[논문]증발기 입구 배관의 구조 개선을 통한 냉장고 냉매 소음 저감

김민성; 한형석; 김태훈; 정의봉

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.10.1012

증발기 입구 배관의 구조 개선을 통한 냉장고 냉매 소음 저감
Reduction of Refrigerant-induced Noise of the Refrigerator by Modification of the Evaporator Inlet Pipe 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.10 = no.151, 2009년, pp.1012 - 1020

김민성 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 한형석 (국방기술품질원) , 김태훈 (LG전자 냉장고 사업부) , 정의봉 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This research is focused on the experimental study of the noise induced by two-phase refrigerant flow in the evaporator. The two-phase flow in the evaporator has various flow patterns. The effects of two-phase flow pattern's characteristics on the noise of the evaporator are investigated experimentally. The experimental data shows that the generated noise is mainly related to the layout of the pipe and the certain two-phase flow patterns such as the churn and slug flow. Based on these results, we removed the unnecessary vertical pipe and changed the pipe diameter of the evaporator - inlet into small one in order to avoid the intermittent flow condition. The noise level of newly-designed inlet-pipe of the evaporator was measured experimentally by refrigerant-supplying equipment and compared with that of conventional one.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 실제 냉동 싸이클 조건에서 2상 유동이 발생하는 냉장고 증발기를 대상으로 유동 양식을 예측 및 관찰하고, 증발기 관내를 흐르는 유동 양식과 소음 간의 관계를 실험적으로 파악해 보고자 한다. 그리고 소음이 발생될 것으로 예측될 경우 그 부분에서의 유동 양식을 안정된 유동 양식을 가지도록 변경시켜 냉매 소음을 근본적으로 저감하고자 한다.
또한 일반적으로 동일 싸이클 조건에서 중력의 영향으로 인해 수직류에서 슬러그나 처언류의 발생 가능성이 수평류보다 크다. 따라서 이 연구에서는 냉매 소음 발생을 수직류의 유동 양식과 연관시켜 수행하였다.
따라서 이 연구에서는 실제 냉동 싸이클 조건에서 2상 유동이 발생하는 냉장고 증발기를 대상으로 유동 양식을 예측 및 관찰하고, 증발기 관내를 흐르는 유동 양식과 소음 간의 관계를 실험적으로 파악해 보고자 한다. 그리고 소음이 발생될 것으로 예측될 경우 그 부분에서의 유동 양식을 안정된 유동 양식을 가지도록 변경시켜 냉매 소음을 근본적으로 저감하고자 한다.
또한 2절에서 언급한 바와 같이 수직류의 경우 동일 싸이클 조건에서 수평류에 비해 간헐류를 가질 확률이 크기 때문에 냉매 소음을 저감하기 위해서는 불필요한 수직관을 없애고 단순한 형상으로 증발기 입구 파이프를 구성해야 한다. 따라서 이 절에서는 증발기 입구 파이프의 관경을 줄이고 형상을 변경하였을 때 냉매 소음 변화를 확인해 보고자 한다.
냉장고 소음 실험과 유동 양식 예측으로부터 냉장고 증발기의 냉매 소음은 증발기 입구 파이프 내의 유동 양식과 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다. 따라서 이를 검증하기 위해 이 연구에서는 냉장고의 냉매 소음이 발생하는 열역학적 싸이클 조건을 고정시켜 놓은 상태에서 증발기를 연속적으로 운전할 수 있는 냉매 공급 장치를 제작하였다. 이 절에서는 이러한 냉매 공급 장치에 대한 증발기의 냉매 소음 개선에 대해 다루고자 한다.
따라서 이를 검증하기 위해 이 연구에서는 냉장고의 냉매 소음이 발생하는 열역학적 싸이클 조건을 고정시켜 놓은 상태에서 증발기를 연속적으로 운전할 수 있는 냉매 공급 장치를 제작하였다. 이 절에서는 이러한 냉매 공급 장치에 대한 증발기의 냉매 소음 개선에 대해 다루고자 한다.

