JP4124376B2 - スプリンクラーヘッド - Google Patents

Description

本発明は，火災発生時に水を散布して消火を行なうスプリンクラーヘッドに関する。

スプリンクラーヘッドは、火災の異常高温で感熱分解部分が分解し、該感熱分解部分で保持していた弁体を開放することにより、水を散布して消火を行うものである。スプリンクラーヘッドの感熱分解部分に使用する感熱材料としては、液体と低融点合金がある。

スプリンクラーヘッドの感熱分解部分に液体を使用する場合は、感熱材料としてアルコールが用いられる。アルコールを用いた感熱分解部分をグラスバルブ型と称しており、アルコールは、ガラス製のアンプルの中に少量の空気と一緒に充填されている。グラスバルブ型は、アンプルをスプリンクラーヘッドの弁体と本体間に設置することにより弁体を閉塞している。グラスバルブ型は、火災が発生するとアンプル内のアルコールが沸騰し、気化することにより内圧を高めてアンプルを破壊する。そしてアンプルで保持していた弁体を開放するものである。このグラスバルブ型は安価であり経済性に優れたものであるが、アンプル内のアルコールが気化してその圧力でアンプルを破壊するものであるため、アンプルの厚さ、強さ、内部のアルコール量、空気量、等が多少相違するだけで、アンプルが破壊するまでの時間にバラツキが出てしまい、一定温度で必ず作動するとは限らないという安定性に欠けるものである。

スプリンクラーヘッドの感熱分解部分に低融点合金を用いたものは、低融点合金が配合組成や配合比率等によって融点が定まっているため、スプリンクラーヘッドの感熱分解部分に用いた場合、作動にバラツキが生じないという優れた特長を有している。低融点合金を用いた感熱分解部分としては、ラップジョイント型と圧縮型がある。

従来のラップジョイント型とは、二枚の小判状の金属板を低融点合金で接着したものである。ラップジョイント型では、それぞれの金属板の端部にレバーを係合し、一方のレバーで弁体を保持するとともに、もう一方のレバーをスプリンクラーヘッドの本体に当設して弁体を押圧する力を支えるようになっている。ラップジョイント型の感熱分解部分を組み込んだスプリンクラーヘッドでは、火災が発生すると火災の熱で低融点合金が溶融し、金属板が分離してレバーが外れ、弁体を開放する。ラップジョイント型の感熱分解部分は、感熱材料が低融点合金を用いているため、作動温度は正確であるが、長期間の信頼性に欠けるという問題があった。即ち、スプリンクラーヘッドの感熱分解部分には、常時弁体を密閉するための力と作動時に感熱分解部分を散水の妨げにならないように遠方に跳ね飛ばすための弾性力がかかっている。しかしながら、ラップジョイント型では、二枚の金属板を低融点合金で接着してあるため、長年月間にクリープ現象で接着部分が剥離してしまう恐れがあるものである。

圧縮型とは、シリンダー内に低融点合金を充填し、さらに該低融点合金をプランジャーが押圧しているもので、シリンダーとプランジャーが他の構成部品を介して弁体を保持したり、本体に係合したりしている。この圧縮型の感熱分解部分を組み込んだスプリンクラーヘッドでは、火災が発生するとシリンダー内の低融点合金が溶融してプランジャーがシリンダー内に没入することにより感熱分解部分の構成部品がバランスを崩して分解し、弁体を開放するものである。圧縮型は、ラップジョイント型同様低融点合金を用いているため、作動温度は正確であり、しかも低融点合金をシリンダー内に充填して、それをプランジャーで押圧していることから、長年月低融点合金に強い力がかかっても低融点合金が変形するようなクリープ現象は起こらない。そのため近頃は、圧縮型の感熱分解部分が主流となっている。

