JP3668301B2 - 防火換気構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は建物の小屋裏等の換気を目的とした防火換気構造に係り、特にアルミニウム等の低溶融金属を用いて不燃性天井板の支持金具を構成することが出来るようにした防火換気構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の防火換気構造としては、本件特許出願人が開発した図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す防火換気構造（特願平４ー２４７１５４号）、或いは図９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す防火換気構造（特願平４ー２４７１５５号）等の技術が公知である。
【０００３】
即ち、図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す公知技術は不燃性天井板５１を断面コ字形のスチール、ステンレス等の高融点金属で形成した支持金具５２で支持しながら壁面５３に取付固定し、かつ支持金具５２の上面５２ａと下面５２ｂとに夫々換気孔５４、５５を穿設し、屋外側の空気が下面５２ｂの換気孔５５から支持金具５２内の換気用空気通路５６に侵入した後、上面５２ａの換気孔５４よりの小屋裏に排出して換気するように構成した構造である。かつ換気用空気通路５６内の所定位置に熱によって膨張する不燃性体積膨張材５７を設け、火災時等にはこの不燃性体積膨張材５７を膨張させて換気用空気通路５６を完全に閉鎖して遮断することが出来るようにした技術である。
【０００４】
また、図９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す公知技術は、前記支持金具５２と形状を異にし、同様にスチール、ステンレス等で形成した支持金具５８を使用して不燃性材５７を支持し、支持金具５８のＬ型基板部５８ａと断面逆コ字状の板支持部５８ｂとの間に形成される換気用空気通路５６内に不燃性体積膨張材５７を設けた構造である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
火災時の火炎等の温度は８５０〜９００℃に達するために、この温度に充分耐えるためには、１２００℃の温度にも耐えることが出来る前述の従来のようなスチールやステンレス製の支持金具５２、５８を使用して、不燃性天井板を支持する必要があった。
【０００６】
然るに、前述の従来例の支持金具５２，５８を高温溶融点を持つスチール、ステンレス等の金属で製作した場合には、次のような大きな問題があった。即ち、製造コストを重視して薄板を使用して支持金具５２，５８を形成した場合には、形状精度が悪く、変形等があるので、外観的にも好ましくない問題があった。従って、この問題を解決するために別部品等よりなるカバー材で対応していたが、構成が複雑で組立作業が煩雑である等の問題もあった。
【０００７】
また、薄板の欠点を改善するために厚板を使用した場合には、形状精度は良くなるが、加工が難しくコストアップとなり、また全体が重くなるという問題があった。更にこれ等の支持金具５２，５８は、施工現場に於いて所定の寸法に切断して使用する等の２次加工が必要とされるが、スチールやステンレス製の支持金具５２，５８は、薄板、厚板に限らず２次加工が難しい等の問題もあった。一般的に使用されるスチールは錆易い問題もあった。
【０００８】
本発明は、前述の従来の多くの問題点に鑑み開発された新しい技術であって、特に寸法精度が良く、外観が美しく、錆にくく、押し出し成形等で安価に大量生産することが出来、しかも２次加工性が良いアルミニウム等の低溶融金属を用いて形成した支持金具で、不燃性天井板を支持することが出来るようにした全く新しい技術の防火換気構造を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る防火換気構造は、前述の従来の問題点を根本的に改善した技術であって、その第１発明の要旨は、不燃性天井板を支持金具で支持すると共に該支持金具内或いはその支持金具の周りに換気用空気通路を設けかつ熱によって膨張する不燃性体積膨張材を該換気用空気通路内に設けて構成した防火換気構造に於いて、低溶融金属を用いて前記支持金具を形成し、かつ不燃性体積膨張材が設けられた支持金具の位置を中心とした場合に、該支持金具の屋外側に露出される受熱部の面積を他方の建物内部側の小屋裏に露出される放熱部の面積より小さくなるように構成したことを特徴とした防火換気構造である。
