I. 서 론
오늘날 생활수준이 높아지면서 냉장고는 점차 대형화되는 추세이다. 특히 가정용 냉장고에 장착된 제빙기(Ice maker)와 물을 취수해서 마실 수 있는 디스펜서(Dispenser)는 세계적으로 인기를 끌고 있다.개발도상국에서도 디스펜서와 제빙기가 있는 냉장고의 수요가 증가함에 따라 관련 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나 개발도상국의 상수도 환경은 선진국에 비해 열악하기 때문에 기존 정수 필터(Water filter)만으로는 디스펜서 사용이 어렵다. 그래서 상수도를 직접 연결하지 않아도 되는 무배관(Non-plumbing) 모델이 높은 인기를 끌고 있다.[1] 무배관 모델은 디스펜서와 제빙기를 상수도 대신 냉장고 내부의 급수통에 연결하여 사용한다. 그러나 급수펌프의 동작으로 기존 냉장고 모델에서는 없는 소음이 발생한다. 소비자 불편을 없애고 제품에 대한 만족감을 높이기 위해서는 저소음 설계가 필수적이다.
펌프에서 발생하는 소음은 유동기인소음과 구조기인소음으로 구분할 수 있다. 펌프 동작에서 유동기인소음은 관로 내의 유체를 타고 전파되는 소음이며, 구조기인소음은 펌프에 연결되어 있는 구조물로 전달되는 소음이다.[2] 유동기인소음과 구조기인소음 저감을 위해서는 다양한 설계 요소를 고려해야 한다. 제품 설계 시 다구찌 방법을 사용하면 적은 실험 횟수로 설계 요소의 기여도를 평가하고 최적 조건을 찾을 수 있다. 이를 통해 비용을 절감하고 개발 기간을 단축할 수 있다는 장점이 있어 널리 활용되고 있다.[3]
펌프 소음과 관련하여 진행된 연구 중에 Yang et al.[4]은 급수펌프 토출배관의 고유 모드와 펌프 회전 주파수와의 공진을 저감하는 연구를 진행하였다. Yen et al.[5]는 피스톤 펌프의 소음, 진동 문제를 해결하기 위해 펌프 쉘과 밸브 플레이트의 구조를 최적화하는 방식을 적용하는 연구를 하였다. 그리고 Metalsi Tani와 Bourdim[6]은 기어 펌프의 소음을 줄이기 위해 플라스틱 기어를 사용하였을 때의 소음저감 수준을 평가하는 연구를 진행하였다.
다구찌 방법을 이용한 소음저감에 관한 선행연구로는, Kwon et al.[7]이 에스컬레이터에서 발생하는 소음을 다구찌 방법을 적용하여 소음원과 설계인자를 분석하고 최적화 조건을 도출하여 소음을 저감했다. Kim et al.[8]은 다구찌 방법을 이용하여 펌프의 유로형상을 최적화하여 파워스티어링 시스템에 사용 되는 펌프의 소음을 줄이는 연구를 수행하였다. 또한, Seo와 Jeon[9]는 주방과 거실을 유한요소모델로 구현하고, 설계 물성치와 형상 관련인자들을 설계 인자로 선정하여 바닥충격음을 저감하는 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 디스펜서와 제빙기가 작동할 때, 급수통의 물을 이송하기 위해 동작하는 급수펌프에 의한 소음 저감 방법을 연구하였다. 먼저, 소음에 영향을 미치는 주요 인자들을 도출하였다. 그리고 다구찌 기법을 이용하여 소음을 최소화할 수 있는 최적 조건을 도출하였다. 마지막으로 최적 조건을 냉장고에 적용하여 소음 저감 효과를 입증하였다.
II. 급수펌프 소음의 기준조건 선정
연구의 대상인 무배관 냉장고의 급수펌프 및 관련 부품들은 Fig. 1과 같이 구성되어 있다. 급수펌프는 펌프 케이스의 안쪽 면에 고정되어 있으며, 펌프 케이스는 냉장고 내벽에 볼트로 체결된다. 디스펜서와 제빙기를 작동하면 급수를 위해 급수펌프가 동작한다. 이 때 펌프에서 발생한 진동이 펌프 케이스와 디스펜서 또는 제빙기까지 연결된 배관을 가진하게 된다.
