Tech Story ▶ ▶ ▶  * 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 이홍원

종래에는 냉매시스템의 용량 감소를 위해 흡입밸브를 닫아도 토출압력이 높게 유지되고, 압축된 냉매가 압축실로 역류하여 압축기 전력소비가 예상보다 높아지는 문제가 있었다.

이에 본 내용에서는 흡입밸브가 PWM제어에 의해 폐쇄위치로 가면 바이패스 밸브가 열려 압축된 냉매가 압축기 흡입라인으로 돌아감에 따라, 냉매가 높은 압력으로 압축되지 않아 압축기 소비전력의 감소가 가능한 기술에 대해 소개한다.   <편집자 주>

1. 펄스폭 변조 기술의 적용

에어컨과 열펌프(heat pump)와 같은 냉매시스템은 용량조절이 필요하다. 이는 시스템에 대한 냉방이나 난방 부하가 실외 조건과 실내의 열 부하, 온도 설정값 등에 따라 변하기 때문이다. 이러한 시스템 용량조절은 지금까지 여러 방식이 적용되었다. 이 중에는 압축기 흡입라인에 설치된 흡입밸브에 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation)기술을 적용하는 방법이 있다.

이 방법은 펄스폭변조 방식에 의한 흡입밸브의 개폐 제어로 시스템 용량을 정밀하게 제어하고, 저용량 시 냉매를 감소된 유량으로 효율적으로 압축하기 위함이다. 그러나 종래에는 용량 감소를 위해 흡입밸브를 닫아도 토출압력이 높게 유지되고, 압축된 냉매가 압축실로 역류하여 압축기 전력소비가 예상보다 높아지는 문제가 있었다.

이에 대해 압축기 토출 측을 흡입 측에 연결하여 흡입밸브가 닫힐 때에는 압축된 냉매를 흡입 측으로 복귀시켜 토출압력을 줄일 필요가 있다. 따라서 압축기 토출 측과 흡입 측 사이에 바이패스 라인(bypass line)을 설치하는 방법이 제안되었다. 바이패스 라인에 바이패스 밸브를 연결하고 흡입밸브와 연동시킴으로써 효율적인 용량조절이 가능한 ‘압축기 토출과 흡입 바이패스의 PWM제어’에 대해 기술한다.

2. PWM결합한 냉매시스템

가. 기술의 분야

이 기술은 개선된 냉매시스템 제어를 위해 PWM기술을 사용하고, 압축기 전력소비를 줄이기 위해 토출 바이패스(discharge bypass)를 PWM과 결합시켜 작동시키는 냉매시스템 제어에 관련된다.

나. 감소된 체적유량으로 효율적 냉매압축

실내 공간의 환경조절을 위해 사용하는 냉매시스템 용량을 조절하는 데에는 적용가능한 방법이 많이 있다. 이 가운데 하나로 압축기 흡입 라인에 있는 신속하게 작동하는 솔레노이드 밸브를 PWM기술을 적용하여 제어하는 방법이 있다. PWM기술을 사용하여 흡입밸브를 빠르게 반복 작동시킴으로써 용량을 정밀하게 제어한다.

PWM제어의 목표는 감소된 체적유량으로 냉매를 효율적으로 압축하는 것이다. 이것은 냉매시스템의 열 부하 수요가 압축기의 최대 공급 능력보다 적을 때 발생한다. 그러나 이 기술로 요구되는 효율개선 목표가 언제나 달성되는 것은 아니다. 이유는 흡입밸브가 거의 닫힐 때 흡입압력이 크게 감소되어도 토출압력이 계속 높아서 압축기 전력소비가 기대값보다 높아지기 때문이다. 또한 토출 측의 압축 냉매가 압축실로 역류되고 역류된 냉매를 다시 압축함에 따라 압축기 전력소비가 증가한다.

이 문제는 동적 토출밸브(dynamic discharge valve)가 부착되지 않은 압축기의 경우에 특히 심하다. 동적 토출밸브가 없으면 토출압력으로 압축된 냉매가 압축기의 압축 포켓(compression pockets)으로 역류되어 전력소비가 커진다. 그러나 동적 토출밸브가 있는 압축기에도 냉매는 계속 토출압력으로 압축하는 것이 필요하다.

다. 압축기 토풀로 소비전력 감소

이 냉매시스템에는 개폐동작이 빠르게 반복되는 밸브가 구성된다. 이 밸브는 흡입라인에 설치되고 PWM제어에 의해 동작한다. PWM제어로 밸브의 개폐동작을 빠르게 반복시킴으로써 압축기로 공급되는 냉매량이 조절되어 냉매시스템 용량이 조절된다. 흡입밸브에 PWM제어를 적용하는 데 있어 밸브의 개폐동작은 밸브를 완전히 열거나 완전히 닫을 필요는 없다.

압축기 토출 측을 흡입 측에 연결하기 위해 바이패스 라인(bypass line)를 설치한다. 바이패스 라인에는 바이패스 밸브가 설치된다. 흡입밸브가 PWM제어에 의해 폐쇄위치로 가면 바이패스 밸브는 열린다. 이런 방법으로 압축된 냉매는 압축기 흡입라인으로 돌아간다.

바이패스 라인은 흡입밸브의 하류 위치로 냉매를 복귀시킨다. 압축기 토출이 흡입라인에 직접 연결되므로 냉매는 높은 압력으로 압축되지 않기 때문에 압축기 소비전력은 감소한다.

이 시스템은 스크롤(scroll) 압축기를 비롯하여 스크류, 왕복동, 로터리, 압축기 등 다양한 압축기를 비롯하여 가정용 에어컨, 컨테이너나 트레일러, 열펌프, 슈퍼마켓, 옥상용 냉매시스템 등 다양하게 적용된다. 또한 에너지절약 회로, 증기분사라인 등 다른 기능이 추가된 냉매시스템에도 적용이 가능하다.

3. 압축기 토출&PWM제어, 다양한 압축기 적용 가능

이 기술에 의해 흡입밸브가 PWM제어에 의해 폐쇄위치로 가면 바이패스 밸브가 열려 압축된 냉매가 압축기 흡입라인으로 돌아간다. 이에 따라 냉매가 높은 압력으로 압축되지 않아 압축기 소비전력이 감소한다.

따라서 이는 스크롤 압축기 이외의 모든 종류의 압축기와 모든 용도의 냉매시스템에 적용된다.