[0001] Die Erfindung betrifft einen Brandmelder mit einem rauchempfindlichen Fühler und
mit einem temperaturempfindlichen Element, welches bei Ueberschreitung einer vorgegebenen
kritischen Temperatur durch seine Formänderung ein Alarmsignal auslöst.
[0002] Als Brandmelder, die besonders frühzeitig auf einen Brandausbruch ansprechen haben
sich solche mit einem rauchempfindlichen Fühler als besonders geeignet erwiesen.
[0003] Beispielsweise sind aus CH 508 251 oder CH 551 057 Ionisations-Brandmelder bekannt,
bei denen der rauchempfindliche Fühler als Ionisationskammer ausgebildet ist. Der
in dieser Ionisationskammer fliessende Ionisationsstrom vermindert sich bei Vorhandensein
von Rauchpartikeln oder Brandaerosol in der Ionisationskammer. Durch die Widerstandszunahme
der Ionisationskammer bei einer bestimmten Rauchdichte wird, wie beispielsweise in
CH 468 683 oder CH 547 532 beschrieben, über eine geeignete Auswerteschaltung ein
Alarmsignal auslöst.
[0004] Beispielsweise aus CH 592 932 oder CH 592 933 sind Streulicht-Rauchmelder bekannt,
bei denen der rauchempfindliche Fühler eine Strahlungsquelle und einen ausserhalb
deren Strahlungsbereiches angebrachten Strahlungsempfänger aufweist, wobei der Strahlungsempfänger
Streustrahlung von Rauchpartikeln im Strahlungsbereich erhält. Sobald die Streustrahlung-Intensität
eine bestimmte Schwelle überschreitet, wird über eine geeignete Auswerteschaltung,
wie beispielsweise in CH 520 990 oder EP-A 14 779 beschrieben, ein Alarmsignal ausgelöst.
[0005] Derartige Brandmelder sprechen zwar auf einen Brand mit Rauchentwicklung schon äusserst
frühzeitig an, erfassen jedoch Brände mit einem schnellen Temperaturanstieg nicht
so rasch. Vorbekannte Rauchmelder enthalten daher häufig ein zusätzliches temperaturempfindliches
Element. So ist beispielsweise aus FR-A 2 018 946 ein Ionisations- rauchmelder bekannt,bei
dem der Ionisationsstrom in einer Ionisationskammer mittels eines Bimetall-Elementes
vermindert wird, sobald sich die Temperatur ändert. Bei einer .bestimmten Formänderung
des Bimetall-Elementes, d.h. bei Erreichen einer bestimmten Temperatur wird ein Kontakt
geschlossen und ein Alarmsignal ausgelöst.
[0006] In der prioritätsälteren FR-A 2 409 559 ist ein Streulicht-Rauchmelder beschrieben
bei dem sich bei Temperaturerhöhung ein Bimetall-Element in den Strahlungsbereich
hineinbewegt und Reflex- oder Streulicht auf den Strahlungsempfänger wirft. Dabei
wird in gleicher Weise wie bei Vorhandensein von Rauchpartikeln ein Alarmsignal ausgelöst.
[0007] Die Verwendung von,Bimetall-Elementen als temperaturempfindliches Element hat den
Nachteil, dass die Formänderung reversibel ist, bei Temperaturrückgang geht daher,
das vom Bimetall-Element erzeugte Signal ebenfalls zurück. Bei tieferen Temperaturen
wird das Bimetall-Element daher zunächst zur Temperaturkompensation benützt
lund erst bei Erreichen einer höheren kritischen Temperatur wird ein Alarmsignal ausgelöst.
Dieses Alarmsignal ist jedoch nicht selbsthaltend, d.h. das Alarmsignal stellt sich
automatisch zurück, sobald die Temperatur wieder unter den kritischen Wert sinkt,
so dass nicht mehr erkannt werden kann, welcher Brandmelder angesprochen hatte.
[0008] Weiterhin treten bei Annäherung an den kritischen Wert, insbesondere bei Temperaturschwankungen
oder unter Vibrationen,Flatter-Erscheinungen auf, d.h. es erfolgt keine sichere Kontaktgabe.
