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본 연구는, 친환경 차량용 CO2 냉매를 적용한 전동식 압축기의 실제 설계에 있어서, CO2 냉매의 특성을 이해하고, 압축 방식에 따른 성능 해석 모델을 구성하고, 성능에 영향을 미치는 설계 인자에 대한 parameter 연구 결과를 제시함으로써 보다 나은 성능의 압축기를 설계할 수 있도록 설계 자료를 제공하는데 주 목적을 두었다. 이에 따라 고정 사판식 전동 압축기와 스크롤 전동 압축기에 대한 개념 설계를 진행하였다. 성능해석 모델을 구성하였고, 압축기 설계를 위한 상수와 ...

본 연구는, 친환경 차량용 CO2 냉매를 적용한 전동식 압축기의 실제 설계에 있어서, CO2 냉매의 특성을 이해하고, 압축 방식에 따른 성능 해석 모델을 구성하고, 성능에 영향을 미치는 설계 인자에 대한 parameter 연구 결과를 제시함으로써 보다 나은 성능의 압축기를 설계할 수 있도록 설계 자료를 제공하는데 주 목적을 두었다. 이에 따라 고정 사판식 전동 압축기와 스크롤 전동 압축기에 대한 개념 설계를 진행하였다. 성능해석 모델을 구성하였고, 압축기 설계를 위한 상수와 설계 변수에 대하여 수식적으로 일반화 하였다. 또한 개념 설계된 Prototype 압축기를 제작하고 평가하여, 실험 결과에 의해 검증된 성능 해석 모델을 제안하였다. 검증된 성능해석 모델을 이용하여 고정 사판식 압축기 성능에 큰 영향을 미치는 설계 인자인 stroke to bore ratio에 대하여 비교하였고, 성능과 소요 동력을 고려하여 최적의 구간을 선정하였다. 또한 밸브 포트 크기의 비율에 따른 압축기 효율 특성을 비교하였다. 스크롤 압축기의 경우 성능에 가장 크게 영향을 미치는 누설 간극에 대하여 비교하였다. 본 연구의 중요한 절차와 결과는 다음과 같이 요약된다.
고정 사판식 전동 압축기의 연구 결과, 고정 사판식 전동압축기의 개념 설계 모델을 제시하고, 개념 설계 모델의 성능해석을 위한 geometry and kinematics model, compression model, valve dynamic model, leakage model을 구성하였다. 성능해석 모델은 고압냉매인 CO2의 특성을 고려하여 구성하였으며, 압축 과정에 따른 열전달 계수를 적용하였다. 그리고 동적 거동 해석을 위해 각 구동부품의 마찰손실을 계산하는 다이나믹 모델을 구성하였다. 특히 보다 정확한 소요동력을 예측하기 위하여 전장부(모터와 인버터)의 다이나모 평가를 통한 효율 방정식을 제시하였다. 제작된 시작품의 평가 결과와 시작품 사양에 대한 성능해석 결과를 비교하였고, 비교 결과 모든 성능 지표에서 5%이내의 정확한 결과를 얻었다. 이것으로 성능해석 모델의 정확성을 검증하였으며 이를 이용하여 고정 사판식 압축기의 성능에 영향을 미치는 스트로크와 보어의 비에 따른 성능해석을 하였고, 그 결과 SBR 1.5~2 구간에서 높은 성능을 보임을 확인하였다. 이것은 R134a 및 CO2와 비교되었으며 가장 적절한 SBR 구간이 선정되었다. 또한, 압축기 효율 특성은 밸브 포트 크기 비율에 따라 비교하였다.
스크롤 전동압축기의 연구 결과, 스크롤 방식 전동 압축기에 대한 개념 설계 모델을 제시하였고, 고압 냉매인 CO2 냉매 적용에 따라 스크롤의 곡선은 대수 나선 곡선을 선정하였다. 대수나선 곡선에 대한 연구 결과들이 부족하고 산재되어 있어, 본 연구에서는 대수나선 곡선을 이용한 스크롤 압축기의 성능 해석 모델을 상세히 기술하였다. 성능해석을 위해 scroll geometry model, 접점 과 면적 계산, compression model, leakage model을 구성하였으며, 동적 거동 해석을 위해 Dynamic model을 구성하였다. 이를 위해 스크롤 설계를 위한 대수 나선 곡선의 수식과 설계 시 결정해야 하는 상수 a 의 결정 방법에 대하여, 압축기 설계 변수에 대한 식으로 일반화 하였으며, 대수 나선 스크롤에서 생성되는 압축 챔버의 두 접점에 관계를 일반화 하였다. R134a 냉매용 시작품을 제작하고 평가하였고, 성능해석 결과와 비교하였으며, 비교 결과 모든 성능 지표에서 5% 이내의 정확성을 확인하였다. CO2 스크롤 모터 압축기의 성능에 영향을 미치는 가장 중요한 변수는 누설 간극이다. 검증된 성능해석 모델을 이용하여 성능에 큰 영향을 미치는 축 방향 누설 간극과 반경 방향 누설 간극에 따른 성능해석을 실시하였다. 누설 간극의 증가에 따라 큰 성능저하를 확인하였다. 축 방향 누설 간극과 반경 방향 누설 간극에 대하여 R134a 및 CO2 스크롤 전동 압축기의 성능 분석 결과, R134a 냉매의 경우 누설 간극으로 인한 성능 저하가 적었다. 그러나 CO2 냉매의 경우 누설 간극으로 인한 성능 악화가 위에서 언급 한 것처럼 크게 발생했다. 이것은 R134a보다 CO2 냉매 압축 실의 압력 차가 높기 때문에 누설 간극으로 인한 누설량이 크기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an attempt is made to construct performance analysis models for both fixed swash plate type and scroll type electric driven compressor using CO2 refrigerant for eco-friendly vehicles. The main purpose of this study is to develop a design tool for the design of a compressor with better...

