J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，34, 4 (2010) 199-204

異種多層フィルムの帯電安全性の評価－回転霧化静電塗装機の汚れ防止機構－,1

山 田 幸 雄* ，今 西 辰 典*，吉 田治*，水 野彰**

（2009 年 12 月 22 日受付; 2010 年 6 月 30 日受理）

A Safety Assessment of Electrostatic Discharge
from the Hetero Multi-Layer Film－Contamination Reducing System for Electrostatic Rotary Atomizer－

Yukio YAMADA,*,1 Tatsunori IMANISHI,* Osamu YOSHIDA* and Akira MIZUNO**(Received December 22, 2009; Accepted June 30, 2010)

The use of an electrostatic rotary atomizer reduces the effect on the environment. Recently, Water-borne painting
processes have been developed and applied to reduce the amount of volatile organic compound (VOC) emissions.
During the Water-borne painting process, the atomizer body is easily contaminated by paint overspray. The
contamination has been a serious problem to be solved in factories. A contamination proof system has been developed
using a hetero multi-later film that is attached to the atomizers. The function is based on Coulomb repulsive force
between the charged film and suspended charged paint particles with the same polarity as the film. The system works
properly; however, there is a safety concern with electrostatic discharge from the film. An experimental
measurement of current pulses was made to assess the discharge energy when a ground electrode approached thecharged film. The discharge is repetitive. Magnitude and frequency of the discharge current pulse is affected by theshape of the ground electrode. The discharge energy of the repetitive pulse has been estimated to be smaller than theminimum ignition energy of normal hexane or acetic ether having the lowest values among the thinners used inpainting.
1.

・ 高い塗装品質が得られる．

まえがき

回転霧化静電塗装機は最も効率の良い塗装機の 1 つである．
その塗着効率は 80-90%と，一般のスプレーガンの 30-40%程
1)・ 柔軟な塗料吐出量率対応による膜厚品質，量産安定性．
これらの特長は高価な塗料を大量に使用し，かつ高い塗装品度に対し，効率に 2 倍以上の差がある ．その回転霧化静電質を求める業界の支持を受けており，世界中の自動車生産工

塗装機の特徴を以下に記す．

場で使用され続けている．

・ 塗料の無駄を大幅削減．

安全面と実績に関しては，1941 年に実用化され今日まで，・ 揮発性有機化合物（以下 VOC と記す）の排出削減．

電車や飛行機の翼などの大きなものから小物部品まで，多様・ 等方向性霧化パターン由来の塗装操作性の良さ．
（ロボな塗装に利用されてきた．塗装ブースは，天井から床全面のットでの塗装作業に適する．
）

メッシュに向かって強制換気が施され，可燃ガスが滞留しない環境をつくりだしている．IEC60079 における危険場所のク

キーワード：静電塗装機，汚れ低減，水性塗料，異種多層フ
ィルム，汚れ反発シート, クリーンコート* ABB 株式会社（427-0033 静岡県島田市相賀 948-1 ABB テクニカルセンター)
ABB Technical Center, 948-1 Ohka, Shimada-shi, Shizuoka Pref.
427-0033, Japan** 国立大学法人 豊橋技術科学大学（441-8580 愛知県豊橋市天伯町雲雀ヶ丘 1-1）
National University Corporation Toyohashi University ofTechnology, 1-1, Hibarigaoka, Tenpaku-cyo, Toyohashi-shi,
Aich Pref., 441-8580, Japan / Proceedings of the Institute ofElectrostatics Japan, c/o Center for Academic Publications Japan,2-4-16, Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113, Japan1yukio.yamada@jp.abb.com

ラス分けで考えた場合，Zone 2 のレベルが採用されている2)．
これは「通常作業において可燃ガス・蒸気発生雰囲気になる可能性が低いか，なったとしても短い期間のみである場所」と定義されている．また静電塗装機自体もリスクを減らす取り組みを行っており，高圧ケーブルレスをはじめ多様な保護監視機能や高電圧部の静電容量の低減などを継続的に進化させてきた．
近年，自動車生産において更なる VOC 削減が行われ，溶剤塗料から水性塗料へと代わってきたが，溶剤塗料に比べ電気抵抗が低く誘電率が高いことに起因して塗装機の汚れが増加するようになった．塗装機に堆積した汚れが飛散し塗装面

