表4

再校

表1

再校

ISSN 0026-6825

三
井

DIC
114

造
船

平成 25 年 2 月 ■ 第 208 号

技報

MITSUI ZOSEN TECHNICAL REVIEW No. 208 2013

第 二
〇
八
号
平 成 二 十 五 年 二 月

三井造船の新たな船型開発技術

四校

主
船舶・艦艇事業本部

要

業

品

目

｜

FAX 03 3544 3031｜｜

TEL 03 3544 3318

営

｜

表2

液化天然ガス （LNG）運搬船，液化石油ガス（LPG）運搬船，原油輸送船，石油精製品運搬船，ばら積貨物船，オープンハッチ型貨物船，鉱石運搬船，石炭運搬船，コンテナ船，自動車運搬船，FSO，FPSO，超高速貨物船，超高速カーフェリー，各種特殊船
修繕船，各種改造船工事，Ｍ＆Ｒエンジニアリング
護衛艦（DD），潜水艦救難母艦（AS），潜水艦救難艦（ASR），音響測定艦（AOS），輸送艦（LST），補給艦（AOE），掃海母艦（MST），海洋
観測艦（AGS），巡視船，練習船，海洋気象観測船，漁業調査船，漁業取締船，海洋調査船，研究調査船，物理探査船，環境整備船，視察船，測量船，交通艇，消防艇，高速旅客船，深海探査ロボット（AUV，ROV），小型水中ロボット，水道管点検ロボット
自動艦位保持装置（DPS），システム操船装置，艦橋情報表示装置（ABS ／ IBS）
，舵減揺装置，船体運動状態表示装置（SMACS），航海情報表示装置，フィンスタビライザー，中折式デッキクレーン，赤外線低減装置，弾薬搭載機材，補機制御表示装置，機関操縦装置，水中放射雑音シ
ミュレータ，防火防水実習場，各種訓練水槽，操船シミュレータ
水中ロボット／水道管点検ロボットを用いた点検サービス
橋梁，ハイブリッド構造物（浮防波堤，浮消波堤，浮桟橋，浮体式係船岸，ケーソン），海洋構造物（シーバース，ケーソン，沈埋函，ジャケット），浮体式海洋設備｜

FAX 03 3544 3055｜｜

TEL 03 3544 3950｜

機械・システム事業本部
舶用ディーゼル機関

往復動圧縮機，バイナリー発電設備，蒸気タービン，炉頂圧回収タービン，軸流・遠心式圧縮機
鍛造前誘導加熱装置（ビレットヒータ，バーヒータ，ピンヒータ 他），鉄鋼・非鉄分野向誘導加熱装置（薄板加熱装置，銅管焼鈍装置，線材加熱装置），高周波電源装置（PWM インバータ，サイリスタインバータ，トランジスタインバータ，ゾーンコントロール用電源）
遠隔操作マニピュレータおよびその周辺機器，センシング機器（地中埋設物・建築物探査レーダ，太陽追尾採光システム，複合材剥離検査器），
レーダ探査サービス，水理実験設備，塔，槽，熱交換器，回転式乾燥機
IT を活用した各種設備・機器のリモートモニタリングサービス・診断サービス・情報サービス，各種設備・機器の包括／一括メンテナンスサー
ビス，各種技術サービス（運転及びメンテナンスにかかわる技術指導・工事指導・工事施工），LSS（ライフサイクルソリューションサービス ：陸・舶用ディーゼルエンジン，ガスタービン，各種ボイラ，プロセス用圧縮機，蒸気タービン発電設備，炉頂圧タービン発電設備，プロセス機
器，誘導加熱装置，各種クレーンの保守，改造用部品・機器の供給，性能改善・改造工事・延命工事などのエンジニアリング・サービスと施工）
SiC ウェハー，CVD-SiC コーティング，SiC 製半導体装置用部品
岸壁用コンテナクレーン，ヤード用コンテナクレーン，舶用ガントリークレーン，ローダー，アンローダー（連続式，グラブバケット式），
ジブクレーン，天井クレーン，コンテナターミナルマネジメントシステム

三井造船昭島研究所は，各種水槽試験や数値シミュレーショ
ン技術などにより船型開発に貢献している．技術論文・報告で紹介する水槽試験は，当社の曳航水槽で行われたものである．
これをベンチマーク問題として，三井造船と九州大学との組織対応型連携研究で開発したコンピュータシミュレーションコード
“RIAM-CMEN” の解析結果を評価した．大型商船の波浪中抵抗増加問題を大規模数値シミュレーションで解析することはこれまで困難であったが，今回の開発により水槽試験結果を再現するために必要な解析条件が明らかになると同時に，コン
ピュータシミュレーションによる数値解析が実用レベルまで到達していることが確認された．

三井造船技報 No. 208（2013-2）

｜

｜

｜

Cover
New Technology for Developing Ship Hull Forms
in Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.（MES）

装置），エンジニアリング支援システム，フィージビリティースタディ，プラントメンテナンス，SDM 工事

result. At the same time, it has been proved that thenumerical analysis by the computer simulation has reachedto the level of practical use by virtue of this research anddevelopment activity.

塩素化装置，ダイオキシン分解触媒，炭化炉，PCB 処理），ガス処理関連（脱塩，集塵）
水処理関連（産業排水，汚泥），ガス処理関連（排煙脱硫，排煙脱硝，脱臭），廃棄物再資源化システム（焼酎廃液，有機性廃棄物からのメタン
発酵，コンポスト及び乾燥装置），バイオガスプラント（生ごみ・汚泥バイオガスプラント，油温減圧乾燥式食品廃棄物再資源化システム，家畜糞尿再資源化システム）
ガスタービン発電設備，ガスエンジン発電設備，ディーゼルエンジン発電設備，太陽熱発電設備，各種コージェネレーションプラント
海外土木・建築工事全般，特殊構造物，風力発電設備工事，海外橋梁

事業開発本部

TEL 03 3544 3280

FAX 03 3544 3982｜

tank test which we introduce in this technical paper andreport has been carried out in MESʼ s towing tank. The
result of this test was offered as a benchmark test of thecomputer simulation code “RIAM-CMEN” which had beendeveloped by a collaboration research by MES and Kyushu
University. It has thus far been difficult to analyze theadded resistance in waves for the large merchant ships bya large scale numerical simulation. However, research anddevelopment of this time have revealed the condition of thesimulation for reproducing the experimental tank test

三井リサイクリング 21（キルン式ガス化溶融システム），廃棄物処理関連（流動床式焼却炉，粗大ごみ処理施設，リサイクルセンター，加熱脱｜Mitsui Akishima Laboratory has been contributing to thedevelopment of ship hull forms by various kinds of tanktests and numerical simulation techniques. The experimental

酵関連，ファインケミカル，代替エネルギー関連），プラント要素技術（加熱炉，分離炉，分解ガスクェンチャー，高粘度流体脱揮装置，PSA｜

三井造船の新たな船型開発技術

FAX 043 351 8111

プラントのエンジニアリング及び建設工事（石油化学，化学繊維，合成樹脂，石油精製，ガス製造・精製，無機化学，化学肥料，石炭化学，発

｜

表紙説明

TEL 043 351 8000｜

エンジニアリング事業本部

新規事業の発掘・立案・計画・事業化推進，全社の事業開発の統括・推進，社内向け事業開発関連情報の発信，新規事業のフィージビリティス
タディ，新規事業のプロジェクトの推進
天然ガスハイドレートの製造・貯蔵・輸送・ガス化技術の開発，ガスハイドレートの特性を生かした各種事業開発，バイオエタノール事業の開発，次世代リチウムイオン電池正極材事業の開発，太陽熱発電事業の開発，波力発電事業の開発，集光型発電事業の開発
船舶運航支援のポータルサービス
CS（顧客満足）向上活動の推進，全社にかかわる営業戦略の企画・立案・推進，各事業本部の営業支援及び社内横断プロジェクトの推進，新規事業の発掘と事業化推進，国内・海外営業拠点（支社，支店，営業所，海外駐在員事務所）の統括と受注活動の推進
海外プロジェクトの推進（ODA 案件），海外新規案件の発掘及び支援

三 井 造 船 技 報2013 年（平成 25 年）2 月・第 208 号

目次

技術論文・報告
平水面上船体形状を考慮した波浪中 CFD の開発…………………………………………
胡

長洪

三上

隆

山本

半導体製造装置用 ZCIH の商品化……………………………………………………………
岡崎

良弘

阿尾

高広

尾崎

一博

舩路

1

虎卓

8

俊介

低温排熱回収のための熱電発電技術の開発……………………………………………… 14
加藤

寿仁

鎌田

勤也

北川

裕之

保温材下の腐食検査技術の現状と適用事例−見えない腐食を検知する音響検査技術−………………………………………… 20
石原

修二

玉川準之介

中原

亮一

佐藤

中田

成幸

功一

製品・技術ニュース
国道 20 号新宿高架橋架替工事－交通車両共用下での旧橋撤去及び新設橋梁の架設－…………………………… 25
中低温熱エネルギー回収システム“VPC（Variable Phase Cycle）”を開発－ 10 kW 級及び 200 kW 級試験機で実証－… ……………………………………… 26
オフラインティーチングソフトウェア“RoboTrue Laser”－三次元レーザ切断加工の生産準備期間短縮に貢献－…………………………… 28
濃煙熱気実火災訓練装置－ MP8 型消防訓練装置として採用され，好評！－………………………………… 30
Home Page News
ディーゼルエンジンの累計生産，8 000 万馬力を達成−三井 -MAN B&W ディーゼルエンジン−… ……………………………………… 31

MITSUI ZOSEN TECHNICAL REVIEW
No. 208 FEBRUARY 2013
CONTENTS
Technical Paper and Report
Development of CFD Method for Study of Above Waterline Hull
Form Effect on Added Resistance… ………………………………………………………

1

Changhong HU, Takashi MIKAMI, Koutaku YAMAMOTO

Development of Zone Control Induction Heating for Semiconductor Industry………………

8

Yoshihiro OKAZAKI, Takahiro AO, Kazuhiro OZAKI, Syunsuke FUNAJI

Development of Thermoelectric Energy Conversion for Exhaust Heat Recovery… ……… 14
Toshihito KATO, Kinya KAMATA, Hiroyuki KITAGAWA

Corrosion Inspection Technology for Invisible Corrosion under Insulation… ……………… 20
Shuji ISHIHARA, Junnosuke TAMAGAWA, Ryoichi NAKAHARA,
Koichi SATO, Shigeyuki NAKATA

Products and Technology News… ………………………………………………

25,  26,  28,  30

Home Page News… ……………………………………………………………………………… 31

Published by
MITSUI ENGINEERING & SHIPBUILDING CO., LTD.
6-4, Tsukiji 5-chome, Chuo-ku, Tokyo 104-8439, JAPAN

技術論文・報告

三井造船技報 No. 208（2013-2）

平水面上船体形状を考慮した波浪中 CFD の開発
胡

長

洪＊

三

上

隆＊＊

山

本

虎

卓＊＊＊

Development of CFD Method for Study of Above Waterline Hull
Form Effect on Added Resistance
Changhong HU, Takashi MIKAMI, Koutaku YAMAMOTO
This… paper… reports… a… part… of… the… collaboration… research… results… between… Mitsui… Engineering… &… Shipbuilding… Co.…
Ltd.… and… Kyushu… University… on… CFD… development… for… prediction… of… added… resistance… in… waves… for… large… merchant…
ships.… The… added… resistance… in… waves… is… influenced… by… the… above… waterline… hull… form,… which… is… very… difficult… to… find…
in…the…calculation…by…using…a…linear…theory…based…method.…In…this…collaboration…research,…the…CFD…code,…RIAM-CMEN（Research…Institute…for…Applied…Mechanics,…Computation…Method…for…Extremely…Nonlinear…hydrodynamics）,…which…has…
been…developed…for…strongly…nonlinear…wave-ship…interactions,…is…extended…and…applied…to…the…prediction…of…the…added…
resistance.…Emphasis…of…the…research…is…placed…on…high-resolution…numerical…simulation…of…the…local…wave…reflection…and…
wave…breaking…phenomena…on…the…bow…flare.…An…experiment…with…a…VLCC…model…is…carried…out…for…verification…of…the…
extended… RIAM-CMEN… code.… In… this… paper,… at… first… the… fundamental… theory… about… RIAM-CMEN… is… described,… then…
numerical…results…are…presented…and…compared…to…the…experiment.…Finally,…as…an…example…of…practical…use,…a…numerical…
study…is…presented…about…the…influence…of…the…above-waterline…bow…shape…on…the…added…wave…resistance.
本研究は，九州大学と三井造船との組織対応型連携の一環として行われたもので，九州大学が開発してきた CFD コー
ド RIAM-CMEN に対して拡張・改造を行うことにより，大型商船の船首における反射波・砕波を考慮できる高精度な波
浪中抵抗増加推定法を確立し，初期段階の船型開発に用いることを目指している．本報では，まず RIAM-CMEN の主な特長について述べる．そして，VLCC の模型を用いた水槽実験と対応する数値計算を実施したので，計算と実験の比較に
より波浪中抵抗増加の推定精度を検証する．さらに，初期段階の船型開発を念頭に，平水面上形状を変更した場合に得られる波浪中抵抗増加の変化について述べる．

図 1 RIAM-CMEN の計算結果（左）と水槽実験（右）の比較
Comparison between RIAM-CMEN Computation and Experiment

…

＊…

…

＊＊…

九州大学 応用力学研究所…
株式会社三井造船昭島研究所＊＊＊…

船舶・艦艇事業本部

基本設計部

1

技術論文・報告

三井造船技報 No. 208（2013-2）1.

期段階の船型開発を念頭に，平水面上形状を変更した場合に得られる波浪中抵抗増加の変化について述べる．

緒言

大型肥大船の波浪中抵抗増加の大部分は船首部での反射波及び砕波による抵抗増加であり，これまでの研究は線形理論に基づく推定法の開発がほとんどである．しかし，このような抵抗増加は水面より上のフレア形状に影響される可能性が多分にある一方で，従来の波浪中推定法では平水面下の船型しか考慮できないため，フレアの影響を評価できなかった．
近年コンピュータの性能の飛躍的な発展により，数値流体力学（CFD）的手法を用いた大規模数値シミュレーションによって，砕波を含む複雑な自由表面現象に対する定量的な予測が可能になりつつある．
本研究では，九州大学応用力学研究所で開発されてきた直交格子ベースの CFD コードである RIAM-CMEN（ResearchInstitute for Applied Mechanics，Computation Method for
Extremely Nonlinear hydrodynamics）に対して拡張・改造を行うことにより，大型商船の船首における反射波・砕波を考慮できる高精度推定法を確立し，初期段階の船型開発に用いることを目的としている．
RIAM-CMEN の開発では，CIP（Constrained Interpolation
Profile）法 1），THINC（Tangent of Hyperbola for INterface
Capturing）法 2）など最新の計算手法が応用され，さらに直2.

