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技術術移転フォーラム2 01 6 「工業試験場成果発表会」の開催について
プレスリリース Press Release 平成２８年５月２５日 報道機関各位 技術術移転フォーラム２ ０ １ ６ 「工業試験場成果発表会」の開催について 道総研工業試験場がこれまでに取り組んできた研究開発や技術支援の成果を広く皆様に公開 し活用いただくため、次のとおり成果発表会を開催いたします。 当日は、２０テーマの分野別発表や１８テーマのポスターセッション発表をはじめ、多数の 成果を紹介・展示いたします。 また、連携交流事業の一環としまして、道内４高専の技術紹介をパネル展示により行います。 （参考資料） ○開催案内リーフレット ○発表要旨抜粋版 ≪分野別発表メイン発表課題について≫ ・材料関連技術（13:15～13:45） 「超高齢社会に役立つバイオマテリアルの開発と応用」 ・情報通信・エレクトロニクス・メカトロニクス関連技術（13:15～13:45） 「食品混入異物検査用分光イメージングセンサの開発」 ・製品・生産関連技術（15:10～15:40） 「高速播種を可能としたポテトプランタの開発」 ・環境・エネルギー関連技術（15:10～15:40） 「樹脂製柵状熱交換器の開発と水平式地中採熱への応用」 ※当日受付にて、全発表の要旨（冊子）をお配りいたします。 ◎日 時 平成28年6月1日（水）12:00～17:00 ◎場 所 ホテル札幌ガーデンパレス 2 階 （札幌市中央区北 1 条西 6 丁目 ◎参加費 TEL: 011-261-5311） 無料 ◎プログラム 開 会 13:00～ 展 示 12:00～17:00 分野別発表 13:15～16:40 相談コーナー 13:00～16:00 ポスターセッション 13:30～16:30 ◎報道（取材）に当たってのお願い 道内ものづくり関係企業をはじめとする多数の方にご参加いただけるよう、開催当日の取材 のほか、事前の報道により広く呼びかけてくださいますようお願いいたします。 ◎同時配付先 道政記者クラブ 詳しくはこちらへお問い合わせください。 地方独立行政法人 北海道立総合研究機構（道総研） 産業技術研究本部ものづくり支援センター 研究主幹 内山智幸 TEL:011-747-2347（直通） ※平日 8:45～17:30 土・日・祝日・年末年始はお休みです。 Hokkaido Research Organization ẔἯἋἑὊἍἕἉἹὅẕ ἅỴἑỶἲ 㒊ྡ ᾀᾂᾉᾂ῍ᾀᾅᾉᾂ ɻ᪬ỉ᧓ ᾀᾂᾉᾂ῍ᾀᾃᾉᾃᾄ Ⓨ ⾲ ㄢ 㢟 Ⓨ ⾲ せ ᪨ щỺἽἀὊỉἉ 㢼ຊⓎ㟁䛿䚸⏕ྍ⬟䜶䝛䝹䜼䞊䛾୰䛷䛿Ⓨ㟁䝁䝇䝖䛜Ᏻ౯䛸䛔䛖Ⅼ䛜䛒䜚䚸䛥䜙䛻ᾏ㐨䛿㢼ἣ䛜Ⰻ䛟䚸㢼ຊⓎ㟁䛾㐺ᆅ ἱἷἾὊἉἹὅ২ᘐỆ 䛷䛒䜛䛣䛸䛛䜙䚸㢼㌴䛾᭱㐺㓄⨨䡡ண Ⓨ㟁㔞䛺䛹䜢ྵ䜑䛯⢭ᐦ䛺㢼ἣ⢭ᰝ䛾せᮃཬ䜃ᑠᆺ㢼㌴䛾せᮃ䛜ከ䛟ᐤ䛫䜙䜜䛶䛔䜛䚹 ᧙ẴỦᄂᆮ 䛭䛣䛷䚸ᮏ◊✲䛷䛿䚸㢼ἣ䝅䝭䝳䝺䞊䝅䝵䞁䝋䝣䝖䛂䝸䜰䝮䝁䞁䝟䜽䝖䛃䜢⏝䛔䛯㢼ἣ⢭ᰝ䛸䛭䛾᳨ド䜢⾜䛳䛯䛾䛷䚸ሗ࿌䛩䜛䚹 ແ ීӮ ࣇΨእЎௌඥỉᡆ ศᯒᶵჾ䛾Ⓨ㐩䛻䜘䜚ᚤ㔞ඖ⣲ศᯒᢏ⾡䛿┠ぬ䜎䛧䛟ྥୖ䛧䛶䛔䜛䛜䚸ᚓ䜙䜜䜛㔞䛾ศᯒ䝕䞊䝍䜢᭷ຠ䛻ά⏝䛷䛝䛶䛔䛺 ᡮ Ὁ ቇ̝ ҄ ӏỎᚐௌ 䛔䚹୍᪉䚸ᕤ⛬⟶⌮䛺䛹సᴗ⌧ሙ䛷䛾ᚤ㔞ඖ⣲䛾㎿㏿ศᯒᢏ⾡䛿䜎䛰༑ศ䛷䛒䜛䚹ᮏ◊✲䛷䛿ᚤ㔞ඖ⣲ศᯒ⤖ᯝ䛾㧗ᗘゎ ඥỉ᭗ࡇ҄ ᯒᡭἲ䛻䜘䜛᭷ຠᛶ䛾᳨ウ䚸䛚䜘䜃⌧ሙ䛷䛾㎿㏿ศᯒ᪉ἲ䛾㛤Ⓨ䜢⾜䛳䛯䛾䛷ሗ࿌䛩䜛䚹 ᒉன ᣂᐫ ؏ עὉ င ಅ ཎ ࣱ Ệ ࣖ 䜶䝛䝹䜼䞊⮬⤥⋡䜢㧗䜑䛯ศᩓᆺ䜶䝛䝹䜼䞊䝅䝇䝔䝮䛾ᵓ⠏䚸ཬ䜃ᆅᇦ䜶䝛䝹䜼䞊䛾㛤Ⓨ䛜ᮇᚅ䛥䜜䛶䛔䜎䛩䚹ᮏ◊✲䛿䚸 ẳ Ẻ Ỻ Ἵ ἀ Ὂ ỉ Ў 䝻䞊䜹䝹䜶䝛䝹䜼䞊䛾㛤Ⓨ䚸ᆅᾘ䛻ྥ䛡䛶䚸⮬య䜔ᆅᇦ䛾ᴗ⪅䛸㐃ᦠ䜢ᅗ䜚䛺䛜䜙䚸ᆅᇦ䛾䜶䝛䝹䜼䞊䝫䝔䞁䝅䝱䝹䜢᭱ МဇἴἙἽỉನ 㝈ά⏝䛩䜛䛣䛸䜢┠ⓗ䛸䛧䛶䛚䜚䚸䛭䛾㛤Ⓨ⤒㐣䜢⤂䛧䜎䛩䚹 ሰ ɥЈ ή࣓ சМဇเሁửဇẟ ᙜሙ䛷䛿䚸㎰⏘ṧ´ཬ䜃ᗫᲠ≀➼䜢⏝䛔䛯⇞↝⨨䛾㛤Ⓨ䚸⇕ᅇ䝅䝇䝔䝮䛾㛤Ⓨ䛻䛴䛔䛶䛾ᢏ⾡ᨭ䜢⾜䛳䛶䛔䜛䚹ᮏⓎ Ẻ ༓ Ὁ ༏ ׅӓ ২ ᘐ ⾲䛷䛿䚸䐟䝰䝭䜺䝷䜢⇞ᩱ䛸䛧䛯タᅬⱁ䝝䜴䝇⏝䝪䜲䝷䛾㛤Ⓨ䚸䐠ᗫⓎἻ䝇䝏䝻䞊䝹䝨䝺䝑䝖⇞↝䝪䜲䝷䛾㛤Ⓨ䛚䜘䜃䐡⏘ᴗ⏝ ỉႆ 䜶䞁䝆䞁䜢ά⏝䛧䛯䝞䜲䜸䜺䝇Ⓨ㟁⨨䛾㛤Ⓨ䛻䛴䛔䛶⤂䛩䜛䚹 ҅ӝ ؾ Ỻ Ἵ ἀ 㼇ඹྠ◊✲ᶵ㛵㼉 䝃䞁䜶䝇㟁Ẽ㏻ಙ㻔ᰴ㻕 㼇ඹྠ◊✲ᶵ㛵㼉 㼇 㼇༠ຊᶵ㛵㼉 Ὂ ᢿ Ⓨ ⾲ ⪅ Լ ২ ᢏ ᘐ ᢿ බ Լឋᚸ̖২ᘐ୍ӏồ 㐨ෆᴗ䛾ရ㉁䛻㛵䛩䜛ᢏ⾡ຊྥୖ䜢ᅗ䜛䛯䜑䚸ᙜሙ䛷䛿ရ㉁⟶⌮䜔ရ㉁ᕤᏛ䛺䛹䚸ရ㉁ホ౯䛻ಀ䜟䜛ᢏ⾡◊ಟ䜢ᐇ ỉӕኵ 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有 ･無 のどちらかに ○印 をつけてください ◆技術に関する相談事項がございましたら 、当日総合受付へお申し出 ください 。 （ な お 、 担 当 研 究 員 が 発 表 等 の た め ご 希 望 に 添 え な い 場 合 が あ り ま す の で ご 了 承 く だ さ い 。） 材 料 関連 技 術 メ イン 発 表課 題 超高齢社会に役立つバイオマテリアルの開発と応用 骨微小損傷部の再生に関与するシグナル伝達機構の解明（平成２５～２７年度） 環境エネルギー部 ○赤澤敏之、材料技術部 稲野浩行、ものづくり支援センタ－ 金野克美 北海道医療大学、北海道大学大学院薬学研究院、北海道大学大学院医学研究科 HOYA Technosurgical㈱、㈱レドックステクノロジー、㈱テクノスヤシマ １ はじめに 超高齢社会における整形外科や口腔外科医療では、 高齢者や患者の生活の質（QOL）を脅かす骨折、難 治性骨疾患、歯周病、感染症等に対する効果的治療 法と予防対策の確立が急務である。骨や歯の硬組織 は人体を保護し、運動や咬合咀嚼を円滑に行う機能 を担っている。QOL を維持し健康寿命を延伸する医 療には、バイオマテリアルの開発と普及が注目され る。水酸アパタイト（HAp）や β-リン酸 3 カルシウ ム（β-TCP）は、組織適合性、骨結合性や骨置換性 に優れているため、硬組織代替材料へ臨床応用され てきた。しかし、高温焼成 HAp は非吸収性であり、 β-TCP は体内に長期間残存し吸収速度が遅い。早期 図１ 超音波 PDP-β-TCP の微細構造と組織標本 の崩壊・溶解吸収性と骨のリモデリングには、組織 体液の浸透、細胞性吸収の促進が重要である。骨の β-TCP のマクロ細孔壁では 1-3μm の結晶粒とミクロ 再生医療では、吸収性の生体材料、抗生物質の吸着 細孔が、PDP-β-TCP では表層に均質複合化した HAp 徐放性材料、歯根膜を介在する複合材料、細菌や付 ナノ結晶、ミクロ細孔が観察される。微小 X 線回折 着凝集物の洗浄殺菌技術の開発等が切望されている。 より表層で低結晶性 HAp 相、深部で β-TCP 相が同 本報では、異分野横断的学問融合で発展したバイ 定され、電子線微小部分析よりカルシウムとリンの オマテリアルの科学を基本に、市販医薬品や道産牛 モル比（Ca/P 値）が表層から深部へ減少し、PDP-β-TCP 骨・鮭コラーゲン資源を活用し、超音波処理により は結晶性と粒子径の傾斜機能材料であることが判明 改質、融合させ、超高齢社会のアウトカムに繋がる した。摘出した PDP-β-TCP の標本には、血管の新生 材料を開発、医用分野へ応用した事例を紹介する。 と体液の浸透が、材料表面に多数の巨細胞が観察さ れ、優れた細胞の接着性と増殖性が示唆された。 ２ バイオミメテイクス（生体模倣）材料への改質 ２．１ 医療材料の利用と超音波処理 市販 HAp（ HOYA Technosurgical 社 製、気孔率 85%） ２．２ 超音波表面修飾による材料界面の設計 HAp（HOYA Technosurgical 社 製、直径 20-50µm） や β-TCP（同社製、75 ％）多孔体を切断加工し、硝 球状顆粒を輸液（大塚製薬社製、アミノ酸（PF-A）、 酸水溶液に浸漬、部分溶解（攪拌、超音波）した。 電解質と糖質（PF-EC）、混合液（PF-M））中で 120W、 それにアンモニア水を添加し、298K、pH 6-11 で HAp 38kHz 超音波処理し、遠心分離、乾燥により PF-A/ や β-TCP ナノ結晶を析出、熟成、濾過洗浄、乾燥に HAp、PF-EC/HAp、PF-M/HAp 顆粒を作製した。