研究期

報No. 1202024 年 6 月

四 国 電 力 株 式 会 社
四国電力送配電株式会社
株式会社四国総合研究所

研究期報１２０号

目次

共振器増強ラマン分光法によるガス分析技術の開発 .................................................. 1
Development of gas analysis technology using cavity-enhanced Raman
spectroscopy

ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討 ........ 7
Fundamental study on development of ammonia flame visualization
technology in furnace for acceleration of GX

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について ............................................. 14
Development of a remote monitoring system for vacuum sewer systems

超音波による原子炉配管水位高精度測定技術に関する研究...................................... 21
Research on high-precision measurement of reactor piping water level using
ultrasonic waves

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響 ................................................ 27
Effect of near infrared light exposure after harvest on appearance in Melon

研究期報№120共振器増強ラマン分光法によるガス分析技術の開発

目

的
小型で応答の速い微量ガス分析装置の実現を目指し，高フィネスのファブリ・
ペロー型外部共振器を用いて半導体レーザを増幅する共振器内ラマン分光法に関する研究開発を行った。

主な成果
青紫色（中心波長 416 nm）領域で発光する AR（Anti-Reflection：反射防止）
コート付きレーザダイオードと，一対の高反射ミラーからなるファブリ・ペ
ロー型外部共振器を組み合わせた外部共振器型半導体レーザを構築し，注入電
流 60 mA での動作時に共振器内部に 30～50 W 程度の強力な定在波を生成可能であることを実証した。この共振器内定在波のパワーは，ラマン分光法によって ppm オーダの微量混合ガスを実時間測定するのに十分な水準に達しており，標準ガスを用いた検証実験によってガス分析能力を確かめた。開発した光源は，
これまでにない小型・高感度・高速応答を実現するラマン分光方式のガス分析計として実用化できる可能性があり，社会実装に向けた取り組みを継続していく予定である。

図1

図2

外部共振器の内部で増幅された半導体レーザ

開発した光源を用いたガス分析事例（水素ガス中のメタン 100 ppm の測定）

研究担当者
キーワード

問い合わせ先市川祐嗣，横井清人，大井信彦，朝日一平（株式会社四国総合研究所 電子アグリ技術部）
半導体レーザ，LD，ガス分析，水素，メタン，アンモニア，
混合ガス分析，多成分分析，リアルタイム，微量分析，小型，オンライン，
プロセスガス分析，ラマン分光，外部共振器，増幅，青色
株式会社四国総合研究所 経営企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
https://www.ssken.co.jp/[無断転載を禁ず]

研究期報№120
ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

目

的現在，気候変動対策に有効なカーボンフリー燃料の一つとして注目されているアンモニアの社会実装に向け，多くの企業が既存燃料の燃焼炉からアンモニ
ア専焼・混焼炉への転換に向けた取組みを活発化している中，特に高温炉内においてアンモニア火炎の観測が困難であるという課題が新たに浮上した。本稿では，この課題を解決するために，受動紫外・赤外分光法に基づく炉内アンモニア
火炎可視化の実現性について基礎実験結果に基づき評価したので報告する。
主な成果
高温炉内環境におけるアンモニア火炎可視化について，阻害要因として，輻射
や混焼燃料火炎の発光及び燃焼生成物による光吸収を仮定した場合，240～
290nm 付近のアンモニア火炎の発光を選択的に捉えることで可視化が可能であるとの結論を得た。

図1

図2

アンモニア火炎発生装置外観

燃焼中のアンモニア火炎

EM-ICCDカメラの視野

アンモニア火炎

離隔距離
約80cm

水素火炎
（種火）

干渉フィルタノズル

EM-ICCDカメラ

画像信号

図3

PC

アンモニア火炎可視化実験装置構成j
図4

アンモニア火炎可視化事例（左：観測部可視画像，右：アンモニア火炎可視化画像）

研究担当者
キーワード
問い合わせ先横井 清人，杉本 幸代，市川 祐嗣，荻田 将一，大井 信彦，朝日 一平（株式会社四国総合研究所 電子アグリ技術部）
アンモニア燃焼炉，アンモニア火炎，可視化，受動紫外・赤外分光法
株式会社四国総合研究所 経営企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
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研究期報№120

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について

目

的
下水道設備は近代国家に不可欠の重要インフラであり，これまでに様々な方
式の下水道システムが開発されている。中でも近年では，大規模な工事を必要とせず，我が国特有の起伏の多い地形にも適用可能な真空式下水道システムの導入が進んでいる。
真空式下水道システムでは，地域の隅々にまで張り巡らした真空母管に真空弁を装備した汚水受水桝が接続されており，受水桝に一定量の汚水が溜まると真空弁が開き受水桝内の汚水を真空母管内に吸い込む仕組みとなっている。
この真空弁の動作が不調になると，様々なトラブルを引き起こすため，その常時監視システムが不可欠となっている。
既存システムの老朽取り換えに際し，最新の IoT ならびに WEB 技術を活用することで，監視性能を大幅に強化し，ロバスト性にも優れた真空弁遠隔監視シス
テムを開発した。
主な成果
1. 真空弁遠隔監視システムの開発運用開始から 19 年になる真空式下水道システムに装備された，無線通信式真空弁遠隔監視ステムの老朽化取り換えに際して，当社の openATOMS 技術をベースに，従来にない新機能を盛り込んだ真空弁遠隔監視システムを開発した。
2.

真空弁遠隔監視システムの運用状況
システム設置から現在までの 3 カ月間の運用実績において，監視対象である設備側には緊急対応が必要な大きなトラブルは発生しておらず，監視システム
も，全て設計時の期待通りに機能している。
また，監視システムにより日々蓄積されるデータから，これまで見過ごされていた機器の不調が順次明らかとなり，都度，適切な対応がなされた結果，システ
ム運用開始後に度々発生していた異常通報は徐々に減ってきている。

研究担当者

キーワード
問い合わせ先図1

真空弁遠隔監視システムの WEB トップ画面

図2

真空弁遠隔監視システムの WEB 機場マップ画面

中西 美一，細川 輝樹，仲田 誉（株式会社四国総合研究所 電子アグリ技術部）
久米川 昌浩（株式会社四国総合研究所 経営企画部）
真空式下水道，真空弁，遠隔監視株式会社四国総合研究所 経営企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mailhttps://www.ssken.co.jp/

jigyo_kanri@ssken.co.jp[無断転載を禁ず]

研究期報№120

超音波による原子炉配管水位高精度測定技術に関する研究

目

的四国総合研究所では、四国電力伊方発電所第 3 号機の原子炉配管内の水位測定を目的とした超音波式の「RCS ノズルセンタ超音波水位計」（以下、超音波水位計）を開発し、ミッドループ運転時の水位低下による炉心冷却機能喪失対策の強化に貢献している。本稿では、超音波水位計の水位測定精度の向上のため、新しい信号処理や水位評価手法を導入した成果について報告する。

主な成果
1. 高精度水位測定技術の検討
低水位における水位測定精度の向上方法について検討した。多重反射法は多重反射波の間隔から水位を求める方法であり、多数の多重反射波が検出できれば、最頻値を使用することで水位を誤検出する危険性を低減することが可能である。動的検量線は、バックグラウンド波形（超音波波形のバックグラウンドノ
イズ成分）を推定し、それを元に検量線を更新する方法であり、多重反射波の検出感度の向上に有用である。水位評価手法の最適化は、測定水位の時系列データ
から現在水位を予測・推定する方法であり、水位測定精度の向上に利用できる。
2. 高精度水位測定技術の検証
高精度水位測定技術（以下同技術）の検証のため、既設超音波水位計と同型の予備超音波水位計を元にした同技術の実証機を用意し、原子炉配管を模擬した
実物大カットモデルを使った水位測定実験や、第 15 回定期検査（2019 年 12 月
～2021 年 12 月）で採取した超音波信号データを使った実機水位測定の模擬実験を実施した結果、水位の誤検出頻度の低減に有効であることが確認できた。
また、第 16 回定期検査（2023 年 2 月～2023 年 5 月）において、既設超音波水位計で受信する超音波信号を分岐する方法により、既設超音波水位計と実証機で同時に水位測定を実施した結果、同技術が実機でも有効であることが確認
できた。

図1

超音波センサ取付位置と超音波経路

図3

多重反射法の概要

図2

超音波信号の検出例（1 回反射法）

模擬原子炉配管

満水付近(𝐻𝐻~736mm)+250mm(𝐻𝐻 = 668mm)

0mm(𝐻𝐻 = 418mm)-250mm(𝐻𝐻 = 168mm)-380mm 以下(𝐻𝐻 ≤ 38mm)

図5

模擬原子炉配管と水位測定画面

時間

図4

模擬原子炉配管の水位測定結果

研究担当者
キーワード

問い合わせ先岡部克也（株式会社四国総合研究所 産業応用技術部）
超音波測定，超音波水位計，PWR，RCS，定期事業者検査，
ミッドループ運転，カルマンフィルタ，最適制御，ランダムウォーク，
1 回反射法，多重反射法
株式会社四国総合研究所 経営企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
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研究期報№120

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響

目

的
近赤外光照射は、これまでの研究で収穫後の青果物の鮮度を維持する効果があることが分っている。そこで、青森県産のメロン「優香」「タカミ」を対象として近赤外光照射後輸送し果実品質へ及ぼす影響について調査した。
主な成果
収穫後の青森県産メロン「優香」「タカミ」の 2 品種を対象として照射後輸送し鮮度保持効果について検証した。その結果、近赤外光照射は、両品種において着荷時の果実硬度を高く維持し、水浸状化やカビの進行を抑制するなど輸送中の傷みを軽減する効果があることが分った他、貯蔵中の老化や果皮の黄化を抑制できることが明らかになった。「物流の 2024 年度問題」による輸送の遅れや停滞が懸念される中、今後この技術の活用は有効であると考えられた。

表1

メロンの外観に及ぼす近赤外光照射の効果

照射 8 日後

果皮の変色

へた周りの水浸状化

無照射

2.3

2.3

照射

1.3

0.8*

外観の傷みの程度を点数評価（0：なし、1：少程度、2：中程度、3：顕著）した。*は、無照射と比較して 5%水準で有意差あり（t 検定、n=3～4、品種：優香）

4

0.5

へたカビ程度（点）果実硬度（kg）

0.6

0.4
**

0.3
0.2

無照射
近赤外光照射

0.1
0

0

10

5

15

20

照射後日数 (日)図1

果実硬度に及ぼす近赤外光照射の影響 図 2**は、無照射に対し 1%水準で有意差あり。
縦棒は標準誤差（n=10～20、品種：タカミ）

無照射
図3

無照射
近赤外光照射

3
2
1
0

*
0

5

10

照射後日数 (日)1520

へたの白カビに及ぼす近赤外光照射の影響
カビの発生は程度に応じて点数評価（0:なし、
1:1/3 未満、2:1/3 以上 1/2 未満、3:1/2 以上全体未満、4:全体）した。*は、無照射に対し 5%水
準で有意差あり。縦棒は標準誤差（n=10～20、品
種：タカミ）

近赤外光照射果皮の黄化に及ぼす近赤外光照射の影響（品種：タカミ）
画像解析ソフト「imageJ」により黄色を抽出した。
各写真の右側は黄変部の抽出画像

研究担当者
キーワード
問い合わせ先秦 亜矢子（株式会社四国総合研究所 化学バイオ技術部）
青果物、果物、鮮度保持，日持ち延長、輸送、近赤外光、照射、メロン、カビ、果実硬度、糖度、電解質漏出割合、黄化株式会社四国総合研究所 経営企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
https://www.ssken.co.jp/[無断転載を禁ず]四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報120 (2024年6月) 1－6共振器増強ラマン分光法によるガス分析技術の開発㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部

キーワード：

半導体レーザ
共振器
ラマン分光
水素
混合ガス

Key Words：

市川 祐嗣
横井 清人
大井 信彦
朝日 一平

Diode laser
Optical cavity
Raman spectroscopy
HydrogenGas mixture

Development of gas analysis technology using cavity-enhanced Raman spectroscopy
Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agricultural technology Department
Yuji Ichikawa, Kiyohito Yokoi, Nobuhiko Ooi, Ippei Asahi
Abstract
We constructed an external cavity semiconductor laser by combining an AR (Anti-Reflection) coated laser diodethat emits light in the blue-violet (center wavelength: 416 nm) region and a Fabry-Perot external cavity consistingof a pair of high-reflection mirrors, and demonstrated that it is possible to generate a strong standing wave of
approximately 30 to 50 W inside the cavity when operating with an injection current of 60 mA. The power of thisstanding wave inside the cavity has reached a level sufficient to measure minute amounts of gas mixtures on theorder of ppm in real time using Raman spectroscopy, and the gas analysis ability was confirmed through verification
experiments using standard gases. The developed light source has the potential to be put into practical use as a
Raman spectroscopy gas analyzer that is unprecedentedly compact, highly sensitive, and has a fast response. We
plan to continue working towards its practical application.

