슈일러 스코츠 윌러 Wheeler& 윌리스 캐리어 Willis Haviland Carrier– 바람을 만들고, 공기를 설계하다

선풍기의 탄생과 작동 원리 – 슈일러 스코츠윌러 Wheeler (1860.5.17~1923.4.20)

미국의 전기기술자 이자 제조업자로 선풍기, 전기엘리베이터, 전기소방차를 발명했습니다 전기모터산업의 초기발전에 기여했으며 
특히 시각 장애인을 유급 직업으로 교육하는 데 큰 공헌을 했습니다 

(1882년 전기 선풍기 발명, 소형 전동기의 응용 확산)

19세기말, 전기가 산업 현장에 스며들던 무렵 미국의 발명가 슈일러 스코츠 윌러는 “고정된 공기를 움직임으로 바꾸면 온열의 고통을 덜 수 있다”는 단순한 생각을 실험으로 옮겼다.

1882년, 그는 전동기 축에 날개를 결합한 장치를 선보였고, 이 장치는 곧 ‘전기 선풍기’라 불리며 사무실과 가정으로 확산되었다. 거대한 얼음 블록이나 수동식 부채에 의존하던 시절에, 스위치 하나로 공기를 밀어주는 장치는 생활의 감각을 바꿔놓았다.

선풍기의 작동 원리는 간명하다. 전기가 모터 코일을 흐르면 자기장이 형성되고, 고정자와 회전자 사이의 전자기 상호작용으로 축이 회전한다.

축에 연결된 날개가 공기를 뒤로 밀어내며 전방에 압력 차를 만들고, 이로 인해 앞쪽에서 뒤쪽으로 공기 흐름이 형성된다. 날개의 피치 각(비틀림)과 회전수(RPM)가 바람의 세기와 패턴을 결정하고, 좌우 스윙은 감속기어와 캠 메커니즘으로 구현된다.

그 결과 선풍기는 공간 전체에 순환류를 만들어 피부의 증발 냉각을 돕고 체감온도를 낮춘다. 실제로 실내 온도는 변하지 않아도, 땀이 더 잘 증발하고 대류가 촉진되면서 사람은 더 시원하다고 느끼게 된다.

윌러의 장치는 곧 다양한 변주를 낳았다. 금속 날개는 가벼운 합금과 플라스틱으로 바뀌며 소음을 줄였고, 케이지 가드는 안전을 높였다. 브러시 모터는 효율 높은 유도모터로, 최근에는 인버터 제어가 가능한 BLDC 모터로 진화해 미세한 풍량 조절과 저소음을 달성했다.

‘바람을 만든다’는 개념이 표준이 되자, 사람들은 다음 질문을 던졌다. “공기를 단지 움직이는 데서 끝나지 말고, 공기의 상태 자체를 바꿀 수는 없을까?”

윌러에 관해 전해지는 일화가 있다. 여름 흑갈색 벽돌 건물의 다락방에서 그는 땀에 젖은 손으로 무수한 코일을 감고 다시 풀며, 진동과 소음을 낮추는 방법을 찾았다. 동료는 “이 작은 바람개비가 세상을 바꿀 수 있겠느냐”라고 물었고, 그는 미소로 답했다. “사람이 느끼는 불편 한 가지를 정확히 줄이면, 그건 충분히 세상을 바꾼다.” 그 소박한 확신이 실내 공기 기술의 다음 장, 냉방의 시대를 열어젖혔다.

공기를 설계하는 기술 – 웰니스 캐리어 Willis Haviland Carrier (1876.11.26~1950.10.7)

 미국의 발명가이자 기업인

에어컨의 기초가 되는 냉매의 증기압축식 공기조화장치의 개발 및 이를 이용한 대형냉장창고 시스템을 확립한 발명가이자 본인의 이름을 딴 회사인 캐리어사의 창업주이기도 하다
(그가 개발한 공조시스템  정확히는 공기조화장치는 현대에 공기청정기. 제습기, 항공기와 잠수함, 우주선등의 산소공급장치등 공기의 질과 온도를 변형시키는 모든 종류의 제품들이 다 포함된다.) 

