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論文題目「多相交流アークにおける高速度カメラを用いたLi蒸気計測」
末永拓也
1．緒言
熱プラズマ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に優れており，プラズマ体積が大きい，処理物質の加熱時間が長いなどの利点を持つ．これらの特長を活用することで，近年ではナノ粒子の大量製造手法として期待されている．
ナノ粒子はその粒径によって独自の性質を有し，幅広い分野で利用されている．実用化に向け，熱プラズマ中のナノ粒子生成機構の解明を目的として，数値解析を主とした検討が行われてきた．近年では，直接的な観察に基づく研究報告もなされている．さらに，高速度カメラを用いた多相交流アークの温度計測も行われており，圧力や電流値といった操作条件が温度変動特性に及ぼす影響が解明された．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ことがわかっている．
しかし，実用化に向けて必要不可欠である，粉体供給中の多相交流アークにおける研究報告例は極めて少ない．そこで，本研究では原料由来の金属蒸気の発光を利用し，粉体供給中の多相交流アークにおける金属蒸気の可視化と温度計測を行った．また，駆動周波数や圧力，電流値，原料供給量といった各種操作条件が反応場に及ぼす影響を明らかにするため，これらの操作条件を変えた実験も行った．
2．実験装置および計測手法
多相交流アーク発生装置は複数の電極を放射状に配置し，それぞれの電極に位相の異なる交流電圧を印加することによって電極間に熱プラズマを発生させる装置である．Wを主成分としてCe2O3を2wt%添加した直径6
mmの電極を用い，6相交流でプラズマを発生させた．圧力100 kPaでアーク電流値を100 A，電極間距離を75 mm，周波数を60Hzとした．炉底部よりArガスを10
L/min流し，電極近傍からはArシールドガスを電極当たり5 L/min流した．Arキャリアガスを5 L/min流し，Li2Si2O5を約0.3
g/minで供給した．
特定の波長域の光のみを透過する2種のバンドパスフィルタと高速度カメラを組み合わせることで，Li原子の発光を利用した金属蒸気挙動の可視化を行った．さらに，得られた2枚の高速度カメラ画像を用いて，相対強度比法によってLi原子の励起温度を算出した．また，高速度カメラの撮影においては撮影速度を2,000fpsとし，msオーダーである多相交流アークの時間変動に追従できるようにした．
3．実験結果
Li2Si2O5供給中の発光分光分析の結果をFig. 3に示す．460 nm，610 nm，671 nmにおいてLi原子の発光スペク トルが確認された．米国標準技術研究所(NIST)が提供している原子スペクトルデータベースによると，671
nmの発光が最も強く，460 nmの発光が最も弱いのだが，ここでは610 nmの発光が最も強くなっている．これは，671 nmが励起状態から基底状態に遷移するエネルギー準位であることから，発光の自己吸収が起きているのだと推察した．そのため，本研究では高速度カメラ撮影用として透過波長域460±10.0
nm及び610±10.0 nmのバンドパスフィルタを選定した．
相対強度比に対する温度の理論曲線を用いて2枚の高速度カメラから2次元の温度分布図を算出した．
今回の計測システムよって得られた，電極位置を原点とした中心軸方向の温度分布において，電極近傍で最も温度が高く，下流方向に温度が低下していく様子が確認できる．この温度分布の妥当性を検証するため，発光分光分析から算出した温度と比較した．それぞれの温度は各点において概ね一致しており，温度分布の妥当性が得られた．ここで確立された計測システムを用いて解析を行った．
駆動周波数を変化させた際の高速度カメラ画像と温度分布図において，駆動周波数の増加に伴い，Li蒸気がより炉中心部に集中し，下流にまで伸びている．また，電極上50
mmの位置において時間平均した各駆動周波数における平均温度とその変動係数において，駆動周波数の増加に伴い平均温度は上昇し，変動係数は小さくなっている．多相交流アークでは，駆動周波数の増加に伴いプラズマ領域が炉中心部に集中することが報告されている．このことから，駆動周波数の増加に伴って炉中心部がより均一に加熱されるようになり，平均温度の上昇と温度変動の減少につながったものと推察する．
4．結言
本研究では，高速度カメラとバンドパスフィルタを用いた計測システムにより，多相交流アーク中の金属蒸気の可視化に成功した．また，分光分析と併せて金属蒸気の温度計測にも成功した．ナノ粒子前駆体である多相交流アーク中の金属蒸気の挙動と温度の計測によって，ナノ粒子生成機構の解明が可能となる．
国際会議
- Manabu Tanaka, Hiroki Maruyama, Yuta Kugimiya, Takuya Suenaga, Takayuki Watanabe, Tsuguo Ueda, and Hideki Tousaki: Fluctuation Phenomena in Multiphase AC Arc under Nitrogen Atmosphere, 47th IEEE International Conference on Plasma Sciences, TA5-S2-010 (2020.12.7 On-Line).
