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문제 정의
- 본 연구에서는 축방향 누설을 최소화 하기위한 기구 중의 하나인 선회스크롤 배압방식에 있어서, 배압실 압력을 최적으로 유지하기 위한 배압제어밸브의 설계 및 이의 적용 사례에 관하여 논하고자 한다.
제안 방법
- (1) 토출가스의 일부를 바이패스 시켜 배압실 압력을 변화시키면서 압축기 소요동력이 최소가 되도록 최적 배압력을 선정하였다.
- (2) 기 적용된 배압제어밸브를 효과적으로 개선하여 배압제어밸브를 일체형 유닛으로 구성하였다.
- 배압제어기구의 설계는 크게 최적 배압력 산정 및 배압력 공급 유량 최소화의 두 가지 과정으로 나뉠 수 있으며, 본 연구에서는 이 중 첫 번째 과정에 대하여 논의 하였다. 두 번째 과정인 배압력 공급 유량에 관한 부분은 추후 연구 과제로 남는다.
- 본 연구에 있어서 적용된 압축기는 인버터 일체형으로 Fig. 9와 같으며 구체적인 사양은 Table 1에 명기하였다.
- 세팅길이 L1, L2에 대응하는 배압제어밸브의 이론적인 설정압력은 각각 P1과P2이다. 세팅길이가 L1인 경우는 동일한 실험을 2회 실시하였고, 세팅길이 L2인 경우는 히스테리시스의 유무를 판정하기 위해 압력을 증가시킨 후 다시 감소시키면서 배압실 압력을 측정하였다. 그 결과 배압실의 압력분포는 비슷한 경향을 보였으며, 이론적인 설정압력과도 상당히 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다.
- 2와 같이 실험지그를 제작하였다. 압축기의 토출실, 배압실, 흡입실이 서로 연통되도록 배관을 구성하고, 토출배관과 흡입배관에는 밸브를 설치하여 토출가스 일부를 이용함으로써 배압실 압력이 조절되도록 하였다. 토출가스가 흡입실로 바이패스 되는 양을 최소화하기위해 토출배관측 밸브의 개도량은 흡입배관에 설치된 밸브를 닫은 상태에서 배압실과 흡입실의 압력차가 6.
- 그러나 흡입압과 토출압의 차이가 더 큰 운전조건에서는 선회스크롤의 전복을 막기 위해서는 더 큰 배압력이 필요하기 때문에 배압실 압력을 더 크게 해줄 필요가 있다. 이 같은 사항을 고려하여 이론적으로 ΔPb가 3.4 kgf/cm2가 유지되도록 L을 3 mm로 하여 압축기에 장착 후 운전조건을 변경하면서 실험하였다.
- 이를 개선하여 배압제어밸브를 공간 확보가 용이한 크랭크축 후단 중앙에 설치함으로써 원심력에 의한 볼의 쏠림 현상을 배제시킬 수 있었으며, 실린더 안쪽면의 볼 안착면 형상을 변경시킴으로써 볼이 가공면의 모서리에 접하게 하여 볼에 작용하는 힘의 면적이 Dr에 의해 결정되도록 하였다. 또한 스프링 탄성계수를 감소시켜 스프링 초기 압착량 차이에 대한 배압력의 변화 폭을 줄일 수 있었다.
성능/효과
- (3) 개선된 배압제어밸브의 단품 테스트 결과, 세팅길이(L)에 따라 ΔPb의 이론치와 실험치가 일치함을 검증하였다.
- (4) 배압제어밸브를 압축기에 적용한 결과 배압실 차압이 일정하게 유지됨을 확인하였고, 이론적인 설정압력과도 일치하였다.
- (5) 배압제어밸브의 제어특성으로 인한 순간적인 배압실의 압력변동 폭은 2.3% 이하로 제어성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 를 증감시키며 실험한 결과, 증가 및 감소의 두 경우가 히스테리시스 현상이 거의 없이 유사한 경향을 보였다. ΔPb가 1.6 kgf/cm2인 경우에 압축기 소요동력이 최소값을 보이며, ΔPb가 6.5 kgf/cm2인 경우 최적 배압력의 경우에 비해 약 20% 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 세팅길이가 L1인 경우는 동일한 실험을 2회 실시하였고, 세팅길이 L2인 경우는 히스테리시스의 유무를 판정하기 위해 압력을 증가시킨 후 다시 감소시키면서 배압실 압력을 측정하였다. 그 결과 배압실의 압력분포는 비슷한 경향을 보였으며, 이론적인 설정압력과도 상당히 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 또한 배압실 압력이 일정하게 유지되는 상태에서 토출압이 높아질 경우 배압실 압력이 약간씩 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- 그 결과 배압실의 압력분포는 비슷한 경향을 보였으며, 이론적인 설정압력과도 상당히 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 또한 배압실 압력이 일정하게 유지되는 상태에서 토출압이 높아질 경우 배압실 압력이 약간씩 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- 에 의해 결정되도록 하였다. 또한 스프링 탄성계수를 감소시켜 스프링 초기 압착량 차이에 대한 배압력의 변화 폭을 줄일 수 있었다.
- 선회스크롤 거동에 대해서 압력의 증가 및 감소에 대한 영향도를 평가하기 위해 ΔPb를 증감시키며 실험한 결과, 증가 및 감소의 두 경우가 히스테리시스 현상이 거의 없이 유사한 경향을 보였다. ΔPb가 1.
- 5 kgf/cm2 정도에서 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 이때 배압제어브의 제어특성으로 인한 순간적인 배압실의 압력변동 폭은 ±0.08 kgf/cm2 이하로 2.3% 이내에서 제어가 가능함을 확인할 수 있었다. 회전수의 증가에 따라서는 6500 rpm까지는 순차적으로 증가하다가 그 이상의 운전속도에서는 배압실 압력이 낮아지는 경향을 보였다.
후속연구
- 배압제어기구의 설계는 크게 최적 배압력 산정 및 배압력 공급 유량 최소화의 두 가지 과정으로 나뉠 수 있으며, 본 연구에서는 이 중 첫 번째 과정에 대하여 논의 하였다. 두 번째 과정인 배압력 공급 유량에 관한 부분은 추후 연구 과제로 남는다.
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