カスケード型アーク放電による金属微粒子の生成とその運動制御

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本研究では、金属粒子を噴出するプリンタの開発を最終的な目標として、金属溶解のためにカスケード型アーク放電を利用する。これは、陰極と陽極との間に第3電極を挿入する構造であり、2つのアーク放電を直列回路で点呼させ、アークの熱と第3電極を流れる電流による熱で第3電極を発熱させる。この第3電極をノズル構造にして金属粒子を液化しようとするものである。直流アーク放電は放電自身の熱で放電路が揺らぎ、安定性に欠けるので、ここでは、電極系と並列に接続したキャパシタをカスケード型アークで放電する操作を断続的に行う方式を採った。前年度の研究において、カスケード型アーク放電をトリガする方法としてスパークギャップ法が適していることが明らかとなったので、今年度は、カスケード型アーク放電の基礎特性を調べた。スパークギャップから第3電極に印加されるパルス電圧により第3電極と陰極および陽極との間で同時に火花放電を起こしてカスケード型アーク放電をトリガする。トリガに必要なパルス電圧は、アーク放電のための電極系の充電電圧の大きさとギャップ長に依存し、ギャップ長が大きくなるほど、また、充電電圧が高くなるほど、高いパルス電圧を印加しないとトリガが成立しないことが判明した。また、スパークギャップと並列に高電圧キャパシタを接続し、火花放電時の放電電流を大きくするほど、パルス電圧が低くてもよいことがわかった。ギャップ長、キャパシタ容量、直列抵抗、充電電圧をパラメータとして、カスケード型アーク放電を1回だけ点弧させたときのピーク電流、持続時間および残留電圧を調べた。これらのパラメータを適当な値に設定し、カスケード型アーク放電をピーク電流15A、1発の持続時間100ms、2Hzで連続点弧させることに成功した。今後は、さらに高い周波数で連続点弧し、第3電極の発熱特性を把握するとともに、金属粒子液化への適用を図る予定である。