PF-M/ より部分的に溶解析出した（PDP）HAp や β-TCP を HAp 顆粒では、表層に輸液由来の付着凝集物が観察 作製した。超音波溶解は、攪拌に比べ溶解効率が顕 され、細孔径分布により直径 3-5nm と 30-60nm の部 著に高く微小亀裂も多数観察された。120W、38kHz 分細孔容積が極大となり、窒素吸着の比表面積と全 超音波溶解、pH9-10 で 24h 熟成した PDP-HAp では、 細孔容積は減少した。それらを抗生物質のセファゾ HAp 結晶粒に HAp ナノ結晶が析出し、マクロ・ミ リン（CEZ）を含む生理食塩水溶液へ添加し、310K クロ細孔が認められた。図 1a),b)に β-TCP と超音波 で 72h 攪拌後、遠心分離、紫外可視光分析により CEZ PDP-β-TCP の走査形電子顕微鏡（SEM）による微細 平衡濃度と吸着量を測定した。各種顆粒は HAp 相が 構造を、図 1c),d)にそれらをラット背部皮下組織内 保持され、CEZ 吸着等温線はラングミュラ型に適合 に埋入、3 週後に摘出、染色した組織標本を示す。 した。輸液処理顆粒の CEZ 吸着量は未処理より高く、 材 料 関連 技 術 メ イン 発 表課 題 輸液中超音波処理の有効性が確認された。徐放特性 では、CEZ 吸着、室温・凍結乾燥顆粒（図 2 参照） を 309.5K、pH7.40 の擬似体液へ浸漬攪拌後、徐放率 を測定した。徐放率は凍結乾燥が室温乾燥より高く、 徐放率の序列は PF-EC/HAp>PF-M/HAp>PF-A/HAp で あった。輸液組成と乾燥条件の選定により疑似体液 と顆粒の界面特性を設計できることが分かった。 図４ 図２ CEZ/PF-M/HAp 顆粒の微細構造 ４ ３ 各種基材と培養細胞の微細構造 生体組織を活性化し再生する水の活用 3 室ダブルイン型電解システム（レドックステク 生体環境に調和し細胞と相互作用する材料 エレクトロスピニング（ES）法により各種基材に ノロジー社製）を用いて飽和食塩水溶液を電気分解 HAp とコラーゲン（C）の複合体（HAp-C）を被覆 し、陽極側から酸性電解水（AEW)、陰極側から塩 した細胞培養基材を作製した。鮭由来 HAp-C や豚由 基性電解水(BEW)を連続的に捕集した。ラット頭蓋 来 C とヘキサフルオロイソプロパノール（HEIP）を 所定比で混合後、噴霧電圧 20kV、送液速度 16.67μl･ min-1、噴霧時間 4-30min の条件で ES 装置（Fuence 社製）を用いて、チタン（Ti: HOYA Technosurgical 社製）や牛骨由来アパタイト（r-HAp）基材上に HAp-C や C（新田ゼラチン社製）スラリーを噴霧、堆積さ 骨の骨膜を剥離後、電解水を 30s 超音波振動照射 (8W、24-32kHz)した（図 5 参照）。骨膜剥離後でミ クロ細孔と骨小腔が、pH2.5 の強酸性電解水照射で 10-20μm の配向亀裂が観察される。生体組織へ電解 水の超音波振動照射は、組織界面の殺菌洗浄と適度 な亀裂を発生させ、骨代謝や骨治療に有効である。 せた。細胞培養では、ラットやヒト由来歯根膜（PDL） 細胞を各種基材に播種後、310K、72h 静置培養した。 図 3 に、5% HAp-C スラリーを 30 min 噴霧した Ti 基材と 24h 培養細胞の SEM 像を示す。Ti 上で密集 コラ－ゲン線維上に局所的に凝集した HAp 粒子がみ られる。培養後では HAp-C/Ti は細胞数が多くサイ ズも大きく、細胞形態は Ti が平面状、HAp-C/Ti が 多量の析出物に膨張接着した組織が観察された。 図 4 に、5%C の HFIP 溶液を 4min 噴霧した 2 種基 材と 24h 培養細胞の SEM 像を示す。C/Ti と C/r-HAp 基材は密集した長い C 線維が観察される。PDL/C/Ti は基材全面に線維性の結合組織が、PDL/C/r-HAp は 周囲環境に適合し多数の細長い細胞が認められる。 基材の種類と構造により PDL 細胞数と形態は異な り、細胞と材料の密接な相互関係が立証された。 