JP2010117227A - 粉体に起因する帯電の体感装置および粉体に起因する帯電の体感実験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉体の帯電や粉体の帯電に起因する放電を実際に体感し、その危険性を感じ取ることができる粉体に起因する帯電の体感装置および粉体に起因する帯電の体感実験方法を提供する。
【解決手段】粉体Ｍに起因する帯電を発生させる装置であって、粉体Ｍが投入される貯留容器８と、貯留容器８内に配置された導体５と、導体５が非接地状態となるように支持する絶縁支持体７とからなる。導体５が絶縁されているので、粉体Ｍを貯留容器８内に投入すれば、粉体Ｍと粉体Ｍを貯留容器８に投入する投入容器６との間の摩擦によって、帯電した粉体Ｍからの誘導帯電、粉体Ｍと導体５との間の摩擦によって、導体５を帯電させることができる。このため、導体５の電位を測定すれば、粉体Ｍを投入する作業などにおいて静電気が発生することおよび、発生する静電気の量を、作業者に把握させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉体に起因する帯電の体感装置および粉体に起因する帯電の体感実験方法に関する。
粉体を容器等に投入したり、また、粉体を流動させたりした場合には、粉体同士の摩擦や粉体と容器等との摩擦により粉体が帯電する。この帯電した粉体が接地した導体と接近した場合、両者の間の電界強度が一定以上であれば、両者の間で放電が発生する。また、帯電した粉体と非接地導体とが接触すると導体が帯電するので、この帯電した導体が接地した導体に接近した場合、両者間の電界強度が一定以上であれば、両導体間で放電が発生する。
本発明は、かかる粉体の帯電や、帯電した粉体との接触により帯電した導体からの放電を実際に体感し、その危険性を感じ取ることができる粉体に起因する帯電の体感装置および粉体に起因する帯電の体感実験方法に関する。

帯電した粉体の帯電量を測定する方法として、帯電した粉体を接地された導電性容器内に設置された非接地状態にある導電性容器（ファラデーケージ）内に収容し、導電性容器の帯電量を測定することによって粉体の帯電量を求める方法があり、この帯電量測定方法を利用して粉体投入作業の危険性を評価する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、可燃性物質等の危険物を取り扱う製造現場や作業場における粉体投入作業における危険性を評価するために、静電気放電による可燃性物質の着火を引き起す粉体の放電エネルギーを正確かつ簡易に測定する技術が開示されている。この技術では、表面電位測定手段によって測定した粉体の表面電位と、上記帯電量測定方法で求めた帯電量とに基づいて、粉体投入時における粉体の放電エネルギーを求めている。そして、静電気放電による可燃性物質の着火を引き起す粉体の放電エネルギーを正確かつ簡易に測定することができるから、粉体投入時における着火の危険性を予め正確に評価しておくことができ、安全かつ確実な粉体投入作業を行うことができる旨の記載もある。

しかるに、特許文献１の技術は、あくまで通常の粉体投入作業が行われている場合において、その通常作業に起因した静電気放電による可燃性物質の着火事故を未然に防ぐ条件を求めているに過ぎず、実際の作業現場において作業中に発生する偶発的な事態に起因する放電を防ぐことはできない。

実際の作業現場において、その作業中に発生する偶発的な事態に起因して発生する放電を抑制する上では、実際に粉体を取り扱う作業者が、粉体に起因する帯電の危険性について理解していることが重要である。
個々の作業者に粉体に起因する帯電の危険性について理解させるには、実際の作業と粉体に起因する帯電の発生との関連性や、この帯電に起因して生じる放電現象、およびその放電が原因となる事故、例えば、ガス爆発等を作業者に体感させることが最も重要かつ効果的である。
しかし、現状では、かかる粉体に起因する帯電の危険性を実際に体感できる実験装置や実験方法は存在していない。

特開２００５−２７４３０７号

本発明は上記事情に鑑み、粉体との接触帯電や粉体の帯電に起因する放電を実際に体感し、その危険性を感じ取ることができる粉体に起因する帯電の体感装置および粉体に起因する帯電の体感実験方法を提供することを目的とする。

