[논문]선형 압축기의 동적 거동 예측 Simulation Tool 개발

전수홍; 정의봉; 이효재; 김당주

doi:10.5916/jkosme.2009.33.4.476

[국내논문] 선형 압축기의 동적 거동 예측 Simulation Tool 개발
Development of Simulation Tool for Dynamic Behavior of a Linear Compressor 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.4, 2009년, pp.476 - 483

전수홍 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 정의봉 (부산대학교 기계공학부) , 이효재 (LG전자) , 김당주 ((주)로커스)

Abstract ▼ AI-Helper

A linear compressor used in a refrigerator has higher energy efficiency than a reciprocating compressor, but its vibration level is still severe than others. The vibration level of linear compressor at the frequency of 60Hz is dominant since it is the exciting frequency of a motor. In this paper, a simulation tool to predict the shell vibration of the linear compressor was developed. The shell and body parts in a compressor were assumed to be 3-dimensional rigid body having both translational and rotational motion, while the reciprocating piston part has only 1-dimensional translational motion. The flexible loop-pipe was modeled by in-house code of finite element method. To verify the developed tool, five cases of different loop-pipe shapes were examined experimentally. The results by the developed tool showed good agreements with those by experiments.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 모터 작동주파수인 60Hz에서 선형압축기 부품들의 거동과 셸(shell)의 진동을 예측할 수 있는 simulation tool을 개발하고자 한다. 60Hz 근처의 저주파수에서는 압축기 셸과 몸체(body) 및 피스톤(piston)은 강체로 가정할 수 있다.

가설 설정

60Hz 근처의 저주파수에서는 압축기 셸과 몸체(body) 및 피스톤(piston)은 강체로 가정할 수 있다. 그러나 루프파이프는 매우 유연하므로 탄성 체로 가정하여 직접 코딩한 보요소의 유한요소 모델링을 수행한다. 그리고 강체 모델링과 탄성체 모델링을 결합하여 실린더 가스 압축력에 의한 압축기의 진동 응답을 해석한다.
모터의 작동주파수인 60Hz에서는 피스톤과 몸체 및 셸은 강체로 가정할 수 있다. 강체인 피스톤은 수평방향으로만 병진운동을 하므로 1자유도로 가정할 수 있지만 강체인 몸체와 셸은 3차원 거동을 하므로 3방향의 병진운동과 3방향의 회전운동을 모두 고려하여 각각 6자유도로 가정한다. 루프파이프는 매우 유연하므로 60Hz에서도 강체로 가정할수 없고 탄성체로 모델링해야 한다.
선형 압축기에서 탄성체로 가정한 루프파이프는 Euler-Bernoulli beam으로 가정하여 node당 6자유도를 갖는 유한요소 모델링^[7]을 하였다. 또한 루프파이프에는 진동저감을 위한 coil spring이 주위에 감겨져 있는데, coil spring은 루프파이프에 단단히 체결된 것이 아니라 단순히 감겨있기 때문에 루프파이프의 강성에는 영향을 주지 않으므로 coil spring의 질량성분만을 모델링에 고려하였다.
선형 압축기의 모터 작동 주파수인 60Hz에서 운동부 피스톤과 몸체의 동적 거동과 셸의 진동을 예측 할 수 있는 simulation tool을 개발하였다. 선형 압축기의 구성부품 중에서 피스톤, 몸체, 셸은 강체로 가정하였고, 루프파이프는 탄성체로 가정하여 결합된 운동방정식을 구성할 수 있게 하였다. 5가지의 서로 다른 루프파이프의 조건에 대하여 simulation tool의 예측 결과와 실험값은 비교적잘 일치하고 있음을 확인할 수 있었으며, simulation tool의 타당성이 검증되었다.

제안 방법

그러나 루프파이프는 매우 유연하므로 탄성 체로 가정하여 직접 코딩한 보요소의 유한요소 모델링을 수행한다. 그리고 강체 모델링과 탄성체 모델링을 결합하여 실린더 가스 압축력에 의한 압축기의 진동 응답을 해석한다. 그리고 서로 다른 5종류의 루프파이프 형상을 제작하고 실제 작동중인 압축기의 셸 표면에서의 가속도 응답을 계측하여 개발된 simulation tool을 검증한다.
그리고 강체 모델링과 탄성체 모델링을 결합하여 실린더 가스 압축력에 의한 압축기의 진동 응답을 해석한다. 그리고 서로 다른 5종류의 루프파이프 형상을 제작하고 실제 작동중인 압축기의 셸 표면에서의 가속도 응답을 계측하여 개발된 simulation tool을 검증한다.
을 하였다. 또한 루프파이프에는 진동저감을 위한 coil spring이 주위에 감겨져 있는데, coil spring은 루프파이프에 단단히 체결된 것이 아니라 단순히 감겨있기 때문에 루프파이프의 강성에는 영향을 주지 않으므로 coil spring의 질량성분만을 모델링에 고려하였다. FEM으로 모델링된 루프파이프의 질량행렬(M)과 강성행렬(K)중에서 강체와 연결되는 부분의 node는 식(3)에서 정의된 변환행렬을 이용하여 강체중심의 좌표로 다음과 같이 변환할 수 있다.
설정된 알고리즘을 바탕으로 사용자의 편의를 위해 VISUAL FORTRAN^[8]을 이용하여 GUI 환경의 해석프로그램을 개발하였다. 선형 압축기의 주파수 응답 해석에 필요한 변위, 질량, 강성과 같은 물성치와 주요 변수들을 입력받기 위하여 Fig.
7에 나타낸다. 가속도 센서는 선형 압축기 셀 표면의 x, y, z 방향과 ear mount의 y, z 방향에 부착하여 진동을 측정하였다. 여기서 y방향은 피스톤의 왕복직선운동과 일치하는 수평방향이고, z방향은 상하방향을 나타낸다.
Simulation tool의 검증을 위하여 5가지 종류의 루프파이프 모델을 제작하여 해석 및 실험을 수행하였다. 첫 번째 경우는 루프파이프가 제거되어 강체부분만이 있는 경우이며, 두 번째는 coil spring을 제거한 루프파이프가 설치된 경우이다.
선형 압축기의 모터 작동 주파수인 60Hz에서 운동부 피스톤과 몸체의 동적 거동과 셸의 진동을 예측 할 수 있는 simulation tool을 개발하였다. 선형 압축기의 구성부품 중에서 피스톤, 몸체, 셸은 강체로 가정하였고, 루프파이프는 탄성체로 가정하여 결합된 운동방정식을 구성할 수 있게 하였다.