가설 설정

따라서 슬러그 또는 처언 기포에 대해서 기포의 운동 방정식을 식 (5)로 두고 기포의 체적이 식 (6)과 같이 진동한다고 가정하였다.

제안 방법

(1) 질량 유속과 건도의 측정값으로부터 유동양식 선도를 이용하여 증발기 입구 배관을 흐르는 냉매의 유동 양식을 예측하였다. 예측한 유동 양식과 냉매 소음 측정결과를 비교 분석한 결과, 유동 양식이 슬러그류(slug flow) 또는 처언류(churn flow)일 때 냉매 소음이 주로 발생함을 실험적으로 확인하였다.
(2) 증발기 입구단의 유동 양식이 간헐류가 되는 것을 피하기 위해 관경 축소를 통해 질량 유속을 증가시키고, 동시에 내부 유동을 보다 안정되게 하기 위해 수직관을 제거한 새로운 증발기 입구 파이프 형상을 제시하였다. 제안된 증발기에 대한 검증을 하기위해 냉매 공급 장치를 제작하였고 이를 이용하여 이 논문의 냉장고 모델에 대하여 냉매 소음을 평가하였다.
2상 유동 및 기포동역학 이론을 바탕으로 냉장고 증발기에서 발생하는 냉매 소음 개선을 위해 냉장고 및 냉매 공급 장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
관경 변경에 따른 유동 양식 변경을 예측하기 위해서 Fig. 8과 같이 Hewitt의 유동 양식 선도를 이용하여 증발기 입구 파이프 내의 유동 양식을 예측해 보았다. 예측 결과 동일한 싸이클 조건에 대해 관경을 Φ4.
관경 축소에 따른 유속 증가로 인한 고주파 소음 증가를 개선하기 위해 증발기 형상을 단순화하여 Table 1의 치수와 재질, Fig. 11의 형상으로 증발기 입구 배관 샘플을 제작하였다.
냉장고에서 발생하는 냉매 소음의 특성과 그 원인을 파악하기 위해서 냉장고 단품을 대상으로 냉장고 후면에서 소음을 측정하였다. 또한 Fig.
6과 비교해 볼 때 관경을 줄여서 질량 유속을 증가시켰을 경우 처언류에 해당하는 건도 영역이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 따라서 냉장고 증발기 시료를 Fig. 9와 같이 제작하여 냉매 공급 장치를 통해 소음 평가를 수행하였다.
또한 Fig. 4와 같이 증발기 입구단의 수직관(Eva_in V)과 수평관(Eva_in H), 그리고 증발기 출구단의 수직관(Eva_out V)에 가속도 센서(B&K Type 4393)를 부착하여 가속도를 측정하였다.
4와 같이 증발기 입구단의 수직관(Eva_in V)과 수평관(Eva_in H), 그리고 증발기 출구단의 수직관(Eva_out V)에 가속도 센서(B&K Type 4393)를 부착하여 가속도를 측정하였다. 또한 냉동 싸이클 변화에 따른 증발기 온도 및 증발기 입구에서의 질량 건도를 측정하기 위해서 T형 열전대(thermocouple)를 통해 싸이클을 모니터링 하였다.
보조 싸이클을 이용하여 주 싸이클의 고압과 과냉도를 조정하였으며 주 싸이클 저압의 경우 냉매 공급 장치 내의 자동 팽창 장치를 이용하여 조정하였다. 또한 증발기 입구 배관의 수직관에 사이트 글래스(sight glass)를 설치하여 증발기내로 들어가는 냉매의 2상 유동을 관찰하였으며, 팽창 밸브 후단에 히터(heater)를 설치하여 증발기 입구로 들어가는 냉매의 건도를 조정할 수 있도록 하였다.
주 싸이클은 실험 대상인 증발기를 대상으로 한 싸이클이고 보조 싸이클은 주 싸이클의 응축기와 과냉기를 제어하기 위한 냉동 싸이클이다. 보조 싸이클을 이용하여 주 싸이클의 고압과 과냉도를 조정하였으며 주 싸이클 저압의 경우 냉매 공급 장치 내의 자동 팽창 장치를 이용하여 조정하였다. 또한 증발기 입구 배관의 수직관에 사이트 글래스(sight glass)를 설치하여 증발기내로 들어가는 냉매의 2상 유동을 관찰하였으며, 팽창 밸브 후단에 히터(heater)를 설치하여 증발기 입구로 들어가는 냉매의 건도를 조정할 수 있도록 하였다.
소음 평가는 증발기 온도 -10℃에 대해 건도 0.2, 0.4, 0.6 조건에서 냉매 공급 장치를 통해 수행하였다. 소음 측정 결과 1/3 옥타브 스펙트럼은 Fig.
(2) 증발기 입구단의 유동 양식이 간헐류가 되는 것을 피하기 위해 관경 축소를 통해 질량 유속을 증가시키고, 동시에 내부 유동을 보다 안정되게 하기 위해 수직관을 제거한 새로운 증발기 입구 파이프 형상을 제시하였다. 제안된 증발기에 대한 검증을 하기위해 냉매 공급 장치를 제작하였고 이를 이용하여 이 논문의 냉장고 모델에 대하여 냉매 소음을 평가하였다. 소음 비교 결과 파이프 관경을 축소하고 수직관을 제거한 증발기 모델이 기존 증발기 모델보다 냉매 소음이 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
3.2 유동 양식 예측

