JP5700974B2 - プラズマアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、誘電体を挟んで対をなす電極を配置し、電極間に交流電圧またはパルス電圧を印加することで、誘電体の表面側の電極近傍にプラズマを生じさせるプラズマアクチュエータに関する。

近年、誘電体バリア放電を用いたプラズマアクチュエータによる流体制御の研究が盛んに行われている。とりわけ、気流にさらされる物体（例えば、航空機の翼や胴体、ナセル等）の表層部にプラズマアクチュエータを設置して、当該物体からの気流の剥離を抑制することが試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。

現時点で、プラズマアクチュエータは研究室レベルでその有用性が示された段階にあり、実用化に向けては依然として様々な問題が残っている。流体制御性能に関して言えば、大気圧以下の低速流の条件下に限ってその流れ改善効果が確認されたに過ぎない。より高圧かつ高速な、「強い」動圧流れに対するプラズマアクチュエータの有用性を高めることが、実用上の鍵となる。

しかしながら、高圧の高速流の中では、プラズマが不安定になる、つまりは生成されたプラズマが吹き流されて留まることができないために、十分な流体制御性能を発揮することが困難であった。

特開２００８−２７０１１０号公報 特表２００９−５１１３６０号公報 特開２００８−２９０７１０号公報

本発明は、プラズマアクチュエータの流体制御性能の向上を図ることを所期の目的としている。

本発明では、上側電極及び下側電極の対と、これら電極間に挟まれる誘電体（絶縁体）とを要素とし、両電極間に高圧の交流電圧またはパルス電圧が印加されることでプラズマを生成するユニットを複数個、間欠的に配列することとした。各ユニットの上側電極は、誘電体の表面に露出させるか、または下側電極と比べてより誘電体の表面に近い位置に配置する。

ユニットで生成されるプラズマに起因して、誘電体の表面上には、ユニットを構成する上側電極から下側電極に向かう方向に流れる気体の衝撃波が発生する。そして、そのようなユニットを複数個並べることにより、同方向に流れる衝撃波を加速し、強化することができる。

尤も、単純にユニットを複数個配列すると、あるユニットの上側電極と、隣り合った他のユニットの下側電極との間にもプラズマが生成されてしまう。このプラズマは、上記とは逆方向の衝撃波を生み出すため、却って衝撃波同士が互いに打ち消し合う結果をもたらす。そこで、本発明では、各ユニットの上側電極と、当該ユニットと隣り合う他のユニットの下側電極との間に、プラズマ生成を阻害する遮蔽部を設けるようにしている。加えて、各ユニットの下側電極は、同じユニットを構成する上側電極に対してユニット配列方向の一方向に偏倚した位置に配する。前記遮蔽部は、各ユニットの上側電極から見て前記ユニットの配列方向の他の方向に設けられ上側電極の上面と略同じ高さまで迫り出している誘電体とし、当該遮蔽部を、下側電極の直上にある誘電体の表面となだらかに連続させる。

本発明によれば、プラズマアクチュエータの流体制御性能の向上を図り得る。

本発明に関連した参考例のプラズマアクチュエータを示す側断面図。 本発明に関連した参考例のプラズマアクチュエータを示す側断面図。 本発明の一実施形態のプラズマアクチュエータを示す側断面図。 本発明に関連した参考例プラズマアクチュエータを示す側断面図。 本発明に係るプラズマアクチュエータの適用例を示す図。 本発明に係るプラズマアクチュエータの適用例を示す図。 本発明に係るプラズマアクチュエータの適用例を示す図。

本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１ないし図４に示すプラズマアクチュエータ１は、上側電極２１及び下側電極２２の対と、これら電極間に挟まれる誘電体２３とを要素とするユニット２を複数個、一定方向に沿って間欠的に配列してなる。なお、図３が本発明の一実施形態であり、図１、図２及び図４は本発明に関連する参考例である。

上側電極２１は、前後方向（ユニット２の配列方向。図中横方向）に沿った幅寸法が下側電極２２のそれよりも小さい。また、上下方向（電極２１、２２が誘電体２３を挟む方向、または誘電体２３の表面の法線方向。図中縦方向）の厚みも小さく薄い。各ユニット２の上側電極２１は、誘電体２３の表面に露出させる、または、下側電極２２と比べてより誘電体２３の表面に近い位置に配置する。後者の場合、上側電極２１にプラズマ生成を妨げないコーティングを施すか、若しくは図４に示しているように、上側電極２１を誘電体２３の（プラズマ０が生成される）表面下に埋設するようにして、上側電極２１を直接気流に触れさせないようにすることができる。

