火災調査の基本火災の発生と成長

熱伝達と燃焼

火災に関与する物質の状態（固体、液体、気体）は、熱にさらされたときの挙動を決定します。一般に、固体の化学結合を破壊するためには、液体や気体よりも多くの熱エネルギーが必要です。熱が熱源から可燃物にどのように伝達されるかを理解することは、火災の発生と拡大を理解するために重要です。熱伝達のメカニズムには以下のものがあります：

伝導: 固体材料を通じての熱伝達。例として、コンロで加熱された鍋の金属ハンドルが熱くなる場合など。伝導熱伝達は、固体の形状や材料の組成によって影響を受けます。
対流: 移動する気体や液体から隣接する空間への熱伝達。例として、ストーブの周りの空気が温かくなる場合など。対流熱は一般に上向きに移動します。
放射（輻射）: 電磁波の放出による熱伝達。例として、太陽や焚き火から感じる熱など。放射の放出は全方向に発生します。

これらの熱伝達メカニズムは、火災の発生と拡大において重要な役割を果たします。可燃性物質と炎が接触する場合、すべての熱伝達メカニズムが発生し、固体や液体が分解してガス状の生成物を生成し、異なる方法で点火および燃焼します。

固体の燃焼

固体の燃焼には、蒸発燃焼、分解燃焼、表面燃焼の3つのタイプがあります。それぞれの特徴と例を簡単に説明します。

蒸発燃焼（じょうはつねんしょう）

特徴: 固体が加熱されて液体になり、その液体が蒸発して可燃性の蒸気となり、燃焼する。例: 硫黄、ナフタリン、引火性固体、ろうそく。

ろうそくが燃えるとき、固体のろうが液体になり、さらに蒸発してガスとなって燃えるのがこのタイプです。

分解燃焼（ぶんかいねんしょう）

特徴: 固体が加熱されると熱分解を起こし、その際に生じた可燃性のガスが燃焼する。例: 木材。

例えば、木材が燃えるときは、加熱によって分解され、ガスが発生し、そのガスが燃焼します。

表面燃焼（ひょうめんねんしょう）

特徴: 固体の表面で燃焼が進行し、炎を上げずに燃える。 別名: 無炎燃焼（むえんねんしょう）。例: 木炭、コークス。

例えば、木炭が燃えるときは、表面でゆっくりと酸素と反応し、炎を上げずに燃焼が進みます。

着火

着火は、自己持続的な燃焼反応を引き起こすプロセスです。主な着火メカニズムには、誘導着火と自然（自動）着火の2種類があります。

誘導着火: 燃料の表面で加熱により形成されたガス/空気混合物を点火するための炎や火花といった熱源が必要です。
自然着火: 燃料の自己加熱または周囲温度の上昇によって発生することがあります。

どちらのプロセスでも、燃料が特定の温度または特定の熱フラックスを超える熱源に接触する必要があります。

一度着火すると、燃焼する燃料は、初期の着火源が消費されるか、他の方法で消失した後も燃焼を維持するために十分な熱エネルギーを供給する必要があります。この最初の燃焼から生成される熱は、その近くにある他の燃料が着火温度に達する原因となる可能性があります。

区画内の火災の発展と挙動

火災は通常、以下の段階を経て発展します：

発火（点火）と自由燃焼
成長期
フラッシュオーバー
フラッシュオーバー後の安定燃焼
減衰

火災のすべての発展段階は、空気供給、燃料、熱伝達メカニズム（伝導、対流、放射）によって制御されます。

一例として、ゴミ箱内で発火し、部屋や区画内で妨げられずに燃焼する火災を考えてみましょう。最初に発火源が廃紙箱内で火を付け、内容物が炎を上げて燃え始めます。

図：ゴミ箱内の火災の発展
１．ゴミ箱内での初期発火
２．燃焼が進むと火柱が発展し、煙と熱気が上昇
３．部屋の上部に煙とガスの層が形成され、対流熱伝達が起こる

燃焼が続くと、火柱（火から発生する熱気と燃焼生成物の領域）が発展します。これらのガス（煙）は通常、すす、水蒸気、一酸化炭素（CO）、二酸化炭素（CO2）およびその他の有毒または刺激性ガスを含んでいます。浮力がこれらの燃焼生成物を部屋/区画の上部に運び、対流熱伝達を駆動します。

