JP6934259B2 - スプリンクラーヘッド - Google Patents

Description

本発明は、消火用のスプリンクラーヘッドに関するものであり、特に住宅用のスプリンクラーヘッドに関する。

スプリンクラー設備は建物内に設置されており、火災の熱を感知して自動的に作動して水を撒き消火を行う。スプリンクラーヘッドは内部にノズルを有しており、ノズルは給水源に続く配管と接続されており、常時はノズルが閉じた状態にある。火災が発生して熱によりスプリンクラーヘッドが作動するとノズルが開放され、ノズルから配管内に充填された水が放出される。スプリンクラーヘッドはノズルの出口の延長上に水を四方に飛散させるデフレクターを備えており、デフレクターに衝突した水が所定の範囲に散布され火災を鎮圧・消火する。

スプリンクラー設備は商業施設や公共施設、住宅等に設置されており、設置や施工のための基準が定められている。アメリカではthe National Fire Protection Association standardsによりNFPA 13として定められおり、建物の用途に応じたスプリンクラー設備の設計および設置のための基準が定められている。住宅用スプリンクラー設備の基準はNFPA 13D、13Rがある。また住宅用スプリンクラーヘッドの基準としてUnderwriters Laboratories（UL LLC）によりUL 1626が規定されている。

従来の住宅用スプリンクラーヘッドとして米国特許第6516893号や米国特許第7201234号がある。これらのスプリンクラーヘッドはデフレクターの構造により所望の散水パターンを得ている。しかしながらデフレクターの形状が複雑となっている。その要因の一つとしてこれらの住宅用スプリンクラーヘッドに用いられている本体が他の仕様のスプリンクラーヘッドと共通使用されていることから本体構造の変更が制限されていることがあげられる。

散水パターンはデフレクターの形状が大きく影響するが、これ以外にノズルから放出された水が衝突する本体の部位についても少なからず影響を及ぼしている。

米国特許第6516893号明細書 米国特許第7201234号明細書

本発明では、上記問題に鑑み、シンプルなデフレクター形状により所望の散水パターンが得られるスプリンクラーヘッドを提供することを第１の目的としている。

また第２の目的として、UL 1626に規定されている散水試験および消火試験を、最も少ない流量でクリアできるスプリンクラーヘッドの提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下のスプリンクラーヘッドを提供する。
給水配管と接続されたノズルを内部に備えた本体、本体からノズルの放水方向に延出した一対のアーム、アームの先端はノズルの中心軸上に設置した柱状のボスに連結され、ボスの内部は牝ネジを有しており、該牝ネジに螺合されノズル側に先端が突出しているインプレスネジ、ボスの先端に設置された円板状のデフレクター、を有しており、デフレクターの周縁には複数のスリットがデフレクターの外周からノズルの中心軸に向かって等間隔、同じ長さで刻設されており、一対のアームを通過する平面と垂直に交差し、且つノズルの中心軸を通過する線に対して最も近い位置に設けられた第１スリットの長さは、他のスリットよりも長い構造を備えたスプリンクラーヘッドである。

さらに、給水配管と接続されたノズルを内部に備えた本体、本体からノズルの放水方向に延出した一対のアーム、アームの先端はノズルの中心軸上に設置した柱状のボスに連結され、ボスの内部は牝ネジを有しており、該牝ネジに螺合されノズル側に先端が突出しているインプレスネジ、ボスの先端に設置された円板状で周縁には複数のスリットが刻設されたデフレクター、を有しており、ボスのノズル側の外周端は曲面形状となっており、インプレスネジの先端形状に沿った延長線が前記曲面と近接または接する構造を備えたスプリンクラーヘッドである。

上記のスプリンクラーヘッドは住宅用スプリンクラーヘッドであり、ノズルの流量と放水圧力から導かれるＫファクターの値が３から５．８となっている。デフレクターおよびデフレクターが設置されたボス、ボスに設置されるインプレスネジの形状により所望の散水パターンを得ることができる。より具体的に説明すると、ノズルから放出された水が最初に衝突するインプレスネジの先端およびインプレスネジとボスの境界部分において乱流が発生しにくい構成にすることで、デフレクターのスリット形状はシンプルになり、散水パターンのコントロールが容易になる。