Die Folge ist eine schnelle Abnützung und Verzunderung der Kontakte, abgesehen von
der unsicheren Signalauslösung. Die genannten Brandmelder-Typen weisen daher nicht
die erforderliche Betriebssicherheit auf. Die Auslenkung ist darüber hinaus in der
Umgebung der kritischen Temperatur nur relativ geringfügig und erfolgt nur mit geringer
Kraft. Aus diesen Gründen ist eine genaue Justierung solcher Brandmelder auf die gewünschte
kritische Temperatur erforderlich. Da insbesondere die Einstellung keine gute Langzeitstabilität
aufweist, ist eine häufige Nachstellung notwendig um einen sicheren Betrieb und die
Einhaltung der Alarmierungs-Temperatur zu gewährleisten.
[0009] Es wurde bereits versucht einzelne dieser Nachteile dadurch zu vermeiden, dass temperaturempfindliche
Elemente benützt wurden, welche keine mechanische Formänderung zeigen, sondern ihre
elektrischen Eigenschaften ändern. Beispielsweise sind Brandmelder bekannt, z.B. aus
CH 572 252, bei denen neben einem rauchempfindlichen Fühler ein temperaturempfindlicher
Widerstand oder andere temperaturempfindliche Komponenten vorgesehen sind, und die
Aenderung der elektrischen Eigenschaften, z.B. des Widerstandes mit einer elektronischen
Auswerteschaltung zur Alarmsignalgabe ausgenützt wird. Die Schaltung kann so ausgeführt
sein, dass sie ebenfalls nur elektrische Schaltungselemente zur Auslösung dieses Signales
verwendet, z.B. Thyristoren oder elektronische Schalter. Auf diese Weise kann zwar
eine sichere Alarmgabe bei einer vorgegebenen Temperatur erreicht werden, und zwar
selbsthaltend, jedoch mit einer relativ komplizierten und entsprechend störanfälligen
Schaltung. Nachteilig ist weiterhin, dass solche Brandmelder mit ausschliesslich elektrischen
Komponenten einen erhöhten Ruhestrom auch unterhalb der kritischen Temperatur aufweisen.
Solche Brandmelder sind daher nicht für ausgedehnte Brandmeldeanlagen geeignet, bei
denen eine grosse Anzahl von Brandmeldern parallel an die gleichen Leitungen angeschlossen
werden soll, da in diesem Fall die Summe der Ruheströme schon bei nur wenigen Brandmeldern
in die Grössenordnung des Alarmstromes eines einzigen Melders kommen kann und ein
Alarmsignal nicht mehr sicher von den Ruheströmen aller Melder unterscheidbar ist.
[0010] Aus US 3 516 082 sind zwar Brandmelder bekannt, bei denen das temperaturempfindliche
Element aus einer Formge- dächtnisle
gierung besteht, beispielsweise aus einer Nickel-Titan-Legierung. Solche Legierungen
haben die Eigenschaft, dass sie nach einer Kaltverformung bei anschliessender Erwärmung
auf eine vom Material abhängige kritische Temperatur relativ schnell in die vorher
eingeprägte Form zurückkehren. Dabei wird ein Kontakt geschlossen und ein Alarmsignal
ausgelöst. Dabei ist zwar die Einhaltung und Stabilität der Alarmierungs-Temperatur
gewährleistet, nachteilig ist jedoch, dass eine mechanische Kontaktgabe erfolgt, was
ähnliche Schwierigkeiten mit sich bringt wie bei Verwendung eines Bimetall-Elementes,
was die Sicherheit der Kontaktgabe, die Abnützung und Verzunderung der Kontakte betrifft.
Es sind keine Hinweise daraus zu entnehmen wie bei Uebertragung dieser Idee auf einen
Rauchmelder eine kontaktlose, d.h. über längere Zeiten sichere und wiederholbare Alarmsignalgabe
bei Erreichen einer kritischen Temperatur erreicht werden kann.
