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문제 정의
- 앞서 준비한 시험 장치를 이용하여 60 r/s 운전 시 계측을 수행한 후, 측정 결과를 분석하여 압축기의 소음 발생 원리를 규명하고자 하였다.
- 이 논문에서는 회전식 압축기의 소음 발생 원리를 규명하기 위한 실험을 수행하고, STFT를 이용하여 측정된 신호를 분석하였다. 압축기 내부의 소음·진동 신호와 토출밸브(discharge valve) 거동, 실린더 내부 압력을 함께 측정한 후, 시험결과를 바탕으로 주요 인자 사이의 관계를 확인하였다.
제안 방법
- (a)와 같은 시험 장치를 준비하여 압축기 내부의 소음·진동 특성을 확인하는 한편, 실린더 압력, 토출밸브 거동 등 소음과 연관성이 높은 인자도 함께 측정하였다.
- 따라서, 40 r/s, 60 r/s, 80 r/s 정상상태 운전 중 측정 결과를 분석하여 압축기의 운전 속도와 소음·진동의 관계를 파악하였다.
- 또한, 다양한 주파수의 소음·진동이 발생하는 위치와 전파경로를 파악하고자 압축기 표면의 진동을 측정하여 가시화하였다.
- 1로 설정하였다. 또한, 메인베어링이 셸에 용접되는 지점에 고정 경계조건을 적용하였다. 그 결과 Fig.
- 또한, 운전 속도와 소음의 관계를 파악하기 위해 압축기를 40 r/s, 60 r/s, 80 r/s로 구동시키고, FFT analyzer(B&K Pulse 3560)를 이용하여 모든 인자의 시간 신호를 동기화한 후, 각각의 경우에 대한 계측을 실시하였다.
- 압축기 내부의 소음·진동 신호와 토출밸브(discharge valve) 거동, 실린더 내부 압력을 함께 측정한 후, 시험결과를 바탕으로 주요 인자 사이의 관계를 확인하였다. 또한, 최근 가정용 에어컨에 널리 적용되고 있는 인버터 시스템(inverter system)이 압축기 구동 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해, 운전 속도를 변경하면서 각 인자의 변화 추이를 확인하였다. 이를 통해 압축기 운전 속도와 소음의 관계를 파악하고, 크랭크샤프트의 회전체 특성을 파악하였다.
- 또한, 최근 각광받고 있는 인버터 압축기의 소음·진동 특성을 파악하기 위해 운전 속도를 변경시키면서 압축기 내부 주요 인자의 거동 특성을 분석하였다.
- 운전 속도가 증가할수록 축의 궤적이 감소하는 원인을 파악하기 위해 압축부에 대한 모드 해석을 수행하고, 모드 시험 결과와 비교하여 타당성을 확인하였다. 보다 정확한 분석을 위해서는 회전체 해석이 수행되어야 하지만, 크랭크샤프트와 베어링 사이의 강성계수와 감쇠계수를 파악할 수 없기 때문에 정지 상태의 굽힘 모드를 파악하여 위험속도에 대한 검토를 수행하였다. 모드 해석 시 크랭크샤프트와 베어링 사이에 마찰 경계조건을 부여하고, 마찰계수는 0.
- 5˚씩 등간격으로 나누어 17개 측정 지점을 선정하였다. 소음 측정과 동일한 조건으로 압축기를 운전시키고, 정상상태 운전 중 각 계측 지점의 진동을 측정한 후, MATLAB을 이용하여 1/3 옥타브 밴드(octave band)별 표면 진동을 나타냈다. 모든 시험은 ISO 3745 규격에 의거한 반무향실에서 수행되었으며, 암소음 측정 결과 30 dB(A) 이하 수준으로 실험 대상 체인 회전식 압축기 소음에 미치는 영향이 미미함을 확인하였다.
- 압축기 내부 소음·진동 신호의 주요 주파수 성분을 파악하기 위해, 각 신호에 대한 STFT 분석을 수행하고 모드 해석 결과와 비교하였다.
