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문제 정의
- 소형 압축기의 소음저감에 관한 연구로서, 압축기의 공동 공진(cavity resonance)에 관련하여 기체 공간 공명의 규명에 의한 밀폐형 압축기의 소음 저감에 관한 연구 및 유한요소를 통한 밀폐형 압축기의 공동 공진에 관한 연구 그리고 공동 공진과 진동 전달에 의한 소음저감에 관하여 흡입구 위치 변경과 루프파이프 형상의 변경에 따른 소음저감에 관한 연구가 수행되었다(2~5). 압축기의 기동, 정지시 발생하는 진동과 소음에 관련하여 구동부 지지스프링(spring)의 수명과 기동시 약 45초 동안 발생하는 350~500 Hz 주파수대역의 기동소음을 3 dB 줄이기 위한 연구를 수행하였으며, 목표 달성을 위해 일시적인 해결책과 조정으로 소음감소를 하였으나, 소음원에 대한 충분한 고찰이 필요하다고 결론에 밝혔다(6,7).
- 이 연구에서는 음향해석을 통한 밀폐형 소형 왕복동식 압축기가 기동할 때 약 20초간 소음이 급격히 상승하는 현상을 저감하기 위하여 잔존 오일 유량, 냉매의 흡입위치 변경 그리고 구동부의 위치변화에 따른 주요 공동 공진(cavity resonance)의 민감도를 분석하고, 저소음형 압축기의 조건설정 및 설계방안을 제안하였다.
제안 방법
- 음향해석은 압축기의 내부 공동을 대상으로 하였으며, 복잡한 내부 형상을 충분히 고려하여 모델링하였다. 음향해석 상용코드는 SYSNOISE(8)를 사용하였다.
- 압축기 음향해석에서 사용한 냉매의 물성치는 Table 1과 같다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 잔존 오일 유량, 냉매의 흡입위치, 그리고 구동부의 위치에 따른 압축기 내부의 음압에 대한 주파수응답 특성을 분석하기 위하여 운전조건 및 해석모델을 각각 다음과 같이 설정하였다.
- 압축기의 내부 공동에 대한 음향 모드해석을 수행하고, 실험을 통하여 해석모델을 검증하였다. 실험에 있어서 압축기의 기동소음은 약 20초 동안 소음레벨이 상승된 상태를 유지하다가 저감되는 과도상태의 소음이므로 기존의 측정방법으로는 정밀한 분석이 어려웠다.
- 실험에 있어서 압축기의 기동소음은 약 20초 동안 소음레벨이 상승된 상태를 유지하다가 저감되는 과도상태의 소음이므로 기존의 측정방법으로는 정밀한 분석이 어려웠다. 따라서 1초 동안의 소음 주파수 스펙트럼을 100초간 100개를 측정하여 시간에 따른 주파수 스펙트럼의 변화추이를 3차원으로 분석하였다. Fig.
- 4에 나타낸 공동의 모드 형상을 살펴보면 X, Y, Z 방향의 공진주파수는 각각 522, 446, 473 Hz이다. 따라서 실험과 가장 유사한 조건인 잔존 유량 13 mm의 유한요소 모델을 기준으로 잔존 오일 유량, 냉매의 흡입위치 그리고 구동부의 위치에 따른 음향해석을 수행하였다.
- 압축기의 운전조건 설정 및 설계에 활용할 수 있는 이상적인 조건을 구하기 위하여 압축기의 운전조건 및 구동부 위치에 따른 내압에 대한 공진점 주변에서 주파수응답의 피크 높이, 주파수 폭의 변화, 주파수 이동 특성을 음향해석을 통하여 분석하였다. 4가지 조건 즉 잔존 오일 유량, 냉매의 흡입위치 그리고 구동부 위치변화에 따른 주파수응답의 변화 특성을 분석하였다.
