JP7526457B2 - 事前火災警報装置 - Google Patents

Description

本発明は、火災の発生を未然に防ぐために対象物が発火点温度に至る前に対象物の温度上昇を検出して警報を発生する事前火災警報装置である。

消防法で決められている工場や倉庫に設置される火災警報器は発煙又は発火などの現象が起こらないと警報を発生しないため、警報に気がついたときには初期消火が出来ない状態で手遅れになる可能性があった。また、広い倉庫などを監視するには多数の火災警報装置を用意する必要があった。

火災警報を工場などの広域できめ細かく行うには火災警報装置を多数用意しなければならないが経費と多数の火災警報装置の管理負担が大きい。そこで、広域の対象物を視野に入れて温度を測定するサーモグラフィーの活用が行われている。たとえば、特許文献１に開示される火災警報装置は、サーモグラフィーカメラの画像と可視光カメラの画像を用いて広域の監視を行っている。また、特許文献２で開示された倉庫内を自走して消火を行う無人消火装置では火災の発生をサーモグラフィーの画像を用いて行っている。

特開２０１７－１６７６１６号公報 特開２０１９－６２９７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される火災警報装置はサーモグラフィーからの情報に基づいてサーモグラフィーの画像領域をカバーする複数の可視光カメラから発火点を見出す操作が必要で全体の構成が大きくなり複雑なので構築が容易でないという問題点がある。また、特許文献２に開示される無人消火装置では、炎をサーモグラフィーの画像で確認するので、火災の事前警報には難がある。

この発明の目的は、上述した事情に鑑みて広域をカバーして構成が簡単で構築が容易な事前火災警報装置を提供することである。

本発明の事前火災警報装置は、対象物品の温度を監視して事前火災警報を生じる事前火災警報装置であって、対象物品の温度を時系列で２次元的に測定する温度測定手段と、前記事前火災警報装置を用いる環境の温度を環境温度として測定する環境温度測定手段と、前記温度測定手段で得られた測定範囲での最も温度上昇の大きい部分の温度を監視温度として算出し、予め定められた対象物品の発火温度よりも低く設定された複数の危険温度を低い方から、第１危険温度、第２危険温度などと順番に設定し、前記環境温度を加味して前記監視温度と前記危険温度とを時間の経過とともに対比して処理結果を出力する温度処理手段とを備え、前記処理結果に基づいて装置の外部へ警報を通報する通報手段を備えることを特徴とする事前火災警報装置である。

対象物品の温度を監視して事前火災警報を生じる事前火災警報装置であって、対象物品の温度を時系列で２次元的に測定する温度測定手段と、前記事前火災警報装置を用いる環境の温度を環境温度として測定する環境温度測定手段と、前記温度測定手段で得られた測定範囲での最も温度上昇の大きい部分の温度を監視温度として算出し、予め定められた対象物品の発火温度よりも低く設定された複数の危険温度を低い方から、第１危険温度、第２危険温度などと順番に設定し、前記環境温度を加味して前記監視温度と前記危険温度とを時間の経過とともに対比して処理結果を出力する温度処理手段とを備え、前記処理結果に基づいて装置の外部へ警報を通報する通報手段を備えるので火災になる前に火災に関する警報を離れた場所で知ることができる。

請求項２に記載の発明は、前記警報が通知されて対象物品の置かれた場所での火災への対応措置に掛かる時間を一つの基準として前記危険温度が設定されることを特徴とする請求項１に記載の事前火災警報装置である。

警報が通知されて対象物品の置かれた場所での火災への対応措置に掛かる時間を一つの基準として危険温度が設定されるので火災への対応措置を取るために掛かる時間を加味して事前火災警報を発生するタイミングを決めることが可能になる。

請求項３に記載の発明は、前記監視温度が上昇して前記危険温度を順次超える速度から発火温度到達時刻を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の事前火災警報装置である。

監視温度が上昇して危険温度を順次超える速度から発火温度到達時刻を推定するので温度上昇の速度により外部へ警報を出すタイミングの最適化を図れる。

請求項４に記載の発明は、前記監視温度が上昇して第１危険温度を超え、第２危険温度に到達しないときは、要チェックの警報を通知することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の事前火災警報装置である。