図５ ５ AEW 超音波振動照射した硬組織の微細構造 まとめ 細胞と材料の調和をもたらすリン酸カルシウムは、 超高齢社会に役立つバイオマテリアルへ進化した。 ①部分的な溶解析出法は優れた生体材料への表面改 質に有効であり、調製条件と骨成長因子の選定によ り医師裁量下で臨床応用されるであろう。②セファ ゾリン/アパタイト顆粒は輸液と乾燥条件によりセフ ァゾリンの徐放特性を設計できる。③アパタイト/細 胞/チタンの複合化は生体と材料の反応を意味し、④ 電解水の殺菌効果を活用した超音波振動照射法は骨 損傷部の設計や組織再生に重要であり、骨髄炎や感 染症の治療や予防法へ適用できる。今後も、バイオ マテリアルの開発と医用工学は、先進医療、地域医 図３ HAp-C/Ti 基材と培養細胞の微細構造 療、医療産業への益々の進展と貢献が期待される。 （連絡先：[email protected] ､ 011-747-2370） 情 報通 信 ・エ レ クト ロ ニク ス・ メ カト ロ ニク ス 関連 技 術 メ イン 発 表課 題 食品混入異物検査用分光イメージングセンサの開発 食品混入異物検出および品質評価のための分光イメージングセンサの開発 （平成２５～２７年度） 企画調整部 ○本間稔規、髙橋裕之 情報システム部 岡崎伸哉、飯島俊匡、橋場参生 ㈱安西製作所 北海道支店 １ はじめに ２．１ 多眼式分光イメージングセンサ 加工食品の製造工程において、異物混入に対する 開発した多眼式分光イメージングセンサを図２に 迅速・適切な対処はクレームや事故などを未然に防 示す。この分光イメージングセンサは、複数の撮像 ぐために非常に重要である。そのため、多くの食品 素子、分光光学系により構成される。各撮像素子に 加工工場では X 線異物検査装置や金属探知機などが つき 4 波長の分光画像を取得可能である。この分光 導入され、オンラインで全数検査が行われている。 光学系では入射光に対して角度を設定することで透 しかし、これらの検査装置を用いても人毛、プラス 過中心波長が変化するチューナブルバンドパスフィ チック片、虫などの異物は検出が困難であり、目視 ルタ（Semrock 製）を用いており、フィルタ毎にア 検査で対応しているのが現状である。当場では人毛 クロマティックレンズを設置し撮像素子に結像する などの非金属、低密度の異物検出を目指して分光イ 構造である（図３）。 メージングによる食品混入異物検出技術の開発を進 めている。これまでの分光イメージング装置はスキ ャン型（図１）であり、カメラの撮像速度が検査速 度の律速となっていた。また、分光器、カメラが高 価であることから、検査装置のコスト上昇の要因と なっていた。そこで本研究では、従来の分光イメー ジングシステムにおいて課題であった、検査速度お よび製品コストを改善し、食品工場の製造工程に導 入可能な検査装置の開発を目的として、新規の多眼 図２ 多眼式分光イメージングセンサ外観 式分光イメージングセンサの開発を行った。また、 装置の性能向上を図るために、計測対象にあわせて 照明を制御するプログラマブル照明を開発した。 図３ 分光光学系の構造 この多眼式分光イメージングセンサでは１つのユ ニットに２つの分光光学系を搭載する。分光光学系 ごとに４波長の分光画像を取得可能であり、１ユニ 図１ スキャン型の分光イメージング光学系 ２ 開発したシステムの概要 ットでは８波長の分光画像を取得することが可能で ある。分光光学系のフィルタはそれぞれ透過波長を 変更可能であり、また必要な波長数にあわせてユニ 食品検査用分光イメージングシステムの構成要素 ットの数を増やすことで、計測対象にあわせたシス である分光イメージングセンサ、プログラマブル照 テム構築が可能である。このセンサにより取得した 明について概要を示す。 分光画像はデータ中継ユニットを経由してデータ解 情 報通 信 ・エ レ クト ロ ニク ス・ メ カト ロ ニク ス 関連 技 術 析用 PC に転送される（図４）。 メ イン 発 表課 題 の形状にあわせた照明強度の最適化処理の有効性を 確認した。 図４ 検出部のブロック構成 図６ プログラマブル照明による照度 ２．