2021 Fiscal Year Research-status Report
3次元マイクロ流路ネットワークの構築による集積熱制御デバイスの研究
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21K03905
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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, 主任研究員 (10711773)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 熱交換 / 伝熱促進 / 微細加工 / 濡れ性制御 / 凝縮 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、マイクロ流路とナノ・マイクロ微細形状を有した3次元マイクロ流路ネットワーク構造による集積熱制御デバイスに関する研究開発を行った。初年度は以下の結果を得た。
(1) 反応性イオンエッチングを利用した微細形状伝熱面加工と当該表面上における凝縮挙動の観察実験を行った。ナノ・マイクロ階層的構造を設けた凝縮伝熱面を提案し、自発跳躍液滴径を20-30um程度まで微小化させるとともに発現頻度を著しく向上させることに成功した。従来の膜状凝縮より1桁以上熱伝達率が高い自発跳躍凝縮を実現させた。また、通常のシラン化処理は加水分解による長期的な不安定性が課題となっていたことから、安定的な表面修飾技術としてF-DLCコーティングを施すことで撥水性を高めた。製作した表面では微細ピラーの上に水滴が乗り、水滴と表面の接触面積が非常に小さいことにより生じるCassie状態となっていることがわかった。
(2)感温性蛍光粒子（Temperature Sensitive Paint、以下TSP）を用いた伝熱面温度および熱伝達率分布の可視化を行った。パルスUV-LEDによる高輝度励起光照射と厚さ3um以下の熱応答性の高いTSP塗膜形成により、TSP計測の時空間分解能を高め、高時間応答性（20kHz以上）と高空間分解能（20um以下）を両立させた沸騰伝熱面温度の可視化計測に成功した。
(3)Si表面にマイクロ流路をエッチング加工し、積層接合することでマイクロ流路デバイスの試作を行った。10-50umのマイクロ流路を形成させたデバイスを製作し、熱制御特性の評価を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、(1)反応性イオンエッチングおよび接合技術を応用した多層接合による集積型熱制御デバイスの製作手法確立と、(2)流路内の熱流動現象に関してナノ・マイクロ階層構造による相変化熱伝達の飛躍的向上や光学的計測手法による熱伝達率分布の定量評価を並行して実施するものである。以下のそれぞれの進捗を示す。
(1)集積型熱制御デバイスの製作については、3次元流路構造を実現する多層積層技術については、流路構造を設けたシリコン表面を原子拡散接合と親水化接合することで製作するための製作プロセスや条件の探索を行った。内部流動観察用の陽極接合ではデバイスを製作することに成功し、次年度の熱特性の評価の準備がおおよそ完了している。
(2)熱流動現象の制御と定量評価については、ナノ・マイクロ構造を有する伝熱面上の凝縮液滴挙動の制御を試みた。伝熱促進のための指針を構築し、成果は国際論文として掲載された。表面処理技術の超安定性にも着目し、表面修飾技術の改善にも着手し、研究成果の実用化も見据えた研究実施を行った。また、熱伝達率分布の定量評価についても、感温塗料の塗布条件やセンシング多層膜構造をマイクロメートルオーダで制御することで、熱的に非常に早い現象である沸騰熱伝達の可視化に成功した。本成果は国際誌への論文投稿に繋げた。本評価技術は、沸騰熱伝達だけでなく、凝縮伝熱面や流路の温度分布評価にも活用することを予定している。
以上のように、本研究課題はいずれもおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
3次元マイクロ流路ネットワークの構築では、初年度に開発したナノ・マイクロ構造を設けた熱制御デバイスを適用することで、微細流路内のマイクロ熱流動現象に及ぼす影響と伝熱促進効果を定量的に調べる。また、初年度に構築した内部流動観察用のガラス積層構造やTSPを用いた熱伝達率の可視化計測技術を活用することで、デバイス内における液供給流路と蒸気拡散流路を熱源配置や、熱伝達向上に寄与する固気液三相界線を効果的に拡大させるための知見を構築する。本デバイスの製作にあたって、産総研およびNIMSの微細加工プラットフォームの各種装置を活用して、研究代表者自身が形状制御を行うことで多様な形状加工を実現する。また、シリコン接合技術については、産総研デバイス技術研究部門の高木秀樹総括研究主幹、松前貴司主任研究員からのアドバイスを受ける体制を整えている。本研究により、次世代半導体の冷却などへの適用を見据えたデバイス開発を進める。
さらに、微細構造による相変化挙動の制御については、従来制御されていた液滴径（20-30um程度）よりも小さい10um以下の液滴挙動の制御のための微細加工と表面修飾技術を開発する。初年度同様に、微細液滴のマイクロスコープ観察に留まらず、初年度に製作した伝熱実験チャンバを用いて、長期的な伝熱実験を実施し、凝縮液滴挙動に伴う伝熱促進効果を適量的に明らかにする。また、表面処理技術の長期的な安定性も重視し、F-DLCによる撥水面化などの新規な表面処理技術も積極的に導入することで、実用化研究も並行して実施する。F-DLC成膜については、微細な凹凸構造全面への成膜が課題であることから、必要となる10um以下の微細構造表面への成膜条件を見出すための試作検討を行う。
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| Causes of Carryover |
微細加工のための供用設備利用時間の調整が十分でなく、そのほかの利用料金の支払いとその他経費（物品費）の調整が十分でなく、2円の差額が生じた。2年度目も同様に供用設備の利用を予定しているため、事前に利用時間計画を十分に検討してから実施することで余剰金が生じないように対応する。
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