KR20070119593A - 연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기 - Google Patents

연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 종래의 기술적인 문제를 극복하고, 현재까지 상업화되지 않았던 열, 연기, 및 불꽃감지기가 일체화된 복합형 화재감지기를 고안하였다. 이렇게 함으로써, 집적된 하나의 화재감지기로 자연발화에 대비하기 위한 연감지 기능과 방화에 대비하기 위한 불꽃감지 기능을 동시에 제공하는 것이 가능해졌다.
본 발명의, 연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기(FIRE DETECTOR FOR THE DETECTION OF SMOKE, FLAME, AND HEAT)는,
화재 발생 시 발생하는 열을 감지하기 위한 열감지센서(42)와,
연기를 감지하기 위한 연감지기 수광센서(36) 및 연감지기 발광소자(39)와,
불꽃을 감지하기 위한 불꽃감지센서(44) 및 불꽃감지 창(43)과,
상기의 연감지기 발광소자(39)에 안정적으로 전원을 공급하고, 연감지기 수광센서(36), 열감지센서(42) 및 불꽃감지센서(44)로부터의 전기적인 신호를 검출하여, 화재 발생 시 외부로 화재 발생 경보 신호를 전송하는 기능을 제공하는, 전기 및 전자회로가 집적된 마이크로컨트롤러(38)와,
상기의 모든 부품을 내장시키는 보호용 외장 케이스(35) 등을 포함하여 구성된다.
화재감지기, 자연발화, 방화, 열, 연, 불꽃, 복합형

Description

연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기 {FIRE DETECTOR FOR THE DETECTION OF SMOKE, FLAME, AND HEAT}
도1은, 종래의 화재감지기(FIRE DETECTOR) 일종인, 광원(LIGHT SOURCE), 광센서(LIGHT SENSOR) 및 외장 케이스(CASE)로 구성된 연감지기(SMOKE DETECTOR)의 작동원리를 설명하는 구성도.
도2는, 종래의 화재감지기의 일종인, 연감지기 외장 케이스, 연감지기 발광소자, 연감지기 수광센서, 외부로부터의 강한 광선의 유입을 감소시키는 암실(DARK ROOM), 전기적인 신호를 처리하는 마이크로컨트롤러(MICRO CONTROLLER) 등으로 구성된 연감지기의 구성 및 내부 구조를 설명하는 도면.
도3은, 흑체(BLACK BODY)의 온도에 따라 방사하는 파장별 광량(LIGHT INTENSITY)을 나타내는 그래프(GRAPH).
도4는, 불꽃의 강도(광량의 변화)에 따라 광센서의 출력 신호 변화를 나타내는, 불꽃감지기(FLAME DETECTOR)의 출력 신호 특성 그래프.
도5는, 종래의 화재감지기 일종인, 불꽃(FLAME)으로부터의 광량을 받아들이는 불꽃감지센서(FLAME SENSOR), 빛이 통과하는 불꽃감지 창(WINDOW), 전기적인 신호를 처리하는 마이크로컨트롤러, 불꽃감지기 외장케이스 등으로 구성되는 불꽃감 지기(FLAME DETECTOR)의 구성 및 내부 구조를 설명하는 도면.
도6은, 연감지기와 불꽃감지기를 하나로 집적시킨, 본 발명의 '연기 및 불꽃을 감지하는 복합형 화재감지기'의 구성 및 내부 구조를 설명하는 도면.
도7은, 연감지기와 불꽃감지기를 하나로 집적시키고 추가로 열감지센서(THERMAL SENSOR)를 내장시킨, 본 발명의 '연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기'의 구성 및 내부 구조를 설명하는 도면.
도8은, 본 발명의 '연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기'가 실현된 실제 제품의 외관 사진.
