JP2005116217A

JP2005116217A - プラズマ制御方法、及びプラズマ制御装置

Info

Publication number: JP2005116217A
Application number: JP2003345672A
Authority: JP
Inventors: Hideya Nishiyama; 秀哉西山; Takehiko Sato; 岳彦佐藤; Kazunari Katagiri; 一成片桐
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: JP3793816B2

Abstract

【課題】プラズマジェットの非定常場での不安定挙動を簡易に制御する。
【解決手段】プラズマジェット発生装置１１の発射口前方において、磁場発生手段１２を設ける。プラズマジェット発生装置１１から発射したプラズマジェットＰの物理特性を、測定部１３におけるセンサ１３１でモニタリングするとともに、その状態をＣＣＤカメラ１３２で撮像し、得られたモニタリング情報及び画像情報をＰＩＤ制御部１４に送る。ＰＩＤ制御部１４からは所定の制御信号が磁場発生手段１２に送られ、プラズマジェットＰに所定の磁場を印加して、プラズマジェットＰの特性変動を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ制御方法、及びプラズマ制御装置に関する。

従来のプラズマ流計測は、ＰＩＶ法や飛行時間法による分散微粒子の粒子速度計測、ピトー管によるガス測度計測、熱電対や分光法によるプラズマ温度、静電探針による電子温度や電子密度計測などが主であった。これらの計測は、個別時間平均値として計測され、互いの計測結果の相関やプラズマジェットの長さ及び巾との関連を総合的に評価するシステムは未だ存在しない。このため、不安定挙動を示すプラズマジェットの非定常場において前記プラズマジェットを制御することは困難である。

一方、上述した不安定挙動を示すプラズマジェットの非定常場での挙動を制御するシステムも開発されているが、前記システムの操作は困難であるとともに、高価であるという問題がある。

本発明は、プラズマジェットの非定常場での不安定挙動を簡易に制御することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
プラズマジェット発生装置の発射口前方において、磁場発生手段を設ける工程と、
前記プラズマジェット発生装置からプラズマジェットを発射させる工程と、
前記プラズマジェットの物理特性をモニタリングし、このモニタリング情報に基づいて前記磁場発生手段を制御し、前記プラズマジェットに所定の磁場を印加することにより、前記プラズマジェットの変動幅を抑制する工程と、
を具えることを特徴とする、プラズマ制御方法に関する。

また、本発明は、
プラズマジェット発生装置の発射口前方に設けられた磁場発生手段と、
前記プラズマジェット発生装置から発射されたプラズマジェットの物理特性をモニタリングするための測定手段と、
前記物理特性に関するモニタリング情報に基づいて前記磁場発生手段を制御するための制御手段と、
を具えることを特徴とする、プラズマ制御装置に関する。

本発明によれば、所定の測定手段を用い、プラズマジェット発生装置から発射されたプラズマジェットの物理特性をモニタリングし、このモニタリング情報に基づいて前記プラズマジェット発生装置の外周部に設けた磁場発生手段を制御し、前記プラズマジェットに所定の磁場を印加するようにしている。

したがって、前記プラズマジェットが非定常場におかれ、その特性が経時的に変動するような場合でも、前記特性の変動は前記測定手段によって常にモニタリングされているため、このモニタリング情報に基づいて前記磁場発生手段を制御し、前記プラズマジェットに対して所定の磁場を印加し、前記プラズマジェットの特性変動を相殺することができる。この結果、前記プラズマジェットの継時的な変動をリアルタイムで抑制して、長期間安定させることができるようになる。

また、本発明の好ましい態様においては、前記プラズマジェット発生装置の発射口側に撮像手段を設け、前記プラズマジェットの状態を画像観察し、この画像情報に基づいて前記磁場発生手段を制御し、前記プラズマジェットに所定の磁場を印加することにより、前記プラズマジェットの特性変動幅を抑制する。この場合は、前記プラズマジェットの前記物理特性の変動に加えて、前記プラズマジェットの状態変動を視覚的に捕えた画像情報をも利用し、前記プラズマジェットの継時的な特性変動をモニタリングするようにしている。

したがって、前記プラズマジェットの経時的な特性変動を正確にモニタリングできるようになり、上述した磁場発生手段の制御を通じて前記プラズマジェットをリアルタイムで制御し、長期間より安定させることができるようになる。

なお、前記物理特性及び前記画像情報はそれぞれ独立的に用いるよりも互いに相関させて用いることが好ましく、得られた相関情報に基づいて前記磁場発生手段を制御することが好ましい。これによって、前記プラズマジェットの特性変動を抑制すべくより正確な磁場を印加することができ、前記プラズマジェットの特性変動をより正確にリアルタイムで抑制することができ、前記プラズマジェットを長期間安定させることができるようになる。

