23 481 平成29年 8 月18日 第58回真空に関する連合講演会で発表
1 京都大学航空宇宙工学専攻（〒6158540 京都府京都市西京区 京都大学桂C3 棟）
Fig. 1 Concept of the stackable Knudsen pump.
23 481 ―( )― Vol. 60, No. 12, 2017 第回真空に関する連合講演会論文集
速
報
温水駆動による積層式 Knudsen ポンプの試作
田村
翔太
1・杉元
宏
1Fabrication of Stackable Knudsen Pump Driven by Hot Water
Shota TAMURA1and Hiroshi SUGIMOTO1
1Department of Aeronautics and Astronautics, Kyoto University, Kyoto daigaku-katsura C3, Nishikyo-ku, Kyoto-shi, Kyoto 6158540, Japan
(Received August 16, 2017, Accepted October 1, 2017)
A stackable Knudsen pump consisting of multistage pump units driven by temperature diŠerence between hot and cold water is fabricated. Each unit has a porous membrane of 64 cm2area, through which thermal transpiration ‰ow, the driving force of the Knud-sen pump, is induced at atmospheric ambient pressure. This study demonstrates the preKnud-sent device facilitates the cascade or parallel connection of multiple pump units to improve performance. For example, a Knudsen pump consisting of 6cascaded units provides a shut-oŠ pressure of 9.2 kPa and a 300 sccm maximum ‰ow rate at the temperature diŠerence of 45 K. The feasibility of the pumping system driven by low-grade waste heats is also demonstrated.
. は じ め に ポンプは産業界の幅広い分野で利用されており，静音化や 長寿命化が強く望まれている．この点で最近注目され始めて いるのが，駆動力として希薄気体の効果である熱遷移流を利 用する Knudsen ポンプである．このポンプは機械的な駆動 部をもたないため，脈動や振動騒音なしで動作する，耐久性 や密閉性に優れている，といった特徴がある．近年では，大 気圧下で駆動する Knudsen ポンプとして，多孔膜を利用し た装置が報告されている1)．また，その応用として，膜を透 過する熱遷移流と圧力勾配による流れを組み合わせることで 二成分混合気体を分離する装置が開発され，有意な濃度変化 を誘起できることが示されている2,3)． Knudsen ポ ン プ に は 多 段 の 直 列 お よ び 並 列 接 続 で 圧 力 差，流量を拡大できるという特性がある．これを利用すれ ば，ポンプ，気体分離といった各目的に応じたシステムが構 築可能であろう．そこで，本研究では，その特性を容易に引 き出すことができる積層式 Knudsen ポンプを試作した．ま た，温度差数十°C程度の温水と冷水を用いて動作させること で，駆動源として廃熱程度の安価なエネルギーが利用できる ことを示す． . 装置の概要 装置の概要を Fig. 1 に示す．本装置は，アルミプレート C, H とそれらに挟まれた多孔膜の組合せ（ユニット）を多 段備えた構造をもつ．冷水，温水を用いてプレート C を冷 却，H を加熱すると，各ユニットの膜の裏表に温度差が生 じる．膜の孔径が大気圧における気体分子の平均自由行程と 同程度であれば，膜を低温側から高温側に透過する熱遷移流 が大気圧下で誘起される．その流れは膜とプレートの間に設 けられた流路によって集められ，ユニットを接続することで 各ユニットを順に通過する気体の流れが発生する． 本装置は，プレートの枚数を増やすことで自由にポンプ性 能を拡大することが可能である．例えば，複数のユニットを 直列接続すれば装置全体で発生する圧力差が増大し，並列接 続すれば装置全体を流れる気体の流量が増大する．また，構 造上低温のプレート C が装置の両端に配置されるため，取 扱上の安全性に優れている，外部への熱の流出を抑えられる といった利点がある． . 実 験 . 実験装置
実験装置の外観を Fig. 2(a)に，構造を Fig. 2(b)に示 す．本装置は文献 3 で用いられた装置の構造を応用したも のである．装置を構成する複数のアルミプレート C, H（120 mm×120 mm×20 mm）は同一の形状を裏表逆に使ったも のであり，その上面と下面にはそれぞれステージ（80 mm ×80 mm×1.7 mm）が設けられている．ステージ上には， Fig. 2(c)に示すように0.5 mm 四方の正方形断面をもつ溝が 平行に70本配置され，気体の流路としての役割を果たす． 溝の両端は，端部に設けられたトレンチを介して装置外部の
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Fig. 2 Stackable Knudsen pump. (a) Overview. (b) Explod-ed view. (c) Ditches and trenches as the gas passage formExplod-ed on the stage of plates. (d) SUS mesh.
Fig. 3 Diagram of the measurement system.
Fig. 4 Performance of a single unit for various DT.
