静電気学会誌，45, 2（2021）75-80

技術レポート

アルゴンガスによるボトル撹拌とホース搬送での静電気の低減
三浦 崇

＊, 1

（2020年9月8日受付；2020年11月6日受理）

Reduction of Static Electricity Generated by Bottle Mixing andTube Transportation in Argon Ambience＊, 1Takashi MIURA（Received September 8, 2020; Accepted November 6, 2020）
Influence of gas ambience on tribo-electrification was investigated. Generating charge of alumina and stainless steel ball
specimens of a few mm diameter after bottle mixing and tube transportation filled with argon, nitrogen, dry air, and humid
room air was measured by means of a Faraday cage and an electrometer. Argon gas affects to reduce the electrification incomparison with dry air and nitrogen. The charge reduction effect of argon was verified in experiments of a fluorocarbon
polymer bottle and tube.

1．はじめにしかし，アルゴン 1 気圧では，マイクロギャップ放電に気体雰囲気を制御した固体間のすべり摩擦による静電よる緩和が大きく，残留率は 1％以下になることが明ら

気の研究によると，気体雰囲気で摩擦したときに発生すかになった．また，0.4 気圧下では，乾燥空気と窒素で1）る静電気の電荷量は，真空中での電気量よりも小さい ．

も残留率はそれぞれ約 0.9％と 4.4％以下と小さくなっ

これは，気体中では接点近傍で表面帯電が原因となった

た．気圧が下がることで，放電が活発になったためと考マイクロギャップ放電，つまり，自己放電による帯電緩えられている．

和が起きるためである ．電荷分離量から放電量を差し窒素とアルゴンの混合ガスの場合には，アルゴン分圧引いたものを一般的に静電気といっている．自己放電がが高いほど残留率は低下した ．また，ネオンでも帯電活発であれば，静電気は低減されることになる．

緩和が大きいことが観測されたことから，コロナ放電開2）

真空中での分離電荷量に対する気体中での帯電電荷量を残留率と定義する．ピンオンディスク摩擦実験により，

5）

始電場が小さい希ガスでは自己放電による帯電緩和効果が大きいのではないかと推測された．

ピンにステンレスなどの金属を使用し，ピンの電荷量を帯電緩和効果の実証の一例としてペットボトルにアルミエレクトロメータで測定し，真空中と気体中で帯電を比ナ球と気体を封入した実験では，アルゴンではアルミナ較することから，残留率の気体依存性を調べてきた．スの帯電が緩和されているような振る舞いが観測された ．

テンレスと PET 樹脂の摩擦では，室内空気での残留率摩擦発光の観測 により，接点近傍でのマイクロギャッは 20-50％程度であった ．また，1 気圧の乾燥空気や窒プ放電の発生が明らかになっているため，ここでも自己素では残留率は 30-40％程度であった ．一般的に大気放電による帯電緩和が起きていると考えられた．しかし，中での残留率は 20-50％と推測できる．

絶縁体試料の摩擦静電気量測定による低減効果の有無は3）2）ステンレスと融解石英の摩擦による実験

4）

でも，窒素

1 気圧では約 32％，乾燥空気 1 気圧では約 40％であった．

5）

6）

確認されていない．
本研究では，絶縁体容器と絶縁体試料，および金属試料を摩擦し，ファラデーケージで試料の帯電量を測定し，キーワード：アルゴン，帯電緩和，フッ素樹脂，アルミナ，ステンレス＊
労働安全衛生総合研究所（〒204-0024 東京都清瀬市梅園 1-4-6）
Electrical Safety Research Group, National Institute ofOccupational Safety and Health, 1-4-6 Umezono, Kiyoseshi, Tokyo 204-0024, Japan1
miurat@s.jniosh.johas.go.jp

気体による緩和の大きさを比較した．

2．静電気量の測定方法
絶縁体や金属の球状試料の静電気測定法として，ファラデーケージとエレクトロメータを使用した．図 1 に概略図を示す．ファラデーケージは実験に適した大きさのものを用意した．ステンレス製のカップ状の円筒容器を

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気低減効果を確認する目的で行った．球体試料が PFAホース内を自重で落下し，転がり摩擦による試料の帯電量を測定した．

3.1 ペットボトル撹拌での測定（第1実験）
3.1.1 実験方法
水で洗浄して内部をよく乾燥したペットボトル（0.5リットル）を撹拌容器とした．
固体試料として，アルミナとステンレスを使用した．
アルミナ球（直径 1 mm ）での実験では 200 g をボトル

