静電気学会誌，43, 4（2019）177-182

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

静電誘導帯電における水噴霧の比電荷量と液膜分離点に関する実験吉田 哲雄 ，辻 利秀 ，大山 龍一郎
＊, 1

＊

＊＊

（2019年3月28日受付；2019年6月5日受理）

Experimental Study on Charge-to-mass Ratio and Water-film
Separation Point with Electrostatic Induction Charging of Water Mist
＊1

＊

＊＊

Tetsuo YOSHIDA , Toshihide TSUJI and Ryu-ichiro OHYAMA（Received March 28, 2019; Accepted June 5, 2019）

The characteristics of electrostatic induction charging of water mist are investigated experimentally. To observe the effect of theinduction-electrode position on the charge-to-mass ratio, the experiments were conducted using a hollow cone nozzle of singlefluid type and a ring-shaped induction-electrode mounted in various locations on the tip of the nozzle. The charge-to-mass ratioof the water mist is evaluated using a Faraday cage. In addition, the separation point, which separates the water-film and thewater mist, is evaluated by fluid-flow visualization and electrical contact needle prove. These experimental results provide thebasis for a discussion of the effectiveness of the induction-electrode configuration on the charge-to-mass ratio.

1．はじめに放水流量 0.5～2.6 L/min に対して比電荷が 10 C/kg のオ水溶液を含むミスト状の水粒子を静電気帯電させる手ーダーになることが報告されている．二流体ノズルにお-4

段には，直接帯電方式，コロナ放電方式，誘導帯電方式

いては，松尾らの 3 種類がある ．それぞれの方式は高電圧を用いることを用いた微少流量ノズル（0.06～0.2 L/min ）に対する比から，用途に応じて使用上の安全対策が施される．直接

電荷が 10 ～10 C/kg のオーダーになることが報告され帯電方式は噴霧ノズルに高電圧を印加する．そのため水ている．二流体ノズルは一流体ノズルに比べて，粒子径及び加圧送水装置の全体は接地から浮かす安全策が必要が小さいために比電荷が高い値を示す傾向となる．

1）-45-9）

により外部環状電極や内部環状電極-3である．コロナ放電方式は噴霧ノズルの先端に高電圧の二流体ノズルは，内部混合型と外部混合型の二つに種放電電極を必要とする．一方，誘導帯電方式はコロナ放別される．内部混合型はノズルの内部で水と空気が混相電方式に比べて誘導電極への印加電圧が低く抑えられる．

する仕組みである．内部混合型では誘導電極がノズル先

農業分野では古くから農薬水溶液を葉の裏等に効率よ端から覆うように設けられることが多い．一方，外10-12）

く均一に散布する目的で誘導帯電方式が利用されてい部混合型はノズルから出た液膜（液柱）を中心としてそる．噴霧ノズルには一流体と二流体（水と空気の混相）の外周から空気を噴射し混相する仕組みである．即ち，ノズルがある．また噴霧された水粒子の帯電量について

二流体ノズルの外部混合型や一流体ノズルでは，水膜（水は，一般に比電荷（水粒子に静電気を帯電させた際の指柱）から水粒子（ミスト）に分裂する位置（液膜分離点標となる帯電量 C/kg ）が用いられる．誘導帯電方式にまたは液柱分離点）が露出して存在する．

よる静電噴霧の研究は今日までに数多く報告されている．例えば一流体ノズルにおいては，山根ら

2-4）

により

著者らは従前より，一流体ノズルを用いて誘導帯電方式による静電噴霧の応用を検討してきた．例えば，静電噴霧は空間中に浮遊する粉じんの洗い落としに効果があ

キーワード：誘導帯電，水噴霧，比電荷，液膜分離点＊
ホーチキ株式会社 開発研究所（〒194-8577 東京都町田市南町田 3-7-1）
Research and Development Center, Hochiki Corporation,
3-7-1, Minamimachida, Machida, Tokyo 194-8577, Japan＊＊
東海大学 工学部 電気電子工学科（〒259-1292 神奈川県平塚市北金目 4-1-1）
Department of Electrical and Electronic Engineering, TokaiUniversity, 4-1-1, Kitakaname, Hiratsuka, Kanagawa 2591292, Japan1
te-yoshida@hochiki.co.jp

