Dilution Exhaust System for Flammable Gases

可燃性ガスの希釈排気システム

TN-001 · Published 2026-08-09 · Updated 2026-08-11 · Updated draft

Contents

Overview

ミュオン原子の気相反応を調べる実験や、ガス雰囲気化での実験など、ミュオンを用いたビーム実験で可燃性ガスを使用することがある。実験に用いたガスはいずれ排気されるが、このとき、ポンプ排気口から出た可燃性ガスが空気と混合し、条件によっては可燃範囲に入るおそれがある。そこで、可燃性ガスを安全に排気するための希釈システムを開発した。

Scope and safety note. 本稿は、研究用途の可燃性ガス希釈排気システムを紹介する technical note である。高圧ガス設備、防爆設備、法令要求、施設安全基準を置き換えるものではない。実装・運転時には、対象ガスの SDS、施設規程、排気設備仕様、および個別のリスクアセスメントに従う必要がある。

1. Flammability limits in air

可燃性ガスの爆発限界はlower explosive limit (LEL) と upper explosive limit (UEL) で定められる。空気中において、可燃性ガス濃度がこの範囲に入ると、点火源があれば燃焼・爆発が起こりうる。図は NIOSH Pocket Guideのデータに基づくプロットである。

Lower and upper explosive limits of common gases in air
Lower and upper explosive limits of selected gases in air. Data source: NIOSH Pocket Guide.

例えば CH₄ は 5–15 vol%, H₂ は 4–75 vol% が代表的な可燃範囲として広く使われる。水素は範囲が広く、同じ可燃性ガスでもメタンより厳しい扱いが必要である。

2. Simple dilution formula

可燃性ガス流量を $Q_f$、窒素流量を $Q_{\mathrm{N_2}}$ とすると、両者が十分に混合したと仮定したとき、燃料の体積分率 $y_f$ は

\[y_f = \frac{Q_f}{Q_f + Q_{\mathrm{N_2}}}\]

で与えられる。目標燃料分率を $y_{\mathrm{target}}$ とすると、必要な窒素流量は

\[Q_{\mathrm{N_2}} \ge Q_f\left(\frac{1}{y_{\mathrm{target}}}-1\right)\]

となる。

たとえば可燃性ガス 2 L/min、窒素 50 L/min なら

\[y_f = \frac{2}{2+50} = 0.0385 \simeq 3.85\%\]

である。

この計算は設計の第一歩として有用だが、「空気中の LEL より低い」ことと、「後から空気と混ざっても全経路で不燃である」ことは同じではない。後者を考えるには、燃料–窒素–空気の三角図（ternary diagram）が必要になる。

3. Ternary flammability diagrams and the tangent criterion

可燃性ガス・窒素・空気の三角図では、各点が混合組成を表す。燃料頂点と空気頂点の間には、空気中の可燃範囲に対応する領域がある。燃料と窒素を先に混ぜた排気流は、左辺（fuel–N₂ edge）上の点として表される。

重要なのは、その premixed fuel+N₂ stream が後から空気を巻き込むと、組成は air 頂点と premix 点を結ぶ直線上を動くことである。したがって、この直線が爆発範囲を横切らないように、premix 点を十分 N₂ 側に置く必要がある。境界条件を与えるのが、下図の tangent criterion である。

本稿におけるCH₄ / H₂ の境界点は、Molnárné & Schröder (2019) の Fig. 2 に描かれたマーカーを近似的に digitizeしたものであり、元論文の生データ表そのものではない。

3.1 Methane (CH₄)

Methane nitrogen air ternary diagram
CH₄--N₂--air ternary diagram based on the digitized Fig. 2 data used in the attached plotting script.
Methane tangent criterion zoom
Lower-edge tangent construction for CH₄. The tangent point on the CH₄--N₂ edge gives the maximum CH₄ fraction that remains nonflammable during later mixing with air.

この図において、CH₄–N₂ 辺上の tangent 点はおよそ CH₄ 9.3%, N₂ 90.7% である。したがって、理想混合を仮定する限り、

  • premix 中の CH₄ 分率 $y_f \lesssim 0.093$
  • すなわち $Q_{\mathrm{N_2}}/Q_f \gtrsim 9.7$

が、空気巻き込み時にも可燃領域へ入らないための目安になる。

3.2 Hydrogen (H₂)

Hydrogen nitrogen air ternary diagram
H₂--N₂--air ternary diagram based on the digitized Fig. 2 data used in the attached plotting script.
Hydrogen tangent criterion zoom
Lower-edge tangent construction for H₂. Because hydrogen has a much wider flammable region, the allowable H₂ fraction on the fuel--N₂ edge is lower than for methane.

