구명 조끼는 익수자의 부력을 유지시키는 기능을 가지며, 낮은 해수 온도에서 저체온증에 빠지는 시간을 단축 시킬 수 있는 역할을 할 수 있다. 본 논문은 서멀 마네킹 실험과 수치적 방법을 적용하여 단열성능을 향상 시키기 위해서 개발된 팽창형 구명 조끼와 폼형 구명 조끼의 단열성능 및 저체온증 방지 효과를 평가하였다. 단열성능 평가를 위해서 서멀마네킨을 이용하여 열유속 및 열저항을 계측하였으며, 본 연구에서 제시된 구명 조끼의 단열성능을 기존의 제품과 비교하여 검토하였다. 또한 저체온증에 빠지는 정도를 상대적으로 파악하기 위해서 유한요소해석을 이용하여 구명 조끼의 종류에 따른 체온 저감 시간을 예측하고 이를 비교 평가하였다. 저체온증 예측모델은 Pennes의 신체 열전달 해석 모델을 기반으로 작성되었으며, 실험으로부터 계측한 열저항 값을 이용하여 대류 열전달 조건을 환산하여 계산되었다. 그 결과 본 연구에서 단열성능을 향상시키기 위해서 제시된 하는 구명 조끼가 기존 제품에 비해 단열성능이 우수하게 평가됨을 확인하였다.
구명 조끼는 익수자의 부력을 유지시키는 기능을 가지며, 낮은 해수 온도에서 저체온증에 빠지는 시간을 단축 시킬 수 있는 역할을 할 수 있다. 본 논문은 서멀 마네킹 실험과 수치적 방법을 적용하여 단열성능을 향상 시키기 위해서 개발된 팽창형 구명 조끼와 폼형 구명 조끼의 단열성능 및 저체온증 방지 효과를 평가하였다. 단열성능 평가를 위해서 서멀마네킨을 이용하여 열유속 및 열저항을 계측하였으며, 본 연구에서 제시된 구명 조끼의 단열성능을 기존의 제품과 비교하여 검토하였다. 또한 저체온증에 빠지는 정도를 상대적으로 파악하기 위해서 유한요소해석을 이용하여 구명 조끼의 종류에 따른 체온 저감 시간을 예측하고 이를 비교 평가하였다. 저체온증 예측모델은 Pennes의 신체 열전달 해석 모델을 기반으로 작성되었으며, 실험으로부터 계측한 열저항 값을 이용하여 대류 열전달 조건을 환산하여 계산되었다. 그 결과 본 연구에서 단열성능을 향상시키기 위해서 제시된 하는 구명 조끼가 기존 제품에 비해 단열성능이 우수하게 평가됨을 확인하였다.
Although the life jacket can provide the buoyance with the drowner, heat loss can make the drowned individual be subject to the hypothermia. In this study, The thermal insulation of two types life jacket including inflatable and foam type were evaluate by both experiments and numerical analysis. To ...
Although the life jacket can provide the buoyance with the drowner, heat loss can make the drowned individual be subject to the hypothermia. In this study, The thermal insulation of two types life jacket including inflatable and foam type were evaluate by both experiments and numerical analysis. To estimate the thermal resistance of the jackets, experiments on the heat flux were conducted by the thermal manikin exposed to cold water. Heat flux loss on the surface of thermal manikin were measured for both foam and inflatable type life jacket. Also, finite element method is applied to a body section in order to understand the level of hypothermia of each life jacket. The segmental of human thigh is represented by a multi-layered section which considers the heat conduction within tissue, bone and fat. As a result, the thermal resistance and hypothermia time of each jackets have been compared based on the finite element analysis. It was found that the insulation ability of suggested life jackets is better than that of conventional type.
Although the life jacket can provide the buoyance with the drowner, heat loss can make the drowned individual be subject to the hypothermia. In this study, The thermal insulation of two types life jacket including inflatable and foam type were evaluate by both experiments and numerical analysis. To estimate the thermal resistance of the jackets, experiments on the heat flux were conducted by the thermal manikin exposed to cold water. Heat flux loss on the surface of thermal manikin were measured for both foam and inflatable type life jacket. Also, finite element method is applied to a body section in order to understand the level of hypothermia of each life jacket. The segmental of human thigh is represented by a multi-layered section which considers the heat conduction within tissue, bone and fat. As a result, the thermal resistance and hypothermia time of each jackets have been compared based on the finite element analysis. It was found that the insulation ability of suggested life jackets is better than that of conventional type.
