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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.2 pp.89-96
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.02.089

Evaluation of Vertical Displacement of Door of Built-in Bottom-Freezer Type Refrigerator by Structural Analysis

Boo-Youn Lee*#
*Dept. of Mechanical & Automotive Engineering, KEIMYUNG UNIV.
Corresponding Author : bylee@kmu.ac.kr Tel: +82-53-580-5922, Fax: +82-53-580-5165
16/09/2019 20/10/2019 26/10/2019

Abstract


In this study, we developed a finite element model for the built-in bottom-freezer type refrigerator and then used the structural analysis method to analyze and evaluate the deflection of the doors. We tested the validity of the developed analytical model by measuring the deflection of the hinge when loads were applied to the upper and lower hinges of the refrigerating compartment and compared these with the analysis results. The comparison of the vertical displacement of the measured result and the analysis result showed an error ratio of up to 12.8%, which indicates that the analytical model is consistent. Using the analytical model composed of the cabinet, hinges and doors, we performed analyses for two cases: both doors closed, and the refrigerating door open. Since the maximum vertical displacement of the refrigerating compartment door (R-door) with the food load is smaller than the gap between the lower surface of the R-door and the upper surface of the freezer compartment door (F-door), it is judged that the R-door and the F-door do not contact when the doors are opened or closed. In addition, the analysis result showed that the difference between the vertical displacement at the hinge on the opposite side and the hinge side of the R-door is favorably smaller than the management criterion of the refrigerator manufacturer.



구조해석을 통한 하부냉동실형 빌트인 냉장고 도어의 처짐량 평가

이 부윤*#
*계명대학교 기계자동차공학전공

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서론

    빌트인(built-in) 냉장고는 냉장고의 전면이 주방 가구장의 전면과 같은 평면에 위치하도록 주방가구 와 함께 설치된다. 근래에 들어서 고급 주방가전이 활성화되면서 빌트인 냉장고도 보급이 늘어나는 추 세이다. 빌트인 냉장고 중에서 양문형(side-by-side) 빌트인 냉장고는 좌측에 냉동실, 우측에 냉장실이 위치하므로 좌우에 두 개의 도어가 설치된다. 반면 에 하부냉동실형(bottom-freezer) 빌트인 냉장고는 일 반적으로 상부에 냉장실, 하부에 냉동실이 위치하 므로 상하에 두 개의 도어가 설치된다.

    본 연구에서 다루고자 하는 하부냉동실형 빌트인 냉장고를 Fig. 1에 나타내었는데, 상부의 냉장실에 는 냉장실도어(R-door), 하부의 냉동실에는 냉동실 도어(F-door)가 설치된다. 이 두 도어는 각각 한 쌍 의 상부힌지(hinge)와 하부힌지를 통하여 캐비닛 (cabinet)에 체결된다. 특히 Fig. 1에 나타낸 냉장실 도어와 같이 도어가 열려 있을 때에는 힌지가 전면 방향으로 펼쳐지는데 도어와 부하물의 무게에 의해 힌지가 변형되고 이로 인하여 도어가 아래쪽으로 처지게 된다. 그런데 만일 상부의 냉장실도어의 처 짐이 과도하게 되면 냉장실도어가 하부의 냉동실도 어와 접촉하게 되어 품질불량 문제를 유발할 수도 있다. 따라서 냉장고 제작사에서는 상부 도어와 하 부 도어의 처짐량이 일정 수준 이하가 되도록 관리 하고 있다. 본 연구는 이러한 하부냉동실형 빌트인 냉장고에 대하여 구조해석을 수행하고, 이를 통하 여 구조설계 시의 중요 지표인 도어의 수직변위와 처짐량을 평가하고자 한다.

