KR20050089412A - 압축기의 냉동기유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노물질의 첨가에 의해 보다 기능이 향상되는 압축기의 냉동기유에 관한 것이다. 본 발명에 의한 냉동기유는 마찰면에 구비되어, 마찰력을 줄이는 윤활유와; 상기 윤활유에 함유되는 탄소나노재료를 포함하는 구성을 가지며; 상기 탄소나노재료의 함유비율은 0.1 Wt% 이하가 된다. 특히 상기 탄소나노재료의 함유비율은 0.1 Wt%로 구성되기도 한다. 한편 상기 탄소나노재료는 플러렌(Fullerene, C₆₀ 또는 C₇₀) 또는 탄소나노튜브임을 특징으로 한다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 압축기의 냉동기유에 의하면, 극압성능과 열전도도 등이 향상되는 효과가 있다.

Description

압축기의 냉동기유 {Oil for compressor}

본 발명은 냉동기유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노물질의 첨가에 의해 보다 기능이 향상되는 압축기의 냉동기유에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 냉동사이클에 구비되어 냉매를 압축하는데 사용되는 기기이다. 따라서 냉장고, 냉동고, 에어콘과 같은 공기조화기, 청량음료나 아이스크림의 자동판매기 등에 주로 설치되어 사용된다.

도 1에는 일반적인 냉동사이클 장치의 기본 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 이에 도시된 바와 같이 냉동사이클은 저온저압의 기체냉매를 고온고압의 기체냉매로 변화시키는 압축기(Compressor)(10)와, 상기 압축기(10)에서 변화된 고온고압의 기체냉매를 고온고압의 액체냉매로 변화시키는 응축기(Condenser)(20)와, 상기 응축기(20)를 거쳐 나온 고온고압의 액체냉매를 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 팽창기(Expansion device)(30), 그리고 상기 팽창기(30)에서 변화된 저온저압의 액체냉매를 기체상태로 변화시키면서 외부의 열을 흡수하는 증발기(Evaporator)(40)로 이루어져 있다.

상기와 같은 구성요소들은 냉매관(50)에 의해 폐회로를 형성하며, 이러한 냉매관(50)을 통해 냉매가 순환한다. 냉매는 냉동사이클의 작동유체(作動流體)로서 저온의 물체에서 열을 빼앗아 고온의 물체에 열을 운반해주는 매체를 총칭하는 개념이며, 현재 널리 사용되고 있는 냉매로는 암모니아, 플루오르화염화탄화수소계 냉매(프레온), 공비혼합냉매(共沸混合冷媒), 클로로메틸 등이 있는데, 냉동기의 능력이나 압축기의 형식 및 용도 등에 따라 각 특성에 알맞은 냉매를 선택함으로써 냉동효과를 높일 수 있다.

따라서 냉매는 ① 온도가 낮아도 대기압 이상의 압력에서 증발하고 상온에서는 비교적 저압에서 액화하며, ② 동일한 냉동능력에 대하여 소요동력이 적고, ③ 임계온도가 높고 응고온도가 낮으며, ④ 증발열이 크고 액체의 비열이 작으며 증발열에 대한 액체비열의 비율이 작아야 하며, ⑤ 같은 냉동능력에 대해 냉매가스의 용적이 작고, ⑥ 화학적으로 결합이 양호하여 냉매가스가 압축열에 의하여 분해되더라도 냉매가스가 아닌 다른 가스를 발생하지 않으며, ⑦ 점성도가 작고 열전도율이 좋으며, ⑧ 인화성·폭발성이 없으며 인체에 해롭지 않고 악취가 나지 않아야 하는 등의 여러 조건을 만족하여야 한다.

상기와 같은 조건을 가지는 냉매는 기체상태로 상기 압축기(10)에서 압축되어 고온고압의 기체상태로 토출되며, 고온고압의 기체로 토출된 냉매는 응축기(20)에서 외부공기와 열교환 함으로서 응축되어 액화된다.