監視温度が上昇して第１危険温度を超え、第２危険温度に到達しないときは、要チェックの警報を通知するので前記監視温度が上昇して第１危険温度を超え、第２危険温度に到達しないときは、要チェックの警報を通知することで、火災の可能性を下げることができる。

請求項５に記載の発明は、前記通報手段がＷｉＦｉ又は公衆網に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の事前火災警報装置である。

通報手段がＷｉＦｉ又は公衆網に接続されているのでＷｉＦｉ接続可能な範囲でのシステム構成が簡便にでき、公衆網に接続されるとＷｉＦｉのカバー範囲を超えて警報を通知することができる

事前火災警報装置の構成図である。 （Ａ）対環境温度測定時の対象物品のサーモグラフィーの画像出力、（Ｂ）Ｐ－Ｐ’での温度分布である。 （Ａ）昇温時の対象物品のサーモグラフィーの画像出力、（Ｂ）Ｐ－Ｐ’での温度分布、（Ｃ）図２（Ｂ）で、図３（Ｂ）を補正した温度分布である。 マイクロボロメータの説明図である。 温度測定のフローチャートである。 センサアレイのマッピング説明図である。 監視温度の時間変化の説明図である。 対象物品の発火温度である。

図１は、本発明に掛かる事前火災警報装置の構成図である。倉庫の棚などに収納されたダンボールなどの対象物品１０を温度測定手段であるサーモグラフィーカメラ１で２次元的に測定して対象物品の温度を監視する。サーモグラフィーカメラ１の２次元画像は感熱素子上へ入射した熱量に対応した値により作られる。通常は対象物品以外からの熱線を避けるためにサーモグラフィーカメラの画角をＢｎのように対象物品内に収めるが、今回は図１のＢｗのように取ることで、漏れなく対象物品の温度をカバーすることができる。対象物品以外の部分からの熱線は雑音となるので環境により画角と対象物品の大きさを現場で決めることが望ましい。サーモグラフィーカメラ１には、環境温度測定手段５としてのＩＣ温度計などから環境温度が入力される。

サーモグラフィーカメラ１の出力は温度処理手段２へ送られて、温度測定手段１で得られた測定範囲での最も温度上昇の大きい部分の温度を監視温度として算出し、前記監視温度を予め定められた方法で処理して処理結果を外部への通報手段３へを送る。通報手段では、事前火災警報装置の近くに居る人に向けて、ブザーや警告灯の点灯などの通報を行う。また、通報手段３は無線によるＷｉＦｉインタフェイス４を用いてでＷｉＦｉのカバー範囲の人へ警報を通報する。警報はルータを介して公衆網に乗せることも容易なので、携帯やスマートフォンの所持者へ事前火災警報を送ることができる。

通常サーモグラフィーカメラ１によって対象物品の正確な温度を測定するためには、対象物品の放射特性を知る必要がある。同じ温度でも、対象物品から放射される熱量が対象物品の放射特性により異なるからである。サーモグラフィー測定は対象物品の放射輝度に基づくものであるため、有効黒体放射輝度と温度を使って較正／測定を行うので正確な温度測定には、対象物品の放射率が必須になる。

物体の放射特性は通常、完全黒体（完全放射体）との関係において示される。黒体から放出された放射エネルギー（Ｗｂｂ）と同じ温度の一般の物体の放射エネルギー（Ｗｏｂｊ ）の比ｅ（ｅ ＝ Ｗｏｂｊ ／ Ｗｂｂ）がその物体の放射率（ｅ）となる。したがって、放射率は０と１の間にあり放射特性の高い物体ほど放射率は高くなる。

多くの物質の放射率は放射波長によって変化し、さらに、温度や撮影角度などに影響を受けるので現場での放射率の取り扱いは困難である。多様な対象物品が日毎に変化する倉庫などでは、対象物品ごとに放射率を測定する事や既知の値を用いて補正することはかなり困難である。

そこで、対象物品の放射率を知ることなしに、対象物品の温度を知る方策を考える。倉庫などに置かれた対象物品の表面温度は倉庫内の環境温度にほぼ等しくなるので、定常状態での対象物品の表面温度を基準として、観測時の温度は定常状態での物品の表面温度との差分として算出する。

