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論文題目「Investigation of In-Flight Melting of Glass Raw Materials by Multi-Phase AC Arc」
(多相交流アークを用いたインフライト溶融によるガラス製造)


Liu Yaping

本論文は「Investigation of In-Flight Melting of Glass Raw Materials by Multi-Phase AC Arc (多相交流アークを用いたインフライト溶融によるガラス製造)」と題し,英文で書かれ,全7章で構成されている。

第1章「Introduction」では,各種の熱プラズマ源の発生方法,応用,および計測手法に関する研究の現状をまとめ,プラズマを用いた既往のガラス溶融技術の研究動向,および革新的インフライト溶融法を用いたガラス溶融技術の動向をまとめ,本研究の構成と目的について述べている。

第2章「Investigation of Characteristics of Multi-Phase AC Arc」では,インフライト溶融によるガラス処理を行うには,多相交流アークの放電挙動を把握することが不可欠であるため,高速度ビデオカメラとオシロスコープを同期してmsオーダーでの放電変動を観察している。放電中には常に複数の電極からアークが発生していることを明らかにし,さらに高速度ビデオカメラにより得られたプラズマの高温領域の時間変動を解析することにより,アークの主要な変動は300 Hzの周波数を有していることを示している。高速度ビデオカメラの画像を二値化することにより,交流の1周期中(20 ms)におけるプラズマの高温領域の分布を解析し,インフライトガラス溶融に適したアークの発生条件を明らかにしている。

第3章「Investigation of Spatial Characteristics of the In-Flight Particle」では,効率的なインフライト溶融を行うためには,インフライト中のガラス粒子の特性を把握することが必要であると述べ,プラズマ中のインフライト溶融粒子を光学的に計測している。熱プラズマの発光が非常に強いため,プラズマ中の光学的・非接触型の粒子計測は困難であるが,インフライト溶融粒子からの熱放射による発光のみを計測し,正確な温度計測手法を開発し,溶融中の代表的な粒子温度は2500℃程度であり,ガラス化温度より十分に高いことを示し,インフライト中のガラス粒子の空間特性を明らかにしている。

第4章「Investigation of Temporal Characteristics of the In-Flight Particle」では,二色放射測温法に基づき,高速度ビデオカメラとバンドパスフィルターを組合せることで,粒子温度のmsオーダーの時間変動を明らかにしている。多相交流アークが有する高温場の時間変動が,溶融粒子温度の時間変動に影響を及ぼすことを実験的に明らかにしている。また,アークの放電条件を変化することにより,プラズマの高温領域の変動を制御してインフライト中のガラス粒子の時間変動を低減できる結果を得ている。

第5章「Investigation of the Melting Behavior of Glass Powders by Multi-Phase AC Arc」では,インフライト溶融技術の実用化の可能性を検証するため,造粒化したガラス原料のインフライト溶融実験を多相交流アークを用いて行っている。溶融後のガラス粒子の粉末X線回折分析と組成分析により,ガラス化率および揮発成分の評価を行っている。造粒粉体の供給速度を減少することによりガラス化反応が進行し,揮発成分の残存率が低下することを明らかにしている。また,多相交流アークの放電条件によって高温場の特性を制御し,高いガラス化率と低い揮発率を得ることができることを示している。

第6章「Comparison of the Melting Behavior of Glass Powders by Multi-Phase AC Arc and Hybrid Plasmas」では,多相交流アークと酸素燃焼炎を組合せたハイブリッドプラズマによるインフライト溶融実験を行っている。多相交流アークのみでの加熱とハイブリッドプラズマによる加熱を比較すると,同等のガラス化率が得られている条件において,ハイブリッドプラズマを用いる方が低い揮発率が得られることを示している。ハイブリッドプラズマでは高温の多相交流アークに加え,粒子の滞留時間が長い燃焼炎を組み合わせていることから,効率的にガラス化反応が進化することを明らかにしている。

第7章「Conclusions」では,本研究の成果を総括し,今後の展望を述べている。


2010年7月 Best Poster Award of 10th Asia-Pacific Conference on Plasma Science and Technologyを受賞しました.受賞対象の研究発表は「In-Flight Melting Behavior of Different Glass raw Materials by Hybrid Heating of Twelve-Phase AC Arc with Oxygen Burner」です.



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011年7月 Best Student Paper Award of 20th International Symposium on Plasma Chemistryを受賞しました。受賞した発表は「In-Flight Particle Measurement of Glass Raw Materials in Multi-Phase AC Arc Plasma」です。

平成20年度から24年度の計画で,東工大,物質・材料研究機構,ニューガラスフォーラム,旭硝子,東洋ガラスとナショナル研究プロジェクト「革新的ガラス溶融プロセス技術開発」を実施しています。この研究に関する成果が7月末にフィラデルフィアで開催されたISPC20にて,Best Student  Paper Awardを受賞しました。
学会では550件の発表があり,投稿論文の内容から15件がFinalist として学会前に発表されました。学会当日に発表内容等が審査され,3名だけがBest Student Paper  Awardを受賞しました。数多い発表のなかから3名(熱プラズマ1件,低圧プラズマ1件, 大気圧非平衡プラズマ1件)だけが選ばれ、熱プラズマ代表として インフライト溶融の研究が選ばれました。