火災の初期の熱伝達は対流によるものであり、火災が成長するにつれて、天井の下に形成される煙とガスの層の温度が上昇し、部屋/区画の内容物に熱を放射します。これにより、近くの燃料や高い位置にある燃料が点火し、火災の熱放出率が時間とともに増加します。

材料が火災に巻き込まれると、火柱を形成し、煙や熱の残留パターンが壁、天井、床および家具に残ることがあります。これらは火災パターンとして知られ、火災調査中に系統的に識別、検査されます。

図：フラッシュオーバーの発生
１．火災が成長し、燃料が点火温度に達する
２．部屋内の可燃物が一斉に発火し、フラッシュオーバーが発生

火災が完全に発展した段階に達すると、部屋/区画内のすべての露出可燃表面が関与します。これを「フラッシュオーバー」と呼びます。部屋/区画は、燃料が残り、十分な空気がある限り、フラッシュオーバー条件で燃焼を続けます。

部屋/区画内でフラッシュオーバー条件に達するための燃料負荷が不十分な場合、火災はゆっくりと進行し続けるか、減衰します。

すべての火災の拡散シナリオでは、消火活動が火災の進行に予測可能な影響を与えます。例えば、水/泡などの適用は火災を抑制しますが、窓やドアの開放、または消防隊が陽圧換気を使用することは火災の拡散を増加させる可能性があります。

火災の成長動画

火災の着火と成長の例

カーテンがろうそくに接触して着火する様子（a）、その後、燃えているカーテンが床や家具に落ちて床のカーペットカバーが着火する様子（b）。この火災試験では、火が水平に右のカーテンにも広がった。

火災の成長率は、換気と燃料の可用性に加えて、燃料の位置、配置および種類によっても影響されます。火災は「完全に発展した」段階に達しました。成長と完全な発展の段階の間の比較的短い移行期間は「フラッシュオーバー」と呼ばれ、部屋/区画の火災が完全に関与する点と説明されます。部屋/区画は、燃料が残り、十分な空気がある限り、フラッシュオーバー条件で妨げられずに燃焼を続けます。

部屋/区画内でフラッシュオーバー条件に達するための燃料負荷（燃料の量）および/または換気が不十分な場合、火災はゆっくりと進行し続けるか、または減衰します。火災の段階が曲線に従うと考えられる場合（下図）、フラッシュオーバーは完全に発展した火災のピークと見なされ、その後にフラッシュオーバー後の燃焼段階が続きます。このフラッシュオーバー後の燃焼段階の持続時間は、燃料と換気の可用性に依存します。燃料によって制御される火災は「燃料制御火災」として知られ、その典型的な経過は図7の点線で表されています。これは、ドアや窓が火災で破壊された場合でも、フラッシュオーバー後の火災が「換気制御」であることを意味します。

フラッシュオーバー後の完全に発展した火災は、成長段階で発生した残留パターンが火災によって消費され、表面にきれいな領域（クリーンバーンとして知られる）として変換されるため、火災パターンの破壊を引き起こす可能性があります。これは、元のパターンのすすが燃え尽きるときに発生しますが、表面がすすの堆積には熱すぎたために同様のパターンが現れることもあります。火炎と熱いガスは、火災が始まった部屋/区画を超えて広がることもあります。これは、換気が制限されている（つまり、十分な燃料があるが、開口部（ドアや窓）によって換気が制限されている）場合に発生します。

換気が不十分な場合、区画内で生成される燃料蒸気をすべて燃焼するのに十分な酸素がない段階に達し、未燃焼の蒸気が区画外で着火し、外部燃焼が発生します。熱いガス状生成物が区画から逃れると、近くの材料に熱を伝え、最終的に区画外での発火を引き起こすガス状生成物の生成と発火のサイクルを開始します。すべての火災の拡散シナリオでは、消火活動が火災の進行に予測可能な影響を与えます。例えば、水/泡などの適用は火災を抑制しますが、窓やドアの開放、または消防隊が陽圧換気を使用することは火災の拡散を増加させる可能性があります。