JP6351549B2 - 粉粒体の帯電装置 - Google Patents

Description

この発明は、粉粒体を摩擦帯電させるための帯電装置に関する。

従来から、粉粒体を輸送するプロセスにおいて、粉粒体の静電気が、火災、爆発あるいは放電ノイズ等の電気的障害の原因となることが知られている。そのため、粉粒体を取り扱う現場では、粉粒体の電荷量などを管理する必要があり、現場で取り扱う粉粒体が、搬送過程でどの程度帯電するのかという粉粒体の帯電特性をあらかじめ把握するため、目的の粉粒体を帯電させる装置が考えられていた。

例えば、静電塗装用ガンのように、粉粒体を搬送する配管中に、スクリュー状などの旋回流生成部材を設けて、粉粒体を旋回させて配管の内壁に接触させて摩擦帯電させる装置があった。上記のようにして帯電させた粉粒体の電荷量を測定することで、粉粒体の帯電特性を測定することができる。
なお、粉粒体の特性を測定するための、上記のような帯電装置の先行技術文献は見つからなかったが、静電塗装用の摩擦帯電ガンと同様の原理を利用している。

特開２００５−１１１３７１号公報 特開２００２−０６６３８０号公報

上記した従来の粉粒体の帯電装置では、粉粒体の搬送経路中に旋回流生成部材を設けているため、粉粒体が旋回流生成部材と衝突して摩擦帯電するので旋回流生成部材の材質を摩擦帯電部と同じ材質にする必要があった。
また、粉粒体が旋回流生成部材に付着してしまい、測定対象である粉粒体の種類を変える際の清掃に時間と手間がかかってしまうという問題があった。
さらに、粉粒体を交換しないときでも、旋回流生成部材に粉粒体が付着していると、粉粒体同士の摩擦帯電が起こり、配管などを構成する材質との摩擦帯電を正確に測定できないという問題もあった。

さらにまた、旋回流生成部材が、配管の開口断面積を小さくしてしまうため、粉粒体をスムーズに搬送できないということもあった。特に、旋回流生成部材に粉粒体が付着すると、粉粒体の通過断面積がさらに狭くなり、十分な粉粒体搬送ができないことがあった。
この発明の目的は、粉粒体の摩擦帯電特性を正確かつ短時間で測定可能な、粉粒体の帯電装置を提供することである。

第１の発明は、粉粒体である測定対象を搬送用気体に乗せて搬送して上記測定対象を摩擦帯電させる帯電装置を前提とし、上記搬送用気体の流れに沿って、上記搬送用気体を供給する搬送用気体供給源と、軸心が直線状であって上記測定対象の搬送通路となる筒体とを配置し、上記搬送用気体供給源の下流に、上記搬送用気体を旋回させる旋回流生成部材を設けるとともに、上記旋回流生成手段の下流に上記筒体を設けている。
そして、上記筒体には、上記測定対象を載置する測定対象載置部と、上記測定対象載置部に上記測定対象を供給するための密閉可能なふた部と、上記測定対象載置部よりも下流側部分において測定対象を摩擦帯電させる摩擦帯電部とを備え、上記旋回流生成手段は、上記筒体に固定する本体と、この本体に、その外周にそって配置された上記搬送用気体を旋回させるための複数の貫通孔とからなり、上記旋回流生成手段によって生成された旋回流に巻き込まれた粉粒体を、上記摩擦帯電部の内壁に接触させて摩擦帯電させる構成にしたことを特徴とする。

第２の発明は、上記旋回流生成手段の上記本体であって、上記貫通孔を通過する上記搬送用気体の流れの下流側の面には、上記複数の貫通孔を配置した中央に、上記流れに沿って断面積を小さくするコーン状の凸部を設けたことを特徴とする。