도9는, 본 발명의 '연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기'가 실현된 실제 제품의 내부 사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 외부광원에 의한 빛 2 : 연기 입자
3 : 연감지기 외장 케이스 4 : 연감지기 수광센서
5 : 연감지기 발광소자 6 : 연감지기 외장 케이스
7 : 공기 통로 8 : 연감지기 외장 케이스
9 : 공기 통로 10 : 연감지기 발광소자
11 : 연감지기 수광센서 12 : 암실 격벽
13 : 마이크로컨트롤러 14 : 공기 통로
15 : 연감지기 외장 케이스 16 : 연감지기 발광소자
17 : 연감지기 수광센서 18 : 암실 격벽
19 : 불꽃감지기 외장 케이스 20 : 마이크로컨트롤러 커넥터
21 : 불꽃감지센서 22 : 불꽃감지 창
23 : 마이크로컨트롤러 24 : 화재감지기 외장 케이스
25 : 연감지기 수광센서 26 : 마이크로컨트롤러 커넥터
27 : 마이크로컨트롤러 28 : 연감지기 발광소자
29 : 공기 통로 30 : 공기 통로
31 : 불꽃감지 창 32 : 불꽃감지센서
33 : 불꽃감지센서 기판 34 : 불꽃감지센서 커넥터
35 : 화재감지기 외장 케이스 36 : 연감지기 수광센서
37 : 마이크로컨트롤러 커넥터 38 : 마이크로컨트롤러
39 : 연감지기 발광소자 40 : 공기 통로
41 : 공기 통로 42 : 열감지센서
43 : 불꽃감지 창 44 : 불꽃감지센서
45 : 불꽃감지센서 기판 46 : 불꽃감지센서 커넥터
47 : 열감지센서 48 : 불꽃감지센서
49 : 공기 통로 50 : 화재감지기 외장 케이스
51 : 화재감지기 외장 케이스 52 : 연감지기 수광센서
53 : 마이크로컨트롤러 54 : 연감지기 발광소자
55 : 외부 전송용 무선 통신 회로
화재감지기(FIRE DETECTOR)는 화재 시 발생하는 열(HEAT), 연기(SMOKE), 불꽃(FLAME) 등을 검출하여, 화재가 발생하였음을 외부에 알리는 장치이다. 화재감지기는 측정원리에 의하여, 열감지기(THERMAL DETECTOR), 연감지기(SMOKE DETECTOR), 불꽃감지기(FLAME DETECTOR) 등으로 분류된다.
열감지기는 써미스터(THERMISTOR), 또는 열전대(THERMOCOUPLE) 등과 같은 열감지센서(THERMAL SENSOR)를 이용하여 열 또는 온도를 감지하여 화재 발생을 알리는 화재감지기이다. 즉, 열감지기 내부에 설치된 열감지센서로부터의 측정값이 설정된 값을 초과하면 화재가 발생한 것으로 인식하고 외부로 화재 발생 경보를 발생하게 된다.
연감지기는 연기 입자를 포함한 기체를 빛이 통과할 때 발생하는 빛의 흡수 또는 산란 등과 같은 광학적인 현상과 연기 농도의 상관관계를 이용하여, 화재 시 발생하는 연기를 감지하는 화재감지기이다. 즉, 연감지기 내부에 설치된 연기감지센서로부터의 신호가 설정된 값을 초과할 경우 화재가 발생한 것으로 인식하고 외부로 화재 발생 경보를 발생하게 된다.
불꽃감지기는, 화재에 의해서 발생한 불꽃으로부터 방출되는 빛에 포함된 적외선이나 자외선을 감지하는 화재감지기이다. 즉, 불꽃감지기 내부에 설치된 불꽃 감지센서로부터의 신호가 설정된 값을 초과할 경우 화재가 발생한 것으로 인식하고 외부로 화재 발생 경보를 발생하게 된다.
상기의 측정원리 외에도 다양한 측정원리를 이용하여 화재감지기가 개발되었으며 또한 현재도 개발되고 있다.
도1에는 화재감지기의 일종인 연감지기 측정원리를 설명하기 위한 개략도가 도시되어 있다. 연감지기 내부에는 광원인 연감지기 발광소자(5)와 광센서인 연감지기 수광센서(4)가 설치되어 있다. 연감지기의 케이스에 있는 작은 구멍이나 홈을 통해서 외부로부터 공기가 들어오면, 공기 중에 포함된 연기 입자(2)는 연감지기 발광소자(5)로부터 방사된 빛을 산란(SCATTERING)시킨다. 이렇게 산란된 빛이 연감지기 수광센서(4)로 입사하게 되면 수광센서는 입사되는 광량에 비례해서 신호를 발생시킨다. 즉, 수광센서에서 발생하는 출력 신호는 연기 입자의 농도에 비례하는 관계를 갖는다.
