hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
マルチフィジックス統合シミュレーションによる爆発飛散物の影響評価

本研究は,爆発飛散物の発生や変形その飛散を同時に解析するためのマルチフィジックス統合シミュレーションコードの開発を最終目標として行われた.飛散物の変形や破壊現象は粒子法で,爆風や飛散物周りの気流は有限体積法によって解析した.その結果,衝撃荷重を受けて変形する弾性体の動的挙動の粒子法解析コードの開発に成功するとともに,カットセル法を用いて,弾性変形によって移動する物体境界を圧縮性流れの数値解析に反映させる方法を確立した.本研究は,爆発飛散物の発生や変形その飛散を同時に解析するためのマルチフィジックス統合シミュレーションコードの開発を最終目標として行われた.飛散物の変形や破壊現象は粒子法で,爆風や飛散物周りの気流は有限体積法によって解析した.その結果,衝撃荷重を受けて変形する弾性体の動的挙動の粒子法解析コードの開発に成功するとともに,カットセル法を用いて,弾性変形によって移動する物体境界を圧縮性流れの数値解析に反映させる方法を確立した.H22年度は、粒子法による容器・構造物の変形・破砕現象の数値シミュレーションコードの開発を中心に研究を進めた。粒子法は、連続体を仮想粒子の集合体として表現し、粒子間の相互作用を逐次計算しながらその位置と速度の時間変化を追跡するもので、破壊等、大規模な変形を伴う物体の動的挙動を取り扱うことができる。粒子法はこのような利点を有するものの、多くの計算時間がかかることが予想されるため、大規模な並列計算を前提としたコード開発を実施した。特に近年その性能向上が著しいGPU(Graphic Processing Unit)を用いた並列処理は大幅な高速化が期待されるため、GPU並列計算機およびその上でのプログラム開発環境を新たに整備した。その結果、2次元的な物体の変改・破壊現象を粒子法で模擬することに成功した。粒子法による物体の変形・破砕シミュレーションコード開発と並行して、流体中での物体の飛散現象を模擬する数値シミュレーションコード(開発済)の一部の改良に着手した。併せて、本コードを用いて衝撃波との衝突による物体の飛散機構の詳細を調べ、床面との間の距離が物体の飛散軌道に大きな影響を与えることを明らかにした。本成果については、国内内で開催された学術講演会(2件)で報告し、そのうち日本機械学会第48期北陸信越支部総会・講演会における講演に対して支部賞(優秀講演賞)が授与された。さらに、H23年度に開催される国際会議においても本研究の成果を発表する予定であり、現在その準備を進めているところである。また,本研究で開発した流体解析コードを用いて得られた,衝撃波による物体の飛散現象のメカニズムに関する知見を国際会議(第11回アジア可視化シンポジウム(2011年6月6日・新潟県),第28回国際衝撃波シンポジウム(平成23年7月21日・英国)で発表するとともに,粒子法シミュレーションに関する成果を日本機械学会北陸信越支部第49期総会・講演会(平成24年3月10日・石川県)で発表し,当該分野における多くの研究者と議論を重ねた.その結果,物体の運動に及ぼす粘性の影響を改めて吟味する必要があることなど,新たな研究指針を得ることができた.爆発に伴って発生する種々の飛散物は,同時に生じる爆風や放射熱と同様,周囲の人や構造物に大きな被害をもたらす可能性があり,爆発事故の影響評価において極めて重要な因子となる.しかし,その発生機構や飛散特性に対する理解は不十分であり,定量的影響評価に利用できる水準には達していない.本研究では,爆発事故の影響評価の精度向上に資するため,爆発に伴う飛散物の発生・変形(固体力学)とその飛散(流体力学)とを連成解析するためのマルチフィジックス統合数値シミュレーションコードの開発を行うことを目的としている.平成25年度は以下の研究を行った.・粒子法シミュレーションの数値的不安定性に関する研究:衝撃荷重を受けた弾性体の変形シミュレーションにおいて,ある条件下で数値的な振動が発生し,最終的に発散に至る現象が起こった.そのため,まず,より安定な数値積分法を導入したが,その効果は限定的であった.次に,人工粘性を付加することで安定化を図ったところ,数値的振動を取り除くことができ,発散を防ぐことに成功した.・解適合格子法の実装:これまで開発してきた直交格子上における流体シミュレーションコードに解適合格子法を実装し,衝撃波等の不連続面近傍の解像度を改善することに成功した.・流体シミュレーションにおける移動境界の取扱いの検証:流体力を受けて変形する弾性体の境界を流体シミュレーションで取り扱う方法としてカットセル法を導入しているが,その精度を検証するため,1自由度系を対象とした連成シミュレーションを行った.年度内に得られた成果は,第29回宇宙技術と科学に関する国際会議(2013年6月・名古屋国際会議場),第29回国際衝撃波シンポジウム(2013年7月・Univ. of Wisconsin-Madison),日本機械学会北陸信越支部第51期総会・講演会(2014年3月・富山県立大学)において発表した.平成24年度は,容器・構造物の変形・破壊現象の粒子法シミュレーションコードの検証と並列化を中心に研究を進めた.具体的には,既存の実験(衝撃波荷重を受けたゴムの動的変形の可視化実験)との比較を通して,本研究で開発している粒子法シミュレーションコードの検証を行った.その結果,定性的には実験結果を再現することが可能であることが確認されたが,実験条件と全く同一の条件下でのシミュレーションはまだ実現できていないため,今後さらなる研究が必要であることが明らかとなった.

これと並行して,平成22年度に整備したGPU(Graphic Processing Unit)並列計算機上における並列計算の有効性を,多粒子系の運動方程式の時間積分を対象とした単純な問題を用いて検証した.プログラム開発環境はNVIDIA社が提供しているCUDAを用いた.その結果,GPUへのデータ転送速度が全体の計算時間を律速するものの,GPUの有する圧倒的なコア数により60倍を超える高速化が達成できることが実証された.本研究により得られた成果については,第31回数理科学講演会(2012年8月25日・都立産業技術高専),日本機械学会北陸信越支部第50期総会・講演会(2013年3月9日・福井大学),平成24年度衝撃波シンポジウム(2013年3月13日・北九州国際会議場)で発表し,当該分野における多くの研究者と議論を重ねることで,今後の新たな研究指針を得ることができた.流体解析と粒子法による変形・破壊シミュレーションとの連成計算がまだ達成されていないため.25年度が最終年度であるため、記入しない。流体解析と粒子法シミュレーションの連成計算がまだ達成されていないため.上述したように流体解析と粒子法による物体の変形・破壊シミュレーションとの連成計算がまだ達成されていないため,これを早急に実現する必要がある.最大の課題は衝撃荷重を受けた物体の変形のシミュレーションにおいて自由表面近傍に現れた非物理的挙動であり,その要因を突き止め,粒子法モデルの修正を試みる.25年度が最終年度であるため、記入しない。流体解析と粒子法シミュレーションの連成計算がまだ達成されていないため,これを早急に実現できるよう課題を解決していく必要がある.具体的には,粒子による物体形状の表現方法と流体解析への実装方法の確立である.
乳児アレルギーの発症とアレルギーマーチに関わる胎内環境と発症予測マーカーの研究

