(57)【要約】      （修正有）【課題】安全性が高く簡便に使用できることに加え、発破の実施に伴う環境への影響が殆どない水酸素ガス発破装置、及び発破方法を提供する。【解決手段】水酸素ガス発破装置１０は、水酸素ガス発生手段１と、水酸素ガス発生手段１に一端を接続し他端を閉塞した封入容器２と、封入容器２の内部に設けられた起爆手段３とを備える。水酸素ガス発生手段１は、陽電極４及び陰電極５を内装して密閉された電解槽６と、陽電極４及び陰電極５に電位差を付与する電解用電源７とを備え、電解槽６に導入した水を電気分解して水素と酸素を発生する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生する水酸素ガス発生手段と、該水酸素ガス発生手段に接続し前記混合気を内部に導入できる封入容器と、該封入容器に設けられ前記混合気を起爆させる起爆手段とを備えることを特徴とする水酸素ガス発破装置。
【請求項２】
前記水酸素ガス発生手段が、陽電極及び陰電極を内装して密閉された電解槽と、前記陽電極及び陰電極に電位差を付与する電源とを備え、前記電解槽に導入される水を電気分解することにより前記電解槽内に蓄積する前記混合気を、前記封入容器へ送出することを特徴とする請求項１に記載の水酸素ガス発破装置。
【請求項３】
前記水酸素ガス発生手段が、前記電解槽の外部へ延出し前記電解槽内の前記混合気を前記封入容器へ送出するガス供給路と、該ガス供給路を経て前記電解槽から送出される前記混合気の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力と設定値との比較に基づき前記電源が前記陽電極及び陰電極に付与する電位差を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項２に記載の水酸素ガス発破装置。
【請求項４】
被発破物に穿孔される孔部に封入容器を装填する工程と、水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生する工程と、前記混合気を大気圧を超える圧力まで加圧する工程と、前記混合気を前記封入容器の内部に導入する工程と、前記混合気を前記封入容器の内部で起爆させる工程とを含むことを特徴とする水酸素ガス発破方法。
【請求項５】
陽電極及び陰電極を内装した電解槽に水を導入して前記電解槽を密閉する工程と、前記陽電極及び陰電極にそれぞれ電位差を付与することにより前記水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生させる工程と、前記電解槽内における前記混合気の気圧が大気圧を超えるまで前記電気分解を継続する工程と、前記混合気を前記電解槽から噴出させる工程とを含むことを特徴とする請求項４に記載の水酸素ガス発破方法。
【請求項６】
前記電解槽から前記封入容器へ送出される前記混合気の圧力を計測し、該圧力の値と設定値との比較に基づいて、前記陽電極及び陰電極に付与する電位差を制御することを特徴とする請求項５に記載の水酸素ガス発破方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解して生成される水素と酸素の反応に伴う爆発力を有効利用できる水酸素ガス発破装置、及び発破方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、土木工事に伴う発破作業を実施するに際して、例えば岩盤に穿孔した孔にダイナマイト等を挿入し、これを爆発させることが周知である。発破に係る技術は下記の特許文献に開示されている。
【特許文献１】特開平１０−２８８５００号公報
【特許文献２】特表平１１−５１０２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記ダイナマイト等の爆発物は、厳重な安全管理の下に保管し、又は取扱いを行わなければならず、発破作業を煩雑化する一因となっている。また、ダイナマイト等の爆発には、有害ガスの発生が伴うので、発破作業が行われる箇所に限らず、その周囲にまで悪影響を及ぼすことが問題視されている。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、安全性が高く簡便に使用できることに加え、発破の実施に伴う環境への影響が殆どない水酸素ガス発破装置、及び発破方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る水酸素ガス発破装置は、水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生する水酸素ガス発生手段と、該水酸素ガス発生手段に接続し前記混合気を内部に導入できる封入容器と、該封入容器に設けられ前記混合気を起爆させる起爆手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