도2에는, 도1의 연감지기 원리가 구체적으로 실현된 종래의 연감지기 구조가 도시되어 있다. 연감지기 외장 케이스(6,8,15)는 내부의 부품들을 보호하는 기능을 제공한다. 화재가 발생하면 공기와 연기 입자가 함께 연감지기 외장 케이스의 공기 통로(7,9,14)를 통하여 내부로 유입된다. 공기 통로(7,9,14)를 통과한 연기 입자는 연감지기 내부의 암실 격벽(12,18)을 통하여 측정실 내부로 유입된다. 암실 격벽은 외부로부터 강한 광선이 입사할 경우, 발광소자로부터 방사된 광량과 구분이 되지 않기 때문에 설치된 것이다. 연기 입자가 암실 격벽을 통과하여 측정실로 유입되면, 연감지기 발광소자(10,16)로부터 방사된 빛은 연기 입자에 의해서 산란 현상을 일으키고, 산란된 산란광은 연감지기 수광센서(11,17)로 입사된다. 따라서 수광센서의 출력 신호는 연감지기 내부로 유입된 연기 입자의 농도에 비례하여 발생한다. 마이크로컨트롤러(13)는 연감지기 발광소자(10,16)에 안정된 전원을 공급하며, 수광센서(11,17)로부터의 전기적인 신호를 증폭시킨 후 연기농도로 환산한다. 화재가 발생하면 마이크로컨트롤러는 연기 입자의 농도를 검출하여 외부로 화재 발생 경보 신호를 전송한다. 연감지기는 일반적으로 자연 발화에 의하여 완만하게 발달하는 화재에 대응하기 위한 전통적이고 대표적인 화재감지기이다.
도3에는 화재감지기의 일종인 불꽃감지기의 이론인, 흑체 복사(BLACK BODY)에 의한 방사 파장이 제시되어 있다. 흑체 복사란 이론적으로 온도에 의해서만 외부로 에너지를 방출하는 이상적인 물체다. 실제적으로는 물체가 외부로 방사하는 에너지는 온도에 의해서만 결정되지는 않는다. 이 그래프에서 물체의 온도가 높아질수록 방사하는 파장의 분포는 적외선에서 가시광선으로, 가시광선에서 자외선으로 이동하게 되고, 광량도 강해짐을 알 수가 있다.
도4는, 화재의 의한 불꽃에서 발생하는 빛이 불꽃감지센서에 입사될 때 불꽃감지센서에 의해서 발생하는 출력 신호의 특성을 도시한 것이다. 본 도는 적외선 불꽃감지센서의 대표적인 특성이다. 불꽃의 강도에 비례하여 불꽃감지센서의 출력 신호가 증가하게 되어 화재 발생 여부를 용이하게 판정할 수가 있다.
도5에는, 도3과 도4의 불꽃감지기의 원리가 구체적으로 실현된 종래의 불꽃감지기 구조가 도시되어 있다. 도5에서, 보호용 외장 케이스(19)는 내부의 부품을 보호하는 기능을 제공한다. 불꽃감지 창(22)을 통하여 불꽃에 의한 광이 입사하면, 불꽃감지센서(21)는 입사된 광에 포함되어 있는 적외선 또는 자외선을 검출하여 전기적인 신호의 변화를 발생시킨다. 마이크로컨트롤러(23)는 불꽃감지센서(21)의 전기적인 신호변화를 검출하여 화재가 발생하였음을 판정하고 외부로 화재 발생 경보 신호를 전송한다.
일반적으로 도5의 불꽃감지기는 방화, 테러 등과 같은 인위적인 화재에 대응하기 위하여 사용된다. 방화와 테러에 의한 화재는 완만하게 발달하는 화재가 아니라 급속연소(FAST BURN, 또는 ULTRA FAST BURN)에 의해서 급격히 발달하는 화재이다. 방화나 테러에 의한 화재는 불꽃이 가장 먼저 발생하기 때문에 불꽃감지기가 가장 신속하게 화재 발생을 검출할 수 있다.
종래의 화재감지기는, 열감지기, 연감지기, 및 불꽃감지기 등과 같이 열, 연기, 및 불꽃 중에서 하나의 항목만을 검출하는 단독형 감지기와, 열감지기와 연감지기가 결합된 열·연 복합형 감지기 형태로 개발되어 상업화되었다. 열감지기와 연감지기는 결합하기가 매우 용이하기 때문에 상업화가 완료되어 있다.
그러나, 도2와 도5에서 알 수 있듯이 연기감지기와 불꽃감지기는 크기가 커서, 일체형으로 결합할 경우 구조 상의 간섭을 일으키고 연감지기의 성능에 나쁜 영향을 주기 때문에 결합하는 것이 용이하지 않으며, 국내 및 해외에서 상업적으로 개발에 성공한 사례가 없다. 즉, 도2의 연감지기와 도5의 불꽃감지기가 결합된 연·불꽃 복합형 감지기와 열, 연기, 및 불꽃감지기가 하나로 결합된 열·연·불꽃 복합형 감지기는 개발되어 있지 않다.
