Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
また $ \rho_{w} $ は水の密度 $ [kg/m^{3}] $ 、 $ C_{i} $ は直径 $ D_{i}[m] $ の水粒子数、そして $ D_{s} $ はザウター平均粒径 $ [m] $ を示す。更に、水粒子の単位時間当たりの総表面積を $ \dot{A}_{w}[m^{2}/s] $ とすれば、単位質量当りの面積は $ \dot{A}_{w}/(\dot{m}_{a}+\dot{m}_{w}) $ と表され、 $ Y_{0}/D_{s} $ に比例する。また $ D_{s} $ は、微細水粒子全体の体積平均値を、全体の面積平均値で割った値であり、表面積を感度パラメータとして捉える事ができ、火炎帯近傍で蒸発する水粒子の蒸発過程すなわち表面積依存性の高い現象を考える場合に $ D_{s} $ は有効となる。

微細水粒子無しの消炎限界よどみ速度勾配（2V/R）を $ a_{c}\left[s^{-1}\right] $ 、また微細水粒子添加時の消炎限界よどみ速度勾配（2V/R） $ _{ext} $ を $ a_{ext}\left[s^{-1}\right] $ と定義し、 $ \Sigma_{S} $ に対する $ a_{ext}/a_{c} $ の関係をFig.7に示す。

超音波雾化器（MGS、MGL）および二流体噴射弁（AFAS、AFAL）の組み合わせにより、DsとY₀を変化させ、Σsによる消炎限界の計測を行った。Σsの増加に伴い、消炎時の限界よどみ速度勾配は減少する。これは水粒子の蒸発面積が、拡散火炎の消炎において重要である事を示している。Chelliahらの結果 $ ^{2-3)} $ と比べると、Y₀/Dsが0.5×10⁻³[μm⁻¹]以上から傾向が異なっている。Chelliahらは、単一粒径に近い水粒子特性で消炎限界値を求めており、そのため本研究との粒子特性の違いが、消炎限界の結果⁴-⁶として表れたと考えられる。また3.4節で示す微細水粒子の粒径分布は、正規分布に近い分布となり、粒径範囲は広く、1[μm]から60[μm]の水粒子が存在している。次節で示す、対向流拡散火炎の消炎に対する最適粒径より大きい粒径、または小さい粒径の場合、対向流拡散火炎の微細水粒子による消炎効果は減少すると考えられる。

### 3.4 微細水粒子速度分布および粒径変化

Fig.7 Variation of the flame strength vs. $ \Sigma_{S}=Y_{0}/D_{S} $

火炎帯近傍で水粒子の特性がどの様に変化しているのか調べるため、Fig.5（b）、（d）の条件で計測された、よどみ流線に沿った水粒子の平均速度と算術平均粒径D_{10} [m]をFig.8へ示す。尚、蒸発による粒径変化を議論する場合、Dsでの評価より、物理的な粒径変化を捉える事が出来るD_{10}により検討した。

バーナ表面を原点として上流側 40 [mm] の位置からPDPAで計測を行った。尚、火炎帯近傍における粒子速度と粒子径の変化を詳細に捉えるため、Fig.8に示すy方向のある点からスケールを変化（Scale split）させ示している。

2V/R = 300 $ [s^{-1}] $ の時の速度分布を見ると、火炎帯下流側に位置するよどみ領域に向かい、水粒子の速度は、約2.2 $ [m/s] $ から0.3 $ [m/s] $ までほぼ直線的に減少している。また火炎帯に近づくと、水粒子速度は、約0.7 $ [m/s] $ まで急激に増加し、そして火炎帯を通過した後、よどみ領域へ向かい速度は、y=10 $ [mm] $ から4 $ [mm] $ の速度分布の傾向と比べ急激に減少している。これは、Tsujiら $ ^{7-9)} $ が行った、メタン対向流拡散火炎のよどみ流線に沿った速度分布とほぼ同じ傾向を示し、温度境界層に入ると急激な温度上昇による気体膨張および水粒子の急激な蒸発により、火炎帯付近に存在する水粒子が加速されたものと考えられる。

Fig.8 Water mist velocity and diameter on stagnation stream line at $ 2V/R = 300 \, s^{-1} $ (Up) and $ 2V/R = 68 \, s^{-1} $ (Down).
また $ 2V/R = 68\left[s^{-1}\right] $ の水粒子速度は、よどみ速度勾配の違いにより速度の絶対値は異なるが、 $ 2V/R = 300\left[s^{-1}\right] $ 時の傾向とほぼ同じとなる。また算術平均粒径 $ D_{10} $ に着目すると、 $ 2V/R = 300\left[s^{-1}\right] $ の時、 $ y = 40\left[mm\right] $ から $ 5\left[mm\right] $ 付近までは、 $ D_{10} $ が約 $ 20\left[\mu m\right] $ となるが、水粒子速度が急激に増加する火炎帯近傍から、 $ D_{10} $ の値も急激に増加する。また $ 2V/R = 68\left[s^{-1}\right] $ の時は、 $ y = 40\left[mm\right] $ から $ 11\left[mm\right] $ 付近までは、 $ D_{10} $ が約 $ 18\left[\mu m\right] $ でほぼ一定となるが、火炎帯に近づくにつれ、平均粒径が増加している。

これら火炎帯近傍における水粒子の急激な粒径変化を検討するため、縮流ノズル出口近傍と火炎帯上流側、火炎帯中（2V/R = 68 $ [s^{-1}] $ は火炎帯上流のみ）の微細水粒子の粒径分布割合をFig.9に示す。

2V/R = 300 [s⁻¹] の時、縮流ノズル出口付近に位置する y = 34.8 [mm] の粒径分布は、粒径 18 [μm] 付近にピークを持つ分布を示す。また火炎帯近傍に位置する y = 3.7 [mm] の分布は、同じような分布を示すが、ピーク値が約 21 [μm] となり、また粒径分布全体が大粒径側へシフトする事が分る。これは火炎帯近傍において、特に粒子径の小さい微細水粒子が、温度境界層付近で蒸発した結果と言える。更に、火炎帯中で計測された粒径分布 (y

Fig.9 Change in particle size distribution through a flame zone at $ 2V/R = 300 \, s^{-1} $ (Up) and $ 2V/R = 68 \, s^{-1} $ (Down).

