JP6473318B2 - 煙幕源発生剤組成物と煙幕発生器 - Google Patents
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Description
塩化ビニルは塩化ビニル樹脂と考えられるが、塩化ビニル樹脂は燃焼により有害な塩素ガスを発生することが考えられるため、安全性の点で問題がある。
第1煙幕源発生剤が、燃料および酸化剤を含み、燃焼温度2300℃以上、線燃焼速度20mm/sec以上のものであり、
第2煙幕源発生剤が、燃料および酸化剤を含み、燃焼温度1900℃以下、線燃焼速度が15mm/sec以下のものである、煙幕源発生剤組成物を提供する。
このため、本発明の煙幕源発生剤組成物を使用した煙幕発生器は、防犯装置用として適している。
本発明の煙幕源発生剤組成物は、第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤を含むものであり、煙幕発生器で使用するものである。
本発明の煙幕源発生剤組成物は、煙幕発生器において使用したとき、燃焼して高温ガスと煙幕源を発生するものである。高温ガスは煙幕源を煙幕発生器から噴出させ拡散させるように作用するものであり、煙幕源は煙幕発生器から室内に放出されたときに煙に変化するものである。
第1煙幕源発生剤の燃焼温度は、2300〜3000℃が好ましく、2350〜2900℃がより好ましい。
第1煙幕源発生剤の燃焼速度は、20〜50mm/secが好ましく、25〜40mm/secがより好ましい。
第1煙幕源発生剤は、燃料および酸化剤を含み、バインダーを含まないときは粉状であり、燃料、酸化剤およびバインダーを含むときは、顆粒、円柱、ディスク形状のような所望形状の成形体にすることができる。
ニトログアニジンと他の燃料を組み合わせるときは、ニトログアニジンの含有量が50質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることがより好ましい。
過塩素酸カリウムと他の酸化剤を組み合わせるときは、過塩素酸カリウムの含有量が50質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることがより好ましい。ここで他の酸化剤としては、硝酸カリウム、塩素酸カリウムが好ましい。
酸化剤は、燃料と酸化剤を瞬時に燃焼させて大量のガス(窒素ガスや二酸化炭素を含むガス)を発生させる共に、酸化剤自体が変化することで煙幕源を生じさせるものである。
例えば、塩素酸カリウムや過塩素酸カリウムは塩化カリウムの粉末となって煙幕源となり、硝酸カリウムは、酸化カリウム、炭酸カリウム(ガス中の二酸化炭素と反応する)などの粉末となって煙幕源となる。
他の添加剤としては、酸化第二銅、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化ビスマス、シリカ、アルミナなどの金属酸化物;水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化コバルト、水酸化鉄などの金属水酸化物;炭酸コバルト、炭酸カルシウム;酸性白土、カオリン、タルク、ベントナイト、ケイソウ土、ヒドロタルサイトなどの金属酸化物又は水酸化物の複合化合物;ケイ酸ナトリウム、マイカモリブデン酸塩、モリブデン酸コバルト、モリブデン酸アンモニウムなどの金属酸塩;二硫化モリブデン、ステアリン酸カルシウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、メタホウ酸、ホウ酸、無水ホウ酸などを挙げることができる。
また、第1煙幕源発生剤は、燃料と酸化剤がボロン硝石からなるときは、燃料10〜30質量%、酸化剤90〜70質量%であるものが好ましく、燃料15〜25質量%、酸化剤85〜75質量%であるものがより好ましい。
第1煙幕源発生剤がバインダーを含むときは、燃料と酸化剤の合計100質量部に対して3〜15質量部が好ましい。
第1煙幕源発生剤が同じ成分からなるものであるときは、酸化剤の含有割合を変化させ、酸素バランスを制御することで、燃焼温度および燃焼速度を調整することができる。 また燃焼温度と燃焼速度は、添加剤を配合することでも調節できる。例えば、水酸化アルミニウムなどの金属水酸化物や酸性白土などの金属酸化物、または水酸化物の複合化合物を配合することで、燃焼温度や燃焼速度を調整することができる。
第2煙幕源発生剤の燃焼温度は、900〜1900℃が好ましく、950〜1850℃がより好ましい。