RIAM-CMEN の主な特長は以下のとおりである．
①空間固定の直交格子を用いている．
②流体に対する差分解法に C-CUP（CIP Combined Unified
Procedure）法を用いている．
③自由表面の捕捉に THINC 法を用いている．
④動揺する浮体表面の境界条件を差分解法に組み入れるた
めに仮想粒子法を用いている．
計算の対象となる物質は液体（水），気体（空気）及び固体（船及び円柱）であり，その空間分布をそれぞれ図 2 に示すように密度関数 φ1， φ2 ， φ3 で表す．ただし， φ1 ＋φ2 ＋

φ3 ＝ 1 である．
2.1 流体に対する差分解法
RIAM-CMEN では，水と空気は非圧縮性流体として取扱っている．粘性・非圧縮性流体の非定常流れに対する支配方程
式は，流速を u（i＝ 1，2，3），圧力を p として次のようiに表される．

∂ui＝0 ………………………………………………（ 1 ）∂xi

交格子で運動する複雑形状の物体を計算する仮想粒子法が開発されたことで，荒天下船舶に加わる強非線形波浪荷重に関する高精度予測ができるようになり，多くの成果を挙げてきた 3）〜 5）．しかし，大型商船における波浪中抵抗増加を高精度に評価するには，グローバルな船体運動の計算もさることながら，船首部での複雑な自由表面形状の変化を正確に捉える必要があり，船首部分における高解像度化が必要となってくる．また，初期段階の船型開発に応用するためには，計算時間をできるだけ短くする必要があり，高速化が必要となってくる．そこで，本研究開発では RIAM-CMEN の更なる高解像度化と高効率化に重点を置くことにした．
本報では，まず RIAM-CMEN の主な特長について述べる．
そして，三井造船昭島研究所で行った水槽実験（VLCC 模型）に対応する数値計算を実施し，計算と実験の比較により波浪中抵抗増加の推定精度を検証する（図 1 参照）．さらに，初1 ∂p 1 ∂
∂ui
∂ui
＝−
＋
（μSij）＋Fi …（ 2 ）＋uj∂tρ ∂xi ρ ∂xi∂xj
ここで，ρは流体の密度，μは粘性係数，S ij ＝∂u i /∂x j ＋∂u j /∂x i はせん断応力，F i は重力を含めた体積力である．
乱流モデルは SGS モデルを使用している．自由界面張力については，取り扱う問題に影響が小さいと考えて無視している．
式（2）については，①移流項の計算（u n → u＊），②拡散項
及び体積力の計算（u＊→ u＊＊），③圧力の計算と速度修正（u→ un＋1），の 3 段階に分ける Fractional Step Method で計算する．ここで n は時間ステップ数で，時間刻みはΔt ＝t n＋1 −t n である．
＊＊

第 1 段階の移流項計算では，Yabe ら 1）が提案した CIP 法を適用している．第 2 段階の拡散項及び体積力計算では，中心差分を用いたオイラーの陽解法を適用している．第 3 段階の圧力項計算では，p と u i の連成を陰解法によって取扱い，
その結果，圧力は次に示すポアソン方程式を解くことによって求めている．

気体
自由表面

RIAM-CMEN 概要

剛体（浮体）（）∂
1 ∂pn＋1
1 ∂ui＊＊………………（ 3 ）＝Δt ∂xi∂xi ρ ∂xi
式（3）は，原理的には，液相，気相，固相のすべてに適用

液体

物体表面上の仮想粒子

図 2 浮体と水波相互作用に関する多相流体計算のコンセプト
Multi-phase Computation Model for Wave-Body Interactionsすることができ（C-CUP 法），異なる相の界面において圧力に関する境界条件を課す必要がない．
2.2 自由表面の捕捉法
自由表面（水・空気の界面）の捕捉は，水に関する密度関数φの移流方程式を THINC 法 2）によって計算して行う．ここで THINC 法の概要を 1 次元の移流方程式を使って説明す平水面上船体形状を考慮した波浪中 CFD の開発
る．なお，多次元の問題については，方向分離法（Directional
splitting）により数値計算することになる．
（x，t）とし，そのセル平均値を式（4）1 次元密度関数はφで定義する．

1
φ̅i＝φ（x，t）dx ……………………………（ 4 ）Δx x∫xi＋1/ 2i−1/ 2φに関する支配方程式を保存形で表すと，式（5）となる．
（uφ）
∂φ ∂
＋
＝0 ………………………………（ 5 ）∂x∂t，時間［t，t＋
式（4）を考慮して，式（5）を空間［xi−1/ 2，xi＋1/ 2］が得られる（図3 参照）．
Δt］にわたって積分すると式（6）
n＋1

φ
̅i

n

＝φ
‾i ＋

1
（g −g
）………………（ 6 ）Δxi i−1/ 2 i＋1/ 2

ただし，上付き n と n+1 は時間レベル t ＝ t と t ＝ t ＋Δtを意味する．セル境界の流量（flux）は式（7）で表される．
t＋Δt

gi±1/ 2 ＝ ∫（uφ）……………………………（ 7 ）i±1/ 2 dt
t

したがって，セル境界における流量を適切な方法で計算できれば，セル平均密度関数の時間前進が計算できる．THINC
法では，境界の風上側セルの密度関数分布を双曲正接関数で近似して境界を通過する流量を計算するという SemiLagrangian 法を採用している．gi＋1/ 2 の計算に関して，境界での速度方向により風上セルが左右どちらにある場合に対しても計算式が必要である．
ここで，u i＋1/ 2>_ 0 の場合について，THINC 法の概念を説明する．図 3 に示すように左のセル［x i−1/ 2，x i＋1/ 2］は風上セルとなる．セル内の密度関数の分布は以下の双曲正接関数
を用いる．

F（x）
＝
i

α
x xi−1/ 2−δ
1＋γtanh β −
2
Δxi

｛

［（

）］｝……（ 8 ）Δxi ＝xi＋1/ 2 −xi−1/ 2 である．式（8）には 4 つのパラメー
ただし，
タα，β，γ，δがあり，それぞれ以下の方法で決める．

ui＋1/ 2>
_0
φ

F（x）
i

1
φ
̅i
0

gi＋1/ 2xi−1/ 2る．隣接セルの中に密度関数の大きい方を使ってセル内のプ
ロファイルを決める．

｛φφ̅̅

α＝

xi＋1/ 2

xi＋3/2Δxi＝｜ui＋1/ 2Δi｜

図 3 THINC 法の概念図
Concept of THINC Schemex

もし φ̅i＋1 >_φ̅i−1 ならば

i−1

それ以外

｛−11 φ̅ >_φ̅

，γ＝

もし i＋1
それ以外

i−1 ならば…（ 9 ）

るが，数値安定性とのバランスから，一般に β＝3.5 を使うことが多い．
パラメータδは以下の式により求める．
n1 i＋1/2
F（x）
dx＝φ‾i ……………………………（10）iΔxi x∫i−1/2
x

gi＋1/ 2 が決められたら，Semi-Lagrangian 法で流量の計算を行う（図 3 の影の部分）．
本研究では，THINC の最新バージョンである THINC/
SW（Tangent of Hyperbola for Interface Capturing with
Slope Weighting ）6）を使用した．
2.3 物体表面の処理法
浮体に働く流体力を圧力積分によって求める必要性から，浮体表面の位置，すなわち液相あるいは気相と固相の界面の位置は特にシャープに求めなければならない．また差分法による流体の計算においては，浮体表面での流速に関する境界条件を精度良く満足させなければならない．
RIAM-CMEN の計算では，図 2 に示すように，浮体表面に仮想粒子を置き，各粒子位置での法線ベクトル，局所面積の情報を保持させる．また各粒子点での圧力は，時間ステッ
プごとに直交格子を用いて計算される各セルの圧力の値から内挿することによって求められる．
それらを用いると，浮体に働く流体力・モーメントが計算でき，浮体の運動方程式を時間積分すれば，浮体の直線運動の速度，回転運動の角速度が求められる．したがって，浮体表面上に置かれたすべての仮想粒子の新しい時間ステップにおける速度及び位置（すなわち，計算領域内における固相の密度関数φ3 の値）が求められる．
時刻 t＝t n＋1 における仮想粒子での速度成分を U Pin＋1 と表
すと，浮体境界面を含む計算セルの格子点における速度成分
は式（11）によって与えることができる．
n＋1

φ
̅i＋2

i＋1

β は密度関数が 0 から 1 までの変化の度合いを決めるパラメータである． βは大きいほど φの変化はより急激にな

Ui

Fi＋（x）
1
φ
̅i＋1

φ
̅i

αとγは数値拡散を抑えるために設けたパラメータであn＋1＊＊＝φ3Ûi ＋（1−φ3）ui ……………………（11）は，C-CUP 法における第 3 段階で計算される各
ここで u＊＊i
格子点での流速成分であり，Û in＋1 は仮想粒子点での速度
UPin＋1 から内挿によって求めた各格子点での速度成分である．
固相の密度関数φ3 は上記のようにして求まるので，気相（空気）での密度関数φ2 はφ2 ＝1−φ1 −φ3 から求められる．
そしてこれらを用いれば，計算領域内の任意のセルにおける物理量（q と表す）は各相の値 q m を用いて式（12）によって計算することができる．

技術論文・報告

三井造船技報 No. 208（2013-2）3q＝Σφm qm …………………………………………（12）m＝12.4 CFD 計算コード RIAM-CMEN
これまで述べた CIP・直交格子法の計算手順を図 4 に示す．
また，CIP・直交格子法を応用して開発された CFD コード
RIAM-CMEN の概要を図 5 に示している．
2.5 RIAM-CMEN の並列化
直交格子ベースの CFD の計算精度は，基本的に格子解像度，すなわち総格子数に比例している．CPU 時間及びメモリ制限より，PC クラスの計算機で単一 CPU を前提とした
場合，RIAM-CMEN が使える格子数は 1…600 万程度が限界である．より高い格子解像度による高精度計算を設計段階で利用するためには，プログラムを並列化し PC クラスタを利用することが現実的である．
RIAM-CMEN は直交格子を用いているため計算空間全体も直方体となるが，PC クラスタによる並列計算では図 6

移流フェーズのCIP

流れソルバー

3.

波浪中抵抗増加の推定精度検証開発した RIAM-CMEN の波浪中抵抗増加推定の有効性を水槽実験との比較を通して検証する．
3.1 水槽実験
波浪中抵抗増加に関する RIAM-CMEN の計算精度を検証する目的で，三井造船昭島研究所の小水槽において水槽実験を実施した．供試船型としては一般公開されている KVLCC
船型 7）を用いた．模型船の主要目を表 1 に，実験条件を表 2に示す．実験では，船首付近の挙動を高速ビデオカメラで撮影するとともに，surge 方向の流体力及び surge，… heave，…
pitch の運動を計測した．

u境界条件
拡散フェーズ

u境界条件
圧力ソルバ

p境界条件
u更新

u境界条件
自由表面捕獲のように計算空間を領域に分割する．このとき，各領域での CFD 計算は各計算ノードで担当し，各領域の境界情報を
MPI ライブラリを用いて交換している．並列化に際し，最も計算時間のかかる圧力計算に多くの工夫を行った．

THINCでのφ1の計算

図 6 並列計算概念
Concept of Parallelization

φ1境界条件

船体に作用する力と運動の計算

表 1 供試模型の主要目
Principal Dimensions of the Ship Model

新しい粒子位置の計算

船体

φ3の計算

φ1とφ2の更新

図 4 CIP・直交格子法計算手順
Flow Chart of CIP-based Cartesian Grid Method

前処理

項目

単位

値

長さ（垂線間長）：Lpp

m

3.500

幅：B

m

0.634

喫水：d

m

0.227

実験における乾舷：f

m

0.045

排水容積：∇

m3

0.408

重心高さ：zGm0.126

縦揺慣動半径：kyy / Lpp

−

0.242

直交座標系
物体表面上仮想粒子

表 2 実験条件
Experiment Conditions

流れソルバー

CFD計算

自由表面捕獲流体構造連性用
直交格子法

後処理

出力
POV-RAYによるグラフィクス

図 5 RIAM-CMEN の概要
Outline of RIAM-CMEN

4

項目
フルード数：Fn
仮想粒子法

波種類

値
0，0.144
規則波

波幅 / 船長：λ/Lpp

0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，
1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6

波高 / 船長：H/Lpp

9.06×10 −3（実海域 3…m 相当）
1.81×10 −2（実海域 6…m 相当）

波向き

向波

平水面上船体形状を考慮した波浪中 CFD の開発
3.2 数値計算
水 槽 実 験 に 対 応 す る RIAM-CMEN に よ る 数 値 計 算は，図 7 に示す数値水槽で行った．計算領域は，x 軸方向に−2.6…Lpp 〜 4.9…Lpp，y 軸方向に−2.1…Lpp 〜 2.1…Lpp，z

表 4 に出会い波 10 周期分に必要な計算時間を示す．図 8で水槽実験結果と良好な一致を示した 8×106 以上の格子数
では波浪中抵抗増加の値がほぼ収束している．表 4 から分かるように，8×106 から 16×106 に格子数を 2 倍にすると約軸方向に−1.3…Lpp 〜 1.3…Lpp とした．
（ただし座標系の原点
は，模型船の中央で静止水面に置かれ，x 軸の正方向は船の進行方向としている．
）
ここでは，大型商船にとって実海域で遭遇頻度が高く燃費を論じる上で重要な短波長域に的を絞り，表 2 の実験条件

3 倍の計算時間の差があり，実用的観点からは 8×106 の格子数を用いれば良いことが分かる．なお，24×106 格子の計
算は 1CPU での計算の限界を超えているため，32CPU で計算を行っているが，同様に 8×106 格子に対しても適用可能のうちλ/Lpp＝0.5，0.6，0.7 に対し計算を実施した．
短波長域では船体動揺が極めて小さくなるため，波浪中抵抗増加に対する船体動揺に起因する成分も極めて小さくなる．したがって，船体を動揺させる場合に適した比較的均等な計算格子を用いる必要がなくなり，総格子数を抑えたまま船首部解像度を上げることが可能となる．これは船首部における反射波・砕波を詳細に捉えることが可能な計算格子としたことを意味し，実用上の利点が向上された．
3.3 計算結果
6 種類の解像度で計算を実施した．計算格子の条件を表 3に示す．なお，表 3 の No.6 の計算格子に対しては，並列化した RIAM-CMEN 用い 32CPU で計算を実施した．
図 8 に波浪中抵抗増加の比較を示す．横軸は波長 / 船長
（λ/Lpp）であり，縦軸は波高で無次元化した波浪中抵抗増であり，その場合の計算時間は 7 時間となり船型改良に用いることのできるレベルにあることが分かる．
これまで船体運動を拘束した場合の比較を示してきたが，短波長域ではあるもののλ/Lpp＝0.7 の場合には動揺の影響が出始めているため，実験値では値が増加するのと比較して，運動を拘束した場合の計算結果は半実験式から求まる値と同
じく減少傾向となっている．
動揺の影響に関しても評価できるか調査するため，船体の動揺を許した場合（総格子数は 16×106）の比較計算を行った．
結果を図  に示す．
動揺を非拘束とした場合は船首部での格子数が相対的に少なくなっているため，推定精度そのものは拘束時と比較して低いと思われるが，λ/Lpp＝0.7 で値が増加する傾向を捉えることができている．λ/Lpp＝0.7 における船首部での水加を示す．なお，参考のために図中には破線で反射波成分に対する半実験式から求まる値を示してある．動揺の影響がではじめるλ/Lpp＝0.7 で僅かに異なるが，8×106 以上の格子数では実験値と良く一致しており，RIAM-MEN での波浪中

1百万格子
2百万格子
4百万格子
8百万格子
16百万格子24百万格子抵抗増加の推定が妥当であることが分かる．

2

RAW/ρgB H wLpp

実験（6m）
藤井・高橋の式

2

船速

入射波
減衰領域

λ/Lpp

図 8 波浪中抵抗増加の比較
Comparison of Added Wave Resistance

図 7 3 次元数値水槽
3-D Numerical Wave Tank

表 3 計算格子
Computation Mesh

表 4 計算時間（出会い波 10 周期分）
CPU Time for 10 Encounter Wave Periods

番号

メッシュ数

⊿ xmin/Lpp⊿ ymin/Lpp⊿ zmin/Lpp

番号

メッシュ数

CPU 数

1

1×10

6

0.010

0.010

0.005

1

1×10

6

所用時間（時間）

1

7

2

2×106

0.005

0.005

0.002

2

2×106

1

12

3

4×106

0.004

0.004

0.002

3

4×106

1

23

4

6

8×10

0.003

0.003

0.0015

4

8×106

1

58

5

6

16×10

0.002

0.002

0.0015

5

6

16×10

1

170

6

24×1060.00070.00070.0007

6

24×1063240

5三井造船技報 No. 208（2013-2）

技術論文・報告
表 5 計算条件
Calculation Condition

CFD拘束
CFD非拘束タイプ

A，B，C，D

船速

Fn＝0.15

運動

固定

2

2

RAW/ρgB H wLpp

実験（6m）
藤井・高橋の式

波条件
（規則波）

向き

向波

λ/Lpp

0.5，0.6，0.7

H/Lpp

0.0241

λ/Lpp

図  動揺拘束条件による波浪中抵抗増加の変化
Change of Added Wave Resitance due to Constraint Condition of Motion

A（原型）

図 11 計算結果
Calculation Results

4.

水面上形状を変更した場合への適用

ここでは船型開発への応用を念頭に，RIAM-CMEN が水線
面よりも上の形状の変更に対し，波浪中抵抗増加の変化を捉え得るかということを確認する目的で比較計算を実施した．
具体的には，水線面よりも下の形状は同一として，水線面よりも上に関しては，①原型，②船首フレアを原型よりも細くした場合，③船首フレアを無くした場合，④原型のフレ
アよりも高い位置にフレアを移動させた場合の 4 つの船型に（a）動揺拘束（b）動揺非拘束

図 10 波面の比較
Comparison of Free Surface

面形状を可視化し，動揺拘束・非拘束を比較して図 10 に示す．動揺を非拘束とした場合は，反射波に加え，動揺に伴う船首部からの造波の影響も見て取れる．以上から，RIAMCMEN は動揺影響を考慮した場合にも，妥当な結果が得られることが示された．
6

ついて計算を実施した．計算条件を表 5 に示す．総格子数を 15×106 とした．計算結果を図 11 に示す．波長によらず，
水線面よりも上の形状を細くした場合のフレア形状である B
船型が全ての船型の中で最も波浪中抵抗増加の値が小さくなることが分かる．
これまでに著者らが得ている経験に照らしても，船型による差を有意な差として表現できており，ここで行った試計算によって，水線面よりも上の形状を変更した場合の波浪中抵抗増加の変化を十分に捉えることができ，波浪中抵抗増加の低減を目的とした船型改良に利用可能であることが確認された．

5.

