1 목차 CMYK 기계저널 1 contents ISSN Vol. 48, No. 1 Journal of the KSME 임직원 회 장 강신형 수석부회장 이상용 부회장 김석준, 유완석, 이진호 황재석, 오원석, 윤동섭 이재윤, 장신규 총무이사 김윤제, 박

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1 1 목차 CMYK 기계저널 1 contents ISSN Vol. 48, No. 1 Journal of the KSME 임직원 회 장 강신형 수석부회장 이상용 부회장 김석준, 유완석, 이진호 황재석, 오원석, 윤동섭 이재윤, 장신규 총무이사 김윤제, 박승호, 전흥재 최우천 재무이사 김윤영, 정시영 사업이사 이대성, 이승배, 이행남 임병덕, 임홍재, 주석재 한승호 홍보이사 부준홍, 양호용 대외협력이사 김세진, 박현철, 정경렬 편집이사 김민수, 유홍희 학술이사 신형섭, 유성연, 이병채 이용복, 한근조, 홍금식 감 사 이종원, 정문기 사무국장 양회관 과 장 이관행 사 원 김종관, 호정아, 백남기 김혜영 편집장 기계저널영문논문집국문논문집 정준기임용택김광용 부문회장및위원회위원장 재료및파괴 CAE 및응용역학동역학및제어생산및설계공학열공학유체공학에너지및동력공학신뢰성바이오공학마이크로 / 나노공학교육위원회 지부장 호남지부부산지부경북지부울산지부포항지부경남지부충청지부강원지부 정재연남청도엄용균최홍준권영각홍장표김희동정현갑 1( 화 ) 정기간행물발간 4( 금 ) 신년이사회 18( 금 ) 제 1 차이사회 박재학채수원최연선최헌종유재석성형진이우방김형의김완두이준식임오강 1 월행사안내 thema 08 이임사박화영 09 취임사강신형 10 인터넷정보 에너지추이분석 백두성 14 세계의기계기술 의료서비스시스템의재정비 엄태준 17 연구정보 인공심장연구개발동향 심은보 20 신기술정보 일본, 173m 초고층 엘리베이터시험탑 완성 이부윤 22 현장을보며생각하며 의사소통 황돈영 24 신제품현대자동차 년형트럭, 버스, LG전자 - 뷰티 (Viewty) 폰 학회사무국 26 美 chanical 엔지니어의美術이야기 서양화읽는법-VI 김정배 29 세상을바꾼과학기술자들 천개의태양보다더밝다, 엔리코페르미 송성수 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 34 이산화탄소냉 난방시스템의특징및효율향상방안 김용찬, 조홍현 41 이산화탄소냉매용압축기개발현황및문제점 조성욱 48 이산화탄소용압축기부품의강도해석및내마모설계 석창성, 이영제 53 이산화탄소냉매와오일혼합물의특성 강병하 59 이산화탄소의증발열전달특성 최준영 65 이산화탄소냉매용가스쿨러 장영수 71 이산화탄소용요소부품해석및성능평가기술 김욱중, 황윤욱 76 특허정보 특허권리해석에관한이슈 백도현 78 특허소식 가열되는마드리드국제상표출원등 학회사무국 82 업계동정 두산중공업 - 필리핀 3억달러화력발전소수주등 학회사무국 88 BK21사업단소개 BK21 나노 / 마이크로응용기계기술인력양성사업단 양현석 92 나의생활나의삶 실크로드를따라서 6 - 카슈카르 위평량 94 주승균의웰빙한방 뜸의효능 주승균 96 유머 아빠이름등 최영기 97 우리민족의오락, 장기 한국장기에관한 10문 10답 최보규 100 건강상식 비타민 황남성 102 논문집목차 대한기계학회논문집 A B권, JMST 학회사무국 105 학회소식 2007년도제12차이사회및송년회개최 학회사무국 1 목차 CMYK

2 29 기계저널 CMYK 세상을바꾼과학기술자들 천개의태양보다더밝다, 엔리코페르미 송성수 부산대교양교육원조교수 ( 과학기술학 ) 인류의역사는에너지활용의역사라고도할수있다. 인류는처음에인력과축력을사용하다가점차적으로수력이나풍력과같은자연에너지를사용한후에나중에는증기력, 전력, 원자력과같은인공에너지를사용하게되었다. 특히전력과원자력은각각 제2의불 과 제3의불 로간주될정도로인류역사에커다란흔적을남기고있다. 오늘이야기의주인공은원자력의아버지로불리는엔리코페르미 (Enrico Fermi, 1901~1954) 이다. 페르미는이탈리아의로마에서철도청에근무하는아버지와초등학교교사인어머니사이에서 3남매의막내로태어났다. 그는어린시절부터과학에많은관심을보였다. 10 살때어른들의얘기를옆에서듣고원의방정식 (x 2 + y 2 r 2 ) 이의미하는바를혼자서알아냈다고한다. 14살부터는아버지의친구가페르미의비상한재능을알아보고자신이보유한과학서적을빌려주고독서를지도하기도했다. 페르미는학창시절에수석의자리를거의놓치지않았다. 페르미는탁월한기억력을가지고있었던 것으로전해진다. 그의제자이자동료였고 1959년노벨물리학상수상자인에밀리오세그레 (Emilio Segre) 가쓴전기에따르면, 페르미는아주긴시 ( 詩 ) 를금방외울뿐만아니라오랜세월이흐른뒤에도그것을줄줄외울수있었다고한다. 또한, 세그레에의하면, 페르미는 1927년여름에어떤휴양지에드러누워깊은지식과뛰어난기억력만으로 < 원자물리학소개 > 라는책을집필했는데, 원고중에고친곳이단한군데도없었다고한다. 페르미는 1918년에아버지친구의권유로피사대학에지원하였다. 페르미의입학시험답안지를본교수들은그의뛰어난실력에감탄했다. 오늘날박사과정에있는학생도즉석에서그만한답안지를만들기어려웠을것이라고한다. 페르미는대학시절내내장학생으로선발되었고어려운질문으로교수들을당혹하게했다. 사실상그는교수들보다도당대의물리학을더잘알고있었다. 21살이되었던 1922년에그는최연소나이로박사학위를받았다. 박사학위를받은후페르미는유학길에 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CMYK

3 30 기계저널 CMYK 세상을바꾼과학기술자들 올라괴팅겐대학의보른 (Max Born), 라이덴대학의에렌페스트 (Paul Ehrenfest) 등과양자이론을연구하였다. 페르미는 1922~1926년에여러대학에서강사로활동하면서이론물리학에서세계적인주목을받을만한중요한업적을남겼다. 그는배타원리 (exclusion principle) 를기체상태에서원자들의움직임을설명하는데적용하였다. 1925년에파울리 (Wolfgang Pauli) 가제안한배타원리는원자핵주위를도는전자의위치선택을제한하는원리였다. 페르미의아이디어는나중에페르미-디랙통계로발전되어양자통계학의주요수단으로정착하였다. 페르미는 1927년에 26세의나이로로마대학의교수가되었다. 종신교수이자이론물리학분야의첫교수였다. 페르미가교수로임용되는데에는코르비노 (Orso Mario Corbino) 의역할이컸다. 코르비노는로마대학에서실험물리학을담당했던원로교수로서대학내 외부에막강한영향력을행사하고있었다. 그는이론물리학을얕잡아볼경우에이탈리아의미래가캄캄하다고확신했으며, 페르미의재능을한분에알아보고는페르미의후원자역할을자처하였다. 코르비노는페르미가 1923~1924년에로마대학에서물리학을강의할수있게하였고, 1926년에는로마대학에서이론물리학교수를채용할수있는기회를마련했던것이다. 페르미의교수임용은이탈리아물리과학의부활을예고하는것이었다. 이탈리아에서는볼타 (Alessandro Volta) 와아보가드로 (Amedeo Avogadro) 의시대에물리과학이크게융성한후거의백년동안잠을자 고있었다. 페르미는코르비노의지원을바탕으로로마대학에연구소를만들어유능한물리학자와대학원생들을집결시켰다. 페르미의대학동창으로서로마대학의교수가된라세티 (Franco Rasetti), 로마대학에서공학을공부하다가물리학으로전환한아말디 (Edoardo Amaldi) 와세그레등이그들이다. 페르미를위시한 로마팀 의연구원들은모두성실하였고가족과같은팀워크를발휘하였다. 그들은당시의첨단분야였던핵물리학에초점을두고연구주제를탐색한후중성자를탄환으로사용하여수많은원자에충돌시키는실험을진척시켰다. 그들이발견한새로운방사성물질은 40여종을넘어섰다. 당시페르미연구팀의가장중요한업적으로는배타붕괴에관한이론을들수있다. 그들은전자와함께방출되지만실제로검출하기어려운입자의존재를가정하여배타붕괴에대한이론을발전시켰다. 그입자는나중에페르미에의해 중성미자 (neutrino) 로칭해졌다 ( 중성미자가실험으로확인된것은 1956년의일이었다 ). 페르미는중성미자에의해야기된문제를풀기위해소위 약력 ( 弱力 ) 으로불리는새로운힘을제안하였다. 페르미의논문은 < 네이처 >(Nature) 에실렸고물리학자들은흔쾌히약력을자연계의새로운기본적인힘으로수용하였다. 페르미는학생들을가르치는데에도파격적인모습을보였다. 그는매주비공식세미나를열었는데, 세미나내용은미리정해지지않았다. 누군가흥미로운주제에대해질문을하면그게바로세미나내용이되었다. 페르미는물리학을두루알고있어서어떤 30 기계저널제48권제1호 30 기계저널 CMYK

