음료수를 빠르게 식히는 기기를 찾아본 적이 있다면, 얼음물에 캔을 넣고 회전시키는 장치를 본 적이 있을 것입니다. 캔을 회전시켜 내부의 액체를 섞는 것은 음료를 빠르게 식히는 훌륭한 방법이지만, 이는 열역학적 문제의 절반만 해결할 뿐입니다. 캔의 외부 표면은 여전히 정체되어 있고 열 전달이 느린 ‘열 병목 현상’에 갇혀 있습니다. 그렇다면 이 병목 현상을 개선한다면 음료를 얼마나 더 빨리 식힐 수 있을까요?
따라서 이 프로젝트의 목적은 단순히 얼음물에 캔을 돌리는 데 그치는 대신, 기존에 시도된 방법을 바탕으로 이를 한층 더 개선하는 것이었습니다. 이 설계는 캔을 냉각하기 위한 두 가지 새로운 기법을 도입했는데, 바로 고속 물줄기 분사와 이중 축 회전을 결합한 방식입니다!
자료:
하드웨어:
*황동 피팅의 경우 NPT 또는 BSP 중 하나를 사용하십시오(저는 BSP를 선택했습니다).
전자제품:
도구:
요약
난류가 심할수록 = 냉각 속도가 빨라진다
제트 분사: 고압 물줄기를 이용해 표면의 따뜻한 물층(블랭킷)을 씻어냅니다.
방향 전환: 몇 초마다 회전 방향을 바꾸면 액체 자체의 관성을 역으로 활용하게 됩니다. 캔 내벽이 액체에 부딪히면 엄청난 힘이 발생하여, 따뜻한 중심부가 얼어붙은 캔 내벽에 강하게 부딪치게 됩니다.
더 자세히 알아보기:
음료를 빠르게 식히려면 음료에서 열이 빠져나가야 합니다. 열은 음료와 알루미늄 캔을 통과하여 냉각수로 전달되어야 합니다. 이 과정에서 열은 대개 다음 두 가지 병목 현상 때문에 갇히게 됩니다:
외부 병목 현상 해결:
제트 충돌 냉각은 고압의 물줄기를 캔에 직접 분사하는 방식입니다. 이로 인해 외부 유체의 흐름이 층류에서 난류로 전환됩니다. 이 고압 물줄기는 가열된 물층(블랭킷)을 완전히 제거합니다. 그 자리를 알루미늄 표면에서 더 빠른 속도로 열을 제거하는 연속적인 난류 상태의 얇은 물층이 대신하게 됩니다.
내부 병목 현상 해결:
기존의 캔을 한 방향으로 회전시키는 급속 음료 냉각기의 경우, 액체는 처음 몇 초 동안만 섞입니다. 캔 내부의 액체가 회전하는 캔의 속도에 따라잡는 순간, 액체와 캔은 다시 같은 속도로 함께 회전하게 되고, 혼합은 멈춥니다. 그러면 열은 다시 중심부에 집중됩니다.
그러나 몇 초마다 회전 방향을 반대로 바꾸면, 알루미늄 캔의 벽면은 방향을 바꾸게 되는 반면, 내부의 액체는 관성에 의해 여전히 앞으로 회전하려는 힘을 받게 됩니다. 따라서 캔 벽면이 액체에 강하게 부딪히게 됩니다. 이러한 갑작스럽고 격렬한 방향 전환은 많은 난류를 발생시켜, 액체가 층을 이루며 정체되는 현상을 방지합니다. 이로 인해 중심부의 따뜻한 액체가 지속적으로 차가운 캔 벽면에 직접 부딪히게 됩니다.
이 프로젝트에서 CAD를 사용한 것은 매우 유용했습니다. 모든 부품을 빽빽하게 채워 넣지 않고도 제자리에 배치할 수 있었기 때문에, 모든 구성 요소가 매우 체계적으로 정리될 수 있었기 때문입니다. 특히 전자 부품의 경우, 이를 위한 장착 보드를 설계할 수 있어서 더욱 유용했습니다. 이 작업에 사용된 CAD 프로그램은 Fusion 360이었습니다.
