4조-UOS Nikola

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 점성력을 이용한 저소음 헤어드라이어 개발.

영문 : Development of low noise hair dryer using viscous force.

과제 팀명

UOS Nikola..

지도교수

이동찬 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300XX** 심*선(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300XX** 윤*일

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300XX** 이*범

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300XX** 이*희

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

헤어드라이어의 소음을 감소시키기 위해 소음이 적은 것으로 알려져 있는 테슬라 팬을 활용하여 헤어드라이어를 설계한다. 시뮬레이션을 통해 테슬라 팬 성능(유속)에 영향을 미치는 요인을 파악해 팬의 스펙을 결정하며, 프로토타입을 제작해 시뮬레이션 결과가 실제 실험과 비슷한 수준인지 확인한다. 이후, 실제 실험으로 얻은 데이터를 바탕으로 최종버전을 설계한다. 이때, 안전상의 이유로 가열 기능의 구현은 생략하기로 한다.

개발 과제의 배경

대부분의 헤어드라이어는 사용함에 있어서 음성을 차단하거나 소음 그 자체로 불편함을 준다. 이러한 소음은 최대 유속 단계에서 일시적이지만 짧은 사용거리로 인해 국제표준화기구(ISO)가 설정한 청력손실위험 경계 값인 80dB을 넘는다. 이는 인간이 불쾌함을 느끼는 소음에 속하므로 개선할 필요가 있다. 

2. 개발 과제의 효과

본 프로젝트는 헤어드라이어의 최대 단점인 소음을 감소시키기 위해 1913년에 개발된 이후 외면되어 온 테슬라 터빈의 원리를 역으로 이용하고자 한다. 테슬라 팬은 1913년 Nikola Tesla에 의해 발명된 테슬라 터빈을 역으로 구동 시킨 것을 의미한다. 일반적인 팬은 임펠러의 운동량 전달을 통해 유동을 만들지만, 독특하게도 테슬라 팬은 유체의 점성력을 이용하기 때문에 임펠러에 의한 공력소음이 해소되어 공력소음 개선에 크게 기여할 수 있다. 이러한 설계를 통해 소음을 개선하여 소비자에게 쾌적한 사용 환경을 제공하고자 한다.

Fig. 1 테슬라 팬

개발 과제의 목표 및 내용

1. 개발 과제의 목표

1.1 기존 제품 조사 결과 및 설계 목표치 설정

보급형의 경우 1단 풍속이 6m/s미만이며 소음은 약 75dB이며, 고급형(다이슨 에어랩)의 경우 풍속은 1.8m/s정도 더 강하나 소음도 4dB더 컸다. 보급형 모델을 기준으로 6m/s 유속에서 75dB을 일반 헤어드라이어의 소음이라고 가정한다. 이 값을 바탕으로 목표치를 설정한다.

1.2 기존 헤어드라이어와 비슷한 건조 능력 확보(유속 확보)

유량 확보는 기본적인 헤어드라이어의 기능을 수행하기 위해 필수적인 항목이다. 기존 헤어드라이어와 비슷한 10cm2의 노즐 면적에서 1단 풍속인 6m/s에 준하는 유속을 확보하도록 한다.

1.3 기존 헤어드라이어 대비 소음 감소

음성 영역인 300Hz에서 4kHz의 대역폭에서는 원활한 음성 전달을 위해 60dB 이하의 소음을, 이외의 영역에서는 기존보다 5dB 작은 70dB이하를 목표로 한다.

Fig. 2 헤어드라이어 소음 주파수 분석 결과

1.4 편의성(진동 및 무게)

실사용 편의성을 위해 무게 중심을 손목과 팔에 부담이 가지 않는 구조로 설계한다. 모터 지지대가 손잡이를 겸하기 때문에 손잡이에 모터 진동이 거의 느껴지지 않게 한다. 또한 무게의 경우, 고급형 모델인 다이슨 에어랩을 기준으로 하여 무게 제한을 600g으로 설정한다.

2. 개발 내용 2.1 헤어드라이어 각 부품별 계발 계획

Fig. 3 헤어드라이어의 부품별 번호

2.1.1 거름망 설계

CATIA 프로그램을 사용하여 헤어드라이어의 거름망을 설계한다. 초기에는 거름망을 탈부착 가능한 형식으로 제작하여 거름망이 유속에 미치는 영향을 확인한 후, 일체형으로 제작한다.

