静電気学会誌，37, 5（2013）221-226

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

フランジ型除電器の除電能力の印加電圧周波数依存性
最上 智史，鈴木 輝夫 ，崔 光石 ，山隈 瑞樹

＊，1

＊

＊＊

＊＊

（2013年4月3日受付；2013年7月29日受理）

Influence of Frequency of AC Voltage Applied to Flange-type Electrostatic Eliminator
on Its Elimination Performance
＊1

＊

＊＊

Tomofumi MOGAMI , Teruo SUZUKI , Kwang Seok CHOI＊＊

and Mizuki YAMAGUMA(Received April 3, 2013; Accepted July 29, 2013)This paper deals with the effect of the frequency of AC voltage applied to the flange-type electrostatic eliminator on its
elimination performance. An experimental silo was mainly used with polypropylene powders of 300 kg. In order to perform
detailed analysis, static marks on the surface of the film using film-running equipment were also observed with the change infrequency. The experimental results are summarized as follows. The performance for the ion generation was not dependent on
the frequency of electrostatic eliminator. However, in the experimental silo, the charge-to-mass ratio of powder decreased
significantly with an increase in frequency. This is attributed to the increase of the elimination area

1．はじめにンが噴出されている時間帯に通過した粉体は除電される

近年，粉体プロセスにおいて粉体の微粒子化が進み，が，除電に有効なイオンが噴出されていない時間帯に通今まで以上に粉体プロセスでの静電気トラブルが増加し過した粉体は除電されないことを示唆している ．また，ている．筆者らはこれまで，静電気トラブルを防止する

除電器への印加電圧の周波数を増加させるとイオンの輸ために粉体の帯電量制御を試みてきた．その結果，帯電送効率が上昇するといった研究報告もなされている ．

量制御を行うと粉体の帯電量を任意の値にすることが可

そこで本研究では除電器への印加電圧の周波数を変化さ能であるとの知見を得た ．しかし粉体の帯電量制御をせ粉体の除電の実験を行った．さらに，前述の予想，す行うためには，粉体の帯電量を測定するための機器，粉なわち除電に有効なイオンが噴出されている時間帯に通体の除電や帯電を行うための機器，除電器の除電能力を過する粉体だけが除電されることを確認するため，モデ任意に変更するための特殊な電源などを要する．

ル実験としてフィルムランニング装置を用いてフィルム

1）

4）

5）

通常の粉体プロセスにおいて静電気トラブルを防止すを走行させ，その除電挙動の観測も合わせて行った．こるためには粉体の帯電量を± 0.5 nC/g 程度以下にするだ

れらの実験より粉体用除電器の除電能力の周波数依存性

けで，ほとんどの静電気トラブルを防止することが可能に関して新しい知見を得たので報告する．

であると我々は考えている ．そこで，本研究において
2）

2．実験装置と実験方法

は，粉体の帯電量を高精度に制御するような複雑なシス

2.1 粉体除電システムおよび除電能力の評価

テムでなく，一般的な除電方法である交流式除電器を用

本研究では空気輸送実規模実験装置を用いた．この実

いて粉体の除電を試みた．しかし，我々は今までの研究

験装置は SUS 製縦置き円筒型サイロ（直径：1.5 m，胴において商用周波数（50 Hz ）では除電不足になる可能

長：2 m，容量：1.5 m ）と，全長 23 m の空気輸送用 4B性が高いとの知見を得ている ．この結果は，粉体は高（4 インチ）配管から構成されている．試料粉体としては

速で除電器を通過し続けているため除電に寄与するイオ

ポリプロピレンペレット（粒径 3 mm ）を 300 kg 使用した．

3）

3

実験では，ペレットはサイロ底部からロータリーバルブ
キーワード：除電器，空気輸送，粉体，交流式，周波数＊
春日電機株式会社（〒 212-0032 神奈川県川崎市幸区新川崎 2-4）
Kasuga Denki, Inc 2-4, Shin-kawasaki, Saiwai-ku, Kawasakishi, Kanagawa, Japan＊＊
労働安全衛生総合研究所（〒 204-0024 東京都清瀬市梅園 1-4-6）
National Institute of Occupation Safety and Health
1-4-6, Umezono, Kiyose-shi, Tokyo, Japan1
mogami@s.jniosh.go.jp