更に、本発明に係る水酸素ガス発破装置は、前記水酸素ガス発生手段が、陽電極及び陰電極を内装して密閉された電解槽と、前記陽電極及び陰電極に電位差を付与する電源とを備え、前記電解槽に導入される水を電気分解することにより前記電解槽内に蓄積する前記混合気を、前記封入容器へ送出することを特徴とする。
【０００７】
更に、本発明に係る水酸素ガス発破装置は、前記水酸素ガス発生手段が、前記電解槽の外部へ延出し前記電解槽内の前記混合気を前記封入容器へ送出するガス供給路と、該ガス供給路を経て前記電解槽から送出される前記混合気の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力と設定値との比較に基づき前記電源が前記陽電極及び陰電極に付与する電位差を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る水酸素ガス発破方法は、被発破物に穿孔される孔部に封入容器を装填する工程と、水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生する工程と、前記混合気を大気圧を超える圧力まで加圧する工程と、前記混合気を前記封入容器の内部に導入する工程と、前記混合気を前記封入容器の内部で起爆させる工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明に係る水酸素ガス発破方法は、陽電極及び陰電極を内装した電解槽に水を導入して前記電解槽を密閉する工程と、前記陽電極及び陰電極にそれぞれ電位差を付与することにより前記水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生させる工程と、前記電解槽内における前記混合気の気圧が大気圧を超えるまで前記電気分解を継続する工程と、前記混合気を前記電解槽から噴出させる工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
更に、本発明に係る水酸素ガス発破方法は、前記電解槽から前記封入容器へ送出される前記混合気の圧力を計測し、該圧力の値と設定値との比較に基づいて、前記陽電極及び陰電極に付与する電位差を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水素と酸素の混合気を封入容器に導入し、これを起爆手段にて起爆させると、封入容器内の圧力が瞬時に著しく急上昇することにより、封入容器を破裂させることができる。被発破物に封入容器を挿入させる挿入孔を穿孔し、この挿入孔の中で、上記の通り封入容器を破裂させれば、その爆発力によって被発破物を発破することができる。しかも、水素と酸素の混合気は、水を電気分解して即時に発生させられるので、発破作業の直前に最小限の水酸素ガスを生成するだけで済むという利点がある。
【００１２】
従って、本発明によれば、水素と酸素を例えば高圧タンクに予め蓄えて貯蔵して置く必要がなく、これらを管理する手間を省くことができる。また、本発明の実施に際して、火薬類は一切使用することがないので、封入容器の取扱いに危険が伴うことがない。
【００１３】
また、広範な場所を発破するのに大量の水素と酸素が必要になる場合でも、既に例示した高圧タンクを準備しなくて済むので、発破作業を手際良く行えること加え、高圧タンクの搬送や配管等の大掛かりな段取りを省けるという利点がある。しかも、爆発力の増大を図る場合、起爆させる前に封入容器に導入する混合気の圧力を上昇させるだけで良いので、従来のようなダイナマイト等を大量に準備する必要がなく、発破作業を安全に且つ簡便に実施することができる。従って、本発明によれば、取扱いが容易で作業現場における使い勝手に優れた水酸素ガス発破装置を提供することができる。
【００１４】
また、本発明は、水素と酸素の混合気を起爆させて爆発力を発生させる構成であるので、その爆発の過程で理論的には水（蒸気）以外の物質が生成される余地が無い。このため、従来のようなダイナマイト等を使用した場合のように、自然環境や人体に悪影響を及ぼす有害ガスの排出が起こらない。
【００１５】
従って、例えば坑道又はトンネル等で発破作業を行う場合でも、トンネル等の内部に有害ガスが充満する恐れがない。また、空気中の酸素を全く消費しないので、トンネル等の内部の酸素が不足する事態になる恐れがない。以上に述べた安全性の点で、本発明は従来の技術よりも特に優れている。また、本発明によれば、酸素の供給が困難な海底であっても発破作業を容易に実施することができる。
