[논문]열변형 해석을 이용한 냉장고 수축팽창 소음저감

박성규; 김원진

doi:10.7776/ask.2019.38.3.344

열변형 해석을 이용한 냉장고 수축팽창 소음저감
Reduction of contraction and expansion noise of refrigerator using thermal deformation analysis 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.3, 2019년, pp.344 - 351

초록
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본 연구에서는 수축 및 팽창 소음 발생 메커니즘을 분석하고, 냉장고 운전 중에 소음발생 빈도를 줄이기 위한 효과적인 방법을 제안하였다. 냉장고의 수축팽창음 발생 시에 제품의 품질비용 상승에 영향을 주기 때문에 저감이 필요하다. 먼저, 무향실에서 측정된 음압 신호를 이용하여 주파수 스펙트럼 분석을 수행하여 소음의 특성과 발생 빈도를 분석하였다. 둘째, 열변형 해석을 수행하여 소음원의 위치를 예측했다. 분석결과에서 가장 큰 열변형은 냉동실의 왼쪽 내부 케이스의 중간에서 발생하였다. 또한 음원 위치의 가속도 레벨을 평가한 결과, 소음을 발생시키는 내부 부품이 냉동실의 세 번째 선반임을 알 수 있었다. 냉장고의 중앙 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 두께 증가에 의한 열변형 저감을 통하여 수축팽창음을 저감할 수 있는 방법을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the mechanism of contraction and expansion noise generation is investigated, and effective methods are proposed to reduce the occurrence frequency of noise during operation of the refrigerator. First, the frequency spectrum analysis was made by using the sound pressure signal measured in an anechoic chamber to investigate the characteristic of noise and the frequency of occurrence. Second, a thermal deformation analysis was conducted to predict the location of noise source. It is found from the analysis that the biggest thermal deformation occurs in the middle of the left inner case in the freezer room. Following the investigation made, a noise reduction method is proposed. The method is proposed to reduce the contraction and expansion noise by reducing the thermal deformation through increasing ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) thickness in the center of refrigerator.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Generation mechanism of contraction & expansion noise.
그림 Fig. 2. Experimental setup of noise measurement.
그림 Fig. 3. Time history of sound pressure level.
표 Table 1. The frequency of occurrence of contraction & expansion noise.
그림 Fig. 4. Finite element model of the refrigerator.
표 Table 2. Material properties.
그림 Fig. 5. Deformation distribution of steady state thermal analysis.
그림 Fig. 6. Boundary condition.
그림 Fig. 7. Deformation distribution of the refrigerator.
그림 Fig. 8. Time history of the acceleration level for contraction & expansion noise.
표 Table 3. The frequency of occurrence of contraction & expansion noise without the 3rd shelf in F-room.
그림 Fig. 9. Maximum thermal deformations for different ABS thicknessˊ.
그림 Fig. 10. Mechanism for decreasing thermal deformation.
그림 Fig. 11. Reinforcement method for reducing thermal deformation.
그림 Fig. 12. Thermal deformation distribution for local ABS thickness reinforcement on the left side in F-room.
그림 Fig. 13. Thermal deformation distribution for local ABS thickness reinforcement on the left & right side in F-room.
그림 Fig. 14. Thermal deformation distribution for local ABS thickness reinforcement on the left & right side in F & R-room.
표 Table 4. Maximum thermal deformation for ABS thickness reinforcement to different positions in the refrigerator.

