무더운 여름철에는 쾌적함과 업무 효율을 위해 효과적으로 더위를 식힐 방법을 찾는 것이 매우 중요합니다. 하지만 기숙사 방이나 사무실 같은 좁은 공간에서는 완전한 에어컨 시스템이나 대형 선풍기를 설치하는 것이 현실적으로 어려울 수 있습니다. 이러한 상황에서는 간단한 책상용 선풍기만으로도 공간을 거의 차지하지 않으면서 꼭 필요한 시원함을 제공할 수 있습니다. 저는 작은 크기의 책상용 선풍기로 최대한의 냉방 효과를 얻어 더운 날에도 더 수월하게 일할 수 있는 방법을 찾고 싶었습니다.
PC 애호가로서, 저는 AMD Ryzen CPU에 기본으로 포함되어 제공되는 CPU 쿨러가 여러 개 남아 있다는 사실을 깨달았습니다. 이 쿨러들은 컴팩트한 디자인이면서도 충분한 기류와 냉각 효과를 내도록 설계되었습니다. 그래서 그중 하나를 책상용 선풍기로 개조하면 팬 전자 부품을 유용하게 재활용할 수 있겠다고 생각했습니다.
많은 스탠딩 선풍기에는 공간 전체에 바람을 고르게 분산시키기 위해 앞뒤로 회전하는 기능이 있다는 것을 알게 되었습니다. 사용자에게 최대한의 바람을 제공하기 위해 이 진동 기능을 제 책상용 선풍기에 적용하고 싶었습니다.
이 인스트럭터블에서는 앞서 언급한 기능들을 구현한 제품의 설계 및 제작 과정을 소개합니다. 이 제품은 초보자를 위한 간단한 전자 공학 프로젝트로 활용할 수도 있고, 여름철 더위를 식히는 실용적인 방법이 될 수도 있습니다.
준비물:
도구:
소프트웨어:
CAD 작업을 시작하면서, 사용할 계획이었던 모든 기성 부품의 3D 모델을 불러왔습니다. 이 프로젝트는 이미 가지고 있던 재료로 제작되었지만, 사용된 부품들은 매우 흔하고 저렴합니다. 베어링 위에서 팬이 회전하고, 아두이노와 모터는 그 아래에 콤팩트하게 배치되도록 전자 부품을 원하는 대략적인 형태로 배열했습니다.
이 팬은 히트싱크 쪽으로 공기를 유입하도록 설계되어 있어, 대부분의 사람들이 예상하는 방향과는 반대로 장착되어 있습니다. 따라서 팬의 뒷면이 사용자를 향해야 합니다.
그 후 전자 부품을 감싸고 베어링을 장착할 수 있는 “쉘”을 제작할 수 있었습니다. 팬의 베어링과 구동 부품은 모두 둥근 형태이지만, 아두이노는 직사각형 케이스를 선호하기 때문에 상단의 원형에서 하단의 사각형 형태로 자연스럽게 이어지도록 큰 둥근 모따기를 적용했습니다. 이 큰 45도 모따기 덕분에 부품을 거꾸로 3D 프린팅할 수 있어, 날카로운 오버행이 전혀 생기지 않습니다.
그 후, 진동 기능을 위한 동력 전달 장치를 설계할 수 있었습니다. 스테퍼 모터 축에 끼워져 축의 평평한 부분과 맞물리는 작은 피니언 기어를 만들었습니다. 이 기어는 베어링 안에서 회전하며 팬 마운트에 연결된 더 큰 기어와 맞물립니다. 이 기어들의 크기 차이로 인해 감속 효과가 발생하여 더 부드러운 동작이 가능합니다. 팬 마운트는 팬의 기울기를 조절할 수 있도록 간단한 피벗 구조로 되어 있습니다.
마지막으로, 하단에는 아두이노를 장착하기 위한 스탠드오프가 있는 탈착식 플레이트와 금속 추를 넣을 수 있는 공간이 있습니다. 이 플레이트는 설치 및 유지보수를 위해 분리할 수 있습니다.
이 모든 부품들은 최종 CAD 조립체에서 하나로 통합됩니다. 하지만 실제 환경에서 이들 부품이 어떻게 상호작용할지 더 잘 시각화하기 위해, 모든 움직이는 부품에 정밀한 회전 관절을 구현했습니다.
그 결과, 피니언 기어를 돌리면 팬이 정확한 기어비에 맞춰 회전하는 모습을 확인할 수 있으며, 실제로 설치해 보기 전에 회전 한계를 정확히 설정할 수 있습니다. 기계의 한계를 파악함으로써 팬 전선이 과도하게 늘어나거나 손상될 가능성을 방지할 수 있습니다.
