(57)【要約】【課題】タービンブレードやディスク等、複雑な形状を有する金属基材の場合でも、同一形状の試験体をプラスチック等で製作する必要がなく、その実物を用いて高い精度で表面の熱伝達率の分布を計測することができる金属基材の感温液晶熱伝達率計測方法および装置を提供する。【解決手段】金属基材１に断熱コーティング２（セラミック多孔質材）を施しその上に感温液晶３を塗布した試験体４を準備し、その表面を流れる流体温度をステップ状に変化させ、時間の経過と共に試験体表面に現れる等温度線を示す縞模様を撮像し、撮像した縞模様から試験体表面の温度分布を計測し、計測した時間と温度分布から試験体表面の熱伝達率の分布を求める。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材（１）に断熱コーティング（２）を施しその上に感温液晶（３）を塗布した試験体（４）を準備し、その表面を流れる流体温度をステップ状に変化させ、時間の経過と共に試験体表面に現れる等温度線を示す縞模様を撮像し、撮像した縞模様から試験体表面の温度分布を計測し、計測した時間と温度分布から試験体表面の熱伝達率の分布を求める、ことを特徴とする金属基材の感温液晶熱伝達率計測方法。
【請求項２】
前記断熱コーティング（２）は、セラミック多孔質材のスプレーコーティングである、ことを特徴とする請求項１に記載の感温液晶熱伝達率計測方法。
【請求項３】
液体または気体の流れにさらされる金属基材（１）の表面温度を感温液晶（３）で計測することで熱伝達率を計測する熱伝達率計測装置であって、金属基材と感温液晶の間に断熱材（２）を設けた、ことを特徴とする金属基材の感温液晶熱伝達率計測装置。
【請求項４】
前記断熱材（２）は、金属基材に施されたコーティングである、ことを特徴とする請求項３に記載の感温液晶熱伝達率計測装置。
【請求項５】
前記断熱材（２）は、セラミック多孔質材である、ことを特徴とする請求項３または４に記載の感温液晶熱伝達率計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感温液晶による熱伝達率の計測方法および装置に係わり、更に詳しくは、その金属基材への適用方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
感温液晶による熱伝達率の計測方法に関しては、例えば非特許文献１に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】
船崎健一他、「感熱液晶による冷却翼内部流路熱伝達分布の計測法に関する研究」、日本ガスタービン学会誌、Ｖｏｌ．２６　Ｎｏ．１０１　１９９８．６
【０００４】
この非定常法の原理を以下に説明する。
半無限物体表面（初期温度Ｔ１）に接する流体の温度をステップ状に温度Ｔｇまで上昇させる。熱伝達率をｈとすると、半無限物体表面の温度の時間的変化は、［数１］の式（１）（２）で与えられる。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
ここでｔは時間、ρは物体の密度、ｃは物体の比熱、λは物体の熱伝導率である。非定常法による熱伝達率計測では、計測面温度の時間的変化を感温液晶等を用いて計測し、所定の温度に達するまでの時間ｔを式（１）（２）に代入し、ニュートン法などを用いることにより熱伝達率ｈを推定する。
【０００７】
感温液晶は、温度により液晶分子の配向が変化するので、反射光が温度に応じて赤、緑、青等と変化する。従ってこの色彩を数値化することで壁面温度が求められる。従って、上述した非定常法により、まず温度の感応範囲ができるだけ狭い液晶を測定面に塗布し、さらに流体温度をステップ状に変化させると、時間の経過と共に測定面に等温度線を示す縞模様が観測される。半無限物体の表面温度で対流熱伝達が存在し、流体と物体の初期温度がＴｉである時、時刻ｔ＞０で流体の温度がステップ的にＴｇとなる場合、半無限物体の表面温度Ｔは式（１）（２）で与えられるので、これから熱伝達率を逆算することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
非定常法では半無限固体の熱伝導を仮定しているが、実際に適用する対象物の厚みは有限長である。そのため、実際の有限厚さの物体でこの仮定が妥当なのは初期の短い時間のみであり、非定常法において温度をステップ変化させてから１０秒程度の間に壁温が初期温度Ｔ１から十分に上昇して初期温度と有意差ΔＴがつくことが必須である。
