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爆発の防止のためのパージと加圧の使用

by Sean Clarke, Compliance Engineer, Epsilon Technical Services Limited

翻訳: T.Sato

はじめに

我々は、以前の記事で、多くの種類の保護概念が存在していることに言及した。 その理解や大半の種類の装置への適用が最も容易な概念の１つはパージである。

パージ、加圧、そして Ex p や EEx p は、いずれもこの概念を示す用語である。 この概念は、可燃性の物質を着火源から隔離し、 パージされたエンクロージャの表面温度が着火を生じるものでないことを 保証するという原理に基づいて働く。

概要

電気装置のエンクロージャの加圧とパージのテクニックは、 可燃性の雰囲気の侵入を防止するためのものである。 パージは防爆のための広く受け入れられている保護手段である。 それは世界的に (欧州規格、NFPA、あるいは IEC 規格を用いて) 受け入れられており、 比較的理解され易い。 防爆は、爆発性雰囲気を 全ての着火源 (熱的な、また電気的な) から隔離することによって達成される。 潜在的に着火を生ずる可能性のある装置はエンクロージャ内部に取り付けられ、 そのエンクロージャは大気圧と比較して陽圧 (必要となる陽圧は 0.5mbar に過ぎない) となるように加圧される。

この陽圧が維持されている限りは ガス (塵挨でさえも) はエンクロージャに侵入できず、 従って内部の機器は爆発性ガスには曝されない。 しかし、その陽圧が達成される前に 爆発性ガス混合物がエンクロージャ内部に侵入していた可能性もある。 エンクロージャが非爆発性ガス (すなわち空気や窒素) で加圧されていることを保証するために、 エンクロージャはその内部に存在していたものが流し去られて エンクロージャ内の全ての部分がパージ・ガスのみを含んでいることを 保証できるように「パージ」される (ここでは内部の塵挨のパージは考慮されていない)。 エンクロージャが「パージ」されたことを保証するためには、 通常は 5〜10回の空気入れ換えを要する。 (欧州における最初の版のパージの規格は 5回の空気入れ換えを最小限と規定していたが、 北米においては 10回の空気入れ換えが最小限と規定されている。)

この「パージ」 (規定された時間のパージ・ガスの規定された流れ) が完了するまで 機器に電力を印加できないことが、Zone 1 向け機器の認証の条件である。 パージの効果の持続性の保証のために、エンクロージャの最大の漏洩率も規定される。 パージが完了したとしても、 規定された陽圧 (少なくとも 0.5mbar) が達成されるまでは 依然として電力は印加できない。

このパージ・サイクルの完了に失敗した (流量の低下や中断)、 あるいはエンクロージャ内圧が規定された陽圧以下に低下した場合には、 その機器への電力は切られなければならず (Zone 1 の場合)、 あるいは警告表示が示されなければならない (Zone 2 の場合)。

これらの３つのいずれの条件の場合においても、 完全なパージ時間での全面的なパージ・サイクルを開始し直さなければならない。 パージと加圧の自動的な管理は、通常は「パージ制御ユニット (PCU)」による。 PCU は流量と圧力を測定することが必須であり、 全ての条件においてフェール・セーフでなければならない。

パージされる機器を囲むエンクロージャは、 衝撃や過剰圧力に耐えるだけの充分な物理的インテグリティを持たねばならない。 また、エンクロージャは空気の自由な流れを促進するように設計されるべきである。 エンクロージャのインテグリティとしては IP40 (1mm よりも大きい穴のないもの) のレベルが必要であり、 いかなる非金属材料も その強度と劣化 (熱や光の影響に対する) に関して試験されねばならない。 機器の表面温度やプラスチック部品からの静電気などの 外部の要因も考慮されねばならない。 機器から高温の粒子が排出されないことを保証するために、 火花防止装置を取り付けねばならない (あるいは排出ガスを安全区域へ導かねばならない)。 このテクニックは、保護される装置の物理的寸法や電力定格にはほとんど制約されない。

パージ制御ユニット

パージ制御ユニットは以下の情報の測定と対処を行なえなければならない： PCU によって遂行される作業は 単一故障 (すなわち、１個のバルブの故障) での試験とアセスメントにおいて 「フェールセーフ」でなければならず、 これは ATEX 指令の出現によってさらに普遍的なものとなる。 コンポーネントの故障モードが考慮されねばならない； リレーでされも、オープン故障となることも、短絡故障となることもある (ノーマル・オープンのリレーは、閉じた位置に「アーク溶接」されることがある)。 パージ・サイクルの途中で中断された場合やパージの失敗の後では、 パージ・タイマは常にゼロにリセットされねばならない。

