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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 하향 분사식 미니 스프링클러의 본체 접속부에 용수가 공급될 때와 공급이 끊어질 때 대기압과 평형상태에 있는 동안 스프링클러의 본체로 물의 공급을 차단하는 기능을 갖도록 하기 위하여, 일반적인 구조와 메카니즘을 갖고 있는 미니 스프링클러와는 달리 새로운 제안으로 패킹부와 2차 회전판 및 안내판을 구성한다.
- 1 ~ 3 kgf7cmZ을 목표로 본 해석을 통하여 패킹을 선정하고 설정압력을 결정하였다. 여기서는 미니 스프링클러의 성능시험을 만족할 수 있는지에 대해 구조해석을 실시하여 새로운 구조를 갖는 미니스프링클러 메카니즘의설계 내용을 검증하였다.
가설 설정
- 본 해석에 적용한 경계조건은 축대칭 경계조건과 미니 스프링클러 몸체와의 연결부는 이탈이 없다는 가정하에 수직방향으로의 움직임은 없는 것으로 하였다. 그리고 내부에 압력이 작용하도록 설정압력을 적용하였다.
제안 방법
- 5, a.Okgfcm2으로 설정하여 각각에 대한 살수특성 실험을 실시하였다.
- 패킹 부분을 모델링하고 해석하였다. 그 부품으로는 패킹과 미니스프링클러의 몸체로 연결되는, 몸체 연결부, 와, 패킹, , 패킹 지지부, 그리고 패킹 어셈블리를 지지하고 있는, 패킹 지지부, 를 해석하였다. 모델링은 새로운 구조의 메카니즘을 구상하여 설계한 부품도면과 조립도면을 중심으로 작성하였으며 , 해석 조건으로는 실험을 통하여 얻은 각 재료의 물성을 적용하였다.
- 그리고 내부에 압력이 작용하도록 설정압력을 적용하였다.
- 낙수 방지용 미니스프링클러의 사용 압력은 1.1 ~ 3 kgf7cmZ을 목표로 본 해석을 통하여 패킹을 선정하고 설정압력을 결정하였다. 여기서는 미니 스프링클러의 성능시험을 만족할 수 있는지에 대해 구조해석을 실시하여 새로운 구조를 갖는 미니스프링클러 메카니즘의설계 내용을 검증하였다.
- 모델링 부분은 축 대칭이므로 실질적으로 1/4만 해석하는 것이 타당하므로 본 연구에서는 1/2부분을 해석하고 경계조건으로는 대칭 조건을 사용하였다.
- 그 부품으로는 패킹과 미니스프링클러의 몸체로 연결되는, 몸체 연결부, 와, 패킹, , 패킹 지지부, 그리고 패킹 어셈블리를 지지하고 있는, 패킹 지지부, 를 해석하였다. 모델링은 새로운 구조의 메카니즘을 구상하여 설계한 부품도면과 조립도면을 중심으로 작성하였으며 , 해석 조건으로는 실험을 통하여 얻은 각 재료의 물성을 적용하였다.
- 미니스프링클러의 작용 압력별 살수성능을 파악하기 위한 실험장치를 구성(Fig. 2)하여 살수높이를 0.2 m 로고 정하고 압력계와 정압밸브를 사용해서 대기압이상의작용압력인 1.1, 1.5, 2.0, 2.5, a.Okgfcm2으로 설정하여 각각에 대한 살수특성 실험을 실시하였다.
