JP4802310B2 - 浮揚汚染物質の検出 - Google Patents

Description

本発明は、浮揚汚染物質を検出するための装置に関するものである。さらに詳しくは、本発明は火災発生時や火災が発生し得るような状況で生成される煙や他の浮揚汚染物質の検出器に関するものである。

煙及び他の浮揚汚染物質の存在を検出すると作動する火災防護及び抑止システムが広く知られている。閾値レベルの煙が検出されると、警報が作動すると共に、火災抑止システムが始動する。火災それ自体が損害をもたらすが、火災抑制システムの作動によっても相当の損害がもたらされ、その後の抑制剤の除去は非常に危険である。ハロンのような伝統的な抑止剤は、オゾン収奪性があり、その使用は環境上好ましくない。火災が始まる前に異常な状態を検出できる十分な感度を有する検出システムは、現実の火災状態が始まる前の非常に早期の段階で行動を起こすことを可能にするため、非常に有利である。例えば、殆どの物体が加熱されると、火災が起こる温度の熱が生じる前であっても放出がなされ、非常に高感度のシステムによりそれを検出することができれば、非常に早期の段階に警告がなされるため、火災が現実に始まる前に、問題を検出及び修正し、あるいは装置をオフすることができる。

検出システムは、作動のダイナミックレンジの幅が広いことが望ましく、それによって、上記したような現実の火災状態が始まる前に生成される煙及び他の浮揚汚染物質が低レベルであるときに有効であるばかりでなく、高い閾値レベルの煙及び浮揚汚染物質を検出することも可能である。煙のレベルが高いほど火災がある可能性が高いことを示し、高い方の閾値は空調を遮断し、防火ドアを閉鎖し、消防サービスを呼び出す警報のきっかけとなり、煙のレベルが十分に高くなるとついには鎮火システムを作動させる。

煙又は他の火災放出物を収集可能な位置に配置されたサンプリング孔を備える一又はそれ以上のサンプリングパイプからなるサンプリングパイプネットワークを検出システムに組み込むことが知られている。空気は吸入器又はファンにより、サンプリング孔から流入してパイプを流れ、離れた位置にある検出器へ向かう。

多数種類の煙検出器が上記のシステムにおける検出器として使用可能であるが、この種のシステムで使用するのに特に適した形態の検出器として、妥当な費用で良好な感度が得られる光学散乱検出器（optical scatter detector）がある。この光学散乱検出器は、小寸法の煙の粒子又は他の浮揚汚染物質が高強度の光線を有する検出チャンバに導入されると光散乱を生じるという原理に基づいて作動する。散乱した光は、散乱光検出器により検出される。検出器チャンバに導入されるサンプル中の小粒子の総量が多いほど、光散乱の総量が増大する。上記散乱光検出器は散乱された光の総量を検出し、サンプル流中の煙粒子又は他の汚染物質粒子の総量を示す信号を出力することができる。

本発明の目的は、少量の煙及び他の汚染物質の存在、特に、実際の火災状態発生前に生成される比較的少量のそのような汚染物質の存在に対する感度を改良した光学散乱型の煙検出器を提供することである。

光学散乱型の検出器の感度に影響する重大な要因は、検出器チャンバ内の背景光（background light）の量である。特に、検出器チャンバを通るサンプル空気流中に非常に少量の煙又は他の汚染物質粒子が存在する場合に起きる極めて低レベルの光散乱を検出しようとすれば、背景光を非常に低いレベルにしなければならない。信号と雑音の比率を向上するために種々の電子技術を使用可能であるが、これらの技術は検出器内の背景光のレベルによるあらゆる制限を受ける。

本発明は、検出器内の背景光のレベルを低減して検出器の感度及び出力の信号と雑音の比率を向上するための、光学散乱原理に基づいて作動する検出器の詳細な設計の種々の面に関するものである。

