KR20080023344A - 고속 저압 배출기를 사용한 화재 억제 시스템 - Google Patents

Abstract

화재 억제 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템은 가압된 가스의 소스와 가압된 액체의 소스를 포함한다. 적어도 하나의 배출기가 액체 및 가스 소스와 유체 소통한다. 배출기는 가스 스트림을 형성하고, 액체를 가스 스트림내에 분무화 및 탑재하고, 결과적인 액체-가스 스트림을 불 위로 배출하기 위해 사용된다. 시스템의 작동 방법도 개시되어 있다. 이 방법은 배출기를 사용하여 제1 및 제2 쇼크 전두를 갖는 가스 스트림을 형성하는 단계와, 액체-가스 스트림을 형성하도록 액체를 두 개의 쇼크 전두 중 하나에서 액체를 가스에 분무화 및 탑재시키는 단계 및 스트림을 불 위로 배출하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 배출기로부터 배출된 액체-가스 스트림내에 복수의 쇼크 다이아몬드를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

고속 저압 배출기를 사용한 화재 억제 시스템 {FIRE SUPPRESSION SYSTEM USING HIGH VELOCITY LOW PRESSURE EMITTERS}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2005년 6월 13일자로 출원된 미국 가출원 제60/689,864호 및 2006년 2월 24일자로 출원된 미국 가출원 제60/776,407호에 기초하며, 그에 대한 우선권을 주장한다.

발명의 분야

본 발명은 분무화된(atomized) 액체를 배출하기 위한 장치를 사용하는 화재 억제 시스템에 관한 것으로, 이 장치는 액체를 가스 흐름 스트림내로 분사하고, 액체가 분무화되어 장치로부터 불 위로 투사되게 된다.

화재 제어 및 억제 스프링클러 시스템은 일반적으로 복수의 개별 스프링클러 헤드를 포함하며, 이 스프링클러 헤드는 일반적으로 보호 대상 영역 주변에서 천장에 장착된다. 스프링클러 헤드는 일반적으로 폐쇄된 상태로 유지되며, 화재 상태가 발생되었을 때를 결정하기 위해 열적 반응성 감지 부재를 포함한다. 열적 반응성 부재의 작동시, 스프링클러 헤드는 개방되고, 개별 스프링클러 헤드 각각에서 가압된 물이 그를 통해 자유 유동할 수 있게 하여 불을 끈다. 개별 스프링클러 헤 드는 그들이 제공하고자 하는 보호의 형태(예로서, 경미 또는 통상적 위험 상태)와, 언더라이터스 레보라토리스 인크(Underwriters Laboratories, Inc.), 팩토리 뮤추얼 리서치 코프(Factory Mutual Research Corp.) 및/또는 국립 화재 보호 기구 같은 산업적 허용 등급 기관에 의해 결정되는 바와 같은 개별 스프링클러의 등급에 의해 결정되는 거리 만큼 서로 이격 배치되어 있다.

열적 작동과 스프링클러 헤드에 의한 적절한 물의 분배 사이의 지연을 최소화하기 위해, 스프링클러 헤드를 수원에 연결하는 배관은 다수의 경우에, 항상 물로 채워져 있다. 이는 습식 시스템이라 알려져 있으며, 그 열적 작동시 스프링클러의 헤드에서 즉시 물이 가용하다. 그러나, 창고 같은 비난방 영역에 스프링클러 시스템이 설치되는 경우가 많다. 이러한 상황에서, 습식 시스템이 사용되는 경우, 특히, 물이 장기간에 걸쳐 배관 시스템 내에서 흐르지 않기 때문에, 배관 내의 물이 결빙될 위험이 있다. 이는 스프링클러 헤드가 열적으로 작동되고 배관 내에 얼음 폐색이 존재하는 경우, 스프링클러 시스템의 작동에 부정적인 영향을 줄 뿐만 아니라, 이런 결빙은 과도한 경우, 배관의 파열을 초래하여 스프링클러 시스템을 파괴시킬 수 있다. 따라서, 이들 상황에서, 그 비작동 상태 동안, 배관 내에 어떠한 물도 존재하지 않게 하는 것이 종래의 관례이다. 이는 건식 화재 보호 시스템으로 알려져 있다.

작동시, 전형적인 스프링클러 헤드는 화재 영역 상에 물 같은 화재 억제 액체의 스프레이를 방출한다. 효과적이긴 하지만, 물 스프레이는 다수의 단점을 갖는다. 스프레이를 포함하는 수적은 비교적 크며, 화재 영역의 가구 및 물품에 물로 인한 손상을 유발할 수 있다. 또한, 물 스프레이는 제한적 화재 억제 모드를 나타낸다. 예로서, 작은 전체 표면적을 제공하는 비교적 큰 액적(droplets)으로 구성되는 스프레이는 열을 효과적으로 흡수하지 못하며, 따라서, 불 주변의 대기의 온도를 낮춤으로써 화재의 확산을 방지하도록 효과적으로 작용할 수 없다. 또한, 큰 액적은 방사 열 전달을 효과적으로 차단하지 못하여, 화재가 이러한 형태로 확산될 수 있게 한다. 또한, 스프레이는 불 주변의 대기로부터 산소를 효과적으로 전이시키지도 못하며, 연기 기둥을 극복하고 화재의 기반을 공격하기 위한 액적의 충분한 하향 운동량(momentum)이 존재하지 않는 것이 일반적이다.