図 1 静電気量の測定方法
Fig.1 Method of charge measurement.に入れた．817 個を抽出して計量したところ 2.60 g であったことから，ボトルに入れた個数は約 6.3×10 個と推42 重にした構造で，直径 160 mm（高さ 160 mm ）の外側測された．ステンレス球（直径 1/16 インチ）の実験でを接地し，直径 100 mm（高さ 100 mm ）の内側のカッは 500 個をボトルに入れ，重量は 8.57 g であった．接地

プは底部に樹脂をはさんで電気的に絶縁した．

したステンレス製容器に入れた試料を接地したステンレエレクトロメータには，（株）
ADC 社製 8252 を使用しス製ロートを通じてボトルに入れた．この方法でアルミた．実験によって測定可能レンジは 100 nC または 10 μC

ナをファラデーケージに直接入れて初期の帯電を測定しとした．測定器内部の電荷を捕集するコンデンサの容量たところ，-16 nC 程度であった．

は測定レンジごとに異なり，100 nC レンジでは 10 nF，10 μC では 1 μF となっている．マルチメーターで測定しペットボトルに試料を入れ，加えて試料気体を十分に置換するように導入し，封入した．

た入力ケーブル（4 m ）を含むファラデーケージの静電ボトルの撹拌には回転ローラー式シーソー攪拌機を用

容量は 0.4 nF であったため，100 nC レンジでは 5％程度いた．直径 41.5 mm のローラーが 120 rpm で回転し，シの取り込み不足は考えられるが，10 μC レンジでは影響ーソー撹拌の傾斜範囲は± 3 度である．ボトルの直径は無視できる．

66.5 mm より，撹拌の回転数は約 75 rpm となる．

エレクトロメータの出力は 0.1 秒ごとに値を記録し，撹拌後，直ちにファラデーケージに試料を移し入れ，静電気量を測定した．

試料をファラデーケージに入れる前後も観測した．

3.1.2 実験結果
3．実験と結果

撹拌直後の様子を図 2 に示す．図（a）に示した乾燥空本研究では 3 種類の実験を行った．第 1 実験は，過去気で封入した場合，撹拌を開始して数十秒後にはアルミに報告したペットボトルにアルミナ球とアルゴンを封入ナが内面に張り付いて動かず，さらに内側にあるアルミして撹拌した場合に内壁面に付着しなかった観測結果

5）

ナが内部で撹拌している様子であった．図（b）に示したについて詳しく調べるため，撹拌方法を定めた上でアルアルゴンの場合には，内面への張り付きはなく，底部でミナの帯電量を測定し，静電気の低減を確認するためにスライドしながら撹拌されている様子であった．

行った．

一連の実験結果を図 3 に示す．横軸は実験の順番を示

第 2 実験は，PFA 樹脂容器でのアルゴンの効果を確認しており，使用した気体種はグラフ内に示した．室内空するために行った．PFA は FTFE に代表されるフッ素樹気を充填した実験について，図 3（a）アルミナでは気温

脂の中でも溶融成形できる熱可塑性樹脂としての特性が18.5℃，相対湿度 18％，図 3（b）ステンレスでは 16.5℃，あり，近年，容器の成形やコーティングなどで用いられ23％であった．室内空気や乾燥空気を充填した場合と比ている．しかし，フッ素樹脂は電気絶縁性が高いため静べ，アルゴンでは取り出した試料の帯電量は小さくなった．

電気を保持しやすく，静電気問題が発生しやすい材料として知られている．PFA 製のボトルを用いて，第 1 実験

3.2 PFAボトル撹拌での測定（第2実験）と同様に行った．

3.2.1 実験方法

第 3 実験は，第 1，2 実験と異なり，試料と気体を完

容量 1 リットルの PFA 製ボトルを使用した．固体試

全に封じ込めることができないホース搬送に対し，アル料はアルミナ球（直径 1 mm，200 g ）とステンレス球（直ゴンを一定の流量で導入し続けることによる試料の静電径 1/16 インチ，約 1000 個（17.1 g ））を使用した．第 1アルゴンガスによるボトル撹拌とホース搬送での静電気の低減（三浦 崇）

77（39）（ a ）Alumina balls saturated with dry air（ b ）Alumina balls saturated with argon gas（ c ）Stainless steel balls saturated with dry air
図 2 ペットボトルに試料と気体を封入して撹拌した直後の様子．
Fig.2 Photographs after stirring the PET bottle including a ball
specimen saturated with a gas.

