공랭식 열교환기가 적용된 전폐형 고압 유도전동기의 냉각성능 향상에 관한 수치적 연구

성상철 서울시립대학교 일반대학원 2021 국내박사

전기에너지를 기계적 일로 변환시켜 주는 장치인 전동기는 2차 산업혁명으로 전기가 대중화된 이후 높은 에너지 변환 효율, 기동 및 제어의 용이성 때문에 가장 편리한 동력원 중의 하나로써 가정에서부터 공장에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 1830년대 초반 전동기가 개발된 이후 고출력밀도, 고효율, 고신뢰성, 낮은 가격을 가지는 전동기를 개발하기위한 연구는 지금까지 계속되어 왔으며, 이들 특성을 가지는 전동기를 개발하는데 있어 전동기 냉각성능은 핵심기술 중의 하나이다. 그러나, 이와 관련된 대부분의 연구는 저압전동기와 TEFC (totally enclosed fan cooled) 타입 고압 유도전동기를 대상으로 한 것이 대부분이며, 관군 열교환기가 적용된 TEAAC(totally enclosed air to air cooled) 타입 고압 유도전동기에 대한 연구는 실험과 수치해석에 대용량 전력설비와 해석 자원(resource)이 필요해 다른 종류의 전동기에 비해 관련 연구가 매우 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 2MW 용량의 500 Frame 2 pole TEAAC 타입 고압 유도전동기의 냉각성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 연구를 수행하는데 있어 실험과 수치적인 방법으로 접근하기 어려운 점을 극복하기 위해 대용량의 전력설비 없이 온도상승 실험을 할 수 있는 전동기 모사실험 장치를 개발하여 유량과 온도 등의 실험데이터를 취득하였고, 다공성 물질 기법과 dual cell 열교환기 모델 기법을 사용해 TEAAC 타입 고압 유도전동기의 냉각성능을 전체 시스템 수준에서 분석할 수 있는 수치해석 모델을 구성하였다. 연구에 사용된 수치해석 모델은 격자독립성 테스트 수행과 실험결과와의 비교를 통해 타당성을 검증하였다. 본 논문에서는 열교환기 자체의 성능을 개선할 수 있는 3 가지 개선안으로 내부 핀 관(internally finned tube), 배플(baffle) 개수 증가, 외기 재사용 열교환기 하우징을 제안하였고, 검증된 수치해석 모델을 이용하여 이에 대한 효과를 전동기 전체 시스템 수준에서 평가하기 위해 고정자 권선 평균온도 상승치를 이용해 평가하였다. 열교환기 관군에 내부 핀 관을 적용한 결과 고정자 권선 평균 온도가 기존 대비 2.7℃ 낮아져 약 3%의 냉각성능 향상 효과가 있었다. 배플 개수를 1개에서 3개로 증가시킨 경우는 열교환 효율 증가로 인한 내기온도 감소 효과보다 내기유량 감소에 의한 영향이 더 크게 작용해 기존보다 오히려 고정자 권선 평균온도를 3.1℃ 증가시켜 약 4.7%의 냉각성능 감소가 나타났다. 외기 재사용 열교환기 하우징 도입으로 전동기 프레임 표면의 평균 온도를 기존보다 7.9℃ 낮추는 효과가 있었다. 이로 인해 고정자 권선 평균 온도를 1.2℃ 낮춰 약 1.8%의 냉각성능 개선효과가 있었다. 냉각 성능 개선효과가 있었던 내부 핀 관과 외기 재사용 열교환기 하우징을 같이 적용한 경우 기존보다 고정자 권선 평균온도를 약 3.4℃ 낮춰 약 5.2% 냉각 성능 향상 효과를 나타냈다. Ever since electricity became popular in the second industrial revolution, induction motors have been widely used worldwide because of their high reliability and low maintenance cost due to their simple structure. The demand for motors with high power density, high efficiency, high reliability, and low price has continued since the development of the first electric motors in the early 1830s. One of the main factors affecting these characteristics is the cooling performance of the motor. However, most of the studies related to motor’s cooling performance improvement have been focused on low-voltage motors or TEFC(totally enclosed fan cooled) type high-voltage induction motors. Unlike these types of motors, few studies have been conducted on cooling performance of TEAAC(totally enclosed air to air cooled) type high-voltage induction motor(hereafter called the TEAAC motor), This is because a large-capacity power facility is required to test the TEAAC motor and a large amount of computing resources is needed for numerical analysis due to the characteristics of the motor that includes a heat exchanger consisting of hundreds of tubes. Therefore, in this paper, we performed a study for improvement in the cooling performance of a 3-phase 500 frame. 2 pole 6.6 kV 60 Hz TEAAC motor. To overcome the difficulties of experiments and numerical analysis, we developed a test rig that can experiment heat exchanger performance of TEAAC motor without large-capacity power facilities and measured flow rate and temperature of the test rig. Also, we constructed a 3D numerical model of the entire TEAAC motor that can analyze the cooling performance of the TEAAC motor at the entire system level using porous media approach and dual cell heat exchanger model that used as an alternative numerical method for the heat exchanger simulation. The numerical models were verified through performing the grid independence test and comparing it with the experimental results. We have suggested 3 design factors that can improve the cooling performance of TEAAC motor such as internally finned tubes, the number of baffles, and heat exchanger housing that recycles exhaust air. Using the verified numerical, we evaluated the cooling improvement effect of the motor according to 3 design factors using the average stator winding temperature as evaluation index in order to analyze the cooling effect of each design factors at the entire system level of the motor. The following results were obtained. Applying the internally finned tubes rather than the existing tubes reduces the external air flow rate by about 3.4%, but it also reduces the average stator winding temperature rise by 2.7℃ due to the increase in the heat transfer area inside the tubes. The results represent an improvement in cooling of about 4.1% based on the winding average temperature rise. Increasing the number of baffles from one to three in the heat exchanger had the effect of lowering the outlet temperature of internal air by 4.6℃, but the average temperature rise in the stator winding was increased by 3.1℃ owing to a decrease in the internal air flow rate caused by the increased pressure drop through the tube banks. Therefore, increasing the number of baffles reduces the cooling performance of the TEAAC motor. Use of recycle HX housing in the TEAAC motor reduces the average temperature of the motor surface by 7.9℃ due to direct cooling of the motor frame. This effect reduces the average temperature rise in the stator winding by 1.2℃. The results show a cooling improvement of about 1.8% based on the average stator winding temperature rise. Use of internally finned tubes in conjunction with recycle HX housing in the TEAAC motor decreases the average winding temperature rise by about 3.4℃. This value is slightly smaller than 3.9℃, which is the sum of the temperature effects in the stator winding of each design factor alone.