이들 단점을 고려하여, 화재 억제 액체를 분무화하는 공진 관 같은 장치가 종래의 스프링클러 헤드에 대한 대안으로서 고려되어 왔다. 공진 관은 음향학적 에너지가 존재하는 공진 관 부근의 영역으로 분사되는 액체를 분무화하기 위해 가스 제트와 공동 사이의 진동 압력파 상호작용에 의해 발생되는 음향학적 에너지를 사용한다.

불행하게, 공지된 디자인 및 작동 모드의 공진 관은 화재 보호 용례에 유효하기 위해 필요한 유체 유동 특성을 갖지 못한다. 공진 관으로부터의 흐름 체적은 부적합한 경향이 있으며, 분무화 프로세스에 의해 발생되는 물 입자는 비교적 낮은 속도를 갖는다. 결과적으로, 이들 물 입자는 스프링클러 헤드의 약 8 내지 16 인치 이내에서 현저히 감속되며, 화재에 의해 발생되는 상승 연소 가스의 기둥(plume)을 극복할 수 없다. 따라서, 물 입자는 화재 억제를 실행하기 위해 화재 근원에 접근할 수 없다. 또한, 분무화에 의해 발생되는 물 입자 크기는 주변 온도가 55℃ 미만 인 경우 화재를 억제하기 위해 산호 함량을 감소시키는 데 비효율적이다. 부가적으로, 공지된 공진 관은 고압으로 전달되는 비교적 큰 가스 체적을 필요로 한다. 이는 불안정한 가스 흐름을 발생시키며, 이는 현저한 음향학적 에너지를 발생시키고, 그것이 횡단 이동하는 편향기 표면으로부터 분리되어 물의 비효율적 분무화를 초래한다.

명백히, 공지된 공진 관 보다 효율적으로 동작하는 분무화 배출기를 갖는 화재 억제 시스템이 필요하다. 이런 배출기는 저압에서 보다 작은 가스 체적을 사용하여, 물 입자가 화재 억제에 보다 효율적이며, 화재 연기 기둥을 극복할 수 있도록 배출시 충분한 운동량을 유지하면서, 보다 작은 크기의 분포를 갖는 충분한 체적의 분무화된 물 입자를 제공하는 것이 이상적이다.

본 발명은 화재 억제 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 가압된 가스의 소스와, 가압된 액체의 소스와 불 위로 가스에 탑재된 액체를 분무화 및 배출하기 위한 적어도 하나의 배출기를 포함한다. 가스 도관은 배출기와 가압된 가스 소스 사이의 유체 소통을 제공하며, 배관 네트워크는 가압된 액체 소스와 배출기 사이의 유체 소통을 제공한다. 가스 도관 내의 제1 밸브는 배출기로의 가스의 압력 및 유량을 제어하고, 배관 네트워크 내의 제2 밸브는 배출기로의 액체의 압력 및 유량을 제어한다. 압력 트랜스듀서(transducer)는 가스 도관 내의 압력을 측정한다. 화재 검출 장치가 배출기 부근에 배치된다. 제어 시스템은 제1 및 제2 밸브, 압력 트랜스듀서 및 화재 검출 장치와 통신한다. 제어 시스템은 압력 트랜스듀서 및 화재 검출 장치로부터 신호를 수신하고, 화재 검출 장치로부터의 화재를 나타내는 신호에 응답하여 밸브를 개방한다. 제어 시스템은 배출기의 동작을 위해 가스 도관 내의 사전결정된 압력을 유지하도록 제1 밸브를 작동시킨다.

또한, 이 시스템은 제1 밸브와 압축된 가스 탱크 사이의 유체 소통을 제공하는 고압 매니폴드(manifold)와 가압된 가스의 소스를 형성하는 복수의 압축된 가스 탱크를 포함한다. 이런 시스템에서, 복수의 제어 밸브를 갖는 것이 유리하며, 복수의 제어 밸브 각각의 하나는 압축된 가스 탱크 중 하나와 연계된다. 제어 시스템 및 제어 밸브와 통신하는 감독 루프가 제어 밸브의 개방 및 폐쇄 상태를 감시한다.

또한, 본 발명은 화재 억제 시스템을 작동하는 방법을 포함한다. 시스템은 가압된 가스 소스와 유체 소통 상태로 연결된 입구와 출구를 갖는 노즐을 포함하는 배출기를 갖는다. 덕트가 가압된 액체 소스와 유체 소통 상태로 연결된다. 덕트는 출구에 인접 배치된 출구 오리피스(orifice)를 갖는다. 편향기 표면은 출구에 대면하여, 그에 대해 이격된 관계로 배치된다. 이 방법은

오리피스로부터 액체를 배출하는 단계,

출구로부터 가스를 배출하는 단계,

편향기 표면과 출구 사이에서 제1 쇼크 전두(shock front)를 형성하는 단계,

편향기 표면에 인접한 제2 쇼크 전두를 형성하는 단계,

액체-가스 스트림을 형성하도록 가스 내에 액체를 탑재하는 단계, 및

배출기로부터 액체-가스 스트림을 투사하는 단계를 포함한다.

