機能性ポーラス構造部材を用いた高気密空間内水素ガス爆発事故被害軽減法の高性能化

研究課題

研究課題/領域番号	22K04622
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分25020:安全工学関連
研究機関	芝浦工業大学
研究代表者	斉藤寛泰芝浦工業大学, 工学部, 教授 (80362284)
研究期間 (年度)	2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス	交付 (2022年度)
配分額 *注記	3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円) 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円) 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円) 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワード	爆発圧力緩和 / 水素ガス爆発 / 減災システム / ポーラス体 / 消炎 / 水素爆発 / 減災 / ガス吸着
研究開始時の研究の概要	水素ガスの発生，漏えい，滞留の可能性がある設備（特に，気密性の高い空間）では，爆発事故を想定した減災対策も講じておくべきである．これまでの研究において，ポーラス構造体を爆発空間内壁面に設置しておき，爆発時に圧縮を受ける爆発火炎囲の未燃ガスを一旦その内部に隔離するとともに，後方からの伝播火炎を確実に消炎させて燃焼する混合気量を減らすことで，爆発時の空間内圧力上昇をかなり緩和できることが分かっている．本研究では，このシステムのさらなる高性能化を目指し，ポーラス構造体にヒートシンクの機能だけではなく，ガス吸着と表面反応の機能を付加することの効果を検証する．
研究実績の概要	本年度は，課題1として設定した「機能性ポーラス構造体を用いた高気密空間内の水素ガス爆発圧力の抑制」について検証実験を行った．これまで，粒子表面におけるガス吸着性がないガラスビーズ等固体粒子の充填層を密閉空間内壁に設けた際の爆発圧力緩和性能を調べ，音速未満の爆燃波・音速を超える爆轟波ともに，充填ガラスビーズ直径が消炎の可否に影響を及ぼすことを確認してきた．しかしながら，爆燃波の場合，ガラスビーズの充填により，同一体積における爆発過圧力のピークは下げられるものの，圧力上昇の立ち上がりは極めて急峻となり，これが問題であった．そこで，粒子表面や内部に細孔（消炎距離よりもかなり小さいスケールであり，火炎は内部へ侵入できないはずである）を有するほぼ同じ粒径の活性アルミナボールを用いて同様の実験を実施した結果，爆発過圧力のピークが減少し，かつ，圧力の立ち上がりが鈍化し，最大圧力上昇速度（圧力の時間変化の傾きが最も大きくなるときの上昇速度）はかなり減少することが明らかとなった．現時点では，その爆発圧力の緩和メカニズムについての詳細は明らかではないが，爆発火炎の拡がりとともに生じる火炎周囲の未燃混合気の圧力上昇により，粒子間の微細空隙へ未燃混合気が押し込まれる効果に加え，粒子表面や内部の細孔への気体の押し込みによる隔離も発生し，爆発に寄与する混合気量が減少したためではないかと推測している．爆発終了後の密閉空間内の残圧から，活性アルミナボールを用いた条件では未燃混合気量が多いこと判明している．これらの実験事実は，単なる剛体球ではなく，機能性粒子を用いることで爆発圧力の緩和をより効果的に行えることを示唆している．
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由高気密空間内で生じる可燃性ガス爆発の爆発圧力を，粒子充填層の設置により緩和する手法の確立を目的としている．粒子の選定には，様々な種類，サイズのものが存在し，どのような粒子を用いるのが爆発圧力の緩和に最も効果的かは，トライアル＆エラーによるところが大きく，検証条件が相当数になる予想であった．しかしながら，粒子表面・内部の細孔の効果を期待して選定した活性アルミナボールが極めて有効あることが早期に判明し，ポーラス構造体の候補を一つ選定することができたことは，大きな進展であると捉えている．
今後の研究の推進方策	ガラスビーズ，スチールボールなどに比べ，機能性粒子である活性アルミナボールの爆発圧力緩和能力が高いことが認められた．今後の研究では，まず，この活性アルミナボールに対して，より広範な条件で爆燃波，爆轟波を入射させ，爆発圧力緩和と消炎に対する限界条件を明らかにする予定である．また，複雑な火炎伝ぱと消炎メカニズムの解明には，活性アルミナボール充填区間内の火炎伝ぱ現象を可視化することが必要であり，新たにガラス製の配管実験装置の設計，製作を予定している．