【００１０】
また、第２発明の要旨は、前記支持金具の放熱部の面積が受熱部の面積の約２倍以上であることを特徴とした第１発明の防火換気構造である。
【００１１】
更に、防火換気構造の第３発明の要旨は、支持金具の放熱部を換気用空気通路の小屋裏側に設けて構成したことを特徴とした第１発明或は第２発明のいずれかの防火換気構造である。第４発明の要旨は、支持金具の放熱部に放熱フィンを設けて構成したことを特徴とした第１発明乃至第３発明のいずれかの防火換気構造である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者等は前述の従来の多くの問題点に鑑み、種々の問題があるスチールやステンレスを使用せずに加工が容易で、寸法精度が良く、外観が美しく、錆にくく、かつ安価に大量生産することが出来る低溶融金属、例えば溶融温度が６４０〜６５５℃であるアルミニウム合金を用いて、換気用空気通路に沿って不燃性天井板を支持する支持金具を構成することが出来ないか長年に亘って研究した処、火災時の８５０〜９００℃よりも溶融温度が低い前述のアルミニウム合金を用いても、一定の条件が整えば充分使用することが出来ることを確認した。その使用が可能となった理由及び原理について説明すると、次の通りである。
【００１３】
一般に、金属を溶融するには溶融温度より高い温度環境に置いてその金属を加熱する事が必要である。かつ溶融するメカニズムは一般に周囲より熱を受け、その持つ質量と比熱及び初期と溶融温度との温度差の積に相当する熱量を受けた時に溶融温度に到達する。更に溶融するためには質量と溶融潜熱の積に相当する熱量が必要である。従ってこれ等の関係は次の式になる。
【００１４】
溶融温度に到達する迄の熱量＝質量×比熱×温度差（溶融温度−初期温度）・・・（１）、溶融する為の熱量＝質量×溶融潜熱・・・（２）
【００１５】
しかし、金属の一部を溶融温度より高い温度環境に置き、その別の部分を溶融温度より低い温度環境に置いた場合、熱が高い方から低い方に流れるため溶融温度に到達しない事はよく知られている通りである。
【００１６】
上述の関係を図で示すと、図１に於いて、Ｈ型金具３１の左片３１ａを高温部３２側に露出し、かつその右片３１ｂを低温部３３側に露出し、更にこの左右片３１ａ，３１ｂを断熱部３４で遮断した場合には、高温部３２側に露出して加熱された左片３１ａの高熱が、連結伝達片３１ｃを介して右片３１ｂに流れるために、左片３１ａの温度が高温部３２側の温度に到達しないことが知られている。更に図１に示すように、左片３１ａの面積を右片３１ｂの面積より小さくした場合には、受熱側の左片３１ａの温度がより高温度にならないことも判明した。
【００１７】
次に、図２に示すように換気用空気通路の支持金具として使用する金属材３５を加熱側３６と放熱側３７との間に衝立状に起立し、加熱側３６で該金属３５の溶融点温度３８以上の高温雰囲気温度３９ａにし、かつ放熱側３７の低温雰囲気温度３９ｂを前記溶融温度３８以下にした場合には、金属材３５の表面の高温側金属温度３９ｃは溶融点温度３８より著しく低い温度になり、かつ放熱側３７の金属材３５の表面低温側金属温度３９ｄは低温雰囲気温度３９ｂよりも高くなることが判明した。
【００１８】
従って、加熱側３６の温度が金属溶融点温度３８よりも温度の高い高温度内で、金属材３５より構成された支持具を使用しても、支持具は溶融せずに使用出来ることが明らかとなった。
【００１９】
しかし、前述のような条件が揃っていても、（１）熱伝導の通路が狭小である場合、（２）熱伝導の通路が長い場合、（３）熱伝導率が小さく熱を流し難い場合等の熱伝達が不足する場合には、加熱側３６の金属が溶融することがある。また、（４）放熱面積が狭く放熱量が不足する場合、（５）低温側の雰囲気温度３９ｂが高く放熱量が不足する場合等の放熱が不充分の場合にも、加熱側３６の金属が溶融することがあることが判明した。
【００２０】
