Bearing 윤활 성능 및 신뢰성 개선 실험연구 고속 Compressor 에서의 Bearing 윤활 성능 및 신뢰성 개선 실험연구 2010. 11. 16 주관기관 : LG 전자 연구기간 : 2010년 7월 ~2011년 7월 학 번 : 20108310 이 름 : 김대진

기본이론 (Rotary 압축기, Scroll 압축기 원리) Rotary 압축기 COMPRESSION PART Scroll 압축기 COMPRESSION PART 냉매압축 냉매흡입 냉매압축 냉매흡입 모터 롤러 메인 베어링 크랭크 샤프트 <Rotary 압축기> <압축부> <Scroll 압축기> <압축부> 압축 원리: 냉매가스의 압축은 모터부에 연결된 크랭크 샤프트의 회전운동에 따라 롤러가 함께 회전운동을 하면서 실린더와 베인에 의해 형성된 압축실을 축소시킴으로써 냉매가스를 압축하는 구조로 되어있다. 압축 원리 선회스크롤과 고정스크롤이 쌍으로 이루어져 있으며, 각각의 스크롤 부품은 평판상에 스크롤 형상의 날개(wrap)를 갖고 있다. 양쪽 선회스크롤과 고정스크롤의 맞물림에 의해 초생달 모양의 밀폐공간이 형성되어 압축사이클을 이루게 된다. Rotary, Scroll 압축기는 축 회전식으로 구조가 비슷하며 Heat Pump에서 주로 사용

연구배경 및 목표 연구 배경 단계별 목표 목표 / 내용 Rotary 압축기는 4 개의 Frame으로 모델 전개를 하고 있어, 복잡하고 원가상승의 원인이 된다.  고속/가변속이 되면 2 개의 Frame으로 모델 전개가 되고, 인버터 드라이브의 원가도 절감할 수 있다. Scroll 압축기에 대한 고객의 요구가 한냉지 난방성능을 개선하기 위해 점차 고속화를 요구하고 있다. 압축기가 고속이 되면 온도와 압력의 편차가 심하여져 냉동기유의 점도가 저하하고 습동부의 면압이 높아진다.  마찰력의 증가에 의한 마찰손실 저감과 신뢰성 개선이 필요하다. 단계별 목표 1차년도 : Compressor Journal Bearing 윤활 실험장치 개발 2차년도 : Compressor Journal Bearing 윤활변수 DB 구축 목표 / 내용 개발목표 고속/고하중 압축기 Journal Bearing 윤활 실험장치 개발  Scoll, Rotary 압축기 (10,000 rpm, 8,000 N 이상) 연구내용 고속 베어링 관련 선행연구 분석 베어링 고속 윤활 실험장치 설계 및 제작 베어링 고속 윤활 실험장치 성능 실험 고속 압축기 윤활변수 도출

한랭지 Heat Pump의 문제점 외기온도 저하 → 난방부하 증가 (분홍색) 외기온도 저하 → 증발기 압력/온도 저하→비체적 증가(냉매 밀도 저하)→냉매 순환량 감소→난방능력 감소  압축기 고속화 : 압축기 고속화에 의해 냉매 순환량을 증가시켜 난방성능을 -20℃에서 100% 달성 압력 ★압축기 고속화★ 난방부하 (분홍색) 엔탈피 <외기온도에 따른 회사별 난방능력1) > <표준조건과 한랭지 조건에서의 p-h 선도> ※ 정속 압축기 난방성능 : 7℃에서 100%, -15℃에서 50%, 110 Hz 인버터 압축기 : -10℃에서 100%, -20℃에서 70% Ref: 1) LG전자 VRF 히트펌프 개발 및 보급․평가기술 개발 과제 1세부 총괄 보고서

한랭지 Heat Pump의 저온 난방성능: 선행연구 외기온도 저하 → 증발기 압력/온도 저하 → 비체적 증가(냉매 밀도 저하) → 냉매 순환량 감소 → 난방능력 감소 47% 감소 15% 감소 [실외온도에 따른 증발기 압력] [실외온도에 따른 응축기 압력] 43% 감소 45% 감소 [실외온도에 따른 냉매 순환량] [실외온도에 따른 난방능력] Ref.: 주정동 외 (성대, 2005), 한랭지용 열펌프의 저온 난방성능에 관한 실험적 연구, 설비공학 논문집, v17, n1, p39-46

