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문제 정의
- 본 연구에서는 부피와 무게, 전원방식에서 소형화 및 경량화에 어려움이 존재하는 냉매압축 냉동시스템을 이동 및 휴대가 가능한 착용형 냉방시스템으로 개발하여 무더위시나 고열환경 작업자의 열적 스트레스를 줄여줌으로써 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 개인 냉방시스템으로 활용하고자 한다.
제안 방법
- (1) 착용형 개인 냉방시스템은 이동 및 휴대가 가능한 소형 냉동시스템이 적용되었으며 직접냉각방식으로 개발하였다.
- 그림 6은 그림 5와 같은 시험장치를 통해 주위온도 35℃조건에서 측정된 냉방시스템 각 부분의의 압력, 온도를 몰리에 선도에 나타낸 것이다. ①번 위치는 냉동컴프레서 토출구의 압력과 온도를 측정한 것으로 이를 통해 응축압력과 응축온도를 계산하였으며 ②번 위치는 응축기 출구에서의 온도를 측정하여 과냉도를 계산하였다. ③ 번 위치는 증발기 입구에서의 온도를 측정하였으며 ④번 위치는 냉동컴프레서 흡입구의 압력과 온도를 측정하여 과열도를 계산하였다.
- ①번 위치는 냉동컴프레서 토출구의 압력과 온도를 측정한 것으로 이를 통해 응축압력과 응축온도를 계산하였으며 ②번 위치는 응축기 출구에서의 온도를 측정하여 과냉도를 계산하였다. ③ 번 위치는 증발기 입구에서의 온도를 측정하였으며 ④번 위치는 냉동컴프레서 흡입구의 압력과 온도를 측정하여 과열도를 계산하였다. 증발온도 2.
- 8mm, 길이 3m의 동관을 스프링형태로 만들어 사용하였다. 감압의 역할을 수행하는 모세관은 길이에 따라 압력강하가 발생하며 적정의 모세관 길이는 주위온도조건에서 수회 반복시험을 통해 선정하였다. 작동전원은 리튬-이온 배터리(14,7V, 5.
- 신체방향으로 열전달을 높이기 위해 나일론 튜브는 알루미늄 테이프로 감쌌다. 나일론 튜브와 주위공기와의 결로현상을 줄이기 위해 조끼의 외측은 방수천으로 덧대었으며 심씰 테이프(Seam Seal Tape)를 사용하여 조끼 안쪽에 나일론 튜브를 부착하였다.
- 그림 4에서 시제작된 조끼 형태로 마네킹에 착용시켜 성능측정에 필요한 센서와 장치를 부착하였다. 냉동컴프레서와 응축기 팬에서 소비되는 전력은 전원공급기를 통해 공급 되는 전압과 전류를 측정하였으며 응축기와 팽창밸브인 모세관사이에는 R-134a용 질량유량계가 설치되어 있어 냉매유량을 측정하였다. 냉매의 압력을 측정하기 위하여 냉동컴프레서 흡입구와 토출구에 압력센서(keller, PA-33X)를 설치하여 흡입압력과 토출압력을 측정하였다.
- 냉동컴프레서와 응축기 팬에서 소비되는 전력은 전원공급기를 통해 공급 되는 전압과 전류를 측정하였으며 응축기와 팽창밸브인 모세관사이에는 R-134a용 질량유량계가 설치되어 있어 냉매유량을 측정하였다. 냉매의 압력을 측정하기 위하여 냉동컴프레서 흡입구와 토출구에 압력센서(keller, PA-33X)를 설치하여 흡입압력과 토출압력을 측정하였다. 냉방시스템의 온도측정을 위해 T-type열전대를 냉방시스템의 컴프레서 입출구, 응축기 출구, 증발기의 배관에 부착하였으며 단열재를 감싸 외부영향을 최소화하였다.
- 냉매의 압력을 측정하기 위하여 냉동컴프레서 흡입구와 토출구에 압력센서(keller, PA-33X)를 설치하여 흡입압력과 토출압력을 측정하였다. 냉방시스템의 온도측정을 위해 T-type열전대를 냉방시스템의 컴프레서 입출구, 응축기 출구, 증발기의 배관에 부착하였으며 단열재를 감싸 외부영향을 최소화하였다. 시험은 건구온도 35℃, 습구온도 24℃, 상대습도 40%인 항온항습기에서 진행하였으며 냉방시스템을 작동시켜 온도와 압력, 전력이 안정화되는 시점부터 데이터를 측정하였다.
- 직접냉각방식은 차가운 냉매가 흐르는 증발기를 냉각을 시키고자하는 물체와 열전도에 의해 열을 흡수하는 방식으로 증발기를 옷에 직접 부착하여 신체 열을 흡수 하는 방식이다. 따라서 적용된 증발기는 냉매와 냉동유의 영향이 없으며 냉매가스의 압력에 충분히 견디고 몸에 불편하지 하지 않으면서 옷에 부착되어야 하므로 유연성이 있는 나일론 튜브를 적용하였다.
