[논문]트리즈를 이용한 에어컨디셔너 프레임구조 설계

최하영; 정의문; 이종수

doi:10.7735/ksmte.2012.21.6.961

트리즈를 이용한 에어컨디셔너 프레임구조 설계
Design of Air-Conditioner Frame Structure Using TRIZ Based Contradiction Analysis 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.6, 2012년, pp.961 - 967

최하영 (연세대학교 기계공학과 대학원) , 정의문 (연세대학교 기계공학과 대학원) , 이종수 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The metal is frequently used in the air-conditioner frame, which must have the durability from the various external environments, but has difficulties in being manufactured for many complex shapes. On the other hand, the plastic, used as a material of injection molding, enables the realization of various shapes and the mass-production of complex ones and leads low production cost. As the air-conditioner frame becomes increasingly complex and detailed, the plastic material is highlighted as an alternative for the frame. But the product molded by plastic with a complex shape might have a noise problem. Therefore this study attempts to design the product through TRIZ in order to reduce the noise of the air-conditioner with the frame of plastic material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 에어컨디셔너의 외장을 고급화하고 소음을 저감하기 위해 저렴하고 성형성이 좋은 플라스틱 재질의 프레임 소재를 적용하였다. 이로 인해 발생하는 문제점을 극복하기 위해 트리즈 기법을 적용하여 해결하고자 한다.
본 논문에서는 최근 유용하게 사용되고 있는 창의적 설계 방법 중 하나인 트리즈(TRIZ, theory of inventive problem solving)를 이용하여 에어컨디셔너를 설계하고자 한다. 트리즈는 실제 개념 설계과정에 있어서 창의적으로 아이디어를 내는 방법론으로써 우수한 특허에서 추출된 해결 방법과 문제 유형에 따라서 많은 해결 도구를 제시해서 창의적인 설계 안을 도출할 가능성을 높게 해준다^(3~6).

