CN110613912A - 一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置及方法，包括相互独立的检测腔体与灭火腔体，检测腔体内设置有风机、检测板、第一火焰检测模块和第二火焰检测模块，检测腔体通过进气管道和排气管道与外界连通，第一火焰检测模块和第二火焰检测模块灵敏度不同，且依次设置在空气的流经位置，确定被监测空间是否有火情，有火情时检测板发送指令给灭火腔体；灭火腔体包括喷射动力装置、喷射管道和喷嘴，动力喷射装置接收指令产生瞬间冲击将灭火剂通过喷射管道和喷嘴散射到被监测空间，实现无损灭火。

Description

一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置及方法

技术领域

本发明涉及一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置及方法。

背景技术

重要数据中心、档案馆、文物馆、国家重点实验室等存放的电子设备、档案资料或精密仪器的重要场所，一旦发生火灾，将造成不可挽回的损失。针对这些重点物品存放的小空间开展火灾极早期探测及无损灭火装置研究是非常有必要的。目前国内在这些特殊场所主要采用感烟火灾探测器、感温探测器与气体灭火系统相结合的方法进行防护，但存在有监控盲区、报警不及时、灭火破坏性大等难题。

国外发达国家十分重视对重要空间的火灾极早期探测预警研究，采用的光电感烟探测技术已得到广泛应用，如澳大利亚的VESDA公司的LaserPlus火灾探测技术、英国的Protec公司的IFD火灾探测技术等。近年来国内一些科研机构如中国科技大学、天津消防研究所等也对火灾早期探测进行了相关研究。但总体上看，由于我国开展相关研究较晚，特别是在针对特殊小空间的火灾快速、准确检测以及灭火装置优化设计上存在误报率高、被动检测时间较长及灭火后期处理困难及破坏性大等难题，不能满足银行、军工、通讯、电力等重点行业的特殊需求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置及方法，本发明能够实现对特殊行业重要小空间如数据机柜、电力机箱、档案柜等内部火灾的快速检测及无损灭火。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是提供一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，包括相互独立的检测腔体与灭火腔体，其中：

所述检测腔体内设置有风机、检测板、第一火焰检测模块和第二火焰检测模块，所述检测腔体通过进气管道和排气管道与外界连通，由进气管道进入的空气经过风机的加速流经检测腔体，由排气管道排出，所述第一火焰检测模块和第二火焰检测模块灵敏度不同，且依次设置在空气的流经位置，确定被监测空间是否有火情，有火情时检测板发送指令给灭火腔体；

所述灭火腔体包括喷射动力装置、喷射管道和喷嘴，所述动力喷射装置接收指令产生瞬间冲击将灭火剂通过喷射管道和喷嘴散射到被监测空间，实现无损灭火。

进一步的，所述检测腔体与灭火腔体设置于一密封壳体内，所述壳体设置于被监测空间。优选的，所述壳体为金属壳体。

进一步的，所述密封壳体上设置有进气孔和出气孔，所述进气管道与密封壳体的进气孔相连通，作为气流进入检测腔体的通道；所述的排气管道与密封壳体的出气孔相连通，作为气流流出检测腔体的通道。

进一步的，所述第一火焰检测模块的灵敏度高于第二火焰检测模块的灵敏度，所述的第一火焰检测模块是利用云雾室技术构成的光电检测模块，检测火灾极早期阶段产生的不可见次微米粒子；所述第二火焰检测模块是光电检测模块，检测火灾发生后产生的烟雾粒子。

进一步的，所述进气管道上设置有过滤网。

进一步的，所述检测腔体内设置有风速传感器。优选的，风速传感器为利用热扩散原理制成的恒温差热膜传感器，通过电流给热膜传感元件加热，由于流场内风速流动会带走热量，热膜传感器的热损耗与风速间存一定关系，即热膜的热量损失可与风速有一一对应关系。

