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室温高圧合成法によるカルコパイライト型化合物の構造と熱電特性の制御

本研究課題は、世の中に多く捨てられている温度域の廃熱を効率的に回収することができるバルク状熱電材料を開発するための研究である。そのため、この温度域の既存材料である鉛テルルより環境負荷の低いカルコパイライト系熱電材料に着目し、独自に提案した圧力により欠陥を導入する手法である「室温高圧処理法」を適用し、熱と電気の輸送特性に与える影響について調べた。本年度は、室温高圧合成の合成条件が構造と熱伝導率に与える影響を解明するために、合成時の圧力をパラメータとして、導入する欠陥の種類と量を調整することを目的とし、(1)放射光回折実験データを用いた結晶構造解析により、欠陥の種類の同定及び欠陥導入に伴う歪の定量化を行い、(2)測定した熱伝導率を、様々な欠陥を考慮した理論モデルに基づき解析することを行った。(1)の結果より、室温高圧合成の圧力を1-12 GPaの範囲で増加させることで、歪量が増大し、試料中に導入される欠陥が調整できることが示唆された。また、カルコパイライト構造に含有される二種類のカチオンの入替りの割合が、圧力とともに増大することが示唆されたため、歪み量の増大はこのカチオンの入替りによる点欠陥に起因するものと予測できた。(2)の結果より、室温高圧合成により作製した試料については、大幅に熱伝導率が低減された。これは、室温高圧合成により形成された点欠陥と積層欠陥によるフォノン散乱の寄与が大きいことが、熱伝導率の理論モデルとの比較によりわかった。また、今回形成されたと考えられる欠陥が圧力により誘起される可能性を第一原理計算により予測した。当初予定していた研究計画である、合成条件と結晶構造及び熱伝導率の関係を明らかにすることができたため。本年度は、室温高圧合成の合成条件が構造と電子状態に与える影響を解明するために、第一原理計算と実験を行った。具体的には、(1)室温高圧合成により形成されると予測される構造を実験結果を基にモデリングした。結晶構造解析からは、カルコパイライト構造のカチオン原子が入れ替わった構造が室温高圧合成により生じている可能性が高いことがわかったことから、カチオンサイトの入れ替わりの度合いと配置が異なる複数の構造をモデリングした。第一原理計算を基にした形成エネルギーを比較することで、どの構造が形成されやすいかを考察した。その結果、室温高圧合成により生じている構造が、圧力誘起構造相転移により生じた高圧相ではなく、圧力という外的なエネルギーを加える事で生じた準安定構造であると解釈した方が、形成エネルギーの結果が上手く説明できることがわかった。(2)また、(1)の構造モデルを基に、電子状態計算を行い、室温高圧合成により試料に与えられると予測される変化について考察した。その結果、構成元素の軌道の位置に変化が生じ、価電子帯と伝導帯の位置が変化し、バンドギャップの減少が生じることが予測された。この結果により、実験的に得られた結果の一部が説明できることがわかった。当初予定していた研究計画である、試料の作製条件と電子状態の関係を明らかにすることができたため。また、本課題の研究成果として、以下の1の賞、本課題の研究からスピンオフした成果として、以下の23の賞を受けた事も大きな成果である。2日本金属学会2016年秋期(第159回)講演大会優秀ポスター賞(2016年9月), "Ge2Sb2Te5準安定相バルク状熱電変換材料の結晶構造及び低温熱電特性の評価",大本達朗,久保田佳基,山田幾也,小菅厚子,日本金属学会2016年秋季(第159回)講演大会.3第13回日本熱電学会(TSJ2016)講演奨励賞(2016年9月), “Ge2Sb2Te5準安定相バルク状熱電変換材料の結晶構造及び低温熱電特性の評価",大本達朗、久保田佳基、山田幾也、小菅厚子、第13回日本熱電学会(TSJ2016).本年度は、以下の2項目について研究を行なった。(1)室温高圧合成により生じたと考えられる、カルコパイライト構造のカチオン原子が入れ替わった構造の電子状態を、上手く模擬できると考えられる計算コードを使った電子状態計算を行なった。その結果、カチオン原子の入れ替わりにより、P型の熱電材料としては望ましいバンド構造を持っていないが、上手く電子ドープができればN型の熱電材料として良好な電気的特性を示すようなバンド構造を持っている事がわかった。また、本年度得られた結果と、これまで得られた実験的結果を様々な側面から突合せ、追加実験等を行い考察を行なった。(2)室温以上でモジュールとして使用した場合に重要となる、カルコパイライト構造化合物の高温安定性について詳細に調べた。具体的には、昇温過程での不純物相の析出や、それに伴い生じる結晶構造の変化、また、ヒートサイクルが熱電特性に与える影響についても確認した。その結果、ヒートサイクルにより電気的特性が明らかに変化することがわかった。次年度は、本年度作製した試料の電気的特性の測定と評価を行う。

さらに、この結果と、本年度明らかにした合成条件と結晶構造データを比較することで、合成条件及び結晶構造が電気的特性に与える影響を調べることを目的とする。より詳細な考察を行うため、本年度解析して得られた結晶構造解析データを使って、電子状態計算を行い、実験的に得られた電気的特性を考察することも予定している。今年度得られた知見を、構成元素の異なるカルコパイライト構造材料や、再度同一のカルコパイライト構造材料にフィードバックし、熱電特性の改善を試みる。またモジュール化に必要な要素技術についても研究を詰める。最終的には1対のプロトタイプモジュールを作製できるような試料の開発を目指す。29年度が最終年度であるため、記入しない。エネルギー材料工学大阪府立大学大学院理学系研究科物理科学専攻小菅研究室大阪府立大学大学院理学系研究科物理科学専攻小菅研究室29年度が最終年度であるため、記入しない。
熱・電気直接変換方式による発電デバイスの開発

(1)O_2ーイオン照射、またはFeとSiOとの反応により推積したFeSi_2アモルファス薄膜は、熱処理で粒径が20100ÅのFeの超微粒子を含むグラニュラ-(granular)構造となり、比較的広い温度領域でS6mV/degの巨大熱起電力をもつ。また、O_2ープラズマ(13.56MHz)中で処理したp,nーFeSi_2セラミックス熱電素子一対で、開放電流Vo0.45V、短絡電流Is20A/cm^2が得られた。これは、これまでの材料の出力の約10倍である。(山口大・工松原)(2)高温・超高圧(1200°C、35GPa)極限条件下で合成したFe_<1ーX>Ru_XSi_2セラミックスは、β相の転移温度領域が高く(1000°C)、高温度で安定な熱電材料として期待できることを明らかにした。(東北大・工島田)(3)ポリ・カルボシラン(PCS)を原料としたCVDにより作製した多孔質SiCセラミックス熱電材料の微細構造、積層欠陥、空孔(void)が熱電材料としての発電特性に及ぼす影響について検討し、これらの構造欠陥を制御して発電性能をアップする条件を明らかにした。(東京大・工河本)(4)AMTECの主要材料であるβ"ーアルミナ焼結体の化学的構造安定性(耐食性)が微量のマグネシア(MgO)の添加で改善できることを明らかにした。この素材を用いてAMTEC発電器を作製し、その基本的な動作実験により優位性を明らかにした。(九州大・工加藤)(5)AMTEC主要材料であるβ、β"ーアルミナ・セラミックスの長寿命化と高性能化を目的として、高純度β、β"ーアルミナ微粒子のプロセッシング、セラミックス粒子の均一性、微細構造制御にポイントをおいて研究し、有益な基礎的知見を得ている。(鹿児島大・工平田)(1)O_2ーイオン照射、またはFeとSiOとの反応により推積したFeSi_2アモルファス薄膜は、熱処理で粒径が20100ÅのFeの超微粒子を含むグラニュラ-(granular)構造となり、比較的広い温度領域でS6mV/degの巨大熱起電力をもつ。(鹿児島大・工平田)
太平洋の表層塩分変動の解明に基づく新たな海洋区系の構築

