(57)【要約】【課題】円錐状もしくは角錐状に開いていくショックチューブ構造をとることなしに、ブラスト波を発生させる、音速もしくは音速を超える高速気体噴流発生装置を提供する。【解決手段】主に貯気槽とショックチューブから構成されている高速噴流発生装置であって、ショックチューブ形状が筒状であり、貯気槽に円錘もしくは多角形錘の形状部材を挿入、又は円錐形状もしくは多角形錘状をくり抜いた形状の貯気槽を持つことを特徴とするブラスト波の発生装置。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯気槽とショックチューブを主として構成されている高速噴流発生装置において、ショックチューブ形状が筒状であることを特徴とするブラスト波の発生装置。
【請求項２】
貯気槽の中に円錐又は多角形錘の部材を挿入した請求項１に記載のブラスト波の発生装置。
【請求項３】
筒状の貯気槽を持つ高速噴流発生装置において、円錐又は多角形錘をくり抜いた形状の貯気槽を持つ請求項１に記載のブラスト波の発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、爆風挙動の解明や材料の強度測定など、高速噴流を用いた各種測定用の装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の安全意識の高揚に伴い、種々のセキュリティ分野における関心が高まっている。ガラスを始めとする材料分野においても、防犯性や防弾性の高いセキュリティ商品が開発される中、日本国内ではこれまであまり着目されていなかった防爆性に対する要望も高まりつつある。防爆性は、テロや戦争時の爆弾に対する特性として取り上げられることが多いが、その他にも火山爆発、化学工場や都市ガスの爆発事故対策など多くの分野に対して有用である。
【０００３】
防爆性については、実際にＴＮＴ火薬を爆発させてその負荷特性から調べる方法の他、音速近傍や音速を超える空気の流れ、例えば、衝撃波やブラスト波と呼ばれる波による負荷からも調べることができる。音速近傍や音速を超える気体の流れを人工的に作り出す方法としてはショックチューブ（衝撃波管とも呼ばれる）法が広く使われている。
【０００４】
衝撃波やブラスト波を発生させる場合、貯気槽、隔膜、ショックチューブおよびリザーブタンク（圧力測定部）からなる装置を利用することが多い。すなわち、隔膜を利用して貯気槽の中に高圧の気体を貯め込み、隔膜が破壊した後に、高圧の気体がショックチューブの中で衝撃波もしくはブラスト波として成長することを利用している。
【０００５】
貯気槽は、最も上流に位置する筒状のパーツであり、ショックチューブよりも小さいのが一般的である。
【０００６】
隔膜はダイヤフラムとも呼ばれ、貯気槽に任意の圧力の気体を貯め込むことに利用される。隔膜の厚さを厚くとるほど貯気槽は高圧化するので、隔膜の厚さを変えることにより、任意の貯気槽圧、すなわち、任意のマッハ数の衝撃波やブラスト波を得ることができる。
【０００７】
ショックチューブは、最も重要なパーツでその形状を変えることにより、衝撃波とブラスト波のどちらかを発生させることができる。衝撃波を発生させる場合には、筒状のショックチューブを用い、ブラスト波を発生させる場合には、狭い開口部から徐々に広げた形状、いわゆるメガホン形状のショックチューブを用いる手法が一般的に用いられる。いずれの場合も、安定した波を発生させるためには、十分な長さが必要であることから、装置の多くを占める。
【０００８】
リザーブタンク（測定部）は装置の中では最も下流に位置し、試料の装着を行うとともに、衝撃波やブラスト波を安全に消滅させる働きも兼ねている場合が多い。
【０００９】
一般的に、衝撃波はステップ状の負荷パターンをとり、ブラスト波は三角波状の負荷パターンをとる。ＴＮＴ火薬に代表される火薬等の爆発については、衝撃波状ではなくブラスト波状となる場合が多いので、ブラスト波の有用性が増加している。
【００１０】
ショックチューブと隔膜を利用した衝撃波やブラスト波の作製方法は従来からよく知られており、例えば、特公昭６３−４９１７７号公報には押圧管を油圧によってフランジに押しつけて隔膜を保持する気体衝撃波発生装置が、特公平４−５８９７９号公報には隔膜に破壊的な応力が作用しないように工夫されたショックチューブが開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
衝撃波やブラスト波の発生装置は、音速又は音速以上の高速流体に対応しているため、構造的に十分な強度をもった材料で作製せざるを得ず、一般的に高価な装置となる。ブラスト波の発生装置は、ショックチューブの形状が複雑であるため、設計に多くのノウハウを要する他、コストも非常に高くなるという問題があった。さらに、ショックチューブが円錐状又は多角形錐状に開いていく、いわゆるメガホン形状をとっているため、衝撃波発生装置と比較して大きな場所を有するという問題もあった。一方、衝撃波の発生装置についても、筒状ではあるが、多くのノウハウは必要である。
