KR102577849B1

KR102577849B1 - 나노에너지물질을 이용한 소화장치

Info

Publication number: KR102577849B1
Application number: KR1020230045373A
Authority: KR
Inventors: 유재헌; 김지훈; 최윤정
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2023-04-06
Filing date: 2023-04-06
Publication date: 2023-09-13

Abstract

본 발명은 소화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화재를 진압하기 위한 소화제, 금속 및 산화제가 결합된 결합체로 이루어진 나노에너지물질, 상기 소화제를 수용하는 제1 케이스, 및 상기 나노에너지물질을 수용하는 제2 케이스를 포함하여, 자동으로 초기 화재를 신속하게 진압할 수 있는 나노에너지물질을 이용한 소화장치에 관한 것이다.

Description

나노에너지물질을 이용한 소화장치{FIRE EXTINGUISHING DEVICE USING NANO-ENERGETIC MATERIALS}

본 발명은 초기 화재를 신속하게 진압할 수 있도록 나노에너지물질(nano-energetic material)을 이용한 소화장치에 관한 것이다.

화재 발생 이후의 진압 및 확산을 방지하기 위해 다양한 종류의 소화제와 소화기가 보급되어 사용 중이다. 또한, 화재의 종류에 따라 A/B/C급 등으로 소화제의 종류가 구분되어 있으며, 군사적 목적으로 군용 화약류 저장시설 및 제조시설이나 군용 화약류의 성능 시험 등 화약류를 이용한 기폭, 점화 업무를 수행하는 시험 시설에서는 특성상 폭발 및 화재 위험성을 가지고 있는 화약류를 다른 물질로 대체하는 것과 같은 화재 위험 제거가 불가능하므로 실험실 등 화재 발생 가능성이 높은 구역에 안전 규정을 적용하여 규격에 맞는 소화기가 필수로 비치되어야 하는 등 화재 발생을 최소화하기 위한 노력이 지속적으로 진행 중이다.

기존에 개발된 소화기나 소화장치는 초기의 화재진압을 목적으로 개발된 것들이 대부분이나 자동으로 작동하지 않으므로 사람의 화재 인지가 필수적으로 선행되어야 하고, 소화장치의 부피가 큰 형태이므로 긴급상황 발생 시 신속하게 사용하기 어려운 단점이 있다. 상기에 제시된 문제점을 해결하기 위해 초기에 발생하는 화재를 자동으로 진압할 수 있도록 주방 환기 후드 등에 소화약제가 설치되고 있으나, 고장으로 인해 자주 교체되거나 필요한 상황에서 작동하지 않는 문제점을 가지고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1484690호

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명은 군용 화약류의 저장시설 및 제조시설이나 시험시설에서 화재 발생 초기에 자동으로 신속하게 화재를 진압하여 추가적인 연쇄 폭발이나 화재 피해가 발생의 위험성을 막을 수 있도록 자동으로 소화제를 분산시키는 용도로 나노에너지물질을 이용한 소화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 소화장치는 금속 및 산화제가 결합된 결합체로 이루어진 나노에너지물질, 상기 나노에너지물질의 외면을 둘러싸며 화재를 진압하기 위한 소화제를 포함한다.

상기 나노에너지물질은 화재 발생에 따른 열에너지에 의해 점화하여 폭발 및 연소 반응으로 의해 상기 나노에너지물질을 둘러싸고 있던 상기 소화제를 분사할 수 있다.

상기 나노에너지물질에서 상기 금속은 알루미늄(Al)이고, 상기 산화제는 Fe₂O₃, MoO₃, KMnO₄, NiO, MnO₂, WO₂, WO₃, SnO₂, Cr₂O₃, SiO₂ 및 V₂O₅ 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 나노에너지물질은 상기 금속 및 상기 산화제 둘 중 어느 하나의 입자 크기가 나노크기를 갖거나 둘 다 나노크기를 갖는 것을 사용한다.

상기 나노에너지물질에는 바인더, 안정제 및 무기첨가제 중에서 선택된 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

상기 나노에너지물질은 펠렛(pellet) 형태일 수 있다.