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문제 정의
본 논문은 두 가지 형태의 구명 조끼의 체온 보온 효과를 평가하기 위한 목적을 가지고 있다. 서멀마네킨을 이용하여 입수 환경에서 신체의 발열 열유속을 계측하고, 이를 이용하여 열저항을 상대적으로 평가한 결과를 제시하고자 한다.
가설 설정
전신 슈트(Full body suit) 모델은 인체 전체의 단열성능을 높이기 위해서 의복형태로 개발된 모델이기 때문에 인체의 부력을 유지시키는 PFD와 함께 사용하였다. Orange Foam 모델은 의복 자체가구명 조끼의 역할을 하고 있다. 본 연구에서 개발된 구명 조끼의 성능을 기존의 모델과 검토하기 위해서 SOLAS가 승인한 상용 구명 조끼(2번), 팽창식 PFD만 단독으로 사용하는 구명조끼(1번)과 비교하였다.
q′′′b는 인체 피부 아래 혈관에서 피의 흐름에 의해 발생하는 대류조건이다. 본 연구에서는 유한요소 해석 모델을 단순화하기 위해서 인체는 q′′′b가 발생하지 않는 전도체라고 가정하고 해석하였다.
11과 같이 대퇴부(thigh)를 기준으로 작성하였다. 인체모델의 열전달 경계조건은 피부에서 대류가 발생한다고 가정하고 대류조건으로 반영하였다. 대류조건을 반영하기 위한 대류계수는 서멀마네킨 실험에서 계측된 열저항을 식 (4)을 이용하여 계산하였다.
유한요소해석 모델은 인체를 전도체로 가정하여 식 (6)과 같이 Pennes(1948)가 제시한 Bioheat 방법을 사용하였다. 호흡에 의한 체온 저감 및 복사 열전달에 의한 체온 저하는 상대적으로 적다고 가정하였다. Bioheat 방정식은 인체의 신진대사 효과와 혈관대류 효과를 고려한 체내 열전달 현상을 대표하는 식으로 주로 피부 및 근육 조직의 온도 계산에 사용되고 있으며 내부 열 생성을 가진 열확산 방정식으로 표현된다 (Jang et al.
제안 방법
다만, 본 연구는 각 구명 조끼 및 의복 착용 상태에 따른 저체온증 유발 가능성을 상대적으로 비교하기 위하여, 서멀마네킨의 열저항 값을 이용하여 체온 변화를 살펴보았다. 각 유형별로 상대적인 단열 효과를 비교할 목적이므로 모든 신체를 대상으로 해석을 수행하지 않고, 수중에 완전히 잠겨있는 대퇴부를 대상으로 저체온증에 시간을 상대적으로 평가하였다.
1과 같이 인체의 23개 부위에서 열유속을 계측하였으며, Measurement Technology Northwest 사의 Nemo 마네킨을 이용하였다. 계측 위치에서 일정한 표면온도를 유지하기 위한 전력량을 역산하여 열 유속을 계측하였으며, 구명 조끼 착용 상태를 달리하여 신체 부위별 열 유속을 계측하였다. 실험은 IMO MSC/Circ.
서멀마네킨을 이용하여 입수 환경에서 신체의 발열 열유속을 계측하고, 이를 이용하여 열저항을 상대적으로 평가한 결과를 제시하고자 한다. 계측된 열유속을 이용하여 단열 성능을 계산하고 이를 바탕으로 저체온증 방지 효과를 상대적으로 평가하고자 한다.
저체온증을 유발하는 시간을 정확하게 예측하는 것은 매우 어려운 일이다. 다만, 본 연구는 각 구명 조끼 및 의복 착용 상태에 따른 저체온증 유발 가능성을 상대적으로 비교하기 위하여, 서멀마네킨의 열저항 값을 이용하여 체온 변화를 살펴보았다. 각 유형별로 상대적인 단열 효과를 비교할 목적이므로 모든 신체를 대상으로 해석을 수행하지 않고, 수중에 완전히 잠겨있는 대퇴부를 대상으로 저체온증에 시간을 상대적으로 평가하였다.