한랭지 Heat Pump의 저온 난방성능: P-h 선도 해석 LG 상용 Heat Pump를 이용한 P-h 선도 분석 해석결과 실외온도가 5℃에서 -15℃로 감소하면, 압력비 증가와 냉매 순환량 감소로 난방능력이 56% 감소 Ref.: Refrigeration Utilities, EES S/W

차세대 한랭지 히트펌프 개선 기술 차세대 한랭지 히트펌프 개선 기술 개선 방안 장점 단점 기존 해결 방안 보조히터로 토출 공기 간접 가열 ex) 축열/축냉제로 토출온도 제어 기술개발 불필요, 간단 가격 상승, 소전 증가, 안전/불완전 연소 보조히터로 사이클 간접 가열 : 증발기 or 압축기 흡입 측 정속 압축기 용량 증대 가격 상승, 주사용 온도인 5-7℃ 이상의 온도에서 가동율 저하 (효율), On/off 소전 절감 안됨 미래 고속 인버터 압축기로 용량 증대 On/off 소전 절감, 적정 온도/압력 신속 대응 기술개발 필요(실외기 제상 시스템) , 압축기 윤활성, 내마모성 향상 냉매액 인젝션 사이클 : 실외기 팽창 밸브 전 일부 냉매를 스크롤 압축기의 중간압실에 분사하는 방식 냉매량 증가, 토출온도 상승, 모터 냉각 기술개발 필요 실내기 용량 가변 + 고효율 팬 : Two Eva.로 부하별 가동 간단 실내기 공간 증가, 냉매 제어 시스템 개발 필요 차세대 한랭지 히트펌프 개선 기술

압축기 고속에 따른 문제점 (1/2) 고속 회전에 의해 압축기 마찰손실이 증가  효율 저하 고속 회전에 의해 습동부 온도가 상승하고, 점도가 감소  신뢰성 저하 온도 압력 <하중과 회전수에 따른 마찰계수1) > <회전수에 따른 습동부 유막압력 및 온도2) > Ref.: 1) LG전자 보고서 2) S.M. Chun (2002), A parametric study on bubbly lubrication of high-speed journal bearings, Tribology International, v 35, p1–13

압축기 고속에 따른 문제점 (2/2) 고속 (7,200 rpm)에서 압축기 습동부에 심한 마모가 발생 하였음 :고차압 조건 (Ps/Pd = 1.4/27 kg/㎠.G)에서 168 hr 압축기 단품 신뢰성 실험결과 <Rotary Comp. Shaft> <Scroll Comp. PTFE Bush> <Scroll Comp. Orbiting Scroll> Ref. : LG전자 보고서

선행연구 분석: 고속에 따른 현상 요약 1) 마찰이 증가하여 온도가 급상승하고, 유막 내 온도와 압력의 편차가 심하여지면서 냉동기유의 점도가 저하하고 습동부의 면압과 하중이 높아지고, 동력손실이 많아짐 2) 온도가 증가하면 밀도 감소, 비열 증가 등의 냉동기유 물성이 변하여짐 3) 층류에서 난류로 변하면서 압력이 10배, 온도는 2배, 마찰력은 20배 증가함 4) 저널 베어링의 경우 편심 비율이 높아짐으로 냉동기유에 대한 유막 압력이 증가함 (냉동기유의 일시적 고갈 현상 발생 ) 5) 고속으로 압축기 흡입 측 액냉매 높이가 증가하다가, 저속/정지 시 하강함 6) 기동이 되면 유면이 급격히 떨어지다가, 고속이 되면 오일 토출량이 많아서 오일 유면이 내려감 7) 사이클 상태 변화 - 토출압력 : 회전수가 상승하면, 토출압력 (Pd)은 올라가고, 흡입압력 (Ps)은 내려감 - 토출온도 : 서서히 증가하고 주파수 상승폭이 클수록 정상까지 시간이 김 - 흡입온도 : 액냉매의 비등으로 큰 폭으로 상승하다가 하강함 - 증발온도 : 착상에 의한 증발온도 하강도 보임 8) Sommerfeld No (점도*속도/하중)가 클수록 편심량은 줄어들고, 경사각은 증가함

