[논문]에어컨 실내기의 수축팽창 소음 저감 방법

김강환; 김원진

doi:10.7776/ask.2020.39.2.098

에어컨 실내기의 수축팽창 소음 저감 방법
An effective method to reduce the contraction and expansion noise of air conditioner 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.2, 2020년, pp.98 - 104

김강환 (한국항공우주산업주식회사) , 김원진 (계명대학교 진동소음연구실)

초록
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에어컨 운전 중에 발생하는 실내기의 수축팽창 소음 현상을 분석하고, 발생위치를 평가한다. 그리고 마찰실험을 통하여 수축팽창 소음을 유발하는 인자를 규명하고자 한다. 먼저 항온·항습챔버에서 운전 환경 조건별로 수축팽창 소음의 발생횟수 및 특성을 분석하고, 분해법을 이용하여 냉방 및 난방 시 모두 하부 데코에서 발생하는 것을 확인하였다. 실내기에서 발생하는 수축팽창 소음은 하부 데코와 연결되는 부품들과의 체결부에서 발생하는 스틱슬립 현상에 의한 것으로 이러한 소음을 유발하는 인자를 규명하기 위하여 마찰실험을 진행하였다. 또한 마찰실험 결과의 효과적 분석을 위하여 십점평균 산출법을 도입하고, 실험 결과에서 Acrylonitrile Butadiene Styrene(ABS) 재질 간에 접촉하면 스틱슬립 현상을 유발하며 체결부의 양면에 표면조도를 증가하는 것이 소음저감에 효과적임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A method to reduce the Contraction and Expansion (CE) noise occurred in an air conditioner is investigated. The noise is measured during the cooling and heating phases in a temperature and humidity chamber to identify the generating phenomenon of CE noise of the air conditioner and the decomposition method is used to estimate its occurrence location. The CE noise of an air conditioner is known to be caused by a stick-slip phenomenon generated by joints of parts connected to the lower decor. Thus a friction experiment was conducted to investigate noise inducing factors. Also, this study established evaluation criteria to effectively analyze the results from friction experiments. Experimental results indicate that increasing surface roughness on both sides of joints is effective. Accordingly, the effect of increased surface roughness on joints of upper and lower decor of air conditioners is evaluated to see its feasibility in a temperature and humidity chamber.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Time history of sound pressure level.
표 Table1. The average number of contraction and ex-pansion noise occurrence for 10 times of 5 minutes measurements.
그림 Fig. 2. Experimental setup for material friction.
표 Table2. The average number of contraction and ex-pansion noise occurrence by the decomposition method.
그림 Fig. 3. The time history of friction force for ten point average calculation.
그림 Fig. 4. Specimen dimension.
그림 Fig. 5. Friction force and sound pressure.
표 Table 3. Test cases for different materials.
표 Table 4. Friction force variations and noise level.
표 Table 5. Test cases for different surface roughness.
표 Table6. Friction force variations for different surface roughness.
표 Table 7. Noise levels for different surface roughness.
표 Table 8. Average number of contraction and expan-sion noise occurrence for 5 minutes.

AI 본문요약
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문제 정의

^[6] 본 연구에서는 실내기의 운전 중에 발생하는 수축팽창 소음의 발생 현상을 분석하고 부품 분해법을 통하여 발생 위치를 평가한다. 그리고 마찰실험을 통하여 수축 팽창 소음을 유발하는 인자를 규명하고자 한다. 또한 접촉면의 표면조도를 변화시켜 수축팽창 소음 저감 설계방법을 제안하고, 실내 온도변화에 따라 소음의 저감 효과를 평가하고자 한다.
그리고 마찰실험을 통하여 수축 팽창 소음을 유발하는 인자를 규명하고자 한다. 또한 접촉면의 표면조도를 변화시켜 수축팽창 소음 저감 설계방법을 제안하고, 실내 온도변화에 따라 소음의 저감 효과를 평가하고자 한다.
스틱슬립 현상에 따른 수축팽창 소음의 발생은 접촉면에서 급격한 마찰력의 변화와 연관이 있으 며, 부품 접촉부의 재질, 면적 및 표면거칠기 등이 소음 발생에 영향을 준다. 실제 제품 적용에 있어서 재료 변경은 어려움이 있어서 접촉면의 표면거칠기를 변화하여 수축팽창 소음 저감 방안을 수립하고자 한다. 앞에서 제안한 마찰시험 장치 및 십점평균 산출법을 이용하여 표면조도에 따른 마찰특성을 규명 하였다.
접촉면에서 스틱슬립 현상이 발생하게 되면 급격한 마찰력의 변화가 생긴다. 이러한 마찰력의 변동을 기준으로 해당재료의 스틱슬립 발생 가능성 또는 정도를 평가하고자 한다. 마찰력의 변화 정도를 정량화하기 위하여 첨도, 분산, 십점 평균 조도법을 응용한 방법 세 가지 평가측도를 도입하였다.

