레일 체결구 결함 탐지 모듈의 외부 환경조건에 따른 열해석

초록

레일 체결구 결함 탐지 모듈은 고속카메라를 이용한 레일 체결구 결함을 탐지 하는 검측장치이다. 차량 하부에서 측정을 시행하기 때문에 장비내부의 온도가 상승 및 주변 온도 변화에 따라서 센서의 출력 값이 변화하거나 기구적인 변형이 발생할 수 있으며 이는 검측모듈의 측정 정확도에 직접적인 영향을 발생하여 오차를 발생하게 된다. 이에 따라 외부 온도 조건변화에 따른 열해석을 실시하고 이에 따라 일정한 온도를 유지하여 검측모듈의 성능을 향상시킬 수 있는 방열설계를 제시하고자 한다. 철도의 특성상 실제적인 시제품을 통한 열해석이 어려우므로 열해석 프로그램을 통한 검측모듈의 외부온도 변화에 따른 검측 모듈의 열해석을 실시하였다. 레일체결구 모듈의 경우 열차하부의 어두운 환경조건상 300W의 LED가 검측모듈 내부에 구성되어 있기 때문에 많은 발열량이 발생하여 내부의 온도를 상승할것으로 예상된다. 열차하부의 특성상 모듈의 크기가 작고 이에 따라 방열성능을 향상 할 수 있는 방열판 및 방열팬등을 구성하기에는 매우 작은 공간이므로 작은공간에서 고효율의 방열성능구조가 요구되는 장비이다. 이에따른 완성품 제작전 실제 동작을 통한 내부온도 변화 및 내부 장비들의 변화를 확인하기도 해야되지만 제작전 시뮬레이션을 통한 열해석을 실시함으로써 제작비 절감 및 연구기간 단축등 기회비용을 증가시키기 위하여 시뮬레이션을 통한 열해석을 진행하였다. 검측모듈의 열해석 조건으로써는 우선 SolidWorks를 통한 도면을 작성하였으며 도면작성시 시제품 제작과 관련하여 내부의 자세한 SPEC 및 내부구조를 확인하기 어려운 상화이 있어서 간략화하여 도면을 작성하였다. 검측모듈의 발열량은 LED모듈의 발열량을 사용예정인 300W로 설정하였으며 열차하부의 특성상 외부에서 내부로 공기유입이 없다는 외부조건과 외부온도 변화에 (0℃, 20℃) 따른 결과를 확인하였다. 검측모듈의 운행시간을 고려하여 1시간의 작동시간을 설정하였으며. 외부 및 내부 함체의 재질로는 알루미늄 재질로 설정하였으며 내부의 소자를 마치 알루미늄 방열판으로 덧붙인 것처럼 시뮬레이션을 진행한 결과이다. 외부온도조건 0℃에서는 작동시 LED주변부가 40℃까지 상승하였으며 15분 경과시 51℃까지 30분 경과시 내부의 공기온도는 97℃까지 상승하였으며 장비의 온도도 내부공기를 통해 모듈전체가 97℃ 증가함을 확인하였다. 이는 일반적으로 LED다이오드의 경우, 작동온도가 80℃미만으로, 그이상의 온도에서는 LED 다이오드의 소자가 망가지므로 반드시 LED 주변부의 추가적인 방열설계 필요하다는 것을 의미한다. 1시간이 경과하였을때는 최대온도가 350℃까지 증가함을 확인하였다. 외부온도 20℃의 경우 15분 경과시 80℃에 근접하였으며 30분 경과시 100℃이상 1시간 경과시 450℃에 가까워짐을 확인하였다. 이는 현재 외부에서 내부로 유입되는 공기가 없이 내부 및 외부 재질인 알루미늄만으로 방열을 시행한 결과 이기는 하나 현재구조보다 더 방열성이 우수한 구조가 필요로 함을 알 수 있는 결과였다. 추후 외부로 열을 신속히 전달하기 위하여 외부에 추가적은 방열판 및 방열팬의 설치가 필요필요할 것 생각이되며 또한 내부재질인 알루미늄의 열전도성을 증가시킬 수 있는 방안을 생각해봐야 할것으로 생각된다.