JP6926892B2 - プラズマアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、プラズマアクチュエータに関するものである。

例えば特許文献１に示すように、近年の航空機エンジンにおいては、流体の流れを制御するデバイスとしてプラズマアクチュエータを用いる試みがなされている。このようなプラズマアクチュエータは、誘電体層に保持された一対の電極板を有しており、これらの電極板に外部の交流電源から電力が供給されることによって、誘電体層の一方側にプラズマを発生させる。このプラズマによって周囲の気体が誘導されるため、プラズマアクチュエータでは電極板への電力の供給を制御することによって流体の流れを制御することができる。

特表２０１３−５３０４８６号公報

ところで、上述のようなプラズマアクチュエータは、現在ほとんどが実験室等に試作されている。このため、プラズマアクチュエータを実際の航空機エンジンに搭載する場合には、どのようにしてプラズマアクチュエータを航空機エンジンのケーシング等に設置するのかが課題となる。特に、航空機エンジンにプラズマアクチュエータを搭載する場合には、メンテナンスを厳重に行う必要があるため、メンテナンスを容易に行えるようにプラズマアクチュエータを設置する必要がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、流体の誘導を行うプラズマアクチュエータにおいて、容易に設置箇所に取付けることができかつメンテナンスを容易に行うことを可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、電源に接続されてプラズマを発生させる一対の電極層と、上記電極層を保持する絶縁性の保持層とを備え、上記保持層の片側の領域で流体を誘導するプラズマアクチュエータであって、上記保持層の流体誘導面側に配置されると共に上記流体誘導面の面直方向から見て上記電極層を避けて配置された第１磁石部と、上記保持層の上記流体誘導面と反対側に配置され上記第１磁石部と共に上記保持層を挟持する第２磁石部とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記第１磁石部が、上記流体誘導面に沿った方向における上記保持層の縁に配置されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第２磁石部が、上記流体誘導面の面直方向から見て上記電極層を避けて配置されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１または第２の発明において、上記流体誘導面の面直方向から見て上記電極層と重なる領域にて上記第２磁石部と上記保持層との間に配置され、上記第２磁石部による磁気を遮蔽するシールド層を備えるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記保持層の上記流体誘導面と反対側に露出して配置されると共に、プラズマアクチュエータの設置面に合わせて形状設定された形状適合層を備えるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１磁石部の表面と上記保持層の表面とを含む面が単一平面とされているという構成を採用する。

第７の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、上記電極層の１つが上記保持層の上記流体誘導面に配置され、当該電極層の表面を覆う保護層を備えるという構成を採用する。

本発明のプラズマアクチュエータによれば、第１磁石部と第２磁石部とによって、電極層を保持する保持層が挟持されている。このため、プラズマアクチュエータを簡素でかつ一体化された構造とすることができる。また、本発明のプラズマアクチュエータでは、簡素でかつ一体化された構造であるうえに、第２磁石部の磁力によって磁性体からなる航空機用エンジンのケーシング等に容易に着脱することができる。したがって、本発明のプラズマアクチュエータによれば、第２磁石部によって容易に設置箇所に取付けることができ、さらには構造が単純でかつ容易に取り外せるためメンテナンスを容易に行うことが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるプラズマアクチュエータの概略構成図であり、（ａ）が断面図であり、（ｂ）が平面図である。 本発明の第２実施形態におけるプラズマアクチュエータの概略構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態におけるプラズマアクチュエータの概略構成を示す断面図である。 本発明の第４実施形態におけるプラズマアクチュエータの概略構成を示す側面図である。 本発明の第５実施形態におけるプラズマアクチュエータの概略構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るプラズマアクチュエータの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態のプラズマアクチュエータ１の概略構成図であり、（ａ）が断面図であり、（ｂ）が平面図である。本実施形態のプラズマアクチュエータ１は、交流の高圧電源１００から供給される電力によってプラズマＰを発生させ、プラズマＰによって周囲の気体Ｙ（流体）を誘導するものであり、全体として板状に形状設定されている。本実施形態のプラズマアクチュエータ１の設置姿勢は任意である。ただし、以下の説明においては、説明の便宜上、図１（ａ）に示すように、板状の本実施形態のプラズマアクチュエータ１の厚さ方向を上下方向とし、後述の上側電極層３が配置される側を上側、後述の下側磁石部６が配置される側を下側と称する。

