얼음디스펜서와 홈바가 있는 빌트인 양문형 냉장고의 구조해석 및 도어 단차와 개스킷 간극의 평가 Structural Analysis of Built-in Side-by-Side Refrigerator with Ice Dispenser and Home Bar and Evaluation of Door Differences and Gasket Gap원문보기
냉동실 도어에 얼음디스펜서와 냉장실 도어에 홈바가 장착된 빌트인 양문형 냉장고 모델에 대하여 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 캐비닛과 도어를 통합한 유한요소모델을 구성하고 변형해석을 수행하였다. 하중으로는 냉장고가 조립된 조건, 그리고 캐비닛 선반과 도어 배스킷에 적재되는 식품 부하물 하중과 냉장고 정상 작동 시의 온도분포에 의한 열하중조건을 고려하였다. 캐비닛과 도어의 변형량 해석결과에 기반하여 냉동실 도어와 냉장실 도어 사이의 상하단차와 앞뒤단차를 평가하고, 냉기 밀봉에 영향을 미치는 캐비닛 전면과 도어 내면 사이에 위치한 도어 개스킷의 간극의 증가량을 평가하였다. 부하물이 없고 냉장고가 작동하지 않는 조건의 해석결과 계산된 상하단차와 앞뒤단차는 제품 출하 시의 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다. 부하물이 투입되고 냉장고가 정상 작동하는 열하중조건의 해석결과 계산된 상하단차와 앞뒤단차는 조립조건에 비해 증가하며 특히 앞뒤단차가 크게 증가시키는 것으로 나타났다. 열하중조건의 해석결과 계산된 캐비닛 전면과 도어 내면의 변위로부터 도어의 사각 테두리에 부착되는 개스킷 간극의 증가량을 평가하였다. 최대 간극 증가량은 냉동실 도어의 좌측 테두리에서 발생하며 제조업체에서 정한 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다.
냉동실 도어에 얼음디스펜서와 냉장실 도어에 홈바가 장착된 빌트인 양문형 냉장고 모델에 대하여 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 캐비닛과 도어를 통합한 유한요소모델을 구성하고 변형해석을 수행하였다. 하중으로는 냉장고가 조립된 조건, 그리고 캐비닛 선반과 도어 배스킷에 적재되는 식품 부하물 하중과 냉장고 정상 작동 시의 온도분포에 의한 열하중조건을 고려하였다. 캐비닛과 도어의 변형량 해석결과에 기반하여 냉동실 도어와 냉장실 도어 사이의 상하단차와 앞뒤단차를 평가하고, 냉기 밀봉에 영향을 미치는 캐비닛 전면과 도어 내면 사이에 위치한 도어 개스킷의 간극의 증가량을 평가하였다. 부하물이 없고 냉장고가 작동하지 않는 조건의 해석결과 계산된 상하단차와 앞뒤단차는 제품 출하 시의 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다. 부하물이 투입되고 냉장고가 정상 작동하는 열하중조건의 해석결과 계산된 상하단차와 앞뒤단차는 조립조건에 비해 증가하며 특히 앞뒤단차가 크게 증가시키는 것으로 나타났다. 열하중조건의 해석결과 계산된 캐비닛 전면과 도어 내면의 변위로부터 도어의 사각 테두리에 부착되는 개스킷 간극의 증가량을 평가하였다. 최대 간극 증가량은 냉동실 도어의 좌측 테두리에서 발생하며 제조업체에서 정한 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다.
A cabinet-door integrated finite element model for a built-in side-by-side refrigerator with an ice dispenser and home bar was constructed, and its deformation was analyzed by ANSYS. As loads, the food load in the shelf and baskets, and thermal load occurring during the normal operation condition we...
