赤外線サーモグラフイーの対流熱伝達計測への応用

摘要

熱交換器や電子機器といった伝熱機器を設計する際には，固体と流体の間の熱の移動，すなわち対流熱伝達の知見が必要になる。例えば，高温の流体が流れている配管があり，それが流れ方向•厚み方向にどのような温度分布を持っているか計算するには，高温の液体から配管内壁，および配管外壁から周囲空気への伝熱量を知る必要がある。しかし，対流による伝熱量を正確に求めるのは，実は容易なことではない。なぜなら，対流熱伝達は流体の物性値（熱伝導率，比熱，密度）だけでなく，流れの状態（層流か乱流か，乱流であるならその渦構造の挙動）にも大きく依存するためである。とはいっても，機器を熱設計する際には熱伝達率が必要になる。実際どのようにしているかといえば，通常は，過去に蓄積された経験式（例えば文献(1)•(2)）の中から流動状態が近いと思われる式を選び，それを基に熱伝達率を"推測"する方法が用いられてきた。ただし，あくまでも推測にすぎず，信頼性の高い設計を行うためには，どうしても実機に即した実験を行って温度や熱流束を実測する必要がある（最近はコンピュータによる熱流体解析が発達してきたため，流れが層流であれば熱伝達率を精度良く計算できるようになった。しかし，乱流の場合には，正確な計算が難しいのが現状である）。そこで，熱伝達率を実測する方法として，赤外線サーモグラフィー（以下IRTと呼ぶ）を用いた手法が普及しつつある。これは，近年のIRTの低価格化，高性能化（画素数，温度分解能の向上）によるところが大きい。本稿では，IRTが熱伝達測定に利用されてきた歴史を振り返るとともに，最近の高性能なIRTを用いたいくつかの測定事例について紹介したい。