[논문]전자팽창밸브 개도에 따른 가변속 수냉각기의 용량제어 특성

백승문; 문춘근; 김현우; 정석권; 윤정인

doi:10.5916/jkosme.2010.34.2.282

문제 정의

본 연구는 인버터 회로에 의한 가변속 압축기를 사용한 냉각기를 최적으로 제어하기 위한 선행 연구이며 압축기 회전수 별로 제어대상인 전자팽창밸브를 조절하여 증발기 출구에서 과열도를 일정한 값으로 제어함으로써 최적의 냉동효과 값이 나오는 과열도 범위 값을 찾는 것을 목표로 하였다. 그리고 용량 제어의 주된 역할을 하는 압축기의 회전수 변화와 전자팽창밸브의 개도 변화가 전체 시스템에 미치는 영향에 대해 실험적으로 규명하였다. 이 결과를 통해서 최적 운전상태가 어떠한 지를 파악하고 이러한 최적 운전 상태와 압축기 출구 과열도와의 관계를 고찰하고자 한다.
본 연구는 인버터 회로에 의한 가변속 압축기를 사용한 냉각기를 최적으로 제어하기 위한 선행 연구이며 압축기 회전수 별로 제어대상인 전자팽창밸브를 조절하여 증발기 출구에서 과열도를 일정한 값으로 제어함으로써 최적의 냉동효과 값이 나오는 과열도 범위 값을 찾는 것을 목표로 하였다. 그리고 용량 제어의 주된 역할을 하는 압축기의 회전수 변화와 전자팽창밸브의 개도 변화가 전체 시스템에 미치는 영향에 대해 실험적으로 규명하였다.
본 연구에서는 전자팽창밸브의 개도값과 압축기 회전수가 변화할 때 시스템의 특성을 알아보기 위해 약 3.0 kW 냉동능력을 발휘하는 시스템을 구성하였다. 구성요소로는 압축기, 응축기, 전자뱅창 밸브, 증발기와 압축기 회전수 조절을 위한 인버터로 구성하였다.
그리고 용량 제어의 주된 역할을 하는 압축기의 회전수 변화와 전자팽창밸브의 개도 변화가 전체 시스템에 미치는 영향에 대해 실험적으로 규명하였다. 이 결과를 통해서 최적 운전상태가 어떠한 지를 파악하고 이러한 최적 운전 상태와 압축기 출구 과열도와의 관계를 고찰하고자 한다.

제안 방법

0 kW 냉동능력을 발휘하는 시스템을 구성하였다. 구성요소로는 압축기, 응축기, 전자뱅창 밸브, 증발기와 압축기 회전수 조절을 위한 인버터로 구성하였다.
따라서 압축기 회전수별 전자팽창밸브의 개도량에 따른 압축기 입구 냉매의 과열도 값을 파악하여야 한다. 그래서 압축기의 회전수는 장착된 인버터를 이용하여 30Hz에서부터 90Hz까지 10Hz단위로 조절하였고 각 Hz별로 전자팽창밸브의 개도량은 압축기 입구에 설치한 사이트 글래스에서 냉매액이 넘어가려고 하는 개도량 값과 압축기 입구의 냉매온도가 냉수온도와 같아지게 되는 개도량 값을 0에서 480step 사이에서 변화시켜 실험하였다.
또한 배관내 냉매상태 파악을 위하여 사이트 그라스를 응축기 출구와 압축기 입구에 각각 설치하여 냉매상태를 파악하였다. 그리고 증발기와 응축기, 압축기, 전자팽창밸브 등 주요 입․출구에는 T형 온도센서를 설치하였으며, 냉각기 냉수 입구와 출구에는 PT-100을 설치하여 실시간으로 데이터 로거(Yokogawa사)를 통하여 데이터를 PC에서 확인 및 저장되도록 하였다. 냉매 유량 측정을 위해 질량 유량계를 응축기 출구 측에 설치하였다.
사용된 압축기는 용량 조절이 가능한 가변속 왕복동식 압축기이며, 저압을 측정하기위하여 압축기 냉매 흡입 측에 압력센서를 장착하였고 고압을 측정하기 위하여 팽창밸브 입구 측의 압력 센서로 압력을 측정하였다. 그리고 파워메터(Yokogawa사)를 부착하여 각각의 운전 조건에 따라 압축기에서 소요되는 동력을 측정하였다. 또한 배관내 냉매상태 파악을 위하여 사이트 그라스를 응축기 출구와 압축기 입구에 각각 설치하여 냉매상태를 파악하였다.
본 실험 조건을 Table 2에 나타내었다. 냉수 유량은 19 l/min으로 고정하였으며, 냉수는 온도조절이 가능한 히터를 설치하여 냉수 출구 수온이 25℃가 되도록 부하를 조정하였고, 외기는 외부공기 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 항온챔버를 이용하여 응축기가 일정하게 열교환하도록 하였다.
따라서 이번 실험에서는 장치 중 조정 가능한 변수인 응축기 팬 회전수와 전자팽창밸브 개도량, 압축기 회전수 조절 중에서 장치 특성상 응축기의 회전수는 고정하였다.
그리고 파워메터(Yokogawa사)를 부착하여 각각의 운전 조건에 따라 압축기에서 소요되는 동력을 측정하였다. 또한 배관내 냉매상태 파악을 위하여 사이트 그라스를 응축기 출구와 압축기 입구에 각각 설치하여 냉매상태를 파악하였다. 그리고 증발기와 응축기, 압축기, 전자팽창밸브 등 주요 입․출구에는 T형 온도센서를 설치하였으며, 냉각기 냉수 입구와 출구에는 PT-100을 설치하여 실시간으로 데이터 로거(Yokogawa사)를 통하여 데이터를 PC에서 확인 및 저장되도록 하였다.
Figure 1과 Figure 2는 실험 장치도와 실제 장치사진을 나타낸 그림이다. 사용된 압축기는 용량 조절이 가능한 가변속 왕복동식 압축기이며, 저압을 측정하기위하여 압축기 냉매 흡입 측에 압력센서를 장착하였고 고압을 측정하기 위하여 팽창밸브 입구 측의 압력 센서로 압력을 측정하였다. 그리고 파워메터(Yokogawa사)를 부착하여 각각의 운전 조건에 따라 압축기에서 소요되는 동력을 측정하였다.
냉매 유량 측정을 위해 질량 유량계를 응축기 출구 측에 설치하였다. 증발기에 공급하는 냉수의 온도 조절을 위해 히터를 설치하였고, 유량 측정을 위해 디지털 수유량계를 설치하였다.

