[논문]소형 냉장고에 대한 스크롤 압축기 적용성에 관한 연구

김유찬; 김우영; 김현진

doi:10.6110/kjacr.2012.24.2.164

소형 냉장고에 대한 스크롤 압축기 적용성에 관한 연구
A Study on the Applicability of a Scroll Type Compressor to Small Capacity Refrigerators 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.2, 2012년, pp.164 - 173

김유찬 (인천대학교 대학원) , 김우영 (인천대학교 대학원) , 김현진 (인천대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To study the applicability of a scroll type compressor to small capacity refrigerators, a R600a scroll compressor with algebraic scroll wrap has been designed. Its size and performance have been compared to a reciprocating type of the same displacement volume. By employing scroll wrap based on algebraic curve, high compression ratio can be accomplished without increasing the wrap angle much so that compact scroll may be obtained. Compared to a reciprocating one, the designed scroll compressor has diameter and height reduced by about 50% and 80%, respectively. By numerical simulation, it has been estimated that the scroll compressor provides 38.6% more cooling capacity than reciprocating type with 8.9% more power consumption, resulting in 27.3% increase in COP for ASHRAE low back pressure condition. With increasing the operating pressure ratio from 9.5 to 15.3, the overall compressor efficiency of the scroll compressor decreases from 72.6% to 65.2%, while that of the reciprocating compressor increases from 55.7% to 59.8%.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

Tsuji et al.⁽⁴⁾는 아르키메데스 나선과 원호의 조합으로 이루어진 하이브리드 스크롤 랩에서 대수나선 계수, 랩 두께 및 높이, 그리고 실린더 직경 등을 변화시켜가며 스크롤 압축기의 최고 효율을 얻을 수 있는 변수들의 조합에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 대수 나선에 기초하여 설계된 스크롤 랩을 갖는 스크롤 압축기를 비교적 높은 압축비가 요구되는 가정용 냉장고에 적용하였을 때 예상되는 장단점을 기존 왕복동 압축기를 사용한 경우와의 비교를 통해 살펴보고자 한다.

제안 방법

(1) 소형을 유지하면서 고압축비가 가능하도록 대수 나선에 기초한 스크롤 랩을 갖는 R600a용 고압식 스크롤 압축기의 기본 구조를 설계하였다.
^(1-4) 대수 나선 곡선의 한 종류인 아르키메데스 나선의 적용은 Montelius and Sugihara⁽¹⁾에 의해 오래 전에 제안되었으며, Kohsokabe et al.^{(2, 3)}은 스크롤 랩을 이루는 기본 곡선으로 다양한 대수 나선을 이용하여 스크롤 랩 설계의 자유도를 높이는 연구를 수행하였다. 그들은 대수 나선의 변수들인 공전 반경비와 나선의 지수 등의 변화를 통해 다양한 형상의 스크롤 랩을 얻을 수 있었으며 이를 통해 랩 치수의 소형화 및 랩 두께의 변화 등을 만들어 낼 수 있음을 보였다.
랩 나선각이 131°보다 작을 경우에는 대수 나선이 아니라 원호의 조합이 되도록 랩 중앙부를 설계했다.
설계 압력비는 Table 1에 의하면 12.1이 되어야 하는데 이를 고정 체적비 설계 방식만으로 만족시키기 위해서는 랩 최대 나선각이 상당히 커져야 하므로 이를 피하기 위해 본 설계에서는 토출 포트 직경을 제한하여 3.8 mm로 하였고, 또한 토출 밸브를 사용하는 방식을 통해 랩 최대 나선각을 638°로 제한하였다.
압축기 운전 조건 변화에 따른 스크롤과 왕복동의 상대적인 성능 변화를 살펴보기 위해 압축기 흡입압(Ps)을 0.63 bar에 고정하고 토출압(Pd)을 변화시켜가며 성능해석을 수행하였다. Fig.
이 같은 대수 나선에 기초한 스크롤 랩을 갖는 스크롤 압축기를 가정용 냉장고에 적용하기 위한 설계에 있어서, 행정체적 10 cc이고 R600a를 작동유체로 하는 왕복동 압축기를 비교 기준으로 하였다. R600a를 냉매로 사용하는 경우, ASHRAE 저온 조건은 Table 1과 같다.
이러한 성능해석에 기초하여 왕복동 및 스크롤 압축기의 성능을 계산하는 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 visual basic으로 작성하였다.