検体収集不足、臨床のため、研究の進捗に滞りを認めます。検体収集、臨床多忙のため検体収集を進める本研究は、胎児期の環境が出生後乳児期のアレルギー疾患の進展との関連を見ようとするものです。まず研究内容を提示し、妊産婦に説明を行った後に同意書を作成、取得します。のちに出生時に羊水や血清を収集し、保管します。ある程度の検体が収集できた時点で、羊水中のインターロイキン33やthymic stromal lymphopoietin(TSLP)といったアレルギー誘導性のサイトカインの測定を行います。その後、出生後の乳児を1年間程度の観察を行って、アレルギー疾患の進展に影響を及ぼすかを確認するのものでります。最初の1年間で検体を収集し、ある程度のアレルギー誘導性のサイトカインの測定を実施する予定であった。しかし、現在、倫理申請ののち、検体の収集に向けて動いている最中です。実際の研究が進められるところまでの検体収集ができていない状況にあります。したがって、研究段階としては遅れを生じており、現時点で実績が出せる状態にはありません。倫理申請ののち、検体収集、保管に向けて動いているところではありますが、実際の研究が進められるところまでの検体収集ができていない状況にあります。現時点で検体の回収が未達成であり、検体解析は進んでいないのが現状である。検体の収集ができておらず、解析が進んでいない。検体収集、臨床多忙のため研究推進に向けて、より研究内容についてのお知らせや理解が得られるようなデバイスを利用し、まずは検体の収集に努めます。検体の収集に力を入れる検体収集を進める検体収集に動いているが、検体数が確保できず、実際の実験系が動いていないところに理由があります。検体回収が進まず、解析が進んでいないため。検体収集が進まず、使用分に至っていない。検体収集を進め、計画通りの執行に努める。今後も検体確保に向けて進めていきます。
キラル相間移動触媒の新展開

我々はまずまだ研究例の少ない4級アンモニウムフルオリドを用いる新規反応を検討した.すでに我々はテトラブチルアンモニウムフルオリド(TBAF)のキラル版である,シンコニン由来の不斉4級アンモニウムフルオリド(Q^+F^-)の調製を世界に先がけて成功しているが,このQ^+F^-を用いてシリルアセチレンとアルデヒドによるアルドール型反応を検討した.この反応において予想成績体であるプロパルギルアルコールはほとんど生成せず,β置換Morita-Baylis-Hillmanタイプ付加体が高Z体選択的に生成することが判明した.この新規反応は一般性のあることが立証され,反応機構についても考察を加えた.β置換Morita-Baylis-Hillmanタイプ付加体は,通常のMorita-Baylis-Hillman反応では合成困難であり,今後の有機合成反応への応用が期待されよう.更に反応解析から,反応中間体および塩基の重要性を明らかにし,1,3-ジアリル-2-プロピニルトリメチルシリルエーテルと種々のアルデヒドから,Z-β置換Morita-Baylis-Hillmanタイプ付加体の一般的合成法を開発した.また活性中間体であるシロキシアレンの確認を行い,更に高立体選択的なZ-カルコン類の合成法についてもその予備的実験に成功した.更に入手容易なニコチンおよびスパルテインのベンジル4級アンモニウム塩を合成しそれらのX線結晶構造解析を行い,固体状態の立体構造を明らかにした.キラル化合物を効率よく作り出す触媒的不斉合成の研究は,今日隆盛期を迎えているが,その大部分は金属と有機配位子を組み合わせた触媒を用いている.しかし医薬などの大量生産の際,金属によってはそのppmオーダーの残留度が問題となり,その規制は一段と強まる傾向にある.一方相間移動触媒によって代表される有機触媒は,一般に環境調和性,操作性,安全性が秀れており,21世紀型の触媒として期待が持たれる.しかしキラル相間移動触媒を用いる不斉合成は,長くあまり深く検討されてこなかった.この点に着目し,我々は10年以上前よりこの分野に参入し,種々の萌芽的成果を挙げて来た.近時かなりの研究者がこの分野に参入して来たが,我々も従来の研究の更なる発展を期して,新規キラル相間移動触媒の分子設計を行った.従来キラル源としてはキナ塩基がよく用いられているが,更に新規なキラル源として我々は将来の実用化を考慮して,安価で大量に入手可能な他のアルカロイド,テルペン類に着目した.まずニコチン,スパルテインを4級アンモニウム塩とし,それらの結晶構造をX線結晶解析で明らかにした.この両者は共に古くから知られたアルカロイドであるが,その4級塩の結晶構造が解明されたのは,この研究が最初である.しかしこれらの4級塩は,相間移動触媒としては必ずしも効率よい触媒とはいえないことが判明した.そこでキラル源としてカンファーに注目し,それらに由来する4級アンモニウム塩を種々合成し,グリシンイミンの不斉アルキル化を検討した.結果はまだ既存のキラル相間移動触媒に比較して効率よいものとはいえず,更なる検討を行っている.我々はまずまだ研究例の少ない4級アンモニウムフルオリドを用いる新規反応を検討した.すでに我々はテトラブチルアンモニウムフルオリド(TBAF)のキラル版である,シンコニン由来の不斉4級アンモニウムフルオリド(Q^+F^-)の調製を世界に先がけて成功しているが,このQ^+F^-を用いてシリルアセチレンとアルデヒドによるアルドール型反応を検討した.この反応において予想成績体であるプロパルギルアルコールはほとんど生成せず,β置換Morita-Baylis-Hillmanタイプ付加体が高Z体選択的に生成することが判明した.この新規反応は一般性のあることが立証され,反応機構についても考察を加えた.β置換Morita-Baylis-Hillmanタイプ付加体は,通常のMorita-Baylis-Hillman反応では合成困難であり,今後の有機合成反応への応用が期待されよう.更に反応解析から,反応中間体および塩基の重要性を明らかにし,1,3-ジアリル-2-プロピニルトリメチルシリルエーテルと種々のアルデヒドから,Z-β置換Morita-Baylis-Hillmanタイプ付加体の一般的合成法を開発した.また活性中間体であるシロキシアレンの確認を行い,更に高立体選択的なZ-カルコン類の合成法についてもその予備的実験に成功した.更に入手容易なニコチンおよびスパルテインのベンジル4級アンモニウム塩を合成しそれらのX線結晶構造解析を行い,固体状態の立体構造を明らかにした.
直交周波数分割多重方式を用いた高速無線アクセス通信におけるスマートアンテナ技術