- (招待講演) Manabu Tanaka, Takuya Suenaga, Aika Tamae, Takafumi Okuma, Takayuki Watanabe, Tsugio Matsuura, Juan-Pablo Trelles, Masaya Shigeta: Planar Thermal Plasma Jet in Dode-Rectified AC Arc System under Atmospheric Pressure, 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, A-I19 (2021.9.30 On-Line).
- Chang Junjie, Yuki Takemoto, Takuya Suenaga, Aika Tamae, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Tsugio Matsuura, Tsuguo Ueda, Hideki Touzaki, Juan-Pablo Trelles, and Masaya Shigeta: High-Speed Visualization of Temerature Fluctuation of Dode-Rectified Multiphase AC Arc near the Electrodes, The 74th Annual Gaseous Electronics Conference, ET42.00005 (2021.10.6 On-Line).
- Manabu Tanaka, Yuta Kugimiya, Takuya Suenaga, and Takayuki Watanabe: Electrode Phenomena in Multiphase AC Arc under Nitrogen Atmosphere, The 12th Asia-Pacific International Symposium in the Basics and Applications of Plasma Technology, O4-3 (2021.12.9 On-Line).
国内会議
- 末永拓也, 丸山大貴, 釘宮悠太, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 小岩崎剛: 多相交流アークにおける金属蒸気挙動の可視化, 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.79-80, P-34 (2019.12.21 別府国際コンベンションセンター).
- 釘宮悠太, 末永拓也, 田中学, 渡辺隆行, 松浦次雄, 上田紹央, 東崎英樹: 窒素雰囲気における多相交流アークの電極蒸発機構, 化学工学会第51回秋季大会, M204 (2020.9.25 オンライン).
- 田中学, 丸山大貴, 末永拓也, 渡辺隆行, 松浦次雄, 上田紹央, 東崎英樹: アルゴン-窒素雰囲気における多相交流アークの温度変動解析, 化学工学会第51回秋季大会, M216 (2020.9.25 オンライン).
- 田中学, 末永拓也, 釘宮悠太, 渡辺隆行: 二波長分光光学系を用いた熱プラズマの新規な温度解析手法の構築, 第36回九州・山口プラズマ研究会資料集, p.9-11 (2020.11.14 別府ホテルサンバリーアネックス).
- 田中学, 釘宮悠太, 末永拓也, 玉江藍花, 渡辺隆行, 松浦次雄, 上田紹央, 東崎英樹: 多相交流アークの変動現象とナノ粒子合成への応用, 第37回プラズマ・核融合学会年会, S7-3 (2020.12.3 オンライン).
- 末永拓也, 丸山大貴, 釘宮悠太, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 小岩崎剛: 多相交流アークにおけるLi原子の励起光を用いた金属蒸気の高速度観測, 第37回プラズマ・核融合学会年会, 03Ba02 (2020.12.3 オンライン).
- 末永拓也, 釘宮悠太, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 小岩崎剛, 丸山大貴: 粉体供給中の多相交流アークにおけるLi金属蒸気の高速度計測, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第24回支部大会研究発表論文集, 20aB01 (2020.12.20 オンライン).
- 玉江藍花, 末永拓也, 釘宮悠太, 田中学, 渡辺隆行, 松浦次雄, 上田紹央, 東崎英樹: 多相交流アークによるLi-Mn系複合酸化物ナノ粒子合成, プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第24回支部大会研究発表論文集, 20pB01 (2020.12.20 オンライン).