図 4 ガスの充填方法
Fig.4 Method of gas filling.

mm から計算すると，ボトルの回転数は約 53 rpm であった．ボトルの帯電状態を制御することはできなかったが，撹拌中でも空の状態でも外部表面の電位は -1 kV から -3 kV の範囲であった．

3.2.2 実験結果
図 5 に撹拌後の様子を示す．図 （5 a）に示した窒素を充填した場合には，試料が静電気により内壁に強く付着し，電荷量測定の際にアルミナの 8％ほどが全く取り出せないこともあった．
（b）に示したアルゴンの場合は試料が付着することなく，全てをファラデーケージに投入できた．
撹拌後の帯電量について，アルミナでの実験結果を図 6（ a ）Alumina balls（ b ）Stainless steel balls

図 3 気体による帯電量の違い
Fig.3 Difference of charge in several gas ambience.に示す．室内空気は 26℃，60％であった．比較的湿度の高い空気であっても，窒素と同程度の帯電量が観測された．
アルゴンの場合には，その 1/10 程度の帯電量となった．
ステンレスでの実験結果を図 7 に示す．室内空気は実験と同様の方法で試料をボトルに入れた．アルミナの26℃，57％であった．実験番号 1 では，撹拌することな初期の帯電量は，-6.8 nC 程度であった．

しに取り出した時の帯電量を示している．PFA ボトルと定量的にガスを充填する方法として，図 4 で示すよう接触しただけでステンレスは正に帯電した．実験番号 2に，ボトルの底から毎分 0.5 リットルの流量で 2 分間流以降は撹拌後の測定結果である．アルミナでの実験と同入することに定めた．

様に湿度のある空気と窒素は同程度の帯電であったが，撹拌方法は第 1 実験と同様であるが，ボトルの直径 94

アルゴンではそれらよりも小さくなった．

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3.3 PFAホースによる搬送での測定（第3実験）
3.3.1 実験方法
図 8 に実験装置を示す．PFA ホースは内径 8 mm，外径 10 mm，長さ 10 m（容積 0.50 リットル）を用いて，上下方向にらせん状に設置した．上部に T 形配管（接地電位）を設置し，球状試料は鉛直上から落とし入れ，（ a ）Alumina filled with nitrogen gas

気体は横から一定の流量で導入した．試料投入口は塞いでおき，試料を入れるときだけ開けた．
試料はステンレス球（直径 3 mm ）とアルミナ（直径3 mm ）を使用した．どちらの試料も一度に 20 個を上部から投入した．球体試料は，接地した金属部分に接触してから PFA ホースに入るようにした．アルミナの初期
帯電は -73 pC 程度であった．試料は重力によってホース内を転がりながら落下し，ホースを出た試料はファラデーケージに直接入るようにした．ホース内を転がる時（ b ）Alumina filled with argon gas
図 5 撹拌後の様子
Fig.5 Photographs after bottle mixing.

間は，ステンレスが約 5.9 秒，アルミナが約 6.9 秒程度であった．
湿気のある室内空気（23℃，52％）での実験では，気体は導入せずに転がり摩擦後の電荷量をファラデーケージで測定した．

図 6 アルミナ試料の帯電量
Fig.6 Mass charge density of alumina specimen.

図 7 ステンレス試料の帯電量（実験番号 1 は撹拌なし）
Fig.7 Mass charge density of stainless steel specimen. Note thatthe experiment 1 was without mixing.

図 8 実験装置
Fig.8 Experimental setup.

