"피프티피프티"의 두 판 사이의 차이

2023년 12월 7일 (목) 11:57 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 배수관 동파방지용 면상발열체 커버

영문 : Planar heating element cover to prevent pipes from freezing..

과제 팀명

피프티피프티(Fifty fifty)

지도교수

김현식 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 이*욱(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 김*주

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 이*현

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 유*현

서울시립대학교 환경원예학과 20195200** 장*진

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 온도센서와 면상발열체를 이용한 수도관 커버 개발

◇ 해당 수도관 커버 설계 및 개발을 통해 겨울철 수도관 동파로 인한 시민들의 생활환경 개선

개발 과제의 배경

◇ 국내 겨울철 동파 방지 사고 사례는 지난해만 하더라도 38,000건을 넘기며 겨울나기에 큰 피해를 초래하였음. 사고의 원인 중 ‘보온 미비’가 약 68%에 달하며 보온에 대한 중요성이 대두되고 있음.
◇ 보온 미비로 인한 수도관 동파의 방지책으로 물을 계속 흘려보내는 방식이나, 수도관을 두꺼운 천을 이용하여 감싸는 방식을 권장하지만 해당 방법은 불필요한 수자원의 낭비를 초래하고 보온효과도 상당히 떨어짐. 따라서 우리 조는 소재의 특성과 전기적 특성을 활용하여 기존의 동파 사고의 원인을 상당 부분 개선시킬 수 있다고 판단함.

◇ 면상발열체를 이용하면 이러한 문제를 효율적으로 해결할 수 있음. 이때, 저렴하면서도 안정적인 면상발열체를 선택하는 것이 중요함. 면상발열체는 다양한 방법으로 제조가 가능한데, Ag, Au 등의 나노와이어를 이용하는 경우에는 단가가 높아 면상발열체의 가격을 상승시킬 수 있음. 반면 Fe, Al 등과 같은 저렴한 소재를 이용하는 경우, 단가가 낮다는 장점이 있으나, 전기 전도성 및 화학적 안정성 면에서 전도성 및 화학적 안정성 면에서 불리한 면이 있음.

◇ 따라서, 저렴한 소재의 나노와이어 또는 마이크로와이어를 이용하되, 조성물의 추가나 와이어의 표면 처리에 의해 접촉 지점을 증가시킴으로써 발열 효율을 향상시킬 수 있는 면상발열체 기술을 이용할 수 있음. 이러한 기술을 수도관 커버 제작에 적용하면 효율적으로 동파를 방지할 수 있을 것으로 예상됨. 이외에도 면상발열체는 전기통전에 의해 발생하는 복사열을 이용하고 있어 온도조절이 용이하고 공기가 오염되지 않아 위생과 소음면에서 장점이 존재함.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 목표

◇ 면상발열체를 이용하여 겨울철 온도 저하로 인한 동파를 방지하는 수도관 커버를 제작함.
◇ 면상발열체의 동작을 위해 온도 센서 등의 아이디어를 적용하여 자동화 시스템을 구축함.

2) 내용

◇ 본 발명의 동파방지 수도관 커버는 전도성 나노입자를 이용한 면상발열체, 절연막, 온도센서로 구성되어 제작되며, 이러한 구성품을 flexible 형태로 수도관에 적용하는 것으로, 겨울철 낮은 온도에서 온도센서가 활성화되며 면상발열체가 작동하여 동파 방지 기능을 수행함.

◇ 기존 전도성 산화물의 작동조건은 약 5V, 최대 80℃ 임에 비하여, 적용하는 기술은 작동조건이 2.5V~5V 이하이며, 온도 역시 100 ~ 150℃로 더욱 우수함.

◇ 면상발열체는 발열 반응을 일으키는 물질이며, 냉각된 수도관에 열을 공급함. 절연막은 면상발열체 주위에 위치하며, 발생한 열을 유지하고 외부로 방출되어 손실되지 않도록 보존함. 온도센서는 겨울철 낮은 온도를 감지하는 역할을 함.

◇ 해당 구조의 기능은 온도가 하강함에 따라 온도센서가 온도를 인식하여 작동되며 면상발열체에 전류가 흐르고 해당 전류는 가장 안쪽의 레이어를 감싼 면상발열체를 동작시키며 동결된 부분을 녹일 수 있도록 함. 발열 이후 열을 단시간 내에 외부 system에 뺏기지 않도록 하기 위해 단열 성분이 추가된 경한 소재를 사용하여 효율을 증대시킴.

◇ 본 발명에 이용되는 면상발열체는 전도성 나노입자를 활용한 것으로, Ag, Au, Fe 등 기존 재료를 사용하는 것에 비해 더욱 저렴하면서도 발열효과를 높일 수 있음. 우리는 Ag nanowire (직경: 20~40nm, 길이: 20~40um)를 1wt%로 용매인 에탄올에 희석하여 최적화된 코팅방식을 통해 면상발열체 제작하였음. (발열 효율의 optimum point)

◇ Arduino TMP36을 통해 온도를 감지해 전기신호로 바꿔주는 온도센서의 동작을 가능케 함. TMP36은 세 개의 단자로 구성되며, 첫번째 단자는 Vs라고 하며 전원선에 배선하고 Vout은 온도 값에 해당하는 전압을 출력함. 전원선변환 이후, 전류를 면상발열체로 흐르게 하고, 면상발열체는 설정된 최대포화온도까지 가열되며 파이프의 동파를 방지하도록 함.

◇ 방수 소재를 사용하여 면상발열체로 수분이 침투하는 것을 막고, 실험 및 데이터 분석을 통해 온도센서를 적절한 위치에 배치해 온도 센싱 능력을 최적화 함.

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

이용욱 : 조장, 아이디어 구체화 및 재료 선정, 온도센서의 전류 변환을 위한 회로제작 및 설계 유광현 : 아이디어 구체화 및 재료 선정, 수도관 커버 디자인 설계 김희주 : 수도관 공정 디자인 설계, 최종 제품 시연 및 테스트 이서현 : 수도관 커버 세부사항 설계, 온도센서의 전류 변환을 위한 회로제작 및 설계 장예진 : 수도관 커버 세부사항 설계, 최종 제품 시연 및 테스트

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

@@ 89번째 줄: / 89번째 줄: @@
 내용
 ====구성원 및 추진체계====
-내용
+이용욱 : 조장, 아이디어 구체화 및 재료 선정, 온도센서의 전류 변환을 위한 회로제작 및 설계
+유광현 : 아이디어 구체화 및 재료 선정, 수도관 커버 디자인 설계
+김희주 : 수도관 공정 디자인 설계, 최종 제품 시연 및 테스트
+이서현 : 수도관 커버 세부사항 설계, 온도센서의 전류 변환을 위한 회로제작 및 설계
+장예진 : 수도관 커버 세부사항 설계, 최종 제품 시연 및 테스트
 ==설계==