LED 최대 광효율을 위한 Cavity Size 및 경사각 최적화에 관한 연구

정재희 서울市立大學校 2009 국내석사

최근 전 세계적으로 환경문제를 해결하기 위해 저탄소 녹색성장을 목표로 환경보호에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 이산화탄소 배출량 감소를 우리나라는2020년까지 2005년 대비 4%, 미국은 17%, 중국은 40∼45% 감축 결정을 내렸다. 이산화탄소 감소를 위한 대안으로 최근 각광 받고 있는 LED(Light-Emitting Diode)는 정보 통신, 디지털 가전, 교통, 자동차, 의료, 조명산업 등으로 응용 분야가 급속히 확대되고 있는 추세이며, 빛을 활용하는 경제·사회적 공간에 감성융합·친환경이란 개념을 접목시켜 다양한 고부가가치 파생산업을 창출하는 등 신성장동력의 원천기능을 수행할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 원천기술을 보유한 美·日·獨 기업들이 전 세계 LED 시장의 약 67%를 점유한 가운데 中·대만 등 후발기업들은 저가·대량생산을 통해 시장공략을 하고 있다. LED 기업은 미래 핵심기술 경쟁력 확보를 위해 고출력 고효율 LED 개발을 목표로 정하고 LED 소자 개발 및 설계/공정 개선 등을 통해 LED 효율 향상에 최선을 다할 것이다. 본 논문은 실험계획법을 이용하여 LED 최대 광효율 도출을 위해 Cavity Size 및 경사각의 최적 조건을 구함으로써, 실제 제품 개발 시 비용과 시간이 크게 단축 될 것으로 판단된다.

제습냉방 시스템에서 저온재생 제습로터 설계와 운전 영향인자가 시스템의 성능제고에 미치는 영향

이진교 서울시립대 중앙도서관 2010 국내석사

저온재생 제습로터에 쓰이는 제습제는 한국과학기술연구원(KIST)에서 개발한 초흡습성 고분자 제습제(SDP)는 초흡수성 폴리머(SAP)를 이온변환 하여 수분의 흡수능력을 크게 향상시킨 것으로 기존의 실리카겔이나 제올라이트 등의 고체 제습제보다 흡습 능력이 4-5배 이상 크다. 저온재생 제습로터는 제습부와 재생부의 면적비율을 선행연구에 의해 최적비율로 나타난 0.7로 고정된 카세트 형태로 제작하였다. 저온재생 제습로터의 성능을 분석하기 위해서 본 연구에서는 상용제품인 silicagel 제습로터와 SDP 제습로터의 성능실험을 하여 비교하였다. 본 연구에서 연구한 SDP 제습로터는 저온 재생공기인 60 온도에서 만족할 만한 제습성능을 나타내었다. 수치해석 결과와 같은 조건에서 실제 실험한 결과를 비교하여 같은 경향성을 띄며 거의 일치하는 것을 결과 분석을 통해 알 수 있었다. 제습로터 시장에서 상용화 되고 있는 silicagel 제습로터는 종이재질로 만들어진 SDP rotor에 비해 무게가 3배 이상 나가며 단면적은 SDP 제습로터와 같고 공기의 유동방향 길이가 50mm가 더 길다. 성능비교 실험결과 상용화된 silicagel 제습로터보다 SDP 제습로터의 흡습성능이 유량변화에 따른 최적 주기와 재생공기 온도변화에 따른 최적주기에서 15% 이상 제습성능이 좋게 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 본 연구는 기존의 제습로터보다 좋은 성능을 내며 저온재생이 가능한 제습로터를 개발하기 위하여 수행되었다. 본 연구를 통해 알아낸 저온재생 제습로터의 운전인자 변화에 따른 최적주기를 적용한다면 증발 냉각기와 시스템화하여 가정용 제습냉방기로의 사용에 더욱 적합해질 것이라 예상된다. In this study, The polymeric desiccant rotor is made from the super absorbent polymer by ion modification. It is known that Super Desiccant Polymer(SDP) can be driven by low-grade waste heat. To fabricate the desiccant rotor, firstly the SDP was laminated by coating the SDP on polyethylene sheet. Then corrugated and rolled up into a rotor. The diameter, the depth, the dimensions of the corrugated channel, etc. were pre-determined from numerical simulation on the heat and mass transfer in the desiccant rotor. The dehumidification performance was tested in a climate chamber. The relevant tests were carried out at the process air inlet temperature of 32, the regeneration air inlet temperature of 55-70 and the inlet dew-point temperature of both the process air and the regeneration air of 18.5. when the rotation period is long, the moisture sorption is not effective. In the desiccant rotor developed in this study, the optimum rotation period is found about 300s at the regeneration temperature of 60. It was found from further experiments that the optimum rotation tends to decreases as the regeneration temperature increases. Meanwhile, the outlet temperature of the process air deceases monotonically as the rotation period increases.

