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MURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGYMURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
Studies on weakly ionized gas plasma (CXXX)
Observation of gaseous and liquid density variation induced
by DC corona discharge above water
○山口大地 脇坂尚吾 高橋一弘 佐藤孝紀 伊藤秀範 (室蘭工業大学)
○Daichi Yamaguchi, Shogo Wakisaka, Kazuhiro Takahashi, Kohki Satoh, and Hidenori Itoh
(Muroran Institute of Technology)
平成28年電気学会全国大会2016年3月17日(木) 東北大学 川内北キャンパス A202-B1 放電/プラズマ/パルスパワー液中・液体放電(Ⅰ) 1-145
弱電離気体プラズマの解析(CXXX)
水上コロナ放電による気相・液相の密度変化観測
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背景
[1] 宮崎他 :電気学会論文誌A 128, 172 (2008).
[2] A. Kojtari et al. : J. Nanomedine. Biotherapeutic Discov. 4, 1000120 (2013).
[3] H. Kuwahata et al. : Jpn. J. Appl. Phys. 54, 01AG08 (2015).
水上放電プラズマ
流れの発生メカニズムの理解が望まれる ・・・ 十分に解明されていない
水中の活性種
汚染物質処理
宮崎ら[1] ・・・ 水中の活性種がフェノールを分解
微生物の不活化
Kojtari et al.[2] ・・・ 水中の活性種が大腸菌を不活化
H2O分子由来の活性な種を生成(OH , H2O2 , etc.)
処理後処理前
大腸菌不活化[3]
活性種の効果的生成が処理効率の向上に寄与
Water
放電に伴う気・液相の流れ・相互作用が活性種の生成に影響
気相で生成された前駆体が水面まで輸送され,液相に溶解することで生成
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背景および目的
安定的な放電であり,密度変化の観測が比較的容易
目的
シュリーレン法を用いた,ストリーマコロナ放電および火花放電に伴う密度変化の観測
水上コロナ放電に伴う気・液相の密度変化を観測し,その特性を調査
[1] H. Kawamoto et al. : Journal of Electrostatics 64, 400 (2006).
パルス放電
比較により,観測結果の妥当性を確認
イオンが電界により加速
イオン風が発生
ガス分子に衝突し,エネルギーを移行
ガス分子が水面に向かって移動
流れ (イオン風)に関する先行研究[1]が報告されている
コロナ放電
活性種の生成に効果的であるが,密度変化の観測が困難
イオン+
ガス分子
イオン風
+
Water
流れの発生により,密度変化が生じることに着目 密度変化の観測
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実験装置および実験条件
Water
Aluminium foil
1.6 mm
15 mm
曲率半径 0.13 mm
針電極を1本配置
正極性ストリーマコロナ放電
電極間隔 : 15 mm
印加電圧 : 16 , 17 , 18 , 19 kV
イオン交換水
水量 : 135 mL 液厚 : 15 mm
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実験装置および実験条件
イオン交換水
水量 : 135 mL 液厚 : 15 mm
1.6 mm
15 mm
曲率半径 0.13 mm
針電極を1本配置
正極性ストリーマコロナ放電
電極間隔 : 15 mm
印加電圧 : 16 , 17 , 18 , 19 kV
19 kV
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実験装置および実験条件
イオン交換水
水量 : 135 mL 液厚 : 15 mm
1.6 mm
15 mm
曲率半径 0.13 mm
針電極を1本配置
火花放電
電極間隔 : 15 mm
印加電圧 : 約 20 kV
20 kV
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実験装置および実験条件
火花放電
電極間隔 : 15 mm
印加電圧 : 約 20 kV
イオン交換水
水量 : 135 mL 液厚 : 15 mm
高速度カメラ
露光時間 : 20 μs
フレームレート : 23,000 fps
20 kV
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ストリーマコロナ放電に伴う気・液相密度変化
19 kV
+
water
++
電界の向き
Kawamoto et al.[1]
イオン
イオン風
ガス分子
+
ガス分子が水面に向かい広がりながら移動する
液相
ガス分子の流れにより水面が窪む
気相
[1] H. Kawamoto et al. : Journal of Electrostatics 64, 400 (2006).
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ストリーマコロナ放電に伴う気・液相密度変化
針先と同軸上のガス分子の速度
電気力線の疎・密に伴い電界強度が変化
衝突時に正イオンからガス分子に移行するエネルギーが変化
正イオンが単位時間に得るエネルギーが変化
ガス分子の速度 針先近傍に最大値を持ち,針先から離れるとともに低下
19 kV12
10
8
6
4
2
0
gas
vel
oci
ty [
m/s
]
151050
distance from needle tip [mm]
流れの向き
8.02
7.41
6.68
5.47
7.02
6.25
6.20
6.81
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印加電圧を変化させたときの気・液相密度変化
18 kV17 kV16 kV 19 kV
印加電圧の増加
電界強度の増加により,
ガス分子の速度が大きくなる
気相の密度変化
水面からの窪み大きくなる
10
9
8
7
6
5
4
gas
vel
oci
ty [
m/s
]
151050
distance from needle tip [mm]
19 kV 18 kV 17 kV 16 kV
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火花放電に伴う気・液相密度変化
20 ms付近からプルーム状の大きな密度変化が生じる
液相
放電発生後に窪みが生じ,50 ms以降では反動で水面が凸状になる
気相
火花放電による橋絡( 0 ~ 20 ms )
( フレームレート : 1,000 fps )
通常撮影
シュリーレン撮影
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ストリーマコロナ放電および火花放電の比較
放電に伴うイオン風により,針先から水面に向かう密度変化が生じる
放電進展により,水面から上昇するプルーム状の大きな密度変化が生じる
一般的に,ストリーマコロナ放電より電流が大きくなる
火花放電では,放電のジュール加熱による水の蒸発で,気相の密度変化が生じることが示唆される
ストリーマコロナ放電 火花放電
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まとめ
水上でストリーマコロナ放電および火花放電を発生させ,シュリーレン法により気・液相の密度変化の特性を調査した
ストリーマコロナ放電では,ガス分子は水面に向かって広がりながら移動し,ガス分子の流れにより水面が窪む
• 針先近傍に最大値を持ち,針先から離れるとともに低下する
• 印加電圧の増加に伴い大きくなる
ガス分子の速度は,電界強度の影響を受ける
火花放電では,水面から上昇する大きな密度変化が生じたことから,放電のジュール加熱により水が蒸発したものであると考えられる