팬의 기울기도 정밀하게 조절할 수 있어, 움직임의 범위를 파악하고 질량 중심이나 전도 현상과 같은 문제가 있는지 평가할 수 있습니다.
전체 어셈블리가 어떻게 상호작용하는지 더 자세히 살펴보시려면 아래에 제공된 전체 CAD 파일을 참조하시기 바랍니다.
먼저 3D 프린팅할 모든 부품을 OrcaSlicer로 불러와 프린팅을 준비했습니다. 모든 부품에 Sunlu PLA+ 2.0 필라멘트를 사용했습니다. 쉘은 10% 충진율로 출력했지만, 기어와 같이 더 큰 힘을 받게 되어 추가적인 강도가 필요한 나머지 부품들은 모두 20% 충진율을 적용했습니다. 또한 각 부품의 바깥쪽에 브림을 추가하여 뒤틀림을 줄이고 빌드 플레이트와의 접착력을 높였습니다.
모든 부품은 지지대 없이도 출력될 수 있도록 설계되어, 제작 과정이 훨씬 더 간편하고 접근성이 높아졌습니다. 또한 다양한 색상의 필라멘트를 사용하여 독특한 디자인 요소를 더하거나 특정 책상 배치에 더 잘 어울리도록 할 수도 있습니다.
3D 프린팅 부품에 대한 모든 STEP 파일은 아래에 제공됩니다:
먼저 CPU 쿨러 밑면에 있는 두 개의 십자 나사를 풀어주세요. 그러면 클립으로 고정된 장식용 커버를 분리할 수 있습니다.
그런 다음 팬 상단 주변에 있는 네 개의 작은 십자 나사를 풀어서, 팬 본체를 방열판에서 분리합니다.
3D 프린팅으로 제작한 팬 마운트를 실제 팬의 구멍에 맞추려다 보니, CAD 모델에는 없던 큰 돌출부가 있어 스탠드오프가 장착 구멍에 닿지 못하게 막고 있다는 사실을 알게 되었습니다. (첫 번째 이미지)
이 문제를 해결하기 위해 CAD에서 스탠드오프를 제거한 다음, 동일한 설정으로 팬 마운트를 다시 출력했습니다. 덕분에 마운트가 제대로 정렬되었고 볼트가 끝까지 뚫고 지나갈 수 있게 되었습니다. (두 번째 이미지)
팬 마운트를 부착할 때는 M3 너트와 와셔가 달린 M3x20mm 볼트 3개를 사용하여 팬에 있는 4개의 장착 구멍 중 3개를 고정하십시오. 팬 오른쪽에서는 볼트를 조이기 전에 팬 케이블을 볼트 아래로 밀어 넣은 다음, 케이블이 팬 하단 쪽으로 향하도록 정리하십시오.
선풍기가 기울어지려면, 조절이 가능하면서도 스스로를 지탱할 수 있을 만큼 충분한 저항력을 가진 튼튼한 회전축이 필요합니다.
먼저 팬 마운트를 피벗에 맞춘 다음, M3x50mm 나사산 스탠드오프를 피벗의 왼쪽으로 밀어 넣으세요. 이 스탠드오프는 팬 마운트를 완전히 관통해야 합니다.
그런 다음 M3x14mm 볼트와 와셔를 사용하여 양쪽 끝을 고정하고, 피벗이 어떤 위치에서도 견고하게 고정될 수 있을 정도로 조여 주세요.
피벗을 설치할 준비를 하려면, M3 너트를 피벗 플레이트 상단의 육각 홈에 맞춥니다. 그런 다음 상단 표면과 수평이 될 때까지 프린트물에 눌러 넣으십시오. 프린트물의 공차에 따라 망치와 같은 도구를 사용하여 가볍게 힘을 가해야 할 수도 있습니다.
피벗을 둘러싼 네 개의 M3 너트 모두에 대해 이 과정을 반복하십시오.
내경 55mm 베어링을 쉘 부품 하단의 원형 홈에 압입하십시오. 이는 압입 결합 방식이어야 하며, 베어링이 제자리에 고정되어야 합니다.
그러나 이 연결을 더욱 견고하게 하기 위해, M3x5mm 볼트 4개와 와셔를 사용하여 베어링을 고정하십시오. 와셔는 베어링의 외륜에 밀착되어야 하며, 베어링이 떨어지는 것을 방지하면서도 원활한 회전이 가능하도록 해야 합니다.
