JP4940038B2 - 粒子検出器、煙検出器および埃検出器、ならびに、熱分解、燻り火および煙のうちの少なくともいずれかの発生に対応した警報条件を決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体、特に煙の中に浮遊した粒子の検出に関するものである。本発明は、また、防火エリア若しくは火災ゾーンにおいて、物質の不測の熱分解もしくは燃焼によって生じる煙の早期検出のために設けられた配管システムに取り付けるのに適している。
この配管システムは、例えば、換気用配管またはエアコンの配管であって、部屋の空気の温度または質を制御する用に供するものである。

本発明は、閉じた空間ではなく開かれた場所に設置されてもよい。即ち、かならずしもダクトに取り付けられる必要はない。本願には、ダクトに取り付けられる態様が開示されているが、これは単に説明を分かりやすくするためであり、本発明の好ましい一態様に過ぎない。したがって、本発明の技術的範囲は、これに限定されない。

ダクト付き煙検知器は、換気シャフト等の外気ダクトから流入する空気の一部をサンプルとして抽出し、該サンプル中の煙を検出する。そして、煙の濃度が、その空間に火災が存在することを示す所定の値を超えたとき、警報を鳴らすのである。

従来の一点タイプの煙検知器は、主として、部屋の天井に取り付けられるように設計されており、ダクトに取り付けられて用いられていた。このような検知器は、ダクトの外部に取り付けられ密封された筐体の内側に取り付けられる。この筐体は、ダクト内側と適合し、ダクト内部から連続的に少量の空気をサンプルとして取り入れ、そのサンプル若しくはその一部を隣接して設置される検知器へ送り込むための直線形状のプローブ対に適合するように構成される。

ここで、もしダクトを流れる大量の空気によって煙の濃度がかなり低くなると、問題が起こってくる。このような場合、検出器の感度が下がる結果、生命に危険がおよぶほど煙が広がる前に適切に警報を出すことができなくなってしまう。さらに、装置の汚れを防ぐために、虫除けネットやほこり取りフィルタがしばしば用いられるが、これは、一般的には、空気の流入量の減少または光学表面の汚れを防ぐのには適していない。このような検出器は、埃による湿度の上昇、汚れ、警報装置の誤動作の問題が伴うため、本質的に信頼性に欠けており、また一般的には、たった一ヶ月の稼動寿命しかない。

このような欠点を克服するために、ダクトの監視用として、吸気機構を備えた高感度の煙検知器が用いられている。この検知器は従来の一点型検知器の感度を有するので、大量の空気により煙の濃度が低くなった場合にも対応できる。

吸気装置（空気ポンプ）の吸気圧によって、埃フィルタの効果が減少してしまうので、予想外の汚染や警報装置の誤動作を避ける為には、より性能のよいフィルタを用いる必要がある。

吸気煙検知器は、以下のオーストラリア特許５７５８４５、３１８４３８４、４２２９８８５、３０２３６８４、３１８４１８４、３４５３７８４、３４００５９３、８０７０８９１、２７７４６９２、４０５０４９３、４０５０３９３（特許文献１〜１１）およびこれらに対応する外国特許（西ヨーロッパ、北アメリカ、日本およびニュージーランド等）に示されるように、長年にわたって改良されてきた。

吸気型煙検知器には、ごみ取りフィルタおよび煙検知チャンバを介し連続的に空気を吸い込むための吸気装置が用いられる。この吸気装置は、換気ダクトもしくは長距離用配管システムからの煙の一部を吸い込んでもよい。

しかしながらこの配管システムの口径は小さく、一定の間隔でサンプリング穴が開けられた天井に取り付けられるのが普通である。これにより、部屋から空気を強制的に吸い込むことができる。これに対して、従来の煙検知器は、空気の自然対流に頼って、検出チェンバに煙を送り込んでいた。

ダクト（配管システム）に適用するにせよ、吸気型の煙検知システムに用いられる煙検知器は比濁計が理想である。比濁計は、火災時、過熱時、熱分解時および燻り火発生時（通常、炎が出る少なくとも一時間前に発生する）に生成される全ての大きさの粒子に対して感度が良い。

従来の光学タイプの煙（浮遊粒子）検知器は、一つの光源（プロジェクタ）を用い、粒子の存在する検出ゾーンに照射するのが一般的であった。そこで一部の光が粒子によって散乱され、散乱光は検出強度が十分に確保できるような位置に配置される受信セル（センサ）に入射する。このような装置の改良品として、さまざまな方向に散乱された光を検出するために複数のセンサを設けたものもある。
複数のセンサからの出力信号から、粒子のサイズ若しくは粒子群の平均サイズに関する情報が得られる。しかし、このような従来の装置においては単一波長の光源が用いられるので、炎をあげて燃える火の中で生成される小さな粒子に対しては感度が低いという欠点があった。

これ以外の方法を用いた装置として、レーザを用いたものがある。具体的には、一般に、偏光した単色光の光源として、近赤外波長のレーザを用いる。このような検知器は、サイズの小さな（光の波長がよりも小さい）粒子に対する感度が低いかわりに、サイズの大きい粒子に対する感度が高い。よって、このようなレーザを用いた検知器は、完全に比濁計にとって替わることはできない。

複数の受光センサを設け、さまざまな方向にさまざまな偏光状態で散乱された光を検出することによって上記の欠点は緩和されるが、単一波長のレーザ光が用いられていたことにかわりはない。