- 무더위시나 고열환경 작업자의 열적 스트레스를 줄이기 위해 냉매압축 냉동시스템을 적용한 착용형 개인 냉방시스템으로 개발하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 증발기외에 냉방시스템의 구성품은 벨트타입으로 만들어진 케이스내에 내장되어 있다. 벨트와 케이스는 목업(mock-up)으로 제작하였다. 벨트 앞쪽에는 작동을 위한 작동스위치가 부착되어 있다.
- 사람마다 더위에 대한 개인적 민감도가 다르고 인체 안전성을 고려하여 개인 냉방시스템은 주위온도보다 약 10~15℃정도 낮게 유지되며 냉방능력은 최대 100W로 설계하였다.
- 온도 측정은 T-type열전대를 이용하였으며 나일론 튜브가 지나가는 4군데의 온도를 측정하여 평균값으로 나타내었다. 소비전력은 전원공급기를 통해 측정하였다. 나일론 튜브가 지나가는 부분의 온도는 주위온도와 비교하여 약 12~13℃정도 낮게 측정되었다.
- 냉방시스템의 온도측정을 위해 T-type열전대를 냉방시스템의 컴프레서 입출구, 응축기 출구, 증발기의 배관에 부착하였으며 단열재를 감싸 외부영향을 최소화하였다. 시험은 건구온도 35℃, 습구온도 24℃, 상대습도 40%인 항온항습기에서 진행하였으며 냉방시스템을 작동시켜 온도와 압력, 전력이 안정화되는 시점부터 데이터를 측정하였다.
- 감압의 역할을 수행하는 모세관은 길이에 따라 압력강하가 발생하며 적정의 모세관 길이는 주위온도조건에서 수회 반복시험을 통해 선정하였다. 작동전원은 리튬-이온 배터리(14,7V, 5.2Ah)를 적용 하여 이동시 작동에 무리가 없도록 하였다.
- 착용형 개인냉방시스템은 조끼형태의 의복에 냉방시스템을 부착하는 방식이며 직접냉각방식으로 설계되었다. 직접냉각방식은 차가운 냉매가 흐르는 증발기를 냉각을 시키고자하는 물체와 열전도에 의해 열을 흡수하는 방식으로 증발기를 옷에 직접 부착하여 신체 열을 흡수 하는 방식이다.
대상 데이터
- 응축방식은 응축기표면에 팬이 부착되어 강제 공냉방식으로 작동된다. 적용된 모세관은 내경 0.8mm, 길이 3m의 동관을 스프링형태로 만들어 사용하였다. 감압의 역할을 수행하는 모세관은 길이에 따라 압력강하가 발생하며 적정의 모세관 길이는 주위온도조건에서 수회 반복시험을 통해 선정하였다.
- 직접냉각방식 냉방시스템의 구성품은 나일론 튜브 외에 롤링피스톤방식의 냉동컴프레서와 응축기, 모세관, 배터리로 구성된다. 냉동컴프레서는 ASPEN사(USA)의 냉동컴프레서를 적용하였다.
데이터처리
- 그림 7은 주위온도 25℃부터 40℃로 변화시키면서 조끼 내부의 나일론 튜브가 부착된 봉제선 상단의 표면온도와 전체 소비전력을 측정한 것이다. 온도 측정은 T-type열전대를 이용하였으며 나일론 튜브가 지나가는 4군데의 온도를 측정하여 평균값으로 나타내었다. 소비전력은 전원공급기를 통해 측정하였다.
성능/효과
- (2) 착용형 개인 냉방시스템은 조끼형태의 의복에 냉방시스템을 부착한 형태로 냉방시스템의 구성품중 냉동컴프레서와 응축기는 그릴형태로 설계된 케이스내에 설치되며 조끼속에 증발기인 나일론 튜브가 매립되어 열전도에 의해 신체 열을 저감시킨다.
- (3) 착용형 개인 냉방시스템의 전체 무게는 배터리, 케이스, 조끼를 포함하여 약 3.0kg이다. 또한 착용형 개인 냉방시스템의 냉방능력은 약 100W이며 주위 온도보다 12~13℃ 낮게 유지되는 성능을 확인하였다.
- 0kg이다. 또한 착용형 개인 냉방시스템의 냉방능력은 약 100W이며 주위 온도보다 12~13℃ 낮게 유지되는 성능을 확인하였다.
- 9kPa이다. 측정된 개인냉방시스템의 전체 소비전력은 99.9W이며, 별도로 냉동컴프레서 전력은 측정하지 않았지만 팬의 소비전력이 약 6W이므로 전체 소비전력에서 이를 제외하면 냉동컴프레서의 전력은 약 94W로 추정된다.
후속연구
- 개발된 개인 냉방장치는 이동성과 착용성을 높이기 위해 냉방시스템 및 케이스의 무게를 저감하고 증발관의 배치, 증발기와 주위온도와의 차이에 의해 발생되는 결로 문제 등을 해결하기 위한 추가적인 보완과 개선연구가 필요하다.
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