"10조- 정화조"의 두 판 사이의 차이

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	====개발 과제의 배경 및 효과====		====개발 과제의 배경 및 효과====
−	내용	+
		+	◇ 개발 과제의 배경
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		+	▷ 안전보건공단에서 발표한 ’밀폐공간 작업 안전 매뉴얼‘에 따르면 정화조, 저수조, 저장탱크를 비롯한 밀폐공간은 질식사고에 취약한 장소로서 특별한 관리가 필요, 그중에서도 맨홀은 건설 중에 콘크리트 양생 과정에서 소모되는 산소에 의한 산소 결핍이 주요한 위험원이며, 사망사고가 다발하는 장소임.
		+	▷ 특히 맨홀의 경우, 하부에 하수관로를 따라 흐르는 오폐수의 미생물 번식에 의한 황화수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등 유해가스가 발생하여 작업자가 유해가스에 무방비 상태로 노출됨.
		+	▷ 실례로, 작년 여름 부산 하수도 맨홀 공사장에서 근로자 3명이 황화수소로 의심되는 유독가스에 의해 질식하여 사망하였고, 안전보건공단 통계자료에 따르면 질식 재해 사망자는 ’11년부터 ‘20년까지 10 년간 168명으로, 재해자 중 사망자의 비율, 즉 사고 사망률이 53.2%에 달함.
		+	▷ 그 질식사고의 원인으로는 황화수소 흡입의 비율이 28.9%로 가장 높은 비율을 차지하였고, 그 뒤로 산소 결핍(22.9%), 일산화탄소 및 질소 등의 기체가 사고의 원인임.
		+	▷ 따라서 본 자료를 통해 질식사고 원인 비중을 1, 2위인 황화수소와 산소 결핍에 대한 문제를 해결한다면 질식 재해 원인을 제어하는 당위성이 부여됨.
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		+	◇ 기존 방식의 문제점
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		+	▷ 이러한 질식사고를 예방하기 위해 현재 블로워를 통해 내부 오염물질을 희석하는 작업이 수행되고 있지만, 블로워는 수십 킬로그램에 달하는 고중량이라 작업자가 설치 및 해체 과정에서 허리 등 근골격계에 부상을 입을 수 있음.
		+	▷ 또한 맨홀 내부 보수작업 중간에 계속해서 열려 있는 맨홀 입구로 작업자가 추락할 위험이 존재하고, 실제로도 추락한 사례가 존재함.
		+	▷ 무엇보다 오폐수가 계속해서 흐르는 맨홀 내부 환경 특성상 물리적 및 생물학적 반응으로 황화수소 농도가 언제든 급증할 수 있는 위험이 존재하지만, 현재 사용되고 있는 블로워를 통한 고농도의 황화수소 제어는 한계.
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		+	◇ 기대효과
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		+	▷ 따라서 공기 공급, 약품 주입 기능을 갖추어 맨홀 내부 공기 공급이 가능한 구조를 갖추고, 인체에 무해 하며 황화수소 제어에 효과적인 약품이 맨홀 내부로 고르게 분사되어 맨홀 내부의 황화수소 제어를 갖춘 일체형 맨홀 뚜껑을 설계함.
		+	▷ 설계물은 부상과 작업 중 집중력 분산을 방지하기 위해 설치가 간편해야 할 것이며, 사용이 편리하고, 휴대성이 뛰어나야 함.
		+	▷ 그리고 본 설계물을 통해 작업 중에도 지속해서 공기 공급을 함으로써 맨홀 내부 산소 결핍을 방지하고, 약품 주입으로 황화수소 방재 작업을 가능케 하고자 함.
		+	▷ 최종적으로 설계물을 간편하게 설치 가능하게 하여 재해 위험에 대한 작업자의 불안을 해소함으로써 작업자의 작업 능률을 향상하고자 함.
	====개발 과제의 목표 및 내용====		====개발 과제의 목표 및 내용====
−	내용	+
		+	◇ 이러한 문제점들에 입각하여, 맨홀 뚜껑에 부착된 공기 공급 장치와 맨홀 뚜껑과 일체형으로 제작된 약품 주입관을 통해 밀폐공간인 맨홀 내부 공기 공급을 진행하고자 하며 질식 유발 물질인 황화수소를 적극적으로 방재하여 맨홀 내부 황화수소 농도를 일정 농도 이하로 유지하고자 함.
		+	◇ 본 설계물의 완성을 위하여, 목표를 달성할 수 있는 설계물의 모습을 적절하게 구현하여야 함. 이는 각종 모델링 프로그램 및 손으로 그린 도면에 의해 실현하고자 하였으며, 프로토타입은 기존에 존재하는 제품 등을 참고하여 작성함.
		+	◇ 맨홀 내부의 부피 및 송풍기의 용량 등 설계 요소가 가변적임을 감안하고, 맨홀 특성상 적절한 실험을 진행할 수 없기에 적절한 가정을 통해 각 제원의 용량 등 수치를 산정하였고 맨홀 부피, 송풍기 유량, 황화수소 제거를 위한 철 킬레이트 필요량 등이 그러하며, 각종 공식과 반응식 등을 고려해 각 제원의 표준값을 산출함.
		+	◇ 설계물은 실제 맨홀에 적용 가능해야 하므로, 맨홀 내경 및 외경, 맨홀 깊이, 맨홀 설치 간격 등 설계 관련 제원들을 참고하여 적절한 설계물의 형상과 규격을 결정함.
		+	◇ 실제 맨홀의 경우 그 크기가 커 구현하기가 쉽지 않기 때문에, 실물의 비율, 간격 등을 유지한 채로 축소된 모형을 제작하여 설계물의 구동을 확인하고자 함.
	===관련 기술의 현황===		===관련 기술의 현황===
	====State of art====		====State of art====
−	내용	+
		+	◇ 배터리
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		+	▷ 현재 휴대용 전기제품에 사용되는 배터리의 경우 리튬-이온 배터리가 가장 많이 사용되고 있고, 성능과 기술적 약점을 보완한 응용 제품들도 많이 등장함.
		+	▷ 가령 리튬-이온-폴리머(Lithium-Ion-Polymer Battery)의 경우 안전성이 입증되었고, 손상을 입어도 발화 및 폭발의 위험이 적고, 리튬-인산철 배터리(Lithium-Iron-Phosphate Battery)는 기존 배터리의 발화성 문제를 해결하고 비용 문제를 보완한 배터리로 차세대 배터리로 주목받음.
		+	▷ 그 외에도, 최근 황 나노물질을 이용해 만든 고용량 2차 전지인 리튬-황 배터리와, 에너지 밀도가 크고 공기 중 산소와 리튬을 사용하는 리튬-에어 배터리 등이 개발됨.
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		+	◇ 송풍기
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		+	▷ 송풍기는 1,000mmAq를 기준으로 저압용 팬(FAN)과 고압용의 블로워(Blower)로 구분.
		+	▷ 실내 대기오염 문제에 따른 실내 공기청정기 송풍기 관련 연구가 활발하게 진행, 가정용 공기청정기의 성능개선을 위해 원심팬을 적용하거나, 덕트 형상에 따른 원심팬의 성능을 분석하여 최적의 덕트 형상을 설계하는 기술 연구 또한 진행됨.
		+	▷ 최근 IoT 기술에 기반한 송풍기 축류팬 감시 시스템이 개발되었고, 저전력 광역 IoT 통신을 의미하는 (Low Power Wide Area) 기술을 적용한 송풍기가 개발되어 송풍기와 통신기술을 결합한 새로운 기술 또한 개발됨.
		+	▷ 또한 FANDAS CODE 같이 시로코팬, 터보팬 등의 설계를 위해 설계변수와 운전조건을 입력하여 유체의 흐름을 시뮬레이션하는 프로그램을 통한 최적의 송풍기 설계를 위한 연구 및 기술 개발 또한 활발하게 진행됨.
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		+	◇ 황화수소 제거
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		+	▷ 공정에서 흔히 사용되는 황화수소 제거 방법은 크게 건식탈황과 습식탈황으로 구분된다.
		+	▷ 건식탈황은 활성탄 등을 이용하여 황 성분을 화학적, 물리적으로 흡착하는 방식이다. 건식탈황은 폐액의 발생이 없어 유지관리가 쉽고 광범위한 악취가스 제거에 효과적이지만, 설비를 주기적으로 교체해줘야 하여 고가의 비용이 소요된다는 단점 또한 존재한다.
		+	▷ 습식탈황에는 크게 알칼리 세정과 액상 철킬레이트 방식이 있으며, 처리하고자 하는 가스를 황 제거능력이 뛰어난 물질을 수용액 상태로 만들어 세정하는 방식으로 고체황의 회수가 가능하다는 장점이 존재한다.
	====기술 로드맵====		====기술 로드맵====
−	내용	+	[[파일:기술 로드맵.JPG|700픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 기술 로드맵]]
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	====특허조사====		====특허조사====
−	내용	+	[[파일:정화조 특허 1.JPG|500픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 공기흐름 유도구를 구비한 맨홀]]
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		+	[[파일:정화조 특허 2.JPG|500픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 하수관과 연결되는 맨홀의 냄새방지장치]]
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	====특허전략====		====특허전략====
−	내용	+
		+	◇ 하우징을 통해 다양한 송풍기의 탈부착이 가능하고, 맨홀 뚜껑에 보조장치를 부착하여 표준 1호 ~ 5호 맨홀까지 다양한 맨홀 내경을 포괄하는 맨홀 뚜껑을 제작하여 기존 특허에 존재하지 않는 본 설계의 범용성을 강조하여 특허 출원을 진행함.
		+	◇ 맨홀 뚜껑에 송풍기와 철킬레이트 분사 노즐이 함께 존재하는 all-in-one 방식을 이용하여 간편한 설치 및 원활한 외부 공기 공급이 가능함으로, 본 설계의 효율성을 강조하여 특허 출원을 진행함.