制御には２つの基本的なタイプがある：

CF システムは設計が容易であるものの、 稼働コストが高い (空気や窒素による) ものとなる。 その他に混成システム (CF/LC) の例もあるが、 実際にはそれらはこれらの２つの基本的なタイプの変形に過ぎない。

PCU は通常は空圧式か電気式のいずれかである。 もしその PCU が安全区域にのみ取り付けられるのであれば、 (それが本質安全出力を含んでいない限り) それは検証を必要とするだけであろう。 爆発性雰囲気中に取り付けられる PCU は、安全システムとしての、 また潜在的な着火源としての認証 (空圧システムによる着火は ATEX 指令以前には考慮されていなかったが) を必要とするであろう。

システムのそれぞれの状態は、 監視デバイスからの入力に対する反応として定義される。 それらの状態はユニークである必要がある。 それぞれの状態に対応する論理条件は ブール論理式によってユニークに定義される必要がある。 入力状態の全ての可能な組み合わせが表として示される必要がある。 パージがオフとなっており、エンクロージャが開けられている時に 保守作業のためにエンクロージャ内の装置を動作させられる必要がある。 明らかに、これは安全のためにガス隔離や活線作業許可のもとに実施されるが、 考慮しなければならないその他の安全に関係する点もある。 エンクロージャが開けられたならば、その圧力スイッチは、 制御ユニットを介して、そのエンクロージャから電力を遮断するであろう。 明らかに電力は供給されねばならず、 従って制御システムのこの機能をバイパスさせる何らかの手段が必要である。 これを達成する方法の１つは、 圧力スイッチと並列に鍵操作式スイッチを接続することである。 それは、電力が再び印加される前に パージ・サイクルが開始し直されることを保証しなければならない。

規格と認証

パージ／加圧エンクロージャの設計と試験の手法は、 多くの規格や特定の工業プラクティス規定で規定されている。 最も広く用いられている２つの規格は、 CENELEC パージ規格、及び NFPA 規格である。

CENELEC パージ規格

ここ 20年間の欧州における規格は、1975年に出された IEC-79 の一部に基づいた CENELEC 規格 EN 50016:1977 であった。 この規格の主な特徴は：

「第１版」パージ規格として知られるものを置き換える規格は、1996年に出された。 現在、 認証に用いられている規格はこれである。

BS EN 50016:1996

加圧された装置のためのこの新しい規格は「第１版」よりも遥かに充実しており、 より多くの必須要求を含んでいる。 主要な変更点は：

認証されたパージ機器の大半は「第１版」に対してのみ認証されているものの、 現在はこの「第２版」規格が欧州認証で使用されている。 双方の種類の認証は、 ATEX 指令が必須となる 2003年6月31日まで並存するであろう。

ゾーン分類要求

この欧州加圧規格はそのパージされた装置の使用ゾーンを示しておらず、 これは「プラクティス規定」で規定されている。 パージは、Zone 1、及び Zone 2 で使用できる。

ユーザーが適切な手法を選択できるように、 市販のパージ制御ユニットの大半では 「警報」と「警報、及びトリップ」の選択が可能である。

北米での要求

USA で作成された NFPA (National Fire Protection Association) 496 規格は、 リスクと目的に応じた３段階の複雑さを認めている。

Type X パージは、エンクロージャの加圧が失われた場合には、 パージ圧の喪失に際してその電源が自動的に遮断され、 電源を回復させる前に再パージが行なわれることを必要とする。 (CENELEC の Zone 1)

Type Y パージは、圧力が失われた際の電源の遮断は必要としないが、 そのパージされたエンクロージャ内の機器は Division 2 のために適切なものでなければならない。 (これは、ATEX 指令のもとにおいて、CENELEC の Zone 1 で使用できる。)

Division 2 におけるより低いリスクから、 Type Z パージはパージ圧の喪失の表示のみを必要とする。 (CENELEC の Zone 2)

プラクティス

エンクロージャ

シールが不適切な方向を向いていることから、 標準的な IP54 のエンクロージャは 加圧されたエンクロージャとしての使用のためには適当でないかも知れない。 この標準的なエンクロージャは外部環境のエンクロージャへ内の侵入を防ぐように設計されており、 これはそれらが一般に内圧の維持のためには不適切であることを意味する。

