(57)【要約】蒸気を周囲圧で生成し、蒸気を消火に適用させるべく送出する電子超音波装置（８）を用いて非常に微細なミクロン及びミクロン未満の大きさの蒸気（１８）を生成するための改良された方法および装置。圧電変換器（１０）は少なくともミクロン未満の大きさの液滴の部分を有する水蒸気を生成すべく配されている。水蒸気は、２．５ＭＨｚを超えるような周波数を含む、所定の又は可変の周波数の高周波圧力波又は超音波によって生成される。水蒸気は、火災の炎によって自己同伴されるべく火炎基部に誘導される。水蒸気を誘導するのに水蒸気に供給される運動量は、火炎が水蒸気を自己同伴する能力を高めるために最小限にされ、搬送媒体の流れは、通常、蒸気を作り出す噴水煙（１６）の周囲に接するように誘導される。さらに、蒸気の処理量と濃度は、同伴された蒸気が火炎を十分に冷却し、消火することを確実にすべく制御される。水蒸気は、爆発を緩和し、過圧を軽減するために効果的に用いられ得る。微細な水蒸気は、その迅速な気化及び効果的な冷却作用により加湿のためにも用いられ得る。装置は、物理的なデザインや送出方向を変更され得るし、方法は、蒸気の処理量、蒸気の組成、蒸気の濃度、及び蒸気の運動量を調整することにより変更され得る。これにより、火炎は、多数の異なるシナリオに基づき消火され得る。
2005502434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．高周波圧力波が水と相互作用するように、任意の表面張力を有する水槽内に入っている水に高周波圧力波を与えるステップと、
ｂ．ミクロン未満の径の液滴の割合を有する蒸気を、高周波圧力波と水との相互作用によって発生させるステップと、
ｃ．蒸気を火炎基部に向けて誘導するステップと、
ｄ．火炎が蒸気を該火炎内に自己同伴するために十分な運動量を蒸気に与えるステップと、
ｅ．火炎を冷却し、消火するために十分な処理量の蒸気を供給するステップと、
を備えることを特徴とする消火方法。
【請求項２】
蒸気は、高周波圧力波を水槽に与えることにより作り出される噴水煙から流出することを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項３】
蒸気は、周囲圧力で発生されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項４】
蒸気は、該蒸気の気団と、火炎を冷却し、消火するのに十分な割合の蒸気を有する搬送媒体とを作り出すべく搬送媒体の流れに取り込まれることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項５】
搬送媒体は、空気であることを特徴とする請求項４に記載の消火方法。
【請求項６】
搬送媒体は、不活性ガスを含むことを特徴とする請求項４に記載の消火方法。
【請求項７】
不活性ガスは、窒素であることを特徴とする請求項６に記載の消火方法。
【請求項８】
不活性ガスは、二酸化炭素であることを特徴とする請求項６に記載の消火方法。
【請求項９】
搬送媒体の流れは、ファンによって搬送媒体を推進させることにより作り出されることを特徴とする請求項４に記載の消火方法。
【請求項１０】
搬送媒体の流れは、圧力によって搬送媒体を推進させることにより作り出されることを特徴とする請求項４に記載の消火方法。
【請求項１１】
蒸気は、蒸気の気団と、火炎を冷却し、消火するのに十分な割合の蒸気を有する搬送媒体とを作り出すべく搬送媒体の流れに取り込まれ、搬送媒体の流れは、噴水煙を著しく乱さないように噴水煙と接していることを特徴とする請求項２に記載の消火方法。
【請求項１２】
高周波圧力波は、音波であることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項１３】
高周波圧力波は、電子振動を機械振動に変換することによって発生されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項１４】
高周波圧力波は、圧電変換器によって発生されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項１５】
高周波圧力波は、調節可能であることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項１６】
高周波圧力波は、レーザー装置によって発生されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項１７】
圧電変換器を携帯型電源に接続することにより圧電変換器に電源を供給することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の消火方法。
【請求項１８】
蒸気を火炎基部に向けて誘導するステップは、蒸気を基部近辺に取り込むことを含むことを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項１９】
高周波圧力波は、少なくとも２．５ＭＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項２０】
蒸気を発生させる前に水槽内の水を加熱するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項２１】
水槽内の水の表面張力を減少させるステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の消火方法。
【請求項２２】
