Analysis of rarefied gas flows induced by liquid evaporation from nanoscale pore arrays and its application to cooling devices

• Project/Area Number: 17H03172
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Kinefuchi Ikuya 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30456165)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉本 勇太 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90772137) ; 堀 琢磨 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50791513)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2017: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
• Keywords: 分子流体力学 / 希薄気体流 / 気液界面 / クヌッセン層 / 高熱流束除熱

Outline of Final Research Achievements

We focused on nonequilibrium gas flows (Knudsen layers) induced by the evaporation from porous surfaces and obtained the following results. (1) To realize the velocity distribution measurement of gas molecules evaporating from a liquid surface using the time-of-flight method, we developed a novel experimental technique to maintain a liquid-vapor interface in a vacuum environment for a long period. The use of a porous membrane with an adequate pore size can significantly suppress the collisions between gas molecules after the evaporation from the liquid surface. (2) Numerical techniques were developed to efficiently analyze evaporating gas flows from porous surfaces using the low-variance deviational Monte Carlo method.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

細孔表面からの蒸発は，自然や工学応用の様々な場面において普遍的にみられる現象である．高精度な蒸発モデルを構築するためには，液面から蒸発した直後の気体分子の速度分布を把握することが望まれるが，技術的困難から信頼性の高い計測結果はこれまでに報告されていない．また，細孔表面のように複雑な形状からの蒸発による非平衡気体流れを取り扱うために，効率的な数値解析法が求められている．本研究で得られた成果はこれらの課題の解決につながるものであり，今後，細孔からの蒸発を利用した気化冷却デバイスの開発などへの応用が期待される．