以上の事から、アルミニウム合金等の低溶融金属を使用して支持金具を構成する場合には、次の点に留意する必要であることが判明した。即ち、（１）支持金具の換気用空気通路に沿って不燃性体積膨張材を取り付け、熱が加わった場合、発泡により空気通路を閉鎖することにより内部への熱の浸入を防止する。（２）不燃性体積膨張材の発泡により屋外側の高温雰囲気に置かれる受熱部を小さな範囲に限定する。（３）発泡した不燃性体積膨張材と合わせ金物周囲は断熱性が高いもの（比熱も高い物がよい）を用いて内部空気通路（低温側）の雰囲気温度の上昇を押さえる。（４）小さな範囲に限定された受熱部の受熱量を伝達するに十分で適切な伝熱部の面積を持つようにする。（５）前記受熱部の受熱量を小屋裏で放熱するためには、十分で適切な放熱部の面積を持つようにする。
【００２１】
次に、支持金具の加熱側の受熱部面積と放熱側の放熱部面積との関係を示すと、次項のような関係が成立することが明らかである。
【００２２】
（Ａ）受熱部で受ける熱量：Ｑ１，高温部の雰囲気温度：ｔ１，強度を考慮し押さえたい金属の温度：ｔ２，周囲より金属に温度を伝える熱貫流率：ｋ１，受熱部表面積：Ｓ１とするとＱ１＝ｋ１×Ｓ１×（ｔ１−ｔ２）となる。
【００２３】
（Ｂ）熱伝導面積：ｓ１，熱伝導率：α１，伝導長さ：Ｌ１，許容する温度低下：ｔ３とすると
【００２４】
【数１】

【００２５】
（Ｃ）放熱面積：Ｓ２，低温部の雰囲平均温度：ｔ５，低温部の金属平均温度：ｔ４，金属表面より周囲に温度を伝える熱貫流率：ｋ２とすると
【００２６】
【数２】

【００２７】
簡易的にはｋ１＝ｋ２として、熱伝導長さは短いため無視する事が出来るので、受熱部面積と放熱部面積は次の様な関係になる。
【００２８】
【数３】

【００２９】
前述の関係及び計算を基にして支持金具に使用される金属の種類、許容される温度、周辺の断熱状態、雰囲気温度、取付方法及び支持金具の寸法等を具体的に決定することが出来る。
【００３０】
次に本件発明者等は、前述の関係及び数式が成立するか否かを具体的試験に基づき確認した。即ち、直交するケイ酸カルシウム系板の角部に内外に通じる換気口と通路とを設け、かつ溶融温度が６４０〜６５５℃のアルミニウム合金製の金属板で該換気口と通路とを被覆し、かつ被覆した金属板の一部を内側に露出させて受熱部とし、かつ残りの金属板を外側に露出させて放熱部として構成した。更に熱が加わると該通路の入口が、不燃性体積膨張材で遮断されて塞がれる構造とした。
【００３１】
そして高温側温度条件をＪＩＳＡ１３０４による耐火試験加熱条件４５分の基本条件に対し、高温側金属の許容温度目標を５４０℃にした。かつ高温部雰囲気温度を８９０℃、低温側雰囲気平均温度を２００℃、高温部金属温度を５４０℃（高温部雰囲気温度との温度差３５０℃）、低温側金属平均温度を３５０℃（低温側雰囲気平均温度との温度差１５０℃）に仮定した上で、前述の換気口と通路とに被覆した金属板の高温側の受熱部面積と低温側放熱部面積の比率を試算した結果、Ｓ2 = Ｓ1 ×（３５０／１５０）≒２．３４より放熱部面積を受熱部面積の２．３４倍以上取る必要があることが明らかとなった。
【００３２】
前述の全ての関係を考慮して、本発明者等は次に説明する防火換気構造をその一例として具体化したので、図により説明する。即ち、図３（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る第１実施例の防火換気構造の要部の断面説明図、図４は図３の防火換気構造の斜視説明図、図５は図３の防火換気構造に於ける支持金具及びその周りの温度を示す断面説明図、図６は第２実施例の防火換気構造の要部の断面説明図、図７は第３実施例の防火換気構造の要部の断面説明図である。
【００３３】
図３（Ａ），（Ｂ）及び図４に於いて、１は不燃性天井板であって、支持金具２を介して建物躯体側の壁板３に取り付けられている。本発明に使用される支持金具２は低溶融金属であるアルミニウム合金で構成されている。該支持金具２はその下部に不燃性板１の側縁部が嵌入し得る断面略コ字形の支持部２ａを有し、かつこのコ字形支持部２ａの上縁には連続して垂直の立上り片２ｂが設けられ、また該立上り片２ｂの上端には水平支持片２ｃが水平方向に連設され、更に水平支持片２ｃの先端には垂直方向に取付片２ｄが連設されて構成されている。
【００３４】
４は不燃性材より構成された仕上壁であって、前記建物躯体側の壁板３の側面に積層されている。前記支持金具２の水平支持片２ｃの左右巾は、前記支持部２ａの左右巾よりも大きく形成され、その水平支持片２ｃの左側部には多数の換気孔５が並列して穿設され、かつその水平支持片２ｃの右側部は前記仕上壁４の上縁に当接され、更に前記支持部２ａの背面と該仕上壁４との間には換気用空気通路６が設けられるように構成されている。
【００３５】