を通って輸送配管へ排出され，その配管内を空気輸送されてサイロ上部から再びサイロ内に供給される．Fig.1 に空気輸送実規模実験装置を示す．配管内の空気輸送により試料のポリプロピレンペレットは負帯電する．
円筒型サイロの内部構造を Fig.2 に示す．Fig.2 に示したように，以前に開発したフランジ型除電器

6）

をサイロ

内の輸送配管の粉体投入口の直後に設置した．フランジ型除電器は内部にノズル型放電電極

6）を 8 本組み込んだ

222（36）

静電気学会誌 第37巻 第 5 号（2013）
た．実験条件は輸送用エアの温度 30°
C，湿度 30％RH，
輸送風量 10 m /min，粉体供給量 0.38 kg/s で，輸送速度3

約 12 m/s とした．

2.2 有効除電電流の測定
フランジ型除電器に印加する交流電圧の周波数を変化させたときの有効除電電流の測定システムを Fig.3 に示す．静電気ハンドブックに記載されている電圧印加式除電装置の特性評価方法

7）に準拠して有効除電電流の測定を行った．金属円筒電極（外径 0.025 m ）をフランジ型
除電器の中心に配置した．フランジ型除電器の内径と金属円筒電極の外径間の距離は 0.025 m とした．前述のよ
図 1 空気輸送実規模実験装置概要
Fig.1 Schematic of Experimental facility for pneumatic powdertransport test.

うに本実験では試料粉体は負帯電するため，除電に有効なイオンは正イオンである．そこで，有効除電電流の測定では，金属円筒電極に -5 kV の一定電圧を印加した状態で行った．フランジ型除電器から噴出された正イオン
は，金属円筒電極とフランジ型除電器内壁との間に形成された電界により金属円筒電極に流れ込む．この流れ込む電流量を可動コイル型電流計で測定して，これを有効除電電流 Ie とした．一方，負イオンは，正イオンと反対にフランジ型除電器の内壁に流れ込み，接地へ流れる．
除電効果を評価する実験と同じように，フランジ型除電器への印加電圧の周波数，エアパージ圧を変化させた．

図 2 粉体帯電量測定方法概要
Fig.2 Schematic of q measurement of charge of powder．

構造になっている．ノズル型放電電極のノズル部分は金属性で接地されている．また，ノズル部分から空気イオンを放出する．さらにその下部に，粉体の帯電量測定のためにファラデーケージを配置した．はじめファラデー
ケージの入り口は接地された金属でカバーしておき，粉体の輸送が定常状態に達してからそのカバーを横に移動

図 3 フランジ型除電器の有効除電電流測定装置概要
Fig.3 Measurement apparatus for charge neutralizing current offlange-type charge eliminator.

して，粉体の帯電量測定を行った．
フランジ型除電器には，ファンクションジェネレータ

2.3 フィルムの除電状態の周波数依存性（モデル実験）（ IWATS 社製，FG-330）と高電圧増幅器（トレック社製

空気輸送されている粉体の除電ムラを定性的に理解す

MODEL 664）を用いて，交流高電圧（実効値 7 kV ）のるためのモデル実験として，走行するフィルムの除電状

周波数 f を 2～200 Hz の範囲で変化させて印加した．ま態の観察を行った．フィルムランニング装置を用いたシ

た，フランジ型除電器内部への粉体の侵入を防止し，除ステムの概要を Fig.4 に示す．ランニング装置にはフィ電器で生成されるイオンを除電器外へ噴出させる目的

ルムを一様に帯電させるための帯電電極としてワイヤー

で，フランジ型除電器にエアパージを行った．エアパー

電極を設置し，これに＋10 kV 印加した．正帯電を施しジ圧は，0.05，0.1，0.15 MPa とした．

たのは，負極性では一様帯電が困難であったためである．

本システムにおける粉体の除電の効果は，フランジ型

また，この実験では除電対象がフィルムであるため，フ除電器への印加電圧の周波数 f をパラメータにして，フランジ型でなくバータイプの除電器（春日電機社製，ァラデーケージにより粉体の帯電量 q を測定して行っKDB-400G ）をフィルムから 0.03 m 上方に設置し，交流フランジ型除電器の除電能力の印加電圧周波数依存性（最上 智史ら）

223（37）図 4 フィルムランニング装置概要
Fig.4 Film running equipment.

