― 29 ―Specific Research Reports of the National Instituteof Industrial Safety, NIIS-RR-2002（2003）
UDC 621.183.3:621.318.2:621.182.2

ボイラ用安全弁の新機構と安全制御システムの開発に関する研究
清水尚憲*，齋藤 剛＊，池田博康*

Development of a Fail-safe Safety Valve and Safety Control System for Boilers
by Shoken SHIMIZU*, Tsuyoshi SAITO* and Hiroyasu IKEDA*
Abstract: Boilers with high-performance control systems recently have been manufactured for powersources and heating and hot water supplies. These kinds of boilers have computerized control
systems that enable high efficiency and fine operation without boiler operators. However, accidents
such as explosion and destruction caused by over-pressure of boiler drums or high-pressure vessels
may happen when sensors and controllers checking temperature, pressure, water level, and flamesfail. Many explosion accidents are caused by the failure of sensors for boiler controls. In order tosolve this safety problem, failsafe flame detectors for combustion control systems were developed in
our former research project.
In this paper, steam temperature or pressure control, another important boiler control, is used forboiler system safety because the relationship between the temperature and the pressure of steam
is unique. The following two safety elements for steam temperature control and steam overpressure
have been proposed and applied to an actual boiler experimentally.
1）A new type of thermal switch with a reed-switching mechanism driven by a thermostatic ferrite
material and two permanent magnets.
The thermostatic ferrite and permanent magnets have their own Curie temperatures, which are
the changing points of their magnetic characteristics. When the steam temperature is over the Curie
point of the thermostatic ferrite, a contact point of the reed switch element opens, and then acombustion valve shuts off. The interlock system using this thermal switch can be separated fromthe conventional temperature control system. As a result of experimental application of this switch
to the actual boiler, the safety interlock function was verified to work even if the switching
characteristics of the switch had a small off-delay.
2）A new type of safety valve constructed by a rare-earth permanent magnet with smart fluid.
Opening pressure of this safety valve can be set only by a magnetic force that makes magnetic
or Magneto-Rheological fluid seal the valve seat. As this valve uses a constant magnetic force insteadof a conventional spring force for the seal, force adjustment and leakage inspection are not necessary.
In a preparatory experiment, it was proved that the seal performance was superior in the case of
the mixture of the above two fluids. When this valve, filled with the mixed fluid, was installed in
the actual boiler, its performance was confirmed through experiments.
Keywords; Boiler, Thermal switch, Thermostatic ferrite, Reed switch, Safety valve, Smart fluid,
Magnetic seal, Failsafe, Interlock*機械システム安全研究グループ

Mechanical and System Safety Research Group

産業安全研究所研究報告― 30 ―

1. はじめにボイラは近年高性能なタイプが次々と製品化されている。また，動力用，暖房・給湯用などその使用環境も様々である。このような中で，ボイラ制御は近年コンピュータによる高度な制御技術が採用されており，機能的には高いレベルの運転が可能となっている。しかし，センサや制御方式の中には，故障が起こると重大な災害を引き起こす可能性があるものがある。筆者
らはフェールセーフな安全制御システムを導入するための基礎的考察を行い，フェールセーフなONディレー素子とOFFディレー素子を開発してきた。さらに，
安全燃焼システムに関する検討を行い，プレパージが規定時間以上行われない時は点火を許可しない燃焼制
御制御回路と，炎検知センサとして従来から使用されている熱電対，UV管，超音波センサをフェールセー
フ化するための要件を提案してきた1 ）。一方，ボイラ制御において安全上もう一つ重要な安全分野として，
温度制御システムが挙げられる。すなわち，蒸気温度と圧力が一意的関係にあることから，容器や配管破壊に至る過度の圧力上昇を蒸気温度により監視することが可能である。そのため，従来熱電対やサーミスタ等