    냉장고의 구조해석 및 설계 관련 기존의 연구는 양문형 냉장고에서 발생하는 좌우측 도어 단차의 원인 규명 및 단차 저감에 대한 연구가 다수를 차 지하고 있는데, Kang[1]의 상하단차 저감을 위한 냉 장고 전면 하부 지지용 레그(leg)의 위치 이동과 하 부힌지의 보강 방안에 관한 연구, Lee[2]의 냉장고 지지 방식이 도어 단차에 미치는 영향 평가 및 단 차 저감 방안 연구, Weng 등[3]의 도어 상하단차를 자동으로 조절하기 위한 메커니즘 연구, Jang[4]의 냉장고 주요 부품의 상하단차에 대한 민감도 연구, Kim[5]의 상하단차를 저감하기 위한 역삼각형 지지 구조에 관한 연구 등을 들 수 있다. 이와 더불어 근래에 들어서는 양문형 빌트인 냉장고에 대해서도 도어 단차 평가 및 단차 저감을 위한 연구가 수행 되어 왔는데, Lee[6]의 캐비닛의 변형 해석 및 3D CAD Software를 사용한 도어 단차 평가 연구, Lee[7,8]의 캐비닛-도어 통합모델의 해석을 통한 도어 단차 평가 연구 등을 들 수 있다. 한편, 냉장고 부 품과 관련된 구조해석 및 설계 관련 연구로는 Lee[9,10]의 얼음디스펜서 덕트 캡의 밀봉성능 및 개 방각도 개선에 관한 연구가 있다. 한편 최근의 연 구로서 Lee[11,12]는 양문형 빌트인 냉장고의 하부 댐 핑힌지를 대상으로 한 응력해석 및 피로수명해석을 통하여 힌지레버의 파손방지를 위한 설계개선안 연 구[11]와 도어지지부 브래킷핀의 설계개선안 연구[12] 를 제시한 바 있다.

    본 연구에서는 ANSYS Workbench[13]를 사용한 유 한요소해석을 통하여 하부냉동실형 빌트인 냉장고 에서 발생하는 도어의 처짐량을 해석하고자 한다. 이를 위하여 캐비닛, 도어, 힌지를 포함한 유한요소 해석모델을 개발하고, 해석결과를 측정결과와 비교 함으로써 해석모델의 타당성을 확인하고자 한다. 그리고 도어에 부하물을 투입할 때와 도어 개폐에 따른 해석을 수행하여 그 결과로부터 도어의 처짐 량을 평가하고자 한다.

    2. 힌지의 처짐 측정과 해석의 비교

    먼저 하부냉동실형 빌트인 냉장고에 대하여 ANSYS로 구조해석을 수행하기 위하여 Fig. 2와 같이 유한요소모델을 구성하였다. 요소종류는 20절점 육면 체와 10절점 사면체 솔리드 요소로서, ANSYS의 자동 요소생성 기능을 사용하여 구성하였다. 유한요소모델 의 총 절점 수는 1,519,854개, 총 요소 수는 921,920개 이다. Fig. 2(a)는 캐비닛, 힌지, 도어의 조립체에서 두 도어가 열린 상태의 해석모델을 나타낸다. Fig. 2(b)는 도어가 열린 상태의 냉장실과 냉동실 각각의 상부힌 지와 하부힌지의 유한요소 형상을 나타낸다.

    한편, Fig. 2(c)는 두 도어가 제거된 상태, 즉 캐비닛 과 힌지만을 포함한 유한요소모델을 나타낸다. 본 연 구에서는 도어를 제거한 상태에서 힌지에 하중을 가 하고 힌지의 수직변위를 측정하는 시험을 실시하였 는데, 이 측정결과와 해석결과를 비교하기 위하여 Fig. 2(c)의 해석모델을 사용하였다.

    먼저, 냉장실의 상부힌지에 5 kgf와 10 kgf의 하중을 각각 가하여 이 때 발생하는 힌지의 수직변위를 측정 하기 위한 시험을 수행하였다. Fig. 3(a)와 같이 도어 를 제거한 상태에서 냉장실 상부힌지의 끝단에 추를 사용하여 하중(5 kgf)을 가하고, Fig. 3(b)와 같이 자를 사용하여 힌지의 수직변위를 측정하였다. 냉장실 상 부힌지에서 하중을 가하는 위치와 수직변위를 추출 한 위치는 Fig. 4에 표기하였는데, 하중 부여 위치는 전개된 힌지부품의 끝단이고 수직변위 추출 위치는 캐비닛 전면에 직접 체결되는 힌지부품과 전개된 힌 지부품을 체결하는 핀의 상단이다 . 냉장실의 상부힌 지에 5 kgf와 10 kgf의 하중을 가했을 때의 수직변위 의 측정결과를 Table 1에 수록하였는데, 5 kgf와 10 kgf의 하중에 대한 수직변위는 각각 2.5 mm와 4.8 mm 로 나타났다.

