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論文題目「水プラズマシステムの開発およびその変動特性の解析」

宗像大貴

1．緒言
　熱プラズマによる廃棄物処理は，熱プラズマの高温という特徴を利用し，多方面で実現している．しかし熱プラズマ装置の欠点として，大量の冷却水の使用により熱効率が低くなることや，装置本体とは別にプラズマ原料ガスを供給するための装置が必要となることが挙げられる．そこで本研究では冷却水をそのままプラズマ原料として用いる水プラズマシステムを開発した．この装置の利点として，従来の熱プラズマ装置と比較して熱効率が高いことや，プラズマガス供給装置が不要になったため本体が小さいことが挙げられる．また，原料に用いる水由来の豊富なH，O，OHラジカルによる高活性およびプラズマの高エンタルピーという特長を持っているため，廃棄物処理技術への応用が検討されている．
　既存の水プラズマシステムでは，トーチタンク内の液体原料はトーチ内部の吸湿材の毛細管現象によって吸い上げられ，トーチ上部の放電領域へ導入されていた．この方式では，プラズマの熱による液体原料の蒸発量に依存してトーチ内の液体が供給されるため，原料供給量の制御が不可能であった．そこで，ミストにより原料供給を行う新規の水プラズマトーチを開発した．このトーチでは，発生ミスト量を変化させることができるため，原料供給量の制御が可能になった．
　既往の研究では，水プラズマのアーク変動現象が確認されている．この変動はリストライクモードと呼ばれており，水プラズマを廃棄物処理に応用するためにはその変動現象を十分に把握しプロセスに用いることが必要となる．そこで本研究では，ミスト供給型水プラズマトーチにおいて原料供給量を変えた場合のアークの変動現象を明らかにするため，高速カメラ二台とオシロスコープを用いてアークの二方向同期観測をおこなった．

2．実験装置および計測手法
　プラズマトーチは，ノズル型銅陽極と先端にハフニウムを埋め込んだ銅陰極棒から構成される．ハフニウムは熱電子放出材として用いられ，熱破壊から保護するために銅に圧入してある．トーチ底部の超音波振動子は，液体を2.5MHzの周波数でミスト化する．数十nmオーダーの粒径で生成されたミストは放電領域に直接導入される．
　水プラズマトーチの上部および側部に設置した高速度カメラ二台とオシロスコープを同期させることで，アークの変動現象を可視化した．数十µsオーダーでのアーク変動に追従するために，撮影速度は上部カメラを4.2×105fpsとし，側部カメラを2.2×105fpsとした．シャッター速度は1 μsとした．プラズマ源には有機廃棄物のモデル物質として5mol%エタノールを用いた．実験条件としてアーク電流を6.0 A，原料供給量を45, 50, 60 mg/sとした．

3．実験結果
　電圧波形より特徴的なのこぎり波形が確認された．これはアークのリストライク現象に起因する．対応する上方向からの画像では，電圧の増加に伴い，アークが半径方向へ伸長し，陽極点がノズル表面に達した後に消弧している．横方向からの画像では，アークが軸方向に伸長した際にループ先端が観察された．このアークの伸長はプラズマガス流によって生じる．
　原料供給量が60 mg/sにおける電圧変動に対するFFT解析結果より，アーク電圧は40.2kHzの周期的な変動を有している．また，主要なピーク以外のピークが見られないことから，アークは安定した一定の変動を繰り返した．
　原料供給量の増加に伴い，平均電圧は増加している．これは原料供給量に比例してプラズマガス流量が増加し，アークの最大長さが増加したためである．また， 原料供給量の増加に伴いプラズマガス流量が増加することで，トーチ内圧力が増加する．これに伴いノズル内のガス流速が増加したため，変動周波数は増加している．
　 存在確率分布図は，4.5 ms（約150周期）のカメラ画像を画像解析することで算出した．原料供給量の増加に伴い，アークの存在領域が軸方向，半径方向共に増加している．これは，原料供給量の増加に伴い，プラズマガス流量が増加し，ノズル内のガス流速が増加したためである．
　投影面積は4.5 ms(約150周期)のアーク変動の間にアークが一度でも観察された面積とする．上方向，横方向ともに原料供給量の増加に伴い投影面積は増加している．また，ガス流速の増加によるアークの伸長は半径方向よりも軸方向に大きく寄与している．同供給量条件において原料が水と5mol%エタノールの場合を比較すると，面積は水より5mol%エタノールを用いた場合の方が大きい．これはエタノール濃度増加に伴い蒸気圧が増加し，トーチ内圧力が増加することでノズル内ガス流速が増加したためである．

4．結言
　液体原料をミスト供給する水プラズマトーチを開発し，原料供給量の制御に成功した．異なる原料供給量におけるミスト供給型水プラズマアークの変動現象を把握するため，二台の高速度カメラとオシロスコープを用いて二方向同期観察をおこなった．原料供給量を変化させることでアークの伸長現象を制御することができ，被分解物質の滞留時間が制御可能であると示唆された．現在では，超音波振動子を4つ搭載し，さらに広範囲で原料供給量を変化させることが可能な水プラズマトーチの開発にも成功している．
　以上より， ミスト供給型水プラズマトーチは，水プラズマによる有害廃棄物分解および合成ガス生成システムの実現を可能にすることが期待される．

24th International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC24) Thermatic Award: Thermal Plasmas
「Discharge Characteristics of Water Plasma with Mist Generation」

修士論文の内容は2017年9月17日にBSジャパンの「未来EYES」にてテレビ放映されました。　 詳細はこちら



修士論文の内容は2018年10月12日にテレビ東京の「発想UNLEASH～未来への自由研究～」にてテレビ放映されました。　 詳細はこちら



修士論文の内容は2019年6月11日にテレビ朝日の「羽鳥慎一モーニングショー」にてテレビ放映されました。　 詳細はこちら