선행연구 분석: 고속에 따른 현상 (1/5) 1) 마찰이 증가하여 온도가 급상승하고, 유막 내 온도와 압력의 편차가 심하여지면서 냉동기유의 점도가 저하하고 습동부의 면압과 하중이 높아지고, 동력손실이 많아짐 2) 온도가 증가하면 밀도 감소, 비열 증가 등의 냉동기유 물성이 변하여짐 온도 압력 점도 밀도 Load Power loss 고속 비열 Ref. : 김철우, 김경웅 (1997, 삼성전자/과기원), 저널 베어링의 좀머펠트 수 변화에 따른 마모특성에 관한 연구, 한국 윤활학회지, v13, n2, p16-26 S.M. Chun (2001, 동해대), Thermohydrodynamic lubrication analysis of high-speed journal bearing ∼, Tribology International, 34, p397–405

선행연구 분석: 고속에 따른 현상 (2/5) 3) 층류  난류 : 압력 10배, 온도 2배, 마찰력 20배 증가 4) 저널 베어링의 경우 편심 비율이 높아짐으로 냉동기유에 대한 유막 압력이 증가 : 냉동기유의 일시적 고갈 현상 발생 층류 난류 Ref. : S.M. Chun (2001, 동해대), Thermohydrodynamic lubrication analysis of high-speed journal bearing ∼, Tribology International, 34, p397–405 전상명, 장시열 (2000, 국민대), 열전달 경계조건을 고려한 고속 저널 베어링의 난류 열유체 윤활연구, J of KSTLE, v16, n3, p208-217

선행연구 분석: 고속에 따른 현상 (3/5) 5) 고속에 따라 압축기 흡입 측 액냉매 높이 증가하다가, 저속/정지 시 하강, 반복 회수에 따라 액냉매 높이 급격 증가 => 외기온도가 낮을수록 액냉매 유입이 많아진다.; 유막이 낮아진다. (압축기 정지 후, 응축기 내의 증기가 응축기를 떠나면서 응축압력이 하강  액체가 추가 증발/기체화되어 증발기로 이동 증발압력 상승  냉매가 재응축되어 증발기에 포화액 상태로 존재) 6) 기동 (유면이 급격히 떨어짐), 고속 (점차 하강), 저속 (잠시 하강 후 증가) => 고속 : 오일 토출량이 많아서 오일 유면이 내려감, 저속 : 오일 토출량은 적고 고속의 오일 순환량이 계속 유입 액냉매 유면 기동 고속 기동 저속 Ref. : 김철민, 황윤제, 조관식 (1999, 엘지전자), 인버터 열펌프의 압축기내 오일∼가시화를 통한 기동특성 연구, 공기조화.냉동공학 동계학술대회 논문집, p178-184

선행연구 분석: 고속에 따른 현상 (4/5) 7) 사이클 상태 변화 - 토출압력 : 회전수가 상승하면, Pd는 올라가고, Ps는 내려간다 Ps가 내려가면 액냉매가 압축기 내로 유입되어 증발하므로 순간적인 압력상승이 발생하게 된다. 30-70 Hz에서 2 개 소에, 70-102 Hz에서 1 개 소에 날카로운 정점을 볼 수 있다. - 토출온도 : 서서히 증가하고 주파수 상승폭이 클수록 정상까지 시간이 길다. - 흡입온도 : 액냉매의 비등으로 큰 폭으로 상승하다가 하강한다. - 증발온도 : 착상에 의한 증발온도 하강도 보인다. : 증발압력이 급격히 하향 이동하면 증발온도도 같이 떨어지는데, 냉매부족으로 온도가 재상승하여 정상값으로 접근 액냉매 증발 Ref. : 황윤제, 김호영 (1998, 엘지전자/고려대), 회전수 상승폭 변화에 따른 인버터 열펌프의 비정상 운전특성, 공기조화.냉동공학 논문집, v10, n4, p495-507

선행연구 분석: 고속에 따른 현상 (5/5) 8) 베어링 편심량과 경사각 Sommerfeld No (점도*속도/하중)가 클수록 - 편심량 (Bush와 Shaft의 중심 차이)은 줄어들고 - 경사각 (하중방향과 최소 유막방향 차이)은 증가한다. 편심량 Bush Shaft 전계강도 : 大 전계강도 (동점도): 大 Fig. 4 Variation of the attitude locus of 360° journal bearing vs electric field and Sommerfeld number Ref. : P.G. Nikolakopoulos et al (1998, Univ. of Patras, Greece), Controllable high speed journal bearings, lubricated with electrorheological fluids. An analytical and experimental approach, Tribology International, v31, n5, p 225–234

