DE3714117A1 - Rauch- und/oder waermeerfassungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Rauch- und/oder Wärmeerfassungseinrichtungen und insbesondere auf die Verwendung wärmeempfindlicher Leiter, die auf die Gegenwart von Rauch und/oder Wärme auf wirksame Weise ansprechen.

Isolierende Materialien mit temperaturabhängigen elektrischen Widerstands- oder Kapazitätseigenschaften wurden seit langem in ausgedehntem Maße in Anwendungen zur Wahrnehmung und Steuerung einer Überhitzung eingesetzt. So wird durch die US-PS 25 81 212 ein Überhitzungsschutz für elektrische Heizdecken und ähnliche Artikel bei der Verwendung derartiger Materialien vorgesehen, um hierbei einen wesentlichen Sicherheitsfaktor zu gewährleisten. Gemäß den Lehren dieser Patentschrift wird das Isoliermaterial wirksam mit Schaleinrichtungen verbunden und ist mit dem Heizelement koextensiv, so daß, wenn die Temperatur irgendwo in der Decke ein vorherbestimmtes Maximum überschreitet, die Stromversorgung zum Heizen der Decke unterbrochen wird. Weil dieses Isoliermaterial sich nicht physikalisch ändert oder sonstwie nicht in einer derartigen Funktion irreversibel verändert wird, ist es für diesen Zweck wiederholt brauchbar, da es als eine Art von elektrischem Schalter wirkt, welcher die Betriebstemperaturgrenzen der Decke ständig überwacht.

Im Stand der Technik werden verschiedene Isoliermaterialien als für eine derartige Verwendung geeignet beschrieben. Diese schließen außer dem bevorzugten Polyamid-Harz (Nylon) der vorerwähnten Patentschrift, polymere organische Materialien, wie beispielsweise Polyvinylchlorid und Celluloseester ein, die Additive enthalten, welche die gewünschten elektrischen Eigenschaften verleihen. In der US-PS 27 45 944 wird noch eine andere Materialart, nämlich schwefelgehärtetes Butadien- Acrylnitril-Elastomeres, für diesen gleichen Zweck offenbart. Dieses Material und all die anderen des Standes der Technik sind jedoch in der einen oder anderen Hinsicht schlechter als erwünscht und die allgemeine Erkenntnis dieser Tatsache hat trotzdem bisher im Endergebnis zu keinem wärmeempfindlichen Isoliermaterial geführt, das sich dem Ideal nähert, welches die besten Eigenschaften und Charakteristiken von jedem der bisherigen in sich vereinigt, jedoch von deren Hauptnachteilen frei oder zumindest bis zu einem hohen Grade frei ist, wobei diese Eigenschaften relativ niedrige Werte und Verhältnisse der Änderungen in der Impedanz mit der Temperatur, und, im Falle des spezifischen Durchgangswiderstandes für Gleichstrom, hohe Werte des Durchgangswiderstandes und niedrige Verhältnisse der Änderungen in dem Durchgangswiderstand mit der Temperatur sind. Außerdem verschiebt, wie im Fall von Nylon-Harz, die Wirkung der Feuchtigkeit die Werte des spezifischen Widerstandes bis zu dem Ausmaß, daß Steuerstromkreise ein Problem werden.

Die praktische Bedeutung derartiger Mängel der wärmeempfindlichen Materialien des Standes der Technik ist aus der kommerziellen Erfahrung mit Heizdecken offensichtlich. So verliert die Nylon-Isolierung, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt wird, vorübergehend ihre erwünschten elektrischen Eigenschaften bis zu einem hohen Ausmaß in lediglich einer oder zwei Stunden, und selbst obwohl diese Isolierung in einer Heizdecke mit einer Polyethylenschicht und einer darüber liegenden Schicht von Polyvinylchlorid bedeckt ist, wie dies in der oben erwähnten US-PS 25 81 212 beschrieben ist.

Die verhängnisvolle Wirkung der Anwesenheit von freiem Schwefel in der wärmeempfindlichen Isolierung auf Drähten des Typs, wie sie in elektrischen Heizdecken-Anordnungen eingesetzt werden, wurde in Versuchen unter normalen Betriebsbedingungen gezeigt, wobei lediglich 6 Stunden bis zum Ausfall des Drahtes vergingen.

