SMT공장의 공압시스템 분석과 개선 사례 :: Today

® 자료제공 : (주)한국유체

1989년부터 세계적인 콤프레셔 전문 메이커인 미국의 퀸시 콤프레서사의 제품을 국내에 수입, 판매 및 A/S를 전담해 오던 (주)한국유체는 2002년 1월 파주에 생산공장을 준공하고 콤프레셔를 생산, 국내 시장에 공급하기 시작하였다.

그리고 압축공기 라인의 효율성 제고를 위한 공압분석 지원사업을 통하여 올바른 콤프레셔의 선정과 최적의 에어시스템의 구성을 통하여 고비용 에너지원인 압축공기의 오남용을 줄여 30% 이상의 에너지 절감을 실현하도록 분석사례집 `공압시스템 분석과 개선사례`를 발간하였다.

이달부터 연재로 소개하고자 하는 `공압시스템 분석과 개선사례`는 2002년부터 (주)한국유체의 기술자문을 맡고 있는 강원대학교 기계메카트로닉스 공학부 장인배 교수의 지원으로 작성된 분석보고서들 중 일부를 발췌하여 요약한 내용으로, (주)한국유체는 본 분석사업을 통하여 공압 시스템 에너지 효율을 얼마나 높일 수 있는가를 직접 보여주고 있다.

<편집자 주>

1. 개요

경기도 평택시에 소재하고 있는 SMT공장의 공압 콤프레셔 및 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능 효율을 검증하기 위하여 2003년 4월 7일 오후 1시~4월 8일 오후 3시까지 26시간 동안 공압 시스템 작동상태 변화 추이를 모니터링하였다. 공압시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림1>과 같다.

2. 계측결과의 분석

<그림2>에서는 리저버 탱크 위치에서 측정한 공기압력의 시간대별 변화 양상을 보여주고 있다.

<그림2>에서는 <그림1>에 도시된 것과 같이 직렬로 연결된 두 개의 0.5㎥ 리저버 탱크 중 뒤쪽 리저버 탱크에서의 압력 변화 양상을 보여주고 있다.

이 공장은 오후 8시 30분과 오전 8시 30분에 작업 교대를 하는 전형적인 2교대 운영체제로 공장을 운영하고 있는 바, <그림2>의 ⑧에서와 같이 12시간 주기로 공압의 수요가 극단적으로 변화하고 있음을 알 수 있다.

야간 근무시간의 경우 공압의 수요가 콤프레셔의 생산량을 초과하므로, ②에서와 같이 콤프레셔는 정상적으로 로딩과 언로딩을 반복한다. 그런데, 리저버 탱크의 용량이 부족하여 ⑦에서와 같이 2분 주기로 로딩과 언로딩이 반복되고 있음을 알 수 있다. 정상적인 경우 이 주기를 15분 정도로 늘리는 것이 에너지 손실을 최소화할 수 있는 방안이다. 이를 위해서는 약 4㎥ 용량의 리저버 탱크가 필요하다. 그런데, 현재 설치된 두 0.5㎥ 용량의 리저버 탱크는 직렬로 연결되어 오히려 그 용량의 감소를 유발하고 있다.

용량성 요소인 리저버 탱크는 병렬로 연결된 경우 다음 식과 같이 압축공기

의 저장 용량이 증가한다.

Qtotal=Q1+Q2

반면, 리저버 탱크가 직렬로 연결된 경우에는 다음 식에서와 같이 오히려 압축공기 저장용량의 감소현상을 초래한다.

Qtotal=(Q1*Q2)/(Q1+Q2)

따라서, 0.5㎥인 두개의 리저버 탱크가 직렬로 연결된 경우

Qtotal=(0.5*0.5)/(0.5+0.5)=0.25㎥

따라서, 현재 리저버 탱크의 직렬배치에 의하여 오히려 리저버 용량이 절반으로감소하게 되어 거의 리저버 탱크로서의 구실을 하지 못하고 있음을 알 수 있다.

콤프레셔는 로딩/언로딩 방식으로 언로딩 설정압력③인 106.5psi에 도달하면 콤프레셔가 언로딩 되고, 로딩 설정압력④인 92.5psi에 도달하면 콤프레셔가 다시 로딩된다. 따라서 콤프레셔의 압축공기 생산능력이 압축공기 수요를 충당할 수 있다면 리저버 탱크내 압력은 이 두 값 사이에서 변하여야만 한다. 그런데 주간 작업기간의 경우 리저버 탱크내의 압력은 ⑤에서와 같이 91psi까지 떨어짐을 알 수 있으며, 공압 수요가 감소하여도 ⑥처럼 94psi까지 상승하다가 다시 떨어지고 있음을 알 수 있다.

공압 수요와 콤프레셔의 생산량이 일치한다면 리저버 탱크

내의 평균 압력은 ③과 ④압력의 중간인 99.5psi를 유지하여야 하는데, ①의 경우 평균 압력이 약 92psi이다. 여타의 조건이 일정한 경우, 압력과 유량은 비례하므로, 현재 공압 시스템은 최대 수요 발생시 약 8%의 유량이 부족함을 알 수 있다.

