NO884326L - Brannvern-sprinkler. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse har sin opprinnelse i et forskningsprogram utført på søkerens vegne av the Institute for Bioengineering of Brunei University (Uxbridge, Middlesex, UB8 3PH England), hvis bidrag er takknemlig erkjent.

Oppfinnelsen vedrører sprinklere for brannvern.

De vesentlige funksjoner for en brannsprinkler er å detektere og reagere på utstrålende og/eller konveksJonsvarme som kan tilskrives branntilstander (uten å reagere på ufarlig varme, slik som fra solen) og å fordele slukkevaeske (vanligvis vann) over hele området som beskyttes så snart som mulig etterat branntilstander oppstår og absolutt før luftbevegelsene som bevirkes av brannen er sterke nok til å blåse slukkefluidumet bort.

Eksisterende sprinklere er av to typer. En baserer seg på bruken av en glasskule som sprenges på grunn av genereringen av trykk som skyldes oppvarming av en væske innenfor denne til å frigjøre slukkefluidumet. Andre anvender en mekanisk ventil, hvilken er forspent åpen av en fjær, men holdes lukket av en lavsmeltende loddingslegering. I begge tilfeller er reaksjonshastigheten begrenset av det faktum at detekteringsmaterialet (henholdsvis fluidumet og loddings-leger ingen) ikke kan (eller i det minste ikke lett kan) utsettes direkte for strålningsvarme fra en brann, på grunn av behovet for å ha en fluidumsfordeler nedstrøms relativt (vanligvis under) fluidumsutgangen, og på grunn av det faktum at den er nødvendigvis i god termisk kontakt med sprinklerens metallegeme, med et rørsystem og med fluidum deri, hvilke har en vesentlig kombinert termisk kapasitet.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en ny klasse av brannsprinkler der varmedetekteringselementet direkte kan utsettes såvel for strålnings som for konveksJonsvarme, kan ha et stort frilagt område for maksimum varmeoppsamling, og kan termisk isoleres ved bruk av polymere, keramiske eller vitrøse materialer slik som omstendighetene for isolasjonen krever dette. Den muliggjør også konstruksjoner der varmedetekteringselementet kan fjernes og erstattes, enten for testing eller som en forholdsregel mot aldring, eller for å endre sprinklerens følsomhet (f.eks. når materialene som lagres i et varehus blir endret) uten å avstenge tilførselen av fluidum og derfor uten å behøve å sette mer enn en sprinkler ut av funksjon av gangen.

Sprinklere, ifølge oppfinnelsen, omfatter en strømnings-passasje som strekker seg fra et innløp til et utløp, en fluidumsfordeler som er plassert forbi utløpet, et skjørt legeme som stenger strømningspassasjen og separat temperatur-følsomt middel for å knuse det skjøre legemet for å tillate passasje av fluidum ved deteksjon av forutbestemt temperaturstigningstilstander.

Fortrinnsvis blir et temperaturreagerende element av en form-minnelegering, slik som den av nikkel-titan, brukt til å aktivere knusningsmidlet. Fortrinnsvis er legeringen i plate eller annen utvidet form for maksimalt varmeopptak. En særlig foretrukket form er den av en plate som er forvrengt til en kuppel og gjenvinnbar mot (ideelt) en flat plateform: dette er istand til å frembringe tilstrekkelig kraft. Det kan behandles (med belegging, etsing eller lignende) til å forbedre den termiske emissjonsevne for dens overflate.

Fortrinnsvis er fluidumsfordeleren plassert mellom utløpet og det temperaturreagerende elementet, slik at sistnevnte kan fullstendig eksponeres for det området som skal beskyttes.

I dette tilfellet kan det varmereagerende elementet utføre sprengning av det skjøre legemet ved direkte å virke på et langstrakt støt eller annet skyveorgan som strekker seg gjennom en åpning i den sentrale delen av vannfordeleren, men andre mekanismer kunne anvendes. F.eks. kunne det frigjøre en lås som holder tilbake en fjærbelastet støter.