- 압축기 내부의 소음·진동 신호와 토출밸브(discharge valve) 거동, 실린더 내부 압력을 함께 측정한 후, 시험결과를 바탕으로 주요 인자 사이의 관계를 확인하였다.
- 압축기 내부의 진동 특성을 파악하고자 메인베어링(main bearing) 하단부에 가속도계(B&K 4393)를 설치하고, 압축기 내부의 소음을 측정할 수 있는 마이크로폰(PCB 106B)을 설치하였다.
- 또한, 다양한 주파수의 소음·진동이 발생하는 위치와 전파경로를 파악하고자 압축기 표면의 진동을 측정하여 가시화하였다. 압축기 높이를 10등분 하여 11개의 측정 지점을 선정하고, 원주를 22.5˚씩 등간격으로 나누어 17개 측정 지점을 선정하였다. 소음 측정과 동일한 조건으로 압축기를 운전시키고, 정상상태 운전 중 각 계측 지점의 진동을 측정한 후, MATLAB을 이용하여 1/3 옥타브 밴드(octave band)별 표면 진동을 나타냈다.
- 1과 같이 지름 101mm, 높이 202mm인 압축기 시료를 준비하고, 압축기 외곽 30cm 위치에 소음을 측정할 수 있도록 1/2" 마이크로폰(B&K 4190)을 설치하였다. 압축기를 ARI 조건(Ps 9.12 kg/cm2, Pd 33.45 kg/cm2)에서 60 r/s로 운전시킨 후, 정상상태에서 15초간 소음을 측정하였다. 또한, 다양한 주파수의 소음·진동이 발생하는 위치와 전파경로를 파악하고자 압축기 표면의 진동을 측정하여 가시화하였다.
- 이 연구에서는 회전식 압축기의 소음 발생 원리를 파악하기 위해 압축기 내부의 소음·진동과 실린더 압력, 토출밸브 변위 등 주요 인자에 대한 계측을 수행한 후, STFT를 이용하여 신호를 분석하였다.
- 이를 위해 Fig. 1과 같이 지름 101mm, 높이 202mm인 압축기 시료를 준비하고, 압축기 외곽 30cm 위치에 소음을 측정할 수 있도록 1/2" 마이크로폰(B&K 4190)을 설치하였다.
- 또한, 최근 가정용 에어컨에 널리 적용되고 있는 인버터 시스템(inverter system)이 압축기 구동 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해, 운전 속도를 변경하면서 각 인자의 변화 추이를 확인하였다. 이를 통해 압축기 운전 속도와 소음의 관계를 파악하고, 크랭크샤프트의 회전체 특성을 파악하였다.
- 회전식 압축기의 소음 특성을 파악하기 위해, 우선 압축기에서 발생하는 소음을 측정하여 주파수 분석을 수행하였다. 이를 위해 Fig.
데이터처리
- 운전 속도가 증가할수록 축의 궤적이 감소하는 원인을 파악하기 위해 압축부에 대한 모드 해석을 수행하고, 모드 시험 결과와 비교하여 타당성을 확인하였다. 보다 정확한 분석을 위해서는 회전체 해석이 수행되어야 하지만, 크랭크샤프트와 베어링 사이의 강성계수와 감쇠계수를 파악할 수 없기 때문에 정지 상태의 굽힘 모드를 파악하여 위험속도에 대한 검토를 수행하였다.
성능/효과
- (1) 압축기 소음에 영향을 미치는 주요 인자를 검토한 결과, 토출밸브가 열리는 시점에 내부 압력파에 의해 소음이 발생하고 토출밸브가 리테이너에 충돌하여 진동이 발생한다.
- (2) STFT 분석 결과 압축기 내부에서 250Hz, 900Hz, 3000Hz 성분이 크게 발생하였으며 각각 토출밸브, 음향 공명, 압축부 모드에 해당한다.
- (3) 운전 속도가 증가할수록 토출밸브 거동과 과압축이 소음에 불리하게 작용하며, 압축기 내부의 소음·진동 측정 결과 기저 성분이 상승하였다.