[0011] Die Erfindung stellt sich die Aufgabe die erwähnten Nachteile des Standes der Technik
zu beseitigen und insbesondere einen Brandmelder mit einem rauchempfindlichen Fühler
und mit einem temperaturempfindlichen Element zu schaffen, welcher auf einfach Weise,
ohne Verwendung einer Vielzahl von Komponenten mit verbesserter Sicherheit kontaktlos
ein selbsthaltendes Alarmsignal sowohl bei Vorhandensein von Rauch als auch bei erhöhter
Temperatur auszulösen vermag. Ein solcher Brandmelder soll über längere Zeiträume
betriebssicher und störungsfrei arbeiten, keine Verschleisserscheinungen aufweisen,
keine häufige Wartung oder Justierung erfordern und eine einmal gewählte kritische
Temperatur beibehalten.
[0012] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das temperaturempfindliche
Element eine Formgedächtnislegierung aufweist, welche bei Ueberschreitung der kritischen
Temperatur in ihre eingeprägte Form zurückgeht.
[0013] Solche Formgedächtnislegierung, auch als "shape memory alloys" z.B. in US 3 174 851,
3 403 238, DE 1 288 363, DE 1 588 715 oder im Journal of Applied Physics 36, p.3232...
(1965) beschrieben, haben die Eigenschaft, dass sie die bei der Herstellung bei erhöhter
Temperatur gewählte geometrische Form speichern. Nach Abkühlung des Elementes unter
eine durch das Material gegebene kritische Temperatur kann nun das Element mechanisch
verformt werden. Wird nun die Temperatur wieder auf die kritische Temperatur erhöht,
so nimmt das Material wiederum die ursprüngliche Form an, unabhängig davon,in welcher
Weise es vorher kaltverformt worden war. Bis zu einer gewissen Verformung ist dabei
die Formänderung vollständig frei wählbar. In den Publikation von W.J. Buehler, W.B.
Cross, "Wire Jolirnal", June 1969, p. 41 - 49, und von K.N. Melton, 0. Mercier, in
der Zeitschrift "Material und Technik", Band 6 (1978), Nr. 2, Seite 59 - 66, sind
die Eigenschaften solcher Formgedächtnislegierungen zusammengestellt, sowie die Zusammensetzung
geeigneter Formgedächtnislegierungen angegeben. In der Regel handelt es sich um Metalle,
die eine Martensit-Umwandlung zeigen. Als besonders geeignet haben sich Nickel/Titan-Legierungen
erwiesen, auch unter der Bezeichnung Nitinol bekannte oder Legierungen aus Kupfer,
Zink und Aluminium. Für eine kritische Temperatur von 70°C hat sich beispielsweise
die Legierung Ni55/Ti45 als geeignet erwiesen.
[0014] Für die meisten Anwendungen in der Brandmeldetechnik eignen sich dabei Formgedächtnislegierungen
dieser Art, die nach dem Einwegprinzip arbeiten. Dabei verformt sich das Fühlerelement
bei Erreichen der kritischen Temperatur wieder in die ursprüngliche Gestalt. Diese
Form bleibt erhalten und bewirkt die Auslösung eines selbsthaltendes Alarmsignales,
welches nur durch mechanische Wiederverformung des Fühlerelementes aufgehoben werden
kann.
[0015] Für spezielle Anwendungen haben sich jedoch auch Formgedächtnislegierungen, die nach
dem Zweiwegprinzip arbeiten und ein Hysterese-Verhalten zeigen,als zweckmässig erwiesen,
z.B. Nickel-Titan-Legierungen mit Zusatz anderer Legierungselemente, vorzugsweise
von Kupfer, wie z.B. Ni45/Ti45/CulO. Die Verwendung solcher Zweiweg-Formgedächtnislegierungen
in Rauchmeldern ist in der EP-Anmeldung 80 200 327.7 (EP-A 19 310) beschrieben und
beansprucht. Diese Legierungen haben die Eigenschaft, dass sie bei Absinken der Temperatur
bei Erreichen einer anderen unteren Temperaturschwelle ihre Form wieder im Sinne der
Kaltverformung zurückbilden. Ein Brandmelder mit einem solchen Fühlerelement kann
also durch Abkühlung auf eine tiefer liegende Schwellentemperatur wieder zurückgestellt
werden, nach dem er bei Erreichen der oberen kritischen Temperatur angesprochen hatte.
