(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つ以上の電極と２つ以上であり且つ電極よりも１つ少ない誘電体とを有してなり、物体の表面側に配置して電極に高電圧を印加することで、気体と接触可能に露出した誘電体の端部にプラズマを発生させるプラズマアクチュエータであって、
電極と誘電体とを交互に積層し、各誘電体の端部が積層順に物体表面の法線方向に露出するように配置していることを特徴とするプラズマアクチュエータ。
【請求項２】
各電極の端部と各誘電体の端部とを積層順に物体表面の法線方向に露出させたものであり、誘電体の端部が電極から露出する寸法を、電極の端部が誘電体から露出する寸法よりも大きく設定している請求項１記載のプラズマアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアクチュエータに関し、特にプラズマに対する気流の影響を低減させることができるプラズマアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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を利用した流体制御の研究が盛んに行われている。プラズマアクチュエータは、例えば、樹脂やセラミックなどの誘電体を挟んで電極を配置し、電極間に交流電圧又はパルス電圧を印加して、誘電体の表面側の電極の近傍にプラズマを発生させる。
【０００３】
このようなプラズマアクチュエータは、例えば特許文献１に記載のもののように、ガスタービンの翼に取り付けられて、翼表面における気流の剥離を抑制する。同様に、気流の剥離を抑制するために用いられるプラズマアクチュエータが、特許文献２において開示されている。さらに、気流の剥離を制御するために用いられるプラズマアクチュエータとしては、特許文献３における、航空機の翼のコアンダ表面に配置されるものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８‐２７０１１０号公報
【特許文献２】特表２００９‐５１１３６０号公報
【特許文献３】特開２００８‐２９０７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したプラズマアクチュエータはそれぞれ、高圧下で高速の気流にさらされる。このため、そのような気流によって、生成されたプラズマが流されることがある。この結果、プラズマが不安定になり、気流の制御が困難になることがある。
【０００６】
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【０００８】
すなわち本発明に係るプラズマアクチュエータは、３つ以上の電極と２つ以上であり且つ電極よりも１つ少ない誘電体とを有してなり、物体の表面側に配置して電極に高電圧を印加することで、気体と接触可能に露出した誘電体の端部にプラズマを発生させるプラズマアクチュエータであって、電極と誘電体とを交互に積層し、各誘電体の端部が積層順に物体表面の法線方向に露出するように配置していることを特徴とする。
【０００９】
ここで、電極に印加する高電圧としては、高圧の交流電圧や、パルス電圧など、プラズマを発生させ得ることが既に知られている電圧を挙げることができる。
【００１０】
このような構成によれば、高圧交流電圧又はパルス電圧の印加により複数段に亘ってプラズマが発生するので、プラズマの発生に伴う衝撃波も複数段に亘って発生することとなる。その結果、複数段に亘って発生した衝撃波同士がつながることにより、より強い衝撃波を発生させることができる。その結果、動圧流れに対して有効性が高くなり、高圧下の高速流においても、気体の流れを制御することが可能になる。
【００１１】
そして、気体の流れの制御をより確実に行なうための構成として、各電極の端部と各誘電体の端部とを積層順に物体表面の法線方向に露出させたものであり、誘電体の端部が電極から露出する寸法を、電極の端部が誘電体から露出する寸法よりも大きく設定しているものを挙げることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数段に亘ってプラズマを発生させることによりプラズマの発生に伴って発生した衝撃波同士がつながることにより、より強い衝撃波を発生させることができる。その結果、動圧流れに対して有効性が高くなり、高圧下の高速流においても、気体の流れを制御することができるプラズマアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】同実施形態に係る構成説明図。
