[논문]경량압축기용 Mg합금 구동스크롤 적용을 위한 정적 유한요소해석

정기호; 이근안; 이형욱

doi:10.22710/jict.2014.4.1.029

문제 정의

본 연구에서는 경량구조재료인 마그네슘 합금을 자동차용 스크롤 압축기에 적용하기 위하여 기존 알루미늄 합금부품과의 비교를 통해 마그네슘 합금 적용시 설계과정에서 고려되어야 할 점들을 유한요소해석을 통해 분석 및 고찰하였다.

가설 설정

알루미늄합금과 마그네슘합금소재의 물성치는 문헌[3]을 참고하였으며, 알루미늄합금은 6011-T4계열의 소재로 가정하였고, 마그네슘 압출재로 선정하였다. 열전달 해석 시 수렴단계별 최대 온도변화를 10도를 부과하였고, 0.

제안 방법

유한요소해석을 통해 알루미늄합금의 경우 223초 후에 정상상태에 도달하였고, 마그네슘합금의 경우 183초 후에 정상상태에 도달함을 확인하였다. Fig. 2에 고정 스크롤과 회전 스크롤, 결합된 구조의 온도분포를 각각 도시하였고, 결합된 구조에서는 절단면을 두어 두 구조의 위치에 따른 온도분포를 파악할 수 있도록 하였다. 최대온도는 106.
고정스크롤과 구동스크롤의 유한요소모델링은 Hypermesh를 이용하였고, 이때 홀과 단차부위는 automesh 기능을 활용할 경우 필요이상으로 과도한 양의 요소를 생성시킬 수 있기 때문에 IGES 모델로부터 HyperMesh 프로그램을 이용하여 표면의 홀 및 단차부위를 일부 수정하였다.
1과 같이 스크롤 압축기의 온도측정결과를 본 압축기의 스크롤에 유사하게 적용하여 열변형해석을 수행하고, 알루미늄 합금과 마그네슘합금에 대하여 변형을 서로 비교 분석하였다. 또한 고정스크롤과 구동스크롤간의 침투량을 계산하였고, 접촉조건을 적용하여 접촉압력 및 최대응력, 접촉부위의 변형정도를 분석하였다.
본 연구에서는 문헌[2]를 참고하여 Fig.1과 같이 스크롤 압축기의 온도측정결과를 본 압축기의 스크롤에 유사하게 적용하여 열변형해석을 수행하고, 알루미늄 합금과 마그네슘합금에 대하여 변형을 서로 비교 분석하였다. 또한 고정스크롤과 구동스크롤간의 침투량을 계산하였고, 접촉조건을 적용하여 접촉압력 및 최대응력, 접촉부위의 변형정도를 분석하였다.
알루미늄합금과 마그네슘합금소재의 물성치는 문헌[3]을 참고하였으며, 알루미늄합금은 6011-T4계열의 소재로 가정하였고, 마그네슘 압출재로 선정하였다. 열전달 해석 시 수렴단계별 최대 온도변화를 10도를 부과하였고, 0.01도내의 온도변화를 정상상태로 판별하도록 하였고, 초기온도는 20도로 부여하였다.
요소의 생성을 위한 기준 요소 길이를 3 mm로 설정하고, 4절점 Tetra 요소로 모델링을 수행하여 고정스크롤은 12,984개의 절점과 47,724개의 요소, 구동스크롤은 6,366개의 절점과 22,267개의 요소로 분할하였고, 총 19,350개의 절점과 69,991개의 요소로 모델링을 완료하였으며, 열전달 해석 및 변형해석은 상용 유한 요소 프로그램인 ABAQUS/Standard를 사용하였다.
2. 해석방법

해석적으로 열팽창을 접근하는 방법은 Sequentially Coupled Thermal-Stress Analysis로 명명되는 열전달해석과 열팽창해석을 순차적으로 시행하는 방법이 많이 이용되는데 이러한 해석 사례로는 C. Lin [2] 등이 스크롤 압축기에 대하여 스크롤의 부위에 따라 위치별 온도를 측정하고, 이 결과를 이용하여 열전달해석을 수행하였으며, 열전달해석에서 얻은 온도분포결과와 스크롤 구동 중 챔버별 압력을 동시에 부과하여 열팽창 및 변형해석을 수행하여 최대 변형량을 예측하였다.