Die untere Temperaturschwelle kann dabei auch unter Raumtemperatur (<20°C) gewählt
werden.
[0016] Die Erfindung wird an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
beschrieben.
[0017]
Figur 1 zeigt einen optischen Streulicht-Brandmelder.
Figur 2 zeigt einen Ionisations-Rauchmelder im Längsschnitt.
Figur 3 zeigt einen Ionisations-Rauchmelder im Querschnitt.
[0018] Figur 1 zeigt einen optischen Streulicht-Brandmelder mit einem zusätzlichen temperaturempfindlichen
Element. Dabei ist an einer Basisplatte 31 ein Gehäuse 32 befestigt, welches Lufteintrittsöffnungen
33 aufweist, und in dessen Innerem sich ein becherförmig ausgebildetes Trägerteil
34 befindet. Im oberen zentralen Teil des Trägerteiles 34 befindet sich eine Strahlungsquelle
35, welche mittels einer zugehörigen Optik einen kegelringförmigen Strahlungsbereich
36 erzeugt, wie beispielsweise im Schweizerpatent Nr. 592 932 beschrieben. Im unteren
Teil des Gehäuses ist ein Abschirmteil 37 angebracht, das das Gehäuseinnere gegen
direkten Lichteinfall abschirmt, jedoch den Lufteintritt auf einem gewundenen Weg
gestattet. Im zentralen Teil des Abschirmteiles 37 befindet sich ein photoelektrischer
Strahlungsempfänger 38, der normalerweise ausserhalb des kegelförmigen Strahlungsbereiches
6 liegt. Tritt jedoch rauchhaltige Luft in das Gehäuseinnere ein, so erfolgt eine
Strahlungsteuerung an den Rauchpartikeln, die sich im Strahlungsbereich 36 befinden,
und der Strahlungsempfänger 38 wird von Streustrahlung getroffen. Sobald die Intensität
dieser Streustrahlung einen bestimmten vorgegebenen Wert überschreitet, so wird mittels
einer nicht dargestellten Schaltung ein Alarmsignal ausgelöst. Zusätzlich zu diesen,bei
optischen Streustrahlungs-Rauchmeldern bereits bekannten Merkmale ist im Gehäuseinneren,
am becherförmigen Trägerteil 34 ein temperaturempfindliches Element 39 aus einer geeigneten
Formgedächtnislegierung vorgesehen. Dieses temperaturempfindliche Element 39 ist bezüglich
des Strahlungsbereiches 36 so ausgebildet und angebracht, dass es im kaltverformten
Zustand vollständig ausserhalb dieses Bereichs liegt, also von der direkten Strahlung
der Strahlungsquelle 35 nicht getroffen wird. Steigt nun die Temperatur über die kritische
Temperatur der verwendeten Formgedächtnislegierung, so nimmt das Element 39 wieder
die ursprünglich eingeprägte Form an und bewegt sich mit seinem freien Ende in den
Strahlungsbereich 36 hinein. Die somit auf das freie Ende des Elementes 39 auftreffende
direkte Strahlung von der Strahlungsquelle 35 wird dabei reflektiert und gestreut,
und ein Teil dieser Strahlung trifft den Strahlungsempfänger 38. Dieser wird dabei
in ähnlicher Weise beeinflusst wie durch die von Rauchpartikeln im Strahlungsbereich
36 ausgehende Streustrahlung. Bei Ueberschreitung der gewählten kritischen Temperatur
wird also durch die Formänderung des temperaturempfindlichen Elementes in gleicher
Weise ein Alarmsignal ausgelöst wie wenn Streustrahlung erzeugende Rauchpartikel im
Strahlungsbereich vorhanden wären.