		+	◇ 외부 전원 공급이 아닌 배터리를 송풍기 외부 덮개에 부착하여 감전 및 안정적인 전력 공급을 가능하게 하는 점을 참고, 본 설계의 독창성을 부각시켜 특허 출원을 진행함.
	===관련 시장에 대한 분석===		===관련 시장에 대한 분석===
	====경쟁제품 조사 비교====		====경쟁제품 조사 비교====
−	내용	+
		+	◇ 공기순환장치를 이용한 맨홀 환기 시스템 (송파구)
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		+	▷ 장점 : 맨홀 뚜껑에 부착된 공기순환장치를 통해 간편하게 설치할 수 있고 외부의 신선한 공기를 맨홀 내부로 유입시킬 수 있으며 맨홀 내부에 별도의 점유공간이 필요 없음.
		+	▷ 단점 : 맨홀 뚜껑의 규격이 고정되어 있어 설치 장소가 제한적이며, 공기순환장치의 전력 공급을 위해 전선 등이 연결되어 있어 감전 및 화재사고의 우려가 존재함.
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		+	◇ 맨홀 작업용 배풍기(SMP-40)
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		+	▷ 장점 : 휴대 가능하고, 과열방지 온도 센서 부착으로 인해 화재의 위험이 감소됨. 메탈 팬과 진동방지 고무를 통해 소음을 저감하고 내구성이 뛰어남.
		+	▷ 단점 : 30kg를 초과하여 고중량이며, 인버터가 설치되어 밑이 개방되어 있는 맨홀이 아니면 사용이 불가함. 전기 연장선을 사용해야 하기에 합선으로 인한 감전의 위험이 존재함.
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	====마케팅 전략====		====마케팅 전략====
−	내용	+	[[파일:정화조 SWOT.JPG|800픽셀|섬네일|왼쪽|그림. SWOT 분석]]
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	===개발과제의 기대효과===		===개발과제의 기대효과===
	====기술적 기대효과====		====기술적 기대효과====
−	내용	+
		+	◇ 기존의 블로워로 내부를 환기하며 진행하는 공정의 경우 연장선을 이용해 외부에서 전기를 끌어와 내부에까지 전선을 연결한 형태인데, 이는 자칫 근로자의 작업에 방해가 될 뿐만 아니라 전선에 얽혀 작업자가 전도(넘어짐)하거나 추락할 위험이 존재하며, 다습한 내부 작업 환경상 화재의 가능성 또한 존재함.
		+	◇ 배터리를 동력원으로 사용함으로써 작업환경을 보다 쾌적하고 안전하게 운영할 수 있으며, 간편하게 전원을 통제할 수 있기에 작업의 편리성 또한 보장될 것.
		+	◇ 또한 이는 대체연료 시장 변화에 맞추어 ESS 전지 및 수소연료전지, 태양광 전지 등 친환경적 동력을 활용한 공기주입장치 개발에 기폭제가 될 수 있을 것.
		+	◇ 작업환경의 변화로 인해 맨홀 내부에 급속도로 황화수소 농도가 증가하였을 때는 기존의 송풍 방식을 활용한 환기만으로는 작업자의 안전을 보장하기가 어려음. 따라서 인체에 무해한 수용액 상태의 철 킬레이트를 작업 공간 내로 직접 분사함으로써 황화수소의 직접 제어가 가능하여 적극적으로 황화수소를 제거할 수 있을 것.
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	====경제적 및 사회적 파급효과====		====경제적 및 사회적 파급효과====
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		+	◇ 경제적 파급효과
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		+	▷ 고농도 황화수소 등의 질식가스를 작업자가 단시간에 흡입할 경우 상당 확률로 생명을 잃거나 심각한 후유증으로 인한 중증 환자가 될 가능성 존재.
		+	▷ 산업안전표준에 따르면, 근로자 한 명이 사망하거나 영구적으로 신체 전체의 노동능력을 상실(상해등급 1~3 등급)의 상해 판정을 받게 되는 경우 그 근로자의 근로손실일수를 7,500 일로 판단하며, 개인마다 상이하지만, 근로자의 일당을 15 만원이라고 가정한다면 근로자 한 명이 사망 또는 중증 상해를 얻음으로써 발생하는 손실액은 11억 2,500 만원에 달함.
		+	▷ 국가의 재정 손실 또한 발생하게 되는데, 근로자가 업무상의 사유로 사망한 경우 근로복지공단에서는 그 당시 근로자가 부양하고 있던 유족에게 유족급여와 장례비를 지불해야 함.
		+	▷ 유족급여의 경우 평균임금의 52%~67%를 연금형식으로 지급하는 것이 원칙으로, 근로자의 임금을 월 300만원(일당 15만원 * 월 근로일수 20일)으로 가정했을 때 국가는 매월 평균 180만원 정도의 사회적 비용을 지불해야 함.
		+	▷ 장례비의 경우에도 평균임금의 120일분에 상당하는 금액을 유족에게 지급하여야 하므로 약 1,633만원 (15만원 * 120일 = 1,800 만원이나 산업재해보상보험 제도에 따라 고용노동부장관이 고시하는 2021년 장의비 최고 금액인 1,633 만원을 넘을 수 없기에 1,633 만원으로 한다)의 국가 재정 손실이 발생함.
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		+	◇ 사회적 파급효과
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		+	▷ 우리나라는 OECD 국가 중 재해 치명률이 최고이며, 통계 산정 방식이 타국에 비해 적절하지 않았다는 일부 언론의 정정 기사를 참작하더라도, 우리나라는 10만명 당 산업재해 치명률이 4.6명으로 OECD 내 5위를 기록함.
		+	▷ 선진국 반열에 들어서고 세계 경제 순위 10위에 달하는 대한민국이 개발도상국들과 비슷한 산업재해 치명률을 가지고 있는 것은 사회적, 더 크게 봐서는 국제적으로도 부정적인 영향을 미칠 수 있음.
		+	▷ 국내 산업재해를 당한 만 명당 사망자 수는 ‘20년 기준 0.46명이지만 그에 반에 질식 재해 사망률은 ’11~‘20년 기준 약 52%에 달함.
		+	▷ OECD는 치명률을 지표로 산업재해를 순위를 정하기 때문에 본 설계를 통하여 밀폐공간 질식 재해를 예방함으로써 OECD 내에서 산업재해가 빈번한 국가라는 오명을 벗을 수 있을 것으로 기대.
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		+	◇ 본 설계물을 사용함에 따라 질식사고를 예방할 수 있기에 개인의 근로 기회가 박탈되고, 국가가 인도적, 사회적 차원에서 지불함에 따라 발생하는 비용을 절약할 수 있음. 본 설계물을 통해서 잠재적으로 발생할 수 있는 산업재해를 예방함으로써 산업재해 치명률 감소를 꾀할 수 있기에, 치명률 감소에 따른 사회적 인식, 국제적 인식이 개선될 수 있을 것.
	===구성원 및 추진체계===		===구성원 및 추진체계===
−	내용	+	[[파일:2021 정화조 추진체계.JPG|800픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 추진체계]]
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		+	◇ 강* : 설계 관련 연구동향 조사 및 보고서 작성, 시연물 기초토대 제작, 멘토교수 및 업체 컨택, 포스터 제작
		+	◇ 정** : 3D 모델링 및 회로도 제작, 발표자료 작성, 설계 아이디어 제시 및 설계 흐름 총괄, 특허 출원서 작성
		+	◇ 조** : 관련 특허 및 지적재산권 조사, 특허 출원서 작성, 무선 모듈 및 리드박스 조립, 보고서 작성
		+	◇ 채** : 관련 이론 및 기술 내용 조사, 시연물 모터부 제작 및 발표자료 작성, 포스터 제작, 설계 관련 자문
	==설계==		==설계==
150번째 줄:		341번째 줄:
	===개념설계안===		===개념설계안===
−	내용	+	[[파일:개념설계안 1.JPG|400픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 정면도]][[파일:개념설계안 2.JPG|400픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 평면도]]
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		+	◇ 맨홀 뚜껑은 '공공하수도 중 맨홀의 표준도'에서 가장 작은 제 1호 맨홀인 내경 900mm를 기준으로 설계함.
		+	◇ 약품 주입관은 맨홀 뚜껑과 일체형으로 제작함.
		+	◇ 맨홀 뚜껑 하단에는 모터의 회전축에 부착된 팬, 즉 공기 공급 장치가 하우징 내부에 결합된 상태로 부착됨.
	===이론적 계산 및 시뮬레이션===		===이론적 계산 및 시뮬레이션===
−	내용	+	====공기 공급 장치 선정====
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		+	[[파일:배출압력에따른송풍기의분류.jpg]]
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		+	◇ 맨홀이라는 작업 공간 특성상, 작업 중에도 설치한다는 것을 고려하여 고압용 BLOWER 보다 저압용 FAN이 더 적합할 것으로 판단함.
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		+	[[파일:날개의형식에따른송풍기명칭분류.jpg]]
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		+	◇ 저압용 팬 중 축류형 팬을 선택하였고, 이는 맨홀 뚜껑 하단에 부착하기 위해 맨홀 아래를 향하여 공기를 공급하는데 가장 적합한 모양임. 또한 낮은 풍압에서 많은 풍량을 송풍 가능하다는 장점이 있음. 다음으로, 축류형 팬 중 프로펠러형을 고려하였는데, 이는 구조가 간단하며 적은 동력으로 운전이 가능함.
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		+	====공기 공급량 선정====