본 연구는 저체온증을 방지하기 위한 팽창식 구명 조끼를 개발함에 있어서 비교평가를 통해 단열 성능에 대해서 실험을 통해서 검증하고, 저체온증에 빠지는 상태를 파악하기 위해서 인체의 온도변화를 수치적으로 검토하였다. 서멀마네킨을 이용한 구명 조끼의 단열성능 비교평가 결과 본 연구에서 제시한 Full Body Suit와 Foam Suit의 열저항값이 높게 계측되어 단열성능이 우수한 것을 확인 할 수 있었다.
Orange Foam 모델은 의복 자체가구명 조끼의 역할을 하고 있다. 본 연구에서 개발된 구명 조끼의 성능을 기존의 모델과 검토하기 위해서 SOLAS가 승인한 상용 구명 조끼(2번), 팽창식 PFD만 단독으로 사용하는 구명조끼(1번)과 비교하였다.
본 연구에서 평가하고자 하는 2가지 구명 조끼를 대상으로 단열 성능을 계측하기 위해서, 서멀마네킨을 이용하여 열유속 및 열저항 계측 실험을 수행하였다. 서멀마네킨을 이용한 실험은 인체에서 발생하는 생리학적 작용을 반영하기는 어렵지만, 피부에서 발생하는 열유속을 평가하기 위한 방법으로 알려져 있다.
이는 신체 내부의 발열 조건, 호흡에 의한 열전달, 혈관 대류, 피부 및 근육, 신체 구조의 복잡성 때문이다 (Ferreira and Yanagihara, 2009). 본 연구에서는 구명 조끼별 단열성능을 상대적으로 평가하기 위해 단순화된 인체 부분 모델을 이용하여 온도 변화를 예측하였다. 검토된 단순 인체모델은 Jang et al.
본 논문은 두 가지 형태의 구명 조끼의 체온 보온 효과를 평가하기 위한 목적을 가지고 있다. 서멀마네킨을 이용하여 입수 환경에서 신체의 발열 열유속을 계측하고, 이를 이용하여 열저항을 상대적으로 평가한 결과를 제시하고자 한다. 계측된 열유속을 이용하여 단열 성능을 계산하고 이를 바탕으로 저체온증 방지 효과를 상대적으로 평가하고자 한다.
앞 절에서 수행한 실험과 수치해석 방법을 통해서 본 연구에서 개발하고자 하는 구명 조끼의 단열 성능에 대해서 상대 적인 비교 평가를 하였다. 실험 조건은 수온 약 20°C에서 동일한 조건으로 수행하였으며, PFD만 착용한 표준 의복상태를 기준 각 구명 조끼의 단열 성능에 대해서 상대적으로 평가하였다. 각 실험결과를 비교평가하면 SOLAS 규격의 구명 조끼를 착용하였을 경우, 약 3%의 단열성능 차이로 구명 조끼를 착용하지 않았을 때와 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있으며, Full body suit를 착용하였을 경우 33% 더 크게 열저항이 발생하여, 본 연구에서 검토한 Full body suit의 단열성이 우수한 것을 확인 할 수 있으며, Foam suit를 착용하였을 경우는 착용하지 않은 경우와 비교하여 약 60% 크게 단열성능이 향상되는 것을 확인 할 수 있다.
앞 절에서 수행한 실험과 수치해석 방법을 통해서 본 연구에서 개발하고자 하는 구명 조끼의 단열 성능에 대해서 상대 적인 비교 평가를 하였다. 실험 조건은 수온 약 20°C에서 동일한 조건으로 수행하였으며, PFD만 착용한 표준 의복상태를 기준 각 구명 조끼의 단열 성능에 대해서 상대적으로 평가하였다.
