J. Plasma Fusion Res. Vol.95, No.1 (2019)１
１‐１２

小特集

マテリアル工学およびエネルギー・環境工学を進展させる熱プラズマの生成と計測
Generation and Diagnostics of Thermal Plasmas for Material Engineeringand Energy and Environmental Engineering

１．はじめに
1. Introduction
村上朝之
MURAKAMI Tomoyuki
成蹊大学理工学部（原稿受付：２
０
１
８年１
０月１
２日）

熱プラズマは，通常１/１
０気圧程度以上から大気圧程度ている．後者においては，熱プラズマを含む大きな枠組みの圧力範囲で形成される．ここでは，試料ガスの原子・分の中で熱流・反応性をキーワードとしつつ，プラズマの非子・イオン等の重粒子の温度と電子の温度がともに１万 K平衡に注目した解説を行っている．優れた文献
［２，
３］の内

程度あるいはそれ以上に達する場合がある．そのためHigh

容を踏まえつつも，これらの出版から１０年程度以上を経た-pressure thermal plasma（高圧力下での熱的（熱平衡の意

現在，本小特集においては，熱プラズマのマテリアル工学

味を含む）プラズマ）とも表現され学術研究・工学応用が（特に材料プロセッシング分野）およびエネルギー・環境

盛んに行われている［１］．熱プラズマは，その高重粒子温工学分野における新規性のみならず重要性も高い「新しい度・高エネルギー密度・高輻射強度といった高温熱源とし熱プラズマ生成方式」「熱プラズマダイナミクスの可視化ての特長，すなわち物質の加熱効率が高い，高融点物質のおよび計測手法」「熱プラズマを利用した廃棄物処理なら融解・精製が可能である等の利点が材料合成過程に重要なびに水素製造へ至るスキーム」の実験的側面に焦点を絞役割を果たすため，マテリアル工学分野における必要不可

る．

欠な要素技術となっている．特に，材料プロセッシングに第２および３章においては，従来の直流放電方式あるいおいては，巨視的に（空間的にはバルク領域を含み，時間は比較的シンプルな高周波放電方式の枠を超えた新しい熱

的にはほぼ定常的に）熱平衡状態を維持しつつも，局所的プラズマ源の開発およびその計測について述べる．第２章には重粒子温度が著しく低下するような非平衡状態を内包「先端誘導結合熱プラズマの生成と計測」では，特に，従来できる特徴が利用される．すなわち，被加工物質とプラズ

広く用いられてきたプロセス用誘導結合型熱プラズマに対マとの境界領域における化学反応の非平衡性（大きな温度

し時間的な変動・空間的な変動の概念を導入した新方式や勾配や粒子密度勾配に起因する）を活用することができ放電管の幾何的形状を変化させた新方式について述べる．

る．また，試料ガスを適切に選ぶことにより，ラジカル種

これら新しい熱プラズマ源では温度場・反応場の詳細な制を含む豊富な化学的活性種を生成し，目的とした処理に相御が可能となるため，ナノ粒子の大量生成ならびに大面積

応しい化学反応を選択できる．

基板に対する均一かつ高速な処理が可能となる．また，多熱プラズマのマテリアル工学における重要性は大きく，

次元分光計測等により，試料ガス成分からの放射強度分布

本学会誌においても小特集［２］，講座［３］等が掲載されてきならびに窒素分子イオンの回転温度分布等を得ることで熱た．前者においては，熱プラズマの熱力学・輸送・放射特プラズマの挙動を把握している．つづく第３章「多相交流性に関する解説から非平衡性の検討に至る理論的側面，ナ

アークの生成と計測」では，複数の電極を設置し各電極にノ粒子合成や表面処理等の幅広い応用例について述べられ印加する交流電力位相を調節することでプラズマを回転さ

Faculty of Science and Technology, Seikei University, Musashino, TOKYO 180-8633, Japanauthor’s e-mail: tomo-murakami@st.seikei.ac.jp

１１!2019 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

せる多相交流アーク方式について述べる．動作特性・電極

ス，これと同時に水素を取り出すプロセスについて解説す現象等を明らかにしつつ，高速度カメラおよび光学計測系

る．また，水プラズマの物理現象を把握するためのアークを用いたプラズマ構造・電極近傍の物理現象の可視化，

変動解析・温度計測について述べる．さらに大型の車載型

アークの温度計測手法について述べる．またガラス溶融に

水プラズマの応用展開について紹介する．

関する応用事例についても紹介する．

以上のように，本小特集においては，次世代を見据えた一方，熱プラズマの試料ガス雰囲気を工夫したエネル

熱プラズマ技術が，伝統的なマテリアル工学分野および近ギー・環境分野への応用に適する新規の熱プラズマ源も開年開拓されてきたエネルギー・環境工学分野を如何に進展発されている．例えば，試料ガスとして水蒸気を用いたプさせているかについて述べる．

ラズマによりフロン等を分解することができる．廃棄物処
理自体は従来から行われているが，近年，廃棄物から有価

参考文献

なものを生み出すリサイクルプロセスが開発されている．

［１］A.B. Murphy and D. Uhrlandt, Plasma Source Sci. Technol. 27, 063001 (2018).
［２］稲葉次紀 他：プラズマ・核融合学会誌 82, 470 (2006).
［３］野崎智洋 他：プラズマ・核融合学会誌 85, 44 (2009).

中でも特に注目を集めている「水プラズマによる廃棄物からの水素製造」について第４章で述べる．ここでは水プラ
ズマの特徴・発生原理・装置概要を紹介する．特に，水プラズマに含まれるラジカルを利用する廃棄物処理プロセ

１２

J. Plasma Fusion Res. Vol.95, No.1 (2019)１
３‐１９

小特集 マテリアル工学およびエネルギー・環境工学を進展させる熱プラズマの生成と計測

２．先端誘導結合型熱プラズマの生成と計測
2. Generation and Diagnostics of Advanced Inductively
Coupled Thermal Plasmas
田中康規
TANAKA Yasunori
金沢大学理工研究域電子情報通信学系（原稿受付：２
０
１
８年９月１
６日）

これまでプロセス用誘導結合型熱プラズマは，長きに渡り，１９６１年に T.Reed らが開発した方式，すなわち円筒石英管にコイルを巻き，それに振幅一定の RF コイル電流を流す手法により発生されてきた．その後，様々に発展し，電源としてパワー半導体が使用されるにつれ，多様な制御が可能となってきている．著者らは時間変動の概念を誘導熱プラズマ（変調型熱プラズマ）に与え，かつ原料供給をも時間変動させる方式も生み出してきた．近年さらにコイルを複数用い「時空間」変動の概念を有するタンデム変調誘導熱プラズマも開発している．著者らは円筒型石英管でなくループ型管を用いてループ状に熱プラズマを維持しつつ，その熱プラズマの一部を基板に線状に直接生成させる方法を開発している．また，この線状の熱プラズマに対して基板を掃引することで，大面積の表面改質ができることを提案している．本章では，これらの最近の誘導結合熱プラズマについて解説・紹介
する．
Keywords:
thermal plasmas, modulation, power semiconductor, radio frequency, loop, tandem

２．
１ まえがき

料混入などの不純物問題から完全解放される．そのため，

熱プラズマの発生維持法にはおもに二つの方法がある．

材料プロセス用熱プラズマ源として非常に有利であり，広一つが電極を用いたアーク放電法であり，もう一つは高周く利用される．また，熱プラズマが直接接触する箇所がな

波電磁的結合により熱プラズマを維持する誘導結合型熱プいため，長時間運転が可能であるのも特徴の一つである．

ラズマ法（Inductively Coupled Thermal Plasmas; ICTP）でその応用としては例えば熱プラズマ溶射［２］，微粒子球状ある．

化［３］，ナノ粒子生成［４，５］，廃棄物処理［６］などがある．

誘導熱プラズマ（Induction Thermal Plasma; ITP）とも

最近，誘導熱プラズマの発生方法，制御方法に改良が加呼ばれる．その歴史は古く，１９４１年には T.Reed らによりすえられ，ナノ粒子の大量生成・粒子径制御や，大面積表面

でにその原理は開発されている［１］．その維持手法は，様々処理などへの応用研究が行われてきている．本章では，誘な改良がなされてきているが，基本的原理は同じである．
図１に，その原理を示す．一般に，絶縁円筒管にコイルを巻いた構造となっている．コイルに高周波電流を流すこと
により，円筒管内空間に，円筒管の軸方向の交番磁界を発生させる．ファラデー・レンツの法則により，これを打ち消すように管内空間に周回方向の誘導電界が発生する．この誘導電界により管内空間に電子があれば加速される．加速された電子が気体分子に衝突する．このとき，衝突エネ
ルギーが気体分子の電離エネルギーより高ければ，気体分子は電離する．このようにしてドーナツ円筒状のプラズマが発生する．気体の圧力が高く，投入電力密度が高ければ，電子からガス粒子に十分エネルギー交換がなされ，熱プラズマが生成される．このように無電極で熱プラズマ空間を形成できるのが，誘導熱プラズマの特長である．
図１

誘導熱プラズマは無電極放電であるため，電極からの材

誘導結合型熱プラズマの原理．

School of Electrical and Computer Engineering, College of Science and Engineering, Kanazawa University, KANAZAWA 920-1192, Japanauthor’s e-mail: tanaka@ec.t.kanazawa-u.ac.jp

１３!2019 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

導熱プラズマの新しい制御方法・発生方法について紹介す部の IGBT を制御することでインバータ出力電流値を変えるとともに，生成した熱プラズマの診断結果についても簡るタイプや，MOSFET の点弧位相角を変化させることで単に記述する．

インバータ出力電流値を変えるタイプがあり，これらによ２．
２ 変調型誘導熱プラズマ（MITP）

２．
２．
２ PMITP を用いたナノ粒子の大量生成法（PMITP+

り PMITP を制御運転する．
２．
２．
１ 変調型誘導熱プラズマの原理

TCFF 法）の概要

現在，誘導熱プラズマの制御方法あるいはユニークな熱

PMITP によれば，時間的に変動する制御温度場の生成

プラズマ源として，変調型誘導熱プラズマ（Modulated In-と，そこで時間変動する高密度ラジカルの生成が可能とな

duction Thermal Plasma; MITP）がある［７］．これは，熱プるため，様々な分野への応用が期待されている．その応用

ラズマを維持するコイル電流に振幅変調を加え，時間的に例の一つが，ナノ粒子の大量生成である．ここではその一変動・擾乱を熱プラズマに意図的に生じさせ，それにより例を紹介する．

熱プラズマの熱流束と化学反応場を変動させる．この変動

PMITP を用いたナノ粒子大量生成法として，筆者らは高温・化学反応場を制御することで，様々なプロセシング

これまでにPMITP+TCFF法と呼んでいる独自手法を開発に応用するものである．その一つがパルス変調誘導熱プラした［８‐１０］．PMITP はパルス変調誘導熱プラズマであズマ（Pulse-MITP; PMITP）である．図２は，PMITP を維り，TCFF は Time-Controlled Feeding of Feedstock 時間制

持するコイル電流の概略図である．変調しない誘導熱プラ

御型原料供給のことである．図３に PMITP+TCFF 法の概ズマの場合には振幅一定の高周波電流をコイルに流す．そ要図を示す．ここでは TiO2 生成の例として，Ar-O2 PMITP

れに対して PMITP を維持する場合には，同図に示すように Ti 粉体原料を投入する場合を考える．本装置では，応答に，コイル電流振幅を「矩形波」変調することにより，熱速度が約 2 msの電磁バルブが，原料粉体供給器とトーチのプラズマへの入力電力を周期的に高低させる．このとき電間に取り付けてある．コイル電流の変調に同期して電磁バ