进一步的，还包括控制板，所述控制板与检测板连接，控制板还与喷射动力装置、第一火焰检测模块以及第二火焰检测模块连接。

进一步的，所述灭火腔体内容纳有承载灭火剂的腔体，所述腔体上设置有液位检测传感器，以检测灭火剂容量状态，并产生信号发送给控制板。

进一步的，所述喷嘴为锥形喷嘴，喷面上设置有多个孔。

优选的，所述喷射动力装置是存有液态二氧化碳的压力储气罐，其上设有电磁阀，通过导线连接到控制板，接收控制指令，并利用高压气体产生瞬间推力。

优选的，所述密封壳体上还设置有液晶面板、报警器与控制输入板，液晶面板、报警器与控制输入板与控制板连接。

优选的，所述灭火剂是对小空间内设备或者档案无损害的灭火剂，如惰性气体灭火剂或者无污染灭火剂。

本发明的第二目的是提供上述装置的工作方法，具体包括：

风机产生吸力，将空间内的空气连同次微米粒子一起采集到检测腔体内部，两个火焰检测模块将火焰粒子浓度转变成电压信号传送给检测板；检测板接收到第一检测模块发送的信号，以发生火灾时空间的微粒含量作为火灾报警的阈值，利用与正常环境下光电检测的微粒含量相比较，判断是否发生火灾，并发出火灾预警信息，进行报警；

当物质持续受热达到燃点时，即开始转变产生碳粒子，并开始融化而燃烧烟雾进入检测腔体，第二火焰检测模块及时发送信号给检测板做信号处理，根据确认发生火灾的信号启动灭火腔体内喷射动力装置，释放高压气体产生瞬间冲击将灭火剂通过喷射管道和喷嘴散射到被监测空间内，灭火剂覆盖到燃烧物质表面完成灭火。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了针对特殊小空间如数据机柜、电力机箱、档案柜等内部火灾的快速检测与无损灭火装置及方法。将火灾快速、准确检测以及无损灭火装置等模块集成在一起，并安装于密封空间内部。

本发明通过两级不同灵敏度的检测模块可以在火灾产生的极早期阶段发出预警信息，提醒用户在火灾未燃烧产生烟雾之前及早进行处理避免发生火灾；且一旦燃烧产生烟雾时，能够第一时间发出火灾报警信号，并及时启动灭火模块完成灭火。

相比感烟火灾探测器、感温探测器与气体灭火系统等传统产品，本发明提高了火灾检测与灭火的准确性和可靠性。同时该装置将检测与灭火一体化设计，减少了检测与灭火安装、布线等环节的繁琐步骤，提高了工作效率。

本发明设有灭火剂检测模块，避免了灭火剂缺失导致的灭火失败，降低了使用风险。同时采用无污染灭火剂，实现对重要设备的无损保护，使得灭火工作实现绿色环保。

本发明装置具有集成化、智能化、自动报警与灭火一体化等特点，完全能够满足银行、军工、通讯、电力等重点行业的特殊密封空间内部火灾监控与灭火需求。本发明装置也可以用于生产及科研使用，以保障小空间内部火灾安全，具有较好的实用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明小空间火灾极早期检测与无损灭火装置的结构俯视示意图；

其中，1、进气孔；2、检测腔体；3、进气管道；4、过滤网；5、第一火焰检测模块；6、风速传感器；7、检测板；8、风机；9、第二火焰检测模块；10、灭火腔体；11喷射动力装置；12、液晶屏；13、功能按键；14、液位检测传感器；15、新型灭火剂；16、电磁阀；17、喷射管道；18、备用电池；19开关电源；20、金属外壳；21、喷嘴；22、接线端子；23、控制板；24、出气孔；25、排气管道；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在有监控盲区、报警不及时、灭火破坏性大等技术问题，本申请提出了一种针对小空间火灾极早期检测与无损灭火装置。

装置设有金属密封外壳，内部设有检测腔体与灭火腔体两个独立结构。

金属密封外壳为长方体壳体结构。前端设有液晶屏和功能按键，可通过按键调节系统参数。内部设有开关电源、备用电池、控制板。壳体后端设有接线端子，与控制板相连接，用于引入电源和输出信号。密封壳体还设有与检测腔体与灭火腔体相通的进出通道。