200(44)

静電気学会誌

第 34 巻Bell cup （High voltage）

Mounting bracket

第 4 号 (2010)

異種多層フィルムは半導電フィルムを 2 枚の Ethylene
tetrafluoroethylene 絶縁フィルム（以下略称 ETFE）で挟み込んだ各 0.1 mm 厚の 3 層構造から成っている．異種多層フィル
ムの汚れ反発効果が得られる理由の 1 つとして，最外層フィルムの表面電位の安定性がある．フィルムの表面に与えられるイオン密度が概ね均一である場合，局所的な表面電位は対A地間の浮遊容量に依存する．単層の絶縁フィルムを使用した
Corona ring

場合，背面に誘電率の大きな絶縁体が存在する箇所では電位が他の部位より下がり帯電粒子への反発力が低下し汚れるという実験結果がある．一方，単層の導電フィルムを配置した

Holder（grounding）

Hetero-multilayer film

場合は浮遊容量の局部ばらつきはなくなるが，見かけの対地容量が大きくなるため，少ないイオン密度で高い電位を得る

A： position of surface potential measured

ことができず汚れてしまう．これに対し，適度な導電率の半Corona ring

導電層を絶縁フィルムの背後に設けている異種多層フィルムでは少ない電荷で安定した高い電位を確保でき，高い汚れ防止効果が得られることが確認されている．

図 1 汚れ防止機構（カートリッジ型回転霧化静電塗装機用）
Fig.1 Contamination reducing system on the electrostatic bellrotary atomizer called “Cartridge-bell”.

3.

実験の目的

この異種多層フィルムは導電体ではないため，その帯電を除電するのは容易ではない。そのため何らかの異常によって異種多層フィルムの帯電が接地物に対し放電した場合を想定に着くと生産不良になるため，塗装機の清掃が頻繁に必要でし，着火に対する安全性を確認することが必要と考えた．そあり，不良撲滅，生産性向上，清掃廃棄物削減の理由から，こで異種多層フィルムからのパルス放電エネルギーのレベル汚れない塗装機が強く望まれている．

を測定し有機溶剤の最小着火エネルギー（MIE）と比べ，その安全性の評価を行った．

2.

汚れ防止機構の概要

筆者らは塗装機と塗料粒子間のクーロン力を利用した汚れ4.

防止機構の開発，実用化を報告した3)．これは以下の 3 種の4.1

要素から構成されている．
（図 1 参照）

使用した表面電位計（春日電気，KSD-0109）は測定対象物

実験方法と結果静電電位計の校正

・ コロナリング： コロナ放電を発生させる．塗装機樹脂が 50 mm × 50 mm の平面として設計調整されているため，今表面，異種多層フィルムおよび吹き戻ってきた塗料粒子

回の測定のように平面でない場合誤差が生じる恐れがある．に負極性帯電を与える．

このため以下の方法で校正した．

・ ブラケット：異種多層フィルムを取り付ける絶縁支持具

異種多層フィルムの代わりにアルミ箔をブラケットに取りである．帯電部から接地部へのリーク電流を抑制する．

付け，既知電圧を印加し，表面電位計とアルミ箔の最短距離

・ 異種多層フィルム： 塗装機の低電位部分を覆い，帯電D を変え表面電位計の表示値を図 2 の通り確認した．本文のを維持する．
（特に着脱容易なようファスナーホック加測定は本校正を適用しすべて D = 10 cm にて測定している．

工を施したものを汚れ反発シートとも呼んでいる．
）

表面電位測定箇所は異種多層フィルムの長手方向の中央でかここで，異種多層フィルムの性能は以下の通りである．

つ Bell cup に向かって真左の位置（図 1 の A 部分）である．

（a） 負極性帯電がしやすい．

測定はすべて塗装ブースの環境を模擬した恒温恒湿チャンバ（b） 抵抗が大きく漏れ電流が少ない．

ー内にて実施した．

（c） 少ない帯電電荷量で高い電位（電界）になる．

4.2（d） 表面の帯電による反発電界がより均一である．

図 3 は異種多層フィルムの帯電飽和時間ならびに減衰特性

通常の絶縁フィルムで覆った場合は表面の電位にばらつきを調査した結果である．静電塗装機に異種多層フィルムを取ができ，これにより反発力が一様でなくなるため，局部的にり付け，静電塗装機に-90 kV を一定の時間印加した後の表面汚れが付着する状態が起きる．