제안 방법

^[3-5] 수축팽창 소음을 저감하기 위한 방법은 소재를 변경하는 방법, 접촉형태를 변경하는 방 법, 표면조도를 증가하는 방법 등이 있다.^[6] 본 연구에서는 실내기의 운전 중에 발생하는 수축팽창 소음의 발생 현상을 분석하고 부품 분해법을 통하여 발생 위치를 평가한다. 그리고 마찰실험을 통하여 수축 팽창 소음을 유발하는 인자를 규명하고자 한다.
8 m 떨어진 지점에 마이크로폰을 설치하여 소음레벨을 측정하였다. 냉방 및 난방 시에 측정하고, 수축팽창 소음의 재연성을 높이기 위하여 과도한 조건에서 실험을 진행하였다. 항온·항습챔버 내부 온도를 냉방시에는 60 °C, 난 방시에는 5 °C로 유지하고 실내기의 표면온도가 냉방시에 55 °C, 난방시에 10 °C가 되면 항온·항습챔버 의 작동을 중지하고 소음을 측정하였다.
수축팽창 소음은 실내기 부품의 온도가 급격하게 변할 때 많이 발생한다. 따라서 실내기 작동 초기 5 min 동안 냉방 및 난방 시 각각 10회 씩 총 20회 총합소음레벨 (overall level)을 측정하여 불규칙한 소음의 발생경향을 분석하였다. 또한 항온·항습챔버에서도 수축팽 창 소음이 발생하기 때문에 측정자가 내부에서 직접 소음을 인지하는 방법으로 실내기의 수축팽창 소음 을 구분하였다.
또한 항온·항습챔버에서도 수축팽 창 소음이 발생하기 때문에 측정자가 내부에서 직접 소음을 인지하는 방법으로 실내기의 수축팽창 소음 을 구분하였다.
로드셀을 이용하여 마찰력을 측정하고, 스틱슬립 현상의 발생시점부터 측정 완료까지 구간의 마찰력 변화를 수치화하였다. 접촉면에서 스틱슬립 현상이 발생하게 되면 급격한 마찰력의 변화가 생긴다.
마찰실험 결과에서 ABS 재질 간에 접촉하면 스틱슬립 현상을 유발하며 스틱슬립 현상을 방지하기 위해서 체결부의 양면에 표면조도를 증가하는 것이 소음 저감에 효과적임을 확인하였다. 마지막으로 ABS 재질로 이루어진 실내기상, 하부 데코 체결부에 사포입도 #120, #60으로 연마한 개선안을 제시하였다. 개선안 1, 2 모두 냉방 및 난방 시 기본상태 대비 90 % 이상 저감되었고, 특히, 사포입도 #60으로 연마한 개선안 2는 기본상태 대비 98 % 이상 저감되는 것을 확인하였다.
이 힘이 리니어모션축, 로드셀, 와이어를 통하여 시편에 전달되어 시편과 시편사이에 상대 운동을 발생하게 한다. 마찰력과 음압은 각각 로드셀과 시편으로부터 10 mm 위에 위치한 마이크로폰으로 측정한다. 실험 장치의 제작에 있어서 중요한 설계요소는 시편사이의 스틱슬립 현상을 발생시키기 위한 구동력의 구현 이다.
이러한 마찰력의 변동을 기준으로 해당재료의 스틱슬립 발생 가능성 또는 정도를 평가하고자 한다. 마찰력의 변화 정도를 정량화하기 위하여 첨도, 분산, 십점 평균 조도법을 응용한 방법 세 가지 평가측도를 도입하였다. 첫 번째, 데이터의 급격한 변화를 나타내는 첨도(K)는 Eq.
마찰실험은 상온에서 실시하고, 하부 데코의 소재와 상부 데코, 섀시의 소재와의 마찰특성을 규명하였 다. 마찰실험을 진행하기 위하여 시편을 Fig.
먼저 항온·항습 챔버에서 조건별로 5 min 동안 10회씩 소음을 측정하여 소음의 발생횟수 및 특성을 분석하고, 분해법을 이용하여 수축팽창 소음이 냉방 및 난방 시 모두 하부 데코에서 발생하는 것을 확인하였다.
본 실험에서는 벽걸이형 에어컨의 설치 지역, 계절 등의 환경을 고려하기 위하여 실내기를 항온·항습챔버에 설치하고, 실내기의 전방 1 m 지점에서 아래 방향으로 0.8 m 떨어진 지점에 마이크로폰을 설치하여 소음레벨을 측정하였다.
