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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
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    • 오승재 박사
      음향 효과 이용 냉장고 압축기 에너지 효율 향상 연구
      오승재 박사(광주과학기술원 (GIST))
      이메일:ohseungjae at gist. ac.kr
      601 0 0


    1. 현재 진행중인 연구에 대해서  간단한 소개 부탁드립니다.

    현재 진행하고 있는 연구는 에어컨과 냉장고와 같은 가전제품에서 심장과 같은 역할을 하는 압축기의 흡입 및 토출 단의 통합적인 설계프로그램을 구축하는 연구를 수행하고 있습니다. 압축기 흡입 및 토출단은 소음진동 문제뿐만 아니라 에너지 효율 및 시스템 강건성에도 커다란 영향을 미치게 됩니다. 따라서 압축기 흡입 및 토출 단을 설계하는 문제는 매우 중요합니다. 하지만, 아직도 통합적으로 설계하는 방법론 및 프로그램이 개발되지 못하였습니다. 따라서 소음진동, 에너지 효율 및 시스템 강건성을 모두 고려한 통합적인 설계 방안에 대해 연구를 지속적으로 수행하고 있으며, 다양한 운전 상태에서 발생할 수 있는 다양한 현상들을 최대한 고려하여 산업체에서 다양하게 활용될 수 있도록 개발하고 있습니다.


    2. LG전자와 산학협동연구를 수행하며 음향학적 효과를 이용해 냉장고의 핵심 부품인 압축기의 에너지 효율을 개선하셨다고 들었습니다. 자세한 원리에 대한 설명 부탁드립니다.

    최근 에너지 부족으로 인해 제품의 에너지 효율이 아주 중요한 사회적 이슈입니다. Fig.1와 같이 소비자들이 가전제품을 구매할 때, 에너지 효율을 아주 중요한 구매요소로 생각하고 있습니다. 그러므로 현재 냉장고, 에어컨과 같은 유체기계 시스템에서 에너지 효율을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 유체기계에서 에너지 효율을 높이기 위해서는 가장 핵심적인 부품인 압축기의 에너지 효율을 높여야 합니다. 추가적인 기계 시스템과 동력원 없이 에너지 효율을 높이는 방법은 압축기 흡입 단의 음향학적 효과를 이용하는 것입니다. 기존 몇 가지 연구사례들은 구체적 원리 및 이론적 배경 없이 단순히 출력을 높이기 위해 음향학적 과급을 이용하였습니다. 또한, 에너지 효율을 높이는 것은 출력뿐만 아니라 입력일도 고려하기 때문에 출력을 높이는 것과는 다른 측면에서 설계되어야 합니다.


    산학협동연구에서는 먼저 압축기 흡입 단의 비선형적인 음향학적 소스와 선형적인 전파를 연성 해석하기 위하여 새로운 하이브리드 연성해석 방법을 제안하였습니다. 이 방법은 Fig.2 (a)와 같이 측정된 입력 임피던스를 기계적 상사를 이용한 유리함수로 근사화하여 상태공간에서 해석하는 방법입니다.

    제안된 압축기 흡입 단 음향 해석 방법을 바탕으로 에너지 효율을 높이기 위해서는 흡입밸브 앞 단에서 음향학적 압력과 흡입 밸브 거동사이에 관계를 규명해야 합니다. 즉, 흡입밸브가 열리는 동안 흡입밸브 앞 단에서 음향학적 압력에 의한 에너지 효율 변화 관련 민감도 해석을 수행해야 합니다. Fig.2(b)와 같이 민감도 해석 결과를 살펴보면, 에너지 효율은 출력을 단순히 높이는 것과는 다른 민감도 해석 결과를 나타나게 됩니다. 우리는 단순히 압축기의 출력을 높이는 Acoustic Supercharging(AS)와 구별하기 위하여 Acoustically Supercharged Energy Efficiency(ASEE)라 정의하고, 에너지 효율을 높이기 위해서는 흡입밸브 거동과 밸브 앞 단에서 음향학적 압력 관계를 어떻게 정의해야 하는지 결정하였습니다. 그리고 운전주파수와 흡입머플러의 공진주파수 사이에 관계를 분석하여 Fig.2(b)와 같이 Energy Efficiency Design Map(EEDM)을 만들어 산업체에서 활용할 수 있도록 하였습니다.