流振幅の高値を HCL（Higher Current Level），低値を LCL

ルブを開閉することで，変調に同期して間歇的にトーチ内（Lower Current Level）と定義している．変調一周期の中に原料粉体を供給できる．本手法では，変調 On-time 時に，

で HCL をとる時間を On-time，LCL をとる時間を Off-time

トーチ内に高温熱プラズマを生成する．この On-time 間にとしており，On-time 間にトーチ内に高温・高密度の熱プ

のみ電磁バルブを開くことで，原料粉体を高温熱プラズマ

ラズマを，Off-time 間に比較的低温のプラズマを生成する中に投入する．On-time 間のみ投入された原料粉体は，高ことが可能である．変調一周期における On-time の割合を

温・高密度の熱プラズマにより急速かつ完全に蒸発し，Ti

DF（Duty Factor），電流振幅の比 LCL/HCL×１００％を電原子が生成される．生成された Ti 原子は，熱プラズマ中の流 変 調 率 SCL（Shimmer Current Level）と 定 義 す る．

Ar 原子や O 原子と混合する．次の Off-time 間では電磁バル

１００％SCL が無変調状態に相当し，小さな SCL 値ほどプラブを閉じ原料の供給を停止する．Off-time 時は，熱プラズ

ズマを大きく変調することに相当する．これらを制御する

マへの入力電力を低下させており，熱プラズマ温度が一気ことにより，様々な周期過渡変動する熱プラズマ空間を形に低下する．この急冷により，Ti 原子・O 原子の混合気体

成することができる．PMITP により，時間的に変動する温から TiO が生成する．TiO は TiO2 の前駆体分子の一つであ

度場と，そこで発生するラジカルの時間制御が可能となりる．さらなる急冷により過飽和状態となり，均一核生成が様々な分野への応用が期待されている．

生じる．さらにこの核に不均一凝縮し成長をすることで，このような PMITP が開発できた背景には，パワー MOS-

TiO2 ナノ粒子が生成する．一方，トーチ下流では冷却用ク

FET や IGBT などの大電 力 の パ ワ ー 半 導 体 の 発 展 があ

エンチングガス（QG）をラジアル方向に供給する．このる．PMITP を維持するためには，電源としてこれらのパ

QG ガス導入によりナノ粒子の成長が抑制され，より粒径

ワー半導体を用いた大電力高周波インバータ回路を用いる．このインバータ電源回路において，DC-DC コンバータ

図３
図２

変調誘導熱プラズマのコイル電流波形の概略図．

１４

原料粉体の同期間歇供給を伴うパルス変調型誘導熱プラズ
マ（PMITP+TCFF 法）を用いたナノ粒子大量生成法の概要
図［１
２］
．

Special Topic Article

2. Generation and Diagnostics of Advanced Inductively Coupled Thermal Plasmas

Y. Tanakaの小さなナノ粒子を得ることが可能である．この様にし過程（Ti + O 原子の反応過程）を推定できる．

て，PMITP+TCFF 法は，ナノ粒子の高効率大量生成を可

２．
２．
３．
２ 二次元分光による蒸発原子・ナノ粒子前駆体分布の推定能としている．
２．
２．
３ PMITPを用いたナノ粒子生成時のプラズマ分光観測

図５・６に熱プラズマトーチ・コイル終端下におけるTiO2 ナノ粒子生成時における熱プラズマトーチ部に対Ar I，O I，Ti I および TiO 放射強度の二次元分布を示す

して二次元分光観測を行うことで，PMITP+TCFF 法を用［１２，１３］．!＝0 ms がコイル電流の変調信号の立ち上がり開いたナノ粒子生成時における原料粉体の蒸発過程や TiO

始であり，!=12 ms が立下り開始である．

分子の形成過程を検討できる［１１‐１５］．二次元分光観測と図５から，無変調・原料連続供給時において Ar I およびは，特定の波長の分光の画像を取得する手法である．本節

O I 放射強度が時間的にほぼ変化していない．さらに，トーではその手法・結果の一部を紹介し，PMITP+TCFF 法に

チ下流域付近における Ar I および O I の放射強度が急峻により，効率的な原料蒸発と前駆体生成がなされていること低下している．これは誘導熱プラズマ尾炎部周辺でプラズを紹介する．

マが急冷されるという誘導熱プラズマの特徴を表してい

２．
２．
３．
１ 分光観測条件

る．一方で，図５（c）
においてトーチ軸周辺部で Ti I 放射強下記のような実験条件で，原料導入時の誘導熱プラズマ度が特に強く検出されている．これは熱プラズマトーチにの二次元分光観測を行った［１２，１４］．

投入された Ti 原料粉体が熱プラズマの高温により蒸発さ熱プラズマへの 時 間 平 均 投 入 電 力 を 20 kW 一 定としれることにより Ti 原子密度が上昇し，生成された Ti 原子

た．シ ー ス ガ ス は Ar+O2 混 合 ガ ス で あ り，総 流 量がトーチ下流に輸送されることを表している．トーチ軸周

100 L/min，流量組成 90 mol%Ar+10 mol O2 とした．チャン

辺部の Ti I 放射強度と比較してトーチ軸上の Ti I 放射強度

バー内の圧力を 300 Torr 一定とした．PMITP 変調周期をが低くなっている．これは Ar キャリアガスの導入や Ti

15 ms 一定とし，変調時の DF を８０％一定とした．変調度

原料粉体の蒸発によりトーチ軸上（原料供給口直下）のプ

SCL を１００％（無変調条件），６０％の２条件とした．原料はラズマが冷却され，温度が低下するためと考えられる．

平均粒径が 27 μm の Ti 粉末であり，流量 4 L/min の Ar

図５（d）に TiO 分子スペクトル放射強度分布を示す．同図

キャリアガスで供給した．この場合，原料粉体の供給量はから，トーチ軸上の比較的上流域からガス相の TiO が生成

4−7 g/min となる．原料粉体を１００％SCL に対しては連続されており，生成された TiO がトーチ内のガス流により下的に，６０％SCL に対しては間歇的に投入している．原料間流域に輸送されていることがわかる．

歇投入時に，電磁バルブに与える開閉信号のディレイタイ

図６に，変調・原料間歇供給時（PMITP; TCFF 法）におムを 6 ms 一定とした．間歇供給時の電磁バルブの Open-

ける放射強度の二次元分布を示す．
６０％SCL において Ar I

time および Close-time をそれぞれ 12 ms および 3 ms とし

および O I 放射強度がコイル電流の変調に伴い時間的に変た．以上のナノ粒子生成時におけるコイル終端下における化している．無変調・原料連続供給時と比較して最も大き二次元分光観測を行った．

な違いは Ti I および TiO 放射強度変化にある．変調・原料

図４が二次元分光系の概要図である．二次元分光観測領

間歇投入の On-time 間において Ti Iの放射強度が特に強い．

域を，コイル終端下78×58 mm2 の領域とした．本領域におこのことは，On-time 間に多量 の Ti 原 料 粉 体 が 供 給 さける Ar I（811.53 nm），O I（777.54 nm），Ti I（453.32 nm）

れ，投入された原料粉体が On-time 間の高温・高密度の熱および TiO（615.91 nm）スペクトルの観測を行った．分光

プラズマにより効率的に蒸発されることを示している．さ観測に使用した回折格子は 1200 grooves/mm であり，波長らに，トーチ中心軸上およびコイル終端下において TiO

分解能は 0.2 nm である．以上の条件におけるモノクロメー

放射強度が非常に強く検出されている．このことから，

タからの出力光を高速度ビデオカメラで撮影することによTiO 分子の生成がトーチ上流域で開始され，生成されたり各スペクトルの二次元放射強度分布を観測できる．Ti I

TiO 分子が PMITP トーチ下流域に輸送されることがわか

放射強度変化から，Ti 原料粉体の蒸発過程を，TiO 放射強度変化から，TiO2 ナノ粒子の前駆体である TiO 分子の生成

図４

熱プラズマトーチ下部における二次元分光観測：二次元分光系および観測領域［１
２］
．

図５

１５

無変調（１
０
０％SCL）
・原料連続供給時に対する Ar I，O I，Ti I
および TiO の二次元放射強度分布［１２］．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

図６ ６
０％SCL・原料間歇供給時に対するAr I，O I，Ti IおよびTiOの二次元放射強度分布［１２］．

る．すなわち，PMITP+TCFF 法の場合，効率的な原料蒸
図７

発と前駆体生成がなされており，ナノ粒子が大量生成でき

タンデム型誘導熱プラズマ．

ている一因であると考えられる．
で，原料の大量投入時にプラズマ全体の温度が低下するこ

２．
３ 任 意 波 形 変 調 誘 導 熱 プラズマ
（AMITP），
フィードバック型変調誘導熱プラズマ（FBCMITP）
およびタンデム型変調誘導熱プラズマ（Tandem-MITP）とを抑制できる．これにより，ナノ粒子生成プロセスにお変調誘導熱プラズマには，コイル電流の振幅を矩形波的とで，トーチ内の温度場を時間的・空間的に制御することに変調するだけでなく，三角波，鋸波など外部印加波形にが可能である．そのため，原料粉体の投入輸送にあわせて追随させて振幅変調する手法も考えられる．これにより熱温度場を変化させることができ，ナノ粒子生成プロセスのプラズマ温度場・反応場のさらに詳細な制御が可能とな効率をさらに向上できると考えられる．

いて原料投入による擾乱に対するロバスト性が高くなると考えられる．これらに加えて，タンデム型誘導熱プラズマのそれぞれのコイル電流を独立に「振幅変調制御」するこる．この場合，外部印加した任意波形に変調する熱プラズ

２．
４ ループ型誘導熱プラズマ

マとして，任意波形変調誘導熱プラズマ（Arbitrary waveform MITP; AMITP）と呼んでいる［１６］．様々な外部印加

誘導熱プラズマは，不純物混入がなく，ラジカル密度が変調波形に伴い，熱プラズマ温度を詳細に変化させる．さ極めて高い．そのためこの誘導熱プラズマを大面積化できらに AMITP とリアルタイム測定とを組み合わせると，次れば，材料プロセスにおいて生産性の大幅な向上が期待でのようなことも可能である．例えば，熱プラズマの温度をきる．しかし，円柱形状のトーチでは，材料プロセスの大リアルタイムで測定する場合，この熱プラズマの温度自身

面積化に応用する場合に次のような限界がある．この形状を，矩形波や鋸波など外部から与えた波形に追随するようのトーチのプラズマ照射面を大面積化しようとすると，円に，コイル電流を制御することができる．リアルタイム測柱型トーチの直径を大きくする必要がある．この場合，大定した温度波形をフィードバックし，コイル電流を制御す

きな容積をもった誘導熱プラズマを維持することになり大る こ と か ら，フ ィ ー ド バ ッ ク 型 変 調 誘 導 熱 プ ラ ズ マ

電力が必要となる．さらに誘導熱プラズマはローレンツ力（Feedback Control type of MITP; FBC-MITP）と呼んでいにより径方向に収縮してしまい大面積化が難しくなる．

る［１７］．これにより，熱プラズマで最も重要となる温度自本章では，これまでに，熱プラズマによる大面積処理を

身を波形制御できることになり，材料プロセスへの応用が目的として，開発しているループ型誘導熱プラズマ装置を期待できる．この手法を用いれば，熱プラズマの Ar 励起温