AI 본문요약
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문제 정의

소음이 발생할 때에 내부 벽면으로 진동이 전달되어 상대적으로 높은 진동레벨을 가질 것으로 판단된다. 따라서 암소음이 30 dBA 이상인 실험실 환경에서 진동레벨을 이용하여 수축팽창 소음을 평가하고자 한다. 앞 절로부터 도출한 열변형이 큰 냉동실 좌측 벽면 중앙부분에 결합된 부품은 선반이다.
수축팽창음은 냉장고 내부의 온도변화에 따른 열변형에 의해서 발생되며, 열변형을 저감하므로 수축 팽창음을 저감할 수 있다. 따라서 열변형해석을 통하여 열변형을 저감하는 방안을 도출하고자 한다. 냉장고 온도변화에 의한 열변형을 예측하기 위하여 냉장고 전체의 온도 및 모든 구성요소의 열전달 계수는 균일하게 유지된다고 가정하고, 열전달 과정에서 열의 복사 및 모든 구성요소간의 열접촉 저항은 무시하였다.
이상의 연구에서 자동차의 브레이크 마찰소음이나 텔레비전에서 발생하는 충격음의 원인이 스틱슬립 현상인 것을 확인하였고, 이러한 연구들이 꾸준히 진행되고 있지만 냉장고의 온도 변화에 따른 열팽창으로 인하여 발생하는 수축팽창 소음 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 냉장고의 수축팽창 소음에 대한 발생기구를 규명하고, 수축팽창 소음을 저감시키는 대책을 수립하고자 한다.

가설 설정

냉동실 세번째 선반과 내부벽면의 스틱슬립으로 인한 소음발생 여부를 확인하기 위하여 냉동실의 세 번째 선반의 내부 벽면에 가속도계를 설치하였고, 선반의 유 ‧ 무에 따른 소음의 발생을 진동레벨로 평가하였다. 기준상태의 진동레벨보다 10 mG 이상의 진동변화가 발생하는 것을 수축팽창 음이라 가정하고 실험을 수행하였다. 그리고 실험 결과를 Table 3 및 Fig.
따라서 열변형해석을 통하여 열변형을 저감하는 방안을 도출하고자 한다. 냉장고 온도변화에 의한 열변형을 예측하기 위하여 냉장고 전체의 온도 및 모든 구성요소의 열전달 계수는 균일하게 유지된다고 가정하고, 열전달 과정에서 열의 복사 및 모든 구성요소간의 열접촉 저항은 무시하였다. 이러한 가정을 근거로 유한요소법을 이용한 수치적분으로 해를 구하였다.
2 °C, 외부온도는 상온 상태인 23 °C를 적용하였다. 냉장고 외부는 자연대류 조건을 고려하였고, 냉장고의 내부온도는 일정하게 유지된다고 가정하고 해석을 수행하였다.
해석모델은 내부 폴리우레탄 폼에 대해서 3차원 솔리드 요소, 폴리우레탄폼과 접촉하는 외판, 내벽의 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)는 2차원 쉘요소로 냉장고 전체 형상을 모델링하였다. 냉장고의 문은 냉장고의 내부온도가 일정하게 유지된다고 가정하여 해석을 수행하기 때문에 해석모델에서 포함되지 않았다. 냉장고 유한요소 모델의 절점 개수는 579,338개이고, 총 요소의 개수는 394,841개이다.
또한 온도분포 해석 시에 모델의 초기상태에서는 모델 전체의 온도가 대기온도와 동일한 것으로 가정하였다. 온도분포 해석 결과를 Fig.

