JP7783096B2

JP7783096B2 - 防爆型機器

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Publication number: JP7783096B2
Application number: JP2022038978A
Authority: JP
Inventors: 雅弘小松
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2025-12-09
Anticipated expiration: 2042-03-14
Also published as: JP2023133786A

Description

本発明は、電子機器の内部に形成された防爆空間が不燃性物質で満たされた防爆型機器に関する。

従来、石油化学プラントなどの爆発性雰囲気において物理量を測定したり、制御対象を制御するにあたっては、例えば特許文献１に記載されているような防爆型機器が使用される。特許文献１に開示された防爆型機器においては、電子部品を収容する機器ケースの内部に防爆空間が形成されている。防爆空間には、電子部品を覆う消火容積部が設けられている。消火容積部は、いわゆるパウダー防爆構造が採用されており、その内部が砂やガラス玉によって満たされている。また、この防爆型機器は、電子部品に接続された電線を機器ケースの外に引き出す開口部を有している。この開口部は、防爆条件を満たすように封止されている。

パウダー防爆構造の国際規格であるIEC 60079-5:2015によると、材料は石英または固体ガラスの粒子とすることが規定されている。なお、ガラスの成分や形状に関する詳細な規定はなく、Void(空間)がないように粒子を満たすこと、というのが要件である。

特開２０１９－１７４４６３号公報

特許文献１に記載されているパウダー防爆構造では、大型の防爆機器に適用することが難しいという問題があった。この理由は、大型の防爆機器は機器ケースの容積が大きくなり、機器ケースの内部に充填されるガラス玉の総重量が重くなるからである。防爆機器が重くなればなるほど設置が困難になるし、振動の影響を受け易くなるために、防爆機器を支持する支持構造を強固に形成する必要がある。

本発明の目的は、軽いパウダー防爆構造を備えた防爆型機器を提供することである。

この目的を達成するために本発明に係る防爆型機器は、電子部品を収容する機器ケースの内部に防爆空間が形成されるとともに、防爆条件を満たして封止された防爆型機器において、前記防爆空間内に不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体が充填されているものである。

本発明は、前記防爆型機器において、前記防爆空間は、前記機器ケース内の前記電子部品と前記機器ケースの封止部との間の一部空間に形成され、前記球状中空体が前記防爆空間に充填されることのみで防爆条件が満たされてもよい。

本発明に係る防爆型機器は、前記防爆型機器において、プロセス現場に設置され、当該プロセス中の所定の物理量を測定するフィールド機器であってもよい。

本発明に係る防爆型機器は、前記防爆型機器において、プロセス現場に設置され、当該プロセス中の所定の制御対象を制御するフィールド機器であってもよい。

本発明によれば、軽いパウダー防爆構造を備えた防爆型機器を提供することができる。

図１は、第１の実施の形態による防爆型機器の断面図である。図２は、粒子を示す断面図である。図３は、ガラス球を充填する手順を説明するための断面図である。図４は、防爆空間の構成を変えた防爆型機器の変形例を示す断面図である。図５は、第２の実施の形態による防爆型機器の断面図である。図６は、第３の実施の形態による防爆型機器の断面図である。図７は、ポジショナのセンサ部分を拡大して示す断面図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る防爆型機器の一実施の形態を図１～図４を参照して詳細に説明する。
図１に示す防爆型機器１は、電磁流量計２である。電磁流量計２は、プロセス現場（図示せず）に設置され、当該プロセス中の所定の物理量を測定するフィールド機器である。この場合、所定の物理量とは、被測定流体の流量である。
電磁流量計２は、機器ケース３の内部に測定管４を含む検出部５を備えている。機器ケース３は、パイプ状の本体部３ａと、本体部３ａに溶接された円筒状の連結部３ｂとによって形成されている。この実施の形態による防爆型機器１は、機器ケース３の内部が防爆空間６となるように構成されている。

連結部３ｂは、検出部５から延びる電線７を機器ケース３の外に引き出すための開口部となるものである。連結部３ｂには電磁流量計２の計器部８が取付けられている。検出部５から延びる電線７は、連結部３ｂを通って計器部８に接続されている。
検出部５は、被測定流体（図示せず）が流れる測定管４と、測定管４に取付けられた一対の電極１１および一対のコイル１２などを備えている。この実施の形態においては、電極１１およびコイル１２が本発明でいう「電子部品」に相当する。