結言

九州大学と三井造船との組織対応型連携の一環として行われた波浪中抵抗増加推定法の確立と本推定法による計算結果について紹介した．

平水面上船体形状を考慮した波浪中 CFD の開発
CFD コード RIAM-CMEN に対して拡張・改造を行うこと
で，大型商船の船首における反射波・砕波を考慮できる高精度な波浪中抵抗増加推定法を開発した．
水槽実験結果と RIAM-CMEN により得られた推定値の比較を行い，波浪中抵抗増加の推定値が精度良く実験値と一致しており，推定結果が妥当であることを示した．さらに，計算の並列化に対する改造も行い，計算時間が船型開発に用いることができるレベルにあることを示した．また，船型開発に用いることを念頭に，水面上形状を変更したことに対する検討の適用例を示した．
今後は，開発された計算コードの更なる高度化・検証を続けるとともに，実際の船型開発に適用していく予定である．

4）Hu…C,…et…al.：Application…of…CIP…Method…for…Strongly…
Nonlinear… Marine… Hydrodynamics,… Ship… Technology…
Research,…53,…2（2006）,…p.…745）Hu,… C.,… et… al.：Numerical… Simulation… of… Strongly…
Nonlinear… Wave-Ship… Interaction… by… CIP/Cartesian…
Grid… Method,… Int.… Journal… of… Offshore… and… Polar…
Engineering,…20,…2（2010-6）,…p.…81
6）Xiao,… F.,… et… al.：A… simple… algebraic… VOF… algorithm.…
Journal…of…Computational…Physics,…230,（2011）,…p.…7089
7）例えば，独立行政法人海上技術安全研究所：Modified…
KRISO… TANKER（KVLCC2M）,… http://www.mmri.
go.jp/cfd/cfdws05/Detail/KVLCC/kvlcc_g&c.htm,（2013-2-12）

参

考

文

献

1）Yabe,… T.,… et… al.：The… Constrained… Interpolation…
Profile… Method… for… Multiphase… Analysis,… Journal… of…
Computational…Physics,…169,（2001）,…p.…556〔問い合わせ先〕
船舶・艦艇事業本部 基本設計部
TEL…042−545−3121 山本 虎卓

2）Xiao,… F.,… et… al.：A… Simple… Algebraic… Interface…
Capturing… Scheme… Using… Hyperbolic… Tangent…
Function,… International… Journal… for… Numerical…
Methods…in…Fluids,…48,（2005）,…p.…1023
3）Hu,… C.,… et… al.：A… CIP-based… Method… for… Numerical…
Simulation… of… Violent… Free-Surface… flows,… Journal… of…
Marine…Science…&…Technology,…9,…4（2004）,…p.…143

胡

長洪

三上

隆

山本

虎卓

7

三井造船技報 No. 208（2013-2）

技術論文・報告

半導体製造装置用 ZCIH の商品化
岡

崎

良

弘＊

阿

尾

高

広＊

尾

崎

一

博＊

舩

路

俊

介＊

Development of Zone Control Induction Heating for Semiconductor Industry
Yoshihiro OKAZAKI, Takahiro AO, Kazuhiro OZAKI, Syunsuke FUNAJI
   In this paper, we introduce Zone Control Induction Heating system（ZCIH）that has been developed in our company.
The ZCIH system is consisted of multi heating coils and the same number of inverter units. The core technical pointof ZCIH is to have the ability to control closed located multi heating coils independently. The conventional IH systemcannot do it. The newly established ZCIH system enables to control the temperature of multi zones independently by
this ability. For instance, when you heat the board that it easily distorted by a little temperature non-uniformity, thisability is useful. In this paper we focus to introduce the application of ZCIH to semiconductor-fabrication equipment.
We explain the precaution point, design procedure , and the actual experimental data.
本報では，三井造船で開発したゾーン制御方式誘導加熱（Zone Control Induction Heating：ZCIH）システムについて紹介する．ZCIH システムは，複数の加熱コイルと，それと同じ数のインバータで構成される．ZCIH の技術的な核心は，複数の加熱コイルを独立して制御する技術を確立することである．従来タイプの誘導加熱装置では近接して設置された複数の加熱コイルを別々に制御することができなかった．ZCIH で確立した技術により，複数の加熱コイルを複数のゾーンに配置し，複数ゾーンの加熱状態，すなわち温度を独立して制御することが可能となった．例えば，場所により温度が異なると熱応力による歪が発生するため，特に薄板を加熱する場合にこの技術を活用することができる．本報では半導体製造装置への適用を中心として，基礎技術，実際の装置に適用を図るための注意点や設計手順，磁界−熱解析，当社内テス
ト装置により取得した実験結果などについて示す．

図 1 ゾーン制御なし（1 ゾーン制御）と 6 ゾーン制御の温度分布比較
Comparison between One Zone Control and Six Zone Control＊

機械・システム事業本部

事業開発部

写真 1 図 1 の加熱対象グラファイト
Graphite to be Heated in the Fig1

半導体製造装置用 ZCIH の商品化

1.

はじめに

誘導加熱（Induction Heating：IH）による加熱方式は，クリーンで安全，高効率という特長がある．近年では産業用のみではなく，一般家庭においても IH クッキングヒータやIH 炊飯器などが幅広く普及している．三井造船では，鍛造用を中心として半世紀以上に渡り，社内で設計・製造した誘導加熱装置を提供し続けて来た．累計生産台数は 1 200 台を超えている．これに加えて，ゾーン制御可能という特色を持った誘導加熱装置の独自開発に成功している．本報では，最近注力している半導体製造装置向け ZCIH（Zone Control
Induction Heating）の開発状況を報告する．

2.

ZCIH の基礎

2.1 誘導加熱の弱点と対策
誘導加熱は IH クッキングヒータ等で実用化されており，
その原理は広く知られている 1）．しかし，これら従来型の誘導加熱装置は，複数の装置を近接して設置することができないという弱点を持っている．これは，複数の誘導加熱装置，すなわち複数の加熱コイルを近傍に設置した場合，各コイル間に発生する相互誘導の影響によりそれぞれが干渉するため，独立して制御することができないことが原因であった．図 2 は全く同一の縦型ソレノイドコイルを縦に 3 段重
ねとし，真ん中の coil2 だけを，20 kHZ，100 A で駆動した
時の電流密度のシミュレーション結果である．電流密度の最大値が矢印のベクトルと，その色で示されており，右側の棒
グラフに電流密度の値を示している．この例では，駆動した

coil2 は 1×107 A/m2 程度の電流密度となっているが，上下の coil1 と coil3 には，全く駆動していないにも関わらず，2×
104 A/m2 程度の電流密度が発生している．これが相互誘導により流れる電流を示しており，コイルを近接して設置した
ときに隣のコイルに流れる電流の影響を受けて，自己のコイ
ルに電流が流れることを示している．
このため，従来方式の誘導加熱は，加熱対象が広範囲に渡る場合，その全領域の温度を精密に制御することが非常に困難となる．
当社ではこの弱点を解決する手法として，ゾーン制御方式
誘導加熱の独自開発に成功した．この方式により，複数の加熱コイルが隣接して設置される環境下でも，それぞれのコイ
ルを独立制御することが可能となる．なお，これら技術面の詳細については 4. で説明する．
2.2 ZCIH の特色
図 1 に，同一の試験装置で，同一の加熱対象物を，ゾー
ン制御なし（1 ゾーン制御）と 6 ゾーン制御の 2 種類の制御方式により，目標温度 1 000℃として加熱した場合の実計測
温度を比較して示す．加熱対象物は写真 1 に示すように，内径 80 mm，外径 800 mm の真ん中に穴の空いた円板状のグラファイトであり，図に示した温度は径方向の表面温度である．従来方式（ゾーン制御なし）の場合は中心穴の周囲が最も高く，外周に向かって温度が下がっているが，ゾーン制御を行った場合は，内周から外周まで均一な温度に制御されていることがよく分かる．

3.

ZCIH の半導体製造装置への適用

3.1 ZCIH の構成
ZCIH を含めた誘導加熱装置は，電源と加熱コイルで構成され，電源は入力部と出力部（インバータ）で構成される．
電流密度（A/m 2）
2×107

1.5×107

誘導加熱装置を利用した加熱炉の加熱特性は，加熱コイルの構造や形状により決定される．加熱コイルの最も典型的な形
状は，ソレノイド（縦型螺旋）タイプと写真 2 に示すフラット（渦巻型）タイプの二つのタイプである．なお，他にも加熱対象に最適化させた様々な形状が可能であり，当社では

1×107

5×106

2×104

図 2 相互誘導による干渉
Interference by Mutual Induction

写真 2 渦巻型加熱コイル
Flat Spiral Type Heating Coil

技術論文・報告

三井造船技報 No. 208（2013-2）

温度分布（℃）
1.230×103
1.150×103
1.070×103
9.900×102
9.100×102
8.300×102
最大：1.2208×103
最小：9.3934×102

写真 3 横側面加熱コイル
Side Heating Coil

図 3 磁界−熱解析の例
Example of Electromagnetic Field Analysis

表 1 加熱方式別の特徴
Feature of Each Heating Method
No.

比較対象

抵抗加熱

ランプ加熱

誘導加熱

ZCIH

1

温度範囲

△

△

○

○

2

ゾーン制御

△

△

×

○

3

急速昇降温

×

○

○

○

4

初期コスト

○

△

△

×

5

ランニングコスト

×

×

○

○

6

寿命

×

×

○

○

写真 3 に示す横側面加熱タイプ等も手がけている．
ZCIH と従来型 IH との大きな違いは，ZCIH では分割されたゾーンごとに別々の加熱コイルを持つことであり，これに応じてインバータもゾーンごとに別々のモジュールが用意される．
3.2 ZCIH の特色
表 1 に，半導体加熱装置でよく用いられる抵抗加熱，ランプ加熱，従来型の誘導加熱と ZCIH の特色を比較して示す．
3.3 磁界−熱解析
ZCIH 加熱炉設計では磁気結合の影響が複雑で，従来の誘導加熱装置設計で用いてきた誘導加熱計算手法だけでは高い
完成度を期待できない．このため最近では，パーソナルコン
ピュータ（PC）を利用して，対象物と磁界の相互作用を解析し，その結果を使って誘導加熱による発熱を解析する磁界−
熱解析を行い，最適なコイル寸法，コイル分割，運転周波数，電流密度などの決定を行っている．これにより，従来の加熱計算では算出が難しかったコイル内の磁束，発熱及び温図 4 ZCIH の制御構成
Control Block Diagram of ZCIH

4.

ZCIH 技術の詳細と評価

4.1 ZCIH 技術の詳細
4.1.1 ゾーン制御の原理
ZCIH の最終的な目標は，加熱対象物の温度を制御することであるが，直接温度を制御するのではなく，出力電流を制御することにより間接的に温度を制御している．したがって，制御のベースとなっている電流に外乱を受けると，正確な制御が困難になる．ZCIH では，全ゾーンの出力電流を高速監視し，その測定データを様々な演算処理で解析することにより相互誘導の影響を排除している．これまでの評価により，相互誘導環境下でも安定に作動すること，各加熱コイルが指令値に高速に応答し高精度温度制御が可能であることが確認できている．
図 4 は ZCIH の制御構成の一例である．ZCIH は常時全ゾーンの出力を監視し，計測データの大きさや推移などを総合的に解析してインバータの動作を微調整することにより，装置全体として相互誘導の影響下におけるゾーンごとの安定した出力制御を実現している．これら膨大な量の計測データを解度分布を精度よく予想できるようになった．また，一度構築した解析モデルは，パラメータの変更により加熱条件の違い
による比較が容易にでき，従来は予備加熱試験などで実際に析するためには，高速処理能力が必要となる．最新の FPGA
確認していた内容を大幅に簡略化することができる．図 3 に， （Field…Programmable…Gate…Array）は，動作内容をユーザが設定できる電子回路 LSI である．PC などで使われているプ
目標温度 1…000℃としたサセプタ（ウエハなど本来の加熱対ロセッサに比べて，更に高速処理が可能である．これを使用
象物を間接的に加熱するための中間加熱物で，半導体分野ではグラファイト等を使用）の加熱を解析した例を示す．
10

した専用の制御モジュールを開発することにより，高度な処

半導体製造装置用 ZCIH の商品化
理能力を持つ装置を実用化することができた．
なお，ゾーン制御の原理に関する更に詳しい内容は，当社
技報 1）〜 3）に掲載されている．
図 5 は ZCIH の実動作中に，オシロスコープで実測した出
力電流と出力電圧の波形の一例である．CH1，CH2，CH3，
はゾーン 1，2，3 の出力電圧，CH4 はゾーン 2 の出力電流を測定している．
この波形により，
ゾーン 1 〜 3 の出力電圧で，CH1 だけが僅かに大きく，CH2 と 3 はほぼ同等という動作
指令通りに出力されていること，出力電流と出力電圧が完全に同期しており，かつ安定的な状態にあることを読み取ることができる．これは，ゾーン制御が有効に働いており，系全体が安定して動作していることを意味する．
4.1.2 開発履歴
ZCIH は，2003 年に開発を開始して約 10 年間が経過した．
その間に手がけた様々なタイプの装置の仕様範囲を下記に示す．
・出力：30 kW 〜 300 kW
・ゾーン数：2 ゾーン〜 12 ゾーン
・周波数：20 kHz 〜 200 kHz
・コイル形状：縦型ソレノイド，楕円形ソレノイド，渦巻形
フラット など
・加熱温度：300℃〜 1 800℃
・用途：LCD ガラス基板アニール，ウエハアニール，ウエ
ハ RTP，MOCVD など
・目的：実験・評価装置，量産装置
4.2 実験と評価
加熱対象物は ZCIH の制御下に置かれているが，その到達温度は，ZCIH 以外の周辺構造物の温度状態や周囲の気体の流れなど，様々な影響を受ける．これにより，加熱対象の温度により ZCIH の性能を保証することができないため，
ZCIH では，各ゾーンの出力電力密度により性能を保証している．ただし，ZCIH システムの加熱実験を行い，サセプタ
や加熱コイル周辺の温度を実測することは，技術開発を進め

写真 4 に示す下記仕様のテスト装置で実験した場合の計測結果である．
・300 KW，20 KHz の 6 ゾーン ZCIH 電源
・φ 722 × t10 mm の 6 ゾーン・フラットタイプ加熱コイル
ゾーン番号は最内周がゾーン 1，外側に向かって 1 ずつ増え，最外周がゾーン 6
・φ 728 × t12 mm の円板形フラットグラファイトサセプタ
・320 × 240 mm のサーモグラフィ
図 6 は，ZCIH の特色を顕著に示すことができるように，
ゾーン 1，2 と 5，6 を 600℃に，真ん中のゾーン 3，4 だけ
は 50℃高い 650℃にゾーン制御した場合，すなわち内周と外周を凹，真ん中を凸の形に制御した場合の計測結果である．
左上に表示されている図は測定対象領域全体の温度分布，右側と下側に表示されている図は中心点を通る Y 軸と X 軸上の断面温度である．真ん中のゾーンが，内側及び外側のゾーンに比べて高温に制御されていることが良く分かる．
図 7 に，常温→ 600℃への昇温→ 600℃温度保持→ 1 000℃への昇温→ 1 000℃温度保持→ 600℃への降温→ 600℃温度保持というパターンで制御した時の各ゾーンのサセプタの表面
温度と，ZCIH 電源からの出力電力の変化を示す．X 軸は経過時間で単位は秒，Y 軸左側は表面温度で単位は℃，Y 軸右側は出力電力で単位は % である．出力電力の % は，各ゾーンの最大出力を 100% と規定した場合の，それに対する割合を意味している．温度は，ほぼ 1 本の直線に見えているが，実際には 6 ゾーン分，すなわち 6 本の測定値が示されている．6 ゾーン分の計測値が，ほとんど均一の温度に制御されているため，グラフ上では重なり合っており，良好な制御結果が確認できた．また，他の方式では困難となる昇温中，降温中とも全ゾーンの温度均一性が保たれていることが確認できた．

る上では必要不可欠なことである．以下に，実際に加熱実験を行なって取得した計測結果を示す．これらの計測結果は，

図 5 インバーターの実測波形例
Example of Inverter Output Waveform

写真 4 テスト装置
Test Equipment

11

三井造船技報 No. 208（2013-2）

技術論文・報告

図7

サセプタの表面温度と電源出力電力の変化
Temperature and Output Power Chart

図 6 凹凸に制御したときの温度分布
Temperature Distribution that Raises Center Zone

これに対して，出力電力は，常に変動を続けている波形として示されており，6 ゾーン分が全く別々に，独立して変動している．これにより，ゾーン制御機能が有効に機能しており，常時温度を均一化するよう動作していることが確認できる．

5.

