ガス関連技術データ

防爆：爆発防止用窒素ガス
【限界酸素濃度】
希釈：必要な
窒素ガスの量
湿度
空気中の水分量
大気成分の
水への溶解量
騒音
大気成分
物性値
人体への影響

使用単位

(1)窒素の使用量

液体窒素1kgはガスになると、0.8Nm³(0℃、1atm状態時)となります。このため、毎月A tonの液体窒素を使用している場合は、A x 1,000 x 0.8 = 800A Nm³/月の窒素ガスが使用されていることになります。右表に、液体窒素とガス窒素他の換算表を示します。

(2)PPM表示

1ppmは、百万分の一を示します。このため、酸素濃度100ppmが必要な場合は、窒素純度は、99.99%になります。尚、一般的には酸素濃度を測定して窒素濃度を表示する場合が多く、この場合の窒素純度はアルゴンガスを含んだ濃度になります。

酸素濃度【ppm】	窒素濃度【%】
10	99,999
100	99,99
1,000	99,9
10,000	99

(3)ガス・気体の流量単位(体積流量)

ガス･気体は、圧力、温度により体積が変化する圧縮性の流体です。PSAやコンプレッサなどの装置の性能は温度により大きな影響を受けます。業界により、定義が異なる場合があります。このため、カタログなどに記載されている流量の条件には注意が必要です。

(以下の例示は相対値を示します)

用語	定義	例示	備考
基準状態 (normal condition)	温度 0 ℃ ，絶対圧 101.3 kPa(760mmHg) 相対湿度 0 %の気体の状態	1m³ [NTP]	JIS B0132:2005参考
標準状態 (standard condition)	温度 20 ℃ ，絶対圧 101.3 kPa(760mmHg) 相対湿度 0 %の気体の状態	1.073m³ [STP]	JIS B0132:2005参考
標準参考空気 (Atomosphere Normale de Reference)	温度20 ℃ ，大気圧0.1MPa （750mmHg）相対湿度65%の空気	1.105m³[ANR]	JIS B8393:2000

液体窒素(-196℃)		ガス窒素
【kg】	【Lit.】	【Nm³】	【Sm³】
1.0	1.237	0.800	0.902
0.808	1.0	0.646	0.729
1.251	1.547	1.0	1.128
1.109	1.371	0.886	1.0
液体酸素(-183℃)		ガス酸素
【kg】	【Lit.】	【Nm³】	【Sm³】
1.0	0.876	0.700	0.789
1.141	1.0	0.799	0.901
1.429	1.252	1.0	1.128
1.267	1.110	0.886	1.0
液体アルゴン(-186℃)		ガスアルゴン
【kg】	【Lit.】	【Nm³】	【Sm³】
1.0	0.713	0.561	0.633
1.398	1.0	0.785	0.885
1.783	1.272	1.0	1.128
1.580	1.128	0.886	1.0
液化炭酸(-20℃)		炭酸ガス
【kg】	【Lit.】	【Nm³】	【Sm³】
1.0	0.969	0.506	0.571
1.032	1.0	0.526	0.593
1.977	1.919	1.0	1.128
1.752	1.701	0.886	1.0
液化水素(-253℃)		ガス水素
【kg】	【Lit.】	【Nm³】	【Sm³】
1.0	14.100	11.140	12.560
0.071	1.0	0.790	0.891
0.090	1.267	1.0	1.128
0.080	1.122	0.886	1.0
Nm³： 0℃、1atm基準。 Sm³：35℃、1atm基準の商取引上用いられるガスの容積単位

(4)体積流量の換算 ( @ 大気圧=絶対圧101.3kPa=0.0MPaG)

