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문제 정의
- 본 연구에서는 실제 기동 중인 압축기의 오일 토출량 측정을 위하여, 압축기 오일 토출량 측정 기법을 개발하였고, 측정 기법의 신뢰성을 평가하였다. 또한, 압축기 오일 토출량 측정 실험을 통해 다양한 외기 조건에서 실제 가동 중인 압축기의 오일 토출량 측정을 시도하였다.
- 압축기 제조사에서 제공한 압축기 성능 사양과의 비교를 통하여 본 연구에서 제안한 오일 토출량 측정 기법의 신뢰성을 확보하였다. Figure 4는 58 Hz와 72 Hz에서의 실험결과를 보여 주고 있다.
제안 방법
- 또한, 박민우 등[2]은 실제 기체 상태방정식을 사용하여 냉매의 열역학적 상태량을 구하고 실린더 내부에 에너지 보존 법칙과 질량 보존 법칙을 적용하여 회전각에 따른 압력변화와 온도변화를 구하는 열역학적 모델링을 제시하였다. 또한, 압축기 내부에서 발생하는 실린더 반경 방향의 누설량을 유체의 마찰을 고려한 Fanno 유동으로 모델링하여 계산하였다. 홍기수 등[3]은 오일이 모세관내의 냉매유동에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 R-22 냉매와 광유계통의 오일4GS(VG 56)의 혼합물을 사용하여 오일농도 0%, 3.
- 본 연구에서는 실제 기동 중인 압축기의 오일 토출량 측정을 위하여, 압축기 오일 토출량 측정 기법을 개발하였고, 측정 기법의 신뢰성을 평가하였다. 또한, 압축기 오일 토출량 측정 실험을 통해 다양한 외기 조건에서 실제 가동 중인 압축기의 오일 토출량 측정을 시도하였다.
- Figure 1은 오일 토출량 측정 장치의 개략도를 나타내고 있다. 압축기에서 토출된 오일을 냉매와 분리시켜 그 양을 측정하기 위하여 압축기와 오일 분리기 사이에 또 하나의 오일 분리기를 설치하였고, 오일 분리기와 연결된 각각의 관에 총 4개의 단방향 on/off 밸브를 설치하였다. 각각의 밸브는 냉매와 오일 혼합물의 유동 방향을 바꿔 오일 추출을 위한 오일 분리기로 보내고, 오일 분리기에 모인 오일을 에어컨 시스템 내부의 유동과 격리시키는 역할을 한다.
- Figure 2는 압축기에서 토출된 오일을 측정하기 위해 실외기에 설치된 오일 분리기를 보여 주고 있다. 에어컨 내부의 안정성 확인을 위하여 압축기와 액분리기에 가시화창을 설치하였고, 가시화창 앞에 41만 화소의 칼라 CCD 카메라를 설치하였다.
- 이때 4번 밸브가 닫혀 있기 때문에 2번 오일 분리기에서 냉매와 분리된 오일은 액분리기로 회수되지 못하고 2번 오일 분리기에 쌓이게 된다. 3단계로 2번 밸브를 열고 1, 3번을 닫아 2번 오일 분리기를 시스템 내부 유동과 분리시킨 후, 오일 분리기에 모인 오일의 높이를 측정한다. 마지막 4단계에서 4번 밸브를 열어 2번 오일 분리기에 모여 있는 오일을 액분리기로 회수시킨다.
- 혼합물에서 오일의 함유량을 나타내기 위해 OCR(Oil Circulation Rate)을 산정하였으며, 그 식은 다음과 같다.
- 압축기 오일 토출량 측정 기법의 신뢰성 확보를 위하여 압축기의 성능 지수인 OCR(Oil Circulation Rate)을 58 Hz와 72 Hz에서 측정하여 압축기 성능 데이터와의 비교 실험을 수행하였다. 또한, 본 연구를 위해 설치된 에어컨은 냉방과 난방이 모두 가능한 설비이기 때문에 다양한 조건에서 운전되므로 Table 1에서 보는바와 같이 4가지 운전 조건을 냉방 운전과 난방 운전에 걸쳐 총 8가지의 외기 조건에서 오일 토출량 측정 실험을 수행하였다.
- 압축기 오일 토출량 측정 기법의 신뢰성 확보를 위하여 압축기의 성능 지수인 OCR(Oil Circulation Rate)을 58 Hz와 72 Hz에서 측정하여 압축기 성능 데이터와의 비교 실험을 수행하였다. 또한, 본 연구를 위해 설치된 에어컨은 냉방과 난방이 모두 가능한 설비이기 때문에 다양한 조건에서 운전되므로 Table 1에서 보는바와 같이 4가지 운전 조건을 냉방 운전과 난방 운전에 걸쳐 총 8가지의 외기 조건에서 오일 토출량 측정 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위하여 인버터 로터리 압축기를 채용한 CAC 용량가변형 에어컨을 칼로리미터 실험실에 설치하였다. 칼로리미터 실험실은 실내측, 실외측, 운전실, 기계실로 구성되어 있고, 제어판을 이용하여 실내/외 측 건/습구 온도를 설정할 수 있다.