－ 1 －共振器増強ラマン分光法によるガス分析技術の開発

1. 序論ている分析法である。ラマンスペクトルは，分子1.1 研究開発の背景と目的による非弾性散乱であり，励起光と異なる特定の有毒ガス，可燃性ガス等の検知やプロセスガス

波長に観測されるスペクトルである 4),5)。ラマン

分析，環境測定など，ガス分析技術は，民生用，分光法は，固体・液体・気体のすべてに適用可能

産業用から研究開発用途まで広範な分野で必要であるが，気体（ガス）の場合には分子密度が低とされる技術である。近年では，燃料としての水

いため，ラマンスペクトルの測定にはピーク強度

素やアンモニアの利用を推進する動きが加速しの高いパルスレーザや光電子増倍管等の高感度ており，これらのガスを含む多種多様なガスを対検出器がよく用いられる。

象とした分析技術の開発が今まで以上に求められるようになってきている。

レーザを用いたガス分析手法としては，一般的には主に赤外波長域のレーザを使った吸収分光

水素ガスは毒性はないが，爆発濃度範囲が 4～法がよく知られており，微量成分の高感度測定も75%と広く，着火エネルギが小さいため，火災等可能であるが，レーザ波長を測定対象ガスの吸収の事故を未然に防ぐために迅速な漏洩検知が求線に精密に合わせて測定するため，複数種のガスめられる。また，アンモニアガスはエネルギキャの同時計測は難しく，また，多成分分析を行うた

リアとして注目されつつあり，燃料としての実用

めには波長可変レーザの実装や複数の装置の併化に向けた研究開発がさかんに行われているが，用が必要となる。

人体に対する毒性が高く，検知技術に対するニー
ズは高い。

これに対し，レーザラマン分光法では，単一波長のレーザ光源による励起によって，同時に多成

著者らはこれまで，レーザを光源とするラマン分の測定が可能である。大気成分のラマンスペク

分光法によるガス分析技術の開発に取組んでき

トル測定例を図 1 に示す。横軸はラマンシフトと

た

1)-3)

。レーザラマン分光法は，水素やアンモニ呼ばれる値であり，励起レーザの波長を基準としアを含む多くのガス種のリアルタイム検知・同定て，観測されるラマンスペクトルの波長領域でのが可能な非破壊・非接触の測定法であり，応答速

ずれ量を単位 cm-1 で表したものである。ラマンシ度の速さや遠隔計測への拡張性など，他のガス分

フトは散乱体である分子に固有の値であり，励起

析手法にはない長所がある。

光の波長によらず常に一定の値を取る。また，ラ

一方，ラマン分光法で観測対象となるラマン散
乱光は極めて微弱な光であるため，迅速な漏洩検マンスペクトルの強度はガス濃度に比例するため，濃度計測も可能である。

知や微量成分の分析に必要とされる測定感度を，ガスを対象とした測定において実現することは(b)スペクトル強度

容易ではない。
ラマン散乱の強度は励起レーザの強度に比例するため，高出力のレーザを使用すればガスの高感度分析も可能であるが，安全性の問題や装置が(a)

大型化してしまうといった問題が存在する。

(c)

本研究では，これらの課題を解決するため，半1000

導体レーザを光共振器によって増幅し励起光源

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

ラマンシフト [cm-1]

として利用する新たな高感度ガス分析技術の開発に取組んだ。

図1

大気成分のラマンスペクトル(a)酸素，(b)窒素，(c)水蒸気
1.2 レーザラマン分光法によるガス分析
ラマン分光法は，分子をレーザ等の光で励起す分子のラマンスペクトルについては豊富な研ることで発生するラマンスペクトルを観測する

究開発の蓄積とデータベースが存在するため，ス

分光計測法であり，分子の種類や構造に関する情ペクトルの帰属により，成分が未知の混合ガス分

報を得られるため，化学分析の場で広く用いられ析にも適用できる。しかしながら，ガスのラマン－ 2 －共振器増強ラマン分光法によるガス分析技術の開発

スペクトルは前述のとおり一般的に極めて微弱したがって，共振器はレーザ装置に必須の構成要なため，微量成分の測定には困難がある。レーザ

素であると言える。

ラマン分光法では，励起光源として使用するレー一組の鏡を向かい合わせにした形の共振器を

ザ光の強度や安定性が測定精度を決定するため，

ファブリ・ペロー型共振器と呼び，多くのレーザ

高感度ガス分析を実現するためには，極めて品質

装置に発振器として用いられている。半導体レーの高いレーザ光源の開発が求められる。

ザでは，通常，1 mm に満たないサイズの半導体素子（レーザダイオード）の両端面が劈開によってミラーを形成しており，素子そのものがファブ

1.3 共振器内分光法
本研究では，ガス測定感度を向上させるため，

リ・ペロー型共振器となっている。注入した電流

光共振器内部で増幅したレーザ光を励起光源とによる発光が素子の中で閉じ込められ共振する

して測定を行う共振器増強ラマン分光法に関すことによってレーザ光が生成され，外部に放射さる開発を行った。これはいわゆる共振器内分光法

れる。一般的なファブリ・ペロー型レーザ共振器の一種である。

の構成を図 2 に示す。

共振器内分光法は，これまで，主に赤外波長域

光照射，電流注入等による励起

でのガスの吸収分光測定における高感度化を目レーザ出射的とした開発が行われてきた。レーザを使った吸レーザ媒質

収分光測定では，ヘリオットセル等の多重反射セ
共振器ミラー

ルを用いて光路長を増大し，測定感度を向上させ

図2

る手法がよく行われているが，光共振器は，多重共振器ミラー

一般的なレーザ共振器の構成（ファブリ・ペロー型）

反射セルよりもさらに光路長の長いガスセルとして分光測定に利用することができる。例えば，
赤外波長の半導体レーザを光源とする CRDS 分光(2) 開発したレーザ光源の構成

法は，共振器を用いた吸収分光測定の代表的な手

これに対し，本研究で開発を行ったレーザ光源法であり，極微量成分を精度よく定量できるため，は，出射端面に反射防止（Anti-Reflection: AR）

6)

さかんに開発が行われている 。

コーティングを施し，素子単体でのレーザ発振がラマン分光法は，吸収ではなく，分子による散抑制されたレーザダイオードからの放射光を，外乱光を観察する分光計測法であるが，共振器をガ部に設置した共振器に入射させて発振させる，外スセルとして使用することで，レーザ光とガス分部共振器型半導体レーザの一種である。開発した子が相互作用する距離を長く取ることができ，測レーザ光源の光学配置を図 3 に示す。

定の高感度化が期待できる。

共振器ミラー①
レーザダイオード
素子（LD）

2. 光源の開発

共振器ミラー②

バンドパスフィルタ（波長選択）

2.1 光源の構成と動作原理(1) 一般的なレーザ共振器の構成
光は電磁波の一種であり，一般には様々な波
長・位相の波が混在しているが，レーザ光は特定

端面１：
反射率R0

コリメートレンズ
端面２：反射防止コート

図3の波長かつ位相の揃った光波であるため，直進性

反射面１：
反射率R1

反射面２:
反射率R2

開発したレーザ光源の構成や可干渉性など通常の光にはない性質を示す。
一般に，レーザ光を生成するレーザ装置の内部

レーザダイオードの端面 2 から放射された光には，電流や光照射等の励起によって発光するはコリメートレンズで成形され，ファブリ・ペ

レーザ媒質と，媒質を取り囲むように配置されたロー型の外部空洞共振器に結合される。端面 2 に共振器ミラーが組み込まれており，レーザ媒質かは反射防止コートが施されており，素子単体でのら発生した光を共振器内部に閉じ込めて増幅しレーザ発振が抑制されている。共振器ミラー①の取り出すことによってレーザ光を生成している。

反射面 1 を透過した光が共振器内部で増幅され－ 3 －共振器増強ラマン分光法によるガス分析技術の開発るとともに，増幅された光が共振器から漏れ出し

レーザの駆動電流を変調させてレーザ波長を微てレーザダイオードに帰還し，光フィードバック

調整したりする必要がある。これに対し，この光として作用する。CRDS 等の一般的な共振器内分源では，電気的なフィードバック制御等を行うこ

光法では，レーザ素子と共振器の間にアイソレーとなく，光フィードバックによる波長の受動ロッ

タを挿入し，半導体レーザ素子に共振器からの戻クのみによって安定的に強度の高い定在波を生り光が帰還しないようにすることでレーザ波長成できるため，より簡便な構成の分析装置としてを安定化させて測定を行うことが基本であるが，実用化できる可能性があると考えている。

開発した光源では，共振器内部からの漏れ光をレーザダイオードに帰還させ，共振器の共振波長2.2 光学素子の選定に受動的にロックさせて発振させることが特徴

吸収分光法によるガス分析では，測定対象となである。このとき，光学系全体は，レーザダイオー

るガスの吸収線に応じた波長のレーザを選定しドの裏側端面（端面 1），共振器ミラー①の反射て使用する必要があるが，ラマン分光法では，励

面 1，共振器ミラー②の反射面 2 の 3 つの反射面

起波長に制約はない。ラマン散乱の強度は励起光からなる複合共振器を構成していると考えられの波長が短いほど強いため，なるべく波長の短いる。光フィードバックによる受動ロックを作用さレーザを光源として利用すると測定感度向上にせるためには，反射面 1 の反射率は反射面 2 の反有利である。これまで行われてきた同様の原理に射率よりもわずかに低く設定される必要がある。

基づく研究開発では，赤色の可視半導体レーザがこの構成では，反射面 1 で反射して帰還する光

光源として使用されていたが，近年の技術開発のと，共振器内部からの漏れ光が干渉するため，光進展により，より波長の短い青色領域で発光する

フィードバックによる受動ロックが作用しない

レーザダイオード素子が利用可能となり，共振器

ように思われるが，共振器とレーザ光の光軸を意

ミラーについても，同様に青色領域で高い反射率

図的にわずかにミスアライメントさせることで，のものが調達可能となってきていることから，青干渉で強め合う成分のみをレーザダイオードの色波長域で動作する装置を構成することとした。

端面 2 に帰還させることが可能であり，これに実験装置の構築に使用した共振器ミラーとレー

よって外部空洞共振器の内部に高強度の定在波

ザダイオード素子の外観を図 4 に示す。

を生成可能である。この現象は，1990 年代の終わり頃に米国の研究者によって初めて見出された現象であり 7)，その後，東海大学において研究開発が行われた 8)ことがあるが，これまでのところ，ガス分析技術として実用化された例はない。
この光源は，２枚の共振器ミラー，コリメート
レンズ，半導体レーザ素子，のわずか４つの光学

図4使用した共振器ミラーとレーザダイオード

素子によって構成される極めてシンプルな光学系によって，共振器内部に高強度の定在波を生成

レーザダイオードは日亜化学社製 NDVA416T（中可能であるため，ガスのラマン分光測定用光源と心波長 416 nm，定格駆動電流 75 mA，定格最大出

して，非常に優れた光源であると言える。また，

力 45 mW）を使用した。出射端面に反射防止コー

出射端面に反射防止コートの付いていない一般

トの付いた外部共振器構築用の製品であり，φ的なレーザダイオードから放射されたレーザ光

5.6 mm の TO-Can パッケージ内に封止されている。

を外部共振器に効率よく入射させるためには，共共振器ミラーは，可能な限り反射率の高いものが振器の共振波長と半導体レーザの発振波長を精望ましいため，米国の Five Nine Optics 社に製密に一致させる必要があり，共振器ミラーの一方作を依頼し，波長 416 nm 付近での反射率が入射にピエゾ素子を取り付け，光強度をモニタリング

側 の ミラ ーで は 99.97%， 終 端側 のミ ラー で はしながら電気的にフィードバック制御を行うこ

99.999%となる高反射ミラーを調達した。ミラーとで共振器の長さを精密に調整したり，半導体

外径はハーフインチ（12.7 mm），反射面と反対の－ 4 －

共振器増強ラマン分光法によるガス分析技術の開発

面には反射防止コートが施されている。

3. ガス分析能力の検証
3.1 ガスセル型共振器の開発

2.3 光源の構築と動作実証

共振器内部にガスを導入し，ラマン分光測定の

これらの光学素子を使って検証実験系を構築

基礎試験を行うため，共振器ミラーを内蔵したア

し，外部共振器によるレーザ光の増幅を確認する

ライメント調整型のガスセルを製作した。製作し検証実験を行った。レーザダイオードは温調制御

たガスセル（共振動作時）の外観を図 6 に示す。

付きのマウントに取り付け，コリメートレンズの位置を調整してレーザ光が外部共振器の空間モードに効率的に結合するようにアライメントを調整し，さらに光フィードバックが機能するよ
うに戻り光の状態を確認しながら慎重に光学系全体を調整することで，共振器内に高強度の定在波が生成できることを実証した。実験で発生させた共振器内定在波を図 5 に示す。共振器内部の明
るい紫色の輝線は，増幅されたレーザ光による大気分子のレイリー散乱光（レーザ波長と同波長の散乱光）である。

図6

ガスセル型共振器

ガスセル両端の金属部分に共振器ミラーがそれぞれマウントされており，共振器の内側に測定ガスを導入できるようになっている。中央部分は石英ガラス製の窓となっており，光軸と直交する方向からラマンスペクトルを観測する。図 6 では，
大気によるレイリー散乱が窓越しに目視できる。
図5

