| 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, 熊本高等専門学校(八代キャンパス), 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 / 気体 / 対流熱伝達 / 希薄性 / 高クヌッセン数 / 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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| 研究実績の概要 |
本研究代表者が考案したマイクロビームMEMSセンサの特長は，センサが小さいため熱伝導のみに支配されることにある．そこで，この特長が活かせるセンササイズの限界を明らかにすることを目的として，最終年度の本年度は，センサから周囲への熱伝達に及ぼす自然対流の影響をシミュレーションで明らかにした．長さ：幅：厚さが1：0.1：0.02のセンサを想定し無次元化した基礎方程式を解くことによって，自立薄膜センサが流体中で一様発熱した場合のセンサ温度を求めた．センサ材料は白金または金，流体は空気，水，メタノール，エタノール，トルエンを想定し，センサ長さを代表寸法としたグラスホフ数が10^-7 < Gr < 10^7の範囲でセンサの平均温度を算出し，自然対流がなく熱伝導のみを仮定した場合のセンサの平均温度との比を求めた．その結果，熱伝導のみに支配される限界は，液体の場合にはGr < 5程度，空気の場合には金センサではGr < 10^3，白金センサではGr < 10^4であることが明らかになり，センサの寸法の設計に有用な情報を得ることができた．
本研究全体の成果を総括すると，微小センサから気体への熱伝達に対して表面熱抵抗の考え方を導入することにより，気体の希薄性の影響を気体の種類にかかわらず普遍的，定量的に表すことに成功した．一方，自然対流の影響が現れ始める条件については，シミュレーションにより限界グラスホフ数を求めることができたものの，流体の種類やセンサ形状によらず結果を一般的に表すまでには至らなかったので，これについては研究期間終了後もさらに検討を行っていく予定である．
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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