プラズマアクチュエータにおける超高電圧不要の高出力化技術
大学院工学研究院
先端機械システム部門

准教授

西田 浩之

流体制御デバイス
受動的流体制御デバイス• OnOffできない• 流れに対し能動的に働きかけられない

能動的流体制御デバイス• OnOffできる
WikipediaよりWikipediaより
スラット

Wikipediaより※能動的流体制御デバイスとは呼ばない

ボルテックスジェネレータ―※乱流への遷移を促す

フラップ

ディンプル

簡便（システムとして有利）
効果は限定的設置により，ネガティブな効果となる場合も• 流れに対し能動的に働き掛けられるマイクロジェットや振動フラップ
流れ場の変化に対応可能で効果大
機械的に複雑な構造で設置の自由度も限られる（システム負荷大）Tokyo University of Agriculture and Technology

2

プラズマアクチュエータ
放電（プラズマ）によって流体に作用を及ぼすデバイスの総称
機械的可動部を持たない制御入力に対し，高速な応答（制御則を用いた高度な能動流体制御）“従来型のデメリットを払拭，大きな可能性を持った流体制御デバイス”
流体に作用するメカニズムは“熱入力”もしくは“電気流体力（体積力）”“熱入力”による制御／遷音速・超音速流
流体に（圧力，温度，密度）擾乱を加える
レーザープラズマ，アーク放電，ナノパルスバリア放電“電気流体力”による制御／亜音速流“体積力”で直接流体の動きを制御．自由度の高い制御力の入力が可能
コロナ放電，誘電体バリア放電

Tokyo University of Agriculture and Technology

3

バリア放電プラズマアクチュエータ
電界プラズマ

AC電極

陽イオン
電子

AC電源
~kV
~kHz

Body force

誘電体

中性分子

接地電極

• 数kV・数kHz以上の交流電源で駆動• 絶縁体（誘電体）の種類は問わない• 典型的には，～５m/s程度の流速を生成可能
Tokyo University of Agriculture and Technology

4従来技術とその問題点典型的なプラズマアクチュエータの誘起流速は～5 m/s
程度
現状，十分な効果が得られるのは主流流速～30 m/sまで
制御対象のスケールが大きくなっても制御効果は減少する

多岐に渡る産業分野で実用化を加速する為に，アクチュエータの高出力化が課題
超高電圧駆動により高出力化は可能だが・・・
短絡によるアクチュエータと機器の破損リスク

超高電圧不要の高出力化技術が必要
Tokyo University of Agriculture and Technology

5プラズマアクチュエータの実験技術

交流高電圧電源（KIテック製）

直流高電圧電源（松定プレシジョン製）

交流高電圧電源（TREK製）

PIV計測システム（流速の空間分布計測）

推力計測

性能特性の計測（推力計測，消費電力計測，放電電流計測）
流れ場の計測（流速の空間分布計測）

Tokyo University of Agriculture and Technology

6プラズマアクチュエータの数値シミュレーション技術
Experiment

Experiment
Enloe, et al.
正電圧

Enloe, et al.
負電圧

電子密度

電子密度

ストリーマの分枝構造など，放電の特徴をシミュレーション可能
プラズマ分布，消費電力，体積力場など，詳細な解析が可能

Tokyo University of Agriculture and Technology

73電極型プラズマアクチュエータ
3電極構造化• プラズマ領域を垂直方向へ拡大
ジェット推力
約2.1倍

Nishida, et al., AIAA J., 52, 2015.
Nakano, et al., AIAA J., 55, 2017.

従来型

3電極型

(a) 放電発光写真(b) 推力特性(c) 推力電力比

Tokyo University of Agriculture and Technology

8貫通孔を電極に有したプラズマアクチュエータ
プラズマの増加
垂直方向に拡大

ジェット穴加工

露出電極端（上部電極端）近傍に貫通孔（mmオーダー）を設ける
貫通孔においても放電が発生
プラズマ生成量増加
貫通孔から垂直方向ジェットが生じることも期待プラズマを垂直方向に拡大

ジェット

露出電極

誘電体

Tokyo University of Agriculture and Technology

9コンセプト実証実験／実験条件
10 mm

PMMA
3 mm

3 mm

20 mm

Circular hole
直径：1.25～1.5 mm
ピッチ（中心間）：2 or 4 mm
中心～電極端：1.5 mm

Triangular hole
1辺：1.5 mm
ピッチ（中心間）：2 mm
中心～電極端：1.5 mm

Tokyo University of Agriculture and Technology

10コンセプト実証実験／放電発光

従来型のプラズマアクチュエータ貫通孔(Circle）を有した
プラズマアクチュエータ

貫通孔においても放電が発生することを確認
Tokyo University of Agriculture and Technology

11コンセプト実証実験／ジェット推力

Thrust [mN/m]

40.00
27.99

30.00

27.21

30.59

30.17

22.94

25.78

20.00
10.00
0.00
Straight

circle1.5mm

circle1.25 circle1.5mm
mm (sparse)

tri:up1.5mm

tri:down1.5mm

最大で，従来型（Straight）の約33%の推力増強を確認
Tokyo University of Agriculture and Technology

12新技術の特徴･従来技術との比較• 追加の電極や電源を必要とせず，デバイスとしての汎用性を失うことなく従来型を超える性能（ジェット推力）を実現• 本技術の適用により、プラズマアクチュエータの応用先を拡大できることが期待される（より高速流への適応）

Tokyo University of Agriculture and Technology

13

想定される用途• 流体機器全般に適用可能• 応用例：– 風力タービンのトルク性能改善– モビリティの空力抵抗低減– 熱交換器の性能改善– 燃料混合の促進– タービンチップからの漏れ流れ抑制など

Tokyo University of Agriculture and Technology

14実用化に向けた課題
現在，貫通孔を設けることでジェット推力を増強できることを確認。しかし，その増強はジェット推力で約33%どまり
エネルギー効率の観点からも議論が必要
今後，貫通孔のサイズ，形状，設置位置などを最適化する必要あり
耐久性，天候の影響，放電騒音，オゾン生成など，実用上における課題の解決

Tokyo University of Agriculture and Technology

15

企業への期待
新しい工学的応用先の開拓

主流流速がより遅く，流れスケールがより小さい流れ（低レイノルズ数流れ：～104）に適用
すると大きな制御効果
常時駆動ではなく，必要な時にのみ駆動する運用が理想的

Tokyo University of Agriculture and Technology16

本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：プラズマアクチュエータ：出願済み 未公開
：国立大学法人東京農工大学：西田浩之、中野朝Tokyo University of Agriculture and Technology

17お問い合わせ先

東京農工大学先端産学連携研究推進センター
ＴＥＬ
ＦＡＸ
e-mail042－388－7550
042－388－7553
suishin@ml.tuat.ac.jp

18