[논문]나노 윤활유를 이용한 스크롤 압축기 저널 베어링의 윤활특성 평가

김경민; 황유진; 이광호; 성치언; 이재근; 정원현; 김성춘; 진홍균

[국내논문] 나노 윤활유를 이용한 스크롤 압축기 저널 베어링의 윤활특성 평가
Performance Evaluation of Nano-Lubricants at Journal Bearing of Scroll Compressors 원문보기

김경민 (부산대학교 기계공학과) , 황유진 (부산대학교 기계공학과) , 이광호 (부산대학교 기계공학과) , 성치언 (부산대학교 기계공학과) , 이재근 (부산대학교 기계공학과) , 정원현 (LG 전자(주)) , 김성춘 (LG 전자(주)) , 진홍균 (LG 전자(주))

Performance of refrigerant oil at the thrust-bearing and at the journal-bearing of a scroll compressor is a significant factor. This paper presents the friction and anti-wear characteristics of nano oil with a mixture of a refrigerant oil and carbon nano particles in the journal bearing of scroll compressors. The characteristics of friction and anti-wear using nano-oil is evaluated using the disk on disk tester and the journal bearing tester for measuring friction surface temperature and the coefficient of friction at the journal bearing tester. In journal bearing test, the average friction coefficient of high concentration nano-oil was decreased down to 18% compared to raw oil under 4,500 N and 3,600 rpm. It is believed that nano particles can be coated on the wear surfaces and the interaction of nano particles between surfaces can be improved the lubrication in the friction surfaces. Worn surfaces of frictional specimen were measured with straightness. carbon nano oil enhances the characteristics of the anti-wear and friction at the joural bearing of scroll compressors.

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문제 정의

그러나 현재까지 저널 베어링에서의 마찰 손실 및 마찰 특성에 대해서는 많은 연구가 이루어지지 않았다. 따라서 많은 연구자들이 저널 베어링에서의 적용되는 여러 오일들의 마찰 및 마모 특성을 분석하여 마찰손실을 줄이기 위해 연구를 진행하고 있다.⁽²⁾ 그 결과 여러 종류의 오일에 나노 입자를 첨가하여 윤활 특성을 향상시킨다는 내용의 연구결과가 발표되고 있다⁽³⁾.
본 연구에서는 스크롤 압축기의 저널 베어링에 서의 윤활 특성을 파악하기 위하여 기존오일과 나노오일을 이용하여 각각의 윤활 특성을 분석하였다. 나노오일의 특성 및 최적 나노오일 농도를 선정하기 위한 Disk on disk Test에서 하중 3,000 N에서 기존오일의 마찰계수는 0.

제안 방법

본 연구에서는 R-410a 냉매용 냉동기유인 PVE (Polyvinylester)와 (이하 기존오일) 카본 입자를 첨가한 냉동기유(이하 나노오일)를 사용하여 저널 베어링의 마찰 및 마모 특성 결과를 비교하였다.
나노오일의 윤활특성을 평가하고, 최적 농도의 나노오일을 선정하기 위하여 예비실험을 수행하였다. 실험 장치는 Disk-on-disk Tester로 상하두 개의 시편은 면 대 면 접촉을 하며, 회전운동을 통해 마찰을 유발시킨다.
실험 장치는 Disk-on-disk Tester로 상하두 개의 시편은 면 대 면 접촉을 하며, 회전운동을 통해 마찰을 유발시킨다. 장치 측면에 부착된 로드셀로 마찰력을 측정하고, 시편 접촉부에 열전대를 부착하여 마찰부의 온도를 측정하였다.
예비실험을 통해 나노오일의 윤활 특성을 평가한 후 실제 스크롤 압축기 부품을 적용한 실험을 수행하였다.
실험 장치는 Fig. 1과 같은 Journal bearing Tester로 스크롤 압축기의 크랭크 샤프트와 메인 프레임 부시(이하 부시) 간의 마찰 및 마모특성을 평가하였다. 장치는 축을 회전시키는 모터, 접촉부인 회전 시편(크랭크 샤프트)과 고정시편(부시), 냉동기유를 저장하는 밀페형 하부 챔버, 마찰력과 마찰 표면 온도를 측정하는 측정 장치, 오일을 예열시키는 히터로 구성되어 있다.
마찰 표면 온도는 고정 시편에 구멍을 뚫고 열전대를 삽입하여 측정한 다. 마모는 실험 후 진직도 측정 방법으로 분석 수행하여 결과를 비교 분석하였다. 실험 후 시편의 마모를 평가하기 위해 진직도 측정을 수행하여 결과를 비교 분석하였다.
4는 Journal bearing Tester를 이용한 기존 오일과 나노오일의 마찰계수 측정 결과를 나타내었다. 실험 시작 시 고하중으로 인한 베어링의 파손을 방지하기 위하여 회전수는 3,600 rpm으로 고정하고 하중은 600 N부터 4,200 N까지 300 N 단위로 5분마다 증가시키며 에이징을 실시하였다. 에이징이 끝난 후 스크롤 압축기의 60 Hz 정격운전 조건인 3,600 rpm으로 회전수를 유지하고, 하중은 4,500 N으로 고정하고 3시간 30분 동안 실험을 수행하였다.
실험 시작 시 고하중으로 인한 베어링의 파손을 방지하기 위하여 회전수는 3,600 rpm으로 고정하고 하중은 600 N부터 4,200 N까지 300 N 단위로 5분마다 증가시키며 에이징을 실시하였다. 에이징이 끝난 후 스크롤 압축기의 60 Hz 정격운전 조건인 3,600 rpm으로 회전수를 유지하고, 하중은 4,500 N으로 고정하고 3시간 30분 동안 실험을 수행하였다. 나노오일 3의 마찰계수가 기존오일의 마찰계수보다 평균 18% 가량 감소하였다.
스크롤 압축기 단품 내에서 나노오일의 적용성을 평가하기 위하여 스크롤 압축기의 실제 저널 베어링 부품인 크랭크 샤프트와 메인 프레임 부시를 적용한 Journal bearing Test를 수행하였다.

