4조 - 불 꺼줘
MIE capstone
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 화재발생지점 특정을 통해 국소 및 광역 살수가 가능한 스프링클러
영문 : Multi-Way Sprinkler with Detecting Point of Fire
과제 팀명
불 꺼조
지도교수
오*도 교수님
개발기간
2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 장*성(팀장)
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 이*수
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 정*식
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 호*민
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 홍*욱
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 목표
본 프로젝트는 스프링클러에 장착된 연기감지기와 카메라를 통해 화재발생 지점을 특정하여 국소 및 광역살수가 가능한 스프링클러를 개발하는 것을 목표로 한다.
개발 과제의 요약
▷화재발생 시, 연기감지기를 통해 화재발생 사실을 파악 ▷카메라를 작동시켜 화재발생 지점을 탐색 ▷메인 시스템은 영상처리를 통해 화재발생 지점을 파악하고 그 숫자를 카운트 함 ▷탐색이 종료된 후, 카운트가 1로 유지 될 시에는 국소분사를 통해 화재를 초기 진압 ▷탐색이 종료된 후, 카운트가 2이상일 시에는 초기진압이 불가능하다고 판단해 광역분사를 통해 화재를 진압 ▷화재진압 후, 자동으로 살수 종료
개발 과제의 기대효과
화재규모에 따라 스프링클러의 분사구조가 변형 가능하게 한다. 이를 통해 기존 스프링클러가 광역형으로만 물을 분사시켜 유발되는 문제점인 전자기기(TV, 컴퓨터) 피해 등과 같은 2차 피해를 방지하고와 물 소비를 최소화함으로써 경제적인 피해를 최소화 하는 효과를 기대한다.
관련 기술의 현황
State of art
▷가스(Co2)를 활용한 질식 시스템 Plumis사의 Co2시스템은 질식 및 냉각효과에 의한 소화를 목적으로 이산화탄소를 일정한 고압용기에 저장해 두었다가 화재 시 수동 또는 자동으로 화점(⽕點)에 분사한다.
▷고체(불연성 알갱이)를 이용한 질식 소화기법 Genius-Group사의 Pyrobubbles는 섭씨 1100도까지 견디는 다공질의 실리카 덩어리로 불에 타지 않는 성질을 이용하여 화재가 발생한 공간을 채워 불을 끄는 방식이다.
▷소리(저주파)를 이용한 소화기법 베이스음과 같은 저주파 음파를 화염에 쏘게 되면 화염 주변에 있던 산소유입이 차단되고 화마 온도가 낮아지며 화재가 진압되는 원리이다.
특허조사
▷상하분사 스프링클러 건물의 천장에 설치된 전기배선 등의 누전과 같은 화재의 발생 시, 상부로만 물을 분사한다. 상부에 부분적으로 물을 분사함으로써, 하부로만 분사하는 형태인 현재 스프링클러의 한계에서 벗어나 초기진압과 더불어 효과적으로 화재진압이 가능하다.
▷랙크식 창고 스프링클러 물품 적재 선반이 다수 적충된 랙크식 창고 내에서 화재 발생 영역을 감지하고, 감지된 화재 발생 영역으로 분사 노즐을 이동시켜 해당 화재 발생 영역에 소화수를 직접 분사할 수 있도록 한다.
▷스프링클러 방사조절장치 화재발생 시, 나사부를 관통하는 상면 커버부 및 스프링클러의 길이방향으로 연장되어 설치된 방사조절장치를 통해 현재 설치된 360도 분사노즐에 의한 2차 수손피해를 막기 위한 방사조절장치이다.
▷길이조절용 스프링클러 평시에는 스프링클러 내부몸체의 길이만큼이 우물천정에 내장되어 있음으로써 공간의 낭비를 최소화 하고 지역적으로 화재가 발생 시에는 해당 지역으로 스프링클러를 내림으로써 화재지역에 집중적으로 물을 분사한다.
