の物質流が熱拡散対列による作用と打消し合
い、平衡状態に達するが、作用開始直後である
か、あるいはR,Sともに開放系で、R,S間に
圧力差が存在しない時には、一方に向けて熱拡散
対列による物質流が生じ、この流量の概算を得る
事は、熱拡散対列の設計、経済性を考える上で有
益である。
Now, regarding the flow rate, when the formula holds,
The material flow due to the temperature gradient and the material flow due to the temperature gradient (pressure gradient) cancel each other out, so that the apparent material flow is zero. Therefore, when the concentration gradient is 0, it can be assumed that a material flow of the same size as the material flow due to concentration diffusion at steady state is generated due to the temperature gradient, and the problem of material flow due to thermal diffusion can be replaced with the treatment using concentration diffusion. is possible. The thermal diffusion pair is the affected system R, S
If R and S are each closed systems, the material flow in the opposite direction due to the pressure difference between R and S will eventually cancel out the action of the thermal diffusion pair, resulting in an equilibrium state. However, immediately after the action starts, or when both R and S are open systems and there is no pressure difference between R and S, a material flow occurs in one direction due to thermal diffusion pairs, and an approximate estimate of this flow rate is This is useful when considering the design and economic efficiency of heat diffusion pairs.

第6図に示されるごとき平型の熱拡散対列をモ
デルにして考える。多孔性物質を熱拡散対の一方
の拡散媒体にのみ使用した場合、多孔性物質中の
拡散が熱拡散対の物質流の律速過程になるので、
多孔性物質中の拡散のみを問題とする。厚さl、
面積A、気孔率の多孔質板の板厚方向の流量(F)
は、拡散係数D、板の両側の濃度差ΔCのとき F=DA・ΔC/l … で与えられる。気体の拡散係数は通常の気体系に
おいて常圧で、ほぼDB=〜0.1cm2/sec程度である
が、多孔性物質中では、細孔径が気体の平均自由
行程λより大きい場合にはDDBであるが、そ
れ以下の場合には気体流がクヌーセン流
(Knudsen flow)又は分子流を形成し、細孔径
をdとすると、D=d/λDBとなる。板の両側に温 度差ΔTが存在し、濃度差が存在しない時には、
前述の考え方に従つてより、 AC/C=σΔTとして、に代入すると、温度差に よる物質流は F=d/λDB・A・C.σ.ΔT/l(mol/sec) … となる。一例として細孔径〜400Å(一気圧に対
してd/λに〜0.5)、DB=0.1cm2/sec、=0.5、
A=10cm2、l=0.5mm、σ=10-3K-1、ΔT=
50degの場合を計算すると、常温常圧近傍で F=〜1.1×10-5mol/sec =0.25ml/sec=〜15ml/min(標準態) … を得る。同一の熱拡散対を直列に接続する時には
輸送の駆動力は増加するが、その分だけ通過しな
ければならない多孔物質の量が増加するので流量
は変化しない。並列に接続する時にはAが増加す
るのと同じであるから流量は増加する。
A flat thermal diffusion pair as shown in FIG. 6 will be considered as a model. When a porous material is used as the diffusion medium for only one of the heat diffusion pairs, diffusion in the porous material becomes the rate-determining process for the material flow in the heat diffusion pair.
Only diffusion in porous materials is concerned. thickness l,
Flow rate in the thickness direction of a porous plate with area A and porosity (F)
is given by F=DA・ΔC/l, where D is the diffusion coefficient and ΔC is the concentration difference on both sides of the plate. The diffusion coefficient of gas is approximately D B = ~0.1 cm 2 /sec in normal gas systems at normal pressure, but in porous materials, when the pore diameter is larger than the mean free path λ of the gas, D D B , but if it is less than that, the gas flow forms a Knudsen flow or a molecular flow, and if the pore diameter is d, then D=d/λD B. When there is a temperature difference ΔT on both sides of the plate and no concentration difference,
According to the above-mentioned idea, when AC/C=σΔT is substituted into, the material flow due to the temperature difference becomes F=d/λD B・A・C.σ.ΔT/l (mol/sec)... As an example, the pore diameter is ~400 Å (d/λ is ~0.5 for one atmosphere), D B =0.1 cm 2 /sec, =0.5,
A=10cm 2 , l=0.5mm, σ=10 -3 K -1 , ΔT=
Calculating the case of 50 degrees, we get F = ~1.1 x 10 -5 mol/sec = 0.25 ml/sec = ~15 ml/min (standard state) near normal temperature and normal pressure. When the same heat diffusion pairs are connected in series, the driving force for transport increases, but the amount of porous material that must pass through increases accordingly, so the flow rate does not change. When connected in parallel, the flow rate increases because it is the same as increasing A.

