Cartridge for destruction and destructor, and destruction method

本発明は、被破壊物を破壊する破壊装置に関する。

従来より、コンクリート構造物や岩石等の被破壊物を破壊する方法として、火薬ではない破壊用物質の爆発による衝撃力を利用するものが知られている。 例えば、特許文献１に開示される破壊装置は、銅にて形成された金属細線、金属細線により先端同士が接続された一対の電極、破壊用物質であるニトロメタン、および、これらが内部に収容される破壊容器を備える。 破壊装置により被破壊物が破壊される際には、破壊容器を被破壊物に形成された装着孔に挿入し、金属細線に充電エネルギーを短時間にて供給することによりニトロメタンを爆発させる。 破壊装置では、金属細線が溶融気化する際の膨張力およびニトロメタンの爆発力により被破壊物が破壊される。

ところで、特許文献１に示される破壊装置では、電極に接続された金属細線として銅線が利用されるが、この金属細線を溶融気化するためには、電極に付加される電圧は通常３０００Ｖを超え、電流は５０００Ａ以上とする必要があり、高電圧かつ大電流となってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、銅の金属細線を有する破壊装置に比べて、低電圧にてより高い破壊力を得ることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、被破壊物を破壊する破壊装置において使用される破壊用カートリッジであって、自己反応性を有する破壊用物質と、前記破壊用物質を収容する容器と、前記破壊用物質内に配置されるタングステン細線と、前記タングステン細線の両端に先端が接続され、他端が前記容器外にて電源装置に接続される一対の導線とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の破壊用カートリッジであって、前記タングステン細線が、１本の金属細線、または、捩り合わされた２本もしくは３本の金属細線である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の破壊用カートリッジであって、前記タングステン細線の長さが、１０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下であり、断面積が、０．０３ｍｍ ^２以上０．１３ｍｍ ^２以下である。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の破壊用カートリッジであって、前記破壊用物質が、ニトロメタンである。

請求項５に記載の発明は、被破壊物を破壊する破壊装置であって、請求項１ないし４のいずれかに記載の破壊用カートリッジと、前記一対の導線に接続されるコンデンサと、前記コンデンサに電気エネルギーを供給する電源部と、前記一対の導線を介して前記コンデンサに蓄積された電気エネルギーにより前記タングステン細線への放電を行う放電スイッチとを備える。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の破壊装置であって、前記タングステン細線への放電電圧が、１５００Ｖ以上３０００Ｖ以下である。

請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の破壊装置であって、前記コンデンサの静電容量が、１００μＦ以上１０００μＦ以下である。

請求項８に記載の発明は、被破壊物を破壊する破壊方法であって、ａ）自己反応性を有する破壊用物質を、被破壊物に形成された凹部内に収容し、一対の導線に両端が接続されたタングステン細線を前記破壊用物質内に位置させる工程と、ｂ）前記一対の導線に電気エネルギーを供給して前記タングステン細線を溶融気化させ、前記破壊用物質により生じる衝撃力により前記被破壊物を破壊する工程とを備える。

本発明では、低電圧にてより高い破壊力を得ることができる。

破壊用カートリッジを示す図である。

電極近傍を拡大して示す図である。

放電衝撃破壊装置の構成を示す図である。

被破壊物の破壊の流れを示す図である。

破壊された被破壊物を示す図である。

破壊された被破壊物を示す図である。

２種類の金属細線と破砕片の表面積との関係を示す図である。

放電電圧と破砕片の表面積との関係を示す図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る破壊用カートリッジ２を示す図である。 破壊用カートリッジ２（以下、単に「カートリッジ２」という。）はコンクリート構造物、鉄筋コンクリート構造物、岩石、岩盤等の被破壊物の破壊に使用される。

カートリッジ２は、プラスチック等により形成された略円筒状の破壊容器２１、破壊容器２１内に収容された破壊用物質２２、破壊容器２１内に挿入された一対の導線２３、および、一対の導線２３の先端部２３１に接続された１本の金属細線２４を備える。 導線２３および金属細線２４は破壊容器２１内にて破壊用物質２２内に位置し、導線２３は絶縁チューブ２５により覆われる。 破壊容器２１は、上部に開口を有する容器本体２１１、および、容器本体２１１の開口を閉塞して容器本体２１１を密閉する蓋部２１２を備える。

導線２３は、破壊容器２１の蓋部２１２を貫通し、蓋部２１２により容器本体２１１内における位置が固定される。 図２は、導線２３の先端部２３１の断面図である。 先端部２３１では、圧着端子である圧着スリーブ２３２のカシメにより金属細線２４の端部が導線２３に固定される。