상기 소화제는 탄산칼륨, 탄산수소칼륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 탄산마그네슘, 탄화수소암모늄, 요소, 황산암모늄, 인산일암모늄, 인산이암모늄, 인산나트륨, 초산칼륨, 황산칼륨, 염화칼슘 및 산화붕산 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 소화제는 상기 나노에너지물질의 외면을 전체 또는 일부분만 둘러싸는 형태로 구성하되, 상기 나노에너지물질이 소화제의 중심부에 위치할 수 있다.

본 발명의 소화장치는 상기 소화제를 수용하는 제2 케이스를 포함하고, 상기 나노에너지물질을 수용하는 제1케이스를 포함할 수 있다. 상기 제1 케이스 및 상기 제2 케이스는 필요에 따라 선택적으로 사용 가능하다.

상기 제1 케이스는 상기 제2 케이스 내부에 위치하며, 상기 제1 케이스는 내부에 수용된 나노에너지물질이 상기 제2 케이스 내부에 수용된 소화제와 혼합되지 않도록 밀폐되어 있는 것이 바람직하며, 혼합방지를 위해 나노에너지물질이 펠렛 형태인 것을 사용하는 경우에는 제1 케이스를 사용하지 않는 개방 구조 또는 상기 제1 케이스의 일단이 개방되어 있는 반밀폐 구조로 이루어질 수 있다.

상기 제1 케이스의 높이와 폭 중에서 어느 하나는 상기 제2 케이스 내부에 수용되도록 상기 제2 케이스보다 작거나 같게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제1 케이스 및 상기 제2 케이스는 원기둥형, 다각 기둥형, 구형 및 육면체형 중에서 선택된 어느 하나의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 소화장치는 화재 발생에 따른 고온 조건에서 나노에너지물질 반응에 의해 폭발 및 연소 반응으로 인해 높은 압력이 형성되고, 형성된 압력으로 소화제가 고르게 분산하게 되며, 소화장치 근처에 넓은 범위에 퍼진 화재를 초기에 진압하거나 화재가 발생하지 않은 장소에 소화제가 도포되어 화재의 확산을 효과적으로 방지한다.

또한, 본 발명의 소화장치는 일반적인 소화장치에서 소화제를 분사하는데 사용하는 노즐이나, 소화제 분사를 작동시키기 위해 별도로 열선(Hot Wire), 기계적 충격(Mechanical Impact), 전기적 스파크(Electric Spark) 등과 같이 소화장치 작동을 위한 복잡한 기구적인 장치를 적용하지 않고도 화재로 인해 주변의 온도가 상승하게 되면 자동적으로 나노에너지물질 반응이 시작되어 소화제를 분사하는 것으로, 군용 화약류의 저장시설 및 제조시설이나 시험시설에 적합하게 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 소화장치의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 소화장치의 수평 단면도이다.
도 3은 본 발명의 펠렛 형태의 나노에너지물질을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 소화장치의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 소화장치의 수직 단면도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 예시 도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일예로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 소화장치의 단면도이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 Y방향을 수직방향, X방향을 수평방향으로 정의한다.

도 1에서 도시된 바와 같이 실시예 1에 따른 소화장치를 수직방향(Y)의 절단한 단면도를 살펴보면, 소화장치는 나노에너지물질(100), 소화제(200) 및 상기 나노에너지물질(100)과 상기 소화제(200)가 각각 수용되는 제1 케이스(300)와 제2 케이스(400)를 포함한다.

상기 나노에너지물질(100)은 상기 소화제(200)를 분산시키기 위해 사용되는 물질이다. 나노에너지물질(100)은 Nano Energetic Material(nEM) 혹은 나노 테르밋(nano thermite)이라고도 하며, 외부에서 유입된 열에너지에 의해 점화하고, 점화 초기에 화학적 에너지를 열 및 압력 기반의 에너지로 급격하게 전환시키는 높은 반응성을 나타내는 물질로 입자 크기가 나노 크기의 금속 및 산화제(oxidizer)가 물리적 혹은 화학적으로 결합된 형태의 결합체로 이루어진다.