温度 ℃	湿度 %	例　示	比較
20	0	1 m³ (NTP) = 1 m³ @0℃ = 1 Nm³ = 1 x (273.15+20)/273.15 = 1 x 1.0732 = 1.0732 m³ @ 20℃= 1.0732 m³ (STP)	114.6
20	0	1 m³ (STP) = 1 m³ @ 20℃= 1 x 273.15/(273.15+20) = 1 x 0.9318 = 0.9318 m³ @0℃ = 0.9318 Nm³ = 0.9318 m³ (NTP)	106.8
20	60	1 m³ @ 20℃= 1 x 273.15/(273.15+20) = 0.9318 m³ @ 0℃ = 0.9318 Nm³ → 0.9318 x (760-10.5)/760 Nm³-Dry = 0.9318 x 0.9862 Nm³-Dry = 0.9189 Nm³-Dry	105.3
30	75	1 m³ @ 30℃= 1 x 273.15/(273.15+30) = 0.9010 m³ @ 0℃ = 0.9010 Nm³ → 0.9010 x (760-23.9)/760 Nm³-Dry = 0.9010 x 0.9686 Nm³-Dry = 0.8727 Nm³-Dry	100.0
35	80	1 m³ @ 35℃= 1 x 273.15/(273.15+35) = 0.8864 m³ @ 0℃ = 0.8864 Nm³ → 0.8864 x (760-33.8)/760 Nm³-Dry = 0.8864 x 0.9555 Nm³-Dry = 0.8470 Nm³-Dry	97.06

防爆：爆発防止用窒素ガスについて【限界酸素濃度】

燃焼が起こるのに必要な必須条件｢燃焼の三要素｣は、①可燃性物資、②酸素供給体(空気など)、③熱源(点火エネルギー)で、この三要素が同時に存在する場合に燃焼が起こります。又、燃焼の継続には、次々に分子が活性化されて継続的に酸化反応を続ける事により進行し、この連鎖反応を燃焼の三要素に加えて、燃焼の四要素と呼ぶ事があります。

可燃性物資の燃焼には、酸素がある濃度以上必要であり、その濃度は限界酸素濃度と呼ばれています。この酸素濃度は、可燃性物質の種類によって異なり、窒素ガスを添加して消化する場合は、酸素濃度を多くの場合10～12%以下にする必要があります。但し、水素、一酸化炭素、アセチレン等では、この限界酸素濃度が数パーセント以下になるので、可燃性ガスの種類、デッドスペース等の流れ(複雑な構造物等)の影響も考慮して、必要な窒素ガス流量を決定する事が必要です。

これらより、防爆防止用には、95%程度の窒素ガスが最低必要です。

可燃性ガス	限界酸素濃度
水素	5.0 %
一酸化炭素	5.6 %
メタン	12.1 %
エタン	11.0 %
プロパン	11.4 %
ブタン	12.1 %
エチレン	10.0 %
プロピレン	11.5 %
ベンゼン	11.2 %

希釈：窒素ガスでの希釈に必要な量

容器内の可燃性ガス等を窒素ガスで希釈する場合の理論量/置換回数(容器空容積に対する倍数)を右上図に示します。この図は、完全混合槽列モデル(装置の混合特性を完全混合槽の直列結合で近似するもの)で、槽列を1槽で計算した理想的な置換を行う場合の置換回数を示しています。実際の場合には、デッドスペース等の流れ(複雑な構造物等)が影響します。

(1) 窒素ガスによる可燃性ガス等の置換

以下に理想的なケースの残存ガス濃度に対する理論置換回数(量、100%N₂の線)を例として示します。

10%以下　→　2.5 回以上
1%以下　→　4.5 回以上　(空容積の4.5倍以上の窒素ガスを流す)

(2) 窒素ガスによる大気成分(酸素)の置換

色々な純度の窒素ガスで、大気成分(N₂=78vol%)を置換する場合の置換回数と容器内の酸素等の
残留濃度比(右上図)と容器内が90%窒素に、95%窒素に各々到達する置換回数(右下図)を示します。

こちらも参照下さい！

例えば、大気成分の容器内を96%N₂で置換する場合は、以下のようになります。
容器内の78%窒素が、90%窒素に置き換わるための理論置換回数：1.14回 (右下図参照)

　　(上図の容器内残留濃度比では、残存10%-O₂/初期22%-O₂=45%)

95%窒素に置き換わるための理論置換回数：2.94回 (右下図参照)

