JP2014197296A

JP2014197296A - 炎検知器

Info

Publication number: JP2014197296A
Application number: JP2013072214A
Authority: JP
Inventors: 浩志上野; Hiroshi Ueno
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16

Abstract

【課題】火炎とトンネル内に存在する各種光源の分離度を高める窓材構成を備えた炎検知器を得る。【解決手段】近赤外線領域を検出するフォトダイオード（１）と、中赤外線領域を検出する焦電素子（２）と、フォトダイオードおよび焦電素子の前面に設けられた窓材構造（１１、１２、１４、１５）とを備え、同一検知対象に対するフォトダイオードの出力と焦電素子の出力との比較に基づいて、火炎と光源を判別した上で炎の発生を検出する炎検知器であって、焦電素子の前面に設けられる窓材構造（１４、１５）として、前記フォトダイオードと前記焦電素子で重なっていた感度領域をなくすように、焦電素子の短波長側の感度領域を長波長側に移動させることのできる窓材を適用する。【選択図】図１

Description

本発明は、火災が発生したことを知らせる炎検知器に関し、特に、種々の燃料により発生する火災の検出に対応できる炎検知器に関する。

トンネル内で発生する火災を検出するために使用される現行の炎検知器では、波長０．８μｍ〜１．１μｍの近赤外線領域と、波長１．０〜２．７μｍの中赤外線領域の２波長を検知している。

より具体的には、近赤外線領域を検出するセンサとしてフォトダイオードを用い、中赤外線領域を検出するセンサとして焦電素子を用い、これらのセンサで検出した波長に応じて、検知対象の火災と、誤検出要因となる光源との判別を行っている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、既存のトンネル用の炎検知器の窓材の構造を示すものである。図３に示すように、現行のトンネル用の炎検知器では、近赤外線領域を検出するためのフォトダイオード１の前面には、赤外透過フィルタ１２と硬質ガラス１３とが順次積層された窓材が設けられている。一方、中赤外線領域を検出するための焦電素子２の前面には、シリコンフィルタ（Ｓｉフィルタ）１１、赤外透過フィルタ１２、および硬質ガラス１３が順次積層された窓材が設けられている。
なお、硬質ガラス１３は、フォトダイオード１および焦電素子２を保護する保護材としての役割をなしている。

既存のトンネル用の炎検知器において、窓材として使用されるＳｉフィルタ１１、赤外透過フィルタ１２、硬質ガラス１３は、各波長に対する透過率特性から、以下の特徴を備えている。
・Ｓｉフィルタ１１：約１．０μｍ以下の波長をカットする働きを有している。
・赤外透過フィルタ１２：約０．８〜２．８μｍの波長領域で高い透過率を有している。
・硬質ガラス１３：約２．７μｍ以上の波長をカットする働きを有している。

図４は、既存のトンネル炎検知器である図３に示した構成を有する窓材を透過後のフォトダイオード１と焦電素子２のそれぞれの、波長に対する相対感度特性を示した図である。図４に示すように、先の図３に示した窓材構成を備えることで、フォトダイオード１により波長０．８μｍ〜１．１μｍの近赤外線領域を検出し、焦電素子２により波長１．０〜２．７μｍの中赤外線領域を検出し、２波長を識別して検知できることがわかる。

特開２００１−１４１５５９号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
既存のトンネル用の炎検知器において、焦電素子２の前面に設けられるＳｉフィルタ１１は、安価で焦電素子２の短波長側の出力を制限できるが、フォトダイオード１の感度領域と重複してしまうため、後述する各種光源の波長を検出してしまい、火災の検出精度が低下する虞がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、火炎とトンネル内に存在する各種光源の分離度を高めた炎検知器を得ることを目的とする。

本発明に係る炎検知器は、近赤外線領域を検出するフォトダイオードと、中赤外線領域を検出する焦電素子と、フォトダイオードおよび焦電素子の前面に設けられた窓材構造とを備え、同一検知対象に対するフォトダイオードの出力と焦電素子の出力との比較に基づいて、火炎と光源を判別した上で炎の発生を検出する炎検知器であって、焦電素子の前面に設けられる窓材構造として、フォトダイオードと焦電素子で重なっていた感度領域をなくすように、焦電素子の短波長側の感度領域を長波長側に移動させることのできる窓材を適用するものである。

本発明によれば、焦電素子の前面に設けられる窓材構造として、焦電素子の短波長側の感度領域を長波長側に移動させることのできる窓材を適用することにより、火炎とトンネル内に存在する各種光源の分離度を高めた炎検知器を得ることができる。

