JPH08510524A - 蒸発式蒸散ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液体のための入口（９）と、ガスのための出口（１０）と、上記入口（９）と出口（１０）の間に配置された多孔質体（１）と、この多孔質体（１）の出口側に配置された加熱手段（６）とを備え、上記多孔質体（１）の熱伝導率が、５Ｗ／mＫよりも大きくなく、より好ましくは１Ｗ／mＫよりも大きくない蒸発式蒸散ポンプ。このポンプは、多コラム低温蒸留法の装置に特に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 蒸発式蒸散ポンプ 本発明は、蒸発式蒸散ポンプに関する。このようなポンプは、幾つかの例に適 用することができるが、多コラム低温蒸留法の系に特に適している。 蒸散ポンプおよびその運転原理は、公知である。蒸散ポンプは、根から葉へ樹 液を送って蒸散を促進するという樹木が行なうと同じ物理的原理を用いている。 液体の一方の側に多孔質の障壁が設けられ、他方の側にヒータが設けられる。上 記障壁は、ヒータ側のガス圧力が液体側の圧力より次の値だけ上回るまで、液体 を表面張力によって保持する。 ΔＰ＝４σ／deff ここで、ΔＰは圧力差であり、σは表面張力であり、deffは「有効」孔寸法で ある。上記液体は、毛管作用によって障壁を通って吸引され、水が太陽の熱によ って葉から蒸発するのと同じ具合に、上記ヒータによって蒸発させられる。上述 の等式は、円形断面をもつ同一の毛管からなる障壁に対してのみ厳密に妥当する 。しかし、例えば1×10^-6mの有効孔寸法をもつ焼結フィルタである障壁をもつと ともに、2.5×10^-3Ｎ／mの表面張力をもつ液体水素を吐出する蒸散ポンプは、10 ＫＰaまでの圧力差を供給することを要求する。 蒸発式蒸散ポンプは、適度に揮発性であって、ヒータによって容易に蒸発しう るどんな液体の吐出にも用いることができる。しかし、上記蒸発式蒸散ポンプは 、多コラム低温蒸留法の処理のような極低温の吐出運転に特別に適用できること が分かった。このような装置は、核融合技術第２１巻（1992）891〜895頁に述べ られており、核融合炉から排出される排気混合ガスを処理するために用いられて いる。これらの排気ガスは、ＨＤ, ＨＴおよびＤＴのような異分子種を含むト リチウム（三重水素Ｔ）およびジュウテリウム（重水素Ｄ）などの水素同位体の 混合物を含んでいる。上記低温蒸留法の装置は、このような混合物をＨ₂,Ｄ₂,Ｔ₂ の３つの同分子生成物の流れに分離するが、この分離は、種々のサイドストリ ームを触媒の平衡装置を通して送り、および／または積み重なって相互接続し, かつ系内の自然圧力勾配に抗する再循環流れを通して送ることをポンプに要求 する。 従来、一般に２種類のポンプ,つまり機械的ポンプと静水圧サイホンポンプと が、多コラム低温蒸留法の系に用いられてきた。 機械的ポンプは、トリチウムに適合するために、総ての構成部材を金属で作ら なければならず、そのため運転期間が長くなると疲労損傷を蒙るという欠点があ る。また、機械的ポンプは、通常室温で運転されなければならない。 静水圧サイホンポンプは、両脚の液面間の静水圧的差に対応する圧力差をもつ 冷ガス流れを作るべく、一方の脚にヒータをもつＵ字管を使用する。しかし、液 体の水素同位体の比重が小さいため、他の制限条件を考慮すれば僅な圧力差しか 発生できず、また、静水圧サイホンポンプは、減衰させるのが難しく,蒸留コラ ムの分離効率に悪影響を与える圧力振動を生じやすい。 蒸発式蒸散ポンプは、その簡素な構造および可動部分がないことによって上述 の欠点が全くない。そこで、このようなポンプは、核融合工学と設計第１１巻（ 1989）93〜100頁に述べられているように、多コラム低温蒸留法の系への適用が 試みられている。