静電気学会誌，39, 6（2015）263-268

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

電気集塵装置の集塵率と荷電部接地電極長の関係
川田 吉弘 ，清水 洋隆 ，大井 悟 ，瑞慶覧 章朝
＊, 1

＊

＊＊

＊＊

（2015年3月16日受付；2015年10月8日受理）

Relationship between Collection Efficiency andPre-charger Grounded Electrode Length in Electrostatic Precipitator
＊, 1

＊

＊＊

Yoshihiro KAWADA , Hirotaka SHIMIZU , Satoru OOI＊＊

and Akinori ZUKERAN（Received March 16, 2015; Accepted October 8, 2015)
Electrostatic precipitators are used to improve air pollution. Electrostatic precipitation consists of two main processes, which
are charge process for charging suspended particles by corona discharge and collection process for collecting charged particles
by Coulomb force in electric field. Two-stage type electrostatic precipitators consist of a pre-charger as charge process and acollector as collection process. Power consumption in charge process is higher than that in collection process due to corona
discharge. The aim of this study is to clear the relationship between collection efficiency and grounded electrode length at the
pre-charger. The pre-charger of this present version electrostatic precipitator is applied negative dc high voltage, and thengrounded electrode length was changed from 20 mm to 240 mm. Two different types of air gaps between a wire electrode anda grounded plate electrode are tested. As a result, collection efficiency has a peak value for suitable grounded plate electrodelength under the same conditions of air gap and power consumption.

1．はじめに高電圧ワイヤ電極を接地円筒電極の同軸中央に配置する

F.G.Cottrell が電気集塵装置を産業応用してから 100 年以

構造などがある．一方，荷電をコロナ放電場，集塵は下上が経つ．その間に，接地電極の大きさは 1 辺が数十メー

流の静電場で行うのが 2 段式の電気集塵装置である．前

トルの火力発電所用集塵装置から，1 辺が数センチメートル

者は高濃度の煤塵を対象とし，大型のボイラーやプランの家庭用空気清浄機まで，様々な分野に利用されてきたトなどの設備

．

1-2）

10）

に使用されることが多い．また後者はそして近年，電気集塵装置の更なる適用場所の拡大や，省

低濃度の煤塵を対象とし，大型の設備としては道路トン

エネルギー，小型化に関する研究が行われている

ネル用の除塵装置 ，小型の装置としては家庭用の空気

．

3-5）

11）

電気集塵装置は，吸引した浮遊する粒子を帯電させ，帯電粒子はクーロン力により移動した後，電極表面に付着することで捕集される．沿面放電清浄装置に適用した例がある．

12）

二段式電気集塵では，コロナ放電を利用している荷電8）部における消費電力の割合が高い．一定消費電力のもとや荷集塵率を増加させるためには，通過する粒子の帯電量を電部とバグフィルタを組み合わせた静電界を用いない集増加させる必要があり，荷電部の電極構造の最適化が課

塵の例もあるが，一般的に，粒子の荷電には直流やパル題となる．荷電部の放電極形状については，ワイヤ電極

ス電圧を印加することにより発生したコロナ放電，捕集の間隔，ワイヤに刺を設けた電極には静電界が用いられる．荷電と集塵をコロナ放電場で平板電極 ，さらにエッジを互い違いに鋸刃状にした電行うのが 1 段式の電気集塵装置であり，高電圧電極をワ

極 ，刺のついた平板 などの研究や実用例がある．また，イヤ電極等とし，接地平板電極の中央に配置する構造や，

ボクサチャージャ のような通過粒子に高い帯電量を与

6-7）や電子ビームを使った荷電方式，荷電部とサイクロン式集塵部

9），エッジを設けた13-14）

15）

16）

17）

18）

え，かつ帯電粒子が電極に付着することを防ぐため，接キーワード：電気集塵，コロナ放電，荷電，帯電，集塵率＊
職業能力開発総合大学校 能力開発院 新成長分野系（〒187-0035 東京都小平市小川西町 2-32-1）
Polytechnic University, 2-32-1, Ogawanishimachi, Kodairashi，Tokyo 187-0035, Japan＊＊
神奈川工科大学 工学部 電気電子情報工学科（〒243-0292 神奈川県厚木市下荻野 1030）
Dept. of Electronic and Electrical Engineering, Kanagawa
Institute of Technology, 1030 Shimo-ogino, Atsugi-shi,
Kanagawa 243-0292, Japan
1
kawada@uitec.ac.jp