2.1.2 팬 설계

테슬라 팬에는 다양한 기하학적인 특징이 있다. 이러한 기하학적인 특징들의 수준에 따라 유량이 커지는지 작아지는지, 또한 어떠한 특징이 더 유량에 큰 영향을 미치는 지 일일이 실험을 하기에는 시간과 비용이 많이 소모될 것이다. 따라서 이러한 제한으로 인해 테슬라 팬의 유량에 영향을 미칠 것이라고 생각되는 인자들을 선정하여, 각 인자들의 수준을 정한다. 이렇게 인자와 수준을 결정하고 직교배열표를 구성해 해당 실험을 시뮬레이션을 이용해 인자들의 영향을 분석한다. 해석 프로그램으로는 Star CCM+를 사용한다. 시뮬레이션이 끝난 이후, mini tab을 활용하여 결과를 분석한다.

2.1.3 하우징 및 기타 부품 설계

테슬라 팬의 기하학적 특징뿐만 아니라 하우징 또한 유량에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 하우징 또한 CFD를 사용하여 어떤 하우징의 스펙에 따라 유량에 어떤 영향을 미치는지 확인한다. 테슬라 팬과 달리, 하우징 같은 경우에는 실제 실험은 진행하지 않고, 경향성 확인만 진행한다. CFD결과를 바탕으로 CATIA 프로그램을 사용해 하우징을 설계한다. 설계한 하우징은 3D 프린터를 사용하여 출력한다. 모터 지지대와 같은 기타 부품들은 유량에 미치는 영향이 없다고 판단하여 따로 시뮬레이션을 진행하지 않고 바로 CATIA 프로그램을 사용해 설계하고 3D 프린팅을 진행하기로 한다.

2.1.4 히터

안전상의 이유로 구현하지 않는다. 이때 히터가 유속에 미치는 영향을 확인하기 위하여 모형만 제작하여 헤어드라이어에 설치한다.

2.2 실제 실험을 통한 최종 버전 설계 및 제작

제작된 프로토 타입을 사용해 실제 실험을 진행한다. 실험을 진행하면서 시뮬레이션 결과가 실제 실험과 비슷한 지, 프로토 타입에서 개선해야 할 부분은 무엇인지를 파악한다. 실험 결과와 개선할 점을 바탕으로 디스크나 하우징들을 수정한 뒤, 최종본을 제작하여 최적의 결과가 나오는지를 확인한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1. 팬 기술 동향

팬은 날개차의 회전 운동에 의하여 기체를 압송하는 장치를 의미한다. 일반적으로 팬은 날개를 이용하며, 1913년에 점성력을 이용하는 날개 없는 팬이 설계되었으나 당시 기술 한계로 인해 실제 사용되지 않았다. 현재 날개 있는 팬의 경우, 날개 자체의 형상에서는 각종 곡률을 비롯한 윙렛과 같은 부분까지 이미 상당히 발전되어 있는 상황이다. 따라서 최근에는 생체모방 기술을 적용하여 팬의 성능을 개량하는 경향을 보인다. 2015년에 서울대-LG전자 합작으로 흑등고래와 조개표면을 모방한 팬을 설계하여, 2dBA 소음과 10% 소비전력을 감소시키는 결과를 얻었다.

최근에는 1900년대 초와 달리 재료와 관련된 공학기술이 많이 발전하면서 날개 없는 팬(테슬라 터빈)이 다시 주목을 받고 있다. 특히 의료 분야에서 좌심실 보조 장치(LVAD) 역할에 사용되는 펌프로서 연구가 진행 중이다. 현재 기술과 동일한 규모인 1L/min 이상으로 펌핑하는 성능을 보여줄 정도로 기존의 펌프를 대체할 가능성을 보여준다. 또한 기존 펌프 대비 유연성, 확장성 및 단순성이라는 장점이 있다. 이뿐만 아니라 그림 1(우)처럼 실링팬 역할을 하는 제품이 유럽에서 상용화되어 판매 중이다.

Fig. 4 (좌)생체모방을 통한 저소음-고효율 팬 개발 (우) 날개 없는 팬을 이용한 실링팬

2. 모터 기술 동향 2.1 모터 종류

모터는 전력 에너지를 받아 동력 에너지로 변환하는 전동기다. 자장 내에서 전류를 흐르게 함으로써 받게 되는 힘을 회전 동작으로 변환하는 것이 일반적이지만, 광범위하게는 리니어 동작하는 것도 포함한다. 모터를 구동 전원의 종류에 따라 분류하면 DC 모터와 AC 모터로 분류된다. 모터의 회전 원리에 따라 하기와 같이 분류할 수 있다. 해당 모터 중 Brushless DC 모터가 소음 부분에서 강한 장점을 갖기 때문에 설계에 해당 모터를 사용한다.