다중회귀분석 및 시뮬레이션을 이용한 대학건물 전력 사용량 연구

이태규 서울시립대학교 일반대학원 2015 국내석사

최근 대학건물의 에너지 사용량이 지속적으로 증가하고 있으며, 이로 인해 국내 각 대학들은 에너지 소비저감을 위한 다양한 노력을 기울이고 있다. 그러나 대학교 건물의 에너지 사용량 감소를 위한 방안은 캠페인성에 머무르고 있으며, 태양광과 같은 재생에너지에만 한정되어 있어 도움이 되지 못하고 있는 상황이다. 대학건물의 효율적인 에너지 성능개선 방안을 위해서는 건물의 운영상의 관점에서 건물의 에너지 사용량에 영향을 미치는 요소를 분석하는 연구가 필요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 서울시립대학교 건물들의 에너지 사용량 조사 및 분석을 통해 전력사용량이 높은 건물들의 특징을 분석하였다. 그리고 전력사용량에 영향을 미치는 요소들이 어떠한 것이 있는지 선정하였고, 각 요소들이 전력사용량에 영향을 미치는 정도를 정량적으로 파악하기 위하여 다중회귀분석을 이용하였다. 이를 바탕으로 대학 건물의 전력사용량 절감을 위한 방안을 도출하고, 건물 에너지 해석용 프로그램 Energy Plus를 통해 전력사용량에 영향을 미치는 요소를 개선하였을 때 전력사용량이 어느 정도 절감 되는지 분석하였다. 그 결과 전력사용량이 높은 건물들은 최근에 완공된 건물이었으며, 창호면적 비가 크고, 모두 EHP 냉난방시스템을 사용하고 있었다. 그리고 다중회귀분석을 이용하여 EHP 시스템과 보일러가 건물의 전력사용량에 많은 영향을 준다는 것을 알 수 있었고, 어느 정도 영향을 미치는지 정량적으로 파악할 수 있었다. 이를 바탕으로 도출된 전력사용량 절감 방안은 기밀성능 개선, EHP 시스템 변경, 창호면적 감소이며, 각 개선방안 마다 시뮬레이션을 통해 건물의 전력사용량 감소량을 파악할 수 있었다. In recent years, the energy consumption of university buildings has been increasing continuously. The electric power consumption of the university buildings in University of Seoul was analyzed in order to look for important factors affecting the energy consumption. For this purpose, the electricity consumptions were gathered at all buildings in the campus. Then, the energy simulations were carried out in order to improve the building design and to examine the usefulness of the heating and cooling installations in the view point of building energy saving. Energy Plus was used for building energy simulation. The electric power consumption in the university buildings has been gradually increasing as time goes on. The energy power consumption in the building of sciences was higher than that in the building of arts. The higher energy consumption buildings have a few characteristics. They had been completed in recent years and had a higher ratio of windows to exterior wall area over 30%, and most of them adopted the electric heat pump (EHP) system in order to deal with heating and cooling loads. Through the multiple regression analysis of the electricity power consumptions in the university buildings, the major factors affecting the electric power consumption were known to be EHP system, boiler, windows area, and residents. The basic power consumption induced by lighting, refrigerators, test equipments, and individual heating/cooling appliance was close to be 70 %, that was very higher than other factors. In the buildings of sciences, about 85 % of electric power was occupied by the basic power consumption that can not be easily controlled. From the results of the energy simulation, the central air conditioning system has a benefit to save the energy in the university building, as compared to the EHP system that can be controlled individually. It is recommended that the window/exterior wall ratio is designed to be lower than 25 % but the solar powered photovoltaic system is not adopted considering pay-back period.

