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문제 정의
- 본 연구는 인버터형 가변속 압축기를 사용한 냉각기를 최적으로 제어하기 위한 선행 연구이며, 외기온도를 변화 시켰을 경우 압축기의 회전수 변화와 전자팽창밸브의 개도 변화가 전체 시스템에 미치는 영향에 대해 실험적으로 규명하였다. 이를 통하여 산업용 냉각기를 최적의 조건으로 제어하기 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.
- 본 연구는 인버터형 가변속 압축기를 사용한 냉각기를 최적으로 제어하기 위한 선행 연구이며, 외기온도를 변화 시켰을 경우 압축기의 회전수 변화와 전자팽창밸브의 개도 변화가 전체 시스템에 미치는 영향에 대해 실험적으로 규명하였다. 이를 통하여 산업용 냉각기를 최적의 조건으로 제어하기 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 또한 압축기 회전수 별 전자팽창밸브의 개도량은 압축기 입구의 냉매온도가 냉수온도와 같아지게 되는 값으로 찾았다. 나머지 전자팽창밸브 개도량은 두 개도량 사이를 4등분한 전자팽창밸브 개도량 값을 설정하여 실험하였다.
- 이는 외기온도가 변하 더라도 공작기기에 일정한 수온의 냉각수가 공급이 되지 않는 경우 산업용 공작기기의 스핀들 등의 파손 및 크랙 등이 발생될 우려가 있기 때문이다. 따라서 외기온도 조절을 위하여 항온항습실내에 실험 장치를 설치하였으며, 실제로 공작기계를 직접 부착시켜 가동하는 실험은 현실적으로 어려운 점과 공작기계의 가동조건 변화에 따른 변수가 너무 많아 공작기계의 부하 담당을 위해 부하조절이 가능한 히터를 설치하여 Table 1에 제시한 조건들로 변화시켜 각각 실험하였다.
- 5kW급 가변속 밀폐형 왕복동식 압축기이다. 또한 응축기 보편적으로 사용되고 있는 핀튜브형 공랭식 응축기를 장착하였으며, 증발기는 나관식 증발기를 장착하였다. 작동범위는 0~480 step이고 전원은 12V 입력이며 한계압력은 3.
- 압축기 토출과 흡입 측, 즉 고압과 저압을 측정하기 위하여 오차범위 ±0.2%인 압력센서를 장착하였으며, 고압은 팽창밸브 입구 측의 압력 센서로 측정하였다.
- 압축기의 회전수 변화와 외기온도변화에 따라 전자팽창밸브의 개도를 조절하였을 경우 전체 시스템에 미치는 영향에 대해 실험적인 방법으로 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 증발기와 응축기, 압축기, 전자팽창밸브 등 주요 입․출구에는 오차범위 ±0.1℃ T형 온도센서를 설치하여 온도를 측정하였으며, 냉매 유량은 질량 유량계를 응축기 출구 측에 설치하여 측정하였으며, 냉수 유량은 디지털 수유량계로 측정하였다.
대상 데이터
- 실험 장치는 주 냉동기 부분과 이를 보완해주는 보조 열원기기로 구성되어 있다. 먼저 냉매가 순환하는 냉각시스템 계통은 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브 등으로 구성되어 있으며, 이를 보완하는 보조 열원기기는 항온설비로 구성되어 있다.
- Figure 1은 실험 장치의 개략도와 실제 실험 장치사진을 나타낸 것이다. 이 실험에 사용된 인버터용 압축기는 3.5kW급 가변속 밀폐형 왕복동식 압축기이다. 또한 응축기 보편적으로 사용되고 있는 핀튜브형 공랭식 응축기를 장착하였으며, 증발기는 나관식 증발기를 장착하였다.
성능/효과
- (1) 시스템의 고압과 저압의 압력 분포를 전자팽창밸브 개도변화와 외기온도 변화별로 확인할 수있었다.
- (2) 외기온도 35℃와 외기온도 30℃의 30Hz에서는 허용 한계압력 이상과 압축기의 심한 진동으로 인해 제어 시 피해야할 영역으로 판단됨을 확인할 수 있었다.
- (3) 압축기 회전수 제어로 인한 용량 제어범위는 외기온도 35℃에서의 약 43~100%, 외기온도 25℃에서는 46~100%, 외기온도 10℃에서는 48~100%로 외기온도가 낮아질수록 용량제어범위는 작아짐을 알 수 있었다.
- 따라서 회전수 제어 시 외기온도 35℃와 외기온도 30℃의 30Hz에서의 제어는 피해야 될 영역으로 판단된다. 그리고 동일한 외기온도에서는 압축기 회전수가 낮아질수록 증발기 출구압력이 상승함을 보였으며, 동일한 압축기 회전수에서는 외기온도가 낮을수록 증발기 출구 압력은 낮아짐을 보였다. Figure 3은 압축기 회전수 변화와 외기온도변화에 따른 고압부인 응축기 출구의 압력을 전자팽창밸브 개도변화별로 나타낸 그래프이다.
- 동일한 외기온도에서는 압축기 회전수가 높을수록 냉각능력은 상승하고 회전수가 낮을수록 냉각능력은 낮음을 보였으며, 동일한 압축기 회전수에서는 외기온도가 낮을수록 냉각능력이 큼을 보였다. 그리고 압축기 회전수가 높은 경우 보다 압축기 회전수가 낮은 경우 냉각능력의 변화폭이 상대적으로 좁음을 보였다. 외기온도 35℃에서의 압축기 회전수 제어로 인한 용량 제어범위는 약 43~100%정도였으며, 외기온도 25℃에서는 46~100%, 외기온도 10℃에서는 48~100%로 외기온도가 낮아질수록 용량제어범위는 작아짐을 알 수 있었다.
