JPWO2006115122A1

JPWO2006115122A1 - 粉粒体帯電制御装置及び該方法

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Publication number: JPWO2006115122A1
Application number: JP2007514605A
Authority: JP
Inventors: 松坂　修二; 修二松坂; 増田　弘昭; 弘昭増田
Original assignee: Kyoto University
Current assignee: Kyoto University
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2008-12-18
Also published as: TW200706238A; WO2006115122A1

Abstract

本発明は、粉粒体の帯電状態を制御し得る粉粒体帯電制御装置及び粉粒体帯電制御方法を提供する。本発明に係る粉粒体帯電制御装置は、気流中に含まれる帯電対象の粉粒体が衝突接触する面に、互いに仕事関数が異なる第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａを有し、接地した帯電制御部１４を備える。

Description

本発明は、粉粒体の帯電状態を制御し得る粉粒体帯電制御装置及び粉粒体帯電制御方法に関する。

粉粒体の帯電は、静電粉体塗装、電子写真及び粉体流量計測等の様々な技術に利用されているが、気相系で粉粒体を取り扱う場合、凝集、付着及び粉塵爆発等の様々な取り扱い上の阻害要因として作用する。そのため、気相系で粉粒体を取り扱う技術において、帯電量やその分布等の粉粒体の帯電状態を制御することが要請されている。

特許文献１には、粉体を帯電する粉体帯電装置として、粉体を気流に乗せ、帯電機能材料に衝突接触させて帯電させる粉体帯電装置が開示されている。

また、粉粒体の帯電量は、伝統的なファラデーケージを用いて測定されてきたが、近年、個々の粒子の大きさと帯電量とを同時に測定し得る装置（electrical-single particle aerodyneamic relaxation time analyzer、以下「Ｅ−ＳＰＡＲＴアナライザ」と略記する。）が開発され、統計的に処理することによって帯電量の分布の解析が可能となっている（非特許文献１）。

ところで、上記のように粉粒体の帯電状態を制御することが要請されているが、上記特許文献１の粉体帯電装置は、粉体を帯電し得るが、その帯電状態を制御することは可能となっていない。
特開２００３−０９８８２２号公報Ｍ．Ｋ．Ｍａｚｕｍｄｅｒ，Ｒ．Ｅ．Ｗａｒｅ，Ｔ．Ｙｏｋｏｙａｍａ，Ｂ．Ｊ．Ｒｕｂｉｎ，Ｄ．Ｋａｍｐ，"ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｓｉｚｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｃｈａｒｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｏｎｅｒｓｕｓｉｎｇＥ−ＳＰＡＲＴａｎａｌｙｚｅｒ"，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｉｎｄｕｓｔ．Ａｐｐｌ．２７．１９９１，ｐ６１１−６１９

本発明は、上記事情に鑑みて為された発明であり、粉粒体の帯電状態を制御し得る粉粒体帯電制御装置及び粉粒体帯電制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る粉粒体帯電制御装置は、気流中に含まれる帯電対象の粉粒体が衝突接触する面に、互いに仕事関数が異なる第１及び第２帯電材を有し、接地した帯電制御部を備えるものである。そして、本発明の他の一態様に係る粉粒体帯電制御方法は、気流中に含まれる帯電対象の粉粒体を互いに仕事関数が異なる第１及び第２帯電材に衝突接触させることによって前記粉粒体の帯電状態を制御するものである。

ここで、粉粒体とは、サブミクロン単位から約５ミリ以下の大きさの球形、紡錘形、円筒形、円錐台形及び平板形等の任意形状の粉体及び粒体をいう。

このような構成の粉粒体帯電制御装置及び粉粒体帯電制御方法は、帯電量やその分布等の粉粒体の帯電状態を制御することができる。

本発明に係る粉粒体帯電制御装置及び該方法における帯電状態の制御を説明するための図である。実施形態における粉粒体帯電制御装置の構成を示す図である。実施形態における帯電制御部の構成を示す図である。帯電制御部の他の構成を示す外観斜視図（その１）である。Ｅ−ＳＰＡＲＴの測定原理を説明するための図である。螺旋状の円筒管の長さと粉流体の帯電量との関係を示す図（その１）である螺旋状の円筒管の長さと粉流体の帯電量との関係を示す図（その２）である帯電制御部の他の構成を示す外観斜視図（その２）である。帯電制御部の他の構成を示す外観斜視図（その３）である。帯電制御部の他の構成を示す外観斜視図（その４）である。帯電制御部の他の構成を示す外観斜視図（その５）である。

まず、本発明の原理について以下に説明する。

（原理）
本発明では、粉粒体の帯電状態は、気流中に含まれる帯電対象の粉粒体が衝突接触する面に、互いに仕事関数が異なる第１及び第２帯電材を有し、接地した帯電制御部によって制御される。

粉粒体を気流に乗せて速度を与え、帯電材に衝突接触させると、粉粒体と帯電材との仕事関数Ｗの差に基づく電位差により表面電荷が正負に分離して帯電する。気流中に含まれる帯電対象の粉粒体が衝突接触する面に互いに仕事関数の異なる第１及び第２帯電材が有ると、粉粒体は、衝突接触により、第１帯電材で第１帯電量に帯電し、第２帯電材で第２帯電量に帯電する。そして、これに伴って、第１帯電材は、粉粒体の電荷と異符号であって第１帯電量に帯電し、第２帯電材は、粉粒体の電荷と異符号であって第２帯電量に帯電するが、接地されているので、第１及び第２帯電材の各電荷は、除去され０電位に維持される。このため、粉粒体は、帯電量やその分布等の粉粒体の帯電状態が制御される。

