[논문]진공단열재(Vacuum Insulation Panel)를 사용한 냉장고 캐비닛의 구조강성을 위한 위상최적설계에 관한 연구

정길언; 강필성; 윤성기; 여인석; 송태호; 김준오; 김대환; 국건

doi:10.7736/kspe.2015.32.8.727

[국내논문] 진공단열재(Vacuum Insulation Panel)를 사용한 냉장고 캐비닛의 구조강성을 위한 위상최적설계에 관한 연구
Study of Structural Stiffness of Refrigerator Cabinet Using the Topology Optimization of a Vacuum Insulated Panel (VIP) 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.8, 2015년, pp.727 - 734

정길언 (한국과학기술원 기계공학과) , 강필성 (한국과학기술원 기계공학과) , 윤성기 (한국과학기술원 기계공학과) , 여인석 (한국과학기술원 기계공학과) , 송태호 (한국과학기술원 기계공학과) , 김준오 (삼성전자 DMC연구소) , 김대환 (삼성전자 DMC연구소) , 국건 (삼성전자 DMC연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, polyurethane (PU) foam is used in most refrigerators as a thermal insulator, whereby the material contributes to structural stiffness by joining the refrigerator cases; however, refrigerator PU foam induces a low thermal efficiency and results in environmental contamination. To resolve these issues, we applied the vacuum insulated panel (VIP) instead of PU form in the design of a new refrigerator type, whereby the VIP significantly contributes to the rectification of the previously mentioned issues. The VIP structure, however, cannot effectively hold refrigerator cases, so the present study investigated a new frame-structure concept by evaluating the stiffness using the topology optimization of refrigerator cases. Lastly, a refrigerator prototype comprising an optimal frame structure was built and subject to a stiffness test, and a comparison of the test results with those of a conventional refrigerator show that the structural stiffness of the prototype is sufficiently effective.

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문제 정의

경량화 시 성능 향상과 함께 구조 안정성을 유지·향상시킬 수 있는 방법을 제시하고 실제적용 해봄으로써 그 타당성을 검증해보도록 한다.
백색가전 중 냉장고의 경우, 디자인 및 내외장재의 고급화, 부가가능의 추가와 동시에 에너지 효율 향상에 대한 노력이 이루어지고 있다. 냉장고의 주요기능은 내부를 저온으로 일정하게 유지함으로써 제품의 신선도를 유지하는 것이 목적이다. 현재 대부분의 냉장고에는 단열재로써 폴리우레탄 폼 (Polyurethane form, or PU foam)을 캐비닛의 내벽과 외벽 사이에 발포해 사용하고 있다.
VIP를 사용한 냉장고의 구조강성을 향상시키기 위해서 외벽과 내벽의 두께를 증가시키거나 형상을 변화시키는 방법 혹은 보강구조물을 도입하는 방법 등이 있는데, 본 연구에서는 보강구조물을 위상최적기법으로 설계하는 방법을 사용하여 구조강성을 향상시키고자 한다.
본 논문에서의 목적함수는 캐비닛을 경량화시키기 위해 캐비닛 전체무게를 최소화하도록 설정하였고, 제한조건으로는 캐비닛에 요구되는 구조강성을 만족하도록 각 요소에서의 허용 가능한 밀도의 최소, 최대 범위와, 캐비닛 대각방향 변위에 대한 허용 가능한 범위를 설정하여 최적화를 진행하였다. 이를 수식화 하면 다음과 같다.
본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 VIP 냉장고 캐비닛의 대각강성 평가와 횡굽힘강성 평가를 수행하였다. 강성 평가 방법을 통해 보완이 필요한 부분을 위상최적설계 기법을 통해 최적의 보강 구조물을 도출하였다.
최적설계 결과를 바탕으로 제작된 캐비닛에 대해 대각강성 실험을 수행하였으며 기존 PU foam 냉장고 캐비닛의 대각강성에 준하는 강성이 확보됨을 검증하였다. 본 연구는 캐비닛의 부족한 강성을 보완하는 보강구조물의 설계기법에 대한 효율적인 방법을 제공할 것으로 생각된다.