상기 응축기(20)에서 응축된 냉매는 상기 팽창기(30)에서 팽창하여 감압된 후 증발기(40)에서 증발하면서 열을 흡수함으로써 냉기를 생성한다. 그리고 생성된 냉기가 팬(도시되지 않음)에 의해 공기조화를 위한 공간(실내)으로 토출되면, 공기조화가 수행되는 것이다.

상기와 같은 냉동사이클에 채용되어 냉매를 압축하는 압축기(10)는 압축방법에 따라 왕복동형, 로터리형 그리고 리니어형 압축기 등으로 구분할 수 있다.

왕복동 압축기는 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 피스톤을 직선운동시켜 냉매를 압축하는 것이고, 로터리 압축기는 모터의 회전운동에 의하여 로울러가 편심회전운동하여 냉매를 압축하는 것이며, 리니어 압축기는 직선운동력을 발휘하는 선형모터가 피스톤을 직선왕복시켜 냉매를 압축하는 것이다.

상기한 여러종류의 압축기는 냉매의 압축과정에서 마찰과 마모가 과도하게 발생한다. 따라서 이러한 압축기 내부의 마찰부위에는 윤활이 필요하며, 이를 위해 윤활유로서 오일(oil)이 주로 사용되는데 이러한 오일을 냉동기유라 칭하기도 한다.

상기 냉동기유의 기본적인 기능은 상기 압축기(10) 윤활부분의 마찰을 최소로 하여 기계부품의 마모를 방지하고, 냉동사이클내의 고압/저압 사이의 가스(gas)압 차이를 유지하는 오일실(oil seal)의 역할을 겸한다. 한편 케이스의 벽면 등을 통해 내부 열을 외부로 방출하기도 한다.

따라서 상기와 같은 냉동기유는 우선 적정한 점도를 유지하여 윤활성이 우수하여야 한다. 즉 냉동기유의 점도가 낮으면 윤활이 불량하게 되고, 점도가 높을 때는 밀봉성 저하로 내부 누설이 발생하게 되어 기계효율의 저하를 가져오게 되는 것이다.

이외에 열,화학적 안정성이 우수하여야 하며, 냉매와 공존가능하여야 하는 한편 전기절연성이 우수하고, 유기재료에 대해 안정하여야 하는 등의 여러 조건을 갖추어야 한다. 그리고 상기 압축기(10) 내부의 냉동기유 중 일부는 냉매와 함께 상기 냉매관(50)을 따라 순환되기도 하므로, 냉매가 갖추어야 하는 조건도 구비할 필요가 있다.

그러나 상기와 같은 종래기술에서는 압축기(10)의 냉동기유로 오일(Oil)이 단독으로 사용되므로 냉동기유의 기본적인 기능을 제대로 수행하지 못하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소나노재료를 부가하여 보다 기능이 향상된 냉동기유를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 윤활유에 함유되는 최적의 탄소나노재료 비율을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 압축기의 냉동기유는, 마찰면에 구비되어, 마찰력을 줄이는 윤활유와; 상기 윤활유에 함유되는 탄소나노재료를 포함하는 구성을 가지며; 상기 탄소나노재료의 함유비율은 0.1 Wt% 이하임을 특징으로 한다.

그리고 상기 탄소나노재료의 함유비율은 0.1 Wt% 임을 특징으로 한다.

한편 상기 탄소나노재료는 플러렌(Fullerene, C₆₀ 또는 C₇₀) 또는 탄소나노튜브임을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 압축기의 냉동기유에 의하면, 극압성능과 열전도도 등이 향상되는 효과가 있다.

이하 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

압축기는 상기에서 설명한 바와 같이 냉동사이클 등에 구비되어 냉매를 압축하는 기기로, 여기에는 윤활 역할을 하는 냉동기유가 구비된다. 그리고 본 발명에 의한 압축기의 냉동기유는 부품사이의 마찰력을 줄이는 윤활유와, 탄소나노재료인 플러렌(Fullerene, C₆₀ 또는 C₇₀)으로 구성된다.

