헬멧 시험용 풍동시험기

 

▲ 덕트안에 자전거 헬멧을 쓴 마네킹이 있다. 마네킹 내부에는 온도 센서, 풍력 측정 센서, 히터 등이 내장되어 있다.

 

마네킹에 씌워진 헬멧은 자전거 헬멧이다. 이 장치는 헬멧의 품질을 시험하기 위한 풍동시험장치다.  이 장치는 덕트내에 최대 50Km/h의 유속을 만들어 낸다. 전체 유속 구간 내에서 전부가 층류 상태일 수 없지만 기류는 대부분의 구간에서 꽤 안정되어 있다.  세트를 설치할 공간과 제작 예산, 소음 등을 고려하여 9미터 정도의 소형 덕트식으로 설계하였다. 

이 장치에서 할 수 있는 일은 다음과 같다.
- 최대 50Km/h 층류 발생 덕트
- 마네킨 머리의 가열 및 온도 측정
- 마네킨 목 지점에 걸리는 힘 측정. (유동으로 발생한 힘의 측정, 풍동저울)
- 포그머신을 사용하여 헬멧주변 공기흐름의 시각적 관측

헬멧의 통기성을 정량화하고자 온도센서를 마네킨의 두피 세 지점에 설치 한 후 바람이 빼앗아 가는 열량을 측정하였다. 결과는 같은 시료를 사용하더라도 실험실 온도와 습도에 따라 다르게 나타남으로 이를 감안하여 결과를 해석해야 한다. (해석이란 용어를 사용하니 지나치게 미화되거나 거창해 보이는데 장비는 단순한 것이며 사람이 결과를 고려하거나 판단해야 한다는 의미다. )  온도 측정을 시작하기전 내부의 히터로 마네킨의 두피를 특정 온도로 균등하게 가열하게 되는데 히터로 마네킨 두피를 가열하는 일이 쉬워보이지만 아주 사람잡는 일이다. 마네킨 두피에 균등하게 가열하는 일은 쉽지 않다.  히터상태와 설정온도, 마네킨의 재질등이 민감하게 서로 얽혀 작용하기 때문이다. ( 마네킨의 기술적인 문제는 그렇다 치고 디자인은 물론 제작비까지 고려해야 했는데, 단지 마네킨 하나를 완성하면서 적지 않게 애를 먹었다.)     

목부위에는 풍력 측정 센서인 1축 로드셀이 설치되어 있다.  (본래는 3축으로 제작하려 했으나 포기하였다. 실험 결과 값들이 나온들 재현 할 수 있는 값이 아닐 것으로 생각되었기 때문이다.  물론 결과값 들은 반복되는 실험에서 재현하지 못하더라도 방향성을 읽을 수 있으나 3축 제작을 포기하게 만든것은 헬멧과 마네킨의 고정이다.  가령 폭격기나 전투기의 날개마냥 큰 변화가 아니라면 헬멧의 미미한 형상변화로 3축의 센서 출력이  얼마나 변하겠는가. 이런 데이터는 반복해서 재현 할 수 없다고 생각되었다.)  헬멧의 고정은 목끈으로 실시한다. 고정되는 위치 반복 정도를 도모하고자 상단에 레이저 십자 마커를 부착하여 특정 점에 정렬하여 헬멧을 씌우도록 하였다. 이또한 부착시 위치 반복성을 좋게하려는 노력의 취지인것이지 레이저 마커가 정밀한 부착을 보증해주는 것이 아니다. 

 

 

▲ PC 콘솔화면. 모든 조작은 이 화면에서 한다. 풍속, 헬멧온도, 헬멧에 인가되는 힘, 팬에 관한 모니터링 파라미터를 실시간으로 볼 수 있다. 실험중 각 파라미터는 지정된 파일에 저장된다.

▲ 여기서 데이터를 리포트하고 관리하며 출력한다.

 

 

▲ 포그머신. 유동을 시각적으로 관찰 할 수 있다.

 

▲ 마네킨 세트와 전선은 커넥터로 연결하여 분리가 용이하도록 간결한 구조로 만들었다. 오른쪽 주황색 핸들을 이용해서 마네킨의 경사 각도를 조절한다.

 

▲ 상단의 검은색 장치는 포그머신이다. 좌측 3개의 파이프는 덕트내 유속을 측정하는 유속 측정 프로브다. Low및  High 전구간의 유속에서 높은 정밀도를 가진다. (공인기관에서의) 성능이 검증된 프로브세트다.

 

 

유속은 프로브-트랜스미터 조합으로 측정한다. 3개의 측정 프로브를 부착한 것은 오차를 줄이기 위해서다. 덕트내 유속을 모니터링 하면서 팬의 회전수를 조절하면 목표 풍속을 맞출 수 있게 되나 이 작업을 수동으로 하면 번거로울 수 있어 이를 자동화 하였다. 작업자는 목표 풍속만 입력하면 된다. 다행이도 풍속 모니터링 값의 리플은 거의 목격되지 않았다. 

