8조 - 컴구조안들었조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 스마트 소형 냉온장고

영문 : Smart Compact Chiller & Warmer in One

과제 팀명

컴구조안들었조

지도교수

김태현 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20155600** 김**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 박**

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 오**

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

기존에 냉장과 온장 기능이 분리 되어 있던 것을 융합하여 냉장과 온장 모두를 사용자의 편의에 따라서 변환 가능한 소형 냉·온장고를 제작한다. 단순히 냉·온장 기능 뿐 만 아니라 추가적으로 사용자의 스마트폰과 연동하여 원격으로 냉장과 온장을 변환하거나 on/off 혹은 동작 제어가 가능하도록 한다. 또한 내부 공간 안에 물건 존재 유무를 sensor로 파악하여 없을 시 절약모드로 자동으로 변환되어 소비전력을 낮추도록 하고 예약 기능을 추가하여 사용자의 편리함을 증진시킨다.
이러한 전체적인 기능을 통하여 냉장 보관이 되던 음식물을 원하는 시간에 바로 섭취할 수 있도록 귀가 중에 미리 따뜻하게 데우거나 작동시키는 것을 잊었을 경우 외부에서 작동시킬 수 있는 점 등의 장점이 있다. 1인 가구나 본 과제를 진행하는 학생들처럼 자취를 하는 학생과 같은 사람들에게 생활의 편의를 제공할 것이다.

개발 과제의 배경 및 효과

(1) 배경

현재 우리 사회에서 1인 가구의 수는 역대 최대이며 점점 늦어지는 결혼 시기와 등을 고려한다면 1인 가구의 숫자는 점점 증가할 것이다. 1인 가구의 경우 매 끼니 마다 새로 밥을 하지 않고 냉장 보관된 밥을 데워 먹는 경우가 많다. 반찬의 경우도 마찬가지이다. 이러한 경우 아침에 조리한 음식을 냉장으로 보관하다가 저녁에 귀가하기 전에 미리 온장고로 전환시켜 두면 귀가와 동시에 식사를 할 수 있다는 생각에 착안하게 되었다. 또한 현재 시중에 판매 중인 스마트 냉장고의 경우에도 냉온 전환이 가능하지는 않다는 점과 냉온 전환이 가능한 소형 냉온장고가 존재한다는 점을 융합하고자 하였다. 추가적으로 전자레인지가 없어도 밥을 데우거나 냉동된 요리재료를 해동시키는 역할 등을 수행 할 수도 있을 것이다.
본 과제를 진행하는 과정에서 앞서 수강한 고체역학, 기계요소설계, 열 및 유체역학 등의 지식 역시 사용될 것이며 기계와 IT의 융합을 통한 종합 설계에 대한 이해 및 연습이 될 것이다.

(2) 기대효과

 본 개발을 통해 완성될 냉온장고는 사용자의 휴대전화를 통해서 원격으로 온도의 조절이 가능하여 미리 조리해둔 음식물을 냉장으로 보관하다가도 귀가 시간에 맞추어 따뜻하게 데우거나 냉동 보관된 요리재료를 미리 해동시켜 바로 조리를 시작할 수 있는 등의 장점을 가지고 있다. 따라서 미리 조리된 음식을 냉장보관 할 경우가 많은 1인 가구와 귀가 후 바로 요리를 해야 할 경우가 많은 직장인들에게 유용한 보조 보관 장비로 사용될 것이다. 또한 소형 냉장고로써의 역할 역시 수행 가능한 동시에 전자레인지의 대용으로 사용할 수 도 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

스마트 냉온장고는 각 온도 센서와 초음파 센서를 통해 저장고 내부의 상황을 인식한다. 그 정보를 라즈베리 파이로 전송하여 들어온 외부 신호에 맞추어 펠티어 소자 및 각 부분을 제어한다. 이 신호는 LCD 터치 스크린을 통해 냉온장고 외부에 실시간 상태를 표시하고 어플리케이션에 정보를 전달한다. 스마트폰에서는 안드로이드 어플리케이션을 통해 냉온장고의 모든 기능을 제어할 수 있다. 스마트 냉온장고의 기능으로는 전원의 on/off, 정밀한 온도조작, 예약기능, 절전모드 실행이 있다.

