Nagaoka University of Technology Institutional Repository

国立大学法人長岡技術科学大学博士（工学）thesi

阿久津, 彗

1 
様式Form 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation  
 
氏 名Name 阿久津  彗  
 
地球温暖化や資源枯渇などの環境エネルギー問題を背景に，再生可能エネルギー源を利
用した分散型の発電設備や蓄電設備を電力系統に導入する必要性が高まっている．なかで
も大規模太陽光発電システムは，固定価格買取制度などの政策により導入量が増加してき
た．一方で，太陽光発電システムからの電力出力量は，自然条件に依存し大きく変化する
こともある．このような出力変動などに起因し，系統連系点において電圧が変動するとい
う問題が発生している．さらに一部の電力会社管轄下においては，大規模太陽光発電シス
テムの設備認定量が電力会社の接続可能量算定値を超過した．これに起因して，快晴時に
おける供給過剰を避けることを目的に，出力抑制指令に対応可能な機器を使用することが
法律で義務付けられた．ただし，単純な出力抑制は利用可能なエネルギーの廃棄を意味す
る．そこで蓄電池の導入も検討されてきている．また，発電設備の出力電力調整，蓄電設
備の充放電電力調整に加え，消費者による使用電力調整（デマンドレスポンス）の活用も
検討されている．このような発電，蓄電，消費の３種類の機器を統合的に運用するため，
仮想発電所  (Virtual Power Plant: VPP) やアグリゲーターの導入も提案されている．しかし
ながら，分散型の発電設備や蓄電設備が大量導入された次世代電力系統においては，多種
多様な電力機器が混在することになり，集中管理は困難となる．  
本研究では電圧変動問題に関して，複数台の  Power Conditioning System (PCS) で構成さ
れる大規模太陽光発電システムを対象に，実時間価格提示方策を利用した分散型の制御方
策を提案した．提案方策では，運営管理者は各  PCS の運転状態を把握することなく，連
系点の電圧変動を観測するのみで，価格更新・提示が可能であることを示した．各  PCS は
提示された価格，自身の運転状態および効用を考慮した分散最適化問題を解くことにより
目標値を決定，自身の動特性に従い出力する．提案方策の有効性を，数値実験と実機  PCS 
を用いた実験により検証した．機器容量が異なる  PCS が混在する場合，発熱などにより
電力出力を減少させる  PCS がある場合や接続・離脱のタイミングが異なる  PCS が存在
する場合など，様々な条件で検証し，提案方策の有効性を確認した．また制御方策の実装
のために，最適化問題の特徴を活かした簡易な求解アルゴリズムを考案した．この求解ア
ルゴリズムは，四則演算と条件分岐文のみでコーディング可能であり，現行の  PCS にも
容易に実装可能である．  
出力抑制指令への対応問題について，複数台の  PCS により構成される大規模太陽光発
電システムおよび蓄電池併設型太陽光発電システムを対象に分散制御方策を検討した．提
案方策では，運営管理者は，各  PCS の運転状態や蓄電池の充電状態を把握することなく，
連系点の電力出力を観測するのみで，価格更新・提示が可能であることを示した．各  PCS 
は提示された価格，自身の運転状態および効用を考慮した分散最適化問題を解くことによ
り，目標値を決定，自身の動特性に従い出力する．出力抑制指令への対応問題についても，
機器の容量が異なる  PCS が混在する場合，接続・離脱のタイミングが異なる  PCS が存
2 
在する場合，蓄電池の充電状態により運転状態を変える  PCS が存在する場合など，様々
な条件にて数値実験および実機実験により検証し，有効性を確認した．  
また，複数の発電機器，蓄電機器，消費機器により構成された仮想発電所を対象とし，
電力需要・供給バランスを維持するための階層型分散制御方策について検討した．提案方
策では，電力機器を機器の種類ごとにグループ分けし，VPP 管理者とグループ管理者によ
り構成される第  (i) 層で  VPP 全体の需給バランスの維持が可能なグループの運用目標値
を決定する  (グローバル運用 )．そして，グループ管理者と電力機器により構成される第  (ii) 
層で，グローバル運用にて決定したグループの運用目標値を満たすように，各電力機器は
出力目標値を決定，自身の動特性に従い出力する  (グループ運用 )．  VPP 管理者による価
格提示は，グループの詳細な運用情報を集約することなく，各グループの電力出力値と内
点解かどうかのフラグのみを受信することにより可能である．同様に，グループ管理者に
よる価格提示も，各電力機器の出力電力値のみを受信することにより可能である．またグ
ループ管理者による運用目標値の決定，各電力機器による出力目標値の決定は，提示され
た価格を含む分散最適化問題を解くことにより行う．提案した階層型分散制御方策による
運用を数値実験で検証し，発電量が低下した場合，消費機器の急な故障が発生した場合，
蓄電池の充電残量により充放電量が低下した場合などの条件において，有効性を確認した． 
本研究で提案した制御方策では，管理者は合計出力のみを観測または各電力機器の出力
電力値を受信するのみで価格の更新・提示が可能である．各電力機器は，提示された価格
と自身の運転状態のみを考慮した最適化問題を分散的に解き目標値を決定，自身の動特性
にしたがい出力する．さらに，汎用のソルバを使用しないアルゴリズムによる最適化問題
の求解も実現しており，現行の PCS にも容易に実装ができる．このように本研究の提案方
策は，高速に演算可能な計算機は必要なく，機器の運転状態を考慮した目標値決定や 
plug-and-play 型の運用も可能で，かつ拡張性にも優れており，今後のシステムの大規模
化にも対応できるため，次世代電力系統の安定運用に寄与できる． 


