KR102227065B1 - 스프링클러헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프링클러에 관한 것으로서, 유체의 진행 방향을 따라 벤츄리효과를 적용하기 위해 축소부에서 노즐의 지름이 커지는 변동부와 확대부를 구비하고, 상기 변동부에 위치하는 내부슬롯에 의해 연소가스의 흡입 작용이 가능한 스프링클러이다.

Description

스프링클러헤드{Sprinkler head}

본 발명은 스프링클러헤드에 관한 것으로서, 상세하게는 화재 시 스프링클러헤드의 살수와 더불어 벤츄리 효과를 이용하여 빠르고 많은 양의 연기 및 독성가스를 포획하는 스프링클러 헤드에 관한 것이다.

국가화재정보센터(National Fire Data System, 2018)의 화재연감통계에 의하면, 화재로 인한 인명피해가 직접적인 화상의 원인보다는 연기 및 독성가스 흡입 등에 의해 60% 이상 발생하고 있는 사실을 알 수 있다. 이는 화재 시 그 진압과정에서 연기 및 독성가스의 제거가 인명을 구조하는데 중요한 요소라는 것을 증명해주는 것이다.

스프링클러 소화설비는 화재 시, 화재감지특성과 화재제어 및 진압의 방사특성을 가진 수계소화설비로서 동작특성과 더불어 성능위주 설계의 적용을 위해 다방면에서 연구가 진행되고 있다. 이와 관련된 국내 연구로서 스프링클러 헤드 동작이 유출되는 연소가스의 질량유량을 감소시킨다는 실험에 의해 스프링클러소화설비의 우수성이 언급된바 있다. 또한, 그 외 스프링클러 헤드의 살수와 연소가스 제어, 저감효과에 대한 연구가 있으며, 결과적으로 스프링클러헤드로 비산되는 수적과 연기와의 접촉 속도, 포획, 면적 등 여러 방법으로 화재 시 발생되는 연기의 농도를 낮출 수 있을 것으로 판단할 수 있다.

종래 이에 관련한 선행기술로서, 등록특허공보 제10-1168831호(“화재 스프링클러 기능을 가진 연기 및 유독가스 제거장치”와 등록특허공보 제10-1348998호(“벤투리 제연 스프링클러 및 연기 및 유독가스 제거장치”)가 있다. 상기 종래기술은 노즐에서 물을 분사하면서 발생하는 저압에 의해 연소가스 및 연기가 흡입되는 효과를 이용한 것이다.

다만, 종래기술은 스프링클러헤드의 구조가 복잡하게 형성되어 제작 및 설치, 스프링클러헤드의 화재진압 효과 및 유지관리 측면에서 어려움이 존재하며, 단순히 벤투리 효과에 의한 흡기현상을 이용하고 있을 뿐 흡기 효과를 최적화하고 있지 못하다. 따라서, 이러한 문제를 개선한 스프링클러헤드의 필요성이 있다.

등록특허공보 제10-1168831호 등록특허공보 제10-1348998호

본 발명은 상술한 문제를 개선한 스프링클러로서, 스프링클러의 구조를 단순화하는 한편, 벤투리 효과로 인한 흡기 효과를 최적화함으로써 현저하게 연기 및 유독가스 제거 효과가 개선된 스프링클러는 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 스프링클러헤드는, 유체의 흐름을 따라 통로의 지름이 확대되는 구간인 변동부와 상기 변동부에서 확대된 지름이 유지되는 구간인 확대부를 구비하고, 측면에 공기가 통과할 수 있는 내부슬롯이 마련된 노즐; 및 중공을 내부에 포함하고, 상기 중공에 상기 노즐을 수용하며, 몸체의 측면에 공기가 통과할 수 있는 외부슬롯을 포함하는 몸체부;를 포함한다.

바람직하게는 ,상기 내부슬롯은 상기 변동부에 위치한다.

또한, 바람직하게는 상기 노즐은, 상기 변동부의 양 끝단의 직경비(작은지름/큰지름)가 0.75 이상이다.

또한, 바람직하게는 상기 내부슬롯은, 유체의 흐름 방향과 수직한 방향으로 상기 노즐의 단면의 원주면을 따라 형성된다.

