(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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、を具えるようにして、気流発生装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記絶縁層は、前記シリカ系無機ポリマーとして、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を８０質量％以上の割合で含むことを特徴とする、請求項１に記載の気流発生装置。
【請求項３】
前記第１の電極の、前記絶縁層が積層される主面の表面粗さＲmaxが０．５μｍ〜５０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の気流発生装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、５％〜３０％の気孔率を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の気流発生装置。
【請求項５】
前記第１の電極と前記絶縁層との間に、絶縁性を呈する多孔質の下地層を具えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の気流発生装置。
【請求項６】
前記下地層の気孔率が、５％〜３０％であることを特徴とする、請求項５に記載の気流発生装置。
【請求項７】
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ことを特徴とする、気流発生装置用絶縁膜。
【請求項８】
前記シリカ系無機ポリマーとして、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を８０質量％以上の割合で含むことを特徴とする、請求項７に記載の気流発生用絶縁膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２５４３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態における気流発生装置の概略構成を示す図である。
【図２】第２の実施形態における気流発生装置の概略構成を示す図である。
【図３】実施例における気流発生装置の寿命を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
（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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【実施例】
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【図１】
2012193678.tif 000003
【図２】
2012193678.tif 000004
【図３】
2012193678.tif 000005