　　(上図の容器内残留濃度比では、残存5%-O₂/初期22%-O₂=23%)

窒素ガスによる可燃性ガス等の置換

窒素ガスによる大気成分(酸素)の置換

湿度：空気中の水分量（R.H. : Relative humidity　相対湿度）

大気中の空気をコンプレッサで圧縮した後に、例えば冷凍式ドライヤで10℃(加圧下)に冷却した時の空気中の水分の諸元は右図より、次のようになります。

30℃、相対湿度(R.H.)70%の空気中には、約2.9vol%の水分が含まれています。圧縮してドライヤ等で10℃迄冷却して水分を除去しますと、空気流量は約2.8%減少します。右両図参照。
コンプレッサで0.7MPaGに圧縮し、ドライヤ等で10℃まで冷却した時の大気圧下の露点は、約-17.5 ℃、即ち、圧縮空気中に0.15vol％の水分が残っていることになります。右図に示すように、その他の加圧下露点では概略以下の関係にあります。
(JIS Z8806-2001の過冷却水の飽和蒸気圧より計算、JIS K0512の氷の蒸気圧表と数値が異なり、下図は露点が1～2℃低い数値となっています)

圧力 [MPaG]	加圧下 10 ℃露点		加圧下 12 ℃露点		加圧下 15 ℃露点
圧力 [MPaG]	大気圧露点 [℃]	水分濃度 [vol％]	大気圧露点 [℃]	水分濃度 [vol％]	大気圧露点 [℃]	水分濃度 [vol％]
0.6	-15.9	0.175	-14.3	0.200	-11.9	0.243
0.7	-17.5	0.153	-15.9	0.175	-13.6	0.213
0.8	-18.9	0.136	-17.3	0.156	-15.0	0.189
0.83	-19.3	0.132	-17.7	0.151	-15.4	0.183

・空気中の水分量は常に変化しており、高温多湿時程水分量が多くなり、その空気を圧縮して水分除去すると空気量が減少します。このため、コンプレッサ、窒素･酸素ガス発生PSA装置では、通常以下のように、取合条件が決められています (化学工学便覧4版飽和空気特性表の飽和蒸気圧より計算しています)。

温度 [℃]	同蒸気圧 [mmHg]	規定湿度 [%R.H.]	同左･水濃度 [vol%]	摘要保証条件
20	17.53	60	1.38	PSA
30	31.83	70	2.93	圧縮機
35	42.18	80	4.44	PSA

大気成分の水への溶解量 (溶解度)

水に対する大気成分(窒素ガス、酸素ガス、二酸化炭素ガス)の溶解量を下図に示します。これらのガスは比較的難溶性のガスで、溶解量は一般にヘンリーの法則が成立します。

p　=　E m： p=液と平衡にある気相中の溶質ガス分圧、E=ヘンリー定数：温度の関数、m=液相中の溶質ガスのモル分率

このため、空気成分をPSA等で濃縮したガスを水と接触させると、分圧が高くなった分だけ溶解量が増加します。
分圧の違いによる水への溶解量の影響例（酸素ガス）を、こちらに示します!

大気下での大気成分の水への溶解度
(N2:78.03%, O2:20.99%, CO2:0.03%)
窒素ガスの水への溶解量
(圧力、温度依存性)

騒音

騒音の大きさは、周波数特性を踏まえ音圧レベルを補正した騒音レベル(計量法第71条の条件に合格した騒音計で測定して得られた測定値で、騒音計の周波数補正回路A特性で測定)を用います。騒音レベルの単位は、デシベル (dB)です。

(1) 距離減衰

騒音規制法により、特定施設(圧縮機他)を設置した場合は、基準を遵守する必要があり、且つ、設置の際には事前に市町村長への届出が必要です。基準値は都道府県条例により定められます。例を下表に示します。

