KR101159854B1 - 자기-조절 불활성가스 화재예방시스템 - Google Patents

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Abstract

실내의 룸(22)을 화재 또는 다른 위험으로부터 보호하도록 설계된, 비교적 낮은 압력의 불활성가스 위험방지시스템(20)이 제공된다. 시스템(20)은 각각이 밸브유닛(26)을 구비하는 가압가스 소스로서의 다수의 가압 불활성가스 실린더(24)를 포함하고, 밸브유닛(26) 각각은 도관(28)을 통해 가스수용기 또는 분배장치로서 기능하는 다기관장치(30)에 연결된다. 밸브유닛(26) 각각은, 가스전달 시간의 상당 부분 동안에 일정한 압력(약 10 - 100 바)으로 가스를 실린더(24)에서부터 전달하도록 작동하여, 값비싼 고압가스 처리 및 분배장치의 필요성과 낮은 실내 과압으로 인한 실내 환기영역의 감소없이 효과적인 위험방지를 제공한다.

Description

자기-조절 불활성가스 화재예방시스템{SELF-MODULATING INERT GAS FIRE SUPPRESSION SYSTEM}
본 발명은 컴퓨터 장비실과 같은 영역 또는 방을 위험상태, 특히 화재와 같은 상태로부터 보호하는데 사용되는 불활성가스 위험방지 조립장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 상기와 같은 시스템뿐만 아니라, 상기 시스템의 부품을 형성하는 압력조절 불활성가스 밸브에 관한 것으로, 다수의 고압 불활성가스 실린더가 사용되고, 실린더 각각은 가스가 전달되는 시간주기 동안에 상대적으로 낮은 압력의 불활성가스를 일정한 압력으로 전달할 수 있도록 동작하는 밸브유닛을 가져, 전형적으로 선행기술의 불활성가스 위험방지시스템들에서 필요로 하는 고압가스처리 및 분배 장치 또는 압력 감소 오리피스판(orifice plate) 없이 효과적인 위험방지를 제공하게 된다. 밸브유닛 각각은 밸브유닛을 개방된, 가스-흐름 위치뿐만 아니라, 가스 전달주기의 상당부분 동안에 가스압력을 요망하는 출력압력 근처로 유지하는 가스흐름 조절회로(gas flow modulating circuit)로 바이어싱하는 스프링부품을 포함한다.
값비싼 장비 또는 부품을 수용하는 컴퓨터실과 같은 방이나 또는 특정 영역을 보호하기 위해 오랫동안 위험방지 시스템이 채용되어 왔다. 관례적으로, 이들 시스템들은 하나 이상의 할론 방지제를 사용해 왔다. 이들 할론 방지제는 위험방지의 관점에서 보면 이상적인 것이다. 즉, 이들은 위험을 빨리 억제할 수 있고, 비교적 저압에서 저장될 수 있으며 또한 필요한 방지제의 양은 상대적으로 적다.
그러나, 근년에, 할론의 반환경적인 영향이 보다 명확해져, 상당한 관심의 대상이 되었다. 실제로, 이들 이슈들은 너무 중대하여, 많은 정부기관이 할론의 더 이상의 사용을 금지하고 있다. 유럽의 예를 들면, 심지어 현존하는 할론 시스템들이 질소, 아르곤, 이산화탄소 및 이들의 혼합물과 같은 다른 불활성 가스를 사용하는 시스템들로 대체되고 있다.
방지제로서 할론의 사용을 기반으로 하는 예시적인 유럽 화재예방시스템에서, 액화 할론으로 충전된 150리터의 공칭 용량을 가지는 용기는 거의 17,000 입방피트의 용적을 보호하는 것으로 평가된다. 할론 시스템의 전체 배관은 스케쥴 40 파이프보다 작아야만 할 필요가 있다. 할론장치를 불활성가스 시스템으로 교체하거나, 또는 불활성가스를 기반으로 한 새로운 장치를 설치하는 것이 바람직한 경우, 표준은, 불활성가스가 방의 체적을 거의 40% 점유하도록, 충분한 불활성가스가 규정된 보호영역에 전달되는 것을 필요로 한다. 이는 실내의 산소수준을, 산소의 발화를 저지시키는 10 - 15% 정도로 낮춘다. 필수적인 양의 불활성가스 중 적어도 95%는 60초 내에 보호하고자 하는 실내에 전달되어야만 한다. 동시에, 가스가 전달된 후에 적어도 5분 동안 사람들이 실내에 있을 수 있을 정도로, 불활성가스가 선택되는 것이 바람직하다.
