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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.56 No.3 pp.95-104
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2022.56.3.95

Development of Drippers for Subsurface Drip Irrigation with Flow Rate Equalization and Complex Function

Jin-Hyun Kim1, Tae-Wook Kim2, Seol-Ha Kim3, Hwang-Gyu Lee4, Duk-Ho Eum5, Sang-Hun Lee6*
1Department of Precision Mechanical Engineering, Kyungpook National University, Sangju, 37224, Republic of Korea
2Department of Precision Mechanical Engineering, Kyungpook National University, Sangju, 37224, Republic of Korea
3Department of Precision Mechanical Engineering, Kyungpook National University, Sangju, 37224, Republic of Korea
4Department of Precision Mechanical Engineering, Kyungpook National University, Sangju, 37224, Republic of Korea
5Nam Kyung Co., Ltd., 497-48 Chorok-Ro Yanggam-Myeon, Hwaseong, Gyeonggido, 18626, Republic of Korea
6Department of Southern Area Crop Science, National Institute of Crop and Science, Rural Development Administration, Miryang, 50424, Republic of Korea
* Corresponding author: Sang-Hun Lee (Tel) +82-55-350-1256 (E-mail) sangusa@korea.kr
May 9, 2022 ; June 22, 2022 ; June 22, 2022

Abstract


The underground irrigation can reduce the agricultural water of field crops by 30%, and the available water volume by twice also, compared to the ground irrigation methods. This is because it supplies water to the crops directly without environmental evaporation loss, and it also effectively diffuses the water underground. In addition, due to the effective labor cost reduction, recently the underground irrigation devices have been employed in various crops and fields. However, in Korea, the irrigation system and its market have not matured enough, so farmers are relying on imported materials rather than domestic goods. In this study, as a domestic production challenge for the underground irrigation system, we tested the pilot samples of the dripper to optimize the detailed design of the irrigation devices to meet the irrigation system’s standards. In general, the underground irrigation system requires three important functions: uniform water supply under 100-400 kPa by pressure compensation, prevention of crop root invasion into the device, and prevention of the water leakage after halting the water supply. To satisfy the above requirements, careful design work of the detailed factors of irrigation systems through a parametric study should be carried out. In this study, we reported the performance of the developed irrigation drippers, and they were compared with the commercial goods from oversea brands. As the results, the developed drippers shows 95% of water supply uniformity under the pressure range (100-400 kPa), anti-leakage performance at the 29 kPa.



유량 균등성 및 복합기능을 가진 지중관수용 드리퍼의 개발

김 진현1, 김 태욱2, 김 설하3, 이 황규4, 엄 덕호5, 이 상훈6*
1경북대학교 과학기술대학 정밀기계공학과 명예교수, 연구원
2경북대학교 과학기술대학 정밀기계공학과 교수
3경북대학교 과학기술대학 정밀기계공학과 조교수
4경북대학교 과학기술대학 정밀기계공학과 대학원생
5(주)남경 부장
6농촌진흥청 식량과학원 연구원

초록


지중관수에 의한 밭작물의 농업용수는 30%이상 절감되고 가용용수량도 지표면 관수에 비해 2배 이상의 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 이것은 수분을 지중에 공급하므로 증발산으로 인한 손실을 줄일 뿐만 아니라 지중의 확산 체적을 넓혀 지표면에 비해 수분공급 효과를 높일 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라 관수 노동력도 절감되므로 최근 지중관수 장치의 보급이 확산되고 있는 추세이다. 그러나 우리나라는 아직까지 지중관수 장치가 개발되지 않아 농민들은 수입품 자재에 의존하고 있는 실정이다. 지중관수 장치는 3가지 중요한 기능을 가지고 있다. 첫 번째는 공급압력 100-400 kPa 사이에 유량 오차가 5-10% 범위에서 균등해야 하고, 두 번째는 토양속에서 수분을 공급하므로 뿌리가 토출구 속으로 들어가 내부의 관수구가 막히지 않아야 한다. 세 번째는 용수 공급을 중단했을 때, 관수구에서 누수가 되지 않도록 설계⋅제작되어야 한다. 또한 지중에 수분을 공급하므로 지표면 관수와 달리 이상 유무에 대해 확인하기 어려운 점이 있기 때문에 장치의 신뢰성이 높아야 한다. 따라서 지중관수 장치의 핵심은 3가지 기능을 가진 드리퍼의 개발이 우선되어야 가능하다. 유량의 균등성을 유지하는 것은 드리퍼 내부에 압력보상 기술(pressure compensation technology)에 의해 좌우된다. 드리퍼는 outer, lower insert 및 upper insert의 구성요소로 이루어져 있고, 내부에 압력조정 기능 즉, 밸브의 역할을 하는 실리콘이 내장되어 있다. 드리퍼가 유량 균등성, 뿌리 막힘 및 역류방지 기능을 수행하기 위해서 약 10가지의 설계변수를 고려해야 한다. 특히 드리퍼에서 유량이 가장 먼저 통과하는 outer의 원추 높이와 실리콘 경도는 유량 균등성에 미치는 영향이 가장 클 뿐만 아니라 공급유량의 중지 시에는 역류방지의 기능도 동시에 하게 된다. 본 연구에서 개발된 지중관수용 드리퍼의 유량 균등성은 95%를 목표로 하였다. 또한 국내서 개발한 4종의 개발품과 2종의 해외 제품을 대상으로 뿌리 침투 장면도 확인하였고, 역류 방지기능에 대해서는 관수중단점 압력 29 kPa에서 관수가 중단되는 것으로 나타나 성능이 우수한 것으로 판단되었다.



