静電気学会誌，41, 2（2017）99-104

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

ホール電極におけるイオン風速度
宮下 皓高 ，江原 由泰 ，榎本 譲 ，乾 貴誌
＊, 1

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（2016年11月9日受付；2017年1月17日受理）

Study of Ionic Wind Velocity induced by Hole Electrode System
＊, 1

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Hirotaka MIYASHITA , Yoshiyasu EHARA , Joe ENOMOTO＊＊

and Takashi INUI

（Received November 9, 2016; Accepted January 17, 2017）
The electrohydrodynamic（ EHD) phenomenon is generated by applying a high voltage and the ionic wind is caused by thecorona discharge. Therefore, an investigation of the ionic wind is necessary to improve the performance of electrostatic
precipitator（ ESP) and to develop an EHD pump. In this paper, the characteristics of the ionic wind are presented at various
pore sizes. The experimental system is composed of a needle discharge electrode and a plate electrode. The needle discharge
electrode was installed above the hole. The values of the gap distance between the electrodes were 5, 8, 10, 15, 20, and 30 mm
and the values of the pore size were 5, 8, 10, 13, 20, and 30 mm. It was determined that the ionic wind increases withincreasing discharge current. Furthermore, in case the ratio of pore size to gap distance is 1, the ionic wind reached amaximum value. The fastest ionic wind observed was Φ20.

1．はじめに

JP：電流密度，D：電極間隔

コロナ放電は様々な分野に用いられており，その中でµ i：イオン移動度，ρ g：ガス密度もコロナ放電下における物質の輸送はコロナ放電応用の一つとして関心が高まっている．コロナ放電下では，一電気集塵装置（ electrostatic precipitator：ESP ）の内部

次 流 の 他 に， 電 気 流 体 力 学（ Electrohtydrodynamicis：

では，一次流（ガス流）の他に，流体に高電圧を印加しEHD ）による二次流が発生することが知られている．

た際に生じる EHD 効果が粒子挙動に影響を与えること

この電気流体力学現象はイオン風として知られており，が知られている ．

イオン風は発生に必要な部品数が少ないことや，コント

4）

電界強度 6 kV/cm の場合，イオン風速は実験によるとロールが容易なことが利点である ．コロナ放電が発生

最大値は 8 m/s

するに伴い多量のイオンが生じ，このイオンにクーロン処理の ESP 内の気流にイオン風が関与すると考えられ力が作用して対極に移動する．この場合に大気中の中性る．ESP 内では粒子の帯電機構にコロナ放電を用いてい粒子と衝突を繰り返してイオン移動エネルギーを中性粒るため，必ずイオン風が発生する．そのため，イオン風子に与えて，イオンおよび中性粒子はともに対極に向かを解明することで，粒子挙動の把握および ESP の性能って移動する．これらの移動現象が風であり，イオンに向上が期待できる．

1）

起因しているのでイオン風と呼ばれる ．イオン風速は2）5）にもなると言われているので，低風速

また，イオン風を利用した装置として EHD アクチュ
エータや EHD ポンプがある式（1）で表される ．
3）

．これらは平行平板電極6，7）の間に高圧電極を設置することで，イオン風を発生させ（1）る構造である．イオン風速式に直接含まれていない接地電極の形状などのイオン風速への影響を検討すること
は，コロナ放電応用機器の新たな基礎データの蓄積とな

キーワード：イオン風，コロナ放電，電磁流体力学，電気集塵装置＊
東京都市大学（〒158-8557 東京都世田谷区玉堤 1-28-1）
Tokyo City University, 1-28-1, tamazutsumi, setagayaku,
Tokyo 158-8557, Japan＊＊
富士電機株式会社（〒 191-8502 東京都日野市富士町 1 番地）
Fuji Electric CO., Ltd, 1banchi, hujityou, hinoshi, Tokyo
191-8502, Japan1
1g1691302@tcu.ac.jp