第３の発明は、上記筒体に対し、上記旋回流生成手段を着脱可能に設けたことを特徴とする。

第１の発明の帯電装置によれば、測定対象の摩擦帯電特性を効率的かつ正確に測定することができるようになる。
この発明では、旋回流生成手段よりも下流側に測定対象載置部を設けたので、測定対象が旋回流生成手段に接触することがなく、測定対象が旋回流生成手段に付着することによる様々な問題を回避できる。

例えば、旋回流生成手段の清掃に手間がかかることがなく、実験の効率化ができるし、旋回流生成手段に付着した測定対象と移動する測定対象との摩擦帯電による誤差の発生もない。
さらに、測定対象と筒体との摩擦帯電と、測定対象と旋回流生成手段との摩擦帯電とに違いが出ないように考慮する必要がないので、旋回流生成手段の材質を筒体と同じにしなくてもよく、旋回流生成手段の材質選択の自由度が上がる。旋回流生成手段の材質選択の自由度が上がれば、様々な形状の旋回流生成手段を形成することが容易になり、測定対象に応じてより効率的な旋回流を生成し、結果として効率的な摩擦帯電を実現することもできるようになる。

第２の発明によれば、貫通孔の下流側のコーン状の凸部によって、旋回流生成手段の下流側で搬送用気体が安定して旋回し、旋回回数も多くなり、この旋回流に乗って搬送される粉粒体の帯電量を大きくすることができる。そのため、旋回する粉粒体の帯電が飽和帯電量に近く安定し、再現性もよくなる。
第３の発明によれば、測定対象の種類によって、適切な旋回流生成手段を選択して用いることができる。例えば、測定対象の粒径や密度、流動特性などが異なる場合には、摩擦帯電させやすい旋回流にも違いがあるが、旋回流生成手段を交換することによって、どんな測定対象も、適切に帯電させることができるようになる。

第１実施形態の帯電装置を用いた帯電試験装置の構成図である。 図１のII-II線断面図である。 第１実施形態の旋回流生成部材の斜視図である。 第１実施形態の旋回流生成部材の側面と生成される旋回流である。 帯電実験の実験結果である。 第２実施形態の筒体の断面図である。 第３実施形態の筒体の断面図である。

図１は、第１実施形態の粉粒体の帯電装置の構成図である。
この帯電装置は、粉粒体を搬送するための搬送用エアを供給するエア供給源１、このエア供給源１に接続されたエア配管２、及びエア配管２からエアが供給される直管状の筒体３を備えるとともに、この筒体３に配管電荷量測定部４及びサイクロン型ファラデーケージ５を接続したものである。そして、上記筒体３の外周を接地された金属板で形成されたシールド部材６で囲っている。
なお、図１中、符号７は搬送用エアの供給圧を制御するレギュレータ、符号８は電磁弁である。

また、上記エア配管２と上記筒体３との間、筒体３とサイクロン型ファラデーケージ５との間には、図示しない絶縁部材を介在させて両者間の電気的導通を遮断している。
そして、上記配管電荷量測定部４及びサイクロン型ファラデーケージ５を除いた部分が、この発明の帯電装置に相当する。
この第１実施形態では、粉粒体の搬送用気体としてエアを用いることにするが、搬送用気体は爆発の危険性が低く安定した気体であれば、エアに限らない。

次に、図１の帯電装置の各部材について説明する。
上記筒体３は、ステンレス製の部材で、筒本体３ａにふた部３ｂで密閉可能な供給口３ｃを形成している（図１参照）。この供給口３ｃは、この実施形態の帯電装置によって摩擦帯電させる粉粒体を筒体３内に供給するための口となる。上記筒本体３ａ及びふた部３ｂとは、図２に示すように外方に突出させたフランジ部３ｄ，３ｅを備え、これらフランジ部３ｄ，３ｅを連結部材９，９によって結合することで上記供給口３ｃを密閉可能にしている。
そして、上記ふた部３ｂの直下を、後で説明する帯電実験の際に上記粉粒体を載置するための測定対象載置部１０としている。

