[논문]냉장고 냉매소음 저감을 위한 단열 발포재의 진동 전달특성 분석

한형석; 김민성; 정의봉; 서민영; 이수영

doi:10.5050/ksnve.2010.20.1.045

[국내논문] 냉장고 냉매소음 저감을 위한 단열 발포재의 진동 전달특성 분석
Analysis of the Vibration Transmitting Characteristics of the Insulation-foam for Reducing Refrigerant-induced Noise of a Refrigerator 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.1 = no.154, 2010년, pp.45 - 50

한형석 (국방기술품질원 함정센터) , 김민성 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 정의봉 (부산대학교 기계공학부) , 서민영 ((주)LG전자) , 이수영 (성균관대학교 대학원 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In the refrigerator, the two-phase refrigerant-induced noise of the capillary tube in an evaporator-inlet pipe has been a great concern. The capillary tube is usually covered with insulation-foam packed in the space between inner and outer cabinets without any vibration isolation. Therefore, the refrigerant-induced vibration of the capillary tube can be easily transferred to the outer cabinet, which may increase the radiated noise. In this paper, the characteristics of transferred vibration through the insulation-foam are investigated experimentally by using the refrigerantsupplying equipment. The frequency characteristics, such as dynamic Young's modulus and loss factor, of the insulation-foam are also discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 냉매소음에 대한 연구는 주로 내부 유동관점에서 크게 다루어지고 있으나, 구조적인 측면에서의 냉매소음은 크게 다루어지고 있지 않고 있다. 따라서 이 연구에서는 구조적인 측면에서 냉장고의 작동 냉매가 2상 상태가 되는 구간에서의 구조적 진동 전달 특성을 다루고자 한다. 특히 냉장고의 경우 열손실을 방지하기 위해 단열 발포재를 사용하고 있는데 이들의 진동 전달 특성을 분석함으로써 2상 상태로 냉매가 흐르는 배관에서 발생한 냉매유발소음이 구조기인소음으로 외부로 얼마나 전달이 될 수 있는지를 분석하고자 한다.
하지만 이러한 단열 발포재에 대한 진동 절연 특성은 거의 다루어 지지 않았기 때문에 단열 발포재에 대한 진동 전달 특성을 파악하기가 쉽지 않다. 따라서 이 연구에서는 이들 단열 발포재에 대한 진동 전달 특성을 파악하기 위해서 진동 전달 특성을 결정하는 대표적인 항목인 강성과 손실계수를 시편을 통해 평가하고자 한다.
이 연구에서는 냉장고에서 냉매가 2상 상태로 흐르는 모세관과 압축기 흡입 배관에 적용되어 있는 단열 발포재에 대한 동적강성, 손실계수를 평가한다. 이들 평가를 통해 단열 발포재의 진동 전달 특성을 파악하고, 냉장고 냉매소음 평가를 위한 냉매 공급장치를 통해 단열 발포재가 냉매소음에 얼마만큼 기여하는지 파악해 보고자 한다.
이 연구에서는 냉장고에서 냉매가 2상 상태로 흐르는 모세관과 압축기 흡입 배관에 적용되어 있는 단열 발포재에 대한 동적강성, 손실계수를 평가한다. 이들 평가를 통해 단열 발포재의 진동 전달 특성을 파악하고, 냉장고 냉매소음 평가를 위한 냉매 공급장치를 통해 단열 발포재가 냉매소음에 얼마만큼 기여하는지 파악해 보고자 한다.
따라서 이 연구에서는 구조적인 측면에서 냉장고의 작동 냉매가 2상 상태가 되는 구간에서의 구조적 진동 전달 특성을 다루고자 한다. 특히 냉장고의 경우 열손실을 방지하기 위해 단열 발포재를 사용하고 있는데 이들의 진동 전달 특성을 분석함으로써 2상 상태로 냉매가 흐르는 배관에서 발생한 냉매유발소음이 구조기인소음으로 외부로 얼마나 전달이 될 수 있는지를 분석하고자 한다.

