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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이산화탄소를 적용한 친환경 냉방시스템을 실제 자동차에 적용하기 위하여 다양한 운행 조건 변화에 따른 성능특성을 고찰하기 위하여 실도로 조건을 모사할 수 있는 실험 조건에서 냉방성능 평가를 진행하였다. 이를 위하여 이산화탄소를 이용한 냉방시스템을 개발하였고, 공기 온도, 습도, 그리고 자동차의 주행 중에 발생하는 풍량 변화를 모사할 수 있는 자동차 공조용항온/항습 챔버에서 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 이산화탄소를 적용한 냉방시스템 의 실차 장착을 위한 사전 단계로 실차의 실도로 운전 조건을 분석하여 실험실에서 벤치 실험을 진행하였다. 실차 운전 조건에서 가장 중요한 변수인 실외 열교환기의 공기 풍속과 실내 열교환기의 공기 풍량 조건을 결정하기 위해서, 차량 전면부의 라디에이터, 응축기, 그리고 응축기 팬으로 구성된 FEM (front end module) 통과 풍속과 HVAC 시스템 풍량 시험을 그림 1에서 보는 것처럼 진행하였다.
- 본 연구에서는 이산화탄소를 적용한 냉방시스템을 실제 자동차에 적용하기 위하여 다양한 운행 조건 변화에 따른 성능특성을 고찰하였다. 특히 자동차의 실도로 운전 조건을 모사할 수 있는 실험 조건을 선정하여 다양한 실험을 진행하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 이산화탄소를 적용한 친환경 냉방시스템을 실제 자동차에 적용하기 위하여 다양한 운행 조건 변화에 따른 성능특성을 고찰하기 위하여 실도로 조건을 모사할 수 있는 실험 조건에서 냉방성능 평가를 진행하였다. 이를 위하여 이산화탄소를 이용한 냉방시스템을 개발하였고, 공기 온도, 습도, 그리고 자동차의 주행 중에 발생하는 풍량 변화를 모사할 수 있는 자동차 공조용항온/항습 챔버에서 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 이산화탄소를 적용한 냉방시스템 의 실차 장착을 위한 사전 단계로 실차의 실도로 운전 조건을 분석하여 실험실에서 벤치 실험을 진행하였다. 실차 운전 조건에서 가장 중요한 변수인 실외 열교환기의 공기 풍속과 실내 열교환기의 공기 풍량 조건을 결정하기 위해서, 차량 전면부의 라디에이터, 응축기, 그리고 응축기 팬으로 구성된 FEM (front end module) 통과 풍속과 HVAC 시스템 풍량 시험을 그림 1에서 보는 것처럼 진행하였다. FEM 통과 풍속을 측정하기 위하여 16 채널의 무지향성 열선풍속계를 라디에이터와 팬 사이에 균일한 위치로 적용하여 측정하였고, 측정 범위는 0 m/s에서 25.
- 실차 운전 조건에서 가장 중요한 변수인 실외 열교환기의 공기 풍속과 실내 열교환기의 공기 풍량 조건을 결정하기 위해서, 차량 전면부의 라디에이터, 응축기, 그리고 응축기 팬으로 구성된 FEM (front end module) 통과 풍속과 HVAC 시스템 풍량 시험을 그림 1에서 보는 것처럼 진행하였다. FEM 통과 풍속을 측정하기 위하여 16 채널의 무지향성 열선풍속계를 라디에이터와 팬 사이에 균일한 위치로 적용하여 측정하였고, 측정 범위는 0 m/s에서 25.0 m/s이다. 본 연구에서 사용된 열선풍속계의 불확실도는 ±0.
- 15 m/s이다. HVAC 시스템의 풍량 측정 시험은 블로워 (blower)의 입력 전압을 변화시켜가면서 토출 풍량을 측정하였다. 그림 1는 본 연구에서 사용한 FEM 통과 유속 측정 장치의 개략도이다.
- 냉방시스템 각부의 압력은 절대압력 25MPa까지 측정 가능한 불확실도 ±0.1%의 PI3H 압력센서를 사용하였고, 각부의 온도는 고압 유동 배관 내의 정확한 온도 측정을 위해 초절연성 및 고내압성의 T타입 열전대를 냉매 배관에 직접 삽입하여 온도와 압력을 측정하였다.
- 냉방시스템 및 승차공간 내부 온도는 불확실도 ±0.1 ℃의T-type 열전대를 이용하여 측정하였고, 압력은 불확실도 ±0.1%의 PI3H 압력계를 사용하였다.
