JP2012193678A - Airflow generation device, and insulating film for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、気流発生装置、及び気流発生装置用絶縁膜に関する。 Embodiments described herein relate generally to an airflow generation device and an insulating film for the airflow generation device.
現在、航空機や発電用の風車などの空気を作動流体とする各種流体機器において、様々なエネルギー効率向上の検討が進められている。その中でも、誘電体バリア放電の原理によって発生するプラズマによって誘起される噴流を用いてアクティブに気流を制御する気流発生装置は、稼働部分がなく、電気的な制御によって容易に気流を制御できることなどから、新しい流体制御方法として注目されつつある。 At present, various energy efficiency improvements are being studied for various fluid devices that use air as a working fluid, such as aircraft and wind turbines for power generation. Among them, the airflow generator that actively controls the airflow using the jet induced by the plasma generated by the principle of dielectric barrier discharge has no working part and can easily control the airflow by electrical control. It has been attracting attention as a new fluid control method.
とくに、風力発電用の風車は、地球温暖化防止の観点から、全地球規模で導入が進められている再生エネルギー発電システムの中でも、資源となるエネルギーコストの低さや、立地場所が比較的多いことなどから、積極的に普及が進められている発電方式のひとつである。わが国においても、政府による開発助成が進められているが、その普及率は欧州等に比べてまだ低いレベルにとどまっている。 In particular, wind turbines for wind power generation have a relatively low energy cost and a relatively large number of locations among renewable energy power generation systems that are being introduced on a global scale from the viewpoint of preventing global warming. This is one of the power generation methods that are being actively promoted. In Japan, development subsidies are being promoted by the government, but the penetration rate is still low compared to Europe.
わが国における風力発電の普及の困難さは、その地理的制約に帰するところが大きい。第1に、山岳性気象であるため風力および風向がめまぐるしく変わり、安定した出力を維持することが困難であることが原因として挙げられる。このことが風車1台あたりの発電効率を低下させ、結果的に風力発電システムの導入コストを押し上げている。 The difficulty of spreading wind power generation in Japan is largely attributable to its geographical constraints. First, because of the mountainous weather, the wind power and the wind direction change rapidly and it is difficult to maintain a stable output. This reduces the power generation efficiency per wind turbine, and as a result, increases the introduction cost of the wind power generation system.
第2に、国土の狭隘なわが国にあっては、風力発電の普及につれて、立地環境に対する問題が顕在化してきており、特に民家や集落の近くに立地しなければならない場合においては、騒音に関する各種トラブルが発生する。わが国で欧米なみの導入目標を実現するためには、これらの問題を克服した日本特有の風車開発が必須である。 Secondly, in Japan, where the land area is narrow, as wind power generation has become widespread, problems with the location environment have become apparent, especially when it is necessary to locate near private houses and villages. Trouble occurs. In order for Japan to achieve the goal of introducing Europe and the United States, it is essential to develop a wind turbine unique to Japan that overcomes these problems.
発電用の風車などへの適用にむけて、プラズマ気流制御による気流発生装置の開発が進められている。風車翼面に、当該気流発生装置を配設することで、風の変動に対応した制御が可能であり、高効率化および低騒音化を実現することができる風車翼、風力発電システムが考案され、風速・風向の計測情報をベースに風力発電システムを制御する風力発電システムの制御方法が考案されている。 For application to wind turbines for power generation, etc., development of airflow generators using plasma airflow control is underway. By arranging the airflow generator on the windmill blade surface, wind turbine blades and wind power generation systems that can be controlled in response to wind fluctuations and achieve high efficiency and low noise have been devised. A wind power generation system control method for controlling a wind power generation system based on measurement information of wind speed and direction has been devised.
気流発生装置の基本構成は、2つの電極間に絶縁層(誘電体層)を配置した構成となっているが、風車や航空機のような屋外で用いられる流体機器に気流発生装置を用いる場合、当該気流発生装置は、降雨や温度・湿度、紫外線、砂塵などの厳しい屋外環境にさらされるため、プラズマ放電による材料劣化とともに、これらの使用環境下でも優れた特性を維持する気流発生装置の開発が必須である。しかしながら、これまでは使用の容易さなどから、特に絶縁層の部分において、有機樹脂系の材料が主として用いられてきており、屋外使用では材料劣化が早く、実用面における課題があった。 The basic configuration of the airflow generation device is a configuration in which an insulating layer (dielectric layer) is disposed between two electrodes. However, when the airflow generation device is used for a fluid device used outdoors such as a windmill or an aircraft, Since the airflow generator is exposed to severe outdoor environments such as rainfall, temperature / humidity, ultraviolet rays, and dust, the development of airflow generators that maintain excellent characteristics under these operating environments as well as material deterioration due to plasma discharge It is essential. However, until now, organic resin materials have been mainly used especially in the insulating layer part because of ease of use, etc., and material deterioration was rapid when used outdoors, and there was a problem in practical use.
