[논문]식기세척기 내부 유동 분포 분석을 위한 유동가시화 기법 개발

김아란; 함정윤; 조진호; 조위삼; 고한서

doi:10.5407/jksv.2013.11.2.014

식기세척기 내부 유동 분포 분석을 위한 유동가시화 기법 개발
Development of Flow Visualization Technique for Analysis of Flow Distribution inside Dishwasher 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.11 no.2, 2013년, pp.12 - 17

김아란 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 함정윤 (삼성전자(주)) , 조진호 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 조위삼 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 고한서 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A flow visualization technique was developed to analyze flow distribution inside a dishwasher in this study. Then, a new design plan was proposed to improve the efficiency of the dishwasher by the analyzed results and it was confirmed experimentally by the developed technique. Gas flow fields inside a drying duct of a tub for a drying process was investigated by a developed PIV (Particle Image Velocimetry) and a CFD (Computational Fluid Dynamics) method. Also, the flow visualization technique was developed for the liquid flow field of a rotor-arm system to propose the improved design idea. Also, interactions between liquid and gas were observed around the rotor-arm system. The two-phase flow was modified to the liquid flow field because laser sheets are refracted when pass through the two-phase flow. Thus, the flow visualization techniques was developed in this study to measure the instantaneous flow velocities in the liquid quantitatively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 관점에서 Kim은 식기세척기 주요 부위에서의 유동 현상을 수치적으로 해석하여 유동 유로의 특성 및 그에 따른 성능 변화를 파악함으로써 식기세척기 설계를 위한 유체역학적 자료를 해석적으로 제시하였다⁽⁵⁾. 건조과정에 있어서도 저에너지의 고효율 건조 성능을 만족하는 식기세척기의 개발에 필요한 기초자료를 제공하는 것을 목적으로, Lee는 건조 성능과 건조에 관계된 인자인 가열 헹굼 온도, Blower 풍량, 건조시간과의 상관 관계를 젖은 표면과 주위 유동과의 물질 및 열 전달식과 습공기 상태량을 이용하여 규명하였다⁽⁶⁾.
본 연구에서는 식기세척기 내부 유동가시화 실험을 위하여 가시화용 식기세척기를 제작하였고 건조 과정과 세척 과정 실험에 적합한 실험 장치를 구성하였다. 식기세척기 건조 덕트 내부 유동 분포를 PIV 기법으로 도출할 수 있었고, 유동에 영향을 미치지 못하는 건조 덕트 외부 형상 및 내부 형상을 변경하여 보다 효율적인 설계안을 제시하였다.
본 연구에서는 식기세척기의 내부 유동 분포 분석을 위한 PIV 기법을 개발하여 건조 덕트 내부 유동 분포와 Rotor arm system의 하단 노즐에서 토출되는 세척수의 속도장 패턴을 분석하고, 분석된 자료와 CFD 해석을 기초로하여 식기세척기의 개선된 설계안을 제시하고자 한다.

제안 방법

2와 같이 전면부, 우측면부, 좌측면부, 상측면부를 가시화할 수 있도록 제작하였다. Tub 내부 Rotor arm system에서 분사되는 세척수가 대기 중으로 분사 될 때 물줄기가 레이저 광원을 굴절시키므로 식기세척기 Tub 내부에 사각 수조를 제작하고, 그 안에 물을 채워 단상유동으로 변경할 수 있도록 구성하였다. 실험 영역은 Fig.
적은 양의 세척수로 세척력을 향상시키기 위해 Rotor arm system 의 하단 노즐의 개선안을 제시하고 PIV 실험을 수행하였다. 개선안으로 액체가 토출되는 노즐의 직경을 3mm에서 2.5mm로 줄였으며 세척수가 식기에 골고루 도달할 수 있도록 노즐의 각도를 조절하였다. PIV 실험 수행 결과 Fig.
본 연구에서는 식기세척기 내부 유동가시화 실험을 위하여 가시화용 식기세척기를 제작하였고 건조 과정과 세척 과정 실험에 적합한 실험 장치를 구성하였다. 식기세척기 건조 덕트 내부 유동 분포를 PIV 기법으로 도출할 수 있었고, 유동에 영향을 미치지 못하는 건조 덕트 외부 형상 및 내부 형상을 변경하여 보다 효율적인 설계안을 제시하였다.
식기세척기가 가지는 건조 과정 중 건조 덕트 내부 유동 분포와 세척 과정 중 Rotor arm system 하단 노즐의 Hole 별 속도 벡터 파악을 위한 PIV 실험을 진행하였다. 실험 진행에 앞서 레이저 평면광의 입사와 추적 입자에 의한 레이저 산란 촬영을 위해 불투명한 플라스틱 및 금속재질의 몸체를 빛의 투과성이 좋은 아크릴 재질로 Fig.
적은 양의 세척수로 세척력을 향상시키기 위해 Rotor arm system 의 하단 노즐의 개선안을 제시하고 PIV 실험을 수행하였다. 개선안으로 액체가 토출되는 노즐의 직경을 3mm에서 2.

