[논문]냉장고의 균일 냉기유동을 위한 유동구조 개선에 관한 연구

유재현; 김판근; 박상후; 배원병; 김주완

doi:10.7736/kspe.2012.29.9.995

[국내논문] 냉장고의 균일 냉기유동을 위한 유동구조 개선에 관한 연구
Development of a Flow-duct for Uniform Flow of Chilly Air in a Refrigerator 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.9, 2012년, pp.995 - 1002

유재현 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 김판근 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 박상후 (부산대학교 기계공학부) , 배원병 (부산대학교 기계공학부) , 김주완 (LG전자 HA사업본부 냉장고연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In a refrigerator, many food boxes are stored, so the flow of chilly air has very complicate stream paths inside the room of a refrigerator. Moreover, on some occasions, there is no flow of chilly air in a space due to blocking flow paths by food boxes, which is an important issue to be settled for improving the ability of food storage with fresh states. One of methods to solve this problem is to redesign the flow-pattern of chilly air to be uniform flow inside room, if possible. In this work, we have tried to design the duct-structure for the uniform flow of a chilly air using a FE-analysis method. And we conducted real commercial tests using a refrigerator having the redesigned duct. The results showed that good agreements with general requirements.

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AI 본문요약
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문제 정의

또한 냉장고 내의 균일한 온도분포는 성능에도 영향을 주어서 음식물을 오랫동안 보관할 수 있는 역할도 한다. 본 연구에서는 이러한 냉장고의 냉기유동을 균일화 하기 위한 유동 덕트 (flow duct) 구조에 관한 것으로 유동 덕트 설계변수가 유동특성에 어떠한 영향을 주는지 알아보았다.
그러나 냉장고에서의 유체 유동특성 개선에 관한 연구의 발표사례가 거의 없기 때문에 본 연구에서는 해석적 방법으로 팬을 포함하여 그릴판으로 냉기가 원활하게 빠져나갈 수 있도록 냉기의 유동경로에 대하여 설계에서 요구되는 변수에 대하여 연구를 수행하였다. 또한, 그릴판으로 균등한 냉기가 유출되기 위한 슈라우드와 그릴판 내부의 구조에 대한 기초 설계변수 연구는 향후 냉장고 효율차원에서 중요하게 다룰 연구분야이다.
기초해석을 통하여 팬 모델이 전체 유동에 미치는 영향을 알아 보았다. 본 연구가 그릴판으로 나오는 냉기가 전체적으로 균일한 조건이 되도록 설계하기 위한 것이기 때문에 팬 모델이 전체 유동에 큰 영향이 없다면 해석시간과 모델링 노력을 줄이기 위하여 팬에서 나오는 유동을 방사형으로 배출된다고 가정하고 문제를 접근할 수도 있다.
따라서 결과적으로 팬이 없는 비 회전 단순화 모델에 경우 실제 모델과 유동의 차이를 보이므로 팬을 포함한 회전 단순화 모델을 기초로 개선안에 대한 해석을 진행하기로 하였다.
이것은 상단부의 경우 냉기를 뿜어내는 팬의 위치에 가까이 있으며 내부 덕트 구조의 문제로 분석된다. 따라서 본 연구에서는 토출비 개선을 위하여 내부 덕트구조 형상을 제안하였다.
본 연구에서는 가정용 (top mount)냉장고 팬 영역에서의 냉기 순환유동특성 향상을 위한 최적의 덕트 구조 방법을 제안하고자 하였다. 냉동실 안에서의 순환유동특성의 경우 각 토출구에서 질량 유량을 이용하여 유한요소해법을 이용하여 수치적으로 예측하였으며 실제 냉장고의 내부 온도측정을 하였다.
따라서 하단부에 격벽을 제작하여 냉기가 손실없이 냉동실로 유입이 되도록 유도하는 방법은 상당히 효과적임을 알 수 있었다. 또한 최종적으로 개선된 설계안에 대하여 냉동실로 유입되는 유동 특성을 분석해 보았다. Fig.

가설 설정

팬은 1000 rpm 으로 회전을 함으로 마하수 (Mach number)가 0.3 보다 작기 때문에 비압축성으로 가정하여 계산하였다. 지배방정식은 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다.
Fig. 5(a)와 같이 팬이 없는 경우는 입구부분에서 냉기가 팬 삽입구에서 방사형으로 방출이 된다는 가정에서 해석을 실시하였다. Fig.
기초해석을 통하여 팬 모델이 전체 유동에 미치는 영향을 알아 보았다. 본 연구가 그릴판으로 나오는 냉기가 전체적으로 균일한 조건이 되도록 설계하기 위한 것이기 때문에 팬 모델이 전체 유동에 큰 영향이 없다면 해석시간과 모델링 노력을 줄이기 위하여 팬에서 나오는 유동을 방사형으로 배출된다고 가정하고 문제를 접근할 수도 있다.