NIIS-RR-2003（2004）

気ボイラに適用して，その機能を評価する。

2. フェールセーフな温度スイッチの開発
2.1 開発した温度スイッチの基本原理
Photo. 1 及び，Fig. 1 に試作した温度スイッチの外観及び構成を示す。この温度スイッチはボイラ内部の蒸気圧力に対する飽和蒸気温度を監視するもので，
高温高湿環境下において作動可能な感温フェライトとリードスイッチから構成される。感温フェライトは
Mn-Zn系のフェライトで，キュリー温度に達すると相転移によって透磁率が変わり，強磁性体から常磁性体へと変化する。一方，永久磁石のキュリー温度は，感
温フェライトのキュリー温度よりもはるかに高い（例えば，フェライト磁石で約450℃）ため，感温フェラ
イトの性質が変わる温度であっても永久磁石の性質は変化しない。この 2 つのキュリー温度の差によって生じる特性を利用してリードスイッチの接点を開閉することができ，感温フェライトのキュリー温度を温度制
御の遮断温度と設定すると，この接点出力は温度制御のインターロックとして機能する。Fig. 2（a）は感温
フェライトのキュリー温度以下のときの動作を示しており，磁石，感温フェライト，リードスイッチ部を一の温度センサの利用が検討されてきたが，前者は検出精度や応答性が十分でなく，後者は制御のフェールセーフ化が困難とされているので，圧力スイッチや安全弁が今だに多く採用されているのが現状である。
そこで，本研究では，温度制御系のフェールセーフ
な制御要件を明確にすることを試み，従来の機械圧力度を超えると，感温フェライト内部を通る磁束はなくなり，接点を通る磁束はF 1とF 2がほぼ等しくなって相スイッチに代わって，磁性材料の物性を利用して制御に依存しない温度スイッチを開発する。これは，強磁性体を加温するとキュリー温度以上で常磁性体となる殺される。この接点は外力が存在しないとき常時開となるようバネ特性を持たせてあるため，リードスイッ
チの接点出力はオフとなる。また，磁石や感温フェラという物理特性を利用してフェールセーフな特性を持たせたものであり，異常な温度上昇時にボイラの燃焼

イトが破壊して磁束を喪失しても，オフ接点出力は保証される。Table 1 に今回開発した温度スイッチの仕様を示す。

を遮断するインターロックを構成できる。今回は，実規模ボイラに適用できる仕様の温度センサを試作し，この温度スイッチの機能を検証して安全性能を評価する。
また，ボイラには，インターロックとは別に安全弁が装備されるが，従来の一般的な機械バネ式安全弁はシール部の性能劣化に伴う蒸気漏洩に起因する固着を危惧するために，定期的な点検が義務つけられている。
本研究では，永久磁石の不変の磁気特性を利用して，磁気に応答する機能性流体を組み合わせた新しい液膜
シール構造を提案し，一定のシール性能を維持できる
磁気式安全弁を開発する。そのため，まず基礎実験用試作弁にて磁気式安全弁の基本特性を説明し，実際的な使用を考慮して設計した改良型安全弁を簡易貫流蒸巡する磁束F 1によりスイッチ接点は閉じ，磁石外部への漏れ磁束F 2はほとんどない。周囲温度が上昇するに従ってF 2 は増大し，Fig. 2（b）のようにキュリー温2.2 実験結果と考察試作した温度スイッチの動作の検証と性能評価を行なうため，実規模小型ボイラ（多管式貫流ボイラ，最高圧力0.98MPa）を実験対象とした。温度スイッチの感温部は，直接蒸気に接する缶体上ヘッダの前方部分に10Aのソケットを設置し，そこに温度スイッチをね
じ込み設置した。さらに端子より制御ボックスまで配線し，端子部分はシリコン製のゴムパッキンにて保護した（Fig. 3 参照）。