본 명세서에 기재된 용어 "나노"란 나노 스케일을 의미하며, 입자 크기가 수 nm 에서 수백 nm 크기의 범주에 속하는 1㎛ 이하의 크기를 의미한다.

상기 나노에너지물질(100)은 금속은 알루미늄(Al)이고, 산화제는 Fe₂O₃, MoO₃, KMnO₄, NiO, MnO₂, WO₂, WO₃, SnO₂, Cr₂O₃, SiO₂ 및 V₂O₅ 중 어느 하나의 금속 산화물이며, 상술한 금속과 산화제의 종류를 조합한 다양한 조성으로 사용한다.

상기 나노에너지물질(100)은 상기 금속 및 상기 산화제 둘 중 어느 하나의 입자 크기가 나노크기를 갖는 것을 사용한다. 예를 들면 나노 크기의 금속과 마이크로 크기의 산화제로 이루어진 것이나, 마이크로 크기의 금속과 나노 크기의 산화제로 이루어진 것, 또는 금속과 산화제 모두 나노 크기로 이루어진 것을 사용할 수 있다.

상기 나노에너지물질(100)에는 바인더, 안정제 및 기타 첨가제 중에서 선택된 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

상기 바인더는 나노에너지물질의 취급 안정성을 높이고 점화시 열화학적 반응 특성을 향상시킬 수 있는 폴리머 바인더(polymer binder)를 사용한다.

상기 바인더로는 스티렌계 단량체, 아크릴레이트계 단량체, 메타크릴레이트계 단량체, 디엔계 단량체,산성 올레핀계 단량체 및 염기성 을레핀계 단량체로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 중합체를 사용할 수 있으나, 이에 반드시 한정된 것은 아니다.

상기 소화제(200)는 화재를 진압하기 위한 약제로 분말 또는 액상 형태이다. 예를 들어 소화제(200)는 탄산칼륨(potassium carbonate), 탄산수소칼륨(potassium hydrogen carbonate), 탄산나트륨(sodium carbonate), 탄산수소나트륨(sodium hydrogen carbonate), 탄산마그네슘(magnesium carbonate), 탄화수소암모늄(ammonium bicarbonate), 요소(urea), 황산암모늄(ammonium sulfate), 인산일암모늄(Mono ammonium phosphate), 인산이암모늄(Di ammonium phosphate), 인산나트륨(sodium phospate), 아세트산칼륨(potassium acetate), 황산칼륨(potassium sulfate), 염화칼슘(calcium chloride) 및 산화붕산 등으로부터 선택된 어느 하나 이상의 무기화합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 사용하는 것이라면 특별한 제한 없이 사용이 가능하다.

소화장치는 상기 나노에너지물질(100)을 수용하는 제1 케이스(300)와 상기 소화제(200)를 수용하는 제2 케이스(400)를 포함한다.

제2 케이스(400)는 제1 케이스(300)의 외측면 전부 또는 일부를 감싸도록 구성할 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1 케이스(300)는 상기 제2 케이스 내부에 위치하며, 상기 제1 케이스의 높이와 폭은 상기 제2 케이스 내부에 수용되도록 상기 제2 케이스보다 작거나 같게 형성될 수 있다.

실시예 1에서 상기 제1 케이스(300)는 내부에 수용된 소화제(200)가 나노에너지물질(100)과 혼합되지 않도록 밀폐되어 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소화장치의 수평방향(X)으로 절단된 단면도이다.

도 2에 나타낸 것과 같이 제2 케이스(400) 내부 중앙에 제1 케이스(300)가 위치하고 나노에너지물질(100)이 수용되되, 상기 나노에너지물질(100)은 상기 제1 케이스(300)를 둘러싸여 있도록 한다.

