Buzdolabı sebzeliklerini kontrollü nemlendirme ünitesi tasarımı
Controlled humidifying unit design for refrigerator crispers
Yazar: OGÜN HIZAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde, farklı sektörlerdeki farklı teknolojilerin geliştirilmesi ile birlikte insan yaşamını kolaylaştıran makineler için gerçekleştirilen çalışmalarda hızla artmaktadır. Modern dünyada zamanın en değerli kaynak olması, en kısa zamanda en yüksek performansı veren makinelerin ortaya çıkartılması gerekliliğini göstermektedir. Özellikle, ev içi kullanımına uygun makinelerin performans, enerji tüketimi ve estetik gibi özellikleri, firmaların AR-GE birimlerinde en çok çalışılan konuları arasında yer almaktadır. Buzdolapları da son 100 yılda evrimleşen, farklı fonksiyonlar eklenmeye çalışılan ve aynı zamanda günümüzdeki dijitalleşme çağrılarına cevap vermeye çalışan dayanıklı ev makineleri arasındadır. Kullanımının yaygınlığı ve markaların ortaya çıkardığı rekabet göz önünde bulundurulduğunda, firmaların devamlılıklarını ve büyümelerini sağlamayı amaçlayan teknolojileri geliştirmesi gerektiği açıkça görülmektedir.
Arçelik A.Ş AR-GE birimlerinde, insan hayatını kolaylaştıran buzdolapları üzerine birçok araştırma yapılmaktadır. Rakip firmaların buzdolaplarına ekledikleri yeni özellikleri, başvuruda bulundukları patentleri ve yaptıkları teknoloji yatırımlarını  sürekli olarak takip etmektedir. Bunun yanı sıra, mevcut ürün gamında bulunan buzdolaplarının problemlerini ve geliştirmeye müsait alanları üzerine yapılan araştırmalara da imkan yaratmaya çalışmaktadır. Tüketicilerin sahip oldukları problemleri belirlemek ve sahip olmayı isteyecekleri ürünleri keşfedebilmek adına kullanıcı araştırmaları, anketler ve birebir kullanıcı görüşmeleri yaparak birçok farklı koldan çalışmalar yürütmektedir. Bu çalışmalar nihayetinde belirlenen temel iç görüleri ise enerji tüketimi, performans ve fonksiyonellik gibi başlıklar altında sınıflandırmak mümkündür.
Temel görevi, dışarıdan alınan açık ve kapalı gıdaların taze ve sağlıklı bir şekilde saklanmasını sağlamak olan buzdolaplarının en kuvvetli iç görüsü daha gıdaların daha uzun sürelerde taze kalmasını sağlamak olacağını söylemek hatalı olmayacaktır. Rekabetteki ürünlerden farklılaşmak için taze tutma performansının yüksek olduğu dolapların tasarımı gerçekleştirmek gerekmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında da buzdolaplarının sebzelik bölmelerinin taze tutma performansının arttırılmasını amaçlayan kontrollü nemlendirme ünitesi tasarımı üzerinde durulmuştur. Sebzelik içerisinde verilecek olan su buharı ile sebze ve meyvelerin daha az su kaybederek daha uzun süre taze saklanabileceği öngörülmüştür. Bunu gerçekleştirilmek için buzdolabı içerisinde bir alan yaratılarak nemlendirme ünitesi ve su haznesi yerleştirilmesi ve oluşturulan su buharının sebzeliğe verilmesi bu tez çalışmasının amacını oluşturmaktadır.
Çalışma süresince, buzdolaplarının tarihi gelişimi ve genel çalışma prensibi kapsamında yapısal parçalar ve sistem çalışması üzerine incelemeler yapılmıştır. Sebze ve meyvelerin hangi ortam koşullarında daha uzun süre taze kalacağı ile ilgili literatür araştırması yapılmıştır. Aynı zamanda, patent  araştırması yapılarak rekabette mevcut olan yapısal tasarımların incelemeleri de çalışmaya dahil edilmiştir.