太平洋亜熱帯域におけるバリアレイヤー(BL)の季節・経年変動および形成メカニズムについて、主にArgoプロファイルデータを用いて研究を行った。BL分布は亜熱帯域中央の海面塩分(SSS)極大の赤道側にあるSSSフロントによく対応し、BLの頻度・厚さは各半球の冬季に極大を持つといった顕著な季節性を示した。また、BLは時空間スケールが共に小さい現象であった。形成メカニズムとして、海面付近の低塩化と亜表層における高塩化を調べた。海面付近の低塩化としては、各半球共に極方向のエクマン流による低塩水の輸送が卓越していたが、BLの季節性を十分に説明することはできなかった。亜表層の高塩化としては、塩分極大水(回帰線水)のコアは等温層よりも深いことから、回帰線水のサブダクションはBL形成に直接寄与していないと考えられる。以上のことから、太平洋亜熱帯域におけるBLは主に、海面付近の極向きエクマン流と亜表層の赤道向き地衡流による水平流速の鉛直シアーによってSSSフロントが傾くtiltingプロセスによって形成されると考えられた。この考えは、SSSフロント内では海面密度の南北勾配に対してSSSの南北勾配の寄与が支配的であること、BLの季節変動が等温層深度のそれとよく対応することからも支持される。経年変動では、北太平洋では冬季に厚いBLが粗く分布するのに対して、南太平洋では密に分布するという異なる傾向が見られた。北太平洋、南太平洋の冬季BL厚の経年変動は等温層深度をコントロールする貿易風の強度を介して、それぞれPacific Decadal Oscillation、El Nino-Southern Oscillationと関連していた。26年度が最終年度であるため、記入しない。南北太平洋の高塩分水(回帰線水)の形成・サブダクション過程を対象に研究を行った。北太平洋回帰線水(NPTW)の形成域である亜熱帯域中央の海面塩分極大域では、その東西で混合層塩分の変動が大きく異なり、東側では季節変動、西側では経年変動がそれぞれ卓越していた。東側の季節変動は蒸発、降水、混合層の下からの低塩分水のエントレインメントという鉛直プロセスによって支配されており、混合層深度の季節変動とよく対応していた。一方で、西側の経年変動は蒸発、降水、Pacific Decadal Oscillationに関連した水平渦拡散によって支配されていた。NPTWはサブダクト後、亜表層塩分極大を形成し、形成域西側の経年変動を反映しながら下流域のフィリピン海へと運ばれていた。南太平洋回帰線水(SPTW)の形成域でもNPTWの場合と同様に、その東西で混合層塩分の変動が異なり、東側では季節変動が卓越し、西側では季節、経年変動の振幅は同程度であった。東側の季節変動は蒸発、混合層の下からの低塩分水のエントレインメントによって支配され、NPTWと同様、混合層深度の季節変動をよく対応していた。一方で、西側では混合層塩分収支が閉じず、その変動メカニズムは明らかにできなかった。SPTWはサブダクト後、亜表層塩分極大を形成するが、赤道域までは達していなかった。また、サブダクト後の経年変動が西経160度付近で変質し、形成域の変動が下流域までは伝わらず、NPTWとは対照的であった。この1年で、NPTWの形成・サブダクト過程だけではなく、SPTWの諸過程についても解析を進めることができ、両者の形成域における変動メカニズム、サブダクト過程を明らかにすることができた。特にNPTWのサブダクションは形成域の経年変動を下流域へと伝える一方で、その伝播がSPTWの場合では見られないという、南北のサブダクトの差を明らかにした。

NPTWの形成・サブダクション過程に関する研究結果は、米国気象学会誌に掲載された(Katsura et al. 2013)。さらに、下記に示すバリアレイヤーの形成メカニズムに関する予備的な解析を行い、シンポジウム等で発表するとともに議論を行った。H26年度は、南北太平洋亜熱帯域におけるバリアレイヤーの形成メカニズムを明らかにすることを目的として研究を進める。バリアレイヤーとは、等温層深度が混合層深度よりも深い場合、両者の間の層のことを指す。バリアレイヤーは主に赤道域に見られるために、これまでの研究は西部熱帯太平洋のバリアレイヤーを対象にしたものがほとんどであった。Sato et al. (2004, 2006)によって、亜熱帯においても海面塩分フロントに伴って冬季にバリアレイヤーが形成されることが報告され、この形成に南北太平洋の回帰線水のサブダクションが重要であると示唆されている。しかし、その詳しい形成メカニズムは分かっていない。これまでの研究で明らかになった、NPTWとSPTWのサブダクション過程を踏まえながら、アルゴデータを用いた解析により、亜熱帯域におけるバリアレイヤーの形成メカニズムを調べる。
ジルコノセン錯体を用いる高選択的拡張π電子系の創出

炭素-炭素二重結合を有するオレフィン類は,有機化学における最も基本的な化合物のひとつである。一置換および二置換オレフィンについては,優れた合成法が数多く開発されているのに対して,三置換および四置換オレフィンについては,位置および立体異性体を含めると6種類の幾何異性体が存在しうるため,そのうちの1種類だけを高選択的に合成する方法の開発は極めて重要である。特に,オレフィン上の置換基がアリール基,アルケニル基,アルキニル基などのπ系置換基を有する一連の多置換オレフィン類は,「最小π電子系炭素-炭素二重結合をコアにもつ興味深い拡張π電子系」とみなせるため,新しい機能性p電子系としても非常に興味深い化合物群であると考えられる。平成18年度は,化学量論量の低原子価のジルコナシクロペンタン錯体に対して,芳香族アルキニルボロン酸エステルを反応させた結果,位置および立体選択的に1-ボラ-2-アリール-1-ブテン類が生成することがわかった。さらに,この生成物に対して,ヨウ化アリールとの鈴木-宮浦交差カップリング反応をおこなうと,1,2-ジアリール-1-ブテン類を高収率で得ることに成功した。また,アルキニルボロン酸エステルの代わりに非対称ジアリールアセチレンで第1の反応をおこない,直接生成する3置換オレフィンについて,アルキニルボロン酸エステルを用いる2段階の反応生成物との選択性の比較をおこなった。非対称ジアリールアセチレンを基質として用いた場合では,ジルコナシクロペンテン形成時に十分な位置選択性が得られず,加水分解生成物は,位置異性体の混合物として得られたのに対し,アルキニルボロン酸エステルを用いる酸化的環化反応/鈴木-宮浦カップリングによる2段階の手法では,三置換オレフィンである1,2-ジアリール-1-ブテンを位置および立体選択的に得るための有用な方法であることがわかった。
IPコア内のトロイ回路を特定するLSI設計技術に関する研究