- 이산화탄소용 벨트 구동 왕복동식 압축기는 행정 체적 33 cc/rev으로 기존의 자동차용 압축기에 사용된 것과 같은 압축 방식이다. 즉 기존 자동차와의 성능비교를 위하여 동일한 방식의 압축기를 장착하였다. 증발기 및 가스쿨러에 적용한 열교환기는 마이크로 채널형상의 4-pass 열교환기를 적용하였다.
- 즉 기존 자동차와의 성능비교를 위하여 동일한 방식의 압축기를 장착하였다. 증발기 및 가스쿨러에 적용한 열교환기는 마이크로 채널형상의 4-pass 열교환기를 적용하였다. 가스쿨러 코어크기는 545W×430H×12D mm3이고 증발기 코어크기는 231W×195H×38D mm3이다.
- 먼저, 냉방시스템의 성능을 측정하기 하기위하여, 압축기 토크 및 회전수는 ONOSOKKI Co.사에서 만든 SS-201토크미터와 TS-2700 타코미터를 이용하여 측정하였으며, LS산전에서 만든 인버터를 이용하여 회전수를 제어하였다. 냉매의 질량유량은 코리올리 효과를 이용한 냉매 질량유량계를 이용하였다.
- 사에서 만든 SS-201토크미터와 TS-2700 타코미터를 이용하여 측정하였으며, LS산전에서 만든 인버터를 이용하여 회전수를 제어하였다. 냉매의 질량유량은 코리올리 효과를 이용한 냉매 질량유량계를 이용하였다. 질량유량계의 불확실도는 ±0.
- 1%의 PI3H 압력센서를 사용하였고, 각부의 온도는 고압 유동 배관 내의 정확한 온도 측정을 위해 초절연성 및 고내압성의 T타입 열전대를 냉매 배관에 직접 삽입하여 온도와 압력을 측정하였다. 또한, 실제 자동차 주행중의 실내외 온모 및 습도 조건을 구현하기 위한 가스쿨러/증발기용 항온항습 챔버에 증발기와 가스쿨러를 설치하여 열교환기 시험부 전면에서 유입되는 공기 온/습도 조건을 일정하게 유지시켰고, 열교환되어 나오는 공기 온도는 열교환기 후변에 위치한 열전대를 이용하여 측정하였다.
- 표 2는 본 연구에서 사용한 실험 조건이다. 압축기 회전수는 자동차의 IDLE 및 주행 조건을 반영하기 위하여 900 rev/min에서 1800 rev/min로 변경하면서 실험을 진행하였고, 외기 온도27, 35, 42℃로 변경하면서 실험을 진행하였다. 여름철 승객들이 타고 있는 승차 공간의 냉방 부하에 따른 증발 용량을 관찰하기 위하여 실내 공기는 상대습도 50%에서 공기온도 27, 35, 42℃로 변경하였고, 풍량은 4.
- 압축기 회전수는 자동차의 IDLE 및 주행 조건을 반영하기 위하여 900 rev/min에서 1800 rev/min로 변경하면서 실험을 진행하였고, 외기 온도27, 35, 42℃로 변경하면서 실험을 진행하였다. 여름철 승객들이 타고 있는 승차 공간의 냉방 부하에 따른 증발 용량을 관찰하기 위하여 실내 공기는 상대습도 50%에서 공기온도 27, 35, 42℃로 변경하였고, 풍량은 4.17 m3/min에서 7.5m3/min로 변경하면서 실험을 진행하였다.
- 1%의 PI3H 압력계를 사용하였다. 모든 온도 및 압력은 Gantner의 Data logger를 이용하여 수집하였으며 Labview로 구성된 프로그램에서 실시간으로 모니터링 되었다. 본 연구에서 수행된 모든 실험은 냉방시스템의 과열도를 5℃로 유지하였다.
- 모든 온도 및 압력은 Gantner의 Data logger를 이용하여 수집하였으며 Labview로 구성된 프로그램에서 실시간으로 모니터링 되었다. 본 연구에서 수행된 모든 실험은 냉방시스템의 과열도를 5℃로 유지하였다.
- 냉방시스템의 냉방용량 및 냉방 COP를 계산하기 위하여, 가스쿨러 출구에 불확실도 ±0.15% 를 가지는 질량유량계 (Coriolis type mass flow meter)를 설치하여, 운전 중 냉방 시스템의 냉매 질량유량을 측정하였다.
- 냉방 COP (coefficient of performance)는 식 (3)을 이용하여 계산하였다. 여기서 압축기의 소비전력 (compressor power)은 압축기를 구동하는데 사용된 모터의 소비전력을 이용하여 계산하였다.