電圧 7 kV（実効値）印加した．周波数は 5 ～100 Hz の図 5 印加電圧周波数と有効除電電流の関係
Fig.5 Relationship between Ie and f of eliminator．

範囲で変化させた．周波数を除電のときと同じように 2～200Hz にしなかった理由は，ランニング速度を速くす
ると，除電されたフィルムを Fig.4 に示すサンプリング
位置に急停止（後述）させることができないためである．
フィルムの走行および帯電が安定したのを確認した
後，除電器を動作させ，表面電位計によってフィルムの電位を測定後ランニング装置を急停止させた．フィルムの除電状況の確認は，停止後サンプリング位置からフィ
ルムを切り出し，青色が正の，赤色が負の帯電部分に付着するトナーをサンプリングしたフィルムに振りかけて確認した．なお，フィルムのランニング速度は 0.83 m/s

図 6 印加電圧周波数の粉体除電効率に与える影響
Fig.6 Relationship between q of powder and f of eliminator．

と一定にした．
向を示した．一方，粉体の除電結果においては，Fig.6

3．実験結果および考察に示したように，周波数を増加させると粉体の除電効率3.1 有効除電電流の周波数依存性が増加する傾向が確認できた．とくに周波数の低いとき，フランジ型除電器の有効除電電流の周波数依存性に関たとえば 50 Hz 以下では以前の実験 と同様に除電不足する実験結果を Fig.5 に示す．印加電圧の周波数の有効1）の結果が得られた．

除電電流への影響は，100 Hz までは殆どみられず，100

しかし，周波数を 50 Hz 以上にすると，帯電した粉体

Hz を超えると有効除電電流が減少する傾向を示した．

は劇的に除電されることが確認された．とくにパージ圧

この結果は，周波数が増加することで，正イオンと負イが 0.1，0.15 MPa の時は，周波数を上昇させたことによ

オンの生成時間間隔が短くなり，クーロン力による再結る除電能力の向上が顕著に見られた．

合率が増加し正負両イオンが中和された結果，有効除電

サイロに投入される粉体の除電に必要な有効除電電流

電流が減少したと考えられる．また，フランジ型除電器

は，単位時間当たりの粉体の流量（ kg/s ）と除電器未使へのエアパージ圧（ Ap ）を高くすると有効除電電流が用時における粉体の比電荷量（ C/g ）の積（ C/s = A ）と大きくなっている．これは，パージ圧を高くすると，そなる．この積の値が除電器の有効除電電流より小さけれれに伴って，イオンの輸送速度が上昇し単位時間にノズば除電に十分なイオンが供給されていると考えられる．

ルから吹き出すイオン量が増加するためと考えられ，今本実験に使用した空気輸送実験装置における除電器未使までの知見と同様の傾向を示した ．

用時の粉体の比電荷量は約 -14 nC/g で，単位時間あたり

2）

3.2 空気輸送粉体における除電能力の周波数依存性にサイロに投入される粉体の供給量は 375 g/s であった．

粉体の空気輸送実験装置におけるフランジ型除電器の故に，除電に必要な有効除電電流は 5.25 μA となる．一方，除電能力の周波数依存性を Fig.6 に示す．この結果は，測定された有効除電電流は Fig.5 の結果からパージ圧が有効除電電流の周波数依存性（ Fig.5）とは異なる結果

0.15 MPa の時は 6.5 μA であった．この結果より，単純となった．Fig.4 の結果では周波数を増加させても有効な電流値のみの比較では，パージ圧が 0.15 MPa の時は，除電電流はほとんど変化しないか，もしくは減少する傾

印加電圧周波数に関係なく十分に除電可能であると考え224（38）

静電気学会誌 第37巻 第 5 号（2013）

られる．Fig.6 に示した除電実験の結果では，周波数がは，コロナ放電開始時およびコロナ放電終了時に除電エ

100 Hz のときは 90％程度除電されていて十分除電可能

リアに存在する粉体（ A ）と除電に必要なイオンが照射な状態と判断できるが，たとえば 2～10Hz の低い場合されている時間内に除電器を通過する粉体（ B ）との和は 60％程度しか除電できていない．