성능/효과

11은 압축기 셀의 수직방향(z-방향) 가속도를 나타낸다. 피스톤의 왕복 직선운동과 같은 방향인 y-방향의 가속도가 가장 크게 나타났으며, 수평 횡방향과 수직방향의 가속도 크기는 비슷함을 알 수 있다. 압축기에 루프파이프가 부착되면 압축기의 수평 및 수직성분의 가속도가 모두 증가되며, 루프파이프에 부착된 coil은 가장 문제가 되는 수평 종방향(y-방향) 가속도를 감소시키는데 효과적임을 알 수 있다.
피스톤의 왕복 직선운동과 같은 방향인 y-방향의 가속도가 가장 크게 나타났으며, 수평 횡방향과 수직방향의 가속도 크기는 비슷함을 알 수 있다. 압축기에 루프파이프가 부착되면 압축기의 수평 및 수직성분의 가속도가 모두 증가되며, 루프파이프에 부착된 coil은 가장 문제가 되는 수평 종방향(y-방향) 가속도를 감소시키는데 효과적임을 알 수 있다. Fig.
선형 압축기의 구성부품 중에서 피스톤, 몸체, 셸은 강체로 가정하였고, 루프파이프는 탄성체로 가정하여 결합된 운동방정식을 구성할 수 있게 하였다. 5가지의 서로 다른 루프파이프의 조건에 대하여 simulation tool의 예측 결과와 실험값은 비교적잘 일치하고 있음을 확인할 수 있었으며, simulation tool의 타당성이 검증되었다. 개발된 tool을 이용하면 진동저감을 위한 선형압축기의 설계에 도움이 될 것이다.

후속연구

5가지의 서로 다른 루프파이프의 조건에 대하여 simulation tool의 예측 결과와 실험값은 비교적잘 일치하고 있음을 확인할 수 있었으며, simulation tool의 타당성이 검증되었다. 개발된 tool을 이용하면 진동저감을 위한 선형압축기의 설계에 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형 압축기의 장점은?	여러 압축기 중에서 선형 압축기는 공진현상을 이용하여 작은 에너지로부터 큰 운동을 이끌어냄으로써 기존의 왕복 압축기보다 에너지효율 면에서 우수하여 냉장고를 중심으로 사용되어지고 있다. 그러나 큰 질량을 갖고 직선운동을 하는 운동부의 관성력으로 인하여 진동레벨이 크다는 단점이 있다.
	선형 압축기의 구성은?	1과 같다. 선형 압축기는 크게 운동부인 피스톤(mp)과 몸체(Mb)와셸(Ms)로 구성되어있다. 또한 몸체와 셸은 지지 스프링(ks)으로 연결되어 있을 뿐만 아니라 냉매의 이동경로인 루프파이프와도 연결되어있다.
	선형 압축기의 단점은?	여러 압축기 중에서 선형 압축기는 공진현상을 이용하여 작은 에너지로부터 큰 운동을 이끌어냄으로써 기존의 왕복 압축기보다 에너지효율 면에서 우수하여 냉장고를 중심으로 사용되어지고 있다. 그러나 큰 질량을 갖고 직선운동을 하는 운동부의 관성력으로 인하여 진동레벨이 크다는 단점이 있다. 특히 왕복 운동하는 관성력은 모터의 작동주파수인 60Hz에서 큰 진동을 유발시킨다.

참고문헌 (8)

S. W. Hwang, W. B. Jeong, W. S. Yoo and K. H. Kim, 2004, "Transmission path analysis of noise and vibration in a rotary compressor by statistical energy analysis", KSME International Journal, Vol. 18(11), pp. 1909-1915

원문보기 상세보기
W. B. Jeong, J. H. Kim, S. J. Ahn and S. W. Hwang, 2002, "Transient vibration analysis of a rotary compressor considering the coupled effects of motor", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 12 (11), pp. 847-855

원문보기 상세보기
T. J. Kim, 2001, "Dynamic behavior analysis of a reciprocating compressor body with variable rotating speed", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 11(8), pp. 374-383
S. W. Kim and J. H. Park, 1998, "Study on the dynamic behavior of suction and discharge valves in reciprocating compressor", Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 136~142
J. C. Park, S. M. Wang and C. M. Jung, 2003, "Friction-induced vibration of a linear compressor", Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 695~700
K. J. Waldron and G. L. Kinzel, 1999, "Kinetics, dynamics, and design of machinery", Wiley
M. Petyt, 1990, "Introduction to finite element vibration analysis", Cambridge University
D. K. Kim, 2004, "Windows fortran", Gumi-book

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