Numerical and Experimental Investigation on Improvement of Flow and Noise Performances of Ice-fan Flow Piping System of Household Refrigerator

With increasing demand for high-quality refrigerators, noise has been recognized as one of the primary performance indicators. Fans are one of the highest contributing noise sources. Various types of fans are used in refrigerators. In particular, ice-making fans generate more noise as they operate irregularly, and the associated noise may be transmitted directly through the piping system outside the refrigerator. In this study, the flow and noise performances of a centrifugal ice-making fan unit and its piping system are investigated. First, a virtual fan tester based on CFD techniques was developed and its validity was verified by comparing the predicted results with experimental data obtained from an actual fan tester. The predicted sound pressure spectrum was also compared with the corresponding experimental spectrum. We observed good agreement between the two results in terms of blade passing frequency components. For a quantitative evaluation of the performances of the ice-making fan unit and its piping system, the energy flux through the pipe and radiated noise levels from the system were computed and analyzed as indicators of the flow and noise performances, respectively. From the analysis results, certain parts of the pipe were identified to have the most adverse effects on the performances, and the related flow fields were analyzed in detail. Based on our analysis, a new design is proposed to improve the performance of ice-making fan units. The new design resulted in a reduction of the energy loss and vortex of the internal flow, and an increase in the volume flow rate of the unit by approximately 1.1 %. Mijeong Shin et al. ; Numerical and Experimental Investigation on Improvement of Flow and Noise Performances of ... Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng., 28(6) : 694~700, 2018 ┃ 695 부에서 작동한다. 이는 냉장고에 사용되는 홴의 방사 소음이 넓은 주파수 범위의 소음 성분에 영향을 준다 는 것을 의미한다. 특히, 제빙용 홴은 불규칙하게 동작 하여 불쾌한 소음을 발생시키며, 소음은 냉장고의 파 이프를 통해 외부로 전파된다. 홴에서 발생하는 소음을 저감시키기 위해 Lee et al. 은 H-CAA(hybrid computational aeroacoustics) 기법을 사용하여 가정용 냉장고의 제빙용 홴의 BPF (blade passing frequency) 소음을 예측했으며, cut-off 영역의 길 이를 증가시킴으로써 BPF를 약 3dB 감소시켰다. 또한, H-CAA 기법을 이용하여 축류홴의 BPF 내부 소음을 예측하였다. Heo et al.은 기존의 홴의 날개-깃 뒷전 을 기울어진 S자 모양으로 변경하여 저소음 원심홴을 개발했다. Shin et al.은 반응표면법을 최적화 방법 으로 사용하여 원심홴의 고성능 설계를 수행하였다. 또 한 원심홴의 허브를 연장시킴으로써 원심홴의 유량을 1 % 증가시켰다. Heo et al.은 방사소음에 대한 원심 홴 장치의 볼루트(volute tongue) 영역의 상대적 기여도 를 분석했다. 또한, Heo et al.은 홴 블레이드를 변경 하지 않고 쉬라우드의 입구 형상을 변경함으로써 축류 홴 유닛의 공기역학 및 공력소음성능을 향상시켰다. 그 러나, 선행 연구의 대부분은 홴 유닛(즉, 홴의 날개 및 둘러싸고 있는 쉬라우드)을 중점으로 연구되어왔다. 내부 유동 시스템은 홴과 같이 유동을 발생시키는 에너지원과 함께 원하는 곳으로 유동을 이송할 수 있 는 파이프를 동시에 사용한다. 홴에서 발생한 유량과 소음은 이러한 파이프를 통과하면서 가감될 수 있는 특성을 가진다. 따라서, 이 논문에서는 가정용 냉장고 의 내부 유동 시스템의 일종인 제빙용 Ice-fan 유로 시 스템의 유동 및 소음성능을 분석하고 개선하기 위한 파이프 설계안을 제시하였다. 먼저, 전산유체역학 기법 을 이용하여 가상의 홴 실험장치를 개발하고 측정된 데이터와의 비교를 통해 그 유효성을 검증하였다. 가 상의 홴테스터를 통해 동일한 조건에서 예측된 음압레 벨을 실험값과 비교하였다. 제빙용 홴에 의해 구동되는 파이프의 내부 유동성능 을 정량적으로 평가하기 위해, 파이프 내부 유동장의 에너지 플럭스와 시스템 방사소음레벨을 수치적으로 계산하여 유동 및 소음의 성능지표로 분석하였다. 이 지표를 기반으로 성능에 영향을 미치는 파이프 내 구 간을 확인하고 그 구간을 세부적으로 분석하였으며 그 결과를 바탕으로 제빙용 홴 장치의 유동 및 소음성능 을 향상시키기 위한 새로운 설계안을 제시하였다. 2. 대상 Ice-fan 유로 시스템 성능 분석 2.1 대상 Ice-fan 유로 시스템 형상 Fig. 1은 홴에 의해 구동되는 냉기의 순환 시스템과 Ice-fan 유로 시스템의 모델링 형상을 나타낸다. Ice-fan 유로 시스템은 제빙용 홴, 하우징, 파이프로 구성되며 작동 회전 속도는 1900 r/min이다. 가정용 냉장고의 뒷면에 있는 제빙용 홴은 차가운 공 기를 흡입하여 파이프를 통해 제빙기로 보내는 역할을 한다. Ice-fan 유로 시스템의 전체 유동 흐름은 폐쇄된 루프를 형성한다. 그러나 이 연구에서는 전체 Ice-fan 유로 시스템이 아닌 홴에 크게 영향을 받는 상부 파이 프까지를 연구대상으로 하여 이에 의한 유동 및 소음성 능에 초점을 두고 연구를 수행하였다. 2.2 실험 먼저, P-Q 곡선과 음압 레벨을 측정하여 Ice-fan 유 로 시스템의 유동 및 소음성능을 실험적으로 평가하였 다. Fig. 2(a)에서 볼 수 있듯이 AMCA 210-07의 규 정을 충족시키는 홴테스터를 사용하여 홴의 유동성능 을 평가하였다. 홴테스터에는 흡입모드와 배출모드가 있으며 이 연구에서는 흡입모드를 사용하여 실험을 실 시하였다. 홴 테스터의 치수는 0.6 m × 0.6 m × 1.5 m이 며 5개의 다른 크기의 노즐을 통해 0.016 CMM ~ 9.46 CMM 범위의 유량을 측정할 수 있다. Fig. 2(b)에서는 반무향실에서 대상 홴시스템의 소음성능 측정 현장 사 진을 나타낸다. 반무향실 크기는 4 m × 4 m × 2.7 m이 며 차단주파수는 150 Hz, 배경 소음은 20 dBA 미만이 다. B&K 4189 타입의 마이크로폰은 측정 전 1 kHz에 Fig. 1 Ice-fan flow system and flow direction of cold air for ice-making in household refrigerator Mijeong Shin et al. ; Numerical and Experimental Investigation on Improvement of Flow and Noise Performances of ... 696 ┃ Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng., 28(6) : 694~700, 2018 서 94 dB의 순음신호를 이용하여 교정하였다. 측정 위 치는 가정용 냉장고의 실제 위치와 일치하도록 높이가 약 0.65 m인 홴 중심에서 1 m 간격으로 설정하였다. 보 다 정확한 측정을 위해 홴 회전속도는 음압레벨과 동시 에 측정되었다.