Friction Characteristics of the Tip Seal in a Scroll Compressor

스크롤 컴프레서 팁실의 마찰특성

Abstract

The basic elements in a rotary-type scroll compressor are two identical spiral scrolls containing refrigerant gas. The pressure variations in the compression pockets of a scroll compressor change the forces acting on the orbiting scroll, and these forces affect the dynamic behavior of the compression mechanism parts. To achieve high efficiency, using a self-sealing mechanism as a tip seal mechanism is very effective. Tip seals, which are placed on top of the scroll wraps, accomplish thrust sealing. This study calculates the friction force between the tip seal and the side plate of a scroll compressor using the numerical model considered in the Reynolds equation. The calculated friction force is verified by an experiment using a pin-on-disk apparatus. A hydraulic servo valve that controls the pressure of the oil hydraulic cylinder applies the normal load for the test, and a DC servo motor controls the sliding velocity of the disk. The friction force and normal load are measured by the force sensors attached to the supporting parts. The results show that the theoretical and experimental results are similar and that the friction is influenced by the viscosity of the oil and the sliding velocity of the scroll.

1. 서 론

냉동·공조 기기의 심장부인 냉매 압축기에 관해서 고성능화, 고효율화가 요구되고 있다. 그 결과, 왕복, 로터리, 스크롤, 스크루, 터보 형식 등에 관한 압축기의 성능향상이 이루어지고 있으며, 각각의 특징을 살리는 쪽으로 개발, 사용되고 있다.

그 중 스크롤 압축기는 간단한 방법에 의해 축방향과 반경방향의 밀봉을 할 수 있도록 설계되었으며, 높은 효율과 넓은 압축비 하에서의 높은 신뢰성을 가질 수 있게 되었다[1].

스크롤 압축기의 주요 에너지 손실은 압축실에서의 누설손실과 압축기 각 요소에서의 마찰손실이다. 누설손실은 반경방향 간극과 축방향 간극에 의해 발생하며, 특히, 접선방향의 누설보다 반경방향 누설의 영향이 지배적이다[2]. 따라서 여러 연구자들은 배압실 및 밀봉 메커니즘 등의 방법을 도입하여 누설을 줄이는데 큰 효과를 보았다[2-5]. 그러나 이러한 간극 감소를 위한 조치들은 오히려 마찰력을 증가시켜 기계효율을 저하시키는 문제점을 갖고 있어, 최적의 간극을 가질 수 있는 조건과 방법에 대해 끊임없는 연구가 이뤄지고 있다.

스크롤 압축기 주요부품의 동적 거동 해석에 있어 핵심과제는 축방향 및 반경방향의 컴플라이언스를 고려한 컴프레서의 다양한 구조에 대한 적절한 역학적 모델링[2-6], 압축과정 및 누설에 관한 열역학적 모델링[7-9], 각종 미끄럼 베어링의 유막반력의 계산 및 누설손실 등을 고려한 선회스크롤에 작용하는 힘, 모멘트 및 마찰력 관련 연구[10-12] 등이 있다.

일련의 연구를 통하여 연구자들은 기하학적, 열역학적 모델링을 제시하고, 각 작동 공간 사이의 내부누설 등을 해석하여 스크롤의 중앙부에서는 반경방향의 간극을 통한 원주방향의 누설이, 바깥영역에서는 축방향의 간극을 통한 반경방향의 누설이 지배적이며, 축방향의 간극이 반경방향의 간극에 비해 성능에 많은 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 스크롤 압축기의 구조에서 핵심적인 기술과제 중 하나는 스크롤의 반경방향 및 축방향의 밀봉이라 말할 수 있으며, 그 중 축방향의 밀봉은 그 비중이 높은 만큼 윤활이론을 적용한 해석이 매우 중요하다고 할 수 있다.

 

2. 이론적 고찰

2-1. 압축 메커니즘

스크롤 압축기의 작동원리를 간단히 설명하면 Fig. 1의 a와 b로 나타낸 기초원으로부터 생성된 인벌류트 곡선의 형상을 갖는 두 개의 스크롤이 180°의 위상차를 가지고 놓여 있을 때, 그 중 하나를 고정(고정 스크롤)시키고, 다른 하나(선회 스크롤)를 두 스크롤이 접하도록 r만큼 평행 이동시키면 포켓이라는 밀폐공간들이 형성된다.

Fig. 1.Schematic of a scroll compressor.