理論的には、次のように解析される。気流中に含まれる粉粒体の帯電は、帯電材に衝突接触を繰り返すことによって増加する一方、帯電量の増加に伴って緩和してゆくので、長さＬの帯電材を、衝突接触を繰り返しながら通過した場合における粉粒体単位質量当たりの帯電量ｑ_ｍは、式１によって表される。

ここで、ｑ_ｍ０は、帯電材に進入する初期状態における粉粒体単位質量当たりの帯電量（初期電荷）であり、ｑ_ｍ∞は、帯電材を、衝突接触を繰り返しながら通過した結果その帯電量が飽和（平衡）した場合（飽和（平衡）状態）における粉粒体単位質量当たりの帯電量（飽和帯電量、平衡帯電量）であり、Ｌ_０は、帯電定数である。

第１帯電材Ａの長さを△Ｌ_Ａ、初期電荷をｑ_ｍＡ０、飽和帯電量をｑ_ｍＡ∞、帯電定数をＬ_０Ａとし、第２帯電材Ｂの長さを△Ｌ_Ｂ、初期電荷をｑ_ｍＢ０、飽和帯電量をｑ_ｍＢ∞、帯電定数をＬ_０Ｂとすると、第１帯電材Ａを、衝突接触を繰り返しながら通過した場合における粉粒体の単位質量当たりの帯電量ｑ_ｍＡ、及び、第２帯電材Ｂを、衝突接触を繰り返しながら通過した場合における粉粒体の単位質量当たりの帯電量ｑ_ｍＢは、それぞれ式２及び式３によって表される。

図１は、本発明に係る粉粒体帯電制御装置及び該方法における帯電状態の制御を説明するための図である。粉粒体が第１帯電材Ａによって正に帯電し、第２帯電材Ｂによって負に帯電し、そして、初期電荷ｑ_ｍＡ０及び初期電荷ｑ_ｍＢ０を０とすると、式２は、例えば、図１（Ａ）の最初の立上り曲線Ａであり、式３は、例えば、図１（Ａ）の最初の立下り曲線Ｂで表される。

Ｎ番目の第２帯電材Ｂの出口（第２帯電材Ｂを通過後）における粉粒体の単位質量当たりの帯電量ｑ_ｍＢ、Ｎは、Ｎ番目の第１帯電材Ａの出口（第１帯電材Ａを通過後）における粉粒体の単位質量当たりの帯電量をｑ_ｍＡ、Ｎとすると、式４によって表される。

また、Ｎ＋１番目の第１帯電材Ａの出口における粉粒体の単位質量当たりの帯電量ｑ_{ｍＡ、Ｎ＋１}は、式５によって表される。

これら式４及び式５による論理計算結果が図１である。図１（Ａ）は、第１帯電材Ａの長さ△Ｌ_Ａと第２帯電材Ｂの長さ△Ｌ_Ｂとが等しい場合（△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ）において、それらの長さ△Ｌ_Ａ、△Ｌ_Ｂを種々に変えた場合における帯電制御部の粉粒体の帯電状態を表す式４及び式５による理論計算結果を示す。実線は、△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ＝０．２５ｍの場合を示し、破線は、△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ＝０．５ｍの場合を示し、二点鎖線は、△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ＝１ｍの場合を示し、一点鎖線は、△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ＝２ｍの場合を示す。

図１（Ｂ）は、第１帯電材Ａの長さ△Ｌ_Ａが第２帯電材Ｂの長さ△Ｌ_Ｂの２倍である場合（△Ｌ_Ａ＝２×△Ｌ_Ｂ）において、それらの長さ△Ｌ_Ａ、△Ｌ_Ｂを種々に変えた場合における帯電制御部の粉粒体の帯電状態を表す式４及び式５による理論計算結果を示す。実線は、△Ｌ_Ａ＝２×△Ｌ_Ｂ＝０．５ｍの場合を示し、破線は、△Ｌ_Ａ＝２×△Ｌ_Ｂ＝１ｍの場合を示し、二点鎖線は、△Ｌ_Ａ＝２×△Ｌ_Ｂ＝２ｍの場合を示す。

このように式４及び式５によって帯電制御部内における粉粒体の帯電状態が論理的に計算され得る。従って、粉粒体の帯電量の分布が所望の帯電量の分布となるように式４及び式５に基づいて第１及び第２帯電材Ａ、Ｂの個数及び長さを設計することによって帯電制御部内における粉粒体の帯電量の分布が制御される。

また、Ｎ番目の第１帯電材Ａの出口における粉粒体の単位質量当たりの帯電量ｑ_ｍＡ、ＮとＮ＋１番目の第１帯電材Ａの出口における粉粒体の単位質量当たりの帯電量ｑ_{ｍＡ、Ｎ＋１}とを等しいとすることによって、第１帯電材Ａの出口における粉粒体の単位質量当たりの帯電量の収束値ｑ^＊ _ｍＡ、Ｎが求められ、式６によって表される。同様に、第２帯電材Ｂの出口における粉粒体の単位質量当たりの帯電量の収束値ｑ^＊ _ｍＢ、Ｎが求められ、式７によって表される。

