[논문]흄후드 시스템의 면 풍속 자동 제어기 개발

김호걸; 정규원

doi:10.7735/ksmte.2013.22.2.304

[국내논문] 흄후드 시스템의 면 풍속 자동 제어기 개발
Development of an Automatic Face Velocity Controller for a Fume Hood System 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.22 no.2, 2013년, pp.304 - 309

김호걸 (LG화학 광학소재 CS1팀) , 정규원 (충북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In chemical, medical or biology laboratories Fume Hoods are basic facilities which can protect researchers from dangerous gas as blowing the contaminated air outside. After the air inside the laboratory room is sucked into the hume hood, then, it is blew out by a fan rotated by an AC induction motor. In addition, a damper controls the inside opening of a duct, which the air flows through. The face velocity, air velocity through the front door, have to be kept constant as the set value even though the opening of the door is varied. However, conventional fume hood used to be operated by operator's manual switches. So that, in this paper an automatic control system is developed which controls the face velocity by adjusting the rotating speed of the blow motor and the opening of the damper. Experiments show that this developed system can be used at such laboratories.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 화학적으로 위험한 물질을 다루는 실험실에서 실험자들이 안전하게 또한 실험에 집중할 수 있도록 자동으로 훔후드의 면 풍속을 제어하는 제어시스템을 개발하였다. 또한 이를 실험을 통하여 실용적으로 사용할 수 있음을 보였다.

제안 방법

그러므로 흄후드는 건물 전체 공조 제어시스템과 연계할 수 있고, 자동으로 흄후드 내부의 공기의 상태를 검출하여 배기 블로워, 실내 공기 공급 블로워 등을 자동으로 동작시킬 수 있어야한다. 이를 위하여본 논문에서는 흄후드의 면 풍속을 측정하고, 댐퍼와 배기 블로워를 조작하여 설정된 면 풍속을 자동으로 조절할 수 있는 흄 후드용 디지털 제어기를 개발한다. 이 제어기는 추후에 흄 후드 내부의 가스 농도, 온도 측정 센서, 흄후드 배기 블로워, 실내 공기 공급 블로워 등을 연계할 수 있는 기능을 갖도록 하였다.
이를 위하여본 논문에서는 흄후드의 면 풍속을 측정하고, 댐퍼와 배기 블로워를 조작하여 설정된 면 풍속을 자동으로 조절할 수 있는 흄 후드용 디지털 제어기를 개발한다. 이 제어기는 추후에 흄 후드 내부의 가스 농도, 온도 측정 센서, 흄후드 배기 블로워, 실내 공기 공급 블로워 등을 연계할 수 있는 기능을 갖도록 하였다. 또한 개발된 제어기를 이용하여 자동으로 풍속이 조절되는 상태를 실험으로 확인하도록 한다.
이 제어기는 추후에 흄 후드 내부의 가스 농도, 온도 측정 센서, 흄후드 배기 블로워, 실내 공기 공급 블로워 등을 연계할 수 있는 기능을 갖도록 하였다. 또한 개발된 제어기를 이용하여 자동으로 풍속이 조절되는 상태를 실험으로 확인하도록 한다.
이를 위하여 본 논문에서 센서와 블로워 등의 장치의 특성을 분석하고, 통신 방법을 확정하였으며, 고성능 마이크로 콘트롤러를 사용한 디지털 제어기를 설계, 제작하였다. Fig.
주제어기의 구성은 Fig. 4와 같으며, 고성능의 Micro Controller Unit(MCU)인 Atmega128을 사용하고 여기에 LCD 표시기를 연결하여 시스템의 동작 상태와 설정 상태를 보여주도록 한다. 이를 구동하기 위한 소프트웨어는 C 언어를 사용하여 개발한다⁽⁵⁾.
훔후드 면 풍속을 제어하기 위한 기초 시험으로 블로워의 특성을 시험하였다. 블로워는 모터의 회전 속도에 따라 유량이 결정되므로, 인버터 드라이버에 주어지는 주파수 명령에 따라 변하는 블로워 출구 공기 속도를 측정하였다.
훔후드 면 풍속을 제어하기 위한 기초 시험으로 블로워의 특성을 시험하였다. 블로워는 모터의 회전 속도에 따라 유량이 결정되므로, 인버터 드라이버에 주어지는 주파수 명령에 따라 변하는 블로워 출구 공기 속도를 측정하였다. 블로워는 많이 사용되는 2가지 모델에 대하여 측정된 결과를 Fig.
또한 이를 실험을 통하여 실용적으로 사용할 수 있음을 보였다. 더욱이 개발된 제어기는 최근에 많이 사용되는 저렴하면서도 고성능의 MCU를 사용하고, 시스템 내의 모든 구성품이 통신 기능에 의하여 연결되어 있으므로 소프트웨어 모듈만 추가하여 대규모 시스템으로 확대 적용이 가능하도록 하였다.

