JP5723795B2

JP5723795B2 - 排煙装置

Info

Publication number: JP5723795B2
Application number: JP2012003600A
Authority: JP
Inventors: 藤原　奨; 奨藤原; 星崎　潤一郎; 潤一郎星崎; 草太小前
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: JP2013141652A

Description

本発明は、強い音圧レベルを放射する超音波発生装置から放射する音響流を用いて、煙などの気体を空間搬送するための排煙装置に関するものである。

煙などの排煙手段としては、従来から、施設的に連動させて、火事場となっている部分を扉で仕切り、その仕切った部分にある排煙ファンなどを用いて施設の屋外に排煙させる手段があった（たとえば、特許文献１参照）。

特許第４７４７３２２号公報

特許文献１に記載されているような技術では、ある空間を閉め切り、換気扇などの排煙装置を用いて火事などで発生した煙を外部に排出し、且つ人命の救助を行っていた。
しかしながら、実際の火事などの災害時において、迷路状にもなっている地下通路などでは煙や、排煙設備と連動している扉などの仕切りに阻まれて避難通路が分からずに災害の犠牲になってしまう問題がある。
また、放送設備で緊急放送や避難を呼びかけても煙の中では方向が分からず、更には排煙のためのファンなどによる大きな騒音でせっかくの放送もかき消されてしまい、目的を果たせない問題も生じていた。

また、屋内設備では定常の換気を行うために定期的なファン動作による空気循環などを行い、新鮮な空気や匂い放出を行っていた。
しかしながら、換気運転などによるファン騒音が環境騒音として施設利用者に迷惑を与える問題も発生しており、換気扇の前後に消音ダクトなどの大規模な設備を搭載して流体などに伴う騒音対策を施してきた。
また、山間部の道路などで発生する霧などによる自動車事故対策としては逆にファンによる風を利用して、霧を掻き消す対策もあったが、ファンの風には方向性がないために、ファン近傍では効果を与えていたが、距離的な対策を施すことは不可能であった。

本発明は、たとえば緊急時に発生し、通路を塞いでしまった煙などを、強力な音圧レベルによる音響流の力で、静かに、且つ確実に、短時間で他の場所に吹き飛ばすことが出来る排煙装置を提供することを目的とする。

この発明の排煙装置は、超音波発生装置と排気口とを備えた排煙装置であって、前記超音波発生装置は、超音波信号を発生する超音波信号発生器と、低周波信号を発生する低周波信号発生器と、前記超音波信号発生器から出力される超音波信号と、前記低周波信号発生器から出力される低周波信号とを入力し、前記超音波信号に前記低周波信号を重畳させた搬送波を生成する超音波変調器と、前記超音波変調器からの前記搬送波を増幅する増幅器と、前記増幅器からの出力信号を入力して超音波を発生させる超音波発生手段と、を備え、前記超音波発生手段は、複数の超音波素子を組み合わせて構成され、または、格子モードで振動する振動板を供え持つランジュバン素子を複数個組み合わせて構成されており、空間上に、１ｍ離れた位置で１３０ｄＢ以上になる音圧レベルの低周波成分を含む超音波搬送による音響信号を放出するものである。

こうした装置構成による超音波発生装置からの任意の周波数で組み合わされた信号は、前記超音波発生装置から高い音圧レベルを伴って空間上に放出される。前記空間上に対しては、超音波の持つ特性である、狭い指向性能による音放射範囲と変調による、より強力に指向性を制御された超音波信号（搬送波）との両用効果により、非常に狭い範囲での音放射が行われる。この音放射が行われるときには増幅器で信号増幅されているので、強力な音圧レベルを有した、且つ非常に狭い範囲に音放射を集中した、音響放射を提供できる。前記変調器には低周波帯域の信号も加算されているので、もともと大きな振幅を有する低周波成分の信号が超音波デバイスから同時に空間上に放射される。もちろん、超音波帯域の信号に重畳して低周波信号が伝搬されるので、空間上には超音波信号と低周波信号の両者が、高い音圧レベルで放射されることになる。また、音声信号再生手段による、可聴域の目的を有する音声ガイダンスなどの音響信号も放射することが出来る。更には、目的に応じて、音声信号再生手段の再生内容は使い分けることが出来る。

