KR20110031965A

KR20110031965A - 열전 발생기를 이용한 화염 검출 및 억제 시스템

Info

Publication number: KR20110031965A
Application number: KR1020117002807A
Authority: KR
Inventors: 톰 파렐리
Original assignee: 파이크 코포레이션
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2011-03-29
Also published as: AU2009266886A1; TW201006518A; HK1157268A1; JP2011526816A; CN102112181A; US20100001865A1; CA2733093A1; WO2010003045A2; CN102112181B; MX2011000121A; EP2307105A2; WO2010003045A3; US8159356B2; RU2491110C2; RU2011103795A

Abstract

화재 및/또는 폭발로부터 처리 설비를 보호하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 특히, 본 발명의 장치와 방법은 제벡 센서 또는 열전 발생기를 이용하여, 상기 처리 설비 내에서의 화염면 또는 폭연 파의 전파를 검출할 수 있다. 폭연 파가 검출되면, 시스템 제어기는 화학적 억제제 또는 격리 밸브의 형태를 가질 수 있는 완화 장치를 활성화시켜, 처리 설비가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

Description

열전 발생기를 이용한 화염 검출 및 억제 시스템{FLAME DETECTION AND SUPPRESSION SYSTEM USING A THERMOELECTRIC GENERATOR}

본 출원은 2008년7월3일자 미국 가특허출원 제61/078,131호를 기초로 우선권을 주장하며, 상기 미국 가특허출원은 본원에서 참조로서 포함된다.

본 발명은 화재 억제와 폭발 방지 시스템에서의 제벡(Seebeck) 장치의 사용에 관한 것이다. 일반적으로, 제벡 장치는 처리 설비(가령, 베셀(vessel) 및 연결 파이프라인) 내에 위치하고, 폭발의 화염면(flame front)을 검출하도록 사용된다. 화염면을 검출하면, 시스템은, 화재나 폭발이 주변 설비 또는 중간연결 설비로 전파되는 것을 방지하기 위해 예를 들어, 억제제(suppression agent)를 방출하거나 밸브를 폐쇄하는 억제 수단을 발동시킨다.

분진 폭발은 가연성 물질을 처리할 때 발생하는 불행하지만 현실적인 문제이다. 많은 경우에서, 폭발 완화 시스템(explosion mitigation system)의 효능은 관련 분진의 종류에 따라 달라진다.

종래의 폭발 억제 시스템은 처리 설비 내 화염을 "시각적으로" 검출하기 위해 광학 센서를 이용하는 것이 일반적이다. 가장 흔한, 적외선 복사를 검출하는 광학 센서는 꽤 단순하고 저렴한 장치이다. 광학 센서는 신속한 응답 시간을 제공한다는 점에서 바람직하다. 그러나 이들 센서는 또한 약간의 중요한 단점을 갖는다. 광학 센서는 "탈선(stray)" 복사를 겪을 수 있으며, 이에 따라, 센서가 주변광에 노출될 수 있는 도관 출구나 그 근처에서는 사용될 수 없다. 덧붙이자면, 처리 설비 내에서 발생하는 분진에 의해 센서가 "눈 멀(blinded)" 수 있다.

폭발에 의해 발생하는 압력면(pressure front)을 검출하기 위해 압력 센서가 또한 사용될 수 있다. 그러나 광학 센서처럼, 압력 센서도, 압력면이 전개될 수 없는 도관 출구나 그 근처에서는 잘 동작하지 않는다.

종래기술에서 다양한 유형의 연기 검출기(smoke detector)에서 사용되어 온 이온화 검출기도 역시 특정한 단점을 나타낸다. 가장 눈에 띄는 것은, 이온화 검출기가 화염을 직접 측정하지 않고, 제한된 생존성을 갖는다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 본 발명은, 처리 설비와 함께 사용되기 위한 화재 및/또는 폭발 보호 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 처리 설비 내 화염의 검출을 시그널링하기 위한 하나 이상의 검출기를 포함한다. 상기 하나 이상의 검출기는 2개의 마주보는 기판 및 상기 기판들 사이에 위치하는 열전 레그 쌍(thermoelectric leg pair)의 어레이를 포함하고, 상기 기판들 간의 온도 차이에 반응하여 전기 신호를 발생시틴다. 상기 시스템은 또한 상기 하나 이상의 검출기로부터의 전기 신호를 수신하고 분석하기 위한 프로세서와, 상기 하나 이상의 검출기로부터의 전기 신호에 반응하여 상기 프로세서에 의해 발동되는 완화 장치(mitigation apparatus)도 포함한다.

