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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 원료 히팅 및 온도제어를 위한 저장탱크, 초소용량 미터링 펌프, 카트리지 히터가 설치된 믹싱헤드, 정밀 토출을 위한 폐회로 피드백 제어(closed-loop feedback control) 시스템 등을 구축하고, 실험을 통해 토출 정밀도를 평가하고, 펌프와 노즐에서 발생하는 압력에 관하여 고찰하였다.
제안 방법
- 5는 믹싱헤드의 내부 구조를 나타낸다. Polyol 측에 0.12 mm, Isocyanate 측에 0.13 mm 직경을 갖는 노즐을 적용하여 토출실험을 수행하였으며, 이때 180 bar 수준의 압력을 발생시킬 수 있었다4) .
- 개방루프제어 조건에서 코팅제 반복 토출 정밀도를 측정하기 위해 사판각도를 1º, 토출 유량을 3.75 g/s (Polyol : 1.75 g/s, Isocyanate : 2.0 g/s) 로 고정시키고, 토출시간을 각각 2초, 3초, 4초 동안 5회씩 토출하여 설정된 값과 실제 토출량을 비교하여 오차를 측정하였다.
- 본 연구에서는 P(gain)값을 1로 설정하여 상승시간을 줄이고 정상상태 오차가 발생하지 않도록 하였다. 또한 P(gain) 값을 1로 고정시킨 상태에서 I(reset) 값을 10~50 구간에서 변화시키며 압력추이를 고찰하였다. 그 결과 I(reset) 값이 10일 때 정상 상태 오차가 가장 작게 발생함을 확인하였다.
- 여기서 사용된 모터의 극수(p)는 6이며, 인버터의 주파수(Ƅ)를 변화시키면서 모터의 회전속도를 제어하여, 궁극적으로 모터에서 원료의 토출량을 제어할 수 있도록 하였다. 또한 설정된 토출량이 모터의 회전속도 제어 범위를 벗어날 경우에는 다이얼 인디케이터를 사용하여 사판 각도를 변경할 수 있도록 하였다.
- 주제와 경화제 탱크의 용량을 각각 30리터로 설계하였으며, 온수를 이용한 가열을 통해 원료의 온도가 일정하게 유지되도록 하고, 온수의 입구와 출구는 탱크 하단부에 설치하였다. 또한 탱크 내부의 원료를 서서히 교반하여 온도를 고르게 전달하고 화학적 성분의 분리를 방지하며, 탈포를 용이하게 할 수 있도록 감속기 모터와 임펠러로 구성된 교반기를 설치하였다. 그리고 탱크 안에서 원료에 포함된 기포를 제거하기 위하여 진공펌프를 설치하였다.
- 특히, 경화제(isocyanate)는 약간의 습기에도 침전물이 생성되므로 이를 걸러내기 위하여 10Ɇm크기의 메쉬(mesh)를 갖고 있으며, 100도까지 견딜 수 있는 고압필터를 사용하였다. 또한 회전 시 원료의 누설을 방지하기 위하여 마그네틱 커플링을 사용하였으며, 고압펌프로부터의 토출유량과 발생압력을 실시간으로 측정할 수 있도록 유량계와 압력센서 및 압력게이지를 설치하였다.
- 본 연구에서 사용된 축류 피스톤 펌프는 토출량 최대 2 cc/rev, 회전속도 200~1,800rpm, 최대 토출압력 250 bar, 최대 입구압력 20 bar, 최대온도 80℃에서 사용할 수 있도록 하였다. 펌프의 토출유량(#)을 만족시키기 위하여 설정하는 주파수(f)는 식 (2)와 같이 계산된다.
- 2일 때에는 적정압력인 170 bar를 만족하지 못한 채 상승시간이 상당히 길고, Gain 값이 점차 증가함에 따라서 적정압력에 도달하는 시간이 더욱 빨라짐을 알 수 있다. 본 연구에서는 P(gain)값을 1로 설정하여 상승시간을 줄이고 정상상태 오차가 발생하지 않도록 하였다. 또한 P(gain) 값을 1로 고정시킨 상태에서 I(reset) 값을 10~50 구간에서 변화시키며 압력추이를 고찰하였다.