吸気型煙検知器の中には、一つのレーザダイオードビームを用いるものもあるが、これは単一波長レーザを用いた場合と同様の欠点を有し、炎をあげて燃える火から出る煙に対する感度が低い。この吸気型検出器のさらに別の欠点としては、コストが高く、電力消費量が大きく、装置の構造が複雑で、装置のサイズが大きいという点である。

強制吸気型か自然吸気型かに関わらず、上述した全ての従来の検知器が有する欠点、すなわち、炎とともに発生する小さな粒子に対する感度が低いという点に鑑み、更にイオン化タイプの煙検知器を設置したいという要望がある。この検知器は、具体的には、アメリシウム等の放射性元素を用いてチャンバ内の空気をイオン化する。
イオン化煙粒子によってイオン化された空気が移動すると、このチャンバの電気伝導率は減少し、警報装置が鳴るのである。このような検知器は、炎のなかで生成される小さな粒子に対する感度が高いが、熱分解や燻り火で生まれる大きい粒子に対する感度は低い。また、イオン化された空気の流れにより、警報装置が誤作動してしまうことが多い。したがって、初期火災を検知する能力の低さおよびアラームの誤作動の可能性を有する故、イオン化タイプの検知器も比濁計の代わりとはならない。

さらに、吸気型の煙検知器には、単一光源として、紫外、可視、赤外の波長の光を含む、太陽光と同じような連続スペクトルを持つキセノンランプを用いるものもある。連続スペクトルをもつ光源を利用することによって、あらゆる大きさの粒子を検出することができ、さらに、煙の質量密度に比例した信号が得られるので、これまでのところ最も信頼性のある測定方法となっている。この方法は比濁計としての機能を十分有するが、火災のタイプを特定することができない。すなわち、この方法の欠点は、特定の波長を選択しようとすると、複雑になり、コストがかさむ上、機械的に動く色フィルタを用いなければならず、信頼性に欠けてしまうという点である。加えて、キセノンランプの寿命は４年程度であるので、ランプの劣化にともなう光強度の調整および高価な高電圧電源が必要になる。

他の従来技術として、二つの光源を用いたものがある。例えば、Kane & Ludlowによる特許番号ＧＢ２１９３５７０（１９８０年５月１０日）には、第１のレーザビームを用いて浮遊粒子の大きさおよび真球度を計測するために、正確に配置された少なくとも５つのセンサを設けることが開示されている。第１のレーザと同じ波長の第２のレーザビームは、単一の粒子の存在に応じて、第１のレーザのゲートをオン／オフするために用いられる。この第２のレーザは、システムの信号対ノイズ比を向上させるために用いられるのであり、粒子の大きさおよび真球度を決定するためではない。このようなシステムは非常に高価であり、火災報知器業界にとって負担が大きい。

さらに別の例として、Beconsallらによる米国特許ＵＳ４４２６６４０（１９８６年５月８日；特許文献１１）には、二つの光源を用いたガス検知器が開示されているが、これは浮遊粒子を計測するものではない。この発明においては、第１のレーザは、検出すべきガスの吸収波長の光を出射し、第２のレーザは、参照波長の光を出射する。ここで参照波長の値は、該吸収波長とわずかに異なるものに設定される。二つのレーザビームは、（化学工場を取り囲む）大気に無限遠方に照射され、各々の波長で検出される相対信号強度によって汚染ガスの濃度が分かる。

熱分解および燃焼の環境が異なれば、生成される煙のタイプも異なることは明らかである。急激に燃焼する火では、非常に小さな粒子が非常に多く生成され、それらは不規則に凝集し、煤を形成する。これに対し、熱分解の初期の段階では、（高い沸点を持つ）かなり大きな粒子が非常に少量ではあるが生成され凝集し、大きな半透明の球状エアロゾルが形成されるのが一般的である。したがって、ゆっくりと数が増えてゆく大きな粒子を長い時間にわたり、注意深く検出することにより、熱分解なのか燻り火であるのかを判別することができる。
また、熱分解もしくは燻り火過程を経ずに、早い段階で生成される小さな粒子が大量に検出されれば、燃焼促進剤が使われ、早期消火が必要な放火であること分かる。これら両極端の現象を区別できれば、ビルの管理者、消防隊、または火災警報システムは、的確な対応を行うことができる。

従来技術の更なる問題点として、埃に敏感であるという点がある。埃は二つの点で重要である。第１に、検出器は、普通、浮遊粒子を煙として認識する。したがって、埃の量が増えると警報装置が誤作動してしまう。第２に、たとえ粒子を判別する手段を導入することによって誤作動の確率を減らしたとしても、汚れの問題が残る。すなわち、検出器内に埃がゆっくりと堆積するのである。

しかしながら、煙に対する感度を落とす、あるいは、警報装置が誤作動を起こさないように設けられたマージンを減らすといったことを行うと、検知器の信頼性に影響を及ぼす。検知器の寿命は、主に汚れによって決まり、したがって定期的なメンテナンスが欠かせない。汚れを最小限に抑え、且つ煙の粒子を判別できる検知器があるならば有用であると考えられる。さらに、埃を識別する機能があれば、部屋の綺麗さを監視するのに利用するといった用途も考えられる。この特別の機能がほしい場合、現在のところ、通常のオフィス環境にさらされた場合非常に汚れやすいマイクロチップの製造業において用いられるような、非常に高価な埃粒子測定器を導入するしかない。
頑丈で、サイズが小さく、軽い煙検知器若しくは埃検知器が開発されれば、宇宙産業への応用も十分に考えられる。
オーストラリア特許ＡＵ５７５８４５Ｂ オーストラリア特許ＡＵ３１８４３８４Ｂ オーストラリア特許ＡＵ４２２９８８５Ｂ オーストラリア特許ＡＵ３０２３６８４Ｂ オーストラリア特許ＡＵ３１８４１８４Ｂ オーストラリア特許ＡＵ３４５３７８４Ｂ オーストラリア特許ＡＵ３４００５９３Ｂ オーストラリア特許ＡＵ８０７０８９１Ｂ オーストラリア特許ＡＵ２７７４６９２Ｂ オーストラリア特許ＡＵ４０５０４９３Ｂ オーストラリア特許ＡＵ４０５０３９３Ｂ 米国特許ＵＳ４４２６６４０Ｂ