外部共振器内に生成された定在波

3.2 ガス分析試験結果開発した光源を使ったラマン分光測定でのガ

図 5 の実験において，終端側のミラー（反射率ス分析能力を評価するため，標準ガスを上記のガ

99.999%，透過率 10 ppm）を透過して漏れ出すビー

スセルに導入し，検証試験を行った。水素ベース

ムのパワーを測定したところ，0.3 mW 程度であっ

メタン 100 ppm の標準ガスを大気圧でセル内に充たため，ミラーの透過率 10 ppm から計算すると，

填し，観測窓からラマンスペクトルをマルチチャ

共振器内部での光パワーは 30 W 程度になっていンネル分光器で測定した結果を，図 7 に示す。

ると推定される。レーザダイオードの駆動電流は比較のため，メタンを含まない純水素およびラ60 mA，レーザダイオード単体での光出力は 30 mW

マンスペクトルの発生しないアルゴンを充填し以下であるため，外部共振器と組み合わせることた場合のスペクトルも示した。横軸のラマンシフ

により，1000 倍以上のパワーの定在波を生成可ト 2900 cm-1 付近の大きなピークがメタン 100 ppm

能であることを実証した。光フィードバックの調のラマンスペクトルであり，水素ガス中の微量成整を含めた光学系全体のアライメントを精密に分を精度よく分析可能であることを検証できた。

調整する必要があるため，パワーが最大となる最図 7 のスペクトル測定に要した計測時間は 1 分で適点を見出すことは容易ではないが，適切に調整あり，短時間で微量混合ガスを分析可能な技術ですることで，これまでに，最大で 100 W を超えるあることを実証した。この他，水素ガスそのもの

共振器内光パワーが得られることを確認していの測定についても，標準ガスを用いた試験により，る。

1 分以内に 1 ppm 以下の分析が可能であることを確認している。

－ 5 －

共振器増強ラマン分光法によるガス分析技術の開発

メタン100ppm（水素ベース）［参考文献］

アルゴン

水素のみ

1)

信号強度[count]

2200「ラマン散乱効果を利用した水素ガス濃度

2000

遠隔計測技術の開発」，電気学会論文誌 C，

1800

Vol. 129，No. 7，pp. 1181-1185 (2009)
2)

1600

1000
2400

朝日一平 他：「低出力レーザによる水素ガス
濃度遠隔計測」，電気学会論文誌 C，Vol. 130，

1400

No. 7，pp. 1145-1150 (2010)
3)

1200

杉本幸代，朝日一平：「コヒーレントアンチ
ストークスラマン散乱による漏えい水素ガ

2600

2800

3000

3200

ス検知技術（第 1 報）」，四国電力，四国総合

3400

ラマンシフト [cm-1]

図7

二宮英樹，朝日一平，杉本幸代，島本有造：

研究所 研究期報，No. 116，pp. 31-40 (2022)

水素ベースメタン 100 ppm のラマンスペク

4)

濱口宏夫，岩田耕一 編著：「ラマン分光法」，
講談社 (2015)

トル測定結果5)

Derek A. Long: “The Raman Effect”, John
Wiley and Sons, pp. 3-152 (2002)

6)

4. まとめ“Cavity-Enhanced

青紫色（中心波長 416 nm）領域で発光する反Spectroscopy

andSensing”, Springer (2014)

射防止コート付きレーザダイオードと，一対の高反射ミラーからなるファブリ・ペロー型外部共振

Gianluca Gagliardi, Hans-Peter Loock:7)

David A. King and Richard J. Pittaro:

器を組み合わせた外部共振器型半導体レーザを“Simple diode pumping of a power-buildup

構築し，注入電流 60 mA での動作時に共振器内部

cavity”, Optics Letters, Vol. 23, No. 10, pp.

に 30～50 W 程度の強力な定在波を生成可能であ774- 776 (1998)

ることを実証した。この共振器内定在波のパワー

8)Sato et al.: “Simple Real Time Traceは，ラマン分光法によって ppm オーダの微量混合

NitrogenDioxideDetector

Based

ガスを実時間測定するのに十分な水準に達してContinuous-Wave

CavityRingdown

おり，標準ガスを用いた検証実験によってガス分

Spectroscopy

析能力を確かめた。開発した光源は，これまでにExternal Cavity Diode Laser”, Japanese

Using

Passively

on

Lockedない小型・高感度・高速応答を実現するラマン分

Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 8R,

光方式のガス分析計として実用化できる可能性

pp. 6478 (2008)

があり，社会実装に向けた取り組みを継続していく予定である。

［謝辞］
この成果は、国立研究開発法人新エネルギー・
産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の委託業務（JPNP 18011）の結果得られたものです。
また，同委託業務における共同研究者として，数々の貴重な助言をいただきました東海大学の山口先生，千葉大学の椎名先生に，この場を借りて深く感謝申し上げます。

－ 6 －四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報120 (2024年6月) 7－13

ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部

キーワード：

アンモニア燃焼炉
アンモニア火炎可視化
受動紫外・赤外分光法

Key Words：

横井 清人
杉本 幸代
市川 祐嗣
荻田 将一
大井 信彦
朝日 一平

Ammonia combustion furnace
Ammonia flame
Visualization
Passive UV/IR spectroscopy

Fundamental study on development of ammonia flame visualization technology in furnace
for acceleration of GX
Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agricultural technology Department
Kiyohito Yokoi, Sachiyo Sugimoto, Yuji Ichikawa
Masakazu Ogita, Nobuhiko Ooi, Ippei Asahi
Abstract
Currently, many companies are actively working to convert existing fuel combustion furnaces into ammonia-only or
co-firing furnaces in order to put ammonia, which is attracting attention as one of the carbon-free fuels that can beused to combat climate change, into practical use in society. In the process, a new issue has arisen: the difficulty ofobserving ammonia flames in high-temperature furnaces. To solve this issue, we evaluated the feasibility ofvisualizing ammonia flames in furnaces using the principle of passive ultraviolet and infrared spectroscopy based on
the results of basic experiments. As a result, we concluded that ammonia flames can be visualized in hightemperature furnace environments by selectively capturing the emission of ammonia flames in the range of 240 to
290 nm, assuming that the factors inhibiting visualization are radiation, the emission of the co-firing fuel flame, andlight absorption by combustion products.

－ 7 －ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

1. 序論

2. 原理

アンモニアは，天然ガス，石油等の既存燃料や著者らはこれまでに，水素を燃料とした際に生再生可能エネルギー等から製造することが可能でじる人の目に見えない火炎を可視化する技術を確あり，また，燃焼に伴う CO2 の排出が無いことか

立し，一部社会実装に至っている 4)，5)。

ら，気候変動対策に有効なカーボンフリー燃料の本技術は，受動紫外・赤外分光法を原理として一つとして注目されている。同じく注目されてい動作するものであり，目に見えない発光体を対象

る水素と比較して，既存インフラでの利用が可能

として，可視波長域外の対象の自発光から可視化であることから，安価に製造・利用することがでに適した波長域を選択し，特殊なカメラを用いて1)きる点が特徴とされている 。我が国においても，
2)同波長域の発光を画像化した後に，背景画像と重第 6 次エネルギー基本計画にも明記される など，ね合わせることで，モニター上で対象を可視化す

グリーン成長戦略における重要分野の 1 つとしてるものである。

位置づけられており，主に専焼・混焼火力発電，1400

同各種工業炉，船舶用燃料を中心に，技術開発やOHラジカルの発光

1200

発光強度 [a.u.]

社会実装の加速化が進められている。

1000

H2O分子の発光

800
可視波長域

600
400
200
0

図1

燃料アンモニアの重要性 1)

200

図2

400

600
波長 [nm]

800

1000

水素火炎の発光スペクトル事例

このような社会情勢を背景として，現在，多く原理の説明のために，図 2 に水素火炎の発光スの企業が既存燃料のバーナや燃焼炉からアンモニ

ペクトル事例を示す。水素火炎の場合，燃焼反応

アバーナやアンモニア専焼・混焼炉への転換に向の過程において人の目に感度がある可視波長域にけた取組みを活発化している中，アンモニアの燃

顕著な発光が生じない。したがって水素火炎は不焼に係る課題が明らかになっている。例えば，ア可視である。一方で，紫外波長域や近赤外波長域

ンモニアは，メタン等の炭化水素系燃料と比較しにおいて，燃焼生成物である OH ラジカルや H2Oて燃焼性が低く，着火及び保炎が難しい。また，分子の発光が生じており，受動紫外・赤外分光法

燃焼生成物として大気汚染の原因物質である NOX

では，これらの発光を選択的に捉え，必要に応じ3)が発生する 。したがって，安定的かつ NOX 生成がて画像処理を加えた上で，可視画像上に重畳し，抑制できる燃焼方法を見出す必要があるが，その可視化を行っている。

解決に向けた技術開発の中で，特に炉内において後に述べるとおり，アンモニア火炎はその燃焼

アンモニア火炎の観測が困難であるという問題が過程において可視波長域に発光を示し，環境条件

新たに浮上した。

によっては視認することが十分可能である。本件

したがって，ここでは光学的計測技術を応用すにおいて，アンモニア火炎が観測できないとされることにより，高温炉内におけるアンモニア火炎ているのは，炉内等の高温環境下においてであ

可視化を実現するための基礎検討を行ったので，り，黒体輻射による周辺の物質の強い発光がアン

基礎実験結果及び実験データに基づく実現の見通

モニア火炎の発光のコントラストを大幅に低下さし等について述べる。

せ，この点が主な要因となって観測を困難にしているものと推定される。

－ 8 －ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

したがって，アンモニア火炎の可視化にあたっては，水素火炎の可視化とは異なる概念，アプ
ローチが必要となる。
3. 原理検証
3.1 アンモニア火炎発生装置の製作
アンモニア火炎を発生させるために図 3 の装置を作製した。アンモニアガスと酸素ガスを予混合
容器内に導入し，その後ノズルから放出した混合
図4

ガスに点火することでアンモニア火炎を形成する。

図3

図5

アンモニア火炎発生装置外観

ノズル部拡大図

燃焼中のアンモニア火炎

図 4 はノズル部の拡大図で，アンモニアへの点

アンモニアは腐食性が非常に高い物質であるた

火と燃焼を持続するために，水素火炎を種火としめ，液化アンモニアのガスボンベとガス放出口まて利用した。初めに水素用ノズルから水素ガス

での供給経路の材料には耐腐食性のあるテフロン（100%）を放出させ，小型誘電コイルを用いて遠チューブとスウェージロックのステンレスチュー

隔より火花放電によって水素を燃焼させた。この

ブ，低リーク・耐食性フローメータ，ステンレス時，水素ガスの放出量は 0.2L/min，火炎高約 8mmノズル及びステンレス製のガスセルを用いた。アである。その後，アンモニア用ノズルからアンモ

ンモニアのガス管は窒素ボンベにも分岐接続され，ニア（100%）と酸素（100%）の混合ガスを放出し，計測後は窒素ガスでアンモニアガスをパージでき

アンモニアを燃焼させた（図 5）。

るようにした。

計測中のアンモニア火炎の失火を防ぐため，ノまた，アンモニアは人体にとって有毒なガスでズル（火炎口）の周りに直径 90mm，厚み 2.5mm，もあるため，外部への漏洩を防ぐ目的のために石高さ 300mm の石英ガラス管で覆いをした。

英ガラス管の上部を排気ダクトに接続し，石英ガ本装置では火炎を発生させ，また腐食性と毒性

ラス管から吸気されたガスは塩酸を用いた中和排のあるガスも扱うため，安全にも配慮して設計し気系に送られ，未燃焼アンモニアガスは無毒化さた。

れる設計となっている。

火炎口からガスボンベに向けての逆火を防ぐた
めに水素，酸素，アンモニアのそれぞれのガス管

3.2 アンモニア火炎可視化実験には逆火防止器（乾式）を火炎口側とボンベ側に(1) アンモニア火炎発光スペクトル計測設置した。

前節に示した火炎発生装置を用いて，アンモニ
ア火炎可視化実験を行った。

－ 9 －ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

可視化実験に先立ち，炉内アンモニア火炎可視
10000

ンモニア火炎の発光スペクトルの計測を行った。

8000

集光したアンモニア火炎の発光を光ファイバに結合し，分光器へ導入した。使用した分光器は，波長域ごとにそれぞれ，Ocearn Optics 社製 Qe65Pro

光強度 [count]化において最適な観測波長を検討するために，アH2火炎のみ

(a)

6000
4000

（紫外～可視域：200～580nm），HR4000（近赤外域：

2000

700～1100nm），NIRQuest（近赤外域：1100～1700nm）0である。得られた各波長域の発光スペクトルを図

200

300

6(a)～(d)に示す。前節に述べたように，本火炎発する形で示している。
図 6(a)に示す紫外～可視域のスペクトルを見

光強度 [count]のみの場合とアンモニア火炎発生後の場合を比較

NH3火炎

OH
▼

(b)

1000

500

H2火炎のみ1200を生成している。したがって，それぞれのグラフ
は燃料のアンモニア転換前後，すなわち水素火炎

400
波長 [nm]

