研究開発支援のための技術

1.

本章では、当社の中核業務の一つである研究支

はじめに

援技術についてその特徴あるものの概要を紹介す

検査・計測技術は、稼働中の機械や構造物を安る。

心かつ安全に運用するための保守、健全性や余寿

2.

金属材料技術と接合加工技術

命評価、環境保全には必要不可欠の技術であることは既に述べてきたとおりである。しかし、これCMC 技術ら検査・計測技術も各種の評価技術や生産技術な材料技術はあらゆる産業の基盤となる技術でどと連携して総合力を発揮することが求められてあり装置の高性能化・信頼性向上に貢献していきている。例えば、水車延命プロジェクトにおいる。当社では幾つかの材料試作技術を保有していては、フェーズドアレー探傷を用いた鋳物の高精るがここではジェットエンジン開発の一環として

度探傷技術と、より精度高い評価技術及び鋳物の実施しているセラミックス基複合材料（Ceramic

補修技術を組合せた技術を提供してきている。

Matrix Composites：CMC）の製造プロセス開発に

当社計測技術部門の前身は㈱ IHI 技術研究所のついて紹介する。

分析・計測技術部門が分離独立した旧石川島計測（1）CMC の特性

サービス（株）であり、さらに、平成 13 年４月

セラミックスは金属材料に勝る耐熱性や耐摩にＩＨＩ技術開発本部・実験技術部門の 111 名を

耗性、耐薬品性を持つことから産業用機械部品

当社に移籍し、関連技術の拡充を図っている。

として広く使用されている。しかしながらセラ

これら技術を構造物の保守、健全性評価や環境

ミックスはじん性が乏しく、ぜい性破壊を起こ

保全に役立てるよう努力すると共に、重工業とししやすいことから、じん性を高めることが、高て培ってきた技術を研究開発支援技術として活用

度な信頼性が要求される部品に適用するためいただくよう活動を進めている。製品の機能や性の技術課題であった。このような背景から長繊能の改善・改良あるいは新たに製品を開発する場維などと複合化することでじん性を向上させた合において、改善性の評価や改良の指針を得て効CMC が開発されてきた。例えば、高弾性であ率的に推進すると共に、目的を達成するためにはる SiC（炭化ケイ素）繊維を主体として、マトリッ

特殊な検査・計測技術も活用することが求められクスとなる SiC セラミックスを繊維表面およびる。研究・開発支援に求められる業務としては、空孔等に含浸することにより、セラミックスの高精度・精密なデータの提供にとどまらず、客観

耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性などの特長を生か的に現状を観察して現象を認識し、問題点を指摘しながら、弱点である耐破壊特性を高めることすると共に原因を分析し、対策案を提示するコンができる。CMC と焼結セラミックスとの強度

サルティング機能を提供できるように研鑽を重ね特性を図１に、CMC の構造模式図を図２に示ている。

す。CMC はモノリシック（通常の焼結セラミッ

̶

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2.1

75 ̶

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400
Stress σ [MPa]メチルトリクロロシラン（MTS）の熱分解

Δ

300

CH3SiCl3 → SiC ＋ 3HCl
200

イ．PIP
（Polymer Infiltration and Pyrolysis, ポリマー

Monolithic

100

CMC

含浸焼成）

0
0.0

0.2

0.4
0.6
Strainε[%]0.8

セラミックス前駆体ポリマーであるポリカ

1.0

ルボシランを溶融含浸および熱分解し SiC を

図１ 強度特性

成形することができ、繊維の大きな空隙を埋めることが可能である。ただし焼成時にポリマーの収縮が生じるため、割れや気孔が発生
しやすい。
CH3

H

Si

C

H

H n

熱分解

SiC + CH4, H2

ポリカルボシラン（液体原料）ウ．MI（Melt Infiltration, 溶融含浸）
図2

CMCの構造模式図

あらかじめカーボンを繊維束内に析出させ、溶融シリコンを含浸し、反応焼結するこクス）に比べて格段にじん性が改善される。

とで SiC を成形する。短時間成形が可能であ（2）製造方法
通常、焼結セラミックスは微粉末を焼成してるが、シリコンが残留する。この残留シリコ

成形するが、CMC は長繊維で織り込まれていンは SiC に比べ融点が低い（1410℃）ため、るため、微粉末を用いた焼成法では繊維束内部

超高温状態での使用が困難である。MI におまで粉末が入り込まない。そのため CMC の製

ける製造プロセスを図３に示す。
エ．複合プロセス

造には以下に示す 3 種のプロセス（含浸法）が上述の CVI と PIP とを複合化した製造方法

適用されている。

であり、製造の初期段階に CVI で繊維束内に

ア．CVI（Chemical Vapor Infiltration, 化学気相含
浸）

SiC をコーティング成形し、その後 PIP で大原料ガスであるメチルトリクロロシランをきな空孔内を埋める。これにより製造工程時

熱分解して SiC 膜を成形する。気相含浸（蒸Infiltration tomelted着）なので繊維内部まで浸透成形すること

Reaction
sinteringができる。ただし、SiC の成長速度が小さい
ため成形に時間を要し、また反応排気ガスに HCl（塩化水素）を含むため装置の腐食による老朽化およびメンテナンス等が必要であCり、高コストである。

SiC-fiber

図3

̶

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Residual Si

SiC

MI法による製造プロセス

76 ̶

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の性能向上に貢献すると期待される。

間を短縮することができ、CVI のみで成形した CMC よりじん性を向上させることができ

2.2

レーザ溶接技術

レーザ溶接は、レーザ光を熱源とした低入熱・る。複合プロセスで成形した微構造例を図４に示す。

高精度・高速加工技術の一つである。溶接に用い（3）CMC の適用例

るエルギーの伝送には光ファイバーが用いられる

近年、航空機用ジェットエンジンの出力向上ため、周囲の機器へのノイズの影響が少なく、遠のために材料の耐熱性、軽量化が必要とされて隔操作が有利になる等の点も特徴として挙げられきている。ジェットエンジンの耐熱材料としてる。レーザ溶接は、原子力、航空機、自動車産業

Ni 基合金があるが、融点は 1400℃程度であり、分野などで実用化されてきた。

すでに使用限界温度域であるため、これ以上の

近年、レーザ発振器の高出力化、ビーム品質の耐熱性向上は期待できない。CMC はこのよう高品位化に伴い、以下に示す新たなレーザ溶接技

な超高温環境に使用される先進材料として期待術が開発されている。

されている。図５はジェットエンジンのテール（1）レーザ・アークハイブリッド溶接
レーザ・アークハイブリッド溶接は、レーザコーンに適用した例である。
CMC は超高温環境における使用部材として、溶接とアーク溶接を組み合わせた溶接方法であ

その製造プロセスが確立しつつある。今後、低る。レーザ溶接は深溶け込み・高速溶接の特長

コスト化を進めるとともに品質保証システムをを有するが、開先裕度が狭い・ブローホール等確立し適用分野の拡大を図る。CMC 部品の普の溶接欠陥が発生し易いという問題があった。

及が環境問題、社会資本の信頼性、機器・装置

レーザ・アークハイブリッド溶接はアーク溶接と複合させることにより、これらの問題を解消
し厚板を対象とした造船・橋梁分野における大型構造物への適用が進められている。
（2）リモートレーザ溶接
リモートレーザ溶接は、高品位レーザビー
ムの伝送にミラーを用い高速でスキャニング
して溶接する方法である。遠距離から広いエ
リアを 1 台のレーザ溶接機で高速溶接（ビー