또한, 바람직하게는 상기 내부슬롯은, 유체의 흐름을 따라 상기 변동부가 시작되는 지점을 포함하거나 이에 인접하여 형성된다.

본 발명에 따르면, 화재 발생 시 스프링클러의 동작에 의해 별도의 동력 없이 연기 및 연소가스를 효율적으로 제거할 수 있으며, 화재 공간에 있는 인명의 체류 및 이동시간을 확보하여 인명구조 가능성이 증대된다.

또한, 본 발명은 스프링클러의 설치가 가능한 곳이라면 어떤 장소에서든지 적용 가능하여, 거실제연설비 미 설치 대상물에서 소기의 목적을 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

또한, 본 발명은 벤투리 효과를 최적화함으로써 구현할 수 있는 흡기 효과를 최대화하고, 연기 제거에 있어 현저한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 단순 구조로 이루어져 제작 비용 절감과 설치 후 고장률이 적고, 설치 및 유지, 관리 측면의 편의성이 증대되는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스프링클러헤드의 종단면도이다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐을 도시한 것이다.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 몸체부를 도시한 것이다.
도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐을 도시한 것이다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 몸체부를 도시한 것이다.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스프링클러헤드와 노즐의 사진이다.
도7은 본 발명의 성능을 실험하기 위한 축소실험 장치의 사진이다.
도8은 축소실험의 복합가스농도 계측기의 사진이다.
도9는 축소실험 과정을 도시한 사진이다.
도10은 축소실험시간에 따른 CO 농도의 테스트 결과를 나타낸 표이다.
도11은 축소실험시간에 따른 CO 농도의 테스트 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도12는 축소실험에서 시간에 따른 가시도 변화를 설명하는 사진이다.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 설명을 생략하였다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스프링클러헤드(100)의 종단면을 도시한다. 도2 및 도3은 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 노즐(110)과 몸체부(120)의 세부 구성을 설명하기 위해 도시된 것이다. 도4 및 도5는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 노즐(210) 및 몸체부(220)를 설명하기 위해 도시된 것이다. 도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스프링클러헤드(100)의 전체 사진과 노즐(110) 사진을 도시한 것이다.

도1을 참조하면, 스프링클러헤드(100)는 노즐(110)과 몸체부(120)를 포함한다. 또한, 몸체부(120) 하단에 연결되어 노즐(110)에서 분사된 소화액이 충돌하여 비산하도록 하는 반사판(122)을 포함한다.

노즐(110)은 소화설비와 연결되어 소화액을 분사하는 구성으로서, 단면의 지름에 따라 축소부(113)와 변동부(111), 확대부(112)를 포함할 수 있다. 축소부(113)는 유체가 흐르는 통로의 지름이 상대적으로 가장 작은 구간이고, 변동부(111)는 상기 지름이 유체의 흐름 방향을 따라 점점 증가하는 구간이다. 또한, 확대부(112)는 상기 변동부(111)에서 확대된 지름을 가지는 구간에 해당한다.

또한, 노즐(110)은 외부로부터 공기를 흡입하는 통로로 기능하는 내부슬롯(114)을 포함한다. 내부슬롯(114)은 유체가 흐르는 방향을 따라 노즐(110)의 축소부(113)에서 변동부(111) 사이의 경계를 포함하여 형성되거나, 또는 상기 경계와 인접한 위치에 형성될 수 있다. 바람직하게는, 내부슬롯(114)은 노즐(110) 내부 유체의 흐름에 있어서, 변동부(111)가 시작되는 위치에 형성되는 것이 흡기 효과를 최적화하기 좋다.

도2를 참조하면, 내부슬롯(114)은 변동부(111)가 시작되는 위치에서, 노즐(110) 단면의 원주 방향을 따라 형성되면서, 유체의 흐름 방향과 수직하게 마련될 수 있다. 내부슬롯(114)의 길이는 한정되지 않으며 적절한 길이를 가지고 복수로 형성될 수 있다. 다만, 내부슬롯의 폭이 넓고 길이가 길게 형성되는 것이 흡기 효과상 우수한바 바람직하다.

