[논문]냉장고용 압축기의 가속수명시험을 위한 가혹조건 탐색 - 고온 가혹조건에서의 가속계수와 단축 시험기간 -

정영미; 주우진; 정석권

doi:10.9726/kspse.2012.16.3.044

냉장고용 압축기의 가속수명시험을 위한 가혹조건 탐색 - 고온 가혹조건에서의 가속계수와 단축 시험기간 -
Investigation into the Worst Stress Condition for an Accelerated Life Test of a Compressor in Refrigerators - Acceleration Factor and the Reducible Test Time under High Temperature - 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.16 no.3, 2012년, pp.44 - 50

정영미 (부경대학교 냉동공조공학과) , 주우진 (부경대학교 냉동공조공학과 대학원) , 정석권 (부경대학교 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The reliability qualification test is essential in order to ensure the life time of the product under the normal operation conditions when a new product is developed. The reliability qualification test period has an important impact on the development time of new product. Therefore, some researches to reduce the test time of reliability qualification test have been actively studied. Generally, accelerated life test is well known as one method that can save the test time of the reliability qualification test. This test is conducted under the higher stress condition than normal condition. So we need to investigate what factor affects to the higher stress condition. This paper shows the relationship between the acceleration factor and reliability qualification test period. Especially, we focused on the method to obtain effective acceleration factors under the high temperature condition. Through some experiments for a refrigerator's compressor, we were able to confirm how to increase acceleration factors and how to reduce the reliability qualification test period with minimum samples.

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문제 정의

시험 기간을 단축하기 위해서는 고온의 최대 가혹조건을 구하는 것이 가장 중요한 문제로 인식되고 있다. 따라서 본 논문에서는 고온조건에 초점을 맞추어 가속 수명시험을 위한 최대 가혹조건에 대해 중점적으로 검토하였다.
본 논문에서는 냉장고용 압축기를 대상으로 신뢰성보증시험 기간을 단축시킬 수 있는 방안에 대해 검토한다. 냉장고는 압축기뿐만 아니라 여러 부품들로 구성된 하나의 복합대형시스템이다.
본 연구에서는 냉장고용 압축기의 가속수명시험기간을 단축하기 위해 고온에서의 최대 가혹조건을 설정하는 방법과 단축시킬 수 있는 시험기간에 대해 실험을 통해 검토하고 이를 확인하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

이로써 고온 동작한계 온도가 RT 51℃임을 확인할 수 있었다. 그리고 최대 가혹조건은 동작한계 온도보다 낮은 RT 49℃로 정하였다. Fig.