この実施の形態による防爆型機器１においては、機器ケース３の内部に不燃性の球状中空体を含む粒子１３が充填されている。すなわち、測定管４と機器ケース３との間の空間（防爆空間６）が不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３で満たされ、連結部３ｂが防爆条件を満たして封止されることでパウダー防爆構造１４が実現されている。
連結部３ｂには、粒子１３が計器部８に入ることを規制するために蓋体１５（図３参照）が設けられている。
この実施の形態による粒子１３に含まれる不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体は、中空のガラス球１３ａ｛図２（Ａ）参照｝である。上述した粒子１３を機器ケース３内に充填するにあたっては、以下の２つのパターンがある。第１のパターンは、粒子１３の一部を中空のガラス球１３ａとし、残部を中実のガラス球１３ｂ｛図２（Ｂ）参照｝とするパターンである。
第２のパターンは、粒子１３の全部を中空のガラス球１３ａとするパターンである。

機器ケース３内に充填される中空のガラス球１３ａは、肉厚が等しい１種類のものを用いる他に、肉厚が異なる複数種類の中空のガラス球１３ａを混在させてもよい。
中空のガラス球１３ａは、その粒径が防爆規定となる１ｍｍ以下になるものを用いる。さらに、中空部内が真空となるように形成された中空のガラス球１３ａや、中空部内に空気などのガスが充填された中空のガラス球１３ａを用いることができる。

中空のガラス球１３ａを電磁流量計２の機器ケース３内に充填した場合は、測定管４の口径が２５Ａで、中空のガラス球１３ａの密度が０．０６ｇ／ｃｃであると、粒子１３を充填しない場合と較べて重量増加は２．２ｇ程度と少なくなる。なお、球形のガラス球の場合は、球の半径をＲ、中空部の半径をｒとしたときに、ｒ／Ｒ＞０．８以上であると、比重が中実のガラス球１３ｂの半分以下になる。

中空のガラス球１３ａの肉厚は、機器ケース３内が中空のガラス球１３ａで満たされた状態でガラス球の重量によって潰されたり割れたりすることがない耐圧強度が得られる厚みとする必要がある。一般的な市販の中空のガラス球１３ａは、外径が６０～１００μｍ、肉厚が０．５μｍの薄肉であるが、１．７ＭＰａの耐圧強度を有しているため、機器ケース３内への充填に十分耐えうるものである。
電磁流量計２の口径が中口径程度となると、粒子１３の充填量が増大してガラス分の重量増加が無視できない程度になる。このような場合は、中空のガラス球１３ａと中実のガラス球１３ｂとを混在させることが考えられる。

中空のガラス球１３ａ（以下においては中空球１３ａという）と中実のガラス球１３ｂ（以下においては中実球１３ｂという）の重量比が０．５未満となるような中空球１３ａの厚みｔは、下記の式（１）より、外径の１０分の１より小さくなることが分かる。

式（１）において、Ｖ0は中実球１３ｂの体積、Ｖは中空部の体積である。中空球１３ａと中実球１３ｂの重量比は、中空部の比重は０と考えると（Ｖ0-Ｖ）／Ｖ0となる。また、式（１）において、Ｄはガラス球の外径、半径ＲはＤ／２、ｄは中空部の径、ｒは中空部の半径である。肉厚をｔとすると、ｔ＝Ｒ－ｒである。
中実球１３ｂの体積Ｖ0＝4πR³／３、中空部の体積Ｖ＝４πr³／３である。
上記の式（１）より、ｔ＜０．２Ｒ＝０．１Ｄとなる。ガラスの密度は２．２ｇ／ｃｍ³である。市販品では、外径５０μｍ、肉厚０．５μｍ、真密度０．１３ｇ／ｃｃ、かさ密度０．０８ｇ／ｃｃ（充填率６３％程度）の中空球１３ａがある。この中空球１３ａの耐圧値は１．７ＭＰａ程度である。この中空球１３ａの肉厚ｔ＝０．０１Ｄである。

防爆の範囲であるＤ＜１ｍｍで、ｔ＞０．０１Ｄ以上であれば、機器ケース３に充填したガラス球の重量で中空球１３ａが圧壊することはほぼない。肉厚は、更に薄くてもよいが、製法的な制約があるし、取り扱い時に割れ易くなるために現実的ではない。ガラス球の外径Ｄは、更に小さくてもよいが、蓋体１５と機器ケース３との間の隙間から漏れ出さない程度に大きいほうがよい。
上記の充填率について：径が均一な球の充填率は、面心立方または六方最密充填のときに最大になり７４％、現実的には６４％程度である。
上記のかさ密度について：かさ密度＝ガラス密度×重量比×充填率
ただし、重量比＝（Ｖ0－Ｖ）／Ｖ0となる。

