KR20220068094A

KR20220068094A - 전기장을 이용한 화재 소화시스템

Info

Publication number: KR20220068094A
Application number: KR1020210006514A
Authority: KR
Inventors: 윤성환; 김영민; 박주원
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-05-25

Abstract

본 발명은 전기장을 활용하여 화재 소화 및 화재 연기 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화염 발생 시 전기장을 인가시킴으로써, 이온 전하와 중성자에 의한 이온풍으로 화염 진화 및 연무를 이동시키기 위한 전기장을 이용한 화재 소화시스템에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 화염 중심부에 위치하도록 배치되는 제1 전극; 화염 주변에 위치하도록 배치되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전원을 공급하여 화염 발생시 이온화되는 탄화수소 계열의 화염에 전기장을 인가시킴으로써, 이온 전하와 중성자에 의한 이온풍으로 화염을 진화시키거나 연무를 이동시키는 전원 공급장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 기술적 요지로 한다.

Description

전기장을 이용한 화재 소화시스템{FIRE EXTINGUISHING SYSTEM USING ELECTRIC FIELDS}

본 발명은 전기장을 활용하여 화재 소화 및 화재 연기 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화염 발생 시 전기장을 인가시킴으로써, 이온 전하와 중성자에 의한 이온풍으로 화염 진화 및 연무를 이동시키기 위한 전기장을 이용한 화재 소화시스템에 관한 것이다.

종래의 화재 소화 방법은 화재 진압을 위해서 냉각수 또는 소화기를 사용한다. 냉각수나 소화기를 사용하는 방법은 주변 환경에 대해 2차 훼손이 발생할 우려가 있다. 이로 인해 화재 이후, 복원을 하기 위한 시간 및 비용이 소요된다. 또한, 화재 시 2차 전기화재를 방지하기 위해 건물 내부의 전기를 폐쇄해야한다. 그러나 국제우주정거장(ISS)이나 심해 잠수정 및 고산지대에 위치한 건물을 포함한 극한 환경에서 발생하는 화재일 경우, 재실자의 생명유지 장치에 소요되는 전력을 고려하면 건물 내부의 전기를 폐쇄한 뒤 화재를 진압하는 기존의 방법은 용이하지 않다.

또한, 밀폐된 공간에서 화재 발생 시 유독가스로 인한 질식사가 화재 사고 사망 원인 중 가장 높은 비율을 가지고 있다. 일반적으로 터널에서 화재 발생 시, 화재 연기 배출을 위해 터널 천장에 설치된 송풍기를 활용해 화염의 한쪽으로 강한 바람을 불어 넣어 연기를 제거한다. 그러나 이러한 방식은 화염 내에 추가적인 산소 공급으로 인해 연소 반응률을 증진하여 화재 규모가 더욱 커지는 단점을 내포하고 있다. 따라서, 화재 연기를 비교적 쉽게 제어할 수 있는 장점을 있음에도 불구하고 화재 진압 측면에서는 부정적이기 때문에 최적화된 연기 제어 방식이라고 볼 수 없다.

한편, 등록특허 10-1895975호에는 공동주택의 전기장치를 이용한 화재감시와 진압시스템은 공동주택에서 천장 패널에 가려 육안으로 보이지 않는 천장 내부 공간의 화재가 발생하는 경우, 화재 발생을 자동으로 감지하여 초동에 화재 진압을 제시하고 있다. 하지만 화재를 감지하고 소화액 분사부를 이동시켜 소화액을 분사시킴으로써 건물 내부에 2차 훼손을 일으킬 수 있는 단점이 있다.

또한, 등록특허 10-1852397호에는 공동주택에서 화재가 발생하였을 때 발화지점에 따라 화재신고, 발화지점 경보발령, 대피 시 주의사항 방송을 통합적으로 수행하는 것을 제시하고 있다. 하지만 방재 설비는 스프링클러, 방화문, 수위 조절용 액추에이터, 환풍기 등이 될 수 있어 방재 설비의 설정에 따라 화재 진압 능력은 떨어질 수 있는 단점이 있다.

따라서, 진압 시 냉각수 또는 소화약제에 의해 건물 내부 환경에 2차 훼손을 일으키거나, 화재 진압 능력이 떨어지는 문제점을 개선하기 위한 기술 개발 연구가 요구되고 있는 시점이다.

