[논문]듀얼 냉동사이클을 이용하는 특수목적 자동차용 에어컨 시스템의 냉방성능에 관한 연구

서재형; 방유마; 이무연

doi:10.3795/ksme-b.2016.40.4.213

듀얼 냉동사이클을 이용하는 특수목적 자동차용 에어컨 시스템의 냉방성능에 관한 연구
Investigation on the Performance of Special Purpose Automotive Air-Conditioning System Using Dual Refrigeration Cycle 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.40 no.4 = no.367, 2016년, pp.213 - 220

서재형 (엔티에프 텍) , 방유마 (동아대학교 기계공학과) , 이무연 (동아대학교 기계공학과)

초록
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본 연구의 목적은 열대 지방에서 사용되는 특수목적 자동차용 에어컨 시스템의 냉방성능 특성을 고찰하는 것이다. 이를 위하여 R-134a를 사용하는 듀얼 냉동사이클을 구성하였고 냉매량 및 실내온도를 변화시켜가면서 냉방성능을 비교하였다. 외기온도 $40.0^{\circ}C$에서 듀얼 냉동사이클의 실내 냉각속도 및 압축비(토출압력) 등을 고려하여 최적 냉매량을 1.5kg으로 선정하였다. 실내온도가 증가할수록 냉방부하가 증가하여 $25.0^{\circ}C$에서 $32.5^{\circ}C$로 실내온도를 높일 경우 $15.0^{\circ}C$에 도달하는데 걸리는 시간은 86.5% 증가하였고, $32.5^{\circ}C$에서 $40.0^{\circ}C$로 증가할 경우 38.1% 증가하였다. 또한, 실내온도가 $25.0^{\circ}C$에서 $40.0^{\circ}C$로 증가할수록 냉방용량은 19.1 kW에서 20.5 kW로 7.3% 증가했으나 냉방성능(COP)는 4.67에서 5.1로 7.0%감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to investigate the cooling performance of an air-conditioning system for a special purpose vehicle under tropical and severe weather conditions. In order to evaluate and compare the cooling performances, the dual refrigeration cycle using R-134a was tested on a special purpose vehicle with various refrigerant charge amounts and indoor temperatures. The cycle was tested considering indoor cooling speed and compression ratio (discharge pressure), and was optimized at the refrigerant charge amount of 1.5 kg and outdoor temperature of $40.0^{\circ}C$. The time to reach indoor temperature of $15.0^{\circ}C$ increased by 86.5% and 38.1%, at the indoor temperatures from $25.0^{\circ}C$ to $32.5^{\circ}C$ and from $32.5^{\circ}C$ to $40.0^{\circ}C$, respectively. In addition, with the increase in indoor temperature from $25.0^{\circ}C$ to $40.0^{\circ}C$, the cooling capacity increased by 7.3%, from 19.1 kW to 20.5 kW, but decreased by 7.0% from 4.67 to 5.1.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 동남아시아 및 열대 지역에서 운영하고 있는 특수목적 자동차의 충분한 냉방성능을 확보하기 위하여 필요로 하는 요구 냉방 용량을 계산하여 듀얼 냉방시스템을 구성하여 냉방성능을 실험적으로 고찰하였다.
본 연구는 열대지방 및 혹서기 조건에서 사용하는 특수목적형 자동차용 에어컨 시스템의 성능특성을 파악하는 것이다. 이를 위하여 R-134a를 사용하는 듀얼 냉동사이클을 구성하였고 냉매량을 1.
본 연구는 특수목적 자동용 냉방시스템의 냉방 성능을 분석하기 위하여 실내 및 실외 공간을 모사할 수 있는 실험장치를 설계하여 실험을 진행하였다. 일반적으로 시위진압용 특수목적 자동차는 6명의 전투요원이 탑승하며, Fig.
본 연구에서는 특수목적 자동차용 에어컨 시스템을 위하여 구성된 듀얼 냉동사이클의 내부 체적을 고려하여 냉매량 변경실험을 진행하였다. 일반적으로 산업 현장에서 개발된 에어컨 시스템에 냉매량 주입 시 사용하는 방법인 냉방시스템에서 압축기를 가동한 후 저압 및 고압의 변화를 관찰하면서 냉매량을 주입하였고, 본 연구에서는 냉매량을 1.