以上が、熱拡散対列の連結数及び流量について
の概算である。
The above is a rough estimate of the number of connected heat diffusion pairs and the flow rate.

次に、図面を用いて本発明に係る熱拡散対列の
実施例を説明する。
Next, embodiments of the thermal diffusion pair according to the present invention will be described using the drawings.

熱拡散対列の気体分子を一方の系から他方の系
に移行させる機能は、そのまま圧縮機、通風機、
送風機、真空ポンプとして利用でき、またこれら
を必要とする装置やプロセスに応用できる。
The function of transferring gas molecules in a thermal diffusion pair from one system to the other can be performed by compressors, ventilators,
It can be used as a blower or vacuum pump, and can be applied to equipment and processes that require these.

本明細書では、通風機、送風機よりも、さらに
圧縮を高めた空気機関や流体素子回路の空気圧源
と、圧縮された気体の機械的エネルギーを電気的
エネルギーに変換する発電装置について述べる。
This specification describes an air pressure source for an air engine or fluid element circuit that has higher compression than a ventilator or blower, and a power generation device that converts the mechanical energy of compressed gas into electrical energy.

第9図は、空気圧源として用いる場合を示す。
図中72a,72b,72cは前述した平型また
は管状の熱拡散対列であり、これらの熱拡散対列
72a,72b,72cを直列に連結して熱拡散
の重畳を行なうようされている。そして、第一段
熱拡散対列72aの大気側にはフイルター71が
設けてあり、大気中の埃り等によつて多孔性物質
の細孔が目づまりしないようにされている。ま
た、第3段熱拡散対列72cの空気タンク74側
には逆止弁73が設けてありこの逆止弁73を通
して空気タンク74に接続される。第9図では、
上記した熱拡散対列72a,72b,72cを直
列に連結したものを4列並列にしてあるが、これ
は適宜その数を変えることができる。また、熱拡
散対列72a,72b,72cに用いる多孔性物
質は、第一段熱拡散対列72aと第三段熱拡散対
列72cとでは圧力が異なり、圧縮が進むにつれ
て気体分子の平均自由行程が短かくなる。そのた
め、最適条件を計る目的で、各段階ごとに細孔径
の異なる多孔性物質が用いられている。空気タン
ク74に蓄えられた圧縮空気は制御弁75を経て
配管系に接続される。
FIG. 9 shows the case where it is used as an air pressure source.
In the figure, reference numerals 72a, 72b, and 72c are the aforementioned flat or tubular heat diffusion pairs, and these heat diffusion pairs 72a, 72b, and 72c are connected in series for superimposition of heat diffusion. A filter 71 is provided on the atmosphere side of the first heat diffusion pair 72a to prevent the pores of the porous material from being clogged by dust in the atmosphere. Further, a check valve 73 is provided on the air tank 74 side of the third stage heat diffusion pair 72c, and is connected to the air tank 74 through this check valve 73. In Figure 9,
Although the heat diffusion pairs 72a, 72b, and 72c described above are connected in series and arranged in four rows in parallel, the number can be changed as appropriate. In addition, the porous material used for the heat diffusion pairs 72a, 72b, and 72c has different pressures between the first heat diffusion pair 72a and the third heat diffusion pair 72c, and as the compression progresses, the mean freedom of gas molecules increases. The journey will be shorter. Therefore, porous materials with different pore diameters are used for each stage in order to find the optimal conditions. The compressed air stored in the air tank 74 is connected to the piping system via a control valve 75.