한국 등록특허 제10-1895975호 한국 등록특허 제10-1852397호

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 소화약제 및 냉각수 투입이 없어 화염 내부에 발생하는 전하에 전기장을 인가하여 내부 환경을 유지한 채 화재를 진압하도록 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.

또한, 고온의 화염으로 인해 팽창되는 연소가스와 함께 화재 연기가 이동하여 추가적인 외부 유동없이 화재 연기를 제어할 수 있어서 외부 공기 투입으로 인한 화재 성장을 최소화하도록 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 화염 중심부에 위치하도록 배치되는 제1 전극과 화염 주변에 위치하도록 배치되는 제2 전극과 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전원을 공급하여 화염 발생시 이온화되는 탄화수소 계열의 화염에 전기장을 인가시킴으로써, 이온 전하와 중성자에 의한 이온풍으로 화염을 진화시키거나 연무를 이동시키는 전원 공급장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 전원 공급장치는 전원의 주파수를 조정하는 주파수 조정장치를 포함하여 구성되는 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 향하는 대향판으로 형성되는 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 내부에 배치시키는 대향판, 커버 또는 폐루프 망으로 형성되는 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 전극은 메탈메쉬로 형성되는 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전원 공급장치는 제2 전극에 직류전원 인가 시, 직류 전압은 1~20 kV인 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전원 공급장치는 제2 전극에 교류전원 인가 시, 교류 전압은 1~20 kV, 진동 주파수 1~100 Hz 에서 출력되는 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의한 전기장을 이용한 화재 소화시스템에 따르면, 소화약제 및 냉각수 투입없이 화재 진압을 할 수 있어 내부환경을 최대한 유지할 수 있다.

그리고 극한 환경에서 발생하는 화재일 경우, 2차 전기화재를 방지하기 위해 건물 내부의 전기를 폐쇄하지 않고 화재 진압을 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 같은 지점에서 자주 화재가 발생하는 장소에 미리 설치하여 화재 진압을 신속히 처리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 화재 연기를 제어할 수 있어 외부 공기 투입으로 인한 화재 성장을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직류전압 인가 시 과정을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 교류전압 인가 시 과정을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도
도 4는 본 발명의 전기장을 이용한 화재 소화시스템 화재모사 실험의 개략도
도 5는 도 4의 실시 예에 따른 화재모사에 채택된 기본화염을 나타낸 도면
도 6은 도 4의 실시 예에 따른 인가된 직류전압 및 주파수에 따른 화염거동 양상을 나타낸 도면
도 7(a)는 도 6의 실시 예에 따른 직류 전압(+5 kV)이 인가된 화염거동을 나타낸 도면
도 7(b)는 도 6의 실시 예에 따른 직류 전압(-5 kV)이 인가된 화염거동을 나타낸 도면
도 7(c)는 도 6의 실시 예에 따른 직류 전압(+10 kV)이 인가된 화염거동을 나타낸 도면
도 8(a)는 도 7의 실시 예에 따른 -5 kV가 인가된 화염에서의 화염섭동이 시간에 대한 화염 길이 변화를 나타낸 도면
도 8(b)는 도 7의 실시 예에 따른 -5 kV가 인가된 화염에서의 화염섭동 주파수를 분석 결과를 나타낸 도면
도 9는 도 7의 실시 예에 따른 -5 kV가 인가된 화염에서 관측된 음의 유동을 나타낸 도면
도 10은 도 4의 실시 예에 따른 인가된 교류 전압 및 주파수에 따른 화염거동 양상을 나타낸 도면
도 11(a)는 도 10의 실시 예에 따른 교류 전압(+5 kV)이 인가된 주파수 1 Hz의 화염거동을 나타낸 도면
도 11(b)는 도 10의 실시 예에 따른 교류 전압(+5 kV)이 인가된 주파수 10 Hz의 화염거동을 나타낸 도면
도 11(c)는 도 10의 실시 예에 따른 교류 전압(+5 kV)이 인가된 주파수 100 Hz의 화염거동을 나타낸 도면
도 12는 도 10의 실시 예에 따른 교류 주파수 및 켈빈-헬름흘츠 불안정성의 특성시간 비교를 나타낸 도면
도 13는 본 발명의 실시 예에 따른 화재연기 제어 시스템 성능 평가를 위한 실험의 개략도
도 14(a)는 도 13의 실시 예에 따른 가연물(스티로폼)에 대한 기본화염의 화재 연기 분포를 나타낸 도면
도 14(b)는 도 13의 실시 예에 따른 가연물(종이)에 대한 기본화염의 화재 연기 분포를 나타낸 도면
도 15(a)는 도 13의 실시 예에 따른 직류전압 +10 kV를 인가 시 가연물(스티로폼)의 화재연기 분포를 나타낸 도면
도 15(b)는 도 13의 실시 예에 따른 직류전압 -10 kV를 인가 시 가연물(스티로폼)의 화재연기 분포를 나타낸 도면
도 15(c)는 도 13의 실시 예에 따른 직류전압 +10 kV를 인가 시 가연물(종이)의 화재 연기 분포를 나타낸 도면
도 15(d)는 도 13의 실시 예에 따른 직류전압 -10 kV를 인가 시 가연물(종이)의 화재 연기 분포를 나타낸 도면
도 16(a)는 도 13의 실시 예에 따른 교류전압 10 kV, 주파수 10 Hz로 인가 시 가연물(스티로폼)의 화재 연기 분포를 나타낸 도면
도 16(b)는 도 13의 실시 예에 따른 교류전압 10 kV, 주파수 10 Hz로 인가 시 가연물(종이)의 화재 연기 분포를 나타낸 도면