水の表面張力は、表面活性剤を水に加えることにより減少されることを特徴とする請求項２１に記載の消火方法。
【請求項２３】
水の表面張力は、界面活性剤を水に加えることによって減少されることを特徴とする請求項２１に記載の消火方法。
【請求項２４】
水は、火炎を冷却し、消火するための蒸気の能力を高めるために、水と混和しない添加剤と混合されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項２５】
水は、水と混和しない液体消火剤と混合されて、火炎を冷却し、消火するための蒸気の能力を高めるような機械的に安定したマクロ・エマルジョンを得ることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項２６】
水は、水と混和しない液体消火剤と混合されて、火炎を冷却し、消火するための蒸気の能力を高めるような機械的に安定したマクロ・エマルジョンを得ることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項２７】
蒸気を火炎基部に向けて誘導するステップは、蒸気にかかる重力によって達成されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項２８】
蒸気を火炎基部に向けて誘導するステップは、電子データ格納領域及び運動量によってもたらされ、蒸気の処理量は、水分によるダメージおよびデータの消失を避けるべく調整されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項２９】
蒸気は、機械空間において火炎基部に向けて誘導されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項３０】
蒸気は、輸送船または車両内において火炎基部に向けて誘導されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項３１】
蒸気は、発生されている蒸気を含む携帯用ユニットを、火炎を有する場所へ移送することにより、火炎基部に向けて誘導されることを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項３２】
火炎が蒸気を火炎内に自己同伴するのに十分な運動量を供給するステップは、蒸気の気団と、火炎を冷却し、消火するのに十分な割合の蒸気を有する搬送媒体とを作り出す蒸気に低速噴射の搬送媒体を導くことを含むことを特徴とする請求項３１に記載の消火方法。
【請求項３３】
気団中の蒸気濃度は、少なくとも７５パーセント蒸気であることを特徴とする請求項３２に記載の消火方法。
【請求項３４】
ａ．高周波圧力波が水と相互作用するように、任意の表面張力を有する、水槽内に入っている水に高周波圧力波を与えるステップと、
ｂ．ミクロン未満の径の液滴を有する蒸気を、高周波圧力波を水と相互作用させることにより発生させるステップと、
ｃ．火炎の伝播経路に蒸気のカーテンを作り出し、所定の領域を越えての火炎の伝播を防止するステップと、
を備えていることを特徴とする消火方法。
【請求項３５】
火炎は、森林火災または野火であることを特徴とする請求項３４に記載の消火方法。
【請求項３６】
蒸気のカーテンは、複数の層を含むことを特徴とする請求項３４に記載の消火方法。
【請求項３７】
火炎が水蒸気を火炎内に自己同伴するために十分な水蒸気の運動量を供給するステップは、搬送媒体を蒸気に導入し、搬送媒体に対する蒸気の割合を操作し、火炎を冷却し、消火するために十分なパーセントの蒸気を有する気団を提供することを含むことを特徴とする請求項１に記載の消火方法。
【請求項３８】
蒸気は、少なくとも７５パーセントの気団を構成することを特徴とする請求項３７に記載の消火方法。
【請求項３９】
蒸気は、８０から９０パーセントの気団を構成することを特徴とする請求項３７に記載の消火方法。
【請求項４０】
ａ．容器と、
ｂ．容器内に格納されるか、または容器に間接的に取り付けられる電源と、
ｃ．高周波圧力波を周囲圧力で発生させる電源に接続されている高周波発生装置と、
ｄ．実質的にミクロン未満の径の液滴からなる、水槽から流出する蒸気を生成する高周波発生装置と連通状態にある容器の内側に位置する水が入っている水槽と、
ｅ．炎の基部を有する火炎の基部に向かって蒸気を誘導するための、水槽から末端方向に位置する容器の蒸気出口と、
を備えることを特徴とする消火装置。
【請求項４１】
電源は、バッテリであることを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項４２】
高周波発生装置は、圧電変換器であることを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項４３】
蒸気を生成することにより水が使用されるとき、水槽内への制御された水の流れを供給するために、入口が容器に接続されていることを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項４４】
センサーは、容器に取り付けられ、水槽と関連し、水槽内の水のレベルを測定し、水槽に水がいつ補給されるべきかを知らせることを特徴とする請求項４３に記載の消火装置。
【請求項４５】
水槽は、水浴槽として水を収納することを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項４６】
高周波発生装置は、水槽内の水に沈められていることを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項４７】