제안 방법

가속수명시험에서는 고장 메커니즘의 일치가 필연적으로 요구되므로 현장에서 축적된 데이터베이스를 통해 FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)와 FTA(Fault Tree Analysis)의 분석에 기초하여 압축기의 주요 고장 모드 및 고장 메커니즘을 파악하였다. 냉장고의 두 시료에 대한 실험 환경을 제어하기 위해 사용된 챔버(이하 환경챔버)에서의 다양한 실험을 통해 최대 가혹조건에 영향을 미치는 인자를 파악하고, 최대 동작한계(operating limit) 온도를 구하였다.
본 논문에서는 백색가전이나 공작기계의 경우 신뢰수준이 60∼70%인 점을 감안하여 냉장고용 압축기의 신뢰수준을 70% 이상 MTTF를 8년으로 설정하였다. 게다가 고장 모드와 고장 메커니즘에 대한 정보를 지금까지 출하된 제품의 고장 데이터와 A/S 데이터를 분석하여 압축기의 고장모드를 습동부 마모로, 고장 메커니즘을 오일의 회수량 부족과 열화 작용으로 상정하였다. 또한 가속 스트레스 인자로는 고온을 선택하였다.
고온 시험은 사용온도에 비해 가혹온도를 높게 하기 어려운 관계로 큰 가속계수를 얻기가 어려워, 결과적으로 신뢰성보증시험 기간이 길어지는 가장 주된 요인이 되고 있기 때문이다. 그리고 스트레스 인가 방법으로는 일정 크기 스트레스를 인가하였다.
최대 가혹조건의 판정을 위해, 압축기의 돔 온도, 냉동사이클 내의 각 주요 구성 부품의 온도, 냉장고의 입력 전류와 소비전력 등을 측정하였다. 그리고 압축기의 고장 판정은 압축기의 프로텍터(protector)가 작동하는 경우, 압축기의 돔 온도가 한계값인 140℃ 이상인 경우, 냉동사이클에 이상이 발생한 경우의 세가지 유형으로 상정하였다.
가속수명시험에서는 고장 메커니즘의 일치가 필연적으로 요구되므로 현장에서 축적된 데이터베이스를 통해 FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)와 FTA(Fault Tree Analysis)의 분석에 기초하여 압축기의 주요 고장 모드 및 고장 메커니즘을 파악하였다. 냉장고의 두 시료에 대한 실험 환경을 제어하기 위해 사용된 챔버(이하 환경챔버)에서의 다양한 실험을 통해 최대 가혹조건에 영향을 미치는 인자를 파악하고, 최대 동작한계(operating limit) 온도를 구하였다. 이로부터 최대 가혹조건 온도와 사용조건에서의 온도 차를 이용하여 가속계수를 산출하였다.
본 논문에서는 백색가전이나 공작기계의 경우 신뢰수준이 60∼70%인 점을 감안하여 냉장고용 압축기의 신뢰수준을 70% 이상 MTTF를 8년으로 설정하였다.
본 논문에서는 실험을 통해 정상 사용조건과 가속조건에서의 압축기 돔(dome)의 온도차를 측정하고 10℃법칙에 이를 적용하여 가속계수를 산출하였다.
연속적 방법은 관측 장치의 설치로 인해 비용이 많이 들어 일반적으로 단속적 방법이 널리 사용된다. 본 실험에서는 비용이 상대적으로 저렴한 단속적 방법을 사용하였으며 관측 주기는 2시간으로 하였다. 최대 가혹조건의 판정을 위해, 압축기의 돔 온도, 냉동사이클 내의 각 주요 구성 부품의 온도, 냉장고의 입력 전류와 소비전력 등을 측정하였다.
