장조림

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자체 정수형 초음파 세미기

영문 : Self purifying ultrasonic rice washer

과제 팀명

장조림

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 장*욱(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 서*호

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 신*철

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 유*호

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 이*종

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

우리나라의 주식인 밥을 짓기 위해서는 쌀을 세척하는 과정이 꼭 필요하다. 전통적으로 우리나라에서는 밥을 짓기 전에 쌀을 여러 번 세척하여 사용해 왔다. 가정에서와 같이 소규모로 쌀을 세척하는 것은 인력으로 충분하지만, 대형 식당이나 급식소의 경우에는 쌀을 세척용기에 담는 것부터 시작하여 물로 세척을 하는 과정, 배수를 하는 과정까지 모두 인력으로 해결하기엔 다소 무리가 있다. 또한 세척과정에서 세척의 어려움으로 인한 세척의 불확실성, 지속적인 급수로 인한 과도한 양의 물 낭비 등의 문제점도 나타나고 있다. 따라서 이러한 문제점들에 기반하여 신뢰성 높은 세척도, 세척에 사용할 물 양의 최적화가 가능한 쌀 세척기를 설계 및 제작하고자 한다. 이를 위해 본 설계에서는 초음파 발진기를 사용하여 세척의 신뢰성을 높이고자 하였다. 또한 애벌 세척의 개념을 도입하여 세척의 신뢰도를 높이는 동시에 사용하는 물의 양을 최소화하고자 하였다.

개발 과제의 배경

(1) 대형식당이나 급식소의 경우 많은 양의 쌀을 세척하는 과정에서 지속적인 급수 등의 이유로 많은 양의 물이 낭비된다.
(2) 국내 쌀 소비량 기준으로 세척에 연간 8500만 톤 가량의 물이 소비되고 이를 처리하기 위해 약 200억원의 비용이 든다.
(3) 업소에서 대량의 쌀을 직접 씻기 위해 세척 전 과정에서 불필요한 노동이 투입된다.

개발 과제의 목표 및 내용

목표

대형으로 쌀을 취급하는 업소에서 과도한 인력의 투입, 세척의 불확실성, 지속적인 급수로 인한 과도한 양의 물낭비 등을 해결하기 위해 세척 전 단계를 자동화하고, 애벌세척의 개념과 초음파 발진기 세척을 도입하여 세척의 신뢰도를 높이는 동시에 사용하는 물의 양을 소화할 수 있는 세미기를 제작하고자 하였다.

내용

우선 본 기계는 쌀을 세척할 때 애벌세척 1회, 본 세척 1회, 총 2회 세척을 진행한다. 이때 애벌세척에 사용되는 물은 이전 세척의 본 세척에 사용한 물을 필터로 걸러서 재사용하게 된다. 따라서 2회 세척을 진행하더라도 사용하는 물의 총량은 1회 세척을 진행했을 때와 동일하다. 이전 회차의 본 세척이 완료되면 본 세척을 진행한 물은 관을 타고 내려와 필터를 거쳐 정화된 후 별도의 물 저장고에 잠시 저장된다. 이 저장된 물은 다음 회차의 애벌 세척에 사용되며, 펌프를 통해 급수된다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

수압식 세미기

현재 다양한 원리를 활용한 세미기들이 존재한다. 수압식 세미기는 통에 있는 쌀에 물을 지속적으로 공급하는 방식으로, 수압에 의한 물의 낙하 차이를 이용하여 쌀을 씻는 원리를 활용한다. 이때 쌀을 씻으면서 통 내부에 발생하는 쌀뜨물은 기기 하부 밸브를 열어서 배수하는 방식이다. 하지만 세척력을 높이기 위해 높은 수압을 유지해야 하고, 물을 지속적으로 공급하는 과정에서 물 사용량이 너무 많다는 문제가 있다. 