성능/효과

(1) 압축기 회전수가 높은 경우 보다 압축기 회전수가 낮은 경우 냉각능력의 변화폭이 상대적으로 좁으며, 저속 회전수에서는 세밀한 제어가 필요함을 알 수 있었다.
(2) 압축기 회전수 제어로 인한 용량 제어범위는 약 60%정도 가능함을 알 수 있었다.
따라서 부하에 적절히 대응하여 냉각유를 냉각시켜 공작기계의 가공정밀도를 높이고 소비전력을 감소시키기 위한 방법으로 인버터 회로에 의한 가변속 압축기를 사용한 가변속 냉각기의 사용이 필수적이다.[3] 가변속 압축기를 사용한 냉각기는 부하에 따라 압축기 회전속도를 조절하여 부하에 적절히 대응하며 부하가 크게 변하지 않는 운전조건일 때는 설정온도 근처에서 회전속도를 감소시켜 정지되지 않고 계속 운전할 수 있도록 제어함으로써 시동 및 정지시 발생하는 기토크에 의한 소비전력 증가를 줄임으로써 절전성능을 개선할 수 있다. 인버터를 적용한 냉방장치의 제어 알고리즘에 관한 연구로 압축기의 회전속도 제어에 관한 연구가 주로 이루어졌다, Lee[4] 등은 인버터 냉동시스템의 응축기와 증발기에 공급되는 2차 유체의 온도에 대하여 압축기의 운전주파수와 팽창장치를 변화시키면서 시스템의 성능특성의 변화를 측정하는 실험을 수행하였다.
압축기의 회전수를 높일수록 압축기 소요동력 값은 커지는 것으로 나타났다. 그리고 동일한 압축기 회전수에는 팽창밸브가 증가할수록 서서히 증가함을 알 수 있었다. 압축기의 고속회전수와 저속 회전수의 대비 압축기 소요 동력의 크기 차이는 최대 60% 이상 고속 회전수에서 소비되는 압축기 소요동력이 큰 것으로 파악되었다.
또한 고회전수 일때의 냉각능력값과 최소 회전수 일때의 냉각능력값을 기준으로 압축기 회전수 제어로 인한 용량 제어범위는 약 60%정도 가능함을 알 수 있었다. 그리고 압축기 회전수별로 최대 냉각능력을 보이는 전자팽창밸브 개도값을 확인할수 있었다. 이를 분석한 그래프를 Figure 5에 나타내었다.
그러나 동일한 회전수이면서 전자팽창밸브 개도가 증가할 때 냉각능력이 상승 후 하강하는 팽창밸브개도 부분이 확인 되었는데 이 개도부분은 각 회전수별 압축기 입구에 설치한 사이트 글라스에서 냉매액이 넘어가려고 하는 팽창개도부분과 일치한다. 그리고 압축기회전수가 높은 경우 보다 압축기 회전수가 낮은 경우냉각능력의 변화폭이 상대적으로 좁음을 보였다.
Figure 7은 전자팽창밸브의 개도변화와 압축기 회전수 변화에 따른 냉매순환량 값을 나타낸 그래프이다. 동일한 전자팽창밸브의 개도에서는 냉매순환량이 동일함을 보였으며, 압축기 회전수가 높을수록 냉매순환량은 크고 회전수가 낮을수록 냉매순환량은 작음을 알 수 있었고 그 변화는 선형적임을 알 수 있었다. 냉매순환량 편차는 최대 50%까지 차이남을 보였다.
이로 인하여 향후 제어 시에는 압축기 저속 회전 수에서는 좀 더 세밀한 제어가 필요함을 알 수 있었다. 또한 고회전수 일때의 냉각능력값과 최소 회전수 일때의 냉각능력값을 기준으로 압축기 회전수 제어로 인한 용량 제어범위는 약 60%정도 가능함을 알 수 있었다. 그리고 압축기 회전수별로 최대 냉각능력을 보이는 전자팽창밸브 개도값을 확인할수 있었다.
Figure 4는 전자팽창밸브의 개도변화와 압축기 회전수 변화에 따른 저압부인 증발기 출구의 압력 변화를 나타낸 그래프이다. 압축기 회전수가 낮을수록 증발기 출구압력은 상승하고 회전수가 높을수록 증발기 출구압력은 낮음을 보였다. 그리고 같은 회전수인 경우 전자팽창밸브 개도가 증가할수록 증발기 출구압력도 상승함을 보였다.
Figure 5는 전자팽창밸브의 개도변화와 압축기 회전수 변화에 따른 냉각능력 변화 값을 나타낸 그래프이다. 압축기 회전수가 높을수록 냉각능력은 상승하고 회전수가 낮을수록 냉각능력은 낮음을 보였으며, 동일한 회전수인 경우 전자팽창밸브 개도가 증가할수록 냉각능력은 서서히 상승 후 낮아지는 경향을 보였다.
Figure 3은 전자팽창밸브의 개도변화와 압축기 회전수 변화에 따른 고압부인 냉매의 응축기 출구 압력변화를 나타낸 그래프이다. 압축기 회전수가 높을수록 응축기 출구압력은 상승하고 회전수가 낮을수록 응축기 출구압력은 낮음을 보였다.
Figure 8은 전자팽창밸브의 개도변화와 압축기 회전수 변화에 따른 압축기흡입냉매의 과열도 변화 값을 나타낸 그래프이다. 압축기 회전수가 높을수록 전자팽창밸브 개도량 변화에 따른 과열도 값의 편차가 크며 회전수가 낮을수록 편차가 작음을 알 수 있었다. Figure 6을 통하여 향후 전자팽창밸브 과열도 제어에 사용하고자 하는 압축기 회전수별 과열도 5~10℃사이의 전자팽창밸브의 개도량 값을 파악할 수 있었으며 향후 실시할 제어에 참고자료로 활용할 예정이다.
그리고 동일한 압축기 회전수에는 팽창밸브가 증가할수록 서서히 증가함을 알 수 있었다. 압축기의 고속회전수와 저속 회전수의 대비 압축기 소요 동력의 크기 차이는 최대 60% 이상 고속 회전수에서 소비되는 압축기 소요동력이 큰 것으로 파악되었다.
Figure 6은 전자팽창밸브의 개도변화와 압축기 회전수 변화에 따른 압축기 소요동력을 나타낸 그래프이다. 압축기의 회전수를 높일수록 압축기 소요동력 값은 커지는 것으로 나타났다. 그리고 동일한 압축기 회전수에는 팽창밸브가 증가할수록 서서히 증가함을 알 수 있었다.