インプレスネジの先端はノズル側に突出しており、その形状は尖っている。これにより水流の抵抗が少なくなるとともに、先端に衝突した水を四方へ均一に分配する効果がある。インプレスネジの先端からボス側にかけては斜面となっており水流は斜面に沿って流れる。斜面に沿った延長線はボスの外周端の曲面と近接または接しており水流は斜面からボス外周端の曲面に沿ってスムーズに流れる。そしてボスの外周を通過してデフレクターの平面に到達した水流は、デフレクターの外周に等間隔で設置されたスリットを通過して床面に向かって飛散する。あるいはデフレクターの外周まで到達して壁面に向かって飛散する。

このとき、一対のアームを通過する平面と垂直に交差し、且つノズルの中心軸を通過する線の方向は、アームによって水流が妨げられる影響が最も少ない位置であり、水流を妨げるものが無く流れがスムーズである。そのため水の勢いが強く、より遠くまで水が飛散するので壁面に対しては規定の濡れ高さを超える散水量を得ることができる。しかしその一方で、スプリンクラーヘッド直下の近距離範囲の散水量が不足する傾向がある。これに対して、この位置のスリットを他のスリットよりも長くして水流を床面に導いて近距離範囲の散水量を増やすことができる。これにより床面に対して均一な散水が可能となり壁面に対しても所望の濡れ高さを得ることができる。

以上説明したように、本発明によればインプレスネジの先端とボスによって乱流の発生を抑制することで、シンプルなデフレクター形状により所望の散水パターンを得ることができる。さらに上記構成のスプリンクラーヘッドによれば、UL 1626に規定されている散水試験および消火試験を、最も少ない流量でクリアできるスプリンクラーヘッドを実現できる。

本発明のスプリンクラーヘッドの外観図。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図。 は図２のボス周辺の拡大図。 デフレクターの平面図。 スプリンクラーヘッドと散水試験設備との位置関係を示す図。 図４のスリット部分の拡大図。 図４のデフレクターの変形例。 図１の７−７断面図。

図１および図２に示す本発明のスプリンクラーヘッドＳ１は、本体１、デフレクター２、弁３、感熱分解部４から構成される。

本体１は中空状をしており、外部は天井裏の配管と接続するための牡ネジ１１が設けられ、内部はノズル１２となっている。ノズル１２のサイズは、ノズル１２の流量と放水圧力から導かれるＫファクターの値が３から５．８の範囲にあり、本実施形態ではＫファクターの値が４．９である。配管と接続される牡ネジ１１のサイズはＮＰＴ１／２またはＲ１／２とする。

ノズル１２の出口付近には、略矩形をしたベース１３が設置され、ベース１３からノズル１２の放水方向に伸びる一対のアーム１４が設置されている。アーム１４はノズルの中心軸Ａと略平行に伸びた直線部１４Ａと、直線部１４Ａの端からノズル１２の中心軸Ａに設置されたボス１５に連結される交差部１４Ｂをと備えている。図３に示すように交差部１４Ｂは直線部１４Ａよりも細く、断面形状は楕円形をしている。

ボス１５はテーパーが付された円柱状で、その先端にはデフレクター２が設置されており、デフレクター２と接する側のボス１５の直径Ｄ１は９〜１０ｍｍとなっている。ボス１５のノズル１２側の端の外周径は、デフレクター２側の直径Ｄ１よりも小径である。ボス１５のノズル１２側の外周端１５Ａは曲面形状であり、曲面の半径は１ｍｍ〜３ｍｍの範囲とし、本実施形態では２ｍｍとしている。

ボス１５の内部には牝ネジ１５Ｂが設置されており、インプレスネジ１６が螺入される。インプレスネジ１６の先端１６Ａは尖っており、斜面１６Ｂを備えている。先端１６Ａはノズル１２と対向しており、斜面１６Ｂの角度αは８０°〜１００°の範囲であり、本実施形態では９０°となっている。先端１６Ａの頂点は球面状となっており、球面半径は２ｍｍ以下が好ましく本実施形態では１ｍｍ以下としている。

インプレスネジ１６は感熱分解部４を介して弁３をノズル１２側に押圧する機能を有する。図３において、インプレスネジ１６の先端１６Ａの斜面１６Ｂに沿った延長線１６Ｃはボス１５の外周端１５Ａの曲面に対して近接または接しており、先端１６Ａの表面に沿って流れた水が外周端１５Ａを通過する際に流れの妨げとならず、乱流の発生を防いでいる。このとき、インプレスネジ１６の斜面１６Ｂとボス１５のノズル１２側の端面との間隔ａは２ｍｍ以下とし、より好ましくは１ｍｍ以下とする。これ以上間隔が広がると乱流が発生する可能性が大きくなる。