図4

複合プロセスで成形したCMC微構造例

ムスキャナーとワークとの距離：1 〜 2m、溶接速度：3 〜 5m/min 程度）することが可能である。
近年、自動車分野の車体製造において抵抗ス
ポット溶接の代替溶接方法として注目されつつある。リモートレーザ溶接の適用により、大幅な溶接時間の短縮を図ることができるため、溶接ロボットの数を劇的に減少させることができ

図5

ジェットエンジンへの適用例

る。また、従来の抵抗スポット溶接のように電̶ 77 ̶

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極で挟み込む必要がないため、継手形状の制限だけでなくより高い付加価値のある可視化技術（重ね継手）がなく、更なる車体構造の改善やを求めているのも事実であり、われわれはその軽量化への道が開かれる。リモートレーザ溶接

ニーズに応えるため、次の改良開発を実施して工法に併せて、溶接部の良否判定を非破壊的にいる。

行うことが可能な高速移動するリモートレーザ

ア．フレームレートの改良

ビームに同期した溶融池の観察システムの開発

従来の 25 コマ / 秒の観察では現象把握が追いつかなくなりつつある。そこでより高速が求められている。
2.3

溶接部可視化技術

な CMOS センサーを使用したカメラを採用
して 1000 コマ / 秒以上のフレームレートを

近年の溶接施工の進歩は急速であり、高速化、実現する。

高品質化の進展は著しい。それに伴い、溶接現象の解明に対する要求と、施工管理の高度化への要イ．照明技術の簡素化

求が非常に高まっている。IHI グループにおいて前述したように可視光レーザを照明光としはそのニーズに応えるべく溶接部可視化装置「iL-て使用しているためレーザ管理区域を設定しViewer」を開発し当社が製造・販売している。

なければならないが、これが可視化装置の適（1）iL-Viewer の原理と特徴

用範囲拡大に当たっての問題になっていた。

溶接部可視化装置は、溶接アーク（あるいはまた、レーザ装置が高価であるためコスト面

レーザ溶接時のレーザ光）と溶融池からの強烈で導入が促進されない面もあった。そこでな放射光を抑えて溶接部と溶接部周辺を観察す

CMOS センサーの高度な画像制御技術と、各るため、高いピークエネルギーを持つパルス動溶接に最適化したフィルタリング技術を駆使

作の可視光レーザを照明光として使用し、レーすることにより、無照明あるいはそれに近い

ザの単色性を利用した光スペクトルフィルタリ

簡素な照明（LED など ) のみで観察可能とす

ングと、CCD 等の半導体撮像素子の高速電子る。
ウ．リモートレーザ溶接への適用

シャッターとレーザパルスを同期させることによる時間的フィルタリングを行うことを特徴と最新のリモートレーザ溶接技術に適用する
照明・観察システムを開発する。

する画像観察装置である。これらのフィルタ効
果によって、溶接部からの発光をほぼ完全に抑エ．判定・制御システムの構築えた画像を取得することが可能である。溶融現ライン導入のための良否判定、制御技術を

象を鮮明に観測することが可能であるため、溶開発する。

接現象の研究、良否判定、倣い制御等に応用す

今後、TIG 溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接へることが可能である。また溶接以外の高輝度発の適用を主要なターゲットと定めて、フィルタリ

光体の観察にも応用可能であり、ロケットエン

ング技術、画像処理技術などについて実案件に対ジンノズルの観察や炉内熱間観察へも応用され応しつつデータを積み上げながら高度化を図って

ている。

いく。
2.4

（2）iL-Viewer

アルミニウムおよびその合金は、軽くて耐食性、最近の溶接施工の高度化は単に鮮明に見る̶

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アルミ溶接

加工性、低温特性などに優れていることから、家78 ̶

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庭用器物に多く用いられているほか、一般工業用（2）アルミ溶接技術開発への取り組み

材料として航空宇宙、車両、船舶、化学および食IHI および当社ではこれらの特性を理解した品、電気や原子力など多くの工業分野に広く用い

うえで、これまでに LNG 船や低温貯槽などにられている。アルミ溶接装置の例を図６に示す。

適用するため、数多くの試験、研究を行い、ア（1）アルミ溶接の特徴

ルミ溶接技術を確立してきた。

一般的にアルミニウムの溶接は鉄鋼の溶接に

近年、アルミニウムは軽量であることが注目

比べて難しいとされている。その理由を以下にされ、CO2 排出量低減のため自動車や車両など示す。

の軽量化、クリーンガスエネルギーのためのタア．加熱中、酸化し易いので不活性ガス雰囲気

ンクや船舶、さらに橋梁では軽量であることに加え耐食性に優れていることから塗装が不要と中で溶接する必要がある。
イ．鉄の約 3 倍も熱伝導度が大きいため、局部なるなど、環境に配慮した材料として見直されている。

加熱が難しい。さらに、溶融温度が低いのでアルミニウム溶接の需要も高まりつつある

溶け落ちし易い。
ウ．線膨張係数が鉄の約 2 倍、凝固収縮率は約が、構造物の大型化による板厚の厚肉化に伴い1.5 倍あるので、溶接による歪が大きい。凝溶接時の大入熱による溶着量の増大が顕著とな固時に割れが発生しやすい合金系もある。

り、溶接費のコストダウンが求められており、

エ．溶融中水素等のガスを吸収し易く、これが溶接電源もデジタル化されるなど目覚しい進歩が見られる。

ポロシティー（気孔）の原因となり、溶接部の強さを低下させる場合がある。

現在、これまで蓄積してきたアルミニウム溶接の技術、ノウハウ、溶接施工条件、溶接施工

オ．合金によっては、加熱によって母材が弱く、脆く、割れ易くなることがある。

管理基準などが、新しいデジタル溶接電源に適さ ら に、 ア ル ミ ニ ウ ム の 溶 接 で は、 板 厚用できるかどうかの研究を進めている。板厚や8mm 以下および 35mm 以上で難しくなるとさ

開先形状など多くの試験を実施し、さらに溶着れている。その理由として、この板厚範囲では量をかせぐタンデム溶接（2 電極溶接）、ロボッ

溶着金属の微小割れ、ポロシティー、融合不良、トによる溶接やレーザ溶接など、コストダウン

溶接変形などが生じやすいためである。

や品質向上に向けた開発も行っている。

ロボット溶接（タンデムMIG）
図6

アルミ溶接装置の例

̶05.indd 79

タンデム溶接79 ̶

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2.5

特殊加工技術

材に食い込む時の衝撃力が大きいため、塑性変

当社では各種の特殊加工技術を有しているが、形領域が増え、その結果バリ高さが増加したとマイクロリアクタの材料候補である SUS304，お考えられる。この様な基礎データ取得・評価をよび純アルミを加工する際に生じるバリを最小限

