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論文題目「水プラズマシステムの開発およびその変動特性の解析」

宗像大貴

1.緒言
 熱プラズマによる廃棄物処理は,熱プラズマの高温という特徴を利用し,多方面で実現している.しかし熱プラズマ装置の欠点として,大量の冷却水の使用により熱効率が低くなることや,装置本体とは別にプラズマ原料ガスを供給するための装置が必要となることが挙げられる.そこで本研究では冷却水をそのままプラズマ原料として用いる水プラズマシステムを開発した.この装置の利点として,従来の熱プラズマ装置と比較して熱効率が高いことや,プラズマガス供給装置が不要になったため本体が小さいことが挙げられる.また,原料に用いる水由来の豊富なH,O,OHラジカルによる高活性およびプラズマの高エンタルピーという特長を持っているため,廃棄物処理技術への応用が検討されている.
 既存の水プラズマシステムでは,トーチタンク内の液体原料はトーチ内部の吸湿材の毛細管現象によって吸い上げられ,トーチ上部の放電領域へ導入されていた.この方式では,プラズマの熱による液体原料の蒸発量に依存してトーチ内の液体が供給されるため,原料供給量の制御が不可能であった.そこで,ミストにより原料供給を行う新規の水プラズマトーチを開発した.このトーチでは,発生ミスト量を変化させることができるため,原料供給量の制御が可能になった.
 既往の研究では,水プラズマのアーク変動現象が確認されている.この変動はリストライクモードと呼ばれており,水プラズマを廃棄物処理に応用するためにはその変動現象を十分に把握しプロセスに用いることが必要となる.そこで本研究では,ミスト供給型水プラズマトーチにおいて原料供給量を変えた場合のアークの変動現象を明らかにするため,高速カメラ二台とオシロスコープを用いてアークの二方向同期観測をおこなった.

2.実験装置および計測手法
 プラズマトーチは,ノズル型銅陽極と先端にハフニウムを埋め込んだ銅陰極棒から構成される.ハフニウムは熱電子放出材として用いられ,熱破壊から保護するために銅に圧入してある.トーチ底部の超音波振動子は,液体を2.5MHzの周波数でミスト化する.数十nmオーダーの粒径で生成されたミストは放電領域に直接導入される.
 水プラズマトーチの上部および側部に設置した高速度カメラ二台とオシロスコープを同期させることで,アークの変動現象を可視化した.数十µsオーダーでのアーク変動に追従するために,撮影速度は上部カメラを4.2×105fpsとし,側部カメラを2.2×105fpsとした.シャッター速度は1 μsとした.プラズマ源には有機廃棄物のモデル物質として5mol%エタノールを用いた.実験条件としてアーク電流を6.0 A,原料供給量を45, 50, 60 mg/sとした.

3.実験結果
 電圧波形より特徴的なのこぎり波形が確認された.これはアークのリストライク現象に起因する.対応する上方向からの画像では,電圧の増加に伴い,アークが半径方向へ伸長し,陽極点がノズル表面に達した後に消弧している.横方向からの画像では,アークが軸方向に伸長した際にループ先端が観察された.このアークの伸長はプラズマガス流によって生じる.
 原料供給量が60 mg/sにおける電圧変動に対するFFT解析結果より,アーク電圧は40.2kHzの周期的な変動を有している.また,主要なピーク以外のピークが見られないことから,アークは安定した一定の変動を繰り返した.
 原料供給量の増加に伴い,平均電圧は増加している.これは原料供給量に比例してプラズマガス流量が増加し,アークの最大長さが増加したためである.また, 原料供給量の増加に伴いプラズマガス流量が増加することで,トーチ内圧力が増加する.これに伴いノズル内のガス流速が増加したため,変動周波数は増加している.
  存在確率分布図は,4.5 ms(約150周期)のカメラ画像を画像解析することで算出した.原料供給量の増加に伴い,アークの存在領域が軸方向,半径方向共に増加している.これは,原料供給量の増加に伴い,プラズマガス流量が増加し,ノズル内のガス流速が増加したためである.
 投影面積は4.5 ms(約150周期)のアーク変動の間にアークが一度でも観察された面積とする.上方向,横方向ともに原料供給量の増加に伴い投影面積は増加している.また,ガス流速の増加によるアークの伸長は半径方向よりも軸方向に大きく寄与している.同供給量条件において原料が水と5mol%エタノールの場合を比較すると,面積は水より5mol%エタノールを用いた場合の方が大きい.これはエタノール濃度増加に伴い蒸気圧が増加し,トーチ内圧力が増加することでノズル内ガス流速が増加したためである.

4.結言
 液体原料をミスト供給する水プラズマトーチを開発し,原料供給量の制御に成功した.異なる原料供給量におけるミスト供給型水プラズマアークの変動現象を把握するため,二台の高速度カメラとオシロスコープを用いて二方向同期観察をおこなった.原料供給量を変化させることでアークの伸長現象を制御することができ,被分解物質の滞留時間が制御可能であると示唆された.現在では,超音波振動子を4つ搭載し,さらに広範囲で原料供給量を変化させることが可能な水プラズマトーチの開発にも成功している.
 以上より, ミスト供給型水プラズマトーチは,水プラズマによる有害廃棄物分解および合成ガス生成システムの実現を可能にすることが期待される.