제안 방법

듀얼 냉동사이클의 냉방성능을 분석하기 위하여 실내 및 실외 공간 온도를 측정하고, 증발기와 응축기 입구 및 출구의 공기 온도와 냉매 온도를 측정하였으며, 압축기 입구 및 출구의 냉매 온도와 압력을 측정하였다.
또한 압축비의 증가로 압축일이 증가하여 냉방시스템 효율이 줄어들게 된다.⁽¹²⁾ 따라서 본 연구에서는 특수목적 자동차용 에어컨의 가장 중요한 성능요소라 할 수 있는 냉각속도 및 냉방시스템의 냉각성능 요소를 고려하여 최적 냉매량을 1.5kg으로 선정하였다. 특히, 특수목적형 자동차의 에어컨 시스템 개발관점에서 시위 진압 후 전투요원이 탑승하였을 경우 초기의 열쾌적성을 확보할 수 있는 초기 냉각속도에 초점을 맞추어 시스템 최적화를 진행하였다.
5kW의 구동 모터를 사용하여 압축기를 구동하였으며, 정지 시 특수목적 자동차의 엔진 회전수인 1750 rev/min로 구동하였고, 팽창장치로는 TXV(Thermostatic expansion valve)를 사용하여 압축기 입구온도에 따라 능동적으로 제어되도록 하였다.⁽⁹⁾ 적절한 과냉도 확보 및 기(vapor)팽창을 방지하기 위하여 직경 120.0 mm이고 높이 315.0 mm 인 리시버(Receiver tank)를 장착하였고, 압축기 입구에 액냉매 유입을 방지하기 위하여 직경 120.0mm 이고 높이 175.0mm인 어큐뮬레이터(Accumulator)를 제작하여 적용하였다. 듀얼 냉동사이클의 냉방성능을 분석하기 위하여 실내 및 실외 공간 온도를 측정하고, 증발기와 응축기 입구 및 출구의 공기 온도와 냉매 온도를 측정하였으며, 압축기 입구 및 출구의 냉매 온도와 압력을 측정하였다.
Fig. 4(a)는 증발기 팬 풍량 실험 장치이며, 정격전압 24.0 Volt에서 입력전류를 4.0A에서 5.7A로 변화시켜가면서 팬 풍량 실험을 진행하였다. 본 연구에서 사용한 증발기 팬의 P-Q성능곡선은 Fig.
냉매 측 열량은 몰리에르 선도에서 냉매의 온도와 압력을 통한 엔탈피 차와 질량유량을 통하여 구할 수 있으며 공기 측 및 냉매 측 에너지 평형 식을 이용하여 냉매 질량유량을 식 (2)와 같이 계산하였다.
듀얼 냉동사이클의 냉방성능을 고찰하기 위하여 외기온도 40.0℃에서 실내온도를 25.0℃, 32.5℃, 40.0℃로 변경하면서 실내온도 변화 및 냉각속도 성능을 고찰하였다. Fig.
0℃로 변경하면서 실험을 진행하였다. 듀얼 냉동사이클의 사이클 매칭 실험은 실내 및 실외 공기온도 40.0℃에서 냉매 주입량을 1.3kg, 1.5kg, 1.7kg로 변화시켜가면서 진행하였고 실내측 공기 온도 변화를 고찰하였다. 일반적인 승용자동차용 사이클 매칭 실험과 달리 혹서기 조건에서 사이클 실험을 진행한 이유는 특수목적 자동차의 사용 환경은 일반 자동차와 달리 높은 복사열, 탑승자인 전투 요원들의 높인 신진 대사열과 자동차 외형의 특수 재질 사용 등 가혹 조건에서 주로 사용되기 때문이다.
열대지역인 동남아 지역의 혹서기 조건을 모사하기 위하여, 세계 기상기구에서 발표된 동남아 지역 혹서기 온도 37.0℃와 중동지역 혹서기 온도 40.0℃를 이용하여,(10) 본 연구에서는 실외 온도를 40.0℃로 설정하였고, 실내온도는 25.0℃, 32.5℃, 40.0℃로 변경하면서 실험을 진행하였다.
듀얼 냉동사이클에 장착된 압축기 모델은 SANDEN Co.의 행정 체적155.0 cm³/rev의 왕복동식 압축기 2개를 사용하였고,⁽⁸⁾ 내연기관 자동차에서 냉동사이클용 왕복동식 압축기는 엔진에 연결되어 구동되기 때문에 이것을 모사하기 위하여 7.5kW의 구동 모터를 사용하여 압축기를 구동하였으며, 정지 시 특수목적 자동차의 엔진 회전수인 1750 rev/min로 구동하였고, 팽창장치로는 TXV(Thermostatic expansion valve)를 사용하여 압축기 입구온도에 따라 능동적으로 제어되도록 하였다.⁽⁹⁾ 적절한 과냉도 확보 및 기(vapor)팽창을 방지하기 위하여 직경 120.
본 연구는 열대지방 및 혹서기 조건에서 사용하는 특수목적형 자동차용 에어컨 시스템의 성능특성을 파악하는 것이다. 이를 위하여 R-134a를 사용하는 듀얼 냉동사이클을 구성하였고 냉매량을 1.3kg, 1.5kg, 1.7kg로 변화시켜가면서 혹서기 조건인 외기온도 40.0 ℃에 사용 가능한 최적 냉동사이클을 설계하였고 실내 온도변화에 따른 성능을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 특수목적 자동차용 에어컨 시스템을 위하여 구성된 듀얼 냉동사이클의 내부 체적을 고려하여 냉매량 변경실험을 진행하였다. 일반적으로 산업 현장에서 개발된 에어컨 시스템에 냉매량 주입 시 사용하는 방법인 냉방시스템에서 압축기를 가동한 후 저압 및 고압의 변화를 관찰하면서 냉매량을 주입하였고, 본 연구에서는 냉매량을 1.3kg, 1.5kg, 1.7kg로 변경하면서 혹서기 작동조건인 외기온도 40.0℃에서 실내온도를 40℃로 안정화 시킨 후 사이클 최적화 실험을 진행하였다.
5kg으로 선정하였다. 특히, 특수목적형 자동차의 에어컨 시스템 개발관점에서 시위 진압 후 전투요원이 탑승하였을 경우 초기의 열쾌적성을 확보할 수 있는 초기 냉각속도에 초점을 맞추어 시스템 최적화를 진행하였다.⁽¹³⁾