本発明の実施の形態１における炎検知器に採用する窓材構成の一例を示した図である。本発明の実施の形態１における図１の窓枠構成を備えた炎検知器で、窓材透過後のフォトダイオードと焦電素子のそれぞれの、波長に対する相対感度特性を示した図である。既存のトンネル用の炎検知器の窓材の構造を示すものである。既存のトンネル用の炎検知器である図３に示した構成を有する窓材を透過後のフォトダイオードと焦電素子のそれぞれの、波長に対する相対感度特性を示した図である。

以下、本発明の炎検知器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明は、種々の実験データに基づいて、近赤外線領域を検出するフォトダイオードと、中赤外線領域を検出する焦電素子のそれぞれの前面に設ける窓材の適切な構成を見出すことで、炎とトンネル内に存在する各種光源の分離度を高めた炎検知器を実現している。

実施の形態１．
［１］分光放射スペクトルの事前検証
まず始めに、検知対象である種々の燃料による火炎、および火炎と識別して検出すべき種々の光源について、分光放射スペクトルの特性を検証した。

具体的には、種々の燃料のうちの液体燃料に関する火炎の分光放射スペクトル特性について、ヘプタン、エタノール、ガソリン、Ｅ１０ガソリン、Ｅ５０ガソリンの５種について検証した。

また、種々の燃料のうちのガス燃料に関する火炎の分光放射スペクトル特性について、水素拡散火炎、ＤＭＥ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｅｒ：ジメチルエーテル）拡散火炎、ＬＰＧ（ｌｉｑｕｅｆｉｅｄｐｅｔｒｏｌｅｕｍｇａｓ：液化石油ガス）拡散火炎、ＬＰＧ予混合火炎の４種について検証した。

上記液体燃料に関する火炎の分光放射スペクトルの上記検証結果から、ガソリン火炎は、２μｍ付近に黒体放射の大きなピークを持っていることがわかった。このことから、ガソリン火炎は、先の図３に示した従来の窓材構成を備えた炎検知器における焦電素子２の感度領域に入っており、大きな出力が得られることが期待できる。

しかしながら、上記液体燃料及びガス燃料に関する火炎の分光放射スペクトルの検証結果から、アルコール（ヘプタン、エタノール）やガス（ＬＰＧ、ＤＭＥ）では、２μｍ付近での黒体放射が少なくなっているのに対し、４．２μｍ付近に大きなピークを持っていることがわかった。従って、従来の窓材構成を備えた炎検知器における焦電素子２の出力が低下することが懸念される。

一方、各光源の分光放射スペクトル特性について、具体的に各種ランプ類の分光放射スペクトル特性を検証した。ここで、各種ランプとしては、電球、電球反射鏡、ハロゲン（反射鏡あり）、ハロゲン（カバーあり）、ヘッドライト（Ｈｉｇｈ状態）、ヘッドライト（Ｌｏｗ状態）、ブレーキランプの７種について検証した。

その他の光源としては、放電光、太陽光等の分光放射スペクトル特性についても検証した。ここで、放電光、太陽光としては、キセノンランプ、太陽、太陽金属反射、太陽水面反射、Ｎａランプ、Ｎａランプ（ガラスなし）、水銀灯の７種について検証した。

上記各種ランプ類およびその他の光源の検証結果から、各種光源の分光放射スペクトルは、いずれも０．８〜１μｍ付近をピークに２．０μｍへ向けて減少していく傾向があり、先の図３に示した従来の窓材構成を備えた炎検知器におけるフォトダイオード１の感度領域に入っており、大きな出力が得られることが期待できる一方、焦電素子２の短波長側の感度領域にも出力が生じるおそれがある。

［２］最適条件の検証
火炎を検知したときと光源を検知したときのそれぞれにおいて、焦電素子２の出力とフォトダイオード１の出力との差が大きいほど、火炎と光源の判別がしやすくなり、さらに、素子出力の増幅率も上げやすくなる。

そこで、本願発明の炎検知器では、検出が困難であったアルコールやガスの炎に感度を持たせ、なおかつ火炎と光源の分離度を高めるための、窓材の構成について、適切な条件を検証した。

なお、フォトダイオード１の感度領域は、対象となる各種照明に感度領域を有しているため、フォトダイオード１の感度領域を変更することなく、焦電素子２の短波長側の感度領域がフォトダイオード１の長波長側の感度領域と重複しないような窓材を検証することとした。

＜窓材構成に関する最適条件の検証＞
図１は、本発明の実施の形態１における炎検知器に採用する窓材構成の一例を示した図である。種々の組合せを検討した結果、この図１に示す２つの窓材構成によって、火炎と光源の分離度を高めることができることがわかった。

