凝縮エアロゾル消火

凝縮エアロゾル消火法は、粒子ベースの消火方法です。革新的な発熱性凝縮エアロゾル消火剤を使用する乾燥化学消火法に似ていますが、同一ではありません。クラスA、B、C、E、Fの非常に効果的な消火方法です（ほとんどの消火剤の場合と同様に、金属火災（クラスD）には適用できません）。^{[1]一部のエアロゾル発生化合物（}硝酸カリウムベースなど）は、電子機器に損傷を与える可能性のある腐食性の副産物を生成しますが、後世代ではその影響が低下します。

凝縮エアロゾル消火システムでは、不活性ガスに浮遊する非常に微細な固体粒子からなる消火剤を使用します。これらの超微細エアロゾル粒子は、エアロゾル形成剤 (AFA) の燃焼によって花火のように生成されます。エアロゾル形成剤は室温で安定しており、加圧容器に保管する必要はありません。

利点としては、高性能（エアロゾルが冷却、希釈、化学的抑制の両方を活用し、禁止されているハロン 1301の 3 倍の効果）、汎用性（プラント サイズのシステムからコンパクトで軽量なポータブル ツールまで）、低毒性、環境への配慮（例：オゾン層破壊係数 0%）、非加圧システム、全体的なコスト効率の良さなどが挙げられます。

この消火媒体は「そのまま」保管されるのではなく、「要求に応じて」生成される。エアロゾル微粒子と排出ガスは、凝縮した固体のエアロゾル形成化合物内で開始される発熱反応によって生成される。 ^{[2]通常、導火線がエアロゾル形成化合物に点火して、高温のエアロゾル}コロイドを生成する。

高温エアロゾル消火技術は、いくつかの世代を経てきました。第 1 世代 (石油タンク消火システム) と第 2 世代 (硝酸カリウムベース、効率的だが腐食性の副産物あり) は K 型システムと呼ばれ、第 3 世代 (強化ストロンチウム塩ベース、潮解性が低く、腐食性の副産物が少ない) は S 型システムと呼ばれています。すべての世代で、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の 硝酸塩(高温エアロゾル生成プロセスで酸化剤として作用) とさまざまな種類の還元剤が活用されています。

通常、K 型システムでは、消火エアロゾル粒子は、さまざまな還元剤、結合剤(有機_樹脂やメラミン樹脂など)、添加剤と混合された硝酸カリウム(KNO _{3 )の}熱分解から生成される炭酸カリウム( K 2 CO 3 ) と重炭酸カリウム(KHCO 3 ₎で構成されます。

KNO ₃ (固体) + C _n H _m N _p O _q (固体) = KHCO ₃ (固体) + K ₂ CO ₃ (固体) + CO ₂ (気体) + N ₂ (気体) + H ₂ O (気体)

C _n H _m N _p O _qはガス発生酸化剤である

発熱反応により、大量のミクロンサイズの乾燥粒子（通常はアルカリ金属やアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、塩化物などの炭酸カリウムや炭酸ストロンチウムの形）とガス混合物（二酸化炭素、窒素、水蒸気）が生成される。蒸気に似たこの非常に高温のエアロゾル混合物は、分散装置自体の内部で冷却固体剤（蒸発して吸熱化学分解を引き起こす熱吸収グリッド）を通過することで冷却される。最終的にはガス流体内の固体微粒子として排出される。溶液中に分散される最終的な微粒子は、使用されるエアロゾル生成化合物に応じて、ナトリウム、カリウム、マグネシウムの塩化物、ヨウ化リチウム、酢酸カリウム、水酸化ナトリウム、フェロシアン化カリウム、PCC（リン含有化合物）^[3]となる。

ガス状消火剤（ガスのみを放出）や乾燥化学消火剤（25～150マイクロメートルの大きなサイズの粉末状粒子）と比較して、全米防火協会は、凝縮エアロゾルを、直径10マイクロメートル未満の微細な固体を放出するものと定義しています。

固体微粒子は、乾燥化学抑制剤に比べて質量平均空気動力学的直径(MMAD) がかなり小さいです。微粒子はブラウン運動をします。コロイドの高い拡散能力と長い浮遊時間により、微粒子は空気中にかなり長く留まり、保護領域内に他の (乾燥またはガス) 薬剤よりもずっと少ない残留物しか残りません。それらの大きな合計表面積は、表面吸着によってフリーラジカルを効率的に引き付けます。