本発明の実施の形態１に係る排煙手段の概略図である。本発明の実施の形態１に係る排煙手段の駆動に必要な信号再生に関する概要図である。本発明の実施の形態１に係る排煙手段に用いる個々の超音波素子の配置例である。本発明の実施の形態２に係る排煙手段に用いるランジュバン素子と信号形態説明図である。本発明の実施の形態１に係る排煙装置の設置例を示す概念図である。本発明の実施の形態２に係る霧排除手段に用いた一例を示す概念図である。本発明の実施の形態１に係る排煙手段の実験実例を示す付録図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を、図面を用いて説明する。
まず、超音波発生装置を用いた排煙装置全体の装置構成について以下に説明する。
図１、及び図２は超音波発生装置を用いた排煙装置を示す図であり、図１、図２において、１００は複数個の超音波素子で構成した超音波発生手段であり、２は前記超音波発生手段を構成する一部材である、例えば２０ｋＨｚ以上の超音波信号を発振するためのものであり、例えばスピーカーのような超音波素子、３は前記超音波素子を駆動する信号を発生させるための超音波信号発生器、５は低周波信号を発生させる低周波信号発生器であり、６は音声信号を再生させる音声信号再生器である。

４は超音波信号発生器３と低周波信号発生器５と音声信号再生器６に接続され、これらの超音波信号発生器３と低周波信号発生器５と音声信号再生器６からの信号を受けて、超音波信号に変調するための超音波変調器である。７は増幅器であり、前記超音波変調器４からの信号はこの増幅器７に接続され、必要な音圧レベルが各々の超音波素子２から出力できるように超音波変調器４からの信号を増幅する。つまり、本発明に係る超音波発生装置は、超音波発生手段１００、超音波信号発生器３、低周波信号発生器５、超音波変調器４、増幅器７を少なくとも備えている。

次に、上記の装置を構成する要素について、詳細に説明する。
前記超音波素子２は、２０ｋＨｚ以上の超音波信号を再生する複数個の超音波発生構造の集合体や、格子モードで振動する振動板を供えた超音波素子を、複数個、直並列結線して構成するものである。
超音波変調器４は、前記超音波素子２を駆動させるために必要な２０ｋＨｚ以上の超音波信号発生手段と５０Ｈｚ以下の殆ど人間の耳に聞こえない、長い波長を有する低周波帯域の信号、更には、目的に応じた音声を再生するための音声信号再生手段を、基本となる超音波信号発生手段に重畳させて、搬送信号として用いるものである。
増幅器７は、任意の手段で構成した超音波デバイスに対して、前記搬送信号を１３０ｄＢ／ｍ以上の高い音圧レベルとして放射できるように増幅するものである。

具体的には、超音波変調器４は、超音波信号発生器３で生成した超音波信号を遠方に伝搬させるために振幅変調させるものである。すなわち、超音波信号による搬送波を生成するものである。この搬送波となる基本波としては、超音波素子２を駆動させる超音波信号そのものである。そして、この基本波に対して、５０Ｈｚ以下の低周波信号発生器５からの信号を重畳させる。このようにすることで、図１に示すように、超音波信号による搬送波の信号に５０Ｈｚ以下の低周波信号が各々の超音波素子２から一斉に空間上に放射されて、且つ、超音波の搬送波に乗った低周波信号も一緒に空間に放射されることになる。

上記の超音波変調器で生成された信号は、超音波発生手段１００として放射できる音圧レベルが１ｍ離れた位置で１３０ｄＢ以上になるように増幅器７で振幅が増幅され、超音波発生手段１００に供給される。
超音波発生手段１００から放出した低周波信号発生器５からの低周波信号を含む信号成分は、搬送波が超音波であるため、比較的離れた位置に対しても音響減衰することなく、低周波信号を含みながら空間伝搬する性質を持つ。
この性質は超音波帯域の信号を扱うために起こる非線形領域での現象であり、本来減衰しやすい低周波成分の信号も、超音波帯域の信号に重畳しているために殆ど音響減衰することなく、空間伝搬することが出来る。
上記のような伝播特性が得られるのは、元来、超音波信号は直線性に優れる指向特性を有する特徴を有しており、一つ一つの超音波素子からは一直線的に音響信号が伝搬している特徴があるためである。

もともと、低周波成分は振幅が大きいために、強い圧力変動を起こすことが可能である。しかしながら、単に低周波成分のみを搬送しても、短い距離で減衰してしまい、遠くまで到達することは出来ない。しかしながら、本実施の形態１のように、低周波成分を超音波成分に重畳することで、低周波成分を遠方まで伝播することができる。
また、この低周波成分とは別に、搬送波である超音波信号自体に関しても、複数個の超音波素子２の組合せによる超音波発生手段１００により、個々の超音波素子２から高い音圧レベルが再生され、更に複数個の組合せによって、集合体として音放射が行われるので、空間上には超音波レベルでありながら、高い音圧レベルの超音波帯域の信号も放出されている。

