JP4222379B2 - 防爆電気機器 - Google Patents

Description

本発明は防爆電気機器に関し、特に水素ガスの爆発性雰囲気の中で使用される耐圧防爆構造の電気機器に関するものである。

一般に、各種工場やプラントにおいては、管理部所と現場との間の情報交換や非常連絡のため，例えば１．９ＧＨｚといった高周波帯域の無線通信システムが用いられているのは、周知の通りである。
そして、引火爆発の危険性がある場所、例えば石油化学プラントなどのように可燃性ガスを取り扱う工場などに高周波無線通信システムを導入する場合、防爆地域に設置される各固定無線装置は爆発事故を未然に防止した防爆構造であることが求められる。
特許第３２５７４２７号公報

ところで、国際規格ＩＥＣ７９新技術的基準規格に整合した社団法人産業安全技術協会発行（Ｈ８．１１月）の防爆構造電気機械器具型式検定ガイドにおいては、電機機器の対象とされる可燃ガス又は蒸気はグル−プＩＩＡ、ＩＩＢ、ＩＩＣに分類され、それぞれのグル−プ要件として満足する対象試験ガス並びに機械的な構造では、接合面の種類及び奥行、すきま、内容積がそれぞれ規定されると共に、爆発強度、爆発引火、衝撃試験が義務づけられている。

これらの可燃ガスのうち、特にＩＩＣグル−プの対象ガスの水素ガスでは、次のように規定される。
爆発強度試験
「対象ガス水素 ３１±１．０％ （空気との混合比率）、最も高い爆発力を与える濃度。試験回数 ５回。」
爆発引火試験
「対象ガス水素 ２７±１．０％ 最も引火しやすい濃度。試験回数 ５回。」
が試験条件になる。
つまり、引火試験は容器内で対象ガスを着火させ、その爆発火炎逸走での容器外に存在する対象ガス（ここでは水素）に着火、爆発するかを検証する試験であり、ＩＥＣ規格ではすきま調整法が採用され、過酷な試験になっている。意図的にすきまをゲ−ジで設け、空間ギャップを構築して火炎逸走し易い条件下での試験である。

具体的にいえば、図８（ａ），（ｂ）に示す防爆容器本体Ａと容器蓋Ｂとの間をネジＣで閉鎖する場合、防爆容器本体Ａと容器蓋Ｂとの間のネジＣ締結部両側にスキマゲージＧを挟み、ネジＣのはめあい部は、２／３に減じて予め緩めて試験を行う。この試験位置は、図９に示すアンテナＤに近い防爆容器本体Ａと容器蓋Ｂとの間のはめあい部が対象になる。

例えば規格ＭＡＸの容器の内容積６０００立方センチメ−トル近傍では、ＩＩＣグレ−ドの水素ガスでいえば、すきま調整法より０．０６のスキマゲ−ジを挟み試験をおこなう。
これをＩＩＢグレ−ドで比較すると、０．０２であり、３倍の空間ギャップであるため、規格は存在するけれども、実際には、実現不可能とされてきた。
前述したように、グル−プＩＩＣでは格段に試験条件が格段に厳しくなるが、「水素ガス」は同ＩＩＣグループに属する。

一方、地球環境問題から、化石燃料に代わる次世代エネルギ−として、燃えて、しかもＣＯ２が発生しない究極のエネルギ−として水素ガスが着目されてきている。
しかし、可燃性ガスの中でも水素ガスは、通常作業が行われる環境において最も危険な可燃性のガスで、ガスの中で最大の爆発力がある。

そのため、水素ガスグル−プＩＩＣの試験条件は、非常に厳しく、防爆型の中でも、火炎逸走を平面接合面型で内容積（容器の容積から機能上欠くことのできない内容物の体積を差し引いた容積）２０００立方センチメ−トル〜６０００立方センチメ−トルの防爆型高周波型固定無線装置の規格は存在するが、従来技術では、ＩＩＣグル−プでは、特に可燃性ガスの中で最大の爆発エネルギ−を有する「水素ガス」の防爆性能維持が最も困難であるとされている。特に、内容積上限の６０００立方センチメ−トル近傍では、水素ガス爆発力や引火性が内容積に比例し、圧力、引火スピ−ドが共に増大するため、各種化学プラントなどの水素ガスが発生する危険なエリアで用いる防爆電気機器は、水素ガス対応が困難なため、設置不可能であった。