A cabinet-door integrated finite element model for a built-in side-by-side refrigerator with an ice dispenser and home bar was constructed, and its deformation was analyzed by ANSYS. As loads, the food load in the shelf and baskets, and thermal load occurring during the normal operation condition were considered. From results of the analyses, the door height difference (DHD) and door flatness difference (DFD) between the two doors, and the increase in the gap of the door gasket, which affects the sealing of cool air in the cabinet, were derived. As results of an evaluation of the differences, the DHD and DFD under the assembled condition satisfied the acceptance criteria of the manufacturer. The food and thermal loads increased the DHD and DFD due to thermal deformation, and the DFD increased significantly. In addition, the increase in the gap of door gasket located between the cabinet and doors was derived from the results of displacements under the food and thermal loads. The evaluation showed that the maximum increase in gap appeared at the left edge of the freezing compartment gasket, which satisfied the acceptance criteria of the manufacturer.
A cabinet-door integrated finite element model for a built-in side-by-side refrigerator with an ice dispenser and home bar was constructed, and its deformation was analyzed by ANSYS. As loads, the food load in the shelf and baskets, and thermal load occurring during the normal operation condition were considered. From results of the analyses, the door height difference (DHD) and door flatness difference (DFD) between the two doors, and the increase in the gap of the door gasket, which affects the sealing of cool air in the cabinet, were derived. As results of an evaluation of the differences, the DHD and DFD under the assembled condition satisfied the acceptance criteria of the manufacturer. The food and thermal loads increased the DHD and DFD due to thermal deformation, and the DFD increased significantly. In addition, the increase in the gap of door gasket located between the cabinet and doors was derived from the results of displacements under the food and thermal loads. The evaluation showed that the maximum increase in gap appeared at the left edge of the freezing compartment gasket, which satisfied the acceptance criteria of the manufacturer.
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문제 정의
본 연구에서는 홈바와 얼음디스펜서가 설치된 빌트인 양문형 냉장고 모델에 대하여 상용 유한요소해석 프로그 램인 ANSYS workbench[11]를 사용하여 구조해석을 수행하여 도어의 변형량을 해석하고자 한다. 해석결과에 기반하여 두 도어 사이의 상하단차와 앞뒤단차, 그리고 캐비닛과 도어 사이의 개스킷 간극을 평가하고자 한다.
이상과 같은 배경 하에서 본 논문에서는 홈바와 얼음 디스펜서가 설치된 빌트인 양문형 냉장고를 대상으로 유한요소해석을 수행하여 도어의 상하단차, 앞뒤단차, 개스킷 간극에 대하여 연구하고자 한다.
해석결과에 기반하여 두 도어 사이의 상하단차와 앞뒤단차, 그리고 캐비닛과 도어 사이의 개스킷 간극을 평가하고자 한다. 해석 시의 하중으로는 냉장고 자중뿐만 아니라 식품부 하물 하중과 냉장고 작동 시의 열하중도 고려하며, 각 하중이 단차에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
가설 설정
열해석을 위한 경계조건으로서 냉장고의 외면에는 대류경계조건을 부여하였다. 외면의 대류열전달계수는 자연대류에 해당하는 5x10-6 W/mm2K로, 외부온도(surrounding temperature)는 상온인 25℃로 설정하였다. 냉장고의 내면에는 온도 경계조건을 부여하였으며, 냉동실 내면은 -20℃, 냉장실 내면은 3℃로 설정하였다.
제안 방법
그리고 해석결과로부터 냉장고 작동 조건에서 발생하는 상하단차와 앞뒤단차, 그리고 캐비닛과 도어 사이의 개스킷 간극의 크기를 평가하였다.
1. 얼음디스펜서와 홈바가 장착된 빌트인 양문형 냉장고에 대하여 캐비닛과 도어를 통합한 유한요소모델을 만들고, 조립조건 및 부하물 하중과 냉장고 작동 시의 열하중조건에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과에 의거하여 냉동실 도어와 냉장실 도어 사이의 상하단차와 앞뒤단차, 그리고 냉기 유출에 영향을 미치는 도어 개스킷의 간극을 평가하였다.
고무 재질인 개스킷의 물성치는 비선형성이 강하므로 만일 해석모델에 개스킷을 포함하여 비선형구조해석을 수행하면 해석모델이 매우 복잡해지고 해석에 장시간이 소요되므로, 본 연구에서는 캐비닛-도어 통합모델에 개스킷을 포함하지 않았다. 따라서 냉장고에 부하물과 열하중이 가해질 때의 개스킷의 변형량을 해석결과로부터 직접 구할 수는 없지만, 개스킷이 설치된 테두리를 따라서 캐비닛 전면과 도어 내면의 앞뒤방향 변위 UY(Fig.