나노재료(Nanostructured Materials)란 여러 가지 물리적 화학적, 기계적 방법으로 제조된 100㎚ 이하의 결정립크기를 가지는 재료를 말하며, 나노결정립 재료를 필요로 하는 이유는 가공크기의 감소에 맞추어 결정립이 작아져야 한는 점 외에도 결정립의 크기가 나노 미터 수준으로 작아지면 기존재료(미크론 크기)에서는 나타나지 않던 독특한 물성을 기대할 수 있기 때문이다.

상기 플러렌(Fullerene)은 20개의 6각형과 12개의 5각형으로 이루어진 축구공 모양의 분자구조를 가지며, 기존의 결정 물질들과는 달리 주기적인 성질이 없기 때문에 X-선 회절이나, 전자선 회절법으로는 관측이 불가능하다.

그리고 상기와 같은 플러렌을 윤활유에 분산시켜 냉동기유를 만들기 위해서는 기계적인 교반기나, 초음파 분산기를 비롯한 다양한 기기가 사용된다.

교반(攪拌,agitation)은 물리적 또는 화학적성질이 다른 2종 이상의 물질을 외부적인 기계에너지를 사용하여 블레이드(Blade)의 회전에 의해 균일한 혼합상태로 만드는 일을 일컫는 것으로, 균일화할 때 용해하여 섞이는 액체·기체·고체를 각각 혼합하는 경우와, 콘크리트와 같이 고체와 액체 또는 액체와 기체 등 2상(相) 이상의 것을 혼합하는 경우가 있다.

또 서로 섞이지 않는 액체들을 교반에 의해서 에멀션[乳劑]을 만들거나, 미세한 고형입자(固形粒子)와 액체를 교반하여 도료(塗料)를 만드는 일도 있으며, 교반에 의해서 상을 균일하게 하는 기계를 교반기라 하는데, 이러한 교반기는 일반적으로 저점도(低粘度) 물질을 난류상태로 만드는 장치이다.

그러나, 상기와 같이 교반기를 이용한 카본나노재료의 기계적인 분산방법은 저렴한 제조비용으로 가능한 가장 간단한 방법이기는 하나, 카본나노재료의 첨가시 발생되는 점도 증가로 인해 교반에 필요한 에너지가 많이 소비되고 카본나노재료가 골고루 분산되지 않고 서로 응집되는 단점이 있다.

따라서 초음파 분산기에 의한 분산방법이 사용되기도 한다. 초음파 분산기는 도 2에 도시된 바와 같은 구성을 가지며, 주로 서로 섞이기 어려운 이종의 물질을 섞거나 분산하는데 이용하는 기기이다.

초음파 분산기는 역압전효과(inverse piezoelectric effect) 현상을 이용하여 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 바꾸는 압전세라믹스와 초음파 진동자에 의해서 초음파를 발생시키고, 발생된 초음파의 진폭을 확대시키기 위해 진동자에 부스터와 혼(horn)을 부착하고 이를 구동시키기 위한 초음파 발진기로 이루어진다.

그리고 이러한 초음파 분산기는 진동자-혼에 의해서 발생된 초음파의 동력적 기능을 이용하는 것이며 이 동력적 기능은 진동자-혼에 의해서 발생된 초음파를 수용액 속에 조사할 때 발생하는 공동화기포 (cavitational bubbles)에 의해서 이루어진다.