제안 방법

본 연구에서는 냉동실이 냉장실 위에 위치한 탑 마운트 형 (top mount) 냉장고에 대하여 ANSYS CFD (ver. 10)을 이용하여 해석적 방법으로 유동덕트 구조 개선을 실시하였다. 팬 유동에 대한 개선은 실험적 방법으로도 해결할 수 있지만 복잡한 유동경로를 포함할 경우에는 최적 설계안을 도출하는데 어려움이 있다.
냉동실의 유동특성을 분석하기 위하여 먼저 냉장고에 사용되는 팬의 유동특성을 분석하였다. 팬 소음 문제해결과 성능향상을 위하여 냉장고에 사용되는 팬은 원심형 팬 (centrifugal fan)을 주로 사용하고 있다.
팬 모델의 요소 개수에 따른 해의 영향도를 분석하기 위하여 Fig. 3과 같이 원심형 팬을 사면체 요소 (tetra mesh)를 이용하여 분할요소 2,000,000 개에서 6,000,000 개까지 500,000 개씩 증가시켜 유한 요소모델을 생성하였다. 팬의 날개 부분의 면과 고정영역인 슈라이더의 팬 경계면의 경우 조밀한 요소를 구성하여 각각에 대해서 해석을 수행하고 계산된 유량 값으로 요소 수에 대한 해의 영향도를 평가하였다.
3과 같이 원심형 팬을 사면체 요소 (tetra mesh)를 이용하여 분할요소 2,000,000 개에서 6,000,000 개까지 500,000 개씩 증가시켜 유한 요소모델을 생성하였다. 팬의 날개 부분의 면과 고정영역인 슈라이더의 팬 경계면의 경우 조밀한 요소를 구성하여 각각에 대해서 해석을 수행하고 계산된 유량 값으로 요소 수에 대한 해의 영향도를 평가하였다. 이것을 근거로 하여 본 연구에 적용할 유한요소모델의 요소 수를 결정하였다.
팬의 날개 부분의 면과 고정영역인 슈라이더의 팬 경계면의 경우 조밀한 요소를 구성하여 각각에 대해서 해석을 수행하고 계산된 유량 값으로 요소 수에 대한 해의 영향도를 평가하였다. 이것을 근거로 하여 본 연구에 적용할 유한요소모델의 요소 수를 결정하였다.
4를 살펴보면 분할 요소의 수에 대한 유량의 변화는 요소의 수가 3,700,000 부근 이상에서 일정한 값으로 유량이 나타났다. 따라서 실제 해석모델에서는 해석시간을 고려하여 약 3,777,000 개의 격자를 구성하여 요소 수에 의한 영향을 배제시켰다고 판단되며, 계산의 정확도를 높이기 위하여 경계면 부근의 격자는 상대적으로 더 조밀하도록 구성하였다 (Fig. 3 참조).
개선모델을 위한 설계변수의 연구를 위하여 먼저 기본적인 형상을 제안하였다. 새로운 그릴판 형상은 Fig.
6(a)와 6(b)와 같이 기존 형상과 달리 상단부 토출량을 줄이기 위하여 상단부의 토출구 1, 4번 (Fig. 5(c) 참조)을 제거하였으며, 중간부에서도 5, 8번을 제거하여 전체적으로 토출비가 가장 작은 하단부로 냉기가 잘 빠져 나오도록 하였다.
제안 형상에 대하여 각 토출구의 토출량을 알아보기 위해 각 레벨의 유동분포를 해석적으로 확인하였다. Fig.
하지만 제안모델에서 개선은 되었지만 큰 유량차이를 보임을 알 수 있다. 기본 성능해석을 통하여 제안된 모델을 기본모델로 정하고 유량차이를 줄이기 위한 설계방안에 대하여 알아보았다.
각 레벨에서의 적절한 냉기 분배를 위하여 먼저 리브 형상 및 토출구 형상 재설계를 수행하였다. 첫 번째는 Fig.
