| 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 | サイトマップ |

論文題目「電極添加酸化物が多相交流アークの電極消耗現象に与える影響」

釘宮悠太
1.緒言
熱プラズマの一つである多相交流アークは,エネルギー効率が高く,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,多量の粉体処理プロセスへの応用が期待されている.しかし,多電極を用いた交流方式のプラズマ発生手法であるため,電極消耗が問題となる.安定した連続運転や生成物への不純物混入防止につながるため,電極消耗現象の理解が不可欠である.交流アークの電極消耗は,主に陰極時に液滴飛散,陽極時に蒸発による消耗からなる.W電極に低仕事関数の金属酸化物を添加することにより,電極消耗量を低減化できる.本研究では,電極添加酸化物が多相交流アーク電極の消耗現象に与える影響の解明を目的とした.

2.実験方法
多相交流アーク発生装置は,位相が30度異なる交流電圧を12本の電極に印加することで熱プラズマを発生させる装置である.プラズマガスを空気(200 L/min)とし,電極の酸化防止のため電極近傍にAr(3.5~5 L/min)を流した.高融点であるWに,La2O3,Er2O3,ThO2をそれぞれ2.0wt%,1.43wt%,2.0wt%添加した電極を用いた.
液滴飛散を装置側面のビデオカメラにより観察し,電極表面および金属蒸気を装置上部の高速度カメラにより観察した.このとき,高速度カメラと特定の波長域のみを透過するバンドパスフィルター(BPF)による二波長同期計測システムを用いた.
電極表面の撮影時には,電極由来の熱放射のみを可視化できる波長域のBPFを用いた.結果から二色放射測温法により電極温度を算出した.蒸気の撮影時には,Wの発光とArの発光のみを可視化できる波長域のBPFを用い,WとArの相対強度を算出した.

3.実験結果
酸化物の物性値はそれぞれLa2O3 (融点:2577 K,沸点:3893 K), Er2O3 (融点:2691 K,沸点:4193 K), ThO2 (融点:3323 K,沸点:4673 K)である.融点の高い酸化物を添加した電極ほど液滴発生速度が大きくなり,沸点の高い酸化物を添加した電極ほど蒸発速度が小さくなった.
各電極の陽極時および陰極時の最大電流時における二次元温度分布において,添加物の融点が大きい電極ほど,Wの融点以上の面積,すなわち電極溶融面積が小さくなることがわかった.電極溶融部を流れる電流は,電流の周りに発生する磁場から電極中心向きの電磁力を受ける.この電磁力は溶融面積に反比例し,溶融面積が小さくなるほど液滴発生速度が加速される.
陽極時の最大電流時におけるW蒸気の高速度画像において,La2O3添加電極においてW蒸気が最も顕著に観察された.この結果は,蒸発速度および電極温度の計測結果と一致しており,La2O3添加時は電極温度が高く,蒸発速度が大きい.これは,沸点の低いLa2O3の蒸発が,主成分であるW蒸発のトリガーになったためと推測される.

4.結言
本研究では,高速度カメラとBPFを併用し,放電中の電極の温度計測と,電極からのW蒸気の可視化に成功した.電極添加酸化物の物性値が,陰極時での液滴飛散現象および陽極時での蒸発現象に与える影響をそれぞれ明らかにした.得られた知見より,低消耗な多相交流アークによる粉体処理プロセス構築が可能となる.



化学工学会第51回秋季大会 プラズマシンポジウム最優秀学生賞(2020年9月)「窒素雰囲気における多相交流アークの電極蒸発機構」
化学工学部門2020年修士中間発表優秀発表賞(2020年2月)ナノ粒子合成に用いる熱プラズマ発生装置の電極消耗機構


国際会議

国内会議