ボイラ用安全弁の新機構と安全制御システムの開発に関する研究

Table 1
Table 0

Photo. 1

Trial model of thermal switch.
試作した温度スイッチ

Fig. 1

A structure of thermal switch.
温度スイッチの構成

Fig. 3― 31 ―

Specification of thermal switch.
温度スイッチの仕様

Setting condition of thermal switch.
温度スイッチの取付け位置

対象ボイラを燃焼運転してボイラ内部温度が上昇す
るとき，温度スイッチがオフとなって燃焼を停止した
後，再びオンとなる過程をFig. 4 に示す。実験に使用した温度スイッチは，動作温度が183 ℃（対応圧力0.98MPa）と設定されたものであるが，若干の応答遅れT 1 （Fig. 4 ではDq 1 に相当）を伴ってオフとなり，応答遅れT2（Dq 2に相当）を伴ってオンへ復帰する。このようなヒステリシス特性は磁気回路をもつ温度スイ
ッチには不可避であるが，安全上の観点からはスイッチ接点の開く側，すなわちオフディレーT 1 を短くする

Fig. 2

Principle of reed switch action.
リードスイッチの動作原理

か，あるいはDq 1 を小さくすることが望ましい。そこ
で，対象ボイラの異なる運転モードにおいて，これらの特性がどう影響を受けるかを実験により検証した。
温度スイッチが作動する運転モードとして，Table 2に示すように，冷態からの起動，0.8MPa圧力待機からの起動（100％燃焼），0.8MPa圧力待機からの起動

産業安全研究所研究報告― 32 ―（50％燃焼）について実験を行なった。その結果，待機圧力状態から100％燃焼時の温度スイッチオフにおける動作温度のずれDq 1 が最大となり，そのときの内部圧力も最大になった。これは，温度スイッチ内部の熱容量により急激な圧力上昇に伴う温度上昇の伝達がNIIS-RR-2003（2004）

本来，ボイラ運転を実行するための制御は，安全を確認して運転を許可するインターロックの出力を条件に行なわれなくてはならない。この温度スイッチを直接燃焼弁の開閉回路へ接続することで，機能的ボイラ制御とは独立したインターロックとして安全を確認す

ボイラの熱容量が大きいため，温度スイッチオンの動
作温度のずれDq 2はDq 1より小さい傾向が観測された。

ることができる。ただし，今回試作した温度スイッチ
は，Table 1 で示したように直接燃焼弁を駆動できる接点容量を有していないため，別途フェールセーフなスイッチング手段を設ける必要がある。
今後は，温度スイッチの構造を工夫してオフディレ

Table 2
Table 2
Table 2

ー時間をさらに短くするとともに，大容量接点を内蔵するように改良する必要がある。これらの課題が解決されて，簡便で安価な温度インターロックシステムが実用化されることを期待する。

遅れたことが原因と考えられるが，実際のボイラ運転において遅れ時間 8 秒は許容できる値であると考えられる。一方，燃焼停止後の温度低下は過程においては，

Experimental result of switching characteristics
functioned by thermal switch.
温度スイッチの動作特性実験結果

3. 蒸気用磁気式安全弁の開発
3.1 安全弁の基礎的要件とシール性能
ボイラや圧力容器の破裂を防止する安全方策のうち，安全弁は，他の方策が作動しない状況においてその機能を果たすことが要求される最終的な手段である。このため，設定した吹出し圧力においても弁が開放しな
い，いわゆる弁の固着は完全に解消されなければならないが，この要求に対して最も重要となるのが，弁座面での内部流体の漏洩防止である。
例えば，蒸気用安全弁において弁座面から蒸気が漏Fig. 4