In der US-PS 46 16 124 ist eine neue Klasse von wärmeempfindlichen, isolierenden Zusammensetzungen angegeben, die zur Verwendung in Rauch- und/oder Wärmedetektoren besonders geeignet sind. Allgemein gesprochen enthalten die Zusammensetzungen eine Mischung aus einem polymeren Material, einem Füllstoff, einem Plastizierer usw. in einem Verhältnis, um die gewünschten elektrischen, physikalischen und Verarbeitungscharakteristiken zum Erhalt des Produktes zu optimieren.

Das gewählte, polymere Material sollte im wesentlichen keinen freien Schwefel enthalten. Im Falle der Acrylnitril- Butadien-Formulierungen muß das Acrylnitril in einer Menge von wenigstens 1% vorhanden sein; und für das carboxylierte Material sollten die Säure-Monomer- Einheiten in einer Menge von wenigstens 0,5% vorhanden sein.

Zusätzlich zu der Härtbarkeit durch entweder schwefelhaltige Kombinationen oder Peroxid kann das carboxylierte Polymer durch Zinkoxid gehärtet werden. Ferner können beide Polymeren (carboxyliertes und nicht-carboxyliertes Acrylnitril-Butadien) als Plastizierer für ein derartiges Harz, wie beispielsweise Polyvinylchlorid, verwendet werden.

In der Praxis wird ein Acrylnitril- Butadien-Kautschuk mit einem relativ hohen Acrylnitril-Anteil verwendet, der Verhältnisse der spezifischen induktiven Kapazität (S.I.C.) bei 90°C im Verhältnis zu derjenigen bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 10 oder mehr hat. Diese Materialien enthalten vorzugsweise etwa 20 bis 25 Gew.-% Acrylnitril. Weiterhin enthalten Acrylnitril-Butadien- Kautschuks vorzugsweise Carboxyl-Gruppen, die die interessierenden, gewünschten elektrischen Eigenschaften weiter verbessern, wobei diese durch Copolymerisation mit Acrylnitril und Butadien eingeführt werden, die üblicherweise aus Acrylsäure, Methylacrylsäure, Maleinsäure oder ähnliches abgeleitet werden. Vorzugsweise ist die Menge an Carboxylgruppen größer als die Minimalmenge von 0,5 Gew.-%. Geeignete Polymeren, die im Handel erhältlich sind, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle

Wie bei Acrylnitril-Butadien-Elastomeren enthält das Aushärtsystem Schwefel im freien Zustand, schwefelhaltige Bestandteile, in denen Schwefel in kombinierter Form verfügbar ist, und Peroxid. Zusätzlich können carboxylierte Acrylnitril-Butadien-Kombinationen mit einem metallischen Oxid, wie beispielsweise Zinkoxid, gehärtet werden, wobei dies das bevorzugte Aushärtsystem ist. Die Menge an Zinkoxid für diesen Zweck kann von 1 bis 10 Teile bis 100 Teile des Elastomeren betragen.

Zusätzlich zu den überlegenen, gewünschten elektrischen Eigenschaften haben die carboxylierten Elastomeren im gehärteten Zustand die zusätzlichen Attribute von erhöhter Härte, Zugfestigkeit, Ozonbeständigkeit und Abriebbeständigkeit.

Wenn es nicht möglich ist, das polymere Material auf einem Leiter auszuhärten, können Mischungen aus entweder dem Acrylnitril-Butadien oder dem carboxylierten Acrylnitril- Butadien in Kombination mit einem geeigneten Harz, wie beispielsweise Polyvinylchlorid, verwendet werden. Bei jeder Aushärtung wirkt das Elastomere als ein wandernder Plastizierer und die Mischung wird als ein reines Thermoplast betrachtet. Die bevorzugten Verhältnisse des Kunstharzes zu dem Elastomeren liegen in dem Bereich von 1 : 4 bzw. 1 : 1

Die vorgenannten Kombinationen haben, wenn sie ein carboxyliertes Elastomer enthalten, den zusätzlichen Vorteil, die natürlichen Eigenschaften des carboxylierten Elastomeren selbst im ungehärteten Zustand beizubehalten.

Zusätzlich verbessert Ton und insbesondere ein Kaolin, wie beispielsweise Catalpo-Ton (Warenzeichen der Freeport Kaolin Company) das S.I.C.-Verhältnis (Verhältnis der spezifischen induktiven Kapazität) und den Durchgangswiderstand.

