| 研究課題/領域番号 |
21H01263
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 熊本高等専門学校 (2022-2023)
九州大学 (2021) |
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研究代表者 |
高松 洋 熊本高等専門学校, 八代・熊本キャンパス, 校長 (20179550)
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| 研究分担者 |
藏田 耕作 九州大学, 工学研究院, 教授 (00368870)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2022年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2021年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
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| キーワード | 微小伝熱面 / 熱伝達 / 気体希薄性 / 高クヌッセン数 / 自然対流発生限界 / 熱伝導支配 / 気体 / 対流熱伝達 / 希薄性 / 自然対流 / 対流発生限界 / 熱伝導 / マイクロ伝熱 / スケール効果 / 気体への熱伝達 / 微小物体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
MEMSセンサが様々な用途で用いられるようになって久しいが，発熱体として気体中で用いられる場合，センササイズが分子の平均自由行程のオーダーに近づくと希薄性の影響が現れるようになる．また，センサが小さくなると自然対流の影響を受けず熱伝導のみに支配される．したがって，用途に応じて最適なセンサの大きさを決定するには，その境界を明らかにしておく必要がある．本研究では，微少液体サンプルの熱伝導率測定のために考案したマイクロビームMEMSセンサを用い，微小伝熱面から気体への熱伝達に関するミクロとマクロの境界，すなわち気体を連続体として取り扱える境界，および自然対流の影響を受けない境界を明らかにする．
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| 研究成果の概要 |
本研究は，ビーム状の自立薄帯を流体中で加熱して流体の熱伝導率を測定するマイクロビームMEMSセンサの設計への応用を直接的な目的とし，センサから周囲流体への熱伝達に及ぼす気体の希薄性の影響および自然対流の影響を明らかにするため実験および数値シミュレーションを行った．その結果，センサ幅を代表寸法としたクヌッセン数がKn < 0.033なら希薄性の影響が現れないこと，センサ長さを代表寸法としたレイリー数がRa < 10なら自然対流の影響を受けずに熱伝導のみに支配されることが明らかになった．
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
熱伝達に及ぼす気体の希薄性および自然対流の影響を明らかにしたことは，MEMS応用技術の開発という応用の観点で重要である．しかし，それ以上に，これまで伝熱分野であまり想定されていなかったスケールの微小伝熱面から気体への伝熱におけるマクロとミクロの境界，すなわち気体を連続流体として取り扱える範囲がKn < 0.05であり，従来から流体力学的観点からの限界値（0.01）と同じオーダーであることを実験的に明らかにした点の学術的意義が大きい．また，自然対流の影響を無視し，熱伝導のみを仮定してよい限界がRa < 10であることを示した点も学術的に大きな意義がある．
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