スプリンクラーヘッドは、それぞれの取り付け場所に合った温度の低融点合金を用いている。例えば高層住宅やデパートのような一般の建物ではなるべく早く作動して初期消火が行なえるように、比較的融点の低い７０〜７５℃の低融点合金を用いている。また一般の建物でも厨房のコンロの上方や暖房装置の温風の吹き出し口では、融点が低い７０〜７５℃の低融点合金を用いていたのでは、スプリンクラーヘッド近傍が融点近くに昇温した場合、火災が発生していないにもかかわらずスプリンクラーヘッドが作動して水を散布してしまったり、或いは低融点合金の融点以上の温度にならなくとも融点近くまで昇温すると低融点合金の機械強度が極端に弱くなってラップジョイント型では二枚の金属板が分離してしまったり、また圧縮型では低融点合金が軟化して押しつぶされてしまったりする。そこで厨房や暖房装置の温風吹き出し口のように温度が高くなるところには融点が９０〜１００℃の低融点合金を用いている。

従来のスプリンクラーヘッドでは、感熱分解部分に用いる低融点合金はほとんどＰｂやＣｄが含有されたものであった。例えば融点が７０〜７５℃の低融点合金は５０Ｂｉ−１２．５Ｃｄ−２５Ｐｂ−１２．５Ｓｎ（融点７２℃）であり、また融点が９０〜１００℃の低融点合金は５２Ｂｉ−３２Ｐｂ−１６Ｓｎ（融点９６℃）である。

ところでスプリンクラーヘッドは建物で火災が発生しない限り取り付けられたままとなるが、外観が悪くなったり、デザインが適合しなくなったりしたスプリンクラーヘッドは新しいスプリンクラーヘッドに取りかえられる。古いスプリンクラーヘッドは廃棄処分となるが、スプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料にはＰｂやＣｄが使われているためＰｂやＣｄで地下水を汚染してしまう。これらのＰｂやＣｄを含んだ地下水を長年月にわたって飲用すると、これらが人体に蓄積され鉛中毒やカドミ中毒を起こす恐れが出てくる。そこで建築業界や消火設備業界からは、ＰｂやＣｄを全く含まない感熱材料からなるスプリンクラーヘッドの出現が望まれていた。

本出願人は、スプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料にはＰｂやＣｄが使われていない、感熱分解部分に使用する低融点合金がＳｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｇから選ばれた二種以上の金属からなる合金であることを特徴とするスプリンクラーヘッドを提案している（特開２０００２−０７８８１５号公報）。
特開２０００２−０７８８１５号公報

スプリンクラーヘッドの感熱分解部分にはんだ合金を用いたものは、作動する温度に応じて低融点合金を使用しなければならない。スプリンクラーヘッドの感熱分解部分に使用されるSnベースのはんだ合金において、温度を下げる添加元素はＰｂ、Ｃｄ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎを挙げることができる。前述のようにＰｂ、Ｃｄは地下水を汚染するために使用できなくなっているため、残っているＳｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎの中でも特に溶融温度の低いＩｎをベースにしてはんだ合金組成を作らなければならない。ところがＩｎは柔らかいのでクリープ特性が劣るため、ＰｂやＣｄが使われていないＩｎベースの合金で作ったスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料は、ＰｂやＣｄが使われているものに比較してクリープ特性が劣り、スプリンクラーヘッドの耐久性が従来のＰｂやＣｄを使用したものより短かった。特にＣｄを使用したスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料は概してクリープ特性が良いので、ＰｂやＣｄが使われていない感熱材料で作ったスプリンクラーヘッドに比較して耐久性が良い。

スプリンクラーヘッドは、総務省令によってその技術上の規格が定められている。例えば７０〜７５℃で使用されるものは５２℃、９０〜１００℃で使用されるものは８０℃という試験温度で３０日間放置した後、２．５ＭＰａの静水圧力を５分間加えるという強度試験が科せられている。ところがＰｂやＣｄが使われていないＩｎベースの合金で作ったスプリンクラーヘッドは、従来のＰｂやＣｄを使用したものに比較してクリープ特性が良くない傾向がある。クリープとは、一定荷重あるいは一定応力のもとで時間とともに進行する変形をいい、この時間依存変形の起きにくさをクリープ特性という。クリープ特性は、一般的に硬いものほど良くなり、軟らかいものは悪くなる傾向がある。

