[논문]저소음 청소기 개발

주재만; 이준화; 홍승기; 오장근; 송화규

문제 정의

앞 절의 FGI 의 결과에서 보듯이 소비자들은 음압의 크기가 적은 것도 원하지만 음질적으로 청소가 되는 느낌도 중시하는 것으로 파악되었다. 따라서 이에 대한 좀 더 상세한 사항을 파악하기 위하여 국내 소비자와 유럽 소비자들에 대한 음질 조사를 실시하였다. 이에 대한 상세한 사항은 다른 연구자에 의해 자세히 기술될 것이며, 결과적으로 이 연구를 통하여 청소기가 가져야 할 음압의 크기와 함께 전체적인 소음 스펙트럼의 형태 및 패턴을 정할 수 있었으며, 이와 더불어 각 패턴 중에 발생하는 이상치에 대한 한계조건도 함께 설정하여 제품 연구의 목표로 삼을 수 있게 되었다.
본 연구에서는 저소음 청소기 시스템을 개발하기 위하여 소비자 조사로부터 시작하여 소비자가 원하는 음질을 조사하여 이를 목표로 세우고, 각 세부부품에 대한 연구를 통해 소음을 저감하고 디자인하여 최종적으로 시스템으로 일체화하고 최적화하는 과정을 수행하였다. 이를 통해 얻어진 결과를 다시 최종적으로 소비자에게 평가를 받아 이 결과를 최종 제품에 반영하였다.
따라서 이에 대한 좀 더 상세한 사항을 파악하기 위하여 국내 소비자와 유럽 소비자들에 대한 음질 조사를 실시하였다. 이에 대한 상세한 사항은 다른 연구자에 의해 자세히 기술될 것이며, 결과적으로 이 연구를 통하여 청소기가 가져야 할 음압의 크기와 함께 전체적인 소음 스펙트럼의 형태 및 패턴을 정할 수 있었으며, 이와 더불어 각 패턴 중에 발생하는 이상치에 대한 한계조건도 함께 설정하여 제품 연구의 목표로 삼을 수 있게 되었다. 이는 다시 각 부품단위로 상세하게 나누어져 각 기여도에 따른 각 부품의 세부 목표로 설정되었고, 이에 따라 팬모터, 먼지집진장치, 흡입노즐, 본체시스템 등으로 나누어졌다.