Experimental chart expressing switching process of thermal switch
温度スイッチの動作過程図

ボイラ用安全弁の新機構と安全制御システムの開発に関する研究― 33 ―

洩すると，その際に析出するCaやMgがスケールとして溜まり，弁の固着を引き起こす。あるいは，漏れた蒸気が水滴となって弁周辺に付着すると，錆付き・腐食・凍結を生じて安全機能が失われる場合がある。このため，安全弁に関する規格類2）では弁のシール性能
が重要事項として規定されており，これに応える様々な技術的対策が講じられてきた3）。
現在，ボイラ等で現在広く使用されているバネ安全
弁は，金属同士の面接触で流体をシールするため，その流体圧力の1.5〜2.0倍の押しつけ圧力をバネの反発力によって生成して，弁を弁座に押しつける構造を持Photo. 2
Trial model of magnet loaded safety valve.
Fig. 5磁気式安全弁の構造つ。しかし，この構造では，内部流体圧力の上昇に応じて弁座面圧が低下するため，吹出し圧力付近でのシール性能の低下が物理的に避けられない。また，機械的シールは一般に大変デリケートで，接触面のわずかな傷や凹凸によって容易にその機能が失われ，一旦漏洩が生じて弁座面に損傷や異物のかみ込みが起これば，シール機能は回復しない。そして，固着の不安が解消されないため，安全弁の運用では定期的な性能検査が義務付けられているが，この検査の際の強制的な弁開放が漏洩を引き起こす原因の一つとなっており，矛盾を生じている。
そこで，本研究では，永久磁石による磁気吸引力で弁の吹出し圧力を設定し，さらに磁場に応答して液体中の分散粒子が凝集する機能性流体を用いて弁座のシールを実現することを試みる。この構造により，磁界の強さのみに依存する特性で蒸気をシールするため，圧力の上昇に伴ってディスクにかかる荷重が減少してもシール性能を維持することが可能となる。
3.2 磁気式安全弁の原理と構造
基礎実験用に試作した安全弁の外観をPhoto 2 に，その構造をFig. 5 に示す。ディスクと本体の双方に同じ大きさのリング形永久磁石が設置されており，これらの磁気吸引力によって吹出し圧力までディスクを保持する構造である。

Fig. 5
Fig. 5
Fig. 5

Schematic structure of magnet loaded safetyvalve.
磁気式安全弁の構造

ボロン（Nd-Fe-B）系やサマリウム-コバルト（SmCo）系といった希土類磁石の磁気特性が大変向上しており，その経時劣化や温度変化は無視できるほど小さく，長期にわたり設定した吹出し圧（押付け力）を保証できる点にある。磁気特性の安定性を示す例として，
パルス着磁されたNd-Fe-B磁石の常温における15,000
時間後の永久減磁率をTable 3 に示す5）。磁石の寸法比を最適化することで経時劣化がより少なくなることが分かる。なお，このデータは1994年に報告されたものであり，現在では着磁技術の進展に伴い減磁率はさらに小さくなっている。また，温度による永久減磁を示

一定の空隙をおいた磁極間の磁気吸引力は一般に次式で与えられる4）。

す例として，Sm2-Co17系磁石の573Kでの永久減磁率を

1
B2A
2m 0

久減磁は比較的短時間で飽和することが一般に知られ

F＝

（1）

ここで，m 0 は真空の透磁率，Aは磁極面積，Bは永久磁石による空隙部の磁束密度である。新しい安全弁を開発するにあたり，本研究が永久磁石の作る磁気吸引力に着目した一つの理由は，近年，ネオジウム-鉄-3 つの試料について測定開始時の残留磁束密度を100％として測定した結果をTable 4 に示す。温度による永ており，測定開始後1時間で1.0〜1.4％減磁した後は1000時間後もほとんど変化していない。さらに，各磁性材料の諸特性値をTable 5 に示す6）。Nd-Fe-B系磁石を使用すればより大きな磁束密度が得られるのに対し，
Sm-Co系磁石を使用した場合には100Kの温度変化においても5％程度の増減しかない。

― 34 ―
Table 3
Table 0

産業安全研究所研究報告

Permanent loss factor of Nd-Fe-B magnet
after 15000 hours4）.
Nd-Fe-B系磁石の15000時間後の永久減磁率

