研究内容

パルスパワー工学研究室
Pulsed Power Engineering Lab

本研究室では,高電圧やパルスパワーに関連する研究を行っています.発電所で電気を作り出して需要地に送る際,その電気は高電圧化されます.高電圧化すると特定の条件では気体や固体で絶縁破壊と呼ばれる現象が起き,送電がストップしてしまいます.そのため,様々な技術を用いて,安易に絶縁破壊が起きないように対策しています.
絶縁破壊という言葉は難しい印象があるかもしれませんが,電気を流さない状態が壊れるという意味です.気体中では通常電気は流れませんが,絶縁破壊が起こると稲妻,雷が発生して電気が流れます.金属線を被覆している材料でも高い電圧が加わると雷のような現象によって穴が開いていき,絶縁が破壊されます.このような絶縁破壊を「利用する」こと,あるいは「予防する」ことを研究しています.

(1)気体の絶縁破壊を利用する

コロナ放電 気体の絶縁破壊のことを放電プラズマとも呼ぶことができます.あの雷のようなものを研究室でわざと作り出して,その時生成する化学的に活性な物質を水質浄化・液中化学プロセス・殺菌などに応用します.



実験風景 放電プラズマを用いることでOHラジカルと呼ばれる非常に活性な化学種を容易に作り出すことができます.これによって,従来技術では除去できない1,4ージオキサンなどの有害な物質も分解が可能となります.
また,パルスパワーと呼ばれる技術を使って放電プラズマを作る研究も行っています.この技術によって,高気圧気体中や液中でプラズマを発生することが可能となります.

直流コロナ放電に関する研究についてはYouTube動画(5分30秒)をご参照ください.

なお,水処理関連のいくつかの研究は科学研究補助金の助成を受けています.詳しくは下記リンクをご覧ください.
2021-24年度:コロナ放電を用いた液中への革新的活性酸素種供給法の開発
2018-20年度:水上直流コロナ放電によって液中に供給された活性酸素種の化学反応解析
2015-17年度:HO2ラジカルの計測と液中化学プロセスへの応用
2008-09年度:薄板電極を用いた水上パルス放電による水中難分解性物質の高効率処理


(2)電気機器の絶縁破壊を予防する

実験用電極 近年,省エネ社会の構築に向けてインバータによるモータの高効率化が進展しており,高電圧化・高周波化が加速しています.その結果,EV(電気自動車)に用いられるモータ内の巻線間でも部分放電と呼ばれる現象が起きてしまい,問題となっています.



観測波形 この部分放電は,空間の一部のみ絶縁破壊が起きている状態であり,これが起きてもまだ電気を送ることができて,機器を使用することが可能です.しかし,この状態が続くと部分放電は伸展していき,やがては絶縁破壊へと至ります(つまり使用不能になります).これを予防するために様々な条件で部分放電を観測する研究を行っています.  



Keyword:高電圧,パルスパワー,絶縁破壊,環境浄化(水質改善),活性酸素種,部分放電

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プラズマ・環境工学研究室
Plasma and Environmental Engineering Lab

この研究室では,静電気の力を操る技術,放電プラズマをコントロールする技術を基礎として,主に次のような応用研究を行っています.

(1)排気ガスや大気中の有害微粒子を捕集・分解する技術

大気中には微細な微粒子が漂っています.その中でもサイズが小さいPM2.5(直径が2.5μm以下)やultrafine particle(直径0.1μm以下)と呼ばれるものは,肺の奥深くまで届くため,特に人体に有害だとされています.そのような微粒子は人間がものを燃やすことから生じることが多いのですが,世界中には大気中の濃度が環境基準を大幅に上回る地域が多数存在し,解決する必要があります.