스테퍼 모터를 쉘 하단의 장착 구멍에 맞춰 놓고 M3x6mm 볼트 두 개로 고정하십시오. 제대로 정렬되었다면 모터가 쉘 벽면에 바짝 밀착되어야 합니다.
또한 출력축이 쉘 상단의 작은 구멍과 동심이 되도록 하여 모터가 올바르게 배치되었는지 확인하십시오.
참고: 이 사진에는 28BYJ-48 스테퍼 모터 5V 버전이 나와 있습니다. 하지만 이 제품은 28BYJ-48 12V 버전으로 교체해야 합니다.
큰 기어를 55mm 베어링의 내륜에 끼우십시오. 그런 다음 베어링 안에 기어를 고정된 상태로 조립체를 뒤집으십시오.
그런 다음 기어 부품의 구멍에 M3x20 볼트 4개와 와셔를 끼워 넣으세요. 피벗 어셈블리를 가져와 큰 기어에서 튀어나온 볼트와 네 개의 구멍을 맞춥니다. 마지막으로 볼트를 제자리에 밀어 넣은 뒤, 피벗 어셈블리가 쉘에 단단히 고정될 때까지 조여 주세요.
팬과 기어가 여전히 자유롭고 부드럽게 회전할 수 있는지 확인하고, 전체 회전 범위를 돌려보며 테스트하십시오.
소형 피니언 기어를 스테퍼에 부착하기 위해, 팬의 앞면(이전에는 뒷면이었던 부분)이 사용자를 향해 정면으로 오도록 대형 기어를 회전시키십시오. 이것이 진동의 시작 위치가 됩니다.
팬의 정렬이 완료되면 피니언 기어를 가져와 아래쪽을 살펴보고 고정 구멍에 있는 평평한 부분을 확인하십시오. 이 부분들은 스테퍼 모터 축의 평평한 부분과 맞물려야 하므로, 피니언 기어를 그에 맞게 회전시키십시오.
마지막으로 피니언 기어를 위에서 샤프트에 끼워 넣으십시오. 톱니가 제자리에 들어맞도록 큰 기어를 약간 비스듬히 기울여야 할 수도 있습니다.
베이스 부품으로 넘어가서, 금속 추를 베이스 플랫폼 상단의 작은 윤곽선에 맞춰 정렬하기 시작하세요. 그런 다음 핫글루와 같은 접착제를 사용하여 제자리에 단단히 고정하세요.
이 무게 덕분에 팬은 더욱 고급스러운 느낌을 주며, 진동을 최소화하면서도 책상 위에 안정적으로 고정될 수 있게 해줍니다.
또한 노출된 전자 부품이 무게추 상단에 닿아 단락 같은 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해, 무게추 상단을 전기 테이프로 감아 두었습니다.
Arduino Uno의 장착 구멍을 베이스 플레이트의 스탠드오프 3개 위에 맞춘 다음, M3x8mm 볼트로 고정하십시오.
그런 다음 Adafruit 모터 실드를 아두이노 상단에 부착하고, 모든 핀이 올바른 위치에 맞물리도록 주의하십시오. 실드가 완전히 고정되고 아두이노와 평행이 될 때까지 아래로 눌러주세요.
USB A-USB B 케이블을 사용하여 아두이노를 컴퓨터에 연결하십시오. 그런 다음 아두이노 IDE 소프트웨어를 사용하여 프로그램을 업로드하십시오.
코드의 첫 번째 부분은 팬이 효율적으로 작동하기 위해 12V 전력을 전부 필요로 하므로, 팬 모터가 최대 속도로 정방향으로 회전하도록 제어합니다. 그런 다음 스테퍼 모터를 한 방향으로 절반(500 스텝) 회전시켜 진동 주기를 시작합니다.
두 번째 코드 섹션은 반복적으로 실행되며, 스테퍼 모터를 양방향으로 끝까지 이동시킨 후 그 사이에 짧은 지연 시간을 두어 진동 주기를 지속합니다. 스텝 수(1000)는 팬이 매번 회전하는 각도를 결정합니다.
코드가 조금 더 길기 때문에, 관심 있으신 분들을 위해 아두이노 스케치를 아래에 첨부합니다.
스테퍼 모터 전선을 모터 실드에 연결할 준비를 하려면, 먼저 일반 스테퍼 모터 커넥터를 잘라내어 전선 끝을 새로 다듬어야 합니다.