본 발명의 또 하나의 실시예에서, 처리 설비 내 폭연 파(deflagration wave)를 검출하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 처리 설비 내에 하나 이상의 검출기를 배치하는 단계를 포함하며, 이때, 상기 검출기는 2개의 마주보는 기판 및 상기 기판들 사이에 위치하는 열전 레그 쌍의 어레이를 포함하며, 상기 하나 이상의 검출기는 폭연 파에 의해 생성되는 온도 차이에 반응하여 전기 신호를 발생한다.

본 발명의 또 하나의 실시예에서, 화재 및/또는 폭발로부터 처리 설비를 보호하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은, 처리 설비 내에, 2개의 마주보는 기판 및 상기 기판들 사이에 위치하는 열전 레그 쌍(thermoelectric leg pair)의 어레이를 포함하는 하나 이상의 검출기를 위치시키는 단계와, 폭연 파의 존재 여부를 검출하기 위해 하나 이상의 검출기를 이용하는 단계(상기 하나 이상의 검출기는 폭연 파에 의해 발생된 상기 기판들 간 온도 차이에 반응하여 전기 신호를 발생함)와, 상기 전기 신호를, 상기 신호를 수신하고 이에 반응하여 완화 장치를 발동시키는 프로세서를 포함하는 제어 유닛으로 전송하는 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 예시적 제벡 센서를 도시한다.
도 2는 제벡 효과를 나타내는 열전 레그 쌍의 개략도이다.
도 3은 제벡 센서를 이용하는 예시적 화재/폭발 억제 시스템의 개략도이다.
도 4는 화재/폭발 억제 시스템에서 사용되기 위한 예시적 제벡 센서 장치의 투시도이다.
도 5는 제벡 센서를 포함하는 도 4의 장치의 일부분의 확대도이다.
도 6은 본 발명과 함께 사용될 수 있는 "표준" TEG 장치에 대한 층류 조건 하에서의 반응 시간을 도시한 도표이다.
도 7은 본 발명과 함께 사용될 수 있는 "감소된 두께"의 TEG 장치에 대한 층류 조건 하에서의 반응 시간을 도시한 도표이다.
도 8은 2개의 TEG 장치와 종래의 광학 화염 검출기에 대한 반응 시간을 비교하는 도표이다.
도 9는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 "표준" TEG 장치에 대한 난류 조건 하에서의 반응 시간을 도시한 도표이다.
도 10은 본 발명과 함께 사용될 수 있는 "감소된 두께"의 TEG 장치에 대한 난류 조건 하에서의 반응 시간을 도시한 도표이다.
도 11은 층류 조건 하에서 TEG 장치로부터 발생된 신호의 속도 및 크기를 비교하는 도표이다.
도 12는 난류 조건 하에서 TEG 장치로부터 발생된 신호의 속도 및 크기를 비교하는 도표이다.

본 발명과 함께 사용되기 위한 검출기는 열전 발전기(TEG: thermoelectric generator), 제벡 센서, 펠티에 냉각기(Peltier cooler)가 알려져 있으며, 이하에서 이들 용어는 서로 교환 가능하게 사용된다. 본 발명에 따라 사용되는 TEG는, 온도 차이를 직접 전기로 변환하는 제벡 효과를 이용한다. 2개의 서로 다른 금속들 간에 또는 반도체들 간에 온도 차이가 존재할 때 일정 전압, 즉 열전 EMF가 생성되고, 연속 전류를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 제벡 효과는, 열전 장치에 전원이 제공될 때 냉각을 제공하는 펠티에 효과와 대비된다.

특정 실시예에서, TEG는 2개의 마주보는 기판 사이에 배치되는 수백 개의 마이크로-크기의 열전대(thermocouple)(각각의 열전대는 개별 열전 레그 쌍을 포함)를 포함한다. 예시적 TEG 장치가 도 1에 도시되어 있으며, 이하에서 더 상세히 설명된다. 이들 장치는 기판의 상면과 하면 간의 열 차이를 전기 전류로 변환하도록 기능할 수 있다. 도 2는 예시적 열전 레그 쌍을 도시하며, 장치의 "고온" 측과 "저온" 측 간의 온도 차이로 인한 전압 발생을 도시한다. 연속 발생하는 전압(ensuing voltage)이 부하를 통과하는 전류를 생성하도록 사용될 수 있다.