제안 방법

냉동실 좌측벽면, 냉동실 좌‧ 우측 벽면, 그리고 냉장실 ‧ 냉동실 좌‧ 우측 벽면에서 Fig. 11(a)의 3가지 두께 보강위치를 조합하여 총 9 가지 경우에 대한 해석을 수행하였다. 냉동실 좌측벽면에서 두께를 변경한 결과를 Fig.
[4] 따라서 실사용 조건에서 냉장고의 내부온도를 측정하고, 이 온도조건을 고려하여 정상상태 온도분포 해석을 수행하였다.
앞 절로부터 도출한 열변형이 큰 냉동실 좌측 벽면 중앙부분에 결합된 부품은 선반이다. 냉동실 세번째 선반과 내부벽면의 스틱슬립으로 인한 소음발생 여부를 확인하기 위하여 냉동실의 세 번째 선반의 내부 벽면에 가속도계를 설치하였고, 선반의 유 ‧ 무에 따른 소음의 발생을 진동레벨로 평가하였다. 기준상태의 진동레벨보다 10 mG 이상의 진동변화가 발생하는 것을 수축팽창 음이라 가정하고 실험을 수행하였다.
냉장고 수축팽창 소음의 발생 현상 및 위치를 분석하고, 소음저감 대책을 수립하였다. 대상 냉장고의 3사이클 운전 및 정지 동안 전방과 후방에서 많은 수의 수축팽창음이 발생하였다.
이러한 가정을 근거로 유한요소법을 이용한 수치적분으로 해를 구하였다. 냉장고는 많은 부품들로 이루어져 있으므로 모델링의 편의성과 해석시간의 단축을 위해 Fig. 4에서와 같이 해석상의 중요한 부분에 대해서 상세히 모델링하고, ^[5] 나머지 부품을 생략하고 모델링하였다. 여기에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS^[6]을 이용하여 유한요소 모델을 생성 및 해석을 수행하였고, 냉장고의 전체 해석모델은 Fig.
일반적으로 냉장고의 소음레벨은 무향실 전 ‧ 후방 1 m의 거리에서 측정한 음압레벨로 대표된다. 따라서 Fig. 2에서와 같이 양문형 냉장고를 대상으로 냉장고 높이의 중간에서 전 ‧ 후방으로 각각 1 m 떨어진 지점에서 4시간, 3사이클 동안의 소음레벨을 측정하였고, 소음의 발생빈도를 분석하였다. 냉장고는 온기동 상태이며, 내부평균 온도는 냉동실이 영하 23.
냉장고에 대한 열변형 해석을 수행한 결과에서 최대변형 부분은 냉동실 좌측 내부벽면의 중앙부임을 알 수 있었다. 따라서 소음원의 위치가 냉동실 내부의 중앙부 선반으로 판단하고, 소음원의 위치 규명을 위하여 선반 유무에 따른 수축팽창 소음에 의한 가속도레벨을 평가하였다. 이러한 수축팽창 소음을 저감하기 위하여 냉장고의 내부 열변형을 저감하는 설계를 하였다.
5 mm로 유지한 상태에서 열변형을 저감시키는 설계가 필요하다. 열변형을 저감하기 위해서 Fig. 10과 같이 열변형이 심한 부분에 국부적으로 두께를 변경하여 강성을 보강하는 방법을 제안하고, Fig. 11과 같이 열변형을 저감할 수 있는 형상설계를 하였다. 열변형 저감을 위한 형상설계에서는 기존 ABS 내벽보다 두께를 국부적으로 1 mm 증가시켰고, 그 위치를 Fig.
냉장고 온도변화에 의한 열변형을 예측하기 위하여 냉장고 전체의 온도 및 모든 구성요소의 열전달 계수는 균일하게 유지된다고 가정하고, 열전달 과정에서 열의 복사 및 모든 구성요소간의 열접촉 저항은 무시하였다. 이러한 가정을 근거로 유한요소법을 이용한 수치적분으로 해를 구하였다. 냉장고는 많은 부품들로 이루어져 있으므로 모델링의 편의성과 해석시간의 단축을 위해 Fig.
따라서 소음원의 위치가 냉동실 내부의 중앙부 선반으로 판단하고, 소음원의 위치 규명을 위하여 선반 유무에 따른 수축팽창 소음에 의한 가속도레벨을 평가하였다. 이러한 수축팽창 소음을 저감하기 위하여 냉장고의 내부 열변형을 저감하는 설계를 하였다. 총 9가지의 해석결과 중에서 냉동실 및 냉장실 좌‧ 우측 벽면의 중앙부분에서 ABS 두께를 증가시킨 경우가 열변형이 가장 크게 저감되었다.

