212 ナノ粒子混合法によるスプレー型高速応答 PSP の

212
ナノ粒子混合法によるスプレー型高速応答 PSP の時間応答の変化
Influence of Mixing Method of nanoparticle on time response of sprayable
fast-Pressure-Sensitive Paint
○学 佐藤
山本
山下
優大（愛工大院）
真也（愛工大）
耕平（愛工大）
正
小西
清水
江上
翔太（愛工大院）
祐弥（愛工大）
泰広（愛工大）
Yudai SATO, Shota KONISHI, Naoya YAMAMOTO, Yuya SHIMIZU, Kohei YAMASHITA, Yasuhiro EGAMI
Aichi Institute of Technology, 1247 Yachigusa Yakusa-cho, Toyota, Aichi 470-0392, Japan
Key Words: Pressure-Sensitive Paint, Response time, Nanoparticle
1．諸言
近年，感圧塗料(Pressure-Sensitive Paint: PSP)を用いた圧力
計測法が注目されている(1)．PSP は酸素分子によって発光強
度が変化する消光現象を利用した光学的圧力センサである．
従来の圧力測定法は，模型に圧力孔を設けて圧力センサを繋
ぎ，表面圧力場を点情報で計測していたのに対し，PSP では
面情報として捉えることができる．PSP では感圧色素を模型
に付着させるために通常ポリマが利用される．しかし，PSP
の応答時間は酸素分子がポリマに浸透し感圧色素と反応す
るまでの時間で決まり，通常ミリ秒のオーダーの時間を要し，
マイクロ秒で変動する非定常圧力場を計測するには十分で
ない．一般的な高速応答が可能な PSP として陽極酸化型
PSP(Anodized Aluminum PSP: AA-PSP)(2)があるが，陽極酸化
処理は材質がアルミニウムに限られるため，模型に多く使用
されるステンレスなどの素材には使用できない．そこで材質
などを選ばない高速応答 PSP としてスプレー型の Polymer
Ceramic-PSP(PC-PSP)(3)や超微粒子を使用する PSP(4)がある.
今までのスプレー型高速応答感圧塗料は，ナノ粒子を混合
させたバインダ溶液を模型表面に塗布し，その上に色素溶液
を塗布することで高速応答性を得る方法が開発されてきた
(5)
．その後，更なる高速応答性を得るために，色素溶液にポ
リマを溶解しない溶媒を用いることによって感圧色素がバ
インダ層の表面に分散され，色素溶液にポリマを溶解する溶
媒を用いた場合と比較すると応答性が約 6 – 10 倍向上した(6)．
しかし，AA-PSP と比べると応答時間は長く，より高い応答
性を示すスプレー型高速応答 PSP を開発する必要がある．本
研究ではさらに応答性を向上させるために色素溶液にナノ
粒子を混合させた結果，応答性を約 3 倍向上させ，陽極酸化
型 PSP に劣らない時間応答を実現させた．
2．実験方法
2.1 PSP サンプルの作製方法
本研究ではポリマ(Poly(iso-propyl methacrylate)(PiPMA))を
トルエンに溶解したバインダ溶液と，感圧色素(PtTFPP)とナ
ノ粒子(Titanium silicon oxide(TiSiO4))を上記のポリマを溶解
しないメタノールに溶解/混合した色素溶液を作成した．ま
ず模型表面にバインダ溶液を塗布し，その上から色素溶液を
塗布し，高速応答 PSP を作成した．従来の方法ではバインダ
溶液にポリマとナノ粒子を添加しているが，本研究ではバイ
ンダ溶液にはポリマのみを添加させ，色素溶液にナノ粒子を
添加した点が大きく異なる．
2.2 衝撃波管試験
Fig.1 に本研究で用いた衝撃波管の模式図を示す．まず PSP
サンプルを設置し，衝撃波管内をマイラー膜で仕切る．その
後に高圧室を 260 kPa，低圧室を 20 kPa にし，撃針でマイラ
ー膜を破膜させ，マッハ数 1.69 の衝撃波を発生させる．発光
強度変化は光電子倍増管(浜松ホトニクス社製
H10721-20MOD)で測定した．また，衝撃波の到達時に発生す
る圧力変動をトリガ信号としてオシロスコープ(Tektronix 社
製 DPO2014)で圧力波形を取得し，PSP サンプルの発光強度
変化率が 90 %に達した時間を応答時間 t90%とした．
Oscillo scope
PCB amplifier
DC power
PMT
PMT amplifier
Optical filter
High-pressure chamber
Needle
Low-pressure chamber
Shock wave
Pressure Transducer
Mylar film
Specimen
Optical filter
Excitation light
Fig.1 Experimental set up for shock tube testing
2.3 圧力・温度校正試験
PSP サンプルをチャンバ内に設置し，圧力校正試験は温度
を 20 °C 一定にし，圧力を 5 – 120 kPa に変化させ発光強度，
圧力感度を測定した．温度校正試験は圧力を 100 kPa 一定に
し，温度を 5 – 60 °C に変化させ温度依存性を測定した．
3．実験結果及び考察
3.1 衝撃波管試験結果
2 種類の異なる粒子混合法のステップ圧力変動のグラフを
Fig.2 に，これをもとに求めた応答時間を Table.1 に示す．結
果から，応答時間は粒子をバインダ溶液に添加すると 20.9 µs，
粒子を色素溶液に添加すると 7.4 µs と約 3 倍応答性が向上し
たことがわかる．要因として，ナノ粒子を色素溶液に混合し
た場合は，ナノ粒子をバインダ溶液に混合した場合と比較し
て，ポリマに覆われた粒子の割合が少なくなる．そのためポ
リマと接触する色素の割合が少なくなり，色素はより空気に