풍속은 덕트 단면적과 풍량에 의하여 결정되는 것이므로,  우선 최대 유속에서 최대 풍량을 구하고 덕트의 부하를 고려하였더니 300CMM의 유량에서 100mmAq의 압력을 공급하는 Airfoil type fan이 적당한 것으로 나타났다. 국내 제품중 시험성적서가 있고 신뢰 할만한 회사의 제품을 사용하였다. 모터는 3상 380V, 15마력이다. 이 모터를 구동하기 위해 20마력 AC인버터를 사용하였고 인버터와 PC는 RS-485포트로 연결하였다. ( 인버터 노이즈 억제를 위하여 당연히 전기적으로 절연된 시리얼 컨버터를 사용했다.) 팬의 소음은 예상보다 적었다. 안전을 고려하여 팬은 상단부를 개방하는 방식이며 공기흡입 통로가 충분 확보 되도록 하였다.  진동으로 인한 소음을 줄이기 위해 하우징과 팬을 분리하는 방식으로 설계하고 일부러 무게가 많이 나가도록 중량물로 제작하였다.

 

▲ 덕트와 인스트루먼트들을 설치 조립하고 시험가동 한 직 후 찍은 사진이다. 사진으로는 덕트가 투명하여 잘 보이지 않는다. 오밤중 사진이라 창밖이 컴컴! 끝에 달팽이 모양의 팬이 보인다. 꽤 잘 만들어진 팬이다.

 

▲ 팬과 Bellows. 설치중이라 문을 닫지 않았다. 자잘한 진동에 대비하여 중량이 나가는 구조로 만들었다.다. 벨로우즈는 사진보다는 직접보면 꽤 잘만들어져 있는데 소량을 전문적으로 만들어주 업체가 있다. 영세해 보이지만 적지 않은 물량을 소화한다. 작업 능력은 발군이다. 어느 한 분야의 무림고수들은 산업체계의 받임돌이다.

 

팬의 진동을 차단하기 위해 팬과 덕트사이에 PVC Bellows를 설치하였다. 진동을 흡족하게 차단하면서도 높은 풍압에서 떨지 않는다. 팬은 자체적으로 바닥 네 귀퉁이에 쇼버를 가지고 있다. 바닥에 앵커를 설치 하지 않고 단단한 재질의 40T 고무를 깔고 그 위에 팬 프레임을 올려 설치하였다. 덕분에 팬의 회전음만 들릴 뿐 바닥은 전혀 울리지 않는다.

덕트는 10T의 아크릴을 사용하였다. 일정사이즈로 덕트를 만들고 양측에 플랜지를 달았다. 플랜지 끼리는 나사 결합으로 조립한다. 플랜지 사이에는 누기 방지목적으로 발포 실리콘 Seal을 넣었다. 제품의 고급화를 위해 알루미늄 재질의 프레임으로 기본 골격을 만들었다. 철 재질의 각재를 사용하여 용접하고 도색하느니 그 인건비등의 합계 금액으로 차라리 알미늄 프로파일을 조립하여 완성하는것으로 하였더니 외관은 비교 할 수 없을 수준으로 좋았다. 셈 결과 비용과 시간은 비슷하였다.  

덕트내 층류를 유지하는 것은 중요하다. 양호한 구조의 팬과 긴 덕트 그리고 100T의 허니컴을 채택하여 난류를 억제하도록 하였다. 허니컴은 국내 생산 업체가 많지 않다.  업체의 제품 품질이 좋을 수록 가격은 반대로 저렴하다.  습자지에 비유 할 만큼 얇은(엷은) 허니컴 원단을 구매하여 필요한 사이즈로 가공하는 일은 매우 난해하며 시간도 적지 않게 소비된다. 허니컴 가공 작업(크기에 맞게 절단하는 작업)은 혼자 할 수 없으며 여러사람이 필요하다.

▲ 허니컴(벌집). 덕트 구성에서 허니컴의 위치와 프로브의 위치는 중요하다.

 

사용된 포그머신은 저렴한 무대연출 용도로 사용되는 600Watt급이다. 이 분야에서는 소형에 속한다. 물론 그대로는 적용 할 수 없으므로 개조해야 한다. 개조의 핵심은 적정한 재질의 노즐(형태), 연기량 조절 등이다.  풍동 실험에 사용되는 기성품 포그머신은  이 보다 훨씬 고가이므로  예산이 부족한 경우 이런 방법을 추천한다.  적정의 분사량과 입자의 군집성이 요구되므로 위하여, 포그액의 점도와 입자의 확산도를 선택의 주요 관점으로 파악하면 실패가 없다.  포그액은 아래와 같다.

   

완성된 장치는 이렇다.  일찌기 이 제작기를 블로그에 올려보려 했으나 어쩌다 보니 매일 미루게 되었는데 대략 적고 대략 옮겼다.

▲ 가운데 전기박스는 포그머신 컨트롤러와 인스트루먼트 박스다. 여기에 pc나 노트북을 연결하여 풍동시스팀을 운영한다. USB포트 한개로 연결되는 매우 간단한 구조다.

 

▲ 대략 9미터. 분해하여 5톤 차량으로 운송하였다. 마네킨 이 후 단은 분리하여 자유롭게 이동 시킬 수 있다.

 

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