本発明の目的は、さまざまな種類の煙若しくは埃の中から、広範囲な大きさの粒子を検出し、粒子の大きさからその粒子を識別する煙検知器を提供することである。
本発明の煙検知器は、エアコンジット若しくは換気ダクトに取り付けるのに適している。本発明の別の目的は、長い寿命を持ちメンテナンスの回数が少なくてすむ煙検知器および検知システムを提供することである。
本発明の更に別の目的は、吸気装置を使わない、高感度の煙検知システムを提供することにある。

本発明によれば、浮遊粒子を検出するための装置が提供される。この装置は、少なくとも第１の光と第２の光とを提供する光源と、気体の一部が流れる粒子検出ゾーンと、第１の光と第２の光とを交互に検出ゾーンに照射するための制御手段と、検出ゾーン内で粒子によって散乱された光を受光するためのセンサ手段と、検出ゾーンの状態を指定する出力手段とを有する。

本発明の装置は、ダクトに取り付けられても良いし、そうでなくても良い。

好ましくは、本発明の粒子検知器において、光源は少なくとも２つの光源を含んでいて、該光源は機械的に固定されており、第１の光と第２の光とは独立して出射される。二つの光は異なった位置から出射され、その偏光は異なっており、また、一方が短い波長の光でもう一方が長い波長という具合に、波長が異なっている。

好ましくは、この光源は一組の光源を含んでおり、そのうちの一つは短い波長で他は波長の光を出射する。

あるいは、各々出射される光に対して、相対的に異なる偏光特性を有する偏光フィルタを通してもよいし、レーザダイオード等の偏光状態または波長の少なくとも一つが異なる光を出射する光源を用いてもよい。

本発明の効果としては、さまざまな大きさの粒子に対して感度を持たせるようにすることができること、さらに、長い耐用年数を達成しつつ、粒子の大きさに基づき、さまざまな種類の煙または埃を識別できることがある。

二つの光源の出射方向は、検出ゾーンの軸に関して同じであっても良いし、異なっていてもよい。

光源は単一波長で、ある時間の間動作するパルスモードで動作するのが一般的である。また、電気回路による信号の増幅度は、受信センサにおいて、各光源によって同じ信号強度の信号が生成されるように調整される。さらに、受信センサは、好適な動作バンド幅を持つもの（光源として用いられる波長領域の全てにおいて感度が最適となるようなもの）が選ばれる。

さらに、２以上の波長または偏光の光若しくはこれらの組合せを用いることにより、粒子や埃の大きさに関係なく、検出チャンバ内に存在するさまざまな粒子の種類を非常に高感度で識別することができる。

受信センサには、偏光フィルタが取り付けられていても良い。ある時間、どの光源も動作させないことも可能であるし、全ての光源を動作させることも可能である。

したがって、光源はパルス光であってもよいし、連続光であってもよい。また、パルス光の絶対振幅および相対振幅はセンサで受信され、煙の濃度および大きさを決定し、解析を行うことによって煙の種類が特徴付けられるのである。

本発明のより具体的な見地によれば、煙検知器および煙検知方法が提供される。該煙検知器および該煙検知方法において、該検知器は本体と、本体に取り付けられ、空気の一部が流入する検出ゾーンへ出射する２以上の光源と、本体に取り付けられ、該ゾーンからの散乱光を受信する一以上の受信センサとを有し、光源はパルス光源であり、各々の波長、偏光または、検出ゾーンに流入する煙および埃の粒子に衝突する角度は異なり、煙粒子の大きさの範囲、または埃粒子に対応して散乱され、センサは、少なくとも散乱光の一部を受信すると信号を生成し、これを解析することによって、煙の濃度および粒子の大きさ若しくは大きさの範囲が決定される。

本発明のさらに詳細な見地によれば、煙の検知方法および、気体（空気を含む）の一部を取り込む吸気口を有する本体と、警報条件を決定する出力手段とを有する煙検知器が提供される。該検知方法および該検知装置においては、光源を備えた粒子の検出部と、粒子サイズ識別手段とを有し、所定の期間にわたり選択した粒子の大きさ若しくは大きさの範囲を解析することによって、警報条件が決定される。

好ましくは、粒子サイズ識別手段は、相対的に小さい若しくは小さな範囲にある粒子と、大きなサイズもしくはサイズ範囲の粒子とが存在することを検出する。

好ましくは、粒子の大きさを区別する手段は相対的に小さなサイズの又は小さなサイズ範囲にある粒子を検出する第１の光源と、相対的に大きなまたは大きなサイズ範囲にある粒子を検出する第２の光源とを含む。