특허전략
최신 기술들 대부분이 설치 시에 새로운 설비가 필요하고 소화제를 보관하기 위한 많은 공간을 요구한다. 이에 따라 가격이 매우 높게 책정되기 때문에 일반 주택이나 회사 등에 설치하기에 무리가 있음을 알 수 있다. 이러한 점을 고려할 때 가격을 낮추어 주택 및 회사에 보급기 위해서는 물을 사용하는 것을 전제로 하되 화제 제압 성능과 2차 수손 피해를 줄임으로써 최신 기술에 맞추어가는 것을 목표로 한다.
관련 시장에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
마케팅 전략
본 프로젝트는 스프링클러의 역할을 충실히 수행할 수 있고 가장 큰 목적인 2차 수손피해를 방지할 수 있다는 큰 장점 때문에 다른 경쟁제품대비 높은 경쟁력을 확보할 수 있을 것이라 생각된다. 이러한 장점이 극대화 될 수 있는 아파트나 사무실 등에 먼저 시범적으로 설치함으로써 고객들의 호응을 이끌어낸다. 또한 기존 스프링클러의 일회성인 단점을 보안하고자 재사용이 가능한 구조로 만들고 집중형 분사와 화재진압이 끝난 후에는 살수를 자동으로 중지함으로써 물 소비를 최소화함으로써 다른 경쟁제품의 단점을 보완하는 점을 적극 강조하여 높은 경쟁력을 확보하고자 한다.
구성원 및 추진체계
18.11.07 - 배경조사 및 개념설계를 통한 설계안 확정 18.11.16 - 상세설계 완료 18.11.28 - 부품 구매 완료 18.11.30 - 화재탐지 및 알고리즘 개발 완료 18.12.04 - CAD 모델링 및 3D 프린터 활용한 하드웨어 제작 완료 18.12.07 - 프로토 타입 제작 및 실험 18.12.12 - 최종 모델 완성
▷이*수: 노즐부, 배관부 수학적 해석 및 이론적 검증 ▷장*성: CAD 모델링 및 3D 프린트 ▷홍*욱: 토크 계산 및 하드웨어 제작 ▷정*식: 화재감지 알고리즘 제작 ▷호*민: 구동 시스템 알고리즘 제작
설계
요구사항
화재발생 전
▷유지비 불이 언제 날지도 모르는 상황에 전력을 크게 소모하며 유지되고 있다면 기존의 밀폐형 스프링클러와 비교하여 경제성을 확보하고자 하기 위함.
▷점검성 최근 화재사고들을 보면 스프링클러가 고장이 나서 작동을 안 하는 경우들이 있는데 이러한 위협으로부터 벗어나려면 평소에 정기적으로 점검을 해서 스프링클러의 상태가 확인이 가능하도록 함.
▷심미성 내가 사는 집 천장에 큰 설치물이 있다면 미관을 크게 해치기 때문에 거부감이 들기 때문에 크기 최소화를 통해 심미성 추구.
▷내구성 기존의 스프링클러 보다 비싸기 때문에 감가상각을 통해 경쟁력 확보하기 위함.
화재진압 중
▷빠른 화재 감지 속도 스프링클러의 생명은 시간이다. 화재를 빨리 진압하기 위해선 기본적으로 화재를 빨리 감지해야 함.
▷큰 화재도 진압 가능 작은 화재만 진압할 수 있는 것은 큰 화재도 기존의 스프링클러처럼 소화를 할 수 있어야 함.
화재소화 후
▷자동 종료 화재가 진압되고 난 뒤 물 소비를 최소화하고 추가적으로 발생가능한 2차 수손피해를 막기 위해 살수를 멈추어야 함.
필수사항
▷스프링클러 분사거리 방법에 의하면, 스프링클러 수평거리 간격은 아파트의 경우는 3.2m이하, 내화구조가 아닌 사무실의 경우엔 2.1m이하로 설치를 해야 함.
▷방수성 및 내화성 물을 활용하는 전자기기이면서 불이 날수도 있는 구역에 설치하는 기기이기 때문에 화재로 인해 파손이 되면 안됨.