开关电源是220V转24V电源盒，220V由外部提供，24V为装置内部电路模块提供工作电压。

备用电池为铅酸可充电电池，容量可满足装置掉电持续工作4小时以上。

控制板是一块PCB板，由微处理器电路、信号处理电路、电源电路、继电器电路、声光报警电路、液晶显示电路、按键电路组成。控制板上设有接线端子，控制整个装置的子模块。

检测腔体位于密封壳体后半部，用于收集空间内火灾产生的热粒子和烟雾颗粒。由ABS塑料制成，内部设有过滤网、进气管道、排气管道、风机、风速传感器、第一火焰检测模块、第二火焰检测模块等组成，通过密封壳体上的进气孔和出气孔与小空间外界连通。采样空气通过进气管道流入采样腔体，然后通过排气管道流出。

过滤网固定在检测腔体的进气管道前端，用于滤除空气中大颗粒灰尘杂质。

检测板是一块PCB板，设有信号采集电路及处理电路、AD转换电路、CPU电路、总线通信电路等。

进气管道与金属密封壳体的进气孔相连通，作为气流进入检测腔体的通道。

排气管道与金属密封壳体的出气孔相连通，作为气流流出检测腔体的通道。

风机是一种离心风机，用于将气体加速，然后减速、改变流向，使动能转换成势能，为气体流动提供动力。

风速传感器是用于检测通道内气流流速的模块。

第一火焰检测模块是利用云雾室技术构成的光电检测模块，用来检测火灾极早期阶段产生的不可见次微米粒子。具有较高的检测灵敏度。

第二火焰检测模块是正常灵敏度的光电检测模块，用来检测火灾发生后产生的烟雾粒子。

检测腔体位于整个装置壳体内部后端，由控制板控制风机实现气流运动，通过与外界相连的进气孔和进气管道采集被测环境气体，利用灵敏度不同的两个火焰检测模块分别检测火灾极早期阶段和火灾发生阶段产生的特征微粒，并设计智能算法确认小空间是否发生火灾并完成报警，报警信息通过外壳前端的液晶屏显示出来，同时控制板控制灭火腔体完成扑灭。

灭火腔体是一个盛灭火剂的金属密封壳体，处于整个装置外壳内部的前端。灭火腔体含有灭火剂、液位检测传感器、喷射动力装置、喷射管道、喷嘴等组成。

灭火剂是指对小空间内设备或者档案无损害的灭火剂，如惰性气体灭火剂或者无污染灭火剂。

液位检测传感器用来检测灭火剂容量状态，并产生信号发送给控制板。可通过液晶面板上的按键操作查询灭火剂状态。

喷射动力装置是存有液态二氧化碳的压力储气罐，其上设有电磁阀，通过导线连接到控制板。

喷射管道是一种防腐蚀的耐用软管，其一端连接到灭火腔体，另一端接喷嘴。

喷嘴是一种多孔的圆柱形金属喷头，安装于金属密封壳体外侧。

当检测腔体确定发生火灾时，控制板可发送控制信号到灭火腔体，打开喷射动力装置上的电磁开关，压力储气罐内产生瞬间推力，将灭火剂喷射出去。灭火剂通过喷射管道后经由喷嘴均匀喷射到密封空间内，覆盖整个密封空间，完成快速灭火。液位检测传感器用来检测灭火剂容量状态，通过液晶面板上的按键可查询。当灭火剂容量明显减少时可实现自动报警，并通知用户进行更换维护。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明装置包括金属外壳20，金属外壳20内部空间分别有检测腔体2、灭火腔体10、备用电池18、开关电源19、控制板23。

金属外壳20有不锈钢框架制成，前端设有液晶屏12、功能按键13；后端设有接线端子22，尺寸应符合所应用的小空间内部安装要求。整个装置的进气孔1位于金属外壳20的左后方，出气孔24位于后方中间位置。进气孔1和检测腔体2的进气管道3连通，出气孔24和检测腔体2的排气管道25连通，中间都安装有过滤网4，以防止大颗粒灰尘杂质进入检测腔体2。被检测的气流从进气管道3进入检测腔体2，依次经过第一火焰检测模块5、风速传感器6、风机8、第二火焰检测模块9，在排气管道25流出。由风机8提供气流流动的动力。