このように、前記の大きな圧力変動を起こしやすい低周波成分による音響的な信号と、高い音圧レベルによる、指向性が鋭く、直線性に優れる超音波信号成分による音響的な信号との組合せにより、空間上には大きな振動振幅を有した低周波成分の信号が、搬送波である超音波信号の助けにより、直線的な指向性能で、且つ高い音圧レベルで空間放射、空間伝搬することになる。

図３は超音波素子２の望ましい配置例を示した図である。すなわち、超音波素子２は、１／２波長ごとに疎密波の「疎（位相による音圧レベルが負の部分）」が発生することになるので、使用する超音波素子の周波数で求まる１／２波長による「疎」の部分による位相的な低レベルを起こさないために、各々の超音波素子２の配置を図３に示すように、１／２波長毎に素子を配置することが望ましい。

図３に示すような超音波素子の集合体を構成することで、空間上に高い音圧レベルの低周波成分を含む超音波搬送による音響信号を放出する事となり、空間上には、高い音圧レベルや位相特性がもたらす「音響流」が発生する。つまりは、音の伝搬による空気の流れが発生する。この流れは超音波発生手段１００の周辺にある空気を移動させる力があり、音の位相の流れを利用するので、前記の超音波発生手段１００の周囲の空気は瞬時に移動を行うことが出来る。よって、音響流による空気の動きが、緊急時に発生している煙などを、目的とする一方向に対して瞬時に移動させることが出来、結果的に、煙を移動させることで、煙に巻かれた空間において、もともとの視界を回復させることが出来る。

この概念図を図５に示す。図５に示すように、本実施の形態１の超音波発生装置を避難経路に設け、災害時に作動させることにより、周波数成分が重畳した超音波信号による搬送波が放射されることにより災害時に発生する煙を排煙することで、避難経路を確保することが可能となる。

図７には参考図として、通路を模擬した場合の実験実例を示す。
丸１は、実際の廊下などの通路を模した実験モデルの模擬通路を示す写真であり、本装置を駆動する前の初期状態を示すものである。この模擬通路において、図面左側に本実施の形態１の超音波発生装置を配置し、図面右側に排気口を設けている。
丸２は、本実施の形態１の超音波発生装置により超音波を発生させてから３秒後の状態を示す写真である。煙が音響流に乗って排気口から排出される様子が示されている。
丸３は、初期状態から５秒後の状態を示す写真であり、ほとんどの煙が排気口から外部に放射されていることが示されている。

このように、低周波信号を重畳した超音波搬送による、強力な超音波による音圧レベルが起こした音響流によって、（模擬した）通路内に充満した煙を数秒で通路外に放出することが出来、もちろん、超音波発生手段以外には、ファンなどの動作物は一切無く、殆ど無音状態で煙除去が行えている。

また、本実施の形態１の超音波発生装置は、音声信号再生器６も保持しており、これは、図２に示すような選択スイッチ３０によって、音声信号再生器６からの再生される音声信号を、超音波搬送に音声信号も重畳させることができるので、低周波成分と一緒に、音声も搬送することが出来る。これにより、図５に示すような排煙及び避難経路が確保されたときに、更に、安全地帯への音声による的確な誘導も行うことが可能となる。

また、「音」は、音響信号による空間上の圧力変動の流れのため、人間は圧力変動を感じることは出来るが、超音波帯域の音、及び低周波帯域の音は、感じ取ることは出来ない。従って、本実施の形態１の超音波発生装置は、超音波帯域の音、及び低周波帯域の音をそれぞれ用いているので、従来のようなモータの回転によるファンなどの回転を利用した流体音や風きり音などの騒音は一切発生しない。よって、騒音問題も発生しないので、不必要な騒音対策を必要としない。また、設置場所にこだわる必要もないので、工事性能に優れる。よって、煙など以外にも、普段の換気などの制御や、良い香りを搬送したい場合などにも適用可能であり、シャボン玉などの搬送などに用いることでアミューズメント的な施設展開も可能となる。さらに、本実施の形態１の超音波発生装置は、煙だけでなく、有害な匂い、更には霧などの自然発生的な気体を飛び散らすことも出来る。