この理由から、一般に、 加圧システムの供給者からのエンクロージャは汎用のエンクロージャと同一ではない。 また、そのエンクロージャは圧力を維持できねばならず、 大型のエンクロージャにおいては そのユニットが比較的低い圧力でさえも変形するのが見られることがある。 その圧力が大きな面積に作用する場合には、 追加の蝶番やカバー・ボルトが必要となるかも知れない。 プラスチック部品 (例えばスイッチ) はハウジングの壁面を貫通すべきではない。 プラスチック部品は、そのプラスチック部品が取り除かれた場合に 金属部品が IP40 の 侵入保護等級 (1mm 以上の物体がエンクロージャに侵入できない) を維持するのであれば、外部で使用できる。 いかなる生きている (あるいは生きた状態となる可能性のある) 部品も パージされた領域の外部に曝されてはならない。 スイッチはスパークする接点を含む通常はシールされた部品であるので、 認証を受けたスイッチを使用するか、 あるいはスイッチをパージされたエンクロージャの内部に取り付けることを推奨する。 プラスチック・ダクトは、例えば二次パージ・システムによって そのプラスチック部品の故障がフェールセーフ条件を構成するのでなければ、 使用すべきではない。

パージ媒体の供給と排出

加圧手段としてファンやブロアを用いている場合には、特別な注意が必要である。 その非危険区域まで延びるダクトが大気圧以下となり、 それが完全に洩れのないものでない限りは可燃性のガスを吸い込み得ることから、 一般にファンを危険区域に置くことは望ましくない。 ファンを非危険区域に置く他の利点は、 それ自身が危険区域での使用に適したものである必要がなく、 またそのダクトが可燃性ガスの侵入を防止する陽圧にあることである。

圧縮空気の使用はパージ用空気の供給のための通常の手段であるが、 １つの供給ライン上のいくつかのパージ・エンクロージャは その作動圧を空圧制御回路 ――もしそのようなシステムが使われているならば―― が動作できる圧力以下まで落とすことがあることに注意しなければならない。

パージされたエンクロージャからの排気はエンクロージャ内の熱源で加熱された 小さい粒子を含むことがある。 そのような粒子が爆発性雰囲気中に排出されることを防ぐために、 次のような手段が用いられている：

加圧

要求される最小限の圧力は 0.5mbar (50Pa) であり、 これは加圧ガスの最小限の流量で達成されるであろう。 圧力測定は、使用圧力がこれ以上に保たれるように、 圧力がこのレベルよりも低下したならば少なくとも警報を出力しなければならない。 エンクロージャは、その通常の使用圧力の 1.5倍 (最小 200Pa) に 歪むことなく２分間耐えるであろうことを証明するために試験されねばならず、 使用圧力として 10mbar という値は珍しくない。

パージ

エンクロージャとその内容物の有効なパージが提供されねばならない。 ガイドラインとしては、 エンクロージャがいくつかの基本的なガイドラインに従って設計されているならば、 通常は５回の空気入れ換えで充分である：
  1. 空気溜り (ポケット) を避ける
  2. パージ・エアの「チャネリング」を避ける
  3. 乱流を発生させる
  4. シールされた空間を避ける

温度分類

可燃性ガスのエンクロージャへの侵入が防止されているので、 エンクロージャの外側が温度分類を決定する。 しかし、電力が除去された後にも 内部の高温面は高温のままとなるであろうことを注意しておくべきであろう。 パージされたエンクロージャ内の高温部品の熱特性の 完全なアセスメントが実施されねばならない。

内部でのエネルギーの蓄積

電源装置のコンデンサなどについては、 その電荷が漏出するまで待ってからエンクロージャを開けるか、 あるいはそれを保証するためにブリーダー抵抗を取り付けることを 意味するかも知れない。 バッテリーにはこの方法では対処できず、 必ずその他の手段のいずれかによって保護しなければならず、 パージされた機器内のバッテリーのための規格のドラフトでの この手段の概要は次のようなものとなっている：