=2.2[mm])は、ひとつのピークを持つ分布ではなくなり、粒径36[μm]付近にピークを持つ分布になる。粒径分布の割合は、粒径30[μm]から40[μm]付近にかけて大きくなり、大粒径の広い範囲に水粒子が分布している。縮流ノズル出口近傍で18[μm]にピークを持つ水粒子の粒径分布が、火炎帯近傍に近づくにつれ、大粒径側へシフトすると言う結果は、火炎帯へ向かう水粒子の蒸発現象を捉えていると言える。

次に、 $ 2V/R = 68\left[s^{-1}\right] $ の粒径分布に関しては、縮流ノズル出口付近 $ (y = 40.6\left[\mathrm{mm}\right]) $ と火炎帯付近 $ (y = 9.9\left[\mathrm{mm}\right]) $ における粒径分布は、 $ 2V/R = 300\left[s^{-1}\right] $ の粒径分布とほぼ同じとなる。また今回、 $ 2V/R = 68\left[s^{-1}\right] $ の条件において、火炎帯もしくは火炎帯下流側でのPDPA計測を試みたが計測ができず、そのため火炎帯直近である y = 7.9 $ \left[mm\right] $ での粒径分布を示している。この時、ひとつのピークを持つ分布は崩れ、 $ 24\left[\mu\mathrm{m}\right] $ 付近にピークを持つ分布となり、小粒径側の粒径分布割合は減少し、大粒径側へとシフトしている。これは $ 2V/R = 300\left[s^{-1}\right] $ で計測された傾向と同じとなる。よどみ速度勾配の違いは、火炎帯厚さや水粒子の火炎帯滞留時間に大きく影響するため、火炎帯もしくは火炎帯下流側において粒子特性は大きく影響する事が予測される。

### 3.5 微細水粒子の消失時間の考察

微細水粒子が、火炎帯に滞留する時間と、火炎帯近傍で水粒子が熱せられ消失するまでの時間との関係を明らかにすれば、対向流拡散火炎の消炎に寄与する微細水粒子の最適粒径を示す事が出来る。そこで、Fig.8のPDPAによる速度データ一v[m/s]および火炎帯厚さy[m]から水粒子の滞留時間tr[s]を算出した。火炎帯厚さは、Fig.5(a)と(c)の直接写真より計測し、2V/R=68[s⁻¹]では2.5[mm]、また2V/R=300[s⁻¹]では1[mm]となる。dtr=(1/v)dyから、dy=0.1[mm]の条件のもとで算出し、2V/R=300[s⁻¹]の時はtr=1.74[ms]、2V/R=68[s⁻¹]の時はtr=11.74[ms]となる。また微細水粒子が火炎帯近傍で熱せられ消失するまでの時間を、

①水粒子が沸点温度までに要する時間 $$ s $$ : $ t_{h} $

②水粒子の蒸発時間 $$ s $$ : $ t_{v} $

③水粒子の消失時間 $$ s $$ ： $ t_{t}=t_{h}+t_{v} $

と定義する。

th の算出は、水粒子を球と仮定し、高温の一様流中に置かれた場合を考える。体積 V $ [m^{3}] $ 、密度 $ \rho $ $ [kg/m^{3}] $ 、表面積 S $ [m^{2}] $ 、そして表面積温度 T $ [K] $ の水粒子が、周囲温度 T_{f} $ [K] $ の流体から熱を吸収し、微小時間 d_{t} $ [s] $ の間に dT $ [K] $ 温度上昇がある場合、

$$ c\rho V d T=-h S(T-T_{f})d t $$

となり、cは比熱 $$ J/kg\cdot K $$ 、hは熱伝達率 $$ W/m^{2}\cdot K $$
を示す。初期条件 $ \left[T\right]_{t=0}=T_{0} $ から

$$ t_{h}=\frac{c\rho r}{3h}\ln\frac{(T_{0}-T_{f})}{(T_{h}-T_{f})} $$

となり、沸点温度を $ T_{h} $ [K]、水粒子半径を r [m] を示す。また熱伝達率 $ h\left[W/m^{2}\cdot K\right] $ とヌセルト数 Nu の関係は、式 (11) で与えられており、

$$ N_{u(D)}=\frac{hD}{\lambda} $$

λは熱伝導率 $$ W/m\cdot K $$ 、Dは代表長さ $$ m $$ となり、ここでは水粒子直径D $$ m $$ とした。坪内ら $ ^{10)} $ が行った、微細粒子の自然対流による熱伝達による実験から、空気中におかれた直径2 $$ mm $$ 以下の微粒子では、レイリー数Raの範囲 $ 10^{-4} t_{r} $ となり、火炎帯で蒸発しきれば、通過する事になる。これは Fig.9 に示した、火炎帯で計測された粒径分布の割合が、大粒径側へとシフトしている実験結果を良く表している。更に、2V/R = 68 $ [s^{-1}] $ の場合は、微細水粒子の消滅時間 $ t_{t} $ が、常に $ t_{t} < t_{r} $ となり、60 $ [\mu m] $ の水粒子でも、火炎帯に滞留している間に消滅する事がわかり、火炎帯下流側で水粒子径および速度が計測できない結果を説明出来る。

Table1 Disappearance time of water mist and residence time

D_{10}[f_{\mu}m]	t_{h}[ms]	t_{v}[ms]	t_{r}(=t_{h}+t_{v}) [ms]	t_{r}[ms]
2V/R=300[s^{-1}]	2V/R=68[s^{-1}]
10	0.024	0.24	0.264	1.74	11.74
20	0.096	0.959	1.056
30	0.217	2.159	2.376
40	0.386	3.838	4.223
50	0.602	5.996	6.599
60	0.868	8.634	9.502