8(a)와 같이 하단부 냉기 토출구 아래쪽에 격벽 (rib)를 설치하였다. 또한 냉동실의 유동 원활을 위하여 전면부 토출구를 생성하도록 구조변경을 실시하였다 (Fig. 8(a)에서 new outlet 참조).
하지만 이 모델의 문제점은 여전히 상단부와 하단부의 냉기 유출량 차이가 13% 정도 발생함을 알 수 있다. 따라서 이러한 부분을 개선하고자 하단부의 냉기 토출부의 형상을 양쪽으로 나누어서 토출구 아래에 있는 격벽의 끝단부로 빠져나가는 냉기손실을 줄이도록 하였다 (Fig. 8(a) 참조).
실험은 냉동실에 각 위치별 온도 측정 실험 장치를 설치하여 실험을 진행하였다. 냉장고의 온도 테스트의 경우 항상 동일한 외부온도 조건이 가장 중요하므로 항온 항습실을 이용하여 일정한 외부 온도를 구현하였다. 최종 개선안에 대한 실험적 검증을 위하여 Fig.
냉장고의 온도 테스트의 경우 항상 동일한 외부온도 조건이 가장 중요하므로 항온 항습실을 이용하여 일정한 외부 온도를 구현하였다. 최종 개선안에 대한 실험적 검증을 위하여 Fig. 11와 같이 최종 설계된 그릴판에 대하여 시제품을 제작하였다.
제작된 시제품을 이용하여 실제 냉장고에 부착하고 유동변화에 따른 이슬 맺힘 등의 문제점을 확인해 보고 실제 적용가능성을 평가하였다. 실험은 항온 항습실에서 냉각시험을 통하여 비교를 하였다.
제작된 시제품을 이용하여 실제 냉장고에 부착하고 유동변화에 따른 이슬 맺힘 등의 문제점을 확인해 보고 실제 적용가능성을 평가하였다. 실험은 항온 항습실에서 냉각시험을 통하여 비교를 하였다. 실험조건은 외부온도 30℃ 내부 습도 85%를 유지하여 실험을 실시하였다.
냉각실험 결과에서 기존안과 유사한 특성을 나타났으며, 냉장 냉동실의 온도가 제안하는 그릴판을 사용한 경우 좀 더 낮게 나와서 냉장고 작동효율은 다소 향상된 것으로 분석된다 (Table 2 참조). 따라서 새로운 그릴판 구조를 제안하여 냉동실의 상단, 중간, 하단부의 각 영역별로 동일한 냉기유출을 유도하는 할 수 있는 구조를 제안하고 해석적 기법을 이용한 그릴판 설계방법을 정리하였다.
본 연구에서는 가정용 (top mount)냉장고 팬 영역에서의 냉기 순환유동특성 향상을 위한 최적의 덕트 구조 방법을 제안하고자 하였다. 냉동실 안에서의 순환유동특성의 경우 각 토출구에서 질량 유량을 이용하여 유한요소해법을 이용하여 수치적으로 예측하였으며 실제 냉장고의 내부 온도측정을 하였다. 그리고 그 결과를 바탕으로 새롭게 제안하는 그릴판의 덕트 형상을 제작하여 실험적으로 그 효과를 확인하였다.
냉동실 안에서의 순환유동특성의 경우 각 토출구에서 질량 유량을 이용하여 유한요소해법을 이용하여 수치적으로 예측하였으며 실제 냉장고의 내부 온도측정을 하였다. 그리고 그 결과를 바탕으로 새롭게 제안하는 그릴판의 덕트 형상을 제작하여 실험적으로 그 효과를 확인하였다.
실험은 냉동실에 각 위치별 온도 측정 실험 장치를 설치하여 실험을 진행하였다. 냉장고의 온도 테스트의 경우 항상 동일한 외부온도 조건이 가장 중요하므로 항온 항습실을 이용하여 일정한 외부 온도를 구현하였다.

