고온의 생산 환경에서 필요한 냉각 솔루션
psi-technics
개요
고온 생산 환경에서 광학 데이터 전송 시스템, 레이저 거리 측정기, 바코드 스캐너 및 카메라를 어떻게 안정적으로 사용할 수 있을까?
도전 과제
산업 환경은 종종 습도, 먼지 및 극한 온도와 같은 열악한 조건의 영향을 받는다. 자동화된 시설은 민감한 센서, 광학 데이터 전송 시스템, 레이저 거리 측정기, 바코드 리더 또는 카메라에 이상적인 조건을 제공한다.
판매자 권장 온도 사양은 일반적으로 -20°C~+50°C(-4°F~122°F)이다. 내부 부품(예: 레이저 다이오드 또는 마이크로 칩)이 과도한 열에 노출되어 측정 오류, 예기치 않은 하드웨어 고장 및 생산 중단으로 이어질 수 있으므로 온도가 높을수록 센서 수명이 크게 단축될 수 있다. 이와 같은 고온 응용 분야에서는 센서의 구성 요소 수명을 6개월로 단축시킬 수 있다. 센서 또는 센서 구성품을 주기적으로 분해하면 유지 보수 담당자에게 추가적인 부담이 되고 생산주기가 중단되어 다운타임이 생기거나 수리해야할 상황이 발생한다.
따뜻한 기후에서는 밀폐된 건물의 온도가 상승하여 민감한 센서가 자주 작동하지 않을 수 있다. 그러나 최대 +80°C (176°C)의 과도한 열로부터 센서를 보호하면 다음과 같은 이유로 위에서 언급한 문제를 해결하고 센서의 적용 범위를 확장할 수 있다.
1. 센서를 열원에 더 가까이 장착할 수 있어 시판 제품의 적용 범위가 크게 확장되어 보다 효율적인 공정 자동화가 가능하다.
2. 레이저 다이오드, 전자 부품, 광학 데이터 전송 시스템 및 기타 센서의 수명을 상당히 연장한다. 이는 비용을 절감 할뿐만 아니라 유지 보수 및 고장으로 인한 중단 시간을 단축시킨다.
3. 환경 온도를 낮추기 위해 복잡한 메커니즘에 의존할 필요가 없다.
4. 온도가 정기적으로 +80°C(176°F)에 도달하거나 초과하는 생산 환경은 공장 직원에게 위험한 작업 조건을 만든다. 열 보호 센서가 필요하다. 열원과 가까운 곳에서 직원이 고온에 노출되지 않도록 자동화된 생산 환경과 작업 조건이 필요하다.
가능한 해결책
제한된 수의 솔루션만이 효과적인 열 보호와 적절한 센서 냉각을 보장한다. 특정 애플리케이션에 적합한 냉각 시스템은 생산 환경에 따라 다르며 사례별로 결정해야 한다.
해결 방법 1. 열 차폐
열 차폐는 극한 온도로부터 센서를 부분적으로 보호한다. 센서 측정은 열 차폐의 개구부를 통해 이루어진다. 열 차폐는 레이저 거리 측정기와 같은 센서를 장기적으로 측정 정밀도에 부정적인 영향을 줄 수 있는 주변 열로부터 완전히 보호하므로 이 방법은 최대 측정 정확도가 필요한 애플리케이션 분야에는 권장되지 않는다.
왜냐하면 열 차폐는 레이저 거리 측정기와 같은 센서를 주변 열로부터 완전히 보호하므로 장기적으로 측정 정밀도에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 또한 모든 유형의 센서에 적합하지는 않다. 예를 들어 카메라를 위한 측정 개구부의 직경은 실드를 거의 완전히 비효율적으로 만들 정도로 확대해야 한다. 또한 열 차폐로 먼지가 센서 하우징에 끼거나 씰이 막히거나 렌즈가 막히거나 충격이나 낙하물에 센서가 노출되는 것을 막을 수 없다.
열 차폐는 일반적으로 유지 관리 요구 사항이 낮지만 설치에는 상당한 노력이 필요하다. 일부 설비에는 적절한 장착 옵션이 없고 열 차폐가 기존 측정 또는 생산 시스템에 통합하기 어려울 수 있다. 다른 측정 장치를 부분적으로 숨기거나 특정 센서 위치에 부적합 할 수 있기 때문이다. 포지셔닝 관련 애플리케이션에서 열 차폐 설치는 레이저 거리 측정기의 안정성에 영향을 줄 수 있다. 거리 측정기가 최소한의 여유를 갖도록 하려면 실드의 측정 개구부를 확대해야 하므로 실드의 보호 효과가 크게 줄어든다.
해결 방법 2. 수냉
또 다른 해결책은 수냉 시스템 또는 케이스를 설치하는 것이다. 냉각 모듈은 일반적으로 보호 케이스 내부의 플레이트에 장착되며 케이스의 내부 온도는 수냉식 루프로 제어된다. 이 솔루션은 센서의 적용 범위를 최대 +95°C (203°F)까지 늘인다.
