2020 Fiscal Year Annual Research Report
自己組織的3次元ナノポーラス構造の創製と高性能伝熱面への応用
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19K14918
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
馬場 宗明 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (10711773)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 熱交換 / 伝熱促進 / 微細加工 / 凝縮 / 濡れ性制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノメートルからマイクロメートルスケールの微細構造による超撥水面形成、ならびに超撥水面と超親水面のパターニングによる濡れ性勾配を設けることで、凝縮液滴生成密度や液滴自発跳躍現象、動的な液滴供給・排除を制御し、伝熱面姿勢によらない凝縮熱伝達特性の飛躍的な向上を試みた。反応性イオンエッチングを利用して、シリコンウエハの表面にナノメートルからマイクロメートルオーダの階層ピラー形状形成し、自己組織的3次元ナノポーラス構造との複合的な３次元微細構造伝熱面の創製を試みた。試作したナノ・マイクロ階層構造は超撥水特性や親水特性を有していることがわかった。試作した超撥水微細構造表面を用いた凝縮実験を行い、凝縮液滴・凝縮液膜挙動の観察による自発跳躍現象の臨界直径、液滴直径と跳躍速度の相関関係を調べた。製作したポリカーボネート流路に設置した微細構造面を下面よりペルチェ素子を用いて冷却し、15～20℃、相対湿度50%程度に調整された加湿空気を流入させることで表面に形成された凝縮液滴挙動を観察した。上面からは凝縮液滴の発生・成長・合体現象をマイクロスコープにより観察し、側面からは液滴の自発跳躍挙動や跳躍距離を測定するために高速度カメラでの観察を行った。大きなピラー構造とナノポーラス構造を複数種類形成させ、それぞれの表面に形成される凝縮挙動を観察した。結果として、特定のシリコン微細構造においても、マイクロ構造により液滴ジャンプの動的挙動を制御することで、10～30um程度の微小液滴ジャンプを促進させ、長時間にわたって微小液滴凝縮を持続されることができた。また、マイクロ構造上部の相対的に大きな液滴底部に形成された小さな液滴の急速生成・成長という特異な特性を観察することができた。
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