ること，消火と消煙に対する効果を有することを見13-16）

出してきた．しかし，誘導電極の設計に関しては不17-18）

明なことも多い．特に比電荷を高めるためには，ノズル先端に配置する誘導電極の位置について検討する必要がある．即ち，液膜分離点と誘導電極の相対的な配置を調べることが必要であると考えている．
本実験では，代表的な一流体ノズルである中空円錐ノズルについて，誘導電極の位置を可変した際の比電荷を評価した．その結果，液膜分離点と誘導電極の相対的な178（44）

静電気学会誌 第43巻 第 4 号（2019）（ a ）Structure of experimental nozzle（ b ）Layout of induction-electrodes

図 1 供試ノズルと誘導電極
Fig.1 Experimental nozzle and induction electrode system.

位置が比電荷に影響を与える知見を得たので報告する．

2．本実験における比電荷の特性
2.1 供試ノズルと誘導電極
図 1 に実験に供した（ a ）供試ノズルの構成と（ b ）誘導電極の配置を示す．この一流体中空円錐ノズルは，放水圧力が 1.05 MPa 一定，放水流量が 1.0 L/min，噴霧角が 100 deg のセラミック製ノズルチップである．水噴霧の粒子径を画像式ポータブル粒度分布測定装置（ Oxford 製，

表 1 井戸水の分析値
Table 1 Analytical value of the well water.
pH［ - ］
Alkalinity（ pH4.8）［ mg/l ］
Chloride ion［ mg/l ］
Sulfate ion［ mg/l ］
Iron［ mg/l ］
Silica［ mg/l ］
Total hardness［ mg/l ］
Calcium hardness［ mg/l ］

879
12200.06
4511956

Visisize portable ）によって計測したところ，粒子径の平均はノズル直下 1.5 m において 70 μm，そこから水平方を用いて構成し，高さ 1.72 m ×奥行 1.0 m ×幅 1.0 m で向に 0.5 m 離れた噴霧外縁で 217 μm であった．ザウタある．供試ノズルはファラデーケージの天井面に固定し，ー平均粒子径 D として取り扱うと，供試ノズルの D は誘 導 電 極 は 直 流 高 電 圧 電 源（ 松 定 プ レ シ ジ ョ ン 製，144 μm である．ノズル本体は絶縁体（硬質ポリ塩化ビHEOPT-10B10）の正極側に接続した．電源の負極側とニル樹脂）を用いて成形し，ノズル内部の流路には導体ノズルの接地電極は共に接地した．配線にはネオン線管（ SUS304 製，内径 φ12 mm ）を配置した．この導体（品川電線製，N-EV ）を用いた．ファラデーケージ内部

管は接地電極とした．誘導電極は線径 φ5 mm のステンには電荷を帯びた水粒子を捕えるため，円筒型のファラレス棒（材質 SUS304）を環状に加工し，素地表面に絶デーカップ（材質 SUS316，φ510 mm×H570 mm ）を設縁処置として軟質ポリ塩化ビニル樹脂コーティング（膜けて，そのカップ内部には水はね防止用に円筒型のメッ厚約 2.0 mm ）を施したものである．この環状の誘導電シュ（材質 SUS316，φ470 mm×H550 mm，8，20，およ

極には内径 d が異なる 3 種類を用いた．噴霧角度の形状

び 50 メッシュ）を 3 層構造にて設置した．供試ノズルに沿わせて d が φ25.0，φ35.2，φ45.4 mm，ノズル先端かへの水供給はプランジャーポンプ（キョーワ製，KYC-

ら誘導電極環中心までの距離 z が 5.5，9.5，13.5 mm で300-6）を使用し，圧力計測は二次側のブルドン管圧力ある．誘導電極と噴霧外縁の間隙は，ノズル噴霧角度の計で行った．水噴霧の質量流量 Q［ kg/s ］はファラデー外縁に対して法線方向に 2 mm となる．作動流体には井カップ下部に設けたザルトリウス重量計（ザルトリウス

