Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 7 pp. 2872-2877, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.7.2872 장준영 1* 1 계명대학교연소및에너지실험실 Development of the Wearable Personal Cooling System Jun-Young Jang 1* 1 Laboratory of Combustion and Energy, Keimyung University 요약본논문은더위나고온의환경에서열적스트레스를줄이기위한에관한것이다. 개인냉방시스템은냉매압축냉동사이클로작동되는소형냉동시스템이적용되었다. 소형냉동시스템은이동과착용이가능하도록소형화와경량화에맞게구성되었다. 증발기는나일론튜브를사용하여조끼내부에매립하여열전도에의해신체열을저감시키는직접냉각방식이적용되었다. 착용형개인냉방시스템은냉방능력은대략 100W이며주위온도보다 12~13 정도낮게유지되는성능을가진다. 착용형개인냉방시스템의무게는조끼, 케이스, 배터리를포함하여약 3kg이다. Abstract This paper discusses the development of the wearable personal cooling system for reducing thermal stress in hot environment. The personal cooling system is operated with the compact refrigeration system by compressing refrigerant. The compact refrigeration system is applied with the miniaturization and weight reduction for portable and wearable cooling system. The body heat is reduced by heat conduction with evaporator in direct cooling type. The cooling capacity of the wearable personal cooling system is approximately 100W and, the system could maintain the inside temperature of approximately 12-13 lower than the ambient temperature. The weight of the wearable cooling system is about 3kg including vest, case, battery and all parts. Key Words : Wearable, Personal Cooling, Compact Refrigeration System, Direct Cooling Type 기호설명 1. 서론 : 응축열량 [W] : 냉방능력 (= 증발열량 ) [W] : 컴프레서일량 [W] : 냉매유량 [g/s] : 응축기입구및출구의엔탈피 [kj/kg] : 증발기출구및입구의엔탈피 [kj/kg] : 냉동컴프레서소비전력 [W] : 냉동시스템전체소비전력 [W] : 냉동시스템성능계수 : 에너지효율비 * Corresponding Author : Jun-Young Jang Tel: +82-16-555-8220 email: jjy@kmu.ac.kr 접수일 12 년 03 월 29 일수정일 12 년 05 월 29 일게재확정일 12 년 07 월 12 일 여름철무더위시의야외건설현장, 거리청소, 농사일, 외부시설작업과용광로, 주물공장등의고열발생환경에서작업하는작업자에게는더운환경은참기힘든일이며고욕이아닐수없다. 더위나고온의환경은작업자에게육체적으로그리고정신적으로스트레스를가해열사병과같이질병으로건강을해치고작업능률저하, 안전사고를발생시킨다. 실내에서의활동이나작업은주위온도를알맞게조절하는냉방기를사용함으로쾌적하고시원하게생활이되지만실외에서의냉방기사용은과도한에너지를소비하여사용이제한되어서비현대적인방법들이적용되고있다. 2872