本研究は,ディジタルビームフォーマ(DBF)を基盤構成とした,次世代の直交周波数多重分割(OFDM)方式高速無線アクセス通信における高機能・高性能アンテナシステムについて研究開発するものである.平成13年度から2年間にわたり,OFDM伝送方式において周波数選択性フェージングの克服と干渉の除去を行うアダプティブアレーまたはスマートアンテナを提案し,その特性解析を行った.具体的な成果を以下に示す.1.マルチキャリア既知包絡線アルゴリズム(MC-KMA : Multi-Carrier Known Modulus Algorithm)を用いたアダプティブアレーについて検討した.MC-KMAは,マルチキャリア信号からなる周波数データを利用するもので,所望波を含むOFDM信号のガードインターバル以内の到来波すべてを受信し,その他の波を抑圧するアルゴリズムである.ガードインターバル以内の波をすべて受信することによって,所望波の受信電力が上がるため,受信特性の向上が確認できた.2.OFDM伝送における適応等化技術について,再帰型ESPRITを用いた適応等化方式を提案し,その特性を計算機シミュレーションにより検討した.これより,静的環境下,レーリーフラットフェージング環境下において,ほぼ理想状態に近い特性を得ることができ,本方式の有効性を確認することができた.3.ガードインターバルを越える遅延波などの不要波が到来した場合,OFDMの直交性が漏れることに着目し,データを伝送しないサブキャリアを挿入する最適化方式を提案した.不要波が到来した場合,このサブキャリアに何らかの信号が表れる.このサブキャリアに対して拘束付電力最小化を施すことでアダプティブアレーの最適化を行った.このアルゴリズムをそのシステム構成より,共通ウエイト制御,独立ウエイト制御の二つに分類し,それらの特性を比較検討し,今後の発展につながる重要な知見を得た.4.サブキャリア単位でMMSE(最小2乗法)アダプティブアレーを動作させる場合において,パイロット信号(参照信号)が全てのサブキャリアに挿入されていない場合でも,各サブキャリアでMMSEアダプティブアレーを動乍させる方式を提案した.これは信号処理による内挿を用いることで実現できる.計算機シミュレーションの結果,全てのサブキャリアにパイロット信号が配置されている場合とほぼ同等な特性を示すことが分かった.本研究は,ディジタルビームフォーマ(DBF)を基盤構成とした,次世代の直交周波数多重分割(OFDM)方式高速無線アクセス通信における高機能・高性能アンテナシステムについて研究開発するものである.平成13年度から2年間にわたり,OFDM伝送方式において周波数選択性フェージングの克服と干渉の除去を行うアダプティブアレーまたはスマートアンテナを提案し,その特性解析を行った.具体的な成果を以下に示す.1.マルチキャリア既知包絡線アルゴリズム(MC-KMA : Multi-Carrier Known Modulus Algorithm)を用いたアダプティブアレーについて検討した.MC-KMAは,マルチキャリア信号からなる周波数データを利用するもので,所望波を含むOFDM信号のガードインターバル以内の到来波すべてを受信し,その他の波を抑圧するアルゴリズムである.ガードインターバル以内の波をすべて受信することによって,所望波の受信電力が上がるため,受信特性の向上が確認できた.2.OFDM伝送における適応等化技術について,再帰型ESPRITを用いた適応等化方式を提案し,その特性を計算機シミュレーションにより検討した.これより,静的環境下,レーリーフラットフェージング環境下において,ほぼ理想状態に近い特性を得ることができ,本方式の有効性を確認することができた.3.ガードインターバルを越える遅延波などの不要波が到来した場合,OFDMの直交性が漏れることに着目し,データを伝送しないサブキャリアを挿入する最適化方式を提案した.不要波が到来した場合,このサブキャリアに何らかの信号が表れる.このサブキャリアに対して拘束付電力最小化を施すことでアダプティブアレーの最適化を行った.このアルゴリズムをそのシステム構成より,共通ウエイト制御,独立ウエイト制御の二つに分類し,それらの特性を比較検討し,今後の発展につながる重要な知見を得た.4.サブキャリア単位でMMSE(最小2乗法)アダプティブアレーを動作させる場合において,パイロット信号(参照信号)が全てのサブキャリアに挿入されていない場合でも,各サブキャリアでMMSEアダプティブアレーを動乍させる方式を提案した.これは信号処理による内挿を用いることで実現できる.計算機シミュレーションの結果,全てのサブキャリアにパイロット信号が配置されている場合とほぼ同等な特性を示すことが分かった.本研究は,ディジタルビームフォーマ(DBF)を基盤構成とした,次世代の直交周波数多重分割(OFDM)方式高速無線アクセス通信における高機能・高性能アンテナシステムについて研究開発するものである.本年度は,OFDM伝送方式において周波数選択性フェージングの克服と干渉の除去を行うアダプティブアレーまたはスマートアンテナを提案し,その特性解析を行った.具体的な成果を以下に示す.1.参照信号切替方式LS-CMA(Least Squares Constant Modulus Algorithm)アダプティブアレーについて検討した.これはOFDM信号の周波数データを利用し,最小2乗法(MMSE)と定包絡線化アルゴリズム(CMA)とを切り替えることで,所望波1波を受信し,その他の波を抑圧するアルゴリズムである.これによって,MMSEの信号の誤捕捉を起こさず,収束が速いという利点と,CMAのブラインド処理が可能であるという制御上の利点を併せ持つことになる.また,演算量が比較的少ないので,移動体通信に向いていると言える.

2.次に,マルチキャリア既知包絡線アルゴリズム(MC-KMA:Multi-Carrier Known Modulus Algorithm)を用いたアダプティブアレーについて検討した.MC-KMAは,マルチキャリア信号からなる周波数データを利用するもので,所望波を含むOFDM信号のガードインターバル以内の到来波すべてを受信し,その他の波を抑圧するアルゴリズムである.ガードインターバル以内の波をすべて受信することによって,所望波の受信電力が上がるため,受信特性の向上が確認できた.3.最後に,合成参照信号MMSEアダプティブアレーについて検討を行った.これは,上記二つの方式とは異なり,OFDM信号の時系列データを利用する.まず,所望波を含むガードインターバル以内の到来信号の遅延時間と振幅を推定し,それらを合成して参照信号をつくる.そして,この合成参照信号を用いたMMSE規範に基づいてシステムを動作させると,結果的にそれらの波をすべて受信し,その他の波(不要波)を抑圧する.参照信号の完成度が高ければもっとも効率的なアルゴリズムであることが示された.本研究は,ディジタルビームフォーマ(DBF)を基盤構成とした,次世代の直交周波数多重分割(OFDM)方式高速無線アクセス通信における高機能・高性能アンテナシステムについて研究開発するものである.本年度は,昨年度に引き続きOFDM伝送方式において周波数選択性フェージングの克服と干渉の除去を行うアダプティブアレーまたはスマートアンテナを提案し,その特性解析を行った.具体的な成果を以下に示す.1.0FDM伝送における適応等化技術について,再帰型ESPRITを用いた適応等化方式を提案し,その特性を計算機シミュレーションにより検討した.これより,静的環境下,レーリーフラットフェージング環境下において,ほぼ理想状態に近い特性を得ることができ,本方式の有効性を確認することができた.2.ガードインターバルを越える遅延波などの不要波が到来した場合,OFDMの直交性が崩れることに着目し,データを伝送しないサブキャリアを挿入する最適化方式を提案した,不要波が到来した場合,このサブキャリアに何らかの信号が表れる.このサブキャリアに対して拘束付電力最小化を施すことでアダプティブアレーの最適化を行った.このアルゴリズムをそのシステム構成より,共通ウエイト制御,独立ウエイト制御の二つに分類し,それらの特性を比較検討し,今後の発展につながる重要な知見を得た.
立山弥陀ヶ原湿原の土壌形成に対する黄砂の寄与とアジアの砂漠化の推移

