전기, 배터리, 압축기 또는 움직이는 부품 없이 작동하는 작은 냉각기를 만들 수 있다면 어떨까요?
이 프로젝트는 전통적인 Zeer pot또는 항아리 속 항아리 냉각기를 현대적으로 재해석한 것입니다. 전통적인 Zeer pot에서는 작은 항아리를 큰 항아리 안에 넣고 두 항아리 사이의 틈을 젖은 모래로 채웁니다. 모래 속 물이 증발하면서 내부 항아리의 열을 빼앗아 내용물을 냉각합니다.
저는 이 원리를 3D 프린팅과 격자 구조를 사용해 새롭게 설계할 수 있는지 알아보고 싶었습니다.
주된 영감은 다음 논문에서 얻었습니다: “Enhanced evaporative cooling using additively manufactured PLA–wood composite lattices”, DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.128655. 이 연구에서는 증발 냉각 패드로 사용할 여러 3D 프린팅 격자 형상을 조사했습니다. 테스트한 설계 중 팔각형 격자는 19.7°C의 가장 큰 온도 강하와 0.93의 습구 효율을 기록했으며, 저자들은 이를 넓은 공기–물 접촉 면적과 연관 지었습니다.
제 접근 방식은 해당 연구와 다릅니다. 3D 프린팅한 격자 자체를 젖은 증발 재료로 사용하는 대신, 이 프로젝트는 전통적인 Zeer pot에 더 가깝게 작동합니다. 전통적인 젖은 모래 대신 아래 저장통의 물을 흡수해 전달하는 면직물을 사용하여 냉각 표면이 계속 젖어 있도록 했습니다. 외부의 팔각형 PLA 격자 는 젖은 면직물 주변에 통풍을 제공합니다.
그 결과 탈착식 유리 저장 챔버, 물을 다시 채울 수 있는 급수 시스템, 교체 가능한 면 위킹층, 그리고 성능 측정을 위한 선택 사양 온도 센서를 갖춘 작고 휴대 가능한 증발 냉각기가 완성되었습니다.
이 Instructable에서는 냉각기를 설계하고, 3D 프린팅하고, 조립하고, 테스트한 과정을 보여 드리겠습니다.
CAD 작업을 시작하기 전에 먼저 유리병을 구해야 했습니다. 유리병의 치수가 나머지 냉각기의 크기를 결정하기 때문입니다. 집에서 사용하던 유리병을 재활용했으며, 대략적인 크기는 직경 67.5 mm, 높이 124 mm였습니다.
먼저 기본적인 배치와 치수를 정하기 위해 종이에 개념을 스케치했습니다.
그다음 설계를 Autodesk Fusion으로 옮겼으며, 대학에서 제공하는 교육용 버전을 사용했습니다. 냉각기를 더 쉽게 제조하고 조립할 수 있도록 설계를 네 개의 별도 부품으로 나누었습니다:
베이스에는 저장소에 물이 과도하게 채워지는 것을 방지하는 작은 넘침 구멍도 있습니다.
처음에는 외부 격자 구조가 불필요해 보일 수 있습니다. 병에 젖은 면을 감아 두면 표면 위로 직접 흐르는 공기만으로도 이미 증발 냉각이 이루어질 것처럼 보이기 때문입니다.
그러나 저는 이 냉각기를 특정한 용도에 맞춰 설계했습니다: 공기 흐름이 주로 한 방향에서 들어오는 창문 앞에 배치하는 것. 일반적인 원통형 병에서는 공기가 병 주변으로 갈라져 흐르면서 병 뒤쪽에 비교적 정체된 영역이 생길 수 있습니다.
공기와 젖은 표면의 상호작용이 클수록 증발이 촉진될 것이므로, 외부 격자 구조가 유입되는 공기를 젖은 표면의 더 넓은 부분으로 분산시키는 데 도움이 될 수 있는지 알아보았습니다.
저는 먼저 외벽을 설계했으며, 팔각형 격자 구조부터 시작했습니다. 약 11.5 mm 크기의 팔각형을 선택했고, 이를 통해 원통형 벽 주위에 셀을 균일하게 배치할 수 있었습니다. 이후 나머지 부품은 외벽과 유리병의 치수를 기준으로 모델링했습니다.
그 후 ANSYS Fluent를 사용해 일반 병과 격자로 덮은 설계 를 비교하여 공기 흐름선과 속도 분포를 분석했습니다.
시뮬레이션 결과 격자 구조가 병 주변의 공기 흐름을 변화시키는 것으로 나타났지만, 한 가지 한계도 확인되었습니다: 유입되는 공기의 상당 부분이 젖은 표면에 직접 도달하지 않고 격자 주변으로 지나간다는 점입니다. 이 단계에서는 이미 부품을 출력한 뒤였기 때문에, 실제 프로토타입에는 팔각형 격자 구조를 그대로 사용하고 실제 성능을 실험적으로 시험하기로 했습니다.
앞으로 CFD를 통해 다양한 격자 형상을 계속 조사하여 젖은 표면 위의 공기 분포를 더 개선할 수 있는 설계를 찾을 예정입니다. 이 최적화는 이 Instructable의 2부에서 다룰 수 있습니다.
네 개의 부품은 모두 하나의 Fusion 파일에서 서로 분리된 솔리드 바디로모델링했습니다. 조립 공차는 제작에 사용한 Anycubic Kobra 3 프린터에 맞춰 조정했습니다.
부품은 PLA 로 3D 프린팅했으며, 전체 세트를 출력하는 데 약 4시간 이 걸렸습니다. 출력된 부품은 조립 전에 주로 세척과 디버링 등의 후처리가 필요했습니다.
