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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 그동안 연구가 많이 이루어지지 않은 친환경 대형 차량에 적용되는 루프형 냉방시스템에 대한 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 부하 대응이 가능한 인버터로 구동되는 전동식 스크롤 압축기를 장착한 루프형 냉방시스템을 구축하였고, 내기온도 및 압축기 회전수 변화에 따른 냉방 성능특성을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 친환경 대형버스 차량에 적용되는 루프형 전동식 냉방시스템의 성능특성을 파악하기 위하여 인버터로 구동되는 전동식 스크롤 압축기를 적용한 냉방 시스템을 설계하였다. 또한 전동식 냉방시스템의 성능 특성을 파악하기 위하여 스크롤 압축기의 주파수 및 승차공간의 온도인 내기온도를 변화시켜가면서 다양한 실험을 진행하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 4은 압축기 주파수 변화에 따른 냉방시스템의 성능 변화를 나타내고 있다. 내기/외기 온도 27/35oC에서 압축기 주파수를 55 Hz에서 65 Hz로 변화시켜가면서 실험을 진행하였다. 압축기 주파수가 증가함에 따라 냉방시스템의 증발용량은 4.
- 냉방시스템의 증발용량 및 냉방 COP를 계산하기 위하여 응축기 출구에 불확실도 ±0.2% 를 가지는 질량유량계 (Coriolis type mass flow meter)를 설치하였고 운전 중 냉방 시스템의 냉매 질량유량을 측정하였다.
- 본 연구에서는 친환경 대형버스 차량에 적용되는 루프형 전동식 냉방시스템의 성능특성을 파악하기 위하여 인버터로 구동되는 전동식 스크롤 압축기를 적용한 냉방 시스템을 설계하였다. 또한 전동식 냉방시스템의 성능 특성을 파악하기 위하여 스크롤 압축기의 주파수 및 승차공간의 온도인 내기온도를 변화시켜가면서 다양한 실험을 진행하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 3은 압력-엔탈피 선도를 나타내고 있다. 시스템의 냉매 봉입량은 냉방시스템을 구성하는 각 요소 부품의 내부 체적 및 수액기와 어큐뮬레이터의 내부 체적을 고려하여 결정하였고, 일반적으로 자동차에서 요구되는 과냉도 5oC이상을 맞춰주는 범위 내에서의 시스템의 최적 냉매 봉입량을 선정하였다[5]. 자동차에서 필요로 하는 과냉도를 5oC이상으로 설정하는 이유는 다양한 실 도로 운행조건에서 안정적인 냉방 성능을 내기 위해서이다.
- 2(b)는 본 연구에서 사용된 실험장치의 사진들이다. 실험의 정확도 및 향후 실차 성능 실험을 진행하기 위하여 실제 시내/고속 버스에 사용되고 있는 동일한 규격의 상부에 본 연구에서 개발된 응축기, 2개의 증발기 및 2개의 개별 TXV 그리고 좌/우 증발기에 4개의 증발팬을 설치하여 승차공간을 효율적으로 냉방할 수 있도록 장착된 모습이다. Table 2는 본 연구에서 사용한 실험조건이다.
- Table 2는 본 연구에서 사용한 실험조건이다. 압축기 주파수는 55 Hz, 60 Hz, 65 Hz로 변경하면서 실험을 진행하였고, 외기온도는 31oC 및 35oC로 설정된 상태에서 실험을 진행하였다. 여름철 승객들이 타고 있는 승차공간의 냉방 부하에 따른 증발 용량을 관찰하기 위하여 내기온도를 27oC, 32oC, 35oC로 변경하면서 실험을 수행하였다.
- 5은 내기온도 변화에 따른 냉방시스템의 성능변화를 나타내고 있다. 압축기 주파수를 65 Hz 및 외기온도를 35oC로 설정하고 내기온도를 27oC에서 35oC로 변화시켜가면서 실험을 진행하였다. 외기온도는 한여름의 외기온도를 묘사하기 위하여 35oC로 선정하였다.
- 친환경 대형버스의 냉방시스템을 묘사하기 위하여 스크롤 압축기와 인버터로 구성된 압축부, 5개의 개별 응축팬 및 응축기로 구성된 응축부, 승차공간의 효율적인 좌/우 냉방을 위한 2개의 증발기와 4개의 개별 증발팬으로 구성된 증발부 그리고 좌/우 증발기 전단에 2개의 팽창장치(TXV, thermostatic expansion valve)로 구성된 팽창부로 구성된 냉방사이클을 구성하였다. 압축기 출구단에는 냉매 오일의 효율적인 회수를 위하여 오일분리기 (oil separator)를 설치하고 응축기 출구에는 과냉도 확보를 위하여 수액기 (receiver)를 설치하였으며 압축기 입구단에는 압축기로의 액냉매 유입을 차단하기 위하여 어큐뮬레이터 (accumulator)를 설치하였다. 이렇게 구성된 실험장치는 자동차의 주행 조건과 실내/실외 외기 조건 등을 구현하기 위하여 공기의 온도 및 습도를 자동적으로 제어할 수 있는 환경 챔버에 설치하였다.
- 여기서 압축기의 소비전력 (compressor power)은 불확실도 ±0.2%를 가지는 소비전력계를 이용하여 측정하였다.