그림1. 수압식 세미기

초음파 세미기

초음파 세미 방식은 통에 원하는 양의 물만을 미리 채워놓은 상태에서 쌀을 넣은 후, 초음파 진동 단자에서의 미세 진동을 활용해 쌀을 세척하는 방식이다. 초음파 에너지가 액체 중으로 전파될 때 초음파 압력에 의해 미세한 기포가 생성이 되고, 이 기포가 오염 물질 틈으로 침투하고 터지는 과정에서 오염 물질을 탈착시킨다. 세척력이 우수하며, 초기에 일정한 양의 물만 공급하면 되기 때문에 물 사용량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

그림 2. 초음파 세미기

대류식 세미기

그림 3. 대류식 세미기

• 특허조사 및 특허 전략 분석

쌀통겸용 초음파 세미취사기 (공개번호 2002-0095072)

그림 4. 쌀통겸용 초음파 세미취사기

이동 가능한 일체형 자동 쌀 세척 밥솥 (공개번호 10-2012-0136065)

그림 5. 이동가능한 일체형 자동 쌀 세척 밥솥

쌀 세척기 (등록번호 10-1981190)

그림 6. 쌀 세척기

물 절약 자동 세미기 (등록번호 20-2009-0012379 )

그림 7. 물 절약 자동 세미기

시장상황에 대한 분석

• 마케팅 전략 제시

1. 물 부족 현상의 심화

현재 세계 인구의 약 1/4이 '극심한 물 부족 스트레스'를 받고 있으며, 우리나라도 1인당 사용 가능한 수 자원량이 1488m3로 물 부족 국가의 기준치인 1700m3미만에 머무르는 명백한 물 부족 국가이다. 일반적인 가정에서는 쌀을 씻은 후 남는 쌀뜨물을 활용하는 방식으로 물을 절약하기도 한다. 하지만 대량의 쌀을 취급하는 업소용 세미기에서는 대부분 지속적으로 물을 공급해서 세척을 진행하기 때문에 버려지는 물이 상당하다. 본 제품은 초음파를 활용해 물 분자를 가속시켜서 세척 에너지를 얻기 때문에 쌀이 모두 잠길 정도의 최소한의 물만 세척 전 과정에 활용한다. 추가적으로 세척력을 강화하기 위해 반복 세척을 진행하는데, 물 저장 통에 쌀뜨물을 저장해두었다가 추가적인 세척 진행 시 이를 정화하고 펌프로 상부 세척통에 적정 수준 정화된 물을 공급함으로써 급수량을 줄인다. 이러한 방식을 활용하여 세척력을 보장하면서도 물 낭비를 최소화할 수 있다.

2. 세미 과정의 자동화

최근의 업소용 세미기는 사용자가 쌀을 담기만 하면 이후의 급수, 세척, 배수 과정은 물론이고 세척이 완료된 쌀을 소쿠리에 담는 과정까지 각 기능의 버튼을 눌러서 진행하는 방식으로 발전했다. 본 설계 또한 준비 과정 이후의 모든 과정은 센서를 활용해서 정해진 타임 테이블에 맞게 자동으로 진행되므로 사용자가 별다른 조작을 할 필요가 없다. 이를 통해 세미 작업과 함께 다른 작업을 병행하면서 시간을 효율적으로 활용할 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

(1) 대용량의 쌀을 세척할 때 일정량의 물만을 사용하는 초음파 발진기를 활용함으로써 세미 과정에서 불필요한 물의 낭비를 줄일 수 있다.
(2) 쌀 씻기 전 과정에 자동화 시스템을 도입함으로써 사용자가 효율적으로 시간을 활용할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

(1) 초음파 발진 방식을 활용함과 동시에 사용한 물을 정화하여 재활용하기 때문에 대용량 쌀 세척 시에 우수한 세척력을 나타냄과 동시에 물의 사용량을 크게 줄일 수 있다.
(2) 세척통에 쌀을 넣고 나면, 이후의 모든 과정들이 자동적으로 완료되므로 다른 작업에 시간을 할애할 수 있다는 측면에서 전체 취사 과정의 효율성을 높일 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

