[논문]나노입자를 적용한 냉장고 압축기용 오일의 윤활특성 평가

이광호; 황유진; 권래언; 이재근; 김석로; 방선욱

나노입자를 적용한 냉장고 압축기용 오일의 윤활특성 평가
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이광호 (부산대학교 기계공학과) , 황유진 (부산대학교 기계공학과) , 권래언 (부산대학교 기계공학과) , 이재근 (부산대학교 기계공학과) , 김석로 (LG 전자(주)) , 방선욱 (LG 전자(주))

It has been recognized that friction coefficient decreased with decreasing viscosity of oil in lubrication. In general, the more viscosity decreases, the more wear rate increases due to decrease load carrying capacity. It has been proposed that nano particles in oil decrease friction coefficient and wear rate. The purpose of this study is to apply oil of lower viscosity that mix with nano particles at the compressor used in a refrigerator to decrease friction coefficient keeping Load carrying capacity. Mineral oil of 8 cSt were used and mixed with nano particle. Friction coefficient was evaluated by a disk-on-disk tester. As a result, friction coefficient of nano oil decreased by 90% in comparison with raw oil. These results lead us to the conclusion that nano oil is new plan to raise efficiency of the compressor.

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문제 정의

본 연구에서는 나노입자 농도에 따른 나노 윤활유의 마찰특성을 파악하였다. Fig.
본 연구에서는 압축기 냉동기유로 사용되는 오일에 나노입자를 분산 시켜 기존 오일과 나노 오일의 윤활 특성을 분석하였다. 먼저 대상오일인광유와 나노입자Ⅰ간의 분산안정성이 뛰어남을 확인하였다.

제안 방법

Disk-on-disk type tester를 이용하여 입자 농도별 마찰특성을 분석하였다. 기존 오일과 기존 오일에 나노입자Ⅰ의 첨가량을 달리하여 제조한 2종의 나노오일에 대하여 측정하였다.
기존 오일과 기존 오일에 나노입자Ⅰ의 첨가량을 달리하여 제조한 2종의 나노오일에 대하여 측정하였다. 각 시편은 10분 동안의 저하중에서의 에이징을 거쳐 하중은 300 N부터 1200 N까지 300 N단위로 30분 마다 증가 시켰다.
먼저 대상오일인광유와 나노입자Ⅰ간의 분산안정성이 뛰어남을 확인하였다. 그리고 기존 오일과 기존 오일에 나노입자Ⅰ의 첨가량을 달리하여 제조한 2종의 나노오일에 대해서 Disk-on-disk type tester를 이용하여 윤활특성을 분석하였다. 회전 속도는 1000 rpm으로 고정하였으며 하중은 300 N 단위로 증가시켜 300 N에서 1200 N 까지 증가시켰다.
Disk-on-disk type tester를 이용하여 입자 농도별 마찰특성을 분석하였다. 기존 오일과 기존 오일에 나노입자Ⅰ의 첨가량을 달리하여 제조한 2종의 나노오일에 대하여 측정하였다. 각 시편은 10분 동안의 저하중에서의 에이징을 거쳐 하중은 300 N부터 1200 N까지 300 N단위로 30분 마다 증가 시켰다.
⁽²⁾ 그러므로 윤활 특성을 향상 시킬 수 있는 최적의 입자 농도의 결정이 중요하다. 본 연구에서는 대상 나노윤활유의 분산 안정성을 확보한 후 다양한 농도의 나노윤활유의 윤활특성 평가를 통해 최적의 농도 조건을 결정하였다.
주로 200~900nm인 빛의 파장영역에 액체의 흡광도(Absorption)을 측정하여 수중의 각종 오염물질 등의 정량화 분석에 적용된다. 본 연구에서는 분광광도계(UV-3101PC, Shimadzu Corp.)를 이용하여 분산안정성을 평가하였다. Fig.
하중, 속도 그리고 윤활유의 온도 제어를 통해 점도를 제어 할 수 있다. 수직하중은 에어실린더를 사용하여 작용하게 하였고, 오일의 급유는 Fixed Plate와 rotating Plate의 마찰면이 오일에 잠겨 있는 방법을 택하여 자연 윤활이 되도록 하였다. Disk-on-disk type tester 장치는 크게 하중부, 마찰부, 구동부, 제어부로 나눌 수 있다.
압축기 냉동기유로 사용되는 광유를 기본 유체로 하여 나노입자 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ를 각각 분산시켜 제조하고 시간에 따른 부유 안정성을 평가하였다. 열전달 성능을 향상시키는 것으로 알려진 나노입자Ⅱ의 경우 제조 후 50시간 경과 후 70% 정도의 입자가 침전되었고, 나노입자Ⅲ의 경우 500시간 경과 후 40%가량의 입자가 침전 되었다.

