가정용 냉장고 내 성에 성장 억제를 위한 배수 시스템 개발 = Development of drain system for preventing frost accumulation in household refrigerators

국문 초록 (Abstract)

냉장고는 외부의 습한 공기가 유입되어 R-fan 모듈 및 증발기의 표면에 성에를 축적시킨다. 이러한 성에는 제상히터를 이용하여 주기적으로 제거된다. 이때 성에가 녹은 제상수를 외부로 배출하기 위해 냉장고 R-fan 모듈과 증발기 하부에는 배수 구조가 형성된다. 그러나 팬이 회전할 때, R-fan 모듈의 배수구를 통해 원하지 않은 유동이 발생하여 R-fan 모듈 아래 증발기 표면에 과도한 성에가 쌓인다. 또한 기계실에 설치된 drain 튜브를 통해 냉동실로 따뜻하고 습한 공기가 침투하게 되어 증발기 주변에 성에가 쌓이게 된다. 이러한 원하지 않는 유동에 의한 성에 축적은 냉각 성능을 저하시키고 열저항을 증가시킴으로써 소비 전력에 악영향을 미친다. 본 연구에서는 실험적 방법과 전산유체역학(CFD) 방법을 사용하여 새로운 형상의 배수 시스템을 제안하고자 한다.
R-fan 모듈의 안정적인 제상수 배출을 위해 Laplace 압력을 고려한 원형 형상을 가지는 새로운 배수구 형상 설계를 진행하였다. 제안된 R-fan 모듈의 배수구 형상이 효과적으로 증발기 주변의 무질서한 유동을 감소시켜, 냉장고에 공급되는 유량을 증가시키고 증발기 주변의 온도 분포를 개선시킨다는 것을 CFD 결과가 입증하였다. 새롭게 제안된 배수구는 3D 프린터로 시제품을 제작하여 냉장고에 장착 후 검증 실험을 수행하였다. 실험 결과는 CFD시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다. 새롭게 제안된 배수구는 기존 모델 대비 유동 손실과 평균 성에 제거 시간이 각각28.7%, 8.0% 감소시키는 것으로 나타났다.
Drain 튜브의 특성을 조사하기 위해 drain 튜브와 연결된 배출구 주변의 압력, 온도, 성에를 동시에 측정하며 관찰하였다. 냉장고 내부로 유입되는 유량을 줄이기 위해 제안된 drain 튜브는 직경을 작게 하여 높은 수력 저항(RH)을 가지도록 설계하였다. 냉동실의 도어를 열고 닫을 때, 냉동실 내부의 냉기가 따뜻한 외부 공기로 대체되어 냉동실의 저온 환경에서 외부 공기의 수축으로 인해 음압이 발생하게 된다. Drain 튜브는 이러한 음압 조건 하에서 외부와 냉장고 내부 사이의 공기 통로 역할을 한다. 음압을 해소하기 위해, 이동 가능한 shutter 또는 cone을 drain 튜브 내에 설치하였다. Cone의 최적 설계는 CFD 시뮬레이션을 통해 얻은 정보에 ANN (artificial neural network)을 활용하여 성능 지도를 만들고 GD (Gradient Descent) 알고리즘을 적용하였다. CFD 결과는 shutter 혹은 cone이 정상 작동시 2차 유입구가 차단되어 외기 유입량이 급격히 감소되지만, 음압 조건에서는 shutter와 cone 이 부상하여 많은 유량이 들어오는 것으로 나타났다.
제안된 drain 튜브의 성능을 검증하기 위하여 3D 프린터로 제작하여 냉장고에 설치한 결과 증발기 아래쪽의 drain 튜브 입구에서 막힘이 관찰되지 않았다. 또한 도어 개폐 시 발생하는 높은 음압이 신속하게 방출하는 것을 확인하였다. 이는 이동할 수 있는 shutter 또는 cone이 압력 조건에 따라서 공기 유입을 효과적으로 조절하고 있음을 알 수 있다.