하드웨어 설계변수
제약사항
▷펌프와 파이프, 노즐은 일직선상에 있다. 즉, 위치수두를 무시함. ▷관내의 유동은 난류로 가정함. ▷실제 노즐 내부의 형상은 복잡하지만 단순화를 위해 직경이 작은 짧고 관으로 가정함. ▷집중적으로 화재지역을 소화하는 것이 주된 목표이기에 집중형만 고려하여 설계변수를 결정함.
설계변수 D1, D2
-배관의 직경 D1은 10mm 부터 50mm까지로 제한한다. 또한 D2의 범위를 결정하기 위해서는 우리 제품의 분사거리를 고려하여야 한다. -프링클러는 최소 수평거리 2.1M 까지 직선에 가깝게 분사가 되어야 화재위치에 정확히 분사할 수 있다. 하지만 중력이 존재하기 때문에 분사되는 물은 아래로 처지게 되고 처짐을 최소화하기 위해선 천장높이를 낮게 하거나, 속도를 빠르게 설정하면 가능하다. 이때 천장높이를 낮게 할 수는 없으니 속도를 빠르게 하는 것으로 처짐을 최소화 할 것이다. 우리는 이 제한조건을 최대 0.1M 이내로 처짐이 발생하게끔 설정하고 속도를 구할 것이다.
▷노즐의 분사거리 S = V x T -> 2.1 = V x T ▷처짐 S'= 1/2gt2 -> 0.1 = 1/2 x 9.8 x t2 위의 두 식을 t에 대해서 정리 후 대입하여 V에 대해 정리하면 V= 14.7m/s 가 나온다. 또한 유량 Q=AV를 이용하여 80L/min를 14.7m/s로 나누면 직경이 10mm가 나오며 이 직경이 설계변수 D2범위 중 상한선에 해당한다. 따라서 D2는 1mm에서 10mm까지로 제한된다.
우리의 요구사항은 우선 스프링클러 기준을 만족하는 것이고 이는 손실수두를 최소화하는 것으로 결정할 수 있다. 손실수두에는 관 내 유동에 따른 마찰 손실수두와 돌연축소관에서 발생하는 손실수두가 있다.
마찰 손실수두 h는 다음과 같이 표현된다. ▷마찰 손실수두 h = f x 1/D x V2/2g ( f = 0.3164/RE1/4 , RE = 레이놀즈 수) 돌연 축소관 손실수두 H는 다음과 같이 표현 된다. ▷돌연 축소관 손실수두 H = (1/C - 1)2 x V22/2g (C = 0.62 + 0.38 x (A2/A1)2 D1과 D2의 값에 따라 손실계수 C는 달라진다. 따라서 h + H가 최소화 될 때가 우선적인 배관 직경 D1과 노즐직경 D2의 값이 된다.
<D1과 D2에 따른 손실수두>
위 두 그래프에서 보듯이 노즐 D2에 따른 손실수두에 비해 배관 D1에 다른 손실수두가 매우 작기에 무시할 수 있다.<설계 변수 범위 내에서 D1,D2의 모든 경우의 수를 고려한 손실수두>
위 그래프는 D1,D2 범위내에 있는 모든 값을 조합하여 손실수두를 계산한 것이다. 그래프에서 보듯이 D1 변화에 의한 손실수두 변화는 거의 없기에 D2에 대한 것만 고려하면 된다. 따라서 D1은 범위 내에서 가격이 제일 낮은 D1을 결정하면 된다. D2는 2mm전까진 비교적 높은 손실수두를 발생시키기에 D2를 2mm부터 10mm까지 안에서 가격이 낮은 D2를 결정하면 된다.
<D1과 D2에 따른 손실수두와 가격>
D1에 의한 손실은 무시할 수 있기에 가장 작은 직경인 10mm의 배관을 사용한다. D2는 손실수두가 매우 작으며 합리적인 가격을 위해 직경이 3mm 인 노즐을 사용한다.
설계변수 X
X의 범위는 0º~100º까지로 설정한다. 우리의 목표는 분사거리가 2.1m일 때, 소화 직경이 50cm이며 분사노즐은 분사각에 따라 소화 직경이 달라진다. 따라서 우리의 목표를 만족시킬 수 있는 분사각을 찾아야한다.