また、上記筒体３内には、矢印Ａで示す搬送用エアの流れを基準にして、上記供給口３ｃより上流側に旋回流形成部材１１を設けている。
この旋回流形成部材１１は、図２〜４に示すように、円盤状の本体１１ａを備え、この本体１１ａの一方の底面には、側面を中心に向かって傾斜させた凹部１１ｂを形成するとともに、この凹部１１ｂの底には、コーン状の凸部１１ｃを形成している。さらに、上記凸部１１ｃの底部外周に沿って８個の貫通孔１１ｄを形成している。各貫通孔１１ｄは、上記本体１１ａの一方の底面から他方の底面に向かい、本体１１ａの軸線に対して中心線がねじれるように形成された孔である。

そのため、上記凸部１１ｃ側から図３の矢印Ａ方向に流れる搬送用エアが、上記旋回流形成部材１１の貫通孔１１ｄを通過すると旋回流が生成される（図３，４参照）。
なお、上記搬送用エアの流入側では、上記凹部１１ｂの側面とコーン状の凸部１１ｃの外周面とが相まって、図３の矢印Ａ方向の搬送用エアを各貫通孔１１ｄへ導く機能を発揮している。

一方、上記本体１１ａにおいて搬送用エアの出口側となる他方の底面にも、図４に示すように上記複数の貫通孔１１ｄを配置した中央に、気体の流れに沿って断面積を小さくするコーン状の凸部１１ｅを形成している。このような凸部１１ｅを形成すると、貫通孔１１ｄから噴出する搬送用エアが、上記凸部１１ｅに沿って流れ、形成される旋回流を乱れにくくすることができる。その結果、より安定した旋回流が生成され、旋回回数も多くなる。

そして、上記旋回流生成部材１１の本体１１ａを上記筒体３に挿入し、その外周を筒体３の内壁に図示しない手段で着脱可能に固定している。
したがって、上記測定対象載置部１０に粉粒体を載置して搬送用エアを供給すれば、上記粉粒体は生成された旋回流に乗って筒体３の内壁との間で摩擦帯電しながら搬送される。
この第１実施形態では、上記筒体３において測定対象載置部１０よりも下流側の部分がこの発明の摩擦帯電部を構成する。

また、上記したように、上記コーン状の凸部１１ｅを形成したことによって、安定した旋回流が生成されると考えているが、その理由は次のとおりである。
図４に示すように、複数の貫通孔１１ｄから気体が高速で噴出すると、これら複数の貫通孔１１ｄで囲まれた本体１１の中央付近には負圧領域が生成される。この負圧によって部分的に下流に向かう流れが引き付けられ、旋回流が乱れてしまうと考えられる。
しかし、上記凸部１１ｅを形成すれば、負圧領域を小さくできるうえ、気体の流れをガイドできるので、安定した旋回流が生成されると考えられる。
そして、凸部１１ｅを設けることによって旋回回数の多い旋回流が生成されることは、シミュレーションによって確認済みである。

なお、上記凸部１１ｅの形状や大きさも旋回流の生成に影響を与える。例えばコーンの高さを高くすれば、旋回流が整い易くなるが、高さが高くなると、上記凸部１１ｅに粉粒体が付着してしまう可能性もある。
したがって、上記凸部１１ｅの最適な形状や大きさなどは、装置全体の寸法や粉粒体の粒径、物性などによって設定することができる。

一方、筒体３に接続した上記配管電荷量測定部４は、粉粒体との摩擦によって筒体３に発生する電荷量Ｑ_１〔ｎＣ〕を筒本体３ａから取得し、測定するものである。
また、筒体３の下流側端部に接続されたサイクロン型ファラデーケージ５は、上記旋回流に乗って筒体３の内壁で摩擦帯電した粉粒体の電荷量Ｑ_２〔ｎＣ〕を測定するための装置である。
したがって、このサイクロン型ファラデーケージ５で測定される電荷量Ｑ_２〔ｎＣ〕は、測定対象の粉粒体の初期電荷量を除電してから測定しているために、上記配管電荷量測定部４で測定される粉粒体の電荷量Ｑ_１〔ｎＣ〕と逆極性になる。このように、電荷量Ｑ_１〔ｎＣ〕が、電荷量Ｑ_２〔ｎＣ〕と逆極性になるのは、電荷量Ｑ_１〔ｎＣ〕が測定対象となる粉流体との摩擦相手である筒本体３ａから計測したものだからである。

