[논문]연료전지용 저소음 재생형 송풍기의 개발

김준곤; 이광영; 이찬; 길현권; 정경호; 황상문

doi:10.5293/kfma.2014.17.2.048

연료전지용 저소음 재생형 송풍기의 개발
Development of a Low-noise Regenerative Blower for Fuel Cell Application 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.2, 2014년, pp.48 - 53

김준곤 (수원대학교) , 이광영 (수원대학교) , 이찬 (수원대학교) , 길현권 (수원대학교) , 정경호 ((주)황해전기) , 황상문 ((주)프로파워)

Abstract ▼ AI-Helper

A low-noise regenerative blower is developed for fuel cell application by combining the FANDAS-Regen code and design optimization algorithm under several performance constraints for flow capacity, static pressure, efficiency and power consumption. The optimized blower design model is manufactured with some impeller modification based on low noise design concept and tested by using aerodynamic performance chamber facility and narrow-band noise measurement apparatus. The measured results of the optimized blower satisfy the performance requirements and are also compared favorably with the FANDAS-Regen prediction results within a few percent relative error. Furthermore, the present study shows the remarkable noise reduction by 26 dBA can be achieved through design optimization and low noise design concept.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 앞서 설명한 이론과 해석방법 및 해석툴을 이용한 예측결과 값을 실제 실제 실험 결과 값과의 실험적 검증을 위하여 실제 시제품을 제작하여 측정을 하였다. 실제 시제품 제작시 재생형 송풍기의 단점인 높은 소음을 저감시키기 위하여 기존에 송풍기와는 다르게 임펠러에 저소음 설계 개념을 적용시켜 제작하였다.
본 연구에서는 연료전지에 사용 되어질 송풍기를 개발하기 위해, 요구되는 송풍기의 성능을 만족하면서 동시에 소음을 최소화 시킬 수 있는 재생형 송풍기의 설계 사양을 위하여 최적설계를 진행하였다. 재생형 송풍기의 설계 및 성능과 소음 등을 예측하기 위하여 FANDAS-Regen 프로그램^(3),(4)을 사용하였고, 송풍기 형상의 최적 설계를 위해서 최적화 알고리즘인 STDQAO(Sequential Two-point Diagonal Quadratic Apporoximate Optimization) 를 사용하여 FANDAS-Regen과 최적화 프로그램인 PIAnO를 연성해석을 진행하였다.

가설 설정

광대역주파수 소음은 임펠러/사이드 채널 내부의 난류 및 출구의 난류 제트에 의한 것으로 가정하여 Mugridge 상관관계식과 Lighthill 의 이론을 이용하여 구한다.^(3),(5)

제안 방법

FANDAS-Regen에 의해 계산된 성능_*소음의 예측치와 챔버형 성능시험기와 PULSE를 통하여 얻어진 성능_*소음의 시험치를 비교하였다. 해당 시작품의 성능 예측치와 성능 시험치 결과는 Fig.
또한 제작 완료된 시제품은 성능 및 소음 시험을 수행하였으며, 측정된 결과는 FANDAS-Regen 예측결과와도 비교하였다. 더 나아가, 측정 및 예측결과와의 비교를 통해, 본 최적설계 방법 및 과정의 타당성을 검증하였다.
본 연구를 통해 최적 설계 모델은 실제 제작하였으며, 이때 임펠러 제작시에 이산주파수 소음을 저감 시키기 위한 저소음 설계 개념을 적용시켜 제작을 하였다. 또한 제작 완료된 시제품은 성능 및 소음 시험을 수행하였으며, 측정된 결과는 FANDAS-Regen 예측결과와도 비교하였다.
본 연구에서는 재생형 송풍기에서 발생되는 소음을 최소화 하기 위해서, 사이드채널형 송풍기의 설계변수들중 임펠러의 직경(D₂)과 폭(W)을 고려하였으며, 나머지 설계변수들은 고정 값을 적용하였다(Table 1)
연료전지용 재생형 송풍기의 설계 최적화를 위해, FANDAS-Regen으로 재생형 송풍기의 설계, 성능 및 소음을 예측하였고, 더 나아가 송풍기의 소음을 최소화시키기 위하여 최적화 프로그램인 PIAnO를 이용하였다. 설계 변수인 임펠러의 직경(D₂)과 폭(W)의 범위를 제한하고, 나머지 설계변수를 고정시킨 후 STDQAO 알고리즘을 이용하여 소음을 최소화 시키는 설계 최적화를 수행하였다. 이때 송풍기의 요구되는 성능은 Q_d = 350[ LPM ], DPs ≥ 13[ kPa ], ETAT ≥ 25[ % ], POWER < 500[ W ] 로서, 이러한 제한조건들을 최적화 과정에 적용하였다.
본 연구는 앞서 설명한 이론과 해석방법 및 해석툴을 이용한 예측결과 값을 실제 실제 실험 결과 값과의 실험적 검증을 위하여 실제 시제품을 제작하여 측정을 하였다. 실제 시제품 제작시 재생형 송풍기의 단점인 높은 소음을 저감시키기 위하여 기존에 송풍기와는 다르게 임펠러에 저소음 설계 개념을 적용시켜 제작하였다.
이때 송풍기에 요구되는 성능을 만족시키기 위하여, 출구 유량(Q_d), 압력(DPs), 전압효율(ETAT) 값의 하한값과 동력 (POWER)의 상한 값을 고려한 구속조건을 고려하였으며, 설계 변수인 임펠러의 직경(D₂)과 폭(W)의 범위를 허용 가능한 범위(feasible range) 내에서 제한하였다. 이러한 구속조건하에서 소음레벨을 최소화하기 위한 설계 문제는 Table 2와 같이 정식화된다.
임펠러와 임펠러 사이에서 발생하는 압력차에 의한 소음인 이산주파수 소음을 저감시키기 위하여 위상차 원리를 이용한 저소음 설계 개념을 임펠러에 적용하여 제작하였다. 임펠러의 형상은 Fig.
8에서 보여지고 있다. 제작된 송풍기를 챔버형 성능시험기에 설치하여 성능을 측정하고, 신호분석기 (FFT Analyser)인 PULSE와 음압을 측정하는 Microphone 으로 소음을 측정하였다. PULSE는 Microphone에서 받은 data를 narrowband(3.