현재 V벨트 구동방식의 저효율 콤프레셔를 사용하면서 발생하는 이러한 유량부족 현상은 직접 구동방식과 입구밸브 모듈레이션 방식을 사용하는 고효율 콤프레셔로 대체한다면 동일한 용량의 콤프레셔만으로도 이러한 유량부족 현상을 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

야간작업의 경우, 압축공기의 수요에 비해 생산이 초과하여 항상 유량이 남고 있음을 알 수 있다. 이 기간에는 50HP 콤프레셔보다는 오히려 30HP콤프레셔를 운영하는 것이 전력소비를 절감하고 효율적으로 콤프레셔를 운영하는 방안이 될 수 있다. 그러나, 이를 위해서는 콤프레셔의 운영을 책임지는 인력이 필요하므로, 콤프레셔의 효율적인 운영에는 어려움이 있다.

공장 내 공압 수요량을 자동으로 측정하여, 다수의 콤프레셔들을 자동적으로 기동 및 정지시키는 자동 운전용 네트웍 제어 시스템을 갖춘다면 공압 수요의 변화에 대해 일일이 전담인력을 배치하여 콤프레셔를 관리하지 않고도 항상 최소 용량만을 기동하여 콤프레셔로 인한 전력소비를 최소화할 수 있다.

이러한 목적으로는 Air Science사의 CAA(Compressed Air Automation)-4-2시리즈가 적합하다. 이 모델은 최대 4대의 시스템을 자동으로 운영하면서, 기저부하용 콤프레셔의 타임 스케쥴링, 첨두부하용 콤프레셔들의 기동/정지 등을 자동으로 수행한다.

<그림3>에서는 공압 라인 내 3개소에서 측정한 공압의 변화양상을 서로 비교해 보여주고 있다.

우선 리저버 탱크 내의 압력(압력1)과 주배관 시작단의 압력(압력2) 사이에는 공압 수요가 많은 경우인 ①에는 ③과 같이 약 4psi의 차압이 발생하는 반면 공압 수요가 적은 ②에는 ④와 같이 약 3psi의 차압이 발생하고 있음을 알 수 있다. 리저버 탱크와 주배관 시작단 사이에는 애프터 쿨러와 드라이어 및 필터 등이 설치되어 유로 저항 요소로 작용하고 있다.

일반적으로 이러한 요소에 의해 발생하는 차압은 3psi~5psi 이내로 유지하여야만 하는데, 이 공장의 경우에는 dll 값이 유량이 적을 때에는 3psi, 유량이 많을 경우에는 4psi로 적절한 수준으로 유지되고 있다. 따라서, 애프터쿨러 및 드라이어와 필터의 용량선정 및 유지상태는 비교적 양호한 것으로 판단된다.

주배관 시작단(압력2)과 지관 시작단(압력3) 사이의 압력차이는 공압의 수요가 많은 경우인 ①에는 ③과 같이 약 2psi의 차압이 발생하는 반면 공압수요가 적은 ②에는 ④와 같이 약 1psi의 차압이 발생하고 있음을 알 수 있다. 이는 비교적 양호한 결과로, 현재까지의 공기 소모량에 대해서는 설치되어 있는 콤프레셔 내부의 40mm배관과 외부 천정에 설치된 20mm배관 라인이 현재의 수요를 충당할 수 있음을 의미한다. 그러나 이는 앞으로의 수요 증가에 대해서 증가되는 유량수요의 수용이 가능함을 의미하지는 않는다.

(압력3)측정값과 레귤레이터를 거쳐서 기기내로 실제 유입되는 압력 사이의 상관관계는 공압 작동기기의 작동 신뢰성과 공압의 건전성을 판별하는 제일 중요한 인자이다. 그러나, 불행히도 이 값을 측정하지 못하였기에 기기의 개별적인 작동 신뢰성에 대한 평가를 수행치는 못하였다.

<그림1>에 따르면 최종 압력측정 위치인 (압력3)이후에 직경 10mm~12mm 규모의 우레탄 파이프로 기기에 연결되어 있다. 따라서 유로저항에 따른 심각한 압력 손실과 유량부족 현상을 겪고 있을 것으로 예상된다. 그 결과, 이에 연결된 각종 기기들은 공압 및 유량 부족현상 때문에 각종 오동작 및 제품 불량을 일으킬 우려가 있다. 따라서 이에 대한 보다 상세한 점검과 분석이 필요하다.

3. 문제점 분석과 대응방안

본 분석과정을 통하여 공압 시스템이 가지고 있는 문제점에 대해서 2절에서 분석을 수행하였다. 3절에서는 문제점에 대한 대응방안을 우선순위에 따라 살펴보기로 한다.

현재 공압 시스템에 설치된 리저버 탱크는 용량이 매우 부족하여 충분한 유량을 확보하지 못하므로 공압 수요가 줄어드는 야간 시간에도 콤프레셔는 2분 간격으로 계속 로딩과 언로

딩을 반복하고 있다.