공동주택의 하이브리드 환기시스템 적용에 관한 연구

곽명근 서울시립대학교 2011 국내박사

The insufficient ventilation of apartments due to the recent trend for high airtightness and insulation has increased the incidence of Sick House Syndrome, which has caused the Ministry of Construction and Transportation to make the installation of air ventilation systems compulsory by revising the legal ventilation standard on February 2006 to 0.7 times per hour. As this is expected to bring about an increase in energy consumption, numerous studies pertaining to ventilation efficiency are underway, but most are relying on simulations while there are few examples of actual field ventilation performance evaluations. Furthermore, there are no field studies at all for hybrid class-one ventilation systems. Therefore this study analyzed natural ventilation amounts and evaluated the ventilation performance of ventilation systems including hybrid varieties that are capable of complementing the weaker points of natural and mechanical ventilation, by performing actual measurement experiments in the summer and winter under field environments. Also, I have combined cooler and heater facilities and ventilation systems that together affect indoors temperature, moisture, and thermal comfort, chosen them as air conditioning systems and evaluated their energy usage reduction effect and economical merit using manual code. Through this, I analyzed the possibility of hybrid ventilation systems being applicable to apartments in terms of not only ventilation performance, but also energy usage efficiency. The results of this study are as follows. The results of the evaluation of the summer season ventilation performances of individual ventilation systems showed that rooms satisfied the legal ventilation standard of 0.7 times per hour with natural ventilation alone, both the rooms and the living room were able to use natural ventilation the most with the class-one balanced system. The results of the evaluation of ventilation performance according to hybrid ventilation system showed that in rooms, the ventilation amounts of hybrid 2, 3 were similar at 1.17times/hour and 1.13times/hour, whereas hybrid 1 exhibited approximately 1.4 times more ventilation amount than hybrid 2, 3. Also, hybrid ventilation provided amounts larger than mechanical ventilation amounts by the difference of the amount of natural ventilation and that of infiltration to the indoors, which resulted in a reduction of 0.45times/hour in rooms and 0.12times/hour in the living room of the ventilation amount necessary to satisfy the legal standard compared to mechanical ventilation. The results of the winter season evaluation of ventilation performance according to individual ventilation systems, show that the rooms and the living room all exhibited the most ventilation amount when using the class-one balanced system, while mechanical ventilation in all cases satisfied the legal ventilation standard of 0.7 times per hour. Also, like the results of the summer season measurement, hybrid ventilation was shown to provide more ventilation amounts to the indoors than mechanical ventilation by the difference of the natural ventilation amount and the infiltration amount. This induced a 0.31times/hour reduction in rooms and a 0.1times/hour reduction in the living room of the ventilation amount necessary to satisfy the legal standard compared to mechanical ventilation. The results of the analysis of energy usage reduction effects according to air conditioning system showed that Type 2~4 (mechanical and hybrid ventilation through CO2 control) had a 25~35% effect of reducing air conditioning energy compared to Type 1 (constant 0.7 times per hour mechanical ventilation). Also, because the energy usage amounts of Type 2~4 were similar, the energy usage reduction effect that the introduction of external air through natural ventilation devices had were minimal. In the case of Korea, the legal ventilation standard of 0.7 times per hour was established by the Ministry of Construction and Transportation in order to fundamentally resolve the Sick House Syndrome problem by allowing the immediate expulsion of volatile organic compounds to the outdoors. However, as the results of this study show, keeping the IAQ(Indoors Air Quality) under the level dictated by the legal ventilation standard is possible through the installation of ventilation systems utilizing CO2 control. Therefore, the Korean ventilation standard of 0.7 times per hour is excessive and in need of being reduced. 최근 건물의 고기밀화 및 고단열화에 따라 공동주택의 환기부족으로 새집증후군의 발생이 증가하여 건설교통부에서는 2006년 2월 법적 환기기준을 시간당 0.7회로 하여 환기시스템 설치를 의무화하였다. 그로 인한 에너지소비량의 증가가 예상됨에 따라 환기성능 관련 연구가 활발히 진행 중에 있지만 대부분 시뮬레이션에 의존할 뿐, 실제 현장에서의 환기성능 평가는 거의 이루어지지 않고 있다. 더구나 하이브리드 1종 환기시스템에 대한 실제 현장에서의 연구는 거의 전무한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 자연환기와 기계환기의 단점을 상호 보완할 수 있는 하이브리드 환기시스템을 포함하여 환기시스템별로 하절기와 동절기 동안 실제현장에서 실측실험을 통하여 자연환기량 분석 및 환기성능을 평가하였다. 또한, 실내 온․습도 및 열쾌적성에 영향을 주는 냉․난방기기와 환기시스템을 조합하여 공조시스템으로 선정하여 Manual Code를 이용하여 에너지절감 효과 및 경제성을 평가하였다. 이를 통하여 환기성능 뿐만 아니라 에너지성능 측면에서 하이브리드 환기시스템이 공동주택에 적용가능 한지를 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 하절기 개별환기시스템별 환기성능 평가 결과, 방의 경우 자연환기량만으로도 공동주택 법적 환기기준인 시간당 0.7회를 만족하였으며, 방과 거실 모두 Balanced system(1종)이 가장 많은 자연환기량을 이용할 수 있었으며, 하이브리드 환기시스템별 환기성능 평가 결과, 방의 경우 Hybrid(하이브리드) 2,3의 환기량은 1.17와 1.13회/h로 유사한 반면, Hybrid 1은 Hybrid 2,3의 약 1.4배 환기량이 큰 것으로 나타났다. 또한, 하이브리드 환기량은 기계환기량보다 자연환기량과 침기량의 차이만큼 더 많은 환기량이 실내로 공급됨에 따라 하이브리드 환기시스템을 이용할 경우 법적 환기기준을 충족하기 위한 필요환기량을 기계환기에 비해 방은 0.45회/h, 거실은 0.12회/h 줄일 것으로 판단된다. 동절기 개별환기시스템별 환기성능 평가 결과, 방과 거실 모두 Balanced system(1종)에서 환기량이 가장 컸으며, 기계환기 모두 법적 환기기준인 시간당 0.7회를 충족하는 것으로 나타났다. 또한, 하절기와 마찬가지로 하이브리드 환기량은 자연환기량과 침기량의 차이만큼 기계환기량보다 더 많은 환기량이 실내로 공급되며, 이에 따라 법적 환기기준인 시간당 0.7회를 충족하기 위한 필요환기량을 기계환기에 비해 방은 0.31회/h, 거실은 0.1회/h 줄일 것으로 판단된다. 공조시스템별 에너지절감 효과를 분석한 결과, Type 2~4(CO2제어에 의한 기계 및 하이브리드 환기)는 Type 1(0.7회 상시 기계환기)에 비하여 약 25~35%의 공조에너지를 절감하는 효과가 있으며 Type 2~4의 에너지소비량은 서로 거의 유사하여 자연환기구를 통하여 외기가 실내로 공급되는 이른바 자연환기 도입에 따른 에너지절감 효과는 미미한 것으로 분석되었다. 국내의 경우 법적 환기기준을 시간당 0.7회로 규정하였으나 이는 휘발성유기화합물 등을 신속하게 실외로 배출하여 새집증후군의 문제를 근본적으로 해결하고자 건설교통부에서 제정하였다. 그러나 본 연구의 결과에서 보듯 CO2제어에 의한 환기시스템 도입만으로도 실내공기질을 기준치 이하로 유지가 가능하기 때문에 실내공기질을 일정 수준이상으로 확보하기 위하여 국내에서 제정한 환기기준인 시간당 0.7회는 과도하기 때문에 이를 줄일 필요가 있다고 판단된다.