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도 1내지 도 16에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.

도 1은 본 발명의 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 나타낸 구성도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 전기장을 이용한 화재 소화시스템은 화재 발생 3요소인 연료, 산화제, 점화원 중 연료를 제거하는 화재 소화 기법이다. 전기장을 이용한 화재 소화시스템은 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 전원 공급장치(300)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 제1 전극(10)은 화염 중심부에 위치하여 배치된다. 전하를 유도하도록 전도성을 띠는 금속성 물질로 이루어 지며, 접지점(Ground)으로 연결될 수 있다. 빈번하게 화재가 발생하는 장소에 제1 전극(10)을 미리 설치하여 화재 진압을 신속하게 처리할 수 있다.

그리고 제2 전극(20)은 화염 주변부에 위치하여 화염에 비접촉하도록 배치된다. 제1 전극(10)을 향하는 대향판으로 형성되며, 제1 전극(10)을 내부에 배치시키는 대향판, 커버 또는 폐루프 망으로 형성된다. 또한, 메탈메쉬로 형성되어, 유도 전하가 흐를 수 있다. 제2 전극(20)의 형상은 한 개의 패널 형상이 도 1에 도시되었지만, 상ㆍ하측이 개방된 실린더형, 하측이 개방된 실린더형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 전극(20)은 다양한 형상에 따라 화염 상단 또는 화염 옆면에 배치될 수 있다.

또한, 전원 공급장치(300)는 제1 전극(10)과 제2 전극(20)에 전원을 공급하여 화염 발생 시, 이온화되는 탄화수소 계열의 화염에 전기장을 인가시킴으로써, 이온 전하와 중성자에 의한 이온풍으로 화염을 진화시키거나 연무를 이동시킨다. 그리고 전원의 주파수를 조정하는 주파수 조정장치를 포함하여 구성되어 사인파, 사각파 및 톱니파 등 다양한 파형을 적용할 수 있다. 직류 전원 인가 시, 직류 전압은 1~20 kV로 범위를 설정할 수 있다. 또한, 교류 전원 인가 시 교류 전압은 1~20 kV, 진동 주파수 1~100 Hz에서 출력된다. 화재 규모에 따라 전압 및 주파수의 크기를 조정하여 이온풍을 일으킬 수 있다.

이렇게 구성되는 전기장을 이용한 화재 소화시스템은 직류전압 또는 교류전압을 인가했을 때의 흐름은 도 2내지 도 3을 참고할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직류전압 인가 시 과정을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.