残りの 3 パラメータについても実施し、マイクにする取り組み例を紹介する。

ロチャンネルの試作プロセス確立を図った。

（1）バリ抑制加工（2）マイクロチャンネルの試作評価した切削条件は①切削方向（アップカッ

試加工により最適と評価された切削条件域

ト，ダウンカット）②テーブル送り速度（4 種類）

で 1.0mm（幅）× 0.5mm（深さ）× 45mm（長③径方向切込み量（3 種類）④面取りの 4 種でさ）の流路を持つマイクロチャネルを試作した。

あり試切削後、表面形状・粗さ測定機で表面形

マイクロチャンネルの材質は純アルミおよび状を測定しバリ高さを測定しそれぞれの影響を

SUS304 の 2 種類である。いずれの材質条件で評価した。

も発生するバリの高さは 1μm オーダーであり、切削後のバリ取りを実施することなく実用に耐切削方向とバリ高さの関係を図７に示す。ダ

え得る加工精度を実現できた。（図８）

ウンカットではバリ高さが増加する傾向が見ら

今後、欠けやバリをさらに小さくすること、れる。これはダウンカットでは切削工具は被削SUS304

純アルミ
150
バリ高さ[μm]

バリ高さ[μm]

150
112.4
84.2

100
50
0

100

86.3

50

29.0

0
down cut
図7

up cutdown cutup cut切削方向とバリ高さの関係（左図：SUS304，右図：純アルミ）

10mm
SUS304 製マイクロチャンネル
バリ高さ：1.37μm

図8

10mm
SUS304 製マイクロチャンネル
バリ高さ：1.18μm

マイクロチャンネル試作品の外観

̶ 80 ̶

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表面粗さおよび加工精度の評価方法のマニュア示す。

ル化が課題である。微細加工等の特殊加工では溶射型ひずみゲージは主にジェットエンジン

案件毎に加工条件の選定が必要となる場合が多の開発において高温に晒される部品の健全性をく、今後とも、ノウハウの蓄積につとめ技術の実証するためのセンサとして適用されている。

向上に努めたい。

「溶射」とは、コーティング材料を加熱により

3.

溶融もしくは軟化させ、微粒子状にして加速し研究支援のための計測技術

被覆対象物表面に衝突させて、扁平に潰れた粒
当社は自ら検査・計測技術の研究開発に日夜取子を凝固・堆積させることにより皮膜を形成す

り組むと共に、社内外の様々な研究機関や開発機

るコーティング技術の一種である。当社はロー関の支援業務を行っており、長年培った計測技術

カイド溶射装置とサーモスプレー溶射装置を用による高い精度の計測データならびに計測技術そいてジェットエンジンやターボチャージャの高のものを提供してきた。本節では特に研究支援を

温部品にひずみゲージを溶射する役務を提供し目的とした計測技術に焦点をしぼり、その実例をている。（図 11，図 12）（2）PIV（粒子画像流速測定法）による流れ計測

紹介する。
3.1

特殊計測

目に見えない流れにトレーサ粒子（アルミ（1）高温環境下の応力（ひずみ）計測

粉末、ポリスチレン等）を投入することで，目機械装置の研究開発段階においては、信頼性評価のために応力（ひずみ）測定や振動測定がしばしば実施される。低温環境（350℃未満）の場合は一般的な箔ひずみゲージをセンサとして使用するが、高温環境（350℃以上）では特
殊なセンサが必要であり、高温ではカプセル型
高温ひずみゲージや溶射型ひずみゲージを適用する。
カプセル型高温ひずみゲージはゲージ素子に高温での安定性に優れた耐熱特殊合金線を使用

図９ カプセル型高温ひずみゲージ

し、リード線は 550℃〜 950℃の領域にも対応できる MI ケーブル（Mineral Insulated cable）を使用している。
図９に K 社の 750℃対応のカプセル型高温ひずみゲージを示す。センシング部の幅は 3mm、長さは 20mm である。また、MI ケーブルの直径は 1.6mm である。センシング部の被測定物への取付けは小型スポット溶接機により行う。
したがって、接着剤やコーティング処理が不要

図10

設置例（ボイラ伝熱管）である。ボイラ伝熱管に設置した例を図 10 に

̶ 81 ̶

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14 に U 字形の配管内を流れる水の PIV による計測例を示す。コーナー部や水平管上面にできるよどみの様子が明瞭に捉えられている。
このように PIV による計測は、流れ場の状態を速度ベクトルと色彩表現により直観的に理解できるところに大きな特長がある。また、
PIV による計測結果と最近の研究開発で多用される CFD で得られた結果は同様の表示形態な
図11

ので、試験結果と計算結果との比較が容易にで溶射型高温ひずみゲージ

きるというメリットもある。
（3）極低温領域における精密温度計測
液 化 窒 素 雰 囲 気 等 の 極 低 温 領 域 に お い て、
1/100℃分解能の温度測定を行うことは困難を
要する。

図12

溶射作業状況

に見えるようにする技術が流れの可視化（flowvisualization）である。この流れの可視化技術に
デジタル画像処理技術を加え，流れ場の瞬時・多点の速度情報を抽出する方法が PIV（Particle

図13

PIVシステムの基本構成

Image Velocimetry：粒子画像流速測定法）である。
流れの可視化技術としては既に一般的となった
CFD（Computer Fluid Dynamics）と呼ばれるコンピュータ・シミュレーションによる流れ解析技術がある。
一方で，産業の発展は予測・制御すべき現象
を，より高度に解析する必要に迫られている。
そのためには，模型を用いた物理実験や，コンピュータによる数値解析のどちらか一方だけで対応していくことは困難であり，両者の技術の融合により流体解析技術の高信頼性が実現される。
図 13 に PIV システムの基本構成を示す。図

図14

PIVによる計測例（U字管内の水の流れ）̶ 82 ̶

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表1

Pt100測温抵抗体の抵抗変化（単位：mΩ）

規準抵抗値

73Ｋ

抵抗値差

18520

430
(4.3/0.01K）

74Ｋ

抵抗値差

75Ｋ

18950

430
(4.3/0.01K)

19380＜JIS C 1604-1997＞

温度を精度よく計測するには温度差に対するミリオーム計の計測において 4mΩ ／ 0.01K

センサの出力差が大きいことが必要となるが、の分解能に対応する計測レンジを 200Ω とし

測温抵抗体の抵抗値が温度変化に対応して精度た場合、計測分解能は 1mΩ で、読値に対すよく追従することに着目し、極低温領域の精密る精度は± 0.008％、フルスケールに対する温度測定が可能な計測方法を実現した。この方精度は± 0.0015％である。ただし JIS におけ法の応用例として超電導モーターの冷却窒素のる Pt100 測温抵抗体の 73K における許容差 *温度変化計測の例を紹介する。

は± 0.55K で、また、規準抵抗値表には 73K

ア．計測方法までの記載しかないため、73K 以下の温度を超電導モータは固定部分の電機子コイルユ

計測するためには Pt100 測温抵抗体の計測温

ニットを超電導転移させるため、同ユニット

度付近における器差の把握、補正係数を求めを格納するクライオスタット内に過冷却液体るなどして規準抵抗値表から外挿する必要が窒素を循環させている。過冷却液体窒素はクある。

ライオスタットへの侵入熱によりわずかに上*Pt100 測温抵抗体の示す抵抗値を規準抵抗昇する。この侵入熱量を把握するために微小値表により換算して求めた温度から実際な温度変化を正確に計測する方法が必要となの温度を引いた値の許容される最大限度。

る。この極低温領域における温度変化を Pt100
測温抵抗体およびミリオーム計を使用した微小温度差計測方法を実計測に適用した。

イ．適用結果図 16 に超電導モータ開発機を示す。同モー
タのクライオスタット内部に設置されたそれ微小な温度変化を精度よく計測する場合、ぞれの Pt100 測温抵抗体の抵抗値の変化を温温度差によるセンサーの出力差が大きいこ