戸水を用いた．使用した井戸水の分析値を表 1 に示す．

社製，FD3001GG-H ）により計測した．ファラデーカッ

水温は水温計（佐藤計量器製，SK-1250MC，MC-T100 Ⅲ）

プの電荷量はオペアンプにより電圧変換し，オシロスコによりモニターし，導電率は導電率計（東亜 DKK 製，ープ（横河電機製，DL750）に記録した．この電圧の平CM-21P ）によって計測した．実験は水温が 18.7～20.0℃，均値 Vaverage とオペアンプ内の抵抗値（200 kΩ ）から電流導電率が 23.2～23.5 mS/m の条件で実施した．

値 i［ C/s ］を算出し，比電荷 qmist［ C/kg ］は i と Q から2.2 ファラデーケージによる水粒子の比電荷計測算出した．比電荷は，噴霧した状態で誘導電極の印加電図 2 に自作した比電荷計測装置（ファラデーケージ）

圧 Vin を 1 分毎に +1 kV から +10 kV まで +1 kV の刻みにを示す．ファラデーケージは板厚 1.5 mm（材質 SUS304）て可変して計測し，1 分間の時間平均を用いて評価した．

静電誘導帯電における水噴霧の比電荷量と液膜分離点に関する実験（吉田 哲雄ら）

179（45）

図 2 ファラデーケージによる比電荷 qmist の計測装置
Fig.2 Experimental equipment for measurement of charge-to-mass ratio qmist by Faraday cage.

図 3 印加電圧 Vin に対する比電荷 qmist の特性
Fig.3 Characteristics of qmist as a function of Vin.

図 4 液膜分離点の計測装置と可視化装置
Fig.4 Experimental equipment for measurement of water-film
separation point and visualization system.

計測は各 5 回ずつ行った．

放電が発生したことが要因となり比電荷が飽和または減印加電圧 Vin に対する比電荷 qmist の特性を図 3 に示す．

少したものと考えられる．

qmist は印加電圧に依存して増加し，一流体ノズルにおいて一般に観測されている比電荷 10 C/kg のオーダーであ3．液膜分離点の評価ることが確認された．供試した 3 種類の誘導電極のうち，

図 3 に示した qmist の値は誘導電極の配置に影響した．

z = 9.5 mm の誘導電極において比電荷が比較的高い値を本実験では，その考察を進めるため液膜分離点の位置を示した．この結果から誘導電極の位置（ z ）が僅かに異調べた．

-4なるだけで qmist が変化することが分かった．また，この

図 4 に液膜分離点の評価に用いた装置の概略を示す．

比電荷の特性は印加電圧が 8 kV まで線形的に増加して液膜分離点の評価には，針プローブ（裁縫針，線径 φ1.0いる．9，10 kV において比電荷が飽和または減少してmm ），ファンクションジェネレーター（ NF 回路ブロッいる．この傾向は印加電圧 Vin に依存しているため，山ク設計製，EC750SA ），電流検出のための抵抗 R（340 Ω ）根ら が報告しているように比電荷の飽和（あるいは減とメモリーハイコーダー（ HIOKI 製，8870）を使用した．

少）はコロナ放電が原因であろうと考えている．帯電水

針プローブは先端から 5 mm を除きエナメル塗布により霧の一部は誘導電極に付着し，誘導電極の印加電圧が高絶縁処置を施し，防水プラグにて配線を行った．針プロ

まると先端が鋭利なコーン形状の水滴として垂れ下がーブには周波数 13 Hz の交流矩形波電圧 30 V を抵抗 R

る．9 kV 以上においては，この水滴の先端からコロナを介して印加した．R の両端の電圧降下はメモリーハイ2）

180（46）

静電気学会誌 第43巻 第 4 号（2019）（ a ）Visualization of water spray（ b ）Vac and iac

図 5 噴霧の可視化と針プローブの波形（ z = 5.0 mm ）．
Fig.5 Visualization of water spray and waveforms of Vac and iac（ z = 5.0 mm ）（ a ）Vac and iac（ z = 6.0 mm ）（ b ）Vac and iac（ z = 7.0 mm ）