空気圧源として用いる場合、通常4〜7Kg/cm2
程度の圧力が要求されるが、本実施例では一段の
熱拡散対列で2倍の圧縮比が得られるようにされ
ている。また、熱源としては様々な低質エネルギ
ーを使用し資源化することができるが、ここで
は、工場廃温水を高温熱源とし、冷水を低温熱源
として使用し、各熱拡散対列に72a,72b,
72cに約50度の温度勾配を与えるようにされて
いる。この50度の温度勾配により、原理の項で詳
述した熱拡散が生じ、また熱拡散対列の重畳効果
で第一段熱拡散対列72aで2気圧、第二段熱拡
散対列72bで4気圧、第三段熱拡散対列72c
で8気圧の圧縮空気を得ることができる。
When used as an air pressure source, usually 4-7Kg/cm 2
However, in this embodiment, a double compression ratio can be obtained with a single heat diffusion pair. In addition, various low-quality energy can be used and recycled as a heat source, but here, factory waste hot water is used as a high-temperature heat source, cold water is used as a low-temperature heat source, and each heat diffusion pair has 72a, 72b,
72c is designed to provide a temperature gradient of approximately 50 degrees. This temperature gradient of 50 degrees causes thermal diffusion as detailed in the principle section, and due to the superposition effect of the thermal diffusion pairs, the first thermal diffusion pair 72a has a pressure of 2 atmospheres, and the second thermal diffusion pair 72b has a pressure of 2 atmospheres. 4 atmospheres, third stage heat diffusion pair 72c
You can get 8 atmospheres of compressed air.

第10図は、熱拡散対列による圧縮空気を利用
して発電を行う場合を示す。
FIG. 10 shows a case where power generation is performed using compressed air by heat diffusion pairs.

この場合も第9図を用いて説明した空気圧源と
同様にフイルター81を通つた大気が第一段熱拡
散対列82a、第二段熱拡散対列82b、……、
最終段熱拡散対列82zと重畳圧縮されてタービ
ン83を回すようにされている。そして、このよ
うに多段の熱拡散対列を直列に連結したものを多
数並列に接続して送風力及び送風量を増加するよ
うにされている。
In this case, as in the case of the air pressure source explained using FIG. 9, the air passing through the filter 81 is transferred to the first heat diffusion pair 82a, the second heat diffusion pair 82b, . . .
It is superimposed and compressed with the final stage heat diffusion pair 82z to rotate the turbine 83. In this way, a large number of series-connected multi-stage heat diffusion pairs are connected in parallel to increase the air force and the amount of air being blown.

熱拡散対列82a,82b,……,82zに用
いる多孔性物質は、空気圧源の場合と同様に圧縮
が進むにつれて細孔径の異なる多孔性物質を用い
る必要がある。しかし、多孔性物質の強度につい
ては、最終段熱拡散対列に行くに従つて圧力が増
加するが、1基の熱拡散対に加わる圧力差は、1
基の熱拡散対の圧縮率による僅かな値でしかない
ため、多孔性物質の強度に対する条件は、あまり
考えなくてもよい。
The porous materials used for the heat diffusion pairs 82a, 82b, . However, regarding the strength of porous materials, the pressure increases as you go to the final heat diffusion pair, but the pressure difference applied to one heat diffusion pair is 1
Since the value is only a small value depending on the compressibility of the base thermal diffusion couple, there is no need to give much consideration to the conditions for the strength of the porous material.

使用する熱源については、熱源が100℃未満の
低質熱エネルギーの場合に通常の火力発電に用い
られる蒸気機関のサイクルは利用できない。しか
し、本発明の熱拡散対列による発電では使用でき
るエネルギーに幅があり、低質なエネルギー源の
使用及び資源化ができるが、ここでは工場廃温水
を高温熱源とし、冷水を低温熱源として使用し、
各熱拡散対列82a,82b,……,82zに50
度の温度勾配を与えるようにされている。この50
度の温度勾配で、原理の項で詳述した熱拡散が生
じ、また熱拡散対列の重畳効果により、大気を圧
縮してタービンに送り込み空気の断熱膨脹による
仕事を電気エネルギーに交換するようになつてい
る。また、第10図ではタービンを回転させた空
気は大気中に放出しているが、循環閉鎖系にして
第一段熱拡散対列の入口に接続してもよい。この
時には、空気以外の気体を拡散物質として用いて
もよい。
Regarding the heat source used, if the heat source is low-quality thermal energy below 100℃, the steam engine cycle used for normal thermal power generation cannot be used. However, in the power generation using the heat diffusion pair of the present invention, there is a wide range of energy that can be used, and low-quality energy sources can be used and recycled. ,
50 for each heat diffusion pair 82a, 82b, ..., 82z
It is designed to provide a temperature gradient of degrees. This 50
The thermal diffusion described in the principle section occurs due to the temperature gradient of 1.5°C, and the superimposed effect of the thermal diffusion pairs compresses the atmosphere and feeds it into the turbine, which exchanges the work caused by the adiabatic expansion of the air into electrical energy. It's summery. Further, in FIG. 10, the air that rotates the turbine is discharged into the atmosphere, but it may be connected to the inlet of the first stage heat diffusion pair in a closed circulation system. At this time, a gas other than air may be used as the diffusing substance.

