特開 2024-13393 プラズマアクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024013393

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】プラズマアクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/24 20060101AFI20240125BHJP

   F15D 1/12 20060101ALI20240125BHJP

   B64C 13/50 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

H05H1/24

F15D1/12

B64C13/50

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022115448

(22)【出願日】2022-07-20

(71)【出願人】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110003339

【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】飯島 秀俊

(72)【発明者】

【氏名】満尾 和徳

【テーマコード（参考）】

2G084

【Ｆターム（参考）】

2G084AA23

2G084BB36

2G084CC02

2G084CC08

2G084CC19

2G084CC20

2G084CC34

2G084DD01

2G084DD14

2G084DD21

(57)【要約】

【課題】空力制御性能を維持しながら省電力化を実現することが可能なプラズマアクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係るプラズマアクチュエータは第１正極と、第２正極と、駆動部とを具備する。前記第１正極は第１辺を有する。前記第２正極は前記第１正極と離間し、前記第１辺と平行かつ前記第１辺と所定間隔を空けて対向する第２辺を有する。前記駆動部は前記第１正極及び前記第２正極と負極の間に、ナノ秒直流電圧パルスを印加する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１辺を有する第１正極と、
前記第１正極と離間し、前記第１辺と平行かつ前記第１辺と所定間隔を空けて対向する第２辺を有する第２正極と、
前記第１正極及び前記第２正極と負極の間に、ナノ秒直流電圧パルスを印加する駆動部と
を具備するプラズマアクチュエータ。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマアクチュエータであって、
前記ナノ秒直流パルス信号の印加により、前記第１正極と前記負極の間及び前記第２正極と前記負極の間にプラズマ放電が生じるように構成されている
プラズマアクチュエータ。

【請求項3】

請求項２に記載のプラズマアクチュエータであって、
前記第１正極と前記負極の間のプラズマ放電により生じた圧縮波と前記第２正極と前記負極の間のプラズマ放電により生じた圧縮波が干渉し、強め合うように構成されている
プラズマアクチュエータ。

【請求項4】

請求項１に記載のプラズマアクチュエータであって、
前記所定間隔は５ｍｍである
プラズマアクチュエータ。

【請求項5】

請求項１に記載のプラズマアクチュエータであって、
前記第１辺及び前記第２辺は直線状である
プラズマアクチュエータ。

【請求項6】

請求項１に記載のプラズマアクチュエータであって、
負極と、
前記第１正極及び前記第２正極と前記負極を絶縁する絶縁層と
をさらに具備する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、空力制御を行うプラズマアクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

航空機等の空力性能向上のための空力制御デバイスの一つとして、誘電体バリア放電を用いたプラズマアクチュエータ（ＰＡ）がある。ＰＡは物体表面に薄膜形状のデバイスを設置するだけで既存の機体に容易に適用できるため、空力制御の実用化技術として期待されている。

【0003】

ＰＡは、誘起流を生じさせる連続放電型のＡＣ（alternate current）型プラズマアクチュエータ（ＡＣ－ＰＡ）と、圧縮波を生じさせるナノ秒パルス放電型プラズマアクチュエータ（ｎｓ（nanosecond）－ＰＡ）に大別される。空力制御デバイスは省電力で機能する方が効率的であり、ＰＡにおいても効率の良いデバイスの開発が進められている。ＡＣ－ＰＡにおいては、より小さい電力で誘起流の運動エネルギーを高め、空力制御（境界層剥離制御）が可能となるような電極形状が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－２０５２１５号公報

【特許文献2】特開２０１４－００９７９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一方、ｎｓ－ＰＡでは、プラズマ放電により発生する圧縮波によって、境界層剥離が制御されると考えられており、ＡＣ－ＰＡとは空力制御メカニズムが異なるため、省電力化に際してＡＣ－ＰＡの手法をそのまま適用することはできない。

