JP6611039B2 - 燃焼試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、製品や素材の燃焼試験等を行うための燃焼試験装置に係るものであり、特に燃焼試験の際に燃焼対象物が爆発しても、爆発によって発生した排ガスを外部に漏らすことなく捕捉し、有害成分除去の処理を行える燃焼試験装置に係るものである。

電池や自動車等の製品や、繊維や樹脂等の素材は、機能性を向上させるため、高いエネルギーが蓄積されていたり、可燃性材料が用いられることもある。しかし、利用時の安全性を確保するためには、これらの物（以後「燃焼対象物」と呼ぶ。）が発熱する若しくは、加熱された際に、火災や爆発等の災害を少なくすることを確認することが求められる。

また、燃焼対象物の燃焼による事象の調査、燃焼の再現（警察）、爆発安全性（爆発しないこと）の確認、電気製品の発火調査（例えば電源電圧が異常の場合等）といった、燃焼対象物の燃焼特性を確認する必要がある。

特許文献１は、電池の燃焼試験装置を示すものである。ここでは燃焼試験室と排ガス処理部を有する試験装置が開示されている。排ガス処理部には、フッ素吸着塔と水洗塔と活性炭処理槽が例示されているが、排ガスから有害成分を除去できるものであれば、その構成に制限はないとされている（００５０段落参照）。

また、ここでは燃焼試験を行う「ブース」が燃焼試験の最中に起こる爆発に対して耐圧性を有する必要があることが示されている。この際に設計時に、爆風圧の事前の見積もり計算といったことも行われている（０１２１段落参照）。

特許文献２には、燃焼試験室内で水素が漏洩して、爆発した場合でも上流および下流側の機器を保護することができる燃焼試験装置が開示されている。ここでは、耐圧構造を有する試験室に爆圧低減装置および破裂放散器が連結されている。

爆圧低減装置は、火災試験室内部およびダクト内部で発生する瞬間的な圧力上昇を緩和する。また、破裂放散器は配管内部が圧力上昇した際に破裂して圧力を大気開放することで配管、機器を保護する。なお、破裂放散器は排ガス放散室に密閉されており、破裂放散器が破裂した時は、排ガス放散室に排ガスが充満し、排ガス放散室から直接大気中に放出する。

国際公開第２００６／０８８０２１号 特開２００７−１７１００９号公報

特許文献１および２は共に、燃焼試験を行う際に発生する排ガスから有害成分を除去する排ガス処理部を有している。また燃焼試験の際に爆発が生じた場合についても考慮されている。しかしながら、爆発が生じた際の爆風圧に対する処理は考慮されているものの、爆発時に生じた粉塵や排ガスに対しては、そのまま大気中に放出するとしている。

このような構成であると、爆発が生じた時には、有害成分をそのまま大気中に放出してしまうことになり、環境負荷が高くなると言える。また、有害成分を放出することで、このような試験装置が都市部若しくはその近郊に設置することができなくなる。

爆風は、非常に風速の速いガスの流れであるので、爆風中の粉塵や有害成分をフィルタ等で濾し取るのは容易ではない。他の方法として、燃焼後の粉塵を含んだ排ガスを水中を通過させる、所謂水フィルタを設けておくということも考えられる。しかし、水中を瞬間的に通過する爆風から有害成分を除去するのは、やはり容易ではない。

また、爆風の水中通過時間を長くしようとすると、排ガスのダクト中に水を多く保持しておくことになる。このような状態は、爆発していない時の排ガスにとっては、大きな流れ抵抗になる。また、流れ抵抗が大きくなると、爆風は逃げ場を失い、燃焼室からそれに繋がるダクトの内壁に大きな圧力をかけることになる。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、燃焼試験中に爆発が生じたとしても、爆発によって発生した排ガスや粉塵をそのまま大気に放出することなく処理することができる燃焼試験装置に関するものである。