研究論文

国際学会

  • Yaping Liu, Yosuke Tsuruoka, Manabu Tanaka, Toshio Ichihashi, Tetsuji Yano, and Takayuki Watanabe: In-flight Melting Behavior of Different Glass Raw Materials by Hybrid Heating of Twelve-Phase AC Arc with Oxygen Burner, 10th Asia-Pacific Conference on Plasma Science and Technology (2010.7.6 Jeju, Korea).
  • Manabu Tanaka, Yosuke Tsuruoka, Yaping Liu, Takayuki Watanabe, Jun Taguchi, and Tetsuji Yano: Investigation of In-Flight Melting Behavior of Granulated Glass Raw Material by Multi-Phase AC Arc Plasma, 3rd International Congress on Ceramics (2010.11.17 Osaka International Congress Center).
  • Yaping Liu, Manabu Tanaka, Yosuke Tsuruoka, and Takayuki Watanabe: In-Flight Melting Behavior of Granular Alkali-Free glass by Multi-Phase AC Arc and Hybrid Plasma, 4th International Conference on Plasma Nanotechnology & Science (2011.3 Takayama).
  • Manabu Tanaka, Yaping Liu, Yosuke Tsuruoka, Takayuki Watanabe: In-Flight Melting Behavior of Alkaline Free Glass by Combination of Multi-Phase AC Arc with Oxygen Burner, Abstracts of The 9th International Conference on Advances in The Fusion and Processing of Glass (2011.7.11 Cairns, Australia).
  • Manabu Tanaka, Yaping Liu, Yosuke Tsuruoka, and Takayuki Watanabe: Investigation of In-Flight Melting Behavior of Granulated Glass Raw Materials by Hybrid Heating of Twelve-Phase AC Arc with Oxygen Burner, Proceedings of 20th International Symposium on Plasma Chemistry (2011.7.26 Philadelphia, USA).
  • Yaping Liu, Manabu Tanaka, Yosuke Tsuruoka, and Takayuki Watanabe: In-Flight Particle Measurement of Glass Raw Materials in Multi-Phase AC Arc Plasma, Proceedings of 20th International Symposium on Plasma Chemistry, THE04 (2011.7.26 Philadelphia, USA).
  • Tsugio Matsuura, Manabu Tanaka, Yosuke Tsuruoka, Yaping Liu, and Takayuki Watanabe: Discharge Phenomena of Multi-Phase AC Arc for In-Flight Processing, Proceedings of 20th International Symposium on Plasma Chemistry, SOU13 (2011.7.28 Philadelphia, USA).
  • Yaping Liu, Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: In-Flight Particle Measurement of Glass Materials in Thermal Plasmas, P2024A, 4th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Applications for Nitrides and Nanomaterials (2012.3.6 Nagoya).
  • Yaping Liu, Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: In-Flight Particle Measurement of Glass Raw Materials in Hybrid Heating of Twelve-Phase AC Arc with Oxygen Burner, The 12th High-Tech Plasma Processing, PS1.45 Conference (2012.6.26 Bologna, Italy).
  • Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Yaping Liu, Tsugio Matsuura, and Takayuki Watanabe: Electrode Temperature Measurements of Multi-Phase AC Arc by High-Speed Video Camera, The 12th High-Tech Plasma Processing Conference, Oral talk 33 (2012.6.28 Bologna, Italy).
  • Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Yaping Liu, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: Electrode Temperature Evaluation of Multi-Phase AC Arc by High-Speed Video Camera, Proceedings of 9th International Conference on Fluid Dynamics, p.704-705 (2012.9.20 Sendai).
  • Yaping Liu, Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: Effect of Multi-phase AC Arc Uniformity on the Temperature of In-Flight Particles, Abstracts of 11th Asia-Pacific Conference on Plasma Science and Technology, 1-P08 (2012.10.2 Kyoto).
  • Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Yaping Liu, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: Investigation of Electrode Erosion Mechanism of Multi-Phase AC Arc by High-Speed Video Camera, Abstracts of 11th Asia-Pacific Conference on Plasma Science and Technology, 2B-O15 (2012.10.3 Kyoto).
  • Yaping Liu, Manabu Tanaka, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: Investigation of Spatial Characteristics of Multi-Phase AC Arc Combined with In-Situ Particle Measurement, Proceedings of 21st International Symposium on Plasma Chemistry (2013.8 Cairns, Australia).
  • Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Yaping Liu, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: Investigation of Electrode Erosion Mechanism of Multi-Phase AC Arc by High-Speed Video Observation, Paper ID:60, Proceedings of 21st International Symposium on Plasma Chemistry (2013.8 Cairns, Australia).
  • Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Tomoki Ikeba, Yaping Liu, and Sooseok Choi: Electrode Temperature Measurement during Plasma Processing to Investigate Electrode Phenomena, Proceedings of 12th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization (2013.11 Nara Prefecture New Public Hall).

国内学会