21

Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 28, No. 2, pp. 21-25, April 2013Copyright@2013 by The Korean Society of Safety (pISSN 1738-3803) All right reserved.

정수기용 압축기의 안전성 평가 및 소손 패턴 분석에 관한 연구

최 충 석

전주대학교 소방안전공학과

(2012. 11. 24. 접수 / 2013. 3. 20. 채택)

A Study on the Safety Assessment and Damage Pattern of

Water Purifier Compressors

Chung-Seog ChoiDepartment of Fire Safety Engineering, Jeonju University

(Received November 24, 2012 / Accepted March 20, 2013)

Abstract : The purpose of this study is to provide basic data for the safety assessment of a water purifier when water leaks due to inappropriate maintenance and the examination of the cause of accidents related to the leak. Due to its inspection and management by non-specialists, if a leak occurs in a water purifier with the water level controller being inclined, it may result in the failure of the compressor, power supply line, PCB, etc. The analysis of the thermal diffusion pattern of water purifier compressors using a thermal image camera shows that its maximum temperature was approximately 80oC. In addition, its operating current was a maximum of 13 A and the system's operating current was approximately 1.7 A after the compressor was charged. It was found that the housing type power cable cover of the compressor hadthe effect of preventing electric shock but has poor flame resistance. Furthermore, the performance of the overload protector, PTC relays, etc., was excellent but they have potential for problems as metallic terminals were exposed, resulting in the potential of a safety related accident. Theterminals and their surface damaged by the tracking showed a trace of carbonization and the resistance between terminals was measured to be approximately 8 Ω. In addition, while the tracking was proceeding, the fuse and circuit breaker installed for system protection did not operate.Key Words : safety assessment, damage pattern, water purifier compressors, thermal diffusion pattern, tracking

†Corresponding Author: Chung-Seog Choi, Tel : +82-63-220-3119, E-mail : enetek@naver.com Department of Fire Safety Engineering, Jeonju University, 303, Chenjam-ro, Wansan-Gu, Jeonju 560-759, Korea

1. 서 론

가정용 냉온정수기에 사용되는 압축기(壓縮機, compres-sor)는 유체를 압축하여 유체에 기계적 에너지를 가한다는

점에서 펌프와 원리와 기본적으로 같다. 일반적으로 펌프

는 액체를 압축하는 것이고 압축기는 기체에 압력을 가하여 압력과 속도를 변환시킨다는 점에서 펌프와 구별된다. 압축기는 냉장고, 정수기, 유압기 및 송풍기 등 사용범위는 매

우 다양하다. 압축기의 형식은 positive displacement type과 dynamic type 등으로 나눌 수 있다. 포지티브 디스플레이

스먼트형 압축기의 대표적인 예로는 왕복 피스톤식 압축기

가 있으며, 공장용 압축공기의 공급에 많이 사용된다. 이 압

축기는 실린더 내 피스톤의 왕복 운동과 밸브의 개폐에 따

라 공기를 흡입하여 압축 후 배출하는 사이클로 이루어져

있다. 이 형태는 일반적으로 유량보다는 높은 압력이 필요

할 때 많이 사용된다. 다이나믹형의 압축기는 회전차를 아

주 빠른 속도로 회전시켜 얻어지는 큰 유동속도로 인한 운

동량으로 기체의 압력을 상승시키는 장치인데, 큰 유량이 필

요할 때 많이 사용된다. 정수기 내부에 지그재그로 연결된 튜브 안의 냉매가 냉장실을 거치면서 낮은 압력의 기체로

변한 것을 높은 압력의 기체로 변환시켜 다시 응축기로 전

Table 1. Characteristics and use of a compressor.

Classifications Pressure [kgf/cm2] Properties Purposes

Reciprocating compressor 5 ~ 3500 Use extent is wide.

