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論文題目「多相交流アークの温度変動現象の解析」

丸山大貴

1．緒言
　熱プラズマ発生システムの一つである多相交流アークは，直流アークと比べてエネルギー効率が良い，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．しかし，多相交流アークを実プロセスへ効率的に適用するためには，アークの変動特性や温度場などの基礎現象の解明や制御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た多相交流アークの温度計測が行われ，電流値や圧力による温度変動特性への影響が解明された．電流値を増加させることで多相交流アークのアーク温度の上昇へとつながり，また雰囲気圧力を低下させることで広範囲に材料処理領域を拡大することができることを見出した．このように，操作条件の制御により多相交流アークの温度場を自由に選択できるとこがわかっている．しかし，実プロセスへの適用においては，より広範囲に高温領域を恒常的に生成する必要がある．そこで本研究では，より時間的・空間的に均一性の高い高温場を得ることを目的とし，新たに開発した高出力型の多相交流アークにおいて変動現象や温度特性の解明を試みた．
　また，多相交流アークにおける雰囲気ガスとして，従来ではAr等の不活性ガスが用いられてきた．しかし近年では，安価なN2を雰囲気ガスとした研究が注目されている．そこでさらに本研究では，N2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を試みた．

2．実験装置および計測手法
　多相交流アーク発生装置は，炉側面から複数電極を放射状に均一に挿入し，位相の異なる電圧を印加することで，アークを発生させる熱プラズマ発生装置である．本研究では，従来の多相交流アーク発生装置の高出力化をおこない，各電極12本に300 Aの電流を流した．また，プラズマガスとしてN2を導入し，異なる2つのプラズマ雰囲気を比較した．各電極の近傍にN2濃度5%〜40%の範囲でN2流量を変化させてプラズマガスを流し，各入力電力を76〜78 kWで放電をおこなった．雰囲気圧力を101 kPa，駆動周波数を60Hz，電極間距離は上段100 mm，下段100 mmとし，電極には2wt%La2O3-Wを用いた．
　熱プラズマ中には多様な発光が存在し，変動を有する複雑な温度場を可視化することは困難である．そこで，時間分解能が高く，二次元観察が可能である高速度カメラに，特定波長の発光のみが透過する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た．温度計測には線スペクトルの発光強度比より発光種の励起温度を算出するボルツマンプロット法を採用した．Ar原子からの発光のみを観察できる675 nmと794 nmの波長をBPF波長とした．撮影速度を10,000fpsとし，msオーダーの変動に追従した温度計測をおこなった．

3．実験結果
　高速度カメラによりms秒オーダーで変動する多相交流アークの変動現象を観察することに成功し，それに対応する二次元温度分布図を得ることができた．放電領域に存在する回転電界がアークに及ぼすローレンツ力の影響により，アークが反時計回りにmsオーダーで順次発生し，アークのスイングが生じている．また，交流アーク特有の現象であるアークが消弧，再点弧している様子が可視化できている．温度分布に着目すると，アークは7,000〜13,000 Kの温度範囲を有しており，電極近傍は特に10,000 K以上の高温となっている．
　各時間の高速度カメラ画像を重ね合わせることによって，7,000 K 以上の高温領域の存在確率分布を得た．従来の30 kWの放電においては，放電領域全体を恒常的に高温に保持することは不可能であった．しかし今回の78 kWの放電により，放電領域全体を常に高温に保持することが可能となっている．したがって，多相交流アークが多量の粉体処理プロセスへの適用が可能であることが示された． 　
　次に，プラズマガスとして安価なN2を用いた場合の放電現象について検討する．はじめに，Ar雰囲気，Ar-N2雰囲気において発光分光計測をおこなった．用いるBPF透過波長域においてはAr原子の線スペクトルのみが観察されていたが，Ar-N2雰囲気では，Ar雰囲気と比較して特に675±5 nmの波長範囲で連続スペクトルの寄与が大きくなっていた．この結果は，Ar-N2雰囲気では連続スペクトルの影響を強く受けるため，単純な2波長の線スペクトルの発光強度比からの温度算出が不可能であることを示す．そこで，675±5 nm，794±5 nmの波長域について線スペクトル，連続スペクトルの絶対強度を算出した．675±5 nm，794±5 nmのそれぞれの線スペクトル，連続スペクトルの理論発光強度において，ちらの波長域でも制動放射に比べ再結合放射が一桁以上大きくなっている．さらに675±5 nmでは，線スペクトルよりも再結合放射強度が大きくなっている．したがって，線スペクトルと再結合放射強度を含めた二波長域の発光強度比に基づいた温度計測を試みた．
　Ar雰囲気，Ar-N2雰囲気におけるそれぞれの高速度カメラのスナップ画像においても，アークが複雑に変動する様子が見られる．ナノ粒子合成プロセスにおいては，粉体原料は主に炉中心部を通過するため，炉中心部の詳細な温度変動に着目する．
　それぞれの雰囲気における炉中心部の温度変動を計測した．N2を導入したことにより電圧値が上昇したため，投入電力値を等しくするためにArのみでの放電時は300A(78 kW)，N2導入時は200A(76 kW)として同一電力条件で比較をおこなう．いずれの雰囲気においても，6,000〜9,000 Kで温度が変動している．そこで，炉中心部の温度変動のFFT解析をおこなった．その結果，Ar雰囲気では約60Hz，Ar-N2雰囲気では約300Hzの変動を有し，Ar-N2雰囲気の方が早い変動周期が得られた．これはArと比較してN2は熱伝導度が大きく，アークの熱的ピンチ効果が強く作用しているからである．これより，Ar-N2雰囲気ではアークが細くなることで電流密度が上昇し，先述したローレンツ力の変動が速くなる．したがって，Ar雰囲気より速い温度変動周波数を有したと考察する．

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，高出力型多相交流アークの変動現象や温度特性を可視化することに成功した．また，N2雰囲気における多相交流アークの温度場を可視化し，粉体処理プロセスへの低コストでの展開が可能であると示された．入力電力やN2濃度により温度場を制御することで，多相交流アークの材料処理環境に合わせた多様なプロセスへの応用が期待される．

プラズマ・核融合学会 九州支部第23回支部大会
講演奨励賞 (2020年3月)
「窒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」

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