直接さらされることになる．この違いから，ナノ粒子を色素
溶液に混合した場合の方が応答時間が短くなったものと考
えられる．
3.2 圧力・温度校正試験結果
Fig.3 に圧力校正試験の発光強度の変化を，Fig.4 に 100 kPa
日本機械学会東海支部第 65 期総会・講演会講演論文集(’16. 3. 17－18) No.163－1
1.4
Nanoparticle in binder solution
Nanoparticle in dye solution
1.2
1.0
I / Iref
時の発光強度で各圧力の発光強度を無次元化したグラフを
示す．発光強度は粒子をバインダ溶液に添加した時の方が
100 kPa 時の発光強度が約 5 倍高い．これは，感圧色素がよ
り表面に付着しており，酸素消光や色素の凝集の影響が大き
く出たからだと考えられる．一方，圧力感度はほぼ変わらな
いという結果になった．Fig.5 に温度校正試験の 20 °C 時の発
光強度で各温度の発光強度を無次元化したグラフを示す．こ
のグラフから，温度感度もほぼ同程度の約 1.10 - 1.25 %/C
となった．
0.8
0.6
0.4
Normalized intensity
0.2
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
0.0
5
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Fig.5 Temperature dependence of PSP samples
Table.1 Response time by mixing method of PSP samples
Mixing
Nanoparticle
Nanoparticle
method
in binder solution
in dye solution
t90% [µs]
20.9
7.4
Nanoparticle in binder solution
Nanoparticle in dye solution
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Time[µs]
Fig.2 Response time of PSP samples
60000
50000
40000
Intensity
15
Temperature[C]
-5
Nanoparticle in binder solution
Nanoparticle in dye solution
30000
10000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120
Pressure[kPa]
Fig.3 Relation between intensity and pressure
1.2
1.0
0.8
0.6
Nanoparticle in binder solution
Nanoparticle in dye solution
0.4
0.2
0.0
0
4．結言
スプレー型高速応答 PSP の開発として，ナノ粒子をバイン
ダ溶液に添加したサンプルと色素溶液に添加したサンプル
で時間応答性と圧力・温度特性を評価した．
ナノ粒子を色素溶液に添加すると，バインダ溶液に添加し
たサンプルと比べて，時間応答性が約 3 倍高くなることが分
かった．また，圧力感度，温度感度はほぼ変わらないが，
1.0 %/C 以上と高いため改善する必要があることも分かっ
た．
100 kPa 時の発光強度を比較すると約 1/5 と低くなった．
今後はバインダ層表面の感圧色素の分散状態を調査，改善し
更に応答性が高く，発光強度も高い PSP の開発を行っていく．
謝辞
本研究を進めるにあたり，北川一敬教授(愛知工業大学工
学部)には，衝撃波管を使用させていただき，貴重なご意見
やご協力を頂きました．厚く感謝いたします．
20000
Iref / I
10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pressure[kPa]
Fig.4 Pressure calibration curves of PSP samples
110
120
参考文献
(1) Liu, T. et al., “Pressure and temperature sensitive paints”,
(2005), Springer.
(2) Gregory, J.W. et al., “A review of pressure-sensitive paint for
high-speed and unsteady aerodynamics”, Journal of Aerospace
Engineering, Vol. 222, (2008), pp.249-290.
(3) Sakaue, H. et al., “Characterization and Optimization of
Polymer-Ceramic Pressure-Sensitive Paint by Controlling
Content”, Sensors 2011, 6967-6977. (2011).
(4) Kameda, M. et al., “Unsteady measurement of a transonic
delta wing flow using a novel PSP”, AIAA Paper 2008-6418.
(2008).
(5) Sugimoto, T. et al., “Characterization of Frequency Response
of Pressure-Sensitive Paints”, AIAA Paper 2012-1185.(2012).
(6) 佐藤優大，小西翔太，山本真也，江上泰広，
「ポリマーセ
ラミック感圧塗料の応答性向上に関する研究」
，第 43 回
可視化情報シンポジウム，可視化情報学会誌 35(Suppl.1),
(2015.07), pp.157-160.