다만, 도4에서 도시한 제2 실시예에 따른 노즐(210)과 같이, 내부슬롯(214)의 형상은 다수의 구멍으로 형성될 수도 있다. 내부슬롯의 구체적인 형상과 세세한 위치는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 ‘당업자’라고 함)이 변형 또는 변경 가능할 것이다.

또한, 노즐(110)의 축소부(113)의 통로 지름(a)과 확대부(112)의 통로 지름(b)의 비율(a/b, 직경비)은 0.75 이상인 것이 바람직하다. 이는 축소부(113)에서의 유체의 최소압력이 물의 포화증기압보다 작은 값을 가지는 경우 케비테이션(Cavitation)이 발생하므로, 축소부(113)에서 최소압력이 섭씨 25도인 물의 포화증기압 3,215Pa보다 큰 값을 갖도록 하기 위한 것이다. 이를 다르게 표현하면, 변동부(111) 양 끝단 통로의 작은지름과 큰지름의 비율(a/b, 직경비)이 0.75 이상인 것이 바람직하다.

노즐(110)은 벤츄리 효과를 가진다. 벤츄리 효과는 직경이 좁아졌다가 다시 넓어지는 형태로 형성된 벤츄리 관에서 나타나는 것이다. 직경이 좁은 곳의 유체 속도가 증가함에 따라 압력이 낮아지며, 상대적으로 압력이 높은 주변의 공기를 포획할 수 있다. 예를들어, 노즐(110)을 통과하는 수류가 축소부(113)에서 속도가 증가하여 축소부(113) 내 압력이 내려가면, 연기 및 독성가스와 같은 화재 물질이 내부슬롯(114)을 통과하여 노즐(110)에 포획되고, 물과 함께 분사되면서 물에 녹아 공기 중 그 농도가 낮아지는 것이다.

연소가스 중 독성을 가지는 물질인 일산화탄소(CO)와 공기중의 질소와 모직류, 견직물이 불완전 연소되면서 발생되는 시안화수소(HCN) 및 염소가 함유된 수지류가 탈 때 주로 생성되는 염화수소(HCL)는 물과 반응하여 용해되는 성질을 가지고 있어 스프링클러헤드의 동작으로 이러한 가스의 농도를 낮추는 효과를 기대할 수 있다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 몸체부(120)는 중공을 내부에 포함하여, 상기 중공에 노즐(110)을 수용할 수 있다. 또한, 몸체부(120)의 측면에는 외부슬롯(121)이 형성되어 주변 공기가 노즐(110)의 벤츄리 효과를 통해 흡입될 수 있도록 한다. 외부슬롯(121)은 2mm의 폭을 가지며 몸체부(120)의 외주면에 일정한 간격으로, 세로로 형성될 수 있다.

다만, 도5에서 도시하듯이, 외부슬롯(221)은 몸체부(220)의 외주면을 따라 가로로 형성될 수도 있다. 공기를 통과시키기 위한 기능적인 요건을 만족시키는 범위에서 당업자가 적절히 변형 또는 변경 가능할 것이다.

이하, 본 발명의 독성가스 및 연기 제거 효과를 증명하는 실험 데이터를 설명한다.

도7은 상기 실험을 실시하기 위한 축소모형 실험장치 사진이고, 도8은 가스의 농도를 측정하는 복합가스농도계측기의 사진이다. 도9는 축소모형 실험과정을 도시한 사진이고, 도10은 표준형 스프링클러 및 본 발명이 적용된 스프링클러(이하 ‘실험모델’)를 설치하고, 담배 연기를 이용하여 시간에 따른 CO 농도의 테스트 결과를 나타낸 표이다. 도11은 상기의 테스트 결과를 그래프로 도시한 것이며, 도12는 표준형 스프링클러와 실험모델의 가시도 실험에서 시간에 따라 가시도가 변화하는 것을 보이는 사진이다.

도7을 참조하면, 실험장치는 1,2차측 압력계, 개폐밸브, 감압밸브, 유량조절용 글로브 밸브, 실험상자로 구성되고, PB(Poly Butylene)관에 상수도를 연결한다. 상수도 공급압력이 0.3~0.4MPa이므로, 최소방사압력 기준인 0.1MPa로 조정하기 위해 감압밸브가 설치된다. 실험상자 내부에는 육안으로 가시도를 확인하기 위해 뒷면, 좌, 우측면에 사진을 부착한다.

