The boundary between micro and macro in heat transfer from micro-bodies to gases

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長さ9.4ミクロン，幅0.4ミクロン，厚さ40ナノメートルの白金薄膜マイクロビームセンサを恒温槽内に設置した密閉容器に封入した気体中で通電加熱しセンサ温度を測定した．実験は，アルゴン，窒素，ネオン，ヘリウムの4種類の気体に対して圧力0.1 mPa～1 MPaの範囲で行った．センサの温度上昇は圧力の低下すなわち真空度の上昇とともに大きくなり，希薄性の影響が現れた．センサ温度上昇の解析値（予測値）と測定値の比をクヌッセン数Knの逆数（代表寸法：センサ幅）に対して示すと，希薄性の影響が現れ始める限界は明らかになったが，温度上昇にはセンサ部の温度上昇に加え希薄性の影響を受けないと考えられるセンサ根元のオーバーハング部の影響も受けるという問題の解決が必要となった．そこで，希薄性の影響をセンサと気体の間の界面熱抵抗，すなわち表面熱抵抗として取り扱うことにし，この表面熱抵抗をパラメータとした熱伝導シミュレーションを行った．そして，各気体に対するセンサ温度と表面熱抵抗の関係を用いて，温度上昇の測定値と一致する表面熱抵抗を各実験に対して決定した．その結果，解析に用いた無次元表面熱抵抗Aが気体の種類に依らず圧力の低下とともに上昇するという結果が得られ，希薄性の影響を定量的に表すことができた．さらに，表面熱抵抗と気体の熱伝導抵抗の比に相当するKA（Kは流体とセンサの熱伝導率比）をKnの逆数に対して示すと，気体の種類にかかわらず一つの曲線で表せることが明らかになり，自立薄膜センサから気体への熱伝達に及ぼす希薄性の影響を，普遍的，定量的に表すことに成功した．