<분사각과 분사거리에 따른 소화직경>
다음은 10°, 20° 일 때, 분사거리에 따른 소화 직경이다. 이 두 데이터를 바탕으로 보간하여 다음과 같은 그래프를 얻을 수 있다.
<보간을 통한 소화직경 그래프>
위 그래프에서 보듯이 10°일 때, 분사거리 2.1m에 소화 직경 36.9cm이며 20°일 때, 분사거리 2.1m에 소화 직경 74.0cm이다. 따라서 우리가 원하는 분사각은 10°와 20° 사이에 있음을 알 수 있다. 하지만 우리가 보유하고 있는 데이터는 10°, 20°, 30° 와 같이 10° 단위로만 표기되어 있기에 세밀한 각도에 대한 값은 보간을 통해 구해야 한다. 다음 그래프는 분사거리 2.1m일 때, 10°~100° 사이에 소화 직경을 나타낸다.
<분사거리 2.1m일 때의 소화직경>
위 그래프에서 보듯 분사각이 12.6°일 때, 소화 직경이 49.91cm로 50cm에 근접함을 알 수 있다. 하지만 실제로 파는 노즐의 분사직경은 10°단위이기 때문에 분사각을 20°로 결정한다.
소프트웨어 설계변수
다음으로 화재를 감지하는 알고리즘에 대해 상세 설계를 진행한다. 요구사항에 따라 화재 발생 시 화재 감지 ~ 화재 소화 시까지 걸리는 시간을 20초 내로 제한함을 알 수 있다. 또한 기본적인 요구사항에 의해 카메라는 살수 가능한 전 지역을 스캔해야 하고 싱글보드 컴퓨터의 성능을 고려하여 최대한 낮은 부하의 알고리즘을 이용할 수 있도록 해야 한다. 위 요구사항들에 영향을 미치는 설계 변수들은 다음과 같다.
| 설계변수 |
| 카메라의 회전 속도 |
| 카메라의 회전수 |
| 카메라의 영상 픽셀 수 |
| 카메라의 영상 fps |
| 알고리즘 부하 |
요구사항에 맞춰 설계하기 전에 현재 선정한 부품들의 스펙의 제약사항을 따져보아야 한다. 카메라 영상의 시간 당 화면 출력 수, 픽셀 수 등이 이에 해당한다.
| 설계변수 | 제약 사항 |
| 카메라의 영상 각도 | 56° |
| 카메라의 영상 픽셀 수 | 최대 640*480 |
| 카메라의 영상 fps | 최대 30fps |
카메라의 회전 수
카메라가 전 지역을 스캔하기 위해서 360° 회전을 하게 되는데 카메라가 영상으로 나타낼 수 있는 각도가 한정적이기 때문에 각도를 바꿔가면서 여러 바퀴를 회전해야만 전 지역을 스캔할 수 있다. 이 때, 영상각도가 고정되어있다면 이 회전을 몇 번 수행할지 정할 수 있다. 영상각도가 30°이상 45°미만이라면 세 번 회전해야하고, 45°이상 90° 미만이라면 두 번 회전해야 한다. 구매한 카메라의 영상각도가 56°이기 때문에 카메라의 회전수를 2로 정할 수 있다. 회전수를 낮추는 것은 더 이상 불가하고 높이는 것은 가능하나 이미 분석한 영상을 다시 분석하는 것으로 낭비에 해당하기 때문에 회전수를 높이는 것은 고려하지 않는다.
카메라의 회전 속도
카메라의 회전 속도는 화재 감지까지 걸리는 최대 시간에 영향을 미친다. 또한 카메라의 회전 수에 영향을 받을 것이다. 위에서 카메라의 회전수를 2로 정한 바 있기 때문에 이를 고려하여 설계한다. 요구 사항에서 화재 감지까지 걸리는 최대 시간을 20초로 요구하였으므로 이에 맞게 6rpm으로 정한다.