この研究室では,微細粒子の中でも特に有害なススをエンジンの排気ガスや大気中から取り除くことを考えています.まず,静電気の力でガラス表面にススを集積させ(ということは,空気は逆にきれいになります),次にガラス表面に沿って発生させたプラズマにより分解する技術を研究しています.細長い電極によりススを引き付ける静電気力が生じるように独自の工夫がしてあります.また,ウィルスも微粒子の一種であることから,現在,その除去や無害化の研究も始めています.

PM集積と分解







(2)微小な物体を自在に操る技術

電気を使って物体を動かしたい場合,まず思い浮かべるのは電気モーターだと思います.普通の電気モーターは電流と磁界の作用により生じる力(=電磁力)を利用していますが,この力は,物体サイズが小さくなると急速に小さくなります.一方,静電気力は物体サイズが小さくなってもそれ程小さくなりません.つまり,微小サイズの世界で物体を操作するときは,静電気力を上手く使うのが良いわけです.

この研究室では,電極の形を工夫して,狙った場所にだけに高い電界を作り出すことで,微小な物体を駆動する技術を研究しています.この技術が発展すれば,微細なプラスチック片を色や材質で正確に分別して高品質な再生プラスチックを作るなど,様々な応用を考えることができます.写真は最も基本的な動作として,小さな球を左から右に移動させた例です.

微小な物体の移動





少し異なる研究テーマでも対応可能ですのでご相談ください.業績等は以下のリンクを参照ください.
Researchmap

Keyword:静電気力,誘電泳動力,低温プラズマ,コロナ放電,誘電体バリア放電,微粒子,PM2.5,PM0.1,排ガス浄化,大気浄化,ウィルス,マニピュレーション

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プラズマ物性工学研究室
Plasma Science and Engineering Lab

本研究室では,プラズマの物性調査と調査に基づく技術応用として,次のような実験を行っています.

(1) 大気圧誘電体バリア放電プラズマが誘起する流れ場の観測

大気中で1対の金属電極の表面に誘電体を置き,電極間に高周波(約10kHz,振幅数kV)を印加すると誘電体表面に沿って持続可能な放電が起きプラズマが生成されます.この放電形式を誘電体バリア放電といいますが,真空装置を必要とせず,電圧源さえあればどこででも作ることができるプラズマです.このプラズマをアクチュエータとして使用すると,プラズマ近傍に流れが生み出されることが知られており,これを利用した流体制御技術が発展しています.


流れ場 流体がどのように流れているかを知るにはいくつか方法があり,流体の中で小さな微粒子がどのように動くかを見るのがその1つです(PIV法).直径数ミクロンの粒子が充満した箱の中でプラズマを点火すると,粒子が動くのが観測されました(図左).この粒子はプラズマが生み出した流れに沿って動くと同時に,プラズマの作る電界あるいは外部から印加された磁界からの作用を受けていると考えられます.このような流れ場を観測し,プラズマの分布や物性(温度,密度など)を知ることで,微粒子の捕捉や表面改質といった応用につなげていきたいと思っています.


(2) プラズマを使用した種子の滅菌

滅菌実験 毎日の食卓に上がる野菜は,畑で種子から育てられたものです.ホームセンターで売られているキュウリやニンジンなどの種子は,すでにきちんと滅菌されています.種子によって病原体が運ばれたり,発病したりするのを防ぐためです.滅菌作業に求められるのは,菌を除くことはもちろんですが,種子本来の生理は護ること,かつ人間にとって安全であること,という点です.有毒なガスや液体を使わない,人間や環境に優しい滅菌技術として有望なのがプラズマ滅菌技術です.プラズマ中に生成される化学的に活性な活性種が滅菌に有効とされていますが,その機序はまだ分かっていません.私たちの研究室では,誘電体バリア放電や低圧高周波放電プラズマを使用して,プラズマを照射するとなぜ滅菌できるのか,どのようなプラズマが必要なのか,を一つ一つ調べています.

Keyword:プラズマ滅菌,誘電体バリア放電プラズマ,流れ場,微粒子,低圧高周波放電プラズマ

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