‑29‑

SpecificResearchReportsoftheNationalInstitute17(1999)
ofIndustrialSafety;NIIS‑SRR‑NO.
UDC00.
8
6:537.
523.
4:62
‑
492.
2

5. 振動型粉体最小着火エネルギー試験装置の開発＊
山隈瑞街＊＊，児玉勉＊＊，張偉林＊＊

5.Developmento
ftheVibratingTypeMinimumI
gnitionEnergyMeasurementSystem*byMizukiYAMAGUMA**,TsutomuKoDA:VIA**andWai‑LamC
HEU;
‑.
JG*
*
Abstract:Itis commonlyr
ecognizedthattheconv
entional methodsf
ordeterminingthe minimum
igni
tionenergy (MIE) o
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m,anthraquinone, andpol
yacr
ylonitrile ‑were puttothetest, and their MIE data werecomparedw
iththosetakenwithaconventionaltestingapparatus(theHartmanntube).TheMIEsfor
two powders, lycopodiumandpolyacrylonitr
ile,agree
dsatisfactorily. Fortheother,anthr
aquinone,howev
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hem
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au
se
dbyt
hestatic‑chargesg
ene
ratedontheparticlesbypassin
gthoughthemesh,andalsobyt
heirregularshapesoftheparticles.
Keywords;Vibratingmesh,Hartmannt
ube,Minimumi
gnitionenergy,Dustexplosion1.緒 言
可燃性粉じんの最小着火エネルギー（以下 MIE)を測定する方法として，小型円筒容器内で圧縮空気の吹き上げによって粉じんを発生させ，これに火花放電により着火を行うハルトマン式 1)が長年一般的に用いられており，既に多くの粉体の MIEデータが蓄積されている。一方，近年，粉体の製造技術の進歩に伴う微細化及び新原料の開発等から可燃性粉じんはますます多様化してきており，安全管理上，これらの MIEを迅速に測定する必要があるが，ハルトマン式は着火タイミングの調整等の操作上の熟練を要すること，着火後の容器類の清掃等に手間がかかること，また，爆発に耐える堅牢な構造や圧縮空気系統が必要である等製造コストが高価であることから一部の試験研究機関に導入されるにとどまっているのが現状であり，市場のニーズに迅速に対応することが困難である。
このような従来型試験装置の欠点を解消し，特別な知識や熟練した技能がなくとも精度の高い試験結果が得られる装置の普及を目的として，著者らは新たな発想に基づく振動型粉体着火エネルギー測定装置の開発を行い基礎的な特性を報告した 2,3)。本研究では実用化を視野に入れ，更に操作性を向上した改良型を試作し，これを用いて代表的な粉体について MIEの測定＊平成 10年 6月25日E
SA‑IEJJointSymposiumonE
lectrostatics1998及び同年 9月28日第22回静電気学会全国大会において一部発表。
＊＊物理工学安全研究部

PhysicalEng
ineeringS
afetyResearchD
iv
ision

‑30‑

産業安全研究所特別研究報告

ideView
Hoppe
rCaseS＼:~:::::::"：":Powder＇iDustcloud(formedwhenvibrated)F
ig.1 Structureofthepow
derhopperofthev
ibratingtypeMIEtestingdevice.
振動型 MIE試験装置の粉体用ホッパーの構造
CaseStabilizerPowderHopper

NIIS‑SRR‑N0.17 (1999)
上部に配置される。爆発容器には側面に放電用電極（高圧側及び接地側の 2本）が配置されており，スタビライザーを用いてホッパー及び爆発容器が振動台に固定される。この振動台の振動数は電源周波数 (50Hz) と同じであり，振動強度（振幅）は 10段階に調節可能となっており，通常，振動強度とともに粉じん濃度が変化する。粉じんが着火すると火炎が瞬時に粉じん全体に拡がるので，場合によってはホッパー内の残留粉体や爆発容器底部に溜まった粉体が発火するおそれがあり，また，メッシュに直接火炎が接することにより目詰まりを起こすこともあり得る。このような弊害から試験装置を守るために，ホッパー下部及び爆発容器底部に粗い金属製メッシュを配置し，フレームアレスタ（消炎器）として機能させている。
以上のような構造により，ハルトマン型に比べて少ない粉体量で効率的な着火試験が可能となる。

3. 実験方法
上記の振動型に対して，放電回路系及び測定系を加えることにより実験装置を組み立てた。放電回路は，キャパシタ (100pF,.
.
.
,.
,5000pF) と付加インピーダン