より具体的に本発明に係る燃焼試験装置は、
燃焼試験室と、
前記燃焼試験室で発生した排ガスを処理する排ガス処理装置と、
前記燃焼試験室と前記排ガス処理装置の間に設けられた排ガス放出防止装置を有する燃焼試験装置であって、
前記排ガス放出防止装置は、
チャンバーと、
前記燃焼試験室から前記チャンバー内を通過し、前記排ガス処理装置まで延設されるダクトとを有し、
前記ダクトは、前記チャンバー内に放散板で蓋をされた放散口が設けられ
前記チャンバーは、通気口が設けられ、
前記燃焼試験室内の爆発によって、前記放散板を破り前記チャンバー内に噴出する気体より内容積が大きく、
前記通気口には、前記放散板が破れた際には前記通気口を絞るように調節される風量調節ダンパーを有し、
前記排ガス処理装置は、
前記ダクト内の前記排ガスを吸引する排気ファンを有することを特徴とする。

本発明に係る燃焼試験装置は、燃焼試験室に隣接したチャンバーの容積が、燃焼試験室で爆発によって生じる室内気体の体積増加量より大きいので、爆発により破裂した放散板で蓋をされていた放散口から噴出した気体を全てチャンバー内に捕捉することができる。したがって、爆発によって生じた、有害成分を含む排ガスや粉塵をそのまま大気に放出することがない。

また、本発明に係る燃焼試験装置は、予め爆発によって発生する燃焼試験室内の気体の体積増加量に相当する空間を備えておくものなので、爆風圧を容器の強度で封じ込めるものではない。したがて、燃焼試験室、ダクト、チャンバーといった構成に対して、特別過大な構造強度を要求しない。建設コストも安価でよい。

本発明に係る燃焼試験装置の構成を示す図である。 チャンバー部分の拡大図である。 燃焼試験室で爆発が生じた際のチャンバー内の様子を説明する図である。 爆発後のチャンバー内の様子を説明する図である。 チャンバー内の排ガスを排出する様子を説明する図である。 チャンバー内の放散口の他の実施形態を示す図である。

以下に本発明に係る燃焼試験装置の構成について図を用いて説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するのであって、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の実施形態は改変されうるものである。

（実施の形態１）
図１に本発明の燃焼試験装置１の構成を示す。本発明に係る燃焼試験装置１は、燃焼試験室１０と、排ガス放出防止装置２０と、排ガス処理装置３０を含む。

燃焼試験室１０は、燃焼対象物８の燃焼試験を行う。燃焼試験室１０は、燃焼ガス（例えば空気）を供給する供給口１１と、燃焼した結果生じた排ガスを排出する排気口１２を有する。また、燃焼試験室１０には、圧力センサ１３、温度計１４および燃焼対象物８に火をつける着火装置１５が備えられていてもよい。

また、燃焼によって生じた排ガスをサンプリングし、計測若しくは分析するための計測・分析機器１６が備えられる。なお、圧力センサ１３、温度計１４、計測・分析機器１６は、センサ部分のみを示した。図示は省略したが、センサ部分以降には、計測器の本体が配置されるのは、いうまでもない。燃焼対象物８は、すでに説明したように、電池や自動車等の製品や、繊維や樹脂等の素材を含み、これら以外の物（気体、液体、固体を問わない）であってもよい。

燃焼試験室１０は、供給口１１と排気口１２以外は密閉された空間である。また燃焼試験室１０内では、燃焼対象物８が爆発する場合がある。したがって、燃焼試験室１０自体は、爆発時の圧力変化に耐えられる程度の耐圧性を有している。また、内部での燃焼状態を視認することができるように、耐圧性ののぞき窓１０ｗが設けられていてもよい。

供給口１１には、圧力で閉じる逆止弁１１ａが設けられている。逆止弁１１ａの構造は特に限定されない。しかし、燃焼試験室１０内で爆発が生じた際には、供給口１１は閉じられ、供給口１１へ空気を送っている通風手段１１ｂに爆発の際の圧力が及ばない様にする。通風手段１１ｂは、燃焼試験室１０で消費した空気を供給する。ボンベやブロアと配管等で好適に構成することができる。通風手段１１ｂから供給される空気によって、燃焼対象物８の燃焼は継続する。

なお、供給口１１は、燃焼試験室１０の床に近い部分（若しくは床面）に設けられるのが望ましい。下方（供給口１１）から上方（排気口１２）へ空気の流れを作ることで、燃焼を継続し、燃焼で生成した軽い排ガスを排気口１２から排出しやすくなるからである。