【0006】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、空力制御性能を維持しながら省電力化を実現することが可能なプラズマアクチュエータ（ｎｓ－ＰＡ）を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一形態に係るプラズマアクチュエータは、第１正極と、第２正極と、駆動部とを具備する。
前記第１正極は第１辺を有する。
前記第２正極は前記第１正極と離間し、前記第１辺と平行かつ前記第１辺と所定間隔を空けて対向する第２辺を有する。
前記駆動部は前記第１正極及び前記第２正極と負極の間に、ナノ秒直流電圧パルスを印加する。

【0008】

前記プラズマアクチュエータは、前記ナノ秒直流パルス信号の印加により、前記第１正極と前記負極の間及び前記第２正極と前記負極の間にプラズマ放電が生じるように構成されていてもよい。

【0009】

前記プラズマアクチュエータは、前記第１正極と前記負極の間のプラズマ放電により生じた圧縮波と前記第２正極と前記負極の間のプラズマ放電により生じた圧縮波が干渉し、強め合うように構成されていてもよい。

【0010】

前記所定間隔は５ｍｍであってもよい。

【0011】

前記第１辺及び前記第２辺は直線状であってもよい。

【0012】

前記プラズマアクチュエータは、負極と、前記第１正極及び前記第２正極と前記負極を絶縁する絶縁層とをさらに具備してもよい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、第１正極と第２正極を対向させることにより、それぞれにおいて生じたプラズマ放電による圧縮波を干渉させ、強め合うことができ、空力制御性能を維持しながら省電力化を実現することが可能なプラズマアクチュエータを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係るプラズマアクチュエータの模式図である。

【図2】前記プラズマアクチュエータが備える電極部の斜視図である。

【図3】前記プラズマアクチュエータが備える電極部の断面図である。

【図4】前記プラズマアクチュエータが備える電極部の平面図である。

【図5】前記プラズマアクチュエータが備える電極部の一部構成の平面図である。

【図6】前記プラズマアクチュエータが備える電極部の一部構成の平面図である。

【図7】前記プラズマアクチュエータが備える電極部の一部構成の平面図である。

【図8】前記プラズマアクチュエータが備える駆動部が生成するナノ秒直流電圧パルスの波形である。

【図9】従来構造を有するプラズマアクチュエータの動作を示す模式図である。

【図10】本発明の実施形態に係るプラズマアクチュエータの動作を示す模式図である。

【図11】本発明の変形例に係るプラズマアクチュエータが備える電極部の断面図である。

【図12】本発明の実施例に係る翼型模型及び電極部の斜視図である。

【図13】前記翼型模型及び電極部の断面図である。

【図14】本発明の比較例に係るプラズマアクチュエータの翼型表面での負圧の測定結果である。

【図15】本発明の実施例に係るプラズマアクチュエータの翼型表面での負圧の測定結果である。

【図16】本発明の実施例及び比較例に係るプラズマアクチュエータの消費電力の測定結果である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

【0016】

［プラズマアクチュエータの構成］
本発明の実施形態に係るプラズマアクチュエータ（以下、ＰＡ）について説明する。図１は本実施形態に係るＰＡ１００の模式図である。同図に示すように、ＰＡ１００は電極部１１０、駆動部１２０及び測定部１３０を備える。電極部１１０と駆動部１２０は正極配線１４１及び負極配線１４２で接続されている。

【0017】

図２は電極部１１０の斜視図であり、図３は電極部１１０の断面図、図４は電極部１１０の平面図である。これらの図に示すように電極部１１０は第１正極１１１、第２正極１１２、正極接続部１１３、負極１１４、第１絶縁層１１５、第２絶縁層１１６及び第３絶縁層１１７を備える。電極部１１０はフィルム状であり、対象物１５０に設置されている。対象物１５０は特に限定されないが、航空機や風車の翼、パンタグラフ、自動車の車体等である。

【0018】

図３に示すように、電極部１１０では対象物１５０側に第１絶縁層１１５が設けられ、第１絶縁層１１５上に負極１１４が設けられている。さらに、負極１１４上に第２絶縁層１１６が設けられている。図５は第２絶縁層１１６上の電極配置を示す平面図である。図３及び図５に示すように第２絶縁層１１６上には第１正極１１１、第２正極１１２及び正極接続部１１３が設けられている。図３及び図４に示すように、第１正極１１１、第２正極１１２及び正極接続部１１３上には第３絶縁層１１７が設けられている。