式６及び式７を用いることによって帯電制御部内における粉粒体の帯電量ｑを収束値ｑ^＊ _ｍＡ、Ｎと収束値ｑ^＊ _ｍＢ、Ｎとの間に制御することもできる。第１帯電材Ａの長さ△Ｌ_Ａと第２帯電材Ｂの長さ△Ｌ_Ｂとを等しくした場合、帯電制御部が接地されているので、図１（Ａ）に示すように、粉粒体の帯電量は、電荷０を中心に、式６で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＡ、Ｎと式７で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＢ、Ｎとの間に分布する。また、第１帯電材Ａの長さ△Ｌ_Ａが第２帯電材Ｂの長さ△Ｌ_Ｂの２倍にした場合、帯電制御部が接地されているので、図１（Ｂ）に示すように、粉粒体の帯電量は、式６で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＡ、Ｎと式７で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＢ、Ｎとに応じて決定される所定値を中心に、式６で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＡ、Ｎと式７で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＢ、Ｎとの間に分布する。

さらに、帯電制御部の出口における粉粒体の帯電量が所望の帯電量となるように式４及び式５に基づいて第１及び第２帯電材Ａ、Ｂの個数及び長さを設計することによって帯電制御部の出口における粉粒体の帯電量を制御することもできる。ここで、帯電制御部の出口における粉粒体の帯電量を制御する場合、粉粒体の帯電量を収束させた後に、所望の帯電量に制御した方が、初期電荷を無視することができるため、より精度よく粉粒体の帯電量を制御することができる。

ここで、帯電定数Ｌ_０は、式１及び図１から分かるように、曲線Ａの立上りの傾き（曲線Ｂの立下りの傾き）に関する値であり、粉粒体の第１及び第２帯電材に対する相対速度の大小、粉粒体と第１及び第２帯電材との接触時間の大小、粉粒体と第１及び第２帯電材との接触の際の相互作用の大小等によって決定される値である。このため、第１帯電材Ａの仕事関数Ｗ_Ａと第２帯電材Ｂの仕事関数Ｗ_Ｂとの差が大きいほど、粉粒体の帯電量をより短い長さ△Ｌ_Ａの第１帯電材Ａで飽和帯電量ｑ_ｍＡ∞に飽和させることができ、より短い長さ△Ｌ_Ｂの第２帯電材Ｂで飽和帯電量ｑ_ｍＢ∞に飽和させることができる。そして、粉粒体の帯電量をより少ない第１及び第２帯電材Ａ、Ｂの組で収束させることもできる。このような帯電定数Ｌ_０は、例えば、単一の帯電材に粉粒体を通過させ、その帯電量を計測し、計測結果と式１とをフィッティングすることによって求めることができる。同様にして飽和帯電量ｑ_ｍ∞も求めることができる。

次に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（実施形態）
図２は、実施形態における粉粒体帯電制御装置の構成を示す図である。図３は、実施形態における帯電制御部の構成を示す図である。図３（Ａ）は、帯電制御部の外観構成を示し、図３（Ｂ）は、第１及び第２帯電材の配置の様子を示す図である。

図２において、粉粒体帯電制御装置１は、気流生成部１１と、粉粒体供給部１２と、粉粒体含有気流生成部１３と、帯電制御部１４とを備えて構成される。

気流生成部１１は、気流を生成する機器である。気流生成部１１は、本実施形態では、例えば、装置外から空気を取り入れこの取り入れた空気から塵等の異物を除去するフィルタ（Filter）１１１と、フィルタ１１１からの空気に圧力を加えて圧縮することによって空気の流れ（気流）を生成するコンプレッサ（Compressor）１１２と、コンプレッサ１１２からの空気の湿度を低減するコンデンサ（Condenser）１１３と、コンデンサ１１３からの空気に水の粒子（霧、ミスト）が含まれている場合にこれを空気から分離して除去し、このミストを除去した空気を粉粒体含有気流生成部１３に供給するミストセパレータ（Mist separator）１１４とを備えて構成される。本実施形態では、気流を生成する際に空気を用いたが、空気に代えて、帯電状態を制御された粉粒体の用途に応じた気体を用いてよい。

粉粒体供給部１２は、粉粒体を供給する機器である。粉粒体供給部１２は、本実施形態では、例えば、一定量、連続的に粉粒体を供給するテーブルフィーダ（Table feeder）を備えて構成される。

粉粒体含有気流生成部１３は、気流生成部１１で生成した気流に、粉粒体供給部１２から供給される粉粒体を含ませて、粉粒体を含む気流を帯電制御部１４に導入する機器である。粉粒体含有気流生成部１３は、本実施形態では、例えば、気流生成部１１のミストセパレータ１１４から供給される気流によって生じる負圧を利用して粉粒体供給部１２のテーブルフィーダから一定量の粉粒体を吸い込み、この吸い込んだ粉粒体をミストセパレータ１１４から供給される気流中に分散させてエアロゾル流を生成し、そして、この生成したエアロゾル流を帯電制御部１４に供給するエジェクタ（Ejector）を備えて構成される。

