[논문]고압 쿨런트 펌프의 막힘 방지를 위한 사이클론 타입 필터

김준환; 강지훈; 강성기

doi:10.7735/ksmte.2015.24.6.599

[국내논문] 고압 쿨런트 펌프의 막힘 방지를 위한 사이클론 타입 필터
Cyclone Type Filter for Preventing Clogging of High Pressure Coolant Pump 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.24 no.6, 2015년, pp.599 - 604

김준환 (Computer Aided Mechanical Design, Chang-won Campus Of Korea Polytechnics VII) , 강지훈 (Computer Aided Mechanical Design, Chang-won Campus Of Korea Polytechnics VII) , 강성기 (Computer Aided Mechanical Design, Chang-won Campus Of Korea Polytechnics VII)

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, the coolant system in industrial sites is an efficient process to keep clean cutting oils. However, the damage to a pump occurs due to a chip and debris when inhaled into the pump, and thus problems such as the reduction of both efficiency and lifespan might arise. In this study, a new type of filter was developed in order to primarily prevent the damage from the pump impeller and make it unnecessary to have the replacement and cleaning at the same time. This study found the problem reducing the suction volumetric efficiency and cavitation when inhaled, and conducted a method to solve the problem compared to the result of fluid analysis according to two velocity conditions. As a result, this study achieved the effect of lowering the pressure and meeting the suction flow rate by connecting the four filters.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제점 때문에 기존의 필터와 달리 막힘이 발생하지 않고 주기적인 교환이나 청소가 필요하지 않으며, 반영구적이고 비용 대비 고효율을 낼 수 있는 새로운 1차 필터링 장치에 대하여 연구하게 되었다.
본 연구에서는 사이클론 필터 타입을 수중에서 효율 향상을 위하여 수평형으로 설계하고, 유동해석을 바탕으로 사이클론 필터를 개발하여 안전성과 흡입효율을 개선하였다.
이 논문은 2015년도 한국공작기계산업협회에서 시행하는 『제7회 대학생 공작기계 창의 아이디어 공모전』에 참여하기 위해 연구한 것이며, 한국폴리텍대학 FL System에 의한 멘토기업 아이엔테코와 프로젝트과제 수행 결과입니다.

제안 방법

본 연구에서는 Fig. 2와 같은 설계도면의 치수 기호를 활용하여 가장 효율적인 형상을 찾기 위해서 overflow에 유속 2,000과 4,000 mm/sec 조건에서 Table 1과 Table 2와 같은 조건으로 각각 6회 실험을 통해 유동해석을 하였다. 해석에 사용된 프로그램은 NX9 CAE(NASTRAN)를 사용하였으며 효율을 비교하기 위해 사이클론 필터의 inlet와 underflow(관로 직경: D mm, 외형 길이: L mm)를 각각 다른 조건으로 하여 데이터를 산출하였다.
8은 유동해석을 통해 그 결과 값을 적용하여 설계된 사이클론 필터의 설계도면이다. 흡입 펌프에 1개의 필터를 부착하게 되면 진동 발생 및 흡입 효율이 떨어질 수도 있다는 문제점이 발견되어 이를 해결하기 위해 4개의 응용 필터를 플랜지에 크로스로 결합하여 진동에 대한 안정성과 흡입 효율을 향상시킬 수 있게 하였다^[4-6].

데이터처리

2와 같은 설계도면의 치수 기호를 활용하여 가장 효율적인 형상을 찾기 위해서 overflow에 유속 2,000과 4,000 mm/sec 조건에서 Table 1과 Table 2와 같은 조건으로 각각 6회 실험을 통해 유동해석을 하였다. 해석에 사용된 프로그램은 NX9 CAE(NASTRAN)를 사용하였으며 효율을 비교하기 위해 사이클론 필터의 inlet와 underflow(관로 직경: D mm, 외형 길이: L mm)를 각각 다른 조건으로 하여 데이터를 산출하였다.