- 본 연구는 하향 분사식 미니스프링클러의 낙수 방지를 위한 새로운 제안으로 패킹부를 구성하여 패킹과 패킹 지지부, 패킹 연결지지체의 메카니즘 분석과 구조해석을 통하여 패킹부 소재 선정의 타당성을 확인하여 하향 분사식 미니스프링클러의 낙수방지 메카니즘을 개발하고, 제품을 제작하여 살수특성 실험을 수행한 결과는 다음과 같다. 낙수방지를 위하여 삽입되는 패킹 부의 재료는 구조해석결과, 압력변화에 대응할 수 있는 재질로서 패킹재는 천연고무(ASTM; NR), 패킹 지지체는 폴리프로필렌(PP)이 적합함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 제안된 하향 분사식 미니스프링클러 (Fig. 1)의 메카니즘에서 낙수 방지를 위해 가장 중요한 역할을 흐)는 것으로서 대기압과 평형상태일 때는 공급용수의 차단 기능을 갖는 패킹부 설계와 메카니즘의 적합성을 확인하기 위해 패킹부 메카니즘 분석과 구조해석을 통하여 대기압과 평형상태에서는 공급용수가 차단되고, 낙수발생으로 연결되지 않는 구조를 갖는 하향 분사식 미니스프링클러의 메카니즘을 확정한다.
- 본 컴퓨터 모사는 미니스프링클러의 전 부분을 해석하지 않고, 실질적으로 용수의 공급 압력을 조절할 수 있는 패킹 부분을 모델링하고 해석하였다. 그 부품으로는 패킹과 미니스프링클러의 몸체로 연결되는, 몸체 연결부, 와, 패킹, , 패킹 지지부, 그리고 패킹 어셈블리를 지지하고 있는, 패킹 지지부, 를 해석하였다.
- 나타내고 있는 공급압력 2.0 kgf/cn?으로 고정하고, 살수높이별 살수성능의 변화(Table 4)를 관찰하였다. 유효살수반경과 유효살수면적은 살수높이가 0.
- 있는 작용압력 2.0 kgbcn?으로 고정흐]고, 살수 높이를 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 m로 하여 각각에 대한 살수 특성 실험을 실시하였다.
- 내부압력이 1.1 ~3 kgftn?으로 작용할 경우, 미니 스프링클러의 패킹부에서 발생하는 von Mises stress와 displacement를 조립상태에서 구조해석을 하였으며 , 본 해석에 사용한 프로그램으로 모델링을 위해서는 Pro Engineer(PTC Corp., 2005)를 사용하였고, 모델링 형상을 igs파일로 변환하였다. 실제 해석을 위해 AB- AQUS 프로그램 (HKS Inc.
- 결정된다. 이러한 메커니즘 분석을 위해 3D 모델링과 컴퓨터 시뮬레이션을 행하였으며 이를 통하여 새로운 미니스프링클러의 구조를 설계 하였다.
- 제안 메카니즘에서 패킹부의 기능은 대기압과 평형상태에서는 공급용수가 차단되는 제어 역할을 하는 것으로서 패킹과 그것을 지지하기 위한 패킹 지지부와 패킹 연결지지체를 설치한다. 또한 패킹부에서 용수 공급을 차단하는 동안에는 미니스프링클러의 몸체 내에 잔류하는 물은 1차 회전판에서 살수되고, 여기서 살수 되지 못하고 잔류하는 물은 물방울이 형성되지 못하도록 안내판을 따라 2차 회전판으로 유도되어 재 살수가 되도록 한다.
- 제안 미니스프링클러에서는 압력의 변화에 따라 낙수가 발생하는 문제점을 해결하기 위하旧 제품의 3D 모델링과 컴퓨터 시뮬레이션을 행하고 사용되는 패킹 부의 압력분석과 구조해석을 실시하여 새로운 미니 스프링클러 제품을 개발하고, 실험을 통하여 제안 미니 스프링클러의 살수 성능을 분석하여 그 특성을 규명하고자 한다.
대상 데이터
- NR)를 선정하였다. 또한 패킹지지체 소재는 비중이 0.9정도이며, 강성과 내충격성이 뛰어나고 가격이 싸고 이용범위가 광범위한 폴리프로필렌(PP)을 원료로 선정하여 사출제품으로 성형하였다(Table 2).