NIIS-RR-2003（2004）

され，磁界が一様でなければ，磁性流体の位置の差が圧力の差となって現れる。すなわち，磁性流体を用いたシールの耐圧は次式で近似される7）。
H2∫

DP＝P2−P1＝m 0 M dH

（2）

H1

Table 4
Table 4

Permanent loss factor of Sm2-Co17 magnet at
573 K.
573 KでのSm2-Co17系磁石の永久減磁率

ここで，DPは圧力差，P1は磁界H1における圧力（低圧側），P2は磁界H2における圧力（高圧側），Mは磁性
流体の磁化の強さである。ただし，磁性流体によって得られるシール性能は 1 段あたり20〜30 kPa程度が限界とされており8 ），現実にも大気圧程度の低圧を仕切る用途がほとんどである。
一方，MR流体は，合成油等の流体中に直径数 m m程度の強磁性粒子を分散させた懸濁液である。無磁界の状態では低粘度の液体として振る舞うが，外部より磁界を印加すると分散していた粒子が互いに連結してクラスタと呼ばれる架橋構造を形成し，磁場強度に応じた降伏値が誘起する特性をもつ。磁界でのMR流体の流動特性は次式で近似できる。

Table 5
Table 5Magnetic properties of rare-earth magnets5）.
希土類磁石の諸特性値

t＝・ （t ＞t MR）
t MR＋h・g
G・g（t ＿＜t MR）（3）

ここで，t はせん断応力，g はせん断ひずみ，h は磁界に依存しない塑性粘度，Gはクラスタの剛性率であり，また，t MR は磁界の印加によって生じる降伏値で，その大きさは磁界Hの関数9 ）として与えられる。この特性のため，MR流体によるシールでは，式（2）の右辺に誘起降伏値t M R の影響が加わるため，その耐圧は次式で近似される。
弁座のシールを実現するため，ノズルの材質を強磁性体（鉄）とし，対面する永久磁石の間に磁場に応答して分散粒子が凝集する特性をもつ機能性流体を充填した。分散粒子の凝集力は磁場の強さにのみ依存し，ディスクが受ける荷重とは無関係である。このため，ディスク荷重が減少する吹出し圧力付近においても，永久磁石の作る磁場が変化しない限りシールとして十H2∫DP＝m 0 MdH＋Ct MR

（4）

H1

ここで，Cはシール部の形状や厚さ等により決まる
定数である。この結果，磁性流体の場合に比べて 3 〜
10倍のシール耐圧が得られるとされている10），11）。

分機能し，弁座の気密性を維持することが可能である。
充填する機能性流体として，磁性流体とマグネトレオ
ロジー流体（Magneto-Rheological fluid，以下，MR流体と呼ぶ）の 2 つを検討した。

以上の機能性流体を用いたシールでは，磁性体である分散粒子は磁界に拘束されて圧力に抗する。しかし，分散媒である液体は磁界の影響を受けないため，長時間圧力を受け続ければ少なからず流動する。結局，磁磁性流体は，液相中に直径 5 〜10 nmの磁性微粒子
を界面活性剤により安定に分散させたコロイド溶液で場に応答する機能性流体のシール耐圧は，凝集した粒あり，真空装置の回転軸用シールなどに広く利用されている。磁性流体の特性は，粘性を無視できる範囲であれば，Bernoulliの式に磁界の条件が加わった式で表子間の微小隙間に入り込んだ分散媒がその表面張力によって支え得る仕切り圧によって決定される11）。したがって，さらに微小な磁性粒子を混入させて粒子間隙を狭め，さらに分散媒の表面張力を磁力の作用で増大ボイラ用安全弁の新機構と安全制御システムの開発に関する研究― 35 ―

させられれば，より高いシール耐圧が得られると考えられる。これは，MR流体の分散媒を磁性流体に置換することを意味する。この考え方に基づき，本研究では，MR流体に磁性流体を混入した流体（Mixture of
MR fluid and Magnetic fluid，以下MMMと呼ぶ）を新たに作成し，そのシール性能についても検討することとした。

3. 実験結果と考察
3.3.1 安全弁の諸元と試料流体
Fi.g 5 に示した実験用安全弁では，永久磁石に外径34 mm×内径20 mm×厚さ1.8 mmのNd-Fe-B系磁石を用い，また，長さが異なる 5 種類のノズルを用意して間隙を調節できるようにした。MR流体を充填していない状態で間隙を1.0〜2.0 mmまで変化させたときの磁束密度と磁気吸引力をFig. 6 に示す。両者とも間隙の減少に対して単調に増加する特性を示し，また，磁石間にはほぼ均一な磁界が形成されていることを確

