銅線切断法による放電火花のメタン点火限界についての研究
中田隆

電気課

TheI
gnitionofMethane‑AirMixturesbySparks
withSnapping‑WireApparatus
byR.Tanaka

Measurementshave beendoneo
f minimumi
gnitingcurrent
sfor low v
oltag
ed.
c.inductiv
eandnon‑inductiv
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antoveralimitedrangeo
fdiametero
fO.1‑
0.4mm, theotherconditionsbeingequal.

として使用されている特殊電極系をこのような配線の断

1. まえがき線の際の点火危険の試験に使用することの妥当性に関し通電中の電気回路が正常な動作中または事故時（短てのべる。

絡，地絡など）に発生する放電火花の爆発性ガスヘの点

なお，この実験のために使用した銅線の切断法は，筆火危険性については，これまで基本的な回路について種者が 1
963年英国の S
afetyinMinesResearchEstab‑々の観点から求められている (I)。 こ れ ら の 成 果 の 多 く

lishment(Sheffield) に滞在中，研究の一部に採用しば，特殊な電極系，つまり電極の形状，材質，開閉速度た方法 (2)と同じであることをおことわりしておく。などについて実際の接点とはかなり異なった特性のもの

2. 実験装置および方法を使用して得られたものではあるが，接点の構造，動作2.I 実験装置の概要などの多様性を考えた場合，このような特殊な電極系によって得られた点火限界によって，実際の接点火花のガ実験装置の概要を第 1図に示す。同図における火花発スヘの点火危険性を評価することは安全の立場から妥当生装置の内部には，銅線が水平に張られており，その両であると考えられる。

端が金属軸 s,および s,に巻き付けられていて，これらしかしながら，接点とは異なって，通常は放電火花をの軸を通じて外部の被試験回路に接続されている。一発することのない配線が通電中に事故などによって断線したような場合に発生する放電火花のガスヘの点火危険性を，上記のような特殊な電極系で発する火花と同等に取り扱ってよいか否かについては，やや問題が残されてきた。そこでここでは，実際の電気回路で最も普通に使用されている銅線を通電中に切断して放電火を発花生させ，その際のガスヘの点火限界を求めるとともに，これを従来からの待殊電極系によって得られている結果と比較して報告し，＂沖せて現在本質安全防爆機器の試験装置

Fig. 1. Schematicl
ayoutforexperimentalequipment.

‑1‑方，この火花発生装置はポリエチレンチュープによって放電火花が試験ガスに点火した場合には，他の条件はメクソガスホルダー，マノメーターおよび真空ボソプと同一のままで，通電電流のみを 5 10%減少させて，同接続されている。火花発生装置の内部は一且真空（水銀様な方法により放電火花を発生させた。このようなこと中約 5mm以下）にしてから所定の濃度のメクンガスをを繰り返し連続 5回の発生火花で 1回もガスヘの点火が送給するような構造になっている。

得られない最大の電流値 Clm)と，その電流値に減少さ2.2 火花発生装置せる前に点火が得られた最小の電流値 (11)とを測定

火花発生装置のやや詳細な構造は第 2図に示すようなし，これを不点火および点火の限界とした。（注： Imのもので，長さが約 45cm,内部の中空部分の断面が 3.6x

決定における 5回の実験回数は十分なものとはいえない

3.6cmの透明なプラスチック製の容器で製作されており，その両端部にはゴムバソドで押さえ付けてある円板が，これ以上実験回数を増加一例えば 10回にしても，Im の値がそれほど低下する例が少なかったことと， 実状のふたがある。両端部の近くには，銅線を固定し巻き験に長時間を要することのため，ここではこの程度の回付けることによって張力を与えて切断するための金属軸数にとどめた）が取り付けられており，容器の外部からハソドルでこの被試験回路には電源として直流電源（鉛蓄電池または90V積層乾電池）を使用し，単純な直列誘導回路または軸を回転させることができる構造になっている。
銅線は容器両端部の円板状ふたを一時取り外すことに無誘導回路を甚本的な回路として採用した。誘導回路のより，ここから所要の長さに切って挿入することができ実験に使用したインダククソスは，いずれも空心のものる。そのあと再びふたをして，ゴムバ ノドで押さえ付けで， O.lmH IOHの大きさのものである。ておく。なおこのふたは実険中に放電火花がガスに点火

また，銅線には一般に最も広く使用されていると思わした場合の爆発庄力を外部に放出するための安全弁の役れる太さの範囲の相当品として直径 0.
1,0.
18,0.
3お割をも兼ねている。

よび 0.4mmの 4種類の軟銅線を使用した。上述のような方法で銅線を引張り切断させて実験をする場合，予め60しを -~4-50 mm ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑ーーーニニ―ニピ
三□一 噂‘•八｀ぷ）レ
門板恥たl

銅線に切りキズを与えた個所と異なる部分で切断することがあるが，これは線径が太い場合は切りキズの深さが＇万ズ導入口

比較的浅くて他のキズをつけない部分が切れてしまうとFig. 2.Constructiondetailsofsparkproducer.