대상 데이터

냉장고의 문은 냉장고의 내부온도가 일정하게 유지된다고 가정하여 해석을 수행하기 때문에 해석모델에서 포함되지 않았다. 냉장고 유한요소 모델의 절점 개수는 579,338개이고, 총 요소의 개수는 394,841개이다. 냉장고 유한요소 모델에 사용된 물성치와 재료의 기계적인 특성은 Table 2에 나타내었다.
4에 나타내었다. 해석모델은 내부 폴리우레탄 폼에 대해서 3차원 솔리드 요소, 폴리우레탄폼과 접촉하는 외판, 내벽의 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)는 2차원 쉘요소로 냉장고 전체 형상을 모델링하였다. 냉장고의 문은 냉장고의 내부온도가 일정하게 유지된다고 가정하여 해석을 수행하기 때문에 해석모델에서 포함되지 않았다.

데이터처리

여기에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS[6]을 이용하여 유한요소 모델을 생성 및 해석을 수행하였고, 냉장고의 전체 해석모델은 Fig. 4에 나타내었다.

성능/효과

9에 나타내었다. 그 결과를 보면 ABS의 두께가 두꺼워질수록 열변형이 증가하는 경향을 보였다. 하지만 고온에서 ABS 내벽과 흡착되는 폴리우레탄 폼의 특성 때문에 내벽의 두께가 얇아지면 고온으로 인한 열변형이 발생하여 제품 불량률을 증가시킨다.
총 9가지의 해석결과 중에서 냉동실 및 냉장실 좌‧ 우측 벽면의 중앙부분에서 ABS 두께를 증가시킨 경우가 열변형이 가장 크게 저감되었다. 기존 냉장고의 변형량의 최대 79 %까지 열변형이 저감됨을 확인할 수 있다. 열변형이 저감되면 마찰면의 상대변위가 저감되고, ABS 내벽과 선반과의 스틱슬립 현상에 따른 수축팽창 소음 발생도 저감될 것이다.
대상 냉장고의 3사이클 운전 및 정지 동안 전방과 후방에서 많은 수의 수축팽창음이 발생하였다. 냉장고에 대한 열변형 해석을 수행한 결과에서 최대변형 부분은 냉동실 좌측 내부벽면의 중앙부임을 알 수 있었다. 따라서 소음원의 위치가 냉동실 내부의 중앙부 선반으로 판단하고, 소음원의 위치 규명을 위하여 선반 유무에 따른 수축팽창 소음에 의한 가속도레벨을 평가하였다.
^[8]특히 냉동실은 냉장실에 비해 온도구배가 더 크기 때문에 벽면의 변형이 증가한다. 따라서 냉장고의 열변형 해석결과를 분석하면 선팽창계수가 크고, 온도구배가 클수록 열변형이 크게 발생함을 알 수 있다.^[9] 냉장고의 수축팽창 소음은 제품을 구성하는 부품들 간의 접촉면에서 발생한 상대변위가 마찰현상을 일으키기 때문에 발생된다.
또한 기존 냉장고의 변형량은 3.9 mm이고, 최대 79 % 정도 열변형이 저감됨을 확인할 수 있다. 열변형이 저감되면 마찰면의 상대변위가 저감되고, ABS 내벽과 선반과의 스틱슬립 현상에 따른 수축팽창 소음 발생도 저감될 것으로 판단된다.
8에서 세 사이클 동안의 수축팽창 소음이 선반이 있을 경우에는 총 10회 발생하였고, 선반을 제거했을 경우에는 발생하지 않았다. 이 실험결과로부터 냉장고의 수축팽창 소음을 발생키는 내부부품은 냉장고의 세 번째 선반일 것이라는 결론을 얻을 수 있다. 따라서 수축팽창 소음을 저감하기 위하여 냉장고의 내부 열변형을 저감하는 설계가 필요하다.
1 dBA로 평가되었다. 이상에서와 같이 측정된 수축팽창 소음은 세 사이클 동안 전방에서 총 23회, 후방에서 총 20 회 발생하였고, 발생현상이 비주기적이며 불규칙적인 것을 확인할 수 있다. 이러한 소음의 발생빈도를 저감하기 위하여 소음원의 위치에 대한 규명이 필요 하다.