好ましくは、第１の光源と第２の光源とは交互に作動する。

好ましくは、粒子サイズ識別する手段は、相対的に短い波長の光と長い波長の光とを用いることによって粒子の大きさまたは大きさの範囲を検出する。

本発明の更に別の見地によれば、検出部もしくは適切な警報条件を設定するのに適合した煙検知器が提供される。

本発明の更に別の見地によれば、警報装置検知器および、熱分解、燻り火、煙の発生に対応した警報条件を決定する方法を提供される。すなわち、気体の一部が取り込まれ、取り込まれた気体は、光源からの照射光に晒され、粒子の大きさを決定する散乱光に基づいて、選択した大きさの若しくは大きさの範囲にある粒子の数および濃度の変化を所定の期間、計測し、計測の結果、選択した大きさ若しくは大きさの範囲にある粒子の数または濃度が所定の基準値に収まる場合には、警報装置を作動させる。

好ましくは、粒子サイズまたはサイズ範囲は相対的な大きさである。

好ましくは、粒子サイズまたはサイズ範囲を決定する際には、相対的に小さなサイズまたはサイズ範囲の粒子を検出する第１の光源と、相対的に大きなサイズまたはサイズ範囲の粒子を検出する第２の光源とを用いる。

好ましくは、粒子の大きさまたは大きさの範囲を決定する際には、第１の光源と第２の光源とは交互に動作する。

好ましくは、粒子の大きさまたは大きさの範囲を決定する際には、相対的に短い波長の光と長い波長の光とが用いられる。

本発明のさらに別の特徴によれば、異なる波長の光パルスとは、一つは紫若しくは青色の光であり、もう一つは赤色若しくは赤外の波長等の波長の長い光である。

本発明のさらに別の見地によれば、光源は、異なる波長（色）の発光素子（ＬＥＤ）から構成される。あるいは、各々の光源に異なる偏光フィルタが設けられる。

本発明の更に別の特徴によれば、光源は、波長（色）または偏光のいずれかが異なるレーザダイオードから構成されている。

本発明の、少なくとも一つの煙検知器を有する煙検知器システムにおいて、気体の一部はダクト内部から吸い込まれ、少なくとも一つの上述した検知器へ送り込まれる。

本発明の、ダクトシステムを有する建造物において、ダクトから所定の条件を決定するために、気体の一部が取り込まれる。

本発明の一つの特徴によれば、ダクトから取り込まれる空気は、吸気口および排気口を有するダクト内部に取り付けられたプローブを介して吸い込まれる。

本発明のさらに別の特徴によれば、取り込まれた空気は直接ダクトあるいは管から煙検知装置へ吸い込まれ、検知器チャンバとダクトとの間での十分な圧力差を生み出すために、ダクト若しくは管はベンチュリ管構造を有してもよい。

以上を要約すれば、以下が本発明の特徴的な点である。即ち、より完全に粒子の大きさの範囲および火災の種類を検知し区別するために、一以上の波長の光を用いることである。さらに、粒子の濃度、大きさおよび大きさの範囲を一定期間の間測定することにより、警報条件が満たされたか否かを示す良い指標になり得るということに着目していることである。さらに、粒子検出ゾーンに照射する少なくとも二つの光源と、粒子検出ゾーンの所定の状態を示す出力信号を供給する検出手段とを有することにより、一つの受信センサのみで粒子のサイズを識別することを可能にしていることである。さらに、埃の堆積具合を監視するもしくは警報の誤動作を防止するために、埃の粒子を検出することである。

（発明の好適な態様）
本発明は、気体中の浮遊粒子を検出すること、および低コスト、コンパクトで軽く、頑丈で、信頼性が高く、メンテナンス回数が少なくてすみ、動作寿命が長く、高生産既存化学物質の検出に適した装置を用いて、粒子の大きさから粒子を識別することを目的としている。この目的を達成するために、本発明においては、一つのセンサと少なくとも二つの光源とが用いられる。単一のセンサと、低ノイズ・高感度を実現するために必要な信号増幅器とを用いることで、本システムの設計が容易になり、製造コストが下がる。また、感度とセンサを付加した場合の線形性との間における整合性が取れなくなるようなこともない。さらに、複数のセンサからのノイズの寄与が増大することもない。

浮遊粒子の大きさを区別する方法はたくさんある。具体的には、波長、偏光または設置位置（特に検出ゾーン軸に対する入射立体角）若しくはこれらの組合せの異なる二つ以上の光源が用いられる。

本発明の好ましい態様においては、異なる波長の二つの発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。一例としては、４３０ｎｍ（青）と８８０ｎｍ（赤外）の波長差が２倍もある光を用いることができる。このように波長差が大きいと、粒子が光に散乱されセンサで検知される場合の信号強度は、どちらの波長の光によって散乱されたかで大きく異なる。これ以外にも、４３０ｎｍ（青）と６６０ｎｍ（赤）の波長の光の組合せを選択することもできる。５２５ｎｍ（緑）と６６０ｎｍ（赤）の波長差が小さい光の組合せを選択することも可能であるが、この場合は粒子の大きさの区別する能力が低下し、小さい粒子に対する感度も落ちてしまう。

レイリーの法則により、光の波長よりも小さい粒子は、散乱光強度は波長の４乗に比例して減少する。これは、実際、赤外、可視、紫外の波長をふくむ連続スペクトルをもつキセノンランプを用いて煙を検知する実験によって証明されている。すなわち、炎で生成されるある種の小さな粒子を検出するためには、青色の波長領域の光が必要であるということが明らかになっている。
したがって、青色の光源を用いることができれば、波長が短い故、長波長の光では検出できないような小さな粒子に対する感度は高くなる。ここで青又は紫のレーザダイオードは青色ＬＥＤよりも優れているかもしれないが、前者は高価であり、光学系の配置が非常に複雑になってしまうため、自動パワー制御が必要になり、さらに、温度上昇に対して敏感である。利用しやすい赤色若しくは赤外のレーザダイオードを組み合わせて用いることは可能かもしれないが、レーザを用いた場合の欠点に加え、このような長波長の光では、小さな粒子に対する必要な感度を得ることができない。