き，また線径の細い場合は線の太さが必ずしも一様ではなく，製造上，局部的に他の部分より細くなっていると

2.
3 試験ガス
実験に使用した試験ガスは，市販のボ・ノベ入りのメクきなどに起りやすい。このような場合は一般に点火感度

汎こ空気を混合させ，濃度が 8.
3士0.1%C体積比）としが低い（この理由は後述するように電極としての開離速たものを，ボリニチ V ソ製のガスホルダーに貯えて使用度が小さくなるためと考えられる）ので，実験値を棄却した。ガス濃度は理研製の干渉式ガス検知器で測定し，し，改めて同じ実験を繰り返して行なった（注：引張り実験中はポリエチ V ソ製ガスホルダー内のガス濃度がほの際の銅線の伸びにより，切断点の銅線の太さがかなり細くなることが予想されたが，直径の減少はいずれも切とんど変化しないことを確認した。
なお，試験ガスの温度は室温で，特に除溜操作しま行な断前の直径の 18%以下であった。一般に直径が小さいと伸びによる直径の減少も小さく，匝径が大きいと減少もわなかった。

18%に近くなる。この程度では伸びによる直径の減少の2.
4 実験方法影響はほとんど実験上無視してよいとみなされる）実験の手順としてしま，先づ銅線を所要の長さに切り，そのほぼ中央部にニッパーで切りキズを一定の深さにつ

3. 実験結果

けてから，火花発生装謹の容器内部に取り付け，両端を3.I 誘導回路の実験結果

金属軸に巻き付けて固定する。しかる後に装置の両端部のふたをして電気回路の条件を設定する。設定が終った

第 1表に示したのは誘導回路の場合について，銅線のら銅線への通電を中断し，火花発生装置内を真空にし直径，回路インダククソスおよび電源電圧の大きさをそて，所定の真空度に到達してから試験ガスを送入する。

れぞれパラメータとして測定した点火電流値 (I,) と不試験ガスの圧力は大気庄に等しくなっている。ここで再点火電流値 (Im) である。線径が 0.4mmの場合についび銅線に通電し，手動によって金属軸のハソドルを回転て点火電流の限界 (11と Imとの算術平均をとった）をさせることにより，銅線は予め与えておいたキズの部分曲線で示すと第 3図のとおりである。この曲線の形状で切断され，放電火花を発生する。

は，従来，特殊な電極系によって得られた点火電流の限‑'‑‑ 2‑

Table 1. Minimumignitingcurrentfor
inductivecircuit.

界を示す曲線 (I)とほとんど同じである。すなわち，イソダククンスの大きな範囲でほ点火電流の大きさは電源電圧の大きさにほとんど無関係で，インダククソスの大きさのみに依存し，かつ，点火電流 (I) とイソダククソス (L) との間には Lin=一定 (nは定数）の関係が成~6214896

立している。そしてイソダククソスが小さくなると始め(mH) /~m)

I・ImOII13l1Im
300.195‑‑570
530180170180170170160I1Im10810310810410095ロ二― 2100 1sooI 550
1、ノスについて求めた関氏ら (3)の実験果結とも一致している。電源電圧の大きさの差が生じてくるのは，イソダククンスが 3 m H程度より小さな場合となっている。
3.
2 無誘導回路の実験結果

誘導回路の場合と同様に，無誘導回路についての実験‑I 2000 1700525結果を第 2表に示す。これを曲線として第 5図に描いてある。

6501 645rooI 610320
30030I1Im200
I 200
190I 190170162なかった。

95I1Im120I 100
115I 95

9085めた最小点火電流曲線を比較のために記入してあるが，34322928‑‑

Iヽ I ‑
Im‑

1s140 I I1・ ImI13ImI130Im4750I 4000I 1500
I 4754500I1 3600I 1400: 450760 600 4751 40073o'5701 4501I 380225I 200I 200 180220,
I 1901I 190I
I 170951251201I1ImI1I‑I' I I m i―‑I1000
110,0000.I334‑
32，ヽ

無誘導回路の場合についても，線径に有意な差を生じ
第 5図には各国のそれぞれの火花発生装置によって求
これから明らかなように火花発生装置の種類ごとに異なった特性のものが得られている。なお，この実験の結果
では，現在，英国で本質安全防爆機器の試験に採用されている Intermittentbreakapparatusによって得られた曲線(<)と同様に，最小点火電流曲線の中にクビレ(kink) を生じた。