Tasarım sınır koşullarının belirlenmesi için konstrüksiyon sistematiği yaklaşımı kullanılarak problem tarifi yapılmıştır. Problemi çözecek tasarımları ortaya çıkarmanın başlangıç noktası olan istekler listesi oluşturularak gereksinimler belirlenmiştir. Bu gereksinimler soyutlanarak temel fonksiyon elde edilmiştir. Temel fonksiyonu yerine getirecek olan fonksiyon strüktürü üzerinde çalışılmış ve daha sonra alt fonksiyonlar belirlenerek detaylandırılmıştır. Fonksiyonlar karşılayacak olan farklı çözüm alternatifleri oluşturulmuş ve ortaya dört farklı alternatif tasarım çıkmıştır. Alternatifler, fonksiyonellik, uygulanabilirlik ve performans açılarından değerlendirilmiştir. Değerlendirmelerde ihtiyaç duyulan öncül su buhar dağılım testleri ve sensör konumu belirleme testleri gerçekleştirilmiş ve değerlendirme sürecinde dahil edilmiştir. Alternatifler, farklı teknik uzmanlık alanlarına sahip kişilerden oluşan grup tarafından oylanmıştır. Gereksinimleri en yüksek oranda karşılayan tasarım seçilerek detay tasarımı yapılmıştır.
Tasarımın gerçekleştirilebilmesi için öncelikle buzdolabı kapı iç gövdesi üzerinde bir değişikliğe gidilmiş ve kapı rafı belli bir ölçüde yukarı taşınmıştır. Rafın altında meydana getirilen bu alanda su haznesi ve nemlendirme ünitesi konumlandırılmıştır. Raf üzerinde bulunan su doldurma aparatı sayesinde su haznesi kullanıcı tarafından kolaylıkla doldurulabilmektedir. Su haznesinin altında bulunan supap sayesinde içindeki su nemlendirme ünitesinde bulunan hortum yardımıyla su buharı oluşturma cihazına ulaştırılmaktadır. Ünite içinde bulunan elektronik devre tarafından kontrol edilen cihazın oluşturduğu su buharı sebzelik önündeki açıklıktan sebzelik iç ortamına verilmektedir. Buzdolabı iç gövdesinin yanında bulunan nem ve sıcaklık sensörü ile yukarıda bahsedilen elektronik devre haberleşebilmektedir. Bu sayede sebzelik iç ortamındaki sıcaklık ve nem seviyesi belirlenen seviyelerde kontrollü bir şekilde tutulabilmektedir. Ünite tasarım yapılırken montaj kurgusu da oluşturulmuş ve bu sıraya göre anlatılmıştır. Sistemin tasarım ve montaj hatalarının görülebilmesi ve gıda testlerinin yapılabilmesi için farklı eklemeli imalat yöntemleri ve malzemeler kullanılarak prototip imalatı yapılmıştır.
Çalışmanın sonuç kısmında, yaratılan faydanın gözlemlenebilmesi için gıda testleri yapılmıştır. Gıda testlerinde göbek marulların nemlendirme yapılan ve yapılmayan ortamlardaki ağırlık kayıpları ölçülmüştür. İki farklı test karşılaştırılmış ve ağırlık kaybı oranının iki kat azaldığı gözlemlenmiştir.
Değerlendirmeler kısmında, projenin devamında çalışabilecek konular aktarılmıştır. Ayrıca, nemlendirme ünitesinin tam  performansını gözlemleyebilmek amacıyla farklı sebze ve meyveler üzerinde değişik senaryolarda deneylerin yapılabileceğinden bahsedilmiştir.
Sebzeliğin nem seviyesinin optimal seviyelerde tutulmasını sağlayacak ve sebze ve meyvelerin tazeliklerini arttırmaya olanak tanıyan bu çalışmanın gelecek çalışmalara ilham olması amaçlanmıştır.
Bu çalışma, Arçelik A.Ş. Merkez AR-GE direktörlüğünde yürütülen bir projedir. Bu proje kapsamında buzdolabı incelemesi, katı modelleme, prototip imalatı ve gerçekleştirilen öncül testlerin tüm evrelerinde Arçelik A.Ş.'nin imkanlarından yararlanılmıştır.

Abstract:
Today, with the development of different technologies in different sectors, studies for machines that facilitate human life are increasing rapidly. The fact that time is the most valuable resource in the modern world shows the necessity to reveal the machines that give the highest performance in the shortest time. In particular, the features such as performance, energy consumption and aesthetics of the machines suitable for domestic use are among the most studied subjects in the R&D departments of the companies. Refrigerators are among the durable home machines that have evolved over the past 100 years, being tried to add different functions and at the same time being tried to respond to today's digitalization calls. Considering the prevalence of use and the competition caused by brands, it is clear that companies should develop technologies aimed at ensuring their continuity and growth. Not only developing technological improvements but also attractive design are important to gain sustainable success for years.
