2020 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of innovative desktop trace gas concentrator by molecular exchange flow
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18K03926
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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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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 気体膜分離 / 廃熱利用 / 同位体分離 / 多孔膜 / 希薄気体 / 熱遷移流 / 球面配置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 多孔膜で生じる分子交換流を利用した混合気体分離装置の実験的研究を進めた．多孔膜面積は1800平方cmとなり, 十分な予定である，多項膜間の漏れのため十分な試験結果が現状得られていない．実験の遅れを考慮し，研究期間終了後も改良継続して研究する．
(2) 本研究で取り組む気体分離装置の駆動源は，多孔膜表裏間の温度差が微細孔中の分子気体に生み出す熱遷移流である. 前年度の研究により，熱遷移流の強度は素材よりも流路形状に依存することが明らかになった．Michigan大学のグループが作成したMEMS装置で生じる熱遷移流では, 流路形状を完全に模擬した希薄気体解析が実行可能であることに着目し，直接シミュレーション・モンテカルロ(DSMC)解析によってポンプ性能を再現する研究を実施した．従来，実測される熱遷移流は解析結果の30-40%程度であり，装置設計には適当な実験定数を設定する必要があったが，今回の結果では素材表面の分子反射の適応係数を設定するだけで複数の実験結果を矛盾なく再現できる．
(3) DSMC法による確率論的解法は，分子気体の実用解析のほぼ唯一の選択肢だが，非常に計算負荷が高い．この問題に対し，全球表面の平均を高精度に求める球面配置の理論が，分子気体力学の解析に有効に利用できることを見いだした．この成果を利用すれば，気体分離装置に代表される3次元流路内部の希薄気流の数値解析を数桁高速化できる(2021年度発表予定)．
(4) 熱遷移流を発生させる新しい仕組みを考案した．物質表面の分子反射の適応係数を周期的に変化させた面を，高温壁面に接触しないように近づけると, 面に平行な方向に熱遷移流が発生する．現在(1)で採用している方法は，実験的に実現は容易だが，膜内部の流路形状の制御に困難がある．本提案では流路を微細加工技術で安価に作成できる可能性がある(2021年度発表予定)．
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