도8을 참조하면, 가스계측기는 산소, 일산화탄소, 시안화수소, 폭발성가스의 농도를 측정하는 미국 Honeywell 회사의 Minimax-4 복합가스계측기가 사용되었다.

도9를 참조하면, 스프링클러의 살수를 통해 일산화탄소 농도 변화와 연기 제거 및 가시도 확인을 목적으로 상자 내 연기충전, 살수, 측정, 확인 등의 과정에 따라 실험을 진행하였다.

스프링클러헤드는 반사판을 제거한 개방형 형태의 표준형 스프링클러헤드와 실험모델을 사용하였다. 상자 내부로 공급되는 연기를 정량화하기 위해 담배 2개피를 연소시켰고, 살수하기 전과 실험을 진행하면서 1분, 2분, 3분에 상자 내부의 일산화탄소 농도를 측정하였다. 또한, 연기 제거 효과를 확인하기 위해 상자 내부에 부착된 사진의 가시도를 확인하였다.

실험은 0.1Mpa 송수압력과 0.25Mpas 송수압력에서 실시되었다.

도10을 참조하면, 실험모델이 표준형 스프링클러헤드보다 독성가스 및 연기 제거 효과가 우수한 것으로 해석된다. 실험을 실시 후 1분 뒤 가스 농도의 변동이 급격하였다. 도11에 이를 시각화한 그래프가 도시된다.

실험 초반 독성가스 및 연기의 감소율은 실험모델에서 현저하게 빠르고, 3분이 지난 뒤 표준형 스프링클러헤드의 농도 감소율은 66.5%였으나, 실험모델의 경우 방사압력 0.1MPa에서 71%, 0.25MPa에서 73.1%로 더 많은 양의 일산화탄소가 제거되었다.

도12를 참조하면, 스프링클러헤드 살수 전 담배 2개피 분량의 연기를 상자에 충전하여 상자 내부에 부착된 사진을 볼 수 없을 정도로 연기가 자욱한 것을 볼 수 있다. 그러나 실험모델의 경우 실험을 진행함에 따라 사진을 확인할 수 있을 정도로 가시도가 향상된다. 반면에 표준형 스프링클러헤드는 3분 뒤에도 사진을 확인하기 어려웠다. 즉, 연기는 물 및 물방울과 접촉하여 입자의 낙하로 제거가 가능한 것으로 나타났으며, 실험모델이 표준형보다 빠르게 연기의 농도를 낮추는 것으로 확인되었다.

전술한 실험에 의해, 본 발명에 따른 스프링클러헤드가 화재발생 시 연기, 유독가스에 의한 인명피해 최소화와 체류시간 연장, 피난안전성 확보 등에 효과가 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.

100: 본 발명의 제1 실시예에 따른 스프링클러헤드
110: 노즐
111: 변동부
112: 확대부
113: 축소부
114; 내부슬롯
a: 축소부 구간의 통로 지름
b: 확대부 구간의 통로 지름
120: 몸체부
121: 외부슬롯
200: 본 발명의 제2 실시예에 따른 스프링클러헤드
210: 노즐
214: 내부슬롯
220: 몸체부
221: 외부슬롯

Claims (5)

1. 일정한 직경의 통로를 가진 축소부와, 상기 축소부에 연결되고 유체의 흐름을 따라 통로의 지름이 확대되는 구간인 변동부와, 상기 변동부에서 확대된 지름을 갖는 구간인 확대부를 구비하고, 상기 변동부의 측면에 공기가 통과할 수 있는 내부슬롯이 마련된 노즐; 및
   상기 노즐을 수용하는 중공과, 몸체 측면에 공기가 통과할 수 있는 외부슬롯을 구비하는 몸체부;를 포함하고,
   상기 노즐은,
   상기 변동부의 양 끝단의 직경비(작은지름/큰지름)가 0.75 이상이고, 상기 내부슬롯은 유체의 흐름을 따라 상기 변동부가 시작되는 지점에 구비된 스프링클러헤드.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 내부슬롯은,
   유체의 흐름 방향과 수직한 방향으로 상기 노즐의 단면의 원주면을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 스프링클러헤드.
   
5. 삭제

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