    그리고, 냉장실의 상부힌지에 5 kgf와 10 kgf의 하중 을 각각 가할 때 발생하는 힌지의 수직변위를 구하기 위한 해석을 수행하였다. 이를 위하여 Fig. 2(c)의 도 어가 제거된 해석모델을 사용하고, 냉장실 상부힌지 에 대하여 시험 시와 같은 위치(Fig. 4 참조)에 5 kgf와 10 kgf의 하중, 그리고 캐비닛과 힌지의 자중은 각 부 품별 재료 밀도를 지정하고 정적해석을 수행하였다.

    Fig. 5(a), (b)는 냉장실의 상부힌지에 5 kgf와 10 kgf 의 하중을 가할 때의 해석결과로서, 캐비닛에 직접 체 결되는 힌지부품의 수직변위 분포를 나타낸다. 해석 결과에서 수직변위 추출위치의 변위는 Fig. 5의 분포 도에서 최소값에 해당하며, 5 kgf와 10 kgf의 하중에 대한 수직변위는 각각 2.18 mm와 4.24 mm로 나타났 다. Table 2는 상부힌지에 대한 측정결과와 해석결과 의 수직변위를 비교하여 나타낸 것으로, 오차율은 최 대 12.8 %임을 알 수 있다.

    다음으로는 냉장실의 하부힌지에 5 kgf와 10 kgf의 하 중을 각각 가하여 이 때 발생하는 힌지의 수직변위를 측정하기 위한 시험을 추가적으로 수행하였다. Fig. 6(a)와 같이 도어를 제거한 상태에서 냉장실 하부힌지 의 끝단에 추를 사용하여 하중(5 kgf)을 가하고, Fig. 6(b)와 같이 자를 사용하여 힌지의 수직변위를 측정 하였다. 냉장실 하부힌지에서 하중을 가하는 위치와 수직변위를 추출한 위치는 Fig. 7에 표기하였는데, 이 는 상부힌지에 대한 시험 시와 동일하다. 냉장실의 하 부힌지에 5 kgf와 10 kgf의 하중을 가했을 때의 수직 변위의 측정결과를 Table 3에 수록하였는데, 5 kgf와 10 kgf의 하중에 대한 수직변위는 각각 1.5 mm와 2.9 mm로 나타났다.

    그리고, 냉장실의 상부힌지에 5 kgf와 10 kgf의 하중 을 각각 가할 때 발생하는 힌지의 수직변위를 구하기 위한 해석을 수행하였다. Fig. 2(c)의 도어가 제거된 해석모델을 사용하고, 냉장실 하부힌지에 대하여 시 험 시와 같은 위치(Fig. 7 참조)에 5 kgf와 10 kgf의 하 중, 그리고 자중을 가하고 정적해석을 수행하였다. Fig. 8(a), (b)는 냉장실의 하부힌지에 5 kgf와 10 kgf의 하중을 가할 때의 해석결과로서, 캐비닛에 직접 체결 되는 힌지부품의 수직변위 분포를 나타낸다. 해석결 과에서 수직변위 추출위치의 변위는 Fig. 8의 분포도 에서 최소값에 해당하며, 5 kgf와 10 kgf의 하중에 대 한 수직변위는 각각 1.35 mm와 2.63 mm로 나타났다. Table 4는 하부힌지에 대한 측정결과와 해석결과의 수직변위를 비교하여 나타낸 것으로, 오차율은 최대 10.0 %임을 알 수 있다.

    한편, 이상에서 기술한 바와 같이 시험 시에 하중 부여와 변위 측정을 위하여 추와 자를 사용하였으므 로 시험방법과 측정결과가 정밀하다고 보기는 어렵 다. 이를 감안하면 본 연구에서 만든 해석모델의 정확 성을 평가하는데 있어서 이 정도 오차 수준(상부힌지: 12.8 %, 하부힌지: 10.0 %)은 적절한 것으로 판단된다.