이 방법은 또한 가압된 가스의 소스로서 복수의 압축된 가스 탱크를 사용하는 것을 포함한다. 각각의 하나가 압축된 가스 탱크 중 하나와 연계되어 있는 복수의 제어 밸브가 제어 밸브의 개방 및 폐쇄 상태를 감시하기 위해 제어 밸브와 통신하는 감독 루프와 연계하여 사용된다. 이 방법은 또한, 시스템의 동작 동안 개방 구조로 제어 밸브를 유지하고, 제어 밸브의 상태를 감시하는 것을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 예시적 화재 억제 시스템을 예시하는 개략도.

도 2는 도 1에 도시된 화재 억제 시스템에 사용되는 고속 저압 배출기의 종단면도.

도 3은 도 2에 도시된 배출기의 구성요소를 도시하는 종단면도.

도 4는 도 2에 도시된 배출기의 구성요소를 도시하는 종단면도.

도 5는 도 2에 도시된 배출기의 구성요소를 도시하는 종단면도.

도 6은 도 2에 도시된 배출기의 구성요소를 도시하는 종단면도.

도 7은 동작 중인 도 2에 도시된 배출기의 쉴리렌(Schlieren) 사진에 기초한 배출기로부터의 유체 흐름을 도시하는 도면.

도 8은 배출기의 다른 실시예의 예상 유체 흐름을 도시하는 도면.

도 1은 본 발명에 따른 예시적 화재 억제 시스템(11)을 개략적 형태로 예시한다. 시스템(11)은 상세히 후술된 복수의 고속 저압 배출기(10)를 포함한다. 배출기(10)는 잠재적 화재 위험 영역(13)에 배치되며, 시스템은 각각 그 소유의 배출기 뱅크를 갖는 하나 이상의 이런 영역을 포함한다. 명료성을 위해, 단 하나의 영역이 여기에 설명되어 있지만, 이 설명은 도시된 바와 같은 추가적인 화재 위험 영역에 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

배출기(10)는 가압된 물의 소스(17)에 배관 네트워크(15)를 경유하여 연결된다. 물 제어 밸브(19)는 소스(17)로부터 배출기(10)로의 물의 흐름을 제어한다. 또한, 배출기는 가스 도관 네트워크(23)를 통해 가압된 가스의 소스(21)와 유체 소통한다. 가압된 가스는 질소 같은 불활성 가스인 것이 바람직하며, 고압 실린더(25)의 뱅크 내에 유지된다. 실린더(25)는 2,500psig 까지 가압될 수 있다. 큰 가스 체적을 필요로 하는 대형 시스템에 대하여, 30,000 갤론 수준의 체적을 갖는 하나 이상의 저압 탱크(약 350psig)가 사용될 수 있다.

실린더(25)의 밸브(27)는 고압 매니폴드(29)와 소통하는 개방 상태로 유지되는 것이 바람직하다. 매니폴드로부터 가스 도관(23)으로의 가스 유량 및 압력은 고압 가스 제어 밸브(31)에 의해 제어된다. 고압 제어 밸브(31) 하류의 도관(23) 내의 압력은 압력 트랜스듀서(33)에 의해 감시된다. 각 화재 위험 영역(13) 내의 배출기(10)로의 가스 흐름은 압력 트랜스듀서 하류의 저압 밸브(35)에 의해 추가로 제어된다.

각 화재 위험 영역(13)은 하나 이상의 화재 검출 장치(37)에 의해 감시된다. 이들 검출 장치는 불꽃, 열, 온도 상승율, 연기 검출 또는 그 조합의 감지 같은 화재 검출을 위한 다양한 공지된 모드 중 임의의 모드로 동작한다.

따라서 설명된 시스템 구성요소는 제어 시스템(39)에 의해 조화 및 제어되며, 제어 시스템은 제어 패널 디스플레이(미도시), 상주 소프트웨어 및 프로그램가 능한 로직 제어기(43)를 구비하는 마이크로프로세서(41)를 포함한다. 제어 시스템은 정보를 수신하고 하기와 같이 제어 명령을 발령하기 위해 시스템 구성요소와 통신한다.

각 실린더 밸브(27)는 실린더 밸브 상태의 시각적 지표를 제공하는, 마이크로프로세서(41)와 통신하는 감독 루프(45)에 의해 그 상태(개방 또는 폐쇄)가 감시된다. 또한, 물 제어 밸브(19)는 통신선(47)을 경유하여 마이크로프로세서(41)와 통신하고, 이는 밸브(19)가 제어 시스템에 의해 감시 및 제어(개방 및 폐쇄)될 수 있게 한다. 유사하게, 가스 제어 밸브(35)는 통신선(49)을 경유하여 제어 시스템과 통신하며, 화재 검출 장치(37)도 통신선(51)을 경유하여 제어 시스템과 통신한다. 압력 트랜스듀서(35)는 그 신호를 통신선(53)을 거쳐 프로그램가능한 로직 제어기(43)에 제공한다. 프로그램가능한 로직 제어기는 또한 통신선(55)을 거쳐 고압 가스 밸브(31)와, 그리고, 통신선(57)을 거쳐 마이크로프로세서(41)와 통신한다.