立山弥陀ヶ原湿原で採取した泥炭試料(長さ600mm)中の無機粒子の粒径別個数濃度を長さ2.5mm毎に計測した結果、直径20μm以下の粒子数が全粒子数の99%以上あり、泥炭中の無機粒子は黄砂と考えられた。放射性炭素による年代測定結果とアカホヤ火山灰の位置から作成した深さと堆積年代との回帰式から、試料最下層の形成は11000年前とわかった。泥炭の形成年に対する黄砂の沈着量のグラフでは、黄砂の沈着量は寒冷期に多く、温暖期に少ないことが分かり、日本海の海底堆積物で報告された結果と一致した。また、花粉分析から推定した気温変化は黄砂の沈着量変化とほぼ一致し、寒冷期には立山でも気温が低下したことが分かった。現在の立山の黄砂の動態観測:これまでの観測と同様、降水中の懸濁粒子濃度がある特定の標高で高まり、時には、他の観測点の2倍以上にも増加する現象が見られた。このような場所では、富山市の市街地よりも懸濁粒子の濃度が高くなる場合も観測された。また、霧水は同じ観測点で採取した降水と比べて粒子の個数濃度が1桁程度高くなる事が分かった。さらに、植物群落の表面を模した代理表面観測では降水採取器による試料と比べて粒子の濃度が0.8(一試料のみ)1.9倍程度高くなり、植物が霧水やエーロゾルを捕捉することで、より多くの粒子状物質を沈着させることが分かった。降水中に存在する粒子の内、550°Cで1時間加熱後も残留する強熱残渣粒子を単純に黄砂粒子と考えていた。しかし、550°C加熱で消失する炭素系の黒色粒子(煤)の濃度と強熱残渣粒子濃度との対比から、降水中に懸濁する粒子には、石油燃焼起源と考えられる粒子、石炭燃焼起源と考えられる粒子、黄砂と考えられる粒子の少なくとも3種類が存在することが分かった。泥炭試料の解析準備:立山弥陀ヶ原湿原で採取した泥炭試料(環境省、森林管理署許可済み)の長さは60cmで、深さ51cmの所にアカホヤ火山灰層(7300年前(湖沼堆積物による計測))を確認した。この泥炭の11カ所について炭素14による年代測定を行い、最下層付近は8260年前であることがわかった。年代測定で得られた興味深い結果として、アカホヤ火山灰層を7300年前とした場合、その後2500年程度は泥炭の堆積速度が非常に遅く、1000年分程度の泥炭が残っていない可能性もある。弥陀ヶ原湿原のアカホヤ火山灰の堆積年代は炭素14による年代測定で6500年前と報告されており、湖沼堆積物から計測した値と比べて1000年ほどのずれが出るが、この火山灰層の直上と直下の堆積年代を測定することで、ずれの原因が分かりそうである。1.立山有料道路沿いの標高650m2450mの間の10カ所に設置したバルクサンプラーによって降水を採取し、標高1800m地点では人工芝を使用した代理表面サンプラーを併設して降水を採取し、標高およびサンプラーの種類による懸濁物の沈着量の違いを観測した。2012年の観測では1420m、1930m、2305mの観測点で懸濁物の降水中濃度、沈着量が他の観測点よりも多くなり、上空だけを通過する黄砂の存在を確認すると共に、一部の期間であるが沈着量を計算した。2.液中微粒子計により、降水中に懸濁した粒子の個数濃度を粒径別に計測した。その結果、懸濁する粒子の個数濃度は粒径が大きくなるにつれて低下すること、アジア大陸起源の気団による降水では太平洋起源の気団と比べて粒子個数濃度が時には1桁多くなることがわかった。また、降水中の黄砂に関しては、粒径2μmの粒子よりも3μmの粒子の個数濃度が大きくなる特異な現象が一部で観測された。さらに、強い黄砂の場合、大粒子の個数濃度も増加することが分かった。この観測データが、黄砂の強度や気象状況と粒径別個数濃度との関係を検討するための基礎データとなる。3.標高970mと1930m地点で大気中のエーロゾルの個数濃度を粒径別に計測した。このデータから上空だけを通過する黄砂の粒径別個数濃度に関する情報が得られた。4.過去の黄砂発生源地域の気候変動を解析するための試料として、環境省および富山森林管理署の許可を得て、弥陀ヶ原湿原の標高1870m地点で長さ80cmの土壌柱状試料を採取した。