제안 방법

디퓨져 면적비에 따른 팬모터 흡입력 및 BPF 소음의 변화를 통하여 그 설계 최적값을 알 수 있었다.<그림.
저소음 유로설계에 관해서는 일차적으로 유로가 형성되는 body brush(trench)의 형상, 즉 trench 의 바닥면과의 gap, 폭 그리고 깊이등에 대한 parametric study 가 수행되었으며, body brush 이후의 유로에 대한 연구를 수행한 결과 전체적인 형상 및 유로 단면적 변화율이 저소음 설계시 고려해야 할 주요한 인자임을 확인하였다. 또한 흡입노즐의 moving part 에서의 leakage 의 소음 영향도를 파악하였다. 최종적으로 본 흡입노즐 연구에서 수행한 결과들을 최종 mockup 에서 검증한 결과 소음은 set 전체 소음에 영향을 미치지 않을 수준까지 낮출수 있었으며, 특히 저주파 영역에서 소음을 낮추어고 빠르게 고주파 영역에서 감쇠되도록 하였다.
최근에는 다수개의 사이클론을 직렬, 병렬로 연결한 멀티 사이클론 청소기가 출시되고 있다. 본 연구는 이러한 사이클론에서 먼지 분리효율 및 청소기의 흡입성능에 영향을 주지 않고, 사이클론에서 발생하는 공력 소음을 저감시키는 유로 구조에 관한 것으로 과거의 연구 1 를 활용하여 이를 소음저감에 활용하였다. 기존의 연구에서와 같이 Cyclone 공력소음의 발생 위치가 Cyclone 출구근처의 선회기류가 교란되어 소음이 발생됨을 전산해석을 통하여 파악 되었으며, 이 결과를 바탕으로 선회류의 교란을 억제하기 위해 최적화된 격막을 이용한 유로설계를 통하여 Cyclone 으로부터 유도된 Peak 음을 약 15dBA 이상 낮추면서도, 압력손실을 줄일 수 있는 구조를 설계할 수 있었다.
이러한 2 중 다공판 구조는 모터에서 발생한 강한 Peak 음 제거에 효과적으로 대응토록 설계 되었으며, 또한 유로의 길이를 길게 하고, 음향의 전달을 억제하기 위한 유로를 이후에 구성하여 좁은 공간 안에서도 유동의 흐름은 효과적으로 흘러가며, 소음이 저감되도록 설계되었다. 설계된 모터실은 팬모터 토출구로부터 나온 소음이 다공판 구조와 유동방향의 전환을 통하여 억제됨과 동시에 유로의 면적이 조금씩 증가하도록 설계함으로써 압력의 손실을 최소화시키도록 구성되어있다.
일반적인 제트의 토출과는 상이하게 공기를 매우 빠른 속도로 흡입하는 소음발생 구조는 매우 어려운 사항이었다. 소음원의 규명을 위하여 전산해석을 도입하여 사용하였다. 유동을 비정상 해석을 통하여 수행하여 이를 바탕으로 유로 내부의 각 point 에서 시간에 따른 압력섭동값(dp/dt)을 계산하였다.
연구된 내용을 바탕으로 Prototype 를 제작하여 구주소비자들을 대상으로 기존 경쟁제품과의 음질 Test 를 실시하였다. 제품을 검은천으로 둘러싸고 실시하는 Blind Test 로 다른 제품과 비교하였으며, 이 결과를 <그림.
연구를 진행하기에 앞서 소비자들의 원하는 바를 정확히 파악하기 위하여 FGI 를 실시하여, 소비자들이 받는 느낌과 그 차이를 조사하였다. 소음측면에서 기대치와 만족치의 괴리가 가장 크게 발생하였으며, 이와 더불어 소비자들은 소음저감이 성능저감으로 연결되어서는 안되며, 오히려 청소가 되고 있는 느낌을 소음으로부터 받기를 원하는 것으로 나타났다.
소음원의 규명을 위하여 전산해석을 도입하여 사용하였다. 유동을 비정상 해석을 통하여 수행하여 이를 바탕으로 유로 내부의 각 point 에서 시간에 따른 압력섭동값(dp/dt)을 계산하였다.
모터(A)로부터 배출된 공기를 다공 형상의 관통 벽(B)을 통과시켜 유동을 안정화하는 동시에 팬 모터의 소음을 1 차적으로 억제시킨다. 이때 소음의 억제를 보다 효과적으로 하기 위하여 팬모터의 공기토출구와 다공판의 공기통로를 불일치하게 형성하여 효율적인 소음 저감이 되도록 하였다. 이후에 이 공기의 흐름을 2 차 다공 관통벽(C)에 다시 한번 통과 시켜 2 중으로 안정화를 시킴면서 동시에 2 차로 소음을 억제한다.
이때 원판형상의 2 차 다공판(C)은 팬모터에서 발생된 소음이 효과적으로 저감시키기 위하여 안쪽으로는 큰 구멍을 바깥쪽으로는 작은 구멍을 내어 반경방향으로 유속을 균일화 함으로써 더욱 효과적이게 하였다. 이러한 2 중 다공판 구조는 모터에서 발생한 강한 Peak 음 제거에 효과적으로 대응토록 설계 되었으며, 또한 유로의 길이를 길게 하고, 음향의 전달을 억제하기 위한 유로를 이후에 구성하여 좁은 공간 안에서도 유동의 흐름은 효과적으로 흘러가며, 소음이 저감되도록 설계되었다. 설계된 모터실은 팬모터 토출구로부터 나온 소음이 다공판 구조와 유동방향의 전환을 통하여 억제됨과 동시에 유로의 면적이 조금씩 증가하도록 설계함으로써 압력의 손실을 최소화시키도록 구성되어있다.
이러한 불편사항을 줄이는 저소음 청소기를 개발하기 위하여 소비자조사로부터 시작하여 사용자들이 원하는 소리의 패턴과 형태를 찾고, 이를 제품으로 구현하기 위하여 각 부품단위와 소음 발생 구성 단위로 세부화 진행을 하게 되었으며, 팬모터로 부터는 소음을 줄이면서 기존의 성능을 변화 시키지 않는 범위 내에서 개선 설계를 하고, 집진장치의 소음을 줄이기 위하여 과거의 연구와 기존 연구자들의 연구로부터 저소음화 개선 설계를 수행하였으며, 청소도구(Brush)의 저소음화 연구를 위하여 각 부분의 최적화 설계를 연구하여, 본체시스템 설계로 통합 설계를 하게 되었다. 최종적으로는 기존 제품보다 약 10 dBA 정도 소음이 낮은 제품을 개발할 수 있었다.
이를 위하여 총 7 차에 걸친 형상 변경 설계가 이루어 졌으면 각 차수에서는 각각의 영향에 맞는 부품단위가 도입되고 이를 다시 기존의 목표와 비교하여 검토하며, 이를 제품화 할 수 있는 디자인과 다른 성능, 즉, 편의성 및 청소성 그리고 신뢰성과 같은 제품측면의 성능과 부합되는 지 판단하여야 하였다. 이 중 주된 연구가 집중된 부품이 팬모터를 내재하여 전체 유로를 형성하는 모터실이었다.
제품을 검은천으로 둘러싸고 실시하는 Blind Test 로 다른 제품과 비교하였으며, 이 결과를 에 표시하였다.