대상 데이터

댐퍼제어기는 댐퍼의 회전각도를 측정할 수 있는 포텐셔미터와 DC모터 드라이버를 장착하고 있으며, 제어 기능은 점퍼의 설정에 따라 수동 스위치 제어, 수동 가변저항 제어, 통신제어 기능을 선택할 수 있으며, KIMO CTV100-AOD 풍속 센서를 연결할 수 있도록 아나로그 디지털 변환기를 갖고 있다. MCU로서 PIC16F73를 사용하였다⁽⁷⁾.
본 연구에 사용된 블로워의 인버터는 상용으로 시판되는 LS 산전의 SV008iG5A-2을 사용하였으며, RS 485 통신을 이용하여 주제어기와 연결되어 있다⁽⁸⁾. 이 인버터는 가변 전압 가변주파수(VVVF) 방식으로 동작하며, 주제어기의 명령에 따라 블로워 팬 모터의 회전 속도가 조절된다.
9에 블로워를 흄후드에 연결하여 면풍속을 인버터의 주파수를 변경하여 가면서 측정한 결과를 보였다. 이 실험에는 흄후드의 전면 문은 완전히 개방한 상태로, 블로워는 상용의 LGT-F19DTA를 사용하고, 댐퍼의 개구량은 30도, 45도, 60도의 3가지 경우에 대하여 실험결과를 얻었다. 면 풍속 조건은 완전 개방일 때 0.
자동 면풍속 제어 실험은 댐퍼를 완전히 개방된 상태로 진행하였으며, 실험에 사용된 장치들로는 블로워는 LGT-F19DTA 를 사용하였고, Fume Hood는 HMB-B-1200이며, 전면 문은 1/2 개방하고, 인버터는 SV008iG5A-2을 사용하였다.

이론/모형

2에서 보듯이 대규모 실험실에서 다양한 센서와 기기들을 연결하여 사용할 수 있도록 확장성을 갖도록 한다. 제어시스템에서 각각의 장치는 다수 장치가 서로 통신할 수 있는 RS-485통신 방식을 사용하여 연결된다.
풍속센서는 프랑스 KIMO Constructeur 사의 CTV100- ADO 모델을 사용하며, Table 1에 주요 사양을 보였다⁽⁶⁾. 이 센서는 4 ~ 20 mA 아나로그 신호를 출력하므로, 이 전류 신호를 부하저항 R_L = 200Ω 사용하여 전압으로 변환하면, 풍속센서전압 = 0.