제안 방법

냉장고 캐비닛의 강성 평가를 위해 상용프로그램인 SolidWorks와 ABAQUS를 이용하여 설계 및 해석을 수행하고, 구조최적설계기법 중 하나인 위상최적설계기법 (Topology optimization)을 사용하여 최적의 보강구조물을 도출하고자 한다.
VIP 냉장고 캐비닛의 경우, PU foam을 제외하였으며 구조강성을 만족시키기 위해 폴리카보네이트 (Polycarbonate)를 적용한 보강구조물을 추가 적용하였고, 솔리드 요소를 사용하여 해석을 수행하였다. 각 재료의 정보는 Table 1과 같다.
냉장고 캐비닛의 거동은 다양한 조건하에서 사용되므로 본질적으로 매우 복잡하다. 따라서 이상화된 근사모델을 사용하여 실제 구조물의 거동을 분석한다. 이를 캐비닛에서 수행하는 방법으로는 경사면 변위 방법 (Slope deflection method)⁴이 있다.
냉장고 캐비닛의 보강구조 위상최적설계를 수행하기 위해서 필요한 경계조건으로는 1장에서 설명한 대각강성 평가 조건과 횡굽힘강성 평가 조건을 사용하였다. 위상최적화 과정은 상용 소프트웨어 툴 ABAQUS Topology Optimization Module (ATOM)을 사용하여 수행하였다.
대각강성 평가, 횡굽힘강성 평가를 냉장고 양문형 냉장고 캐비닛의 해석에 사용하고, 강성의 보강이 필요한 경우 위상최적설계 기법을 도입하여 최적의 형상을 가지는 보강구조를 설계하여 냉장고 구조에 도입해보도록 한다.
보강구조의 설계를 하기에 앞서 냉장고 캐비닛의 대각강성 및 횡굽힘강성을 평가하여 보강구조의 필요성을 판단한다.
평가결과로 구조강성이 충분치 못하여 보강구조가 추가적으로 필요한 경우 ATOM을 이용해 위상최적설계를 수행하고 도출된 최적 레이아웃을 바탕으로 보강구조를 도출한다.
먼저 강성 평가를 하기 위해서는 PU foam이 존재하는 기존의 냉장고와 PU foam을 제거한 냉장고의 강성결과를 비교함으로써 보강구조의 필요 유무를 확인해야 한다. 따라서 각각의 경우에 대해 ABAQUS를 이용하여 강성해석을 수행한다.
강성 평가 결과 대각강성의 보완을 위해 보강 구조가 필요함을 확인할 수 있었다. 따라서 VIP 냉장고의 구조강성이 기존 PU foam 냉장고의 구조 강성결과에 도달할 수 있도록 위상최적설계를 통해 최적의 보강구조를 도출하였다. 여기서 최적화 기법은 상용 프로그램 ATOM을 이용하였다.
먼저, 대각강성 평가와 횡굽힘강성 평가에 사용했던 경계조건을 위상최적설계 기법의 경계조건으로 대입하여 각 강성 평가방법에 대한 최적의 재료 레이아웃을 도출하도록 한다. 대칭적 구조를 도출하기 위해 대칭조건을 추가하여 최적화를 수행한다.
먼저, 대각강성 평가와 횡굽힘강성 평가에 사용했던 경계조건을 위상최적설계 기법의 경계조건으로 대입하여 각 강성 평가방법에 대한 최적의 재료 레이아웃을 도출하도록 한다. 대칭적 구조를 도출하기 위해 대칭조건을 추가하여 최적화를 수행한다. ATOM을 이용해서 구한 최적의 보강구조는 30%, 20%, 10% 부피분율에 따라 각각 Figs.
7의 경우, 부피분율에 따른 위상최적설계 결과 고찰을 통해 캐비닛의 앞쪽 보강부분이 다른 부분에 비해 중요함을 알 수 있다. 옆면과 뒷면에서는 사선방향으로 보강이 필요함을 확인할 수 있지만 제작상 가장 적합한 십자형 구조물로 재설계를 수행했다. 이와 같이 위상최적설계 결과를 토대로 제작에 용이하도록 재설계 된 보강구조는 Fig.
도출된 최적 보강구조의 타당성을 실험을 통해 검증하기 위해 양문형 냉장고 실험모형을 제작하였다.
제작 과정은 다음과 같다. 먼저, 최적화 기법을 통해 도출한 보강구조를 I형 보 형태의 폴리카보 네이트의 재질로 제작한다. Fig.
다음으로 내벽은 아크릴 접착제로 뼈대와 결합하였고 외벽은 리벳팅과 에폭시 접착제를 이용하여 보강구조 뼈대에 접합하였다. 냉장고 캐비닛의 제작을 통한 최종 결과물은 각각 Figs.
제작한 냉장고 캐비닛의 강성을 평가하기 위한 실험으로 앞에서 우레탄 폼의 유무에 따른 구조강성의 영향을 잘 나타내는 대각강성 실험을 수행하였다. 먼저 대각강성 실험의 방법은 캐비닛을 Fig.
PU foam model과 VIP model의 대각강성 결과의 상대적인 비교를 통해 타당한 설계 안을 도출할 수 있다. 따라서 이번 연구에서는 PU foam이 포함되지 않는 새로운 형태 즉, 보강구조가 포함된 VIP형 냉장고가 기존 냉장고 캐비닛의 강성에 준하는 값을 확보할 수 있는 설계를 진행하였고 실험을 통해 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 VIP 냉장고 캐비닛의 대각강성 평가와 횡굽힘강성 평가를 수행하였다. 강성 평가 방법을 통해 보완이 필요한 부분을 위상최적설계 기법을 통해 최적의 보강 구조물을 도출하였다. 최적설계 결과를 바탕으로 제작된 캐비닛에 대해 대각강성 실험을 수행하였으며 기존 PU foam 냉장고 캐비닛의 대각강성에 준하는 강성이 확보됨을 검증하였다.