また Fig.10 に示す、水粒子の体積流量から、 $ 2V/R = 300\left[s^{-1}\right] $ の時、火炎帯付近で急激に水粒子の体積流量は減少するが、火炎帯中でも計測されており、これは粒径 $ 30\left[\mu m\right] $ 以上の水粒子が火炎帯中または、火炎帯下流側に存在する事を示唆している。

Fig.10 Water mist velocity and volume flux on stagnation stream line at $ 2V/R = 300 \, s^{-1} $

### 4. まとめ

PDPAを用いて微細水粒子特性を定量化し、微細水粒子の粒子特性が消炎効果におよぼす影響を検討し以下の事が明らかとなった。

微細水粒子の火炎帯滞留時間と水粒子消失時間の考察から、各よどみ速度勾配に対する消失粒径を導き、対向流拡散火炎の消炎に寄与する微細水粒子の最適粒径の検討を行事が出来た。

・2V/R = 300 $ [s^{-1}] $ の時、30 $ [\mu m] $ より粒径が小さい場合は $ t_{t} < t_{r} $ となり、火炎帯で水粒子が消滅するが、30 $ [\mu m] $ より大きい粒径の場合は $ t_{t} > t_{r} $ となり、火炎帯通過する事が分かった。すなわち、このよどみ速度勾配において最も消火効果の高い微細水粒子径は、30 $ [\mu m] $ 付近に存在する事を示した。

・2V/R = 68 $ [s^{-1}] $ の時は、常に $ t_{t} < t_{r} $ となり、60 $ [\mu m] $ の水粒子でも、火炎帯に滞留している間に消滅する事がわかった。これより最も消火効果の高い微細水粒子径は 60 $ [\mu m] $ 以上に存在する事を示した。
・PDPAで計測された、火炎帯近傍もしくは火炎帯中における水粒子径の分布傾向は、微細水粒子の火炎帯滞留時間と水粒子消失時間の考察結果と良い一致を示した。

・微細水粒子の面積パラメーターヨーシェの増加に伴い、対向流拡散火炎消炎時のよどみ速度勾配は、低下する事がわかった。

## 【参考文献】

1）岩本順二郎:基礎と演習流体力学、東京電機大学出版局、pp.50-115 (1983)

2) Chelliah, H. K.: Flame Inhibition/Suppression by Water Mist: Droplet Size/Surface Area, Flame Structure and Flow Residence Time Effects, Proceedings of the Combustion Institute, vol. 31, pp. 2711-2719, (2007)

3) Lazzarini, A. K., Krauss, R. H., Chelliah, H. K. And Linteris, G. T.: Extinction Conditions of Non-Premixed Flames with Fine Droplets of Water and Water/NaOH Solutions, Proceedings of the Combustion Institute, vol. 28, pp. 2939-2945, (2000)

4) Yoshida, A., Naito, H., Saso, Y., and Kotani, Y.: Extinction of Counterflow Diffusion Flame by Fine-Water Droplets, $ 9^{th} $ Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization, CD-ROM (2008)

5）内藤浩由、吉田亮、佐宗祐子、萩原由梨、小谷良信：微細水粒子による対向流拡散火炎の消炎、第46回燃焼シンポジウム講演論文集、pp.288-289（2008）

6）内藤浩由、萩原由梨、上戸徹、佐宗祐子、小谷良信、吉田亮：微細水粒子による対向流拡散火炎の消炎、第47回燃焼シンポジウム講演論文集、pp.526-527（2009）

7) Tsuji, H. and Yamaoka, I.: The counterflow diffusion flame in the forward stagnation region of a porous cylinder, Proceedings of the Combustion Institute, vol. 11, pp. 979-984, (1967)

8) Tsuji, H. and Yamaoka, I.: The Structure of counterflow diffusion flames in the forward stagnation region of a porous cylinder, Proceedings of the Combustion Institute, vol. 12, pp. 997-1005, (1969)

9) Tsuji, H. and Yamaoka, I.: Structure analysis of counterflow diffusion flames in the forward stagnation region of a porous cylinder, Proceedings of the Combustion Institute, vol. 13, pp. 723-731, (1971)

10）坪内為雄、佐藤千之助、永倉喜一郎：極細線および微粒子の自然対流による熱伝達、日本機械学会論文集、25巻156号、pp.810-819（1959）
# Extinction of Counterflow Diffusion Flame by Fine-Water Droplets

(Abstract)

Hiroyoshi Naito, Yuri Hagiwara, Toru Uendo, Yuko Saso, Yoshinobu Kotani and Akira Yoshida

(Accepted February 22, 2010)

It is known that the water mist has distinct three effects, namely the physical effect due to water mist size, the thermal effect due to heat capacity and latent heat and the chemical effect due to dilution of air by water vapor and also due to the enhanced overall three-body recombination reactions and shift in water-gas reaction. In the present study, the role of such physical, thermal and chemical effects are partly quantified experimentally using a methane counterflow diffusion flame. The critical stretch rate at extinction without water mist agrees well with the previous studies $ ^{[4-6]} $ . Introduction of water mist into air results in reduction of the extinction stretch rate due to evaporation which causes the cooling and depletion of oxygen near the flame. Since the evaporation is controlled by the surface area parameter of mists, which are expressed by ratio of mass fraction of mist to Sauter mean diameter, the critical stretch rate at extinction decreases with the increase of the surface area parameter. By a simple analysis, the evaporation time was compared the residence time and it was found that there exists a critical diameter below which mist can evaporate within the flame zone. PDPA measurement also showed that the mist with large diameter passes through the flame zone towards the stagnation point.
技術報告

# トナーカートリッジ粉の火災爆発危険性について

古積 博，岩田 雄策，西村 浩次郎 $ ^{*} $

(平成 22 年 2 月 17 日 受理)