蒸気の出口は、スパウトを含むことを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項４８】
ファンは、水槽から流出する蒸気に対して空間をおいて位置し、蒸気を火炎基部に向けて誘導するための運動量を提供することを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項４９】
容器に配された搬送媒体入口は、水槽から流出する蒸気に対して空間をおいて位置し、水槽を通って搬送媒体が水蒸気を火炎基部に誘導すべく供給されることを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項５０】
搬送媒体は、空気を含むことを特徴とする請求項４９に記載の消火装置。
【請求項５１】
搬送媒体は、不活性ガスを含むことを特徴とする請求項４９に記載の消火装置。
【請求項５２】
不活性ガスは、窒素であることを特徴とする請求項５１に記載の消火装置。
【請求項５３】
不活性ガスは、二酸化炭素であることを特徴とする請求項５１に記載の消火装置。
【請求項５４】
搬送媒体入口及び蒸気出口は、水槽に対して接するように位置していることを特徴とする請求項４９に記載の消火装置。
【請求項５５】
搬送媒体入口、蒸気出口、及び水槽が位置している容器の部分は、円筒状であることを特徴とする請求項５４に記載の消火装置。
【請求項５６】
消火装置を持ち上げるために把手が容器に取り付けられていることを特徴とする請求項４０に記載の消火装置。
【請求項５７】
ａ．高周波圧力波が水と相互作用するように、任意の表面張力を有する水槽に入っている水に高周波圧力波を与えるステップと、
ｂ．高周波圧力波と水との相互作用によりミクロン未満の径の液滴の割合を有する蒸気を発生させるステップと、
ｃ．蒸気を爆発または爆裂領域へ向けて誘導するステップと、
ｄ．十分な処理量の蒸気を供給し、爆発または爆裂の過程で生じたエネルギを吸収するステップと、
を含むことを特徴とする爆発または爆裂過程を軽減する方法。
【請求項５８】
ａ．高周波圧力波が水と相互作用するように、任意の表面張力を有する水槽に入っている水に高周波圧力波を与えるステップと、
ｂ．高周波圧力波を水に相互作用することによりミクロン未満の径の液滴の割合を有する蒸気を発生させるステップと、
ｃ．加湿するために蒸気を意図する領域へ誘導するステップと、
ｄ．十分な処理量の蒸気を供給し、意図する領域内に所望の湿気を供給するステップと、
を含むことを特徴とする加湿方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非常に細かい液滴の水蒸気による火災の鎮静に関する。より詳細には、限定されるものではないけれども、周囲圧力で蒸気化し、火災を鎮静化することに適用するために、該蒸気を送出する電子超音波装置を用いて非常に細かいミクロン未満の大きさの水蒸気を生成する改良された方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水をベースとする消火システムが長年存在してきた。しかしながらそのようなシステムは、１９６０年代のハロンガス・システムの出現のせいで、ほとんど取って代わられ、技術も忘れられた。近年、ハロンガスが、環境的に安全でないことが発見され、その連続使用が、大気中のオゾンを激減させる可能性が伝えられたために禁止されている。したがって、効果的で、環境に優しく、且つ使用するのに安全である、代わりの消火システムの必要性が急がれている。
【０００３】
いくつかの有利な性質のせいで、水蒸気が、ハロンガスに取って代わる潜在的因子として見直されている。水は、環境に優しく、既知の有毒性を全く持たない。水は、炎を冷却するのに役立つ、４．１８Ｊ／ｇの比熱及び２２６０Ｊ／ｇの高い気化潜熱を有する。最終的に、水は容易に入手し易く、コスト効率が高い。
【０００４】
水蒸気は、異なるメカニズムで火災を鎮静化する。各メカニズムは、水蒸気の全体の鎮静率に異なる影響度を示す。４つの重要な動作メカニズムは、熱の抽出、酸素の置換、放射熱の減衰及び蒸気／空気の混合気の希釈である。熱の抽出及び炎の冷却は、消火効率に最大の影響を有し、その他のメカニズムは、通常、熱の抽出メカニズムを補っている。発明者等は、コンピュータ・シュミレーション及び実験を通して、水蒸気の消火への適用における成功は、略ナノメーター規模であってミクロン未満の大きさの水蒸気の液滴を生成し、いろいろな火災シナリオに蒸気を送出する能力に依存する。非常に小さい液滴は、瞬間的に蒸発し、エネルギを吸収し、炎から熱を抽出する。より大きい径の水蒸気の液滴は、よりゆっくりと蒸発し、火災を鎮静化するのにそれ程効率的ではない。また、より大きい液滴は、それほど容易に火中に運び込まれず、蒸気が発射位置から離れて導入される場合、追加の推進力を必要とする。
【０００５】
液体状態から蒸気への移行に伴うかなりの体積膨張（約１７００倍）のせいで、非常に少量の水が、非常に小さいミクロン未満の液滴の蒸気を使って火災を鎮静化するのに必要とされる。この水の膨張は、液相の水とガス状のナノスケールの蒸気との密度比に基づいている。
【０００６】
ミクロン未満の大きさの液滴である非常に細かい蒸気は、従来の水蒸気による消火技術に普通は関連する不利な点のいくつかを回避する。例えば、より大きな大きさの液滴を有する代表的な水蒸気の適用は、燃料表面に衝突する水滴から突然の燃え上がりを引き起こすという炎に対する運動作用を引き起こす恐れがある。さらに、よりゆっくりと気化し、より大きな推進力が必要とされるために、適用範囲内のより大きな液滴の濡れ面は、導電性を帯び、多くの場合ものを傷める。したがって、水蒸気技術を成功させる鍵は、コスト効率の高い周囲圧力式の方法を用いて生成される、非常に細かいナノメータースケールでミクロン未満の水蒸気を使用することにある。