선행기술 할론시스템을 대체하도록 고안되거나 또는 상기 언급한 예시적인 17,000 입방 피트 할론 보호시스템과 동등합 등급인 새로운 장치로서의 유럽 불활성가스 화재예방시스템은, 단일 할론용기의 교체에 따라 10개의 고압 불활성가스 용기들을 필요로 하게 된다. 할론시스템에서 필요한 저장용기와 비교할 때, 불활성가스 화재예방시스템에서 이렇게 많은 수의 가스 용기들이 필요한 것은, 각각의 불활성가스 용기가 상당한 벽두께를 가져야만 하기 때문인데, 따라서 실제적인 문제가 상당히 작아야만 한다. 예컨대, 전형적인 80리터 불활성가스 실린더는 약 16 밀리미터의 벽 두께를 가지게 되어, 약 25센티미터의 직경과 190센티미터의 길이를 가지게 된다. 이 경우에, 단일의 150리터 할론 용기는 40센티미터의 직경과 100센티미터의 길이를 가지게 된다. 따라서, 특정 시설에 대해 필요한 할론 용기들의 숫자와 비교할 때 10배나 많은 불활성가스 용기들이 필요로 한다는 것을 고려하면, 불활성가스 용기들에 필요한 공간은 상당히 크다는 것이 명백하다.
불활성가스는, 전형적인 할론 저장용기에서 훨씬 낮은 25 바(bar) 압력고ㅘ 비교하면, 상당히 높은 압력, 예컨대 300 바에서 액체 보다는 기체로서 저장되기 때문에, 화재예방시스템의 배관분배시스템으로 가스의 도입을 위해 저장실린더로부터 고압가스의 동시 방출을 견딜 수 있는 다기관(manifold) 파이프가 제공되어야만 한다. 상기 다기관 파이프는 고압을 수용하기 위해 적어도 스케쥴 160 배관이 되어야 한다. 300 바 불활성가스 압력을 견딜 수 있는 압력 감소 오리피스판이 다기관의 단부에 제공된다.
그러므로, 고압 불활성가스를 사용하는 현존하는 할론시스템을 개장하여야 하는 경우, 설명한 것과 같이 상당한 숫자의 억제제 저장용기들이 필요할 뿐만 아 니라, 이외에도, 모든 저장실린더에 연결되는 스케쥴 160 다기관이 필요함과 동시에, 현존하는 스케줄 40 파이프로 처리할 수 있는 레벨로 가스압력을 감소시키기 위한 고압 오리피스판이 필요하다. 필요한 상기 스케줄 160 파이프는 스케줄 40 파이프보다 명백히 더 비싸고 또한 불활성가스 용기 각각에 대해 거의 0.3미터의 스케줄 160 파이프가 필요하게 된다. 비슷하게, 새로운 설비와 관련해 동일한 요구사항이 얻어졌다.
따라서, 현존하는 할론 시스템 배관(또는 새로운 시스템의 경우에 저가의, 모든 저압배관)으로 비교적 저압의비-할론 불활성 억제가스를 사용할 수 있는 한편, 동시에 위급한 위험억제를 위해 필요한 수행특성을 보이는 개선된 위험방지시스템이 기술분야에 필요하다.
본 발명은 상기에서 설명한 문제점들을 극복하고, 또한 가스를 전달하는 대부분의 시간에 걸쳐 가스를 일정한 압력레벨로 전달할 수 있는 특별히 설계된 실린더-실장형 배출밸브들과 함께 비교적 저압 불활성가스 실린더들의 사용을 통해 화재와 같은 위험한 상황을 효과적으로 억제할 수 있는 개선된 위험방지시스템을 제공한다. 이 경우, 할론 억제제를 위해 설계된 현존 배관시스템을 사용할 수 있거나, 또는 새로운 시스템의 경우에는, 저가의 배관 및 분배장치를 사용할 수 있다.
고압 감소 오리피스판을 사용하는 선행기술 고압 불활성가스 시스템에서, 오리피스판을 통해 분기관 파이프로부터 방출을 위해 저장 실린더로부터 가스들의 방출은 매우 높은 초기가스 흐름율을 형성하고, 이 흐름율은 급속히 매우 낮은 가스 흐름율로 떨어진다. 보호영역 내로 불활성가스의 초기 고압 방출율에 대한 부속사항으로서, 초기 가스흐름율을 수용하기 위해 실내 분출구가 충분한 영역에 제공되어야만 한다. 이 경우에 있어서, 가스방출 흐름율의 완화는 30%의 보다 작은 흐름영역에 도달하는 분출영역을 제공할 수 있다.
일반적으로, 실내 등에서 위험(예컨대, 전형적으로 화재)을 방지하는데 사용하기 위한, 본 발명에 따른 위험방지시스템은 각각이 위험-방지가스의 공급을 책임지는 다수의 가압 가스 실린더와 함께 상기 실린더에 작동가능하게 연결되는 밸브유닛을 포함한다. 보호할 실내 등에 가스의 전달을 위해 실린더-착설형 밸브유닛들 각각에 분배장치가 연결된다. 밸브유닛들 각각은 가압가스의 소스(즉, 전체 방지시스템에서 실린더)와 연결을 위해 적합화된 유입구와, 제한된 가스 수용기(완성 시스템에서 분배장치)와 연결을 위해 적합화된 배출구를 제공하는 밸브몸체를 가진다. 또한, 그 안에 통로를 가지는, 변위가능한 밸브부재가 상기 밸브몸체의 유입구와 배출구 사이에 위치하여, 폐쇄위치, 가스흐름 차단 위치 및 상기 소스에서 상기 수용기로 가스의 흐름을 허용하는 개방위치로 변위가능하다.