排気口１２は燃焼試験室１０の天井面に設けられる。排ガスは温度が高く上方に上るからである。着火装置１５は、特に限定されない。例えば、ライターのようなものであってよい。

燃焼試験室１０の排気口１２にはダクト２１が接続される。また、チャンバー２２が燃焼試験室１０に隣接して設置される。ダクト２１は、燃焼試験室１０から排ガス処理装置３０まで延設される。その間、ダクト２１は、チャンバー２２の天面からチャンバー２２内に挿設され、チャンバー２２側面からチャンバー２２の外に出る。

図２にチャンバー２２の拡大図を示す。ダクト２１はチャンバー２２の上方の入口２２ａからチャンバー２２内に入り、後段の排ガス処理装置３０の集塵機３２の入口３２ｉと同じ高さに設けられた側面の出口２２ｂからチャンバー２２の外に出る。したがって、少なくともダクト２１は、チャンバー２２内で１回以上の屈曲部２１ｅを有する。ここで、屈曲部２１ｅとは、ダクト２１が、９０度以上配設方向を変える部分をいう。

ダクト２１は、チャンバー２２の上部から挿設され、側面からチャンバー２２外に現出するので、少なくとも１回は屈曲部２１ｅを有することになる。本明細書では屈曲部２１ｅが１か所ある場合で説明を行う。もちろん、屈曲部２１ｅの数について制限はない。

チャンバー２２の側面の出口２２ｂは、後段の集塵機３２の入口３２ｉと同じ高さに設け、チャンバー２２から集塵機３２までのダクト２１の形状を直線状にしておくのが好ましい。直線状にすることで、ダクト２１の最短化が図れ、結果、低圧力損失、省スペース、低コストも実現できるからである。

ダクト２１には、チャンバー２２内で放散口２１ｃが設けられる。放散口２１ｃは、燃焼試験室１０で生じた爆発による爆風をチャンバー２２内に放出するために設けられた開口である。この放散口２１ｃには通常放散板２１ｄで蓋がされている。この放散板２１ｄは、例えば１０ｋＰａ程の圧力で破れて、放散口２１ｃを解放状態にする。放散口２１ｃは、チャンバー２２内の上部に設けられる。また、放散板２１ｄが設けられた放散口２１ｃは複数個設けられてもよい。

ダクト２１の屈曲部２１ｅは、この放散口２１ｃより下流側直近（排ガス処理装置３０側）に設けられる。屈曲部２１ｅでは、爆風は大きな流れ抵抗を生じる。したがって、放散口２１ｃでのダクト２１内圧が上昇しやすくなるからである。

チャンバー２２は、上部にダクト２１が挿設される入口２２ａと、ダクト２１が、チャンバー２２外に出る出口２２ｂが設けられる。これらの入口２２ａと出口２２ｂは、ダクト２１との間で密閉状態に保持されている。

また、チャンバー２２には、下方側面に通気口２２ｃが設けられる。通気口２２ｃは、チャンバー２２に設けられた開口である。通気口２２ｃにはガラリ２２ｄが設けられてもよい。ガラリ２２ｄは、通気口２２ｃの幅方向に渡って、長板状の羽を平行に複数枚取り付けたものである。また、このガラリ２２ｄは、風量調節のダンパーとしてもよい。ダンパーとすることで、爆発後、このダンパーの風量調節を行うことで燃焼室内の排ガスと外気吸引量の比率の調整ができる。このことによって、燃焼室の排ガスを速やかに排気できる。

また、通気口２２ｃには、上方に開口部２３ａが向けられたガイドダクト２３が接続されてもよい。ガイドダクト２３は、通気口２２ｃから放出される空気の流れを上方に向って流すために設けられる。なお、ガイドダクト２３を設けた場合は、ガイドダクト２３内に、ガラリ若しくはガラリを兼ねた風量調節ダンパー２３ｄを設けてもよい。もちろん、通気口２２ｃにガラリ２２ｄを別途設けることを排除しない。

なお、ガイドダクト２３を設け、ガイドダクト２３内に風量調節ダンパー２３ｄを設けた場合であっても、通気口２２ｃにガラリ２２ｄ若しくは風量調節ダンパー２２ｄを設けると言ってよい。また、ガイドダクト２３の開口部２３ａには、防鳥網２３ｂが備えられていれば望ましい。鳥を始めとする小動物がチャンバー２２内に侵入しないためである。