In der deutschen Patentanmeldung P 37 10 879.4 sind Stromkabel angegeben, bei denen Temperaturänderungen unter Verwendung des vorstehend beschriebenen polymeren Materials überwacht werden.

Der Aufbau und die Arbeitsweise von Rauchdetektoren und Wärme(Feuer)detektoren und Einrichtungen mit diesen Merkmalen (features) sind allgemein bekannt.

Beispielsweise sind Einzel- und Doppel-Ionisationskammern in der Veröffentlichung "Ionisation Type Smoke Detector Technology" von Michael Byrne, 13. Mai 1981, beschrieben. Bei einem Einzelkammeraufbau emitiert eine radioaktive Quelle Alphateilchen, um Elektronen aus den Luftmolekülen herauszulösen, um dadurch positive Ionen zu erzeugen. Die Elektronen hängen sich nahezu augenblicklich an andere Moleküle an, um dadurch negative Ionen zu erzeugen.

Wenn eine Spannung zwischen die Elektroden angelegt wird, wandern diese Ionen unter dem Einfluß des elektrischen Feldes und bilden somit einen Strom aus. Wenn die Rauchteilchen in den Bereich zwischen den Platten eintreten, heften sich durch Diffusion einige der Ionen an diese Rauchteilchen an. Dies bewirkt eine Verkleinerung des fließenden Stromes, da die Rauchteilchen viel zu massiv sind für das elektrische Feld zwischen den Platten, um dadurch merklich abgelenkt zu werden. Diese Verkleinerung des Stromes wird detektiert und zum Auslösen des Alarms verwendet.

Der Doppelionisationskammer-Aufbau enthält eine Rauchabtastkammer, die Zugang zu der Umgebungsluft hat, und eine weitere Referenzkammer, die nahezu vollständig abgeschlossen ist. Die zwei Kammern sind in Reihe angeordnet. Die relativen Geometrien der Kammern sind so angeordnet, daß die Referenzkammer, da die Spannung über ihr hoch genug ist, im Sättigungsbereich ihrer Kennlinie arbeitet. Die Rauchkammer arbeitet in ihrem linearen Bereich, da dies der Bereich ist, wo sie gegenüber Rauch am empfindlichsten ist. Wenn Rauch in die Kammer eintritt, wird die Ionenkonzentration, die zu dem Ionisationsstrom beiträgt, verkleinert. Da jedoch die Referenzkammmer vom elektrischen Standpunkt aus im wesentlichen eine konstante Stromquelle darstellt, nimmt die Spannung über der Rauchkammer zu, wodurch das Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Gegenwart von Rauch und/ oder Wärme geliefert wird.

Verbesserungen bei Ionisations-Rauchdetektoren sind in den letzten Jahren gemacht worden, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften 41 85 196, 41 85 197 and 42 20 262 beschrieben sind.

Andere Arten von Rauch- und/oder Wärmedetektoren sind dem Fachmann allgemein bekannt.

Trotz all der Beschäftigung mit Rauch- und/oder Wärmedetektoren besteht immer noch ein Bedürfnis an einer Verbesserung der elektrischen Isolierfähigkeiten von Leitern, die in derartigen Vorrichtungen verwendet werden, damit die Vorrichtungen verbesserte Werte und Verhältnisse von Impedanzänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur und, in Bezug auf den Gleichstrom-Durchgangswiderstand, hohe Werte für den Durchgangswiderstand und kleine Verhältnisse von Änderungen im Durchgangswiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur haben. Weiterhin sind auch Verbesserungen in der Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeitsänderungen wünschenswert, um dadurch Verschiebungen in den Werten des Impedanzwiderstands zu verkleinern.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Rauch- und/oder Wärmedetektor zu schaffen, der auf kleine Werte bzw. Mengen an Wärme und Rauch empfindlich ist und widerstandsfähiger ist gegenüber Änderungen in den Feuchtigkeitswerten. Ferner soll der Rauch- und/oder Wärmedetektor verbesserte Temperatur/Impedanz-Verhältnisse aufweisen.

Erfindungsgemäß wird eine Rauch- und/oder Feuererfassungseinrichtung geschaffen, die eine Rauch- und/oder Feuerabtasteinrichtung, wie beispielsweise eine Ionisationskammer, aufweist die in Ionisations-Rauchdetektoren oder anderen, ähnlichen Vorrichtungen verwendet wird, die allgemein bekannt sind.