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		+	◇ 맨홀 내부의 작업공간은 지역별, 하수도별 모두 상이하기 때문에, 맨홀 내부의 길이와 부피를 미지수로 두고 계산함. 또한, 맨홀 내부는 결합형이기에 체적(m^3)= 사각형 체적 + 원통형 체적의 식을 사용함.
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		+	[[파일:밀폐공간작업공간의체적.jpg]]
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		+	====안전보건공단에서 권고한 환기 방법====
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		+	◇ 환기는 작업 전과 작업 중에 실시함. 작업 전 환기량은 작업장 체적의 5배 이상 신선한 외부 공기로 환기 해야 하며, 작업 중 환기량은 시간당 20회 이상 환기를 해야 함. 또한 안전보건공단에서는 가급적 외부의 공기를 밀폐공간 내로 불어넣는 급기방식으로 환기를 실시하기를 권고하기에, 본 설계는 외부 공기를 급기하는 방식을 사용하였음. 공급된 외부 공기는 다른 맨홀을 통해 빠져나가면서 맨홀 내부의 압력을 유지할 수 있음.
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		+	◇ 공기 공급량 선정의 간단한 예, 가로 4m x 세로 5m x 높이 4m (기적 80m^3) 인 작업공간에서 송풍량 30m^3/min 의 송풍기 사용 시
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		+	작업 전 -> 14분(= 80m^3 x 5배  30m^3/min) 이상 환기
		+	작업 중 -> 송풍량 27m^3/min ( = 80m^3 x 20회  60min) 이상의 송풍기를 사용
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		+	[[파일:축류팬모터의기술적파라미터.jpg]]
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		+	◇ 위 표는 시중에서 판매되고 있는 축류팬 모터의 기술적 파라미터를 나타낸 표. 표에 나타나듯이 약 30m^3/min 의 공급량을 가지고 있는 축류팬 모터의 지름은 약 300mm 이기에, 본 설계물의 가장 작은 맨홀 (지름 약 900mm)을 기준으로 설계하였을 때도 크기 또한 적합하다는 것을 알 수 있음.
		+
		+	◇ 맨홀 내부 작업 공간은 지역별, 하수도별로 매우 다르기 때문에 하나의 공기 공급 장치를 선정하기 어려움. 또한, 안전보건공단에서 권고하는 환기 방법은 송풍기를 정해두고 환기 시간을 조절하는 방식임. 따라서, 작업 공간의 체적에 대한 정보를 알고 있는 해당 근로자들에게 작업 공간에 따라 적합한 송풍량을 가지는 공기 공급 장치를 선정하고 그에 따른 환기 시간을 결정하도록 할 것.
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		+	====저감 목표 유해물질 선정====
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		+	◇ 앞서 언급한 내용을 토대로 환기에 그치지 않고 중독사고를 유발하는 유해물질의 직접 제어를 꾀하기로 하였고, 밀폐공간 중독사고를 가장 많이 유발하는 황화수소를 그 대상 물질로 선정하였음.
		+
		+	====황화수소 제거율 계산====
		+
		+	◇ 황화수소의 목표 저감 농도를 산정하기 위해서는 설비 설치 전 맨홀 내부 황화수소의 농도를 적절히 가정할 필요가 있음. 구조와 하수 성분에 따라 맨홀 내부 황화수소의 농도는 상이하기에, 산업폐수가 흐르는 곳의 맨홀로 가정하였음. 관련 논문을 통해 산업폐수가 흐르는 관로가 지나가는 맨홀 내부의 황화수소 농도는 약 17~80ppm으로 나타났고, 설비는 극한치를 고려하여 설계하는 것을 원칙으로 하여 내부 황화수소 농도를 80ppm로 정하게 되었음.
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		+	◇ 또한 작업자가 맨홀 내의 하수 슬러지 등을 밟으며 갑작스럽게 황화수소가 최대 100배까지 증가하는 Soda can effect(작업자가 황화수소가 함유된 슬러지를 밟았을 때 황화수소 농도가 급속도로 치솟는 현상)를 우려하여, 작업자가 7시간(420분) 동안의 작업시간 동안 한 번 슬러지를 밟아 황화수소 농도가 1분간 최소 농도의 100배가 증가한다고 가정하여 등가 황화수소 농도를 산정.
		+
		+	[[파일:식1.JPG]]
		+
		+	◇ 작업자가 작업시간(7시간) 동안 황화수소에 노출되어야 하므로, 8시간 노출 농도인 10ppm까지 황화수소 농도를 감소시키기 위해 제거돼야 할 황화수소 농도는 73.86ppm이며 제거율은 아래와 같음.
		+
		+	[[파일:식2.JPG]]
		+
		+	====황화수소 저감 방법 선정====
		+
		+	◇ Soda can effect 등으로 인하여 순식간에 대기 중에 고농도로 발산하는 황화수소 등의 유해물질을 환기로만 제어하기는 어렵다고 판단하여 밀폐공간 내부 황화수소 농도가 급격하게 상승하였을 시 황화수소의 긴급 방제 방식 추가를 결정함.
		+
		+	◇ 황화수소의 제어 방법에는 크게 환기(공기 공급), 화학적 처리, 생물학적 처리 등의 방법이 존재하는데, 환기의 경우 황화수소 자체를 직접 제거하는 방식이 아니고, 생물학적 처리의 경우 반응 시간이 수시간에서 수일까지 걸리기에 황화수소 농도를 빠른 시간 안에 저감하기에는 어려움. 화학적 처리의 경우에는 반응속도는 상당히 빠르나, 일반적으로 사용하는 과산화수소, 황산 제 1,2철, 염화철, 질산 등은 인체에 자극, 유해성이 확인되어 작업자가 있는 곳에 직접적으로 살포하는 것이 불가함.
		+
		+	◇ 따라서 인체 유해성, 반응속도, 경제성 등 여러 지표들을 분석하여 최종적으로 철 킬레이트 화합물 중 Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid Iron Salt)를 방제 물질로 선정하였음. 철 킬레이트의 황화수소 제거 원리는 다음식과 같음.
		+
		+	[[파일:식3.JPG]]
		+
		+	◇ 식을 보았을 때, 황화수소 가스가 액상 킬레이트 용액에 용해되어 용해된 황화수소가 산소와 반응하여 물로 전환됨. 다음의 화학반응 매커니즘임.
		+
		+	[[파일:식4.JPG]]
		+
		+	◇ 식 (1)은 수용액 상에서 황화수소 가스의 물리적 흡수상태를 나타내며 pH 7 이상에서 액상의 황화수소 가스는 S^2-로 분해되며 이는 식 (2)와 같이 Fe^3+ - EDTA와 반응하여 황화합물이 불용성의 황으로 산화되면서 불활성물인 Fe^2+ - EDTA 로 변함.
		+
		+	[[파일:식6.JPG]]
		+
		+	◇ 그러므로 위 반응식 (1) ~ (4)의 조합을 통해 순반응 식으로 나타낼 수 있음.
		+	====철 킬레이트 주입량 계산====
		+
		+	◇ 수용액 상태의 Fe-EDTA가 맨홀 내부에 설치된 약품 주입관을 통해 액적 형태로 분사되어 대기 중에 고르게 퍼져 모든 황화수소 분자와 반응한다는 가정 하에 필요한 Fe-EDTA 주입량은 다음과 같음.
		+
		+	[[파일:식7.JPG]]
		+
		+	◇ 또한 Fe-EDTA의 경우 온도에 따라서 황화수소 제거율이 상이할 수 있음을 고려하여, 기존 연구 자료를 활용하여 맨홀 내부 환경에 적용할 수 있을지를 판단하였음. 온도의 경우 약 25℃에서 제거율이 가장 높았으며 온도가 높아질수록 제거율이 낮아짐을 고려하여, 상온 정도의 기온을 나타내는 맨홀 내부에서 적용하였을 때 우수한 제거효율을 기대할 수 있을 것.
	===조립도===		===조립도===
	====조립도====		====조립도====
−	내용	+	[[파일:정화조 조립도.JPG|600픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 조립도 및 부품]]
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	====조립순서====		====조립순서====
−	내용	+
		+	◇ 보조장치(①)와 맨홀 뚜껑(②)은 4개의 홈을 통해 볼트와 너트를 이용하여 연결 및 부착함.
		+	◇ 맨홀 뚜껑(②)과 약품 주입관(③)은 용접과 같은 방법으로 일체형으로 제작함.
		+	◇ 하우징 1(④)과 하우징 2(⑤)는 홈을 통해 연결 및 부착함.
		+	◇ 맨홀 뚜껑(②)과 하우징(④⑤)은 4개의 홈을 통해 연결 및 부착함.
		+	◇ 회전 모터(⑥)의 회전축에 팬(⑦)을 부착함.
		+	◇ 하우징(④⑤) 내부 하단과 회전 모터(⑥)가 부착된 팬(⑦)을 홈을 통해 부착함.
	===부품도===		===부품도===
−	내용	+	[[파일:정화조 보조장치.JPG|300픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 보조장치 3D 도면]]
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		+	◇ 보조장치는 맨홀 뚜껑의 겉에 연결 및 고정할 수 있도록 4개의 홈이 존재함.
		+	◇ 보조장치의 규격은 2종 맨홀부터 5종 맨홀까지 각각의 내경에 맞추어 4개를 구비함.
		+	◇ 보조장치의 재질은 가볍고 내구성이 있는 알루미늄 합금으로 제작함.
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		+	[[파일:정화조 맨홀뚜껑.JPG|300픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 맨홀뚜껑 3D 도면]]
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		+	◇ 맨홀 뚜껑 가장자리에 보조장치를 연결 및 고정할 수 있도록 4개의 홈이 존재하며, 각 홈의 내경은 약 10mm 임.
		+	◇ 마찬가지로 중간의 오픈형 맨홀 주변에 하우징을 연결 및 부착할 수 있도록 4개의 홈이 존재하며, 각 홈의 내경은 약 10mm 임.
