熱ほふく流を用いたKnudsenポンプの相似則の解明と流動解析に関する研究

2022 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19K04190
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分19010:流体工学関連
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 松本 裕昭 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (10251753)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 希薄気体流れ / 熱誘導流れ / 熱ほふく流 / Knudsen ポンプ / 流れの相似則 / DSMC / 速度すべりと温度ジャンプの条件

研究成果の概要

熱ほふく流によって作動するKnudsen pumpの性能を10Paの低圧条件で実験的に調べ，数値解析により熱ほふく流とポンプ性能の関係を調べた。またシステムをマイクロスケール領域に適用するための相似則について検討した．実験よりポンプ効率はKn=0.1の時に最大になり，最大効率を与える最適な素子間隔のあることが確認された。また数値計算により素子にポンプ作用のあることが確認された。Al-Ga-AsとGa-As-Siからなる半導体を常圧で作動するポンプに適用することを想定しミクロとミリスケールのシステムの数値解析を行い，Knudsen数と温度勾配を一致させると相似則が成り立つことを確認した．

自由記述の分野

流体工学

研究成果の学術的意義や社会的意義

熱ほふく流れを利用したポンプシステムが，ペルチェ素子を複数枚並べるといった単純な構造で作成できることを確認し，その性能を実験と計算により検討した。ポンプ効率と希薄度，最適な素子間隔などを実験と数値解析により明らかにした。近年提案された，Al-Ga-AsとGa-As-Siからなるミクロスケールの半導体を常圧下で稼働するKnudsenポンプに適用するために，常圧下と低圧下でのシミュレーションを行い，Knudsen 数と駆動部の温度勾配を一致させると流れ場が相似になることを示した．