메탄가스의 혼합기실내에서의 연소기혼합의 형태에 관한 화염의 특성에 관한 연구

박광복 서울시립대학교 2009 국내석사

기본적인 물리량의 하나. 물체나 물체계가 가지고 있는 일을 하는 능력. 이런 의미를 지니고 있는 단어는 무엇일까? 우리가 일상생활에서 흔히 쓰는 말인 에너지이다. 에너지는 인간의 삶을 참으로 풍요롭고 윤택하게 해 주는 없어서는 안 될 중요한 것이다. 그런 에너지가 현재 인류에게 크나큰 위기를 안겨주고 있는 것이 요즘의 현실이다. 특히, 화석 연료인 석유의 경우, 세계적인 고유가로 인해 물가가 상승하고 사회가 불안정해지는 등의 문제가 발생하고 있다. 화석에너지인 석탄과 석유의 고갈 문제는 거래 가격의 폭등을 초래하고 있는 것에 더해 환경오염의 원인으로 지목되고 있어 그 연료의 사용을 대폭 줄이고자 하는 것이 세계적 추세이다. 그 대표적인 움직임이 바로 교토 협정서의 체결이다. 그렇기 때문에 세계 각국은 앞으로 고갈될 화석 연료 대신, 반영구적으로 사용할 수 있는 청정에너지 및 새로운 에너지 개발을 위해 온 힘을 쏟아 붓고 있다. 자연의 힘을 이용한 태양열, 지열 , 수력, 풍력 그리고 쓰레기 매립지라든지 음식물이 부패하는 과정에서 발생하는 것으로, 천연 가스인 메탄 등이 그 대표적인 예이다. 특히, 메탄가스는 도시 가스의 연료로 각 가정에서 많이 사용되고 있다. 메탄가스를 이용하여 에너지를 공급함에 있어서 중요한 것은 메탄가스의 특성을 잘 살릴만한 연소 장치를 개발하여 메탄가스가 경제성을 띌 만한 에너지가 되도록 발전시키는 것이다. 특히 연소기의 연료/공기의 혼합방식에 따른 연소특성을 연구하여 저(低)질소화합물의 생성을 하는 버너의 연구가 개발 보급되고 있다. 그래서 본 연구는 화석 연료의 고갈 시대를 얼마 남겨 놓지 않은 이 시점 에서 우리에게 또 하나의 대안이 될 수 있는 메탄가스의 특성과 특성을 잘 살릴 수 있는 연소 장치를 어떻게 개발해야 할 것인지를 다루어 보고자 한다.

클린룸 중앙풍도의 성능개선 효과

이상민 서울시립대학교 일반대학원 2015 국내석사

본 연구에서는 FFU type 클린룸과 개선 모델들에 대해서 전산유체역학 기법을 도입하여 기류 해석을 수행하였다. 계산에서 구해진 기류분포 결과들을 이용하여 편향각, 기외정압, 공기나이의 평가지표를 사용하여 비교하고 분석하였다. 일반적인 형태의 FFU type의 클린룸을 기준으로 파티션이 설치된 경우와 중앙풍도가 설치된 경우를 개선 모델로 하여 성능을 비교했을 때, 파티션은 기류 개선에 효과가 있고 중앙풍도는 기외정압을 감소시켜 에너지 절감에 효과가 있는 것을 확인하였다. 파티션에 의해 공기나이가 증가하지만 클린룸 등급에 영향을 주지 않는 정도로 판단하였다. 중앙풍도의 설치 개수가 증가할수록 편향각을 감소시키는 효과가 있지만 기류 개선을 목적으로 하기는 어려운 것으로 판단된다. 또한 중앙풍도의 증가는 기외정압이 선형적으로 감소하고 설치 위치가 Return duct에서 멀리 떨어질수록 기외정압 개선에 유리한 것을 확인하였다. 편향각 개선에 유리한 파티션과 기외정압 감소에 효과적인 중앙풍도를 같이 사용한 복합 모델을 구성하여 기류 해석을 수행하였다. 그 결과 기류 개선과 기외 정압 감소에 모두 효과적인 것을 확인하였다. 파티션에 의해 공기나이가 증가하지만 클린룸 등급에 영향을 주지 않는 정도로 판단하였다. 이상의 결과로부터 클린룸의 성능을 향상시키는 방법으로 기류 개선에 효과적인 파티션과 기외정압 감소에 효과적인 중앙풍도를 함께 사용하는 것이 유리할 것이라고 판단된다. A numerical study was conducted to analyze the characteristics of airflow, energy consumption, and cleanliness in the fan filter unit (FFU) type cleanroom. However, FFU type cleanroom has some weak points. The airflow deflection has been taken place with closing to the return duct of the cleanroom. In order to improve the cleanroom performance, two different improved models including partitions and central return duct (CRD) in the fab were suggested. The airflow pattern, deflection angle, external pressure, and air age were examined as the cleanroom performance. Firstly, the performance comparison among the FFU type cleanroom and two improved cleanrooms was carried out. The cleanroom with partitions is effective in improving the deflection angle, while the cleanroom with CRDs has a strong point in reducing the external pressure and saving the fan energy in the FFU type cleanroom. Secondly, the effect of CRDs on the reduction of the external pressure in the FFU type cleanroom was investigated. As the number of CRD increases, the external pressure is linearly decreased. Especially, the external pressure is more reduced as the distance between return duct and CRDs increases. However, the deflection angle and the air age in the fab is hardly affected by CRDs. Finally, the CFD simulation was carried out in order to find out the optimal design concept, that is the combined model including both partitions and CRDs in the FFU type cleanroom. The combined model is effective in both improving airflow pattern and reducing external pressure without affecting the cleanliness.

