噴流のマイクロ化による熱流動特性の遷移に関する実験的研究

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マイクロスケールにおいては,流体が連続体であると仮定して展開されてきた既存のマクロスケールの伝熱技術をそのままで適用することはできない.マクロスケールにおいて高効率冷却法としてしばしば利用される噴流においても,それがマイクロ化した場合には特別な注意を要する可能性がある.本研究はマイクロ衝突噴流によるピンポイント冷却を念頭に置いたマイクロ噴流を取り上げ,それに及ぼす流体の圧縮性,希薄性の影響を実験的ならびに数値解析的に明らかにすることを目的とする.ステンレス製キャピラリーチューブ,単結晶シリコンエッチング板,ステンレス製極薄膜に放電加工したもの等を利用して,流れ方向長さや断面形状,断面水力直径の異なる噴流ノズルを製作した。製作に際しては,とくに切削端面やその近傍の流路形状の変形,削りくずの付着などを顕微鏡で検査し,その中から実験に適する噴流ノズルを選別した.また,精密調圧器,微差圧計を流路に組み込んで実験装置を完成させた.作動流体は窒素,アルゴン,ヘリウムである.ノズル前後の圧力比を変化させてノズル通過流量および壁面摩擦係数を測定し,マクロスケールの噴流ノズルを用いた場合の結果と比較した.一般的性質は前年度までに得られているが,ノズルの種類,特にノズルの流れ方向長さが結果に与える影響は大きく,また長いノズルの場合には同程度の長さであっても必ずしも実験結果が一致しないなどの現象が見られた.ノズル内壁面の表面粗さが一因であるとの予想から,シリコン基板にドライエッチングを複数回行うことにより,チャネル底面に規則的な凹凸面をもつマイクロ流路を作成し,凹凸が流動場に与える影響について検討した.その結果,通常スケールでは流れに影響を与えないと言われている条件(レイノルズ数,相対粗さ)であっても,マイクロスケールではその影響が顕著に現れ,凹凸部高さの増大と共に摩擦定数も大きくなることなどが明らかになった.