Development of High-performance/low-noise Centrifugal Fan Circulating Cold Air Inside a Household Refrigerator by Reduction of Vortex Flow

와류 저감을 통한 냉장고 냉기순환용 고성능/저소음 원심홴의 개발

Abstract

In this paper, high-performance and low-noise centrifugal fan used to circulate cold air inside a household refrigerator is developed by reducing the vortex flow observed near the tip of fan hub. First, the performance of the existing centrifugal fan is investigated through the experiment using a fan tester and the characteristics of detailed flow field obtained from the CFD simulation are closely examined. The strong vortex flow is observed in the vicinity of the tip of fan hub. Based on this result, new design is devised to reduce this vortex flow. As a result, it is numerically and experimentaly found that the volume flow rate of the new fan increases and the radiated noise decreases in comparison with the existing fan at the same rotation speed.

1. 서 론

냉장고는 우리 생활과 가장 밀접한 관련을 가지고 하루 24시간 동안 작동하는 가전제품이다. 이러한 냉장고의 특성으로 인하여, 사용자가 냉장고의 소음에 직접적으로 노출될 경우가 많기 때문에, 소비자들이 냉장고를 구입할 때 소음은 가장 중요한 성능지표 중 하나로 인식되고 있다.

냉장고의 소음은 압축기와 홴에서 발생하는 소음이 지배적이다. 홴의 경우 하나의 냉장고에서도 다양한 용도로 여러 종류의 홴이 사용되고 있어, 각각의 홴이 다양한 주파수 영역대에서 냉장고 전체 소음에 영향을 주게 된다. 따라서 저소음 냉장고의 개발을 위해서는 저소음 홴의 개발이 필수적이라고 할 수 있다.

또한 홴의 유량 및 소음은 홴 법칙에 따라 홴의 회전속도에 근사적으로 비례하게 된다. 이에 따라 홴의 유동 성능 개선은 동일한 성능에서의 소음 저감과 같다고 생각할 수 있다. 따라서 홴 유동 성능의 개선 또한 홴 소음 저감을 위한 또 다른 접근 방법이라고 할 수 있다.

홴은 크게 축류홴과 원심홴으로 나뉘고, 축류홴은 저압 영역에서, 원심홴은 고압 영역에서 주로 사용된다. 이런 특성에 따라 냉장고 기계실에는 축류홴이, 냉장고 고내 냉기 순환용으로는 원심홴이 많이 사용되고 있다. 홴에서 발생하는 소음의 저감을 위해서, Lee et al(1)은 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 방정식을 전산유체역학을 이용해 수치 해석하고 이 결과를 기초로 소음예측을 수행하는 복합 CAA(computational aeroacoustics) 방법을 이용하여 냉장고용 원심홴의 BPF(blade passing frequency) 소음의 예측 및 저감에 대한 연구를 수행하였다. Heo et al(2~5)은 복합 CAA 방법과 U-FRPM(unsteady fast random particle mesh) 기법을 결합하여 원심홴의 광대역 소음을 효율적으로 예측하는 방법을 제시하였고, Heo et al(6)은 원심홴의 주요 소음원 영역으로 고려되는 볼루트 영역에 대한 상대적 기여도를 분석하였다. 또한 Gue et al(7)은 이중익 및 날개 표면의 홈 추가를 통해 축류홴의 저소음화를 실시하였고, Heo et al(8)은 기울어진 S 형상의 날개깃 뒷전을 이용해 원심홴의 저소음화를 수행하였으며, Heo et al(9)은 홴 하우징의 길이 변경을 통한 축류홴의 고성능 및 저소음 설계에 대한 연구를 실시하였다. 또한 이 연구의 선행 연구로서, Shin et al(10)은 반응표면법을 통한 홴 날개 형상 수정을 통해 원심홴의 고성능/저소음 설계를 수행하였다.

이 논문에서는 냉장고 냉동실내 냉기 순환용으로 사용되는 원심홴의 고성능/저소음화 설계를 실시하였다. 먼저 실험 및 수치 해석을 통해 대상 원심홴의 성능을 분석하였으며, 홴 주위 유동장에서 관찰된 와류를 저감시킬 수 있도록 홴의 형상을 변경해 주었다. 그 결과 제안된 성능 개선 모델이 유량 및 효율, 소음 측면에서 모두 개선된 성능을 보임을 확인할 수 있었다.