【0019】

第１正極１１１及び第２正極１１２は、ＰＡ１００の正極として機能する。第１正極１１１及び第２正極１１２は銅等の導電性材料からなるフィルムである。図６は、第１正極１１１及び第２正極１１２を示す平面図である。同図に示すように第１正極１１１及び第２正極１１２は一方向（Ｙ方向）に沿って延伸する帯状形状を有し、互いに離間する。

【0020】

第１正極１１１の辺のうち第２正極１１２側の辺を第１辺１１１ａとし、第２正極１１２の辺のうち第１正極１１１側の辺を第２辺１１２ａとする。第１辺１１１ａと第２辺１１２ａは平行であり、共に直線状である。第１辺１１１ａと第２辺１１２ａは間隔Ｄを空けて対向し、間隔Ｄは５ｍｍが好適である（実施例参照）。

【0021】

正極接続部１１３は、正極配線１４１と第１正極１１１及び第２正極１１２を電気的に接続する。正極接続部１１３は図５に示すように、第１正極１１１及び第２正極１１２に当接し、図２に示すように正極配線１４１が接続される。正極接続部１１３は銅等の導電性材料からなるフィルムである。

【0022】

負極１１４はＰＡ１００の負極として機能する。負極１１４は銅等の導電性材料からなるフィルムである。図７は第１正極１１１及び第２正極１１２と負極１１４の位置関係を示す平面図である。同図に示すように負極１１４は第１正極１１１及び第２正極１１２の延伸方向（Ｙ方向）に沿って延伸する帯状形状を有し、厚み方向（Ｚ方向）から見て大部分が第１正極１１１と第２正極１１２の間に位置する。

【0023】

第１絶縁層１１５は対象物１５０側に設けられ、負極１１４と対象物１５０を絶縁する。第２絶縁層１１６は、負極１１４と第１正極１１１及び第２正極１１２の間に設けられ、負極１１４と第１正極１１１及び第２正極１１２を絶縁する。第３絶縁層１１７は第１正極１１１、第２正極１１２及び正極接続部１１３上に設けられ、これらを外部から絶縁する。図３に示すように第３絶縁層１１７は、第１正極１１１の第１辺１１１ａ近傍が露出し、第２正極１１２の第２辺１１２ａ近傍が露出するように配置されている。第１絶縁層１１５、第２絶縁層１１６及び第３絶縁層１１７はポリイミド等の絶縁性材料からなるテープである。

【0024】

駆動部１２０は電極部１１０を駆動する。駆動部１２０は図１に示すように、電源１２１及び関数発生器１２２を有し、これらは信号線１４３で接続されている。電源１２１はＤＣ（Direct Current）電源である。関数発生器１２２は、電源１２１へパルス周期を制御するための信号を送り、電源１２１は、その周期でナノ秒パルス幅の直流電圧信号を生成する。図８は電源１２１が生成するナノ秒直流電圧パルスの波形である。同図に示すように、ナノ秒直流電圧パルスは、パルス幅ｔを有する電圧パルスであり、パルス幅は数百ｎｓ、パルス周期は数十～数百Ｈｚとすることができる。

【0025】

電源１２１は、正極配線１４１によって正極接続部１１３と接続され、負極配線１４２によって負極１１４と接続されている。このため、駆動部１２０から第１正極１１１及び第２正極１１２と負極１１４の間に上記ナノ秒直流電圧パルスが印加される。

【0026】

測定部１３０は、駆動部１２０から出力される電圧及び電流を測定する。測定部１３０は図１に示すようにオシロスコープ１３１、電圧プローブ１３２及び電流プローブ１３３を備える。電圧プローブ１３２は、正極配線１４１及び負極配線１４２に接続され、正極配線１４１と負極配線１４２の間の電圧を検出する。電流プローブ１３３は正極配線１４１を流れる電流を検出する。オシロスコープ１３１はこれらの電圧波形及び電流波形を表示する。