電位を測定した．印加継続時間は 1 分，3 分，5 分，30 分で表面電位の測定

201(45)

異種多層フィルムの帯電安全性の評価（山田幸雄ら）
Time after high voltage shut down (s)Applied voltage [kV]Surface potential (kV)Measured value of the surface potential [kV]

図 2 表面電位計の校正
Fig. 2 Calibration of the electrostatic voltmeter.
Input voltage for the calibration (applied voltage to analuminum foil) vs. readings of the electrostatic
voltmeter with reference to distance between the sensorof electrostatic voltmeter and the hetero-multilayer

図 4 フィルム別の帯電の減衰特性
Fig. 4 Decay characteristics of the surface potential between
each film.
Measured points denote the decay characteristics ofpotential of each film. Each film was attached to theatomizer as the repelling film and voltage was appliedfor 3 min.

Timeafter
highvoltage
voltageshut
shutdown
down (s)
(s)
Time
after
high
330

60

120

180

240

135 mm300

40 mm

Surface
Surfacepotential
potential (kV)
（kV）

-8-10

φ8 mma) Needle electrode-12170 mm-14-16-18-20

applied period: 1 min, measured 5 times
applied period: 3 min, measured 5 times
applied period: 5 min, measured 3 times
applied period: 30 min, measured 1 times

図 3 電圧印加時間別の帯電電位と減衰特性
Fig. 3 Surface charge potential and decay characteristics
with the time difference of applied voltage.
Decay characteristics of charge of hetero-multilayer
film with the time difference of applied voltage tothe atomizer.

b) Blush electrodeφ10 mm30-40 mm
135 mm

φ10 mm

φ25.5 mmc) Sphere electrode
図 5 放電試験に用いた接地電極
Fig. 5 Grounded electrode for discharge tests.

実施し，高電圧停止からの表面電位の経時変化の測定結果である．電圧を印加中は電位計の破損防止と不要な放電の影響

衰時間が短く，単純な帯電容量と漏洩抵抗では説明が付かなを除くため電位計の検出部は接近させず，印加終了後直ちにい減衰特性を示した．一方，異種多層フィルム(Hetero film) は，検出部を対向させ測定を開始した．図中の誤差バーは同一条より安定した指数減衰カーブになっており，高い表面電位を件にて独立測定したデータの±2σの範囲を示している．印

長時間維持し続けている．この減衰特性が異なる原因は，単加時間 1 分では初期帯電電位は他の条件より低いが，3 分間層や 2 層フィルムでは，電荷疎密が著しく，より高い電界を以上印加すれば帯電は飽和するものと判断される．また外挿有する部位からの局所的な気中コロナが発生するためである

により，表面電位の絶対値は 20 kV 以下と推察される．と考えている．異種多層フィルムでは中層の半導電シートが図 4 は先の測定と同じく電圧印加停止後の表面電位の経時導電体のように電位勾配を完全に打消しはしないが，絶縁体変化である．帯電から測定までの一連の作業を各種フィルムに比べより変化の少ない電位になっているため表面でコロナに対し各 10 回前後くり返して平均値を結んだラインと 2σの放電が発生しにくいと考えられる．

範囲を記したグラフである．各フィルムとも印加停止 3 秒後4.3の表面電位に顕著な差は見受けられない．しかし電位の減衰

高電圧印加中に何らかの原因で接地物が異常接近した場合，放電電流の測定特性は大きく異なり，単層（Single），2 層(Double) ETFE の 2

高電圧コントローラーは充電電流の変化に反応し，火花放電

種類のフィルムは共に表面電位が-10 kV 以下では電位の減に至る前に電源停止し放電接地するが，表面が絶縁物である

202(46)