図１（ａ）に示したパターン１の窓材構成では、フォトダイオード１の前面には、赤外透過フィルタ１２とサファイアガラス１４とが順次積層された窓材が用いられている。一方、焦電素子２の前面には、Ｓｉフィルタ１１とサファイアガラス１４とが順次積層された窓材が用いられている。

一方、図１（ｂ）に示したパターン２の窓材構成では、フォトダイオード１の前面には、パターン１の場合と同様に、赤外透過フィルタ１２とサファイアガラス１４とが順次積層された窓材が用いられている。一方、焦電素子２の前面には、ゲルマニウムフィルタ１５とサファイアガラス１４とが順次積層された窓材が用いられている。

すなわち、図１（ａ）に示したパターン１の窓材構成と、および図１（ｂ）に示したパターン２の窓材構成とでは、焦電素子２の前面の層が異なるものの、いずれのパターンにおいても、先の図３に示した従来の窓材構成における一番上の硬質ガラス１３の代わりに、サファイアガラス１４を用いている点が共通している。

図２は、本発明の実施の形態１における図１の（ａ）、（ｂ）に示した各パターンの窓材構成を備えた炎検知器で、各パターンの窓材透過後のフォトダイオード１と焦電素子２のそれぞれの、波長に対する相対感度特性を示した図である。具体的には、（Ａ）〜（Ｃ）として、次のものが示されている。
（Ａ）：パターン１の窓材透過後の焦電素子２の相対感度特性
（Ｂ）：パターン２の窓材透過後の焦電素子２の相対感度特性
（Ｃ）：パターン１、２の窓材透過後のフォトダイオード２の相対感度特性

図１（ａ）に示したパターン１の窓材構成は、一番上にサファイアガラス１４を用いることで、焦電素子２の長波長側の感度領域の拡大を図っている。この結果、波長が４μｍを越えたところで高い相対強度を有するようなアルコールやガスの炎に対しても焦電素子２の感度を稼ぐことができる。さらに、全体の透過率を上げることで、素子の出力を増加させることができる。

また、図１（ｂ）に示したパターン２の窓材構成は、パターン１の窓材構成から、焦電素子２の前面のＳｉフィルタ１１を、ゲルマニウムフィルタ１５に変更している。この結果、焦電素子２の短波長側の感度領域を長波長側に移動させ、フォトダイオード１と焦電素子２で重なっていた感度領域をなくすようにしている。

なお、図１に示したパターン１、パターン２の窓材構成において、サファイアガラス１４は、焦電素子２とフォトダイオード１の両方を保護するための窓材となっている。しかしながら、本願発明は、このような窓材構成に限定されることはなく、フォトダイオード１の前のサファイアガラス１４をなくす構造とすることによっても、検知特性に大きな変化はない。

以上の検証実験から、炎検出範囲の拡張を図った炎検知器を実現するためには、以下の特徴を有することが重要であることがわかった。
（特徴１）焦電素子２側の窓材としては、焦電素子２の長波長側の感度領域を４μｍより長波長側まで伸ばし、透過率を上げることで出力を増加させることが有効であり、一例として、サファイアガラス１４を使用することができる。

また、火炎と光源の分離度を高めた炎検知器を実現するためには、以下の特徴を有することが重要であることがわかった。
（特徴２）フォトダイオード１の長波長側と焦電素子２の短波長側の感度領域を分けるためには、一例として、焦電素子の前面にゲルマニウムフィルタ１５を付け、焦電素子２の短波長側をカットすることが有効である。

以上のように、実施の形態１によれば、上述した特徴１を備えるような窓材構成を採用することで、炎検出範囲の拡張を図った炎検知器を得ることができる。また、上述した特徴２を備えるような窓材構成を採用することで、火炎と光源の分離度を高めた炎検知器を得ることができる。

１フォトダイオード、２焦電素子、１１シリコンフィルタ（Ｓｉフィルタ）、１２赤外透過フィルタ、１３硬質ガラス、１４サファイアガラス、１５ゲルマニウムフィルタ。

Claims

近赤外線領域を検出するフォトダイオードと、中赤外線領域を検出する焦電素子と、前記フォトダイオードおよび前記焦電素子の前面に設けられた窓材構造とを備え、同一検知対象に対する前記フォトダイオードの出力と前記焦電素子の出力との比較に基づいて、火炎と光源を判別した上で炎の発生を検出する炎検知器であって、
前記焦電素子の前面に設けられる前記窓材構造として、前記フォトダイオードと前記焦電素子で重なっていた感度領域をなくすように、前記焦電素子の短波長側の感度領域を長波長側に移動させることのできる窓材を適用する
炎検知器。
請求項１に記載の炎検知器において、
前記焦電素子の前面に設けられる前記窓材構造として、ゲルマニウムフィルタとサファイアガラスの積層構造を適用する
炎検知器。