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3D CFD 분석을 이용한 형상 적응형 냉각 채널 설계

현재까지도 업계에는 형상 적응형 냉각 채널의 효과에 대해 여전히 회의적인 시각이 있는데, 이는 형상 적응형 냉각 채널의 시뮬레이션 분석이 완벽하지 않기 때문에 어쩌면 당연한 것이라고 할 수 있다. 시뮬레이션 분석이 제공하는 최적화 도구와 모듈은 모두 매우 실용적이고 매우 강력한 훌륭한 검증 기술이지만, 그 효과는 사용자의 입력 값에 달려 있다. 즉, 이른바 “쓰레기가 들어가면 쓰레기가 나온다”는 개념으로, 두 명의 분석자가 플라스틱 사출 시뮬레이션 분석을 진행할 때 서로 다른 매개변수를 입력하면, 완전히 다른 결과가 나올 수 있다는 것이다. 형상 적응형 냉각 채널 분석에서도 마찬가지로 잘못된 가정을 입력하거나, 난류를 보장하기 위해 필요한 유율에 도달해야 하는 등의 중요한 인소를 누락시키면 잘못된 결과가 나타난다.

시뮬레이션 및 분석

형상 적응형 냉각 채널은 성형 주기를 최단축시키고, 제품에 필요한 크기에 도달하도록 지원한다. 그러나 이 결과는 반드시 설계자가 형상 적응형 냉각 채널에 필요한 유율을 유지할 수 있다는 전제 하에서만 달성될 수 있다. 복잡한 설계에서 방열 시뮬레이션만 진행하는 경우에는(냉각 채널 시스템을 방열 소스로만 정의) 몰드 내의 모든 상황을 확인할 수 없다. 전산 유체 역학(CFD) 분석 결과를 관찰할 수 있는 그림 1에 유율이 약 2.0gpm일 때의 레이놀즈 수가 나타나 있다.


그림 1 전산 유체 역학(CFD) 분석 결과, 유율이 약 2.0gpm일 때의 레이놀즈 수가 표시된다.

그림 1에서 보듯이 레이놀즈 수가 4200 이상인 일부 영역에는 난류 현상이 표시되지만, 레이놀즈 수가 4200 미만인 기타 영역에는 난류가 반드시 생성되지는 않는다. 이러한 상황으로 인해 전체 냉각 채널의 냉각 효율이 달라진다. 유속은 레이놀즈 수와 직접적 관련이 있기 때문에 설계자가 유동이 작거나 유동이 없는 영역을 찾아낼 수 있다면 이를 통해 냉각 채널 설계를 최적화할 수 있다. 시뮬레이션도 유동이 작거나/없는 잠재적 정체 영역을 찾아서 유속 결과를 표시할 수 있다. 유체는 저항력이 가장 작은 경로를 따라 유동하기 때문에 냉각수는 직접 입구에서 출구로 흐르고, 무작위 경로나 주변 구멍을 따라 사방으로 흐르지 않는 다는 점을 반드시 기억해야 한다.


설계자는 이러한 정보를 이용해 냉각 채널 설계를 최적화할 수 있고, 유동이 작거나 없는 영역을 가능한 한 축소시킬 수 있다 (그림 1 구멍 사이의 진한 파란색 영역). 예를 들어 물의 흐름이 레이놀즈 수가 비교적 작거나/없는 유동 영역을 통과하도록 간격 확대를 시도할 수는 있지만, 냉각수는 여전히 저항력이 가장 작은 경로에서 유동됩니다. 이렇게 구멍의 영향을 감소시키면 유동이 작거나 유동이 없는 영역이 축소될 수 있고, 일정한 유율 하에서 난류 현상이 최대화될 수 있다.


이제 문제는 “이러한 분석이 방열 분석과 얼마나 차이가 있을까?”이다. 사실 냉각 계산의 관점에서 보면 크지는 않고, 입력하는 유율에 따라 결정된다. 그러나 방열 분석과 CFD분석의 결과는 변경된 효과와 변화량을 결정한다.


형상 적응형 냉각은 일반적으로 제품의 형상에 맞추기 위해, 직경이 작고 길이가 긴 회로로 구성되므로 방열 분석만으로는 형상 적응형 냉각 채널 분석에 적합하지 않습니다 (그림 2, 그림 3 참조). 직경이 작거나 두께가 얇고, 길이가 긴 냉각 채널 설계는 큰 압력이 있어야만 회로 내에 충분한 유율이 도달할 수 있다. 따라서 형상 적응형 냉각 채널을 이해하려면 일반적 방열 분석만으로는 충분하지 않다.


그림 2 동일한 모델의 냉각수 압력 결과. 유율도 2.0gpm으로 동일하다.

그림 3 빔 요소 및 3D 메쉬를 이용한 압력 강하 결과 시