になる．除電に必要なイオンを生成する時間は単位時間

この原因は除電ムラであると考えられる．本研究で使当たりで考えると一定でこの時間に除電される粉体（ B ）用しているフランジ型除電器では今までの実験により 3は印加電圧の周波数の影響は受けないのに対して，コロ

kV でコロナ放電が開始することが分かっている．除電

ナ放電開始および終了時の除電エリアに存在する粉体電極に 7 kV（実効値）の正弦波を印加したとき，除電（ A ）は単位時間当たりで考えると総量は周波数が高くに有効な正イオンが出ている時間的割合（3 kV 以上のなれば増えることになる．Fig.6 の結果は定性的にはこ割合）は 1 周期あたり約 42％である．単純には，これのように説明できる．

以外の時間帯に除電器を通過する粉体は全く除電されず

以下にこの現象を定量的に議論する．

に通過することになる．これが除電ムラの現象である．

印加電圧周波数の増加に伴うコロナ放電開始および終たとえば印加電圧周波数が 2 Hz の場合，一周期の時間

了時除電エリアの除電回数の増加が，除電効率を増加さ

は 0.5 s であり除電に必要な正イオンが生成される時間

せる効果を確認するため，除電エリアを仮定し，その時は，0.21 s となる．交流式除電器においてイオン生成量の除電効率 η の算出を試みる．

が十分であっても除電不足が生じる原因はこの除電ムラ

粉体の除電効率は以下のように表わされる．

であると考えられる．

除電効率 η

本研究の実験条件では，周波数に関係なく正イオンが＝（一周期に除電可能な粉体の範囲 / 一周期に進む粉体生成される時間的割合は約 42％であるため，周波数にの範囲）× 100％………………………………………（1）

よらず残りの 58％の時間帯に除電器を通過する粉体は一周期に除電可能な粉体の範囲は以下の式から算出す

除電されないことになる．ところが Fig.6 に示したように，実験では周波数が増加すると除電効率が増加した．

る．
一周期に除電可能な粉体の範囲

この食い違いは定性的には次のように考えられる．放電＝（除電器への印加電圧の周期× 0.42（除電に必要なイオ

電極が放電している時間帯に放電電極の位置（ポイント）ンを生成している時間割合）
×粉体の移動速度）＋除電を通過した粉体は除電されるが，加えて，放電により生エリア…………………………………………………（2）

成されるイオンの到達範囲は多少広がりがあるため放電

この計算のため，以下の仮定を行った．

開始の瞬間にすでに放電電極の位置を少し通り過ぎてい①除電に有効なイオンを除電器が噴出中は除電器を通過る粉体も除電される．逆に，放電終了の瞬間にはまだ放する粉体は除電される．さらに，放電開始および終了

電電極の位置に達していない粉体も除電される．このよ

時に除電エリアにある粉体も除電される．

うに放電イオンの広がりのため除電される範囲が少し広がるが，本論文ではその広がりを除電エリアと呼ぶことにする．すなわち，除電エリアがあるため周波数が増加
すると粉体の除電効率が増加すると考えられる．

②除電に寄与しない負イオンは接地に吸収される．
なお，除電に必要な正イオンを生成している時間割合（約 42％）は印加電圧の周波数に依存しない．
除電対象が粉体の場合，除電エリア，すなわち放電に除電ムラが除電効率に与える影響を調べるため，除電より生成されるイオンの空間的拡がりを直接求めるのは器へ印加する電圧の一周期分に除電器によって除電され困難であるので，除電エリアの大きさを 0.005～0.05 m

る範囲を通過する粉体をどの程度除電が行えるかの検討の範囲で 4 つ仮定して，（1）式を用いて計算した除電効を行った．

率と実際の実験結果の比較を試みた．その結果を Fig.7

除電器から吹き出すイオンのスピードはノズルから噴に示す．粉体の移動速度は 12 m/s として計算した．本

出する風速とほぼ等しく，たとえば 0.15 MPa のエアパ

計算結果ではほぼすべての周波数において実験値が計算

ージ圧の時はノズル噴き出し直後の風速は（従って，イ値より大きい値となった．これは①の仮定において条件

オンの速度も）約 350 m/s と非常に速い ．上述のよう内にある粉体は除電されると仮定したのに対し，実際はにコロナ放電開始と共に除電イオンが照射されるエリア①の条件内にある粉体の多くは除電に必要な量以上のイに存在する粉体は除電を完了すると考えられる．また，オンが粉体に吸着し逆帯電現象が発生していると考えら