第１発明の粉体に起因する帯電の体感装置は、粉体に起因する帯電を発生させる装置であって、前記粉体が投入される貯留容器と、該貯留容器内に配置された導体と、該導体が非接地状態となるように支持する絶縁支持体とからなることを特徴とする。
第２発明の粉体に起因する帯電の体感装置は、第１発明において、前記導体は、その表面積が８０ｃｍ^２以上であることを特徴とする。
第３発明の粉体に起因する帯電の体感装置は、第１または第２発明において、前記粉体は、最小着火エネルギーが１Ｊ以上であることを特徴とする。
第４発明の粉体に起因する帯電の体感装置は、第１、第２または第３発明において、接地電極と、該接地電極と非接触状態に配設された放電電極とからなる一対の電極を備えており、該放電電極は、前記導体に接続されていることを特徴とする。
第５発明の粉体に起因する帯電の体感装置は、第４発明において、前記一対の電極が内部に収容された爆発容器と、該爆発容器内に可燃性ガスを供給するガス供給手段とを有するガス爆発装置を備えていることを特徴とする。
第６発明の粉体に起因する帯電の体感実験方法は、第１、第２、第３、第４または第５発明の粉体に起因する帯電の体感装置において、粉体を収容した容器から前記貯留容器内に粉体を投入することを特徴とする。

第１発明によれば、粉体を貯留容器内に投入すれば、粉体と粉体を貯留容器に投入する器具との間で摩擦がおこり粉体が帯電するため、誘導帯電によって絶縁されている導体を帯電させることができる。また、粉体と導体との間の接触や摩擦によっても、導体を帯電させることができる。このため、導体の電位を測定すれば、粉体を投入する作業などにおいて静電気が発生することおよび、発生する静電気の量を、作業者に把握させることができる。
第２発明によれば、導体の表面積が、作業者が実際の作業において携帯する工具等の表面積と同等以上であるので、実際の作業において自分が保有する工具が帯電する可能性、および工具の帯電量を、作業者がより身近なものとして体感することができる。しかも、導体と粉体との接触面積を十分に取れるので、導体の帯電量をある程度大きくできるから、帯電に対する危険性を教育する効果を高くすることができる。
第３発明によれば、粉体の最小着火エネルギーが高いので、実験の際に、帯電に起因する放電が発生しても粉塵に着火することを防ぐことができる。
第４発明によれば、帯電した導体からの放電を実際に体感できるので、粉体の帯電に起因する災害の危険性に対する理解を深めることができる。
第５発明によれば、一対の電極間で放電が発生すれば、この放電により可燃性ガスが着火され爆発するので、粉体の帯電に起因する放電の危険性をより効果的に体感させることができる。よって、粉体の帯電に起因する災害の危険性に対する作業者の理解をより深めることができる。
第６発明によれば、実際の粉体投入作業に起因して、静電気帯電による放電が発生することを直接体感できるので、粉体の帯電に起因する災害の危険性に対する理解を深めることができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本実施形態の粉体に起因する帯電の体感装置１の概略説明図である。図１において、符号Ｍは、本実施形態の体感装置１（以下、単に体感装置１という）において使用される粉体Ｍを示しており、符号６は、前記粉体Ｍが収容された状態で、運搬保管される投入容器を示している。

また、図１において、符号８は、体感装置１において、前記粉体Ｍが投入される貯留容器を示している。この貯留容器８は、その上部に開口を有する中空な空間を有する金属製の容器であり、開口から前記粉体Ｍを内部に投入できる構造を有するものである。

この貯留容器８内には、導体５が収容されている。この導体５は、貯留容器８内に設けられたテフロン（登録商標）等の絶縁性材料によって形成された台等からなる絶縁支持体７上に配設され、貯留容器８と接触しないように配置されている。つまり、導体５は、非接地状態となるように貯留容器８内に配置されているのである。

図１に示すように、前記導体５には、放電電極３が導線４を介して電気的に接続されている。この放電電極３は、鉄や白金などの導電性を有する材料によって形成された部材である。
そして、この放電電極３の近傍には、この放電電極３と間隔を空けた状態となるように接地電極２が配設されている。この接地電極２は、鉄や白金などの導電性を有する材料によって形成された部材であり、常時接地されており、常に電圧は０Ｖとなっている。

以上のごとき、本実施形態の体感装置１によって、粉体に起因する帯電を体感する実験を行う方法を説明する。

まず、貯留容器８内に導体５を配置した状態で、貯留容器８内に投入容器６から粉体Ｍを投入する。すると、粉体Ｍは投入容器６と擦れあいながら移動するので、粉体Ｍと投入容器６との間の摩擦によって静電気が発生して、粉体Ｍが帯電する。この帯電した粉体Ｍが貯留容器８内に入り導体５に接近すると、導体５に誘導帯電をおこす。また、粉体Ｍと導体５とが接触したり両者間の摩擦することによっても、導体５が帯電する。すると、導体５の帯電電位がより高くなり、放電電極３と接地電極２との間に電界が形成される。

