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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이수갑
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수33
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압축기는 외부 일을 공급하여 저압의 기체를 고압의 기체로 변환하는 기계 장치로, 냉동 사이클을 구성하는 핵심 부품 중 하나이다. 그 중 냉장고용 왕복동 압축기는 쉘 하우징이 압축 구동부를 감싸는 밀폐형 구조로 설계되어 있으며, 냉매 가스가 외부 공기와 접촉하지 않도록 기밀 구조를 형성하는 한편 내부 공간의 소음이 외부로 전파되는 것을 최소화하기 위한 차폐 기능도 수행한다. 지금까지 냉장고용 압축기의 소음 관련 연구는 대부분 제품 출시를 위해 요구되는 규격 조건을 충족시키거나, 개발 과정에서 발생하는 문제들을 단기적으로 해결하는 방향으로 수행되어 왔다. 밀폐형 구조의 특성 상 내부의 주요 부품 거동을 관찰하는 것이 어렵기 때문에 압축기의 소음 발생 과정에 대한 근원적인 연구는 부족하며, 경험에 기반한 추정 혹은 직관을 바탕으로 검토되고 있는 상황이다. 본 논문에서는 냉장고용 밀폐형 왕복동 압축기의 소음 특성 연구에 대한 새로운 방법론을 제시하고자 하였다. 밀폐형 쉘 하우징의 구조적 특징을 고려한 시험 방법을 수립하여 소음 발생 메커니즘을 파악한 후, 음향-구조 연성 해석을 수행하여 소음 방사 특성을 확인하고자 하였다.
냉매 가스의 압축 과정에 대한 고찰을 바탕으로 압축기의 소음이 발생하는 원인을 파악하기 위해서는 기존 연구의 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근이 필요하다. 본 연구에서는 밀폐형 압축기의 주요 부품 특성을 확인하기 위해 고안된 시험 장치를 이용하여 밸브 시스템의 거동 및 실린더 내부의 압력 변화를 측정하고, 냉매 가스가 압축되는 과정의 주요 특성을 파악하였다. 또한, 압축기에서 발생하는 음압의 시계열 신호 및 주파수 스펙트럼을 이용하여 주요 소음 특성을 확인하였다. 상호상관함수를 이용하여 서로 다른 시점에 각각 수행된 두 시험의 시계열 신호를 동기화 하였으며, 순시 주파수 분석을 통해 주파수 스펙트럼의 시변 특성을 확인하여 압축기의 소음 발생 메커니즘을 규명하였다. 다양한 냉동 사이클 구동 조건에 대응하기 위한 압축기의 속도 가변 설계를 고려하였으며, 운전 속도 상승에 따른 소음 발생 특성의 변화를 규명하였다.
밀폐형 왕복동 압축기의 소음 연구에 있어, 전산해석은 주로 시험 결과를 검증하거나 이론 계산을 뒷받침하는 목적으로 활용되어 왔다. 근래에는 압축기를 구성하는 주요 부품 요소의 소음 특성에 대한 다양한 해석이 이루어지고 있지만, 압축기가 구동되는 경우에 대한 음향 해석은 거의 이루어지지 않았다. 냉매 가스를 압축하는 과정에서 유체, 구조, 전자기력 등 다양한 가진원이 동시에 발생할 뿐만 아니라, 음파의 매질이 되는 유체와 쉘 하우징의 음향-구조 연성 관계를 해석적으로 구현하는 과정이 쉽지 않기 때문이다. 본 연구에서는 냉매 압축 과정에 대한 지배방정식을 수립한 후, 수치해석을 통해 흡입 압력 맥동 및 토출 밸브 충격력을 계산하여 가진원으로 적용하였다. 또한 소음의 전달 경로를 합리적으로 구성하기 위하여 음향-구조 연성 경계조건을 적용한 후 음향 방사 해석을 수행하였다. 이를 통해 시험으로 확인하기 어려운 압축기의 소음 방사 특성을 가시화하여 분석하고, 각각의 가진원에 의한 소음 발생 특성을 개별적으로 분리하여 검토할 수 있는 해석 방법을 수립하였다. 또한 압축기의 운전 속도가 상승함에 따라 소음이 증가하는 현상을 전산해석으로 검증하였다.