紫外域拡大

生装置では水素火炎を種火としてアンモニア火炎

NH3火炎

800
600

NH
▼

OH
▼

400
200

ると，350nm 以下の紫外域と 400nm 以上の可視域

0の発光が確認できる。紫外域の発光は幾つかのピークを示しており，これらは OH ラジカルや NH

200

225

250

275
波長 [nm]ラジカルといった，アンモニアの燃焼過程で生じ

350

NH3火炎

▼H2O

(c)

長側に生じるブロードなベースラインに複数の325

H2火炎のみ2000

る中間体による発光である。400nm 付近から長波300

光強度 [count]

1500

ピークを有するスペクトルは，燃焼過程で生じる

1000

NH2 アンモニアのαバンド由来の発光 6)に，高温状態の H2O による発光が重畳した結果として観測さ500れるスペクトルであり 7)，これらの発光が主要因
0となって，アンモニア火炎は図 5 に示したような

700

800

橙色の発光として人の目で捉えることができる。
図 6(c)(d)に示した近赤外域の発光は，いずれも12000

主に H2O 由来のスペクトルである。

炉内アンモニア火炎の可視化に適した波長域を選定した。高温環境下における火炎の可視化におい

光強度 [count]

前述のアンモニア火炎の実測データに基づき，

1000

1100

H2火炎のみ

NH3火炎

(d)

10000

(2) アンモニア火炎可視化実験

900
波長 [nm]て，明らかな阻害要因として考えられるのは，高温状態となった周囲の物体からの熱放射に伴う発

8000
6000
4000
2000
0

900

光である。黒体輻射，すなわち温度によって物体

1100

1300
波長 [nm]1500の放射する光の色が変化する現象は，一般的に高図6

温になるほど発光領域が短波長側にシフトする。

(a)

紫外～可視域：200～580nm

可視波長域への干渉は概ね 600℃程度から生じ，(b)

紫外領域拡大1500℃程度では約 300nm まで発光の始点がシフト(c)

近赤外域：700～1100nmする。また，他の燃料との混焼を行う場合は，ア(d)

近赤外域：1100～1700nm

ンモニア以外の燃料由来の発光も考慮する必要がある。

－ 10 －

アンモニア火炎の発光スペクトル1700

ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

れ，

4000
3500

光強度 [a.u.]3000

オイル系燃料火炎なしの輻射

干渉フィルタ①：中心波長 280nm，半値全幅 10nm

オイル系燃料火炎＋輻射

干渉フィルタ②：中心波長 310nm，半値全幅 10nm

2500

干渉フィルタ③：中心波長 337nm，半値全幅 10nm

2000である。一般的には，発光の強度が強い波長域を1500用いるが，輻射の影響は短波長ほど受けにくいこ

1000とから，ここではこれら３つの波長域において可

500
0

図 7

視化実験を行い，比較することとした。
350

400

450

500 550
波長 [nm]

600

650

EM-ICCDカメラの視野

700

オイル系燃料燃焼炉内の背景光スペクトル

アンモニア火炎

離隔距離
約80cm

事例

水素火炎
（種火）

干渉フィルタ図 7 は，オイル系燃料を使用する炉内の背景光スペクトル計測結果事例である。このように，他の燃料由来の火炎の有無にかかわらず，いずれのノズル

EM-ICCDカメラ

場合も概ね 400nm 付近から長波長側に向けて，ブ
画像信号

ロードな発光が生じることがわかる。これらの発
図9

光は，燃料あるいは高温になった物体の総量が多PC

アンモニア火炎可視化実験装置構成

ければ多いほど強く生じ，図 6(a)に示した，同じ波長域に生じるアンモニア火炎由来の可視領域の図 9 にアンモニア火炎可視化実験装置構成を示

発光のコントラストを著しく低下させるものと考す。アンモニア火炎の画像は，電子増幅機能が付えられる。したがって，高温炉内の条件下におい加されたイメージインテンシファイア付 CCD カメては，図 6(b)に示した紫外域の発光を用いてアンラ（EM-ICCD カメラ）を用いて撮像した。カメラレ

モニア火炎を可視化する手法が妥当であると言えンズは紫外光を透過するものを使用し，同カメラる。

レンズの前段に干渉フィルタ①～③を順に配置し，
H2火炎のみ1200

験の結果を図 10 に示す。

OH
▼

1000
光強度 [count]

それぞれの条件で火炎画像を取得した。可視化実

NH3火炎

図 10 の各画像に示すように，３種の干渉フィル

800
600

OH
▼

400

タいずれを用いても，アンモニア火炎の可視化がNH▼可能であった。本実験は常温環境下で実施したが，輻射や混焼燃料火炎の影響のみに注目した場合，

2000

特に干渉フィルタ①を使用することで概ね
200

225

250

275
波長 [nm]300

325

1500℃程度まではアンモニア火炎の可視化が可能350であると推察される。また，火炎画像のコントラ

干渉フィルタ①

図 8

ストも干渉フィルタ①を使用した場合が最も良好

干渉フィルタ②であった。これは我々の活動環境下における背景

干渉フィルタ③

光が短波長ほど少なくなることに起因しているも紫外域におけるアンモニア火炎の発光スペのと考えられる。

クトルと使用する干渉フィルタの透過波長域
図 8 は図 6(b)に示したアンモニア火炎の紫外域の発光スペクトルに，可視化に使用する干渉フィ
ルタの透過波長域を図示したものである。それぞ－ 11 －

ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討(3) アンモニア燃焼生成物の影響に関する考察(a)

アンモニア火炎の可視化においては，その阻害要因として，アンモニアの燃焼に伴い生成される物質による光吸収の影響も考慮する必要があると考えられる。図 11 に示すように特に，NOX（ここでは NO2，N2O，NO）は，紫外域において比較的強い
光吸収を示すことが知られており 8)，生成される
NOX の量次第では，アンモニア火炎の発光が吸収され，大幅に減衰する，あるいは撮像素子まで到達しない可能性がある。ここでは一例として，最も(b)

影響が大きいと考えられる NO2 について，アンモニア火炎可視化への影響を机上検討により評価した。
図 12 は，アンモニア火炎と撮像素子の間に100cm の空間が存在し，同空間に NO2 が存在する場
合の光の透過率について，その波長依存性及び NO2
濃度依存性を示すものである。

1.E-16N2O

1.E-17

(c)

NO

NO2

吸収断面積 [cm2]1.E-18
1.E-19
1.E-201.E-21
1.E-22
1.E-23
1.E-24200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300
波長 [nm]

図 11

NOX 主要成分の吸収断面積事例 8)（波長 200～300nm）(d)100ppm
5000ppm

100

500ppm1%

1000ppm5%

透過率 [%]

80
60
40
20

図 10

アンモニア火炎可視化実験結果事例

(a)

可視画像

(b)

干渉フィルタ①：中心波長 280nm(c)

干渉フィルタ②：中心波長 310nm(d)

干渉フィルタ③：中心波長 337nm

0

200

300

400

500

600

700

波長 [nm]

図 12

紫外～可視波長域における光の透過率のNO2 濃度依存性－ 12 －

ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

図 12 に示すように，NO2 濃度が 100ppm 程度であれば大きな影響はないと言えるが，数千 ppm レベ［参考文献］
1)

資源エネルギー庁：「我が国の燃料アンモニア

ルになると可視波長域及び深紫外波長域において

導 入 ・ 拡 大 に つ い て 」， 2022 年 12 月 ，

光の透過率が 20%程度まで低下することが分かる。

https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin

これをクリアする方法としては，図 13 に示す波長/green_innovation/energy_structure/pdf/01

域を用いる手法が考えられる。

2_04_00.pdf◀狙うべき波長域

光強度 [count]

1000
800

80
60

600
40

400

20

200
0

200

図 13

225

250

2)

NO2ガス透過率（濃度1%，厚み100cm）
100275
波長 [nm]

300

325

350

経済産業省：「エネルギー基本計画」，令和 3
年 10 月，https://www.meti.go.jp/press/2021

NO2ガス透過率 [%]NH3火炎発光スペクトル1200/10/20211022005/20211022005-1.pdf
3)/軽油混焼技術」，㈱エヌ・ティー・エス グリー
ンアンモニア合成・利用の新展開，pp.79-91(2023)
4)0

仁木洋一：「ディーゼル機関によるアンモニア

朝日一平，杉本幸代，星野礼香：「受動紫外・
赤外リモートセンシングによる水素火炎可視化」，日本燃焼学会誌，Vol61，No.195，pp.37-

NO2 の吸収の影響が強い場合のアンモニア

42（2019）火炎可視化に適した観測波長域
5)

荻田将一，田中武海：「受動赤外分光による水図 13 は図 6(b)に示したアンモニア火炎の紫外

素火炎可視化ウェアラブルデバイスの開発」，

域の発光スペクトルに NO2 ガス透過率の波長依存

四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所

性を重ねたものである。NO2 の吸収の影響は 300nm

研究期報 118，pp.11-19（2023）

以下の領域において弱まり，240nm 付近から再度

6)

R. W. B. Pearse, A. G. Gaydon, ”THE

強まる傾向にある。したがって，図 13 の紫色で示IDENTIFICATION

した概ね 240～290nm における発光を用いて可視

SPECTRA”, Jhon Wiley & Sons, New York,化を行う，すなわち図 10 における(b)の条件を採pp.232-235 (1976)

用することで，高濃度 NO2 が存在する環境下にお7)

OF

MOLECULAR

小林秀昭，早川晃弘：「カーボンフリーアンモ

いてもアンモニア火炎を可視化することが可能でニア燃焼」，日本燃焼学会誌，Vol.58，No.183，

あると考えられる。

pp.41-48（2016）

このような検討は，各種条件下で生成されるア

8)

Keller-Rudek, H., Moortgat, G. K., Sander,

ンモニア火炎の個別の燃焼生成物，特に高濃度にR., and Sörensen, R.: The MPI-Mainz

なる可能性がある物質について，実施する必要が

UV/VIS spectral atlas of gaseous molecules

ある。

of atmospheric interest, Earth Syst. Sci.
Data,

5,

365–373,

10.5194/essd-5-365-2013

4. 結論
高温炉内環境におけるアンモニア火炎可視化について，基礎実験に基づく実現可能性評価を行った。阻害要因として，輻射や混焼燃料火炎の発光
及び燃焼生成物による光吸収を仮定した場合，240～290nm 付近のアンモニア火炎の発光を選択的に捉えることで可視化が可能であるとの結論を得た。
今後は，実環境での実証試験を行い，アンモニ
ア混焼・専焼炉の開発過程や，実際に稼働しているアンモニア燃焼炉内の火炎モニタリング等の用途での応用展開を目指す予定である。

－ 13 －(2013),

DOI:

四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報120 (2024年6月) 14－20

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 経営企画部

キーワード：

真空式下水道真空弁
遠隔監視

Key Words：

中西 美一
細川 輝樹
仲田 誉
久米川 昌浩Vacuum Sewer System
Vacuum Valve
Remote Monitoring

Development of a remote monitoring system for vacuum sewer systems
Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agri-Technology Department
Yoshikazu Nakanishi, Teruki Hosokawa, Homare Nakata
Shikoku Research Institute, Inc., Corporate Planning Department
Masahiro Kumegawa

Abstract
Vacuum sewer system is a suitable option to areas where traditional gravity sewer systems are difficult to install.
They specifically work well in areas with subsurface difficulties. (For example : high groundwater tables, sandy
and unstable soils or undulating subsurface )With a vacuum sewer system, vacuum pumps maintain continuous vacuum pressure on the system. In addition,
there are vacuum valves located at each sewage input point that seals the system. When these valves are activated,differential pressure propels the wastewater through the piping to the vacuum station.
Vacuum valves’ smooth working is essential to keep vacuum sewer systems stable; therefore, we have developed
a sophisticated vacuum valve remote monitoring system utilizing modern IoT technology.
It especially equips sensitive microphones to catch subtle air leakage from vacuum valves that could not be
detected conventional monitoring methods.

－ 14 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について

1.

設計であること。

はじめに
下水道設備は近代国家に不可欠の重要インフラ

・停電時にも 24 時間以上全ての機能を維持可能であること。

であり，これまでに様々な方式の下水道システムが開発されている。中でも近年では，大規模な工(2)異常検知時メール通報機能事を必要とせず，我が国特有の起伏の多い地形に

・中央監視装置から，異常の検知および復帰を電も適用可能な真空式下水道システムの導入が進ん

子メールにてスマートフォン等に通知可能であ1)2）でいる。 （2020 年度末で 344 システム ）ること。

真空式下水道システムでは，地域の隅々にまで・インターネットに接続された PC，スマートフォ

張り巡らした真空母管に真空弁を装備した汚水受

ン等の WEB ブラウザを中央監視装置に接続し，

水桝が接続されており，受水桝に一定量の汚水が異常通報先，異常通報条件を容易に設定可能で溜まると真空弁が開き受水桝内の汚水を真空母管あること。

内に吸い込む仕組みとなっている。

(3)WEB 画面による異常監視機能

この真空弁の動作が不調になると，受水桝に接・インターネットに接続された PC，スマートフォ

続された住宅からの排水が困難になったり，受水

ン等の WEB ブラウザを中央監視装置に接続し，桝から汚水が溢れたり，真空母管全体の真空圧が異常状態のリアルタイム監視が可能であること。

低下しシステム全体の動作が不安定になるという・大規模地震発生時など，インターネット，LTE

トラブルを引き起こすため，その常時監視システ

回線などの広域通信網が機能停止した場合でも，ムが不可欠となっている。

中央監視装置に PC，スマートフォン等の WEB ブ

本稿では，運用開始から 19 年になる真空式下水ラウザを WiFi 接続することで，異常状態のリア

道システムに装備された，無線通信式真空弁遠隔ルタイム監視が可能であること。

監視ステムの老朽化取り換えに際して，当社の(4)WEB 画面による蓄積データ分析機能

openATOMS 技術をベースに開発した，従来にない・インターネットに接続された PC，スマートフォ

新機能を盛り込んだ真空弁遠隔監視システム(以ン等の WEB ブラウザを中央監視装置に接続し，下，本システムと記す)について報告する。

異常通報および日報蓄積データの分析が可能で
あること。

2.