이렇게 형성된 밀폐공간을 이용하여 흡입과 토출을 행하며, Fig. 2에서처럼 선회 스크롤을 두 기초원 중심사이의 거리, r을 회전반경으로 선회시키면 흡입(파란색)과 압축(빨간색)이 동시에 이루어진다. 선회 스크롤의 회전각이 증가할 수록 각 포켓들은 이웃하는 포켓들과 격리된 채로 점점 밀폐체적이 줄어들어 그 안의 기체는 점차 압축되어 중심에 다다랐을 때 토출이 이루어지는 메커니즘으로 되어있다.

Fig. 2.Suction and discharge of a scroll compressor.

2-2. 팁실과 측판간의 윤활

스크롤 압축기에서 일어나는 여러 부분의 윤활작용 중에서 압축실을 형성하는데 직접적인 관련이 있는 고정 스크롤의 랩과 선회 스크롤의 랩 간의 마찰과 스크롤 선단의 팁실과 상대 스크롤의 측판간의 마찰이 압축기의 성능에 크게 영향을 끼치는 부분이라고 할 수 있으며, 이중 후자의 경우는 전자의 경우보다 접촉면이 넓고 윤활부분 주위에 여러 가지 조건이 하나의 실에 작용한다는 점에서 스크롤 압축기의 성능에 더 큰 영향을 끼친다고 볼 수 있다.

팁실은 압축실내의 냉매가 반경방향으로 누설되는 것을 막기 위해 고정 스크롤과 선회 스크롤 랩의 선단에 홈을 파고 그곳에 삽입된다. 따라서 선회 스크롤이 선회함에 따라 고정스크롤과 선회스크롤 간에 접촉점이 발생하고 이 접촉점은 선회각에 따라서 같이 회전하게 된다. 이러한 스크롤간의 접촉에 의해서 각각의 포켓들이 분리되고 이때 발생되는 모든 압축실내의 압력이 팁실의 배면에 작용하게 되며(Fig. 3), 이로 인해 팁실을 상대스크롤의 측판으로 미는 힘이 발생하여 Fig. 4와 같이 팁실이 상대 스크롤의 측판에 밀착되어 밀봉작용을 행하게 된다[7].

Fig. 3.Boundary conditions surrounding the each parts of the tip seal.

Fig. 4.Sealing mechanism by the tip seal.

본 논문에서는 팁실 부분과 상대 스크롤의 측판과의 윤활해석을 하기위한 모델로 Fig. 5와 같이 U의 속도로 이동하는 선회 스크롤(팁실)과 정지상태의 고정 스크롤에 의한 상대속도가 발생하고 이에 의해서 두 개의 스크롤 사이에는 서로 다른 유동과 압력이 발생한다. 이때 ①과 ② 지점에서의 압력과 유막두께가 각각 p1, p2, h1, h2인 형태를 가정하였으며, 임의의 x위치에서 압력과 유막두께를 각각 p, h라 하고, 압력이 최대인 위치에서의 압력과 유막두께를 각각 pmax, hm이라 하였다. 여기에서 가정된 모델에 선회 스크롤이 선회함에 따라 바뀌게 되는 하중 w와 양단의 압력 p1, p2를 계산하여 윤활해석에 적용하였다.

Fig. 5.Pressure and velocity distributions in the sliding area of the tip seal.

2-3. 윤활에 관한 기초 방정식

Fig. 5에서처럼 팁실이 U의 속도로 이동하고, 양단의 압력이 각각 p1, p2이며, 팁실 배면의 압력에 의해 작용되는 하중 w를 받는 상태에서 평면이 미끄럼 운동을 하는 2차원 흐름을 스크롤 랩 선단의 팁실과 상대 스크롤 측판간의 윤활 특성 해석의 대상으로 하였다.

이러한, 스크롤 랩 선단의 팁실과 상대 스크롤의 측판 간의 윤활 특성을 해석하기 위해서 다음과 같은 방정식들을 고려하였다.

먼저, 팁실의 경사각을 α (>0)라 할 때, 임의의 x위치에서 유막두께 h는 다음과 같이 유도된다.

윤활 유체 중의 압력 p에 관한 기초 식으로서 Reynolds 윤활 방정식은 다음과 같다.

여기서, η는 윤활유의 점도이고, hm은 최대 압력이 발생하는 위치에서 유막두께이다.

