手持式節能型超聲波滅火器

劉名利，張 欣，賴志洋

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

1 項目背景及研究意義

近年來，我國經濟迅猛發展，越來越多的電氣自動化設備豐富著人們的生活，然而這也給我國的火災消防帶來了巨大挑戰。汽車火災，生活用火、用電、用氣等方面均存在較大的火災隱患，最好的辦法是安裝車載自動滅火裝置。但由于經濟、技術等各方面的因素，在私家車上安裝自動滅火裝置，短時間內還不能得到廣泛使用。

目前常用的滅火器有4種，分別是干粉滅火器、超細干粉滅火器、二氧化碳滅火器、泡沫滅火器。近些年，日本東京消防署發明了一種超聲波滅火器。超聲波滅火靠的是聲壓而不是風壓，其滅火機理為：超聲波的高頻振蕩性使火焰內物質迅速喪失溫度，同時使燃燒氣體脫離燃燒材料。超聲波是人耳聽不到的聲波，滅火時不發出任何聲響。

此外，超聲波滅火效率高，對人體和環境不會造成危害，同時避免了多次充裝滅火劑帶來的不必要麻煩。相比傳統滅火器而言，超聲波滅火器更適合應用在大型機房、精密儀器、博物館名人字畫、典藏書籍、存儲數據的電器設備發生火情時的滅火場合?；诖耍覀冊O計了這款手持式節能型超聲波滅火器，在達到滅火目的的同時又節能減排，方便人們的使用和儲存。

2 項目的創新之處

該手持式節能型超聲波滅火器的創新之處在于：①利用超聲波滅火不必使用傳統的滅火劑，指向性好，使用方便；②超聲波人耳聽不到，不會給人身和環境帶來危害；③使用電能作為能源并以手搖發電模塊為輔，作用時間長且不用多次填充能量。

3 項目的研究內容和研究目標

3.1 主要研究內容

該項目主要研究內容包括以下幾點：①超聲波滅火頻率的選擇。通過控制單一變量進行對比試驗并進一步調試選擇合適的頻率范圍，達到高效滅火的目的。②滅火器外殼材料的選擇。手持式滅火器外殼首先應該具有的性質是耐火，其次應該選擇質量小的材料，在不損壞內部設備的情況下，減輕滅火人員的手部負擔。③伸縮手柄的結構設計。這種結構設計使操作者可以根據火源大小、遠近合理地調整手柄的長短，增強實用性。④增設手搖發電模塊。利用電源轉換器人工給滅火器提供電能，以應對野外無電或者蓄電池電量不足等緊急情況的發生。

3.2 項目研究目標

該項目的研究目標為：使超聲波與滅火器相結合，采用電力驅動，在特定環境下來代替以噴灑滅火劑來達到滅火目的的傳統滅火器；在方便操作者使用及保證滅火質量的同時，又能實現節能環保。

4 實施方案及擬采取研究方法和技術路線

本裝置結構部分由超生波發生模塊、角度調整模塊和手柄夾持模塊3部分構成。超生波發生模塊及工作必須的電源和控制部分，通過電路開關控制超聲波裝置的開啟與關閉；角度調整模塊通過調整角度使超聲波束更加準確地對準火源，方便操作者使用；手柄夾持模塊起到固定作用。

4.1 超聲波發生模塊

IC1（NE555）構成時鐘振蕩器，產生頻率為1 Hz的時鐘信號。此信號作用于IC2（CD4017）的時鐘輸入CP端，使IC2的輸出端Q0～Q9依次輸出高電平，各輸出端高電平持續期均為1 s。IC3（NE555）構成超聲波振蕩器，由于IC2 Q0～Q9輸出端的電阻R4～R13的阻值各不相同，它們與C3組成的充電時間常數不同，因此在Q0～Q9依次為高電平的各個時段內，IC3輸出的振蕩頻率不同。當Q0為高電平時，IC3輸出約30 Hz的信號；當Q9為高電平時，IC3輸出約60 Hz的信號。10種頻率的信號持續期各為1 s，周而復始地產生，因而壓電揚聲器B周而復始地發出10種不同頻率的超聲波；或者使用控制開關，使其持續輸出單一頻率的超聲波。

4.2 角度調整模塊

角度調整模塊只實現單一維度上的調整，也就是使超聲波發生器上下調整，而左右方向上的調整則為人工自行實現。

4.3 手柄夾持模塊

手柄夾持模塊可以旋上來夾持滅火器使用者的小臂，起穩固作用，便于滅火者側身單手操作。

5 項目研究基礎和可行性分析

5.1 項目研究基礎

本項目以超聲波熄滅蠟燭現象為現實依據，并以超聲波利用其高頻振蕩性使火焰與燃燒物隔離達到滅火目的為科學基礎，提出一種可以手持的節能型超聲波滅火器，通過機械結構的巧妙設計及制作搭建出本項目模型。

5.2 可行性分析

超聲波滅火可行性從4個方面進行分析，具體如下。

5.2.1 科學性原理

超聲波是一種高頻聲波，它的特點為具有指向性、高頻率振蕩性等。超聲波的指向性可以讓它很好地對準火源，超聲波的高頻率振蕩性可以讓火焰內物質迅速喪失溫度，同時使燃燒氣體脫離燃燒材料，達到滅火的目的。

5.2.2 先進性原理

此手持式節能型超聲波滅火器完全突破了傳統滅火器需要滅火劑的困境，因為對于飛船或是潛艇來說，即使再少的滅火劑也是很大的負擔，況且傳統滅火劑的工作時間很短，工作效率較低。而此種超聲波滅火器是由電驅動的，且耗電少，有電池供電，還可附加手搖發電，所以作用時間長，效率高。該超聲波滅火器更大的優點就是不會對飛船或潛艇造成破壞和污染。因為超聲波具有嚴格的指向性和作用距離，所以作用范圍是有限的和可控的。

5.2.3 實用性原理

超聲波在我們的生產生活中已經是隨處可見，超聲波技術也已經是非常成熟的技術。而在飛船和潛艇密閉、微重力環境中，傳統的滅火器因為質量大、滅火效率低和不能持久滅火、極易造成重大破壞等缺點，在太空失火事故處理中無法得到運用。而超聲波滅火器因為造價低、作用時間長、不會產生污染等優點成為飛船和潛艇中可行的滅火設備。

5.2.4 材料方面

目前耐火輕型材料也有很多可供選擇，例如石油焦、木炭、煙煤、木質素等的燒盡物，多空耐熱材料以及各大公司生產的新型輕質耐火材料等。

6 項目研究的預期成果

手持式節能型超聲波滅火器可以避免多次充填滅火劑帶來的麻煩，同時采用手搖發電以應對蓄電不足的情況。該種滅火器不會對環境和人身產生危害，相對于傳統滅火器而言，從長遠看來經濟成本低廉。此外，由于該滅火器滅火方式對機械類的儀器儀表不會產生損害，可以用于企業工廠、博物館、圖書館等領域，應用前景十分可觀。