プリンター等に利用されるトナーカートリッジ粉は、粉じん爆発の危険性があると言われていた。平成20年中に、トナーカートリッジの再生処理作業中に粉じん爆発による火災が2件起こったことから、トナーカートリッジ粉の火災爆発危険性について調べ、その危険性を明らかにした。一般的な有機物系粉じんと比べて、粉じん爆発を起こす危険性が高く、トナー粉を取り扱う施設では、十分な粉じん爆発対策をとる必要がある。

### 1. 始めに

プリンターやコピー用のトナーカートリッジ粉は、需要が増加しつつあると共に印刷技術の向上と共にその粒度がより小さくなり、粉じん爆発を起こす危険性は増している。また、環境への配慮からトナー粉のリサイクル（再生）が進んでいる。従って、そのリサイクル施設等での事故発生の可能性は、今後、増加すると考えられている。トナー粉メーカーのMSDS（物質安全データシート）では、消防法・指定可燃物（合成樹脂類）とされているものが多い。また、その組成はメーカーMSDSによれば、合成樹脂50～80%、黒鉛、ワックス、添加物等数％を付着して作られている場合が多い $ ^{1,2} $ 。

平成20年1月及び8月、トナーカートリッジの再生処理作業中による爆発・火災が神奈川県で2件起こったことから $ ^{2)} $ 、再生トナーカートリッジ粉の危険性について実験的に調べた。

### 2. 秦野市、横浜市で起きた事故の概要

### 2.1 秦野市での爆発事故 $ ^{2)} $

· 発生年月日：平成20年1月7日（月）13時頃

・発生場所：秦野市戸川、Tリサイクルセンター

・施設の概要：コピー機等を解体して有価物を回収する施設である。コピー機を破碎機で破砕し、破砕片を選別して含まれる有価物を回収する。破砕は2段階で行われ、先ず、一次破砕機でコピー機を押しつぶして平たくし、これを二次破砕機で細かく裁断する。この作業は、安全面を考慮して全て閉鎖空間となっている。同社では、以前はトナーカートリッジを取り外したコピー機を破砕していたが、トナーカートリッジの処理も一緒に行えるように装置を改造し、トナー粉は、同時に回収されるようになっている。

・事故の概要：同社は、事故当日が新年の仕事始めで、前年末に試運転が終了して引渡しを受けた改造破碎装置の運転を開始した。午前中にトナー処理作業を行い作業を終了した。昼休みの後、12時45分から別な作業を始めた。解体後のパソコンの外装（鋼製）破碎を行っていたところ、13時頃に破碎装置内で爆発が発生し、火災となった（図1）。

## · 被害状况

人的被害：負傷者3名（從業員）

物的被害：事業所内被害破碎装置の建屋は大破。事業所内建屋はほぼ全焼

事業所外被害：爆風により隣接建物2棟が一部破損

・原因：現場の状況から判断して、この事故は粉じん爆発を伴う火災と断定された。粉じん爆発性を有する起因物質としては、トナーカトーリッジ中に残存していた廃棄トナー粉以外は考えられず、トナー粉が爆発し

図1 トナー粉の粉じん爆発現場（秦野市、財総合安全工学研究所提供）
たと結論付けられた。

### 2.2 横浜市での爆発事故

· 発生年月日：平成20年8月28日（木）14時45分頃

・発生場所：横浜市金沢区、Eテック

・施設・事故の概要：コピー機を解体して有価物を回収する施設である。トナーカートリッジを粉砕作業中、粉砕機内部で爆発、火災となったもの。

## · 被害状况

人的被害：負傷者2名（從業員）

物的被害：工場の建物（約 $ 1380 \, m^{2} $ ）のうち、約 $ 150 \, m^{2} $ が焼失した。

・原因：粉碎作業中にカートリッジに残っていたトナー粉が機内で飛散し、何らかの火源によって粉じん爆発を起こしたものと思われる。

### 3. その他の過去のトナー粉の爆発事故例

(牯災害情報センターの情報では、平成11年、愛知県尾張旭市のリサイクル工場で再生処理中のトナーが粉じん爆発を起こした。また、平成15年には、大阪府枚方市の製造工場でトナーカートリッジの製造施設の集じん機の内部でコピー用トナー粉が原因で粉じん爆発が起き、2人が負傷した。また、ユーザーでのトナー粉詰め替え時にも粉じん爆発が起こった例がある。

### 4. トナー粉の危険性評価試験

### 4.1 使用したトナー粉

現在広く使われているごく一般的なトナー粉3種類（再生品（ブラック）2種類、純正品（ブラック）1種類）を購入して実験に使用した。本報告では、それぞれトナーC、トナーE、トナーRと呼ぶ。実験に供した再生品は

図２　使用した再生トナー粉の電子顕微鏡（SEM）写真（トナーC、撮影は、日機装(株) Vixen Micronavi 使用、倍率 3000 倍）

帯電性を有するエポキシ樹脂粒子に黒鉛、顔料、ワックスを付着させて作られている。再生品は純正品に比べて、粒度分布が広く、粒度が細かい粉が存在し、危険性が高いと考えられる。先ず、電子顕微鏡（SEM）で写真撮影を行った。その一例を図2に示す。

得られた写真を基に粒径分布（平均粒径±標準偏差）を調べた。また、粒子の長径L、短径Wを測定しその平均値を求めた。球の場合には、L/Wは1となる。これらの測定結果を表1に示す。平均粒径は、レーザー回折・散乱法（株日機装製）でも求めた。

表1 トナー粉の粒度分布

粒径分布( $ \mu $ m)	L/W(平均值)	平均粒径* $ ^{*} $ ( $ \mu $ m)
卜ナ-C	9.57±4.00	1.31	10.35±3.41
卜ナ-E	10.34±2.70	1.43	10.49±3.72
卜ナ-R	7.13±1.63	1.10	—