破壊用物質２２は、火薬ではない自己反応性を有する物質であり、例えば、無酸素環境下または低酸素環境下にて燃焼可能な物質である。 本実施の形態では、液体のニトロメタンが使用される。 金属細線２４はタングステンにより形成され、太さが導線２３よりも十分に小さい。 金属細線２４の長さは３０ｍｍであり、直径は０．３ｍｍ（すなわち、断面積が０．０７ｍｍ ^２ ）である。

カートリッジ２の組み立てが行われる際には、まず、図１の導線２３に破壊容器２１の蓋部２１２が取りつけられ、金属細線２４の端部が、図２に示す導線２３の先端部２３１と圧着スリーブ２３２との間にカシメにより固定される。

図１に示す容器本体２１１内には、破壊用物質２２が充填され、蓋部２１２が容器本体２１１に取りつけられることにより、導線２３および金属細線２４が破壊用物質２２内に位置する。 破壊用物質２２の量は２５ｍｌとされる。 なお、破壊用物質２２の量は、最小限の破壊力を得るために好ましくは２ｍｌ（ミリリットル）以上とされ、未反応液が残らないように好ましくは５０ｍｌ以下とされる。

図３は放電衝撃破壊装置１を示す図である。 放電衝撃破壊装置１は、カートリッジ２、配線３を介して導線２３に接続されるコンデンサ４、配線５を介してコンデンサ４に接続される電源部６、並びに、配線３および配線５のそれぞれに設けられた放電スイッチ３１および充電スイッチ５１を備える。 放電衝撃破壊装置１では、コンデンサ４、電源部６、、配線３，５、並びに、放電スイッチ３１および充電スイッチ５１により、カートリッジ２に電気エネルギーを供給する電源装置が構成される。 電源部６は直流電源であり、コンデンサ４の静電容量は、好ましくは、１００μＦ以上１０００μＦ以下とされる。

図４は、放電衝撃破壊装置１による被破壊物の破壊の流れを示す図である。 なお、図４のステップＳ１０は、破壊作業の前に行われるカートリッジ２の既述の組み立て作業を示している。 放電衝撃破壊装置１により破壊が行われる際には、まず、図３に示すように、ドリル等により被破壊物９に凹部９１が形成される（ステップＳ１１）。 凹部９１の深さ方向に垂直な断面は略円形である。 なお、図３では、図の理解を容易にするために被破壊物９を断面にて描いている。

次に、導線２３の先端部２３１とは反対側の端部が破壊容器２１外にて配線３に接続され、カートリッジ２が被破壊物９の凹部９１内に挿入される（ステップＳ１２）。 凹部９１では、カートリッジ２の上方から砂等が充填されて突き固められる、いわゆる、タンピングが行われる。 放電衝撃破壊装置１では、放電スイッチ３１がＯＦＦの状態で充電スイッチ５１をＯＮとすることにより、電源部６から配線５を介してコンデンサ４に電気エネルギーが供給される。

その後、充電スイッチ５１をＯＦＦにするとともに放電スイッチ３１をＯＮにすることにより、コンデンサ４に蓄積された電気エネルギーが、導線２３を介して金属細線２４へと放電される。 瞬間的な高電圧および大電流により、金属細線２４は瞬時に溶融気化して数千度の金属ガスとなり、コンデンサ４からの電気エネルギーが当該金属ガスにさらに供給されることによりプラズマが発生する。

金属細線２４の溶融気化およびプラズマ化により発生する高温・高圧により、プラズマの周囲にて破壊用物質２２の燃焼反応が開始され、燃焼反応が破壊容器２１内において破壊用物質２２を伝播して拡がる。 放電衝撃破壊装置１では、破壊用物質２２の燃焼の際の膨張により生じる衝撃力（すなわち、放電衝撃力）により被破壊物９が破壊される（ステップＳ１３）。

図５は、放電衝撃破壊装置１により破壊された実験用のコンクリート物を示す図である。 放電衝撃破壊装置１では、金属細線２４に対して１５００Ｖの放電電圧が付加され、２５００Ａの電流が流される。 図６は、比較例に係る破壊装置により破壊されたコンクリート物を示す図である。 比較例に係る破壊装置では、金属細線として銅線が使用され、金属細線への放電電圧は４０００Ｖである。 他の構造および他の破壊条件は放電衝撃破壊装置１と同様である。

図５および図６に示すように、コンクリート物は、放電衝撃破壊装置１により、より細かく破砕される。 図７は、図５および図６に示すコンクリート物における多数の破砕片の表面積の総和を示す図である。 図７では、多数の破砕片を複数段に分級し、各段において単位重量当たりの表面積に破砕片の重量を乗じて表面積を求めることにより、各段の表面積の和が多数の破砕片の表面積の総和として算出される。