泥炭層の長さは60cmあり、その下部にはおよそ7000年ほど前に飛来したアカホヤ火山灰を含む層の存在が期待された。この試料を3mm程度の厚さに切り分け、各層別に黄砂の粒径別個数濃度を計測して垂直変化を解析し、いくつかの層について炭素年代測定を行う予定である(平成25年度)。立山弥陀ヶ原湿原で採取した泥炭試料を4分割し、1/4番目で放射性炭素による年代測定を行った。表層から280mm以深では実際よりも新しい年代が示された可能性があり、堆積年が明らなアカホヤ火山灰の上下層の年代測定を行ったところ、アカホヤ火山灰層の堆積年が報告値よりも1600年新しく分析された。そこで、泥炭の深さ280mmまでの測定年とアカホヤ火山灰層の堆積年を利用して泥炭深さー堆積年の回帰式を作成した。この式から最下層は11000年前と推定できた。泥炭試料の2/4番目から直径4mm、長さ2.5mmの計測用連続試料を作成し、無機粒子重量を計測して深さー堆積年代の関係と照合し、各試料毎に1平方メートル・1年間当たりに堆積した粒子重量を計算した。また、各試料の粒径別個数濃度を計測した結果、ほとんどの試料で粒径10μm以下の粒子個数が全粒子数の95%以上となり、粒径分布パターンも互いに似ており、泥炭中の無機粒子は黄砂が起源ではないかと考えられた。そこで、各試料の中心位置の堆積年と1平方メートル・1年間当たりの無機粒子量を対比させると、11000年前の最終氷期に多く、温暖だった縄文海進期に少なく、4500年ほど前の寒冷期には多くなり、日本の黄砂沈着の特徴である温暖期に少なく寒冷期に多いという現象と合致していた。また、19世紀後半にも粒子堆積量が増加し、この頃も寒冷化したとの報告にも合致していた。さらに、泥炭試料の3/4番目を使用して花粉分析を行い、モダンアナログ法で過去の気温変化を検討した結果、寒冷期に立山でも気温が低下した可能性や19世紀後半も気温が低下した可能性があることが分かった。降水・霧水、草地表面を模した代理表面降水観測を継続して行い、降水観測では特定の標高で粒子の懸濁濃度が高まる事例が2014年にも観測された。霧水中の粒子数は降水の10倍程度も存在することが分かった。環境科学降水観測と降水中の懸濁物濃度、懸濁物の粒径別個数濃度の計測については、計測方法も確立し、予定どおり行うことが出来た。また、霧水観測やエーロゾル観測も予定どおり行うことが出来た。立山弥陀ヶ原湿原から採取した泥炭の年代測定については、一部確認したい試料があるが、予定どおり完了し、今後の解析に十分使用できる試料であることを確認した。この泥炭に占める土壌粒子の重量比や土壌粒子の粒径別個数濃度の計測は4月中旬から開始する。この計測作業は、平成26年度から新たに追加する共同研究者が行う花粉分析や微量成分分析と連携を取りながら計測を進める必要があり、あえて、処理を停止していた。この計測は平成26年の夏頃までには完了する予定である。降水や大気の観測、および、土壌試料の採取については予定どおり進行した。進行がやや遅れている原因として、計測用の土壌粒子を懸濁させるために使用する水に含まれる粒子の除去方法の開発に時間がかかった。また、土壌粒子を懸濁させる際には、室内のエーロゾルによるコンタミが無視できない場合があることが分かり、実験室内の簡易クリーンルーム化と実験室内に設置するクリーンベンチの製作に手間取ったことによる。これらの作業はほぼ終了したため、今後は予定どおり進行できるものと考えている。降水観測を例年と同様、立山の10カ所の観測点(標高680m2,450m)で行い、これと合わせて代理表面による観測、霧水観測、大気中のエーロゾル観測を行う。立山弥陀ヶ原湿原で採取した泥炭試料中の土壌粒子の重量、土壌に占める比率、土壌粒子の粒径別個数濃度の計測を夏頃までに完了する。これと平行して、泥炭中の花粉分析と微量元素成分の分析を行う。
アーキアにおける染色体高次構造変化を介した環境応答

アーキア(古細菌)は原核生物でありバクテリア(細菌)と類似した転写因子をもつ一方、真核細胞に近い転写・翻訳機構を持っており、真核生物のひとつの起源と考えられている。アーキアは種によって多様な染色体結合タンパク質を有し、中には真核生物のヒストンに相同なタンパク質を有する種もある。近年、アーキアは、極限環境にのみ存在するのではなく、通常環境においても他の生物と共存していることが示唆されている。中には、ヒトの疾患で検出されるアーキア種もあり、アーキアが周囲の環境とどのように影響しあっているかを理解する必要が高まっている。本研究では、アーキアの多様な染色体タンパク質が、単純な転写因子としてだけではなく、染色体構造の変化などを通じて環境に応答する仕組みの解明を目指している。これまでに、アーキアの複数の種について、新たな染色体タンパク質の探索および機能解析を行うことで、DNA結合たんぱく質Albaが染色体上で直径約10nmのファイバー形成に寄与していること、バクテリアのHUと相同なT.acidophylumの染色体タンパク質HTaが直径約6nmのビーズ構造を形成していることを示した。また解析を更に進めることで、6-および10ナノメートル幅のファイバーの高次構造として、直径約30-40ナノメートルの粒子構造が染色体上に存在することが分かった。これらの結果を論文発表する予定である。さらに、超好熱性アーキアT. kodakarensisの染色体タンパク質として同定していたTrmBL2が、他のアーキアやバクテリアから水平伝搬した遺伝子の発現制御にかかわるなど未知の機能を有する可能性が示唆され、この点について本の章を発表した。研究期間内に、将来の研究にも資することができる、アーキアの遺伝子発現変化を測定する方法を確立する予定である以下の研究項目について進捗があった。(1) T. acidophylumおよびP. calidifontisの染色体タンパク質の機能解析について学会発表を行なった。現在、論文公表の準備中である。具体的には、DNA消化酵素MNaseによる解析と原子間力顕微鏡による解析を組み合わせて、DNA結合タンパク質Albaが染色体上で直径約10nmのファイバー形成に寄与していること、バクテリアのHUと相同なT.acidophylumの染色体タンパク質HTaが直径約6nmのビーズ構造を形成していることを示した。また、より高次構造として、30-40nmの粒子状構造を見出した。(2)超好熱性アーキアT. kodakarensisの染色体タンパク質として同定していたTrmBL2が、他のアーキアやバクテリアから水平伝搬した遺伝子の発現制御にかかわるなど未知の機能を有する可能性が示唆された。この点について、本の章を発表した。主に以下の項目について推進する。(1)T. acidophylumおよびP. calidifontisの染色体基礎構造および高次構造についての論文を、次度中に発表予定である。(2)超好熱性アーキアT. kodakarensisの染色体タンパク質TrmBL2は多くの遺伝子の転写を抑制することが示唆されているが、対象遺伝子のプロモーターに直接結合しているのかは不明であった。in vitro転写システムを用いてこの点を検証する。(3)アーキアは極限環境だけでなく、人体にも生息している。そして、例えば歯周病などの疾患病巣で存在比が高まることが知られている。次年度は、アーキアと歯周病細菌が相互に及ぼす影響を評価する実験系を確立する。(4)超好熱性アーキアT. kodakarensisの熱ショック時における遺伝子発現応答と、その応答におけるTrmBL2の影響を検証する。アーキアは種によって多様な染色体結合たんぱく質を有し、中には真核生物のヒストンに相同なタンパク質を有する種もある。近年、アーキアは、極限環境に独立した存在ではなく、他の生物と共存していることが示唆されている。中には、ヒトの疾患で検出されるものもあり、アーキアが周囲の環境とどのように影響しあっているかを理解する必要が高まっている。本年度は、アーキアの複数の種について、新たな染色体タンパク質の探索および機能解析を行った。研究代表者がこれまでヒストンを有するアーキアのモデルとして超好熱性アーキアT. kodakarensisに対して開発した手法を応用し、T. acidophylumとP. calidifontisといったヒストンを有しないアーキアにおける染色体タンパク質の機能解明をめざした。この中で、DNA消化酵素MNaseによる解析と原子間力顕微鏡による解析を組み合わせ、DNA結合たんぱく質Albaが染色体上で直径約10nmのファイバー形成に寄与していること、バクテリアのHUと相同なT.acidophylumの染色体タンパク質HTaが直径約6nmのビーズ構造を形成していることを示した。DNA消化酵素MNaseによる解析と原子間力顕微鏡による解析を組み合わせ、DNA結合たんぱく質Albaが染色体上で直径約10nmのファイバー形成に寄与していること、バクテリアのHUと相同なT.acidophylumの染色体タンパク質HTaが直径約6nmのビーズ構造を形成していることを示した。