제안 방법

상‧하단을 2개의 형상으로 분리하여 전체가 플라스틱재질로 된 경우와 상단은 강철 재질, 하단은 플라스틱 재질로 된 경우를 고려한다. 3차원 모델링은 IDEAS을 이용하였으며, 몰딩설계기간 단축을 위해 3차원 모델링은 캐비티와 코어 파트로 설계한 후 커팅 하였다. 각 파트모델은 2,800개의 구성요소로 이루어졌다.
기술적 모순은 서로 다른 두 개의 변수가 충돌할 때 발생하는 모순이고, 기술적 모순이 두 기술 변수가 상충관계에 있는 경우인데 반하여 물리적 모순은 하나의 기술 변수가 서로 다른 값을 동시에 가져야 하는 경우이다. 기술적 모순은 40가지 발명원리를 이용하며, 물리적 모순은 시간에 의한 분리, 공간에 의한 분리, 조건에 따른 분리, 부분과 전체에 의한 분리를 이용해서 문제를 해결한다. 또한, 트리즈에는 39가지의 물리적 파라미터를 가지는 모순 행렬을 제시함으로써 모순을 해결함에 있어서 정량화된 방법론을 제시한다.
기술적 모순은 40가지 발명원리를 이용하며, 물리적 모순은 시간에 의한 분리, 공간에 의한 분리, 조건에 따른 분리, 부분과 전체에 의한 분리를 이용해서 문제를 해결한다. 또한, 트리즈에는 39가지의 물리적 파라미터를 가지는 모순 행렬을 제시함으로써 모순을 해결함에 있어서 정량화된 방법론을 제시한다.
후면 흡입부 적용에 따른 유용한 기능과 유해한 기능을 적용하여 모순을 도출하여 Table 4와 같이 모순 행렬을 적용한다. 모순 행렬의 결과를 기본으로 Table 5와 같이 본 연구에서 개선하고자 하는 소음을 정의할 수 있는 2가지 항목과 구조적 강도를 정의할 수 있는 2가지의 항목으로 시험 계획을 수립하였다. 또한, 유통환경 조건의 시험계획은 Fig.
본 논문에서는 에어컨디셔너의 외장 고급화와 소음저감, 외부 유통환경에 견딜 수 있도록 트리즈를 이용하여 해결책을 선정하였다. 트리즈에 의해 설계된 에어컨디셔너와 기존 에어컨디셔너의 성능을 Concept 모델링과 Prototype을 기초로 소음측정과 CAE 구조해석, 유통환경조건 시험에 의해 비교하였다.
후면 프레임 구조를 완전히 플라스틱 소재를 적용할 경우 구조 해석에서 파손으로 인해 적용이 어려운 것으로 예측이 되었다. 이를 해결하기 위해 트리즈에서 제시하는 40가지 발명의 원리 중 1번 분할의 원리를 적용하였다. Fig.
본 논문에서는 에어컨디셔너의 외장 고급화와 소음저감, 외부 유통환경에 견딜 수 있도록 트리즈를 이용하여 해결책을 선정하였다. 트리즈에 의해 설계된 에어컨디셔너와 기존 에어컨디셔너의 성능을 Concept 모델링과 Prototype을 기초로 소음측정과 CAE 구조해석, 유통환경조건 시험에 의해 비교하였다. 트리즈에 의해 선정된 후면 흡입방식과 플라스틱 재질을 사용함으로써 소음을 저감할 수 있었으며 또한 디자인 구현도 만족시킬 수 있었다.
파괴시험은 프로토타입으로 제작 시 플라스틱 재질의 경우 사출한 것과 같이 이음새 없는 가공이 어렵고, 후면 프레임을 프로토타입으로 제작할 경우 실제 금형으로 사출한 것과 물성이 상이하기 때문에 CAE 구조해석을 하였다.
플라스틱 재질을 사용함으로 인해 부분적인 제품의 강도보강을 위해서 Table 6과 같이 모순 행렬을 적용하면 제품의 중량을 감소시키면서 체적을 증가시키지 않도록 트리즈에서 제시하는 조합의 원리를 이용하였다. 이 결과로 Fig.
기존의 중앙 집중 냉방 방식에서 점점 더 간결해지는 디자인적인 요구 사양에 의해 공기의 흡입부와 토출부가 전면에서 측면으로 이동하면서 전면에서 디자인적인 틈새가 보이지 않는 것을 만족해야 한다. 현재의 디자인 경향을 만족하면서 본 연구에서 문제의 인식은 에어컨디셔너의 주요 기본 성능 요인 중의 하나인 체감 소음의 개선과 외관 프레임 구조의 다양한 소재 적용을 하면서 강성을 확보하기 위한 기존 Steel 소재의 프레임 구조에서 플라스틱 소재의 프레임을 적용 한다^(13~15). 현재 에어컨디셔너의 디자인 경향은 Table 1에서 보여주고 있으며, 토출부의 형상 및 흡입부의 형상은 Table 2에 나타내었다.

대상 데이터

3차원 모델링은 IDEAS을 이용하였으며, 몰딩설계기간 단축을 위해 3차원 모델링은 캐비티와 코어 파트로 설계한 후 커팅 하였다. 각 파트모델은 2,800개의 구성요소로 이루어졌다.
구조해석을 위해 기본적인 플라스틱 및 강철의 물성 데이터는 Table 9와 같다. 플라스틱은 일반적으로 사용되는 HIPS 2.5mm 두께, 강철은 전기아연도금 강판 0.6mm로 선정하였다. 시험 결과를 고찰하면 Fig.

이론/모형

본 논문에서는 에어컨디셔너의 외장을 고급화하고 소음을 저감하기 위해 저렴하고 성형성이 좋은 플라스틱 재질의 프레임 소재를 적용하였다. 이로 인해 발생하는 문제점을 극복하기 위해 트리즈 기법을 적용하여 해결하고자 한다.

