2013 Fiscal Year Research-status Report

超臨界流体を利用し大電力・高速スイッチの検討および機能性評価

Research Project

Project/Area Number	25420273
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Research Institution	Kinki University
Principal Investigator	喜屋武毅近畿大学, 工学部, 准教授 (40381016)
Project Period (FY)	2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords	超臨界流体 / 電気エネルギー変換 / パルスパワー
Research Abstract	超臨界流体中での放電基礎特性の解明やその応用を目指してこれまで研究を行ってきた。本研究の目的は，我々が見出した超臨界二酸化炭素中での直流放電やパルス放電による研究成果を踏まえて，新たに超臨界窒素を加え，超臨界流体中の放電プラズマの生成・制御と短絡特性評価を調査する。特に，極短パルス電源システムの流体スイッチやコンデンサとして，スイッチング特性や誘電特性を解明し，新しい大電力・高速・高繰り返しパルス電源システムのデバイスとしての機能性の評価を実施することである。前年度は，これまでに蓄積された超臨界流体中の放電実験データ，特に超臨界二酸化炭素中の直流・パルス放電の知見による超臨界プラズマ生成装置（高圧装置）の設計・製作を実施した。また，負荷に適したナノ秒高電圧パルス電源と電極間隔調整可能な電極系を2種類製作した。具体的な研究成果は下記のようである。設計・製作された超臨界プラズマ生成装置は，これまでの対向電極構造と別にワイヤ―円筒構造の電極治具を加え，物質変換プロセスや超臨界プラズマ放電を活用した化学反応場への応用も可能なタイプとなっている。また，ナノ秒パルス電源はPFN型パルス電源とし，出力電圧25kVではあるが，高周波対応のパルストランスで高耐圧化できる。さらに，ダブルフォーワード型スイッチング回路と昇圧トランスで自作の高電圧直流充電器も製作済みである。また，放電特性試験では，放電プラズマにより雰囲気流体の電極間へ暴露された熱エネルギーは高い反復率スイッチの熱問題に影響する。つまり，系の絶縁回復率へ間接的な影響を与えることが考えられる。また，絶縁回復率や相の不安定性，放電プラズマチャネルのよる熱エネルギー，相転移およびバブル形成に影響し，雰囲気流体の絶縁耐力の主要因であると考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 前年度の目標として，超臨界プラズマスイッチや超臨界流体コンデンサを高速・高繰り返し可能な電源のデバイスとして利用することを念頭に，これまでに得られた実験データおよび知見をもとに放電容器を含めたパルス電源回路のパラメータの最適化を行い，高圧装置の開発と高電圧パルス電源の開発を実施することとしているが，開発環境や試行実験等において工夫が必要な部分が一部残っている。また，超臨界流体中でパルス放電プラズマを形成し，放電プラズマに伴う物理現象や破壊電圧特性，統計特性およびプラズマ診断等を実施する段階で，超臨界二酸化炭素中の放電プラズマの電気特性等（ON-OFF特性，絶縁破壊後の流体の回復特性，破壊強度，電圧の破壊統計特性等）の実施で当初予定より若干遅れはあるものの，概ね順調に成果があがりつつある。誘電特性の評価と併せて，超臨界流体中で生成される放電プラズマのプラズマ診断を分光計測やレーザー計測で行い，絶縁破壊時の放電形成における熱エネルギー授受の形態（回転温度，振動温度等）を調査する部分においては，当初目標として次年度以降の研究計画が含まれており継続調査課題として挙げている。
Strategy for Future Research Activity	26年度以降の研究計画は，超臨界流体中での放電プラズマの電気特性・誘電特性を解析し，放電容器を含めたパルス電源回路の最適パラメータを調査するために，実際に二酸化炭素と窒素の超臨界流体スイッチング特性や電力用コンデンサとして，高繰り返しパルス電源を充電器として，超臨界流体スイッチを備えた高速・高繰り返しパルス電源システムを構成する。構成されたパルス電源をもとに誘電特性の温度・密度依存性を調査する。構成された超臨界流体を備えたパルス電源の特性試験を水中放電に適応して調査する。また，超臨界流体中での非熱平衡プラズマの生成・制御によるラジカル反応を触媒の代用にする材料合成や反応場の創成のため，超臨界プラズマを利用した材料合成や反応実験も実施してきた経緯があるので，付加実験として，開発した放電容器を用いて，超臨界流体中での非熱平衡プラズマのアシストによる反応場の検討も実施する。