5조-E승조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 신소재종합설계

영문 :

과제 팀명

E승조

지도교수

정재필 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 이*조 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201445000** 황*빈

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 김*현

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 한*관

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 김*휘

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

우천 시 젖은 우산의 물기를 효율적으로 제거할 수 있는 제품을 만들고자 한다. 비오는 날, 우산의 물기를 제거하지 못한 채 실내에 들어와 불편함을 겪은 적이 있을 것이다. 이러한 불편을 없애고자 하는 목표로 우산 탈수기를 제작할 것이다. 젖은 우산을 통 안에 넣었을 때, 전동 모터를 이용해 통을 회전시킴으로써 물기를 털어내고자 한다. 부가적으로 에어 컴프레셔와 내부 소수성 코팅을 활용하여 효과를 극대화할 것이다. 현재 시중에 나와있는 제품들은 주로 일회용 비닐을 사용하기에 환경오염 문제가 있고, 혹은 수동 동력을 활용하기에 한계가 있다. 따라서 새로운 제품을 고안해야할 필요성을 확인할 수 있었고 위와 같은 방식으로 기존보다 효율적인 제품을 만들어 낼 것이다.

개발 과제의 배경

비닐로 인한 환경 오염 예방과 대체품 생산
- 일회용 플라스틱 비닐은 환경오염의 가장 큰 원인 중 하나로 특히 해양 생물들에 직접적인 영향을 끼치는 물질이다. 이러한, 비닐은 남용 되어서는 안 되지만, 현재 우산에서 빗물이 떨어지는 것을 방지하기 위해 가장 대중적으로 사용되는 것이 1회용 비닐 커버기 때문에 비닐이 과하게 사용된다고 볼 수 있다.
기존의 제품의 문제점
- 현재 비닐 커버를 대체 하는 가장 대중적인 제품으로는 극세사천을 이용하는 우산 빗물 제거기가 대표적이다.
- 또 다른 대안은 자동식 우산 탈수기 인데, 인터넷에서 가장 흔하게 찾을 수 있는 제품인 ‘레인팡’ 제품은 60만원 상당을 호가하는 제품으로 꽤나 부담이 될 수 있는 가격대가 시장에 형성 되어 있는 것을 알 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

기능적인 측면 : 자동화 기능 탑재
- 시중 제품은 대부분 전동기를 쓰지 않고 직접 좌우로 털어서 이용하거나 페달을 밟아 인력으로 회전하는 방식을 사용하고 있다.
적용성 측면 : 모든 건물에 적용 가능
- 특히 실내에 물이 들어와서는 안 되는 연구소, 공장 등에 활용 등을 목표로 한다.
가격 측면 : 시중의 동일한 목적을 갖는 제품들과 더 저렴하게 제작 예정
- 원가절감을 위한 재료조사를 통해 시장경쟁력을 갖추고자 한다.

구성원 및 추진체계

이승조: 조장. 영수증, 제품제작, 보고서 작성
황성빈: 서류담당자1, 제품제작, 보고서 작성
김기현: 서류담당자2, 제품제작, 보고서 작성
한재관 : 제품제작, 협력업체와의 연결, 제품제작, 보고서 작성
김동휘 : 그래픽, 제품제작, 보고서작성

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

제품 높이 : 120cm
외통 : 400mm X 400mm X 1200mm
내통 지름 : 225m
모터 토크 : 97400 X 0.098kW/2700RPM = 3.25kg.cm
입력량(Wi) : 24V X 4.1A = 98W
출력량(Wo) : 0.01027 X 회전수(RPM) X 토크(kg.cm)

= 0.01027 X 2700 X 3.25 = 90.12W

모터 효율(%) : 입력량(Wi) / 출력량(Wo)

Power supply : 가정용 AC 220V -> DC 24V 전압 변환

개념설계안

본 개발 과제의 요약 사항으로는 우산을 꽂는 1개의 꽂이부분과 우산 홀더부, 홀더부에 거치된 젖은 우산을 두고 장치를 작동할 시 전기를 동력원으로 하는 에어 콤프레셔를 통한 압축공기의 분사와 전기를 동력원으로 하는 모터의 회전운동을 통해 우산의 신속한 수분 제거를 하는 것임.