제안 방법

냉장고의 냉매소음이 발생하는 열역학적 싸이클 조건을 고정시켜 이를 연속적으로 운전할 수 있는 냉매공급장치를 통해 2상 상태로 흐르는 냉매가 흐르는 솔더링 배관에서 발생되는 진동이 단열 발포재를 통해 냉매소음으로 전달되는 영향도를 파악하였다. 냉매 소음의 발생 조건은 기존의 연구(4)를 통해서 이미 확인하였기 때문에 이 연구에서는 기존의 연구를 바탕으로 냉매소음 이 발생하는 열역학적 싸이클 조건을 증발기 온도가 -10도, 냉매유량이 2.8 kg/hr인 경우로 증발기 입구 배관 내의 유동양식이 처언류(churn flow)가 되도록 설정하였다.
냉장고의 냉매소음에 대해 구조적인 측면에서 모세관을 포함한 증발기 입구배관 및 압축기 흡입배관을 둘러싸고 있는 단열 발포재의 영향을 분석해 본 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
냉장고의 냉매소음이 발생하는 열역학적 싸이클 조건을 고정시켜 이를 연속적으로 운전할 수 있는 냉매공급장치를 통해 2상 상태로 흐르는 냉매가 흐르는 솔더링 배관에서 발생되는 진동이 단열 발포재를 통해 냉매소음으로 전달되는 영향도를 파악하였다. 냉매 소음의 발생 조건은 기존의 연구(4)를 통해서 이미 확인하였기 때문에 이 연구에서는 기존의 연구를 바탕으로 냉매소음 이 발생하는 열역학적 싸이클 조건을 증발기 온도가 -10도, 냉매유량이 2.
3과 같이 지그를 구성하고 두 개의 가속도계(Endevco model 27AM1-10)를 각각 마운트 상부 및 하부에 장착하여 측정된 가속도 값을 시간에 대해 두 번 적분하여 변위를 구하였다. 또한 각 시험 주파수에서 가진력을 일정하게 가해지도록 모니터링하기 위해서 가진기와 마운트 사이에 가진력 센서(force transducer)를 설치하였다. 가진기는 LING사의 LMT-100을 사용하였으며 20 Hz ~1.
은 에어컨 실내기에서 발생되는 냉매소음이 유동양식과 밀접한 관계가 있으며 난방 모드에서 실내기를 빠져나오는 냉매의 유동양식이 슬러그류가 될 때 냉매소음이 크게 발생함을 실험적으로 검증하였다. 또한 실내기 출구 배관 직경을 줄임으로써 질량 유속을 증가시켜 내부 유동양식을 환상류로 천이시키는 방식으로 냉매소음 저감 대책을 제시하였다. Umeda⁽²⁾는 전자팽창 밸브 입구의 유동양식이 슬러그(slug)류일 때 소음이 발생되며 파이프의 구조를 수평으로 하는 것이 슬러그류에 의한 소음 저감에 유리하다는 것을 시험을 통해 검증하였다.
냉매공급장치는 시험 유니트(test unit)가 설치되어 있는 무향실과 연결되어 냉장고와 동일한 사이클 상태의 냉매를 시험 유니트에 공급한다. 시험 유니트는 기존 냉장고에서 증발기와 홴만 구동되도록 구성되어 있으며 모세관을 포함한 증발기 입구 배관과, 압축기 흡입 배관은 냉장고 옆면을 통과하여 외부의 냉매공급장치와 연결되도록 구성하였다. Fig.
여기서 배관 진동에 의한 소음과 단열 발포재를 통해 캐비닛으로 전달되는 진동에 의한 소음을 분석하기 위해서 Fig. 8과 같이 총 4가지 경우(case)에 대해 냉매소음이 가장 크게 발생되는 지점인 냉장고 후면 중심에서 30 cm 떨어진 지점에서 마이크로폰(B&K Type 4189)을 설치하여 소음을 측정하였다.
2와 같이 정육면체로 제작하였다. 이들 시료에 대해 Fig. 3과 같이 지그를 구성하고 두 개의 가속도계(Endevco model 27AM1-10)를 각각 마운트 상부 및 하부에 장착하여 측정된 가속도 값을 시간에 대해 두 번 적분하여 변위를 구하였다. 또한 각 시험 주파수에서 가진력을 일정하게 가해지도록 모니터링하기 위해서 가진기와 마운트 사이에 가진력 센서(force transducer)를 설치하였다.
특히 발포재의 동적 강성은 250 Hz를 기준으로 저주파 구간과 고주파 구간에서 증가하는 형태가 다름을 알 수 있다. 이를 하나의 회귀식으로 표현할 경우 회귀식의 오차가 커지기 때문에 정확도를 증가시키기 위해 발포재의 동적 강성 회귀식을 식 (6)과 같이 250 Hz 전후에 대해 별도로 산출하였다.

