KR20050051869A - 압축기용 윤활유 - Google Patents

Abstract

본 발명의 압축기용 윤활유는 윤활유의 열전도도를 향상시키고 마찰계수를 저감시키기 위한 것으로서, 통상의 윤활유를 형성하는 베이스유체에 탄소 나노 분말자, 탄소 나노 튜브 또는 금속 나노 분말을 혼합하여, 실린더 내의 냉매 압축열을 신속하게 방열시켜 압축기의 압축 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

압축기용 윤활유{Lubricant oil for compressor}

본 발명은 압축기용 윤활유에 관한 것으로서, 특히 압축기의 압축실 내부에서 냉매의 압축에 의해 발생된 압축열을 외부로 신속하게 방열시키도록 미세한 나노 입자가 첨가된 압축기용 윤활유에 관한 것이다.

일반적으로 냉각계통에 사용되는 압축기는 증발기에서 나온 저온·저압의 기체상태의 냉매를 흡입, 압축, 토출하는 과정을 거쳐 고온·고압의 냉매로 압축하여 응축기로 보내는 장치이다.

상기의 압축기는 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 스크류식, 회전식, 원심식 압축기로 나뉘어질 수 있다.

위의 압축기 중에서 왕복동식 압축기를 일례로 들어 윤활유의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 1은 통상의 왕복동식 압축기의 개략도를 나타낸 것으로, 일반적인 왕복동식 압축기는 케이스(1)내에 압축기 본체(2)가 배치되고, 압축기 본체(2)는 동력을 제공하는 모터(3)와, 모터(3)의 회전력을 왕복운동으로 전환하여 전달하는 커넥팅로드(4) 및 피스톤(5)과, 실린더(6)로 구성된다.

상기 왕복동식 압축기의 냉매 압축동작은, 모터(3)에 의한 회전운동을 커넥팅로드(4)와 연결된 피스톤(5)의 직선왕복운동으로 전환하고, 실린더(6) 내로 흡입된 냉매는 피스톤(5)의 왕복운동에 의해 압축된 뒤 토출된다.

위와 같은 왕복동식 압축기에 있어서, 윤활유(7)는 케이스(1) 내부의 저면에 저장된 상태에서 모터(3)와 연동되는 오일주걱(미도시)에 의해 피스톤(4)과 실린더(5)의 접촉면 사이로 비산되어 피스톤(5)과 실린더(6)의 접촉면 사이에 윤활막(8)을 형성하며 마찰력을 감소시키는 역할을 한다.

또한, 압축기용 윤활유는 실린더(6)내에서 압축되어 온도가 상승된 냉매의 열을 방열시키는 역할을 겸한다.

특히, 압축기의 실린더(6) 내에서 압축되는 냉매의 온도 상승은 압축기의 압축성능을 떨어뜨리는 결정적인 요인으로, 압축기 소요 동력의 대부분이 0.01초 내외의 짧은 시간 동안에 이루어지는 냉매의 압축과정에 사용된다.

때문에, 냉매의 압축일률을 향상시키기 위해서 냉매의 압축과정에서 발생되는 고열이 신속하게 방출될 수 있도록 윤활유의 높은 열전도도가 요구된다.

또한, 압축기용 윤활유는 냉매에 실려 응축 장치, 팽창 기구(팽창 밸브 등), 증발 장치를 포함하는 냉매 유로를 경유하여 순환된다.

이렇게 순환되는 압축기용 윤활유는 경유하는 장치의 종류에 따라 조건이 상이할 수 있지만, 일반적으로 압축기내에서는 고온이기 때문에, 넓은 온도 범위에 걸쳐 상 분리되지 않으면서 순환될 수 있을 것이 요구된다.

위와 같은 조건을 만족시키는 압축기용 윤활유로 종래에는 동식물유, 광유, 합성윤활유를 사용한 적도 있었으나, 현재에는 대부분 물과 엔진오일과 에틸렌 글리콜이 혼합된 윤활유를 가장 많이 사용하고 있다.

그러나, 위와 같은 종래의 압축기용 윤활유는 열전도도 면에서 한계가 있고, 윤활유가 고온인 경우에 윤활성능이 저감되어 냉매의 압축효율이 저감되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전도도와 윤활성능이 높은 압축기용 윤활유를 제공하여 압축기의 압축효율이 향상되도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 압축기용 윤활유는, 윤활유를 형성하는 베이스 유체에 미세한 나노 입자가 첨가된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 나노 입자는 탄소 나노 분말, 탄소 나노 튜브 및 금속 나노 분말 중 적어도 어느하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 베이스 유체가 물과 엔진오일과 에틸렌 글리콜로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 압축기용 윤활유는, 윤활유를 형성하는 베이스 유체와, 상기 베이스 유체에 첨가된 탄소 나노 분말, 탄소 나노 튜브, 금속 나노 분말중 적어도 어느하나인 나노 입자로 이루어진다.

상기 탄소 나노 분말은 1nm 내지 40㎛의 입자크기를 가지고 탄소원자가 sp3결합된 구형 분말이 바람직하다.