したがって、本発明の好適な態様においては、高発光強度ＬＥＤの出射角を広くしている（約１２度）。高角度出射のＬＥＤ光はレンズによって集光することができるが、これにはコストがかかり、光学系の配置が複雑になり製品のサイズが大きくなってしまう。ＬＥＤ光は、集光したレーザ光に比べるとエネルギー強度は高くないが、検出ゾーンが大きいため、そこで散乱された光を集光してセンサへ集めた場合の光の強度は、集光したレーザ光を用いた場合とそう変わらない。したがって、ＬＥＤを用いたシステムの感度は、レーザを用いた場合とほぼ同じであるにもかかわらず、信頼性を犠牲にすることなくコストを下げることができる。

とはいっても、波長、偏光、設置位置の異なる複数の光源としてレーザダイオードを用いて本発明を構成することも可能である。しかしながら、そのような構成では、粒子の大きさを区別することはできるが、コストが高くつき、ＬＥＤよりも温度変化に敏感になってしまう。

ＬＥＤを用いることによって、検出ゾーンの外側に配置された特別な光トラップと正対したＬＥＤからの高角度の出射光に適合した、新規な光学チャンバを構成することによって、残光を完全に吸収しセンサに入るのを防ぐことができる。このチャンバには、センサと検出ゾーンとの反対側にも光トラップを設けられており、残光が検出されないようになっている。

信号対ノイズ比は、検出された散乱光と残光とで決まり、これを最大にすることで非常に高い感度のシステムが実現する。
さらに、ＬＥＤ同士の距離および、センサと検出ゾーンとの間の距離を狭め、距離の逆二乗に比例する光強度の減少を最小限にすることによってもシステムの感度は高まる。
さらに、センサとレンズを組み合わせて用いることで、チャンバ壁表面付近で散乱された光をできるだけセンサに届かないようにしつつ、検出ゾーンからの散乱光を集光することができる。制御可能な絞りを用いれば、残光がセンサに入るのをより一層防ぐことができる。これらの方法を組み合わせることで、システムは０．０１〜０．１％の煙の濃度を検知できる程度の感度を有する。高角度出射光を用いることができるということは、コストのかかる集光系を設置せずに、レーザダイオードを使用することができるということである。

本発明の好ましい態様において、各々の光源は、１０ｍｓ程度の短い発信間隔のパルス光源であっても良い。センサは、各波長における各散乱光パルスに対応した信号を生成する。本システムにおいては、開発段階においてＬＥＤの発光強度を調整することにより、各波長領域におけるセンサの感度の違いを予め補正しておくのが好ましい。信号はデジタルフィルタにより増幅され、信号対ノイズ比が改善される。さらに、パルス信号の絶対振幅と相対振幅との両方が記録される。絶対振幅値は粒子の濃度を表しており、相対振幅値は粒子の大きさ若しくは粒子群の平均的な大きさを表している。レイリーの法則から、ある浮遊粒子の質量濃度が与えられ、波長の長い光で散乱されるとき、粒子が小さい場合は小さい振幅信号が得られ、粒子が大きい場合は大きな散乱振幅が得られる。一方、短い波長の光で散乱されるときは、大きな粒子の場合も小さな粒子の場合も等しい振幅の信号が得られる。したがって、二つの信号を比較すれば、その粒子が大小を判定することができるということになる。

ある期間にわたり生成された信号は、その傾向に応じて解析される。大きな粒子の濃度がゆっくりと上昇する場合は、熱分解や燻り火の発生を示唆している。反対に、小さな粒子の濃度が急激に上昇する場合は、炎をあげて急速に燃え広がっていることを示唆しており。さらに、熱分解や燻り火の期間がない場合は、燃焼促進剤が用いられたこと（放火等）を示唆している。このような情報を利用すれば、燻り火の場合と炎が出ている場合とで、発する警報を変えることができる。あるいは、炎を出して燃えている（こちらの方がより危険である）場合には、警報装置を作動させる条件の閾値を下げ（すなわち早期に警報を発する）てもよい。

ここで、煙の濃度と早期の火災の危険度とは必ずしも直結しないということに注意する必要がある。検出される濃度は、新鮮な空気によって希釈される度合いに、また、検出器と出火元の距離に依存する。しかし、本発明の煙の解析方法によれば、部屋の環境に応じて、警報装置を動作させる煙の濃度を決定することができ、したがって、装置の誤動作を最小限にしつつ早期警報を実施することが可能である。さらに、本システムは低価格であるので、建物全体にくまなく検出器を設置することができる。

本発明の更に好ましい態様において、警報装置の誤動作を防止する、あるいは部屋内の埃の濃度を監視する目的で、粒子の大きさを区別し、浮遊している埃を測定する。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい態様について説明する。本発明の一態様において、煙検知器の筐体は、実質的に同等な構造を有する１０ａおよび１０ｂ（図６参照）を成型することにより作られる。二つのＬＥＤランプ１１は、検出チャンバ１２において、センサ１３が散乱光を検出できる領域へ出射されるように配置される。