반도체 공정용 칠러의 설계 및 운전 특성에 관한 연구

차동안 서울시립대학교 일반대학원 2014 국내박사

The semiconductor process chiller is a comprehensive concept of a refrigerator that removes the heat generated in a chamber under the semiconductor process. Currently, leading semiconductor chip makers are investing about 20% of their sales in purchasing semiconductor equipment. Korea takes the first place in the global semiconductor chip manufacturing industry. But, Korea lags relatively in the semiconductor equipment industry and most semiconductor chillers used by the domestic semiconductor chip industry are imported from the US, Japanese and European companies. In general, the semiconductor goes through a process where the circuit pattern is configured through chemical processes, such as etching and evaporation on a thin disc of semiconductor silicon-made wafer. It has become possible to produce a semiconductor wafer in a stable manner by effectively removing a lot of heat generated through the chemical reaction process. After the etching and evaporation processes, the wafer goes through an automatic wafer sorting process called Electrical Die Sorting (EDS) where the electrical dynamic state of circuit pattern formed by the wafer is examined. As this process starts with the chamber wall’s temperature ranging from 30 to 80℃ and the chamber bottom’s temperature ranging from -10 to 40℃. This shows the importance of keeping the temperature at a constant degree by the chiller. Heater independent compression chiller of the chamber wall and the bottom of the temperature control consists of the individual channel. The semiconductor process chiller currently being produced domestically by using the individual channel. Unlike the normal industrial chiller, the chiller for the overall semiconductor process is required to be run for 24 hours a day. Therefore, for the semiconductor process chiller, operational safety has become the most critical factor, which involves an economic feasibility issue about a great amount of power consumed from continuous operation. The semiconductor process chiller has characteristics of being operated continuously, and this leads to lots of power consumption. As a result, the necessity of an alternative device with high energy efficiency arises and a variety of relevant research and developments are being conducted in the semi-conductor industry. The semiconductor process chiller currently being produced domestically adjusts temperature by the heaters ON/OFF power control of heater, and results in a huge amount of power consumption and a low level of energy efficiency. Recently, there have been efforts to improve cooling efficiency with the introduction of Electronic Expansion Valve (EEV) in Korea, but the operational power consumption has not improved significantly. Consequently, it has become urgent to secure the competitiveness of domestic products due to the inferiority of performance to imported devices. This study carried out the experiments on the semiconductor process chiller by using the digital scroll compressor and dual channel compressor and the commercialized individual refrigeration cycle system with the same capacity. Based on the experiments, the characteristics of the system were examined, and additionally, a temperature rise and fall experiment and a control precision experiment per temperature range depending on load change were implemented so as to respond promptly to change in the set temperature in the actual process. This study intended to identify the operational characteristics of each control method and offers a way to achieve an optimum control method and to save the energy of the semiconductor process chiller based on the results of the experiments. 반도체 공정용 칠러란 반도체의 제조공정 중 챔버 내에서 발생하게 되는 열을 제거하는 냉동기에 대한 포괄적인 개념이다. 현재 유수의 반도체 칩(Chip) 제조업체들은 매출액의 약 20% 정도를 반도체 장비구입에 쓰고 있다. 우리나라의 경우 세계 반도체 칩 제조 산업에 있어서는 중요한 위치를 차지하고 있지만, 반도체 장비 산업은 상대적으로 낙후된 상황이며, 국내 반도체 칩 제조 산업에 쓰이는 대부분의 반도체 칠러들은 미국이나 일본, 유럽 업체들로부터 수입하고 있는 실정이다. 일반적으로 반도체는 실리콘 등으로 이루어진 웨이퍼(Wafer)라는 얇은 원판에 식각, 증착과 같은 화학적 공정을 통해 회로패턴을 형성시키는 과정을 거치게 된다. 이러한 화학반응 과정은 많은 열을 발생시키며 발생된 열을 칠러를 통해 효과적으로 제거함으로써 안정적인 반도체 웨이퍼 생산이 가능하게 된다. 식각 및 증착과정을 거친 웨이퍼는 EDS(Electrical Die Sorting)라고 하는 웨이퍼 자동 선별공정을 거치는데 웨이퍼에 형성된 회로패턴의 전기적 동작 상태를 판별하는 과정이다. 이 과정은 챔버 벽면(Chamber wall)이 30~80℃, 바닥면(Chamber bottom)이 -10~40℃의 온도범위에서 수행되는데 칠러를 통해 일정 수준으로 온도를 유지시켜주는 것이 중요하다. 이와 같이 반도체 공정 전반에 쓰이는 반도체 공정용 칠러는 일반적인 산업용 칠러와 달리 24시간 연중 지속적인 운전이 요구된다. 따라서 운영상에 안정성 문제가 가장 중요한 요인으로 작용하며 이와 더불어 지속적인 운전에 따른 막대한 소비전력에 대한 경제성 문제도 수반된다. 반도체 공정용 칠러는 지속적인 운전을 함으로 인해 소비전력이 매우 큰 특징을 갖는다. 유가상승 및 에너지 고갈문제로 인해 고효율 에너지 절약형 대체장비의 필요성이 부각되고 있으며 반도체 산업에서도 다양한 연구개발이 진행되고 있다. 현재 국내에서 생산되고 있는 반도체 공정용 칠러는 히터의 on/off 출력제어를 통해 온도조절을 하고 있어 소비전력이 매우 크며 에너지효율이 낮은 실정이다. 최근 국내에서도 전자식 팽창밸브(EEV)를 적용하여 냉각효율을 향상시키고 있지만 운전소비전력은 크게 개선되지 않고 있다. 이로 인해 수입 장비의 성능에 비해 열세를 보이고 있으며 제품경쟁력 확보가 시급한 실정이다. 본 연구에서는 현재 상용화된 히터단독 개별 압축방식 모델과 동일용량의 압축기를 듀얼로 연결한 방식, 디지털스크롤 압축기를 적용한 반도체 공정용 칠러에 관한 실험적 연구를 통해 시스템 특성을 파악하고 실제 공정에서 설정온도 변화에 따른 신속한 대응을 할 수 있도록 온도상승 및 하강실험, 부하변화에 따른 온도영역별 제어정밀도 실험을 진행하였다. 그리고 압축방식 변화에 따른 운전 특성을 파악하고, 실험결과를 바탕으로 반도체 공정용 칠러의 최적 제어방안 및 에너지 절감 방안을 제시하였다.