２ プログラマブル照明 光計測において照明の最適化が重要である。従来 改善効果のシミュレーション ２．３ 異物検出アルゴリズム の分光イメージングシステムでは、計測対象によら 異物検出のデータ解析手法として、主成分分析と ず一定の条件の照明を用いていた。そのため計測対 1-class サポートベクターマシンを組み合わせたアル 象の表面状態によって照度が不均一となったり、不 ゴリズムを開発した。このアルゴリズムにおいて、 要光成分が生じるなどの課題があった。本開発では 主成分分析を適用することにより特徴量空間におい 計測対象の形状に応じて照明の最適化を実現するプ て性質が類似するデータ（ここでは正常な食品）と ログラマブル照明を開発した（図５））。この照明は 類似しないデータ（ここでは異物）を分離し、1-class DLP モジュール（TI 製）を用いており、ラインレー サポートベクターマシンにより判別を行う。図７に 挽肉に人毛を付着させた計測サンプルに対して本ア ルゴリズムを適用して人毛部分を検出した例を示す。 図５ プログラマブル照明を組み込んだ コンベアラインの構成例 ザを用いた光切断法で形状計測を行う。取得した形 状点群データから面の方向を求め、それをもとに検 図７ データ解析による異物検出例 出器に入射する光線成分を計算することで形状の違 いに起因する照度のばらつきを抑制する。図６に計 ３．おわりに 測サンプル（例：ナッツ）表面での照度分布を一様 食品混入異物の検出を行うための新たな分光イメ 照明とプログラマブル照明で比較したシミュレーシ ージングセンサを開発した。従来の分光イメージン ョン例を示す。照度分布のばらつきを（計測値の標 グシステムと比較し、低コスト、高速化を実現した。 準偏差）／（計測値の平均値）を評価値として比較 現在、試作機による性能評価を進めており、今後実 すると、一様照明では 0.37、プログラマブル照明で 用化に向けた開発を進めていく予定である。 は 0.21 となり、照度の変動を半減できることがわか （連絡先：[email protected] ､ 011-747-2341） った。このように計測対象のみに照明することやそ 製 品 ・生 産 関連 技 術 メ イン 発 表課 題 高速播種を可能としたポテトプランタの開発 高度通信制御機能を活用した次世代型ポテトプランタの開発（平成２４～２６年度） 製品技術部 ○中西洋介、井川 久 道総研中央農業試験場・十勝農業試験場、十勝農機㈱ １ はじめに 表１ 播種ベルト速度比と種芋間隔のばらつき 深刻な担い手不足が進むなか、北海道を代表する 農作物である馬鈴薯栽培においては、種芋の植え付 け作業（以下、播種作業）を高速化して作付面積の 維持・拡大を図る必要がある。しかし、従来の国産 のポテトプランタ（種芋を植え付ける農業機械。以 下、播種機と呼ぶ）では、機構上の制約から現状の 作業速度以上での播種作業は困難である。本研究は、 現状の作業速度の約 2 倍（7km/h）での高速播種が 可能な種芋播種機を開発することを目的とする。 ２ 高速搬送・播種機構 きを測定した。落下する種芋を光電センサで検出し、 本研究では、平ベルトを使用した搬送・播種機構 出力パルスの時間間隔から播種ベルト上での種芋間 を考案・開発した（図 1）。幅 50mm の一対の平ベル 隔が評価可能である。ベルト搬送速度は 350mm/s（車 ト（以下、播種ベルト）を V 字状に配置し、種芋を 速 7.2km/h での播種作業に相当）とし、試験は各速 挟みながら高速に搬送し、地面へと落下させる（播 度比に対して各々 3 回ずつ行った。 種する）構造となっている。播種ベルト両脇には播 表 1 に各播種ベルト速度比に対する光電センサ出 種ベルトから振り落とされた余剰な種芋を上流へ戻 力パルスの時間間隔の平均値、標準偏差、CV 値（標 す還流コンベアを設置している。 準偏差/平均値。間隔のばらつきの度合いを表す）を 本機構では種芋を、播種ベルト上で重なりや隙間 示す。表 1 より、速度比を 1 から 2 に上げるにした 無く一列に整列させることで、一定の株間間隔で播 がって CV 値が 28.4 ％から 17 ％まで激減し、種芋 種することが可能となる。