风速传感器6采用的是利用热扩散原理制成的恒温差热膜传感器，通过电流给热膜传感元件加热，由于流场内风速流动会带走热量，热膜传感器的热损耗与风速间存一定关系，即热膜的热量损失可与风速有一一对应关系。风速带走的热量是电流I在测速电阻R上的电功率，结合流场热传递原理、空气的物理特性、热膜和环境之间的温度差、风速、热膜传感元件的物理特性确定如下数学关系：

R是测速传感元件的电阻，I是流过电阻R的电流，A、B是常数，v是风速，ΔT是恒温差。通过检测电路中的电流消耗即可实现对风速的量化。

火焰检测模块采用的光电检测原理，设计有精密的光电检测腔和信号处理电路，利用微粒对光的散射作用来反映微粒数量。第一火焰检测模块5和第二火焰检测模块9是灵敏度相差数10倍的两个火焰传感模块，其主要区别在对火焰产生阶段不同直径微粒的检测敏感度上。第一火焰检测模块的检测对象主要针对火焰极早期阶段产生的直径在纳米级的次微米粒子，利用云雾室水滴凝结方法实现极早期火灾粒子监测，确认是否会发生火灾风险。第二火焰检测模块灵敏度比第一火焰检测模块低，主要检测火焰产生烟雾时的烟雾颗粒浓度，确认是否真的着火。两级检测灵敏度不同的检测传感器配合检测板设计相关算法，可以提前报警通知相关人员，并在发生火灾的时候启动灭火。

检测板7位于检测腔体2的外部，固定在金属外壳20上。电路主要由光电传感器信号处理电路、微处理器电路、电源电路和通信电路组成，用于处理两级火焰检测模块的信号，同时将处理结果发送给控制板23。控制板23处于检测腔体2的右侧，由微处理器电路、信号处理电路、电源电路、继电器电路、声光报警电路、液晶显示电路、按键电路组成，通过接线端子22与外界220V交流电连接，主要实现对装置内各个功能模块和开关的协调控制，同时为各个模块提供工作电压。接线端子22也可以输出信号给上位机。

灭火腔体10位于金属外壳20内前端位置，如图1所示，从左到右依次为喷射动力装置11、电磁阀16、新型灭火剂15、液位检测传感器14、喷射管道17和喷嘴21。喷射动力装置11内充有高压气体，电磁阀16通过导线与控制板23连接。

开关电源处于装置内部，通过导线和接线端子与外界220V交流电连接，并转化为24V直流电为检测板7、控制板23和其他各功能模块供电。装置还设有可充电的24V备用电池，容量可满足掉电持续工作4小时以上。该装置既可以通过接线端子现场外接电源工作，也可以用自带备用电池工作。

以数据中心机柜作为应用对象，详细阐述具体实施方式。

设计密封外壳尺寸可以将该发明装置安装于机柜内，通过接线端子连接机柜220V插座。现场上电后，液晶屏显示自检状态，逐项检查各模块功能是否正常。检测完毕后，用户可根据实际情况通过功能按键调制装置参数，如有故障排查故障原因，维护完毕后待机。

当机柜内由于线路老化等原因，引起物质受热达到过热时，会在密封空间内部释放纳米级直径的次微米粒子。装置内风机产生吸力，将空间内的空气连同次微米粒子一起采集到检测腔体内部，灰尘杂质被过滤掉，两个火焰检测模块将火焰粒子浓度转变成电压信号传送给检测板。其中第一检测模块可检测出纳米级粒子浓度，而第二检测模块无响应。检测板接收到第一检测模块发送的信号，以发生火灾时空间的微粒含量作为火灾报警的阈值，设计算法利用与正常环境下光电检测的微粒含量相比较，判断是否发生火灾，并通知控制板发出火灾预警信息。此时距离火焰微粒转变成碳粒子即燃烧起来约数小时之久，液晶屏显示预警信息且控制板发出声光报警，提醒机房人员及早进行排查，找出高风险危害。