그리고 수치해석에 필요한 hm을 구하기 위해 다음과 같은 경계조건을 적용한다.

식 (2)를 적분하고 경계조건 식 (3)을 적용하여 hm에 대해 정리하면 다음과 같다.

여기서, h2 = h1 − L tan α 이다.

Reynolds방정식을 풀기 위하여 다음과 같은 하중 경계조건을 적용하였다.

마찰력 f는 다음의 식에 의해 구해진다.

상기의 기초 식들을 유한개의 표본점에 있어서의 상태량으로 차분화하여 Newton-Raphson 수치해석법을 이용하여 해석하였다.

 

3. 실험 장치의 구성 및 방법

본 연구의 실험은 면 접촉 상태에서 일정한 하중을 받으며 지속적으로 미끄럼 운동을 하는 모델로서, 압축기의 성능이나 신뢰성을 좌우하는 중요한 요소인 팁실과 상대 스크롤 측판 간의 운동조건을 실험조건으로 취하였다. 또한, 하중의 크기를 실제 압축기 운전시에 작용하는 각 상대운동 부분의 역학적 양들을 이론적으로 계산한 결과를 실험 조건으로 사용하였다

실제 스크롤 압축기는 선회 스크롤이 편심축에 의해 공전하고, 팁실이 상대 스크롤 측판 위를 미끄럼 운동하면서 압축실 간의 반경방향의 밀봉을 행하고 있으나, 본 연구에서는 측판의 역할을 하는 디스크를 실기조건과 유사한 미끄럼 속도로 회전시키고, 상하운동만이 가능한 시편을 디스크에 접촉시키는 상대운동 모델로 구성하였다. 팁실과 디스크의 재질, 경도, 표면조도는 Table 1과 같다.

Table 1.Specifications of the test parts

이와 같은 실험조건들에서 하중이 작용하는 면 접촉에서의 마찰력을 측정할 수 있도록 Fig. 6과 같은 마찰 실험 장치를 구성하여 실험하였다.

Fig. 6.Pin on disk apparatus for the test.

본 실험 장치는 핀온디스크 장치로써, 직경이 200 mm, 두께가 20 mm인 디스크의 중심으로부터 90 mm의 위치에 Fig. 7과 같이 취부된 시편(Vane)을 디스크로 밀어주는 구조이다.

Fig. 7.Schematic diagram of the test unit.

시편을 밀어 올려주는 하중값은 서보 밸브를 통해 유압 실린더내의 압력을 제어함으로써 시편에는 항상 설정된 하중이 작용할 수 있도록 하였으며, 가해진 하중은 Fig. 7처럼 시편 하단에 설치된 Force Sensor를 통하여 확인 하였다.

작용하는 하중에 대한 마찰력은 Fig. 7의 Friction Sensor로 검출하였으며, 이러한 측정을 위한 유압회로도 및 측정 블록도를 Fig. 8에 나타냈다. 실기 스크롤 압축기에서, 팁실과 측판 간의 상대 미끄럼 속도는 1.357 m/s이며, 모터 컨트롤러를 이용하여 디스크의 회전속도를 조절할 수 있도록 하였으며, 디스크가 충분히 적셔질 수 있도록 시편의 위쪽에 윤활유를 공급하였다.

Fig. 8.The hydraulic circuit and block diagram for measurement.

 

4. 이론 및 실험결과 해석

해석 대상 압축기의 흡입과 토출 과정을 이상조건으로 가정하고 흡입압력과 토출압력을 일정하다고 가정하였으며, 내부 압력비는 Pd/Ps = 3.45 로 계산하였다. 그리고 단열압축지수 k=1.4로 가정하였으며, 스크롤 곡선의 주요 치수 및 스크롤 압축기의 주요 설계 치수는 Table 2와 같다.

Table 2.Specifications of the scroll compressor

선회 스크롤의 선회각도에 따른 1개의 압축 포켓의 체적과 압력 변화는 각각 Fig. 9-10과 같으며, Fig. 11은 각각의 팁실 주위에서 작용하는 압력을 고려한 팁실의 배면에 작용하는 수직하중의 변화를 나타낸다.

Fig. 9.Compression pocket volume of the scroll compressor.

Fig. 10.Pressure variation of the scroll compressor.

Fig. 11.Normal force in each parts of the tip seal versus orbiting angle.