実時間価格提示方策を利用した電力機器群の分散制御に関する研究

国立大学法人長岡技術科学大学博士（工学）doctoral thesi

DUONG, DINH HAO

Interface Morphology and Fracture Behavior of Friction Stir Welded Dissimilar Metal T-lap Joints between AA7075 and AA5083

FERNANDO, WANNAKUWATHTHAWADUGE THOMAS LEON SUGANDA

（様式４）  
別紙２  
 
論文審査の結果の要旨  
 
学位申請者 Fernando Wannakuwaththawaduge Thomas Leon Suganda 
 
本論文は、「 Study on atmospheric pressure plasma jet for plasma patterning toward cell 
culturing(プラズマパターニングの細胞培養応用に向けた大気圧プラズマジェットに関す
る研究 )」と題し、5 章で構成されている。  
第 1 章 Introduction では、本研究の対象となる大気圧プラズマジェットを生成するため
の放電現象や大気圧プラズマジェットにより発生する活性種及びその計測方法、プラズマ
パターニングを用いた細胞培養応用のための表面改質プロセスを述べている。  
第 2 章 Investigation of APPJ properties with radical generation and propagation against 
effective parameters では、本研究で用いた大気圧プラズマジェットの特性について議論を
行なっている。プラズマパターニングの細胞培養応用に適用できる大気圧プラズマジェッ
トを発生させるため、大気圧プラズマジェットを長尺化や生成した大気圧プラズマジェッ
トの指向性を高める方法に関する検討結果について述べている。電極配置方法を複数比較
することで大気圧プラズマジェットの長尺化に必要な要件を明らかにし、さらに大気圧プ
ラズマジェットの指向性を高めるための付加電極を設置することで、長尺化とともに付加
電極近傍でのコロナ放電を誘起できることを明らかにした。また、ガス流量や細管径の影
響が大気圧プラズマジェットに与える影響を検討し、長尺化のためには層流領域でプラズ
マジェットを発生させる必要があることを示している。さらにプラズマパターニングに必
要なラジカル等の空間分布を発光分光計測から解析をしている。  
第 3 章 Mask-free plasma patterning using APPJ では、ヒト iPS 細胞を用いて大気圧プラズ
マジェットによるマスクフリーパターニングについて検討した結果について示している。
この結果より、大気圧プラズマジェット照射により Polydimethylsiloxane(PDMS)表面の濡れ
性を改善できること、ヒト iPS 細胞をプラズマジェット処理した PDMS 上で培養し、mm
サイズで細胞をプラズマパターニングできることを示している。  
第 4 章 Controllability of plasma patterning using APPJ では、第 2 章及び第 3 章で得られた
知見を基に、プラズマパターニングの細胞応用に必要な微細化について検討をしている。
プラズマジェットの太さとマスクフリーパターニングサイズの不一致が表面の濡れ性に影
響することを考慮し、適切なマスクを選択することにより短時間で微細なパターニングが
得られることを示している。  
第 5 章 Overall conclusions では、本研究により得られた知見をまとめ、本研究で検討し
たプラズマパターニングの細胞培養応用に向けたに関する研究の展開を示し本論文の総括
とした。  
よって、本論文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文
として十分な価値を有するものと認める。  
審査委員主査 佐々木 徹 印  


