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論文題目「多相交流アークの変動特性の解析」

大熊崇文

本研究では，熱プラズマの中でもエネルギー効率が高く，プラズマ体積が大きい，処理物質の滞留時間が長いといった利点を持ち，材料プロセシングに適した多相交流アークに着目した．多相交流アークは円筒チャンバの側壁に12本の電極を放射状に等角度配置し，12台の交流電源によりそれぞれに異なる位相の電圧を印加することで，電極間に大きな容積を持った高温領域を発生させる，熱プラズマ発生手法である．その特長からインフライトガラス溶融プロセスやナノ材料合成プロセスなどへの応用が期待され，実用化を目指した研究が行われている．しかし，多相交流アークは新規な熱プラズマ発生手法であるため，アーク変動現象や温度特性などの重要な基礎現象の理解が充分でない．特に材料プロセシング向けシステムの設計にあたっては，電極の配置や相制御や各種プロセス条件がアークの変動現象や温度特性に与える影響を明らかにすることが必要不可欠である．そこで本研究では，多相交流アークにおけるアーク変動と温度特性の解明を目的とし，高速度カメラと特定の波長のみを透過するバンドパスフィルタを組み合わせた計測システムにより観察した．

はじめに，多相交流アークの基本的な構成要素である電極の配置を電圧制御について検討を行った．多相交流アークの放電現象と温度特性は，電極の本数および各電極へ供給する交流電圧の相数制御によって大きく影響を受けることを確認し，相数と電極の本数が増えることで，アークがより均一に存在する領域を作り出すことを明らかにした．これは，アークの発生点が増えることと，アークのスウィングが増大するためである．温度分布については，アークに起因する高温領域が7,000 Kから12,000 Kであることを明らかにした．また，アークの空間的，時間的挙動をより明らかにするため，アーク面積変動とアーク存在確率分布を導入した．アーク面積は12相交流アークのものが最も大きく，アーク存在確率分布においても最も均一性の高い分布を持つことを明らかにした．これに対して，同じ12本の電極を用いるが，6相交流アーク放電を2段重ねた相数条件においては，放電領域の外周にアークが偏在し，中心部にはほとんどアークが存在しないという異なる結果を得た．また，アークの変動周波数解析を行い，12相交流アークにおいては，材料が高温領域の通過に要する時間に対して十分はやい変動周波数を持つことを示し，安定した材料プロセシングへの可能性を示した．得られた温度分布についての考察を行い，電極近傍などの極端な温度勾配がある部分を除いて，アークの大部分においてアルゴン励起温度をガス温度とみなすことができることを示し，多相交流アークは高融点金属やセラミクスの溶融，蒸発に十分な温度を持つことを明らかにした．

次に，多相交流アークにおけるアークの挙動に対して外的な影響を与える駆動周波数に関して検討を行った．多相交流アークの駆動周波数が放電と温度特性に与える影響について確認し，電極を6本用いた6相交流アークの場合は，どの圧力においても駆動周波数の増加に伴い，アークがより放電領域の中心部に集中し，温度も上昇することを明らかにした．これは，アーク放電の間隔が短くなることによって形成される，中心部の高温領域が熱解離を促進し，電気伝導度の高い領域を形成するためである．温度分布については，アークに起因する高温領域が7,000 Kから12,000 Kであることを明らかにした．アーク面積は周波数の増加と共に減少し，面積の変動幅も減少することを明らかにした．駆動周波数が180Hzにおいては最もアーク面積の変動が小さく，均一性の高いプロセスを実現することが期待できる結果を得ることができた．つまり，駆動周波数の増大は，交流電力に起因するアークおよび温度場のゆらぎを抑制する効果があることを示した．

最後に，多相交流アークにおける放電現象に作用する雰囲気圧力について検討を行った．雰囲気圧力が放電と温度特性に与える影響について確認し，圧力上昇に伴い，アークが緊縮するとともに最高温度が上昇することを明らかにした．12相交流アークにおいては，雰囲気圧力の上昇に伴い，温度は7,000 Kから12,000 Kの範囲で変動しており，電極近傍は特に高温となっていることがわかった．また，圧力が上昇すると，アーク面積が減少し，アークの存在確率分布は均一性が低下する傾向があることを明らかにした．

多相交流アークにおけるアークの変動現象と温度特性は，電極の構成や相数制御，そして駆動周波数や圧力からの影響を大きく受けることを示し，その傾向を明らかにした．多相交流アークは材料合成プロセスや廃棄物処理プロセスなど，様々な分野への実用化が期待されている．本研究で得られた知見をもとにシステム設計することによって，高効率，高均質な材料プロセシング技術として実用化が可能である．

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