    서론

    지중관수 장치는 지표면 관수와 달리 토양내부에 관수 배관을 매설하고 지중에 직접 용수를 공급하는 장치이다. 지중관수시 가용 용수량이 증가하는 것은 토양내부의 확산성이 지표면보다 2배 이 상 증가한다고 하였다(Kim et al., 2005). 뿐만 아니라 초기에 매설 한 이후에는 관수관의 관리와 농작업 및 노동력에서도 30% 이상의 절감이 된다고 알려져 있다(Jong et al., 2018). 그러나 이와 관련한 연구에서는 지중관수 장치의 직접적인 개발보다 토양의 습윤 형태 나 효과에 관한 연구(Han et al., 2014, Kim et al., 2021)가 보고되 고 있다. 지중관수는 지표면 관수기와 달리 유량의 균등성, 뿌리 막힘 및 역류방지 기능 등을 파악하기 어려운 단점이 있다. 유량 균등성은 일정 압력의 범위에서 유량이 5-10% 범위에 유지되어야 한다. 유량의 균등성은 드리퍼 내부에 실리콘 탄성이 매우 중요한 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2018a). 우리나라에서는 이 3가지 기능을 가진 드리퍼가 개발된 적이 없고 지중관수 장치의 기술수준 도 이스라엘, 미국, 이탈리아, 일본에 비해 크게 뒤져있는 실정이다. 특히 드리퍼의 뿌리 침투를 막는 기능은 insert의 정밀 설계가 필요 하다. 동시에 유량의 공급을 중지하였을 때, 관수호스 내부에 남아 있는 물이 유출되지 않아야 이물질이나 곰팡이가 발생하지 않기 때문이다. 드리퍼의 구조는 호스의 내부 관에서 물이 공급되는 outer가 있고, 호스의 외부로 물이 토출되는 insert가 결합되어 진다. Outer와 insert 사이에는 여러 가지의 형태의 경질 플라스틱 구조 와 실리콘이 있어 마치 밸브와 압력을 조절하는 미로 등의 기능을 한다. 또한 미로로 구성된 압력 조절 장치와 실리콘 경도에 따른 내부 공간은 물의 공급 압력에 균형적인 역할을 하게 된다. 드리퍼 내부 구조에서 주요설계의 대상은 outer의 원뿔 높이(height of cone valve)와 실리콘 경도, 홈의 깊이(depth of groove), 원판부 분의 높이(height of disc), 미로의 수 및 깊이(No. and depth of micro path), 그리고 접촉면 높이(height of contact surface) 등을 들 수 있다. 특히 원추 높이와 실리콘 경도는 유량 균등성과 역류 방지기능에서 핵심 기능을 하고, insert의 압력의 조절과 뿌리의 막힘을 방해하는 것을 목적으로 설계되어야 한다.