In this study, an attempt is made to construct performance analysis models for both fixed swash plate type and scroll type electric driven compressor using CO2 refrigerant for eco-friendly vehicles. The main purpose of this study is to develop a design tool for the design of a compressor with better performance through the parametric analysis on design factors which influence the performance according to the compression method. The concept design of both the fixed swash plate type electric driven compressor and the scroll type electric driven compressor was carried out, and the performance analysis models for each proved by the experimental results were proposed. Using the performance analysis model, the performance of the fixed swash plate type electric driven compressor was compared for the stroke to bore ratio(SBR) to select the most appropriate value, which is crucial in determining the performance, input power, and compressor size. In addition, the compressor efficiency characteristics were compared according to the valve port size ratio for this case. For the CO2 scroll type electric driven compressor, the most important variable affecting the performance is the leakage as it is a high-pressure refrigerant. The efficiency characteristics were compared using the constructed performance analysis model. The important procedures and results from the present study are summarized as follows:
For the case of the fixed swash plate type electric driven compressor, the concept design model is presented, and a geometry and kinematics model, a compression model, a valve dynamic model, and a leakage model are constructed for performance analysis of a concept design model. In order to analyze the dynamic behavior a dynamic model for calculating the friction loss of the driving component is constructed. The performance analysis model was constructed considering the characteristics of high pressure refrigerant CO2, and the heat transfer coefficient according to the compression process applied. For dynamic behavior analysis, the dynamic model was constructed to calculate the friction loss of each driving component. To predict the power consumption more accurately, the efficiency equation through the dynamo evaluation of the electric components(motor and inverter) is presented. A prototype of a fixed swash plate type electric driven compressor for CO2 refrigerant was fabricated with an evaluation system. The performance test results of the prototype and the performance analysis results of the prototype were compared with each other, and it was found that the results were within 5% of all performance indicators. Based on this verification performance analysis model was used to analyze the performance of the fixed swash plate type electric driven compressor according to the stroke and bore ratio and it was confirmed that the performance of SBR 1.5 ~ 2 was high. As a result of analyzing the influence of SBR on the capacity of CO2 compressor applicable to environmentally friendly vehicles, optimum performance results were predicted in SBR 1.5 ~ 2 at all capacities. The effect of R134a refrigerant compressor on SBR was also compared. In addition, performance changes of R134a refrigerant and CO2 refrigerant compressor according to valve port size ratio were compared. The isentropic efficiency changes according to the valve port size ratio were compared. Using the performance analysis model, the performance of the fixed swash plate type electric driven compressor was compared with that of the stroke to bore ratio, which determines the performance, input power, and compressor size. This was compared with R134a and CO2 and the most appropriate stroke to bore ratio section was selected. In addition, the analysis on the ratio of the valve port size, which affects the compressor efficiency characteristics, showed a significant effect on the isentropic efficiency as compared with the R134a refrigerant compressor.
For the scroll type electric driven compressor case, an algebraic spiral curve is selected as the scroll curve according to the application of CO2 refrigerant as a high-pressure refrigerant. For the performance analysis of concept design model of scroll type electric driven compressor using algebraic spiral curve, a scroll geometry model, contact and area calculation, a compression model, and a leakage model were constructed, and a dynamic model was constructed for dynamic behavior analysis. The performance analysis model of scroll type electric driven compressor using algebraic spiral curve is described in detail. The formula for the algebraic spiral curve for the scroll design and the method for determining the constant a at the design time are expressed by the formula for the compressor design variables and the relation to the two contact points of the chambers generated from the algebraic spiral scrolls is clearly shown. A prototype of scroll type electric driven compressor for R134a refrigerant was fabricated and evaluated, and compared with the performance analysis results. The accuracy was confirmed to be within 5% of all performance indicators. Based on the proved performance analysis model with R134a, performance analysis for CO2 refrigerant was performed according to the axial leakage gap and the radial leakage gap which have a large effect on the performance. As the leakage gap increases, the performance deterioration has been confirmed. This is because the pressure in the compression chamber is high, and therefore, the leakage effect is large. As performance analysis results of R134a and CO2 scroll type electric driven compressor on the axial leakage gap and the radial leakage gap, the performance degradation due to the leakage gap was small in the R134a refrigerant case. However, in the case of CO2 refrigerant, the performance deterioration due to the leakage gap occurred as mentioned above. This is because the leakage amount caused by the leakage gap is large due to a higher pressure difference between the compression chambers for the CO2 refrigerant than that of R134a.

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