Fig. 5 회전 원리에 따른 모터 종류

2.2 BLDC 모터

브러시리스 모터(Brushless Direct Current motor)는 직류전동기와 비슷한 출력 특성을 가진 동기전동기의 일종이다. Dc모터는 도선이 자기장 안에 있을 때 받는 힘인 전자기력에 의해 토크를 얻게 되는데, 브러시(brush)라는 부분이 도선과 닿는 부분이 수시로 바뀌며 돌기 때문에 회전방향이 유지되며 빠른 속도로 돌아갈 수 있다. 이때 가만히 있는 부분을 고정자, 돌고 있는 부분을 회전자라고 부른다. 그러나 이러한 브러시는 맞닿은 채로 돌아가기 때문에 마모되기 쉽고, 어떨 때는 스파크의 원인이 되기도 한다. 또한 모터의 종류에 따라 하드웨어적 성능이 다르기 때문에 정밀하게 속도를 제어하기 매우 어렵다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 도선이 맞닿아있지 않아도 토크를 만들어내고, 더욱 쉽고 편하게 소프트웨어적인 제어가 가능한 BLDC 모터를 만들어냈다.

BLDC모터의 회전자는 영구자석, 고정자는 코일(전자석)이다. 코일은 마주보고 있는 코일들끼리 함께 전류가 통한다. 마주보고 있는 코일끼리는 전류가 같은 방향으로 흐르면서 N,S극을 만들어낸다. 이때 회전자의 N,S극이 고정자에 의해 끌려오게 되고, 옆에서는 고정자가 반대 방향의 자기장을 만들어주어 회전자를 밀어낸다. 코일 간 서로 연결이 되어있기 때문에 한 코일에만 전류를 흘려주면 전류를 더 효율적으로 흐르게 만들 수 있다. 결국 3상 AC모터와 다른 점이 없어서 3개의 선중 2개만 바꾸어도 회전 방향이 바뀐다. 그렇기 때문에 이런 전류를 제어해줄 전자 변속기(ESC)가 필요하다. 보통 드론용으로 많이 사용되며 그외에도 선풍기, 헤어드라이기 등 다양하게 쓰이고 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

특허 조사는 테슬라 터빈과 그를 응용한 다양한 기구들로 나누어 조사를 진행하였다. 앞으로 제시될 표에서는 각 특허에 대한 정보이며, 표에서는 특허의 이름, 출원 번호와 출원 일자, 그리고 법적 상태 마지막으로 특허에 관한 내용과 사진을 제시하였다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

제작하는 제품이 헤어드라이어 이므로 경쟁 제품은 헤어드라이어로 정하였다. 제품 분석 결과, 다양한 가격대의 헤어드라이어 제품들을 확인할 수 있었다. T-PEOS 사의 플러스에어 H3모델의 설명을 보면 저소음을 강조하고 있으나 주어진 정보로는 79dB이라 절대적으로 작은 소음이라고 할 수 없다. 또한 AIR TANK 사의Laifen swift 모델은 가장 낮은 소음측정치를 보여 주지만 가격이 50만원 이상으로, 상당한 고가의 제품이다. 이러한 정보를 바탕으로, 소음은 낮추되, 가격은 일반 헤어드라이어와 비슷한 정도의 제품을 제작한다면 충분히 경쟁력이 있다고 판단할 수 있다.

• 마케팅 전략 제시

1. SWOT 분석

2. SWOT 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

테슬라 터빈(Tesla turbine)은 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)가 제안한 이후로 효율이 매우 높을 것으로 기대가 되어 왔다. 그러나 이를 위해서 높은 회전수가 필요했기에 제안된 당시에는 잘 사용되지 않았다. 그러나 현재는 산업현장의 큰 터빈만 아니라 작은 크기의 모터로도 큰 회전수를 발생시킬 수 있다. 따라서 기존의 구조를 테슬라 터빈으로 대체하려는 시도들이 있을 것으로 예상된다.
아직 테슬라 터빈은 그렇게 많은 산업현장 및 일상에서 사용되고 있지는 않다. 그러나 에너지와 기후위기 및 산업현장의 복지 등을 고려했을 때 테슬라 터빈 구조는 많은 제품에 매력적으로 다가갈 수 있을 것이다. 이러한 테슬라 터빈이 아직 대중화되지 않은 점을 고려할 때 이를 구조적, 유체역학적으로 해석하고 설계하는 기술을 선점하는 것은 이후 테슬라 터빈 구조가 대중화되었을 때 시장에서 기술적 우위를 점할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 프로젝트가 이러한 테슬라 터빈 구조 대중화에 이바지할 수 있을 것으로도 기대된다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