선행연구 분석: 윤활 변수 요약 (1/2) 시편, 표면처리, 윤활설계, 접촉 상태, 오일에 따른 윤활변수를 분류하고, 연구방향 도출 본 과제와 관련된 고속/고하중에서의 윤활특성 연구는 미비함 윤활 변수 진행 상태 범위 주요 내용 시편 재질 △ 습동부품 전반 회주철, 베어링강, SUS , 소결품 등이 많이 연구 높은 혹은 낮은 마찰력을 요구하는 재질 등 기능에 따른 윤활 특성 연구  비철 재료에 대한 연구 미비  습동부 산화물층에 따른 윤활특성 연구 미비 경도 Hv 400 이하, 600 이상 양분 주로 Hv 400 이하가 많고, 조도와의 상호 영향성 연구가 많음 조도 ○ 10 ㎛ 이하 조도별 윤활 특성 연구 (마찰계수, 접촉면적, 마모량, 하중 /경사각 변화) 조도 분류 (왜도, 첨도, Ra, Rz 등)에 따른 윤활 특성 연구 표면이 거칠수록 마찰계수는 증가하지만 길들임 효과로 인해 이후에는 일정한 경향 표면 처리 종류 MoS2 외 다수 윤활성 : MoS2, WS2, Mn-phosphate, PTFE 등이 많고, MoS2가 특히 많음 내마모성 : WC/C, TiN, Nitrocarburizing, DLC 등 공정 최적화, 하도처리, 혼합성 시너지 효과, 윤활/마모 Mechanism, 극압성 , 농도 등 다양한 연구가 많음  윤활성/내마모성 복합 연구가 미비 두께 사용 조건에 따른 최적의 표면처리 두께 최적화, 박육이면 균열로 마모 촉진 Hv 2,000 이하 사용 조건에 맞는 경도 선정, 지나치게 높거나 낮으면 오히려 역효과 - 표면이 거칠수록 마찰특성이 나빠짐 윤활 설계 그루브 그루브 위치, 시작 및 진행 각도에 따른 편심율 연구 그루브의 패턴 (square, cross-hatch)에 따른 윤활 특성 연구  그루브의 깊은 연구가 미비 간극 200 ㎛ 이하 간극비의 변화에 따른 윤활특성 분석 마찰특성(마찰계수, 표면온도)는 간극비가 커질수록 작아짐, 편심율/공급유량은 비례적으로 증가 편심율 편심율에 따른 최소 유막두께, 하중지지 능력 등 연구 길이비 0.5∼0.8 길이비의 변화에 따른 유막 두께, 공급 유량 측정 길이비의 증가에 따라 유막 두께는 증가하고 공급유량은 감소하는 경향 경사각 경사각에 따른 유막 압력, 오일 온도 연구

선행연구 분석: 윤활 변수 요약(2/2) 윤활 변수 진행 상태 범위 주요 내용 접촉 Type ○ Journal Bearing, 점, 선, 면적별 단품 시편 단품 시편 : Disk/Disk, Pin/Disk, Ball/Disk, 4-Ball 등 부품 시편 : Rotary Vane/Roller, Scroll 등 사용 Journal Bearing 연구가 많음 하중 1,000 N 이하가 많음 하중의 증가에 따라 마찰특성은 악화, 온도/편심율은 증가, 유막은 작아지는 경향 1,000 N 이하의 저하중 연구가 많고, 20,000 N 까지의 연구도 일부 있음 속도 △ 1,000 rpm 속도의 증가에 따라 마찰 특성은 악화, 온도는 증가, 오일의 점도/유막은 감소, 기타 밀도와 비열, 편심율, 유량 변화에 영향을 미침 1,000 rpm 이하 연구가 많음 (spindle의 경우 80,000rpm까지 이루어짐) 고속에 따른 유막 거동 (층/난류, 밀도, 비열, 점도 등) 연구가 많음 좀머펠트 등 하중, 오알 점도와 연계하여 유막 거동 연구가 많음  고속/저하중, 저속/저하중은 많으나, 고속/고하중 연구 미비  속도 Cycle에 따른 윤활특성 연구 미비 오일 종류 / 점도 광유/함성유/Dry, 70 cSt 이하 다양한 오일(광유, 합성유, POE, paraffinn계 오일, 엔진오일 등)에 대한 연구 저점도 오일 연구가 많음 공급량 150 lpm 이하 유량이 증가할수록 마찰특성이 향상됨 윤활변수와의 상관성을 고려한 급유량/급유주기 연구가 많음  최소 급유량 연구가 미비 첨가제 MoS2, C60, ZDDP 나노 입자 및 고분자의 첨가(점도지수 향상제)에 따른 윤활특성(마찰토크, 오일온도) 분석 적정 입자의 농도 및 분자량에 따라 윤활특성이 변화됨  저널 베어링 에서의 나노입자 윤활특성 연구 미비  표면처리재와 상호 연관성 연구가 미비 냉매 혼합 R22, 12, 134a, CO2 냉매의 종류 및 오일 속 냉매의 함유량에 따른 윤활 특성 연구 R410A, R407C 등의 연구도 증가 공급압력 15 bar 이하 공급 압력의 증가에 따라 유량이 증가하고 오일 온도는 감소 공급온도 40∼60℃ 오일의 온도가 증가할수록 유량이 증가하여 마찰 특성이 향상됨