성능/효과

(2) 동일한 행정체적을 갖는 왕복동 압축기와의 크기를 비교했을 때, 설계된 스크롤 압축기의 직경은 50% 이하로, 높이는 약 80% 정도가 되었다.
(3) ASHRAE 저온 조건에서 왕복동 압축기 대비, 스크롤에서 냉동능력 및 압축기 입력이 각각 38.6% 및 8.9% 더 많게 나타났고, 그 결과 COP는 27.3%더 높게 얻어졌다.
(4) 단열압축효율은 두 경우 모두 85% 수준으로 비슷하게 나타났고, 기계적 효율과 체적효율은 스크롤에서 각각 9% 및 25% 더 좋게 얻어졌다.
(5) 운전 압력비를 9.5에서 15.3으로 증가시키면 압축기 전효율은 스크롤에서는 72.6%에서 65.2%로 감소하고, 왕복동은 55.7%에서 59.8%로 증가하는 추세를 보인다.
(6) 대수 나선 스크롤에 대한 가공 정밀도 및 경제성이 전제된다면, 대수나선 스크롤 압축기의 소형 냉장고 분야에의 적용은 상당히 유망하다고 여겨진다.
5는 왕복동 압축기에서 성능해석 프로그램을 통해 얻은 계산 결과와 압축기 열량계 시험을 통해 얻은 P-V 선도의 비교를 보여주며, 압축기 전반적인 성능에 대한 비교는 Table 3에 나타내었다.⁽⁷⁾ 냉매는 R600a이며 흡입압 및 토출압은 각각 0.609bar 및 7.703 bar이다. 압축기 운전속도는 2960 rpm이고 모터효율 84%이다.
따라서 토출압이 증가할수록 재팽창으로 인한 내부 누설 손실이 증가한다. 냉동능력과 압축기 입력의 비로 정의되는 COP는 결국 압력비 증가에 따라 스크롤에서 더 빠르게 감소하는 것으로 나타났지만, 왕복동의 COP를 기준하여 스크롤의 COP는 압력비 9.5에서 37.1%, 압력비 15.3에서 16.7% 높은 값을 보였다.
Table 6는 스크롤과 왕복동 두 압축기의 전반적인 성능에 대한 비교이다. 스크롤이 왕복동보다 냉동능력은 38.6% 높은 반면, 압축기 입력은 8.9% 증가했으므로 결국 COP는 27.3% 크게 나타났다.
11은 압력비(Pd/Ps) 변화에 대한 스크롤과 왕복동 압축기의 성능 변화를 보여준다. 압력비가 9.5에서 15.3으로 증가할 때, 압력비 9.5에서의 성능을 기준하여 냉동 능력(Qc)은 스크롤에서 85.7%로, 그리고 왕복동에서는 77.4%로 감소하였다. 스크롤에서 냉동능력 감소는 질량 유량의 감소에 기인한 것보다는 토출압력이 올라감에 따라 응축기 출구에서의 엔탈피가 증가하여 냉동 효과가 줄어든 것의 영향이 지배적이다.
압축기 전효율(ηc)은 모터효율을 일정하다고 가정할 때 단열압축효율과 기계효율과의 곱에 비례하므로 압력비가 9.5에서 15.3으로 증가함에 따라 스크를에서는 72.6%에서 65.2%로 감소하고, 왕복동은 55.7%에서 59.8%로 증가하는 추세를 보인다.
Table 5에는 기계적 마찰 손실의 비교를 나타내었다. 유효일(L_th)을 기준하여 마찰손실은 스크롤에서는 12.64%, 왕복동은 17.69%로서 왕복동에서의 마찰손실이 상대적으로 크게 나타났다. 스크롤에서는 구동베어링 손실 및 주 저널 베어링 손실이 각각 5.
7% 많다. 체적 효율로는 스크롤은 96.49%, 왕복동은 69.86%이다. 단열압축효율은 두 압축기에서 큰 차이가 없게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	왕복동식에서 압축비가 높아질수록 체적효율이 감소하는 이유는?	왕복동식에서는 토출 밸브를 사용하므로 압축비가 높은 운전 조건이 되어도 토출 밸브 전후의 압력차에 의해 토출 시작이 결정되므로 설계상의 별다른 유의점이 없다. 다만 피스톤이 상사점에 이르렀을 때 간극체적에 남아 있는 고압의 가스가 재팽창하게 되므로 압축비가 높아질수록 체적효율이 감소하는 면이 있다. 반면 스크롤 압축기에서는 원칙적으로 고정 체적비를 갖는 압축 방식이므로 압축실 내의 가스가 설계 압력비에 도달해야만 토출 포트에 연통되어 토출이 개시되게 된다.
	아르키메데스 나선이란?	인볼루트 곡선을 사용하는 스크롤 랩의 이러한 단점들을 보완할 수 있는 방안들 가운데 하나로서 스크롤 랩의 기본 곡선을 대수 나선으로 하는 사례도 보고되고 있다.(1-4) 대수 나선 곡선의 한 종류인 아르키메데스 나선의 적용은 Montelius and Sugihara(1)에 의해 오래 전에 제안되었으며, Kohsokabe et al.(2, 3)은 스크롤 랩을 이루는 기본 곡선으로 다양한 대수 나선을 이용하여 스크롤 랩 설계의 자유도를 높이는 연구를 수행하였다.
	왕복동식에서 설계상 별다른 유의점이 없는 이유는?	왕복동식에서는 토출 밸브를 사용하므로 압축비가 높은 운전 조건이 되어도 토출 밸브 전후의 압력차에 의해 토출 시작이 결정되므로 설계상의 별다른 유의점이 없다. 다만 피스톤이 상사점에 이르렀을 때 간극체적에 남아 있는 고압의 가스가 재팽창하게 되므로 압축비가 높아질수록 체적효율이 감소하는 면이 있다.