대상 데이터

PIV 실험장치는 532nm의 파장을 갖는 Nd-YAG Rod pulse laser를 광원으로 이용하였고, 변위 정보를 획득할 디지털 CCD 카메라(해상도 512x512), 계산용 소프트웨어, 건조 과정 실험과 세척 과정 실험에 적합한 추적입자를 사용하였다. 작동유체가 공기인 건조 덕트 내부 유동 분포 분석을 위한 실험의 추적 입자로 올리브오일(직경 1mm)을 이용하였고, Atomizer를 이용하여 입자를 투입하였다.
Tub 내부 Rotor arm system에서 분사되는 세척수가 대기 중으로 분사 될 때 물줄기가 레이저 광원을 굴절시키므로 식기세척기 Tub 내부에 사각 수조를 제작하고, 그 안에 물을 채워 단상유동으로 변경할 수 있도록 구성하였다. 실험 영역은 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 Rotor arm system의 하단노즐이다.
PIV 실험장치는 532nm의 파장을 갖는 Nd-YAG Rod pulse laser를 광원으로 이용하였고, 변위 정보를 획득할 디지털 CCD 카메라(해상도 512x512), 계산용 소프트웨어, 건조 과정 실험과 세척 과정 실험에 적합한 추적입자를 사용하였다. 작동유체가 공기인 건조 덕트 내부 유동 분포 분석을 위한 실험의 추적 입자로 올리브오일(직경 1mm)을 이용하였고, Atomizer를 이용하여 입자를 투입하였다. 또 작동유체가 물인 Rotor arm system의 하단 노즐 속도장 파악을 위한 추적 입자로 Rhodamine B로 코팅된 형광입자(직경 15mm)를 유동장에 주입하여 사용하였다.

성능/효과

Fig. 7 (b)의 PIV 실험 결과를 통해 볼 수 있듯이 필터의 사용 면적이 증가된 것을 확인할 수 있었고, 기존안에 비해 효율이 높아져 비용도 절감시킬 수 있었다.
7 (a) 와 같이 내부 유동 경로를 기존의 병렬 구조에서 직렬 구조로 변경 하였다. Filter는 기존 하나의 크기를 1/4 크기로 등분하여 4곳에 설치하였고, 구조상 Filter가 효율적으로 이용될 것으로 예상하여 Filter 크기를 기존 모델보다 50% 정도 감소시켰다. Fig.
5mm로 줄였으며 세척수가 식기에 골고루 도달할 수 있도록 노즐의 각도를 조절하였다. PIV 실험 수행 결과 Fig. 9와 같이 개선된 모델의 속도가 기존 모델보다 상대적으로 증가하였음을 확인할 수 있었으며, Table 1과 같이 회전력을 고려한 상대 속도의 증가를 볼 수 있었다. 속도뿐만 아니라 최와곽 홀의 각도를 변경하였으므로 세척 범위가 보다 넓어진 것을 알 수 있었다.
건조 덕트 내부 유동 분포 실험 결과를 통해 작동유체가 건조 덕트 내부 필터를 효율적으로 활용하지 못하고, 일부분만으로 흘러나가는 유동 집중 현상이 발생함을 확인할 수 있었다 (Fig. 5). 작동유체가 건조 덕트로 유입되기 시작하는 상단부의 좌측 영역은 0.
5 m/s 에서 2 m/s 로 높아졌음을 알 수 있다. 그리고 상단부 좌측 영역보다 우측 영역의 속도가 조금 더 높았던 영향을 받아 중간 영역 우측부의 속도가 좌측부보다 0.2 m/s 정도 더 높다는 것을 확인하였다(Fig. 5 (d)).
Fan으로 유입된 유동장은 대부분 하단의 Fan 방향으로 진입하지만 일부 유동은 좌측 하단 영역을 순환하게 되는 Dead zone이 형성된다. 또한 하단부는 상단부에서 유입되는 다소 높은 속도의 영향으로 건조 덕트 좌측 벽면의 유속이 우측 벽면보다 높으며, 우측의 유속은 미약하게 나타남을 알 수 있었다.
5 (b)). 상단부 구간의 우측 영역은 0.1 - 0.6 m/s 로 좌측 영역보다는 약간 높은 속도를 보였고, 전 구간에서 작동유체가 흡입되는 Fan 방향으로 흐르는 것을 알 수 있었다(Fig. 5 (c)).
9와 같이 개선된 모델의 속도가 기존 모델보다 상대적으로 증가하였음을 확인할 수 있었으며, Table 1과 같이 회전력을 고려한 상대 속도의 증가를 볼 수 있었다. 속도뿐만 아니라 최와곽 홀의 각도를 변경하였으므로 세척 범위가 보다 넓어진 것을 알 수 있었다.
이상유동의 유동장을 단상유동으로 변경할 수 있도록 구조를 개선하여 Rotor arm system의 하단노즐에서 토출되는 세척수의 속도벡터 패턴 파악을 위한 실험을 수행할 수 있었고, 노즐 홀별 속도벡터 실험 결과를 얻을 수 있었으며, 노즐의 크기와 각도를 조절한 개선안을 제시하여 세척 효율이 향상되었음을 확인하였다.