최근 방재산업 분야에서는, 자연발화에 의한 화재에 대비하기 위한 연감지기의 성능과, 방화 사건과 같은 인위적인 화재에 대응하기 위한 불꽃감지기의 성능을 동시에 갖춘 연·불꽃 복합형 감지기와 열·연·불꽃 복합형 감지기의 개발이 상업적으로 절실히 요구되고 있다.
또한 국내 및 해외에서 건설 중이거나 계획 중인 100층 이상의 초고층 빌딩과 같은 건물에서는, 화재가 발생할 경우 외부로부터 화재 진압 활동을 지원받지 못하기 때문에 화재의 진압을 위해서 신속하게 화재를 감지할 필요성이 절실히 요구되고 있다. 이러한 특수 건물에서 신속하게 화재를 감지하기 위해서, 자연 발화에 대비하기 위한 연감지 성능과 인위적인 방화에 대비하기 위한 불꽃감지 성능이 일체화, 집적화된 복합형 화재감지기의 상업화가 절실하다.
본 발명은, 도6과 같이, 화재감지기 외장케이스(24), 연감지기 수광센서(25), 마이크로컨트롤러(27), 연감지기 발광소자(28), 불꽃감지 창(31), 불꽃감지센서(32) 등을 포함하여 구성된다. 또한 도6의 구성에 도7의 열감지센서(42)가 추가로 포함된 구성도 가능하다.
도6에는, 종래 연감지기의 암실 격벽(12,18)을 제거하고 연감지기 수광센서(25)와 연감지기 발광소자(28)를 상단에 설치하고, 하단에는 불꽃감지기용 불꽃감지센서(32)와 불꽃감지 창(31)을 설치하여 화재에 의한 연기와 불꽃을 모두 감지 할 수 있는, 본 발명의 연·불꽃 복합형 감지기가 도시되어 있다. 이 때 마이크로컨트롤러(27)는 연감지기 발광소자(28)에 안정적인 전원을 공급하고, 연감지기 수광센서(25)와 불꽃감지센서(32)로부터의 신호를 증폭하고 입력시켜 연기농도와 불꽃강도로 환산하는 역할과, 화재 발생 경보 신호를 외부로 전송하는 기능을 제공한다. 즉, 하나의 마이크로컨트롤러를 이용하여 연기 감지와 불꽃 감지가 가능한 것이다. 도6의 본 발명은, 종래의 화재감지기의 단점을 극복하기 위해서 안출된 것이다. 하나의 화재감지기 외장 케이스(24) 내부에, 연감지기 수광센서(25), 연감지기 발광소자(28), 불꽃감지 창(31), 불꽃감지센서(32), 마이크로컨트롤러(27) 등을 구조적으로 적절히 결합함으로써 구조적인 간섭 문제를 극복할 수 있었고 공통의 마이크로컨트롤러를 사용함으로써 제조원가를 절감시킬 수 있었다.
도6에서, 화재 시 발생하는 연기 입자는, 하단 및 측면에 위치한 공기 통로(29,30)를 통해서 공기 분자와 함께 내부로 유입된다. 유입된 연기 입자가, 연감지기 수광센서(25)와 연감지기 발광소자(28) 사이에서 산란광을 발생시키면, 수광센서(25)는 전기적인 신호의 변화를 발생시키고, 이를 마이크로컨트롤러(27)가 검출한다. 또한 도6의 본 발명의 연·불꽃 복합형 감지기의 하부 중앙에는 불꽃감지 창(31)이 설치되어 외부로부터 광이 입사하여 불꽃감지센서(32)에 도달할 수 있도록 구조가 설계되었다. 불꽃감지센서로는 적외선을 받아들이는 적외선 소자와 자외선을 받아들이는 자외선 소자를 선택적으로 사용할 수 있도록 개발하였다.
도7에는, 도6의 연·불꽃 복합형 감지기에 열감지센서(42)가 추가로 설치된 본 발명의 열·연·불꽃 복합형 화재감지기가 도시되어 있다. 도7에서, 마이크로컨 트롤러(38)는 화재의 의한 연기를 감지하기 위해서 연감지기 발광소자(39)에 안정적인 전원을 공급하며, 연기 입자에 의해서 발생하는 산란광의 변화를 연감지기 수광센서(36)로부터 검출한다. 또한 화재에 의한 불꽃에서 발생하는 광량의 변화는 불꽃감지 창(43)과 불꽃감지센서(44)를 이용하여 검출한다. 화재에 의해서 상승하는 공기의 온도는 열감지센서(42)를 이용하여 검출한다. 화재가 발생하면 마이크로컨트롤러는 공기의 온도 변화, 연기 입자의 농도 변화, 또는 불꽃의 광량 변화 등을 검출하여 화재 발생 여부를 결정하고, 외부로 화재 발생 경보 신호를 전송한다. 이 때 외부로 전송하는 신호는 유선 또는 무선 전송방식을 통하여 전송할 수 있다.
