지능형 화재 감지 및 화재타깃형 소화기기 개발 연구

Ⅰ. 서 론

소방청은 2010년 화재 및 사망자를 줄이기 위하여 ‘화재와의 전쟁’을 선포하였으며, 2013년에 ‘화재피해저감정책’, 2018년 ‘화재안전특별대책’ 등 지속적인 화재예방 및 저감을 위한 정책 추진으로 화재와 인명피해가 감소하는 결과로 이어졌다[7]. 그러나 사회·경제발전과 건축물의 고층화와 복합화 및 다양한 에너지원을 사용하는 시설의 증가에 따라 화재로 인한 재산피해는 급격히 증가하고 있는 추세이다. 화재 통계에 따르면 최근 10년간(2013년~2022년) 발생한 평균 화재 건수는 41,257건, 인명피해 2,287명(사망 317명, 부상 1,970명), 재산피해 652,8백만 원으로 나타났다[7]. 화재는 모두에게 막대한 피해를 주는 재난으로 화재 발생 초기에 진압하여 인명과 재산피해를 줄이는 것은 앞으로도 우리의 숙제이다. 화재는 인지 후 골드 타임 5분 이내에 진압하는 초기 대응이 매우 중요하다. 기존의 화재감지기는 감지 대상과 감지 방식 등에 따라서 열감지기, 연기 감지기, 불꽃 감지기 등으로 구분되어 진다[3]. 연기 감지기에서는 전류가 흐르는 회로를 이용해 연기를 감지하는 이온화식 감지기(Ionization Detector), 광원과 감광 셀을 사용하는 광전식 연기 감지기(Photoelectric Smoke Detector)가 있으며, 열감지기에는 온도가 일정 온도 이상 올라가면 내부 바이메탈(Bimetal)이 서로 붙게 되는데 이를 통해 열을 인식하는 정온식 감지기(Fixed Temperature Detector)와 외부 열에 의한 열팽창(Thermal Expansion)을 이용한 차동식감지기(Rate of Rise Detector)로 나뉜다[1]. 하지만 화재가 발생하였을 시 이를 감지하는데 오랜 시간이 걸리며, 이러한 감지기 때문에 인지가 되었을지라도 화재 진압을 할 수 있는 물리적인 요소 부재 시 막대한 희생을 치러야 한다. 2022년도 소방청의 화재통계 분석에 의하면 소방방화시설 미사용에 따른 인명 및 재산피해 비율이 더욱 높은 것으로 나타나고 있다. 화재가 발생했을 때 소방방화시설 보유 및 화재에 대하여 얼마나 빨리 대처하느냐에 따라 인명피해와 재산피해의 정도가 달라진다. 이에 초기화재 진압 목적의 지능형 자동소화기를 개발할 필요가 있다. 따라서, 본 연구는 화재 감지형 타킷형 소화기에 관한 것으로서, 화원에서 발생하는 적외선 감지를 통하여 화원에 집중 소화액을 분무하여 다른 부위 오염 없이 화재를 신속하고 명확하게 진화할 수 있도록 하는 것에 그 목적을 두고 있다.

Table 1.

Fire status for 10 years[7]

Table 2.

Fire status by fire protection facility use status[7]

Ⅱ. 본 론

2-1. 화재 감지 및 소화 방법

1) 화재 감지 방법 선택

화재 감지는 여러 가지 방법으로 감지할 수 있다. 감지는 통상적으로 열감지기, 연기 감지기, 광전식 감지기, 불꽃 감지기 방법 등이 있다[2],[8]. 그중 불꽃 감지는 불꽃에서 방사되는 불꽃의 변화가 일정량 이상 되었을 때 작동하는 것으로 화원의 불꽃에 의한 수광소자의 수광량 변화에 따라 작동하는 감지기이다[1]. 그 종류는 자외선식과 적외선식이 있다. 그중에서 본연구 개발에서는 적외선을 감지하여 화원을 찾아 소화하는 방법을 제시한다.

Fig. 1.

Flame detection infrared sensor

2) 적외선 불꽃 감지기의 작동원리 및 구조

적외선 감지(IR 감지)는 불꽃에서 방사되는 적외선의 변화가 일정량 이상이 될 때 작동하는 것으로 화재로 인한 불꽃에서 방사하는 적외선에 의해 수광소자의 수광량 변화에 의하여 작동하는 것을 말한다. 연소시 탄산가스 분자는 약 4.3㎛의 적외선 파장영역에서 공명 반사가 존재한다[10]. 이 분광 특성을 이용하여 이 공명선 만을 검출하는 광학필터를 사용하며, 이때 적외선 감지기는 화재 발생 시 분출되는 탄산가스의 파장에 의하여 화재를 인식하게 된다. 따라서 연기 등의 영향을 거의 받지 않는다[9].

