다이어프램의 형태가 갖는 과학적 원리
가. 다이어프램에 적용되는 파스칼의 원리(Pascal’s Principle)
파스칼의 원리에서도 알 수 있듯이 압력(P)은 면적(A)에 작용하는 힘(F)으로서 정의된다. 여기서 유체와 접촉하는 것은 원형의 피스톤이므로, 면적 A = (πd^2)/4 으로 풀어서 설명할 수 있다. 결국 동일한 압력이더라도 면적의 크기에 따라 전체의 힘 크기가 달라진다는 알 수 있다. 다시말하면, 면적이 넓어질수록 힘은 커진다는 것을 의미한다.
나. 다이어프램(Diaphragm)의 형태
100mm 프리액션 밸브의 경우를 예로 들어보자. 100mm 이므로 1차측에서 2차측으로 연결되는 부분의 직경은 100mm(10cm)일 것이고, 중간챔버와 연결되는 다이어프램 입구 부분은 제조사별로 차이는 있겠으나 약 18cm 정도 된다. 즉 중간챔버 부분의 다이어프램 입구는 직경이 18cm, 1차측 시트 부분의 다이어프램 직경은 10cm로서 깔때기 모양을 하고 있다.
다이어프램에 작용하는 힘 차이
가. 헤드의 방수압력을 충족시키기 위한 1차측 소화수의 압력
스프링클러 헤드의 방수압력은 0.1Mpa이상 1.2Mpa 이하가 형성되도록 하고 있으므로, 헤드에서의 적절한 방수압력이 형성되기 위해서는 1차측 소화수의 압력도 해당 범위 내에 있어야 한다. 예를 들어 1차측 소화수의 압력을 0.6Mpa이라고 가정해 보자. 그러면 헤드에서는 배관 및 관부속품의 마찰손실에 의해 약 0.4Mpa ~ 0.5Mpa의 방수압력이 형성될 것이다.
나. 다이어프램의 형태에 따른 힘의 차이
그렇다면 1차측 시트 부분에 가해지는 압력(P)은 0.6Mpa인 6kg/㎠일 것이고, 중간챔버를 통해 가해지는 압력 또한 6kg/㎠가 된다. 1차측 소화수의 압력인 6kg/㎠의 동일한 압력이지만 중요한 것은 접촉하는 다이어프램의 면적이 다르다는 것이다. 중간챔버 부분의 다이어프램 입구는 직경 18cm, 1차측 시트부분의 다이어프램 직경은 10cm이다. 이러한 직경의 차이가 면적의 차이일 것이며, 힘의 차이를 다르게 만들어 다이어프램이 작동하는 원리를 만든다.
다. 다이어프램 각 부분에 작용하는 힘의 크기
① 1차측 시트 부분의 다이어프램에 작용하는 힘(F1)
다이어프램의 1차측 시트 부분의 직경은 10cm라고 했다. 그러므로 직경인 D에 10cm를 대입하여 보면 다이어프램의 1차측 시트 부분에는 471kg의 힘(F)이 형성되어 있다는 것을 알 수 있다.
② 중간챔버 부분의 다이어프램 입구에 작용하는 힘(F2)
중간챔버 부분의 다이어프램 입구 직경은 제조사 마다 다를 수 있지만 18cm를 적용해 보자. 계산식에서 직경인 D에 18cm를 대입하여 보면 다이어프램의 입구에서 작용하는 힘(F)은 1,526kg이라는 것을 알 수 있다.
③ 다이어프램 입구 부분과 시트 부분에서의 힘 차이
1차측 시트 부분에서의 힘 F1은 471kg이고, 중간챔버 부분의 다이어프램 입구의 힘은 1,526kg으로 상호간 1,055kg의 차이가 발생한다. 이 차이가 1차측 소화수가 2차측으로 넘어조지 못하게 하는 힘의 차이인 것이다.
다이어프램 형태(면적)가 힘의 차이를 만든다.
가. 프리액션밸브의 다이어프램 작동 원리
다이어프램 양쪽에는 1차측 소화수의 동일한 압력이 가해지고 있지만, Preaction Valve 내에서 다이어프램 입구 부분이 받는 힘은 1차측 시트부분의 힘보다 약 3.2배의 힘을 더 형성하고 있다. 이 힘의 차이는 다이어프램 형태가 갖는 직경의 차이에 따른 면적의 차이에서 출발한 것이다. 결국 다이어프램 입구와 시트 부분에서 상호간의 힘의 차이를 형성하면서 1차측의 소화수가 2차측으로 넘어오지 못하도록 역할을 하는 것이다.
나. 건식밸브(Dry Valve)에도 동일한 원리가 적용된다.
건식스프링클러설비에 사용되는 건식밸브에도 동일한 파스칼의 원리가 적용된다. 건식밸브 클래퍼가 접촉하는 면적이 다르다. 클래퍼(Clapper)가 접촉하는 1차측 배관의 직경이 10cm라면 2차측의 클래퍼 직경은 20cm를 유지하게 하는 것이다. 그리고 1차측의 소화수 압력을 이겨내기 위해 2차측에 공기로 가압을 하면 적은 공기 압력으로도 1차측 소화수의 압력을 견디어 낼 수 있는 힘을 형성해 내는 것이다.
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