第2煙幕源発生剤の燃焼速度は、5〜15mm/secが好ましく、7〜13mm/secがより好ましい。
第2煙幕源発生剤は、燃料および酸化剤を含み、バインダーを含まないときは粉状であり、燃料、酸化剤およびバインダーを含むときは、顆粒、円柱、ディスク形状のような所望形状の成形体にすることができる。
スクロースと他の燃料としてクエン酸三カリウム塩(一水和物)を組み合わせるときは、スクロースの含有量が50質量%以上であることが好ましい。
スクロースと他の燃料としてシリコーンオイルを組み合わせるときは、スクロースの含有量が60質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましい。
酸化剤は、第1煙幕源発生剤の酸化剤と同様に機能するものであり、硝酸塩を使用することができ、これらの中でも硝酸カリウムが好ましい。
バインダーは、第1煙幕源発生剤と同じものを使用することができるが、エチルセルロースが好ましい。
また必要に応じて、第1煙幕源発生剤と同じ添加剤を使用することができる。
第2煙幕源発生剤がバインダーを含むときは、燃料と酸化剤の合計100質量部に対して0.5〜5質量部が好ましい。
第2煙幕源発生剤が同じ成分からなるものであるときは、酸化剤の含有割合を変化させ、酸素バランスを制御することで、燃焼温度および燃焼速度を調整することができる。また燃焼温度と燃焼速度は、第1煙幕源発生剤と同様に添加剤を配合することでも調節できる。
第1煙幕源発生剤の方が第2煙幕源発生剤よりも燃焼温度と燃焼速度が高いため、着火性が良く、同量であればより長い時間燃焼を継続させることができる。
本発明の煙幕源発生剤組成物を所望形状の成形体にするときは、公知のガス発生器で使用するガス発生剤の成形方法(例えば、特開平11−92265号公報の段落番号0035)を使用して製造することができる。
本発明の煙幕源発生剤組成物は、好ましくは第1煙幕源発生剤30〜70質量%と第2煙幕源発生剤70〜30質量%を含むものである。但し、組成物が前記割合であるときは、第1煙幕源発生剤の燃料および酸化剤としてボロン硝石は含まない。
第1煙幕源発生剤がボロン硝石からなるものであるとき、第1煙幕源発生剤の含有割合は20〜30質量%、第2煙幕源発生剤の含有割合は70〜80質量%であることが好ましい。
図1により一実施形態である煙幕発生器1を説明する。
図1に示す煙幕発生器1は、基本的な構造はエアバッグ装置に使用する火工式ガス発生器と同じ構造にすることができる。
ディフューザシェル12は、側壁面に複数の煙幕源排出口14を有している。
複数の煙幕源排出口14は、防湿用のシールテープ15で内側から閉塞されている。
ハウジングは、図1に示す形状のほか、公知のガス発生器で汎用されているシリンダー形状のものも使用することができる。
内筒部材20は、第1端部21が天板面12a側に位置し、第2端部22が底板部13a側に位置している。第2端部22と底板部13aの接触部分は溶接されている。
内筒部材20は、周壁部23において周方向に複数の伝火孔24を有している。伝火孔24は、外側からシールテープ25で閉塞されている。
点火手段室30内には、底板部13a側から電気式点火器31が取り付けられている。
点火手段室30内の天板部12a側には、アルミニウム製容器などに充填された伝火薬(伝火薬容器)35が配置されている。
伝火薬35は、電気式点火器31の着火部32に当接されている。
なお、伝火薬35を使用せず、点火器31だけで煙幕源発生剤組成物(第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43)を着火するようにしてもよい。
燃焼室40内には、円柱形状の第1煙幕源発生剤42とディスク形状の第2煙幕源発生剤43の組み合わせからなる煙幕源発生剤組成物が充填されている。なお、図1では、第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43の違いが分かり易くなるように異なる形状にしているが、同一形状であってもよい。
第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43は、予め混合された状態のものが充填されている。
燃焼室40の底板部13a側には、環状のリテーナ45が配置されている。環状のリテーナ45は、煙幕源発生剤組成物の充填量に応じて、中心軸X方向の位置を移動させることで、燃焼室40の容量を調節するためのものである。
筒状のクーラント材45は、高温の煙幕源および高温ガスが通過するときに冷却するためのものである。