しかし、初期の適用において、多孔質体は、ニッケルやステン レス鋼のような比較的高い熱伝導率の材料から成っていた。焼結金属フィルタは 、単一同位体の液体水素（ＬＨ₂）や液体窒素（ＬＮ₂）などの単一元素を含む揮 発性の液体材料の吐出に完全に適していることが分かり、冷ガスの質量流量は、 その液体の蒸発熱から計算して加えられたヒータ電力に直接比例する。かくて、 ヒータ電力は、結果として生じる飽和蒸気を過熱することなく、液体を多孔質表 面から蒸発させるためだけに用いられる。 しかし、多孔質金属のフィルタを含む公知の蒸発式蒸散ポンプは、Ｈ₂−Ｄ₂や 液体空気のような通常はガス状態の元素の混合物であり、混合物の１つの成分が 他の成分よりも一層揮発性であるような液体を吐出する場合、不十分にしか働か ないことが認められている。１分かそれ以下の非常に短い運転期間の後に、上記 ポンプは、十分な質量流量を吐出しなくなり、その設計流量の高々10％の吐出流 量になってしまう。本発明の発明者らは、この性能の悪化の理由が、混合物では より揮発性の成分が優先的に蒸留されることに基づくことを実証した。このこと が、多孔質金属のフィルタの加熱側でのより不揮発性の成分の濃縮をもたらし、 このことが今度はフィルタ壁の温度を上昇させる。金属フィルタが高い熱伝導率 をもつので、この熱は、フィルタの液体側に急速に伝わって、流入してくる液体 を、この液体がフィルタの毛管を通って吸引される前に沸騰させてしまう。かく て、流量の急速な低下が生じる。 今や、本発明の発明者は、低い熱伝導率の多孔質フィルタを含めることによっ て、上述の問題がなく,混合物を十分に吐出することができる蒸発式蒸散ポンプ を完成したのである。 こうして、本発明による蒸発式蒸散ポンプは、液体用の入口と、ガス用の出口 と、上記入口と出口の間に配置された多孔質体と、この多孔質体の出口側に配置 された加熱手段とを備え、上記多孔質体の熱伝導率が、５Ｗ／mＫよりも大きく なく、好ましくは１Ｗ／mＫよりも大きくない。 上記多孔質体は、無水ケイ酸,金属ケイ酸塩またはこれらの混合物などのセラ ミック材料からなる。好ましいセラミック材料は、ムライトまたはＳiＯ₂が50％ ,ＺrＳiＯ₂が40％,Ａl₂Ｏ₃が10％からなる組成物である。 択一的な材料として、多孔質体のために所定のプラスティック材料が適する。 また、要求される上記熱伝導率の範囲に入る多孔質体は、２つの多孔質の金属板 の間にケイソウ土または上述の材料の粉状の形態を挾んで作ることもできる。 多孔質体の適切な孔寸法は、吐出されるべき液化ガスの表面張力と、達成しよ うとする圧力差とに依存する。この圧力差は、第１頁に掲げられた等式から容易 に計算することができる。第１頁の等式は、（停滞,つまり流量零での）達成で きる最大の圧力を与えるので、多孔質体の孔寸法が、次式に従うことがより好ま しい。 deff＜４σ／ΔＰ そして、次式に従うことがさらに好ましい。 deff≒0.4σ／ΔＰ 本発明によるポンプの試験モデルにおいて、例えば、窒素で略12ＫＰaの圧力 差を生じるように選ばれた多孔質体は、両液化ガスの表面張力の差の結果として 、水素については略2.5ＫＰaの圧力差を生じる。 多孔質体は、様々な形状にできるが、最も好ましい形状は、円筒または管であ る。加熱手段は、吐出される液体の流れの方向に依存して管の内側または外側に 配置することができる。加熱手段は、加熱域の多孔質体の表面で発生される蒸気 が、過熱されずに装置から出ていくことを保証するように、好ましくは管の下側 70％程度のみに亘って延びる。このことは、蒸気のさらなる処理にとって不利に なりうる。 