紹介する．

度自体を，外部印加波形に追随制御できる．

２．
４．
１ 従来の円筒形誘導熱プラズマおよびループ型誘導熱プラズマ

さ ら に 近 年，「タ ン デ ム 型 変 調 誘 導 熱 プ ラ ズ マ（Tandem-MITP）」も 開 発 し て い る［１８］．タ ン デ ム 型

図８（a）に，従来の円筒型誘導熱プラズマの概要を示す．

MITP では，１つのプラズマトーチに対し，２つのコイル

同図（a）では，円筒型石英管の周りにコイルを設置し，これと２つの独立した RF 電源を用いることで誘導熱プラズマに高周波電流を流すことにより，管の軸方向に交番磁界がの直列構造を構築する．このようにすることで，軸方向に印加される．この交番磁界により，管内部に周回方向の電長い高温場がトーチ内に生成される．図７は，タンデム型

界を生成する．この電界により電子を加速し，ガス粒子を

誘導熱プラズマの画像である．この長い高温場を利用する

衝突電離させることで誘導熱プラズマを維持している．こことで，蒸発しにくい高融点材料を完全蒸発させることがの円筒型誘導熱プラズマを大面積化するには，石英管の直期待できる．さらに，上段コイル熱プラズマを，原料蒸発径を大きくする必要がある．直径の大きい誘導熱プラズマに用いる下段コイル熱プラズマの種火として用いることを維持するには大電力の投入が必須である．また表皮効果
１６

Special Topic Article

2. Generation and Diagnostics of Advanced Inductively Coupled Thermal Plasmas

（a）

（b）

Y. Tanaka

図８ （a）
円筒型誘導熱プラズマおよび（b）
ループ型誘導熱プラズ
マ［２
３］
．

により管軸付近ではプラズマへの入力電力が小さい．以上
から，円筒型石英管での大面積化は容易ではない．

図９

これに対して，筆者らは誘導プラズマとして石英容器をループ型誘導熱プラズマトーチ［２３］．

平面矩形状とした平板型誘導熱プラズマも開発した［１９‐２１］．二つのコイルで平面矩形石英容器を挟み込むように耐えられると考えたためである．

配置し，石英容器内に平面型の熱プラズマを形成する．さ２．
４．
３ ループ型 Ar/N2 誘導熱プラズマの発光分光診断

らに上部からガスを導入することで，石英容器排出口から

２．
４．
３．
１ ループ型 Ar/N2 誘導熱プラズマの発光様相および分光観測結果

一次元状の熱プラズマジェットを吹き出す．この形状をさらに発展させたのが，「ループ型誘導熱プラズマ」である

図１０に，カメラ撮影したループ型 Ar/N2 誘導熱プラズマ［２２‐２４］．同図（b）にループ型石英容器を用いたループ型誘の発光様相を示す．上流部の発光強度は下流部よりも高く

導熱プラズマの概要を示す．ループ型石英容器を円型コイなっていることが確認できる．同図から，10および20 Torr

ルで挟み込むように設置する．このコイルに高周波電流をの圧力でも Si3N4 基板上で,基板に沿うように横方向にほぼ流すことで，ループ型石英容器に垂直に交番磁界を印加

一様なプラズマが形成されていることが確認できる．同図

し，石英管内部に円周状の電界を生成する．これにより（a）の圧力 10 Torr の場合は Si3N4 基板下部まで発光が確認

ループ型石英容器内に熱プラズマが生成する．このとき，できるが，圧力 20 Torr では確認できない．すなわち圧力

上流から下流方向にかけてガス流を導入すると，石英容器

20 Torr の場合は 10 Torr と比較して，基板上にプラズマがから下流にプラズマジェットが生成される．ここではこの広がり一様性が増したと考えられる．

方式をループ型誘導熱プラズマと呼ぶ．さらに，ループ型

Si3N4 基板上に生成されたAr/N2 プラズマの，一様性をよ

誘導熱プラズマからのプラズマジェット下流に基板を設置

り詳細に検討するために，基板上のプラズマに対して発光

すれば，基板上に一様なプラズマが生成できることが予想

分光（OES）を行った．観測する位置は，Si3N4 基板上 3 mm

される．この横方向に長い，一様なプラズマは，材料の大における !!−55 mm から＋55 mm の２８点である．圧力

面積処理に使用できると考えられる．

20 Torr の条件における分光観測結果を図１１に示す．波長２．
４．
２ ループ型誘導熱プラズマトーチ

700−850 nm 付近では，Ar 原子スペクトルが多数確認で

図９に，実験に使用したループ型誘導熱プラズマトーチ

き，N 原子スペクトル（746.8 および 821.1 nm）も確認できの概念図を示す［２２‐２４］．ループ部は内寸 8 mm!の石英

る．波長 325−425 nm 付近では，N+2 分子イオン 1st-negative管であり，ループの直径は 100 mm!である．このトーチのband system の発光スペクトルが確認できる．N+2 分子イオ

上部からプラズマ生成用のガスを導入できるようにしていン 1st-negative band system の 発 光 ス ペ ク ト ル 強 度 はる．ループ下部は，高さ 52.5 mm，横長さ 110 mm，奥行き!!!と 32 mm でほぼ同様である．
図１２に Ar 原子スペクトル 810.3 nm および N+2 分子イオン

20 mm の石英容器に接続されている．このトーチを円形コ
イルにより挟み込んでいる．円形コイルは，その直径がループ型石英管部と同じ 100 mm!である．このコイルにRF 電流を流すことでループ型プラズマを発生させる．実験においては，下流石英容器内に，基板として厚さ 2 mmの窒化ケイ素（Si3N4）板を設置し，誘導熱プラズマを照射した．照射距離は，ループ出口から 6.5 mm の位置である．
これらの板を設置することで，板がない場合と比較してガス流分布の様相が変化すると予想される．これより，基板を設置したときの誘導熱プラズマの分布を検討することが実験の目的である．Si3N4 の基板を採用した理由は,Si3N4

図１
０ ループ型 Ar/N2 誘導熱プラズマの発光様相［２３］．

は融点が 2173 K と高く，短時間の誘導熱プラズマの照射に
１７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

1st-negative band system 391.4 nm の 発 光 強 度 分 布 を 示ことで，一様な熱プラズマが得られていると考えられる．

す．波長 810.3 nm の Ar 原子スペクトル発光強度において

２．
５ まとめ

は，圧力 10 Torr の条件では，!=−24 mm から＋20 mmにおいて，発光強度は±8.3％の誤差範囲でおおよそ一様で本章では，最近の誘導結合型熱プラズマの生成方法・制ある．一方，圧力 20 Torr の条件では，!=−28 mm から

御方法について記述するとともに，それらの計測結果の例＋28 mm において±10.5％ 程度の相対誤差範囲で一様との一部を紹介した．高周波誘導熱プラズマは無電極放電のなっており，圧力が 10 Torr の場合と比較して発光強度が一種であり，電極物質からの不純物混入がなく，クリーン一様な範囲が広がっている．N+2 分子 イ オ ン 1st-negativeな熱プラズマ空間を形成できることが大きな利点である．

band systemの発光強度においては，圧力10および20 Torr

しかし，これまでその応用は限られてきた．その大きな理の 条 件 で は 大 き な 差 は 見 ら れ て い な い．両 圧 力 と も由は，これまでその制御が比較的難しかったためである．

!!−32 mm から＋32 mm において±8.8％ の相対誤差範

しかし近年，大電力高周波インバータ電源の開発によりそ

囲でおおよそ一様となっている．

の制御性は一気に向上し，現在も進化している．さらに新

２．
４．
３．
２ ループ型誘導熱プラズマの N+2 回転温度分布

しい構成・配置・生成法・制御方法・それらの組み合わせ

N2 添加のループ型 Ar 誘導熱プラズマのガス粒子が高いが開発されてきている．これらにより新しい誘導熱プラズ

温度状態にあると，ガス粒子同士の衝突でN2 分子の解離がマが，マテリアルおよびエネルギー環境工学にて期待され生じると考えられる．窒素分子の熱解離により N 原子が生ている．

成し，N 原子スペクトル（746.8 および 821.1 nm）が明瞭に観測できたと推察される．熱プラズマにおいてはガス温度

参考文献

が極めて重要な物理量の一つである．分子の回転温度は励［１］T.B. Reed, J. Appl. Phys. 32, 821 (1961).
［２］E. Darthout, J. Thermal Spray Technol. 25, 1264 (2016).
［３］S. Sun et al., J. European Ceramic Soc. 38, 3073 (2018).
［４］X. Zhao et al., Materials Science Forum 898, 1597 (2017).
［５］M. Tanaka et al., Nanomaterials 6, 60 (2016).
［６］J.V.R. Heberlein, A. B. Murphy, J. Phys. D: Appl. Phys. 41,053001 (2008).
［７］T. Ishigaki et al., Appl. Phys. Lett. 71, 3787 (1998).
［８］Y. Tanaka et al., J. Phys. Conf. Ser. 406, 012001 (2012).
［９］N. Kodama et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 195304 (2014).
［１０］Y. Ishisaka et al., Appl. Phys. Express 10, 096201 (2017).
［１１］N. Kodama et al., J. Phys.: Conf. Ser. 550, 012026 (2014).
［１２］兒玉直人 他：電学研資 PST-14-035 (2014).
［１３］N. Kodama et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 305501 (2016).
［１５］N. Kodama et al., Plasma Sources Sci. Technol. 26, 075008(2017).
［１６］N. Kodama et al., Jpn. J. Appl. Phys. 57, 036101 (2018).
［１７］Y. Tanaka et al., Appl. Phys. Lett. 90, 071502 (2007).
［１８］Y. Tanaka et al., Plasma Sources Sci. Technol. 22, 065016

起準位間が小さく，ガス粒子の衝突によっても回転励起が生じるため，ガス温度に近くなる．そのためここでは回転温度に注目した．図１３に，求めた N+2 分子イオン回転温度分
布 を !!−55 mm か ら＋55 mm の 範 囲 で 示 す．圧 力
10 Torr で は !!−28 mm か ら＋28 mm に お い て 3060−
3200 K であり，圧力 20 Torr では 3640−3720 K と推定できた．この範囲では温度の最高値と最低値差は圧力 10 Torrにおいては 140 K，圧力 20 Torr においては 80 K であり，この範囲では一様な温度分布となっている．以上から，特に20 Torr にてループ型誘導熱プラズマを基板上に生成する

図１
１ Ar/N2 誘導熱プラズマからの分光観測結果（20 Torr）
［２
３］
．

＋

図１
３ ループ型Ar-N2 誘導熱プラズマの基板上でのN2 回転温度分
布［２
３］
．

図１
２ Ar/N2 ループ型誘導熱プラズマからのスペクトル発光強度分布（10, 20 Torr）
［２
３］
．

１８

Special Topic Article

2. Generation and Diagnostics of Advanced Inductively Coupled Thermal Plasmas(2013).
［１９］K. Kuraishi et al., J. Phys. Conf. Ser. 441, 012016 (2013).
［２０］M.K. Suan Tial et al., Jpn. J. Appl. Phys. 55, 07LB03 (2016).
［２１］M.K. Suan Tial et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 385204(2016).
［２２］M.K. Suan Tial et al., Plasma Chem. Plasma Process. 37,
857 (2017).

Y. Tanaka［２３］Y. Maruyama et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 44, 3164
(2016).
［２４］入江寛光 他：電学研資 PST-14-096, PPT-14-080, ED-14166 (2014).
［２５］T. Tsuchiya et al., Plasma Chem. Plasma Process. 38, 599(2018).