内部に放出源を持つエンクロージャのパージと加圧

ここでの主要な目的は エンクロージャ内での可燃性の雰囲気の発生を防止することである。 これは、継続的な希釈、あるいは不活性ガスの使用によって達成できる。 内部の放出源の量が規定でき、また管理できるならば、希釈を使用できる。 もし放出の量が規定できないならば、不活性ガスを使用しなければならない。 いずれの場合でも、依然として初期パージは必要である； パージ媒体が空気である場合には、その目的は 可燃性物質をその燃焼限界以下まで希釈することである。 不活性ガスの場合には、その目的は 酸素の除去によってエンクロージャ内部を不燃性とすることである。 明らかな理由から、可燃性ガスに着火させられる装置は 起こり得る放出の希釈が行なわれる領域に配置してはならない。

認証と試験

加圧された機器は Zone 2 のためには「自己確認」できる。 もしその加圧された機器が Zone 1 の雰囲気での使用のために設計されたものであれば、 それは欧州通知機関によって認証されなければならない。

この認証手続きは、準備された図面に対するサンプルのアセスメント (構造要求が満たされていること、 またそのサンプルが代表的な試験用サンプルであることを確かめるため) と、一連の試験を伴う。 実施される試験の正確な性質と種類は製品ごとに異なるであろうが、 典型的には以下に示すようなものとなるであろう：

試験 規格
エンクロージャの衝撃試験 EN50014
ガラスの衝撃試験 EN50014
ガラスの熱衝撃 EN50014
パージ試験 (アルゴン、及びヘリウム) EN50016
過剰圧力試験 EN50016
漏洩試験 EN50016
低圧試験 EN50014
温度上昇試験 EN50014
放熱試験 EN50014
二次パージ試験 EN50016
希釈試験 EN50 016

衝撃試験における「衝撃」のレベルはその素材と衝撃のリスクによって異なり得る。 プラスチック材は衝撃の印加に先立っての前処理が必要であり、 プラスチック部品に対する衝撃試験は高い温度と低い温度で実施される。 エンクロージャを貫通するプラスチック部品は 光曝露試験への耐性も必要とするかも知れない。

パージ確認試験

この試験は、通常はエンクロージャを代表的な試験ガス (重い、また軽い爆発性ガスの代替として、アルゴンとヘリウムが用いられる) で満たし、不活性ガスが導入されてからの エンクロージャからのその除去を物理的に測定することによって実施される。 その機器が用いられる場所に存在するであろう実際のガスを使用することができるが、 それらが全てのあり得る可燃性ガス雰囲気をカバーすることから 通常はアルゴンとヘリウムが用いられる。

この試験は、細径チューブをパージ・キャビネット内の 「ポケット」となりそうな場所に置き、 実際に含まれる試験ガスを測定しながら実施される。 最初、キャビネットは、少なくとも 70% が 除去されるべき試験サンプルで満たされていなければならない。 その後、この試験サンプルは、 許容できるレベル (LEL ――爆発下限界―― に基づく) に達するまでパージによって除去される。

エンクロージャからの試験ガスの除去に要した時間は「パージ時間」と呼ばれ、 これは認証ラベルに記され、 エンクロージャを加圧して電力を印加する前に実施されるであろう。

このパージ時間はパージ・ガスの流量と パージされるエンクロージャの内部寸法に依存するであろう。 パージ時間は、通風と内部構造に対する熟慮されたアプローチによって 大幅に減少させられる (電源を印加するまでの機器のダウンタイムを減少させる)。 パージ時間とパージ流量との間に直線的な関係はない； すなわち、空気流量を倍にしても、パージ時間が半分になるとは限らない。

他の種類の加圧

静加圧

静加圧は、不活性ガスで加圧された、 その加圧を維持するためにシールされたエンクロージャを持つことに依存する。

内部で人が作業するエンクロージャの加圧とパージ (パージされた部屋)

明らかに不活性ガスを使用することはできず、また通常は圧縮空気も望ましくない。 さらに、要員のための緊急用設備も必要である。 照明と脱出手段が最も重要である。 照明は全ての環境で必要であり、 従って火炎伝搬防止などの何らかの適当な手段で保護されねばならない。 通常は扉のキック・アウト・パネルや緊急用破壊用具が脱出を可能とする。

Sean Clarke is a specialist ATEX Compliance Engineer with Epsilon Limited, a company which designs, test assesses and certifies equipment for the CE marking and Potentially Explosive Atmosphere certification including the ATEX Directive. Epsilon also offers training for both users and manufacturers of potentially explosive atmospheres equipment. Readers may contact Mr Clarke at the address below for further information or to arrange a free technical meeting.

Epsilon Limited, Tel: 01244 541551, Fax: 01244 543888, URL: http://www.epsilon-ltd.com

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これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2001-11-16