[논문]무공해자동차용 R134a 히트펌프 시스템의 난방성능 향상에 관한 실험적 연구

이대웅

doi:10.6110/kjacr.2014.26.6.257

[국내논문] 무공해자동차용 R134a 히트펌프 시스템의 난방성능 향상에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Heating Performance Improvement of R134a Heat Pump System for Zero Emission Vehicles 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.6, 2014년, pp.257 - 262

이대웅 (한라비스테온공조 연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes an experimental study for heating performance that can be used in R-134a automobile heat pump systems. The heat pump system is widely studied for heating system in zero-emission vehicles to attain both the small power consumption and the effective heating of the cabin. This paper presents the experimental results of the influence on heating capacity and coefficient of performance of heat pump system. Tests were performed with different sizes of internal and external heat exchangers, and refrigerant flow rate was also considered in two-way flow devices. In addition, the heat, air, and water sources with the heat pump system were examined. The experimental results with the heat pump system were used to analyze the impact on performances. The best combination of performance was A-inside heat exchanger, B-outside heat exchanger, and B-flow device, respectively. In addition, a water heat-source was found to give roughly 40% of better performance than an air heat-source heat pump system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 지식경제부가 지원하는 2010년 지식경제기술혁신사업(10035530)의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
일반적으로 히트펌프시스템으로 운전되는 난방 사이클은 냉방 사이클 대비운전압력과 온도가 낮기 때문에 상대적으로 냉매 순환량도 줄어들게 된다. 따라서 동일한 운전조건에서 최대의 난방성능을 낼 수 있는 조건이 필요하며, 본 연구에서는 이러한 인자에 대한 검토로 실내열교환기와 실외열교환기 및 팽창장치의 영향에 대하여 실험하였다.
본 연구에서는 무공해자동차에서 난방을 위한 기술로 히트펌프 시스템에 대하여 연구하였다. 히트펌프 시스템을 구성하는 각 구성부품들을 변경하면서 난방 성능을 실험하였고, 또한 히트펌프 시스템의 열원을 변경하면서 실험하여 히트펌프 시스템에서 난방성능에 미치는 설계인자들에 대하여 분석하고자 하였다.
이상으로 살펴본 바와 같이 히트펌프 시스템에서 각 구성품들이 난방성능에 미치는 영향에 대하여 살펴 보았다. 특히 열원변경에 따라 난방성능이 가장 우수하게 향상되었으며, 냉각수열원 방식의 히트펌프 시스템은 열원으로써 가치가 없는 10℃ 정도의 냉각수도 난방열원으로써 충분하므로 향후 무공해차량에의 적용검토가 필요할 것으로 생각된다.
본 연구에서는 무공해자동차에서 난방을 위한 기술로 히트펌프 시스템에 대하여 연구하였다. 히트펌프 시스템을 구성하는 각 구성부품들을 변경하면서 난방 성능을 실험하였고, 또한 히트펌프 시스템의 열원을 변경하면서 실험하여 히트펌프 시스템에서 난방성능에 미치는 설계인자들에 대하여 분석하고자 하였다.

제안 방법

(6)은 차량의 보조 난방 시스템에 대하여 1.6 kW와 3.0 kW 용량의 전기 PTC(Positive Temperature Coefficient)히터와 FFH(Fuel Fired Heater), 기존의 냉각수를 사용하는 난방시스템, 공기열원과 냉각수열원을 이용한 히트펌프 시스템에 대하여 다양한 외기조건에서 난방 성능을 전산해석하고, 각각의 장단점에 대하여 검토하였다.
팽창장치는 오리피스와 전자팽창밸브에 대하여 성능에 미치는 영향에 대하여 살펴보았고, 압축기는 전기구동식 스크롤 형태의 압축기를 사용하였다. 그밖에 히트펌프의 열원이 공기열원일 때와 냉각수열원일 때 각각 성능시험을 하여 난방성능에 미치는 영향도를 살펴보았다. 냉각수 열원 히트펌프 시스템을 시험할 때에는 Table 1에서와 같이 냉매-냉각수간 열교환을 할 수 있는 열교환기가 적용되었다.
는 전기자동차 난방장치로 히트펌프 시스템의 적용 가능성을 살펴보았다. 냉매와 냉각수가 열교환하는 구성으로 차량의 구동모터와 배터리에서 발생하는 폐열을 회수하여 난방열원으로 이용함으로써 영하의 외기온도에서 히트펌프 작동시 실외열교환기에서 발생하는 착상문제를 해결하였다. 외기온도가 -10℃일 때 약 2.
무공해자동차용 R134a 히트펌프 시스템에 대하여 성능향상에 기여하는 설계인자를 찾기 위하여 실내열교환기, 실외열교환기, 팽창장치 및 공기열원, 냉각수열원으로 변경하면서, 성능에 미치는 영향들에 대하여 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
는 제습이 가능한 히트펌프 시스템을 전기자동차용 공조장치로 제안하였다. 전자팽창밸브를 적용하여 차 실내 난방부하를 제어하였고, 공조장치를 지나는 공기 유동을 상하로 나누어 상부를 지나는 공기는 창문습기를 제거하는데 사용하고, 하부 공기유동은 실내를 난방 하는데 사용하였다.
B-실외열교환기가 A-실외열교환기보다 대략 27% 정도 열전달면적이 크다. 팽창장치는 오리피스와 전자팽창밸브에 대하여 성능에 미치는 영향에 대하여 살펴보았고, 압축기는 전기구동식 스크롤 형태의 압축기를 사용하였다. 그밖에 히트펌프의 열원이 공기열원일 때와 냉각수열원일 때 각각 성능시험을 하여 난방성능에 미치는 영향도를 살펴보았다.
자동차에서 난방은 엔진 폐열을 냉각수를 이용하여 실내에 있는 열교환기로 공급하고, 실내공기와 대류 열교환으로 난방을 하게 되므로 영하의 외기조건에서 시험을 하게 된다. 하지만, 히트펌프의 경우 실외열교환기의 착상, 압축기의 저온운전 등의 이유로 난방계절로 인지하는 초겨울 외기온도를 기준으로 실험을 하였다.
히트펌프 시스템의 성능 시험은 각 구성품들을 실차 장착상태와 동일하게 시스템 시험기에 장착하여 평가하였다. Fig.