도 1에서 도시된 바와 같이, TEG 장치(2)는 한 쌍의 마주보는 기판(3 및 4)을 포함한다. 기판(3)과 기판(4) 사이에 복수의 네거티브 레그(negative leg, 5)와 포지티브 레그(positive leg, 6)가 끼워져 있다. 상기 복수의 네거티브 레그(5)와 포지티브 레그(6)는, 비스무스(Bi), 안티모니(Sb), 텔루륨(Te) 및 셀레늄(Se) 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 레그들은 Bi₂Te₃ 물질을 포함한다. 레그는 포지티브 접촉부(7) 또는 네거티브 접촉부(8)로 각각 연결된다. 본 발명과 함께 사용될 수 있는 예시적 TEG 장치는 Micropelt GmbH(소재지 독일 프라이부르크)사의 것이 있다.

TEG 장치 상의 열전 레그 쌍의 밀도가 폭연 파를 검출할 때 사용되기 위한 장치의 효능에 영향을 미칠 수 있다. 특정 실시예에서, TEG는 1 제곱 밀리미터당 40개 이상의 열전 레그 쌍을 포함한다. 그 밖의 다른 실시예에서, TEG는 75개 이상의 레그 쌍/㎟을 포함하고, 또 다른 실시예에서, 100개 이상의 레그 쌍/㎟를 포함하며, 또 다른 실시예에서, 150개 이상의 레그 쌍/㎟를 포함한다. 하나의 특히 바람직한 실시예에서, TEG는 약 77개의 레그 쌍/㎟을 포함한다. 본 발명의 대안적 실시예에서, TEG는 약 40 내지 약 500개의 레그 쌍/㎟의 밀도로 존재하거나, 약 50 내지 약 400개의 레그 쌍/㎟의 밀도로 존재하거나, 약 70 내지 약 300개의 레그 쌍/㎟의 밀도로 존재한다.

본 발명의 특정 실시예에서, TEG는 매우 얇은 마이크로-크기의 장치이며, 각각의 기판이 25㎟ 이하의 감지 평면 영역(sensing plane area)(즉, 열전 레그 쌍이 차지하고 있는 TEG의 영역)을 제공한다. 하나의 특정 실시예에서, 각각의 기판의 감지 평면 영역은 약 6.25㎟이다. 또한 각각의 기판은 600미크론(micron) 이하의 두께를 가진다. 특정 실시예에서, 이 두께는 500미크론 이하이거나, 250미크론 이하이거나, 약 200미크론 이하이다. 또 다른 실시예에서, 기판 두께는 약 1 내지 약 600미크론이거나, 약 5 내지 약 500미크론이거나, 약 10 내지 약 250미크론이다. 따라서 TEG는 처리 설비 내 실질적으로 어떠한 위치에서도 평범하게 사용가능하다.

TEG의 물리적 크기가 이에 따라 제공된 극도로 낮은 반응 시간에 기여한다. "반응 시간"이란, TEG가 널(null)에서부터 자신의 피크 출력에 도달할 때까지의 시간을 의미한다. 본 발명과 함께 사용되기 위한 TEG는 10㎳ 이하의 반응 시간을 나타내는 것이 일반적이다. 특정 실시예에서, 반응 시간은 5㎳ 이하, 또는 심지어 약 2.5㎳ 이하일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 반응 시간은 약 0.01 내지 약 10㎳, 또는 약 0.1 내지 약 5㎳, 또는 약 0.5 내지 약 2.5㎳일 수 있다. 본 발명과 함께 사용되기 위한 TEG의 한 가지 특정 실시예는 210㎛의 기판 두께와 약 2.2㎳의 감지 시간을 제공한다. 이는, 10㎳ 이상의 반응 시간을 나타내는 많은 종래의 열 플럭스(heat flux) 센서와 대비되는 점이다.