地電極がなく，主電圧と励起電圧を組み合わせた荷電部電極構造や，荷電部の接地極形状に関する研究として，四本の円筒接地電極（四重極）の中央に高電圧ワイヤ電極を配置し，通過する粒子の帯電量を増加させる研究

19）がある．また，接地平板電極上の放電電流密度やガス流速とイオン風に関する研究

20-23）もある．荷電部が高電圧

ワイヤ電極と接地平板電極で構成される場合，接地電極上の電流密度やイオン風が届く距離から，接地電極長は電極間隔（高電圧電極－接地電極間）の 3 倍程度で良い264（42）と考えられる

静電気学会誌 第39巻 第 6 号（2015）．しかし，接地電極長と消費電力，

20-22, 24）

集塵率の関係を示した報告はあまり見かけない．
本研究では，荷電部の接地電極の長さが，コロナ放電
電流，および集塵部を含めた装置全体の集塵率に与える影響について検討するために，二段式の電気集塵装置を製作し，実験を行った．

2．実験方法2.1 試験用電気集塵装置

図 2 集塵部電極構造概略図
Fig.2 Schematic structure of collector.

本研究における計測対象粒子は，粒径範囲 0.3-5.0 μmの室内に浮遊する塵埃とした．試験時における室内の粒
子個数濃度を表 1 に示す．粒径範囲 0.3-0.5 μm の粒子数
は，計測対象粒子のうち 9 割以上を占める．また，粒径5.0 μm 以上の粒子については，計測対象外とした．
電気集塵装置下流に設けたファンで室内大気を吸引し，電気集塵装置内を流通させることで浮遊する粒子を処理する．試験用の電気集塵装置は 2 段式とし，通過粒子を帯電させる荷電部と帯電された粒子を捕集する集塵部から構成される．荷電部の電極構成を図 1 に示す．
（A）の荷電部は高電圧印加用のワイヤ電極（直径 0.26 mm，
長さ 240 mm，タングステン線）を 2 枚の接地電極（厚図 3 荷電部と集塵部の配置図およびサンプリング位置
Fig.3 Layout sketch of pre-charger, collector and sampling
positions for particle concentration.

さ 1 mm，
アルミニウム板）の中心に配置する構造とした．

直流負極性 7～15 kV とした．また（B）はワイヤ電極とワイヤ電極と平板電極の間隔は 15 mm（以降，エアギャ

平板電極の間隔 7.5 mm（以降，エアギャップ 7.5 mm とップ 15 mm と呼ぶ）であり，接地電極のガス流方向の呼ぶ）の場合であり，基本的に（A）と構造は同じである

長さを 20～240 mm の範囲で変化させた．印加電圧は，が，接地平板電極長は 10～80 mm の範囲で変化させ，

表 1 試験時の入口平均粒子濃度
Table 1 Average particle number concentration at upstream ofelectrostatic precipitator.

Particle Size Range
0.3-0.5 μm
0.5-1.0 μm
1.0-2.0 μm
2.0-5.0 μm> 5.0 μm

Ave. Concentration［ Number/L ］
4
6.16 × 10
3
4.52 × 10
2
7.15 × 10
2
1.99 × 10
1.41 × 10

印加電圧は直流負極性 5～8 kV とした．集塵部の電極構造を図 2 に示す．同一サイズ（縦 240 mm，横 300 mm
一定．ステンレス製）の高電圧印加用平板電極と接地平板電極が交互に並んだ平行平板電極構造であり，電極間隔 15 mm 一定，高電圧印加用平板電極には直流負極性
13 kV を印加した．荷電部と集塵部の配置を図 3 に示す．
電気集塵装置内のガス流速は平均 2 m/s とし，上流側に荷電部，その下流側に集塵部を配置した．電気集塵装置の上流及び下流において，流通ガスの一部を吸引し，粒子濃度を測定した．粒子濃度はパーティクルカウンタ（リオン製 KC-01C ）を用いて 10 分間測定し，粒径範囲 0.35 μm の粒子個数濃度で評価した．測定した粒子濃度か
ら式（1）を用いて集塵率を算出した．

× 100［％］（1）（1- 入口粒子個数濃度 N ）集塵率 η =

出口粒子個数濃度 Noutin

2.2 接地電極上の電流密度計測
接地電極上の電流密度分布測定方法を図 4 に示す．電図 1 荷電部電極構造概略
Fig.1 Schematic structures of pre-charger.

