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論文題目「大面積処理用交流アークの放電現象の解析」

十河優太

1．緒言
熱プラズマは，高温・高エンタルピー，高化学活性等の特徴を有し，様々な材料処理プロセスへの応用が期待されている．特にアーク放電で形成される熱プラズマ場は，高温処理技術として注目されている．しかし，従来の発生手法では，プラズマ場の高温領域が直径1-10 mm程度と限られ，大面積処理をおこなう場合には材料の度重なる走査が必要となり非効率である．この課題を解決するための，プラズマ発生手法がいくつか提案されている．しかし，プラズマ場のスケールアップや制御が困難であるなどの理由から，工業プロセスへの実用化には未だ限界がある．

近年，多相交流アークを用いたプレーナー型熱プラズマ場の新たな発生手法が開発され，改良が進められている．この手法ではアーク由来の高温領域を形成でき，電極本数を増やすことでのスケールアップも容易であるため，より高効率な大面積処理が期待される．しかし，本手法におけるアークの時間変動特性には未解明の点が多く，これらを解明することは，プラズマ場の制御や材料処理の効率向上，さらには工業プロセスへの実用化において不可欠である． そこで本研究ではプレーナー型熱プラズマ場の発生源である線形多相交流アークの変動特性の解明を目的とした．高速度カメラと電圧計測を用いた同期観察により，プラズマの発生条件がアーク変動に及ぼす影響を調査した．

2．実験装置および計測手法
本研究で用いた線形多相交流アークでは，炭素電極を直線状に配置し，位相の異なる6相の交流電圧をそれぞれの電極に印加する．この配置では，電極間電界強度が高い箇所でアークが安定的に点弧し，隣接する逆位相の電極間に主にアークが発生する．複数のアークが交流周期に従って点弧と消弧を繰り返すことで，プラズマ場を形成する．

本研究では6本の電極を配置しアーク電流値を70 A，電極近傍からのArシールドガスを電極1本あたり3.0-8.0 L/minで変化させてアークを発生させた．観察は高速度カメラとオシロスコープの同期により実施した．カメラの撮影速度を89,000fps，オシロスコープのサンプリング周波数を1MHzとし，アークの素早い時間変動に追従した観察をおこなった． 計測で得られた電圧波形から，アーク電圧の実効値と変動率を算出した．実効値は測定電圧の二乗平均の平方根として計算した．

本研究では計測時間を3.0 sと 装置正面方向からのアーク画像(8bit，輝度値0-255)を重ね合わせることで，高温領域の二次元分布図を作成した．

3．実験結果
強い発光を伴うアークは3か所の隣接する逆位相の電極間で主に発生した．各々のアークは点弧ののちにシールドガス流に沿って上向きへ伸長し，消弧する挙動を繰り返した．アーク電圧も点弧，伸長に伴って上昇し，消弧に向かうことで低下した．さらに，アークは半周期毎に消弧，再点弧し，消弧するアークはおよそ2.8 msごとに左側から右側に移り変わる様子が確認できた．

シールドガス流量がアーク電圧の実効値および変動率に及ぼす影響を調べた結果，流量の増加に伴って電圧実効値が上昇した．これは，下流方向へのガス流速および慣性力の増大でアークが上方向へより長く伸長したためである．

流量の増加に伴ってアーク電圧の変動率も上昇した．変動率が上昇する代表的な要因としてアーク長やアーク電圧の大幅な変化が挙げられる．特にアーク電流値が0でない瞬間における，伸長途中での再点弧現象は電圧の大幅な低下を引き起こす．これは，伸長途中において電極近傍で短いアークを形成すると同時に，下流側アークが消失する現象である．そこで，各流量条件における伸長途中での再点弧回数を交流10周期分の画像観察により記録した．流量が増えることで回数が増加しており，このことが変動率上昇の原因のひとつである．

4．結言
本研究では，高速度カメラとオシロスコープによる線形多相交流アークの変動解析を実施した．アークの電圧変動率や高温領域を算出することでアーク変動に対するガス流量の影響を解明した．線形多相交流アークの変動特性を理解することで，高効率な大面積処理への応用が期待される．

 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」
 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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