Measurements of Friction Losses at Journal Bearings in a Reciprocating Compressor

Graduate Student, Dept. of Mechanical Engineering, Yeungnam University

* LG Electronics

** School of Mechanical Engineering, Yeungnam University (Received May 1, 2010; Revised July 4, 2010; Accepted July 6, 2010)

Abstract − A new test rig is presented to measure friction losses at journal bearings in a reciprocating com- pressor. This rig consists of a test bearing, torque sensor, driving motor and loading parts especially for vertical shaft. Friction losses are obtained by measuring torque between motor and test bearing. The experiments are car- ried out at several rotational speeds and temperatures. The test results are presented and discussed ^.

Keywords − friction loss( 마찰손실 ), journal bearing( 저널베어링 ), measurement( 측정 ), reciprocating compressor( ^{왕복동압축기} )

1. 서 론

최근에 에어컨 , 냉장고 등의 냉동용으로 사용되고 있 는 왕복동 압축기는 구조가 소형화 되고 있는 반면에 저소음화 , 고성능화 및 고신뢰성을 요구 받고 있다 . 왕 복동 압축기는 냉매의 밀봉을 고려하여 밀폐용기형식으 로 제작되는데 , ^{이 내부에는} 4 ^{개의 코일스프링} , ^토출파

이프 (loop-pipe), 피스톤 , 실린더 , 커넥팅로드 (connecting load), 핀 , 모터 , 저어널 베어링 , 스러스트 베어링 등으

로 구성되며 , Fig. 1 에는 이의 구조를 간략하게 나타내

었다 .

이러한 압축기에서는 저어널 베어링 , ^{스러스트 베어}

링 , 피스톤과 실린더 사이 , 커넥팅 로드와 핀 사이 등 ,

상대운동이 일어나는 부분에서 마찰에 의한 손실이 발 생하게 되며 , 이 손실을 줄이는 것이 제품 연구의 핵심 중의 하나이다 . 그러나 지금까지 마찰손실을 측정하는

방법으로는 입력 전력대비 출력 효율을 측정하는 방법 으로만 수행하여 왔다 . ^{이러한 방법은 마찰부위 전체의}

손실을 측정하는 방법으로 전체 성능을 측정할 수는 있 지만 , ^{각 부품마다의 마찰 손실을 측정할 수 있는 방법}

은 아니다 . 하지만 압축기의 부품들을 설계하기 위해서 는 마찰이 일어나는 각 부분마다의 마찰 손실을 정확 히 측정하여야만 설계에 따른 마찰을 예측할 수 있고 ,

손실을 줄이는 부품 설계가 가능하다 . 이러한 부품마다 의 손실을 측정하기 위한 선행 연구로서는 Masanori Kobayashi[1] 와 Dietmar E, B. Lilie[2] 가 수행한 바 있다 . 하지만 두 경우 모두 축을 수평으로 설치하고 실 험을 수행하였다 . ^{하지만 왕복동 압축기의 대부분은 축}

이 수직으로 설치되어 있으며 , 축의 회전에 의해 윤활 유가 공급되는 방식으로 수직축으로 실험을 할 수 있 는 방법이 개발될 필요가 있다 . 따라서 본 연구에서는 이 목적의 일환으로 왕복동 압축기의 수직축 지지 베 어링을 대상으로 압축기의 환경을 모사하고 , ^{그 환경하}

†주저자·책임저자 : [email protected]

에서 마찰손실을 측정하는 실험장치를 개발하였다 . 2. 실험장치의 설계

Fig. 2 에는 본 연구에서 설계한 시험장치의 개략도

를 나타내었다 . ^{축은 상부에 있는} BLDC ^{모터에 의해}

서 회전하게 되고 , 그 아래에 토크센서가 설치되어 입 력 모터와 저널베어링 사이의 토크를 측정하였다 . 압 축가스에 의한 부하는 외부에서 하중을 주는 방식으로 모사하였고 , ^{직렬로 설치된 로드셀에 의해서 그 크기}

를 측정하였다 . 그리고 아래쪽에 테스트 베어링 및 회 전축을 설치하고 , 축의 끝에는 실제 왕복동 압축기에 서 사용하는 프로펠러가 달린 피스가 설치되어 회전하 면서 윤활유를 끌어올리게 하여 , 실제 왕복동 압축기 의 환경을 그대로 모사하였다 . ^{다만 토크센서와 테스}

트 베어링 사이에는 회전력 전달을 위한 회전축 하나 가 더 설치되었고 , 이 회전축을 지지하기 위한 깊은 홈 볼 베어링 2 개와 하중을 전달하기 위한 부위에 1

개의 깊은 홈 볼 베어링이 설치되어 있다 .

