저가형 유아 써멀마네킹의 제작 및 대류 열 전달 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Thermal comfort is a crucial factor in human well-being, and clothing serves as the primary medium regulating heat exchange between the body and its surrounding environment. Traditional evaluations of clothing insulation, often expressed in clo units, rely on thermal manikins. However, commercial thermal manikins are prohibitively expensive, limiting their accessibility for widespread research and industrial applications. This study proposes the development of a low-cost human manikin by utilizing Arduino-based control systems, 3D printing (PLA filament), ceramic heaters, fans for forced convection, and temperature–humidity sensors. The manikin shell was fabricated using FDM 3D printing technology, reflecting average human body dimensions, and the internal heating module was controlled through PID algorithms to ensure stable temperature regulation. Experimental evaluations focused on (i) temperature differences across the manikin shell to analyze thermal resistance, (ii) the impact of external environmental factors such as ambient temperature and airflow, and (iii) the relationship between power consumption and heat loss. Results indicated that the prototype manikin effectively measured thermal insulation and produced outcomes comparable to values reported in previous literature for major body regions (torso, arms, legs, and face). Some discrepancies were observed at extremities (hands and feet), where PLA’s relatively low thermal conductivity resulted in slower heat transfer compared to metal- or liquid-based manikins. Nevertheless, the system demonstrated stable performance, low energy consumption per test, and sufficient accuracy for basic clothing thermal insulation assessments. The findings confirm the feasibility of an economical and practical alternative to commercial thermal manikins, with potential applications in clothing performance evaluation, heat exchange studies, sports science, military equipment development, and educational settings.

국문 초록 (Abstract)

열적 쾌적성(thermal comfort)은 인간의 건강과 웰빙에 매우 중요한 요소이며, 의복은 인체와 외부 환경 사이의 열교환을 조절하는 핵심 매개체 역할을 한다. 의복 단열 성능은 일반적으로 써멀마네킹(thermal manikin)을 통해 clo 단위로 평가된다. 그러나 상용 써멀마네킹은 가격이 매우 고가이기 때문에 연구 기관이나 산업 현장에서 광범위하게 활용되는데 한계가 있다.
본 연구에서는 아두이노 기반 제어 시스템, PLA 필라멘트를 이용한 3D 프린팅, 세라믹 히터, 강제대류용 팬, 온도·습도 센서 등을 조합하여 저비용 인간형 써멀마네킹을 개발하고자 하였다. 마네킹 외피(shell)는 FDM 방식 3D 프린터로 제작되었으며, 평균적인 인체 치수를 반영하도록 설계하였다. 내부 발열 모듈은 PID 알고리즘을 통해 안정적인 온도 제어가 가능하도록 구성하였다.
실험 평가는 (i)마네킨 외피의 부위별 온도 차이를 통한 열저항 분석, (ii) 주변 온도나 공기 흐름과 같은 외부 환경 변화의 영향, (iii)전력 소비량과 열손실의 관계 규명이라는 세 가지 측면에서 수행되었다. 실험 결과, 본 연구에서 개발한 프로토타입 마네킹은 몸통, 팔, 다리, 얼굴 등 주요 신체 부위에서 기존 문헌에 보고된 단열 성능과 유사한 결과를 나타냈다. 다만 손·발과 같은 말단 부위에서는 PLA의 낮은 열전도율로 인해 금속 또는 순환 액체 기반 상용 마네킹에 비해 열 전달 속도가 다소 느리게 나타나는 차이가 확인되었다.
그럼에도 불구하고 해당 시스템은 실험 과정에서 안정적인 온도 유지, 시험당 낮은 에너지 소비량, 기본적인 의복 단열 평가에 충분한 정확도를 보여주었다. 본 연구 결과는 상용 써멀마네킹을 대체할 수 있는 경제적이고 실용적인 대안의 가능성을 확인하였으며, 의복 성능 평가, 열교환 연구, 스포츠 과학, 군사용 장비 개발, 교육용 실습 등 다양한 분야에서의 활용 가능성을 제시한다.