流密度分布の測定はエアギャップ 15 mm のみとした．図（1 A）に示した接地平板電極の片側を電流密度測定用電極

電気集塵装置の集塵率と荷電部接地電極長の関係（川田 吉弘ら）

265（43）

図 4 接地平板電極上の電流密度分布の測定法
Fig.4 Discharge current density distribution on grounding
electrode with corona discharge.

とした．この電極は，アクリル板上に幅 4.5 mm 長さ 240
mm のアルミ箔電極（厚さ 12 μm 程度）を 0.5 mm の間隔で貼り作製した．接地平板電極長に応じてアルミ箔電極の本数も変更した．1 本のアルミ箔電極に流れる電流値を，電流計（ Agilent 社製，型式 U1232A ）で計測し，アルミ箔電極の面積から電流密度を算出した．このとき，
電流計が接続されていないアルミ箔電極は接地とした．

3．結果及び検討
3.1 接地電極長に対する印加電圧と放電電流の関係

図 5 印加電圧と放電電流の関係
Fig.5 Discharge currents as a function of applied voltage for（ a ）Air Gap 15 mm and（ b ）Air Gap 7.5 mm.

エアギャップ 15 mm および 7.5 mm における，接地電極長に対する印加電圧と放電電流の関係を図 5 に示す．
放電開始電圧は，エアギャップ 15 mm で 7.0 kV，エアギャップ 7.5 mm で 5.1 kV であった．いずれのエアギャ
ップも，接地電極を長くするほど，同一印加電圧時の放電電流は増加する．ただし，エアギャップ 15 mm では
電極長 40 mm 以上，エアギャップ 7.5 mm では電極長 25mm 以上において，放電電流は接地電極長の影響を大き
くは受けない結果となった．
接地電極長がコロナ放電電流に影響を与えることから，荷電部接地電極上の電流密度分布について検討した．
接地電極上の電流密度分布の実験値と計算値を図 6 に示
す．放電電力は 2 W 一定，エアギャップは 15 mm とし，電極を外れた点の電流密度は零とした．x = 0 における
値は，挟まれる両側にあるアルミ電極の平均値とした．
また平板上の電流密度に関する計算値は，大久保氏らが実験より導いた式（2）を用いた ．本式は，コロナ放電
22）

が活発な場合において，規格化したコロナ電流密度分布
は，放電線直径や印加電圧に依存せず，相似則が成り立つことを示している．
（2）

図 6 接地平板電極上の電流密度分布
Fig.6 Discharge current density distribution on groundedelectrode in corona discharge.

圧電極と接地電極のエアギャップを示す．電流密度 JP
は実験値を用いた．

ここで，JP は高電圧電極直下（ x = 0）の電流密度，J

実験値より，ワイヤ電極直下の電流密度は高く直下かは高電圧電極直下から x 離れた時の電流密度，D は高電ら離れると減衰するが，電極端まで電流が流れている．

266（44）

静電気学会誌 第39巻 第 6 号（2015）

また計算値と実験値は同じような特性であることから，ワイヤ直下から離れた場合の電流密度の減衰は，アルミ
箔電極の間隙（0.5 mm ）の影響は無視でき，実験値が理論通り減衰したことを示している．
例えばエアギャップ 15 mm において，接地電極が極端に短い電極長 20 mm の場合，図 5 より同一電圧印加時において，他の電極長と比べ放電電流値は低い．これ
は接地電極が短くワイヤ周辺の電気力線の集中が緩和されていることが原因と考えられる．一方，接地電極が40 mm 以上になると，高電圧電極直下の電流密度は僅かに低下し，一方で電極端まで電流が流れることが図 6 において示された．つまり接地電極を長くするほど，平均図 8 エアギャップ 15 mm，電極長 40 mm 一定における集塵率と電極長の関係
Fig.8 Collection efficiency as a function of grounded electrodelength for various particle size range with air gap 15 mm
and grounded electrode length 40 mm constant.