참고문헌 (8)

Montelius, C. and Oscar, J., 1943, Rotary compressor or motor, U. S. Patent 2,324,168.
Kohsokabe, H., Takebayashi, M., Kunugi, Y., Ohshima, Y., and Hata, H., 1994, Study on scroll profile based on algebraic spiral for scroll machines, Transactions of the JAR, Vol. 11, No. 3, pp. 337-347.
Kohsokabe, H., Takebayashi, M., Kunugi, Y., Ohshima, Y., Hata, H., 1996, New Scroll Profiles Based on an algebraic spiral and their application to small-capacity refrigeration compressors, ASHRAE Transactions:Research Vol. 102, No. 2, pp. 34-39.
Tsuji, T., Ishi, N., Sawai, K., Anami, K., Hiwata, A., Morimoto, T., Sano, K., and Knisely, C., 2010, On the development of optimally efficient compact scroll compressors for refrigerators, International Compressor Engineering Conference at Purdue, USA, Paper # 1357.
Kohosokabe, H., Iwata, H., Endoh, K., and Oshima, Y., 1996, Scroll fluid machine, scroll member and processing method thereof, U. S. Patent 5,554017.
Wang, L., Du, L., Zhang, X., Wang, X., Chen, B., and Hussain, S., 2011, A study on integrated design conjugation profiles application analysis of scroll profiles for automobile air conditioning, Science China, Technological Sciences, doi:10.1007/s11431-011-4372-6.

상세보기
Kim, H. J., 2005, Development of computer simulation program for reciprocating compressor, Technical Report, University of Incheon.
Kim, H. J., 2006, Performance analysis of a scroll compressor equipped with discharge bypass valves, Technical Report, University of Incheon.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증