チャンバー２２は、燃焼試験室１０での爆発によって生じる室内気体の体積増加量よりも大きな内容積を有する。より詳しくは、チャンバー２２は、爆発が生じた時に放散板２１ｄを破ってチャンバー２２内に放出される気体よりも大きな内容積を有すると言ってもよい。これは、ダクト２１の放散口２１ｃから、チャンバー２２内に爆風が流れ込んでも、チャンバー２２内にもともとあった空気を爆風排出口２２ｂから押し出すだけで、爆発によって生じた排ガスをチャンバー２２外に吹出さないようにするためである。

少なくともチャンバー２２内部に配置されたダクト２１と、ダクト２１に設けられた放散口２１ｃと、放散口２１ｃに取り付けられた放散板２１ｄと、チャンバー２２で排ガス放出防止装置２０が構成される。

再び図１を参照して、排ガス処理装置３０は、燃焼試験室１０内で燃焼して生じた排ガスから有害成分を除去するための装置である。排ガス処理装置３０は、燃焼によって発生する排ガスの成分に応じて処理装置を組み合わせてよい。ここでは、集塵機３２、排気ファン３３、スクラバー３４、吸着塔３５、排突３６という構成を例示する。

集塵機３２は、排ガス中の粉塵を除去するもので、マルチサイクロン、フィルタ等を組み合わせて構成してよい。排気ファン３３は、集塵機３２で粉塵が除去された排ガスを後方に送る。スクラバー３４は、排ガスを液相に通過させ、排ガス中の有害成分を液相に捕捉する。液相は通常水が用いられる。従って、排ガス中の水溶性成分はスクラバー３４の液相に溶解する。なお、排ガスの水溶性成分（酸性ガス）が溶けこんだ液相は、排水貯留タンク３７に貯留され、別途廃棄処理を受けるのが望ましい。

スクラバー３４の後段には吸着塔３５が配置される。吸着塔３５は、内部に活性炭などの多孔質材を有する。スクラバー３４を通過した排ガスは、吸着塔３５をさらに通過し、排ガスの脱臭を行う。

つまり、集塵機３２、スクラバー３４、吸着塔３５によって、粉塵、酸性ガス、臭気成分が、排ガスから除去される。このように処理された排ガスは排突３６から大気に戻される。

以上の構成を有する燃焼試験装置１の動作について説明する。燃焼試験室１０には、燃焼対象物８をセットする。

燃焼試験室１０に燃焼対象物８がセットされたら、着火装置１５を用いて、燃焼対象物８に着火する。燃焼対象物８が燃焼している間は、燃焼試験室１０内の燃焼対象物８の燃焼状態をのぞき窓１０ｗから目視、観察する。燃焼によって生じた排ガスは、燃焼試験室１０の排気口１２からダクト２１に向って排気される。

ダクト２１は、燃焼試験室１０の上部から燃焼試験室１０に隣接したチャンバー２２の上部まで伸びる。ダクト２１はチャンバー２２の上部からチャンバー２２内に挿設される。チャンバー２２内では、ダクト２１は少なくとも１回屈曲部２１ｅが設けられる。ここでは１か所の屈曲部２１ｅがある場合を示している。ダクト２１は、チャンバー２２の側面からチャンバー２２外に出る。ダクト２１は、排ガス処理装置３０に連通する。

したがって、燃焼試験室１０で発生した排ガスは、燃焼試験室１０の上部から、チャンバー２２内を通過し、チャンバー２２の側面から排ガス処理装置３０にダクト２１によって導かれる。

ダクト２１の先の排ガス処理装置３０には、排気ファン３３がダクト２１内の排ガスを吸引する。したがって、排ガスは、ダクト２１中を排ガス処理装置３０に向って流れる。排ガス処理装置３０内では、排ガスは集塵機３２を通過する。集塵機３２を通過することで、排ガス中の粉塵は除去される。

粉塵が除去された排ガスは、排気ファン３３によってスクラバー３４に送風される。スクラバー３４を通過することで、排ガスは水溶性の酸性成分が除去される。さらに、スクラバー３４の後段の吸着塔３５で、臭気成分が除去される。このように有害成分が除去された排ガスは、排突３６から大気中に排出される。

