2도어 상냉장·하냉동 Instaview 냉장고의 실내 구조 및 유로 설계에 따른 온도 분포 특성 연구 = Temperature Distribution Characteristics of a Two-Door Top-Refrigerator Bottom-Freezer Instaview Refrigerator according to Internal Structure and Air-Flow Path Design

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 2도어 상냉장·하냉동(Top Refrigerator/Bottom Freezer) 구조의 Instaview 냉장고를 대상으로, Instaview 도어, Basket 레이아웃, Flap up 구조, 하칸 및 칠러 유로 형상과 같은 실내 구조물 설계 변수가 고내 유동 및 온도 분포 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 바탕으로 고내 온도 편차를 개선할 수 있는 설계 최적화 방안을 제시하였다. Instaview 및 Flap up과 같은 프리미엄 구조물은 사용자 편의성과 디자인 측면에서 장점을 제공하지만, 적절한 설계 보완이 이루어지지 않을 경우 냉장고 내부의 온도 균일성과 정온성을 저해할 수 있다.
연구의 배경으로, 최근 냉장고 시장에서는 사용 편의성, 에너지 효율, 디자인이 모두 중요한 구매 요소로 부상하고 있다. 도어를 열지 않고도 내부를 확인할 수 있는 Instaview 기능, 수납 공간을 깔끔하게 정리할 수 있는 Basket와 Flap up 구조 등은 프리미엄 제품에서 차별화 요소로 적극 도입되고 있다. 그러나 Instaview 도어는 일반 금속 패널 대비 단열 성능이 떨어질 가능성이 있고, Flap up 구조는 상부 유로에서 유동 저항체로 작용하여 상부 고온 영역을 형성할 수 있다. 이러한 구조적 변화는 도어해당 구간 내 최대·최소값 차이인 Δ𝑇_space를 공간 온도 편차 지표로 정의하였다. 이를 통해 기준 모델, Instaview 적용 모델, Basket 레이아웃 변경 모델, Flap up 구조 변경 모델, 하칸 및 칠러 유로 형상 변경 모델에 대해 동일 조건에서 성능을 비교하였다.
먼저 Instaview 도어 적용 효과를 평가하기 위해, Instaview 미적용 기준 모델과 Instaview 도어만 적용한 모델을 비교하였다. 실험 결과, 기준 모델은 냉장실 전체에 대한 공간 온도 편차가 약 3.0 ℃ 이내로 유지되어 목표 기준을 만족하는 수준의 온도 균일성을 보였다. 반면 Instaview 도어 적용 시, 도어 단열 성능 저하에 따라 도어 인접부 열부하가 증가하면서 상부 선반 전면과 도어 Basket 인근 온도가 상승하였고, 전체 공간 온도 편차는 약 5.4 ℃ 수준으로 확대되는 것으로 나타났다. 이는 Instaview 도어 적용이 냉장실 내부의 온도 균일성을 저하시킬 수 있음을 의미한다.
Instaview 적용으로 인한 온도 편차 증가를 개선하기 위해, 상부 및 중부 Basket의 위치를 후방으로 이동시키는 레이아웃 변경을 수행하였다. 상부 토출구에서 토출된 냉기가 선반 전 영역으로 보다 균일하게 도달하도록 Basket 위치를 조정한 결과, 상부 선반 전면부 및 도어 인접부에서 형성되던 저유속 재순환 영역이 감소하였다. 실험 결과, Instaview 적용으로 5.4 ℃까지 증가했던 공간 온도 편차는 Basket 레이아웃 변경 후 약 2.8 ℃ 수준으로 감소하여, 다시 3.0 ℃ 기준을 만족하는 것으로 확인되었다. 이는 Instaview 도어로 인한 단열 부하 증가는 Basket 및 유로 설계 최적화를 통해 상당 부분 보완이 가능함을 보여준다.
다음으로 Flap up 구조가 온도 분포에 미치는 영향을 분석하였다. Instaview 도어가 적용된 상태에서 Flap up 구조를 추가 적용한 조건에서는, 상부 Basket 인근에서 고온 영역이 확대되고, 냉장실 전체 공간 온도 편차가 약 8.0 ℃ 수준으로 크게 증가하는 결과가 나타났다. 이는 Flap up 패널이 닫힌 상태에서 냉기가 Basket 전면부를 따라 하향하기 어렵고, 상부에서 재순환 또는 측면 우회가 발생하면서 상부 고온 영역이 형성된 것으로 해석된다. 최상칸 Flap up을 삭제하고 선반 간격을 조정한 결과, 공간 온도 편차가 일부 감소하는 경향을 보였으나, 여전히 3.0 ℃ 기준을 상회하는 수준으로 남아 있었다. 이를 통해 Flap up 구조는 수납 및 시인성 측면에서 장점이 있지만, 온도 균일성 관점에서는 추가적인 유로 최적화 및 제어 전략이 요구된다는 점을 확인하였다.