しかし、本機構で試験を 間隔のばらつきが小さくなることが確認できる。 行った結果、種芋が重なったまま、あるいは隙間が 本研究では目標とする圃場での株間間隔の CV 値 空いたまま搬送されることがわかった。そこで、左 を 25%としており、17%という値は種芋が地面に着 右の播種ベルトを異なる搬送速度で駆動して、種芋 地する直前の CV 値として問題のない数値と考える。 を回転・撹拌しながら搬送することで播種ベルト上 の重なりや隙間が解消すると考えた。このことを確 ３ 油圧式コンベア速度制御システム 認するため、左右の播種ベルト速度比を 1 から 3 ま 車速が変化しても株間間隔は一定である必要があ で変化させ、播種ベルト上での種芋の間隔のばらつ る。そのためには、車速に連動してコンベア搬送速 度を精度良く制御する必要がある。本研究では、車 速センサ情報を元に油圧モータの回転数を制御する コンベア速度制御システムを開発した。 モータ回転 数をフィードバック制御系に組み込んでおり、過負 荷等でモータ回転数が変動してもコンベア搬送速度 を一定保持することが可能である。 ４ ISOBUS 通信制御 ISOBUS 規格（ISO-11783）はトラクタに設置した 操作端末と作業機に設置した制御基板の通信に関わ 図１ 高速搬送・播種機構（室内試作機） る国際標準規格であり、ISOBUS に準拠することで、 製 品 ・生 産 関連 技 術 メ イン 発 表課 題 メーカを問わず様々な作業機を同じトラクタで制御 することが可能となる。大規模農場の最適管理に適 した情報化農業や精密農業を行うための農業用情報 端末機器類の多くが ISOBUS に準拠しており、北海 道においても、今後、ISOBUS 仕様の作業機の導入 が進んでいくものと思われる。以上より、本研究で 開発する種芋播種機のプロトタイプ試作機の制御系 は ISOBUS 通信仕様とした。 ５ 屋外走行型プロトタイプ試作機 図４ プロトタイプ試作機（後部） 図 2 ～ 4 に高速搬送・播種機構と油圧式コンベア 制御システムを搭載した屋外走行型の 2 畦用プロト タイプ試作機示す。播種ベルト、還流コンベア等の コンベア類は、全て油圧式コンベア速度制御システ ムに搭載した 1 個の油圧モータで駆動しており、モ ータ動力は動力伝達系の簡素化とメンテナンス性を 考慮し、スプロケットとチェーンを使用して各コン ベアへ分岐させた。ホッパへ種芋を満載した時の重 量は 1400 kg 程度であり（本体 970 kg）、72 PS 以上 のトラクタであれば持ち上げ可能である。 図５ ６ 種芋播種試験 表２ 播種試験風景 種芋播種試験結果 屋外走行型プロトタイプ試作機による圃場での種 芋播種性 能確認試験を行った。試験 は株間距離を 30cm に設定して車速 3、5、7km/h で 30m 走行し、 その間に播種した種芋の株間間隔のばらつきを評価 するものである。図 5 に試験風景、表 2 に試験結果 を示す。表 2 より、株間間隔のばらつきの度合いを 示す CV 値は 21 ～ 26 ％程度であり、特に、車速 7km/h での高速播種時において CV 値が 24 ％に抑え られていることが確認できる。海外製の高速播種機 の CV 値が 25 ％程度であることから、プロトタイプ 試作機は実用上問題ない播種精度を実現していると いえる。 ７ 図２ 屋外走行用プロトタイプ試作機 まとめ 車速 7km/h での高速播種が可能なポテトプランタ を開発した。実用化にあたっては、以下の技術的課 題を解決する必要がある。 ・種芋サイズに応じてユーザーが簡便に播種ベルト の間隔を調整できる機構の開発 ・堅牢性、メンテナンス性を考慮した各種機構の再 設計（溶接主体・部品点数削減） ・フレームのさらなる軽量化など 今後も引き続き、実用化に向けた開発を進めていく 予定である。 