また、「プラズマジェットの特性」とは、前記プラズマジェットの電子温度、電子密度、ガス温度及び放射光強度などの物理特性の他に、前記プラズマジェットの中心軸位置、長さ及び巾などの状態特性を意味するものである。

以上説明したように、本発明のプラズマ制御方法及びプラズマ制御装置によれば、プラズマジェットの非定常場での不安定挙動を簡易に制御することができるようになる。
本発明のその他の特徴及び利点については以下に詳述する。

以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のプラズマ制御装置を含むプラズマ生成装置の一例を示す構成図である。図１に示すプラズマ生成装置においては、プラズマジェット発生装置１１の前方において磁場発生手段１２が設けられている。さらに、プラズマジェット発生装置１１から発射されたプラズマジェットＰの特性（物理特性及び状態特性）をモニタリングするための測定部１３、及びこのモニタリング情報に基づいて磁場発生手段１２を制御するためのＰＩＤ制御部１４が設けられている。また、プラズマジェット発生装置１１における放電電流及びガス流量を制御するための操作部１５及びガス流量変動バルブ１６が設けられている。

測定部１３は、プラズマジェットＰの物理特性をモニタリングするためのセンサ１３１と、プラズマジェットＰの状態特性をモニタリングするための撮像手段であるＣＣＤカメラ１３２とを有している。センサ１３１はプラズマジェットＰ中に配置され、ＣＣＤカメラ１３２はプラズマジェット発生装置１１の発射口の前方において、磁場発生手段１２の下方に配置されている。

センサ１３１は、電子温度、電子密度、ガス温度及び放射光強度の少なくとも一つをモニタリングするように構成されている。センサ１３１は、電子温度及び電子密度を計測する場合は、例えば、タングステン製の平板電極から構成されるトリプルプローブから構成することができる。また、ガス温度を計測する場合は、例えば所定のプローブの先端に装着したクロメルーコンスタンタンから構成することができる。さらに、放射光強度を計測する場合は、例えば先端に専用アンプを取り付けたフォトダイオードから構成することができる。

ＣＣＤカメラ１３２は、プラズマジェットＰを直接的に撮像し、プラズマジェットＰの中心軸位置、巾及び長さなどの前記状態特性を画像情報として得るようにしている。

なお、磁場発生手段１２、センサ１３１及びＣＣＤカメラ１３２を含む測定部１３、及びＰＩＤ制御部１４が本発明のプラズマ制御装置を構成する。

図２は、前記画像情報を得るための画像解析法の一例を示す図である。図２に示すように、ＣＣＤカメラ１３２で撮像したプラズマジェットＰの画像において、半径方向座標を５０分割し、分割点で２５６階調に離散化した相対放射強度分布を求める。このとき、前記相対放射強度が最大値を示す半径方向座標をプラズマジェットＰの中心軸位置とし、最大放射強度の半値を示す半径方向の２点間の距離をプラズマジェットＰの巾と定義する。さらに、中心軸上における（ｚ１，ｚ２）での放射光強度を計測し、最小自乗近似曲線と前記中心軸との交点Ｌ１を求め、座標ｚ１と交点Ｌ１との距離をジェット長と定義する。

上述のようにモニタリングした物理特性に関するモニタリング情報及び画像情報は互いに相関させ、得られた相関情報がＰＩＤ制御部１４に送られる。その後、ＰＩＤ制御部１４から磁場発生手段１２に対して所定の制御信号が送られ、所定の磁場がプラズマジェットＰに印加される。

このように、測定部１３によってプラズマジェットＰの経時的な特性変動を正確にモニタリングでき、上述した磁場発生手段の制御を通じて前記磁場の強度などを適宜に調節し、プラズマジェットＰをリアルタイムで制御し、長期間より安定させることができるようになる。したがって、プラズマジェットＰが非定常場におかれたような場合においても、プラズマジェットＰの特性変動をリアルタイムでモニタリングできるため、その不安定挙動を抑制して、安定化させることができるようになる。

なお、操作部１５及び流量変動バルブ１６は、プラズマジェットＰを発生させるともに、直接的に制御するものである。プラズマジェットＰの変動は操作部１５などにおけるガス流量の変動や放電電流の変動にもある程度起因する。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

