マイクロヒーター群によって駆動されるマイクロ気泡周囲の熱流体機構

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750168
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 高橋 厚史 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (10243924)
• Keywords: マイクロ気泡 / マイクロチャンネル / マイクロヒーター / 過熱 / 熱毛管現象

Research Abstract

熱流体現象を用いた新しいマイクロアクチュエーターとして、表面張力の不均衡を熱的に与えることで気泡が駆動される現象を利用しようとしている。今年度は二枚のガラス基板をはさむ形で厚さ10ミクロン程度の感光性ポリイミドをパターニングして壁とすることで、幅70〜200ミクロン程度のマイクロ流路を形成し、その中での蒸気気泡の駆動の様子を調べた。ヒーターとしては500ミクロン間隔で直線状に並べられた大きさ50ミクロン程度のニッケル薄膜を液体と接触する形で用いた。ヒーターを各種制御しながら高速度ビデオを用いて蒸気気泡の駆動速度を調べた結果、最も依存性が強いのが気泡サイズであり、サイズが同じ場合は気泡速度はヒーターの温度に依存することがわかった。これは気泡が大きいほど、界面間の距離が大きくなって温度差が付きやすいことが理由と考えている。
またCIP法とレベルセット関数を組み合わせた独自の数値流体コードを開発してマイクロチャンネル中の非凝縮気泡の駆動をシミュレーションすることに成功した。このようなマイクロスケールでの気液界面を有する流体の数値計算コードが完成したことは非常に価値があることである。具体的には、左右の界面の温度による表面張力の違いが、どのように流体の動きに変換されるかが初めて明らかにされたと考えている。さらに、計算で得られる駆動速度は、スリップ条件およびチャンネル壁面と気液界面の接触角に大きく依存することがわかるとともに、今後の数値モデル構築の指針を得ることができた。

Research Products

• [Publications] 高橋厚史: "小さなスケールの熱・流れ現象・気泡を用いたマイクロモーター"ながれ(日本流体力学会誌). 20巻2号. 92-98 (2001)
• [Publications] Ryoji DOIHARA, Koji TAKAHASHI: "Numerical Calculation of Laser-Induced Bubble near a Solid Boundary until the Second Collapse"JSME International Journal. 44・2. 238-246 (2001)
• [Publications] K.Takahashi, H.Sakai, K.Nagayama, A.Baba, K.Makihira, T.Asano: "Vaporization and Nucleation Microheater in Microchannel with Nozzle"AIAA Paper. 2001-3075. 1-6 (2001)
• [Publications] 古賀光, 土井原良次, 高橋厚史: "マイクロチャンネル中での気液界面のダイナミクスに関する数値解析"日本機械学会論文集B編. (印刷中). (2002)