    EEDM을 바탕으로 에너지 효율이 높은 흡입 머플러를 설계할 수 있는 방안을 제안하였습니다. 최적설계 방법론은 위상최적화 방법을 이용하였고, Fig.2(c)와 같이 음향학적 과급에 의한 에너지 효율 향상뿐만 아니라 소음 및 유동 에너지 모두를 고려할 수 있도록 하였으며, 순차적인 설계 방법론을 제안하여 산업체에서 활용할 수 있도록 하였습니다. 

    마지막으로는 압축기 작동 환경이 흡입 단의 음향학적 전파 특성에 어떠한 영향을 주는지 분석하였습니다. 고려된 작동 환경은 온도구배, 냉매 유속, 주기적인 흡입 단의 움직임(선형압축기 특징), 압축기 내부 공간 등입니다. 이러한 작동 환경이 흡입 단의 음향학적 전파 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 분석하여 설계에 미리 활용할 수 있도록 하였습니다.




    3. 기존의 음향, 진동 최적설계에서 어떤 방법이 달라져서 현재 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 건가요?

     앞에서 설명한 것처럼 기존 연구에서는 몇 가지 연구사례에 의해 출력이 높아지는 현상이 관찰되었지만, 구체적으로 흡입밸브의 거동과 흡입 단의 음향학적 특성 간에 어떠한 관계가 있는지 분석되지 않았습니다. 저희는 산학과제를 수행하면서 Fig.2(a)와 같은 새로운 음향 해석 방법을 개발, 이용하여 흡입 밸브가 열려 있는 동안 음향학적 압력과 에너지 효율 사이에 민감도 해석을 수행하였습니다. 민감도 해석결과를 바탕으로 흡입밸브 거동과 흡입 단 음향학적 전파특성, 에너지 효율간의 관계를 규명할 수 있었습니다. 그리고 산업체에서 활용할 수 있도록 운전 주파수와 흡입 머플러의 음향학적 공진주파수의 관계를 밝혔으며 Fig.2(b)와 같이 EEDM을 제공하였습니다. 그리고 입력 임피던스의 크기가 어떠한 영향을 미치는지도 확인하여 산업체에서 상황에 맞도록 활용할 수 있도록 하였습니다.

     위에 설명 드린 연구에 대한 구체적 내용은 아래 저널을 참고하기 바랍니다.


    - Oh, S. J., Wang*, S., and Cho, S., “Hybrid coupling method to nonlinear acoustic source and linear  duct system using parameter identification of the input impedance in fluid machinery”, Journal of    Sound and Vibration, 2016.

    - Oh, S. J., Wang*, S., and Cho, S., “Development of Energy Efficiency Design Map based on Acoustic Resonance Frequency of Suction Muffler in Compressor”, Applied Energy, 2015.

    - Oh, S. J., Wang*, S., and Cho, S., “Topology optimization of a suction muffler in a fluid machine to maximize energy efficiency and minimize broadband noise”, Journal of Sound and Vibration,      2016.

    - Oh, S. J., Wang*, S., and Kim, J., “Experimental study on variation of acoustical resonance frequency of duct with orifice depending on periodic motion’, Applied Acoustics, 2016


    4. 압축기는 다른 백색가전에도 많이 들어가는 제품이라서 활용도가 높을거 같습니다.  어떤 제품에 적용이 가능할까요?