帯電制御部１４は、気流中に含まれる帯電対象の粉粒体を互いに仕事関数Ｗが異なる第１及び第２帯電材Ａ、Ｂに衝突接触させることによって粉粒体の帯電状態を制御する機器であり、気流中に含まれる粉粒体が衝突接触する面に、互いに仕事関数Ｗが異なる第１及び第２帯電材Ａ、Ｂを有し、接地した部材を備える。帯電材は、粉粒体が接触することによってこれらの表面電荷が正負に分離して粉粒体を帯電させる帯電機能を持つ材料である。帯電制御部１４は、本実施形態では、例えば、図３に示すように、導電性を有する材料（例えば、金属や合金や導電性の有機材料等）から成り、粉粒体を含む気流が流入する流入口１４３ａと、帯電状態が制御された粉粒体が流出する流出口１４４ａとを備え、内面に第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａを交互に長尺方向に有する直状の円筒管１４ａである。なお、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａは、円筒管１４ａの内面に例えばメッキ法によってコーティング（被覆）される。また例えば、第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａは、円筒管１４ａの内面に例えば蒸着によってコーティングされる。また例えば、第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａは、第１帯電材Ａ１４１ａを含むペースト（又はペイント）及び第２帯電材Ｂ１４２ａを含むペースト（又はペイント）を内面に塗布することによってコーティングされる。また例えば、第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａは、第１帯電材Ａ１４１ａの板（例えば薄板）及び第２帯電材Ｂ１４２ａの板（例えば薄板）を内面に接着剤で貼ることによってコーティングされる。また例えば、第１帯電材Ａ１４１ａの円筒管及び第２帯電材Ｂ１４２ａの円筒管を交互に直列に接続することによって直状の円筒管１４ａを構成してもよい。円筒管は、例えば、接着剤によって接続される。また例えば、円筒管は、円筒管の両端にフランジを設けフランジをネジ留めすることによって接続される。第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａの厚さは、円筒管１４ａを構成する材料の影響が及ばないように設定することが好ましく、たとえ円筒管１４ａを構成する材料の影響が及んだとしても、第１帯電材Ａ１４１ａの部分と第２帯電材Ｂ１４２ａの部分との仕事関数Ｗ_Ａ、Ｗ_Ｂに相違が有るように設定される。

第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａは、帯電機能を有し互いに仕事関数Ｗ_Ａ、Ｗ_Ｂが異なれば、どのような材料でもよい。第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａとしては、例えば、ステンレス鋼、真鍮（brass）、窒化チタン（ＴｉＮ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、カーボン（炭素、Ｃ）を混入したテフロン（カーボン混入テフロン）及びカーボンを混入したナイロン（カーボン混入ナイロン）等を挙げることができる。テフロンやナイロンにカーボンを混入するのは、粉粒体を帯電させた結果、円筒管１４ａに帯電した電荷を接地へ逃がすためであり、この目的を達するように混入するカーボンの量が設定される。なお、テフロンは、登録商標である。

このような材料の仕事関数Ｗを大きい順に並べると、発明者らの実測によると、白金＞（ステンレス鋼、窒化チタン）＞（真鍮、ニッケル）、カーボン混入テフロン＞カーボン混入ナイロン、であった。

また、粉粒体の帯電は、粉粒体の材料と帯電体の材料とに依存する。例えば、粉粒体がアルミナの場合では、発明者らの実測によると、帯電材がステンレス鋼の場合には粉粒体は正に帯電し、帯電材が真鍮の場合には粉粒体は負に帯電する。

ここで、各材料の仕事関数は、学術文献や日本で発行されているいわゆる理科年鑑等に開示されているが、購入した各材料の原材料や円筒管１４ａの内面に実際に配置された原材料は、汚染等の何らかの原因によって仕事関数Ｗが文献値としばしば異なることがある。そのため、仕事関数Ｗを実測した上で用いることが好ましい。仕事関数Ｗは、公知の任意の測定法によって計測すればよい。例えば、仕事関数Ｗは、導電性の容器とこの容器に電気的に接続した基準電極（例えば金（Ａｕ）製）とを用意し、仕事関数Ｗを測定する粉粒体を容器に詰めて容器と基準電極とを対向させ、容器と基準電極との電位差を測定することによって仕事関数Ｗを求める接触電位差測定法によって計測する。

帯電制御部１４内における粉粒体の帯電量の分布を制御する場合には、第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａの個数及び長さ△Ｌ_Ａ、△Ｌ_Ｂは、上述したように、粉粒体の帯電量の分布が所望の帯電量の分布となるように式４及び式５に基づいて設計される。

また、帯電制御部１４の出口における粉粒体の帯電量を制御する場合には、第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａの個数及び長さ△Ｌ_Ａ、△Ｌ_Ｂは、上述したように、粉粒体の帯電量が所望の帯電量となるように式４及び式５に基づいて設計される。

