CN108428319B - 一种无源感温火灾探测及同步报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无源感温火灾探测及同步报警系统，解决现有火灾探测设备结构复杂、需连接电源、易受周围环境影响等的问题。该系统包括热声转换模块和热电转换模块；热声转换模块包括热收集板、热管、谐振管和驱动器；驱动器包括依次固定设置的气室壳、热端换热器、板叠架和冷端换热器，板叠架内部设有板叠，谐振管上开设有侧孔，侧孔外设有振动膜；热管的一端设置在热收集板上，另一端设置在热端换热器上；热电转换模块包括塑料保护盒和受热片、两层绝缘材料、热电元件、电极、放热片、电流整合单元，受热片与热端换热器相连；热电元件设置在两层绝缘材料之间，相邻的热电元件之间通过电极连接，电极通过导线将电流输出到电流整合单元。

Description

一种无源感温火灾探测及同步报警系统

技术领域

本发明涉及火灾探测报警领域，具体涉及一种无源感温火灾探测及同步报警系统。

背景技术

目前火灾事故的发生逐年增长，居各种自然灾害之首，及早发现火灾对防止火灾进一步扩大、确保生命以及财产安全意义重大。现有火灾探测设备主要利用感温式探测、感烟式探测、感光式火灾探测以及可视化火灾探测等技术手段，这些火灾探测设备本身即为较复杂的仪器，且需连接电源，工作易受周围不利环境影响；此外，以上探测技术都有其探测的局限性，只能在特定的环境中运行，为了实现火灾报警功能就必须将上述探测设备与相应的报警装置联用，增加了系统的复杂性，在使用过程中会引发一系列问题，例如机械的磨损，能量的消耗以及故障的频发等；为了解决上述的问题需开发一种新型的环保、节能、简易的火灾报警探测装置。

发明内容

本发明的目的在于解决现有火灾探测设备结构复杂、需连接电源、易受周围环境影响等的问题，提供一种无源感温火灾探测及同步报警系统。本发明利用热声转换将火场热量转换成声能，以声波的形式警示火灾的发生；利用热电转换将火场热能经转化成电能，并将火灾信号发送至消防控制室或启动自动灭火装置进行火灾扑救。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种无源感温火灾探测及同步报警系统，包括热声转换模块和热电转换模块；所述热声转换模块包括多个热收集板、多个热管、谐振管和两个结构相同、对称设置在谐振管两端的驱动器；所述驱动器包括依次固定设置的气室壳、热端换热器、板叠架和冷端换热器，所述气室壳内腔设有表面光滑的气室，所述板叠架内部设有板叠，所述冷端换热器外侧设置有散热网，冷端换热器的一端与谐振管相连接，所述谐振管上开设有多个侧孔，所述侧孔外设有声音放大的振动膜；所述热管的一端固定设置在热收集板上，另一端固定设置在热端换热器上；所述热电转换模块包括塑料保护盒和设置在塑料保护盒内的受热片、多个热电元件、多个电极、放热片、电流整合单元，所述受热片与热声转换模块的热端换热器相连，所述热电元件设置在受热片和放热片之间且与受热片、放热片绝缘，相邻的热电元件之间通过电极连接，所述电极通过导线将电流输出到电流整合单元，所述电流整合单元接线到消防控制室和自动灭火系统启动装置。

进一步地，所述气室壳设置有热交换器内空腔，热管插入热交换器内空腔中，所述热交换器内空腔设有薄膜与热管相阻隔，热收集板、热管以及热交换器内空腔内部均设有水，当温度超过一定值时(如150℃)薄膜会破裂，水蒸气会通入装置内部，水蒸气的存在会使装置更易于发声，可以提高声音的分贝值，促进报警效果。

进一步地，所述气室为球状，球状设置能最大限度的消除干扰波。

进一步地，所述板叠包括若干个均匀分布的导热块，相邻两个导热块之间的间距为2-5倍热渗透深度，根针状材料便于形成温度梯度，效率最高。

进一步地，所述导热块为由板状材料制成的若干个上下相叠加的导热板组成，或由针状材料制成的若干个左右朝向的导热针组成，或由多孔物质构成的孔状结构。

进一步地，还包括用于支撑热声转换模块的支架，所述支架包括对称设置的两个固定板、若干个加强板以及若干个固定在两个固定板之间金属管，所述热端换热器和谐振管均通过加强板固定安装在金属管上，所述散热网延伸至金属管处，金属管和热端换热器的接触点位置设置有绝热垫层，金属管和谐振管的接触点位置也设置有绝热垫层。