実装置への適用手順

ZCIH の特性を最大限に活かすための注意事項，推奨使用案などについて示す．
5.1 加熱計画時に留意すべき点
5.1.1 直接加熱と間接加熱
誘導加熱炉には，加熱対象物を直接発熱させる「直接加熱方式」と，サセプタと呼ばれる中間的な受け皿を介して間接的に加熱対象物を加熱する「間接加熱方式」の 2 種類の方式がある．どちらの方式を選ぶかは，被加熱物の形状・材質や必要な加熱温度・温度精度などを総合的に判断して決定する．
5.1.2 処理方式
加熱炉内の処理方法は，「バッチ型炉」と「枚葉型炉」の 2
種類に分けることができる．バッチ型炉は 1 度に複数の加熱
対象を加熱処理するタイプで，複数枚の加熱に適したソレノイドタイプの加熱コイルを使用したものが多い．一方，加熱対象を 1 枚ごと加熱処理する枚葉型炉では，平板状の加熱対
象に対し平板状の加熱コイルを対面して配置させた平板コイ
ルタイプの炉が多い．
5.1.3 磁気結合に対する配慮
ZCIH では相互誘導環境下での運転を可能とするため，各
ゾーンコイルの自己インダクタンスとコイルユニット間の相互インダクタンスを正確に把握しておくことが不可欠である．基本的に加熱コイルは狭い金属チャンバー内に配置されるため，コイル単体での自己・相互インダクタンスだけではなく，サセプタや周囲の構造物までを考慮に入れた磁気影響と，実際の使用温度領域の下限から上限までの物性値を考慮に入れた自己・相互インダクタンスを把握しておくことが重
12

要である．
5.1.4 放電防止対策
大気中では通常，放電は発生しない．ただし，誘導加熱装置の使用環境では，容易に放電が発生する可能性がある．放電するか否かは，下記の三つの条件のバランスで決まる．
①電位差が高いほど放電しやすい．
②気体圧力が低いほど放電しやすい（極低圧は除く）．
③電極間距離が短いほど放電しやすい．
これに対して，誘導加熱装置では下記の要件により，放電発生の可能性が高まる．
①目標加熱温度を高くすればするほど，加熱コイルの駆動電圧も高くなる．すなわち，1 000℃以上の高い加熱温度を目指す場合，加熱コイルにも高い電位差が必要となるため，放電の可能性が高くなる．
②半導体製造装置では，真空雰囲気でのプロセスが多い，すなわち，大気圧より低い圧力で加熱処理をする場合が多くな
り，放電の可能性が高くなる．
③半導体製造装置では，コンタミネーション（汚染物＝半導体の劣化を招くゴミ等）の発生を防止するため，加熱コイルに対する十分な絶縁処理ができない場合がある．これにより実質的な電極間距離を稼ぐことができなくなり，放電の可能性が高くなる．
放電が発生すると，加熱コイルが損傷し，使用できなくな
る．放電発生の限界条件を超えることがないよう，十分に注意して設計を行う必要がある．また，誘導加熱では，加熱コ
イルを加熱対象物のできるだけ近くに配置した方が効率が良くなるが，放電のことも考慮して，最終的な配置を決定する必要がある．
5.1.5 加熱能力の計画
半導体熱処理・製造炉においては，チャンバー構造や反応プロセスにノウハウを含む部分が多いため，詳細な情報
はメーカの社外秘として開示されない場合が多い．一方，
ZCIH を利用した加熱炉を計画する場合，昇温速度，到達温
度，温度分布，必要電力などの性能を高い精度で計画するた

半導体製造装置用 ZCIH の商品化問題にならないという確認を取る必要がある．詳細について
は，事前のすり合わせによる調整が必要である．
5.2 システム計画手順
実際の装置に ZCIH を加熱パーツとして組み込む場合に，システムの仕様検討を行うための手順例を図 8 に示す．一
般的には，まず最初に図 8 の①サセプタ仕様（形状，寸法など）を決定し，次に③加熱仕様（発熱密度分布等）を決める．加熱仕様の基礎数値が決まると，それを元に加熱コイル寸法及びゾーン分割数を決定する．次に，加熱コイル周辺構造を考慮してゾーンごとの必要電力を算出する．5.1.3 で述べたが，
ZCIH では磁気結合に配慮する設計が重要になるので，コイル周辺の構造物の情報は必須である．次に整合回路や通電経路でのロス，電圧降下などを考慮し，必要となる電源出力容量を算出する．また半導体製造装置向け用途では，設置スペー
ス最小化に対する要求が強く，製造装置内部に組込む加熱装置についても，組込みスペースの事前検討が重要となる．

6.
図 8 システム仕様検討の流れ
Flow of System Specification Examination

めには，被加熱物周辺の構造を，できる限り詳しく検討する必要がある．でき上がった装置の到達性能に対するお互いの認識の食い違いをなくすためにも，柔軟な情報交換の促進が重要である．
5.1.6 ローカルヒートに対する配慮
誘導加熱による加熱では，加熱コイル周辺に置かれた金属物は全て加熱される．この場合，加熱対象として想定されておわりに本報で示した半導体製造装置向け以外にも数多くの引き合
いが寄せられており，自動車業界や鉄鋼業界で使用される各種製造装置に向けた応用開発も進めている．
今後も ZCIH 関連の製品群の更なる拡大を目指し，コストダウンや信頼性の向上を中心として，商品価値を向上させるための開発を進めていく予定である．

参

考

文

献

1）内田．外：ゾーンコントロール誘導加熱装置の開発，
三井造船技報，181（2004），p.…152）坪川．外：ゾーンコントロール誘導加熱を用いた第 4世代対応 FPD 用高速熱処理装置の開発，三井造船技報，
189（2006），p.…173）内田．外：半導体加熱モジュールの開発，三井造船技報，
194（2008），p.…25

いない金属物が加熱されることを「ローカルヒート」と言う．
また，ローカルヒートを引き起こす誘因となる非加熱対象物
へ向かう磁気を「漏れ磁束」と言う．通常，ローカルヒート
による非加熱対象物の加熱は，システム全体に対して有害に作用する．これは，抵抗発熱体などを使用した炉では起きな〔問い合わせ先〕かった現象であり，注意が必要である．
機械・システム事業本部 産業機械第二営業部
加熱コイル近傍への金属製の導電性構造物の配置は，極力
TEL…03−3544−3221 河原 史朋
避けることが望ましい．一般的に，コイル巻き径と同等程度の距離まではローカルヒートの影響を受けると考えられる．
また，加熱コイルの周囲に配置する金属製のチャンバーや隔壁についても，ローカルヒートに対する配慮が必要である．
距離を離せば漏れ磁束による影響は小さくできるが，配置上対応が困難な場合は，水冷や磁気シールドなどの対策が必要となる．
他方式を使った炉を転用する場合，金網や金属ボルトなど
は材質を変更するのが望ましい．構造上の理由などで変更ができない部品は，ローカルヒートにより加熱されても使用上

岡崎

良弘

阿尾

高広

尾崎

一博

舩路

俊介

13

三井造船技報 No. 208（2013-2）

技術論文・報告

低温排熱回収のための熱電発電技術の開発
加

藤

寿

仁＊

鎌

田

勤

也＊＊

北

川

裕

之＊＊＊

Development of Thermoelectric Energy Conversion for Exhaust Heat Recovery
Toshihito KATO, Kinya KAMATA, Hiroyuki KITAGAWA
From a view point of carbon dioxide reduction, the power generation from the waste thermal energy of 100-200
degrees C is an appropriate technology in the internal combustion engine's bottoming cycle or energy recovery of theplant waste heat, and is also attractive to the renewable energy like solar thermal or geothermal applications. The
waste-heat-driven power generating systems such as low-temperature Rankine cycle or Stirling engine are also inthe course of development, however, thermoelectric energy conversion（TEC）is a method for generating electricity
directly from heat energy. TEC is a kind of solid-state energy conversion, in which electrons and halls work like aworking fluid of Rankine cycle, and it does not require any mechanical rotary motion fluid circuit within the energy
conversion unit. TEC makes neither noise, vibration nor requires consumable parts. TEC, therefore, can propose areliable power generating system with an easy maintenance.
This report gives a brief overview of TEC material development conducted by Shimane University and Mitsui
Engineering & Shipbuilding Co., Ltd. in 2010 and 2011, and the TEC module evaluation in 2010.
CO2 排出削減の社会的要請が高まるなか，低温排熱発電は内燃機関のボトミングサイクルとして，あるいは工場排熱を有効利用したエネルギー回収技術として注目されている．また，太陽熱や地中熱を熱源とした再生可能エネルギー分野でも期待されている．低温排熱発電技術として，ランキンサイクルやスターリングエンジンなどが研究開発されているが，熱電変換は材料中の電子やホールがランキンサイクルの作動媒体のように動く，固体型エネルギー変換技術であるため，エネルギー変換部分には機械的な可動要素がない．したがって，騒音や振動や部品の消耗がなく，信頼性の高い発電シス
テムを構築することができる．
本報では，島根大学と共同でスライドボード法により製作した熱電材料が高い性能指数を示す特長と，これまでに製作した一部の熱電材料を用いて試作した，熱電発電モジュールの性能評価結果について報告する．

①スライドボード法
BiTe系熱電材料
10×10×2 mm

2 mm②ダイシング
10×3×2 mm③マスキング，
Niめっき
2 mm
2 mm

10 mm

⑤基板，
単素子用意

④ダイシング
3×3×2 mm

3 mm

3 mm

両端は切
り落とす
電極を接合した
アルミナ基板⑦上部電極ハンダ付け
p型（（Bi，Sb）2Te3）

銅電極Se）3＋ドーパント）
n型（Bi（Te，
2⑥基板ハンダ付け

8対モジュール（ハーフスケルトン）

図 1 熱電発電モジュール
Thermoelectric Energy Converter Module

＊
＊＊

14

技術開発本部
技術開発本部

千葉技術開発センター
玉野技術開発センター

＊＊＊

島根大学

大学院

総合理工学研究科

低温排熱回収のための熱電発電技術の開発

1.

κ：熱伝導率（W/m･K）

はじめに

熱電発電とは，温度差のある材料の両端に起電力が生じる現象を利用して，これを回路の一部に用いることで電気を取り出す技術である．材料両端に定常的に温度差を付加するた
めには両端を加熱及び冷却し続ける必要があるが，材料内部に温度勾配さえあれば，可動部が一切なくても発電すること

PF：出力因子=α2σ（W/m･K2）

α，σ及びκは電荷のキャリアである電子又は正孔の濃度の関数である．キャリア濃度 p を増加させると，σは大きくなるが， α が小さくなりκが大きくなるため，材料物
25
26
3
性と使用温度域にも依るが，一般に p が 10 から 10 個 /mができる．すなわち，熱から電気へと直接変換するデバイス
である．
熱電発電の発電効率は概して高くはない．しかし，発電器
本体に関しては流体や回転部が存在しない直接エネルギー変換方式であるため，信頼性が大変高く，メンテナンスコストを低減することが可能である．また，ほぼ温度差に比例したの範囲で Z が最大値を取る．
2.2 スライドボート法による熱電素子の製作
図 2 に示すように，BiTe は菱面体晶系に属する層状化合物であり，六方晶で表示したときに c 軸方向に Bi と Te が起電力を得ることができるため，他の発電方式では発電できない小さな温度差に対しても適用することができる．一方，熱電発電の出力は，適用対象の温度差が決まっている場合には熱伝導面積に支配されるため，出力を増大するためには発電モジュールの面積あるいは枚数を増やす必要があり，大規模な発電を行う場合のスケールメリットを得にくい．総括すると，小規模で温度の低い熱源，例えば排熱回収用途に適す

ンデルワース結合を横切る c 軸方向の導電率が小さいため，c 軸に垂直な面内の Z（Za）は c 軸方向の Z（Zc）に比べて大きくなる 9）．しかし，Te-Te 間のファンデルワース結合の結合力が弱いため，この部分で劈開による割れが生じやすい．
BiTe の一方向性凝固材あるいは単結晶材である溶製材は，る発電技術である．
熱電変換の原理であるゼーベック効果は 1821 年に，ペルチエ効果は 1834 年に発見され，また 1851 年にはこれらの効
果が表裏一体であることが理論的にも実験的にも確認された．1921 年，ヨッフェの提唱した化合物半導体の理論によって，熱電発電や熱電冷却の幕が開けた 1）．
近年では高温で使用可能な酸化物 2），低い熱伝導率を得る
ことができるクラスレート 3），高温使用が前提で安価なシリ
サイド 4），硫化物 5），高分子 6）など，様々な熱電材料が開発されている．しかし，実用化された熱電材料は重金属を含んだ半導体材料が主流であり，中でも常温から 200℃の温度域で高い性能を示す材料は BiTe 系に限定される．この熱電材料は，熱起電力が高く，一方で熱伝導率が低いという，優れた電気物性・熱物性を有する．Bi を Sb に，または Te を Se

積層している．層間の結合はファンデルワース結合（Te-Te），8）共有結合（Te-Bi），共有 + イオン結合（Te-Bi）であり ，ファブリッジマン法等によって製作することは可能であるが，溶製材は熱電物性こそ高いものの強度的には扱いにくい材料である．また，結晶成長中の過冷却によって偏析を生じやすく，
キャリア濃度が変化して性能低下を生じやすい 10）．そこで，組成制御して製作した溶製材を細かく砕いた粉末を高温高圧成形することで，熱伝導率の低減に加え，組成の均一化と材料強度を高めた焼結材の開発が進められており，大きな ZT
値も報告されている 11）．
一方，BiTe 系熱電材料の強度と熱電物性を両立させるた12）〜 14）めに高圧成形時に塑性変形させる方法，巨大遠心力下15），16）などにより，結晶方位をそろえた多結で凝固させる方法
晶体を構成する開発が行なわれている．このように，簡便な手法で高性能方向に配向した材料の作製技術と開発は重要である．スライドボート法 17），18）は島根大学が開発したこの中の一つの技術であり，当社は共同で熱電素子の開発を行った．

に置き換えた材料も同じ結晶構造を持つため，これらの混晶を作ることで熱伝導率を更に下げることが可能である 7）．
本報では BiTe 系の熱電材料に関して，島根大学と三井造船とで実施した新たな材料開発への取り組みを報告する．

熱電材料開発ファンデルワース結合

2.1

性能指数

共有結合

熱電材料の性能を示す指標として性能指数 Z，あるいは Zにその時の温度を乗じた無次元性能指数 ZT が一般に用いられる．式（1）に示すように，Z はゼーベック係数α，導電率
σ及び熱伝導率κの関数である．

C軸

2.

