에어컨 실외기 트윈 로터리 압축기의 맥동음 발생 메커니즘 규명과 저소음 토출부 개선 설계

키워드

확장요약문

에어컨 실외기에 적용되는 소형 트윈-로터리 압축기는 운전 속도 변화에 따른 소음 변동이 크며, 토출 맥동압력에 기인한 고주파 맥동음이 그 주요 원인으로 지목된다. 본 연구에서는 트윈-로터리 압축기의 유동-구조-음향 연계 해석 체계를 구축하여 고주파 맥동음의 발생 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 토출부(머플러 및 토출 밸브) 설계인자에 따른 소음·성능 민감도를 분석하였다.

실린더 회전에 따른 압축 과정과 토출 밸브의 변형을 2-way 유체-구조 연성(FSI) 기법으로 연계한 압축성 유동해석을 수행하였으며, 작동유체인 R32 냉매는 SRK 실기체 모델과 NIST 물성치를 적용하여 모사하였다. 해석으로 얻은 벽면 압력 섭동, 밸브 충격력 및 축 불평형 토크를 입력 하중으로 하여 압축기-배관계의 진동음향 해석을 수행하였다. 예측된 평균 질량유량은 3.1 %의 오차를 보였고, 방사소음 스펙트럼은 측정 결과와 유사한 경향을 보였으며, 소음원별 기여도 분석 결과 벽면 맥동압력이 넓은 주파수 대역에서 지배적인 가진원으로 나타났다.

단일 로터리 축소 모델에 Upfold의 fluttering 조건을 적용한 결과, 70 Hz 운전 조건에서 토출 밸브의 fluttering이 발생하며 120 Hz 조건에서는 감소함을 확인하였다. STFT 분석 결과 fluttering에 의해 머플러 내부에서 1,000 Hz 부근의 맥동압력이 강하게 발생하였고, 이 성분은 머플러에서 충분히 저감되지 않고 토출 배관을 따라 전파되어 1,190 Hz 등 배관의 진동 모드를 가진함으로써 방사소음을 유발하였다.

토출부 설계인자 민감도 분석 결과(Table 1), 토출구를 2개에서 4개로 늘린 모델은 출구의 난류운동에너지와 대부분 대역의 방사소음이 증가하였다. 머플러 높이를 변경한 모델은 일부 고주파 대역의 방사소음이 감소하였으나 저주파 대역에서는 증가하였다. 반면 토출 밸브의 영률을 2배로 높인 고강성 모델은 밸브 고유진동수가 상승하여 고주파 대역의 출구 압력 맥동과 방사소음이 함께 감소하였으며, 단위 지시동력당 질량유량의 감소는 1 % 미만이었다. 이로부터 밸브 강성 증대가 성능 저하를 최소화하면서 고주파 맥동음을 저감할 수 있는 유효한 설계 방향임을 확인하였다.