JP4969223B2 - 高温場用フレキシブル電極 - Google Patents

Description

本発明は例えば高温プラズマアクチュエータに用いる電極等の、高温下で使用する平面状のフレキシブル電極に関する。

従来より各種アクチュエータが開発されているが、近年表面プラズマを用いたアクチュエータが注目されている。表面プラズマアクチュエータは、例えば図５（ａ）に示すように、樹脂、セラミック等の絶縁体５１を挟んで表面側電極５２と裏面側電極５３を設け、両電極に交流電源５４によって交流電界を発生させると、表面側電極５２の縁部５５から絶縁体５１の表面に沿ってプラズマジェット５６が発生することを利用するものである。特にこの表面プラズマは周囲の気体を誘導し誘導気流５７が発生するため、この作用を有効に利用する研究がなされている。

その一つとして例えば図５（ｄ）に示すような翼５８の表面における、翼面から空気流が剥離しやすい部分に前記のような表面プラズマ発生装置５９を設けるものであり、同図には翼の表面に表面側電極５２を１列に形成したものを示している。このような表面プラズマ発生装置５９を用いると、前記の原理により表面側電極５２の縁部５５に表面プラズマがプラズマジェットとして発生する。それによりこの翼５８の表面を流れる気流に対して前記誘導気流の発生原理によって影響を与え、この部分に生じやすい剥離の防止作用を行うことができる。特にこのような表面プラズマは、翼表面には表面電極として薄い膜を形成するのみでよいので、翼表面を流れる気流に対する空気抵抗等の影響が少なく、且つ機械的な作動部分がないため、故障すること無く安定して作動させることができるものである。

特に図５（ａ）に示すように、交流電源５４を制御装置６０によって制御可能とし、且つセンサ６１によって気体速度や温度を検出して、その信号によって制御装置６０が交流電源５４を制御することにより、そのときの条件に対応して渦流の発生を防止することができるようになる。このときの制御信号としては、例えば図５（ｂ）に示すように、 所定の狭い幅の交流パルスを図示の例では１／１５秒間出力するようにし、更に図示の例ではその後１３／３０秒間休止してから同じ交流パルスを出力している。このような制御状態からより強いプラズマジェットを発生させようとするときには、例えば図５（ｃ）に示すようにパルスの供給時間を多くするデューティー比制御を行うことにより対応することができる。

表面プラズマは現在主として上記のような作動を行うアクチュエータとして利用することが研究されているが、その研究の過程で表面プラズマの特性が更に明らかになり、この表面プラズマアクチュエータは、電極の形状や配置により特有のプラズマジェットを発生させることができ、また、より広い分野のアクチュエータとして利用することが可能であることが明らかとなってきた。

表面プラズマを発生させる表面側電極の形状と配置によって種々のプラズマジェットを発生させることができ、例えば図６（ａ）（ｂ）のように絶縁体７１の表面に互いに間隔をもって平行に第１表側電極７２と第２表側電極７３とを対向して配置し、裏面に設けた裏面側電極７４との間に高電界を発生させると、表面側電極と裏面側電極の配置関係により、各表側電極の互いに対向する縁部から表面に平行に前記と同様のプラズマジェットが発生する。これらのプラズマジェットは各電極の中間部で衝突し、図６（ｂ）に示すように絶縁体７１の表面に垂直なプラズマジェット７５が形成される。その際には周囲の気体は図示するように表面に直角に誘導される誘導気流７６が発生する。

その他例えば図６（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、表面側電極を中心開口７７を備えたリング状、或いは中心開口７７を備えた四角形状の表面側電極７８とし、裏面に設けた裏面側電極との間に高電界を発生させると、表面側電極と裏面側電極の配置関係により、表側電極７８の中心開口７７側の縁部から中心に向けてプラズマジェット７９が表面に平行に発生する。このプラズマジェットは中心部において互いに衝突し、そこから直角に上方に向けて移動するプラズマジェット８０が形成される。また、そのプラズマジェット８０に誘導されて誘導気流８１が表面に直角に発生することとなる。