次に、空気圧源及び圧縮空気による発電に要す
る熱拡散対の数及び熱損失等について述べる。空
気圧源として用いる場合に、第9図における各段
の圧縮率を2倍にするためには、前述の場合と諸
条件を同一にして、一基につきk=1.05の圧縮率
を得るとすると、(1.05)16=〜2.2より、各段につ
き約16基の直列接続をもつた熱拡散対列を用意す
る必要がある。ただ16基を一段につきとると三段
では端数も入れて10倍の圧縮になる。熱拡散対列
により、送風機や圧縮機として標準的な、10m3/
minの圧縮空気の風量を得るためには、前述の
式より逆算して、熱拡散対一基につき約670m2
拡散断面積を必要とする。それゆえこの風量を保
持するには、各段につき670×16=10720 三段の
総計では延べ約32000m2の拡散断面積を必要とす
る。
Next, the number of heat diffusion pairs, heat loss, etc. required for power generation using an air pressure source and compressed air will be described. When used as an air pressure source, in order to double the compression ratio of each stage in Fig. 9, if the conditions are the same as in the previous case and a compression ratio of k = 1.05 is obtained for each stage, (1.05) 16 = ~2.2, it is necessary to prepare heat diffusion pairs with approximately 16 series connections for each stage. However, if 16 units are used in one stage, three stages will result in 10 times the compression, including the fraction. 10 m 3 /
In order to obtain a compressed air flow rate of min, a diffusion cross section of approximately 670 m 2 is required for each heat diffusion pair, as calculated backwards from the above equation. Therefore, in order to maintain this air volume, a diffusion cross section of 670 x 16 = 10,720 for each stage, totaling about 32,000 m 2 in total for the three stages, is required.

第7図に示したごとき平型熱拡散対列板を多数
用意し、適宜に直列あるいは並列に接続し、この
条件に合うような直列連続基数及び一基あたりの
拡散断面積をうるとすると、板の面積の大部分を
多孔性物質が占め、他は無視するとしても、一枚
の平型熱拡散対列板の大きさが1m四方の時、
32000枚の平型熱拡散対列板を用意しなければな
らない。この平型熱拡散対列板多数を規則正しく
一定の間隔をもつて縦列させ、板の間に交互に温
水と冷水が流れるようにし、熱拡散対列板による
占有空間が縮少される設計を計るとすると、l=
0.5mmの多孔質板を同程度の厚さの2枚の金属板
ではさみ熱拡散対列板の板厚を2mm足らずにし、
1mに200板縦列させるとすると、32000枚に対し
ては、160m3の空気を用し、これは〜5.4m四方の
空間占有に相当するが、実際には給水配管+構造
の強度保持に要する空間が更に加わる。32000枚
の熱拡散対列板は三グループに分けられ、それぞ
れは、第9図における第一段、第二段、第三段熱
拡散対列に供せられるが、圧縮が進むにつれて各
段において細孔径が小さくなるように多孔性物質
が選ばれる。古典論によると、気体の平均自由行
程は、気体密度に反比例するので、常圧近傍で
O2、N2の平均自由行程λは共に700〜800Å程度
であるから、第1段としてd=400Å、第2段と
してd=200Å、第3段としてd=100Åを多孔性
物質の細孔径にとれば、d/λは1/2、1/4、1/8、
と減少するが、流量を示す式では、圧縮が進む
につれてd/λは減少するが、圧縮により気体密度
のCが増大し、流量は両者に比例するので、各段
ごとの流量に変化はない。前述の風量は標準状態
のもので10気圧の空気にすると、1m3/minとな
る。
If we prepare a large number of flat heat diffusion pair plates as shown in Fig. 7, connect them in series or parallel as appropriate, and obtain the number of serially connected bases and the diffusion cross section per unit that meet these conditions, Even if the porous material occupies most of the area of the plate and the rest is ignored, when the size of one flat heat diffusion pair plate is 1 m square,
32,000 flat heat-diffusing parallel plates must be prepared. If we were to create a design in which a large number of flat heat-diffusing parallel plates were arranged in tandem at regular intervals, hot water and cold water would flow alternately between the plates, and the space occupied by the heat-diffusing parallel plates would be reduced. , l=
A 0.5 mm porous plate is sandwiched between two metal plates of the same thickness to make the heat diffusion pair plate less than 2 mm thick.
Assuming that 200 plates are arranged vertically in 1 m, 160 m3 of air will be used for 32,000 plates, which corresponds to occupying a space of ~5.4 m square, but in reality it is necessary to maintain the strength of the water supply piping + structure. Adds more space. The 32,000 heat-diffusing array plates are divided into three groups, each of which is used for the first, second, and third stage heat-diffusing arrays in Figure 9.As compression progresses, each stage A porous material is chosen so that the pore size is small. According to classical theory, the mean free path of a gas is inversely proportional to the gas density, so near normal pressure,
Since the mean free path λ of O 2 and N 2 are both about 700 to 800 Å, the pore diameter of the porous material is d = 400 Å for the first stage, d = 200 Å for the second stage, and d = 100 Å for the third stage. , d/λ is 1/2, 1/4, 1/8,
However, in the formula showing the flow rate, as compression progresses, d/λ decreases, but the gas density C increases due to compression, and the flow rate is proportional to both, so the flow rate at each stage does not change. . The air volume mentioned above is under standard conditions, and if the air is at 10 atmospheres, it will be 1 m 3 /min.