本発明が解決しようとする課題は、バリア放電性能に優れ、屋外環境下やプラズマ放電下でも長期使用可能な絶縁層を有する気流発生装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide an airflow generation device having an insulating layer that is excellent in barrier discharge performance and can be used for a long time even in an outdoor environment or under plasma discharge.
本発明の実施形態は、第1の電極と、前記第1の電極上において、前記第1の電極の端部が露出するようにして積層された、シロキサン結合を主体とするシリカ系無機ポリマーを含む絶縁層と、前記絶縁層上に積層された第2の電極と、を具えることを特徴とする、気流発生装置に関する。 In an embodiment of the present invention, a silica-based inorganic polymer mainly composed of a siloxane bond, which is laminated on a first electrode and the first electrode so as to expose an end portion of the first electrode, The present invention relates to an airflow generation device comprising: an insulating layer including: a second electrode stacked on the insulating layer.
本発明によれば、バリア放電性能に優れ、屋外環境下やプラズマ放電下でも長期使用可能である。 According to the present invention, it has excellent barrier discharge performance and can be used for a long time even in an outdoor environment or plasma discharge.
以下、図面を参照しながら実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の気流発生装置の概略構成を示す図である。
図1に示すように、本実施形態における気流発生装置10は、第1の電極11と、この第1の電極11上に積層された絶縁層(誘電体層)12と、この絶縁層12上に積層された第2の電極13とを有している。なお、気流発生装置10は、以下に説明するようにプラズマ気流を生ぜしめて、その本来的な機能を奏するようにすべく、図1に示すように、絶縁層12及び第2の電極13は、第1の電極11の端部11Aが露出するようにして積層する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an airflow generation device of the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the
第1の電極11及び第2の電極12は、電極材料として公知のものから構成することができる。例えば、ステンレス、インコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)、チタン、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、金、銀、すず、クロム等の金属や、これらの金属元素を主成分とする合金、カーボンナノチューブ、導電性セラミックス等の無機良導電体や、導電性プラスチック等の有機良導電体等を使用する環境下に応じて使用することもできる。
The
特に、第1の電極11及び第2の電極12を、インコネル、ハステロイ、チタン等の耐熱または耐腐食性金属から構成した場合は、高温多湿、酸化性等の高腐食雰囲気においても長期間使用することができる電極を実現することができる。
In particular, when the
絶縁層12は、シロキサン結合を主体とするシリカ系無機ポリマーから構成する。このシリカ系無機ポリマーは、Si−O(酸素)−Siの無機結合で主骨格が構成されているポリマーである。このようなシリカ系無機ポリマーは、吸湿性が低く、セラミックと同等の高い耐候性、耐久性を有する。したがって、降雨や温度・湿度、紫外線、砂塵などの厳しい屋外環境や、プラズマ放電などの過酷な状況下においても劣化することがない。この結果、本実施形態の気流発生装置10は、前述した屋外環境やプラズマ放電などの過酷な状況下においても、長期に亘って使用することが可能となる。
The insulating
第1の電極11は、上述した電極材料を板状等、所定の形状に加工して形成することができる。
The
絶縁層12は、例えば、無溶剤型のアルコキシシラン化合物を主成分とする原材料(例えば、株式会社デイ・アンド・デイ製「パーミエイト」、モクテックカメムラ製「液体ガラス塗料」)などを第1の電極11の主面上に塗布した後、空気中の水分との反応によって固化させることにより形成することができる。また、シリカ系無機ポリマーをアルコール等の溶媒に溶解あるいは分散させて得た溶液あるいは分散媒を、第1の電極11の主面上に塗布した後、溶媒を蒸発させることによっても形成することができる。
The
このように絶縁層12は湿式法によって形成しているので、絶縁層12は第1の電極11に対してある程度高い密着性を有するようにして形成することができる。
Thus, since the insulating
第2の電極13は、上述のようにしてシリカ系無機ポリマーが硬化する以前に、第1の電極11と同様に、上述した電極材料を板状等、所定の形状に加工して得た電極部材を配置し、その後、上記シリカ系無機ポリマーを硬化させることにより、このポリマーを間接的な接着剤として使用し、絶縁層12上に形成することもできる。また、上記シリカ系無機ポリマーが硬化した後であっても、スパッタリング法やメッキ法、印刷法、溶射法等によって形成することができる。
The