4. 考察および意見I92884.1 銅線の切断現象と電極としての開離速度

32 28.5

通電中の銅線を上述のような方法によって切断させ，120, 120110I 110>‑30I

2176‑! —: ‑ 14Im /その間に発生する放電火花のガスヘの点火性を調べたのであるが，力学的に見れば銅線は切断前に蓄積していた弾性エネルギーを運動エネルギーに変換して急速に開離I '5000I2550I I
Im47501 2400 1600560

It760I＇710
Im I 720
I 680

470
450

性限界をこえた範囲で生ずるので Lord氏ら (5)が解折しすると考えられる。この場合，銅線の切断は実際にほ弾ているような切断直後の銅線の運動は，一般に一端固30Im122350212I~

1980定，他端自由な棒の縦振動を示す運動方程式の適用が困

119113!

1312105100

難であること，したがって，切断直後の銅線の開離速度

95IzI,
凡‑ I

33‑I‑Il000II
' I m
110,
000Iz
ImJ鉗

ように，いずれの場合にもこの程度の線径の範囲内では線径の違いが生じていない。これは 34.2Hのイソダクク

I1ImI10,000I0.4第 1表の結果を，縦軸に点火電流，横軸に線径をとって曲線に示すと第 4図のようになる。同図から明らかな

31000I1・ I m0.334 37.53332/35 31.513141213‑0 I II・ ImI

二5W．
7＾0＾DII1ImI000I1'Im
10000
I1' I m0.18て電源電圧の大きさの差が現われてくる。
480510340
320‑‑‑I

12013634‑‑

3230
1615を理論的に解析して求めた結果を適用することは適当でないと考えられる。そこでこの実験では，実際の開離速度を高速度カメラで撮影して実測した。
その結果は，直径 0.5mmの銅線については約 20m/s,

I1 =点火した最小電流値

直径 0.3mmの銅線では約 25m/s にも達し，その速度Im=点火しなかった最大電流値

ほ0.5mmの場合は O.2 0.3cm, 0.3mmの場合は 2 3‑3‑

□iE

舒糠の直径： 0.4mm

最小点火電CH,:8.
3%

1000lSch陀lt‑unlerbreckers 96V

4渚''cm(,1001QLQl

J • ー・ 5rn , ,,• ‑ 100

丘 ,一インダクタンス (mHlJ

4'1.000',―,‑ JQOOO

605432︒
︒

Fig. 3. Minimumi
gnitingcurrentv
s.circuitinductanceforO.4mm‑dia. copperwire.
初のコマから，その次のコマ間の平均速度から算出した。したがって， t=0 における開離速度はこの平均速度よりはやや大きいと考えられる。）
100□iヘR屠CH4:&J・Y.

10C鍔線の直径）‑‑‑‑0、1mmx‑‑‑‑018,△•‑‑‑‑0.
J,.
0‑‑‑‑0.4'--·o.s•0‑

藪小占心又電瓶JOH︒
CAll

0.
411△ ‑‑‑

﹃0.
180.
2O.
J
一飼撫(J)直 径 伍 而

f100.
1H,91

三二6V

x‑‑‑24V•—-48Vo‑‑‑96V

Fig.4.Variationofignitingcurrentagainst0.
01
一実験イ直（璽者）英今因れた。したがって，この場合の電極としての開離速度はノヒェトニエニ'.
トイツ

実際の接点の開離速度と比較して，きわめて大きくなっている。

︑＼dia.ofcopperwireforinductiv
ecircuits.
cm程度の電極間需となるまで維持されることが確認さ（注：銅線の切断瞬間を t=0からフィルムのコマに同期して撮影することはできない。したがってフ0001

ィルム上ではある間隔だけ開離してから切断したことが知られるので，この場合の開離速度は切断瞬間における微分速度ではなく，フィルム面上で切断が認められた最—: 4 ‑.......
10JOCJJOO

一 雹 源 雹 圧 (V1Fig.5. Minimumignitingcurrentcurv
efornon‑inductiv
eci
rcuit.

‑︱

ヽ9)

じじ︱
︱

︱
︱

090
85
60
69
58
50
68
56
35
3o︵nりり︵ヽ＼︵I00 0 0 0 0 , 0 0
20192019‑2019 ‑0
291030
0 0‑ 8
64
20
20
28
26
2226
34
30

︱
︱

喜70500075 一
ぉ 000080
4433434443

C,9

0 00
005
50
0 80206 2
099667799

0511920182019‑1817‑1917

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゜゜
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00 0215498
1 00
403 0081111112211
4I̲(2)540Vーーニー26

注： (1) 524Vにおける値

',
00 00
0 0 00 00 00 0000
085
6＇5 4 2 1
9 00
9 00
41122222121
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1-1叫— 一――――-「9̲ ̲¥m＼＼44Ei)