本発明の第１の面は、検出器チャンバと、該検出器チャンバ内にサンプリングされる空気流を導入するための入口と、上記検出器チャンバからの上記空気流の出口と、上記検出器チャンバ内で光線を生成する手段と、上記検出器チャンバの一領域において上記サンプリングされた空気流内に煙粒子が存在するために、その領域内に存在する散乱光に対して反応する散乱光検出器と、上記検出器チャンバの上記光源から離れた端部にあり、検出器チャンバ内を通過後の上記光線を受光及び吸収する光吸収器と、上記光線をコリメートする第１のコリメート手段と、
該第１のコリメート手段の下流側に配置された第２のコリメート手段とを備え、該第２のコリメート手段は、上記第１のコリメート手段によりコリメートされた光線がその縁に接触することなく通過する寸法の開口を有するコリメートディスクを備え、該コリメートディスクは、上記第１のコリメート手段で生じた光線のグリントを捕捉し、上記光散乱の発生が検出される領域での迷光を低減し、上記領域は第２のコリメート手段より下流側にある煙検出器を提供するものである。

上記第１のコリメート手段はコリメートディスク（第１のコリメートディスク）を備え、この第１のコリメートディスクの開口は、第２のコリメート手段のコリメートディスク（第２のコリメートディスク）の開口よりも小さく、第２のコリメートディスクは、第１のコリメートディスクの縁で生じるグリント(glint)を捕捉する
ことが好ましい。

第２のコリメートディスクの開口を通過したコリメートされた光線がその側面に接触することなく通過する寸法の開口を有する第３のコリメートディスクが第２のコリメートディスクの下流側に配置され、この第３のコリメートディスクは、
少なくとも上記第２のコリメート手段のコリメートディスクを通過する光のグリントの大部分を捕捉し、該光のグリントが光散乱の発生を検出する上記領域に到達するのを防止することが好ましい。

上記第１及び第２のコリメートディスクは光源に隣接して配置され、上記第３のコリメートディスクは、上記検出領域に近接して、例えば、上記サンプリングされる空気の入口に隣接して配置されることが好ましい。

また、本発明は、検出器チャンバと、該検出器チャンバ内にサンプリングされる空気流を導入するための入口と、上記検出器チャンバからの上記空気流の出口と、上記検出器チャンバ内で光線を生成する手段と、上記検出器チャンバ内で上記サンプリングされた空気流内に煙粒子が存在するために、検出チャンバ内に存在する散乱光に対して反応する散乱光検出器と、上記検出器チャンバの上記光源から離れた端部にあり、検出器チャンバ内を通過後の上記光線を受光及び吸収する光吸収器と、光のグリントが煙粒子の存在により誘発される散乱光の存在の検出がなされるチャンバの領域に入射するのを防止するために、光源に対して開口が連続的に拡径する直列に配置されたコリメートディスクとを備える煙検出器を提供するものである。

本発明の他の面は、検出器チャンバと、該検出器チャンバ内にサンプリングされる空気流を導入するための入口と、上記検出器チャンバからの上記空気流の出口と、上記検出器チャンバ内で光線を生成する手段と、チャンバ内で上記サンプリングされた空気流内に煙粒子が存在するために存在する散乱光に対して反応する散乱光検出器と、上記検出器チャンバの上記光源から離れた端部にあり、検出器チャンバ内を通過後の上記光線を受光及び吸収する光吸収器とを備え、上記光吸収器は、その内部に光線を入射させる入口ポートと、その軸が光線の軸と一致する内側境界面とを有するエンクロージャを備え、該エンクロージャは上記エンクロージャの内側境界面へ入射する光線をエンクロージャ内で吸収及び反射させるために偏向させるターゲット面を備え、該ターゲット面は上記入口ポートに向き、その軸が光線の軸に対して傾斜している円錐先端の表面の一部により構成される煙検出器を提供するものである。

本発明の好適な実施例では、上記円錐の底面の中心は上記光線の中心にほぼ一致するが、真円錐形状ではない。上記エンクロージャの境界面は、入口ポートからの距離が離れるほど拡径した後、入口ポートからの距離が離れるほど縮径する二連円錐台形状であることが好ましい。