대상 데이터

시험장치의 구성은 실내룸(cabin room)과 엔진룸(engine room), 제어부(control panel)로 구분할 수 있으며, 먼저 실내룸은 자동차의 실내를 모사하여 공기분배장치(air handing stand)와 실내 온도와 습도를 제어할 수 있는 공조기가 위치하고 있다. 엔진룸은 실제 차량의 엔진룸에 위치하는 에어컨 시스템의 응축기와 압축기, 수액기 등이 장착되는 냉방장치(air conditioning test stand)와 온도와 습도를 제어하는 공조기가 설치되어 있다.
실외열교환기의 경우, 차량에서는 초기 승객이 탑승시에 실내와 실외가 동일한 온도이므로 동일한 외기온도로 설정을 하였으며, 주행풍은 차량이 96 km/h로 주행할 때 실외열교환기로 공급되는 풍량을 모사하였고, 이때 압축기의 회전수는 다양하게 변경하였다. 히트펌프 시스템의 적용 대상은 무공해자동차의 대표격인 전기자동차이며, 초기 냉각수 온도는 10℃, 유량은 6 ℓ/min으로 실험을 진행하였다.

성능/효과

(1) 실내열교환기의 크기를 변경하면서 난방능력을 시험한 결과 필요 이상의 큰 열교환기보다는 충분히 방열이 이루어질 수 있도록 열교환기를 적절하게 설계하는 것이 중요함을 알았다.
(2) 실외열교환기는 공기로부터 열을 흡수하는 역할을 하므로 열교환 측면에서 크기가 큰 실외열교환기가 유리함을 알았다.
(3) 팽창장치를 변경하면서 시험한 난방성능은 전자팽창밸브가 전 운전영역에서 약 8% 정도 성능차이가 발생하였으며, 성적계수도 약 4.5% 이상 우수하게 나타났다.
(4) 냉각수열원 방식의 히트펌프 시스템이 공기열원방식 대비 외기온도가 10℃, 냉각수온도가 10℃인 조건에서, 36～48% 정도 난방성능이 우수함을 확인하였다.
Fig. 5(a)는 토출온도를 비교한 것으로 전자팽창밸브가 오리피스관보다 전 운전영역에서 토출온도가 높게 나타났다. Fig.
Fig. 5의 (b)는 난방능력과 성적계수를 비교한 것으로 전자팽창밸브가 오리피스관보다 약 7% 정도 우수한 난방능력을 보여주고 있으며, 성적계수를 약간 우수하게 나타났다. 이는 전자팽창밸브의 경우 압축기 회전수의 변동에 따라 적절하게 냉매 순환량을 조절하는 반면, 오리피스관의 경우는 그렇지 못한 원인으로 생각된다.
(b)를 보면 성적계수는 동일한 압축기 일량이 소요되는 반면, 난방능력은 냉각수열원 방식이 공기열원 방식보다 전 운전영역에서 거의 40% 이상 높은 난방성능을 보여주고 있다.
난방용량과 성적계수는 실제 차량에서의 난방에 사용되는 토출공기를 기준으로 계산되었으며, 냉매측 기준의 난방용량과 비교 시 3% 이내로 비교적 잘 일치하였다.
3의 (b)는 압축기 회전수별 난방능력과 성적계수로, 압축기 회전수가 증가할수록 난방능력은 증가하지만, 성적계수는 감소하고 있다. 난방용량은 A-실내열교환기가 B-실내열교환기 대비 약 6% 정도 우수하게 나타났다. 이는 A-실내열교환기의 경우 적절하게 방열이 이루어져 난방용량이 증가한 반면 B-실내열교환기는 상대적으로 열교환기기가 크게 설계되어 동일한 냉매유량에서 상대적으로 충분한 난방능력을 발휘하지 못한 것으로 보여 진다.