도8과 도9에는 본 발명의 '연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기'가 구체적으로 실현된 제품의 사진이 제시되어 있다. 도8과 도9의 사진이 제시하는 제품은 도7의 구조가 실제 제품으로 구현된 것이다. 도8은 화재감지기의 외관 사진이다. 도8의 사진에서, 열감지센서(47), 불꽃감지센서(48), 공기 통로(49), 화재감지기 외장 케이스(50) 등을 쉽게 판독할 수 있다. 도9는 화재감지기의 내부를 보여주는 사진이다. 도9에서, 화재감지기 외장 케이스(51), 연감지기 수광센서(52), 마이크로컨트롤러(53), 연감지기 발광소자(54), 외부 전송용 무선 통신 회로(55) 등을 용이하게 판독할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 '연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기'의 구체적인 실현 예를 확인할 수 있었다.
본 발명에서 고안한 '연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기'는 종래의 기술적인 난점을 극복하고, 연기감지 성능과 불꽃감지 성능을 동시에 제공하기 위해서 안출된 것이다. 본 발명이 자연발화, 방화, 테러 등과 같은 다양한 형태의 화재에 의한 대형 재난을 줄이거나 방지하는 유용한 수단으로 이용할 수 있음을 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 이해할 수 있다.
특히 최근 전세계적으로 건축되고 있는 100층 이상의 초고층 빌딩과 같은 특수 건축물에서는, 화재가 발생하면 외부로부터 화재 진압 활동을 전혀 지원받을 수 없는 특수한 상황이기 때문에 다양한 형태의 화재를 신속하게 검출하는 것이 매우 중요하다.
본 발명에서 고안한 '연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기'는 하나의 화재감지기로 신속한 화재 감지를 통한 신속한 화재 진압을 가능하게 하여 대형 재난을 예방하거나 또는 화재 피해를 크게 줄일 수 있는 매우 중대한 발명인 것이다.
통상적인 화재감지기에 관한 지식의 소유자는 본 발명의 정신에 따라 다양한 변형이 가능하다는 것을 알 수 있고, 이러한 변형이 본 발명의 정신과, 본 명세서에서 제시한 구체적인 실현 예와 효과를 뛰어넘는 새로운 것이 아님을 이해할 것이다. 또한 그 파급 효과가 매우 큰 발명임을 이해할 것이다.

Claims (2)

  1. 화재에 의해서 발생하는 연기를 감지하기 위한, 연감지기 수광센서(25), 연감지기 발광소자(28), 및 연기 입자를 화재감지기 내부로 도입하기 위한 공기 통로(29,30)와,
    불꽃을 감지하기 위한, 불꽃감지 창(31) 및 불꽃감지센서(32)와,
    연감지기 발광소자(28)에 안정적인 전원을 공급하고, 연감지기 수광센서(25)의 전기적인 신호의 변화를 검출하여 화재에 의한 연기 발생 여부를 결정하고, 불꽃감지센서(32)의 전기적인 신호의 변화를 검출하여 화재의 의한 불꽃 발생 여부를 결정하고, 외부로 화재 발생 경보 신호를 전송하는, 전기 및 전자 부품이 집적된 마이크로컨트롤러(27)와,
    상기의 부품들을 하나의 케이스 내부에 내장하여 외부로부터 보호하는 화재감지기 외장 케이스(24)를 포함하여 구성되는, 연기 및 불꽃을 감지하는 복합형 화재감지기.
  2. 제1항에 있어서, 화재에 의해서 발생하는 공기 온도의 상승을 감지하기 위한 열감지센서(42)를 추가로 설치하고,
    마이크로컨트롤러(38)가 연기, 불꽃, 및 열을 모두 검출할 수 있도록 구성한, 열, 연기, 및 불꽃을 감지하는 복합형 화재감지기.
KR1020070123063A 2007-11-29 2007-11-29 연기, 불꽃, 및 열을 감지하는 복합형 화재감지기 KR20070119593A (ko)

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