데이터처리

본 연구를 통해 최적 설계 모델은 실제 제작하였으며, 이때 임펠러 제작시에 이산주파수 소음을 저감 시키기 위한 저소음 설계 개념을 적용시켜 제작을 하였다. 또한 제작 완료된 시제품은 성능 및 소음 시험을 수행하였으며, 측정된 결과는 FANDAS-Regen 예측결과와도 비교하였다. 더 나아가, 측정 및 예측결과와의 비교를 통해, 본 최적설계 방법 및 과정의 타당성을 검증하였다.
최적설계변수를 값으로 실제 시작품을 제작하여, FANDAS-Regen으로 성능 예측값과 실제 모델인 시작품을 성능시험기에 부착하여 얻어진 성능시험 결과값을 비교하였고, 소음 또한 FANDAS-Regen으로 계산한 예측값과 신호분석기인 PULSE로 측정한 시험값을 비교하였다. 비교결과 송풍기의 성능이 예측값과 시험값이 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있었다.

이론/모형

연료전지용 재생형 송풍기의 설계 최적화를 위해, FANDAS-Regen으로 재생형 송풍기의 설계, 성능 및 소음을 예측하였고, 더 나아가 송풍기의 소음을 최소화시키기 위하여 최적화 프로그램인 PIAnO를 이용하였다. 설계 변수인 임펠러의 직경(D₂)과 폭(W)의 범위를 제한하고, 나머지 설계변수를 고정시킨 후 STDQAO 알고리즘을 이용하여 소음을 최소화 시키는 설계 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 연료전지에 사용 되어질 송풍기를 개발하기 위해, 요구되는 송풍기의 성능을 만족하면서 동시에 소음을 최소화 시킬 수 있는 재생형 송풍기의 설계 사양을 위하여 최적설계를 진행하였다. 재생형 송풍기의 설계 및 성능과 소음 등을 예측하기 위하여 FANDAS-Regen 프로그램^(3),(4)을 사용하였고, 송풍기 형상의 최적 설계를 위해서 최적화 알고리즘인 STDQAO(Sequential Two-point Diagonal Quadratic Apporoximate Optimization) 를 사용하여 FANDAS-Regen과 최적화 프로그램인 PIAnO를 연성해석을 진행하였다.