4 31 기계저널 CMYK 주제가되었든간에알기쉽게척척얘기해줄수있었다. 이에감명을받은학생들은페르미처럼물리학에열정을가지게되었고, 아무리힘든일도마다하지않았다고한다. 페르미는종종연구원들이나학생들과함께하이킹과축구를즐기기도했다. 이처럼페르미가활발한활동을전개하던중에이탈리아의총통인뭇솔리니는국민을억압하기시작하였고독일의히틀러와도손을잡았다. 1938년부터는이탈리아에서도유태인배척운동이전개되었다. 페르미는별로정치적인인물은아니었지만유태인인아내를염려하지않을수없었다. 페르미는노벨상시상식을망명의기회로삼았다. 그해말에노벨물리학상을수상하게된페르미는가족과함께스톡홀름으로간후이탈리아가아닌미국으로향했던것이다. 콜롬비아대학은그를환영하여물리학교수로맞이하였다. 1939년에는독일의과학자인한 (Otto Hahn) 에의해핵분열현상이발견되었다. 페르미도 1934년에이탈리아에서핵분열을관측할수있는일보직전의실험을수행한바있었다. 그는핵분열연쇄반응을지속적으로할수있는가능성을타진하기시작하였다. 그열쇠는중성자를느리게하는데있었는데너무많은중성자들이분열을일으키지않고흡수되는것이문제였다. 광범위한실험끝에속도를느리게하는물질로는흑연이선택되었다. 페르미는연쇄반응이군사적으로상당한잠재적가치가있다는점에주목하면서핵분열연구프로그램에미국정부가지원을하도록설득하였다. 연쇄반응을성공적으로수 행할수있는원자로를건설하기위해서는엄청난인력과자재가필요했던것이다. 그러나페르미가전쟁상대국인이탈리아출신이라는이유로지원을받을수없었다. 아울러당시에는미국정부가원자폭탄의중요성을충분히인식하지못한상태였다. 그러던중독일에서원자폭탄이개발되고있다는소식이알려지면서연합군도이에적극적으로대응해야한다는주장이설득력을얻게되었다. 연합군에서는영국이원자폭탄개발을시작했으나영국은적군의공습이가능한지역이라는약점을가지고있었다. 영국의연구결과는고스란히미국으로넘어갔고미국은 1942년부터맨해튼계획 (Manhattan Project) 이라고불린대형프로젝트를추진하였다. 이러한배경에서페르미는 1942년에시카고대학으로자리를옮긴후핵분열반응을안정적으로실시할수있도록원자로를만드는작업을추진하였다. 작업은시카고대학의풋볼경기장지하에서진행되었다. 반응의효과를극대화하기위하여원자로를흑연벽돌로만들었고카드뮴막대로빈틈을채워원자로를통제하게했으며반응물질로는순수우라늄과산화우라늄을사용하였다. 이를통해페르미는세계최초로인위적으로통제된핵분열연쇄반응을연구할수있었다. 드디어그해 12월 2일에원자로를가동하는시험이실시되었다. 매우긴장된순간이었다. 만약시험이불발로끝난다면시카고전체가잿더미가될지도모르는일이었다. 원자로에서카드뮴막대를인출하자연쇄반응이시작되었고그반응은계획대로조절될수있었다. 결과는깨끗한성공이었다. Journal of the KSME, Jan 기계저널 CMYK

5 32 기계저널 CMYK 세상을바꾼과학기술자들 미국정부에게는 이탈리아해군이새로운세계에도달했다 는수수께끼같은메시지가보내졌다. 이로써새로운원자력시대의문이열렸다. 1944년에페르미는시카고를떠나로스알라모스로갔다. 맨해튼계획의총책임자였던오펜하이머 (J. Robert Oppenheimer) 의고문으로일하기위해서였다. 페르미는 1945년 7월 16일에이루어졌던첫번째원자폭탄의실험광경을목격하였다. 폭발직전에그가종이를떨어뜨려종이의위치가변하는것을보고폭탄의위력을측정하려했다는일화도전해진다. 원자폭탄의위력은과학자들의예상을넘어섰고페르미는 천개의태양보다더밝다 라는유명한말을남겼다. 그는원자폭탄의투하에는찬성했지만나중에수소폭탄의개발에는반대하였다. 1946년에페르미는시카고대학으로돌아와새로만들어진핵물리학연구소에서일했다. 그는핵물리학에서흥미로운발견들은이미다이루어졌다고느끼고입자물리학으로서서히연구의초점을이동시켰다 년대이후에새로운입자들의존재가속속밝혀졌고그것들의밑바탕에깔린규칙을찾는것이중요한과제로부상했던것이다. 이러한연구를수행하면서그는수많은후학들을양성했으며그중에는양첸닝 ( 楊振寧 ), 리청다오 ( 政道 ), 겔만 (Murray Gell- Mann) 이포함되어있었다. 양첸닝과리청다오는페르미의약력에관한연구를더욱발전시킨공로로 1957년에노벨물리학상을수상하였다. 겔만은모든물질이쿼크라는기본입자로이루어졌다는이론을제시함으로써 1969년에노벨물리학상을받았다. 이처럼페르미는후학양성을통하여입자물리학의발전에크게기여하였다. 가인박명 ( 佳人薄命 ) 이라했던가? 1954년에페르미는위암판정을받았고두달동안의투병끝에 53세의일기로세상을떠났다. 동료과학자가병문안을왔을때페르미는정맥주사관에서방울방울떨어지는주사액을초시계로재고있었다고한다. 이처럼어릴때부터죽을때까지과학을지극히사랑했던사람이었다. 페르미는죽었지만그의이름은영원히기억되고있다. 페르미 는핵물리학에서자주사용되는단위인 cm을의미하고 페르미온 은페르미-디랙통계를따르는입자를지칭한다. 주기율표의 100번째원소도그가죽은후에 페르미움 으로명명되었다. 미국의국립가속기연구소는 페르미연구소 로개명되었으며미국에너지부는에너지분야에기여한우수한과학자에게 페르미상 을수여하고있다. 학회사무국 : hgyang@ksme.or.kr 32 기계저널 제 48 권제 1 호 32 기계저널 CMYK

6 33 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 담당위원 김민수 33 기계저널 CK

7 34 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 이산화탄소냉 난방시스템의특징및효율향상방안 김용찬 고려대학교기계공학과, 교수조홍현 NIST, Post Doc. _ yongchan@korea.ac.kr _ h2cho@korea.ac.kr 이글에서는이산화탄소를이용한냉 난방시스템의특징을소개하고, 효율을향상시키기위한여러가지기술에대하여소개하고자한다. 오존층파괴와지구온난화에대한문제가전세계적인관심의대상이되고있으며이러한문제를해결하기위하여환경친화적인고효율냉난방시스템의개발에대한많은연구가진행되고있다. 기존에널리사용하였던 CFC나 HCFC계의냉매들은오존층파괴문제로규제되었으며, 그대안으로개발된 HFC계냉매또한 2005년교토의정서가발효되기시작하면서더이상궁극적인대안이되지못함에따라자연냉매에대한연구는필수적이라고할수있다. 따라서이산화탄소를비롯하여암모니아, 탄화수소계열, 물, 공기등많은자연냉매를이용한사이클에대한연구가활발히이루어지고있다. 그중에서이산화 탄소를이용한시스템은유럽, 일본및미국을중심으로많은연구가진행되어왔고, 급탕기, 자동차용냉난방기, 자동판매기용냉동시스템, 의류건조기등여러제품들이이미출시되어있다. 하지만이산화탄소를이용한냉방시스템은아직기존의아임계사이클에비하여성능이낮고외기나충전량변화에성능이크게변화하여신뢰성확보와성능향상을위한여러가지방안의개발이필수적이다. 따라서이글에서는이산화탄소를이용한냉난방시스템의특징과성능향상을위한여러가지방안에대한연구를요약하여설명하고자한다. 이산화탄소의경우임계온도가 31.1 C, 임계압력이 7.2MPa로외기와의열교환을통해이루어지는일반적인냉난방사이클을형성하기위해서는임계압력이상에서운전되는초월임계 (supercritical) 사이클을이룬다. 이산화탄소초월임계사이클은상대적으로높은작동압력을가지기때문에기존의냉동시스템에비하여작은압력비를가지며이에압력손실이시스템의성능에미치는영향은다른시스템에비해작다. 또한기존의증기압축시사이클과다르게열교환과정의온도가일정하게고정되어있지않고초월임계상태에서열교환과정이진행되기때문에시스템의고압측의압력이 COP와시스템의용량에영향을미칠수 34 기계저널 제 48 권제 1 호 34 기계저널 CK

