[논문]공조용 압축기의 가진력 규명 및 배관 진동 예측

이한울; 유상모; 정의봉; 한형석; 안재우; 정상우

doi:10.5050/ksnve.2010.20.10.953

공조용 압축기의 가진력 규명 및 배관 진동 예측
Force Identification of a Rotary Compressor and Prediction of Vibration on a Pipe 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.10 = no.163, 2010년, pp.953 - 959

이한울 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 유상모 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 정의봉 (부산대학교 기계공학부) , 한형석 (국방기술품질원) , 안재우 ((주)LG전자) , 정상우 ((주)로커스)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the process to identify the exciting forces generated from a rotary compressor. The equation of motion of a rigid compressor supported by several mounts was derived with 6 degree of freedom. The mass moment of inertia of compressor and the stiffness of rubber mounts were also identified by experiments. The exciting force at the center of mass of the compressor were estimated from the acceleration data measured at compressor shell. The piping system connected to the compressor was modeled. The acceleration of a pipe was predicted numerically by using the predicted exciting force. The numerical results showed good agreement with experimental results, which validated the identified exciting force.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 실험을 통하여 압축기의 질량 관성모멘트와 고무마운트의 탄성값을 알아내고 그에 따른 정상상태에서의 압축기 시스템 모델링을 행하였다. 다음으로 압축기 시스템의 운동방정식을 이용하여 실험을 통해 압축기 질량중심에서의 가진력을 규명하고 주파수 해석을 통하여 배관에서의 진동을 예측하여 보았다.

가설 설정

이 연구에서는 공조용 압축기를 강체로 가정하여 6자유도 압축기의 운동방정식을 유도하였다. 그리고 압축기 질량 중심에서 발생하는 힘과 모멘트를 셸의 가속도 응답으로부터 추정할 수 있는 프로세스를 정립하였다.

제안 방법

Impact test를 통해서 전산 모델을 검증하였다. Fig.
2와 같이 두 개의 두꺼운 평판 사이에 고무마운트를 끼운 실험 장치를 구성하고 가진기를 이용하여 압축기 작동 주파수인 f=50 Hz의 사인파를 발생시켰다. 그리고 가속도계로 평판의 상대 가속도를 측정하고 동시에 힘 센서로 가진력을 측정하였다. 고무마운트의 강성값은 식 (11)과 같이 구하였으며 동일한 실험을 수직방향, 수평방향에 대하여 수행하였다.
이 연구에서는 공조용 압축기를 강체로 가정하여 6자유도 압축기의 운동방정식을 유도하였다. 그리고 압축기 질량 중심에서 발생하는 힘과 모멘트를 셸의 가속도 응답으로부터 추정할 수 있는 프로세스를 정립하였다. 압축기의 질량관성모멘트와 고무마운트의 강성을 실험적으로 추정하였다.
이 논문에서는 실험을 통하여 압축기의 질량 관성모멘트와 고무마운트의 탄성값을 알아내고 그에 따른 정상상태에서의 압축기 시스템 모델링을 행하였다. 다음으로 압축기 시스템의 운동방정식을 이용하여 실험을 통해 압축기 질량중심에서의 가진력을 규명하고 주파수 해석을 통하여 배관에서의 진동을 예측하여 보았다.
압축기에서 발생하는 힘은 배관 진동에 가장 큰 영향을 미친다. 따라서 이 논문에서 추정한 발생 힘은 배관 진동으로 검증하였다. 대상으로 한 압축기의 실제모델과 배관 CAD 모델을 Fig.
압축기의 질량관성모멘트와 고무마운트의 강성을 실험적으로 추정하였다. 또한 이 논문에서 추정한 가진력을 이용하여 압축기 배관진동을 전산해석으로 예측하였다. 전산해석에 의한 예측결과는 측정결과와 비교하여 모터 작동 주파수인 50 Hz에서 압축기 셸의 가속도는 4.
상용 소프트웨어 Nastran을 이용하여 앞서 구한 6방향의 가진력을 Fig. 8과 같이 전산 모델의 압축기 질량 중심 위치에 입력하여 주파수 해석을 수행하였다.
그리고 압축기 질량 중심에서 발생하는 힘과 모멘트를 셸의 가속도 응답으로부터 추정할 수 있는 프로세스를 정립하였다. 압축기의 질량관성모멘트와 고무마운트의 강성을 실험적으로 추정하였다. 또한 이 논문에서 추정한 가진력을 이용하여 압축기 배관진동을 전산해석으로 예측하였다.

대상 데이터

여기서 m은 받침대 지그를 포함한 압축기 무게, τ는 측정된 주기, R은 받침대 지그 중심에서 받침대 연결 와이어까지의 거리, L은 와이어의 길이이다. 압축기 모델은 QP464P를 대상으로 하였다. 실험으로 측정한 결과를 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

범용 구조해석 소프트웨어인 Nastran을 사용하여 해석 하였다. 압축기의 질량 중심 위치에 압축기 질량과 질량관성모멘트를 입력하고 파이프 연결 부위를 MPC(multi point constraint) 기법 중 하나인 RBE2로 묶어 실제 모델과 유사하게 재현하였다.
범용 구조해석 소프트웨어인 Nastran을 사용하여 해석 하였다. 압축기의 질량 중심 위치에 압축기 질량과 질량관성모멘트를 입력하고 파이프 연결 부위를 MPC(multi point constraint) 기법 중 하나인 RBE2로 묶어 실제 모델과 유사하게 재현하였다. 또한 마운트 부위에는 병진 3방향의 스프링 요소를 만들어 질량 중심부위와 RBE2로 묶고 한쪽 끝단은 고정시켜 실제 마운트와 유사하게 재현하였다.