るであろう．
イオン風の計測および解析に関しては様々な方法があり，これに関する報告がなされている．M. Robinson はイ
オン風速度が印加電圧にほぼ比例することを示した ．
8）

また，川崎氏らはシュリーレン法を用いて，針－平板電極において，イオン風のコアが針電極から針直下方向に形成されることを示した ．大山氏はシリコーンオイル
9）の煙霧を用いて，気相 EHD 現象を観測した．EHD 現象による気流の乱れが電極軸を対象にほぼ定常であり，針100（34）

静電気学会誌 第41巻 第 2 号（2017）

電極先端から平板電極へ流れが向かうことを明らかにした ．大久保氏らは Alternating Di-rection Implicit method
10）法を用いて ESP 内の流れ場を計算した．渦が発生していない場合の速度分布は放電線近傍で速く，渦が発生している場合は渦近傍で速度が速いことが示された ．
11）

イオン風速は電流密度や電極間隔などの式（1）に示される要因が影響する．実際の ESP では電極構造によっても電流密度が変化し，多種多様に二次流は変化する．
片谷氏らは平行平板電極構造において，高圧電極および接地電極ともにトゲ電極にすることによって，イオン風が高風速となることを報告している ．
12）

図 1 実験装置
Fig.1 Experimental system.

著者らはイオン風を効果的に発生させ制御が容易な電極形状として，接地電極に孔を設け，その中心上に針電極を配置する構造に着目した．ここでは孔を開けた電極をホール電極と呼ぶことにする．この電極形状は構図が簡単で，EHD アクチュエータや ESP などに適応が容易である．
本研究では，ホール電極構造の実験装置を用いて，ホールを通過するイオン風の測定を行い，電極構造を変化させた際のイオン風特性を調べた．

2．実験方法
実験装置の概略を図 1 に示す．高圧電極はステンレス製の針電極（直径 2 mm，曲率半径 0.25 mm，角度 25°）
，接地電極は平板の中心に孔を開けたホール電極を使用し

図 2 針移動実験装置
Fig.2 Experimental system of needle electrode movement.

た．ホール電極は縦 15 cm，横 9 cm，電極間距離 d は 5，8，10，15，20，25，30 mm， ホ ー ル 径 Φ は 5，8，10，13，20，25，30 mm と変化させ実験を行った．高圧針電
極には負極性の直流高電圧を印加した．負極性はコロナ放電が安定する電流領域が広く，正極性に比べ，放電をコントロールしやすい．また，一部の実験では極性効果の検討のために正極性の特性も評価した．印加電圧は負極性 -4.9～12.9 kV，正極性 6.1～10 kV とした．風速は接地電極のホールを通過するイオン風をホール電極から56 mm 下にあるベーン式風速計（ hontzsch，HFA RS232）を用いて測定した．
図 2 に高圧針電極を移動させた時の実験概略を示す．
ホール径 Φ は 20 mm，電極間距離 d は 20 mm，針電極の位置 x をホールの中心から 0，5，7.5，10 mm と変化させた．

図 3 解析モデル
Fig.3 Simulation model.

この時のホールを通過するイオン風速度を測定した．
実験装置内の電界強度をシミュレーションにより解析した．

件は針電極に -10 kV，電極間距離 d は 5～20 mm，ホール径 Φ は 5～40 mm，針電極とホール電極は Iron，解析

解析には有限要素法ベースの汎用物理シミュレーショ

空間は Air，メッシュサイズは 2.7 mm，要素数は 180 万ンソフト（ COMSOL ）を用いた．解析モデルを図 3 にとした．計算結果はポアソン方程式とイオンの連続式を示す．モデルの寸法は図 1 の条件と同様である．解析条連成させ，ポアソン電界として算出した。

ホール電極におけるイオン風速度（宮下 皓高ら）

101（35）

3．結果及び考察た．放電電流値の増加に伴い式（1）の電流密度 JP が増加

図 4 に本研究で用いた針対ホール電極の V-I 特性を示するため，イオン風が速くなったと考えられる．放電電す．ホール径 Φ は 20 mm，電極間距離 d は 5，8，10，