Study on atmospheric pressure plasma jet for plasma patterning toward cell culturing

平片, 悠河

Community structure and ecological role of anaerobic protists in UASB reactor treating domestic sewage

生駒, 直弥

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大強度粒子加速器への応用に向けたプラズマウィンドウの大口径化に関する研究

菅原, 司

1 
様式Form 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation 
 
氏 名Name 菅原 司  
 
本論文では均一なナノ多孔質ポリイミド膜の製法と実用化に関する研究を行った。  
第1章では論文の背景について論述する。多孔質膜は製造工程で延伸や抽出により、微細
な連通孔を内部に構築する膜で、流体の通液コントロールや物質の固着・吸着などの機能
を持っている。多孔質膜は膜の構造とポリマー設計と組み合わせることで、目的の機能を
発現させる。ナノサイズの微細孔膜の製法としては、相分離法、延伸開孔法が一般的であ
る。多孔質膜の市場は汎用・安価と高付加価値・少量に分けられ、汎用・安価な用途はポ
リエチレン多孔質膜の紙おむつのバックシート、高付加価値・少量用途は透湿防水布やフ
ィルターが挙げられる。  
本研究の遂行にあたり、私は特に付加価値の高い半導体用フィルターに着目した。半導
体製造工程において、不純物はデバイスの信頼性や歩留まりに大きな影響を及ぼす。デバ
イスの高集積化に伴って、半導体用薬液の純度・清浄度は重要性が増してきており、薬液
を濾過する半導体用フィルターの高機能化への開発要望は年々高くなっている。半導体用
薬液の中でも、とりわけ高付加価値なフォトレジストの濾過には、高度に制御されたポリ
アミド (ナイロン )、ポリエチレンフィルターが用いられている。しかし最先端レジストの
高度化に伴い、既存フィルターでは濾過の要求特性を満たすことが困難になりつつある。  
ポリイミドは高清浄度、溶剤への良好な濡れ性、強固な膜物性を有することから、フォ
トレジストのフィルター用ポリマーとして有望であるが、現行のポリイミド多孔質膜の製
法では微細孔の構造化が困難で、要求特性よりも大孔径、広い孔径分布、低空隙率となっ
ている。そこで私は逆オパール法を応用して工業的に量産可能な、ナノサイズの細孔を有
するポリイミド多孔質膜の製法を検討した。  
第2章ではスラリー組成の決定および作成プロセスの最適化について記述する。当多孔質
膜はスラリー作製工程と、製膜工程から得られる。母材はPMDA(Pyromellitic Dianhydride)
とODA(4,4'-Oxydianiline)から成るポリアミック酸、造孔剤として平均粒径が300nmで粒径
分布の狭いシリカ微粒子、そこにシリカ微粒子の分散に有効な分散剤を添加することで、
シリカ微粒子が均一に分散している原料スラリーが得られた。高沸点かつ高表面張力の溶
剤であるGBL(γ -butyrolactone)を加えたことにより、揮発性と表面張力をコントロールし、
良好な乾燥膜の基材剥離性を獲得した。  
第3章では製膜工程の確立を行う。塗工工程では、膜厚とアプリケーターの隙間である
GAPの相関が見られた。乾燥工程は温風乾燥機の温度が90℃、乾燥時間5minの条件におい
て基材から乾燥膜を良好に剥離できた。イミド化は焼成条件を400℃ -15minに設定した。フ
ッ酸水溶液によるシリカエッチングの処理可能量を確認し、10% フッ酸水溶液100gで、
23℃において10minでシリカ微粒子4.272gを処理できることが分かった。フッ酸エッチング
後の膜表面の開口と、連通孔の均一化には、アルカリ溶液によるウェットエッチングであ
るケミカルエッチングが有効であった。  
2 
第4章では多孔構造による膜の物性変化解明と電気特性からの構造解析を行う。膜の空隙
率を変更することで透気度と細孔径が変化し、最密構造に近づくほど膜強度・伸度が低下
した。孔径が大きくなるにつれ透気度が速く、細孔径は大きくなったが、膜強度・伸度に
相関は見られなかった。シリカ微粒子の粒子径と、ガス吸着法で得られた膜の比表面積は、
強い相関性があることが明らかになった。ポリイミド多孔質膜は、一般的な酸水溶液と半
導体に用いられる有機溶剤に高い耐性を示し、500℃を越える耐熱性を有することが分かっ
た。膜の電気特性を調べることで溶液の浸透挙動を観察することが可能かつ、ポリマー分
子の構造解析の可能性も示唆された。  
第5章ではナノ多孔質ポリイミド膜の半導体フィルターへの適用検討を図る。ポリイミド
多孔質膜のフォトポリマーフィルターとしての性能を実験的に調査し、高極性ポリマーの
高分子量体が選択的に膜に捕捉できることが確認された。膜の孔径と比表面積の濾過への
影響を確認したところ、孔径が小さいほうが同一比表面積において濾過効果が高いことが
明らかになった。ポリイミド多孔質膜による濾過は、フォトレジストモデルポリマーの経
時によるディフェクト増加を抑制していた。実験の結果から、ポリイミド多孔質膜のフィ
ルターメカニズムは吸着効果であると推定され、独特な3次元均一多孔構造が濾液の流路を
複雑にして補足効果を向上させる可能性を見出した。  
本研究の成果であるナノサイズの微細孔と、吸着能を有するポリイミド多孔質膜は、逆
オパール構造の応用により工業的に量産可能であり、半導体向けフィルターとして優れた
メンブレンとなる可能性を示した。  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