레일 체결구 결함 탐지 모듈은 고속카메라를 이용한 레일 체결구 결함을 탐지 하는 검측장치이다. 차량 하부에서 측정을 시행하기 때문에 장비내부의 온도가 상승 및 주변 온도 변화에 따라서 센서의 출력 값이 변화하거나 기구적인 변형이 발생할 수 있으며 이는 검측모듈의 측정 정확도에 직접적인 영향을 발생하여 오차를 발생하게 된다. 이에 따라 외부 온도 조건변화에 따른 열해석을 실시하고 이에 따라 일정한 온도를 유지하여 검측모듈의 성능을 향상시킬 수 있는 방열설계를 제시하고자 한다. 철도의 특성상 실제적인 시제품을 통한 열해석이 어려우므로 열해석 프로그램을 통한 검측모듈의 외부온도 변화에 따른 검측 모듈의 열해석을 실시하였다. 레일체결구 모듈의 경우 열차하부의 어두운 환경조건상 300W의 LED가 검측모듈 내부에 구성되어 있기 때문에 많은 발열량이 발생하여 내부의 온도를 상승할것으로 예상된다. 열차하부의 특성상 모듈의 크기가 작고 이에 따라 방열성능을 향상 할 수 있는 방열판 및 방열팬등을 구성하기에는 매우 작은 공간이므로 작은공간에서 고효율의 방열성능구조가 요구되는 장비이다. 이에따른 완성품 제작전 실제 동작을 통한 내부온도 변화 및 내부 장비들의 변화를 확인하기도 해야되지만 제작전 시뮬레이션을 통한 열해석을 실시함으로써 제작비 절감 및 연구기간 단축등 기회비용을 증가시키기 위하여 시뮬레이션을 통한 열해석을 진행하였다. 검측모듈의 열해석 조건으로써는 우선 SolidWorks를 통한 도면을 작성하였으며 도면작성시 시제품 제작과 관련하여 내부의 자세한 SPEC 및 내부구조를 확인하기 어려운 상화이 있어서 간략화하여 도면을 작성하였다. 검측모듈의 발열량은 LED모듈의 발열량을 사용예정인 300W로 설정하였으며 열차하부의 특성상 외부에서 내부로 공기유입이 없다는 외부조건과 외부온도 변화에 (0℃, 20℃) 따른 결과를 확인하였다. 검측모듈의 운행시간을 고려하여 1시간의 작동시간을 설정하였으며. 외부 및 내부 함체의 재질로는 알루미늄 재질로 설정하였으며 내부의 소자를 마치 알루미늄 방열판으로 덧붙인 것처럼 시뮬레이션을 진행한 결과이다. 외부온도조건 0℃에서는 작동시 LED주변부가 40℃까지 상승하였으며 15분 경과시 51℃까지 30분 경과시 내부의 공기온도는 97℃까지 상승하였으며 장비의 온도도 내부공기를 통해 모듈전체가 97℃ 증가함을 확인하였다. 이는 일반적으로 LED다이오드의 경우, 작동온도가 80℃미만으로, 그이상의 온도에서는 LED 다이오드의 소자가 망가지므로 반드시 LED 주변부의 추가적인 방열설계 필요하다는 것을 의미한다. 1시간이 경과하였을때는 최대온도가 350℃까지 증가함을 확인하였다. 외부온도 20℃의 경우 15분 경과시 80℃에 근접하였으며 30분 경과시 100℃이상 1시간 경과시 450℃에 가까워짐을 확인하였다. 이는 현재 외부에서 내부로 유입되는 공기가 없이 내부 및 외부 재질인 알루미늄만으로 방열을 시행한 결과 이기는 하나 현재구조보다 더 방열성이 우수한 구조가 필요로 함을 알 수 있는 결과였다. 추후 외부로 열을 신속히 전달하기 위하여 외부에 추가적은 방열판 및 방열팬의 설치가 필요필요할 것 생각이되며 또한 내부재질인 알루미늄의 열전도성을 증가시킬 수 있는 방안을 생각해봐야 할것으로 생각된다.