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		+	[[파일:정화조 약품주입관.JPG|300픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 약품 주입관 3D 도면]]
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		+	◇ 약품을 주입할 수 있또록 한쪽 부분에 내경 약 80mm의 홈을 파고 관을 맨홀 뚜껑과 일체형으로 제작함.
		+	◇ 맨홀 뚜껑의 재질은 가볍고 내구성이 있는 알루미늄 합금으로 제작함.
		+	◇ 약품 주입관 출구 부분에는 액체 형태의 약품이 한번에 방출되는 것을 방지하기 위해 내경 약 3mm의 작은 홈들이 존재함.
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		+	[[파일:정화조 하우징.JPG|500픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 하우징 3D 도면]]
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		+	◇ 하우징은 공기 공급 장치의 설치 및 교체 등을 용이하게 하기 위해 분리가능 한 구조로 설계함.
		+	◇ 하우징 측면에 존재하는 홈을 통해 결합함.
		+	◇ 하우징의 윗면에 맨홀 뚜껑과 결합할 수 있는 4개의 홈이 존재함.
		+	◇ 홈의 내경은 약 10mm 임.
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		+	[[파일:정화조 모터.JPG|300픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 모터 및 팬 3D 도면]]
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		+	◇ 모터는 BLDC 모터를 사용함.
		+	◇ BLDC 모터는 전기적, 기계적 소음이 적고 brush가 없기 때문에 마모가 없어 반영구적으로 사용 가능하며 고속회전에 무리가 없음.
		+	◇ 모터 측부의 Lead Box에는 배터리와 원격 조종을 위한 아두이노가 포함됨.
		+	◇ 팬은 모터의 회전축에 부착되어 회전하면서 공기를 공급함.
		+	◇ 팬이 부착된 모터는 공기 공급 장치로써 하우징 하단에 결합됨.
		+
	===제어부 및 회로설계===		===제어부 및 회로설계===
−	내용	+	[[파일:정화조 회로.JPG|600픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 아두이노 회로 및 코드]]
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		+	◇ 맨홀 뚜껑 아래에 공기 공급 장치가 부착되기 때문에 원격으로 모터를 제어해야 함.
		+	◇ 리드박스 내에 있는 아두이노와 외부 전원 장치의 아두이노를 통한 원격 제어를 함.
	===자재 소요서===		===자재 소요서===
−	내용	+	[[파일:정화조 자재소요서.JPG|600픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 자재소요서]]
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	==결과 및 평가==		==결과 및 평가==
	===완료 작품의 소개===		===완료 작품의 소개===
	====프로토타입 사진====		====프로토타입 사진====
−	내용	+	[[파일:정화조 윗면.JPG|600픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 시연물 윗면]]
		+	[[파일:정화조 옆면.JPG|600픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 시연물 옆면]]
		+	[[파일:정화조 밑면.JPG|600픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 시연물 밑면]]
		+	[[파일:정화조 배선.JPG|600픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 시연물 회로 및 배선]]
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	====포스터====		====포스터====
−	내용	+	[[파일:2021 정화조 포스터.JPG|1000픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 포스터]]
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	===개발사업비 내역서===		===개발사업비 내역서===
−	내용	+	[[파일:정화조개발사업비.JPG|700픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 개발사업비 내역서]]
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	===완료 작품의 평가===		===완료 작품의 평가===
−	내용	+	[[파일:2021 정화조 완료평가.JPG|900픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 완료 작품의 평가]]
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		+	◇ 공기 공급 장치는 안전보건공단의 밀폐장소 환기량 기준에 부합해야 하는데 평가결과는 실험적 데이터가 없기 때문에 중으로 함.
		+	◇ 모터 무선 제어는 외부 리모컨을 통해 무선으로 1초 이내에 작동해야 하는데 이는 시연물 제작을 통해 확인했기 때문에 평가결과를 상으로 함.
		+	◇ 맨홀 보조장치는 맨홀의 규격을 조절할 수 있으면 되기 때문에 이는 시연물을 통해 평가결과를 상으로 함.
		+	◇ 배터리 용량은 일일 작업시간 약 7시간 동안 모터에 동력을 공급해 주어야 하는데 이는 실험을 하지 못해 실험 결과가 없기 때문에 평가결과를 하로 함.
		+	◇ 휴대성은 성인 남성이 혼자서 부담없이 들어야 하는데 설계물의 전반적인 무게를 조사했을 때 알루미늄 합금의 무게가 충분히 가벼워 평가결과를 상으로 함.
	===향후평가===		===향후평가===
−	내용	+	◇ 본 설계물을 통해 기존 밀폐 작업 공간에서의 블로워와 같은 환기 장치의 전원 공급 방식, 중량 등의 한계를 보완할 수 있을 것.
		+	◇ 작업 중 지속적인 공기 공급과 황화수소의 직접적인 제거로 인하여 안전사고 예방 및 작업 능률 증대가 기대됨.
		+	◇ 하지만 실제 현장에서 본 설계물의 효과를 입증할만한 실험적 데이터가 부족함.
		+	◇ 따라서, 실제 현장에서도 사용할 수 있도록 본 설계물을 이용하여 공기 공급을 했을 때 산소 농도 측정 및 약품을 주입하기 전, 후의 황화수소 농도를 측정할 필요가 있음.
		+	◇ 최종적으로 본 설계물의 효과를 입증할만한 충분한 데이터가 확보되면 후에 맨홀 작업자에게 본 설계물을 홍보하고 판매할 수 있을 것.
	===특허 출원===		===특허 출원===
	====출원번호통지서====		====출원번호통지서====
−	내용	+	[[파일:정화조 특허.JPG|500픽셀|섬네일|왼쪽|그림. 출원번호통지서]]
−	====특허내용====	+
−	내용	+
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	==부록==		==부록==
	===참고문헌 및 참고사이트===		===참고문헌 및 참고사이트===
−	내용	+	[1] 밀폐공간 종류별 유해가스 발생 농도 평가, 박현희 외 7명, 2009•질산철을 이용하여 표면개질된활성탄의 황화수소 흡착, 정문주 외 2명, 2015
		+	[2] 킬레이트 착화학반응에 의한 음식물폐기물 혐기소화가스 중 황화수소의 제거와 황 회수 및 경제성 평가, 박영규, 양영선, 2014
		+	[3] 탈취 기술, 한국과학기술정보연구원, 2003
		+	[4] 밀폐공간 사고예방을 위한 첨단기술 활용방안 연구, 안전보건공단, 2018
		+	[5] 안전보건공단, 안전보건 가상현실 교안 질식재해 예방, 밀폐공간작업, 2021
		+	[6] 환경부, 공공하수도 중 맨홀의 표준도, 2009
		+	[7] 한국산업안전공단, 밀폐공간작업 질식재해예방, 2008
		+	[8] 한국산업안전보건공단, 밀폐공간 작업 프로그램 시행 및 건강장해 예방 기술지침, 2017.11
		+	[9] 전력설비기술기준, 전동기 보호 형식 (KSC 4402)
		+	[10] 산업안전보건기준에 관한 규칙(21.05.28), 고용노동부령
		+	[11] 송파구청 블로그, 송파 주요 뉴스
		+	[12] 중소기업 기술로드맵2018-2020 Technology Roadmap for SME, 중소벤처기업부
		+	[13] 산업재해보상보험법 (약칭 : 산재보험법) , [시행 2021. 7.27, 법률 제 17910호, 2021. 1. 26. 일부개정]
		+	[14] KIPRIS (특허정보검색서비스)
		+	[15] 김성진, 이정헌, 이예슬, 상수도 맨홀서도 질식, 구조자도 위험, 단비뉴스, 2020
		+	[16] 머니투데이, “한국, 21년간 ‘OECD 산재 사망’ 최악? 통계가 틀렸다”, 이창명, 2021.02.09.
	===관련특허===		===관련특허===
−	내용	+	[1] 맨홀 볼트용 환기 시스템(VENTILATION SYSTEM FOR MANHOLE VAULT), 출원번호 1020177035686(2016. 04. 29)
		+	[2] 공기흐름 유도구를 구비한 맨홀(MANHOLE WITH INDUCTION DEVICE OF AIR FLOW), 출원번호 1011729880000 (2012.08.03.)
		+	[3] 하수맨홀 악취 제거장치(BAD SMELL REMOVAL APPARATUS OF MANHOLE), 출원번호 1007061620000 (2007.04.04)