若该阶段恰好无人收到预警信息、或没及时处置，等物质持续受热达到燃点时，即开始转变产生碳粒子，并开始融化而燃烧。此时整个机柜空间内会持续产生烟雾，并被采集进入检测腔体，第二火焰检测模块及时发送信号给检测板做信号处理，检测板将确认发生火灾的信号发送给控制板，并启动位于灭火腔体内喷射动力装置上的电磁阀，释放高压气体产生瞬间冲击将灭火剂通过喷射管道和喷嘴以锥面形式散射到机柜空间内，灭火剂覆盖到燃烧物质表面完成灭火。控制板上记载相关记录，液晶屏上显示灭火信息，并提醒用户更新灭火剂和喷射动力装置内高压气体。

由于使用的是对设备无损伤的新型环保灭火剂，灭火并排除危险后，机柜内部清理完毕可继续使用。

以上是小空间火灾极早期检测与无损灭火装置及方法的具体实施方式。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：包括相互独立的检测腔体与灭火腔体，其中：

所述检测腔体内设置有风机、检测板、第一火焰检测模块和第二火焰检测模块，所述检测腔体通过进气管道和排气管道与外界连通，由进气管道进入的空气经过风机的加速流经检测腔体，由排气管道排出，所述第一火焰检测模块和第二火焰检测模块灵敏度不同，且依次设置在空气的流经位置，确定被监测空间是否有火情，有火情时检测板发送指令给灭火腔体；

所述灭火腔体包括喷射动力装置、喷射管道和喷嘴，所述动力喷射装置接收指令产生瞬间冲击将灭火剂通过喷射管道和喷嘴散射到被监测空间，实现无损灭火。

2.如权利要求1所述的一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：所述检测腔体与灭火腔体设置于一密封壳体内，所述壳体设置于被监测空间；

进一步的，所述密封壳体上设置有进气孔和出气孔，所述进气管道与密封壳体的进气孔相连通，作为气流进入检测腔体的通道；所述的排气管道与密封壳体的出气孔相连通，作为气流流出检测腔体的通道。

3.如权利要求1所述的一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：所述第一火焰检测模块的灵敏度高于第二火焰检测模块的灵敏度，所述的第一火焰检测模块是利用云雾室技术构成的光电检测模块，检测火灾极早期阶段产生的不可见次微米粒子；所述第二火焰检测模块是光电检测模块，检测火灾发生后产生的烟雾粒子。

4.如权利要求1所述的一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：所述进气管道上设置有过滤网。

5.如权利要求1所述的一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：所述检测腔体内设置有风速传感器。

6.如权利要求1所述的一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：还包括控制板，所述控制板与检测板连接，控制板还与喷射动力装置、第一火焰检测模块以及第二火焰检测模块连接；

进一步的，所述密封壳体上还设置有液晶面板、报警器与控制输入板，液晶面板、报警器与控制输入板与控制板连接。

7.如权利要求1所述的一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：所述灭火腔体内容纳有承载灭火剂的腔体，所述腔体上设置有液位检测传感器，以检测灭火剂容量状态，并产生信号发送给控制板；

或，所述灭火剂为惰性气体灭火剂或者无污染灭火剂。

8.如权利要求1所述的一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：所述喷嘴为锥形喷嘴，喷面上设置有多个孔。

9.如权利要求1所述的一种小空间火灾极早期检测与无损灭火装置，其特征是：所述喷射动力装置是存有液态二氧化碳的压力储气罐，其上设有电磁阀，通过导线连接到控制板，接收控制指令，并利用高压气体产生瞬间推力。

10.如权利要求1-9中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括：

风机产生吸力，将空间内的空气连同次微米粒子一起采集到检测腔体内部，两个火焰检测模块将火焰粒子浓度转变成电压信号传送给检测板；检测板接收到第一检测模块发送的信号，以发生火灾时空间的微粒含量作为火灾报警的阈值，利用与正常环境下光电检测的微粒含量相比较，判断是否发生火灾，并发出火灾预警信息，进行报警；

当物质持续受热达到燃点时，即开始转变产生碳粒子，并开始融化而燃烧烟雾进入检测腔体，第二火焰检测模块及时发送信号给检测板做信号处理，根据确认发生火灾的信号启动灭火腔体内喷射动力装置，释放高压气体产生瞬间冲击将灭火剂通过喷射管道和喷嘴散射到被监测空间内，灭火剂覆盖到燃烧物质表面完成灭火。