도 3은 예시적 화재/폭발 억제 시스템에서의 제벡 센서의 이용을 개략적으로 도시한다. 처리 장치(10)는 건물(12) 내에 위치하고, 상기 처리 장치(10)는, 건물(12) 주변의 대기로의 처리 장치의 통풍을 가능하게 하는 배기관(exhaust conduit, 14)(통상적으로 도관이나 파이프라인)을 포함한다. 대안적 실시예에서, 도관(14)은 장치(10)와 추가적인 처리 설비를 기능적으로 연결할 수 있다. 화재/폭발 억제 시스템(16)이 도관(14)의 배출구(20)에 가까이 설치되는 제벡 센서(18)와, 도관(14)의 유입구(20)에 가까이 설치되는 전통적인 적외선(또는 광학) 검출기(22)를 포함하도록 나타난다. 제벡 센서(18)와 적외선 검출기(22) 모두 제어기(24)로 연결된다. 센서(18), 검출기(22) 및 제어기(24) 간 연결은, 특정 적용예에 따라, 유선 연결이거나 무선 연결일 수 있다. 화재/폭발 완화 장치(26)가 도관(14)에 위치하고, 제어기(24)로 연결된다. 도시된 바와 같이, 장치(26)는 억제제(예를 들어, 물, 파우더 및 기체형 억제제, 또는 이들의 하이브리드. 그러나 이러한 예에 국한되지 않음)를 보유하고 있는 컨테이너이며, 억제제를 상기 컨테이너로 도입시킬 수 있도록 하는 도관(14)으로 연결되어 있다. 그러나 상기 완화 장치(26)는 기계적 격리 밸브(mechanical isolation valve)(예를 들어, 고속 게이트 밸브, 핀치 밸브(pinch valve) 또는 그 밖의 다른 고속 동작 밸브), 또는 화학적 격리 밸브 등의 대안적 장치를 포함할 수 있다. 또한 제벡 타입의 센서 및/또는 전통적인 광 검출기(또는 압력 검출기)가 보호 대상인 장치 전체에 걸쳐 다양한 위치에 추가로 설치될 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명의 범위 내에서 억제 시스템(16)이 단지 제벡 센서만 포함하기 때문에, 제벡 센서가 반드시 그 밖의 다른 유형의 검출기와 결합되어 사용될 필요는 없다.

동작 중에, 제벡 센서(18) 및 광 검출기(22)는, 임박한 화재 또는 폭발을 나타내는 징후에 대해 도관(14)을 지속적으로 수동적으로 모니터링한다. 광 검출기(22)가 사용되어, 예를 들어, 도관의 특정 위치에서의 임박한 화재나 폭발을 나타낼 수 있는 적외선 광의 존재 여부, 또는 적외선 광의 강도의 변화를 주로 검출할 수 있다. 그러나 검출기(22)는 배출구(20)에 가까운 곳에 위치한다면 이러한 기능에서 효과적이지 않을 것이다. 건물(12) 외부 환경에서부터 도관(14)으로 들어오는 주변 광뿐 아니라, 아마도 분진이나 부스러기도 화재나 폭발의 존재 여부를 검출하고 시그널링하기 위한 검출기(22)의 기능을 방해할 수 있다. 그러나 제벡 센서(18)는 이러한 단점을 갖지 않는다. 오히려, 센서(18)는, 폭연 파(deflagration wave)가 센서의 마주보는 기판 사이에 생성할 일시적인 온도 구배를 이용하여, 화염면 또는 폭연(실질적으로 화염면의 열 성분)을 검출하도록 기능할 수 있다.

화염면 또는 폭연 파가 도관(14) 내의 제벡 센서(18)를 스쳐 지나가고 제벡 센서(18)와 접촉함에 따라, 센서의 기판들 사이에 온도 구배(temperature gradient)가 생성되고, 전기 전류 또는 신호가 생성되어 제어기(24)로 전송된다. 상기 전기 신호는 제어기(24)로 전송되는 중에 증폭될 수 있고, 증폭되지 않을 수도 있다.

도관(14) 내 화염면 또는 폭연 파의 존재 여부를 나타내는 신호가 검출되면, 제어기(24)가 완화 장치(26)를 활성화시킬 수 있고, 이로 인해, 억제제가 도관(14)으로 방출되어, 불을 끄거나 임박한 폭발을 억제할 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 완화 장치(26)의 억제제를 대신하여, 또는 상기 억제제에 추가로, 기계적 또는 화학적 격리 설비가 사용되어, 화재나 폭발이 다른 중간연결 처리 설비로 전파되는 것이 방지될 수 있다.

TEG 장치는, 열 플럭스를 측정하기 위해 사용되는 서모파일형 장치(thermopile device)와 대비된다. 서모파일형 장치와 달리, 박막(thin film)형 열전 발생기는 동적 온도 차이에 반응하는 전기 전류만 생성한다. 장치의 마주보는 측부 간에 온도가 더 이상 차이 나지 않게 되면, 상기 장치는 전압을 더 이상 생성하지 않는다. TEG 장치는 지속적으로 상승된 온도(sustained elevated temperature)에는 반응하지 않는데(높은 처리 온도는 센서에 의해 무시될 것이다), 이는 장치가 상기 상승된 온도에서 열적 평형상태에 도달할 것이기 때문이다. TEG 장치는 온도가 빠르게 변할 때에만 반응하는데, 이는 폭발이나 화염이 통과하는 경우이기 때문이다. 이로 인해, 안정적인 주변 상태와 빠르게 변하는 주변 상태 간 차이를 식별하는 전자소자가 필요하지 않게 된다.