本発明の目的は、水素ガスが発生する危険地域内で用いることのできる耐圧防爆構造の電気機器を得るにある。
特に、本発明の主なる目的は、水素ガスが発生する危険地域内での無線端末の通話エリアを拡げ、作業者の通話コミュケ−ションを確保するにある。

この目的を達するため、本発明は、耐圧性のあるアルミニウム材料からなる良熱伝導防爆容器本体の内表面及び内周面に対して同内表面及び内周面を複数の充填区域に区画するダム用リブを一体形成すると共に、前記防爆容器本体と同様材料で構成される容器蓋の内表面及び内周面にも同内表面及び内周面を複数の充填区域に区画するダム用リブを一体形成し、前記防爆容器本体及び前記容器蓋の充填区域に電気的老化特性トラッキング指数（ＣＴＩ：４００〜６００）の難燃性シリコンゴムを充填・固化させて防爆容器内面にシリコン包囲体を形成した防爆電気機器を提案するものである。

シリコン樹脂自体の放熱性と熱伝導性による温度低下の温度変換が行われ、局部より全体に耐圧容器内温度を早期に安定均一にできるため、水素ガス爆発に対しても、火炎逸走を抑制し、衝撃的な爆発力を和らげ、防爆容器に爆発時の熱量を迅速に熱伝導できる。

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
前記ダム用リブを一体成形する防爆容器本体は、アルミニウム・キャステイングである防爆電気機器
が説明される。
即ち、熱伝導性の極めてよいアルミニウム・キャステイングの防爆容器本体を用いることで水素ガス爆発時における内部温度低下をはかることができる。

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
前記防爆容器本体の前記内表面は、底壁の内底面及び周壁の内側面である防爆電気機器
が説明される。
即ち、防爆電気機器の内表面全体をシリコン包囲体で覆うことで水素ガス爆発時の衝撃エネルギの緩和と電気機器内部の早期温度低下を図ることができる。

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
内部に組込まれる制御ユニットのプリント配線基板の半田面を取囲む枠状の仮ダムを同半田面に位置し、この仮ダムの内部にもシリコン包囲体を形成し、耐圧容器内にシリコン包囲体を備える電気的老化特性トラッキング指数（ＣＴＩ：４００〜６００）の難燃性シリコンゴムを充填・固化させた防爆電気機器
が説明される。
即ち、このような特性のシリコン包囲体によれば、長期間に亘って内部の電気的特性を維持できる。

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
前記難燃性シリコンゴムは、防爆容器本体を構成するアルミニウムに対する接着強さが０．８５Ｐａ以上である防爆電気機器
が説明される。
即ち、このような特性の難燃性シリコンゴムにより防爆容器本体の内面からのシリコン包囲体の剥離を未然に防止して長期間に亘って性能を維持できる。

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
固化状態の前記シリコン包囲体は、少なくとも−４０℃から＋１８０℃の温度範囲内で安定した固化状態を保つ防爆電気機器
が説明される。
即ち、このようなシリコン包囲体の温度安定性により使用環境や水素ガス爆発時の瞬間的な温度上昇に対する耐久性を保障できる。

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
固化状態の前記シリコン包囲体の絶縁破壊強さは、少なくとも２５ＫＶ／ｍｍ以上である防爆電気機器
が説明される。
即ち、このようなシリコン包囲体の絶縁特性により内部電気素子を水素ガス爆発時の破壊から保護できる。

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
防爆電気機器は、高周波型防爆無線基地局である防爆電気機器
が説明される。
即ち、可燃性水素ガスを含んだ過酷な環境への無線基地局の設置が可能になる。