このような構成の粉粒体帯電制御装置１では、気流生成部１１で気流が生成され、粉粒体供給部１２から供給された粉粒体がこの生成された気流に粉粒体含有気流生成部１３で含有され、粉粒体を含む気流が生成される。この生成された粉粒体を含む気流は、帯電制御部１４に導入される。粉粒体は、帯電制御部１４の内面に衝突接触を繰り返すことによって、第１帯電材Ａ１４１ａで第１帯電量に帯電し、第２帯電材１４２ａで第２帯電量に帯電する。第１帯電材Ａ１４１ａ及び第２帯電材Ｂ１４２ａの個数及び長さ△Ｌ_Ａ、△Ｌ_Ｂが式４及び式５に基づいて設計されているので、帯電制御部１４内における粉粒体の帯電量の分布が収束又は未収束で所望の帯電量の分布となり、粉粒体の帯電状態が制御される。あるいは、帯電制御部１４の出口における粉粒体の帯電量が所望の帯電量となり、粉粒体の帯電状態が制御される。このように本実施形態の粉粒体帯電制御装置１は、帯電量やその分布等の粉粒体の帯電状態を制御することができる。

（実施例）
次に、実施例について説明する。図４は、帯電制御部の他の構成を示す外観斜視図である。本実施例では、粉粒体帯電制御装置１は、図２に示す構成であるが、帯電制御部１４に図３に示す構成の代わりに図４に示す構成を用いた。この図４に示す帯電制御部１４は、導電性を有する材料から成り、粉粒体を含む気流が流入する流入口１４３ｂと、帯電状態が制御された粉粒体が流出する流出口１４４ｂとを備え、内面に第１帯電材Ａ１４１ｂ及び第２帯電材Ｂ１４２ｂを交互に長尺方向に有する螺旋状の円筒管１４ｂである。このように円筒管１４ｂを螺旋状にすることにより、気流中に含まれる粉粒体が遠心力によってより確実に内面に衝突接触するので、直状の円筒管１４ａよりも、帯電状態の制御がより理論値に合ったものとなり、粉粒体の帯電状態をより高精度に制御することができる。また、円筒管１４ｂを螺旋状にすることにより直状の円筒管１４ａよりも帯電定数Ｌ_０を小さくすることができるから、直状の円筒管１４ａに較べてコンパクト（小型）に帯電制御部１４を構成することができる。

そして、帯電制御部１４から流出した粉粒体をサンプリングし、このサンプリングした粉粒体の径および帯電量をＥ−ＳＰＡＲＴアナライザ（ホソカワミクロン製）で測定した。

図５は、Ｅ−ＳＰＡＲＴの測定原理を説明するための図である。図５において、測定セル２００の中には、所定の周波数（例えば１ｋＨｚ）で音波振動する電極２０３、２０４が配設されている。粉粒体２０５は、粉粒体帯電制御装置１の帯電制御部１４から流入口２０１を介してこの測定セル２００に流入され、電極２０３、２０４によって発生した音波による空気振動に従って振動しながら降下してこの電極２０３、２０４間を通過し、流出口２０２から流出される。この際に、慣性の大きな粉粒体ほど音波から遅れて振動し、位相遅れが生じる。そして、電極２０３、２０４間に所定の直流電圧を印加すると、粉粒体２０５は、その径及び帯電量の大きさと電界強度とに応じて振動しながら全体として気流の流れる方向から偏って移動する。このため、これら粉粒体２０５の位相遅れと偏流度とを、粉粒体２０５にレーザ光２０６を照射してレーザドップラ法によって測定することで粉粒体２０５の径と帯電量の分布とを同時に測定することができる。

即ち、径Ｄ_ｐ、質量Ｍ_ｐの粉粒体がｕ_ａｓｉｎωｔで振動する直流電極２０３、２０４間を通過する際の運動方程式は、水平方向の速度ν_ｐ、緩和時間τ_ｐ、カニンガムのスリップ補正係数Ｃ_ｃ、気体の粘性係数μ、粒子密度ρ_ｐとすると、式８及び式９で与えられる。

式８の定常解は、式１０及び式１１で与えられる。

また、式９及び式１１から粉粒体の空気力学的径Ｄ_ｐが式１２のように計算される。

従って、粉粒体の振動ν_ｐの位相遅れθを測定することにより、式１２から個々の粉粒体の空気力学的径Ｄ_ｐが求められる。

また、流体抵抗とのつりあいから、径Ｄ_ｐ、帯電量ｑの粉粒体が電界強度Ｅの中を浮遊する際の定常速度ν_Ｅは、式１３で与えられる。

従って、移動速度成分を測定することにより、式１３からｑ／Ｄ_ｐが得られ、これと先に求めたＤ_ｐとから帯電量ｑが求められる。

図６及び図７は、螺旋状の円筒管の長さと粉流体の帯電量との関係を示す図である。各図の横軸は、メートル単位で表す螺旋状の円筒管の長さを示し、各図の縦軸は、Ｃ／ｋｇ単位で表す帯電量を示す。また、図６の●は、実験値を示し、実線は、計算結果を示す。図７の○は、実験値を示し、破線は、計算結果を示す。

図６（Ａ）は、第１帯電材Ａ１４１ｂが真鍮（ｂｒａｓｓ）であり、第２帯電材Ｂ１４２ｂがステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）であって、第１帯電材Ａ１４１ｂの長さ△Ｌ_Ａと第２帯電材Ｂ１４２ｂの長さ△Ｌ_Ｂとが１対１の割り合い（△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ＝０．５ｍ）である場合を示す。