今年度は「動作中に用いられる内部状態とあまり用いられれない内部状態に分類する手法」について検討を行った.まずは内部状態を「初期状態から到達可能な状態」と「初期状態から到達不可能な状態」の2つの状態に分類する手法について開発を行った.ここで「動作中に用いられる内部状態とあまり用いられれない内部状態」はいずれも,「初期状態から到達可能な状態」である.まずこれらに含まれない「初期状態から到達不可能な状態」の特定を行なった.これらの初期状態から到達不可能な状態をすべて特定するのではなく,到達不可能な一部の状態を特定し,その特定された状態から他の到達不可能な状態を特定する手法の開発を行った.この手法によって,多くの到達不可能な状態を特定できるようになった.しかしながら,研究の進捗の遅れのため,「初期状態から到達不可能な状態」の情報を用いることによる「あまり用いられれない内部状態」を特定するまでには至らなかった.この特定手法の開発は次年度に研究を行う予定である.平成31年度に実施を計画していた「分類した内部状態ごとに二つの設計データが異なる出力を探索する手法」については,今年度は手法の概要に対する検討を行ったのみである.従来の研究していた手法が応用可能かの検討を行った.その検討の結果,以前に研究を行ったトロイ回路の検出系列の生成手法が応用可能ではないかとの見解が得られた.次年度以降実証を行う予定である.到達不能状態の解析用プログラムの開発に時間を要したため,研究の進捗が遅れが生じた.平成30年度の研究の進捗の遅れを取り戻すため,学生アルバイトの雇用の追加を行う.この追加により,計画通りの研究進捗となることを目指す.今年度は「動作中に用いられる内部状態とあまり用いられれない内部状態に分類する手法」について検討を行った.まずは内部状態を「初期状態から到達可能な状態」と「初期状態から到達不可能な状態」の2つの状態に分類する手法について開発を行った.ここで「動作中に用いられる内部状態とあまり用いられれない内部状態」はいずれも,「初期状態から到達可能な状態」である.まずこれらに含まれない「初期状態から到達不可能な状態」の特定を行なった.これらの初期状態から到達不可能な状態をすべて特定するのではなく,到達不可能な一部の状態を特定し,その特定された状態から他の到達不可能な状態を特定する手法の開発を行った.この手法によって,多くの到達不可能な状態を特定できるようになった.しかしながら,研究の進捗の遅れのため,「初期状態から到達不可能な状態」の情報を用いることによる「あまり用いられれない内部状態」を特定するまでには至らなかった.この特定手法の開発は次年度に研究を行う予定である.平成31年度に実施を計画していた「分類した内部状態ごとに二つの設計データが異なる出力を探索する手法」については,今年度は手法の概要に対する検討を行ったのみである.従来の研究していた手法が応用可能かの検討を行った.その検討の結果,以前に研究を行ったトロイ回路の検出系列の生成手法が応用可能ではないかとの見解が得られた.次年度以降実証を行う予定である.到達不能状態の解析用プログラムの開発に時間を要したため,研究の進捗が遅れが生じた.平成30年度の研究の進捗の遅れを取り戻すため,学生アルバイトの雇用の追加を行う.この追加により,計画通りの研究進捗となることを目指す.研究の進捗の遅れのため,予定していた研究発表用の旅費が支出できなかった.次年度はこの遅れを取り戻すため,学生アルバイト用の人件費および発表用の旅費として用いる.
自動評価機能とゲーム展開機能をもつ小学生向け英語シャドーイング練習システムの開発

聞こえてくる音声を即時に口頭再生するシャドーイングは,英語特有の発音やリズム・イントネーションの習得を促し,音声言語処理を高速化させ,即応的なコミュニケーション能力を高められると期待される一方、小学生には難しいと考えられ,小学校では今まであまり行われてこなかった。本研究では、小学生が楽しく取り組めて、英語の実力がつくように,1興味・関心のもてる平易な英文を厳選し,2写真や絵などの視覚情報を同時提示し,3自動評価機能でフィードバックし,4ゲーム展開機能を盛り込んだ、新しいシャドーイング練習・評価システムを開発する。
AIDS患者専門外来の設立

東京医科大学病院眼科にて週1回のHIV感染者専門外来の設立を行った。設立後、患者の全身状態に併せた経過観察を行い、サイトメガロウイルス網膜炎の早期発見に努めた結果、1名の患者のサイトメガロウイルス網膜炎を早期に発見し、存命中の視力を温存できた。診断にはPCR法による眼内液の検索および末梢血中のウイルス抗原発現白血球数の算出により行った。現在、CD4数が50/ulを下回った患者に対して、1月1回のHIV感染者専門外来への受診を指導し、受診時に末梢血中のウイルス抗原発現白血球数の算出を行っている。当研究課題で得た研究費によって購入した、携帯型細隙灯顕微鏡は、全身状態が悪化し、診察室へ移動できない患者の診療に大きく貢献した。
アルミナナノホールアレーに基づく2次元フォトニック結晶の作製と分子励起状態制御

