본 논문에서는 가정용 냉장고의 내부 냉기순환용 원심팬의 고성능/저소음 최적설계를 수행하였다. 최적설계를 위해 여러 독립변수들이 어떠한 종속변수에 영향을 줄 때 용이하게 적용할 수 있는 반응표면법을 사용하였으며, 블레이드의 입구각, 출구각, 내경을 독립변수로 선정하였다. 먼저 이를 통해 팬 블레이드의 유량을 최대화하였으며, 3-D 프린터를 이용해 샘플을 제작하였고, 만들어진 팬의 P-Q곡선을 측정하여 개선된 팬이 유량의 증가를 보임을 확인하였다. 또한 기존 팬과 동일한 유량을 가지도록 새로운 팬의 회전속도를 저감시킬 경우, 1.7 dBA의 소음 저감 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 가정용 냉장고의 내부 냉기순환용 원심팬의 고성능/저소음 최적설계를 수행하였다. 최적설계를 위해 여러 독립변수들이 어떠한 종속변수에 영향을 줄 때 용이하게 적용할 수 있는 반응표면법을 사용하였으며, 블레이드의 입구각, 출구각, 내경을 독립변수로 선정하였다. 먼저 이를 통해 팬 블레이드의 유량을 최대화하였으며, 3-D 프린터를 이용해 샘플을 제작하였고, 만들어진 팬의 P-Q곡선을 측정하여 개선된 팬이 유량의 증가를 보임을 확인하였다. 또한 기존 팬과 동일한 유량을 가지도록 새로운 팬의 회전속도를 저감시킬 경우, 1.7 dBA의 소음 저감 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
In this study, centrifugal fan blades used to circulate cold air inside a household refrigerator were optimized to achieve high performance and low noise by using the response surface method, which is frequently employed as an optimization algorithm when multiple independent variables affect one dep...
In this study, centrifugal fan blades used to circulate cold air inside a household refrigerator were optimized to achieve high performance and low noise by using the response surface method, which is frequently employed as an optimization algorithm when multiple independent variables affect one dependent variable. The inlet and outlet blade angles, and the inner radius, were selected as the independent variables. First, the fan blades were optimized to achieve the maximum volume flow rate. Based on this result, a prototype fan blade was manufactured using a 3-D printer. The measured P-Q curves confirmed the increased volume flow rate of the proposed fan. Then, the rotation speed of the new fan was decreased to match the P-Q curve of the existing fan. It was found that a noise reduction of 1.7 dBA could be achieved using the new fan at the same volume flow rate.
In this study, centrifugal fan blades used to circulate cold air inside a household refrigerator were optimized to achieve high performance and low noise by using the response surface method, which is frequently employed as an optimization algorithm when multiple independent variables affect one dependent variable. The inlet and outlet blade angles, and the inner radius, were selected as the independent variables. First, the fan blades were optimized to achieve the maximum volume flow rate. Based on this result, a prototype fan blade was manufactured using a 3-D printer. The measured P-Q curves confirmed the increased volume flow rate of the proposed fan. Then, the rotation speed of the new fan was decreased to match the P-Q curve of the existing fan. It was found that a noise reduction of 1.7 dBA could be achieved using the new fan at the same volume flow rate.
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문제 정의
위 식 (2)와 (3)에서 회전속도 변화에 따른 유량변화율 보다 음향에너지 변화율이 더 민감한 것을 알 수 있다. 따라서, 같은 속도로 회전하였을 때 유량이 최대화 되도록 기존 팬 형상을 변경하였을 경우, 유량이 최대화 된 팬의 회전속도를 낮추어 유량보다 큰 비율로 소음을 저감하는 것이 본 논문이 요점이다. 또한, 이는 각 형상에 따른 소음을 예측하여 저소음 팬을 설계하는 것보다 해석 비용이 낮은 장점이 있다.
본 논문은 냉장고 고내 냉기순환용 원심팬의 소음 저감을 위해, 반응표면법을 통하여 기존 팬의 설계를 변경하였다. 반응표면법은 다양한 입력변수를 가지는 목적함수를 최적화 하기 위한 방법론으로, 원심팬의 유량을 목적함수로 두고 이를 최대화 할 수 있도록 팬을 설계하였다.