共有 + イオン結合

Z＝α2σ/κ＝PF/κ………………………………（ 1 ）Z：性能指数（K−1）α：ゼーベック係数（V/K）
σ：導電率（S/m）   1/σ=抵抗率または比抵抗ρ（Ωm）

a軸

図 2 Bi2Te3 結晶構造
Crystal Structure of Bi2Te3

15三井造船技報 No. 208（2013-2）

技術論文・報告

スライドボート法の概要を図 3 に示す．ブリッジマン法等で製作した溶製材を粗粉砕した原料インゴットを試料室に充填し，サファイア等の基板上で，700℃，10 分間の溶融後に黒鉛製スライダーをスライドさせて，密閉された成長室内で冷却することにより，図 3 の縦方向（スライド方向と直角方向）に c 軸がそろった（図 2 と同じ方向の）多結晶材料を創製することができる．試作材料を図 4 に示す．融解した原料融液に荷重をかけながら成長室に送り込む手法により，任意形状の材料を製作することが可能となった 19）．
2.3 p 型熱電材料の開発と熱電特性
p 型の基本材料として，Bi2Te3 と Sb2Te3 を 1：3 の比率で混晶化した Bi0.5Sb1.5Te3 を用いた 20）．

れに伴い生成が予想される Sb あるいは Bi 空孔は，共にアクセプタとして働くことが考えられる 21）．この場合，Te 欠
損により正孔濃度は増加することになる．したがって，スライドボート法においてキャリア濃度を現状よりも低減するた
めには，Te 揮発を抑制することが望ましい．
このため，スライドボート装置のチャンバー内に原料粗粉末以外に追加の純 Te 粉末を加えることで，チャンバー内を高い Te 蒸気圧で満たし，原料合金融液からの Te 揮発を抑制あるいは，揮発損失分を補償する手法をとった．試作した
試料は，追加 Te 量が 0 〜 10 mass% の 6 サンプルである．

式（1）より，Z を決める 3 パラメータはキャリア濃度の関数であるため，電気的物性と熱的物性のバランスを取るようにキャリア濃度を適正化することで高い性能を得ることがで

Te 添加量とキャリア濃度の関係を図 5 に示す．Te 添加
量とともにキャリア濃度は減少傾向にあることが分かる．一方，Te を 6 mass% 以上添加しても，キャリア濃度の低下は見られなかった．図 6 に Te 過剰条件での断面 SEM の一例を示すが，粒界に Te のほぼ単相が見られた．また，X 線回きる．具体的には 100℃程度に性能ピークを持つ材料を求めているため，ノンドープで 9 × 1025 個 /m3 程度であるキャ折の結果からも Te 単相ピークが確認されたことから，本プ
ロセスに 6 mass% を越える Te を添加すると過剰な Te が析

リア濃度を，4 〜 5 × 1025 個 /m3 に下げることを目指す．

出することが分かった．

スライドボート法で BiTe 系熱電材料を製作した場合，原料が融解している図 3 のステップⅡの状態において蒸気圧が高い Te が揮発することで，成長結晶からの Te 欠損が生じる．Te が欠損し，空孔が生成すると，Te 空孔はドナーとして働くと考えられ，p 型半導体の伝導に寄与する正孔が減少することが考えられる．しかしながら，本材料系においては，Te サイトを Sb あるいは Bi が占有する逆構造型欠陥が多数形成されることが指摘されている．この逆構造型欠陥及びこ図 7 に 36℃（309 K）付近における Te 添加量とα，σ，PF の関係を示す．キャリア濃度の減少（Te 添加量の増大）に従ってαが向上したが，6 mass% 以上では大きくは変化しなかった．一方で，σは Te 添加量の増加に伴って低下した．αとσのバランスから，Te を 4 mass% 添加した材料のPF が最も大きくなった．図 8 に PF の温度依存性を示す．
200℃（473 K）以下の領域では，Te を 4 mass% 添加した材料が最も高い性能を示し，例えば 80℃（353 K）において
ZT ＝ 1.03 に達した．なお，試作した材料の熱伝導率κを測定していないため，代わりに単結晶材の値 9）約 1.4 W/m ･ Kを用いた．しかし，多結晶材である本試作材料のκは単結晶材よりも 10% 以上は小さいと考えられるため，実際の ZT

基板

原料インゴットは 1.03 よりも高いと予測される．
2.4 ｎ型熱電材料の開発
Bi2（Te，Se）3 などのｎ型 BiTe 系熱電材料のドーパントとして，HgBr2 や SbI3 などの形でハロゲン元素を導入することが一般的である．しかし，これらドーパントには強い毒性や潮解性があるため，扱いにくいという欠点があるが，取り扱いが容易なドーパントをスライドボート法に用いることで，
ZT が 1 を超えるｎ型の開発に目処を立てた．

基板

融液

基板

成長結晶

液相成長試料（厚さ 1 mm と 2 mm の板及びロッド）
Typical as-grown Samples;Thick Sheets and Bars of 1 and 2 mm in Thickness

図4
図 3 スライドボートを用いた液相成長法
Liquid Phase Growth Process using Sliding-Boat

16

10

7
6
5
4
3
2
1

出力因子 PF（10−3 W/m・K2）8導電率σ（103 S/m）

9ゼーベック係数α（μV/k）

キャリア濃度 p×1025（m−3）

低温排熱回収のための熱電発電技術の開発

αTe 添加率（mass%）
Te 添加率（mass%）

図 5 Te 添加量とキャリア濃度の関係
Hall Carrier Concentration at near 300 K plotted against
Additional Amount of Te, x mass%TeBi

図 6 p 型 BiTe 系熱電材料のミクロ組織
Typical microstructure of（Bi, Sb）
2Te3

mass%

出力因子 PF（10−3 W/m・K2）

Ag
Sb
Te
Bi

図 7 p 型 BiTe 系熱電材料の電気物性
Seebeck Coefficient, Electrical Conductivity andPower Factor of p-type（Bi, Sb）
2Te3

mass%
mass%
mass%
mass%
mass%

温度（K）

3.

試作モジュールによる発電効率測定試験

熱電材料の開発は固体物理の領域であるが，最終的には材料を発電モジュールや発電システムといった形にまで仕上げる必要がある．用いた熱電材料は，キャリア濃度の最適制御
前の p 型（Bi，Sb）2Te3 と Br 等をドーパントとして用いた n型 Bi2（Te，Se）3 である．この材料の ZT は常温付近において p 型が 0.8 〜 0.9 程度，n 型が 0.6 程度である．なお，発電モジュールの試作及び評価は，（独）産業技術総合研究所
エネルギー技術開発部門 熱電変換グループの指導の下で実施した．
3.1 発電モジュールの試作
発電モジュールの製作手順を図 1 に示す．島根大学にて20 × 20 × 2 t mm の p 型及び n 型の熱電材料を製作した．
これらの材料を当社で検査，切断，メッキを施し，2 × 2 ×
3 t mm の p 型及び n 型の単素子を製作した．メッキを用いる理由は，①はんだとの接合性向上，②熱応力緩和，③電極
材料の拡散防止バリアである．試作モジュールでは，メッキ層として無電解 Ni メッキ，厚さ 5 μm を施した．
次 い で， 厚 さ 100 μm の 熱 伝 導 性 樹 脂 層 の 上 に 厚 さ
35 μm の Cu 製電極パターンを形成済みの 28 × 28 × 1 t mmのアルミナ基板と単素子 16 個を真空中ではんだ接合し，更図 8 p 型 BiTe 系熱電材料の性能指数の温度依存性
Temperature Dependence of Power Factor（p-type（Bi, Sb）
2Te3 + 0, 2, 4, 6, 10 mass% Te）に 11 × 5 × 1 t mm の Cu 電極 8 枚をはんだ接合して，発電モジュール 2 個を製作した．製作した発電モジュールは片面の電極が絶縁基板で覆われていない，ハーフスケルトンと呼ばれるタイプである．発電を行うためには，熱源を介した電極の短絡を防ぐために，スケルトン側にも絶縁板を設けることが一般的である．
3.2 発電性能評価（独）産業技術総合研究所の設備 22）を用い，熱的及び電気的に定常な状態における発電性能を評価した．モジュールの一端は 30℃に設定し，他端を 120 〜 180℃に設定した状態で，電流−電圧特性及び熱流計測を行った．測定結果を図 9 及び図 10 に示す．高温側温度 180℃において，発電効率 3.44%が得られた．なお，試作した発電モジュール 2 個は，測定の結果ほぼ同一の結果が得られたため，図 9 及び図 10 は一方の結果のみを示している．
3.3 試作モジュールの考察
試作・評価した発電モジュールの性能に悪影響を与える要
17三井造船技報 No. 208（2013-2）

技術論文・報告

因について考察した．これらの要因については，はんだ層， ており，ここに改善の余地がある．
メッキ層の形成方法や材質を適性化することにより解決可能 （2）熱抵抗
図 9 及び図 10 に示した温度は，モジュールの上部と下部と考えられ，発電効率の向上が期待される．
に接触させた熱流測定用の Cu ブロックがモジュールと接触（1）接合部の電気抵抗する端面の推定温度である．実際には Cu ブロックとアルミ
スライドボート法により製作した熱電材料は比抵抗が小さ
ナ基板の接触部に塗布する熱伝導ペースト，アルミナ基板，
いことが特長である．用いた材料の比抵抗が 3.5 〜 4.0 μΩ・
熱伝導性樹脂層，Cu 電極，はんだ層，メッキ層の熱抵抗がm であることから，発電モジュールの熱電材料部分のみの存在するため，発電に寄与する温度差，すなわち高さ 3 mm
抵抗値は常温で約 45 × 10 − 3 Ωと見積られる．その結果，発の熱電素子の両端に付加される正味の温度差は減じられる．
電モジュールの全抵抗は，モジュールサイズの割には小さ
例えば，厚さ 1 mm のアルミナ基板の厚みだけを考えても，く，70 × 10 − 3 Ωであった．差分の 25 × 10 − 3 Ωはメッキ層，はんだ層，Cu 電極などに起因するものと思われる．これら
高温側 180℃，1.5 A 条件において，高温側で約 12℃，低温要因を分離した性能解析や評価を行っていないが，メッキ層
側で約 7℃の温度差が生じている．ハーフスケルトンタイプに関しては，成膜後に SEM 観察と蛍光 X 線測定にて健全性のモジュールであるため，合計 3 ヶ所の接触熱抵抗による影と膜厚を確認しており，また Cu 電極の抵抗率は熱電材料の響も大きいと思われる．
1/200 以下であるため，25 × 10 − 3 Ωの主因は接合のために塗布した SnSb 系ペーストはんだ層にあると考えている．試
作したモジュールは，全抵抗の 1/3 以上が接合界面で発生し仮に，高温側で 25℃，低温側で 15℃の発電に寄与しない
温度低下があったとすると，熱電素子は高温側 155℃と低温
側 45℃の間で発電していることになる．比較として，Hi-Z
社が公表している HZ-14 の設計データ 23）にこの温度条件を当てはめると，発電効率は 3.24% となり，試作した発電モ
ジュールと同等であった．仮に，HZ-14 に高温側 180℃−低発電出力（W）

温側 30℃の正味の温度差を与えると発電効率は 4.41% になる．高効率発電のためには，熱源温度を可能な限り減ずることなく素子に伝えることが重要である．しかし，接触熱抵抗
高温側温度
180℃
150℃
120℃

電流（A）
図 9 試作発電モジュールの電流 - 出力特性
Graph of Output Power vs Current at Hot Side Temperatures of
180, 150 and 120 Degrees of C for a Trial Thermoelectric Converter

を小さくするために発電モジュールを高い圧力で伝熱部材に挟み込むことがあるが，その場合には熱電材料に高い機械的強度も求められる．
（3）熱放射損失
用 い た 28 × 28 × 1 t mm の モ ジ ュ ー ル 基 板 と 11 × 5 ×
1 t mm の Cu 電極は，本来は断面 5×5 mm の単素子用であった．図 11 に示すように，断面 2 × 2 mm の単素子を用いた
場合には，発電モジュール内部に無駄な空間ができる．真空中で発電性能試験を行ったため，熱伝達によるロスは無視できるが，高温面と低温面の形態係数が大きいため，大きな熱放射損失が発生している．高温側が 180℃，1.5 A 条件での発電出力（W）

発電効率（％）

高温側から低温側への全熱移動量が実測 8.4 W であったのに対して，発電モジュール内部の熱放射損失（熱電材料を通らない熱移動量）は，概略計算によると約 0.8 W であった．

高温側温度（℃）
図 10 試作発電モジュールの効率と出力の温度依存性
Variation of Efficiency and Output Power with Temperature
Difference for a Trial Thermoelectric Converter18

図 11 試作モジュールからの熱放射ロス
Schematic Image of Heat Lossfrom Trial Thermoelectric Converter

低温排熱回収のための熱電発電技術の開発

4.

おわりに

島根大学との共同研究により，スライドボート法を用いたBiTe 系熱電材料の開発を行った．開発途中段階における材料を用いて発電モジュールを試作し，（独）産業技術総合研
究所の設備によって発電性能を評価した．得られた発電効率
は，高温側温度 180℃において 3.44% であった．しかし，その後の開発で材料の性能指数が向上し，試作モジュール構造にも改善の余地があることから，発電効率の大幅向上が期待できる．
なお，島根大学と当社は，n 型の熱電材料の開発も進めており，無次元性能指数 ZT が 1 を超える見通しを得ている．
したがって，スライドボード法は，p 型と n 型のいずれの熱電材料の製作にも適していることが分かった．

参

考

文

献

…1）… 上村．外：熱電半導体とその応用，（1988），1，日刊
工業新聞社…2）… K.… Sugiura,… et… al.：Thermoelectric… Properties… of…
the… Layered… Cobaltite… Ca3Co4O9… Epitaxial… Films…
Fabricated… by… Topotactic… Ion-Exchange… Method,…
Mater.…Trans.,…48,…8（2007）,…p.…2104…3）… K.… Koga,… et… al.：First-Principles… Study… of… Electronic…
Structure… and… Thermoelectric… Properties… for… Guest…
Substituted… Clathrate… Compounds… Ba6R2Au6Ge40…
（R=Eu…or…Yb）,…Mater.…Trans.,…48,…8（2007）,…p.…2108…4）… S.… Sugihara,… et… al.：Improved… Thermoelectric…
Performance… of… Oxide-Containing… FeSi2,… Mater.…
Trans.,…52,…8（2011）,…p.…1526…5）… M.…Ohta,…et…al.：Preparation…of…Single-Phase…Pb-Filled…
Chevrel-Phase… Sulfide… and… Its… Thermoelectric…
Properties,…Mater.…Trans.,…52,…8（2011）,…p.…1535…6）… N .… T o s h i m a ,… e t… a l .：O r g a n i c… T h e r m o e l e c t r i c…
Materials… Composed… of… Conducting… Polymers… and…
Metal…Nanoparticles,…J.…E.…Mat.,…41（2012）,…p.…1735…7）… W.… M.… Yim,… et… al.：Compound… Tellurides… and… their…
alloys… for… Peltier… cooling-A… review,… Solid-State…
Electron,…15（1972）,…p.…1121…8）… J.… R.… Wiese,… et… al.：Lattice… constant… of… Bi2Te3-Bi2Se3…
solid…solution…alloys,…J.…Phys.…Chem.…Solids,…15（1960）,…
p.…13…9）… T.… Caillat,… et… al.：Thermoelectric… properties… of（BixSb1-x）
2Te3…single…crystal…solid…solutions…grown…by…the…
T.H.M.…method,…J.…Phys.…Chem.…Solids,…53（1992）,…p.…1121
10）…R.… B.… Horst,… et… al.：Preparation… and… properties… of…
high-performance（Bi,Sb）2（Te,Se）
3…alloys,…Proc.…4th…
Int.…Conf.…Thermoelectrics,（1982）,…p.…11911）…例えば，B.… Poudel,… et… al.：High-Thermoelectric… Performance… of… Nanostructured… Bismuth… Antimony…
Telluride…Bulk…Alloys,…Science,…634（2008）,…p.…32012）…例えば，S.S.… Kim,… et… al.：Thermoelectric… properties…
of… anisotropy-controlled… p-type… Bi-Te-Sb… system… via…
bulk… mechanical… alloying… and… shear… extrusion,… J.…
Alloys…Compd.,…375（2004）,…p.…10713）…例えば，J.…Seo,…et…al.：Fabrication…and…thermoelectric…
properties…of…p-type…Bi0.5Sb1.5Te3…compounds…by…ingot…
extrusion,…Mater.…Res.…Bull.,…35（2000）,…p.…2157
14）…例えば，J.…T.…Im,…et…al.：Microstructural…refinement…
of… cast… p-type… Bi2Te3-Sb2Te3… by… equal… channel…
angular…extrusion,…Acta…Mater.,…52（2004）,…p.…4915）…産業技術総合研究所：新東ブイセラックス，遠心焼結装置，特願 2002-382579，日本国特許庁（2002）16）…Y.…Kinemuchi,…et…al.：Deposition…of…Bismuth…Telluride…
Thick… Film… by… Solidification… under… Centrifugal…
Pressure,…J.…Electron.…Mater.,…38（2009）,…p.…1089
17）…島根大学：熱電変換材料製造方法及びその装置，特許第 3586712 号，日本国特許庁（2004）18）…H.… Kitagawa,… et… al.：Liquid… Phase… Growth… of…
Bi0.5Sb1.5Te3… by… Sliding… Boat… Method,… Scripta… Mater.,…
49（2003）,…p.…30919）…三井造船，島根大学：熱電変換材料製造装置及び熱電変換材料製造方法，特願 2011-103693 出願中，日本
国特許庁（2011）20）…H.… Kitagawa,… et… al.：Thermoelectric… Properties… of…
Bi0.5Sb1.5Te3…Prepared…by…Liquid…Phase…Growth…using…
Sliding-Boat,…J.…Electron.…Mater.,…to…be…published.
21）…P.Pecheur,… et… al.：Tight-binding… studies… of… crystal…
stability…and…defects…in…Bi2Te3,…J.…Phys.…Chem.…Solids,…
55（1994）,…p.…32722）…小原．外：熱電発電モジュールの性能評価技術，熱電発電フォーラム 2006,（2006）,…p.…3323）…Hi-Z…Technology,…Inc.：http://www.hi-z.com/〔問い合わせ先〕
技術開発本部 千葉技術開発センター
TEL…0436−41−1930 加藤 寿仁

加藤

寿仁

鎌田

勤也

北川

裕之

1

三井造船技報 No. 208（2013-2）

技術論文・報告

保温材下の腐食検査技術の現状と適用事例−見えない腐食を検知する音響検査技術−
石

原

修

二＊

玉

川

準之介＊＊

中

原

亮

一＊

佐

藤

功

中

田

成

幸＊

一＊＊

Corrosion Inspection Technology for Invisible Corrosion under Insulation
Shuji ISHIHARA, Junnosuke TAMAGAWA, Ryoichi NAKAHARA, Koichi SATO, Shigeyuki NAKATA
In an infrastructure management, age-related deterioration of facilities has caused serious problems. For maintaining
chemical, petrochemical plants, refineries and so on, the effective countermeasures to corrosion under insulation（CUI）
are matters of urgency. CUI cannot be confirmed from the outside because it develops under the insulation. Although
the visual inspection is the most reliable method, such inspection is highly expensive because of costly removal/
restoration of the whole insulation and scaffoldings. Under these circumstances, the non-destructive inspection isconsidered to be one of the solutions. Among the various non-destructive inspections, we examined the reliable andinspection diagnosis techniques to satisfy the facility owner request considering the future facility maintenance trend.
多くのインフラ設備において，設備の経年劣化が深刻な問題となってきている．特に，化学プラントや石油化学プラン
ト , 精油所などでは，保温材下腐食（CUI）に対する効果的な対策に大きな関心が持たれている．この腐食は保温材の下で発生するため，外観からは確認することができない．信頼性の点では目視検査が最も好ましいが，保温材の解体 / 復旧や足場工事が必要となり，多大な付帯費用が発生する．この状況下において，非破壊検査が問題解決の一つの方法であると考えられている．多様な非破壊検査技術の中から，将来の設備保全の方向性を考慮し，エンドユーザの要求を満足できる
信頼性の高い検査診断技術について検討した．

写真 1 配管に発生した保温材下腐食（CUI）の例
Examples of Corrosion under Insulation（CUI）on the Piping＊

20

技術開発本部

玉野技術開発センター＊＊

三井造船プラントエンジニアリング株式会社

保温材下の腐食検査技術の現状と適用事例

1.

