[논문]표면의 이슬 맺힘 저감을 위한 냉장고 가스켓 및 냉동냉장실 내벽 구조개선에 관한 연구

강석훈; 김성진; 김주환; 민준기; 손창민; 박상후

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.4.457

표면의 이슬 맺힘 저감을 위한 냉장고 가스켓 및 냉동냉장실 내벽 구조개선에 관한 연구
A Study on the Design Parameters of a Gasket and Innercase of a Refrigerator to Reduce Dew Generation on the Outer Surface 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.4 = no.319, 2012년, pp.457 - 463

강석훈 (부산대학교 기계공학부) , 김성진 (부산대학교 기계공학부) , 김주환 (LG전자 냉장고 연구소) , 민준기 (부산대 롤스로이스 대학기술센터) , 손창민 (부산대학교 기계공학부) , 박상후 (부산대학교 기계공학부)

초록
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최근 사용자의 편의성과 냉장고 저장 공간의 확보를 위해 냉장고 문과 내벽을 얇게 제작하고 있다. 따라서 냉기차단 벽두께의 감소로 인하여 내 외부 온도차가 일정수준 이상으로 발생하고 이에 따라 표면의 이슬 맺힘 현상이 문제가 되는데, 이는 냉장고 설계에 있어 해결되어야 할 중요한 문제이다. 문제를 해결하기 위해 지금은 일반적으로 전기히터와 같은 발열체를 사용하였는데, 이 경우에 불필요한 전력소모가 뒤따른다. 본 연구에서는 기존방식과 달리 전기를 사용하지 않고 기계적 구조변경을 통한 해결방안으로 가스켓 최적화와 냉동냉장실 내벽두께 조정을 통해 표면에 이슬 맺힘 현상을 저감하는 방법을 제안한다. 해석결과를 살펴보면, 히터의 사용 없이 이슬 맺힘이 발생하는 부분에서의 온도가 국부적으로 $0.39{\sim}3.07^{\circ}C$까지 상승하는 효과를 얻어서 이슬 맺힘 현상을 저감시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

Current refrigerators are designed to have thin doors and walls to facilitate user convenience and increase inner storage space. However, the thin doors and walls gives rise to the problem of dew generation on the outer surface of a refrigerator due to a large critical temperature difference between the outer wall and the room air; So far, an electric heater is commonly used for making the dew to evaporate; in this case, the heater inevitably requires additional electrical power. We propose a new approach to reduce the dew generation in a refrigerator by redesigning the gasket and varying the thickness of the inner case of the refrigerator. The results of simulations performed in this study indicate that the surface temperature in the region where dew was generated was increased by approximately $0.39{\sim}3.07^{\circ}C$ without the use of a heater.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가스켓 주변에서 열유속(heat flux)이 집중되고 이로 인해서 냉장고 표면에 발생하는 이슬 맺힘 현상에 영향을 끼친다. 따라서 본 연구에서는 가스켓 형상의 설계변경을 통해 표면이슬 맺힘 현상을 감소시키고자 한다. 기존의 가스켓 형상을 10 mm확장한 해석을 통해 형상변경을 통해 효과를 확인해 볼 수 있었지만 가스켓중심의 온 도가 이슬점 (29.
따라서 본 연구에서는 기존의 연구와는 달리 냉장고 도어에 부착된 가스켓(gasket) 형상 최적화와 냉동·냉장실 내벽(inner-case) 두께를 국부적으로 줄여서 냉장고 내부의 저온이 외부로 전달되는 것을 방지하는 방안에 대하여 제안하고자 한다.
열전달 해석을 통해 냉장고의 문 주변, 특히 가스켓 주변의 온도 분포를 알아보고 이에 따라 가스켓 형상의 최적화와 내벽 두께변형을 사용한 최적의 열전달 모델을 제안하고자 한다. 열전달 해석에 사용된 해석모델의 물성은 Table 1과 같으며, 해석에 사용된 유한요소 해석프로그램은 ANSYS (ver.