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2021년 12월 15일 (수) 15:39 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 상하수도 맨홀 내부 공기 공급 및 악취 저감

영문 : Air supply and Odor Reduction in Waterworks and Sewage Manholes

과제 팀명

정화조

지도교수

서울시립대학교 환경공학부 이상철 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 강* (팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 정**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 조**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 채**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 안전보건공단에서 밀폐공간으로 분류된 맨홀 내부에서 발생하는 질식 재해는 최근까지도 지속해서 발생하고 있음.
◇ 재해자 중 절반 이상이 사망하는 통계자료를 고려하였을 때 결코 무시할 수 있는 사안이 아니며 그 원인은 산소 부족과 황화수소에 의한 중독으로 알려져 있음.
◇ 하지만, 맨홀 내부의 산소 공급과 황화수소의 제어를 위해 현재 시행되고 있는 방책들은 또 다른 안전 재해를 유발할 가능성이 있으며, 작업자의 측면에서 봤을 때 비효율적인 점들이 존재함.
◇ 따라서, 설치가 간편하고 지속적인 공기 공급이 가능하며 황화수소의 직접적인 제거를 위한 약품 주입 기능을 갖춘 맨홀을 설계하였음.
◇ 설계물의 실현 가능성을 확인하고자 무선 모듈과 배터리를 통해 원격 제어가 가능한 시연물을 제작하여 작동을 확인하였음.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 과제의 배경

▷ 안전보건공단에서 발표한 ’밀폐공간 작업 안전 매뉴얼‘에 따르면 정화조, 저수조, 저장탱크를 비롯한 밀폐공간은 질식사고에 취약한 장소로서 특별한 관리가 필요, 그중에서도 맨홀은 건설 중에 콘크리트 양생 과정에서 소모되는 산소에 의한 산소 결핍이 주요한 위험원이며, 사망사고가 다발하는 장소임.
▷ 특히 맨홀의 경우, 하부에 하수관로를 따라 흐르는 오폐수의 미생물 번식에 의한 황화수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등 유해가스가 발생하여 작업자가 유해가스에 무방비 상태로 노출됨.
▷ 실례로, 작년 여름 부산 하수도 맨홀 공사장에서 근로자 3명이 황화수소로 의심되는 유독가스에 의해 질식하여 사망하였고, 안전보건공단 통계자료에 따르면 질식 재해 사망자는 ’11년부터 ‘20년까지 10 년간 168명으로, 재해자 중 사망자의 비율, 즉 사고 사망률이 53.2%에 달함.
▷ 그 질식사고의 원인으로는 황화수소 흡입의 비율이 28.9%로 가장 높은 비율을 차지하였고, 그 뒤로 산소 결핍(22.9%), 일산화탄소 및 질소 등의 기체가 사고의 원인임.
▷ 따라서 본 자료를 통해 질식사고 원인 비중을 1, 2위인 황화수소와 산소 결핍에 대한 문제를 해결한다면 질식 재해 원인을 제어하는 당위성이 부여됨.

◇ 기존 방식의 문제점

▷ 이러한 질식사고를 예방하기 위해 현재 블로워를 통해 내부 오염물질을 희석하는 작업이 수행되고 있지만, 블로워는 수십 킬로그램에 달하는 고중량이라 작업자가 설치 및 해체 과정에서 허리 등 근골격계에 부상을 입을 수 있음.
▷ 또한 맨홀 내부 보수작업 중간에 계속해서 열려 있는 맨홀 입구로 작업자가 추락할 위험이 존재하고, 실제로도 추락한 사례가 존재함.
▷ 무엇보다 오폐수가 계속해서 흐르는 맨홀 내부 환경 특성상 물리적 및 생물학적 반응으로 황화수소 농도가 언제든 급증할 수 있는 위험이 존재하지만, 현재 사용되고 있는 블로워를 통한 고농도의 황화수소 제어는 한계.

◇ 기대효과

▷ 따라서 공기 공급, 약품 주입 기능을 갖추어 맨홀 내부 공기 공급이 가능한 구조를 갖추고, 인체에 무해 하며 황화수소 제어에 효과적인 약품이 맨홀 내부로 고르게 분사되어 맨홀 내부의 황화수소 제어를 갖춘 일체형 맨홀 뚜껑을 설계함.
▷ 설계물은 부상과 작업 중 집중력 분산을 방지하기 위해 설치가 간편해야 할 것이며, 사용이 편리하고, 휴대성이 뛰어나야 함.
▷ 그리고 본 설계물을 통해 작업 중에도 지속해서 공기 공급을 함으로써 맨홀 내부 산소 결핍을 방지하고, 약품 주입으로 황화수소 방재 작업을 가능케 하고자 함.
▷ 최종적으로 설계물을 간편하게 설치 가능하게 하여 재해 위험에 대한 작업자의 불안을 해소함으로써 작업자의 작업 능률을 향상하고자 함.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 이러한 문제점들에 입각하여, 맨홀 뚜껑에 부착된 공기 공급 장치와 맨홀 뚜껑과 일체형으로 제작된 약품 주입관을 통해 밀폐공간인 맨홀 내부 공기 공급을 진행하고자 하며 질식 유발 물질인 황화수소를 적극적으로 방재하여 맨홀 내부 황화수소 농도를 일정 농도 이하로 유지하고자 함.
◇ 본 설계물의 완성을 위하여, 목표를 달성할 수 있는 설계물의 모습을 적절하게 구현하여야 함. 이는 각종 모델링 프로그램 및 손으로 그린 도면에 의해 실현하고자 하였으며, 프로토타입은 기존에 존재하는 제품 등을 참고하여 작성함.
◇ 맨홀 내부의 부피 및 송풍기의 용량 등 설계 요소가 가변적임을 감안하고, 맨홀 특성상 적절한 실험을 진행할 수 없기에 적절한 가정을 통해 각 제원의 용량 등 수치를 산정하였고 맨홀 부피, 송풍기 유량, 황화수소 제거를 위한 철 킬레이트 필요량 등이 그러하며, 각종 공식과 반응식 등을 고려해 각 제원의 표준값을 산출함.
◇ 설계물은 실제 맨홀에 적용 가능해야 하므로, 맨홀 내경 및 외경, 맨홀 깊이, 맨홀 설치 간격 등 설계 관련 제원들을 참고하여 적절한 설계물의 형상과 규격을 결정함.
◇ 실제 맨홀의 경우 그 크기가 커 구현하기가 쉽지 않기 때문에, 실물의 비율, 간격 등을 유지한 채로 축소된 모형을 제작하여 설계물의 구동을 확인하고자 함.

관련 기술의 현황

State of art

◇ 배터리

▷ 현재 휴대용 전기제품에 사용되는 배터리의 경우 리튬-이온 배터리가 가장 많이 사용되고 있고, 성능과 기술적 약점을 보완한 응용 제품들도 많이 등장함.
▷ 가령 리튬-이온-폴리머(Lithium-Ion-Polymer Battery)의 경우 안전성이 입증되었고, 손상을 입어도 발화 및 폭발의 위험이 적고, 리튬-인산철 배터리(Lithium-Iron-Phosphate Battery)는 기존 배터리의 발화성 문제를 해결하고 비용 문제를 보완한 배터리로 차세대 배터리로 주목받음.
▷ 그 외에도, 최근 황 나노물질을 이용해 만든 고용량 2차 전지인 리튬-황 배터리와, 에너지 밀도가 크고 공기 중 산소와 리튬을 사용하는 리튬-에어 배터리 등이 개발됨.