측정된 증발기 온도 및 건도와 냉매 R600a의 물성치를 적용하여 유동 양식 선도(two-phase flow pattern map)로 증발기 입구단의 2상 유동 양식을 예측하였다.

이론/모형

초기 2상 유동 모델은 액체와 기체가 평균 속도, 평균 밀도 및 평균 점도로 적절히 정의한 상태에서 단상류로 취급하여 해석하는 균질유동 모델을 사용하였고, 이후 Figs. 1, 2와 같이 액체와 기체의 상대 속도를 고려하는 분리 유동 모델이 많이 다루어져왔다.

성능/효과

Fig. 12에서 파이프의 형상 변경을 통해 315~400 Hz 대역 소음 레벨이 “proposed 1”에 비해 1.0~3.5 dB 감소함을 알 수 있었으며 2.5 kHz 이상에서 소음 레벨이 1.0~3.0 dB 감소함을 알 수 있었다.
냉매 소음 주파수별로 비교해보면, 건도 0.2, 0.4 조건에서는 315 Hz, 400 Hz, 2 kHz에서 각각1.5~ 2.3 dBA정도 소음 저감이 되었으며 건도 0.6일때는 기존 증발기 모델 “conventional”에서 소음 레벨이 많이 낮아지므로 315 Hz, 400 Hz, 2 kHz에서 각 각 0.6~0.8 dBA정도 소음이 저감된 것을 알 수 있었다.
냉장고 소음 실험과 유동 양식 예측으로부터 냉장고 증발기의 냉매 소음은 증발기 입구 파이프 내의 유동 양식과 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다. 따라서 이를 검증하기 위해 이 연구에서는 냉장고의 냉매 소음이 발생하는 열역학적 싸이클 조건을 고정시켜 놓은 상태에서 증발기를 연속적으로 운전할 수 있는 냉매 공급 장치를 제작하였다.
일반적으로 유동 양식 선도는 크게 수평류와 수직류로 나눌 수 있다. 냉장고 소음 측정 시 수평 배관보다는 수직 배관에서의 이상음이 훨씬 큼을 알 수 있었다. 또한 일반적으로 동일 싸이클 조건에서 중력의 영향으로 인해 수직류에서 슬러그나 처언류의 발생 가능성이 수평류보다 크다.
6인 조건에서 증발기 입구 파이프의 형상을 기존과 동일하게 한 상태에서 관경만 변화시켰을 때의 소음 비교 결과이다. 소음 비교 결과 증발기 온도가 -10℃일 때 2 kHz 대역 소음 레벨이 약 2.5 dB 감소함을 알 수 있다. 이는 유동 양식 예측 결과와 같이 유동양식이 환상류로 천이됨에 따른 효과로 볼 수 있다.
제안된 증발기에 대한 검증을 하기위해 냉매 공급 장치를 제작하였고 이를 이용하여 이 논문의 냉장고 모델에 대하여 냉매 소음을 평가하였다. 소음 비교 결과 파이프 관경을 축소하고 수직관을 제거한 증발기 모델이 기존 증발기 모델보다 냉매 소음이 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 특히 건도 0.
(1) 질량 유속과 건도의 측정값으로부터 유동양식 선도를 이용하여 증발기 입구 배관을 흐르는 냉매의 유동 양식을 예측하였다. 예측한 유동 양식과 냉매 소음 측정결과를 비교 분석한 결과, 유동 양식이 슬러그류(slug flow) 또는 처언류(churn flow)일 때 냉매 소음이 주로 발생함을 실험적으로 확인하였다.
우선, 5분 동안 측정한 315 Hz~20 kHz까지의 overall 값을 평균해서 그 값을 비교해 본 결과 대략 1 dBA정도 소음이 저감된 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 실험 결과로부터 관경 저감에 따른 유동 양식 천이가 소음 감소에 대해 효과적이긴 하지만 유속 증가로 인한 고주파 소음 증가가 문제임을 알 수 있었다.
소음 비교 결과 파이프 관경을 축소하고 수직관을 제거한 증발기 모델이 기존 증발기 모델보다 냉매 소음이 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 특히 건도 0.2, 0.4일때 315 Hz, 2 kH에서 각각 2.1~2.3 dBA정도 소음 저감이 된 것을 확인할 수 있었다.
이는 유동 양식 예측 결과와 같이 유동양식이 환상류로 천이됨에 따른 효과로 볼 수 있다. 하지만 2.5 kHz 이상에서는 기존 형상의 증발기 소음보다 약 1~3 dB 상승함을 알 수 있었으며 이는 관경 저감에 따른 유속 증가에 따른 결과로 판단된다.