【０００９】
そのため、従来は対象物の材質として熱伝導率の小さいプラスチック等を用いている。しかし実際の機械装置、例えばジェットエンジンのタービンブレードやディスク等はその材質がほとんどの場合金属であり、これに非定常法を同様にして適用した場合には壁温がほとんど上がらず、熱伝達率を十分な精度をもって計測することができない問題点があった。
そのため、タービンブレードやディスク等、複雑な形状を有する場合でも、その表面の熱伝達率の分布を計測するためには、同一形状の試験体を熱伝導率の小さいプラスチック等で製作する必要があった。そのため、そのような試験材の製作に多大な費用がかかるばかりでなく、実物の形状を正確には試験体に再現できず、計測された熱伝達率の信頼性が低い問題点があった。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、タービンブレードやディスク等、複雑な形状を有する金属基材の場合でも、同一形状の試験体をプラスチック等で製作する必要がなく、その実物を用いて高い精度で表面の熱伝達率の分布を計測することができる金属基材の感温液晶熱伝達率計測方法および装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、金属基材（１）に断熱コーティング（２）を施しその上に感温液晶（３）を塗布した試験体（４）を準備し、その表面を流れる流体温度をステップ状に変化させ、時間の経過と共に試験体表面に現れる等温度線を示す縞模様を撮像し、撮像した縞模様から試験体表面の温度分布を計測し、計測した時間と温度分布から試験体表面の熱伝達率の分布を求める、ことを特徴とする金属基材の感温液晶熱伝達率計測方法が提供される。
また、本発明によれば、液体または気体の流れにさらされる金属基材（１）の表面温度を感温液晶（３）で計測することで熱伝達率を計測する熱伝達率計測装置であって、金属基材と感温液晶の間に断熱材（２）を設けた、ことを特徴とする金属基材の感温液晶熱伝達率計測装置が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記断熱コーティング（２）は、セラミック多孔質材のスプレーコーティングである。
また、前記断熱材（２）は、金属基材に施されたコーティングである。さらに、前記断熱材（２）は、セラミック多孔質材である。
【００１３】
上記本発明の方法及び装置によれば、試験体（４）として金属基材（１）に断熱コーティング（２）を施しその上に感温液晶（３）を塗布したものを用いるので、タービンブレードやディスク等、複雑な形状を有する金属基材の場合でも、同一形状の試験体をプラスチック等で製作する必要がない。
また、断熱コーティング（２）の上に感温液晶（３）を塗布するので、断熱コーティング（２）により金属基材（１）への熱伝導を抑制し金属基材の放熱を低減できる。従って、この状態で非定常法を適用することにより、プラスチックなどを使った時と同様な温度上昇が得られ、金属基材（１）の実物を用いて高い精度で表面の熱伝達率の分布を計測することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の方法および装置を示す模式図である。この図において、１は金属基材、２は断熱コーティング（又断熱材）、３は感温液晶、４は試験体、５はファイバースコープ、６は画像記録装置、７は演算装置である。
本発明の感温液晶熱伝達率計測装置は、液体または気体の流れにさらされる金属基材１の表面温度を感温液晶３で計測することで熱伝達率を計測する熱伝達率計測装置である。また、本発明では金属基材と感温液晶の間に断熱材２を設ける。この断熱材２は、金属基材に施されたコーティングである。また、断熱材２は、セラミック多孔質材であるのがよい。
【００１６】
金属基材１は、例えばジェットエンジンのタービンブレードやディスク等であり、その材質が金属である流体機械の部品または部分である。本発明では、表面の熱伝達率分布を計測する金属基材１をそのまま使用し、その金属基材１に断熱コーティング２を施し、次いでその上に感温液晶３を塗布したものを試験体４としてを準備する。
【００１７】