알고리즘 부하
Big-O Notation을 이용해서 각 알고리즘의 시간 복잡도를 분석한다. 이 때 카메라가 받아온 영상의 픽셀 수를 N이라고 놓는다. 대략의 예상 알고리즘으로 분석한 시간 복잡도는 다음과 같다.
| 알고리즘 | 시간 복잡도 |
| 붉은 계열 색상 감지 | N |
| 유동성 감지 | N+1 |
| 연기 감지 | 2N+1 |
| 합계 | 4N+2 |
이미지 처리는 실시간으로 이루어지기 때문에 fps의 값과 시간 복잡도를 구하면 초당 수행문의 반복 횟수를 구할 수 있고 이를 이용해 부하를 예상할 수 있다.
CPU 에서의 계산
영상처리를 위해 사용하는 cpu는 싱글보드 라떼 판다의 cpu이다. 스펙 상으로 1.1GHz의 성능을 갖는다. 일반적으로 보급되는 cpu는 2~3GHz의 성능을 지니는 것을 고려하면 일반 데스크탑에 비해 약 2배~3배 정도 모자란 성능을 가진다고 할 수 있다. 일반 데스크탑을 기준으로 수행 시간을 계산할 때 ‘1초당 수행 횟수가 1억을 넘어가면 시간 제한을 초과할 가능성이 있다’ 라고 하기 때문에 라떼 판다에서는 1초당 수행 횟수 기준을 3000만회로 제한하면 타당한 결과를 얻을 수 있다.
위에서 계산한 1초당 수행문의 반복 횟수를 최대 픽셀과 최대 fps 기준으로 계산하면 30 x (4x640x480 + 2) = 36,864,060의 값을 얻는다. 이는 제한 수행 횟수보다 높은 값에 해당하여 시간제한을 초과할 가능성이 있다.
이에 따라 픽셀 수 또는 fps를 수정해야 한다. 계산식을 보면 이고 픽셀 수를 수정하는 것이 수행시간에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이에 따라 픽셀 수를 줄이는 것이 옳은 선택이지만, 픽셀 수를 줄이는 것은 알고리즘의 정확도에 영향을 미치기 때문에 (픽셀 수가 많을수록 정밀한 탐지가 가능) fps를 줄이는 것이 타당하다.
fps를 줄이는 것 또한 알고리즘 정확도에 영향을 미칠 수 있지만 위에서 정한 회전 속도가 36°/s 이기 때문에 30fps 즉, 초당 30번의 화면을 전송하는 것은 1.2°회전에 한 화면을 전송하는 것으로 상당한 오버스펙이라고 말할 수 있다. 영상각도가 56°이기 때문에 이론상으로는 56°회전에 하나의 화면만 전송해도 전 지역의 화면을 전송하는 데에는 문제가 없다. 이 값은 1초에 하나의 화면만 전송해도 문제가 없는 정도의 값이다.
따라서 fps를 줄이는 것은 알고리즘 정확도에 크게 영향을 미치지 않는다. 이 식을 만족시키는 최대 fps값은 24로 29,491,248의 초당 수행횟수를 갖는다. 그러나 위의 계산식이 완전히 정확하다고 볼 수 없으므로 안전을 위해 더 낮은 값을 선정해야 하고 이에 따라 fps를 20으로 제한하여 cpu의 부하 제한을 만족시킨다. 즉, 20 x (4x640x480 + 2) = 24,576,040 위의 설계를 통해 결정한 설계 변수의 최종 값은 다음과 같다.
| 설계변수 | 최종 값 |
| 카메라의 회전 속도 | 6 rpm |
| 카메라의 회전수 | 2회전 |
| 카메라의 영상 픽셀 수 | 640 x 480 |
| 카메라의 영상 fps | 15 |
| 알고리즘 부하 | 초당 23,040,030회 |
하드웨어 상세설계
전체 모델링
▷싱글 보드 컴퓨터 : 싱글 보드 컴퓨터는 기능에 필수적인 마이크로프로세서, 메모리, 입출력 등의 기능이 있는 단일 회로 기판으로 구성된 완전한 컴퓨터이다. 이와 같은 역할을 하는 것으로 더욱 저렴한 라즈베리파이가 있지만 이미지 연산처리가 많은 본 프로젝트의 경우 라즈베리파이 보다 성능이 좋은 라떼판다를 이용한다. 라떼판다는 본 프로젝트의 핵심제품으로써 다음과 같은 역할을 한다. -아두이노 연기감지기 신호 확인: 아두이노에서 사용되는 연지감지센서로서 본 프로젝트에서 사용하는 라떼판다(싱글보드 컴퓨터)와 호환이 가능하다. 가연성 가스, 연기를 검출하며 범위는 300~10,000ppm이다. 또한 디지털출력과 아날로그출력이 있어 특정 가스 농도에 ON/OFF 나 가스 농도 자체를 얻을 수 있으며 연기가 감지되면 라떼판다에 신호를 보낸다. -웹캠이 촬영한 이미지 처리 -화재 지역을 찾기 위한 상부 서보모터 회전 제어 -하부의 각도를 조절하기 위한 서보모터 회전 제어 -집중 또는 광역살수를 선택하기 위한 솔레노이드 밸브 제어
▷웹캠: 화재 지역을 검출하기 위한 장치이다.