화재가 발생했을 때, 제1 전극(10)이 화염에 접촉되고, 제2 전극(20)을 화염 주변부에 설치한다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20)에 연결된 전원 공급장치(300)를 통해 전극으로 직류전압 1~20 kV 전기장을 인가시켜, 화염 내부에 존재하는 전하를 유도할 수 있다. 유도된 전하의 운동량 확산에 의해 화염 내부의 체적유동을 발생시킴으로써 질량유출이 증가하여 이온 전하와 중성자에 의한 이온풍으로 화재 진압을 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 교류전압 인가 시 과정을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.

화재가 발생했을 때, 제1 전극(10)이 화염에 접촉되고, 제2 전극(20)을 화염 주변부에 설치한다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20)에 연결된 전원 공급장치(300)를 통해 전극으로 전압 1~20 kV, 진동주파수 1~100 Hz 전기장을 인가시켜, 화염 내부의 체적유동을 발생시킴으로써, 질량유출이 증가하여 이온 전하와 중성자에 의한 이온풍으로 화재 진압을 할 수 있다.

여기서 화학 이온화를 위해서 탄화수소 계열의 화염에 본 발명을 적용할 수 있다. 탄화수소는 탄소(C)와 수소(H)만으로 이루어진 유기 화합물이며, 연료의 가연성분이다. 또한 탄화수소는 석유, 석탄, 천연가스의 주성분으로, 대표적으로 메테인, 에틴, 벤젠 등이 있다. 탄화수소는 대기중에서 질소산화물과 공존하여 화학 반응을 일으켜 산화제를 만들 수 있다.

이에 관련하여 진행된 화재모사 실험은 도 4내지 도 12에 의거하여 상세히 설명할 수 있다.

도 4는 본 발명의 전기장을 이용한 화재 소화시스템 화재모사 실험의 개략도이다. 실제 화재를 모사하기 위해 동축 노즐로 구성된 버너를 사용하였으며, 내부 노즐의 재질은 도체(스테인리스)이고, 내경과 외경은 각각 0.8 cm 또는 0.9 cm이다. 외부 노즐의 재질은 부도체(아세탈 수지)이며 내경은 9.1 cm이다.

화재 모사를 위한 기본 화염은 프로판과 질소를 각각 15 %와 85 %를 혼합한 가연성 가스를 내부 노즐에 8 cm/s의 유동속도로 투입하였고, 외부 노즐에는 공기를 5.6 cm/s의 유동속도로 투입하여 외부 교란을 최대한 방지하였다.

화염 내부에서 발생하는 이온풍을 가시화하기 위하여 미 산란 기법(mie-scattering method)을 활용하여 내부 유동장을 관찰하였다. 화염 전파 방향으로부터 방사형의 전기장을 형성하기 위해 동축류 버너 주위에 상ㆍ하부가 개방된 실린더형 금속 망사(내경 15 cm, 길이 30 cm, 격자사이즈 1×1 cm)를 설치하였다.

도 5는 도 4의 실시 예에 따른 화재모사에 채택된 기본화염을 나타낸 도면이다.

기본 화염은 프로판과 질소를 각각 15 %와 85 %로 혼합비율로 조성한 확산화염 이미지를 시간의 흐름에 따라 나타내었다. 도 5에서와 같이 화염이 매우 안정된 상태를 유지되는 것을 알 수 있다.

도 6은 도 4의 실시 예에 따른 인가된 직류전압 및 주파수에 따른 화염거동 양상을 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 실시 예에 따른 각기 다른 직류전압이 인가된 화염거동을 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7의 실시예에 따른 -5 k가 인가된 화염에서의 화염섭동의 화염길이 및 주파수 분석 도면이다.

도 6에서 영역Ⅰ은 안정된 화염(Stable flame), 영역Ⅱ는 기울어진 화염(Tilted flame), 영역Ⅲ은 화염섭동(Flame fluctuation) 및 상첨자｀는 화염소화(Flame extinction)을 나타낸다. 여기서 직류 전압은 노즐에 인가하였고, 인가된 전압의 극성은 세로축에 도시하였다. 총 3가지의 특징적인 화염 거동 결과를 획득할 수 있다.