【００１６】
更に、水酸素ガス発生手段が、陽電極及び陰電極を内装して密閉された電解槽と、陽電極及び陰電極に電位差を付与する電源とを備える場合、電解槽に導入した水を電気分解することにより連続的に水素と酸素の混合気を発生し、混合気の圧力が大気圧を超えるまで、電解槽の内部に混合気を蓄積することができる。そして、混合気が所望の圧力に達したところで、これを封入容器へ送出すれば、封入容器の内部へ所望の圧力の混合気を導入することができる。
【００１７】
従って、圧縮機等を用いて混合気を加圧する必要が無く、当該発破装置は極めて簡単な構造であり、安価に製造することができる。また、爆発力の増大を図るには、起爆前の密封手段に導入する混合気の気圧を上昇させるだけで良い。これは、電気分解を開始して電解槽から混合気を封入容器へ送出するまでの時間を遅延させ、電解槽に蓄積する混合気の圧力を更に高く上昇させた後、これを封入容器へ送出すれば容易に実現できる。
【００１８】
更に、封入容器の容量が大きくなる程、又は大きな爆発力を求める程、電解槽で発生する混合気の体積又は圧力を増大させなければならない。その分長い時間継続して電解槽にて混合気を発生させる必要がある。例えば、複数個の封入容器に同時に混合気を導入する場合、或いは、大容量の封入容器に高圧力の混合気を導入る場合が挙げられる。このような場合、電解槽から混合気を送出した時点で直ちに封入容器の圧力を上昇させるには至らないが、本発明によれば、混合気の圧力を適切に調整することができる。
【００１９】
即ち、電解槽にて発生した混合気がガス供給路を通って上記例示の封入容器へ送出されると、この封入容器の圧力が徐々に上昇する。この過程で、混合気の圧力は圧力検出手段によって検出されるので、圧力検出手段が検出した混合気の圧力が設定値に満たないとき、言い換えると、混合気の圧力が設定値に達するまでの間だけ、制御手段が電源をＯＮにして、陽電極及び陰電極に電位差を付与する。そして、混合気の圧力が設定値に等しくなると、この時点で、制御手段が電源をＯＦＦにして、陽電極及び陰電極による電気分解を停止する。
【００２０】
従って、本発明によれば、封入容器が所望の圧力に達するまで、封入容器へ混合気を送出し、封入容器が所望の圧力に達した時点で、電気分解を停止するので、混合気を過不足なく封入容器へ導入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る実施形態として、水を電気分解して生成されるモル比が２対１の水素と酸素の混合気（以下で「水酸素ガス」と略す。）を利用した発破装置、及びその方法について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１に概略を示すように、水酸素ガス発破装置１０は、水を電気分解して水酸素ガスを発生する水酸素ガス発生手段１と、水酸素ガス発生手段１に一端を接続し他端を閉塞した封入容器２と、封入容器２の内部に設けられた起爆手段３とを備える。
【００２３】
水酸素ガス発生手段１は、陽電極４及び陰電極５を内装して密閉された電解槽６と、陽電極４及び陰電極５に電位差を付与する電解用電源７とを備え、電解槽６に導入した水を電気分解して水酸素ガスを発生するものである。電解槽６には、この内部に発生した水酸素ガスを封入容器２へ送出するためのガス供給路８と、ガス供給路８を経て電解槽６から送出される水酸素ガスの圧力を検出する圧力検出手段９と、圧力検出手段９が検出した圧力に基づき電解用電源７を制御する制御手段１１とが接続されている。
【００２４】
電解槽６の陽電極４及び陰電極５は、それぞれ１極ずつ図示しているが、これらの個数を適宜増減することにより、電解槽６の内部にて所定時間当りに発生可能な水酸素ガスの容積を増減できる。電解用電源７は、電解槽６の内部に導入した水に所望の電流を通すために必要となる電圧を、それぞれ正負の電荷として陽電極４及び陰電極５に印加する直流電源であれば良い良い。また、発破作業の現場への搬入を考慮すれば、電解用電源７として、車載可能な蓄電池、又はガソリンエンジン等で駆動される発電機を適用するのが望ましい。制御手段１１は、電解用電源７が陽電極４及び陰電極５に印加する電圧を、後述のフィードバックにより制御するものである。
【００２５】
封入容器２は、その一端にガス供給路８の終端８１を貫通させ、ガス供給路８から送出される水酸素ガスを漏れなく内部へ導入できるように、終端８１の付近に密接するシール材付きのポート口８２を設けたものである。封入容器２の材質には、合成樹脂、金属、セラミック、又は硝子等を適用できるが、必ずしも剛性の高いものでなくても良く、袋状の合成樹脂、又はゴム等も封入容器２として利用できる。また、符号１２は、ガス供給路８を封入容器２の近傍で着脱自在に接続又は切断できるカプラーを指している。カプラー１２は、切断した際に図に表れていない逆支弁の作用で、水酸素ガスがガス供給路８又は封入容器２から大気中へ放出するのを防止できる。