度換算した。表 2 に超電動モータクライオスとが望ましい。表１に示すように、Pt100 測
温抵抗体は温度差による抵抗変化が大きく、0.01K 分解能として 4mΩ 以上の出力が得られる。この抵抗変化をミリオーム計（微小電気抵抗計測器）で高精度に計測し、温度換算する方法を適用した。
図 15 にミリオーム計およびデータ収録用
PC を示す。Pt100 測温抵抗体の抵抗値はミリオーム計で計測され、データは専用計測ソフ
トウエアをインストールした PC に収録され図15る。

̶ 83 ̶

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計測装置
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トを貼り付けた場所）の３次元座標をソフトウエ
アで高精度に解析する。写真の中に長さが既知のスケールバーを写しこむことにより、10m の物体
で 50μm の計測精度が得られる。ハンディなデジ
タルカメラを使用しているので、狭い場所や障害物がある場所でも計測ができる。このシステムは物体の形状を精密に計測できるので、構造物の静荷重試験に適用した場合、静荷重負荷前後に計測してその形状変化から変形を計測することができる。図 18 に宇宙関連構造物の変形測定の様子を示す。
図16

超電導モータ開発機

3.3

タット内の温度計測結果の一例を示す。連続計測において微妙な温度変化を捉えることが
できた。
3.2

翼振動計測

翼振動はターボ機械に特有な振動問題である。
翼は高速で回転しており、翼振動によりクラックが発生すると翼が飛散するような大事故発生のお三次元画像計測

それがある。そのため、一般に、ターボ機械の開構造物・機器の形状測定方法には、プローブ接触式、測角式、測距測角式、レーザーレーダー式
およびデジタルカメラ式がある。これらの方式の発段階で翼振動の解析と計測を実施して安全性の確認を行う。本項では、翼振動を計測する技術について紹介する。

中で、デジタルカメラ方式は構造物・機器の変形計測にも適用できるので、研究開発支援のための翼振動を計測するためのセンサとしてはひずみ
ゲージが一般的に使用されている。

計測技術として紹介する。

高速で回転しているターボ機械の翼からひずみ

当社は 3 次元画像計測システム（V-Stars）を保有している。図 17 にシステムの主要構成部品を示す。測定対象物を高精度デジタルカメラで多方信号を取り出すためには、回転系から静止系にひずみ信号を伝達する手段が必要である。このため、スリップリングやテレメータを使用する。

向から撮影し、測定ポイント（ポイントターゲッ
表2

一方、ケーシングに取り付けた翼センサで非接超電導モータクライオスタット内部冷却LN2計測結果の例

時間
Ｓ
０
１０
２０
３０
４０
５０
６０
７０
８０

Ａポイント
℃
−198.655−198.694−198.713−198.741−198.771−198.803−198.818−198.846−198.878Ｋ
74.49574.45674.43774.40974.37974.34774.33274.30474.272

Ｂポイント℃−199.944−199.955−199.957−199.963−199.957−199.955−199.948−199.944−199.942

Ｋ
73.20673.19573.19373.18773.19373.19573.20673.20673.208

̶ 84 ̶

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08.10.16 1:32:10 PM触で翼振動を計測する方法も近年、よく使用されている。後者は信号受信のアンテナを介して静ている。

止側から回転側に誘導電源を供給するもので、（1）ひずみゲージによる翼振動計測

計測時間の制限がないが、システムが複雑で高FEM 解析などにより計測位置を決め、低温
環境（圧縮機，ファンなど）では前項で述べた価となる。
（2）非接触翼振動計測

箔ひずみゲージを接着剤で貼り付け、高温環境

この方法はひずみゲージを使用しないで翼の（ガスタービン，ジェットエンジンなど）では振動状況を把握する技術である。静止部に設置

溶射型ひずみゲージを適用する。

した翼センサで翼端部の１回転毎の通過を検知

スリップリングにはドラム型（リング外周にし、軸パルス（回転センサが軸の１回転を検知

ブラシが接触）、フェース型（円盤の側面にブする毎に発生するパルス）に対する時間差を翼ラシが接触）、特殊型（水銀の流体接触を利用）

タイミングパルス（TOA: Time of Arrival）と定などがあるが、翼振動計測の場合はドラム型を義し、TOA から翼の円周方向位置を計算して使用することが多い。

翼振動振幅を解析するシステムである。図 19

ひずみゲージからの信号は、回転側に設置した小型の送信器（テレメータ）で電波に変調されて静止系に伝送される。
それを受信機で復調し、さらに電気信号に変換するので回転側と静止側にアンテナが必要である。この方式は非接触式のため、ノイズやドリフトはあまり問題にならない。電源はバッテ
リと誘導電源の２種類がある。前者は回転側に取付けられ、試験時間が制限される欠点がある
が、システムが単純で安価なため広く用いられ

図18

V-Starsによる宇宙関連構造物の変形測定

ポイントターゲット
コードターゲット

オートバー
デジタルカメラと記録媒
図17

V-Starsの主要構成部品

̶05.indd 8585 ̶

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に TOA による翼振動計測システムの概要を示

分である。

す。

人の目は 3 種類の色（赤・緑・青）に分光して同図は翼枚数が Nr のロータの翼振動を軸パ検知して、頭の中で色に合成し、経験的に蓄えらルスを基準として静止部に設置した１個の翼セれた脳のデータベースから食べられるかどうかのンサで計測する場合について示している。軸パ

判断を下す。見て、判断するのは、その場であり、ルスに対する各翼の TOA からそれぞれの翼の判断を下すのも殆どの場合その場で行われる。分円周方向位置を計算することができる。この方

光分析においても、人間の目と脳のシステムと同式はひずみゲージによる計測方法に比べて安価

じように、その場で計測して判断できる簡易型分

な上に全翼（翼間バラツキ）の計測が可能であ光システムが期待されている。

る。

（1）分光分析の概要
分光分析は図 20 に示すように、次の流れで翼センサは光学式、容量型、渦電流型の 3 種類があるが、光学式センサは高温（約 650℃）実施する。

に耐えるため、ジェットエンジンやガスタービ①照明する、②対象物で反射または透過（この際、物質固有の光が吸収される）、③戻ったンの計測によく用いられている。
3.4

分光分析技術とその応用

光を波長で分光、④検知器で検知（吸収スペ

計測対象が発する光もしくは光を当てた際の反クトルを作成）、⑤解析・判断（通常、吸収し射光を分析することにより、対象の状態を把握すた波長から物質種類、吸収の大きさから濃度をることが可能となるが、このような分析技術は「分求める）
従来、分光器は、振動に弱く、ある程度の大光分析」と呼ばれる。
たとえば、食べ物が腐ってくると色が変り、人きさが必要であるため、実験室で使用するもの

間は目で見て頭（脳）で食べられるか判断する。

であったが、近年小型の分光器が多く出回るよ

このとき目はセンサー部分で頭はコンピュータ部

うになり、状況が変ってきた。

翼変 形計 算:• Shaft Pulse identifies Rotor Blade 1• TOA calculated relative to Shaft Pulse• Arc length from shaft = shaft rate ×TOA
TO ANRTO ANRTO A 2

TO A2

TO A1

翼センサ

1

TO A2

TOA 1
2

3

Nr

1

T OA 1
2

3

Nr

1

2

翼パルス

回転センサ
翼枚数 Nr のロータ

図19

reference翼タイミングパルス（TOA）による翼振動計測システム

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軸パルス
time

86 ̶

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コンピュータおよび解析手法の発達もあり、判断の部分についても進歩している。
人の見るシステムは非常に良くできており、人が作り出した機械やシステムよりも優れた部分が多い。しかし機械は、３波長以上に分光し、人が感知できない波長（近赤外線や紫外線など）も捉え、測定器としての定量性や再現性があり、
図20