図２を用いて、定常状態の温度分布を基準とする温度測定を説明する。図２（Ａ）はサーモグラフィーカメラからの２次元温度分布情報である。左端が多少黒くなっているのは、対象物品の熱容量の分布による発熱量の不均一を示す。

ここで、２次元分布の線分Ｐ－Ｐ’上での温度分布を図２（Ｂ）に示す。左端の多少の黒色が図２（Ｂ）の温度分布における立ち上がりと減衰に対応している。

図３（Ａ）に測定時の２次元温度分布を示す。中央部分の黒色は温度が周辺に比べて上昇していることを示す。ここで、２次元分布の線分Ｐ－Ｐ’上での温度分布を図３（Ｂ）に示す。この図３（Ｂ）の温度分布から図２（Ｂ）の定常状態での温度分布を差し引くと図３（Ｃ）の温度分布が得られる。３（Ｃ）の温度分布は、定常状態からの温度上昇を示している。図３（Ｂ）と図３（Ｃ）の点線丸の部分では、定常状態での温度が引かれて、温度上昇は無かったとされる。

このように、温度変化に着目して、定常状態での温度分布と測定時の温度分布の差分温度では、対象物品の放射率の変化を無視できると考えることで、放射率の取り扱いを避けることができる。

定常状態では、対象物品の温度は環境温度とほぼ等しいと仮定すると、図１に示す環境温度測定手段５による環境温度を定常状態の図２（Ａ）の白い部分の物品温度とすることができる。そうすると、上記の差分温度へ環境温度Ｔａを加算することで正味の対象物品の温度を知ることができる。

実験には、冷却の必要がないので比較的低コストでカメラの小型化を実現できるマイクロボロメータ検出器を用いた。マイクロボロメータの検出部の材料は非量子原理によって動作する金属や半導体で、マイクロボロメータの検出部は放射エネルギーによるバルク材の状態変化として応答する（ボロメータ効果）ので量子型に比べると低感度であり、波長選択性が殆どないので平坦な波長曲線を有し、バルク故に応答速度が遅い（時定数は約１２ｍｓ）という特性がある。

図４にマイクロボロメータ検出器の素子２０の構造を示す。対象物品からの熱量を受ける吸収層２１としてたとえばアモルファスシリコンを用い、抵抗層電極２２へ電圧を印加して温度変化に伴う吸収層２１の抵抗率変化を吸収層に流れる電流変化として、読み出し回路２４により処理する。吸収層２１は観測窓からの熱線以外による温度変化を避けるために真空中に置かれ、読み出し回路２４との間には反射層２３が置かれる。吸収層の電極部２２には、電極からの熱の影響を避けるために、熱遮断用の切込み２６が設けられる。２次元素子としては、図４に示す検出器を２次元に並べてＭＥＭＳ技術により作製する。

図５に対象物品の温度の測定方法のフローチャートを示す。Ｓ１：測定開始。Ｓ２：環境温度Ｔａを環境温度測定手段５により測定して記録する。Ｓ３：定常状態での２次元アレイの各素子の温度を測定して各素子について基準温度Ｔｓを得る。Ｓ４：各素子の温度Ｔｂを測定する。Ｓ５：放射率補正温度Ｔｃ＝Ｔｂ－Ｔｓとして求める。Ｓ６：各素子の放射率補正温度Ｔｃを比較して最大準監視温度Ｔｍβを算出する。Ｓ７：監視温度Ｔｍ＝準監視温度Ｔｍβ＋環境温度Ｔａを求める。監視温度Ｔｍの時間変化で警報を発生する。Ｓ８：カウンターＣｐを増やす。Ｓ９：所定の値ＣｓとＣｐを比較する。Ｃｐ＞Ｃｓに未到達ではＳ４：各素子温度測定へ戻り再び各素子の温度を測定する。Ｃｐ＞ＣｓになったらＣｐ＝０としてＳ２：環境温度測定へ戻る。

Ｃｓは、２次元素子すべての温度を得る処理時間を１秒とすると、約５分に１回環境温度測定にもどるために、Ｃｓ＝３００とする。また、環境温度測定に戻る条件として、環境温度が所定の温度、例えば１℃変化したらＳ２：環境温度測定へ戻るようにしても良い。