図 6 針プローブの波形（ z = 6.0, 7.0 mm ）．
Fig.6 Waveforms of Vac and iac（ z = 6.0, 7.0 mm ）コーダーに記録した．メモリーハイコーダーのサンプリ

圧波形 Vac（破線）と電流波形 iac（実線）を示している．

ング時間は 20 ms/div に設定し，1 秒間（13 周期分）の

図 6 は針プローブを（ a ）z = 6.0 mm，（ b ）z = 7.0 mm

データを記録した．計測環境が 50 Hz であることから，に配置した場合の印加電圧波形 Vac（破線）と電流波形

針プローブの印加電圧波形 Vac と電流波形 iac を判別しやiac（実線）を示している．図 5 の（ a ）に示した噴霧のすくするため Vac は 13 Hz とした．針プローブの電流波可視化からは液膜分離点の正確な位置を判断することは形 iac の値から，導通あるいは非導通の状態が得られる．

難しいが，円錐形状の液膜表面が水粒子に分離する様子

液膜分離の位置推定は，ノズル先端部の z = 0 mm から噴を見ることができる．
（ b ）に示した針プローブの iac に

霧外縁の鉛直下方向に z = 30 mm まで針プローブを 1 mm

は Vac の極性反転時にパルス状の過渡電流が流れる．こ間隔で移動させて評価した．計測は各 3 回行った．また，の変位電流を除いた iac の振幅から針プローブが液膜内噴霧による液膜分離状態を確認するために，ノズル前面（導通）であるか，液膜外（非導通）であるかが分かる．に高速度カメラ（ Photron 製，FASTCAM SA-3）を設置し

図 5 の（ b ）z = 5.0 mm では，針プローブが液膜内に存た．ノズル背面には LED パルスパネル光源（ Photron 製，在しているため iac の振幅（± 1 μA 程度）が現れ，導通

電 源：LPS-210S， 光 面：WTT150210） を 設 置 し 10,000状態にあることを示している．図 6 の（ a ）z = 6.0 mm

fps のシャッタースピードにて撮影した．高速度カメラ

でも iac の振幅（± 0.5 μA 程度）が現れ，導通状態を示のシャッタースピードと光源のパルス間隔は同期調整をしている．一方，（ b ）z = 7.0 mm では iac の振幅がほぼ 0行った．供試ノズルへの水供給と誘導電極への印加電圧A となり，非導通状態であることが分かる．この結果かの条件は 2.2 項と同様である．

ら本供試ノズルにおける液膜分離点（ Vin = 0 kV 時）は z

まず，誘導電極を配置する前の供試ノズルの液膜分離= 7.0 mm であると推定された．

について述べる．図 5 は針プローブを z = 5.0 mm に配置

次に，静電誘導時の液膜分離について述べる．図 7 はした場合の（ a ）可視化写真，（ b ）針プローブの印加電

Vin = +7 kV において針プローブの位置（ z ）に対する iac

静電誘導帯電における水噴霧の比電荷量と液膜分離点に関する実験（吉田 哲雄ら）

図 7 針プローブの位置 z に対する iac の振幅（ Vin = 7 kV ）．
Fig.7 iac in amplitude as a function of z（ Vin = 7 kV ）181（47）

図 8 液膜分離領域における誘導電極の説明図
Fig.8 Explanatory figure for induction electrode around waterfilm separation region.