電流密度は低下した．
この電流密度分布から，コロナ放電空間を粒子が通過し示した．以降の試験において，電極上における捕集粒子

た場合の荷電を考察する．接地電極が短い場合，印加電の凝集，および再飛散現象が発生した場合でも安定した

圧と電流密度が他の条件より高いことは荷電に対し有利と集塵率を測定できるよう，広い粒径範囲 0.3-5.0 μm におなるが，電流密度の高い空間は狭く，滞在時間が短いといける集塵率を用いて議論を進める．ただし，図 7，8 でう欠点もある．一方，接地電極が長い場合，滞在時間が示すように，電気集塵装置における凝集・再飛散現象は長い利点はあるが，平均電流密度は低下する．これらのほとんど起きておらず，捕集粒子は粒子径が大きくなる予測を基に，次項では集塵特性について検討を行う．

に従い，高い集塵率を示した．

3.2 対象粒子の粒径範囲に対する集塵率3.3 接地電極長と集塵率の関係

エアギャップ 15 mm における，対象粒子の粒径範囲

エアギャップ 15 mm における放電電力と集塵率の関係

が集塵率に与える影響について検討する．放電電力 3 W

および荷電部接地電極長と集塵率の関係を図 9 に示す．

一定における集塵率と電極長の関係を図 7 に示す．粒径

電力 3 W 以上において電極長 50 mm の集塵率が高く，2.0 μm 以上では，ほぼすべての粒子が捕集された．またまた電極長 40～50 mm 付近に集塵率の最大値があった．

粒径範囲 0.3-5.0 μm と幅広く設定した場合，粒径範囲

一方，エアギャップ 7.5 mm における放電電力と集塵率

0.3-0.5 μm の粒子の集塵率とほぼ同じ傾向を示した．一の関係および荷電部電極長と集塵率の関係を図 10 に示方，電極長 L = 40 mm 一定における，集塵率と放電電力

す．一定 放 電 電 力において，電 極 長 25 mm および 40の関係を図 8 に示す．低い放電電力でも粒径 2 μm 以上

mm において高い集塵率となり，いずれの電力においての大きい粒径の集塵率は高く，ほぼすべての粒子が捕集も電極長 25 mm が極大値であった．15 mm，7.5 mm どちされた．図 7 同様，粒径範囲 0.3-5.0 μm における集塵率らのエアギャップにおいても，エアギャップの約 3 倍のは，粒径範囲 0.3-0.5 μm における集塵率と同様の傾向を

接地平板電極長において，集塵率が極大値を持つことから，荷電部接地電極に最適な長さがあると言える．また，
図 9 の集塵率と電極長の関係では，エアギャップ 15 mmにおいて 80 mm まで電極を長くしても集塵率は増加していない．一方，図 10 のエアギャップ 7.5 mm における集塵率と電極長の関係では，電極長 35 mm 以上で再び集塵率が増加している．そこで，エアギャップ 15 mm においても電極を長くした場合，電極長 80 mm 以上において，再び集塵率が向上するか，確認のための試験を行った．
エアギャップ 15 mm，消費電力 3 W 一定，接地電極

図 7 エアギャップ 15 mm 放電電力 3 W 一定における集塵率と電極長の関係
Fig.7 Collection efficiency as a function of grounded electrodelength for various particle size range with air gap 15 mm
and discharge power 3 W constant.

長を最大 240 mm とした場合，荷電部接地電極長に対する集塵率の変化を図 11 に示す．図 10 のエアギャップ
7.5 mm における電極長 30 mm 以上の集塵率の傾向と同様に，エアギャップ 15 mm において接地電極を 240 mm

電気集塵装置の集塵率と荷電部接地電極長の関係（川田 吉弘ら）

図 9 放電電力および荷電部接地電極長に対する集塵率の変化（エアギャップ 15 mm ）Fig.9 Collection efficiency as a function of pre-charger electrodelength and discharge power（ Air Gap 15 mm）.

267（45）

図 10 放電電力および荷電部接地電極長に対する集塵率の変化（エアギャップ 7.5 mm ）Fig.10 Collection efficiency as a function of pre-charger electrodelength and discharge power（ Air Gap 7.5 mm）.

