[첨단 헬로티]
현재 공작기계의 액온제어장치 냉매로는 주로 R407C, R410A 등의 HFC(Hydrofluorocarbon)이 채용되고 있다. 또한, HFC 이전의 주류 냉매였던 R22를 채용한 구식 액온제어장치가 현역 가동되고 있는 곳도 드물지 않다. 이들 기존 프레온류의 대기 누설은 지구온난화나 오존층의 파괴를 초래한다. 그렇기 때문에 국제적으로 엄격한 규제가 시행되고 있는 동시에 환경부하가 작은 차세대 냉매로 전환하는 것이 요구되고 있다.
차세대 냉매에 요구되는 성능으로서는 지구온난화계수(GWP : Global Warming Potential)와 오존층파괴계수(ODP : Ozone Depletion Potential)가 낮은 것은 물론이고, 냉각 효율이 높고 안전한 것도 반드시 필요하다. 이러한 특징을 만족시키는 냉매의 하나로 CO2가 있다.
이 글에서는 현재의 냉매 규제에 대한 개략을 나타내는 동시에, CO2 냉매를 채용한 공작기계의 액온제어장치를 소개한다.
냉매 규제
표 1에 나타냈듯이 R407C나 R410A, R22의 GWP는 대략 1,800～2,100으로 과대하다. 또한, R22는 강한 온실효과 가스인 것은 물론이고, 오존층 파괴를 초래한다. 그렇기 때문에 이들 프레온류에 대한 규제 강화가 추진되고 있다.
1. HFC(Hydrofluorocarbon) 규제
몬트리올의정서(1987년)나 오존층보호법(1988년)에 기초해, R22 등의 HCFC 생산․소비량 절감이 추진되고 있다. 선진국에서는 2020년에 실질적으로 전폐가 되어, 이후의 개설 장치에 대한 보충, 메인티넌스는 어려워진다.
2. HFC 규제
2016년의 몬트리올의정서 개정(키갈리 개정)에 따라 HFC가 새롭게 규제 대상에 더해졌다. 선진국에 대해서는 2019년부터 HFC 생산․소비량 절감을 개시, 2036년까지 기준값의 85%를 절감하는 단계적 절감 스케줄이 결정됐다.
EU에서는 2015년의 F가스 규제의 개정에 따라 EU 내에 상시하는 HFC에 대해, 매년의 상한값(할당량)과 2030년까지 그 할당량을 79% 절감하는 단계적 절감 스케줄이 결정됐다.
일본 국내에서는 2015년에 프레온 배출 억제법이 시행됐다. 기존 HFC의 회수․파괴에 더해 새롭게 프레온 메이커에는 저 GWP 냉매의 개발과 제조, 사용이 끝난 HFC의 재생에 의한 HFC 제조량 절감이 의무 부가됐다. 또한 기기 메이커에는 목표 연도까지 저 GWP 제품으로 전환하는 것이 의무 부가됐다. 구체적으로 공작기계를 비롯한 산업기계의 액온제어장치에 대해서는 2025년까지 GWP를 1,500 이하로 해야 한다. 그리고 기기 유저에게는 냉매의 누설 방지를 위한 적절한 설치, 점검과 그 기록, 고장 시의 쾌속한 수리 등 적절한 관리가 의무 부가됐다.
CO2 냉매를 채용한 액온제어장치
1. 특징
1) CO2 냉매의 특징
예를 들면 차세대 냉매의 하나로 R32가 있다(표 1). GWP가 675이기 때문에 가정용 에어콘뿐만 아니라, 공작기계용 액온제어장치에 채용도 검토되고 있다. 그러나 R32의 GWP는 기존의 HFC와 비교하면 작지만, 아직 지구온난화에 대한 영향이 커서 각종 규제 대상 냉매이다.
표 1 냉매의 특성
또한, 연소성이 있기 때문에 냉매 누설 시의 안전성에 위험이 남아 있다. 특히 레이저 가공기나 방전가공기, 용접기 등 착화원이 있는 용도에 대한 적응이나 항온실, 클린룸 등 냉매가 확산되기 어려운 밀폐성이 높은 공간에서 사용하는 것에 대해서는 연소성에 대한 리스크가 높다고 생각할 수 있다.