粉体Ｍの投入を続けると、貯留容器８内の粉体Ｍの量が増加するので、放電電極３と接地電極２との間の電界が変化し、両電極２，３間で放電可能な状態になると、両電極２，３間に放電が発生する。

以上のごとく、本実施形態の体感装置１を使用すれば、粉体Ｍを投入する作業において、導体５が粉体Ｍと接近したり接触したりした場合や、帯電した粉体Ｍに導体５が埋まった場合には、この導体５から放電が発生する可能性があることを実験者や観察者に確認させることができる。
よって、体感装置１による実験を、工場等において粉体Ｍを取り扱う作業者等に実施させれば、粉体Ｍを取り扱う作業に起因して発生する帯電に関する作業者等の理解を深めることができる。

とくに、作業者自身に粉体Ｍを貯留容器８に投入させれば、自己の行為に起因して粉体Ｍの帯電が発生することを作業者に確認させることができる。

また、図２に示すように、接地電極２や放電電極３を設ける代わりに、導線４の他端を電位計ＶＭに接続してもよく、この場合には、粉体Ｍの投入によって導体５がどの程度帯電したかを定量的に確認することができる。

（実験器具の詳細説明）
なお、実験に使用する粉体Ｍの素材は特に限定されないが、最小着火エネルギーが１Ｊ以上であることが好ましい。かかる粉体Ｍの場合には、粉体Ｍの最小着火エネルギーが高いので、実験の際に、帯電に起因する放電が発生しても粉体Ｍが着火することを防ぐことができる（参考文献：Siwek,R. ，Cesana,C. “Ignition Behavior of Dusts:Meaning and Interpretation”, Process Safety Progress, Vol.14,No.2, pp.107-119，1995）。
また、粉体Ｍが顆粒であれば、粉体Ｍを投入したときに粉塵雲が発生せず、粉塵爆発などの危険性が無いのでより好ましい。

そして、粉体Ｍを貯留容器８に投入する投入容器６は、例えば、ポリ袋やポリ容器、ファイバードラム、紙製容器、金属製容器等の種々の容器を使用できるが、粉体Ｍとの摩擦によって粉体Ｍを帯電させる能力が大きいものを使用すれば、導体５の帯電量を大きくできる。すると、電位計ＶＭで測定される導体５の帯電量が大きくなるし、また、放電電極３と接地電極２との間で放電を発生させたときにその放電も大きくなるから、粉体Ｍの投入作業に起因して発生する帯電の危険性を、作業者により強く認識させることができるので、好適である。

貯留容器８は、上述したような金属性の容器に限られず、絶縁性材料によって形成された容器を使用することもできる。しかし、実際の作業現場で使用される容器（反応器やホッパー等）の大部分が金属性の容器であるから、貯留容器８に金属性の容器を使用すれば、作業者に体感実験を実際の作業と結びつけて理解させることができる。
なお、貯留容器８として、絶縁性材料によって形成された容器を使用すれば、絶縁支持体７を設けなくても導体５を非接地状態とすることができるので、装置構成をより簡素化できる。

本実施形態の体感装置１において使用する導体５はとくに限定されないが、その表面積が８０ｃｍ^２以上であるものを使用することが好ましい。この場合、導体５と粉体Ｍとの接触面積を十分に取れるので、導体５の帯電量をある程度大きくできるから、粉体Ｍの投入作業に起因して発生する帯電の危険性を教育する効果を高くすることができる。
とくに、実際の作業現場において作業者が携帯する工具等を導体５とすれば、体感実験をより身近なものとして意識させることができる。例えば、化学プラント等の工場内で作業を行う作業者を対象とする場合であれば、モンキーレンチやバルブ回しなどの工具を導体５として使用することができる。そして、モンキーレンチ等は表面積が８０ｃｍ^２以上であり帯電量もある程度大きくなるので、粉体Ｍの投入作業に起因して発生する帯電の危険性を、作業者により強く認識させることができる。

なお、導線４は、放電電極３と導体５との間を電気的に接続できるものであればとくに限定されないが、粉体Ｍと導線との間を絶縁しておく上では、フッ素樹脂製チューブによって被覆された導線などを使用することが好ましい。また、導線４は、とくに限定されないが、例えば、１〜３ｍ程度とすれば、実験室内での実験に際し、放電電極３と導体５との接続が行いやすく、しかも導線４が実験の邪魔にならない。