우산 투입부: 우산의 길이는 47cm, 50cm, 53cm, 55cm, 58cm, 60cm, 65cm, 70cm, 75cm, 80cm 등 매우 다양하다. 47cm~53은 양산이나 초미니 우산, 아동우산에 많이 사용하며 55cm는 보통 3단 우산으로, 58은 주로 2단 우산에 많이 사용됩니다. 따라서 투입부의 설계 시 추가 사항으로 접이식 우산 또한 투입할 수 있도록 우산걸이를 디자인하였다.;
회전력을 이용한 우산의 탈수 방식

- DC모터 : 직류전류를 전원으로 하여 돌아가는 모터를 일컫는다.
- 모터의 사용 원리 : 원리는 다음과 같다. 전압을 가하면 브러시와 정류자를 통해 회전자 도선 속에 전류가 흐른다. 이 때 흐른 전류가 주변 자석(고정자)와 상호작용하여, 플레밍의 왼손 법칙에 의해 힘이 생겨난다. 이 힘에 의해 회전자가 계속해서 돌아간다. 가하는 전압에 돌림힘이 정비례하며, 전압만 조절하는 것만으로 속도와 돌림힘을 원하는 대로 조절할 수 있다.
- 모터의 설계 사항

모터의 출력, 효율, 회전수, 토크

모터의 기본 공식 입력 량 (Wi) = 전압 (V) x 전류 (A), 출력 량 (Wo) = 0.01027 x 회전수(rpm) x 토크 (kg.cm), 모터 효율 (%) = 입력량 (Wi) / 출력량 (Wo)

- 모터의 성능곡선: 모터의 토크 대비 효율과 전력량, RPM속도, 소모 전류량을 나타내는 곡선으로 모터의 선정에 활용되는 곡선이다.

- 속도조절기: 속도를 조절하여 사용하려기 위해서는 속도 조절기나, 감속기를 함께 사용하여 모터의 회전 속도를 조절하거나 줄여 사용할 수 있다. DC 전동기에 흐르는 전류를 제어하는 방식으로 전류를 제어하면 모터에서 발생하는 토크를 제어할 수 있다.

압축공기 분사를 이용한 우산의 수분제거: 콤프레셔가 작동을 시작하면, 주변의 공기를 흡입함과 동시에 펌프 안의 실린더가 피스톤 동작으로 흡입된 공기를 압축시킨다. 이때 에어 탱크가 장착된 콤프레셔의 경우, 피스톤에서 압축된 공기는 에어 탱크로 넘어가 저장된다. 이렇게 다단압축된 공기를 방출할 경우 강력한 압력을 가진 공기가 배출되며 이것을 우산의 수분을 털어내는데 활용할 수 있다.

흡수된 수분의 저류 장치 및 배출 방식: 탈수 시에 공기분사 장치와 회전력을 통해 탈수된 수분을 원형 통 안쪽의 저장탱크에 저장을 한 후 탱크에 호스를 연결하여 밖으로 배출하여 조경 용수 등으로 재활용할 수 있게 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

T-I 특성(토크 대 전류): 흘린 전류에 대해 깨끗하게 직선적으로 토크가 비례한다. 즉, 큰 힘이 필요한 때는 전류를 많이 흘리면 된다.
T-N 특성(토크 대 회전수): 토크에 대하여 회전수는 직선적으로 반비례한다. 이것에 의하면 무거운 것을 돌릴 때는 천천히 회전시키게 되고, 이것을 빨리 회전시키기 위해서는 전류를 많이 흘리게 된다. 인가전압에 대해서도 비례하며, 그림과 같이 평행하게 이동시킨 그래프로 된다. 위와 같은 이론적 특성 때문에 DC 모터는 적정 전압과 전력 내에서 토크 값과 속도 제어가 쉽다. 위를 이용하여 제품 설계시 적절한 속도와 토크값을 구현하기 위해 파워 서플라이와 속도 조절기를 이용할 것이다.