個人差がない。

分光分析の流れことを利用したものである。図 22 にコンクリー（2）分光分析技術の応用例
本技術の適用例としては、プラスチックの判

トの反射スペクトルを示す。塩化物イオン濃度

別や果物の糖度計などがある。一例として、プの増加はコンクリートの劣化の指標として判断

ラスチックの吸収スペクトルを図 21 に示す。

に使えることがわかる。この計測は、聴診器のプラスチックの種類によるスペクトル形状のようにコンクリートに光を当てて反射光を測定するだけであり、数秒で塩化物イオン濃度が得違いから、種別を判定することができる。

られる。現状はコンクリートをドリル等で砕い装置についての応用開発を進めている。波長てサンプルを採取して持ち帰り計測するしかな

1257nm 付近に塩化物イオン濃度の吸収がある

い。

吸光度

当 社 に お い て は、 コ ン ク リ ー ト 劣 化 診 断

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1000

プラスチックの種類
HDPE
LDPE
GPPS
HIPS
PP
PVC
ABS
PET
1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

波長 nm

吸光度

図21
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
1300

プラスチックの吸光スペクトル

塩化物濃度指標

1500

1700

1900
波長 nm

2100

2300

図22 コンクリートの反射スペクトル̶ 87 ̶

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コンクリートについては、塩化物イオン濃度

合的な劣化が進行することも多く、劣化要因のだけではなく、中性化の指標となる水酸化カル

特定や寿命の推定は、プロセスの設計、改良を

シウム濃度や硫酸塩濃度も計測可能である。

行う上で重要である。

分光分析の大きな利点は、分光器は光のス（2）炭化水素燃料の水蒸気改質触媒の寿命評価

ペクトル分析を行うが、装置自体から出力され石油蒸分やタールなどの液体の炭化水素を水るのは対象の状態判断や濃度といった結果であ

蒸気改質することによって水素リッチの合成ガ

り、ユーザが分光分析自体を知っている必要がスを製造することができる。反応は一般に式（1）ないことである。本項では分光分析技術の原理で表すことができる。

的な概要と、この利点を生かした応用例を示し

CnHm + nH2O --> nCO + (2n+m)/2 H2た。当社の今後の取り組みとしては分光分析技

この反応の過程で、一部の炭化水素は、触媒術の適用範囲を広げつつ、簡易型の分光分析シ

上に固体炭素として析出し、触媒性能を低下さステムを開発し、「その場で」、「簡単に」、「判せる。炭素析出は、主反応である水蒸気改質反断できる」装置の提供に取り組んでいく。

応と比較すると、比較的遅い反応であるため、

3.5

触媒評価技術(1)炭素析出による触媒性能の低下を定量的に評価

当社は、ここまで述べてきたような物理現象のするためには、長時間の性能評価の実験が必要

計測技術のみならず、「触媒劣化」、「ヒドラジンとなる。
当社では、触媒の劣化を、反応の初期から観分析」といった化学分野での計測技術でも社内外察できる Multi-gas sampling port を備えた流通式の機関の研究活動を支援している。

の反応器（図 23）を用いて、触媒の寿命評価

本項では、液体の炭化水素燃料の水蒸気改質触媒の寿命予測、および排煙脱硝触媒の被毒による劣化要因の特定を行った研究の概略について紹介する。

表3 触媒の劣化因子
劣化因子

現象

熱劣化

活性金属のシンタリング
反応生成物による被毒
不純物等による被毒反応の副生成物による被毒（炭素析出など）（1）触媒の劣化研究例
被毒

触媒は、化学品、石油化学製品の製造、石油精製などのいわゆる工業利用分野および排煙脱Gas inlet

硝や自動車排ガス処理などの環境保全分野を中心に、多岐にわたる分野で利用されている。

Relative
position
0.0

Multiple gas
sampling ports

工業プロセスの使用エネルギー量の低減や環n= 1

境規制の強化、社会的な環境意識の向上と共に、

2

Catalyst
bed

今後も利用分野の拡大や触媒の高性能化、高機

3

0.5

4

能化が期待されている。

5

触媒の劣化は、プロセスの寿命、コストなど1.0を決定する重要な因子であり、使用する条件や環境によって、様々な因子により決定される。
Gas outlet

表３に触媒劣化を決める代表的な因子を示す。実際のプロセスでは、複数の因子による複図23

Multiple gas sampling portを備えた触媒評価用反応器

̶ 88 ̶

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表面の吸着 NH3 の安定性を直接観察することが可能である。この様な分光法による表面観察

触媒層の各位置における性能と経過時間の関係を図 24 に示す。

と触媒活性の相関を調べることで、触媒の劣化要因の特定が可能である。

この結果より、用いた改質触媒は、反応器の入口付近から劣化し、数 1,000hr を経て徐々に

3.6

ヒドラジン水分分析方法の高精度化

触媒出口側に向かって劣化が進行していくこと

ヒドラジン（N2H4）のうち高純度のもの（99%がわかる。この様な手法を用いることで、性能以上）は、国産ロケットおよび人工衛星の推薬と低下の現象を比較的短期間で評価することが可

して使用されており、この水分が変化すると、推能である。

薬の燃焼効率（出力）が大きく変動するため、推（3）脱硝触媒のアルカリ被毒による劣化要因の特定

2）

薬の品質管理においては水分を一定に管理することが重要である。

ボイラなどから発生する排煙中の窒素酸化物

推薬の純度は 99.00% 以上、 水分 1.00％以下、（NOx）は、アンモニア（NH3）を還元剤として

水分分析の要求精度は± 0.02% であり、当社はこ脱硝触媒により窒素と水に還元される。

の要求に対応しているが後述する問題もあり、今4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O

（2）
1.0

脱硝触媒の活性種は、酸化バナジウム（V2O5）であるが、排ガス中にカリウム（K）などのア能が低下する。
図 25 に示す通り、微量の K を触媒に担持す

0%0.8
脱硝率（-）

ルカリ金属が含まれていた場合、被毒されて性K 2O wt%

0.10%
0.20%

0.6

0.30%
0.50%

0.4

1.00%

ることで、脱硝性能が著しく低下する。これは、0.2

K が、脱硝反応の進行に必要な NH3 の触媒表

0.0面への吸着を阻害するためである。図 26 に示
すように、赤外分光法（FT-IR）を用いて触媒

2.00%

500

図25

550

600
650
温度（K）

700

カリウム担持量と脱硝性能の関係

1.0
0.9
0.8

改質率[-]

0.7

実測 予測

出口
#5
#4
#3
#2
#1

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0

1000

2000
3000
試験時間[h]4000

図24

触媒層各位置における触媒性能と経過時間の関係

5000

図26

̶ 89 ̶

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赤外分光法による吸着NH3の観察

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回、濃度既知の高純度ヒドラジンの数値を参照す（2）標準試料モニタリング法

ることにより、一層の精度向上を図ることができ

標準試料は、経年変化試料（不純物の濃度がた。

どう変動するか計測するため、長期保管してい（1）現状法の問題点る）に使用している高純度ヒドラジンで、純度

ヒドラジンの水分分析は、試料（高純度ヒドと水分が安定していることが確認されており、ラジン）をガスクロマトグラフ（以下 GC）に標準試料を２回以上分析することにより、カラそのまま注入して、クロマトグラム（図 27）