Det er normalt ønskelig at knusningsmidlet Ikke anvender noen vesentlig kraft på det skjøre legemet såfremt ikke og inntil det varme-reagerende elementet aktiveres ved opptredenen av nevnte forutbestemte temperaturstigningstilstander.

Det skjøre legemet kan være av glass eller keramisk materiale, eller av annet materiale av en passende stiv og sprø natur. Det kan være en flat eller kuppelformet plate, men kunne også ha andre former, f. eks. et rør. I passende tilfeller kan det varmebehandles, forsynes med markeringer eller på annen måte behandles for å sikre en fordeling av innelåste spenninger som bidrar til knusning i små stykker som ikke alvorlig kan hindre fluidumsstrøm.

Når det skjøre legemet er av keramikk, kan skyveorganet lages i et stykke med dette. Når separat, kan skyveorganet fortrinnsvis lages av eller forsynes med en spiss med et materiale som er hårdere enn det skjøre organet.

Når det skjøre legemet er en plate, er det fortrinnsvis avtettet til sprinklerlegemet uten å gripe dets kanter.

Anordningslegemet kan være av messing, i hvilket tilfelle det temperaturreagerende elementet fortrinnsvis er termisk isolert fra dette ved hjelp av avstandsorganer (f.eks. skiver) av polymert materiale, keramikk eller glass. Alternativt kan imidlertid legemet selv lages fullstendig eller delvis av et passende solid vitrøst eller keramisk materiale (i hvilket tilfelle det kan være mulig at det skjøre legemet lages i ett stykke med dette) eller (for bruk i installasjoner hvor risikoen for at flamme direkte treffer på sprinkleren før den opererer kan tas ut av betraktning) av et passende polymert materiale. Et termoplastisk materiale kan anvendes, forutsatt at dets myknignstemperatur er godt over responstemperaturen for det temperaturreagerende elementet, men herdeplaster kan foretrekkes. Uansett kan brann-hemmende typer anbefales. Bortsett fra fordelen med naturlig termisk isolering, er et polymert legeme mer egnet for estetisk konstruksjonsbehandling og kan være selvtettende og mindre kostbart enn et legeme av metall. Krypmotstand trengs ikke på grunn av at den temperaturreagerende meka-nismen kan utformes til ikke å gi noen krefter på legemet i likevektstilstanden.

Oppfinnelsen skal ytterligere beskrives, i eksempels form med henvisning til de vedlagte tegninger som viser forskjellige utformninger av prototypsprinkler i henhold til oppfinnelsen. Fig. 1 er et langsgående (vertikalt) snitt gjennom en første prototyp. Fig. 2 er et planriss sett fra undersiden av den første prototypen. Fig. 3 er et delvis vertikalriss i retningen av pilene III, III i figurene 1 og 2. Fig. 4 er et fragmentært tverrsnitt på linje IV-IV i figur 2. Fig. 5 er et sidevertikalriss av aktivatoren av form-minnelegeringen som anvendes i den første og flere andre prototyper. Fig. 6 er et planriss sett fra undersiden som viser en måte som den første prototypen kunne behandles som et estetisk trekk i en opphengt takinstallasjon. Fig. 7-11 og 13-19 er langsgående (vertikale) snitt, hver gjennom en forskjellig prototyp. Fig. 12 er et planriss fra undersiden av et enhetlig skjørt legeme og aktiveringsorgan som anvendes i konstruksjonen ifølge fig. 11.

Prototypsprinkleren ifølge fig. 1-6 omfatter et legeme 1 av messing eller annet passende metall med en ekstern skrue-gjenge 2 for skruing til et fluidumstilførselsrør på den vanlige måte. Innløpet 3 er ved den øvre enden av legemet (i dets vanlige orientering, slik som vist) og utløpet er på dets nedre ende og lukket av en skjør glassplate 4. Denne er festet på en fluidumstett måte ved hjelp av en metallkrage 8 som er innskrudd i en gjenge som er kuttet innenfor legemet og virker gjennom en tetningsring 9 av et hardt plastmateriale, slik som nylon 66 som er utstyrt med trinn for å hvile på glassplaten og således tette denne til legemet uten å gripe dens kanter, som en forholdsregel mot at brutte stykker forblir grepet og ikke faller bort. Mange andre plastmaterialer er egent for å danne tetnignsringen, f.eks. acetalpolymerer, polyetersulfoner, polyeterketoner, poly-karbonater, akryler, nylon 6, nylon 11 og materialer som selges under varemerket Delrin.