대상 데이터

내벽 및 외벽은 다른 치수에 비해 두께가 매우 작기 때문에 육면체 솔리드 (Solid, C3D8R) 요소를 사용할 경우 요소수가 극심하게 많아져 해석하는 데 시간이 많이 소요된다. 따라서 쉘요소 (Shell, S8R)를 사용하였고, PU foam의 경우 넓이에 비해 두께가 많이 얇지 않으므로 육면체 솔리드 요소를 사용하였다.1
따라서 캐비닛은 내부 또는 외부의 하중에 의해서 쉽게 변형되지 않는 충분한 강성을 가져야 한다. 다루고자 하는 냉장고는 Fig. 1 과 같은 형상의 양문형 냉장고로 높이 1720mm, 가로길이 910mm, 세로길이 880mm, 벽두께 50mm이며, 정면 양 측면에 왼쪽의 냉동공간과 오른쪽의 냉장공간을 폐쇄할 수 있는 문이 부착되어 있다. 내부에는 냉동공간과 냉장공간을 분리하는 두께 50mm의 벽이 존재한다.

이론/모형

냉장고 캐비닛의 보강구조 위상최적설계를 수행하기 위해서 필요한 경계조건으로는 1장에서 설명한 대각강성 평가 조건과 횡굽힘강성 평가 조건을 사용하였다. 위상최적화 과정은 상용 소프트웨어 툴 ABAQUS Topology Optimization Module (ATOM)을 사용하여 수행하였다.
따라서 VIP 냉장고의 구조강성이 기존 PU foam 냉장고의 구조 강성결과에 도달할 수 있도록 위상최적설계를 통해 최적의 보강구조를 도출하였다. 여기서 최적화 기법은 상용 프로그램 ATOM을 이용하였다.

성능/효과

형상 및 치수 최적설계에서는 최종 설계안이 초기에 주어진 위상에 의존적이기 때문에 제한적인 반면, 위상최적설계에서는 설계자의 경험에 의존하지 않고 자유로운 위상변화를 고려한 효과적인 설계가 가능한 장점이 있다. 따라서 위상최 적기법을 도입할 경우 경량화와 함께 강성향상이 가능한 효율적인 구조를 얻을 수 있고, 이를 통해 캐비닛을 제작할 경우 한 제품당 약 $2 또는 총설계 비용의 약 10%를 절약이 가능하다.³
해석결과로부터 2장에서 설명한 식(3)과 같이 변형량과 하중 값을 이용하여 대각강성을 계산할 수 있다. 계산결과, PU foam이 사용된 냉장고의 경우 대각강성은 약 230N/mm, VIP가 고려된 냉장고의 경우에는 약 105N/mm으로 확인되었다. 이를 통해 PU foam이 제거될 경우 대각강성 결과가 약 50% 이하로 감소됨이 확인되었다.
계산결과, PU foam이 사용된 냉장고의 경우 대각강성은 약 230N/mm, VIP가 고려된 냉장고의 경우에는 약 105N/mm으로 확인되었다. 이를 통해 PU foam이 제거될 경우 대각강성 결과가 약 50% 이하로 감소됨이 확인되었다. 따라서 기존 PU foam을 포함한 냉장고의 강성에 준하는 값을가지는 구조를 도출하기 위해 강성 보완이 필요하다는 것을 알 수 있다.
이를 통해 PU foam이 제거될 경우 대각강성 결과가 약 50% 이하로 감소됨이 확인되었다. 따라서 기존 PU foam을 포함한 냉장고의 강성에 준하는 값을가지는 구조를 도출하기 위해 강성 보완이 필요하다는 것을 알 수 있다.
강성 평가를 수행한 결과 우레탄 폼의 역할은 외벽과 내벽의 굽힘 현상을 구속해주는 즉, 대각 강성에 큰 영향을 미치는 요인이라는 것을 확인할 수 있다.
강성 평가 결과 대각강성의 보완을 위해 보강 구조가 필요함을 확인할 수 있었다. 따라서 VIP 냉장고의 구조강성이 기존 PU foam 냉장고의 구조 강성결과에 도달할 수 있도록 위상최적설계를 통해 최적의 보강구조를 도출하였다.
그 이유는 VIP model에서 PU foam이 제거됨에 따라 구조 강성 값이 약간 감소되었지만, 위상최적설계를 통해 도출한 보강재를 추가함으로써 감소된 구조강성 이상으로 보완되었기 때문이다. 또한 시뮬레이션에서의 대각강성보다 실험을 통한 대각강성 값이 큼을 확인해볼 수 있다. 그 이유는 시뮬레이션을 수행할 때 내벽과 외벽에서의 굴곡을 평면으로 표현한 것과 접합부에서의 실제 모양을 제대로 반영하지 못한 것 등과 같이 시뮬레이션 모델을 간소화하여 구성했기 때문에 그 영향이 고려되지 않았고, 선형탄성 재료에 준 정적 평형상태로 가정하였기 때문에 실제와의 차이가 존재하기 때문이다.
PU foam model과 VIP model의 대각강성 결과의 상대적인 비교를 통해 타당한 설계 안을 도출할 수 있다. 따라서 이번 연구에서는 PU foam이 포함되지 않는 새로운 형태 즉, 보강구조가 포함된 VIP형 냉장고가 기존 냉장고 캐비닛의 강성에 준하는 값을 확보할 수 있는 설계를 진행하였고 실험을 통해 타당성을 검증하였다.
강성 평가 방법을 통해 보완이 필요한 부분을 위상최적설계 기법을 통해 최적의 보강 구조물을 도출하였다. 최적설계 결과를 바탕으로 제작된 캐비닛에 대해 대각강성 실험을 수행하였으며 기존 PU foam 냉장고 캐비닛의 대각강성에 준하는 강성이 확보됨을 검증하였다. 본 연구는 캐비닛의 부족한 강성을 보완하는 보강구조물의 설계기법에 대한 효율적인 방법을 제공할 것으로 생각된다.