本発明の好適な実施例では、上記のコリメートディスクの配置と光吸収器を備えている。

単なる例示として本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

図１に示すように、光学散乱タイプの煙検出器２は、管形状の検出器チャンバ４を備え、検出器チャンバ４は、その一端に、検出器チャンバ４の軸方向の収束した光線１０を生成するための光源６とレンズ８とを備えている。光源６は、広い帯域の光源でも狭い帯域の光源であってもよい。広い帯域の光源の例としては、白熱電球、アーク電灯及びキセノン光電灯がある。狭い帯域の光源の例としては、フィルタをかけた広帯域光、ＬＥＤ及びレーザーがある。本発明の好適な実施例の煙検出器２中の光源６はレーザーであるが、他の形態の光源を代替使用してもよい。光線１０は検出器チャンバ４の他端の光吸収器１２へ向かっている。光吸収器１２へ入射した光線１０は、検出器チャンバ４内に再入射しないように、光吸収器１２内で多重反射及び吸収される。サンプリングされる空気流の入口１４及び出口１６が、光吸収器１２に隣接した位置で空気流が光線１０を通って光吸収器１２を斜めに横切るように設けられている。光吸収器１２に隣接するエンクロージャ２０内に散乱光を受光するための光検出器１８が取付けられており、エンクロージャ２０は入口ポート２２を備えている。軸から外れた迷光を低減するために、一組のコリメートディスク２４，２６，２８が設けられている。

散乱光を受光するために、２以上の光検出器を組み込んでもよい。個々の光検出器は、検出器チャンバ４内で異なる位置にあり及び／又は異なるタイプであってもよい。

背景光の低減とそれによる好適な実施例の煙検出器２の感度の向上は、以下に説明するコリメートディスクの形態と光吸収器の設計により達成される。

等間隔で直列に配置され同一寸法の開口を備える数枚のディスクを備える配置のコリメートの場合、迷光が除去されるものの、列の最後尾のディスクの開口の縁に接触する光がそのディスクを越えたグリントを生じ、背景光のレベルが増加する。従って、このような配列では、軸上の光と軸から外れた光の比率が制限されると共に、背景光の降下可能なレベルが制限される。好適な実施例のコリメート配列では、３枚のコリメートディスク２４，２６，２８は開口の寸法が異なり、第２のコリメートディスク２６の開口はコリメートディスク２４の開口よりも大きく、第３のコリメートディスク２８の開口はコリメートディスク２６の開口よりも大きい。第１及び第２のコリメートディスク２４，２６は、比較的間隔が狭く、かつ、光源６に隣接して配置されており、第３のコリメートディスク２８は第１及び第２のコリメートディスク２４，２６から実質的に離れた位置に配置されている。

図２には、コリメートディスク２４，２６，２８と、それらが光線１０とどのように協働するかが誇張して概略的に図示されている。この配列では、第１のコリメートディスク２４が光線１０に対して一次的なコリメート効果を与える。第２のコリメートディスク２６はコリメートされた光線１０がその縁に接触することなく通過できるような寸法の開口を備えており、従って、光線１０が第２のコリメートディスク２６の開口を通過したことによりグリントは生じない。第２のコリメートディスク２６の機能は、第１のコリメートディスク２４の開口の縁から生じるグリントを捕捉することである。第３のコリメートディスク２８の開口の寸法は第２のコリメートディスク２６の開口の寸法よりも大きいため、光線１０は開口の縁に接触せず、それ以上のグリントを生じることなく、第３のコリメートディスク２８を通過する。第２のコリメートディスク２６は、第１のコリメートディスク２４からのグリントの圧倒的大部分を捕捉するが、いくらかのグリントが第２のコリメートディスク２６の開口を通過し、あるいは第２のコリメートディスク２６の開口の縁から第３のコリメートディスクに向けて反射される可能性がある。よって、第３のコリメートディスク２８は第２のコリメートディスク２６を通過するすべてのグリントを捕捉するか、少なくともそのようなグリントの大部分を捕捉する。効果を最大にするために、第３のコリメートディスク２８はできる限り光源６から遠く離れて配置されており、実際、検出チャンバ４内への空気サンプリング用の入口１４にできる限り近接して配置されている。そのため、グリントが、第３のコリメートディスク２８を超えて、サンプル流れ中に粒子が存在することによる光散乱が検出される検出チャンバ４の臨界部分を通過する可能性は非常に低い。その結果、迷光に起因する背景光のレベルが大幅に低減され、信号とノイズの比率を十分に改善することができる。

