CN103071260A - N2/co2灭火系统推进气体混合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及N2/CO2灭火系统推进气体混合物。自动灭火系统包括具有中心轴线的罐、被置于所述罐上的出口、绕所述中心轴线被置于所述罐内并与所述罐部分流体连通且联接到所述出口的汲取管、被置于所述罐内的CO2和N2的推进气体混合物以及被置于所述罐内的气态抑火剂。

Description

N2/CO2灭火系统推进气体混合物
技术领域
本发明涉及灭火系统，并且更具体地涉及用于具有CO2至N2推进气体的对姿态不敏感的高速排放灭火器的系统和方法。
背景技术
在已经探测到火灾或爆炸事故之后使用自动灭火（AFE）系统。在一些情况下，AFE系统在事故后被用于有限空间内，例如军用车辆的乘员舱。AFE系统通常使用高速红外线（IR）和/或紫外线（UV）传感器来探测火灾/爆炸进展的早期阶段。AFE系统通常包括填充有灭火剂的汽缸、快速阀以及喷嘴，其能够快速且高效地遍布有限空间来应用药剂。常规AFE系统例如直立地安装在车辆内以使得在极端倾斜、滚动和在军用车辆内经历极端温度时能够有效施展全部内容物。为了维持系统效率，喷嘴被定位成使得它们能够提供药剂在车辆内的均匀分布。对于这些类型的系统而言，这种需求能够通过在阀出口处添加软管来满足，该软管延伸到车辆内的所需部位。虽然有效，但是这种措施增加了额外的系统复杂性水平且因此增加了成本。
存在多种方案解决需要被直立安装的抑制器的所述问题。例如，管型灭火器设计能够以任意取向被安装在车辆内并且仍提供灭火剂的有效排放来应对车辆火灾或爆炸挑战。在车辆在意外之前或期间呈现任意取向时灭火器仍可以工作。溶解氮（或其他惰性气体）从灭火剂快速解吸从而形成两相混合物（例如泡沫或摩丝）会基本填充灭火器内的容积并且导致药剂从阀组件排放。这种两相混合物的形成使得灭火剂能够被适当排放而与灭火器取向无关。不过，包括管设计的当前方案没有完全解决有限空间的对姿态不敏感的需求，其中该有限空间会经历在军用车辆中经受的极端倾斜、滚动和温度。
发明内容
示例性实施例包括自动灭火系统，包括：具有中心轴线的罐、被置于所述罐上的出口、绕所述中心轴线被置于所述罐内并与所述罐部分流体连通且联接到所述出口的汲取管、被置于所述罐内的CO2和N2的推进气体混合物以及被置于所述罐内的气态抑火剂。
附加示例性实施例包括自动灭火系统，包括：具有中心轴线的罐、被置于所述罐上的出口、绕所述中心轴线被置于所述罐内并与所述罐部分流体连通且联接到所述出口的汲取管、被置于所述罐内的具有第一推进气体和第二推进气体的推进气体混合物以及被置于所述罐内的气态抑火剂，其中所述第一推进气体比所述第二推进气体在所述气态抑火剂中具有更高溶解度。
进一步示例性实施例包括用于加压具有罐的自动灭火系统的方法，该方法包括：使用气态抑火剂填充所述罐、使用在所述气态抑火剂中具有第一溶解度的第一推进气体来填充所述罐以及使用在所述气态抑火剂中具有第二溶解度的第二推进气体来填充所述罐，其中所述第一溶解度高于所述第二溶解度。
附图说明
在总结说明书的权利要求中具体指出并明确声明了关于本发明的主题。结合附图从下述具体描述中将显而易见到本发明的上述和其他特征和优点，附图中：。
图1示出了根据一种实施例的自动灭火（AFE）系统的第一视图。
图2示出了根据一种实施例的AFE系统的第二视图。
图3示出了根据一种实施例的AFE系统的第三视图。
图4示出了处于打开且完全启动状态的AFE系统的第四视图；以及。
图5示出了处于打开且完全启动状态的AFE系统的第五视图。
具体实施方式
图1示出了根据一种实施例的自动灭火（AFE）系统100。图2示出了系统100的一部分的放大立体图。图3示出了系统100的内部图。系统100被构造成在火灾或爆炸事故之后在有限空间内快速散布灭火剂，该有限空间例如军用车辆的乘员舱。
系统100包括罐105，其能够是任意适当材料，例如不锈钢。罐105被构造成接收气态抑火剂和推进气体（例如惰性气体，如N2）二者。能够意识到，可以想到许多常规气态抑火剂，包括但不限于1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷（即HFC-227ea（例如FM200?））、三氟溴甲烷（即BTM（例如Halon 1301））以及1,1,1,2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮（即FK-5.1.12（例如Novec 1230?））。此外，罐105能够如这里进一步描述的包括其他推进气体成分（例如CO2）。罐105中的压力可以通过来自气体源（即第一灭火剂和推进气体）的开关106监测。系统100还包括任意适当喷嘴歧管110和喷嘴115以用于将灭火剂和推进气体引导和释放到有限空间内。