煙１４は、チャンバ１２において矢印１５の方向へ吸い込まれ、連続して光源１１からの光が照射されるようになっている。浮遊している煙粒子によって散乱された光１６は、集光レンズ１７により集められセンサ１３に入る。

連続光学絞り１８は出射光の拡散を制限し、光学絞り１９はセンサ１３へ届く光の領域を制限している。吸収用経路（光トラップ）３９および４０は、それぞれ光源１１の反対側に設けられ、基本的に、散乱されない全ての光（残光）を吸収することによって、光源からの光がセンサ１３に入ることを防いでいる。さらに、光トラップ２０がセンサの反対側にも設けられ、光源からの光がセンサへ実質上完全に入らないようになっている。

煙検知器の筐体１０は、配管システム２１を有し、検出チャンバ１２への空気の流れを作るのが好ましい。この配管システム２１は、吸気口２３と対面するノズル２２を備えており、チャンバ１２内の空気の流れを方向づけ、煙の濃度が減少した場合に、煙が素早くチャンバ内から出るようにするなっている。配管システムの経路には、埃フィルタ３３が設けられている。

吸気ディフューザ２４および排気ディフューザ２５によって形成され、埃フィルタが取り付けられている空洞部は、検出器を流れる空気のヘッドロス（圧力低下）を最小限に抑え、寿命の長い大きなフィルタ３３を利用できるように設計されている。
何年もの間、わずかな量の微細な埃はフィルタを通過する。フィルタの汚れを最小限に抑えるため、ノズルおよび吸気口は、チャンバの内壁および光学表面に堆積する埃の量が最小になるように配置される。

図２および１ｃは、図１の光源１１の別の配置方法を示したものである。この構成においては、光トラップ３９および４０は新たな配置をとる。さまざまな点において、図２および図３に示す構成は図１に示すものと実質的に同じである。したがって、単に、説明が煩雑になるのを防ぐため、図２および図３に示す構成の詳細な説明は省略する。図２および図３に示す構成は、後方散乱もしくは後方散乱と前方散乱との組合せ（散乱角が違うものの組合せ）を利用したものである。

図４に、図１の煙検知器における２−２方向の垂直断面図を示す。図１に示した部材と同一のものには、同一の番号が付されている。図４には、主回路基板ＰＣＢ１の好ましい位置が示されている。この位置を取ることで、光源と増幅回路基板ＰＣＢ２を含む受光センサとの効率的でかつ低干渉の電気的な接続が実現される。ＰＣＢ１との接続に支障が出ない範囲において、煙検知器１０の筐体の上半分１０ｂを分離可能に構成とすれば、セットアップおよびメンテナンスの際に便利である。

図５は、図１における３−３の線に沿った断面図であり、ソケット（継ぎ手）およびベンドを含む、気体の一部を取り入れるための配管システムを示している。

図６は、図１における４―４方向の断面図であり、フィルタチャンバを示している。フィルタは連続気泡発泡体で構成されており、０．１ｍｍ程度の比較的大きな孔を有している。これにより、埃の粒子は、深さのある該発泡体のなかで徐々に捕獲される。このような大きい孔の素材を用いるということは、万が一フィルタが埃で詰まり、煙に対する検知器の感度の低下をもたらす場合においても、煙の粒子はフィルタには捕獲されることがないということである。このフィルタは、洗浄あるいは交換のために簡単に交換ができるようになっている。

図７は、図８に示す検出器の筐体の５−５方向に沿った断面図である。この図から、検知器の本体と検知器の筐体はねじ止めされていることがわかる。また、その展開図から、筐体が円形の換気ダクト（平面ダクトよりも複雑になる）のようなダクトに取り付けられていることが分かる。接合方法としては、例えば、ねじ止め、磁石、粘着性テープによるものなどがある。

図８は、図７に示す煙検知器の本体における６−６方向の断面図である、図１にも６−６方向が表されている。図８には、ＰＣＢ１上に取り付けられた外部筐体が、ガスケット３１とともに図示されている。この配置はダクトに取り付けるのに適しているが、本発明がこれに限定されるわけではない。

図９は、煙検知器の本体へ接続される吸気口および排気口の先端を示す図であり、平面図でガスケットが示されている。このガスケットには、剥がすことのできる封止材が用いられ、どのような大きさの円形の換気ダクトにも対応できる。以下の説明は、本発明の一つの好ましい形態に関するものであり、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）、図１１を参照しつつ行うこととする。また、以下の説明は、それぞれ図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１４（ａ）および図１４（ｋ）、図１５（ａ）、図１５（ｂ）に示す大容量プローブの場合および小容量プローブの場合にも同じように当てはまる。

以下の図において、重複を避ける為、すでに説明した部材には以後同一の符号を付するとする。大容量プローブは、ダクト内の気体の流れが比較的速い場合に用いられる。この場合、吸気口２８および排気口２９の断面積は、それぞれ小さく設計される。すなわち、大量の気体が小さな吸気口で取り込まれるので、本発明の検知器に流入する気体の体積と実質的に同じになる。同様に、小容量プローブを用いる態様においても、吸気口２８および排気口２９の断面積は、それぞれ大きく設計されるが、流入気体の体積は小さいので、大きな開口部から取り込まれる気体の量は実質的に同じである。