・蓄積データの保存期間は 20 年以上であること。

主な要求仕様発注元の自治体から提示された主な要求仕様を以下に示す。

3.

(1)真空弁異常検知および動作データ収集機能

システム構成本システムは，各受水桝の空気取り入れ管(図・海岸地区に設置されている 60 機の真空弁の動1)に取り付けた樹脂ケース内に収容し，真空弁監

作状況，異常高水位の発生状況，真空漏れの発視装置として機能するセンサユニット(SU,図 1)

生状況を常時監視し，異常検知時には直ちに浄×60 台，浄化センター内に設置し中央監視装置と化センター内に設置した中央監視装置へ通知可

して機能するエッジクラウドユニット(ECU,図 3)

能であること。

×1 台，ならびにセンサユニット群とエッジクラ・1 日の真空弁動作回数，動作時間，異常検知回数

ウドユニットを双方向にデータ連係する無線通信を計測し，日報データとして中央監視装置へ通ネットワーク(RWN)で構成されており，エッジクラ
ウドユニットは LTE ルータを介してインターネッ

知可能であること。
・真空弁監視装置のサイズは 350×63×33mm 以下

トに接続されている。

とし，既設の監視装置収容ケース内に設置可能であること。

3.1 センサユニット(SU)・真空弁監視装置は，装置内に内蔵する乾電池で1 年間以上動作可能であること。

従来システムでセンサユニット(以下 SU と記す)に入力されていた情報は真空弁の開閉状態信・真空弁監視装置は，気温：-20～60℃，湿度：0号および異常高水位検知信号のみであり，その監～100%の環境下で 10 年間以上連続動作可能な

視項目は真空弁の所定時間を超える連続開放の検－ 15 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について

知・通報，および異常高水位の検知・通報のみで(1)低消費電力化についてあったが，システム更新に際し，発注元の自治体

受水桝には商用電源は整備されておらず，また，より真空弁の動作回数，動作時間の計測・通報機

住宅や樹木の影になる場所が多く，太陽電池によ能に加え，真空弁不完全閉止に伴う真空漏れの検る電源確保も困難であるため，SU は内蔵乾電池で知・通報機能の実現という課題提示があり，本工

1 年以上動作させなければならない。

事の元請けのМ計器様(以下, М計器と記す)と協本システム開発のベース技術として使用した

力してその実現手法を試行錯誤した結果，発注元

openATOMS は IoT システム基盤技術であり，ハーの自治体からのご要望の大部分を実現することにドウェア，ソフトウェアの両面で低消費電力化を成功している。

得意としているため，新たに開発した以下の 2 つSU のハードウェアおよびソフトウェアは全ての機能を追加搭載しているにも拘わらず，電池寿

当社で独自に開発したものである。近年では IoT

命は従来システムの 1 年程度から 3 年以上へと大*1*2

用途向けに Arduino や Leafony のような汎用きく延長することに成功している。

ハードウェアが販売されているが，それらの汎用
ハードウェアを利用して実用システムを構築する(2)真空弁動作回数・動作時間計測についてことには限界があり，社会に散在する様々な課題

先行メーカを含め，本課題を実現可能と回答しの解決に挑戦するためには，最先端のセンサやマたのは当社だけであったとのことであるが，当社

イコンを自在に組み合わせるハードウェア設計技

は極低消費電力で動作するパルス計測技術(特許術，ならびに独自 OS を開発できるレベルのソフト

第 7397459 号)を保有しており，本課題については

ウェア技術が不可欠である。

本特許技術の応用により比較的容易に実現することができた。
真空弁の 1 日積算動作回数に加えて，1 日積算
動作時間，1 日最大動作時間を日報データとして収集できるようにしており，それらのデータから
重篤な障害に至る前の，異物の噛み込みなどによる僅かな動作不調もある程度検知可能であることが明らかとなりつつある。
(3)真空漏れ検知について
本課題については，自治体から提供された「真空漏れが発生すると，受水桝からシューシューと音が聞こえる。」という情報を頼りに，空気取り入れ管内に高感度の小型マイク(図 2)を設置し，真空弁の動作後に音量測定を行い，その計測値で真空漏れの有無を判定するという方法を考案するとともに，М計器と協力して試作機による現地試験を繰り返しながら，試行錯誤の末に実用的なハー

図1

空気取り入れ管(左)と SU (右)ドウェアおよびソフトウェアの開発に成功した。
後日の調査で，音量測定で真空漏れを検知する

・受水桝に隣接して設置されている空気取り入れというアイデア自体は他の専門メーカにより特許

管に樹脂ケースが取り付けられており，樹脂出願されていたものの，審査請求されなかったこ

ケース内に SU を収容している。

とが判明した。審査請求されなかった理由は定か

・SU は，上から無線通信アンテナ，電子回路基板，ではないが，当社も直面し最終的には解決した

電池，信号接続端子台で構成されている。

様々な技術的困難が実用化を断念させたものと推察される。

－ 16 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について

音量測定時にはマイクの消費電流に加えてマイコンの動作電流が大きくなるため，音量測定のタ

WiFi 経由で PC，スマホなどの WEB ブラウザからアクセスすることで全ての機能を利用できる。
ECU では様々なソフトウェアが動作しているが，イミング・時間・回数を最適化し，消費電力を低

その全てをソフトウェアマネージメントシステム

減している。
また，真空漏れ音以外にも，汚水の流入音や通を介して遠隔保守可能な設計としており，動作状

行車両音，降雨音などの環境音があり，真空漏れ

況の確認，不具合修正，ならびに機能向上のため

音とそれ以外のノイズを識別する工夫を行う必要のソフトウェアアップデートは基本動作を停止すがあった。

ることなく遠隔実施することができる。

音量測定による真空漏れ検知手法については，

SU から収集したデータは XML 形式で保存されて一応実用レベルには達しているものの，まだまだいる。XML 形式にはデータがその説明情報である

改良の余地があり，より高精度な検知手法の検討キーを持つため，異なるデータ構造が混在した場を行っている。

合でも柔軟なデータ処理が可能であることや，システム間のデータ交換も容易であるという利点があり，ECU でもこの利点を最大限に生かしたデー
タ処理システムを実装している。
一方，IoT データの保存形式としては XML 形式
は冗長であることから，近年では XML の利点を残したまま構造が簡素化された JSON 形式でデータ交換，ならびにデータ蓄積する方式が標準となっており，openATOMS においても順次 JSON 形式でのデータ蓄積・交換への移行を進めている。

図2

高感度小型マイク・高湿度環境中に設置されるため，アクリル樹脂
製のカプセルに密封しているが，全面のアクリ
ル薄板が振動板として機能し，周囲音をマイクへ高効率に伝達する設計となっている。
3.2 エッジクラウドユニット(ECU)
図3

IoT 用途では集中型クラウドサービスの提供保ECU証期間よりシステム寿命が長いことが多く，殆どのシステムがオンプレミスで構築されており，本・ECU は、左から LTE ルータ, CPU, LoRa 無線通信
モジュールで構成されている。

システムおいても，現場設置型の小型 Linux コン
ピュータであるエッジクラウドユニット(以下，・無線通信モジュールは屋外の高所に設置し，10m

ECU と記す)に「データ受信」「データ蓄積」「デーの通信ケーブルで屋内に設置した CPU へ接続しタ解析」
「データ参照」などの通常のクラウド機能ている。

を全て搭載している。
ECU には固定グローバル IP アドレスを付与した

3.3 高性能クラウドユニット(VCU)

LTE ルータが搭載されており，ECU に搭載されてい１台の ECU に 100 台程度の SU を無線接続可能

る WEB アプリにインターネットあるいはローカルな設計となっており，また，SU の数が 100 を超え－ 17 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発についてる場合は，ECU の増設で容易に規模拡大可能であたため，既存設備を流用して LoRa 無線中継装置をるが，複数台の ECU を IP ネットワーク上で連係す設置した。電源は既設の AC 電源と乾電池を利用しる方式では，それらを統合して仮想的に 1 台の ECUた独自設計の無停電電源装置(バックアップ時間：として扱うことはできないため，必要に応じて100 時間)を組み合わせて構成しているが，無線中

IoT 用途専用に設計した高性能クラウドユニット

継装置の消費電力は 0.1W 程度と小さいため，商用(以下，VCU と記す)を運用可能な設計としている。

電源が確保できない場合は名刺サイズの太陽電池（本システムでは不使用）と Li 蓄電池の組み合わせでも運用可能である。

ECU には，SU から無線受信したデータを内部ス

LoRa 技術は従来技術に比べて無線通信性能がトレージに XML 形式で保存すると共に VCU へ MQTT

高く，無線中継装置を設置することなく ECU は全プロトコルにて JSON 形式で送信する機能が搭載ての SU との無線通信が可能であったが，無線中継

されており，数万台規模の SU を VCU で一元管理す

装置の運用開始後は 2～3 台の SU が 1 ホップの無ることも可能である。

線中継通信へ自動的に移行したことを確認していVCU では JSON データを蓄積・処理することが多る。

*3

いため MongoDB を使用しており，大量の IoT デー

本システムの無線通信は各 SU から開始され，そタを安全に保管し，柔軟かつ高速な検索処理を可

れには異常検知送信と 1 日分の計測データを加工能としている。

して送信する日報通信の 2 種類がある。異常検知

IoT システムにおいて，集中型クラウドサービ

送信の頻度は非常に少なく，その送信タイミングスの利用を妨げる要因として，前述のサービス期には特別な調整は不要で，万一複数の SU からの送間の保証が得られないという問題があるが，VCU

信タイミングが重なっても，LoRa 通信の CSMA お

ではクラウドサービスを利用するのではなく，ク

よび再送メカニズムが有効に機能し，通信不良はラウドサービスを実行するクラウドサービス実行

発生しない。

環境サービスを利用する。openATOMS では個々の一方，日報送信では全 SU からのデータ送信が一

IoT システム向けに構築した VCU パッケージを提斉に開始されるため，LoRa の基本機能だけでは対*4*5

供し，ユーザは ST クラウド ，AWS ，さくらのク*6

ラウド ，などの好みのクラウドサービス実行環

応できず，何らかの調整をしなければ，通信衝突による欠測が多発してしまう。

境サービス上で VCU パッケージを動作させること本システムでは，日報送信を毎日 00:00～01:00

で，独自の集中型クラウドサービスを運用するこの間に，各 SU からのデータ送信タイミングを 60とができる。

秒ずつずらすことで，通信衝突そのものが発生し小規模な監視システムを ECU ベースで構築し，ない設計とし，これを実現するために，SU の内部

複数の ECU を VCU で統合する設計の利点には，規時計は無線通信による時刻同期メカニズムにより模拡大の容易さに加えて，堅牢性の高さがある。

日本標準時の±5 秒以内に維持している。

VCU の運用はインターネットや LTE 回線に依存しており，その機能停止中は運用できないが，ECU 単

3.5 システム操作 WEB アプリ

位の監視システムはそれらに依存せず運用可能とECU，VCU のどちらを使用する場合でも WEB アプ

なっている。また ECU の消費電力は 10W 程度と小リの構築スタイルは統一されており，JavaScript

さく停電時のバッテリバックアップも容易である。

を駆使して構成した画面と ECU または VCU のデー
タ管理バックエンドが WEBAPI で動的にデータ通信する，操作性とリアルタイム性に優れた GUI を

3.4 無線通信ネットワーク(RWN)
本システムの無線データ通信量はシステム全体実現している。

で 12KB/日程度と非常に少ないため，無線通信技

WEBAPI では複雑なデータ処理メカニズムの構術として 3 ホップまでの無線中継機能を搭載した築が難しいため，アプリケーション毎に専用のLoRa 技術を使用している。従来システムでは，

データ処理プロセッサ(ソフトウェア)を実装して400MHz 帯の特定省電力無線技術が使用されておECU，VCU 上で動作させることが多い。

り，エリア内に無線中継設備を 4 カ所設置してい－ 18 －

特に ECU では XML データを低速の microSD メモ

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発についてリに蓄積していることから，WEBAPI で要求される・地図上に状態表示することで，異常個所の発見が容易となっている。

日報データや月報データをオンデマンドで生成す
ると WEB アプリの応答速度が著しく低下するため，・地図上の状態表示マークをマウスクリックする

データ処理プロセッサで定期的に参照用のデータと，図 6 のトレンドグラフが表示される。

を生成することで，高性能クラウドに劣らない軽快な操作性を実現している。
WEB アプリの機能の一部として搭載している
現在状態マトリクス(図 4)，機場マップ(図 5)，日
報トレンドグラフ(図 6)は，その直観的かつシンプルな設計と遅延の無い軽快な動作が発注元の自治体からも高く評価されている。

図6

トレンドグラフ画面

・全データ蓄積期間(最長 20 年間)のデータを期間指定してトレンドグラフ表示し，CSV データ
としてもダウンロードできる。
4.