また、前記支持部２ａの背面には、該換気用空気通路６に沿って熱によって膨張する不燃性体積膨張材７が取り付けられている。この不燃性体積膨張材７は火災時の通路熱風温度が１５０〜１７０℃になると約１０倍に膨張する性質を有している。その組成等については、既に特公昭６３ー１３２９６８号公報（防火組成物）、特公平３ー２３５号公報（防火・耐火被覆マット）等により公知である。
【００３６】
本発明に係る防火換気構造は、上述の如く、支持金具２の支持部２ａの背面に設けられた換気用空気通路６に沿って不燃性体積膨張材７を取付けたので、例えば図３に示すように、換気用空気通路６の下方の屋外側に火災が発生し、換気用空気通路６の通過熱風温度が約１５０℃以上になると、不燃性体積膨張材７が発泡して、換気用空気通路６を完全に閉鎖するので、これによって熱風が換気用空気通路６の上方の小屋裏に侵入することを防止することが出来る。
【００３７】
このように、図３（Ｂ）に示すような不燃性体積膨張材７で換気用空気通路６を閉鎖した場合を想定することによって、前記支持金具２を不燃性体積膨張材７が取り付けられた位置を中心にして、屋外側に露出された受熱部Ｘと小屋裏側に露出された放熱部Ｙとに区分することが出来る。従って、前記図３及び図４に示す実施例の場合では、支持金具２の支持部２ａの下面片が受熱部Ｘとなり、支持部２ａの上面片、立上り片２ｂ、水平支持片２ｃ及び取付片２ｄが放熱部Ｙとなっている。前記実施例側に於ける放熱部Ｙの受熱部Ｘに対する面積は約６．８倍に形成されている。
【００３８】
図５により、上述の構造を有する本発明の防火換気構造について実験した処、次のようなデータを得ることが出来た。即ち、ＪＩＳＡ１３０４による耐火試験加熱温度は時間と共に上昇する様になっているが、十分に加熱されたあとで高温の安定した加熱状態である３６分から４５分の１０分間のデータで説明する。まず、不燃性天井板１及び加熱発泡された不燃性体積膨張材７を堺にして、火災によって高温となる屋外側の外部高温側８と小屋裏側の内部低温側９とに分けることが出来る。
【００３９】
外部高温側８に露出した支持金具２の受熱部Ｘの面積を１とし、他の内部低温側９に露出した支持金具２の放熱部Ｙの面積は比率を用いた。また内部低温側９に露出した放熱部Ｙの面積は広いために、雰囲気温度が一様でないので、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部、Ｄ部の４カ所に分けて計算した。その実験による温度データを示すと次の表の通りである。
【００４０】
【表１】

【００４１】
以上の実験による温度データに基づき、ｋ１＝ｋ２として受熱部Ｘと放熱部Ｙとの面積と温度差の積でまとめると次表の通りである。
【００４２】
【表２】

【００４３】
前記実験結果を総合することによって、次のことが判明した。即ち、（１）当初受熱部面積Ｘに対し放熱側面積Ｙが６．８倍に形成されていると判断したが、実験結果ではＡ部は放熱がほとんどなく、Ｂ部は逆に受熱部となっている。実際の放熱に有効な面積はＣ部、Ｄ部であった。（２）受熱部側は仮定した温度差より大きな温度差の為受熱量が多くなった。これは金属の許容温度とした５４０℃に達していない為当然である。（３）放熱部側では次の様な特徴が見られた。（３−１）Ｂ部では雰囲気温度の方が金属温度より高く放熱とは逆に加熱している。これは、Ｂ部が空気通路の開口を除き周囲が囲まれた状態にある事、内部気圧が外部気圧より低く設定されている為、高温の空気が発泡材の内部を通過して浸入し溜まった状態になる為と考えられる。（３−２）他の放熱部側は面積が仮定より大きい為か金属と雰囲気の温度差が仮説より小さい。（４）受熱量が放熱を上回っている為、加熱側金属の温度は更に上昇しているが、許容温度まで上昇し、雰囲気温度との差が小さくなれば受熱量も頭打ちになり放熱量と平衡した時点で温度上昇が止まる事が容易に想定される。
【００４４】
この試験結果より、一般に住宅の火災時を想定したＪＩＳＡ１３０４による耐火試験加熱条件４５分の加熱に於いても、アルミニウム合金で作った支持金具が防火性能を失う様な破損溶融する事なく、十分に機能を発揮出来る事が分かった。
【００４５】
前記実験結果に表れた内部低温の放熱部側の特にＢ部に熱が溜まる様な雰囲気を避けるために、本件発明者等は図６に示すような第２実施例の防火換気構造も開発した。即ち、図６に示す第２実施例は、前述のような支持金具２の水平支持片２ｃ及び取付片２ｄを全く無くし、立上り片２ｂをそのまま長く小屋裏側の上方に延長した構造の支持金具１０を用いた防火換気構造である。この実施例の場合には、放熱部側に熱が溜まることがないので、支持金具１０による放熱をスムーズに行うことが出来る。
