ヒト血管系由来のネットワーク型対流伝熱機構の数理モデル構築

• 研究課題/領域番号: 21H01262
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分19020:熱工学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 巽 和也 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90372854)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2023年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2021年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)
• キーワード: サーモリフレクタンスイメージング / ナノワイヤネットワーク / マイクロ流路 / 電流と接点抵抗 / 粒子流れ / 沸騰 / 確率論 / サーモリフレクタンスイメージング法 / 節・接点の抵抗 / 粒子・気泡充填 / 流路閉塞 / 対流伝熱 / ネットワーク構造 / ヒト血管系 / 人体熱学 / 熱交換 / TRI法 / 分岐・合流 / 温度計測 / ナノワイヤ / エレクトロマイグレーション / 熱交換器 / ナノ・マイクロ現象 / 決定論 / 数値解析 / ネットワーク構造体 / 血管網 / 人体熱工学

研究開始時の研究の概要

ヒト体温（深部体温）は高い精度で一定温度に制御されることを我々はよく知っている．工学の分野でも，物体の加熱・冷却と温度制御は重要な課題であるが，本研究では血管系の血流の対流伝熱による体温制御機能を基にして，ネットワーク構造を有する流路の対流伝熱により，物体内の熱と温度を高い効率，安定性，信頼性で制御できる技術の実現に向けて，数理モデルの開発と設計指針の提示およびマイクロ流路と流速・圧力・温度の計測に基づく実験と数値解析的検証を行う．この開発した数理モデルと対流伝熱に関する技術を活用することで，ヒト血管系による人体の温度制御機構の解明と熱機器の冷却や熱交換器への応用と新しい指針の提示に挑戦する．

研究成果の概要

サーモリフレクタンスイメージング法に基づくナノスケールの温度計測技術を構築し，その技術と数値計算を組み合わせることにより，ナノワイヤネットワークの電流経路と接点抵抗分布および発熱・温度・伝熱特性を明らかにした．そして分布と全体特性について確率論に基づいた電流・伝熱の数理モデルを開発した．ネットワーク流路では，流路閉塞と沸騰による流動・圧力損失・伝熱特性への影響を検討し，現象理解と数理モデルの開発には決定論と確率論の両方を考慮する必要があることを示した．これらの知見とモデルをヒト血管系の流れと輸送特性に適用し，血管分布と伝熱特性の解明を進めている．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題では熱機器における伝熱・流れの現象を考えるときに決定論的解法に確率論的「事象」と「ゆらぎ」の概念を加えることで，空間および時間軸にわたり現象の理解と解析の精度を高めている．電子デバイスで用いられるナノワイヤネットワークの電流・温度・接点抵抗・伝熱の分布の計測に成功し，電流・熱の経路の生成の特性解明と数理モデルの開発を行った．また，マイクロ流路での確率事象である流路閉塞や沸騰を伴う場合の流動・伝熱の時間発展特性を調べ，確率論に基づく解法と大きく異なることを示し，決定論と確率論の連成解析が必要であることを示した．これらの知見と技術をもとにヒト血管流れでの解析とモデル化を進めている．