筒状のクーラント材45は、煙幕源を通過させるため、公知のガス発生器で使用しているクーラントまたはフィルタと比べると、嵩密度の小さなものが好ましい。
筒状のクーラント材45と内筒部材20の間には、位置決め部材46が配置されている。
発煙剤を使用するときは、煙幕源発生剤組成物を使用することによる効果を損なわないように使用量を調節することが好ましい。
発煙剤は、燃焼室40内に充填することができるほか、煙幕源排出口14から排出される高温状態の煙幕源および高温ガスと接触する位置に取り付けた別容器内に充填することもできる。
発煙剤は、第1成分から選ばれるものでもよいし、第2成分から選ばれるものでもよいし、第1成分と第2成分から選ばれるものを組み合わせてもよい。
第1成分は、作動時における熱により気化(状態変化)してガス(煙幕源)となり、前記ガスが冷却されて液滴や、さらに冷却されて粉末となって煙幕となる。気化によって拡散する空間に煙幕を均一濃度に分散させることができるほか、広範囲にわたって拡散させることができる。
第2成分は、作動時における熱により反応(熱分解)して、酸化物(酸化物粉末)と水(水蒸気)(煙幕源)に変化した後、酸化物粉末は飛散することでそのまま煙幕となり、水蒸気は冷却されて液滴となって煙幕となる。そのため煙幕成分が酸化物粉末だけでなく、水蒸気からも供給され、濃度の濃い煙幕を発生させることができる。
第1成分と第2成分は、それぞれ単独であっても十分な煙幕源を発生させることができるため、第1成分と第2成分を組み合わせて使用する場合でも、それらの割合は特に制限されるものではない。
図2により別実施形態である煙幕発生器10を説明する。
図2の煙幕発生器10は、第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43の充填方法が異なるほかは、図1の煙幕発生器1とほぼ同一のものである。
図2の煙幕発生器10は、第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43が二層に分離して充填されている。
リテーナ55は、複数の貫通孔56を有しており、筒状のクーラント材45との間にも環状の隙間が形成されるように配置されているため、前記した上下の空間は作動前において連通されている。またリテーナ55のかわりに、第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43がドーナツ形状のアルミ箔で分離、充填されていても良い。
なお、図2に示す煙幕発生器10では、リテーナ55を使用することなく、第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43が互いに接触した状態で二層に分かれて充填されていてもよい。すなわち、二層とは、第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43が混合されておらず、それぞれ独立した煙幕源発生剤として存在していることである。
さらに図2に示す煙幕発生器10では、燃焼室40内の複数の伝火孔24に近接した位置の天板部12aから底板部13aまでで、内筒部材20から筒状のクーラント材45までの半分の長さ位置までの空間に第1煙幕源発生剤42が充填され、残部の空間に(筒状のクーラント材45に接する空間)に第2煙幕源発生剤43が充填されていてもよい。
防犯装置は、センサーが建物内への不法侵入者を検知したとき、煙幕発生器1に指令を送ることで、点火器31を作動できるような作動システムを備えているものである。
煙幕発生器1を防犯装置として使用するときは、底板部13a側が天井面側または壁面側になるようにして、必要に応じてホルダーなどを使用して取り付ける。
また煙幕発生器1の点火器31は、外部電源(バッテリーなども含む)と接続する。
発生した火炎などは伝火孔24を塞ぐシールテープ25を破って、燃焼室40内に流入して、煙幕源発生剤組成物(第1煙幕源発生剤42と第2煙幕源発生剤43の混合物)を着火燃焼させる。
このとき、第1煙幕源発生剤42は第2煙幕源発生剤43よりも着火性が良いため、第1煙幕源発生剤42が先に着火して、第2煙幕源発生剤43は遅れて着火する。
この着火燃焼によって、燃焼室40内では煙幕源と高温ガスが発生し、このとき燃焼音(爆発音)も発生する。
煙幕源と高温ガスは、クーラント材45を通過して冷却された後、隙間50に流入し、シールテープ15を破って、排出口14から室内に排出される。
高温ガスは煙幕源を噴出させ、拡散させるように作用し、拡散された煙幕源は室内にて冷却され、速やかに煙幕を生じる。