Fig.2 Schemati
cdiagramo
fthev
ibratingt
ypeMIEmeasuringsystem.
振動型 MIE試験装置の構成を行い，従来型との整合性の評価を行った。

2. 振動型粉体 MIE試験装置

ス（インダクタンス 0.
94mH*) から構成されており，まず，直流高電圧電源によりキャパシタのみを所定の電圧まで充電し，その後高電圧スイッチ（ガス封入）で放電回路へ切換え，放電を発生させた。測定系には，放電時の電圧及び電流観測用として高電圧プローブ(Tektronix社製 P6015A) 及びカレントプローブ・同アンプ（同社製 A M503S) を用い，これらの信号をデジタルオシロスコープ（同社製 TDS620) で数値化並びに波形表示をした。さらに，数値データを振動型粉体 MIE試験装置（以下，振動型）が従来型のハルトマン型と大きく異なる点は粉じんの形成方

パーソナルコンビュータヘ転送し，データを保存するとともに各種の数値処理を行った。

式である。ハルトマン型では密閉した円筒内に下方から圧縮空気を用いて粉体を吹き上げて粉じんとするが，振動型はメッシュ型容器に粉体を入れ，容器を振動させることによって自然落下する粉体を利用する。 Fig.
1に，本研究で試作した試験粉体用メッシュ容器（ホッパー）を示す。メッシュは側面から見ると U字型となっており，振動によりメッシュを通過した粉体が薄いカーテン状の粉じんを形成するように工夫されている。粉じんをこのような形状とすることにより，放電電極は，先端を約 60度の円錐状に加工したステンレス棒（直径 2mm) であり，高圧・接地電極間の間隙（ギャップ）は 4m mとした。
メッシュはステンレス製であり，サイズは 50または100である。また，フレームアレスタは真鍮製でメッシュ間隔 1m mのものを使用した。
Lycopodium),今回の実験に使用した粉体は，石松子 (アントラキノン (Anthraquinone) 及びポリアクリロニトリル (Polyacrylonitrile) の 3種類である。こ放電電極のギャップ間のみを粉じんを通過させることが可能になり，ひいては粉体の節約と爆発時の圧力上昇及び発熱の抑制が期待できる。このホッパーは
Fig.2に示すように，アクリル製の円筒型爆発容器のれらは IEC規格内こ校正試験用の粉体として指定されているものである。すなわち，同規格にはこれら粉体の標準的な MIE値が提示されており，その値に合致するか否かで試験装置を評価すべきと記されており，＊ハルトマン式 (MIKE‑3)では 1.0mHを使用しているが．本研究では調達上の問題で0.94mHを採用した。違いは僅少であるので，影響は少ないと思われる。

‑31‑

振動型粉体最小着火エネルギー試験装置の開発

7060504030205‑o‑ Ignited・量・・・NotIgnited■.
.
.
.
.
.
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78910I
IILgnited.
.
.
量・・NotIgnited6

これらのうち微細なものは下部フレームアレス
タを通過して未燃焼粉体に混入することがある。
このことは粉体の再利用を困難にするので，未燃焼の試験粉体のみを速やかに回収する機構を設けることが望ましい。
(3) 粉体の粒径分布によっては，メッシュホルダーが飾分器として作用するために，粉じん粒径分52010009080706050403020(2) 粉じんの爆発後，燃焼生成物として各種の固体物質（灰，煤，融解凝固物等）が生成される。

]300の力が発生する。したがって，爆発容器から圧力を放散させる仕組みを設ける必要がある。

1110Fig.4 Ignitionenergiesforpolyacrylonitrile.
ポリアクリロニトリル粉じんの着火エネルギー

百 且 aIGゼ自IsJO.ffiJ.iu3問題として以下の点が指摘できる。
(1) 粉じんの爆発時の圧力上昇は従来型と比較すれば小さいが，それでも若干スタビライザーのスプリングに逆らってホッパーを押し上げる程度

9VibrationStrength4.
1 振動型の操作性着火試験は前述の実験手順に従い，ほぼ順調に遂行することができ，従来型に比べて大幅に短時間でMIEを得ることができた。ただし，今後解決すべき

8gnitionenergiesforanthraquinone.
Fig.3 I
アントラキノン粉じんの着火エネルギー

粉体の MIEを求めた。

4. 実験結果及び考察

7VibrationStrength6

用いて計算した。
さらに，参照用として市販のハルトマン式試験装置(AdolfKuhnerAG製 MIKE‑3) を用いて同じ試験

806cv
2‑o‑ I
gnited・NotIgnited.
.
.
量[百 ]a{'8J:iu3
巴旦 8IGゼ邑 SJO.