【００１２】
また、ショックチューブは貯気槽と測定部の中間にあり、発生装置の多くを占める大きなパーツであることから、装置の製造コストの大半を要し、その交換も大変である。したがって、衝撃波とブラスト波の両方を発生させる場合には、実質的に衝撃波とブラスト波発生のそれぞれ２つの装置を使って対応せざるを得ない状況にあった。このため、その製作費や維持費に多くの費用を要し、大きな場所を必要としてきた。
【００１３】
特公昭６３−４９１７７号公報は、隔膜をショックチューブの一方のフランジと押圧管との間に挟み、押圧管を油圧によってフランジに押しつけて隔膜を保持することにより、隔膜の締め付け圧を均一にし、隔膜の取り替えが簡単迅速にできるようにした装置である。特公平４−５８９７９号公報は隔膜破壊の安定化が目的である。これらの手法によってブラスト波や衝撃波を自由に発生させることはできなかった。
【００１４】
すなわち、ブラスト波や衝撃波の発生装置はショックチューブの形状設計に多くのノウハウを必要とし、非常に高価である一方、ブラスト波の発生装置と衝撃波の発生装置はショックチューブの形状が異なるため、同一の装置とすることができないという問題があった。また、従来のブラスト波発生装置は、ショックチューブが円錐状もしくは多角形錐状に開いていく形状をとっていたため、衝撃波発生装置と比較して大きな場所を有するという問題もあった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解決するために、鋭意検討した結果、本発明に至った。すなわち、ショックチューブの形状を衝撃波発生装置のままで、ブラスト波を発生させることができる装置の発明に関する。すなわち、最も上流にあることから交換が容易で、小さなパーツに属する貯気槽の形状を変更することにより、衝撃波発生装置を簡単にブラスト波発生装置に変更できる。これにより、衝撃波発生装置の小さなスペースで、衝撃波とブラスト波の双方を発生させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
衝撃波発生装置の概要を図１に例示する。図１は縦型の衝撃波発生装置であり、上方から貯気槽１、フランジ部２、ショックチューブ３およびリザーブタンク５から構成されている。貯気槽１は円筒状で、その下にはフランジ部があり、隔膜がセットできる。隔膜は、Ｏリングで挟まれ、さらに油圧ジャッキの締め付けで強固に固定される構造となっている。以上の貯気槽１とフランジ部２が高圧部に相当する。その下にショックチューブ３が接続されており、上述の高圧部に対応して低圧部と称されることもある。なお、高速流の圧力はショックチューブの最下流にあたる圧力測定部４で測定した。
【００１７】
貯気槽１の形状を変更することにより、ショックチューブ３の形状を衝撃波発生装置のままで、すなわち狭い開口部から徐々に広げた形状、いわゆるメガホン形状のショックチューブを用いることなく、ブラスト波を発生させることができる。この場合、ショックチューブ３に流入する気体の流量が時間とともに減少することが重要となる。このため、例えば、邪魔板を挿入することによって、ショックチューブ３に近い方の貯気槽１内体積を大きくし、ショックチューブ３から遠い方の貯気槽１内体積が小さくなるように貯気槽１内の構造を変えても良い。また、ショックチューブ３に近い方の体積を多くし、ショックチューブ３に遠い方の体積を小さくした、例えば、頂点をショックチューブと反対側にもつ円錐や多角形錘状にした貯気槽１でも良い。さらに、ショックチューブ３に近い方から遠い方にかけて、貯気槽１内における気体密度を徐々に小さくすることでも対応は可能である。
【００１８】
衝撃波発生装置は縦型の他にも、横型の衝撃発生装置も数多く存在する。どちらかというと、横型の衝撃波発生装置の方が多数を占めるが、大きなスペースを占め、挿入部材の取り付けが難しいという欠点がある。一方、縦型の衝撃波発生装置はスペース的には優位であり、当初の組み立ての技術は難しいが、ブラスト波発生用に貯気槽を変更する場合は優位な状態にある。しかし、縦型でも横型でも基本的には同様であり、衝撃波やブラスト波を発生させる上での差異はない。したがって、ショックチューブに瞬時に流れ込む気体の流量減少がショックチューブからの距離に依存することがポイントとなる。
【００１９】
なお、ステップ状波の衝撃波と三角波形状のブラスト波との差を明確にするため、衝撃波とブラスト波を分けて表現した。しかし、実際の応用面では厳密に両者が区別されているわけではなく、言葉の使われ方も曖昧な点が多い。したがって、厳密なブラスト波に限定されるものではなく、衝撃波形状に近いブラスト波も含まれる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例に基づき、述べる。