Fig. 6
Fig. 6

Magnetic flux density and magnetic attraction
force as functions of gap distance.
空隙の違いによる磁束密度と磁気吸引力の変化

Table 6

Sample fluids for experiments.
試料流体認した。また，磁性流体とMR流体は共に分散媒の主成分がポリa オレフィンである流体を選定した。Table
6 に試料として用いた流体の主な諸元を示す。
3.3.2 流体充填時の磁気吸引力
弁本体を機械的に固定し，ロードセルを介してディスクを引っ張る方法で，流体の充填による磁気吸引力の変化を測定した。得られた結果をFig. 7 に示す。実験誤差を考慮すれば，磁性流体を充填した場合は空隙の場合と変化なく，MR流体とMMMの場合は荷重が増加し，MMMで最も大きくなった。この理由として，流体充填に伴う磁気的な変化よりも，各流体の流動特性の違いが大きく影響していると考えられる。すなわち，磁性流体では界面活性剤の効果により磁界を印加しても粒子同士は結合せず，磁界と平行な方向にはほとん
ど抗力を生じないが，MR流体では粒子同士がクラスタを形成し，これを引き離す力が必要となる。さらに
MMMでは，磁性流体の分散粒子がクラスタに付着し，より強固な構造が構成されたために荷重が増加したと推察される。
3.3.3 吹出し圧力
弁本体入口側から空気圧をかけ，各流体を充填した
際の吹出し圧力の違いを測定した。 5 回の測定より得られた吹出し圧力の平均値をFig. 8 に示す。磁性流
体，MR流体（32 vol％），MR流体（40 vol％），MMMの順に吹出し圧力が高くなった。ただし，磁性流体の場合は，比較的低い圧力でまず前漏れが生じ，その漏れが連続的となった後に弁が全開となる動作であった。
このため，磁性流体を安全弁のシールに用いることは困難と判断した。これに対し，MR流体とMMMの場合

は，弁が開くまでは前漏れは一切確認されず，良好なシール特性が確認できた。試作した安全弁の構造上，各流体のシール耐圧は吹出し圧力とほぼ等しいと見なせる。
すなわち，MR流体では粒子濃度の濃い方がより高い圧力に耐え，また，MMMではさらにシール耐圧が上昇したと言え，シール性能が凝集したクラスタの隙間に強く依存することが示された。
3.3.4 吹出し圧力の誤差範囲
MR流体とMMMを充填した場合について，吹出し圧の誤差範囲（＝最大圧力値―最小圧力値）を比較した結果をFig. 9 に示す。最大でも14.7 kPaの誤差範囲に

― 36 ―

産業安全研究所研究報告

NIIS-RR-2003（2004）

Fig. 9Fig. 7
Fig. 7The change of magnetic attraction force byfilling sample fluids into the gap.
試料流体の充填による磁気吸引力の変化

Error range of popping pressure.
吹出し圧力の誤差範囲

3.4 改良型安全弁の構造
前述した安全弁は，本研究で提案する磁気式安全弁の原理を最も単純に実現しているが，磁気回路が閉じていないこと，一部に鉄を使用していることなど，実際のボイラへの適用上改善すべき点が多い。さらに，
前述したようにシール部に流体が不均一に充填され，吹出し圧力がバラつく問題もあった。そこで，これらの問題を解決できる新しい磁気式安全弁を考案した。
改良型磁気式安全弁の外観をPhoto 3 に，その構造をFig.10に示す。

Fig. 8Fig. 7

Relationship between filled fluids and mean
popping pressure.
充填流体と吹出し圧力の平均値との関係収まっている。この値は，JIS規格で規定される許容範囲の約半分であり，磁気式安全弁が高い精度で吹出し圧力を設定できることが示された。しかし，流体や間隙の違いと誤差との間に有意な相関は見られず，こPhoto. 3
Photo. 3