系统100还包括被置于罐105内的汲取管120。汲取管120被构造成与罐105和喷嘴歧管110流体连通，如这里进一步描述的。汲取管120包括被联接到中心杆160的内部环125，其绕中心轴线101被置于罐105和汲取管120内。中心杆160包括止动件161，其半径比中心杆160的半径大。汲取管120包括绕汲取管120的周边布置的多个汲取管侧孔130。当系统100处于关闭和非启动状态时内部环125覆盖汲取管侧孔130。汲取管120还包括具有多个开口136的入口135，所述多个开口136被半透膜137覆盖。此外，罐105被密闭地密封于外部环境。此外，汲取管120和中心杆160自由地允许罐105的内容物经由半透膜137来回运动。汲取管120还包括唇缘121，其半径大于内部环125的半径。如这里进一步描述的，汲取管120能够包括进一步的灭火剂，例如干粉抑火剂。能够意识到，干粉抑火剂能够包括任意常规干粉抑火剂，包括但不限于碳酸氢钾（即KHCO3例如PurpleK?）以及碳酸氢钠（即NaHCO3，例如KiddeX?）基灭火剂且其具有附加二氧化硅来增强流动特性。能意识到半透膜137在罐105和汲取管120之间提供部分的流体和气态连通。以此方式，干粉灭火剂保持被隔离在汲取管120内。不过，罐105内的推进气体能够穿透半透膜137并且将汲取管120保持成被加压到与罐105相同或基本相同的压力。
出口111被置于罐105和喷嘴歧管110之间并且被联接到汲取管120。宽的切割头165被联接到中心杆160并且被置于与破裂盘170相邻并且当系统100处于关闭和非启动状态时覆盖出口111。破裂盘170在包括汲取管120的罐105和喷嘴歧管110的内容物之间保持被密闭地密封隔离。这样，罐105相对于外部环境保持被加压。系统100还包括联接到罐105的电致动器150。电致动器150被构造成致动时机械联接到被置于罐105和汲取管120内的中心杆160。机械销151被联接在电致动器150和中心杆160之间。隔膜152将罐105密闭地密封于外部环境以便罐105内的被压缩气体不会逸出。
在一种实施例中，一旦系统100如这里所述探测到火灾或爆炸事故，电致动器150就被启动，其驱动机械销151通过隔膜152。机械销151进一步驱动中心杆160。驱动中心杆160导致内部环125的移位，这是因为内部环125联接到中心杆160。内部环125的移位使内部环125不再覆盖汲取管侧孔130。此外，驱动中心杆160会驱动宽的切割头165通过破裂盘170。系统100之后处于打开和启动状态。当止动件161接触入口135时限制了中心杆160的驱动。当系统100处于打开且完全启动状态时，加压的罐105将加压气体释放到外部环境中。罐105和外部环境之间的压力差导致半透膜137折起不挡道，从而暴露出进入开口136。当系统100处于打开和启动状态时，罐105和汲取管120处于完全流体连通。在汲取管120内被推进气体加压且与罐105隔离开的干粉灭火剂被释放到外部环境，且随后剩余的推进气体和气态抑火剂从罐105被释放。图4和图5示出了处于打开且完全启动状态的AFE系统100。
如这里所述，惰性推进气体能够包括N2。虽然当使用设计浓度的气态抑火剂和干粉抑火剂填充罐105时例如62 bar(g)(900 psig)的氮过压能够提供足够的抑制效率，不过抑制性能和离开罐105的药剂质量在罐105的较低操作温度和变化姿态（例如喷嘴115面向上）下会变差。在一种实施例中，N2的过压能够被增加到62 bar(g)(900 psig)之上。此外，附加推进气体，例如CO2，被添加到N2推进气体。通过增加N2过压并且通过添加CO2，灭火性能以及来自灭火剂的总质量均被增高。例如，容器中部分填充有FM200?的小规模试验表明需要4.3 g(0.1 mole)的CO2来产生10 bar(g)过压。当重复试验时，仅添加0.7 g (0.025 mole)的氮来实现相同压力。这种结果表明与N2相比，CO2更显著地溶解在FM200?中。因此，通过类比，在抑制剂排放期间，例如系统100，CO2从FM200?中的解吸率显著大于N2。不过，在特定限制之上，已知CO2对于人类是有毒的（即OSHA、NIOSH和ACGIH的职业暴露标准是40小时一周平均0.5 vol% CO2，短期（15分钟）暴露平均3vol%，以及被认为对于生命和健康来讲立即有危险的4vol%的最大瞬时限制）。这样，在一种实施例中，系统100包括被限制成在保护区内小于2vol%的CO2量，这应该对于这种类型事件的短期时段而言对人员没有有害影响。能够意识到，在N2推进气体中添加CO2会提高加压气体从大量气态抑火剂的解吸率。剧烈反应形成两相混合物（例如泡沫或摩丝），当系统100处于打开和启动状态时其基本填充罐105的容积并且允许药剂离开。这种特征是用于从罐105释放药剂的主要机制并且提高了排放药剂质量以及抑制性能。