[논문]음파 소화기를 이용한 안전 스토브 시스템 개발

서윤원; 이석재; 박형주; 김기남; 최용래; 황형준; 한승한; 심동하

doi:10.7731/kifse.2018.32.6.034

[국내논문] 음파 소화기를 이용한 안전 스토브 시스템 개발
Development of Safe Stove System using Sound Wave Fire Extinguisher 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.32 no.6, 2018년, pp.34 - 39

서윤원 (서울과학기술대학교 MSDE전공) , 이석재 (서울과학기술대학교 MSDE전공) , 박형주 (서울과학기술대학교 MSDE전공) , 김기남 (서울과학기술대학교 MSDE전공) , 최용래 (서울과학기술대학교 MSDE전공) , 황형준 (서울과학기술대학교 MSDE전공) , 한승한 (서울과학기술대학교 스마트생산융합시스템공학과) , 심동하 (서울과학기술대학교 MSDE전공)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 최초로 음파 소화기를 이용한 자동 화재진압 기능을 가진 안전 스토브 아키텍처를 제안하고 개발하였다. 화재가 발생하면 화재 센서와 연동된 마이크로컨트롤러가 화재를 감지하고 음파 소화기를 구동하여 화재를 진압하는 구조를 가진다. 음파 소화기는 스피커와 콜리메이터로 구성되며, 오디오 증폭기를 포함하는 구동모듈에 의해 구동된다. 스토브를 둘러싸는 인클로저를 사용해 거리에 따른 음파의 확산을 막아 음파의 감쇠를 줄일 수 있었다. 이때, 사용된 음파의 주파수는 50 Hz이며, 음압은 소화기로 부터 0.5 m 거리에서 93 dBA로 측정되었다. 7 cc 및 14 cc의 가연성 액체에서 발생한 화염에 대해 진화에 소요되는 시간은 각각 최대 8 s와 15 s로, 각각 자연소화 시간의 24%와 42%에 해당한다. 제안된 안전 스토브는 기존 안전 스토브와 비교하여 무해하고 잔여물질이 남지 않기 때문에, 다양한 가전기기에 적용되어 원활한 초기 화재 진압 및 화재 확산 방지에 기여할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the architecture of a safe stove with an automatic fire suppression function using a sound wave fire extinguisher has been proposed and developed for the first time. A microcontroller connected to a fire sensor detects and suppresses a fire by driving a fire extinguisher. The sound wave fire extinguisher is composed of a speaker and collimator, and is driven by a driver module including an audio amplifier. The attenuation of the sound wave is reduced by preventing the sound diffusion with an enclosure surrounding a stove. The frequency of the sound wave is set to 50 Hz, and the sound pressure of 93 dBA is measured at the distance of 0.5 m. It takes maximum 8 and 15 seconds to suppress the flame from 7-cc and 14-cc flammable liquid, respectively, which corresponds to 24% and 42% of the natural extinguishing time. Since the proposed safe stove is non-toxic and leaves no residues over the conventional ones, it would combine with various home appliances to suppress early-stage fires and prevent fire expansion.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Architecture of the proposed safe stove using a sound wave fire extinguisher.
그림 Figure 2. Sound wave fire extinguisher module.
그림 Figure 3. Driver module for the sound wave fire extinguisher.
그림 Figure 4. Implemented safe stove with the sound wave extinguisher.
그림 Figure 5. Roomsim simulation structure.
그림 Figure 6. Intensity variation of the received sound wave for the various position inside the enclosure (Z = 0).
그림 Figure 7. Intensity variation of the received sound wave for the various width and height dimensions.
그림 Figure 8. Measured voltage waveforms when the fire is detected.
그림 Figure 9. Measured sound pressure versus distance with and without the enclosure.
그림 Figure 10. Suppression of the flame as time passes for 7-cc paint thinner.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 기존 분말 소화기 기반의 안전 스토브의문제를 해결하기 위하여 음파 소화기를 이용한 안전 스토브 시스템을 제안하였다. 음파소화기 기반의 제안된 안전스토브 시스템은 인체에 무해하며 오염의 걱정이 없고 관리가 용이한 장점을 가진다.
본 논문에서는 최초로 음파 소화기를 이용한 자동화재진압 기능을 가진 안전 스토브 시스템을 제안하고 개발하였다. 결론은 다음과 같이 요약될 수 있다.