성능/효과

Prototype 의 소음 음질이 흡입력을 느끼면서도 가장 좋은 음질을 가지고 있는 것으로 판명되었으며, 구주의 소비자들은 이에 대해 가장 만족한 것으로 나타났다.
본 연구에 사용된 모터실 구조는 Lw 100dBA 내외의 팬모터 소음을 72~73 dBA 내외로 줄여주는 효과가 있었으며, 특히 팬모터 Peak 음의 저감에 효과적이었다. 기존 대비 흡입력의 감소가 적은 효율적인 유로 구조이며, 기존의 흡차음재 채용없이 부피를 최소화 하면서도 소음을 효과적으로 억제할 수있었다.
본 연구는 이러한 사이클론에서 먼지 분리효율 및 청소기의 흡입성능에 영향을 주지 않고, 사이클론에서 발생하는 공력 소음을 저감시키는 유로 구조에 관한 것으로 과거의 연구 1 를 활용하여 이를 소음저감에 활용하였다. 기존의 연구에서와 같이 Cyclone 공력소음의 발생 위치가 Cyclone 출구근처의 선회기류가 교란되어 소음이 발생됨을 전산해석을 통하여 파악 되었으며, 이 결과를 바탕으로 선회류의 교란을 억제하기 위해 최적화된 격막을 이용한 유로설계를 통하여 Cyclone 으로부터 유도된 Peak 음을 약 15dBA 이상 낮추면서도, 압력손실을 줄일 수 있는 구조를 설계할 수 있었다.
본 연구에 사용된 모터실 구조는 Lw 100dBA 내외의 팬모터 소음을 72~73 dBA 내외로 줄여주는 효과가 있었으며, 특히 팬모터 Peak 음의 저감에 효과적이었다. 기존 대비 흡입력의 감소가 적은 효율적인 유로 구조이며, 기존의 흡차음재 채용없이 부피를 최소화 하면서도 소음을 효과적으로 억제할 수있었다.
이는 발생된 소음의 울림통으로 작용하는 먼지 저장방의 크기를 서로 다르게 하여 중첩을 회피하도록 하는 유로 설계를 통하여 효과적으로 분산시킬 수 있었으며, 또 다른 방식으로는 먼지방 내부에 격벽을 설치하여 음향 Mode 의 분리를 통해 소음을 저감하는 유로를 설계할 수 있었다. 선회기류 제어 유로 설계와 음향 Mode 분리를 통하여 최종적으로 약 9dBA 의 소음저감을 달성하였다.
연구를 진행하기에 앞서 소비자들의 원하는 바를 정확히 파악하기 위하여 FGI 를 실시하여, 소비자들이 받는 느낌과 그 차이를 조사하였다. 소음측면에서 기대치와 만족치의 괴리가 가장 크게 발생하였으며, 이와 더불어 소비자들은 소음저감이 성능저감으로 연결되어서는 안되며, 오히려 청소가 되고 있는 느낌을 소음으로부터 받기를 원하는 것으로 나타났다. 이는 소음저감이 성능저감으로 연결되어 소비자들이 외면 받지 않을까 하는 기존의 우려사항과 일치하는 것으로 제품 개선을 중요한 항목으로 설정되 었다.
<그림. 2>의 결과에서 보면, 디퓨져 면적의 비가 증가할수록 흡입력(실선)은 상승하고 이에 따라 BPF 소음(점선)도 상승함을 알 수 있다. 그러나 면적비 0.
이와 같은 팬모터 BPF 소음 저감을 위한 유로 최적화 설계 기술은 부가적인 장치 없이 기존 부품의 설계 변경을 통해 이루어짐에 따라 추가 재료비가 발생하지 않으며, 청소기 제품에 적용시 기존 대비 8dB 이상의 BPF Peak 음 저감 효과를 얻을 수 있었다.
상당한 저압이 발생하는 청소기 흡입노즐에서 조그마한 틈새는 빠른 유체의 흡입을 유발하고 이는 강한 peak 음을 발생시키고 있 었다. 저소음 유로설계에 관해서는 일차적으로 유로가 형성되는 body brush(trench)의 형상, 즉 trench 의 바닥면과의 gap, 폭 그리고 깊이등에 대한 parametric study 가 수행되었으며, body brush 이후의 유로에 대한 연구를 수행한 결과 전체적인 형상 및 유로 단면적 변화율이 저소음 설계시 고려해야 할 주요한 인자임을 확인하였다. 또한 흡입노즐의 moving part 에서의 leakage 의 소음 영향도를 파악하였다.
5 이하에서는 흡입력의 감소가 두드러지며 BPF 소음의 감소는 미미하다. 즉 이 결과를 통해 디퓨져 면적비를 0.5~0.6 사이에서 설계하는 것이 BPF 소음을 저감 하면서 흡입력 저하를 최소화 할 수 있다는 것을 알수 있었다.
또한 흡입노즐의 moving part 에서의 leakage 의 소음 영향도를 파악하였다. 최종적으로 본 흡입노즐 연구에서 수행한 결과들을 최종 mockup 에서 검증한 결과 소음은 set 전체 소음에 영향을 미치지 않을 수준까지 낮출수 있었으며, 특히 저주파 영역에서 소음을 낮추어고 빠르게 고주파 영역에서 감쇠되도록 하였다.
이러한 불편사항을 줄이는 저소음 청소기를 개발하기 위하여 소비자조사로부터 시작하여 사용자들이 원하는 소리의 패턴과 형태를 찾고, 이를 제품으로 구현하기 위하여 각 부품단위와 소음 발생 구성 단위로 세부화 진행을 하게 되었으며, 팬모터로 부터는 소음을 줄이면서 기존의 성능을 변화 시키지 않는 범위 내에서 개선 설계를 하고, 집진장치의 소음을 줄이기 위하여 과거의 연구와 기존 연구자들의 연구로부터 저소음화 개선 설계를 수행하였으며, 청소도구(Brush)의 저소음화 연구를 위하여 각 부분의 최적화 설계를 연구하여, 본체시스템 설계로 통합 설계를 하게 되었다. 최종적으로는 기존 제품보다 약 10 dBA 정도 소음이 낮은 제품을 개발할 수 있었다.