적외선 화재감지기는 화재 극 초기에 해당하는 1단계에서 화재를 인식해 자체 경보와 스마트폰 앱을 통해 알려준다. 불꽃의 위치 좌표를 확인할 수 있어 국소 공간의 화재 진압이 가능하게 한다[4].

초전형 적외선 센서는 대상물의 온도 변화에 의하여 미약한 아날로그 신호를 출력 한다. 이를 효과적으로 사용하기 위하여 연산증폭기를 사용하여 신호를 증폭할 필요가 있다. 센서의 출력은 바이어스 전압으로서의 직류 성분에 신호 성분이 겹친 형태로 나타난다. 이 직류 분은 교류 증폭단의 바이어스 전압이 되고, 신호 성분만이 증폭된다. 일반적으로 적외선 불꽃감지기의 오보 원인을 최소화하기 위하여 불꽃의 흔들림의 변화를 검출한다.이러한 방법이 적외선 센서에서의 출력 특성에 일치하는 최적의 화재 감지 방법으로 사용된다.

Fig. 2.

Fire recognizable time comparison by fire detector type[4]

Fig. 3.

Infrared sensing wavelength[10]

2-2 소화기 구조 및 소화 방법

1) 소화기 구조

초기화재진압 방법으로는 가정용 소화기를 많이 사용하고 있으며, 또는 현대식 건물에는 스프링클러(sprinkler)가 설치되어 있다. 대부분 화재감지기는 최초 발화 1분 이후인 화재 2단계에 화재를 감지하므로, 연기와 화염으로 인해 진압과 대피가 어려웠다[8]. 그리고, 기존의 화재소화기는 주로 화재가 발생하였을시 육안으로 확인 후 사람의 손으로 들고 사용할 수 있도록 제작이 되어 있으며, 또한 스프링클러는 실내 온도 72도가 넘어야 작동되므로, 실내에 있는 사람의 안전을 확보할 수가 없었다[5]. 스프링클러는 화재가 발생했을 때 열을 감지해 자동으로 물을 뿌리는 장치로 보통 천장에 달려 불을 끄는 최고의 수단이다. 불이 난 곳에 물을 뿌리면 온도를 발화점 아래로 낮춰주고, 수증기는 산소를 차단해 불을 즉시 끈다. 수도관이 연결된 곳이라면 대량의 물을 쉽게 구할 수 있어 설비하기에도 좋다. 스프링클러는 화재를 감지하면 자동으로 물을 뿌려서 화재가 번지는 것을 막는 임무를 수행한다[8]. 그러나 스프링클러의 설비상의 문제점도 존재하지만, 운영상의 문제점도 보유하고 있다. 화제가 확대되고 난 이후에 감지기가 화재를 감지하게 되고 화재를 완전히 진압할 목적으로 설치된 스프링클러는 매우 촘촘히 배치하며 물을 대량으로 뿌린다. 스프링클러가 무작위 넓은 지역을 화재 진압함으로써 의도하지 않은 지역까지 소화액 또는 물로 오염이 되고 사후 처리 문제를 야기 시킨다.

Fig. 4.

Fire fighting methodology evolution

본 논문에서는 화재 초기에 화원에서 발생하는 복사열에 포함된 적외선 감지를 통하여 화원을 신속하게 감지하고 자동 타킷소화건으로 화원에 집중 소화액을 분무하여 사람이 없는 상황에서도 화재를 신속하고 명확하게 진화되는 효과를 갖는 것이다.

2) 지능형 화재 감지 자동 타킷 소화기 구조

지능형 화재 감지형 소화기 구조는 소화기 본체와 화원 감지기, 타킷소화건, 소화기 본체 한쪽 면에서 장착되는 소화액 탱크, 화원 감지기와 타킷소화건의 작동을 제어하는 제어부와 전원을 공급하는 전원부로 구성하였다.