8 35 기계저널 CK 이산화탄소냉 난방시스템의특징및효율향상방안 팽창장치 가스냉각기 압력 압축기 증발기 리시버 엔탈피 그림 1 이산화탄소사이클과외기온도에따른 p-h 선도변화 있는중요한변수가된다. 그림 1에일반적인이산화탄소사이클구성도와외기온도에따른사이클변화를압력-엔탈피선도에나타내었다. 그림 2에서볼수있듯이, 일정한증발온도에서가스냉각기 (gascooler) 의출구온도 (Tamb1) 가낮은경우시스템의고압측압력을 C G로증가시키면사이클은 A-B-C-D에서 E-B-G-H로변화하게된다. 이경우압축일 (specific compression work) 의증가량에비하여증발기입구의엔탈피감소에의한냉방용량 (specific refrigeration capacity) 의증가정도는 E-A가되어시스템의성능은감소하게된다. 반면가스냉각기출구 (Tamb2) 가높은경우압축기토출압력을 C G로증가시키면사이클은 A -B-C-D 에서 E -B-G-H 로변하게되며이경우압축일의증가량보다증 발기에서냉방용량 (E -A ) 의증가량이커지게되어시스템성능은향상된다. 또한가스냉각과정이일정압력하에서냉매가냉각되면서온도가연속적으로변화하며, 온도구배도압력에따라변화하는것을확인할수있다. 따라서시스템의용량은고압단의압력이증가할수록커지나주어진압력하에서 COP가최대가되는가스냉각기의압력이개별적으로존재하는것을알수있다. 그리고가스냉각기의출구온도가감소할수록시스템의냉방성능이증가하며가스냉각기의출구온도가낮아질수록시스템의고압단의압력이성능에미치는영향이더욱민감함을확인할수있다. 이와같이이산화탄소사이클은가스냉각출구온도에따라성능이크게변화하고가스냉각출구온도는외기조건과가스냉각압력에의하여결정된다. 일정한압축비를가진이산화탄소사이클에서가스냉각압력은기본적으로사이클의냉매충전량에의하여결정되기때문에냉매충전량이사이클의성능에미치는영향은매우크다. 기존의연구에의하면충전량이최적충전량에비해 20% 작은경우이산화탄소시스템의성능은 20% 이상저하되며충전량변화에따른성능의변화가다른냉매 (R22, R410A, R407C) 를적용한시스템보다더욱크게나타나는것으로확인되었다. 이와같이이산화탄소사이클은각각의운전조건에대하여최적의가스냉각기온도와압력이개별적으로존재하므로이에대한정확한운전조건제어를요하게된다. 이산화탄소초임계사이클의가스냉각과정중의큰온도구배를이용하여기존의증기압축식사이클에비해높은효율을가지 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

9 36 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 는온수급탕용열펌프시스템을구성할수있다. 이러한특성은온수급탕시기존의증기압축식열교환기의온도변화가없는응축과정에비해초임계사이클의가스냉각기열교환기의온도변화현상이고온수를얻는데유리하고시스템변화에잘적응하는장점을가지고있기때문이다. 실제로이산화탄소를이용한시스템을이용하여온수가열용열펌프를구성할경우같은수준의과냉도를가지는 R-134a를이용한증기압축식열펌프사이클에비하여 10~20% 정도높은 COP를나타내는것으로알려져있으며상대적으로낮은온도의물을높은온도의급수로만들경우이산화탄소를이용한시스템이우수한성능을가진다. 또한이산화탄소를이용한시스템을이용하였을경우전기또는가스연소시스템에비해에너지소비를 75% 이상줄일수있다고보고되고있다. 이산화탄소급탕기는높은압축기의토출온도를이용하여 90 C 이상의온수를기존의열펌프시스템을이용한온수가열기에비하여손쉽게얻을수있다. 따라서이미많은이산화탄소용급탕기가개발되어시장에서판매되고있다. 반면, 이산화탄소사이클은높은작동압력과작은표면장력에의하여다른아임계사이클에비하여팽창과정에서큰팽창손실을가지며시스템용량이증가할 수록가스냉각기에서열제거시열교환손실이증가한다. 또한열펌프의경우냉방과난방운전시성능의차가크고각각의운전사이클이다르게형성되므로일정한충전량에서일정이상의냉난방능력의유지와효율의최적화가어려운특징을가지고있다. 기존의연구에의하면냉방운전의경우가스냉각기압력이약 9.0~9.5MPa, 그리고난방에서는 9.8~10.5MPa 근처에서최적의성능을보이는것으로나타났다. 일반적으로난방운전의경우낮은외기조건에서많은난방용량의확보를위하여고압의운전압력과많은냉매유량이필요하며최적의압축기토출압력은냉방운전에비하여높게형성된다. 냉방과난방운전조건의차이에의하여압축기입구와팽창장치에서흡입되는냉매의유량차이가있으며이에압축기나사이클의최적화또한힘들다. 특히냉방과난방압축기입구의흡입냉매의밀도가크게다르기때문에난방사이클을기준으로최적인압축기용적비와팽창장치를설계한시스템의경우냉방조건에서는고압이크게증가할수있으므로사이클의최적화가불가능하고시스템의신뢰성이크게저하된다. 일반적으로냉방운전이난방에비하여낮은성능을가지므로최적충전량선정시냉방성능을우선적으로고려하여설정해야하며냉방보다난방시 많은냉매유량을요하므로냉난방시충전량차이에의한성능저하를방지하기위하여상분리기와같은장치를이용하여냉매량차이에대한성능저하를최소화해야한다. 이와같이이산화탄소를이용한열펌프사이클의경우열역학적물성치와운전특성에의해성능향상의가능성이크게존재한다. 하지만시스템성능이외기운전조건에민감하기때문에사이클의특성을이해하고이를최적화시킬수있는여러방법들의개발을통하여신뢰성확보를위한연구가선행적으로이루어져야함을확인할수있다. 이에많은연구자들이여러가지성능향상을위한방법들을제시하고이에대한구체적인연구를진행하였으며이를소개하면다음과같다. 1) 내부열교환기 (internal heat exchanger) 이용사이클앞에서설명한봐와같이초월임계이산화탄소사이클의성능은외기온도에매우민감하게반응한다. 특히외기온도가높은경우시스템에서요구하는능력을확보하기위해서는압축기토출압력을크게높여야하며이에압축기소요동력이증가하여시스템의성능이급격히감소하게 36 기계저널 제 48 권제 1 호 36 기계저널 CK

10 37 기계저널 CK 이산화탄소냉 난방시스템의특징및효율향상방안 내부열교환기 가스냉각기 팽창장치 압력 압축기 증발기 리시버 엔탈피 그림 2 내부열교환기를적용한사이클의개략도와 p-h 선도 된다. 이러한문제를해결하기위한가장쉬운방법이바로내부열교환기의적용이다. 그림 2는내부열교환기를적용한사이클의개략도와사이클변화를온도-엔트로피선도에도나타내고있다. 내부열교환기는증발기출구의차가운냉매와가스냉각기출구의냉매를서로열교환함으로써팽창장치입구에서냉매의과냉도를증가시켜팽창장치의비가역적인손실을줄이고압축기입구의과열도를확보하여압축기에유입되는액상의냉매를방지하는역할을한다. 즉, 내부열교환기의적용으로팽창장치입구의냉매온도를저하시킬수있으며단위냉매유량당의가용엔탈피를증가시켜냉방용량을증가시킬수있다. 또한내부열교환기의장착으로최적의토출압력을내부열교환기를장착하지않은경우에비하여 1MPa 이상낮출 수있으며넓은영역의외기온도변화나토출압력변화에대하여성능저하가작아지므로시스템의신뢰성이크게향상된다. 그러나악조건운전시내부열교환기의장착으로압축기입구의온도가급격히상승할수있으며이경우압축기체적효율이감소하고이에토출되는냉매유량의감소로이어져성능이급격히감소하게되므로압축기입구에서일정이하의온도를유지할수있도록내부열교환기를설계해야한다. 기존에연구에의하면단단압축시스템에서내부열교환기의적용으로냉방성능은최대 9% 향상되는것으로보고되었으며, 이단압축시스템에서의적용으로성능은 18% 정도증가하는것으로나타났다. 난방운전의경우내부열교환기의적용으로높은토출압력과온도를유지할수있어난방용량은 약간증가하나이와동시에압축기소요동력도커진다. 따라서난방운전의경우최적의 COP는내부열교환기의유무에관계없이비슷한수준은보이게된다. 그러나내부열교환기의장착유무에따른최적의 COP에서난방용량을비교해보면내부열교환기를설치하였을경우가더큰용량을보이므로큰용량확보에는유리하다할수있으나내부열교환기의적용으로경제성에서는불리한단점을가지고있다. 2) 다단압축 (multi-stage compression) 적용사이클이산화탄소사이클의경우압축기에서압축비 (Pout/Pin) 는 2.5~3.5 정도를나타내지만평균유효압력차가 5~7MPa로다른증기압축시스템에비하여 10 배이상높다. 따라서단일의압축기로시스템이운전되는경우 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