즉, 초음파를 수용액 속에 조사하였을 때 발생하는 공동화기포내부의 온도와 압력이 매우 높고 그 기포들이 성장하여 파열될 때 고온·고압의 충격파가 발생하기 때문에 그것이 매우 높은 에너지원으로 작용하여 섞이기 어려운 이종의 액체를 섞거나 분산하는데 이용한다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 윤활유와 플러렌을 용기(60)속에 넣고, 초음파 분산기(70)의 빔(72) 하단이 용기(60)속의 혼합물질속에 담기게 한 다음, 전면의 콘트롤판넬부(74)를 조작하여 초음파를 발생시키면 플러렌이 윤활유에 골고루 분산되는 것이다.

이론적인 계산으로는 나노크기(Nano Size)의 입자가 분산되면 거의 반 영구적으로 안정된 상태로 되지만, 실제 나노유체는 응집에 의해 입자의 직경이 증가되기 때문에 침전속도는 가속화된다. 그러나 상기와 같은 플러렌이 윤활유에 분산되면, 정성적인 비교(육안관찰 비교)로는 무시할 수 있을 정도로 침전량이 작아진다.

도 3에는 내마모성 테스트를 위한 시료가 도시되어 있다.

내마모성 테스트를 위한 시료로는 저널(Journal,80)과 V블록(Vee Block,82)이 사용되었다. 즉 상기 저널(80)은 AISI 3135 스틸(steel) 재질(로크웰 경도; HRC 6)이 사용되고, 상기 V블록(82)으로는 AISI C-1137 스틸(steel) 재질(로크웰 경도; HRC 20~24)가 사용되었다.

한편 도 4에는 상기와 같은 플러렌의 함유비율에 따른 내마모성 테스트 결과가 도시되어 있으며, 이러한 실험은 하중(Load) 100kgf, 290rpm 및 1시간(hr)의 조건하에 시행되었다.

상기 내마모성 테스트 결과, 윤활유(4GSI)에 플레렌이 0.1 wt% 함유된 시료에서는 플러렌이 함유되지 않은 냉동기유에 비해 내마모성이 오히려 감소하고, 플레렌이 0.1 wt% 함유된 시료(도 3b에서 3번 시료)에서는 상기 V블록(82)의 마모량이 최소가 되었다. 따라서 내마모성 향상을 위한 최적의 플러렌 비율은 0.1 wt% 보다는 작아야 함을 알 수 있다.[도 4 참조]

도 5에는 윤활유(4GSI)에 함유되는 플러렌의 비율에 따른 극압성능 테스트 결과가 테이블로 도시되어 있다. 이와 같은 극압성능 테스트 결과에서는 플러렌이 함유되지 않은 경우 또는 플러렌이 0.3 wt% 함유된 경우에는 100 kgf/㎠ 하중 이전에 유막이 파괴되었다.

그리고 플러렌이 0.1 wt% 함유된 경우에는 270 kgf/㎠ 까지 극압성능이 향상되었으며, 플러렌의 함유량을 0.01 wt%로 한 경우에도 약 270 kgf/㎠까지 극압성능이 향상되는 결과를 보였다. 이와 같이, 플러렌의 함유량이 0.1 wt% 이하에서는 거의 동일한 극압성능을 가지는 것으로 보인다.

한편 플러렌의 함유에 따라 변화되는 냉동기유의 열전도도를 계산하기 위해서는

계산식 ; k=[q/{4π(T₂-T₁)}]*ln(t₂/t₁) [Nagasaka,1984]이 사용되며,

여기서, k는 유체의 열전도도이며, q는 열선에 가해진 단위 길이당 전력, t는 측정시간, T는 시각 t에서 열선의 온도를 의미한다.

한편 도 6a에는 플러렌의 함유에 따른 열전도도 측정을 위한 개략적인 구성도가 도시되어 있으며, 도 6b에는 플러렌과 탄소나노튜브의 함유에 따른 열전도도 측정 결과가 도시되어 있다. 여기서 도 6a의 G는 검류계(Galvanometer)이며, P는 파워서플라이(Power Supply)이다.