무더운작업환경에서의더위를조금이나마가시게할제품으로얼음팩을장착하는냉각조끼와팬을장착하여바람을옷으로불어넣어주는점퍼제품이출시되고있다. 냉각조끼는얼음팩을미리냉동시켜두었다가사용해야하고얼음이녹기때문에장시간사용은불가능하여불편하다. 또한얼음팩과외부공기와의결로현상으로이슬이맺혀옷이축축해지므로불쾌감이발생하기도한다. Choi[1] 등은냉각조끼가고온환경에서인체의부담을줄이는효과가있으나냉각지속시간과중량등의문제를보완할필요가있음을제시하였다. 팬이장착된점퍼는바람으로인해옷이부풀어올라작업자가착용하고작업하기가불편하다. 최근에열전소자의펠티어효과를이용한휴대용냉각제품들에대한특허출원및제품개발에대한대안들이제시되고있으나 [2.3] 전력소모가많고효율이낮으며아직상품화하는데있어기술적어려움이많다. 우리가가정이나사무실에서사용하는에어컨과같은냉매압축냉동시스템은냉방성능이우수하고효율이높으나 [4] 구성된냉동시스템의구성요소가부피가커고무게가무거우며 AC전원방식을적용하고있어서이동이나휴대용제품으로적용하기가어렵다. 냉매압축냉동시스템은냉동컴프레서, 응축기, 팽창밸브, 증발기로구성되며지금까지개발된구성품들이가정용이나 [5,6] 상업용위주의중대형용량으로활용된상태이어서아직소형및경량의제품에그대로적용하기는불가능하다. 본연구에서는부피와무게, 전원방식에서소형화및경량화에어려움이존재하는냉매압축냉동시스템을이동및휴대가가능한착용형냉방시스템으로개발하여무더위시나고열환경작업자의열적스트레스를줄여줌으로써쾌적한환경을제공할수있는개인냉방시스템으로활용하고자한다. 2. 착용형개인냉방시스템설계 2.1 착용형개인냉방시스템설계조건 주위온도 26 에서보통의성인을기준으로걷거나가벼운노동시에약 150~200W의신체발열이일어나며착석의경우에는약 80W 정도의발열이일어난다 [7]. 사람마다더위에대한개인적민감도가다르고인체안전성을고려하여개인냉방시스템은주위온도보다약 10~15 정도낮게유지되며냉방능력은최대 100W로설계하였다. 2.2 직접냉각방식냉방시스템구성 착용형개인냉방시스템은조끼형태의의복에냉방시스템을부착하는방식이며직접냉각방식으로설계되었다. 직접냉각방식은차가운냉매가흐르는증발기를냉각을시키고자하는물체와열전도에의해열을흡수하는방식으로증발기를옷에직접부착하여신체열을흡수하는방식이다. 따라서적용된증발기는냉매와냉동유의영향이없으며냉매가스의압력에충분히견디고몸에불편하지하지않으면서옷에부착되어야하므로유연성이있는나일론튜브를적용하였다. 그림 1은조끼에나일론튜브를설치한모습이다. 조끼는남자성인이착용할수있을사이즈로설계 제작되었으며나일론튜브는등뒷면에부착된냉동컴프레서와응축기, 팽창밸브에서연결되어두갈레로나뉘어져등뒤에서각각조끼의좌우로공급되어앞쪽으로넘어온후다시뒤쪽으로연결된다. 신체방향으로열전달을높이기위해나일론튜브는알루미늄테이프로감쌌다. 나일론튜브와주위공기와의결로현상을줄이기위해조끼의외측은방수천으로덧대었으며심씰테이프 (Seam Seal Tape) 를사용하여조끼안쪽에나일론튜브를부착하였다. (Nylon tube as part of evaporator) [ 그림 1] 나일론튜브설치 ( 앞, 뒤 ) [Fig. 1] Nylon tube (front, rear) 그림 2와표 1은직접냉각방식개인냉방시스템에적용된구성품의모습과사양을나타낸것이다. 직접냉각방식냉방시스템의구성품은나일론튜브외에롤링피스톤방식의냉동컴프레서와응축기, 모세관, 배터리로구성된다. 냉동컴프레서는 ASPEN사 (USA) 의냉동컴프레서를적용하였다. 냉동컴프레서의토출용량은 1.4cc이고정격전압은 DC 24V이나 DC12~30V의전압으로작동되어지며 BLDC모터가내장되어회전수를 2500~6000rpm으로조절이가능하다. 냉동컴프레서의성능은응축온도 48.9, 증발온도 1.7, 회전수 3000rpm조건에서소비전력 65.8W, 증발열량 125W의성능을가진다. 2873
한국산학기술학회논문지제 13 권제 7 호, 2012 compressor condenser 응축기는차량용평판관열교환기로사용되는제품을소형화에맞게설계제작하였으며다수의경로를부여하여 serpentine방식으로냉매가순환된다. 응축방식은응축기표면에팬이부착되어강제공냉방식으로작동된다. 적용된모세관은내경 0.8mm, 길이 3m의동관을스프링형태로만들어사용하였다. 감압의역할을수행하는모세관은길이에따라압력강하가발생하며적정의모세관길이는주위온도조건에서수회반복시험을통해선정하였다. 작동전원은리튬-이온배터리 (14,7V, 5.2Ah) 를적용하여이동시작동에무리가없도록하였다. Capillary tube evaporator(inside) [ 그림 2] 직접냉각방식개인냉방시스템구성품 [Fig. 2] Component of personal cooling system [ 표 1] 개인냉방시스템사양 [Table 1] Specification of personal cooling system Type Displacement Rolling Piston 1.4cc/rev [ 그림 3] 개인냉방시스템구성도 [Fig. 3] Schematic diagram of personal cooling system Compressor Refrigerant Oil type Weight Size(φ H) Type Material HFC-134a POE RL 68H 590g 57 77mm Serpentine AL 그림 3은개인냉방시스템의구성도를나타낸것이다. 냉동컴프레에서압축된냉매가스는응축기에서응축되어지고모세관에서감압되어진후분지관을거쳐나일론튜브로공급된다. 