그런 다음, 와이어 스트리퍼를 사용하여 각 전선 끝부분의 절연체를 조금 벗겨내어 그 아래에 있는 금속 부분이 드러나게 합니다.
팬 전선의 경우 과정은 비슷합니다. 먼저 기존 커넥터를 분리하고, 열수축 튜브의 일부를 잘라내어 내부의 색깔이 있는 전선이 보이게 하는 것으로 시작합니다.
파란색, 노란색, 빨간색, 검은색 전선이 있어야 하지만, 우리에게는 빨간색과 검은색 전선만 중요하므로 파란색과 노란색 전선은 잘라내거나 그냥 무시해도 됩니다.
마지막으로 스테퍼 모터 전선과 똑같이 빨간색과 검은색 전선의 피복을 벗겨내면 됩니다.
Adafruit 모터 쉴드는 모터를 구동하기 위해 외부 전원이 필요합니다. 이 전원 공급 장치는 배터리부터 제가 이 프로젝트에서 사용하고 있는 것과 같은 전압 조절이 가능한 전원 공급 장치까지 무엇이든 될 수 있습니다. 중요한 점은 12V 직류 전압을 출력할 수 있어야 한다는 것입니다.
“Power ->”라고 표시된 단자를 사용하여 전원 공급 장치를 모터 실드에 연결하되, 보드에 표시된 + 및 - 기호를 반드시 준수하십시오. 일자 나사를 사용하여 전원선을 단단히 고정한 다음, 전원을 켜고 빨간색 LED가 켜지는지 확인하여 정상 작동 여부를 점검하십시오.
중요: 전자 부품을 케이스에 삽입하기 전에, 마지막 이미지에 표시된 노란색 점퍼 핀이 있는지 반드시 확인하십시오. 이 핀을 연결하면 아두이노가 USB를 통해 컴퓨터의 전원을 사용하는 대신, 동일한 외부 전원으로 작동할 수 있습니다.
전선을 ‘M3’ 및 ‘M4’라고 표시된 단자 쪽에 삽입한 다음, 나사를 조여 노출된 전선을 고정하여 스테퍼 모터를 연결하십시오. 스테퍼 전선을 연결할 때는 다음 색상 순서를 반드시 준수하십시오:
주황색 -> 분홍색 -> 빨간색 -> 파란색 -> 노란색
팬 전선을 쉘 측면의 구멍을 통해 통과시킨 다음, 모터 실드의 반대편에 있는 단자대 쪽으로 연결합니다. 그런 다음 전선을 ‘M1’이라고 표시된 단자 쌍에 연결하되, 검은색 전선은 가운데에 가장 가깝게, 빨간색 전선은 바깥쪽에 위치하도록 합니다.
마지막으로 베이스를 쉘 안으로 밀어 넣으면서 올바른 방향(금속 추는 앞쪽에 배치)을 유지하고 전선은 모두 안쪽으로 밀어 넣으십시오. 단, 전원선은 예외이므로 쉘 뒤쪽의 슬롯을 통해 빼내어 베이스가 쉘 안으로 들어가 오목하게 자리 잡도록 하십시오.
베이스를 고정하려면 하단 모서리 네 곳에 M3x14mm 볼트 4개를 사용하여 쉘 밑면에 나사로 조이고 팬 조립을 완료하십시오.
12V 직류 전원을 공급하면 CPU 팬이 회전하기 시작하고 스테퍼 모터의 진동 주기가 시작되어야 합니다. 팬에서 충분한 바람이 나오는지, 기어가 올바른 거리만큼 회전하는지 확인하십시오.
팬의 기울기 각도를 다양하게 조절해 보며 실험해 볼 수도 있지만, 무엇보다 시원한 바람을 만끽하세요.
이 프로젝트는 사용하지 않는 전자 부품을 활용해 삶을 더 편리하고 쾌적하게 만들어주는 제품을 만들 수 있다는 점을 잘 보여주는 사례였습니다. CPU 쿨러는 원래 장치를 냉각하기 위해 설계된 것이었지만, 이 프로젝트는 그 기능을 사용자 중심의 제품으로 재탄생시켰습니다.
전자 공학 프로젝트를 찾고 계시거나, 여분의 CPU 쿨러가 있거나, 아니면 그냥 더운 날씨에서 잠시나마 시원함을 느끼고 싶으시다면, 이 인스트럭터블이 도움이 되었기를 바랍니다.
원문: https://www.instructables.com/Oscillating-Desk-Fan-From-CPU-Cooler/
https://www.instructables.com/Oscillating-Desk-Fan-From-CPU-Cooler/