第 34 巻静電気学会誌

第 4 号 (2010)

6a8a50 ms
50 ms

2.5 mA

0.5 mA
6b8b
1 ms

0.5 mA

6c

A

1 mA

5 ms

A
1 μs

0.25 mA8c

図 6 針接地電極への異種多層フィルム放電電流の例
Fig. 6 Example of the discharge current from the hetero-multilayer
film to the needle electrode.
6a: Example of long-term measurement
6b: Example of medium-term measurement
6c: Example of short-term measurement
7a1 mA1 μs

図 8 球接地電極への異種多層フィルム放電電流の例
Fig. 8
Example of the discharge current from theheterogeneous multilayer to the sphere electrode.
8a: Example of long-term measurement
8b: Example of medium-term measurement
8c: Magnified waveform of Pulse-A in 8b

した．まず，コロナリングに-90 kV を 3 分間印加し異種多層50 ms

フィルムに帯電を施す．続いて電源遮断直後サーボモーター

0.05 mA
7bで異種多層フィルムへ 1 m/s の速度で電極を接近させ放電電流を観測した．接地電極には図 5 に示す針状，ブラシ状，球状の 3 種類を用いた．電流検出には 20 kΩの無誘導抵抗を用
いメモリースコープにて波形を採取した4)．

0.05 mA

1 ms

図 6 から図 8 に放電波形例を示す．針電極とブラシ電極で7cは小さな放電が多数見受けられる．針電極のほうがパルスの波高値が大きい．球電極は電界が小さいため，放電を開始する絶縁距離が近く，スパーク時により大きな電流パルスが発生する傾向がある．

0.05 mA

1 μs
5.

放電の着火に対する安全性評価

帯電物が導電体の場合は一斉に放電するため帯電の全エネ
図 7 ブラシ接地電極への異種多層フィルム放電電流の例
Fig. 7 Example of the discharge current from the heteromultilayer film to the blush electrode.
7a: Example of long-term measurement
7b, 7c: Example of medium-term measurement

ルギーをもって着火の危険性の評価をするが，絶縁フィルムからの放電着火に対する評価基準は明確ではない．意図的に一斉放電させようとしても簡単なことではない．そこで，後述する評価方法を提案し，異種多層フィルムの帯電が使用環異種多層フィルムには帯電が残っている．この帯電による放境において着火源となり得るか評価した．

電着火のリスクを考察するため，異種多層フィルムから接地5.1物に放電させ，電流波形の積分から放電電荷量を得ることに点火（着火）とは燃焼の発生のことであり，燃焼とは発熱着火エネルギー

異種多層フィルムの帯電安全性の評価（山田幸雄ら）を伴う熱化学反応で，発生する熱エネルギーや活性化学種によって自発的に反応が継続される現象と定義されている．
火花放電による初期火炎核からの火炎伝播により，熱粒子や荷電粒子，活性化学種（以下まとめてラジカルと呼ぶ）の生成が行われる．それらが一定量以上できると安定な火炎球に成長し燃焼反応が継続進行する．火花の点火エネルギーを203(47)丸めて評価することとした．

  2n  2n  2n n  D 2  2  2 tyz  x



(1)

2
 2D

小さくしてゆくと，初期火炎核から安定な火炎球に成長する(2)
リーダーチャネルの中心に存在した荷電粒子がその半径の速度がしだいに低下し臨界値以下では火花エネルギーは熱伝

0.5 mm に均一に拡散する時間があれば，リーダーチャネルの導によって単に消散するだけになり，火炎が伝播しなくなる．

範囲から一番逃げにくい中央部の荷電粒子も範囲外に到達で5)