図３ プロトタイプ試作機（前部） （連絡先：[email protected] ､ 011-747-2379） 環 境 ・エ ネ ルギ ー 関連 技 術 メ イン 発 表課 題 樹脂製柵状熱交換器の開発と水平式地中採熱への応用 低コスト地中採熱システム及び温泉排湯等の熱回収システムの開発 （平成２５～２７年度） 環境エネルギー部 ○白土博康、保科秀夫、藤澤拓己 ㈱テスク、道総研北方建築総合研究所・地質研究所 はじめに 寒冷地においては、空気熱源ヒートポンプで高い 成績係数（COP）を得るのが難しく、地盤を熱源と 10000 横柵状熱交換器 10000 採熱方式は垂直採熱方式と比較して単位長さ当たり S 3m R 3m 980 p140 ×7 熱方式としては、採熱温度が高い垂直採熱方式が一 となり、十分な普及には至っていない。一方、水平 3m 仕切り板 する地中熱ヒートポンプに対する期待は大きい。採 般的であるが、ボーリング等の高い施工費等が障害 R 420 p 1 40 ×3 １ 仕切り板 S の採熱量は小さいが、専用の掘削設備が不要である 3m 縦柵状熱交換器 ことから、一般の工事業者で施工可能であり、低コ スト化が期待できる。本研究では、これまで開発し た放射冷暖房用樹脂製柵状ラジエータを技術シーズ として、新たに柵状地中熱交換器を開発した。また、 実験住宅において、水平採熱方式の地中熱ヒートポ ンプ冷暖房システムを施工し、その省エネルギー性、 経済性、および施工性について検証した。これらの 概要について報告する。 図１ 配置されており、往き管から入った循環水（不凍液） 図２ 3月30日 3月2日 2月16日 2月2日 変える。ヘッタ管の内部の所定位置には仕切り板が 1月19日 を熱融着接合している。横幅は必要採熱量によって Slinkey1 0 1月5日 管の片方には、内径 13 ㎜の取出管（往き管、還り管） Slinkey2 1000 12月22日 間隔で直交して熱融着接合したものであり、ヘッタ 縦柵状1 2000 12月8日 径 17 ㎜のヘッタ管に内径 13 ㎜の枝管を 8 本 140 mm 横柵状 3000 11月24日 を用いている。構成としては、両端に配置される内 縦柵状2 4000 11月10日 部材には、リサイクルが可能な耐熱ポリエチレン管 5000 10月27日 を示す。横柵状と縦柵状の 2 種類を製作しており、 3月16日 樹脂製柵状地中熱交換器の開発と強度評価 図１に開発した樹脂製柵状熱交換器の概要と外観 積算採熱量[kWh] ２ 樹脂製柵状熱交換器の概要と外観 6000 各地中熱交換器の年間の積算採熱量 が細管に循環し、還り管から排出される流路を形成 しており、管内の圧力損失の低減を図っている。強 1 個埋設した。レファレンスとして別の溝に従来品 度試験用の試験体で 2 シーズン埋設し、引張試験、 である架橋ポリエチレン製 Slinkey 採熱管（コイル 耐圧試験を行った結果、同等形状の塩ビ試験体は割 状のもの）を縦に 2 系統埋設した。縦柵状熱交換器 れ、漏れが発生したが、本試験体に欠損は見られな と Slinkey 採熱管の総管長は 83.0、81.3m でほぼ同等 かった。 である。合計 5 系統の地中熱交換器で採熱した熱源 により地中熱ヒートポンプを運転し、住宅内に設置 ３ 積雪地における地中採熱実証試験 当別町にある低炭素住宅において、深さ 1.5m、長 さ 11.5 m の溝に縦、横柵状熱交換器をそれぞれ 2 個、 したラジエータ等により居住空間（設定代表空気温 度は 20 ± 0.5 ℃）の暖房を行った。 図２に各地中熱交換器の暖房時における年間の積 ンプのCOP低下や地面の凍上抑制に対応できている。 年間のシステム COP（二次側の積算放熱量[kWh]/ヒ 3月30日 3月16日 3月2日 以上に、縦柵状熱交換器から横 1m の土壌温度は0℃ 2月16日 変化を示す。ヒートポンプ採熱側の往き温度は-5℃ 以上に維持されており、この設計条件ではヒートポ ヒートポンプ往き温度 -10 2月2日 にヒートポンプ採熱側の往き温度、土壌温度の経時 -5 1月19日 増加したが、縦系統の採熱量はやや減少した。図３ 0 1月5日 横柵状熱交換器からの採熱により、全体の採熱量は 縦柵状熱交換器から横に1m 地面から0.5m 5 12月22日 し、5 系統合計の年間採熱量は 5,104 kWh であった。 縦柵状熱交換器から横に1m 地面から1.5m 10 12月8日 同等であった。