- Figure 7은 압축기 회전수 변화와 외기온도변화에 따른 냉매 순환량을 전자팽창밸브 개도변화별로 나타낸 그래프이다. 냉매 순환량의 변화는 선형적인 변화를 보였으며, 외기온도 35℃와 25℃에서는 압축기 회전수가 높을수록 냉매 순환량은 상승하고 회전수가 낮을수록 냉매 순환량은 낮음을 보였으며, 동일한 압축기 회전수에서는 외기온도가 높을수록 냉매 순환량은 큼을 보였다. 하지만 외기온도 10℃에서는 상대적으로 냉매 순환량이 다른 외기온도에 비해 많음을 보였는데 이는 압축기 회전수 별 전자팽창밸브의 개도량은 압축기 입구의 냉매온도가 냉수온도와 같아지게 되는 값으로 찾고 나머지 전자팽창밸브 개도량은 두 개도량 사이를 4등분한 전자팽창밸브 개도량 값을 설정하여 실험을 하였는데, 외기온도 10℃에서 앞의 조건을 맞추기 위해서는 전자팽창밸브 개도를 상대적으로 크게 하여 실험을 한 것에서 기인한 것으로 판단된다.
- Figure 6은 압축기 회전수 변화와 외기온도변화에 따른 냉각능력을 전자팽창밸브 개도변화별로 나타낸 그래프이다. 동일한 외기온도에서는 압축기 회전수가 높을수록 냉각능력은 상승하고 회전수가 낮을수록 냉각능력은 낮음을 보였으며, 동일한 압축기 회전수에서는 외기온도가 낮을수록 냉각능력이 큼을 보였다. 그리고 압축기 회전수가 높은 경우 보다 압축기 회전수가 낮은 경우 냉각능력의 변화폭이 상대적으로 좁음을 보였다.
- 또한 동일한 외기온도에서는 압축기 회전수가 높아질수록 응축기 출구압력이 상승함을 보였으며, 동일한 압축기 회전수에서는 외기온도가 낮을수록 응축기 출구 압력은 낮아짐을 보였다.
- 압축기 회전수 30Hz에서는 외기온도의 변화에 따른 압축기 소요동력의 하락은 2% 이내로 거의 없음을 보였다. 또한 동일한 외기온도에서는 압축기 회전수가 높을수록 압축기 소요동력은 상승하고 회전수가 낮을수록 압축기 소요동력은 낮음을 보였으며, 동일한 압축기 회전 수에서는 외기온도가 높을수록 압축기 소요동력은 큼을 보였다.
- 외기온도 35℃와 외기온도 25℃에서는 EEV 스텝을 증가 시킬수록 압축기 토출온도는 낮아지는 경향을 보였으나 외기온도 10℃에서는 압축기 회전수의 변화에 따른 토출온도의 변화는 다른 외기온도와 같은 경향을 보였으나 EEV 스텝의 개폐 여부와 상관없이 거의 일정한 경향을 보였다. 또한 동일한 외기온도에서는 압축기 회전수가 높을수록 압축기 토출온도가 상승하고 압축기 회전수가 낮을수록 압축기 토출온도는 낮음을 보였으며, 동일한 압축기 회전수에서는 외기온도가 높을수록 압축기 토출온도는 높음을 보였다.
- Figure 5는 압축기 회전수 변화와 외기온도변화에 따른 압축기 소요동력을 전자팽창밸브 개도변화별로 나타낸 그래프이다. 압축기 회전수 90Hz 외기온도 35℃기준으로 외기온도가 25℃일 때 압축기 소요동력은 16% 감소하였으며, 외기온도가 10℃인 경우에는 32%정도 압축기 소요동력이 하락하는 것으로 파악되었다. 압축기 회전수 30Hz에서는 외기온도의 변화에 따른 압축기 소요동력의 하락은 2% 이내로 거의 없음을 보였다.
- 그리고 압축기 회전수가 높은 경우 보다 압축기 회전수가 낮은 경우 냉각능력의 변화폭이 상대적으로 좁음을 보였다. 외기온도 35℃에서의 압축기 회전수 제어로 인한 용량 제어범위는 약 43~100%정도였으며, 외기온도 25℃에서는 46~100%, 외기온도 10℃에서는 48~100%로 외기온도가 낮아질수록 용량제어범위는 작아짐을 알 수 있었다.
- 외기온도 35℃와 외기온도 25℃에서는 EEV 스텝을 증가 시킬수록 압축기 토출온도는 낮아지는 경향을 보였으나 외기온도 10℃에서는 압축기 회전수의 변화에 따른 토출온도의 변화는 다른 외기온도와 같은 경향을 보였으나 EEV 스텝의 개폐 여부와 상관없이 거의 일정한 경향을 보였다. 또한 동일한 외기온도에서는 압축기 회전수가 높을수록 압축기 토출온도가 상승하고 압축기 회전수가 낮을수록 압축기 토출온도는 낮음을 보였으며, 동일한 압축기 회전수에서는 외기온도가 높을수록 압축기 토출온도는 높음을 보였다.
후속연구
- 16MPa의 값을 보였는데 이는 Table 2에서 나타난 압축기 제조사에서 제시하는 허용 한계압력 이내의 값이다. 향후 냉각기 제어 시 고압에 관해서는 우려할 필요가 없으리라 판단된다.
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