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인클로저 시스템의 필수조건 ‘공조 기술’
 
기계가 입는 옷, 인클로저
 
김유리기자 | 2014.01.29 | 2014년 2월호
 
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인클로저의 또 다른 중요 역할 중 하나는 장치에서 발생하는 열을 관리하는 것이다. 이것이 바로 인클로저의 필수조건인 공조 기술이다. 어떤 과정을 거쳐 각 전기·전자 장치, 제조환경에 맞는 최적의 인클로저가 적용되는지 함께 알아보자.

인클로저의 주요 기능은 물, 기름 성분에 오염된 대기, 녹을 발생시키는 수증기와 습기, 먼지 등과 같은 해로운 매개체로부터 전기· 전자 구성품과 장치를 보호하는 것이다. 이를 인클로저가 적절하게 차단하지 못하면 전기·전자 구성품은 속수무책으로 고장이 나게 된다. 결과적으로 전체 제조생산 시스 템의 작동 중지를 초래할 수도 있다.
  제조 장비나 생산 시스템이 중단되면 비용이 발생하며, 그 비용이 축적되면 막대한 손실을 불러올 수 있다. 따라서 고가의 민감한 전기·전자 및 초 미세 전자 구성품을 보호하는 하우징 또는 인클로저일수록 설치 장소에 따라 주변 환경에 대한 높은 보호 등급이 규정된다.
  이는 국제표준기관의 규격에 준한다. 최근 인클로저에 높은 보호 등급이 요구되는 추세로 인클로저의 차단기능이 상대적으로 강화되고 있다. 이는 해로운 환경요소의 침투를 강력하게 방어하는 것을 뜻한다. 이와 동시에 전기·전자 장치에서 유발되는 손실 열이 외부로 방출되는 것을 막는 기능도 포함한다.
  손실열은 전기·전자 장치의 안전에 절대적인 영향을 미치는 요소 중 하나다. 최근 개별 구성품 내부의 손실열이 현저히 감소하고 있으나, 인클로저 내 구성품 패킹 밀도의 급상승으로 손실열이 기존보다 50~60% 증가하게 되었다. 특히 초 미세 전자 구성품및 신형 전자장치의 등장으로 전문 인클로저 구축의 변화는 물론 효율적인 열 분산에 대한 요구가 생겨났다.
  그래프를 보자. 실제로 상한(上限) 운영 온도 대비 온도가 10K 상승하면 전자 구성품의 사용 기간은 반으로 줄고 고장률은두 배로 늘어난다. 앞서 언급했듯 인클로저내 전자장치의 주 고장 원인은 ‘열’이다. 따라서 정밀한 전자장치가 최적으로 작동하 려면 해로운 요소 차단은 물론 최적의 에너지 효율이 보증되는 최신 인클로저 공조 시스템을 도입해야 한다.
인클로저의 열 분산 방식
그렇다면 적용 환경에 따른 인크로저의 열분산 방식은 어떻게 결정되는가? 먼저 열 전달의 원리를 알아보자. 열 전달 방식 또는 매체는 전도, 대류, 복사로 나뉜다. 인클로 저와 전자 하우징의 경우 전도와 대류가 연관된다. 복사는 하나의 개체에서 다른 개체로 매개체 없이 복사 에너지로 열이 전달되며 그 역할은 크지 않다. 전도 또는 대류의 활용은 인클로저가 개방되어 통기성이 있는가와 밀폐되어 기밀성이 있는가가 좌우한다. 개방된 인클로저는 공기의 순환으로 신속하게 열이 소멸된다.
  반면 밀폐된 인클로저라면 내부 벽면을 따라 대류를 통해서만 열이 소멸된다. 어떤 열전달 방식이 가능할지는 인클로저의 개폐 여부도 중요하지만, 인클로저 주변의 최고 온도와 인클로저 내부의 최고 온도에 의해 크게 좌우된다. 즉 주변 온도(Tu)와 인클로저 내부 최고 온도(Ti)로 손실열(Qv) 소멸을 위한 자연대류 방식의 적합여부를 알 수 있다. 인클로저 내부 환경에 비례한 최고 상승 온도는 다음과 같이 계산한다.