우선, 영역Ⅰ은 기본 화염과 동일하게 안정된 화염으로 전기장을 인가함에도 불구하고 시간에 따라 화염길이가 일정하게 유지하는 화염이다. 영역Ⅱ는 기울어진 화염으로 화염이 진동하지 않고 한 쪽 방향으로 크게 치우치는 화염이다. 도 7(a)을 참고하면 +5 kV를 인가한 후, 시간이 0.192 s 경과한 이후에는 화염이 한 쪽 방향으로 크게 치우치며 내부 유동장의 유선(streamline)도 수직 단면의 레이저 광원에서 멀어지며 미산란 입자들이 가시화되질 않는 것을 관찰할 수 있다. 도 8을 참조하면, 영역Ⅲ은 화염섭동이 관찰되는 화염으로 일정한 주기를 가지며 진동하는 화염이다. 진동 주파수는 FFT 분석 결과, 대략 10~15 Hz로 도출되었다.

영역Ⅱ와 영역Ⅲ의 현상은 기본적으로 이온풍에 의한 결과로서, 일반적으로 탄화수소 계열의 화염은 화학 이온화(chemical ionization)로 인해 양전하와 음전하가 존재한다. 여기에 전기장을 인가하게 되면 전하를 띄는 입자들은 로렌츠 힘에 의해 극성별로 인력이 작용하는 전극 쪽으로 가속된다. 이때, 전하들이 발생하는 운동량이 대부분의 수밀도(number density)를 차지하는 중성자들에게 전달되어 대규모의 체적유동(bulk flow)을 야기하게 되는데 이것을 "이온풍(ionic wind)"라고 정의하고 이온풍이 부는 쪽으로 화염은 기울어지게 된다. 이때 음전하에 해당하는 전자와 음이온의 발생비율은 대략 9:1로 알려져 있으므로 통상 음이온을 제외한 양이온과 전자들에 의해 이온풍이 야기된다고 알려져 있다. 특히, 전자 이동도(electron mobility)는 양이온과 비교해 약 1000배 큰 값을 가지기 때문에 전자가 화염에서 양극으로 이동할 때 소요되는 체류 시간은 양이온이 음극에 도달하는 시간에 비해 상대적으로 짧다. 따라서 노즐에 양전압을 인가하게 되면 전자들은 화염에서 노즐로 이동하는 시간은 매우 짧지만, 양이온이 동축류 주위를 둘러싼 메탈 메쉬까지 도달하는 시간은 상대적으로 길다. 이후 양이온은 메탈메쉬까지 정체되어 움직이기 때문에 공간 상의 수밀도는 양이온이 높다고 할 수 있다. 따라서 이온풍은 음극 쪽으로 편향되어 발생한다고 볼 수 있다. 따라서 영역Ⅱ에서 관찰된 비대칭적으로 기울어진 화염은 화염 내 존재하는 양이온들이 바깥쪽에 위치한 실린더 금속 망사 쪽으로 강하게 이온풍을 야기하게 때문으로 판단된다.

영역Ⅲ의 화염섭동의 경우, 음전압을 인가한 화염에서만 관측되는데 노즐에 음전압을 인가하게 되면 대규모의 양이온들이 노즐 쪽으로 이동하기 때문에 도 9와 같이 음의 유동속도가 관측되고, 이것으로 인해 10~15 Hz의 진동 주파수를 가지는 켈빈-헬름흘츠 불안정성(Kelvin-Helmholtz instability)이 발생한 것으로 판단된다. 일반적인 화염의 경우, 화염 후단의 기연가스는 고온(약 1500K)으로 인해 상대적으로 차가운 미연가스(약 300K)보다 밀도가 약 1/6 정도 낮다. 따라서 기연가스는 체적 팽창으로 인해 상대적으로 약 6배 정도 높은 속도를 가지는데, 기연가스 측 유동속도와 외부유동과의 속도 차에 의해 화염 표면에 와류(vortex)가 발생하게 되고, 이것을 켈빈-헬름흘츠 불안정성이라고 정의한다. 따라서 켈빈-헬름흘츠 불안정성은 기본적으로 중력장 내에서 부력에 의해 발생한다고 볼 수 있고, 실생활에서는 촛불 화염이 펄럭거리는 현상이나 화재가 발생하였을 때 화염이 펄럭이는 현상도 이와 동일하다고 볼 수 있다. 결론적으로 음전압을 인가하였을 때 발생하는 음의 유동으로 인해 음의 부력(negative buoyancy)이 발생하여 화염 면에 켈빈-헬름흘츠 불안정성이 발생하는 것으로 이해할 수 있다.