이 부품들의 설계는 상당히 구형으로 여겨지는 제 3D 프린터에 맞춰 특별히 제작되었다는 점을 유의해 주시기 바랍니다. 예를 들어, 오버행이 최소한으로 필요하도록 설계되었습니다. 따라서 최신형 3D 프린터를 사용하신다면, 이 부품들을 출력하는 데 전혀 문제가 없을 것입니다. 👍
제어판에는 두 개의 온/오프 스위치, 다이얼 하나, 그리고 화면이 보일 것입니다:
왼쪽 스위치: 냉각 시스템을 켜거나 끕니다. 여기에는 PC 팬 2개와 펠티어 모듈 3개가 포함되어 있습니다. 이 스위치는 일반적으로 물을 지속적으로 냉각시키기 위해 켜 놓습니다. 따라서
오른쪽 스위치: 펌프와 회전 모터를 작동시켜 캔 표면에 고속의 물줄기가 분사되도록 합니다. 동시에 캔은 몇 초마다 반대 방향으로 계속 회전합니다.
다이얼(포텐시오미터): 펌프의 출력을 조절하며, 이를 통해 캔에 분사되는 물줄기의 세기를 제어합니다. 이 장치는 물줄기의 속도가 달라졌을 때 냉각 성능에 어떤 영향을 미치는지 테스트해 보도록 여기에 설치되었습니다.
화면: 이는 단순히 온도계에 연결된 LCD 화면으로, 냉각 박스 내부의 물 온도를 표시해 줍니다.
전선/케이블 정리가 엉망이라 죄송합니다. 이 정도 양의 전선을 다뤄본 경험이 거의 없어서요.
:/
팬은 팬 장착판에 고정되어 있으며, 여기서 공기를 위쪽으로 히트 싱크 안으로 불어넣어 열을 방출하도록 돕습니다. 올바른 기류 방향을 위해 팬을 올바른 방향으로 장착해야 합니다(사진 참조).
평평한 면이 위를 향하도록 히트싱크를 팬 위에 올려놓기만 하면 됩니다. 그러면 히트싱크가 중앙에 위치하게 되며, 히트싱크 마운트(.stl)를 사용하여 제자리에 고정됩니다.
Fusion을 사용해 도면에 나온 폼(단열재)용 절단 도안을 1:1 비율로 만들었습니다. 그런 다음 종이에 출력하여 폼을 정확한 모양대로 잘라냈습니다. 사진에서 보시다시피, 펠티에 모듈이 딱 들어맞네요(정말 아늑해 보입니다).
그런 다음 펠티어 모듈의 상단과 하단에 열전도 페이스트를 도포합니다. 펠티어 모듈이나 그 위에 있는 알루미늄 시트를 눌러 열전도 페이스트가 고르게 퍼지도록 해야 합니다. 이는 열 전달을 극대화하고 공기 틈새가 생기는 것을 방지하기 때문에 매우 중요합니다.
마운팅 슬롯의 틈새에 에폭시를 바른 다음, 알루미늄 시트를 정렬하여 끼워 넣으십시오. 알루미늄 시트는 펠티어 모듈에서 쿨러 박스로 열을 전달하는 매개체 역할을 하며, 쿨러 박스에서는 물을 냉각시킵니다. 알루미늄은 열전도율이 매우 뛰어난 물질입니다.
알루미늄 시트 규격: 46 × 146 × 2 mm
걱정하지 마세요. 에폭시가 경화된 후에 알루미늄 시트의 파란색 안감/스티커를 떼어냈습니다. 에폭시가 시트 표면에 직접 닿는 것을 방지하기 위해서였는데, 그렇게 되면 효율이 떨어지고 표면이 고르지 않게 될 수 있기 때문입니다.
