粉体・粒体を容器やホッパーへ入れると、粒子同士が完全に隙間なく詰まるわけではありません。
粒子と粒子の間には空間が生まれます。
この空間が全体の体積に占める割合を表す指標が「空隙率（くうげきりつ）」です。
空隙率は、粉体・粒体の充填状態を把握するための重要な指標の一つで、
- ホッパーやサイロへの充填
- かさ密度
- 粉体層を通過する空気の流れ
- 粉体・粒体の圧密
- 設備内での材料の挙動
などを考える際に関係します。
この記事では、空隙率とは何か、基本的な計算方法、空隙率とかさ密度・真密度との関係、粉体・粒体を扱う設備で重要になる理由について解説します。
空隙率とは？
空隙率とは、粉体・粒体などを積み重ねたときに生じる粒子間の空間が、全体の体積に対してどの程度存在するかを表した値です。
例えば、砂やペレットを容器へ入れた場合を考えてみます。
容器の中には材料が入っていますが、粒子と粒子の間には空気などが存在する空間があります。
この粒子間の空間を「空隙」と呼び、その割合を表したものが空隙率です。
一般的には百分率（%）などで表されます。
例えば、粉体層全体の体積のうち40%が粒子間の空間であれば、空隙率は40%です。
空隙率の計算方法
基本的な空隙率は、次の考え方で求められます。
空隙率 ＝ 空隙の体積 ÷ 全体の体積
百分率で表す場合は、
空隙率（%）＝（空隙の体積 ÷ 全体の体積）×100
です。
例えば、粉体層全体の体積が1,000cm³あり、そのうち粒子間の空隙が400cm³だった場合、
400 ÷ 1,000 × 100 ＝ 40%
となります。
したがって、この粉体層の空隙率は40%です。
かさ密度と真密度から空隙率を計算する方法
粉体では、かさ密度と真密度を利用して空隙率を考えることもできます。
単純化した条件では、次の式で表せます。
空隙率 ＝ 1 −（かさ密度 ÷ 真密度）
百分率で表す場合は、
空隙率（%）＝｛1 −（かさ密度 ÷ 真密度）｝×100
です。
例えば、
- 真密度：2,000kg/m³
- かさ密度：1,200kg/m³
だった場合、
1 −（1,200 ÷ 2,000）＝0.4
となります。
百分率にすると、
0.4 × 100 ＝ 40%
となるため、この条件では空隙率は40%です。
ただし、実際には密度の定義や測定方法、粒子内部の細孔をどのように扱うかなどによって計算条件が変わる場合があります。
そのため、実際の評価では使用する真密度・かさ密度の定義をそろえることが重要です。
空隙率・かさ密度・真密度の違い
空隙率を理解するには、かさ密度と真密度との違いを整理すると分かりやすくなります。
| 項目 | 意味 |
|---|---|
| 空隙率 | 粉体層全体に占める粒子間空間の割合 |
| かさ密度 | 粒子間の空間を含めた粉体全体の体積に対する質量 |
| 真密度 | 粒子間の空間を除いた材料そのものの密度 |
つまり、
真密度 → 材料そのものを見る
かさ密度 → 粉体全体を見る
空隙率 → 粉体全体の中にどれだけ空間があるかを見る
という違いです。
これらを合わせて確認することで、粉体・粒体の充填状態をより理解しやすくなります。
→ かさ密度とは？計算方法・真密度との違いと粉体搬送への影響を解説
→ 真密度とは？かさ密度・見かけ密度との違いと粉体搬送で重要な理由を解説
空隙率が大きい状態とは？
空隙率が大きいということは、粉体層全体の中で粒子間の空間が多い状態です。
例えば、粒子同士が密に詰まらず、比較的ゆるく堆積している場合などです。
同じ材料・同じ質量で比較した場合、空隙が多ければ粉体層全体として占める体積は大きくなる傾向があります。
ただし、実際の空隙率は粒径だけで決まるものではありません。
粒度分布、粒子形状、充填方法、振動、圧密など、さまざまな条件によって変化します。
空隙率が小さい状態とは？
空隙率が小さい状態では、粒子同士が比較的密に充填されています。
粒子間の空間が少ないため、同じ材料で比較した場合には、かさ密度が大きくなる傾向があります。
例えば、容器へ粉体を入れた直後よりも、その後振動を与えて粒子が再配列されることで、より密に詰まる場合があります。
この場合、
粉体層の体積が小さくなる → かさ密度が大きくなる → 空隙率が小さくなる
という変化が起こる可能性があります。
空隙率に影響する主な要因
粒径
粒子の大きさは、粒子同士の詰まり方に関係します。