후속연구

식기세척기는 1960년대 초부터 미국에서 보급이 시작되었지만, 식기의 형상이 여러 가지이기 때문에 식기를 넣는 방법에 따른 성능의 차이가 생긴다. 또 근본적으로 에너지에 대한 규제 및 이에 대응하기 위한 식기세척기의 에너지 성능이 구매에도 큰 요소로 작용하고 있어 적은 에너지 사용으로 세척성능과 건조성능의 향상을 위해 지속적인 연구과 개발이 필요하다. 이처럼 식기세척기는 사용자 목적에 따른 다양한 관점의 개발이 중요하고, 적은 양의 세척수를 사용하면서 낮은 전기사용료를 가지는 효율이 뛰어난 제품을 위한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고효율 식기세척기를 개발하기 위해서는 어떤 능력을 갖추는 것이 중요한가?	Lindken 과 Merzkirch(4)는 입자와 기포의 크기가 서로 다르다는 점에 착안하여 영상분리를 위한 디지털 마스크(digital mask)기법을 제안하였고, 입자의 변위를 추적하기 위하여 MQD(minimum quadratic difference)기법을 사용하였다. 고효율 식기세척기를 개발하기 위해서는 식기세척기 내부 유동의 형태를 파악하고 해석 능력을 갖추는 것이 중요하다. 이러한 관점에서 Kim은 식기세척기 주요 부위에서의 유동 현상을 수치적으로 해석하여 유동 유로의 특성 및 그에 따른 성능 변화를 파악함으로써 식기세척기 설계를 위한 유체역학적 자료를 해석적으로 제시하였다(5).
	본 논문에서 PIV 실험장치는 무엇을 광원으로 이용하였는가?	PIV 실험장치는 532nm의 파장을 갖는 Nd-YAG Rod pulse laser를 광원으로 이용하였고, 변위 정보를 획득할 디지털 CCD 카메라(해상도 512x512), 계산용 소프트웨어, 건조 과정 실험과 세척 과정 실험에 적합한 추적입자를 사용하였다. 작동유체가 공기인 건조 덕트 내부 유동 분포 분석을 위한 실험의 추적 입자로 올리브오일(직경 1mm)을 이용하였고, Atomizer를 이용하여 입자를 투입하였다.
	여러 기업에서 식기세척기의 지속적인 개발 경쟁을 하고 있는 이유는 무엇인가?	이처럼 식기세척기는 사용자 목적에 따른 다양한 관점의 개발이 중요하고, 적은 양의 세척수를 사용하면서 낮은 전기사용료를 가지는 효율이 뛰어난 제품을 위한 연구가 필요하다. 또한 다른 가전제품에 비해 보급률이 낮은 편이기 때문에 여러 기업에서도 지속적인 개발 경쟁을 하고 있다.

참고문헌 (11)

D. Broder and M. Sommerfeld, 2001, "Experimental Studies of the Hydrodynamics in a Bubble Column by an Imaging PIV/PTV-System", Proc. 4th International Symposium on Particle Image Velocimetry, pp.1089.1-12.
Y. Hassan, 2002, "PIV Measurements and Analysis of Multiphase Bubbly Flows", Proc. 10th International Symposium on Flow Visualization, F0455.1-9.
L. Gui, L. Lindken and W. Merzkirch, 1997, "Phase-Separated PIV Measurements of the Flow Around Systems of Bubbles Rising in Water", ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting.
R. Lindken and W. Merzkirch, 2002, "A Novel PIV Technique for Measurements in Multiphase Flows and Its Application to Two-Phase Bubbly Flows", Experiments in Fluids, Vol. 33, pp.814-825.

상세보기
S. H. Kim, 2007, "Numerical Studies on the Analysis and Enhancement of Flow Characteristics inside the Dish Washer", Ajou University, Master's Thesis.
J. H. Lee, 2007, "A Study on the Parameter to Improve the Drying Performance of the Dishwasher", Pusan National University, Master's Thesis.
R. D. Keane and R. J. Adrian, 1992, "Theory of cross-correlation analysis of PIV images", Applied Scientific Research, Vol. 49, No. 3, pp.191-215.

상세보기
R. J. Adrian, 1991, "Particle-Image Techniques for Experimental Fluid Mechanics", Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 23, pp.261-304.

상세보기
M. Raffel, C. E. Willert and J. Kompenhans, 2007, "Particle image Velocimetry A Practical Guide", Springer, 2nd edition.
Y. H. Kim, "A Study on PIV Measurement by Correlation Method", Korea Maritime University, Master's Thesis.
H. M. Koo, W. S. Choi, B. J. Oh and J. K. Lee, 1998, "An Experimental Study on the Cross-Flow in Air conditioning Devices: Study on the influence of Some Basic Design Parameters", The Korean Society of Mechanical Engineers, pp.438-443.

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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