성능/효과

1) 알루미늄합금의 경우 223초 후에 정상상태에 도달하였고, 마그네슘합금의 경우 183초 후에 정상 상태에 도달함을 확인하였고, 소재에 따른 온도의 분포차이는 부위별로 온도를 부과하였고, 정상상태에 도달하였기 때문에 거의 없는 것을 알 수 있었다.
2) 구동스크롤은 스크롤 날개부위의 상부면으로 변형이 이루어지고 있고, 주로 스크롤의 반경방향으로 변형이 발생함을 확인하였다. 반면에 고정스크롤은 스크롤의 바닥면 쪽으로 변형과 함께 스크롤의 반경방향으로 변형이 발생할 것으로 예측되었으나 두 스크롤의 변형 방향이 동일하여 접촉면이 거의 발생하지 않을 것을 확인할 수 있었다.
3) 부품간 접촉조건을 부여하여 접촉부위에서의 압력을 계산할 수 있었고, 알루미늄의 경우 471.4 MPa, 마그네슘의 308.4 MPa로 소재의 강성에 의한 차이로 두 소재간의 접촉압력이 달라짐을 확인하였다.
4) 구동/고정스크롤을 마그네슘 소재로의 변경할 경우 간섭측면에서는 마그네슘이 알루미늄에 비해 상대적으로 유리할 것으로 판단되었다.
Fig. 6와 같이 부품간 접촉조건을 부여하여 접촉부위에서의 압력을 계산할 수 있었고, 알루미늄의 경우 471.4 MPa, 마그네슘의 308.4 MPa로 소재의 강성에 의한 차이로 두 소재간의 접촉압력이 달라짐을 확인하였다.
3에 도시하였고, 총 변위의 크기 및 방향을 벡터로 표시하였다. 구동스크롤은 스크롤 날개부위의 상부면으로 변형이 이루어지고 있고, 스크롤의 반경방향으로 변형이 발생함을 확인하였다. 반면에 고정스크롤은 스크롤의 바닥면 쪽으로 변형과 함께 스크롤의 반경방향으로 변형이 발생할 것으로 예측되었으나 두 스크롤의 변형 방향이 동일하여 실제로 반경 방향의 접촉은 거의 발생하지 않을 것을 알 수 있었다.
열팽창해석시 볼트 체결에 의한 고정스크롤의 구속경계조건을 고려하면 수직방향으로는 상부면의 이동변위보다 바닥면의 변위가 큰 반면에 반경방향으로는 상부에서의 변화가 크게 되어 바닥면에서 침투보다 상부면의 침투가 커지게 됨을 알 수 있었다. 또한 수직방향으로는 바닥면과 상부면은 침투가 크고 그 사이의 영역에서는 침투량이 작은 것을 알 수 있었으며, 알루미늄 소재와 마그네슘 소재의 침투량 분포 비교에서 상부면의 경우 마그네슘소재의 침투량이 더 크지만, 나머지 영역에서는 알루미늄 소재의 침투량이 커서 구동스크롤을 마그네슘 소재로의 변경할 경우 압축기 구동 중 구동/고정스크롤 간의 간섭측면에서는 알루미늄에 비해 상대적으로 유리할 것으로 판단되었다.
구동스크롤은 스크롤 날개부위의 상부면으로 변형이 이루어지고 있고, 스크롤의 반경방향으로 변형이 발생함을 확인하였다. 반면에 고정스크롤은 스크롤의 바닥면 쪽으로 변형과 함께 스크롤의 반경방향으로 변형이 발생할 것으로 예측되었으나 두 스크롤의 변형 방향이 동일하여 실제로 반경 방향의 접촉은 거의 발생하지 않을 것을 알 수 있었다.