Research Products

• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Journal Article] High Heat Flux Evaporation of Low Surface Tension Liquids from Nanoporous Membranes (2020)
  • Author(s): Daniel F. Hanks, Zhengmao Lu, Jay Sircar, Ikuya Kinefuchi, Kevin R. Bagnall, Todd R. Salamon, Dion S. Antao, Banafsheh Barabadi, Evelyn N. Wang
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 12 Issue: 6 Pages: 7232-7238
  • DOI: 10.1021/acsami.9b20520
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Unified Relationship for Evaporation Kinetics at Low Mach Numbers (2019)
  • Author(s): Zhengmao Lu, Ikuya Kinefuchi, Kyle Wilke, Geoff Vaartstra, Evelyn Wang
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 印刷中 Issue: 1 Pages: 2368-2368
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10209-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mutual influence of molecular diffusion in gas and surface phases (2018)
  • Author(s): Takuma Hori, Takafumi Kamino, Yuta Yoshimoto, Shu Takagi, Ikuya Kinefuchi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 97 Issue: 1 Pages: 013101-013101
  • DOI: 10.1103/physreve.97.013101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Ultra-Thin Nanoporous Membrane Evaporator (2017)
  • Author(s): Zhengmao Lu, Kyle L. Wilke, Daniel J. Preston, Ikuya Kinefuchi, Elizabeth Chang-Davidson, Evelyn N. Wang
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 17 Issue: 10 Pages: 6217-6220
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02889
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of capillary condensation on gas transport properties in porous media (2017)
  • Author(s): Yuta Yoshimoto, Takuma Hori, Ikuya Kinefuchi, Shu Takagi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 96 Issue: 4 Pages: 043112-043112
  • DOI: 10.1103/physreve.96.043112
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 多孔体表面からの蒸発による非平衡気体流れの解析 (2019)
  • Author(s): 今井 宏樹, 石原 聖也, 吉本 勇太, 高木 周, 杵淵 郁也
  • Organizer: 第33回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 多孔体表面からの蒸発に伴う非平衡気体流れの数値解析 (2019)
  • Author(s): 杵淵 郁也, Zhengmao Lu, 吉本 勇太, Evelyn Wang
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2019
• [Presentation] 分散低減型モンテカルロ法による気液界面近傍の非平衡気体流れの解析 (2019)
  • Author(s): 今井 宏樹, 松本 浩史, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 高木 周, 杵淵 郁也
  • Organizer: 日本機械学会2019年度年次大会
• [Presentation] 分散低減型モンテカルロ法による多孔体表面からの蒸発の解析 (2019)
  • Author(s): 今井 宏樹, 松本 浩史, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 高木 周, 杵淵 郁也
  • Organizer: 第56回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] 分散低減型モンテカルロ法における気液界面の境界条件の検討 (2018)
  • Author(s): 松本 浩史, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 杵淵 郁也, 高木 周
  • Organizer: 第55回 日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] 水面から蒸発する非平衡気体分子の速度分布計測系の構築 (2018)
  • Author(s): 渡辺 力, 佐藤 匠, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 杵淵 郁也, 高木 周
  • Organizer: 第55回 日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] Analysis of Evaporating Flows of Polyatomic Molecules from Two-dimensional Slit Pore Arrays (2018)
  • Author(s): Ikuya Kinefuchi, Yuta Yoshimoto, Zhengmao Lu, Evelyn N. Wang
  • Organizer: 31st International Symposium on Rarefied Gas Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of Non-equilibrium Velocity Distribution of Evaporating Molecules from a Liquid Surface (2018)
  • Author(s): Chikara Watanabe, Takumi Sato, Takuma Hori, Yuta Yoshimoto, Shu Takagi, Ikuya Kinefuchi
  • Organizer: 31st International Symposium on Rarefied Gas Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low variance Monte Carlo simulation of the one-dimensional non-equilibrium flow near a vapor-liquid interface (2018)
  • Author(s): Hiroshi Matsumoto, Takuma Hori, Yuta Yoshimoto, Shu Takagi, Ikuya Kinefuchi
  • Organizer: 31st International Symposium on Rarefied Gas Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二次元スリットアレイからの蒸発により生じる非平衡気体流れの数値解析 (2018)
  • Author(s): 杵淵 郁也, Zhengmao Lu, 松本 浩史, 今井 宏樹, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 高木 周, Evelyn Wang
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2018
• [Presentation] 気液界面から蒸発する非平衡気体分子の飛行時間分布計測系の構築 (2018)
  • Author(s): 渡辺 力, 佐藤 匠, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 杵淵 郁也, 高木 周
  • Organizer: 日本機械学会 2018年度年次大会
• [Presentation] 分散低減型モンテカルロ法を用いた気液界面近傍1次元流れの解析 (2018)
  • Author(s): 松本 浩史, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 杵淵 郁也, 高木 周
  • Organizer: 日本機械学会 2018年度年次大会
• [Presentation] Numerical analysis of nonequilibrium gas flows induced by evaporation from two-dimensional nanoscale slit arrays (2018)
  • Author(s): Ikuya Kinefuchi, Zhengmao Lu, Hiroshi Matsumoto, Hiroki Imai, Takuma Hori, Yuta Yoshimoto, Shu Takagi, Evelyn N. Wang
  • Organizer: 71st Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics (APS DFD2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蒸発に伴う非平衡気体流れの解析への分散低減型モンテカルロ法の適用 (2018)
  • Author(s): 杵淵 郁也, 松本 浩史, 今井 宏樹, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 高木 周
  • Organizer: 第32回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 表面拡散効果を考慮した多孔体内の気体輸送のモンテカルロシミュレーション (2017)
  • Author(s): 堀 琢磨, 吉本 勇太, 高木 周, 杵淵 郁也
  • Organizer: 第54回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] 環境制御型走査電子顕微鏡を用いた滴状凝縮の可視化 (2017)
  • Author(s): 杵淵 郁也, 本多 拓哉, 松本 浩史, 吉本 勇太, 堀 琢磨, 茂木 克雄, 高木 周
  • Organizer: 可視化情報シンポジウム2017
• [Presentation] 水の滴状凝縮・蒸発によるカーボンナノチューブ配向膜の構造変化メカニズムの検討 (2017)
  • Author(s): 磯村 浩一, 安 華, 堀 琢磨, 吉本 勇太, 井ノ上 泰輝, 杵淵 郁也, 千足 昇平, 高木 周, 丸山 茂夫
  • Organizer: 日本機械学会 2017年度年次大会
• [Presentation] Si(100)表面における微小水滴の凝縮過程の可視化及び解析 (2017)
  • Author(s): 松本 浩史, 本多 拓哉, 吉本 勇太, 堀 琢磨, 杵淵 郁也, 高木 周
  • Organizer: 日本機械学会 2017年度年次大会
• [Presentation] 多孔質材料内部における毛管凝縮が気体輸送特性に与える影響 (2017)
  • Author(s): 吉本 勇太, 堀 琢磨, 杵淵 郁也, 高木 周
  • Organizer: 日本機械学会 2017年度年次大会
• [Presentation] Capillary Condensation and Its Impact on Gas Transport in Mesoporous Media: A Numerical Simulation Based on the Three-dimensional Structure of Materials (2017)
  • Author(s): Ikuya Kinefuchi, Yuta Yoshimoto, Takuma Hori
  • Organizer: Fourteenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical analyses on the effect of capillary condensation on gas diffusivities in porous media (2017)
  • Author(s): Yuta Yoshimoto, Takuma Hori, Ikuya Kinefuchi, Shu Takagi
  • Organizer: 70th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pore size distribution effect on rarefied gas transport in porous media (2017)
  • Author(s): Takuma Hori, Yuta Yoshimoto, Shu Takagi, Ikuya Kinefuchi
  • Organizer: 70th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • Int'l Joint Research