研究成果

• [雑誌論文] Increase of one-to-one particle encapsulation yield using dielectrophoretic alignment technique with boxcar-type electrodes (Translated) (2024)
  • 著者名/発表者名: MABUCHI Kenichi、TATSUMI Kazuya、KURIYAMA Reiko、NAKABE Kazuyoshi
  • 雑誌名: Mechanical Engineering Journal 巻: 11 号: 2 ページ: 23-00524-23-00524
  • DOI: 10.1299/mej.23-00524
  • ISSN: 2187-9745
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monolithic topological honeycomb lens for achromatic focusing and imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhu Wule、Duan Fang、Tatsumi Kazuya、Beaucamp Anthony
  • 雑誌名: Optica 巻: 9 号: 1 ページ: 100-100
  • DOI: 10.1364/optica.441670
  • 査読あり
• [雑誌論文] Boxcar型電極を用いた誘電泳動整列技術による１粒子１液滴封入の高収率化 (2022)
  • 著者名/発表者名: MABUCHI Kenichi、TATSUMI Kazuya、KURIYAMA Reiko、NAKABE Kazuyoshi
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集 巻: 88 号: 905 ページ: 21-00300-21-00300
  • DOI: 10.1299/transjsme.21-00300
  • NAID: 130008144344
  • ISSN: 2187-9761
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extreme deformability of insect cell membranes is governed by phospholipid scrambling (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiomi A., Nagao K., Yokota N., Tsuchiya M., Kato U., Juni N., Hara Y., Mori M.X., Mori Y., Ui-Tei K., Murate M., Kobayashi T., Nishino Y., Miyazawa A., Yamamoto A., Suzuki R., Kaufmann S., Tanaka M., Tatsumi K., Nakabe K., Shintaku H., Yesylevsky S., Bogdanov M., Umeda M.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 35 号: 10 ページ: 109219-109219
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109219
  • NAID: 120007052731
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two-dimensional fluid viscosity measurement in microchannel flow using fluorescence polarization imaging (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuriyama Reiko、Nakagawa Tomotaka、Tatsumi Kazuya、Nakabe Kazuyoshi
  • 雑誌名: Measurement Science and Technology 巻: - 号: 9 ページ: 095402-095402
  • DOI: 10.1088/1361-6501/abeccb
  • 査読あり
• [学会発表] Current and Heat Transfer Paths in Random Network Structure (2024)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Tatsumi
  • 学会等名: 6th International Symposium on Heat Transfer and Energy Conservation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of Current Flow Path and Temperature Distribution of Ag-Nanowire Network Using Thermoreflectance Imaging (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Sugihara, R. Umemura, K. Tamai, R. Kuriyama, K. Tatsumi
  • 学会等名: The 33rd International Symposium on Transport Phenomena
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of Temperature Effects on Void Generation in Electromigration Using Thermo-Reflectance Imaging (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Tatsumi, K. Araki, K. Tamai, R. Kuriyama, K. Nakabe
  • 学会等名: The 17th International Heat Transfer Conference, IHTC-17
  • 国際学会
• [学会発表] Deterministic and Stochastic Modeling of Clogging Effects on Flow in Lattice-shaped Microchannel (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Hatta, R. Kuriyama, K. Nakabe, K. Tatsumi
  • 学会等名: ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2023 AJK FED2023
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of Joule Heating Characteristics in Nanowire Networks Measured by Thermoreflectance Imaging Method (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Tamai, Y. Sugihara, K. Tatsumi, R. Kuriyama, K. Nakabe
  • 学会等名: 8th Thermal and Fluids Engineering Conference (TFEC)
  • 国際学会
• [学会発表] 局在表面プラズモン共鳴励起増強蛍光を利用した蛍光偏光型液体温度計測ナノプローブの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村田貴彬，巽和也，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
• [学会発表] TRI法を用いたエレクトロマイグレーションにおけるボイド成長への動作温度の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中康寛，荒木謙吾，玉井莞爾，巽和也，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 日本機械学会第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
• [学会発表] 通電加熱した銀ナノワイヤ群の発熱分布と伝熱特性の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 児玉将規，玉井莞爾，杉原悠太，巽和也，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2022
• [学会発表] 熱変形を伴う銀ナノワイヤに関するTRI法を用いた温度計測の高精度化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉原悠太，玉井莞爾，児玉将規，巽和也，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2022
• [学会発表] 多焦点式複眼レンズによるジェル型温度センサーの測定可能距離の拡張 (2022)
  • 著者名/発表者名: 桑島良統，巽和也，ブカン・アントニー，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 第59回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] ナノワイヤ群のジュール発熱分布に与えるワイヤ数密度の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 玉井莞爾，児玉将規，巽和也，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 日本機械学関西支部第97期定時総会講演会
• [学会発表] Alignment and Timing Control of Particles in Microchannel Flow Using Dielectrophoretic Force (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Tatsumi
  • 学会等名: The 2nd Asian Conference on Thermal Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Measurement of Near-wall Microparticles Motion Under the Influence of Radiation Pressure of Evanescent Field (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Inoue, R. Kuriyama, K. Tatsumi and K. Nakabe
  • 学会等名: Joint Meeting of the European Society for Clinical Hemorheology and Microcirculation, the International Society for Clinical Hemorheology, the International Society of Biorheology
  • 国際学会
• [学会発表] Toward 100% Yield of One-to-One Particle Encapsulation Using Dielectrophoretic Particle Alignment Technique (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Tatsumi, K. Mabuchi, R. Kuriyama, K. Nakabe
  • 学会等名: 7th Micro and Nano Flows Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 銀ナノワイヤ群のジュール発熱と温度分布に関する2次元TRI計測と数値解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 児玉将規，玉井莞爾，巽和也，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 日本機械学会第12回マイクロ・ナノ工学シンポジウム2021
• [学会発表] 2次元TRI法によるAl配線のマイグレーションと温度分布の関係の可視化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒木謙吾，玉井莞爾，巽和也，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 日本機械学会熱工学コンファレンス2021
• [学会発表] 2次元 TR計測によるナノワイヤ群のジュール発熱による温度分布と通電経路の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 玉井莞爾，児玉将規，巽和也，栗山怜子，中部主敬
  • 学会等名: 日本機械学会年次大会2021