进一步地，所述热电元件采用Bi₂Te₃半导体材料，设置为三组串联，间隔为4cm设置，所述电极、放热片、受热片采用不锈钢片制成。

进一步地，所述散热网为三层导热的金属网。

进一步地，所述板叠架由耐高温的陶瓷制成，板叠架是绝热的硬性材料，以更好的保护内部板叠。

进一步地，所述气室壳、热端换热器、冷端换热器由黄铜制成，谐振管由不锈钢制成。

本发明的优点为：

1.本发明火灾探测报警系统工作时无需连接电源，无运动部件，可以自动捕获火场能量，实现火灾的早期探测与报警，并将火灾信号传递给消防控制室，具有结构简单、运行可靠、振动小、寿命长和成本低的特点。

2.本发明火灾探测报警系统通过热声-热电转换，将火灾场中的低品质热能转化为声能与电能，一定程度上节约能源，避免错误报警情况的产生。

3.本发明火灾探测报警系统机械结构简单，机械磨损较小，弥补当前探测报警装置容易发生故障的问题，能够长时间稳定运行。

4.本发明火灾探测报警系统的测量对象为热量，故适用于大多数应用环境，且受外界环境影响较小，具有较好的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例无源感温火灾探测及同步报警系统结构图；

图2为本发明实施例热声转换模块结构图；

图3为本发明实施例热收集板结构图；

图4为本发明实施例热交换器内空腔结构图；

图5为本发明实施例支架结构图；

图6为本发明实施例热电转换模块结构图；

图7为本发明热声转换与热电转换的系统工作原理图。

附图标记：1-热端换热器，2-塑料保护盒，3-板叠架，4-板叠，5-气室壳5，6-冷端换热器，7-散热网，8-谐振管，9-气室，10-热收集板，11-热管，12-振动膜，13-侧孔，14-电极，15-受热片，16-绝缘材料，17-热电元件，18-放热片，191-固定板，192-加强板，193-金属管，20-电流整合单元，21-热交换器内空腔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

参见图7，本发明的无源感温火灾探测及同步报警系统，包括热声转换模块和热电转换模块，热声转换模块的主要功能是将火场热量进行提取，并转换成声能，以声波的形式释放出来，警示火灾的发生；热电转换模块可以将火场热能经Seebeck效应转化成电能，并将火灾信号发送至消防控制室或启动自动灭火装置进行火灾扑救。

如图1、图2所示，本发明系统包括热声转换模块和热电转换模块，热声转换模块包括多个热收集板10、多个热管11、谐振管8以及两个结构相同、对称设置在谐振管8两端的驱动器，驱动器包括依次设置的气室壳5、热端换热器1、板叠架3以及冷端换热器6，气室壳5内腔设有表面光滑的气室9，板叠架3内部设有板叠4，板叠架3与冷端换热器6连接，冷端换热器6一端设置有散热网7，另一端与谐振管8相连接，装置主体采用密封处理，谐振管8外壁的中间位置处开设有若干个沿周向均匀分布的侧孔13，促进声音传递，侧孔13外设有声音放大的振动膜12，振动膜12能够将装置发出的声音放大；热管11至少有一部分贴紧在热端换热器1上，另一端与热收集板10相连，本实施例热管11插入热收集板10中，如图3所示；散热网7可以是三层导热的金属网，驱动器长度不大于谐振管8长度的六分之一，因为驱动器长度如果太长的话会提高发出声音时对应的温度，不利于感知火灾场的温度变化以及及时报警，研究表明1/6是较为理想的发声条件。

如图4所示，气室9为球状，球状设置能最大限度的消除干扰波；热收集板10呈中空结构，热管11绕设或焊接在气室壳5上，气室壳5内设置有热交换器内空腔21，热管11插入热交换器内空腔21中，热收集板10通过热管11与热交换器内空腔21相通，热收集板10、热管11以及热交换器内空腔21的内部均设有水，热交换器内空腔21出口与气室9通过薄膜相隔，当温度超过一定值时(如150℃)薄膜会破裂，水蒸气会通入装置内部，水蒸气的存在会使装置更易于发声，可以提高声音的分贝值，促进报警效果。

板叠4是一个连接良好的整体但不局限于一整块材料，板叠4包括若干个均匀分布的导热块，导热块可以为由板状材料制成的若干个上下相叠加的导热板，可以为由针状材料制成的若干个左右朝向的导热针或者其它的多孔物质构成，根据有关研究可知针状材料便于形成温度梯度，效率最高，相邻两个导热块之间的间距为2-5倍热渗透深度，导热块之间的间距是指相邻导热块之间的距离，导热块为导热板时，距离为上下两板之间的距离，导热块为导热针时，距离为导热针之间的距离，导热块为其他多孔性材料时，距离为开孔的径向长度之间的距离，热渗透深度为δ_k：

(1)式中，α为热扩散率，w为角频率，且w＝2πf，k为气体的热导率，ρ为气体的平均密度，c_p为气体的比定压热容，f为声振频率，δ_k一般取值为零点几毫米，本装置为1/2波长系统，本装置的工作工质为空气。