[0019] Statt bei einem Steulichtrauchmelder kann der Erfindungsgedanke auch bei einem Strahlungsextinktionsmelder
benützt werden, bei welchem die Strahlungsschwächung durch Rauch in einer Messtrecke
zur Alarmsignalgabe ausgenützt wird. In diesem Fall wird das Element aus einer Formgedächtnislegierung
so ausgebildet, dass es bei Erreichen der kritischen Temperatur in die Messtrecke
hineinschwenkt und ebenfalls eine Strahlungsschwächung verursacht.
[0020] Die Figuren 2 und 3 zeigen einen Ionisationsrauchmelder mit einer Basisplatte 41,
an dessen Unterseite eine Ionisationsmesskammer 42 angebracht ist, und dessen Oberseite
eine Referenzionisationskammer 43 trägt. Im Zentrum der Basisplatte 41 ist auf beiden
Seiten jeweils eine Mittelelektrode 44 und 45 für die Ionisationsmesskammer 42 und
die Referenzkammer 43 angebracht. Die Mittelelektroden 44 und 45 tragen je ein radioaktives
Präparat 46 und 47, durch welches die Luft in den beiden Kammern ionisiert wird. Als
Gegenelektroden der beiden Kammern 42 und 43 dienen das gitterförmig ausgebildete
Gehäuse 48 der Ionisationsmesskammer 42 und das luftundruchlässige Gehäuse 49 der
Referenzkammer 43. Entsprechende Konstruktionen und Auswerteschaltungen solcher Ionisationsrauchmelder
sind beispielsweise aus den Schweizer-Patenten Nr. 486 082 und 489 070 bekannt.
[0021] Die Funktion solcher Ionisationsrauchmelder beruht auf der Tatsache, dass Rauchpartikel
oder Brandaerosol, welches in die Ionisationsmesskammer 42 eingedrungen ist, den zwischen
der Mittelektrode 44 und der als Gegenelektrode dienenden Gehäusewand 48 fliessenden
Ionenstrom herabsetzen. Diese Stromverminderung wird über eine zugehörige Auswerteschaltung
in bekannter Weise zur Auslösung eines Alarmsignales benützt.
[0022] Zusätzlich enthält der in den Figuren 2 und 3 dargestellte Ionisationsrauchmelder
ein temperaturempfindliches Element 40 aus einer Formgedächtnislegierung, dessen eines
Ende an der Basisplatte 41 befestigt ist. Das temperaturempfindliche Element 40 ist
so angebracht, dass es im kaltverformten Zustand die von der Strahlungsquelle 46 ausgehende
radioaktive Strahlung nicht oder nur wenig beeinflusst. Wird nun jedoch die kritische
Temperatur der verwendeten Formgedächtnislegierung überschritten, so bewegt sich das
freie Ende des temperaturempfindlichen Elementes in die ursprünglich eingeprägte Lage.
Dabei wird eine an diesem freien Ende angebrachte Fahne 50 über die radioaktive Quelle
46 hinweg bewegt und schirmt deren radioaktive Strahlung grösstenteils ab. Die Folge
ist eine Verminderung des Ionenstromes zwischen der Mittelelektrode 44 und der als
Gehäusewand ausgebildeten Gegenelektrode 48, in gleicher Weise wie wenn Rauch oder
Brandaerosol in das Innere der Ionisationsnesskammer 42 eingedrungen wäre. Bei Ueberschreitung
der kritischen Temperatur wird daher ebenfalls über die gleiche Auswerteschaltung
ein Alarmsignal ausgelöst.
[0023] Eine nur wenig von dieser Ausführungsform abweichende Modifikation benützt das temperaturempfindliche
Element 40 als Träger einer ortsveränderlichen Elektrode, um unabhängig von der Strahlungsquelle
46 das elektrische Feld direkt so zu beeinflussen, dass die gewünschte Stromänderung
eintritt.