가장 아래 부분에는 압축기의 운전 온도를 모사하기 위해서 히터 및 온도 콘트롤러를 설치하여 온도를 바 꾸어 가며 실험할 수 있도록 하였다 . 테스트 베어링

부위의 사진은 Fig. 3 에 실었다 .

실험에서 사용된 BLDC 모터는 최대출력 1,000 W,

정격토크 1.91 N · m ^{이며 순간적으로 허용하는 토크는}

3.82 N · m 이다 . 그리고 정격회전속도는 5,000 rpm 까지 가능하다 .

토크센서는 비접촉식으로 0.1% ^{의 정확도를 갖는}

KISTLER 사의 4503A 를 사용하였으며 , 최대 측정 범

위가 0.2 N · m ^{이며 최대 회전 속도가} 20,000 rpm ^이다 .

또한 , 1 회전당 사각펄스 60 개가 출력되므로 이 펄스를 세어 분당 회전수를 측정하였다 .

로드셀은 BONSHIN ^사의 DBBP-20 ^{을 사용하였으며} ,

Fig. 1. System of reciprocating compressor.

Fig. 2. Schematics of experimental setup.

Fig. 3. Photo of detailed test bearing.

최대용량은 20 kgf ^이고 , ^{앰프에서의 출력은} 0.6 V/kgf ^로

설정하였다 .

히터기는 디지털 방식의 제어기를 사용하였으며 , 제 어량이 설정치의 상하로 진동하여 멈추지 않는 현상 ,

즉 , 헌팅이라 하고 , 초기 압력에 대하여 제어량이 설정 치를 초과한 후 최초로 취하는 과도 편차의 극치를 오 버슈트를 사용하여 설정치에 근접하게 하도록 한 방식 을 사용하였고 , 제어는 1 도 단위로 하였다 .

3. 실험결과

본 실험에서는 테스트 베어링 외에 3 개의 깊은홈 볼 베어링이 설치되어 실제 압축기의 상태보다는 조금 큰 마찰 토크가 측정될 수 밖에 없다 . 테스트 베어링만의 순수 마찰 토크를 측정하기 위해서는 테스트 베어링이 없는 상태에서 무부하 마찰 토크를 측정하고 , ^{후에 테}

스트 베어링을 설치한 후의 측정값에서 무부하 마찰 토크값을 보정해 주어야만 실제 토크를 측정했다고 할 수 있다 .

Fig. 4 에는 테스트 베어링이 없는 상태에서 시험장

비의 오일 온도를 40 ^도에서 80 ^{도까지 변경시켜가며} ,

회전수 500 rpm 에서 3600 rpm 의 범위에서 100 rpm

간격으로 , 토크센서에서 나오는 신호의 평균전압을 나 타내었다 . 평균전압은 나오는 신호를 FFT 처리하여 첫 항의 값을 취하였다 . 이 결과 회전수에 따라 선형적으 로 증가하는 것을 알 수 있었으며 , ^{실장 실험에서 보}

정용으로 사용하였다 .

실장 실험에서는 테스트 베어링을 설치하고 2700~

3600 rpm ^{까지 회전시켜 가면서 회전축과 저어널 베어}

링부에서 마찰손실을 측정하였고 , ^{측정된 전압을} Fig. 5

에 나타내었다 . 실장 실험에서 회전수를 2700 rpm 부

터만 수행한 것은 오일 공급이 회전수가 2,700 rpm 부

근에서 발생하였기 때문에 그 이하의 회전수에서의 측 정은 무의미 하다고 판단되었기 때문이다 .

Fig. 6 는 Fig. 5 의 값에서 테스트 베어링이 없는상태

에서 실험한 (Fig. 4) 값을 뺀 저어널 베어링의 순수

토크를 전압으로 나타낸 그래프이다 .

토크값은 토크센서 회사에서 보내준 보정값을 사용 하여 전압으로부터 다음과 같은 식을 사용하여 환산하 였다 .

(1)

T 0.2

5.0038

--- × ( V

– V

) N m [ ⋅ ]

= Fig. 4. Output Voltages without a test bearing.

Fig. 5. Output Voltages with a test bearing.

Fig. 6. Output friction voltages after compensation.