図４に示すデフレクター２は円板形状をしており、その外周径Ｄ３は２８〜３２ｍｍの範囲とし、本実施形態では３０ｍｍである。デフレクター２の周縁には複数のスリット２１が設置されている。スリット２１はデフレクター２の周縁から中心点を通過する直線上に形成される。図４において、破線で示すアーム１４は直線Ｂ上に配置されている。直線Ｂは一対のアーム１４を通過する平面を表しており、直線Ｂと垂直に交差し、且つ中心軸Ａを通過する線Ｃの線上にスリット２２（第１スリット）が設置されている。

スリット２２は、スリット２１よりも長く、スリット２１の長さは４．５〜７ｍｍの範囲とし、本実施形態では５．８ｍｍとなっている。スリット２２の長さは５．５〜８ｍｍの範囲であり、本実施形態では６．３ｍｍとなっている。

全てのスリット２１、２２は、デフレクター２の外周上において隣接するスリットとの間隔が等しい。スリット２１とスリット２２を合わせたスリットの総数は１６〜２４個の範囲とし、本実施形態では２０個としている。スリット２１およびスリット２２の幅Ｗ１は、全て同一であり１〜２ｍｍの範囲に設定される。本実施形態では全て１．４ｍｍである。デフレクター２は、線Ｂに対して対称形状であり、さらに線Ｃに対して対称形状である。

図５に示すスプリンクラーヘッドＳ１と散水試験設備との位置関係において、スプリンクラーヘッドＳ１は縦横に隙間無く並べられた採水マスＭの角の位置の天井に設置される。図中において矢印Ｘ方向にアーム１４が配置され、矢印Ｙ方向にスリット２２が配置される。ＵＬ１６２６では１つのマスＭに対して所定の水量以上を確保する必要がある。この試験設備ではスプリンクラーヘッドＳ１の防護エリアの１／４について散水量が測定できる。散水パターンはデフレクター２の形状を反映して略円形となり、理想的には図５に破線で示す１／４の円の中にある全ての採水マスに均一に水が散布されることが好ましい。

しかしながら、アーム１４がノズル１２から放出された水流の妨げとなり、矢印Ｘ方向への水の飛距離は矢印Ｙ方向よりも短くなる。逆に矢印Ｙ方向はスプリンクラーヘッドＳ１から離れた領域Ｙ１への散水量が多く、手前の領域Ｙ２への散水量が少ない傾向になるが、スリット２２の長さを調整することで領域Ｙ１への散水量を減らし、領域Ｙ２への散水量を増やすことができ、水が散水マス全体に略均一に散布される。これにより領域Ｙ１、Ｙ２への散水量を任意にコントロールできる。

このとき、スリット２２の長さはスリット２１に対して１倍を超え、１．５倍以下にすると、床面への散水分布が均一となる。１．５倍を超えるとスプリンクラーヘッドＳ１の真下付近の領域Ｙ２の散水量が増えすぎる傾向にある。

図６はスリット２１の拡大図であり、隣接する２つのスリット２１における最小間隔をＬ１、最大間隔をＬ２で示している。さらにスリット２１のボス１５側の端が接する内接円Ｄ２を表す。ここで、最小スリット間隔Ｌ１と最大スリット間隔Ｌ２の比（Ｌ１/Ｌ２）および、スリット２１の最小間隔をＬ１とスリット２１の幅Ｗ１との比（Ｌ１／Ｗ１）は、床面の散水密度に影響を与えており、スリット２１の形状によってＬ１/Ｌ２の数値が１．８〜２の範囲内、Ｌ１／Ｗ１の数値が１．１５〜１．３の範囲内にするのが好ましい。

図５のスプリンクラーヘッドＳ１において、散水によって濡れた壁面の高さ（壁面における天井面から濡れた箇所までの距離であり、以下「壁面の濡れ高さ」という）を測定するために、一点鎖線で示した位置に相当して壁面が設けられる。スリット２１のボス１５側の端が接する内接円Ｄ２は、壁面の濡れ高さに影響を与えており、内接円Ｄ２の直径を１８ｍｍ〜１９．５ｍｍにすると、壁面の濡れ高さが２０インチ〜３５インチの範囲内となる。