上記サイクロン型ファラデーケージ５は、帯電した粉粒体を旋回流で捕集しながら電荷量を測定する装置であって、例えば、特許第５４７４００１号に記載されている。このようなサイクロン型ファラデーケージ５を用いれば、粉粒体の比電荷を正確に測定することが可能であるが、上記筒体３から放出された粉粒体の電荷量を測定する装置はこれに限らない。

次に、この第１実施形態の帯電装置を用いた粉粒体の帯電実験について説明する。
実験装置は、図１に示す帯電装置であるが、上記筒体３は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）製の直管で、全長１３００〔ｍｍ〕、内直径３５〔ｍｍ〕である。
上記旋回流生成部材１１は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）製で、上記貫通孔１１ｄは内径が約６〔ｍｍ〕である。
また、上記エア供給源１として、（株）日立産機システム製の小型空気圧縮機（ＰＯＤ−３．７ＭＡ５）、レギュレータ７としてＳＭＣ（株）製のフィルタレギュレータ（ＡＷ４０−０６ＣＧ）を用いた。
この帯電実験は、上記筒体３との摩擦によって粉粒体からなる測定対象がどの程度帯電するのかを測定するための実験である。したがって、この帯電実験は、粉粒体とステンレス（ＳＵＳ３０４）との摩擦帯電実験となる。

実験手順は次のとおりである。
（１）上記エア供給源１でエアを乾燥圧縮し、レギュレータ７によって搬送用エアの供給圧力Ｐを所定の値に調整する。この実験では、供給圧力Ｐを、０．１５〔ＭＰａ〕〜０．３５〔ＭＰａ〕の範囲で０．０５〔ＭＰａ〕ごとに調整した。
（２）筒体３のふた部３ｂを開けて、測定対象載置部１０に、体積基準の５０％粒径Ｄ_５０が６７〔μｍ〕の樹脂製の粉粒体を１．０〔ｇ〕載置する。
（３）粉粒体の初期電荷量の影響を消すため、春日電機（株）製の小型静電気除去装置（ＫＤ−１５０Ｗ）を供給口３ｃから内部へ挿入して測定対象載置部１０上の粉粒体を除電する。
（４）ふた部３ｂによって供給口３ｃを密封する。
（５）電磁弁８を開いて、筒体３へ搬送用エアを供給する。
（６）筒本体３ａの電荷量Ｑ_１〔ｎＣ〕と、サイクロン式ファラデーケージ５の回収容器に捕集された粉粒体の電荷量Ｑ_２〔ｎＣ〕とを測定する。

上記手順（５）で電磁弁８を開くと、供給された搬送用エアが旋回流生成部材１１を通過して旋回流を生成し、測定対象載置部１０の粉粒体を巻き込んで旋回させる。旋回した粉粒体は、筒体３の内壁と摩擦帯電しながら搬送され、最終的に上記サイクロン式ファラデーケージ５の回収容器に捕集される。
上記実験では、上記サイクロン式ファラデーケージ５で、測定対象載置部１０に載置した全量の１．０〔ｇ〕を回収することができた。