コロナ放電終了時点で除電エリアに存在する粉体も除電れる．これは粉体の直流式除電器を用いた実験条件よりされる．したがって，印加電圧一周期に除電される粉体明らかである ．この違いが計算値より実験値が大きい

4）7）

フランジ型除電器の除電能力の印加電圧周波数依存性（最上 智史ら）

225（39）

るにつれて，表面電位が低くなる傾向を示し，30 Hz 以
上は飽和することが確認された．この結果は，空気輸送
粉体の除電効率の測定結果（ Fig.7）と同様の傾向を示した．すなわち，印加電圧の周波数が高くなると除電器の除電性能が高くなる傾向が認められた．
Fig.10 にフィルムの詳細な除電状況を示す．Fig.8 と同様に水滴が付着しているように見える部分を除電範囲，
図 7 放電時除電エリアが除電効率に与える影響（ ：放電＊＊
時除電エリアを表記の値とした時の計算値， ：Fig.6，
Ap＝0.15 MPa 時の粉体帯電量から算出した実験値）．
Fig.7 Effect of eliminated area as discharges start on elimination
efficiency.
＊

その他の部分が除電器からイオンの照射がない未除電範囲とした．さらに，未除電範囲のフィルム進行方向に長さを測定した．この長さを未除電範囲の長さ La とし，同様に除電範囲の長さを Lb とし，除電エリアの検討を行った．Table 1 に未除電範囲 La と除電範囲の Lb の実測値を示した要因である．しかし，計算値において除電エ

値を示す．さらに除電を行った範囲と除電できなかったリアを設定することで，実際の実験値と同様に周波数を範囲の和 Lc を算出した．この値は一周期毎にフィルム高くすると除電効率が増加することが確認された．なお，の進む距離 Ld と同じになるはずであり，Ld はフィルム除電効率が 100％超えた箇所があったが，これは除電にのランニング速度と印加電圧周波数から容易に計算可能有効なイオンを二周期分照射される粉体が存在することである．Lc と Ld はほぼ同じ値となったため，測定結果を示している．そのため，除電効率 η では 100％以上のに大きな誤差はないことが確認された．

算出結果になったものは除電に有効なイオンが照射されさらに，除電範囲に関して考察する．除電エリアを考ている事を示しているためすべて 100％と表記した．

慮せず単純に除電範囲を算出すると除電範囲は除電器か

3.3 フィルムの除電状態の周波数依存性

らイオンを噴出する時間とフィルムの移動速度の積とな

空気輸送粉体の除電器による除電では放電開始時除電る．この値を Table 1 の Le に示す．この値は除電エリア

エリアが存在し，このエリアが印加電圧周波数と除電効が存在しない場合，除電範囲の長さ Lb と同じになるは率との関係に大きく影響していることを 3.2 で考察した．

ずであるが，
除電範囲の長さ Lb と大きな違いが見られた．

この除電エリアは，粉体を用いた実験においては直接確測定された除電範囲の長さ Lb と算出された除電範囲の認することは難しい．そこで，粉体と同様に高速で移動

長さ Le との差を表 Table 1 の Lf に示す．一周期あたり，し，なおかつ除電状態を確認するため，モデル実験とし

この Lf の値分測定された除電範囲が長くなっているこて印加電圧周波数と比較して高速で走行するフィルムのとが分かり，この値は 3.2 の除電エリアの長さであり，除電を行って，除電エリアと印加電圧周波数が除電効率走行するフィルムの除電においても除電エリアの存在をに与える影響を確認した．