    재료 및 방법

    1. 지중관수 장치의 뿌리 막힘

    지중관수 장치는 지중으로 약 300-400 mm 깊이에 매설하므로 매설 장치에 의해 일정깊이를 유지해야 한다. 이상적인 지중관수를 통한 수분의 공급은 Fig. 1과 같이 매설하고 수분의 확산은 관수점 을 중심으로 둥근 형태로 확산되어 진다. 재배작물은 성장하면서 뿌리의 세근이 관수구를 방향으로 확산되고 때로는 관수기의 유출 구를 통하여 드리퍼로 유입된다. 그림에서는 드리퍼 내부로 뿌리가 침투되어 성장한 장면을 나타내고 있다. 따라서 드리퍼의 뿌리 막 힘 방지기능은 관수구 내부로 유입되더라도 뿌리를 유도하는 돌기 에 의해 성장은 하되 insert의 유출구(1.1 mm)를 막지 못하게 설계 되어야 한다. 동시에 아니라 관수시 최저 압력(100 kPa) 이하에서 수분이 지속적으로 흘러나오는 것이 방지되어야 한다.

    2. 드리퍼의 구조 및 수분통로(유선)

    지중관수용 호스의 내부에 부착된 드리퍼의 구조는 Fig. 2 (A) 와 같이 4개의 부품으로 결합되어 호스의 내부에 끼워져 있다. 호 스의 물이 드리퍼로 흘러가는 유선은 Fig. 2 (B)와 같이 흐르도록 설계되어 있다. 드리퍼의 바깥 부분 즉 외부는 outer라 하고 그 속에 실리콘, lower insert 및 upper insert가 결합되는 구조로 이루 어져 있다. 드리퍼의 outer는 호스의 내부에 결합 될 때 가장 바깥 쪽에서 위치하여 내부로 물을 유입하는 역할을 한다. 호스에 일정 압력이 작용되는 동안 드리퍼를 통과하는 물은 각각의 설계요소에 따라 저항을 받고 배출유량에 영향을 받게 된다. 드리퍼의 성능을 결정하는 핵심 요소는 outer에 있는 깔대기 모양의 원추 밸브와 실리콘의 규격과 경도에 따라 좌우된다. 그 외에도 insert의 미로, 접촉면 높이, 접촉면 홈의 깊이와 단면적, 미로의 수 등이 압력요소 로 작용한다. Fig. 3은 outer의 실물과 설계도면 그리고 lower insert 및 upper insert의 설계도면을 나타내고 있다. 특히 Fig. 3 (D) upper insert의 돌기 부분은 지중호스를 통과하여 유입되는 뿌리의 세근이 유출구를 막지 못하도록 막는 장애 장치로 설계하였다.

    3. 드리퍼의 명칭 및 주요 설계요소

    지중관수용 드리퍼를 개발하는데 outer와 insert의 주요 요소들 은 Fig. 4와 같다. 유량 균등성을 유지하는데 outer의 원추 높이와 실리콘 경도가 공급압력을 제어하는 기능을 한다. Outer에 끼워지 는 insert에서는 미로의 수와 깊이, 접촉면 높이와 면적, 홈의 깊이 와 폭, 원판부분의 높이 및 접촉면 높이 등을 들 수 있다.

    4. 드리퍼 주요 부분의 설계치수

    드리퍼를 개발하기 위해서 각각의 구성 요소에 대한 설계치수는 기술적인 경험을 기본으로 하여 Table 1과 같이 설정하였다. 드리 퍼의 설계치수를 설정하는데 기 개발 경험이 있는 점적보턴(drip botton)의 설계치수를 참고하였다(Kim et al., 2018a). 관수기 개발 에서 경질 성형물로만 구성된 경우에는 CFD (Computational fluid dynamics) 해석에 의해 유량 균등성을 설계할 수 있으며 오차 범위가 1-2%까지 정밀하게 측정이 가능하다(Kim et al., 2017;2018b). 그러나 연질 성형물인 실리콘이 밸브로 작용하는 경우에는 이론적인 해석이 쉽지 않다. 본 연구에서는 outer의 원추 밸브의 높이를 0.2, 0.5 mm로 2종류로 설계하였다. 또한 원추 밸브에 결 합되는 실리콘의 경도는 50, 60, 70으로 설계하였다. 그리고 outer 를 통과한 물이 insert의 미로를 지날 때 저항을 받게 된다. 이때 저항의 크기는 미로의 단면적과 관계가 있어 미로의 깊이는 0.35, 0.49, 0.61 mm로 하였다. 미로와 미로 사이의 간격은 0.4, 0.609 mm로 설계하였다. 또한 접촉면의 높이는 0.13, 0.2, 0.29, 0.37 mm로 하였고, 미로의 수는 9개와 11개로 비교 설정하여 유량 균등 성 시험을 하였다. 드리퍼 설계요소의 초기 치수는 초기 제품을 개발하기 위해 제작한 금형을 기준으로 설정하고 점차 치수와 금형 을 수정하는 방향으로 개발하였다. 실질적으로 드리퍼의 설계 치수 를 모두 검증하는 데는 약 288개의 실험요인이 생기므로 모두 수행 하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 점적보턴을 개발한 경험적인 설계기술을 최대한 활용하여 실증시험의 수를 줄이는 방향으로 수 행하였다.