上記の帯電実験によって測定された電荷量Ｑ_１〔ｎＣ〕，Ｑ_２〔ｎＣ〕は、粉粒体が、上記測定対象載置部１０からサイクロン式ファラデーケージ５の回収容器に捕集されるまでの間に変化するが、その絶対値が最大となって安定する。この安定した時の電荷量Ｑ_１〔ｎＣ〕，Ｑ_２〔ｎＣ〕の値を、粉粒体の重量Ｍで割って比電荷（Ｑ／Ｍ）_１〔ｎＣ／ｇ〕及び（Ｑ／Ｍ）_２〔ｎＣ／ｇ〕を求めた。その結果を図５に示す。

図５は、搬送用エアの供給圧力Ｐごとの、最大の比電荷（Ｑ／Ｍ）_１〔ｎＣ／ｇ〕及び（Ｑ／Ｍ）_２〔ｎＣ／ｇ〕を示した表である。この表に示すように、初期帯電がない粉粒体では、筒体３から配管電荷量測定部４で測定した電荷量と、筒体３から放出されてからサイクロン式ファラデーケージ５で測定した電荷量とは、逆極性で絶対値がほぼ等しいことが確認できた。つまり、粉粒体の電荷量を測定するためには、上記配管電荷量測定部４あるいはサイクロン型ファラデーケージ５のいずれか一方のみで足りることがわかった。

また、この実施形態の帯電装置を用いた試験装置によって、ノイズなどの影響を受けずに電荷量Ｑ_１〔ｎＣ〕，Ｑ_２〔ｎＣ〕あるいは比電荷（Ｑ／Ｍ）_１〔ｎＣ／ｇ〕，（Ｑ／Ｍ）_２〔ｎＣ／ｇ〕を測定できることもわかった。
さらに、搬送用エアの供給圧力Ｐを上げると、電荷量が高くなることもわかった。このことから、粉粒体の帯電特性を測定する際に、上記供給圧力Ｐを調整すれば、飽和帯電量まで帯電させる可能性があることもわかった。

さらにまた、実験後に、実験に用いた上記樹脂製の粉粒体が上記旋回流生成部材１１に付着していないことを確認できた。
上記樹脂製の粉粒体が旋回流生成部材１１に付着していなかったのは、搬送用エア流を基準にして、上記旋回流生成部材１１が測定対象載置部１０よりも上流側に設けられているため、すなわち旋回する粉粒体が旋回流生成部材１１の位置を通過しないからである。

したがって、この実施形態の帯電装置では、粉粒体が旋回流生成部材１１の貫通孔１１ｄに詰まってその開口を小さくしてしまったり、粉粒体同士の摩擦帯電が発生したりすることがない。
なお、粉粒体が旋回流生成部材１１に付着していないことは、実験終了後に筒体３のふた部材３ｂを開ければ一目で確認できるし、上記帯電実験においてサイクロン型ファラデーケージ５が、粉粒体の全量を回収できたことからも確認できた。

上記のように、旋回流生成部材１１に粉粒体が付着することがない第１実施形態の帯電装置なら、粉粒体の種類を変えて実験する際の帯電装置の清掃が、従来と比べて簡単になる。特に、旋回流生成部材１１は、筒体３と比べて、複雑な形状をしているため、粉粒体が付着した場合には、その清掃に手間がかかるが、上記第１実施形態の帯電装置なら、その手間を省いて効率的な帯電実験ができる。

また、上記旋回流生成部材１１を、筒体３から着脱自在に設けるようにすれば、上記旋回流生成部材１１を異なる形状の旋回流生成部材に取り換えて使用することができる。例えば、上記貫通孔１１ｄの大きさや方向、数などを変更した旋回流生成部材によって生成される旋回流を変更することができる。粉粒体の粒径や密度、流動特性などに応じて、粉粒体の旋回状態が変わることが考えられるが、適切な旋回流生成部材の形状を選択することによって、より効率的な摩擦帯電を実現できる可能性もある。
なお、旋回流生成部材１１の着脱機構は、どのようなものでもよい。例えば筒体３の一端開口から、旋回流生成部材１１を挿入したり、取り出したりするようにしてもよいし、筒体３の端部外周と、旋回流生成部材１１の外周にフランジを設け、それらをねじなどで結合するようにしてもよい。