- 본 연구에서 패킹재는 각종 자동차 타이어 튜브에사용되고 있으며, 사용 온도는 -40~60℃의 범위로서, 내굴곡 균열성과 내압축 영구줄음율 및 기타 기계적 성질이 우수한 물성치(Table 1)를 갖는 천연고무 (ASTM; NR)를 선정하였다. 또한 패킹지지체 소재는 비중이 0.
- 적용하였다. 적용된 메쉬는 C3D8R(An 8- node linear brick, reduced integration, hourglass control) 요소이며, element의 몸체 연결부는 5, 533개, 패킹 부분은 2, 085개, 패킹 지지부는 4, 416개 그리고 패킹 연결지지체는 1, 785개이다.
데이터처리
- , 2005)를 사용하였고, 모델링 형상을 igs파일로 변환하였다. 실제 해석을 위해 AB- AQUS 프로그램 (HKS Inc., 1999)을 사용하였다.
성능/효과
- 다음과 같다. 낙수방지를 위하여 삽입되는 패킹 부의 재료는 구조해석결과, 압력변화에 대응할 수 있는 재질로서 패킹재는 천연고무(ASTM; NR), 패킹 지지체는 폴리프로필렌(PP)이 적합함을 확인하였다. 성능시험 결과, 미니스프링클러의 접속관에 용수를 공급할 때와 중단되는 과정의 대기압과 평형상태에서 선정된 패킹 및 패킹 지지체는 압력제어 기능을 정확히 수행하여 낙수가 거의 발생하지 않고, 압력변화에도 민감하게 대응함을 확인하였다.
- 또한 공급입력이 1.1 kgfitm2을 기준으로 그 이하에서 제안된 패킹부에 의해 공급용수가 차단되고 스프링클러 몸체내에 잔류하는 물은 1차 회전판과 본 실험에서 별도로 설치한 2차 회전판에서 살수되어 낙수가 거의 발생되지 않았다. 이것은 용수 공급초기의 수압이발생될 때와 중단되는 과정에 대기압과 평형상태에서는 미니스프링클러의 접속부로 공급되는 용수가 본 연구에서 제안된 패킹부에서 차단되어, 물의 자중과 중력작용에 의한 자유낙하를 방지함으로서 물방울의 형성 및 낙수 발생의 예방을 의미한다.
- 변이계수는 표준편차의 평균치에 대한 비율이며 각각 다른 정도를 상대적으로 나타내는 지표로서 , 작용압력 증가에 따라 변이계수가 감소현상을 보이고 있는 것은 살수과정에서 물방울의 크기가 일정하고 아주 미세하다는 의미를 갖고 있으며, 살수성능은 반대로 증가하는 것으로 나타났다.
- 작용압력별 살수특성 성능을 분석한 결과, 유효살수반경, 유효살수면적, 평균살수심, 최대 살수심, 유효최대살수심은 작용압력이 증가함에 따라 모두 증가하는 것으로 나타났다. 살수높이별 살수특성 성능을 분석한 결과, 유효살수반경과 유효살수면적은 살수높^가 0.2 m일 때 가장 낮은 값을, 0.3 m일 때 가장 높은 값을 보였고, 그 이상 실수 높이가 높아지면 반대로 감소하였으며, 평균살수심은 살수높이가 높아질수록 감소하였다. 제안된 하향 분사식 미니스프링클러는 패킹 부의 영향으로 압력이 증가함에 따라 살수성능이 유연성 있게 변화하여 급격한 변화를 나타내지 않았고, 용수압력이 감소될 때에는 작용압력이 l.
- 낙수방지를 위하여 삽입되는 패킹 부의 재료는 구조해석결과, 압력변화에 대응할 수 있는 재질로서 패킹재는 천연고무(ASTM; NR), 패킹 지지체는 폴리프로필렌(PP)이 적합함을 확인하였다. 성능시험 결과, 미니스프링클러의 접속관에 용수를 공급할 때와 중단되는 과정의 대기압과 평형상태에서 선정된 패킹 및 패킹 지지체는 압력제어 기능을 정확히 수행하여 낙수가 거의 발생하지 않고, 압력변화에도 민감하게 대응함을 확인하였다. 작용압력별 살수특성 성능을 분석한 결과, 유효살수반경, 유효살수면적, 평균살수심, 최대 살수심, 유효최대살수심은 작용압력이 증가함에 따라 모두 증가하는 것으로 나타났다.