 

2. 대상 원심홴 시스템

2.1 대상 원심홴

이 연구의 대상이 되는 원심홴의 형상은 Fig. 1에 나타낸 것과 같다. 대상 원심홴은 지름이 140 mm이고 9개의 날개를 가진다. 이는 Fig. 2에 나와 있는 하우징 구조물에 장착이 되며, Fig. 3에 나와 있는 바와 같이 냉장고의 냉동실에 장착이 되어 냉각된 공기를 순환시키는 역할을 하게 된다(11). 대상 냉장고에서는 냉장실과 냉동실의 공기를 함께 순환시키는 작동 조건과 냉동실의 공기만을 순환시키는 작동 조건을 함께 사용하고 있다. 이중 이 연구에서는 냉동실의 공기만을 순환시키는 작동 조건을 대상으로 하였으며, 냉동실 공기 순환 시 사용되는 1230 r/min을 회전속도로 설정해 주었다.

Fig. 1CAD data of target centrifugal fan

Fig. 2CAD data of target fan housing unit

Fig. 3Airflow circulations driven by target fan inside a household refrigerator(11)

2.2 대상 원심홴 유동 성능

대상이 되는 원심홴의 유동 성능을 측정하기 위해 홴 테스터를 이용하였다. 홴의 유량은 동일한 회전속도에서 항상 동일하게 나오는 것이 아니라, 대상 홴이 사용되는 환경에 따라 달라지게 된다. 이러한 홴의 특성에 따른 공기역학적 성능을 평가하기 위해 홴 테스터를 사용하게 되며, 이를 이용해 P-Q 곡선을 측정하게 되면 동일한 홴의 다양한 환경에서의 유량 변화를 확인할 수 있다. 또한 홴이 사용되는 환경의 특성인 시스템 저항 곡선과 P-Q 곡선이 만나는 지점에서, 실제 사용 환경의 유량을 알 수 있다.

홴 테스터에서는 다음 식과 같이 노즐 사이의 압력차 ∆P를 이용하여 유량(VFR)을 계산하게 되며,

여기서 Cd는 송출 계수, An은 노즐의 단면적, Y는 팽창 계수, β는 수축비를 나타낸다. 또한 홴의 정압효율(S.E)은 아래의 식과 같이 나타낼 수 있으며,

이를 통해 동일한 에너지를 이용해 얼마나 많은 일을 할 수 있는지를 알 수 있다.

이 연구에서 사용한 홴 테스터를 Fig. 4에 나타내었다. 이는 600(W)·600(D)·1500(L) mm의 내부 챔버를 가지고 있고, 측정 가능한 유량의 범위는 0.016 CMM에서 9.467 CMM이다.

Fig. 4Fan tester

홴 테스터는 배출 모드(exhaust mode)와 흡입 모드(supply mode) 두 종류의 시험 모드를 가지고 있다. 배출 모드는 주로 사용되는 모드로, 공기를 흡입하여 배출 쪽에서 일을 하는, 즉 출구측에 부하가 가해지는 홴의 시험에 사용된다. 흡입 모드는 흡입 쪽에서 일을 하고 배출하는, 즉 입구측에 부하가 가해지는 홴의 시험에 사용된다. 배출 모드와 흡입 모드에 대한 개략도를 Fig. 5에 나타내었다. 이 연구의 대상이 되는 원심홴은 냉각된 공기를 흡입하여 배출하는 역할을 하므로, 두 종류의 시험 모드 중 흡입 모드를 사용하였다.

Fig. 5Two measurement modes of a fan tester(11)

홴 테스터를 이용해 측정한 P-Q 곡선은 Fig. 6에, 효율 곡선은 Fig. 7에 나타내었다. 그 결과 작동 영역에서의 유량 및 정압 효율을 확인할 수 있었다.