また、この実施形態の旋回流生成手段１１は、粉粒体の摩擦帯電に影響しないため、どのような材質で形成されてもよい。上記実施形態では、ステンレス製にしているが、もっと加工が容易な材質を選択すれば、より複雑な形状の旋回流生成手段を形成することもできる。したがって、任意の旋回流を生成することができる。
なお、上記第１実施形態では、粉粒体が旋回流に乗って摩擦帯電する摩擦帯電部と上記測定対象載置部１０とを、１本の筒体３内に設けているが、測定対象載置部を備えた筒体と摩擦帯電部を備えた筒体とを別部材にして、これら別々の部材を連結してこの発明の筒体を構成するようにしてもよい。ただし、上記測定対象載置部でも粉粒体が旋回して帯電するので、測定対象載置部を備えた筒体と、摩擦帯電部を備えた筒体とは同じ材質にする。

さらに、この発明の筒体は、旋回流に乗った粉粒体が偏りなく摩擦帯電部の内壁に接触するため、軸心が直線状であればよく、その形状は上記筒体３のような直管状に限定されない。
例えば、図６に示す第２実施形態の筒体１２のように全体をテーパー状にしたものや、図７に示す第３実施形態の筒体１３のように、直径の異なる２つの直管をテーパーで連結したような形状でもよい。このような筒体１２，１３を、第１実施形態の筒体３の代わりに用い、他の構成を第１実施形態と同様にすれば、これら第２，３実施形態でも、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記第１〜３実施形態では、旋回流生成手段として、搬送用エアをねじれる方向に導くための貫通孔を形成した旋回流生成部材１１を筒体に固定しているが、旋回流生成手段は、上記旋回流生成部材１１に限定されない。貫通孔を通過した搬送用流体が旋回流になればどのような形状でもよい。いずれにしても、旋回流生成手段を測定対象載置部１０よりも上流側に設けて、粉粒体が付着することがないようにする必要がある。

この発明は、様々な粉粒体の帯電特性を測定するために有用である。

１ エア供給源
３ 筒体
３ａ 筒本体
３ｂ （供給口を密閉するための）ふた部材
３ｃ （測定対象の）供給口
１０ 測定対象載置部
１１ （旋回流生成手段である）旋回流生成部材
１２ 筒体
１３ 筒体

Claims (3)

1. 粉粒体である測定対象を搬送用気体に乗せて搬送して上記測定対象を摩擦帯電させる帯電装置であって、
   上記搬送用気体の流れに沿って、
   上記搬送用気体を供給する搬送用気体供給源と、
   軸心が直線状であって上記測定対象の搬送通路となる筒体とを配置し、
   上記搬送用気体供給源の下流に、上記搬送用気体を旋回させる旋回流生成手段を設けるとともに、
   上記旋回流生成手段の下流に上記筒体を設け、
   上記筒体には、
   上記測定対象を載置する測定対象載置部と、
   上記測定対象載置部に上記測定対象を供給するための密閉可能なふた部と、
   上記測定対象載置部よりも下流側部分において測定対象を摩擦帯電させる摩擦帯電部と、
   を備え、
   上記旋回流生成手段は、
   上記筒体に固定する本体と、
   この本体に、その外周にそって配置された上記搬送用気体を旋回させるための複数の貫通孔とからなり、
   上記旋回流生成手段によって生成された旋回流に巻き込まれた粉粒体を、上記摩擦帯電部の内壁に接触させて摩擦帯電させる構成にした粉粒体の帯電装置。
2. 上記旋回流生成手段は、
   上記複数の貫通孔を配置した中央に、上記流れに沿って断面積を小さくするコーン状の突部を設けた請求項１に記載の粉粒体の帯電装置。
3. 上記筒体に対し、上記旋回流生成手段を着脱可能に設けた請求項１又は２に記載の粉粒体の帯電装置。

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