1． 緒言
熱プラズマ発生手法の一つである多相交流アークは，エネルギー効率が高い，プラズマ体積が大きい，ガス流速が遅いといった利点を持つ．そのため，インフライトガラス溶融やナノ粒子合成などの多量の粉体処理プロセスへの応用が期待されている．多相交流アークをより効率的にプロセスに適用するためには，アークの安定性や温度特性の解明が必要不可欠である．
これまでの研究で，高速度カメラ観察により多相交流アークの変動現象が明らかにされている．さらに，近年では高速度カメラを用いて，定常または軸対称なアークの温度計測も行われている．しかし，その新規性から本手法の温度特性に関する研究は充分でなく，さらに，非定常かつ非軸対称であることから計測は困難である
近年，還元雰囲気を形成するH2を導入した還元プロセスが，多相交流アークを含めたアークの応用として注目されている．よって，多相交流アークにおいてH2濃度の制御がアークの温度変動特性にどのような影響を与えるかを明らかにすることは，プロセスパラメータ制御の観点から重要である．そこで本研究では，本手法の工業的な実プロセスへの展開を見据え，H2を含めた各プラズマガス種が多相交流アークの温度分布およびアーク挙動に及ぼす影響の解明を目的とした．

2．実験装置および計測手法
多相交流アーク発生装置は，炉側面より複数の電極を放射状に挿入し，位相の異なる電圧を印加することで電極間にプラズマを連続的に発生させる．Wを主成分としてCe2O3を2wt%添加した直径6 mmの電極を用い，6相交流でプラズマを発生させた．プラズマガスとしてAr, Ar-N2およびAr-H2を用い，それぞれのガス雰囲気が温度変動特性に与える影響を評価した．雰囲気圧力80 kPaでアーク電流値を85 A，駆動周波数を60Hzとした．
プラズマからの発光は2光路に分けられ，それぞれバンドパスフィルタによって特定の波長のみが抽出される．これらを高速度カメラのCMOSに結像させることで，プラズマ中の特定発光種のみを可視化した．Ar雰囲気とAr-N2雰囲気では主にArの線スペクトルが透過する675±5 nm，794±5 nm，Ar-H2雰囲気では主にHの線スペクトルが透過する656±5 nm，486±5 nmのバンドパスフィルタに高速度カメラを組み合わせた計測システムを用いた．高速度カメラの撮影速度を10,000fpsとすることで，msオーダーの変動に追従した観察を行った．
プラズマからの発光は，プラズマ中の構成粒子である原子やイオンの電子遷移由来の線スペクトル，自由電子が構成粒子との衝突により運動変化した際に放出される制動放射・またイオンと再結合する際に放出される再結合放射によるものから成る．Ar-H2雰囲気で温度計測を行う際のバンドパスフィルタの透過波長領域における発光分光計測において，どちらの波長域においても，H原子のきれいな線スペクトルが確認でき，連続スペクトルの影響はほとんどないと判断した．また，Ar-N2雰囲気で温度計測を行う際のバンドパスフィルタの透過波長領域における発光分光計測の結果では，特に中心波長が675 nmの波長域において，連続スペクトルの影響が無視できないと判断した．よって，Ar-H2雰囲気ではH原子の線スペクトルの発光のみを考慮したボルツマンプロット法を用いて，Ar-N2雰囲気ではAr原子の線スペクトルの発光だけでなく，発光領域にあたる制動放射と再結合放射を含めた連続スペクトルを計算し，加味することで温度計測を行った．

3．実験結果
窒素濃度が50%, 水素濃度が50%の2条件におけるアークの温度域は，発光種の発光強度の温度依存性の違いから，Ar-N2雰囲気では7,000-18,000 K, Ar-H2雰囲気では5,000-15,000 Kである．電極1本に着目すると，交流アーク特有の現象であるアークの消弧・再点弧を繰り返している様子が確認できる．電極近傍で最も温度が高く，電極から遠ざかるほど温度が低下していく様子が見られた．Ar-N2雰囲気ではアークが電極で囲まれた範囲内で分布しており，Ar-H2雰囲気ではアークが電極で囲まれた範囲の外側まで分布している様子が確認できる．
Ar，Ar-N2(Ar:N2 = 50:50)，およびAr-H2 (Ar:H2 = 50:50)におけるアークの存在確率において，Ar雰囲気では，中央にアークが全く存在しない範囲があり，アークは電極で囲まれる領域内に分布する様子が見られた．Ar-N2雰囲気では，Ar雰囲気に比べてアークの及ぶ領域が広がっている様子が見られた．これは，熱伝導度の増加に伴いアークが緊縮して，電極近傍における電流密度が増加した結果，ローレンツ力の影響を受けるアークスイングが大きくなったからであると考えられる．Ar-H2雰囲気では，アークの及ぶ領域がより広がっている様子が見られた．これは，Ar-N2雰囲気と同様に熱伝導度が増加してアークスイングが大きくなったからである．また，Ar-H2雰囲気ではアークが形成して伸長する際に，横から観察するとオメガのような形をしたアークが顕著に形成される傾向が確認できている．このオメガ型のアークの逆向きに流れる平行電流の部分で，ローレンツ力由来の斥力が大きくなる影響もあり，アークの存在する領域がさらに増加したと考えられる．

4．結言
本研究では，高速度カメラを用いた計測システムにより，多相交流アークにおいて，Ar-N2雰囲気とAr-H2雰囲気を用いた際のそれぞれの変動現象や温度場の比較を行った．その結果，Ar-N2雰囲気と同様にAr-H2雰囲気でも組成を制御することで，蒸発プロセスに適するような高温領域の形成が可能であることが示された．

国際学会

• Manabu Tanaka, Ritsu Sogo, Aori Ichini, Kazuma Tomiku, Takafumi Okuma, and Takayuki Wataanbe: Spatiotemporal Characteristics of Multiphase AC Arc by High-Speed Visualization, 77th Annual Gaseous Electrics Conference, IW1.00004 (2024.10.2 San Diego, USA).
• Kazuma Tomiku, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: High-speed Measurement of Temperature Characteristics of Multiphase AC Arc under Ar-H2 Atmosphere, The 36th International Symposium on Chemical Engineering, D02 (2025.12.6 Konju National University, Cheonan, Korea).

国内学会

• 富来和馬, 十河りつ, 一二碧利, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 丸山大貴: アルゴン−水素雰囲気における多相交流アークの温度変動の可視化, 九州大学×昭栄化学工業株式会社 研究交流会 (2024.8.7 昭栄化学工業糸島事業所).
• 富来和馬, 一二碧利, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 丸山大貴: アルゴン−水素雰囲気における多相交流アークの温度変動現象の可視化, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第28回支部大会研究発表論文集, p.75-76, P-1 (2024.12.22 西新プラザ).
• 富来和馬, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 丸山大貴: 反応性ガスによる多相交流アークの温度変動制御, 化学工学会第56回秋季大会, CE215 (2025.9.17 芝浦工業大学).