고유가 및 자원 부족 시대로 접어들면서, 산업시장에서는 에너지 절약 방안을 위한 신기술 및 신소재 등의 개발이 한창이다. 원자재 및 부품 조달에 따른 비용이 계속적으로 상승하게 되면서, 자체 경쟁력 유지 및 상승을 위한 연구과제에 대응하는 발표들이 잇따르고 있다.

가변속 압축기의 경우 복잡한 구동장치로 비용 상승 및 회로 동작을 냉각하기 위한 에너지손실이라는 문제가 발생하게 되는데, 이에 대한 개선방안으로 다단속도를 갖는 압축기 모터에 펄스폭변조를 적용하는 방법에 대해 소개하고자 한다.

<편집자 주>

1. 개요

냉매시스템(refrigerant system)은 실내 환경 및 각종 저장 공간의 온도와 습도를 조절하는 데 이용된다. 대부분의 냉매시스템은 정상 운전 시 냉방이나 난방 부하(load)가 정격용량보다 작기 때문에 환경부하에 따라 용량을 조절해야 한다.

일반적으로 냉매시스템에서 시스템 용량은 압축기 모터의 온/오프 방식과 흡입조절 밸브(suction modulation valve)나 가변속 압축기(variable-speed compressor) 등을 사용하여 제어된다. 온/오프 방식은 조절 공간의 온도와 습도를 정밀하게 조절할 수 없고 사이클링 손실(cycling losses)에 의해 시스템 효율이 낮아지는 단점이 있다. 흡입조절 밸브의 경우에는 압축기의 압축비가 증가되어 냉매시스템의 효율이 낮아지고 토출온도가 상승된다. 가변속 압축기 적용 시에는 속도를 내리는 데 한계가 있어 정밀한 온도조절이 힘들고, 구동장치의 동작과 냉각에 따른 전력손실이 발생한다. 또한 장치가 복잡하여 코스트가 상승되고 신뢰성이 떨어진다.

이를 개선하기 위한 방법으로 다단속도(multi-speed)를 갖는 압축기 모터에 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation) 제어 방식을 적용하여 시스템 용량을 제어한다. 다음은 이에 관련한 공개특허, “PWM 다단속도 압축기의 냉매시스템”에 대해 기술한다.

2. 발명의 내용

이 발명은 2단 이상의 속도에서 작동하는 압축기 모터가 있는 냉매시스템에 관련된다. 이 냉매시스템에는 시스템의 용량을 변화시키기 위해 압축기 모터가 서로 다른 속도 사이를 조절된 비율로 반복하여 작동하도록 펄스폭변조 제어가 적용된다.

단일 회로의 냉매시스템에서 시스템 용량을 조절하기 위해서는 압축기 모터는 대부분 온/오프 운전을 반복한다. 다른 방법으로 흡입조절 밸브나 가변속 압축기를 사용한다. 이런 방법에는 여러 종류의 단점이 있다.

냉매시스템이 온/오프를 반복하면 조절 공간의 온도와 습도를 정밀하게 조절할 수 없다. 또한 압축기 온/오프 동작 시에 발생하는 사이클링 손실은 냉매시스템의 효율을 떨어뜨린다. 유사하게 흡입조절 밸브의 사용은 압축기의 압축비를 증가시켜 냉매시스템 효율을 감소시키고 토출온도를 상승시킨다. 또한 흡입조절 밸브에 추가로 비용이올라가고 신뢰성이 저하된다.

가변속 압축기의 경우에 있어서는 압축기 속도를 아주 낮은 수준으로 제어할 수 없어 정밀한 온도조절이 어렵다. 그리고 가변속 구동시스템은 구동회로 자체로 5~6% 정도의 추가 손실이 발생하고, 자체비용뿐만 아니라 이를 냉각하기 위한 비용도 추가된다. 여기에 시스템 설계가 복잡해지고 잠재적인 신뢰성 문제도 있다.

종래의 냉매시스템에서 용량 변경 방법 중에는 시스템 내 부품을 빠르게 반복시키는 방식이 있다. 즉 압축기에 흐르는 냉매량을 조절하기 위해 흡입밸브의 개폐를 빠르게 반복시킨다. 이 방법으로 전체 냉매시스템에 공급되는 냉매의 양은 감소한다. 이 방법은 장점이 있지만 가변속 기능처럼 효율이 낮고 때로는 토출온도를 크게 상승시킨다. 따라서 펄스폭변조 기술을 적용할 필요가 있다. 빠른 사이클링이나 펄스폭변조 기술은 다단속도 압축기 모터에는 아직 적용된 사례는 없다.

이 발명에서 냉매시스템에는 다단속도 모터가 구성된다. 모터는 극수 변환 권선(pole changing windings) 등으로 2단 이상의 속도로 작동하도록 설계된다. 특별히 외부 결선 변경 방식으로 모터 속도를 선택할 수도 있다. 모터 속도 사이의 스위칭(switching)은 반도체 접점 방식으로 이루어진다. 속도를 보다 빨리 바꿀 필요가 있을 경우, 표준 스위칭 제어보다 고급 제어 방법을 사용할수록 신뢰성은 높아진다.

모터 작동 속도를 선택하기 위한 제어에 펄스폭변조 기술을 적용한다. 용량 감소가 필요해지면 펄스폭변조 제어는 조절 공간 내의 열부하를 만족시키기 위해, 압축기 모터 속도를 필요한 비율로 고속과 저속를 반복함으로써 시스템 용량이 조절된다. 이와 같은 방식으로 냉매시스템의 용량은 감소되고 적정 용량으로 정밀하게 조절된다. 또한 압축기 모터의 펄스폭변조는 절약기 회로(economizer circuit)의 온/오프 스위칭, 압축기 바이패스 밸브(bypass valve) 적용, 흡입조절 밸브의 활용 등과 같은 다른 방식의 부하경감(unloading)기술과 결합하여 사용할 수 있다.

이 발명에서 순환율(cycling rate)이 시스템의 열적 관성(thermalinertia)보다 더 빠르게 되도록 압축기 모터 속도를 충분히 빠른 속도로 변환시킨다. 즉 압축기의 속도를 스위칭할 때 조절 공간 내에 공급하는 공기 온도에 큰 영향을 끼치지 않아 모터 속도가 신속하게 변환되도록 순환율을 정한다. 순환율이 너무 낮으면 저속에서의 윤활작용 부족과 정밀한 온도조절이 안 되는 문제가 있다. 반대로 순환율이 지나치게 높으면 스위칭장치의 신뢰성이나 시스템의 효율이 저하되는 문제가 있다. 이 발명은 모든 종류의 압축기에 적용된다.

특히 스크롤(scroll) 압축기의 경우, 배압실(back pressure chamber)로 향한 고압 유체의 양을 조절하여 고정 및 회전 스크롤의 접촉 동작을 제어함으로써 시스템 용량을 조절할 수 있다. 이 방식은 펄스폭변조에 의한 압축기 모터 속도 변환 방식에 결합시킬 수 있다.

3. 발명의 효과

이 발명에 의해 다단속도를 갖는 압축기 모터에 펄스폭변조 기술을 적용함으로써, 정밀한 냉매량 제어가 가능하여 조절 공간의 환경에 적합한 온도 및 습도 조절이 가능하다. 또한 이 방법은 다른 용량 조절 방식, 특히 종래의 온/오프 방식에 비교하여 시스템의 효율저하가 억제된다.