複雑流体の物性評価を可能にする
超音波スピニングレオメトリの開発

北海道大学大学院工学研究院
機械・宇宙航空工学部門
准教授 田坂 裕司
2021年9月2日

開発の背景2/19

化学的・生理学的機能性

材料の機能性・化学反応の進展
力学的機能性
非ニュートン粘性
粘弾性（レオロジー物性）
材料の成分
微細構造変化化学的変化

嚥下障害と食べやすさの評価
加工・生産・調理の品質評価

自然素材の成分ばらつき
自然現象の評価
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan管内流体物性の評価

3/19

トルク式回転レオメータ試験（歪み速度と剪断応力の関係）
Yoshida et al. J. Rheol. (2019)

瞬時の物性曲線は取得できない。

(Anton Paar GmbH)

==

̇？
滑り

シェアバンド

弾性不安定 不均質/混相流体

正しく評価されない場合が多い。
内部で何が起きているか知る必要がある。
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan

超音波流速分布計 (UVP)
u(x, t)4/19

ドップラー信号より計測線上の速度分布を取得
不透明流体・不透明流路への適用
瞬時速度分布計測
リアルタイム・長時間計測
応用例：
高精度流量計（発電所）
食品の流動評価
液体金属の計測

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, JapanUVPを利用したレオメトリ

5/19【流れの通常の決定プロセス】
レオロジー物性（粘性・粘弾性など）

流れの式＋振動条件（振幅 f ・周波数 Q）【UVPレオメトリの逆解析プロセス】
物性の推定
流れの式とレオロジーモデルによる逆解析

f,Q
円筒内を試験液体で満たす。
理想的な流れの形成＋速度分布計測『固形物など混ざり物のある液体も計測可能』

Yoshida et al. J. Rheol. (2017); Yoshida et al. Phys. Fluids (2019)

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan

分離過程にある水油混合液の実効粘度

6/19水油混合液の自然分離
UVP計測線

:

10
体積比
1攪拌直後
直径O(0.1 – 1.0 mm)
at t = 1 min

分離過程

完全分離

油（シリコンオイル）:ν = 1000 mm2/s, ρ = 967 kg/m3
c = 990 m/s
水： ν = 1 mm2/s, ρ = 997 kg/m3, c = 1480 m/s

実験の流れ
t = 0 min

攪拌

1 min

22 min1000 mint15 min

静置状態

液採取

振動回転&UVP計測

大家ら, 機械学会論文集 (2020）

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan

速度分布および粘度曲線
r/Ruθ /Uwall

(r )

0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.00.8
0.4
0.0
-0.4
-0.8

0.5

1.0

0.00.5tfo1.00.00.5tfo

2000

1.0tfo

実効粘度曲線の時間変化
νeff [mm2/s]

7/19

大家ら, 機械学会論文集 (2020）

n = 1.01, K = 990

n = 0.93, K = 1280

n = 0.84, K = 1630

1500
1000
500

246eff8[s 1 ]

べき乗則

246effeff[s 1 ]

8246eff

8[s 1 ]

n 1K eff，K：粘度係数，n：べき乗指数

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, JapanUSRによる「食べやすさ」の評価
摂食プロセスとUSRによる物性計測
嚥下運動
せん断変形

咀嚼運動
繰返し剪断＋唾液混合8/19

お粥の計測（とろみ調整食品・消化酵素）
嚥下食に求められる機能▶ 咀嚼時のまとまり → 誤嚥防止
▶ 嚥下時の粘度低下 → 嚥下補助とろみ調整食品▶ 増粘効果▶ キサンタンガム（第三世代とろみ剤）（ずり減粘度を持つ多糖類）（第一世代はデンプン）

USRによる評価▶ 繰り返し剪断▶ 消化酵素添加▶ 瞬時粘度曲線振動剪断による変形振動回転

消化酵素による分解→ 粘度低下現行の据置型レオメータ

USRによる物性計測の指標：想定されているようなとろみ調整食品の機能がレオロジー物性として得られるか
田坂ら，月刊ファインケミカル (2021）

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とろみ剤の機能性評価

9/19

お粥の瞬時粘度曲線と時間変化（繰り返し振動剪断＋消化酵素の影響）
お粥＋キサンタンガム

お粥のみ
分解による粘度低下

増粘効果の維持嚥下時の歪み速度▶ 瞬時粘度曲線による食べやすさの評価→ 医学的な検証が必要（北大病院との共同研究）
田坂ら，月刊ファインケミカル (2021）

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, JapanUSRの改善点10/19

USRが持つ技術的課題と性能改善の可能性（据え置き型）USRの長所と短所▶ 瞬時レオロジー物性計測▶ レオロジー物性の経時変化計測▶ 不均質・混相体への適用▶ 可搬性（気安く使えない）▶ 測定確度への循環流れの影響▶ 壁面近傍の情報取得（多重反射）（実現できる歪み速度のレンジ）