Ein erster Referenz-Drahtleiter und ein zweiter Abtast- Drahtleiter sind beide mit einer elektrischen Stromquelle und funktionsmäßig mit der Rauch- und/oder Feuerabtasteinrichtung verbunden.

Die ersten und zweiten Drähte sind auf ihren vollen Längen in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet und in einem Körper mit gleicher Ausdehnung aus einem wärmeempfindlichen, polymeren Material eingebettet, das ein wärmehärtbarer Acrylnitril-Butadien-Kautschuk oder eine thermoplastische Mischung aus einem Polyvinylchlorid und einem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk sein kann, das wenigstens 1% Acrylnitril enthält. Der thermoplastische Kautschuk nach dem Härten und die thermoplastische Mischung sind im wesentlichen frei von Schwefel.

Weiterhin sind in der Einrichtung gemäß der Erfindung Betätigungsmittel vorhanden, die funktionsmäßig einer Signaleinrichtung und den ersten und zweiten Drähten zugeordnet sind und die die Signaleinrichtung betätigen, wenn der Gleichstromwiderstand zwischen den ersten und zweiten Drähten ein vorbestimmtes Maximum überschreitet.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung, wobei gewisse Teile weggelassen sind, von zwei parallelen Leitern, die in der wärmeempfindlichen Zusammensetzung derart eingebettet sind, daß Temperaturmessungen zwischen den zwei Leitern durch die Zusammensetzung des Isoliermaterials gemacht werden können, um das System zu Rauch- und/oder Wärmesteuerzwecken zu überwachen.

Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild eines die Temperatur abtastenden Rauch- und Wärmedetektor- Alarmsystems gemäß der Erfindung.

Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild von einem anderen Ausführungsbeispiel des die Temperatur abtastenden Rauch- und Wärmedetektor-Alarmsystems.

Bei der Ausführung der Erfindung wird Acrylnitril-Butadien- Kautschuk mit dem relativ hohen Acrylnitrilanteil verwendet, der S.I.C.-Verhältnisse (90°C auf Raumtemperatur) in der Größenordnung von 10 oder mehr hat, wie es in der eingangs genannten US-PS 46 16 124 angegeben ist.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung, wie sie in einem typischen Rauch- und/oder Wärmeabtastsystem verwendet wird.

Eine isolierte Struktur 1 enthält Kupferdrähte 2 und 3, die im Abstand von etwa 0,25 mm (10 mils) angeordnet und isoliert und zu einer integralen Struktur vereinigt sind, mit einer Schicht aus temperaturempfindlichen Material 4, das die gleiche Ausdehnung wie die Drähte hat. Dieser Aufbau ist in der perspektivischen Darstellung gemäß Fig. 1 deutlich dargestellt.

Fig. 2 zeigt in einem schematischen Schaltbild einen Stromkreis, der in der Einrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Die Einrichtung ist eine temperaturempfindliche Rauch- und/oder Wärmeabtastvorrichtung, die betätigt wird, um durch Schall oder auf andere Weise einen Rauch- oder einen Übertemperaturzustand immer dann zu signalisieren, wenn die Differenz in der Temperatur zwischen dem Steuer- oder Umgebungsleiter und dem Fühlerleiter ein vorbestimmtes Maximum überschreitet. In der dargestellten Vorrichtung wird die Gleichstrom-Widerstandsdifferenz zwischen den Drähten 2 und 3, von denen jeder als die Umgebungsreferenz dienen kann, kontinuierlich überwacht. Draht 2 ist mit einem Komparatorgatter 5 verbunden, während Draht 3 mit einem Komparatorgatter 6 verbunden ist, wobei die zwei Drähte mit einer Batterie (nicht gezeigt) verbunden sind und die gleiche Ausdehnung haben und im Abstand von etwa 0,25 mm (10 mils) über ihren Längen durch eine Zone 7 angeordnet sind, in der die Temperatur überwacht werden soll. Die Zone 7 besteht aus dem Abschnitt des Isoliermantels 4, der zwischen den Drähten 2 und 3 angeordnet ist.