상세설계 내용

조립도

조립순서

부품도

제어부 및 회로설계

위 회로를 참조한 본 발명의 회로 동작 원리 설명

먼저, 배터리 스위치를 동작하게 되면, 전원 공급 장치에서 전압을 적정 전압으로 변환하고 그 전압을 속도 조절기에 흘려준다. 그 뒤 사용하고자 하는 속도에 맞는 전압으로 변환되고 그렇게 얻은 전압을 이용하여 모터를 구동시킨다. 동시에 같은 원리로 에어 컴프레샤를 작동시킨다. 이러한 원리로 필요한 전압을 확보하여 모터와 에어 컴프레샤를 구동시킴으로써 탈수기를 동작시킬 수 있다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

유인물

완료작품의 평가

향후계획

현재는 인력으로 제거하는 우산탈수기가 관공서나 학교 등에 많이 배치되어 있다. 전력을 쓰지 않는 것이 환경적이라고 평가하는데 앞으로는 편리함에 대한 비용으로 전기를 써서 손쉽게 우산의 탈수를 제거하여 비오는 날 실내 습도와 불쾌감을 제거하게 될 것이라고 전망한다. 지금까지 나온 상품들과 특허제품들을 보면 탈수방식이 대부분이 원심력, 바람 탈수, 천으로 닦기 등으로 한정적인데, EVA 타격 돌기라는 새로운 방식의 탈수 방법을 제안하여 봄으로써 패러다임을 제시하였다.

특허 출원 내용

【발명의 설명】

【발명의 명칭】타격돌기가 부착된 회전식 우산 탈수기 [Spinning Umbrella Dryer with Strike]

【기술분야】 본 발명은 우산 탈수장치에 관한 것이다. 다시 말해, 젖은 우산의 물기를 털어내는 탈수 장치에 관한 것이다. 우산 손잡이는 걸어 둔 채로 그대로 장치 투입부에 삽입하면 자동으로 우산에 묻은 수분을 제거해주며, 장우산 및 여러 단으로 접는 짧은 우산까지도 사용할 수 있는 우산 탈수장치에 관한 것이다.

【발명의 배경이 되는 기술】

우산은 비가 오거나 눈이올 때 비와 눈을 피할 수 있도록 사용하는 것으로서 실외에서 눈, 비를 피할 때에는 펼쳐서 사용하고, 실내로 들어갈 때에는 펼치진 상태를 접어 부피를 최소화 하도록 하고 있다. 이와 같이 강우 및 강설 시 사용한 우산을 실내로 그대로 들고 들어갈 경우에는 빗물 등이 실내바닥에 떨어지게 되므로 실내를 오염시키는 원인이 되는 것은 물론 실내 바닥의 물기로 넘어질 경우에는 신체적인 손상을 입게 되는 등의 피해가 있다. 특히, 규모가 큰 건물이나 일반인들의 출입이 많은 관공서와 같은 경우에는 많은 유동인구로 인하여 우산으로 부터 떨어진 빗물을 제거하기 위한 청소 부담이 가중되는 원인을 제공하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 접은 우산을 수용할 수 있는 비닐커버를 사용하거나, 입구에서 우산을 들고 실내에 들어갈 수 없도록 별도의 빗물제거 탈수장치를 설치하는 경우가 있다. 그러나 비닐 커버의 경우에는 한 번 사용하고 난 후에는 대부분의 사람들이 그냥 버리기 때문에 올바른 수거가 불가능 하여 재활용이 어려운 것은 물론, 많은 양의 비닐 커버에 의하여 남겨진 폐비닐로 인한 환경오염을 유발하는 것은 물론 건물 입구 주변의 쌓인 비닐 커버로 인한 건물 미관의 손상이 생긴다.

기존 흡착제 부착형 빗물제거 탈수장치는 흡착제의 수분이 금방 포화되어 흡착능의 저하되는 문제점들이 있었다. 또한 우산을 털어주는 행위의 동력은 인력으로 사용자의 귀찮음을 유발하기도 한다.