以下、図１から図７について本発明の実施例の詳細を説明する。
図示実施例は、本発明を高周波型無線基地局に施した実施例である。

即ち、図１及び図２から理解されるように、この高周波型無線基地局は、１面のみが開放された容量のある防爆容器本体１０と、この防爆容器本体１０の開放面を塞ぐ容器蓋３０とを備え、これらの防爆容器本体１０及び容器蓋３０は、熱的な良伝導性の良い剛性材料、例えばアルミニウム・キャステングで作られる。
そして、容器蓋３０の周囲フランジ部は多数の締結ネジ２０で防爆容器本体１０の開放部に緊密に固定され、防爆容器本体１０の内部に密閉空間を区画する。

外部上面にアンテナを固定された防爆容器本体１０の内部には、高周波型無線基地局の制御ユニットを搭載するプリント配線基板４０が組み込まれ、このプリント配線基板４０の片面にｃｐｕなどの回路素子が組付けられ、これらの回路素子はプリント配線基板４０の反対側面で半田ディップされてプリント配線基板４０のプリント導体層に半田付けされている。
なお、前記プリント配線基板４０は、図２に示す固定ネジ５０，６０を用いて防爆容器本体１０の内部に固定状態におかれる。

図３から図５は上面を開放された防爆容器本体１０の内部構造を示し、底壁１ａ及び周壁１ｂで構成される同防爆容器本体１０の内底面１ｃ並びに左右内側面１ｄには、略一定の高さのダム用リブ５Ａ，５Ｂがそれぞれの対応表面から突出した状態で防爆容器本体１０に一体成形してある。
これらのダム用リブ５Ａ，５Ｂはこれらが配置される底壁１ａ及び周壁１ｂの表面に複数の充填区域に分割するもので、ダム用リブ５Ａ，５Ｂで分割された各充填区域にはシリコンゴム包囲体６Ａ，６Ｂが埋設される。

つまり、ダム用リブ５Ａ，５Ｂで分割された各充填区域には、電気的劣化特性トラッキング指数（ＣＴＩ：４００〜６００）の液状の難燃性シリコンゴムに硬化剤を混入してよく撹拌したものをそれぞれ注入して、水平状態を保って一定時間放置することにより固化させ、周壁１ｂ及び内底面の殆ど全部を覆うシリコンゴム包囲体６Ａ，６Ｂが形成される。

図６は防爆容器本体１０と同一材料で厚みのある板状に構成される容器蓋３０を示し、この容器蓋３０の内面３ａには表面を複数の充填区域に分割するダム用リブ７が防爆容器本体１０と一体に突起成形され、同ダム用リブ７で分割された各充填区域には、電気的劣化特性トラッキング指数（ＣＴＩ：４００〜６００）の液状の難燃性シリコンゴムに硬化剤を混入してよく撹拌したものをそれぞれ注入して、水平状態を保って一定時間放置することにより固化され、容器蓋３０の内面３ａの殆ど全部を覆うシリコン包囲体６Ｃが形成される。

図７は前述したプリント配線基板４０の詳細を示し、このプリント配線基板４０の部品実装側とは反対側表面には、同表面を包囲する仮ダム８が一時的に位置され、この仮ダム８の内部空間には、電気的劣化特性トラッキング指数（ＣＴＩ：４００〜６００）の液状の難燃性シリコンゴムに硬化剤を混入してよく撹拌したものをそれぞれ注入され、水平状態を保って一定時間放置することにより固化されてシリコン包囲体６Ｄが形成されるのは、前述したシリコン包囲体６Ａ，６Ｂ，６Ｃの場合と同様である。

前述したシリコン包囲体６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは、最薄部で１ｍｍ以上の厚みに成形すれば、水素ガス爆発エネルギによる亀裂の発生を防止できる。
また、同シリコン包囲体６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄのアルミニウムに対する接着強さは、ＪＩＳ Ｋ ６８５０準拠で０．８５Ｐａ以上である性能を有することで、防爆容器本体１０を構成するアルミニウムから長期間に亘って剥離するのを防止できる。

固化状態のシリコン包囲体６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄには、少なくとも−４０℃から＋１８０℃の温度範囲においても弾性や電気的絶縁性の変化しない特性を有し、また、絶縁破壊強さにおいても、２５ＫＶ／ｍｍ以上の特性を有するシリコンゴム製品を用いれば所用目的を達成できる。