【００２６】
或いは、図２に示すように、封入容器２の形態が、その両端を開放した円筒体２０を主体とする場合、ガス供給路８の終端８１を円筒体２０の一端内方へ差し込み、円筒体２０の一端の口縁２１とガス供給路８との隙間に、速乾性のシール材料又は粘土２２を詰め込むと共に、円筒体２０の他端を速乾性のシール材料又は粘土２２で閉塞する。これにより、ガス供給路８の終端８１を円筒体２０の一端に接続し、円筒体２０の内部を確実に密閉することができる。
【００２７】
起爆手段３は、図１に示すように、一対のスパーク電極３１を封入容器２に内装し、これらのスパーク電極３１に電源３２から高電圧を印加することにより、一対のスパーク電極３１の間に火花を発生させるものである。或いは、起爆手段３は、電源３２から供給される電流により、封入容器２に内装した金属細線に発熱させるものであっても良い。また、電源３２は、無線通信による遠隔操作により起爆手段３に電流を供給できるよう構成しても良い。
【００２８】
ガス供給路８には、発破作業を実施するに際して、オペレータが封入容器２を自由に移動又は位置決めができるように、ゴムホース等から成る可撓性の管路を適用することが望ましい。また、封入容器２を電解槽６から十分に離間できるように、電解槽６からガス供給路８の下流端までの長さは数十ｍを超えることが望ましい。
【００２９】
圧力検出手段９は、電解槽６からガス供給路８に送出される水酸素ガスの圧力に基づき、封入容器２に導入された水酸素ガスの圧力を間接的に計測できる。圧力検出手段９としては、圧力の大きさを電気の信号強度に変換できる市販の圧力計を適用できる。また、封入容器２の圧力を直接に計測するために封入容器２に圧力計を取付けても良いが、水酸素ガスの起爆時に圧力計の損傷を避けるため、圧力計は封入容器２から離間して配置することが望ましい。
【００３０】
次に、水酸素ガス発破装置１０による発破方法について、図３を参照しながら説明する。以下で文頭に付した英文字は工程を区分する指標である。
【００３１】
Ａ：岩盤等の被発破物１３の適所に孔部１４を穿孔する。一方、カプラー１２を切断することで、電解槽６から封入容器２を切り離し、この封入容器２を孔部１４の近傍まで予め搬送する。そして、孔部１４に封入容器２を装填した後、カプラー１２を接続する。上記の穿孔と装填に係る作業は、従来のダイナマイト等を使用する発破作業と同様の手順にて行える。
【００３２】
Ｂ：電解槽６の内部に水を導入する。図示を省略しているが電解槽６の側面には水を摂氏約６０度まで加熱する電熱器が設けられている。更に、電解槽６の底部の適所には水を導入する給水口と水を排水する排水口が形成され、これら給水口及び排水口を経て電解槽６の外部に設けた熱交換機との間で水を循環することができる。この状態で、電解槽６とガス供給路８との間に介在した図に表れない電磁開閉弁を閉じることにより、電解槽６の内部を外部から遮断して、電解槽６の内部を密封した空間にする。
【００３３】
Ｃ：電解用電源７によって陽電極４及び陰電極５に電位差を付与することにより、水を電気分解する。これにより水酸素ガスが発生すると共に、電解槽６の内部に水酸素ガスが蓄積する。この電気分解に伴って水は徐々に加熱されるので、その分、上記の熱交換機により水を冷却して、電解槽６の内部の水温を約６０度に保つようにする。
【００３４】
Ｄ：上記の電磁開閉弁を閉じたまま、電気分解を継続することにより、水酸素ガスを更に発生させ、電解槽６の内部の圧力を上昇させる。水酸素ガスを電解槽６から噴出させるのに必要となる圧力は、大気圧以上であれば足りるが、大気圧の１．５乃至２倍程度まで加圧するのが望ましい。
【００３５】
上記Ａの工程は、上記Ｂ〜Ｄの工程に並行して実施しても良く、又はＢ〜Ｄの何れかの工程を終えた後にＡの工程を実施しても良い。
【００３６】
Ｅ：電解槽６の内部が所望の圧力に達した時点で、上記の電磁開閉弁を開放することにより、電解槽６の内部に蓄積した水酸素ガスを、電解槽６からガス供給路８を介して封入容器２の内部へ噴射させる。この後、電解槽６の内部の容積が、封入容器２の容量に比較して著しく大きいならば、封入容器２の内部の水酸素ガスの圧力は、直ちに大気圧の１．５乃至２倍程度まで上昇する。或いは、電解槽６の内部の容積が、封入容器２の容量に比較して小さいか、又は封入容器２の容量と略同じならば、上記の噴射を数十秒の間継続することで、封入容器２の内部の水酸素ガスの圧力を大気圧の１．５乃至２倍程度まで上昇させることができる。
【００３７】