上記において、床面への散水量（散水密度）と壁面の濡れ高さはトレードオフの関係にある。そのため、床面への散水量と壁面の濡れ高さの両方を満足させるためには、上記の最小スリット間隔Ｌ１と最大スリット間隔Ｌ２の比（Ｌ１/Ｌ２）および、スリット２１の最小間隔をＬ１とスリット２１の幅Ｗ１との比（Ｌ１／Ｗ１）、内接円Ｄ２の直径寸法が上記の範囲内となるようにスリット２１を構成するのが好ましい。

図７はデフレクター２の変形例であり、線Ｃに隣接するスリット２２を設置したものである。図７においてスリット２２は４つ設けられており、スリット２１とスリット２２を合わせたスリットの総数は１８個である。スリット２１、２２の幅Ｗ２は全て同一であり１〜２ｍｍの範囲に設定される。本実施形態では１．７ｍｍとなっている。線Ｃに隣接した２つのスリット２２、２２と線Ｃとの間隔ｂは等しい。

弁３は平時においてノズル１２の出口を塞いでいる。弁３はバルブキャップ３１、ディスク３２、皿バネ３３から構成されている。バルブキャップ３１は、筒状をしており一端側は球状の底部３１Ａとなっている。他端側は拡径されており、段３１Ｂが設置されている。

段３１Ｂの内周側には円盤状のディスク３２が載置される。ディスク３２は中心に凹み３２Ａを有しており、凹み３２Ａには感熱分解部３の支柱４２の一端と係合される。

段３１Ｂの外周側には皿バネ３３が係止される。皿バネ３３はバルブキャップ３１の底部３１Ａから挿通される。皿バネ３３の表面はフッ素樹脂により覆われている。皿バネ３３の外周縁はノズル１２の出口端に配置され、皿バネ３３はインプレスネジ１６をボス１５の牝ネジ１５Ｂに螺入すると感熱分解部４を介して押圧され弾性変形により潰れた形状になる。その際、フッ素樹脂がシール材の役目をしてノズル１２を封止する。

感熱分解部４はリンク４１、支柱４２、レバー４３から構成される。リンク４１は火災の熱により作動する感熱体であり、２枚の薄い金属板４４を低融点合金で接合して構成されている。低融点合金は６０〜２００℃の範囲内に融点を持つものを使用しており、融点が７２℃や９６℃の低融点合金が一般的に使用されている。

略四角形をした２枚の金属板４４は、一方の端に穴４５を有しており、他方の端にはコ字型の欠如部４６が設置されている。２枚の金属板４４は、欠如部４６が設置された側の端を重ねた状態で低融点合金により接合されている。その際、一方の金属板４４の穴４５の位置には、他方の金属板４４の欠如部４６が重ね合わされる。接合後のリンク４１の２つの穴４５には、それぞれ支柱４２とレバー４３が挿通される。

支柱４２は短冊型であり、一端はノズル１２の出口に設置された弁３のディスク３２と係合され、他端はレバー４３の先端に係合される。前述のように支柱４２にはリンク４１の穴４５が挿通されている。支柱４２の中間には突起４７が設置されており、突起４７の付近に設置された溝４７Ａにリンク４１を係止している。

レバー４３は細長い板を略Ｌ字型に屈曲させて構成している。前述のようにレバー４３の一端側はリンク４１の穴４５に挿通されている。レバー４３の他端側は支柱４２と係合しており、レバー４３には支柱４２の先端が係合される溝４８が設置されている。

溝４８が設置された面の裏側の面には、凹部４９が設置されている。凹部４９は溝４８よりもレバー４３の他端よりに設置される。凹部４９にはインプレスネジ１６が接触している。インプレスネジ１６の先端がレバー４３の凹部４９を押圧すると、レバー４３には支柱４２が係止されている溝４８を支点として回転する力が作用する。しかしながらレバー４３の一端側にはリンク４１の穴４５が挿通されており、レバー４３の回転を阻止している。これにより感熱分解部４を構成するリンク４１、支柱４２、レバー４３は係合状態を維持している。またインプレスネジ１６は感熱分解部４を介して弁３をノズル１２側に押圧保持している。

