초록 ▼

최종목표
◦200RT급 무급유 소형 터보냉매압축기 공력 및 회전체-자기베어링계 원천설계기술 개발
◦710RT급 방축열용 중형 터보냉매압축기 공력 원천설계기술 개발

개발내용 및 결과
제1세부 과제에서 개발하는 200RT급의 소형 고속 냉매압축기에 대한 공력설계와 모터, 자기베어링 설계 및 고속회전계 해석기술을 개발하고, 또 제2세부과제에서 개발하는 710RT급 빙축열용 냉매압축기의 공력설계를 위한 원천기술을 개발하고 형상을 설계하여 각 세부과제에 제공한다. 공력시험 및 동특성 시험을 수행하여 목표 성능에

최종목표
◦200RT급 무급유 소형 터보냉매압축기 공력 및 회전체-자기베어링계 원천설계기술 개발
◦710RT급 방축열용 중형 터보냉매압축기 공력 원천설계기술 개발

개발내용 및 결과
제1세부 과제에서 개발하는 200RT급의 소형 고속 냉매압축기에 대한 공력설계와 모터, 자기베어링 설계 및 고속회전계 해석기술을 개발하고, 또 제2세부과제에서 개발하는 710RT급 빙축열용 냉매압축기의 공력설계를 위한 원천기술을 개발하고 형상을 설계하여 각 세부과제에 제공한다. 공력시험 및 동특성 시험을 수행하여 목표 성능에 도달하였는지 확인하여 설계방법의 타당성을 검증한다.
보다 구체적인 개발내용은 아래와 같다.
1. 200RT급 무급유 소형 터보냉매압축기
◦고효율 공력설계 : 목표효율 84%
- 고효율 상품화를 동시에 고려한 공력 부품 형상 설계
- CFD 유동해석 및 성능 예측
- 공기역학 성능개선 (임펠러/디퓨저 설계, 동작범위 확대)
◦모터 및 자기 베어링 설계 : 목표 회전불균형응답 40 
- 하중 및 재질에 대한 최적화
- 서징에 대한 내구성 및 동특성 확보
◦최적 냉각을 위한 냉각유로 해석
- 열유동 전산 해석
- 냉각유로 개선
◦공력 시험장치 설계 및 제작
- 터보 냉매압축기 단품에 대해 성능을 측정할 수 있는 시험장치 설계 및 제작
◦공력성능 시험 및 동특성 시험
- 냉매압축기 공력시험
- 마그네틱 베어링 부하시험
- 냉각유로 입출구 온도 측정
2. 710RT급 빙축열용 터보냉매압축기
◦고효율 공력설계 및 유동해석
- 임펠러 및 디퓨저 공력설계 및 유동 해석
- 각 단 임펠러 3차원 형상 수정 설계
- 각 단 디퓨저, 리턴채널 형상 개선 설계
- 성능 예측 및 평가
◦빙축열용 냉동기 성능시험
- 성능 시험 및 결과 분석
- 각 단 임펠러, 디퓨저 및 리턴채널 3차원 형상 보완 및 평가

기술개발 배경
여름철 건물의 냉방을 위해 사용되는 터보냉동기의 냉매압축기는 에너지 소비가 많은 기계로서 국가 로드맵에서도 에너지이용 고효율화가 요구되는 기기로 분류되어 있다.
터보냉동기는 압축기, 응축기, 팽창기 및 증발기로 구성되는데 이 중 냉매를 압축시키는 냉매압축기는 냉동시스템의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소기계로서 1%의 효율상승으로도 국가적으로 많은 양의 에너지를 절감할 수 있는 중요한 품목이다.
터보 냉동기의 역사가 유구함에도 불구하고 R134a 냉매압축기에 대한 공력설계 자료는 공기압축기와 달리 거의 공개되지 않아 단지 소수의 국외 선진업체만이 공력설계 기술을 독점하고 있어 국내업체가 경쟁력을 갖기 위해 공력설계에 대한 고유의 원천기술을 확보하는 것이 시급하다.
또한 기후 온난화와 에너지 자원문제가 국제적 이슈로 대두되고 있는 현재의 상황에서 터보냉매압축기의 고효율화는 에너지 절약에 기여한다. 특히 빙축열용 냉동기는 심야의 잉여전력으로 가동되는 빙축열 시스템에 고효율 기기를 사용함으로서 소비전력이 절감되어 운영비가 절감되며 피크타임 부하를 낮추는데 기여한다.
따라서 다양한 최적설계 기법을 활용한 고효율 냉매압축기의 공력설계 기법을 확립하여 관련 기업들이 제품개발에 직접적으로 적용할 수 있는 기반 구축이 절실하다.
또한 터보냉매압축기는 한미 FTA로 인한 관세철폐로 현재 또는 미래에 경쟁관계에 있는 품목 유형 5에 해당하므로 원천기술 확보를 통한 산업체의 장기적 시장경쟁력 확보가 절실하다.
이 연구에서는 현재 시장의 시작기에 있는 무급유 직결구동 소형 터보냉매압축기와 국내 피크타임 부하를 낮추는데 기여할 수 있는 빙축열용 냉매압축기 개발을 목적으로 이에 필요한 원천 설계기술를 확보하는 연구를 수행하였다.

핵심개발 기술의 의의
무급유 직결구동 소형 터보 냉매 압축기의 기술 핵심은 무급유 베어링인 마그네틱 베어링, 고속 BLDC모터, 고효율 임펠러와 인버터의 시스템 통합기술이다. 언급한 주요 기술 외에도 경쟁력있는 냉매 압축기를 개발하기 위해서는 고속 회전계 해석 및 설계기술, 2차유로 및 냉각 기술, 용량 제어기술 및 시험평가 기술이 요구된다.
무급유 직결구동 소형 터보 냉매 압축기의 개발은 기존제품의 경우 소음 및 증속기어의 사용으로 인한 다량의 폐오일이 발생되고 있으며, 이로 인한 제품의 유지보수 관리비의 상승의 결과를 초래하고 있는 현재의 제품에 비해 무급유를 통한 환경 친화적인 접근으로 소음 및 오일 사용에 따른 비용의 상승 등의 문제점을 극복할 수 있고, 소비 전력 측면에서도 임펠라, 모터, 인버터 등의 주요 부품을 고효율로 설계하여 약 0.64kW/RT를 이룩하여 소비전력 감소 측면에서도 높은 효과를 볼 수 있다.
이를 통하여 한미, 한-EU FTA로 인한 해외 유명 메이커의 냉매압축기를 탑재한 터보냉동기가 국내시장의 잠식을 견제하며, 내수 및 수출로의 기반을 조성할 수 있을 것으로 기대된다.

적용 분야
터보냉동기는 아래 그림과 같이 주로 사무용 빌딩, 반도체 공장 그리고 발전소 등지에서 매우 다양한 분야에 냉동 공조를 위해 필수적으로 사용되며, 이러한 냉동기에 들어가는 냉매압축기 개발에 활용할 수 있다.

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록)

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3기술개발사업 주요 연구성과 ... 13목차 ... 17제 1 장 서론 ... 18 제 1 절 과제의 개요 ... 18제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 21 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 21 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 22 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 22 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 23 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 23제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 24 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 24 1. 연구개발 추진 일정 ... 24 2. 연구개발 추진 실적 ... 24 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 25 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 28 1. 한국기계연구원 추진내역 ... 28 2. 연세대학교 추진내역 ... 56 3. 한국과학기술원 추진내역 ... 69 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 84 제 4 절 고용 창출 효과 ... 84 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 85끝페이지 ... 86