沸騰研究へのMEMS熱計測技術の利用

摘要

沸騰時の時空間平均の熱流束を壁面過熱度に対してプロットする沸騰曲線は，沸騰の熱伝達性を整理するのに有用な特性曲線である．しかし，沸騰熱伝達メカニズムを沸騰曲線のみから抽出することは難しい．沸騰熱伝達メカニズムに迫るには，壁面の局所伝熱量を計測することが有効な手段と考えられており，高速度赤外線カメラや薄膜温度センサを集積したMEMSセンサが代表的な計測ツールである．いずれの計測法でも計測した表面温度を境界条件に用いた伝熱壁内の非定常熱伝導を計算して表面熱流束分布を計測し，局所熱伝達特性を議論していく．MEMSセンサはセンササイズを小さくすることで時空間分解能を上げられるメリットがあり，高速度赤外線カメラと比較して分解能の点で優位にある．一般的なMEMS加工プロセスで，10μm程度の空間分解能，数十kHz程度のカットオフ周波数をもつ沸騰用センサが製作可能である．しかし，センサ設置個所の温度しか計測できないため，センサ配置を工夫しなければ熱伝導解析に足る境界条件が構成できない．一方，高速度赤外線カメラはそのまま境界条件に適用可能な温度“分布”を計測できる強みがある一方で，計測周波数は1kHz程度でMEMSセンサより劣っており，高速に変化する局所温度を正確に計測できているかを検証する慎重さが必要となる．