凝縮エアロゾルは、浸水剤です。閉鎖された建物では、火災の場所や高さに関係なく効果を発揮します。これは、炎に直接向ける必要があるドライケミカルシステムとは対照的です。オープンスペースでは、炎の底部に向ける必要があるガス状およびドライエージェントとは異なり、炎の上部をターゲットにすると、かなり効果的です。

凝縮されたエアロゾル剤は、機械的操作、電気的操作、または電気機械操作の組み合わせによって送達することができます。

泡消火器に一般的に使用されている湿式化学システムは、乾式化学システムと同様に、火災に向かって方向性を持って噴霧する必要があります。

高温で凝縮されたエアロゾル消火剤は、物理的レベルと化学的レベルの両方で作用します。消火剤は、火の四面体と呼ばれる 4 つの要素に作用するため、4 つの方法で消火します。消火の 4 つの手段は次のとおりです。

• 燃料の削減または隔離
• 酸素の減少または遮断
• 熱の減少
• 上記成分の連鎖反応を阻害する

凝縮したエアロゾルの主な消火メカニズムは、炎のフリーラジカルとの化学反応によって火の四面体の 4 番目の要素が関与し、それによって火災の燃焼プロセスを妨害します。

エアロゾル粒子（K ₂ CO ₃、KHCO ₃）が熱い炎を取り囲んで接触すると、炎の熱エネルギーを吸収し、カリウムラジカル（K+、以下K•と表記、つまり不対電子を持つイオン）を分解して大量に放出します。これらのカリウムラジカルは、通常燃焼を維持する水酸化物（OH+）、水素（H+）、酸素（O+）のフリーラジカルと結合し、水酸化カリウム（KOH）や水（H ₂ O）などの無害な副産物分子を生成し、燃焼を活発に保つために必要な連鎖反応を断ち切ります。^[4]

フリーラジカルは、以下の化学反応によって連鎖反応から除去されます。

K• + OH• = KOH

KOH + H• = K• + H ₂ O

エアロゾル抑制剤は、カリウムラジカルが「増殖」するため、非常に効果的です。カリウムラジカルは、火のフリーラジカルとの反応によって消費および生成されます。炎の燃焼を維持するために必要な反応を妨害し、燃焼の連鎖反応が終了して炎が消えるまでサイクルが続きます。このプロセス全体で酸素含有量が減少することはなく、単に酸素を置換するだけです。

凝縮したエアロゾル剤には、火災の四面体の他の 3 つの要素に関係する二次的な消火メカニズムもあります。つまり、火災の燃料を隔離し、酸素を排除し、熱を減らします。

エアロゾル粒子とガスが炎のガス成分と混合します。エアロゾルは、 1～2 マイクロメートルの質量平均空気動力学的直径(MMAD) を持つ微粒子を大量に含む雲の中に炎を包み込むことで炎を冷却します。各微粒子の表面積は非常に小さいですが、炎を取り囲み、炎を貫通する大量の粒子によって、炎の熱を吸収するのに十分な表面積が得られます。この大きな表面積により、他の方法と比較して消火剤の使用量を少なくすることもできます。

エアロゾルベースの消火システムは通常、エアロゾルをかなり高速かつ長時間放出することで「ノックダウン」効果を生み出すように設計されています。エアロゾルは「凝縮」されていると言われます。これは、到達が困難な狭い空間でも迅速かつ均一に分散するなど、ガスのような 3 次元特性を示す微粒子「ガスベクター」の濃い霧で構成されているためです。再点火は、「ノックダウン」効果と、酸素を置き換える火災エリアの持続的な浸水の両方によって防止されます。

微粒子は、燃焼プロセスで通常見られるものよりもはるかに大きな反応表面を提供し、天然のフリーラジカルの再結合率を高め、結果として火災のエネルギー損失を全体的に低減します。

O• + H• = OH•

H• + OH• = H ₂ O

熱冷却は、いくつかの反応によって実現されます。

• エアロゾル粒子の吸熱 相変化による熱吸収：K ₂ CO ₃（固体） -> K ₂ CO ₃（液体） -> K ₂ CO ₃（気体）
• 吸熱分解反応による熱吸収: 2KHCO ₃ (固体) -> K ₂ CO ₃ (固体) + CO ₂ (気体) + H ₂ O (気体)