그림 8. 기술개발 일정

구성원 및 추진체계

그림 9. 구성원 및 추진체계

설계

제품의 요구사항

그림 10. 제품의 요구사항

개념설계안

그림 11. 개념설계도안

구동 과정

1) 애벌세척
본 기계는 쌀을 세척할 때 애벌세척 1회, 본 세척 1회 총 2회 세척을 진행한다. 이때 애벌세척에 사용되는 물은 이전 세척의 본 세척에 사용한 물을 필터로 걸러서 재사용하게 된다. 
따라서 2회 세척을 진행하더라도 사용하는 물의 총량은 1회 세척을 진행했을 때와 동일하다. 세척은 초음파 발진기를 이용한 초음파 세척이 진행되며, 2분간 진행된다. 
이전 회차의 본 세척이 완료되면 본 세척을 진행한 물은 관을 타고 내려와 필터를 거쳐 정화된 후 별도의 물 저장고에 잠시 저장된다. 이 저장된 물은 다음 회차의 애벌 세척에 사용되며, 펌프를 통해 급수되게 된다.

2) 배수 및 2차 세척
1차로 애벌세척이 완료되면 애벌세척에 사용된 물은 별도의 배수관을 타고 버려지게 된다. 이후 본 세척을 위한 수돗물이 급수되고 2차 세척이 진행된다. 급수는 솔레노이드 밸브를 이용하여 진행되며, 5kg의 쌀포대를 기준으로 7L의 물이 공급된다. 이후 초음파 발진기를 이용하여 초음파 세척이 진행된다. 세척은 1차와 마찬가지로 2분간 진행된다.

3) 쌀뜨물 정화, 초음파 세척, 쌀뜨물 공급
2차 세척이 완료되면 세척 후 남은 쌀뜨물은 배수관을 통해 필터를 거쳐 정화된 후 별도의 물 저장고에 저장된다. 필터는 세척통과 물 저장고 사이에 위치하여 필터링 시간이 세척 시간에 지장을 주지 않도록 한다. 이때 필터는 쌀뜨물에 잔존하는 쌀겨 등의 불순물을 걸러내며, 쌀의 전분 성분은 통과시킬 수 있도록 5um 정도 수준의 필터를 사용한다. 이렇게 필터를 통해 한번 정화된 물은 저장고에 임시로 저장되었다가 다음 회차의 애벌 세척에 사용되며 펌프를 통해 공급되게 된다.
사용되는 워터펌프는 아두이노를 통해 작동하며 저장된 물을 빠르게 세척기로 공급하는 역할을 한다. 약 80W규격의 워터펌프를 사용하며, 최대 6LPM의 유속을 가지는 펌프를 사용한다.
초음파 발진기는 50W 규격의 발진기 3개를 사용하며, 애벌 세척에 2분 본 세척에 2분 총 4분동안 세척을 진행하게 된다. 균일한 세척을 위하여 세척부 하단에 3개 부착하여 사용한다.

부품 원리

솔레노이드 밸브를 활용한 자동 급배수 : 
마른 쌀이 20%정도의 물을 흡수하는 것을 대비해 이에 최적화된 물의 양을 급수한다. 이후 사용한 물을 배수구를 이용해 내보낸다. 급ㆍ배수에는 솔레노이드 밸브를 활용한다. 
솔레노이드 밸브는 솔레노이드 특성을 활용한다. 전류가 흐르면 자기장이 발생하는 원리를 이용해 밸브를 열고 닫아 물의 흐름을 조절한다. 밸브가 닫힌 상태에서 A로 물이 들어오면 B의 고무 판막 중앙에 뚫려있는 작은 구멍을 통해 C에 물이 가득 찬다. 이후 F의 출구 쪽 압력과 C의 압력 차이로 인해 밸브가 열리지 않는 상태가 된다. 밸브를 열기 위해 E 솔레노이드에 전기신호가 들어가면 E의 검은색으로 막고 있는 부분이 열리고 C의 물이 D쪽 통로로 빠져 나가면서 B의 고무 판막이 들리게 되어 밸브가 열린다. 상기 과정을 통해 A에서 F로 물이 통할 수 있는 길이 열리게 된다.