동작시, 화재 검출기(37)는 화재 사건을 감지하고, 통신선(51)을 거쳐 마이크로프로세서(41)에 신호를 제공한다. 마이크로프로세서는 로직 제어기(43)를 작동시킨다. 제어기(43)는 별개의 제어기이거나 고압 제어 밸브(31)의 일체부일 수 있다는 것을 주의하여야 한다. 로직 제어기(43)는 가스 도관(23)의 압력을 나타내는 신호를 통신선(53)을 경유하여 압력 트랜스듀서(33)로부터 수신한다. 각각의 통신선(49 및 47)을 사용하여 마이크로프로세서(41)가 가스 제어 밸브(35) 및 물 제어 밸브(19)를 개방하고, 로직 제어기(43)는 고압 가스 밸브(31)를 개방한다. 따라서, 탱크(25)로부터의 질소 및 소스(17)로부터의 물이 각각 가스 도관(23) 및 물 배관 네트워크(15)를 통해 흐를 수 있게 된다. 배출기(10)의 적절한 동작을 위한 양호한 수압은 후술된 바와 같이 약 1psig 내지 약 50psig 사이이다. 로직 제어기(43)는 후술된 바와 같은 파라미터내에서 배출기(10)가 동작하도록 정확한 가스 압력(약 29psia 내지 60psia 사이) 및 유량을 유지하도록 밸브(31)를 작동시킨다. 화재가 소화된 것이 감지되었을 때, 마이크로프로세서(41)는 가스 및 물 밸브(35, 19)를 폐쇄하고, 로직 제어기(43)는 고압 제어 밸브(31)를 폐쇄한다. 제어 시스템(39)은 모든 화재 위험 영역(13)에 대한 감시를 계속하고, 다른 화재 또는 초기 화재의 재발의 경우, 상술한 시퀀스를 반복한다.

도 2는 본 발명에 따른 고속 저압 배출기(10)의 종단면도를 보여 준다. 배출기(10)는 입구(14)와 출구(16)를 구비하는 수렴 노즐(12)을 포함한다. 출구(16)는 다수의 용례에 대하여 약 1/8 내지 1인치 사이의 직경 범위일 수 있다. 입구(14)는 사전결정된 압력 및 유량으로 노즐에 가스를 제공하는 가압된 가스 공급원(18)과 유체 소통한다. 노즐(12)이 굴곡된 수렴 내부면(20)을 갖는 것이 유리하지만, 선형 테이퍼면 같은 다른 형상도 가능하다.

편향기 표면(22)은 노즐(12)에 관하여 이격 배치되며, 간극(24)이 노즐 출구와 편향기 표면 사이에 형성된다. 간극은 약 1/10인치 내지 약 3/4인치 사이의 크기 범위일 수 있다. 편향기 표면(22)은 하나 이상의 지지 다리부(26)에 의해 노즐로부터 이격 관계로 유지된다.

바람직하게는, 편향기 표면(22)은 노즐 출구(16)와 실질적으로 정렬된 평탄한 표면 부분(28)과, 평탄한 부분을 둘러싸면서 그와 연속적인 각진 표면 부분(30) 을 포함한다. 평탄한 부분(28)은 노즐(12)로부터의 가스 흐름에 실질적 수직이며, 출구(16)의 직경과 거의 같은 최소 직경을 갖는다. 각진 부분(30)은 평탄한 부분으로부터 후퇴각(32)으로 배향된다. 후퇴각은 약 15°내지 약 45°사이의 범위일 수 있으며, 간극(24)의 크기와 함께, 배출기로부터의 흐름의 분산 패턴을 결정한다.

편향기 표면(22)은 도 4에 도시된 굴곡된 에지(36) 및 도 3에 도시된 굴곡된 상부 에지(34) 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 편향기 표면(22)은 또한 평탄한 부분(40)에 의해 둘러싸여진 폐쇄 단부 공진 관(38)과 후퇴각을 갖는 각진 부분(42)(도 5) 또는 굴곡된 부분(44)(도 6)을 포함할 수도 있다. 공진 공동의 직경 및 깊이는 출구(16)의 직경과 거의 같을 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, 고리모양의 챔버(46)가 노즐(12)을 둘러싼다. 챔버(46)는 사전결정된 압력 및 유량으로 챔버에 액체를 제공하는 가압된 액체 공급원(48)과 유체 소통한다. 복수의 덕트(50)가 챔버(46)로부터 연장한다. 각 덕트는 노즐 출구(16)에 인접 배치된 출구 오리피스(52)를 갖는다. 출구 오리피스는 약 1/32 인치 내지 약 1/8 인치의 직경을 갖는다. 노즐 출구(16)와 출구 오리피스(52) 사이의 양호한 거리는 노즐 출구의 에지로부터 출구 오리피스의 가장 가까운 에지까지의 반경방향 라인을 따라 측정할 때, 약 1/64 인치 내지 약 1/8 인치 사이의 범위이다. 화재 억제를 위한 액체, 예로서, 물은 가압된 공급원(48)으로부터 챔버(46)로 흐르고, 덕트(50)를 통해 각 오리피스(52)로부터 배출되며, 여기서, 이는 노즐(12)을 통해 흘러 노즐 출구(16)로부터 배출되는 가압된 가스 공급원으로부터의 가스 흐름에 의해 분무화된다.

배출기(10)는 화재 억제 시스템에 사용하기 위해 구성될 때, 약 29psia 내지 약 60psia 사이의 양호한 가스 압력 및 챔버(46) 내에서의 약 1psig 내지 약 50psig 사이의 양호한 물 압력에서 동작하도록 설계된다. 고려할 수 있는 가스는 질소, 다른 불활성 가스, 불활성 가스의 혼합물 및 공기 같은 화학적 활성 가스와 불활성 가스의 혼합물을 포함한다.