구조해석을 위한 변위 경계조건으로는 하부힌지 바닥에 설치되어 냉장고를 지지하는 역할을 하는 높낮이 조정나사(adjustment screw) 하단의 변위를 구속하였다.
그리고 이 해석모델에서 형상을 직접 반영하지 않은 부품인 냉동실 상부의 증발기, 냉장실 상부의 압축기, 케비닛 벽에 매립된 증발기의 무게는 각각 16.7 N, 41.5 N, 9.1 N이며 해당 위치에 집중하중으로 가하였다.
다음은 캐비닛-도어 통합모델에 대하여 캐비닛과 도어에 부하물이 투입된 상태에서 냉장고가 정상상태로 작동될 때의 온도분포를 열하중으로 가하여 열-구조 연성해석을 수행하였다. 부하물 하중은 식품을 최대한 투입할 경우의 무게에 해당하는 힘을 Fig.
다음은, 냉장고 작동 조건, 즉 캐비닛 선반과 도어 배스킷에 식품 부하물이 투입되어 정상상태로 작동될 때 가해지는 열하중에 대하여 정적구조해석을 수행하였다. 그리고 해석결과로부터 냉장고 작동 조건에서 발생하는 상하단차와 앞뒤단차, 그리고 캐비닛과 도어 사이의 개스킷 간극의 크기를 평가하였다.
고무 재질인 개스킷의 물성치는 비선형성이 강하므로 만일 해석모델에 개스킷을 포함하여 비선형구조해석을 수행하면 해석모델이 매우 복잡해지고 해석에 장시간이 소요되므로, 본 연구에서는 캐비닛-도어 통합모델에 개스킷을 포함하지 않았다. 따라서 냉장고에 부하물과 열하중이 가해질 때의 개스킷의 변형량을 해석결과로부터 직접 구할 수는 없지만, 개스킷이 설치된 테두리를 따라서 캐비닛 전면과 도어 내면의 앞뒤방향 변위 UY(Fig. 10 참조)의 차로부터 간접적으로 개스킷 간극의 증가량을 구하였다. 따라서, 도어 테두리의 개스킷과 접하는 캐비닛 전면의 변위 UY에서 도어 내면의 변위 UY를 뺀 차, 즉 DUY가 개스킷 간극의 증가량이 된다.
한편, 좌우의 냉동실 및 냉장실 도어는 캐비닛의 좌우측에 부착되어 있는 상부힌지 및 하부힌지를 통하여 캐비닛에 조립된다. 따라서 캐비닛과 도어가 상부힌지 및 하부힌지에서 체결되는 방법을 고려하여 캐비닛 모델과 도어 모델을 통합하였다. 냉장고 제조 시의 조립 공정에 서는 먼저 하부힌지를 캐비닛에 체결한 상태에서 도어의 하부핀을 캐비닛에 부착된 하부힌지 구멍에 끼워서 도어를 하부힌지 위에 얹어 놓은 후에, 도어의 상부핀을 상부힌지 구멍에 끼우고 마지막으로 상부힌지를 캐비닛과 체결하여 조립을 완성한다.
먼저 냉장고가 조립되어 출하되는 조건에서의 상하단차와 앞뒤단차의 크기를 평가하였다. 캐비닛-도어 통합 모델에 대하여 캐비닛 선반과 도어 배스킷에 부하물이 투입되지 않은 상태, 즉 자중만 가해진 경우에 대하여 정적구조해석을 수행하였다.
먼저 열하중을 구하기 위하여 캐비닛-도어 통합모델에 대하여 냉장고가 정상상태로 작동될 때의 열해석을 수행하여 냉장고의 온도분포를 계산하였다. 열해석을 위한 경계조건으로서 냉장고의 외면에는 대류경계조건을 부여하였다.
