表面張力の温度依存性を利用したマイクロマシン用アクチュエータの開発

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11555058
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 吉田 英生 京都大学, 工学研究科, 教授 (50166964)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 誠 NTTエレクトロニクス(株), フォトニクス事業本部, 技術部長 ; 齋藤 元浩 京都大学, 工学研究科, 助手 (90314236) ; 堀江 三喜男 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (00126327)
• Keywords: マイクロアクチュエータ / 表面張力 / マランゴニ効果 / マイクロポンプ

Research Abstract

本研究は、液体用アクチュエータ、特に液体搬送用マイクロポンプとして、従来ほとんど類をみない作動原理に基づく方式を、熱流体工学の立場から提案するとともに、その実用化への基礎的な検討を行うものである。すなわち、微小スケールの世界において体積力に比して支配的となる表面力の一つとして、気液界面での表面張力を利用したアクチュエータを対象として研究を行った。
表面張力は温度に依存するので、気液界面に沿って温度こう配を付与できれば、液体を駆動することができる。しかし、微小スケールの世界では熱伝導がよいので自在な温度分布を形成するのは、従来行われてきたようなヒーター設置による方法では困難である。そこで温度分布を制御できる熱電素子の導入を試みた。具体的な例としては、2次元チャネルの壁面に、熱電素子と気液界面を形成する空隙とを、周期的に繰り返して配置するような系を考えた。
本年度は、過去2年間に行った数値解析の取りまとめを行って、2002年8月に開催される国際伝熱会議での論文として投稿した。幸い、2002年3月に最終審査を通過し、発表の運びとなっている。
マイクロポンプの試作については、昨年度に引き続き、熱電半導体としては入手しうる最小の市販熱電モジュールの部品を利用することを考え、一片1mm以下の立方体形の熱電半導体を手作業でアセンブルしなおす技術を確立した。得られた熱電素子の特性もまずまずであったが、若干のばらつきもあったので、流動実験は、市販の熱電素子を並べた状態で行った。可視化による流れ観察の結果、マランゴニ対流に加え、自然対流も生じたため、両者の渦が対になってローラー状の作用をすることがわかった。この結果、全体的にはポンプ作用が生じなかったが、この点は界面形状を制御することによって克服できる見通しである。焼結段階からの熱電素子の製作は、現在も日本冶金株式会社と共同で進行中である。

Research Products

• [Publications] Hideo Yoshida, Motohiro Saito, Hirotake Toda, Rintaro Haraguchi: "Performance Analysis on Micropump System Driven by Marangoni Effect"Proc. 12th International Heat Transfer Conference, Grenoble, France. (2002)