한편 상첨자｀로 표기된 화염소화 현상은 +10 kV에서만 관측되며, 전기장을 인가하자마자 화염이 축 방향으로 1번 내지 2번의 수축과 신장을 반복한 이후 곧바로 소화된다. 도 7(c)은 +10 kV를 인가한 화염의 미산란 이미지를 시간에 따라 나타내었다. 이처럼 전기장을 인가한 후 0.024 s내에 화염이 소화되는 것을 확인할 수 있다.

화염소화 현상도 마찬가지로 양이온의 공간상에서 발생하는 정체현상으로 인해 상대적으로 규모가 큰 이온풍이 화염으로부터 동축류 가장자리까지 발생하기 때문에 화염 내의 질량 유출이 극심해져 화염이 소화되는 것으로 이해할 수 있다.

도 10은 도 4의 실시 예에 따른 인가된 교류 전압 및 주파수에 따른 화염거동 양상을 나타낸 도면이다.

영역Ⅲ은 화염섭동(Flame fluctuation) 및 상첨자｀는 화염소화(Flame extinction)를 나타낸다. 여기서 교류 전압은 노즐에 인가하였고, 인가된 주파수의 크기는 세로축에 도시하였다. 대부분의 화염에서 화염섭동이 관측되었고 화염진동 주파수는 인가된 교류 주파수와 동일한 크기로 관측되었다. 즉, 도 11(a)에서 도시하였듯이 인가된 교류 주파수가 1 Hz이면 화염진동 주파수도 동일하게 1 Hz로 관측되었다.

도 11(b)과 같이 인가된 전압이 증가함에 따라 화염소화 거동을 관측할 수 있다. 그러나 도 11(c)을 참고하면 100 Hz에서는 인가된 모든 교류 전압에서 화염소화가 관측되지 않았다. 또한 5 kV에서는 10 Hz에서만 화염소화가 발생한 점을 미루어 보아 두 가지의 실험 결과가 귀결될 수 있다. 첫 번째 실험결과는 교류 전압이 증가함에 따라 화염소화 거동이 발생하였고, 두 번째 실험결과는 인가된 주파수가 10 Hz일 때 화염소화가 가장 빈번히 발생하였다.

일반적으로 교류전압의 경우 양전압과 음전압의 합으로 나타낼 수 있기 때문에 직류전압에서 관측된 기울어진 화염과 화염섭동 특성 모두 내포한다고 볼 수 있다.

따라서 첫 번째 실험 결과는 인가된 전압이 증가함에 따라 화염 내 존재하는 전하들의 로렌츠 힘이 증가하기 때문에 양전압을 인가했을 때의 특성인 이온풍으로 인해 화염 외부로 질량 유출이 극심해져 화염소화가 발생하는 것으로 이해될 수 있다.

두 번째 실험 결과는 인가된 주파수가 10 Hz에서 화염소화가 가장 빈번히 발생하였는데, 도 12에 도시된 바와 같이 교류 주파수의 특성시간과 음전압을 인가하였을 때의 화염 특성인 음의 유동으로 인해 발생하는 켈빈-헬름흘츠 불안정성의 특성시간과 동일 위상을 가지기 때문에 화염의 섭동(flame fluctuation)이 증폭하여 화염 면(flame surface)에 강한 스트레치로 인해 화염 소화가 발생하는 것으로 판단된다.

또한, 전기장을 이용한 화재 소화시스템의 주요적인 기능인 화재 연기 제어에 대한 성능 평가 실험은 도 13내지 도 16에 의거하여 상세히 설명할 수 있다.