下側電極２２は、上側電極２１と比較して前後方向に大きく拡張する。各ユニット２の下側電極２２は、図１、図３に示しているように誘電体２３の裏面に露出させてもよく、図２、図４に示しているように誘電体２３内に埋設してもよい。下側電極２２は、同じユニット２を構成する上側電極２１に対して前方に偏倚した位置にある。即ち、下側電極２２の直上に上側電極２１は存在していない。

誘電体２３は、典型的には樹脂やセラミックである。誘電体材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド等のポリマー系絶縁体や、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素等のセラミック系絶縁体を採用することが好適である。

各ユニット２の上側電極２１と、当該ユニット２と隣り合う他のユニット２の下側電極２２との間には、遮蔽部３を設ける。遮蔽部３は、一のユニット２の上側電極２１と、他のユニット２の下側電極２２との間でプラズマが生成されるのを阻害する役割を担う。遮蔽部３は、誘電体材料を主体とし、各ユニット２の上側電極２１の後背にあって、電極２１、２２が挟んでいる誘電体２３の表面から、少なくとも上側電極２１の上面と略同じ高さまで迫り出している。図１、図２、図４に示しているものでは、遮蔽部３の高さが上側電極２１の上面を越えており、また、遮蔽部３が上側電極２１の上面の一部に覆い被さっている。図３に示しているものでは、遮蔽部３の高さが上側電極２１の上面と略面一となっており、下側電極２２の直上にある誘電体２３の表面とがなだらかに連続している。

本プラズマアクチュエータ１を用いるに際しては、各ユニット２の上側電極２１及び下側電極２２間に、例えば１ｋＶないし１０ｋＶ程度の高圧、１ｋＨｚないし２０ｋＨｚ程度の周波数の、脈流電圧（直流パルス電圧）または交流電圧を印加する。印加電圧及び周波数は、電極２１、２２の寸法や電極２１、２２間の距離、誘電体２３の誘電率等に応じて定める。

両電極２１、２２間に電圧を印加すると、下側電極２２の直上にある誘電体２３の表面にプラズマ０が生成され、このプラズマ０に起因して、誘電体２３の表面上に気体の衝撃波４１が発生する。衝撃波４１は、同一のユニット２を構成する上側電極２１から下側電極２２に向かう方向に、換言すれば後方から前方に向かって流れる。プラズマ０を生成するユニット２が前後方向に並んでいることから、誘電体２３の表面上を流れる衝撃波４１は、あるユニット２から別のユニット２へと伝搬してゆくにつれて加速され、強化される。

以降、本プラズマアクチュエータ１の用途を列挙する。図５は、プラズマアクチュエータ１を自動車のボディ６の表層部に設置した例である。自動車の走行中、自動車のボディ６は前方から強い風圧を受ける。プラズマアクチュエータ１の各ユニット２の電極２１、２２に電圧を印加していない状態では、図中破線で示すように、気流５がボディ６の表層部から剥離する。

これに対し、各ユニット２の電極２１、２２間に電圧を印加すれば、プラズマアクチュエータ１を設けた各部位において、図中実線で示すような誘導気流４を生じる。よって、ボディ６の表層部からの気流４の剥離が抑制され、ボディ６が受ける空気抵抗が軽減する。並びに、自動車の走行中の風切り音も低減する。

図６は、プラズマアクチュエータ１を航空機の翼（のキャンバー）７の表層部に設置した例である。この場合も同様に、プラズマアクチュエータ１による誘導気流４が生じて、気流４の翼７からの剥離が抑制される。