나일론튜브내에서주위의열을흡수한냉매가스는다시분지관을거쳐냉동컴프레서로흡입된다. Condenser Size 120 120 16mm Fan DC 12V, 0.5A Capillary tube Evaporator Fan flow Material Inner Dia. Length Material Inner Dia. 1.7m 3 /min Copper pipe 0.8mm 3m Nylon tube 4mm Power Length 4m Battery Li-ion Voltage 14.8V Capacity 5200mAh [ 그림 4] 개인냉방시스템모습 [Fig. 4] Shape of personal cooling system 그림 4는제작된직접냉각방식개인냉방시스템의모습을나타낸것이다. 증발기외에냉방시스템의구성품은 2874
벨트타입으로만들어진케이스내에내장되어있다. 벨트와케이스는목업 (mock-up) 으로제작하였다. 벨트앞쪽에는작동을위한작동스위치가부착되어있다. 뒤쪽에는왼편에냉동컴프레서가내장되며가운데부분에응축기와모세관이내장되며오른쪽부분에배터리가장착된다. 배터리는교환이가능하도록착탈방식으로설계되어있으며냉동컴프레서와응축기가위치한부분은방열을위해그릴형태로설계되었다. 케이스, 배터리, 조끼를포함하여냉방시스템의전체무게는약 3.0kg이다. 3. 실험장치및방법 직접냉각방식개인냉방시스템의냉방성능을측정하기위하여그림 5와같이실험장치를구성하였다. 그림 4 에서시제작된조끼형태로마네킹에착용시켜성능측정에필요한센서와장치를부착하였다. 냉동컴프레서와응축기팬에서소비되는전력은전원공급기를통해공급되는전압과전류를측정하였으며응축기와팽창밸브인모세관사이에는 R-134a용질량유량계가설치되어있어냉매유량을측정하였다. 냉매의압력을측정하기위하여냉동컴프레서흡입구와토출구에압력센서 (keller, PA-33X) 를설치하여흡입압력과토출압력을측정하였다. 냉방시스템의온도측정을위해 T-type열전대를냉방시스템의컴프레서입출구, 응축기출구, 증발기의배관에부착하였으며단열재를감싸외부영향을최소화하였다. 시험은건구온도 35, 습구온도 24, 상대습도 40% 인항온항습기에서진행하였으며냉방시스템을작동시켜온도와압력, 전력이안정화되는시점부터데이터를측정하였다. point Result [P(kPa), T( )] 1 P 1=1262, T 1=74.8 2 T 2=46.4 3 T 3=2.2 4 P 4=250, T 4=18.4 [ 그림 6] 직접냉각방식냉방시스템 P-h 선도 [Fig. 6] P-h curve of direct cooling system 그림 6은그림 5와같은시험장치를통해주위온도 3 5 조건에서측정된냉방시스템각부분의의압력, 온도를몰리에선도에나타낸것이다. 1번위치는냉동컴프레서토출구의압력과온도를측정한것으로이를통해응축압력과응축온도를계산하였으며 2번위치는응축기출구에서의온도를측정하여과냉도를계산하였다. 3 번위치는증발기입구에서의온도를측정하였으며 4번위치는냉동컴프레서흡입구의압력과온도를측정하여과열도를계산하였다. 증발온도 2.2 에해당하는증발압력은 316.9kPa이다. 측정된개인냉방시스템의전체소비전력은 99.9W이며, 별도로냉동컴프레서전력은측정하지않았지만팬의소비전력이약 6W이므로전체소비전력에서이를제외하면냉동컴프레서의전력은약 94W로추정된다. 4. 실험결과 [ 그림 5] 냉방성능실험장치도 [Fig. 5] Schematic diagram of cooling capacity test Table 2는그림 6의온도, 압력데이터와질량유량계, 소비전력을통해측정된데이터를활용하여응축열량과냉방능력을계산하여개인냉방장치의냉각성능을나타낸것이다. 응축열량과냉방능력, 냉동시스템의성능계수 (COP: Coefficient of Performance), 냉방시스템의효율을나타내는에너지효율비 (EER: Energy efficiency ratio) 는다음식으로계산된다. 2875
한국산학기술학회논문지제 13 권제 7 호, 2012 [ 표 2] 개인냉방시스템냉각성능데이터 [Table 2] Performance data of personal cooling system Condensing temp. ( ) 48.3 Sub-cooling ( ) 1.9 Condensing heat (W) 120.5 Evaporating temp. ( ) 2.2 Super heat ( ) 16.2 Mass flow (g/s) 0.67 Cooling capacity (W) 99.5 Power (W) 99.9 EER 1 Theoretical work of compressor (W) 21 (1) (2) (3) (4) 식 (3) 과 (4) 에의해계산되어진 COP와 EER은약 1.06 과 1이다. 