제안 방법
개선된 원심팬의 소음값을 알아보기 위해, Fig. 15에 나타낸 것과 같이 무향실 소음 측정을 실시하였다. 소음 측정이 실시된 무향실은 80 Hz의 차단 주파수와 13.
반응표면법을 사용함에 있어서, 먼저 최적화 대상이 되는 종속변수를 설정해야 한다. 따라서 최적화시킬 반응을 유량과 직접적으로 연관되는 팬 출구를 통하여 빠져나가는 유체의 반경 속도(Radial velocity)로 선정하였다.
467 CMM이다. 또한 원심팬의 유량 측정을 위해 팬 테스터에서 사용하는 두 종류의 시험 모드 중 흡입 모드를 사용하였고, 팬과 하우징 구조물의 영향을 모두 고려하였다. 팬 테스터에서는 다음 식을 사용하여 유량을 계산한다.
또한, 세 종류의 시험용 팬을 통해 회전 속도 1230 RPM에서의 기존 팬과의 유량 변화를 비교해 보았다. 비교한 팬의 형상은 Fig.
0 dBA의 암소음을 가지며, 3200Hz성분까지 음압 레벨 성분을 측정하였다. 마이크로폰의 위치는 팬의 입구단에서 수직으로 1.2 m 만큼 떨어진 곳이며, 회전 속도의 변화에 따른 음압 레벨을 측정하였다. 그 결과는 Fig.
반응표면법을 이용해 냉장고 냉동실용 원심팬의 고성능/저소음 설계를 진행하였다. 팬 블레이드의 형상 인자 R1 , β1, β2의 최적화를 통해 유량을 증가시킨 원심팬을 개발하였고, 유량을 유지한 채 회전 속도를 1090 RPM까지 저감시킴으로써 음압 레벨을 약 1.
반응표면법을 이용해 최적화를 진행할 때에는 회귀 모형을 이용한 예측식을 사용하게 되는데, 본 연구에서는 아래식과 같은 2차 회귀 모형을 이용하여 최적화를 진행하였다.(12)
반응표면법을 통해 개선된 원심팬 형상을 3D 프린터를 이용해 샘플로 제작하였으며, 이를 이용해 유량 및 소음 측정 실험을 실시하였다.
본 연구에서 사용한 수치 기법 및 해석 도메인의 검증을 위해, 실험을 통해 측정한 팬의 유량과 수치 해석을 통해 측정한 팬의 유량을 비교하였다. 팬의 유량은 Fig.
15에 나타낸 것과 같이 무향실 소음 측정을 실시하였다. 소음 측정이 실시된 무향실은 80 Hz의 차단 주파수와 13.0 dBA의 암소음을 가지며, 3200Hz성분까지 음압 레벨 성분을 측정하였다. 마이크로폰의 위치는 팬의 입구단에서 수직으로 1.
수치 해석을 통해 앞서 실험 계획을 통해 설정 하였던 13가지 경우를 해석하였다. 이를 통해 최적화할 종속변수로 선정하였던 팬 주위의 반경속도를 계산하였다.
여러 경우에 대하여 모두 직접 샘플을 제작하고 실험을 실시하는 것은 비용적으로 비효율적이므로, 본 연구에서는 전산 유체역학을 이용하여 원심팬의 유동 성능을 예측하였다. 대상 원심팬의 유동 성능을 해석하기 위해 다음식과 같은 3차원 비압축성 RANS 방정식을 지배방정식으로 사용하였다.
위의 두 결과에 따라 본 연구에서 사용한 수치기법 및 해석 도메인의 적합성을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 대상 원심팬의 최적화를 실시하였다.
수치 해석을 통해 앞서 실험 계획을 통해 설정 하였던 13가지 경우를 해석하였다. 이를 통해 최적화할 종속변수로 선정하였던 팬 주위의 반경속도를 계산하였다. 그 결과 2차 회귀 모형을 통해 다음 식과 같은 예측식을 얻을 수 있었다.
5와 같이 간략화하였고, 대상 하우징의 벨마우스 형상 및 팬과 구조물간의 거리만을 유지하였다. 해석시 경계조건은 Pressure inlet 및 Pressure outlet 조건으로 설정하였으며, 1230 RPM의 회전 속도를 부여하였다.
