火災が発生した場合，一般には大量の水が消火剤として使用される．しかし水の使用は，火炎から直接被害を受けていない電気・電子機器，紙製品そして建築物自体に水損と言われる２次被害を生じる．この水損を回避するために，二酸化炭素や窒素といった不活性ガスを消火ガスとして用いる消火法がある．このガス消火法では，消火ガスを火炎に対して噴流形態で放出し，火炎周囲の酸素濃度または燃料濃度を燃焼が不可能となる値まで低下させて消火を達成する．しかし，従来の消火ガスの火炎への輸送方法では，図１(a)のように消火ガスが火源へ到達する間に周囲空気との相互拡散や混合が生じ，消火ガス濃度の減少つまり消火能力の低下を生じるという問題がある．そのためガス消火法では，消火達成のために大量の消火ガスを空間中へ放出する必要が生じる．しかし酸素を含まない消火ガスの大量放出は，特に密閉空間内での使用では人を窒息させる恐れがあり人命への配慮も必要となる．このようにガス消火法にも欠点があり，その使用条件は限定的となっている．　

　そこで著者は，水損を生じないガス消火法の使用範囲の拡大を目指し，カプセルを利用して消火ガスを輸送するという改善策を提案している．それは図1(b)のように不活性ガスをカプセル内に充填し，そのカプセルを火炎近傍まで輸送して火源近傍で破裂させることで内部に充填された消火ガスを火炎へ供給するという方法である．このカプセルを用いた消火法では，カプセルの膜が消火ガスと周囲空気との相互拡散を抑制し，消火ガスを高濃度に維持したまま火源へ輸送できるという利点がある．さらにカプセル膜を火炎近傍で破裂させることで，高濃度の消火ガスを局所的にまた大量に火炎へと供給することができる．このカプセル消火法は，消火に必要な不活性ガス量を減少させることが可能であり，また窒息などの人命への危険性も低下させることが可能になると考えられる．現在，我々の研究室では，このカプセル消火法の基礎研究として，形成が容易で破裂時の破膜現象の再現性も高いシャボン玉を用いた消火法の研究を実験的に行っている[1]-[4]．シャボン玉は液膜で気体を包み，二酸化炭素のような水溶性ガスを輸送するのには不向きだが，窒素ガスであれば充分周囲空気との拡散・混合を抑制して，カプセルとしての役割を果たす．このシャボン玉を用いたカプセル消火法を，我々はシャボン玉消火と呼んでいる．本稿ではシャボン玉の破裂過程とシャボン玉消火の消火過程を，密度変化を光学的に可視化するシュリーレン法と，粒子を添加した流体をレーザシートで照らし，その粒子からの散乱光により流体挙動を可視化するレーザトモグラフィ法を用いて観察し，シャボン玉消火の消火機構について説明・紹介する．

(a) 従来の消火ガス供給法	(b) カプセルを利用した消火ガス輸送法
図１　従来のガス消火法とカプセル消火法の比較

2.1 シャボン玉消火の実験装置
　シャボン玉消火実験に使用した装置の概略を図２に示す．消火対象には，火災で生じる拡散火炎の基本的な燃焼形態である噴流拡散火炎を用いた．噴流拡散火炎は外径3mm，内径2.5mmのステンレス管バーナから燃料を静止空気中に吹き出すことで形成した．管長は十分に長くし，バーナ出口までにポアズイユ流れが充分発達するようにした．燃料には燃焼学的な知見が豊富なメタンを用いた．そのメタン流量はキャピラリフローメータを用いて測定し，その流量をバーナの円管断面積で除することで断面平均流速U [m/s]を算出した．シャボン玉消火とシャボン玉破裂過程の可視化を行った具体的な実験条件を表１に示す．この条件では噴流拡散火炎は層流で火炎基部がバーナリムに付着した状態で燃焼する．

　消火用のシャボン玉の形成にはSwagelok社製のSNOOP液をシャボン液として用い，窒素ガスを消火ガスとして用いた．窒素ガスの吹出し口は外径6mmのプラスチック管を用いた．このプラスチック管から窒素ガスを微小な流量で吹き出した状態で，管端にシャボン液を塗布することで窒素ガスを充填したシャボン玉を形成した．窒素の流量もメタンガスと同様にキャピラリフローメータによって測定した．また窒素吹出し口外径は，形成したシャボン玉直径に比べて充分小さくシャボン玉形状や消火に影響しないことを確認している．

図２　シャボン玉消火実験装置の概略

表１　噴流拡散火炎とシャボン玉の形成条件

Flame condition
Mean fuel flow rate [m/s]	5.5
Reynolds number [ - ]	822
Flame height : fh [cm]	30
Soap bubble condition
Nitrogen gas volume [cm3]	300
Soap bubble diameter [cm]	8.3