図７に示すように、放電衝撃破壊装置１による破壊にて発生した破砕片の表面積の総和は、比較例に係る破壊装置の場合と比べておよそ４倍となっている。 一方、タングステンの抵抗率は５（３０００Ｋで１２３）μΩ・ｃｍ、気化点は５８２８であり、銅の抵抗率は１．５５μΩ・ｃｍ、気化点は２８４０Ｋであり、タングステンの金属細線２４は、銅線に比べて抵抗が大きく（すなわち、発熱量が大きく）、かつ、気化時の温度が高い。 このため、放電衝撃破壊装置１では、放電電圧が１５００Ｖであっても、放電電圧が４０００Ｖである比較例の破壊装置と比べて、大きな衝撃力を発生する。

図８は、放電衝撃破壊装置１における複数の放電電圧と破砕片の表面積の総和との関係を示す図である。 図８に示すように、放電電圧が０Ｖから１５００Ｖに増加すると、破砕片の表面積が増加し、衝撃力が急激に増加することが判る。 放電電圧が１５００Ｖ以上の範囲では、破砕片の表面積がおよそ一定となる。 このように、放電電圧を１５００Ｖ以上とすることにより破壊用物質２２による衝撃力が十分に発揮されることが判る。

以上に説明したように、放電衝撃破壊装置１では、銅線が利用される従来の破壊装置の３０００Ｖを超える放電電圧に比べて、１５００Ｖ以上３０００Ｖ以下（より好ましくは、銅線の場合には通常利用されない１５００Ｖ以上２０００Ｖ以下）の低電圧であっても高い衝撃力が確保される。 放電電圧を低電圧とすることにより、コンデンサ４等の放電衝撃破壊装置１を構成する部品の選択の自由度が向上し、放電衝撃破壊装置１のコストダウンが可能となる。 カートリッジ２では、金属細線２４が圧着スリーブ２３２に挟み込まれて導線２３に固定されるため、カートリッジ２の組み立てが容易となる。 また、圧着スリーブ２３２は、金属細線２４が溶融気化するまで破損しないため、破壊の信頼性を向上することができる。

金属細線２４の長さは、好ましくは１０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下とされ、さらに好ましくは２０ｍｍ以上８０ｍｍ以下とされる。 金属細線２４の断面の直径は、好ましくは０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下（すなわち、断面積が０．０３ｍｍ ^２以上０．１３ｍｍ ^２以下）とされる。 これにより、金属細線２４を過度に太くすることなく、剛性が確保される。 その結果、同程度の長さおよび断面積の銅線に比べて金属細線２４の取り扱いが容易となる。

また、金属細線２４の長さおよび直径を上記範囲とし、放電電圧を１５００Ｖ以上３０００Ｖ以下としつつ金属細線２４に十分な電流を流すことにより、金属細線２４を確実に溶融気化させることができる。

カートリッジ２では、１本の金属細線２４に代えて複数本（好ましくは、２本または３本）の細い金属細線が捩り合わされたものが利用されてもよい。 この場合、金属細線の長さ、および、複数本の金属細線の断面積の和は、１本の金属細線２４の場合と同じ範囲内とされる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 例えば、破壊用物質２２は、自己反応性を有する物質であれば、ニトロメタンには限定されず、液体にも限定されない。 例えば、ニトロメタンを含有するアルコール類、硝酸アンモニウムとアルコールや油類との混合物が破壊用物質として使用されてもよい。

また、上述の破壊方法では、必ずしも破壊容器２１が使用される必要はない。 破壊容器２１を使用しない場合は、ステップＳ１２に代えて、被破壊物９に形成された凹部９１内に破壊用物質２２を直接収容する工程、導線２３に両端が接続された金属細線２４を凹部９１内の破壊用物質２２の内部に位置させる工程、並びに、凹部９１を密閉する工程がこの順序にて行われる。

上記実施の形態では、被破壊物９に形成される凹部は溝状であってもよい。 また、上述の放電衝撃破壊装置１は、例えば、トンネルにおける仕上げ破壊作業やコンクリート構造物の解体作業、水中における破壊作業、その他、発破作業が制限される破壊や解体作業に特に適している。

１ 放電衝撃破壊装置 ２ カートリッジ ３ 配線 ４ コンデンサ ６ 電源部 ９ 被破壊物 ２１ 破壊容器 ２２ 破壊用物質 ２３ 電極 ２４ 金属細線 ３１ 放電スイッチ ９１ 凹部 Ｓ１０〜Ｓ１３ ステップ