アルゴンガスによるボトル撹拌とホース搬送での静電気の低減（三浦 崇）

79（41）

導入する気体の流量はマスフローメーターで測定し，粉体の表面電荷密度で考察する．第 2 実験において，バルブによって流量を毎分 0.5 リットルに調整した．気アルミナ球の総表面積から表面電荷密度を計算すると，体の通過時間は 60 秒程度であり，試料の搬送には影響窒素で充填した場合（図 6 実験番号 5）では，1.2×10していないと考えられる．実験は気体導入開始 2 分後かC/m となった．一般的に知られている絶縁体の空気中ら行い，その後の測定値は標準偏差± 15％以下で安定での電荷密度 10 C/m 程度していた．

コロナ開始電場（38.0 kV/cm ） から計算した最大電荷3.3.2 実験結果

-52-527）とも近い．また，窒素の8, 9）密度（ σ = ε E ）は 3.4×10 C/m となり，実験結果と近い．
-52

図 9 に試料の帯電量の測定結果を示す．ステンレスにアルゴン（図 6 実験番号 3）では 4.6×10 C/m となっ

ついて，室内空気（実験番号 1）では気体の導入なしにた．アルゴンのコロナ開始電場（7.2 kV/cm ） から計実験した．次にアルゴン（実験番号 2）を導入すると，算した最大電荷密度は 6.4×10 C/m となるが，これと帯電量はやや上がった．次に窒素を流入した場合，帯電比べて実験結果はさらに 1 桁ほど小さい．期待される値量は倍増した．次の乾燥空気でも同程度であった．

よりも静電気が低減される理由は明らかではない．過去-728, 9）-62

続けて，乾燥空気でアルミナで実験したところ，約の研究から，放電発光がマイクロギャップ間だけではな

13 nC 帯電したが，再びアルゴンを流入してステンレスく，帯電表面に沿ったものも観測されている ことから，とアルミナで実験したところ，それぞれ帯電量は低くな

典型的な火花やコロナとは違った形態の放電特性や暗流り，窒素や乾燥空気の場合と比べて半分以下となった．

段階での放電特性が影響している可能性もある．

5）以上のように，搬送ホースにアルゴンを流入した場合アルミナの初期帯電は -3.5×10 C/m となった．符号にも，窒素や乾燥空気と比べ，帯電量は小さくなった．の違いは接触の相手がステンレスであるためと考えられ-82るが，大きさで比較しても，先述したアルゴンでの測定値（4.6×10 C/m ）よりさらに 1 桁小さい．アルゴンを-72使用しても，摩擦によって発生した電荷量の一部がマイクロギャップ放電後も残留すると考えられ，アルゴンによる静電気低減にも限界があることが分かった．
第 2 実験において，ステンレスでは室内空気中（図 7実験番号 2）で 9.5×10 C/m となった．アルゴン（図 7-62

実験番号 4）では 1.3×10 C/m となった．
-62

また，撹拌実験の場合，帯電したアルミナ試料をファラデーケージに投入する際，窒素や空気では，試料がボトル内壁に付着するため，全てを落とし切るまでに 10秒以上かかったが，アルゴンの場合には容器を傾けるだ
図 9 試料の帯電量（実験番号 1 はガス導入なし）
Fig.9 Charge of specimens. Note that the experiment 1 waswithout gas flow.

けで 2 秒以下で落とし切ることができた．アルゴンは試料のハンドリングの改善にも効果が期待できる．
第 3 実験では，窒素や乾燥空気での帯電量と比べ，アルゴンでは帯電は低くなっているが，低減率は 1/3～1/24．考察ほどである．また，理由は不明であるが，アルゴンを導いずれの実験においても，アルゴンガスによって固体入する前の室内空気での実験の方が帯電量が低い結果に試料の静電気が緩和されることが明らかになった．これもなった．再度アルゴンで実験した際は室内空気より帯までの研究結果と同様に，アルゴンではマイクロギャッ電は低くなったが，アルゴンが他と比較して圧倒的に静プ放電が起きやすいためではないかと考えられる．

電気を低減できるとは言い難い．考えられる原因として

撹拌実験では，乾燥空気や窒素と比較したアルゴンのは，摩擦速度が速いということである．ステンレス球は静電気低減率はステンレスよりもアルミナの方が大きか

平均速度 1.7 m/s，アルミナ球は 1.5 m/s であり，これはった．マイクロギャップ放電の発生のしやすさが影響し撹拌装置での平均速度 0.26 m/s よりも大幅に速いため，ていると考えられる．電荷密度が高い，すなわち電場が摩擦帯電の速度依存性の解釈で考察される逆流現象

大きなところで放電は発生するため，絶縁性の高いアル（ Back-conduction や Back-flow ）の影響に差がある可能ミナでマイクロギャップ放電が起きやすい可能性がある．

性がある．また，撹拌では粉体と内壁は繰り返し接触す7）

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るため，帯電と放電の平衡に達しやすいが，ホース内のとが明らかになった．ボトルでの撹拌実験では，アルゴ搬送のように再接触がない場合には，常に新しい接触面