후속연구

이상으로 살펴본 바와 같이 히트펌프 시스템에서 각 구성품들이 난방성능에 미치는 영향에 대하여 살펴 보았다. 특히 열원변경에 따라 난방성능이 가장 우수하게 향상되었으며, 냉각수열원 방식의 히트펌프 시스템은 열원으로써 가치가 없는 10℃ 정도의 냉각수도 난방열원으로써 충분하므로 향후 무공해차량에의 적용검토가 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기자동차의 경우 해결되어야 할 문제점들은 무엇입니까?	이미 생활주변에서 하이브리드 자동차는 쉽게 볼 수 있으며, 나아가 완전 무공해 차량인 전기자동차를 개발하기 위하여 국내외 여러 자동차 회사에서 노력하고 있다. 그러나 전기자동차의 경우 높은 가격과 충전시간, 충천인프라의 구축, 짧은 주행거리 등이 해결되어야 할 문제점으로 지적되고 있다. 그중에서도 가장 큰 애로사항은 1회 충전 주행거리가 기존의 내연기관 차량에 비하여 현저히 짧다는 것이다.
	히트펌프 시스템 시험 장치의 구성은 실내룸과 엔진룸, 제어부로 구분되는데 이 중 실내룸과 엔진룸의 자세한 사항은 어떻습니까?	시험장치의 구성은 실내룸(cabin room)과 엔진룸(engine room), 제어부(control panel)로 구분할 수 있으며, 먼저 실내룸은 자동차의 실내를 모사하여 공기분배장치(air handing stand)와 실내 온도와 습도를 제어할 수 있는 공조기가 위치하고 있다. 엔진룸은 실제 차량의 엔진룸에 위치하는 에어컨 시스템의 응축기와 압축기, 수액기 등이 장착되는 냉방장치(air conditioning test stand)와 온도와 습도를 제어하는 공조기가 설치되어 있다. 그리고 이들 실내룸과 엔진룸의 각종 환경과 시험조건은 제어부에 설치된 컴퓨터로 제어 및 모니터링되며, 실험결과도 동시에 취득된다. 실내룸은 브라인 냉각기와 전기히터를 이용하여 -20~60℃까지 온도 조절이 가능하고, 습도는 스팀 발생기에서 10~90% 범위에서 제어할 수 있다. 또한 30 kW 전기히터로 차량 엔진의 냉각수를 모사하여 약 10~108℃까지 냉각수 온도가 제어된다. 엔진룸은 40 Hp의 압축기를 사용하는 냉동장치와 전기히터를 이용하여 -20~80℃까지 온도 조절이 가능하며, 340~10,000 m3/h 범위 내에서 풍량제어가 가능한 원심 회전식 송풍기로 차량이 주행할 때 외부열교환기의 전면으로 불어오는 주행풍을 모사할 수 있다. 열손실을 방지하기 위하여 모든 장치는 단열이 되어 있으며, 복사열에 의한 열손실도 자동으로 보정된다. 그밖에 전동압축기의 투입일을 측정하기 위한 전력계, 구동토크 및 히트펌프 시스템 내 순환하는 냉매량을 측정하기 위한 질량유량계가 설치되어 있다.
	히트펌프 시스템 시험 장치의 특징은 무엇입니까?	1에 나타내었다. 히트펌프 시스템 시험 장치는 실제 차량에서의 냉․난방 시스템의 작동조건을 모사할 수 있으며 온도와 습도, 풍량변화 등 다양한 환경조건과 압축기의 회전수를 변화하면서 시험할 수 있다.

참고문헌 (7)

Umezu, K. and Noyama, H., 2010, Air conditioning system for electric vehicles i-MiEV, Proceedings, SAE Automotive Refrigerant and System Efficiency Symposium 2010, Scottsdale, Arizona USA.
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Park, C. H., Jee, Y. J., and Lee, D. W., 2011, Development trends of heat pump system for electric driven vehicles, Journal of the Korea Society of Automotive Engineers, Vol. 33, No. 12, pp. 29-35.
Takahisa, S. and Katsuya, I., 1996, Air conditioning system for electric vehicle, SAE Technical Paper 960688.
Vincent, P., 1997, Reversible heat pump system for an electrical vehicle, SAE Technical Paper 971772.
Feuerecker, G., Schafer, B., and Strauss, T., 2005, Auxiliary heating systems of conventional and heat pump type : technology, performance and efficiency, SAE Technical Paper 2005-01-2055.
Lee, D. W., Oh, D. H., and Jee, Y. J., 2011, Investigation of R134a heat pump system for zero emission vehicle, Proceedings of KSAE 2011 Autumn Annual conference, Vol. 11, pp. 595-600.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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