    압축기는 백색가전에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 특히, 에어컨과 냉장고의 에너지 효율을 결정하는 아주 중요한 부품입니다. 따라서 위에서 설명한 연구들은 다양한 에어컨과 냉장고에 활용될 수 있습니다. 하지만 활용될 때 중요한 점은 압축기 작동 주파수 및 냉매 유속에 따라 흡입 및 토출 단에서 새로운 현상들이 발생하게 됩니다. 예를 들어 압축기 사이즈를 줄이면서 똑같은 일을 수행하기 위해서는 작동 주파수 및 속도가 빨라져야 합니다. 이러한 경우에는 압축기 흡입 단의 음향학적인 효과 이외에 냉매 유동의 관성효과도 지배적이기 때문에 이를 잘 고려해야 하며, 흡입 단 내부에 새로운 음향학적 소스가 발생되지 않았는지도 확인해야 합니다. 따라서 압축기가 어떤 제품에서 어떻게 작동하는지도 중요한 문제입니다.


    5. LG전자와 공동으로 연구를 하신 것으로 알고 있는데요. 기업과 연구한다는 것이 상용화를 전제로 연구를 진행하기 때문에 제품으로 바로 실용화가 될거 같습니다.  기업과의 연구시 장단점이 있다면?

    산학협동연구는 많은 장점이 있습니다. 첫째, 산학과제 대부분은 연구 동기 및 연구 목표가 정확하며, 구체적입니다. 둘째, 산학협동연구는 산업체에서 이미 많은 시행착오를 경험하였기 때문에 연구를 수행하는 데 있어 시행착오를 줄일 수 있으며, 이러한 시행착오로 얻은 데이터를 통해 새로운 아이디어를 도출하거나 새로운 현상들을 발견할 수 있습니다. 그리고 산업체 연구원들과 다양한 의견을 교환할 수 있으며, 산업체 실험 장치를 활용할 수 있기 때문에 이상적인 문제뿐만 아니라 좀 더 실증적이고 실제적인 문제를 경험할 수 있습니다.

    산학협동연구과제의 단점은 이상적인 상황이 아닌 구체적이고 복잡한 상황에 맞는 수학적 혹은 수치적인 모델을 구축해야 하는데 많은 시간을 소모하게 됩니다. 이러한 작업은 분명 본격적인 연구를 위해 선행되어야 하며, 이러한 경험이 도움 되지 않는 것은 아니지만 많은 시간을 할애해야 하기 때문에 단점이 될 수 있습니다. 그리고 많은 경우 산학협동연구과제는 1년 단위로 진행되기 때문에 지속적이고 장기적인 관점에서 연구가 진행되기 어렵고, 대부분 빠르게 진행됩니다. 따라서 연구를 순차적으로 진행하기보다는 정말 필요한 과정들만 점프해가며 연구를 수행하게 됩니다.

    산학협동연구과제는 많은 장, 단점을 가지고 있지만, 분명한 것은 학계에 있는 연구자에게 많은 연구 아이디어를 제공해 주며, 산업체로 기술이 이전되기 위해서는 어떠한 것들이 필요한지를 배우게 되는 소중한 기회입니다.


    6. 에너지 효율을 높이기 위해 시행착오도 많았을 거 같습니다. 어떤 문제가 있었으면 어떻게 해결 하셨는지 궁금합니다.

    산학협동과제를 처음 수행할 때에는 선형(리니어)압축기를 대상으로 연구를 수행하였습니다. 따라서 많은 시간을 주기적으로 움직이는 특성이 흡입 단 내부 음향전파에 어떠한 영향을 미치는지에 관해 많은 고민을 하였습니다. 이론적인 접근은 쉽지 않아 실험적인 방법으로 연구를 진행하였습니다. 그래서 아이디어를 얻은 것이 Fig.3와 같이 흡입 밸브의 거동과 냉매 유동에 의해 발생하는 음향소스를 스피커로 신호를 만들어 주고, 흡입 머플러를 아크릴 덕트로 대처하고, 실제 선형압축기에 부착하여 움직이는 속도 및 주파수에 따라 음향학적 전파 특성이 어떻게 달라지는지 실험적으로 검증하였습니다. 실험적인 검증 결과, Acoustically Supercharged Energy Efficiency 현상에는 큰 영향은 없었지만, 특수한 상황에서 주기적인 움직임에 의한 덕트 내부 오리피스의 attachment effect 현상을 새롭게 발견하였습니다. 그리고 그 결과를 저널로 출판할 수 있었습니다. 실험적인 연구결과를 바탕으로 주기적으로 움직이는 흡입 단과 고정 된 흡입 단의 음향전파 특성은 동일하다고 가정할 수 있었으며, 성공적으로 연구를 수행할 수 있었습니다.
     