관련 기술의 현황

State of art

온도 제어 기술

(1) 냉각 기술 – 간냉식(간접 냉각 방식)

 냉기강제순환방식이라고 하는데, 냉동실 후면 혹은 밑면에 1개의 냉각기를 설치하고 팬에 의해 강제적으로 냉기를 순환시켜 실내를 냉각시키는 방식이다. 팬이 돌기 때문에 상대적으로 소음이 크고 문을 여닫을 때 냉기 손실이 큰 편이다. 또한 팬에 의해 내부공기가 순환되는 특성상 용기에 보관하지 않을 경우 제품의 표면이 쉽게 마를 수 있다

(2) 온장 기술

 우리가 일상생활에서 편의점이나 일반 음식점에서 흔히 볼 수 있는 온장고를 크게 전기 온장고와 가스   온장고로 나누어진다. 전기 온장고의 경우에는 전열에 의해서 주위 온도를 높이는 방식이고 가스 온장고   의 경우는 가스의 연소열에 의해 온도를 높이는 방식이다. 일반적으로 전기식은 건조열풍을 순환시키는    건식이 많고 가스식은 수증기를 순환시키는 습식이 많다. 건식의 경우 튀김이나 돈까스류의 습기를 머금   어선 안 되는 음식물을 보관하는데 쓰거나 일반 식기를 보관할 때 사용한다. 습식은 음료수나 밥, 치킨,   피자 등의 다양한 음식을 보관할 수 있다

(3) 냉·온장기술 < 열전소자 기술 >

 2개의 이종 금속을 연결한 회로에 직류전류를 통과시키면 한 접합부는 흡열하고 다른 접합부는 방열하는 펠티어 효과가 발견되고 이를 활용한 기술이다. 흡열과 발열이 동시에 된다는 점과 부피가 작으며 소음이 적고 여러 국제단체에서 친환경 제품을 위한 여러 규제들을 가하고 있는 현 실정에서 열전소자 기술이 무공해 친환경 기술인 점에서 여러 산업 분야에서 각광받고 있는 기술이다.
 1980년대부터 열전반도체 모듈을 적용한 냉각장치가 상용화되기 시작하였으나 낮은 성능계수(COP) 등  의 문제로 특수용도와 산업용만의 제한적인 시장에서 활용되고 있다. 국내에서는 열전반도체 냉각 시스템  이 갖는 소형화, 장착용이성, 손쉬운 냉각, 동시발열냉각, 정밀온도제어 ,국소부위냉각, 저소음, 환경친화성 등의 장점을 바탕으로 화장품 냉장고, 냉정수기 등 민생용 소형 가전제품과 400W급 이하의 에어컨 등에 응용되고 있으나 냉방능력 및 성능계수(COP) 저하 그리고 고온부 방열성능 부족으로 인한 신뢰성을 확보하지 못하고 그 적용분야를 확대해 나가지 못하고 있는 실정이다.

센서 기술

(1) 온도 인식 센서

 온도의 변화에 응답하는 센서로 온도변화를 감지하여 온도관리를 자동화하는데 이용된다. 열을 감지하여   전기신호를 내는 센서로 일반적으로 접촉식과 비접촉식으로 나누어진다. 접촉식은 실제 측정대상에 직접   접촉시켜서 온도 값을 측정하는 방식이며 비접촉식은 물체로부터 방사되는 열선을 측정하는 방법이다.

(2) 내부 인식 센서

① 적외선 물체 감지 센서
적외선 센서는 크게 두 가지 모듈이 상호작용을 한다. 바로 적외선LED(IR-LED)와 포토트랜지스터(Phototransistor)이다. 먼저 IR-LED는 적외선을 방출하는 모듈이다. 포토트랜지스터는 IR-LED가 방출한 적외선이 물체에 반사되어 되돌아오는 양을 감지하는 역할을 담당한다. 예를 들어 물체가 적외선 센서로부터 멀리 떨어져 있다면 반사되어 돌아오는 양이 적을 것이나 물체가 바로 앞에 가까이 있다면 상당량의 적외선이 반사되어 흡수될 것이다. 이런 메커니즘을 통하여 적외선 센서는 물체를 감지하게 된다.
② 초음파 센서
초음파 센서는 인간이 들을 수 있는 범위를 벗어나 20,000Hz이상의 음파를 사용해 센서로부터 지정된 목표 물체까지의 거리를 측정 및 계산하는 산업용 제어 장치이다.
③ 적외선 , 초음파 센서 대표 제품 비교

IoT기술

 IoT(Internet of Things, 사물인터넷)는 인간과 사물, 서비스 등 분산된 구성요소들 간에 인위적인 개입 없이 상호 협력적으로 센싱, 네트워킹, 정보 처리 등 지능적 관계를 형성하는 사물 공간 연결망을 의미하는데, IoT 시대에는 대부분의 기기에 정보 획득 및 네트워크 연결 기능이 탑재되고 이를 바탕으로 다양한 새로운 제품과 서비스가 출현할 것으로 기대된다. IoT의 진전은 스마트홈, 스마트가전, 스마트카, 스마트그리드, 헬스케어, 웨어러블기기 등 다양한 분야에서 새로운 제품과 서비스가 범람하는 미래사회로의 진입을 가능케 한다. Cisco는 향후 10년간 사물인터넷에서 기업들이 창출할 수 있는 가치는 14.4조 달러, 공공 부분에서는 4.6조 달러에 이를 것으로 전망하였으며, Gartner는 2015년 인터넷 연결기기 수가 2014년 대비 30% 증가한 49억 대에 이르며, 2020년에는 250억 대에 이를 것으로 전망하고, IDC는 2013sus 1조 9,000억 달러 규모의 IoT 시장이 2020년에는 7조 1,000억 달러로 성장할 것으로 전망된다.