システム運用実績と効果システム設置から現在までの 3 カ月間の運用実績では，稀に日報通信が不良となり日報データが欠測となる問題を除くと，全て設計時の期待通りに機能している。
（日報通信不良の原因については，
図4

現在調査中。）

現在状態マトリクス画面

これまでの所，監視対象である設備側には緊急・全 60 機場の状態が一目で確認できるように工対応が必要な大きなトラブルは発生していないものの，ECU に日々蓄積されるデータから，これまで夫している。
・マトリクス表中の状態表示マークをマウスク見過ごされていた機器の不調が順次明らかとなり，リックすると，詳細なデータが下表に表示され都度，適切な対応がなされた結果，システム運用る。

開始後に度々発生していた異常通報は徐々に減ってきている。
今後，AI 技術などの活用により，日々の収集データから重篤なトラブルに至る前の変調を自動検知できるようになれば，維持管理コストの低減にも繋がるものと期待される。
監視対象エリアは夏季の海水浴シーズンに汚水量が急増し，さまざまなトラブルの発生頻度が高くなるとのことで，これから本システムの実力が試されることになるが，本システムがトラブルの早期発見に役立ち，ひいてはトラブルの発生自体を未然に防ぐ強力な武器となれば幸いである。
図5

機場マップ画面－ 19 －

真空式下水道真空弁遠隔監視システムの開発について［謝辞］
本システム開発の貴重な機会を頂いた自治体様，本システム更新工事の元請けとして，最大限の努力を行って頂いたМ計器様，ならびに当社内関係
各位に心より感謝し，本報告のまとめと致します。

[参考文献]
1）真空式下水道システム(機械設備・電気設備)
修繕・更新の手引き，一般社団法人日本産業機会工業会真空式下水道システム委員会，2016.7
2) 真空式下水道システム委員会「都道府県別全国
採用実績 2020 年度実績」＊1 Arduino
オープンソースハードウェアとして開発・普及しているマイコンボード。
ハードウェアだけでなく優れた統合開発環境(Arduino IDE)も無償利用可能である。
＊2 Leafony
小型・低消費電力を特長とするオープンソー
スのマイコンおよび周辺デバイスボード。
開発環境は Aruduino IDE などを使用する。
＊3 MongoDB
MongoDB Inc.が開発・配布しているドキュメ
ントデータベース。IoT システムで扱われる
JSON 形式のデータを高速かつ柔軟に蓄積・検索できる。
＊4 ST クラウド株式会社 ST ネットが提供しているクラウド
サーバーサービス。
＊5 AWS
Amazon Web Serivce, Inc.が提供しているクラウドサーバ―サービス。
＊6 さくらのクラウド
さくらインターネット株式会社が提供しているクラウドサーバ―サービス。

－ 20 －

四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報120 (2024年6月) 21－26

超音波による原子炉配管水位高精度測定技術に関する研究㈱四国総合研究所

キーワード：Key Words：

超音波測定
超音波水位計加圧水型原子炉
原子炉一次冷却材系統
定期検査／定期事業者検査
カルマンフィルタ

産業応用技術部

岡部克也

Ultrasonic Measurement
Ultrasonic Water Level Gauge
Pressurized Water Reactor ( PWR)
Reactor Coolant System (RCS)Periodic Licensee's Inspection
Kalman Filter

Research on high-precision measurement of reactor piping water level using ultrasonic waves
Shikoku Research Institute, Inc., Industry Application Technology Department
Katsuya Okabe

Abstract
During periodic licensee's inspections of PWR plants, there is a period during which the reactor primary coolant
is operated with the water level lowered to near the center of the reactor piping while the fuel is loaded (mid-loop
operation). Shikoku Research Institute has developed an ultrasonic type "RCS nozzle center ultrasonic water level
gauge" (hereinafter referred to as "ultrasonic water level gauge") to measure the water level in the reactor piping of
Shikoku Electric Power's Ikata Unit 3, contributing to strengthening measures against loss of reactor core cooling
function due to water level lowering during mid-loop operation.
Compared to conventional differential pressure and water column type water level gauges, ultrasonic water level
gauges have advantages such as low influence of external pressure and high accuracy, etc. However, when the waterlevel is low (less than 40 mm from the bottom of the reactor piping), the water level cannot be measured due to the
influence of background noise peculiar to ultrasonic waves or a drop in ultrasonic signals caused by water surface
shaking, etc. In such cases, the water level cannot be measured or an erroneous water level may be detected.
This paper reports on the results of introducing new signal processing and water level evaluation methods toimprove the water level measurement accuracy of ultrasonic water level meters.

－ 21 －

超音波による原子炉配管水位高精度測定技術に関する研究

り、同じ経路を何度も往復することで生じるもの

1. はじめにPWR プラントの定期検査においては、燃料が装である（多重反射波）。ここで、第𝑛𝑛反射波の超音

荷された状態で原子炉一次冷却材（RCS）の水位を

波伝搬時間を𝑇𝑇𝑛𝑛 (𝑛𝑛 = 0,1, 2, … )とすると、水位の高

原子炉配管中心付近まで下げて運転する期間がある（ミッドループ運転）。四国総合研究所では、四国電力伊方発電所第 3 号機の原子炉配管内の水位

さ𝐻𝐻（原子炉配管底部を𝐻𝐻 = 0とする）によって以下のように表される。
𝑇𝑇𝑛𝑛 =

測定を目的とした超音波式の「RCS ノズルセンタ
超音波水位計」（以下、超音波水位計）を開発し、従来の差圧式や水柱式の水位計に加え、水位の監視を 3 重化することで、ミッドループ運転時の水位低下による炉心冷却機能喪失対策の強化に貢献している。

2𝑑𝑑 2𝑛𝑛𝑛𝑛
+
𝑐𝑐𝑙𝑙
𝑐𝑐𝑤𝑤

(1)

ここで、𝑐𝑐𝑙𝑙 は鋼中（原子炉配管材料）の超音波伝搬

速度、𝑐𝑐𝑤𝑤 は水中（一次冷却材）の超音波伝搬速度、𝑑𝑑は原子炉配管の厚さである。

既設超音波水位計は、第 1 反射波𝑇𝑇1 から水位を測定する（1 回反射法）。(1)式から水位の高さ𝐻𝐻は

超音波水位計は差圧式や水柱式の水位計と比較

次式で与えられる。

すると、外圧の影響が小さく高精度である等の利点がある一方、水位が低い（原子炉配管底部から40mm 未満）場合には、超音波特有のバックグラウ
ンドノイズの影響や水面の揺れによる超音波信号の低下等により、水位が測定できないことや、誤っ

ここで∆𝑡𝑡 =

2𝑑𝑑
𝑐𝑐𝑙𝑙

𝐻𝐻 =

𝑐𝑐𝑤𝑤
(𝑇𝑇 − ∆𝑡𝑡)
2 1

(2)

は、超音波が 1 往復する間で原子炉配管材料を通過するのに要する時間である。

た水位を検出することがある。
本稿では、超音波水位計の水位測定精度の向上のため、新しい信号処理や水位評価手法を導入した成果について報告する。
2. 既設超音波水位計の水位測定技術
超音波水位計は、超音波パルスの伝搬時間が超音波経路の長さに比例するという性質を利用し、水面で反射される超音波経路の長さから水位の高さを求めるものである。図 1 は超音波水位計の超音波センサ取付位置と超音波経路を示したものである。超音波センサは原子炉配管の底面に固定されており、超音波センサから送信された超音波パ

図1

超音波センサ取付位置と超音波経路

図2

超音波信号の検出例（1 回反射法）

ルスは、原子炉配管材料（ステンレス鋳鋼）および一次冷却材（水）を伝搬し、水面からの反射により往復して戻ってくることで検出される。
図 2 は超音波水位計の超音波信号の検出例である。この信号には明瞭なピークが複数あり、等間隔に並んでいる。原点付近のもっとも大きなピー
クは、超音波センサから送信された超音波が直後に配管内面で反射されることで生じるもので、水位に関係なく常に同じ位置に存在する（第 0 反射波）。次のピークは、水面で反射して戻ってきた超音波信号である（第 1 反射波）。次のピーク以降（第 2 反射波、第 3 反射波、...）も、水面で反射した超音波がさらに配管内面で反射することによ－ 22 －

超音波による原子炉配管水位高精度測定技術に関する研究

超音波信号のバックグラウンドノイズの大半は、の変化を追跡したところ、図 3 に示すように、多ステンレス鋳鋼や超音波センサ内部で発生してお重反射を 5～6 回繰り返した後にピークが高くな

り、一次冷却材の有無とはほとんど無関係である。

る場合があることが分かった。このとき、第 1 反

超音波水位計ではしきい値となる検量線（図 2 の射波が検量線を超えていないにもかかわらず、第赤線）を設定し、検量線を超えない超音波波形を

5 反射波や第 6 反射波が検量線を超えた結果、実バックグラウンドノイズとして扱っている。検量

水位より高い水位を測定したと考えられる。

線は、満水のときに取り込んだ超音波波形を元に作成されており、通常定期検査の都度更新している。
超音波水位計の基本仕様を表 1 に示す。超音波
水位計では、ノズルセンタと呼ばれる原子炉配管の 中 心 よ り 50mm上 方 を 基 準 と し 、 測 定 範 囲 内±250mm (168mm ≤ 𝐻𝐻 ≤ 668mm)の水位が中央制御室に送られる。ただし、信頼性は低下するが、水位が原子炉配管内(0mm ≤ 𝐻𝐻 ≤ 736mm)であれ
ば、測定範囲外であっても超音波水位計内部において水位測定が行われている。なお、原子炉配管

図3

水位−380mm以下の超音波信号例と接する超音波センサや接触媒質には、300℃を超

4. 高精度水位測定技術の検討

位計は定期検査時専用の水位計である。

の 3 つの方法を検討した。

える運転中の原子炉配管温度に耐えられない高感度・高精度のものを使用しているため、超音波水

低水位における水位測定精度の向上のため、次・（多重反射法）多重反射波を利用する。

表1
基準水位
測定範囲

超音波水位計の基本仕様
ノズルセンタ (𝐻𝐻

※

系統

・
（水位評価手法の最適化）至近の水位変化から±250mm (168mm ≤ 𝐻𝐻 ≤ 668mm)

表示範囲(上限) +318mm (𝐻𝐻 = 736mm)
超音波センサ

多重反射波の検出感度を上げる。

= 418mm)

表示範囲(下限) −418mm (𝐻𝐻 = 0mm)
測定精度・
（動的検量線）検量線を可能な限り低く設定し、現在の水位を予測し、水位の推定に利用する。

底部水位

以下に、それぞれの方法について説明する。

満水水位±1%F. S.

4.1 多重反射法

2 系統（B ループ、C ループ）から水位を求める方法である（図 4）。(1)式による

周波数 1MHz

多重反射法は、多重反射波の間隔∆𝑇𝑇 = 𝑇𝑇𝑛𝑛+1 − 𝑇𝑇𝑛𝑛

使用可能温度 最大60℃と多重反射波の間隔は全て同じであり、水位の高※ 𝐻𝐻: 原子炉配管底部から水面までの高ささは次式で表される。

3. 水位誤検出の要因

既設超音波水位計では、水位が−380mm (𝐻𝐻 =

𝐻𝐻 =

𝑐𝑐𝑤𝑤
∆𝑇𝑇
2

(3)

𝑛𝑛 = 1の場合、𝑇𝑇0 = ∆𝑡𝑡とすれば(3)式は(2)式と同じ38mm)以下に下がると、実水位より高い水位を測定することがある。この水位自体は測定範囲外でになる。この関係によって、1 回反射法を多重反射あるが、誤検出した水位が−250mmを超えて測定法に統合することが可能となる。

範囲に入る場合もあるため、誤差を抑えるととも検出できない多重反射波が存在すると、測定水に誤検出頻度を低減するような対策が必要とされ位の高さが実水位の 2 倍以上になる恐れがあるが、る。

多数の多重反射波が検出できれば、最頻値を使用

水位を誤検出する要因を突き止めるため、−380mm以下に水位が下がったときの超音波信号することでその危険性を低減することが可能である。

－ 23 －

図 4 の超音波波形をよく観察すると、水面から超音波による原子炉配管水位高精度測定技術に関する研究の多重反射波（水中多重反射波）のすぐ後にもピー

元に検量線を更新する方法（動的検量線）を検討

クが存在することが分かる。これは原子炉配管材した。動的検量線の更新手順は以下の通りである

料の中で発生した多重反射によるものであり（鋼（図 5）。

中多重反射波（図 1 参照））、このピークが検出さ

a.