  독일 공업규격 DIN 57 660의 500번에 의해 k는 열전달계수이며 A(m2)는 인클로저 유효 표면적이다. 이에 강철판 k에 대한 열전달계수는 5.5W/m2K다. 인클로저 내 산출된 최고 손실열(Qv)이 400W고, 크기가폭 600 X 깊이 600 X 높이 2,000(mm)인 인클로저에 맞는 유효 표면적(A)은 전기기기의 안전 규격인 VDE 0660의 507번에 의해5.16m2가 된다. 주변 온도(TU)가 22°C일 경우라면 다음과 같은 결과가 나온다.
  (400 / (5.5 X 5.16)) = 14°C 인클로저 내부 환경에 비례한 최고 상승 온도는 14°C로 주변 온도(Tu)가 22°C인 조건에서 8°C의 온도 차가 난다. 이는 손실열이 400W, 표면적이 5.16m2, 주변 온도가 22°C일 때 인클로저 내부 온도가 최고 8°C 더 올라도 자연대류 방식을 활용할 수 있음을 의미한다. 즉 인클로저 내부의 최고 온도(T는 30°C가 된다.
  이와 같이 매개변수에 기초하여 인클로저 표면을 통해 외부로 분산될 수 있는 손실열을 산출할 수 있다. 이는 팬을 포함한 기타 어떤 공조 장치도 수반하지 않는 인클로저의 패시브(passive) 열 분산 방식이다.
열 분산의 실 계산 원리
인클로저에 필요한 공조 솔루션을 결정하 려면 인클로저 내 손실열(Qv)을 계산해야 한다. 다음 매개변수 또한 반드시 산출해야 한다.
  인클로저 내부의 최고 온도(Ti)는 인클로저 내에서 사용된 전기·전자 구성품에 따라 결정해야 한다. 국제전기표준회의의 규격인 IEC 60 204-1 ‘기계장치의 안전’에 따르면, 기계의 전자 장비는 예상된 주변 공기 온도에서 반드시 올바르게 작동할 수 있어야 한다. 최소 요건은 주변 온도가 5~40°C 일 때올바르게 작동한다.
  인클로저 내부 온도로 권장된 온도의 평균 값은 35°C로, 이는 현재 표준권장온도다. 이내부 온도는 인클로저에 필요한 공조 솔루 션의 모든 계산을 위한 토대가 된다. 앞서 설명한 실제 값과 함께 부가적으로 인클로 저의 표면적도 반드시 설치 방식에 따라 결정해야 한다. DIN, VDE 0660 인증의 500/ IEC 890번에는 각 설치 방법에 대한 요건이 서술돼 있다.
  인클로저에서 환경으로의 복사력 또는 환경에서 인클로저로의 방사력은 인클로저 설치 방식에 달려있다. 실제로 전방 독립형 인클로저는 사이에 끼워져 있거나 기계에 결합된 인클로저보다 벽면을 통한 손실열의 분산 효과가 훨씬 크다.
열 분산 인클로저 유효 표면적 [m2] (인증 규격 VDE 0660의 507번)
인클로저의 열 분산이 유효한 표면적은 위의 그림처럼 인클로저의 설치 방식에 따라 다르다. 대부분 인클로저가 설치된 장소의 주변 온도가 내부의 온도보다 높을 경우 자연대류 방식에 전적으로 의존할 수 없다. 이밖에도 어떤 형태로든 액티브 공조 솔루션을 필요로 하는 조건은 여러 가지가 있다.

인클로저 내부에 핫스폿(hotspots)이 중요 위험 요소로 존재하는 경우, 내부의 특정 온도 설정은 물론 보호등급의 확보가 필요한 경우, 그 외에 적용될 환경에 적합하도록 복합적 전제가 주어지는 경우 등이다. 이러한 조건에 따라 다양한 액티브 공조 솔루션이 활용된다. 제조생산 환경을 예로 들면 아래 그림과 같이 다양한 조건에 적합한 공조 솔루션이 적용된다.
  아래와 같은 제조 공정에 구축된 공조 시스템은 총체적 에너지 효율성을 추구한다.
 즉 결국 공조 자체에 소비되는 비용을 절감하여 개별 생산제조 사이트에 적합한 공조 시스템으로 총 소유비용(Total Cost of Ownership, TCO)을 줄일 수 있다. 이로써 최적의 인클로저 적용으로 제품 및 서비스의 라이프 사이클에서 발생하는 모든 비용의 경제적인 투자 효과를 이룰 수 있다.

 
TAG :  인클로저
 
 
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