緒言

1.1 背景日本国内において，社会インフラ及び産業インフラの多くは建設から数十年が経過しており，劣化と寿命の問題が顕在化している．例えば，高圧ガス保安協会が公表している事故
1）
統計資料 によると，最近 19 年間（平成 4 年〜平成 22 年）における高圧ガス製造事業所の事故原因は，設備上事故が590 件（72%），運転・操作上事故が 146 件（18%），その他が83 件（10%）となっている．更にその内容を精査すると，劣化・腐食等による事故が 458 件（56%）と大部分を占め，製作不良によるものが 68 件（8%），認知確認ミスによるものが 55
件（7%）と続いている．また，
平成 23 年のみの統計を見ると，設備の設計，製作不良によるものが 41 件（12%），設備の維持管理によるものが 148 件（42%），組織体制の不良によるものが 4 件（1%），ヒューマンファクターによるものが 27
件（8%）となり，同様に精査すると，腐食管理不良による事故が全体で 58 件（16%）と多くを占め，以下，検査管理不良54 件（15%），
誤操作・誤判断 26 件（7%），
設計不良 18 件（5%）の順となっている．
このように，腐食に起因する事故の発生割合が大きいことは明らかである．しかし，高度経済成長期とは異なり，新規の投資が大幅に縮小された現在においては，いかに効率よく維持管理を行い，延命化を図っていくかが求められている．
1.2 保温材下腐食（CUI）
使用される環境や材料によって様々な腐食が発生する
が，プラントなどで特に憂慮されているのが保温材下腐食（Corrosion Under Insulation：CUI）である．保温材を施工した配管や機器類において，何らかの原因で保温材中に侵入した水分によって引き起こされる外面腐食であり，一例を写真 1 に示す．大気中で使用される炭素鋼などの全面腐食と比べると，比較的早い腐食速度で，局所的に進行するという特徴がある．
保温材内部への水分の供給は，外装鉄板のはぜの部分より雨水として侵入することが多い．このはぜは，点検等に伴う解体復旧の繰り返しによって変形し空隙を生じやすい．そのほかにも，ノズルやセンサの取付座における外装鉄板のシール部でも，シール材の劣化によって雨水浸入の経路となり得る．侵入した雨水は保温材に浸透し，運転温度に応じた湿潤環境を形成することで腐食が進行する．外面温度が 80℃程
度で運転される保温配管や機器で，最も腐食速度が大きくなる傾向がある．また，プラントの多くは沿岸地域に建設されていることから，海塩粒子が雨水に溶解して侵入することにより，腐食が促進される傾向もある．
1.3 CUI に対するガイドライン
このような状況に対応するために，プラントメンテナンス
協会及びエンジニアリング協会から，CUI 対策のガイドラ
2），3）．前者は，設備の保有者であるエインが発行されている
ンドユーザの視点に立ち，技術だけでなく，経営的に説得力を持つ「保全」に立脚点をおいた，保全現場で真に有効なガ
イドラインとして作成されている．参加企業で得られた実際−見えない腐食を検知する音響検査技術−のデータ，経験・ノウハウを最大限に生かし，目視点検をもとにした指針が示されている．一方，後者は石油精製業や石油化学工業を対象とし，数年間にわたって行われた研究実績に基づく指針となっている．前者と異なり，スクリーニング
検査として目視点検に加えて非破壊検査を効果的に用いることが推奨されている．
これらのガイドラインは保温配管を対象にまとめられているが，保温が施工されるのは配管だけではなく，化学プラ
ントにおける蒸留塔や反応器などの塔槽類も該当する．保温が施工された塔槽類においても配管と同様のメカニズム
で CUI が発生・進行していることから，プラント全体を含めた CUI 対策を検討していく必要があると考えられるため，機器の設計・製造，プラントの建設及びメンテナンスの視点
で，CUI の検査診断技術を調査した．

2.

CUI の検出に適合する非破壊検査技術

2.1 CUI への適用が見込める検査技術
CUI に適用可能な検査技術の条件として，第一に保温材の撤去を必要としない，若しくは最小限の保温材撤去で保温材下の鋼材の腐食状況を評価できることが必要である．
現在，一般的に使用されている非破壊検査技術について，CUI への適用性を検出メカニズム別に表 1 にまとめた．大別すると，
超音波，音響，放射線，電磁波などに分けることができる．
配管においては，ガイド波超音波探傷が一般的に認知されている．しかし，センサを配管の周囲に巻きつけるように設置する必要があるため，塔槽類に対しての適用は難しい．一方，パルス渦流探傷は，保温材上から残存肉厚を計測できるため，塔槽類への適用も期待できる．しかし，センサの直下しか計測できないなど，検査対象によっては足場の設置のために多大な付帯工事が必要となる場合もある．
このように，CUI に適用できる非破壊検査技術はいくつかあるものの，すべての要求を同時に満足させる性能・機能を持つ技術は存在しないのが現状である．
2.2 CUI 検査に対するエンドユーザのニーズ
非破壊検査による CUI の検査診断が一般化していない理
由として，エンドユーザのニーズとのマッチングに問題があると考えられる．そこで，三井造船，三井造船プラントエン
ジニアリング及び三造試験センターの三井造船グループは，
エンドユーザへのインタビューなどにより，CUI に対して非破壊検査に要求される条件として以下の 4 点を抽出し，各検査技術を精査した．
①不連続部に対応できること
不連続部とは，配管においてはフランジやノズル，塔槽類
においては保温リングのような突起物など，構造の不連続部のことを意味する．このような場所は，雨水等が侵入する起点や滞留部になりやすく，最も CUI が発生しやすいと考えられている．しかし，CUI に対して，まずチェックすべきポイントであるにもかかわらず，この部位の検査が可能な検査技術は限定されている．
②運転中に計測することが可能であること
重大な損傷が想定される場合を除き，CUI 検査のためだ
21

技術論文・報告

三井造船技報 No. 208（2013-2）

表 1 CUI に対応可能な非破壊検査技術の一覧
List of Non-destructive Inspection Technologies Available for CUI
適用性

原理

定量評価
（残厚）

配管

塔槽類

不連続部
への対応

運転中の
検査診断

付帯工事
の削減

ガイド波超音波探傷

長手方向に伝播するガイド波を用いて、長距離の探傷を行う

○

○

△

△

○

○

ロングレンジ UT

ガイド波を板厚全体に伝播させ、反射エ
コーより損傷の位置、大きさを測定する

○

△

△

△

○

△

アコースティックエミッション（AE）

材料の破壊によって発生した弾性波（AE）を圧電素子により電気信号に変換
し計測する

△

○

○

○

○

○

光ファイバ AE

FOD センサの周波数変調を利用して AE
を検出する

△

○

○

○

○

○

デジタルラジオグラフィ

X 線フィルムの代わりに IP（イメージン
グプレート）を用いて画像をデジタル化
し、腐食状況を視覚的にとらえる

○

△

×

○

○

△

中性子水分計中性子線源が水 ( 水素原子 ) との接触により発生する熱中性子量を測定する

×

△

△

○

○

△

渦電流により発生した磁界の減衰により、肉厚変化をとらえる

○

△

△

△

○

△

検査技術
超音波技術

音響診断技術放射線技術

電磁気 / 電気技術
パルス渦流探傷注）○：可，△：一部で可，×：不可を表わす．

けに設備を停止させることは現実的ではない．運転中に検査が可能なことは，設備停止を伴わない生産面へのメリットだ
けでなく，損傷の早期発見，事故の未然防止など安全面でも多大な効果が見込める．また，メンテナンス計画の策定においても時間的な自由度を得ることができる．
③足場などの付帯工事を最小限にできること
保温材を撤去して目視点検する場合，特に高所では足場の設置など付帯工事にかかる費用が高額となる．CUI 検査が後手に回ってしまう原因がこの付帯工事の費用にある．CUI 検
査には，この付帯工事を低減することが必須的に要求される．
④検査自体が低コストであること
CUI 検査に非破壊検査を適用するに当たって，一番のネッ
クとなり得るのが検査費用である．検査にかける費用で対象物の交換・補修ができてしまうケースもあり，わざわざ検査まで行う必要はないとのエンドユーザの声もある．
現状では，検査会社の保有する設備，検査会社の保有するノウハウに依存しているが故に，どの非破壊検査においても実施に高額な費用が発生する．これら検査技術が汎用的に使用されていく
ためには，技術的また体制的な改善によってコストダウンを実現していく必要がある．業界全体で考えていかなければな
らない課題であるとも言える．
ここで挙げた要件について，各検査技術の対応状況を表 1に併せてまとめた．①〜④の要件の多くを満足する技術として，当社グループでは，アコースティックエミッション（以下22AE）に着目した．配管や塔槽類など適用対象の幅広さ，CUI発生の可能性の高い不連続部への対応など，多くの特長に期待が持てることから，その実用性について評価を行った．

3.

AE による腐食検出特性の検証

3.1 AE による腐食検出の手順
ここで言う AE は，材料の破壊に伴って発生する弾性波のことであり，発生した AE の検出により材料の破壊挙動を評価できる．腐食の場合は，腐食反応や腐食生成物の剥離などに伴って AE が発生するため，この AE の検出によって，腐食検知が可能であると言われている．AE の大きな特長は，複数のセンサの使用によって，損傷部の位置を標定できることである．検査対象が配管の場合，被検査部を挟むように二つの AE センサを設置する．塔槽類の場合，周方向及び高さ
方向に数 m ピッチで AE センサを設置することで位置標定が可能になる．そこで，モックアップによる屋内試験及び実設
備を対象にフィールド試験を実施し，AE による検査の実用性について検証を行った．
3.2 モックアップによる検証
配管を対象とした計測用のモックアップを製作し，AE の検証を行った．モックアップは複数の径のパイプ（STPG370
Sch40）を連続的に接続した構造で，任意の位置に模擬腐食を設けた．模擬腐食はグラインダーで管表面の一部を削った
後に，3 wt%NaCl 水溶液に浸漬した不織布を貼付すること

保温材下の腐食検査技術の現状と適用事例−見えない腐食を検知する音響検査技術−

図 2 AE 波形の例
Example of AE Waveform

写真 2 モックアップに導入した腐食部の外観
Appearance of the Corrosion on the Mock-up

表 2 AE パラメータにおける位置標定の精度
Accuracy of Estimation of Corrosion Location by some AE Parameters
ＡＥパラメータ

図 1 AE センサの配置
Set-up of AE Sensor

で湿潤状態を維持し腐食を進行させた．この方法で発生させた腐食部の外観を写真 2 に示す．
腐食部はいずれも管上面に形成した．AE センサを図 1 に示すように腐食部を挟んで直線上に設置することによって，腐食部の位置標定を試みた．
計測される AE は，腐食生成物の剥離等によって生じる
突発型 AE と考えられる．計測された AE 波形の一例を図 2に示す．この AE 信号を処理して得られる AE 特性パラメー
タのうち，以下の四つの指標にて評価を行った．
① AE 計数：AE 信号が設定したしきい値を超えた回数② AE 事象数：AE の生起回数③最大振幅：一つの AE 事象中における信号電圧の最大値④ AE エネルギー：AE 事象の包絡線での積分値
各パラメータにおける腐食位置の標定結果と実際の腐食位置との整合性を表 2 にまとめた．四つのパラメータのうち，AE エネルギーによる評価が，最も位置標定の精度が高いことが確認できた．その位置評定の誤差は，本計測条件においては 100 〜 200 mm 程度であったが，実用上は問題ない
レベルであると考えられる．ただし，AE はパッシブな検査手法であり，検査結果は腐食部からの AE 発生に依存している．したがって，腐食速度（AE 事象率）と関係の深い温度や，腐食生成物の割れ・剥離を誘発する応力の大きさは，計測結果に大きく影響する．そのため，運転中もしくは相応の環境での計測が必要となる．

位置標定の精度① ＡＥ計数×② ＡＥ事象数△③ 最大振幅△④ ＡＥエネルギー○

注）○：優れている，△：誤差が大きい，×：不可を表わす．

モックアップ試験の結果，AE は測定環境に大きく依存する
ものの，十分な精度で腐食を検出可能であることを確認した．
3.3 フィールドによる検証
図 3 に，実プラント設備における計測結果を示す．計測対象は設置から約 20 年を経過した原料移送配管であり，材質は SGP，表面には錆止め塗装が施されている．AE 計測はフランジ間の約 11 m において，両端に二つの AE センサを設置して設備稼働中に実施した．
AE による腐食位置標定は，AE エネルギーをパラメータ
としてまとめた．全体的に大きな AE エネルギーが計測されており，特に左端部から約 1 m の地点において極大値を示している．開放点検の結果，左端から 1.7 m の地点で大きな腐食減肉があり，その他にも外観での顕著な腐食は，それぞれ左端から 6.0 m，6.6 m 付近の位置に確認できた．AE の計測データでは 1 m 近傍の AE エネルギー値が大きいため他が目立っていないが，左端から 2 〜 6 m までの間においてもAE エネルギーは大きな値を示している．また，位置評定の誤差としては若干大きいように思えるが，検査対象の配管が11 m と長めであることや，左端から 1.7 m の腐食損傷部には管内からの漏えいの様相が見られることから，これらによる減衰が位置標定の精度に影響を及ぼしたものと考えられる．
そのほかにも幾つかのデータを検証した結果，実際の運転環境においても，十分に評価可能なレベルの精度を備えていることが分かった．
23

三井造船技報 No. 208（2013-2）

技術論文・報告（a）AE 計測データ（b）腐食損傷部の位置と外観
図 3 フィールドにおける AE 計測結果
Results of AE Measurement in the Actual Plant

4.