本実施形態のプラズマアクチュエータ１は、航空機エンジンのケーシング等に設置され、図１（ａ）に示すように、保持層２と、上側電極層３（電極層）と、下側電極層４（電極層）と、上側磁石部５（第１磁石部）と、下側磁石部６（第２磁石部）とを備えている。

保持層２は、上側電極層３及び下側電極層４を保持する誘電体からなる板状の層であり、プラズマアクチュエータ１の芯材となる絶縁性の強度部材である。例えば、保持層２は、航空機エンジンの燃焼ガス流路等に配置される場合には、耐熱性が高いセラミックス等によって形成される。ただし、本実施形態のプラズマアクチュエータ１が高温環境に配置されない場合には、保持層２を例えば樹脂材によって形成することも可能である。図１（ａ）に示すように、この保持層２の上面２ａ側（流体誘導面側）にプラズマＰが形成され、気体Ｙが誘導される。つまり、保持層２の上面２ａ（片側の面）は、流体誘導側に配置された面である。

保持層２の上面２ａ側には、上側磁石部５が収容される凹部２ｂが設けられている。この凹部２ｂは、上面２ａに沿う方向（上下方向と直交する方向）において、保持層２の両側の縁に各々設けられている。この凹部２ｂの上下方向における深さ寸法は、上側磁石部５の厚さ寸法と一致するように設定されている。

また、保持層２は、図１（ａ）に示すように、上側電極層３を上面が露出するように保持し、下側電極層４を上側電極層３よりも下側において内包するように保持している。このような保持層２は、セラミックスからなる複数の板材を積層することによって形成することができる。例えば、上側電極層３、下側電極層４及び上側磁石部５が配置される領域を避けるように形状設定されたセラミックスからなる板材を上下方向に複数積層させることによって、保持層２を形成することができる。また、保持層２の上面２ａは、平面とされており、上側電極層３の上面及び上側磁石部５の上面と面一とされている。これによって、本実施形態のプラズマアクチュエータ１の流体誘導側の面の全体が、単一平面とされている。

上側電極層３及び下側電極層４は、一対の電極層をなしており、各々が気体Ｙの案内方向と直交する方向を長手方向とする矩形状の金属性の板部材であり、例えば銅によって形成されている。上側電極層３が不図示の配線層を介して高圧電源１００の一方の端子に接続され、下側電極層４が不図示の配線層を介して高圧電源１００の他方の端子に接続されている。上側電極層３は、図１（ａ）に示すように、下側電極層４よりも上側に配置され、上面が露出するように保持層２に保持されている。下側電極層４は、図１（ａ）に示すように、上側電極層３よりも下側に配置され、保持層２に内包されている。これらの上側電極層３と下側電極層４とは、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、保持層２の上面２ａの面直方向（すなわち上下方向）から見て、重ならずに気体Ｙの案内方向（保持層２の上面２ａ）に変位して配置されている。

上側磁石部５は、保持層２の凹部２ｂに収容され、保持層２の上面２ａ側に配置された永久磁石である。本実施形態のプラズマアクチュエータ１においては、上述のように、保持層２の両側の縁の各々に対して凹部２ｂが形成されている。上側磁石部５は、これらの各々に対して配置されている。つまり、本実施形態において上側磁石部５は、２つ設けられている。これらの上側磁石部５は、保持層２の幅と同一寸法とされており、凹部２ｂに沿って配置されている。このような上側磁石部５は、図１（ｂ）に示すように、保持層２の上面２ａの面直方向から見て、上側電極層３及び下側電極層４を避けて配置されている。

下側磁石部６は、保持層２の下面に当接して配置されている。つまり、下側磁石部６は、保持層２の上面２ａと反対側に配置されている。本実施形態においては、下側磁石部６は、保持層２の下面の全面に当接する大きさとされている。また、下側磁石部６は、上側磁石部５に近接する方向に磁力が作用するように、極性が定められている。つまり、上側磁石部５の下側がＳ極とされている場合には、下側磁石部６の上側がＮ極とされている。このような下側磁石部６は、上側磁石部５と共に保持層２を挟持している。また、下側磁石部６は、本実施形態のプラズマアクチュエータ１を航空機エンジンのケーシング等に搭載する場合に、プラズマアクチュエータ１を設置面に固着させるための磁力を発生する。

