2019 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of rarefied gas flows induced by liquid evaporation from nanoscale pore arrays and its application to cooling devices
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17H03172
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杵淵 郁也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30456165)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 液面から蒸発する気体分子の速度分布計測
液面から蒸発する水分子を分子線として抽出し、飛行時間法により速度分布を計測する実験系の構築に取り組んだ。真空雰囲気中で液面を安定して保持するために、直径約500ナノメートルの細孔が格子状に多数配列された細孔アレイ薄膜の利用を検討した。細孔アレイ薄膜は、SOI (silicon on insulator)基板に対して微細加工プロセスを適用して作成した。毛細管現象により細孔内に液水が供給され、細孔出口で接触線がピン止めされることにより、液面の安定的な保持が実現される。細孔膜の厚さを1マイクロメートルまで薄化し、蒸発により細孔内の液水に誘起される流速と、水に含まれる不純物の拡散速度を釣り合わせることで、気液界面への不純物の蓄積を抑えられることを確認した。さらに、細孔膜の裏面に脱気水を供給する循環流路機構を作成し、本機構を用いた実験により、真空容器内で気液界面を長時間安定的に保持できることが実証された。さらに、光の干渉を利用した計測から、液面が細孔膜の出口付近に保持されていることも確認した。
(2) 液面近傍のナノ・マイクロスケール非平衡気体流れの数値解析
モンテカルロ直接法および分散低減型モンテカルロ法を用いて、二次元スリット状細孔からの液体の蒸発に伴う非平衡気体流れの解析を実施し、細孔形状や液面の形状・位置が蒸発流束や蒸気温度に与える影響を定量化した。細孔寸法が気体分子の平均自由行程程度の場合には、蒸発流束は蒸発・凝縮係数が細孔の開口率と等しいとした一次元クヌッセン層解析の結果に一致することが分かった。一方で、細孔寸法が大きくなると、蒸発流束は質量・運動量・エネルギー保存則を考慮した巨視的モデルに漸近することが確認された。以上の結果を整理することで、細孔表面からの液体の蒸発流束、蒸気温度を予測することが可能になった。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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