Graphical Abstract

용융 금속 시스템을 위한 액체 CO₂ 냉각 시스템의 효율성과 기동성 연구

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연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 마그네슘 합금은 가벼운 금속 구조재료로서 알루미늄과 철강을 대체할 가능성이 있음.
  • 하지만 마그네슘 다이캐스팅 과정에서는 내부 재활용 재료 비율이 높아(50~80%) 비용과 에너지가 증가함.
  • 핫 러너(hot runner) 기술을 적용하면 용융 상태에서 금속을 유지하며 주입할 수 있어 소재 손실을 줄일 수 있음.
  • 하지만 핫 러너 시스템에는 열 차단(thermal seal) 기술이 필요하며, 기존 냉각 방식(물/오일 기반)으로는 반응성이 높은 마그네슘을 안전하게 냉각하기 어려움.

연구 목적

  • 액체 CO₂ 냉각 시스템을 적용하여 핫 러너 내 마그네슘의 냉각 효율성과 기동성을 평가.
  • 냉각 매개변수와 노즐 지오메트리 변화에 따른 성능 분석.
  • 실험 데이터를 FLOW-3D 기반 열 시뮬레이션과 비교하여 검증.

연구 방법

실험 장치(Test Rig) 구성

  • 중력 기반(gravity-driven) 핫 러너 테스트 리그 제작.
  • CO₂ 냉각을 위한 캡릴러 튜브 및 확장 보어(expansion bore) 설치.
  • 온도 센서를 통해 냉각 속도 및 온도 분포 측정.
  • 핫 러너 내부 용융 마그네슘 합금(AZ91D, 640℃)을 대상으로 실험 진행.

CO₂ 냉각 시스템 설계

  • CO₂는 60 bar 압력에서 공급되며, 팽창 시 줄-톰슨(Joule-Thomson) 효과를 이용하여 급속 냉각.
  • 냉각 노즐의 직경(8mm, 12mm, 16mm)에 따른 열 차단 성능 평가.
  • 온도 측정을 위해 NiCr-Ni 열전대 배치.

FLOW-3D 기반 시뮬레이션

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 용융 마그네슘의 거동 분석.
  • 난류 모델(RNG k-ε) 적용하여 열 흐름 시뮬레이션 수행.
  • 냉각 및 가열 프로세스를 개별적으로 모델링하여 계산 효율성 향상.

주요 결과

냉각 성능 평가

  • 16mm 노즐을 사용한 경우 냉각 속도가 최대 4.8℃/s로 가장 높았음.
  • 냉각 시간이 증가할수록 냉각 속도가 비선형적으로 감소(지수 함수 형태).
  • 냉각 후 CO₂ 확산으로 인해 온도가 다시 상승하는 현상이 관찰됨.

노즐 직경별 냉각 효과 비교

  • 8mm 및 12mm 노즐은 냉각 효과가 제한적이며, 산화물 형성으로 인해 흐름 방해 위험이 있음.
  • 16mm 노즐이 가장 효율적이며, 핫 러너 내 부분 응고(partial solidification) 없이 열 차단 가능.

FLOW-3D 시뮬레이션 검증

  • 실험 결과와 시뮬레이션 간 높은 상관성 확인(냉각 속도 및 최저 온도 차이 ±3%).
  • 냉각 시스템의 국부적(local) 영향 확인 → 특정 영역에서 급속 냉각 후 주변부 온도 회복.
  • 냉각 매개변수(펄스 지속시간, 펄스 간격) 최적화를 통해 냉각 시간 단축 가능.

결론 및 향후 연구

결론

  • 액체 CO₂ 냉각 시스템이 핫 러너의 열 차단 및 용융 마그네슘 냉각에 효과적임을 입증.
  • 16mm 노즐이 최적의 냉각 성능을 제공하며, 산업 적용 가능성이 높음.
  • FLOW-3D 기반 열 시뮬레이션이 실험 결과를 정확히 재현하여 신뢰성 확보.

향후 연구 방향

  • 다양한 냉각 매개변수를 추가 분석하여 최적 냉각 전략 도출.
  • LES(Large Eddy Simulation) 기반 난류 해석을 통해 냉각 성능 향상.
  • 실제 산업 환경에서의 테스트를 통해 스케일업(scale-up) 가능성 검토.

연구의 의의

이 연구는 액체 CO₂를 이용한 핫 러너 냉각 시스템의 효율성과 기동성을 평가한 연구로, 기존 냉각 기술 대비 높은 열 차단 효과를 제공하며, 다이캐스팅 공정의 품질 및 생산성 향상에 기여할 가능성을 제시하였다.

Fig. 3. CAD representation of the measuring range around the pin tip with color-coded thermocouples for the heating control (orange)
Fig. 3. CAD representation of the measuring range around the pin tip with color-coded thermocouples for the heating control (orange)
Fig. 8. Interpolation of the temperature curves at measuring points 1, 2 and 3 over time and distance from CO2 cooling
Fig. 8. Interpolation of the temperature curves at measuring points 1, 2 and 3 over time and distance from CO2 cooling
Fig. 12. Sectional view of the nozzle with color scaled temperatures in the melt
Fig. 12. Sectional view of the nozzle with color scaled temperatures in the melt

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Efficiency and agility of a liquid CO2 cooling system for molten metal systemsDownload