結言

最近になって，設備の経年劣化に伴う爆発火災などの事故の発生も増えている．その原因の一つとして，ベテラン保全
員の退職が影響しているとも言われるが，企業の社会的信頼を維持するためにも，設備の維持管理は更に重要な位置付けになっていくことが予想される．特に，CUI のような目視確認の難しい場所においては，これまでのベテラン保全員の

3）エンジニアリング協会：石油精製業及び石油化学工業
における保温材下配管外面腐食（CUI）に関する維持管
理ガイドライン，（2012）〔問い合わせ先〕
技術開発本部 玉野技術開発センター
TEL…0863−23−3021 石原 修二

経験による判断だけでなく，非破壊検査を効果的に活用していくことが不可欠になると考えられる．
当社グループでは，各検査技術の特性を活かし，最適な検査診断を含めた補修工事の提案などにより，全体最適化を考慮した設備の維持管理に貢献していく所存である．
最後に，フィールド試験は，本州化学工業株式会社技術部
白井部長，吉留グループリーダー，乾担当，中山担当のご協力により実施することができた．
ここに感謝の意を表する．

参

考

文

修二

玉川準之介

中原

献

1）高圧ガス保安協会：高圧ガス関連事故年報，（2012），p.…22）プラントメンテナンス協会：外面腐食対策ガイド，（2010）

24

石原

佐藤

功一

中田

成幸

亮一

製 品 ・ 技 術 ニ ュ ー ス

国道 20 号新宿高架橋架替工事－交通車両共用下での旧橋撤去及び新設橋梁の架設－

写真 1

3 期施工部の旧橋撤去作業状況

本工事は，新宿駅南口基盤整備事業のうち，老朽化した新宿跨線橋の取り付け高架橋部を撤去し，耐久性と耐震性を有する新橋に架け替える工事である．
特写真 2

架替完了後の新宿高架橋

一部地組立架設を行った．また，既に架設した新橋の桁
上や既設桁上に架設用クレーンを配置することになった
ため，クレーン据え付け時のアウトリガー反力受け点に対して安全性の確認を行った上で，新橋を架設した．

長（1）新宿駅南口に面する跨線橋の交通量は，1 日当たり車両が約 6 万台，歩行者が約 14 万人と多いため，幅員 27 m
（一般部）に対し，車道 4 車線（約 14 m），歩道 1.75 m を，
架替中は常時確保するという施工条件が課せられた．このため，幅員を約 10 m ずつ，下り線側，中央分離帯側，
上り線側と 3 期に分けて架け替え工事を行った．写真 1
は 3 期施工時の旧橋の撤去状況を示しており，架替が完了している 1 期，2 期施工部は車両が通行している．
（2）旧橋の撤去に当たり，旧橋上にクレーンを配置すること
や，旧歩道の一部に車両を走行させる必要があったため，それらの荷重に対して旧橋の耐荷力を照査した．耐荷力照査に当たっては，旧橋建設時やその後の補強工事の設計図書の一部が残っていなかったため，旧橋の保有耐荷力の算定を目的に，断面計測，コア抜きによるコンクリー
ト圧縮強度の確認，鉄筋探査による配筋状態の調査などを実施した．
（3）耐荷力の照査の結果，旧橋上へのクレーンの配置，旧橋
歩道部への車両走行などにより，一部で旧橋の強度が不

主要目
工 事 名：国道 20 号新宿高架橋架替工事
工事場所：東京都新宿区新宿 4 丁目地先
発 注 者：国土交通省 関東地方整備局 東京国道事務所
工

期：平成 21 年 11 月 14 日〜平成 24 年 9 月 28 日

撤去桁橋梁形式
A1 〜 P4 間 4 径間連続 RC ラーメン橋
P4 〜 P5 間 単純鋼Ⅰ桁橋
P5 〜 P6 間 単純 RC 桁橋
P6 〜 P7 間 単純鋼Ⅰ桁橋
新設橋梁諸元

1連
1連
1連
1連

橋梁形式：3 径間連続鋼床版鈑桁橋
橋
長：82.1 m
支 間 割：33.050 m ＋ 31.500 m ＋ 16.600 m
幅員構成：27.700 m 〜 30.700 m
鋼
重：861.5 t（三井造船鉄構エンジニアリング株式会社）

足することとなり，仮支持構造の追加や炭素繊維シート 〔問い合わせ先〕
による RC 床版の補強などを行った．
技術本部 技術部 東部技術室（4）新橋の架設は，トラッククレーンベント工法により施工しTEL 0436−43−1853 浅野 浩一
た．基本的に単ブロック架設としたが，桁下に車道や歩行者用の連絡通路があり，ベントの設置が困難な場所は，

三井造船技報 No. 208（2013-2）

25

製 品 ・ 技 術 ニ ュ ー ス

中低温熱エネルギー回収システム“VPC（Variable Phase Cycle）”を開発− 10 kW 級及び 200 kW 級試験機で実証−

図1

中低温熱エネルギー回収システム“VPC”

三井造船は，70℃から 250℃程度の熱源である中低温熱エネルギーを回収するシステム“VPC（Variable…Phase…Cycle）”
を 2013 年 度 の 事 業 化 を 目 指 し 開 発， 実 証 を 進 め て い る．
VPC は，図 1 に示す基本システムで構成され，発電性能をより高効率とすることができる．
当社は，本システムを VPC バイナリー発電装置として2011 年度から開発に着手し，10…kW 級 VPC 試験装置
（写真 1）
で性能を確認するとともに，プロトタイプ機である舶用
200…kW 級 VPC（写真 2）の実機による機能及び性能確認試
験を 2013 年 1 月から開始した．
この 200…kW 級 VPC は，日本海事協会及び東京海洋大学と共同で開発し，当社の舶用テストエンジン 4S50ME-T の
掃気冷却系からの熱源によりタービンを駆動するシステムである．本システムは陸用への転用が可能なため，中低温熱エ
ネルギー回収システムの中核となるシステムである．

写真 1

10…kW 級 VPC ラボユニット

特 長（1）VPC は，一般的に開発が行われている ORC（Organic…
Rankine… Cycle）… が低沸点媒体を気化させてタービンを駆動するのに対し，気体，気液 2 相及び液相（Variable…
Phase）によりタービン駆動が可能なシステムである．
このため，対象とする温水，蒸気，排気ガス等を熱源に，最適化されたサイクルを構成することが可能である．
（2）VPC 基本サイクルを図 2 に示す．基本サイクルは，加熱器による媒体加熱において，媒体を気化させず，ノズ
ルを介して気液 2 相として衝動タービンを駆動させる方式である．熱源用の熱交換器は 1 器であり，制御も比較的容易であるとともに，熱源負荷変動に対してもノズル26

図2

Variable…Phase…Cycle

三井造船技報 No. 208（2013-2）

写真 2

舶用 200 kW 級 VPC 実証・検証主要機器

ベルに制御される．実証・検証用 VPC の主要目を表 1
に示す．

表1

高速気液 2 相流発生ノズル

タービン

図3

誘導発電機

（ 相）

3

実証・検証用 VPC の主要目

VPC

10 kW 級

200 kW 級

軸パワー（kW）

0-12

0-250

効率（%）

68

68

0-4 500

0-3 600230

440

電気出力（kW）

12

250

効率（%）

95

95

回転数（rpm）
電圧（V）

VPC 事業化に向け 3 タイプのモデルの提供を計画しており，発電端出力はパートナーである米国エナージェント社が開発した 1 500 kW まで対応可能である．

図4

VPC タービン

形式：M-VPC10，M-VPC200，M-VPC1500
発電端出力：10，200，1 500 kW
熱源：ガス，熱水または蒸気設置方式：縦または横型制御により高効率で追従することができる．
作動媒体：R245fa または R134a（3）通常の ORC と比較して，熱源の出口温度をより低く設定することができ，より多くの熱量を回収し，発電に利用
2012 年度に，事業化準備を完了し，ユニット構成の拡充，することができる．これは，ORC における熱交換器でのカスタム仕様への対応を含め，2013 年度から本格市場参入
ピンチ温度による制約を最大限回避できるためである．
する予定である．
（4）比較的高圧の媒体（液相）は，図 3 に示すノズルを介して断熱膨張し，ノズル内で高速の気液 2 相流として微細， 〔問い合わせ先〕
均一化され，図 4 に示す衝動タービンを駆動する．2 相機械・システム事業本部 事業開発部
流速度は，タービン翼にエロージョンを起こさせないレ
TEL 03−3544−3043 川鍋 知晃
三井造船技報 No. 208（2013-2）

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製 品 ・ 技 術 ニ ュ ー ス

オフラインティーチングソフトウェア“RoboTrue Laser”－三次元レーザ切断加工の生産準備期間短縮に貢献－

図 1 “RoboTrue Laser”操作画面

三井造船システム技研は，2012 年 7 月より三次元レーザ＊）
切断加工オフラインティーチング ソフトウェア“RoboTrue
Laser”の販売を開始した．本ソフトウェアは，オフライン
ティーチングソフトウェアとして多くの加工現場への納入実『多績を持つ“CimStation Laser”の後継ソフトウェアであり，様化する三次元 CAD データ』，
『新 OS』及び『三次元レーザ

図2

二次元スケッチャー

カーネルを採用しているため，CATIA 製品で培われた堅牢性，高品質ジオメトリ，パフォーマンスをそのまま享受することができ，そのため CATIA V5 との親和性が高く，製品の CAD データファイルに含まれる形状データを変換することなく，高速で取り込むことができる．三次元 CAD デー
タ交換フォーマットとしては，CATIA V5，Pro/E，NX，
Parasolid，IGES，SAT，STEP などの最新データフォーマッ

加工機の新機能』に対応して，
低価格，
高機能を実現している．
従来，プレス成型品の切断加工で用いられている三次元
トに対応している．
レーザ加工は，治具設計・製作，ケガキ，実加工機での教示 （2）強力な教示支援機能
実加工機での教示作業は，プレス成型品にケガキされた線作業など，多くの工程を経て作業が行われていた．しかし，この方法では，作業者への負荷集中，加工機の教示占有時間の増加等の問題が発生し，納期の短縮，コストダウンが困難となっていた．そこで，これらの問題に対処するため，オフ
ラインティーチングソフトウェアの導入が急速に進んだ．
オフラインティーチングのメリットは，コンカレントエンジ
ニアリングによる作業工程短縮であり，プレス成型品が作成されていない状況でも，コンピュータ上で三次元 CAD データを使用することによって，詳細な事前検討と NC プログラム作成を行うことが可能となる．すなわち，実加工機を使用した教示
作業を減少させ，実加工機の稼働率を上げることが可能となる．
特 長（1）強力なモデリングカーネルと CAD インターフェイス
本ソフトウェアは，三次元幾何処理部に仏ダッソー・シ
ステムズ社 CATIA V5 のモデリングカーネルと同じカーネルである CGM（Convergence Geometric Modeler）を採用
した世界初のアプリケーションである．CATIA V5 と同じ＊）コンピュータ上の仮想環境で，製品の三次元 CAD データと仮想の加工機モデルを用いて，加工位置の教示，加工シミュレーシ
ョンや加工用 NC プログラムを作成すること．

28に合わせて，加工ヘッドの位置，姿勢，動作補間モードなどをポイントごとに教示し，NC プログラムを作成していたた
め，ケガキ作業での誤差，目視教示作業での誤差など，累積された誤差の手直しは作業者の負荷を増大させていた．
本ソフトウェアを使用することにより，作業者は，実加工機を忠実に模擬した仮想の加工機モデル，治具やワークなどの三次元モデルから，教示位置，面直姿勢，機械動作補間モードを容易に選択，自動決定することができ，実加工機を用いて教示を行うよりも，簡単，正確に，NC プログラムの作成を行うことができる（図 1）．すなわち，実加工機で教示す
るよりも，短時間で高精度な教示作業が可能となる．
（3）板治具設計
本ソフトウェアでは，板治具作成機能を使用して，レーザ加工に適切な板治具を「簡単に」「素早く」「自動で」設計することができる．
板治具作成は，最初に二次元スケッチャーで行う（図 2）．
二次元スケッチャーでは，ベースプレート寸法，縦方向・横方向のサポートプレート数や位置などを設定する．
次に，治具の板厚，ワーク形状の板内までのオフセット量，軽量化用残し幅などのパラメータを設定することにより，組付け状態の治具形状を自動作成する（図 3）．サポート板の三井造船技報 No. 208（2013-2）

図3

組み上がった板治具

図5

シミュレーションで干渉を確認

や回転，寸法変更といった修正が可能である．
外周トリム等の複雑なトリムライン教示もトリムライン曲
線の 1 ヶ所を選択することにより，連続した線データを認識し，教示ポイントを自動で作成する．
また，作成された教示点は，豊富な教示点編集機能により，任意に編集可能である．編集は，教示点ごと，あるいは加工
パス内の任意範囲を指定して行うことが可能であり，面直方
向の取得，教示姿勢の変更，教示点間の姿勢を滑らか補間するなどの編集機能を提供する．
（5）加工シミュレーション
本ソフトウェアは，実加工機を忠実に模擬し，その動作特
図4

面直に作成された教示ポイント

はめ合い形状や肉抜き，ベースプレートとの組み付け位置ナ
ンバリング，フラッシュバック防止用の逃がし形状は，自動で計算・作成される．

性を定義した仮想の加工機モデルを有し，その加工機モデルの動作をシミュレートできる．加工パスのレーザ切断動作をシミュレートすることで，加工ヘッドの到達できない教示点
や，加工ヘッドの回転軸が動作範囲を超える教示点などを容易に確認して編集することができる．また，事前に加工機モ

最終的に，組み付け状態の板治具を材料板から切り出すためのネスティング処理と加工パス作成により，三次元レーザ
加工機に応じた NC プログラムを作成する．

デルと製品モデルが干渉する部位を検知することができ，干渉した教示点の姿勢を干渉しない姿勢に修正することで，実加工機での干渉による破損を回避できる（図 5）．

（4）製品の加工パス作成
異形穴や外周トリムの教示ポイントは，製品の三次元モデ
ル上のトリムライン曲線をグラフィックスウィンドウ内でマウス選択し，画面で認識させる．許容値を指定することにより，認識された線要素から直線補間ポイントと円弧補間ポイ（6）NC プログラム自動作成
三菱電機製三次元レーザ加工機及びコマツ NTC 製三次元
レーザ加工機に対応した NC プログラム変換機能を有しており，完成された加工パス情報から，製品を切断加工するための NC プログラムを自動作成することができる．

ントが自動作成される．作成された加工ポイントに接する曲
面の法線情報により，加工ノズルの姿勢は面直となるように自動計算される（図 4）．しかし，三次元モデル上のトリム
ライン曲線に忠実なポイント作成を行うと，教示点の数が増加することになり，実加工機においての微調整に時間がかかることが問題となる．本ソフトウェアでは，加工精度を考慮した許容範囲パラメータを指定することにより，作成される教示点の数を減少させることができる．
穴加工は，丸穴，長穴，角穴，鍵穴などのマクロ定義が標準で用意されており，接近点，逃げ点及び加工方向の指定に必要なサポート点が自動作成される．加工位置の設計変更があった場合には，三次元モデル上のトリムライン形状を上流の CAD システムで修正して再読み込みすることなく，移動
三井造船技報 No. 208（2013-2）

主要目［動作環境］
CPU ：Intel Pentium 2 GHz 以上の Intel，AMD プロセッサ
メモリ ：4 GB 以上推奨
HDD ：5 GB 以上推奨
OS
：Microsoft Windows XP，Vista，7
グラフィックス：3D OpenGL 対応グラフィックアダプタ（三井造船システム技研株式会社）〔問い合わせ先〕製造ソリューション事業部 第一営業部
TEL 043−274−5687 飯田 眞吾
29

製 品 ・ 技 術 ニ ュ ー ス

濃煙熱気実火災訓練装置− MP8 型消防訓練装置として採用され，好評！−（a）装置内の煙の発生状況（b）温度分布写真 1

鳥取県消防学校向け濃煙熱気実火災訓練装置

図1

火災シミュレーションソフトウェアによる解析結果

三井造船プラントエンジニアリングは，濃煙熱気実火災訓練装置を，2012 年度に 3 基納入予定である．本装置は，

特 長（1）可動フラッパーと排煙量のコントロールで，訓練装置内

2005 年に東京消防庁夢の島訓練所での採用を皮切りに，各都道府県の消防署及び消防学校で採用され，本年度は，鳥取
県消防学校，総務省消防庁消防大学校及び東京消防庁から受注した．中でも 2012 年 11 月に完成した写真 1 の鳥取県消防学校向け濃煙熱気実火災訓練装置は，鳥取県知事出席のも部に煙と熱の二層流を形成・維持することを可能とした．
（2）市街地にも設置が可能なように，隊員が出入りする際に外部に極力煙を漏らさないための外部排煙排気室を設けた．
（3）発生した煙は 800℃以上の燃焼装置で二次燃焼させ，無煙・無害化して大気へ放出する独自の排煙処理装置を装と完成披露式典が盛大に開催された．
昨今，災害が多様化，複雑化する状況下で，全国的に消防備した．
（4）訓練部本体は，40 フィートコンテナ（長さ約 12…m）を利