合に「着火」と，同一エネルギーでの試行 20回以内にそのような状態にならかった場合には「不着火」とした。
J] は，放電前のキャパシタ C
放電エネルギー w [[F] の充電電圧 V [VJ を測定し， W=l/2を•••9052010009080706050403020
lll

粉じんの着火性の判定にあたっては，放電によって粉じんが発火し，火炎がフレームアレスタに達した場

゜︒

放電波形（電圧及び電流）の観測及び放電工ネルギーの計算を行う。
(6) 必要に応じ，条件を変えて (1)‑(5) の操作を継続する。

巴且8IGゼ貝dsJo,Gl.i~ug[百]3放電を発生させる。
(5) 粉じんの着火または不着火の判定を行う。また，

1
10ー

今回の実験はこれに則したものである。
基本的な実験の手順は以下の通りである。
(1) 粉体ホッパーに試験粉体を入れ，爆発容器に固定する。
(2) キャパシタを所定の電圧に充電する。
(3) 振動台を起動させ，所定の振動強度に合わせる。
(4) スイッチを放電回路側に切換え，電極間に火花~7891011VibrationStrengthgnitionenergiesforlycopodium.
Fig.5 I石松子粉じんの着火エネルギー
布が本来のものと異なることが予想される。試験に当たっては，予め，粒径分布に影響を与えないようメッシュのサイズを注意深く選択する必要がある。

‑32‑

産業安全研究所特別研究報告

NIIS‑SRR‑NO.
17(1999)Tabl
e1 Sizesand MIEs measuredbythenew (vibrating mesh) andt
heconventional(Hart・manntube)methods.
試験粉体の粒径並びに振動型及び従来型で得られた最小着火エネルギー！

MIE [mJ]MedianDiameter Vibrating HartmannTube TargetValueRecommended[mm](MIKE‑3)
byIEC (meandiameter)ii
MeshSubstance
Lycopodium
AnthraquinonePolyacrylonitrile

381787323‑
2929‑
3434‑
41Table2 Chargeo
f powder passingthroughthevi‑bratingmesh.
メッシュ通過後の粉体の帯電量Chargeamount [μC/kg]
Minimum Maximumi
MeanSubstance10‑
301‑310‑305‑
10 (31μm)
2‑6 (18μm)
2‑6 (27μm)

びポリアクリロニトリルについては，振動型とハルト
マン式はほぼ同様の MIE値となっているが，アントラキノンについてはかなりの差異がある。この差異については，アントラキノンの粒径分布が重要な役割を有していると考えられる。なぜなら，一般に，粉じん‑
1.
9‑
6.
1‑
0.
23

爆発においては同じ質量に対して表面積が大きいほど(4) ホッパー内の粉体の残留量に応じて粉じん濃度が変化しやすい。これは，粉体の量が変化する（レーザ式粒度分布測定装置を用いて実測）から得られたメディアン粒径が示されているが，アントラキノことにより粉体の振動状態も変化するために，ンのみが 178mmと他の物質よりもかなり大きな値とそれによってメッシュを通過する粉体量が影響を受けるためと考えられる。メッシュと粉体のなっている。今回，アントラキノンの試験粉体を作成する際には，予め 100メッシュ（隙間 150mm) の師接触関係を常に一定に保っために，粉体容器とメッシュをそれぞれ独立構造とする等の工夫が分器を使用して粒径を調整しているので，もっと小さな値となるはずである。したがって，アントラキノン必要と考えられる。の場合には，メッシュ通過時に粉体の凝集が起こって

Lycopodium
AnthoraquinonePolyacrylonitrile

‑
1.
5‑
2.
3‑
0.
13‑
2.
4~11‑
0.
544.
2 振動型によって得られた MIEの評価
振動型での着火エネルギー測定結果を Fig.3‑‑‑‑‑‑5に示す。これらの図において， 0印は着火した最小の放電エネルギーを，■印は不着火時の最大の放電工ネル粉体への熱伝達が促進されるので，粒径分布は着火性及び爆発性に多大の影響を及ぼすからである。
Table 1に メ ッ シ ュ を 通 過 し た 粉 体 の 粒 度 分 布いると考えられる。著者らは，この凝集現象の原因として粉体の帯電性と形状に着目し， (1) メッシュを通過する際の粉体の帯電量，及び (2) 顕微鏡による形状及び凝集の観測を実施した。
まず帯電性についての測定結果を Table2に示す。

ギーを意味する。したがって，ある振動強度におけるアントラキノンは他の物質に比較して極めて大きな帯着火エネルギーは 0と の間に存在すると結論できる。
これら着火エネルギーの中で最低の値（例えば， Fig.