    5. 드리퍼의 유량 균등성 시험

    지중관수용 드리퍼는 공급압력 100-400 kPa 범위에서 유량 균 등성이 유지되어야 하므로 실험 장치를 Fig. 5와 같이 제작하였다. 시스템의 구성은 water tank의 물이 펌프(diaphram type, 최대토출 량 10 L/min, 최대압력 0.8 MPa)를 통하며 균등압력을 유지하도록 하는 pressure vessel (SUS 304, 용량 10 L, 한계압력 < 500 kPa)와 연결되어 있다. 배관에는 gate valve와 압력게이지(pressure gauge, Jea-Ryong, 0.6 MPa) 및 Flow meter를 설치하였고, needle valve 에 의해 압력이 정밀하게 조절이 되도록 하였다. 여기서 pressure vessel은 펌프로 부터의 압력 영향을 조절하는 기능을 하고, 드리퍼 에서 떨어지는 물은 비커(beaker)에 모아지도록 하였다. 이때 드리 퍼의 간격은 350 mm이고, 유량은 30분 동안 모아서 중량을 측정하 였다. 또한 실험은 모두 3반복으로 수행하였다.

    6. 뿌리 막힘 실험

    식물의 뿌리가 지중관수 장치로 침투되는 것을 확인하기 위해 해외 제품 2종(N-A, R-F)과 개발품 4종(N-B, N-C, N-D, N-E)의 지중관수기를 사용하였다(Fig. 6). 6종류의 관수호스 지름은 모두 16 mm이고 재질은 PE (Polyethylene)를 사용하였다. 호스의 출구 단면적은 N-A는 4.02 ㎟, N-B의 2-line은 6.32 ㎟, N-C의 4-hole 은 6.35 ㎟, N-D의 1-hole은 2.93 ㎟, N-E의 1-line은 3.16 ㎟, R-F는 4.02 ㎟로 제작되었다. 그리고 6종류의 지중관수기의 뿌리 침투 장면을 확인하기 위해 아크릴 튜브를 사용하여 외부에서 뿌리 의 성장 부분을 확인하도록 제작하였다. 아크릴 튜브의 규격은 가 로×세로×높이×길이가 200×200×300×1500 mm이며, 지중관수관 은 바닥에서 중간인 150 mm에 설치하였다. 대상 작물은 생육이 비교적 빠른 상추로 설정하였고 2021년 9월 15일에 파종하였다. 그 후 7차에 걸쳐 12월 6일까지 지중관수를 6분씩 실시하였고 1회 관수량은 160-200 mL이었다. 최종 뿌리의 확인은 3차에 걸쳐 아 크릴 튜브를 관찰하였다. 뿌리의 침투 확인은 토양을 절개해야 함 과 동시에 뿌리가 충분히 말라야 하므로 파종 후 184일이 경과한 22년 3월 17일 실시하였다.

    7. 드리퍼의 역류 방지 실험

    지중관수 장치에 물을 공급할 때, 드리퍼의 유량 개시 압력과 중단 압력이 명확하게 구분이 되어야 한다. 유량의 개시는 압력을 가할 때, 호스의 출구에서 물이 유출되기 시작한 것을 말하고 중단 압력은 공급을 멈추고자 펌프를 정지한 상태에서 물이 유출되지 않는 시점의 압력으로 정의된다. 그러나 실제로 유량을 중단한 이 후에도 지중관수 장치의 드리퍼에서 수분이 배출될 경우에는 토양 내부가 과습하거나 곰팡이 등이 발생할 우려가 있다. 따라서 관수 중단시 드리퍼에서 물이 새어 나오지 않도록 설계 및 제작되어야 한다. Fig. 7은 관수 개시 압력과 중단 압력을 측정하는 장면을 나타내고 있다. 관수 압력은 다이얼 압력계(최대압력 1000 kPa)를 펌프의 출구에 부착하여 측정하였다.