図６（Ｂ）は、第１帯電材Ａ１４１ｂがステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）であり、第２帯電材Ｂ１４２ｂが真鍮（ｂｒａｓｓ）であって、第１帯電材Ａ１４１ｂの長さ△Ｌ_Ａと第２帯電材Ｂ１４２ｂの長さ△Ｌ_Ｂとが１対１の割り合い（△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ＝０．５ｍ）である場合を示す。

図７（Ａ）は、第１帯電材Ａ１４１ｂが真鍮（ｂｒａｓｓ）であり、第２帯電材Ｂ１４２ｂがステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）であって、第１帯電材Ａ１４１ｂの長さ△Ｌ_Ａと第２帯電材Ｂ１４２ｂの長さ△Ｌ_Ｂとが１対１の割り合い（△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ＝１．０ｍ）である場合を示す。

図７（Ｂ）は、第１帯電材Ａ１４１ｂがステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）であり、第２帯電材Ｂ１４２ｂが真鍮（ｂｒａｓｓ）であって、第１帯電材Ａ１４１ｂの長さ△Ｌ_Ａと第２帯電材Ｂ１４２ｂの長さ△Ｌ_Ｂとが１対１の割り合い（△Ｌ_Ａ＝△Ｌ_Ｂ＝１．０ｍ）である場合を示す。

図６及び図７から分かるように、実験値は、理論値とほぼ一致している。

（変形形態）
次に、帯電制御部１４の変形形態について説明する。図８乃至図１１は、帯電制御部の他の構成を示す外観斜視図である。図９（Ａ）は、外観斜視図であり、図９（Ｂ）〜（Ｅ）は、上面図である。

帯電制御部１４は、上述では、図３に示す直状の円筒管１４ａや図４に示す螺旋状の円筒管１４ｂの形態であるが、他の形態でもよく、例えば、図８乃至図１１に示す形態でもよい。要は、帯電制御部１４は、気流中に含まれる帯電対象の粉粒体が衝突接触する面に、互いに仕事関数Ｗが異なる第１及び第２帯電材が備えられていればよい。

例えば、図８に示す形態では、帯電制御部１４は、導電性を有する材料から成り、粉粒体を含む気流が流入する流入口１４３ｃ、１４３ｃ’と、帯電状態が制御された粉粒体が流出する流出口１４４ｃ、１４４ｃ’とを備え、内面に第１帯電材Ａ１４１ｃ、１４１ｃ’及び第２帯電材Ｂ１４２ｃ、１４２ｃ’を周方向に有し、接地された直状の円筒管１４ｃ、１４ｃ’である。図８（Ａ）は、第１帯電材Ａ１４１ｃの周方向の長さと第２帯電材Ｂ１４２ｃの周方向の長さとが１対１である円筒管１４ｃから成る帯電制御部１４を示す。図８（Ｂ）は、第１帯電材Ａ１４１ｃ’の周方向の長さと第２帯電材Ｂ１４２ｃ’の周方向の長さとが３対１である円筒管１４ｃ’から成る帯電制御部１４を示す。

このような円筒管１４ｃ、１４ｃ’から成る帯電制御部１４から流出する粉粒体の単位質量当たりの帯電量ｑ_ｍＡ，Ｎは、△Ｌ_Ａ＝ｎ×△Ｌ_Ｂとすると、式１４によって表される。

また例えば、図９に示す形態では、帯電制御部１４は、導電性を有する材料から成り、側面１５３ｄの一方端に形成された流入口１４３ｄから、接線方向で粉粒体を含む気流が内部に流入するように、側面１５３ｄの一方端に設けられた流入部１５１ｄと、側面１５３ｄの他方端に形成された流出口１４４ｄから、この流入口１４３ｄから流入した粉粒体を含む気流が接線方向で内部から流出するように、側面１５３ｄの他方端に設けられた流出部１５２ｄとを備え、内面に第１帯電材Ａ１４１ｄ及び第２帯電材Ｂ１４２ｄを周方向に有し、接地された円筒缶１４ｄである。図９（Ｃ）は、第１帯電材Ａ１４１ｄの周方向の長さと第２帯電材Ｂ１４２ｄの周方向の長さとが１対１である円筒缶１４ｄから成る帯電制御部１４を示す。図９（Ｄ）は、第１帯電材Ａ１４１ｄの周方向の長さと第２帯電材Ｂ１４２ｄの周方向の長さとが３対１である円筒管１４ｄ’から成る帯電制御部１４を示す。図９（Ｅ）は、第１帯電材Ａ１４１ｄの周方向の長さと第２帯電材Ｂ１４２ｄの周方向の長さとが１対１であって、第１帯電材Ａ１４１ｄ−１、１４１ｄ−２及び第２帯電材Ｂ１４２ｄ−１、１４２ｄ−２を交互に周方向に有する円筒缶１４ｄ”から成る帯電制御部１４を示す。

このような円筒缶１４ｄから成る帯電制御部１４は、図４に示す螺旋状の円筒管１４ｂから成る帯電制御部１４と同様の効果が得られると共に、螺旋状の円筒管１４ｂよりも簡単に製作することができる。