저체온증 예측을 위한 인체모델의 열전달 해석은 1시간동안 Transient 해석을 통해 각각 모델에 대해서 수행되었으며, 이때 발생하는 인체의 온도변화를 관찰하였다. 4번 실험모델인 Foam Suit를 착용한 상태에서의 시간에 따른 인체 모델의 온도변화는 Fig.
대상 데이터
Fig. 1과 같이 인체의 23개 부위에서 열유속을 계측하였으며, Measurement Technology Northwest 사의 Nemo 마네킨을 이용하였다. 계측 위치에서 일정한 표면온도를 유지하기 위한 전력량을 역산하여 열 유속을 계측하였으며, 구명 조끼 착용 상태를 달리하여 신체 부위별 열 유속을 계측하였다.
3, 4 번 실험은 각각 본 연구에서 개발한 팽창식과 폼형 자켓을 의미한다. 전신 슈트(Full body suit) 모델은 인체 전체의 단열성능을 높이기 위해서 의복형태로 개발된 모델이기 때문에 인체의 부력을 유지시키는 PFD와 함께 사용하였다. Orange Foam 모델은 의복 자체가구명 조끼의 역할을 하고 있다.
이론/모형
계측 위치에서 일정한 표면온도를 유지하기 위한 전력량을 역산하여 열 유속을 계측하였으며, 구명 조끼 착용 상태를 달리하여 신체 부위별 열 유속을 계측하였다. 실험은 IMO MSC/Circ.922 (Paragraph 3.2.2) 및 ISO 15027-3(2012-11-01) 의 Chapter 3.8의 protocol에 따라 실시하였다.
따라서 유한요소해석법을 이용하여 체온 변화의 정도를 비교 예측할 필요가 있다. 유한요소해석 모델은 인체를 전도체로 가정하여 식 (6)과 같이 Pennes(1948)가 제시한 Bioheat 방법을 사용하였다. 호흡에 의한 체온 저감 및 복사 열전달에 의한 체온 저하는 상대적으로 적다고 가정하였다.
성능/효과
각 구명 조끼의 열저항 성능을 객관적으로 평가하기 위해서 식 (2)에서 계산된 인체 전체에 대한 열저항 값을 비교하면 Fig. 10과 같으며, 피복을 입은 상태와 인체 전체에 대해서 구명 조끼를 착용한 순서로 열저항 값이 높은 것을 확인함으로서 본 연구에서 검토한 구명 조끼의 단열성능이 타 제품에 비해 우수한 것을 확인 할 수 있다.
서멀마네킨을 이용한 구명 조끼의 단열성능 비교평가 결과 본 연구에서 제시한 Full Body Suit와 Foam Suit의 열저항값이 높게 계측되어 단열성능이 우수한 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 본 구명조끼를 착용할 경우 저체온증에 빠지는 시간이 증가함에 따라 조난자의 생존성을 보장할 수 있는 가능성이 높아지는 것을 확인하였다.
본 연구에서 검토한 각각의 모델에 대해서 열전달 해석을 수행하여 각 제품들을 착용하였을 때, 저체온증에 빠지는 시간 이력은 비교하면 Fig. 18과 같이 약 50분 내외에 인체에 저체온증이 발생하는 것을 확인 할 수 있으며, 각 모델별로 저체온증이 발생하는 시간을 비교하면 Table 8와 같이 구명 조끼의 단열성능에 비례하여 증가하는 것을 확인 할 수 있으며 단열성능이 우수한 Foam suit를 착용하였을 때 그렇지 않을 때보다 약 6분정도 시간이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
본 연구는 저체온증을 방지하기 위한 팽창식 구명 조끼를 개발함에 있어서 비교평가를 통해 단열 성능에 대해서 실험을 통해서 검증하고, 저체온증에 빠지는 상태를 파악하기 위해서 인체의 온도변화를 수치적으로 검토하였다. 서멀마네킨을 이용한 구명 조끼의 단열성능 비교평가 결과 본 연구에서 제시한 Full Body Suit와 Foam Suit의 열저항값이 높게 계측되어 단열성능이 우수한 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 본 구명조끼를 착용할 경우 저체온증에 빠지는 시간이 증가함에 따라 조난자의 생존성을 보장할 수 있는 가능성이 높아지는 것을 확인하였다.