なお、第1の電極11の厚さは、例えば0.05mm〜5mmとすることができる。絶縁層12の厚さは、例えば50μm〜1000μmとすることができる。第2の電極13の厚さは、例えば0.05mm〜5mmとすることができる。図のように、第1の電極と露出した第2の電極では、電極1の方が幅が広く、プラズマ流を誘起したい方向により拡大した構造を有するか、第1の電極が第2の電極以下の幅で、プラズマ流を誘起したい方向にずれて設置された構造を有するのが一般的である。第1の電極と第2の電極の幅は、例えば1mm〜50mmとすることができる。
In addition, the thickness of the
また、絶縁層12を構成する上記シリカ系無機ポリマーの内、80質量%以上が酸化シリコン(SiO2)であることが好ましい。この場合、上記シリカ系無機ポリマーの吸湿性の低下、耐候性及び耐久性がより向上するようになるので、上述のような厳しい屋外環境や、プラズマ放電などの過酷な状況下における劣化をより効果的に抑制することができ、本実施形態の気流発生装置10は、前述した屋外環境やプラズマ放電などの過酷な状況下においても、より長期に亘って使用することが可能となる。
Further, of the silica-based inorganic polymer constituting the
シリカ系無機ポリマー中に占める酸化シリコンの割合の上限は、上述した作用効果を奏する限りにおいて特に限定されるものではないが、現状では、70質量%程度である。これは主として、以下に説明する酸化シリコンの形成方法に依存する。なお、バルク状の酸化シリコンを用いれば、酸化シリコンの割合の上限を100質量%とすることができるが、この場合、第1の電極11及び第2の電極13との密着性を十分に取ることができない。
The upper limit of the ratio of silicon oxide in the silica-based inorganic polymer is not particularly limited as long as the above-described effects are exhibited, but is currently about 70% by mass. This mainly depends on the silicon oxide formation method described below. Note that if bulk silicon oxide is used, the upper limit of the ratio of silicon oxide can be set to 100% by mass. In this case, sufficient adhesion between the
上述のようなシリカ系無機ポリマー中に酸化シリコンを形成する場合は、シリカ系無機ポリマーを例えば酸素含有雰囲気中において、300℃以上、好ましくは600℃以下で数時間加熱処理を行うことにより、上記シリカ系無機ポリマーを酸化シリコンに添加することができ、上述のようにシリカ系無機ポリマー中における酸化シリコンの含有割合を80質量%以上とすることができる。 When silicon oxide is formed in the silica-based inorganic polymer as described above, the silica-based inorganic polymer is subjected to heat treatment at 300 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or lower for several hours in an oxygen-containing atmosphere, for example. A silica-based inorganic polymer can be added to silicon oxide, and the content ratio of silicon oxide in the silica-based inorganic polymer can be 80% by mass or more as described above.
また、第1の電極11の、絶縁層12を形成する主面の表面粗さRmaxを0.5μm〜50μmとすることが好ましい。これによって、上述したように、絶縁層12を湿式法で形成する場合において、無溶剤型の原材料等が上記主面の凹凸部内に侵入し、そのまま固化するようになるので、いわゆるアンカー効果によって第1の電極11と絶縁層12との密着性が向上する。なお、上記のような表面粗さは、例えば第1の電極11の主面に対して溝加工やサンドブラスト加工などを施すことによって形成することができる。
In addition, the surface roughness Rmax of the main surface of the
なお、第1の電極11の表面粗さRmaxが0.5μm未満であると、第1の電極11の主面の凹凸が十分大きく形成されていないために、アンカー効果が不十分となり、第1の電極11の表面粗さRmaxが50μmを超えると、第1の電極11の主面に形成された凹凸が大きくなりすぎ、これら凹凸部に無溶剤型の原材料等が十分に侵入することができずに、アンカー効果が不十分となる。したがって、第1の電極11と絶縁層12との密着性を向上できない場合がある。
If the surface roughness Rmax of the
さらに、第1の電極11は、5%〜30%の気孔率を有するようにして形成することができる。この場合も、上述したように、絶縁層12を湿式法で形成する場合において、無溶剤型の原材料等が第1の電極11の主面に開口した気孔内に侵入し、そのまま固化するようになるので、いわゆるアンカー効果によって第1の電極11と絶縁層12との密着性が向上する。
Furthermore, the
なお、気孔率の制御は、第1の電極11を上述した金属材料から構成する際に、プレス時の圧縮率や焼結密度などを調整することによって行うことができる。また、溶射法において、第1の電極11を構成する金属材料の吐出量及び吐出速度を調整することによっても行うことができる。
Note that the porosity can be controlled by adjusting the compression ratio, the sintered density, and the like during pressing when the
第1の電極11の気孔率が5%未満であると、アンカー効果が不十分となり、第1の電極11の気孔率が30%を超えると、第1の電極11の主面に開口した気孔中に上記原材料等が侵入することなく残存する気孔の割合が増大するため、結果としてアンカー効果が不十分となる。したがって、第1の電極11と絶縁層12との密着性を向上させることができない場合がある。