[0024] Die Verwendung eines temperaturempfindlichen Elementes aus einer Formgedächtnislegierung
in einem rauchempfindlichen Brandmelder weist also den Vorteil auf, dass mit einem
minimalen Aufwand eine sichere und selbsthaltende Alarmsignalgabe bei Erreichen einer
kritischen Temperatur erzielbar ist, ohne die Notwendigkeit von Komponenten mit engen
Toleranzen und mit einer genauen Justierung. Die beschriebenen Brandmelder weisen
den weiteren Vorteil auf, dass keine mechanische Kontaktgabe erforderlich ist, sondern
durch das temperaturempfindliche Element aus einer Formgedächtnislegierung der rauchempfindliche
Fühler in gleicher Weise beeinflusst wird als wenn Rauch vorhanden ist. Somit kann
sowohl für den Nachweis von Rauch als auch einer Temperaturänderung die gleiche Auswerteschaltung
verwendet werden. Ein so ausgebildeter Brandmelder weist also eine erhöhte Funktionssicherheit
über längere Betriebszeiten, sowie eine verminderte Störanfälligkeit auf.
1. Brandmelder mit einem rauchempfindlichen Fühler (36, 42) und mit einem temperaturempfindlichen
Element (39, 40), welches bei Ueberschreitung einer vorgegebenen kritischen Temperatur
durch seine Formänderung ein Alarmsignal auslöst, dadurch gekennzeichnet, dass das
temperaturempfindliche Element (39, 40) eine Formgedächtnislegierung aufweist, welche
bei Ueberschreitung der kritischen Temperatur in ihre eingeprägte Form zurückkehrt.
2. Brandmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung
Nickel und Titan enthält.
3. Brandmelder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung
eine kritische Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 100°C, vorzugsweise in der
Umgebung von 700C aufweist.
4. Brandmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
rauchempfindliche Fühler eine Strahlungsquelle (35) aufweist, welche Strahlung in
einen Strahlungsbereich (36) aussendet, sowie einen Strahlungsempfänger (38), welcher
von Streustrahlung im Strahlungsbereich (36) getroffen wird, wobei das temperaturempfindliche
Element (39) aus einer Formgedächtnislegierung so angebracht ist, dass es sich bei
Rückverformung bei Ueberschreitung der kritischen Temperatur in den Strahlungsbereich
(36) hineinbewegt und die an Teilen des temperaturempfindlichen Elementes (39) reflektierte
und gestreute Strahlung den Strahlungsempfänger (3) trifft.
5. Brandmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Strahlungsquelle vorgesehen ist, deren Strahlung einem Strahlungsempfänger zugeleitet
und bei Anwesenheit von Rauch geschwächt wird, wobei das temperaturempfindliche Element
so ausgebildet und angebracht ist, dass es bei Rückverformung die auf den Strahlungsempfänger
geleitete Strahlung abschwächt.
6. Brandmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
rauchempfindliche Fühler eine Ionisationskammer (42) aufweist, in der mit einem radioaktiven
Präparat (46) der Zwischenraum zwischen zwei Elektroden (44, 48) ionisiert wird, wobei
das temperaturempfindliche Element (40) aus einer Formgedächtnislegierung so ausgebildet
und angeordnet ist, dass es bei der Rückverformung bei Ueberschreitung der kritischen
Temperatur die Strahlung der radioaktiven Strahlungsquelle (46) zumindest teilweise
abschattet und den Ionenstrom zwischen den Elektroden (44, 48) vermindert.
7. Brandmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das's der
rauchempfindliche Fühler als Ionisationskammer mit einem radioaktivem Präparat und
zwei Elektroden ausgebildet ist, zwischen denen ein elektrisches Feld herrscht, wobei
das temperaturempfindliche Element aus einer Formgedächtnislegierung so ausgebildet
und angebracht ist, dass eine Elektrode bei dessen Rückverformung ortsveränderlich
unter Aenderung des elektrischen Feldes ist.
8. Brandmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das
temperaturempfindliche Element eine Formgedächtnislegierung mit Hysterese-Verhalten
aufweist, die ausser der kritischen Temperatur, bei welcher sie sich in Richtung ihrer
eingeprägten Form zurückbewegt, eine untere Temperaturschwelle besitzt, wobei sie
bei Abkühlung auf diese sich wiederum in Richtung der Formänderung verformt.
9. Brandmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung
wenigstens ein weiteres Metall, vorzugsweise Kupfer enthält.
10. Brandmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Temperaturschwelle
unter der Raumtemperatur liegt.