【図２】同実施形態に係る模式的な構成説明図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る外観図。
【図４】同部分拡大断面図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る部分断面図。
【図６】同部分拡大断面図。
【図７】本発明の変形例に係る外観図。
【図８】本発明の他の変形例に係る部分拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態に係るプラズマアクチュエータは、図３に示すように、自動車Ｃのボディ表面Ｂに装着してなるものである。同図に示すように、本実施形態ではプラズマアクチュエータ１を装着した一例として、ボディの表面Ｂにおけるボンネットの前端部分、フロントガラスの上側部分、そしてリアガラスの上側部分に、それぞれ装着したものとしている。
【００１６】
ここで、本実施形態に係るプラズマアクチュエータ１は、３つ以上である４枚の電極１１と２つ以上である３枚の誘電体１０とを有してなり、物体の表面Ｂ側に配置して電極１１に高電圧を印加することで、気体と接触可能に露出した誘電体１０の端部１０ａにプラズマ１５を発生させるプラズマアクチュエータ１であって、電極１１と誘電体１０とを交互に積層し、各誘電体１０の端部１０ａが積層順に物体表面Ｂの法線方向に露出するように配置していることを特徴とするものである。なお、本願明細書における各図面にあっては、構造を明確に把握できるように、誘電体１０、電極１１の厚みを誇張して図示している。
【００１７】
以下、プラズマアクチュエータ１の構成について図１ないし図４を用いて説明する。
【００１８】
誘電体１０は、図１、図２に示すように、本実施形態では３枚の薄板状の絶縁体からなるものである。この誘電体１０は、例えば、アルミナ、ジルコニアあるいは窒化ケイ素などのセラミック系又はテフロン(登録商標)あるいはポリイミドなどのポリマー系からなり、空気に対して抵抗となりにくい厚みを有している。
【００１９】
電極１１は、図１、図２に示すように、薄板状に形成されたものである。また電極１１は、本実施形態では磁性体である電磁石により形成してある。そして電極１１は、最上部に位置する上部電極１２、最下部に位置する下部電極１４及び上部電極１２と下部電極１４との間に介在する２枚の中間電極１３とを有する構成としている。これらの電極１１は、表面Ｂとは電気的に絶縁した状態で配置されている。そして、空気の流れ方向を基準にする場合に、上流側から下流側に向かって上部電極１２、中間電極１３、下部電極１４の順に配置される。特に本実施形態では図３に模式的に示すように、より効率良くプラズマを発生させるために、最も上側に配置した電極である上部電極１２をマイナス極に設定している。また電極１１は、何れかの誘電体１０を介して配置した対をなす電極１１同士の少なくとも一部が平面視重複するようにそれぞれ配置されている。
【００２０】
しかして本実施形態に係るプラズマアクチュエータは、上述の通り、電極１１と誘電体１０とを交互に積層し、誘電体１０の端部１０ａが積層順に表面Ｂの法線方向に露出するように電極１１及び誘電体１０を配置した段状露出部Ｘを形成してなる。
【００２１】
段状露出部Ｘは、誘電体１０の端部１０ａと電極１１の端部１１ａとを積層順に表面Ｂの法線方向に露出させたものである。この段状露出部Ｘは、具体的には、電極１１の端部ａと誘電体１０の端部１０ａとを、物体表面たる表面Ｂに対して電極１１及び誘電体１０の面方向から斜め方向に連続して露出するように配置することにより構成したものである。そして本実施形態では、誘電体１０の端部１０ａが露出する寸法αを、電極１１の端部１１ａが誘電体１０の間から露出する寸法βよりも大きく設定している。
【００２２】