    결과 및 고찰

    1. 드리퍼의 설계에 따른 유량 균등성

    1.1 Outer의 원추 높이와 실리콘 경도의 설정

    Outer의 원추 높이는 유량 공급 중단시 역류를 방지해주는 밸브 의 역할과 유량 균등성을 유지하는데 중요한 역할을 한다. 원추 높이는 1차로 0.2 mm로 설계하고 실리콘 경도는 50, 60, 70으로 설정하여 실험을 수행하였다. 공급 압력은 100-400 kPa로 하고 유량을 측정한 결과는 Fig. 8 (A)와 같다. 실리콘 경도가 50과 60에서 비교적 균등성을 유지했으나 전반적으로 유량이 많이 배출 되었다. 여기서 유량이 많이 배출되는 경우에는 원추 높이가 낮아 실리콘이 누르는 탄성의 영향이 작기 때문으로 보여 진다. 따라서 실리콘 silicon의 경도를 50으로 고정한다면 원추 밸브의 높이를 높일 필요가 있는 것으로 판단되었다. Fig. 8 (B)는 실리콘 경도를 50, 60, 70으로 하고 원추 밸브의 높이를 0.5 mm로 조정한 후 유량 균등성을 나타내고 있다. 원추 높이를 높이면 전체적으로 유 량은 작아지고 균등해 졌다. 그러나 실리콘 경도를 60과 70에서는 100 kPa 압력을 가할 경우 원추 밸브가 열리지 않아 유량이 배출되 지 않았다. 또한 outer는 관수호스에서 물이 가장 먼저 유입되므로 유출구 방향에 위치한 insert로 인한 압력변화가 생길 가능성이 있다. 즉, 물이 드리퍼 내부로 이동될 때, 유선의 순서에 따라 후면 에 위치한 insert의 설계가 전면인 outer의 설계에 영향을 미치지 않도록 하였다. Fig. 8 (C)는 lower insert의 미로 깊이를 0.49 mm로 설정하고 실리콘 경도를 50, 60, 70으로 하였을 때 유량 균등성을 나타내었다. 유량 균등성은 insert의 미로 깊이가 outer의 원추 높이와 실리콘 경도에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 실리 콘 경도 50에서는 비교적 안정된 유량 균등성을 보여주었고 경도 60에서도 Fig. 8 (B)의 결과와 유사하였다. 그러나 경도 70에서는 200 kPa에서 불안전한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 100 kPa에 서는 실리콘 탄성이 높아 유량이 배출되지 않았다. 따라서 outer의 기본적인 설계에서는 1차로 원추 높이를 0.5 mm, 실리콘 경도 50으로 설정하였다. 이것은 실리콘을 적용한 botton type 점적기 개발에서 실리콘 경도를 50이 유량 오차가 3.1%로 가장 우수하다 는 결과와 거의 유사하였다 (Kim et al., 2017, Woo et al., 2018).