성능/효과

그리고 프레임 강도를 만족하기 위하여 금속소재로 보강하였다. 공학문제해결을 위해 많은 부분들이 TRIZ가 제시하는 해법으로 해결할 수 있음을 확인할 수 있었으며, TRIZ의 모순 Matrix를 활용하면 현 단계의 지식의 축적이 없이도 시행착오를 줄이고 체계적으로 해결이 가능함을 확인할 수 있었다.
6mm 비교 시 차음 특성 면에서는 플라스틱 소재가 더 좋지만 외부 유통환경에 있어서 취약한 구조로 인해 상부는 금속 소재로 적용을 하고 하부는 플라스틱 소재로 적용하는 것이 유리하다. 그리고 전면 흡입과 후면 흡입방식의 소음을 비교 시 처음 예측한 것과 같이 후면 흡입 구조가 전면 흡입 구조 대비 소음이 4.6dB(A) 감소 효과가 있음을 알 수 있었다. 후면 흡입 방식은 초기 제시한 소음 개선과 디자인 구현이라는 두 가지를 모두 만족시킬 수 있는 방법이다(Table 8).
6mm로 선정하였다. 시험 결과를 고찰하면 Fig. 6과 같이 플라스틱 소재는 백화 이상의 현상이 발생하는 변형률 5%를 초과하며 각 체결부위에서 큰 변형이 발생하며 변형이 발생하는 부분은 백화 이상의 파손이 예상된다. 또한, 소재의 물성이 가지고 있는 42MPa 항복점 이상의 응력 발생으로 파손이 예측된다.
6mm의 주파수 응답 특성은 Table 7과 같다. 즉, 플라스틱 재질이 소재의 특성과 두께로 인해 감쇠의 효과가 있음을 보여준다. 플라스틱 2.
트리즈에 의해 설계된 에어컨디셔너와 기존 에어컨디셔너의 성능을 Concept 모델링과 Prototype을 기초로 소음측정과 CAE 구조해석, 유통환경조건 시험에 의해 비교하였다. 트리즈에 의해 선정된 후면 흡입방식과 플라스틱 재질을 사용함으로써 소음을 저감할 수 있었으며 또한 디자인 구현도 만족시킬 수 있었다. 그리고 프레임 강도를 만족하기 위하여 금속소재로 보강하였다.

후속연구

트리즈와 같은 시스템은 모든 구성원들이 창의적인 사고를 체계적으로 할 수 있도록 한다. 또한 정형화 되어있고 수렴적인 아이디어 도출 방법을 습득함으로써 연구원간의 분산적인 네트워크 구성을 통해서 연구 개발 프로세스의 집중화 현상을 방지하고 아이디어의 질을 높일 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가정용 에어컨디셔너의 보급이 증가하는 이유는?	최근 생활수준의 향상과 기후가 아열대성으로 변화함으로써 가정용 에어컨디셔너의 보급이 증가되고 있다. 현재 에어컨디셔너는 고효율뿐만 아니라 제품 외장소재의 고급화와 쾌적한 실내환경을 위해 소음저감 연구는 더욱 중요해 졌다.
	에어컨디셔너의 구조설계에서 무엇을 고려하여 재료를 선정해야 하는가?	에어컨디셔너의 구조설계를 함에 있어 외장 고급화와 강도를 고려하여 재료를 선정해야 한다. 일반적으로 제품설계 시 사출성형의 재료로 사용되고 있는 플라스틱은 다양한 형상의 디자인 구현과, 복잡한 형상을 대량 생산하는 것이 가능하다.
	사출성형의 재료로 플라스틱 대신 무엇이 많이 사용되는가?	또한 소재의 범용성과 그 비용 또한 타 소재에 비해서 저렴하다. 그러나 제품의 프레임에 해당하는 구조에는 다양한 외부 유통환경에 견딜 수 있어야하기 때문에 플라스틱 재질의 소재보다는 금속재질의 소재가 많이 사용되고 있다. 복합재료를 사용하여 강성이나 엔지니어링적 요구사항을 보완할 수 있다.

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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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