このように、電極の形状や配置により、種々のプラズマジェットを発生させることができ、これを前記のような翼の渦流発生制御による剥離防止作用を行わせるほか、更に各種のアクチュエータとして利用することが考えられる。

なお、プラズマアクチュエータについては下記文献に詳細に記載されている。
Roth, J. R., Sherman, D. M., and Wilkinson, S. P. (1998). Boundary layer flow control with a one atmosphere uniform glow discharge. AIAA Paper 98-0328, 36th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada. Corke, T. C., Jumper, E. J., Post, M. L., Orlov, D., and McLaughlin, T. E. (2002). Application of weakly-ionized plasmas as wing flow-control devices. AIAA paper 2002-0350, 40th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Reno, Nevada.

一方このような表面プラズマは、現在はほぼ１気圧、常温下での利用が考えられているが、例えばガスタービン等の実機への搭載に際しては、高温場での安定した作動がなされなければならない。しかしながら現在の技術では高温場でプラズマジェットを発生させると、表面の気流に影響を与えないように薄く形成されている表面電極が、セラミック等の絶縁体から剥がれてしまうため、高温場では使用することができなかった。即ち、高温場で使用するため、絶縁体として従来の樹脂・ポリマーを使用する場合と異なり、セラミック誘電体を用い、その表面にＮｉやＭｏなどの耐熱性金属の薄膜を電極として形成し貼り付けることとなるが、これらの電極とセラミック誘電体との熱膨張差が大きく、剥がれてしまうことがわかった。

その対策として種々の手法が考えられるが、その一つとして電極をフレキシブルとして高温場で絶縁体と熱膨張差が発生しても、その熱膨張差を電極によって吸収することができるようにすることが有効であることがわかった。また、その手法が開発されると、前記のような高温場で表面プラズマを発生させる以外に、各種の高温場で用いられる同様の電極にも有効に利用できることが考えられる。

したがって本発明は、主として表面プラズマを高温場で発生させるに際して、絶縁体とその表面に設ける電極とが剥離することを電極をフレキシブルにするに際し、製造しやすく、且つ剥離することを確実に防止し、また各種の高温場で用いる電極にも用いることができるようにした、汎用性のある高温場用フレキシブル電極を提供することを目的としている。

本発明に係る高温場用フレキシブル電極は、個別の電極を互いに間隔を置いて１列に配置した第１電極列と、前記第１電極列の互いに隣接する個別の電極を接続するように配置してなる個別の電極を、互いに間隔を置いて１列に配置した第２電極列とからなることを特徴とする。

本発明に係る他の高温場用フレキシブル電極は、前記高温場用フレキシブル電極において、前記第１電極列と第２電極列を平面上で隣接させたことを特徴とする。

本発明に係る他の高温場用フレキシブル電極は、前記高温場用フレキシブル電極において、前記第１電極列の個別の電極と前記第２電極列の個別の電極とが接触する部分を一体化してなる構成を有することを特徴とする。

本発明に係る他の高温場用フレキシブル電極は、前記高温場用フレキシブル電極において、前記第１電極列の表面側に重ねて、前記第２電極列を配置したことを特徴とする。

本発明に係る他の高温場用フレキシブル電極は、前記高温場用フレキシブル電極において、前記第１電極列と第２電極列からなる１列の電極を、互いに間隔を置いて２列配置したことを特徴とする。

本発明に係る他の高温場用フレキシブル電極は、前記高温場用フレキシブル電極において、前記第１電極列と第２電極列からなる１列の電極をリング状に配置したことを特徴とする。

本発明に係る他の高温場用フレキシブル電極は、前記高温場用フレキシブル電極において、前記第１電極列の個別の電極をコ字状に形成し、前記第２電極列の個別の電極を逆コ字状に形成し、互いに突出する腕部分を電極列の軸線方向に対して直角方向に重ねて、全体として１列の電極としたことを特徴とする。

本発明に係る他の高温場用フレキシブル電極は、前記高温場用フレキシブル電極において、略数字の２の形状をなす個別の電極を、隣接する個別の電極の前端部と後端部が電極列の軸線方向に対して直角方向に重ねて、全体として１列の電極としたことを特徴とする。