이번 프로젝트에서 저는 처음으로 PU 폼을 사용해 보았는데, 꽤 의미 있는 경험이었습니다. 폼을 분사한 뒤 팽창하고 경화되도록 기다린 다음, 불필요한 부분을 잘라냈습니다. 이 소재를 사용한 것은 좋은 결정이었다고 생각합니다. 단열 효과가 뛰어나기도 하지만, 쿨러 박스의 좁은 틈새까지 채울 수 있었기 때문입니다. 쿨러 박스에는 안팎으로 통하는 구멍이 여러 개 있습니다. 따라서 그 부분을 단열 처리하는 것이 중요했습니다.
베어링은 챔버에 압입 방식으로 장착되었습니다. 래치와 경첩도 나사로 고정하여 아크릴 패널에 연결했습니다. 또한 아크릴 패널과 상자 본체 사이의 밀봉을 위해 이곳에도 개스킷 메이커를 사용했습니다. 개스킷 메이커를 사용하는 것이 직접 개스킷을 잘라내는 것보다 훨씬 쉬웠습니다.
여기서부터는 제가 이상하고 길이가 제각각인 고정용 부품이나 나사를 사용하는 모습을 보실 수 있을 겁니다. 고정용 부품이 다 떨어져서 다른 길이의 것을 써야만 했기 때문인데요. 그 때문에 아쉽게도 미관상 좀 덜 예뻐 보이게 되었네요. :(
아크릴 패널 크기: 96 x 196 x 3 mm
먼저, 3D 프린팅된 부품의 벨크로 부착면을 입자가 굵지 않은 사포로 갈아 거친 질감을 만들어 주세요. 그래야 벨크로의 접착면이 그 표면에 훨씬 더 잘 달라붙습니다. 그런 다음 벨크로를 부착하세요.
그런 다음 8mm 축을 베어링을 통해 삽입하여, 한쪽 끝은 음료 캔 홀더에, 다른 쪽 끝은 커플링에 연결합니다. 775 모터는 당연히 커플링의 5mm 쪽에 연결됩니다. 그런 다음 모터 쪽 전체를 모터 마운트/케이지 안에 넣어 지지력을 높이고 움직이지 않도록 고정합니다.
여기서 사용된 펌프는 12V 다이어프램 펌프입니다. 제가 이 펌프를 선택한 이유는 다이어프램 펌프가 저온 및 고농도의 이온(염분)에 더 잘 견디기 때문입니다. 이는 나중에 영하 온도의 용액을 실험하여 더 나은 성능을 얻고자 할 때 중요한 요소가 될 것입니다.
이럴 때 테플론 테이프가 유용할 수 있습니다
자재 목록에 명시된 바와 같이, 황동 피팅의 경우 NPT 또는 BSP 중 하나를 사용해야 합니다. 서로 다른 종류의 피팅을 혼용하지 마십시오. 서로 맞지 않을 뿐만 아니라, 결과적으로 돈만 더 쓰게 될 것입니다.
열 커플링을 냉각 박스에 삽입한 다음, 물이 새어 나가지 않도록 밀봉합니다.
775 모터의 속도 및 방향 변화를 제어하려면 아두이노 나노에 펌웨어를 플래시해야 합니다.
또한 제대로 작동하려면 핀을 올바른 것으로 교체해야 할 것입니다.
현재 22°C에서 4°C까지 냉수를 사용하면 약 48초가 걸립니다.
지금은 모든 것을 최적화하기 위해 데이터를 수집하고 있습니다. 현재는 방향 전환 전의 다양한 RPM과 시간대를 시험해 보고 있습니다. RPM이 매우 높다고 해서 성능이 더 좋아지는 것은 아닙니다(여러분이 생각했던 것과는 달리요).
지금 타코미터가 고장 났어요 :(
곧 업데이트될 예정입니다...
원문: https://www.instructables.com/Rapid-Can-Cooler-Using-Jet-Impingement-Cooling/
https://www.instructables.com/Rapid-Can-Cooler-Using-Jet-Impingement-C…