습기 제어기술 연구논문 번역(한국어 원본)최근 자동차의 헤드램프 디자인이 중요해짐에 따라서 헤드램프의 형상은 무효부의 증대와 복잡한 내부구조를 가지게 되었고, 이에 따라 헤드램프의 고질적인 문제로 끊임없이 제기되고 있는 헤드램프 습기발생은 수많은 노력에도 불구하고 최근 지속적으로 클레임이 발생하고 있다..
또한, 자연현상인 습기발생 자체에 불만을 제기하는 고객도 동호회 중심으로 지속적으로 늘고 있어 VENT 구조 최적화 및 원가부담이 높은 방담코팅 이외의 근본적인 해결을 하기 위한 새로운 방식의 접근이 필요한 시점이다.
헤드램프 습기는 Fig.1과 같이 램프 점등 및 엔진 장기 아이들링 상태에서 램프 내부의 온/습도가 상승한 후에 세차나 주행풍에 의한 급격한 렌즈면의 냉각으로 인해 렌즈 내면에 수분이 응축되는 현상이다.
Fig.1 헤드램프 습기발생 메카니즘
즉, 램프 습기발생 조건은 렌즈표면 온도가 램프 내부 공기 이슬점 온도보다 낮을 때 발생한다.
렌즈표면 온도 < 헤드램프 내부 이슬점 온도= 응축
따라서, 헤드램프 습기발생을 억제하기 위해서는 헤드램프 렌즈 표면의 온도를 높이거나 헤드램프 내부 공기의 이슬점 온도를 낮추어야 한다. 본 연구에서는 분압 제어를 이용하여 헤드램프 내부의 이슬점 온도를 낮춤으로써 헤드램프 습기발생 현상 자체를 개선코자 시도하였다.
2. 본 론
2.1 기술 정의 및 메커니즘
2.1.1 PCM을 이용한 분압 제어 원리
PCM(Phase Change Material)은 상변환 물질, 잠열재를 일컫는 용어로 고체에서 액체 또는 기체로 상변화시 잠열 축적에 의한 일정 온도 유지가 가능한 특성을 가지고 있다. 본 기술에서는 특정 PCM을 사용함으로써 초기 고체 또는 액체상태로 주입 및 보관이 가능하며, 압력 제어를 통해 원하는 온도조건에서 기화를 시킴으로써 습기발생 억제제어를 위한 분압 제어에 응용코자 하였다.
분압 제어는 각 성분들은 혼합물의 압력 P로 작용하지 않고 분압으로 작용한다는 Dalton 모델로 설명 가능하다. Fig.2에서 보여주는 것처럼 분압의 합은 혼합물의 압력과 동일하다. 성분 i의 분압(Partial Pressure ) Pi는 성분 i의 Ni몰이 혼합물의 온도 T와 체적 V에서만 이 성분이 존재할 때 작용하는 압력이다.
Fig.2 n mole 혼합물의 분압
헤드램프는 벤트 홀을 통해 외부와 일정한 압력 평형이 이루어지고, 일정한 내부 체적을 유지한다고 가정할 수 있으며, 이에 따라 분압 제어의 원리를 적용하면 수증기 이외의 다른 기체를 투입할 경우 수증기가 차지하는 분압은 줄어들게 됨을 추정할 수 있다. 수증기의 분압이 줄어들게 되면 Fig.3 T-V 선도에서 알 수 있듯이 수증기가 액체상태로 되는 이슬점 온도도 감소하게 된다.
Fig.3 물질의 상변화시T-V 선도
2.1.2 PCM 습기제어 메커니즘
PCM을 이용하여 습기를 제어하는 메커니즘은
다음의 3단계로 이루어진다.
1) PCM 구동 ( 액체 → 기체 )
– 램프 점등 온도 이용
2) PCM 기체 분출 ( 저온/고밀도 )
– 램프 내부 평균 온도 감소
– 램프 내부 수증기 방출 ( 분압 제어 )
3) 이슬점 온도 하강
– 습기 발생 억제
Fig.4 PCM 습기제어 메커니즘 개략도
램프 점등시 광원의 내부열원에 의한 △T를 동력으로 PCM의 상(Phase)이 변하게 된다. 상 변화시 PCM의 원리에 의해 주위의 열을 빼앗기 때문에 상대적으로 차가운 기체가 램프 내부로 분사되어 램프 내부의 평균온도는 감소된다. 분출된 기체는 밀도가 공기에 비해 크기 때문에 램프 내부의 하단부에 충진되고 기존의 램프 내부의 습공기는 VENT 홀을 통해 램프 외부로 방출되어 수증기 분압이 감소한다. 즉, 램프 내부 공기의 절대습도가 감소하게 된다. 램프 내부의 온도 감소와 절대습도 감소는 아래의 Fig.5 습공기 선도에서 보면 이슬점 온도를 낮추며 이는 습기발생을 억제하게 된다.