本発明に係る他の高温場用フレキシブル電極は、前記高温場用フレキシブル電極を、絶縁体の表面に設けた表面側電極と、絶縁体の裏面に設けた裏面側電極との間に高電界を発生させ、絶縁体表面に表面プラズマを発生する表面プラズマ発生装置の表面側電極に用いたことを特徴とする。

本発明は上記のように構成したので、例えば表面プラズマを高温場で発生させるに際して、電極をフレキシブルにすることにより絶縁体と電極との熱膨張差を吸収するに際し、製造しやすく、且つ、絶縁体とその表面に設ける電極とが剥離することを確実に防止することができる。また各種の態様で実施可能とすることにより種々の表面プラズマを発生させることができるようにすると共に、表面プラズマの発生以外にも各種の高温場で用いる電極とすることができる。

本発明は、絶縁体に貼り付けた電極が高温場で用いても剥離しないようにする、という課題を、個別の電極を互いに間隔を置いて１列に配置した第１電極列と、前記第１電極列の互いに隣接する個別の電極を接続するように配置してなる個別の電極を、互いに間隔を置いて１列に配置した第２電極列とから構成したものである。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明による高温場用フレキシブル電極において、列状をなす電極の例を示しており、同図（ａ）においては、同図（ａ’）に平面図を示すように、互いに間隔を置いて１列に配置した第１電極列１と、この第１電極列１に対向し間隔を置いて第２電極列２を配置している。この第２電極列２は、第１電極列において互いに離れている各個別の電極を接続するように配置しており、第１電極列と同様に互いに間隔を置いて１列に配置している。

これらの電極は、例えばＮｉ、或いはＭｏ等の耐熱性金属の薄膜で作成され、セラミックス等からなる絶縁体３の表面に貼り付けられている。電極をこのように形成することにより、セラミックス等からなる絶縁体３と上記のような材料からなる電極との熱膨張差により、電極が絶縁体から剥離しようとする力が作用すると、隣接する電極の接触部分が容易に変形することができ、その熱膨張差を吸収することができる。この電極によって、前記図５（ａ）に示すような表面プラズマを高温場で発生することができるようになる。

このような互いに間隔を持った電極列は図１（ａ）のように２列にする以外に、同図（ｂ）（ｂ’）のように３列にすることができ、更には同様にして適宜の列を形成して表面側電極とすることができる。このときの各電極の大きさ、及び厚さも任意に設定することができる。更に前記のように各列の電極を接触させるのみでなく、同図（ｃ）（ｃ’）のように前記各列の接触部分を一体化した形状の電極を用いても良い。図１の例においては、各電極列を同様の形状の電極列とした例を示したが、第１電極列に対して第１電極列の互いに離れた電極を接続するのみの目的で、第１電極列より細い電極列を配置しても良い。

図１の例においては互いに離れている電極列を平面内で複数接触状態で隣接させることにより、フレキシブルに全体として１列の電極を形成した例を示したが、その他例えば図２（ａ）に示すように、互いに離れている個別の電極からなる第１電極列１３に対して、その上に重ねるように、各電極を接続する第２電極列１４を形成して、全体として１列の電極１５を構成しても良い。

このように電極を垂直方向に重ねた構成の電極においても、高温場でこれを使用しても電極がフレキシブルであるので、絶縁体との熱膨張差を吸収し、剥離を防止することができる。なお、この電極においても絶縁体１５を挟んでその裏面に設けた電極１６との間で高電界を発生させることにより、図５（ａ）と同様のプラズマを発生させることができる。

また図３（ａ）に示すように、上記のように構成される第１電極列２１と、これに対称的な構成及び配置の第２電極列２２を互いに離して対向させて２列からなる電極を形成する。それにより前記図６（ａ）に示すような対向する２列の電極７２、７３と同様の電極を形成することができ、絶縁体２３を挟んで配置した裏面の電極２４との間の高電界により、図６（ｂ）のようなプラズマジェットを高温場で発生することができるようになる。