凝縮エアロゾル消火剤は、火災の四面体のすべての要素を攻撃し、より効果的な消火剤の1つです。たとえば、一部の凝縮エアロゾル消火剤は、1立方メートルあたりの薬剤のキログラム質量で、ハロン1301消火剤の1/5の量、またはハイドロフルオロカーボンまたはフルオロケトンベースのクリーンエージェントガス消火システムの1/10の量で、クラスBの可燃性液体プールの火災を消火できます。^[5]

凝縮エアロゾル消火剤の消火性能は、炎のすぐ近くのエアロゾル粒子の密度に依存します。ガス消火システムと同様に、消火剤が炎の周囲に速く広がるほど、消火剤の燃焼停止効率が高くなります。エアロゾル消火剤の消火密度と設計密度は、通常、立方メートルあたりのキログラム数 (kg/m ³ ) で表されます。したがって、エアロゾル消火剤の効率は、炎に対するエアロゾルの位置、他の可燃性可燃物との距離、関連する燃料の種類など、さまざまな要因によって異なります。

凝縮エアロゾル装置は、制御された放出を提供するように設計されています。エアロゾル形成化合物は装置の内部に設置され、電気または機械式イニシエーターが取り付けられています。電気イニシエーターは火災検知制御ユニットまたはパネルとインターフェイスされており、ケーブルなどの物理的手段で遠隔操作したり、煙散布手榴弾で使用されるようなヒューズ機構を使用して手動で操作したり、一体型熱感知装置を装備して自動で自己起動したりできます。

自動消火システムは、大規模な密閉された施設や部屋を保護するために業界で広く使用されています。これらのシステムは、高温のエアロゾル剤を活用でき、設置および保守コストが低いという利点もあります (長期保管、非加圧保管および分配)。固定式かポータブル式かにかかわらず、高温エアロゾル消火器は、薄い金属またはプラスチック製のケース (エアロゾル生成化合物も、結果として生じるエアロゾルも加圧する必要はありません) と、場合によっては配管 (通常は不要ですが)、起動装置 (電気式または熱式の発熱反応用アクチュエータ)、反応成分および添加剤と混合されたエアロゾル形成化合物、固体冷却部品、および排出ポートで構成されています。

凝縮エアロゾル消火システム（CAFES）は、産業界や公共施設に広く普及しています。^[6]消火剤の適用には、全浸水防火システムとして、または局所適用消火システムとしての2つの用途があります。

全面的な浸水火災鎮圧を行うには、一定空間内の火災を消火するために必要なエアロゾルの総量を決定する必要があります。次に、必要なエアロゾル量をまとめて放出するエアロゾル装置を、通常は天井または壁に取り付けます。電気イニシエータを備えたエアロゾル装置は、火災警報制御パネルによって相互接続され、中継されます。エアロゾル装置は自己完結型で、貯蔵容器とガスを噴射するノズルの両方の機能を果たすため、離れた貯蔵場所から消火剤を輸送または分配するための配送ネットワークは不要で、床面積の節約と輸送効率の向上につながります。

局所的消火は通常、手持ちのポータブル装置を火に向かって直接投げることで行われます。散布式ポータブル消火ユニットとは異なり、オペレーターは火に近づいて消火剤を直接炎に散布することで危険に身をさらす必要はありません。ポータブル凝縮エアロゾル装置は、通常、エアロゾルを 360° のスプレーコーンに散布するように設計されており、火の周囲に大きなエアロゾル雲を形成します。エアロゾルの粒子が火に近づくと、すぐに炎が弱まり、火炎を中和するカリウムラジカルが生成されます。

エアロゾルが十分な密度を保っている限り、炎は鎮火されます。エアロゾルが消火に十分な密度に達しない場合でも、炎は鎮火され、熱は大幅に低下します。これにより、たとえば消防士は、ホースチームが燃焼エリアに入る間に炎を管理可能な熱レベルまで下げ、室温を下げることができます。別の例として、救急隊員は密閉されたエリア内で凝縮エアロゾルを展開し、居住者を安全な場所に避難させながら火災を鎮火することができます。

凝縮エアロゾルシステムは、ハロン1301システムや高圧二酸化炭素システムの代替として、特別な危険用途に適しています。エアロゾルシステムは、クリーンエージェントガス抑制剤や水ミストシステムの代替としても使用できます。 ^[5]

エアロゾル消火システムは、1990年代に花火から派生しました。 1974年にオゾン層の破壊が発見されたことで、従来のハロン系消火剤に代わる、理想的にはオゾン層破壊の影響がなく、地球温暖化係数が低い消火剤の研究が始まりました。モントリオール議定書は、ハロン系製品の段階的禁止を施行しました。花火で生成されるエアロゾル消火剤（PGAEA）は、1992年にセネカルによって初めて提案されました。^[7]