職員の世代交代が急速に進んでおり，現場経験不足の若年隊員が増加し，消防活動力の低下が危惧されている．
これより，消防機関の消防力を維持向上させるために，消防職員がより安全で効果的な消防活動訓練を行うことができる施設の導入が急務であった．このようなニーズを満足するため，
当社では 2005 年から研究開発を開始し，消防隊員の消防活動能力を向上させるために，実際の火災に近い高温環境や火災の性状を再現できるような実火災訓練装置を開発した．
（特許 : 第 4917131 号）．
本装置は，訓練室内で木材（パレット）を燃焼させることにより，実火災に近い火炎及び濃煙熱気を作り出す装置であり，装置内に突入した消防隊員は，「濃煙と熱気」，「急激な火炎拡大の前兆現象」，「熱環境変化」などを体験・体感することができる．
本装置開発に当たり，火災シミュレーションソフトウェア
PyroSim を活用し，実際の炎と煙の流動，熱変化，圧力や温度変化を解析し，より火災現場に近い状況を作り出すことができた（図 1）．

30用することにより低価格を実現した．
現在，各都道府県の消防署及び消防学校を中心に，主要商品として営業展開している．
主要目
装置サイズ：幅 7 ×長さ 15 ×高さ 6…m装置装備品：訓練装置本体，排煙処理装置，
装置重量

装置制御盤
：12…t
（三井造船プラントエンジニアリング株式会社）〔問い合わせ先〕
プロジェクト部 ENソリューション室
TEL…043−351−9137 大古 宏治

三井造船技報 No. 208（2013-2）

プレスリリース
2012 年 11 月 13 日

http：//www.mes.co.jp/press/2012/20121113.html

ディーゼルエンジンの累計生産，8 000 万馬力を達成−三井 -MAN B&W ディーゼルエンジン−
三井造船株式会社は，このほど単一機種によるディーゼルエンジンの累計生産 8 000 万馬力を達成しました．
玉野事業所（岡山県玉野市）にて製造した常石造船株式会社（社長：川本 隆夫 氏）向け三井 -MAN B&W ディーゼルエンジン「7S65ME-C」
をもって達成．本エンジンは，常石造船株式会社が建造中の 18 万重量トン型ばら積み貨物運搬船（船主：株式会社商船三井）に搭載されます．
また，本エンジンは，当社製造の電子制御ディーゼル機関（ME 機関）の累計 50 台目となります．
当社のディーゼルエンジン生産量は，2010 年 6 月に累計生産 7 000 万馬力を達成してからわずか 2 年 5 ヶ月で 1 000 万馬力を上乗せし，1928
年の 1 号機製作からの累計生産 8 000 万馬力を達成しました．また，2012 年度の生産量は約 400 万馬力の生産を予定
しています．
三井造船は，1926 年にデンマーク・B&W 社（現：MAN Diesel & Turbo 社）とディーゼルエンジンに関する技術提携を結んで以来，世界のトップメーカーとして生産実績を積み重ねています． また，今年度は，玉野事業所内に設置された世界最大級のテスト用ディーゼルエンジン（4S50ME-T）を用いて，世界初のビルトイン方式による排ガス再循環システム（Exhaust Gas Recirculation：EGR）により NOx（窒素酸化物）排出 3 次規制に対応できることを確認しております．さらに，2013 年春に実施予定の電子制御式ガスインジェクションディーゼルエンジン（以下 ME-GI）のデモ運転に連動して，ME-GI の工場運転設備の整備を行うなど，次世代エンジンへの対応及び，環境対策技術開発を本格化させております．
［担当］  機械・システム事業本部 ディーゼル営業部 咲本 裕介，丹［問い合わせ先］  広報室 乾（いぬい）
電話：03−3544−3147

誠二

三

三井造船技報編集委員会

電井

話：03−3544−3475

造

船

技

報

委員長

中

谷

龍

男

第 208 号

委

木

澤

厚

夫

神

永

肇

2013 年（平成 25 年）2 月 28 日発行（年 3 回発行）

倉

山

潔

速

水

礼

発行人

入

幸之介

発行所

三井造船株式会社

員

奥
宍

倉

進

鎌

田

勤

也

佐

野

健

一

兼

本

浩

万一，落丁・乱丁がありました節は，お取り替えします．

三井造船技報 No. 208（2013-2）

江泰雄
技術開発本部〒104−8439  東京都中央区築地 5 丁目 6 番 4 号
TEL  03−3544−3266
印

刷株式会社  三造ビジネスクリエイティブ〒261−7128  千葉県千葉市美浜区中瀬 2−6−1（非売品，無断転載を禁ず）

31

三

井

造

船

株

式

会

社

http：//www.mes.co.jp/
TEL 03 3544 3147

幕張センター〒 261 7128

千葉県千葉市美浜区中瀬 2 丁目 6 番 1

TEL 043 351 8000

北海道支社

〒 060 0807

札幌市北区北七条西 4 丁目 5 番地 1（伊藤 110 ビル）

TEL 011 736 0036

東 北 支 社

〒 980 0811

仙台市青葉区一番町 2 丁目 7 番 17 号（朝日生命仙台一番町ビル） TEL 022 262 3481

中 部 支 社〒 450 0003

名古屋市中村区名駅南 1 丁目 24 番 30 号（名古屋三井ビル）

TEL 052 582 0145

関 西 支 社〒 550 0004

大阪市西区靱本町 1 丁目 11 番 7 号（信濃橋三井ビル）

TEL 06 6447 2001

中 国 支 社

〒 730 0051

広島市中区大手町 2 丁目 7 番 10 号（広島三井ビル）

TEL 082 248 0311

呉 営 業 所

〒 737 0045

広島県呉市本通 3 丁目 5 番 18 号（メゾンロイヤル）TEL 0823 25 7837

九 州 支 社

〒 812 0011

福岡市博多区博多駅前 1 丁目 1 番 1 号（博多新三井ビル）

TEL 092 411 8111

東九州支店

〒 870 0027

大分県大分市末広町 1 丁目 1 番 18 号（ニッセイ大分駅前ビル）

TEL 097 537 9260

沖 縄 支 店

〒 900 0033

沖縄県那覇市久米 2 丁目 4 番 16 号（三井生命那覇ビル）

TEL 098 869 3135

玉野事業所

〒 706 8651

岡山県玉野市玉 3 丁目 1 番 1 号

TEL 0863 23 2010

千葉事業所

〒 290 8531

千葉県市原市八幡海岸通 1 番地

TEL 0436 41 1112

大分事業所

〒 870 0395

大分県大分市日吉原 3 番地

TEL 097 593 3111

玉野技術開発センター〒 706 0014

岡山県玉野市玉原 3 丁目 16 番 1 号

TEL 0863 23 3001

千葉技術開発センター〒 290 8531

千葉県市原市八幡海岸通 1 番地

TEL 0436 41 1110

基盤技術センター〒 706 0014

岡山県玉野市玉原 3 丁目 16 番 1 号

TEL 0863 23 3101

昭島研究センター〒 196 0012

東京都昭島市つつじが丘 1 丁目 1 番 50 号

TEL 042 545 3111

つくば研究センター〒 104 8439

東京都中央区築地 5 丁目 6 番 4 号

TEL 03 3544 3266

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東京都中央区築地 5 丁目 6 番 4 号｜〒 104 8439
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社

本

海外事務所

シンガポール，北京，ジャカルタ，ハノイ，クアラルンプール

海外現地法人三井造船ヨーロッパ株式会社（ロンドン）

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技術開発本部

三井造船（U.S.A.）株式会社
三井造船（上海）商貿有限公司

32

三井造船技報 No. 208（2013-2）

三井造船技報 第 208 号の発行に当たって「三井造船技報」をご高覧いただき，ありがとうございます．
本誌は，当社が平素ご指導いただいている方々へ，最近の当社の新製品や，それを支える技術についてご紹介するものです．
本誌の内容につきましては，更に充実を図る所存ですが，忌憚のない御意見を賜りましたら，大変幸甚です．
送付先の貴組織名，ご担当部署，所在地などにつきましては正確を期しておりますが，変更などがございましたら，以下にご記入の上，FAX でお知らせ頂きたくお願い申し上げます．
敬具
キ

リ

ト

リ

線

FAX：0 3 − 3 5 4 4 − 3 1 2 5三井造船株式会社

1.  送

付

先：

技報編集委員会

事務局

三井造船技報送付先の確認と第 208 号へのご意見等について

□従来通り

□変更

□削除 （いずれかに V を付けてください）

		

組織名称

		

担当部署

〒

︱

所 在 地

〒

︱

a ）旧送付先		行（TEL. 03−3544−3266）

旧送付先は，現在の宛先ラベルのコピーをここに貼付して頂いても構いません．

b ）新送付先
キ
リ
ト リ 線

		

所 在 地

		

組織名称

		

担当部署

		

ご担当者

		

TE L N o .

FAX No.

2.  今後の編集に反映させていただくため，下記アンケートにご協力をお願いします．
（ 1 ）本号で興味のあった記事をお知らせください．
（最初のページ No. で可．複数回答可）
技術論文・報告では……

製品・技術ニュースでは ……
その他の記事では……

（ 2 ）その他，ご意見・ご要望あれば，お聞かせください．

四校

主
船舶・艦艇事業本部

要

業

品

目

｜

FAX 03 3544 3031｜｜

TEL 03 3544 3318

営

｜

表2

液化天然ガス （LNG）運搬船，液化石油ガス（LPG）運搬船，原油輸送船，石油精製品運搬船，ばら積貨物船，オープンハッチ型貨物船，鉱石運搬船，石炭運搬船，コンテナ船，自動車運搬船，FSO，FPSO，超高速貨物船，超高速カーフェリー，各種特殊船
修繕船，各種改造船工事，Ｍ＆Ｒエンジニアリング
護衛艦（DD），潜水艦救難母艦（AS），潜水艦救難艦（ASR），音響測定艦（AOS），輸送艦（LST），補給艦（AOE），掃海母艦（MST），海洋
観測艦（AGS），巡視船，練習船，海洋気象観測船，漁業調査船，漁業取締船，海洋調査船，研究調査船，物理探査船，環境整備船，視察船，測量船，交通艇，消防艇，高速旅客船，深海探査ロボット（AUV，ROV），小型水中ロボット，水道管点検ロボット
自動艦位保持装置（DPS），システム操船装置，艦橋情報表示装置（ABS ／ IBS）
，舵減揺装置，船体運動状態表示装置（SMACS），航海情報表示装置，フィンスタビライザー，中折式デッキクレーン，赤外線低減装置，弾薬搭載機材，補機制御表示装置，機関操縦装置，水中放射雑音シ
ミュレータ，防火防水実習場，各種訓練水槽，操船シミュレータ
水中ロボット／水道管点検ロボットを用いた点検サービス
橋梁，ハイブリッド構造物（浮防波堤，浮消波堤，浮桟橋，浮体式係船岸，ケーソン），海洋構造物（シーバース，ケーソン，沈埋函，ジャケット），浮体式海洋設備｜

FAX 03 3544 3055｜｜

TEL 03 3544 3950｜

機械・システム事業本部
舶用ディーゼル機関

往復動圧縮機，バイナリー発電設備，蒸気タービン，炉頂圧回収タービン，軸流・遠心式圧縮機
鍛造前誘導加熱装置（ビレットヒータ，バーヒータ，ピンヒータ 他），鉄鋼・非鉄分野向誘導加熱装置（薄板加熱装置，銅管焼鈍装置，線材加熱装置），高周波電源装置（PWM インバータ，サイリスタインバータ，トランジスタインバータ，ゾーンコントロール用電源）
遠隔操作マニピュレータおよびその周辺機器，センシング機器（地中埋設物・建築物探査レーダ，太陽追尾採光システム，複合材剥離検査器），
レーダ探査サービス，水理実験設備，塔，槽，熱交換器，回転式乾燥機
IT を活用した各種設備・機器のリモートモニタリングサービス・診断サービス・情報サービス，各種設備・機器の包括／一括メンテナンスサー
ビス，各種技術サービス（運転及びメンテナンスにかかわる技術指導・工事指導・工事施工），LSS（ライフサイクルソリューションサービス ：陸・舶用ディーゼルエンジン，ガスタービン，各種ボイラ，プロセス用圧縮機，蒸気タービン発電設備，炉頂圧タービン発電設備，プロセス機
器，誘導加熱装置，各種クレーンの保守，改造用部品・機器の供給，性能改善・改造工事・延命工事などのエンジニアリング・サービスと施工）
SiC ウェハー，CVD-SiC コーティング，SiC 製半導体装置用部品
岸壁用コンテナクレーン，ヤード用コンテナクレーン，舶用ガントリークレーン，ローダー，アンローダー（連続式，グラブバケット式），
ジブクレーン，天井クレーン，コンテナターミナルマネジメントシステム

三井造船昭島研究所は，各種水槽試験や数値シミュレーショ
ン技術などにより船型開発に貢献している．技術論文・報告で紹介する水槽試験は，当社の曳航水槽で行われたものである．
これをベンチマーク問題として，三井造船と九州大学との組織対応型連携研究で開発したコンピュータシミュレーションコード
“RIAM-CMEN” の解析結果を評価した．大型商船の波浪中抵抗増加問題を大規模数値シミュレーションで解析することはこれまで困難であったが，今回の開発により水槽試験結果を再現するために必要な解析条件が明らかになると同時に，コン
ピュータシミュレーションによる数値解析が実用レベルまで到達していることが確認された．

三井造船技報 No. 208（2013-2）

｜

｜

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Cover
New Technology for Developing Ship Hull Forms
in Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.（MES）

装置），エンジニアリング支援システム，フィージビリティースタディ，プラントメンテナンス，SDM 工事

result. At the same time, it has been proved that thenumerical analysis by the computer simulation has reachedto the level of practical use by virtue of this research anddevelopment activity.

塩素化装置，ダイオキシン分解触媒，炭化炉，PCB 処理），ガス処理関連（脱塩，集塵）
水処理関連（産業排水，汚泥），ガス処理関連（排煙脱硫，排煙脱硝，脱臭），廃棄物再資源化システム（焼酎廃液，有機性廃棄物からのメタン
発酵，コンポスト及び乾燥装置），バイオガスプラント（生ごみ・汚泥バイオガスプラント，油温減圧乾燥式食品廃棄物再資源化システム，家畜糞尿再資源化システム）
ガスタービン発電設備，ガスエンジン発電設備，ディーゼルエンジン発電設備，太陽熱発電設備，各種コージェネレーションプラント
海外土木・建築工事全般，特殊構造物，風力発電設備工事，海外橋梁

事業開発本部

TEL 03 3544 3280

FAX 03 3544 3982｜

tank test which we introduce in this technical paper andreport has been carried out in MESʼ s towing tank. The
result of this test was offered as a benchmark test of thecomputer simulation code “RIAM-CMEN” which had beendeveloped by a collaboration research by MES and Kyushu
University. It has thus far been difficult to analyze theadded resistance in waves for the large merchant ships bya large scale numerical simulation. However, research anddevelopment of this time have revealed the condition of thesimulation for reproducing the experimental tank test

三井リサイクリング 21（キルン式ガス化溶融システム），廃棄物処理関連（流動床式焼却炉，粗大ごみ処理施設，リサイクルセンター，加熱脱｜Mitsui Akishima Laboratory has been contributing to thedevelopment of ship hull forms by various kinds of tanktests and numerical simulation techniques. The experimental

酵関連，ファインケミカル，代替エネルギー関連），プラント要素技術（加熱炉，分離炉，分解ガスクェンチャー，高粘度流体脱揮装置，PSA｜

三井造船の新たな船型開発技術

FAX 043 351 8111

プラントのエンジニアリング及び建設工事（石油化学，化学繊維，合成樹脂，石油精製，ガス製造・精製，無機化学，化学肥料，石炭化学，発

｜

表紙説明

TEL 043 351 8000｜

エンジニアリング事業本部

新規事業の発掘・立案・計画・事業化推進，全社の事業開発の統括・推進，社内向け事業開発関連情報の発信，新規事業のフィージビリティス
タディ，新規事業のプロジェクトの推進
天然ガスハイドレートの製造・貯蔵・輸送・ガス化技術の開発，ガスハイドレートの特性を生かした各種事業開発，バイオエタノール事業の開発，次世代リチウムイオン電池正極材事業の開発，太陽熱発電事業の開発，波力発電事業の開発，集光型発電事業の開発
船舶運航支援のポータルサービス
CS（顧客満足）向上活動の推進，全社にかかわる営業戦略の企画・立案・推進，各事業本部の営業支援及び社内横断プロジェクトの推進，新規事業の発掘と事業化推進，国内・海外営業拠点（支社，支店，営業所，海外駐在員事務所）の統括と受注活動の推進
海外プロジェクトの推進（ODA 案件），海外新規案件の発掘及び支援

表4

再校

表1

再校

ISSN 0026-6825

三
井

DIC
114

造
船

平成 25 年 2 月 ■ 第 208 号

技報

MITSUI ZOSEN TECHNICAL REVIEW No. 208 2013
第 二
〇
八
号
平 成 二 十 五 年 二 月

三井造船の新たな船型開発技術