분해법은 전체 시스템에서 부품을 순차적으로 제거하여 시험을 하므로 문제를 유발하는 “주요부품” 을 규명하는 방법이다. 분해법을 이용하여 실내기의 수축팽창 소음을 발생시키는 주요 부품, 즉 소음원 을 규명하고자 한다. 수축팽창 소음을 발생시키는 주요부품을 찾기 위하여 부품을 제거하지 않은 기본 상태에서 부품을 하나씩 제거하여 실내기의 소음을 측정한다.
소음을 유발하는 인자를 규명하기 위하여 마찰 실험장치를 제작하였다. [7] [Fig.
분해법을 이용하여 실내기의 수축팽창 소음을 발생시키는 주요 부품, 즉 소음원 을 규명하고자 한다. 수축팽창 소음을 발생시키는 주요부품을 찾기 위하여 부품을 제거하지 않은 기본 상태에서 부품을 하나씩 제거하여 실내기의 소음을 측정한다. 실내기의 외장은 필터, 하부 데코, 상부 데코로 구성되어 있으며, Table 2는 실내기의 부품을 제거한 상태의 Case 구분과 소음의 발생횟수를 나타낸다.
스틱슬립 현상에 의한 소음은 슬립이 일어날 때만 발생하기 때문에 소음레벨의 평가는 슬립이 일어날 때 발생한 총합 소음레벨의 평균으로 평가하였다.
실험 장치의 제작에 있어서 중요한 설계요소는 시편사이의 스틱슬립 현상을 발생시키기 위한 구동력의 구현 이다. 실내기가 작동 중에 발생하는 열팽창 및 열수축에 의한 힘을 구현하기 위하여 설계 및 제작이 간편하고 선형적인 힘을 발생시킬 수 있는 판스프링을 사용하였다. 재현성이 있는 정확한 실험조건에서 마찰력을 측정하기 위하여 토크 드라이버를 이용하여 약 0.
실내기의 수축팽창 소음저감에 대한 개선안을 평가하기 위하여 체결부에 개선안 1(Case 4), 2(Case 5) 를 각각 적용하고, 조건별로 10회씩 실내기의 소음 레벨을 측정하였다. 냉방 및 난방 시에의 초기온도, 소음측정 방법, 수축팽창 소음 기준은 II장에서와 같다.
실제 제품 적용에 있어서 재료 변경은 어려움이 있어서 접촉면의 표면거칠기를 변화하여 수축팽창 소음 저감 방안을 수립하고자 한다. 앞에서 제안한 마찰시험 장치 및 십점평균 산출법을 이용하여 표면조도에 따른 마찰특성을 규명 하였다. ABS 시편을 사포입도 #120, #60인 사포를 사용하여 표면을 연마하였다.
에어컨 실내기의 수축팽창 소음을 대상으로 소음 저감을 위한 개선안을 수립하였다. 먼저 항온·항습 챔버에서 조건별로 5 min 동안 10회씩 소음을 측정하여 소음의 발생횟수 및 특성을 분석하고, 분해법을 이용하여 수축팽창 소음이 냉방 및 난방 시 모두 하부 데코에서 발생하는 것을 확인하였다.
3]에 나 타내었고, 실험조건별 각각 5회씩 8 s간 실시하였다. 이동부 시편은 와이어로 로드셀과 연결하기 위하여 직경 2 mm의 구멍을 가공하고, 고정부 시편은 볼트 로 시편받침대에 고정하기 위하여 직경 6 mm의 구멍을 가공하였다. 소재에 따른 마찰실험 결과는 [Fig.
하부와 상부 데코는 Acrylonitrile Butadiene Styrene(ABS)재질, 섀시는 PolyproPylene(PP)재 질로 구성되어 있다. 재질별 실험조건은 [Table.3]에 나 타내었고, 실험조건별 각각 5회씩 8 s간 실시하였다. 이동부 시편은 와이어로 로드셀과 연결하기 위하여 직경 2 mm의 구멍을 가공하고, 고정부 시편은 볼트 로 시편받침대에 고정하기 위하여 직경 6 mm의 구멍을 가공하였다.
재현성이 있는 정확한 실험조건에서 마찰력을 측정하기 위하여 토크 드라이버를 이용하여 약 0.49 N·m의 토크로 고정부 시편의 양쪽 볼트를 체결하였다.
항온·항습챔버 내부 온도를 냉방시에는 60 °C, 난 방시에는 5 °C로 유지하고 실내기의 표면온도가 냉방시에 55 °C, 난방시에 10 °C가 되면 항온·항습챔버 의 작동을 중지하고 소음을 측정하였다.