11 38 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 가스냉각기 내부열교환기팽창장치 1 가스냉각기팽창장치 1 내부열교환기 가스냉각기 팽창장치 증발기 압축기 중간냉각기 팽창장치 2 플래시탱크 증발기 혼합기 압축기 팽창장치 2 플래시탱크 증발기 압축기 ( 가 ) 중간냉각사이클 ( 나 ) 상분리사이클 ( 다 ) 플래시사이클 그림 3 여러가지 2 단압축을이용한시스템 압축기효율의최적화가어렵고소요동력이증가하여시스템신뢰성이낮아진다. 특히, 냉방운전시외기의온도가높거나많은냉방용량을요하는경우, 그리고난방운전시외기온도가낮은경우에는용량확보를위하여가스냉각기의압력을높게유지해야하므로소요동력이증가하게되고, 시스템성능이크게저하된다. 이러한문제를해결하기위한고안된방법중의하나가바로다단압축을이용한시스템이다. 다단압축사이클의경우각단의압축비가작아지고각단에서압축과정을최적화함으로써압축에필요한소요동력을줄단압일수있으며압축과정에서누설을감소시켜많은냉매를고압으로토출시킬수있다. 특히 2단압축시스템의경우중간냉각 (intercooling) 이나인젝션 (injection) 을이용한상분리 (phase separate), 플래시 (flash) 사이클등성능향상을위한여러사이클의구성이가능하다. 인젝션을이용한 2단압축 (two-stage compression) 시스템의경우압축중간이나각단사이에차가운냉매의인젝션을통하여 2단의압축기입구의냉매온도를낮출수있으며이를통하여압축기체적효율이향상되고냉매토출량또한증가시킬수있다. 따라서압축일의감소와증발기에서냉방용량의향상으로시스템성능이크게향상된다. 난방운전의경우저온조건운전시난방용량확보를위하여순환냉매량을증가시켜시스템의냉매부족현상방지와고주파수운전에따른압축기토출온도의상승방지효과로시스템의신뢰성을향상시킬수있다. 그림 3은여러가지 2단압축 시스템의개략도를보여주고있다. 3) 팽창기 (expander) 적용사이클이산화탄소사이클의경우팽창과정중큰압력차에의하여팽창과정의비가역성이증가하여팽창손실 (expansion loss) 이증가되고팽창손실이시스템전체손실중차지하는비중이다른아임계사이클에비하여매우크다. 따라서팽창전후의큰압력차를이용하여운전되는팽창기를적용하는경우시스템성능향상을기대할수있다. 팽창기는압축기의반대과정으로이루어지는일종의팽창장치로고압의냉매를이용하여단열팽창 (isothermal expansion) 시킴과동시에팽창력을이용하여일정이상의일을얻을수있다. 즉, 팽창기를적용함으로써팽창손실을 38 기계저널 제 48 권제 1 호 38 기계저널 CK

12 39 기계저널 CK 이산화탄소냉 난방시스템의특징및효율향상방안 가스냉각기가스냉각기가스냉각기가스냉각기 팽창기팽창기팽창기팽창기 증발기증발기증발기증발기 압축기압축기압축기압축기 그림 4 여러가지팽창기적용사이클 줄일수있으며시스템에구동에이용될수있는일을얻어이를압축과정전후에사용함으로써시스템의소요동력을크게줄일수있다. 특히, 냉방용량의확보가용이해지므로냉방성능의향상정도가난방성능의향상정도보다크게나타난다. 여러가지팽창기적용사이클의개략도를그림 4에나타내었다. 팽창기를이용하는사이클에서시스템용량이커지고여러대의실내기를장착한경우, 팽창기이후에냉매편류현상이크게나타나므로일부실내기의경우냉매부족으로냉방이나난방능력을거의가지지못하는현상이발생한다. 따라서이를해결하기위하여팽창기와팽창장치를별도로구성하고상분리기기를이용하여냉매를분리하여개별적으로실내기에공급하는방법에관한많은연구들이진행중이다. 그러나팽창기를시스템에효과적으로적용하기위해서는압축과팽창과정에서의누설방지에대한영향을최소화하여야하고팽창기의효율상승과효과적인냉매의분배에관한문제도동시에해결해야만한다. 4) 이젝터 (ejector) 적용사이클이산화탄소사이클에서팽창손실을줄일수있는방법중의하나가바로이젝터를이용하는것이다. 이산화탄소를이용한시스템이적용되는이상유동 (twophase) 이젝터의경우구동노즐로가스냉각기에서나온액상의냉매가유입되고흡입부에서는증발기에서나온기상의냉매가유입되는구조로구성된다. 냉동사이클에노즐을이용하여고압의유체를분출시키므로주위의저압의기체와운동량을교환하게되고이를통하여저압의기 체를보다높은압력으로변환시켜흐르게할수있다. 이산화탄소사이클에이젝터를이용하는경우이젝터는일종의팽창기역할을하게되며이젝터를이용하여이상유동의팽창과정을등엔트로피과정으로유도함으로써팽창손실을줄일수있으며압축기입구에서의압력을보상하여압축부하를줄일수있다. 또한증발기입구의엔탈피감소를통하여냉방용량이증가되고이에시스템의성능은향상된다. 이산화탄소시스템에이젝터를사용하는 Denso system의경우냉방능력의증대및압축기동력감소로 20% 이상의에너지절약이가능하다고보고하였다. 그러나아직까지이젝터의효용성에대한여러이견이존재하고있으므로, 적용타당성을넓은운전범위에서검증할필요성이있다. 그림 5는이젝터를이용한사이클의 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

13 40 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 고온수입구온도 이젝터 압력상승 압력 증발기 구동유동 혼합부 운동에너지손실 디퓨저니들노즐흡입유동그림 5 Denso 사의이젝터를이용한이산화탄소사이클의개략도와 p-h 선도 엔탈피 개략도와압력-엔탈피선도에서사이클의변화를보여주고있다. 이글에서는이산화탄소를냉매로하는냉난방시스템의성능특성과성능향상방안에대하여서술하였다. 지금까지연구에의하면이산화탄소시스템은냉매의임계온도가낮고작동압력이높기때문에기존의냉매를적용한아임계사이클보다열역학적 으로낮은성능을나타내며외기온도와같은외부조건변화에대한성능변화가심해이에대한최적화가어렵다. 특히냉난방시스템에서냉방과난방의압축기입구의흡입냉매의밀도가크게다르기때문에최적인압축기용적비와팽창기설계비로시스템이설계된경우냉방조건에서는고압이크게향상되기때문에최적화가불가능하고시스템성능이크게저하되는특징을보인다. 이러한문제들을극복하고시스 템의성능과신뢰성향상을위하여내부열교환기, 2단압축, 팽창기, 그리고이젝터를이용한시스템이연구되고있으며, 이의적용에따른운전특성과성능향상에대하여알아보았다. 이러한여러노력을바탕으로이산화탄소시스템의성능이향상되고신뢰성이확보된다면머지않아이산화탄소를이용한가정용냉난방시스템의보급이확대될것이고환경규제에대한궁극적인해결책이될것이라기대된다. 40 기계저널 제 48 권제 1 호 40 기계저널 CK