이를 확인하기 위해 냉장고의 컴프레서(Compressor)와 팬(Fan)의 동작을 모두 정지한 상태에서 펌프만 작동하였다. 냉장고 전면(거리 1 m, 높이 1.5 m 지점)에서 마이크로폰을 이용해 소음을 측정하고, 펌프에는 단축 가속도계를 부착하여 진동을 측정하였다. Table 1에 측정 장비와 신호 처리 조건을 정리하였으며, 전체 측정 시간 중 펌프의 작동 상태가 가장 안정적인 구간의 데이터를 사용하였다.
Table 1.
Information of signal processing and equipment.
| Measured time [s] | 5 |
| Frequency resolution [Hz] | 1 |
| Sampling frequency [Hz] | 2048 |
| Time interval [s] | 1 |
| Window function | Rectangular |
| Analyzer | LMS SCADAS |
| Accelerometer | PCB 333B30 |
| Microphone | PCB 378B02 |
Figs. 2와 3은 일반 냉장고 조건에서 디스펜서와 제빙기로 각각 독립적으로 급수할 때 펌프에서 측정된 진동 및 소음의 스펙트럼 결과이다. 디스펜서로 급수 시 펌프의 회전 주파수는 약 34 Hz이며, 제빙기의 경우 약 26 Hz의 회전 주파수로 동작한다. 다만, 펌프 작동 시 조건 변화에 따라 1 Hz ~ 2 Hz의 범위에서 변동할 수 있다. 진동과 소음은 디스펜서와 제빙기 모두 10차 조화 성분 가장 높게 나타났다. 디스펜서는 320 Hz ~ 350 Hz 범위, 제빙기는 250 Hz ~ 280 Hz 범위에서 크게 측정되었다.
펌프의 진동과 소음은 측정 조건에 따라 달라질 수 있으므로, 세 가지 조건을 선정하여 소음을 측정하였다. 실험 조건으로 선정한 인자는 급수통 내 물의 양, 펌프 케이스를 냉장고 내벽에 체결할 때 사용하는 볼트의 토크 값, 그리고 펌프를 펌프 케이스에 체결할 때 사용하는 볼트의 토크 값이다. 각 인자의 영향을 독립적으로 확인하기 위해 하나의 인자를 변경할 때 나머지 두 인자는 실험 수준 중 가장 높은 수준으로 고정하였다. 이 때 나머지 조건들은 추후 수행할 다구찌 실험의 기준조건과 동일하게 설정하였다. 즉, 펌프 방진 고무 높이는 7 mm, 급수관의 길이는 1.25 m로 고정하였으며, 펌프 케이스와 냉장고 내벽 사이의 방진 테이프 및 펌프 케이스 체결 볼트의 방진 고무는 적용하지 않았다. 각 조건별 소음 측정 결과는 Tables 2, 3, 4에 나타내었다.
Table 2.
Sound pressure level based on the water volume in the water tank.
|
Water volume [L] | Sound pressure level [dB(A)] | |
| Dispenser | Ice maker | |
| 1 | 45.6 | 43.0 |
| 2 | 42.3 | 41.9 |
| 3 | 41.3 | 41.5 |
| 4 | 39.7 | 43.6 |
| 4.5 | 44.3 | 41.9 |
Table 3.
Sound pressure level based on fastening torque values between pump case and refrigerator inner wall.
|
Torque [kgf·cm] | Sound pressure level [dB(A)] | |
| Dispenser | Ice maker | |
| 3 | 44.8 | 39.7 |
| 4 | 45.5 | 40.4 |
| 5 | 44.2 | 40.1 |
| 6 | 44.6 | 41.7 |
Table 4.