ただし、単純に「粒径が小さいほど空隙率が小さい」とは限りません。
粒子形状や粒度分布なども同時に影響するためです。
粒度分布
粒度分布とは、材料の中にどの大きさの粒子がどの程度含まれているかを表すものです。
例えば、大きな粒子だけで構成される材料と、大きな粒子と細かな粒子が混在している材料では、充填状態が異なる場合があります。
大きな粒子の間に細かな粒子が入り込むことで、空隙が小さくなるケースもあります。
粒子形状
球形に近い粒子と、角ばった粒子・細長い粒子・不規則な形状の粒子では、積み重なり方が異なります。
そのため、粒径が同程度でも粒子形状によって空隙率が変化する場合があります。
振動
粉体・粒体へ振動が加わると、粒子が移動・再配列して、より密に詰まることがあります。
輸送中の振動などによって、充填直後より粉体層の体積が小さくなることもあります。
圧密
サイロやフレコンなどで大量の粉体を保管すると、上部の材料重量によって下部の粉体が圧密される場合があります。
圧密によって粒子間の空間が減少すると、空隙率やかさ密度も変化します。
含水率
水分によって粒子同士が凝集したり付着したりすると、粉体の充填状態が変化する場合があります。
そのため、乾燥状態と湿潤状態では空隙率が異なることがあります。
空隙率は粉体の流動性にも関係する？
空隙率は粉体の充填状態を示す重要な指標ですが、空隙率だけで粉体の流動性を判断することはできません。
粉体の流動性には、
- 粒径
- 粒度分布
- 粒子形状
- 含水率
- 付着性
- 静電気
- 圧密状態
など、さまざまな要因が影響します。
ただし、粉体がどのような状態で充填されているかを把握することは、ホッパー・サイロ内での材料挙動を考えるうえで重要です。
→ 粉体・粒体の流動性とは？搬送効率を左右する重要なポイントを解説
空隙率と安息角の違い
粉体・粒体の性質を表す指標として、空隙率とともに「安息角」が使われることがあります。
両者は異なる性質を表しています。
- 空隙率：粒子間にどの程度の空間が存在するか
- 安息角：粉体・粒体を積み上げたときに形成される斜面の角度
安息角は粉体の流れやすさを把握する参考になる一方、空隙率は粉体層の充填状態を把握する際に利用されます。
どちらか一つだけで粉体の性質を判断するのではなく、目的に応じて複数の物性を確認することが重要です。
→ 安息角とは？粉体・粒体の流動性との関係や測定方法・設備への影響を解説
空隙率が粉体設備で重要な理由
粉体・粒体を扱う設備では、材料がどのような状態で充填・堆積するかが設備の運転に関係します。
例えば、
- ホッパー
- サイロ
- フレコン
- 粉体層を利用する設備
- 各種充填設備
などです。
空隙率が変化すれば、同じ質量の材料でも占める体積が変化する可能性があります。
そのため、設備容量や材料の充填状態を考える際には、かさ密度などと合わせて確認することが重要です。
空隙率はホッパー・サイロの充填状態にも関係する
ホッパーやサイロへ粉体・粒体を投入すると、材料は自重によって堆積します。
その後、時間の経過や振動、自重による圧密などによって、充填直後とは状態が変化する場合があります。
例えば、充填直後には一定の高さまであった粉体が、時間の経過によって沈み込むことがあります。
これは粒子が再配列し、粒子間の空間が変化したことが原因の一つとして考えられます。
このような材料では、単純な容積だけでなく、実際の充填状態やかさ密度も確認することが重要です。
空隙率は粉体層を通る空気にも関係する
粉体・粒体の層へ空気を通す場合、粒子間に存在する空隙が空気の通り道になります。
そのため、空隙の状態は粉体層を通過する気体の流れを考えるうえでも重要です。
ただし、実際の通気性は空隙率だけでは決まりません。
例えば、
- 粒径
- 粒度分布
- 粒子形状
- 粉体層の厚さ
- 充填状態
なども影響します。
同じ空隙率でも、空隙の大きさやつながり方が異なれば、空気の通りやすさも異なる可能性があります。
空隙率と粉体搬送の関係
空隙率そのものだけで「搬送しやすい・搬送しにくい」を判断することはできません。
しかし、空隙率は粉体・粒体の充填状態に関係するため、対象物の性状を把握する情報の一つになります。
粉体搬送設備を検討するときには、空隙率だけでなく、
- かさ密度
- 粒径
- 粒度分布
- 含水率
- 流動性
- 付着性
- 安息角
- 固結の有無
などを総合的に確認します。