同様に、H₂–N₂ 辺上の tangent 点はおよそ H₂ 5.4%, N₂ 94.6% である。したがって、理想混合の目安としては

  • premix 中の H₂ 分率 $y_f \lesssim 0.054$
  • すなわち $Q_{\mathrm{N_2}}/Q_f \gtrsim 17.5$

が必要になる。

4. Practical design guidance: how much N₂ dilution is enough?

上の結果を実務的に使うには、次の二つを区別すると分かりやすい。

Case A: already air-containing stream

すでに空気と混ざった流れの燃料濃度だけを評価するなら、まずは air LEL を下回ることが基本である。たとえば H₂ なら 4 vol%、CH₄ なら 5 vol% が代表値になる。

Case B: fuel + N₂ premix that may later entrain air

一方、研究設備の希釈排気では、まず 可燃性ガス と N₂ を混ぜ、その後に排気ダクトやポンプ排気口で空気に触れるという状況が多い。この場合は air LEL だけでは不十分で、三角図上の tangent criterion を見る必要がある。

三角図から得られる近似値をまとめると次の通りである。

Gas LEL in air (vol%) Tangent-limit fuel fraction on fuel–N₂ edge Minimum N₂ fraction on fuel–N₂ edge Minimum ideal $Q_{\mathrm{N_2}}/Q_f$
CH₄ 5.0 0.093 0.907 9.7
H₂ 4.0 0.054 0.946 17.5

この表は理想直線混合にもとづく最小条件であり、実機ではここに余裕を取るべきである。

たとえば 2 L/min の燃料に対して 50 L/min の N₂ なら、$Q_{\mathrm{N_2}}/Q_f = 25$、燃料分率は 3.85% である。これは CH₄ に対しては十分余裕があり、H₂ に対しても tangent limit より N₂ 側にある。

5. System configuration and Operating sequence

可燃性ガス希釈排気システムは、概ね次の要素で構成される。

  • Fuel source / gas cell side: 可燃性ガスを含む容器、もしくはその排気ライン
  • Fuel-flow restriction: 小流量 MFC、ニードルバルブ、オリフィスなど
  • N₂ dilution / purge line: レギュレータと MFC を備えた窒素ライン
  • Mixing section: T 字あるいはマニホールドで fuel exhaust と N₂ を合流
  • Pressure / vacuum monitoring: 圧力計・真空計
  • Pump train: スクロールポンプ、必要に応じてターボ分子ポンプ
  • Facility exhaust connection: ポンプ排気を室内に放出せず、指定排気系へ接続
  • Independent gas detection: 室内漏洩監視用の可燃性ガス検知器

Example gas-handling diagram

Example gas-handling and dilution-exhaust diagram
Example gas-handling schematic showing the gas cell, flammable-gas branch, nitrogen branch, gauges, pumps, and the connection to the designated exhaust.

Example implementation photo

Current implementation example of a gas-handling manifold
Current implementation example. Visible elements include the manifold, pressure gauges, two KOFLOC MFC units, metal flex lines, and switching valves.

以下は、希釈排気の基本的な手順の一例である。

  1. 可燃性ガス供給を閉止する。
  2. 排気ラインとポンプ系を運転状態にする。
  3. N₂ ラインを開き、MFC を通した窒素流を先に確立する。
  4. 容器側を開き、可燃性ガスを窒素で希釈しながら排気する。
  5. 容器内圧が十分低下したら、N₂ パージを行う。
  6. 必要に応じて再度真空引きする。

6. Summary

  • 可燃性ガスの排気では、空気中の LEL/UEL だけでなく、窒素で希釈した排気流が後から空気を巻き込む過程も考える必要がある。
  • 燃料--N₂--空気の三角図を用いると、空気との混合経路が可燃領域を横切らないための希釈条件を評価できる。
  • 本稿で用いた近似データでは、理想混合に対する最小 N₂/fuel 流量比の目安は CH₄ で約 9.7、H₂ で約 17.5 である。実機ではこれに十分な設計余裕を加える。
  • 実装上は、可燃性ガス流量の制限、十分な N₂ 希釈流、先行 N₂ フロー、指定排気系への接続、独立したガス検知を組み合わせる。

References

  1. NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards. U.S. Centers for Disease Control and Prevention / National Institute for Occupational Safety and Health. Public web resource: https://www.cdc.gov/niosh/npg/default.html
  2. Zlochower, I. A.; Green, G. M. The limiting oxygen concentration and flammability limits of gases and gas mixtures. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 22 (2009) 499–505. DOI: 10.1016/j.jlp.2009.03.006.
  3. Molnárné, M.; Mizsey, P.; Schröder, V. Flammability of gas mixtures. Part 2: influence of inert gases. Journal of Hazardous Materials 121 (2005) 45–49. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2005.01.033.
  4. Molnárné, M.; Schröder, V. Hazardous properties of hydrogen and hydrogen containing fuel gases. Process Safety and Environmental Protection 130 (2019) 1–5. DOI: 10.1016/j.psep.2019.07.012.