제벡 센서는 직렬 연결된 서모커플로부터 구성되는 것이 일반적이기 때문에, 서모커플의 특성인 동일한 바람직한 EMI/RFI 내성(immunity) 레벨을 나타낸다. 덧붙여, TEG 장치는 포커싱용 렌즈를 필요로 하지 않고 화염의 열적 고유 특성을 검출할 수 있다. 센서는 검출된 화염으로부터 이용 가능한 열로부터 자신의 전력을 발생시키기 때문에, 어떠한 여기 전류 또는 전압도 필요하지 않다. 앞서 설명된 바와 같이, TEG 장치는, 실질적인 압력이 전개되지 않을 한계가 없는 공간에서, 가령, 통기되는 베셀 및 도관/파이프 배출구에서, 그리고 처리 설비 내 주변 광(가령, 태양광, 형광, 백열광 등)에 노출될 수 있는 위치에서 폭발이나 화염을 감지하기에 특히 적합하다.

도 4 및 도 5에서 도시된 본 발명의 하나의 실시예에서, 본 발명에 따르는 센서 장치(18)는 TEG(2)를 포함하며, 상기 TEG(2)는 상기 TEG(2)에 대해 거의 일정한 온도를 유지하도록 기준 열 질량(reference thermal mass)을 제공하는 플러그(30)의 단부(28)에 부착된다. 플러그(30)는 도관(14)의 측벽을 통해 설치될 수 있도록 구성된다. 센서 장치(18)가 설치될 때, 단부(28)는 도관(14)의 내부로 노출되어, TEG(2)가 임박한 화재나 폭발을 나타내는 화염면 또는 폭연 파를 검출하기 위한 위치로 존재할 것이다. 도관(14)의 내부로 노출되지 않은 TEG(2)의 부분은, 선택사항으로서, 높은 열 전도성의 전기 절연성 에폭시로 덮일 수 있다. 상기 에폭시는 플러그(30)와 TEG(2) 간에 열적 및 구조적 연결을 제공한다. 또한, 플러그(30)는 도관(14)에 고정되는 것을 촉진하기 위한 나사산(32)을 포함한다. 또한, 플러그(30)를 도관(14)에 고정하는 것을 보조하도록 렌치(wrench)가 사용될 수 있도록 육각형 모양의 세그먼트(34)가 포함된다. 케이블(36)이 플러그(30)의 단부(38)로부터 뻗어 있으며, TEG(2)에 의해 발생되는 전기 신호를, 가령, 제어기(24)로 운반한다.

본 발명의 특정 실시예에서, 플러그(30)의 작은 구멍을 통과하고 PCB로 연결되어 있는 얇은 선에 의해, TEG(2)의 전기 출력이 전달된다. PCB는 예를 들어, 증폭 및/또는 비율계량(ratiometric) 4-20㎃ 전류로의 변환을 통해, 신호를 조절한다. 그러나 앞서 언급된 바와 같이, TEG로부터의 신호 세기는 신호의 증폭이 반드시 필요한 것은 아니다.

예시

본 발명의 실시예에서, 두 가지 크기의 TEG 장치의 성능이 테스트되었고, 종래의 광학 센서와 비교되었다. TEG 장치는, 이들을 화재/폭발 억제 시스템에서 사용되기에 적합하도록 만드는 탁월한 반응 시간을 나타냈다.

Micropelt GmbH(독일)사의 2개의 TEG 장치가 테스트되었다. 제 1 장치는 기판 당 520미크론의 두께(20밀(mil), 총 높이 41밀)를 가지며("표준 MPG-602"로 지정), 제 2 장치는 기판 당 200미크론의 두께(7.9밀, 총 높이 16밀)를 갖는다("200㎛ MPG-602"로 지정). TEG 장치의 반응 시간이 테스트되어 화재 억제 및 폭발 예방 시스템에서 사용되기에 적합한지를 판단할 수 있다. 부착 수단과 기준 온도에 대한 열 질량을 제공하기 위해, 각각의 장치는 1/8인치 NPT 스테인리스강 플러그의 단부에 장착되었다.