此外，通过添加一部分CO2，抑火剂的整体灭火性能（即热容）少量增加。在一种实施例中，因为CO2比N2更溶于气态抑火剂，所以气态抑火剂首先被添加到罐105，随后是CO2，之后是N2。在一种实施例中，添加达到20 bar(g) (290 psig)的CO2，之后是达到62 bar(g) (900 psig)的过压。虽然已经描述了在填充有气态抑火剂和干粉抑火剂的组合物的罐105内添加混合有N2的CO2，不过能够意识到在其他实施例中还可以想到其他惰性气体和挥发/汽化液体灭火剂（例如当存储时包含一部分液体和气体的灭火剂）。用于加压高速排放型灭火器的其他惰性气体的一些示例包括但不限于氦、氩和Argonite（文石）?。还可能的是，也能使用空气作为加压气体。其他灭火剂能够包括但不限于Halon 1301、Halon 1211、FE36、FE25、FE13和PFC410和Novec 1230。
在一种实施例中，能够改变出口111的尺寸。在这里描述的有限空间内，某些参数被设定成满足有限空间的需求。例如，如这里所述，添加CO2以及充压的增加导致了抑制性能的增强以及较高的排放药剂质量。不过，可能超出有限空间的某些限制（例如人类所容忍的峰值声音水平）。在一种实施例中，能够在保持抑制性能的同时调节出口111的直径。例如，当使用建议设计量的气态抑火剂和干粉抑火剂填充罐105并且使用CO2将其部分加压到15 bar(g)(218 psig)且之后使用N2完全加压到76 bar(g)(1100 psig)时，38-40 mm尺寸的出口111满足适度的抑制能力。如果出口较小，则药剂质量流速并且因此抑制性能降至低于可接受限制。如果出口尺寸较大，则一个或更多个有限空间限制将被超出（即抑制器会由于灭火剂变得过吵或具有过大冲击力）。在一种实施例中，出口111尺寸以及气态和干粉抑火剂之间的关系可以改变。例如，对于仅使用N2填充的62 bar(g) (900 psig)而言，足够的出口111尺寸是直径50-55 mm。这种关系可以根据所用灭火剂和加压气体以及所用过压而改变。在一种实施例中，系统100是高速排放（HRD）型灭火器，其使用惰性推进气体作为从罐105排放药剂的主要机制。
如这里所述，在一种实施例中，罐105能够包括气态抑火剂和推进气体。此外，汲取管120能够包括干粉抑火剂。以此方式，汲取管120确保不管系统100的取向如何均在排放早期阶段输送干粉抑火剂，从而提供系统100的对姿态不敏感特征。如图1-3所示，汲取管120保持干粉抑火剂靠近出口111而与系统100的取向（即姿态）无关。如这里所述，半透膜137使得推进气体（例如CO2和N2）的混合物和气态抑火剂能够形成在干粉抑火剂结构的间隙中。当系统被置于其打开和启动状态时，干粉抑火剂在整个灭火器排放的早期阶段被排放。这种干粉抑火剂在早期阶段到达膨胀火球这一事实已经显示出既改进了灭火性能又减少了产生的酸性气体的量。如这里所述，干粉抑火剂能够包括任意常规干粉抑火剂，只要其化学兼容于容器内的所有其他药剂即可，其包括但不限于碳酸氢钙（即KHCO3，例如Purple K?）以及碳酸氢钠（即NaHCO3，例如 KiddeX?）基灭火剂且其具有附加二氧化硅来增强流动特性。
如这里所述，在一种实施例中，汲取管120能够被定制以便适度地对姿态不敏感地输送气态抑火剂和干粉抑火剂，这可能是冷存储条件下存在的具体问题。如这里所述，汲取管120包括一系列汲取管侧孔130以及入口开口136。汲取管侧孔130邻近入口135和入口开口136。在一种实施例中，通过改变入口135（经由入口开口136）和汲取管侧孔130相对于罐105的出口111的面积比，能够调节排放特征从而不论姿态或操作温度如何均提供类似特性。调节还保持了适度抑制性能并且满足有限空间需求。汲取管120设计的示例是基于围绕40mm直径的出口111。例如，入口开口136的面积是出口111的面积的100%，并且汲取管侧孔130的面积进一步是出口111的面积的50%。在另一示例中，入口开口136的面积是出口111的50%，并且汲取管侧孔130的面积是出口111的面积的100%。在两种示例中，入口开口136的面积与汲取管侧孔130的面积之和是出口孔111的面积的150%。能够意识到，汲取管120能够不包括汲取管侧孔130。不过，最初排放干粉抑火剂以及稍迟排放气态抑火剂（其在排放时从液态变成气态）能够导致质量流速的减少以及离开出口111的药剂密度的减少且同时气态抑火剂仍在罐105内形成两相溶液。通过包括具有侧孔130的汲取管并且控制汲取管120设计内的面积的相对比例，减少了从具有两相药剂的罐105排放药剂所用的时间。因此，在从罐120最初排放干化学物质之后，维持了气态灭火剂的增强的质量流速且同时气态抑火剂仍在罐105内形成两相溶液。这种较小约束的流动路径最大化了排放期间来自每单位压力衰减灭火剂的质量。这样，甚至在较低操作温度，系统100仍能呈现对姿态的高度不敏感。