Fig. 6Measured P-Q curves of target fan

Fig. 7Measured S.E curves of target fan

2.3 대상 원심홴 소음 성능

대상 원심홴의 소음 성능을 평가하기 위해, Fig. 8에 나타낸 것과 같이 무향실 소음 측정을 실시하였다. 소음 측정이 실시된 무향실은 80 Hz의 차단주파수와 13.0 dBA의 암소음을 가지며, 3200 Hz까지의 음압 레벨 성분을 측정하였다. 측정된 주파수 간격은 1.0 Hz이며, 측정 결과의 신뢰성을 위해 100회의 평균화(averaging)를 실시하였다.

Fig. 8Experiment setup for noise measurement

소음 측정은 대상 원심홴을 하우징 구조물에 장착한 채로 실시하였다. 마이크로폰의 위치는 홴의 입구단 면에 수직방향으로 1.2 m 만큼 떨어진 곳이며, 회전 속도의 변화에 따른 음압 레벨을 측정하였다. 그 결과는 Fig. 9에 나타낸 것과 같으며, 이는 회전 속도의 변화에 따른 overall 음압 레벨을 나타내고 있다. 이를 통해 실제 작동 회전속도인 1230 r/min에서 대상 원심홴의 음압 레벨을 확인할 수 있었다.

Fig. 9Measured sound pressure level of target fan

 

3. 수치 해석

3.1 수치 기법 및 해석 도메인

대상 원심홴의 유동장을 더욱 면밀하게 분석하고 이를 통해 적절한 개선안을 도출하기 위해, 이 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 원심홴의 유동 성능을 예측하였다. 대상 원심홴의 유동 성능을 예측하기 위해, 다음 식과 같은 3차원 비압축성 RANS(Raynolds averaged Navier-Stokes) 방정식을 지배방정식으로 사용하였으며, 지배방정식을 수치적으로 해석하기 위해 상용 CFD(computational fluid dynamics) 프로그램인 ANSYS fluent를 사용하였다. 해석시 3차원 비압축성 정상 상태 유동을 가정하였으며, Realizable k - ϵ의 난류 모델을 사용하였다.

해석에 사용된 도메인은 Fig. 10에 나타낸 것과 같으며, 대상 원심홴과 하우징 구조물을 모델링하였다. 해석 시 경계 조건은 입구단에 속도 경계조건을, 출구단에 압력 경계조건을 부여하였으며, 경계조건의 영향을 최소화하기 위해 전체 도메인을 대상 원심홴 지름의 21.4배만큼 충분히 크게 설정해 주었다.

Fig. 10Computational domain for CFD

해석에 사용된 격자는 ANSYS ICEM CFD를 사용하여 생성하였으며, 격자수에 따른 해석 결과의 차이를 최소화하기 위해 격자 미세화 연구를 실시하였다. 그 결과는 Fig. 11에 나와 있는 바와 같으며, 이 연구에서는 약 820만 개의 사면체 격자를 사용하였다.

Fig. 11Result of grid refinement study

3.2 수치 기법의 검증

이 연구에서 사용한 수치 기법 및 해석 도메인의 유효성을 검증하기 위해, 실험을 통해 측정한 홴의 유량과 수치 해석을 통해 예측한 홴의 유량을 비교하였다. 유량의 측정은 2.2절에서 설명한 홴 테스터를 이용해 홴과 하우징 구조물의 영향을 모두 고려하여 실시되었고, 무부하 상태의 측정값을 수치 해석 결과와 비교하였다.

대상이 되는 원심홴 및 홴의 날개 형상을 변경한 3종류의 시험용 홴이 수치 기법의 검증을 위해 사용되었으며, 비교한 홴의 형상은 Fig. 12에 나타내었다. 그 결과는 Fig. 13에 나와 있는 것과 같으며, 수치 해석 결과가 실험 결과에 비해서 낮게 예측되었다. 하지만 두 결과가 유사한 경향성을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 이 연구에서 사용한 수치 기법 및 해석 도메인의 유효성을 검증할 수 있었다.