실제 화재를 모사하기 위해 둥근 형태의 유리 접시 위에 스티로폼과 종이를 가연물로 채택하여 점화하였다. 화재 발생 시 외부교란으로 인한 장애를 방지하기 위하여 50×60×75 cm로 구성된 아크릴 챔버 내에 가연물을 설치하여 실험을 수행하였다. 화염 근처에 전기장을 형성하기 위하여 9×22 cm로 구성된 사각형 금속 망사(격자 사이즈 0.7×0.7 cm)를 화염 왼쪽에 설치하였으며, 인가된 직류 전압은 ±2 kV, 5 kV 또는 10 kV이고, 교류 전압은 10 kV와 주파수 10 Hz를 인가하였다.

화염 근처에서 발생하는 이온풍을 가시화하기 위하여 532 nm의 다이오드 레이저를 활용하여 미 산란 기법(mie-scattering method)으로 내부 유동장을 관찰하였다. 가시화된 이미지는 매트랩 기반으로 한 이미지 처리를 통해 연기 분포를 육안으로 평가하였다.

도 14는 본 발명의 도 13의 실시 예에 따른 가연물에 대한 기본화염의 화재 연기 분포를 나타낸 도면이다. 외부 교란 없이 안정된 상태로 화재 연기가 발생하는 것을 알 수 있는데, 일반적으로 화재 연기는 화염 근처에서 1000K 이상의 고온으로 유지되기 때문에 부력에 의해 위쪽으로 이동하게 된다. 도 14의 우측의 매트랩 분석 이미지에서 블라인드 처리된 부분은 금속 망사에 의한 레이저 광원의 산란으로 인해 평가에서 제외하였다.

도 15는 도 13의 실시 예에 따른 직류전압 ±10 kV를 인가 시 가연물의 화재연기 분포를 나타낸 도면이다.

기본 화염의 연기 분포도와 비교하였을 때 상대적으로 금속 망사가 위치한 왼쪽으로 화재 연기가 분포되어 있는 것을 알 수 있다.

이는 이온풍에 의한 결과로서, 이온풍이 부는 쪽으로 화염은 기울어지게 된다. 이때 화염 후류 쪽에 위치한 대부분의 화재연기는 이온풍에 의해 전극 쪽으로 이동하게 된다. 이러한 메커니즘을 바탕으로 전기장을 활용해서 화재 연기를 제어할 수 있다.

또한, 직류전압 -10 kV를 인가하였을 때, 화재 연기가 상대적으로 전극 쪽에 많이 밀집되어 있는 것을 관측할 수 있다. 이는 화염과 양극 사이에 형성된 전기장의 강도가 음극보다 상대적으로 약하기 때문에 이온풍은 음극 쪽으로 편향되어 발생한다고 볼 수 있다. 따라서 금속망에 음전압을 인가하게 되면 대규모의 양이온들이 금속 망사 쪽으로 이동하기 때문에 도 15(b), 도 15(d)와 같이 대부분의 화재연기가 금속 망사 쪽으로 이동하는 것을 관측할 수 있다.

도 16은 도 13의 실시 예에 따른 교류전압 10 kV, 주파수 10 Hz로 인가 시 가연물의 화재 연기 분포를 나타낸 도면이다.

종이를 태웠을 때 발생하는 화재 연기가 대부분 금속 망사 쪽으로 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 반면 스티로폼의 경우는 교류전압을 인가하였을 때 화재 연기 제어 능력이 크지 않는 것으로 나타났다. 이것은 전기장을 인가하지 않은 기본화염의 켈빈-헬름흘츠 불안정성(Kelvin-Helmholtz instability) 발생 유무에 따라 교류전압에 의한 화재 연기 제어 능력이 차이가 나는 것으로 판단된다.

전기장을 인가하지 않고 종이를 태웠을 경우 화염은 매우 불안정적으로 펄럭거리는 현상이 관측되었고, 진동 주파수 분석 결과 대략 10~15 Hz의 진동 주파수를 가지는 것으로 도출되었다. 따라서 교류 주파수의 특성시간과 캘빈-헬름흘츠 불안정성의 특성시간이 동일 위상을 가지기 때문에 화염섭동(flame fluctuation)이 증폭되어 이온풍의 강도가 상대적으로 강하게 발생되는 것으로 판단된다. 반면 스티로폼을 태웠을 경우, 화염은 비교적 안정적이고 어떠한 화염섭동(flame fluctuation)도 관측되지 않는다. 따라서 교류전압을 인가하였을 때, 상대적으로 이온풍의 강도가 큰 음전압의 인가시간이 절반으로 줄어들기 때문에 이온풍의 강도가 상대적으로 약하게 발생하는 것으로 판단된다.