제안 방법

(1) 가스켓 형상을 다구찌기법를 통해 최적화하고 전산해석을 통해 효과를 알아보도록 하였다. 가스켓을 연장한 모든 경우가 일반적인 모델보다 1.
냉장고 내부와 외부의 경계를 이루는 가스켓의 열차단 역할에 대하여 예비해석을 통해 알아 보았다. 가스켓 주변에서 열유속(heat flux)이 집중되고 이로 인해서 냉장고 표면에 발생하는 이슬 맺힘 현상에 영향을 끼친다.
일반적으로 냉장고를 운반하고 처음 가동할 때는 일정시간 안정화 과정을 거쳐야 설정한 온도의 성능을 발휘할 수 있다. 냉장고 안정화를 확인하기 위해 증발기의 입출구부에 열전대를 부착하여 Fig. 2와 같이 냉장고가 안정화 되는 주기 4시간)을 구하였다. 따라서 냉장고 작동상태가 완전히 안정화될 때 실험을 실시하였고, Fig.
2와 같이 냉장고가 안정화 되는 주기 4시간)을 구하였다. 따라서 냉장고 작동상태가 완전히 안정화될 때 실험을 실시하였고, Fig. 1에 나타낸 표면온도 측정은 응축기 가동이 일정한 2시간 기준으로 온도를 측정하고 평균값을 취하였다. Fig.
이는 일반적인 사용자 환경에 근거한 냉장고 설정온도이다. 또한 정확한 이슬점을 알아보기 위해 온도와 습도를 일정하게 유지시켜 주는 항온항습실에서 실험을 실시하였고, 표면온도 측정을 위해 열전대(thermocouple)를 사용하여 원하는 위치에 대한 온도분포를 얻도록 하였다(Fig. 1 참조). 일반적으로 냉장고를 운반하고 처음 가동할 때는 일정시간 안정화 과정을 거쳐야 설정한 온도의 성능을 발휘할 수 있다.
본 연구는 효율적인 전력소비 시스템 구축을 위해 이슬이 생기는 냉장고 표면근처의 히터를 제거하고 이를 대체할 가스켓 형상의 변형과 냉동냉장실 내벽 두께변형을 제안하고 효과를 검증하기 위해 히터가 없는 일반적인 모델과 같은 조건의 토대로 시행한 해석결과의 비교를 통해 전산해석 방법의 신뢰성을 정립하였고 그 전산해석 방법을 토대로 제안한 개선안의 전산해석을 실시하고 이슬 맺힘 저감 효과를 예측했다.
본 연구에서는 냉장고의 이슬 맺힘 실험조건으로 외부온도 32℃, 상대습도 85%로 하였다. 이 조건에서 29.
이슬 맺힘 현상의 전산해석을 통한 현상 분석을 위해서 이슬 맺힘 관찰 실험에 사용한 온도 및 습도조건을 경계조건으로 부여하여 해석을 실행하였다. 해석에 사용한 경계조건은 외부온도 32℃, 냉장실 내의 실제 측정 온도 6℃, 대류열전달계수 8 W/m²K을 외부와 냉장고내에 사용하였다.

대상 데이터

설계인자 a는 주 가스켓(main gasket)의 길이로 내·외부의 공기흐름을 차단하는 주된 역할을 하며, 설계인자 b는 주 가스켓과 부 가스켓 (secondary gasket)을 연결하는 실리콘 길이를 의미하며, 설계인자 c는 부 가스켓의 길이를 나타낸 것으로 냉장고 내부의 냉기와 1차적으로 접하는 가스켓으로 냉기차단에 추가적인 효과를 가질 것으로 판단된다.
이슬 맺힘 현상의 전산해석을 통한 현상 분석을 위해서 이슬 맺힘 관찰 실험에 사용한 온도 및 습도조건을 경계조건으로 부여하여 해석을 실행하였다. 해석에 사용한 경계조건은 외부온도 32℃, 냉장실 내의 실제 측정 온도 6℃, 대류열전달계수 8 W/m²K을 외부와 냉장고내에 사용하였다.⁽⁵⁾ 이에 따른, 현상분석 실험 시 표면온도 분포와 전산해석의 결과는 Fig.