また、すでに得られている研究データを再解析することにより、超好熱性アーキアT. kodakarensisの染色体タンパク質として同定していたTrmBL2が、他のアーキアやバクテリアから水平伝搬した遺伝子の発現制御にかかわるなど未知の機能を有する可能性が示唆された。この点について総説を執筆し発表予定である。アーキア(古細菌)は原核生物でありバクテリア(細菌)と類似した転写因子をもつ一方、真核細胞に近い転写・翻訳機構を持っており、真核生物のひとつの起源と考えられている。アーキアは種によって多様な染色体結合タンパク質を有し、中には真核生物のヒストンに相同なタンパク質を有する種もある。近年、アーキアは、極限環境にのみ存在するのではなく、通常環境においても他の生物と共存していることが示唆されている。中には、ヒトの疾患で検出されるアーキア種もあり、アーキアが周囲の環境とどのように影響しあっているかを理解する必要が高まっている。本研究では、アーキアの多様な染色体タンパク質が、単純な転写因子としてだけではなく、染色体構造の変化などを通じて環境に応答する仕組みの解明を目指している。これまでに、アーキアの複数の種について、新たな染色体タンパク質の探索および機能解析を行うことで、DNA結合たんぱく質Albaが染色体上で直径約10nmのファイバー形成に寄与していること、バクテリアのHUと相同なT.acidophylumの染色体タンパク質HTaが直径約6nmのビーズ構造を形成していることを示した。また解析を更に進めることで、6-および10ナノメートル幅のファイバーの高次構造として、直径約30-40ナノメートルの粒子構造が染色体上に存在することが分かった。これらの結果を論文発表する予定である。さらに、超好熱性アーキアT. kodakarensisの染色体タンパク質として同定していたTrmBL2が、他のアーキアやバクテリアから水平伝搬した遺伝子の発現制御にかかわるなど未知の機能を有する可能性が示唆され、この点について本の章を発表した。研究期間内に、将来の研究にも資することができる、アーキアの遺伝子発現変化を測定する方法を確立する予定である以下の研究項目について進捗があった。(1) T. acidophylumおよびP. calidifontisの染色体タンパク質の機能解析について学会発表を行なった。現在、論文公表の準備中である。具体的には、DNA消化酵素MNaseによる解析と原子間力顕微鏡による解析を組み合わせて、DNA結合タンパク質Albaが染色体上で直径約10nmのファイバー形成に寄与していること、バクテリアのHUと相同なT.acidophylumの染色体タンパク質HTaが直径約6nmのビーズ構造を形成していることを示した。また、より高次構造として、30-40nmの粒子状構造を見出した。(2)超好熱性アーキアT. kodakarensisの染色体タンパク質として同定していたTrmBL2が、他のアーキアやバクテリアから水平伝搬した遺伝子の発現制御にかかわるなど未知の機能を有する可能性が示唆された。この点について、本の章を発表した。主に以下の項目について研究を進める。
熱帯樹木の年輪と形成要因

本研究では、明確な年輪を持たない熱帯樹木の年輪検出手法の確立を目指し、(1)検出の指標とする「道管のサイズ、および密度」の1年間の変化、(2)その変化をもたらす環境要因、そして(3)本手法による年輪検出の精度を明らかにすることが目的である。調査は1年を通して降水量が大きく変化する熱帯モンスーン気候に属するタイのチャチュンサオ県、マレーシアのプルリス州、そして1年中降水量が多い熱帯雨林気候に属するマレーシアのスランゴール州の人工林にて行った。(1)道管形成の定期観察のため形成層へのナイフマーキングを昨年度に引き続き行った。そしてこれまでマーキングを施した部分を全てブロック試料として採取し、道管の測定を行った。その結果、道管のサイズや密度はいずれの地域でも周期的に変化しており、1年で概ね1周期していることが明らかになった。(2)樹木および土壌の水分状態の定期観測を昨年度に引き続き行った。これにより、水分が道管のサイズ・密度を変化させる重要な要因であることを示した。しかし一方で、水分だけではその変化を十分に説明できない場合も見られた。とりわけ熱帯雨林気候下では樹木の水分状態は1年を通してほとんど変化せず、水分以外の要因によって道管のサイズや密度が変化していることが明らかになった。水分以外の要因を明らかにすることは今後の課題である。(3)昨年度採取した円盤試料の道管測定を行った。その結果、本手法による樹齢の推定精度はいずれの地域、樹種においても高いことが明らかになった。以上のことより、本研究で提案した年輪検出手法が、季節熱帯と湿潤熱帯の両地域において有効であることが示された。完璧な年輪検出手法がない現状において、より低コストで簡便な本手法の提案から精度の検証までを行えたことの意義は大きいと考える。本研究では明確な年輪を持たない熱帯樹木の年輪検出法の確立を目指し、検出の指標とする「道管の大きさ」の一年間の変化とその変化をもたらす環境要因を明らかにすること、また本指標の年輪検出精度を明らかにすることが目的である。調査地は1年間に明確な雨季と乾季がある熱帯モンスーン気候に属するクロンタクラオ(タイ)、プルリス(マレーシア)、そして明確な季節性がない熱帯雨林気候に属するスランゴール(マレーシア)に設定しており、3地域で同時に研究を進めている。本年度は6月、9月、12月、3月の計4回フィールド調査を行った。具体的にはまず土壌の水ポテンシャルのモニタリング(30分毎)を開始した。これにより樹木の利用可能な水分が1年間でどう変化しているかが明らかになった。これに加えて樹木の葉の水ポテンシャルを測定したことにより、実際に樹木にどの程度乾燥ストレスがかかっているかがわかり、クロンタクラオでは土壌水ポテンシャルとの間に明確な関連性が見られた。葉の水ポテンシャルは渡航時しか測定できないためデータ数は少ないが、来年度も継続することによりプルリスとスランゴールでも樹木への乾燥ストレスの程度が明らかになると期待される。一方、樹木の成長特性、及び道管の形成を把握するため、樹木の直径成長のモニタリング(2週間毎)と形成層マーキング(3ヶ月毎)を行った。これらは来年度に道管の分析を行い、乾燥ストレスとの関連性を調べる上で非常に重要である。最後に、植栽年数が判明している樹木から幹の円盤を採取した。これは来年度に道管の測定を行うことで本指標の年輪検出精度が明らかになることが期待される。
地域における精神障害者の生活上のニーズを把握する方法の開発