【００２１】
（実施例１）
ショックチューブの開口部は３００ｘ３００（ｍｍ）で、ショックチューブの出口（最下流部）のところにステンレス鋼板を置き、ショックチューブ出口での圧力変化を求めた。ステンレス鋼板は厚さが２０ｍｍであり、その中心部には５ｍｍの孔をあけ、その中に圧力センサー（キスラー社６０３Ｂ）を取り付けてある。ステンレス鋼板は端部を固定し、高速流を吹き付けてもその負荷で動かないようにした。この円柱状の貯気槽をもった衝撃波発生装置のフランジ部に、厚さが２００μｍの隔膜（ダイアホイル社製ポリエステルフィルム）を装着し、隔膜が破壊するまで窒素ガスを充填していった。隔膜が破壊したときの貯気槽圧（破壊貯気槽圧）は４０２０ｈＰａであった。発生した高速流の圧力変化を図２に示す。図２から明らかなように、このときの圧力変化はステップ状であり、いわゆる衝撃波が発生していることを確認できた。なお、このときのマッハ数は１．２９であった。
【００２２】
次に、図３（ａ）に示す円筒状の貯気槽１の中に、図３（ｂ）に示す５ｍ弱の長さの円錐部材１１を装着し、貯気槽１の中の空間構造を変更した。この変更した図３（ｃ）に示す貯気槽１２をショックチューブの上に装着し、再度その圧力変化を調べた。その結果を図４に示す。このときの隔膜の厚さは前と同様の２００μｍ、充填気体も同様の窒素ガスとした。このときの隔膜が破壊貯気槽圧は３０８０ｈＰａであった。図４のパターンをみると、三角波形状に変化しており、発生する高速流が衝撃波からブラスト波に変更していることが確認できた。なお、このときのマッハ数は１．２５であった。
【００２３】
（実施例２）
実施例１と同様の実験を隔膜の厚さを１００μｍに変更しておこなった。従来の貯気槽の場合の圧力変化を図５に、円錐部材を挿入した場合の圧力変化を図６に示す。図５の条件の場合、その発生圧力は図２の場合よりも小さい値となっているがほぼ同様のステップ状であり、衝撃波が発生していることが分かる。これに対し、図６の条件の場合では、三角波形状に変化しており、ブラスト波が発生していることが確認できた。なお、破壊貯気槽圧はそれぞれ２２３０ｈＰａと２１５０ｈＰａであり、マッハ数はともに１．１９であった。
【００２４】
（実施例３）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　実施例１および２で用いた貯気槽１を図７に示す四角形柱タイプに変え、同様の測定を行った。すなわち、四角錘状部材２１を挿入した場合の貯気槽２２としなかった場合の貯気槽１の圧力変化をそれぞれ測定した。四角錘形状部材２１を挿入しなかった場合は、衝撃波の形状であったが、四角錘形状部材２１を挿入した場合はブラスト波の形状に変化した。なお、このときの隔膜の厚さは５０μｍであり、破壊貯気槽圧はそれぞれ１１４０ｈＰａと１０７０ｈＰａであり、マッハ数は１．１３と１．１１であった。
【００２５】
（実施例４）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　実施例１および２で用いた貯気槽１を図８に示す円錐形状部３１をくり抜いた一体型貯気槽３２に変更し、これをショックチューブに装着して、ショックチューブの最下部の圧力変化を測定した。この結果、実施例１、図４とほぼ同様のブラスト波が発生していることが確認できた。なお、隔膜の厚さは２００μｍである。
【００２６】
【発明の効果】
衝撃波発生装置の貯気槽の形状を変更することにより、ショックチューブを変更することなく、簡単にブラスト波発生装置に変更することができる。これにより、省コスト，省スペースで衝撃波とブラスト波に対する測定が実施できる。これまでは２つの装置で対応していた衝撃波とブラスト波の要求に対し、実質的に１つの装置で対応できることから、低コスト化が可能となり、省スペースの利点も発生した。
【図面の簡単な説明】
【図１】衝撃波発生装置の一例である。
【図２】得られた衝撃波形を示す。
【図３】円錐形状部材が挿入されたブラスト波発生用貯気槽の一例である。
【図４】得られたブラスト波形を示す。
【図５】得られた衝撃波形を示す。
【図６】得られたブラスト波形を示す。
【図７】四角錐形状部材が挿入されたブラスト波発生用貯気槽の一例である。
【図８】円錐形状部をくり抜いた一体型ブラスト波発生用貯気槽の一例である。
【符号の説明】
１　貯気槽
２　フランジ部（隔膜）
３　ショックチューブ
４　圧力測定部
５　リザーブタンク
１１　円錐形状部材
１２　円錐形状部材が挿入された貯気槽
２１　四角錐状部材
２２　四角錐状部材が挿入された貯気槽
３１　くり抜かれた円錐形状部
３２　円錐部形状がくり抜かれた一体型貯気槽
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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