【０００７】
これまでは、消火用の微細な水蒸気の生成は、据え付けと整備の点から費用のかかる技術であった。これらの従来システムは、流体の高圧貯蔵庫、多くの場合高圧下にある配水管、及び加圧された流体を特殊噴霧ノズルに送るポンプのような、１又はそれ以上の高価な構成要素を含んでいた。構成要素の費用に加えて、これらの構成要素及び配管は、据え付けのための貴重な空間を必要とする。空間は、船舶、機械空間、及びコンピュータ・データ・センタのような決まった用途に対して制限され得る。
【０００８】
公知の水蒸気消火システムを据え付ける費用に加えて、これらのシステムは、安全性及び機械的問題を提供する。特に、加圧されたシステムは、流体を加圧状態に置いたままにすることによりもたらされる漏れ及び破裂の危険を免れない。これらのシステムは、小さなノズル径のせいで詰まることを免れない、また、高価であり、それらの高精度の規格により組立てることが難しいノズルを必要とする。
【０００９】
最先端の機械的噴霧器を用いてさえも、これらの従来システムにおいて得られる液滴の大きさは、５０−２００ミクロン程度である。多くの用途に対して、これらの液滴は、炎を冷却するのに効果的である。しかしながら、水蒸気の液滴は、依然として表面をぬらし、電気伝導性を引き起こす恐れがある。このことは、コンピュータ及びデータ・センタ・アプリケーション、又は、図書館及び博物館の貴重な品目の保管庫で水蒸気消火を用いる可能性を制限する。さらに、従来の微細水蒸気消火システムにより要求される機械的噴霧技術は、依然として非常に高価である。
【００１０】
消火のための従来の蒸気発生方法は、加圧水又は２流体噴霧器のような十分に裏付けられた方法を含んでいる。単一の流体圧に基づく噴霧器は、高圧（４０〜２００[bar]）で貯蔵され又は押し出される水及びかなり小さいオリフィスの大きさを持つ噴霧ノズルを使用する。２流体システムは、空気、窒素又はその他の気体を使用し、ノズルにおいて水を噴霧する。まれではあるけれども、火災及び爆発を鎮火する蒸気を発生すべく超音波を発生させるために、非常に高い（極超音速）気体流の利用に関するいくつかの参考資料がある。例えば、エグバート・ド・フリースの特許文献１は、その中で気体のオリフィスが液体の薄膜上表面を貫通する一般型の超音波ノズルを開示している。その方法は、液体の薄い層をせん断し、液体を噴霧する高速気体流を使用する。他に、特許文献２及び３は、圧縮された空気流を使用して蒸気を生成する方法を教示する。また、特許文献４は、超音速を有する搬送ガスを使用することを教示する。全ての従来の方法は、水を噴霧し、水蒸気を生成する手段として加圧水又は圧縮された気体を使用する。結果として、これらの従来の技術は、使用者に使い難く、消火のために水蒸気を発生させるのにあまり経済的でない技術的手段を用いて噴霧された水蒸気を生成する。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第４，３７８，８５１号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，２１１，３３６号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，３２３，８６１号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，５９７，０４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、電子超音波装置を使用し、ミクロン未満の径の液滴を有する水蒸気を生成する水蒸気消火方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、電子超音波装置を使用し、水蒸気を生成し、状況に応じて、電力供給線又はバッテリのような携帯電源で動く消火装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の別の目的は、加圧された水又は気体を必要としない蒸気発生方法を用いる消火方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の別の目的は、噴霧ノズルを使用せず、ノズルの詰まりや流れの遮断を起こさない消火のための蒸気を発生させる方法を使用することにある。
【００１６】
別の目的は、蒸気が火炎により伴出されるようなミクロン未満の径の蒸気を送出する装置及び方法を提供することにある。
【００１７】
別の目的は、過大な運動量を蒸気に機械的に与えることなく、消火のための蒸気を提供することにある。
【００１８】
別の目的は、蒸気が火炎の基部から導入される消火のための蒸気を提供することにある。
【００１９】
別の目的は、非常に低い噴射速度で火炎の基部の最も活性的な領域に蒸気を送出することにより消火するのに必要とされる水の使用及び蒸気量を最小限度に抑えることにある。
【００２０】
別の目的は、ミクロン未満の径の液滴を有する水蒸気を使用することにより従来の蒸気に比べて桁違いの差で消火するのに必要とされる水の量を減少させることにある。
【００２１】
別の目的は、表面領域と衝突する前に蒸気が気化され、表面領域又は設備をぬらさないようにミクロン未満の蒸気を火炎に送出することにある。