考慮すべきであることが結論される．

フィルムランニング装置を用いてフィルムを走行さ以上のことから，高速で移動する帯電物体を除電する

せ，除電器に印加する電圧の周波数を 5～100 Hz の範囲で変化させた時のフィルムの除電模様の一例を Fig.8 に示す．なお，実験結果を 10，20，30Hz としたのは，周
波数が 10 Hz 未満では除電エリアが長くなり過ぎて，30
Hz より大きいと除電エリアが重なってしまい除電ムラの判別が難しかったためである．今回の実験ではあらか
じめフィルムを正帯電させた状態で除電器を使用しているため，Fig.8 では，水滴が付着しているように見える部分が除電エリアで，その他の部分が非除電エリアとな
る．印加電圧の周波数が高くなるにつれて，水滴が付着しているように見える部分の面積が増えることから，除電エリアが増加していることが確認できた．
Fig.9 はこの時のフィルムの表面電位の変化を表面電位計で測定した結果である．印加電圧の周波数が高くな

図 8 フィルムの除電状態
Fig.8 Static marks as a function of the f of eliminator．

226（40）

静電気学会誌 第37巻 第 5 号（2013）

図 10 非除電エリアと除電エリアに関して
Fig.10 Length of non-eliminated area（ La ）and．
length of eliminated area（ Lb ）図 9 印加電圧周波数とフィルム電位との関係
Fig.9 Relationship between V and f of eliminator．

表 1 除電エリアと非除電エリアの実験値と計算値との比較（一周期あたり）
Table 1 comparison of experimental values and calculated values.

f（ Hz ）

La（ cm ）Lb（ cm ）Lc（ cm ）Ld（ cm ）Le（ cm ）Lf（ cm ）

10

4.45

4.00

8.45

8.33

3.33

0.67

20

0.70

3.57

4.27

4.17

1.67

1.90

30

0.17

2.62

2.79

2.75

1.10

1.52

La：Length of non-eliminated area.
Lb：Length of eliminated area.
Lc ：La ＋ Lb
Ld：Movement distance of film in 1 cycle off .
Le ：ion generation time×movement velocity of film
Lf ：Lb-Le場合は，除電エリアが存在するため，周波数を高くする

参考文献

ことにより単位時間当たりの除電可能範囲が増加し，除1）T.Mogami, T.Suzuki, K.S.Choi, T.Ikehata: Control of

電効率が増加することが結論できる．

electrostatic charge for powder by using feedback control-typeionizer system. J.Loss Prevention Process Industries, 23（2010）

4．まとめ

237-241

空気輸送中の粉体やフィルムなど，高速で移動する物

2）児玉勉，山隈瑞樹，鈴木輝夫，最上智史：空気輸送粉体体の除電を行うために，除電能力不足であると考えられ

用自己放電式除電器の開発 . 産業安全研究所報告，NIIS-

た交流式除電器の除電能力向上を目的とし検討を行っ

RR-2004（2005）81

た．得られた結果は以下の通りである．
1）印加電圧周波数を増加させたとしても，除電器のイオン生成能力は上昇しない．
2）空気輸送実規模実験装置で用いているフランジ型
除電器の印加電圧周波数を増加させた時，落下粉体の帯電量を大きく減少させた．
3）除電能力向上の原因は放電時除電エリアの増加に起因していると考えられ，フィルムの除電実験により確認された．
以上の検討結果から，高速で移動する物体の除電を交流式除電器で行うには，印加電圧の周波数を十分に検討する必要があると結論できる．

3）鈴木輝夫，最上智史，児玉勉，綿野哲：交流式粉体用除電器の除電特性 . 静電気学会講演論文集 '02（2002）231-232
4）最上智史，崔光石，山隈瑞樹，鈴木輝夫，池畑隆：ノズ
ル型防爆構造除電器の多孔板が除電能力に及ぼす影響．
静電気学会誌，34（2010）193-198
5）吉水健剛，池畑隆，岩本菜夏，岡野 一雄：AC イオナイ
ザの周波数が除電能力に及ぼす影響．静電気学会誌，36（2012）297-302
6）児玉勉，鈴木輝夫，最上智史：粉体用除電器によるサイロ 内 着 火 性 放 電 の 抑 制 . 産 業 安 全 研 究 所 報 告，NIISRR-2003（2004）95-106
7）静電気学会編：新版静電気ハンドブック，p.392，オーム社（1998）