- 사출성형과 표면코팅을 금형 안에서 동시에 구현하는 인몰드 코팅을 위하여 2액형 폴리우레탄 정량공급 장치를 개발하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 여기서 사용된 모터의 극수(p)는 6이며, 인버터의 주파수(Ƅ)를 변화시키면서 모터의 회전속도를 제어하여, 궁극적으로 모터에서 원료의 토출량을 제어할 수 있도록 하였다. 또한 설정된 토출량이 모터의 회전속도 제어 범위를 벗어날 경우에는 다이얼 인디케이터를 사용하여 사판 각도를 변경할 수 있도록 하였다.
- 원료의 온도를 균일하게 유지하기 위하여 이중벽 구조의 저장탱크를 개발하였다. 주제와 경화제 탱크의 용량을 각각 30리터로 설계하였으며, 온수를 이용한 가열을 통해 원료의 온도가 일정하게 유지되도록 하고, 온수의 입구와 출구는 탱크 하단부에 설치하였다.
- 지나치게 높은 원료 압력으로부터 펌프를 보호하기 위하여 기계적인 압력 릴리프 밸브를 펌프의 입력 포트와 출구 플랜지 사이에 직접 설치하고, 압력 릴리프 밸브가 개방될 때 원료가 바이패스 라인을 통해 흡입 플랜지로 리턴되도록 하였다. 유량계를 보호하고, 고압라인의 막힘이 발생하지 않도록 축류 피스톤 펌프와 유량계 사이에 고압필터를 설치하였다. 특히, 경화제(isocyanate)는 약간의 습기에도 침전물이 생성되므로 이를 걸러내기 위하여 10Ɇm크기의 메쉬(mesh)를 갖고 있으며, 100도까지 견딜 수 있는 고압필터를 사용하였다.
- 유량계를 사용하여 토출량을 실시간으로 측정하고, 모터의 속도를 제어하여 온도 및 점도의 변동에 관계없이 항상 일정한 유량을 토출할 수 있도록 피드백 폐회로 제어(closed-loop control) 시스템을 구축하였다. Fig.
- 펌프로부터 토출된 원료는 히팅 호스를 따라 믹싱헤드까지 공급되도록 하였다. 이 때, 폐회로 제어를 통해 토출유량의 설정 값과 유량계를 통한 측정 값을 비교하여 오차를 계산하고, 유량조정 신호에 따라 주파수 변환기를 통해 펌프의 속도를 자동으로 제어하도록 하였다. Fig.
- 인몰드 코팅을 위하여 2액형 폴리우레탄 공급장치를 설계/제작하였으며, 구성은 크게 주제 및 경화제의 저장탱크, 저압 피드펌프, 고압 축류 피스톤펌프, 믹싱헤드로 구분된다.
- 원료의 온도를 균일하게 유지하기 위하여 이중벽 구조의 저장탱크를 개발하였다. 주제와 경화제 탱크의 용량을 각각 30리터로 설계하였으며, 온수를 이용한 가열을 통해 원료의 온도가 일정하게 유지되도록 하고, 온수의 입구와 출구는 탱크 하단부에 설치하였다. 또한 탱크 내부의 원료를 서서히 교반하여 온도를 고르게 전달하고 화학적 성분의 분리를 방지하며, 탈포를 용이하게 할 수 있도록 감속기 모터와 임펠러로 구성된 교반기를 설치하였다.
- 지나치게 높은 원료 압력으로부터 펌프를 보호하기 위하여 기계적인 압력 릴리프 밸브를 펌프의 입력 포트와 출구 플랜지 사이에 직접 설치하고, 압력 릴리프 밸브가 개방될 때 원료가 바이패스 라인을 통해 흡입 플랜지로 리턴되도록 하였다. 유량계를 보호하고, 고압라인의 막힘이 발생하지 않도록 축류 피스톤 펌프와 유량계 사이에 고압필터를 설치하였다.
- 최적의 제어 조건을 찾기 위하여 Gain 과 Reset값을 조정하여 펌프 동작 이후 안정된 압력 도달시간을 측정하였다. Fig.
- 8과 같으며, 실험에 사용된 코팅제는 독일의 Votteler사에서 제조한 2액형 폴리우레탄(polyol : PU993, isocyanate : PU955)이다. 코팅제 공급장치의 토출 정밀도를 확인하기 위하여 개방루프제어(open-loop contrl)와 폐회로제어를 적용한 경우에 대하여 각각 고찰하였다.
- 탱크로부터 공급된 원료가 고압펌프를 통해 믹싱헤드 내부 노즐까지 도달하게 되며, 이때 발생하는 노즐 압력을 측정하였다. Fig.