- 본 결과는 냉방시스템 평가시 가스 쿨러쪽 입구 공기조건으로 사용되었다. 그림 3(b)에서 보면, HVAC 시스템의 실내 열교환기를 통과하는 풍량 측정은 블로워 팬의 작동 전압을 1 V에서 13 V까지 변화시켜가면서 실험을 진행하였다. 팬 입력전압 6V 에서 4.
- 기존의 연구를 분석하면, 자동차 냉방시스템에 이산화탄소를 적용할 경우 냉방성능에 영향을 미치는 핵심 인자중 하나로 가스쿨러 입구 공기의 온도변화라고 보고하고 있으며, 본 연구에서도 가스쿨러 입구 공기온도에 따른 냉방시스템의 성능 특성 변화 고찰하였다.[4-6] 일반적으로 내연기관 자동차는 엔진에 의해 압축기가 구동되는 Belt-driven 방식이므로 IDLE상태에서 냉방성능이 취약하다.
- 따라서 본 연구에서도 Idle 상태(900 rev/min). FEM 통과 유속 2.3 m/s, 증발기 입구 공기온도 27℃ 및 공기 풍량 7.50 m3/min 조건에서 냉방 성능 특성 변화를 고찰하였다. Fig.
- 일반적으로 자동차는 외기조건, 주행조건 및 승차자들에 의한 다양한 부하들이 자동차의 실내 부하에 영향을 주며, 이것은 증발기로 들어가는 입구 공기 온도에 영향을 주게 되며, 궁극적으로 냉방시스템 성능 변화에 영향을 준다. 따라서 본 연구에서는, 가스쿨러 입구 공기온도 42℃, 공기 풍속 2.3 m/s 및 압축기 회전속도 900 rev/min 조건에서 증발기 입구 공기온도 및 풍량 변화에 따른 냉방용량 및 냉방 COP를 고찰하였다.
- 그림 6는 압축기 회전속도 변화에 따른 냉방시스템의 성능 특성변화를 나타내고 있다. 가스쿨러 입구 공기온도 42℃, 증발기 입구 공기 온도 42℃, 증발기 입구 공기 상대 습도 50% 및 공기 풍량 7.5 m3/min 조건에서 압축기 회전속도 변화에 따른 냉방용량 및 냉방 COP를 고찰하였다. 압축기 회전속도가 900 rev/min에서 1800 rev/min으로 증가할수록 냉방용량은 평균 42.
- 그림 7은 본 연구에서 개발된 냉방시스템과 기존의 R-134a를 사용하는 냉방시스템에 대하여 증발기 입구 공기온도 42℃에서 압축기 회전수 변화에 따른 냉방성능 특성을 비교하였다.[7] 압축기 회전수가 900 rev/min에서 1800 rev/min로 증가함에 따라, 이산화탄소를 적용한 냉방 시스템의 냉방성능은 R-134a를 적용한 냉방시스템에 비하여 우수한 성능을 나타냈다.
대상 데이터
- 가스쿨러 코어크기는 545W×430H×12D mm3이고 증발기 코어크기는 231W×195H×38D mm3이다. 내부 열교환기는 길이 1000 mm의 Co-axial 타입의 열교환기를 적용하였고, 고압축 전열면적은 28.3 mm2이고, 저압축 전열면적은 104.4 mm2 이다. 표 1은 본 연구에서 사용된 냉방시스템의 사양이다.
- 50 m3/min 풍량이 측정되었다. 본 실험을 통해서 얻어진 데이터는 자동차의 실도로 운전조건을 모사하기 위한 기초 평가로 본 연구에서 개발된 이산화탄소를 적용한 자동차 냉방시스템의 실험 조건으로 사용되었다.
성능/효과
- 그림 3는 FEM 통과 풍속 측정 및 HVAC 시스템 풍량 실험 결과를 보여주고 있다. 그림 3(a)의 결과를 보면, 자동차의 Idle 상태에서도 FEM에 위치한 냉각 팬의 영향으로 FEM 통과 풍속은 평균 2.3 m/s로 측정되었으며 고속운전 조건인 100 km/h 자동차 주행속도에서 FEM 통과 풍속은 평균 6.0 m/s로 측정되었다. 본 결과는 냉방시스템 평가시 가스 쿨러쪽 입구 공기조건으로 사용되었다.
- 50 m3/min 조건에서 냉방 성능 특성 변화를 고찰하였다. Fig. 4에서 보면 가스쿨러 입구 공기온도가 증가할수록 냉방용량과 COP는 감소하였고, 동일한 가스쿨러 입구 공기 온도에서는 가스쿨러 입구 압력증가에 따라 냉방용량과 COP는 증가하였다. 가스쿨러 입구 공기온도 27 ℃에서, 입구 냉매 압력이 8.