図６を用いて、最大温度としての監視温度の求め方を説明する。各素子の温度、ＴＡ１、ＴＡ２などを図５のＳ５で得た後、各素子の温度を順次比較して大きい温度を準監視温度Ｔｍβとする。全素子の比較が終わると、Ｔｍβは、最大温度に設定されることになる。温度比較はＸ軸方向で繰り返してＡ１～Ａ５，Ｂ１～Ｂ５のように繰り返しても良いが、Ａ１～Ｅ１，Ａ２～Ｅ２のようにしてもよく、全素子を比較すれば比較方向は任意である。

図５のフローチャートのＳ７で得られた監視温度を用いて事前火災警報を出す仕組みを図７を用いて説明する。監視温度ＴｍがＬ１のように変化する場合、監視温度が第１危険温度Ｏ１に到達した時刻をＴ１，さらに温度が上昇して第２監視温度へ到達した時刻がＴ２とする。対象物品の発火温度より若干低い温度をＯ３とすると、対象物品の温度がＯ３に到達する時刻Ｔ３は線形近似でＴ３＝Ｔ２＋（Ｏ３－Ｏ２）／（Ｏ２－Ｏ１）＊（Ｔ２－Ｔ１）として推定することができる。監視温度がＴ２を過ぎた段階で事前火災警報を通報する。

次に、点線で表されるＬ２のような監視温度の時間変化の場合は、第２危険温度Ｏ２へ監視温度が到達しないので発火温度達時刻Ｔ３は算出されず、火災警報が発生することは無いが、火災の可能性が有るとして要チェック警報を通知する。

図８に対象物品となりうる材料の発火点を示す。梱包の紐として使われるポリプロピレンは約２００℃、梱包材になるダンボールを含む紙は約３００℃である。図７のＯ３として対象物品で最も低い発火温度の材料に合わせることが安全である。

第１危険温度Ｏ１は、例えば定常状態での環境温度にプラス１０℃を加えて設定する。第２危険温度は、警報により対応する人が対象物品の場所へ到着するに要する時間で決める。到達時間を取るためには、第１危険温度と第２危険温度の狭くすることで、温度上昇の傾斜が早期に決まるので早い時期に警報を発生することができる。ただし、第１危険温度と第２危険温度を近づけると、図７の点線で示すＬ２の場合の誤報が多くなるリスクが発生する。

上記に説明した実施例は本願発明の一部であって本願発明の技術思想を含む実施の態様は本願発明の技術思想に含まれる。

１ サーモグラフィーカメラ（温度測定手段）
２ 温度処理手段
３ 通報手段
４ ＷｉＦｉインタフェイス
１０ 対象物品
２０ マイクロボロメータ素子
２１ 吸収層
２２ 抵抗層電極２２
２３ 反射層
２４ 読み出し回路
２５ 読み出し回路接続端子
２６ 熱遮断用切込み

Claims (5)

1. 対象物品の温度を監視して事前火災警報を生じる事前火災警報装置であって、
   対象物品の温度を時系列で２次元的に測定する温度測定手段と、
   前記事前火災警報装置を用いる環境の温度を環境温度として測定する環境温度測定手段と、
   前記温度測定手段で得られた測定範囲での最も温度上昇の大きい部分の温度を監視温度として算出し、予め定めた対象物品の発火温度よりも低く設定された複数の危険温度を低い方から、第１危険温度、第２危険温度などと順番に設定し、前記環境温度を加味して前記監視温度と前記危険温度とを時間の経過とともに対比して処理結果を出力する温度処理手段と、を備え、
   前記処理結果に基づいて装置の外部へ警報を通報する通報手段を備えることを特徴とする事前火災警報装置。
2. 前記警報が通知されて対象物品の置かれた場所での火災への対応措置に掛かる時間を一つの基準として前記危険温度が設定されることを特徴とする請求項１に記載の事前火災警報装置。
3. 前記監視温度が上昇して前記危険温度を順次超える速度から発火温度到達時刻を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の事前火災警報装置。
4. 前記監視温度が上昇して第１危険温度を超え、第２危険温度に到達しないときは、要チェックの警報を通知することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の事前火災警報装置。
5. 前記通報手段がＷｉＦｉ又は公衆網に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の事前火災警報装置。