◇ 송풍기

▷ 송풍기는 1,000mmAq를 기준으로 저압용 팬(FAN)과 고압용의 블로워(Blower)로 구분.
▷ 실내 대기오염 문제에 따른 실내 공기청정기 송풍기 관련 연구가 활발하게 진행, 가정용 공기청정기의 성능개선을 위해 원심팬을 적용하거나, 덕트 형상에 따른 원심팬의 성능을 분석하여 최적의 덕트 형상을 설계하는 기술 연구 또한 진행됨.
▷ 최근 IoT 기술에 기반한 송풍기 축류팬 감시 시스템이 개발되었고, 저전력 광역 IoT 통신을 의미하는 (Low Power Wide Area) 기술을 적용한 송풍기가 개발되어 송풍기와 통신기술을 결합한 새로운 기술 또한 개발됨.
▷ 또한 FANDAS CODE 같이 시로코팬, 터보팬 등의 설계를 위해 설계변수와 운전조건을 입력하여 유체의 흐름을 시뮬레이션하는 프로그램을 통한 최적의 송풍기 설계를 위한 연구 및 기술 개발 또한 활발하게 진행됨.

◇ 황화수소 제거

▷ 공정에서 흔히 사용되는 황화수소 제거 방법은 크게 건식탈황과 습식탈황으로 구분된다.
▷ 건식탈황은 활성탄 등을 이용하여 황 성분을 화학적, 물리적으로 흡착하는 방식이다. 건식탈황은 폐액의 발생이 없어 유지관리가 쉽고 광범위한 악취가스 제거에 효과적이지만, 설비를 주기적으로 교체해줘야 하여 고가의 비용이 소요된다는 단점 또한 존재한다.
▷ 습식탈황에는 크게 알칼리 세정과 액상 철킬레이트 방식이 있으며, 처리하고자 하는 가스를 황 제거능력이 뛰어난 물질을 수용액 상태로 만들어 세정하는 방식으로 고체황의 회수가 가능하다는 장점이 존재한다.

기술 로드맵

특허조사

특허전략

◇ 하우징을 통해 다양한 송풍기의 탈부착이 가능하고, 맨홀 뚜껑에 보조장치를 부착하여 표준 1호 ~ 5호 맨홀까지 다양한 맨홀 내경을 포괄하는 맨홀 뚜껑을 제작하여 기존 특허에 존재하지 않는 본 설계의 범용성을 강조하여 특허 출원을 진행함.
◇ 맨홀 뚜껑에 송풍기와 철킬레이트 분사 노즐이 함께 존재하는 all-in-one 방식을 이용하여 간편한 설치 및 원활한 외부 공기 공급이 가능함으로, 본 설계의 효율성을 강조하여 특허 출원을 진행함.
◇ 외부 전원 공급이 아닌 배터리를 송풍기 외부 덮개에 부착하여 감전 및 안정적인 전력 공급을 가능하게 하는 점을 참고, 본 설계의 독창성을 부각시켜 특허 출원을 진행함.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 공기순환장치를 이용한 맨홀 환기 시스템 (송파구)

▷ 장점 : 맨홀 뚜껑에 부착된 공기순환장치를 통해 간편하게 설치할 수 있고 외부의 신선한 공기를 맨홀 내부로 유입시킬 수 있으며 맨홀 내부에 별도의 점유공간이 필요 없음.
▷ 단점 : 맨홀 뚜껑의 규격이 고정되어 있어 설치 장소가 제한적이며, 공기순환장치의 전력 공급을 위해 전선 등이 연결되어 있어 감전 및 화재사고의 우려가 존재함.

◇ 맨홀 작업용 배풍기(SMP-40)

▷ 장점 : 휴대 가능하고, 과열방지 온도 센서 부착으로 인해 화재의 위험이 감소됨. 메탈 팬과 진동방지 고무를 통해 소음을 저감하고 내구성이 뛰어남.
▷ 단점 : 30kg를 초과하여 고중량이며, 인버터가 설치되어 밑이 개방되어 있는 맨홀이 아니면 사용이 불가함. 전기 연장선을 사용해야 하기에 합선으로 인한 감전의 위험이 존재함.

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기존의 블로워로 내부를 환기하며 진행하는 공정의 경우 연장선을 이용해 외부에서 전기를 끌어와 내부에까지 전선을 연결한 형태인데, 이는 자칫 근로자의 작업에 방해가 될 뿐만 아니라 전선에 얽혀 작업자가 전도(넘어짐)하거나 추락할 위험이 존재하며, 다습한 내부 작업 환경상 화재의 가능성 또한 존재함.
◇ 배터리를 동력원으로 사용함으로써 작업환경을 보다 쾌적하고 안전하게 운영할 수 있으며, 간편하게 전원을 통제할 수 있기에 작업의 편리성 또한 보장될 것.
◇ 또한 이는 대체연료 시장 변화에 맞추어 ESS 전지 및 수소연료전지, 태양광 전지 등 친환경적 동력을 활용한 공기주입장치 개발에 기폭제가 될 수 있을 것.
◇ 작업환경의 변화로 인해 맨홀 내부에 급속도로 황화수소 농도가 증가하였을 때는 기존의 송풍 방식을 활용한 환기만으로는 작업자의 안전을 보장하기가 어려음. 따라서 인체에 무해한 수용액 상태의 철 킬레이트를 작업 공간 내로 직접 분사함으로써 황화수소의 직접 제어가 가능하여 적극적으로 황화수소를 제거할 수 있을 것.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 경제적 파급효과

▷ 고농도 황화수소 등의 질식가스를 작업자가 단시간에 흡입할 경우 상당 확률로 생명을 잃거나 심각한 후유증으로 인한 중증 환자가 될 가능성 존재.
▷ 산업안전표준에 따르면, 근로자 한 명이 사망하거나 영구적으로 신체 전체의 노동능력을 상실(상해등급 1~3 등급)의 상해 판정을 받게 되는 경우 그 근로자의 근로손실일수를 7,500 일로 판단하며, 개인마다 상이하지만, 근로자의 일당을 15 만원이라고 가정한다면 근로자 한 명이 사망 또는 중증 상해를 얻음으로써 발생하는 손실액은 11억 2,500 만원에 달함.
▷ 국가의 재정 손실 또한 발생하게 되는데, 근로자가 업무상의 사유로 사망한 경우 근로복지공단에서는 그 당시 근로자가 부양하고 있던 유족에게 유족급여와 장례비를 지불해야 함.
▷ 유족급여의 경우 평균임금의 52%~67%를 연금형식으로 지급하는 것이 원칙으로, 근로자의 임금을 월 300만원(일당 15만원 * 월 근로일수 20일)으로 가정했을 때 국가는 매월 평균 180만원 정도의 사회적 비용을 지불해야 함.
▷ 장례비의 경우에도 평균임금의 120일분에 상당하는 금액을 유족에게 지급하여야 하므로 약 1,633만원 (15만원 * 120일 = 1,800 만원이나 산업재해보상보험 제도에 따라 고용노동부장관이 고시하는 2021년 장의비 최고 금액인 1,633 만원을 넘을 수 없기에 1,633 만원으로 한다)의 국가 재정 손실이 발생함.

◇ 사회적 파급효과

▷ 우리나라는 OECD 국가 중 재해 치명률이 최고이며, 통계 산정 방식이 타국에 비해 적절하지 않았다는 일부 언론의 정정 기사를 참작하더라도, 우리나라는 10만명 당 산업재해 치명률이 4.6명으로 OECD 내 5위를 기록함.
▷ 선진국 반열에 들어서고 세계 경제 순위 10위에 달하는 대한민국이 개발도상국들과 비슷한 산업재해 치명률을 가지고 있는 것은 사회적, 더 크게 봐서는 국제적으로도 부정적인 영향을 미칠 수 있음.
▷ 국내 산업재해를 당한 만 명당 사망자 수는 ‘20년 기준 0.46명이지만 그에 반에 질식 재해 사망률은 ’11~‘20년 기준 약 52%에 달함.
▷ OECD는 치명률을 지표로 산업재해를 순위를 정하기 때문에 본 설계를 통하여 밀폐공간 질식 재해를 예방함으로써 OECD 내에서 산업재해가 빈번한 국가라는 오명을 벗을 수 있을 것으로 기대.

◇ 본 설계물을 사용함에 따라 질식사고를 예방할 수 있기에 개인의 근로 기회가 박탈되고, 국가가 인도적, 사회적 차원에서 지불함에 따라 발생하는 비용을 절약할 수 있음. 본 설계물을 통해서 잠재적으로 발생할 수 있는 산업재해를 예방함으로써 산업재해 치명률 감소를 꾀할 수 있기에, 치명률 감소에 따른 사회적 인식, 국제적 인식이 개선될 수 있을 것.