마지막으로 하칸 및 칠러 유로 형상이 하부 온도 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 기존 유로 조건에서는 하칸 온도가 상부 선반에 비해 상대적으로 높게 유지되어 전체 공간 온도 편차를 증가시키는 요인으로 작용하였고, 칠러의 경우 냉장실 평균 온도에 비해 과도하게 낮은 온도가 유지되어 과냉 현상이 우려되었다. 하칸 토출구의 단면적 및 토출 방향을 조정하여 하칸 전체에 냉기가 보다 균일하게 분포하도록 설계한 결과, 하칸 내부 온도 편차는 약 4.0 ℃에서 2.8 ℃ 수준으로 감소하였다. 또한 칠러 토출구 위치와 방향을 변경하여 칠러 내부 과냉을 완화한 결과, 냉장실 평균 온도와 칠러 온도 간 차이는 약 3.4 ℃에서 2.9 ℃ 수준으로 축소되어, 하부 공간의 온도 균일성이 개선되었다.
종합적으로, 본 연구에서는 Instaview 도어, Basket 레이아웃, Flap up 구조, 하칸 및 칠러 유로 형상과 같은 실내 구조물 설계 변수가 상냉장·하냉동 Instaview 냉장고의 온도 분포 및 정온 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. Instaview 및 Flap up과 같은 프리미엄 구조물은 단독 적용 시 온도 균일성을 저해할 수 있으나, Basket 레이아웃 재구성과 하부 유로 최적화를 통해 전체 공간 온도 편차를 약 3 ℃ 이하 수준으로 유지할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
본 연구는 프리미엄 구조물을 적용한 상냉장·하냉동 냉장고에서, 단순히 에너지 소비를 증가시키거나 기능을 축소하는 방식이 아니라 실내 구조물 설계와 유로 설계를 통합적으로 최적화함으로써 성능을 확보할 수 있음을 보여준다. 향후 본 연구에서 제시한 설계 방법론과 결과는 용량과 구조가 다른 다양한 냉장고 제품에 확장 적용 가능하며, 고내 온도 균일성과 정온성을 동시에 만족시키면서 에너지 효율을 향상시키는 데 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the effects of internal structural design parameters – such as the Instaview door, basket layout, flap-up structure, and flow-path configuration for the lower compartment and chiller – on the internal airflow and temperature distribution of a two-door top-refrigerator bottomfreezer Instaview refrigerator. The application of a premium Instaview door inevitably alters the thermal insulation and increases the heat load near the door, while additional internal components introduce flow resistance. These changes may deteriorate temperature uniformity and temperature stability; therefore, an integrated optimization of the air-flow path and internal structural design is required to maintain overall performance.
Steady-state performance tests and spatial temperature distribution tests were conducted in a climatic chamber under standardized ambient conditions, and the measured results were compared with CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation results. The comparison between the baseline model and the Instaview-applied model revealed that the increased heat gain through the Instaview door led to higher temperatures near the door-side baskets and an increase in spatial temperature deviation within the fresh-food compartment. When the flap-up structure was additionally applied, high-temperature regions around the upper baskets expanded further, resulting in a noticeable deterioration in temperature uniformity.
To address these issues, the upper and middle basket layouts were modified so that the cold air discharged from the upper outlet could be more evenly distributed over the shelves, and the outlet geometry and location for the lower compartment and chiller were redesigned to improve their temperature characteristics. Experimental results showed that the increased spatial temperature deviation caused by the Instaview door could be reduced again to within approximately 3 °C by basket layout modification and outlet redesign, while the temporal temperature fluctuation at most measurement points was maintained within about 1 °C.
The present work demonstrates an integrated design procedure that concurrently considers premium structural features and air-flow paths in a top-refrigerator bottom-freezer Instaview refrigerator, and experimentally validates the effectiveness of the proposed approach. The design methodology and findings of this study are expected to provide useful guidelines for improving internal temperature uniformity and stability, as well as energy efficiency, in various refrigerator products with similar configurations.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 이론적 배경 및 선행 연구 3
• 1.3 연구 목적 및 차별성 5
• 1.4 Instaview,Flap up,Basket 구조의 특성 6
• 1.5 연구 범위와 방법 7
• 1.6 논문 구성 8
• 2. 실험 장치 및 조건 설계 8
• 2.1 시험 대상 냉장고 및 실험 장치 8
• 2.2 실험 조건 및 평가 방법 13
• 2.3. 설계 변수 정의 15
• 3. 실험 결과 및 고찰 17
• 3.1 Instaview 적용 특성 및 Basket 레이아웃 영향 17
• 3.2 Flap up 구조 적용에 따른 상부 온도 특성 20
• 3.3 하칸 및 칠러 유로 형사 변경에 따른 하부 온도 특성 22
• 3.4 최종 설계안에 대한 정온 성능 및 온도 분포 검증 25
• 4. 결과 및 향후 연구 28
• 4.1 연구 결과 요약 28
• 4.2 설계적 시사점 29
• 4.3 연구의 한계 및 향후 연구 과제 30