Improved type of magnetic safety valve.
改良型磁気式安全弁

Fig. 10

Schematic structure of improved type ofmagnet loaded safety valve.
改良型磁気式安全弁の構造のため，生じた誤差は磁界が作用する間隙へMR流体を充填する際に気泡が混入するなど，シールを均一に実現できなかったことに起因すると考えられる。

Fig. 10

ボイラ用安全弁の新機構と安全制御システムの開発に関する研究― 37 ―

改良型磁気式安全弁では，広く一般に採用されている安全弁の仕様を考慮し，ノズル径を20 mmとし，吹出し圧力0.5 MPaを目標に設計を行った。さらに，閉磁路が構成されるため磁気的に有利となるため，高温での使用を考慮し，温度特性に優れるSm 2 -Co 17 系磁石（外径50.6 mm×内径44.6 mm×厚さ3.5 mm）を採用した。また，耐腐食性を考慮し，非磁性体部品をSUS
304，磁性体部品をSUS 430で製作した。ただし，最も重要な改良点は，この弁では，ノズル口内側に設けられたシール部に流体を塗布した状態でノズルとディスクを押し付けた後，磁石とヨークを所定の位置に取り付ける手順で組み立てられるようにした点にある。
すなわち，流体がその流動性により均一に広がった後から磁界を印加できるため，均一なシールの実現が期待できる。なお，前述した基礎実験結果より，充填流体にはMR粒子：Mn-Znフェライト：ポリa オレフィンの体積分率が45：3：52のMMMを採用した。
予備的実験として，水槽中にて空気圧をかける方法

Fig. 11
Fig. 10

Experimental equipment to evaluate valve
performance under the practical use.
実環境試験装置の構成

Table 7
Table 0Components of experimental equipment.
試験装置の構成要素一覧

Fig. 12Experimental result obtained under the situation that the boiler is started fromcompletely stop condition.
実験結果の一例（ボイラを完全停止状態から起動させた場合）

で吹出し圧力と気密性を測定した。 5 回の測定の結果，吹出し圧力は0.553±0.009 MPaであり，概ね設計
目標の吹出し圧力を達成できたばかりでなく，JIS規格で規定される許容範囲の約半分という高い吹出し精度を実現できた。また，吹出しを生じる前に弁座からの空気漏れは一切なく，目的の気密性が確保されていることも確認できた。
3.5 実環境試験と評価
蒸気圧を印加した場合の弁動作を確認するため，製作した改良型磁気式安全弁を簡易貫流蒸気ボイラ（三浦工業製，SU-200F）に設置して実環境試験を行った。
ボイラ及び試験用配管の構成をFig.11に，また，その構成部品をTable 7 に各々示す。ここでは，磁気式安全弁の入口側及び出口側の圧力を測定するとともに，安全弁内部の蒸気温度及び安全弁本体の温度を計測する。
実際のボイラの運用でよく見られる動作として，常温まで冷めた停止状態から炉を点火し，徐々に蒸気圧
力及び温度を上昇させたときの様子をFig.12に示す。
入口側圧力が約0.3 MPaに達した170秒後あたりから安全弁内部に高温の蒸気が回り込み，急激に温度が上昇
するが，ほぼ設定圧力で弁が作動した。また，Fig.13
は，ボイラを一時停止させ，約0.4 MPaの圧力が保持された状態から，再び圧力を上昇させたときの様子である。Fig.12の場合に比べ，長時間高温の蒸気に曝され，弁本体がより高温になったが，ほぼ設定圧力で弁が作動した。以上の結果，実際のボイラでの使用におFig. 10

産業安全研究所研究報告― 38 ―

NIIS-RR-2003（2004）のできるシステムを構築しておく必要がある。
本研究では，既に提案したボイラ燃焼の安全制御シ
ステムに加えて， 2 つの重要安全要素として，温度制
御システムのインターロック用のフェールセーフな温度センサと，ボイラ制御システムに依存しない最終的な過圧防止手段である安全弁について研究開発を行った。前者の温度センサは，ボイラの炉内温度を直接監視して設定温度に到達した時には確実に燃焼を遮断させることができ，その安全回路を専用回路とすること
で機能的な制御による判断を必要としない簡便で安価