その後、横柵状熱交換器からも採熱 15 11月24日 結果、それぞれ 688 kWh、689 kWh の採熱量でほぼ 11月10日 2 系統、縦柵状熱交換器 2 系統のみで採熱を行った メ イン 発 表課 題 20 10月27日 算採熱量を示す。10/27 から 12/23 まで Slinky 採熱管 ヒートポンプ往き温度、土中温度[℃] 環 境 ・エ ネ ルギ ー 関連 技 術 図３ ヒートポンプの往き温度、土壌温度の経時変化 表１ システムの日別の省エネルギー性、経済性 水平埋設式 垂直埋設式 空気熱源式 （APF2.5） （APF3.0） （APF1.5） 検討項目 ートポンプの積算消費電力量[kWh])は 2.5 であり、 利用可能なレベルである。2 溝を掘削し、縦 2 系統、 ランニングコスト(10/27-3/31)[円] 87,415 72,845 145,691 横 1 系統柵状熱交換器を埋設する（2 溝 6 回路）と 一次エネルギー消費量の割合[-] 1.00 0.83 1.67 76.7 万円となり、垂直埋設式 50m 2 系統 150 ～ 200 万円の半分以下となった。表１に本実験住宅におけ 表２ 代表都市の溝１mあたりの年間採熱量 る暖房時のヒートポンプ運転によるランニングコス （2溝6回路、単位;kWh） 積雪条件 採熱温度 0℃ 積雪なし -1℃ 0℃ 積雪あり -1℃ ト、一次エネルギー消費量の割合を各熱源方式別に 比較したものを示す。水平埋設式は垂直埋設式と比 較して一次エネルギーの消費量が 17%増加するが、 年間のランニングコストの差は小さい。空気熱源式 札幌 239 300 298 370 函館 263 328 300 373 旭川 162 221 262 338 釧路 170 230 255 333 と比較すると地中熱導入に対する投資回収には 10 年 取得熱 881W、自然温度差 7.0 ℃となるので、居住空 以上かかるが、大幅な省エネルギー効果が見込める。 間の温度 20 ℃とし、札幌の暖房度日数を採用すると 2,315 ℃日となる。この結果から、年間の暖房負荷 ４ 地域別 溝 1m あたりの年間採熱量 6,945 kWh、年間の平均システム COP を 2.5 として、 本研究ではさらに積雪少量地における実証試験を 年間採熱量 4,167kWh が得られる。2 溝 6 回路、札幌、 行い、これらの結果を基に採熱シミュレーションの 積雪あり採熱温度-1 ℃で設計すると、柵状熱交換器 精度を確保し、溝 1m あたりの年間採熱量を算出し の溝長さは 11.3 m となる。実際には、内部取得熱が た。表２に代表都市の溝 1 m あたりの年間採熱量（2 少ないケース、暖房負荷がより多いケースが考えら 溝 6 回路）を示す。ここで積雪ありとは採熱部およ れるので、北海道の住宅に使用する場合は、広大な びその周囲 1 m の範囲は除雪されず、12 ～ 3 月の平 敷地を利用できる場合に先行して利用し、一般住宅 均積雪が 20 cm 程度以上ある状態としている。なお、 向けには、今後住宅の省エネルギー化が一層進む中 ここでは土壌の有効熱伝導率を 1.0 で、段階的に普及していくのが良いと考えられる。 W/(m·K)、土壌 の体積含水率を 0.32[-]としている。採熱量は年平均 温度に比例するが、年平均気温が低ければ積雪の影 響が大きくなり、採熱温度が低下すると土壌の水が 凍結する量が増加し、採熱量に加算される。 ５ 採熱設計 住宅の総熱損失係数と内部取得熱（日射取得熱や 家電機器および人体の発熱量）を基に自然温度差を 求め、各地域の暖房度日数から年間暖房負荷を求め る。その結果と年間の平均システム COP から必要年 間採熱量を求め、必要な溝長さを決定する。例えば 上記の当別の例では、総熱損失係数 125W/K、内部 ６ まとめ 本樹脂製柵状熱交換器及びこれを活用した水平採 熱式地中熱ヒートポンプは、一定レベルの省エネル ギー性を維持しつつ、低コスト化を図った技術であ り、地中熱利用促進に貢献できる。 謝辞 本研究を遂行するにあたり、実験住宅、場所のご 提供、ご協力を頂いた㈱ホーム企画センター、 釧路 工業技術センターの皆様に感謝申し上げます。 （連絡先：[email protected] ､ 011-747-2948）