대상 데이터

Fig. 2에 본연구에서 사용된 증발기 개략도를 나타내었으며, 실내 공간을 냉각 시키기 위하여 사용된 증발기의 전체 크기는 920.0mm × 1080.0mm × 220.0mm이며, 특수 목적 자동차의 승차 공간의 효율적인 냉방을 위하여 증발기 1과 증발기 2등 2개의 열교환기와 각 증발기마다 2개의 증발기 팬이 장착되어 총 4개의 multi-blade 타입의 원심형 증발기 팬이 사용되었다.
일반적인 승용자동차용 사이클 매칭 실험과 달리 혹서기 조건에서 사이클 실험을 진행한 이유는 특수목적 자동차의 사용 환경은 일반 자동차와 달리 높은 복사열, 탑승자인 전투 요원들의 높인 신진 대사열과 자동차 외형의 특수 재질 사용 등 가혹 조건에서 주로 사용되기 때문이다. 본 연구에서 사용된 냉매는 R-134a를 사용하였으며, 냉방실험은 실내 측 고내 온도가 15.0℃까지 떨어지는 시간을 측정 및 평가하였다. 일반적인 승용자동차 승차공간의 실내 최저온도인 17.
실험 시 온도 측정을 위하여 정확도 ±0.1℃의 T-type 열전대(Thermocouple)가 사용되었고 압력 측정을 위하여 정확도 ±0.13% (Full scale)의 Setra 206의 압력게이지가 사용되었다.
증발기는 알루미늄 재질의 평판 핀을 사용하였고, 핀 피치는 2.0mm이고 한 개의 증발기의 크기는 140.0mm×850.0mm×163.0mm이며, 전열 면적은 9.0m2이다.