성능/효과

iii) 하부 장치(블로워, 댐퍼 및 외부기기) 등과의 통신다수의 장치가 국번을 사용하여 서로 통신할 수 있는 방식인 RS-485 방식을 사용하여 다양한 장치들을 사용할수 있는 기능.
이 실험에는 흄후드의 전면 문은 완전히 개방한 상태로, 블로워는 상용의 LGT-F19DTA를 사용하고, 댐퍼의 개구량은 30도, 45도, 60도의 3가지 경우에 대하여 실험결과를 얻었다. 면 풍속 조건은 완전 개방일 때 0.25~0.3 m/s, 반 개방일 때 0.5 m/s의 풍속을 갖도록 요구되는 데, 그림에서 알 수 있듯이 주파수 55Hz 이상, 댐퍼 개구량 45도 이상일 때 요구조건을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다. 당연하지만 댐퍼의 각도를 90도로 완전히 열었을 경우에 더 낮은 주파수에서도 요구하는 풍속을 얻을 수 있다.
본 논문에서는 화학적으로 위험한 물질을 다루는 실험실에서 실험자들이 안전하게 또한 실험에 집중할 수 있도록 자동으로 훔후드의 면 풍속을 제어하는 제어시스템을 개발하였다. 또한 이를 실험을 통하여 실용적으로 사용할 수 있음을 보였다. 더욱이 개발된 제어기는 최근에 많이 사용되는 저렴하면서도 고성능의 MCU를 사용하고, 시스템 내의 모든 구성품이 통신 기능에 의하여 연결되어 있으므로 소프트웨어 모듈만 추가하여 대규모 시스템으로 확대 적용이 가능하도록 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동절기 또는 하절기에 발생하는 에너지 손실을 제어하기 위해서 흄후드에 필요한 것은 무엇인가?	또한 동절기 또는 하절기에 냉난방이 가동되는 경우에 급배기 과정에서 냉난방된 실내공기를 과도하게 배기할 경우 에너지 손실을 가져오므로 적절한 면풍속을 유지하는 제어장치가 필요하다. 그러므로 흄후드는 건물 전체 공조 제어시스템과 연계할 수 있고, 자동으로 흄후드 내부의 공기의 상태를 검출하여 배기 블로워, 실내 공기 공급 블로워 등을 자동으로 동작시킬 수 있어야한다. 이를 위하여본 논문에서는 흄후드의 면 풍속을 측정하고, 댐퍼와 배기 블로워를 조작하여 설정된 면 풍속을 자동으로 조절할 수 있는 흄 후드용 디지털 제어기를 개발한다.
	흄후드는 어떤 구조를 가지는가?	인체에 유해하거나 환경을 오염시킬 수 있는 각종 화학약품을 사용하는 실험실에서는 실험자를 보호하고, 실내 공기의 오염을 방지하기 위하여 흄후드(fume hood)를 사용하고 있으며, 그 내부에서 실험을 진행한다. 흄후드는 전면부에 시약 및 시료의 출입을 가능하도록 개폐 가능한 문이 설치되어 있고, 상부에 덕트를 통하여 블로워 팬이 설치되어 실험실내의 공기가 전면부의 문을 통하여 흄후드 내부로 흡입된 후에 팬을 통하여 외부로 배출되는 구조를 갖고 있다. 대부분의 흄후드는 전면에 조작용 스위치들이 장착되어 있으며, 이 스위치를 조작하여, 조명등, 자외선 살균등, 배기 블로워 등을 동작시킨다(1).
	미국 ANSI에서는 흄후드에 대해서 어떻게 규정하고 있는가?	앞에서 언급한 바와 같이 화학약품을 사용하는 실험실에서는 주방에서 발생되는 가스에 비하여 더욱 유해한 가스가 발생되므로 더욱 배기가 잘 되도록 하여야 한다. 이와 같은 경우에 대비하여 미국 ANSI에서는 흄후드에 관한 규정을 제정하여 권고하고 있으며, 흄후드 정면을 통하여 흐르는 평균 풍속 즉, 면 풍속(face velocity)이 일정 값 이상이 되어야 한다고 규정하고 있다(1). 그러나 국내의 일반 화학 실험실에서는 적절한 면 풍속으로 완전 개방일 때 0.

참고문헌 (9)

Lee, J. P., and Bae, C. H., 2010, "Laboratory Control and Safety Solution," Proc. of the SAREK 2010 Summer Annual Conference, SAREK, pp. 1100-1106.
Lim, K. B., Lee, K. S., and Lee, C. H., 2006, "A Numerical Study on the Flow Characteristics of Kitchen Hood System," Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 18, No. 4, pp. 359-369.
Park, J. C., 2003, "A Study on the Improvement Strategies for Exhaust Performance in Commercial Kitchen Hood," Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 15, No. 5, pp. 439-446.
Kim, Y. S., and Oh, Y. K., 2008, "A Study on Improvement of Industrial Hood in Ventilation System for Elimination of Harmful Material and Dust," Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 20, No. 4, pp. 238-244.
Atmega128 data sheet, Atmel, Rev. 2467O-AVR-10/06.
Kimocorea, n.d., viewed 6 Feb. 2013, .
PIC16F7X data sheet DS30325B, 2002, Microchip Technology Inc.
SV-iG5A user guide, LSIS Co., Ltd., 2008.04.
Ogata, K., 2002, Modern Control Engineering, 4th Edition, Prentice Hall, New Jersey.

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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