Forbi utløpet befinner det seg en vann-avbøyer 5 som understøttes av et par ben 6,6 fra en ring 7 som er skrudd på legemet 1. Vannavbøyeren 5 (laget av et hvilket som helst passende plastmateriale, eller av metall, i hvilket tilfelle det kunne lages i ett stykke med ben 6 og ring 7) virker også som en føring for en stift av herdet stål som tjener som ett skyveorgan 10 som hviler løst på et aktivatorelement 11 av en form-minne legering. Denne understøttes av fire klør 12 (slik det best fremgår av figurene 2-4) som rager ned fra benene 6 for derved å få et stort frilagt areale og relativt liten varmeledningskontakt.

Figur 5 viser formen av elementet laget av form-minne legering, hvilket er laget av nikkel-titan form-minne legering, av plate med 0,5 mm tykkelse, varmebehandlet i 1 time ved 500°C mens fastspent flat og så, etter kjøling, gitt kuppelform til en høyde av 1,2 mm ved å presse sentralt med en stålkule av 12 mm i diameter under fastspenning av kantene. De kuppelformete aktivatorelementene som lages på denne måte gjenvinner en nominelt flat form på en temperatur i området av 70° C og ved å gjøre dette genererer store krefter dersom innspent. Det er blitt observert krefter inntil 57,7 kg vekt (556N).

Selvom plater av hvilket som helst ordinært glass lett kan brytes ved den tilgjengelige kraft, er det blitt funnet at pålitelig knusning i små stykker som ikke vil hindre strømmen av vann i stor grad hjelpes ved bruken av glass med store innlemmete spenninger. Beste resultater til dato er blitt oppnådd med glass levert av Corning Glass Works, Corning, NY 14830, USA under deres identifikasjoskode 0313. Dette er et glass som er herdet (og således gjort mer sprøtt) ved hjelp av natrium-ioneveksling, anvendt hovedsakelig for luftfartøys vinduer og bånd-spoleflenser. Ifølge produsentens data har det en tetthet lik 2,46 kg/m<3>, Youngs modul 7xl0<4>MN/m<2>, Poisson's forhold 0,22, Shear modul 2,9 x IO<4>MN/m<2>, rivningsmodul (abradert) 300 MN/m<2>, og Knoop hårdhet (ved 100 g belastning) 5780 MN/m<2>.

Dette glass ble levert i plateskiver med diameter 22,2 mm og med tykkelse 2,1 mm. Dets ekstreme overflatehårdhet gjør det tilrådelig å anvende et skyveorgan som er laget av eller har spiss forsynt med et meget hårdt materiale (f.eks. tungsten eller et hardt keramisk materiale, slik som aluminiumoksyd eller zirkoniumoksyd). Skyveorganer av herdet stål har tendens stil å bøye seg i stedet for å trenge gjennom overflaten.

Annet passende glass (som er mindre hårdt og kan anvendes med herdet stålaktivatorelementer) har innebyggede spenninger som skyldes en varmebehandling som er i alt vesentlig den samme som anvendes for frontruter av herdet glass og er til-gjengelig fra Pilkingtons (New Buisiness Development Unit) Limited, St Hellens, Merseyside, England 1 form av skiver med diameter lik 22 mm og nominell tykkelse lik 2 mm.