저체온증 시뮬레이션에서 검토된 인체 모델은 대퇴부를 기준으로 분석되었으며 그 결과 약 90분 뒤에는 Moderate상태에 빠지고, 약 120분 뒤에는 Severe상태에 빠지게 된다고 나타남으로서 타 제품에 비해 열저항은 최대 약 60%, 저체온증 도달 시간은 최대 약 13%정도 더 우수한 것을 확인하였다. 그러나 본 연구에서 검토한 저체온증 예측모델은 간이화된 모델로서 실제 인체조건과의 차이가 크게 발생할 수 있다는 점을 감안하여 정량적인 정확성 보다는 정성적인 변화 위주로 해석한 점은 추후 보완이 필요할 것으로 판단되며, 실제 조끼의 착용 상태 및 간극을 고려한 열손실에 대한 해석도 필요하다고 사료된다.
후속연구
저체온증 시뮬레이션에서 검토된 인체 모델은 대퇴부를 기준으로 분석되었으며 그 결과 약 90분 뒤에는 Moderate상태에 빠지고, 약 120분 뒤에는 Severe상태에 빠지게 된다고 나타남으로서 타 제품에 비해 열저항은 최대 약 60%, 저체온증 도달 시간은 최대 약 13%정도 더 우수한 것을 확인하였다. 그러나 본 연구에서 검토한 저체온증 예측모델은 간이화된 모델로서 실제 인체조건과의 차이가 크게 발생할 수 있다는 점을 감안하여 정량적인 정확성 보다는 정성적인 변화 위주로 해석한 점은 추후 보완이 필요할 것으로 판단되며, 실제 조끼의 착용 상태 및 간극을 고려한 열손실에 대한 해석도 필요하다고 사료된다.
익수 조난자의 체온 보전 및 부력을 유지시키기 위한 구명장비의 개발에 있어서 조난자의 저체온증 방지 효과를 추정할 필요가 있다. 이는 해상 사고로 인하여 승선자가 구명 조끼를 착용한 상태에서 익수하게 될 경우 부력은 유지되지만, 저온의 해수로 인한 체온 강하와 저체온증의 발생 위험도 크기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
낮은 해수 온도에서 구명 조끼의 역할은 무엇인가?
구명 조끼는 익수자의 부력을 유지시키는 기능을 가지며, 낮은 해수 온도에서 저체온증에 빠지는 시간을 단축 시킬 수 있는 역할을 할 수 있다. 본 논문은 서멀 마네킹 실험과 수치적 방법을 적용하여 단열성능을 향상 시키기 위해서 개발된 팽창형 구명 조끼와 폼형 구명 조끼의 단열성능 및 저체온증 방지 효과를 평가하였다.
구명장비의 개발에 있어서 조난자의 저체온증 방지 효과를 추정할 필요가 있는 이유는?
익수 조난자의 체온 보전 및 부력을 유지시키기 위한 구명장비의 개발에 있어서 조난자의 저체온증 방지 효과를 추정할 필요가 있다. 이는 해상 사고로 인하여 승선자가 구명 조끼를 착용한 상태에서 익수하게 될 경우 부력은 유지되지만, 저온의 해수로 인한 체온 강하와 저체온증의 발생 위험도 크기 때문이다. 체온보다 차가운 물속에 인체가 잠겨 있을 경우 인체의 온도가 정상체온 이하로 내려가면 생명에 중요한 장기의 기능이 저하되기 때문에 익수자가 견딜 수 있는 시간은 상황에 따라 급격하게 감소하고 저체온증에 빠지게 된다(Mak, 2008).
구명 조끼는 어떤 기능을 가지고 있는가?
구명 조끼는 익수자의 부력을 유지시키는 기능을 가지며, 낮은 해수 온도에서 저체온증에 빠지는 시간을 단축 시킬 수 있는 역할을 할 수 있다. 본 논문은 서멀 마네킹 실험과 수치적 방법을 적용하여 단열성능을 향상 시키기 위해서 개발된 팽창형 구명 조끼와 폼형 구명 조끼의 단열성능 및 저체온증 방지 효과를 평가하였다.
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