동작하는 배출기의 쉴리렌 사진 분석에 기초한 도면인 도 7을 참조로 배출기(10)의 동작을 설명한다.

가스(85)는 약 마하 1.5로 노즐 출구(16)를 벗어나며, 편향기 표면(22)상에 충돌한다. 동시에, 물(87)이 출구 오리피스(52)로부터 배출된다.

가스(85)와 편향기 표면(22) 사이의 상호작용은 노즐 출구(16)와 편향기 표면(22) 사이에 제1 쇼크 전두(54)를 형성한다. 쇼크 전두는 초음속으로부터 아음속(subsonic)으로의 흐름 전이 영역이다. 오리피스(52)를 벗어나는 물(87)은 제1 쇼크 전두(54)의 영역에 진입하지 않는다.

제2 쇼크 전두(56)는 평탄한 표면 부분(28)과 각진 표면 부분(30) 사이의 경계에서 편향기 표면에 인접하게 형성된다. 오리피스(52)로부터 배출된 물(87)은 액체-가스 스트림(60)을 형성하는 제2 쇼크 전두(56)에 인접한 가스 제트(85)에 탑재된다. 한가지 탑재 방법은 가스 흐름 제트의 압력과 대기 사이의 차압을 사용하는 것이다. 쇼크 다이아몬드(58)가 각진 부분(30)을 따른 영역에 형성되며, 쇼크 다이아몬드는 배출기로부터 외향 및 하향 투사되는 액체-가스 스트림(60) 내에 국한된다. 쇼크 다이아몬드는 또한, 초음속과 아음속 흐름 속도 사이의 전이 영역이며, 노즐을 벗어날 때 과팽창되는 가스 흐름의 결과이다. 과팽창된 흐름은 외부 압력(즉, 본 경우에는 주변 대기압)이 노즐에서의 가스 배출 압력 보다 높은 흐름 체계를 설명한다. 이는 경사 충격파를 생성하며, 이 경사 충격파는 주변 대기와 액체-가스 스트림(60) 사이의 한계를 나타내는 자유 제트 경계(89)로부터 반사된다. 경사 충격파는 쇼크 다이아몬드를 형성하도록 서로를 향해 반사된다.

액체-가스 스트림(60) 내에 현저한 전단력이 생성되며, 이는 이상적으로는 편향기 표면으로부터 분리되지 않지만, 배출기는 60a로 표시된 바와 같이 분리가 발생하는 경우에도 효과적이다. 제2 쇼크 전두(56)에 인접하게 탑재된 물은 이 전단력을 받게 되며, 이는 분무화의 주된 메커니즘이다. 또한, 물은 쇼크 다이아몬드(58)와 조우하며, 이는 물 분무화의 두 번째 근원이다.

따라서, 배출기(10)는 다중 분무화 메커니즘으로 동작하며, 이는 직경이 20㎛ 미만인 물 입자(62)를 생성하고, 입자의 대부분은 5㎛ 미만으로 측정된다. 보다 작은 액적은 공기 중에 부양된다. 이 특성은 이들이 보다 큰 화재 억제 효과를 위해 화재 소스에 인접하게 유지될 수 있게 한다. 또한, 입자는 현저한 하향 운동량을 유지하며, 이는 액체-가스 스트림(60)이 화재로부터 초래되는 연소 가스의 상승 기둥을 극복할 수 있게 한다. 측정은 액체-가스 스트림이 배출기로부터 18 인치에서 1,200ft/min의 속도를 갖고, 배출기로부터 8피트에서 700ft/min의 속도를 갖는다는 것을 보여주었다. 배출기로부터의 흐름은 배출기가 작동되는 실내의 바닥 상에 충돌하는 것으로 관찰되었다. 편향기 표면(22)의 각진 부분(30)의 후퇴각(32)은 액체-가스 스트림(60)의 사이각(included angle)(64)에 대한 현저한 제어를 제공한 다. 약 120°의 사이각이 달성될 수 있다. 흐름의 분산 패턴에 대한 부가적인 제어는 노즐 출구(16)와 편향기 표면 사이의 간극(24)을 조절함으로써 달성된다.

배출기 동작 동안, 화재 중인 실내의 천정에 축적되는 연기 층이 노즐을 벗어난 가스 스트림(85) 내에 흡인되고 흐름(60) 내에 탑재되는 것이 추가로 관찰되었다. 이는 후술된 바와 같이, 배출기의 다중 모드의 소화 특성을 추가한다.

배출기는 상술한 극도로 작은 입자 크기로의 물의 분무화로 인해 온도 강하를 유발한다. 이는 열을 흡수하며, 연소의 확산을 완화시키는 것을 돕는다. 질소 가스 흐름 및 흐름 내에 탑재된 물은 실내의 산소를 연소를 지원하지 않는 가스로 대체한다. 또한, 흐름 내에 탑재된 연기 층의 형태의 산소 결핍 가스도 화재의 산소 고갈에 기여한다. 그러나, 배출기가 전개되는 실내의 산소 레벨은 약 16% 미만으로 강하하지 않는 것으로 관찰되었다. 물 입자 및 탑재된 연기는 화재로부터의 방사 열 전달을 차단하는 안개를 생성하며, 따라서, 이러한 열 전달 모드로 인한 연소의 확산을 완화시킨다. 극도로 작은 물 입자 크기로부터 초래되는 특히 큰 표면적으로 인해, 물은 쉽게 에너지를 흡수하며, 산소를 추가로 대체하며, 불로부터 열을 흡수하고 통상, 위상 전이와 관련된 안정한 온도를 유지하는 것을 돕는 스트림을 형성한다. 또한, 배출기에 의해 생성되는 혼합 및 난류는 불 주변의 영역의 온도 강하를 돕는다.