１９

J. Plasma Fusion Res. Vol.95, No.1 (2019)２
０‐２６

小特集 マテリアル工学およびエネルギー・環境工学を進展させる熱プラズマの生成と計測

３．多相交流アークの生成と計測
3. Generation and Diagnostics of Multiphase AC Arc
田中学，渡 辺 隆 行

TANAKA Manabu and WATANABE Takayuki
九州大学大学院工学研究院（原稿受付：２
０
１
８年９月２
５日）

多相交流アークは，複数の電極に位相の異なる交流電圧を印加することで発生・維持する熱プラズマ発生手法の一つである．従来の熱プラズマと比較して高いエネルギー効率，広いプラズマ面積などの特長を有するため，
材料プロセッシングにおいて大きな期待が寄せられている．しかし，複雑な空間分布を有する熱プラズマがミリ
秒オーダーで変動するため，プラズマ温度変動や電極における物理現象など，基礎現象の理解が充分でない点が問題であった．本章では，近年の計測技術の進歩によって明らかとなった多相交流アーク中の変動現象や電極現象の可視化・計測結果に基づき，多相交流アークの発生原理と特徴について解説する．さらに，近年開発された
革新的な熱プラズマ発生手法である「ダイオード整流型」多相交流アークの発生についても解説する．
Keywords:
thermal plasma, multiphase AC arc, high-speed visualization, arc temperature, electrode phenomena, diode-rectification

３．
１ はじめに式を採用するメリットは大きい．

熱プラズマの発生技術として，アーク放電を用いる手法

以上の背景を基に，多相交流アーク（Multiphase AC

が最も簡便であり広く用いられている．直流方式，交流方

Arc，MPA）を用いた熱プラズマ発生手法が開発されてい式があるが，現在は直流方式の方が多く採用されており，る．本章では，この多相交流アークの温度や電極の物理現

アーク溶接，切断，プラズマ溶射などの基盤技術に加え，象を，高速度カメラで可視化した計測結果を基に，多相交ナノ材料合成［１］など，既に確立した技術として産業界で流アークの発生原理やその特徴について解説する．３．
２節

広く用いられている．また，４章で解説する水プラズマもでは，通常の多相交流アークについて解説し，３．
３節では新直流方式で発生する手法を採用しており，廃棄物処理・エ

規なダイオード整流型多相交流アーク（Diode-Rectified

ネルギー創造への実用化に期待がかかる．しかし，現在のMultiphase AC Arc，DRMPA）に つ い て の 解 説 を 行

送電設備は交流方式に基づいているため，直流電源を用い

い，３．
４節で本章をまとめる．

ることは電源効率にデメリットがある．さらに，通常のアーク放電は，数 mm〜数 cm 程度の電極間距離で発生さ

３．
２ 多相交流アーク（MPA）せることが多く，熱プラズマは局所的にしか生成しない．

３．
２．
１ 多相交流アークの発生

単純に直流アークを大容積化するには大電力が必要とな

１２相交流アークの電気回路の概略図を図１に示す．商用り，電極消耗や電源効率の低下などの新たな問題が生じ

３相 交 流 の 入 力 か ら，R-S 間，S-T 間，T-R 間，S-R 間，

る．

T-S 間，R-T 間の電圧を用いることで６相交流を得る（図１

交流方式で発生させる熱プラズマの用途は，現時点では

上段の奇数番）．さらに，それらの６相交流をΔ-Y相変換ト

広く産業界に普及している状況にはない．交流アーク溶接

ランスに入力することで，位相が３０度ずれた６相交流出力は既に産業界で用いられているが，その用途はアルミニウ（R'-S'，S'-T'，T'-R'，S'-R'，T'-S'，R'-T'）を得る（図１下段

ム溶接など，一部の用途に限られる．この主な要因としての偶数番）．これら２種類の６相交流を合わせることで，以下の二点がある．一点目は，交流方式であるため，電流位相が３０度ずつ均一にずれた１２相交流が得られる．この

値が０となる瞬間（ゼロクロスポイント）が存在し，交流

１２相交流を用いて発生・維持させた１２相交流アークの装置

周期毎のアーク消弧に起因した不安定性が生じるためであ

概略図および写真を図２に示す．

る．また，電流値が時々刻々と変化するため，アーク自身

多相交流アーク発生システムでは，入力電力から熱プラが常に変動することも問題となる．二点目は，詳細は後述

ズマへのエネルギー変換効率が高い．これは，１２相交流電するが，交流方式では電極の消耗現象が直流と比較して大源が単相交流電源の組み合わせで構成されているため，電きいためである．しかし，電源効率の観点からは，交流方源効率が高いことが要因の一つである．さらに，従来の単Faculty of Engineering Kyushu University, FUKUOKA, 819-0395, Japancorresponding author’s e-mail: mtanaka@chem-eng.kyushu-u.ac.jp

２０!2019 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

3. Generation and Diagnostics of Multiphase AC Arc

M. Tanaka and T. Watanabe

動し，かつ複雑な空間分布を有する多相交流アークの温度計測には，従来の発光分光法では時間および空間分解能が不足している．そこで，高速度カメラを用いた温度計測手法が極めて有用となる．
高速度カメラと特定波長のみを透過するバンドパスフィ
ルタを組み合わせた計測システムを図３に示す．様々な発光を含み，その波長成分が多岐にわたる熱プラズマからの発光を，特定の二波長のみの成分に分離し，かつそれらの高速度画像を同期して得ることができる．本節では，プラ
ズマ構成粒子であるアルゴン原子からの発光線スペクトルを用いた多相交流アークの二次元温度分布の可視化について解説する．
上述の二波長分光光学系を用いた高速度カメラ撮影は，その原理自体はシンプルであるが，実際の計測では注意すべき点が多い．最も重要な点は，適切なバンドパスフィル

図１ １
２相交流アークの電気回路概略図．

タの選定である．主たる選定基準として，（i）線スペクトル
の独立性，
（ii）
二波長における異なる励起準位のエネル
ギー差が充分か，（iii）
連続スペクトルの影響が充分に無視できるか，（iv）フィルタの透過波長範囲が適切か，（v）
高速度カメラの検出感度は充分か，などが挙げられる．
高速度カメラを用いた可視化システムを構成する場合，三波長以上の同時撮影も原理上可能であるが，光学系での光のロスが大きくなるため，二波長が現実的である．また，多くの高速度カメラの検出分解能は 8 bit または 12 bit（２５６階調または４，０９６階調）であり，通常の発光分光器に属するCCD 検出器の 16 bit（６５，５３６階調）よりも大きく劣る．特に，二波長に対応する励起準位のエネルギー差が小さいと，それぞれの発光強度における小さな誤差が，強度比を算出する際の大きな誤差を生む．したがって，波長選定にはあらかじめ精密な分光器を用いた発光スペクトルを得ることが必要である．
図４に，多相交流アークの電極近傍における発光スペク

図２

多相交流アーク発生炉の概略図および１２相交流アークの点
弧写真の挿入図．

トルの一例を示す．各電極の電流値は 100 A とし，大気圧

相交流アークの欠点であるアーク不安定性が改善されたこ

近傍の発光スペクトルである．電極消耗抑制のため，電極とで，電源の力率が向上したことも要因である．なお，

周囲にはアルゴンガス（3 L/min）を流しているため，主にアーク安定性と力率向上については，過去の解説記事［２］アルゴン原子からの線スペクトルが確認できる．ここで下の空気雰囲気で多相交流アークを発生させた際の，電極を参照されたい．
上述の特長に加え，プラズマ体積が大きく，ガス流速が遅いことから，被処理物質への加熱効率が高い．さらに，出力の大きいシステムが実現可能であることから，様々なプロセスで用いることが期待されている．現在では，後述
するインフライトガラス溶融のために構築された，空気雰
囲気における多相交流アーク発生炉に加え，ナノ材料創成用に構築された雰囲気制御型多相交流アーク発生炉が開発されている．
３．
２．
２ 多相交流アークのアーク温度計測
多相交流アークの温度場を明らかにすることは，多相交流アークを用いた各種プロセッシングの実現には不可欠である．熱プラズマの温度計測手法としては，プラズマ構成
図３

粒子からの線スペクトル発光強度を，分光器を用いて計測する手法が確立されている．しかし，ミリ秒オーダーで変２１

高速度カメラとバンドパスフィルタを組み合わせた二波長
分光可視化システム．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

図４

多相交流アークの電極先端から 5 mm の位置におけるアー
クからの発光スペクトルの一例．

は，上述の選定基準に基づき，794.8176 nm と 675.2834 nmのアルゴン原子からの線スペクトルを選定し，フィルタ波
長域を 794±5 nm および 675±5 nm と決定した．
図５に，同様の条件で発生した多相交流アークの高速度
カメラ画像を波長ごとに示す．電極から輝度の高いアークが生じている様子がわかる．これらの二波長の組み合わせの同期画像から，対応する場所ごとに発光強度比を算出す
る．これにより，複雑な空間分布と変動を有する多相交流
アークの二次元の温度分布を可視化が可能となる．

図６

図６に，交流 60 Hz 一周期中の多相交流アークの温度分

交流 60 Hzの一周期中の多相交流アークの二次元温度分布．
（参考文献［３］の図５（a）
を引用）．

布の一例を示す［３］．電極近傍のアークが最も高温であり，12,000 から 14,000 K 程度である．また，電極間の中心領域，

電極は電子を受け取るため，仕事関数分の余剰エネルギー

すなわち多相 交 流ア ー ク 炉 の 中 心 に 関 し て は，温度がが電極を加熱する（発熱）．一方，熱電子を放出する陰極時

7,000 K 程度である．この結果より，高融点材料の溶融，蒸は，仕事関数分のエネルギーにより電極は冷却される（吸発プロセスも可能な高温を十分に有していることがわか熱）．このように陰極時と陽極時において，生じる基礎現る．このように，高速度カメラと二波長分光光学系を組み象が異なるため，交流アークにおける電極消耗は陽極時と合わせた計測システムを用いることで，多相交流アークの陰極時で分けて考える必要がある．
図７に，電極由来の金属蒸気とプラズマ中のアルゴン原

複雑な温度場の変動を可視化することが可能となる．
３．
２．
３ 多相交流アークの電極現象

子を可視化した高速度画像［４］を示す．用いたシステムは，多相交流アークは，複数の電極を用いた交流方式のアー

先述のアーク温度計測システムと同様であり，バンドパス

クプラズマ発生手法であるため，電極消耗が原理的に生じフィルタの波長のみが異なる．ここでは，電極由来のタンる．電極からの不純物混入抑制や，電極の長寿命化を達成

グステン蒸気のみを可視化するため，393.5033 nm のタンするためには，電極現象を理解し，消耗機構を明らかにす

グ ス テ ン 線 ス ペ ク ト ル を 対 象 と し，透 過 波 長 域 がることが極めて重要となる．ここでは，先述のアーク温度

３９３±1.5 nm のフィルタを用いた．また，アルゴン原子の線場と同様の計測技術を用いて，多相交流アーク電極を可視スペクトル（738.3980 nm）に対応した７３８±2.5 nm のフィ化した計測結果に基づき，電極消耗機構を解説する．

ルタも用いて，タングステン蒸気とアルゴン原子を同期観

多相交流アークは交流方式であるため，一本の電極に着察することで，アーク中でのタングステン蒸気の挙動を明目すると，常に陰極と陽極を周期的に繰り返す．陽極時は，らかにした．陰極時では，タングステンの蒸発はあまり生じないのに対して，陽極時ではタングステンが激しく蒸発している様子が鮮明に確認できる．これは，陽極時において電極への熱的負荷が大きく，タングステン電極が溶融し，その融液からタングステンが蒸発したためである．これは，電極温度計測結果からも明らかであり，陽極時の方が電極温度が高くなる結果と対応している［５］．
これまでは可視化システムを用いてプラズマ構成粒子からの線スペクトルに対応したフィルタを用いることで，アーク温度や金属蒸気挙動の計測結果について解説してき図５