図７は、プラズマアクチュエータ１を内燃機関の内部に設置した例である。一般に、内燃機関は、吸気マニホルドを経由して流入する吸気を吸気ポート８から気筒９４内に取り入れる。図７には、複数気筒のうちの一気筒の要部を拡大して示している。各気筒９４の吸気ポート８の内部は、吸気マニホルド側から気筒９４内の燃焼室に向けて下方に湾曲した形状をなす。しかして、その吸気ポート８の内周の曲面の表層部、曲率的に吸気の流れの剥離が生じやすいと思しき箇所に、プラズマアクチュエータ１を設ける。因みに、符号９１は吸気弁、符号９２は排気ポート、符号９３は排気弁、符号９５はピストンである。プラズマアクチュエータ１が生成したプラズマ０は、流入する吸気に効率よく作用する。即ち、プラズマアクチュエータ１を設けている部位で誘導気流４が生じ、吸気ポート８の内周の曲面からの気流４の剥離が抑制されて、吸気が円滑に気筒に流れ込む。これにより、吸気充填効率の向上、燃費の向上を見込める。

本実施形態のプラズマアクチュエータ１は、上側電極２１及び下側電極２２の対と、これら電極２１、２２間に挟まれる誘電体２３とを要素とし、両電極２１、２２間に高圧の交流電圧またはパルス電圧が印加されることでプラズマ０を生成するユニット２を複数個、間欠的に配列してなり、各ユニット２の上側電極２１を、誘電体２３の表面に露出させ、または下側電極２２と比べてより誘電体２３の表面に近い位置に配置するとともに、各ユニット２の上側電極２１と、当該ユニット２と隣り合う他のユニット２の下側電極２２との間に、プラズマ生成を阻害する遮蔽部３を設けたものである。

本実施形態によれば、ユニット２を構成する上側電極２１から下側電極２２に向かう方向に流れる気体の衝撃波４１を加速、強化することができるため、高圧の高速流に対しても、その剥離を抑制し得る制御性能を発揮することが可能である。

図１、図２、図４に示しているように、遮蔽部３を上側電極２１の後部だけでなく上部にも跨る形状としたならば、上側電極２１の後部と、当該上側電極２１の後方にある他のユニット２の下側電極２２との間の放電をダブルバリア放電とすることができ、意図せざるプラズマの生成、意図せざる逆方向の衝撃波の発生を確実に防止できる。そして、気体の流れ制御効果がさらに高まる。

誘電体２３が一層のシンプルな構造のため、形状設計の自由度が確保され、製造効率の面でも有利となる。

上側電極２１の前後幅寸法は衝撃波４１を生み出す能力に影響を及ぼさないので、これを数十μｍ程度の導体線とすることができる。並びに、上側電極２１の上下厚み寸法は、薄いほど衝撃波４１の風速が上がる傾向にある。従って、スペース効率がよく、同一面積の誘電体２３上に多数個のユニット２を配列して効果を増強することも容易である。

印加電圧及び周波数を一定とした条件下では、下側電極２２の前後幅寸法を大きくすることである程度まで衝撃波４１の風速を上げることができる。但し、ユニット２間距離（一のユニット２の上側電極２１と、その後方にある他のユニット２の下側電極２２との間の距離）を近づけすぎると、やはり逆方向の衝撃波が発生してしまうので、ユニット２間距離を一定以上確保できるように下側電極２２の前後幅寸法を設定することが求められる。

本発明は、以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明に係るプラズマアクチュエータは、自動車のボディ、航空機の翼や胴体、内燃機関の吸気系、その他に適用することが可能である。

１…プラズマアクチュエータ
２…ユニット
２１…上側電極
２２…下側電極
２３…誘電体
３…遮蔽部

Claims (1)

1. 上側電極及び下側電極の対と、これら電極間に挟まれる誘電体とを要素とし、両電極間に高圧の交流電圧またはパルス電圧が印加されることでプラズマを生成するユニットを複数個、間欠的に配列してなり、
   各ユニットの上側電極を、誘電体の表面に露出させ、または下側電極と比べてより誘電体の表面に近い位置に配置するとともに、
   各ユニットの上側電極と、当該ユニットと隣り合う他のユニットの下側電極との間に、プラズマ生成を阻害する遮蔽部を設けており、
   各ユニットの下側電極は、同じユニットを構成する上側電極に対してユニット配列方向の一方向に偏倚した位置にあり、
   前記遮蔽部は、各ユニットの上側電極から見て前記ユニットの配列方向の他の方向に設けられ上側電極の上面と略同じ高さまで迫り出している誘電体であり、当該遮蔽部が、下側電極の直上にある誘電体の表面となだらかに連続していることを特徴とするプラズマアクチュエータ。

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