상기와 같은 구성에서 측정이 이루어지는 것을 살펴보면, 우선 초기값이 0이 되도록 가변저항을 조정하고 전원을 공급하면, 백금선(Pt Wire)의 저항에 의해 온도가 상승하며 이에 따라 저항이 상승하여 검류계(Galvanometer)에 걸리는 전압의 변화가 발생한다.

그리고 전압의 변화로부터 백금선 저항변화를 계산하고, 온도-저항 곡선으로부터 온도변화의 정보를 얻는다. 이와 같이, 온도변화와 백금선에 가해진 히트 플럭스(Heat Flux)를 통해 열전도도가 계산되는 것이다.

이와 같은 측정과 계산에 의해 플러렌과 같은 나노입자가 첨가됨에 따라 냉동기유의 열전달 능력은 향상된다.[도 6b 참조] 특히, 도 6b의 그래프에 도시된 바와 같이 플러렌이 함유된 경우가 탄소나노튜브가 함유된 경우에 비해 열전도도 향상이 탁월함을 알 수 있다.

이처럼 냉동기유의 열전도도가 향상되면, 압축기에서의 열방출이 증가하고 냉동기유가 냉매와 함께 냉매관을 순환하면서 열을 전달하게 되므로 냉동사이클 전체의 열교환능률을 향상시키게 된다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

즉 상기에서는 탄소나노재료의 일예로서 플러렌이 함유된 냉동기유를 예로 들어 설명하였으나, 이와 같은 플러렌 뿐만 아니라 탄소나노튜브나 흑연(graphite) 같은 다른 나노재료가 사용될 수 있음은 물론이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 압축기의 냉동기유에서는, 플러렌의 함유에 따라 냉동기유의 성능이 향상된다.

즉 종래와 같이 윤활유 단독으로 사용되는 냉동기유에 비해 본 발명에 의한 냉동기유에는 플러렌이 더 함유되므로, 내마모성이 증가된다. 뿐만 아니라 극압성능 및 열전도도가 현저히 향상되는 이점도 있다.

특히 플러렌과 같은 탄소나노재료의 함유비율이 0.1wt 이하가 되도록 구성하므로써, 저렴한 비용으로 최적의 성능이 발휘되는 장점이 있다.

결국 상기와 같은 냉동기유가 사용되는 압축기가 제기능을 발휘하게 되므로며, 전체적으로는 냉동사이클의 성능이 향상되는 효과를 가져온다.

도 1은 일반적이 냉동사이클의 기본 구성도.

도 2는 초음파 분산기의 구성을 보인 사시도.

도 3은 본 발명에 의한 압축기용 냉동기유의 성능 시험에 사용된 시료를 보인 사시도.

도 4는 본 발명에 의한 압축기용 냉동기유의 내마모성 테스트 결과를 보인 측정결과표.

도 5는 본 발명에 의한 압축기용 냉동기유의 극압성능 테스트 결과를 보인 측정결과표.

도 6a는 본 발명에 의한 압축기 냉동기유의 열전도도 변화 측정장치의 구성을 보인 회로구성도.

도 6b는 본 발명에 의한 압축기용 냉동기유의 열전도도 측정 결과를 보인 실험그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

60. 용기 70. 초음파 분산기

72. 빔 74. 콘트롤판넬부

80. 저널 82. V블록

G. 검류계 P. 파워서플라이

Claims (4)

1. 마찰면에 구비되어, 마찰력을 줄이는 윤활유와;

   상기 윤활유에 함유되는 탄소나노재료를 포함하는 구성을 가지며;

   상기 탄소나노재료의 함유비율은 0.1 Wt% 이하임을 특징으로 하는 압축기의 냉동기유.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소나노재료의 함유비율은 0.1 Wt% 임을 특징으로 하는 압축기의 냉동기유.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 탄소나노재료는 플러렌(Fullerene, C₆₀ 또는 C₇₀)임을 특징으로 하는 압축기의 냉동기유.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 탄소나노재료는 탄소나노튜브임을 특징으로 하는 압축기의 냉동기유.