- 0 kgf/cn?으로 고정하고, 살수높이별 살수성능의 변화(Table 4)를 관찰하였다. 유효살수반경과 유효살수면적은 살수높이가 0.2 m일 때가장 낮은 값을, 0.3 이일 때 가장 높은 값을 나타내었고, 0.4 m 이상 살수 높이가 높아지면 오히려 감소하였다. 평균살수심은 살수높이가 높아질수록 감소하는 것으로 나타났다.
- 5kg#cm을 기준으로 그 이하로 낮아지면 살수반경이 약간 줄어들면서 물방울의 크기가 증가하게 되고, 반대로 작용압력이 2.5 kgf/crr?이상으로 높아지는 경우에는 살수반경이 늘어나며 물방울의 크기는 아주 미세하게 나타났다.
- 제안된 하향 분사식 미니스프링클러는 패킹 부의 영향으로 압력이 증가함에 따라 살수성능이 유연성 있게 변화하여 급격한 변화를 나타내지 않았고, 용수압력이 감소될 때에는 작용압력이 l.lkgfiWi? 이상의 범위에서만 살수되었으며, 그 이하에서는 제안된 패킹 부에 의해 하향 분사식 미니스프링클러 본체로 공급되는 용수가 차단되어, 대기압과 평형상태에 있는 물의 자중과 중력작용에 의한 자유낙하를 방지함으로서물방울의 형성 및 낙수 발생의 예방을 확인하였다.
- 작용 압력별 살수성능 실험결과(Table 3)에서 유효 살수반경 , 유효살수면적 , 평균살수심 , 최대살수심 , 유효 최대 살수심은 작용 압력이 증가함에 따라 모두 증가하는 것으로 나타났다. 제안 패킹부 메카니즘을 적용한 미니 스프링클러의 경우, 작용압력이 1.
- 성능시험 결과, 미니스프링클러의 접속관에 용수를 공급할 때와 중단되는 과정의 대기압과 평형상태에서 선정된 패킹 및 패킹 지지체는 압력제어 기능을 정확히 수행하여 낙수가 거의 발생하지 않고, 압력변화에도 민감하게 대응함을 확인하였다. 작용압력별 살수특성 성능을 분석한 결과, 유효살수반경, 유효살수면적, 평균살수심, 최대 살수심, 유효최대살수심은 작용압력이 증가함에 따라 모두 증가하는 것으로 나타났다. 살수높이별 살수특성 성능을 분석한 결과, 유효살수반경과 유효살수면적은 살수높^가 0.
- 3 m일 때 가장 높은 값을 보였고, 그 이상 실수 높이가 높아지면 반대로 감소하였으며, 평균살수심은 살수높이가 높아질수록 감소하였다. 제안된 하향 분사식 미니스프링클러는 패킹 부의 영향으로 압력이 증가함에 따라 살수성능이 유연성 있게 변화하여 급격한 변화를 나타내지 않았고, 용수압력이 감소될 때에는 작용압력이 l.lkgfiWi? 이상의 범위에서만 살수되었으며, 그 이하에서는 제안된 패킹 부에 의해 하향 분사식 미니스프링클러 본체로 공급되는 용수가 차단되어, 대기압과 평형상태에 있는 물의 자중과 중력작용에 의한 자유낙하를 방지함으로서물방울의 형성 및 낙수 발생의 예방을 확인하였다.
- 또한 변이계수도 살수높이가 높아질수록 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 살수높이에 따라 평균살수심이 감소하기 때문이다. 즉, 살 수 높이가 높아질수록 변이계수는 감소하고 살수성능은 양호한 것으로 나타났다.
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