このようにして、燃焼試験室１０内で発生した排ガスは、有害成分を除去され大気中に放出される。

次に燃焼試験室１０内で爆発が生じた場合について説明する。通常燃焼対象物８は、燃焼するが、爆発する可能性もある。

燃焼試験室１０内で爆発が生じると、その爆圧によって、供給口１１の逆止弁１１ａが閉じる。これによって、通風手段１１ｂは、爆圧による損傷を回避することができる。

爆圧は燃焼試験室１０の上部の排気口１２からダクト２１内を進む。このダクト２１内の圧力上昇は、チャンバー２２の上部内に位置するダクト２１の放散口２１ｃにも加わる。特に放散口２１ｃの直下流には、屈曲部２１ｅが設けられている。屈曲部２１ｅでは、気体の流れ抵抗が高くなる。したがって、放散口２１ｃは、このような気体の流れ抵抗が高くなる場所に取り付ける。

放散口２１ｃは放散板２１ｄで蓋がしてある。そして放散板２１ｄは、所定の圧力（例えば１０ｋＰａ程度の圧力）で破裂される程度の耐圧性で作製されている。したがって、排ガス（爆風）は、放散板２１ｄを破って、チャンバー２２内に放出される。

図３には、爆発が生じた際のチャンバー２２の模式図を示す。ダクト２１内で高まった圧力が放散板２１ｄを破り、排ガスがチャンバー２２内に放出する。チャンバー２２内に放出された排ガスは、チャンバー２２内にもともとあった空気をチャンバー２２の下方向に向かって押し下げる（白矢印）。そして、チャンバー２２内にもともとあった空気は、チャンバー２２の下方側面に設けられた通気口２２ｃから押し出される。

また、通気口２２ｃには、ガイドダクト２３を接続してもよい。ガイドダクト２３の開口は上向きに設けられている。したがって、通気口２２ｃから吹出す爆風は、上向きに吹出し、通気口２２ｃの周囲で作業を行う人に向って吹き付けられることはない。

チャンバー２２は、この爆発で生じた排ガスの全体体積より大きく作られている。より詳しくは、爆発によって放散口２１ｃから放出される排ガスの体積よりも大きな容量を有している。したがって、チャンバー２２の通気口２２ｃからは、もともとチャンバー２２内にあった空気が押し出され、排ガスは噴出してこない。

つまり、燃焼試験室１０内で爆発が生じても、これによって生じた排ガスを大気中にそのまま放出することなく、チャンバー２２内に捕捉しておくことができる。図３では、爆発によって生じた排ガスが点線５０の位置までチャンバー２２内で広がったことを示している。

爆発が生じても排気ファン３３の運転は継続するため、燃焼試験室１０内の体積増加が終了し、燃焼試験室１０内の気圧が大気圧に戻った後は、図４に示すように、放散口２１ｃから放出した排ガスは、逆に放散口２１ｃに吸引される。それに伴い、通気口２２ｃを介して、外気がチャンバー２２内に吸引される。

このように放散口２１ｃより噴出した排ガスを、チャンバー２２外に放出させることなく、吸引することができる。爆発後、この状態を維持すれば、チャンバー２２内には外気が入り、排ガスは放散口２１ｃからダクト２１へ排気される。すなわち、チャンバー２２内の排ガスは、外気に置換される。

なお、放散板２１ｄが破れたままの状態では、排気ファン３３の運転を継続しても、燃焼試験室１０の換気風量は低下している。放散口２１ｃからの外気吸引量が大きいためである。そこで、図５に示すように、通気口２２ｃの開口を絞るように調節する。これは、ガラリ２２ｄが風量調節ダンパーであれば容易に行える。またガイドダクト２３内に風量調節ダンパー２３ｄが設けられていれば、同様に容易に行える。

このようにすることで、燃焼試験室１０内の排ガスと外気の吸引量の比率調整を行うことができる。結果、燃焼試験室１０内の排気量を回復させることができ、換気が良好に保たれる。したがって、燃焼試験室１０内は、速やかに排気される。