本発明による蒸発式蒸散ポンプは、操業温度がどうであろうと、いかなる揮発 性液体の吐出にも適する。しかし、上述のように、この蒸発式蒸散ポンプは、多 コラム低温蒸留法の処理のような低温での吐出操業に特に適している。このよう なシステムが、水素,ジュウテリウムまたはトリチウムを含む核融合炉からの混 合排気を蒸留するのに用いられるならば、本発明のポンプは、特別な利点を有す る。第１に、質量流量は、広範囲の圧力差に亘ってヒータの電力に比例して予測 することができ、このポンプは、従来のポンプと異なって、系に過度の圧力変動 を生じない。第２に、このポンプは、可動部分を全く有さぬ簡素な構造であって 、低い液体インベントリー（在庫）を有する。最後に、このポンプは、トリチウ ムの存在によって実質上影響されない材料から作ることができる。 さて、本発明は、添付の図を参照しつつ実施例によって説明される。ここで、 図１は、本発明による蒸発式蒸散ポンプを含むアセンブリの鉛直方向の断面図 であり、 図２は、液体窒素および液体空気を吐出する図１のポンプについて、ヒータ電 力を選択した場合の圧力差に対する流量の特性を示している。 図１を参照すると、ポンプは、熱伝導率が5Ｗ／mＫよりも大きくない管状の多 孔質体（１）を備え、この多孔質体は、下端をセラミックセメントで接合される コバール盤（２）によって封止される。上記管（１）は、上端を接合されたコバ ール／軟質アルミニウムのガスケット装置（３）によってポンプハウジング（４ ）および液体入口（９）に対して封止されている。管（１）全体は、ばね（５） によってハウジング（４）内に支持されている。 加熱コイル（６）は、下部の略70％のみに亘って延びるように管（１）の外周 に取 り付けられる。ポンプハウジング（４）は、間に真空にされた空間（８）をもつ 内壁と外壁（７）とを有する。ハウジング（４）は、液体のための入口（９）と ガスのための出口（１０）を備える。 図１において、ポンプは、液体窒素または液体空気を吐出するための試験装置 において用いられる。かくて、ポンプ装置全体は、液体窒素のジュワーびん（１ １）内に浸漬される。液体窒素は、液体入口（９）を通って多孔質の管（１）の 内部に入り、毛管作用によって管（１）の多孔質の壁を通過した後、ヒータ（６ ）によって蒸発させられる。ガス状の窒素は、出口（１０）を経て出ていく。上 記ポンプは、液体窒素に代えてジュワーびん内の液体空気によって試験されるこ とができる。これと択一的に、乾燥空気供給装置（１２）を介して、液体窒素に 乾燥空気を供給することもできる。 図１は試験的な配置を表わしており、液体入口（９）は通常の使用では吐出さ れるべき液体源に直接接続されると解して頂きたい。 図１に示されるアセンブリは、ＳiＯ₂を50％,ＺrＳiＯ₄を40％,Ａl₂Ｏ₃を10％ 含有し、内径が8mm,外形が25mm,長さが150mmの多孔質の管を用いて、液体窒素お よび液体空気を吐出する試験に供せられた。試験結果は図２に示され、図２は、 幾つかの選択されたヒータ電力について、5ＫＰaから−5ＫＰaの負の圧力差に至 るまでの全操業域において、圧力差に対する流量の特性を表示している。 液体窒素について、−5ＫＰaの負の圧力差では、図２に示される流量は、所定 時間後（2ワットのヒータ電力では略10秒後、15ワットのヒータ電力では略60秒 後）に不安定になり、多孔質体を通って吸引された液体が、小滴の形でガス出口 から出ていき、ここで蒸発するようになった。 しかし、20ワットのヒータ電力では負の圧力差においても操業は安定していた 。さらに、正の圧力差においては総てのヒータ電力について操業は全く安定して いた。 或る試験運転では、ポンプに3.3SLMP（毎分当たりの標準リッター）の流量で 液体空気が供給された。