2.2 シャボン玉消火の実験方法
　窒素を充填したシャボン玉による消火実験の手順を以下に示す．はじめに燃料流量を調節し火炎高さf_hが約30cmとなるメタン-空気拡散火炎を形成した．そして，窒素ガスを一定流量で吹き出した状態でシャボン液を吹出し口に塗布しシャボン玉を形成した．このとき，シャボン玉の形成開始時刻をゼロとして時間を計測し，シャボン玉に充填されるガス量を計測した．そして目的とする300cm³の窒素ガスがシャボン玉に充填されたところで窒素ガスの供給を停止した．そして，シャボン玉を火炎へとゆっくりと移動させ，シャボン玉を必ず火炎帯に接触させて破裂させた．シャボン玉破裂後，消火したかどうかを目視にて確認し，火炎が消滅していれば消火成功とした．実験に使用した窒素ガス量300cm³は，今回消火対象として形成した高さ約30cmの噴流拡散火炎を常に消火できる条件である．また，消火における拡散火炎の安定性は，バーナリム近傍に形成される火炎最上流端に位置する火炎基部が支配することが知られている．そこで本実験では，シャボン玉の中心位置をバーナリムと同じ高さに設定し，火炎側方からシャボン玉を移動させて火炎基部領域の火炎帯と接触・破裂させた． 座標には原点をバーナリム上端，噴流中心の位置とし，下流方向を正とするy軸を設定した．

2.3 シュリーレン法による可視化
　シャボン玉内部に充填された窒素ガスのシャボン玉破裂時の放出過程とシャボン玉消火での窒素ガスと火炎挙動を検討するために，密度変化を可視化できるシュリーレン法を用いて観察を行った．その光学系および光源の配置の概略を図３に示す．口径200mm，焦点距離2000mmの2枚の凹面鏡を使用し，光源にはハロゲンランプ(PHILIPS, LCR)を使用した．光の凹面鏡への入射角および反射角θは約7°に設定した．シュリーレン画像の記録には，高速度撮影が可能なデジタルカメラ(CASIO, EXILIM EX-F1)を使用した．撮影条件はシャッタースピードを1/320s，フレームレイトを300frame/sとした．

図３　密度変化を可視化するシュリーレン光学系と光源

2.4 レーザトモグラフィ法による可視化　
　シャボン玉に充填された窒素ガスの放出過程の観察として，レーザトモグラフィ法による可視化を行った．その装置概略を図４に示す．シャボン玉に充填する気体にオイル・ミスト粒子を添加し，シャボン玉に封入した．そのシャボン玉に厚さ約1mmのシート状にした50mWのレーザ光を側方から照射し，シート面に直交する位置から高速度撮影可能なデジタルカメラで映像を撮影した．レーザ光源にはLD励起 Nd:YAG/YVO₄固体レーザ（カトウ光研，PIVLaser G50）を用いた．今回使用したオイル・ミスト粒子の流体への追従性は，シュリーレン画像で得られた窒素ガス挙動とトモグラフィ法で得られた粒子挙動を比較した結果，窒素ガス塊との挙動に顕著な差が無く，ある程度追従していることが確認された．

図４　レーザトモグラフィ法によるシャボン玉破裂過程の可視化

3.1 シャボン玉の破裂過程
　はじめに，シャボン玉が破裂した時に内部に充填された窒素ガスがどのように周囲に放出されるかを，シュリーレン法を用いて観察した結果を図５に示す．シャボン玉は非燃焼場で形成し，直径0.5mmの針金をシャボン玉上端に接触させることで破裂させた．図５の各画像の上方に付した数字は経過時間を表し，シャボン玉の破膜開始時刻を0msとしている．

　図５から，針金がシャボン玉の最上端に接触すると，接触部分からシャボン液膜の破裂・収縮が開始し，液膜は下方へ縮んでシャボン玉最下端の位置で収束することがわかる．このシャボン液膜は破裂開始後17msで画像から視認できなくなることから，シャボン玉の液膜収縮が十ms程度の短い時間で生じていることを示している．そして時刻7msと17msの画像で窒素と空気の界面に規則的な乱れが形成されている．これは，シャボン液膜が窒素ガスと空気との間を高速で収縮し，その液膜移動に窒素と空気が引きずられた結果，ケルビン-ヘルムホルツの不安定性が誘起され，窒素−空気界面に規則的な渦が形成されたものと考えられる[5]．また時刻7msと17msでは，シャボン液膜に包まれていた窒素ガスが破膜開始位置から上方へ流れ出している．これは，シャボン玉液膜の表面張力によってシャボン玉内部の気体圧力が周囲気体よりもわずかに高くなり，このシャボン玉内圧と大気圧との圧力差により上方へ駆動された流れと考えられる．次に，時刻53msから323msまでの画像を見ると，シャボン液膜が収縮・収束した後に，窒素ガス塊の最下端が上方向へ持ち上げられ，最終的には窒素ガス塊全体が上方へ移動してゆくことがわかる．この液膜収縮後に生じる窒素ガス塊の上方向への移動つまり流れは，シャボン液膜の収縮に引きずられることで形成された窒素ガスの流れがシャボン玉最下端の液膜収束位置で対向し，流れの向きが破膜開始位置へと曲げられた結果，窒素ガス塊の最下端（窒素と空気の界面）が上方へと移動したものと考えられる