る．また，静電誘導時の液膜分離点 z = 8 mm の位置に噴霧角度の形状に沿わせた誘導電極を配置した場合，比の振幅の値を示している．この iac の値は Vac の極性反転電荷値はより高くなる可能性も推察される．こちらも併時の過渡電流を除いた振幅の値をプロットしたものであせて検証したいと考えている．

る．誘導電極の印加電圧 Vin が増加すると iac の波形は液膜が負極性に帯電するため負側にバイアスして現れる．

本実験の条件から，比電荷は液膜分離点の位置と誘導電極の配置に関係があることが言える．

印加電圧 Vin を 1～10 kV に可変した時に，iac の振幅の値は針プローブの位置（ z ）のみに依存して変わり，iac の4．まとめ振幅の値は Vin の可変に対してほとんど変わらなかった．

本実験ではノズル先端から噴霧角度の形状に沿わせた針プローブが z = 8.0 mm の時に d = 25, 35.2, 45.4 mm の 3誘導電極を用いて比電荷と液膜分離点を評価した．その条件において，iac が 0 A となり非導通の状態を示した．

結果，本供試ノズルの液膜分離点は誘導電極への電圧がこの iac の値から液膜分離点が z = 8 mm 付近であると推無印加時に z = 7.0 mm であったのに対して，静電誘導時定された．前述したように供試ノズルの液膜分離点は zに z 方向に 1.0 mm 延伸することがわかった．また，比= 7.0 mm であったが，静電誘導時には z 方向に 1.0 mm

電荷は誘導電極が液膜分離の領域を覆うように配置され延伸した．液膜分離点が延伸した原因は，正極性の誘導たときに増加した．誘導電極の配置が僅かに異なるだけ電極と負極性帯電した液膜の間に静電引力が生じていたで比電荷の値は変化する．即ち，比電荷の特性は液膜分ためであると考えられる．

離点の位置と誘導電極の配置に関係があり，比電荷の値

図 8 に誘導電極（ z = 9.5 mm ）に Vin = +7 kV を印加しに影響を及ぼす知見を得ることができた．

た時の噴霧可視化写真を示す．図中には液膜分離点の推誘導電極とノズルを設計するにあたっては，中空円錐定値 z = 8.0 mm と供試した 3 つの誘導電極を図示していノズル以外（例えば充円錐，扇形，直進ノズル等）の一る．z = 5.5 mm の誘導電極は液膜分離点よりも z 方向の流体ノズルを用いる場合や誘導電極による電界の分布な上流側にある．z = 9.5 mm の誘導電極は液膜分離点に近ど，まだ不明なことが多い．今後は液膜の電界分布，ノ接している．z = 13.5mm の誘導電極は液膜分離点よりもズルの放水圧力や流量，作動流体の特性等の関係と照らz 方向の下流側にある．2.3 項において示した比電荷は，し合わせて調査していく予定である．

z = 9.5 mm の誘導電極において高い値を示した．本実験の条件において，誘導電極を z = 9.5 mm に配置した場合

参考文献に比電荷が高い傾向を示した原因は以下のことが考えら

1） 静電気学会：静電気ハンドブック，p.754，オーム社（2006）

れる．一般に中空円錐状の噴霧において，液膜の厚みは

2） 山根

ノズル吐出口から液膜分離点に近づくにつれて減少する．液膜分離点においては液膜の表面積が最大，液膜の俊，宮崎昌宏：低濃度多量散布における静電散布装置の帯電性能．農業機械学会誌，70（2008）115
3） 山根俊，宮崎昌宏，斎藤秀文，大村和宏，青野守，

厚みが最小となる．その領域を覆うように誘導電極を配大須賀隆司：低濃度多量散布の静電散布装置に関する研置したことで静電誘導による比電荷が高い値を示したと

究．農業機械学会誌，72（2010）578

考えられる．液膜の厚さ及び液膜表面積と比電荷との関係については，今後の研究課題として検証する必要があ4） 吉永慶太，山根小林俊，宮崎昌宏，中山夏希，窪田陽介，

研：エアアシスト静電散布における噴霧液滴の物

182（48）

静電気学会誌 第43巻 第 4 号（2019）

理的特性に関する研究．農業食料工学会誌，76（2014）261
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ロナ帯電式水圧ノズルの静電散布特性．千葉大学学術報告，39（1987）912）S. Edward Law：Electrostatic pesticide spraying；conceptsand practice. IEEE Trans. Industry Appl. 19（1983）160
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集，p.887，日本建築学会（2013）14）池松建治，髙木賢二，挟間貴雅，辻利秀，吉田哲雄：

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誌，42（1987）459

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