Ｆ：上記Ｅの工程において、封入容器２の容量が電解槽６よりも著しく大きく、多量の水酸素ガスが必要となる場合、或いは、更に大きな爆発力が必要になる場合、電解槽６で発生する水酸素ガスの体積又は圧力を増大させなければならない。その分長い時間継続して電解槽６にて水酸素ガスを発生させる必要がある。例えば、複数個の封入容器２に同時に水酸素ガスを導入する場合、或いは、大容量の封入容器２に水酸素ガスを導入する場合が挙げられる。これらの場合に、水酸素ガス発破装置１０は、次の通り水酸素ガスの圧力を適切に調整できる。
【００３８】
即ち、図４に示すように、電解槽６にて発生した水酸素ガスがガス供給路８を通り複数の封入容器２へ送出されると、これら複数の封入容器２の圧力が徐々に上昇する。この過程で、水酸素ガスの圧力が圧力検出手段９によって検出されると、制御手段１１は、水酸素ガスの圧力を予め設定された設定値と比較する。この結果、水酸素ガスの圧力が設定値に満たないとき、言い換えると、水酸素ガスの圧力が設定値に達するまでの間だけ、制御手段１１は電解用電源７をＯＮにして、陽電極４及び陰電極５に電位差を付与する。
【００３９】
そして、水酸素ガスの圧力が設定値に等しくなると、この時点で制御手段１１が電解用電源７をＯＦＦにして、陽電極４及び陰電極５による水の電気分解を停止する。これが既述のフィードバックによる制御であり、過剰な水酸素ガスが複数の封入容器２へ導入されるのを確実に防止できる。また、設定値は、オペレータがキーボード等を介して任意に制御手段１１へ入力し、又は変更することができる。
【００４０】
Ｇ：カプラー１２を切断し、ガス供給路８を封入容器２の付近から退避させる。この後、封入容器２に導入された水酸素ガスを起爆手段３にて起爆させると、封入容器２内の圧力が瞬時に著しく急上昇することにより、封入容器２が破裂する。この爆発力によって被発破物１３を発破することができる。
【００４１】
以上のように、水酸素ガス発破装置１０によれば、発破作業の直前に水酸素ガスを最小限の量だけ生成するので、爆発物を構成する水素と酸素を、例えば高圧タンクに蓄えて貯蔵する必要がない。従って、これらを危険物として慎重に管理する手間を省くことができる。また、被発破物１３を広範囲に及んで発破するのに大量の水素と酸素を消費する場合であっても、このような高圧タンクを準備する必要が全くないので、発破作業を手際良く且つ安全に行えることに加え、高圧タンクの搬送や配管等の大掛かりな段取りを省くこともできる。
【００４２】
しかも、以上のように水酸素ガスを起爆させて熱エネルギーを発生する構成であるので、発破作業を実施する過程で理論的には水（蒸気）以外の副産物が生成する余地が無い。このため、自然環境や人体に悪影響を及ぼす有害ガスを排出する恐れはない。従って、例えば坑道又はトンネル等で発破作業を行う場合でも、トンネル等の内部に有害ガスが充満する事態になる恐れがない。また、空気中の酸素を全く消費しないので、トンネル等の内部の酸素が不足する事態になる恐れがなく、また水中での発破作業も容易に実現することができる。
【００４３】
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できる。例えば、図５に示すように、被発破物１３が気密な材質である場合には、孔部１４を封入容器として利用しても良い。この場合、上記の封入容器２を準備する必要がないので、発破作業を一層低コストで実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る水酸素ガス発破装置、及び発破方法は、土木工事、建築物の解体、又は大規模な火災の鎮火等のように、爆発的エネルギーに依存するあらゆる事業に有益な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例１に係る水酸素ガス発破装置の概略図。
【図２】本発明の実施例１に係る水酸素ガス発破装置に適用した封入容器の分解斜視図。
【図３】本発明の実施例１に係る水酸素ガス発破装置の使用例を示す概略図。
【図４】本発明の実施例１に係る水酸素ガス発破装置の変形例を示す概略図。
【図５】本発明の実施例１に係る水酸素ガス発破装置に適用した封入容器の代用例を示す断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１：水酸素ガス発生手段
２：封入容器
３：起爆手段
４：陽電極
５：陰電極
６：電解槽
７：電源
８：ガス供給路
９：圧力検出手段
１０：水酸素ガス発破装置
１１：制御手段
１３：岩盤（被発破物）
１４：孔部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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