次に、図３を参照してガラス球（不燃性の球状中空体を含む粒子１３）の充填方法を説明する。
電磁流量計２の機器ケース３にガラス球（粒子１３）を充填するためには、図３に示すように、機器ケース３を連結部３ｂが上方に向けて開口する姿勢として加振装置１６に支持させる。加振装置１６は、機器ケース３を水平方向や上下方向に振動させるように構成されている。
ガラス球（粒子１３）の充填は、機器ケース３を振動させながら、連結部３ｂの開口にガラス球（粒子１３）をホッパー１７を用いて落下させて行う。ホッパー１７には、ガラス球（粒子１３）の流れる量を計る計量器（図示せず）が設けられている。ガラス球（粒子１３）を機器ケース３に投入するときには、機器ケース３の予め定められた容量に対し、ガラス球（粒子１３）の流量に基づいて充填量を確認しつつ所定量までガラス球（粒子１３）をホッパー１７から注ぐ。なお、ガラス球（粒子１３）の流量に基づいて充填量を確認する他に、投入されたガラス球（粒子１３）の重量に基づいて充填量を確認することも可能である。

機器ケース３の中に投入されたガラス球（粒子１３）は、機器ケース３の振動が伝わることにより隙間に流れ込み、機器ケース３の内部に隙間なく充填される。
そして、ガラス球（粒子１３）が連結部３ｂの開口部分に達したときにガラス球（粒子１３）の投入を止め、連結部３ｂに蓋体１５を取付ける。蓋体１５には、図示してはいないが、検出部５と計器部８とを接続する電線７を通すための穴あるいはスリットが形成されている。連結部３ｂまでガラス球（粒子１３）が充填されることにより、機器ケース３の連結部３ｂ（開口部）が防爆条件を満たして封止された防爆型機器１が実現される。

この実施の形態による防爆型機器１は、機器ケース３の内部に防爆空間６が形成されるとともに、機器ケース３内の電極１１やコイル１２（電子部品）に接続された電線７を機器ケース３の外に引き出す連結部３ｂ（開口部）を有している。また、この防爆型機器１においては、防爆空間６内に中空のガラス球１３ａを含む粒子１３が充填されて連結部３ｂが防爆条件を満たして封止されている。なお、封止された連結部３ｂを封止部と称す。
このため、防爆空間６内を中実の粒子１３のみによって満たす場合と較べると、軽いパウダー防爆構造１４が得られる。したがって、この実施の形態によれば、軽いパウダー防爆構造を備えた防爆型機器を提供することができる。

（パウダー防爆構造の変形例）
図１に示す防爆型機器１においては、機器ケース３の内部の全域にガラス球（粒子１３）が充填されている。しかし、パウダー防爆構造１４は、図４に示すように、機器ケース３の一部のみにガラス球（粒子１３）を充填するだけであっても実現可能である。図４において、図１および図３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

図４に示す防爆型機器１の連結部３ｂは、本体部３ａとの境界部分に仕切壁２１を有している。仕切壁２１は、本体部３ａ内と連結部３ｂ内とを仕切り、連結部３ｂの蓋体１５との間に防爆空間２２を形成している。すなわち、電極１１やコイル１２などからなる電子部品と連結部３ｂの上端の開口（機器ケース３の開口部）との間の一部空間に防爆空間２２新が形成されている。この防爆空間２２にガラス球（粒子１３）が充填されている。この防爆型機器１のパウダー防爆構造１４は、防爆空間２２にガラス球（粒子１３）が充填されることのみで防爆条件が満たされる構成が採られている。
パウダー防爆構造１４をこのように構成すると、図１に示す実施の形態を採る場合と較べてガラス球（粒子１３）の総重量を軽くすることができるから、より一層軽いパウダー防爆構造を備えた防爆型機器を提供することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る防爆型機器は図５に示すように構成することができる。図５に示す防爆型機器３１は、磁気式の角度センサ３２で、非磁性材からなる金属ケース３３の内部に検出部３４を備えている。
角度センサ３２は、プロセス現場に設置され、当該プロセス中のバルブの実開度の測定などに用いられるフィールド機器である。この角度センサ３２は、例えば調節弁の開度を制御するポジショナの構成部品や、液面計の構成部品としても用いられるものである。この角度センサ３２が測定する所定の物理量とは、角度センサ３２の近傍に位置する磁石３５が取付けられた回転部品３６の回転角である。回転部品３６は、図５において上下方向に延びる中心線Ｃを中心にして回転する。

