補助事業番号

2019Ｍ-125

補助事業名

2019年度 蛍光トレーサ粒子による非接触な温度・熱輸送量計測システムの開発 補助事業

補助事業者名山梨大学 大学院総合研究部 工学域 鳥山研究室 鳥山孝司

１ 研究の概要
本事業では，蛍光トレーサ粒子と高速度カメラを用いて温度や速度場を計測し，非接触に熱輸送量を得る手法の開発に取り組んだ。具体的には，(1) 流体中に散布した蛍光トレーサ粒子の蛍光強度から温度を計測する温度計測技術，(2) 時々刻々と撮影した蛍光トレーサ粒子の画像から位置情報を算出して流速を得る速度計測技術，の２つの組み合わせである。前者では液体内部の温度分布を精度よく得ることが必要不可欠である。補助事業実施者は，まず蛍光トレーサ粒子の蛍光から温度を得る事を試みた。蛍光トレーサ粒子からは温度の傾向は得られるものの高い精度が実現できなかったため，周囲の液体に蛍光染料を混ぜる手法に取り組み，高精度の温度計測を実現した。また，本手法では単一の蛍光染料のみで計測を行うため，従来の2種類の蛍光染料を用いる手法よりも長時間計測可能になった。後者では，異なる視点からのカメラ画像から，最小自乗近似により実際の位置を算出するDLT法を用いて蛍光トレーサ粒子の位置を算出する仕組みを構築した。これを時系列でデータを処理することで蛍光トレーサ粒子の移動量を算出することで，高精度な流速の計測を実現した。
２ 研究の目的と背景
近年，再生可能エネルギーの活用や省エネルギー化のため，機器の冷却や熱の回収技術として自然対流が注目されている。自然対流は比較的遅い流れであり，熱線流速計やピトー管などの接触式の流速計では流動を阻害するため正確な速度場計測は困難である。また，流体の密度差（温度差）で生じるものであるため，温度分布の計測も要求されている。そこで本研究では，蛍光トレーサ粒子の蛍光強度の温度依存性を利用した温度計測法を提供することを目的とする。また，蛍光トレーサ粒子の移動量計測と組み合わせることで，非接触な熱流量計測を実現する。
３ 研究内容（http://www.me.yamanashi.ac.jp/lab/toriyama/）
本事業では，自然対流のような比較的遅い流れ場を乱すことなく速度場や温度場を非接触で計測するためのシステムの構築を行った。具体的には，「(1) 流体中に散布した蛍光トレーサ粒子の蛍光強度から温度を計測する温度計測技術」及び，「(2) 時々刻々と撮影した蛍光トレーサ粒子の画像から位置情報を算出して流速を得る速度計測技術」の2つの要素技術の開発からなる。以下に，各開発項目の詳細について述べる。
（１）流体中に散布した蛍光トレーサ粒子の蛍光強度から温度を計測する温度計測技術の開発
蛍光トレーサ粒子からの蛍光を半値全幅が10nmの狭帯域のバンドパスフィルターを用い，そのフィルターを通して得られる蛍光を高速度モノクロカメラにて画像として撮影した。２つの異なる波長帯の画像から温度の換算を試みたところ，温度の傾向は得られるものの，高い精度での計測は実現できなかった。これは，カメラと対象物の幾何学的配置の誤差要因により，カメラ毎に写り込む蛍光粒子のサイズが生じ，それに伴い蛍光輝度が大きく変動してしまうためであると考えられる。そこで，蛍光粒子の周囲の液体に蛍光染料を１種類だけ混ぜることにより温度を計測する手法に取り組んだ。その結果，蛍光染料としてローダミンB用いることで高精度での温度計測を実現するとともに，長蛍光トレーサ粒子による温度計測の様子時間での温度計測も可能になった。
（２）時々刻々と撮影した蛍光トレーサ粒子の画像から位置情報を算出して流速を得る速度計測
技術の開発
異なる視点からのカメラ画像から，最小自乗近似により実際の位置を算出するDLT法を用いて蛍光トレーサ粒子の位置を算出する仕組みを構築した。また，それを用いた速度計測を実現し，その計測性能について評価した。そのなかで，複数台のカメラに写り込む粒子のどれが同一の粒子であるかを知る必要があり，エピポーラ幾何学と実際の装置の幾何学的形状から効率的に粒子を検索するアルゴリズムを構築した。これにより計測時の処理速度を高めることに成功した。また，DLT法に用いる実座標算出の補完関数の高次元化にも取り組み，高精度での速度計測を実現した。
４ 本研究が実社会にどう活かされるかー展望
液体内の計測に対して，これまで市販されている製品では，流量計測を行うものしかなかったのが現状である。これは，再生可能エネルギーの活用や省エネルギー化のための機器の開発に対して大きな足かせとなっていた。本事業で開発した手法では温度・速度分布を同時に高精度で得ることが可能であり，上述のニーズを満たすものとなりうる。本システムをより簡便に使える技術へと研究を進めていくことにより，製品の開発の分野での利用が加速され，ひいては省エネルギー社会への貢献に多大に寄与するものと期待される。

５ 教歴・研究歴の流れにおける今回研究の位置づけ
補助事業実施者は，熱エネルギーの有効利用に関する研究を行ってきており，主に自然対流をベースとした熱回収技術に注目している。しかしながら，実験における回収される熱量の計測は，従来から用いられている接触式の計測法では自然対流の流れを乱すため正しく得ることができず，評価そのものが困難であった。本研究はこのニーズを満たす計測法の開発であり，研究の分野のみならず工業製品の開発の現場での利用も大いに期待されるものである。
６ 本研究にかかわる知財・発表論文等（１）学会発表（海外）
1 ． Kenji Endo, Koji Toriyama, Takumi Ono, Development of D-LIF Method Using One
Fluorescent Dye, The 30th International Symposium on Transport Phenomena (ISTP 30),
Vietnam, 2019, ISTP101（２）学会発表（国内）
1．尾野拓海，遠藤憲司，鳥山孝司，蛍光粒子からの蛍光強度を用いた液体内温度計測，
山梨講演会2019，F33，山梨大学
2．遠藤憲司，鳥山孝司，尾野拓海，蛍光トレーサ粒子を用いた液体内の温度・速度計測法の開発，熱工学コンファレンス2019，C141，名古屋工業大学（３）展示会
1．令和１年度やまなし産学官連携交流事業「デジタルカメラを用いた高解像な温度・速度同時計測技術の開発」鳥山孝司（４）論文
1．Koji Toriyama, Takumi Ono, Kenji Endo, Shumpei Funatani, Dual Emission Laser-Induced
Fluorescence for Long-term Temperature Measurement, Journal of Flow Control,Measurement & Visualization (投稿中)７ 補助事業に係る成果物（１）補助事業により作成したもの
http://www.me.yamanashi.ac.jp/lab/toriyama/ （URL）
やまなし産学官連携交流事業

８ 事業内容についての問い合わせ先
所属機関名： 山梨大学工学部 （ヤマナシダイガクコウガクブ）
住所： 〒400-8511
山梨県甲府市武田4-3-11

担

当者： 准教授 鳥山孝司 （トリヤマコウジ）

担 当 部 署： 機械工学科 （キカイコウガクカ）
E - m a i l： toriyama@yamanashi.ac.jp
ＵＲ

Ｌ： http://www.me.yamanashi.ac.jp/lab/toriyama/