点音源と線音源(無限長)の距離による騒音の減衰状況の比較を右図に示します。

点音源の距離による音の減衰量⊿Ｌの求め方は、以下の通りです。

⊿Ｌ＝20log10・ｒ2/ｒ1（dB）
ｒ1＝騒音の測定点と音源の距離（m）
ｒ2＝騒音値を求める点と音源の距離（m）

点音源の場合は、距離が2倍、4倍、10倍になれば、それぞれ6ｄB、12ｄB、20ｄB減衰します。

一方、線音源の場合は、距離減衰しにくくなり、文献によると、(音源の長さ)／πの距離までは無限長音源のように減衰し、それ以遠では点音源のように減衰するとされています。

例えば、線音源が31.4mの長さがある場合は、音源からの距離が31.4mまでは、左図の線音源に沿って減衰し、それ以後は点音源の減衰に近づいていくようです。

距離減衰

工業地域(第4種区域)の騒音規制基準の例
時間の区分	朝(午前5/6時～午前7/8時) 夕(午後6/7/8時～午後9/10/11時)	昼間 (午前7/8時～午後6/7/8時)	夜間 (午後9/10/11時～翌日午前5/6時)
環境省/規制基準	60～70デシベル	65～70デシベル	55～65デシベル
大阪府	65デシベル	70デシベル	60デシベル
兵庫県	70デシベル	70デシベル	60デシベル
東京都	60デシベル	70デシベル	55デシベル

上記の基準は最新のものをご確認下さい。

騒音レベルによる許容基準
暴露時間	許容基準	暴露時間	許容基準
14時間/日	80 dB(A)	2時間/日	91 dB(A)
16時間/日	82 dB(A)	1時間/日	94 dB(A)
8時間/日	85 dB(A)	30分/日	97 dB(A)
4時間/日	88 dB(A)	15分/日	100 dB(A)

日本産業衛生学会の騒音の許容濃度等の勧告(2020年度)より、上記は最新のものをご確認下さい。

(2) 対象音の騒音レベルの推定

対象物の騒音の測定値から、対象物が無い場合の騒音値(暗騒音)を引いた値(指示値差)により、対象物の騒音レベルを右図より、推定できます。

例) 圧縮機を運転中の騒音測定値: 68 dB
圧縮機が無い場合の騒音測定値: 65 dB (暗騒音)
指示値差: 3 dB
補正値: -3.0　 (右図より)
圧縮機単独の騒音レベル: 65 dB (68-3)

上記より、以下の事が言えます。

レベル差が、10dB以下の時は、右図より、対象音の騒音レベルを推定できます。
対象音と暗騒音のレベル差が、10dBを超える場合は、暗騒音の影響はほとんどありません
(0.45dB以下)。

右図は、以下の計算式によります。

騒音レベルの計算式

　例えば、85dBの圧縮機が３台稼働している場合は、上式で、騒音値は、90 dBとなります。但し、実際には、反射･共鳴などのさまざまな要因で騒音値が大きくなることがあります。

騒音測定値

騒音計算

大気成分物性値

自然界/大気の主要構成成分と物性値

	窒素 N₂	酸素 O₂	アルゴン Ar	二酸化炭素 CO₂	水 H₂O	水素 H₂	ヘリウム He
乾燥大気成分 ^*1	78.08 vol% 75.51 wt%	20.95 vol% 23.14 wt%	0.93 vol% 1.29 wt%	0.041 vol% 0.062 wt%	-	0.50 v-ppm 0.03 w-ppm	5.2 v-ppm 0.72 w-ppm
分子量	28.02	32.00	39.94	44.01	18.02	2.02	4.00
比重 ^*2	0.97	1.11	1.38	1.53	-	0.07	0.14
融点[K]	63.29	54.75	83.95	216.55 (0.43MPa)	0.0	14.05	0.95
沸点[K] （[℃]）	77.35 （-195.8）	90.15 （-183.0）	87.45 （-185.7）	194.65 (昇華)	373 （100）	20.45 （-252.7）	4.22 （-268.9）
蒸発潜熱 @ 沸点 [J/g]	199.1	213.1	167.0	573.5	2,254	446.2	20.4
臨界圧力[MPa]	3.29	4.93	4.76	7.30	22.03	1.20	0.13
臨界温度[K]	126.05	154.35	151.15	304.25	647.35	33.25	5.19
圧縮係数	0.292	0.292	0.291	0.280	0.229	0.305	0.300
CAS　No.	7727 -37-9	7782 -44-7	7740 -37-1	124 -38-9	-	1333 -74-0	7440 -59-7
JIS規格　K	1107	1101	1105	1106	-	0512	-
ボンベの色	ねずみ色	黒色	ねずみ色	緑色	-	赤色	ねずみ色