流値 30 μA では電極間距離 5 mm のイオン風が最も速い

15，20 mm とした．電極間距離によって V-I 特性は異な結果であった．放電空間内の電界は高圧針電極とホールるため，この試験範囲では電極間距離が大きいほど，のエッジ近傍が強く，放電はエッジに集中することが考V-I 特性の傾きが小さい傾向を示した．電極間距離が大えられる．したがって，イオン風の主流は針先より，ホきいほど，コロナ放電開始電圧は高く，放電電流は流れールのエッジに向かって流れることになる．エッジ付近にくい．このことから，電極間距離が大きくなると V-I

では，イオン風はホールを通過する流れと，接地電極に特性の傾きが小さくなった．また，V-I 特性の実験値と当たり，反対方向へ向かう流れに分流する．したがって，シミュレーションにおける計算値を比較したところ，ほホールを通過するイオン風の割合は，針先端とホールエぼ同じ値を示した．

ッジの位置関係に大きく依存することが考えられる．ホ

図 5 にホール径 Φ を 5 mm とした時のイオン風の放電

ール径 5 mm では，電極間距離が長くなるとホールから電流特性を示す．放電電流値は 2.5～30 μA，電極間距離針電極までの距離が長くなるため，イオン風がホールをd は 5，8，10，15，20 mm とした．いずれの電極間距離通過する前に分散してしまう．電極間距離が 5 mm になにおいても放電電流値の増加に伴いイオン風は増加しると，ホールのエッジに針電極が近づくため，イオン風はホールを通過する割合が多くなる．
図 6 にホール径を 20 mm とした時のイオン風の放電電流特性を示す．放電電流値は 2.5～30 μA，電極間距離 dは 5，8，10，15，20 mm, とした．ホール径 5 mm と同様に，放電電流値の増加に伴いイオン風は増加し，電極間距離が 20 mm の時に最大値を示した．電極間距離が 20 mmより短い場合は，針先端とホールのエッジとの距離が近づき，エッジから針先までの角度が浅くなる．このとき，イオン風がホールのエッジに向かって流れるため，ホールを通過するイオン風が少なくなったと考えられる．以上のことから，各ホール径においてイオン風が最大値を示す最適な電極間距離が存在し，ホール径 5 mm では電極間距離 5 mm，ホール径 20 mm では電極間距離 20 mm

図 4 V － I 特性（Φ20 mm ）Fig.4 Discharge current as a function of applied voltage.（Φ20 mm ）図 5 イオン風の放電電流特性（ Φ5 mm ）Fig.5 Ionic wind as a function of discharge current.（ Φ5 mm ）が最適な電極構成であることが明らかとなった．
各電極間距離におけるイオン風の最大値と最小値の差

図 6 イオン風の放電電流特性（ Φ20 mm ）Fig.6 Ionic wind as a function of discharge current.（ Φ20 mm ）

静電気学会誌 第41巻 第 2 号（2017）

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図 7 イオン風の差とホール径の関係
Fig.7 Δionic wind as a function of pore size.

図 8 ホール径と電極間距離の比によるイオン風の変化
Fig.8 Ionic wind as a function of ratio of pore size to gap distance.

を，Δ Ionic wind として，ホール径との関係を図 7 に示す．
Δ Ionic wind の計算は放電電流値を 30 μA とし各ホール径において求めた．例えば，Φ 20 mm（図 6）における最大値は d20 の 1.59 m/s，最小値は d5 の 0.64 m/s，したがって，Δ Ionic wind は 0.96 m/s となる．ホール径 5 mmに比べてホール径 20 mm のイオン風で最大値と最小値に著しい差が生じていることがわかる．針先端からエッジまでの距離はホール径が広くなるほど長くなる．つまり，同一電流における電圧はホール径 5 mm よりも 20mm の方が高くなる．このことから，ホール径が広がるとイオン風の最大値が速くなることがわかる．ホール径20 mm，電極間距離 5 mm では，針先とホールエッジとの距離が近づき，エッジから針先までの角度が浅くなった．このため，イオン風がホールのエッジに向かって流図 9 電界分布（ d20 mm，Φ20 mm ）Fig.9 Electric field distribution.（ d20 mm，Φ20 mm ）れるため，最小値が著しく遅くなった．以上のことから，ホール径が広くなるにつれて Δ Ionic wind が大きくなったと考えられる．