- 탱크로부터 유입된 원료가 믹싱챔버까지 공급되면서 열전달에 의하여 원료의 온도가 떨어지지 않도록 하기 위하여 히팅챔버를 사용하였으며, 피드펌프, 저압필터, 고압펌프, 고압필터, 압력센서, 유량계 등을 히팅챔버 내부에 설치하였다.
- 한편 유량센서 신호를 바탕으로 폐회로 피드백 제어를 적용하여 주제와 경화제의 토출유량을 각각 0.4~1.6 g/s 범위에서 0.2 g/s씩 증가시키며 실험을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 피드펌프와 저압필터를 거쳐 공급된 원료를 믹싱헤드까지 공급하기 위한 고압펌프로서 축류 피스톤펌프(axial piston pump)를 사용하였다. 구동축을 회전시키기 위하여 2.2 kw 3상 모터를 사용하였으며, 모터의 회전수를 제어하기 위해 인버터를 사용하였다. 이때 모터의 회전속도는 식 (1)과 같다.
- 이후 믹싱챔버 피스톤이 다시 전진하게 되고, 마지막으로 클리닝 피스톤이 전진하면서 관내에 남아있는 원료를 금형 안으로 밀어내게 된다. 원료 온도조절을 위하여 카트리지 히터와 온도센서, 그리고 노즐압력 모니터링을 위한 압력센서를 설치하였다. Fig.
- 인몰드 코팅 실험을 위하여 구축된 장치는 Fig. 8과 같으며, 실험에 사용된 코팅제는 독일의 Votteler사에서 제조한 2액형 폴리우레탄(polyol : PU993, isocyanate : PU955)이다. 코팅제 공급장치의 토출 정밀도를 확인하기 위하여 개방루프제어(open-loop contrl)와 폐회로제어를 적용한 경우에 대하여 각각 고찰하였다.
- 유량계를 보호하고, 고압라인의 막힘이 발생하지 않도록 축류 피스톤 펌프와 유량계 사이에 고압필터를 설치하였다. 특히, 경화제(isocyanate)는 약간의 습기에도 침전물이 생성되므로 이를 걸러내기 위하여 10Ɇm크기의 메쉬(mesh)를 갖고 있으며, 100도까지 견딜 수 있는 고압필터를 사용하였다. 또한 회전 시 원료의 누설을 방지하기 위하여 마그네틱 커플링을 사용하였으며, 고압펌프로부터의 토출유량과 발생압력을 실시간으로 측정할 수 있도록 유량계와 압력센서 및 압력게이지를 설치하였다.
- 피드펌프와 저압필터를 거쳐 공급된 원료를 믹싱헤드까지 공급하기 위한 고압펌프로서 축류 피스톤펌프(axial piston pump)를 사용하였다. 구동축을 회전시키기 위하여 2.
성능/효과
- 1) 이중벽 구조의 저장탱크를 적용하여 원료온도 80℃를 유지할 수 있었으며, 고압 축류 피스톤 펌프를 적용하여 인몰드 코팅 공정에 적용 가능한 수준의 높은 압력을 발생시킬 수 있었다.
- 2) L자형 구조의 믹싱헤드를 적용하여 주제와 경화제의 균일한 혼합이 가능하도록 하였으며, Polyol 측에 0.12 mm, Isocyanate 측에 0.13 mm 직경을 갖는 노즐을 사용하여 180 bar 수준의 압력을 확보할 수 있었다.
- 3) 폐회로 피드백제어를 적용했을 경우 주제와 경화제 모두 0.6 g/s 이상일 때 토출 정밀도 오차는2.2% 이하로 나나났으며, 개방루프제어에 비해 약2~3배가량 정밀한 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 4) 유량이 0.4 g/s 이하로 매우 적은 경우에는 공급장치의 제어 정밀도가 떨어지고, 신뢰성을보장할 수 없는 것으로 나타났다.
- 5) 펌프압력과 노즐압력은 토출유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였으며, 펌프압력과 노즐압력의 차이는 약 10 bar 정도로 나타났다.
- 결국 폐회로제어를 적용했을 경우 주제와 경화제 모두 0.6 g/s 이상에서 개방루프제어에 비해 약 2~3배가량 정밀한 제어가 가능하다는 것 을 확인할 수 있다. 그러나 유량이 0.
- 또한 P(gain) 값을 1로 고정시킨 상태에서 I(reset) 값을 10~50 구간에서 변화시키며 압력추이를 고찰하였다. 그 결과 I(reset) 값이 10일 때 정상 상태 오차가 가장 작게 발생함을 확인하였다.
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