図示実施例による高周波型無線基地局は、以上に述べたような構造であるから、２０００立方センチメ−トル〜６０００立方センチメ−トルいった容積であっても、ＩＩＣグル−プでの「水素ガス」の防爆性能を維持できる。

この理由は、シリコン包囲体６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄの軟性による爆発時における衝撃エネルギの緩和と、シリコン樹脂自体の放熱性と熱伝導性による温度低下の温度変換が行われることによるものと思われる。また、局部から全体に亘って、耐圧容器内温度を早期に安定均一にできるため、水素ガス爆発に対しても、火炎逸走を抑制し、衝撃的な爆発力を和らげ、防爆容器に爆発時の熱量を迅速に熱伝導できることにもよるものと判断される。

そして、プリント配線基板４０に設けるシリコン包囲体６Ｄは、水素ガス爆発時に生じる急激な温度上昇で、プリント配線基板４０の表面の半田が一時的にしろ溶融するのを防止でき、しかも防爆容器本体１０内部での爆発時の衝撃波を緩和できる。このシリコン包囲体６Ｄの爆発時の衝撃波緩和機能は、シリコン包囲体６Ａ，６Ｂ，６Ｃにも認められる。

なお、前記実施例の説明では、本発明を高周波型無線基地局に適用したものを述べたが、本発明は、別の防爆方電気機器にも適用できるのは、改めて指摘するまでもない。

本発明による高周波型無線基地局の正面図である。 同高周波型無線基地局の断面図である。 図２の３−３線に沿う断面図である。 図３の４−４線に沿う断面図である。 図４の５−５線に沿う断面図である。 （ａ），（ｂ）は同高周波型無線基地局に用いる容器蓋の内面図及び断面図である。 （ａ），（ｂ）は同高周波型無線基地局に内蔵される制御ユニットのプリント配線基板の内面図及び断面図である。 （ａ），（ｂ）は防爆容器に求められる性能の説明図である。 は従来の防爆容器のアンテナ付近の要部拡大断面図である。

符号の説明

１ａ 底壁
１ｂ 周壁
１ｃ 内底面
１ｄ 左右内側面
３ａ 内面
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ ダム用リブ
６Ａ，６Ｂ，６Ｄ シリコンゴム包囲体
７ ダム用リブ
８ 仮ダム
１０ 防爆容器本体
２０ 締結ネジ
３０ 容器蓋
４０ プリント配線基板

Claims (7)

1. 耐圧性のあるアルミニウム素材からなる良熱伝導防爆容器本体の内表面に同内表面を複数の充填区域に区画するダム用リブを一体形成すると共に、前記防爆容器本体と同様材料で構成される容器蓋の内面にも同内面を複数の充填区域に区画するダム用リブを一体形成し、前記防爆容器本体及び前記容器蓋の充填区域に電気的老化特性トラッキング指数（ＣＴＩ：４００〜６００）の難燃性シリコンゴムを充填・固化させて防爆容器内面にシリコン包囲体を形成したことを特徴とする防爆電気機器。
2. 前記防爆容器本体の前記内表面は、底壁の内底面及び周壁の内側面であることを特徴とする請求項１に記載の防爆電気機器。
3. 内部に組込まれる制御ユニットのプリント配線基板の半田面を取囲む枠状の仮ダムを同半田面に位置し、この仮ダムの内部にもシリコン包囲体を形成し、耐圧容器内にシリコン包囲体を備える電気的老化特性トラッキング指数（ＣＴＩ：４００〜６００）の難燃性シリコンゴムを充填・固化させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の防爆電気機器。
4. 前記難燃性シリコンゴムは、防爆容器本体を構成するアルミニウムに対する接着強さが０．８５Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかひとつに記載の防爆電気機器。
5. 固化状態の前記シリコン包囲体は、少なくとも−４０℃から＋１８０℃の温度範囲内で安定した固化状態を保つことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかひとつに記載の防爆電気機器。
6. 固化状態の前記シリコン包囲体の絶縁破壊強さは、少なくとも２５ＫＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１、請求項３、請求項５のいずれかひとつに記載の防爆電気機器。
7. 防爆電気機器は、高周波型防爆無線基地局であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかひとつに記載の防爆電気機器。