教授着任講演会
2024年7月16日

ナノ・マイクロ熱流体デバイスによる熱工学での新分野展開

巽 和也
機械工学系

Kyoto Institute of Technology

伝熱工学・熱流体工学

Kyoto Institute of Technology

熱伝導

対流熱伝達

熱ふく射

流れ
熱流束
熱流束
熱流束

黎明期：1930～40年代
輸送・エネルギー
コンピュータ電子デバイス
E. K. W. Nusselt (1882‒1957)
L. Prandtl (1875-1953)
J. B. J. Fourier（1768-1830）

E. Eckert (1904-2004)

Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

L. Boltzmann (1844‒1906)
2/1２熱物質移動のスケール

Kyoto Institute of Technology

研究活動

熱流体現象・機器
Mm

乱流Cold
Heat

kmm

Heat

Hot

熱交換器・乱流プロモータ―

燃焼器・分散電源
伝熱・冷却
反応・燃焼制御

燃料改質反応領域・反応速度の制御

層流mm
高分子µm

Flow

100µm

熱流体デバイス
伝熱促進
物質輸送・生体20µm

Re=0.001

粘弾性流体

固液混相流・細胞変形

nm10μmKaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

ナノ伝熱/界面科学
半導体デバイス
ナノワイヤ
計測技術
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ナノ・マイクロ熱流体デバイスによる熱工学での新分野展開

kmmmm

Kyoto Institute of Technology

体積力 < 面積力

∝ m3

∝ m2

慣性力 < 粘性力µm

界面張力
表面流束nm帯電現象
表面科学

Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

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ー 創る ー 伝熱制御技術とデバイス開発

Kyoto Institute of Technology

T

対流熱伝達制御

vortexq（１）界面近傍の温度勾配の増大（２）流れ場の制御

q
Tw

微小スケールでは，体積力 < 面積力q

慣性力 < 粘性力

流れの層流化が起こる．
流路形状の開発による流動・伝熱制御（従来手法）
Cold► 粘弾性流体の開発► 流路の最適化
Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

HeatHot
Heat

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微小スケールでの伝熱・物質輸送促進技術

Kyoto Institute of Technology

対流熱伝達制御（１）界面近傍の温度勾配の増大► 粘弾性流体の開発

粘性＋「弾性」! 流体► 流路の最適化

流れの曲率の設定

γ yx
γ yx
高分子・ミセル混合流体

τ yx

Average Nusselt
number: Num
伝熱効率（２）流れ場の制御

20µE

16Re = 1
ND = 0.65mm

Viscoelastic
粘弾性流体
Newtonian
水128３倍 促進

40050

100

150

200

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number :Wi
ミリ・マイクロ流路での流体攪乱 Weissenberg
流れの粘弾度 微小流路・低速流れでも流体攪乱により伝熱促進が可能
Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

マイクロ流体デバイスを用いたマイクロ熱物質移動の制御

Kyoto Institute of Technology

マイクロ流体デバイスの開発►超小型・高速・簡便な次世代の高度分析装置►スケール効果を活用した新しい技術の開発と高精度化・高信頼性化を実現
細胞培養装置𝐷𝐷 𝐹𝐹⃗

蠕動運動ポンプ

血球変形能センサ
Flow

5μm

せん断力10µmセンサ電極∆𝑃𝑃 𝑈𝑈
100μm
Flow

𝐹𝐹⃗ 𝐸𝐸 𝑈𝑈

分取技術

位置決め⋅整列技術
回収

排除
Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

𝐹𝐹⃗ 𝐸𝐸 𝑈𝑈 𝜎𝜎

Flow100 µ mInlet

Boxcar-electrodes

𝐸𝐸 𝐹𝐹⃗ 𝑍𝑍

液滴カプセル封入技術

Particles

Droplet7/1２

マイクロ流体デバイスを用いたマイクロ熱物質移動の制御

Kyoto Institute of Technology

マイクロ流体デバイスの開発►超小型・高速・簡便な次世代の高度分析装置
位置決め・整列技術
Flow

100 µ mInlet

Boxcar-electrodes

粒子・細胞の液滴カプセル化

Particles

Droplet1.0

打率 100% の流れピッチングマシーン
ー 位置・間隔・タイミングの制御 ー

制御なし
本技術
Poisson dist.
λ=0.70.8F(n)確率Flow

カプセル化収率

0.6

収率100%

0.40.2

 時間・空間の両軸を制御して１細胞解析性能の向上
Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

0.0

不良率0%
０１２３４n
液滴内の粒子数8/1２

マイクロ流体デバイスを用いたマイクロ熱物質移動の制御

Kyoto Institute of Technology

単一血球の運動から血流での(熱)物質輸送►マイクロ流体デバイスを用いた計測► 血球の運動と輸送► 壁面での物質輸送

壁で血栓ができる!

H

血小板
接着 活性化 物質放出yx

► 医療・生物学的背景
治療・検査・血栓予防と体温管理

物質伝達

血栓繊維

(２)流路内の血球分布 (３)壁での物質拡散と血栓形成

流れ

血栓繊維
流れ20µm

実験モデル

流れモデル
主流方向位置 x

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流路壁

9幅方向位置 y(１)リンパ球の変形特性計測

コラーゲン層/1２

ー 診る － 新たな知見を得るための計測技術の開発

Kyoto Institute of Technology

ナノ・マイクロスケール計測技術の開発►流体の温度・粘度►流体の電場►界面近傍計測►固体表面温度

蛍光偏光法
2粒子PIV計測法
エバネッセント場内蛍光偏光法
サーモリフレクタンスイメージング法

蛍光偏光法に基づく温度・粘度計測技術
蛍光偏光解消機構
励起光𝑘𝑘

マイクロ流路の温度計測

蛍光O
𝜋𝜋−2

�

𝐼𝐼// = 𝐼𝐼 𝜃𝜃 = 0𝐼𝐼⊥ = 𝐼𝐼 𝜃𝜃 = π⁄2► 分子の回転ブラウン運動 （温度・粘度と相関）► 照射光強度に依存しない計測技術
Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

𝜋𝜋2► 流体・固液界面の温度計測► 塗布型生体センサに実装
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ー 診る － 新たな知見を得るための計測技術の開発

Kyoto Institute of Technology

サーモリフレクタンスイメージング法► 固体表面の反射率を利用したナノスケール2次元高時間分解温度計測技術► 計測装置の実用化と有効性を実証► 「時間・空間の両軸」での現象を連動して解明

I0

ナノスケール伝熱現象の解明► 半導体デバイスのエネルギー問題の解決► ナノワイヤネットワークの伝熱機構の解明
Au線ジュール発熱 ボイド形成と温度

Ir

ナノワイヤの温度分布
20μm

20µm

10μm
Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日

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ー 知る －現象の理解と制御するための数学・物理的解法

Kyoto Institute of Technology

熱・流体デバイスから迫るマイクロ・ナノ熱物質移動科学
伝熱評価法としてのThermal Compactモデルの開発► ネットワーク構造体 / 界面のマイクロ・ナノ伝熱► 決定論と確率論
SingleContinuum

Heatunit

Integrated

multiple/complex

Kaz Tatsumi 教授着任講演会 2024年7月16日[nm] scale

Scale down [µm] scale12/1２