성능/효과

본 연구에서 처음에는 가장 널리 사용되는 수직형 사이클론 필터를 제작하려 하였으나 이 경우 펌프와 필터를 결합했을 때 필터흡입 양정이 너무 높아 효율이 제대로 나오지 않는다는 문제가 있었다. 여러 번의 논의와 시행착오 끝에 펌프와 직각이 되도록 설치하는 수평형 사이클론 필터를 고안하였는데 이를 통해 필터의 흡입 양정을 대폭 낮춤으로써 수직형 사이클론보다 효율이 높아지는 효과를 기대할 수 있었다^[6].
유동해석을 통해 흡입유속이 2,000 mm/sec 일 때 필터링이 효율적으로 이루어졌다. 이론적으로는 유속의 편차가 클수록 사이클론이 강하게 발생하지만, 최소유속이 일정수준 이하로 떨어지지 않는다면 필터링이 이루어지지 않는 것을 알 수 있었다.
필터에 작용하는 총압력이 일정수준 이상으로 발생하면 필터링이 이루어지지 않고 캐비테이션이 발생하는 현상을 볼 수 있었으며 최고압력 1.210E-002~1.250E-002, 최소압력 3.680E-003~4.0E-003 범위의 총압력이 가해질 때 가장 효율적인 사이클론이 발생되었고, 일정량의 압력편차가 존재해야 사이클론이 발생되었음을 알 수 있었다.
한 개의 사이클론 필터를 사용할 시 펌프의 흡입유량이 부족해지는 현상이 나타났으며 4개의 사이클론 필터를 크로스와 플랜지로 연결하여 사용함으로써, 흡입유량을 충족시키고 압력을 저하시키는 효과가 있었다.
4는 총 압력에 대한 결과 값을 나타낸 것으로 조건 A1부터 A5의 경우는 흡입 유속이 높아, 조건 B 계열 모델보다 높은 압력 값이 발생하였고 또한 필터링이 이루어지지 않았다. 조건 B5와 B6는 비슷한 압력 값을 가지고 있었으며 두 모델에서 가장 효율적인 필터링이 이루어지는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쿨런트 시스템은 무엇인가?	또한, 절삭 칩을 씻어내려 절삭공구의 수명을 길게 하고, 치수 정밀도 향상, 가공 면의 녹 방지 등 여러 가지 작용을 한다. 하지만 가공 작업 시 생성되는 칩이나 불순물이 절삭유와 섞여 절삭유를 공급하는 펌프 이상으로 효율성이 떨어지는 문제가 발생하는데 이것을 해결하기 위하여 한번 사용된 절삭유가 필터를 통해 펌프로 이송되어 깨끗한 상태로 정화됨으로써 가공 작업에 재사용할 수 있는 상태로 만들어주는 것을 쿨런트 시스템이라고 한다.
	쿨런트 시스템이 가지는 문제점을 해결하기 위한 방법들은 어떤 어려움을 가지고 있는가?	쿨런트 시스템에서는 크기가 큰 칩이 펌프로 절삭유와 함께 흡입되면서 내부를 마멸시켜 펌프의 작동 효율을 감소시키고 수명을 단축하게 한다는 문제점을 가지고 있었다. 따라서 펌프 흡입구에 메쉬망, 펀칭 플레이트 등의 방법을 이용하여 1차 필터링 장치를 함으로써 이를 해결하고자 하였으나 1차 필터링 방식의 경우 펌프의 강한 유입속도로 인해 칩과 이물질 등에 의한 막힘이 발생하여주기적으로 청소와 필터의 교환을 해야 하는 문제점이 발생하였고, 그때마다 장비의 정지 손실이 발생하여 생산성에 많은 어려움을 가지고 있었다.
	쿨런트 시스템이 가지고 있던 문제점은 무엇인가?	쿨런트 시스템에서는 크기가 큰 칩이 펌프로 절삭유와 함께 흡입되면서 내부를 마멸시켜 펌프의 작동 효율을 감소시키고 수명을 단축하게 한다는 문제점을 가지고 있었다. 따라서 펌프 흡입구에 메쉬망, 펀칭 플레이트 등의 방법을 이용하여 1차 필터링 장치를 함으로써 이를 해결하고자 하였으나 1차 필터링 방식의 경우 펌프의 강한 유입속도로 인해 칩과 이물질 등에 의한 막힘이 발생하여주기적으로 청소와 필터의 교환을 해야 하는 문제점이 발생하였고, 그때마다 장비의 정지 손실이 발생하여 생산성에 많은 어려움을 가지고 있었다.

참고문헌 (6)

Jang, S. C., Jung, W. B., Park, L. B., Lee, C. W., Lee, C. K., 2011, Fundamental Study on Optimum Design of Cyclone Collector, Korean Society of Manufacturing Technology Engineering Spring Conference, 381-382.
Jang, S. C., Ahn, H. W., Lee, C. K., 2013, Fundamental Design of Cyclone Collector for Oil Mist, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 22:2 223-227.

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SEHWA Editorial Department, 2001, Chemistry Unabridged Dictionary, SEHWA, Korea.
Ju, J. I., Choi, Y. S., Lee, Y. K., Kim, T. H., Kim, S. Y., 2003, Numerical Study of Turbulent Flow in a Hydrocyclone, Journal of the Korean Society of Fluid Machinery, 6:2 34-40.

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Ahn, K. H., Park, Y. S., 2004, Application of Air Lift Pump for Sludge Discharger, J. of the Environmental Sciences, 13:10 929-938.

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Mo, J. O., Kim, Y. T., Lee, Y. H., 2012, Numerical Study on Cavitation Performance Evaluation in a Centrifugal Pump Impeller, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 36:2 286-293.

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