대상 데이터

입자는 윤활특성이 우수하다고 알려진 나노입자Ⅰ을 사용하였다. 오일은 현재 사용되는 냉장고용 압축기의 냉동기유보다 점도가 낮은 8cSt 급의 광유를 적용하였다.
입자는 윤활특성이 우수하다고 알려진 나노입자Ⅰ을 사용하였다. 오일은 현재 사용되는 냉장고용 압축기의 냉동기유보다 점도가 낮은 8cSt 급의 광유를 적용하였다.

성능/효과

이는 나노 입자에 의한 길들임 현상으로 오일에 포함된 나노 입자와 시편 표면의 돌기 사이의 상호작용으로 인한 것이다.(4,5) 저농도의 나노오일의경우 저하중에서는 고농도의 오일과 비슷한 경향을 보이지만 고하중으로 갈수록 마찰계수는 상승한다. 이는 나노입자의 농도가 낮아 마찰 표면 전체에 대해 나노입자의 효과를 주지 못하였기 때문이다.
6은 위의 실험을 1회 실시한 후, 그 시편으로 동일한 실험을 실시하여 더 이상의 길들임이 일어나지 않을 때 까지 반복하여 얻은 최종 결과이다. 고농도의 나노오일의 경우 총 4회 반복 하였을 때 길들임 현상이 완료 되었고 기본 오일과 저농도의 나노오일의 경우에는 총 7회 반복하였을 때 길들임 현상이 완료되었다. 기본 오일의 경우 1200 N의 하중에서 경계 윤활에 가까운 0.
회전 속도는 1000 rpm으로 고정하였으며 하중은 300 N 단위로 증가시켜 300 N에서 1200 N 까지 증가시켰다. 그 결과 고농도의 나노입자Ⅰ이 첨가된 오일이 가장 좋은 윤활 특성을 나타내었다. 이는 나노 입자가 시편 표면 돌기와 상호 작용을 함으로써 표면의 길들임 효과가 활발하게 이루어졌기 때문이다.
본 연구에서는 압축기 냉동기유로 사용되는 오일에 나노입자를 분산 시켜 기존 오일과 나노 오일의 윤활 특성을 분석하였다. 먼저 대상오일인광유와 나노입자Ⅰ간의 분산안정성이 뛰어남을 확인하였다. 그리고 기존 오일과 기존 오일에 나노입자Ⅰ의 첨가량을 달리하여 제조한 2종의 나노오일에 대해서 Disk-on-disk type tester를 이용하여 윤활특성을 분석하였다.
열전달 성능을 향상시키는 것으로 알려진 나노입자Ⅱ의 경우 제조 후 50시간 경과 후 70% 정도의 입자가 침전되었고, 나노입자Ⅲ의 경우 500시간 경과 후 40%가량의 입자가 침전 되었다. 반면본 연구에서 적용된 나노입자Ⅰ의 경우 700시간 정도 경과 후에도 침전도가 10% 내외로 분산안정성이 뛰어남을 알 수 있다.

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