후속연구

이를 통해 얻어진 결과를 다시 최종적으로 소비자에게 평가를 받아 이 결과를 최종 제품에 반영하였다. 이를 통해 최종적으로 기존보다 약 10dBA 정도 소음이 저감된 청소기를 설계할 수있었으며, 향후 이를 바탕으로 더욱 연구를 지속해 나갈 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	청소기의 무엇 때문에 많은 사람들이 불편을 겪고 있는가?	청소기는 이제 우리생활에서 가장 많이 사용 되는 가전 제품 중의 하나로 자리를 잡았으며, 거의 대부분의 가정에서 주변환경을 깨끗이 하는 도구로써 사용되고 있다. 그러나 아직도 청소기는 그 큰 소음으로 인하여 많은 사람들이 불편을 겪고 있는 것이 현실이다. 특히 TV 시청이라든지 전화 받기 같은 기본적인 사항을 청소 중 할 수 없다는 것은 제품의 커다란 불편사항이라 할 수 있다.
	저소음 청소기를 개발하기 위해 어떤 노력이 있었는가?	이러한 불편사항을 줄이는 저소음 청소기를 개발하기 위하여 소비자조사로부터 시작하여 사용자들이 원하는 소리의 패턴과 형태를 찾고, 이를 제품으로 구현하기 위하여 각 부품단위와 소음 발생 구성 단위로 세부화 진행을 하게 되었으며, 팬모터로 부터는 소음을 줄이면서 기존의 성능을 변화 시키지 않는 범위 내에서 개선 설계를 하고, 집진장치의 소음을 줄이기 위하여 과거의 연구와 기존 연구자들의 연구로부터 저소음화 개선 설계를 수행하였으며, 청소도구(Brush)의 저소음화 연구를 위하여 각 부분의 최적화 설계를 연구하여, 본체시스템 설계로 통합 설계를 하게 되었다. 최종적으로는 기존 제품보다 약 10 dBA 정도 소음이 낮은 제품을 개발할 수 있었다.
	진공청소기에서 가장 먼저 억제되어야하는 소음의 대상은 무엇인가?	진공청소기의 특성상 높은 회전수(35,000~40,000 RPM)를 가진 고출력 모터가 흡입모터로 사용되어진다. 이렇게 고속으로 회전하는 팬에서는 팬의 회전 수와 블레이드 깃수의 곱에 해당하는 블레이드 통과주파수(Blade Passing Frequency)에서 강력한 Peak 성분의 소음이 발생하게 되는데, 이 성분의 소음이 팬모터 소음 중 가장 먼저 억제해야 할 대상이다.

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