第9図において、第三段熱拡散対列72Cから
逆止弁73、空気タンク74に至る流路で逆止弁
73、空気タンク74等がなく、その後空気中に
開放されているような場合には、装置は最大〜10
Kg/cm2までの圧縮空気を供給し、常圧で10m3/min
の風量を有する送風機、通風機として働く。空気
圧源として用いる場合、直接配管系に接続するよ
りも、第9図のごとく中途に空気タンク74を設
ける方が、操業時以外にも圧縮空気を蓄積でき、
風量不足を補う事ができる。上述の風量では、〜
10気圧の圧縮空気を一日に1440m3蓄積できるが、
上述の風量は蓄積の初期の段階のもので、蓄積さ
れた空気圧が対向し、空気タンク74内の圧力が
高まるにつれて流量は減少する。この値の半分程
度を見積ればよい。この程度の空気貯蔵タンクを
構築する事は技術的に可能である。
In FIG. 9, when there is no check valve 73, air tank 74, etc. in the flow path from the third stage heat diffusion pair 72C to the check valve 73 and air tank 74, and the flow path is then opened to the air. The device has a maximum of ~10
Supply compressed air up to Kg/ cm2 , 10m3 /min at normal pressure
It works as a blower with an air volume of . When used as an air pressure source, it is better to provide an air tank 74 midway as shown in Figure 9 than to connect it directly to the piping system, as it allows compressed air to be stored even when not in operation.
It can compensate for the lack of air volume. At the above air volume, ~
It can accumulate 1440m3 of compressed air at 10 atm per day.
The above-mentioned air flow rate is at the initial stage of accumulation, and as the accumulated air pressure is opposed and the pressure within the air tank 74 increases, the flow rate decreases. It is sufficient to estimate about half of this value. It is technically possible to construct an air storage tank of this size.