그림 12. 솔레노이드 밸브의 원리

초음파 세척을 활용한 세미 과정 : 
초음파 세척이란 피세척물에 부착된 오염물질을 물리적(초음파)+화학적(세척액) 수단에 의해 제거하는 것이다. 초음파 에너지가 용액 속에 전파되는 과정에서 초음파의 압력에 의해 미세 기포가 생성되고 소멸되는 캐비테이션 현상이 발생한다. 여기서 우리는 식료품 세척이 목적이므로 화학적 수단은 사용하지 않는다. 초음파로 쌀을 세척하면 쌀알 하나하나를 세척할 수 있어 쌀에 남아 있는 오염물(농약, 이물질 등)을 제거하기 용이하다. 초음파는 진동수가 낮을수록 진동폭이 넓어지며, 진동강도가 높아진다. 반대로 진동수가 높을수록 진동강도가 낮아지지만 진동폭이 좁아져 정밀한 세정이 가능하다. 산업용 부품은 주로 28kHz 또는 40kHz 주파수를 사용하기 때문에 정밀한 세정을 위해 40kHz 초음파 발진기를 사용해 쌀을 세척한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 초음파 세척
본 설계에서는 초음파 발진기를 이용하여 쌀을 세척한다. 초음파 세척을 이용하면 단순히 흐르는 물로 씻는것에 비해 더 나은 세척효과를 얻을 수 있다.
초음파 세척은 40kHz 발진기 4개를 사용하여 진행된다. 발생한 초음파의 주파수가 높을수록 cavitation의 성장 주기가 짧고 크기가 작아 세척 속도가 빠르며, 반대로 초음파의 주파수가 낮을수록 cavitation의 성장 주기가 길고 크기가 커 강력한 세척력을 지닌다. 이때 주파수가 클수록 진동수가 높지만 진폭이 작고, 반대로 주파수가 작을수록 진동수가 낮지만 진폭이 크다. 
이때 깔끔한 세척에는 발생한 cavitation의 수가 많을수록 유리하다. 따라서 본 설계에서는 40kHz규격의 초음파 발진기를 사용하였다. 

그림 13. 주파수에 따른 세척력 비교 그래프

2) 급/배수
본 설계에서 급수과정은 애벌 세척 과정에서 펌프를 통해 정화된 쌀뜨물을 공급하는 과정과 본 세척 과정에서 수돗물을 직접 공급하는 2가지 과정으로 나뉜다. 본 세척과정에서는 수도와 연결된 밸브를 열어 수돗물을 공급하게 된다. 이때 수돗물의 급수는 솔레노이드 밸브를 통해 적정량 공급하게 된다. 
애벌 세척 과정에서 정화된 쌀뜨물을 공급할 때는 워터펌프를 이용하여 급수가 진행된다. 정화된 물을 저장고에 임시로 저장해 두고 다음 애벌 세척시 펌프를 이용하여 세척기에 공급하고 애벌 세척을 진행하게 된다. 펌프는 아두이노를 이용한 12V, 80W 규격의 워터펌프를 사용한다. 공급유량 5.5L/M 규격의 제품을 사용하여 7L정도의 물을 1~2분안에 급수할 수 있도록 한다.

3) 필터 정화
본 세척과정에서 세척을 1회 진행한 물은 필터를 거쳐 정화된 후 물 저장고로 이동하여 다음 애벌세척에 활용된다. 이때 필터는 쌀의 전분성분은 통과시키고 쌀겨나 쌀벌레 등 불순물들만을 걸러내는 역할을 한다.