ンガスを使用することでアルミナ球のボトル内面への静が現れ，帯電よりも放電緩和の寄与が相対的に小さくな電気による付着も低減できた．アルゴンは試料のハンドるため，などが考えられる．

リングにも効果が期待できる．しかし，アルゴンを使用

電荷密度を計算してみると，窒素導入でのステンレスが 3.0×10 C/m ，乾燥空気導入でのアルミナが 2.3×10-52-5しても原理的に放電が発生しない程度の帯電量は残留するため，低減には限界がある．

からのアルゴンの静電気低減効果の大きさは，おそらく，粉-5

計算値 3.4×10 C/m や絶縁体の空気中での電荷密度 10体の種類と粒径，容器や壁面の材質，輸送速度などの条C/m 程度とも近い．また，アルゴン導入でのステン件に依存する可能性が高く，実際に比電荷などを測定しC/m となった．先述の窒素のコロナ開始電場
2-527）

8, 9）

2

レスが 1.3×10 C/m ，アルミナが 7.1×10 C/m となっ-52-6た．これらも，先述のコロナ開始電場

8, 9）

2て評価する必要がある．

からの計算値

6.4×10 C/m と近い値となり，妥当性のある帯電の大参考文献

きさといえる．しかし，撹拌とは異なり，アルゴンでの

1） 三浦

-62

アルミナの帯電量は大幅には減少しなかった．

崇：高真空下での静電気現象．静電気学会誌，43（2019）8-12

粉体の帯電について，特に絶縁性（抵抗率 >10 Ωm ）102） 三浦崇：金属と絶縁体の摩擦による電荷分離とマイクの粒径 1 mm 以上の粉体の充填では，粉体の質量あたりロギャップ放電による帯電緩和効果の測定．Journal ofの帯電量（質量比電荷，または単に比電荷，Mass charge

the Vacuum Society of Japan，57（2014）167-170

density，便宜的に使われる物性量）が 1 μC/kg 以上では

3） 三浦 崇，山隈瑞樹：静電気による労働災害防止のためコーン放電（ Bulking brush discharge, Cone discharge ）がの金属と樹脂固体の摩擦帯電量測定．労働安全衛生研究，発生しやすくなるとされている

6（2013）59-66．これを防止するた

10, 11）

めには，充填流量を下げるか，粉体の除電が必要である．

4） T. Miura: Observation of charge separation and gas discharge

アルミナ試料での実験結果について比電荷を計算してみduring sliding friction between metals and insulators. J. Phys.

ると，撹拌の場合，図 （3 a）実験番号 4 では 0.42 μC/kg，Conf. Seri., 646（2015）012057

図 6 実験番号 3 では 0.45 μC/kg となった．アルゴンを充填して粉体を取り扱うことで，比電荷を 1 μC/kg 以下に低減できる可能性がある．しかし，搬送の場合には，図5） 三浦崇：アルゴン中でのマイクロギャップ放電による摩擦帯電緩和の効率．静電気学会誌，43（2019）8-12
6） 三浦崇，榎戸一樹，廣川紀子，荒川一郎：N2,Ar,Kr ガ

9 実験番号 7 から計算した 4.6 μC/kg 程度までしか低減

ス中のダイヤモンドと水晶のすべり摩擦における気体放できていない．アルゴンの静電気低減効果の大きさは，

電．真空，46（2003）210-213

撹拌にしても流動にしても，粉体の大きさ，粉体が空間を占める割合，などの様々な条件によって変動すると思われるため，実際のプロセスにおいて比電荷を測定し，アルゴンによる低減効果の大きさを確認する必要があると思われる．

7） J. Lowell and A. C. Rose-Innes: Contact Electrification. Adv.
Phys., 29（1980）947-1023
8） J. M. Meek and J. D. Craggs: Electrical Breakdown of gases,
Oxford, London（1953）
9） 電離気体論，第 27 版，電気学会（1997）
10）NFPA 77 Recommended Practice on Static Electricity 2019

5．まとめ
アルゴンガスでボトルやホースを充填した場合，窒素と比べて樹脂容器との摩擦による静電気を低減できるこEdition, National Fire Protection Association
11） 静電気安全指針 2007．労働安全衛生総合研究所技術指針，ISSN 1882-2703