アルミナナノホールアレーにもとつく2次元フォトニック結晶の作製と光励起制御に関して以下の成果を得た.1.2次元フォトニック結晶を高スループットに形成する手法として,ナノインプリントプロセスにもとづくフォトニック結晶作製手法に関して検討を加えた.規則的な細孔配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型とすることで金属モールドの作製を行い,これをフォトポリマーのナノインプリントに適用することで,ポリマー2次元フォトニック結晶を得た.反射光学系を用いた分光特性の測定から,得られた構造はフォトニックバンドギャップを有することが確認された.また,フォトニックバンドギャップの特性は,FDTD法にもとついて計算された結果とも良好な一致を示した.この手法に基づけば,2次元フォトニック結晶を高スループットで形成することが可能になることから,計測系への応用展開をはじめとし,2次元フォトニック結晶の応用分野の拡大に有用であると考えられる.2.2次元フォトニック結晶を形成するアルミナナノホール内に金属を周期的に充填し,3次元規則構造を形成し,新規な光機能空間として利用可能なことを見出した.陽極酸化処理にもとづき規則的なホールアレー構造の形成を行ない,その後,電析法によりAuの充填を行なった.このプロセスを順次繰り返すことにより,アルミナホールアレー内にAu粒子が3次元的に規則配列した構造を得た.形成される趣粒子の間隔は,Au析出後施される再陽極酸化時間により高精度に制御可能なことが確認された.得られた構造は,周期的に配列したAuにもとづく局在プラズモン吸収を示すほか,ラマン散乱強度の増大を示すことも確認され,新たな光電揚増強場として応用可能なことが確認された.光の波長オーダーで屈折率が周期的に変化する構造からなるフォトニック結晶の作製と応用に関して以下の成果を得た.1.規則的な2次元ホールアレー構造を容易に形成可能な陽極酸化ポーラスアルミナにもとづくフォトニック結晶特性に関して検討を加えた.蛍光色素層をアルミナフォトニック結晶に担持させ,短パルス光源により励起を行なうことでアルミナ/色素コンポジット構造からシャープな発光を得た.得られた発光は,閾値特性の検討等から,ポーラスアルミナ/色素コンポジット構造に由来するレーザー発振であると考えられた.これらの検討の中で,フォトニックバンド構造において,伝播光が面方向に回折するモードにおいては,面発光レーザーを構築できることを確認した.発光波長は,フォトニックバンドギャップの結合点に対応し,結合点近傍の光の低群速度が,分子との相互作用を増大させ,低閾値発振をもたらしているものと考えられた.2.2次元フォトニック結晶の界面計測への応用を目的とする光伝播特性の媒質屈折依存に関して検討を加えた.陽極酸化ポーラスアルミナ細孔内にモノマーを充填したのち重合し,その後,アルミナ層を溶解除去することにより規則的な周期構造を有するポリマーピラーアレー構造を得た.得られたピラーアレーは,その構造に由来して波長選択的な反射特性を示すことが観察された.更に,光反射特性は,ピラーアレー内に取り込まれた媒質の屈折率に依存して敏感に変化し,界面の局所屈折率の検出の応用可能なことが示唆された.これらのフォトニックバンドギャップ特性は,FDTD法により得られた計算結果と良好な対応があることも確認された.アルミナナノホールアレーにもとつく2次元フォトニック結晶の作製と光励起制御に関して以下の成果を得た.1.2次元フォトニック結晶を高スループットに形成する手法として,ナノインプリントプロセスにもとづくフォトニック結晶作製手法に関して検討を加えた.規則的な細孔配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型とすることで金属モールドの作製を行い,これをフォトポリマーのナノインプリントに適用することで,ポリマー2次元フォトニック結晶を得た.反射光学系を用いた分光特性の測定から,得られた構造はフォトニックバンドギャップを有することが確認された.また,フォトニックバンドギャップの特性は,FDTD法にもとついて計算された結果とも良好な一致を示した.この手法に基づけば,2次元フォトニック結晶を高スループットで形成することが可能になることから,計測系への応用展開をはじめとし,2次元フォトニック結晶の応用分野の拡大に有用であると考えられる.2.2次元フォトニック結晶を形成するアルミナナノホール内に金属を周期的に充填し,3次元規則構造を形成し,新規な光機能空間として利用可能なことを見出した.陽極酸化処理にもとづき規則的なホールアレー構造の形成を行ない,その後,電析法によりAuの充填を行なった.このプロセスを順次繰り返すことにより,アルミナホールアレー内にAu粒子が3次元的に規則配列した構造を得た.形成される趣粒子の間隔は,Au析出後施される再陽極酸化時間により高精度に制御可能なことが確認された.得られた構造は,周期的に配列したAuにもとづく局在プラズモン吸収を示すほか,ラマン散乱強度の増大を示すことも確認され,新たな光電揚増強場として応用可能なことが確認された.
層状有機超伝導体における量子磁束の層間分断とそのダイナミクス

2次元構造を持つ層状有機超伝導体κ-(BEDT-TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br、κ-(BEDT-TTF)_2Cu(NCS)_2及び酸化物超伝導体Bi_2Sr_2CaCu_2O_8について、2次元面に垂直な直流磁場下での交流磁化率を、用いる交流磁場の方向と周波数を変化させて測定した。その結果、量子磁束のダイナミクスと2次元性にかかわる知見を得ると共に、交流磁化率に対する表皮効果の影響を明らかにした。交流磁場が2次元面に垂直のときの交流磁化率の周波数依存性は、遮蔽電流が2次元面内を流れるため等方的な理論モデルを用いて解析することが出来る。周波数が1kHz以下では量子磁束のピンニングの寄与が支配的であるが、周波数が1MHzを越えると、これに加えて磁束フローや準粒子による表皮効果の影響が無視できなくなる。中間の周波数では周波数が高くなるにつれ、表皮効果の寄与が徐々に大きくなっていくことが示される。本研究において、6桁に及ぶ広い周波数領域での交流磁化率の振舞いが、量子磁束のダイナミクスと表皮効果の寄与の相対的な大きさの変化として、1つの理論的枠組みの中で理解できることが示された。一方、交流磁場が2次元面に平行のときは、系の2次元性が顕著に現れるため交流磁化率の挙動は垂直の場合と大きく異なる。このとき交流磁場を遮蔽する電流は2次元面に垂直な方向にも流れるが、この方向への超伝導電流は、層間の熱ゆらぎによって量子磁束が層間に分断され2次元的なパンケーキ磁束になる領域では抑制される。調べた3つの層状超伝導体について、この磁場配置での交流磁場遮蔽のオンセット温度は用いる周波数への依存性が少なく、量子磁束の層間分断温度に対応する。この温度は2次元性が強い物質ほど低温側にシフトし、熱ゆらぎの増強によってパンケーキ磁束になる温度領域が広がることに対応している。
自然言語で書かれた要求文書の検証に関する研究

本研究では,自然言語で記述されたソフトウェア要求文書に着目し,その正しさを保証する手法を提案する.(ここでの要求文書とは,要求仕様のみならず,ソフトウェアシステムの提案書や要求仕様化に至るまでに作成される要求記述書といった文書も含めている.)次に,提案手法に基づいたシステムを試作する.さらに,一般に公開されている要求文書に適用することによって,手法と試作システムの有効性を評価し,手法の改善と確立を目指す.本研究により,要求定義プロセスの効率化と要求文書の正しさの保証が見込まれる.本研究では,自然言語で記述されたソフトウェア要求文書に着目し,その正しさを保証する手法を提案する.(ここでの要求文書とは,要求仕様のみならず,ソフトウェアシステムの提案書や要求仕様化に至るまでに作成される要求記述書といった文書も含めている.)次に,提案手法に基づいたシステムを試作する.さらに,一般に公開されている要求文書に適用することによって,手法と試作システムの有効性を評価し,手法の改善と確立を目指す.本研究により,要求定義プロセスの効率化と要求文書の正しさの保証が見込まれる.
海面処分場における鋼製遮水壁に関する構造技術・信頼性環境評価手法の高度開発