데이터처리

(2) 냉동냉장실 두께변형을 통해 열유속를 줄이기 위한 방법으로 냉장고 가스켓 주변의 표면온도가 일반적인 모델과 0.39℃ ~ 1.97℃ 차이를 보여 표면에 맺히는 이슬저감에 효과가 있다는 것을 전산해석을 통해 알 수 있었다. 향후 가스켓과 냉동냉장실 두께 변형 시험 모델제작 및 실험을 통해 해석 값의 검증을 한다면 본 연구의 타당성을 입증하는데 좋은 방법이 될 것이다.
열전달 해석을 통해 냉장고의 문 주변, 특히 가스켓 주변의 온도 분포를 알아보고 이에 따라 가스켓 형상의 최적화와 내벽 두께변형을 사용한 최적의 열전달 모델을 제안하고자 한다. 열전달 해석에 사용된 해석모델의 물성은 Table 1과 같으며, 해석에 사용된 유한요소 해석프로그램은 ANSYS (ver.12.1, Ansys Inc.)을 사용하였다. 요소수는 약 60,000개이며 열전달은 식 (2)와 같이 일어난다.

이론/모형

6의 결과를 통해 확인할 수 있었다. 가스켓 형상과 길이에 대한 설계 인자의 요인효과 분석을 위해서 다구찌기법(Taguchi method)을 이용하였으며, 3가지 설계인자를 선택하여 각각 3 수준으로 설정하였다. 설계인자 a는 주 가스켓(main gasket)의 길이로 내·외부의 공기흐름을 차단하는 주된 역할을 하며, 설계인자 b는 주 가스켓과 부 가스켓 (secondary gasket)을 연결하는 실리콘 길이를 의미하며, 설계인자 c는 부 가스켓의 길이를 나타낸 것으로 냉장고 내부의 냉기와 1차적으로 접하는 가스켓으로 냉기차단에 추가적인 효과를 가질 것으로 판단된다.

성능/효과

따라서 본 연구에서는 가스켓 형상의 설계변경을 통해 표면이슬 맺힘 현상을 감소시키고자 한다. 기존의 가스켓 형상을 10 mm확장한 해석을 통해 형상변경을 통해 효과를 확인해 볼 수 있었지만 가스켓중심의 온 도가 이슬점 (29.16℃)보다 0.44℃낮아 추가적인가스켓 현상변경이 필요한 것을 Fig. 6의 결과를 통해 확인할 수 있었다. 가스켓 형상과 길이에 대한 설계 인자의 요인효과 분석을 위해서 다구찌기법(Taguchi method)을 이용하였으며, 3가지 설계인자를 선택하여 각각 3 수준으로 설정하였다.
5 (a)~(b)와 같으며, 실험값과 해석 값을 비교하여 정리하면 Table 2와 같다. 실험값과 해석결과 값의 오차가 최소 0.2℃ 최대 0.8℃차이를 보이며, 이에 따라 해석 모델이 실제 현상을 적절하게 구현할 수 있는 유효성을 가짐을 알 수 있다.
따라서 본 연구에서는 기존의 연구와는 달리 냉장고 도어에 부착된 가스켓(gasket) 형상 최적화와 냉동·냉장실 내벽(inner-case) 두께를 국부적으로 줄여서 냉장고 내부의 저온이 외부로 전달되는 것을 방지하는 방안에 대하여 제안하고자 한다. 제안하는 방법은 기존의 연구와 비교해 볼 때, 전력소모도 없고 새로운 부착물로 인한 조립성 문제도 최소화 할 수 있다.