소화기 본체는 벽면에 장착할 수 있도록 판상으로 형성되고, 화원 감지기는 소화기 본체의 하부에 화원의 빛을 감지하도록 원판에 적외선 센서가 가로와 세로 간격으로 배열이 형성된 감지 센서 판과 감지 센서 판의 상부에 결합하며 돔형상으로 이루어지고 돔 표면에 빛을 집광하는 집광렌즈가 같은 간격으로 갖춰지는 열 집광렌즈 돔으로 구성하여 화원을 명학하고 신속하게 감지할 수 있게 한다. 그리고, 소화기의 타킷소화건은 소화기 본체 제어부의 제어에 따라 움직일수 있도록 하였으며, 화원을 향하여 소화액을 분무하도록 제어부의 제어로 소화액 공급을 제어하는 소화액 밸브와 연결하였다. 소화기 본체에 3차원 회동 결속 수단에 의하여 결속되는 소화 노즐을 반경 방향으로 가동할 수 있게 반경 방향으로 정공형의 노즐 구속 공을 형성하여 회전되는 회전 링 기어, 소화기 본체에 장착되어 회전 링 기어와 맞물려 제어부의 제어에 따라 소화 노즐을 회전 가동하는 노즐 회전 모터, 회전링기어의 한쪽에 일단이 결합하였다. 노즐 구속 공에 구속된 소화 노즐을 회전 링 기어의 회전에 따른 위치 변위를 흡수하여 측 방향으로 회전할 수 있게 구속하는 축 심 방향으로 장공형의 암장공을 형성한 위상 조절 암, 위상조절암의 경첩축과 축결합 되어 제어부의 제어에 따라 소화 노즐이 위상회동 되게 위상 조절 암을 회동시키는 위상 모터로 구성하였고, 소화액 탱크는 소화기 본체의 다른 한쪽에 타킷소화건으로 소화액을 공급할 수 있도록 소화액 밸브와 연결된 탱크장착구에 원터치로 장착되게 구성하였다.

Fig. 5.

Intelligent automatic target fire extinguisher

Fig. 6.

Automatic target fire extinguisher body

Fig. 7.

Drawing of the initial fire spray inside the building

Table 3.

Intelligent fire detection and fire target fire extinguisher advantages

3) 자동타킷 소화기 작동 방법

화재가 발생(그림 8(a))하면 가시광선 영역 이후의 긴 파장대의 4.3μm대의 적외선 영역에서 최대에너지를 방출한다. 화원의 불꽃을 적외선 불꽃 감지기에서 신속하게 감지하여 초기화재로 인식하여 자체 경보(그림 8(b))와 스마트폰 앱을 통해 알려준다, 그리고, 화원까지의 거리와 방향을 측정, 분석하여 자체 소화 노즐을 통하여 정확한 위치(그림 8(c))의 화재를 초기 단계(그림 8(d))에서 자동 진압한다.

Fig. 8.

Fire extinguishing procedures

Ⅲ. 결 론

일반적으로, 소화기는 초기화재를 진압하는 데 사용하는 것이다. 일반적인 소화기는 소화액이 저장된 소화액 탱크와 소화액 탱크에 결합한 소화노즐 및 소화액의 분사를 조작하는 소화 손잡이로 구성되어 있다. 소화기는 소화 호스를 화원을 향하게 하고 소화 손잡이를 잡아당겨서 화원에 소화액을 분무하여 화재를 진압하는 것이다. 그리고, 화재를 발견한 사람의 조작을 통하여 이루어지는 것으로서, 사람이 없는 야간에 누전 등으로 발생하는 화재는 진압할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 건축물에는 화재 발생 시 자동으로 작동하여 화재를 진압할 수 있게 한 스프링클러 등을 갖추어 실시하고 있으나 이는 화원을 집중하여 소화하는 것이 아니어서 화재진압효율이 낮다는 문제점과 광역의 지점을 오염시키는 문제점이 있었다.

따라서, 본 논문에서 개발 제안하는 것은 소화기 본체에서 화원의 빛을 적외선 감지기가 화재초기에 감지하여 화재가 발생한 초기 화원을 중심으로 무인 자동 타킷소화건으로 소화액을 공급함으로써 화원을 신속하게 감지하고 타킷소화건으로 화원에 소화액을 집중 분무하여 화재를 신속하고 명확하게 진화되는 효과를 갖도록 개발 하였다. 향후 연구를 더 진전하여 화재발생지점의 사각 지점이 생기지 않도록 고정형과 이동형을 연동하는 방법으로 연구·개발할 방향이다.

Acknowledgments

본 연구는 2023년도 과학기술정보통신부의 초고속인력양성사업으로 ICT 폴리텍대학 지원에 의한 결과임.

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