고속화 대응방안 (베어링 설계) Clearance Oil supply groove Length / Diameter ratio of bearing Pre Load Diameter (mm) [L/D ratio] Length (mm) [Length / Diameter ratio of bearing]  베어링의 길이와 지름의 최적설계 필요 [Clearance에 따른 Stribeck 선도]  Clearance에 따라 마찰계수 줄일 수 있음 [Oil supply groove]  Oil supply groove에 따른 오일 유량 상승 가능 [Pre Load ]  예압에 따른 베어링 온도 감소 가능

고속화 대응방안 (냉동기유) Viscosity Supply interval & pressure Nano lubricant [냉동기유 점도]  냉동기유의 온도 및 점도에 따른 윤활성능 향상 [나노입자]  나노입자에 의한 마찰계수 저감 및 윤활성능 향상

고속화 대응방안 (재질/표면처리) Modulus, Hardness, Surface roughness Surface treatment : Mn-phosphate, MoS2, 침탄, 스팀… [재질의 강성/경도/조도에 따른 Stribeck 선도]  재질의 강성/경도/조도에 따라 윤활성능 향상 가능 [표면처리에 따른 마찰계수]  표면처리에 따라 마찰계수 줄일 수 있음

Fixed Scroll / Rotating Scroll 고속 압축기 윤활 실험장치 개발현황 윤활장치 Type Journal Bearing Thrust Bearing 신규 제작 여부 신규 개조 적용 압축기 Rotary Scroll 사양 속도 (rpm) 10,000 하중 (N) 5,500 8,000 시편 (고정/회전) Shaft / Bush Fixed Scroll / Rotating Scroll 제작 현황 Shaft/Bush변형으로 Data 부정확  자동조심 베어링으로 교체 중 7,200 rpm의 진동으로 안전성 우려  일체형 하중 부가 핀으로 교체 중 선회 따른 마찰력 측정 부정확  회전형 교체 중 장치 금액 (백만원) 46 52 장치 사진

(재질, 조도, 간극, 표면처리, 오일냉동기유, 표면처리) 예상 결과 <Stribeck Curve> 유체윤활 혼합윤활 경계윤활 m 종래의 설계영역 3600 rpm Sommerfeld No.와 Bearing 재질에 따른 윤활 DB를 기반으로 Bearing Design Tool 개발 향후 9000 rpm Sommerfeld No. 베어링 재질 DB (강도, 경도, 조도 등) 향후 윤활성능 향상 데이터 구축 (재질, 조도, 간극, 표면처리, 오일냉동기유, 표면처리) 윤활 계산식 베어링 치수 : 직경, 길이, 간극 각 하중, 점도, 속도에서의 손실, 필요 급유량 마찰 손실 Stribeck curve (ρ 밀도, η 동점도, V 속도, R 축 반경, L 축 습동부 높이, P 하중, C 축 간격 등의 변수) 압축기 고속 회전에 의한 난방능력 상승 윤활성능 향상 데이터 구축을 통한 압축기 고속화 실현

유 첨

냉동사이클에서의 압축기