상기 탄소 나노 튜브는 길이와 외경이 1nm 내지 100nm이고, 하나의 탄소원자에 3개의 다른 탄소 원자와 sp2 결합하여 육각형의 벌집형태로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 금속 나도 분말은 열전도가 잘되는 은, 구리, 알루미늄중 어느하나의 물질로 이루어진 분말이고, 열전도가 잘되는 실리콘 및 알루미나(AL2O3)중 어느하나의 비금속물질이 혼합될 수 있다.

상기 금속 나노 분말 또한 40nm이하의 입자크기를 갖는 구형분말이 바람직하다.

상기 탄소 나노 분말, 탄소 나노 튜브, 금속 나노 분말이 첨가되는 베이스 유체는 물, 엔진오일, 에틸렌 글리콜이 혼합되어 제조된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

도 1에 도시된 압축기 본체(2)내에서 왕복운동하는 피스톤(5)과 실린더(6) 사이의 접촉면에 탄소 나노 분말, 탄소 나노 튜브 및 금속 나노 분말의 적어도 어느하나가 첨가된 베이스 유체로 이루어진 윤활유의 막(10)이 형성된다.

상기의 나노 입자가 혼합된 윤활유는 상기 피스톤(5)의 왕복운동을 원활하게 하고, 냉매의 압축 시에 발생되는 열을 외부로 신속하게 방열시킨다.

또한, 상기 나노 입자가 혼합된 윤활유는 냉매에 실려 응축 장치, 팽창 기구, 증발 장치를 포함하는 냉매 유로를 경유하여 순환될 때, 열전달이 잘 되는 나노입자들로 인해 고온과 저온의 넓은 온도 범위에 걸쳐 상 분리가 되지 않은 채 순환될 수 있다.

특히, 탄소 나노 입자는 sp3결합을 가지고 있어서 열에 매우 강한 특성을 가지고 있고, 자체 윤활성능도 가지고 있으며, 단일상(single phase)을 이루고 있고, 침전, 응집 현상이 없어서 윤활유로 사용되기에 가장 바람직하다.

도 2는 본 발명에 따른 윤활유의 제조 장치를 나타낸 개략도로써, 베이스 유체(32)가 담긴 외부용기(30)에 나노입자가 든 내부용기(31)가 잠기게 하고, 내부용기(31)에 압축공기를 불어넣어 내부용기(31)에 든 나노입자가 압축공기와 함께 내부용기(31)의 상부 매시(mesh)면(33)으로 분출되면서 베이스 유체(32)와 섞인다.

상기 내부용기(31)에 가해지는 압축공기는 상기 메시면(33)으로 토출되면서 외부용기(30)에 담긴 베이스 유체(32)를 와류 유동시켜서, 상기 내부용기(31)에서 분출되는 나노입자가 더 잘 섞이게 한다.

(실시예 1)

통상의 엔진오일 99.8중량%에 직경이 35㎛인 구형의 탄소 나노 분말 0.2중량%를 혼합하여 압축기용 윤할유를 제조하였다.

(실시예 2, 3)

상기 엔진오일 99.6중량% 또는 99.4중량%에 상기 탄소 나노 분말 0.4중량% 또는 0.6중량%를 각각 혼합하여 압축기용 오일을 제조하였다.

(실시예 4)

통상의 엔진오일 99.8% 중량 %에 외경 및 길이가 40㎛인 육각형 벌집형태의 탄소 나노 튜브 0.2% 중량%를 혼합하여 압축기용 윤활유를 제조하였다.

(실시예 5, 6)

상기 엔진오일 99.6 중량% 또는 99.4 중량%에 상기 탄소 나노 튜브 0.4중량% 또는 0.6중량%를 각각 혼합하여 압축기용 오일을 제조하였다.

		T1	T2	V	q	k2
종래기술		22.1	48.0	0.1942	378690	14.31
탄소 나노분말이 혼합된윤활유	0.2%	22.9	47.7	0.3914	763230	39.99

	0.4%	22.2	46.7	0.4674	911430	55.59
	0.6%	22.1	47.6	0.5190	1012050	62.96
탄소 나노튜브가 혼합된윤활유	0.2%	25.5	47.3	0.1946	379470	17.79
	0.4%	23.2	47.5	0.2879	561405	25.98
	0.6%	20.2	47.5	0.5169	1007955	54.82

상기 표 1은 본 발명의 제1실시예 내지 제6실시예에 따라 제조된 윤활유를 종래기술인 엔진 오일만으로 된 윤활유와 비교 실험한 데이터를 나타낸 것이다.

도 3은 상기 실험 데이터를 측정하기 위한 장치의 구성도를 나타낸 것으로, 양측단에 일정한 온도를 가진 찬물(40)과 뜨거운 물(46)이 각각 배치되어 일정한 온도차이를 유지하고, 그 사이에 상기 찬물(40)측으로 부터 뜨거운 물(46)측으로 알루미늄판1(41), 알루미늄판2(42), 윤활유가 든 판(43), 알루미늄판3(44), 알루미늄판4(45)가 차례로 겹쳐져서 배치된다.

