[논문]스크롤 압축기의 크랭크 샤프트의 베어링 재질에 따른 마모특성에 관한 실험적 연구

성치언; 박영도; 황유진; 백기대; 안성용; 이재근

[국내논문] 스크롤 압축기의 크랭크 샤프트의 베어링 재질에 따른 마모특성에 관한 실험적 연구
A Study on the Wear Characteristics of Bearing According to its Material in Scroll Compressor 원문보기

대한설비공학회 2008년도 하계학술발표대회 논문집, 2008 June 25, 2008년, pp.194 - 202

성치언 (부산대학교 기계공학과) , 박영도 (부산대학교 기계공학과) , 황유진 (부산대학교 기계공학과) , 백기대 (LG전자 DA연구소) , 안성용 (LG전자 DA연구소) , 이재근 (부산대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated the tribology behaviour of two different bearing materials. One of these alloys content is Cu(90)-Sn(10) alloy and is widely used in the automotive industry.The other is Al alloy. This bearing content is Al-Sn-Si-Cu. Therefore, it is required to study on the lublicating characteristics of bearing according to different materials. In this study, compressor bearings made by respectively "PTFE solid lubricant" and "AI alloy with superior load carrying capacity, rubbing and impact endurance", have gone through journal bearing test. Lubrication and abrasion characteristics are evaluated by analyzing the material characteristics of a scroll compressor bearing bush. The AI alloy bearing showed the most excellent lubrication and abrasion characteristics than Cu-Sn alloy under high load condition.

AI 본문요약
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문제 정의

인장시험은 공업용 재료의 기계적 성질을 알기 위한 기본적인 시험으로써 일정한 속도로 반대방향으로 잡아당기는 힘에 대한 물질의 저항성을 측정하는 실험이다. 이를 통해 재료의 변형 과정과 응력의 변화를 조사하며, 재료의 항복강도, 인장강도, 연신율, 단면 수축율등의 기계적인 특성과 탄성한계, 비례한계, 탄성계수의 물리적 특성을 구하는 것을 목적으로 한다.
본 실험에서는 인장실험으로 실험시편인 크랭크 샤프트의 인장강도, 항복강도, 파단강도, 탄성 계수 등의 물리적 성질을 규명한다.
본 논문에서는 에어컨용 스크롤 컴프레서에서 크랭크 샤프트와 축수 윤활관계에 있는 베어링에 대해 수지계와 Al합금계를 이용하여 마모 특성에 관하여 실험적 방법으로 연구하였다.
본 연구에서는 스크롤 압축기에 사용되는 베어링에 대한 재질을 변경함으로써 베어링합금의 내마모성에 어떠한 효과를 가져오는지 저널베어링 테스트를 통해 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