第10図によつて示される圧縮空気による発電
の場合、圧縮比をどのようにとるかは、タービン
の設計、効率等から考えるとよいが、蒸気タービ
ンの場合には数十〜数百Kg/cm2で運転されている。
たかだか数Kg/cm2の圧力で動かしうるタービンも
存在し、また熱拡散対列によつてその程度の圧縮
空気を作る事は可能である。10気圧で、継続運転
し、先の空気圧源の場合と同じ流量、10m3/min
(標準状態)を与えるとして発電能力等を計算し
てみる。タービンは10気圧の圧縮気体の常圧に至
るまでの断熱膨脹による仕事を与えられて回転す
るが、1m3/minで10気圧70℃の圧縮気体を連続
的に供給するとすると、理想気体で近似し空気の
断熱係数γ=1.4として370kcal/min、約26kwの
仕事量をとる。このうちタービンの回転力に50%
伝わり、タービンから発電機への効率が90%とす
ると、約12kwの発電となる。このためには一基
の熱拡散対列の圧縮率を前述の場合と同様1.05と
して、64基を直列に連結する。これにより一気圧
の気体を最終状態で(1.05)64=〜23(気圧)まで
圧縮できるが、圧縮がここまで進んでしまうと流
量が零になるが、圧縮状態が10気圧程度である
と、その差分の約10気圧に相当する輸送の駆動力
を残して上記の運転条件を満たす。この場合に要
求される熱拡散対列の延べの拡散面積は先の空気
圧源の場合の4/3倍、空気圧源の場合に用いたの
と同じ平型熱拡散対列板を多数稠密に縦列させる
設計にすると〜6m四方の空間を熱拡散対列で占
有する。
In the case of power generation using compressed air as shown in Fig. 10, the compression ratio should be determined based on the turbine design, efficiency, etc., but in the case of a steam turbine, it is several tens to hundreds of kg/ Driving in cm 2 .
There are turbines that can be operated at pressures of at most several kg/cm 2 , and it is possible to create compressed air to that extent using heat diffusion pairs. Continuous operation at 10 atm, same flow rate as for the previous pneumatic source, 10 m 3 /min
Let's calculate the power generation capacity etc. assuming that (standard state) is given. A turbine rotates by being given work by adiabatic expansion of compressed gas at 10 atm to normal pressure, but if compressed gas at 10 atm and 70°C is continuously supplied at 1 m 3 /min, it can be approximated by an ideal gas. Assuming that the insulation coefficient of air is γ = 1.4, the amount of work is 370 kcal/min, approximately 26 kw. Of this, 50% goes to the rotational power of the turbine.
Assuming that the efficiency from the turbine to the generator is 90%, approximately 12kW of power will be generated. For this purpose, the compression ratio of one heat diffusion pair is set to 1.05 as in the above case, and 64 pairs are connected in series. As a result, gas at one atmosphere can be compressed to (1.05) 64 = ~23 (atm) in the final state, but if the compression progresses to this point, the flow rate will be zero, but if the compression state is about 10 atm, The above operating conditions are satisfied by leaving a transport driving force equivalent to the difference of about 10 atmospheres. In this case, the total diffusion area of the heat diffusion pairs required is 4/3 times that of the previous pneumatic source, and a large number of flat heat diffusion pairs used in the case of the pneumatic source are densely arranged in tandem. If designed to do so, the heat diffusion pairs will occupy a space of ~6m square.

熱損失であるが、平型熱拡散対列板をモデルに
考えると、板の両側の温度差ΔTによる板厚方向
の単位面積当りの熱流qは、熱伝導率ρを用いて q=ρΔT/l と表せる。多孔性物質は気孔を多く含み、pは一
般に通常の気相系と同程度の0.1〜0.01kcal/m.
hr.degの値をとる。それゆえ常温での空気の値ρ
=0.02kcal/m.hr.degをとつて、使用する多孔
性物質の値とみなし、温度差50度、多孔性物質の
板厚l=0.5mmとして、多孔性物質をはさむ外枠
の金属板内の温度勾配を無視し、概算すると、前
述の空気圧源の場合、約107万kcal/minの熱量消
費になる。熱源としては、熱拡散対の低温側には
十分な流量の常温20℃の水流、高温側の熱源とし
て90℃の熱水流を考え、平板型の熱拡散対列板の
板間を流れるうちに熱水側の温度が50℃まで降下
して、装置より排出され、平均して50度の温度差
を与え続けられるとすると、上記熱量を供給する
ためには、〜27m3/minの流量で熱水が供給され
続けなければならない。
As for heat loss, if we consider a flat heat diffusion pair plate as a model, the heat flow q per unit area in the plate thickness direction due to the temperature difference ΔT on both sides of the plate is expressed as q=ρΔT/ using thermal conductivity ρ. It can be expressed as l. Porous materials contain many pores, and p is generally 0.1 to 0.01 kcal/m, which is about the same as that of a normal gas phase system.
Takes the value of hr.deg. Therefore, the value of air at room temperature ρ
=0.02kcal/m. Take hr.deg and consider it as the value of the porous material used, assuming a temperature difference of 50 degrees and a plate thickness of the porous material l = 0.5 mm, ignoring the temperature gradient within the metal plate of the outer frame that sandwiches the porous material. However, roughly speaking, in the case of the air pressure source mentioned above, the heat consumption is approximately 1,070,000 kcal/min. As a heat source, consider a water flow at room temperature of 20℃ with a sufficient flow rate on the low temperature side of the heat diffusion pair, and a hot water flow at 90℃ as the heat source on the high temperature side. Assuming that the temperature on the hot water side drops to 50°C and is discharged from the equipment, and it continues to provide an average temperature difference of 50°C, in order to supply the above amount of heat, a flow rate of ~27m 3 /min is required. Hot water must be continuously supplied.