밸브유닛들 각각은 상기 부재를 밸브유닛의 개방위치로 바어어싱하기 위해 상기 변위가능한 밸브부재와 작동적으로 연결되는 스프링을 가진다. 부수적으로, 별도의 제1 및 제2 작동표면 영역은 밸브부재의 일부를 형성하는데; 상기 제1영역은 가압된 가스에 노출되는 반면 제2영역은 부재통로를 통해 가압된 가스에 노출된다. 이들 제1 및 제2표면 영역들은 밸브몸체를 향해 밸브몸체에 대해 서로 관련되어, 통상적으로 스프링의 바이어싱에 대해 부재를 폐쇄위치로 유지한다. 밸브유닛은 제2표면영역의 적어도 일부분과 뱁브몸체의 인접부분들 간에 형성된 조절가스 챔버(a modulating gas chamber)를 제공하도록 디자인된다. 게다가, 조절가스 통로가 밸브몸체에 형성되어, 밸브유닛 배출구와 조절가스 챔버를 연통시킨다. 액츄에이터가 상기 조절가스 통로에 작동적으로 연결되어, 통상작으로 밸브유닛 배출구와 조절가스 챔버 간에 연통을 차단하고, 상기 액츄에이터는 동작시에 상기 통로를 개방하여, 상기 통로를 통해 상기 조절가스 챔버로부터 가스를 배출하여 상기 조절가스 챔버내 가스압력을 감소시키고, 또한 상기 제1표면영역에 대해 가해지는 가스압의 영향하에서 상기 부재의 개방위치로의 이동이 이루어지게 한다. 가스흐름 제한수단이 상기 통로에 위치하여, 조절가스 챔버와 통로 간에 가스의 흐름율을 실질적으로 제한하도록 동작할 수 있다. 변위가능한 밸브부재의 상기 제1 및 제2표면영역들과, 조절챔버, 조절가스 흐름통로, 및 스프링들은 서로 관련이 되어, 소스에서 수용기로 가스가 흐르는 실질적인 시간동안에 소스에서 수용기로 가스가 일정한 압력에서 전달되게 된다. 이는, 조절가스 흐름통로를 통해 조절챔버의 내외로 가스의 흐름을 순환시킴으로써 이루어진다.
완성된 위험방지시스템은 통상적으로 보호할 실내 등 내에서 위험을 감지하도록 작동할 수 있는 센서장치를 포함하고, 이 센서장치에 응해 상기 밸브유닛 액츄에이터들 각각을 동작시킨다. 화재방지시스템의 경우에 있어서, 센서는 연기검출기의 형태일 수 있다. 이는 파일럿가스 소스를 제어하는 솔레노이드 밸브와 전기적으로 연결될 수 있다. 화재가 감지되면, 솔레노이드밸브가 개방되어, 밸브유닛을 작동시키기 위해 밸브유닛들로 파일럿가스의 흐름을 허용한다.
공칭 300 바에서 저장되는, 실린더들 내 가스압은 조절밸브 각각을 통해, 비교적 일정한 흐름율로 약 20 내지 50 바의 일정한 압력에서 방출된다. 이와 같이 비교적 낮은, 제어 방출압과 흐름율에 불구하고, 본 발명의 시스템은 확정된 시간 제안내에 보호할 영역에 적절한 방지가스를 공급할 수 있다.
도 1은 컴퓨터실 등을 보호하기 위한 구성에 도시된, 본 발명에 따른 위험방지시스템의 개략적인 대표도.
도 2는 보 발명에 따라 밸브유닛을 구비한 불활성가스 실린더의 부분도.
도 3은 바람직한 밸브유닛의 상면도.
도 4는 바람직한 밸브유닛의 측면도.
도 5는 바람직한 밸브유닛의 구성의 세부를 설명하는, 도 3의 선 5-5를 따라 취한 수직 단면도.
도 6은 도 5의 선 6-6을 따라 취한 단면도.
도 7은 도 5의 선 7-7을 따라 취한 단면도.
도 8은 도 5의 선 8-8을 따라 취한 단면도.
도 9는 도 5의 것과 유사하지만, 개방, 배출위치에 있는 밸브를 묘사하는 단면도.
도 10은 도 9의 선 10-10을 따라 취한 단면도.
도 11은 바람직한 밸브유닛의 일부를 구성하는 밸브몸체의 일부의 부분 단면 도.
도 12는 매우 높은 압력의 불활성가스의 방출 동안에 통상적인, 비-조절된 밸브유닛의 압력붕괴특성을 설명하는 압력 대 시간 그래프도.
도 13은 비교적 낮은 압력의 불활성가스의 방출 동안에 본 발명에 따른 밸브유닛을 사용하여 얻은 전형적인 압력파형을 설명하는 압력 대 시간 그래프도.
도 14는 바람직한 밸브유닛의 동작을 설명하는 흐름도.