상세설계 내용

그림 14. 전체 설계 도면

(1) 세척부 본체: 쌀 세척을 진행하는 본체로 스테인리스 재질로 제작하였다. 

(2) 연결 밸브: 세척기와 물 저장고를 연결하는 솔레노이드 밸브이다. 본 세척이 끝난 후 남은 쌀뜨물이 저장고로 이동하도록 하는 관을 개폐하는 역할을 한다.  

(3) 필터 밸브: 동일한 솔레노이드 밸브로, 쌀뜨물이 저장되는 저장고와 필터 사이를 연결하는 관을 개폐하는 역할을 한다.

(4) 부유물 배수관:  부유물을 걸러낸 물이 버려지는 관이다.

(5) 정화 필터: 본 세척 후 남은 쌀뜨물을 애벌 세척에 활용할 수 있도록 정화하는 역할을 한다. 쌀의 전분성분은 흘려보내고 쌀겨 등 불순물을 걸러내는 역할을 한다.

(6) 워터펌프: 아두이노 워터펌프로 전력소모가 크지 않으면서 정화된 물을 빠르게 세척기 내부로 공급할 수 있는 펌프를 사용한다. 

(7) 물통: 본 세척을 마친 물이 애벌세척에 사용되기 전 임시로 저장되는 물 저장고이다.

(8) 초음파 발진기: 초음파를 발생시켜 쌀을 세척하는 역할을 한다. 40kHz, 50W 규격을 사용하며 하단에 총 3개 부착하여 사용한다.

조립순서

1. 세척 통과 체를 결합한다.  
2. 초음파 발진기를 세척부 하단에 3개 부착한다. 
3. 세척 통 하부에 연결 밸브와 배수 밸브를 연결한다. 
4. 물 저장고와 필터 밸브, 필터를 연결하고 본체와 결합한다.
5. 펌프와 물 저장고를 연결한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

그림 15. 프로토타입

포스터

그림 16. 포스터

관련사업비 내역서

그림 17. 관련사업비 내역서

완료작품의 평가

그림 18. 완료작품의 평가

1. 초기 과제의 목표를 달성하였는가?

그렇다.

2. 프로토 타입이 과제를 잘 나타내는가?

그렇다.

3. 심미성이 좋은가?

그렇다.

4. 보는이가 과제를 한눈에 이해할 수 있는가?

그렇다.

5. 조원 모두가 참여하였는가?

그렇다.

향후계획

현 제품은 프로토타입 형태로 5kg 정도의 쌀을 씻는 것을 기준으로 한다. 향후 세척부의 크기를 키워 실제 업소에서 사용하는 약 40kg의 쌀 한포대의 쌀을 전부 씻는 것을 기준으로 scale-up할 예정이다. 이를 위해 세척부의 가로=30cm/세로=30cm/높이=8cm를 두 배씩 늘려 60cm X 60cm X 16cm로 세척부를 제작하고 세척부에 맞는 체도 주문 제작할 예정이다. 제작 후 실제로 세척을 진행하기 위한 초음파 진동자도 6개~8개 정도로 늘릴 예정이다. 또한 40kg정도의 많은 쌀을 사각지대 없이 신뢰성 있게 세척하기 위해 제품 상부에 쌀을 휘젓을 수 있는 추가 장치와 프레임을 설치할 예정이다. 현재 9L정도의 물을 수용할 있는 물 저장고도 물탱크 형태로 본 제품 옆에 따로 위치 시켜 늘어난 급수량에 맞게 할 예정이다. 
이외에도 성인 남성도 들기 어려운 무거운 40kg의 쌀 포대를 기계에 올려놓으면 자동으로 개봉해 세척부로 높이로 올린 후 세척부로 자동으로 투입할 수 있는 기계 장치를 부착할 예정이다.