실험을 수행하기에 앞서서, 기판 물질(실리콘)의 열저항률이 감지 평면(sensing plane) 물질(비스무스, 안티모니, 텔루륨 및 셀레늄)의 열저항률보다 상당히 더 높다고 가정하면, TEG 기판의 두께가, 장치 반응 시간의 제한 요인이 될 것이라고 이론을 세웠다. 소자 기판의 두께를 감소시킴으로써, 반응 시간, 또는 TEG가 영(null)에서부터 첫 번째 편이치(deviation)로부터의 자신의 피크 출력에 도달하는 시간이 감소될 것으로 예측되었다. 그러나, 반응 시간이 얼마나 변할지가 불명료하였다. 또한 기판 두께가 감소함으로써, 최대 신호 출력의 동반되는 감소가 있을 것으로 우려되었다. 이러한 이론을 테스트하기 위해, 각각의 TEG에 대해 유사한 자극을 보장하도록 표준 TEG와 감소된 두께 TEG가 동시에 테스트되었다.

두 가지 TEG는 4인치 직경의 폴리카보네이트 튜브의 동일한 축 위치에서 90도 떨어져서(수직으로부터 각각 45도) 배치되었다. 이러한 축 위치는 파이프라인의 출구로부터 약 하나의 직경이었다. 메탄과 공기가 파이프라인의 반대쪽 단부로 주입되어, 총 12피트의 파이프라인에 걸쳐 공기 중 약 5.3%의 메탄의 혼합기(당량비 약 0.56)를 생성하였다. 이 단부는 처음에는, 충전을 촉진하기 위해 셀로판으로 밀봉되었다. 파이프라인 내 임의의 잔여 난류(충전 절차의 잔류물)가 흩어질 수 있도록 몇 초가 지연된 후, 전기적으로 발생된 스파크(spark)를 이용하여 충전 위치(filling location) 근처에서 혼합기가 점화되었다. 이러한 점화로부터의 열과 뒤 이은 폭연에 의해 발생하는 첫 열이 셀로판 밀봉재를 태워 개방시킴으로써, 연소 기체의 탈출 경로가 제공된다. 이로 인해서, 약 1600K(1327℃)의 추정된 단열 화염 온도를 갖는 저발광(low-luminescence) 화염면을 발생시키면서, 화염면이 파이프라인의 길이를 따라 자연스럽게 준 층류 방식으로(near-laminar fashion) 이동할 수 있었다.

TEG를 포함하는 테스트 섹션의 4피트 상부에 설치된 소형의 워셔(washer)를 이용하여, 난류 상태가 동일한 방식으로 테스트되었다. 화염면이 접근할 때, 파이프라인에서 발생되는 압력에 의해, 가연성 혼합물이 상기 워셔 앞쪽으로 강제로 보내짐에 따라, 이 워셔가 파이프라인에 난류를 발생시킨다. 이 난류는 테스트 섹션을 통해 화염이 전파되는 속도를 증가시키고, 각각의 TEG가 화염을 "알아볼" 시간을 감소시킨다.

층류 폭연(Laminar Deflagration)

층류 연소 구성으로 5번의 테스트가 실시되었다. 이들 테스트의 결과가 (그들 각각의 최대치까지로) 정규화된 후, 대표적인 반응 파형을 획득하도록 평균 내어졌다. 표준 TEG의 반응 파형 및 이에 동반되는 변화 속도가 도 6에서 도시된다. 이 도표에서 도시된 바와 같이, 첫 부분에서 표준 TEG는 높은 변화율을 갖고 반응한다.

감소된 두께의 TEG에 대한 도 7의 반응 곡선은 동일한 자극에 대해 매우 놀라운 반응을 나타냈다. 이러한 반응 곡선은 표준 두께 TEG의 최대 반응 속도의 2.2배 증가된 최대 반응 속도의 증가를 보여준다. 약 3㎳에서 피크 출력 값에 도달하였고, 또 다른 3ms에서 복구되었다. 각각의 파형이 자신의 피크 출력에 도달하는 데 걸리는 시간이 또한 주목할만 하다. 표준 TEG는 20㎳ 내에 자신의 피크에 도달하며, 감소된 두께를 갖는 TEG는 약 3㎳만에 자신의 피크에 도달했다. 이것이 TEG의 반응 시간이라고 간주된다면, 감소된 두께의 TEG는 약 6.7배 더 빠른 반응 속도를 갖는 것이다.