【0027】

［プラズマアクチュエータの動作］
ＰＡ１００の動作について、従来構造のＰＡとの比較の上で説明する。図９は従来構造を有するＰＡ２００の動作を示す模式図である。同図に示すようにＰＡ２００は電極部２１０を備える。電極部２１０は正極２１１、負極２１４、第１絶縁層２１５、第２絶縁層２１６及び第３絶縁層２１７を備え、対象物２５０に設置されている。正極２１１は１つの帯状電極であり、電極部１１０のように２つの正極が対向する構造ではない。

【0028】

電極部２１０において正極２１１と負極２１４の間にナノ秒直流電圧パルスを印加すると、図９に示すように正極２１１の近傍にプラズマ放電Ｐが生じ、それにより空気中に圧縮波Ｗが発生する。この圧縮波Ｗにより対象物２５０表面での境界層剥離が抑制される。境界層剥離は航空機の翼等で生じる現象であり、境界層剥離が生じると、空気抵抗が増大し、揚力も減少するが、圧縮波Ｗによりこれを解消することが可能となる。

【0029】

一方、図１０はＰＡ１００の動作を示す模式図である。電極部１１０において第１正極１１１及び第２正極１１２と負極１１４の間にナノ秒直流電圧パルスを印加すると、図１０に示すように第１正極１１１の近傍にプラズマ放電Ｐ１が生じ、それにより空気中に圧縮波Ｗ１が発生する。さらに、第２正極１１２の近傍にもプラズマ放電Ｐ２が生じ、それにより空気中に圧縮波Ｗ２が発生する。この圧縮波Ｗ１と圧縮波Ｗ２が干渉を生じることにより強め合い、強い圧縮波が生成される。これにより、境界層剥離の抑制能力が向上する（実施例参照）。

【0030】

この際、ＰＡ１００の消費電力はＰＡ２００の消費電力と同程度であり（実施例参照）、ＰＡ１００では消費電力を維持したまま、境界層剥離の抑制能力を向上させることが可能である。換言すればＰＡ１００では、境界層剥離の抑制能力をＰＡ２００と同等とする場合、消費電力の低減が可能である。

【0031】

なお、ＰＡ１００においてプラズマ放電を強め、より強い圧縮波を発生させるための方法としては、電極部１１０に印加される電圧を高くする、各絶縁層をより放電しやすい材料に変える、各絶縁層の厚みを薄くする、各電極をより導電性の高い材料に変える等が挙げられる。

【0032】

［その他の構成］
上記説明において電極部１１０は負極１１４を備えるものとしたが、対象物１５０を負極として利用することが可能な場合、電極部１１０は負極１１４を備えないものであってもよい。図１１はこの構成を有する電極部１１０の断面図である。同図に示すように負極配線１４２（図１参照）は対象物１５０に電気的に接続され、対象物１５０が負極として機能する。

【0033】

また、第１正極１１１と第２正極１１１は直線状の第１辺１１１ａ及び第２辺１１２ａを有するとしたが、第１辺１１１ａと第２辺１１２ａは平行であればよく、直線状に限られない。第１辺１１１ａと第２辺１１２ａは例えば曲線状や折れ線状であってもよい。

【実施例0034】

［正極間の距離について］
上記実施形態に係る電極部１１０において第１辺１１１ａと第２辺１１２ａの間隔Ｄ（図６参照）を検討した。各種の間隔Ｄを有する電極部１１０を作製し、ＢＯＳ（背景画像シュリーレン）法によって、圧縮波を観察した。その結果、間隔Ｄが５ｍｍの場合、可視化された圧縮波は観察された。一方、間隔Ｄが小さい場合（１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ）と、大きい場合（６ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍ）では可視化された圧縮波は観察されなかった。したがって間隔Ｄは５ｍｍが好適である。

【0035】

［翼型模型への適用について］
上記実施形態に係る電極部１１０を作製し、翼型模型(ＮＡＣＡ００１２)に設置してその効果を検証した。図１２は翼型模型１６０と電極部１１０を示す模式図であり、翼型模型１６０は上記実施形態における対象物１５０に相当する。同図に示すように翼型模型１６０はスパン長ｓが３００ｍｍ、コード長ｃが１５０ｍｍである。翼型模型１６０のスパン長方向の中心には、コード長方向に沿って並び、翼型表面の負圧を計測する圧力孔が設けられている。