대상 데이터

단열 발포재의 동적 강성 및 손실계수를 파악하기 위한 시편은 Fig. 2와 같이 정육면체로 제작하였다. 이들 시료에 대해 Fig.

이론/모형

식 (2)로부터 진동 절연재의 탄성률과 손실계수의 주파수 의존도에 따라 진동 전달률이 달라짐을 알 수 있다. 따라서 이 절에서는 KS M 6604⁽⁷⁾의 비공진법을 이용하여 냉장고에 사용되는 폴리우레탄 계열의 특정 단열 발포재에 대하여 동적강성과 손실 계수를 실험을 통해 평가하였다. 이러한 평가를 통해 단열 발포재가 고주파영역까지 진동 절연체로써 충분히 낮은 강성과 높은 손실계수를 가지는지 확인하고 단열 발포재를 캐비닛 사이에 진동 절연 없이 직접 적용하였을 때 냉매소음을 야기하는 배관 진동을 충분히 절연할 수 있을지 평가한다.

성능/효과

(1) 단열 발포재의 강성과 탄성률은 배관의 진동을 캐비닛으로 충분히 전달할 만큼 크며, 특히 고주파에서 큰 탄성률을 가짐을 알 수 있었다. 또한 손실계수의 경우 주파수에 따라 크게 달라짐을 알 수 있었다.
(2) 냉매공급장치를 통해 단열 발포재의 진동 전달 특성을 평가해 본 결과 단열 발포재를 배관과 캐비닛 사이에 아무런 진동 절연 없이 적용할 경우 진동 전달률은 고주파에서 매우 커지며, 이 연구에서 사용된 증발기 모델의 경우 1.6 kHz에서 최대 8 dB까지 차이가 발생함을 알 수 있었다. 통상적으로 냉장고의 단열 발포재의 경우 내부의 배관과 아무런 진동 절연 없이 연결되어 있으며 이는 냉매소음 관점에서 매우 불리함을 실험을 통해 검증하였다.
이러한 단열 발포재의 탄성률은 고주파에서 고무와 같은 진동 절연재에 비해 상대적으로 큼을 알 수 있었다. 따라서 고주파 광대역 주파수 특성을 가지는 이상 유동 영역의 배관 진동에 대해 단열 발포재가 효과적인 진동 절연 성능을 가질 수 없을 것으로 예측된다.
이러한 단열 발포재의 탄성률은 고주파에서 고무와 같은 진동 절연재에 비해 상대적으로 큼을 알 수 있었다. 따라서 고주파 광대역 주파수 특성을 가지는 이상 유동 영역의 배관 진동에 대해 단열 발포재가 효과적인 진동 절연 성능을 가질 수 없을 것으로 예측된다.
6 kHz에서 최대 8 dB까지 차이가 발생함을 알 수 있었다. 통상적으로 냉장고의 단열 발포재의 경우 내부의 배관과 아무런 진동 절연 없이 연결되어 있으며 이는 냉매소음 관점에서 매우 불리함을 실험을 통해 검증하였다.