光源６がレンズ８と共に使用されるレーザーダイオードである本発明の実際の実施例では、光源６がコリメートされた光を生成するが、所望よりも１０^５倍以上の軸から外れた迷光がある。上記３個のコリメートディスク２４，２６，２８はこの軸から外れた迷光を低減するために使用される。この実際の実施例では、第１のコリメートディスク２４の開口の直径は３．５mm、第２のコリメートディスク２６の開口の直径は４．０mmであり、第３のコリメートディスク２８の開口の直径は４．５mmである。

上記の実施例では、光線の一次的なコリメートは、レンズ８と単一の第１のコリメートディスク２４によりなされ、第２及び第３のコリメートディスク２６，２８は第１のコリメートディスク２４で生じるすべての迷光及びグリントを捕捉するが、代替の配置では、レンズ及び／又は同一寸法の開口を有する第１の一連のコリメートディスクにより一次的なコリメートを行い、それに続いて上記のような第２及び第３のコリメートディスクを配置しても良い。

検出器チャンバ４の光源６から離れた端部に配置され光吸収器１２は、サンプル空気流を通過後の光線１０を吸収するために使用される。光線１０が反射されるとサンプル内の煙粒子により生み出される比較的少量の散乱された光を圧倒するようなレベルの背景光が生じるため、この光吸収器１２が必要である。光吸収器１２はエンクロージャ３８を備え、エンクロージャ３８はその内部へ光線１０を通過させるための入口ポート４０を備えている。エンクロージャ３８の内面は、それに衝突する光線が乱反射を生じず、光線の吸収が最大となるように、円滑に研磨された黒色材料により構成することが好ましい。図示のように、上記内面は光源６からの距離が離れるのに伴って拡大、縮小する拡大部（３８ａ）と縮小部（３８ｂ）とを備える二連円錐台形状であり、この二連円錐台面の軸は光線１０と一致する。光吸収器１２の入口ポート４０と対向する端部には、ほぼ円錐形状のターゲット面４２（target surface）が支持されており、このターゲット面４２も同様に円滑に研磨された黒色材料からなることが好ましい。光線１０は入口ポート４０から光吸収器１２のエンクロージャ３８に入射し、ほぼ円錐状のターゲット面４２に衝突する。ターゲット面４２で反射された光線は、エンクロージャ３８の二重円錐台状の内面で多重反射及び吸収される。

上記ターゲット面４２が、その軸が光線１０の軸に対して一直線に配置される真円錐形状であれば、ターゲット面４２の円錐先端部は円形パターンで光線１０を反射する。しかし、完全な円錐形とし、その先端を完全に光線１０の軸上に配置するのは実際上極めて困難であり、その結果実際には、反射パターンが全体として決定されずに煙検出器間で変化し、この変化により光吸収器１２の入口ポート４０から迷光が出て行くことになる。

この問題を回避するために、光吸収器１２では真円錐形状のターゲット面４２を使用せず、底面の中心から円錐の先端への軸が、光線１０の軸と一致する円錐の底面の中心に対して垂直に延びる軸に対して傾斜する非対称の円錐を使用している。この傾きのために、光吸収器１２に入射する光線１０は、真円錐のターゲット面を使用する場合のような円錐先端又はその近傍ではなく、円錐表面の長手方向の所定位置でターゲット面４２に係合し、それによってより予測性の高い反射パターンが得られる。サンプル間のわずかな変化で光吸収器１２内での反射パターンは大きく変化せず、よって、迷光が光吸収器１２から出る可能性がないような光吸収器１２内での総光吸収量となるように、吸収表面の外形を設計することができ、この効果は光吸収器１２及びアセンブリの製造中及び検出器システムの組立中に生じるわずかな変化にもかかわらず、サンプル間で繰り返し得られる。従って、光吸収器１２の製造に高精度は要求されず、満足のいく光吸収器を低コストで製造することができる。