Fig. 3에서, 팁실의 선회시 스크롤의 접촉점을 기준으로 팁실 전후에 서로 다른 압력이 작용하게 되는데 이로 인하여 실제 마찰이 발생하는 팁실 부분의 팁실과 측판간의 경계조건이 다양하게 나타난다. 즉, 팀실을 둘러싼 주위 압력이 변하고, 접촉면적도 선회각도에 따라서 다르게 나타나게 된다. 이러한 팁실 부분의 마찰 조건에 따라서 경계조건을 다르게 적용해야 하며, 경계조건을 구분하기 위하여 Case1에서 Case7까지 팁실부분을 구분하였으며, Case1은 최 외곽 부분의 팁실부분을, Case7은 중심부의 팁실 부분을 의미한다.

스크롤의 상대속도가 1.357 m/s이고, 윤활유의 점도가 56 cP일 때, Fig. 12는 선회각도에 따른 각각의 팁실에 작용하는 마찰력의 변화를 보여주고 있으며, Fig. 13은 전체 팁실의 마찰력 변화를 보여주고 있다. 팁실의 마찰력은 팁실의 배면에 작용하는 수직하중과 접촉면적 변화의 영향을 받으며, 스크롤이 회전하면서 압축이 되고 각 Case의 면적은 점진적으로 줄어들게 된다.

Fig. 12.Friction force in each parts of the tip seal versus orbiting angle (theoretical, 56 cP).

Fig. 13.Total friction force in the tip seal versus orbiting angle (theoretical, 56 cP).

Case1의 경우는 가장 외곽의 팁실 부분으로 팁실 주변의 압력이 흡입압력으로 일정한 경우이며, 선회각도가 증가할수록 수직하중과 마찰면적이 거의 선형적으로 증가하는 구간이기 때문에 마찰력 또한 180° 까지 거의 선형적으로 증가한다. 180° 부근에서 Case1은 Case2로 바뀌게 되며, Case1의 면적은 0이 된다. 따라서 Case1의 팁실의 배면에 작용하는 수직하중이 급격하게 감소하기 때문에 마찰력 또한 급격하게 변하는 경향을 보이고 있다.

상기의 이론해석 결과를 검증하기 위하여 팁실과 상대스크롤 측판 간의 상대운동 모델에 대해서, 핀온디스크 장치를 이용하여 실험한 결과는 다음과 같다.

오일의 점도가 56 cP(25℃)이고, 시편과 디스크의 상대속도가 1.357 m/s이며, 하중은 Fig. 11처럼 시뮬레이션에서 계산된 팁실의 각 부분에 작용할 것으로 예상되는 값을 수직하중으로 작용시켰을 때 마찰력을 측정하였다.

Fig. 14는 선회 스크롤의 선회각도에 따른 각 팁실의 마찰력을 보여주고 있으며, 이 마찰력들에 의한 팁실에 작용하는 전체 마찰력의 변화를 Fig. 15에 나타내었다.

Fig. 14.Friction force in each parts of the tip seal versus orbiting angle (experimental).

Fig. 15.Total friction force in the tip seal versus orbiting angle (experimental).

선회 스크롤의 선회각에 대해서 Fig. 12와 Fig. 13의 이론해석에 의한 마찰력의 변화와 Fig. 14와 Fig. 15의 실험에 의해 측정한 마찰력의 변화는 유사한 경향을 보이고 있다는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 분석하면 팁실과 상대스크롤 측판간의 윤활특성을 파악할 수 있다.

Fig. 13의 이론해석에 의해 계산된 마찰력은 선회각이 토출 시작각인 143°에서 그 값이 급변하는 것을 확인할 수 있었으며, Fig. 15의 실험에 의해 측정된 마찰력에서도 이와 비슷한 각도를 전·후로 마찰력의 큰 차이를 볼 수 있었다. 이 각도에서 마찰력이 급변하는 것은 그 각도일 때 스크롤 압축기에서 토출이 이뤄지기 시작하고, 또 다른 압축실이 형성되면서 전체적인 압력의 급변에 의한 것으로 보여 진다. 따라서 본 연구에서 행한 이론해석 모델은 실험 결과에 비춰볼 때 타당하다고 볼 수 있으며, 이에 다음과 같이 실제 실험에서 행하지 못했던 운전조건에서 팁실과 측판 간의 윤활특성을 해석하였다.

