2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a high resolution ultrasonic thermometry and its application to internal and interface temperature measurements of inhomogeneous media
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16H04507
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
井原 郁夫 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (80203280)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松谷 巌 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (00514465)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超音波 / サーモメトリ / 不均質構造体 / 温度分布 / 熱流束 / 非破壊計測 / モニタリング / 界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、非均質物体（例えば、何らかの構造不均一性を有する材料や構造体）の内部や界面の温度プロファイルをリアルタイムかつ定量的に計測・モニタリングするための新規な超音波法（局所的超音波サーモメトリ）を創成するとともに、この手法の有効性を実証することを目的とする。このような革新的計測手法を開発することで、従来技術では成し得なかった複雑構造材（例えば、膜構造材料、複合材料、コーティング薄膜、MEMSなど）の内部および界面の非破壊的温度計測の実現を目指す。
H２８年度においては、これまでに研究代表者が得た超音波サーモメトリによる均質物体の内部温度プロファイリングに関する知見を踏まえて、非均質物体のモデル化とそれに対する超音波法の適用について適材適所の観点から詳細に検討した。主な実施事項は次のとおりである。
（１）異材界面を有する多層構造体において、その界面から流入する熱流束を、超音波法により定量評価のための解析手法を構築し、その妥当性を実験により検証した。具体的には、片面加熱される２層構造体に超音波パルスエコー法を適用し、その界面から流入する熱流束を非破壊的に同定し、その妥当性を検証するために市販の熱流束センサーによる測定値と比較した。これにより、当該手法の有効性が実証された。さらに、LabVEWを駆使することで、当該超音波手法を活用した温度分布と熱流束のリアルタイムモニタリングシステムを構築した。
（２）上記評価における異材界面での接触熱抵抗の影響を検討するために、多層構造体の接触状況（真実接触状態）が超音波挙動に及ぼす影響を理論的に考察した。ガウシャンならびに非ガウシャン粗さを有する材料表面での超音波反射・散乱をKirchhoff理論を駆使して定量的に検討した。これらの結果は、超音波パルスエコー法を用いた多層構造体内部の温度プロファイリングにおいて有益な知見となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
超音波サーモメトリを非均質物体（多層構造体など）に適用するためには、その対象物の熱伝達・熱伝導モデリングとそれに適した測定手法および解析手法の構築が不可欠である。H２８年度はその手始めとして、異材界面を有する多層構造体において、その界面から流入する熱流束を、超音波法により定量評価のための解析手法を構築し、その妥当性を実験により検証した。これにより多層構造体への超音波サーモメトリの適用が可能であることが実証され、H28年度の所期の目標の一つは概ね達成できたと判断できる。
また、当該測定手法を具現化するためにLabVEWを駆使した超音波サーモメトリ援用の温度分布と熱流束のリアルタイムモニタリングシステムを開発し（ただし、数十msの演算処理時間を要する）、その有用性を実証できたことで、本研究に関わる種々の実験の効果的な実施が可能になった。このことは、次年度以降の研究、特に、新たに創成する複雑構造体への超音波法の適用に関わる測定実験の実施に大きく貢献するものである。その点でそのようなLabVEW援用計測・解析システムは本研究の目的の一つである温度プロファイルのオンラインモニタリングの実現にも繋がるもので、その成果は大きいと言える。
さらに、上記評価においては異材界面の接触熱抵抗の影響を把握することが重要となるが、これを検討するために、超音波挙動に及ぼす異材界面の接触状況（真実接触状態）の影響を理論的に考察したことは、超音波サーモメトリによる多層構造体内部の温度プロファイリングにおいて有益な知見となる。このように、当該年度における研究は概ね順調に進展したと判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
H２９年度においては、所期の目標を達成するために、２次元または３次元構造を有する構造体に対して超音波サーモメトリを適用しその有用性を実証する。研究代表者は既に超音波法を用いた１次元温度分布プロファイリングを実現しているため、この技術に基づいて２次元または３次元温度分布の同定手法を構築する。まず、２次元構造または２次元温度場に対して高分解能接触型探触子ならびにレーザ超音波手法を個別に用いることで、これらの手法による局所領域の温度プロファイリングを試み、それぞれの優位性と適用限界を探る。 さらに、多層構造体の温度プロファイリングにおいて欠かせない材料界面の接触熱抵抗を定量的に同定するための逆解析手法を提案し、その有効性を検証する。これを実施するには界面近傍の材料特性（弾性率、密度、微視構造）に関する定量的データが必要となるため、現有設備のナノインデンテーションを当該特性計測に援用するための計測・解析ソフトウェアを購入し、界面特性の補助情報を取得し、これらに基づいて多層構造体の温度プロファイリングを試みる。本研究では２次元または３次元熱伝導・熱伝達モデルを踏まえた逆解析手法を新たに構築する必要があるため、井原とMukhopadhyayが大学院生の支援のもとこれを実施する。井原と大学院生は当該解析のためのLABVIEWプログラムの開発にあたる。当該年度では、二つの手法（圧電センサのメカニカルスキャン、レーザ超音波法による非接触高分解能スキャニング）について調べ、それぞれの優位性と適用限界を対象物のサイズと構造との適合性の観点から明確にする。この際、昨年度購入した３次元超音波伝搬解析ソフトを駆使して複雑構造体内の超音波伝搬挙動を解析し、これらの手法の有用性と問題点について検討・把握する。これらの結果を踏まえて次年度に注力すべき方向性を見出すこととする。
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