| ホーム | 渡辺教授 | 研究 | 業績 | 装置 | メンバー | 卒業生 | 学生業績 |
| 講義 | 学会報告 | 入学希望者 | トピックス |

論文題目「多電極交流アークによるプレーナー熱プラズマジェットの変動」

竹中凌

1．緒言
熱プラズマは，高温・高エンタルピー，高化学活性などの特徴を有することから，様々な材料処理への応用が期待されている．アーク放電由来の高温流体である熱プラズマジェットは高温処理に適したプラズマの一つである．しかし，従来のプラズマジェットは半径1-10 mm程度と限られており，大面積での表面処理には適していない．このような欠点を解決するために，新たなプラズマ発生手法が開発されている．ループ型の誘導熱プラズマを用いることで，プレーナー状のプラズマジェットを発生させることに成功し，表面処理への利用が可能になった．しかし，温度が比較的低温，長さに制限がある，圧力制御が必要といった欠点もあり，工業プロセスへの応用にはまだ限界がある．

ダイオード整流型交流アーク発生装置は，上述の課題を解決するために構築された革新的な熱プラズマ発生手法である．この発生手法では，エネルギー効率に優れていることに加え，原理上無限に長くすることができ高速かつ大面積での表面処理が可能であるという利点を有する．しかし新規な発生手法であるため，プラズマジェットの変動や温度特性などの基礎現象の解明が十分ではない．

そこで本研究では，ダイオード整流型交流アーク発生装置におけるプレーナー熱プラズマジェットの変動現象と温度特性の解明を目的とした．発光分光分析装置と高速度カメラとを組み合わせた新たな計測システムを用いることで，プラズマジェットの温度計測を行った．

2．実験装置および計測手法
本研究で用いたダイオード整流型交流アーク発生装置は，4本の電極を1区画の構成電極としており，交流をダイオードによって整流することで，両隣の電極間に交互にアークを発生させ放電を維持する． 本実験では10本の炭素電極を直線状に配置し，電極近傍からArシールドガスを1本あたり3 L/min，アーク電流値を75-100 Aで変化させ，大気圧下で熱プラズマジェットを発生させた．観察には発光分光分析装置と高速度カメラを用いている．高速度カメラの撮影速度は，変動現象の観察では10,000fpsとし，時間変動に追従した観察を行った．一方で，温度計測では時間平均した温度算出のために，撮影速度を60fpsとした．

本研究では発光分光分析装置と高速度カメラを用いることで温度計測を行った．発光分光分析装置を用いることで，Ar原子の線スペクトルの発光強度を利用するボルツマンプロット法により，観測点における温度算出を行った．また，O原子の777 nmとAr原子の763 nmの線スペクトルの強度比を求め，Fig .3 (a)に示す各濃度における相対強度比と温度の理論曲線より，観測点での濃度算出も行った．高速度カメラは，バンドパスフィルタ(BPF)光学系を組み合わせた計測システムを用いており，BPFにはAr原子の線スペクトルが透過する763±1.5 nm，O原子の線スペクトルが透過する777±1.5 nmを選定した．Fig. 3(b)に示す発光分光分析装置による計測から得られた温度，濃度を基準にして得られる763 nmの強度比と温度の理論曲線を用いることで，時間平均した二次元的な温度評価を行った．

3．実験結果
電流値100 Aの条件でのプラズマジェットの面積の時間変動において，交流半周期毎にプラズマジェットが変動している様子が確認された．これは電流が切り替わる際に起こるアークの消弧と再点弧が原因である．また，交流半周期内でも2回プラズマジェットが噴出されているような変動が確認された．これはアークが消弧に近づき，プラズマジェットが収縮する過程で，アークの複雑な挙動が影響し，プラズマジェットが再び噴出されるためである．

高さ5 mmの位置における水平方向のプラズマジェットの面積割合の時間変動において，プラズマジェットが噴出されている条件下においても，その割合は30%程度であった．これは，瞬間的には横方向に長いプラズマジェットではなく，部分的にプラズマジェットが生成されていることを示唆しており，今後の大きな課題である．一方で，プラズマジェット存在確率分布のように，画像を重ね合わせると横方向に長いプラズマジェットが生成されている．存在確率分布は7周期分の高速度カメラ画像を重ね合わせており，常にプラズマジェットが存在している場合は1，存在していない場合は0を示す．時間平均すると均一なプラズマジェットを発生させることができるという理念のもと，本研究では，時間平均した温度の算出を行った.

それぞれの電流値における，時間平均した二次元的な温度算出結果において，すべての条件で横方向に長い温度分布が確認された．この温度分布は，発光分光分析装置を用いて得られた観測点での温度と濃度を基準にして算出している．また，電流値を増加させることで，温度分布が上方向に伸びていることが確認された．これは，電流値を増加させることで電極軸方向の運動量およびプラズマジェットが有するエネルギー量が増加することで，プラズマジェットが伸長・増大するためである．プラズマジェットの変動観察からも同様の傾向が確認されている．

高さ5 mmの位置における水平方向の温度分布の解析結果において，電流値の増加により，温度の増加が確認された．これは電流値の増加によって，投入電力が増加し，ジュール加熱が増加するためである．

4．結言
本研究では，高速度カメラを用いたプラズマジェットの変動解析，温度評価を行った．温度評価において.は，発光分光分析装置と高速度カメラを組み合わせた新たな手法を用いることで，温度計測を可能にした．ダイオード整流型交流アークの変動や温度特性を理解することで，材料の表面処理へのダイオード整流型交流アークの応用が期待される．

化学工学部門修士中間発表優秀発表賞
(2023年2月)
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


国際学会

国内学会