多相交流アークの特定波長における高速度同期画像．

た．ここからは，アーク光を除去し，電極表面からの熱放２２

Special Topic Article

図７

3. Generation and Diagnostics of Multiphase AC Arc

M. Tanaka and T. Watanabe

多相交流アーク電極からのタングステン蒸発挙動．撮影速度：104 fps，タングステン蒸気用フィルタ波長：393±1.5 nm，アルゴン原子用の図１０を引用，Copyright (2016) The Japan Society of Applied Physics）．
フィルタ波長：738±2.5 nm（参考文献［４］ら，７８５±2.5 nm の透過域を持つフィルタが選定された．
図９に，アーク光を除去し，電極先端部のみを可視化した高速度画像を示す［４］．陰極時における，溶融電極先端からの液滴飛散の様子を高速度カメラで捉えることに成功している．溶融した電極先端からの液滴飛散は，主として陰極時に生じることがわかっている．これは，電極先端にかかる力のバランスが崩れることに起因している．詳細は［４，６］を参照されたいが，陰極時に主として生じる要因として，陰極時の方が電極先端における電流密度が大きく，それにより陰極先端を絞る力となるローレンツ力が大きいためである．
以上のように，特定波長のみを透過するバンドパスフィ
図８

多相交流アーク電極先端位置における発光スペクトル．

ルタと高速度カメラを組み合わせることで，複雑な電極現象も明らかになりつつある．
３．
２．
４ 多相交流アークの応用

射のみを高速度カメラで撮影することで，輝度の高いアー
ク中から電極のみを可視化した例について解説する．ここ

多相交流アークの特長を生かした，様々なプロセスへのでも，波長選定が最も重要な点である．図８に，電極先端産業応用が期待されている．ナノ材料合成プロセスへの応上における発光スペクトルの一例を示す．電極由来の連続用や廃棄物処理など，多相交流アークの応用は多岐にわ

光と，アーク由来の線スペクトルが確認できる．ここかたって検討されている．それらの詳細は，［２］を参照され２３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019が不可欠である．そこで次節では電極消耗を劇的に改善するための最新の方策について紹介する．

３．
３ ダイオード整流型多相交流アーク（DRMPA）
３．
３．
１ ダイオード整流型多相交流アークの発生
パワー半導体を用いた電極消耗の大幅低減化に関する事
例を紹介する．前節で述べた通り，電極消耗の低減は多相交流アークの実現に向けて必要不可欠である．近年劇的に開発が進んでいるパワー半導体を用いて，100 A オーダーの電流を整流することで，電極消耗の抜本的解決を目指した研究が進んでいる［１１］．
陰極および陽極の役割・求められる物性・代表的な材料
を表１にまとめる．陰極時は，安定な熱電子放出のため低仕事関数かつ高融点材料が適する．そのため，仕事関数の小さいトリア，ランタナ，セリアなどの金属酸化物を電子エミッターとして数 wt％添加したタングステンが熱陰極として主に用いられる．陽極時では，電子凝縮による発熱を伴うためアークからの総伝熱量が大きくなるが，電極を高温に維持する必要性はない．したがって，高熱伝導材料が適しており，銅を直接水冷して用いるのが主流である．
このように，陰極と陽極はそれぞれの異なる役割に起因して，求められる物性が異なる．
交流アーク電極は，陰極時・陽極時と交互に電子放出・
電子凝縮の役割を担うため，陰極および陽極のどちらにも
図９

適した材料選定が必要となる．しかし，特 に 電 流 値 が

陰極時における多相交流アーク電極からの液滴飛散挙動．
撮影速度：104 fps，フィルタ波長：785±1.5 nm（参考文献［４］の図８を引用，Copyright (2016) The Japan Society ofApplied Physics）．

100 A 以上の大電流アークにおいては，陰極時・陽極時に適した特性を同時に有する電極材料は現存しない．したがって，交流アークにおいては電極消耗が問題 となる［１２］．現状では，安定な放電を維持するため，消去法的にたい．本章では，特に重点的に検討が進められてきたガラ

酸化物添加タングステンを用いる方法が主流である．これ

ス溶融に関する応用事例について少し詳しく解説する．

は，多相交流アークも例外でなく，通常の交流アークより

ガラス製造に使用されるエネルギーは，その大部分が原

電極消耗が大きいことも報告されている［１３］．さらに多相料を高温で溶融して製品に使用可能な品質の融液を得る過交流アークは電極を多数用いた熱プラズマ発生手法である

程，すなわち溶融過程で消費されている．これまでに様々ため，電極消耗は特に重要な課題である．

な溶融技術が考案されている中で，インフライト溶融法が以上の背景より，ダイオード整流を用いた新規な多相交注目されている．これは，100 μm 程度に造粒したガラス微流アーク発生手法が考案されている．従来型の多相交流回粉末原料を，熱プラズマなどの高温中で溶融することで，路とダイオード整流型の回路概略図を図１０に示す．従来の溶融工程を大幅に短時間化する方法である．このインフラ

多相交流回路は，図１０（a）に示す通り，一本の電極が陰極とイト溶融法に用いる高温場として，熱プラズマの可能性が陽極を担う．そこで図１０（b）に示す通り，ダイオード整流検討されている．多相交流アークは，熱プラズマの中でもにより半波整流し，一本の交流電極を一対の陰極と陽極の大面積，大容積である点が新規であり，かつエネルギー効

組み合わせとする．これにより，酸化物添加タングステン

率が高いという特長を有するため，ガラス原料のインフラを陰極とし，水冷銅を陽極とすることが可能となり，適切イト溶融に適した高温場と言える．これまでに，ソーダ石
灰ガラス［７，８］や無アルカリガラス［８］などの検討がなされ

表１

代表的なアーク電極の役割，物性，材料．

ており，有用性が明らかになっている．さらに，多相交流
アークと酸素燃焼炎の組み合わせによる燃焼炎‐多相交流役割

アークハイブリッドプラズマ［９，１０］が開発されており，今後の展望に期待がかかる．

要求される物性

本節３．
２では，多相交流アークの発生原理，最新の計測技術に基づく基礎現象の現状の理解から，現在検討されてい代表的な材料る応用面について概説した．しかし，多相交流アークをさらに広い分野に応用展開していくには，電極消耗の低減化
２４

陰極

陽極

電子放出
低仕事関数
高融点・沸点高電気伝導度
酸化物添加タングステン
ハフニウム
銅

電子受取
高電気伝導度
高熱伝導度
高融点・沸点銅Special Topic Article

3. Generation and Diagnostics of Multiphase AC Arc

図１０ 多相交流アークの電気回路概略図，（a）
従来型，（b）
ダイ
オード整流型．

M. Tanaka and T. Watanabe

図１
１ 多相交流アークの電極構造の模式図．（a）
従来型，（b）
ダイ
オード整流型．

な電極材料が選定できる．今回は，!3.2 mm のトリア添加
タングステン棒と!20 mmの水冷銅を図１１に示すように放射状に６組配置したダイオード整流型６相交流アークについて紹介する．
３．
３．
２ ダイオード整流型多相交流アークの電極現象
ダイオード整流型多相交流アークと従来型の多相交流
アークにおける電極消耗量の実験結果を図１２に示す［１１］．
これは，１０分間の放電前後の質量減少分から算出されている．従来型の多相交流アーク電極の消耗量は，陰極時と陽極時での区別が困難なため，合計した値が示されている．
結果，従来型の電極消耗量と比較して，ダイオード整流型の陰極と陽極の消耗量の合計値が劇的に減少している．この一つの要因は，ダイオード整流による交流電極の分割により，陽極時の消耗量を大幅に低減化できたためである．
タングステンと比較して熱伝導度の高い銅を陽極に選定し，充分な水冷を施すことで，陽極消耗が大幅抑制されている．
一方，同様の材料であるトリア添加タングステンにおける陰極時の電極現象を明らかにするため，高速度カメラを

図１
２ ダイオード整流型多相交流アークおよび従来型多相交流
アークの電極消耗量に及ぼすアーク電流値の影響（参考文献［１１］の図９を引用）．

用いた二色放射測温法に基づく電極温度計測が行われている．これまでと同様に，図３に示した計測システムが用いられている．ただし，３．
２．
３節で述べた飛散液滴挙動の可視化時と同様に，アークからの強い発光を除去して電極から（3,675 K）より低く，添加物であるトリアの融点（3,323 K）の熱放射のみを捉えるが，それを二波長同時に行う必要がより高い．したがって，トリアの融液が電極表面を被覆し，ある．そこで，図８に示されている発光スペクトルを基に，トリアから熱電子が放出されている．一方で，従来型の多アークからの強い発光を除外し，電極表面からの熱放射の相交流アークの場合，陽極時の熱負荷が大きいため，タン

み を 捉 え る こ と の で き る 波 長 域 を 調 査 し た 結 果，

グステンは完全に溶融状態になる．したがって，数 wt％し７８５±2.5 nm と８８０±5 nm の二種類の波長域のフィルタがか添加されていないトリアよりも，主成分であるタングス

選定された．それらの二波長の電極同期画像を用いて，二テンが熱電子放出の主体を担う．陰極時に限れば，ダイ

色放射測温法の原理に基づき計測された電極表面温度分布

オード整流の有無に依らず，瞬間的に流れるアーク電流値を図１３に示す［１１］．図１３では，交流一周期分のダイオードが等しいにも関わらず，電極温度および消耗量に大きな違

整流型と従来型の電極温度分布を，同期測定した電流波形

いが現れた主要因は，熱電子を放出する主物質が異なるたと合わせて示している．交流周期中のいずれのタイミング

めである．従来型では仕事関数の大きいタング ステン

においても，ダイオード整流型の電極の方が，従来型の電（4.5 eV）が熱電子放出を担うが，ダイオード整流時はトリ極温度よりも低い．陰極時の電流波形は従来型もダイオー

ア（3.2 eV）から熱電子が放出されるため，ダイオード整流

ド整流時もほぼ等しく，瞬時値として最大 230 A 程度の電型では電極温度が低くなり，その結果消耗の抑制につな流が流れている．つまり，瞬間的に 230 A 程度の大電流ががったと考えられる．

流れているタイミングにおいても，ダイオード整流型のタン

以上，ダイオード整流型の多相交流アークを用いること

グステン電極の方が，明らかに電極温度が低くなっている．

で，これまでの課題であった電極消耗を大幅に低減化し

上記のような結果が得られた理由として，現段階では以た．このように，大電流の整流が可能なパワー半導体技術

下のように推察されている．測定結果より，ダイオード整を活用することで，従来にない革新的な熱プラズマ発生シ

流型の電極温度は約 3,500 K であり，タングステンの融点

ステムが構築できる．
２５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

図１
３ 電極温度分布の交流一周期中におけるスナップショット（a）および同期電流波形（b）（参考文献［１
１］
の図１
０を引用）
．

３．
４ まとめ

参考文献

本章では，多相交流アークの生成方法について記述する［１］M. Shigeta and A.B. Murphy, J. Phys. D: Appl. Phys. 44,
174025 (2011).
［２］田中 学，渡辺隆行：化学工学 78, 213 (2014).
［３］T. Okuma et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 47, 32 (2018).
［４］M. Tanaka et al., Jpn. J. Appl. Phys. 55, 07LC01 (2016).
［５］M. Tanaka et al., J. Phys. Conf. Seri. 441, 012015 (2013).
［６］T. Hashizume et al., Jpn. J. Appl. Phys. 56, 056101 (2017).
［７］Y. Yao et al., Plasma Chem. Plasma Process. 29, 333 (2009).
［８］T. Watanabe et al., Pure Appl. Chem. 82, 1337 (2010).
［９］Y. Liu et al., Thin Solid Films 519, 7005 (2011).
［１０］M. Tanaka et al., Thin Solid Films 523, 67 (2012).
［１１］M. Tanaka et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 4656044 (2017).
［１２］T. Hinata et al., L. Light Met. Weld. 26, 97 (1988).
［１３］M. Tanaka et al., J. Fluid Sci. Technol. 8, 160 (2013).