特に実際の搬送能力をkg/hなどで検討する場合には、かさ密度が重要な情報になります。
空気搬送設備では対象物の物性を総合的に確認する
空気搬送は、空気の流れを利用して粉体・粒体をホースや配管内部で搬送する方式です。
設備を選定するときには、対象物の物性と搬送条件の両方を確認します。
対象物については、
- 材料名
- かさ密度
- 粒径・粒度分布
- 含水率
- 流動性
- 付着性
- 固結状態
などが重要です。
さらに、
- 必要搬送量
- 水平搬送距離
- 垂直方向の高低差
- ホース・配管径
- 曲がりの数
などによっても必要な設備能力は変化します。
空気搬送機「ジェクター」でも対象物の状態を確認
エコ・ワークでは、圧縮空気を利用して粉体・粒体を吸引・搬送する空気搬送機「ジェクター」を取り扱っています。
ジェクターの機種や設備構成を検討する場合にも、対象物の状態を確認します。
例えば、
- 対象物は何か
- かさ密度はどの程度か
- 粒径はどの程度か
- 乾燥しているか、湿っているか
- 固結していないか
- 1時間に何kg搬送したいか
- 何m搬送する必要があるか
- どの程度の高低差があるか
などです。
ジェクターは本体内部にモーターや回転部などの駆動装置を持たないシンプルなストレート構造で、圧縮空気を動力として使用します。
粉体・粒体の吸引・搬送・投入・回収など、さまざまな工程への活用を検討できます。
実際の粉体で搬送テストすることが重要
空隙率、真密度、かさ密度などの物性データは、対象物を理解するための重要な情報です。
しかし、これらの数値だけで実際の搬送性能を完全に判断することはできません。
粉体は、
- 水分
- 付着性
- 粒子形状
- 粒度分布
- 固結状態
などによって実際の挙動が変化するためです。
エコ・ワークでは、実際の対象物を使用したジェクターの搬送テストについてもご相談いただけます。
「物性値は分かるが、実際に搬送できるか確認したい」
「必要な搬送能力が得られるか試したい」
「長距離・高所まで搬送できるか確認したい」
といった場合は、対象物と現場条件をお知らせください。
よくある質問
空隙率とは簡単にいうと何ですか？
粉体・粒体を積み重ねたとき、粒子と粒子の間にできる空間が全体の体積に占める割合です。
空隙率の計算式は？
基本的には「空隙率＝空隙の体積÷全体の体積」です。百分率で表す場合は100を掛けます。
真密度とかさ密度から空隙率を求められますか？
密度の定義などの条件をそろえた場合、単純化すると「空隙率＝1−（かさ密度÷真密度）」という関係から求めることができます。
空隙率が高いほど粉体は流れやすいですか？
必ずしもそうではありません。粉体の流動性には、粒径、粒子形状、含水率、付着性、静電気などさまざまな要因が影響するため、空隙率だけでは判断できません。
空隙率とかさ密度は関係しますか？
関係します。同じ材料で粒子がより密に詰まり空隙が少なくなれば、一般的には粉体全体の体積が小さくなり、かさ密度が大きくなる方向に変化します。
空隙率が分かれば粉体の搬送能力を計算できますか？
空隙率だけでは計算できません。実際の搬送能力を検討するには、かさ密度、粒径、含水率、必要搬送量、搬送距離、高低差なども確認する必要があります。
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粉体・粒体の流動性とは？
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まとめ
空隙率とは、粉体・粒体を積み重ねたとき、粒子間の空間が粉体層全体の体積に占める割合を表す値です。
基本的には、
空隙率 ＝ 空隙の体積 ÷ 全体の体積
で表されます。
また、条件をそろえた場合には、真密度とかさ密度の関係から空隙率を考えることもできます。
空隙率は、
- 粉体・粒体の充填状態
- かさ密度
- ホッパー・サイロ内での堆積状態
- 粉体層を通過する空気
などを理解するうえで重要な指標の一つです。
ただし、空隙率だけで粉体の流動性や搬送性能を判断することはできません。
実際の粉体搬送設備では、かさ密度、粒径、粒度分布、含水率、付着性、必要搬送量、搬送距離などを総合的に確認する必要があります。
エコ・ワークでは、実際の対象物を使用したジェクターの搬送テストにも対応しています。粉体・粒体の搬送方法をご検討の場合は、現在分かっている物性情報や現場条件からご相談ください。