平成30年度は2本の鋼管がH鋼で予め溶接された建材である「連結鋼管矢板」,ならびに連結鋼管矢板に係わる技術として開発した2つのH鋼および膨潤性止水材を用いた「H-H継手」によって構成される「H-H継手を施した連結鋼管矢板」を用いた鋼製遮水壁を検討・評価対象の一つとして,それらの現場適用性および長期的耐久性を検討した。そこでは,H-H継手を施した連結鋼管矢板に関する室内力学的・水理学的試験に基づく既往の研究成果を発展させ,現場条件を限りなく模擬した遠心場振動遮水性試験を実施し,相似則に基づく長期的な力学的・水理学的挙動を考慮した現場適用性を検討した。同時に,膨潤性止水材で遮水処理したH-H継手を施した連結鋼管矢板の変形場および劣化促進場における長期的な遮水性能(耐久性),且つ物理学的・環境学的安定性(変形追随遮水性,耐震性ならびに耐津波性)を遠心場・重力場遮水性試験より評価した。遠心場振動遮水性試験では,既実施の室内試験等で得られたH-H継手を施した連結鋼管矢板の力学的・水理学的特性が,現場レベル且つ長期的にどの程度まで発揮することができるかの検証を施工法も含めて検討した。また,重力場・遠心場遮水性試験では,H-H継手を施した連結鋼管矢板の鋼製遮水壁としての長期的な遮水・遮蔽性,耐震性,耐津波性,および各々の相関性に関する維持補修技術の提案・確立を目指している。平成30年度においては,本研究課題の当初計画どおりに成果を示すことができた。本研究課題の目標を達成するためには,以下に示すような,平時・地震時を想定した鋼製遮水壁のライフサイクルにわたる信頼性環境評価手法,現場条件を限りなく模擬した遠心場振動遮水性試験による長期的な力学的・水理学的挙動評価に基づく鋼製遮水壁のライフサイクルにおける耐久性評価が残されている。平成29年度は,側面遮水工として鋼製遮水壁を採用した廃棄物処分場のライフサイクルにおける平時・地震時を想定した有害物質の遮水・遮蔽性能(封じ込め性能)に着目し,十分な遮水・遮蔽性能を発揮するために必要な鋼製遮水壁の透水係数と鋼製矢板の設置条件等を総合的に考慮できる信頼性環境評価手法を検討した。ここで,信頼性環境評価では廃棄物保有水中の有害物質のトラベルタイムを指標とする。信頼性環境評価手法の基礎には,浸透・移流分散解析コードである「Dtransu-2D・EL」および「Dtransu-3D・EL」と信頼性工学の確率統計的手法を用い,(i)鋼製遮水壁における継手箇所の3次元的分布に関する適切な構造断面の作成,(ii)想定した遮水・遮蔽性能を鋼製遮水壁ならびに地盤が有する場合における廃棄物保有水の浸出時間と浸出流量の把握,(iii)鋼製遮水壁が何らかの原因によって破損した場合における廃棄物保有水の浸出時間と浸出流量を定量的に求めた。また,多種多様な地盤条件,海象条件および鋼製遮水壁の形状について本評価手法の適用を試み,最終的には個別に計算を行わなくても,鋼製遮水壁からの遮水・遮蔽性能の概略が求められるような図表の作成を検討した。これより,鋼製遮水壁を採用した海面処分場のライフサイクルにおける平時・地震時を想定した遮水・遮蔽性能を定量的に評価することが可能になり,また,本手法を実務に供するため,必要な鋼製遮水の透水性と設置条件等を総合的に考慮した鋼製遮水壁の環境性能概念を確立することができた。平成29年度においては,本研究課題の当初計画どおりに成果を示すことができた。

本研究課題の目標を達成するためには,以下に示すような,平時・地震時を想定した鋼製遮水壁のライフサイクルにわたる信頼性環境評価手法,現場条件を限りなく模擬した遠心場振動遮水性試験による長期的な力学的・水理学的挙動評価に基づく鋼製遮水壁のライフサイクルにおける耐久性評価が残されている。
接地点検出車輪とジャイロセンサを用いる移動ロボットの高精度三次元自己位置推定

車輪型移動ロボットの三次元自己位置推定において,従来から利用されるジャイロセンサに加え,接地点検出車輪を用いて,三次元空間での正確なロボットの運動を求め,その位置を推定する手法について取組んだ.まず,本手法において重要な接地点検出車輪を考案し試作した.また,この車輪とジャイロセンサを備える検証用ロボットを試作した.さらに,FRP製の走行面とモーションキャプチャ装置を用いて,本手法を検証するための実験を行った.本研究の目的は、接地点情報を有効活用し,車輪型移動ロボットにおける高精度な三次元自己位置推定法を開発することである.本手法は,従来から利用されるジャイロセンサに加え,接地点検出車輪を用いて,三次元空間における正確なロボットの運動を求め,その位置を推定する。平成26年度の実績として,次の結果を得た.(1)接地点検出車輪の改良:既にイメージセンサや機械的な探針を用いる2種類の接地点検出車輪を提案したが,シミュレーション結果から,これらの測定値の誤差が推定値へ大きな影響を与えることが分かった.そこで,両者の利点を融合し,探針の先端に小型の赤外線近接センサを取付け,車輪の接地状態へ影響を与えず高い分解能を有する新たな接地点検出車輪を考案した.この新たな接地点検出車輪について,既に製作済みの機械的な探針を用いる車輪の部品を流用し完成させ,良好な結果を得た.(2)試作中のロボットの完成:既にロボットの走行系は製作済みであり,本ロボットを自己位置推定可能なシステムとするため,上述の改良した接地点検出車輪を追加した.さらに,高精度な3軸ジャイロセンサを追加する予定であったが,研究代表者の他機関への異動にともない,異動前の所属機関所有のモーションキャプチャシステムの利用が難しくなった.そこで,簡易型モーションキャプチャシステムを,平成26年度中に購入した.そのため,当初,購入予定であった3軸ジャイロセンサの代替として,安価なセンサを採用し,本ロボットに追加した.本研究の目的は、接地点情報を有効活用し,車輪型移動ロボットにおける高精度な三次元自己位置推定法を開発することである.本手法は,従来から利用されるジャイロセンサに加え,接地点検出車輪を用いて,三次元空間における正確なロボットの運動を求め,その位置を推定する。平成27年度の実績として,次の結果を得た.(1)姿勢情報の取込みソフトウェアの作成:当初に予定していた高精度な3軸ジャイロセンサの購入が困難だったため,これに替え安価なセンサを採用した.本センサの2輪ロボットへの取付けは完了したが,姿勢情報の取込みソフトウェアの作成が平成26年度の課題として残った.そこで,本ソフトウェアの作成を行い,これと接地点検出センサを含め全てのセンサを組合せ,自己位置推定可能なシステムとして,2輪ロボットを完成させた.(2)走行面の製作:自然環境を走行面として利用する方法も考えられるが,天候に左右されず常に同じ環境で実験を行いたいため,平成27年度の課題として,屋内用の人工的な走行面の製作を計画した.研究計画において,スタイロフォームと石膏による製作を予定していたが,試作段階において徐々に石膏がくずれ,正確な走行面を維持するのが難しいことが分かった.そこで,FRP(Fiber-Reinforced Plastics,繊維強化プラスチック)で成形することとした.費用の点から,検証実験に支障のない範囲で,研究計画より小規模な走行面に変更し,製作した.平成27年度の課題として,(1)姿勢情報の取込みソフトウェアの作成,(2)走行面の製作を計画した.(1)について,ソフトウェアの作成を行い,これと接地点検出センサを含め全てのセンサを組合せ,自己位置推定可能なシステムとして,2輪ロボットを完成させた.(2)について,走行面の材質を単なる石膏から,丈夫なFRPへ変更した.費用の点から,研究計画より小規模な走行面となったが,検証実験において支障のない範囲である.以上から,2輪ロボットおよび走行面ともに完成しているため,当初の計画どおり概ね順調に進展していると判断できる.本研究の目的は,接地点情報を有効活用し,車輪型移動ロボットにおける高精度な三次元自己位置推定法を開発することである.本手法は,従来から利用されるジャイロセンサに加え,接地点検出車輪を用いて,三次元空間における正確なロボットの運動を求め,その位置を推定する.研究遂行にあたり,当初計画においては,平成28年度に,モーションキャプチャ装置の機能を応用し,走行面の数値データを測定後,同じ走行面上で2輪ロボットの走行と自己位置推定を行い,自己位置の推定結果と実測結果およびシミューレーション結果を比較する予定であった.しかし,平成27年度の申請者の現在の所属機関である群馬工業高等専門学校への異動のため,モーションキャプチャ装置の使用が不可能となったため,異動前の平成26年度内に前所属機関において,代替簡易測定システムを購入した.平成27年度に,簡易測定システムを用いた実験を行ったが,より高精度な計測の必要なことが分かった.そこで,平成28年度に異動前所属機関の教員の協力を求め,申請時のモーションキャプチャ装置を使用し測定実験を行う予定であった.しかし,他機関に設置された装置であるため,十分な実験期間を設けられず,当初の計画の年度内完了が困難となった.平成28年度の課題として,2輪ロボットの走行と自己位置推定を行い,モーションキャプチャ装置の機能を用いて,自己位置の推定結果と実測結果およびシミューレーション結果を比較する計画であった.しかし,平成27年度の群馬工業高等専門学校への異動のため、平成26年度に、計画遂行に必須なモーションキャプチャ装置の代替簡易装置を購入した。