1.電話相談の現状については,相談件数が非常に多く作業所の持つ大きな機能の一つになっている。2.電話を掛けてきた地域は山形市が一番多かったが近辺の地域にも広がっていた。電話による応対は,作業所のテリトリーを広める。3.電話相談をしてきた家族の内訳は妹が一番多かったが,その理由は不明である。4.作業所の月別相談件数については,差がほとんど見られず1年間を通して高いニーズが存在していた。5.通所者からの電話相談件数と内訳においては,定期的に通所している通所者は,日常生活に関する内容が多く,不定期な通所者の相談内容は定期的な者に比べて,困難な問題が多かった。6.家族からの電話相談件数と内訳においては,多い内容が精神疾患そのものに関する相談であり,作業所の指導員が家族のよき相談者になっていた。7.他部門からの電話相談件数では,作業所,病院などが多く,横のつながりが見られた。8.通所者と家族から見た相談の困難度においては,家族の方が困難な問題を相談しており,作業所は家族の重要な相談相手になっていた。9.定期通所者と不定期な通所者における相談の困難度では,不定期な通所者の方が困難な問題を相談していた。以上のことから,この精神障害者小規模作業所に置ける電話相談は,極めて重要な役割を果たしていた。内容は日常生活のこと,人間関係のこと,疾患に関することなど様々であり,地域にいる精神障害者とその家族はこれらの問題を解決したいという生活上のニーズを持っていることが明らかになった。そして電話相談という機能が充実することで,地域にいる精神障害者とその家族の生活を支えることになると思われた。調査票の作成精神障害者小規模作業所(以下作業所)で調査表作成のためのデータ収集を行った。作業所は現在地域で生活している精神障害者にとって,日常的な問題を一番気楽に相談しやすいところと考えられるため,準構造化面接により作業所を利用しているメンバーの生活のニーズに関して聞き取り調査を行った。彼らの目的は体力の維持,規則正しい生活の維持,人間的ふれあいを求めるなどであった。指導員に対しては毎日のようにかかってくる電話相談の内容とその対応のおおよその内容を調査した。その次にそれらのデータをコンピュータに入力し,ニーズのパターン化を検討した。大きくは治療的ニーズ,看護的ニーズ,福祉的ニーズに分類出来ると考えていたが,相談数も多くまた相談内容はざまざまであるため,現在その適切な分類を検討中である。そして調査票の最終版を完成する予定である。調査票の作成ならびに調査の実施電話による援助に関する最終的な調査票を作成した。質問項目はかかってきた日時,かけた人物,かけてきた場所について調査した。相談内容については,メンバー本人からの電話においては,(1)自分自身についての相談(精神疾患,精神薬,日常生活,年金,仕事,学校などに関する相談),(2)家族についての相談(家族内の人間関係,家族の身体的疾患についての相談),(3)作業所についての相談(他のメンバーとの人間関係,作業所への参加不参加,スタッフの在不在などに関する相談);メンバーの家族からの電話においては(1)メンバーについての相談(精神疾患,精神薬,日常生活,年金,仕事,学校などに関する相談)、(2)メンバー以外の家族についての相談(家族内の人間関係,家族の精神疾患に関する相談,家族の身体的疾患についての相談),(3)作業所についての相談(他のメンバーとの人間関係,作業所への参加不参加,スタッフの在不在などに関する相談)である。平成15年1月から12月まで1年間調査を実施する予定である。1月においては通所しているメンバーから99件,通所していないメンバーから28件,メンバーの家族から35件,その他48件合計210件の相談事が寄せられた。

2月においては,それぞれ,50件,31件,38件,31件合計150件の相談事が寄せられた。休みの日をのぞくと1日10件程度の相談が作業所職員に寄せられており,重要な援助の一部となっていることが推察された。【目的】本研究は精神障害者小規模作業所(以下,作業所とする)が受ける電話相談の現状を明らかにし,精神障害者が必要としているケアについて考察する。【研究方法】研究対象は、A市内にある作業所1施設が受けた電話相談である。調査機関は平成15年1月1日から12月31日である。作業所が受けた電話相談内容,電話相談件数,電話相談時間などを記録し,分析を行った。【結果】1.作業所への電話相談の現状2457件の電話相談があり,2982件の相談があった(電話1件あたりの平均相談数は1.2件)。1日の平均電話相談数は7.1±4.5件であり,1件の平均電話相談時間は11.6±11.2分であった。電話相談件数は,通所者から1475件(59.8%),家族から331件(13.4%),その他(住民など)から661件(26.8%)であった。2.通所者からの電話相談の現状定期的に通所している通所者(以下,定期的な通所者とする)からの相談は1142件あり,そのうち「日常生活の報告」が327件(28.6%)と最も多かった。定期的通所者からの電話相談は,不定期に通所している通所者(以下,不定期通所者とする)からの電話相談よりも「身体疾患や身体疾患に関する日常生活の相談」,「日常の報告」,「作業所への参加の有無の連絡」,「作業所の作業内容や行事に関する相談」が多かった。不定期通所者からの相談は763件あり,「精神疾患や精神疾患に起因する日常生活の相談」が221件(29.1%)と最も多かった。不定期通所者からの電話相談は,定期的通所者からの電話相談よりも「精神疾患や精神疾患に関する日常生活の相談」,「家族内における人間関係の相談」,「家族の身体的な疾患に関する相談」,「スタッフの在不在の問い合わせ」が多かった。相談内容は,不定期通所者の相談が定期的通所者の相談よりも困難度が高かった。【考察】1.作業所への電話相談の現状作業所への電話相談が多く,通所者や家族,通所者以外の精神障害者への電話相談へのニーズは高いと考えられる。2.通所者からの電話相談の現状定期的通所者は,自分の生活について気軽に相談できる場を求めているため,電話相談のシステムづくりが必要である。不定期通所者は,自分の精神疾患や家族に関する相談が多く,定期的に通所していない理由と関係している。作業所の支援や行政の支援情報を得る機会が少なくなる状況にある。そのため,ホームヘルプサービスや訪問介護など在宅で受けられるケアが必要である。
音波型スターリングエンジン：スターリングエンジンの新展開