この臨界値が最小点火（着火）エネルギーと述べられている ．

き，続く放電に関与しないと考え (2) 式に ℓ=0.05 cm，拡散

ただし最小着火エネルギーは一般に定められた試験器具の係数 D には 20℃の窒素分子の自己拡散係数 D=0.20 cm2/s 6）

電極間距離や，放電回路定数などの条件で測定された値となを適用すると緩和時間τ＝1.3 ms が得られた．っており，多くの因子の影響を受ける値である．同一量エネ

いま，n+1 回の多重パルス放電が発生し，最後にエネルギルギーであっても与える体積でラジカルの発生量や温度上昇

ーE0 の放電が起きたとき，それ以前の放電の影響を考える．

は異なる．しかしながら実際にこうした伝播させる体積を規

1 つ前の放電エネルギーとパルス間隔を E1，T1，2 つ前の放定するのは難しく，現実的でない．

電エネルギーとパルス間隔を E2，T2 とすると n 回前の影響を5.2考えた等価エネルギーE は，多重パルス放電の評価方法

多重パルス放電は同一場所で発生したほうが，離れた場所

E= E0+ E1･exp(-T1 /τ)+E2･exp(-(T1+T2)/τ)+・・・・・・+En･exp(-(ΣTn)/τ)で放電した場合より少ない放電エネルギーで着火が起こりや（3）すいと考えた．以降は，多重パルス放電での着火可能性を考となる．また，放電エネルギーと時間間隔がすべて同じで E0える際は安全側に放電が同一位置で生じているものとして考と T と仮定した場合は，E= E0 (1+∑exp(-nT /τ) ) = a･E0えることとする．
1 発の放電パルスによるエネルギーE1 が系に注入され，ラ（4）として表される．

ジカルが生成され，次の放電までの休止時間に拡散し，そのこの（4）式の係数 a をグラフ化すると図 9 となる．このグ残存割合を k とした場合，次の E2 の放電時にその影響は，k･ラフからパルスの時間間隔から導いた減衰率 exp(-T/τ)の値E1 と考えられる．この k･E1 が E2 に重畳して着火に寄与すが 0.7 程度であれば 10 回以上前のパルス放電の影響は無視でると考え，これを等価エネルギーとして着火可能性を評価すきることが判る．また，放電のパルス間隔がτの 1/10 程度のることとした．

短い周期の繰り返しパルスが永久に続いたとしても，10 倍の拡散方程式である(1)式はフィックの法則と粒子数保存則等価エネルギーで飽和することが判る．

から得られるものである．この式から(2)式の長さ ℓ の円筒直ただし多重パルス放電でリーダーチャネルが幾何学的に一線系での拡散緩和時間τが導かれる．いま，パルス放電が発致しているという条件や，実際の放電に伴う熱粒子の拡散速生したとき，放電エネルギーに比例した数のラジカル粒子が度がより速い点，電界による力と外気流速を考慮していないリーダーチャネルを中心に生成される．生成されたラジカルことから考え，実際よりもかなり前駆放電の影響が残りやす粒子は経過時間とともに拡散し，リーダーチャネル経路内のく安全側に見積もられるものと考えられる．

ラジカル粒子密度は t 時間経過後には exp(-t/τ)まで減衰して6)-3

ここで，n=n(x,y,z,t)は粒子の数密度 cm ，いると考えられる ．
25.3

着火に対する安全性の評価

塗装に取り扱われかもしれない溶剤で着火エネルギーがよ

また D は拡散係数 cm /s であり，物質，温度に固有の値であり小さなものにノルマルヘキサン 0.24 mJ や酢酸エチル 0.35

る．

mJ などがある．多重パルス放電が発生した場合，こうした値

このとき荷電粒子の移動距離はリーダーチャネルの半径として考えた，Kurimoto らは大気中の不平等電界のギャップでのリーダーチャネルの大きさをシュリーレン法により測定し，
7)より等価エネルギーが下回るかどうかで安全性を判断できるものと考えた．
最も波高値の大きなパルスであった図 8 の球接地電極への直径 0.6 mm で飽和するとの報告している ．また，Gibret ら放電を考察してみる．数十回の観測中最も大きな第 1 波目のも同様な計測からリーダーチャネルの物理特性を明らかにしパルスの最大電荷量は積分より Q = 5.1 nC と算出された．ま8)ており空気中では 0.54 mm の径を導き出している ．こうした，3.2 項の表面電位の計測結果から安全側に V = 20 kV と絶た測定例から，リーダーチャネルの直径を安全側に 1 mm と対値で考えると，1 波目の放電エネルギーは E1 = 1/2･QV = 51204(48)

静電気学会誌

第 34 巻

第 4 号 (2010)

Equivalent total energy [μJ]60.050.040.030.020.0
10.00.00

1234567Time [ms]図 9 放電パルスの間隔 T と緩和時定数τから得た減衰率ごとのパルス放電総数と放電の履歴影響度
Fig. 9 Multiple factor of previous discharge vs. the decay
rates which was calculated from interval time
between each discharge pulse T and relaxation time
constant τ.