    3. 도어의 처짐량 해석 및 평가

    본 연구에서 다루는 하부냉동실형 냉장고의 도어 는 도어가 닫혀있든 열려있든 도어의 자중과 냉장 실도어의 배스킷(basket) 내의 식품의 무게, 즉 부하 물의 하중에 의해 수직변위가 발생하여 아래쪽으로 처지게 된다. 만일 냉장실도어의 처짐이 과도하게 되면 냉장실도어의 하부면이 냉동실도어의 상부면 과 접촉하게 되어 도어개폐가 원활하게 되지 않는 문제를 유발할 수도 있다.

    한편, 도어는 오른쪽에 위치한 힌지에 의하여 캐 비닛에 조립되므로 힌지측 보다는 힌지반대측의 처 짐량이 더 크게 된다. 특히 상부의 냉장실도어에서 힌지측과 힌지반대측의 수직변위의 차가 과도하게 되면 시각적으로 도어가 비틀어진 것처럼 보일 수 있으므로 소비자의 클레임을 불러올 수도 있다. 이 러한 이유 때문에 냉장고 제조사는 구조설계 시에 냉장실도어에서 힌지측과 힌지반대측의 수직변위의 차가 일정 수준 이하(통상 1.5 mm)가 되게 관리하 고 있다.

    이 장에서는 도어가 닫혀있을 때와 열려 있을 때 에 대하여 부하물 투입 전후의 구조해석을 실시하 여 도어의 처짐량, 그리고 힌지측과 힌지반대측의 도어의 수직변위의 차를 평가하고자 한다. 해석을 위하여 Fig. 2(a)에 나타낸 캐비닛, 힌지, 도어의 조 립체의 해석모델을 사용하였다.

    해석 시에 도어의 무게는 각 부품별 재료 밀도를 지정하여 가하였으며, 냉장실 도어의 질량은 16.6 kg, 냉동실 도어의 질량은 7.9 kg이다. 냉동실도어 에는 배스킷이 없으며, 냉장실도어의 부하물(배스킷 내의 식품) 하중은 도어 내면의 중앙부에 가하였는 데, 부하물 질량은 14 kg이다.

    먼저, 도어가 닫혀있을 때에 대하여 부하물 투입 전후 각각을 해석하였다. 해석결과로서 Fig. 9(a), (b)는 부하물 투입 전과 투입 후에 도어가 닫혀있을 때의 수직변위 분포를 나타낸다. Fig. 9(a)에 나타낸 바와 같이 부하물 투입 전에 냉장실도어 하부면의 수직변위는 힌지측(오른쪽)이 0.57 mm, 힌지반대측 (왼쪽)이 0.95 mm로 나타났으며, 힌지반대측과 힌 지측의 수직변위의 차는 0.95–0.57=0.38 mm이다. Fig. 9(b)에 나타낸 바와 같이 부하물 투입 후에 냉 장실도어 하부면의 수직변위는 힌지측(오른쪽)이 1.01 mm, 힌지반대측(왼쪽)이 1.68 mm로서 부하물 투입 전에 비하여 수직변위가 증가하였으며, 힌지 반대측과 힌지측의 수직변위의 차는 1.68–1.01=0.67 mm로 나타났다.

    다음으로는 냉장실도어가 열려있을 때에 대하여 부하물 투입 전과 투입 후 각각을 해석하였다. 해 석결과로서 Fig. 10(a), (b)는 부하물 투입 전과 투입 후에 도어가 열려있을 때의 수직변위 분포를 나타 낸다. Fig. 10(a)에 나타낸 바와 같이 부하물 투입 전에 냉장실도어 하부면의 수직변위는 힌지측(오른 쪽)이 0.75 mm, 힌지반대측(왼쪽)이 0.99 mm로 나 타났으며, 힌지반대측과 힌지측의 수직변위의 차는 0.99–0.75=0.24 mm이다. Fig. 10(b)에 나타낸 바와 같이 부하물 투입 후에 냉장실도어 하부면의 수직 변위는 힌지측(오른쪽)이 1.34 mm, 힌지반대측(왼 쪽)이 1.79 mm로서 부하물 투입 전에 비하여 수직 변위가 증가하였으며, 힌지반대측과 힌지측의 수직 변위의 차는 1.79–1.34=0.45 mm로 나타났다.