とともに，それらの計測結果の一部を紹介した．特に，パワー半導体技術の進歩により実現が可能となったダイオー
ド整流型多相交流アークは，これまでの課題であった電極消耗を抜本的解決に導く可能性をもつ．このような，パワー半導体や，可視化・計測技術の進歩により，さらなる高効率，高制御性の革新的熱プラズマ発生技術が開発されることで，マテリアルおよびエネルギー環境工学への熱プ
ラズマの貢献に期待がかかる．

２６

J. Plasma Fusion Res. Vol.95, No.1 (2019)２
７‐３３

小特集 マテリアル工学およびエネルギー・環境工学を進展させる熱プラズマの生成と計測

４．水プラズマによる廃棄物からの水素製造
4. Hydrogen Synthesis from Wastes by Water Thermal Plasmas
渡辺隆行
WATANABE Takayuki
九州大学大学院工学研究院（原稿受付：２
０
１
８年９月１
６日）

水プラズマには O，H，OH ラジカルが豊富に含まれているので，新しい廃棄物処理プロセスへの展開が可能である．ゴミを単に分解・無害化するだけではなく，プラズマでゴミを分解することによって水素を取り出すことも可能となる．水プラズマを用いて廃棄物から水素を製造する方法は，プラズマの放電領域で有機物を高速で分解できることから分解効率が高い方法である．水プラズマ自体からも水素が発生するので，廃棄物から副生水素を製造するプロセスは実現できる可能性がある．本章ではアーク放電の可視化と温度計測をもとに水プラズマの発生原理と特徴を解説し，最後に車載型水プラズマの応用展開を紹介する．
Keywords:
thermal plasma, water plasma, plasma truck, arc fluctuation, high-speed visualization, waste decomposition,hydrogen production

４．
１ はじめにタルピーが大きいことも利点となる．チェコの Institute of

ラジカルを豊富に有する水プラズマは廃棄物処理プロセ

Plasma Physics が開発した水プラズマ溶射はその好例であスに適しており，水プラズマ中の熱分解によって，処理物る［３］．このシステムでは，水の渦流によってアークを安

質は気体，液体，固体生成物へと高速変換される．気体生

定化して，水プラズマジェットを生成している．

成物には高濃度の水素が含まれており，合成ガスとしての本章では LTE 状態の水プラズマの特徴とその産業応用，利用も期待されている．

廃棄物の分解プロセスについて解説する．

水は常温で安定した化合物であるが，プラズマ状態にな

４．
２ 水プラズマの特徴

ると O，H，OH ラジカルなどを多く含んだ化学的に活性な反応場となる．本誌でも「水中プラズマが拓く新しい無まずは「水プラズマ」という定義を明確にする．「水プ機・有機・バイオプロセス」の小特集が企画されており，

ラズマ」と「水蒸気プラズマ」はどちらも水をプラズマ状

水中でのプラズマ生成とその応用が紹介されている［１］．

態にしたものなので，混同されている場合がある．「水プ

また，プラズマ気液界面での複雑な現象解明の小特集「大ラズマ」と「水蒸気プラズマ」は，原理的にも特性も異な

気圧プラズマ−液相反応プロセスにおける診断技術の進るものである．
「水蒸気プラズマ」は，アルゴンなどで発生した熱プ展」も企画されている［２］．
しかし，水中や気泡内で発生した非平衡プラズマを反応

ラズマの高温領域に水蒸気を吹き込み，水蒸気をプラ場として利用するには，空間的にも量的にも制限がある．

ズマ化する方法である．この方法はフロンや PCB の分解な水滴を噴霧する方法，水流中で放電するなどの方法も検討

どに応用されており，オーストラリアのCSIROが開発したされているが，非平衡プラズマでは OH ラジカルの寿命のPLASCON プロセスが有名である［４］．
一方，「水プラズマ」とは，液体の水をプラズマの高温短さが問題となる．
プラズマ中のラジカルをこのような制限がない状態で利領域に供給し，瞬時に水素と酸素に分解する方法である．

用するには，局所熱平衡（LTE）状態の水プラズマ，つまこの方法は水だけではなく，各種の水溶液やコロイドでもり熱プラズマ状態にして反応性熱流体とするほうが良い．

プラズマを発生できる［５，６］．

熱プラズマでは，OH ラジカルが熱平衡状態で 2,000 K から

４．
２．
１ 水蒸気プラズマ

5,000 Kにおいて安定に存在している．さらにプラズマ中の水蒸気プラズマでは，水蒸気を発生するための装置が必

反応速度は温度上昇に伴って指数関数的に速くなるので，

要となり，加えて水蒸気の凝縮防止のために装置全体を非平衡プラズマよりも熱プラズマには利点がある．

１００℃以上に保つ必要があるなど，大掛かりな装置になってしまうという問題点がある．

熱プラズマでは水蒸気が１万 K 以上の高温となり，エン
Faculty of Engineering Kyushu University, FUKUOKA 819-0395, Japanauthor’s e-mail: watanabe@chem-eng.kyushu-u.ac.jp

２７!2019 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

る．水分を除去した後，汚泥として排出する．

直流アーク放電を利用したプラズマは，高出力化や高密

４．
２．
２ 直流放電による水プラズマトーチ

度化が可能な実用的かつ工業的な高温熱源である．しかし，直流アーク放電による水蒸気プラズマでは，高温の水直流放電による水プラズマ発生システムを図２に示す．

蒸気によって陰極の金属が損耗するために，アルゴンや窒

陽極には銅，陰極にハフニウムを用いている．アークに素を陰極の周囲にシールドガスとして流すことが必要となよって発生した熱は主に陽極を伝わって冷却水を加熱し，る．また，非移行式アークの場合には，電極の冷却水によ吸湿材を通って陽極に達した冷却水がそのままプラズマガ

る熱損失が本質的に避けられないので，熱効率は３０％程度

スとなり，水プラズマを定常的に発生する．この方式ではの低い値であることが欠点である．

冷却水による電極からの熱損失がなくなるため，９０％以上

高周波（RF）放電の水蒸気プラズマは，フロン分解シスの熱効率が得られる［７］．さらにガスボンベなどの外部かテムとして２件の実用化例がある．そのうちのひとつは，らの作動ガスの供給が不要となるので，可搬式の水プラズ

北九州市のエコタウンのフロン分解プラント（西日本家電

マ発生装置への展開も容易となる．

リサイクル株式会社）である．２０００年４月から実証試験が

水プラズマのみならず，水中プラズマにおいても電極材開始され，各種回収フロンの分解性能評価を行い，２００４年

料の選定は重要であり，その消耗が問題となる場合が多に商用プラントとして成立している．このプラントの特徴

い．陰極は熱電子放出の観点からタングステンが一般に用

は，フロン回収事業所においてフロン分解までのすべてをいられるが，水プラズマの強い酸化力のためにタングステ行うことであり，フロンを移動する際のフロン拡散の危険

ンを用いることができない．融点が 3,422℃ と高いタング性の低減や，輸送による CO2 排出量をなくすことができ

ステンは熱電子放出に適しているが，酸化タングステンのる．

融点が１７００℃と低く，電極が溶融してしまうからである．

水蒸気RFプラズマのフロン分解システムを図１に示す．

水プラズマの陰極として５種類の金属を用いた時の電極上部中央で輝いているのが RF 熱プラズマであり，その下消耗の様子を図３に示す．直径 6 mm の銅製ロッドの先端

流には冷却管が設置され，ガス流を水冷・洗浄し，分解生に，直 径 1 mm の こ れ ら の 金 属 を 埋 め 込 ん で い る．左成物である塩化水素やフッ化水素を水で吸収する．続いてか ら 仕 事 関 数 が 大 き い 順 に Hf（3.9 eV），Zr（4.1 eV），

スクラバにて洗浄して，排ガスとして系外に排出される．

Ta（4.3 eV），Mo（4.57 eV），Ir（5.46 eV）の陰極を示して塩化水素やフッ化水素を含む水はアルカリ水溶液で中和しいるが，これは水プラズマ発生の不安定性の順番と一致すてフッ化カルシウム，塩化カルシウム粒子として凝集させる．ハフニウム以外の金属では陰極点が銅の部分にも移動しており，アークが不安定になっていることがわかる．酸化ハフニウムは融点が 2,758℃ であり，酸化雰囲気の水プ
ラズマでも安定して使用することができる．

図２

図３
図１

北九州エコタウンの RF 熱プラズマによるフロン分解プラ
ント（西日本家電リサイクル株式会社提供）．

２８

水プラズマ発生システム．

水プラズマの放電後の陰極を上部から見た写真．左からハフニウム（５分間放電），ジルコニウム（５分間放電），タ
ンタル（６分間放電），モリブデン（２分間放電），イリジ
ウム（４分間放電）．

Special Topic Article

4. Hydrogen Synthesis from Wastes by Water Thermal Plasmas

４．
３ 水プラズマによる水素製造

T. Watanabe析により，定量分析を高速液体クロマトグラフィーによりプラズマによる廃棄物処理システムは，従来の方法では行った．その結果，液体中にはホルムアルデヒド，アセト

処理できなかった難処理廃棄物を分解できるという利点がアルデヒド，グリオキサール，メチルグリオキサールの４ある．廃棄物を単に分解・無害化するだけではなく，廃棄

種のアルデヒドが含まれていることがわかった．このうち物から有価なものを生み出すリサイクルプロセスを実現でグリオキサールの生成量が他と比べ多く，グリオキサール

きるのも熱プラズマの特長である．最も注目されている廃が分解されにくいことがわかった．

棄物処理プロセスは，ゴミをプラズマで分解することに以上の分析結果より，グルコースの分解はまず開環反応

よって水素を取り出す技術である．

と脱水反応が起こり，熱分解による脱離がその後に起こる

高温熱分解による廃棄物からの水素製造方法は数多く行と考えられる．開環反応の解離エネルギーは 1260 kJ/mol

われているが，水プラズマを用いて廃棄物から水素を製造であり，熱分解による脱離は 300 kJ/mol である．このことする方法は，プラズマの放電領域で有機物を高速で分解でから，グルコースは開環反応が律速であり，開環反応を終きるので，分解効率が高い方法である．水プラズマ自体かえたのちに熱分解が連続的に続くと考えられる．
図５にグルコースの分解機構を示す．
（a）の反応機構のらも水素が発生するので，廃棄物を処理して副生水素を製造するプロセスは実現できる可能性がある．

生成物は，ホルムアルデヒド，アセトアルデヒド，CHO

バイオマスのガス化技術はまだ発展途上であり，従来のラジカルであり，（b）の反応機構の生成物は，ホルムアル方法で処理できるバイオマスは限られている．バイオマス

デヒド，メチルグリオキサールである．鎖状グルコースかとは，家畜排泄物，生ごみ，木くずなど動植物から生まれら熱分解により C―C 結合が切断されるときに２つの反応

る再生可能な有機資源のことであるが，低質バイオマスか機構の違いがあらわれる．

ら効率的にエネルギーを得る技術が求められている．

液体の有機系廃棄物のモデルとしてエタノール，メタ

水プラズマを用いることで低質バイオマスが分解でき，

ノール，アセトン，グリセリンの水溶液を用いて，水プラ

タール生成を抑えて良質な合成ガスを生産することができズマによる水素製造の検討が行われている［５，８‐１０］．アセる．しかし，水プラズマ中の有機物の分解機構はまだ解明