14 41 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 이산화탄소냉매용압축기개발현황및문제점 조성욱 삼성전자생활가전사업부선행개발그룹, 선임연구원 _ so.cho@samsung.com 이글에서는이산화탄소압축기의특징에대해간략히알아보고, 왕복동압축기, 스크롤압축기, 로터리압축기, 베인압축기등의개발현황과과제에관해소개한다. 지구환경문제에관심이높아지면서오존층파괴및지구온난화에대한대응으로냉동공조기의냉매대체화가진행되고있고, 오존층을파괴하지않는 HFC로의전환이시도되고있는한편지구온난화계수가작은자연냉매에관심이높아지고있다. 이와같은상황에이산화탄소 ( 이하 CO2) 는독성, 가연성에문제가없고환경에영향을덜미치는자연냉매로서주목받고있다. CO2는탄화수소 (HC) 와암모니아와같은독성, 가연성에문제가없이각종화학합성부산물로써생성되기때문에경제적 이고뛰어난전열특성을가지고기구의콤팩트화를가능하게하기때문에뛰어난작동유체라고생각할수있다. CO2냉매적용압축기에요구되는사항은다음과같다. 1 높은동작압력의대응 : 밀폐용기, 축 seal 등의내압성, 접동부의하중내성 2 고 저압의압력차가높음에따른누설의대응 : clearance의적응확보 3 효율화 : 기계손실, 누설손실의방지, 토출가스의과열방지 4 소형 경량화 : 기존냉매용압축기와동등압축기의연구개발은국내외 에서활발하게이루어지고있고, CO2 히트펌프급탕기와같이이미실용화정도에달하고있는것도있으며, 자동차공조장치용 CO2압축기의개발도급격하게진행되고있다. 다음에그개발상황을자세히살펴보고자한다. CO2를냉매로사용하고자할경우이냉매가갖는고압특성으로인해냉동사이클전반에고압설계가요구되며, 특히 CO2 압축기개발에있어서는각부품의고압화뿐만아니라압축기구 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

15 42 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 부의재설계도요구된다. 일반적으로 CO2를적용한냉동이나공조용압축기의토출압은 70 ~130기압, 흡입압은 30~40기압정도이다. CO2를작동매체로한냉동사이클용압축기가종래의프론계냉매를이용한냉동 공조용압축기와크게다른점은다음과같다. 1 운전압력이몹시높다.( 토출압 ~15Mpa) 2 차압이크다.(5~10Mpa) 3 단위냉동능력당밀어제치는양이현저하게작다. 4 압축비가비교적작다. 이때문에밀폐형 반밀폐형압축기의밀폐용기나개방형압축기의축seal에는충분한내압설계가필요할것, 접동부의하중 ( 면압 ) 이과도하게커지는것을억제하는구조설계가필요할것, 빈틈용적이나빈틈면적이상대 표 1 냉매별압축기운전압력 적으로커지므로이들에대한대응이필요할것, 절연재나냉동기유등의재료선정, 신뢰성 안전성의확인이필요할것등 CO2 용압축기의실용화에는많은과제가있다. CO2가냉매로서주목을받게된이래, 왕복동식, 로터리식, 스크롤식, 스크류식등각종압축기에대해검토가이루어져왔는데, 근년카에어컨이나가정용히트펌프등으로의실용화를향해 ( 일부실용화가시작되었다 ), 지금까지이상으로정력적인대처가이루어지고있다. 표 1은히트펌프시스템의증발기입구냉매온도10, 증발기출구냉매온도 0, 냉매가열도 0 를기준했을때, 각냉매별압축기운전압력을보여준다. 표 1에서알수있듯이고압냉매로갈수록토출압과흡입압의차이는커지고, 압력비는작아진다. 고압특성으로인해 CO2는 R22 R410a CO 2 흡입압력 [Mpa] 토출압력 [Mpa] 압력비 압력차 [Mpa] 표 2 압축기형식에따른특징 형식특징 왕복동 누설이적은구조인데, 부품점수가많고, 진동레벨도높다. 스크롤 로터리 seal 길이가길기때문에작은실린더용적으로는누설에대해 불리하다. 누설은적은구조이지만, 베인선단의접동조건은고차압으로심하다. 통상사용되고있는냉매에비해 5~10배정도의단위체적당냉동능력을보유하므로행정체적감소하며, 토출압과흡입압과의큰압력차이로인해누설에대한주의가필요로하며, 작은압력비는가스압축에유리한점으로작용한다. CO2의고압고밀도특성으로배관에서의압력손실이상대적으로중요해지지않으므로배관경을가늘게하는것이가능하다. 압축기윤활에서가장중요한것은적정한점도, 또한토출압력이 150기압이상이되므로경계윤활영역에서의윤활성도요구된다. 아울러오일에냉매가용해된상태에서의점도도적절해야한다. PAG는 CO2의용해가적고용해점도는높으며, 윤활성이양호하다. CO2 냉매환경에서 O 링을사용할때 O 링의팽윤에따른파손도중요하게고려해야한다. 이산화탄소는밀도가높고, 단위체적당냉동능력이크기때문에, HFC 냉매와비교하면누설효과가크고, 또한차압이크고윤활이심하다고하는특징이있다. 표 2에나타나듯이, 왕복동방식은, 피스톤링으로 seal되는구조이므로누설이적지만, 부품점수가많으므로비용이드는형식이고, 또한진동도커지는구조이다. 그때문에, 냉장고용또는업무용공조기의일부로채용되고는 42 기계저널 제 48 권제 1 호 42 기계저널 CK

16 43 기계저널 CK 이산화탄소냉매용압축기개발현황및문제점 있지만, 가정용공조에서채용되는케이스는적은것이실정이다. 또한, 스크롤방식은다수의압축실에서연속압축되는구조이므로, 누설되는부분이많고, 또한소용돌이가공이므로그누설통로면적의저감이어렵고, 이산화탄소와같이, 실린더용적이 HFC와상대적으로작아지는냉매로불리하고, 또한고압이 100kg/cm 이상이되므로 thrust 하중도꽤커져, 그대책도필요하게된다. 로터리방식은, 누설을저감할수있는구조로, 성능면에서는고효율을기대할수있다고생각되지만, 베인의윤활이고차압하에서는무척어렵고, 신뢰성면에서는문제가크다고생각된다. 이하각압축기종류별특성및개발동향을자세히살펴보고자한다. CO2가고압이므로가장먼저접근된압축방식은일반적으로고압가스압축에널리사용되고있는왕복동형이다. CO2적용에따라압축기셸의고압화, 실린더헤드, 머플러, 토출관등의토출부부품이고압에견디도록고압설계가필요하다. 특히제일높은압력이걸리는피스톤과실린더헤드주위의밀봉은매우중요하다. 피스톤에걸리는압력은 R22 에비해 5~10배높으나, 행정 체적이작으므로피스톤직경에제한이있어서연결봉에걸리는힘에한계가있고운동부재에걸리는단위하중증가하므로피스톤핀베어링에걸리는마모를피하는것이쉽지않다. 또한고압에따라토크부하의변동이매우커지므로진동이증대하고이러한부하변동에맞는토크특성을갖는모터를선정하는것도효율감소를방지하는데매우중요하다. 토출밸브에서가스의밀도가상대적으로크기때문에밸브에작용하는충돌속도에기인한밸브의피로파괴현상으로밸브의신뢰도가문제가될수있다. 이를위해서는밸브속도를감소시키는설계를채택하거나, 기존의리드밸브대신판형밸브등의다른구조의밸브를적용하는것이필요하다. 또한 CO2의높은밀도는토출가스의압력맥동을증대시키므로토출머플러체적 표 3 도린사 CO 2 압축기주요개발모델 구분 Series MODEL 1 단 2 단 300 (2 pole) 300 (2 pole) 을키우는등의재설계가요구된다. 흡입가스냉각방식을적용하는경우, 오일이압축기셸로넘쳐들어오는 (oil carry-over) 문제도우려된다. Yanagisawa et al은 CO2 왕복동압축기에대한성능실험을통해피스톤링이없는경우실린더와피스톤사이의누설이매우심각한수준이며, 또한밸브를통해서역류하는누설이상대적으로행정체적이작은 CO2 압축기의성능에영향을미침을보였다. 누설제어를위해흡입가스에의도적으로약간의오일을주입하였을경우, 5% 오일혼합조건에서체적효율과단열압축효율이각각 5% 및 3% 씩증가하였다. 지나치게많은오일은흡입손실을가져오지만적정량의오일은밸브누설을방지하고간극체적을줄여주는효과가있다. Neksa et al은두개의실린 행정체적 (cc) Motor Power (1단/2단) (kw) TCS TCS TCS TCS TCDH334 34/ TCDH / TCDH / TCDH / Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