When the porosity of the
次に、図1に示す気流発生装置10によるプラズマ気流の発生メカニズムについて簡単に説明する。
Next, a mechanism for generating plasma airflow by the
図示しない放電用電源から第1の電極11及び第2の電極12間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第1の電極11及び第2の電極12間に放電が誘起される。この放電は、これら電極間に存在する絶縁層(誘電体層)12を介して生じるのでバリア放電とよばれ、結果として低温プラズマPが生成される。これらの放電においては、気体中の電子のみにエネルギーを与えることができるため、気体をほとんど加熱せずに気体を電離して電子及びイオンを生成することができる。
When a voltage is applied between the
図1に示すように、第1の電極11の端部11Aは、絶縁層12及び第2の電極13から露出しているので、生成された電子は、特に第1の電極11の端部11Aにおいて発生した電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。その結果、生成した低温プラズマPの後方においてプラズマ気流Sを発生することができる。プラズマ気流Sの大きさや向きは、第1の電極11及び第2の電極13間に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性を変化させることで制御可能である。
As shown in FIG. 1, since the
(第2の実施形態)
図2は、本実施形態の気流発生装置の概略構成を示す図である。なお、図1に示す構成要素と類似あるいは同一の構成要素については、同一の参照数字を用いている。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the airflow generation device of the present embodiment. It should be noted that the same reference numerals are used for components that are similar or identical to the components shown in FIG.
図2に示すように、本実施形態における気流発生装置20は、第1の電極11と、この第1の電極11上に積層された絶縁性の多孔質下地層21と、この下地層21上に積層された絶縁層(誘電体層)12と、この絶縁層12上に積層された第2の電極13とを有している。なお、気流発生装置20は、第1の実施形態で説明したようにしてプラズマ気流を生ぜしめるべく、第1の実施形態と同様に、図2に示すように、下地層21、絶縁層12及び第2の電極13は、第1の電極11の端部11Aが露出するようにして積層する。
As shown in FIG. 2, the
下地層21は絶縁性かつ多孔質であるので、例えば、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、ネオジウム酸化物、ランタン酸化物、イットリウム酸化物、マグネシウム酸化物、リン酸塩化合物、カルシウム酸化物、ケイ素酸化物等の酸化物から構成することができる。但し、絶縁性能の高さ、形成操作の容易性及び経済性などの観点から、アルミニウム酸化物が好ましい。
Since the
なお、上述した材料、特にアルミニウム酸化物から下地層21を形成するに際しては、下地層21が多孔質であることから、第1の電極11を所定の型内に入れ、この型内で第1の電極11上にアルミニウム酸化物粉末を充填し、プレス及び焼結という粉体の焼結プロセスを用いて形成することもできるが、アルミニウム酸化物等の酸化物は焼結温度が高く、焼結過程において第1の電極11が溶解してしまい、電極としての形態を残存させないような場合が懸念される。
When forming the
したがって、本実施形態では、下地層21を形成するに際し、溶射法を用いることが好ましい。この場合、アルミニウム酸化物等が所定の溶媒中に分散した分散媒を吐出する際の吐出量及び吐出速度を調整することにより、下地層21における気孔率を制御することができる。
Therefore, in this embodiment, it is preferable to use a thermal spraying method when forming the
なお、図2に示す構成から明らかなように、絶縁層12は下地層21上に形成するようになるが、絶縁層12は、上述したように、無溶剤型のアルコキシシラン化合物を主成分とする原材料(例えば、株式会社デイ・アンド・デイ製「パーミエイト」、モクテックカメムラ製「液体ガラス塗料」)などを下地層21の主面上に塗布した後、空気中の水分との反応によって固化させることにより形成することができる。また、シリカ系無機ポリマーをアルコール等の良溶媒に溶解あるいは分散させて得た溶液あるいは分散媒を、下地層21の主面上に塗布した後、溶媒を蒸発させることによっても形成することができる。
As is clear from the configuration shown in FIG. 2, the insulating
下地層21は多孔質であるので、その主面に開口した気孔が存在する。したがって、絶縁層12を構成する無溶剤型の原材料等は、形成時において下地層21の主面に開口した気孔中に侵入するようになるので、いわゆるアンカー効果によって下地層21と絶縁層12との密着性が向上する。
Since the
下地層21の気孔率は、好ましくは5%〜30%である。下地層21の気孔率が5%未満であると、アンカー効果が不十分となり、下地層21の気孔率が30%を超えると、下地層21の主面に開口した気孔中に上記原材料等が侵入することなく残存する気孔の割合が増大するため、結果としてアンカー効果が不十分となる。したがって、下地層21と絶縁層12との密着性を向上させることができない場合がある。
The porosity of the
なお、第1の電極11、絶縁層12及び第2の電極13に要求される条件及び製造方法等については、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
The conditions and manufacturing method required for the
(実施例1)