【００２２】
別の目的は、水噴流を生成する中心線上の蒸気に影響を与えることなく、蒸気を蒸気発生源から搬送する空気又は気体の接線流を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、電子高周波超音波装置により発生される水蒸気に基づく消火方法に関し、高圧要素又は高速気体流を用いて水蒸気を生成する従来の方法とは異なる。より詳細には、本発明は、極微細な蒸気を作り出すためにノズルを使用せず、したがって、ノズル詰まりがなく、高圧又は圧縮された気体で給水する必要のない蒸気発生方法の応用を開示する。本発明の有利な特徴は、防火及び消火の安全性及び経済性を確実に高め、効率を向上させる。
【００２４】
本方法においては、周囲圧力の水床が、圧電変換器により駆動される超音波にさらされる。変換器の振動周波数は、水を霧化し、１ミクロン未満の径、例えば、５００ナノメーターの液滴を生成する超音波を提供する。商業的に入手できる代表的な変換器は、医療分野、洗浄分野及び加湿分野で使用され、２．４ＭＨｚまでの振動周波数で作動する。これらの変換器は、非常に小さい液滴を生成し、これらは、多少の設計変更により１ミクロン未満の寸法にすることができた。本発明において要求されるように、多量にミクロン未満の大きさである蒸気を発生させるために、これらの変換器は、さらに高い振動周波数を提供するために、変更され、適合させられる。
【００２５】
変換器の周波数を増大させることに加えて、例えば、水の表面張力を低下させることにより、及び水槽温度を増大させることにより、あるいは両方により、結果として生ずる水蒸気の液滴の寸法を小さくすべく変えられ得るその他の要因がある。高い水槽温度による顕エンタルピーは、水の気化潜熱の大きさに比べてさほど大きくはない。これに基づけば、水槽温度を増大させることは、蒸気液滴の大きさを減少させるのに効率的な方法である。事実、発振器の作動中行われている自然加熱は、この有利な特性を達成するのに役立つ。
【００２６】
本発明により作り出されるミクロン未満の径の水蒸気の液滴は、周囲圧力で作り出される。したがって、蒸気は、高価な技術が必要とされないので、費用上効率的に作り出される。また、蒸気は、非常に安全に、静かに作り出される。騒音を出し、危険な高圧装置を使用する代わりに、水蒸気は、加圧された流体又は高性能なノズルの必要性なしに、電子手段により提供される超音波振動により生成される。
【００２７】
超音波により発生させられる非常に微細な蒸気は、重力、不活性ガスからなる搬送気体、又は空気により、火炎に運ばれ、送出される。空気を使用すると、蒸気は、また、補助的な搬送流体を何ら使用することなく、出口においてファンを使用して、発生源から引き出され得た。好ましい送出方法の各々は、高速ノズル等を使用する従来の蒸気送出システムにおいて存在する過剰運動量に伴う問題を避ける。
【００２８】
本発明において利用される装置及び送出方法の詳細な実施態様は、選択される特定の消火の応用により変化し得る。提案される応用範囲は、コンピュータデータ保管領域、機械空間、地上車、航空機、船舶及び潜水艦、種々の屋内火災、及び種々の屋外火災を含んでいる。特別の場合として、山林内におけるような野火への応用を含み、蒸気カーテンが、熱エネルギを吸収し、熱波の伝播を拡散させるために、予測される距離に設置され得る。これらのさまざまな応用範囲は、固定システム、手持ち用携帯型装置、又は屋内外携帯型ユニットを使用して処理され得る。とにかく、各特定のシステムは、水蒸気を発生させ、特定の火災シナリオに対する適切な送出機構を有する本発明の方法を利用するように設計されるべきである。
【００２９】
ミクロン未満の径の液滴は、非常に微細であるので、液滴は、火災に適用されたとき、表面領域をぬらさない。代わりに、液滴は、急速に気化し、冷却し、消火する。さらに、液滴は、品物の上に残存し、電気的伝導を引き起こし、高価な品物を傷つけることがないであろう。本発明のこれらの利点を考慮すると、消火に適用するためにミクロン未満の液滴の蒸気を発生させる方法及び装置は、ハロンや消火用ハロンに代えて現在使用されているその他の化学物質に置き換える可能性を有する。
【００３０】
発振器及び噴霧針又はプローブ、それらの組み合わせからなる超音波噴霧器は、蒸気を生成する概念を説明するための選択肢であり、商業的に入手可能である。しかしながら、これらの噴霧器は、費用効率が高くなく、消火に使用するのに法外に高価である。発振器及び針の組み合わせは、本明細書で説明されると同様の原理を使用する。しかし、これらの入手可能な噴霧器は、生産高は低く、低運動量の被覆又は噴霧分野用に特別に設計される。これらの噴霧器においては、液体は、狭い内腔を貫通するプローブを通って移動し、噴霧表面上に薄い膜として広がる。プローブの先端にある発振器は、液体を微小液滴に放出し、次に、それらを吐出し、適度の、低速の蒸気を形成する。液体の粘度は、制限因子であり得、この型の商業的超音波噴霧器は、高価であり、消火又は防火のような大規模な用途のために広範囲に使用できない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の性質及び目的を十分に理解するために、添付している図面とともに引用される以下の詳細な説明が参照されるべきである。
【００３２】
図を参照すると、本発明は、別の実施態様で示されている。特に、図面は、ミクロン未満の液滴を有する極微細な蒸気を生成する蒸気発生装置８を有する装置の２つの実施態様を例示している。実施態様は、本発明のいろいろな火災シナリオへの適用に合わせた、蒸気を火炎に送出するいろいろな方法を開示している。