火災時において、リンク４１の低融点合金が溶融すると、一方の金属板４４が上記のレバー４３の回転によってもう一方の金属板４４から引き剥がされる。これにより感熱分解部４の係合状態は解除され、リンク４１、支柱４２、レバー４３の係合が外れるとともに支柱４２によって支えられていた弁３はノズル１２から離れて脱落し、ノズル１２が開放される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これ以外の構造、作用を以下に記載する。

先に説明した実施形態において、レバー４３のインプレスネジ１６と係合する箇所の形状は凹部４９としたが、これに限らず突起形状にすることができる。その際、インプレスネジ１６の先端形状は前記突起形状に対応する凹みや溝に変更可能である。

また、感熱分解部４にグラスバルブを用いたスプリンクラーヘッドにも適用可能である。その際、インプレスネジ１６の先端形状はグラスバルブを受容可能なように凹形状にしてもよい。

ボスの直径Ｄ１とスリット２１のボス１５側の端が接する内接円Ｄ２、デフレクターの外周径Ｄ３の比は、概ねＤ１：Ｄ２：Ｄ３＝１：２：３となっている。これにより床面への散水量と壁面の濡れ高さの両方を満足することができる。

Ｓ１ スプリンクラーヘッド
１ 本体
２ デフレクター
３ 弁
４ 感熱分解部
１２ ノズル
１４ アーム
１５ ボス
１５Ａ ボスの外周端
１６ インプレスネジ
１６Ｂ 斜面
２１ スリット
２２ スリット（第１のスリット）
３１ バルブキャップ
３２ ディスク
３３ 皿バネ
４１ リンク
４２ 支柱
４３ レバー

Claims (14)

1. 給水配管と接続されたノズルを内部に備えた本体、
   本体からノズルの放水方向に延出した一対のアーム、
   アームの先端はノズルの中心軸上に設置した柱状のボスに連結され、
   ボスの内部は牝ネジを有しており、該牝ネジに螺合されノズル側に先端が突出しているインプレスネジ、
   ボスの先端に設置された円板状のデフレクター、を有しており、
   デフレクターの周縁には複数のスリットがデフレクターの外周からノズルの中心軸に向かって等間隔、同じ長さで刻設されており、一対のアームを通過する平面と垂直に交差し、且つノズルの中心軸を通過する線に対して最も近い位置に設けられた第１スリットの長さは、前記スリットよりも長いことを特徴とするスプリンクラーヘッド。
2. 第１スリットは一対のアームを通過する平面と垂直に交差し、且つノズルの中心軸を通過する線上に設置される請求項１記載のスプリンクラーヘッド。
3. 前記スリットの長さは４．５〜７ｍｍであり、第１スリットの長さは前記スリットに対して１倍を超え、１．５倍以下である請求項１または請求項２記載のスプリンクラーヘッド。
4. 前記スリットと第１スリットを含めたスリットの総数は１６〜２４個である請求項１〜請求項３何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。
5. 第１スリットおよび前記スリットの幅は全て同一である請求項１〜請求項４何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。
6. 前記ボスのノズル側の外周端は曲面形状となっており、インプレスネジの先端形状に沿った延長線が前記曲面と近接または接する請求項１〜請求項５何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。
7. インプレスネジ先端の斜面の角度が80°〜100°である請求項１〜請求項６何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。
8. インプレスネジの先端は尖っており、その頂点は曲面状であり曲面半径は２ｍｍ以下である請求項７記載のスプリンクラーヘッド。
9. ボスのノズル側の外周端が曲面状となっている請求項１〜請求項８何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。
10. ボスのノズル側の外周端の曲面半径は1ｍｍ〜3ｍｍである請求項９記載のスプリンクラーヘッド
11. 隣接する２つのスリットの間における最小間隔と最大間隔の比は１．８〜２である請求項１〜請求項１０何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。
12. 隣接する２つのスリットの間における最小間隔とスリットの幅との比は１．１５〜１．３である請求項１〜請求項１１何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。
13. スリットのボス側の端が接する内接円の直径は、１８ｍｍ〜１９．５ｍｍである請求項１〜請求項１２何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。
14. ノズルの流量と放水圧力から導かれるＫファクターの値が３〜５．８である請求項１〜請求項１３何れか１項記載のスプリンクラーヘッド。

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