【0036】

図１３は翼型模型１６０の前縁近傍と電極部１１０の断面である。同図に示すように、電極部１１０を翼型模型１６０の翼前縁に設置した。第１辺１１１ａと第２辺１１２ａの間隔Ｄは５ｍｍとし、翼型模型１６０の翼前縁先辺と第１辺１１１ａを一致させた（図中、線Ｒ）。なお、第１正極１１１と第２正極１１２の中心を翼前縁先辺と一致させると、電極部１１０の曲率が大きくなり、圧縮波の干渉が生じにくくなるため不適当である。

【0037】

［測定結果について］
比較例として従来構造を有する電極部２１０（図９参照）を設置した翼型模型１６０と、実施例として上記実施形態に係る電極部１１０を設置した翼型模型１６０について、風洞試験を実施し、圧力孔により翼型表面での負圧を測定した。電極部１１０は図１３に示す配置とし、電極部２１０は正極２１１の負極２１４側の辺が翼型模型１６０の翼前縁先辺と一致する配置とした。風洞試験の条件は一様流風速：４０ｍ／ｓ、迎角：２２°、ピーク電圧：８ｋＶ、換算周波数（Ｆ^＋）：０．５とした。換算周波数Ｆ^＋は以下の（式１）で導出される。

【0038】

Ｆ^＋＝ｆ×（ｃ／Ｕ_∞）・・・（式１）
なお、ｆは電極部１１０及び電極部２１０に供給されるナノ秒直流電圧パルスの放電周波数であり、ｃは上述したコード長ｃ（図１２参照）、Ｕ_∞は一様流速である。

【0039】

図１４は比較例に係る、電極部２１０を設置した翼型模型１６０での測定結果である。横軸（ｘ／ｃ）は翼型模型１６０のコード長方向での位置を示し、「０」は翼前縁、「１」は翼後縁である。縦軸（Ｃｐ）は圧力孔によって計測された翼型上面及び翼型下面での負圧の圧力係数である。同図に示すように、電極部２１０を駆動させていない場合（「ＰＡ ＯＦＦ」）に比べて電極部２１０を駆動させた場合（「ＰＡ ＯＮ」）、翼型上面での負圧が若干大きくなり、境界層剥離が抑制されていることがわかる。

【0040】

一方、図１５は実施例に係る、電極部１１０を設置した翼型模型１６０での測定結果である。横軸（ｘ／ｃ）及び縦軸（Ｃｐ）は図１４と同一である。図１５に示すように、電極部１１０を駆動させていない場合（「ＰＡ ＯＦＦ」）に比べて電極部１１０を駆動させた場合（「ＰＡ ＯＮ」）、翼型上面での負圧が大きくなり、境界層剥離が抑制されている。図１４との比較により、電極部１１０による負圧の上昇幅は、電極部２１０による負圧の上昇幅より大幅に大きく、電極部１１０の構造により、境界層剥離が著しく抑制されていることがわかる。

【0041】

さらに、図１６は、図１４及び図１５に示す測定を実行した際のＰＡ２００の消費電力とＰＡ１００の消費電力を比較したグラフである。同図に示すように、ＰＡ２００（図中、「比較例」）の消費電力とＰＡ１００（図中、「実施例」）の消費電力は同等であった。このため、ＰＡ１００はＰＡ２００と同等の消費電力で、境界層剥離をさらに抑制することが可能であるといえる。

【0042】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0043】

１００…プラズマアクチュエータ
１１０…電極部
１１１…第１正極
１１１ａ…第１辺
１１２…第２正極
１１２ａ…第２辺
１１３…正極接続部
１１４…負極
１１５…第１絶縁層
１１６…第２絶縁層
１１７…第２絶縁層
１２０…駆動部
１２１…電源
１２２…関数発生器
１３０…測定部
１３１…オシロスコープ
１３２…電圧プローブ
１３３…電流プローブ
１４１…正極配線
１４２…負極配線
１４３…信号線
１５０…対象物
１６０…翼型模型

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】