【００３３】
図１に示されるように、接続線１２を経由して適当な電源に接続されている圧電変換器１０は、水槽中に沈められ、又は、水１４と物理的に連通するように配置されている。圧電変換器１０は、電気信号を受け取り、電気的振動を高周波数の機械的振動に変換し、希薄及び圧縮サイクルに伴う超音波圧力又は超音波を生成することにより、流体の霧化を容易にする。所要の高周波圧力波は、高周波発生レーザー装置によって提供されてもよい。ある限界を越えて、希薄状態が空洞現象（cavitations）を生成し、結果として、負圧偏位中は膨張し、正圧偏位中は急激に縮小する気泡を生成する。空洞現象は、圧縮中、縮小する気泡を小さな液滴として外に浮上させ、霧のような蒸気を形成させる。したがって、高周波振動により生成される超音波は、水を大量の液滴に霧化させる。
【００３４】
変換器１０の振動する円板の上に、噴水煙（a water fountain plume）１６が、発振器の大きさ及び周波数に依存して数インチから１フィートまで変化する高さを有して形成される。水の非常に小さい液滴１８又は蒸気は、この噴流１６から生じる。この噴流１６を抑えようとする、又は流れを遮断しようとする試みは、結果的に、蒸気１８の生産量を終結させるか又は減少させるかのいずれかになる。結果として、もし発生器容器８から蒸気を押し出すのにファンが使用されるならば、空気の流れは、噴流を乱す傾向を有するであろう。蒸気発生器８の流入口２０へ入る時点での及び蒸気出口２２を去る時点での流れの挙動は、図３に示されるように、十分に体系化されているべきである。本発明の機能を最大限に活用するためには、十分に体系化された流れの挙動は、主として、本明細書でさらに明らかにされる本発明の１つの特徴である。
【００３５】
噴霧処理で生成される水滴１８の大きさは、水１４の表面張力、水の密度、及び変換器１０の振動の周波数に依存する。液滴１８の径は、液体１４の表面張力の減少に伴って小さくなる。液滴１８の大きさは、また、液体１４の温度の上昇に伴って小さくなる。また、液滴１８の径は、液体１４の密度及び変換器１０の振動の周波数の上昇に伴って小さくなる。本発明で推奨されるような１ミクロン未満の液滴径を有する液滴をかなりの割合有する蒸気１８を生成するために、本実施態様における圧電変換器１０により生成される振動数は、通常より大きい。従来の役割で使用される約１〜２ＭＨｚの周波数は、加湿器、噴霧器、洗浄、及びその他の機能に有効な１−１０ミクロンの粒子を有する蒸気を生成するのに適切である。しかしながら、２．５ＭＨｚ以上の周波数が本発明で教示される消火方法に有効なミクロン未満の粒子の蒸気１８を生成するために、ある場合には必要とされ得る。また、その他の方法が、生成される蒸気液滴１８の径を減少させるために、上で示唆されたように使用されないならば、現在の商業的変換器に対する変更が必要となるかもしれない。可変周波数の発振器が、液滴１８の大きさのより広範な周波数域を得るために利用されてもよい。
【００３６】
上に指摘したように、より小さい径の液滴１８は、水１４の表面張力を小さくすることにより生成され得、それは、表面活性剤（surfactants）すなわち界面活性剤（surface-active agents）を加えることにより、又は、別の媒体により達成され得る。さらに、水１４の温度は、上昇され、生成される液滴１８の径を小さくし得る。振動及び音波の伝播処理の間、若干の加熱が行なわれ、液滴１８の大きさのさらなる減少を促進する。
【００３７】
噴霧処理により作り出される蒸気を形成する極めて小さい液滴１８の雲のような収集体は、濃密な気体のように空気中に漂い、別の何らかの推進力が与えられなければ、重力の力にゆっくりと屈服する。与えられる推進力、したがって、本発明において使用される蒸気送出方法は、蒸気１８が火炎基部に供給されるべきであるので、消火における蒸気１８の効率に関し重要な因子である。したがって、本発明で使用される送出方法は、特定の消火への適用、例えば、野外火災、室内火災、機械空間、又はその他のシナリオに応じて特注される。蒸気１８の送出は、方向、生産量、蒸気１８に与えられる運動量、使用され得る搬送気体の組成、及び質量流れにおける蒸気密度に対して変化し得る。図における蒸気発生装置８は、典型的な送出出口２２、２４を示している。
【００３８】
蒸気１８の送出方向は、出口２２、２４の位置及びファン又はその他の装置の適用により操作され、存在する蒸気１８を導き得る。任意の消火への適用においては、蒸気１８は、発生器８を出、火炎に重力供給され、自己同伴されるであろう。一方、別の適用においては、蒸気１８は、窒素ガス又は炭酸ガスのような推進用の搬送不活性ガスにより、火炎に搬送される必要があるであろう。あるいは、蒸気１８は、蒸気１８を火炎基部に向けて押し出し、送出空気噴流の最適速度を使って適切な流れを作り出すために、ファンを使用して空気により搬送されてもよい。搬送気体又は空気に対する蒸気１８の割合は、首尾よく消火するのに十分な蒸気比になるように適切に操作されなければならない。また、蒸気１８の生産量は、消火するのに十分でなければならない。
【００３９】
蒸気送出運動量を調和させることは、本発明の重要な特徴である。蒸気運動量は、蒸気１８が適用周囲領域へ送出されるとき、火炎が蒸気１８を自己同伴し得るのに十分小さくあるべきである。蒸気１８の噴射運動量は、火炎基部に到達するのに過不足なくあるべきである。蒸気運動量があまりに高い場合、冷たい蒸気１８は、火炎の浮揚力により同伴されず、消火するのに効果的でないであろう。蒸気運動量が不十分である場合、蒸気１８は、火炎の近くに到達せず、火炎基部内に同伴されないであろう。