- 田中学, 釘宮悠太, 末永拓也, 渡辺隆行, 松浦次雄, 上田紹央, 東崎英樹: 電極消耗低減化に向けたダイオード整流型多相交流アークにおける変動現象, 第38回プラズマプロセシング研究会／第33回プラズマ材料科学シンポジウムプロシーディングス, p.84-85, LO28-PM-B-01 (2021.1.28 オンライン).
- 田中学, 釘宮悠太, 末永拓也, 渡辺隆行, 松浦次雄: ダイオード整流型交流アークを用いたプレーナー型プラズマジェットの発生, 第68回応用物理学会春季学術講演会, 18p-Z17-12 (2021.3.18 オンライン).
- 田中学, 末永拓也, 玉江藍花, 渡辺隆行, 松浦次雄, 上田紹央, 東崎英樹: 多相交流アークの変動現象とナノ粒子製造プロセスへの応用, 化学工学会第86年会, N318 (2021.3.22 オンライン).
- 村上寛, 金淳浩, 末永拓也, 渡辺隆行: ミスト量調節型水プラズマにおけるアーク変動の高速度計測, 化学工学会第52回秋季大会, LB213 (2021.9.23 岡山大学).
- (招待講演) 大熊崇文, 末永拓也, 丸山大貴, 玉江藍花, 永井久雄, 小岩崎剛, 田中学, 渡辺隆行: 多相交流アーク中の高速度温度計測とナノ粒子合成, 化学工学会第52回秋季大会, LB213 (2021.9.23 岡山大学).
- 末永拓也, 玉江藍花, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 小岩崎剛, 丸山大貴: Li原子の励起光を用いた多相交流アーク中の金属蒸気計測, 化学工学会第52回秋季大会, LB215 (2021.9.23 岡山大学).
- 田中学, 末永拓也, 渡辺隆行, 松浦次雄: ダイオード整流型交流アークを用いたプレーナー熱プラズマジェットの変動解析, 化学工学会第52回秋季大会, LB216 (2021.9.23 岡山大学).
- 末永拓也, 玉江藍花, 十河りつ, 竹中凌, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 丸山大貴: Li2Si2O5供給中の多相交流アークにおけるLi原子の励起光を用いた温度計測, 第38回プラズマ・核融合学会年会, 24Bp03 (2021.11.24 オンライン).
- 玉江藍花, 末永拓也, 十河りつ, 竹中凌, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 丸山大貴: 多相交流アークにおけるLi-W複合酸化物ナノ粒子の生成機構, 第38回プラズマ・核融合学会年会, 22Bp03 (2021.11.22 オンライン).
- 田中学, 玉江藍花, 末永拓也, 竹中凌, 熊井絵里, 渡辺隆行, 松浦次雄, 茂田正哉, Juan Pablo Trelles: プレーナー熱プラズマジェットの基礎現象解明に基づく高速表面処理, 第36回九州・山口プラズマ研究会資料集, p.12-13 (2021.11.6 JA佐世保ホール).
- 十河りつ, 玉江藍花, 末永拓也, 竹本裕貴, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 丸山大貴: 高速度カメラを用いた多相交流アークの温度場変動特性の解析，プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部第25回支部大会研究発表論文集, 19aB04 (2021.12.19 オンライン) .
- 田中学, 釘宮悠太, 末永拓也, 渡辺隆行: アルゴン－窒素雰囲気下における多相交流アークの電極現象の可視化, 第39回プラズマプロセシング研究会／第34回プラズマ材料科学シンポジウムプロシーディングス, LO26-AM-B-02 (2022.1.26 オンライン).
- 玉江藍花, 末永拓也, 十河りつ, 竹中凌, 田中学, 渡辺隆行, 大熊崇文, 永井久雄, 丸山大貴: Li-W複合酸化物ナノ粒子生成プロセスにおける多相交流アークにおける温度変動, 第39回プラズマプロセシング研究会／第34回プラズマ材料科学シンポジウムプロシーディングス, S25-A-07 (2022.1.25 オンライン).
- (招待講演) 大熊崇文, 丸山大貴, 末永拓也, 玉江藍花, 永井久雄, 小岩崎剛, 田中学, 渡辺隆行: 多相交流アークの高速度温度計測とナノ粒子合成, IT26-B-01, 第39回プラズマプロセシング研究会／第34回プラズマ材料科学シンポジウムプロシーディングス (2022.1.26 オンライン).