Noise produces much.

a industrial power, a industrial gas, a

polyethylene production etc

Screwscompressor 1.5 ~ 35

Noise produces little.Temperature of driving

is low.

a compound semiconductor factory, a bio food etc

Centrifugal compressor 5 ~ 350 Do not suffer impact of

particulate matter.a compose of methanol, a compose of ammonia etc

Turbocompressor 1 ~ 10 Is suitable in big

capacity.a gas turbine, a jet engine, a

ventilator etc

달하는 주요한 기관 중 하나이다. 에너지의 전달 과정은

응축기→증발기→압축기→응축기 순서이다. 정수기에서

압축기는 전동기로 되어 있으며, 낮은 압력의 기체 상태인 냉매를 압축하기 위해서 전동기가 작동된다. 정수기 압축

기의 전원단자 또는 릴레이 단자 등에 누수, 침수, 곤충, 기름 및 먼지 등에 의한 오염으로 누전, 트래킹 및 흑연화 현

상 등으로 전기화재를 발생시킬 수 있다1-4).따라서 본 연구에서는 가정용 냉온정수기의 압축기가

가동될 때와 정지 상태일 때의 발열확산 패턴을 분석하였

으며, 누수에 의해 전원 공급 단자부에서 트래킹이 발생했

최 충 석

Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 2, 201322

Fig. 1. Cooling principle and path of a compressor.

을 때의 소손 패턴을 해석하여 사고원인 규명의 기초자료를 확보하는데 있다.

2. 관련이론

압축기는 냉온정수기의 냉각기를 차갑게 하여 냉수를 공

급할 수 있도록 작동하는 기기이다. Fig. 1은 압축기의 안

전성 평가 및 소손 특성 해석에 적용된 OO정수기(XX-05X, OO Electronics. Co., Korea)의 냉각원리 및 경로를 나타낸

것이다. 증발기에서 증발한 냉매 증기가 응축되기 쉽도록 냉

매증기의 압력을 높이는 압축기의 작용에 의하여 냉매는

응축과 증발과정을 반복하면서 냉동장치 내부를 순환하며, 열을 차가운 곳으로부터 따뜻한 곳으로 운반하게 한다. 이러한 냉각장치에 사용되는 압축기의 위치는 대부분 시스템

의 하단 중앙 부분에 부착되어 있어서 작동할 때 발생되는 진동에 의한 충격을 완화시키는 것이 중요하다. 또한 압축

기와 송풍기를 엄밀하게 구별할 수 없지만, 압력상승 1 kgf/ cm2 이상을 압축기로 하고 있다. 압축기에는 1~2 kgf/cm2의

저압인 것으로부터 1,000 kgf/cm2를 넘는 고압인 것까지 용

량 및 압력에 따라서 여러 종류가 사용되고 있으며, Table 1과 같다.

3. 결과 및 고찰

대부분 압축기는 정수기의 후면 하단에 설치되어 있고

방열의 목적 때문에 개방형 구조를 갖고 있다. 정수기의 사

용 환경에 주의를 기울이지 못하면 후면의 개방구를 통해서 쉽게 오염원이 침투될 수 있다. 실험에 적용된 압축기는 일

반 식당, 강당 또는 사무실 등에서 사용되는 것을 선택하였

고, 현장의 사용조건과 유사하게 실험이 진행되었다. 즉, 정기

적인 점검 및 검사가 진행되지 못하는 환경에서 수위조절

장치(FLC; Float Level Controller)를 통해서 누수가 발생하

였을 때의 조건이 적용되었다. 실험은 실내에서 수행되었

으며 온도는 24±2oC, 습도는 50~60%를 유지시켰다. 최초에 구입하여 밀봉이 적절하게 된 정수기에서는 내부로 물기의 침투 현상이 대부분 발생하지 않았으나 내부의 필터 교체, 점검 및 수리 등을 마치고 일부 밀폐가 되지 못한 정수기

에서는 내부로 물기가 유입되었다. Fig. 2는 압축기에서의 발열특성을 분석하기 위해 온도

기록계(Thermography, AR 1100A, Yokogawa, Japan)를 사

(a) Establishment part of temperature sensors

(b) Temperature distribution of each partsFig. 2. Temperature distribution of each part of the compressor equip-

ped with a temperature sensor.