전기장을 이용한 화재 소화시스템의 이온풍으로 화재 연기를 제어할 수 있음으로, 일부가 개방된 공간에서 화재가 발생하였다면, 화재 연기를 제어하기 위하여 건물의 개방구 방향으로 제2 전극(20)을 배치하여 연기를 배출할 수 있다. 반대로 연기 배출구가 없는 밀폐된 공간에서 화재가 발생하였다면, 화재 연기를 이온풍을 통해 한 방향으로 연기를 모을 수 있어 유독가스로 인한 질식 사고를 줄일 수 있다. 연기 제어를 통해 연기 확산을 방지하여, 피난 안정성을 확보할 수 있고 배연성능을 높이며 인명피해를 줄일 수 있다.

특히 메탈메쉬로 제2 전극(20)이 형성되어 있기에 도 16에서 보여지는 바와 같이 연무가 전극 외측으로 배출되어 연무를 이동시키는데 최적화된 소화시스템이 될 수 있다.

상기와 같이 구성된 전기장을 이용한 화재 소화시스템에 대해 진행된 화재소화 실험과 화재 연기 제어 실험의 결과는 다음과 같다.

첫 번째, 화재가 발생한 화염 부근에 전기장을 인가하여 화재진압 및 화재 연기를 제어할 수 있다. 두 번째, 직류 전압 및 교류 전압을 활용하여 화재 진압 및 화재 연기 제어의 적용 가능성을 실험적으로 확인하였고, 사인파와 더불어 사각파 및 톱니파를 포함하는 다양한 파형에서 화재진압 및 화재연기 제어가 가능하다. 세 번째, 전기장을 화재 진압 및 화재 연기 제어에 활용할 경우, 화염 내 존재하는 양이온이 야기하는 이온풍의 강도가 음이온보다 상대적으로 강하기 때문에 음전압을 인가한 금속망사를 화재 진압 및 화재연기 제어에 이용하는 것을 제안한다. 네 번째, 화재 진압 및 화재연기 제어 실험에서 교류전압을 인가하였을 경우 화염에서 발생하는 화염섭동(켈빈-헬름흘츠 불안정성) 유무가 화재연기 제어 능력에 크게 영향을 미치는 것으로 판단되며, 교류 주파수가 약 10 Hz일 때 가장 효과적으로 화재 연기를 제어할 수 있다. 따라서 화재 진압 및 화재 연기 제어 시 교류 주파수 선정이 매우 중요하다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 실시 예에 따른 전기장을 이용한 화재 소화시스템을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

10 : 제1 전극
20 : 제2 전극
300 : 전원 공급장치

Claims

화염 중심부에 위치하도록 배치되는 제1 전극(10);
화염 주변에 위치하도록 배치되는 제2 전극(20);
상기 제1 전극(10)과 상기 제2 전극(20)에 전원을 공급하여 화염 발생시 이온화되는 탄화수소 계열의 화염에 전기장을 인가시킴으로써, 이온 전하와 중성자에 의한 이온풍으로 화염을 진화시키거나 연무를 이동시키는 전원 공급장치(300);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템
제1항에 있어서 상기 전원 공급장치(300)는
전원의 주파수를 조정하는 주파수 조정장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템
제 1항에 있어서 상기 제2 전극(20)은
상기 제1 전극(10)을 향하는 대향판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템
제 1항에 있어서 상기 제2 전극(20)은
상기 제1 전극(10)을 내부에 배치시키는 대향판, 커버 또는 폐루프 망으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템
제 1항에 있어서 상기 제2 전극(20)은
메탈메쉬로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템
제 1항 또는 제2항에 있어서 상기 전원 공급장치(300)는
제2 전극(20)에 직류전원 인가 시, 직류 전압은 1~20 kV인 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템
제 2항에 있어서 상기 전원 공급장치(300)는
제2 전극(20)에 교류전원 인가 시, 교류 전압은 1~20 kV, 진동 주파수 1~100 Hz 에서 출력되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 화재 소화시스템