배출기는 현저한 음향학적 에너지를 생성하지 않는다는 점에서 공진 관과 다르다. 제트 노이즈(대상물 위로 이동하는 공기에 의해 발생되는 음향)만이 배출기로부터의 음향학적 출력이다. 배출기의 제트 노이즈는 약 6kHz(잘 알려진 공진 관 의 동작 주파수의 절반) 보다 높은 어떠한 현저한 주파수 성분도 갖지 않으며, 물의 분무화에 현저히 기여하지 않는다.

또한, 불안정하고 편향기 표면으로부터 분리되어 비효율적 분무화 또는 심지어 분무화의 소실을 초래하는 공진 관으로부터의 흐름과는 달리 배출기로부터의 흐름은 안정하며, 편향기 표면으로부터 분리되지 않는다(또는, 60a로 도시된 바와 같이 지연된 분리를 격는다).

다른 배출기 실시예(101)가 도 8에 도시되어 있다. 배출기(101)는 노즐(12)을 향해 각지게 배향된 덕트(50)를 갖는다. 덕트는 제1 쇼크 전두(54)에 인접한 가스에 액체를 포획하도록 가스(85)를 향해 물 또는 기타 액체(87)를 안내하도록 각지게 배향된다. 이 배열은 배출기(11)로부터 투사된 액체-가스 스트림(60)의 생성에 또 다른 분무화 영역을 추가하는 것으로 믿어진다.

여기에 설명된 바와 같은 배출기를 사용하는 본 발명에 따른 화재 억제 시스템은 공지된 시스템 보다 적은 가스 및 물을 사용하면서 화재의 확산을 제어하기에 매우 적합한 다중 화재 소화 모드를 달성한다.

Claims (50)

1. 화재 억제 시스템에 있어서,

   가압된 가스의 소스,

   가압된 액체의 소스,

   불 위로 상기 가스에 탑재된 상기 액체를 분무화 및 배출하기 위한 적어도 하나의 배출기,

   상기 배출기와 상기 가압된 가스 소스 사이의 유체 소통을 제공하는 가스 도관,

   상기 배출기와 상기 가압된 액체 소스 사이의 유체 소통을 제공하는 배관 네트워크,

   상기 배출기로의 상기 가스의 압력 및 유량을 제어하는 상기 가스 도관 내의 제1 밸브,

   상기 배출기로의 상기 액체의 압력 및 유량을 제어하는 상기 배관 네트워크내의 제2 밸브,

   상기 가스 도관 내의 압력을 측정하는 압력 트랜스듀서,

   상기 배출기에 인접 배치된 화재 검출 장치, 및

   상기 제1 및 제2 밸브, 상기 압력 트랜스듀서 및 상기 화재 검출 장치와 통신하는 제어 시스템을 포함하고, 상기 제어 시스템은 상기 압력 트랜스듀서 및 상기 화재 검출 장치로부터의 신호를 수신하고, 상기 화재 검출 장치로부터의 화재를 나타내는 신호에 응답하여 상기 밸브를 개방시키며, 상기 제어 시스템은 상기 배출기의 동작을 위해 상기 가스 도관 내의 사전결정된 압력을 유지하도록 상기 제1 밸브를 작동시키는, 화재 억제 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가압된 가스의 소스를 포함하는 복수의 압축된 가스 탱크, 및

   상기 압축된 가스 탱크와 상기 제1 밸브 사이의 유체 소통을 제공하는 고압 매니폴드를 추가로 포함하는 화재 억제 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 각각의 하나가 상기 압축된 가스 탱크 중 하나와 연계되어 있는 복수의 제어 밸브, 및

   상기 제어 밸브의 상태를 감시하기 위해 상기 제어 밸브 및 상기 제어 시스템과 통신하는 감독 루프를 추가로 포함하는 화재 억제 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 배출기는