第1の電極11を厚さ0.5mmに加工して形成し、第2の電極13を厚さ0.2mmに加工して形成した。また、絶縁層12は、株式会社デイ・アンド・デイ製「パーミエイト」、モクテックカメムラ製「液体ガラス塗料」を用いて厚さ100μmに形成し、上述したような製法に基づいて、図1に示すような気流発生装置10を作製した。
Example 1
The
次いで、このようにして得た気流発生装置10に対し、屋外で10kHzの交流電圧を印加し、プラズマ気流を発生させた際の寿命評価を実施した。その結果、300時間経過した後もプラズマ気流を発生できることが判明した。結果を図3に示す。
Next, a lifetime evaluation was performed on the
(比較例1〜3)
実施例1における液体ガラス塗料に代えて、絶縁層12を厚さ300μmのポリイミドフィルム(比較例1)、溶射法によって形成した厚さ250μmのアルミナ皮膜(比較例2)、及び溶射法によるアルミナ皮膜に溶剤及び固形物からなる封孔材を用いて封孔処理を行った皮膜(比較例3)を用い、図1に示すような気流発生装置を作製した。
(Comparative Examples 1-3)
Instead of the liquid glass paint in Example 1, a 300 μm thick polyimide film (Comparative Example 1), a 250 μm thick alumina film (Comparative Example 2) formed by thermal spraying, and an alumina film by thermal spraying An airflow generator as shown in FIG. 1 was produced using a film (Comparative Example 3) subjected to a sealing treatment using a sealing material composed of a solvent and a solid.
このようにして得たそれぞれの気流発生装置に対して、実施例1同様に、屋外で10kHzの交流電圧を印加し、プラズマ気流を発生させた際の寿命評価を実施した。その結果、比較例1の場合は、約120時間経過後にプラズマ気流が発生できなくなり、比較例2の場合は、約30時間後にプラズマ気流が発生できなくなり、比較例3の場合は、約180時間後にプラズマ気流が発生できなくなることが判明した。結果を図3に示す。 For each airflow generation device thus obtained, as in Example 1, a 10 kHz alternating voltage was applied outdoors to evaluate the life when a plasma airflow was generated. As a result, in the case of the comparative example 1, the plasma air stream can no longer be generated after about 120 hours, in the case of the comparative example 2, the plasma air stream cannot be generated after about 30 hours, and in the case of the comparative example 3, about 180 hours. It was later found that a plasma stream could not be generated. The results are shown in FIG.
したがって、上述した実施例及び比較例から明らかなように、本発明にしたがって、気流発生装置10を構成する絶縁層12を、シロキサン結合を主体とするシリカ系無機ポリマーから構成することにより、屋外環境下やプラズマ放電下でも長期使用可能な絶縁層を有する気流発生装置を提供することができることが判明した。
Therefore, as is clear from the above-described examples and comparative examples, according to the present invention, the insulating
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例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。 The present invention has been described in detail based on the above specific examples. However, the present invention is not limited to the above specific examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
10、20 気流発生装置
11 第1の電極
12 絶縁層(誘電体層)
13 第2の電極
P 低温プラズマ
S プラズマ気流
21 下地層
10, 20
13 Second electrode P Low temperature plasma
Claims (8)
前記第1の電極上において、前記第1の電極の端部が露出するようにして積層された、シロキサン結合を主体とするシリカ系無機ポリマーを含む絶縁層と、
前記絶縁層上に積層された第2の電極と、
を具えることを特徴とする、気流発生装置。 A first electrode;
An insulating layer containing a silica-based inorganic polymer mainly composed of a siloxane bond, which is laminated on the first electrode so as to expose an end portion of the first electrode;
A second electrode laminated on the insulating layer;
An airflow generating device comprising:
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