Som det vil sees av eksemplet i fig. 6, muliggjør sprinkler-konstruksjonen seg for estetisk behandling ved å anbringe den bak en takplate 16 med en sentral åpning 17 gjennom hvilken skiven 11 og ellers lite er synlig og en ring av åpninger 18 gjennom hvilke vann kan strømme når det er nødvendig (og ved hjelp av hvilke det kan avbøyes om ønskelig.)

Prototypen ifølge fig. 7 er identisk i prinsippet med den for figurene 1-6, men dens hovedkonstruksjonsmessige komponenter 1,6/7 og 8 er omkonstruert for fremstilling av et passende plastmateriale (slik som fylt polyamid eller polyimid, polysulfon, polyeterketon, eller polyeter.)

I prototypkonstruksjonen ifølge fig. 8 strekker fluidums-passasjen seg fra innløp 3 til et løp som er stengt med en skjør glassplate 4 som tetter i dette tilfellet forbindelse med en enkel skive 21 (f.eks. av PTFE) og et legeme 22 hvor den øvre delen 23 av dette har form av en pakningsmutter.

Den nedre delen 24 av legemet er formet til å danne en fordeler for vannet (eller annet fluidum) som vil støte mot denne dersom platen 4 knuses og også å oppta et aktivatorelement 11 i den samme generelle form som tidligere. Elementet 11 er festet ved hjelp av en klemring (circlip) 25 og løst understøtter et skyveorgan 10. Et par keramiske ringer 26 gir termisk isolasjon mellom elementet 11 og legemet 22.

I en bestemt serie av prototyper laget i henhold til fig 8, var de skjøre platene 4 1,0 mm tykke og med en diameter lik 20 mm, og ble kuttet fra soda-glass mikroskopglassplater under anvendelse av en skallkutter med diamantspiss (beregnet for kutting av hull i flatt glass). Plater/skiver som ikke viste seg å ha innvendige spenninger ved granskning under polarisert lys, ble avvist. Som en ytterligere forholdsregel mot plateskivenes brytning i store stykker som kunne hindre f lui dums st rømmen, ble de merket ved å feste dem til front-platen av en dreiebenk og med bruk av en glasskutter med diamantspiss montert i føringer og utsatt for en lett håndkraft i en konsentrisk sirkel med diameter 18 mm. Pakningsskiven 5 var av PTFE og var 0,5 mm tykk og skyveorganet 10 var av herdet stål med diameter lik 2 mm.

Form-minne aktivatorelementet 11 ble laget av 0,5 mm tykk nikkel-titan form-minnelegering plate varmebehandlet i 30 minutter på 440°C mens fastspent flat, bråavkjølt i vann og kuppelformet ved kold-trekking inntil dets høyde var 2,75 mm. Gjenvinningstemperaturen var ca. 70°C.

Sprinkleren vist i fig. 9 er lik den i fig. 8, bortsett fra at legemsorganet 30 kan skrus av, uten å forstyrre mon-teringen av den skjøre platen 4 for å tillate det med for-minne temperaturfølsomme elementet 11 til å bli fjernet og erstattet etter ønsk. Ved konstruksjoner for offentlige bygninger, kan en sikker nøkkelbetjent forbindelse erstatte den enkle skrueforbindelse som er vist.

Figurene 10-14 illustrerer en rekke av alternative konstruksjoner som anvender skjøre organer av keramisk materialer i stedet for glass.