虽然已经结合有限数量的实施例具体描述了本发明，不过应该容易地理解本发明不限于这些公开的实施例。实际上，本发明能够被修改以便结合任意数量的这里没有描述的变化、改变、代替或等价设置，不过其相应于本发明的精神和范围。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，不过应该理解本发明的各方面可以仅包括所述实施例中的一些。因而，本发明不应被看作由上述描述所限制，而是仅由所附权利要求的范围所限制。

Claims (20)

1.一种自动灭火系统，包括：
具有中心轴线的罐；
被置于所述罐上的出口；
绕所述中心轴线被置于所述罐内并与所述罐部分流体连通且联接到所述出口的汲取管；
被置于所述罐内的CO2和N2的推进气体混合物；以及
被置于所述罐内的气态抑火剂。
2.根据权利要求1所述的系统，其中在所述罐中的所述CO2的压力是20 bar(g) (290 psig)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中在所述罐中的所述N2的压力是62 bar(g) (900 psig)的过压。
4.根据权利要求2所述的系统，其中在所述罐中的所述N2的压力是76 bar(g) (1100 psig)的过压。
5.根据权利要求1所述的系统，其中通过添加所述气态抑火剂且之后添加所述CO2且随后添加所述N2来加压所述罐。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括被置于所述罐和所述汲取管内的中心杆。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括电致动器，当被致动时该电致动器机械联接到所述中心杆。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括：
被置于所述中心杆上的宽头切割件；以及
被置于所述出口内且与所述宽头切割件相邻的破裂盘。
9.一种自动灭火系统，包括：
具有中心轴线的罐；
被置于所述罐上的出口；
绕所述中心轴线被置于所述罐内并与所述罐部分流体连通且联接到所述出口的汲取管；
被置于所述罐内的具有第一推进气体和第二推进气体的推进气体混合物；以及
被置于所述罐内的气态抑火剂，其中所述第一推进气体比所述第二推进气体在所述气态抑火剂中具有更高溶解度。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一推进气体是CO2并且在所述罐中具有20 bar(g) (290 psig)的压力。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第二推进气体是N2并且在所述罐中具有62 bar(g) (900 psig)的压力。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述第二推进气体是N2并且在所述罐中具有76 bar(g) (1100 psig)的压力。
13.根据权利要求9所述的系统，其中通过添加所述气态抑火剂且之后添加所述第一推进气体且随后添加所述第二推进气体来加压所述罐。
14.根据权利要求9所述的系统，还包括被置于所述罐和所述汲取管内的中心杆。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括电致动器，当被致动时该电致动器机械联接到所述中心杆。
16.根据权利要求15所述的系统，还包括：
被置于所述中心杆上的宽头切割件；以及
被置于所述出口内且与所述宽头切割件相邻的破裂盘。
17.一种用于加压具有罐的自动灭火系统的方法，该方法包括：
使用气态抑火剂填充所述罐；
使用在所述气态抑火剂中具有第一溶解度的第一推进气体来填充所述罐；以及
使用在所述气态抑火剂中具有第二溶解度的第二推进气体来填充所述罐，
其中所述第一溶解度高于所述第二溶解度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一推进气体是CO2。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二推进气体是N2。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述CO2被填充到所述罐内20 bar(g) (290 psig)的压力，并且所述N2被填充到所述罐内62 bar(g) (900 psig)至76 bar(g) (1100 psig)的压力。
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