第10図で表わされた圧縮空気による発電の場
合には、同様の熱源の場合、90℃の熱水〜35m3/
minの供給を要し、約140万kcal/minの熱エネル
ギーの消費になる。前述の12kwの発電力と対照
すると、〜0.01%の効率となる。この値は必ずし
も満足すべきものではないが、設計の詳細かつ合
理的な調整によつてこの値を更に増大させる事は
十分可能であり、また上述の計算の仮定に基づく
と、この値は温度差によらないので、たとえ熱源
となる熱水の温度が低く、熱拡散対の高温側と低
温側の温度差が1度の場合にも同じ効率を与える
事になる。
In the case of power generation using compressed air as shown in Figure 10, for a similar heat source, hot water at 90°C ~ 35m 3 /
It requires a supply of 1.4 million kcal/min and consumes approximately 1.4 million kcal/min of thermal energy. Compared to the 12kw power generation mentioned above, the efficiency is ~0.01%. Although this value is not necessarily satisfactory, it is quite possible to further increase this value through detailed and rational adjustments in the design, and based on the calculation assumptions above, this value Therefore, even if the temperature of the hot water serving as the heat source is low and the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the heat diffusion pair is 1 degree, the same efficiency will be provided.

以上の算出された諸数値は、全くの概算ではあ
るが、計算の過程で導入された諸仮定は物理的、
化学的に許容できるものであり、第一次近似とし
ては十分に目安となりうる。効果の大小を正確に
知る事は容易ではないが、本明細書に記載の要件
を満たす熱拡散対列を構成する限り、本発明が目
的とする気体分子の輸送圧縮及びその重畳効果は
必ず存在する。
Although the above calculated values are only rough estimates, the various assumptions introduced in the calculation process are based on physical,
It is chemically acceptable and can be used as a sufficient first approximation. Although it is not easy to accurately know the magnitude of the effect, as long as a thermal diffusion pair is constructed that satisfies the requirements described in this specification, the gas molecule transport compression and its superimposition effects that are the object of the present invention will definitely exist. do.