또한 더 얇은 TEG는 약 7㎳ 후의 열 차단(heat rejection)의 증거(도표에서 시점 107㎳에서 나타남)를 보여주는데, 이는 폭연 자체로 인해 발생된 난류의 결과로서, 연소 후 증발 냉각(post-combustion evaporative cooling) 및/또는 강제 냉각(forced cooling)의 측정을 가리킬 수 있다.

그 후, 2개의 TEG 장치의 출력 파 형태가, Integra 검출기의 감지 요소(FIke Corporation사의 광학 적외선 검출기(IREX, 또는 Integra 센서라고도 일컬어짐))의 출력 파 형태에 비교되었다(도 8 참조). 이들 파형 간에는 몇 가지 구별되는 차이가 존재하는데, 가장 주목할만한 것은 감소된 두께의 TEG가 빠르게 반응하고 영(null) 값으로 돌아온다는 것이다. Integra 검출기 감지 요소 헤드는, 화염이 실제로 센서 앞에 바로 위치하기 전과 후 모두, 화염면을 "알아본다", 그러나 TEG는 그렇지 않다. TEG는 화염이 TEG 면과 실제로 접촉할 때만 반응하며, 이로 인해 TEG가 더 반응성이 뛰어난 화염 검출기가 되는 것이다.

통계적으로 유의미한 출력 파형을 얻기 위해, 도 8에 도시된 데이터는 테스트 별로 시간에 따라 정렬되었으며, 활성 시간의 차이에 관해서는 말하지 않는다. 층류 테스트에서, 평균적으로, 감소된 두께의 TEG는 표준 TEG보다 8㎳ 먼저 화염면에 반응하기 시작했고, 따라서 반응도는 TEG의 열역학적 가열 요구사항의 함수라는 이론이 확인됐다. 또한, 표준 두께의 TEG는 Integra 검출기 감지 요소보다 8㎳ 늦게 반응했음이 발견됐다. 이는 Integra 검출기의 시야각(viewing angle) 때문인 것으로 여겨진다.

난류 폭연(Turbulent Deflagration)

이들 테스트가 난류 연소 설정에서 반복되었고, 유사한 결과가 얻어졌다. 상기 결과는 도 9 및 10의 도표에서 나타난다. 놀랍게도, 감소된 두께의 TEG에 대한 파형은 자신의 피크 출력에 단 2밀리초(millisecond)만에 도달했으며, 2밀리초만에 영으로 복귀했다. 따라서 화염 통과에 따르는 냉각 영역(cooling region)도 보여줬다. 이는 화염 폭과 전파 속도의 현상과 일치하는 것으로 보인다. 또한 감소된 두께의 TEG는, 평균적으로, 표준 TEG보다 약 2㎳ 앞서 반응하기 시작했다.

파워 전달(Power Delivery)

피크 출력 값과 반응 시간에 미치는 두께의 영향을 판단하기 위해, 모든 테스트에 대해 이들 매개변수가 도시되었다. 도 11 및 12에서 볼 수 있는 바와 같이, TEG의 두께가 감소함에 따라, TEG의 변화율(변화 속도)은 증가(따라서 반응 시간은 감소)하였을 뿐 아니라, 예기치 않게, 출력 값도 증가하였다. 이러한 현상은 TEG 자체 내에 존재하는 열 구배(thermal gradient)에 의해 설명될 수 있다. 장치의 전체 두께를 감소시키고, 장치에 걸쳐 동일한 온도 차이를 유지함으로써, TEG의 감지 평면에 걸쳐 더 높은 온도 차이가 존재한다. TEG는, 자신의 감지 평면에 걸친 온도 차이를 전압으로 변환함으로써 동작하기 때문에, 이는 출력 신호 레벨의 증가로 고려될 것이다. 또한, 폭연 동안 가열될 열 질량(thermal mass)이 적게 존재하기 때문에, 이러한 열 구배는 더 얇은 기판에서 훨씬 더 빠르게 형성되고 안정화되는 것으로 예상된다.