17 44 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 더를직렬연결한 2단압축방식의왕복동압축기구성하였다. 이러한 2단압축구조는시스템설계에다양성을제공하는데, 예를들면중간압부로의냉매유량을조절함으로써용량조절이가능하다. 하지만이러한방식의용량조절은효율저감을수반한다. 1 단과 2단의체적비의최적치는이론적으로구할수있지만, 실제에서는냉동사이클의시스템설계가바뀌면운전조건들이바뀌므로최적의체적비또한바뀌게된다. 주요압축기제조회사로는이태리도린사가차량및선박공조용으로왕복동식을개발하여현재몇가지모델을상용화하였다. 표3은도린사의CO2 압축기개발모델현황이다. CO2로작동하는압축기의기본적인운전특성을조사하는목적에서, 그림 1에나타나는왕복동식요소시험기를제작해, 이 압축기를이용한시험결과를이론계산결과와비교한결과를나타내고있다. 고압에서운전되므로 seal 때문에피스톤링이필수로, 잘기능하는것이요구된다. 흡입가스에적량의기름을혼합함으로써누설을막고, 성능향상에기여하는것, 간극체적이나밸브의누설을신중하게선정할필요가있는데, 종래이용되어왔던압축기의성능평가수법은, CO2용압축기의성능평가에도적용할수있다고하고있다. 개방형왕복동압축기압축비는비교적작지만압력차는크다고하는이산화탄소의특성을고려해, 높은체적효율과압축효율을얻기위해, 흡입, 토출변, 실린더와가스와의열전달, 구동기구와축받침등의최적화에대한검토결과가보고되고있다. 또한버스공조용으로서검토가진행되고, 실주시험에도 움이되는 2기통압축기에대해서도같은검토가이루어지고있다. 지압선도에의한해석결과, 고속운전에서는밸브기구의개량에의해성능향상여지가남아있으며, 압력비가높은조건에서는, 재팽창과실린더헤드로부터의열전달에의해성능저하가보여지는것등이명확해지고있다. 반밀폐형왕복동압축기 Dorin 사에서는, 1996년부터이산화탄소용압축기의개발에들어가, 4극모터구동의단기통, 2기통으로이루어진 2.0~11kW 의시리즈를연구시험용으로공급해왔다. SINTEFF( 노르웨이 ) 에서는 1단압축과 2단압축에대한성능평가를해, 압력비가높은 -35 의증발조건에있어 2단압축의채용에의해 20% 이상의효율향상을기대할수있다. 그외, 시 효율 (%) 피스톤 2. 실린더 3. 밸브플레이트 4. 실린더헤드 5. 테이싱 6. 로드 7. 캠 회전수 (rpm) 그림 1 왕복동압축기의성능 44 기계저널 제 48 권제 1 호 44 기계저널 CK

18 45 기계저널 CK 이산화탄소냉매용압축기개발현황및문제점 스템적용검토결과로서, 가정용히트펌프용으로검토한압축기 (3.0kW, 유량 2.7m 3 /h at 1,450rpm) 의성능에대해서환경제어유닛용압축기의성능에대한결과가있다. Dorin 사에서는한층더 2단압축기를포함하는 0.75~12kW 의새로운시리즈를개발중이다. 2극모터구동으로, 흡입가스와외부열교환기에의해차가워진윤활유에의한모터냉각이채용되어, 토출가스온도의과도상승을억제하므로, 실린더헤드와모터를수랭할수있는구조가되어있다. 스크롤압축기는다른기종의압축기에비해가스흡입에서토출까지크랭크축이 2~3 회전하는시간에걸쳐이루어지므로토크변동및가스맥동이작고, 각압축실간의압력차가작게되는등의장점이있다. 또한가변속운전을통한용량제어가용이하다. 따라서 CO2를스크롤압축기에적용하는사례는일반공조용, 히트펌프온수기, 그리고자동차에어컨용압축기등이있다. Melco에서는 R410a용중간용량의스크롤압축기구조를개조하여운전속도 30~60Hz에서 2.5~5.0kW의냉력을발생하도록행정체적 7.23cc인일반공조용 CO2 스크롤압축기시제품 을제작하였다. 고압적용을위해스크롤랩의높이를감소시켜랩높이와두께가동일하게되었고, 낮은압축비에맞도록랩인볼루트각도를조절하여설계체적비가 1.75가되도록하였다. 압축기다른부분들은고압조건에맞도록재설계하였다. 표준냉방조건에서성능측정한결과흡입압 3.93Mpa, 토출압 9.49Mpa, 운전속도 48.2Hz에서체적효율은 86.4%, 압축기효율은 47.1%, COP 1.77을얻었다. 그들은체적효율이 R410a 스크롤압축기에비해현저히낮을것으로예상했었으나실제측정결과는거의대등하게나타났다. 냉매의고압화에따라스러스트베어링손실은전체손실의 40% 를차지하는것으로분석이되어, 스러스트베어링손실의감소가이러한스크롤압축기효율향상에매우중요한것으로나타났다. DENSO에서는동경전력회사와함께주거용히트펌프온수기에 CO2 스크롤압축기를장착하여시운전을하였다. 사용된압축기는 2마력급이고, 연평균 3.0의 C.O.P를얻었다. 압축기셸내부압은저압방식을채용하여셸설계를용이하도록하였다. 그리고선회스크롤의배면에는동일방향으로배열한롤러베어링의 coupling을 2쌍으로조합하여사용해, 서로직교하도록상하에배치한신기구의 thrust 축받침 을채용해, 면압을약 1/5로억제해기계손실의저감과내구성을확보할수있었다. 미쓰비시중공업에서는 CO2를적용한자동차에어컨용압축기로스크롤압축기를개발하였다. CO2의단위체적당냉동능력이 R134a의 8배정도이므로행정체적은 R134a에비해 1/8로감소시킨 13cc이다. 통상자동차에어컨용 R134a 스크롤압축기에사용하는팁실구조대신누설저감을위해고정부재를고정부재경판후면에배압을가하여눌러주는순응구조적용하였다. 또한스러스트베어링면배후에서오일을공급하므로선회부재경판후면에유압을부과시켜스러스트베어링면압을감소시키는정압어시스트 (static pressure assist) 축수구조를적용하였다. 이는기계적마찰손실을감소시켜고효율화를달성할수있었고, 베어링신뢰성을향상할수있었다. 경계윤활영역에서신뢰성의지표가되는접동부면압 (P), 접동속도 (V) 가정압어시스트축수구조의적용에의해혹독영역에서부터완화되었다. 차량에어컨용 CO2 스크롤압축기는앞으로도성능향상등에관한많은개선의여지를남겨놓고있는상태이다. CO2 를로터리압축기에적용 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

19 46 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 함에있어통상적인 1단압축으로는많은문제들이발생한다. 베인양면에걸리는압력차가 R410a의경우보다 2배이상되고, 베인과롤러접촉면에작용하는힘도급증하므로구조적인변형이나마찰마모, 그리고축등의변형에기인한누설증대등의문제들을 2단압축방식을적용하여상당부분완화시킨다. 압축효율향상을위한간극체적의최적치를얻는문제는고압냉매인 CO2에서는더욱중요해진다. 간극체적을작게하면재팽창에의한손실도적어지지만냉매의유로저항이커지므로지시동력이증가한다. 토출포트의직경도같은맥락에서최적치를얻는것이필요하다. 산요에서는히트펌프온수기용의 CO2 트윈로터리압축기를개발하여제품을시장에내놓았다. 개발된 CO2압축기는 2단압축방식을통해압축기각단의압력차를 R410a냉매와같은수준으로억제했고, 트윈실린더방식으로저진동, 저소음특성을얻었다. 그림 2에서와같이 1단계압축기구를통해냉매가스를셸내부로토출하여압축기셸내부압력을중간압으로설정하고 2단계압축기구에서압축된가스는셸외부로직접토출되는구조를갖는다. 운전정지시중간압이평균압이하로유지되도록하여설계압을낮게억제할수있었다. 이는 1단압축부와 2단압축부의 체적비를조정하는것에가능하다. 압력차에의한축변형을최소한으로낮추기위해상하편심부간형상을단면2차모멘트가커지는형상으로개선하고이로인해변형에기인한누설간극증대를최소화하는것이필요하다. 그리고압축기셸내부압력을중간압으로설정함으로써발생하는 2단압축부에서의오일공급부족을 1단토출을셸케이스내토출과 2단흡입부로의직접토출로분류하는것에의해해결한다. CO2 압축기에대한내구성시험에서축표면에금속접촉은발생하지않고유막이정상으로형성되며베인의마모상태도양호하며, 또베인선단에스랏지의부착도인지되지않았다. 또이들접동부품은현재생산되고있는룸에어컨용 R140a 로터리압축기의접동부품과비교했을때, 부품의손상상태는거의동등했고, 실용상문제는없다고보고되었다. 또한최신모델에서는행정용적의재점검과 DC brushless motor 구동의채용에의해한층소형화되었다. 압축공간과용기내측사이의가스누설을최소로막기위해, 용기내측의압력은이중간압력으로유지되며, 1단째토출가스모터의냉각을하고있다. 이결과, 높은효율과신뢰성이달성되어, 향후히트펌프급탕기를시작으로여러가지 냉동기나에어컨으로의적용을검토한다고하고있다. 차량공조에사용되는 R134a 용베인압축기는동일한행정체적을갖는다른기종의압축기에비해밀봉길이가상대적으로길므로 CO2 응용을위해서는별로고려되지않았으나 Fukuta et al은천이임계 CO2 사이클에서베인압축기의사용가능성을연구하였다. 베인압축기에서는누설손실이베인압축기의성능에가장영향이큰인자이고따라서간극이가장중요한설계변수이므로원주방향밀봉이효율을향상시키는데있어핵심설계요소이다. 원주밀봉선을증가시키면누설은감소하고체적효율은증가하고, 베인배면압을조절하면성능이증가한다. 체적효율의증가를위해베인두께를증가시키면기계적효율이감소한다. 한편 CO2 적용시흡입및토출포트에서유속이작고유체저항이작기때문에도시효율은크다. 간극을 2/3로줄일수있다면 R134a와동일한성능을얻을수있다. 2단베인압축기나압축기-팽창기조합과같은개선된설계개념의적용은베인압축기의가능성을더욱높여준다. 또한, 2단압축, 압축기와팽창기를조합함으로써종래의빈틈 46 기계저널 제 48 권제 1 호 46 기계저널 CK