    1.2 Lower insert의 설계 변화에 따른 유량 특성

    Fig. 9는 원추 높이를 0.5 mm, 실리콘 경도 50, lower insert의 미로 깊이를 0.49 mm로 설정하고 lower insert의 접촉면 높이 (Height of contact surface)를 0.13, 0.21, 0.29, 0.37 mm로 하였 을 때, 유량 균등성을 나타내고 있다. 이때 lower insert의 다른 설계 치수는 미로간격 0.609 mm, 단면적 0.2 ㎟, 미로수 9로 고정 하였다. Fig. 9 (A)에서와 같이 lower insert의 접촉면 높이를 0.13, 0.21, 0.37 mm로 설계하였을 때, 공급압력 400 KPa에서는 0.29 mm를 제외하고는 유량이 유출되지 않았다. 반면에 접촉면 높이가 0.29 mm에서 유일하게 100-400 kPa까지 어느 정도 균일한 유량 의 특성을 보였다. 그러나 유량 오차의 범위 10% 정도로 나타나 우수하지는 않았다. 이와 같이 접촉면 높이를 0.13, 0.21, 0.37 mm에서 유량이 나타나지 않는 것은 미로간격, 단면적과 미로수의 설계와 서로 간섭을 일으킨 것으로 추정되었다. 뿐만 아니라 미로 간격, 단면적과 미로수를 각각 0.609 mm, 0.2 ㎟, 9로 설계했을 때, 높은 압력에서는 작동되지 않음을 알 수 있었다. 따라서 미로간 격, 단면적 및 미로 수 등을 조정할 경우에는 높은 압력에서도 유량 균등성이 확보될 가능성이 보였다. 따라서 금형 수정을 통해 정밀 성을 높이는 과정을 거쳤다. Fig. 9 (B)는 미로간격 0.4 mm, 단면 적 0.2 ㎟, 미로수 11로 수정하고 접촉면 높이를 0.1, 0.13, 0.29, 0.37 mm로 변화했을 때, 유량 균등성을 나타내고 있다. 그림에서 는 접촉면 높이가 0.1과 0.13 mm에서는 400 kPa에서 유량이 배출 되지 않았고 0.29 mm가 가장 우수하였다. 또한 접촉면 높이가 0.37 mm일 경우에는 낮은 압력과 높은 압력에서 편차가 지나치게 커서 적합하지 않았다. 따라서 outer의 원추 높이, 실리콘 경도 및 미로 깊이가 설정되어도 미로간격과 다른 요소들에 의해 미세하 게 압력의 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 접촉면 높이에서는 0.29 mm에서 약 2 L의 유량이 배출되었고 오차는 약 4%로 나타나 상당히 개선된 것을 알 수 있었다. Fig. 9 (C)는 원추 높이 0.5 mm, 실리콘 경도 50, 접촉면 높이 0.29 mm, 미로간격 0.4 mm, 단면적 0.2 ㎟, 미로수 11로 설정하고 미로 깊이를 0.35, 0.49, 0.61 mm로 달리했을 때 유량을 나타내고 있다. 그림에서와 같이 insert의 미로 깊이가 깊을수록 유량은 반대로 적은 것을 알 수 있었다. 이것은 insert로 나가는 유선이 미로의 깊이에 따라 와류를 형성하여 오히려 유선을 방해하는 것으로 추정되었다. 반면에 공급 압력 100-400 kPa 사이의 유량은 전반적으로 균일한 특성을 보여 주고 있었다. 이것은 outer의 압력에 따라 나타나는 유량 차이는 적지만 미로의 깊이는 insert의 다른 설계 요소에 영향을 받으므로 각 설계 치수의 미세한 조정이 요구되었다.

    1.3 Lower insert의 미로 수 변화에 대한 유량특성

    Fig. 10 (A와 B)는 원추 높이 0.5 mm, 실리콘 경도 50, 접촉면 높이 0.29 mm, 미로깊이 0.49 mm, 미로간격 0.4 mm, 접촉 단면적 0.2 ㎟로 고정하고 미로수만 9과 11로 설정하였을 때, 유량 균등성을 나타내고 있다. Fig. 10 (A)와 같이 미로 수가 9개 일 경우 관수호스에 350 mm의 간격으로 드리퍼를 부착하고 8개의 지점에서 유량 균등 성 실험을 한 결과 최소 1.94 L, 최대 2.36 L로 나타났다. 드리퍼의 유량 설계 기준을 2.2 L로 설정할 경우, 유량오차는 최대 11.8%로 나타났다. 특히 2번 드리퍼에서는 350-400 kPa에서 약 12% 오차가 발생하였다. 따라서 드리퍼의 금형을 포함한 미세 수정이 필요하였 으며 2-3차례 조정을 통하여 다시 제작하고 재 실험을 수행하였다. Fig. 10 (B)에서는 드리퍼의 미로의 수만 11개로 수정하여 유량실험 을 한 결과를 나타내고 있다. 실험의 결과는 400 kPa에서 약간 높은 경향이 있었으나 전체적으로 약 5%의 오차 범위 내에서 안정된 것을 알 수 있었다. 또한 유량균등성의 유지를 위해서 insert의 미로 수 조정 이외에 토출전의 압력조정 및 제작 정밀도를 높인 결과 드리퍼의 성능을 향상시킬 수 있었다.

    1.4 드리퍼의 최종적인 설계

    지중관수용 드리퍼의 최종적인 설계요소는 원추 밸브의 높이 0.5 mm, silicon 경도 50, 미로의 깊이 0.49 mm, 미로 간격 0.4 mm, 접촉면 높이 0.29 mm, 접촉면 단면적 0.2 ㎟, 미로 수 11로 결정하였다. 그 외에 insert의 설계 치수로는 디스크 높이 0.1 mm, 돌기 홈 넓이 0.32 ㎟ 및 실리콘 공간을 0.41 mm로 결정하 였다. 또한 outer와 lower insert의 금형 정밀 가공 등을 통하여 Fig. 11과 같이 유량 균등성이 조정되었다. 본 연구에서 개발하고 자 하는 드리퍼의 목표 유량은 2.0 L로 설정하였다. 공급 압력 150–400 KPa, 길이 80 m를 기준으로 실험할 결과 유량 균등성 은 5% 범위에서 유지되었다. 또한 outer의 원추 높이는 금형을 수정하는 과정에서 미세 조정되어 최종적으로 0.47 mm로 결정 하였다. 그러나 100 kPa에서는 15%의 오차 나타나 추가적으로 수정을 할 필요가 있었다.