후속연구

(3) 단열 발포재의 시편 실험을 통해 단열 발포재의 동적 강성과 손실계수를 파악하였으며, 이들 물성치는 향후 냉장고의 진동 및 방사 소음 해석에 유용한 자료가 될 것으로 기대된다.
따라서 이 절에서는 KS M 6604⁽⁷⁾의 비공진법을 이용하여 냉장고에 사용되는 폴리우레탄 계열의 특정 단열 발포재에 대하여 동적강성과 손실 계수를 실험을 통해 평가하였다. 이러한 평가를 통해 단열 발포재가 고주파영역까지 진동 절연체로써 충분히 낮은 강성과 높은 손실계수를 가지는지 확인하고 단열 발포재를 캐비닛 사이에 진동 절연 없이 직접 적용하였을 때 냉매소음을 야기하는 배관 진동을 충분히 절연할 수 있을지 평가한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉동기의 냉매소음은 언제 크게 발생하는가?	에어컨이나 냉장고에서 발생되는 소음 중 냉매에 의한 소음은 매우 불규칙적이며 냉동 싸이클에 따라 크게 변하기 때문에 이들 소음을 해결하는데 많은 어려움이 존재한다. 이러한 냉동기의 냉매소음은 주로 냉매가 2상 상태로 흐를 때 크게 발생된다. 하지만 냉동기의 원리상 냉매의 상변화를 막을 수 없으므로 냉동기에서의 냉매소음은 발생될 수밖에 없다.
	냉동기에서의 냉매소음은 왜 발생될 수밖에 없는가?	이러한 냉동기의 냉매소음은 주로 냉매가 2상 상태로 흐를 때 크게 발생된다. 하지만 냉동기의 원리상 냉매의 상변화를 막을 수 없으므로 냉동기에서의 냉매소음은 발생될 수밖에 없다. 따라서 이러한 2상 상태에서의 냉매소음에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
	이상 유동 구간의 냉매를 가지는 배관 표면의 가속도는 실제 발생되는 냉매소음과 패턴이 매우 유사한 것은 무엇을 나타내는 것인가?	이와 같은 이상 유동 구간의 냉매를 가지는 배관 표면의 가속도는 실제 발생되는 냉매소음과 패턴이 매우 유사한 것으로 알려져 있다(5). 이는 배관 내부에서 발생된 냉매유발소음이 배관의 구조기인소음으로 외부로 전달되고 있음을 나타낸다.

참고문헌 (7)

Han, H. S., Jeong, W. B., Aoyama, S. and Mo, J. Y., 2008, “Experimental Analysis for Reducing Refrigerant-induced Noise of 4-way Cassette Type Air Conditioner,” J. of JMST, Vol. 23, No. 5, pp. 1456-1467.

원문보기 상세보기
Umeda, T, 1993, “Reduction of Noise Caused by Gas-liquid Two-phase Refrigerant Flow Through an Expansion Valve,” J. of JSME, Vol. 59, No. 557, pp. 243-248.

상세보기
Hirakuni, S, 2004, “Noise Reduction Technology Caused by Refrigerant Two-phase Flow for Room Air-conditioner,” Japanese J. Multiphase Flow, Vol. 18, No. 1, pp. 23-30.

상세보기
Kim, M. S., Jeong, W. B., Han, H. S. and Kim, T. H., 2009, “Reduction of Refrigerant-induced Noise of the Refrigerator by Modification of the Evaporator Inlet Pipe,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibrations Engineering, Vol. 19, No. 10, pp. 1012-1020.

원문보기 상세보기
Han, H. S., Aoyama, S., Mo, J. Y., Lee, J. K., Song, Y. J., 2006, “Analyzing for Refrigerant Induced Noise for Split Type Air Conditioner Indoor Unit,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibrations Engineering, Vol. 16, No. 3, pp. 240-246.

원문보기 상세보기
Snowdon, J. C., 1979, “Vibration Isolation: Use and Characterization,” U.S Department of Commerce.
KS M 6604, 2006, “Testing Method for Rubber Vibration Isolator,” Korean Standards Association.

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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