産業上の利用分野

本発明のプラズマ制御方法及びプラズマ制御装置は、プラズマ流や燃焼流などの発光流体の同時多元計測と不安定制御に利用することができる。具体的には、プラズマ溶射や微粒子創製などのプラズマジェットを用いたプラズマプロセスの計測及び制御、あるいはアークを用いた溶接及び溶断プロセスの計測及び制御、燃焼ガスなどの計測及び制御などに利用することができる。

本発明のプラズマ制御装置を含むプラズマ生成装置の一例を示す構成図である。プラズマジェットの画像情報を得るための画像解析法の一例を示す図である。

符号の説明

１１プラズマジェット発生装置
１２磁場発生手段
１３測定部
１４ＰＩＤ制御部
１５操作部
１６流量変動バルブ
１３１センサ
１３２ＣＣＤカメラ
Ｐプラズマジェット

Claims

プラズマジェット発生装置の発射口前方において、磁場発生手段を設ける工程と、
前記プラズマジェット発生装置からプラズマジェットを発射させる工程と、
前記プラズマジェットの物理特性をモニタリングし、このモニタリング情報に基づいて前記磁場発生手段を制御し、前記プラズマジェットに所定の磁場を印加することにより、前記プラズマジェットの変動幅を抑制する工程と、
を具えることを特徴とする、プラズマ制御方法。
前記物理特性は、前記プラズマジェットの電子温度、電子密度、ガス温度、及び放射光強度から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ制御方法。
前記プラズマジェット発生装置の発射口側に撮像手段を設け、前記プラズマジェットの状態を画像観察し、この画像情報に基づいて前記磁場発生手段を制御し、前記プラズマジェットに所定の磁場を印加することにより、前記プラズマジェットの変動幅を抑制する工程を具えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプラズマ制御方法。
前記画像情報は、前記プラズマジェットの中心軸位置、巾、及び長さの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマ制御方法。
前記モニタリング情報と前記画像情報とを相関させ、この相関情報に基づいて前記磁場発生手段を制御し、前記プラズマジェットに所定の磁場を印加することにより、前記プラズマジェットの変動幅を抑制することを特徴とする、請求項３又は４に記載のプラズマ制御方法。
前記磁場発生手段の制御はＰＩＤ制御によって行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のプラズマ制御方法。
プラズマジェット発生装置の発射口前方に磁場発生手段を設ける工程と、
前記プラズマジェット発生装置からプラズマジェットを発射させる工程と、
前記プラズマジェット発生装置の発射口側に撮像手段を設け、前記プラズマジェットの状態を画像観察し、この画像情報に基づいて前記磁場発生手段を制御し、前記プラズマジェットに所定の磁場を印加することにより、前記プラズマジェットの変動幅を抑制する工程と、
を具えることを特徴とする、プラズマ制御方法。
前記画像情報は、前記プラズマジェットの中心軸位置、巾、及び長さの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項７に記載のプラズマ制御方法。
プラズマジェット発生装置の発射口前方に設けられた磁場発生手段と、
前記プラズマジェット発生装置から発射されたプラズマジェットの物理特性をモニタリングするための測定手段と、
前記物理特性に関するモニタリング情報に基づいて前記磁場発生手段を制御するための制御手段と、
を具えることを特徴とする、プラズマ制御装置。
前記測定手段は、前記プラズマジェットの電子温度、電子密度、ガス温度、及び放射光強度から選ばれる少なくとも一種の物理特性をモニタリングすることを特徴とする、請求項９に記載のプラズマ制御装置。
前記プラズマジェット発生装置の発射口側に設けられた撮像手段を具え、前記プラズマジェットの状態を画像観察して、所定の画像情報を得ることを特徴とする、請求項９又は１０に記載のプラズマジェット制御装置。
前記撮像手段は、前記プラズマジェットの中心軸位置、巾、及び長さの少なくとも一つの画像情報を同定することを特徴とする、請求項１１に記載のプラズマ制御装置。
前記制御手段は、前記モニタリング情報と前記画像情報とを相関させ、この相関情報に基づいて前記磁場発生手段を制御することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のプラズマ制御装置。
前記制御手段はＰＩＤ制御手段を含むことを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか一に記載のプラズマ制御装置。
プラズマジェット発生装置の外周部に設けられた磁場発生手段と、
前記プラズマジェット発生装置の発射口側に設けられ、前記プラズマジェット発生装置から発射されたプラズマジェットの画像観察を行うための撮像手段と、
前記画像観察に基づく画像情報に基づいて前記磁場発生手段を制御するための制御手段と、
を具えることを特徴とする、プラズマ制御装置。
前記撮像手段は、前記プラズマジェットの中心軸位置、巾、及び長さの少なくとも一つの画像情報を同定することを特徴とする、請求項１５に記載のプラズマ制御装置。