제1 케이스(300) 및 제2 케이스(400)는 열전도도가 높고, 나노에너지물질의 반응에 따라 형성된 압력으로 쉽게 깨질 수 있는 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같은 제1 케이스(300) 및 제2 케이스(400)의 열전도성 재료는 특별히 한정되지 않는다.

상기 제1 케이스(300) 및 제2 케이스(400)는 열전도도가 100W/mk 이상일 수 있다. 열전도도는 그 수치가 높을수록 화재의 열에 대한 나노에너지물질의 반응 특성 등에 유리하므로, 상한은 제한되지 않는다.

제2 케이스(400) 외면에는 본 발명의 소화장치를 고정 부착하기 위한 고정 장치가 추가적으로 구성될 수 있다.

상기 실시예 1의 소화장치 경우에는, 나노에너지물질의 폭발 및 연소 반응에 의해 제2 케이스(400)의 중심부에 위치하는 제1 케이스(300)가 파손되어 상기 제1 케이스(300)에 수용된 소화제(200)를 외부로 분사하는 것으로 소화장치가 작동된다.

도 1 및 도 2에서는 제1 케이스(300) 및 제2 케이스(400)는 납작한 원기둥 형태로 나타내었지만, 상기 제1 케이스(300) 및 제2 케이스(400)의 형태가 이에 반드시 한정된 것은 아니며, 구형, 원기둥형, 오면기둥형, 육면 기둥형, 칠면기둥형, 팔면 기둥형, 육면체형, 모서리가 굴곡된 육면 기둥형, 모서리가 굴곡된 육면체형 등 다양한 형상으로 변경될 수 있다.

도 3은 본 발명의 펠렛 형태의 나노에너지물질을 개략적으로 보여주는 사시도이며, 도 3에 도시된 바와 같이 나노에너지물질(100)은 가압 성형하여 펠렛(pellet) 형태일 수 있다.

도 3에서는 원기둥 형태 펠렛으로 이루어진 나노에너지물질(100)을 제시하였으나, 펠렛은 이에 반드시 한정되지 않고, 구형, 원기둥형, 오면기둥형, 육면 기둥형, 칠면기둥형, 팔면 기둥형, 육면체형, 모서리가 굴곡된 육면 기둥형, 모서리가 굴곡된 육면체형 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 소화장치에 상기 펠렛(pellet) 형태의 나노에너지물질을 사용하는 경우에는 실시예 2 및 실시예 3과 같이 소화장치를 구성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 소화장치를 수직방향(Y)의 절단한 단면도이다.

도 4를 살펴보면, 실시예 2의 소화장치는 펠렛 형태의 나노에너지물질이 케이스에 수용되지 않고, 소화제가 수용된 제2 케이스(400)의 중심부에 위치한다. 여기서 상기 제2 케이스(400)에는 펠렛 형태의 나노에너지물질(100)이 지정된 위치에 고정될 수 있도록 별도의 안착부가 구성될 수 있다.

펠렛 형태의 나노에너지물질은 상기 실시예 1에서처럼 나노에너지물질을 담는 제1 케이스(300)를 사용하지 않아도 나노에너지물질과 소화제가 혼입되지 않기 때문에 밀폐 구조를 형성하지 않을 수 있다. 상기 실시예 2와 같이 제1 케이스(300)를 사용하지 않은 개방 구조로 이루어지거나 또는 제1 케이스(300)를 사용하되 일단이 개방되어 있는 반밀폐 구조로 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 소화장치를 수직방향(Y)의 절단한 단면도이다.

실시예 3은 분말 형태의 소화제를 사용하였을 경우 구성할 수 있는 소화장치로, 나노에너지물질(100)을 수용하는 제1 케이스(300)와 소화제(200)를 수용하는 제2 케이스(400)를 사용하지 않는다.

실시예 3의 소화장치는 펠렛 형태의 나노에너지물질(100)을 준비하고, 성형틀에 상기 펠렛 형태의 나노에너지물질과 분말 형태의 소화제를 함께 가압 성형하여 형성된 것으로, 케이스 사용 없이 펠렛 나노에너지물질(100)의 외면을 둘러싸인 소화제를 구성한다.