このような動作過程によって、前記した燃焼音は不法侵入者を威嚇し、室内に拡散された煙幕により不法侵入者の視界を遮ることでも心理的に混乱を生じさせることができるため、防犯効果が高められる。
下記の顆粒状の第1煙幕源発生剤と顆粒状の第2煙幕源発生剤からなる煙幕源発生剤組成物を製造した。
(1)組成A1
ニトログアニジン/過塩素酸カリウム/CMC-Na=50.51/44.49/5.00(質量%),燃焼温度=2534℃、線燃焼速度=34mm/sec
(2)組成A2
ニトログアニジン/硝酸ストロンチウム/過塩素酸カリウム/CMC-Na/酸性白土=38.05/20.38/30.57/10.00/1.00(質量%),燃焼温度=2372℃、線燃焼速度=26mm/sec
(3)組成A3
ボロン/硝酸カリウム/エチルセルロース=20.00/79.00/1.00(質量%),燃焼温度=2851℃、線燃焼速度=40mm/sec
(1)組成B1
スクロース/硝酸カリウム=40.00/60.00(質量%),燃焼温度=1206℃、線燃焼速度=9mm/sec
(2)組成B2
スクロース/硝酸カリウム/エチルセルロース=38.00/60.00/2.00(質量%),燃焼温度=1176℃、線燃焼速度=9mm/sec
(3)組成B3
スクロース/硝酸カリウム/エチルセルロース=23.00/75.00/2.00(質量%),燃焼温度=1836℃、線燃焼速度=11mm/sec
(4)組成B4
スクロース/クエン酸三カリウム塩(一水和物)/硝酸カリウム/エチルセルロース=24.00/24.00/50.00/2.00(質量%),燃焼温度=1147℃、線燃焼速度=10mm/sec
(5)組成B5
スクロース/シリコーンオイル/硝酸カリウム=27.00/10.00/63.00(質量%),燃焼温度=1272℃、線燃焼速度=12mm/sec
(6)組成B6
スクロース/シリコーンオイル/硝酸カリウム/エチルセルロース=34.20/9.90/54.10/1.80(質量%),燃焼温度=982℃、線燃焼速度=10mm/sec
燃焼速度は、熱化学平衡計算シミュレーションプログラムを用いて理論計算を行った。
次の方法で線燃焼速度として求めた。
所定の組成で各原料を秤量し、300μmの篩に3回通すことにより十分に混合した。
その後、前記混合物を成形後のストランド長さが12.7mmになるように計算した量を所定の金型の臼側に充填し、杵側端面より油圧ポンプで、圧力14.7MPaにて10秒間、圧縮保持させた。
その後、金型から取り出して、外径9.6mmの円柱状ストランドを得て、80℃で16時間乾燥後、側面燃焼防止のためのレストリクトを施したものを線燃焼速度測定用のサンプルとした。
線燃焼速度は、窒素雰囲気下7MPaに加圧した条件でニクロム線に通電することにより端面に着火し、ストランド長さ(mm)を燃焼完了時間(sec)で割って算出した。
表1に示す量の第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤、電気式の点火装置、火炎噴出防止用フィルター(図1の筒状クーラント45と同形状のもの)を備えた試験容器(内容積約80cm3、ノズル径3.5×40個)に充填し、室温(20℃)で点火装置を作動させて第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤を燃焼させた。
なお、実施例3は、図2のように第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤が軸X方向に二層になるように充填した(リテーナ55は使用しない)。残りの実施例は、図1のように第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤を混合した。
燃焼時における試験容器の内圧をセンサーによって測定した。
本発明実施例での煙幕発生器は、作動時の万一の容器破壊により犯人に危害を及ぼさないようにするため、30MPa以上の容器耐圧で設計されている。容器耐圧の安全率(=設計上の容器耐圧/燃焼時の内圧(実測値))は1.5を下回らないことが好ましいため、内圧は、20MPaを超えないことが求められる。
燃焼内圧の測定の試験後、試験容器を分解して、内部の部品(火炎噴出防止用フィルター)の外観の変形の有無を目視により確認した。
火炎噴出防止用フィルタの変形が大きいと、煙幕発生器から火炎や冷却が不十分な高温ガスが排出され、火災を引き起こすおそれもある。
燃焼内圧の測定時に、試験容器から10m離れた位置の音圧を音圧計で測定した。