    이상의 해석결과를 정리해보면 부하물 투입 후에 냉장실도어에서 발생하는 최대수직변위(힌지반대측) 는 도어가 닫혀있을 때는 1.68 mm, 열려있을 때는 1.79 mm 수준으로 나타났다. 이 결과는 냉장실도어 하부면과 냉동실도어 상부면 사이의 간극보다 충분 히 작으므로, 도어개폐 시에 냉장실도어의 하부면 이 냉동실도어의 상부면과 접촉할 가능성은 없는 것으로 결론지을 수 있다. 또한, 힌지반대측과 힌지 측의 수직변위의 차는 냉장실도어가 닫혀있을 때는 부하물 투입 전에 0.38 mm, 부하물 투입 후에 0.67 mm이고, 냉장실도어가 열려있을 때는 부하물 투입 전에 0.24 mm, 부하물 투입 후에 0.45 mm로 나타 났다. 이 결과는 냉장고 제조사의 관리 기준인 1.5 mm보다 작으므로 기준을 만족하는 것으로 결론지 을 수 있다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 하부냉동실형 빌트인 냉장고에 대 하여 유한요소모델을 개발하고 구조해석을 통하여 도어의 처짐량을 해석하고 평가하는 방법을 제시하 였다.

    개발된 해석모델의 타당성을 평가하기 위하여, 냉장실의 상부 및 하부힌지에 하중을 가할 때 발생 하는 힌지의 수직변위를 측정하기 위한 시험을 수 행하고 해석결과와 비교하였다. 측정결과와 해석결 과의 수직변위를 비교한 결과, 상부힌지에 하중을 가할 때의 오차율은 12.8 %, 하부힌지에 하중을 가 할 때의 오차율은 10.0 %로 나타나 해석모델은 정 합성이 있는 것으로 판단된다.

    냉장고 전체의 해석모델을 사용하여 두 도어가 닫혀있을 때와 냉장실도어가 열려 있을 때에 대하 여 구조해석을 수행하여 도어의 처짐량, 그리고 힌 지측과 힌지반대측의 도어의 수직변위의 차를 구하 였다. 부하물 투입 후에 냉장실도어의 최대수직변 위는 도어가 닫혀있을 때는 1.68 mm, 열려있을 때 는 1.79 mm 수준으로 나타났다. 이 최대수직변위는 냉장실도어 하부면과 냉동실도어 상부면 사이의 간 극보다 충분히 작으므로, 도어개폐 시에 냉장실도 어의 하부면과 냉동실도어의 상부면이 접촉하지 않 는 것으로 판단된다.

    한편, 힌지반대측과 힌지측의 수직변위의 차는 냉장실도어가 닫혀있을 때는 부하물 투입 전에 0.38 mm, 부하물 투입 후에 0.67 mm이고, 냉장실도 어가 열려있을 때는 부하물 투입 전에 0.24 mm, 부 하물 투입 후에 0.45 mm로 나타났다. 이 수직변위 의 차는 냉장고 제조사의 관리 기준인 1.5 mm보다 작으므로 기준을 만족하는 것으로 판단된다.

    Figure

    KSMPE-19-2-89_F1.gif
    Built-in bottom-freezer type refrigerator
    KSMPE-19-2-89_F2.gif
    Finite element model
    KSMPE-19-2-89_F3.gif
    Photograph of measurement under test load applied to upper hinge of R-door
    KSMPE-19-2-89_F4.gif
    Location of load application and extraction of vertical displacement for upper hinge of R-door
    KSMPE-19-2-89_F5.gif
    Analysis result of vertical displacement under test load applied to upper hinge of R-door
    KSMPE-19-2-89_F6.gif
    Photograph of measurement under test load applied to lower hinge of R-door
    KSMPE-19-2-89_F7.gif
    Location of load application and extraction of vertical displacement for lower hinge of R-door
    KSMPE-19-2-89_F8.gif
    Analysis result of vertical displacement under test load applied to lower hinge of R-door
    KSMPE-19-2-89_F9.gif
    Analysis result of vertical displacement when doors are closed
    KSMPE-19-2-89_F10.gif
    Analysis result of vertical displacement when R-door is open

    Table

    Measurement result under test load applied to upper hinge of R-door
    Comparison of measurement and analysis under test load applied to upper hinge of R-door
    Measurement result under test load applied to lower hinge of R-door
    Comparison of measurement and analysis under test load applied to lower hinge of R-door

    Reference

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