異動後に、より高精度な計測の必要なことが分かり、平成28年度に前所属機関に申請時の装置の利用協力を求めた。しかし、他機関に設置された装置のため、十分な実験を行えず、計画の完了がやや遅れている.当初の計画では,課題の最終段階として,モーションキャプチャ装置を使用し測定実験を行う予定であった.そこで,平成29年度におけるモーションキャプチャ装置の貸与について,異動前所属機関の教員の協力を得た上で,申請課題の実施期間の延長を行い,引続き実験を行った.まず,製作した走行面において,2輪ロボットの試験走行を行った.曲面上の直進、低速における旋回および操舵角変更時の安定性の確認を行い,製作した曲面上において2輪ロボットが転倒せずに走行可能であるのが確認された.つぎに,走行面の形状を測定するため,曲面上に0.1m間隔で反射マーカを設置し、3Dモーションキャプチャを用いて反射マーカの位置を計測した.地表マップ作成ツールを用いて,上述の計測されたマーカの位置座標データを地形データへ変換し、さらにその地形データを,3次元メッシュ処理システムを用いてSTLデータへ変換し,シミュレータへ取り込んだ.上述の走行面の数値データをもとに,曲面上における走行シミュレーションと実走行の比較を行った.直進走行の比較結果から,一定方向に軌跡がずれるのが分かった.これは,本シミュレータが運動学のみを考慮しており,曲率の大きい面を走行する場合に発生する車輪のスリップを再現できないためと考えられる.また,旋回走行の比較結果から,走行距離の増加にともない,進行方向面において大きな誤差が発生するのが分かった.この主な原因は,2輪ロボットの操舵機構のバックラッシであり,曲率の大きな面において,車輪が横方向の力を受け,操舵角が変化したためと推測される.上述のように,走行実験における問題点が明らかとなり,その対策が必要となった.車輪型移動ロボットの三次元自己位置推定において,従来から利用されるジャイロセンサに加え,接地点検出車輪を用いて,三次元空間での正確なロボットの運動を求め,その位置を推定する手法について取組んだ.まず,本手法において重要な接地点検出車輪を考案し試作した.また,この車輪とジャイロセンサを備える検証用ロボットを試作した.さらに,FRP製の走行面とモーションキャプチャ装置を用いて,本手法を検証するための実験を行った.平成26年度の課題として,(1)接地点検出車輪の改良,(2)試作中のロボットの完成を計画した.(1)について,当初の予定通り,これまで提案している2種類の接地点検出車輪の利点を融合する新たな接地点検
学習者の能動的な生命概念構築を支援する持続可能性に向けた動物園教育のデザイン

教授学習論を踏まえて、学習者の能動的な生命概念構築を支援する、持続可能性に向けた、動物園・水族館における教育プログラムの構築を本研究の目的とする。その方法として、学習者の能動的な学びを支援する「社会構成主義」と、動物園教育が目指す「持続可能性教育」の教授学習論の視点と関連を検証する。カリキュラムデザインの枠組みを作成し、国内外の動物園での教育プログラムの計画、実践、分析等を行う。枠組みの妥当性を検証し、教授学習の視点や方略を精緻化させる。さらに、学習者が構築した生命概念が、学校、家庭、地域、他機関などで関連付けられ、持続可能性に向けた学習活動が地域社会で拡張していく展開を検討する。
ストレス鎮痛の機序-バゾブレシン仮説の検証