図５　窒素ガスを充填したシャボン玉破裂過程のシュリーレン法による可視化

　ただし密度変化を可視化したシュリーレン法では，シャボン液膜の収縮による窒素ガスの液膜収束位置から破膜開始位置へ向かう流れの状況が観察しづらい．そこで，レーザトモグラフィ法によって図５と同様の条件のシャボン玉破裂過程を可視化した．その実験から得られた画像を図６に示す．

　図６から，破膜開始から時刻37 msで窒素ガス塊の最下端が画像上方へ移動し始めていることがわかる．しかし時刻143msで，窒素ガス塊下方の窒素−空気界面がガス塊内部に向かって移動し始めている．そして，時刻243msで窒素ガス塊は下方から押しつぶされた形に変化し，そのガス塊内部に渦対が生成されている．この渦対は液膜収縮によって生じた流れが渦輪を形成し，その渦輪を側方から観察した結果得られたものと考えられる．そして最終的に，シャボン玉に充填されたガスと供に渦輪は画像上方へと移動してゆく．

　このように，窒素ガスを充填したシャボン玉を一点から破裂させると，充填された窒素ガスがシャボン玉内圧と大気圧との差によって破裂位置から流れ出し，そしてまた，シャボン液膜の収縮によって引きずられて生じる流れによって，窒素ガス塊が液膜の収束位置から破膜開始位置へと流れ，最終的には渦輪を形成して空間中を移動してゆくことがわかった．そこで，このシャボン玉の破裂に伴う窒素ガスの挙動が，消火にどのように影響しているかを次に検討してゆく．

図６　レーザトモグラフィ法によるシャボン玉破裂過程の可視化

3.2消火成功時の窒素ガス挙動と火炎挙動
　噴流拡散火炎のシャボン玉消火過程について説明する．シュリーレン法を用いて消火過程で得られた結果を図７に示す．画像上方に付した数字は経過時間を表し，シャボン玉が噴流拡散火炎の火炎帯の外縁に接触し，破膜が始まった時刻を0msとしている．
　シャボン玉が火炎帯に接触すると，接触位置からシャボン玉に破膜が生じることが時刻3msの画像からわかる．破膜位置はシャボン玉の側方ではなく，若干斜め上方に存在している．時刻17msの画像を見ると，すでに火炎基部領域の温度境界が変形し始めている．これはシャボン玉に充填された窒素ガスがシャボン玉内圧と大気圧との圧力差により破膜位置から火炎へ放出された結果と考えられる．そして時刻50msで窒素ガス塊は，3.1節で述べたように，シャボン液膜の収縮により液膜収束位置から破膜開始位置の方向へ窒素ガスが押し流されており，その流れの影響を受けて火炎基部部分の温度境界の変形がメタン噴流の中心部にまで及んでいる．これはシャボン玉から放出された窒素ガスによって火炎に局所消炎が形成され，その局所消炎領域が拡大していることを示している．そして時刻77msでは火炎基部近傍の温度境界の変形が，シャボン玉からのガス放出方向と燃料噴流の下流方向の2方向に拡がり，窒素ガスによる消炎領域がさらに拡大していることを示している．そして150msでは局所消炎の拡大と供に火炎基部がバーナリムから離れ，火炎が付着火炎から浮き上がり火炎へと遷移している．そして最終的に浮き上がり火炎として下流に残った火炎も，時間経過とともに更に下流へと押し流されて全体消炎に至る．

図７　噴流拡散火炎のシャボン玉消火過程のシュリーレン法による可視化

3.3 シャボン玉消火過程における火炎基部挙動
　3.1節で述べたシャボン玉から放出される窒素ガスの挙動と，3.2節で説明した火炎の消炎挙動との関係をより詳細に明らかにするために，シュリーレン画像から図８に示す噴流中心軸上に存在する温度境界の最下端位置Aと，温度境界の中で最下端となる位置Bの時間変化を検討する．この各温度境界の下端位置は，局所消炎によって形成されたEdge flame（火炎基部）が存在する位置を表す．横軸はシャボン玉の破膜開始を0msとした時間，縦軸は噴流軸上の距離yを示す．また図８のグラフには，シャボン玉破裂過程で生じる渦輪がメタン噴流に到達した時刻を一点鎖線で記入している．