산업현장에서는 특히 소음 감소조치를 의무적으로 취해야 하며, 현장의 소음 정도를 제어해야 할 필요가 있다. 또한 산업현장에서 발생하는 소음성 난청은 과거부터 지속적으로 문제가 제기되었으며 이들 중 대부분은 기계를 사용하는 제조업에서 발생하였다. (하단 표 참고, 2015, 산업안전공단, 소음성 난청 예방관리) 이러한 소음 문제를 해결하는 것은 국가적으로 중요한 문제이다. 또한 국제적으로도 터빈, 모터의 효율에 대한 규제들도 늘고 있고, 환경적, 에너지적 위기에 맞추어 산업현장에서 고효율의 구조를 채택하게 하고, 저효율 장비에 규제를 가하는 현 상황을 볼 때, 훗날 테슬라 터빈 구조는 몇몇 현장에서 산업기준으로 새롭게 채택될 수 있을 것이다. 사회적으로 효율이 높아지는 점에서 국가적으로, 또한 이러한 기술을 먼저 선점하는 기업적으로 기대되는 경제적 파급효과는 셀 수 없을 것으로 보인다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

가. Fan 설계안

Bladeless 팬의 설계변수는 여러 선행논문에서도 언급이 되어있다. 본 프로젝트에서는 그 중에서도 예산 내에서 해결할 수 있는 파라미터를 선별해서 파라미터의 영향을 고려한 팬을 설계하고자 한다. 이에 따라 유속, 무게, 부피가 결정된다.

파라미터1. RPM

RPM이 증가할수록 유동의 나선형 Streamline이 길어진다. 이 때문에 유체는 팬으로부터 더 큰 에너지를 전달받을 수 있게 되어 높은 운동에너지를 갖게 된다. 즉, 높은 속도로 움직이게 된다.

파라미터2. Disk의 지름

RPM과 동일한 원리로 지름이 크다면 공기가 디스크와 접하는 Streamline이 길어지기 때문에 팬으로부터 더 큰 에너지를 전달받을 수 있다. 그러나 이는 관성모멘트와 연관이 있기 때문에 적절한 인자값을 사용해야 한다고 판단이 된다.

파라미터3. Disk의 간격

Disk 사이 간격은 팬의 원리인 경계층이론을 고려한 파라미터로써 니콜라 테슬라에 의하면 이론적으로 경계층두께의 2배의 거리를 간격으로 취해야 자유흐름이 줄어들어 최대 효율을 낸다고 한다.

파라미터4. 내부/외부 지름 비율

외부의 지름은 출구면적에 관련이 있기 때문에 유출 유량과 밀접한 관계가 있다. 내부의 지름은 입구면적으로 유입 유량과 관련이 있다. 유출과 유입의 유량 사이에 적절한 관계를 찾아 Fan의 성능을 향상시킬 수 있다.

파라미터5. 디스크 개수

디스크의 개수가 많을수록 유량이 증가하지만 선형적이지 않을 것이라 예상된다. 따라서, 부피와 무게를 고려하여 유량을 확보할 수 있는 인자값을 결정한다.

나. 열선 위치 설계안

열선은 헤어드라이어의 온도를 조절하는 중요한 부품이다. 그러나 본 프로젝트에서는 열선을 실제 작동시키지 않으며 더미만을 구현하고자 한다. 열선과 유동은 대류로 열전달이 발생하며 이로 인한 공력소음은 무시할 수 없는 수준이므로 더미를 제작해야 한다. 이 열선을 어느 위치에 배치하는 지에 따라서 출구 유량에 영향이 생길 것이므로 열선의 위치를 3곳으로 고려해보았다.

위치1. Fan의 둘레

Fan의 출구 영역에 열선을 두는 방법이다.

위치2. 하우징-노즐 연결부

하우징과 노즐이 만나는 위치에 열선을 두는 방법이다.

위치3. 노즐 부분

하우징의 출구위치이며 노즐 내에 열선을 두는 방법이다.

다. 폼펙터 설계안

Bladeless 팬을 적용하여 저소음 헤어드라이어를 설계하기로 정해졌으나 방사형 팬을 적용하려면 기존과는 다른 폼팩터가 필요하다. 방사형 팬의 유동에서 6m/s의 유속을 구현하며, 모터의 기계적 소음을 저감 시켜줄 수 있으면서도 사용자의 편의성을 고려한 설계방법으로 세 가지 방안이 있다.