このような構成において本実施形態では図３に示すような自動車Ｃを走行させる場合に、電極１１間に高圧のパルス電圧を印加する。これによって、図１及び図４に示すように、電極１１の下流側の誘電体１０表面にプラズマ１５が発生する。印加する高圧のパルス電圧については、この分野で知られている電圧及び周波数、例えば、１ｋＶ〜１０ｋＶで、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚのものであって、流速によって変化し得るものであってもよい。また勿論、図１で図示する態様の他に、同様の電圧並びに周波数の高圧の交流電圧が印加されるものであってもよい。
【００２３】
そして、電極１１に上述の電圧が印加されると、複数段に亘ってプラズマ１５が発生する。複数段に亘ってプラズマ１５が発生した箇所からは、それぞれ衝撃波ＳＷが発生することとなる。そして本実施形態では、段状露出部Ｘの形状がプラズマが発生する位置が斜めに並ぶように配置しているので、この発生した衝撃波ＳＷが斜め方向につながることとなり、より強い衝撃波ＳＷを起こすことができるものとなっている。その結果、高圧、高流速の気体であっても確実に制御し得るものとなっている。
【００２４】
また加えて、電極１１に電圧が印加された状態で、電磁石としての電極１１は、印加された高圧のパルス電圧と同一周波数のパルス磁場を形成する。パルス磁場は、表極１１に垂直に発生し、発生したプラズマ１５を覆う。このように、パルス磁場がプラズマ１５に作用すると、プラズマ１５内のイオンは磁場の向きに対して反対方向にスピンしながら運動し、電子は磁場の向きに対して同方向にスピンしながら運動する。この結果、プラズマ１５内でイオンと電子、さらにはラジカルなどが衝突して、プラズマ１５の発生を促進し、かつプラズマ１５は、形成されたパルス磁場により、発生した位置から移動することを抑制されてその位置に抑留される。なお電極１１に対し、パルス電圧の代わりに交流電圧を印加する場合は、上述のパルス磁場ではなく、交番磁場を形成することとなる。
【００２５】
上述の電圧をプラズマアクチュエータ１に電圧を印加した状態で図３に示すような自動車Ｃを走行させると、自動車Ｃのボディ表面Ｂは前方から風圧を受けることとなる。この時、プラズマアクチュエータ１において複数段に亘って発生したプラズマ１５は、磁場により移動を抑制されながら上述の通り強い衝撃波ＳＷを起こすため、前方から流れてくる空気に効率よく作用する。その結果、プラズマアクチュエータ１が設置されているそれぞれの部位において、プラズマアクチュエータ１による誘導気流が生じ、誘導気流により空気の流れすなわち気流は図１における実線の矢印ＩＦのようになり、気流の剥離が抑制される。したがって、自動車Ｃのボディが受ける空気抵抗が有効に低減される。なおプラズマアクチュエータ１に電圧を印加せずに気流の剥離が生じた場合、空気の流れは、図３に点線の矢印で示すように、表面Ｂに沿って流れることなく流れて、剥離が生じることとなる。
【００２６】
以上のような構成とすることにより、本実施形態に係るプラズマアクチュエータ１は、パルス電圧の印加により複数段に亘ってプラズマ１５が発生するので、プラズマ１５の発生に伴って発生する衝撃波ＳＷも複数段に亘って発生する。そのため、発生した衝撃波ＳＷ同士がつながることにより、誘電体１０が単一に構成された従来のものに比べて同じ電圧を印加した場合でもより強い衝撃波ＳＷを発生させることができる。このため、従来よりも高圧下の高速流においても、気体の流れを制御することが可能になるので、自動車Ｃの走行時に加わる空気抵抗を有効に低減させることが可能である。その結果、自動車Ｃの燃費を向上させることができる。また併せて、自動車Ｃ走行時に起こる風切音を有効に低減させることも可能となる。
【００２７】
また換言すれば、本実施形態に係るプラズマアクチュエータ１は従来のものに比べて同じ電圧でもより強い衝撃波ＳＷを発生させることができるので、所要の強さの流れ改善効果を得るために必要な電力を有効に低減することも可能である。
【００２８】
そして、本実施形態に係るプラズマアクチュエータ１は、気体の流れの制御をより確実に行なうために、段状露出部Ｘを、誘電体１０の端部１０ａと電極１１の端部１１ａとを積層順に表面Ｂの法線方向に露出させたものとし、プラズマ１５が発生する箇所である誘電体１０の端部１０ａが露出する寸法αを、電極１１の端部１１ａが露出する寸法βよりも大きく設定したものとしている。
【００２９】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態について詳述する。なお、本実施形態並びに後述する各変形例において、上記第１実施形態に相当する構成要素については同じ符号を付すとともに、その詳細な説明を省略するものとする。