機械式スターリングエンジンを発展させるために,往復動する固体ピストンの役割を気柱振動および液柱振動で置き換えることを試みた.気柱の不安定振動を利用したループ管型熱音響エンジンはすでにピストン不要のスターリングエンジンとして提案されていたが,本研究では同軸二重管型を新たに提案した.また,ループ管の一部をU字型の液柱で置き換えた装置も開発した.この装置では気柱のみを用いる場合に比べて,著しく低い振動数が実現できる利点がある.温度勾配のある細管流路内において,進行波音波はその周期的な圧力変動と流速変動を通じて,スターリングサイクルと呼ばれる熱力学的サイクルを実行し,音響パワーを出力する.このような現象を利用した音波型スターリングエンジンは,ループ状の配管に細管流路(蓄熱器と呼ぶ)を挿入することで実現できることが分かっている.ループ状の配管の役割は蓄熱器を通過する進行波音波を生成可能にすることにある.本研究では同軸二重管構造を利用して同様の条件を実現し,装置のコンパクト化や装置デザインの多様化を可能にすることを試みた.昨年度までの研究で,内径が40 mmと21 mmの中空パイプを使って中心軸を共有する同軸二重管に円環状の蓄熱器(穴空き金属メッシュを積層して構成した)を内蔵した管内では,内管を通過して円環領域へと流れ込む進行波音波を確認したので,この蓄熱器に温度勾配を与え同軸二重管型装置の音波型スターリングエンジンとして機能を検証した.二重管部分に共鳴器を接続した装置では,蓄熱器に250度C程度の温度差を与えれば熱音響自励振動が発生することを確認した.共鳴管を通じて音響パワーが取り出せることを意味しているので,ループ形状に変わる音波型スターリングエンジンが実証できたと言える.自励発振温度の理解を深めるために,一次元化した計算モデルを構築し実験と比較したところ,蓄熱器の二重管における軸方向位置が支配因子であることが分かった.気体がスターリングサイクルと呼ばれる熱力学的サイクルを実現する音波型スターリングエンジンの開発が本研究の目標である.スターリングサイクルの実現には,圧力振動と流速振動が同相となる気柱振動モード(進行波音波モード)が必要だが,これまではループ状の配管構成のみで,この気柱振動モードが実現していた.本研究では,ループ管の代わりに同軸二重管構造を採用して音波型スターリングエンジンの可能性をすでに検証し,内管を軸方向に通り抜けた後,内管と外管の間に形成される円環を通って音波が周回するような進行波音波モードを実現可能なことを明らかにしている.本年は,進行波音波モードを実現する別の方法として,3つのU字型の液柱振動系を比較的短い気柱管でループ状に結合した系を作成した.この系の固有振動数は液柱の固有振動数に比較的近く,気柱管の固有振動数に比べると同じ長さの系であっても10分の1程度に低く,音波伝播に伴うエネルギー散逸は著しく小さくなると期待される.液体ピストンをもつこのタイプのエンジンにおいて,液柱と気柱の長さを工夫することで,温度差100度程度で自励振動が開始することを明らかにした.レーザードップラー流速計による流速測定と小型圧力トランスデューサーによる圧力測定を実施したところ,二つの振動量はほぼ同位相で振動しており,このエンジンもまたスターリングエンジンの一種であることがわかった.これで,従来型の固体ピストンをもつ機械式スターリングエンジンと,気体ピストンをもつ音波型スターリングエンジンに加えて,液柱式スターリングエンジンがそろったことになる.機械式スターリングエンジンを発展させるために,往復動する固体ピストンの役割を気柱振動および液柱振動で置き換えることを試みた.気柱の不安定振動を利用したループ管型熱音響エンジンはすでにピストン不要のスターリングエンジンとして提案されていたが,本研究では同軸二重管型を新たに提案した.また,ループ管の一部をU字型の液柱で置き換えた装置も開発した.この装置では気柱のみを用いる場合に比べて,著しく低い振動数が実現できる利点がある.気体がスターリングサイクルと呼ばれる熱力学的サイクルを実現する音波型スターリングエンジンの開発が本研究の目標である.スターリングサイクルの実現には,等温的熱力学的プロセスを実現可能な狭い流路をもつ多孔質(蓄熱器)内で圧力と流速が同位相の流体振動を実現することにある.ピストンやディスプレーサーなどの固体部品を使ってこの条件を達成するのがスターリングエンジンやスターリングクーラーである.固体部品の代わりに気柱音波を使う一つの方法がループ状の管を使用することである.本研究では同軸二重管構造を利用して同様の条件を実現することを試みた.内径が40 mmと21 mmのアクリルパイプを使って中心軸を共有する同軸二重管を作成し,その一端を固体平板で閉じ,また他端を音響ドライバーに接続した.内部は大気圧空気である.内管と外管で挟まれた円環領域においては,気体と管壁の粘性相互作用により,軸方向速度振動には動径分布が生じる.まず始めに層流の条件の下で速度振動の動径分布を表す解析解を理論的に求めた.さらに,円環領域において軸方向速度分布をレーザードップラー流速計で測定し,理論解と一致することを確認した.次にワイヤーメッシュを20 mmだけ積層して二重管の一部分に挿入し,装置内部の圧力と速度の同時計測を行った.音響ドライバーで発生する音波周波数がある特性値のとき,蓄熱器における圧力と速度の位相差は90度に近いが,これより低い場合には,同位相に近づくことが分かった.この結果は同軸二重管型装置がスターリングエンジンとして機能しうることを意味している.

新たな形状の音波型スターリングエンジンを提案できた.装置形状の変化に伴って自励振動発生温度差が変化することを実験的に明らかにした.1次元の計算モデルを作成し,実験と定性的な傾向が一致することを確認している.当初の計画通りに進展している.音波型スターリングエンジンはエネルギー変換に可動部品を使用しないだけでなく,出力仕事の輸送にもギアなどの可動部品を使用しない点にある.そこで複数の同軸二重管型エンジンを配列した装置を提案したい.本年度の結果を踏まえて,高温と低温の熱交換器を使って蓄熱器の軸方向に温度差をつけて,蓄熱器内部で音響パワー生成が実現することを確認する.また,音響ドライバー部分を音響負荷に置き換えて自励振動可能なことを実証する.加えて,二重管内部において測定された音場を1次元の音響モデルで再現することを試み,音波型スターリングエンジン設計の指針を構築する.これにより,簡便な設計方法の構築を試みる.複数の同軸二重間型エンジンの作成と,また予備実験としてより単純な形状の音波エンジンの作成費用にあてる.各種金属メッシュ購入費(20万円),各種アクリルパイプ購入費(10万円),配管フランジ試作および金属ベローズ加工費(25万円),圧力トランスデューサおよび専用アンプ購入費(25万円),ローパスフィルタ購入費(10万円)のほか,成果発表旅費,外国語論文の校閲費を予定している.なお次年度使用額は,今年度の研究を効率的に推進したことに伴い発生した未使用額であり,平成24年度請求額とあわせ,次年度に計画している研究の遂行に使用する予定である.