본 발명의 소화장치에서 나노에너지물질(100)은 소화장치 주변에서 발생되는 화재의 열을 통해 일정 온도 이상의 고온 조건이 되면 반응하여 자동으로 점화가 시작되고, 이의 점화열로 나노에너지물질의 연소 및 폭발 반응이 일어나 동적 충격 압력과 금속의 해리를 통한 가스 압력 및 증기 압력이 발생되며, 이 압력을 통해 소화장치에서 나노에너지물질(100)을 둘러싸고 있는 소화제(200)가 화재가 발생된 부근으로 분사하는 것으로 소화장치가 작동된다. 그러므로 나노에너지물질(100)의 압력이 소화제(200)에 고루 전달되도록, 소화제(200)의 중심부에 나노에너지물질(100)이 위치하는 것이 바람직하다.

앞서 살펴본 바와 같이 본 발명의 소화장치는 일반적인 소화장치에서 노즐의 형태로 지속적으로 소화제를 분사하는 형태가 아니라 화재 발생에 따른 열에 따른 나노에너지물질 반응에 의해 폭발 및 연소 반응에 따라 순간적인 압력 발생으로 소화제를 일시에 광범위한 영역에 고르게 방출시킨다. 화재로 인해 발생된 열에 의해 별도의 점화 장치 없이 자동으로 소화제를 분사하기 때문에 신속하게 화재에 대응할 수 있다.

100 : 나노에너지물질
200 : 소화제
300 : 제1 케이스
400 : 제2 케이스
X : 수평방향
Y : 수직방향

Claims

알루미늄(Al)인 금속 및 Fe₂O₃, MoO₃, KMnO₄, NiO, MnO₂, WO₂, WO₃, SnO₂, Cr₂O₃, SiO₂ 및 V₂O₅ 중 어느 하나인 산화제가 결합된 결합체로 이루어진 나노에너지물질; 및
상기 나노에너지물질의 외면을 둘러싸며 화재를 진압하기 위한 소화제;를 포함하며,
상기 나노에너지물질은 화재 발생에 따른 열에너지에 의해 점화하여 폭발 및 연소 반응으로 인해 상기 나노에너지물질을 둘러싸고 있던 상기 소화제를 분사하는 것을 특징으로 하는 소화장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 나노에너지물질은 상기 금속 및 상기 산화제 둘 중 어느 하나의 입자 크기가 나노크기 이거나 둘 다 나노크기인 것을 특징으로 하는 소화장치.
제1항에 있어서,
상기 나노에너지물질은 바인더, 안정제 및 무기첨가제 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 소화장치.
제1항에 있어서,
상기 나노에너지물질은 펠렛(pellet) 형태인 것을 특징으로 하는 소화장치.
제1항에 있어서,
상기 소화제는 탄산칼륨, 탄산수소칼륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 탄산마그네슘, 탄화수소암모늄, 요소, 황산암모늄, 인산일암모늄, 인산이암모늄, 인산나트륨, 초산칼륨, 황산칼륨, 염화칼슘 및 산화붕산 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 소화장치.
제1항에 있어서,
상기 소화제를 수용하는 제2 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화장치.
제8항에 있어서,
상기 나노에너지물질을 수용하는 제1 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 케이스는 상기 제2 케이스 내부에 위치하며,
상기 제1 케이스는 내부에 수용된 나노에너지물질이 상기 제2 케이스 내부에 수용된 소화제와 혼합되지 않도록 밀폐되어 있는 것을 특징으로 하는 소화장치.
제9항에 있어서,
상기 나노에너지물질이 펠렛 형태인 것을 사용하는 경우에는, 상기 제1 케이스를 사용하지 않거나, 상기 제1 케이스의 일단이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 소화장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 케이스의 높이와 폭 중에서 어느 하나는 상기 제2 케이스 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 소화장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 케이스 및 상기 제2 케이스는 구형, 원기둥형, 다각 기둥형 및 육면체형 중에서 선택된 어느 하나의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 소화장치.