【발명의 내용】

【해결하고자 하는 과제】

본 발명은 실내로 진입하기 전 빗물에 젖은 우산의 수분을 짧은 시간에 효과적으로 제거할 수 있는 우산 빗물 탈수장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 장우산은 물론 몇 단으로 접는 짧은 우산까지도 제한 없이 사용할 수 있는 우산 빗물 제거장치를 제공하는 것에도 그 목적이 있다.

【과제의 해결 수단】

본 발명에 따른 우산 빗물 제거장치는, 상부면에 우산을 투입할 수 있는 입구가 형성된 투입부; 와, 외벽에 합성 고분자 소재의 타격돌기가 부착되는 복수 개의 탈수 홈 또는 탈수 구멍이 형성된 우산 탈수통; 과 집수된 수분을 일부 저장하는 저류통; 과, 상기 우산 탈수통의 하부에 구비되어 상기 탈수통을 회전 시키는 회전 모터;와 상기 회전 모터에 전압을 인가하는 파워 서플라이어;와 상기 파워 서플라이 회전 모터의 회로 부분을 수분으로부터 보호하는 플라스틱 재질의 케이스;와 상기 회전 모터의 속도를 조절하는 속도 조절 가변저항;과 빗물을 흘려보내는 고무 튜브 재질의 송수관: 과 우산 탈수장치 내부 전체를 감싸는 금속 혹은 플라스틱 재질의 케이스를 포함한다.

그리고, 상기 우산 탈수통과 송수관 사이의 배수속도를 빠르게 만들기 위해 흡입 모터를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 우산 탈수통의 내부 영역 측면을 따라 구비된 복수 개의 고분자 타격부분의 재질은 자연고무나 실리콘, 부타디엔. 스티렌, 부틸, 에틸렌 프로필렌 디엔 고무를 포함한다.

【발명의 효과】

이에 본 발명을 통해 실내에서 젖은 우산의 물기에 의해 발생하는 불편함을 개선하는 효과를 기대할 수 있다. 공공건물, 식당 및 상업 건물의 입구에 설치하여 실내에 들어오기 전 우산의 물기를 제거할 수 있게 되고 물기로 인한 피해를 방지할 수 있다. 즉, 사용자들의 편익성과 건물관리자들로 하여금 건물 관리를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다. 또한 현재 시중에 나와 있는 제품 중 우산에 일회용 비닐을 씌움으로써 해결하는 방식이 있다. 이때, 일회용 비닐을 사용하기에 환경오염 문제가 있다. 이 제품은 이러한 문제에서 벗어날 수 있으므로 보다 환경 친화적인 효과가 있다.

최종적으로 본 발명은 다음과 같은 요구사항을 만족한다. 첫째, 반복 사용시에도 같은 성능을 발휘할 수 있다. 둘째, 기존 시중 제품에 비하여 효율적이다. 셋째, 환경 친화적인 제품이다. 넷째, 미적 디자인이 훌륭하다. 다섯째, 보다 저렴하게 만들 수 있어 상업적인 가치가 있다. 여섯째, 제품 사용을 안전하게 할 수 있다.

부록

참고문헌 및 참고 사이트

1. http://www.ktechno.co.kr/pictech/motor01.html - DC 모터의 특성

관련특허 1. 우산 드라이어(An umbrella dryer) (출원번호 : 1020190009527,출원일자 : 2019.01.24) 2. 물기를 털어내고 건조하는 우산꽂이 (출원번호 : 1020200008538, 출원일자 : 2020.01.28) 3. 우산 탈수장치 An umbrella dehydrator (출원번호 : 1020200008538, 출원일자 : 2002.01.28) 4. 우산 건조기용 흡수체의 탈수장치 (출원번호: 10-2019-0047148, 출원일자: 2019년 04월 23일) 5. 우산 빗물 제거 탈수장치DEHYDRATOR FOR REMOVING RAINWATER OF UMBRELLA (출원번호: 10-2016-0080793 , 출원일자: 2016년 06월 28일)