45

ー mmlm‑lm
V 流All電e
1 ーー I I I＼ーーー
源．
電m¥8l‑11300000

電〗．（一ー.︑＼喜Table2. Minimumi
gnitingcurrentfornon‑inductivecircuit

I1 =点火した最小電流値Im=点火しなかった最大電流値

直径 0.26mmのスズメッキ銅線を 0.6m/sの開離速度で4.
2 誘導回路のしゃ断の場合誘導回路のしゃ断による実験結果については， 3.
1に切断させる方法である。筆者の方法と比較すると線径において述べたように，イソダククソスー最小点火電流のついては同様と考えてよいが，銅線にスズメッキを施こ関係を示す曲線の形状が，従来種々の火花発生装置によしてあることと，開離速度が非常に小さくなっている点って得られた曲線とほぼ同様であることから，火花のガが異なる。開離速度が小さいので消炎作用は当然筆者のス点火の機構も同様であると考えられる。ただし，点火方法に比べて大きい筈であるが，これが結果的に見かけ感度が高いのは，大きな開離速度のために電極としての上の点火電流の大きさに影響を及ぼすことが少なかった消炎作用が小さいからと思われる。

理由は，銅線に施こされたスズメッキに求めることがでまた銅線の直径の差がほとんど生じなかったのは，銅きるのではないかと思われる。これまで電極材料の種類

線切断前に，切断点に与えた切りキズおよび引張ったとを変えて行なった誘導回路についての実験結果では，一きの伸びによる実効断面積の減少を考慮に入れるとして般に密度の小さな電極材料ほど点火感度が高くなる (6)こも，初期の炎核 (flamekernel)の成長速度がこれに比とが示されており，スズメッキ処理が行なわれている銅べてはるかに小さいためではないかと考えられる。

線ではスズの影響が無視できるとはいえないであろう。

第 3図にはこの実験の結果と比較するために，同じ回スズメッキの有無による点火電流の大きさの差は，実用路条件について別の火花発生装置として英国の Break的にも重要であるのみでなく，また必要なことでもある

flas
hNo.3apparatus およびドイツの Schnellunter‑ので，さらに機会を見て確認することに致したい。

breckerを用いて得られた結果を示してある。同図から点火電流の限界が特異な曲線となったことは，英国の明らかなように，この実験結果ぱ S
chnellunterbreckerIntermittent breaka
pparatus によって得られた曲線によるものとほぼ同じであることがわかった。 Breakとほぼ似ているが，その点火電流限界を比較するとかな

flashNo.3 apparatus はこれらに比べて点火感度が小りの相違が見られる。したがって，この場合にも英国のさく，したがって本質安全回路の配線が通電中に切断さ試験装置の特性は必ずしもすべての回路条件について満れるような場合の試験の目的には，例えば安全率の値の足し得ないものであることが明らかである。

決定に関して，開閉接点における場合に適用されるよう

5. 結論
スズメッキを施こさない裸の軟銅線に通電しながら，な値を一率に適用するには問題があると思われる。

4.
3 抵抗回路しゃ断の場合

これをメタソ空気混合ガスの中で引張り切断し，その際抵抗回路の場合には第 5図のように特異な点火限界が得られたが，電源電圧が 200V程度まではソビニトの実験結果にやや近い結果となった。ソビエトの実験方法 1
まに発生する放電火花による点火限界を，詑導回路と無誘導回路の場合について求めた。
この結果，実験で使用した太さの範囲では直径の差が‑5‑点火限界に及ぼす効果はほとんど認められなかった。まを変えてさらに詳しく研究してみたいと考えている。

た点火感度については英国とドイツの火花発生装置によ

参考文献って得られている結果と比較してみると，誘導回路の場合はドイツのものとほぼ同じであり，英国のものよりは(I) 例えば IECDocument,SC31G,RM864(
1964)

かなり点火感度が高いことが示された。これに対して無(2) 田中：昭和37
年度長期在外研究員報告書

誘導回路の場合には必ずしもそのようなことが明らかとならなかった。特に数 V以下の低電圧の場合についてほ，大電流を流さなければならないので，電極が過熱しアー

科学技術庁（昭 40)(3) 関，江村，青柳，池田：採鉱と保安， vol.10,No,11(1964)

クによる点火の問題と判別しにくくなるので，ここでは(4) Guenault,E.M.: S.M.R.E. ResearchReport

このような低電圧の場合については実験を行なうことがNo. 41(1952)(5) Lord,H.
,Widginton,D.W‑andGordon,R.

できなかった。しかし，本質安全防爆機器に乾電池を電源として使用する場合には，電源の端子短絡時のアークの危険性を正しく確かめるためにも，将来はガスの種類

L.
:IEEConferenceReportSeriesNo.3(1962)(6) Scull,W.E.:N.A.C.A. Report1019(1951)‑6‑