更に、音響流による空間の圧力変動は、空間の空気を振動させることになるので、その場の温度も上昇させることが出来る。今までの化石燃料を主体とした熱源による暖房を用いなくとも、音の流れ（＝音響流）で温熱効果をもたらすことが可能となる。

実施の形態２．
次に実施の形態２の超音波発生装置の構成を図４で説明する。
実施の形態２と上記の実施の形態１との違いは、実施の形態１では超音波発生手段１００として、例えばスピーカーのような超音波素子を用いた例を示したが、実施の形態２では、超音波発生手段として、ランジュバン素子５０に振動板５１を装着して、前記振動板５１を格子モードで振動させて、振動板５１から超音波信号を放射するようにした点のみが異なる。

上記のランジュバン素子５０とは、圧電素子（ＰＺＴ）の振幅を増大するための構造的手段であり、ＰＺＴの振動振幅が構造体の先端部で最も増大するようなホーン型形状をしていると共に、振動の疎密波と関係する全体寸法を有しているものである。また、上記の格子モードとは、縦横比が１対１になるような振動状態の場合に発生する振動現象である。

ランジュバン素子５０は例えば２８ｋＨｚで振動するものとした場合、振動板５１も２８ｋＨｚで同期振動するものであり、振動板の振動モードは格子状の振動モードを引き起こすように、振動の「腹」「節」間は、１／４波長の位置に発生させるように振動板を正方形又は長方形に成形する。つまり、２８ｋＨｚであれば約７ｍｍ間隔で振動の「腹」と「節」が形成できるように振動板の寸法を整える。振動板５１の共振周波数は以下報告書で計算される格子モード状態で振動するものである。（参考文献は、日本音響学会誌５０巻９号（１９９４）ｐｐ．６７７−６８４「格子モード方形たわみ振動板を用いた空中超音波音源」）。

上記のように成形した振動板５１を供え持つランジュバン素子５０による超音波発生手段でシステム構成し、超音波による搬送波と低周波成分の信号を空間上に放射して、排煙動作はもちろんの事、除霧や換気動作をもたらすことが可能となる。
図６は本ランジュバン素子５０による超音波発生手段１００を用いた、道路上の霧を排除する手段例である。道路３００の両端の任意距離に、ランジュバン素子５０による超音波発生手段１００を複数本設置し、濃霧が発生しやすい道路での霧を音響流によって排除した例である。このときに音響流によって、空間上の空気も暖められるために、超音波放射中は道路周辺に霧の発生は無くなるなどの優れた点がもたらされる。

上記実施の形態１及び２では、超音波信号は２８ｋＨｚ、又は４０ｋＨｚについて記述したが周波数はこれに限定せず、これ以外でも２０ｋＨｚ以上の超音波帯域であれば手段に関わらず周波数選定は限定しない。また、実施の形態１及び２の超音波発生装置の超音波素子は設置場所により必要な個数を設けることができる。また、実施の形態１及び２の超音波発生装置の配置場所は、通路方向に対して垂直に設ける場合が排煙効率が良いが、それに限るものではなく、個々の設置状況に応じて適宜変更されるものである。

２超音波素子、３超音波信号発生器、４超音波変調器、５低周波信号発生器、６音声信号再生器、７増幅器、３０選択スイッチ、５０ランジュバン素子、５１振動板、１００超音波発生手段、３００道路。

Claims

超音波発生装置と排気口とを備えた排煙装置であって、
前記超音波発生装置は、
超音波信号を発生する超音波信号発生器と、
低周波信号を発生する低周波信号発生器と、
前記超音波信号発生器から出力される超音波信号と、前記低周波信号発生器から出力される低周波信号とを入力し、前記超音波信号に前記低周波信号を重畳させた搬送波を生成する超音波変調器と、
前記超音波変調器からの前記搬送波を増幅する増幅器と、
前記増幅器からの出力信号を入力して超音波を発生させる超音波発生手段と、を備え、
前記超音波発生手段は、
複数の超音波素子を組み合わせて構成され、
または、
格子モードで振動する振動板を供え持つランジュバン素子を複数個組み合わせて構成されており、
空間上に、１ｍ離れた位置で１３０ｄＢ以上になる音圧レベルの低周波成分を含む超音波搬送による音響信号を放出する
排煙装置。
前記超音波信号発生器は２０ｋＨｚ以上の超音波帯域の音響信号を発生し、
前記低周波信号発生器は５０Ｈｚ以下の低周波帯域の音響信号を発生する
請求項１に記載の排煙装置。