수냉식은 센서 측정 정확도를 보장할 때 효과적인 솔루션이다. 그러나 유리 패널에 응결이 발생하면 센서 작동에 악영향을 줄 수 있다. 센서 설치에는 항상 보호 케이스가 필요하며 적합한 센서의 수는 하우징의 크기에 의해 제한될 수 있다.
크기에 따라 수냉식 케이스는 일반적으로 대부분의 위치에 설치할 수 있다. 그러나 일부에는 설치 노력과 비용을 크게 증가시킬 수 있는 추가 구성 요소가 포함된다. 센서가 포지셔닝 작업에 사용되는 시설에서 센서는 종종 스태커 크레인(stacker cranes) 또는 브리지 크레인(bridge cranes)과 같은 레일 가이드 차량에 장착되며 레일 기반 물류 시스템용 물호스 설치 또는 이동은 거의 불가능하다.
철강 산업과 같은 특정 산업에서는 일반적으로 수냉식 케이스 사용을 피해야 한다. 관련 전문가는 다음과 같이 말한다. “기술적 고장 또는 작동 오류로 용광로의 냉각 시스템 또는 주조 시설이 파열될 수 있다. 많은 양의 냉각수가 용광로 용기 등 매우 많은 양의 용융 물질에 쏟아져 치명적인 결과를 초래할 수 있다”
해결 방법 3. 강제 공기 냉각
Vortex튜브를 사용한 강제 공기 냉각은 효과는 있지만 비용이 많이 든다. 이 시스템은 온도가 +100°C(212°F)를 초과하는 환경에서 사용된다. 냉각 온도는 조정 가능한 시스템을 통해 제어된다. Vortex튜브는 뜨거운 공기와 차가운 공기를 별도의 호스로 리디렉션하여 튜브의 반대쪽 끝에서 빠져나갈 수 있다. 이 접근법은 저온 냉각에 사용된다.
강제 공기 냉각 시스템의 경우 센서는 보호 케이스에 설치해야 한다. 보호 케이스는 압축기 및 에어 호스와 같은 주변 장치에 연결되어 강제 공기 냉각을 지속적으로 작동한다. 이러한 시스템은 광범위한 유지 관리가 필요하며 포지셔닝 애플리케이션에 필요한 유연성이 부족하다.
특수 교육을 받은 직원이 강제 공기 냉각 시스템을 수리해야 하며 문제 해결에 많은 시간이 소요될 수 있다. 소음은 또 다른 관련 요소이다. 강제 공기 냉각 시스템은 최대 120dB의 소음을 발생시킨다.
해결 방법 4. 열전 냉각(Thermoelectric Cooling)
열전 냉각 케이스는 민감한 센서를 극한의 열로부터 보호하는 또 다른 대안이다. 센서는 보호 케이스 내부에 설치되며 하우징 내부의 열전 냉각 어댑터 플레이트에 장착된다. 열전 냉각 효과를 생성하기 위해서는 공급 전압만 있으면 된다. 폐열은 환기 시스템에 의해 소산된다.
열전 냉각 케이스는 수냉 시스템과 마찬가지로 견고하고 효율적이다. 주변 장치와 수냉 회로 대신 전원만 필요하다. 전원은 모든 유형의 냉각 시스템에 대한 전제 조건이므로 열전 냉각에 대한 비용은 수냉 또는 강제 공기 냉각보다 상당히 낮다. 열전 냉각 케이스는 포지셔닝 어플리케이션에 적합하다.
냉각 케이스 및 전기 캐비닛은 레일 가이드 차량(예: 브리지 크레인 또는 스태커 크레인)에 직접 장착할 수 있다. 전기 캐비닛은 열전 냉각 케이스에 필요한 전압을 공급하여 복잡한 배선이나 케이블을 제거한다.
열전 냉각 케이스는 IP54 등급이며 유지 보수가 필요 없다는 장점이 있다. 일단 설치되면 주변 열, 물, 먼지, 충격으로부터 민감한 센서를 안정적으로 보호된다. 추가 액세서리나 유지 보수가 필요하지 않아 오류 발생 가능성이 줄어든다. 열전 냉각 케이스는 거의 모든 위치에 장착할 수 있다. 센서가 올바르게 작동하도록 케이스 유리판에서 먼지를 정기적으로 닦아야 한다.
결론
산업 생산 시설의 센서 고장 및 오작동은 생산 중단 시간 및 수리비용 발생으로 예상치 못한 상황을 발생시킨다. 경우에 따라 센서 고장으로 인해 공장 직원의 안전을 위협할 수도 있다.
특정 애플리케이션 분야에 적합한 냉각 시스템은 생산 환경에 따라 다르며 상황에 따라 결정해야한다. 열전 냉각 케이스는 냉각 성능, 설치, 유지 보수 요구 사항, 안전성 측면에서 비용이 적게 들어 대부분의 산업 애플리케이션으로 권장된다.
가동 중지 시간을 최소화하고 작업 조건과 작업장 안전을 향상시키려면 항상 안전과 신뢰성을 고려하여 민감한 센서를 위한 냉각 솔루션을 선택해야 한다.
자료 제공: psi-technics(www.psi-technics.com)