이로부터 최대 가혹조건 온도와 사용조건에서의 온도 차를 이용하여 가속계수를 산출하였다. 산출된 가속계수를 적용하여 단축 가능한 시험기간에 대해서도 검토하였다.
실험 종료 시점은 고장 판정의 세 가지 경우 가운데 어느 한 가지에 해당되는 경우로 하였다. 실험결과를 통해 동작한계와 최대 가혹조건을 구하고 압축기의 돔 온도의 변화에 따른 가속계수를 산출하였다. 예비실험을 통해 냉장고 시료 두 개의 냉각능력을 파악한 후 본 실험을 행하였다.
실험결과를 통해 동작한계와 최대 가혹조건을 구하고 압축기의 돔 온도의 변화에 따른 가속계수를 산출하였다. 예비실험을 통해 냉장고 시료 두 개의 냉각능력을 파악한 후 본 실험을 행하였다.
가속계수는 사용조건과 최대 가혹조건일 때의 압축기의 돔 온도로부터 구하였다. 온도정보는 T-type 열전대(thermocouple)를 설치하여 데이터로거를 통해 실시간으로 수집하고, 압축기의 전류와 전력은 전력측정기를 냉장고 전원부에 설치하여 계측하였다. 환경챔버 온도(Room Temperature; RT)는 챔버 내의 히터를 제어함으로써 조절하였다.
냉장고의 두 시료에 대한 실험 환경을 제어하기 위해 사용된 챔버(이하 환경챔버)에서의 다양한 실험을 통해 최대 가혹조건에 영향을 미치는 인자를 파악하고, 최대 동작한계(operating limit) 온도를 구하였다. 이로부터 최대 가혹조건 온도와 사용조건에서의 온도 차를 이용하여 가속계수를 산출하였다. 산출된 가속계수를 적용하여 단축 가능한 시험기간에 대해서도 검토하였다.
본 논문에서는 고온조건 하에서의 최대 가혹조건을 탐색하는데 초점을 맞추었다. 이를 위해 계단형 스트레스를 인가하여 동작한계를 탐색하였다. 동작한계 탐색시의 초기 온도 설정값은 사용조건을 고려하여 냉장고 사용 시의 기준온도인 30℃로 하였다.
최대 가혹조건 탐색 실험은 사용조건 30℃부터 단계적으로 온도를 증가시키며 고장이 발생될 때까지 반복적으로 진행하였다. 실험 종료 시점은 고장 판정의 세 가지 경우 가운데 어느 한 가지에 해당되는 경우로 하였다.
본 실험에서는 비용이 상대적으로 저렴한 단속적 방법을 사용하였으며 관측 주기는 2시간으로 하였다. 최대 가혹조건의 판정을 위해, 압축기의 돔 온도, 냉동사이클 내의 각 주요 구성 부품의 온도, 냉장고의 입력 전류와 소비전력 등을 측정하였다. 그리고 압축기의 고장 판정은 압축기의 프로텍터(protector)가 작동하는 경우, 압축기의 돔 온도가 한계값인 140℃ 이상인 경우, 냉동사이클에 이상이 발생한 경우의 세가지 유형으로 상정하였다.
온도정보는 T-type 열전대(thermocouple)를 설치하여 데이터로거를 통해 실시간으로 수집하고, 압축기의 전류와 전력은 전력측정기를 냉장고 전원부에 설치하여 계측하였다. 환경챔버 온도(Room Temperature; RT)는 챔버 내의 히터를 제어함으로써 조절하였다.