▷서보모터(상부 본체 회전용): 제품 상단부에 장착되어 횡 방향 회전을 담당한다.
▷기어: 일반적인 서보모터는 동작범위가 0 - 180º로 제한되어있다. 따라서 기어박스(기어비 1:2)를 이용해 실제 동작범위를 0 - 360º로 변경시켜준다.
▷서보모터(하부 본체 회전용): 제품 하단부에 장착되어 종 방향 회전을 담당한다.
▷링크: 상부 본체와 하부 본체를 연결하는 역할을 한다. 제품 자체의 무게와 분사 시 반발력을 고려한 강도를 지니도록 한다.
▷솔레노이드 밸브: 2개의 솔레노이드 밸브가 설치되어 집중형, 광역형 분사방식을 결정한다. 평상시에는 두개의 밸브가 모두 닫혀있지만, 화재가 발생하면 둘 중 적합한 밸브를 개방하여 살수를 실시한다.
▷노즐: 국소형, 광역형 살수 시 사용되는 노즐로써 2개가 위치해있다.
▷지지대: 벽면과 연결되어 스프링클러를 고정시키는 역할을 한다.
서포터
<서포터의 3D 모델링과 2D 모델링의 평면도>
상부본체 PART1
<상부 본체의 윗부분의 3D 모델링과 2D 모델링의 저면도와 배면도>
상부본체 PART2
<상부 본체의 아랫부분의 3D 모델링과 2D모델링의 평면도와 정면도>
하부본체
<하부본체의 3D 모델링과 2D 모델링의 평면도와 정면도>
소프트웨어 상세설계
평상 시 소프트웨어
국소 화재 감지 시 소프트웨어
광역 화재 감지 시 소프트웨어
화재 종료 시 소프트웨어
화재 지역 특정 알고리즘
토크 계산
솔레노이드 밸브와 노즐의 경우 금속으로 제작된 시중에 판매되는 제품을 사용하기 때문에 생각보다 많은 무게가 나갔다. (밸브는 약 3kg, 노즐은 약 1kg) 그렇기 때문에 서보 모터로 스프링클러 본체를 돌리게 되는데 과연 서보 모터의 토크로 본체의 무게를 돌릴 수 있는지 파악하고자 토크를 계산해 서보 모터의 토크와 비교함으로써 실현가능성을 파악하고자 했다.
서보 모터의 경우 9.4 kg-cm의 토크를 갖고 있으며 1.02초(f)만에 1회전을 하는 사양을 갖고 있다. 스프링클러의 본체의 무게의 경우 CATIA를 통해 알루미늄 물성치를 주었을 때 무게를 측정한 결과 2.46kg이 나왔고 노즐, 밸브 등 모든 부속품들의 무게들을 포함할 경우 총 10.52kg(W)의 무게가 예상됐다. 또한 서보 모터와 연결된 기어의 지름은 10cm(D)이고 안전계수는 1.5, 마찰계수는 0.1(u), 모터의 가속구간은 0.5s(t)이라는 가정하에 필요토크를 위한 계산을 진행했다. 필요토크를 구하는 공식은 다음과 같다.