　図８から，シャボン玉の破膜直後の数十msの間は噴流軸上に火炎基部Aは形成されず，また火炎基部Bも顕著なy軸方向への位置の変化を示さない．これは，はじめの数十msの間火炎基部がバーナリムに付着していることを示す．しかし，シャボン玉の破膜開始から50ms程度で，窒素ガスが噴流中心軸まで到達し，火炎基部Aが形成される．またほぼ同時刻から火炎基部Bもバーナリムから離れ，下流へと押し流され始めている．この火炎基部Bの挙動は噴流火炎がバーナリムから離れて浮き上がったことを示す．この時，火炎基部Bはグラフの傾きから約41cm/sの速さで下流へ向かって移動している．さらに120ms程度で火炎基部Bは，火炎基部Aと同様の位置まで後退し，火炎基部Aに取り込まれて消滅する．他方，火炎基部Aは50ms程度で形成されると41cm/sの速さで下流へと移動する．そして150msの時刻から，バーナリムから5cm程度下流へ流された位置で，火炎基部Aが浮き上がり火炎のように安定化しているのがわかる．しかし，時刻200msにシャボン玉の破裂によって形成された窒素ガスの渦輪が，メタン噴流位置に到達し干渉すると，火炎基部Aに再度窒素ガスが供給され，基部は約36cm/sの速さで再び下流へと流され始めることがわかる．そして最終的に，全体消炎が達成される．

　このように噴流拡散火炎のシャボン玉消火では，シャボン玉が破裂することによって大気圧と内圧との圧力差によって形成される窒素ガスの流れが噴流拡散火炎のバーナリムに付着した火炎基部に作用し，そしてシャボン玉液膜が収縮・収束することで生じるもう一つの窒素ガスの流れが，バーナより浮き上がった火炎基部に対して再度作用することで火炎を下流へと押し流し，最終的にシャボン玉消火が達成されることがわかった．

図８　シャボン玉消火過程における火炎基部挙動

　我々は水損を生じないガス消火法の使用範囲の拡大を目指し，カプセルを利用して消火ガスを輸送するというカプセル消火法を提案している．このカプセル消火法は，カプセルの膜が消火ガスの周囲空気との相互拡散を抑制し，消火ガスを高濃度に維持したまま火源へ輸送そして供給できることが利点である．さらにまた，カプセル膜を火炎近傍で破裂させることで，高濃度の消火ガスを局所的にまた大量に火炎へと供給することができる．このカプセル消火法は，消火に必要な消火ガス量を減少させることが可能であり，また窒息などの人命への危険性も低下させることが可能になると考えられる．そのカプセル消火法の基礎研究として，シャボン玉に不活性ガスを充填し，それを火炎に接触させることで不活性ガスを火炎に供給して消火を達成するというシャボン玉消火実験を行った． その結果，シャボン玉が破裂すると充填された窒素ガスは，まずシャボン液膜の表面張力から生じる周囲大気とシャボン玉内圧との圧力差により破膜位置から放出される．そして，シャボン液膜は破膜と同時に収縮しながら窒素ガスを引きずり１点に収束することで，窒素ガス塊が液膜収束位置から破膜位置へと移動する流れが形成されることがわかった．

　この窒素を充填したシャボン玉を噴流拡散火炎の火炎基部領域に接触・破裂させると，シャボン玉内圧と周囲大気との圧力差により窒素ガスが破膜開始位置から火炎基部へと供給され，火炎基部領域に局所消炎が形成される．そしてこの局所消炎領域が時間経過と供に拡大し，火炎がバーナリムから離れて浮き上がり火炎となる．そこで，シャボン玉液膜が収縮することによって形成された窒素ガス塊の流れがメタン噴流に到達・干渉すると浮き上がり火炎として下流で安定化した火炎基部が再度下流へと流され，最終的に全体消火が達成されることがわかった．

　現在，我々の研究室で行っているシャボン玉消火実験は，実験室規模の小さな火炎を対象としたものであるため，本研究の結果がそのまま実規模火災に適応できるわけではない．しかし，カプセルに消火ガスを充填して火源近傍まで輸送し，火炎とカプセルを接触させて破裂させることで高濃度の消火ガスを大量かつ瞬間的に火炎に供給して消火を達成するというコンセプトは，新たな消火技術としての可能性を充分有していると我々は考えている．今後は，消火対象をより実践的な火炎に変えて実験を行い，またシャボン玉を火源へと効率的に輸送する技術を開発することでシャボン玉消火を確立し，消火の科学・技術に貢献できればと考えている．

　本研究の一部は，弘前大学理工学研究科長重点研究からの補助を受けて行われた．ここに記し感謝の意を表す．またシャボン玉消火実験そして可視化実験を遂行してくれた弘前大学大学院 目時匠君，弘前大学 村下卓美君に謝意を表する．