상기 알루미늄판1(41)과 알루미늄판2(42)사이에는 온도커플러(47)의 일극이 설치되고, 상기 알루미늄판3(44)과 알루미늄판4(45)사이에는 온도커플러(47)의 타극이 설치되어, 그 양극 사이의 전압차이(V)를 스캐너(48)에서 측정하였다.

또한, 상기 알루미늄판1(41)과 알루미늄판2(42) 사이의 온도차이를 T1, 상기 알루미늄판2(42)와 윤활유가 든 판(43) 사이의 온도차이를 T2, 상기 윤활유가 든 판(43)과 알루미늄판3(44) 사이의 온도차이를 T3, 알루미늄판3(44)과 알루미늄판4(45) 사이의 온도차이를 T4라고 할 때, T1과 T4를 측정하였다.

위의 측정치를 푸리에의 공식을 이용하여 정리하면,

-------- (1식)

-------------- (2식)

으로 나타이다.낼 수 있고, (1식)의 q는 열전도 속도이고, V는 전압이며, (2식)의 R은 열저항으로

위 식의 L은 판의 두께이고, k는 열전도도이고, A는 판의 접촉면적이다.

이때, (2식)의 는 나노 입자가 포함된 윤활유막의 두께와 접촉면적을 일정하게 하여 0.0008(1/m) 값을 가지도록 하였다.R값 중에서 R1과 R3는 각각 알루미늄판2(42)와 알루미늄판3(44)의 두께와 열전도도와 접촉면적으로 구해지며, 본 실험에서는 R1+R3값이 1.249*10-5(K/W)을 가지고,

따라서, 위의 식들을 정리하이 되고, 표 1의 k2값은 위의 실험에서 윤활유가 든 판(43)의 윤활유를 전체 윤활유 체적비의 0.2%, 0.4%, 0.6%에 해당하는 나노 입자를 섞은 윤활유로 교체해 가며, 각각 측정된 T1, T3, V값을 대입하여 구하였다.면, k2는

첨부된 도 5의 그래프는 상기 표 1의 k2의 값을 종래기술의 엔진오일만의 k2값으로 나눈 값을 나타낸 것이다.

상기 표 1과 도 5의 그래프에서 보이는 바와 같이, 탄소 나노 분말 0.2%가 혼합된 윤활유의 경우 종래기술의 엔진오일 보다 열전도도가 2.8배 향상된 성능을 보이고, 탄소 나노 튜브 0.2%가 혼합된 윤활유의 경우에도 종래기술의 엔진오일보다 열전도도가 1.2배 향상되었으며, 혼합 성분비가 증가됨에 따라 열전도도가 상당히 증가되었다.

위 실험 결과에서도 알 수 있듯이, 나노 입자가 첨가된 윤활유는 압축기에 적용될 경우 냉매의 압축열을 종래기술의 윤활유에 비해 더욱 잘 방열시킬 수 있을 것이다.

특히, 탄소 나노 입자나 탄소 나노 튜브가 첨가된 윤활유는 냉매의 압축열을 상당히 잘 방열시킬 수 있을 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 압축기용 윤활유는 탄소 나노 입자를 윤활유에 첨가함으로써, 열전도도를 증대시켜서 실린더 내의 냉매 압축열이 용이하게 방열되고, 이로 인해 압축기의 압축 성능을 향상시키는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 윤활유의 윤활 성능이 향상되어 압축기 구동장치에서의 마찰손실을 저감시키는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 탄소 나노 입자는 부유성이 탁월하여 입자가 침전되거나 응집되지 않아 배관계통이 막히지 않는 장점을 가진 것이다.

도 1은 통상의 왕복동식 압축기의 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 실시예의 윤활유의 제조 장치를 나타낸 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 실시예의 윤활유의 열전도도를 측정하기 위한 측정장치의 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 실시예의 윤활유의 열전도도 비의 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 케이스 2 : 압축기 본체

3 : 모터 4 : 커넥팅 로드

5 : 피스톤 6 : 실린더

10: 윤활유 막 11: 윤활유

Claims (12)

1. 통상의 윤활유로 이루어진 베이스 유체에 미세한 나노 입자로 혼합된 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 나노 입자는 탄소 나노 분말, 탄소 나노 튜브 및 금속 나노 분말 중 적어도 어느하나인 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 나노 입자는 탄소 나노 분말인 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 탄소 나노 분말은 직경이 40nm 이하인 구형분말인 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 나노 입자는 탄소 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 탄소 나노 튜브는 외경 및 길이가 각각 100㎛ 이하인 육각 튜브인 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 금속 나노 분말은 은, 구리 및 알루미늄중 적어도 어느하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 금속 나노 분말은 실리콘 및 알루미늄중 적어도 어느하나가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 금속 나노 분말은 직경이 40nm 이하인 구형분말인 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
10. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느한 항에 있어서,

    상기 나노 입자는 압축기용 윤활유의 총중량에 대하여 0,2중량% 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 나노 입자는 압축기용 윤활유의 총중량에 대하여 0.6중량% 이하가 포함된 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.
12. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느한 항에 있어서,

    상기 베이스 유체는 물, 엔진오일 및 메틸렌 글리콘이 혼합되어 제조딘 것을 특징으로 하는 압축기용 윤활유.