대상 데이터

최대 구동력은 115 N이고, 판스프링의 길이, 폭, 두께는 각각 200 mm, 30 mm, 3 mm이므로 응력은 약 128 MPa이다. 따라서 판스프링의 재료는 항복강도가 140 MPa인 1100-H16 알루미늄을 사용하였다.
시편받침대에는 시편과 시편받 침대 사이의 마찰 영향을 감소시키기 위하여 마찰계수가 낮은 테프론 테이프를 부착하였다. 시편은 고정부 시편과 이동부 시편으로 되어 있으며, 고정부 시편은 하부 데코와 결합되는 부품의 재질로 이루어진 시편이고 이동부 시편은 하부 데코의 재질로 이루어진 시편이다. 먼저 테프론 테이프가 부착된 시 편받침대 위에 이동부 시편을 놓고, 그 위에 이동부 시편을 볼트를 이용하여 시편받침대에 고정하였다.

데이터처리

두 번째 평가측도인 분산(S^2)은 표준편차를 제곱하여 구할 수 있다. 세 번째 평가측도는 표면조도를 나타내는 방법의 일종인 십점평균 조도법을 응용하여 산출하였다. 십점평균 산출은 [Fig.

이론/모형

먼저 항온·항습 챔버에서 조건별로 5 min 동안 10회씩 소음을 측정하여 소음의 발생횟수 및 특성을 분석하고, 분해법을 이용하여 수축팽창 소음이 냉방 및 난방 시 모두 하부 데코에서 발생하는 것을 확인하였다. 소음을 유발하는 인자를 규명하기 위하여 마찰실험을 진행하고, 실험 결과를 효과적으로 분석하기 위하여 십점평균 산출법을 도입하였다. 마찰실험 결과에서 ABS 재질 간에 접촉하면 스틱슬립 현상을 유발하며 스틱슬립 현상을 방지하기 위해서 체결부의 양면에 표면조도를 증가하는 것이 소음 저감에 효과적임을 확인하였다.