如图5所示，该火灾探测报警系统的热声转换模块还包括支架，支架包括对称设置的两个固定板191、若干个加强板192以及若干个固定设置在固定板191上的金属管193，热端换热器1和谐振管8均通过加强板192固定安装在金属管193上，散热网7延伸至金属管193，便于冷端换热器6的热量传递，支架包括三根金属管193，这些金属管193和热端换热器1的接触点位置设置有绝热垫层，这些金属管193和谐振管8的接触点位置也设置有绝热垫层。

如图6所示，热电转换模块包括受热片15、绝缘材料16、热电元件17、电极14、放热片18以及电流整合单元20，受热片15与热声转换模块的热端换热器1相连，受热片15、绝缘材料16、绝缘材料16、放热片18顺序堆叠；热电元件17设置在两层绝缘材料16之间，相邻的热电元件17之间通过电极14连接，电极14通过导线将电流输出到电流整合单元20，接线到消防控制室和自动灭火系统启动装置，热电转换装置由塑料保护盒2容纳。

热端换热器1由导热材料制成，如黄铜；板叠架3是绝热的硬性材料，以更好的保护内部板叠4，热管11与热收集板10相接部分由易于吸热的材料制成，其它部分涂有防止散热的保温涂层或者包裹保温层，热收集板10易于吸收辐射的热量，一般放置于容易接收热量的位置，这随不同的探测报警环境而变。

受热片15与热端换热器1通过导热材料相连，使其长度最小以防止热散失，外部包裹绝热材料。受热片15能够接收到热端换热器1的高温，在整个热电转换转化中成为高温源；放热片18能够将热量释放到环境中，使其成为低温端；热电元件17在一定温度差情况下，能产生电动势，从而在回路中产生微小电流，电极14将温度差产生的电动势表现出来，形成阴极与阳极，并且在报警线路上产生电流，绝缘材料16将电极14上产生的微小电流保护起来，使其不至于流失；热电元件17的材料可以是Bi₂Te₃半导体及其固溶体、Si-Ge合金、Zintl相等，根据Seebeck效应：两种串联的导体材料，若连接处具有温差ΔT，回路将产生电势差ΔV，当材料均匀时(材料均匀是指他的密度是均匀的,材料的成分也是均匀的)，Seebeck系数本装置热电元件17为多个串联，产生合适的电动势，电流整合单元20能够过滤因环境温度变化产生的微小电流，只将有火灾产生时的较大信号传输给消防控制室。

本发明火灾探测报警系统各部分均具有良好的气密性，且各部分空腔内壁和各部分连接处均光滑，能够避免影响热声转换过程的干扰，该火灾探测报警系统的最外层包裹有绝缘的包裹层。

热声效应是声场中的固体介质与振荡的流体之间相互作用，使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生一个时均热流，并在这个区域内产生或者吸收声功的现象。在温度差以及存在合适相位时，将热能转化为声能，本装置利用火灾中产生的热在板叠中形成的温度差，将声发出，从而实现火灾的报警；与热声转换相似，热电转换也是利用热能转化为电能，在存在温度梯度时发电半导体中会出现载流子和声子的移动及其相互作用，温差越大产生的电动势越大，热电转换装置与热声转换模块利用热端换热器的高温形成温度差，产生的电动势在回路中形成信号电流传输给消防控制室和用以启动自动灭火系统。

使用时，本发明系统可设置在宾馆房间的仓库、油罐区内，将火灾探测报警系统布置在引燃物较多的房间，设置四个热收集板10，并将其安置于房间顶棚，与之相连的热管11以及其他设备置于顶棚上的空间，其具体配置大小如下：

气室壳5以及热端换热器1由铜构成，板叠架3由耐高温的陶瓷组成，板叠4为由铜制成的针棒型的板叠，冷端换热器6由铜制成，其散热网7也由铜制成，热声转换模块各部件之间设置有垫片，垫片为耐高温密封的石墨垫片，垫片使各部件之间连接更为紧密且对各金属部件进行保护，谐振管8由不锈钢制成，热管11与热收集板10外部的金属为铜，热管11与热收集板10内部为水，谐振管8上设置有发出声音的侧孔13，侧孔13外设有放大声音的振动膜12，热电装置保护盒2由塑料制成，受热片15通过铜线与热端换热器1相连，铜线外设绝热保护套，长度设置为最小。绝缘材料16为可传热硅胶，热电元件17使用Bi₂Te₃半导体材料，设置为三组串联，间隔为4cm设置，电极14、放热片18、受热片15由不锈钢片制成。