위의 나온 공식과 자료들을 바탕으로 계산을 하면, 가속 토크는 1.71993 kg-cm의 값을 갖으며 등속토크는 2.63 kg-cm의 값을 갖게 된다. 안전계수 1.5를 고려하여 필요 토크를 구하면 6.5249 kg-cm의 토크가 필요하게 된다. 본 프로젝트의 경우 상부에 기어를 추가하여 기어비 2:1을 만들기 때문에 다른 오차사항이 있다 하더라도 서보모터가 스프링클러를 회전하는데 필요한 토크는 충분하다고 평가된다. 또한 하부 본체에 들어가는 서보모터 같은 경우에는 상부 본체의 무게보다 현저하게 작기 때문에 토크를 계산해서 고려할 필요가 없다.
개선사항
본 프로젝트의 초기 설계 이후 개선사항을 적용한 부분에 대해서 설명하겠다.
내장형
스프링클러의 구성품인 카메라, 솔레노이드 밸브, 서보 모터 모두 알고리즘 연산처리를 수행하는 싱글 보드 컴퓨터(라떼판다)와 연결되어 있다. 이러한 부속품들은 모두 싱글 보드 컴퓨터와 연결 되어야 하므로 전선이 존재하게 된다. 초기 설계 시에는 전선을 모두 본체 외부로 배치하는 형태로 설계를 진행했다. 하지만 전선이 기어이의 맞물림에 끼는 사고, 화재의 열기 및 소화제(물)로 인한 사고가 발생할 가능성이 높다고 판단했다. 이와 같은 사고들을 방지하기 위해 본체 내부의 전선통로를 만듦으로써, 각 부속품들과 싱글 보드 컴퓨터를 연결하는 전선들이 본체 내부에 위치하도록 설계 개선사항을 적용했다. 이를 통해 혹시 모를 사고로 인한 스프링클러의 오작동을 최소화하고자 했다.
위 그림들은 본 프로젝트의 상부 본체 일부의 3D 모델링과 Wire Frame 형상을 나타낸 것이다. 좌측에 있는 초기 설계안은 싱글 보드 컴퓨터와 연결하는 배선구멍이 따로 존재하지 않았다. 배선자체의 길이가 충분했으므로 배선을 본체 외부로 뺐었으나 혹시 모를 사고를 방지하기 위해 내부의 배선구멍을 따로 만들어서 개선안을 적용했다. 우측에 있는 개선된 설계안의 Wire Frame의 주황색으로 표시된 부분이 배선이 지나가는 통로이다. 밸브 및 모터를 교체하고 새로운 배선을 넣을 때 손쉽게 들어가게 하기 위해서 사선형태로 모델링을 진행했다. 개선된 Wire Frame의 좌측에 있는 두 개의 주황색 배관은 솔레노이드 밸브 배선들의 통로이고 우측에 있는 한 개의 주황색 배관은 서보 모터와 하부 본체에 위치한 카메라의 배선 통로이다.
분리형
최근 많은 스프링클러가 오작동으로 인해 초기 진압이 가능한 화재들도 큰 화재로 발생해 많은 피해가 발생하는 경우가 있다. 본 프로젝트에는 다양한 전자 부속품들이 스프링클러에 내장되어 있다. 그렇기 때문에 각각의 부속품들이 고장 났을 경우 혹은 점검 주기에 따라 교체가 필요할 시에 비용과 시간적인 측면에서 발생하는 문제점들을 없애고자 스프링클러를 분리형으로 설계했다. 이를 통해 일반인들도 손쉽게 스프링클러를 분리하여 내부구조를 살펴보고 부속품들을 손쉽게 교체 및 장/탈착할 수 있게 설계하여 제품의 경쟁력을 확보하고자 했다.
위 그림들은 본 프로젝트의 상부 본체의 3D 모델링이다. 좌측에 있는 초기 설계안은 모든 제품들은 일체형으로써 오작동이 발견되거나 교체주기가 되면 모든 제품을 통째로 바꿔주는 형태였다. 밸브에만 이상이 있을 때에도 전체 스프링클러를 장/탈착해야 했기 때문에 구조적인 어려움과 서보 모터와 같이 이상이 없는 제품들까지 교체하게 됨에 따라 추가적인 비용이 많이 발생했다.