한편 CO2의 GWP는 1로, 지구온난화에 대한 영향은 최소이다. 또한, 불연성이기 때문에 안전성이 높다(표 1). 따라서 공작기계를 비롯해 생산현장의 많은 용도나 설치 환경에 적응 가능한 냉매라고 생각된다.
2) CO2 액온제어장치의 보수성
자연 냉매인 CO2는 프레온류의 관련 규제 대상 외가 된다. 그렇기 때문에 누설 방지를 위한 정기 점검과 그 기록의 의무를 발생시키지 않는다. 또한, 고장이나 폐기에 동반하는 냉매의 회수·파괴를 필요로 하지 않는다. 따라서 보수·보전에 동반하는 관리 공수 및 코스트 절감이 가능하다.
3) 에너지절감성
(1) CO2 액온제어장치의 에너지절감성
CO2는 섭씨 31℃, 7.4MPa를 넘어 승압하면 초임계에 달한다. 초임계 냉동 사이클은 상변화를 동반하는 냉매 사이클과 비교해 불가역 손실의 경감을 가능하게 한다.
그림 1 소비전력의 비교
또한, 공작기계의 액온제어장치에서는 냉각 대상이나 그 설정 온도, 환경 온도, 필요 냉각 능력 등 운전 조건은 여러 가지에 영향을 미친다. 이러한 운전 조건에 대응해 CO2 냉동 사이클은 크게 변동, 극단적인 냉각 효율 저하와 함께 HFC 냉동 사이클과 비교해 소비전력이 커지는 경향이 있다. 이 개선을 위해 CO2 냉동 사이클에 배치한 온도·압력 센서를 이용해 운전 상태의 상시 감시와 냉각 효율을 최대화하기 위한 CO2 냉동 사이클의 자기 보정 시스템을 독자적으로 개발했다.
그리고 공작기계의 발생열을 최종적으로 냉각수에 방출하는 수냉식을 CO2 액온제어장치에는 채용하고 있다. 일반적으로 수냉식의 액온제어장치는 공랭식에 대해 30～40%의 소비전력 절감이 가능하다.
이러한 효과와 함께 CO2 액온제어장치는 높은 에너지절감성을 실현하고 있다. 그림 1은 HFC를 채용한 액온제어장치와 CO2 액온제어장치의 소비전력 비교이다. 지금까지 대표적인 에너지절감 기종이었던 HFC를 채용한 수냉식 액온제어장치에 대해, CO2 액온제어장치는 20～30% 더 소비전력 절감을 가능하게 한다.
(2) 공조기기에 대한 에너지절감성
현재 공작기계의 액온제어장치의 대부분이 공랭식을 채용하고 있다. 공랭식은 공작기계의 발생열을 최종적으로 주변의 공기로 배출한다. 특히 여름철에는 배열 온도가 상승해 50～60℃에 달하는 경우도 있다. 또한, 이 배열에 동반해 오일 미스트가 만연, 주변기기의 고장을 유발하는 경우도 적지 않다.
그림 2. 열 흐름 (공냉식 채용 시) 그림 3. 열 흐름 (수냉식 채용 시)
공랭식을 채용했을 때의 열 흐름을 그림 2에 나타냈다. 예를 들면 공작기계의 발생열을 1.0kW로 하면, 이것에 콤프레샤 동력이 더해져 공랭식 액온제어장치의 배열량은 대략 1.3～1.4kW가 된다. 일반적으로 공조기기는 처리하는 열량, 즉 냉각 능력의 대략 25% 비율로 전력을 소비한다. 단, 여름철이나 경년열화, 충분한 메인티넌스가 이루어지지 않은 상태에서는 30～40%를 넘는 경우도 있다. 따라서 공랭식 액온제어장치의 배열량 1.3～1.4kW의 25～40%가 되는 대략 0.3～0.6kW의 전력을 공조기기는 소비한다.