【００３０】
本実施形態に係るプラズマアクチュエータ１は、内燃機関である自動車用の多気筒のエンジン１００に適用したものである。このエンジン１００は、例えばガソリンを燃料とする火花点火式のものである。エンジン１００は、吸気マニホルドに続く吸気ポート２１を介して、吸入空気及び燃料をシリンダ２２内に導入する。図４には、その一気筒の要部の構成を拡大して示している。それぞれの吸気ポート２１は、吸気マニホルド側から燃焼室２３に向かって湾曲する形状である。それぞれの吸気ポート２１は、その内部の、内側に向かって凸状に湾曲する曲面２４の、曲率的に気体の剥離が発生しやすいと思われる位置に、プラズマアクチュエータ１が設けてある。なお、図５において、２６は吸気弁、２７は排気ポート、２８は排気弁、２９はピストンである。
【００３１】
なお、図６にあっては、構造を明確に把握できるように、誘電体１０、電極１１の厚みを誇張して図示している。実際には、プラズマアクチュエータ１全体の厚みは、吸入空気の気流を乱さない厚さである。
【００３２】
エンジン１００を運転すると、各気筒における吸気行程において、吸入空気が吸気ポート２１を介してシリンダ２２内に流入する。この時、プラズマアクチュエータ１において発生したプラズマ１５は、上記実施形態同様に、流入する吸入空気に効率よく作用する。その結果、プラズマアクチュエータ１が設置されている部位において、プラズマアクチュエータ１による誘導気流が生じ、誘導気流により吸入空気の気流は図６における実線の矢印ＩＦのようになり、気流の剥離が抑制される。したがって、吸入空気がシリンダ２２内に円滑に流れ込む。このため、吸入空気の充填効率が向上し、燃費を向上させることができる。なお、気流の剥離が生じた場合、吸入空気の気流は、図６に点線の矢印で示すように、曲面２４に沿って流れることなく流れて、曲面２４との間に剥離を生じるものである。
【００３３】
なお吸気ポート２１に設置するプラズマアクチュエータ１は、上述の実施形態のように一個に限られるものではなく、吸入空気の気流に、剥離が生じると推測される位置毎に設置するものであってよい。つまり、吸気ポート１の形状に応じて、吸入空気の気流の方向に、複数箇所に設置するものとしても良い。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、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。
【００３５】
＜変形例＞
例えば図７に示すように飛行機の翼Ｗに対して上記実施形態同様のプラズマアクチュエータ１を使用しても良い。その場合、図示のように、上記各実施形態同様、プラズマアクチュエータ１による誘導気流が生じ、誘導気流により吸入空気の気流は図７における実線の矢印ＩＦのようになり、気流の剥離が抑制される。
【００３６】
またさらに、図８に示すように、電極１１の下流側の端部１１ａを誘電体１０の下流側の端部１０ａとを平面視同じ位置に揃えて、物体の表面Ｂの法線方向からは、誘電体１０のみが露出するものとしてもよい。斯かる構成であっても、複数段に亘ってプラズマ１５が発生することによる、上記各実施形態並びに変形例同様の作用効果を奏するものとなる。
【００３７】
また上記の各変形例の他にも、例えば、上記実施形態では磁性体として電磁石を採用したが、永久磁石であってもよい。また誘電体や電極の材質や具体的な寸法といった具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。
【００３８】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本願のプラズマアクチュエータの活用例として、吸気ポートを備える火花点火式エンジンやディーゼルエンジンなどの各種の内燃機関や航空機の翼や自動車の外装など空力抵抗が発生するところにて使用するものが挙げられる。また、本願の内燃機関の活用例としては、自動車が挙げられる。
【符号の説明】
【００４０】
１…プラズマアクチュエータ
１０…誘電体
１１…電極
１５…プラズマ
Ｘ…段状露出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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