- 압축기의 운전조건 설정 및 설계에 활용할 수 있는 이상적인 조건을 구하기 위하여 압축기의 운전조건 및 구동부 위치에 따른 내압에 대한 공진점 주변에서 주파수응답의 피크 높이, 주파수 폭의 변화, 주파수 이동 특성을 음향해석을 통하여 분석하였다. 4가지 조건 즉 잔존 오일 유량, 냉매의 흡입위치 그리고 구동부 위치변화에 따른 주파수응답의 변화 특성을 분석하였다. 주파수응답함수는 관심주파수 범위(420~560 Hz)에서 냉매의 흡입구(가진부)의 입구단에 단위속도(1 m/s)의 진폭을 갖는 조화가 진에 의한 조화응답해석을 통하여 계산하였다.
- 4가지 조건 즉 잔존 오일 유량, 냉매의 흡입위치 그리고 구동부 위치변화에 따른 주파수응답의 변화 특성을 분석하였다. 주파수응답함수는 관심주파수 범위(420~560 Hz)에서 냉매의 흡입구(가진부)의 입구단에 단위속도(1 m/s)의 진폭을 갖는 조화가 진에 의한 조화응답해석을 통하여 계산하였다.
- 저소음형 압축기를 위한 운전조건 설정 및 설계지침을 도출하기 위하여 음향해석을 통한 압축기의 운전조건 및 구동부 위치에 따른 공동 공진주파수의 특성을 분석하였으며, 주요 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 또한 압축기 윤활기구의 최저 높이가 압축기 바닥면에서 약 11 mm에 위치하기 때문에 잔존 유량이 11 mm 이하일 경우에는 오일이 순환되지 않는다. 따라서 바닥면에서부터 11~18 mm의 잔존 유량 높이를 각각 1 mm 간격으로 모델링하여 해석한 결과와 실험결과를 비교하여 가장 일치하는 압축기 모델을 도출하였다.
대상 데이터
- 7 m/s이고 주파수(⨍)는 600 Hz이므로 파장(λ)의 길이는 28 cm가 된다. 따라서 압축기 해석에 사용할 수 있는 최대 요소의 크기는 4.7 cm이며, 이 해석에서는 2.7 cm의 요소 크기를 사용하였다.
- 유한요소 모델에 사용된 요소는 사면체 요소(tetrahedral element)를 사용하였으며, 총 절점수(node number)는 3544~13,464개이며, 총 요소수(element number)는 14942~58157개이다. 압축기 음향해석에서 사용한 냉매의 물성치는 Table 1과 같다.
이론/모형
- 음향해석은 압축기의 내부 공동을 대상으로 하였으며, 복잡한 내부 형상을 충분히 고려하여 모델링하였다. 음향해석 상용코드는 SYSNOISE(8)를 사용하였다. 소음해석에는 일반적으로 유한요소법(FEM)과 경계요소법(BEM)이 사용되며, 여기서는 내부 음향문제해석에 적합한 유한요소법을 사용하였다.
- 음향해석 상용코드는 SYSNOISE(8)를 사용하였다. 소음해석에는 일반적으로 유한요소법(FEM)과 경계요소법(BEM)이 사용되며, 여기서는 내부 음향문제해석에 적합한 유한요소법을 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 압축기가 기동하기 전의 유량은 18 mm이며, 이 조건에서 공동의 주요 모드는 431, 487, 517 Hz이다. 여기서 431, 517 Hz의 공진주파수는 기동 후에 유면이 낮아지면서 11 mm의 해석 결과와 비교해보면 각각 18, 8 Hz 상승하였다. 그러나 487 Hz는 20 Hz가 감소하였는데, 이러한 현상은 Fig.
- 유면 높이의 변화에 따른 해석 결과에서 잔존 유량이 13 mm일 때의 공진주파수가 실험결과와 가장 유사하게 나타났으며, Fig. 4에 나타낸 공동의 모드 형상을 살펴보면 X, Y, Z 방향의 공진주파수는 각각 522, 446, 473 Hz이다. 따라서 실험과 가장 유사한 조건인 잔존 유량 13 mm의 유한요소 모델을 기준으로 잔존 오일 유량, 냉매의 흡입위치 그리고 구동부의 위치에 따른 음향해석을 수행하였다.