$ ^{*} $ レーザー回折・散乱法

トナー C、E は、大きさは $ 10 \mu m $ 程度で、八島らの結果 $ (9.52 \mu m \sim 10.26 \mu m)^{1} $ と大差がない。再生品（トナー C、E）は、写真から見ても、球形とはいえない。また、大きさもかなりばらついている。他方、純正品（トナー R）はかなり球に近い形をしており、ばらつきも比較的少ないが、大きさは再生品よりも小さい。レーザー回折・散乱法によって得られた平均粒径は写真から得た値よりもやや大きい結果となった。トナー E の方がいずれの方法でも大きい。石炭、プラスチック等の有機物の平均粒径との比較からも粉じん爆発を起こす粉じんの粒度としてもかなり小さく、また、形状からみても粉じん爆発を起こしても何らおかしくはない。

### 4.2 実験項目

再生トナー（トナー C、E）について以下の項目の危険性評価実験を行った。

## (1) 爆発下限界濃度

JIS Z 8818: 2002 (可燃性粉じんの爆発下限界濃度測定方法) に定める吹き上げ式の Hartmann 式測定装置 (内径 70 cm、内容積 1.2 L) によった。JIS に定められている粉じん雲の形成方法には、落下式と吹き上げ式がある。いずれも生じた粉じん雲にネオントランスによる交流アーク放電の火花を与えて爆発の有無を調べ、その時の粉じん濃度を求めるものである。

## (2) 爆発圧力特性

JIS Z 8818: 2002 (付属書 2) に定める 30L 球状ステンレス鋼製容器内で爆発させて、圧力変換器を使って粉じん爆発圧力と圧力上昇速度を測定した。着火は化学着火剤に点火して生じる 10 kJ エネルギーによる。

## (3) 最小着火エネルギー

国際規格 IEC-61241-2-3 (Section 3: Method for
determining minimum ignition energy of dust/air mixtures) (1994-09) に準拠して作られた吹き上げ式測定装置（円筒容器容量；1.2L、Kuhner 社 Mike3）で静電気火花を与えて最小着火エネルギーを測定した。本装置では与えられる放電エネルギーは 1mJ～1000mJ の間で 7 段階で変えることが可能である。

## (4) 爆発限界酸素濃度

JIS Z 8817: 2002 (可燃性粉じんの爆発圧力及び圧力上昇速度測定方法、附属書2) に定める30L球状容器を用いて、また、酸素は窒素で希釈して濃度調整の上、測定を行った。着火源は、2.5 kJの化学着火剤を使用した。ここで、爆発の有無は、爆発圧力が概ね $ 2 \times 10^{2} $ kPa以上あった場合に爆発があるものとした。

## (5) 浮遊粉じんの発火温度

国際規格 IEC-61241-2-1 (Electrical apparatus for use in the presence of combustible dust, Part 2: Section 1: Methods for determining the minimum ignition temperatures of dust (Method B)) (1994-12) に定める Godbert-Greenwald 炉を用いて浮遊状態の粉じんの発火温度を調べた。試験は、一定温度に加熱したセラミック管（内径；3.7 cm、長さ；22 cm）に試料を下向きに分散させて、発火の有無を目視観察するものである。

(6) 小ガス炎着火試験（消防法に基づく第2類危険物に対する確認試験）3）

火炎による着火の危険性を判断するため、試料約3mLを断熱板上に置いて、小型ガスバーナーによる火炎を接触させて着火実験に供した。

## (7) 熟分析

トナー粉の熱安定性を調べるため、(株)リガク製TG-DTA（常圧、空気雰囲気）及びDSC 8120（密閉、容器耐压5MPa、空気雰囲気）を使って行った（昇温速度；10K/min、室温～550℃で測定を行った。SUS製試料容器使用）。

## (8) 燃烧热量

JIS M8814:1993 (石炭類及びコークス類の発熱量測定方法) に定める (株島津製作所製ボンベ熱量計を使って、トナー粉の燃焼熱量を測定した。試料量は約 1g とした。

### 4.3 実験結果及び考察

## (1) 爆発下限界濃度

爆発下限界濃度（g/m³）は爆発に関する最も基本的な特性で、爆発の起こりやすさを示す。粉じん爆発危険性の評価を行う場合、先ず、最初に測定が行われる。

結果は、トナー C、E は、それぞれ、65 g/m³、75 g/m³ となった。これらの値は、粉じん爆発性が高いとされる石炭、一般のプラスチックと同程度の危険性を有していると考えられる⁴,⁵)。

## (2) 爆発圧力特性

30L 球状容器を用いて粉じん爆発圧力と圧力上昇速度を測定し、最大爆発圧力 P_{max}、及び K_{st} を求めた。K_{st} とは、測定した圧力上昇速度（dp/dt）を 1 m^{3} 円筒容器の値に相当するよう次式で修正した値で、爆発の威力を表すパラメータ一である。

$$ Kst=\left(dp/dt\right)\cdot V^{1/3} $$

ここで、Vは容器の容積である。結果は、表2に示す(粉じん濃度は、最大で1500 g/m³まで測定)。

表2 爆発圧力特性の測定結果

卜ナ-C	卜ナ-E
Pmax, kPa	7.8×102·	7.8×102
(dp/dt) max, kPa/s	546×102	615×102
Kst, kPa·m/s	170×102	191×102

表2の結果から、トナーEの方が爆発の威力はやや大きいが、いずれも、爆発の激しさは「弱」(爆発クラスSt=1、爆発クラスでは、爆発の激しさをKstの値から0～3の段階に分けている $ ^{3)} $ )に相当する。この値は、石炭、大部分の食品類、木粉、プラスチック等の有機物系粉末に比べるとやや大きく、爆発威力はやや激しいと言える。他方、アルミニウム粉等の金属粉よりは小さい。

## (3) 最小着火エネルギー

トナー C、E の最小着火エネルギーは、それぞれ、1.9 mJ 及び 1.4 mJ であった。この値は、非常に小さな値で微小なエネルギーで着火することを示し、また、多くの有機物系粉じん、石炭（1000mJ 以上）よりも小さな値である。従って、有機物系粉じん、石炭よりも静電気エネルギーによって容易に粉じん爆発が起こる可能性が高いことが判る。