2) 구동스크롤은 스크롤 날개부위의 상부면으로 변형이 이루어지고 있고, 주로 스크롤의 반경방향으로 변형이 발생함을 확인하였다. 반면에 고정스크롤은 스크롤의 바닥면 쪽으로 변형과 함께 스크롤의 반경방향으로 변형이 발생할 것으로 예측되었으나 두 스크롤의 변형 방향이 동일하여 접촉면이 거의 발생하지 않을 것을 확인할 수 있었다.
수직방향 침투량을 분석하기 위하여 고정 스크롤의 바닥면에서 상부면까지의 절점에 대하여 높이 대비 초기 간극과 침투량을 확인한 결과 초기 간극은 16㎛에서 46 ㎛까지 보였고, 평균적으로 약 30 ㎛ 수준으로 나타났으며, 알루미늄 소재와 마그네슘 소재에 따른 변형량의 차이는 거의 없었다.
표시된 부위는 접촉해석 전에는 연속적인 변위분포로 나타나있지만, 접촉해석 이루 불연속적인 변위분포를 나타내고 있다. 스크롤의 반경방향으로 늘어난 변위가 접촉해석을 통하여 고정스크롤은 중심방향으로, 회전 스크롤은 반경방향으로 변화하는 것을 확인하였다.
열팽창해석시 볼트 체결에 의한 고정스크롤의 구속경계조건을 고려하면 수직방향으로는 상부면의 이동변위보다 바닥면의 변위가 큰 반면에 반경방향으로는 상부에서의 변화가 크게 되어 바닥면에서 침투보다 상부면의 침투가 커지게 됨을 알 수 있었다. 또한 수직방향으로는 바닥면과 상부면은 침투가 크고 그 사이의 영역에서는 침투량이 작은 것을 알 수 있었으며, 알루미늄 소재와 마그네슘 소재의 침투량 분포 비교에서 상부면의 경우 마그네슘소재의 침투량이 더 크지만, 나머지 영역에서는 알루미늄 소재의 침투량이 커서 구동스크롤을 마그네슘 소재로의 변경할 경우 압축기 구동 중 구동/고정스크롤 간의 간섭측면에서는 알루미늄에 비해 상대적으로 유리할 것으로 판단되었다.
1도로 입구부의 냉매온도이다. 온도경계조건이 입력된 위치를 기준으로 열전달이 이루어진 것을 확인할 수 있고, 소재에 따른 온도의 분포차이는 부위별로 온도를 부과하였고, 정상상태에 도달하였기 때문에 거의 없는 것을 알 수 있었다.
유한요소해석을 통해 알루미늄합금의 경우 223초 후에 정상상태에 도달하였고, 마그네슘합금의 경우 183초 후에 정상상태에 도달함을 확인하였다. Fig.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	왕복동 압축기와 비교한 스크롤 압축기의 장점은?	스크롤 압축기는 자동차 및 소형건물의 공조시스템에 주로 사용되며 왕복동 압축기 (Reciprocating compressor)에 비해 별도의 흡입/토출 밸브가 없고 연속적인 냉매의 흐름으로 토크변동이 작고, 압축 효율이 높으며, 진동 및 소음이 적다는 장점을 지닌다 [1].
	스크롤 압축기가 주로 사용되는 곳은?	스크롤 압축기는 자동차 및 소형건물의 공조시스템에 주로 사용되며 왕복동 압축기 (Reciprocating compressor)에 비해 별도의 흡입/토출 밸브가 없고 연속적인 냉매의 흐름으로 토크변동이 작고, 압축 효율이 높으며, 진동 및 소음이 적다는 장점을 지닌다 [1].

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