20 47 기계저널 CK 이산화탄소냉매용압축기개발현황및문제점 로터셸고압중간압저압중간압 2단계압축기구 1단계압축기구그림 2 산요 CO 2 압축기구조및동작원리에서도고효율을실현할수있다. 어컨용으로관심이모아지고있이산화탄소벤형압축기에서는, 다. 앞으로해결되어야할주요효율향상방법으로서, seal과과제들로는당연히효율향상과베인의배압억제가유효하다. 신뢰성확보로요약할수있다. 이상각압축기종류별특성압축기기종별로해결되어야및개발동향을살펴보았으며, 향할과제들은왕복동식에서는밸후친환경자연냉매인 CO2용압브의신뢰성향상과피스톤핀축기응용분야는자판기, 열펌프베어링마모문제, 모터토크와급탕기, 열펌프, 쇼케이스등으로토크부하를매칭시키는문제등점차확산될것으로예상된다. 을들수있으며, 트윈로터리식에서는 2단압축실급유특성향 현재냉동공조용 CO2 압축기개발은아직초기단계로볼수있으며시장에출현한압축기로는일반냉동용및공조용으로의왕복동식압축기와히트펌프온수용트윈로터리식등이다. 스크롤식은현재로는주로자동차에 상, 토출가스오일함유량조절문제등이고, 스크롤식에서는무엇보다도선회부재배면의스러스트마찰손실저감이라고할수있다. CO2 냉매를적용하더라도각압축기기종별압축특성은그대로변함이없지만각압축기가상대적으로더효율적이되는냉 동능력에관한영역에는변화가예상된다. CO2에서는아직까지는운전영역별경계에대한확정적인결과가발표된적은없으나 CO2의고압특성으로인해로터리가우수한영역이더욱확장될수있다고예상할수있다. 즉, 기구적효율성이행정체적의크기에기준하여비교된다면, 고압냉매일수록동일한행정체적에서더큰냉동능력을낼수있기때문에냉매가고압으로될수록로터리방식이스크롤방식에비해우수한냉동능력의영역은더높아질것으로판단된다. 국내에서진행되는환경친화적자연냉매인 CO2를적용한압축기의개발동향을기술하였다. CO2를적용한압축기개발을위해서는구성요소부품의고압및고압력차에대응하는개발이중요하며, 이러한핵심부품들의최적조합을통하여고효율화및내구성확보가필요하다. 그리고고압냉매의사용에따른핵심규격, 안전성, 취급시방서등의체계적수립및구축이핵심사항으로될것이다. 이러한문제는관련기관들의유기적인협업이필수적이며, 기술개발과동일하게시장의수요를창출할수있는정부차원의제반지원제도도추진되어야할것이다. Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

21 48 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 이산화탄소용압축기부품의강도해석및내마모설계 석창성 성균관대학교기계공학과, 교수이영제 성균관대학교기계공학과, 교수 _ seok@skku.edu CO2 를압축기및냉동시스템에냉매로사용하기위해서는이에맞는적절한압축기설계가필요하다. 이글에서는 CO2 용압축기부품의강도해석및내마모설계에대해소개하고자한다. 는안정성이뛰어 CO2 나고, 무취, 무독하고부식성이없으며, 연소및폭발성이없는물질로서이를냉동기의냉매로사용할경우냉매회수가필요없는장점을갖고있기때문에환경친화용냉매로각광을받고있다. 그러나이를냉동기용압축기에적용시키기위해서는냉동사이클이고압으로작동하기때문에강도해석을통한시스템전체의내압설계뿐만아니라, 윤활해석을통한내마모설계를하여야한다. 로터리압축기는모터부, 축, 상부플랜지, 하부플랜지, 실린더, 셸등으로구성되어있으며냉방기기에폭넓게사용되고있다. 로터리압축기에서축은사용기간동안피로하중을받을뿐만 아니라축의변형은모터와압축기구동부의설계에중요한영향을미친다. 또한셸은고압에서파손시심각한사고를발생시키기때문에내구성및안전성에대한고려가매우중요하다. 따라서이들부품에대한신뢰성확보를위하여응력과피로내구해석및실구조물의내구성평가가수행되어야한다. 또한마멸은주로베인과롤러, 롤러와플랜지, 베인과플랜지에서발생하는데, 특히압축기의롤러외경에대한베인노즈 (vane nose) 접촉영역은압축기구동부에서가장중요하며가혹한조건에서운전된다. 따라서최대한유체윤활이존재할수있도록접촉면마멸거동해석을통해응력수준저감이나, 윤활막을형성할수있는기하학적설계 의제시가필요하다. 압축기의압축효율을높이기위해서는고압상태에서냉매를압축해야한다. 그러나압축기의주요재료로주물재가사용되기때문에주물의특성상인장강도, 항복강도, 피로강도가불균일하지만 10 년이상가동될수있는신뢰성이필요하다. 이를위해서는주요부품소재의기계적특성및피로특성등을평가하여적절한재료를선정하고, 설계개선을통하여작용응력을감소시키는것이매우중요하다. 기계적특성중인장특성이가장중요하며, 피로내구성평가를위해서는소재의응력-내 48 기계저널 제 48 권제 1 호 48 기계저널 CK

22 49 기계저널 CK 이산화탄소용압축기부품의강도해석및내마모설계 (a) 인장특성평가 (b) 피로특성평가 그림 1 기계적특성및피로특성평가시험 구수명 (S-N) 선도를구해야한다. 따라서압축기주요부품의후보재료들에대한인장시험과피로시험을수행하여응력-변형률선도와응력-내구수명선도등을확보하였다. 그림 1은인장시험기와피로시험기를이용하여 CO2 냉매용압축기주요부품의후보소재에대한기계적특성및피로특성평가시험을수행하고있는그림이다. CO2 냉매를이용한압축기의경우기존의압축기보다높은압력과온도에서반복하중을받을뿐만아니라, 입출력측의압력차, 불규칙한 pull force로인한축의변형이발생한다. 따라서기계적특성시험결과를바탕으로응력조건에맞는실구조물의피로내구시험을수행하여축에대 한신뢰성을확보해야한다. 또한압축기의셸부는축, 상하부플랜지, 실린더등을보호하고기밀을유지하는역할을하며부품들과용접으로접합되어있다. 포화압력이대단히높은 CO2 를압축하는경우고압으로인해셸부분의변형및접합부가파손될수있어내압에의한안전성확보가매우중요하다. 따라서용접된셸에내압시험기준압력에서내압시험을실시하여안전성이입증되면, 내압피로내구시험을실시하여내압에대한신뢰성을확보하는것또한필수적이다. 이를위하여축이나셸등의주요부품에대한피로내구성평가를수행하여확률밀도함수를획득하고작용응력간섭모델을적용하여파손확률을평가한다면보다정확한피로파손안전성을평가할수있다. 그림 2는축계와셸의실구조물을이용하여피로내구시험을수행하고있는그림을나타낸것이다. 이렇게하여주요부품 의내구시험이완료되면압축기세트에대한내구시험을실시한다. CO2 압축기의내압성능은작동압력기준으로 3 4배의내압성능을요구하고있다. 따라서내압에의한변형을억제하고파손을방지할수있는설계기술이필수적이다. 냉매를압축하는데중요한역할을하는샤프트는베인양면에걸리는압력차와불규칙한 pull force를받고있고, 초기구동시약간기울어진상태에서작동하기때문에해머락현상이발생할수있다. 따라서유한요소해석을수행하여 pull force에의한샤프트의변형과이때발생하는응력의변화를재료의기계적특성및실구조물의피로특성과비교 평가한후, 압축기부품설계시반영하여야시간및비용을절감시 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