空気供給の開始から10分以内に、質量流量は、僅に8.5 ％低下しただけで、次いで安定したままであった。これは、高い熱伝導率の多孔 質 フィルタを用いた場合に生じる現象と全く反対であった。液体空気を安定して吐 出する上記ポンプの能力は、多孔質体の孔寸法の適切な調整を条件として、上記 ポンプが水素同位体の混合物を吐出するのにも適するということを実証している のである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミルヴァートン、ポール イギリス、オーエックス11・０イーエル、 オックスフォードシャー、ハーウェル、 ザ・クリーヴ 16番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．液体のための入口と、ガスのための出口と、上記入口と出口の間に配置され た多孔質体と、この多孔質体の出口側に配置された加熱手段とを備え、上記多孔 質体の熱伝導率が、５Ｗ／mＫよりも大きくないことを特徴とする蒸発式蒸散ポ ンプ。 ２．上記多孔質体の熱伝導率は、１Ｗ／mＫよりも大きくないことを特徴とする 請求項１に記載の蒸発式蒸散ポンプ。 ３．上記多孔質体は、セラミック材料からなることを特徴とする請求項１または ２に記載の蒸発式蒸散ポンプ。 ４．上記多孔質体は、無水ケイ酸、金属ケイ酸塩またはこれらの混合物からなる ことを特徴とする請求項３に記載の蒸発式蒸散ポンプ。 ５．上記多孔質体は、ムライトまたはＳiＯ₂が５０％、ＺrＳiＯ₄が４０％、Ａl₂ Ｏ₃が１０％の組成の材料であることを特徴とする請求項３に記載の蒸発式蒸散 ポンプ。 ６．上記多孔質体は、プラスティック材料からなることを特徴とする請求項１ま たは２に記載の蒸発式蒸散ポンプ。 ７．上記多孔質体は、多孔質の金属板の間に、粉状の形態の請求項３乃至６のい ずれか１つに定義される材料またはケイソウ土を挾んでなることを特徴とする請 求項１または２に記載の蒸発式蒸散ポンプ。 ８．上記多孔質体は、次の関係に従う孔寸法をもつことを特徴とする請求項１乃 至７のいずれか１つに記載の蒸発式蒸散ポンプ。 deff＜４σ／ΔＰ 但し、deffは有効孔寸法、σは表面張力、ΔＰは圧力差である。 ９．上記多孔質体は、次の関係に従う孔寸法をもつことを特徴とする請求項８に 記載の蒸発式蒸散ポンプ。 deff≒0.4σ／ΔＰ 但し、deffは有効孔寸法、σは表面張力、ΔＰは圧力差である。 １０．上記多孔質体は、管の形状であることを特徴とする請求項１乃至９のいず れか１つに記載の蒸発式蒸散ポンプ。 １１．上記加熱手段は、上記管の出口側の下部の７０％に亘って延びることを特 徴とする請求項１０に記載の蒸発式蒸散ポンプ。 １２．上記液体入口は、上記管の内側にあり、上記ガス出口は、上記管の外側に あることを特徴とする請求項１０または１１に記載の蒸発式蒸散ポンプ。 １３．核融合炉からの排ガスを処理するための多コラム蒸留法の系において、 請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の蒸発式蒸散ポンプを少なくとも１つ 備えたことを特徴とする多コラム低温蒸留法の系。 １４．多コラム低温蒸留法の系において、請求項１乃至１２のいずれか１つに記 載の蒸発式蒸散ポンプを使用することを特徴とする方法。 １５．核融合炉から流出する排ガス混合物を処理する方法において、 上記排ガス混合物を、請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の蒸発式蒸散ポ ンプを少なくとも１つ備えた多コラム低温蒸留法の系に供給すること特徴とする 方法。 １６．請求項１に記載の蒸発式蒸散ポンプにおいて、添付の図１を参照に明細書 中で述べたと実質上同じであることを特徴とする蒸発式蒸散ポンプ。