성능/효과

마지막으로 ABS 재질로 이루어진 실내기상, 하부 데코 체결부에 사포입도 #120, #60으로 연마한 개선안을 제시하였다. 개선안 1, 2 모두 냉방 및 난방 시 기본상태 대비 90 % 이상 저감되었고, 특히, 사포입도 #60으로 연마한 개선안 2는 기본상태 대비 98 % 이상 저감되는 것을 확인하였다.
8]에 정리 하였다. 결과를 보면 수축팽창 소음의 발생횟수가 냉방시 기본상태에 비해 개선안 1이 약 90.1 %, 개선 안 2가 약 98.4 % 저감되고, 난방시 기본상태에 비해 개선안 1이 약 98 %, 개선안 2가 100 % 저감되었다. 따라서 개선안 1, 2 모두 기존모델과 비교하여 상당한 저감 효과를 확인할 수 있다.
1회로 난방시의 평균 5회보다 더 많이 나타났다. 또한 난방시에는 작 동 초기에 수축팽창 소음이 많이 발생하는 것을 알 수 있고, 수축팽창 소음의 발생현상이 비주기적이며, 불규칙적인 것을 확인할 수 있다.
소음을 유발하는 인자를 규명하기 위하여 마찰실험을 진행하고, 실험 결과를 효과적으로 분석하기 위하여 십점평균 산출법을 도입하였다. 마찰실험 결과에서 ABS 재질 간에 접촉하면 스틱슬립 현상을 유발하며 스틱슬립 현상을 방지하기 위해서 체결부의 양면에 표면조도를 증가하는 것이 소음 저감에 효과적임을 확인하였다. 마지막으로 ABS 재질로 이루어진 실내기상, 하부 데코 체결부에 사포입도 #120, #60으로 연마한 개선안을 제시하였다.
1과 같고, 수축팽창 소음의 발생횟수를 Table 1에 정리하였다. 실험결과를 보면 냉방시에 수축팽창 소음의 발생 횟수가 평균 6.1회로 난방시의 평균 5회보다 더 많이 나타났다. 또한 난방시에는 작 동 초기에 수축팽창 소음이 많이 발생하는 것을 알 수 있고, 수축팽창 소음의 발생현상이 비주기적이며, 불규칙적인 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수축팽창 소음이란?	가정 용 에어컨은 실내에서 작동되기 때문에 소음에 대한 소비자들의 반응이 민감하다. 에어컨 실내기의 주요 소음으로는 구조물의 진동에 의해 발생되는 구조적인 소음과 냉매소음의 유동패턴에 따른 냉매소음,[1] 실내기를 구성하는 부품들이 수축 및 팽창하여 발생 되는 수축팽창 소음[2] 등으로 구별될 수 있다. 특히 실내기의 수축팽창 소음은 비주기적이며, 비정상적으로 발생된다.
	실험결과, 소음 저감을 위한 개선안은 무엇인가?	소음을 유발하는 인자를 규명하기 위하여 마찰실험을 진행하고, 실험 결과를 효과적으로 분석하기 위하여 십점평균 산출법을 도입하였다. 마찰실험 결과에서 ABS 재질 간에 접촉하면 스틱슬립 현상을 유발하며 스틱슬립 현상을 방지하기 위해서 체결부의 양면에 표면조도를 증가하는 것이 소음 저감에 효과적임을 확인하였다. 마지막으로 ABS 재질로 이루어진 실내기상, 하부 데코 체결부에 사포입도 #120, #60으로 연마한 개선안을 제시하였다. 개선안 1, 2 모두 냉방 및 난방 시 기본상태 대비 90 % 이상 저감되었고, 특히, 사포입도 #60으로 연마한 개선안 2는 기본상태 대비 98 % 이상 저감되는 것을 확인하였다.
	수축팽창 소음 발생 원인은?	이러한 수축팽창 소음은 사용자들에게 불쾌감을 줄 뿐 아니라 소비자 불만으로 연결될 수 있는 민감한 부분이다. 실내기의 수축팽창 소음은 실내기의 운전 및 정지 시의 온도변화에 의해서 부품들 간의 열팽창 또는 수축 계수의 차이 때문에 발생한다.[3-5] 수축팽창 소음을 저감하기 위한 방법은 소재를 변경하는 방법, 접촉형태를 변경하는 방 법, 표면조도를 증가하는 방법 등이 있다.

참고문헌 (7)

J. E. Oh, U. C. Jeong, J. S. Kim, K. H. Yoo, and J. J. Rho, "Classification of air conditioner noise using machine learning" (in Korean), Proc. Kr. Soc. Noise Vib. Eng. 75-76 (2015).
S. K. Park and W. J. Kim, "Reduction of contraction and expansion noise of refrigerator using thermal deformation analysis" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 38, 344-351 (2019).
D. S. Choi and S. H. Lee, "Experimental study on the squeak noise characterized by the plastic parts material in automobile," Proc. the KSAE, 1986-1991 (2005).
N. Eiss, E. Lee, and M. Trapp, "Frictional behavior of automotive interior polymeric material pairs," SAE, No. 972056 (1997).
C. Guangxiong, Z. Zhongrong, P. Kapsa, and L. Vincent, "Effect of surface topography on formation of squeal under reciprocating sliding," Wear, 253, 411-423 (2002).

상세보기
W. S. Koo, Design method to reduce the contraction and expansion noise of refrigerators, (MS Thesis, Keimyung University, 2012).
D. I. Park, A study on correlation between noise caused by stick-slip and friction characteristics, (MS Thesis, KAIST, 2015).

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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