수도관은 높은 압력을 이용해 물을 흘려보낸다. 영하의 추운 겨울에 수도관 안 에 있던 물이 얼면서 부피가 커지는 바람에 수도관이 동파된다. 수도관을 가열하 거나 수도관 벽을 두껍게 하든지, 재질을 바꾸려면 큰 비용이 든다. 높은 압력으 로 물을 흘려보내려면 수도관은 견고하여 일정한 형태를 유지하여야 한다. 추운 겨울에 물이 얼면서 부피가 커지는 바람에 신축적이지 못한 수도관이 동파된다.
추운 겨울에 수도관이 동파되는 것을 막으려면 수도관이 신축적으로 늘어나야 한다. 하지만 수도관이 신축적으로 늘어나게 되면 높은 압력으로 물을 흘려내지 못한다.
1) 물질-장 모델
‘도구’는 원하거나 원하지 않는 기능을 수행하는 주체이므로 ‘물’이 되고, ‘대상’
은 도구의 영향을 받는 객체이므로 수도관이 된다.
<그림 4-22> 수도관 동파 문제 물질-장 모델
기술적 모순의 도식 모델로는 [1. 반작용(COUNTERACTION) : A는 B에 유용 한 작용(실선 화살표) 하지만, B는 A에 영구적으로 또는 어떤 단계에서 유해하 게 작용한다.]에 해당한다.
<그림 4-23> 수도관 동파 문제 기술적 모순 도식 모델
A : 수도관 B : 물
수도관 동파 문제를 물질-장 모델로 기능 도식화하면 다음과 같다.
<그림 4-24> 수도관 동파 문제 물질-장 모델 기능 도식
2) 나비다이어그램
물질-장 모델의 도식화로 알 수 있듯이 수도관은 높은 압력으로 물을 흘려보내 는 유익한 작용이 있지만, 겨울철 물이 얼음으로 응고되면서 부피가 커지면서 수 도관이 동파되는 해로운 작용이 있다. 이 같은 문제를 나비다이어그램을 이용하 여 표현하면 다음과 같다.
<그림 4-24> 수도관 동파 문제 나비다이어그램
위의 나비다이어그램을 통해서 구체적인 기술적 모순과 물리적 모순을 규정할 수 있다. 즉, 기술적 모순은 높은 압력을 이용해서 물을 흘려보내려면 수도관이 견고해야 하는데, 영하의 추운 겨울에 수도관 안에 있던 물이 얼면서 부피가 커 지는 바람에 ‘수도관 동파’와 얼음의 부피 팽창하게 되어 ‘수도관 보호’가 서로 충돌하게 된다.
물리적 모순은 ‘수도관이 견고하다. (s)’와 ‘수도관이 신축적이다. (~s)’가 된다.
나비다이어그램의 분석을 통해 이상적 해결책들을 제안할 수 있다.
① w와 ~s의 조합
‘높은 압력을 이용해서 물을 흘려보내고, 수도관이 신축적이다.’
즉, 수도관이 신축적이지만 높은 압력을 이용해서 물을 흘려보내는 방법을 찾는 다.
② s와 ~u의 조합
‘수도관이 견고하고, 동파되지 않는다.’
즉, 높은 수압을 견딜 수 있는 견고한 수도관이지만, 동파는 되지 않는 방법을 찾는 것이다.
③ ~w 혹은 w, 그리고 ~u의 조합
‘높은 압력을 이용해서 물을 흘려보내지 않기도 하고, 높은 압력을 이용해서 물 을 흘려보낸다. 모든 상황에서 수도관은 동파되지 않는다.’
즉, 추운 겨울에는 낮은 압력으로 물을 흘려보내고, 평상시에는 높은 압력을 이
용하여 흘려보내면 동파를 예방할 수 있다.
4) 76가지 표준해 적용
Victor Fey의 ‘표준해 사용을 위한 알고리즘’을 활용하여 적용 가능한 표준해를 알아본다. D/M (detection and/or measurement)의 문제가 아니고, 물질-장이 완 전하다. 해로운 상호작용이 일어나므로 ‘S1(수도관)과 S2(물)가 접촉해야 하는 가?’에 Yes/No를 선택해야 한다. 일반적으로는 수도관과 물이 접촉하지만, 수도 관과 물의 접촉을 막는 제3의 물질이 들어가도, 기능상의 문제는 없으므로 표준 해 1.2.1과 1.2.2가 적용되는 표준해가 된다.
표준해 1.2.1은 제3의 물질을 수도관(S1)과 물(S2) 사이에 제3의 물질을 도입하 여 동파를 막는 것이다. 표준해 1.2.2는 수도관과 물의 변형물인 제3의 물질을 도 입하라고 하는데, 수도관과 물이 반응해서 생성되는 변형물이라는 것이 녹(rust) 같은 것이 있을 수 있으나, 동파에 적합한 물질을 생성하는 것이 어려우므로 배 제한다.
따라서 표준해 1.2.1에 따라 두 물질 사이에 도입할 제3의 물질(S3)을 찾는다.
즉, 제3의 물질이 물이 응고되면서 커지는 부피를 감당할 수 있는 신축성 있는 물질이면, 문제를 쉽게 해결할 수 있을 것이다. 미국특허 6,338,364는 유연한 원 형 플라스틱 삽입물을 수도관 안에 넣음으로써 이 문제를 해결했다.
<그림 4-26> 수도관 동파 문제해결안 그림 1. 수도관
2. 삽입물 내부 공간 3. 삽입물
4. 물 5. 가이드
---가이드(5)가 관 안에 삽입물(3)의 축 방향의 위치를 보장한다. 물이 액체 상태에 있을 때 삽입물은 원래 모양을 유지한다. 물이 얼게 되면, 삽입물이 압축되고, 어는 물의 부피 팽창을 수용하여, 그것이 관의 구조적 파괴를 예방한다.
얼음이 녹을 때, 삽입물은 원래의 모양으로 돌아간다.
Victor Fey는 표준해 1.2.3의 예로 ‘수도관 동파를 막는 삽입물’을 제시하고 있 다.
<그림 4-27> 수도관 동파 문제 표준해 1.2.3 적용 도식화
수도관 동파의 경우, 도구-대상 분석을 통하여 기술적 모순과 물리적 모순을 선 정하는 것이 편리하다. 자연물과 인공물이 상호작용하는 경우, 자연물의 유해작 용을 인공물이 차단할 수 있도록 시스템을 변경하는 것이 필요하다(현정석,
2018). 즉 수도관(S1)이 물리적 모순이 되게 된다.
5) 40가지 발명원리 적용
‘수도관 동파 문제’에 적용되는 표준해는 1.2.1, 1.2.3이다. Ellen Domb 등(1999) 의 ‘40가지 발명원리와 76가지 표준해와의 관계’를 확인한 결과, 서로 관계되는 것들이 명시되지 않고 있다.
그렇지만 신축성 있는 삽입물을 매개체가 사용하여 부피 팽창에 의한 수도관 동 파를 예방하므로, ‘11. 사전예방조치’와 ‘24. 중간매개체’에 해당하기도 한다.