トンは工業や医学など領域に幅広く使用されているが，揮されていない．ここではモデル物質として，木質バイオマ

発性有機化合物（VOC）と規定されているために，適切なスの主成分であるセルロースを構成するグルコースを分解

アセトンの分解方法が必要となっている．VOCは浮遊粒子

対象物質とした実験結果を紹介する［８］．

状物質や光化学オキシダントによる大気汚染の原因物質のグルコース水溶液を水プラズマによって分解したときのひとつであることから，分解技術の研究が重要である．ま

気体生成物の定量分析の結果を図４に示す．気体生成物はた，アセトンは分子内に CH3 基を２つ持っているので，分

H2，CO，CO2，CH4 で構成されており，そのうち H2 が６０％解機構における CH3 基の役割を調べることに適している．

程度を占める．原料濃度の増加に伴い CO は増加し，CO2

バイオディーゼル製造プロセスの副生成物としてグリセは減少している．これは，グルコース濃度の増加に伴ってリンが生成されているが，このグリセリンには有効な用途

酸化雰囲気が弱まるためであるが，高濃度の条件においてがなく，その処分が困難である．よってグリセリンの分解

も OH ラジカルや O ラジカルは過剰に存在している．

機構を調べることは，廃油等からの水素製造技術としても液体生成物の定性分析を液体クロマトグラフィー質量分

図４

水プラズマによってグルコース水溶液を分解したときに生成するガスの組成．

図５２９水プラズマによるグルコース分解の機構．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

重要である．分解機構の観点からは，グリセリンが分子内に OH 基を３つ持っていることが重要である．グリセリンの分解によって，有機物の分解機構における OH 基の役割を明確にすることができる．
水プラズマによってエタノール，メタノール，アセトン，
グリセリンの水溶液を分解し，処理した後の Total Organic
Carbon（TOC，全有機炭素）の値を図６に示す［９］．通常は有機物の濃度が高くなると還元雰囲気が強くなるので，分解率が下がり TOC の値は高くなる．アセトン，エタノー
ル，メタノールの濃度が高いほど TOC は大きくなるが，グリセリンだけは逆の傾向を示す．これはグリセリン濃度の増加によって，グリセリン由来の OH ラジカルが増加し， 分解が進むためである．グリセリンの分解ではグリセリンから発生する OH ラジカルが重要な役割を果たしている．
プラズマ中の有機物の分解挙動を調べるために，分光器を用いてプラズマ分解時における活性種の計測が行われている．エタノール，メタノール，アセトン，グリセリンの水溶液の濃度を 5 mol％とし，200 から 450 nm までの範囲
における発光スペクトルを図７に示す［９］．アセトンの分
解では CH（388.8 nm）の発光スペクトルが得られたが，メタノールとグリセリンと分解では検出されていない．また，グリセリンの分解では強い OH（306.4 nm）のピークが観察されたが，他の有機物の分解ではこのピークが弱い．

図７

な お，208 か ら 232 nm ま で の 範囲 を 詳 細 に 観 測 す ると，エタノール，アセトン分解からはCH3（218.8 nm）の発

水プラズマによるメタノール，エタノール，アセトン，グリセリン水溶液の分解中の発光分析（参考文献［９］
の図１
２
を引用）
．

光スペクトルが見られるが，メタノール分解からはほとん
ど CH3 は検出されない．エタノール，アセトン分解からは物質が含まれていることがある．現在は有機物を含む排水

多量の固体炭素が生成していることから，CH3 は固体炭素

処理には生物的処理方法や活性炭処理が広く利用されてい生成の起点になっていると考えられる．なお，炭素成分はる．しかし，フェノールやトルエンなどの芳香族化合物がCO ではなく，固体炭素として除去することで H２との分離

高濃度で含まれている場合には，従来の生物的処理方法でを容易にできると考えられる．

は対応できない．
そこで最近は Advanced Oxidation Process（AOP，促進

４．
４ 水プラズマによる廃棄物処理酸化処理）による排水処理が行われている．AOP はオゾン工場等から出る排水には微量でも極めて有害な環境汚染や過酸化水素などの化学種を添加し，UV 照射などと組み合わせることによって OH ラジカルを生成し，効率的に有機物を分解する方法である．AOP では危険で高価な薬剤などを添加することが多いが，水プラズマによるフェノー
ルなどを含んだ排水処理は薬品等を添加することなく，排水中の有機物を迅速に分解できることが特長である
［１１，
１２］．
水プラズマによるフェノール水溶液の分解では，分解前の Chemical Oxygen Demand（COD，化 学 的 酸 素 要 求量）の 105 mg/L を 99.9％ 減少できる．なお，分解後のフェノール水溶液の pH は 4.5 であり，銀鏡反応を示していることから，副生成物としてギ酸が微量に含まれていると考えられる．このプラズマ処理後の COD は，この微量のギ酸が原因であると考えられる．
気体，液体の生成物を定量分析することによって，原料として供給したフェノール中の炭素成分がどの生成物に変図６

換されたかがわかる．この結果を図８に示す［１２］．グル水プラズマによるアセトン，グリセリン，エタノール，メ
タノール水溶液の分解後の液体の TOC（参考文献［９］
の図
１
０を引用）
．

コース中の炭素は主に CO，CO2 へと変換されており，液中に残存している炭素は３％以下である．出力の増加により
３０

Special Topic Article

4. Hydrogen Synthesis from Wastes by Water Thermal Plasmas

T. Watanabe

なっている．完全なフェノールの分解を行うには水プラズ
マによる分解システムが適している．

４．
５ 水プラズマの物理現象
熱プラズマは高温かつエネルギー密度が大きいため，被処理物質を短時間で高温にすることができる．さらに高温状態の物質を急冷することによって有害な副生成物の生成を抑制することができるので，熱プラズマを用いたプロ
セッシングの展開が大きく期待されている．
一方で，熱プラズマの高温が物理現象を理解するうえで妨げになる場合がある．熱プラズマの物理現象は時間的にも空間的にも複雑であり，水プラズマを利用するには，まずはアーク現象の可視化，電極やプラズマの温度計測が必
須となる．
４．
５．
１ 水プラズマのアーク変動
アーク変動が被処理物質に与える影響は大きく，アーク
図８

水プラズマによるフェノール排水処理における炭素収支．
供給したフェノールの炭素成分がどの生成物に変換されたかを示している（参考文献［１２］の図８を引用）．

の変動現象を理解し，制御することは効率的なプラズマプ
ロセシングを実現する上で重要である．高速度カメラとオ
シロスコープの同期計測は，アーク変動現象の観測におい液体中の副生成物は減少するが，これは高温領域での分解て強力なツールである．

が促進されるためである．プラズマ中ではフェノールが酸アーク電流 7.5 A で発生した水プラズマの電圧とアーク化され，フェノキシルラジカルを経由して分解されること

変動の関係を図９に示す．左図は電圧波形を示し，右図はが主な反応ルートであると考えられる．一部はベンゼンをトーチ側方より観察した高速度スナップ画像を示す．図中

経由してギ酸やホルムアルデヒドが生成される反応ルートの破線は陽極ノズル出口であり，アークが右から左へと伸もある．

長している様子がわかる．アーク電圧の増加に伴い，陽極

従来の方法では分解が困難である高濃度フェノール水溶ノズル内部から陽極ノズル出口へとアークが伸長する様子

液を水プラズマで迅速に分解できることから，水プラズマが確認できる．

による排水処理プロセスは工業的に実現できる可能性があ

アーク電圧はのこぎり形の波形を示している．このようる．実験値から推算した水プラズマによるフェノール分解

な電圧波形は，直流放電では典型的なリストライク現象でのエネルギー効率は 8.1 g/kWh であった．コロナ放電によある．最低電圧時に電極間の最も近接した距離間でアークるフェノール分解では 3.48〜22.67 g/kWh［１３，１４］，パルスが発生し，プラズマガス流により陽極ノズル出口へとアー放電では 0.74〜2.27 g/kWh［１５］のエネルギー効率であるこクが伸長し，アーク電圧が上昇する．その後，電圧値が一とから，水プラズマのエネルギー効率は，非平衡プラズマ

定値以上となったところで，アークが消弧し，続いて最近

や AOP の値とほぼ同等かやや高い値である．

接距離間での再点弧が生じる．

水プラズマの場合には，分解後の副生成物の発生がほとアーク電圧変動の高速フーリエ変換（FFT）の解析結果

んどなく，COD や TOC の除去率も 99.9％ 以上という高いを図１０に示す［１６］．グルコース水溶液，水，メタノール水

値が得られている．非平衡プラズマや AOP による分解で溶液と蒸気圧が高くなると，変動周期が22.2 kHzから44.9 kHz

は，ヒドロキノン，カテコール，ベンゾキノンなどの副生まで増加する．水プラズマは通常のアーク放電に比べると成物が発生しており，COD や TOC の除去率も低い値と低電流であるので，電磁力の影響は小さく，プラズマガス

図９

水プラズマのアーク変動の高速度カメラ計測のスナップショット．右図中の点線はノズル出口を示し．アークは右から左へ吹き出し
ている．

３１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.1 January 2019

流による影響が支配的であることが示されている．グル

章の多相交流アークの温度計測と同じである．水プラズ

コース，水，メタノールの順，すなわち蒸気圧の増加に伴

マ の 場 合 に は 水 素 原 子 か ら の 発 光 を 捉 え る た め，い，周期が短くなり変動幅が増加していることがわかる．

!（! 656.3 nm）と !"（486.1 nm）の発光のみを透過 す る

蒸気圧の大きいプラズマ源を用いることで，ノズル内のガフィルタを用いる．得られた画像より，二波長における相ス流速が増加し，アークが伸長したと考えられる．

対強度を算出し，ボルツマンプロット法に基づき水素原子の励起温度を求めることができる．

このような変動現象は，プラズマを廃棄物処理プロセスに展開する際に悪影響を及ぼす可能性がある．しかし，最アーク電流値を 7.5 A とし，グルコース水溶液，水，メタも周期が長いグルコース水溶液においても，その変動周期

ノール水溶液を使用したときのアークの温度分布のスナッ

は 22.2 kHz（0.05 ms）であり，分解プロセスにおける時定

プショットを図１１に示す．高速度カメラとバンドパスフィ

数の１〜10 ms よりも充分に短いため，廃棄物分解に与えルターを組み合わせることで，μs オーダーで変動するアーる影響は無視することができる．

ク温度分布の可視化が可能となる．

４．
５．
２ 水プラズマの温度計測

水プラズマのアークの最高温度は 9,000 K 以上であるが，水プラズマの温度場の理解は，プラズマプロセッシング

メタノール水溶液，グルコース水溶液では約 8,500 K 程度の実用化に必要不可欠である．水プラズマの変動に追従しまで低下している．これは，有機物の分解エネルギーのたた温度計測を行うには，従来の分光器を用いる手法では時めである．また，グルコース水溶液，水，メタノール水溶

間および空間分解能が不十分である．そこで，高速度カメ

液の順にアークが伸長するのは蒸気圧の影響である．

ラを用いた温度計測手法が重要となる．

４．
６ 車載型水プラズマの実用化

高速度カメラと特定波長のみを透過するバンドパスフィ

大型トラックに直流発電機を搭載することで，車載型プ

ルターを組み合わせた計測システムについては，本特集３

ラズマシステムを構成することができる．通常の熱プラズ
マでは冷却水システム，ガスボンベ，電気供給が必要となるが，車載型の水プラズマシステムはトラック単独で水プ
ラズマを発生することができる．
200 kW の水プラズマを発生するシステムを搭載したプ
ラズマトラックを図１２に示す．このプラズマトラックを廃棄物の処理サイトに移動して，その場で水プラズマによって廃棄物を処理する．通常の廃棄物処理では，処理費用以外に，廃棄物の輸送費用がかさむことから，このような可搬式のプラズマシステムが廃棄物処理の新しい展開を生み出すことができる．
車載型の水プラズマの写真を図１３に示す．水プラズマを実際に使用する場合には，点弧と消弧を繰り返すが，その物理現象の理解は進んでいない．非定常のアーク現象はプ
ラズマ遮断器の分野では精力的な研究が進んでいるが，

