蒸発と凝縮が混在するマイクロスケール閉鎖系の伝熱特性の解明

• 研究課題/領域番号: 19K15414
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分28050:ナノマイクロシステム関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 塚本 貴城 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70646413)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 微小領域熱計測 / 熱流束計測 / MEMS / 熱ダイオード / 熱流束測定 / 感温塗料 / マイクロスケール伝熱 / 高分解能熱計測

研究開始時の研究の概要

本研究では,これまでは直接的な観測が困難であった,マイクロメートルスケールで蒸発面と凝縮面が対向している閉鎖系の熱状態を測定する方法を確立し,そこで起きている伝熱現象を明らかにすることを目的としている。このような伝熱現象を詳細に理解するためには，局所的温度と局所熱流束を同時に測定する必要がある。そこで，温度に依存した傾向を発する感温塗料を応用した，高い空間分解能を持ち，かつ温度と熱流束を同時に測定可能な薄膜型デバイスを開発し，これを用いて，このような微小領域の熱現象を可視化する。

研究成果の概要

本研究では、熱ダイオード、マイクロヒートパイプ、マイクロベーパーチャンバーなどの、マイクロ熱デバイスの開発において重要となる、微小領域での熱計測手法を開発した。２種類の感温塗料と、パルス励起を組み合わせることで、面内の温度分布と、面外方向の温度差を微小領域において測定する方法を考案し、感温塗料の発光特性、および、温度測定精度を向上させるための方法を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で得られた結果から、感温塗料の温度感度はマイクロメートル程度の微小領域では一定ではなく、分布を持っていることがわかった。また、この温度感度が発光強度と相関を持っていることもわかった。また、この知見をもとに、温度感度のばらつきを補正する方法を考案した。これらの成果は、この手法をマイクロデバイスの熱計測に応用する際に、測定精度を向上させるために重要な技術である。