이를 분리형으로 개선사항을 적용함으로써 이러한 문제점을 없앴다. 우측에 있는 사진은 분리형으로 설계된 상부 본체 모델링이다. 상부 본체의 아래 모델링의 윗면에 위치한 고리를 상부 본체의 하부에 있는 흠에 걸음으로써 자유롭게 장/탈착이 가능한 형태로 개선사항을 적용해 설계했다. 위의 그림은 상부 본체만을 나타냈지만 하부 본체 역시 분리형으로 설계함으로써 자유롭게 카메라를 교체할 수 있게 설계했다.
비대칭형
본 프로젝트의 초기 설계 시, 펌프로부터 이송된 물이 이동하는 배관(호스부)이 스프링클러 본체의 중앙에 위치하도록 설계를 했다. 하지만 솔레노이드 밸브, 서보 모터와 같은 부속품들을 본체에 내장함에 따라 부속품들의 크기로 인해서 스프링클러 본체의 부피가 굉장히 커지게 되었다. 천장에 부착되는 스프링클러의 특성 상 부피가 크게 될 경우, 심미성을 저하시키고 비용 또한 늘어나는 문제점을 없애고자 본체의 크기를 최소화할 수 있는 방향으로 설계 개선사항을 적용했다. 중앙에 위치한 배관을 45도 각도로 정면으로 위치시킴으로써 배관 앞부분에는 서보 모터, 뒷부분에는 솔레노이드 밸브가 들어갈 공간을 확보했다. 이를 통해 공간을 보다 효율적으로 활용함으로써 본체의 부피를 최소화하고자 했다.
위 그림들은 상부 본체의 평면도이다. 각 도면의 큰 중앙원을 기준으로 7시 방향은 서보 모터, 3시 방향은 솔레노이드 밸브 보관함 중앙에는 펌프로부터 오는 배관이 들어가는 구멍이다. 좌측에 있는 초기 모델링은 중앙에 배관(호스부)를 설계하였고 우측에 있는 개선된 모델링은 정면으로 45도 방향으로 나오도록 배관을 설계하였다. 도면에서 볼 수 있듯이 두개의 모델링 자체의 공간 활용도는 확연히 차이가 난다. 또한 본체의 원통 지름 역시 초기 모델링은 220mm지만 개선된 모델링의 경우 130mm로써 많은 차이가 난다. 배관을 정면 방향으로 옮김으로써 공간 활용도를 극대화했고 이를 통해 스프링클러의 지름을 9cm나 줄임으로써 스프링클러의 부피를 최소화하는 개선안을 적용했다.
결과 및 평가
완료작품 소개
프로토타입 사진
내용
포스터
내용
특허출원번호 통지서
개발사업비 내역서
완료 작품의 평가
<화재 동영상 실험>
<화재 모의 실험>
<가격>
향후평가
▷금속으로 적용 시 높은 방수성 및 기밀성 확보 가능 ▷내부 부속품들(솔레노이드 밸브, 노즐 등)의 개별 제작을 통해 제작비 절감 가능 ▷내부 부속품들(솔레노이드 밸브, 노즐 등)의 개별 제작을 통해 무게 절감 가능
부록
참고문헌 및 참고사이트
1)https://www.kfpa.or.kr/business/pdf/07_02/datasheet5.pdf
2)http://riskcenter.tistory.com/archive/20180525
3)http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20150328601002
4) (주)건일에임씨, 상하분사 스픵클러 방식의 건물용 소방장치, 10-1700733, 2016.05.16., 2017.01.23.
5) 전주대학교 산학협력단, 랙크식 창고 자동 소화 살수 시스템, 10-1868603, 2017.01.19, 2018.06.11.
6) (주) 비전엔지니어링, 스프링클러 방사조절장치, 10-0070943, 2015.12.14, 2017.06.23.
7) 송준영, 길이조절용 스프링클러, 20-0000418, 2009.07.08, 2011.01.14.
8)http://www.paratech.co.kr/korea/product/goods/goods_view.asp?num=186&sj=&sw=&option1=8&option3