    2. 뿌리 막힘의 결과 분석

    뿌리의 막힘 확인하기 위해 적용한 지중관수기는 6종류로 설정 하였다. 4종류는 본 연구에서 개발된 드리퍼를 호스 내부에 결합하 고 호스의 유출구멍의 형상과 치수만 달리한 경우이다. 호스의 유 출구는 뿌리의 침투에 대한 영향을 줄이기 위해 개발은 4가지로 제작하였다. 그리고 해외 2개의 제품을 포함하였다. 뿌리 막힘에 적용한 대상작물을 상추로 하였다. Fig. 12 (A)는 상추의 파종 후, 26일이 경과된 상태를 나타내며 아크릴 튜브를 통해 뿌리가 지중 관수 관까지 성장한 것을 알 수 있었다. 지중관수 관의 유출구 위치 는 위로 고정하여 매설하여도 위치가 반드시 위로 고정되지 않았 다. 그리고 아크릴 튜브를 통한 뿌리의 침투는 생육기간 중에 외부 에서 확인하기가 쉽지 않았다. 따라서 뿌리의 확인은 뿌리가 마르 도록 기다려서 절개하도록 파종 후 184일이 경과한 2022년 3월 17일 실시하였다. Fig. 12 (B)는 지중관수 호스의 구멍을 상향하여 도 측면으로 변한 것을 알 수 있으며 이런 경우에는 공급한 수분이 관의 측면에서 아래로 흐르는 것을 추정할 수 있다. 따라서 수분은 관의 하단에 수분이 모이게 되므로 뿌리는 관수기의 하단으로 성장 함을 알 수 있다. 따라서 뿌리는 수분을 따라 이동하므로 호스의 내부로 유입되는 것은 매우 드문 경우로 판단된다. 만약 호스의 구멍을 통과한 뿌리가 있다면 드리퍼의 upper insert 내부의 돌기 에서 걸리게 된다. upper insert 내부의 돌기는 뿌리의 침투시 유로 를 보호하고 막는 기능을 하도록 설계되도록 하였다(Fig. 12 (C)). Fig. 13은 6종류의 지중관수 장치에 뿌리가 침투된 장면을 나타내 었다. 뿌리는 호스의 표면 유출구까지 침투되거나 유출구를 통해 upper insert까지 들어가는 2가지로 조사되었다. 그러나 전체적으 로 아주 미세한 세근이 한 가닥 정도 유입되어 실제로 관수관이 막혀 유량의 공급에 지장을 줄 정도는 아닌 것으로 파악되었다.

    Table 2는 지중관수 장치의 종류별 뿌리가 침투된 결과를 나타 내고 있다. 총 유출구는 48구이며 뿌리가 침투된 경우는 N-A에서 3개이며 N-B, N-C, N-D, N-E의 제품에서는 1-2개, R-F에서는 침투되지 않았다. 따라서 침투된 경우는 2-6% 정도였으며 호스 표면 침투와 드리퍼 내부 침투와 거의 비슷하게 나타났다. 6종류의 관수호스의 출구 단면적은 insert의 유출구(개발품의 경우 1.1~1,3 mm)보다 크게 제작되어 있고 내부에 침투 방어용 돌기가 있어 직접 유출구를 막을 가능성은 매우 적은 것으로 판단되었다. 뿐만 아니라 뿌리가 침투할 수 있는 구멍의 위치는 반드시 상향으로 위치하지 않기 때문에 침투할 확률도 더욱 줄어들게 된다. 더욱이 일부 침투한 뿌리가 있지만 물이 배출되는 유로를 모두 막기는 어렵기 때문에 뿌리 침투는 영향이 크게 없는 것으로 보여진다. 따라서 지중관수 장치의 중요한 기능인 뿌리의 침투 부분에 대한 설계는 안전하게 이루어진 것으로 판단하였다.