ムの状態を把握することを試みた。

に得られた２つのピーク（水とヒドラジン）の標準試料は、保管倉庫内のドラム缶よりホー面積値の合計から各ピークの百分率を算出す

ルピペットで採取し、専用の金属保管容器（図る。この手順を４回行い、最小値と最大値を削28）に保管する。なお、容器内部は、高純度除し、中央値の２回の平均をその試料の水分値の窒素ガスを封入して空気と遮断し、水分の混としている。

入を避ける。

この方法は簡便であるが、カラムの不安定さ

試験は、標準試料を２回分析して、その後試または劣化により、水ピークの割合が変化し、料を４回（規定回数）分析した。カラムが良好

クロマトグラムの数値（見かけ水分値）と真のな場合とカラムが不良の場合の代表例を表４に水分値が離反する（カラムが劣化するほど見か示した。

け水分値が減少するのが、経験上明らかである）「カラム良好な場合」は、標準試料２回の平可能性が避けられなかった。

均値は 0.52 で、日常得ている数値とほぼ一致

今回新たな方策として、純度の安定したヒドしている。試料４回の数値もばらつきが少なく、ラジンを標準試料としてモニタリングすること

カラムの状態は良好であることがわかる。これを考えた。

に対し、「カラム不良の場合」は、標準試料の

図27

ヒドラジン水分分析のクロマトグラム

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90 ̶

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きが大きい（± 0.02％以上）場合は、カラムが安定するまで放置し、再びこの手順を行う。
3.7

三次元測定技術（プローブ接触式）

当社では三次元測定機を使用し、多種多様な各種部品の計測を行っている。ここでは保有している三次元測定機の概要と部品の測定例を紹介する。
（1）三次元測定機の概要
当社はライツ社製（ドイツ）とミツトヨ社製の三次元測定機を保有している。これらの外観を図 29、図 30 に、装置の概略仕様を以下に示す。
図28

標準試料保管容器（金属製）

ア．ライツ社製精密三次元測定機
形

表4

式：

測定範囲：1200 × 1000 × 600mm（X，Y，Z）

高純度ヒドラジン中水分値の実測データ

最大指示誤差：1.0 ＋ L ／ 400μm

カラム良好な場合
試料の種類

水分（％）

標準試料①

0.5297標準試料②0.5248

PMM 12106（L は測定長 (mm)）

カラム不良の場合
試料の種類

水分（％）

標準試料①

0.5426標準試料②0.6036標準試料③0.7218

数値が段階的に上昇しており、数値も 0.54 〜
0.72％で、通常値の 0.52％と異なっている。
以上の試験を繰り返すことにより、カラムの状態を把握できるようになり、試料についても

図29

ライツ製三次元測定機

図30

ミツトヨ製三次元測定機

安定した分析結果を残せるようになった。
上記の試験結果から標準試料によるモニタリ
ングで、以下の手段が実用できることを確認した。
①標準試料の水分が今までのデータ（通常値）
より大きく変動しているときは、カラムが不安定または劣化していることを示しているので、時間を置いて分析を最初からやり直す。
②①はクリアしているものの標準試料のばらつ̶

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主な用途：複雑な形状を有する部品の寸法・
形状計測
イ . ミツトヨ社製三次元測定機（図 30）形

式：FALCIO-Apex 7106

測定範囲：705 × 1005 × 605mm（X，Y，Z）
最大指示誤差：1.3 ＋ 3L ／ 1000μm（L は測定長 (mm)）
主な用途：各種寸法計測及び形状計測

図31

ジェットエンジン用部品

図32

ターボチャージャ用部品（2）三次元測定機による測定例
計測部品はジェットエンジン用部品、ターボ
チャージャ用部品から各種の検査治具まで多種多様で、それぞれの要求に沿った計測を行っている。特に、ジェットエンジン用部品のブレー
ド、ベーン等の翼の形状測定データは設計値との誤差の評価に適用されている。また、各種インペラおよび舶用プロペラの計測実績もあり、
その他特殊形状の計測にも対応している。
図 31 〜図 34 に計測した部品の一例を示す。
社内、社外からの三次元計測データ取得ニー
ズに対応しており、今後は、CAD 技術との組み合わせにより三次元測定のみならず、形状計
測から三次元モデル作成までの技術を実用化し
たい。
4.

数値解析

図33

検査治具

当社では検査・計測といったアプローチに加え、発展目覚ましい計算機環境と解析ソフトウェアの充実を背景に、各種の数値解析による研究 / 開発支援も行っている。以下にそれら数値解析業務の概要を紹介する。
4.1

数値解析のメリット

先ず数値解析の実例による技術紹介の前に、構造解析や流体解析に代表される数値解析の主な利

図34

舶用プロペラ点を挙げる。
（1）費用が実験的手法よりも安価ために多大な時間と費用を必要としていたが、従来、数値解析を行う上で、計算格子生成の昨今の三次元 CAD の浸透に伴って形状データ

̶ 92 ̶

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の受け渡しが容易になり、また自動格子生成プ

を数値解析した例を示す。前例は部材に外力（荷ログラムも整備されてきたことから計算コスト重）を与え、部材がどのように変形し内部応力が大幅に削減されつつある。一方、実験的なアがどのようになるかを検討した例であるが、本プローチは専用設備を要するなど、解析的なア

例は部材に所定の変形を与えた場合の応力場

プローチに比べ低価格化が図り難いため、数値を、局所的な塑性歪みを考慮しつつ求めた非線解析が種々の検討に援用される場面が増えつつ

形構造解析の例である。このような検討によりある。

部材内に残留し、疲労寿命等に影響を及ぼす残（2）検討スピードが速い

留応力の評価が可能となる。

開発・設計スパイラル（各段階の繰り返し）（3）過給器ハウジングの振動モードと固有値解析に対応するために類似の対象や条件を多種、検（振動解析）

討しなければならない場面も少なくない。この

過給器のような回転機構を伴う製品の設計にような場合でも数値解析は計算パラメータ変更

際しては、回転機構を起振源とした共振を起こや解析対象の形状変更で対応できるため、スパ

すことがあるため、部材の共振点を把握する必イラルの速度を上げることができる。

要がある。振動解析は部材形状ならびに寸法と実験や計測では難しい検討条件にも対応：

部材物性定数をあたえることでこの固有値や振ジェットエンジン燃焼器内の流れや、原子力容動モードの机上検討を可能とする技術である。

器内の流れといった、実験による再現が不可能

4.3．流体解析な場合や人が近寄れないような対象の検討も可

主に航空・宇宙分野が牽引車となり 70 年代以

能である。
4.2

構造・振動解析

現在も日進月歩の数値解析技術において構造・振動解析の分野は、その黎明から取り組まれた最古参的分野の一つである。そのため構造・振動解
析の汎用ソフトは種々の検証を経て、実用性のあるツールとして他の分野より熟成度は高い。当社
でも構造・振動解析を数値解析業務の主力として位置づけ取り組んでいるが、以下に構造・振動解

図35

解析格子モデル図（無負荷状態）

析の一端を三例ほど紹介する。
（1）船舶の二重底に作用する応力解析
船舶の船底は構造強度を得ることや座礁対策として二重構造をとるものが多い。この二重底が水圧を受けて撓んだ際の部材応力の分布を構造解析で求めた例を図 35、36 に示す。
（2）圧延塑性加工における残留応力解析
圧延プレス加工によってタービン翼を塑性成形した際に部材内に残留する応力（残留応力）