후속연구

97 ℃가 높아 이슬 맺힘 저감에 효과가 있을 것이라 예상된다. 또한 전반적으로 온도측정위치②의 온도가 다른 부분에 비하여 낮기 때문에 향후 개선이 필요하다.
97℃ 차이를 보여 표면에 맺히는 이슬저감에 효과가 있다는 것을 전산해석을 통해 알 수 있었다. 향후 가스켓과 냉동냉장실 두께 변형 시험 모델제작 및 실험을 통해 해석 값의 검증을 한다면 본 연구의 타당성을 입증하는데 좋은 방법이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이슬 맺힘의 문제점은?	일반적으로 이슬 맺힘은 내‧외부 온도차에 의해 발생이 되는데 이러한 이슬 맺힘 현상은 물체를 부식시키거나, 표면특성을 변화시키기 때문에 방지해야할 현상이다. 냉장고는 내‧외부 온도 차이가 큰 대표적인 가전제품으로 고온다습한 환경에서 표면에 이슬 맺힘 현상을 비교적 쉽게 살필 수 있다.
	이슬 맺힘은 무엇에 의해 발생되는가?	일반적으로 이슬 맺힘은 내‧외부 온도차에 의해 발생이 되는데 이러한 이슬 맺힘 현상은 물체를 부식시키거나, 표면특성을 변화시키기 때문에 방지해야할 현상이다. 냉장고는 내‧외부 온도 차이가 큰 대표적인 가전제품으로 고온다습한 환경에서 표면에 이슬 맺힘 현상을 비교적 쉽게 살필 수 있다.
	가스켓 형상을 다구찌기법를 통해 최적화하고 전산해석한 결과는?	(1) 가스켓 형상을 다구찌기법를 통해 최적화하고 전산해석을 통해 효과를 알아보도록 하였다. 가스켓을 연장한 모든 경우가 일반적인 모델보다 1.37~3.07℃만큼 상회하여 전산해석으로 그 효과를 추측해 볼 수 있었다. 하지만 가스켓 길이의 연장의 경우 가스켓 면적이 넓어져 냉장고 개방력의 문제가 발생하게 된다. 이는 가스켓 형상의 변형은 단독으로 사용하기 보다는 외부열원 유도 시스템이나 냉동냉장실 두께변형과 복합적으로 적용하여 제작한다면 열선이 없는 상태에서도 이슬 맺힘을 개선하는데 효과가 있을 것이라 예상된다.

참고문헌 (7)

Kim, S. J., Kang, S. H., Park, K. H., Yoo, W. S., Park, S. H. and Choi, H. J., 2011, "A Study on the Reduction of Dew Generation on a Surface Using Induced Heat from Room Temperature," Journal of the KSPE, Vol. 26, No. 1, pp. 1-2.
Lee, M. Y., Lee, D. Y. and Kim, Y. C., 2007, "A Study on the Heat Transfer Performance of an Energy-Nose Section in a Household Refrigerator-Freezer," Trans. of the KSME B, Vol. 31, pp. 574-580.

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Jin, W. Y., Ha, J. S., Jung, K. S., and Kim, T. K., 2009, "A Research on Quantification and Sensitivity of Heat Loss in Residential Refrigerator," Proceedings of the SAREK 2009 Winter Annual Conference, pp. 221-226.
Barnberg, A.W.T., 1974, Psychrometry and Psychrometric Charts, Vol.3, Cape Town, Cape and Transvaal Prints Ltd.
Borgnakke, C. and Sonntag, R. E., 2010, "Fundamentals of Thermodynamics," Wiley, Vol. 7.
Lee, S. B., 2006, "Taguchi Method by Using Mimitab," Minitab, Korea, Vol. 2, pp.36-40.
Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Bergman, T. L., and Lavine, A. S., 2007, "Heat Transfer," John Wiley & Sons, Asia, Vol. 5, pp. 59-60.

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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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