カタログ値

大家ら, 機械学会論文集 (2020）

適用範囲を拡大させるため（長所を保った上での）USRの過般可・性能改善が可能
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan開発した可搬型USR『上下開放・非軸対称サポートによる循環流の抑制』『吊り下げ回転式による過般可』『センサの埋込による多重反射の回避とニアフィールドの調整』

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11/19

可搬型USRの性能
60

流速（計測線方向）[mm/s]

流速（計測線方向）[mm/s]

6040200050

100150-20-40-60

1000cStシリコーンオイル

4020

改善点
▶ 壁面近傍▶ 中心部▶ 計測範囲0050

100

150-20-40-60

トランスデューサーからの距離 [mm]12/19

トランスデューサーからの距離 [mm]歪み速度の範囲を50%以上拡大

100

100Probability101̇ [s-1]

101

High

評価可能範囲
0.4

0.6
r/R

0.8

評価可能範囲
1

0.4

0.6

r/R

0.8

Low
1

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan

可搬型USRの性能
102

13/19102

瞬時粘度曲線の拡張
101

High

101

流速（計測線方向）[mm/s]

100

100

10−110−1

10−210−2100

̇ [s-1]

101

150

瞬時速度
100
50

平均速度

0020

4060-50-100-150

トランスデューサーからの距離 [mm]80Probability

μ [Pa･s]

カタログ粘度値100̇ [s-1]

101

Low

▶ 可搬性
→ 様々な容器に適用可能▶ 測定確度への循環流れの影響→ 循環流れの低減▶ 壁面近傍の情報取得（多重反射）→ 歪み速度の計測範囲拡大
瞬時粘度曲線の拡張
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan開発したレオメータの優位点

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各種レオメータの比較

不均質・混相対象粘度範囲ひずみ速度(S-1)
確度
経時変化

ﾄﾙｸ式ﾚｵﾒｰﾀ

LAOS

BMS

USR

可搬USR

△
中-高粘度
O(10-1–103)△△○
中-高粘度O(10-1–103)○
×◎？
中-高粘度？
？
△◎
低-中粘度O(100–101)○◎◎
低-中粘度O(100–102)◎◎

混合体・混相体の計測可能食品から泥状鉱物資源まで幅広い対象
経時変化への対応（10秒程度の時間分解能）
反応の進展・原材料の状態をキャプチャ
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号
• 出願人
• 発明者

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：超音波物性測定装置：特願2021-029219：北海道大学：田坂裕司、芳田泰基、大家広平

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想定される実用例

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ポータブルUSRの幅広い可能性
既存のタンク・鍋・反応槽への適用可能性【化学工業・素材】
化学反応過程のモニタリング
複合材料の生産過程最適化【食品】
食品の品質・機能性評価
発酵過程のモニタリング
スマートファクトリー化【エネルギー・資源】
各種パイプラインの輸送最適化
海底資源採取時の組成診断【生体医工学】
嚥下食の食べやすさ評価
人工唾液の性能評価

酪農学園大での実験の様子
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan

実用化に向けた課題

17/19『専用ハードウェアの開発』

超音波計測は市販品に頼っており，現場に持ち込むためには専用機器の開発が必要。

『標準化を目指した水平展開と適用範囲の検証』

将来的には既存レオメータと相補的な機器として標準化を目指す。
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企業の皆様へ• 製品化を目指した，ポータブルUSRのプロトタイプ開発を共同で行っていただく技術面での参画を希望します．
• 水平展開拡大のため，物性計測の相談や試料を持ち込んでの計測の実施を歓迎いたします．
• USRから得られる情報をどのように使うかな
ど，物性計測結果の応用に関する共同研究のご提案を歓迎します．
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18/19

お問い合わせ先北海道大学
産学・地域協働推進機構 岩村相哲
ＴＥＬ 011-706-9559
ＦＡＸ 011-706-9550
e-mail s-iwamura@mcip.hokudai.ac.jp

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan19/19