特にスプリンクラーヘッドの強度試験の試験温度は、スプリンクラーヘッドの感熱分解部分に使用されたはんだ合金の溶融温度に近いためスプリンクラーヘッドの作動する高い温度域のクリープ特性が要求されるが、ＰｂやＣｄが使われていないＩｎベースの合金で作ったスプリンクラーヘッドは、従来のＰｂやＣｄを使用したものに比較してスプリンクラーの作動する高い温度域のクリープ特性が及ばず、耐久試験に合格しないこともあった。
本発明が解決しようとする課題は、ＰｂやＣｄが使用されないＩｎベースの感熱材料であっても、スプリンクラーの作動する高い温度域のクリープ特性が良く、耐久性のあるスプリンクラーヘッドを提供することになる。

本発明者らは、６５〜７５℃および９０〜１００℃に固相温度及びピーク温度を持つＰｂやＣｄが使用されない感熱分解部分の感熱材料の欠点について鋭意検討を重ねた結果、Bi-In-Sn系合金において、ある限定された組成域の合金組成が約７０〜７５℃および約９０〜９５℃に固相温度及びピーク温度を持ち、その温度域も非常に狭く、かつスプリンクラーヘッドの作動する高い温度域のクリープ特性が良いことを見いだし、本発明を完成させた。しかも本発明のスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料は有害成分であるCdやPbを一切含有していない。

本発明の約７０〜７５℃にて溶融する感熱材料は、Sn0.1〜2.0質量％、Bi31〜37質量％、残部Inとする合金からなることを特徴とするスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料用合金である。
また本発明の約９０〜９５℃にて溶融する合金は、Zn0.05〜0.4質量％、Bi43〜55質量％、残部Inとする合金からなることを特徴とするスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料用合金である。

本発明のスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料用合金は、有害成分であるCdやPbを一切含有しておらず、古くなって新しいスプリンクラーヘッドと交換したときに、埋め立て処分をしても地下水を汚染することがない。また本発明のスプリンクラーヘッドは、スプリンクラーヘッドの作動する高い温度域のクリープ特性が良いので、スプリンクラーヘッドを交換せずに長時間の使用が可能となり、耐久試験に不合格になることもない優れたスプリンクラーヘッドである。

スプリンクラーヘッドは、スプリンクラーヘッド用合金の溶融する温度に依存しているのであるが、常時水圧が掛かるのでクリープ特性などの機械的な強度が弱いと安全装置の用をなさない。本発明の約７０〜７５℃に固相・ピーク温度を有する合金であるBi-In-Sn系合金においてSnの量が0.1質量％未満では、合金自体の機械的強度が低いため強度試験に不合格になってしまい、Snの量を2.0質量％より多くすると、Bi-In-Sn系合金の固相温度が低下するため合金の溶融温度が使用される温度域に近くなって、合金の強度の劣化が起こり、作動温度域でのクリープ特性を低下させる。そのために本発明のBi-In-Sn系合金では、Sn含有量が0.1〜2.0質量％が望ましい。またBi含有量が31質量％未満では、Bi-In-Sn系合金の液相温度が上昇しすぎて合金の溶融性が悪くなり溶融試験に合格しなくなる。Biの量が37質量％より多くなるとSn-In合金の共晶点を外れてしまうため、液相温度が上昇しすぎて合金の溶融性が悪くなり溶融試験に合格しなくなる。そのため本発明のBi-In-Sn系合金は、Bi含有量が31〜37質量％が望ましい。本発明では、Sn0.1〜2.0質量％、Bi31〜37質量％、残部Inとすることで、７０〜７５℃の使用温度域において強いクリープ特性のスプリンクラーヘッド用合金を得ることが可能になる。さらに望むべきは、Sn0.5質量％、Bi35質量％、残部Inの合金とすることで、最も使用温度域に強いクリープ特性のスプリンクラーヘッド用合金を得ることが可能になる。本発明のスプリンクラーヘッド用合金の基本構成成分であるSn、Biが上述の組成から外れた場合、溶融温度域が広くなってしまい、作動安定性が損なわれてしまう。