電量を示した。電荷量は各粉体粒子に一様に分布しているのではないと考えられるから，帯電量の大きな粒3では 29‑‑‑‑‑‑34mJ) が MIEである。なお， F
ig.3‑‑‑‑‑‑5子に帯電量の小さな，または逆極性に帯電した粒子が中の横軸は振動台に目盛られた振動の強度を示す数字

電気力学的作用（クーロンカ等）により付着しやすくなると考えられる。

■であり，この数値と粉じんの落下量の間には相関関係があることは確認済み（ただし，相関係数は粉体の種類，粉体ホッパー内の残量，粒度分布，メッシュの大次に，走査型電子顕微鏡で観測した各粉体の形状をF
ig. 6に示す。石松子 (a) 及びポリアクリロニトリ

きさ等によって異なる）であるが，現時点では，測定手段がないため，粉じん濃度を直接知ることはできな

ル (b) はほぼ球状であるが，アントラキノン (c)い。したがって，ハルトマン式で得られるような粉じ針状の結晶体で構成されている。アントラキノンのこん濃度と着火エネルギーの関係を示すデータは得られていない。のような形状は，当然，粉体間の密着性を高めることとなり，凝集を促進することになると考えられる。例

今回の実験に用いた 3種類の粉体の MIEをまとめえば， Fig.7は着火試験後のメッシュの表面を顕微鏡ると Table1のようになる。同表によると，石松子及(CCDカメラ）で観測したものであるが，アントラキは形状が一定しておらず，かつ各粉体がさらに小さな‑33‑

振動型粉体最小着火エネルギー試験装置の開発(a) Lycopodium
Fig.7 P
hotographshow
ingt
heagglomerationofanth‑raquinoneparticlesonthemesh.
メッシュ上でのアントラキノン粉体の凝集の様子の吟味，振動方式の改良等）が必要であることが示唆される結果と言えよう。

5.結 言

ゞm f:
<P3g、

(b) Polyacrylonitrile

新たに開発した振動式粉体着火最小エネルギー測定装置（振動型）を用いて，三種類の試験用標準粉体（石松子，ポリアクリロニトリル，アントラキノン）の粉じん状態での最小着火エネルギー (MIE) を測定し．ハルトマン式（従来型）で得られた値と比較した。その結果をまとめると以下の通りとなる。
(1) 振動型は，従来型に比べて構造が簡単で取り扱いが容易であり，大幅な時間短縮が可能である。
一方，燃焼生成物の処理方法，粉体の定量供給等解決すべき問題もある。
(2) 石松子及びポリアクリルニトリルの場合，従来方式とほぼ同様の MIE値となり，良い一致を示した。
(3) アントラキノンの場合，従来方式で得られたMIE値よりも 1桁大きなものとなった。これは，粉じん形成用のメッシュホルダーとの摩擦に(c) Anthraquinone
Fig.6 SEMphotographsoftestedpowders.

よって発生した静電気による電気力学的作用，ならびに針状の結晶を有する不定型な形状が凝集を促進しているためと考えられる。

供試粉体の電子顕微鏡写真
ノン粉体が網の周辺に凝集して付着していることが確認できる。この凝集現象は，やがてメッシュの目詰まりを引き起こすことになるので， MIEへの影響のみならず，試験操作そのものを阻害することにもなる。
帯電性と形状のどちらが凝集により多く寄与しているか現時点では不明であるが，粉体の種類によっては凝集を防ぐための何らかの手段（例えば，メッシュ素材謝辞
実験を遂行するに当たり，大韓民国ソウル産業大学校安全工学科修士課程学生雀光石 (Choi Kwang‑Seok) 氏にご協力をいただいた。ここに記して謝意を表する。
参考文献1)IEC,InternationalStandard1241‑
2‑3(1994)

‑34‑

産業安全研究所特別研究報告2) W.L. C
heung,T. Kodama and M. Yamaguma,"VibratingMinimumIgnitionEnergyMeasurement
System", 静 電 気 学 会 講 演 論 文 集'97,pp.
181‑
186(1997)
3) W.L. C
heung,T. Kodama and M. Yamaguma,,"DevelopmentofVibratin
gMeasurementAppara‑

NIIS‑SRR‑N0.17 (1999)
tu
sforMinimumIgnitionEnerg
yforPow
der",ESA‑
IEJJoint Symposium on ElectrostaticsProc.
,pp.
143‑
150(1998)（平成 10年 11月 10日受理）