24th International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC24) Thermatic Award: Thermal Plasmas
「Discharge Characteristics of Water Plasma with Mist Generation」 



修士論文の内容は2017年9月17日にBSジャパンの「未来EYES」にてテレビ放映されました。  詳細はこちら



修士論文の内容は2018年10月12日にテレビ東京の「発想UNLEASH~未来への自由研究~」にてテレビ放映されました。  詳細はこちら



修士論文の内容は2019年6月11日にテレビ朝日の「羽鳥慎一モーニングショー」にてテレビ放映されました。  詳細はこちら

国際会議
  • Hiroki Munekata, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Discharge Characteristics of Water Thermal Plasmas, The 7thInternational Conference on Microelectronics and Plasma Technology, TP-093 (2018.7.26 Incheon, Korea).
  • Thermatic Award: Thermal Plasmas Hiroki Munekata, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Discharge Characteristics of Water Plasma with Mist Generation, 24th International Symposium on Plasma Chemistry, P3-85 (2019.6.13 Naples, Italy).
  • Wenjin Chen, Hiroki Munekata, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Decomposition of Bisphenol A by Water Thermal Plasma, Proceedings of 10th International Conference on Reactive Plasmas, OR15PM-C05 (2019.7.15 Sapporo Education and Culture Hall).
  • Takayuki Watanabe, Hiroki Munekata, Hiroki Maruyama, Manabu Tanaka, and Hirofumi Yaguchi: Temperature Fluctuation of Water Plasma Installed on Vehicle System, 12th Asia-European International Conference on Plasma Surface Engineering, S8-OR01 (2019.9.2 Jeju, Korea).
  • Student Award Wenjing Chen, Hiroki Munekata, Manabu Tanaka, and Takayuki Watanabe: Decomposition Mechanism of Bisphenol A by Water Thermal Plasma, 12th Asia-European International Conference on Plasma Surface Engineering, S8-OR02 (2019.9.2 Jeju, Korea).
  • Takayuki Wataanbe, Hiroki Munekata, Hiiro Murakami, and Manabu Tanaka: Thermal Plasma Generation of Water Vapor with Mist as Plasma Supporting Gas, 12th International Symposium on Advanced Plasma Sicence and Its Applications for Nitrides and Nanomaterials (2020.3.8 Nagoya University).
  • Takayuki Watanabe, Hiroki Munekata, Hiiro Murakami, and Manabu Tanaka: Analysis of Discharge Characteristics of Water Plasma with Mist Generation by High-Speed Camera, 47th IEEE InternationalConference on Plasma Sciences (2020.12 On-Line).
国内会議
  • 渡辺隆行, 小関悠太郎, 宗像大貴, 田中学: 高速度カメラと二波長分光光学系を用いた水プラズマの変動現象解析, 高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム2017講演論文集, 5-4 (2017.11.16 東海大学).
  • 宗像大貴, 小関悠太郎, 田中学, 渡辺隆行: 高速度カメラを用いた水プラズマにおけるアーク変動現象の二方向同期観察, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第21回支部大会研究発表論文集, p.59-60, P-12 (2017.12.16 佐賀大学).
  • 宗像大貴, 丸山大貴, 田中学, 渡辺隆行, 矢口博文: 高速度カメラを用いた車載型水プラズマにおけるアーク変動解析, 第35回プラズマ・核融合学会年会, 4Cp06 (2018.12.4 大阪大学).
  • 宗像大貴, 田中学, 渡辺隆行: ミスト供給型水プラズマにおけるアーク変動現象, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第22回支部大会研究発表論文集, p-21-22, P-03 (2018.12.15 九州大学筑紫キャンパス).
  • 宗像大貴, 田中学, 渡辺隆行: ミスト供給型水プラズマの放電特性, 第36回プラズマプロセシング研究会/第31回プラズマ材料科学シンポジウム, p.104-105, 17aA-4 (2019.1.17 高知城ホール).
  • 渡辺隆行, 宗像大貴, 丸山大貴, 田中学, 矢口博文: 高速度カメラを用いた車載型水プラズマの変動現象解析, 高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム2019講演論文集, 11-1 (2019.11.16 名古屋工業大学).
  • 宗像大貴, 田中学, 渡辺隆行: ミスト供給による水プラズマシステムの特性, プラズマ・核融合学会第36回年会, 01P15 (2019.12.1 中部大学).
  • 宗像大貴, 田中学, 渡辺隆行: 高速度カメラを用いたミスト供給型水プラズマにおけるアーク変動現象の解析, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第23回支部大会研究発表論文集, P-09, p.29-30 (2019.12.21 別府国際コンベンションセンター).
  • 村上寛, 金淳浩, 宗像大貴, 田中学, 渡辺隆行: 高速度カメラを用いたミスト量調節型水プラズマにおけるアーク変動現象の観察, 化学工学会第51回秋季大会, M208 (2020.9.25 オンライン).