제안 방법

결론은 다음과 같이 요약될 수 있다. (1) 음파 소화기,화재 센서, 마이크로컨트롤러를 연동하여 별도의 신호원이 없는 새로운 안전 스토브 시스템 아키텍처를 개발하였다. (2) 인클로저를 이용해 구현된 시스템의 음파 소화기에서 전달되는 음압의 감쇠를 줄일 수 있다.
실험의 용이성을 고려해 실제 음식물 대신 가연성 액체를 이용하였다. 3회에 걸친 반복 실험을 실시하였으며, 소화시간은 각각 3 s, 6 s, 8 s로측정되었다. Figure 10은 소화시간이 6 s인 경우 시간에 따른 화염의 소화 과정을 보여준다.
Figure 1. Architecture of the proposed safe stove using a sound wave fire extinguisher.
5 m 이다. 가연성 액체의 양을 2배(14 cc)로 증가시켜 3회의 반복실험을 실시하였고, 소화 시간은 8 s, 12 s, 15 s로 측정되었다. 음파 소화기를 사용하지 않고 자연소화에 소요되는 시간은 7 cc의 경우 평균 32.
선행연구에 따르면 음파의 주파수가 100 Hz 이하의 저주파 영역에서 소화 효과가 높으며, 본 논문에서는 50 Hz의 PWM 신호를 사용 하였다^(10-12). 과전류로부터 AC-DC 변환기를 보호하기 위해 220 V-AC 전원과 스위치(switch) 사이에 차단기(circuit breaker ①)를 설치하였다. 스위치는 화재 발생시에만 AC-DC 변환기에 전원을 공급하도록 AC-DC 변환기의 전단에 배치해 대기 전력소모를 줄였다.
구현된 안전 스토브의 동작을 확인하기 위해 양은용기에 7 cc의 가연성 액체(paint thinner)을 넣고 점화 후 시간에 따른 화염의 변화를 관찰하였다. 실험의 용이성을 고려해 실제 음식물 대신 가연성 액체를 이용하였다.
마이크로컨트롤러가 오디오 증폭기의 입력 신호를 직접 생성하기 때문에 별도의 신호원을 사용하지 않는 단순한 구조를 가진다. 선행연구에 따르면 음파의 주파수가 100 Hz 이하의 저주파 영역에서 소화 효과가 높으며, 본 논문에서는 50 Hz의 PWM 신호를 사용 하였다^(10-12). 과전류로부터 AC-DC 변환기를 보호하기 위해 220 V-AC 전원과 스위치(switch) 사이에 차단기(circuit breaker ①)를 설치하였다.
오디오 증폭기의 PWM 입력신호(Vamp)를 구현하기 위해 마이크로컨트롤러에 탑재된 ATmega328 마이크로컨트롤러의 TIMER/COUNTER 기능을 이용하여 듀티비 50%의 50-Hz(주기 20 ms) PWM 신호를 생성하였다. 따라서 별도의 신호원을 사용하지 않기 때문에 구조가 단순하고 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
음파소화기 기반의 제안된 안전스토브 시스템은 인체에 무해하며 오염의 걱정이 없고 관리가 용이한 장점을 가진다. 음파소화기, 화재 센서, 마이크로컨트롤러를 연동한 단순한 구조의 안전 스토브 시스템을 설계하고 구현한 후, 가연성 액체를 이용한 소화 실험을 통해 동작을 검증하였다.
인클로저 내부의 음압(sound pressure)의 세기(intensity)분포와 인클로저 크기가 음파 세기에 미치는 영향을 분석하기 위하여 Roomsim을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. Roomsim은 간단한 직육면체 모양 공간의 음향 분석을 위한 Matlab 기반의 프로그램이다⁽¹⁴⁾.
인클로저의 영향을 확인하기 위하여 인클로저의 유무에 따른 음압을 측정하였다. Figure 9는 콜리메이터의 원형 홀을 기준으로 거리(X)에 따라 측정된 음압을 보여준다.
5 dB 이내로, 위치의 영향을 크게 받지 않는 것을 알 수 있다. 인클로저의 치수가 음파의 세기에 미치는 영향을 분석하기 위하여 높이(Lx)와 폭(Ly)를 변화시키며 시뮬레이션을 실시하였다 (Lz = 0.4 m). Figure 7과 같이 Lx가 1.