도면을 참조하여 보면, 위험방지시스템(20)이 도 1에 개략적으로 설명되어 있다. 시스템(20)은 컴퓨터장비 또는 다른 값비싼 장비를 수용할 수 있는 밀폐 룸(22)을 보호하도록 구성된다. 폭 넓게 말하면, 시스템(20)은 각각이 밸브유닛(26)을 구비하는 다수의 고압 불활성가스 실린더(24)를 포함한다. 밸브유닛(26) 각각은 도관(28)을 통해 가스 수용기가 되는 동시에 분배장치가 되는 다기관장치(30)에 연결된다. 설명하였듯이, 다기관장치(30)는 룸(22)으로 연장하고 또한 위험방지목적을 위해 룸(22) 내로 불활성가스의 전달을 위한 다수의 노즐(32)을 구비한다. 시스템(20)을 구성하는 배관은 이 장의 선행기술 시스템들에 필요한 내구성이 강한 스케줄 160 다기관 파이프에 반대되는 통상적인 스케줄 40 파이프일 수 있고 또한 압력 감소 오리피스판(orifice plate)일 수 있다. 또한 전체적인 시스템(20)은 전기적 케이블(36)을 통해 솔레노이드 밸브(38)에 연결되는 위험검출기(34)를 더 포함한다. 솔레노이드 밸브는 가압된 질소 또는 다른 적절한 파일럿가스(pilot gas)를 수용하는 상대적으로 작은 파일럿 가스 실린더(40)(파일럿 가스의 소스가 된다)에 작동적으로 연결된다. 밸브(38)의 배출구는 밸브유닛(26) 각각에 직렬로 연결되는 파일럿라인(pilot line)(42) 형태이다. 도 1에 도시되어 있듯이, 다수의 실린더(24)들이 룸(22)에 근접한 인접 룸 또는 저장영역(44)에 위치될 수 있다.
도 2는 배출구 네크(46)를 가지는, 통상적으로 두꺼운 벽을 가지는 직립 금속 실린더인 실린더(24)를 설명한다. 실린더 내 불활성가스(통상적으로, 질소, 아르곤, 이산화탄소 및/또는 이들의 혼합물)는 150- 300 바 정도의 비교적 고압 및 바람직하게는 300 바 정도에 있다. 밸브유닛(26)은 네크(46) 속으로 나사삽입되고(도5 참조), 또한 액추에이터(50)와, 압력게이지(52)와 그리고 파열디스크(rupture disc) 조립체(54)를 지지하는 직립 밸브몸체(48)를 포함하고, 부수적으로, 밸브유닛은 내부의 변위가능한 피스톤형 밀봉부재(56)(도5 참조)를 포함한다. 지금부터 보다 상세히 설명하듯이, 밸브유닛(26)은, 가스가 실린더로부터 흐르는 실질적인 시간부분 동안에 관련 실린더 내 압력보다 낮은 일정한 압력에서 가스가 실린더(24)에서 다기관장치(30)로 전달되도록 설계된다.
보다 상세히 설명하면, 밸브몸체(48)는 관형이고, 또한 네크(46)에 의해 나사삽입식으로 수용되는, 외부에 나사산이 형성된 관형 유입포트(58)와, 도관(28)에 연결을 위한 배출포트(60)와, 포트(60)에 인접한 방출구(61)와, 그리고 포트(58, 60) 및 방출구(61)와 최상부 스프링 챔버(64)와 연통하는, 단이 형성된 관통구(62)를 가진다. 상기 관통구(62)는 상부에서 하부까지, 환형 밀봉리지(annular sealing ridge)(66)와, 반경방향으로 확대된 영역(68)과, 환형 어깨부(70)와, 환형의 경감된 영역의 어깨부(74)와 그리고 챔버(64)로 연장하는 나사산부(76)를 제공하도록 구성된다.
몸체(48)는 또한 액추에이터(50)의 내측 단부를 수용하도록 설계된 구멍(80)을 제공하는 연장부(78)를 가진다. 본 목적을 위해, O-링(82)이 구멍(80) 내에 제공될 뿐만 아니라, 액추에이터(50)의 지지를 위한 볼트 접속기(84)가 제공된다. 도 6에서 잘 알 수 있듯이, 한 쌍의 통로(86 및 88)가 구멍(80)과 연통한다. 통로(86)는 구멍(80)에서부터 연장하여 배출포트(60)와 연통한다(도 11). 구멍(80)은 끝이 막힌 구멍이지만, 플러그(93)를 수용하는 나사난 개구(92)로 연장하는 통로(90)와 연통한다. 전체 액추에이터(50)의 일부를 구성하는 통상적인 쉬래드 밸브(Shrader valve)(94)는 통로 내에 위치하고, 또한 통로(90)에 통상적인 차단관계이다. 밸브(94)는 최상부 개구핀(96)을 포함한다. 다른 통로(95)가 제공되어 개구(92)에서 경감된 영역(72)까지 연장한다.
밸브몸체(48)는 또한 게이지(52)의 연결단을 수용하기에 적합한 나사구멍(98)을 포함한다. 구멍(98)은, 게이지(52)가 설치되면 항상 개방상태에 있는 쉬래드 밸브(99)를 수용한다. 구멍(98)은 또한 파열디스크 조립체(54)를 수용하는 다른 나사구멍(100)과 연통한다. 몸체(48) 내에 감지구멍(sensing bore)(102)이 제공되어, 구멍(98)에서 유입포트(58)까지 연장하여, 실린더(24) 내 압력이 게이지(52)와 또한 구멍(100)과 연통하도록 한다.