各電極間距離・ホール径における電界強度の分布を明らかにするために，有限要素法を用いてポアソン電界強図 8 にイオン風速に対するホール径と電極間距離の影度を算出した．図 9 に針対ホール電極における電界分布響を示す．グラフの横軸はホール径と電極間距離の比との計算値を示す．印加電圧は -10 kV，電極間距離 d はし，次式で表される．

20 mm，ホール径 Φ は 20 mm とした．境界条件は針表

ホール径と電極間距離の比＝

ホール径
電極間距離面を印加電圧，平板電極の表面を零電位とし，電流密度（2）は針先端のコロナ領域の境界から全コロナ電流が流れると仮定した．図中の濃淡は最小値を黒色，最大を白色とホール径は 5，8，10，20 mm，電極間距離は 5，8，10，した．電界は針先が最も強く，等電界線は接地電極へ向13，20，30 mm とした．ホール径と電極間距離の比が 1け放射状となることが確認された．また，ホールのエッ付近で最も速いイオン風が確認できた．ホール径と電極ジ付近の電界が強くなるエッジ効果が確認された．

間距離の比が 1 付近で電界が最も強まるため，イオン風針対ホール電極において，ホール径を変化させた時のが最大値を示したと考えられる．これらのことから，最ホールエッジ近傍の最大電界強度を図 10 に示す．ここに大イオン風を発生させる最適な電極構成はホール径と電示したプロットは図 9 の解析結果におけるホールのエッジ極間距離の比が 1 のときであることが明らかとなった．

近傍の最大値である．印加電圧は -10 kV とした．電極間ホール電極におけるイオン風速度（宮下 皓高ら）

図 10 針対ホール電極における電界強度
Fig.10 Electrode field as a function of hole size.

103（37）

図 11 イオン風の最大値
Fig.11 The maximum velocity of ionic wind.

距離が 20，10，5 mm と近づくにつれて電界が高い．また，どの電極間距離においても，同じ長さのホール径で電界が高い．つまり，ホール径と電極間距離の比が 1 付近で各電極間距離における電界の最大値を示している．これは，電界強度が最も強くなる形状は針対針電極であり，ホール径と電極間距離の比が 1付近で最も針対針電極の形状に近づくため，電界が最大値を示したと考えられる。以上のことから，図 7 で考察したイオン風速度の最大値には，電界の最大値が関係していることが明らかとなった．また，電界の値は電極間距離 d が 5 mm，10 mm，20 mm の順に高い．これは，解析時の条件が電圧一定であるため，電極間距離 5 mm の電界値が最も高くなった．
図 11 にホール径と電極間距離の比を 1 としたときのイオン風を示す．印加電圧はスパーク電圧から 1 割下げ

図 12 イオン風のホール位置特性
Fig.12 Ionic wind as a function of discharge current for positionof the hole.

た値とした．ホール径および電極間距離が 20 mm の条
件で最もイオン風が速い．電極間距離が近い場合，すぐが 20 mm の条件で確認できたと考えられる．にスパーク電圧に達してしまうが，電極間距離を伸ばす

イオン風に対する針電極の位置の影響を検討するたことでより高い電圧を印加することができ，より電流をめ，針電極の位置を中心から移動して実験を行った．イ

流すことができるため，速いイオン風が吹いたと考えら

オン風の針電極位置特性を図 12 に示す．ホール径 Φ はれる．電極間距離が 20 mm よりも長い場合では，針電20 mm，電極間距離 d は 20 mm，実験装置は図 2 に示す