## (4) 爆発限界酸素濃度

トナー C、E、それぞれ 11.2%（粉じん濃度は 520g/m³、爆発圧力は 180 kPa）、11.7%（粉じん濃度は 520g/m³、爆発圧力は 180 kPa）となった（表 3）。値が小さいほど爆発を起こしやすいが、多くの物質で 13～16% であることから⁴）、トナー粉は粉じん爆発を起こしやすい物質と考えられる。

表 3 爆発限界酸素濃度の測定結果

卜ナ-C	卜ナ-E
爆発限界酸素濃度，%	11.2	11.7
粉じん濃度，g/m³	520	520
爆発圧力，kPa	180	180

## (5) 浮遊粉じんの発火温度

浮遊粉じんの発火温度は、トナーC、E、それぞれ、
500℃（トナー C の測定値は 520℃、発火遅れ時間は 1.67 秒）、510℃（トナー E は、同じく測定値 530℃、発火遅れ時間は 2.26 秒）を得た。一般の可燃性物質（固体、液体。例えば小麦粉で 430～470 ℃）と比べて発火温度は高く、通常の取り扱いの範囲では自然発火する可能性は小さいと言える。

(6) 小ガス炎着火試験（消防法に基づく危険物第2類の試験）

トナー C、E それぞれ 10 回行ったが、いずれも 10 秒間の接炎で着火せず（トナー粒子の表面のみが溶融）、消防法第 2 類危険物（可燃性固体）としての性状は有していない。

## (7) 熟分析

図3（a）、（b）にトナーCのTG-DTA、DSCの結果の一例を示す。69℃付近にワックスの融解に伴う、吸熱が見られ、また、185℃まででほとんど発熱は見られない。この間、酸化等によるトナーの重量増加は見られない。350℃付近から発火に伴う急激な発熱と重量減少が見られた。また、発火後も約40%の重量が残っており、金属分、無機物質が多く含まれていることが判る。従って、空気中での室温から最高数10℃程度までの一般的な貯蔵を行っている場合には、発熱が見られないことから蓄熱発火は起こりにくいと考えられる。

## (8) 燃烧热量

結果を表4に示す。多くの可燃性物質（固体、液体）に比べて、トナー粉は、顔料、鉄等を含むため燃焼熱量はやや小さいと言える。従って、火災、爆発時に生じる熱量は小さい。

表4 トナー粉の燃焼熱量の測定結果

トナーC	トナーE
燃烧热量	22.23 kJ/g	22.15 kJ/g

図3 (a) TG-DTAの一例（トナーC）

図3 (b) DSCの一例（トナーC）

### 4.4 問題点と対策

トナーカートリッジ粉は、消防法・指定可燃物に該当する場合が多く、一定の火災危険性を有している。

得られたデータを見ても粉じん爆発についても危険性(起こりやすさとその激しさ)が高いことが明らかになった。他方、室温～数十度では自然発火性はない。秦野市で爆発したトナーを使った危険性評価実験が財総合安全工学研究所において行われたが、全体的に見れば、今回の測定結果との間で大きな差異は認められない。

今回の実験では、色の違いの影響は調べなかった（試料はいずれもブラック用のものを使用した）。一般的には、ブラック、シアン、黄色、マゼンダの4色で構成されている。八島ら $ ^{1)} $ によればこれらの間で粒度分布や危険性の差は大きくないとのことであるが、今後検討する必要がある。

トナーカートリッジ粉は、粉じん爆発を起こしやすいことが判ったので、取り扱う施設では、例えば、以下のような対策を取ることが望ましい。

1）作業場所では清掃等をこまめに行い、出来るだけ粉じんが存在しないことが望ましい。

2）着火源を減らし、スイッチ、照明機器等、防爆電気設備に出来るものは出来るだけ防爆にする。

3）建物自体に、例えば、屋根を軽量にする等、放爆構造をとることが望ましい。

4）破碎機内部で粉じん爆発を起こしやすいことから、破碎機に圧力放散口を設けるほか、窒素または不活性ガスによるシールを行う。

5）静電気対策（ハード（例えば、静電気除去装置の設置）、ソフト（例えば、帯電防止服、帯電防止くつの着用）を取る。

### 5. まとめ

トナー粉は全体的に見て粉じん爆発を起こす危険性が高いが、特に再生トナー粉は粒度分布が広く微小なト
ナー粉を含むこと、また、形状からみても凸凹が多くあるために危険性がより高いことが明らかに出来た。

今後、より高い性能を有するコピー機器が作られれば、更に、トナーの粒度が小さくなり危険性が高くなることが予想される。また、環境面からもトナーの再生は望ましい。そのため、製造、貯蔵、取り扱いには、十分な防災対策をとる必要がある。

## 参考文献

1) 八島正明、山隈瑞樹、OA リサイクルプロセスでのトナーの粉塵爆発危険性、日本火災学会研究発表会予稿集 pp.144-145、平成 19 年 5 月

2) (財)総合安全工学研究所、事故原因調査報告書、平成20年5月

3) 危険物技術研究会、危険物確認試験実施マニュアル、新日本法規、平成2年5月

4) (社)日本粉体工業技術協会粉じん爆発委員会、粉じん爆発対策、オーム社、平成18年10月

5) (財)東京防災指導協会、火災調査技術教本 第3卷、昭和62年5月

## 謝辞

(財)総合安全工学研究所からは様々な情報提供、アドバイスを受けたほか、燃焼熱量の測定を委託した。また、電子顕微鏡による写真撮影は、海上保安庁海上保安試験研究センター及び(株)日機装にお願いした。関係した皆様には感謝いたします。
# Danger of Fire and Explosion of Toner Cartridge Particles

(Abstract)

Hiroshi Koseki, Yusaku Iwata, Kojiro Nishimura $ ^{*} $

(Accepted February 17, 2010)