均一なナノ多孔質ポリイミド膜の製法と実用化に関する研究

周, 遠兵

モデルナノマトリックス構造を有する天然ゴムの調製と物性に関する研究

與那國, 優希

1 
様式Form 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation  
 
氏 名 與那國 優希  
 
発電用ガスタービンに用いられる高温部材には，ガスタービンの高効率化と構造信頼性
を両立させるためにさまざまな技術が導入されている．例えばタービン翼の内部冷却シス
テムやタービン翼に設けられた冷却孔から内部圧縮空気を噴出させ，表面に空気の断熱層
を形成させるフィルム冷却システムの採用，金属製タービン翼の表面への遮熱コーティン
グ（TBCs）の適用などである．ここで採用されている冷却システムは，タービン翼内部の
温度勾配を大きくさせ，それに誘起されて生じる熱応力がタービン翼の破損を加速させる
といった側面も持つことから，熱応力に配慮したガスタービン翼の設計指針が検討されて
きた．一方で，近年の再生可能エネルギの大量導入は，その出力の時間的不安定さから発
電用ガスタービンシステムなど既存のシステムに頻繁な負荷変動を強要することにもなる．
負荷変動が生じた場合，ガスタービン構造体に生じている温度分布は過渡的に変化し，そ
れに起因して付加的な熱応力（熱過渡応力）が構造体内部に生じ，それが繰返し作用する
ことになる．その際これまで特に配慮されてこなかった破損，すなわち「構造体の過渡的
応答に起因した熱応力による疲労破損」を生じることが懸念される．ここでの熱応力は周
波数が高いことから，この熱過渡応力による繰返し負荷を本研究では高サイクル熱疲労負
荷と称する．  
 上述の背景に鑑み，本論文では，再生可能エネルギの大量導入時代にあって，それに付
随するガスタービン動静翼の高サイクル熱疲労破損に焦点をあて，一連の検討を行った．
具体的には，高サイクル熱疲労の駆動力（すなわち周波数が高い熱過渡応力）の繰返しに
よる破損現象が顕在化しうる部位として超合金製動静翼に加工された冷却孔周りの破損を
想定し，現象をシミュレートした試験系を開発したうえで，そこから発生するき裂の進展
挙動を破壊力学的に検討した．ここで，この部位は疲労破損のみならずクリープ破損も懸
念される部位でもあることから，破損モードを予測する手法もあわせて提示した．さらに，
遮熱コーティング (TBCs)の適用がガスタービン発電用耐熱構造部材に不可欠になりつつ
ある工業的動向にも鑑み，TBCs部材の高サイクル熱疲労破損挙動を実験的に調査すると
ともに，それら破損現象，とりわけ発生する熱応力の大きさに及ぼすトップコートや基材
の物理的・機械的諸特性の影響を数値計算により検討し，一連の知見を統合して伝熱的な
構造応答に配慮した高サイクル熱疲労破損防止に対する指針についても探求した．  
 本論文は以下の5章から構成される．  
 第1章では，高サイクル熱疲労損傷に関してこれまでに得られた知見とその課題を整理
し，本論文の目的について述べた．  
 第2章では，タービン翼の冷却孔周りに生じる熱過渡現象を再現した疲労試験機を試作
し，それを用いて不均一な温度場におかれる翼冷却孔周りの高サイクル熱疲労破損挙動を
実験的に調査した．その結果，高サイクル熱疲労負荷が定常的な熱機械的疲労負荷に重畳
されると，それがない場合と比べて，微小き裂進展速度は有意に加速し，そこには熱過渡
2 
応力の繰返しが大きな役割を果たしていることを実験的に明らかにした．一連の加速現象
を定量的に予想するために，き裂進展過程に重ね合わせ則を適用し，応力振幅の増大現象