次に本発明の約９０〜９５℃に固相・ピーク温度を有する合金であるBi-In-Zn系合金においてZnの量が0.05質量％未満では、合金自体の機械的強度が低いため強度試験に不合格になってしまい、Znの量が0.4質量％より多くすると、Bi-In-Zn系合金の固相温度が低下するため合金の溶融温度が使用される温度域に近くなって、作動温度域でのクリープ特性を低化させる。そのために本発明のBi-In-Zn系合金では、Zn含有量が0.05〜0.4質量％が望ましい。また本発明のBi-In-Zn系合金のBi含有量が43質量％未満では、Bi-In-Zn系合金の液相温度が上昇しすぎて合金の溶融性が悪くなり溶融試験に合格しなくなる。またBiの量が37質量％より多くなるとSn-In合金の共晶点を外れてしまうため、液相温度が上昇しすぎて合金の溶融性が悪くなり溶融試験に合格しなくなる。そのため本発明のBi-In-Zn系合金は、Bi含有量が43〜55質量％が望ましい。本発明では、Zn0.05〜0.4質量％、Bi43〜55質量％、残部Inの合金とすることで、強いクリープ特性のスプリンクラーヘッド用合金を得ることが可能になる。さらに望むべきは、Zn0.2質量％、Bi48質量％、残部Inの合金とすることで、使用温度域において最も強いクリープ特性のスプリンクラーヘッド用合金を得ることが可能になる。本発明のスプリンクラーヘッド用合金の基本構成成分であるZn、Biが上述の組成から外れた場合、溶融温度域が広くなってしまい、スプリンクラーヘッドとしての作動安定性が損なわれてしまう。

また本発明のBi-In-Sn系合金およびBi-In-Zn系合金において、Cu、Sb、Ge、Ag、Au、Zn、Ni、La族などの強度添加元素を添加することができる。La族とはランタノイドとも呼ばれ、LaおよびCe、Pr、Nd、Pm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、LuのLaに似た特性を持った元素のことである。これらの強度添加元素は単独でも、また組み合わせても効果が現れる。本発明のBi-In-Sn系合金およびBi-In-Zn系合金において、特に強度添加元素としてのCuの添加は最もクリープ特性を向上させる。ただしこれらの強度添加元素は、必ずBi-In-Sn系合金およびBi-In-Zn系合金に溶融させて使用するので、添加量を多くし過ぎると合金の溶融温度を上昇させてしまう。そのため強度添加元素の合計量は、2.0質量％以下にすることが望ましい。最も好ましい各強度添加元素の添加量は、Cu0.1〜1.0質量％、Sb0.2〜2.0質量％、Ge0.1〜1.0質量％、Ag0.1〜0.7質量％、Au0.1〜0.6質量％、Zn0.2〜0.6質量％、Ni0.02〜0.1質量％、La族0.01〜0.1質量％であり、これより量が少ないと合金の強度向上効果が現れず、これ以上添加してしまうと液相温度を上昇させてしまい狙った温度域で作動しなくなる。

本発明のスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料用合金およびスプリンクラーヘッドを作製した。
表１および表２に示したスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料用合金を作り、各合金組成の示差熱分析による加熱曲線を測定して吸熱ピークの開始点、吸熱ピークの最下点、吸熱ピークの終了点をもって、固相温度、ピーク温度、液相温度を測定した。表１および表２に各合金の溶融温度を示す。
表１および表２の比較例１は、特許文献１のスプリンクラーヘッドの感熱分解部分の感熱材料用合金である。
溶融温度の測定条件は次の通り。
１．示差熱分析の測定
・示差熱分析測定装置 ＳＩＩ製示差走査熱量計
・昇温速度：5deg/min
・試料重量：10 mｇ

ここで圧縮型の感熱分解部分を組み込んだスプリンクラーヘッドについて簡単に説明をする。図１は、圧縮型の感熱分解部分を組み込んだスプリンクラーヘッドの正面断面図である。