I sprinkleren i figur. 10 omfatter det skjøre organet 40 en flat plate (skive) 41 som er svekket rundt sin periferi med etspor 42 og ermontert i legemets 1 utløp ved hjelp av en enhetlig krage 43 og en O-ringtetnIng 44. Skyveorganet 45 er også laget i ett stykke med det skjøre organet. Det sammen-satte skjøre keramiske legemet kan lages ved isostatisk pressing fra slam av hvilket som helst passende teknisk keramisk materiale, eller kan maskineres fra ett av de maskinerbare keramiske materialer, f.eks. det som selges av Aremco Products Ind, P.O. Box 429 Ossinlng, NY 10562, USA under varemerket "Armecolox" eller det "maskinerbare glasskeramiske materialet" solgt av Corning Glass Works under varemerket "Macor". Figurene 11 og 12 viser en modifikasjon av denne konstruksjon hvor det skjøre keramiske legemet 40 er masklnert og svekket ved hjelp av ett dreiet spor 41 og en flerhet av slipte blindspor 42. I dette tilfelle ble en polymerpakning 43 anvendt for tetnign. Fig. 13 viser en annen modifisert versjon av konstruksjonen i fig. 10 der kroppsorganene (1,6,7) også er laget av keramisk matriale. Fig. 14 viser en annen variant hvor det skjøre legemet 40 er kuppelformet. Fig. 15 viser en modifikasjon av konstruksjonen i fig. 1 hvor skyveorganet 50 er todelt. Dette er konstruert til å samsvare med de eksisterende vanlige krav for en kule av bestemt størrelse til å passere fritt gjennom vannpassasjen fra en sprinkler etter aktivering. Fig. 16 illustrerer en annen modifikasjon for det samme formålet der skyveorganet 51 er plassert eksentrisk. Dette nødvendiggjør bruken av en separat vann-avbøyerplate 52 til å bringe tilbake en symmetrisk vannfordeling. Figur 17 viser en annen utformning hvor det temperatur-reagerende form-minneelementet 11 anbringes langt nærmere den skjøre platen 4 og virker på denne gjennom en ring 53. En sentral åpning 54 gjennom elementet tillater vannet (eller annet fluidum) å passere fritt gjennom til fordeleren 55 etterat platen 4 er blitt knust. I denne konstruksjon er det ønskelig at legemet, eller i det minste fluidumsfordeleren 15, lages av et materiale (slik som kiselglass) som overfører en vesentlig del av det infrarøde bølgelengdeområdet for å unngå ufølsomhet overfor en brann som bryter ut umiddelbart under sprinkleren. Fig. 18 viser en annen variantkonstruksjon hvor form-minne aktivatorelementet 11 ikke direkte frembringer den kraft som er nødvendig for å knuse den skjøre platen 4. I stedet vil endringen i dens form når den gjenvinner denne frigjøre en bolt 56 som så drives gjennomd en skjøre platen ved hjelp av den lagrede energi fra en spiralfjær 57. Figuren 19 viser en annen variantkosntruksjon (ikke en anbefalt, særlig for anvendelser der følsomhet overfor strålingsvarme kreves) hvor det skjøre legemet 58 er tubulært og det temperaturreagerende elementet er en ring 59 av en form-minne legering som blir redusert i diameter ved gjenvinning.

Prøver på visse prototyper ble utsatt for tester 1 henhold til prosedyrer oppsatt av the Loss Prevention Certification Board, Melros Avenue, Boreham Wood, Hertfordshire WD6 2BJ, England, 1 Loss Prevention Standard LPS 1039; utgave 2:6:4:87 med tittel Requirements and Testing Methods for Automatic Sprinklers, bortsett fra at i testene som krever en vind-tunnel, var tunnelen ikke av de dimensjoner som er angitt, men var rektangulær med tverrsnitt lik 70 x 90 mm.

Disse tester anvendte i overveiende grad (tvunget) konveksjonsvarme, for å etablere ytelse under verste betingelser. Testene som ble anvendt var som følger: 1. I en vannbad-test ifølge Seksjon 7.4 av standarden, ble den nominelle frigjøringstemperatu for prototypen målt. 2. Ytelsen ble sammenlignet med konvensjonelle sprinkler-konstruksjoner I "styrttesten" ifølge Seksjon 8.5.1. i standarden. 3. I en stigningstakt-test etterfølgende Seksjon 8.3.2 i standarden, ble prøver montert i en tunnel gjennom hvilken luft ble blåst, idet lufttemperaturen stadig ble hevet ved hjelp av elektrisk oppvarmer.

Aktiveringstiden og den korresponderende temperatur ble registrert og stigningstakt-tidskonstanten t ble beregnet.

Prototypene som ble testet var som følger:

Prototyp A: I henhold til figur 1.