- 음향 모드해석에서 얻어진 X, Y, Z 방향의 1차 모드 공진주파수에서 주파수응답함수의 피크가 나타남을 알 수 있다. 잔존 유량변화에 따른 공진 피크의 크기는 X, Y, Z 방향 모두 16 mm의 유면 높이의 조건이 상대적으로 가장 낮고 안정적인 것으로 나타났다. 또한 잔존 유량의 변화에 따라 공진주파수의 이동 현상이 발생하였다.
- 또한 잔존 유량의 변화에 따라 공진주파수의 이동 현상이 발생하였다. 주파수의 이동은 X, Y 방향의 공진주파수는 고주파 영역으로 약 10~20 Hz가 이동되었으며, Z방향의 공진주파수는 저주파영역으로 약 20 Hz의 이동현상이 나타났다. 따라서 압축기가 기동하고 있을 때 잔존하는 유량의 높이 선정은 단지 주파수응답의 피크가 낮다고 해서 해결되는 것이 아니라 가진주파수와 공진주파수가 일치되지 않는 조건을 구하는 것이 매우 중요하다.
- 노달 점 1로 냉매의 흡입 위치를 변경한 경우는 X 방향 모드의 공진 피크가 크게 저감되었고, 노달점 2로 냉매의 흡입 위치를 변경한 경우는 X, Y 방향 모드의 공진 피크가 동시에 저감되었다.
- 구동부를 ±8 mm 이동시킨 경우, 특히 +8 mm 조건에서는 X, Z 방향의 공진 피크가 크게 발생하므로 소음에 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 압축기 구동부의 위치 선정 시에는 압축기 공동의 중앙에 위치하는 것이 가장 이상적이며, 내부 부품들이 외부 셸에 가까이 갈수록 소음에 나쁜 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 이상의 음향해석 결과에서 잔존 오일 유량을 16 mm로 유지하였을 경우, 냉매의 흡입위치는 각 방향의 노달 라인이 교차되는 위치로 변경하였을 경우 그리고 구동부는 공동의 중앙에 위치하는 경우에 소음저감 측면에서 가장 유리한 압축기 조건임을 확인하였다. 압축기 설계 시 위의 사항을 고려하여 조건설정이 이루어진다면 내부 공동의 공진에 의한 소음증폭을 방지할 수 있을 것이다.
- 운전조건과 관련하여 잔존 오일 유량의 변화에 따른 특성 분석에 있어서는 잔존 유량 높이가 16 mm일 때가 소음저감에 가장 유리한 특성을 보였다. 냉매의 흡입위치에 따른 주파수응답의 특성 분석에 있어서는 모드해석에서 확인된 노달 라인의 교차점에 흡입구가 위치했을 때가 소음저감에 가장 유리한 조건임을 확인하였다.
- 운전조건과 관련하여 잔존 오일 유량의 변화에 따른 특성 분석에 있어서는 잔존 유량 높이가 16 mm일 때가 소음저감에 가장 유리한 특성을 보였다. 냉매의 흡입위치에 따른 주파수응답의 특성 분석에 있어서는 모드해석에서 확인된 노달 라인의 교차점에 흡입구가 위치했을 때가 소음저감에 가장 유리한 조건임을 확인하였다. 그리고 구동부 위치에 따른 공진주파수 특성 분석에 있어서는 구동부가 공동의 중앙에 위치했을 때가 소음저감에 유리한 조건임을 확인하였다.
- 냉매의 흡입위치에 따른 주파수응답의 특성 분석에 있어서는 모드해석에서 확인된 노달 라인의 교차점에 흡입구가 위치했을 때가 소음저감에 가장 유리한 조건임을 확인하였다. 그리고 구동부 위치에 따른 공진주파수 특성 분석에 있어서는 구동부가 공동의 중앙에 위치했을 때가 소음저감에 유리한 조건임을 확인하였다. 따라서 음향해석을 통하여 도출된 운전조건 및 설계방향은 저소음형 왕복동식 압축기 설계에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 그리고 구동부 위치에 따른 공진주파수 특성 분석에 있어서는 구동부가 공동의 중앙에 위치했을 때가 소음저감에 유리한 조건임을 확인하였다. 따라서 음향해석을 통하여 도출된 운전조건 및 설계방향은 저소음형 왕복동식 압축기 설계에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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