この配管システムは、プローブ２６の取り付け器具に適合する適切なベンドおよびソケット（継ぎ手）で構成され、換気ダクト２７から煙を吸い込む。プローブ２６は吸気口２８および排気口２９を含む単一の構成とするのが良い。このようにすると、プローブ２６にアクセスするためにダクト壁に開けなければならない穴は、漏れ穴３０の一つだけですむ。この孔は、高密度気泡発泡体ガスケット３１によって取りはがし可能に密封されている。図１０（ａ）は、図１０（ｃ）におけるＣ―Ｃ方向の断面図である。図１４（ａ）は、図１４（ｃ）および図１４（ｈ）におけるＤ−Ｄ方向の断面図である。図１４（ｂ）は、大容量プローブの態様における、図１４（ａ）におけるＤ−Ｄ方向の断面である。図１４（ｇ）は、小容量プローブの態様における、図１４（ａ）におけるＤ−Ｄ方向の断面図である。

図１０（ｃ）は、図１０（ａ）におけるＥ−Ｅ方向に沿った断面図であり、取り外し可能なヘッドを有するステムを含んでいることがわかる。図１４（ｃ）および図１４（ｈ）は、それぞれ図１４（ａ）におけるＥ−Ｅ方向の断面図の大容量プローブの態様および小容量プローブの態様を示す。図１０（ｄ）は図１０（ａ）における線Ｆ―Ｆに沿った断面図である。図１４（ｅ）および図１４（ｊ）は、それぞれ、容量プローブの態様と小容量のプローブの態様の平面図である。

図１４（ｄ）および図１２ｌは、それぞれ大容量プローブおよび小容量プローブのヘッドの断面図である。
プローブ２６は、内部を気体が一回のみ流入するように設計されたダクトに挿入するのに適している。このプローブは、吸気口を上流に向け、排気口を下流に向けた状態で挿入される。また、このプローブは、換気ダクト２７内部の空気の流れに応じて可動ヘッドを動かすことにより、検出チャンバ１２を通過する空気の流量が適切になるように設計されている。この可動ヘッドは、検出チャンバ１２、配管システム２１および埃フィルタ３３を組み合わせることから生じる流体抵抗を打ち消すため、プローブ２６の吸気口２８および排気口２９において、圧力低下を発生させる。

ベンドに続く吸気口に曲線部を形成することにより、流入する気流の方向の変化が最小になり、プローブの効率は最大となる。これは排気口においても同様である。吸気口および排気口にベンドを設けることによって、ダクトへの流入量に影響はないので、流量を増やすための手段を新たに設ける必要ない。このように高い効率が達成されるので、効果的に埃フィルタを使用することが可能になり、通常のオフィス環境では１０年という、長い装置の稼動年数が実現するのである。稼動年数がこのように長いとはいえども、洗浄および修理の際に、コストがかかる上きちんと密封するのが難しい取り外し可能なフィルタカートリッジを用いずに、検知器本体１０を簡単に分解することができるのが好ましい（本質ではないが）。さらに、プローブが高効率であるので、換気ダクトの開口部は４ｍ／ｓｅｃ程度の低い空気の流速でシステムを動作せせることが可能である。換気ダクトにおける流速が小さい場合は、別のプローブヘッドが用いられる。このヘッドは吸気口が大きく設計されており、取り込まれる空気を効率的に加速させ、検知器の煙に対する高い反応速度が維持される。

本発明の好ましい態様において、図１０（ｃ）および図１１に示すように、プローブ２６は、楕円形またはこれに近い形の断面を有しており、ダクト内の流れに起因するストローハル数の強制振動を最小限に抑えるとともに、抵抗（換気ダクト内の空気の流れに対する制限）を最小限にする。

図１０（ｃ）および図１１に示す態様においては、流体力学的抵抗値は、二本の同じ形状の円形パイプを用いた場合に比べて、１０倍も減少する。図１４（ｂ）〜１２ｋには同様の特徴が示されているが、プローブの容量が違う。翼型形状ではなく、楕円形を用いる利点は、プローブはどちらの方向にも取り付けること、および著しく抵抗の増加を招くことなくプローブ全体の幅を小さくすることが可能であることである。

ステム部を継ぎ足すことによって、プローブ２６の長さを伸ばし、異なったサイズのダクトシステムのニーズに適合させることにより、吸気装置を新たに設けることなく、空気の流れを生みだすことができる。ダクト２７の内部の圧力は、ダクト外部の周囲の大気（検知器が通常取り付けられる場所）の圧力と異なっていても良い。図１〜図８を用いて説明した本発明の好ましい態様において、チャンバの半分は取り外し可能に結合され、この二つは、一つの連続オ−リングシール３４によって密封されている。これにより、検出チャンバ内の圧力は換気ダクトの圧力と等しくなり、外部への漏れ若しくは外部からの漏れを防いでいる。

もし、検知器へ漏れがあると、周囲の環境に含まれる煙によって予期せぬ警報がなってしまうこともありえる。さらに、検知機から煙が周囲の環境に煙が漏れると、当該環境に設置された他の煙検知器の警報がなってしまう可能性もある。

あるいは、図１２を用いて説明したように、与えられたプローブに対し不適当に小さなダクトまたは配管が用いられた場合、このダクトは必要な圧力低下を生み出すベンチュリ部によって構成され、検知器内、フィルタ内および配管内での流量が適切に保たれるようにしてもよい。上述したように、検知器内に通過する必要があるのはごくわずかな割合の煙であり、検知器の汚れおよびフィルタの目詰まりを最小にするように、すなわち稼動寿命が最大になるように、この割合はできるだけ小さく設定される。