설계를 재현할 수 있도록 아래에 STL 파일을 제공합니다. 그러나 이 설계는 이 프로젝트에서 사용한 유리병의 치수를 기준으로 제작되었으므로, 그대로 재현하려면 치수가 같거나 매우 유사한 병을 사용해야 합니다.
첫 번째 단계는 병 홀더와 베이스 를 접착제로 결합하여 주요 지지대와 물 저장소를 만드는 것이었습니다.
심지 층에는 면직물을 약 높이 138 mm로 자르고, 폭은 병 둘레보다 약 10 mm 더 크게만들었습니다. 이렇게 하면 천이 병을 완전히 감싸면서 아래쪽은 물 저장소 안까지 내려갈 수 있습니다.
그런 다음 유리병 주위에 병 홀더와 심지 천을 배치하고, 천의 아래쪽이 물 저장소에 닿아 물을 지속적으로 위로 흡수할 수 있도록 했습니다.
마지막으로 깔때기와 빨대, 외부 팔각형 격자, 병 홀더, 베이스 를 함께 조립하여 냉각 장치를 완성했습니다.
처음에는 유리병 내부에 장착하는 바이메탈 온도계를 사용할 계획이었지만, 대신 이미 가지고 있던 전자 부품인 Arduino Nano, DHT11 센서, 0.96" OLED 디스플레이를 활용하기로 했습니다.
전자 장치는 간단하게 구성하고 점퍼 와이어와 브레드보드를 사용했습니다. 기본적인 Arduino–DHT11–OLED 연결을 다루는 튜토리얼은 이미 많이 있으므로, 여기에서는 전체 배선 절차를 반복하지 않겠습니다.
또한 DHT11이 유리병 내부에 위치하고 연결 핀만 바깥으로 나오도록 냉각기 뚜껑을 수정했습니다. 이렇게 하면 센서를 저장 공간 안에 둔 채 뚜껑을 닫을 수 있습니다.
Arduino 코드는 여기에 첨부했습니다. 중요한 점은 제 OLED가 SH1106 드라이버를 사용하므로 첨부된 코드는 SH1106용으로 작성되었다는 것입니다. 동일한 시스템을 제작한다면 OLED의 드라이버를 확인하고 업로드하기 전에 코드에 필요한 변경을 적용하세요.
먼저 냉각기를 외부 격자 없이 테스트하여 기준값을 설정했습니다. 주변 온도는 약 32°C상대 습도는 약 70%.
면의 위킹이 시작되자마자 기록을 시작했다. 약 1시간후, 면은 물을 거의 완전히 위쪽까지 위킹한 상태였고, 항아리 내부 온도는 약 28°C로 떨어졌다. 동시에 항아리 내부에서 측정된 습도는 약 85%까지 상승했다.
그런 다음 팔각 격자를 설치한 상태 에서 시험을 반복했으며, 대체로 비슷한 결과를 얻었다. 온도는 유사한 조건에서 약 28°C 에 도달했다.
이 초기 약 4°C의 온도 감소 는 증발식 냉각기의 예상 작동 특성과 일치한다. 전통적인 Zeer pot에서는 일반적으로 모래가 완전히 포화되고 젖은 덮개를 씌운 후 냉각이 시작되며, 이후 몇 시간 동안 온도가 안정화된다. 그러나 내 시험에서는 면이 아직 위킹 중일 때기록을 시작했으므로 냉각기는 아직 완전히 젖은 상태에 도달하지 않았다.
보다 완전한 시험을 위해서는 면이 완전히 젖은 후 최소 1~2시간이상 기록을 계속하는 것이 이상적이다. 그러나 현재의 시험 조건은 이상적인 조건과는 거리가 멀다. 카라치는 해안 도시이며, 시험은 몬순 시기에 진행되었고 이때는 습도가 비교적 높다. 높은 주변 습도는 냉각기의 증발 잠재력을 낮춘다.
이 냉각기는 주로 4~6월에 사용하도록 설계되었으며, 이 시기 카라치는 훨씬 더 덥고 일반적으로 증발식 냉각에 더 적합한 조건을 보인다.
전반적으로 초기 결과는 예상된 작동 원리와 일치하지만, 팔각 격자의 성능 우위를 입증하기에는 충분하지 않다. 적절한 비교를 위해서는 통제된 조건, 그리고 가능하면 더 덥고 습도가 낮은 조건에서 더 장시간 시험을 수행해야 한다.
이 작업은 Part 2에서 계속 진행할 계획이며, CFD와 물리적 시험을 사용해 개선된 격자 형상을 연구할 예정이다. 또한 다른 환경 조건에서 이 설계를 시험할 수 있는 분들과의 협업에도 열려 있다.
이 첫 번째 프로토타입을 통해 다음 버전에서 개선할 수 있는 몇 가지 영역을 파악했다.
따라서 다음 반복 작업의 목표는 단순히 cooler를 더 차갑게 만드는 것이 아니라, 전체 시스템을 더 효과적이고 조립하기 쉽게 만들며, 신뢰성을 높이고, 시뮬레이션과 실험을 통해 더욱 철저히 검증하는 것입니다.
또한 비슷한 문제를 해결하기 위해 작업하는 다른 사람들과 협력할 수 있다면 매우 기쁠 것입니다. 다른 기후에서 cooler를 테스트하거나, 다음 lattice 설계를 평가하거나, 기술적 조언을 제공하고 싶으시다면 연락해 주시면 감사하겠습니다. 이러한 협력은 제가 현지에서 재현할 수 없는 조건에서 설계를 검증하고 다음 반복 작업을 더욱 유용하게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
원문: https://www.instructables.com/Modern-Zeer-Pot-a-3D-Printed-Passive-Evaporative-C/
https://www.instructables.com/Modern-Zeer-Pot-a-3D-Printed-Passive-Eva…