領域 B では，図 5 より，電極長の増加に関わらず，同
一印加電圧時の放電電流はほぼ一定であった．また図 6より，接地電極を長くした場合，電極上の電流密度は低下する．通過する粒子の放電空間における滞在時間は増加するが，電流密度低下の影響により帯電量は低下し，集塵率は低下したと考えられる．例えば諫早氏による鋼球落下法を用いた研究

では，線対平板構造のコロナ

23, 25）放電空間に鋼球を通過させ，鋼球の帯電量を測定してい図 11 荷電部電極長に対する集塵率の変化
Fig.11 Collection efficiency as a function of grounded electrodelength in pre-charger.

る．接地電極を長くした場合，外部からの電流に変化がまで長くした場合，集塵率は向上した．以下に，集塵率時に接地電極を長くした場合，領域 A においては，放電の領域を A，B，C と分けてそれぞれを考察する．

電流は増加するが，領域 B では放電電流はほとんど変わなくても，空間電荷密度が低下し，通過する鋼球の帯電量は低下することを実験で導いている ．同一放電電力
23）

領域 A では，図 5 に示す通り，他の条件に比べ，同らない．その点からも，接地電極を長くした場合，領域一印加電圧における放電電流値は低いが，図 6 のように，B における電流密度低下の割合は，領域 A よりも大きい．

接地電極上の電流密度は高い．放電電力を一定とし，か以上の考察より，領域 B では，接地電極を長くした場合，

つ接地電極を長くした場合，放電電流は増加することか通過する粒子は，放電空間への滞在時間は長くなったが，ら，その分，印加電圧を低下させる．接地電極面積は増

放電電流密度が低下し，帯電量は低下したと考えられる．

加するが，放電電流が増加していることから，接地電極

領域 C においては，接地電極を長くした場合，集塵率上における電流密度低下の割合は大きくないと考えられは向上する．荷電部の接地電極面積が増加したことから，る．一方，接地電極を長くしたことで放電空間が広がり，帯電した粒子の捕集量も増加したと考えられる．

通過する粒子の滞在時間が増加したことから，粒子の帯電量が増加し集塵率は増加したと考えられる．

以上より，エアギャップ 15 mm における電極長 40 mm，
エアギャップ 7.5 mm における電極長 25 mm が，図 11 に

268（46）

静電気学会誌 第39巻 第 6 号（2015）

おける領域 A と B の境と同様，同一放電電力おいて最も高い集塵率を示したと考えられる．また，図 11 における領域 A と B の間の電極長を用いることで，放電電力に対する粒子の帯電量は増加し，効率のよい電気集塵装置を構築できることが示された．

4．おわりに二段式電気集塵では，帯電粒子を捕集するプロセスよりも，浮遊粒子を荷電するプロセスに多く電力が費やされる．そこで，一定消費電力のもと集塵率を向上させる
ため，荷電部接地平板電極長が，装置全体の集塵率に与える影響を検討した．
荷電部の接地平板電極をエアギャップに比べ長く（エアギャップ 15 mm 時に接地電極長 240 mm ）すると，帯電粒子が捕集され，集塵率も上昇する．ただし，本条件は実用的でなく，小型化の目的から外れる．
小型化も目的とした今回の試験では，同一放電電力の場合に最適電極長はエアギャップの約 3 倍に最適値を持つことが改めて示された．接地平板電極が最適値より短い場合，通過する粒子の滞在時間が短いことから帯電量が低下し，集塵率も低下する．一方，接地平板電極が最適値より長い場合は，ワイヤ電極直下から接地電極端まで広く放電電流が流れることから，電流密度は低下する．
電極端の電界が弱い部分にも電流は生じることから，帯電に寄与しない放電電流も生じ，通過する粒子への帯電量が低下する．これらの現象により，最適な接地電極長が存在すると考えられる．
ただし，帯電に寄与しない放電電流が生じる点については，接地電極上の電流密度からの検討であり，今後，
空間電荷密度分布および電界分布を重ね合わせた解析により検討を進める．
謝辞
本研究に卒業研究として従事された，平成 24 年度神
奈川工科大学卒業生の山本訓大氏，水野皓介氏，清野翔
太氏に感謝いたします．
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