以上のように、本実施の形態に係る燃焼試験装置１では、燃焼試験室１０で発生した爆発による排気ガスより大きな容積のチャンバー２２を備えているので、爆発によって生じた排気ガスをそのまま大気中に放出することなく、捕捉しておくことができる。

（実施の形態２）
図６に本実施の形態のチャンバー２２部分の断面図を示す。本実施形態においては、放散口２１ｃが、上向きの傾斜角を有するように形成されている。上向きの傾斜角とは、放散口２１ｃが水平に対して重力方向上向きの角度θを有していればよい。

放散口２１ｃが上向きの傾斜角を有していると、爆発時の爆風がチャンバー２２の天井に向って放出される。このようにすれば、チャンバー２２の天井部分に存在している空気もチャンバー２２から追い出すことができる。このようにすれば、チャンバー２２に蓄積できる排ガス量を増やすことができ、チャンバー２２内の容積を有効利用することができる。

本発明は、電池、電化製品、自動車といった可燃物を用いた製品や、繊維、樹脂といった可燃性の素材の燃焼試験に広く利用することができる。特に、燃焼試験の際に爆発が生じても、粉塵や排ガスといった有害成分を大気中にそのまま放出することがないので、都市近郊といった住宅地域の近隣にも設置することができる。

１ 燃焼試験装置
８ 燃焼対象物
１０ 燃焼試験室
１０ｗ のぞき窓
１１ 供給口
１１ａ 逆止弁
１１ｂ 通風手段
１２ 排気口
１３ 圧力センサ
１４ 温度計
１５ 着火装置
１６ 計測・分析機器
２０ 排ガス放出防止装置
２１ ダクト
２１ｃ 放散口
２１ｄ 放散板
２１ｅ 屈曲部
２２ チャンバー
２２ａ 入口
２２ｂ 出口
２２ｃ 通気口
２２ｄ ガラリ（風量調節ダンパー）
２３ ガイドダクト
２３ａ 開口部
２３ｂ 防鳥網
２３ｄ 風量調節ダンパー
３０ 排ガス処理装置
３２ 集塵機
３２ｉ （集塵機３２の）入口
３３ 排気ファン
３４ スクラバー
３５ 吸着塔
３６ 排突
３７ 排水貯留タンク
５０ チャンバー内で爆風が広がった位置

Claims (6)

1. 燃焼試験室と、
   前記燃焼試験室で発生した排ガスを処理する排ガス処理装置と、
   前記燃焼試験室と前記排ガス処理装置の間に設けられた排ガス放出防止装置を有する燃焼試験装置であって、
   前記排ガス放出防止装置は、
   チャンバーと、
   前記燃焼試験室から前記チャンバー内を通過し、前記排ガス処理装置まで延設されるダクトとを有し、
   前記ダクトは、前記チャンバー内に放散板で蓋をされた放散口が設けられ
   前記チャンバーは、通気口が設けられ、
   前記燃焼試験室内の爆発によって、前記放散板を破り前記チャンバー内に噴出する気体より内容積が大きく、
   前記通気口には、前記放散板が破れた際には前記通気口を絞るように調節される風量調節ダンパーを有し、
   前記排ガス処理装置は、
   前記ダクト内の前記排ガスを吸引する排気ファンを有することを特徴とする燃焼試験装置。
2. 前記ダクトは、
   前記燃焼試験室の上部から延設され、前記チャンバー上部から前記チャンバー内部に挿設され、前記チャンバーの側面から突設され、前記排ガス処理装置まで延設され、
   前記放散口は、前記チャンバー内の上部に設けられ
   前記通気口は、前記チャンバー下部側面に設けられたことを特徴とする請求項１に記載された燃焼試験装置。
3. 前記通気口には上方に開口したガイドダクトが配設されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかの請求項に記載された燃焼試験装置。
4. 前記ダクトは、前記チャンバー内で、前記放散板より下側の位置で少なくとも１回屈曲部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１の請求項に記載された燃焼試験装置。
5. 前記燃焼試験室への燃焼ガス（空気）の供給口には、燃焼試験室内での爆発で閉じる逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１の請求項に記載された燃焼試験装置。
6. 前記放散口は、上向きの傾斜角度を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１の請求項に記載された燃焼試験装置。