また例えば、図１０（Ａ）に示す形態では、帯電制御部１４は、導電性を有する材料から成り、側面１５３ｅの一方端に形成された流入口１４３ｅから、接線方向で粉粒体を含む気流が内部に流入するように、側面１５３ｅの一方端に設けられた流入部１５１ｅと、側面１５３ｅの他方端に形成された流出口１４４ｅから、この流入口１４３ｅから流入した粉粒体を含む気流が接線方向で内部から流出するように、側面１５３ｅの他方端に設けられた流出部１５２ｅとを備え、流入部１５１ｅに近い面（上面）１５４ｅの半径が流出部１５２ｅに近い面（底面）１５５ｅの半径よりも大きい円錐台状であって、内面に第１帯電材Ａ１４１ｅ及び第２帯電材Ｂ１４２ｅ（不図示）を周方向に有し、接地された円筒缶１４ｅである。第１帯電材Ａ１４１ｅ及び第２帯電材Ｂ１４２ｅの配置は、例えば、図９（Ｃ）乃至（Ｅ）のように適宜配置される。

図９に示す円筒缶１４ｄから成る帯電制御部１４では、流入口１４３ｄから流入した粉粒体は、円筒缶１４ｄの内面と衝突接触するので、減速して流出口１４４ｄから流出するが、図１０（Ａ）に示すように円筒缶１４ｅを先細りの円錐台状の形状とすることにより、円筒缶１４ｄの内面と衝突接触することによって減速する速度を補償することができる。

そして、図１０（Ａ）に示す形態において、側面１５３ｅに対し電位を持つ電極１６１をさらに内蔵するように構成してもよい。このような帯電制御部１４は、例えば、図１０（Ｂ）に示すように、図１０（Ａ）に示す円筒缶１４ｅに、導電性を有する材料から成る棒状の電極１６１を円筒缶１４ｅの軸心にさらに備える円筒缶１４ｅ’で構成され、可変の直流電源１６２によって直流電圧がこの電極１６１に印加される。ここで、側面１５３ｅと電極１６１とが電気的に絶縁するように、絶縁性を有する材料で面１５４ｅ、１５５ｅが構成されたり、電極１６１が絶縁性を有する材料を介して面１５４ｅ、１５５ｅに接続されるように構成される。

図３、図４、図８、図９及び図１０（Ａ）に示す構成では、接地するので、上述したように、粉粒体の帯電量は、式６で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＡ、Ｎと式７で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＢ、Ｎとに応じて決定される所定値を中心に、式６で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＡ、Ｎと式７で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＢ、Ｎとの間に分布するが、図１０（Ｂ）に示す構成では、電極１６１によってこの所定値に初期電位（オフセット電位）を与えずらすことができる。なお、図９に示す構成において、このような電極１６１をさらに設けてもよい。

また例えば、図１１に示す形態では、帯電制御部１４は、導電性を有する材料から成り内面に第１帯電材Ａ１４１ｆを有する直状の円筒管１７１ｆと、導電性を有する材料から成り外面に第２帯電材Ｂ１４２ｆを有する直状の棒１７２ｆとを備え、円筒管１７１ｆの内面と棒１７２ｆの外面との間に粉粒体を含む気流が流れるように棒１７２ｆが配置され、粉粒体を含む気流が流入する流入口１４３ｆと帯電状態が制御された粉粒体が流出する流出口１４４ｆとが構成される。例えば、粉粒体を含む気流の流れを実質的に妨げないように、円筒管１７１ｆの内面から棒１７２ｆの外面へ周方向に所定の間隔を空けて複数本のスポークが設けられる。また、棒１７２ｆの代わりに円筒管でもよい。このような構成によっても粉粒体の帯電状態を制御することができる。

本明細書は、上記のように様々な発明を開示しているが、そのうち主な発明を以下に纏める。

本発明の一態様に係る粉粒体帯電制御装置は、気流中に含まれる帯電対象の粉粒体が衝突接触する面に、互いに仕事関数が異なる第１及び第２帯電材を有し、接地した帯電制御部を備えるものである。そして、本発明の他の一態様に係る粉粒体帯電制御方法は、気流中に含まれる帯電対象の粉粒体を互いに仕事関数が異なる第１及び第２帯電材に衝突接触させることによって前記粉粒体の帯電状態を制御するものである。このような構成の粉粒体帯電制御装置及び粉粒体帯電制御方法は、帯電量やその分布等の粉粒体の帯電状態を制御することができる。

そして、上述の粉粒体帯電制御装置において、前記気流を生成する気流生成部と、前記粉粒体を供給する粉粒体供給部と、前記気流生成部で生成した気流に前記粉粒体供給部から供給される粉粒体を含ませて粉粒体を含む気流を前記帯電制御部に導入する粉粒体含有気流生成部とをさらに備える。このような構成の粉粒体帯電制御装置は、粉粒体を含ませた気流を帯電制御部に流入させることができ、その粉粒体の帯電状態を制御することができる。