용하여 6개의 부분으로 나누어 온도를 측정한 것이다. Fig. 2(a)는 실험에 적용된 압축기의 실체사진이며, 주요

부분 6곳에 열전대(Thermocouple, K-type)를 설치하였다. 온도를 측정하기 시작하여 약 500 sec 경과하였을 때 압축

기의 동작시간에 비례하여 온도가 점점 상승하였으며, 약

4,000 sec 경과된 후에 A-part의 온도는 66oC 정도를 나타

냈다. 그리고 나머지 부분에서는 55oC 이하의 온도분포를 나

타냈다. 또한 전원부분인 B part에서는 다른 부분보다 급속

히 발열하는 특징을 보였다5-9).Fig. 3은 열화상 카메라(TVS; Thermal Video System, TVS-

8502, Nippon Avionics Co., Japan)를 이용하여 압축기의

온도분포를 나타낸 것이다. Fig. 3(a) 및 3(b)는 2차원 평면

사진 분석으로 초기 및 피크 온도분포는 비교적 균일한

것으로 알 수 있다. 그리고 Fig. 3(c) 및 3(d)의 3차원 입체

해석에서도 압축용기의 온도 분포는 비교적 균일한 특성

을 보이고 있으나 차압된 배관 B 및 E part 등에서 온도가

80oC까지 상승하는 것으로 확인되었다.Fig. 4는 정수기의 압축기가 가동될 때 전류 및 시스템의

운전 전류 측정은 오실로스코프 (Oscilloscope, TDS-3052, Tek-tronics Co., USA)을 이용하였다. 점선(Iio)은 압축기가 가

동될 때의 초기 전류동작 곡선으로 최대값 13 A의 전류가

흐르는 것으로 확인되었으며, 일점쇄선(Id)은 압축기가 충

전된 후 시스템의 운전전류는 1.7 A 정도로 측정되었다.

정수기용 압축기의 안전성 평가 및 소손 패턴 분석에 관한 연구

한국안전학회지, 제28권 제2호, 2013년 23

(a) Initial temperature(2D) (b) Peak temperature(2D)

(c) Initial temperature(3D) (d) Peak temperature(3D)Fig. 3. Temperature distribution of the compressor measured by the

thermal image camera.

Fig. 4. Current waveform during operation of the compressor.

즉, 압축기가 충전될 때의 전류는 운전 전류보다 7~8배

정도 흐르는 것을 알 수 있다5-9).Fig. 5(a)는 압축기의 전원선이 삽입된 릴레이 덮개 부

분으로 덮개는 릴레이 밴드에 의해 고정되어 있다. 전원

선 삽입부분은 하단에서 유입되는 U-trap 형태로 누수시

에 전원선을 타고 누수가 흘러들어가지 않는 구조이다. 또한 난연성 시험에서도 화염을 제거하면 즉시 자기 소화

되는 난연 특성을 보였다. Fig. 5(b)는 릴레이 덮개의 우측

면에 있는 접지단자로서 압축기의 외부는 바닥면의 금속

과 접지되어 있어서 감전사고 등의 위험요소에 적절히 대

응할 수 있을 것으로 판단된다. Fig. 5(c)는 릴레이 덮개를

제거한 후 압축기의 전원 연결 단자를 나타낸 것이다. 연결단자의 덮개는 하우징 타입을 적용하고 있어서 견고하

(a) Front side (b) Right side

(c) Power connector (d) Input terminalFig. 5. Structure and grounding state of power supply terminals of the

compressor.

지만 난연 성능이 규정에 부합하지 못하므로 적절한 소재

로의 변경이 요구된다. 그림 5(d)는 상부의 과부하보호기

(OLP; overload protector)와 하부의 PTC-릴레이(Positive Tem-perature Coefficient thermistor relay) 등은 과전류의 유입을

적절하게 차단할 수 있도록 설계되어 있었다. 그러나 일부

의 금속 단자가 노출되어 있어서 부주의에 의한 사고 또는 트래킹 등을 유발시킬 수 있어서 적절한 절연이 요구된다.