대상 데이터

나노오일의 윤활특성을 평가하고, 최적 농도의 나노오일을 선정하기 위하여 예비실험을 수행하였다. 실험 장치는 Disk-on-disk Tester로 상하두 개의 시편은 면 대 면 접촉을 하며, 회전운동을 통해 마찰을 유발시킨다. 장치 측면에 부착된 로드셀로 마찰력을 측정하고, 시편 접촉부에 열전대를 부착하여 마찰부의 온도를 측정하였다.

데이터처리

마모는 실험 후 진직도 측정 방법으로 분석 수행하여 결과를 비교 분석하였다. 실험 후 시편의 마모를 평가하기 위해 진직도 측정을 수행하여 결과를 비교 분석하였다.

성능/효과

회전수는 1,000 rpm으로 유지하고, 수직하중은 600 N부터 3,000 N까지 600 N단위로 증가하는 조건이다. 기존오일과 저농도 나노오일 (이하 나노오일 1), 중농도 나노오일(이하 나노오일 2) 의 마찰계수보다 고농도 나노오일(이하 나노오일 3)의 마찰계수가 크게 저감되는 결과를 나타내었다.
600 N의 하중 조건에서 기존오일의 평균 마찰 계수는 0.037인 반면에 Nano oil 3의 평균 마찰계수는 0.016으로 57% 가량 감소하였다. 그 이유는 나노오일 적용 시 유막이 유지되고 있는 마찰 표면에서 구형의 나노입자들이 롤링 역할을 하기 때문이다.
그 이유는 나노오일 적용 시 유막이 유지되고 있는 마찰 표면에서 구형의 나노입자들이 롤링 역할을 하기 때문이다.⁽⁴⁾ 수직하중 3,000 N 조건에서 기존오일의 평균 마찰계수는 0.098인 반면에 나노오일 3의 평균 마찰계수는 0.038로 60% 가량 감소하였다. 하중이 증가함에 따라 나노오일속의 입자들이 응집되어 덩어리를 형성하게 되고, 시편의 마모된 틈속으로 침투하게 된다.
2의 실험동안의 마찰 표면온도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 3,000N 조건에서 기존오일 시편의 평균 표면온도는 136℃까지 상승하였다. 반면, 같은 조건에서 나노오일 3의 표면온도는 59℃로 기존오일에 비해 57% 가량 낮게 유지되었다.
에이징이 끝난 후 스크롤 압축기의 60 Hz 정격운전 조건인 3,600 rpm으로 회전수를 유지하고, 하중은 4,500 N으로 고정하고 3시간 30분 동안 실험을 수행하였다. 나노오일 3의 마찰계수가 기존오일의 마찰계수보다 평균 18% 가량 감소하였다. 기존오일의 경우 하중이 4,500 N으로 증가함과 동시에 불안정한 마찰계수 값을 나타내는 반면, 나노오일 3의 마찰계수는 안정된 형태로 일정한 값을 지속적으로 유지하는 것을 알 수 있다.
스크롤 압축기 단품 내에서 나노오일의 적용성을 평가하기 위하여 스크롤 압축기의 실제 저널 베어링 부품인 크랭크 샤프트와 메인 프레임 부시를 적용한 Journal bearing Test를 수행하였다. 하중 4,500 N , 회전수 3,600 rpm 조건에서 기존 오일의 평균 마찰계수보다 나노오일 3의 평균 마찰계수가 18% 감소하였다. 나노오일 3을 적용할 경우 시편의 마찰면에서 마모된 입자와 나노입자 간의 상호작용으로 코팅막이 형성되어 윤활 특성이 향상되었다.
나노오일 3을 적용할 경우 시편의 마찰면에서 마모된 입자와 나노입자 간의 상호작용으로 코팅막이 형성되어 윤활 특성이 향상되었다. 또한, 기존오일의 마모량은 60㎛ 인 반면, 나노오일 3은 12㎛로써 스크롤 압축기 저널 베어링의 내마모성을 향상시키는 것으로 분석되었다.

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