조립체(54)는 구멍(100) 내에 위치한, 중앙의 경감 통로(central relief passgae)(105)를 가지는 나사산이 형성된 T-형 부재(104)를 포함한다. 부재(100)의 내측 단부(inboard end)는 경감 통로(105)에 대해 통상적인 차단관계에 있는 통 상적인 돔-형 파열디스크(106)를 포함한다. 그러나, 실린더(24)가 과도한 압력을 받는다면, 이 과도한 압력은 감지구멍(sensing bore)(102)을 통해 연통되어 디스크(106)을 파열시키는 역할을 한다는 것을 알아야 한다. 이와 같이 되면, 통로(105)를 통해 실린더를 즉시 배기시킨다.
액추에이터(50)는 액추에이터 몸체(108)와, 엑추에이터 캡(110)과 그리고 내부의 변위가능한 피스톤(112)를 포함한다. 몸체(108)는 구멍(80) 내에 위치하는 최하부의, 아래쪽으로 목이 형성된 부분(114)과, 반경방향으로 확장된 내측 영역(117)을 가지는 중앙 개구(116)를 가진다. 도시된 바와 같이, 통기통로(118)가 개구(116)과 연통한다. 몸체(108)의 상단부는 120에서 내측으로 나사산이 형성된다. 캡(110)이 몸체(108)의 상단부에 나사삽입되고, 그리고 피스톤 챔버(122)뿐만 아니라 교차통로(cross passage)(124)를 가지는데, 상기 교차통로는 도 6에 도시되어 있듯이 파일럿라인(42)을 수용한다. 피스톤(112)은 일반적으로 그 단면이 T-형상이고, 말단부로 연장하는 생크(shank)(126)와 외측 피스톤 헤드(128)를 가진다. 상기 생크(126)는 밀봉 O-링(130)과 피스톤 축받이통(retainer)(132)을 반송하고, 상기 축받이통은 피스톤(112)의 이동범위를 제한하기 위해 영역(117)내로 연장한다. 헤드(128) 또한 밀봉 O-링(134)를 반송한다. 생크(126)의 내측단부는 아래에서 설명하듯이 쉬래더 밸브 액추에이터핀(96)의 상단부와 연결되도록 구성된다.
밀봉부재(56)는 밸브몸체(48) 내측에 위치하고, 또한 밸브유닛(26)의 동작 동안에 선택적으로 변위가능한다. 도 5를 참조하면, 밀봉부재(56)는 하부에서 상부로 연장하는 네 개의 주요 구성요소들, 즉 피스톤 밀봉 홀더(piston seal holder)(136)와, 하부 인서트(bottom insert)(138)와, 내측 몸체부분(140)과, 상부의, 외측 몸체부분(142)을 포함한다.
피스톤 밀봉 홀더(136)는 광통구(62)에 대해 면하는 관계로 있는 하부 부분(144)뿐만 아니라 환형 리브(annular rib)(146)를 포함한다. 밀봉링(148)이 부분(144)과 리브(146) 사이에 배치된다. 일련의 개구(149)들이 홀더(136)를 관통해 제공되어, 합쳐져 관통구(149a)를 형성한다. 하부 인서트(138)는, 밸브몸체(48)의 어깨부(70)에 접경하는, 반경방향 외측으로 연장하는 상부 플랜지(150)를 제공하는 환형몸체의 형태이다. 인서트는 주변의 밀봉링(peripheral sealing ring)(152)을 반송한다. 내측 몸체부분(140)은 상방으로 돌출하는 홀더(136)의 부분에 나사결합되고, 또한 수직으로 이격된 일련의 밀봉링들(152-158)들을 지지한다. 부수적으로, 부분(140)은 수직으로 이격된 한 쌍의 플랜지형 세그먼트(160, 161)와. 내부로 나사산이 형성된 구멍(162)이 제공되는 상단부를 가진다. 부분(140)은 통로(149a)와 연통하는 중앙 통로(164)를 가진다. 포트(166)는 통로(164)에서부터, 상기 플랜지 세그먼트(160) 바로 위의 지점까지 연장하고, 또한 다른 상부포트(168)는 통로(164)에서부터, 플랜지 세그먼트(161) 바로 위의 지점까지 연장한다. 그러브 나사(grub screw)(169)가 포트(168) 내에 위치하여, 통로(164)에서부터 통로를 통한 가스의 느린 통과를 허용하는 한편, 통로(164)로 역류를 실질적으로 차단하는 역할을 한다. 상기 그리브 나사는 가스흐름 제한장치가 된다.
외측 몸체부분(142)은 관형 구성이고, 또한 정지상태를 유지하기 위해 밸브몸체 나사산부(76)에 나사삽입된다. 외측 몸체부분(142)은 내측 몸체부분(140)을 수용하는 중앙 관통구멍(165)과 외부 밀봉링(170 및 172)을 가진다. 부분은 한 쌍의 어깨부(174, 176)를 제공하고, 또한 경감된 영역(72)와 연통하는 수평 통로(178)를 가진다는 것을 알 수 있을 것이다.