【００４０】
本発明を例示する蒸気発生ユニット８の実施態様の概略が、図２に示されている。該ユニット８は、ある消火に適用するために蒸気１８の適切な流れを提供すべく特注されたものである。ユニット８の第１の底区域は、電力供給区域２６を提供している。この区域には、４８Ｖ降圧器（step-down transformer）を含む電力便利箱（a power-utility box）２８が入っている。電力箱２８及び降圧器は、本明細書では蒸気発生区域３０と称される第２の区域内に入っている変換器１０に動作可能に接続されている。
【００４１】
図２に示される実施態様においては、変換器１０は、水槽１４中に沈められている。蒸気発生区域３０は、水容器１４を作り出すべく水を供給するために、進入入口３２及び退出出口３４を含んでいてもよい。ある用途では、センサー３６が、この第２の区域３０に示されるように、設けられ、水容器１４のレベルを監視するようにしてもよい。また、システムが、水容器１４の入口３２及び出口３４を制御するために設けられ、水のレベルを適宜調整してもよい。
【００４２】
蒸気退出又は蒸気出口区域４０は、蒸気発生区域３０の上又は近くに位置している。また、空気又は搬送気体の流入区域３８は、蒸気退出区域４０の上又は近くに位置している。あるいは、蒸気退出区域４０と気体流入区域３８との相対的位置は、交換されてもよい。すなわち、蒸気退出区域４０は、気体流入区域３８の上にあってもよい。蒸気１８は、重力の結果としてユニットから流出するか、補助的な力により押し出され得るかのどちらかである。ファンが、流入区域３８を経由して蒸気出口区域４０に連通するように設けられ、所望の運動量及び蒸気混合気に適切な空気で、退出スパウト２２を通って蒸気１８を案内してもよい。あるいは、圧縮された不活性ガス又は圧縮された空気が、進入入口２０で表されている入口スパウトのような流入区域３８の導管を経由して蒸気退出区域４０に連通するように配置されてもよい。
【００４３】
本発明において、ファン又は圧縮された気体又は何らかの気体が、火炎基部に蒸気１８を案内するのに使用されるとしても、蒸気発生器８を通り抜ける搬送媒体の流れ４２は、上記したように、水槽又は水容器１４から上方に向かって延在する水噴流１６を乱すことを避けるために、十分に体系化されなければならない。流れ４２が噴流を乱すことを避けるための１つの方法は、気体及び流体流れ４２のための進入入口２０及び退出出口２２を、図３に示されるように容器８に対して接する方向に維持することにある。示されている実施態様においては、気体及び流体の流れ４２が、水噴流１６の周辺を循環し、一方、水噴流１６が存在する蒸気発生器８の中心部は、比較的平穏である。水噴流１６が水槽１４の中心部にあると仮定すると、気体及び流体の流れ４２は、蒸気１８を生成している水噴流１６の流れに影響を与えない。図３は、円筒状容器８の側面に沿い、選択された出口２２位置で容器８から蒸気１８を最終的に押し出す流れのベクトル４２を示す。
【００４４】
矩形形状は、図３に示される側壁に接する流れ４２のタイプに十分に適応しない。したがって、発生ユニット８は、矩形形状よりはむしろ図３に示されるような円筒形状を有することが好ましい。しかしながら、水噴流１６が蒸気搬送媒体の流れによって乱されないことを確保するように適切な配慮を持ってすれば、別の変形例が若干の適用例のもとでは有益であり得る。例えば、図１において、水の流れは、蒸気１８を生成するために変換器１０に連通する入口４８及び出口５０を通り抜けることで与えられる。蒸気１８は、水噴流１６から上方へ流れ、噴水煙１６を乱さないように該噴水煙１６の上に配置され、流入口５４を通り抜けてくる搬送媒体の流れ５２により、火炎基部方向への推進力を与えられる。
【００４５】
いくつかの現存する高速処理加湿器の設計は、容器から上方に向けて蒸気を直接押し上げるために、ファンを使用する。これらの高速処理加湿器において空気流が直接水噴流に吹き付ける結果として、加湿器から出てくる蒸気は、かなりの割合の粗い水滴を含んでいる。粗い液滴を含んでいるこの蒸気は、消火への適用にとって効果的ではない。さらに、これらの商業的加湿器のファン速度は、少なくとも０．８〜０．９の質量分率の蒸気を搬送するために調整されず、商業的加湿器ユニットから出てくる蒸気の運動量は、特定の火災への適用に調和するように制御されない。したがって、商業的に入手可能な高処理加湿器は、本明細書で述べられている蒸気処理量及び送出方法を持っておらず、消火に使用するのに十分に適してはいないか又は考慮されない。
【００４６】
本発明の好ましい実施態様が開示されているけれども、本発明の範囲内での改良を通して、装置を構成するためのいろいろな選択肢が見出されるであろう。特に、蒸気出口区域４０及び搬送気体入口区域３８の位置は、交換されてもよい。例えば、搬送気体入口３８は、蒸気出口区域４０の下にあってもよい。
【００４７】
蒸気発生ユニット８の電力供給区域２６、蒸気発生区域３０、及び蒸気出口区域４０は、図２のように垂直に配置され、把手４６を有する頂部４４が設けられている。ユニット８は、ほとんど水平構造又は垂直構造を有して配列される。望ましい適用例において、独立した携帯電源が蒸気発生ユニット８の構成に付加されてもよい。例えば、再充電可能な蓄電池が、屋内又は屋外用携帯型消火器あるいは時にはオープンルームの火災に使用される同様の消火器として使用される手持ち型ユニットのような携帯型蒸気発生ユニット８に設けられてもよい。
【００４８】