    3. 드리퍼의 역류 방지 기능의 분석

    지중관수시 유량이 공급되는 시점의 압력과 중단되는 시점의 압력은 동일하지 않다. 본 개발품에 대한 2021년 10월 한국산업기 술시험원(Korea Testing Laboratory, KTL)의 시험 결과는 Table 3과 같이 나타났다. 지중관수 장치에서 유량을 제어하는 부분은 드리퍼이며, 드리퍼 내부에서도 outer의 원추 높이는 밸브의 기능 을 하게 되므로 높이와 silicon 경도에 영향을 받는다. 본 연구에서 는 outer의 원추 높이는 0.47 mm, silicon 경도는 50으로 설정하여 압력에 민감하도록 설계하였다. KTL의 시험 결과에서는 관수개시 압력(starting pressure) 평균 57 kPa이었으며 관수중단점은 29 kPa로 나타났다. 따라서 개발된 지중관수 장치의 유량 공급과 중단 압력은 100 kPa 이하에서 잘 작동되는 것을 알 수 있었다. Fig. 14에서는 지중관수용 드리퍼의 유량 공급 압력과 중단점의 압력특 성을 나타내고 있다. 그림에서와 같이 유량이 공급되는 압력이 중 단되는 압력보다 약 2배 정도 높은 것을 보여주고 있다. 이것은 유량을 공급할 때는 압력을 높여야 하므로 드리퍼 내의 실리콘 탄성보다 높은 힘으로 밀어야 하기 때문으로 판단된다. 반면에 관 수 중단의 경우에는 압력이 내려가는 과정이므로 원추 높이와 실리 콘에 의해 더 낮은 압력에서 닫히는 것으로 추정된다. 여기서 관수 중단점의 압력 29 kPa는 역류를 방지할 수 있는 압력과 동일하다. 역류는 유량이 지속적으로 유출되는 것이므로 토양이 과습하거나 곰팡이 등이 발생할 우려가 있다. 따라서 57 kPa에서 관수가 개시 되고, 약 90 kPa에서부터 유량 균등성이 유지되므로 지중관수 장 치의 중요한 기능을 모두 달성한 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 농촌진흥청 어젠다 프로젝터 “기상재해대응기술개발 (과제번호 PJ01515402)”의 지원에 의해 수행되었음.

    Figures

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    The water diffusion scene and penetration scene of roots of the subsurface drip irrigation (SDI) system.

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    The construction of dripper and water line of dripper.

    A: Construction of dripper, and B: Water line of dripper.

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    The components of dripper.

    A: Outer real thing, B: Outer design, C: Lower Insert, and D: Upper insert.

    JALS-56-3-95_F4.gif

    Describe the name of dripper components.

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    Experimental apparatus for measuring flow equivalence.

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    The shape of the discharge port on six types subsurface drip irrigation system for the root penetration experiment and experiment devices.

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    Backflow experiment scene of subsurface drip irrigation system.

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    Flow equivalence of dripper design factors (1).

    A: Silicon hardness : 50, 60, 70, Height of the cone valve : 0.2 mm

    B: Silicon hardness : 50, 60, 70, Height of the cone valve : 0.5 mm

    C: Silicon hardness : 50, 60, 70, Depth of micro path : 0.49 mm.

    JALS-56-3-95_F9.gif

    Flow Equivalence of dripper Design Factors (2).

    A: Height of contact surface : 0.13, 0.21, 0.29, 0.37 mm

    B: Height of contact surface : 0.1, 0.13, 0.29, 0.37 mm

    C: Micro depth : 0.35, 0.49, 0.61 mm.

    JALS-56-3-95_F10.gif

    Flow Equivalence of dripper Design Factors (3).

    A: No. of micro path : 9, Flow rate of dripper positions (8 points of 350 mm intervals)

    B: No. of micro path : 11, Flowrate of dripper positions (8 points of 350 mm intervals)

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    Relation between flow uniformity and pressure for length 80 m of developed dripper.

    JALS-56-3-95_F12.gif

    Growth after 26 days of sowing lettuce and penetration of the roots of acrylic boxes.

    A: Growing scene of lettuce, B: Root growth, and C: Upper insert.

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    Root penetration scene by subsurface drip irrigation 184 days after sowing.

    JALS-56-3-95_F14.gif

    Pressure variation between the starting and breaking points of irrigation in the subsurface drip irrigation system.

    Tables

    Design dimensions of dripper elements

    Results of root penetration experiments on six types of subsurface drip irrigation experiment

    Starting and breaking pressure of flow through dripper of subsurface drip irrigation system (KTL data)

    References

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