고무발포 단열재의 성능과 운전 및 적용조건에 따른 방산열량에 관한연구

정명식 서울시립대학교 2010 국내석사

【ABSTRACT】 A study on the heat emission depending on the performance, operation and application conditions for elastomeric flexible cellular insulation Jung, Myoung-Sik Dept. of Mechanical Engineering The Graduate School University of Seoul Recently, the use of Elastomeric Rubber Foam as insulation material has been increased in the insulation market of Korea. Hence, construction designers and installation engineers need more studies on the comparative analyses of several performances for different insulation materials such as economic efficiency, energy savings, deterioration phenomena, fire risks and especially major 3 factors, thermal conductivity, water vapor permeability and flame resistance when they select the insulation materials. Thus, this thesis performs the following studies for the ways to apply insulation materials more effectively by reviewing the institutional and technical aspects when the regulations for the use of insulation materials are adopted. 1. consideration for the characteristics and types of basic raw materials(NBR, EPDM) for Elastomeric flexible cellular insulation material, and the ways to inscribe and declare. 2. derivation of the problems in regulations and testing methods for the insulation materials used in Korea 3. comparisons and verification for the performance of the major 3 factors of insulation materials, thermal conductivity, water vapor permeability, and flame resistance through the investigations on physical properties and the tests on thermal conductivity. The conclusions through the research process of this study are as follows 1. We need to lower the thermal conductivity of the basic raw materials(NBR, EPDM) for elastomeric flexible cellular insulation in order to minimize the energy consumption when the insulation applied. This study investigates the base materials, and reveals that the NBR products are better for air conditioning works and more effective to prevent condensation, and the EPDM products perform more effectively against ozone and electricity due to its mixtures and natural physical properties. 2. By testing each sample pieces, the NBR products show the result of 0.033W/m.K and the EPDM products mark 0.036W/m.K for its thermal conductivity performance indices, and the test result shows the EPDM products has about 8% higher in index than the NBR products. This tells the NBR products should be classified as the level ”GA(A)” established by Korea Energy Management corporation(KEMCO) construction design manual under the bulletin 2001-118 of the Ministry of Construction and Transportation and the EPDM products should be classified as the level “NA(B)”. 3. When the final products of NBR & EPDM were tested for the calculation of their amount of heat radiation, we found that the energy could be saved about 6% respectively on the different thickness products of 13mm, 19mm, and 25mm compared to the same products of EPDM material in the 1st dimension calculation method. The study also found that the results in the 1st dimension calculation were not altered much with the 3-dimension calculation methods. On the major 3 factors, thermal conductivity, water vapor permeability and which affect the performances of insulation, the trade offs are not extra-ordinary, and it is natural for one factor to have higher performance so that the performance of the other factors should be lowered. Therefore, the issues such as the regulations for the Elastomeric flexible cellular Insulation, general standards for installation and special installation manual, technical terminologies, definitions and also sustainability of thermal insulation, flame resistibility, should be studied more in the future researches. key words: deterioration phenomena, sustainability of thermal insulation(water vapor permeability), fire risks(flame resistance), NBR, EPDM, closed cell, semi-closed cell, open cell 【국문초록】 고무발포 단열재의 성능과 운전 및 적용조건에 따른 방산열량에 관한연구 A study on the heat emission depending on the performance, operation and application conditions for elastomeric flexible cellular insulation 최근 국내에서는 단열 재료로써 고무발포단열재의 사용 비중이 증가하고 있는 추세이며 그에 따라 단열재 선정시 경제성, 에너지절감, 경년열화, 화재위험성 등 에 따른 종류별 비교분석과 단열재의 주요 3요소인 열전달율, 투습성 및 난연성을 포함한 제반특성에 대한 더 많은 조사연구가 요구되고 있다. 이에 본 연구에는 단열재 사용의 관련규정을 적용함에 있어서 제도적, 기술적인 사항을 검토하여 보다 효과적으로 적용할 수 있는 방안에 대하여 다음과 같은 연구를 진행하였다. 1. 고무발포단열재의 기초소재(NBR, EPDM)의 특성과 종류, 표기법에 대한 고찰 2. 성능기준의 관련하여 국내외에서 사용되어지고 있는 규정과 시험방법에 연관 있는 사항의 문제점 도출 3. 또한 보온재의 3요소인 단열성, 투습계수(보온 유지력), 난연성(화재 위험성)의 물리적 특성 조사 및 열전도 시험을 통해 성능비교 및 검증 이상의 연구과정으로 얻은 결론은 다음과 같다. 1) 고무발포단열재의 기초소재인 NBR, EPDM제품에서 에너지소비량을 최소하기위해서는 열전도율을 낮추어야하는데 기초소재를 살펴보면 배합량과 본래의 고무특성에서 NBR제품은 공조 및 결로에 효과적이고, 에너지 소비와 무관하고 내오존성, 내전기성에는 EPDM제품이 효과적인 것으로 나타났다. 2) 고무발포단열재의 기초소재의 시편으로 시험한 열전도율을 보면 NBR제품이 0.033W/m.k이고 EPDM제품은 0.036W/m.k으로 약9%정도 큰 것으로 나타났다. 이는 에너지관리공단 설계지침 건설교통부 고시 제2001-118호에서 보듯이 NBR제품은 “가”급이고 EPDM제품은 “나”급에 해당된다. 3) 대상 고무발포단열재의 기초소재인 NBR 과 EPDM으로 완제품인 단열재로 적용 시 1차원식 계산식으로 계산한 방산열량 값이 NBR제품이 두께별로 13mm에서 6%, 19mm에서 6%, 25mm에서 6% 에너지절감 됨을 알 수 있고 이를 3차원CFD해석으로 계산식을 검증한 결과 별 차이가 없음을 살펴보았다. 두 가지 제품의 단열성능에 미치는 주요 요소인 열전도율, 보온 유지력, 난연성은 상호상층 관계가 있어 어느 한 요소가 우수하면 다른 요소의 성능은 떨어지는 성질이 있기 때문에 향후 연구를 통해 고무발포단열재로서 규정, 표준시방과 특기시방, 기술용어, 정의 등과 보온유지력 및 난연성에 대해서도 좀더 깊이 있게 연구되어져야 할 부분이다. 주요어 : 경년열화, 보온유지력(투습), 화재위험성(난연), NBR, EPDM, 고무발포단열재