1)実験1;仮説:生物検定法による報告ではフットショック(FS)はVP分泌を促進する.ところがラジオイムノアッセイ法での報告ではFSはVP分泌を促進するという.我々の予備的データでは高頻度のFSは血漿VPを上昇させる.これらの報告間の矛盾の原因を明らかにするためFSのバラメーターを変えて解析した.結果:連続的な高頻度(50Hz, 1分間)のFSは血漿VP濃度を刺激強度に依存して一過性に上昇させた.低頻度のFSにはむしろVP分泌に対して抑圧効果があった.従ってFSのVP分泌に対する効果はFSの頻度により異なると結論される.2)実験2;仮説:FSを加えた後に鎮痛が起こる.他方VPを皮下注すると鎮痛が起こると報告されている.上述のように高頻度FSは血漿VPを高値にする.従って血漿VPがFS後の鎮痛を発現させている可能性がある.結果:無麻酔ラットの熱痛刺激に対する尾逃避反射の温度閾値を測定するシステムを熱電対を使い作製した.高頻度FSは温度閾値を上昇させた.またFS血漿VPを約30pg/mlに上昇させた.下垂体後葉を電気刺激すると血漿VPが約450pg/mlとFS後の値に比べ10倍以上に上昇したにもかかわらず閾値は有意に変化しなかった.VPを静注すると用量に依存性して一過性に閾値が上昇した.その最小有効用量は0.5μg/kgであった.この時の血漿VPレベルを計算すると20ng/mlでありこれはFS後のそれよりはるかに高い値である.VPのV1受容体拮抗薬を前投与しておくと外来性VPの閾値上昇作用は用量依存性に抑えられた.オキシトシン, VP_<4-9>のいずれも閾値を有意に変化させなかった.従って血漿VPはFS後の鎮痛に関与していないと結論される.また脳血液関門を通過するこのV1受容体拮抗薬(5μg/kg)は高頻度FS後の閾値の上昇を阻止した.従ってこの鎮痛に脳内VPが関与する可能性がある.1)実験1;仮説:生物検定法による報告ではフットショック(FS)はVP分泌を促進する.ところがラジオイムノアッセイ法での報告ではFSはVP分泌を促進するという.我々の予備的データでは高頻度のFSは血漿VPを上昇させる.これらの報告間の矛盾の原因を明らかにするためFSのバラメーターを変えて解析した.結果:連続的な高頻度(50Hz, 1分間)のFSは血漿VP濃度を刺激強度に依存して一過性に上昇させた.低頻度のFSにはむしろVP分泌に対して抑圧効果があった.従ってFSのVP分泌に対する効果はFSの頻度により異なると結論される.2)実験2;仮説:FSを加えた後に鎮痛が起こる.他方VPを皮下注すると鎮痛が起こると報告されている.上述のように高頻度FSは血漿VPを高値にする.従って血漿VPがFS後の鎮痛を発現させている可能性がある.結果:無麻酔ラットの熱痛刺激に対する尾逃避反射の温度閾値を測定するシステムを熱電対を使い作製した.高頻度FSは温度閾値を上昇させた.またFS血漿VPを約30pg/mlに上昇させた.下垂体後葉を電気刺激すると血漿VPが約450pg/mlとFS後の値に比べ10倍以上に上昇したにもかかわらず閾値は有意に変化しなかった.VPを静注すると用量に依存性して一過性に閾値が上昇した.その最小有効用量は0.5μg/kgであった.この時の血漿VPレベルを計算すると20ng/mlでありこれはFS後のそれよりはるかに高い値である.VPのV1受容体拮抗薬を前投与しておくと外来性VPの閾値上昇作用は用量依存性に抑えられた.オキシトシン, VP_<4-9>のいずれも閾値を有意に変化させなかった.従って血漿VPはFS後の鎮痛に関与していないと結論される.また脳血液関門を通過するこのV1受容体拮抗薬(5μg/kg)は高頻度FS後の閾値の上昇を阻止した.従ってこの鎮痛に脳内VPが関与する可能性がある.1.痛みの定量化:(1)従来は放射光による熱刺激に対する尾逃避反射の潜時の長さにより定量化されていた。我々は尾逃避反射を誘発する熱刺激の閾値を測定するため、熱電対による皮膚表面温度記録装置、放射光による熱痛刺激装置、反射潜時記録装置を試作した。これにより、軽麻酔下および無麻酔下のラットの尾逃避反射の熱刺激に対する閾値を測定することが可能になった。(2)しかし将来は非接触性の温度の測定(赤外線温度計)を行ない、この温度信号をC【O_2】レーザの発振装置にフィードバックした熱痛刺激装置を開発したい。2.フットショック(FS)後のストレス鎮痛:FS後尾逃避反射の潜時の延長(既報の追試)と同時に閾値の数分間の上昇が観察され、FS後に一過性の鎮痛が起こることが確認された。3.バゾプレシン(VP)の鎮痛効果の検証:既報では尾逃避反射の潜時の延長を起こすVPの用量は16-128μg/kg(皮下注)と生理的VP量(1匹のラット下垂体後葉に1.2μg)より多い。

我々は、VPをパルス状に無麻酔動物に静注したところ0.2-0.8μg/ラット(持続時間:数分-40分)の用量の範囲で、用量依存性の閾値上昇が観察された。この事実はVPの鎮痛作用が生理的状態でおこるという仮設と矛盾しない。4.VPアンタゴニストの効果:(1)VP静注による閾値上昇作用はVPレセプター・アンタゴニスト(V1タイプ)の静注(50μg/kg)によって完全に阻止された。(2)現在、VPアンタゴニストの静注がFS後の閾値上昇反応作用を阻止するかどうかを検討している。
磁気アルキメデス効果を利用した非標識細胞アセンブリによる筋組織構築

本研究では,細胞のみからなる3次元組織の生体外構築に向けて,磁気アルキメデス効果を利用した3次元細胞アセンブリデバイスの設計,作製を行った.まず,磁気アルキメデス効果を利用するためには,MRI造影剤等の常磁性化合物を培養液に添加する必要があるため,まずその細胞毒性が十分に低いことを確認した.次に,作製したデバイスを用いて,筋芽細胞を凝集させ,筋組織構築を試みた.本研究では,細胞のみからなる3次元組織の生体外構築に向けて,反磁性を利用した3次元細胞アセンブリデバイスの開発を行った.本手法は,培養液に強磁性体化合物を溶解することで細胞を相対的に反磁性体と見立てて,非標識で同時に大量の細胞の集積を可能にするものである.本手法では,強磁性化合物を培養液に添加する必要があるため,MRI造影剤として使われているGd化合物に着目し,その毒性が十分に低いことを確認した.そして,有限要素法による磁場解析結果に基づき,2対の電磁石からなる細胞アセンブリ装置を作製した.この装置と蛍光ビーズを用いて,電磁石に流れる電流のバランスを変えることで,限定的ではあるがチャンバー内の任意の位置に粒子を凝集させることを確認した.そして,最終的にはこの装置により,マウス筋芽細胞株C2C12細胞を円錐形状に凝集させ,3次元組織を構築することに成功した.本研究では,細胞のみからなる3次元組織の生体外構築に向けて,磁気アルキメデス効果を利用した3次元細胞アセンブリデバイスの設計,作製を行った.まず,磁気アルキメデス効果を利用するためには,MRI造影剤等の常磁性化合物を培養液に添加する必要があるため,まずその細胞毒性が十分に低いことを確認した.次に,作製したデバイスを用いて,筋芽細胞を凝集させ,筋組織構築を試みた.本研究では、細胞のみからなる3次元組織の生体外構築に向けて、反磁性を利用した3次元細胞アセンブリデバイスを開発する。本手法は,培養液に強磁性体化合物を溶解することで細胞を相対的に反磁性体と見立てて、非標識で同時に大量の細胞の集積を可能にするものである。平成23年度においては,MRI造影剤として用いられている各種ガドリニウム化合物の細胞毒性を評価および,円柱形状に細胞を凝集させるためのデバイスの設計および試作を行った.以下のMRI造影剤3種(gadoteridol (Gd-DO3A-HP), gadoterate meglumine (Gd-DOTA), gadopentetate dimeglumine (Gd-DTPA)を用いてその毒性の評価を行った.これらの造影剤をDMEM培地に終濃度が0, 20, 40, 80 mMとなるように溶解し,細胞活性をWST-1を用いて,12時間ごとに評価した.ただし,このとき,培地中のNaClを減らすことで,造影剤に添加による浸透圧の上昇を防いだ.その結果,80 mM添加時において,ProHanceの毒性が最も低いことが確認出来た.次に,円柱形状に細胞を凝集させるためのデバイス作製に向けて,有限要素法による磁場解析を行い,その結果に基づき2対の電磁石からなるデバイスを作製した.本デバイスにより,磁化率が細胞とほぼ同等の蛍光ビーズを中心に凝集させることができることを確認した.本年度は,細胞を用いた評価を行うことで,本手法に最適なガドリニウム化合物の決定することができた.また,有限要素法による磁場解析に基づき,電磁石デバイスの設計・試作を行い,粒子を凝集させることが可能であることを確認した.これらは,研究計画通りである.本年度は,電磁石とz軸自動ステージを同期させ,それにより円柱形状に細胞を凝集させるデバイスを完成させる.さらにこのデバイスを用いて,筋細胞を凝集させ,筋組織の構築を試みる.本年度は,円柱形状の筋組織を構築に向けて,ほとんどの経費を細胞培養関連(細胞購入,培地,血清,器具)に用いる予定である.
重力場および微小重カ場における液体燃料表面上の火炎伝ぱに関する研究