특히 다 원계 Al-Si 합금은 Si의 함량, 미세 조직 및 가공공정에 따라 기계적 성질과 피로 특성은 차이를 나타나게 된다. 또한 다원계 Al-Si 합금은 상대 운동을 하는 회전 및 왕복 운동 부품에 널리 사용되므로 내마모 특성에 대하여 정량적,정성적 평가를 필요로 한다. 이전의 내마모성 Al-Si합금에 대한 마모 특성 연구들은 주로 이원계 합금에 대하여 평가되어 왔다.
6은 본 실험에서 사용한 실험장치는 마찰및 마모특성을 평가하기 위하여 저널베어링용 벤치테스터를 사용하였으며 본 실험 장치의 주요 구성 부분으로 동력발생부, 동력전달장치, 시험부, 하중작용부, 온도측정부, 마찰계수 측정부로 구성되어 있다. 동력 전달 장치는 서보모타(0^~4500 rpm)를 이용하여 구동력을 발생 하였으며 베어링부하는 로드셀에 의해 실험용 베어링에 전달되도록 되어 있으며 윤활유는 하부 챔버내에 일정량을 공급하여 축 회전에 의한 원심급유방식에 의해 베어링에 공급되는 방식을 채택하였다.
동력전달 장치는 서보모타를 이용하여 구동력을 발생하였으며 회전속도는 0 ^~ 4500 rpm으로 변화가능하나, 본실험에서는 압축기 60 Hz 정격 기준 3600 rpm으로 평가하였다. 베어링 부하는 로드셀에 의해 실험용 베어링에 전달되도록 되어있으며 가변범위는 0 ^~ 8000 N으로 본시험에서는 부하를 Step별로 200 N씩 계속 증가 시키면서 평가하였다.
4500 rpm으로 변화가능하나, 본실험에서는 압축기 60 Hz 정격 기준 3600 rpm으로 평가하였다. 베어링 부하는 로드셀에 의해 실험용 베어링에 전달되도록 되어있으며 가변범위는 0 ^~ 8000 N으로 본시험에서는 부하를 Step별로 200 N씩 계속 증가 시키면서 평가하였다.
Shaft와 Bearing의 마찰 표면의 오일온도를 측정하기 위해 베어링 표면을 탭을 뚫어 그 속에 Thermal Couple을 삽입하였다.
10은 수지계(FR160) 와 Al합금계(FA66T) 베어링에 대한 step-load test 결과를 나타내고 있다. 하중변화에 대한 수지계 베어링과 Al합금 베어링에 대한 한계 하중을 측정하기 위하여 step-load test를 수행하였다.
step-load test는 하중을 200 N씩 증가하며 베어링 응착 발생시까지 시험하였다. Step-load test에서 Al합금 베어링(FA66T)은 시험기 최대하중인 8000 N까지 마찰계수가 감소하며 정상적동 하였으나 수지계 베어링(FR160)은 6300 N 부근에서 마찰계수가 급격히 상승하면서 응착이 발생 하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용될 크랭크 샤프트는 황복합 쾌삭강(SUM32) 화학 성분은 C(0.12 ^~ 0.20%), Mn(0.60 .10%), P(0.040 이하), S(0.10 ^~ 0.20)이며 열처리 조건은 침탄열처리(930℃ ± 10℃) 하여 마르텐 사이트화하여 표면경도를 강화했으며 열처리 깊이는 약 1.2 mm로 표면으로부터 0.5 mm 깊이까지의 경도는 HV 600 ^~ 700으로 제작 하였다.
2와 같다. 실험에 사용된 Al합금계 베어링은 Pb가 없는(Pb Free) Al-Sn-Si bearing alloy로 Sn, Si, Cu가 첨가되어 기존의 Al 베어링 보다 마모특성에 더욱 뛰어난 영향을 미칠거라고 사료된다.
Fig. 6은 본 실험에서 사용한 실험장치는 마찰및 마모특성을 평가하기 위하여 저널베어링용 벤치테스터를 사용하였으며 본 실험 장치의 주요 구성 부분으로 동력발생부, 동력전달장치, 시험부, 하중작용부, 온도측정부, 마찰계수 측정부로 구성되어 있다. 동력 전달 장치는 서보모타(0^~4500 rpm)를 이용하여 구동력을 발생 하였으며 베어링부하는 로드셀에 의해 실험용 베어링에 전달되도록 되어 있으며 윤활유는 하부 챔버내에 일정량을 공급하여 축 회전에 의한 원심급유방식에 의해 베어링에 공급되는 방식을 채택하였다.
윤활유는 점도 Fleol Alpha 10 G (10 cSt)를 사용하였으며 하부챔버내에 공급하였고 실험 오일 온도는 60℃로 하였다.
7은 크랭크 샤프트 재질인 황복합 쾌삭강 (SUM32)에 대한 유체윤활 영역에서의 마찰계수 변화를 나타내고 있다. 베어링 재질은 각각 수지 계인 FR156, FR160 그리고 Al합금인 FA66T를 적용하여 각 Case별 실험을 하였다. 베어링 반경 간극은 FR 160이 31 ^~ 33 ㎛, FR 156이 35 ㎛, FA 66T는 31 ^~ 36 ㎛로 적용 되었다.
오일은 Fleol Alpha 10 G(10 cSt)를 사용하였고 공급 오일 온도는 60℃로 운전 속도는 3600 rpm으로 설정 하였다.