＊出典：化学工学便覧改定4版他より。圧力はケージ圧。

＊1出典：JIS W0201-1990 表2 海面近くの清浄な乾燥空気の組成他を基にWikipediaで一部修正。その他の標準大気中の微量成分28ppmの内訳は、Q&AのAa11を参照下さい。

＊2空気の比重を1とした場合の値、ガスの容量換算はこちらを参照。

人体への影響

酸素 O₂

濃度	影響	備考
46 vol%	てんかん様全身けいれん他	短時間呼吸の高濃度中毒症状の安全限界 (MSDSより)
36 vol%		長時間呼吸の高濃度中毒症状の限界 (MSDSより)
18～25 vol%		安全範囲 (MSDSより)
20.99 vol%		通常の空気中の酸素濃度
19.5 vol%		米国 OSHAが規定する｢人に対する最低濃度｣^※２
18.0 vol%	頭痛	管理濃度：労働安全衛生規則第585条（関係者以外立ち入り禁止）、連続換気が必要^※１
16 vol%	頭痛、吐き気^※１	※２：12～15%：認識力･判断力の低下、脈拍数･呼吸回数の増加。
12 vol%	目まい、筋力低下^※１	※２：10～12%：目まい･判断力衰退、一層の脈拍数･呼吸回数の増加。
8 vol%	失神昏倒、７～８分以内に死亡^※１	※２：6～8%：8分で100%致死、6分で50%致死、4～5分は回復可能性有り
6 vol%	瞬時に昏倒、呼吸停止、死亡	※１
< 6 vol%	40秒以内に昏睡、痙攣、呼吸停止、死亡	※２

※１： H14.8 厚生労働省｢なくそう! 酸素欠乏症･硫化水素中毒｣より
※２： CEP p45, March 2012より、OSHA:Occupational Safety & Health Administration

炭酸ガス CO₂　CO₂の使い方は、こちらを参照下さい。

濃度	影響	備考
0.03vol%		通常の空気中の二酸化炭素濃度
0.1 vol%		ビル管理法／事務所衛生基準規則の管理基準
0.15 vol%		学校保健法基準値
0.5 vol% （5,000ppm）		許容濃度：日本産業衛生学会勧告値 TLV-TWA（ACGIH）
1.5 vol%	カルシウム、リン代謝に影響が出る場合がある	労働安全衛生規則第585条4（関係者以外立ち入り禁止）
3.0 vol%	作業性低下（生理機能の変化が体重、血圧、心拍数等の変化として現れる）	TLV-STEL（ACGIH）
～ 6.0 vol%	頭痛、めまい、悪心、知覚低下、過呼吸による不快感	暴露時間： 5 ～ 10分（消防予）
～ 10 vol%	意識レベル低下→意識喪失へ進む	暴露時間： 1 ～ 10分（消防予）
10 ～ vol%	意識喪失 → 短時間で生命の危険あり	暴露時間：～数分（消防予）

TLV：暴露限界値（threshold limit value）、物質の気中濃度を指し、労働者が1日8時間、つまり週48時間に繰り返し暴露を受けても悪影響を受けない値
TLV-TWA：時間荷重平均の許容濃度（Threshold Limit Value-Time Weighted Average）
TLV‐STEL：短時間暴露限界値（Short term exposure limit）、1日のどの15分間の時間加重平均もこの値を超えてはならない
ACGIH：American Conference of Governmental Industrial Hygienists
消防予：消防予第193号、消防庁予防課長「二酸化炭素消火設備の安全対策について（通知）」@平成8年9月20日より