1과 같으며, 좌측의 냉동실 도어에 얼음디스펜서, 우측의 냉장실 도어에 홈바가 설치된 모델이다. 이 냉장고에 대하여 ANSYS를 사용하여 캐비닛-도어를 통합한 유한요소모델을 만들고 정적해석을 수행하였다.
먼저 냉장고가 조립되어 출하되는 조건에서의 상하단차와 앞뒤단차의 크기를 평가하였다. 캐비닛-도어 통합 모델에 대하여 캐비닛 선반과 도어 배스킷에 부하물이 투입되지 않은 상태, 즉 자중만 가해진 경우에 대하여 정적구조해석을 수행하였다.
이를 고려하여 상부힌지의 원통 구멍과 도어의 상부핀 사이에는 슬라이딩이 일어날 수 있는 무마찰(no separation) 조건을 부여하였다. 하부힌지의 원통 구멍과 도어의 하부핀 사이, 그리고 도어 바닥면과 하부힌지의 상부면에도 슬라이딩이 일어날 수 있는 무마찰 조건을 부여하였다.
본 연구에서는 홈바와 얼음디스펜서가 설치된 빌트인 양문형 냉장고 모델에 대하여 상용 유한요소해석 프로그 램인 ANSYS workbench[11]를 사용하여 구조해석을 수행하여 도어의 변형량을 해석하고자 한다. 해석결과에 기반하여 두 도어 사이의 상하단차와 앞뒤단차, 그리고 캐비닛과 도어 사이의 개스킷 간극을 평가하고자 한다. 해석 시의 하중으로는 냉장고 자중뿐만 아니라 식품부 하물 하중과 냉장고 작동 시의 열하중도 고려하며, 각 하중이 단차에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
얼음디스펜서와 홈바가 장착된 빌트인 양문형 냉장고에 대하여 캐비닛과 도어를 통합한 유한요소모델을 만들고, 조립조건 및 부하물 하중과 냉장고 작동 시의 열하중조건에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과에 의거하여 냉동실 도어와 냉장실 도어 사이의 상하단차와 앞뒤단차, 그리고 냉기 유출에 영향을 미치는 도어 개스킷의 간극을 평가하였다.
대상 데이터
본 연구에서 다루고자 하는 빌트인 양문형 냉장고는 형상이 Fig. 1과 같으며, 좌측의 냉동실 도어에 얼음디스펜서, 우측의 냉장실 도어에 홈바가 설치된 모델이다. 이 냉장고에 대하여 ANSYS를 사용하여 캐비닛-도어를 통합한 유한요소모델을 만들고 정적해석을 수행하였다.
3(a), (b)는 각각 캐비닛과 도어의 유한요소모델을 나타내며, ANSYS의 자동요소생성 기능을 사용하여 솔리드(solid) 요소를 생성하였다. 사용된 요소 종류는 요소당 10절점의 2차 사면체요소(quadratic tetrahedron element)이다. Fig.
성능/효과
2. 부하물이 없고 냉장고가 작동하지 않는 조건의 해석결과는 상하단차가 0.04 mm, 앞뒤단차가 0.10 mm이며, 제품 출하 시의 허용기준 2 mm를 만족하는 것으로 나타났다.
3. 부하물이 최대로 투입되고 냉장고가 정상 작동하는 조건, 즉 열하중이 가해지는 조건의 해석결과는 상하단차가 0.11 mm, 앞뒤단차가 1.14 mm로 나타났다. 따라서 열하중은 상하단차와 앞뒤단차를 증가시키며 특히 앞뒤단차를 크게 증가시키는 것으로 나타났다.
4. 부하물이 최대로 투입되고 냉장고가 정상 작동하는 조건에서 도어 개스킷 간극의 최대 증가량은 냉동실 좌측 테두리에서 1.97 mm로 나타났다. 이는 제조업체에서 정한 개스킷 간극 증가량의 허용기준 2 mm보다 작으므로 냉기 누설 측면에서 문제가 되지 않는 것으로 판단된다.