Because of developing of printing technology, toner cartridge particle becomes smaller and more dangerous. And we had two accidents with dust explosion of toner particle at recycling facilities, in Kanagawa prefecture in 2008. Therefore we studied on danger of toner particle relating with dust explosion. We found that toner particle is so dangerous compared with most organic solids and coal, even though it does not belong to hazardous materials in the Fire Service Law.
解說

# 聴覚障害者への火災警報伝達

河関大祐 $ ^{*} $ 、田村裕之 $ ^{*} $

(平成22年2月19日受理)

警報音の覚知が困難な高齢者や聴覚障害者等にも効果的に火災警報を伝え、災害時要援護者の火災における被害軽減に資する火災警報・通報システムを開発するにあたって、人の聴覚の特性や聴覚障害者の情報伝達方法等について文献調査、聴覚障害者の火災安全意識に関するアンケート調査を行った。これらの調査の結果、高齢者に対しては、電磁ブザー音やスイープ音のような周波数帯域の広い警報音の方が覚知に有利であること、聴覚障害者の約72％が日常的に火災を不安に感じていることなどが判った。

### 1. はじめに

火災の警報は建物内の人に火災を知らせ、初期消火あるいは避難を促すものとして重要である。現在日本では、火災が発生した際の警報は、ベル、ブザーあるいは音声警報等の主に音による方法が用いられている。音は人の注意を引きつけやすく、睡眠から目覚めさせることも可能であり、空気中を広範囲に伝わるなど警報手段として優れた特徴を有する。しかし、警報音の覚知が困難な人に対して火災の発生を伝えるためには、音響による警報のみならず、他の警報手段を用いることが有効であると考えられる。消防研究センターでは、警報音の覚知が困難な高齢者や聴覚障害者等にも効果的に火災警報を伝え、災害時要援護者の火災における被害軽減に資する火災警報・通報システムに関する研究を行った $ ^{1} $ 。本稿では、聴覚障害者への火災警報に深く関わる事象として調査した、人の聴覚の特性、聴覚障害者の情報伝達方法および聴覚障害者の火災安全意識に関するアンケート結果の一部について述べる。

### 2. 警報音と人の聴覚

### 2.1 警報音

自動火災報知設備の警報音の音圧は、消防法施行規則において、音響装置の中心から1 m離れた位置で90 dB以上（音声警報装置の場合は92 dB以上）と規定されている。住宅用火災警報器の警報音の音圧については、平成17年総務省令第11号（住宅用防災警報器及び住宅用防災報知設備に係る技術上の規格を定める省令）において、警報部の中心から1 m離れた位置で70 dB以上と定めている。自動火災報知設備や住宅用火災警報器の警報音には主にベルや電磁ブザーの音が使われている。ベル音については詳しい周波数分析の結果はないが、電磁ブザー音は500 Hz～4.5 kHzと帯域が広い。また、近年多く用いられる圧電ブザーは、低電力で能率良く音を発するもので、2 kHzや4 kHzといった比較的高音で帯域の狭いものが多く使われている $ ^{2,3,4} $ 。非常放送での警報音は、第1シグナルが740 Hzと494 Hzの繰り返し音、第2シグナルが300 Hz～2 kHzのスイープ音が使われている $ ^{5} $ 。

### 2.2 聽覚障害

人の耳は、図1 $ ^{6,7} $ に示すとおり、外耳、中耳、内耳の3部位に分けられる。外耳は耳介と外耳道からなり、音を集め鼓膜へ導く役割をする。中耳は鼓膜と耳小骨か

図1 耳の構造 $ ^{7)} $
らなり、音を鼓膜の振動として耳小骨を通じて内耳の蝸牛へ伝達する役割をする。内耳は蝸牛と三半規管からなり、蝸牛に伝わった音の振動を電気信号に変換し聴神経を通じて大脳の聴中枢へ伝える。大脳では、伝わってきた神経刺激を音に変換し理解しようとする。また、外耳と中耳を伝音器、内耳から大脳の聴中枢までを感音器という。

難聴は、伝音難聴、感音難聴、混合難聴の3種類に分類される $ ^{7} $ 。伝音難聴は、外耳または中耳に原因があり音をうまく内耳まで伝達できない難聴であり、原因として例えば、外耳道のつまりや鼓膜の損傷などがあげられる。伝音難聴の場合、補聴器で音を大きくしたり、骨伝導へッドフォンなどで伝音器を介さずに音を内耳に伝えることで聴力を得られる場合がある。感音難聴は、内耳や聴神経、大脑の聴中枢に原因がある場合に内耳に届いた振動をうまく脳まで伝達できず、特定の周波数域が認識できない、雑音との聴き分けができない、音は認識しても言葉として理解できないなどの症状となる難聴である。感音難聴の原因は、聴神経に影響をおよぼす病気やある種の薬の副作用などがあげられる。また、加齢による難聴である、老人性難聴や長時間激しい騒音にさらされた場合に発症する外傷性難聴も感音難聴に分類される。感音難聴の場合、いくら大きな音を与えても聞き取りの効果はなく、人工内耳の使用など限られた範囲での治療法はあるものの、一般的には医学的治療により聴力を得ることは困難とされている。混合難聴は、伝音難聴と感音難聴の併発による難聴である。

聴覚障害者数は、厚生労働省の平成18年度身体障害児・者実態調査結果 $ ^{8} $ によると、29万1、800人となっている。この数は身体障害者手帳所持者および手帳は未所持であるが身体障害者福祉法に掲げる聴覚障害程度等級表（表1）の6級（聴力レベルが70dB）以上の人数である。話をするのにやや不便を感じ始めるとされる、聴力レベルが40dB以上の人を含めると難聴者は全国に600万人、すなわち人口の約5%いると言われている $ ^{9} $ 。なお、WHOにおける聴覚障害程度等級は表2に示すとおりであり、聴力41dB以上（41dB以上の音が聞ける）から補聴器の使用を薦めている。

表 1 聴覚障害に係る傷害程度等級表 (身体障害者福祉法)