24 482 ―( )― J. Vac. Soc. Jpn. コネクタに通じている．このコネクタ同士を接続することで 複数のユニットを連結する．また，各プレートの内部には直 径8.0 mm の円形断面をもつつづら折り状の流路が設けられ ており，冷水，温水を導入することで一様にプレート C を 冷却，H を加熱する．冷水は外部から供給される20°Cの冷 却水を使用し，温水は温水循環装置（3 kW）を用いて導入 した． 以上の構造をもつプレート C と H のステージの間に多孔 膜（混合セルロースエステル，孔径0.1 mm，厚さ110 mm， 面積80 mm×80 mm）を配置する．膜の裏表は綾畳織金網 （ステンレス，縦線径25mm，横線径15 mm，厚さ50 mm，面 積80 mm×80 mm）でカバーする．この金網は Fig. 2(d)に 示すように平面上に網目の開きをもたない構造をしているた め，気体分子が膜表面に届くまでに熱を受け取りやすくな る．したがって，文献 3 で用いられた金網のように膜表面 を保護することに加え，各プレートの熱を膜表面全体に伝え る役割も果たす．さらに，高真空用グリスを塗布した 2 枚 のゴムパッキン（内寸80 mm×80 mm）を用いて，膜の周 囲を密閉する． . 実験方法 実験の 概要を Fig. 3 に示す ．装置は大 気圧下に 設置さ れ，出口が大気開放されている．まず，装置に冷水（3.0 L/ min/プレート）と温水（4.5 L/min/プレート）を導入し， プレート C, H 間に温度差 DT を発生させる．各プレートの 温度はプレートに設けた穴にそれぞれ K 熱電対を挿入，固 定して測定する．次に，マスフローコントローラ（MFC） を用いて装置に窒素を導入する．窒素の流量を Q＝0～625 sccm の範囲で変化させ，各流量に対するポンプ出入口の圧 力差 Dp を差圧計（Honeywell ASDXRRX001PDAA5, FS : 6.9 kPa）を用いて測定する．以上の実験を，ユニットの数 および接続方法を変化させた装置についてそれぞれ行う．た だし，Dp が差圧計のフルスケールを上回る実験について は，同差圧計を 2 つ使用した．なお，本実験では膜を透過 する流れの Knudsen 数はおよそ0.7であり，熱遷移流の発生 が期待される分子流条件を満たしている． . 結果と考察 まず，単一のユニットを使用し，DT＝0, 22.5, 45.0 K と 変化させた場合についてポンプ性能を測定した．結果を Fig. 4に示す．DT＝0 では，Q＝0 のとき Dp＝0 となる負 の傾きの直線となり，DT を上昇させるとその傾向を保った ままグラフがシフトする．つまり，Q＝0 でポンプに圧力差 が発生しており，その値 DpmaxはDT が 2 倍になるとほぼ 2 倍となっている．これは熱遷移流の効果によるものと考えら れ，本装置が Knudsen ポンプとして動作していることがわ かる． 次に，DT＝45.0 K で固定し，複数のユニットを接続した 装置について実験を行った．Fig. 5(a)は直列接続するユニ ット数を変化させた場合の測定結果を比較したものである． 図の通り，Dp＝0 での流量 Qmaxは変化せず，最大圧力差 Dpmaxはユニット数の増加に比例して増加している．このこ とから，個々のユニットの性能は複数ユニットを接続しても 目立った変化はせず，ユニットの接続数に応じて大きな圧力 差が得られることがわかる．結果として，6 ユニットを直列 接続した装置では，Dpmax～9.2 kPa，Qmax～300 sccm が得
られた．続いて，Fig. 5(b)は 3 ユニットを直列接続した装 置と，その装置 2 組を並列接続した装置の測定結果を比較 したものである．後者の装置では，Qmax～560 sccm が得ら
25 483 Fig. 5 Performance of the multi-unit Knudsen pump for DT＝45.0 K. (a) Pumps in which 1, 3 and 6 units are cascaded, (b) Pumps in
which 3 units are cascaded and in which two 3-cascaded units are connected in parallel.
25 483 ―( )― Vol. 60, No. 12, 2017 の結果より，ユニットの数および接続方法を変更すること で，ポンプ性能を自由に変化させることが可能であるとわか る．また，6 ユニットを使用した装置について，いずれのユ ニットにおいても測定中のDT のゆらぎは±0.2 K の範囲に あり，時間的に安定した温度差を与えられていることがわか る．具体的には，多段構造の両端に位置するユニットでそれ ぞれ DT＝45.0, 44.1 K であり，その他のユニットでは DT ＝42.4～43.6 K の範囲にあった．このとき，装置を通過し た温水，冷水の温度変化から，消費エネルギーは高温プレー ト 1 枚あたり430 W であることがわかった． 最後に，ポンプ性能の経時変化について実験を行った．結 果，6 ユニットを直列接続した装置では，14日経過した時点 でDpmaxは 変 化 し な か っ た が ， Qmaxが 300 sccm か ら 270 sccm に低下した．実験後の分解点検により，ゴムパッキン に塗布したグリスが膜に浸透し有効面積が減少していること が確認された．グリスの変更など密閉方法の改善が望まれる だろう． . ま と め 本研究では，多段構造をもつ積層式 Knudsen ポンプを試 作することにより，ポンプ性能を自由に拡大することが可能 であることを示した．また，温度差数十°C程度の温水と冷水 で動作することを確認し，駆動源として廃熱程度の安価なエ ネルギーが利用できることを示した．本装置は，ユニットを 自由に組み合わせることで，目的に応じた無脈動ドライポン プシステムを構成することができる．この特性は，文献 2, 3 で提案している混合気体分離装置にも有効に応用できるだろ う． 謝辞 本研究は，科学研究費補助金（課題番号 15K05794）によ って行われました．ここに謝意を示します． 〔文 献〕
1) N. K. Gupta and Y. B. Gianchandani: Micropor. Mesopor. Mat., 142 (2011) 535.
2) S. Nakaye and H. Sugimoto: Vacuum,125 (2016) 154. 3) M. Matsumoto and H. Sugimoto: J. Vac. Soc. Jpn.,60 (2017)