성능/효과

(1) 듀얼 냉방시스템의 압축비는 냉매량 1.5kg에서 3.67로 냉매량 1.3kg과 1.7kg에서 압축비인 4.0과 4.42에 비하여 낮게 나타났으며, 듀얼 냉각시스템의 냉각속도 및 압축기 토출압력을 고려하여 최적 냉매량을 1.5kg으로 선정하였다.
(2) 외기온도 40.0℃ 및 냉매량 1.5kg에서 듀얼 냉동사이클은 초기 가동 시 실내온도에 상관없이 공기 온도가 급격히 떨어지는 구간이 존재하며, 실내온도가 높아질수록 그 구간이 증가하였다.
(3) 실내온도가 25.0℃에서 32.5℃로 증가할 경우 15.0℃에 도달하는데 걸리는 시간은 520 sec에서 970 sec로 86.5% 증가하였고, 32.5℃에서 40.0℃로 증가할 경우 15.0℃에 도달하는데 걸리는 시간은 970 sec에서 1340 sec로 38.1% 증가하였다.
(4) 실내온도가 25.0℃에서 40.0℃로 증가할수록 냉방용량은 19.1kW에서 20.5kW로 7.3%증가했으나 냉방성능 (COP)는 5.04에서 4.69로 7.0%감소하였다.
Fig. 5(a)에서 보는 것처럼, 특수목적 자동차용 에어컨 시스템을 위한 듀얼 냉방시스템은 냉매량이 증가할수록 압축기 토출압력이 증가하였고, 1.3kg에서 1.5kg으로 증가할 때 5.24% 증가하였으나 1.5kg에서 1.7kg으로 증가할 때 15.13%로 비교적 크게 증가하였다. 압축기 토출압력의 증가는 압축비 증가를 야기시켜 일반적으로 압축기의 비가역성을 증가시켜 압축기의 소요동력을 증가시킨다.
이는 냉매와 열교환하는 실내공기와의 온도차가 커짐으로 발생하는 현상이고 가동시간이 증가할수록 기울기가 감소하여 정상상태에 도달 시까지 완만하게 감소함을 알 수 있다. 또한 25.0 ℃에서 32.5 ℃로 실내온도를 높일 경우 15.0 ℃에 도달하는데 걸리는 시간은 520 sec에서 970 sec로 86.5% 증가하였고, 32.5 ℃에서 40.0 ℃로 실내온도를 높일 경우 15.0 ℃에 도달하는데 걸리는 시간은 970 sec에서 1340 sec로 38.1% 증가하였다. 즉 실내 온도가 증가할수록 냉방속도가 감소하는 이유는 실내온도 증가에 따라 듀얼 냉방시스템이 제거해야 할 냉방 부하가 증가하기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	R-134a냉매란 무엇인가?	R-134a냉매는ODP(Ozone Depletion Potential)가 전혀 없는 CFC 및 HCFC계의 대체냉매로서 냉동공조 냉매 중 가장 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 지구온난화(GWP) 문제의 심각성으로 인하여 점차 사용이 제한되고 있다. 미국과 유럽 등 대부분의 선진국가들은 이미 부분적으로 법제화를 추진하여 사용을 규제하고 있으며 그 범위를 확대해가고 있다.
	미국과 유렵 등의 선진국에서는 R-134a냉매 사용을 어떻게 제한하고 있는가?	R-134a냉매는ODP(Ozone Depletion Potential)가 전혀 없는 CFC 및 HCFC계의 대체냉매로서 냉동공조 냉매 중 가장 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 지구온난화(GWP) 문제의 심각성으로 인하여 점차 사용이 제한되고 있다. 미국과 유럽 등 대부분의 선진국가들은 이미 부분적으로 법제화를 추진하여 사용을 규제하고 있으며 그 범위를 확대해가고 있다. (3,4) 그러나 개발도상국의 경우 HFC계 냉매의 사용규제가 비교적 약하여 현재까지 HFC계인 R-134a 냉매를 냉동공조 분야에 많이 사용 하고 있어 대체 냉매 적용을 위한 냉방 시스템에 관한 연구뿐만 아니라 기존 R-134a 냉방시스템의 최적 화를 위한 연구도 지속적으로 연구되고 있다.
	시위 진압용 자동차에 HFC계열의 R-134a 냉매를 적용한 이유는 무엇인가?	(1,2) 특히, 고온 다습한 동남아시아의 현지에서 사용되는 일반 승용자동차뿐만 아니라 시위 진압용 등의 특수 목적용 자동차의 경우 이러한 냉방시스템은 더욱 중요한 요소가 된다. 이러한 시위 진압용 자동차는 다수의 전투요원이 탑승 가능하도록 일반적으로 5톤급 이상의 상용자동차의 후방 공간을 개조 하여 냉방시스템을 설치 및 제작하고 기존의 냉방 시스템을 개조하여 사용하다 보니HFC계열의 R-134a 냉매를 적용하고 있다. 특히 특수 목적 자동차의 특성상 좁은 공간에 많은 수의 전투 요원 들의 탑승하여 내부 공간의 인체 발열량 증가와 철판 등으로 구성된 장갑판을 통하여 사시사철 더운 열대지역에서 전달되는 열은 특수 목적형 차량의 냉방부하 증가로 이어진다.

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저자의 다른 논문 :

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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