이론/모형

난류 유동해석을 하기 위해서는 다양한 난류모델을 적용하여 사용할 수 있는데 본 연구에서는 선 회류를 고려한 k-ε 난류 모델을 이용하였다.
3 보다 작기 때문에 비압축성으로 가정하여 계산하였다. 지배방정식은 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 난류 유동해석을 하기 위해서는 다양한 난류모델을 적용하여 사용할 수 있는데 본 연구에서는 선 회류를 고려한 k-ε 난류 모델을 이용하였다.
이렇게 고정영역인 슈라우더와 회전영역인 팬 두 개의 영역으로 설정하여 각 영역간의 경계 계산은 프로즌 로터 방법을 적용하여 수행하였다.

성능/효과

7(b)에서 알 수 있듯이 상단부 (1 level)와 하단부 (3 level)의 유량차이가 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 기존 모델의 경우 상단부와 하단부의 냉기 유량차이가 약 44.6% 정도 나타났으며, 제안된 모델에서는 유량차이가 약 19.5% 정도로 나타났다. 따라서 제안된 모델이 유량차이를 줄이는 것에 효과적임을 알 수 있다.
5% 정도로 나타났다. 따라서 제안된 모델이 유량차이를 줄이는 것에 효과적임을 알 수 있다. 하지만 제안모델에서 개선은 되었지만 큰 유량차이를 보임을 알 수 있다.
상단부와 하단부의 냉기유량 차이가 약 6%로 나타났다. 따라서 하단부에 격벽을 제작하여 냉기가 손실없이 냉동실로 유입이 되도록 유도하는 방법은 상당히 효과적임을 알 수 있었다. 또한 최종적으로 개선된 설계안에 대하여 냉동실로 유입되는 유동 특성을 분석해 보았다.
냉각실험 결과에서 기존안과 유사한 특성을 나타났으며, 냉장 냉동실의 온도가 제안하는 그릴판을 사용한 경우 좀 더 낮게 나와서 냉장고 작동효율은 다소 향상된 것으로 분석된다 (Table 2 참조). 따라서 새로운 그릴판 구조를 제안하여 냉동실의 상단, 중간, 하단부의 각 영역별로 동일한 냉기유출을 유도하는 할 수 있는 구조를 제안하고 해석적 기법을 이용한 그릴판 설계방법을 정리하였다.
(1) 기존의 냉장고에 설치된 냉기유출구의 경우 냉기가 상층부에 편중적인 유동을 하여 상단부와 하단부의 냉기 유동차이가 약 24.6% 정도 발생하여 균일 냉각에 문제가 되었다.
(2) 따라서 본 연구를 통하여 냉동실 균일 냉각을 위한 그릴판 구조를 제안하여 최종 개선안에서 상단부와 하단부의 차이가 약 6% 정도로 나타났으며 이것은 기존 모델과 비교하여 큰 변화라고 할 수 있다.

후속연구

그러나 냉장고에서의 유체 유동특성 개선에 관한 연구의 발표사례가 거의 없기 때문에 본 연구에서는 해석적 방법으로 팬을 포함하여 그릴판으로 냉기가 원활하게 빠져나갈 수 있도록 냉기의 유동경로에 대하여 설계에서 요구되는 변수에 대하여 연구를 수행하였다. 또한, 그릴판으로 균등한 냉기가 유출되기 위한 슈라우드와 그릴판 내부의 구조에 대한 기초 설계변수 연구는 향후 냉장고 효율차원에서 중요하게 다룰 연구분야이다.
(3) 본 연구를 통하여 하단부 토출량을 증대시키기 위한 방안을 해석적 방법으로 설계변수를 확인하는 과정을 정리하였으며, 냉기유동과 관련된다른 모델에 대해서도 확대적용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉동시스템에서 에너지 효율을 올리는 방법으로 무엇이 있는가?	최근 지구온난화 등의 기후적 영향으로 친환경, 고효율 제품에 대한 세계적인 관심이 증가함에 따라 냉장고를 포함한 냉동 시스템 산업에서도 에너지 효율이 중요한 이슈로 취급되고 있다. 냉동시스템에서 에너지 효율을 올리는 방법 중에 하나는 시스템 외부로 냉기유출을 줄이는 방법과 냉기의 균일한 흐름을 유도하여 냉장고 내에서 국부적인 온도차이를 줄이고 냉동 주기를 늘여서 에너지를 줄이는 방법 등이 있다. 또한 냉장고 내의 균일한 온도분포는 성능에도 영향을 주어서 음식물을 오랫동안 보관할 수 있는 역할도 한다.
	정상상태 해석에 일반으로 사용되는 혼합면 기법의 장점은 무엇인가?	7,8 그러나 3차원 점성유동의 비정상 모사는 높은 성능의 하드웨어와 많은 계산시간이 요구한다. 그러므로 동익과 정익 상호작용의 비정상 해석에 따르는 과도한 계산 하중을 줄이는 방법으로 정상상태 해석에 일반으로 사용되는 혼합면 기법 (mixing plane method)이 제안되었으며, 이 방법은 각각의 열 (row)에서 하나의 블레이드 (blade) 통로만을 계산하므로 동익과 정익의 블레이드 수가 서로 다른 경우에도 쉽게 적용할 수 있으며 계산에 소요되는 시간도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 상류 경계면의 유동장이 하류 경계면으로 직접 전달되지 않고 회전방향으로 평균된 근사치가 전달되기 때문에 상류에서 발생한 후류 등이 하류로 이어지지 못하고 모두 희석되어버리는 단점이 있다.
	냉장고의 냉기순환 및 분배는 어떻게 이루어지는가?	1에 나타낸 것처럼 팬 (fan)에 의해서 냉기가 강제유동으로 덕트 내부로 유입된 뒤 그릴판 (grill plate)을 통하여 냉장실 또는 냉동실로 나오는 과정을 포함한다. 증발기 (evaporator)에서 만들어진 냉기가 슈라우드 (shroud)에 부착된 팬에 의하여 그릴판으로 강제로 냉기를 뿜게 되어 있다. 이때 냉기가 흐르는 덕트는 슈라우드와 그릴판 사이에 형성되며 냉기의 일부 (약 10~15%)는 냉장실 쪽으로 유입되도록 설계되어 있다.

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원문보기 상세보기
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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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