대상 데이터

구현된 안전 스토브의 동작을 확인하기 위해 양은용기에 7 cc의 가연성 액체(paint thinner)을 넣고 점화 후 시간에 따른 화염의 변화를 관찰하였다. 실험의 용이성을 고려해 실제 음식물 대신 가연성 액체를 이용하였다. 3회에 걸친 반복 실험을 실시하였으며, 소화시간은 각각 3 s, 6 s, 8 s로측정되었다.
출력 전압은 가변저항으로 조절이 가능하며 약 40 V로 세팅 되었다. 오디오 증폭기(④Kbell, BTL 5630ST)는 저잡음 전증폭기(pre-amplifier)와 Semi-fixed variable resistor (SVR)을 내장한 300 W 용량의 Class-D 증폭기 모듈을 사용하였다. 오디오 증폭기를 과전류로부터 보호하기 위한 차단기(①LSIS,BK63H)의 전류용량은 4 A이다.
스피커의 지름은 약 26 cm (10 inch) 이다. 콜리메이터는 길이 21 cm의 원통형 플라스틱 용기로 구현되었으며, 스피커 반대쪽 면에직경 2.5 cm의 원형 홀(hole)이 형성되어 있다. 원형 홀은 볼텍스 링(vortex ring)을 유도해 음파가 더 멀리까지 전달될 수 있도록 한다⁽¹³⁾.

성능/효과

(1) 음파 소화기,화재 센서, 마이크로컨트롤러를 연동하여 별도의 신호원이 없는 새로운 안전 스토브 시스템 아키텍처를 개발하였다. (2) 인클로저를 이용해 구현된 시스템의 음파 소화기에서 전달되는 음압의 감쇠를 줄일 수 있다. (3) 구현된 시스템은 14 cc 이하의 가연성 액체에서 발생된 화염을 감지하고 효과적으로 진화할 수 있다.
(2) 인클로저를 이용해 구현된 시스템의 음파 소화기에서 전달되는 음압의 감쇠를 줄일 수 있다. (3) 구현된 시스템은 14 cc 이하의 가연성 액체에서 발생된 화염을 감지하고 효과적으로 진화할 수 있다.
동시에 PWM 신호를 오디오 증폭기의 입력신호(Vamp)로 공급해 증폭된 출력 PWM 신호가 음파 소화기를 구동하게 된다. 안전 스토브 시스템의 전기적 신호들을 통해 시스템이 정상적으로 동작하는 것을 확인 할 수 있었다.
2절의 시뮬레이션 결과(Figure 6)와 잘 부합한다. 인클로저를 이용하면 음파의 확산을 줄여 음파에너지의 전달과정에서 감쇠를 줄일 수 있는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 실험 데이터를 바탕으로 체계적인 시스템 설계와 최적화(음파 주파수, 스피커 용량, 재료의 내화성 등)가 요구된다. 해당 시스템은 향후 다양한 전열 가전제품에 적용되어 원활한 초기 화재 진압 및 화재 확산 방지에 기여할 것으로 기대된다.
향후 제안된 안전 스토브의 제품화를 위해서 연소 음식물의 종류 및 양에 따른 정량적이고 체계적인 실험을 통한 신뢰성 높은 데이터의 확보와 분석이 선행 되어야 한다. 또한 실험 데이터를 바탕으로 체계적인 시스템 설계와 최적화(음파 주파수, 스피커 용량, 재료의 내화성 등)가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안전 스토브 시스템은 무엇인가?	안전 스토브 시스템(safe stove system)은 화재 발생 시 센서가 화재를 감지하여 자동으로 소화기가 작동하여 조리 중 발생한 화재를 진압하는 시스템이다. 실제로 분말 소화기를 스토브 상부에 배치한 스토브 시스템이 상용화되어 가정에 적용되고 있다(1).
	DARPA에서 밝혀낸 음파 소화에 중요한 역할을 하는 두 가지 원리는?	DARPA는 연구를 통해 두 가지 원리가 음파 소화에 중요한 역할을 하는 것을 밝혀냈다. 첫째는, 음파에 의해 가속된 공기의 속도가 화염 경계층을 얇게 만들어 화염이 유지되는 것을 어렵게 만든다. 두 번째는 음파가 화염 표면을 교란시켜연료의 증발을 유도해 화염의 범위를 넓게 만들어 전체 화염의 온도를 낮춘다는 것 이다. 특히 음파 소화기는 우주선이나 잠수함과 같이 오염이 문제가 되는 좁고 밀폐된 공간에서 큰 장점을 가질 수 있다(9-10).
	음파소화기 기반의 제안된 안전스토브 시스템의 장점은?	본 논문에서는 기존 분말 소화기 기반의 안전 스토브의 문제를 해결하기 위하여 음파 소화기를 이용한 안전 스토브 시스템을 제안하였다. 음파소화기 기반의 제안된 안전스토브 시스템은 인체에 무해하며 오염의 걱정이 없고 관리가 용이한 장점을 가진다. 음파소화기, 화재 센서, 마이크로컨트롤러를 연동한 단순한 구조의 안전 스토브 시스템을 설계하고 구현한 후, 가연성 액체를 이용한 소화 실험을 통해 동작을 검증하였다.