本実施形態のプラズマアクチュエータ１では、上側磁石部５と下側磁石部６とで保持層２が挟持されることによって、電極層（上側電極層３及び下側電極層４）を保持する保持層２と、上側磁石部５と、下側磁石部６とが一体化されている。このような本実施形態のプラズマアクチュエータ１を航空機エンジンのケーシング等の設置面に設置する場合には、下側磁石部６を設置面に向けて近づけるのみで、下側磁石部６の磁力によって本実施形態のプラズマアクチュエータ１が設置面に固着される。また、本実施形態のプラズマアクチュエータ１をメンテナンス等で取り外す場合には、下側磁石部６が発生する磁力以上の力でプラズマアクチュエータ１を設置面から引き離すことによって、容易に取り外すことができる。このような本実施形態のプラズマアクチュエータ１では、高圧電源から交流電力が上側電極層３及び下側電極層４に供給されると、保持層２の一方側（上側電極層３が露出する側）でプラズマＰが発生される。このプラズマＰによって、気体Ｙが誘導される。

以上のような本実施形態のプラズマアクチュエータ１によれば、上側磁石部５と下側磁石部６とによって、電極層を保持する保持層２が挟持されている。このため、プラズマアクチュエータ１を簡素でかつ一体化された構造とすることができる。また、本実施形態のプラズマアクチュエータ１では、簡素でかつ一体化された構造であるうえに、下側磁石部６の磁力によって磁性体からなる航空機用エンジンのケーシング等に容易に着脱することができる。したがって、本実施形態のプラズマアクチュエータ１によれば、下側磁石部６によって容易に設置箇所に取付けることができ、さらには構造が単純でかつ容易に取り外せるためメンテナンスを容易に行うことが可能となる。

また、本実施形態のプラズマアクチュエータ１においては、上側磁石部５は、保持層２の上面２ａに沿った方向における保持層２の縁に配置されている。このため、上側磁石部５を電極層（上側電極層３及び下側電極層４）から最も遠ざけて配置することができる。このため、上側磁石部５がプラズマＰに与える影響を軽減することが可能となる。

また、本実施形態のプラズマアクチュエータ１においては、上側磁石部５の表面と保持層２の表面（上面２ａ）とを含む面が単一平面とされている。このため、プラズマアクチュエータ１の表面を単一平面とすることができ、プラズマアクチュエータ１の表面において流体の流れが意図せずに変化することを抑止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図２は、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ａの概略構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ａでは、保持層２の下面側に、下側磁石部６が収容される凹部２ｃが設けられている。この凹部２ｃは、保持層２の下面に沿う方向（上下方向と直交する方向）において、保持層２の両側の縁に各々設けられている。この凹部２ｃの上下方向における深さ寸法は、下側磁石部６の厚さ寸法と一致するように設定されている。

また、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ａにおいては、保持層２の凹部２ｃに収容された下側磁石部６を備えている。本実施形態のプラズマアクチュエータ１においては、上述のように、保持層２の両側の縁の各々に対して凹部２ｃが形成されている。下側磁石部６は、これらの各々に対して配置されている。つまり、本実施形態において下側磁石部６は、２つ設けられている。これらの下側磁石部６は、保持層２の幅と同一寸法とされており、凹部２ｃに沿って配置されている。このような下側磁石部６は、図２に示すように、保持層２の上面２ａの面直方向から見て、上側電極層３及び下側電極層４を避けて配置されている。

このような本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ａによれば、上側磁石部５に加えて、下側磁石部６も電極層（上側電極層３及び下側電極層４）から遠ざけて配置することができる。このため、下側磁石部６がプラズマＰに与える影響を軽減することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３は、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｂの概略構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｂでは、保持層２と下側磁石部６と間に配置されるシールド層７を備えている。このシールド層７は、下側磁石部６から電極層（上側電極層３及び下側電極層４）やプラズマＰの形成領域に向かう磁気（磁束）を遮蔽する層であり、例えば鉄によって形成されている。このようなシールド層７は、保持層２の上面２ａの面直方向から見て電極層（上側電極層３及び下側電極層４）と重なる領域に配置されている。