이러한 수축팽창 소음을 저감하기 위하여 냉장고의 내부 열변형을 저감하는 설계를 하였다. 총 9가지의 해석결과 중에서 냉동실 및 냉장실 좌‧ 우측 벽면의 중앙부분에서 ABS 두께를 증가시킨 경우가 열변형이 가장 크게 저감되었다. 기존 냉장고의 변형량의 최대 79 %까지 열변형이 저감됨을 확인할 수 있다.
3, 소음의 발생 빈도수를 Table 1에 나타내었다. 최대 음압레벨은 압축기 기동 상태일 때에 44.7 dBA, 정지상태일 때에 41.1 dBA로 평가되었다. 이상에서와 같이 측정된 수축팽창 소음은 세 사이클 동안 전방에서 총 23회, 후방에서 총 20 회 발생하였고, 발생현상이 비주기적이며 불규칙적인 것을 확인할 수 있다.
총 9가지 해석결과에 대한 최대변형량을 Table 4에 정리하였다. 해석결과를 분석해보면 열변형이 가장 큰 부분에 국부적으로 내부 ABS 두께를 증가시키면 열변형이 감소하는 경향이 나타났고, Fig 13의 (c)와 같이 냉동실 및 냉장실의 좌‧ 우측 내부 벽면의 두께를 국부적으로 증가시키는 경우에 열변형이 가장 크게 저감되는 것을 확인하였다.
7에 나타내었다. 해석결과에서 냉동실의 변형이 냉장실보다 크고, 최대변형은 냉동실 좌측 내부벽면의 중앙부분이며 3.9 mm이다. 냉장고 벽면은 강판인 외판과 ABS 수지를 팽창성형하여 만든 내벽을 조립하고 그 사이에 폴리우레탄 수지를 발포시켜 구조적으로 강성을 갖도록 되어 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉장고 내부에서 열변형이 최대로 이루어진 부분은 어디인가?	대상 냉장고의 3사이클 운전 및 정지 동안 전방과 후방에서 많은 수의 수축팽창음이 발생하였다. 냉장고에 대한 열변형 해석을 수행한 결과에서 최대변형 부분은 냉동실 좌측 내부벽면의 중앙부임을 알 수 있었다. 따라서 소음원의 위치가 냉동실 내부의 중앙부 선반으로 판단하고, 소음원의 위치 규명을 위하여 선반 유무에 따른 수축팽창 소음에 의한 가속도레벨을 평가하였다.
	스틱슬립 현상의 원리는?	냉장고는 여러 가지 이종 재질 의 부품들이 서로 접촉하고 있거나 서로 체결되어 있으므로 온도변화로 인한 열팽창이 발생하게 되면 부품들은 서로 구속되어 응력 및 변형률에너지가 증가하게 된다. 온도의 변화와 시간의 영향으로 접촉 면의 접촉강성이 변화하게 되면 마찰면이 정지 상태 에서 미끄러짐 상태로 변화하게 되고, 접촉면의 표면돌기들에서 충격에너지가 발생하게 된다. 그 이후에 발생하는 시스템의 내부에너지는 변형 및 운동 에너지로 변환되며, 이때 소산된 운동에너지는 대부분 진동현상으로 나타난다. 이러한 접촉면의 진동이 수축팽창 소음을 유발한다.
	수축팽창 소음은 무엇인가?	수축팽창 소음은 매우 불규칙적으로 발생하며, 짧은 시간동안 발생하는 충격음이다. 여기서는 냉장고 소음의 정상상태에 대한 음압레벨을 기준으로 10 dBA 이상 높은 소음을 수축팽창 소음으로 정의한다. 냉장고에서 발생하는 수축팽창 소음은 사용자를 기준으로 판단되기 때문에 소음의 인지 방향과 위치에서 측정하는 것이 필요하다.

참고문헌 (10)

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J. G. Zhai, J. R. Cho, W. J. Jeon, and J. H. Kim, "The study for bead effect in inner case on thermal deformation of refrigerator" (in Korean), J. Korean Soc. Precis. Eng., 28, 98-101 (2011).

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].

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