최근산업의 발달과 함께 제품의 생산성 및 품질 향상을 위하여 공작기계의 고속화 기술에 대한 연구가 머시닝센터를 중심으로 활발히 진행되고 있다. 공작기계의 고속화에 적합한 주축시스템으로는 모터내장형 주축(Built-in Motor Type Spindle)이 많이 응용되고 있으며, 앞으로더욱 수요가 증대될 것이 예상되어 독일, 일본 등의 선진국에서도 활발히 연구 개발이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 모터발열을 억제하기 위한 냉각방법으로 오일자켓 냉각방식을 채택하여 모터부에 자켓을 설치, 운전함으로써 모터내장형 주축에 대한 오일자켓냉각방식의 냉각특성을 알아보고, 또한 모터부의 오일자켓 냉각과 함께 몇가지 방법으로 공기냉각을 추가하였을 때의 냉각특성을 고찰하여 보다 효율적인 냉각방법을 제시하고자 한다.
A small-scale thermoelectric cooling system was built in an effort to enhance the performance of the refrigeration system by utilizing the water-cooled jacket which was attached on the hot side of the thermoelectric module. Considered design parameters for the water-cooled jacket included the geometry of the flow passage inside the jacket and the flow rate of cooling water. The higher flow rate of cooling water in the jacket resulted in a better performance of the refrigeration system. The introduction of geometrical complexity of the cooling water flow passage to the cooling jacket also showed significant improvement on the performance of the thermoelectric refrigeration system such as the cooling capacity and the COP of the refrigeration system.
Recently, there are an increasing needs for high speed rotating spindle which is an important mechanical ele- ment for a high efficiency machine tool in order to shorten machining time and cut production costs. The heat gen- eration is the most important problem in the motor integrated spindle. In this study, the effects of temperature distribution and thermal behavior according to the oil-air lubrication and cooling conditions are investigate theo- retically and experimentally on the motor-integrated spindle under unloading condition. The experimental spin- dle system is composed with the angular contact steel ball bearings, oil-air lubrication, air or oil jacket cooling system. To analyze the thermal behavior and cooling characteristics for the motor integrated spindle, the analysis using the finite element method is carried out. The analytical results are compared with the experimental results.
Thermal characteristics according to the cooling methods are studied for the three type spindles with high frequency motor. For the analysis, three dimensional mode]s are built considering heat transfer characteristics such as natural and force convection coefficients. Unsteady-state temperature distributions and thermal deformations according to the cooling conditions are analyzed by using the finite element method.
The heat generation is the most important problem in the motor integrated spindle. Double cooling jacket in necessary to reduce the thermal displacement and to get the stable temperature disribution for the housing. In this study, the effects of temperature distribution and thermal displacement for the spindle system according to the variation of cooling oil flow rate are investigated experimentally on the motor-integrated spindle with double cooling jacket system. The experimental spindel system is composed with the angular contact steel ball bearings, oil-air lubrication, air or oil jacket cooling system.
고속절삭을 통해서 생산성과 가공정밀도의 향상을 도모할 수 있기 때문에, 최근 머시닝센터를 중심으로 한 공작기계 주축계의 고속화는 눈부시게 발전하고 있다. 그러나 주축계가 고속화될 수록 증가하는 베어링에서의 발열은 베어링의 수명단축, 주축계의 열변형 증대 등을 초래하고, 궁극적으로 공작기계의 성능을 저하시키게 된다. 따라서 고속으로 회전하는 베어링에서의 발열을 효과적으로 억제할 수 있는 윤활방법에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 공작기계용 고속주축계의 냉각특성을 규명하기 위한 노력의 하나로 압축공기를 이용한 고속주축 계의 냉각실험을 수행하였다. 고속주축계의 실험모델은 오일에어윤활방법, 앵귤러콘택트 볼베어링, 이중분사노즐, 냉각 자켓등을 사용해서 제작하였으며, 특히 고속주축계의 공기냉각방법에 대한 유용성은 실험결과로 부터 입증하였다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제40권4호
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pp.282-287
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2016
최근 조선사들은 선박이 운항되는 연안 환경의 개선과 보호를 위하여 $CO_2$를 절감할 수 있는 친환경 선박과 함께 선박 운항 중 소비하는 에너지의 절감을 위한 고효율화 선박 개발의 노력도 활발하게 수행하고 있다. 본 연구에서는 전기로 구동되는 선박의 증기압축식 냉동기 대신에 선박 엔진 자켓수의 폐열을 이용하여 냉방을 할 수 있는 흡수식 냉동기의 적용 가능성과 냉각시스템에 냉매를 적용하는 시스템의 성능을 분석하였다. 연구결과, 해수와 열교환하여 액화될 수 있는 냉매들 중 R236fa가 가장 적합한 냉매로 분석되었으며, 이를 적용한 흡수식 냉동기의 COP는 0.798로 육상의 냉각탑을 이용한 수랭식보다 15% 그리고 해수 열교환기식 수랭식보다 5% 향상되었다. 냉동능력 1RT를 얻기 위한 LiBr 흡수용액 순환량은 0.013 kg/s로 수랭식 보다 25% 이상 감소하며, 냉각 매체 순환량도 수랭식의 15.7%에 불과한 매우 효과적인 냉동기가 되었다. 해수온도가 $18^{\circ}C$ 이하로 낮으면 발생하게 되는 LiBr의 결정화는 재생기에서 배출되는 엔진 자켓수의 온도를 이용하여 해수 온도를 상승시킴으로써 방지할 수 있다.
생산성의 향상을 위하여 공작기계의 고속가공이 필요하고 이를 위한 연구가 상당히 진행되고 있다. 단위 시간당 절삭량을 올리고 알루미늄과 같은 연질 금속의 가공을 위하여 주축을 고속화하는 것이 매우 중요하나, 각 요소간의 마찰로 인한 발열에 의해 베어링의 수명단축이나 열변형 등을 동반하여 정밀도가 떨어지게 된다.(중략)
Cooling characteristics of cooling jacket for spindle system with built-in motor are studied. For the analysis, three dimensional model for the cooling jacket is built by using finite volume method. The three dimensional model includes the estimation on the amount of heat generation of bearing and built-in motor and the thermal characteristic values such as heat flux on the boundary. Numerical results show that flow rate are important factors for cooling characteristics of cooling jacket.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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