【００４６】
更に、本件発明者等は、図７に示す如く、内部低温の放熱部側空間が狭い場所等に於いて、放熱面積を大きくし、放熱効率を良くする構造について研究した処、図７の支持金具１１に示すように小屋裏の放熱部側に放熱フィン１２を一体的に取り付けることによって充分に目的を達成することが可能であることを発明した。図中１３は野縁であり、かつ１４はたる木である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る防火換気構造は上述の構成を有するので、次のような多大な効果を有している。
【００４８】
（１）火災高温側に露出される支持金具をアルミニウム合金等の低溶融点金属を用いて構成することが出来る。（２）従って寸法精度が良く、かつ外観の美しい支持金具を形成することが出来る。（３）押し出し成形が可能であるので、プレス加工やロール加工に比較して安価に大量生産することが出来る。（４）錆にくく、長年に亘って耐久力がある。（５）２次加工性に優れており、施工現場で作業を容易にすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 高温部に露出された金属の熱が低温部側に露出された金属側に流れて放熱される原理を示す一部断面説明図である。
【図２】 一枚の金属板を加熱側と放熱側とに夫々露出した場合に於ける表面温度の変化を示す説明図である。
【図３】 図３（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る第１実施例の防火換気構造の要部の断面説明図である。
【図４】 図３の防火換気構造の斜視説明図である。
【図５】 図３の防火換気構造に於ける支持金具及びその周りの温度を示す断面説明図である。
【図６】 第２実施例の防火換気構造の要部の断面説明図である。
【図７】 第３実施例の防火換気構造の要部の断面説明図である。
【図８】 図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は従来例の防火換気構造を示す側断面説明図である。
【図９】 図９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は他の従来例の防火換気構造を示す側断面説明図である。
【符号の説明】
１ 不燃性天井板 ２ 支持金具
2a 支持部 2b 立上り部
2c 水平支持片 2d 取付片
３ 壁板 ４ 仕上壁
５ 換気孔 ６ 換気用空気通路
７ 不燃性体積膨張材 ８ 外部高温側
９ 内部低温側 10 支持金具
11 支持金具 12 放熱フィン
13 野縁 14 たる木
31 Ｈ型金具 31a 左片
31b 右片 31c 伝達片
32 高温部 33 低温部
34 断熱部 35 金属材
36 加熱側 37 放熱側
38 溶融点温度 39a 高温雰囲気温度
39b 低温雰囲気温度 39c 高温側金属温度
39d 低温側金属温度 51 不燃性天井板
52 支持金具 53 壁面
54,55 換気孔 56 換気用空気通路
57 不燃性体積膨張材 58 支持金具

Claims (4)

1. 不燃性天井板を支持金具で支持すると共に該支持金具内或いはその支持金具の周りに換気用空気通路を設けかつ熱によって膨張する不燃性体積膨張材を該換気用空気通路内に設けて構成した防火換気構造に於いて、アルミニウム金属等の低溶融金属を用いて前記支持金具を形成し、かつ不燃性体積膨張材が設けられた支持金具の位置を中心として該支持金具を受熱部と放熱部とに分け、該受熱部を屋外側に露出すると共に放熱部を小屋裏側に露出して配設し、該支持金具の屋外側に露出された受熱部の面積が他方の小屋裏側に露出された放熱部の面積より小さくなるように構成したことを特徴とした防火換気構造。
2. 前記支持金具の放熱部の面積が受熱部の面積の約２倍以上であることを特徴とした請求項１或いは請求項２のいずれかの防火換気構造。
3. 支持金具の放熱部を換気用空気通路に連通する小屋裏側に露出させて設けて構成したことを特徴とした請求項１或は請求項２の防火換気構造。
4. 支持金具の放熱部に放熱フィンを設けて構成したことを特徴とした請求項１乃至請求項３のいずれかの防火換気構造。

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