성능/효과

실험 시편의 인장시험결과 시험 시편의 탄성계수는 320 ^~ 330 Gpa로 나타났는데 이는 현재 해석기준으로 설정되어 있는 일반강의 탄성계수인 212 Gpa에 대비하여 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. 이는 재료의 물성치나 제조방법에 기인하는 것으로 추정된다.
실험 결과 에어컨 일반운전 조건인 평균하중 3500 N의 유체윤활 운전영역에서는 마찰계수는 Al합금계인 FA66T가 가장 낮게 나타나고 다음으로 수지계인 , FR156, FR160 순으로 낮게 나타났다. Al합금계(FA66T)가 수지계(FR160)대비 마찰계수가 약 28% 저감되는 효과를 나타내었다.
이 실험 결과로부터 에어컨의 일반운전 조건에서 FA66T의 Al합금 베어링을 사용할 경우 성능이 향상 될 것으로 판단된다.
013으로 나타나고 이때의 베어링 하중은 5300 N 수준이다. 베어링 하중 증가에 따른 오일온도 변화도 하중별로 크게 나타나는 것으로 나타났으며, 베어링 하중 6300 ^~ 6800 N에서 경계윤활로 인해 오일 온도가 급격히 상승하였다. 베어링 설계시의 Sommerfeld Number 기준은 0.
8 Z이다. 실험결과 Al합금 베어링의 경우 유체윤활영역에서 혼합윤활영역으로의 뚜렷한 변화가 발생하지 않는다. 이는 Al합금 베어링의 경우 가공에 의해 표면 조도가 1.
Step-load test에서 Al합금 베어링(FA66T)은 시험기 최대하중인 8000 N까지 마찰계수가 감소하며 정상적동 하였으나 수지계 베어링(FR160)은 6300 N 부근에서 마찰계수가 급격히 상승하면서 응착이 발생 하였다. 마찰계수는 수지계 베어링(FR160)이 6300 N에서 0.0029이고 Al합금 베어링(FA66T)의경우 8000 N에서 0.0021로 나타났으며 전하중에서 Al베어링이 0.001정도 낮게 나타났으며 이것은 마찰계수가 약 28% 저감되는 결과를 보였다.
1) 유체윤활 영역에서 기존에 사용되던 수지계 베어링보다 Al합금계 베어링이 마찰계수 측면에서 약 25% 저감되는 효과를 얻었다. 이것은 실제 압축기 사용영역에서 Al합금 베어링 적용을 통해 스크롤 압축기의 축수윤활에 보다 높은 신뢰성을 제시하였다.
2) 유체윤활, 혼합윤활 영역에서 하중변화에 따른 베어링 표면 오일온도 분포를 볼 때 기존 수지계 베어링은 하중변화에 따른 베어링 표면 오일온도가 상당히 불안정한 반면 Al합금 베어링은 하중변화에 따른 온도변화가 상당히 안정화 되었다. 이는 실제 압축기 구동 중 베어링의 수명에 Al합금 베어링의 우수성을 제시한다.
3) 한계 하중 테스트 결과에서 기존 수지계 베어링은 6300^~ 6800 N에서 응착현상이 발견되었지만 Al합금 베어링은 실험기 최대하중이 8000 N에서도 정상작동하였다. 이것은 앞으로 대용량에 스크롤 압축기의 대해서도 적용가능성을 시사한다.

후속연구

본연구를 통해 Al합금 베어링의 내마모성에 관한 우수한 특징을 발견하였으며 향후 Al베어링의 구성성분의 함량에 따른 마모특성 변화에 관한 연구가 필요할것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉동 및 공기조화 시스템에 사용되는 압축기는 무엇으로 구분되는가?	냉동 및 공기조화 시스템에 사용되는 압축기는 왕복동 압축기(reciprocating compressor), 로터리 압축기(rotary compressor) 및 스크롤 압축기 (scroll compressor)로 구분된다. 최근에는 진동문제, 흡입 및 토출밸브에서의 손실등으로 인해 저소음, 고효율, 소형경량화의 특징을 가진 스크롤 압축기의 사용이 늘어나고 있는 추세이다.
	최근 저소음, 고효율, 소형경량화의 특징을 가진 스크롤 압축기의 사용이 늘어나고 있는 까닭은?	냉동 및 공기조화 시스템에 사용되는 압축기는 왕복동 압축기(reciprocating compressor), 로터리 압축기(rotary compressor) 및 스크롤 압축기 (scroll compressor)로 구분된다. 최근에는 진동문제, 흡입 및 토출밸브에서의 손실등으로 인해 저소음, 고효율, 소형경량화의 특징을 가진 스크롤 압축기의 사용이 늘어나고 있는 추세이다. 특히, 스크롤압축기의 축(Shaft)-베어링시스템은 높은 신뢰성 및 소형화가 요구되고 있다.
	스크롤 압축기에 사용되는 베어링에 대한 재질을 변경함으로써 베어링합금의 내마모성에 어떠한 효과를 가져오는지 저널베어링 테스트를 통해 실험하여 얻은 결론은?	1) 유체윤활 영역에서 기존에 사용되던 수지계 베어링보다 Al합금계 베어링이 마찰계수 측면에서 약 25% 저감되는 효과를 얻었다. 이것은 실제 압축기 사용영역에서 Al합금 베어링 적용을 통해 스크롤 압축기의 축수윤활에 보다 높은 신뢰성을 제시하였다. 2) 유체윤활, 혼합윤활 영역에서 하중변화에 따른 베어링 표면 오일온도 분포를 볼 때 기존 수지계 베어링은 하중변화에 따른 베어링 표면 오일온도가 상당히 불안정한 반면 Al합금 베어링은 하중변화에 따른 온도변화가 상당히 안정화 되었다. 이는 실제 압축기 구동 중 베어링의 수명에 Al합금 베어링의 우수성을 제시한다. 3) 한계 하중 테스트 결과에서 기존 수지계 베어링은 6300 ~ 6800 N에서 응착현상이 발견되었지만 Al합금 베어링은 실험기 최대하중이 8000 N에서도 정상작동하였다. 이것은 앞으로 대용량에 스크롤 압축기의 대해서도 적용가능성을 시사한다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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