スプリンクラーヘッドＳは、本体１、フレーム２、弁体３、デフレクター４、および感熱分解部分５から構成されている。

本体１は中央に導水孔６が穿接されており、下端は弁座７となっている。また本体１の外周上部には牡ネジ８が螺設され、その下端はフランジ９となっている。

フレーム２は円筒状であり、下端は内側フランジ１０となっていて、上端は前述フランジ９に螺合している。

弁体３は上部にパッキン１１が被着されていて、平時、本体１の弁座７を水密状態に密封している。

デフレクター４は、円盤状で周囲に多数の羽根が形成されており、作動時、リング１２で吊設されるようになっている。デフレクター４は、前述弁体３の下部に配設されている。

感熱分解部分５は、フレーム２の下部に配設されており、ガイドポスト１３を介して弁体３を保持している。

感熱分解部分５は、シリンダー１４、プランジャー１５、低融点合金１６、支持板１７、天秤１８、一対のレバー１９、１９から構成されている。

シリンダー１４内には低融点合金１６が充填されており、その上にプランジャー１５が載置されている。シリンダー１４は天秤１８の中央孔に嵌合されており、天秤の両端はレバー１９、１９の孔に係合している。プランジャー５の上部には止めネジ２０が載置されており、該止めネジは上部で支持板１７に螺合している。レバー１９、１９は上部が屈曲しており、該屈曲したところで支持板１７と係合している。レバー１９、１９は、屈曲した端部が前述フレーム２の内側フランジ１０に載置され、屈曲部先端がガイドポスト１３に接している。

次に図１のスプリンクラーヘッドにおいて、各合金組成ごとのクリープ特性（強度試験と呼称する）、およびその感熱分解部分の作動温度を測定した。

２．強度試験
1.) 感熱分解部分５を専用の治具に組み込み、標示温度が７５℃未満のものは２０℃、標示温度が７５℃以上のものは最高周囲温度より２０℃低い温度に設定した試験槽内に投入する。
2.) コンプレッサーで、通常の１３倍の加重を２４０時間感熱分解部分に掛け続け、感熱分解部分の厚みがどれだけ変化したか測定する。

３．作動温度
1.) スプリンクラーヘッドをコンプレッサーに接続して、２．５ＭＰａの圧力を掛ける。
2.) コンプレッサーに接続したスプリンクラーヘッドを水槽中に投入して、水槽の水を加熱する。
3.) 水槽中のスプリンクラーヘッドから一気に空気が抜けた温度を作動温度として測定する。

本発明のスプリンクラーヘッドは、約７０〜７５℃および約９０〜９５℃にて作動し、スプリンクラーヘッド合金の低温クリープ特性が良いために総務省令で定められた強度試験で不合格になることもなく、長期間の使用が可能であるという従来のCdやPbを一切含有していない低融点合金にない優れた効果を奏するものである。

圧縮型の感熱分解部分を組み込んだスプリンクラーヘッドの正面断面図

符号の説明

１ 本体
２ フレーム
３ 弁体
４ デフレクター
５ 感熱分解部分
１４ シリンダー
１５ プランジャー
１６ 低融点合金

Claims (3)

1. 圧縮型の感熱分解部分に低融点合金を用いたスプリンクラーヘッドにおいて、Sn0.1〜2.0質量％、Bi31〜37質量％、残部Inとする低融点合金を感熱分解部分の感熱材料とするスプリンクラーヘッド。
2. 前記感熱材料に、さらにCu0.1〜1.0質量％、Sb0.2〜2.0質量％、Ge0.1〜1.0質量％、Ag0.1〜0.7質量％、Au0.1〜0.6質量％、Zn0.2〜0.6質量％、Ni0.02 〜 0.1 質量％、La族0.01〜0.1質量％の強度添加元素の中で最低でも１元素以上を合計2.0質量％以下添加したものからなる請求項１に記載のスプリンクラーヘッド用の感熱分解部分の感熱材料とするスプリンクラーヘッド。
3. 請求項１または２に記載の感熱材料を用いた作動温度が７０〜７５℃であるスプリンクラーヘッド。

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