- 또한, 메인베어링이 셸에 용접되는 지점에 고정 경계조건을 적용하였다. 그 결과 Fig. 11과 Table 2에 나타난 바와 같이 크랭크샤프트의 위험속도가 약 300 Hz이며, 해석 결과와 시험 결과의 오차가 약 4.5 % 수준으로 서로 유사함 알 수 있다.
- 따라서, 운전 속도가 증가할수록 압축실 내부 압력파의 크기가 증가하고, 토출밸브와 리테이너로 구성된 토출계의 거동 또한 소음·진동에 불리하게 작용함을 알 수 있다.
- 일반적으로 크랭크샤프트의 동특성에 가장 큰 영향을 미치는 가진력은 모터 MPF(magnetic pull force)인데, 이 연구에 사용된 모터의 규격은 6극 BLDC(brushless direct current) 이므로 회전 속도의 6X 성분에 해당한다. 따라서, 크랭크샤프트의 회전 속도가 약 50 r/s일 때 공진이 발생하고, 60~80 r/s 운전 영역에서는 회전 속도가 빨라질수록 축의 궤적이 감소하고 구동 안정성이 증가할 것으로 판단된다. 향후에는 해당 압축기 모델에 대한 회전체-베어링계 동적 해석을 통해 크랭크샤프트의 거동 특성에 대한 상세 검토가 이루어질 예정이다.
- 6(b)와 같이 압축부 모드를 확인할 수 있었다. 따라서, 토출밸브가 열린 후 리테이너에 충돌할 때 진동이 발생하고, 3000 Hz 영역 압축부 모드가 응답에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
- 소음 측정과 동일한 조건으로 압축기를 운전시키고, 정상상태 운전 중 각 계측 지점의 진동을 측정한 후, MATLAB을 이용하여 1/3 옥타브 밴드(octave band)별 표면 진동을 나타냈다. 모든 시험은 ISO 3745 규격에 의거한 반무향실에서 수행되었으며, 암소음 측정 결과 30 dB(A) 이하 수준으로 실험 대상 체인 회전식 압축기 소음에 미치는 영향이 미미함을 확인하였다.
- 2는 15초간 측정된 소음의 평균 주파수 스펙트럼(frequency spectrum)을 나타낸 것이다. 압축기를 구성하는 다양한 부품의 모드 특성과 모터(motor), 토출계(discharge system) 등에 의한 가진 성분이 소음으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러나 주파수 스펙트럼은 가진원과 전달 경로를 구분하여 파악하기 어려울 뿐만 아니라 시간 정보가 존재하지 않아 소음 발생 과정을 확인할 수 없다.
- 이를 통해, 운전 속도가 빨라질수록 냉매 압축 과정에서 발생하는 가진력의 크기가 증가하여 소음·진동에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
- 이와 같이, 압축기 내부의 주요 인자에 대한 측정 결과를 분석하면 소음·진동이 발생하는 시점을 정확하게 파악할 수 있다.
후속연구
- 그러나 주파수 스펙트럼은 가진원과 전달 경로를 구분하여 파악하기 어려울 뿐만 아니라 시간 정보가 존재하지 않아 소음 발생 과정을 확인할 수 없다. 따라서, 주파수 스펙트럼을 이용하여 소음을 측정하고 문제를 개선하기 위해서는 각 부품의 모드와 가진원을 파악하기 위한 추가 검토가 필요하다.
- 이 연구를 통해 아래와 같은 결론을 도출할 수 있다. 추후에는 이 소음 발생 메커니즘을 해석적으로 구현하고, 실험 결과와 비교하여 타당성을 확인하는 연구가 수행될 예정이다.
- 따라서, 크랭크샤프트의 회전 속도가 약 50 r/s일 때 공진이 발생하고, 60~80 r/s 운전 영역에서는 회전 속도가 빨라질수록 축의 궤적이 감소하고 구동 안정성이 증가할 것으로 판단된다. 향후에는 해당 압축기 모델에 대한 회전체-베어링계 동적 해석을 통해 크랭크샤프트의 거동 특성에 대한 상세 검토가 이루어질 예정이다.
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