- 압축기 주파수는 55 Hz, 60 Hz, 65 Hz로 변경하면서 실험을 진행하였고, 외기온도는 31oC 및 35oC로 설정된 상태에서 실험을 진행하였다. 여름철 승객들이 타고 있는 승차공간의 냉방 부하에 따른 증발 용량을 관찰하기 위하여 내기온도를 27oC, 32oC, 35oC로 변경하면서 실험을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 그동안 연구가 많이 이루어지지 않은 친환경 대형 차량에 적용되는 루프형 냉방시스템에 대한 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 부하 대응이 가능한 인버터로 구동되는 전동식 스크롤 압축기를 장착한 루프형 냉방시스템을 구축하였고, 내기온도 및 압축기 회전수 변화에 따른 냉방 성능특성을 고찰하였다.
- 1은 본 연구에서 사용한 실험장치의 개략도이다. 친환경 대형버스의 냉방시스템을 묘사하기 위하여 스크롤 압축기와 인버터로 구성된 압축부, 5개의 개별 응축팬 및 응축기로 구성된 응축부, 승차공간의 효율적인 좌/우 냉방을 위한 2개의 증발기와 4개의 개별 증발팬으로 구성된 증발부 그리고 좌/우 증발기 전단에 2개의 팽창장치(TXV, thermostatic expansion valve)로 구성된 팽창부로 구성된 냉방사이클을 구성하였다. 압축기 출구단에는 냉매 오일의 효율적인 회수를 위하여 오일분리기 (oil separator)를 설치하고 응축기 출구에는 과냉도 확보를 위하여 수액기 (receiver)를 설치하였으며 압축기 입구단에는 압축기로의 액냉매 유입을 차단하기 위하여 어큐뮬레이터 (accumulator)를 설치하였다.
대상 데이터
- (1) 루프형 전동식 냉방시스템의 냉매 충진량 실험을 통하여 충분한 과냉도를 확보할 수 있는 최적 냉매 봉입량을 8.5kg로 선정하였다.
- Table 1은 본 연구에서 사용된 냉방시스템의 사양이다. 압축기는 기존의 왕복 동식이나 사판식 압축기에 비하여 구조가 간단하고 체적 효율이 우수한 스크롤 압축기를 사용하였다. 전동식 스크롤 압축기는 0.
- 1453 m3/s의 행정 체적을 가지고 있으며 인버터로 압축기의 회전수를 제어하도록 설치되었다. 응축기 및 증발기는 평판 핀과 튜브로 구성된 평판 핀-튜브 열교환기를 사용하였고, 응축기 팬의 정격전압/전류는 28 V/5 A이며 증발기 팬의 정격전압/전류는 28 V/12 A이다.
성능/효과
- (2) 압축기 주파수가 55 Hz에서 65 Hz로 증가함에 따라 냉방시스템의 증발용량은 4.3% 증가하였으나 냉방 COP는 14.1% 감소하였다.
- (3) 내기온도가 27°C에서 35o C로 증가함에 따라 냉방 시스템의 증발용량은 9.17% 증가하였고 냉방 COP는 1.43% 증가하였다.
- (4) 스크롤 압축기를 구동하는 인버터의 작동 효율은 내기온도 변화보다 압축기 주파수 변화에 더 큰 영향을 받았다
- 63% 증가하였고 인버터의 작동 효율은 전 구간에 걸쳐 비교적 일정하게 나타났다. Tables 3과 4의 결과에서 보듯이, 인버터의 작동효율은 내기온도 변화보다 압축기 주파수변화에 더 큰 영향을 받았다.
- Table 4는 내기온도 증가에 따른 압축기 및 인버터의 소비 전력 및 작동 효율을 나타내고 있다. 내기온도가 27oC에서 35oC로 증가함에 따라 인버터 및 압축기의 소비전력은 각각 8.75%와 7.63% 증가하였고 인버터의 작동 효율은 전 구간에 걸쳐 비교적 일정하게 나타났다. Tables 3과 4의 결과에서 보듯이, 인버터의 작동효율은 내기온도 변화보다 압축기 주파수변화에 더 큰 영향을 받았다.
- 외기온도는 한여름의 외기온도를 묘사하기 위하여 35oC로 선정하였다. 내기온도가 27oC에서 35oC로 증가함에 따라 증발용량은 9.17% 증가하고 냉방 COP는 1.43% 증가하였다. 이러한 이유는 압축기의 소비전력 증가보다 냉방시스템의 증발용량 증가가 더 크기 때문이다.
- 이는 압축기의 정격 전압이 60 Hz에서 설계되었고 인버터 자체의 효율특성에 기인한 것으로 판단된다. 모든 시험 조건에서 인버터의 작동효율은 95.0% 이상임을 확인하였고, 본 연구에서 사용한 전동식 스크롤 압축기는 구동 주파수가 55 Hz에서 65 Hz로 증가함에 따라 압축비가 14.14% 증가하였다.
- 내기/외기 온도 27/35oC에서 압축기 주파수를 55 Hz에서 65 Hz로 변화시켜가면서 실험을 진행하였다. 압축기 주파수가 증가함에 따라 냉방시스템의 증발용량은 4.3% 증가하였으나 COP는 14.1% 감소하였다. 이러한 이유는 압축기의 소비전력 증가가 증발 용량의 증가보다 더 크기 때문이다.
후속연구
- 이와 더불어 기존의 내연기관에서는 엔진 회전수에 영향을 받는 벨트 구동형 압축기를 적용한 냉방시스템을 사용하고 있으나 친환경 차량에서는 압축기를 구동할 수 있는 엔진이 없어지기 때문에 독립적인 에너지원을 사용하여 구동되는 전동식 고전압 압축기를 장착한 전동식 냉방시스템이 필요로 하게 되었다. 최근에 이러한 추세에 맞추어, 향후 다양한 운전자들이 이용할 것으로 예상되는 친환경 승용차량의 냉방시스템에 대한 연구를 진행하고 있다. Park et al.
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