Claims

처리 설비와 함께 사용되기 위한 화재 및/또는 폭발 보호 시스템에 있어서, 상기 시스템은
2개의 마주보는 기판 및 상기 기판들 사이에 위치하는 열전 레그 쌍(thermoelectric leg pair)의 어레이를 포함하고, 상기 기판들 간의 온도 차이에 반응하여 전기 신호를 발생시키는 특징의 처리 설비 내 화염의 검출을 시그널링(signaling)하기 위한 하나 이상의 검출기와,
상기 하나 이상의 검출기로부터의 전기 신호를 수신하고 분석하기 위한 프로세서와,
상기 하나 이상의 검출기로부터의 전기 신호에 반응하여 상기 프로세서에 의해 발동되는 완화 장치(mitigation apparatus)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 40개의 레그 쌍/㎟의 열전 레그 쌍 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 75개의 레그 쌍/㎟dml 열전 레그 쌍 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 10㎳이하의 폭연 파에 대한 반응 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 반응 시간은 5㎳ 이하인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 반응 시간은 2.5㎳ 이하인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 완화 장치는, 화재 또는 폭발을 억제하기 위해 상기 처리 설비로 도입되는 화학적 억제제, 또는 상기 처리 설비의 일부분을 격리시키는 격리 밸브(isolation valve), 또는 상기 화학적 억제제와 상기 격리 밸브의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 기판은 각각, 600미크론(micron) 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 7 항에 있어서, 상기 기판은 각각, 500미크론 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 기판은 각각, 250미크론 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 센서로부터의 신호는 상기 프로세서에 의해 수신되기 전에 증폭될 필요가 없는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 센서로부터의 신호는 상기 프로세서로의 전송을 위해 비율계량(ratiometric) 전류 출력으로 변환되며, 상기 비율계량 전류 출력은, 상기 프로세서에 의해 수신되기 전에 아날로그 전압으로 다시 변환되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 주변 광(ambient light)에 노출되는 처리 설비의 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
처리 설비 내 폭연 파(deflagration wave)를 검출하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
상기 처리 설비 내에 하나 이상의 검출기를 배치하는 단계
를 포함하며, 상기 검출기는 2개의 마주보는 기판 및 상기 기판들 사이에 위치하는 열전 레그 쌍의 어레이를 포함하며, 상기 하나 이상의 검출기는 폭연 파에 의해 생성되는 온도 차이에 반응하여 전기 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 처리 설비 내 폭연 파를 검출하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 40개의 레그 쌍/㎟의 열전 레그 쌍 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 처리 설비 내 폭연 파를 검출하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 10㎳ 이하의 폭연 파에 대한 반응 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 처리 설비 내 폭연 파를 검출하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 기판은 각각, 600미크론(micron) 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 처리 설비 내 폭연 파를 검출하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 주변 광에 노출되는 처리 설비의 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 처리 설비 내 폭연 파를 검출하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는, 상기 처리 설비의 외부 환경을 향하는 개구부에 이웃하는 상기 처리 설비의 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 처리 설비 내 폭연 파를 검출하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기에 의해 발생된 전기 신호는 완화 장치(mitigation apparatus)를 활성화시키도록 사용되는 것을 특징으로 하는 처리 설비 내 폭연 파를 검출하기 위한 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 완화 장치는 화재 또는 폭발을 억제하기 위해 상기 처리 설비로 도입되는 화학적 억제제, 또는 상기 처리 설비의 일부분을 격리시키는 격리 밸브(isolation valve), 또는 상기 화학적 억제제와 상기 격리 밸브의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 처리 설비 내 폭연 파를 검출하기 위한 방법.
화재 및/또는 폭발로부터 처리 설비를 보호하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
처리 설비 내에, 2개의 마주보는 기판 및 상기 기판들 사이에 위치하는 열전 레그 쌍(thermoelectric leg pair)의 어레이를 포함하는 하나 이상의 검출기를 위치시키는 단계와,
폭연 파의 존재 여부를 검출하기 위해 하나 이상의 검출기를 이용하는 단계로서, 상기 하나 이상의 검출기는 폭연 파에 의해 발생된 상기 기판들 간 온도 차이에 반응하여 전기 신호를 발생하는 특징의 상기 하나 이상의 검출기 이용 단계와,
상기 전기 신호를, 상기 신호를 수신하고 이에 반응하여 완화 장치를 발동시키는 프로세서를 포함하는 제어 유닛으로 전송하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 처리 설비를 보호하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 40개 이상의 레그 쌍/㎟의 열전 레그 쌍 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 처리 설비를 보호하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 10㎳ 이하의 폭연 파에 대한 반응 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 처리 설비를 보호하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 기판은 각각, 600미크론(micron) 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 처리 설비를 보호하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 주변 광(ambient light)에 노출되는 처리 설비의 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 처리 설비를 보호하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기는 상기 처리 설비의 외부 환경을 향하는 개구부에 이웃하는 상기 처리 설비의 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 처리 설비를 보호하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 완화 장치는 상기 처리 설비로 도입되는 화학적 억제제, 또는 격리 밸브, 또는 상기 화학적 억제제와 상기 격리 밸브의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 처리 설비를 보호하기 위한 방법.