Fig. 13

Fig. 10

Table 8
Table 8Experimental result obtained under the situation that the boiler is restarted after
temporally stop.
実験結果の一例（一時停止状態からボイラを再起動させた場合）
Relationships between popping pressure andvalve body temperature.
吹出し圧力と本体温度の関係

な温度インターロックを実現した。また，後者の安全弁は，シール部の漏洩を完全に解消するために，永久磁石による磁気吸引力で吹出し圧力まで弁を保持し，さらに磁場に感応する機能性流体により弁座のシールを実現する新しい構造を提案した。
いずれの要素も基本性能と所要の安全機能を実現できることを確認したが，今後実用化に向けて，個体差の収斂やさらなる精度の向上を検討したい。
謝辞
本研究について多大な御協力をいただいた三浦工業
株式会社の古川秀夫氏，安藤秀朗氏，森松隆史氏，NECトーキン株式会社の大内俊則氏，阿部和裕氏ならびに北九州市立大学の杉本旭氏に深謝します。
参考文献

いても，提案する磁気式安全弁が有効に機能することが確認できた。
ただし，吹出し圧力の精度に関しては予備的実験時
よりもバラつきが大きくなった。Fig.12，13に示した実際のボイラでの使用時と予備的実験時の弁動作を比較するため，吹出し圧力及び弁開放時の本体温度をまとめたものをTable 8 に示す。吹出し圧力の誤差と本体温度との間に有意な相関が見られないことから，誤差を生じる理由については，温度ばかりでなく，蒸気に含まれる水分や蒸気に曝される時間といった影響を考慮する必要があると考えられ，今後の課題としたい。

4. まとめ
蒸気用ボイラ等の比較的小規模なボイラはボイラ技士以外の作業者が取り扱うことができるため，運転異常時に適切な対応が期待できず，事故に至る危険性を否定できない。そこで，作業者の操作ミスやボイラの異常時には，作業者に依存せずに必ず災害を防ぐこと

1）清水，杉本，池田，梅崎，小規模ボイラの燃焼制
御回路と炎センサのフェールセーフ化に関する研究，産業安全研究所研究報告RIIS-RR-91（1991）
pp.13-25.
2）例えば，蒸気用及びガス用ばね安全弁 JIS B 8210，
1994.
3）笹川敬史「安全弁の技術」理工学社，pp.54-59，
2001.
4）山田一，宮沢永次郎，別所一夫「基礎磁気工学」丸善，p.164，1975.
5）超高性能希土類-鉄系磁石の安定性と応用調査委員
会「Nd-Fe-B系磁石の経時変化とその応用」電気学会技術報告，484号，p.11，1994.
6）「TDK 技術資料」TDK ，p.5，2001.
7）武富荒，近角聡信「磁性流体-基礎と応用-」日刊工業新聞社，1988.
8）中江利昭監修「レオロジ工学とその応用技術」フ
ジテクノシステム，p.779，2001.
9）W. I. Kordonski, S. R. Gorodkin, Z. A. Noviova「The influence of ferro particle concentrationand size on MR fluid properties」 Proc. 6th Int.

ボイラ用安全弁の新機構と安全制御システムの開発に関する研究

Conf. on ERF and MRS，pp.535-542，1997.
10）W. I. Kordonsky，S. R. Gorodkin「Magnetorheological fluid based seal」 Proc. 5th Int.
Conf. on ERF and MRS，pp.704-709，1995.
11）T. FUJITA，K. YOSHIMURA，Y. SEKI，Gjergj
Dodbiba, Toshio MIYAZAKI「Characterizationof magnetorheological suspension for seal」
Proc. 7th Int. Conf. on ERF and MRS，pp.709715，1999.
（平成16年 1 月15日受理）― 39 ―