2.2 시스템 개발 및 최적화
2.2.1 PCM 물질 선정
PCM 물질은 램프 사용 온도 조건을 고려하여 선정해야 한다. 분압 조절을 위한 기화 작용에서 램프 내부의 점등 온도 조건에서 동작 해야 하며, 기화 이후 분출된 기체는 램프 내부에서 다시 응축 되어서는 안된다.
이 조건을 만족하기 위해서PCM 물질은 1기압 조건에서의 기화온도가 낮을수록 더 유리하다.
우선 기화온도가 0℃이하인 대표적인 물질을 살펴보면 Table.1과 같다
위의 물질 중 R404a, R408a가 1기압 조건에서 기화온도가 -45℃이하로 가장 조건에 부합하는 물질임을 알 수 있다. 또한, PCM이 램프 점등조건에서 작동하기 위해서는 40℃ 이상에서 초기 기화가 되어야 한다. 이는 벌브 점등 조건에서 PCM 장치를 장착할 위치인 램프 내부의 반사면 하단부 온도 기준이다. 위에서 선정한 물질은 기화온도가 -40℃ 이하이므로 초기 기화 조건을 40℃로 설정하기 위해서는 압력 제어가 필요하다. 각 물질은 압력에 따라서 기화온도가 변화며 이를 이용하여 위의 모순 조건을 해결할 수 있다. 위에서 선정된 R-404a와 R-408a의 기화온도와 압력 관계는 Fig.6과 같다.
Fig.6 R-404a/408a의 기화온도-압력
R404a 및 R408a의 경우 기화온도와 압력 그래프에서 보면 기화온도를 40℃ 이상으로 제어하기 위해서는 초기 압력이 약 11~16bar가 설정되어야 함을 알 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이 PCM의 초기 기화 온도를 설정하기 위해서는 압력 제어가 필요하며, 1차 선정한 물질 R-404a, R-408a의 경우는 11~16bar의 초기 압력이 필요하다. 이 고압 조건을 만족할 수 있는 CASE는 부식 방지 및 중량을 최소화 하기 위해 재질로는 AL-alloy를 선정하고 Fig.7과 같이 두께별 내압강도 해석을 통해 최적화 설계를 수행 하였다.
또한, 초기 압력 유지 및 기화된 PCM 분출량을 제어하기 위해 내부 스프링과 이를 고정하고 있는 볼트를 사용하는 Valve를 구성하였다. Valve 구조 및 case 형상은 아래 Fig.8과 같다
Fig.8 PCM UNIT 형상
2.2.3 분사량 설정 및 수명 산정
PCM CASE의 용량은 헤드램프 장착 패키지 공간을 고려하여 기존의 흡습제 사이즈와 동일하게 설정하고, 이 부피 조건에서 초기 PCM 주입량은 60g을 적용하였다. PCM 작동조건은 램프의 점등시의 광원 열을 이용하기 때문에 로우빔 점등 상태에 따라 작동한다고 한정하였다. 헤드램프 LOW BEAM 사용시간은 OSRAM 조사보고서에 따르면 년 200시간, UMTRI(University of Michigan Transportation Research Institute) 레포트에 따르면 97.3 시간이다. 최대 사용조건으로 년 200시간 로우빔과 연동하여 PCM도 작동한다고 가정하면 분사량에 따른 추정 수명은 Table.2와 같다. |
습기 제어기술 연구논문 번역(영어 번역본)1. Introduction
Recently, headlamp design has become more important compared to the past, which has consequently led to increase in the size of functionally nonessential parts and complexity of internal structure. These changes have resulted in headlamp moisture, which has not been resolved despite numerous attempts and serves as a source of customer dissatisfaction.
In addition, the number of customers complaining about the natural phenomenon of moisture generation is continuing to increase, especially around interest groups. These factors necessitate a new approach to solving the problem of headlamp moisture apart from ventilation optimization and expensive anti-fogging coating.
Headlamp moisture is caused when lamp has been turned on and engine has been idling for an extended period of time to raise the lamp’s internal temperature and humidity before rapid cooling of the lens surface by washing or wind during driving, which then causes moisture to condense inside the lens (Fig. 1).
Figure 1. Mechanism of headlamp moisture generation
In other words, headlamp moisture condenses when surface temperature of the lens is lower than the dew point of the air inside the lamp.
Lens surface temperature < Dew point inside the headlamp -> Condensation
Therefore, either the surface temperature of the lamp must be increased or the dew point of the air inside the headlamp must be decreased in order to reduce generation of headlamp moisture. In this study, partial pressure of gas was used to decrease the dew point inside the headlamp in order to suppress headlamp moisture.
