手持式节能型超声波灭火器

刘名利，张 欣，赖志洋

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

1 项目背景及研究意义

近年来，我国经济迅猛发展，越来越多的电气自动化设备丰富着人们的生活，然而这也给我国的火灾消防带来了巨大挑战。汽车火灾，生活用火、用电、用气等方面均存在较大的火灾隐患，最好的办法是安装车载自动灭火装置。但由于经济、技术等各方面的因素，在私家车上安装自动灭火装置，短时间内还不能得到广泛使用。

目前常用的灭火器有4种，分别是干粉灭火器、超细干粉灭火器、二氧化碳灭火器、泡沫灭火器。近些年，日本东京消防署发明了一种超声波灭火器。超声波灭火靠的是声压而不是风压，其灭火机理为：超声波的高频振荡性使火焰内物质迅速丧失温度，同时使燃烧气体脱离燃烧材料。超声波是人耳听不到的声波，灭火时不发出任何声响。

此外，超声波灭火效率高，对人体和环境不会造成危害，同时避免了多次充装灭火剂带来的不必要麻烦。相比传统灭火器而言，超声波灭火器更适合应用在大型机房、精密仪器、博物馆名人字画、典藏书籍、存储数据的电器设备发生火情时的灭火场合。基于此，我们设计了这款手持式节能型超声波灭火器，在达到灭火目的的同时又节能减排，方便人们的使用和储存。

2 项目的创新之处

该手持式节能型超声波灭火器的创新之处在于：①利用超声波灭火不必使用传统的灭火剂，指向性好，使用方便；②超声波人耳听不到，不会给人身和环境带来危害；③使用电能作为能源并以手摇发电模块为辅，作用时间长且不用多次填充能量。

3 项目的研究内容和研究目标

3.1 主要研究内容

该项目主要研究内容包括以下几点：①超声波灭火频率的选择。通过控制单一变量进行对比试验并进一步调试选择合适的频率范围，达到高效灭火的目的。②灭火器外壳材料的选择。手持式灭火器外壳首先应该具有的性质是耐火，其次应该选择质量小的材料，在不损坏内部设备的情况下，减轻灭火人员的手部负担。③伸缩手柄的结构设计。这种结构设计使操作者可以根据火源大小、远近合理地调整手柄的长短，增强实用性。④增设手摇发电模块。利用电源转换器人工给灭火器提供电能，以应对野外无电或者蓄电池电量不足等紧急情况的发生。

3.2 项目研究目标

该项目的研究目标为：使超声波与灭火器相结合，采用电力驱动，在特定环境下来代替以喷洒灭火剂来达到灭火目的的传统灭火器；在方便操作者使用及保证灭火质量的同时，又能实现节能环保。

4 实施方案及拟采取研究方法和技术路线

本装置结构部分由超生波发生模块、角度调整模块和手柄夹持模块3部分构成。超生波发生模块及工作必须的电源和控制部分，通过电路开关控制超声波装置的开启与关闭；角度调整模块通过调整角度使超声波束更加准确地对准火源，方便操作者使用；手柄夹持模块起到固定作用。

4.1 超声波发生模块

IC1（NE555）构成时钟振荡器，产生频率为1 Hz的时钟信号。此信号作用于IC2（CD4017）的时钟输入CP端，使IC2的输出端Q0～Q9依次输出高电平，各输出端高电平持续期均为1 s。IC3（NE555）构成超声波振荡器，由于IC2 Q0～Q9输出端的电阻R4～R13的阻值各不相同，它们与C3组成的充电时间常数不同，因此在Q0～Q9依次为高电平的各个时段内，IC3输出的振荡频率不同。当Q0为高电平时，IC3输出约30 Hz的信号；当Q9为高电平时，IC3输出约60 Hz的信号。10种频率的信号持续期各为1 s，周而复始地产生，因而压电扬声器B周而复始地发出10种不同频率的超声波；或者使用控制开关，使其持续输出单一频率的超声波。

4.2 角度调整模块

角度调整模块只实现单一维度上的调整，也就是使超声波发生器上下调整，而左右方向上的调整则为人工自行实现。

4.3 手柄夹持模块

手柄夹持模块可以旋上来夹持灭火器使用者的小臂，起稳固作用，便于灭火者侧身单手操作。

5 项目研究基础和可行性分析

5.1 项目研究基础

本项目以超声波熄灭蜡烛现象为现实依据，并以超声波利用其高频振荡性使火焰与燃烧物隔离达到灭火目的为科学基础，提出一种可以手持的节能型超声波灭火器，通过机械结构的巧妙设计及制作搭建出本项目模型。

5.2 可行性分析

超声波灭火可行性从4个方面进行分析，具体如下。

5.2.1 科学性原理

超声波是一种高频声波，它的特点为具有指向性、高频率振荡性等。超声波的指向性可以让它很好地对准火源，超声波的高频率振荡性可以让火焰内物质迅速丧失温度，同时使燃烧气体脱离燃烧材料，达到灭火的目的。

5.2.2 先进性原理

此手持式节能型超声波灭火器完全突破了传统灭火器需要灭火剂的困境，因为对于飞船或是潜艇来说，即使再少的灭火剂也是很大的负担，况且传统灭火剂的工作时间很短，工作效率较低。而此种超声波灭火器是由电驱动的，且耗电少，有电池供电，还可附加手摇发电，所以作用时间长，效率高。该超声波灭火器更大的优点就是不会对飞船或潜艇造成破坏和污染。因为超声波具有严格的指向性和作用距离，所以作用范围是有限的和可控的。

5.2.3 实用性原理

超声波在我们的生产生活中已经是随处可见，超声波技术也已经是非常成熟的技术。而在飞船和潜艇密闭、微重力环境中，传统的灭火器因为质量大、灭火效率低和不能持久灭火、极易造成重大破坏等缺点，在太空失火事故处理中无法得到运用。而超声波灭火器因为造价低、作用时间长、不会产生污染等优点成为飞船和潜艇中可行的灭火设备。

5.2.4 材料方面

目前耐火轻型材料也有很多可供选择，例如石油焦、木炭、烟煤、木质素等的烧尽物，多空耐热材料以及各大公司生产的新型轻质耐火材料等。

6 项目研究的预期成果

手持式节能型超声波灭火器可以避免多次充填灭火剂带来的麻烦，同时采用手摇发电以应对蓄电不足的情况。该种灭火器不会对环境和人身产生危害，相对于传统灭火器而言，从长远看来经济成本低廉。此外，由于该灭火器灭火方式对机械类的仪器仪表不会产生损害，可以用于企业工厂、博物馆、图书馆等领域，应用前景十分可观。