液体燃料表面上の火炎伝ぱにおよぼす重力の作用を明らかにすることを目的に、地上(重力場)での引火点近傍(Sub-Flash状態)と引火点以上(Super-Flash状態)の両方について実験的に調査するとともに、NASAルイスセンターSALプロジェクトで行われたロケット実験による微小重力場での火炎伝ばの結果と比較検討した。これらの過程で、とりわけSub一Flash状態で生じる振動火炎伝ぱに重力の作用が著しいことが判明した。振動火炎伝ぱは、液相内の渦の生成過程と、気相での可燃混合気の形成過程の相互作用によって起こるので、これを明らかにするために、1)液相内の渦の生成と表面温度分布におよぼす重力の作用を明確にする、2)気相内での可燃混合気の形成に果たす重力の作用を明確にする。の2点に焦点を絞って研究を行った。以上の結果以下の知見を得た。(1)伝ぱする火炎先端前方の液相内での渦の生成は第一義的にマランゴニカに起因するが、渦の成長過程およびその大きさには浮力(重力)が影響している。渦は本質的に3次元の構造をもつ。(2)液相内での渦の形成に伴って、液表面温度が低下する領域が存在する。この低温領域の表面温度が引火点温度を越えると火炎はクローリング状態からジャンプし、振動火炎伝ぱが生じる。(3)液相内の浮力は温度差をなくす方向に作用する。浮力のない微小重力場では、液表面の低温領域は大きくかつ引火点を越えずにクローリング状態で伝ぱする。(4)気相での燃料蒸気濃度は液表面の低温領域上方で低下する。しかし、火炎の浮力と液表面張力流の相互作用によって生じる再循環流が蒸気濃度を均一化する方向に作用する。(5)微小重カ下でも、火炎の浮カによって生じる流速に相当した対向流中で火炎は伝ぱするが、その速度は地上での速度のおよそ1/2となる。この原因は液相内浮力の作用がないことによる。液体燃料表面上の火炎伝ぱに及ぼす重力の作用を明らかにすることを目的に、まず、地上(重力場)での火炎伝ぱ実験として1.液体燃料引火点温度近傍(Sub-flash状態)およびこれより十分低い状態での火炎伝ぱ速度、PTV法とホログラフィ干渉法(HI法)による液相速度と温度の同時測定2.引火点温度以上(Super-flash状態)での火炎伝ぱ速度およびHI法による燃料蒸気濃度の測定、を行った。とりわけ(1)の状態での液相内の渦発生に果たすマランゴニカと浮力の影響に注目して火炎伝ぱ機構を実験的に調査した。次いで、NASAルイスセンターのSAL(Spread Across Liquid)プロジェクトで行われたロケットによる微小重力場での火炎伝ぱ実験との比較検討を行い、火炎伝ぱに果たす重力の作用について検討をし、火炎伝ぱの理論的なモデルを提案した。以上の実験と理論的検討から、以下の新たな知見を得た。1.のSub-flash状態に対して、(1)伝ぱする火炎先端前方の液相内での渦の生成は第一義的にマランゴニカに起因するが、渦の成長過程およびその大きさには浮力(重力)が影響している。(2)渦は本質的に3次元の構造をもつ。これまでの数値モデルで液相内の浮力の影響が現れなかったのは、おもに2次元を仮定したことによる。(3)Sub-

flash状態で生じる振動火炎伝ぱ(Pulsation)は、液相内の渦の生成過程と気相内の可燃混合気の形成過程の相互作用によって起こる。2.のSuper-flash状態に対して(4)火炎伝ぱ現象は液相内の流動に無関係となり、気相の蒸気濃度分布に依存する。(5)蒸気濃度分布はトレイの幅方向にほぼ均一であり、したがって現象を2次元とした解析が可能である。(6)蒸気濃度分布は燃料表面温度に依存する。表面温度は蒸発による温度降下と、これに起因した対流の発生の相互効果によって決定される。液体燃料表面上の火炎伝ぱにおよぼす重力の作用を明らかにするとを目的に、平成8年度は地上(重力場)での引火点温度近傍(Sub-Flash状態)と引火点以上(Super-Flash状態)の両方について実験的に調査するとともに、NASAルイスセンターSALプロジェクトで行われたロケット実験による微小重力場での火炎伝ぱ実験と比較検討を行った。これらの過程で、とりわけSub-Flash状態で生じる振動火炎伝ぱに重力の作用が著しいことが判明した。振動火炎伝ぱは、液相内の渦の生成過程と気相内の可燃混合気の形成過程の相互作用によって起こるので、これを明らかにするために本年度は1)液相内の渦の生成と液表面温度に果たす重力の作用を明確にする、2)気相内での可燃混合気の形成に果たす重力の作用を明確にする、の2点に焦点を絞って研究を行った。以上の結果、以下の知見を得た。(1)伝ぱする火炎先端前方の液相内での渦の形成に伴って、液表面温度が低下する領域が存在する。この低温領域の表面温度が引火点温度を越えると火炎はクローリング状態からジャンプし、振動火炎伝ぱが生じる。(2)液相内の浮力は温度差をなくす方向に作用する。浮力のない微小重力場では、液表面の低温領域は大きくかつ引火点を越えずにクローリング状態で伝ぱする。(3)気相での燃料蒸気濃度は液表面の低温領域上方で低下する。しかし、火炎の浮力と液表面張力の相互作用によって生じる再循環流が蒸気濃度を均一化する方向に作用する。(4)微小重力下でも、火炎の浮力によって生じる流速に相当した対向流中で火炎は伝ぱするが、その速度は地上での速度のおよそ1/2となる。この原因は気相より液相内浮力の作用がないことによる。