Sound pressure level based on fastening torque values between pump and pump case.
|
Torque [kgf·cm] | Sound pressure level [dB(A)] | |
| Dispenser | Ice maker | |
| 3 | 43.6 | 41.1 |
| 4 | 45.7 | 44.4 |
| 5 | 44.3 | 40.4 |
| 6 | 44.8 | 41.6 |
측정 결과, 급수통 내 물의 양에 따른 소음 특성은 디스펜서와 제빙기에서 서로 다른 양상을 나타냈다. 디스펜서의 경우 급수통 내 물의 양이 가장 적은 1 L 조건에서 최대 소음이 발생했고, 최대 용량인 4.5 L일 때 두 번째로 높은 소음이 발생했다. 이는 급수통 내 물의 양이 적을 때 펌프 작동 시 물의 요동이 심해지고 펌프 유입부에서 물의 흐름이 불안정해지기 때문으로 해석된다. 제빙기의 경우에는 펌프의 회전속도와 유량이 디스펜서보다 상대적으로 낮다. 또한 급수가 간헐적으로 이루어지는 작동 특성을 가진다. 따라서 급수통 내 물의 양 변화가 소음에 일정한 영향을 미치지 않고 불규칙한 특성을 보였다.
펌프 케이스와 냉장고 내벽 간 볼트 체결 토크의 변화에 따라서는 최대와 최소 소음 간 약 2 dB의 차이가 났다. 그리고 펌프와 펌프 케이스 간 볼트 체결 토크의 변화에 따라서는 최대와 최저 소음의 차이가 약 4 dB의 차이를 보였다.
기준 조건은 실제 제품 사용 환경을 고려하여 소음 발생 가능성이 높은 조건을 기준으로 선정하였다. 특히, 디스펜서와 제빙기 중 소음 수준이 상대적으로 높았던 디스펜서 작동 조건을 우선으로 고려하였다. 급수통 내 물의 양은 소비자 사용 환경에서 빈번히 경험하고 소음 수준도 비교적 높게 나타난 최대 물 용량인 4.5 L로 선정하였다. 또한, 볼트 체결 토크 값은 실제 제품 양산 조립 조건인 6 kgf·cm을 기준 조건으로 선정하였다.
III. 다구찌 기법을 이용한 소음분석 및 최적안 도출
펌프 진동이 펌프 케이스 및 내부 배관에 전달되어 발생하는 구조 소음을 저감하기 위해 다구찌 기법을 적용하였다. Table 5와 Fig. 4에 제시된 바와 같이 네 가지 실험 인자를 3-수준으로 선정하였다. 실험 인자는 펌프의 진동이 구조물을 통해 냉장고 전체로 전달되는 경로에서 진동 전달 특성을 변화시킬 수 있는 주요 설계변수를 선정하였다. 실험은 각 인자에 대하여 3-수준으로 구성된 L9 직교배열표(Table 6)를 사용하여 수행하였다. 실험 결과로부터 얻은 소음 데이터를 바탕으로, Eq. (1)의 망소 특성을 이용하여 S/N 비를 계산하고, 주요 인자의 수준별 S/N 비를 Fig. 5에 나타내었다.
Table 5.
3-level values of experimental factors.
| Factors | Level | |||
| 1 | 2 | 3 | ||
| a | mm | 0 | 0.7 | 1.4 |
| b | mm | 7 | 9 | 11 |
| c | mm | 0 | 2.5 | 5 |
| d | m | 1.25 | 1.35 | 1.45 |
Table 6.
3-level orthogonal array (L9) for noise reduction of the pump in the non-plumbing refrigerator.
| Experiment No. | Factors | |||
| a | b | c | d | |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 2 | 1 | 2 | 2 | 2 |
| 3 | 1 | 3 | 3 | 3 |
| 4 | 2 | 1 | 2 | 3 |
| 5 | 2 | 2 | 3 | 1 |
| 6 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| 7 | 3 | 1 | 3 | 2 |
| 8 | 3 | 2 | 1 | 3 |
| 9 | 3 | 3 | 2 | 1 |
여기서 는 특성치의 결과이며 n은 각 실험의 반복 측정 횟수이다. S/N 비의 최대값과 최소값 차이가 큰 인자는 소음 변화에 미치는 영향이 크다는 것을 의미한다.[10] Table 7과 Fig. 5에서 민감도가 큰 실험인자부터 작은 순으로 나열하면 (a) 펌프 케이스와 냉장고 내벽 사이의 방진 테이프 두께, (d) 펌프에서 디스펜서 또는 제빙기까지의 배관길이, (c) 펌프 케이스 체결볼트의 방진고무의 높이, (b) 펌프 방진고무의 높이 순으로 나타났다.