열전소자를 이용한 VOCs 회수에 관한 연구

백선호 서울시립대학교 산업대학원 2008 국내석사

Recently, it was under an obligation to install VOC Recyling Unit in the cleaner's and the gas station to prevent from discharging VOCs in the atmosphere emitted from the cleaner's and the Gas station. This study was the VOC Recycling Unit used Thermoelectric Module to recycle the organic solvent from the cleaner's and after washing. The traditional recycling way was using the VOC Recycling Unit attached compressor. But, that have weak points of noise, a big size, a danger of fire, a additional pollution and so on. In order to improve this weak point, it was developed VOC Recycling Unit used Thermoelectric Module In order to cooling the hot VOCs where comes to occur from the dryer in high temperature condition, the cooling block attached 32 Thermoelectric Module was made. And, to cooling the hot surface of Thermoelectric Module, a water-cooled equipment was made. As the experimental results from the VOC Recycling Unit, the maximum recovery rate of VOC Recycling Unit was 83.2 % and recycled VOC's purity was 98 % or more. Also, it didn't make a additional noise for using VOC Recyling Unit. 최근 세탁소 및 주유소 등에서 발생되는 VOCs를 대기 중으로 배출하는 것을 막기 위하여 세탁소 및 주유소에 VOCs 회수시설 설치를 의무화하였다. 본 연구는 세탁소에서 유기용제를 사용하여 세탁한 후 건조기에서 발생되는 VOCs를 회수하기 위해 열전소자를 이용한 VOCs 회수장치 개발에 관한 것이다. 기존에는 증기 압축식 냉각장치를 이용한 VOCs 회수기가 세탁소에 사용되어 왔으나, 회수기의 부피가 크고 압축기에 의해 발생하는 소음이 심하며 발생된 VOCs로 인한 화재의 위험이 있어왔다. 이런 단점을 개선하기 위하여 부피가 작고, 소음이 없으며 높은 회수율로 VOCs를 회수할 수 있는 열전소자가 사용된 VOCs 회수장치를 개발하였다. 건조기에서 고온상태로 발생되어진 VOCs를 냉각시키기 위해 16개의 열전소자가 부착된 냉각블럭을 직렬로 두 개 연결한 VOCs 회수장치를 제작하였고, 응축된 VOCs를 재활용하기 위한 수분제거용 분리기를 제작하였다. 제작된 VOCs 회수장치를 이용하여 VOCs 회수율, 회수된 VOCs의 순도 및 발생소음을 실험하였다. 그 결과 건조기에서 발생되는 VOCs의 83.2%를 회수할 수 있었고, 회수된 VOCs의 순도는 98% 이상임을 확인하였다. 또한 VOCs 회수기에서 발생되는 소음은 기존 세탁용 건조기에서 발생하는 소음보다 낮아 회수기 사용에 따른 소음 증가는 없는 것을 확인할 수 있었다.