本発明の実際の実施例では、円錐の軸の垂直軸に対する傾斜角度は約１５°であり、この角度であれば光線１０のすべての部分が円錐の先端に照射されないことが十分保証される。光源が通常の偏光光源の場合には、傾斜面に入射する光線の吸収量が増大してほとんど反射されないため、上記傾斜は偏光面の範囲内にあることが好ましい。

上記の煙検出器４では、コリメートディスク２４，２６，２８の形態と光吸収器１２の設計の両方が背景光のレベルの低減に貢献しているが、上記コリメートディスクの形態は煙検出器が他の形態の光源を組み込んでいる場合にも背景光のレベル低減において有利な効果を有し、上記光吸収器は上記の形態のコリメートディスクがない場合でも背景光のレベルを低減する。

光学散乱原理で作動する煙検出器では、サンプル空気中に存在する煙粒子及び小さい塵粒子が、散乱光検出器やシステムの他の光学要素の表面のような光学システムの臨界部分に沈降してこれらを汚染し、システムの感度を低減させる。しかしながら、上記本発明の好適な実施例の煙検出器では、煙粒子又は他の小粒子が煙検出器の臨界部分に蓄積しないように、限界ろ過された清浄空気を所定位置から検出チャンバ４内に導入する装置（例えば、そこから供給される空気は約０．３ミクロンを上回るすべての粒子がろ過により除去される。）を備えている。

清浄空気を検出器チャンバ４内に供給する入口は、符号６０，６２，６４で示されている。入口６０から検出器チャンバ４の第２及び第３のコリメートディスク２６，２８に挟まれた領域に流入する清浄空気は、サンプル空気流を、レーザー及びレンズアセンブリ６，８から遠ざける。入口６２からの清浄空気は、煙検出器２のエンクロージャ２０に流入して入口ポート２２からエンクロージャ２０外に流出する。これによって、エンクロージャ２０内へのサンプル空気の流入が防止され、光散乱検出器１８の汚染が防止される。最後に、入口６４は清浄空気を光吸収器１２へ送り、光吸収器１２内へのサンプル空気流の流入を防止して、光吸収器１２の光学表面の汚染を防止する。清浄空気は、コリメートディスク２６，２８の間の領域、エンクロージャ２０及び光吸収器１２から流出して、検出器チャンバ４の内部を通って出口１６に流入する。従って、システムの感度低下に比例する煙又は他の小寸法粒子による光学デバイスの表面の汚染が防止される。

上記実施例は単なる例として記載されたものであり、本発明の範囲内で変形が可能である。

本発明に係る煙検出器の好適な実施例の検出チャンバの概略断面図である。 煙検出器内のコリメートディスクの誇張した形態を概略的に示している。 煙検出器の光吸収器の軸方向断面を概略的に示している。 光吸収器を左側から見た概略的な端面である。

符号の説明

２ 煙検出器
４ 検出チャンバ
１０ 光線
１２ 光吸収器
２４，２６，２８ コリメートディスク
４２ ターゲット面

Claims (14)