（ガス爆発実験装置）
上記のごとく、粉体Ｍ起因する帯電や放電を確認するだけでも、粉体Ｍを取り扱う作業における静電気の危険性を理解させることはできる。しかし、粉体Ｍ等の帯電に起因する放電が原因となる災害、例えば、ガス爆発等を体感させることができれば、単に帯電量を確認したり放電の発生を確認したりするだけの場合に比べて、実験者や観測者に与えるインパクトが強くなり、粉体Ｍの帯電に起因する災害の危険性に対する認識をより深めることができる。

かかるガス爆発等を体感させる場合には、上述した体感装置を以下のごとき構成とすることが好ましい。
なお、以下では、上述した体感装置１（図１の装置）と同一の構成の部分については、説明を適宜省略している。

図３はガス爆発装置１０を備えた体感装置１Ｂの概略説明図である。図３に示すように、この体感装置１Ｂは、ガス爆発装置１０を備えている。このガス爆発装置１０は、混合ガスの爆発限界を測定する公知の北川研究室型測定装置と実質的に同等の構成を有するものである。

なお、体感装置１Ｂに使用するガス爆発装置は、内部にガスを貯蔵できかつその内部で放電を発生させ得る電極を備えているものであればとくに限定されないが、以下では、代表として、ガス爆発装置に北川研究室型測定装置を採用した場合を説明する。

図３において、符号１５は、爆発容器を示している。この爆発容器１５は、内部を視認しうるガラス製試験容器と上蓋とを備えたものである。
ガラス製試験容器は、上部は開放された中空構造を有するものであり、その内部に、前記接地電極２および前記放電電極３が放電可能な程度に離間した状態で配設されている。
上蓋は、ガラス製試験容器の開放部を覆うようにガラス製試験容器上に載せられるものである。この上蓋は、ガラス製試験容器上にその開放部を覆うように載せると、ガラス製試験容器内を外部から気密に密封することができるようになっている。ただし、上蓋はガラス製試験容器には固定されておらず、ガラス製試験容器内において混合ガスの爆発が生じたときには、爆発により発生した圧力で飛ぶ仕組みになっている。
なお、この上蓋も繋ぎ線によってガラス製試験容器と連結すれば、ガラス製試験容器内で爆発を生じさせたときに、上蓋が周辺に飛ぶことを防ぐことができる。

そして、図３に示すように、前記爆発容器１５には、可燃性ガスを供給するガスボンベ等のガス供給手段１２、爆発容器１５と外部との間を遮断連通するバルブ１４、および、真空ポンプなどの吸引手段１３が配管によって連通されている。

以上のごとき構成であるから、以下の手順でガス爆発実験を行うことができる。
まず、吸引手段１３によって爆発容器１５内の空気を吸引し、爆発容器１５内を大気圧よりも低い圧力とする。
その状態で、ガス供給手段１２から可燃性ガスを導入し、バルブ１４を開いて爆発容器１５内に空気を導入する。すると、爆発容器１５内に、空気と可燃性ガスとが混合した混合ガスを形成することができる。

爆発容器１５内に混合ガスを形成した状態で、粉体Ｍを貯留容器８内に投入すると、導体５が帯電し、放電電極３と接地電極２との間に電界差が生じる。

そして、導体５の帯電電位が上昇すると、放電電極３と接地電極２との間の電界も変化し、両者間において放電可能な程度になると、両電極２，３間に放電が発生し、両電極２，３間に放電が発生する。すると、この放電が着火源となって、ガラス製試験容器内において混合ガスが爆発する。
ガラス製試験容器はその内部が視認しうるようになっているから、実験者や観察者はガラス製試験容器内の爆発状況を目視で確認できる。しかも、爆発の際に発生する大きな音や、爆発威力によって上蓋が飛ぶ様子を確認できるから、粉体Ｍの投与作業等による帯電に起因したガス爆発をより臨場感をもって体感することができる。

なお、爆発容器１５は、内部を視認できる透明な防護ケース１６内に収容しておいてもよく、この場合には、爆発容器１５に対して外部から衝撃等が加わることを防ぐことができる。この場合、防護ケース１６内を換気できる換気手段を設けておくことが好ましい。かかる換気手段は、単に防護ケース１６内の空気を吸引し外部に排出するポンプなどでもよいが、防護ケース１６内から吸引した気体に含まれる燃焼ガス等を除害する除害手段を備えている方がより好ましい。

爆発容器１５にガス供給手段１２から供給される可燃性ガスの種類によっては、内部を視認できしかも内部を換気できる、例えば、ドラフト等の防護設備１１を設けて、この防護設備１１内に防護ケース１６に収容された爆発容器１５とガス供給手段１２を設置してもよい。防護設備１１を設ける場合には、防護ケース１６はなくてもよいが、防護設備１１および防護ケース１６の両方を設ける方がより好ましい。