실제 스크롤 컴프레서에서의 작동조건은 이론 회전수가 3600 rpm, 윤활유의 점도가 5 cP인데, 이론 회전수를 팁실과 측판 간의 상대속도로 환산하면 1.357 m/s이다. 따라서 본 논문의 시뮬레이션에서는 점도가 각각 5, 10, 15 cP인 경우에서 상대속도를 1 m/s에서 3 m/s까지 변화시켰을 때의 팁실과 측판 간의 마찰력의 변화를 계산하여 점도와 슬라이딩 속도의 영향을 살펴보았다.

먼저, Fig. 16은 실험에서 고려할 수 없었던 실기상태의 점도 5 cP일 때, 스크롤의 슬라이딩 속도에 따른 마찰력의 변화를 보여주고 있다.

Fig. 16.Friction force in the tip seal to the velocity of the orbiting scroll (theoretical, 5 cP).

스크롤의 상대속도가 1, 2, 2.5, 3 m/s일 때 평균 마찰력은 각각 43.2, 65.5, 75.5, 84.2N으로 나타났다. 이는 상대속도 1 m/s를 기준으로 봤을 경우 100%, 150%, 200% 속도가 증가한 경우이며, 마찰력이 각각 51.6%, 74.8%, 94.9% 증가하는 것으로 나타났다. 속도 증가에 대해서 마찰력의 증가가 정비례하지 않고 증가율이 약간 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 속도 증가에 따른 동압 효과에 의해서 유막두께가 증가하기 때문으로 판단된다.

Fig. 17은 스크롤의 슬라이딩 속도가 2 m/s일 때 윤활유의 점도변화에 따른 마찰력의 변화를 보여주고 있다.

Fig. 17.Friction force in the tip seal to the oil viscosity (theoretical, 2.0 m/s).

윤활유의 점도가 5, 10, 15 cP일 때 평균 마찰력은 각각 65.5, 100.9, 130.7N으로 나타났다. 이는 윤활유의 점도 5cP를 기준으로 봤을 경우 100%, 200% 점도가 증가한 경우이며, 마찰력은 각각 54%, 99.5% 증가하는 것으로 나타났다. 윤활유 점도 증가에 대해서 마찰력의 증가가 정비례하지 않고 증가율이 약간 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 점도의 증가가 윤활막의 부하용량을 증가시켜 유막두께가 증가하기 때문으로 판단된다.

 

5. 결 론

본 논문에서 실행한 스크롤 랩 선단의 팁실과 상대 스크롤 측판 사이의 윤활상태에 대한 이론해석을 행하였고, 실험을 통해 이론 해석의 타당성을 확인하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 모델링 실험결과 선회 스크롤의 선회각도에 따른 마찰력의 변화를 추정할 수 있었다. 2. 측정된 마찰력과 이론해석에 의해 얻어진 마찰력이 같은 경향을 보였으며, 이론과 실험의 오차는 실험시 설정할 수 없었던 양단에 걸리는 압력, 측정시 발생되는 측정오차, 가공오차 등에 의한 것으로 추정되며, 이점을 고려해 볼 때 이론해석의 타당성을 확인할 수 있었다. 3. 팁실과 측판 간의 상대운동속도의 증가는 마찰력을 증가시키며, 상대속도가 100% 증가할 때 마찰력은 평균 약 49.64% 증가하는 것으로 나타났으며, 상대속도가 커질수록 마찰력의 증가율은 소폭 감소한다 4. 윤활유의 점도가 증가함에 따라, 팁실과 측판 간의 마찰력은 증가하며, 점도가 100% 증가할 때 마찰력은 평균 약 51.88% 증가하는 것으로 나타났으며, 점도가 커질수록 마찰력의 증가율은 소폭 감소한다.

또한, 이론해석 결과가 타당하다고 여겨지기 때문에 이를 이용한 다양한 조건에서의 이론해석이 실제 스크롤 컴프레서를 설계하는데 설계 자료로 이용될 수 있을 것으로 사료된다

그러나 실제 스크롤 압축기의 팁실의 주위 압력은 선회각도에 따라서 연속적으로 변동하며, 실제 스크롤 압축기의 실기상태에서 실험하지 않는 이상 핀온디스크 장치로 이를 구현하기에는 한계가 있다. 따라서 스크롤 압축기의 실제 조건을 고려한 정확한 실험을 위해서는 향 후 분위기 압력 조건 구현 등의 개선이 적극적으로 시도되어야 할 것으로 여겨진다.