그의 업적은 온도에 얽매인 과학과 문명의 판도를 확장시켜 버린 어마어마한 업적이다.

1902년 현대적 공조(냉방·제습) 시스템 설계, 에어컨 산업의 출발점 마련

1902년 브루클린의 한 인쇄공장에서 윌리스 캐리어는 곤란한 문제와 마주했다. 여름마다 습도가 높아 종이가 말리고 잉크가 번져 규격 인쇄가 불가능했던 것이다. 그는 공기를 단지 움직이는 것이 아니라, 온도와 습도를 목푯값으로 제어하는 장치를 설계했다. 압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기로 이루어진 냉동 사이클을 공기 처리에 접목해 공기를 식히고(증발기에서 열을 빼앗아) 수분을 응축시켜 제거했다. 이렇게 탄생한 시스템은 오늘날 우리가 ‘에어컨’이라고 부르는 장치의 원형이었다.

에어컨의 기본 원리는 냉매가 압축 → 응축 → 팽창 → 증발을 반복하는 폐회로에 있다. 압축기로 고온고압이 된 냉매는 응축기에서 외부로 열을 버리고 액화되고, 팽창밸브를 지나 압력이 떨어지며 낮은 온도의 혼합 상태가 된다. 이 냉매가 증발기에서 실내 공기와 열교환을 하며 증발하면서 주위를 식힌다.

팬은 실내 공기를 증발기 핀 사이로 통과시켜 차갑게 만들고, 다른 팬은 응축기 측으로 바람을 보내 열을 바깥으로 밀어낸다. 제습은 냉각 과정에서 이슬점 아래로 떨어진 공기의 수분이 핀에 응축되어 배수되는 자연스러운 결과로 이루어진다.

캐리어는 단순한 냉각을 넘어 공조(HVAC)라는 개념을 확립했다. 겨울에는 가열, 여름에는 냉방, 사계절의 환기와 여과, 필요하면 가습과 제습까지, 실내공기의 질을 한 시스템으로 관리하는 철학이었다.

이후 기술은 상업 건물의 대형 칠러, 가정용 창문형·스플릿형, 멀티형 시스템으로 가지치기했고, 현재는 인버터 압축기가 보편화되어 미세한 용량 제어와 에너지 절감이 가능해졌다. 더 나아가 히트펌프는 같은 사이클을 역전해 난방마저 고효율로 처리하며, CO₂·R32 등 저지구온난화지수(GWP) 냉매로 전환하는 흐름이 이어지고 있다.

캐리어에게도 기억할 장면이 있다. 그는 어느 겨울, 안개가 껴 흐릿한 새벽의 역에서 전등 아래 피어오르는 물안개를 바라보다가, “온도와 습도, 공기의 움직임을 수식으로 묶어낼 수 있다면 공기 자체를 설계할 수 있다”는 통찰을 얻었다고 회고했다. 임기응변이 아닌 계산과 제어의 세계로 공기를 데려온 그 순간이, 산업과 도시, 사람들의 여름을 바꾸었다.

선풍기에서 에어컨으로 이어진 백여 년의 진화는 한 문장으로 요약된다. 처음에는 바람을 만들었고, 다음에는 공기를 다루었다. 선풍기는 체감 냉각을, 에어컨은 물리적 냉각과 제습을 제공하며 서로의 자리를 지켜왔다.

오늘날의 목표는 더 조용하고, 더 적은 전력으로, 더 깨끗한 공기를 구현하는 것이다. BLDC 팬, 인버터 압축기, 고성능 열교환기, 그리고 친환경 냉매는 그 목표를 향한 현재진행형의 답변이다. 바람을 움직이는 작은 모터에서 시작한 이야기는, 결국 사람의 쾌적함을 정밀하게 설계하는 기술로 완성되어가고 있다.

쩅쨍 찌는 한여름 에어컨 없이 살 수 있을까?  에어컨을 경험해 본 사람은 결코 에어컨 없는 여름의 삶은 어려울 것이다.. 선풍기도 마찬가지다.. 아직까지 이렇게 유용하다니.. 우리는 너무나도 편안하게 많은 혜택을 누리고 있다..