서모스탯의 효율적 평가 이 원칙만 알면 OK

사출 성형의 서모스탯 제어는 일반적으로 냉각액을 끊임 없이 몰드에 통과시킴으로써 몰드를 고정 온도로 유지시킨다. 만약 냉각액이 몰드를 통과하는 유량이 부족하거나 수온이 예상보다 못하면 몰드를 효율적으로 지정 온도로 유지시킬 수가 없다. 서모스탯 업체는 몰드와 인서트의 사이즈에 근거하여 적절한 서모스탯 사양을 계산한다. 그러나 사출 성형 CAE 시뮬레이션 사용자는 서모스탯이 몰드 온도를 유지시킬 능력이 있는지 어떻게 평가할까? 다음은 몰드 플로우 분석 소프트웨어를 사용해 서모스탯을 평가하는 원칙에 대한 설명이다.

그림 1 서모스탯과 몰드 냉각 채널 개략도

냉각 채널의 유량과 압력 관계

시뮬레이션 과정에서는 보통 두 가지 경계 조건인 유량과 압력을 설정해서 냉각 채널의  흐름을 제어할 수 있다. 유량 측면에서는 냉각액이 냉각 채널 내에서 흐를 때 유입수와 유출수의 유량은 반드시 동일하므로, 사용자는 냉각 채널 한쪽의 유량만 측정하면 다른 한쪽의 유량을 알 수 있기 때문에 유량은 파악하기 쉬운 냉각 채널의 경계 조건이다. 압력 측면에서는 냉각 채널의 입구 압력은 출구 압력보다 크고, 이 압력차로 인해 유동 현상이 발생한다. Moldex3D 몰드 플로우 분석 소프트웨어를 사용하면 출구 압력 기본값은 0이므로 사용자는 입구의 압력 경계만 설정하면 되며, 이 압력값은 입구 출구 압력차와 동일한다. 만약 냉각 채널 유량과 압력 관계 차트를 만들면, 압력차가 클수록 유량이 커지는 정비례 관계를 볼 수 있다 (그림 2).

그림 2 냉각 채널 유량과 압력 관계

압력차 이외에도 유동 저항 역시 유량에 영향을 미치는 요인의 하나이다. 유동 저항은 냉각 채널 직경, 냉각 채널 길이, 채널 벽면 미끄러짐 정도, 냉각액 성질 및 유량 등과 같은 몇 가지 조건에 따라 변경된다. 이러한 관계는 다르시 바이스바하 공식(Darcy–Weisbach equation)의 각 매개변수를 참고해 알 수 있다 (그림 3).

그림 3 다르시 바이스바하 공식

서모스탯의 유량과 압력 관계

서모스탯은 냉각액의 유동을 돕고 냉각액 온도를 안정시키는 기기이고, 서모스탯 안에 내장된 펌프는 냉각액의 유동을 촉진시키는 동력원이다. 냉각 채널 유량 압력 관계와 달리 서모스탯은 펌프의 출력 압력이 클수록 유량 출력이 작아지고, 유량이 클수록 출력 압력이 작아지게 한다. 우리가 서모스탯 사양서를 보면 최대 유량 및 최대 압력값을 볼 수 있으므로, 이 두가지 조건이 동시에 발생하지 않는 것에 주의해야 한다. 만약 서모스탯 유량과 압력 관계도를 만들면, 압력과 유량이 반비례하는 것을 알 수 있다 (그림 4).

그림 4 서모스탯 펌프 유량과 압력 관계

사출 성형 시뮬레이션을 통해 찾는 서모스탯 요구사항

사출 성형 시뮬레이션 중에서 냉각 채널 분석을 진행하여 각 채널의 유량과 압력차를 얻을 수 있다. 냉각 채널의 유량은 서모스탯이 반드시 제공해야 하는 유량을 나타내고, 냉각 채널 중의 최대 압력차는 서모스탯이 반드시 제공해야 하는 최소 압력을 나타낸다. 평가 시에 우리는 냉각 채널 총 유량 및 최대 압력차의 좌표 위치를 서모스탯 유량과 압력 관계도에 표시할 수 있다. 이 좌표 위치가 서모스탯 유량과 압력 관계선 아래에 있다면, 서모스탯이 충분한 유량 및 압력을 제공할 수 있다는 것이고, 이 좌표 위치가 관계선 위에 있다면, 서모스탯이 충분한 유량 및 압력을 제공할 수 없다는 의미이다 (그림 5). Moldex3D 최신 버전 R17은 냉각 채널의 유량, 감압 및 몰드 냉각에 대한 정보를 제공할 수 있으며, 펌프 성능 곡선을 응용함으로서, 서모스탯의 성능이 충분한지 여부를 한층 더 평가할 수도 있다.

그림 5 서모스탯의 로딩 가능 영역

시뮬레이션 주의사항

사출 성형 시뮬레이션 과정에서 문제를 단순화하기 위해 종종 큰 유량을 이상적 냉각 채널 조건으로 사용한다. 만약 서모스탯 요구사항을 변환하면 큰 값을 얻을 수 있기 때문에, 정확한 변환을 원한다면 냉각 채널 경계 조건값으로 자체 서모스탯 유량 사양을 참고하여 과대 평가를 방지하는 것이 좋다. 유량 압력 이외에 서모스탯 냉각과 가열 능력 역시 서모스탯을 평가하는 매개변수이다. 시뮬레이션 과정에서 사용자는 큰 채널의 열 부하값을 확인하고 서모스탯 사양서의 냉각과 가열 능력과 비교한 후, 서모스탯의 냉각 능력이 시뮬레이션 냉각 채널의 열 부하값보다 크거나, 서모스탯 가열 능력이 시뮬레이션 냉각 채널의 음수 열 부하값보다 크기만 하면 요구사항이 충족되는 것으로 간주할 수 있다. Moldex3D가 확인 기능을 제공함으로써 사용자는 CSV파일에서 정리된 요구사항 정보를 얻을 수 있다 (그림 6).

그림 6 Moldex3D냉각 채널 압력, 유량 및 냉각 능력 요구사항

시뮬레이션 기술은 일정한 참고값을 제공하지만, 실제 현장의 냉각 채널에서는 냉각 채널 중앙에 있는 퀵 릴리스 냉각 채널 커넥터와 클로징 밸브, 표면이 매끄럽지 않은 호스, 또는 매니폴드 설계 영향 등과 같이 추가적인 냉각 채널 저항이 있다. 서모스탯 자체로 말하자면 서모스탯 실제 유량과 압력이 반드시 선형 변화를 나타내지 못할 수도 있기 때문에, 관련 요구사항의 평가를 진행할 때는 이러한 영향 요소도 함께 고려해야 한다.


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