여기서 , T ^{는 토크이고} , V

^{은 실장 실험에서 얻은 전}

압 , V

은 테스트 베어링이 없는 상황에서 얻은 기준 전압이다 . 마찰손실은 토크와 각속도의 곱으로 표현되 므로 식 (1) ^{에서 구한 토크와 회전각속도를 곱하여 최}

종 마찰손실을 아래 식 (2) 로 환산하였다 .

(2)

그러나 , 현재까지의 결과도 순수한 저어널 베어링만 의 마찰 손실이라고 보기에는 무리가 있다 . ^{그 이유는}

왕복동 압축기의 경우 저어널 베어링과 스러스트 베어 링이 같이 붙어 있어서 , 마찰손실에 스러스트 베어링 의 손실부분도 측정이 되었다고 볼 수 밖에 없다 . 따 라서 본 연구에서는 스러스트 베어링의 간극을 10~

50 ^µ m ^{사이로 변화시켜가며 마찰 손실을 측정하였다} . Figs. 7~11 ^{에는 베어링에 부하는 주지않고} , ^스러스트 P T = ⋅ ω [ Watt ]

Fig. 7. Friction losses at 10 µm thrust clearance.

Fig. 8. Friction losses at 20 µm thrust clearance.

Fig. 9. Friction losses at 30 µm thrust clearance.

Fig. 10. Friction losses at 40 µm thrust clearance.

Fig. 11. Friction losses at 50 µm thrust clearance.

베어링의 간극을 10, 20, 30, 40, 50 ^µ m ^{로 바꾸어 가}

면서 마찰 손실을 측정한 결과를 나타내었다 . 이 결과 에서 보듯이 스러스트 간극이 10 ^µ m ^{일 때보다 간극이}

커질수록 마찰 손실이 조금씩 줄어드는 것을 알 수 있 으며 , 스러스트의 간극이 30 µ m 을 넘어가게 되면 스러 스트의 간극에 의해서 발생하는 마찰 손실보다는 축의 정렬상태에 따라 마찰 손실에 영향을 미친다는 것을 알 수있다 . 이러한 결과를 바탕으로 스러스트 베어링 의 영향이 없고 순수한 저어널 베어링만의 마찰 손실

을 측정하기 위해서는 스러스트 간극 30, 40, 50 µ m

에서 가장 적절하다고 볼 수가 있다 . ^{이를 바탕으로}

스러스트의 간극이 10, 20 µ m 보다는 30, 40, 50 µ m

일 때 저어널 베어링에 의한 마찰 손실이 없다고 생각 되어서 스러스트 간극을 50 µ m 로 맞추고 , 하중을 부과 하는 실험을 수행하였다 .

Figs. 12~14 ^{는 오일의 온도를} 40

C, 60

C, 80

C ^바

꾸어 가며 , ^{왕복동 압축기의 피스톤이 저어널 회전축}

에 하중을 부과하는 부위의 위치를 모사한 부분에 하

중을 1~7 kg 을 부과하며 마찰 손실을 측정한 결과이다 .

하중이 증가함에 따라 또한 회전 속도가 증가함에 따 라 마찰 손실이 증가하는 것을 옆의 그래프에서 알 수 있으며 , ^{온도가 올라감에 따라} , ^{마찰 손실이 줄어들고}

있음도 알 수 있다 . 본 연구에서 제시한 방법대로 측 정하면 순수한 저어널 베어링만의 마찰 손실을 정확히 측정할 수 있다 .

4. 결 론

왕복동 압축기의 회전축과 저널베어링 사이의 순수 마찰 손실만을 측정할 수 있는 시험기를 고안하여 설 계 제작하였으며 , 온도와 회전수 및 부가하중을 바꾸 어 가며 저어널 베어링만의 마찰 손실을 성공적으로 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다 .

(1) 일정한 온도에서 회전수가 증가할수록 마찰손실 량이 증가하는 것을 알 수 있다 .

(2) 온도의 변화에 따라서 일정한 회전수에서 마찰손 실량이 감소하는 것을 알 수 있다 .

(3) 실험적인 정확한 측정을 바탕으로 이론식의 검증

과정을 거친다면 , 마찰손실의 정확한 예측이 가능할 것 으로 판단된다 .

후 기

본 연구는 LG 전자의 지원에 의해 수행되었으며 ,

관계자 여러분께 감사의 뜻을 전합니다

Fig. 12. Friction losses according to loads at 40

C.

Fig. 13. Friction losses according to loads at 60

C.

Fig. 14. Friction losses according to loads at 80

C.