極からホールまでの距離が遠くなるため，測定箇所に辿電極構造を用い，x = 0，5，7.5，10 mm において測定をり着く前にイオン風が分散してしまう．これは，風は移行った．ホールの中心である x = 0 mm では，低い電流動距離が長くなるにつれて発達していくため，中心の速値でイオン風が検出され，x = 5，7.5 mm では 15 μA ま

い風は発達空間に存在する遅い風を巻き込み進展していで 0 m/s である．このことから，針電極がホールの中心く．よって，中心の風速が遅くなったと考えられる．こから外れた場合，電流値を増加しないとイオン風がホーのことから，電極間距離とホール径は長ければ良いとはル内に流入しないことが明らかとなった．また，x が大言えず，20 mm が最適であることが明らかとなった．本きくなるほど，イオン風が減少した．針電極の位置を移研究ではスパーク電圧は電極間距離 20 mm までは直線動すると，ホールのエッジの電界が不均一になり，一部的に増加するが，電極間距離 20 mm 以降ではスパークのエッジに放電が偏る．それに伴いホールの片側のみイ電圧の増加率が低い．このことから，イオン風の最大値オン風が吹いてしまい，ホールを通るイオン風が減少し

104（38）

静電気学会誌 第41巻 第 2 号（2017）と大きくなるほど，イオン風は減少した．
3．放電電流値が等しい時，負極性に比べて正極性のイオン風が約 1.2 倍高い値を示した．放電電流値が 10μA のとき，負極性の電圧が正極性の電圧に比べて1.7 kV 高い．このことから，同一電流では正極性の方が負極性に比べて印加電圧が高いため，イオン風が速くなった．
本研究の一部は，JSPS 科研費 JP16H04606 の助成を受けたものである．

図 13 イオン風の極性特性
Fig.13 Ionic wind as a function of discharge current for positive
and negative.

参考文献
1） 静電気学会：静電気ハンドブック，株式会社オーム社（2006）
2） 足立宜良：電気集じん器内のイオン風－シュリーレン法

たため，イオン風に差が生じた．
正極性コロナと負極性コロナでは放電形態が違うたによる実験的考察－．電気学会論文誌 B，93［7］（1973）
273-280

め，イオン風に差が生じると考えられる．このことから，

3） 村井一弘，川島陽介，坂田亮彦，村上哲郎：電気集塵装

極性効果を確かめるために，正極性と負極性を高圧針電置の性能に及ぼす電気流体力学場の影響．エアロゾル研

極に印加し実験を行った．イオン風の極性特性を図 13に示す．電極間距離 d = 10 mm，ホール径 Φ20 mm，極性は正極性と負極性，電流値は 2.5 μA～15 μA とした．
正極性，負極性ともにイオン風は電流値の増加に伴い増加した．また，負極性に比べて正極性のイオン風が約1.2 倍速い値を示した．放電電流値が 10 μA のとき，負極性の電圧は 7.1 kV，正極性は 8.8 kV である．このことから，同一電流では正極性の方が負極性に比べて印加電圧が高いため，イオン風が速くなった．

4．おわりに針対ホール電極構造から発生するイオン風の解明をすることで，コロナ放電応用機器の新たな基礎データに繋がる．そこで，針対ホール電極構造におけるイオン風の変化について検討を行った．本研究で明らかになったことを以下に述べる．
1．イオン風は電流値の増加に伴い速くなった．また，イオン風が最も速いホール径と電極間距離の比は 1であり，d = 20 mm，Φ = 20 mm の時，イオン風は1.59 m/s となり，他の電極間距離，ホール径に比べて最も速い結果となった．
2．針電極がホールの中心から離れるにつれ，電流値を増加しないとイオン風がホール内に流入しないことが確認できた．x が 5 mm，7.5 mm では 20 μA，10 mm では 25 μA 必 要とした．また，x が 0，5，7.5，10 mm究，11［2］（1996）129-136
4） 藤島英勝，上田泰稔，富松 一隆：電気集じん装置にお28［4］ける EHD 場の解析と実験．静電気学会誌，（2004）
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