구성원 및 추진체계

◇ 강* : 설계 관련 연구동향 조사 및 보고서 작성, 시연물 기초토대 제작, 멘토교수 및 업체 컨택, 포스터 제작
◇ 정** : 3D 모델링 및 회로도 제작, 발표자료 작성, 설계 아이디어 제시 및 설계 흐름 총괄, 특허 출원서 작성
◇ 조** : 관련 특허 및 지적재산권 조사, 특허 출원서 작성, 무선 모듈 및 리드박스 조립, 보고서 작성 
◇ 채** : 관련 이론 및 기술 내용 조사, 시연물 모터부 제작 및 발표자료 작성, 포스터 제작, 설계 관련 자문

설계

설계사양

제품 요구사항

1) 공기 공급 장치의 송풍 능력 : 공기 공급 장치를 통해 맨홀 내부에 충분한 양의 공기를 공급할 수 있어야 함.
2) 약품의 효율성 및 안전성 : 맨홀 내부 황화수소를 효과적으로 제거할 수 있어야 하고 인체에 무해한 약품을 선정해야 함.
3) 설계물의 조립 및 부착 방법 : 맨홀 내부 체적에 따라 공기 공급 장치가 달라지기 때문에 설계물을 간편하게 탈부착 할 수 있어야 함.
4) 설계물의 범용성 : 다양한 규격을 가지는 맨홀 뚜껑을 모두 포괄할 수 있도록 보조장치를 부착함.
5) 설계물의 휴대성 : 설계물을 편하게 들고 다닐 수 있도록 가벼워야 함.
6) 설계물의 내구성 : 맨홀 뚜껑 하단에 장치들을 부착하기 때문에 이를 지탱할 수 있어야 함.
7) 설계물의 경제성 : 기존 제품들과의 경제성을 위해 저렴한 재질로 설계물을 제작해야 함.

목적 계통도

QFD

개념설계안

◇ 맨홀 뚜껑은 '공공하수도 중 맨홀의 표준도'에서 가장 작은 제 1호 맨홀인 내경 900mm를 기준으로 설계함.
◇ 약품 주입관은 맨홀 뚜껑과 일체형으로 제작함.
◇ 맨홀 뚜껑 하단에는 모터의 회전축에 부착된 팬, 즉 공기 공급 장치가 하우징 내부에 결합된 상태로 부착됨.

이론적 계산 및 시뮬레이션

공기 공급 장치 선정

◇ 맨홀이라는 작업 공간 특성상, 작업 중에도 설치한다는 것을 고려하여 고압용 BLOWER 보다 저압용 FAN이 더 적합할 것으로 판단함.

◇ 저압용 팬 중 축류형 팬을 선택하였고, 이는 맨홀 뚜껑 하단에 부착하기 위해 맨홀 아래를 향하여 공기를 공급하는데 가장 적합한 모양임. 또한 낮은 풍압에서 많은 풍량을 송풍 가능하다는 장점이 있음. 다음으로, 축류형 팬 중 프로펠러형을 고려하였는데, 이는 구조가 간단하며 적은 동력으로 운전이 가능함.

공기 공급량 선정

◇ 맨홀 내부의 작업공간은 지역별, 하수도별 모두 상이하기 때문에, 맨홀 내부의 길이와 부피를 미지수로 두고 계산함. 또한, 맨홀 내부는 결합형이기에 체적(m^3)= 사각형 체적 + 원통형 체적의 식을 사용함.

안전보건공단에서 권고한 환기 방법

◇ 환기는 작업 전과 작업 중에 실시함. 작업 전 환기량은 작업장 체적의 5배 이상 신선한 외부 공기로 환기 해야 하며, 작업 중 환기량은 시간당 20회 이상 환기를 해야 함. 또한 안전보건공단에서는 가급적 외부의 공기를 밀폐공간 내로 불어넣는 급기방식으로 환기를 실시하기를 권고하기에, 본 설계는 외부 공기를 급기하는 방식을 사용하였음. 공급된 외부 공기는 다른 맨홀을 통해 빠져나가면서 맨홀 내부의 압력을 유지할 수 있음.

◇ 공기 공급량 선정의 간단한 예, 가로 4m x 세로 5m x 높이 4m (기적 80m^3) 인 작업공간에서 송풍량 30m^3/min 의 송풍기 사용 시 

작업 전 -> 14분(= 80m^3 x 5배  30m^3/min) 이상 환기
작업 중 -> 송풍량 27m^3/min ( = 80m^3 x 20회  60min) 이상의 송풍기를 사용

◇ 위 표는 시중에서 판매되고 있는 축류팬 모터의 기술적 파라미터를 나타낸 표. 표에 나타나듯이 약 30m^3/min 의 공급량을 가지고 있는 축류팬 모터의 지름은 약 300mm 이기에, 본 설계물의 가장 작은 맨홀 (지름 약 900mm)을 기준으로 설계하였을 때도 크기 또한 적합하다는 것을 알 수 있음.

◇ 맨홀 내부 작업 공간은 지역별, 하수도별로 매우 다르기 때문에 하나의 공기 공급 장치를 선정하기 어려움. 또한, 안전보건공단에서 권고하는 환기 방법은 송풍기를 정해두고 환기 시간을 조절하는 방식임. 따라서, 작업 공간의 체적에 대한 정보를 알고 있는 해당 근로자들에게 작업 공간에 따라 적합한 송풍량을 가지는 공기 공급 장치를 선정하고 그에 따른 환기 시간을 결정하도록 할 것.

저감 목표 유해물질 선정

◇ 앞서 언급한 내용을 토대로 환기에 그치지 않고 중독사고를 유발하는 유해물질의 직접 제어를 꾀하기로 하였고, 밀폐공간 중독사고를 가장 많이 유발하는 황화수소를 그 대상 물질로 선정하였음. 

황화수소 제거율 계산

◇ 황화수소의 목표 저감 농도를 산정하기 위해서는 설비 설치 전 맨홀 내부 황화수소의 농도를 적절히 가정할 필요가 있음. 구조와 하수 성분에 따라 맨홀 내부 황화수소의 농도는 상이하기에, 산업폐수가 흐르는 곳의 맨홀로 가정하였음. 관련 논문을 통해 산업폐수가 흐르는 관로가 지나가는 맨홀 내부의 황화수소 농도는 약 17~80ppm으로 나타났고, 설비는 극한치를 고려하여 설계하는 것을 원칙으로 하여 내부 황화수소 농도를 80ppm로 정하게 되었음.

◇ 또한 작업자가 맨홀 내의 하수 슬러지 등을 밟으며 갑작스럽게 황화수소가 최대 100배까지 증가하는 Soda can effect(작업자가 황화수소가 함유된 슬러지를 밟았을 때 황화수소 농도가 급속도로 치솟는 현상)를 우려하여, 작업자가 7시간(420분) 동안의 작업시간 동안 한 번 슬러지를 밟아 황화수소 농도가 1분간 최소 농도의 100배가 증가한다고 가정하여 등가 황화수소 농도를 산정.

◇ 작업자가 작업시간(7시간) 동안 황화수소에 노출되어야 하므로, 8시간 노출 농도인 10ppm까지 황화수소 농도를 감소시키기 위해 제거돼야 할 황화수소 농도는 73.86ppm이며 제거율은 아래와 같음.

황화수소 저감 방법 선정

◇ Soda can effect 등으로 인하여 순식간에 대기 중에 고농도로 발산하는 황화수소 등의 유해물질을 환기로만 제어하기는 어렵다고 판단하여 밀폐공간 내부 황화수소 농도가 급격하게 상승하였을 시 황화수소의 긴급 방제 방식 추가를 결정함.

◇ 황화수소의 제어 방법에는 크게 환기(공기 공급), 화학적 처리, 생물학적 처리 등의 방법이 존재하는데, 환기의 경우 황화수소 자체를 직접 제거하는 방식이 아니고, 생물학적 처리의 경우 반응 시간이 수시간에서 수일까지 걸리기에 황화수소 농도를 빠른 시간 안에 저감하기에는 어려움. 화학적 처리의 경우에는 반응속도는 상당히 빠르나, 일반적으로 사용하는 과산화수소, 황산 제 1,2철, 염화철, 질산 등은 인체에 자극, 유해성이 확인되어 작업자가 있는 곳에 직접적으로 살포하는 것이 불가함. 

◇ 따라서 인체 유해성, 반응속도, 경제성 등 여러 지표들을 분석하여 최종적으로 철 킬레이트 화합물 중 Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid Iron Salt)를 방제 물질로 선정하였음. 철 킬레이트의 황화수소 제거 원리는 다음식과 같음.

◇ 식을 보았을 때, 황화수소 가스가 액상 킬레이트 용액에 용해되어 용해된 황화수소가 산소와 반응하여 물로 전환됨. 다음의 화학반응 매커니즘임.