    7. 왕세명 교수님과 더불어 주로 소음진동 최적화 프로그램과 해석의 연구를 진행해 오신걸로 알고 있습니다.  추가로 어떤 연구들이 진행되고 있는지 궁금합니다.

    왕세명 교수님과 함께 위에서 설명해 드린 연구주제 이외에 수행되고 있는 최근 연구는 가전제품에서 발생 된 소음원과 Self-Organized Map(SOM)을 이용하여 효율적으로 고장진단 및 상황을 인식하는 방법을 개발 중입니다. 그리고 압축기 흡입 단 구조와 관악기 구조가 매우 유사한데, 압축기 흡입 단 음향해석 방법을 이용하여 관악기 음향해석에 활용하고 있으며, 연주자들이 과학적으로 연주할 수 있도록 가이드를 만들고 있습니다. 그리고 유체기계-덕트 시스템에서 발생되는 소음원과 음향 전달경로가 연주자와 관악기가 만들어내는 음향 소스와 음향 전달 특성이 어떻게 다른지 분석하여 이를 기초로 하여 소음과 음악의 차이에 대해 고민하고 있습니다.


    그리고 현재 제가 연구에 참여하고 있지는 않지만, 음향제어를 통해 야외공연소음을 저감하고, 개인 음향 공간을 만드는 연구도 실험실에서 계속 수행되고 있으며, 메타구조를 이용하여 차량 및 에어컨의 진동을 줄이는 연구 또한 실험실 동료에 의해 진행되고 있습니다.


    8. 개인적으로 진행하고 싶은 연구가 있으시다면?

    개인적으로 진행하고 싶은 연구는 크게 3가지입니다. 첫 번째는 기존에 진행해 왔던 압축기의 에너지 효율을 극대화하고 소음을 최소화하도록 흡입 단 및 토출 단의 통합적인 설계 프로그램을 만드는 것입니다. 그리고 가전제품에 사용되는 압축기뿐만 아니라 자동차에도 활용될 수 있도록 다양한 운전조건을 고려하는 것입니다. 두 번째는 대부분 유체기계-덕트 시스템에서는 음향 파동만이 존재하는 것이 아니고 내부 유동이 존재하게 됩니다. 내부 유동에 의해 음향학적 전달 특성이 변경되거나 혹은 소스가 생성되기도 합니다. 이러한 Aero-acoustic에 의한 효과를 고려하여 음향시스템 위상최적화를 수행하는 연구를 진행하고 싶습니다. 세 번째는 소음과 음악 차이에 관해 융합적이고, 다양한 접근법으로 연구를 진행하고 싶습니다. 그리고 압축기 흡입 단과 관악기 연주 사이에 관계규명을 연구의 출발점으로 하고 싶습니다.


    9. 같은 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 한 말씀 부탁드립니다.

    저는 개인적으로 학위과정동안 산학협동과제를 장기적으로 수행할 수 있는 좋은 기회를 가졌습니다. 하지만 학위과정을 하면서 진행되는 산학협동과제를 연구가 아닌 일처럼 생각하거나 기피하는 친구들도 많았습니다. 산학협동과제는 앞에서 애기한 것처럼 많은 장점을 가지고 있습니다. 산업현장에서 필요로 하는 좋은 연구 주제와 아이디어를 얻을 수 있는 기회이기 때문에 적극적인 자세가 필요합니다. 그리고 한 가지 분야만 연구를 하는 것도 좋지만, 다른 분야의 연구를 해야만 하는 경우에도 피하지 말고, 적극적으로 연구하는 자세가 필요합니다. 다른 분야에 투자했던 경험이 추후에 활용되는 경우가 많았습니다. 따라서 학위주제와 관련이 없지만, 최선을 다하는 것이 좋습니다.


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