級別	聴 覚 障 害 の 程 度
1級	該当項目なし
2級	両耳の聴力レベルがそれぞれ100dB以上のもの（両耳全ろう）
3級	両耳の聴力レベルが90dB以上のもの（耳介に接しなければ大声語を理解し得ないもの）

4級	1. 両耳の聴力レベルが80dB以上のもの（耳介に接しなければ話声語を理解し得ないもの）
2. 両耳による普通話声の最良の語音明瞭度が50％以下のもの
5級	該当項目なし
6級	1. 両耳の聴力レベルが70dB以上のもの（40cm以上の距離で発声された会話語を理解し得ないもの）
2. 一側耳の聴力レベルが90dB以上、他耳の聴力レベルが50dB以上のもの

表 2 WHO における聴覚障害程度等級

等級	ISO 聴力測定値	状 態	勧 告
0 聴者	0-25dB	・問題ないかほんのわずかな聴力障害・ささやきを聞くことができる
1 軽度難聴	26-40dB	・1m 離れた地点で通常に話す言葉を聞き復唱できる	・カウンセリング
・補聴器が必要かもしれない
2 中等度難聴	41-60dB	・1m 離れた地点で大声で話す言葉を聞き復唱できる	・補聴器の使用を推奨
3 重度難聴	61-80dB	・良い方の耳に叫ばれたときいくらかの言葉を聞くことができる	・補聴器が必要
・補聴器が利用できない場合、読話や手話を教えるべき
4 最重度難聴(全ううも含む)	81dB以上	・叫び声を聞いて理解することができない	・補聴器は言葉の理解に役立つかもしれない
・補助的なリハビリが必要
・読話や手話が不可欠

### 2.3 加齢による聴覚機能の変化

一般に聴力は加齢により低下する。この加齢による聴力の衰えは老人性難聴と呼び、その多くは蝸牛内の有毛細胞の消失や神経細胞の障害が原因の感音難聴である。図2に10歳代を基準とした年代別の聴力の変化を示す $ ^{10} $ 。この図によると、8kHzの高音は20歳代でも低下が始まり、50歳代を過ぎると広い周波数範囲で低下が目立ってくる。とくに、60歳以上の高齢者にとっては、2kHz以上の高音は聞き取りにくくなる。先に述べた通り、圧電ブザーなどは、2kHzや4kHzの高音であり、高齢者にとっては聞き取り難い周波数域の音となるため、電磁ブザー音やスイープ音のような周波数帯域の広い警報音の方が覚知に有利であると考えられる。

聴力損失と日本語の母音や子音の周波数域および音圧の分布に対する関係を調べた結果を図3に示す $ ^{7)} $ 。折れ線は、ある聴覚障害者の右耳および左耳の聴力損失を表す。母音は2kHz以下で音圧も高いため聴覚障害者にとっても聞き取りやすいが、無声子音(s、k、tなど)は周波数が高く音圧が低いため聞き取り難いことがわかる。

加齢に伴い、音の高低の聞き分け能力も低下して、言
図2 年代ごとの相対的な聴力の変化 $ ^{10)} $

図3 難聴者の聴力損失と言葉の聞こえ $ ^{7)} $

葉の聞き取りや認識に影響が出る。東京都老人研究所の研究で、 $ 125/250/500/1\mathrm{k}/2\mathrm{k}/3\mathrm{k}/4\mathrm{k} $ Hzの純音に対して数％違う純音を聞かせる実験において、40歳までは純音に対して周波数が1%違うと音の高さの違いが認識できるのに対して、80歳を超えると2%の違いが必要となるとの報告 $ ^{11)} $ がされている。さらに、騒音の中での言葉の聞き分け能力についても加齢に伴い低下する。人間生活工学研究センターの研究によると、音声と騒音が同じ音圧の場合、言葉の聞き間違い率はどの年代でも20%を大きく下回る。しかし、音声よりも騒音が10dB高い場合においては、60歳以下では言葉の聞き間違い率は20%前後であるが、60歳以上では30～90%になると報告 $ ^{12)} $ している。加えて、難聴の場合、聞こえ始める音圧が上昇する一方で、大音量として苦痛に感じる音圧が下降し、快適に聞こえる音圧の範囲が狭くなる $ ^{10)} $ ことも言葉の聞き分けに不利に作用する。

さらに、雑音の中での言葉の聞き分けについて、どのような言葉が認識されやすいかということが研究されている $ ^{13} $ 。それによると言葉の理解度は、具象性が高く（イメージが具体的に浮かぶ言葉；りんご、赤など）親密度が高い言葉（聞き慣れている言葉；西暦、流通など）ほど周りの雑音などに惑わされず認識することが可能であるとしている。警報や避難のメッセージは、聞き取りや理解が容易な言葉を選んで流すことが望まれる。

### 3. 聴覚障害者のコミュニケーションの方法

### 3.1 手話、読話、指文字、筆談

聴覚障害者の視覚を用いたコミュニケーションには手話、読話、指文字、筆談などの方法が用いられる。手話は手指や腕の動きを主体とする視覚言語である。日本で使用される手話には、日本語と異なる文法体系で、頭や上体の動き、顔の表情、視線、口の形等も重要な文法要素である日本手話、音声会話の語順どおりに手話を行う日本語対応手話、さらに日本手話と日本語対応手話の中間的な手話があるとされる $ ^{14} $ 。日本手話はろう者が用い、日本語対応手話は中途失聴者が用いるとされているが、通常の日本語を第一言語とするろう学校教育により、本来の日本手話を使う人は少なくなっている。また、中途失聴者や老人性難聴者の多くは手話習得の機会がなかったことから手話を使用できないとされる。読話は相手の口やアゴの動き、顔の表情から話の内容を理解する方法である。補聴器等により発声のアクセントやリズムの違いが感じ取れると読話の精度が高まる。指文字は日本語の五十音、数字およびアルファベットを指の形で表す方法で、固有名詞など手話にない単語を表現するのに使用される。筆談は紙や手のひら、場合によっては空中に文章を書いて会話する方法である。