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論文題目「高速度カメラを用いたダイオード整流型交流放電におけるアーク変動の解明」
十河優太
緒言
均一かつ高効率な材料表面処理への応用が期待されるプレーナー熱プラズマの発生源としてダイオード整流型交流アークが近年開発された．交流電源とダイオードを用いてアークを発生させることで平面状の均一なプラズマ場が形成される．しかし，現段階においては十分に均一なプラズマ場の形成は難しい．また，アーク変動等の基礎現象も十分に解明されていない． 本研究ではダイオード整流型交流アークの変動特性の解明を目的として，高速度カメラとオシロスコープを用いた同期観察と電圧波形の解析によるアーク変動の均一性評価を行った．
実験方法
本実験で用いたダイオード整流型交流アークの発生原理は次の通りである．4本の電極を1区画の構成電極とし，その内訳は互いに逆位相の電流が流れる交流電極AC(-
+)とAC(+ -)，ダイオード整流させた電流が流れる半波整流陽極AN(+)と半波整流陰極CA(-)である．電極区画は直線状に複数配置でき，両端には電圧を印加しない中性点(NP)電極が配置される．各電極に周期的な電流が流れることでアークが点弧と消弧を繰り返す．アークの点弧位置は電極区画内で完結するCenter
Phaseと隣接区画や両端のNP電極にまたがるEdge Phaseの2種類であり，半周期ごとに交互に切り替わることで時間的に均一なプラズマ場が形成される．
本実験では二つの電極区画とNP電極の計10本を配置した．また，2種類の電極配置条件で実験を行った．１つ目は電極間距離がすべて10 mmの均一電極間距離条件である．2つ目はNP電極と隣接電極の電極間距離を5
mmとし，無負荷時のすべての電極間電界強度を等しくした均一電界強度条件である．電極1本あたりのシールドガス流量を3.0 L/minに固定し，アーク電流値80,
95, 110 Aでのアーク変動の様子を真上方向から高速度カメラとオシロスコープで同期観察した．また，測定でえられた電圧波形から各電極間の電界強度を算出し，互いの差が一定の値未満となる時間の割合を均一性と定義して各放電条件において評価した．
実験結果と考察
高速度カメラ観察より電極間でアークが点弧と消弧を繰り返す様子が確認できた．均一電極間距離条件ではNP電極へアークが点弧せず，電極列の中央方向へ長いアークが形成するような異常放電が観察された．一方で均一電界強度条件ではNP電極への安定的なアーク点弧が観察できた． F電流値による均一性の顕著な変化は見られなかった．また，いずれの電流値においても均一電界強度条件のほうが均一電極間距離条件よりも高い均一性であった．これはNP電極と隣接電極間の電界強度が上昇したことでNP電極へのアーク点弧が安定的におこり，異常放電の発生が抑えられたためである．
結言
高速度カメラとオシロスコープの同期観察によりアーク変動の様子が観察できた．電圧波形を用いたアーク変動の均一性評価より，均一電界強度条件において均一性が高くなることが明らかとなった．
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| プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第26回支部大会 講演奨励賞 (2023年3月) 「高速度カメラを用いたダイオード整流型交流放電におけるアーク挙動の解析」 |
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| 化学工学部門2024年修士中間発表 優秀発表賞 (2024年2月) 「アーク変動解析に基づく大面積用新規熱プラズマ源の開発」 |
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国際学会
- (基調講演) Manabu Tanaka, Ryo Takenaka, Yuta Sogo, Aika Tamae, Takafumi Okuma, Takayuki Watanabe, Tsugio Matsuura, Juan-Pablo Trelles, Masaya Shigeta: Innovative Thermal Plasma Generation with Diode-Rectified AC Arc System and Its Applications, 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, A-PL1 (2022.10.10 On-Line).
- Yuta Sogo, Ryo Takanaka, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Masaya Shigeta, Tsugio Matsuura: Fluctuation Analysis of Diode-Rectified AC Arc by High-Speed Visualization, Proceedings of 25th International Symposium on Plasma Chemistry, POS-2-212 (2023.5.23 Miyako Messe, Kyoto).
- Ryo Takanaka, Yuta Sogo, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Masaya Shigeta, Tsugio Matsuura: Characteristics of Planar Thermal Plasma Jet by Diode-Rectified AC Arc, Proceedings of 25th International Symposium on Plasma Chemistry, POS-2-213 (2023.5.23 Miyako Messe, Kyoto).
- Manabu Tanaka, Ryo Takenaka, Yuta Sogo, Takayuki Watanabe, and Masaya Shigeta: Visualization of Fluctuation Phenomena in Planar Thermal Plasma Jet Generated by Diode-Rectified Multi-Electrode AC Arc, 16th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Applications for Nitrides and Nanomaterials, 050B12O (2024.3.5 Nagoya University).
国内学会
- 竹中凌, 十河優太, 田中学, 渡辺隆行: ダイオード整流型交流アークを用いたプレーナー熱プラズマジェットの変動特性, 化学工学会第53回秋季大会, AC215 (2022.9.15 信州大学).
- 講演奨励賞 十河優太, 竹中凌, 田中学, 渡辺隆行, 茂田正哉, 松浦次雄: 高速度カメラを用いたダイオード整流型交流放電におけるアーク挙動の解析, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第26回支部大会研究発表論文集, p. 43-44, 3P1-10 (2022.12.10 九州大学筑紫キャンパス).
- 竹中凌, 田中学, 渡辺隆行: ダイオード整流型交流アークにおけるプレーナー熱プラズマジェットの特性評価, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第26回支部大会研究発表論文集, p.57-58, 3P2-2 (2022.12.10 九州大学筑紫キャンパス).
- 十河優太, 竹中凌, 田中学, 渡邉隆行, 茂田正哉, 松浦次雄: アーク変動解析に基づく大面積処理用プラズマ源の開発, 第60回化学関連支部合同九州大会 (2023.7.1 北九州国際会議場).
- 竹中凌, 十河優太, 田中学, 渡辺隆行, 茂田正哉, 松浦次雄: 高速表面処理に用いるプレーナー熱プラズマの温度特性, 化学工学会第54回秋季大会, G216 (2023.9.12 福岡大学).
- 十河優太, 竹中凌, 田中学, 渡邉隆行, 茂田正哉, 松浦次雄: ダイオード整流型交流アークの変動解析による大面積処理用熱プラズマの開発, プラズマ・核融合学会第40回年会, 28Cp08 (2023.11.28 盛岡アイーナ).
- 竹中凌, 十河優太, 田中学, 渡辺隆行, 茂田正哉: 高速度カメラを用いたプレーナー熱プラズマの変動現象の可視化, 高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム2023講演論文集 , 16-3 (2023.12.15 近畿大学東大阪キャンパス).