내측 및 외측 몸체부분(140, 142)의 상보 설계는 밸브유닛(24)의 동작에 중요한 한 쌍의 환형 챔버들을 형성한다. 그러므로, 균등화 챔버(equalization chamber)(180)가 플랜지 세그먼트(160)의 상부면과 어깨부(174) 사이에 제공되고, 조절챔버(modulation chamber)(182)가 플랜지 세그먼트(161)의 상부면과 어깨부(176) 사이에 형성된다.
밀봉부재(56)의 변위가능한 세그먼트들(즉, 피스톤 밀봉 홀더(136)와 교차되는 내측 몸체부분(140))은 스프링챔버(64) 내측에 위치하는 스프링조립체(184)에 의해 지지된다. 특히, 웨이브 스프링(186)이 챔버내에 위치하고, 또한 그 상단부에 환형의 축받이 디스크(188)를 가지는데, 축받이 디스크는 주변 밀봉링(190)을 반송한다. 와셔(194) 상에 위치한 볼트(192)는 디스크(188)를 통해 하방으로 연장하여, 구멍(162)에 나사삽입으로 수용된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스프링조립체(184)는 홀더(136)와 내측 몸체부분(140)을 상방으로, 즉 밸브유닛(26)의 밸브개방위치로 밀치거나 바이어스 하는 역할을 한다.
동작
밸브유닛(26)은 통상적으로 도 5-8에 도시된 정적인 대기 밸브폐쇄위치에 있다는 것을 알 수 있다. 이 상태에서, 밀봉부재(56)는 도 5에 도시된 것과 같이 하방으로 변위하여, 밀봉링(152)이 리지(66)와 밀봉결합한다. 이는, 밀봉 홀더(136)에 제공되는 제1 동작 표면영역(S1)과, 균등화 챔버 유효 표면영역(S2E)(도8 참조, S2E는 플랜지(160)의 면의 노출부분이다)와 조절챔버 유효 표면영역(S2M)(도7 참조, S2M은 플랜지(161)의 노출면이다)의 합에 의해 제공되는 제2 동작 표면영역(S2)과, 그리고 스프링조립체(184)에 의해 가해지는 힘 간의 상호관계에 의해 이루어진다. 즉, 밸브유닛(26)의 폐쇄된, 정적인 위치에서, 밸브개방력이 압력의 형태로 실린더(24)로부터 밀봉부재(56)에 대해 가해져, 유입포트(58)와, 스프링조립체(184)의 효과를 통해 동작 표면영역(S1)에 가해진다. 그러나, 이 개방력은, 균등화 및 조절챔버들(180, 182) 각각으로 통로(149a)와, 통로(164)와 포트(166, 168)를 경유해 밸브챔버를 통한 가압된 가스의 통과에 의해, 동작 표면영역(S2)(S2E와 S2M의 합)에 대해 가해지는 밸브 밀폐력에 의해 평형되고 또한 초과하게 된다. 이점에 있어서, 포트(168)내 그러브 나사(169)는 포트(168)를 통한 가스의 느린 통과를 허용하는 반면, 조절챔버(182)에서 통로(164)로 가스의 급속한 역류를 실질적으로 방지한다는 것을 알 것이다.
밸브 폐쇄위치에서, 액추에이터(50)(도 6)는 대기 상태에 있는데, 즉 피스톤(112)이 상승하고, 쉬래더 밸브(94)는 통로(90)에 대해 흐름-차단 관계에 있다.
위험방지 동안에 시스템(20)의 동작을 설명한다. 이 논의에서, 시스템의 특정 구성요소들에 대한 참조가 이루어지고, 또한 본 발명의 이해를 용이하게 할 목적인 시스템 동작의 흐름도인 도 14에 대한 참조가 이루어진다.
룸(22)에서 화재와 같은 위험상황의 경우에, 센서로서의 위험검출기(34)(예컨대, 연기검출기)가 동작하여(단계 196), 솔레노이드 밸브(38)에 개방신호를 전송한다(단계 198). 그런 다음, 대응하는 실린더(24)들 각각에 연결된 밸브유닛(26)들 각각을 작동시키기 위해 압축가스(통상적으로 질소) 파일럿 라인(42)을 통과한다(단계 202). 도 10을 참조하면, 파일럿 라인(42)을 통한 파일럿가스의 도입시에, 피스톤(112)이 하방으로 변위하여, 피스톤의 내측 마구리(butt end)가 쉬래더 밸브(94)의 액추에이터 핀(96)과 맞물려 핀을 변위시킨다. 따라서, 통로(90)가 개방된다. 이와 같은 상황이 발생하면, 가스는 조절챔버(182)에서부터, 환형의 경감된 영역(72)과, 통로(95)와, 개구(92)와, 통로(90)으로 이루어진 조절통로를 통해 배출포트(60)로 흐른다(단계 204). 이 시점에서, 동작 표면영역(S1)과 스프링조립체(184)에 대해 가스압에 의해 가해지는 밸브 개방력은 밀봉부재(56)를 도 9-10에 도시된 밸브 개방위치로 이동시키기에 충분하다. 따라서, 실린더(24)로부터의 가스는 유입포트(58)에서부터 배출포트(60), 도관(28)과, 다기관장치(30) 및 노즐(32)을 통과한다(단계 206).