以上のように本発明の熱拡散対による気体の輸
送圧縮装置は、機械的設備を全く必要としないた
め、騒音、振動等が全くなく、また、潤滑油を必
要としないため圧縮気体に潤滑油等の混入が全く
ない。さらに、この熱拡散対に与える温度差につ
いては、特別な条件がないため幅広いエネルギー
の利用が可能であり、工場廃熱、地熱、海水の温
度差、太陽熱といつた低質なエネルギーを使用か
つ資源化することができ、気体の輸送圧縮装置の
運転費を無料または、低廉とすることができるも
のである。
As described above, the gas transport and compression device using the heat diffusion couple of the present invention does not require any mechanical equipment, so there is no noise or vibration, and since it does not require lubricating oil, the compressed gas is supplied with lubricating oil. There is no contamination. Furthermore, since there are no special conditions regarding the temperature difference given to this heat diffusion couple, it is possible to use a wide range of energy sources. It is possible to reduce the operating cost of the gas transportation and compression device free of charge or at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に係る熱拡散対の模式的原理
図、第2図は従来から知られているクヌーセン効
果の説明図、第3図は本発明に係る熱拡散に被作
用系R,Sを接続させた状態を示す図、第4図は
本発明に係る二基の熱拡散対を直列に連結した熱
拡散対列による効果の重畳を説明する模式的原理
図、第5図は本発明に係る熱拡散対を直列に連結
した状態を示す説明図、第6図は本発明に係る平
型熱拡散対列の側断面図、第7図は本発明に係る
平型熱拡散対列板の平断面図、第8図は本発明に
係る管状熱拡散対列の断面図、第9図は本発明に
係る一つの実施例である空気圧源を示す概念図、
第10図は同じく本発明に係る他の実施例である
発電装置を示す概念図。 1,11,21…熱拡散対、M,M1,M2…通
常の気相系(Bulk相)、N,N1,N2…拡散媒体
として多孔性物質を使用した系、7,17,2
7,33…多孔性物質、8,18,28…高温
部、9,9′,19,29,29′…低温部、R,
S…被作用系、51…平型熱拡散対列、55…平
型熱拡散対列板、61…管状熱拡散対列。
Figure 1 is a schematic diagram of the principle of the heat diffusion couple according to the present invention, Figure 2 is an explanatory diagram of the conventionally known Knudsen effect, and Figure 3 is the system R, S affected by heat diffusion according to the present invention. FIG. 4 is a schematic principle diagram illustrating the superposition of effects due to a heat diffusion pair array in which two heat diffusion pairs according to the present invention are connected in series, and FIG. 5 is a diagram showing the state in which the present invention is connected. FIG. 6 is a side sectional view of a flat heat diffusion pair according to the present invention, and FIG. 7 is a flat heat diffusion pair plate according to the present invention. 8 is a sectional view of a tubular heat diffusion pair according to the present invention, and FIG. 9 is a conceptual diagram showing an air pressure source as an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing a power generation device according to another embodiment of the present invention. 1, 11, 21...Thermal diffusion couple, M, M 1 , M 2 ... Ordinary gas phase system (bulk phase), N, N 1 , N 2 ... System using porous material as a diffusion medium, 7, 17 ,2
7,33...Porous material, 8,18,28...High temperature part, 9,9',19,29,29'...Low temperature part, R,
S... Acted system, 51... Flat heat diffusion pair, 55... Flat heat diffusion pair plate, 61... Tubular heat diffusion pair.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 拡散気体分子を互いに交換可能として接触し
た二つの物質系M,Nを構成し、これらの物質系
M,Nのうち少なくとも一方に拡散気体分子の平
均自由行程の近傍またはそれ以下の細孔径で連通
された細孔を有する多孔性物質を使用し、二つの
物質系M,Nが接触する一端を高温または低温と
すると共に、他端を低温または高温として熱拡散
対を構成したことを特徴とする多孔性物質を用い
た気体の輸送圧縮装置。 2 拡散気体分子を互いに交換可能として接触し
た二つの物質系M,Nを構成し、これらの物質系
M,Nのうち少なくとも一方に拡散気体分子の平
均自由行程の近傍またはそれ以下の細孔径で連通
された細孔を有する多孔性物質を使用し、二つの
物質系が接触した一端と他端との間に温度勾配を
与えて熱拡散対と成し、この熱拡散対を多数連結
して熱拡散対列を構成すると共に熱拡散対列の両
端に気相の被作用系R及びSを設けたことを特徴
とする多孔性物質を用いた気体の輸送圧縮装置。
[Scope of Claims] 1 Two material systems M and N that are in contact with each other so as to be able to exchange diffused gas molecules are constituted, and at least one of these material systems M and N has a material in the vicinity of the mean free path of the diffused gas molecules or A porous material having pores connected with each other with a pore diameter smaller than that is used, and one end where the two material systems M and N are in contact is set to a high or low temperature, and the other end is set to a low or high temperature to form a heat diffusion pair. A gas transport compression device using a porous material, characterized in that: 2 Construct two material systems M and N that are in contact with each other so that the diffused gas molecules can be exchanged, and at least one of these material systems M and N has pores with a pore diameter near or smaller than the mean free path of the diffused gas molecules. A porous material with connected pores is used to create a heat diffusion pair by creating a temperature gradient between one end and the other end where two material systems contact each other, and a large number of these heat diffusion pairs are connected. 1. A gas transport and compression device using a porous material, which comprises a heat diffusion pair and is provided with gas phase affected systems R and S at both ends of the heat diffusion pair.
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