金属ケース３３は、扁平な基板部３３ａと、基板部３３ａに被せられたキャップ部３３ｂとによって形成されている。この実施の形態においては、金属ケース３３が本発明でいう「機器ケース」に相当する。基板部３３ａには、複数のリード線３７を通すための第１および第２の貫通孔３８，３９と、金属ケース３３内に防爆用の粒子１３を投入するための投入口となる第３の貫通孔４０とが形成されている。第１および第２の貫通孔３８，３９は、リード線３７が挿通された状態でハーメチックシール４１によって封止されている。この実施の形態においては、これらの第１および第２の貫通孔３８，３９が「開口部」に相当する。第３の貫通孔４０は、封止パイプ４２によって閉塞されている。閉塞された開口部を封止部と称す。

金属ケース３３内に挿入されたリード線３７の先端部には、基板４３が取付けられている。基板４３の中央部には支柱４４が立設され、この支柱４４の先端にはセンサ本体４５が取付けられている。センサ本体４５は、磁石３５の磁界の強さに基づいて回転部品３６の回転角を検出するもので、リード線３７にワイヤ４６を介して電気的に接続されている。この実施の形態においては、金属ケース３３内に挿入されたリード線３７と、センサ本体４５と、ワイヤ４６などが本発明でいう「電子部品」に相当する。また、この実施の形態においては、金属ケース３３が本発明でいう「機器ケース」に相当し、金属ケース３３の内部の空間が防爆空間４７になる。

金属ケース３３の内部には不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３が充填されている。すなわち、金属ケース３３内の空間（防爆空間４７）が不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３で満たされてパウダー防爆構造４８が実現されている。球状中空体は、第１の実施の形態を採るときに用いた中空のガラス球１３ａを用いることができる。金属ケース３３内に粒子１３を充填するにあたっては、中空のガラス球１３ａと中実のガラス球１３ｂとを混在させる場合と、中空のガラス球１３ａのみを金属ケース３３内に充填する場合とがある。

金属ケース３３の内部に不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３を充填するためには、金属ケース３３を基板部３３ａが上側に位置する姿勢で保持し、基板部３３ａの第３の貫通孔４０に粒子１３を投入して行う。このとき、第１の実施の形態を採るときに用いた加振装置１６を用いて金属ケース３３を振動させてもよい。
金属ケース３３内が不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３で満たされた後、第３の貫通孔４０に封止パイプ４２を挿入し、第３の貫通孔４０と封止パイプ４２との間の隙間を例えば溶接によってシールする。
この実施の形態で示すように金属ケース３３内に不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３を充填することにより、防爆型機器３１となる角度センサ３２の軽量化を図ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明に係る防爆型機器は図６および図７に示すように構成することができる。
図６に示す防爆型機器５１は、バルブ用のポジショナ５２である。ポジショナ５２は、プロセス現場に設置され、当該プロセス中のバルブの開度を制御するフィールド機器である。

この実施の形態によるポジショナ５２は、角度センサ５３を有するハウジング５４にフィードバックレバー５５を回動自在に取付けて構成されている。角度センサ５３は、ハウジング５４に対して固定されている。
フィードバックレバー５５は、ハウジング５４に支軸５６を介して揺動自在に支持されている。フィードバックレバー５５の揺動端部には図示していないバルブのステムが連動するように連結されている。フィードバックレバー５５は、ステムが開弁方向あるいは閉弁方向に平行移動することにより、支軸５６を中心にして揺動する。

支軸５６は、ハウジング５４に軸受５７によって回転自在に支持されている。支軸５６の一端部にフィードバックレバー５５が結合されている。このため、フィードバックレバー５５が揺動するときには、支軸５６がフィードバックレバー５５と一体に回動する。支軸５６の他端部には有底円筒状のヨーク５８が取付けられている。ヨーク５８は、図７に示すように、角度センサ５３の周囲を囲むように形成されており、角度センサ５３と対向する内周面に複数の磁石５９を有している。