本発明の煙検知器本体における１−１方向の断面図である。 本発明の他の態様における煙検知器の本体の断面図である。 本発明の更に他の態様における煙検知器の本体の断面図である。 煙検知器本体の２−２方向の垂直断面図である。 煙検知器本体の３−３方向の断面図であり、気体吸気用配管を示す図である。 煙検知器の本体の４−４方向の垂直断面図であり、フィルタチャンバおよびディフューザダクトを示す図である。 煙検知器の本体および筐体の５−５方向および建物の垂直断面図である。 煙検知器の本体および筐体の６−６方向の垂直断面図である。 ガスケットを有する煙検知器の本体の吸気口および排気口の端面図である。 (ａ)はダクトプローブのＣ−Ｃ方向の断面図であり、（ｂ）は煙検知器本体に取り付けられたプローブの端面図であり、（ｃ）はプローブのＥ−Ｅ方向の断面図であり、（ｄ）はプローブの検出器本体から離れた側の端面を示す図である。 ダクトプローブの垂直断面図である。 他のダクトの構成を示す垂直断面図である。 （ａ）および（ｂ）は大容量プローブの側面図である。 （ａ）は取り外し可能なアタッチメントを有するプローブの断面図であり、（ｆ）は大容量プローブ用アタッチメントであり、（ｋ）は小容量プローブ用アタッチメントであり、（ｂ）〜（ｅ）および（ｇ）〜（ｊ）は（ａ）示すプローブのさまざまな箇所の断面図であり、（ａ）および（ｂ）は小容量プローブの側面図である。 （ａ）および（ｂ）は小容量プローブの側面図である。

Claims (17)

1. 空気を含む流体サンプルを取り入れる取り入れ口と、警報条件に基づいて警報を出力する出力手段とを有する筐体と、
   第１の波長を有する第１の光源を少なくとも含む光源と、粒子サイズ識別手段とを有する粒子検出部と、
   を備え、
   前記警報条件は、所定の期間に亘り、選択されたサイズまたはサイズ範囲の粒子の濃度の変化を検出することにより決定され、
   前記警報条件は、前記第１の波長より小さいサイズの粒子の急速な増加の前に、前記第１の波長より大きいサイズの粒子の緩やかな増加によって特徴付けられる熱分解の発生の期間が短かった又は存在しなかったと判定された場合に、燃焼促進剤が使用されていることを示す警報条件である
   ことを特徴とする粒子検出器。
2. 前記粒子サイズ識別手段は空気中の埃成分を検出することを特徴とする請求項１に記載の粒子検出器。
3. 請求項２に記載の粒子検出器を備えた煙検出器。
4. 複数の警報条件の各々または警報条件の組合せの各々に対し、独立した警報が出力されることを特徴とする請求項１に記載の粒子検出器。
5. 前記粒子サイズ識別手段は、相対的に小さなサイズの粒子を検出する第１の光源と、相対的に大きなサイズの粒子を検出する第２の光源とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子検出器。
6. 前記第１の光源および前記第２の光源は択一的に作動する
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子検出器。
7. 前記粒子サイズ識別手段は、相対的に短い波長の光および相対的に長い波長の光を用いて粒子のサイズを検出することを特徴とする請求項１に記載の粒子検出器。
8. 前記粒子サイズ識別手段は、水平偏光の光と垂直偏光の光とを用いて粒子のサイズを検出することを特徴とする請求項１に記載の粒子検出器。
9. 請求項１に記載の粒子検出器を備えた煙検出器。
10. 請求項１に記載の粒子検出器を備えた埃検出器。
11. 熱分解、燻り火および煙のうちの少なくともいずれかの発生に対応した警報条件を決定する方法であって、
    流体サンプルを提供する過程と、
    光源から第１の波長で放射された光を前記流体サンプルにあてる過程と、
    前記放射された光を用いて、粒子のサイズまたはサイズ範囲を測定する測定過程と、
    所定の期間に亘って、選択されたサイズまたはサイズ範囲の粒子の数又は濃度が変化したか否かを判定する判定過程と、
    所定の期間に亘って行われた前記判定の結果が選択された基準の範囲に収まる場合、警報を出力する出力過程と、
    を有し、
    前記出力過程において出力される前記警報は、前記第１の波長より小さいサイズの粒子の急速な増加の前に、前記第１の波長より大きいサイズの粒子の緩やかな増加によって特徴付けられる熱分解の発生の期間が短かった又は存在しなかったと判定された場合に、燃焼促進剤が使用されていることを示す警報条件に基づく
    ことを特徴とする方法。
12. 前記サイズまたはサイズ範囲を測定する測定過程において、空気中の埃成分が検出される
    ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 複数の警報条件の各々または警報条件の組合せの各々に対し、独立した警報が出力されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記サイズまたはサイズ範囲を測定する測定過程において、第１の光源を用いて、第１の範囲または相対的に小さな粒子サイズの粒子を検出し、第２の光源を用いて、第２の範囲または相対的に大きな粒子サイズの粒子を検出する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記粒子サイズまたは粒子サイズ範囲を測定する測定過程において、
    前記第１の光源を用いた前記第１の範囲または相対的に小さな粒子サイズの粒子の検出と、前記第２の光源を用いた前記第２の範囲または相対的に大きな粒子サイズの粒子の検出とを択一的に行う
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記粒子サイズまたは粒子サイズ範囲を測定する測定過程において、相対的に短い波長の光および相対的に長い波長の光が用いられる
    ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
17. 請求項１１に記載の方法に従って警報条件を決定するように構成された粒子検出器または煙検出器。

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