새롭게 제안된 배수 시스템은 증발기에 착상을 최소화하고 도어 개폐 후 음압을 방출함으로써 에너지 소비를 줄일 수 있는 잠재적 이점을 제공한다. 본 연구의 결과는 제품마다 내부 구조에 약간의 차이가 있을 수 있으나 성능 향상을 위해 유사한 착상 문제가 발생하는 배수 시스템에 적용할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In refrigerator, external humid air enters and causes frost to accumulate on the surface of the R-fan module and evaporator. This frost is periodically removed during operation cycles using a defrost heater. To discharge the defrost water outside, a drain hole is situated beneath the R-fan module, and a drain tube is positioned under the evaporator. However, when the fan rotates, the drain hole can generate undesired airflow that leads to excessive frost buildup on the evaporator surface beneath the R-fan module. Moreover, the infiltration of warm and humid air from the machinery compartment to the freezer through the drain tube results in frost formation around the evaporator in household refrigerators. This undesired airflow-induced frost accumulation significantly compromises cooling performance and has a detrimental impact on power consumption by increasing thermal resistance. The present study aims to propose new drain system after investigating the phenomenon of frost accumulation and airflow patterns using both experimental and computational fluid dynamics (CFD) methods
A new drain hole design featuring a circular shape was selected considering Laplace pressure for stable defrost water drainage from the R-fan module. CFD results demonstrate that the suggested drain hole shape effectively decreases disorderly airflow around the evaporator, enhances the airflow rate supplied to the refrigerator, and improves temperature distribution surrounding the evaporator. The newly proposed drain hole was manufactured using a 3D printer, and a validation test was performed. The experimental results corresponded well with the simulation results. In-situ experimental data indicated that the proposed drain hole reduces flow losses and average defrost cycle time by 28.7% and 8.0%, respectively, when compared to the original model.
To investigate the characteristics of the drain tube, in-situ measurements were conducted to monitor pressure, temperature, and frost formation in the vicinity of a drain hole connected to the drain tube. To reduce the inflow to freezer, the proposed drain tube has a high hydraulic resistance(RH) by increasing the tube length with a narrow diameter. When the door of the freezer compartment is opened and closed, the cold air inside the freezer is replaced by warm external air, causing a negative pressure to develop due to the contraction of the external air in the low-temperature environment of the freezer. The drain tube also serves as an air vent between the ambient environment and the refrigerator under this negative pressure condition. To alleviate the negative pressure, the proposed drain tube includes a movable shutter or cone. For the optimal design of the cone, the performance map was created using ANN (artificial neural network) and the Gradient Descent algorithm was applied to the information obtained through the CFD simulation. The CFD results reveal that the shutter or cone blocks the secondary inlet under normal operation, resulting in a sharp decrease of air inflow amount, but the shutter or corn floats under negative pressure, resulting in a dramatically increase of air inflow amount from the secondary inlet.
In-situ measurements were carried out to validate the performance of the proposed drain tubes. Installation of the proposed shutter-type or movable cone-type tube in the refrigerator resulted in no observed blockage of the drain hole below the evaporator. In addition, the proposed drain tubes were monitored that the high negative pressure was quickly released in door opening and closing. This indicates that the movable shutter or cone effectively regulates air vents based on the pressure conditions in the freezer compartment.
The newly proposed drain system offers potential benefits in reducing energy consumption by minimizing frost accumulation on the evaporator and releasing the negative pressure after the door is opened and closed. Although there may be slight variations in the internal structures of different products, the findings of this study can be applied to drain system experiencing similar frost issues for performance enhancement.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 실험 재료 및 방법
• 2.1 In-situ measurements of R-fan module 6
• 2.2 R-fan 모듈의 CFD 해석 7
• 2.3 기존 및 제안된 R-fan 모듈의 배수구 9
• 2.4 In-situ measurements of drain tube 9
• 2.5 기존 및 제안된 drain 튜브 10
• 2.6 Drain 튜브 실험 장치 12
• 2.7 Drain 튜브의 CFD 해석 12
• 3. Drain system
• 3.1 서리 제거를 위한 냉장고 사이클 26
• 3.2 제상수 배출을 위한 drain system 27
• 4. R-fan 모듈의 배수구 설계
• 4.1 기존 모델 문제점 32
• 4.2 R-fan 모듈의 배수구 설계 32
• 4.3 개선 모델의 시뮬레이션 결과 34
• 4.4 개선 모델의 실험적 검증 36
• 5. 냉동실 drain 튜브 막힘 영향 인자 분석
• 5.1 I-type drain 튜브 결빙 메커니즘 49
• 5.2 성에 성장 시뮬레이션 50
• 5.3 tclosing 정의 51
• 5.4 결빙 영향 인자 53
• 6. Drain 튜브의 설계
• 6.1 이동식 셔터가 있는 drain 튜브 설계 62
• 6.1.1 CFD 결과 62
• 6.1.2 실험 설계 63
• 6.1.3 압력 해소 65
• 6.1.4 이물질 제거 68
• 6.2 이동식 cone이 있는 drain 튜브 설계 78
• 6.2.1 신경망을 활용한 설계 최적화 79
• 6.2.2 최적 cone-type drain 튜브 모델 82
• 6.2.3 최적 drain 튜브를 통한 결빙 방지 검증 83
• 6.2.4 이물질 제거 84
• 7. 결론 98
• References 101
• Abstract 103