1. 検出器チャンバと、該検出器チャンバ内にサンプリングされる空気流を導入するための入口と、上記検出器チャンバからの上記空気流の出口と、上記検出器チャンバ内で光線を生成する手段と、上記検出器チャンバの一領域において上記サンプリングされた空気流内に煙粒子が存在するために、その領域内に存在する散乱光に対して反応する散乱光検出器と、上記検出器チャンバの上記光源から離れた端部にあり、検出器チャンバ内を通過後の上記光線を受光及び吸収する光吸収器と、上記光線をコリメートする第１のコリメートディスクと、該第１のコリメートディスクの下流側に配置された第２のコリメートディスクとを備え、該第２のコリメートディスクは、上記第１のコリメートディスクによりコリメートされた光線がその縁に接触することなく通過する寸法の開口を有し、上記第２のコリメートディスクの前記開口は上記第１のコリメートディスクの開口よりも大きく、かつ前記第２のコリメートディスクは、上記第１のコリメートディスクで生じた光線のグリントを捕捉し、上記光散乱の発生が検出される領域での迷光を低減し、上記領域は第２のコリメートディスクより下流側にある煙検出器。
2. 上記第２のコリメートディスクの下流側に配置され、上記第２のコリメートディスクの開口を通過したコリメートされた光線がその側面に接触することなく通過する寸法の開口を有する他のコリメートディスクを備え、該他のコリメートディスクは、少なくとも上記第２のコリメートディスクを通過する光のグリントの大部分を捕捉し、該光のグリントが光散乱の発生を検出する上記領域に到達するのを防止し、上記領域は上記他のコリメートディスクより下流側にある請求項１に記載の煙検出器。
3. 上記第１及び第２のコリメートディスクは上記光源に隣接して配置され、上記他のコリメートディスクは上記検出領域に隣接して配置されている請求項２に記載の煙検出器。
4. 上記他のコリメートディスクの開口は第２のコリメートディスクの開口よりも寸法が大きい請求項２又は請求項３に記載の煙検出器。
5. 上記検出チャンバ内にサンプリングされる空気流を導入するための入口は、上記他のコリメートディスク近傍で上記検出器チャンバの検出領域に連通する請求項２から請求項４のいずれか１項に記載に煙検出器。
6. その汚染が煙検出器の感度を低下させる煙検出器の部分に粒状物質が蓄積するのを防止するために、上記検出器チャンバ内に限界ろ過された清浄空気を導入するための清浄空気入口を少なくとも１個備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の煙検出器。
7. 上記検出器チャンバ内に限界ろ過された清浄空気を導入するための清浄空気入口は、サンプリングされる空気流が上記光線を発生する手段から離れるように配置されている請求項６に記載の煙検出器。
8. 上記検出器チャンバ内に限界ろ過された清浄空気を導入するための清浄空気入口は、サンプリングされる空気が散乱光検出器のエンクロージャに流入して検出器を汚染するのを防止するために、上記エンクロージャ内に上記清浄空気を導入するように配置している請求項６又は請求項７に記載の煙検出器。
9. 上記光吸収器は、その内部に光線を入射させる入口ポートと、その軸が光線の軸と一致する内側境界面とを有するエンクロージャを備え、該エンクロージャは、上記エンクロージャの内側境界面へ入射する光線をエンクロージャ内で吸収及び反射させるために偏向させるターゲット面を備え、該ターゲット面は上記入口ポートに向き、その軸が光線の軸に対して傾斜している円錐先端の表面の一部により構成される請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の煙検出器。
10. 上記円錐の底面が上記光線の軸に実質的に一致する請求項９に記載の煙検出器。
11. 上記エンクロージャの境界面は、上記入口ポートからの距離が離れるほど拡径した後、入口ポートからの距離が離れるほど縮径する二連円錐台形状である請求項９又は請求項１０に記載の煙検出器。
12. サンプリングされる空気流が光吸収器に流入して光吸収器の光学表面を汚染するのを防止するために、限界ろ過された清浄空気を光吸収器内に導入するための入口を備える請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の煙検出器。
13. 検出器チャンバと、該検出器チャンバ内にサンプリングされる空気流を導入するための入口と、上記検出器チャンバからの上記空気流の出口と、上記検出器チャンバ内で光線を生成する手段と、上記検出器チャンバ内で上記サンプリングされた空気流内に煙粒子が存在するために、検出チャンバ内に存在する散乱光に対して反応する散乱光検出器と、上記検出器チャンバの上記光源から離れた端部にあり、検出器チャンバ内を通過後の上記光線を受光及び吸収する光吸収器と、光のグリントが煙粒子の存在により誘発される散乱光の存在の検出がなされるチャンバの領域に入射するのを防止するために、光源に対して開口が連続的に拡径する直列に配置されたコリメートディスクとを備える煙検出器。
14. 上記光線吸収器は、光線が向けられる非対称円錐形状のターゲット面を備える請求項１３に記載の煙検出器。

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