In Arçelik Inc. R&D units, many researches are conducted on refrigerators that facilitate human life. It constantly monitors the new features that rival companies add to their refrigerators, the patents they apply for, and their technology investments. In addition, it tries to create opportunities for research on the problems and areas of development of refrigerators in the current product range. It conducts studies from many different branches by conducting user research, surveys and one-on-one user interviews to identify the problems that consumers have and discover the products they want to have. It is possible to classify the fundamental insights determined at the end of these studies under headings such as energy consumption, performance and functionality.
It would not be wrong to say that the strongest insight of the refrigerators will be to keep the food fresh for longer periods of time, the main task of which is to ensure that the indoor and outdoor foods are kept fresh and healthy. In order to differentiate from competitive products, it is necessary to design refrigerators with high fresh keeping performance. 
Within the scope of this thesis, the design of the controlled humidification unit, which aims to increase the fresh keeping performance of the crispers of the refrigerators, is emphasized. With the water vapor to be given in the crisper, it is foreseen that the vegetables and fruits can be kept fresh for a longer period by preventing the vegetables losing their water inside. The purpose of this thesis is to create a space in the refrigerator compartment for placing the humidification unit and water reservoir and giving the created water vapor to the crisper. Additional benefit of the study can be expressed as giving water vapor will provide evaporative cooling inside the crisper so that overall efficiency of the refrigerating system will improve.
During the study, within the scope of the historical development of the refrigerators and the general working principle examinations were made on structural parts and system operation. A literature search has been conducted on which ambient conditions for vegetables and fruits to stay fresh longer. At the same time, by investigating patent documents, examining the structural designs available in the competition were also included in the study. In order to determine the design boundary conditions, a problem description has been defined using the mechanical designing systematic approach. Requirements have been determined by creating a list of requests, which is the starting point of revealing designs to solve the problem. These requirements were abstracted and the basic function was obtained. The function structure that will perform the basic function has been studied and then sub-functions have been determined and detailed. Different solution alternatives were created to meet the functions and four different alternative designs emerged. Alternatives have been evaluated in terms of functionality, applicability and performance. The preliminary water vapor distribution tests and sensor location tests needed in the evaluations were carried out and included in the evaluation process. The alternatives were voted by a group of people with different technical specialties. Detailed design has been made by selecting the alternative that meets the highest requirements.
In order to realize the design, firstly a change was made on the door interior of the refrigerator and the door rack was moved up to a certain extent. In order to accomplish this revision, the hanging detatil of the rack was tranferred upward on the surface of  interior body manufactured vie thermoform technique. In this area formed under the rack, the water tank and humidification unit are located. Humidification unit has been assembled via two screw on the top, and two snap- fit structure on the bottom of the unit body. Thanks to the water filling apparatus on the rack, the water tank can be easily filled by the user without taking the water tank out from the refrigerator. Thanks to the valve located under the water reservoir, the water inside is delivered to the water vapor generating device with the help of a hose in the humidification unit. The water vapor formed by the device controlled by the electronic circuit inside the unit is given to the internal space of the crisper through the opening in front of the crisper. The electronic circuit mentioned above can communicate with the humidity and temperature sensor located next to the inner body of the refrigerator. In this way, the temperature and humidity level of the crisper interior can be kept in a controlled manner at determined levels. While the unit was being designed, assembly setup was created and explained in this order. In order to see the design and assembly errors of the system and to make food tests, prototypes were produced using different additive manufacturing methods and materials. After observing the working performance of the system, an software algorithm was created and embedded in order to accomplish the further vegetable tests.
In the conclusion part of the study, vegetable tests were carried out to observe the created benefit. In food tests, weight losses of belly lettuce were measured in environments with and without humidification. Two different tests were compared and it was observed that the weight loss rate decreased twice.
In the evaluations section, the topics that can be worked on in the continuation of the project are transferred. It is also mentioned that experiments can be carried out in different scenarios on different vegetables and fruits in order to observe the full performance of the humidification unit.
This study, which will ensure that the humidity level of the vegetables is kept at an optimal level and allows to increase the freshness of vegetables and fruits, is intended to inspire future studies.
This study is a project carried out by the Arçelik Inc. Central R&D directorate. Within the scope of this project, the opportunities of Arçelik A.Ş. have been used in all phases such as refrigerator inspection, solid modeling, prototype manufacturing and prior experiments.