참고문헌 (15)

StoveTop FireStop, https://stovetopfirestop.com.
M. Kim, "Fire Extinguishing Agent Chemistry", Donghwa Technology (2013).
https://en.wikipedia.org/wiki/John_Tyndall.
J. O'Connor, V. Acharya and T. Lieuwen, "Transverse combustion Instabilities: Acoustic, Fluid Mechanic, and Flame Processes", Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 49, pp. 1-39 (2015).

상세보기
W. Pun, S. L. Palm and F. E. C. Culick, "Combustion Dynamics of an Acoustically Forced Flame", Combustion Science and Technology, Vol. 175, No. 3, pp. 499-521 (2003).

상세보기
F. Baillot and D. Demare, "Physical Mechanisms of a Lifted Nonpremixed Flame Stabilized in an Acoustic Field", Combustion Science and Technology, Vol. 174, No. 8, pp. 73-98 (2002).

상세보기
T. Yano, K. Takahashi, T. Kuwahara and M. Tanabe, "Influence of Acoustic Perturbations and Acoustically Induced Thermal Convection on Premixed Flame Propagation", Microgravity Science and Technology, Vol. 22, pp. 155-161 (2010).

상세보기
https://phys.org/news/2012-01-darpa-suppression-method.html.
Y. Shi, Q. Zhang, X. Chen, H. Shi, X. Gan and B. Yuan, "Experimental Research of Acoustic-based Flame Suppression for Space Application", 24th International Congress on Sound and Vibration (2017).
E. Beisner, N. D. Wiggins, K. Yue, M. Rosales, J. Penny, J. Lockridge, R. Page, A. Smith, et al., "Acoustic Flame Suppression Mechanics in a Microgravity Environment", Microgravity Science and Technology, Vol. 27, pp. 141-144 (2015).

상세보기
S. Robertson and V. Tran, "Wave Extinguisher", ECE-492/3 Senior Design Project, George Mason University (2015).
D. Plaks, E. Nelson, N. Hyatt and J. Espinosa, "Zero-G Acoustic Fire Suppression System", Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 118 (2005).
https://en.wikipedia.org/wiki/Vortex_ring.
D. R. Campbell, K. J. Palomaki and G. J. Brown, "A MATLAB Simulation of 'Shoebox' Room Acoustics for use in Research and Teaching", Computing and Information Systems Journal, Vol. 9 (2005).
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Acoustic/invsqs.html.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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