후속연구

이 연구에서 다룬 냉매 공급 장치를 통한 냉매 소음 평가 방법 및 이를 통한 개선 방법은 향후 냉장고 증발기의 냉매 소음 저감에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2상 유동의 문제점은?	이때 증발기 관내에는 액상과 기상이 공존하여 흐르게 되는데 이러한 유동을 2상 유동(two-phase flow) 이라 하며 여러 인자에 의해 몇 가지 유동 형태로 구분할 수 있다. 2상 유동은 단상 유동보다도 불안정한 유동 형태를 가짐으로써 소음 및 진동 문제가 야기될 수 있으며, 특히 냉동 싸이클에서 증발기가 그 대상이 될 수 있다. 2상 유동 양식의 판별을 위해서 실험적인 방법과 이론적 접근이 이루어지고 있으며 특정 조건에서 어떠한 2상 유동 형태를 가질 것인지를 예측하기 위한 유동 양식 선도에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다(1~5).
	냉매 공급 장치 중 주 싸이클이란?	냉매 공급 장치는 크게 주 싸이클과 보조 싸이클로 이루어져있다. 주 싸이클은 실험 대상인 증발기를 대상으로 한 싸이클이고 보조 싸이클은 주 싸이클의 응축기와 과냉기를 제어하기 위한 냉동 싸이클이다. 보조 싸이클을 이용하여 주 싸이클의 고압과 과냉도를 조정하였으며 주 싸이클 저압의 경우 냉매 공급 장치 내의 자동 팽창 장치를 이용하여 조정하였다.
	2상 유동이란?	냉동 싸이클(cycle)에서 모세관을 통과한 냉매는 액체와 기체가 동시에 존재하는 2상(two-phase)상태로 증발기내로 들어와 열교환 과정을 거치게 된다. 이때 증발기 관내에는 액상과 기상이 공존하여 흐르게 되는데 이러한 유동을 2상 유동(two-phase flow) 이라 하며 여러 인자에 의해 몇 가지 유동 형태로 구분할 수 있다. 2상 유동은 단상 유동보다도 불안정한 유동 형태를 가짐으로써 소음 및 진동 문제가 야기될 수 있으며, 특히 냉동 싸이클에서 증발기가 그 대상이 될 수 있다.

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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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