一定サイクルで超音波水位計に取り込まれれることにより∆𝑇𝑇が過小評価される恐れがある。

る超音波波形を時系列データとして扱う。

鋼中多重反射波の間隔は、水位によらず常に∆𝑡𝑡 =

時系列データは「時刻」パラメータ1,2, … , 𝑡𝑡

2𝑑𝑑
𝑐𝑐𝑙𝑙

のように時系列順にラベリングする。

であり、原子炉配管に使われるステンレス鋳鋼

b.

の超音波波形をカルマンフィルタにより合

では、水に比べて超音波の減衰が著しいため、2～成し、時刻𝑡𝑡のバックグラウンド波形とする。

3 回往復するとほぼ消滅する。この特徴を利用し最初（時刻 0）のバックグラウンド波形は、て、以下のようなしきい値を設ける。
a.

b.

時刻𝑡𝑡 − 1のバックグラウンド波形と時刻𝑡𝑡

しきい値の位置は、直前に検出した多重反満水のときに取り込んだ超音波波形を元に射波位置の∆𝑡𝑡後方とする。∆𝑡𝑡の誤差を考慮

作成しておく（既設超音波水位計と同様）。

して、しきい値は幅を持たせる（±4μs程度）。

ここで、カルマンフィルタは観測値の尤も

しきい値の高さは、直前に検出した多重反らしさ（バックグラウンドらしさ）が合成

射波の 0.7 倍とする。

結果に反映されるように設計されているため、第 1 反射波以降の多重反射波（バックグラウンドでない波形）は合成結果からほぼ排除される。
c.

バックグラウンド波形の𝛽𝛽倍に標準偏差の𝛾𝛾倍を加算したものを時刻𝑡𝑡の動的検量線とする（標準偏差は過去 100 個分の超音波波
形の平均に対する偏差として導出）。ここで、
定数𝛽𝛽、 𝛾𝛾は過去の定期検査において採取した超音波信号を元に最適化した結果、
𝛽𝛽 = 1.2、 𝛾𝛾 = 3とした。

図4

多重反射法の概要
図5

動的検量線の更新方法

4.2 動的検量線
検量線を下げることで多重反射波の検出感度は

b のカルマンフィルタとは、刻々と変化する量 A向上するが、バックグラウンドノイズを誤検出すの観測値から、A の変化を予測するとともに、観測る可能性も高くなる。また、バックグラウンドノ

値と予測値を合成することで、観測値よりも高精

イズや多重反射波のピークは常時変動するため、度な推定を可能とするデータ処理方法である。代最適な検量線は時間とともに変化すると考えられ表的な適用例としてカーナビの現在位置推定技術

る。

やロケットの位置制御技術などがある。カルマン

そこで、バックグラウンド波形（超音波波形のフィルタは、予測・推定に必要な情報を状態変数

バックグラウンドノイズ成分）を推定し、それを（ベクトル量とその共分散行列のセット）として－ 24 －

超音波による原子炉配管水位高精度測定技術に関する研究保持しており、以下の 4 つのプロセスを 1 サイクルとして繰り返し実行することにより随時更新される。
観測：一定サイクルで変量 A の観測値を取得。
予測：前回の推定値から現在値を予測（開始時は前回データが無いため別途初期値が必要）。予測は予め仮定した時間変化モデル
に従って遂行される。
合成：観測値と予測値を入力としてカルマン
図6

フィルタの状態変数を更新。

水位予測・推定手順

推定：カルマンフィルタにより変量 A の現在値を推定。
ここでは、変量 A はバックグラウンド波形、観測値は超音波波形であり、時間変化モデルはランダ
ムウォークを仮定する。ランダムウォーク（別名酔歩）はブラウン運動の数学モデルである。
4.3 水位評価手法の最適化
原子炉水位の変化は概ね滑らかであるため、水位に対してカルマンフィルタを適用することにより、測定水位の時系列データから現在水位の予測・
図7推定が可能である。また、多重反射波を検出する

水位予測・推定の時間変化モデル

際に、予測水位から大きく外れた超音波信号を誤検出として扱うことで、水位の誤検出頻度を低減

5. 高精度水位測定技術の検証することが可能である。

5.1 模擬原子炉配管と過去データによる検証実験

図 6 にカルマンフィルタによる水位予測・推定

高精度水位測定技術（以下同技術）の検証のた手順を示す。ここでは、変量 A は水位、観測値はめ、既設超音波水位計と同型の予備超音波水位計

多重反射法によって検出した水位（観測水位）でを元にした同技術の実証機を用意し、原子炉配管ある。時間変化モデルには図 7 のように水位の変を模擬した実物大カットモデルを使って、全ブ化速度が一定比率𝛼𝛼（ 減速係数）で低下するようなロー（𝐻𝐻 = 0mm）から満水（𝐻𝐻 = 736mm）まで注

モデルを利用する。このモデルは、長期間水位が検出できなかった場合に、予測水位が最後に検出

水または満水から全ブローまで排水したときの水位を測定した。測定結果を図 8、図 9 に示す。いした水位から大きく乖離することを防止するのにずれの場合も測定値のばらつきは見られず、満水有用である。減速係数は、過去の定期検査の水位から全ブロー（全ブローから満水）まで正確に水データを元に最適化した結果、𝛼𝛼 = 0.7とした。

位が測定できていることが確認できた。
次に、第 15 回定期検査（2019 年 12 月～2021 年
12 月）で採取した過去の超音波信号データを使って実機における水位測定を模擬し、定期検査時の水位測定結果と比較した。その結果、−380mm以
下に水位が下がったときの測定水位の変動が大幅に少なくなっており、同技術が水位の誤検出頻度の低減に有効であることが確認できた。

－ 25 －

超音波による原子炉配管水位高精度測定技術に関する研究が有効に働いたことが確認できた。
6. まとめ
本稿では、伊方発電所第 3 号機の RCS ノズルセ
ンタ超音波水位計の高精度水位測定技術に関する研究成果を紹介した。同技術は、水位が−380mm
以下に下がったときの誤検出頻度を低減し、バッ
クグラウンドノイズの変動によらず安定した水位

時間

図8

測定が可能となる効果などが期待できる。

模擬原子炉配管の水位測定結果

今後、同技術の実機適用に向け、超音波水位計
模擬原子炉配管

満水付近(𝐻𝐻~736mm)のソフトウェアの更新が計画されている。

［謝辞］
本研究は、四国電力㈱原子力本部殿より委託を受け実施したもので、ご協力いただいた関係各位+250mm(𝐻𝐻 = 668mm)に深く感謝いたします。

0mm(𝐻𝐻 = 418mm)［参考文献］
1) （一社）日本非破壊検査協会編：「超音波探傷試験Ⅱ」，（一社）日本非破壊検査協会, p.4-42.
2)

P.J. ブロックウェル, R.A. デービス：「入門時
系列解析と予測」， 逸見功訳, シーエーピー-250mm(𝐻𝐻 = 168mm)

図9-380mm 以下(𝐻𝐻 ≤ 38mm)

模擬原子炉配管と水位測定画面

5.2 第 16 回定期検査での検証実験
同技術の実機適用性の検証のため、第 16 回定期検査（2023 年 2 月～2023 年 5 月）において、既設
超音波水位計で受信する超音波信号を分岐する方法により、既設超音波水位計と実証機で同時に水位測定を実施した。その結果、既設超音波水位計と比較して実証機の−380mm以下の誤検出がほとんど無くなっており、同技術が実機でも有効であることが確認できた。また、満水付近においてバッ
クグラウンドノイズの変動が原因とみられる測定
水位の変動が既設超音波水位計のみで発生しており、実証機において、低水位に限らず動的検量線－ 26 －

出版, p.257-313.

四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報120 (2024年6月) 27－34

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部

キーワード：

青果物
鮮度保持
近赤外光
照射
メロン
カビ

Key Words：

秦 亜矢子
垣渕 和正

Fruits and vegetables
Freshness retention
Near infrared light
Irradiation
Melon
Mold

Effect of near infrared light exposure after harvest on appearance in Melon
Shikoku Research Institute, Inc., Chemical Technology and Biotechnology Department
Ayako Hada, Kazumasa Kakibuchi
Abstract
The freshness preservation effect of irradiating and transporting two varieties of melons, "Yuka" and "Takami,"
produced in Aomori Prefecture, after harvest, was verified. The results showed that near-infrared light irradiation
was effective in reducing damage during transportation by maintaining high fruit hardness at the time of arrivaland inhibiting the progression of waterlogging and mold in both varieties, as well as inhibiting aging and yellowingof the rind during storage. The use of this technology is expected to be effective in the future, as there are concerns
about delays and stagnation in transportation due to the “2024 logistics problem”.

－ 27 －

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響られている。特に青森県産のタカミメロンは出荷

1. はじめに
これまでの研究で、850nm を中心波長とする近が 6 月～8 月と流通期間が長く、静岡県や茨城県

赤外光は収穫後の青果物に短時間照射することで、等の主力産地のメロンが品薄となる 8 月の盆需要

その後のしおれや腐敗、変色を防ぐことが分ってに重宝されている。前者は完熟状態で後者は完熟

🄬🄬1)2)3)4）、この技術を「iR フレッシュ 」と名付前に収穫される。近赤外光照射は、「優香」は 6 月

けた。主に全国のミカンの選果場での導入が進ん

7 日に「タカミ」は 7 月 24 日に行った。「優香」

おり5)6)7)

8)9)

10)

11)

、

は選別作業場で、「タカミ」は JA の選果ラインで、ショウガ、キュウリなど様々な青果物に

糖度および熟度を測定した後に、ハンディタイプ

おいて収穫後の青果物の鮮度を維持する効果があの小型照射装置（照射面のサイズ：縦 8.5cm、横ることを確認し、選果場や集出荷場、植物工場な

13.2cm）を用いて果実の上部に 300W/m2 で 1 秒間

ど栽培施設での導入が進んでいる。近赤外光照射照射した。照射後、段ボール箱で梱包し、「優香」の効果の１つに輸送中の衝撃による果実の傷みをは宅配便で㈱四国総合研究所（高松市）まで冷蔵

注 1）

」

輸送した。
「タカミ」は専用便で大阪中央卸売市場

では、物流業界が大きく変わることで輸送の遅れ

へ常温輸送し、その後は自家用車で㈱四国総合研が生じるため、冷蔵やフィルム包装などの既存の究所（高松市）まで搬送した（写真 1）。保管は 25℃

技術に加え鮮度をより長く維持できる技術の導入に温度調節した室内にて行った。調査項目は、「優が望まれる。特に大消費地から遠いところで収穫

香」は糖度、酸度、果実硬度、果皮の変色、へたされる青果物は輸送に時間がかかる。高級果実で周りの水浸状化を調査し、「 タカミ」は糖度、酸度、は輸送中の傷みがクレームとなると同時にブラン

果実硬度、へたの変色、へたの白カビ、電解質漏

ド価値を著しく低下させる。

出割合、果皮の黄化およびカビを調査し、着荷日

でおり
ナス

12)

、トマト

、イチゴ

、ブドウ

軽減するものがある。「物流の 2024 年度問題

「メロン」は高級果実として知られており、静と数日ごとに照射 2 週間後まで行った。

岡県の「クラウンメロン」や茨城県の「アールスメロン」がトップブランドを誇っている。青森県
つがる市および五所川原市では、メロンの特産化に力を入れており、地元の農業関係者からのブラ
ンド力強化のために iR フレッシュ🄬🄬の効果を評価したいとのニーズが、四国電力㈱再生可能エネル
ギー部様を通して寄せられた。そこで、青森県産のメロン「優香」と「タカミ」について近赤外光照射し、輸送後の果実品質へ及ぼす影響について
調査した。
注 1)

トラックドライバーの時間外労働時間の上限

が年間 960 時間に制限されることにより「ものが運べなくなる」「物が作れなくなる」といった諸問題が発生すること。
写真 1

小型照射装置2. 材料および方法
青森県内で栽培された「優香」と「タカミ」の2.1 糖度、酸度、果実硬度

2 品種を使用した。
「優香」は、熟すと表皮が緑色

メロン果実は果頂部から花痕部までを縦に 4 等

から黄色に変わり芳醇で優しい香りが魅力的な品

分し対角線上の果肉を搾汁したものを使用した。

種であり、糖度など一定の基準を満たしたものは

糖度はデジタル糖度計（PR101α、㈱アタゴ）を使「アムさんメロン」と呼ばれ高値で取引されてい用して可溶性固形分（Brix）を測定し、酸度はクる。一方、「タカミ」は甘みの強い果汁を多く含み

エン酸濃度として求めた。果実硬度はへた部より

黄緑色のきれいな果肉と香りも良い品種として知

縦に輪切りにしたメロンの赤道部の果皮と種子部－ 28 －

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響の中心部を直径 1cm の円錐形のプランジャーを用ることが分っている 10)。着荷時の果実硬度およびいて果実硬度計（KM-1、㈱藤原製作所）を使用し内部品質を調査した結果、照射した果実は無照射て 1 個体当たり 2 カ所を測定した。