測定値が80〜120dBである煙幕発生器を防犯装置として使用したとき、音による十分な威嚇効果がある。
測定値が80dB未満である煙幕発生器を防犯装置として使用したとき、音による威嚇効果が小さい。
測定値が120dB超である煙幕発生器を防犯装置として使用したとき、音による十分過ぎる威嚇効果があるが、過剰音により不法侵入者の身体などにも悪影響を及ぼすおそれがある。
側面に観察用の透明窓を有している30m3の試験室内(縦6m×横2.5m×高さ2m)の天井部分に、燃焼内圧の測定と同じ試験容器を取り付けた。
この状態で試験容器を作動させたときの煙幕の透明窓への到達時間(目視)を測定した。
燃焼内圧の測定の試験後、試験容器を分解して、内部の燃焼残渣(燃え残り)量を測定した。内部の燃焼残渣量が多いほど、発生する煙幕源量(煙幕量)が少なくなる。
11 ハウジング
31 点火器
40 燃焼室
42 第1煙幕源発生剤
43 第2煙幕源発生剤
Claims (11)
- 第1煙幕源発生剤20〜80質量%と第2煙幕源発生剤80〜20質量%を含む、煙幕発生器で使用する煙幕源発生剤組成物であって、
第1煙幕源発生剤が、燃料および酸化剤を含み、燃焼温度2300℃以上、線燃焼速度20mm/sec以上のものであり、
第2煙幕源発生剤が、燃料および酸化剤を含み、燃焼温度1900℃以下、線燃焼速度が15mm/sec以下のものであり、
第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤が混合されているものである、煙幕源発生剤組成物。 - 第1煙幕源発生剤20〜80質量%と第2煙幕源発生剤80〜20質量%を含む、煙幕発生器で使用する煙幕源発生剤組成物であって、
第1煙幕源発生剤が、燃料および酸化剤を含み、燃焼温度2300℃以上、線燃焼速度20mm/sec以上のものであり、
第2煙幕源発生剤が、燃料および酸化剤を含み、燃焼温度1900℃以下、線燃焼速度が15mm/sec以下のものであり、
第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤が別々に分けられているものである、煙幕源発生剤組成物。 - 第1煙幕源発生剤が、燃料としてニトログアニジンを含有し、酸化剤として過塩素酸カリウムを含有している、請求項1または2記載の煙幕源発生剤組成物。
- 第2煙幕源発生剤が、燃料としてスクロース、シリコーンオイル、クエン酸三カリウム塩、クエン酸三カリウム一水和物から選ばれるものを含有し、酸化剤として硝酸カリウムを含有している、請求項1または2記載の煙幕源発生剤組成物。
- 第1煙幕源発生剤がボロン硝石を含むものからなるものであり、第1煙幕源発生剤の含有割合が20〜30質量%、第2煙幕源発生剤の含有割合が80〜70質量%である、請求項1または2記載の煙幕源発生剤組成物。
- 第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤の少なくとも一方がバインダーを含有している、請求項1〜5のいずれか1項に記載の煙幕源発生剤組成物。
- 煙幕源排出口を有するハウジング内に点火手段と請求項1〜6のいずれか1項に記載の煙幕源発生剤組成物が収容された煙幕発生器。
- 前記ハウジング内には、内側に点火手段室が配置され、前記点火手段室の外側に燃焼室が配置され、前記点火手段室と前記燃焼室の間が内筒部材で分離されており、
前記燃焼室内に前記煙幕源発生剤組成物が収容されている、請求項7記載の煙幕発生器。 - 前記ハウジング内には、内側に点火手段室が配置され、前記点火手段室の外側に燃焼室が配置され、前記点火手段室と前記燃焼室の間が内筒部材で分離されており、
前記燃焼室内に前記煙幕源発生剤組成物が収容されており、
さらに前記燃焼室の外側には、前記煙幕源排出口との間に隙間をおいて筒状のクーラント材が配置されている、請求項7記載の煙幕発生器。 - 前記煙幕源発生剤組成物が請求項1記載の煙幕源発生剤組成物であり、第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤が前記燃焼室内において混合されて収容されたものである、請求項7〜9のいずれか1項に記載の煙幕発生器。
- 前記煙幕源発生剤組成物が請求項2記載の煙幕源発生剤組成物であり、第1煙幕源発生剤と第2煙幕源発生剤が前記燃焼室内において二層に分離されて収容されたものである、請求項7〜9のいずれか1項に記載の煙幕発生器。
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