米国環境保護庁は、全浸水システムにおけるハロン1301の代替として、凝縮エアロゾル消火システムを承認しました。 ^[8]凝縮エアロゾル消火器はオゾン層を破壊せず、地球温暖化係数もほとんどまたは全くありません（ODP、GWP、ATLはゼロに等しい）。

硝酸カリウムをベースとした化合物は、電子・電気機器に損傷を与える可能性のある腐食性の副産物を生成し、水滴を含む有機物を分解するほか、^[9]人体への悪影響や環境の視認性の低下が知られています。腐食は、高温エアロゾル中に存在する酸性のNOxやCO2ガスとともに、アルカリ金属の酸化物、水酸化物、_炭酸塩などの腐食性副産物が大量に発生することに関連しています。硝酸ストロンチウムをベースとした化合物は、その問題を解決しているようです。アルカリ金属をアルカリ土類金属（マグネシウムやストロンチウムなど）に置き換えることで、それらの酸化物、水酸化物、炭酸塩が不溶性であるという事実を活用します。^[3]

エアロゾル消火システムは、比較的安全な（無毒の）化学物質を使用していますが、発熱反応と超微粒子コロイドの分散に依存しており、どちらも関連するリスクを伴います。

ほとんどのシステムでは、生成されたエアロゾルを冷却して、無炎放電とエアロゾルのより良い（均一な）分散を保証しますが、高温の燃焼生成物による火傷、熱衝撃波、爆風、または二次火災を避けるために、制御された放電を実行することが推奨されます（たとえば、高温のエアロゾルは、排出口で 1200 Kに達するか、それを超える場合があります）。燃焼副産物は、密閉された領域内での視界の低下や目の刺激を引き起こす可能性もあります。

排出されたエアロゾルおよび燃焼副産物に含まれる微粒子 ( dp < 2.5μm) は気管支樹内の気管支壁に沈着し、慢性呼吸器疾患および急性呼吸器疾患を引き起こす可能性があると報告されています。酸性NOxおよびCO ₂ガスは呼吸器病原体として知られています。ほとんどの製造業者は、燃焼終了後、副産物を数分間沈殿させるとともに、施設を空にしてからエアロゾルを排出することを自動化することを推奨しています。

エアロゾル消火システムは、クラス A (固体) 物質、反応性金属および金属水素化物、急速酸化剤である化学物質(火薬、ニトロセルロースなど)、および自己熱分解を起こす可能性のある化学物質による深部火災には使用しないでください。

2016年3月13日、銀行の金庫室で旧式のエアロゾルシステムが誤作動し、8人が死亡、7人が負傷した。^[10]ニュースでは、このシステムが酸素を枯渇させたと報じられたが、製造元は、このシステムが酸素を置き換えることはないと述べている。

2019年11月15日、イギリスの漁船で凝縮エアロゾル消火システムが設置中に誤って作動し、乗船者1名が死亡した。この事件は現在も調査中であり、死亡の正確な原因は不明であるが、このシステムの設置者が当時多くのミスを犯したと考えられている。^{[11] [更新が必要]}

• 自動消火装置
• 消火器
• 防火工学

• UL2775 適用範囲、固定凝縮エアロゾル消火システムユニット
• UL FWSA ガイド、固定式凝縮エアロゾル消火システムユニット
• Agafonov V. 他 2004. 凝縮エアロゾルによる消火のメカニズム。「第 15 回 HOTC 議事録」NIST、pp 984–993。
• Dwyer, David J. 2011. 消防システムの改良が進行中。「The Surf Rider」、14～15: 2001-01-28。
• キバート、チャールズ J.、ディアドルフ、ダグラス。1993 年。カプセル化されたミクロンエアロゾル剤 (EMMA)。ハロン代替技術会議、1993 年。NIST。1993 年 5 月 11 ～ 13 日、pp 421 ～ 435
• 船舶と陸上のコネクター用のハロン代替品。Spectra、12: 2001 2011 年 5 月 11 日にアーカイブ、Wayback Machineで公開
• フレミング、ジェームズ W.、ウィリアムズ、ブラッドリー A.、シェインソン、ロナルド S. 2002。エアロゾルの抑制効果：サイズと炎の種類の影響。NIST SP984-4。米国国立標準技術研究所

• 欧州標準化委員会、固定式消火システム
• 国際標準化機構、凝縮エアロゾル消火システム