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赤外線カメラによる気流の可視化

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赤外線カメラによる気流の可視化とは？直接目視することのできない大気の流れを可視化することは、快適な室内空調を実現する目的だけでなく、新型感染症対策のための効率的な換気の設定、廃熱を伴うプロセスでの省エネ対策等、様々な分野に応用することができます。これまで気流を可視化するために用いられてきた技術には、タフトと呼ばれるテープ状のものを流れのなかに多数設置する方法や、微粒子を気体に混ぜ、これをレーザで照射しながら高速撮影する方法などがありました。いずれにしましても、流れの場に気流を捕捉するためのトレーサとなるものを置く必要があります。また、微粒子により周囲を汚染させることや有害なレーザを用いることから、人が実際に生活している室内環境や、工場などの大空間、屋外、クリーンルーム等では、気流を測定することができませんでした。これに対し、当社の赤外線カメラによる気流可視化技術は、タフトや特別な微粒子、光学系を必要としないため、場所を問わず、周囲に気兼ねすることなく、多くの場面で気流を測定することができます。気流の可視化の原理赤外線カメラによる気流の可視化は、大気による赤外線の吸収を利用します。ここで、大気を構成する主成分は、N2、O2、CO2、Ar、H2Oですが、このうちN2とO2は等核二原子分子のため赤外線を吸収しません。また、Arも単原子分子のため赤外線を吸収しません。つまり、残りの成分であるCO2とH2Oで、赤外線の吸収が生じます。ところで、赤外線カメラは物質の表面からの赤外放射光強度より温度を測定するものですが、そもそも光路中の大気の影響を受けないようにするため"大気の窓"と呼ばれる大気の吸収の少ない波長帯で作られております。この"大気の窓"はほぼH2Oの吸収帯に相当しており、赤外線カメラでH2Oの吸収を捉えることはできません。ところがCO2には、冷却型赤外線カメラで用いられている中赤外波長域（3～5μm）に赤外線吸収があり、これを利用することができます。ただし、キルヒホッフの法則より、熱平衡状態では吸収率と放射率は等しくなります。そのため、単に赤外線カメラで大気を撮影しただけでは、CO2による吸収（放射）はごくわずかであるため、気流を可視化することはできません。図1 気流の可視化原理それでは、どのようにしてCO2の吸収を利用して気流を可視化するのでしょうか？図1に気流可視化の原理の模式図を示します。赤外線カメラにより測定される赤外放射画像は、大気（CO2）からの放射分とその裏にある背景からの放射分の重ね合わせであると考えられます。背景が固定されている場合、背景放射は数秒の時間経過（Δt）ではほぼ変化がないとみなせますが、一方で温度ムラのある大気（CO2）に流れがある場合、Δt間の流れにより放射画像の変化が観測されます。つまり、大きな背景放射にごくわずかな大気（CO2）からの放射が重畳した放射画像であっても、背景の温度変化（放射光の変化）がなければ、大気（CO2）の温度変化だけを抽出することができます。さらに、この大気（CO2）の温度変化を時間的に連続して解析すれば、気流とともに温度変化の凹凸も移動するため、気流として認識することが可能となります。なお、この温度変化の解析には、当社独自の「短時間ロックイン解析法」を適用することで、ノイズが低減でき、気流の動きをとらえやすくなります。「短時間ロックイン解析法」は、連続撮影した一連の温度データを数秒の短時間の窓で切り出し、それを時間方向にずらしながら少しずつロックイン解析を行う手法です。従来のロックイン解析法に時間軸の次元を加えたものであり、時間軸の分解能を保ちながら温度変化の凹凸の時間変化を高精度に解析することができます。参考文献：福田, 古川：赤外線カメラによる気流の可視化、クリーンテクノロジー、30 No.10(2020) 50-54. 室内の気流可視化空調の効率的化、各種工業用炉の省エネ対策、暑熱対策等窓からの日射で温められた室内の空気の流れの可視化事例を示します。