Fig. 6은 비전문가에 의한 점검 및 관리로 누수가 발생

하였을 때 릴레이의 오염 상태를 나타낸 것이다. 릴레이의 단자, 홀 및 접점부 등에 물기가 침입된 것으로 보아 시스

템의 오동작 또는 사고의 위험이 있을 것으로 예상된다. 따라서 물기의 유입이 될 수 없는 구조로 하우징 처리를

하면 감전사고 및 화재 예방 등의 효과가 있을 것으로 판

단된다.Fig. 7은 동일한 조건에서 누수가 발생한 과부하보호기

의 오염 상태를 나타낸 것이다. 단자 및 홀의 틈으로 상당량

의 물기가 침투된 것을 알 수 있다. 즉, 이와 같은 상황에 장

시간 노출되면 보호기로서의 기능 정지는 물론 자체 발열, 누전 또는 트래킹 등에 의해 2차 재해를 유발시킬 것으로

판단된다. 따라서 비전문가 및 부주의에 의한 수리 및 점검 등으로 누수가 발생되더라도 물기가 유입될 수 없는 하우

징 타입을 적용하던가 전문가에 의한 철저한 관리가 요구

된다.Fig. 8은 부주의에 의해 압축기의 단자부에 누수가 발

(a) Cover upper part (b) Cover left sideFig. 6. State of a relay contaminated leaked water.

최 충 석

Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 2, 201324

(a) Upper part of OLP (b) Hole of OLPFig. 7. State of overload protector contaminated by leaked water.

`

(a) STEP 1 (b) STEP 2

(c) STEP 3 (d) STEP 4Fig. 8. Fire outbreak process at the compressor terminal due to

leaked water.

생했을 때 화염의 발생 및 진행 과정을 나타낸 것이다. 누수가 발생한 초기에는 간헐적인 불꽃이 발생하다가 단자

사이에 트래킹 경로가 형성되면 화염은 순간적으로 커지

는 것을 확인할 수 있었다. 또한 시스템 보호를 위해 설치된

퓨즈 및 차단기 등은 작동하지 않았다10-12).

(a) Damaged terminal (b) Damaged surface

(c) Resistance of terminal part

Fig. 9. Characteristics of terminals damaged by tracking.

Fig. 9는 트래킹에 의해 소손된 압축기 단자부의 상태를 나타낸 것이다. 단자 및 표면에 소손된 흔적이 확인되며, 멀티테스터(Multimeter, HC-260TR, GS Instrument Co., korea)를 이용한 저항측정에서 8 Ω 정도를 나타냈다. 그리고 트래킹이 진행되는 동안 퓨즈 및 차단기는 작동하지 않았다10-12).

4. 결 론

가정용 냉온정수기의 압축기가 가동될 때의 발열 특성 및

전원 단자부의 소손 패턴을 해석하여 다음과 같은 결과를

얻었다.

1) 대부분의 압축기는 정수기의 후면 하단에 설치되어

있고, 방열을 위해 개방형 구조를 갖고 있어서 위험요소에 쉽게 노출되는 취약점이 있는 것으로 조사되었다.

2) 비전문가에 의한 점검 및 관리 등으로 FLC가 기울어

진 상태가 되면 누수가 발생하여 압축기, 전원선 및 PCB 등이 위험에 노출될 수 있는 것으로 확인되었다.