Prototyp B: Som prototyp A, bortsett fra at aktivatorplaten ble holdt ved hjelp av en kontinuerlig kant i

stedet for de fire klørne 12.

Prototyp C: Mellom prototyperA og B, dannet ved slipning av en enkelt spalte gjennom kanten i stedet for de to spaltene som kreves til å danne klørne 12.

Prototyp D: I henhold til figur 8, bortsett fra at skyveorganet var gitt flat topp.

I vannbad testen ble den nominelle frigjørIngstemperaturen for Prototype B funnet til å være 50,3°C (sammenlignet med en standard glasskulesprinkler med en erklært frigjørings-tempertur lik 68°C ble testet og ga en verdi lik 72°C, og en sprinkler med smeltbar forbindelse ga en verdi lik 75,8°C).

I dropptesten, der målelufttemperaturen strakk seg fra 194 til 198°C, var reaksjonstiden (i sekunder) som følger:

"nrp" faktoren for prototyp D ble beregnet som 79 og sammenlignet med 67 for den tredje prøven med smeltbar forbidnelse og 169 for prøvene med den fjerde og femte glasskulen.

I stigetakttesten, foretatt med kun Prototyp D, under anvendelse av en stigningstakt for lufttemperatur lik 7,5°C/min. (nominell) opererte en første prøve etter 10 minutter og 42 sekunder på en lufttemperatur av 93° C, en andre prøve etter 9 minutter, 34 sekunder på 92° C. Når stigningstakten ble økt til 14°C/min., skjedde operasjonen etter 6 minutter og53 sekunder og ved 110°C ved 20°C/min, en prøve opererte etter 5 minutter og 8 sekunder ved 121°C, og en annen 5 minutter og 39 sekunder ved 128° C. Fra disse målinger ble stigningstakt tidskonstanten t estimert til 2,35 minutter.

Claims (13)

1. Brannsprinkler omfattende en strømningspassasje som strekker seg fra et innløp til et utløp, en fluidumsfordeler plassert forbi utløpet, og et skjørt legeme som lukker strømnings-passasjen, karakterisert ved separate temperatur-følsomme midler for å knuse det skjøre legemet til å tillate passasje av fluidum ved deteksjon av forutbestemt temperaturstigningstilstander.

2. Sprinkler som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte knusningsmiddel omfatter og aktiveres av et temperatur-reagerende element av en form-minne legering.

3. Sprinkler som angitt i krav 2, karakterisert ved at form-minne legeringen er i plate eller lignende utstrakt form.

4 . Sprinkler som angitt i krav 2, karakterisert ved at form-minne legeringen er i form av en plate som er forvrengt til en kuppel og gjenvinnbar mot en flat plate.

5. Sprinkler som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at fluidumsfordeleren er plassert mellom utløpet og det temperatur-reagerende midlet.

6. Sprinkler som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det skjøre legemet er en plate.

7. Sprinkler som angitt 1 krav 6, karakterisert ved at platen er varmebehandlet, merket eller på annen måte behandlet til å sikre en fordeling av innesluttede spenninger som fører til knusning i små stykker.

8. Sprinkler som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved et metallegeme og der det temperaturreagerende midlet er termisk isolert fra metallkroppen.

9. Sprinkler som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved et legeme som er laget fullstendig eller delvis av et vitrøst eller keramisk materiale.

10. Sprinkler som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved et legeme laget fullstendig eller delvis av et polymert materiale.

11. Sprinkler som angitt i krav 10, karakterisert ved at ingen vesentlige krefter virker på legemet eller legemsdelen av det polymere materialet såfremt det ikke og inntil det varmereagerende elementet aktiveres ved opptreden av nevnte forutbestemte temperatur-stignings betingelser.

12. Bygning vernet mot brann ved hjelp av en installasjon omfattende en flerhet av sprinklene som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav.

13. Sprinkler som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det skjøre legemet er en skiveplate og er avtettet til sprinklerens legeme uten å gripe dets kanter.