̶ 93 ̶

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図36

応力分布図（青→赤：応力が高くなる）
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図37

図39 振動モード解析（振動変位を実際より拡大）

金型に挟まれたタービン素材模式図

図38

図40

加工部材内の応力分布図

固有値解析（各部の固有値を色分け）

降、 急 速 に 研 究 が 進 ん だ 数 値 流 体 力 学（CFD：

れらをみると両者は良く一致している。この検Computational Fluid Dynamics) は、 同 時 に 汎 用 の討は様々な風が設備に吹き込む場合の検討と流体解析コードの発展と普及をもたらした。現

いった、実機計測では条件を設定し難い場合に在では歴史のある風洞・水槽試験といった実験

対しても、容易に机上検討を可能としている例

的な流体力学（EFD：Experimental F. D.）に劣らず、である。

むしろ流体現象を解明する上でより身近な手段（2）拡散現象解析

として流体解析が位置付けられつつある。当社

図 43、44 の例は高層ビル群の上流側に排煙でも汎用ソフトウェアを用い、各種の解析委託設備を設けた場合、周囲の温度変化ならびに排業務を請負っているが、ここでは以下の二例を

煙の挙動がどのようになるか、といった大気拡紹介する。

散問題を解析した例である。技術的には前例の（1）フローパターン・シミュレーション「フローパターン・シミュレーション」の技術

本例は航空機エンジンを地上テストするために加え、排煙の温度変化に応じた拡散範囲の膨の施設の防音壁がエンジンに流れ込む気流に悪張速度変化や、排煙が伝える熱変化までもが検影響を及ぼさないかを解析した例である。この討されている例である。このような場合、実物

例では実機の防音壁に対する流速・流向計測もの計測は非常に大掛かりなものとなり、実物が行われており、計測結果は図 41 中に赤色の矢できてしまったあとでは不具合に対する対策が印で示してある（黒色は計算結果である）。こ

大がかりとなったり困難な場合も少なくない。

̶ 94 ̶

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図41

図42

計算結果と計測結果の比較（黒矢印：計算、赤矢印：計測結果）

図43

実機フィールドテストの様子

図44

排煙解析（温度分布）

排煙解析（煙拡散状況）

よって、そのような事態を未然に防ぐ上で、次価値創生を目指し、診断コンサル業務の益々のに述べる大型試験設備を用いた実験と共に、数強化に努めていく。

値シミュレーションは増々、有用な手段となり

5.

大型試験設備紹介つつある。
以上、当社で行っている数値解析技術の一端

ＩＨＩおよび当社は試験風洞、耐震実験場、試を紹介した。当社では、この他にもここでは紹験水槽などの大型試験設備を保有し、各種の試験

介しきれなかった「熱解析」や「音場解析」にサービスを提供している。これらの大型試験設備も同様に取り組んでいる。また最近では最新のではそのスケール的利点を生かし、実機と同ス

破壊力学の知見を取り入れた「部材および構造ケールあるいはより実機に近いスケールでの実験

物の健全性解析・評価」にも力を入れており、を可能としている。当社はこれらの設備を用いた

長年培ってきた検査・計測技術により得られる

高精度な試験サービスを通し、様々な研究 / 開発

高精度な「実現象の把握」のみならず、「評価」の支援業務を行っているが、以下にこれらの設備を提供している。今後は、数値解析技術の付加の概要を紹介する。

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5.1

試験風洞

内で数少ない大型温度成層風洞実験設備である。

風洞試験は大型ファンにより風を発生させ、風の流れの中に構造物の模型を置いて模型周りの流（3）構造物安定性風洞

れや模型に働く力の状況を調べるものである。大橋梁・高層ビルをはじめとする土木・建築構型大気乱流風洞、構造物安定性風洞、温度成層風

造物は、軽量化・長大化の傾向が著しく、この洞の３種類がある。

ため風の作用に対する安定性が問題なる。耐風（1）大型大気乱流風洞

工学で問題となる現象には、風圧力による変形・発電プラントや化学プラント、LNG 貯蔵基

座屈や、風の動的作用によって起きる渦励振動・地などの建設では、排ガスの大気拡散が周囲の自励振動、および自然風の乱れ、後流渦に起因

環境にどのような影響を与えるかを事前に予測する不規則振動などがある。図 47 に示す構造

する環境アセスメントが重要となる。

物安定性風洞は高い風速による風洞実験により大型大気乱流風洞では自然風を模擬した流れ

これらの現象のデータを採取し、空力振動発生を再現し、プラント周辺へのガスの大気拡散状メカニズム、構造物断面の空力特性についての

況、地形の変化や建物によって生じる大気流れ

詳細な解析を行うことができる。
5.2のメカニズム予測に役立てることができる。
（2）大型温度成層風洞

耐震実験場

耐震実験場は 35 トン 3 次元 6 自由度大型振動

環境アセスメントを行う上で更に詳細な大気台と反力壁・反力床の２つの大型設備で構成され流れのメカニズムを予測する場合、地形や風だている。振動台は ､ 高精度に効率的に大規模加振けではなく、地面や水面の温度、上空に向かっ試験を行うことができ、過去に起こった地震デーての大気の温度分布が大きなファクターになるタをもとに地震を再現し、大型の構造物や機械の場合がある。図 46 に示す大型温度成層風洞は、耐震性実証実験を行うこともできる。また反力壁・地形の変化や建物によって生じる複雑な大気の反力床は油圧ジャッキなどを用いて構造物に静的流れを模擬するだけでなく、地面や大気の温度

荷重を加える試験を実施する場合などに有効な設分布を模擬した模型実験を行うことのできる国備である。

風洞形式：開放型風洞
測定部寸法：6m W×3m H ×24m L
風速範囲：0.5 〜15m/ ｓ

図45

大型大気乱流風洞

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96 ̶

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風洞形式：回流型風洞
測定部寸法：1.8m W×5m H ×20m L
風速範囲：0.2 〜3.0m/s （加熱時）
0.2 〜8.0m/s （非加熱時）

図46

大型温度成層風洞

風洞形式：開放型風洞
測定部寸法：1.5m W×2.5m H ×8m L
風速範囲：0.5 〜20m/ｓ

図47

構造物安定性風洞（1）35 トン 3 次元 6 自由度大型振動台

計測についての設備は、128ch、つまり 128

表５に振動台性能を示す。図 48 に振動台試

個のセンサーについて計測し、FFT を主とした験実施フローを、図 49 に振動台試験の実施例

データの処理が行えるシステムを備えている。

を示す。振動台は、地震の再現、クレーンなど（2）反力壁・反力床の産業機械やボイラ、タンクのようなエネル

表６に反力壁・反力床性能を示す。図 50 にギープラントなどの地震時挙動の把握試験など

静荷重試験の実施例を示す。反力壁・反力床はを実施できる。振動台本体は 4.5m×4.5m の正頑丈なコンクリートで構成されており、油圧方形をしており、3 次元（水平 2 方向＋上下１

ジャッキ等で構造物に大きな外力を加える場合方向）6 自由度（各方向の並進と回転）の加振に、同じ大きさの反力を受け止めることができが実施可能である。これにより台上に載せた試る。地震時に構造物に作用する慣性力を静的荷験体に対して、地震をはじめとする様々な振動