-현재 설치된 0.5㎥ 용량의 두 리저버 탱크가 직렬로 연결되어 오히려 저장용량의 감소를 초래하였다. 따라서, 이에 대한 개선이 시급하다.

-콤프레셔의 로딩-언로딩 주기는 약 15분인 경우 콤프레셔의 소비전력을 최소화할 수 있다. 평택공장의 현재 공압 수요를 고려할 때 이를 위해서는 4㎥ 정도 용량의 리저버 탱크가 필요하다.

-야간 시간에는 압축공기의 수요가 절반 이하로 줄어든다. 따라서 30HP 콤프레셔만으로도 공압 수요를 충당할 수 있다. 그러나, 공압 수요의 변화에 따라 일일이 콤프레셔를 관리할 전담인력을 배정하기 어려운 현실적인 문제로 인해 원치 않는 전력 비용의 낭비가 초래되고 있다. 따라서 다수의 콤프레셔들을 네트웍으로 연결하고 자동적으로 공압수요에 따라 최적 용량의 콤프레셔들을 운영해 주는 자동운전 시스템의 도입은 전담 운전요원의 배치 없이 전력 비용 절감을 가능케 한다. 이러한 목적으로는 Air Science사의 CAA-4-2모델이 적합하다.

현재 사용중인 V벨트 구동방식 50HP 콤프레셔는 약 8%의 공압수요 부족 현상을 겪고 있다.

-직접구동 방식 입구 밸브 모듈레이션형 고효율 콤프레셔를 도입한다면 동급 마력만으로도 모자라는 공압 수요를 충분히 충당할 수 있다.

-만약, 근시일 내로 라인의 증설 등이 계획되어 있다면 50HP 콤프레셔를 도입하는 것보다 고출력의 콤프레셔를 도입하는 것이 바람직하다. 50HP콤프레셔의 신규 도입만으로는 현재 모자라는 공압 용량만을 충당할 수 있기 때문이다.

-동일한 사항으로, 현재 배관이나 드라이어, 필터 및 애프터쿨러 등은 50HP 콤프레셔 및 그 유량을 기준으로 설치되어 있다. 따라서 라인이나 기기의 증설 등에 따른 공압 마력 증설 시 제반 부가 장치들에 대한 증설이 병행되지 않는다면 곧장 심각한 압력 손실에 직면할 우려가 있다. 특히 리저버 탱크 용량과 배관라인 직경은 콤프레셔 마력과 많은 연관관계를 가지고 있다.

일반적으로 SMT 라인 등과 같이 솔더링 공정이 포함된 라인에서 기판의 냉각을 위하여 블로잉을 이용하는 경우 다량의 공기를 블로잉으로 소비하기 때문에 공압의 남용 및 오용에 대한 원인파악이 어려워 리스크에 대한 대책에 소홀하기 쉽다.

-기판 냉각용 노즐에는 블로잉 전용 레스트릭터(오리피스 노즐)를 사용하면 다량의 공기소비를 절감할 수 있다. 블로잉 노즐에 대한 점검을 권고한다.

-<그림1>에서 알 수 있듯이 리저버 탱크가 애프터쿨러 전단에 위치하므로 뜨거운 공기가 직접 탱크로 유입되며, 탱크에서 다량의 열이 넓은 전열면적을 통해 전달되면서 냉각되기 때문에 다량의 수분이 응축되어 탱크에 고이게 된다. 따라서 탱크에 연결된 드레인이 자동식이라면 마그네트 플로트의 고장 우려가 있고, 수동식이라면 다량의 수분이 탱크내에 응축되어 있을 우려가 있다. 따라서 드레인에 대한 상세한 점검을 권고한다.

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콤프레셔의 설치와 운전점검

․제품의 설치

1) 압축기의 운전 및 보수 유지 관리를 위해 충분한 공간을 두고 설치하는 것이 좋다

2) 항시 건냉한 공기의 통풍이 용이하도록 설치하는 것이 좋으며, 부득이한 경우에는 설계상 용량을 주변의 온도 차이 만큼 늘려서 구입 설치 하여야 한다.

3) 지반을 고르게 하여 수평이 유지 되게 설치하고, 만약 눈, 비 가리개를 설치하는 경우 특히 충분한 통풍이 되도록 한다.

4) 배관 설비는 유체 용량을 여유 있게 할 수록 유리하다.

5) 배관을 연결할 때 콤프레셔와 연결되는 파이프는 콤프레서와의 연결을 후렉시블 파이프나 고압 튜브를 사용하면 유동성이 있어 사후관리에 도움이 된다.

․ 운전전 점검

1) 외관상 각 부분의 육안 및 촉수 검사는 제품의 도착과 동시에 이상유무를 확인하는 것이 좋다.

2) 사용하고자 하는 공기압축기와 시설된 전압이 같은지 확인하고, 전원을 연결 해야 한다.

3) 전원을 연결한 후 회전 방향이 설명서 또는 안내표시와 일치하는지 확인한 후, 전원 결선을 고정하고 운전(사용)한다.