방법1. Gun 모양

시중에 있는 제품 중에서 바람을 사용하는 에어건의 형상을 모방하여 제작하는 모델이다.

방법2. 아이스크림 모양

모터가 달린 부분을 손잡이로 사용하는 방법으로써 모터를 숨기기 위한 노력을 줄일 수 있는 방법으로 고안해낸 모델이다.

방법3. 도넛 모양

손잡이가 없으며 하우징 본체를 잡고 사용하는 방법으로 무게 경량화를 위해 고안된 모델이다.

라. Disk 재료

마. 폼펙터 재료

개념설계안 정리

상세설계 내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

⦁이론식

이론식은 테슬라 팬에 대한 선행논문들을 참조하였다. 해당 논문에 따르면 한 쌍의 디스크의 회전으로 토출되는 질량유량의 식은 다음과 같으며, 디스크의 수를 곱하면 된다.

⦁시뮬레이션 Geometry

위의 형상은 위아래 디스크 2개(회색)와 그 사이의 유체공간(하늘색)을 모델링하였다. 이런 형상으로 모델링을 한 이유는 제한된 개인 PC성능으로 인하여 Mesh를 생성하는 것에 제약이 존재하여 해석에 관심이 있는 디스크 사이와 출구 부분에 유동을 집중적으로 해석하기 위함이다.

⦁질량유량 이론식과 시뮬레이션 결과 비교

시뮬레이션을 해석한 결과는 이론식으로 구한 값과 10.69%의 오차를 보이며 전산유체에서 비교적 적은 오차를 보였다. 이는 선행논문의 저자가 시행한 해석방법과 본 시뮬레이션이 큰 오류가 없다는 것으로 해석할 수 있다.

또한, 계산이 점점 수렴하며 0.001을 만족하므로 mesh에 의한 해석이 비교적 정확함을 의미한다.

⦁디스크 반지름인자 경향성 분석

나머지 인자는 동일한 상태에서 디스크의 지름을 2배로 증가시켰을 때, 이론식에 따르면 질량유량이 4배 증가해야 한다. 이러한 경향성이 옳은 지 시뮬레이션 결과의 경향성과 비교해보았다. 그랬더니 오차율은 5%정도로 증가의 경향성이 이론식과 시뮬레이션이 일치함을 보였다.

⦁실험계획법을 사용한 공기 유량 시뮬레이션 결과

실험계획법을 이용하여 3수준 4인자의 L9직교배열표를 사용하여 실험 수를 줄였다. 그 결과는 위의 표와 같으며 시뮬레이션 결과를 토대로 프로토타입을 설계 및 제작하였다.

실험계획법을 통해 인자의 영향비중을 확인했고, RPM이 클수록, 디스크 외경이 클수록, Gap이 넓어질수록 질량유량이 증가했다. 반면에, 외경/내경의 비율은 영향이 적다는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 시뮬레이션 결과와 제한조건들을 바탕으로 팬의 프로토타입을 제작하는 스펙을 결정하였다. 디스크의 반지름은 클수록 좋지만 헤어드라이어의 제한된 크기를 고려하여 외경 90mm로 결정하였고, 외경/내경 비율은 비용 및 무게 최소화를 위해 1/2로 결정한다. 디스크 간격은 넓을수록 좋지만, 그보다 디스크의 개수를 추가하는 것이 질량유량 확보에 적합하므로 디스크 간격은 제일 작은 0.5mm로 결정하여 팬 프로토타입을 제작하였다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

1) 기계적 소음

해당 프로젝트를 진행하면서 축을 지지하기 위하여 2개의 베어링을 사용하였다. 이 과정에서 금속 CNC가공을 활용해 모터 축과 팬을 직접 연결하여 베어링으로 인한 기계적 소음을 줄일 수 있을 것이라고 생각한다.

2) 추가적인 제어

회로 부분에 제어 논리를 추가하여 일일이 전압을 조정하는 것이 아닌 버튼을 사용해 전압을 조절하여 마치 상용 헤어드라이어와 같이 1단과 2단을 나누어 사용할 수 있더라면 더 완성도 높은 결과물이 나올 것이라고 생각한다.

3) 모터 최적화

해당 프로젝트에서 고가의 모터를 사용하여 목적을 달성할 수 있었다. 하지만 조금 더 연구를 통해 적절한 성능의 모터를 사용한다면 프로젝트의 원가를 절감할 수 있을 것으로 생각한다.

특허 출원 내용