LG전자는 ThinQ라는 브랜드화를 통해 가정에서 사용하는 다양한 전자제품들을 관리·제어할 수 있는 기술을 개발하였으며, 특히 주방에서 음성인식 냉장고와 오븐으로 냉장고 속 식재료에 맞춰 요리를 추천하고 오븐은 요리를 위한 조리 방식을 선택하여 세팅한다.

기술 로드맵

 위에서 살펴본 바와 같이 본 프로젝트를 구현하기 위해 필요한 기술들의 현황에 대해서 기술하였다. 기술로드맵에서는 상기 기술한 프로젝트에 필요한 세 가지 기술들을 한 눈에 볼 수 있도록 로드맵 형식으로 정리하였다.

 프로젝트 목표인 스마트 냉온장고를 구현하기 위해서는 크게 세 가지 기술이 필요하다. 첫 번째로 칸 내부의 온도를 냉장과 온장을 넘나들면서 제어할 수 있는 온도 조절 기술이다. 두 번째로는 칸 내부의 상황을 판단할 수 있는 센서 기술이다. 온도 제어 피드백 시스템을 위한 온도 센서와 칸 내부의 물체 유무를 판단하여 전원을 제어할 수 있도록 하는 내부 물체 인식 센서가 있다. 마지막으로는 스마트폰과 연동하여 원격으로 제어를 할 수 있게 하는 안드로이드 어플리케이션과 통신 기술이다.

특허조사

특허전략

◇ 냉장과 온장의 목표를 동시에 달성
 - 각각의 장치 대신 열전소자를 사용
 - 회로를 통한 전류 방향제어로 온/냉장의 변환 가능
   
◇ 두 개 이상의 저장고에 대하여 각각 독립적인 제어가 가능함
 - 각 저장고에 각각 열전소자를 배치
    
◇ 라즈베리파이와 각종 센서를 이용한 실시간 피드백 제어시스템을 통한 신뢰도
 - 온도센서, 초음파센서를 통해 수집된 정보를 실시간으로 제어에 반영
    
◇ 라즈베리파이와 휴대폰 어플리케이션의 통신을 통한 원격 제어
 - 라즈베리파이의 wireless internet access를 통한 안드로이드 어플리케이션과의 실시간 통신

  상기 기존 특허 중 열전소자를 사용하여 냉/온장을 각각 달성하거나 두 개 이상의 저장고를 구동하는 경우는 있으나 이를 모두 통합한 특허는 아직 조사된바 없으며 라즈베리파이를 통한 실시간 피드백 시스템과 어플리케이션을 통한 원거리 통신 및 제어에 대한 특이점을 추가하는 것을 전략으로 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 두 칸을 각자 제어함으로써 냉장과 온장을 동시에 해결하며, 섬세한 온도 조절을 통해 다양한 물품 또는 음식을 저장할 수 있다.
 
◇ IoT기능을 통해 멀리서도 제어 가능하며 예약기능을 통해 사용자의 편리성을 증가시키고 제품이 목표온도까지 도달하는 시간을 절약할 수 있다.
   
◇ 터치스크린을 통해 실시간으로 내부온도를 표시하고 조절할 수 있어 사용자가 알기 쉽고 누구나 간단하게 사용할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

(1) 경제적 파급 효과
     
 ◇ 냉장고와 온장고를 따로 구매할 필요가 없고 전자레인지 대용으로도 쓰일 수 있어 경제적이고 두 칸을 따로 제어함으로써 다양한 제품을 저장할 수 있어 소비자의 선택권을 증가시켜줄 것이다.
    
 ◇ 기존의 비슷한 용량의 냉장고(약 20만원) 및 온장고(약 10만원)의 평균 단가대비 스마트 냉온장고 단가(약 25만원)는 약 17% 경제적이며, 여기에 원격 제어 기술과 섬세한 온도 조절 기능을 포함시키면 그 효용은 매우 증대될 것으로 예상된다.
      