と応力比の変化を考慮したき裂伝ぱ則予測式を提案し，それが良好な推定結果を与えるこ
とも示した．  
 第3章では，冷却孔周りの温度条件が異なる場合の破損挙動への影響について調査し，い
くつかの破損モードが顕在化しうる場合の破損の予測法を探求した．その結果，冷却孔周
りの温度および負荷条件によっては破損モードの遷移がおこること，すなわち疲労支配と
なる条件下とクリープ支配となる条件下の両極現象が起こりうることを実験的に示した．
この現象に対し，任意の負荷条件下では，最短の破損寿命時間を与える破損モードが全体
の破損モードを決めるとする寿命予測法を提案した．  
第 4 章では，TBCs 部材の高サイクル熱疲労破損に注目して実験的および解析的調査を
した．実験的調査では，熱機械的疲労の負荷周波数が寿命と破損挙動に与える影響につい
て調査した．その結果，当該破損挙動には強い負荷周波数依存性があること，それの依存
性は基材単体のときとは異なることを示した．この現象解明のため，TBCs 部材に生じて
いる定常熱応力と高い負荷周波数での温度変動によって生ずる熱過渡応力について解析的
調査を行った．それにより，高サイクル TMF 試験でみられた破損挙動の負荷周波数依存
性には，伝熱的構造応答に関連した熱応力が深く関わっていることを示したうえで，高サ
イクル熱疲労破損防止という力学的要求と伝熱学的要求の双方を満足させる TBCs の設計
指針について提案した．  
 第5章では，各章で得られた成果を総括し，今後の研究課題と将来展望を示した．  
 本研究成果は，分散エネルギ大量導入時代にあって，発電用ガスタービン構造部材の高
サイクル熱疲労破損の防止に向けた重要な指標を与えるものと期待される．  


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実時間価格提示方策を利用した電力機器群の分散制御に関する研究

Interface Morphology and Fracture Behavior of Friction Stir Welded Dissimilar Metal T-lap Joints between AA7075 and AA5083

Study on atmospheric pressure plasma jet for plasma patterning toward cell culturing

Community structure and ecological role of anaerobic protists in UASB reactor treating domestic sewage

大強度粒子加速器への応用に向けたプラズマウィンドウの大口径化に関する研究

均一なナノ多孔質ポリイミド膜の製法と実用化に関する研究

モデルナノマトリックス構造を有する天然ゴムの調製と物性に関する研究

耐熱超合金およびコーティング部材の高サイクル熱疲労破損に対する力学的検討

Yttrium Silicate Ceramics Dispersed with SiC Particles for Self-healing Environmental Barrier Coating Applied to Si Based Ceramic Composites

Attempts toward Machining of the Back Surface of Si Substrate using Infrared Femtosecond Laser

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