   상기 제1 밸브와 유체 소통 상태로 연결될 수 있는 입구 및 출구를 가지는 노즐,

   상기 제2 밸브와 유체 소통 상태로 연결가능하고, 상기 출구에 인접 배치된 출구 오리피스(orifice)를 갖는 덕트, 및

   상기 출구에 대면하여 그에 대해 이격된 관계로 배치되는 편향기 표면을 포 함하고, 상기 편향기 표면은 상기 노즐에 실질적 수직으로 배향된 제1 표면 부분과, 상기 제1 표면 부분에 인접 배치되면서 상기 노즐에 비수직 배향된 제2 표면 부분을 구비하며, 상기 액체는 상기 오리피스로부터 배출가능하고, 상기 가스는 상기 노즐 출구로부터 배출가능하고, 상기 액체는 상기 가스에 탑재되고, 분무화되어 액체-가스 스트림을 형성하며, 액체-가스 스트림은 상기 편향기 표면에 충돌하고 그로부터 상기 불 위로 유동하는 화재 억제 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 노즐은 수렴 노즐인 화재 억제 시스템.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 출구는 약 1/8 내지 약 1인치 사이의 직경을 갖는 화재 억제 시스템.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 오리피스는 약 1/32 내지 약 1/8인치 사이의 직경을 갖는 화재 억제 시스템.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 편향기 표면은 약 1/10 내지 약 3/4인치 사이의 거리 만큼 상기 출구로부터 이격되는 화재 억제 시스템.
9. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 표면 부분은 평탄한 표면을 포함하고, 상기 제2 표면 부분은 상기 평탄한 표면을 둘러싸는 각진 표면을 포함하는 화재 억제 시스 템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 평탄한 표면은 상기 출구의 직경과 거의 같은 직경을 갖는 화재 억제 시스템.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 각진 표면은 상기 평탄한 표면으로부터 약 15°내지 약 45°사이의 후퇴각을 갖는 화재 억제 시스템.
12. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 표면 부분은 평탄한 표면을 포함하고, 상기 제2 표면 부분은 상기 평탄한 표면을 둘러싸는 곡면을 포함하는 화재 억제 시스템.
13. 제 4 항에 있어서, 상기 편향기 표면은 상기 출구와 대면하는 관계로 배치된 개방 단부를 구비한 폐쇄 단부 공진 공동을 포함하는 화재 억제 시스템.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 제1 표면 부분은 상기 공진 공동을 둘러싸는 화재 억제 시스템.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 제2 표면 부분은 상기 제1 표면 부분을 둘러싸는 화재 억제 시스템.
16. 제 4 항에 있어서, 상기 출구 오리피스는 약 1/64 내지 1/8인치 사이의 거리 만큼 상기 출구로부터 이격되는 화재 억제 시스템.
17. 제 4 항에 있어서, 상기 노즐은 약 29psia 내지 약 60psia 사이의 가스 압력 범위에 걸쳐 동작하도록 구성되는 화재 억제 시스템.
18. 제 4 항에 있어서, 상기 덕트는 약 1psig 내지 약 50psig 사이의 액체 압력 범위에 걸쳐 동작하도록 구성되는 화재 억제 시스템.
19. 제 4 항에 있어서, 상기 배출기는

    상기 가압된 가스 소스와 유체 소통 상태로 연결가능한 입구 및 출구를 구비하는 노즐,

    상기 가압된 액체 소스와 유체 소통 상태로 연결가능하고, 상기 출구에 인접 배치된 출구 오리피스를 구비하는 덕트, 및

    상기 출구에 대면하며 그에 대해 이격된 관계로 배치된 편향기 표면을 포함하고, 상기 편향기 표면은 사전결정된 압력의 상기 가스가 상기 배출기에 공급되고, 상기 노즐 출구로부터 배출되도록 제1 쇼크 전두가 상기 출구와 상기 편향기 표면 사이에 형성되고, 제2 쇼크 전두가 상기 편향기 표면에 인접하게 형성되도록 배치되는 화재 억제 시스템.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 덕트는 상기 오리피스로부터 배출된 상기 액체가 상기 쇼크 전두 중 하나에 인접한 상기 가스에 탑재되도록 배치 및 배향되는 화재 억제 시스템.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 편향기 표면은 쇼크 다이아몬드가 상기 액체-가스 스트림내에 형성되도록 배치되는 화재 억제 시스템.
22. 제 20 항에 있어서, 상기 오리피스는 상기 액체가 상기 제2 쇼크 전두에 인접한 상기 가스에 탑재되게 하도록 상기 출구에 대해 상대적으로 배치되는 화재 억제 시스템.
23. 제 20 항에 있어서, 상기 덕트는 상기 액체가 상기 제1 쇼크 전두에 인접한 상기 가스에 탑재되게 하도록 상기 노즐을 향해 각지게 배향되는 화재 억제 시스템.
24. 제 19 항에 있어서, 사전결정된 가스 압력을 위해 상기 노즐로부터 과팽창된 가스 흐름 제트를 형성하도록 상기 노즐을 사이징(sizing)하는 것을 포함하는 화재 억제 시스템.
25. 제 19 항에 있어서, 상기 흐름 제트가 가스 제트 노이즈 이외의 어떠한 현저 한 노이즈도 생성하지 않도록 상기 노즐을 사이징하는 것을 추가로 포함하는 화재 억제 시스템.
26. 제 19 항에 있어서, 상기 편향기 표면은 상기 출구에 실질적 수직으로 배향된 평탄한 표면 부분과 상기 평탄한 표면 부분을 둘러싸는 각진 표면 부분을 포함하고, 상기 각진 표면 부분은 상기 배출기로부터의 흐름 패턴의 사이각을 결정하는 화재 억제 시스템.
27. 화재 억제 시스템을 작동하는 방법에 있어서,

    상기 화재 억제 시스템은 배출기를 구비하고,

    상기 배출기는 가압된 가스 소스와 유체 소통 상태로 연결된 입구와 출구를 구비하는 노즐과,

    가압된 액체 소스와 유체 소통 상태로 연결되며 상기 출구에 인접 배치된 출구 오리피스를 가지는 덕트와,

    상기 출구에 대면하여 그에 대해 이격된 관계로 배치된 편향기 표면을 포함하고,

    상기 방법은

    상기 오리피스로부터 상기 액체를 배출하는 단계와,

    상기 출구로부터 상기 가스를 배출하는 단계와,

    상기 출구 및 상기 편향기 표면 사이에 제1 쇼크 전두를 형성하는 단계와,

    상기 편향기 표면에 인접하게 제2 쇼크 전두를 형성하는 단계와,

    액체-가스 스트림을 형성하도록 상기 가스에 상기 액체를 탑재하는 단계와,

    상기 배출기로부터 상기 액체-가스 스트림을 투사하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
28. 제 27 항에 있어서, 상기 시스템은