3) 열화상카메라를 이용한 압축기의 열확산 패턴 분석에

서 최고 온도는 약 80oC로 기록되었으며, 전반적인 특성은 양호한 것으로 측정되었다. 또한 압축기의 초기운전 전류

는 최대 13 A가 흘렀으며, 압축기가 충전이 완료된 후 시

스템의 운전 전류는 약 1.7 A가 흘렀다.4) 압축기 전원선 단자의 덮개는 하우징 타입을 적용하고

있어서 견고하나 난연성이 없으므로 적절한 소재로 교체가 요구된다. 또한 압축기의 과부하보호기 및 PTC-릴레이 등

은 성능이 우수하였으나 금속성 단자가 있어서 사고의 위

험성이 있다.5) 압축기의 단자부에 누수가 발생했을 때 초기에는 간

헐적인 불꽃이 발생하다가 단자 사이에 트래킹 경로가 형

성되면 화염은 순간적으로 커지는 것을 확인할 수 있었다.6) 트래킹에 의해 소손된 단자 및 표면은 탄화흔적이 발

생하였고, 단자 사이의 저항은 8 Ω 정도로 측정되었다. 또한 트래킹이 진행되는 동안 시스템 보호를 위해 설치된 퓨즈 및 차단기 등은 작동하지 않았다.

References

1) Seung-Hun Lee, “Theory and Practice of Fire Investigation”, Honghwa Technology Publishing Co., pp.2-4,91-92, 2009.

2) National Emergency Management of Tokyo, “Fire Investi-gation(3rd, Electrical Fire)”, Association Prevent Disasters of Tokyo, pp. 97-107, 2007.

3) Mark W. Earlet et al., “National Electrical Code Handbook (NFPA 70)”, Article 440, 2008.

4) Chung-Seog Choi, Hyun-Woo, Kim, Kyung-Sup Lee, Yang- Su Lim, Chun-Ha Lee and Jae-hee Chung, “Electrical Fire Engineering”, Honghwa Technology Publishing Co., pp. 189- 198, 405-409, 2004.

5) Ki-Jung Park, Dong-Soo Jung, “Performance of Alternative Refrigerant R430A on Domestic Water Purifiers”, ELSEVIER

정수기용 압축기의 안전성 평가 및 소손 패턴 분석에 관한 연구

한국안전학회지, 제28권 제2호, 2013년 25

Energy Conversion and Management, Vol. 50, pp. 3045-3050, 2009.

6) Ki-Yeon Lee, Chung-Seog Choi, Dong-Ook Kim, Hyang-Kon Kim and Dong-Woo Kim, “Research on Improvement of Power Control System of Cold & Hot Water Purifier”, The Tran-sactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 56P, No. 1, pp. 45-50, 2007.

7) Dong-Ook Kim, Hyung-Jun Kil, Hyun-Wook Moon, Hyang- Kon Kim and Chung-Seog Choi, “A Study on the Heating Factor of Thermostat due to the Using Environment”, Spring Conference of the Korea Society of Safety, pp. 207-212, 2007.

8) Dong-Ook Kim, Chung-Seog Choi, Hyun-Wook Moon, Ki- Yeon Lee, Hyang-Kon Kim, “The Protective Countermeasure of Water Purifier PCB according to Abnormal Voltage”, The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 21, No. 8, pp. 64-70, 2007.

9) Chung-Seog Choi, “A Study on the Power Properties and

Thermal Pattern of Compressibility for Water Purifier”, Fall Conference of the Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 195-197, 2012.

10) Chung-Seog Choi, Hyang-Kon Kim, Dong-Ook Kim, Dong- Woo Kim, “The Analysis of Voltage Waveform and Oxidation Growth of Conductor with Series Arc”, The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 55P, No. 3, pp. 146-152, 2006.

11) Kil-Mok Shong, Chung-Seog Choi, Young-Su Roh, Hee-Ro Kwak, “Carbonization Characteristics of Phenolic Resin Dete-riorated by Tracking,” The Transactions of The Korean Ins-titute of Electrical Engineers, 53C-1-1, pp. 1-7, 2004.

12) Chung-Seog Choi, Kil-Mok Shong, Dong-Woo Kim, “The Analysis of the Fire Cause between Source Terminals of RCD Case”, Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol. 17, No. 4, pp. 13-19, 2003.