- 칼로리미터 실험실은 실내측, 실외측, 운전실, 기계실로 구성되어 있고, 제어판을 이용하여 실내/외 측 건/습구 온도를 설정할 수 있다. 본 실험에 사용된 압축기는 BLDC 모터를 사용하는 인버터 로터리 압축기로, 냉매로 R-410a를 사용하였고, 압축기 오일로 P.O.E. 오일을 사용하였으며, 압축기 오일의 용량은 1,100 cc 이다. 압축기의 최고 토출 압력은 3.
성능/효과
- 1%에 대하여 모세관 형상과 입구 조건을 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 모세관 형상을 변화시키면 내경이 클수록, 길이가 길수록, 모세관 입구조건을 변화시키면 입구 압력이 높을수록, 과냉도가 클수록, 건도가 작을수록 혼합물의 유량이 증가함을 밝혀내었다. 친환경적인 새로운 냉매의 개발은 그에 적합한 냉동기유의 개발을 가져왔고, 이에 냉매와 오일의 상용성에 관한 연구가 활발히 진행되었다.
- Figure 4는 58 Hz와 72 Hz에서의 실험결과를 보여 주고 있다. 58 Hz에서 평균 0.806%로 압축기 제조사에서 제공한 압축기 성능 사양인 0.7%보다 0.106% 높게 나타났으며, 72 Hz에서 평균 0.804%로 압축기 성능 사양인 0.9%보다 0.096% 낮게 나타났다. 오차의 원인으로는 오일 추출 실험을 수행하기 전 오일 분리기 벽면에 남아있는 소량의 오일과 4개의 밸브를 동시에 조작함에 있어서 측정 시간과 혼합물 유입 시간이 정확히 일치하지 않음을 들 수 있다.
- 5는 단속 조건을 제외한 각 조건별 오일 추출량을 보여 주고 있다. 냉방 운전 시 평균 5.2 kg/h의 오일이 토출되었고, 난방 운전 시 평균 19.95 kg/h의 오일이 토출됨을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 냉방 운전 시 보다 난방 운전 시 평균 3.
- 95 kg/h의 오일이 토출됨을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 냉방 운전 시 보다 난방 운전 시 평균 3.8배의 오일이 토출됨을 확인하였다. 시스템 부하가 가장 적은 냉방 저온 운전 조건에서 0.
- 8배의 오일이 토출됨을 확인하였다. 시스템 부하가 가장 적은 냉방 저온 운전 조건에서 0.67 kg/h로 가장 적은 양의 오일이 토출되었고, 시스템 부하가 가장 큰난방 과부하 운전 조건에서 44.7 kg/h로 가장 많은 양의 오일이 토출되었다. 과부하 운전 조건에서 표준 운전 조건 대비냉방 2배, 난방 4.
- 7 kg/h로 가장 많은 양의 오일이 토출되었다. 과부하 운전 조건에서 표준 운전 조건 대비냉방 2배, 난방 4.5배 이상의 오일이 토출됨을 확인할 수 있다. 이는 에어컨에 걸리는 부하가 클수록 압축기 오일의 토출량이 증가함을 나타낸다.
- Figure 6은 단속 운전 조건에서 냉/ 난방 운전 시 오일 토출량을 나타내고 있다. 냉/난방 운전 모두 최초 기동 시 가장 많은 양의 오일이 토출되었고, 이후 on/off 기동에선 일정한 양이 토출됨을 확인할 수 있다.
- 2) 오일 토출량 측정 기법 신뢰성 평가 결과, 58 Hz에서 0.106%, 72 Hz에서 0.096%의 오차가 발생하였지만 허용 가능한 오차로 본 연구에서 제안한 오일 토출량 측정 기법의 신뢰성을 확보하였다.
- 3) 조건별 토출량 측정 실험에서 냉방 운전 보다 난방 운전에서 평균 3.8배의 오일이 토출되었고, 이는 에에컨 시스템에 걸리는 부하가 클수록 많은 양의 오일이 토출됨을 보여 준다.
- 4) 본 연구에서 제안한 오일 토출량 측정 기법은 실제 에어컨 시스템에 부착하여 정량적인 측정이 가능하고, 에어컨 운전 성능에 영향을 주지 않으며, 1회성이 아닌 한번의 운전으로 다수의 오일 토출량 측정이 가능하고, 측정 시간이 짧고 방법이 간단하며, 측정 시기에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.
후속연구
- 1) 압축기 오일 토출량 측정 기법 개발을 통하여 다양한 외기 조건에서의 오일 토출량을 측정하고 이를 통해 정량적인 연구의 가능성을 제시하였다.
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