성능/효과

Table 2에서 정식화된 내용에 대해서 최적화 툴인 PIAnO 프로그램을⁽⁶⁾이용하여, STDQAO 최적화 알고리즘으로 최적화를 진행한 결과, 약 10 여번의 최적화 과정을 통해(Fig. 5), D₂ ≒144mm, W≒ 12mm 일 때, 요구되는 성능을 모두 만족하면서, 약 2.78 %의 소음 저감 효과를 얻을 수 있었다.(Table 3)
소음 예측치와 시험치의 결과의 경향이 잘 일치 하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 FANDAS-Regen 의 소음 예측값에 비해 측정값이 약 26 dBA 만큼 적게 나타나는 이유는 앞서 언급한 임펠러의 저소음 설계개념이 이산주파수 소음성분 저감에 효과적임을 보여준다.
또한 설계점 유량(350LPM)에 대해서는 소음 측정값이 예측값에 비해 26 dBA 이상의 현저한 감소를 보여주고 있으며, 이러한 결과는 본 연구에서 적용한 임펠러 저소음 설계 개념이 매유 효과적임을 보여주었다.
최적설계변수를 값으로 실제 시작품을 제작하여, FANDAS-Regen으로 성능 예측값과 실제 모델인 시작품을 성능시험기에 부착하여 얻어진 성능시험 결과값을 비교하였고, 소음 또한 FANDAS-Regen으로 계산한 예측값과 신호분석기인 PULSE로 측정한 시험값을 비교하였다. 비교결과 송풍기의 성능이 예측값과 시험값이 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있었다. 소음의 결과값도 FANDAS-Regen의 예측값과 실제모델의 시험결과값의 경향이 잘 일치하고 있음을 보여준다.
설계변수 최적화 결과 임펠러의 직경 D₂ ≒ 144mm, 폭 W≒ 12mm의 최적설계 변수를 얻을 수 있었고, 최적화 전송풍기의 소음이 110.368 dBA에서 최적화 후 107.296 dBA 로 약 2.78 %의 소음저감 효과를 얻을 수 있었다.
비교결과 송풍기의 성능이 예측값과 시험값이 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있었다. 소음의 결과값도 FANDAS-Regen의 예측값과 실제모델의 시험결과값의 경향이 잘 일치하고 있음을 보여준다.
10 에 나와있다. 유량에 따른 송풍기 출구에서의 압력 성능 예측치와 시험치의 결과 값이 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지 내에 주로 사용되는 송풍기는 무엇인가?	연료전지 내에 들어가는 송풍기는 소형화를 위해 고속의 송풍기를 사용하여야 하므로, 재생형 송풍기(regenerative blower)가 주로 사용된다. 또한 재생형 송풍기는 적은 유량에서 높은 압력을 내는 성능특성을 가지며, 이를 위해서 회전하는 원판의 양쪽에 다수의 임펠러(impwller)와 임펠러를 감싸고 있는 고정된 사이드 채널(fixed side channel) 사이를 통과하는 유체 운동량교환(momentum exchange)에 의해 압력이 상승한다.
	재생형 송풍기의 단점인 높은 소음은 어떤 형태로 방사되는가?	재생형 송풍기의 또 다른 단점은 상대적으로 높은 소음을 발생 시킨다. 이러한 소음은 높은 압력과 고속의 회전수에 의하여 특정 주파수에 집중되는 이산주파수 소음(discrete frequency noise)과 재생형 송풍기의 내부에 발생되는 난류에 의하여 넓은 주파수 대역에 분포하는 광대역주파수 소음 (broadband frequency noise)의 형태로 방사된다.
	재생형 송풍기의 높은 압력은 무엇에 의해 상승하는가?	연료전지 내에 들어가는 송풍기는 소형화를 위해 고속의 송풍기를 사용하여야 하므로, 재생형 송풍기(regenerative blower)가 주로 사용된다. 또한 재생형 송풍기는 적은 유량에서 높은 압력을 내는 성능특성을 가지며, 이를 위해서 회전하는 원판의 양쪽에 다수의 임펠러(impwller)와 임펠러를 감싸고 있는 고정된 사이드 채널(fixed side channel) 사이를 통과하는 유체 운동량교환(momentum exchange)에 의해 압력이 상승한다. 그러나 이때 임펠러와 채널 사이에 형성되는 난류 유동에 의해 주로 압력손실이 생기고 간극(clearance)을 통한 누설유동이 발생하며, 이러한 현상들로 인해 재생형 송풍기의 단점인 성능저하와 낮은 효율이 야기되는 단점이 있다.

참고문헌 (7)

Mura, M. and Badami, M., 2012, "Leakage effects on the performance characteristics of a regenerative blower for the hydrogen recirculation of a PEM fuel cell," Energy Conversion and Management, Vol. 55, pp. 20-25

상세보기
Badami, M. and Mura, M., 2012, "Comparison between 3D and 1D simulations of a regenerative blower for fuel cell applications," Energy Conversion and Management, Vol. 55, pp. 93-100

상세보기
이찬, 길현권, 김강천, 김준곤, 마재현, 정경호, 2013, "제생형 송풍기의 공력음향학적 성능 해석 방법" 한국유체기계학회논문집, v.16, n.2, 15-20
이찬, 길현권, 2010, "성능 및 소음특성을 고려한 축류 팬설계의 전산 체계" 한국유체기계학회저널, 제13권 제2호, pp.48-53
Mugridge, B. D., 1976, "The acoustic spectrum of axial flow machines", Journal of Sound and Vibration, Vol.45, No.2, pp.165-223

상세보기
PIAnO (Process Integration, Automation and Optimization user's Manual, Ver. 3.5, PIDOTECH, INC. 2013
이찬, 길현권, "소음저감형 임펠러 및 이를 가지는 재생형 송풍기", 2013, 특허출원번호(10-2013-0138625)

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증