앞서 설명하였듯이, 고압 위험방지시스템에서 선행기술 방출밸브들이 가지는 문제점은, 이와 같은 밸브들이 도 12에 도시된 것과 같은 현저한 압력 붕괴패턴을 보이는 경향이 있다는 것이다. 이러한 특징적이 붕괴패턴은, 잔여 가스의 방출과정 동안에 가스의 고압(약 200 바 또는 약 3000 psi)이 압력에서 기하급수적인 강하로 인한 불활성가스 전달의 초기 "버스트(burst)"가 이루어지게 된다. 이들 선행기술 시스템들은 위험방지시간 이내에 적절한 량의 불활성가스를 전달 수 있지만, 고압-가스 실린더의 사용은, 배관 및 관련 가스처리 및 분배장치와 같은 상당한 비용을 초래한다.
이 문제점은, 도 13의 일반적인 압력 파형형식을 보이는 본 발명, 즉 가스가 실린더(24) 내의 가스압력 보다 낮은 일정한 압력에서 전달되지만, 밸브유닛(26)에 의해 가스가 방출되는 시간 중 상당한 주기(적어도 약 50%, 보다 바람직하게는 약 75%)동안에 전달되는 본 발명에 따라 극복된다. 이러한 유형의 파형은, 약 10 내지 100 바, 또는 약 150 내지 1500 psi의 정도의, 훨씬 더 낮은 불활성가스 압력에서 가스의 방출이 이루어질 수 있도록 해주고, 이에 따라, 지금까지 억제제로서 할론을 사용하는 시스템들에서 저가의 가스 처리 및 분배장비와, 현존장비를 사용할 수 있게 된다. 바람직한 시스템에서, 방출압력은 약 50 바이다.
특히, 압력가스 소소가 되는 실린더(24)로부터의 가스가 초기에 배출포트(60)으로 전달되기 때문에, 역압(back pressure)이 밸브유닛 내에 발생되어, 가스가 통로(90), 개구(92), 통로(95), 경감된 영역(72)을 포함하는 상기 기술한 조절통로를 통해 실린더에서부터 조절챔버(182) 내로 역류하게 한다. 이는, 밀봉부재(56)를 밸브유닛의 폐쇄위치로 이동시키게 된다. 결국, 실린더(24)로부터 가스흐름을 제한하게 되는데, 이는 배출포트(60) 내 압력이 감소되기 전까지 계속 진행된다. 그 결과, 가스는 조절챔버(182)에서부터 상기 기술한 조절통로를 따라 방출포트로 흐른다. 조절통로를 따라 정 및 역의 이 가스흐름은 가압 가스 소스로서의 실린더(24)에서부터 가스가 흐르는 시간 대부분 동안에 반복된다. 그 결과, 실린더(24)로부터 가스흐름의 압력조절이 이루어져, 도 13 파형 중 평평한 부분을 생성하게 된다. 실린더(24)에서부터 가스 방출의 말미 무렵에, 스프링 조립체(184)에 의해 가해지는 스프링력은 균등화 및 조절챔버들에서 가해지는 힘들의 합보다 크게 되어, 스프링은 밸브유닛에서 단독으로 동작하는 요소가 되게 되고, 밸브유닛은 가스가 완전히 방출될 때까지 완전히 개방된 채로 있게 된다. 이 점에 있어서, 도 13은, 가스 방출의 말미에 급격한 테일-오프(tail-off)를 가지는 직선의, 일정한 압력상태를 도시하였지만, 실제로 파형은 직선 중 직선 부분 근처에서 변동을 보인다.
밸브 유닛(26)의 조절동작은 논리도의 형식으로, 도 14도에서 점선 박스(208) 내에 설명되어 있다. 그러므로, 단계 210에서, 만일 실린더 힘(즉, 실린더 가스에 의해 표면영역 S1에 대해 가해지는 힘)에 스프링력(즉 스프링조립체(184)에 의해 가해지는 힘)을 더한 값이, 균등화 및 조절챔버들(180, 182)에서 제2 표면영역 S2(S2E 및 S2M 표면영역의 합)에 가해지는 대항력과 동등하다면, 시스템은 밸랜스가 이루어진다(단계 212). 만일, 실린더 힘과 스프링조립체 힘을 더한 값이 상기 대항력 보다 작다면(단계 214), 밀봉부재는 밸브폐쇄위치로 이동하여(단계 216), 실린더에서부터 가스의 흐름을 제한한다. 만일, 실린더 힘과 스프링 힘을 더한 값이, 대항력보다 크다면(단계 218), 밀봉부재는 밸브개방위치로 이동한다(단계 220). 이러한 조절은, 단계 218에서 스프링 힘이 균등화 및 조절챔버들을 통해 인가되는 대항력보다 크게 될 때까지(단계 224), 실린더 힘, 스프링 힘 및 대항력의 효과적이 결정에 의해 지속된다(단계 222). 단계 226에서, 스프링 조립체는 완전히 신장하여, 도 13의 파형 중 하방으로 향하는 "무릅(knee)"부분에 해당되게 된다. 이로써, 시스템 동작을 완료하게 된다(단계 228).