重に置き換えて作用させ、構造物の最終強度を環境の模擬が可能となっている。

確認する試験を行う場合に使用する。

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表5
仕

振動台性能
35ton３次元6自由度

様

最大積載質量

35ton

振動台寸法

4.5m × 4.5m

加振方向

3軸同時加振最大変位

水平方向：H=±100mm

3軸回り回転加振
鉛直方向：V=±67mm
最大速度

水平方向：H=±75cm/ｓ
鉛直方向：V=±67cm/ｓ

最大加速度

2
水平方向：H=±14.7m/ｓ（1.5G）（最大積載時）鉛直方向：V=±9.8m/ｓ2（1.0G）

加振振動数範囲

DC〜50Hz

最大転倒モーメント

2.207kＮ・m（225tonf・m）

最大偏揺モーメント

294kＮ・m（30tonf・m）

駆動方式

電動−油圧サーボ方式

制御方式

アナログ・デジタル制御①試験体設置

図49

電流遮断器振動試験

表6

反力壁・反力床性能

反力壁寸法（L字壁）

8ｍ × 8ｍ
8ｍ × 10ｍ

反力床寸法

8ｍ × 10ｍ②センサー設置、結線、計測準備③振動特性把握許容最大曲げモーメ
ント

3,920 （kＮ・ｍ/ｍ）
400 （ton・ｍ/ｍ）④本加振（地震波、正弦波など）⑤センサー、試験体撤去⑥データ解析、整理

図48
5.3

振動台試験の流れ

試験水槽（1）船型試験水槽
船舶の最も重要な性能の一つである、推進性
能に関する実験データの取得を目的とした水槽である。図 51 に水槽ならびに曳引車の概観を、

図50

LNGタンク静荷重試験

表７に船型試験水槽の寸法 / 仕様を示す。船舶の推進性能を評価するためには、船体に作用す把握する必要がある。船型試験水槽はこれらのる水の抵抗やプロペラ等の推進器の性能、なら諸量を、船体やプロペラの相似模型を用いて水びに両者の流体力学的な干渉による効率変化を槽内で曳引車で牽引したり自走させたりして、

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動揺性能も大切であって、運動性能水槽はこれ
らの性能を相似模型を用いて計測できる設備である。船型試験水槽が専ら推進性能を計測するために非常に長い水槽になっているのに対し、模型に平面運動をさせる必要から運動性能水槽
は水泳用プールのような広い水槽となっている。図 53 に運動性能水槽の概観を、図 54 に
図51

波浪中で動揺している船体模型の状況を、そし

船型試験水槽と曳引車て表８に寸法等の仕様を示す。
（3）キャビテーション水槽

表7

船型試験水槽と曳引車の寸法/仕様

船舶や海洋構造物の推進機となるプロペラ

水槽寸法 長さ

長さ210m × 幅10m × 深さ5m

造波性能

最大波高50cm、最大波長12m

曳引車速度

0.2〜12m/s（乗車運転のみならず等のキャビテーション発生状況を水槽内に再現

制御室より遠隔操作可能）

実験的に計測するための水槽である。図 52 には造波装置の概観を示すが、水槽の端に設置されたこの造波装置により実海域を模擬した波を発生させ、平水中のみならず波浪中の性能計測
図53も可能としている。

運動性能水槽概観（2）運動性能水槽
船舶の運動性能を実験的に測るための水槽である。船舶は運搬機器として停止、転針するといった操縦性能、乗り心地や荷崩れを左右する

図54

波浪中で動揺する船体模型

表8

運動性能水槽の仕様/寸法

水槽寸法

長さ70m × 幅 30m × 水深3m

主曳引車と副曳引車の組合せによりあらゆる平面運動に対応
図52

造波装置

造波装置

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水槽２辺に装備

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6.

まとめ

当社が保有し、研究・開発過程で活用できる高温環境下での応力計測、分光分析技術、三次元測定等の計測技術、各種大型試験設備を紹介すると共に金属材料や接合技術に関する当社の技術動向についても紹介した。
当社の研究開発支援部門は、ＩＨＩの技術開発
研究組織の一部を母体として発足した組織であり、広汎な理論的バックグラウンドにサポートされる頭脳を持った部門である。
図55

キャビテーション水槽（観測胴部）

また、設備面でも各種の試験風洞、耐震実験

し、キャビテーション性能を検討するための水場、各種試験水槽等の充実した大型試験設備を保槽である。密閉されたリング状の回流型水槽で、有し、これらを活用して研究・開発活動を支援し水槽内の水圧と流速ならびに模型プロペラ駆動ている。

回転数を制御することにより、実機プロペラの今後とも検査・計測技術、各種解析技術の研鑽

作動状況を流体力学的に一致させることが可能

を怠ることなく、より高度な技術を迅速に適用し、な仕様となっている。図 55 にキャビテーショ

各分野の研究支援活動のニーズに対応していく所

ン観測胴部のみの概観を示す。この観測胴は試存である。

験場建屋の二階に位置するがこの水路は建屋地下まで伸び、水を循環できるよう閉じたリング

文責
研究開発事業部状になっている。また水槽内の減圧が可能なよ試験・解析技術部

部長

三船 正純

うに密閉構造となっている。
計測事業部

技師長

技術士（機械部門）三上 隆男

西日本事業部

相生事業所

試験分析グループ

掘永 和男

参考文献
1）村 田 , 中 村 , 田 中 IHI 技 報 Vol46No.3（2006-9
P101 〜 P108）2）満 岡 , 小 林 , 小 見 IHI 技 報 Vol44No.4（2004-7
P251 〜 P253）
3）三 上， 松 田，“ セ ン サ 溶 射 技 術 ”，IIC
図56

キャビテーション発生例

REVIEW/2004/10.

No.32，p40 〜 p444）軽部，長坂，“デジタルカメラによる三次元形

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状 計 測 技 術 ”，IIC REVIEW/2003/10.

近赤外線小型分光器によるコンクリート診断

No.30，

p24 〜 p28

装 置 開 発 ”，IIC REVIEW/2008/4.

5）山崎，杉本，遠山 “PIV（粒子画像流速測定法
による流れ計測”，IIC REVIEW/2004/4. No.31，〜 p42
10）村本、成相、大原、鎌田、化学工学会 第 38

p40 〜 p46

回秋季大会、P318、福岡、2006

6）三上，“ターボ機械の翼振動（その 1：翼振動のメカニズム）”，IIC REVIEW/2005/4.

No.33，

11）H. Kamata et al., J. Mol. Catal. 189, 139 (1999).
12）堀 永 和 男：「 ヒ ド ラ ジ ン 純 度 分 析 の 精 度

p12 〜 p18

アップのためのカラム劣化調査の検討」IIC

7）三上，“ターボ機械の翼振動（その 2：翼振動
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No.39，p36

No.34，p19 〜

REVIEW/2000/4.

No.23，p30 〜 p35

13）山 崎， 菅 原，“ 風 環 境 風 洞 試 験 ”，IIC
REVIEW ／ 2002/4．No.27，p48 〜 53p258）三上，“ターボ機械の翼振動（その 3：非接触

14）中村，“橋梁主塔の風洞試験〜空力的制振対

翼 振 動 計 測 シ ス テ ム ）”，IIC REVIEW/2006/4.

策 の 検 討 ”，IIC REVIEW ／ 2002/10．No.28，

No.35，p22 〜 p27

p39 〜 429）倉田，戸田，“ケモメトリックス手法を用いた

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