と比べて果実硬度を維持しており花痕部の果肉のつぶれや果肉の水浸状化を抑制していることが分った（写真 3）。
「優香」は完熟収穫されるため果肉

2.2 外観調査「優香」の果皮の変色、へた周りの水浸状化は、が柔らかく、追熟して食べごろを迎えるメロンと程度に応じて点数評価（0：なし、1：少程度、2：比べて黄化が進みやすい。また、過熟になると果中程度、3：顕著）した。
「タカミ」のへたの変色、皮の変色が進行する他、へた落ちしてその部分がへたの白カビ、果皮のカビ発生は程度に応じて点黒く変色し、その後へた部の周辺が水浸状化しカ数評価（0:なし、1:1/3 未満、2:1/3 以上 1/2 未満、ビが発生する。照射は着荷直後の果実硬度を高く3:1/2 以上全体未満、4:全体）した。

維持した（図 1）。果実が柔らかく傷みやすいイチ
ゴやモモの試験でも同様に輸送前に近赤外光照射することで果実硬度を維持でき、その後の傷みを

2.3 電解質漏出割合の測定は前澤・軽減する効果があることが分っている 15)ことから秋元の方法 13)に準じて行った。すなわち、果実の

完熟メロンでも同様の効果があると考えられた。

赤道部の果肉を 15mm の厚さに輪切りにし中心部

照射 8 日後における外観調査ではへた部のカビのの果肉組織を 10mmφのコルクボーラーでくり抜

発生には差はなかったものの、近赤外光照射は果き、蒸留水 20ml 中に浸漬した。20℃で 3 時間静置

皮の変色をやや抑制し、へた部周辺の水浸状化をメロン果実の電解質漏出割合

注 2）

後、果実片の入った溶液の電気伝導度を簡易型 EC

顕著に抑制した（表 1、写真 4）。へた部分の水浸メーター（EC-33B、㈱堀場製作所）を用いて測定

状化は放置するとカビが発生する。なお、近赤外

し、A 値とした。次に,ブレンダーで 1 分間粉砕し

光照射は、温州ミカンを対象とした遺伝子解析にてその溶液の電気伝導度を B 値とし、(A/B)×100

おいてフェニルアラニンアンモニアリアーゼ（PAL）

を電解質漏出割合とした。実験には 5 果実供試しやキチナーゼ 感染特異的タンパク質（PR タンパ

平均値を算出した。

ク質）遺伝子などの病害抵抗性遺伝子の発現量が

注 2）

細胞壁や細胞膜から漏れ出した細胞内部の電増加し果皮のカビ発生が抑制されることが分かっ

解質の割合。老化や傷害を受けると電解質のており 16)17)、病原菌を使用した接種試験による共漏出が多くなる。イチゴの損傷程度やキュウ

腐れの試験では、接種部の水浸状化の進行は無照

リの低温障害による損傷程度を示す値として射と比較して遅く、カビの胞子の発生も遅れるこ用いられている 13）とが確認されている。これらのことから、メロンにおいても同様の現象が起こっている可能性が高いと考えられた。一方、近赤外光照射は、果汁の2.4 果皮の黄化率の測定
メロン果皮の黄化は画像解析により行った。熟度は低いほど果皮の黄化が進むため、初期熟度

注 3）

糖度およびクエン酸濃度には影響を及ぼさなかった。

は 34～35 程度の熟度の低い個体を使用し、画像解析ソフト「Image J」を使用して黄色を抽出した。
注 3）

数値が小さいほど未熟な果実を示す。

3. 結果及び考察
3.1 優香着荷時のメロン果実の様子を写真 2 に示した。
青果物輸送中の振動や衝撃による損傷はイチゴやモモ、リンゴなどについて調べられている 14)。これまでの調査で、イチゴを四国地域から関東方面に輸送した場合、平均 15G の衝撃が 8 回程度かか－ 29 －

無照射
写真 2

近赤外光照射着荷時のメロンの様子（優香）

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響

へた部

写真 4

無照射

水浸状

果皮が変色した個体（左）およびへた周りが水浸状化した個体（右）3.2 タカミ
着荷時の果実の様子を写真 5 に示した。着荷時の状態から「優香」と同様に輸送中の振動によりメロンが回転したことが窺えた。果実硬度は、近赤外光を照射した果実で高く、着荷時から照射 15

近赤外光照射水浸状化に及ぼす近赤外光照射の影響

日後まで硬度を高く維持した（図 2）。
「タカミ」は（青色の円は水浸状化の様子、優香）

果実に貼付してある識別番号から選果時の糖度や

写真 3

熟度が追跡できるため、個体ごとの糖度差を算出0.5した。その結果、無照射の果実は糖度が急激に低無照射下したのに対して、近赤外光を照射した果実は照果実硬度（kg）

近赤外光照射射 8 日後においても糖度を高く維持していた（図3）。酸度には照射の有無による差はみられなかっ0.4

た。近赤外光照射による収穫後の糖度の維持はモ
モやミカンでも確認されている 15)。へた部の変色
0.3

およびカビの点数評価では、照射したメロン果実
は無照射と比較してへた部の変色が少なく、白カ～～ビの発生も抑制された（図 4、図 5、写真 6）。果肉

0

0

2

4

6

8

の電解質漏出量を測定した結果、照射したメロン

10

照射後日数 (日)は漏出割合が少なく無照射と比較して傷みや老化

果実硬度に及ぼす近赤外光照射の影響の上面と下面の黄化割合を画像解析した結果、無赤道部を果実硬度計で 2 か所測定した。
縦棒は標準誤差（n=3～4）

照射では上面が 10.7%であり下面が 42.8%と下面

図1

表1が少ないことが分った（図 6）。照射 8 日後の果実の黄化の進行が速いことが分った。これに対し、
近赤外光を照射した果実は、上面が 0.6％と下面外観に及ぼす近赤外光照射の影響が 5.0％であり、全体では無照射のメロンに対し

へた周りの照射 8 日後

果皮の変色

無照射

2.3

2.3

照射

1.3

0.8*

果皮の黄化を 18.6%抑制した（写真 7、図 7）。選

水浸状化

果時に熟度が高かった果実について照射 15 日後の様子を写真 8 に示した。無照射のメロンは照射*は、無照射と比較して 5%水準で有意差あり（t 検定、
n=3～4）

8 日後より果実全体に白カビが発生し始め、15 日
後には顕著に表れたが、照射したメロンは白カビの発生はほとんどなかった（図 8）。

－ 30 －

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響

4

へたの変色（点）無照射
近赤外光照射

3
2

1
0

写真 5

0

10

照射後日数 (日)1520

へたの変色に及ぼす近赤外光照射の影響＊＊、＊

は、無照射に対し 1%と 5%水準で有意差あり。縦棒は標準誤差（n=10～20）

0.6
0.5

4

0.4
**

0.3
0.2

無照射
近赤外光照射

0.1
0

0

10

5

15

20

へたカビ程度（点）果実硬度（kg）

5

着荷時のメロンの様子（タカミ）
図4

無照射
近赤外光照射32
1

照射後日数 (日)図20

果実硬度に及ぼす近赤外光照射の影響＊＊

は、無照射に対し 1%水準で有意差あり。
縦棒は標準誤差（n=10～20）

図5

*
0

5

10

照射後日数 (日)1520

へたの白カビに及ぼす近赤外光照射の影響＊

0は、無照射に対し 5%水準で有意差あり。縦棒は標準誤差（n=10～20）

無照射

-1

近赤外光照射-2＊

Brix（％）

*

**

-3
-4
-5
-6

0

5

10

15

20

写真 6

照射後日数 (日)図3

へたが変色した個体（左）およびへた部に白カビがはえた個体（右）果実糖度に及ぼす近赤外光照射の影響＊

は、無照射に対し 5%水準で有意差あり。
縦棒は標準誤差（n=4～9）－ 31 －

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響

電解質漏出割合（％）

70

無照射
近赤外光照射

60

＊

50

40

0

～
～
0

2

4

6

8

10

照射後日数 （日）図6

電解質漏出割合に及ぼす近赤外光照射の影響＊

は、無照射に対し 5%水準で有意差あり。縦棒は標準誤差（n=5）

無照射
図7

近赤外光照射果皮の黄化に及ぼす近赤外光照射の影響
画像解析ソフト「imageJ」により黄色を抽出
した。

無照射

無照射
写真 7

近赤外光照射果皮の黄化に及ぼす近赤外光照射の影響（初期熟度：無照射：34.4、照射、：35.1）

近赤外光照射写真 8

果皮のカビの発生に及ぼす近赤外光照射の影響（照射 15 日後、初期熟度：50 台のメロンを使用）－ 32 －

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響［参考文献］

3.0
2.5

カビの発生程度（点）1） Hada-Kozuki, A.et.al.「 Effect of postharvest

無照射

short-term radiation of near infrared light

近赤外光照射on transpiration of lettuce leaf」Postharvest

2.0

Biol. Technol.108:78-85 (2015)「近赤外光照射が収穫後
2） 髙附（秦）亜矢子ら：

1.5のレタスの蒸散に及ぼす影響」，園学研,11（別2），305（2012）

1.003） 髙附（秦）亜矢子ら：「収穫後の近赤外光照＊

0.5

射が数種野菜の蒸散、気孔開閉および活性酸
素生成に及ぼす影響」，園学研,15（別 2），305

510（2016）

154） Hada A.“iR Fresh TM”, a technology fo

照射後日数 （日）図8r maintaining freshness of fruits and ve

果皮のカビ発生に及ぼす近赤外光照射のgetables after harvest by irradiating wit

影響

h Near-Infrared Light. OPTICS & PHOT

は、無照射に対し 5%水準で有意差あり。縦ONICS International Congress(OPIC).Inv

棒は標準誤差（n=10～15）

ited.(2024)＊

5） 農業技術体系，果樹編，370（5）27
6） 垣渕和正ら：「数種柑橘類果実の収穫後におけ4. まとめる腐敗果発生と果皮色に及ぼす近赤外光照射

近赤外光照射を利用した鮮度保持技術「iR フレ
🄬🄬ッシュ 」は、これまでに様々な青果物においてしの影響」日本生物環境工学会,40-41（2017）

おれやカビ・腐敗などの抑制効果があることが分

7） 垣渕和正ら：「選果時の近赤外光照射がウンシっている他、輸送中の衝撃による傷みの軽減効果ュウミカンの果実品質に及ぼす影響」園学があることが分っている。本研究では、収穫後の研,17（別 2），338（2018）青森県産メロン「優香」「タカミ」の 2 品種につい8） 印南亨哉．：「近赤外光処理による鮮度保持技て照射後輸送し鮮度保持効果について検証した。

術「iR フレッシュ」，ホクレン「アグリポー

その結果、輸送中の傷みを軽減する効果があるこト」vol.28，（2020）とが分った他、貯蔵中の老化や果皮の黄化を抑制

9） Hada A.et.al. The 4th Asian Horticultural

できることが明らかになった。「物流の 2024 年度

Congress(AHC). Effect of near-infrared

問題」による輸送の遅れや停滞が懸念される中、

light irradiation on growth and fruit quality

今後この技術の活用は有効であると考えられる。

of cherry tomatoes under cultivation. (2023).

なお、青森県の JA ごしょつがる様ではこの試験結

10） 秦亜矢子ら：「収穫後の近赤外光照射がイチ果を受け、2024 年 7 月に選果ラインに鮮度保持用

ゴの果実品質に及ぼす影響」，園学研,20（別2），203（2021）®

近赤外光照射装置（商品名「Fkeep 」三井金属計測

JA 晴れの機工㈱製）を導入する予定である。

11）山陽新聞．
「ピオーネの鮮度保持［謝辞］

12）高知県農業技術センターニュース「収穫後の国岡山

新見 2 選果場」．（2023）

近赤外光照射がナス果実の品質に及ぼす影響」

本研究は、四国電力㈱新規事業部様より委託を

第 84 号（2016）

受け実施した。また、青森県での農業関係者との調整および照射や輸送試験では四国電力㈱再生可「キュウリ果実の電気伝
13）前澤重禮・秋元浩一：

能エネルギー部様にご尽力頂いた。ご協力いただ

導度と低温障害の関係」，農業施設 27 巻 3 号，

いた関係各位に深く感謝いたします。

12，149-154（1996）
14） 多々良，泉ら：「輸送過程で発生する振動がイ－ 33 －

収穫後のメロンの品質に及ぼす近赤外光照射の影響

チゴの輸送過程で発生する振動がイチゴの呼吸速度および品質に及ぼす影響」日食保存誌，
25，1，15-20（1999）15） 秦亜矢子ら：「近赤外光照射がモモ‘清水白桃’の果実品質およびホモプシス腐敗病に及ぼす影響」，園学研, 23（別 1），210（2024）16）秦亜矢子ら：「近赤外光照射がレタス幼苗のPAL と抗酸化活性に及ぼす影響」，園学研,18（別 1），192（2018）17） 秦亜矢子ら：「近赤外光照射がウンシュウミ
カンの PAL と抗酸化活性に及ぼす影響」，園
学研,18（別 2），279（2019）－ 34 －

最後に執筆者、編集ならびに審査にあたられた方々のご協力に対して厚くお礼申し上げます。

研 究 期 報第 120 号

編集兼発行人本

塚

正（無断転載を禁ず）

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