2016 Fiscal Year Research-status Report
マイクロチャンネルの気体分子交換効果を利用した新しい工学デバイスの開発
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15K05794
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
杉元 宏 京都大学, 工学研究科, 講師 (50222055)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 分子流体力学 / 膜分離 / マイクロ流 / 省エネルギー / 廃熱利用 / 希薄気体力学 / 熱遷移流 / クヌーセンポンプ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に作成した，分子交換流を利用した気体分離装置を用いた実験を進めるとともに，得られた知見を元に新しい装置の設計・製作を進めた．
①混合気体分離実験：気体分離装置を構成するのは，3 x 3 cmの混合セル ロースエステル薄膜（孔径0.1ミクロンの汎用濾紙）に30度程度の温度差を与えて稼働する熱駆動ポンプ（クヌーセンポンプ）である．この装置に市販のダイアフラムポンプを組み合わせると，クヌーセンポンプ内で分子交換流を発生させ，混合気体の分離を行うことが可能となる．実験では，2台のクヌーセンポンプを用いて，年産1 kg弱の流量で供給されるHe-Ne混合気体を，最大8%の濃度差を持つ2種の気体に分割することができた．これは，分子交換流を用いて混合気体の重い成分を濃縮することに成功した，初めての結果である．なお，代表者の前研究(課題番号23560196)と同様，軽い成分も同時に濃縮しており，この実験結果は，分子交換流によって混合気体を完全分離できることを示している．この成功を踏まえ，装置能力の改善を目指して様々な装置パラメータについて気体分離性能の評価試験を行なった．今回の装置で得られた最大の濃度差は，上に述べた通り8%であるが，装置構造の改善により拡大可能であることが示された．また，ネオンが複数の安定同位体の混合物であることを用いて装置内部の3成分混合気体の挙動についても調べ，本装置が同位体分離にも応用できることも確かめた．
②新装置の設計・製作：本手法で得られる気体分離能力は膜面積に比例するが，上記の試験装置は薄膜サイズが小さいため，本手法で期待できる高純度ガス精製能力, 微量ガス収集能力, 濃度増幅効果を確認することが難しい．そこで，膜面積を容易に増加可能な，積層型装置の開発に取り組んだ．今年度内には，装置が熱駆動ポンプとして稼働することが確認された（2017年8月に発表予定）．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度に試作し，本年度【研究実績の概要】の①項で述べた装置では，多孔膜に沿った流路の抵抗が非常に大きく，その性能に著しい個体差があるために，大規模装置への発展に困難が予想された．しかし，これらの問題点は【研究実績の概要】の②項で開発した装置により，解決された．新しい設計では，多孔膜に沿った流路抵抗は10%以下に減少した．構成素材は全て量販されている汎用品であり，誰でも容易に均一な性能を有する装置を作成することができる．クヌーセンポンプとしての高い能力から，混合気体分離への応用試験が効率よく実施できるだろう．このことから，本研究の進展状況を(2)おおむね順調，と評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，本年度【研究実績の概要】の②項で述べた新装置を，大型のクヌーセンポンプとして完成させる．使用する膜面積は，現在の18 cm^2から400～1000 cm^2に増加する予定である．本装置は温水駆動であり，大気圧下で①無振動・脈流なし②完全密閉③無電力で動作する，特異なドライガスポンプとなるだろう．研究期間内に, 最大差圧 10 kPa，最大流量 0.3 L/min 以上の市販品レベルの能力を持つポンプが実現できると思われる．この装置は，配管の交換により，混合気体の分離装置となる．この装置を用いて，本研究で提案する混合気体分離法の(i) 高純度ガス精製能力, (ii) 微量ガス収集能力, (iii) 濃度増幅効果, (iv)同位体分離能力, について順次実験的研究を進める．本手法と，他の混合気体分離法との違いは，本手法は気体の化学的性質に依存しない点である．任意の混合気体・同位体を分離・濃縮可能な，汎用混合気体分離装置の実現を視野に入れて研究を進める．
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| Causes of Carryover |
【研究実績の概要】で述べたように，新設計の装置を構築中である．この装置は規模拡大が容易であるが，規模を拡大する際に，拡大した部分の設計では微細な調整を行なった方が良い可能性がある．そこで，まず装置の一部分で実際に運転を行い，その結果に応じて拡大部分の製作を行うべきであると判断した．このため，拡大部分の製作費を次年度に使用することとした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
最終年度には，前年度の残額を合わせることにより，十分な規模の試験装置を製作できる．その装置を用いて，本手法で期待できる (i) 高純度ガス精製能力, (ii) 微量ガス収集能力, (iii) 濃度増幅効果, を確認する実験を行う予定である．
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| Remarks |
第57回真空に関する連合講演会において，優秀ポスター賞を受賞
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