- 4에서 보면 가스쿨러 입구 공기온도가 증가할수록 냉방용량과 COP는 감소하였고, 동일한 가스쿨러 입구 공기 온도에서는 가스쿨러 입구 압력증가에 따라 냉방용량과 COP는 증가하였다. 가스쿨러 입구 공기온도 27 ℃에서, 입구 냉매 압력이 8.2MPa에서 8.7MPa로 증가할 경우 냉방용량은 9.4% 증가하였고, COP는 9.7% 증가하였다. 이러한 이유로는 가스쿨러 입구 압력이 증가할수록 응축용량이 증가하였기 때문이다.
- 5 m3/min 조건에서 압축기 회전속도 변화에 따른 냉방용량 및 냉방 COP를 고찰하였다. 압축기 회전속도가 900 rev/min에서 1800 rev/min으로 증가할수록 냉방용량은 평균 42.2% 증가였으나 냉방 COP는 평균 55.4% 감소하였다. 또한 동일한 가스클러 입구 압력 10.
- 1% 감소하였다. 더불어 기존 자동차 냉방시스템의 냉방성능 취약 조건인 Idle 상태에서 (압축기 회전속도 900 rev/min) 냉방 성능 5.5 kW 이상 확보하였고, 냉방 COP도 2.7이상을 유지함으로서 기존의 내연기관 자동차의 냉방시스템을 충분히 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림 7은 본 연구에서 개발된 냉방시스템과 기존의 R-134a를 사용하는 냉방시스템에 대하여 증발기 입구 공기온도 42℃에서 압축기 회전수 변화에 따른 냉방성능 특성을 비교하였다.[7] 압축기 회전수가 900 rev/min에서 1800 rev/min로 증가함에 따라, 이산화탄소를 적용한 냉방 시스템의 냉방성능은 R-134a를 적용한 냉방시스템에 비하여 우수한 성능을 나타냈다. 즉 압축기 회전수 전 영역에서 냉방용량은 평균 26.
- [7] 압축기 회전수가 900 rev/min에서 1800 rev/min로 증가함에 따라, 이산화탄소를 적용한 냉방 시스템의 냉방성능은 R-134a를 적용한 냉방시스템에 비하여 우수한 성능을 나타냈다. 즉 압축기 회전수 전 영역에서 냉방용량은 평균 26.9% 증가하였고, 냉방 COP는 평균 26.6% 증가하였다. 그러나 냉방 COP는 두가지 냉매에서 회전수가 증가할수록 압축일의 급격한 증가로 인하여 감소하는 경향을 나타내었다.
- 6% 증가하였다. 그러나 냉방 COP는 두가지 냉매에서 회전수가 증가할수록 압축일의 급격한 증가로 인하여 감소하는 경향을 나타내었다.
- (1) 가스쿨러 입구 공기온도가 증가할수록 냉방용량과 COP는 감소하였고, 동일한 가스쿨러 입구 공기온도에서는 가스쿨러 입구 압력증가에 따라 냉방용량과 COP는 증가하였다.
- (2) 증발기 입구 공기온도가 증가할수록 냉방용량과 COP는 증가하였고, 동일한 증발기 입구 공기온도에서도 가스쿨러 입구 압력 증가에 따라 냉방용량과 COP는 증가하였다.
- (3) 압축기 회전속도가 900 rev/min에서 1800 rev/min으로 증가할수록 냉방용량은 평균 42.2% 증가였으나 냉방 COP는 평균 55.4% 감소하였다.
- (4) 이산화탄소를 적용한 냉방시스템의 냉방성능은 R-134a를 적용한 냉방시스템에 비하여 압축기 회전수 전 영역에서 냉방용량은 평균 26.9% 증가하였고, 냉방 COP는 평균 26.6% 증가하였다. 하지만 냉방 COP는 두가지 냉매에서 회전수가 증가할수록 압축일의 급격한 증가로 인하여 감소하였다.
후속연구
- (2003)은 이산화탄소를 적용한 차량용 냉방시스템에 대한 동적 및 정상상태 특성에 대한 연구를 진행하였다.[3] 하지만 이러한 연구들은 이산화탄소를 자동차 냉방시스템에 적용하기 위한 부품 및 냉매측 현상들을 연구하기 기초적인 연구자료로 활용이 가능하지만 실제 자동차에 적용하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.
- 3 이상 나타났다. 일반적으로 승용자동차의 최대 필요 냉방 부하가 5.0 kW인 것을 감안하면 본 연구에서 개발한 이산화탄소를 이용한 냉방시스템으로 기존의 냉방 부하를 충분히 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
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