냉장고 제조 시의 조립 공정에 서는 먼저 하부힌지를 캐비닛에 체결한 상태에서 도어의 하부핀을 캐비닛에 부착된 하부힌지 구멍에 끼워서 도어를 하부힌지 위에 얹어 놓은 후에, 도어의 상부핀을 상부힌지 구멍에 끼우고 마지막으로 상부힌지를 캐비닛과 체결하여 조립을 완성한다. 결과적으로 캐비닛과 도어는 도어의 원통 핀이 캐비닛 힌지의 원통 구멍에 끼워지는 방식으로 체결된다. 이를 고려하여 상부힌지의 원통 구멍과 도어의 상부핀 사이에는 슬라이딩이 일어날 수 있는 무마찰(no separation) 조건을 부여하였다.
따라서 만일 하중이 가해질 때 DUY>0이면 개스킷 간극이 초기보다 증가하고, DUY<0이면 감소하는 것으로 판단할 수 있다.
14 mm로 나타났다. 따라서 열하중은 상하단차와 앞뒤단차를 증가시키며 특히 앞뒤단차를 크게 증가시키는 것으로 나타났다. 그리고 부하물이 최대로 투입되어 냉장고가 작동할 때 발생하는 이 앞뒤단차 1.
이상의 해석결과로서, 냉장고 작동 시에는 열하중이 상하단차와 앞뒤단차를 증가시키며 특히 앞뒤단차를 크게 증가시킨다는 것으로 결론지을 수 있다. 또한, 참고적으로 냉장고 작동 시에 발생하는 이 앞뒤단차 1.
전체 테두리 중에서 개스킷 간극의 증가량, 즉 DUY 가 최소인 위치는 Fig. 14(a)에 표시된 바와 같이 냉장실 상부(RT)의 두 도어가 접하는 위치이며 DUYmin=-1.11 mm로 나타났다. 이와 같이 DUY가 음수이면 개스킷 간극이 초기보다 감소하므로 개스킷이 더 압축되어 냉기 누설을 방지하는 측면에서 더 유리하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
빌트인(built-in) 냉장고의 효과는?
빌트인(built-in) 냉장고는 주방 가구장의 안쪽에 매립하여 냉장고 전면이 가구장의 전면과 일치하도록 설치되므로 공간 사용이 효율적이고 외관상 고급스러운 느낌을 준다. 생활수준 향상에 따라 깔끔한 주방을 구현하고자 하는 소비자 욕구가 커짐에 따라 일반 양문형 (side-by-side) 냉장고에 비해 고가인 빌트인 양문형 냉장고가 최근에 많이 보급되고 있다.
고가인 빌트인 양문형 냉장고가 양문형 냉장고에 비해 보급이 많은 이유는?
빌트인(built-in) 냉장고는 주방 가구장의 안쪽에 매립하여 냉장고 전면이 가구장의 전면과 일치하도록 설치되므로 공간 사용이 효율적이고 외관상 고급스러운 느낌을 준다. 생활수준 향상에 따라 깔끔한 주방을 구현하고자 하는 소비자 욕구가 커짐에 따라 일반 양문형 (side-by-side) 냉장고에 비해 고가인 빌트인 양문형 냉장고가 최근에 많이 보급되고 있다. 빌트인 양문형 냉장고는 보통 좌측에 냉동실, 우측에 냉장실이 위치하고 있 으며, 소비자의 요구에 부합하기 위해 각각의 도어(door) 에 다양한 부가 기기가 설치되고 있다.
빌트인 양문형 냉장고의 도어는 어떤 편의성을 주나?
빌트인 양문형 냉장고는 보통 좌측에 냉동실, 우측에 냉장실이 위치하고 있 으며, 소비자의 요구에 부합하기 위해 각각의 도어(door) 에 다양한 부가 기기가 설치되고 있다. 냉장실 도어의 홈바(home bar)는 자주 사용하는 식품 및 음료 수납의 편리성을, 냉동실 도어의 얼음디스펜서(ice dispenser)는 얼음 배출의 편리성을 제공한다
참고문헌 (11)
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B. Y. Lee, "Analysis of Door Height Difference and Door Flatness Difference of Built-in Side-by-Side Refrigerator Using Cabinet-Door Integrated Model", The Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Submitted, 2018.
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