그리고 공조기기에서는 콤프레샤의 동력이 더해져, 실외기에서 옥외로 방출되는 최종적인 배열량은 대략 1.6～2.0kW가 된다. 이 냉각 능력에 대한 공조기기의 소비전력 비율도 그렇지만, 최근에는 공작기계의 고속화, 다축화가 진행되어 발열원과 그 발열량이 증가하고 있다. 그렇기 때문에 액온제어장치의 대용량화와 설치 대수의 증가가 진행되고 있으며, 대규모 공장이라면 10kW를 넘는 대배열량의 공랭식 액온제어장치가 수 백대 넘게 설치되어 있는 곳도 드물지 않다. 이와 같은 경우, 공조기기의 소비전력은 매우 커진다.
한편, 그림 3에 나타냈듯이 수냉식 액온제어장치는 공작기계의 발생열을 최종적으로 옥외에 설치된 쿨링타워나 공업용수에 배출한다. 그렇기 때문에 주위(옥내)로 배출하는 열은 거의 0이 되어, 공조기기는 공작기계에서 나오는 발생열을 냉각할 필요가 없기 때문에 소비전력을 대폭으로 절감하는 것이 가능하다.
또한, 수냉식 액온제어장치는 공랭식과 비교해 콤프레샤 동력을 억제한 운전이 가능하기 때문에 배열량은 1.2～1.25kW 정도로 감소한다. 더구나 공조기기를 통하지 않고 공작기계의 발생열을 옥외로 배출하는 열 흐름이 되기 때문에 최종적인 배열량도 1.2～1.25kW 정도까지 감소한다. 또한, 옥내로 열 배출이 거의 없는 수냉식은 오일 미스트 비산이나 부착에 의한 주변기기 고장 억제, 작업자의 열중증 리스크 경감 등 생산현장의 작업환경 개선에도 기여한다.
2. 사양
절삭․연삭액의 냉각용으로서 개발한 CO2 액온제어장치(형식 : Vnx1500)의 주된 사양을 표 2에, 외관을 그림 4에 나타냈다. 최대 냉각 능력은 5,500W, 온도 정도는 ±0.1℃를 실현하고 있으며, 고정도 가공에 대응하고 있다.
표 2 Vnx1500의 주된 사양
앞으로 Vnx 시리즈에서는 최대 냉각 능력을 8,000W까지 높인 Vnx2200의 라인업을 예정하고 있다. 또한, 작동유나 윤활유의 냉각용으로서 Cnx 시리즈, 순수나 특수액의 냉각용으로서 Pnx 시리즈의 개발도 동시에 진행하고 있으며, 지금 현재 프로토 타입의 평가를 완료했다.
그림 4 Vnx1500의 외관
3. 도입 사례
CO2 액온제어장치는 환경 성능이 우수하기 때문에 많은 유저가 도입, 평가를 하고 있다. 그 사례를 일부 소개한다.
예를 들면 도요타자동차 기누우라 공장에서는 ‘도요타 환경 챌린지 2050’의 일환으로서 CO2 액온제어장치의 유효성을 검토하고 있다. 신설 가공현장에서 동 공장의 에코․에너지절감 툴로서, 또한 내구성이나 조작성 등 실용면에 대해서 평가하고 있다(그림 5).
그림 5 Vnx1500의 가동 모습
일본 국내 반도체 제조장치 메이커에서는 에코․에너지절감의 관점뿐만 아니라, EU를 중심으로 한 수출 규제에 대응하기 위해 차세대 반도체 제조장치에 대한 적응이 추진되고 있다. 또한, 반도체 제조장치의 조립공장에서 에너지절감이나 정기 점검 공수 절감을 위해 제품 출하 검사의 시험설비에도 채용하고 있다.
맺음말
환경에 친화적인 냉매 특성에 더해, 높은 에너지절감성과 안전성을 겸비한 CO2 액온제어장치는 생산현장의 기간인 ‘머더 머신’에 걸맞는 차세대 액온제어장치이다. 앞으로는 이니셜 코스트를 경감하고 내구성, 실용성을 한층 더 향상시키는 동시에, 많은 유저를 위한 라인업 확충과 양산 대응을 추진해 갈 예정이다. 이 장치 및 이 글이 생산현장의 환경부하 경감에 도움이 되길 바란다.
스즈키 히데유키, 간토세이키 상품개발실 실장