角度センサ５３は、上述した第２の実施の形態を採るときに示したものと同等のもので、ハウジング５４に対して固定されたベース６１と、ベース６１に突設されたホルダ６２に設けられたセンサ本体６３と、センサ本体６３を収容する状態でベース６１に取り付けられたカップ状のケース６４とを備えている。ベース６１には、図示してはいないが、配線類が通されてシールされた貫通孔や、不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３を充填する充填口となる貫通孔などが形成されている。

ケース６４は非磁性材によって形成され、ベース６１に固着されている。このケース６４とベース６１との間に形成された空間が防爆空間６５となり、この防爆空間６５に不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３が充填されている。
すなわち、ケース６４内の防爆空間６５が不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３で満たされてパウダー防爆構造６６が実現されている。球状中空体は、第１の実施の形態を採るときに用いた中空のガラス球１３ａを用いることができる。ケース６４内に粒子１３を充填するにあたっては、中空のガラス球１３ａと中実のガラス球１３ｂとを混在させる場合と、中空のガラス球１３ａのみをケース６４内に充填する場合とがある。

この実施の形態よれば、角度センサ５３のケース６４内が防爆空間６５となる防爆型のポジショナ５２が実現される。この実施の形態で示すように角度センサ５３のケース６４内に不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を含む粒子１３を充填することにより、防爆型機器５１となるポジショナ５２の軽量化を図ることができる。角度センサ５３内に球状中空体を含む粒子１３を充填するときは、上述した第１の実施の形態を採るときに用いた加振装置１６を用いてベース６１およびケース６４を振動させてもよい。

上述した第１～第３実施の形態においては、不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体を中空のガラス球１３ａによって構成する例を示した。しかし、不燃性の球状中空体は、ガラス球に限定されることはなく、例えばセラミックス製の中空の球体や、合成樹脂製の中空の球体でもよい。
また、上述した実施の形態においては、ガラス球を充填するときに振動を加えて防爆空間６，２２，４７，６５内に隙間が生じることを防ぐ例を示した。しかし、ガラス球が充填されるケースの内部が単純な形状で、ガラス球が円滑に流入する場合は、充填時に振動を加えなくてもよい。

上述した実施の形態においては、プロセス現場に設置されてプロセス中の所定の物理量を測定するフィールド機器として電磁流量計２と角度センサ５３を挙げて説明した。しかし、本発明は、機械式の流量計、熱式の流量計、圧力センサ、真空計など、流体の流量、気体や液体の圧力、物質の移動速度などを測定する各種の検出装置に適用することができる。
また、上述した実施の形態においては、プロセス中の所定の制御対象を制御するフィールド機器としてバルブ用のポジショナ５２を挙げて説明した。しかし、制御対象を制御するフィールド機器としては、バルブやその他の装置の動作を制御するコントローラでもよい。

１，３１，５１…防爆型機器、２…電磁流量計（フィールド機器）、３…機器ケース、３ｂ…連結部（開口部）、６，２２，４７，６５…防爆空間、７…電線、１１…電極（電子部品）、１２…コイル（電子部品）、１３…不燃性の球状中空体を含む粒子、１３ａ…中空のガラス球、１３ｂ…中実のガラス球、３２角度センサ（フィールド機器）、３３…金属ケース、３７…リード線（電子部品）、４５，６３…センサ本体（電子部品）、４６…ワイヤ（電子部品）、５２…ポジショナ（フィールド機器）、６４…ケース。

Claims

電子部品を収容する機器ケースの内部に防爆空間が形成されるとともに、防爆条件を満たして封止された防爆型機器において、
前記防爆空間内に不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体が充填され、
前記球状中空体の外径Ｄは、Ｄ＜０．１ｍｍであり、
前記球状中空体の肉厚ｔは、０．０１Ｄ＜ｔ＜０．１Ｄであること
を特徴とする防爆型機器。
電子部品を収容する機器ケースの内部に防爆空間が形成されるとともに、防爆条件を満たして封止された防爆型機器において、
前記防爆空間内に不燃性かつ電気絶縁性を有する球状中空体が充填され、
前記防爆空間は、前記機器ケース内の前記電子部品と前記機器ケースの封止部との間の一部空間に形成され、前記球状中空体が前記防爆空間に充填されることのみで防爆条件が満たされること
を特徴とする防爆型機器。
プロセス現場に設置され、当該プロセス中の所定の物理量を測定するフィールド機器であること
を特徴とする請求項１または２に記載の防爆型機器。
プロセス現場に設置され、当該プロセス中の所定の制御対象を制御するフィールド機器であること
を特徴とする請求項１または２に記載の防爆型機器。