냉매 가스의 압축 과정에 대한 고찰을 바탕으로 압축기의 소음이 발생하는 원인을 파악하기 위해서는 기존 연구의 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근이 필요하다. 본 연구에서는 밀폐형 압축기의 주요 부품 특성을 확인하기 위해 고안된 시험 장치를 이용하여 밸브 시스템의 거동 및 실린더 내부의 압력 변화를 측정하고, 냉매 가스가 압축되는 과정의 주요 특성을 파악하였다. 또한, 압축기에서 발생하는 음압의 시계열 신호 및 주파수 스펙트럼을 이용하여 주요 소음 특성을 확인하였다. 상호상관함수를 이용하여 서로 다른 시점에 각각 수행된 두 시험의 시계열 신호를 동기화 하였으며, 순시 주파수 분석을 통해 주파수 스펙트럼의 시변 특성을 확인하여 압축기의 소음 발생 메커니즘을 규명하였다. 다양한 냉동 사이클 구동 조건에 대응하기 위한 압축기의 속도 가변 설계를 고려하였으며, 운전 속도 상승에 따른 소음 발생 특성의 변화를 규명하였다.
밀폐형 왕복동 압축기의 소음 연구에 있어, 전산해석은 주로 시험 결과를 검증하거나 이론 계산을 뒷받침하는 목적으로 활용되어 왔다. 근래에는 압축기를 구성하는 주요 부품 요소의 소음 특성에 대한 다양한 해석이 이루어지고 있지만, 압축기가 구동되는 경우에 대한 음향 해석은 거의 이루어지지 않았다. 냉매 가스를 압축하는 과정에서 유체, 구조, 전자기력 등 다양한 가진원이 동시에 발생할 뿐만 아니라, 음파의 매질이 되는 유체와 쉘 하우징의 음향-구조 연성 관계를 해석적으로 구현하는 과정이 쉽지 않기 때문이다. 본 연구에서는 냉매 압축 과정에 대한 지배방정식을 수립한 후, 수치해석을 통해 흡입 압력 맥동 및 토출 밸브 충격력을 계산하여 가진원으로 적용하였다. 또한 소음의 전달 경로를 합리적으로 구성하기 위하여 음향-구조 연성 경계조건을 적용한 후 음향 방사 해석을 수행하였다. 이를 통해 시험으로 확인하기 어려운 압축기의 소음 방사 특성을 가시화하여 분석하고, 각각의 가진원에 의한 소음 발생 특성을 개별적으로 분리하여 검토할 수 있는 해석 방법을 수립하였다. 또한 압축기의 운전 속도가 상승함에 따라 소음이 증가하는 현상을 전산해석으로 검증하였다.
목차
제 1 장 서론 11.1 연구 배경 11.2 연구 동향 61.3 연구 목적 91.4 연구 내용 10제 2 장 왕복동 압축기 소음 122.1 구조 구성 122.2 구동 원리 162.3 소음 측정 212.4 측정 결과 272.5 고 찰 32제 3 장 소음원 규명 383.1 시험 장치 383.2 소음원 규명 423.2.1 측정 신호 동기화 423.2.2 시계열 신호 분석 453.2.3 순시 주파수 분석 503.3 속도 가변 특성 543.3.1 밸브 거동 분석 543.3.2 고속 운전 순시 주파수 분석 563.3.3 주파수 스펙트럼 비교 59제 4 장 음향-구조 연성 해석 614.1 이론적 배경 614.2 가진원 계산 664.2.1 지배방정식 664.2.2 수치 해석 694.2.3 가진원 도출 744.3 해석 방법 774.4 결과 분석 844.4.1 유체 기인 소음 844.4.2 구조 기인 소음 914.4.3 시험 결과 비교 974.5 고찰 100제 5 장 결론 102기호 설명 104참고 문헌 106Abstract 115
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