図１０ メタノール水溶液，水，グルコース水溶液のプラズマ発生
における電圧変動の FFT 解析結果（参考文献［１６］の図６を引用）．

図１
１ 水プラズマのアーク部分の温度分布．図中の点線はノズル
出口を示し．アークは下から上へ吹き出している．

３２

Special Topic Article

4. Hydrogen Synthesis from Wastes by Water Thermal Plasmas

T. Watanabe

図１
４ プラズマトラックに搭載された 200 kW の水プラズマが点弧する時の高速度カメラのスナップショット．
図１
２ 200 kW の水プラズマシステムを搭載したプラズマトラッ
ク（株式会社 HELIX 提供）
．

４．
７ まとめ
水プラズマ技術は，有機系廃棄物から水素を製造する高温熱分解技術のひとつとして考えられる．水プラズマを用いる方法は，他の燃焼法よりも水素の製造量が多く，装置が小さいという利点がある．特に廃棄物処理を現地で分散型のシステムとして処理することも可能となるので，今後のプラズマ処理システムの新たな展開が期待できる．

謝辞

車載型の水プラズマに関する実験結果は株式会社 HELIX のご協力をいただいた．

参考文献［１］秋山秀典 他：プラズマ・核融合学会誌 84, 664 (2008).
［２］金子俊郎 他：プラズマ・核融合学会誌 93, 230 (2018).
［３］M. Hrabovsky, Pure Appl. Chem. 74, 429 (2002).
［４］A.B. Murphy et al., Plasma Chem. Plasma Process. 22, 371(2002).
［５］Narengerile et al., Jpn. J. Appl. Phys. 50, 08JF13 (2011).
［６］S. Choi and T. Watanabe, Trans. IEEE Plasma Sci. 40, 2831

図１
３ 水プラズマトラックに搭載された 200 kW の水プラズマ発生の様子．下部の円板が陽極であり，水プラズマは左から右に発生している．

アーク点弧時の複雑な現象を解明するには，高速度カメラとオシロスコープの同期計測が有力な手段となる．
車載型水プラズマの発生時におけるアーク抵抗値（アー(2012).
［７］T. Watanabe, ASEAN J. Chem. Eng. 5, 30 (2005).
［８］Y. Ozeki et al., J. Fluid Sci. Technol. 12, JFST0022 (2017).
［９］T. Watanabe et al., Plasma Chem. Plasma Process. 32, 123(2012).
［１０］H. Nishioka et al., Thin Solid Films 518, 924 (2009).
［１１］M-H. Yuan et al., Env. Sci. Technol. 44, 4710 (2010).
［１２］Narengerile et al., Chem. Eng. J. 168, 985 (2011).
［１３］S. Ognier et al., Plasma Chem. Plasma Process. 29, 261(2009).
［１４］W.F.L.M. Hoeben, J. Phys. D: Appl. Phys. 32, L133 (1999).
［１５］W.F.L.M. Hoeben, Plasma Sources Sci. Technol. 9, 361(2000).
［１
６］松尾 剛 他：電気学会論文誌 B 136, 749 (2016).

ク電圧／電流），電極間で発生したアークの高速度カメラのスナ ッ プ シ ョ ッ ト を 図１４に 示 す．ア ー ク 電 圧 350 V，
ア ー ク 電 流 650 A で プ ラ ズ マ を 発 生 し た．撮 影 速 度
104 s−1，シャッター速度は 20 μs で計測しており，サブミリ秒オーダーのアーク変動に追従している．図中の左側にプ
ラズマトーチのノズル出口があり，この内部に水の渦流が形成されて，ここからアークが噴出し，徐々にノズル外部の陽極とつながる様子が観測されている．また，ノズルから噴出したアークはそのままプラズマジェット流として下流部に展開している．

３３

J. Plasma Fusion Res. Vol.95, No.1 (2019)３
４‐３５

小特集 マテリアル工学およびエネルギー・環境工学を進展させる熱プラズマの生成と計測

５．熱プラズマプロセッシングの今後の展望
5. Future Prospects for Thermal Plasma Processing
渡辺隆行
WATANABE Takayuki
九州大学大学院工学研究院（原稿受付：２
０
１
８年９月１
６日）

今回の小特集では，熱プラズマの１万 K 以上の高温を活中の現象が解明されつつある．特に高速度カメラとバンド

かして，次世代のマテリアル工学やエネルギー・環境工学

パスフィルターを用いることで，プラズマの温度や活性種分野に寄与が期待できる熱プラズマの新たな展開を紹介し分布の変動現象や電極の物理現象を可視化することが可能

た．熱プラズマは，溶射をはじめ，プラズマ溶解や製錬，ごとなっている．

み処理で発生する焼却灰の溶融固化において活用されてき熱プラズマプロセスの本質は，高温を利用することに加た．現在の熱プラズマプロセッシングは，このような従来

えて，高温から一挙に常温までの冷却過程を活用できるこのアーク技術の延長として，熱プラズマの高温を利用したとである．熱プラズマプロセッシングでは，プラズマが有研究が中心である．

する高温を利用して原料を蒸発させ，目的物質を得るため

熱プラズマを発生する方法のうち，直流放電のプラズマの各種の反応を起こす．このときにプラズマの流れの状態

ジェットやプラズマアークは高出力化や高密度化が可能なによる加熱や冷却過程が重要な役割を果たしている．高速実用的な高温 熱 源で あ る．プ ラ ズ マ ジ ェ ッ ト の 流速はクエンチングを利用することによって，熱プラズマ中の非１００−1000 m/s と速いことを利用したプロセッシングがプ平衡状態を生み出し，通常では合成しにくい非平衡相や準ラズマ溶射である．しかし，この高速という特徴は，プラ安定相を得ることができる．３章と４章で紹介した高速度

ズマ中の処理物質の滞留時間を数ミリ秒以下と非常に短くカメラの計測システムは，このような高速の物理・化学現してしまう．処理物質をプラズマ中で十分に加熱すること

象を解明することに役立つ．

が困難であることから，粉体を処理するプロセッシングに

高速クエンチングは熱プラズマによる廃棄物処理でも重はプラズマジェットは適していない．

要である．従来は熱プラズマの高温を利用して廃棄物を単次世代のプロセッシングに寄与できる熱プラズマとしに分解・無害化するだけであったが，水をプラズマ化するて，２章では高周波熱プラズマ，３章では多相交流アーク

ことによって，ゴミから水素を取り出すプロセスが可能とを紹介した．高周波熱プラズマは無電極放電の一種であなる．４章では水プラズマの生成とその特徴，および水プ

り，電極物質が不純物としてプラズマ中に混入しないといラズマを搭載したプラズマトラックの例を紹介した．水プう利点がある一方で，プラズマ中に供給された物質によっ

ラズマによる廃棄物処理において，高速クエンチングは副てプラズマが不安定になるという欠点がある．高周波熱プ

生成物の生成阻止において重要な機構となっている．

ラズマを利用して様々な機能性材料の合成が報告されていこのように考えてみると，熱プラズマは単に高温の熱源

るが，これらの実験室レベルの材料合成が産業応用に結びとしてではなく，熱プラズマが有する非平衡性の活用が重ついた例がほとんどないのは，プラズマ発生のエネルギー

要であることがわかる．熱プラズマは高温部分においては効率が悪いことも理由である．大電力高周波インバータ電

ほぼLTEが成り立つと考えられているが，熱プラズマでも源の開発は，電源効率の大幅な改善を意味しており，産業

非平衡性を有する空間が広い．熱プラズマの高温という特応用の展開が期待できる．また，円筒管内での発生に限定長を保持しながら，そこに非平衡性を導入することによっされていた従来の高周波熱プラズマであるが，高周波インて，材料プロセッシングで重要な役割を果たすラジカル等

バータ電源の開発によってプラズマ生成の自由度が高くなの活性種濃度を増大させることができる．

り，制御性の改善にも役立っている．

本小特集では扱うことができなかったが，熱プラズマを３章で紹介した多相交流アークは大面積のプラズマを効用いる重要なプロセッシングとしてはナノ粒子合成があ率よく発生できる方法であり，材料プロセッシングへの展る．熱プラズマによるナノ粒子合成は，一つのステップで開が大きく期待されている．多相交流アークの物理・化学

原料供給からナノ粒子合成までを実現する効率的なナノ粒現象は複雑であるが，実験的アプローチによってプラズマ子量産システムであり，産業的に期待されているプロセッ

Faculty of Engineering Kyushu University, FUKUOKA 819-0395, Japanauthor’s e-mail: watanabe@chem-eng.kyushu-u.ac.jp

３４!2019 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

5. Future Prospects for Thermal Plasma Processing

T. Watanabe

シングである．廃棄物処理でもナノ粒子合成でも，熱プラ

く，熱プラズマにしか実現できないプロセスがあることもズマプロセッシングは従来からコストが高いものとして扱重要な点である．熱プラズマの高化学活性という特長を活われてきた．しかし，熱プラズマが有する高温と高化学活用した非平衡効果によって，新しい材料や特異構造を有す性という特長を活用すれば，システム全体としてのコスト

る材料の合成が可能となり，工業生産技術につながるプロを低減できる可能性がある．また，コストの点だけではな

セッシングの新たな展開を拓くことができる．

!!
むら

かみ

とも

小特集執筆者紹介

ゆきた

村 上 朝 之成蹊大学理工学部教授．１
９９８年東京工業大学
大学院・博士（工学）．東北大学・英国クイーンズ大学ベルファスト等を経て，２０
１
７年より現職．電力エネルギー，低温大気圧プラズマに関するモデリングが主なテーマ．
た

なか

やす

""
なか

まなぶ

田 中

学

２
０
１
０年３月東京工業大学 大学院総合理工学
研究科 創造エネルギー専攻 博士後期課程短縮修了．同年４月同化学環境学専攻 特別
研究員．２
０
１
３年４月同特任助教．２
０
１
４年１月九
州大学 工学研究院 化学工学部門 助教，現在に至る．主として，熱プラズマ基礎現象，診断・計測・可視化，アーク放電
現象，電極現象に従事．最近は，９歳と１歳の息子たちに囲まれ慌ただしく過ごしながら，着実に育児協力不足による奥様の恨みを買っています．

のり

田 中 康 規金沢大学電子情報通信学系・教授．１
９９
８年３月名古屋大学大学院工学研究科博士課程後期課程修了．同年４月金沢大学助手．２００２年８月
同大学助教授（２００８年准教授）
．２
０
０
５
‐
２
０
０
７年
アメリカカリフォルニア大学サンディエゴ校客員研究 員．
２００
７年カナダトロント大学客員 研 究 員．２
０１
０年４月 か ら 現職．工学博士．主として，熱プラズマの基礎・診断・応用，
アーク遮断現象に関する研究に従事．

わた

なべ

たか

ゆき

渡 辺 隆 行九州大学大学院工学研究科教授．熱プラズマ
プロセッシングの材料合成や廃棄物処理の応用をめざして，プラズマの現象の解明を行っています．２０
１
３年に九大に異動してから，九州の大学や企業でプラズマの研究が盛んであることを実感し，九大での研究を楽しんでいます．ソウルやブルースのレコー
ドを昔は集めていましたが，最近は中州のソウルバーに通って CD を聞くことが多くなりました．

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