후속연구

먼저 강성 평가를 하기 위해서는 PU foam이 존재하는 기존의 냉장고와 PU foam을 제거한 냉장고의 강성결과를 비교함으로써 보강구조의 필요 유무를 확인해야 한다. 따라서 각각의 경우에 대해 ABAQUS를 이용하여 강성해석을 수행한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프리미엄 백색가전 제품 시장이 성장하고 있는 이유는?	현재 가전제품 시장 중에서 백색가전 제품 시장이 급격하게 증가할 뿐만 아니라, 소비자들의 삶의 질 향상에 따른 질적 요구 증대에 부합하기 위해 고가의 프리미엄 백색가전 제품 시장이 성장하고 있다. 이러한 경향에 맞추어 기업에서는 고품질의 제품을 생산하고자 노력하고 있다.
	냉장고의 주요기능은 무엇인가?	백색가전 중 냉장고의 경우, 디자인 및 내외장재의 고급화, 부가가능의 추가와 동시에 에너지 효율 향상에 대한 노력이 이루어지고 있다. 냉장고의 주요기능은 내부를 저온으로 일정하게 유지함으로써 제품의 신선도를 유지하는 것이 목적이다. 현재 대부분의 냉장고에는 단열재로써 폴리우레탄 폼 (Polyurethane form, or PU foam)을 캐비닛의 내벽과 외벽 사이에 발포해 사용하고 있다.
	VIP를 사용한 냉장고의 구조강성이 PU foam을 사용한 것보다 현저히 낮은 이유는?	6 그러나 VIP를 사용한 냉장고의 구조강성은 PU foam을 사용한 냉장고의 구조강성보다 현저히 낮은 특성을 보인다. PU foam의 경우 냉장고 캐비닛의 내벽과 외벽에 접착되어 서로를 구속하는 반면, VIP는 재료특성상 전단에 취약하므로 내·외벽과 접합을 할 수 없기 때문이다. 따라서 VIP 냉장고의 구조강성이 기존 PU foam 냉장고의 구조강성에 준하도록 하기 위해서는 추가적인 노력이 필요하다.

참고문헌 (11)

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Eckelman, C. and Suddarth, S., "Analysis and Design of Furniture Frames," Wood Science and Technology, Vol. 3, No. 3, pp. 239-255, 1969.

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Bendsoe, M. P. and Sigmund, O., "Topology Optimization: Theory, Methods and Applications," Springer, Berlin, 2003.
Singiresu, S. R., "Engineering Optimization," John Wiley & Sons, 4th Ed., 2009.

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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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