2. Contents
2.1 Definitions and mechanisms
2.1.1 Principle of partial pressure control using PCM
Phase change material (PCM) refers to materials that change phage or latent heat materials. It is capable of maintaining temperature to certain degree by storing latent heat during phase change from solid to liquid or gas. In the proposed technology, a PCM that can be inserted or stored in the initial solid or liquid form was vaporized at desired temperature through pressure control, thereby decreasing partial pressure of water vapor to suppress moisture condensation.
The principle of partial pressure control can be explained by the Dalton’s model, which dictates that activity of each component is represented by its respective partial pressure and not by the mixture pressure P. As shown in Figure 2, sum of partial pressures is equal to pressure of the mixture. Pi, the partial pressure of component i, is the pressure of Ni mole of the component when it alone occupies volume V of the mixture at temperature T.
Figure 2. Partial pressure of n mole mixture
It may be assumed that the headlamp establishes pressure equilibrium with the external system through a ventilation hole and maintains constant internal volume. Applying the principle of partial pressure under this assumption, insertion of gas other than water vapor would lead to decrease in the partial pressure of water vapor. The temperature-volume graph in Fig. 3 shows that decrease in partial pressure of water vapor results in decrease in dew point temperature at which water vapor condenses.
Figure 3. Temperature-volume graph upon material phase change
2.1.2 Moisture control mechanism by PCM
Moisture is controlled using PCM through the following three steps.
1) Operation of PCM (liquid → gas)
– Use temperature of turned-on lamp
2) Spraying of PCM gas (low temperature and high density)
-Decrease in average temperature inside the lamp
-Expulsion of water vapor inside the lamp (partial pressure control)
3) Decrease in dew point temperature
-Suppress moisture condensation
Figure 4. Mechanism for moisture control using PCM
When lamp is on, the PCM undergoes phase change using △T provided by the heat from the light source as the driving force. As the PCM absorbs heat from its surrounding upon phase change, relatively cold gas is sprayed inside the lamp to decrease its mean temperature. Because this gas is more dense than air, it collects at the bottom of the lamp interior to push humid air out through the ventilation hole. As a result, absolute humidity of the air inside the lamp decreases. The decreases in temperature and absolute humidity inside the lamp decreases dew point temperature, resulting in suppression of humidity (Fig. 5).
2.2 Development and optimization of the system
2.2.1 PCM selection
PCM must be selected taking into account the temperature of the lamp. It must operate under temperature of the lamp when it is turned on, and it must not condense within the lamp once it is vaporized and sprayed.
To satisfy this condition, PCM with lower vaporization temperature at 1 atmospheric pressure is favorable.
Some common materials with vaporization temperature below 0℃ are shown in Table 1.
Of the listed compounds, R404a and R408a have vaporization temperature below -45℃ at 1 atmospheric pressure and are thus best candidates for partial pressure control of headlamp moisture. Also, PCM must undergo initial vaporization above 40℃ for it to operate when lamp is turned on. This temperature corresponds to the temperature of the lower part of reflective surface inside the lamp when the bulb is turned on, at which the PCM device will be installed. Since the materials discussed above have vaporization temperature below -40℃, pressure control is required for the initial vaporization condition to be set above 40℃. The two apparently contradictory requirements can be satisfied by changing the pressure, as compounds experience change in vaporization temperature at different pressures. The relationship between vaporization temperature and pressure for R-404a and R-408a are shown in Fig. 6.
Figure 6. Vaporization temperature and pressure of R-404a and R-408a
From these graphs, it can be seen that the initial pressure must be set around 11 to 16 bar for the vaporization temperature to be higher than 40℃.
2.2.2 PCM unit design
As shown above, pressure control is required to set the desired initial vaporization temperature of PCM. For our initial candidates R-404a and R-408, initial pressure of 11 to 16 bar is required. Aluminum alloy was selected as the material for the case to prevent corrosion and to minimize the weight, and the given high-pressure condition was satisfied by performing compressive strength analysis for different case thicknesses and optimizing the shape, as shown in Fig. 7.
To maintain the initial pressure and to control the amount of PCM gas that is sprayed, a valve containing a spring and a bolt fixing the spring was designed. Valve structure and case shape are shown in Fig. 8.
Figure 8. PCM unit
2.2.3 Calculation of spray volume and lifetime
Capacity of the PCM case was set to be the same as that of the existing absorbent to take into account the space for mounting package inside the headlamp. Given this volume, initial injection mass of PCM was set to be 60 g. As PCM operates using heat from the light source when lamp is turned on, its consumption was assumed to depend on low-beam being turned on or off. The OSRAM report states that headlamp low-beam is used 200 hours annually, while the University of Michigan Transportation Research Institute (UMTRI) report states 97.3 hours. When 200 hours is set as the upper bound and the PCM is assumed to be used for the same amount of time, estimated lifetime according to spray amount is given in Table 2. |