Bei einer Umgebungs-Rauchkonzentration und/oder Anlauftemperatur sind die Gatter 5 und 6 auf die gleiche Spannung durch Abgleichsteuerungen 8 bzw. 9 eingestellt. Die zwei Gatter sind wiederum auf eine unterschiedliche gemeinsame Referenzspannung eingestellt, die routinemäßig ermittelt werden kann, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung festzulegen. Wenn die Gatter 5 und 6 abgeglichen sind, überwacht ein Differenzgatter 10 Potentialdifferenzen, und eine genügend hohe Spannungsdifferenz wird einen Alarm 11 auslösen.

Die Drähte 2 und 3 sind mit der Rauch- und/oder Wärmeabtastvorrichtung 12, wie beispielsweise eine Ionisationskammer, verbunden. Wenn dann Rauch und/oder Wärme in der Rauchabtastvorrichtung erzeugt wird, wird das Signal durch die Drähte 2 und 3 detektiert, in den Gattern 5, 6 und 10 interpretiert und das detektierbare Signal wird durch den Alarm 11 registriert.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem offenen Stromkreis, wobei die Drähte 2 und 3 mit einer Endkappe versehen und deshalb nicht direkt mit den Komparatoren 5 und 6 verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel können die Komparatoren 5 und 6 weggelassen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, oder als Teil des Differenzverstärkers vorgesehen sein.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die speziellen Mittel und Komponenten, die für die Zwecke und Funktionen der Komparatorgates, der Abgleichsteuerungen, des Differenzgatters und der Alarmvorrichtung verwendet werden, in einem wesentlichen Maß frei gewählt werden können.

Claims (11)

1. Rauch- und/oder Wärmeabtasteinrichtung, gekennzeichnet durch:

• a) eine Rauch- und/oder Feuerdetektorvorrichtung,
• b) einen ersten Referenz-Drahtleiter und einen zweiten Fühler-Drahtleiter, wobei beide mit einer elektrischen Stromquelle und der Rauch- und/oder Wärmeabtastvorrichtung verbunden sind,
• c) eine Signaleinrichtung und
• d) Betätigungsmittel, die der Signaleinrichtung und den ersten und zweiten Drähten zugeordnet sind, um die Signaleinrichtung zu betätigen, wenn der Gleichstromwiderstand zwischen den ersten und zweiten Drähten ein vorbestimmtes Maximum überschreitet, wobei die ersten und zweiten Drähte auf ihrer gesamten Länge in einem gleichförmigen Abstand angeordnet und in einen eine gleiche Länge aufweisenden Körper aus wärmeempfindlichem polymerem Material eingebettet sind, das im wesentlichen (1) aus einem wärmehärtbaren Acrylnitril-Butadien- Kautschuk, der wenigstens 1 Gew.-% Acrylnitril enthält, oder (2) einer thermoplastischen Mischung aus einem Polyvinylchlorid und einem Acrylnitril-Butadien- Kautschuk besteht, der wenigstens 1% Acrylnitril enthält, wobei der thermoplastische Kautschuk (1) nach dem Aushärten und die thermoplastische Mischung (2) im wesentlichen keinen Schwefel enthalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der spezifischen induktiven Kapazität (S.I.C.) des Acrylnitril-Butadien-Kautschuks von 90°C zu Raumtemperatur größer als etwa 10 ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Acrylnitril-Butadien-Kautschuk 20 bis 45 Gew.-% Acrylnitril-Monomer-Einheiten enthält.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Acrylnitril-Butadien-Kautschuk in den Alternativen (1) oder (2) wenigstens 0,5 Gew.-% Carbonsäure-Monomer- Einheiten enthält.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmehärtbare carboxylierte Acrylnitril-Butadien- Kautschuk von (1) mit einem Metalloxid ausgehärtet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid Zinkoxid ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material eine thermoplastische Mischung aus einem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, der wenigstens 5% der Carbonsäure-Monomer-Einheiten enthält, und 5% bis 95% Polyvinylchlorid ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der spezifischen induktiven Kapazität (S.I.C.) des polymeren Materials bei 90°C zu derjenigen bei Raumtemperatur größer als etwa 10 ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material zugemischt und verbunden ist und Zinkoxid das Aushärtmittel ist und die Mischung wenigstens 7% Kaolinton enthält, wobei das verbundene, polymere Material ein Verhältnis der spezifischen induktiven Kapazität bei 90°C zu derjenigen bei Raumtemperatur größer als 30 hat.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauch- und/oder Feuerabtastvorrichtung wenigstens eine Ionisationskammer ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Drähte in einem gleichförmigen Abstand von etwa 0,25 mm (10 mils) angeordnet sind.