同様に図３（ｂ）に示すように、各々扇形をなす電極２５を互いに離して隣接させ、全体としてリング状をなす電極列２６を形成し、この電極列２６の互いに離れている個々の電極２５をリングの外側で接続するように、接続用電極列２７を形成して、全体として１つのリング状電極２８を構成する。それにより図３（ｃ）の断面図に示すような電極が形成され、絶縁体２９を挟んだ裏面の電極３０との間の高電界により、前記図６（ｅ）に示すものと同様のプラズマジェットを高温場でも発生させることができる。

本発明は前記のような電極のほか、例えば図４に示すような形状の電極片を接続することによっても実施することができる。即ち、図４（ａ）（ａ’）の例においては、互いに離れている略コ字状の電極列３０と、これに対向するように配置した、反転している逆コ字状の電極列３１とを用い、図示するように互いに相手側に延びる腕を、この電極の列の軸線方向に直角の方向に接触させ、それにより全体として１列の電極２２を構成するようにしている。このとき互いに対向する電極列の大きさは必ずしも一致させる必要が無く、それぞれ任意の大きさに設定することができる。また図４（ｂ）（ｂ’）に示すように、略数字の「２」状、または逆Ｓ字状、或いはＺ字状の個別の電極３３を互いの前端と後端において、この電極の列の軸線方向に直角な方向に接触するように配置し、全体として１列の電極列３４を形成しても同様の効果を得ることができる。

本発明によるフレキシブル電極は、前記のように種々の構成により実施することができるが、そのほか前記のような本発明の趣旨に応じて、更に各種の他の態様で実施することができる。

本発明は、ガスタービン等の高温場で使用する表面プラズマ発生装置のほか、高温場で使用する各種の電源にも利用することができる。

本発明の実施例１の各種態様を示す図である。 本発明の実施例２の各種態様を示す図である。 本発明の実施例３の各種態様を示す図である。 本発明の実施例４の各種態様を示す図である。 表面プラズマの従来例を示す図である。 従来の電極を用いた表面プラズマ発生の各種態様を示す図である。

符号の説明

１ 第１電極列
２ 第２電極列
３ 絶縁体

Claims (6)

1. 絶縁体の表面に設ける個別の電極を互いに間隔を置いて１列に配置した第１電極列と、
   前記第１電極列の互いに隣接する個別の電極を接続するように配置してなる個別の電極を、互いに間隔を置いて１列に配置した第２電極列とからなり、
   前記第１電極列と第２電極列を平面上で隣接させて設け、高温場により前記絶縁体と電極との熱膨張差により電極が絶縁体から剥離しようとする力が作用すると隣接する電極の接触部分で熱膨張差を吸収することを特徴とする高温場用フレキシブル電極。
2. 前記第１電極列と第２電極列からなる１列の電極を、互いに間隔を置いて２列配置したことを特徴とする請求項１記載の高温場用フレキシブル電極。
3. 前記第１電極列と第２電極列からなる１列の電極をリング状に配置したことを特徴とする請求項１記載の高温場用フレキシブル電極。
4. 前記第１電極列の個別の電極をコ字状に形成し、前記第２電極列の個別の電極を逆コ字状に形成し、互いに突出する腕部分を電極列の軸線方向に対して直角方向に重ねて、全体として１列の電極としたことを特徴とする請求項１記載の高温場用フレキシブル電極。
5. 絶縁体の表面に設ける略数字の２の形状をなす個別の電極を、隣接する個別の電極の前端部と後端部が電極列の軸線方向に対して直角方向に重ねて、全体として１列の電極としたものであって、
   高温場により前記絶縁体と電極との熱膨張差により電極が絶縁体から剥離しようとする力が作用すると隣接する電極の接触部分で熱膨張差を吸収することを特徴とする高温場用フレキシブル電極。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の高温場用フレキシブル電極を、絶縁体の表面に設けた表面側電極と、絶縁体の裏面に設けた裏面側電極との間に高電界を発生させ、絶縁体表面に表面プラズマを発生する表面プラズマ発生装置の表面側電極に用いたことを特徴とする高温場用フレキシブル電極。

Images