また、これら上述の粉粒体帯電制御装置において、前記帯電制御部は、内面に前記第１及び第２帯電材を交互に長尺方向に有する直状の管である。あるいは、これら上述の粉粒体帯電制御装置において、前記帯電制御部は、内面に前記第１及び第２帯電材を周方向に有する直状の管である。あるいは、これら上述の粉粒体帯電制御装置において、前記帯電制御部は、内面に第１帯電材を有する直状の第１管と、外面に第２帯電材を有する直状の棒又は第２管とを備え、前記第１管の内面と前記棒又は第２管の外面との間に前記粉粒体を含む気流が流れるように前記棒又は第２管が前記第１管に内蔵されている。このような構成の粉粒体帯電制御装置は、その粉粒体の帯電状態を制御することができる。

さらに、これら上述の粉粒体帯電制御装置において、前記帯電部制御は、内面に前記第１及び第２帯電材を交互に長尺方向に有する螺旋状の管である。このような構成の粉粒体帯電制御装置は、帯電制御部を螺旋状にすることにより、気流中に含まれる粉粒体が遠心力によってより確実に内面に衝突接触するので、直状の場合よりも、帯電状態の制御がより理論値に合ったものとなり、粉粒体の帯電状態をより高精度に制御することができる。また、帯電制御部を螺旋状にすることにより直状の場合よりも帯電定数Ｌ_０を小さくすることができるから、帯電制御部は、直状の場合に較べてコンパクト（小型）に構成され得る。

そして、これら上述の粉粒体帯電制御装置において、前記帯電制御部は、接線方向で前記粉粒体を含む気流が流入するように側面の一方端に設けられた流入部と、前記流入部から流入した前記粉粒体を含む気流が接線方向で流出するように前記側面の他方端に設けられた流出部とを備え、内面に前記第１及び第２帯電材を周方向に有する円筒缶である。このような構成の粉粒体帯電制御装置は、上述の帯電制御部が螺旋状である場合と同様の効果が得られると共に、螺旋状の場合よりも簡単に製作することができる。また、この粉粒体帯電制御装置において、前記帯電制御部は、前記流入部に近い面の半径が前記流出部に近い面の半径よりも大きい円錐台状の円筒缶である。このような構成の粉粒体帯電制御装置は、帯電制御部を先細りの円錐台状の形状とすることにより、内面と衝突接触することによって減速する速度を補償することができる。さらに、これらの粉粒体帯電制御装置において、前記帯電制御部は、側面が接地され、前記側面に対し電位を持つ電極をさらに内蔵する。このような構成の粉粒体帯電制御装置は、式６で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＡ、Ｎと式７で与えられる収束値ｑ^＊ _ｍＢ、Ｎとに応じて決定される所定値に電極によって初期電位（オフセット電位）を与え、この所定値をずらすことができる。

本願発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本願発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

本発明によれば、帯電量やその分布等の粉粒体の帯電状態を制御する粉粒体帯電制御装置及び粉粒体帯電制御方法が提供される。

Claims

気流中に含まれる帯電対象の粉粒体が衝突接触する面に、互いに仕事関数が異なる第１及び第２帯電材を有し、接地した帯電制御部を備えること
を特徴とする粉粒体帯電制御装置。
前記気流を生成する気流生成部と、
前記粉粒体を供給する粉粒体供給部と、
前記気流生成部で生成した気流に前記粉粒体供給部から供給される粉粒体を含ませて粉粒体を含む気流を前記帯電制御部に導入する粉粒体含有気流生成部とをさらに備えること
を特徴とする請求項１に記載の粉粒体帯電制御装置。
前記帯電制御部は、内面に前記第１及び第２帯電材を交互に長尺方向に有する直状の管であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粉粒体帯電制御装置。
前記帯電部制御は、内面に前記第１及び第２帯電材を交互に長尺方向に有する螺旋状の管であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粉粒体帯電制御装置。
前記帯電制御部は、内面に前記第１及び第２帯電材を周方向に有する直状の管であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粉粒体帯電制御装置。
前記帯電制御部は、接線方向で前記粉粒体を含む気流が流入するように側面の一方端に設けられた流入部と、前記流入部から流入した前記粉粒体を含む気流が接線方向で流出するように前記側面の他方端に設けられた流出部とを備え、内面に前記第１及び第２帯電材を周方向に有する円筒缶であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粉粒体帯電制御装置。
前記帯電制御部は、接線方向で前記粉粒体を含む気流が流入するように側面の一方端に設けられた流入部と、前記流入部から流入した前記粉粒体を含む気流が接線方向で流出するように前記側面の他方端に設けられた流出部とを備え、内面に前記第１及び第２帯電材を周方向に有し、前記流入部に近い面の半径が前記流出部に近い面の半径よりも大きい円錐台状の円筒缶であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粉粒体帯電制御装置。
前記帯電制御部は、側面が接地され、前記側面に対し電位を持つ電極をさらに内蔵すること
を特徴とする請求項６又は請求項７に記載の粉粒体帯電制御装置。
前記帯電制御部は、内面に第１帯電材を有する直状の第１管と、外面に第２帯電材を有する直状の棒又は第２管とを備え、前記第１管の内面と前記棒又は第２管の外面との間に前記粉粒体を含む気流が流れるように前記棒又は第２管が前記第１管に内蔵されていること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粉粒体帯電制御装置。
気流中に含まれる帯電対象の粉粒体を互いに仕事関数が異なる第１及び第２帯電材に衝突接触させることによって前記粉粒体の帯電状態を制御すること
を特徴とする粉粒体帯電制御方法。