    상기 가압된 가스의 소스를 형성하는 복수의 압축된 가스 탱크,

    각각의 하나가 상기 압축된 가스 탱크 중 하나와 연계되어 있는 복수의 제어 밸브,

    상기 제어 밸브의 개방 및 폐쇄 상태를 감시하기 위해 상기 제어 밸브와 통신하는 감독 루프를 포함하며, 및

    상기 방법은 상기 제어 밸브의 상태를 감시하고 상기 시스템의 동작 동안 상기 제어 밸브를 개방 구조로 유지하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
29. 제 27 항에 있어서, 상기 액체-가스 스트림 내에 복수의 쇼크 다이아몬드를 형성하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
30. 제 27 항에 있어서, 상기 노즐로부터 과팽창된 가스 흐름 제트를 생성하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
31. 제 27 항에 있어서, 약 29psia 내지 약 60psia 사이의 압력으로 상기 입구에 가스를 공급하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
32. 제 27 항에 있어서, 약 1psig 내지 약 50psig 사이의 압력으로 상기 덕트에 액체를 공급하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
33. 제 27 항에 있어서, 상기 제2 쇼크 전두에 인접한 상기 가스에 상기 액체를 탑재하는 단계를 추가로 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
34. 제 27 항에 있어서, 상기 제1 쇼크 전두에 인접한 상기 가스에 상기 액체를 탑재하는 단계를 추가로 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
35. 제 27 항에 있어서, 상기 유체 스트림은 상기 편향기 표면으로부터 분리되지 않는 화재 억제 시스템 작동 방법.
36. 제 27 항에 있어서, 상기 배출기로부터 가스 제트 노이즈 이외의 어떠한 현저한 노이즈도 생성하지 않게 하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
37. 제 36 항에 있어서, 상기 가스 제트 노이즈는 약 6kHz 이하의 주파수 성분을 갖는 화재 억제 시스템 작동 방법.
38. 제 27 항에 있어서, 상기 가스 흐름 제트 내에 운동량을 발생시키는 단계를 추가로 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
39. 제 38 항에 있어서, 상기 액체-가스 스트림은 상기 배출기로부터 약 18인치의 거리에서 약 1,200ft/min의 속도를 갖는 화재 억제 시스템 작동 방법.
40. 제 38 항에 있어서, 상기 액체-가스 스트림은 상기 배출기로부터 약 8피트의 거리에서 약 700ft/min의 속도를 갖는 화재 억제 시스템 작동 방법.
41. 제 27 항에 있어서, 상기 편향기 표면의 각진 부분을 제공함으로써 사전결정된 사이각을 갖는 상기 배출기로부터의 흐름 패턴을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
42. 제 27 항에 있어서, 상기 가스 흐름 제트의 압력과 대기 사이의 차압을 사용하여 상기 가스 흐름 제트 내로 액체를 흡인하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
43. 제 27 항에 있어서, 상기 가스 흐름 제트 내로 상기 액체를 탑재하고, 상기 액체를 직경이 20㎛ 미만인 액적으로 분무화하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
44. 제 27 항에 있어서, 산소 결핍 연기 층을 상기 가스 흐름 제트 내로 흡인하고, 상기 배출기의 상기 유체 흐름에 상기 연기 층을 탑재하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
45. 제 27 항에 있어서, 상기 출구로부터 불활성 가스를 배출하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
46. 제 27 항에 있어서, 상기 출구로부터 불활성 가스와 화학적 활성 가스의 혼합물을 배출하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
47. 제 46 항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 공기를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
48. 화재 억제 시스템을 작동하는 방법에 있어서,

    상기 시스템은 배출기를 포함하고,

    상기 배출기는

    가압된 가스 소스와 유체 소통 상태로 연결될 수 있는 입구 및 출구를 구비 하는 노즐과,

    가압된 액체 소스와 유체 소통 상태로 연결가능하며 상기 출구에 인접 배치된 출구 오리피스를 갖는 덕트와,

    상기 출구에 대면하여 그에 대해 이격된 관계로 배치된 편향기 표면을 포함하고,

    상기 방법은

    상기 오리피스로부터 상기 액체를 배출하는 단계와,

    상기 출구로부터 상기 가스를 배출하여 상기 노즐로부터 과팽창된 가스 흐름 제트를 생성하는 단계와,

    액체-가스 스트림을 형성하도록 상기 가스 내에 상기 액체를 탑재하는 단계와,

    상기 액체-가스 스트림을 상기 배출기로부터 투사하는 단계를 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
49. 제 48 항에 있어서, 상기 출구와 상기 편향기 표면 사이에 제1 쇼크 전두를 형성하는 단계,

    상기 편향기 표면에 인접하게 제2 쇼크 전두를 형성하는 단계, 및

    상기 제1 및 제2 쇼크 전두 중 하나에 인접한 상기 가스 내에 상기 액체를 탑재하는 단계를 추가로 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.
50. 제 48 항에 있어서, 상기 배출기로부터의 상기 액체-가스 스트림 내에 복수의 쇼크 다이아몬드를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 화재 억제 시스템 작동 방법.

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