이론/모형
여러 경우에 대하여 모두 직접 샘플을 제작하고 실험을 실시하는 것은 비용적으로 비효율적이므로, 본 연구에서는 전산 유체역학을 이용하여 원심팬의 유동 성능을 예측하였다. 대상 원심팬의 유동 성능을 해석하기 위해 다음식과 같은 3차원 비압축성 RANS 방정식을 지배방정식으로 사용하였다.
이 있다. 본 연구에서는 3인자를 사용할 경우 Table 2에서 나타낸 것처럼 실험 횟수가 13번으로 가장 적은 Box-Behnken 방법을 사용하였다.
본 연구에서는 반응표면법을 사용하였다. 반응 표면법을 이용하여 팬 소음을 저감한 사례로는 2012년 Esra 등(13)이 블레이드 형상 변경을 통해 원심팬의 소음 저감에 대한 연구를 진행하였으며, 2013년 Ren 등(14)이 슈라우드 형상 변경을 통해 축류팬의 유량 증가 및 소음 저감에 대한 연구를 진행한 바 있다.
지배방정식을 수치해석하기 위해 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS Fluent를 사용하였다. 이때, 정상상태 유동을 RNG k-e 난류모델을 이용하여 해석하였다.
지배방정식을 수치해석하기 위해 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS Fluent를 사용하였다. 이때, 정상상태 유동을 RNG k-e 난류모델을 이용하여 해석하였다.
성능/효과
14에 나타내었다. 그 결과 동일 회전속도인 1230 RPM에서 유량이 11.9% 증가하였으며, 동일한 유량을 가지도록 회전 속도를 저감시킬 경우 1090 RPM까지 회전속도를 줄일 수 있음을 확인하였다.
9에 나타내었다. 그 결과 수치해석 결과와 실험 결과가 유사한 경향성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
2 m 만큼 떨어진 곳이며, 회전 속도의 변화에 따른 음압 레벨을 측정하였다. 그 결과는 Fig. 16에 나타내었으며, 동일한 1230 RPM의 회전속도에서 개선된 팬이 기존 팬에 비해 2.0 dBA 만큼 음압 레벨이 증가함을 확인할 수 있었다.
10에 나타내었다. 또한 그 예측값은 2.164 m/s로 기존 원심팬에 비해 16.65 % 증가된 값을 얻을 수 있었으며, 결과값의 검증을 위해 개선된 형상에 대한 CFD 해석을 진행한 결과 반경 속도가 2.157 m/s로 예측값과 거의 동일한 결과를 보임을 확인하였다.
13에 나타낸 것과 같은 원통형 격자를 펼쳐서 각도 및 높이에 따른 반경 속도의 변화를 살펴본결과이다. 이를 통해 기존 팬에 비해 개선된 팬이 아래쪽 허브 부근에서 반경 속도의 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
반응표면법은 다양한 입력변수를 가지는 목적함수를 최적화 하기 위한 방법론으로, 원심팬의 유량을 목적함수로 두고 이를 최대화 할 수 있도록 팬을 설계하였다. 이후, 기존 팬의 유량 성능 수준에 맞추어 최적화 팬의 회전속도를 감소시켜 팬 소음을 저감하였다.
팬 블레이드의 형상 인자 R1 , β1, β2의 최적화를 통해 유량을 증가시킨 원심팬을 개발하였고, 유량을 유지한 채 회전 속도를 1090 RPM까지 저감시킴으로써 음압 레벨을 약 1.7 dBA 저감시킬 수 있었다.
하지만 개선된 팬의 회전 속도를 기존 팬과 동일한 유량을 내도록 1090 RPM으로 저감시킬 경우, 음압 레벨이 1.7 dBA 만큼 감소됨을 확인할 수 있었다.
후속연구
본 논문에서는 대상 원심팬 및 하우징 구조물에 대해서만 연구가 수행되었지만, 실제 냉장고에서는 하우징 구조물이 복잡한 덕트 형상 내부에 삽입되어있다. 따라서 추후 연구를 통해, 본 논문에서 제시한 결과가 냉장고 내부의 복잡한 입구 경계조건에서도 유효한지 확인할 필요성이 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
냉장고의 소음은 어디에서 주로 발생하는가
냉장고의 소음은 압축기와 팬에서 주로 발생한다. 팬의 경우, 냉장고 내부에 여러 용도로 설치되어 각기 다른 주파수 영역의 소음을 발생시키게 된다.