このような本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｂによれば、シールド層７によって、下側磁石部６からプラズマＰに向かう磁気が遮蔽されるため、下側磁石部６の磁気がプラズマＰに与える影響を低減することが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、本第４実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｃの概略構成を示す側面図であり、図１で示された断面に沿った方向から見た図である。この図に示すように、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｃは、保持層２の下面側（上面２ａと反対側）に露出して配置されるスペーサ層８（形状適合層）を備えている。このスペーサ層８は、樹脂等の非磁性材によって形成されており、プラズマアクチュエータの設置面に合わせて形状設定されている。

例えば、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｃが航空機エンジンの内部流路において、ケーシング壁に取り付けられる場合には、図４に示すように、スペーサ層８は、下面がケーシング壁に沿って湾曲された形状に設定される。このような本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｃによれば、設置面に対して安定して固定することが可能となる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。なお、本第５実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図５は、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｄの概略構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｄは、上側電極層３の表面を含めて保持層２の上面２ａの全体を覆う保護層９を備えている。つまり、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｄにおいては、電極層の１つである上側電極層３が保持層２の上面に配置され、上側電極層３の表面を覆う保護層９を備えている。

このような保護層９は、例えば耐熱性及び耐水性に優れた樹脂材によって形成されており、上側電極層３の表面が燃焼ガスやプラズマＰによって劣化することを抑制する。このため、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ｄによれば、耐久性を向上させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、プラズマアクチュエータが板状である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の形状を採用することが可能である。

１……プラズマアクチュエータ
１Ａ……プラズマアクチュエータ
１Ｂ……プラズマアクチュエータ
１Ｃ……プラズマアクチュエータ
１Ｄ……プラズマアクチュエータ
２……保持層
２ａ……上面（流体誘導面）
２ｂ……凹部
２ｃ……凹部
３……上側電極層（電極層）
４……下側電極層（電極層）
５……上側磁石部（第１磁石部）
６……下側磁石部（第２磁石部）
７……シールド層
８……スペーサ層（形状適合層）
９……保護層
１００……高圧電源
Ｐ……プラズマ
Ｙ……気体

Claims (7)

1. 電源に接続されてプラズマを発生させる一対の電極層と、前記電極層を保持する絶縁性の保持層とを備え、前記保持層の片側の領域で流体を誘導するプラズマアクチュエータであって、
   前記保持層の流体誘導面側に配置されると共に流体誘導面の面直方向から見て前記電極層を避けて配置された第１磁石部と、
   前記保持層の前記流体誘導面と反対側に配置され前記第１磁石部と共に前記保持層を挟持する第２磁石部と
   を備えることを特徴とするプラズマアクチュエータ。
2. 前記第１磁石部は、前記流体誘導面に沿った方向における前記保持層の縁に配置されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマアクチュエータ。
3. 前記第２磁石部は、前記流体誘導面の面直方向から見て前記電極層を避けて配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマアクチュエータ。
4. 前記流体誘導面の面直方向から見て前記電極層と重なる領域にて前記第２磁石部と前記保持層との間に配置され、前記第２磁石部による磁気を遮蔽するシールド層を備えることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマアクチュエータ。
5. 前記保持層の前記流体誘導面と反対側に露出して配置されると共に、プラズマアクチュエータの設置面に合わせて形状設定された形状適合層を備えることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載のプラズマアクチュエータ。
6. 前記第１磁石部の表面と前記保持層の表面とを含む面が単一平面とされていることを特徴とする請求項１〜５いずれか一項に記載のプラズマアクチュエータ。
7. 前記電極層の１つが前記保持層の前記流体誘導面に配置され、
   当該電極層の表面を覆う保護層を備える
   ことを特徴とする請求項１〜６いずれか一項に記載のプラズマアクチュエータ。

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