Table 7.
S/N ratio analysis.
| S/N ratio | |||||
| a | b | c | d | ||
| Level | 1 | -32.61 | -32.24 | -32.10 | -32.08 |
| 2 | -32.05 | -32.16 | -32.31 | -32.35 | |
| 3 | -31.87 | -32.14 | -32.13 | -32.10 | |
| Contributions | 1 | 4 | 3 | 2 | |
| Optimum level | 3 | 3 | 1 | 1 | |
Table 8은 각 실험인자 별로 S/N 비가 가장 큰 수준을 조합한 최적 조건을 초기 기준조건과 비교한 결과이다. 여기서는 3개의 급수펌프를 대상으로 각 조건에서 디스펜서와 제빙기로 각각 독립적으로 급수할 때 소음을 10회씩 측정하여 소음레벨을 산술평균하였다. 도출된 최적 조건은 다음과 같다. 펌프 케이스와 냉장고 내벽 사이에 적용하는 방진 테이프의 두께는 1.4 mm로 설정하고, 펌프 케이스 체결볼트 방진고무는 사용하지 않는다. 또한, 펌프 마운트 고무의 두께는 11 mm, 펌프로부터 디스펜서 또는 제빙기까지의 배관길이는 1.25 m이다. Fig. 6은 디스펜서와 제빙기 작동 시 펌프가 작동하는 5초간 기준 조건과 최적 조건에서의 소음 레벨을 측정한 결과이다. 디스펜서로 급수 시에 평균 5.1 dB, 제빙기로 급수 시에는 평균 2.8 dB의 소음 저감 효과가 확인되었다.
IV. 결 론
무배관 냉장고 급수펌프의 소음을 저감하기 위해 두 단계의 실험을 수행하였다. 먼저, 기준 실험 조건을 결정하기 위하여 급수통 내 물의 양, 펌프 케이스와 냉장고 내벽 간 볼트 체결 토크 값, 펌프와 펌프 케이스 간 볼트 체결 토크 값의 세 가지 실험 변수 수준에 따른 소음 레벨을 측정 및 분석하였다. 이어서 다구찌 기법을 적용하여 구조 소음을 최소화하는 실험을 수행하였다. 실험 인자로는 펌프 케이스와 냉장고 내벽 사이의 방진테이프 두께, 펌프 마운트 방진고무 높이 등 네 가지 인자를 선정하였다.
망소 특성의 S/N 비 분석을 통해 각 인자의 소음 저감 기여도를 분석하였다. 분석결과, 방진 테이프의 두께가 소음 저감에 가장 큰 기여도를 나타냈다. 이는 방진 테이프가 펌프의 진동이 냉장고 내벽으로 직접 전달되는 경로를 효과적으로 차단하거나 감소시키기 때문이다. 즉, 방진 테이프의 두께가 증가할수록 구조물 간의 진동 전달률이 낮아져 소음 저감 효과가 커진 것으로 나타났다. 반면, 펌프 방진 고무의 높이는 진동 전달률 감소에 미치는 영향이 상대적으로 미미하여, 소음 저감 효과는 제한적이었다.
최적 조건을 실제 냉장고에 적용하여 소음을 측정한 결과, 디스펜서와 제빙기 작동 시 펌프에 의한 급수 소음이 모두 저감됨을 확인하였다. 본 연구에서는 다구찌 기법을 통해 소음 저감에 미치는 각 인자의 기여도를 정량적으로 평가하였다. 이를 바탕으로 구조 소음 저감을 위한 최적 설계 조건을 제시하였다. 도출된 설계조건은 펌프 진동이 냉장고 구조물로 전달되는 것을 효율적으로 억제하여 소비자가 인지하는 소음 수준을 효과적으로 낮추었다.