整个装置长度为40cm，气室壳5长5cm，热端换热器1宽2cm，板叠架3长4cm，冷端换热器6宽2cm，谐振管8长8cm，石墨垫片厚度为0.1cm，由于各部分相互镶嵌以及结合的原因，可能存在长度误差，当各部分连接好之后，需在该装置外部的结合缝处涂抹密封胶，以确保该装置的密闭性，热电装置长度为30cm，宽度为12cm，高7cm。

整个装置内部空腔半径为3.5cm，谐振管8的厚度为1mm，热端换热器1的最薄处厚度为1mm，中间嵌合处厚度为5mm，冷端换热器6的厚度为2mm，中间嵌合处为5mm，板叠架3的厚度为10mm。热收集板10边长为50cm，热收集板10分别置于房间四角方向，每两块热收集板10的水平距离都为1m。该火灾探测报警系统外部包裹一层保温材料，冷端换热器6的散热网7空出，将整个装置固定在顶棚上，以上步骤只是对温度这一影响因素进行测试举例，其中涉及具体数值并不固定，可随方案的变化而变化。

本火灾探测报警系统工作时无需连接电源，无运动部件，可以自动捕获火场能量，实现火灾的早期探测与报警，并将火灾信号传递给消防控制室，具有结构简单、运行可靠、振动小、寿命长和成本低的特点；系统通过热声转换与热电转换，将火灾场中的低品质热能转化为声能与电能，一定程度上节约能源，避免错误报警情况的产生；系统机械结构简单，机械磨损较小，弥补当前探测报警装置容易发生故障的问题，能够长时间稳定运行；火灾探测报警系统的测量对象为热量，故适用于大多数应用环境，且受外界环境影响较小，具有较好的稳定性。

Claims (10)

1.一种无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：包括热声转换模块和热电转换模块；

所述热声转换模块包括多个热收集板(10)、多个热管(11)、谐振管(8)和两个结构相同、对称设置在谐振管(8)两端的驱动器；

所述驱动器包括依次固定设置的气室壳(5)、热端换热器(1)、板叠架(3)和冷端换热器(6)，所述气室壳(5)内腔设有表面光滑的气室(9)，所述板叠架(3)内部设有板叠(4)，所述冷端换热器(6)外表面套装有散热网(7)，冷端换热器(6)的一端与谐振管(8)相连接，所述谐振管(8)上开设有多个侧孔(13)，所述侧孔(13)外设有声音放大的振动膜(12)；

所述热管(11)的一端固定设置在热收集板(10)上，另一端固定设置在热端换热器(1)上；

所述热电转换模块包括塑料保护盒(2)和设置在塑料保护盒(2)内的受热片(15)、多个热电元件(17)、多个电极(14)、放热片(18)、电流整合单元(20)，所述受热片(15)与热声转换模块的热端换热器(1)通过导热材料相连，所述热电元件(17)设置在受热片(15)和放热片(18)之间且与受热片(15)、放热片(18)绝缘，相邻的热电元件(17)之间通过电极(14)连接，所述电极(14)通过导线将电流输出到电流整合单元(20)，所述电流整合单元(20)接线到消防控制室和自动灭火系统启动装置。

2.根据权利要求1所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：所述气室壳(5)设置有热交换器内空腔(21)，热管(11)插入热交换器内空腔(21)中，所述热交换器内空腔(21)设有薄膜与热管(11)相阻隔。

3.根据权利要求2所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：所述气室(9)为半球状。

4.根据权利要求1至3任一所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：所述板叠(4)包括若干个均匀分布的导热块，相邻两个导热块之间的间距为2-5倍热渗透深度。

5.根据权利要求4所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：所述导热块为由板状材料制成的若干个上下相叠加的导热板组成，或由针状材料制成的若干个左右朝向的导热针组成，或由多孔物质构成的孔状结构。

6.根据权利要求5所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：还包括用于支撑热声转换模块的支架，所述支架包括对称设置的两个固定板(191)、若干个加强板(192)以及若干个固定在两个固定板(191)之间金属管(193)，所述热端换热器(1)和谐振管(8)均通过加强板(192)固定安装在金属管(193)上，所述散热网(7)延伸至金属管(193)处，金属管(193)和热端换热器(1)的接触点位置设置有绝热垫层，金属管(193)和谐振管(8)的接触点位置也设置有绝热垫层。

7.根据权利要求6所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：所述热电元件(17)采用Bi₂Te₃半导体材料，设置为三组串联，间隔为4cm设置，所述电极(14)、放热片(18)、受热片(15)均采用不锈钢片制成。

8.根据权利要求7所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：所述散热网(7)为三层导热的金属网。

9.根据权利要求8所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：所述板叠架(3)由耐高温的陶瓷制成。

10.根据权利要求9所述的无源感温火灾探测及同步报警系统，其特征在于：所述气室壳(5)、热端换热器(1)、冷端换热器(6)由黄铜制成，谐振管(8)由不锈钢制成。