       
(2) 사회적 파급 효과
      
 ◇ 미리 조리해둔 음식물을 냉장으로 보관하다가 귀가 시간에 맞추어 따뜻하게 데우거나 냉동 보관된 요리재료를 미리 해동시켜 바로 조리를 시작할 수 있어 조리 식품의 소비가 높고 바쁜 현대인들에게 유용한 보조 보관 장비로 사용될 것이다.
    
 ◇ 16L, 5kg 내외의 컴팩트한 사이즈와 가벼운 무게로 보관과 이동이 용이하여 여성이나 1인 가구에도 널리 사용될 것으로 기대된다.
        
 ◇ 여러 기능을 한꺼번에 하는 멀티 냉장고로 따로 구매하는 것보다 친환경적이며 절전 모드는 에너지를 절약시킬 수 있어 환경 보호에 힘쓰는 사람들에게 각광을 받을 것이다.
    
 ◇ 차세대 육성 산업인 IoT 기술 발전에 앞장서 기여하고 시장 확대로 인한 고객의 필요성을 만족시킬 것이다.

구성원 및 추진체계

가. 구성원 및 역할

나. 추진체계

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

◇ 정상 작동 온도 범위

기존 목표였던 온장 65℃를 기준 시간 내에 달성하였다. 냉장의 경우 목표 온도를 도달하지 못하였지만 1도 까지는 내려가는 것을 온도센서로 확인하였다.

추가로 냉온장고 칸 사이의 간섭 정도를 확인해 보았다. 위 그림은 1번 칸이 65도로 작동하고 2번칸이 전원꺼짐이었을 경우 감지되는 온도를 나타낸 것이다. 측정 실내 온도는 23.7도 일 때, 2번 칸의 온도가 1번칸의 온장에 의해 크게 변하지 않는다는 점을 보면 냉온장고 칸 사이의 간섭 정도는 거의 없다는 것으로 판단할 수 있다. 이는 설계 개선 전 단열이 부족해 목표 온도를 달성하지 못하였다는 점을 감안할 때, 충분히 달성하였고 단열재 변경 및 설계 변경으로 단열의 효과가 증가하였음을 알 수 있다.

◇ 작동 소요시간
    
 온장의 경우 목표 시간보다 이른 약 9분 만에 최고 온도에 도달하는 것을 확인하였다. 하지만 냉장의 경우 온장보다 효율이 낮아 목표한 온도인 -5℃를 달성하지 못하였고 60분 이내에 1℃를 달성하였다.

◇ 센서의 정확도

 온도 센서는 온도 측정기로 측정한 내부 온도와 실제 온도 센서에서 받은 값을 비교함으로써 정확도를 측정하였다. 측정 결과 센서로 감지된 값과 온도 측정기 사이의 오차는 3% 미만으로 온도 센서는 정확하게 잘 측정된다고 할 수 있다.
 초음파 센서는 결과 값과 실제를 비교하였는데 비교적 정확한 값을 보이나 좁은 내부에서 사용하기 때문에 벽에 의한 간섭현상으로 인해 가끔 값이 튀는 현상이 발견되었다. 하지만 이 부분은 노이즈 필터링으로 충분히 해결할 수 있다는 점, 그리고 처음 목표한 개발 목표치인 85%은 충분히 만족했다는 점에서 평과결과를 중이 아니라 중상으로 정하였다.

◇ 어플리케이션과의 통신

 어플리케이션과 서버의 통신은 기본적인 socket 통신으로 이루어진다. 어플리케이션을 통해 입력할 수 있는 모든 경우의 수를 반복적으로 대입해본 결과 어플리케이션이 강제로 종료되거나 잘못된 값을 받아들이는 경우는 발견하지 못하였다. 하지만 통신의 안정성을 위하여 삽입한 시간 delay에 의해 통신이 지연되는 듯 한 느낌을 얻을 수 있기에 중상으로 정하였다.

◇ 소비 효율
    
 소비효율 측정기로 측정한 결과를 이용하여 소비전력량을 측정하였다. 전기냉장고를 기준으로 이번 제품은 보정 유효내용적 500l미만 냉동냉장고이므로 P≤0.025AV+29.45 식을 이용한다. 여기서 오른쪽 값은 59.45가 나왔고 P는 측정값을 기준으로 약 57이 나왔고 이는 소비효율을 만족한다고 할 수 있다.

향후평가

  평가 결과 모든 항목에서 중상 이상의 평가를 받아 비교적 성공적인 프로젝트라고 할 수 있다. 하지만 가장 중요한 목표인 냉온장 목표 온도 구현과 시간에서 냉장 부분은 비교적 미흡한 점이 있었다. 하지만 이 부분의 경우 단열성능과 제작에 있어서 미흡한 점이 발견되어 이로 인한 것으로 판단되었다. 따라서 이 부분이 수정된다면 충분히 목표를 달성할 수 있을 것으로 보인다.