◇ 식 (1)은 수용액 상에서 황화수소 가스의 물리적 흡수상태를 나타내며 pH 7 이상에서 액상의 황화수소 가스는 S^2-로 분해되며 이는 식 (2)와 같이 Fe^3+ - EDTA와 반응하여 황화합물이 불용성의 황으로 산화되면서 불활성물인 Fe^2+ - EDTA 로 변함.

◇ 그러므로 위 반응식 (1) ~ (4)의 조합을 통해 순반응 식으로 나타낼 수 있음.

철 킬레이트 주입량 계산

◇ 수용액 상태의 Fe-EDTA가 맨홀 내부에 설치된 약품 주입관을 통해 액적 형태로 분사되어 대기 중에 고르게 퍼져 모든 황화수소 분자와 반응한다는 가정 하에 필요한 Fe-EDTA 주입량은 다음과 같음.

◇ 또한 Fe-EDTA의 경우 온도에 따라서 황화수소 제거율이 상이할 수 있음을 고려하여, 기존 연구 자료를 활용하여 맨홀 내부 환경에 적용할 수 있을지를 판단하였음. 온도의 경우 약 25℃에서 제거율이 가장 높았으며 온도가 높아질수록 제거율이 낮아짐을 고려하여, 상온 정도의 기온을 나타내는 맨홀 내부에서 적용하였을 때 우수한 제거효율을 기대할 수 있을 것.

조립도

조립도

조립순서

◇ 보조장치(①)와 맨홀 뚜껑(②)은 4개의 홈을 통해 볼트와 너트를 이용하여 연결 및 부착함.
◇ 맨홀 뚜껑(②)과 약품 주입관(③)은 용접과 같은 방법으로 일체형으로 제작함.
◇ 하우징 1(④)과 하우징 2(⑤)는 홈을 통해 연결 및 부착함.
◇ 맨홀 뚜껑(②)과 하우징(④⑤)은 4개의 홈을 통해 연결 및 부착함.
◇ 회전 모터(⑥)의 회전축에 팬(⑦)을 부착함.
◇ 하우징(④⑤) 내부 하단과 회전 모터(⑥)가 부착된 팬(⑦)을 홈을 통해 부착함.

부품도

◇ 보조장치는 맨홀 뚜껑의 겉에 연결 및 고정할 수 있도록 4개의 홈이 존재함.
◇ 보조장치의 규격은 2종 맨홀부터 5종 맨홀까지 각각의 내경에 맞추어 4개를 구비함.
◇ 보조장치의 재질은 가볍고 내구성이 있는 알루미늄 합금으로 제작함.

◇ 맨홀 뚜껑 가장자리에 보조장치를 연결 및 고정할 수 있도록 4개의 홈이 존재하며, 각 홈의 내경은 약 10mm 임.
◇ 마찬가지로 중간의 오픈형 맨홀 주변에 하우징을 연결 및 부착할 수 있도록 4개의 홈이 존재하며, 각 홈의 내경은 약 10mm 임.

◇ 약품을 주입할 수 있또록 한쪽 부분에 내경 약 80mm의 홈을 파고 관을 맨홀 뚜껑과 일체형으로 제작함.
◇ 맨홀 뚜껑의 재질은 가볍고 내구성이 있는 알루미늄 합금으로 제작함.
◇ 약품 주입관 출구 부분에는 액체 형태의 약품이 한번에 방출되는 것을 방지하기 위해 내경 약 3mm의 작은 홈들이 존재함.

◇ 하우징은 공기 공급 장치의 설치 및 교체 등을 용이하게 하기 위해 분리가능 한 구조로 설계함.
◇ 하우징 측면에 존재하는 홈을 통해 결합함.
◇ 하우징의 윗면에 맨홀 뚜껑과 결합할 수 있는 4개의 홈이 존재함.
◇ 홈의 내경은 약 10mm 임.

◇ 모터는 BLDC 모터를 사용함.
◇ BLDC 모터는 전기적, 기계적 소음이 적고 brush가 없기 때문에 마모가 없어 반영구적으로 사용 가능하며 고속회전에 무리가 없음.
◇ 모터 측부의 Lead Box에는 배터리와 원격 조종을 위한 아두이노가 포함됨.
◇ 팬은 모터의 회전축에 부착되어 회전하면서 공기를 공급함.
◇ 팬이 부착된 모터는 공기 공급 장치로써 하우징 하단에 결합됨.

제어부 및 회로설계

◇ 맨홀 뚜껑 아래에 공기 공급 장치가 부착되기 때문에 원격으로 모터를 제어해야 함.
◇ 리드박스 내에 있는 아두이노와 외부 전원 장치의 아두이노를 통한 원격 제어를 함.

자재 소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

◇ 공기 공급 장치는 안전보건공단의 밀폐장소 환기량 기준에 부합해야 하는데 평가결과는 실험적 데이터가 없기 때문에 중으로 함.
◇ 모터 무선 제어는 외부 리모컨을 통해 무선으로 1초 이내에 작동해야 하는데 이는 시연물 제작을 통해 확인했기 때문에 평가결과를 상으로 함.
◇ 맨홀 보조장치는 맨홀의 규격을 조절할 수 있으면 되기 때문에 이는 시연물을 통해 평가결과를 상으로 함.
◇ 배터리 용량은 일일 작업시간 약 7시간 동안 모터에 동력을 공급해 주어야 하는데 이는 실험을 하지 못해 실험 결과가 없기 때문에 평가결과를 하로 함.
◇ 휴대성은 성인 남성이 혼자서 부담없이 들어야 하는데 설계물의 전반적인 무게를 조사했을 때 알루미늄 합금의 무게가 충분히 가벼워 평가결과를 상으로 함.

향후평가

◇ 본 설계물을 통해 기존 밀폐 작업 공간에서의 블로워와 같은 환기 장치의 전원 공급 방식, 중량 등의 한계를 보완할 수 있을 것.
◇ 작업 중 지속적인 공기 공급과 황화수소의 직접적인 제거로 인하여 안전사고 예방 및 작업 능률 증대가 기대됨.
◇ 하지만 실제 현장에서 본 설계물의 효과를 입증할만한 실험적 데이터가 부족함.
◇ 따라서, 실제 현장에서도 사용할 수 있도록 본 설계물을 이용하여 공기 공급을 했을 때 산소 농도 측정 및 약품을 주입하기 전, 후의 황화수소 농도를 측정할 필요가 있음.
◇ 최종적으로 본 설계물의 효과를 입증할만한 충분한 데이터가 확보되면 후에 맨홀 작업자에게 본 설계물을 홍보하고 판매할 수 있을 것.

특허 출원

출원번호통지서

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1] 밀폐공간 종류별 유해가스 발생 농도 평가, 박현희 외 7명, 2009•질산철을 이용하여 표면개질된활성탄의 황화수소 흡착, 정문주 외 2명, 2015 
[2] 킬레이트 착화학반응에 의한 음식물폐기물 혐기소화가스 중 황화수소의 제거와 황 회수 및 경제성 평가, 박영규, 양영선, 2014
[3] 탈취 기술, 한국과학기술정보연구원, 2003
[4] 밀폐공간 사고예방을 위한 첨단기술 활용방안 연구, 안전보건공단, 2018
[5] 안전보건공단, 안전보건 가상현실 교안 질식재해 예방, 밀폐공간작업, 2021
[6] 환경부, 공공하수도 중 맨홀의 표준도, 2009
[7] 한국산업안전공단, 밀폐공간작업 질식재해예방, 2008
[8] 한국산업안전보건공단, 밀폐공간 작업 프로그램 시행 및 건강장해 예방 기술지침, 2017.11
[9] 전력설비기술기준, 전동기 보호 형식 (KSC 4402)
[10] 산업안전보건기준에 관한 규칙(21.05.28), 고용노동부령
[11] 송파구청 블로그, 송파 주요 뉴스
[12] 중소기업 기술로드맵2018-2020 Technology Roadmap for SME, 중소벤처기업부
[13] 산업재해보상보험법 (약칭 : 산재보험법) , [시행 2021. 7.27, 법률 제 17910호, 2021. 1. 26. 일부개정]
[14] KIPRIS (특허정보검색서비스)
[15] 김성진, 이정헌, 이예슬, 상수도 맨홀서도 질식, 구조자도 위험, 단비뉴스, 2020
[16] 머니투데이, “한국, 21년간 ‘OECD 산재 사망’ 최악? 통계가 틀렸다”, 이창명, 2021.02.09.

관련특허

[1] 맨홀 볼트용 환기 시스템(VENTILATION SYSTEM FOR MANHOLE VAULT), 출원번호 1020177035686(2016. 04. 29)
[2] 공기흐름 유도구를 구비한 맨홀(MANHOLE WITH INDUCTION DEVICE OF AIR FLOW), 출원번호 1011729880000 (2012.08.03.)
[3] 하수맨홀 악취 제거장치(BAD SMELL REMOVAL APPARATUS OF MANHOLE), 출원번호 1007061620000 (2007.04.04)