水溶性の化学添加剤を水槽１４に加えることは、消火ユニットにより発生させられる水蒸気１８の効率を高める。また、空洞現象及び噴霧処理が添加剤と発生される水蒸気１８とを一様に混合させるので、水と混和しない液体添加剤が、消火を高めるために、水槽１４に加えられてもよい。いくつかの例は、超音波振動中に混合される水及び別の水と混和しない消火用化学液体を含むマクロ・エマルジョン又はミクロ・エマルジョンの形成を含んでいる。これらの機械的なミクロ・エマルジョンは、微細構造の内側に液滴を保持するために、界面活性化学物質を必要としない。この微細構造は、流体として使用される化学的消火液体と水の合成ミクロ・エマルジョンの唯一の利点を提供する。結果として生じる合成流体システムは、例えば、機内火災の場面のために航空機で運ばれている水の有効重量を減少させるというような機会を提供する。
本発明の方法及び装置が効率的に使用され得る多くの消火シナリオがある。適用例の包括的なリストの代わりに、いくつかの代表的な実施態様及びシナリオが、本発明が有益であるその他の消火適用例を除外しようとすることなしに、検討のために提出されている。第１に、本発明は、携帯型手持ち用消火器に使用され得る。これらの携帯型手持ち用ユニットにおいては、所望の水蒸気１８が、流体を圧力下で蓄えることなく周囲圧力で生成され得る。携帯型ユニットを再充填することは、水栓からの水道水を受け入れるべく開閉可能な開口を使って達成される。さらに、携帯型ユニットは、バッテリ動作されてもよい。
【００４９】
第２の実施態様においては、本発明は、コンピュータ／電子データ保管室及び電子的に鋭敏な領域内で使用され得る。本発明により生成される超微細なミクロン未満の水蒸気１８は、水蒸気１８が鋭敏な電子設備に付着したり、蓄積したりしないので、この適用例にとって特に有効である。この実施態様においては、水蒸気１８は、蒸気発生ユニット８のような容器内で生成され、容器から流出する水蒸気１８は、ファン又は誘導不活性気体流を使って拡散される。事実、多くのコンピュータ・データ・センタ室にとって、その中で底が一段高くされている床構造は、本発明の蒸気送出システムを実施させるのによい機会を提供する。これらのタイプのデータ・センタにおける空気ダクトは、床内にあり、空気の流れは、常に上方に向いており、本システムを使用する水蒸気１８は、最下部の床から容易に拡散され得る。場合によっては、この環境に対して設計されている本発明に基づくシステムは、火炎により自己同伴されるように重力により選択的に分配するために、室の天井機構内に位置していてもよい。
【００５０】
第３の実施態様においては、本発明は、大型機械領域、吊り金具、タービン、機械工場、又は配電室のような機械空間で使用され得る。水蒸気は、蒸気発生ユニット８で生成され、ファン又は誘導不活性ガス流により火災地点に送出され得る。場合によっては、蒸気発生器は、下から容易に火炎により自己同伴されるように、機械領域の下の床に設置されてもよい。
【００５１】
第４の実施態様においては、本発明は、地上車、航空機、船舶及び潜水艦に使用され得る。これらの適用例全てにおいて、発生される蒸気１８は、専用設計空間に依存するファン又は誘導不活性ガスにより再分配され得る。その領域が蒸気１８で全体的に満たされる恐れがあり、換気が確保されている場合、蒸気１８は、重力供給され、火炎流域により同伴され得る。
【００５２】
第５の実施態様においては、本発明は、野外火災を消火するのに使用され得る。このシナリオにおいて、蒸気１８は、全質量流の少なくとも７５−８０％の蒸気濃度を有する、方向付けられた非常に低速の噴流で火炎基部に送出される。
【００５３】
第６の実施態様においては、本発明は、森林火災の伝播を遮断するために使用され得る。所望の厚さ又は数メートルの蒸気カーテンが、火災の伝播の直進経路に作り出される。蒸気カーテンは、火災の最前線からエネルギを吸収し、火災を下火にさせる。水蒸気カーテンを数層設置することにより、火炎伝播速度は、かなり減速され、最終的に完全停止に導かれる。
【００５４】
火災に加えて、本発明に係る微細水蒸気は、爆破や爆発工程を緩和するのに使用され得る。また、加湿に使用され得る。液滴の大きさが非常に小さいので、蒸気１８は、かなりのエネルギを吸収し、したがって、爆破や爆発領域内での爆発中に発達する過度の過圧力を減少させるであろう。加湿に対しては、非常に小さい液滴が、迅速に気化し、対象とする領域の冷却はもちろん所要の加湿レベルを提供する。
【００５５】
本発明が若干の特定の実施態様に関して説明されてきたけれども、本発明の精神から逸脱することなく、当業者によって多くの修正や変更がなされ得ることが理解されるであろう。したがって、添付されているクレームにより、クレームによって画定される本発明の真の精神及び範囲内に含まれるように、そのような修正や変更全てを包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係るナノメーターサイズの水蒸気システムが発生される超音波装置を示す、消火用の代表的な水蒸気発生器の概略正面図である。
【図２】ナノメーターサイズの水蒸気を発生させる電子超音波装置を使用する消火装置の概略正面図である。
【図３ａ】ファン又は気体入口及び蒸気出口平面における流れの速度ベクトルの概略上面図である。
【図３ｂ】ファン又は気体入口及び蒸気出口平面における流れの速度ベクトルの概略上面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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