Claims (31)

  1. 밸브몸체(48)와, 밀봉부재(56)와, 스프링(186)과, 제1동작표면영역(S1) 및 제2동작표면영역(S2)과, 액추에이터(50)를 구비한 밸브유닛(26)으로서,
    상기 밸브몸체(48)는 가압 가스 소스(24)와 연결되는 유입포트(58)와 가스 수용기(30)와 연결되는 배출포트(60)를 포함하고,
    상기 밀봉부재(56)는 상기 유입포트(58)와 배출포트(60) 사이에 위치하며, 폐쇄된 가스흐름-차단위치와 상기 소스(24)에서 상기 가스 수용기(30)로 가스의 흐름을 허용하는 개방위치 간을 변위할 수 있는 변위가능한 밀봉부재이며;
    상기 스프링(186)은 상기 밀봉부재(56)와 작동적으로 연결되고 또한 상기 밀봉부재(56)를 개방위치로 바이어싱하고,
    상기 제1동작표면영역(S1) 및 상기 제2동작표면영역(S2)은 상기 밀봉부재(56)의 일부를 형성하며, 상기 제1동작표면영역(S1)은 상기 소스(24)로부터의 가압 가스에 노출되고, 상기 밀봉부재(56)는 스프링(186)의 바이어싱에 저항하여 상기 폐쇄된 가스흐름-차단위치에서 정상상태로 유지되며, 상기 제2동작표면영역(S2)의 적어도 일부분과 상기 밸브몸체(48)의 인접부들 간에는 조절챔버(182)가 형성되는 한편, 상기 소스(24)와 상기 조절챔버(182)는 포트(168)에 의해 연통하며,
    상기 액추에이터(50)는 상기 조절챔버(182)의 내외로 상기 소스(24)로부터의 가압가스의 흐름이 발생하도록 작용하고,
    상기 포트(168)는 상기 소스(24)와 상기 조절챔버(182) 간의 가스의 흐름률을 제한하도록 작용하는 가스흐름제한장치(169)를 포함하며,
    상기 제1동작표면영역(S1) 및 상기 제2동작표면영역(S2), 조절챔버(182), 스프링(186)은 서로 상관되어, 상기 밀봉부재(56)가 상기 개방위치로 변위할 때, 상기 조절챔버(182) 내외로 흐르는 상기 가스의 흐름에 의해 상기 소스(24)에서부터 상기 가스 수용기(30)로 가스가 흘러가는 시간 중에 1 MPa 내지 10MPa(10 내지 100 바) 범위의 압력으로 가스가 상기 소스(24)에서부터 상기 수용기(30)로 전달되는 것을 특징으로 하는 밸브유닛.
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  3. 제1항에 있어서, 상기 소스(24)와 연통하는 균등화 가스 챔버(180)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브유닛.
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  11. 실내에서 위험을 방지하기 위한 위험방지시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    각각이 위험-방지가스의 공급을 책임지는 다수의 가압된 가스 실린더(24)와;
    상기 실린더(24) 각각과 작동적으로 연결되는 청구범위 제1항에 따른 밸브유닛(26)과;
    상기 실내로 가스의 전달을 위해 상기 밸브유닛(26) 각각과 연결된 분배장치(30)를;
    구비하는 것을 특징으로 하는 위험방지시스템.
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  21. 제11항에 있어서, 위험검출기(34)를 더 포함하고, 상기 위험검출기는 실내의 위험을 감지하고 이에 반응하여 상기 액추에이터 각각을 구동하는 것을 특징으로 하는 위험방지시스템.
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  26. 제3항에 있어서, 상기 균등화 가스 챔버(180)는 상기 소스(24)로부터의 압력가스가 상기 균등화 가스 챔버(180) 내에서 힘을 가하여 상기 밀봉부재(56)를 상기 폐쇄된 가스흐름-차단위치로 바이어싱하는 것을 특징으로 하는 밸브유닛.
  27. 제1항에 있어서, 상기 소스(24)와 상기 액추에이터(50)를 연통하는 통로(90)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브유닛.
  28. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터(50)는 변위가능한 피스톤(112)을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브유닛.
  29. 제28항에 있어서, 상기 피스톤(112)과 작동적으로 연결되고 또한 파일럿 가스의 소스(40)에 연결되는 파일럿가스 라인(42)이 형성되고, 상기 피스톤(112)은 상기 파일럿가스 라인(42)으로 파일럿가스의 도입시에 변위가능한 것을 특징으로 하는 밸브유닛.
  30. 제1항에 있어서, 상기 가압 가스에 노출되는 압력게이지(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브유닛.
  31. 제1항에 있어서, 상기 소스(24) 내 과도한 압력에 응해 상기 가압 가스의 배출을 위한 파열디스크 조립체(54)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브유닛.
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