また、ガス爆発実験を行わない場合でも、放電が発生したときにオゾンが発生する可能性があるので、換気手段を備えた防護設備１１や防護ケース１６の中に両電極２，３を配置し、防護設備１１等の中で放電実験を行うことが安全衛生上好ましい。

さらに、本実施形態の体感装置１や体感装置１Ｂによる体感教育実験は、体感装置１や体感装置１Ｂを設置する空間を、工場内における実際の条件に近づけておくことが好ましい。例えば、実験条件を化学プラントの工場内の状況に近づけるのであれば、気温１０〜４０℃、相対湿度６５％以下とすることが好ましい。
また、空調設備を備えた室内において本実施形態の体感装置１や体感装置１Ｂによる体感教育実験を行うのであれば、上記のごとき気温湿度となるように、空調設備によって空間内の雰囲気を調整することが好ましい。

なお、体感装置１や体感装置１Ｂは、その全体を上述したような防護設備１１内に配置してもよい。この場合には、防護設備１１内の気温および相対湿度を適度に調整できる装置、例えば、空気調和装置等を防護設備１１に設ければ、防護設備１１内において、上記のごとき条件を実現することができる。

本発明の粉体に起因する帯電の体感装置を用いて、粉体に起因する帯電した導体の電位を確認した。

実験は、本発明の粉体に起因する帯電の体感装置において、帯電させた帯電源を導体に近づけて導体の帯電電位を、電位測定計（非接触型電位計（春日電機（株）社製 型番：KSD−0108））によって確認した。

実験は、以下の部材を使用して、気温２３℃、相対湿度４３％の条件に保たれた実験室内で行った。
（１）貯留容器 ：金属缶（素材：ステンレス、内径500ｍｍ×高さ600ｍｍ）
（２）導体 ：ステンレス缶（容量５L）
（３）絶縁支持体：テフロン（登録商標）製ブロック
（４）粉体 ：樹脂ペレット（素材：ＰＭＭＡ）
（５）投入容器 ：ポリ袋

ポリ袋に収容されている粉体を、貯留容器内に１０ｋｇ投入した後、導体であるステンレス缶の電位を電位計で測定したところ、そのときの電位は７ｋＶであり、放電電極と接地電極との間に放電を発生させることができる程度にステンレス缶が帯電していることが確認できた。

以上のごとく、本発明の本発明の粉体に起因する帯電の体感装置を用いれば、粉体に起因する帯電を発生させることができ、手軽に粉体に起因する帯電を作業者に体感させることができる。

本発明の粉体に起因する帯電の体感装置は、粉体を取り扱う現場で作業を行う作業者に対して、粉体の投与作業等に起因する火災や爆発災害等の危険性を理解させるための教育に使用する装置に適している。

本実施形態の体感装置１の概略説明図である。 他の実施形態の体感装置１の概略説明図である。 ガス爆発装置１０を備えた体感装置１Ｂの概略説明図である。

符号の説明

１ 体感装置
２ 接地電極
３ 放電電極
５ 導体
７ 絶縁支持体
８ 貯留容器
１０ ガス爆発装置
１２ ガス供給手段
１５ 爆発容器

Claims (6)

1. 粉体に起因する帯電を発生させる装置であって、
   前記粉体が投入される貯留容器と、
   該貯留容器内に配置された導体と、
   該導体が非接地状態となるように支持する絶縁支持体とからなる
   ことを特徴とする粉体に起因する帯電の体感装置。
2. 前記導体は、その表面積が８０ｃｍ^２以上である
   ことを特徴とする請求項１記載の粉体に起因する帯電の体感装置。
3. 前記粉体は、最小着火エネルギーが１Ｊ以上である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の粉体に起因する帯電の体感装置。
4. 接地電極と、該接地電極と非接触状態に配設された放電電極とからなる一対の電極を備えており、
   該放電電極は、前記導体に接続されている
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の粉体に起因する帯電の体感装置。
5. 前記一対の電極が内部に収容された爆発容器と、該爆発容器内に可燃性ガスを供給するガス供給手段とを有するガス爆発装置を備えている
   ことを特徴とする請求項４記載の粉体に起因する帯電の体感装置。
6. 請求項１、２、３、４または５記載の粉体に起因する帯電の体感装置において、粉体を収容した容器から前記貯留容器内に粉体を投入する
   ことを特徴とする粉体に起因する帯電の体感実験方法。
   

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