제 9장 HS 조작의 기능성 개선 - 4(용착면 온도의 임의 온도의 시뮬레이션)

[YDfamily]

9.4 용착면 온도의 임의 온도의 시뮬레이션

9.4.1 서언

HS는 용착면의 용융 온도 이상의 가온에 의해 완성되는 온도 의존 현상이다. HS에 있어서 최적 가열 조건을 설정하기 위해서는 용융 온도 이상의 가열과 용융온도에 도달하는 압착 시간의 조합이 요구되고 있다.

4.2.5에서 재료 자체의 용착면 온도의 측정법을 제시했는데, 적정 가열 온도를 결정하기 위해서는 가열 온도를 변경하여 얻을 수 있는 용착면 온도를 계측할 필요가 있다. 초기 온도가 상온 부근에서는 측정은 용이한데, 수십 ℃ 이상 높아지면 측정 장치를 고온 환경에 설치할 필요가 있다.

본항에서는 실온을 기점 온도로 하여 1~2개의 용착면 온도의 응답 데이터를 채취하여 그 데이터를 사용한 임의의 시종(始終)점 온도의 용착면 온도 응답을 PC 상에서 시뮬레이션 가능한 방법을 제시한다. 이 시뮬레이션 결과를 이용하여 HS의 최적 가열 범위의 판단, 설계 솔루션에 응용하기 위한 검토를 한다.

9.4.2 HS의 열전달 계의 전기 회로로의 치환

피 가열재의 열 용량과 열전도 능력은 독자적으로 존재하기 때문에, 가열 온도의 영향을 받지 않고, 온도 상승 패턴은 시간의 함수로 된다. 이 특성을 이용하여 HS 시의 용착면 온도의 열 거동을 시뮬레이션 하는 방법에 대해서 설명한다.

열원을 용기에 넣은 액체의 액위(液位), 재료의 열용량을 구격이 다른 용기(C1~C3), 구성된 재료의 열전도 특성을 지름이 다른 파이프(R1~R3)로 하면 열류 거동은 도9.8(a)와 같이 모식화가 가능하다.

용기의 단면적은 전기 회로의 용량: C, 파이프의 지름을 저항: R로 치환하는 것이 가능하기 때문에 도9.8(c)에 나타낸 것처럼 R/C의 1차 지연 회로로 하여 표하는 것이 가능하다. 이 회로는 각 점의 열류나 온도는 상호 간섭하는 특성을 갖고 있기 때문에, 입구 끝과 출구 끝 만을 주시하여, 중간을 block box로 하여 취급하면 도9.8(c)에 나타난 것처럼 일대의 RC로 구성된 회로에 가깝게 될 수 있다. 열 이동 현상의 동적 해석에는 열전도 능력을 전기저항, 열용량과 전기 용량으로 치환한 과도 현상론이 공학적으로 자주 사용된다.

과도 현상론에서 인가(印加) 전압(전기회로에 전원이나 다른 회로에서 전압이나 신호를 주는 것을 의미)과 회로 내의 전류의 관계를 논하는데 HS를 시뮬레이션 하는 경우에는 전압을 가열온도, 전류를 열류로 치환하여 논하는 것이 가능하다. 과도 현상론에서는 인가 전압에 의해 회로 정수의 저항치나 용량치가 변동하지 않는 “선형” 현상으로 취급한다. 하지만 플라스틱 재료에서는 가온에 의해 재료의 분자 구조가 변화하여 연화, 용융, 가스화로 변이하기 때문에 불연속 현상(비선형)이 발현하고, 과도 현상론을 그대로 전개 불가능하다. 또한, 열전도 현상을 열전도치(전기저항)이나 열용량치(전기용량)으로 하여 구체적인 수치로서 표현하는 것은 용이하지 않다.

(c) HS의 열전도의 전기회로로의 치환 도9.8 HS의 열전도의 전기회로로의 치환

HS의 해석에서는 열용량이나 전도성의 정수를 직접 구하는 것이 목적이 아니고, 초기 온도와 목표 온도로부터 결정되는 용착면 온도 패턴을 구할 수 있다면 좋다.

과도 현상론에서는 회로의 정수(CR)이 동일하면 응답 패턴은 인가한 전압만에 의해 결정되는 특징을 이용한다. 즉각적인 시간의 응답치는 인가한 전압의 크기에 비례하게 되기 때문에 열특성을 포함한 하나의 응답 데이터가 있다면 각 시간의 데이터에 변경 비율을 곱하는 것에 의해 용이하게 임의의 점의 응답치를 개별로 구하는 것이 가능하다.

결정성 플라스틱에서는 열변곡점이 선명하게 나타나는 비선계(非線系)이다. 이 경우의 시뮬레이션 방법으로서 변곡점을 경계로 하여 ① 초기 온도점으로부터 변곡점, ② 변곡점으로부터 고온 측으로 나누어 시뮬레이션 연산을 행한다. 2가지의 결과를 변곡점으로 연결시켜 합치는 것으로 능숙한 시뮬레이션이 가능하다는 것을 알 수 있다.

HS의 용착면 온도를 시뮬레이션 하는 데에는 기본 데이터에 상당하는 재료 자체의 용착면 온도의 응답곡선을 MTMS kit를 이용하여 1~2개를 실측 채취한다.

이 데이터는 디지털 변환하여 PC의 엑셀 파일에 입력하여 PC로 처리할 수 있도록 한다. 이 시뮬레이션의 성과는 포장재료의 보존 온도 등의 초기 조건이 다른 온도 환경의 영향 평가나 고온 하의 기본 데이터의 취득이 어렵고, 2단 가열의 조건 검토의 적정성을 평가하기 위해서 이용 가능하다. 또한 설계 단계에서 포장 재료의 HS의 응답을 간이적으로 시뮬레이션 가능하기 때문에, 기계의 속도 설계, HACCP 성능의 서전 검증에도 활용 가능하다.