Fig. 12CAD data of test fans

Fig. 13Validation of VFR for tested fans

3.3 대상 원심홴 유동장 분석

3.1절에서 제시한 해석 도메인을 이용해 대상 원심홴의 유동장을 분석하였다. Fig. 14는 대상 원심홴 주위의 속도 벡터 분포를 나타내고 있다. 이를 보면 홴 날개의 끝단과 허브 아래쪽 끝단 사이에 와류가 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 와류는 홴의 에너지 손실을 일으켜 홴의 유량과 효율을 저감시키며, 또한 홴에서 발생하는 소음의 원인 중 하나가 될 수 있다. 따라서 이 논문에서는 대상 원심홴에서 발생하는 이러한 와류를 제거할 수 있도록 성능 개선 모델을 제시하였다.

Fig. 14Velocity vector distribution of target fan

 

4. 성능 개선 모델

4.1 성능 개선 모델 제시

3.3절에서 설명한 대상 원심홴에서 발생하는 와류를 제거하기 위해, 홴의 허브 형상을 변경하였다. 대상이 되는 와류는 홴의 허브 끝단과 날개 사이에서 발생하므로, 허브 끝단을 날개 끝단까지 연장해 줌으로써 이러한 와류를 제거할 수 있을 것이라고 예상하였다. 변화된 형상은 Fig. 15에 나타내었으며, 붉게 나타낸 부분이 허브가 연장된 부분을 나타낸다.

Fig. 15Comparison of (a) target fan & (b) modified fan

이러한 허브 길이를 연장한 성능 개선 모델에 대해 수치 해석을 실시하였으며, 그 유동장을 기존의 대상 원심홴과 비교하였다. Fig. 16은 성능 개선 모델 주위의 속도 벡터 분포를 나타내고 있다. 이를 통해 허브의 연장된 부분이 가이드라인 역할을 하게 되면서 대상 원심홴에서 발생하던 와류를 제거해 주는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 16Velocity vector distribution of modified fan

이러한 변화를 정량적으로 평가하기 위해, 대상 원심홴 및 성능 개선 모델에서 발생하는 유량과 홴 주위의 와도(vorticity)를 비교해 보았으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 그 결과 성능 개선 모델이 대상 원심홴에 비해 유량이 1.895 %만큼 증가하고, 와도가 3.865 %만큼 감소하였음을 확인할 수 있었다.

Table 1Result of numerical analysis

4.2 실험적 검증

4.1절에서 제시한 성능 개선 모델에 대한 실험적 검증을 위해 3D 프린터를 이용해 샘플을 제작하였으며, 이를 이용해 새로운 모델의 유량 및 소음 측정 실험을 실시하였다.

Figs. 17, 18은 대상 홴 및 성능 개선 모델의 P-Q 곡선 및 효율 곡선을 나타내고 있다. 그 결과 작동 영역에서 유량이 3.727 %만큼 증가한 것을 확인할 수 있었고, 또한 정압 효율의 경우 작동 영역에서 0.865 % 만큼 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 17Measured P-Q curves of target & modified fan

Fig. 18Measured S.E curves of target & modified fan

Fig. 19는 대상 홴 및 성능 개선 모델의 회전 속도 변화에 따른 음압 레벨값을 나타내며, 동일한 1230 r/min의 회전속도에서 개선된 모델이 약 1.7 dBA만큼 소음이 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 두 홴의 음압 레벨 스펙트럼을 Fig. 20에서 비교하였으며, 이를 통해 개선 모델의 소음 저감이 고주파 영역에서 이루어졌다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 19Measured sound pressure level of target & modified fan

Fig. 20Spectrum of target of modified fan

 

5. 결 론

이 연구에서는 실험적/수치적 분석을 통해 냉동실 냉기 순환에 사용되는 원심홴의 성능을 분석하고, 대상 원심홴에서 발생되는 와류를 저감시킴으로써 홴의 유동 및 소음 성능을 향상시켰다. 그 결과 제안된 모델이 기존 모델에 비해, 작동 영역에서 유량이 3.727 %, 정압 효율이 0.865 %, 음압 레벨이 1.7 dBA만큼 개선된 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 결과를 통해, 홴에서 발생하는 불필요한 와류가 홴의 성능을 저감시키고, 소음 발생의 원인이 됨을 확인할 수 있었다.