성능/효과

2 %의 오차를 가진다. 따라서, 계산되어진 가진력을 이용하여 파이프에서의 가속도를 정확히 예측할 수 있음을 확인할 수 있다.
실험 결과와 전산 해석 결과가 5차 모드를 포함하는 150 Hz이내의 주파수 범위에서 잘 일치함을 알 수 있다.
실험으로 얻은 에어컨 작동 중 배관 진동과 해석결과를 비교하여 규명된 가진력의 타당성을 확인하였다.
실선은 실험이고 o는 해석 결과이다. 압축기 모터 작동 주파수인 50 Hz에서 가속도의 x성분 예측값은 2.91 m/s²으로 측정값인 2.79 m/s²과 비교하여 4.3 %의 오차를 나타냈으며 가속도 y성분의 예측값은 4.96 m/s²으로 측정값인 5.35 m/s²과 비교 하여 7.3 %의 오차를 나타내었다. 따라서, 입력한 가진력이 전산에서의 압축기 운동을 잘 표현하고 있다고 판단 할 수 있다.
또한 이 논문에서 추정한 가진력을 이용하여 압축기 배관진동을 전산해석으로 예측하였다. 전산해석에 의한 예측결과는 측정결과와 비교하여 모터 작동 주파수인 50 Hz에서 압축기 셸의 가속도는 4.4~7.3 %의 예측 오차를 나타내었으며 파이프의 가속도는 0.2 %의 예측 오차를 나타내었다.

후속연구

해석을 통해 배관에서의 진동을 정확히 예측하기 위해서는 진동을 야기 시키는 원인을 정확히 알아야 하는데 그 원인은 압축기의 진동이며, 진동을 유발하는 압축기 질량중심에서의 가진력을 정확히 규명한다면 보다 정확한 해석이 가능할 것이다.
향후에는 이 연구를 발전시켜 압축기 배관진동의 저감에 응용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에어컨 실외기에서 발생하는 진동의 주된 원인은 무엇인가?	에어컨 실외기에서 발생하는 진동의 주된 원인은 압축기이다. 대부분의 에어컨 실외기에는 로터리 압축기가 사용되고 있다.
	기존의 에어컨 압축기 진동 및 실외기 배관의 설계에 대한 연구들의 한계점은 무엇인가?	Kim(4)은 압축기내부 가동부분의 운동을 해석하여 가진력을 규명하였다. 하지만 이는 압축기를 구성하는 각 부품의 스펙을 모두 알아야하는 불편함이 있고 그 접근법이 상당히 어렵다.
	압축기에 의해서 유발되는 진동을 저감시키기 위해서는 무엇이 필요한가?	대부분의 에어컨 실외기에는 로터리 압축기가 사용되고 있다. 압축기에 의해서 유발되는 진동을 저감시키기 위해서는 압축기의 무게와 질량관성모멘트 및 압축기를 지지하는 고무마운트의 강성값에 의해 정의되는 압축기 시스템의 모델링이 필요 하다, 그리고 에어컨 가동 시 발생하는 압축기 질량중심에서의 가진력의 규명도 필요하다. 해석을 통해 배관에서의 진동을 정확히 예측하기 위해서는 진동을 야기 시키는 원인을 정확히 알아야 하는데 그 원인은 압축기의 진동이며, 진동을 유발하는 압축기 질량중심에서의 가진력을 정확히 규명한다면 보다 정확한 해석이 가능할 것이다.

참고문헌 (5)

Kim, J. H., Park, C. B., Choi, S. Y. and Min, J. H., 2004, “Optimal Design of the Pipe Configuration of an Air Conditioner Outdoor Unit Considering Vibration Characteristics,” Proceedings of the KSME Annual Autumn Conference, pp. 655-660.
Min, J. H., Choi, D. H. and Jung, D. H., 2009, “Multidisciplinary Design Optimization of an Air Conditioner Piping System Using PIDO Technology,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineering, pp. 1209-1214.
Oh, J. E., Cho, T. H. and Kim, J. D., 1993, “Analysis of Vibration Transmissibility for Compressor of Refrigerator by Vector Synthesis Method,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineering, Vol. 19, No. 1, pp. 14-21.
Kim, J. H., Jeong, W. B., Hwang, S. W., Ahn, S. J., 2002, “Analysis of Transient Response of Airconditing Rotary Compressors Considering the Coupled Effect of Motor,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 12, No. 11, pp. 847-885.

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Han, H. S., Jung, W. S., Yoon, K. J. and Mo, J. Y., 2007, “Evolution of Acceleration-factor and Analysis of Vibration Fatigue for the Connection-pipe to the Compressor under the Random Vibration,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 323-334.

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