팬의 종류 중 축류팬과 원심팬은 어디에 사용되는가
팬은 크게 축류팬과 원심팬으로 나뉘고, 축류팬은 저압 영역에서, 원심팬은 고압 영역에서 주로 사용된다.(1) 이런 특성에 따라 냉장고 기계실에는 축류팬이, 냉장고 고내 냉기 순환용으로는 원심팬이 많이 사용되고 있다.
각 팬들의 저소음화가 필요한 이유는 무엇인가
냉장고의 소음은 압축기와 팬에서 주로 발생한다. 팬의 경우, 냉장고 내부에 여러 용도로 설치되어 각기 다른 주파수 영역의 소음을 발생시키게 된다. 따라서, 냉장고 전체의 소음을 저감하기 위해서는 각 팬들의 저소음화가 필요하다.
참고문헌 (16)
Frank P. B., 1998, FAN HANDBOOK, McGraw-Hill, New York, pp. 3.1-3.20, pp. 5.1-5.14.
Seungyub L., Seung H. and Cheolung C., 2010, "Prediction and Reduction of Internal Blade-passing Frequency Noise of the Centrifugal Fan in a Refrigerator," International Journal of Refrigeration, Vol. 33, No. 6, pp. 1129-1141.
Seung H., Daehwan K., Cheolung C. and Tae-Hoon K., 2011, "Prediction of Internal Broadband Noise of a Centrifugal Fan Using Stochastic Turbulent Synthetic Model," Transactions of the KSNVE, Vol 21, No. 12, pp. 1138-1145.
Seung H., Daehwan K. and Cheolung C., 2012, "Broadband Noise Prediction of the Ice-maker Centrifugal Fan in a Refrigerator Using Hybrid CAA Method and FRPM Technique," The Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 31, No. 6, pp. 391-398.
Seung H. and Cheolung C., 2015, "Efficient Prediction of Broadband Noise of a Centrifugal Fan Using U-FRPM Technique," The Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 34, No. 1, pp. 36-45.
Seung H., Cheolung C. and Taehoon K., 2015, "Unsteady Fast Random Particle Mesh Method for Efficient Prediction of Tonal and Broadband Noises of A Centrifugal Fan Unit," AIP Advances, Vol. 5, No. 9, pp. 097133-1-16.
Seung H., Daehwan K. and Cheolung C., 2014, "Analysis of Relative Contributions of Tonal Noise Sources in Volute Tongue Region of a Centrifugal Fan," The Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 33, No. 1, pp. 40-47.
Feng G., Cheolung C. and Taehoon K., 2011, "Development of Low-noise Axial Cooling Fans in a Household Refrigerator," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 25, No. 12, pp. 2995-3004.
Seung H., Cheolung C. and Tae-Hoon K., 2011, "Development of Low-noise Centrifugal Fans for a Refrigerator Using Inclined S-shaped Trailing Edge," International Journal of Refrigeration, Vol 34, No. 8, pp. 2076-2091.
Seung H., Minho H., Tae-Hoon K. and Cheolung C., 2015, "Development of Highperformance and Low-noise Axial-flow Fan Units in Their Local Operating Region," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 29, No. 9, pp. 3653-3662.
Sanghyeon K., Seung H., Cheolung C. and Tae-Hoon K., 2013, "Numerical and Experimental Investigation of the Bell-mouth Inlet Design of a Centrifugal Fan for Higher Internal Flow Rate," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 27, No. 8, pp. 2263-2273.
Guangzhi R., Seung H., Tae-Hoon K. and Cheolung C., 2012, "Response Surface Methodbased Optimization of the Shroud of an Axial Cooling Fan for High Performance and Low Noise," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 27, No. 1, pp. 33-42.
G.E.P. B. and K.B. W., 1951, "On the Experimental Attainment of Optimum Conditions," Journal of the Royal Statistical Society Series B, Vol. 13, No. 1, pp. 1-45.
G.E.P. B. and D.W. B., 1960, "Some New Three Level Designs for the Study of Quantitative Variables," Technometrics, Vol. 2, No. 4, pp. 455-475.
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