본실험조건에서의냉동컴프레서의이론적일량이약 21W이므로실제냉동컴프레서의압축효율은약 22.3% 이다. 력은전원공급기를통해측정하였다. 나일론튜브가지나가는부분의온도는주위온도와비교하여약 12~13 정도낮게측정되었다. 주위온도증가에따라소비전력은증가하고있다. 이는토출압력증가에따른냉동컴프레서의소모전력이증가하기때문이다. 개발된개인냉방장치는이동성과착용성을높이기위해냉방시스템및케이스의무게를저감하고증발관의배치, 증발기와주위온도와의차이에의해발생되는결로문제등을해결하기위한추가적인보완과개선연구가필요하다. 5. 결론 무더위시나고열환경작업자의열적스트레스를줄이기위해냉매압축냉동시스템을적용한착용형개인냉방시스템으로개발하여다음과같은결론을도출하였다. (1) 착용형개인냉방시스템은이동및휴대가가능한소형냉동시스템이적용되었으며직접냉각방식으로개발하였다. (2) 착용형개인냉방시스템은조끼형태의의복에냉방시스템을부착한형태로냉방시스템의구성품중냉동컴프레서와응축기는그릴형태로설계된케이스내에설치되며조끼속에증발기인나일론튜브가매립되어열전도에의해신체열을저감시킨다. (3) 착용형개인냉방시스템의전체무게는배터리, 케이스, 조끼를포함하여약 3.0kg이다. 또한착용형개인냉방시스템의냉방능력은약 100W이며주위온도보다 12~13 낮게유지되는성능을확인하였다. References [ 그림 7] 직접냉각방식개인냉방시스템성능 [Fig. 7] Performance of direct cooling system 그림 7은주위온도 25 부터 40 로변화시키면서조끼내부의나일론튜브가부착된봉제선상단의표면온도와전체소비전력을측정한것이다. 온도측정은 T-type열전대를이용하였으며나일론튜브가지나가는 4 군데의온도를측정하여평균값으로나타내었다. 소비전 [1] Jeong Wha Choi, Kyoung Sook Hwang, "Effective of Cooling Vest in Hot Environment", Journal of the Korean Society of Clothing and Textiles, Vol. 25, No. 1, pp. 83-90, 2001. [2] Ministry of Education and Technology, "Development of Portable Microclimate Cooling System", Dual Use Technology Report, Ministry of Education and Technology, 2001. [3] Sang Kuk Yun, et al., "The Chilly Wind Vest Production which Uses the Thermoelectric Element", Proc. of Conference on the Korean Society of Marine 2876
Engineering, pp. 403-404, 2008. [4] Byung Ok Cho, "Refrigeration Technology Engineering", Cmass, 2010. [5] Euisung Jang, et al., "An Experimental Study on the Optimization of the Performance Characteristics of a Refrigeration System Using R-600a and R-134a", Korean Journal of Air-Condition and Refrigeration Engineering, Vol. 22, No. 5, pp. 268-274, 2010. [6] Moo Yeon Lee, et al., "A Study on Performance Characteristics of Propane/Isobutane Refrigerant Mixtures in a Domestic Small Multi-Refrigeration System", Trans. of the KSME, Vol. 29, No. 2, pp. 271-278, 2005. [7] Chang Soo Kang, et al., "Refrigeration and Air Conditioning Engineering", p. 399, Bosunggak, 2001. 장준영 (Jun-Young Jang) [ 정회원 ] 1999년 2월 : 계명대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 2004년 2월 : 계명대학교대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 2006년 3월 ~ 2008년 11월 : 전자화자동차부품지역혁신센터연구원 2008년 12월 ~ 2011년 9월 : 킹텍연구원 < 관심분야 > 열유체, 연소, 냉동공조, 신재생에너지, 자동차부품 2877