후속연구

(3) 압축기 회전수별로 최대 냉각능력을 보이는 전자팽창밸브 개도값을 확인할 수 있었으며 향후 실시할 제어에 참고 자료로 활용할 예정이다.
압축기 회전수가 높을수록 전자팽창밸브 개도량 변화에 따른 과열도 값의 편차가 크며 회전수가 낮을수록 편차가 작음을 알 수 있었다. Figure 6을 통하여 향후 전자팽창밸브 과열도 제어에 사용하고자 하는 압축기 회전수별 과열도 5~10℃사이의 전자팽창밸브의 개도량 값을 파악할 수 있었으며 향후 실시할 제어에 참고자료로 활용할 예정이다.
이를 분석한 그래프를 Figure 5에 나타내었다. 이 분석 그래프를 이용하여 압축기 회전 수에 따른 최대 냉각능력을 발휘하는 전자팽창밸브의 개도량을 향후 실시할 제어에 참고 자료로 활용 할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업용 공작기계의 특징은?	산업용 공작기계는 절삭속도가 빠르기 때문에 공작물의 가공부위에 상당한 열이 발생되며, 열은 공작기계 부품과 공작물에 열 변형을 초래하여 가공 정밀도와 기계의 신뢰성을 떨어뜨린다.[1.
	열은 공작기계 부품에 어떤 영향을 끼치는가?	산업용 공작기계는 절삭속도가 빠르기 때문에 공작물의 가공부위에 상당한 열이 발생되며, 열은 공작기계 부품과 공작물에 열 변형을 초래하여 가공 정밀도와 기계의 신뢰성을 떨어뜨린다.[1.
	압축기 회전수별 전자팽창밸브의 개도량에 따른 압축기 입구 냉매의 과열도 값을 파악하여야 하는 이유는?	냉동효과를 높이기 위해서는 전자팽창밸브의 과열도가 필요하다. 따라서 압축기 회전수별 전자팽창밸브의 개도량에 따른 압축기 입구 냉매의 과열도 값을 파악하여야 한다.

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