오일리스 리니어 컴프레서용 가스베어링의 피스톤 거동 해석 및 측정 = Dynamic analysis and measurement of gas bearing used in oil-less linear compressor

국문 초록 (Abstract)

최근 기후 변화와 에너지 문제로 인해 문제가 발생하면서, 에너지 효율을 높일 수 있는 공기 조화 및 냉동 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다. 시스템은 압축기, 응축기 등 다양한 기계 부품으로 구성되어 있으며, 압축기는 시스템의 효율에 가장 큰 비중을 차지하는 부품이기 때문에 압축기의 효율을 증가시키기 위한 연구가 이루어지고 있다.
압축기는 피스톤의 왕복 운동을 이용하여 압축실의 유체를 고압의 상태로 압축하는 기계 부품이다. 압축기는 운동 메커니즘에 따라 크게 2가지의 종류로 나뉘어진다. 크랭크의 회전운동으로 피스톤의 왕복운동을 만드는 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor)와 리니어 모터가 직접 피스톤의 왕복운동을 발생시키는 리니어 압축기(Linear compressor)가 있다. 리니어 압축기는 크랭크 메커니즘을 사용하지 않기 때문에 구조적으로 단순하고, 리니어 모터의 제어를 통해 압축기를 비교적 단순하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 그리고, 마찰이 피스톤과 실린더 사이에서만 발생하기 때문에 마찰 손실이 적다. 이러한 장점에 힘입어 리니어 압축기는 다양한 분야에 적용되고 있다. 특히, LG전자는 리니어 압축기를 냉장고에서 확대하여 모든 제품에 적용하고 있다.
리니어 압축기의 피스톤과 실린더 사이에는 오일이 윤활제로 사용되어 왔다. 오일은 점성이 높기 때문에 피스톤에 비교적 큰 마찰력이 작용하고, 작동주파수의 측면에서 단점이 있었다. 이러한 단점을 개선하기 위해, 오일을 윤활제로 사용하지 않는 오일리스 컴프레서에 대한 연구가 이루어져 왔다. 오일리스 컴프레서는 오일 유출에 대한 위험이 없고, 오일로 인한 마찰 손실이 없기 때문에 에너지 소모가 적으며, 오일을 공급하기 위한 펌프를 사용하지 않기 때문에 소음이 줄어들고 구조적으로 단순해진다는 장점이 있다.
리니어 압축기의 오일 윤활제를 교체하기 위해 많은 연구가 이루어져 왔다. 본 연구에서는 오일을 가스로 교체하기 위해 가스베어링의 원리가 적용된 리니어 압축기의 피스톤 거동 해석에 대한 연구를 진행하였다. 가스베어링의 하중지지력을 발생시키기 위해서는 실린더와 피스톤 사이의 빠른 상대운동과 높은 점성의 유체가 필요하다. 가스는 점성이 낮고, 피스톤의 왕복 운동의 최대 속도는 3m/s를 넘지 않기 때문에 충분한 하중지지력을 발생시킬 수 없다. 따라서 본 연구의 리니어 압축기의 실린더는 외부에서 가압된 공기를 윤활 면에 주입하는 정압 가스베어링의 원리가 적용되었으며, 압축실에서 토출된 가스의 일부분을 재활용하여 실린더의 윤활 면에 공급하였다. 점성이 낮은 가스를 윤활제로 사용하기 때문에 가스베어링의 윤활 성능에 대한 분석이 필요성이 대두되었고, 피스톤의 거동을 계산하는 프로그램을 개발하였다. 이후, 해석 방법의 타당성을 검증하기 위한 대기압 조건의 피스톤 거동 측정 실험을 진행하여 실험 결과와 해석 결과를 비교하였다

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 연구 대상 1
• 제 2 장 이 론 3
• 2.1 리니어 압축기의 구조 3
• 2.2 지배 방정식 5
• 제 3 장 프 로 그 램 해석 8
• 3.1 리니어 압축기 모델링 8
• 3.2 해석 결과 13
• 제 4 장 실 험 16
• 4.1 실험 설계 16
• 4.2 실험 결과 20
• 제 5 장 결 론 23
• 참 고 문 헌 25
• Figures 28
• Abstract 29