대상 데이터

2는 냉장고 시료에 부착된 온도센서 위치를 나타낸다. 온도 정보를 측정하기 위해 8개소에 열전대를 부착하였다. T1은 증발기의 입구, T2는 증발기의 출구, T3은 냉동실, T4는 냉장실, T5는 압축기의 입구, T6은 압축기의 돔, T7은 압축기의 출구, T8은 응축기의 온도를 각각 나타낸다.
1은 본 실험 과정을 나타낸다. 우선 환경챔버 온도를 사용조건인 30℃로 일정하게 유지한 상태에서 냉장고를 작동시키고 동시에 온도와 전류, 전력 데이터를 수집하였다. 샘플링 시간은 1분으로, 총 시험기간은 10시간으로 하였다.

성능/효과

(1) 고온에서의 최대 가혹조건에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 전류였다. RT 51℃에서 전류 프로텍터가 작동하였고 그 때 전류값은 2.
(2) 시험용 냉장고 압축기의 고온 동작한계 온도는 RT 51℃였고, 최대 가혹조건은 안전율을 고려하여 RT 49℃로 정하였다.
(3) 두 시험시료에 대한 사용조건과 가혹조건의 온도 차는 각각 30℃, 28℃로 나타났으며, 이를 이용하여 가속계수를 산출한 결과, 가속계수는 8과 7로 각각 추정되었다.
(4) MTTF와 추정된 가속계수로부터 고온조건만으로 가속수명시험을 할 경우, 시험기간은 각각 12개월, 13.7개월로 나타났다. 이를 통해 고온 가혹조건에서의 시험기간은 사용조건에서의 시험기간 대비 87.
반면에 S2의 경우, 정상 사용조건 30℃에서 압축기의 돔 온도는 60℃, 최대 가혹조건 49℃에서 압축기 돔 온도는 88℃로 압축기 돔의 온도차는 약 28℃이므로 가속계수가 약 7임을 알 수 있다. 두 시료의 MTTF는 모두 8년이므로 AF와 MTTF를 식 (1)에 적용하면, 시료 S1, S2의 신뢰성보증시험 기간은 고온 가속만으로 산출하였을 때 각각 12개월, 13.7개월이 됨을 알 수 있다. 이는 가혹조건의 실험을 통해 정상 사용 조건에서의 전체 시험기간을 각각 87.
7개월로 나타났다. 이를 통해 고온 가혹조건에서의 시험기간은 사용조건에서의 시험기간 대비 87.5%, 85.7%로 각각 단축될 수 있음을 확인하였다.
4는 RT의 변화에 따른 압축기의 돔 온도를 나타낸다. 초기 기동으로 인해 온도가 상승하다가 일정 시간이 지난 후에는 안정화됨을 확인하였다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가속수명시험(accelerated life test)의 특징은?	신뢰성보증시험 시, 시험기간을 줄일 수 있는 방법으로 가속수명시험(accelerated life test)이 널리 행해지고 있다.3) 이 시험법은 제품이 운전되는 정상 사용조건(이하 사용조건)보다 가혹조건 하에서 시험을 실시한다. 시험을 통해 얻어진 사용조건에서의 제품 수명 대비 가혹조건에서의 제품 수명인 가속계수(Acceleration Factor; AF)를 이용하여 신뢰성보증시험 기간을 단축하게 된다.
	냉장고에서 압축기는 전체 에너지의 소모에 어느 정도의 비중을 차지하는가?	냉장고는 압축기뿐만 아니라 여러 부품들로 구성된 하나의 복합대형시스템이다. 이 가운데 압축기는 냉장고의 핵심 부품으로 냉장고 전체 에너지의 80~90%를 소비한다. 그러므로 이 시스템의 성능 향상과 소비전력 개선을 위해 압축기를 대상으로 다양한 신기술의 적용 및 신제품 개발이 활발히 이루어지고 있다.
	신뢰성보증시험(reliability qualification test)은 무엇인가?	다양한 제품의 개발이 활발하게 진행되면서, 개발된 제품의 신뢰성에 대한 관심도 함께 높아지고 있다. 개발된 제품이 안정적으로 얼마동안 사용할 수 있는지를 평가하는 신뢰성보증시험(reliability qualification test)은 신제품 개발에 필수적이며, 이 시험기간이 신제품 개발기간에 큰 영향을 미치기 때문에 이 기간을 단축하기 위한 많은 연구가 행해지고 있다.1,2) 하지만 신뢰성보증시험 시, 요구되는 수명 보증기간이 증가함에 따라 긴 시험기간 또는 많은 시료수를 필요로 하게 되며 이로 인해 신뢰성보증시험 평가에 큰 어려움이 있다.

참고문헌 (9)

J. H. Kim and W. Jeong, 2008, "Reliability Engineering", Cheongmungak, pp. 178-211.
C. W. Lee and J. H. Lim, 2004, "New Reliability Engineering", Boseonggak, pp. 253-260.
J. U. Baek, 2007, "Accelerated Life Test", Episteme, pp. 78-168.
D. S. Ryu et al., 2005, "Accelerated Life Test on the Failure Mode of Helix Ice Dispenser in Side by Side Refrigerator", The Korean Society for Power System Engineering, pp. 144-149.
T. G. Lee et al., 2005, "Thermal Reliability Analysis of BLDC Motor in a High Speed Axial Fan by the Accelerated Life Test", The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineering of Korea, Vol. 17, No. 12, pp. 1169-1176.
S. Wei et al., 2007, "Development of Accelerated Life Test Method for TCU Life Analysis", The Society of Automative Engineers, Vol. 7, pp. 2195-2200.
S. W. Woo and J. K. Lee, 2008, "Reliability Design of the Hinge Kit System in Common Refrigerator under Repetitive Load", Korean Institute of Industrial Educators, Vol. 33, No. 2, pp. 312-324.
J. Y. Byun et al., 2008, "Establishment of the Acceleration Factor to Reduce the Period of Reliability Life Test of a Compressor in a Refrigeration System", The Korean Society for Power System Engineering(fall), pp. 233-238.
J. Y. Byun et al., 2009, "Influence of Variables Related to Accelerated Life Test Time for a Compressor in a Refrigerator", The Korean Society for Power System Engineering(spring), pp. 343-347.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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