断熱コーティング２は、例えばセラミック多孔質材のスプレーコーティングであるのがよく、これを約２ｍｍ前後の厚さにコーティングする。なお、断熱コーティング２は、セラミック多孔質材に限定されず、施工が簡単で母材を傷めず、かつ断熱性能が高いものであればよい。なお、試験温度は比較的低温（２００℃以下）なので、断熱コーティング２はこの試験温度にたえる耐熱温度を有すればよい。
【００１８】
感温液晶３は、温度の感応範囲ができるだけ狭い液晶を用いる。例えば、発色温度幅が２℃の感温液晶（日本カプセルプロダクト製）をスプレーで塗布するのがよい。
【００１９】
次に、上述した試験体４を図示しない試験装置に取付け、その表面に沿って流体を流し、かつ、その表面を流れる流体温度を初期温度Ｔ１から温度Ｔｇまでステップ状に上昇させる。
【００２０】
この温度上昇時点からの経過時間ｔと試験体３の表面に現れる等温度線を示す縞模様をファイバースコープ５及び画像記録装置６で撮像し、撮像した縞模様から試験体４の表面の温度分布を計測し、計測した時間と温度分布から演算装置７でにより試験体表面の熱伝達率の分布を求める。
【００２１】
なお、ファイバースコープ５は必須ではなく、画像記録装置６で直接撮像してもよい。画像記録装置６には、例えば高解像度のデジタルビデオカメラを用いる。また演算装置７にはＰＣ（パーソナルコンピュータ）を用いることができる。
【００２２】
【実施例】
図２は、従来の方法による実施例を示す図である。この図において横軸は経過時間、縦軸は無次元温度である。この無次元温度は、式（１）（２）の左辺に相当する。
この図に示すようにプラスチック類では流体の昇温後しぐに壁温も追随することから良好な計測精度が得られるが、金属（この例ではインコネル６００）の場合には、これに非定常法を同様にして適用しても壁温がほとんど上がらず、熱伝達率を十分な精度をもって計測することができないことがわかる。
【００２３】
図３は、本発明の方法による実施例を示す図である。この図は、金属表面にセラミック多孔質材（ＡＰＳ　Ｐｏｒｕｓ　Ｍｕｌｉｔｅ）を２ｍｍの厚みでコーティングした時の温度上昇特性の非定常解析結果を示す。
この図からコーティングを施工したことで、壁面から基材内部への熱伝導が抑制され、結果として表面温度の流体温度への追随性が大幅に改善されていることがわかる。これにより、プラスチックなどを使った時と同様に、昇温とほぼ同時に有意差のある壁温上昇が得られ、精度の良い熱伝達率計測が可能になる。
【００２４】
上述したように、本発明の方法によれば、試験体４として金属基材１に断熱コーティング２を施しその上に感温液晶３を塗布したものを用いるので、タービンブレードやディスク等、複雑な形状を有する金属基材の場合でも、同一形状の試験体をプラスチック等で製作する必要がない。
また、断熱コーティング２の上に感温液晶３を塗布するので、断熱コーティング２により金属基材１への熱伝導を抑制し金属基材の放熱を低減できる。従って、この状態で非定常法を適用することにより、プラスチックなどを使った時と同様な温度上昇が得られ、金属基材１の実物を用いて高い精度で表面の熱伝達率の分布を計測することができる。
【００２５】
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２６】
【発明の効果】
上述したように、本発明により、セラミック多孔質材をコーティングすることで、実際の機械で用いている金属材料にも適用可能となる。また、施工が簡単で母材を傷めない特徴も有する。
【００２７】
従って本発明の金属基材の感温液晶熱伝達率計測方法および装置は、タービンブレードやディスク等、複雑な形状を有する金属基材の場合でも、同一形状の試験体をプラスチック等で製作する必要がなく、その実物を用いて高い精度で表面の熱伝達率の分布を計測することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法および装置を示す模式図である。
【図２】従来の方法による実施例を示す図である。
【図３】本発明の方法による実施例を示す図である。
【符号の説明】
１　金属基材、２　断熱コーティング（断熱材）、３　感温液晶、４　試験体、５　ファイバースコープ、６　画像記録装置、７　演算装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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