図10 球接地電極放電波形図 8b の複数パルス重畳による等価エネルギー
Fig. 10 Equivalent energy calculated from superimposed
pulse of discharge pulse at the sphere electrodein Fig. 8b.

着火エネルギー（MIE）と比べ安全性を評価した．異種多層フィルムからの等価放電エネルギーは，ノルマルヘキサンのMIE に比べ，十分小さく，着火の危険性はないと評価できた．

μJ と算出された．続いてパルスを（3）式にて考慮すると，
図 8b の 2 波目の時点では 30 J，3 波目では 20 J，以下 12 J，また次の特性がわかった．
(1)

異種多層フィルムの帯電電圧は単層フィルムと大差な7 J 相当の等価エネルギーとして得られる．その等価エネル

かったが，表面電位が-10 kV より低い電位のもとではギーの変化は図 10 で表わされる．
いずれの等価エネルギーも異種多層フィルムの帯電緩和が他のフィルムより遅い．

溶剤の着火エネルギーに比べ 1 桁低いことがわかる．
続いて，図 6 の針電極に関して考察してみる．パルスの間(2)異種多層フィルムに接地電流は間欠パルスになり，1 波のエネルギーとしては球電極が最も大きい．

隔は図 6b のとおり 1 ms 強であり，1 波の放電電荷量は観測中最大のものでも 1.1 nC であり，11 J 相当であった．パル
ス間隔 T = 1.0 ms, τ=1.3 ms より exp(-T /τ)の値は 0.46 となる．図 9 から近い値の 0.5 の曲線を拾うと，パルス 5 発程度で十分飽和に達し，1 パルスの 2 倍を等価エネルギーとして考えれば良く 22 J と評価される．また，図 7 のブラシ電極の場合はパルス間隔が図 7c のとおり 1 ms 前後でばらついている．1 パルスのエネルギーを 2 J，パルス発生周期を 0.6 msとして安全側に考慮すると，exp(-T /τ)＝0.63 より，図 9 から 0.7 の曲線で確認すればよい．
10 パルスで十分飽和に達し，1 パルス分のエネルギーの 3.3 倍の等価エネルギーとして取り扱え，6.6 J と評価される．
6.

まとめ帯電した異種多層フィルムのからの接地放電電流に対し，粒子拡散，リーダーチャネルの大きさを考慮した間欠パルス放電の等価エネルギーの算出方法を提案し，有機溶剤の最小

参考文献
1) K. Toda, Y. Tanigawa, G. Kusunoki and T.E. Quinn: “Toyota’s
Bell Application System For Waterborne Metallic Base Paint
Main Features Of The Toyota Expanded Paint Shop InKentucky”, IBCE’94 Automotive Body Painting, p.53(1994)
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ignitable liquid coating material - Safety requirements, EN50176:2009
3) Y. Yamada, T. Imanishi, S.Yasuda, O. Yoshida, A. Mizuno: IEEETrans., 16 (2009) 641
4) 独立行政法人労働安全衛生総合研究所著：労働安全衛生総合研究所技術指針 JNIOSH-TR-NO.42, p.96, 社団法人産業安全技術協会 (2007)5) 水谷幸夫：燃焼工学, p.22, 森北出版 (2002)
6) 電気学会放電ハンドブック出版委員会編: 放電ハンドブ
ック, 上巻, p.61, オーム社(1998)
7) A. Kurimoto, O. Farish and D.J. Tedford: Proc. IEE, 125, 8(1978) 767
8) K. Gibret, O. Farish and P. Bayle: J. Phys. D; Appl. Phys., 16(1983) 1493