23 50 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 (a) 축계신뢰성평가시험을위한시편들 (b) 축계피로내구시험평가 (c) 셸의신뢰성평가를위한시편 (d) 셸의내압신뢰성평가시험기 그림 2 실구조물을이용한피로내구시험 킬수있을뿐만아니라안전여유를확보할수있다. 또한셸구조물은압력에의한파손이중요하기때문에셸에대한유한요소해석을수행하여형상을최적화하고접합부나토출구등의취약부에대한보강설계를통하여셸의내압성능을확보하는것도매우중요하다. 또한많은변형이발생하고응력이높은다른압축기부품에대해서도최적설계개념을적용함으로써변형및응력을최소화시킬수있다. 모든종류의압축기에있어서공통된과제는효율을높이고진동과소음을줄이는것이다. 접촉상태에서상대운동을하는모든기계요소에서는반드시마찰이발생하기때문에, 기계적효율은마찰손실을얼마나최소화할수있는가에달려있다. 따라서재료의수명또한접촉면에서의마찰, 마멸과직결되어있다. 경계윤활조건에서작동하는기 계요소의표면은마멸에의해점차적으로손상을받을뿐만아니라이로인한치명적인표면파괴로이어질수있는데, 이러한표면파괴의대표적인현상이스커핑 (scuffing) 이다. 스커핑은화학적효과뿐만아니라역학적인효과의복잡한작용에의해발생하며, 마찰력의증가와표면거칠어짐을수반하게된다. 특히, 스커핑과같은갑작스런표면파괴는운전중기계를멈추게하거나심한마멸을일으키게되어서접촉상대운동을하는재료의수명과 50 기계저널 제 48 권제 1 호 50 기계저널 CK

24 51 기계저널 CK 이산화탄소용압축기부품의강도해석및내마모설계 상부플렌지 샤프트 하부플렌지 최대 mises 응력 =73MPa 최대 mises 응력 =183MPa - 변경모델 (200kg1 의하중인가 )- (a) 축계의유한요소해석모델 (b) 축계의유한요소해석결과 (c) 내압에의한셸의변형과해석결과 (d) 셸의유한요소해석결과 그림 3 실구조물유한요소해석모델 회전식압축기의경우, 롤러외경에대한베인노즈의접촉영역은압축기구동부에서가장중요하며가혹한운전조건영역으로서최대한경계윤활이존재할수있도록접촉면의마모거동해석을통해응력수준을저감하거나, 적절한윤활막을형성할수있는형상설계가절실히요구되고있다. 그림 4 스커핑수명평가를위한고하중마찰시험기 성능에매우큰악영향을끼치게한다. 그림 4는고하중마찰시험기로서상호접촉재료의스커핑수명평가를할수있는시험기이다. 경계윤활환경과유체윤활환경을실험시편과실험조건에따 라알맞게설정하여구현할수있다. 대략적인시험기구동원리는고압마멸시험기와동일하지만, 보다높은하중을가하여재료의표면파괴현상인스커핑현상을구현하는데용이하다. 고압, 고온조건에서미끄럼접촉면은재료의열적성질이나냉매및윤활유의열화학적특성때문에상온, 대기압조건에서나타난마찰, 마멸특성과는다른결과를보이게된다. 따라서이러한실 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

25 52 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 그림 5 압축기환경에서마찰및마멸평가를위한고압마멸시험기 제작동환경을모사하기위해서고압, 고온조건을설정할수있는고압마모시험기 (high-pressure wear tester) 를사용하여마찰및마멸특성을평가하였다. 그림 5의고압마멸시험기는압자와시편의형상을바꿀수있는 multi-type의마찰및마멸시험기로서, pin-on-disk 형태의미끄럼실험을수행할수있다. 그리고압력용기를가지고있어서냉매를주입하여냉매와오일의혼합환경을구현할수있다. 이압력용기안에서핀과디스크시편은각각시험편홀더에고정되고, 디스크시편을통하여수직하중이작용되며, 핀시편이미끄럼회전을함으로써접촉환경을형성한다. 수직하중은압자에연결된스프링을통해가해지도록하여수직하중의변동을줄였으 며, 로드셀을자료획득장치에연결하여미끄럼실험동안수직하중과마찰력을온라인으로처리할수있도록하였다. 또한마찰력에의한회전속도의감소를최소화하기위해서 DC모터에감속기를연결하여사용하였다. 오일배스바닥에히터를부착하여초기오일의온도를실험조건에맞게설정할수있으며, 열전대를이용하여미끄럼실험동안오일의온도변화를관찰할수있다. 미끄럼접촉면의내마멸성향상을위해접촉면에코팅을증착하는방법을이용하였다. 연삭마멸과응착마멸에대한내마멸성을향상시키는여러코팅중경질코팅 이보다효과적이다. 따라서압축기부품중베인표면에증착이용이한몇가지코팅을선정하였다. 코팅의마멸특성은대부분증착방법에의해결정된다. 다양한증착방법중 PVD(physical vapor deposition) 방법은낮은증착온도로인하여기질의왜곡이적고, 정교한표면처리가가능하다. 또한, PVD 방법으로증착한코팅표면은표면마무리가매우적은공차로정밀한치수제어를제공하기때문에코팅후의 machining 처리를건너뛸수있는장점이있다. 베인표면에 PVD 방법으로증착된코팅을적용할경우 40 50% 의내마멸성향상효과가나타났으며, 현재보다경제적이고높은신뢰성을확보할수있는코팅에대한연구가진행되고있다. 52 기계저널 제 48 권제 1 호 52 기계저널 CK

26 53 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 이산화탄소냉매와오일혼합물의특성 강병하 국민대학교기계자동차공학부, 교수 _ bhkang@kookmin.ac.kr CO2 를냉매로사용하여신뢰성있는냉방시스템을개발하기위하여 CO2 냉매에적합한냉동기용오일을개발하는것이반드시필요하다. 냉동기용오일이기본적으로갖추어야할조건과냉동기용오일중에서 CO2 냉매에적합한오일을선정하기위하여 CO2 냉매와오일혼합물의특성중가장중요한요소인혼합물의증기압, 상용성, 용해도등에대하여소개하고자한다. 시스템의운전시냉동기용오일은압축기부위에서는고온, 증발기부위에서는저온이되는가혹한조건을만족하여야한다. 냉매와희석하여도화학적인반응을일으키지않고실린더나베어링등의윤활을원활히하여야한다. 또한인화점이높고응고점은낮으며불순물이없고절연내력이크며냉매와용해성이좋아저온에서왁스 (wax) 성분이분리되지않아야한다. 냉동기의장기간정지시상용성이나쁘면압축기내에서냉매와오일이 2층으로분리된다. 이 경우압축기를구동하면원활한윤활이되지않아압축기파손의원인이되기도한다. 따라서오일은큰폭의온도 압력범위에서기능하여야한다. 그리고장기휴지중에방청능력이있고오일소포성이있어야장기간안정적으로사용할수있다. 따라서냉동기용오일은저온특성, 화학안전성, 열안정성, 윤활성등의성능이균형적으로유지되어야하며이러한성능이우수할수록장기간안정적인운전과함께냉동효율을극대화할수있다. 냉동기용오일의선정기준은오일이냉매에적절히용해되어야하며냉매와오일은전체운 전온도및압력에서서로상용성 (miscibility) 을가져야한다. 상용성이란냉매와오일이융화하는성질이다. 또한윤활과유동이라는두가지조건을만족하는점성을가져야하며압축기의특성및오일이노출되는환경을고려해야한다. 이처럼냉매 / 오일혼합물의용해도및상용성자료는냉동기용오일을선정하는기준이되며, 열교환기의정확한해석및압축기의파손을예방할수있는중요한자료이다. 냉동시스템에서오일은항상냉 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

27 54 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 매와접촉하여혼합된다. 따라서오일의비중, 점도, 인화점및유동점등의물리적특성파악이필요하다. 가. 비중오일의비중은동일한부피의 15 오일과 4 순수한물의중량비를말한다. 냉동유 광유 나프텐계파라핀계 합성유 알킬벤젠 (AB) 폴리비닐에테르 (PVE) 폴리페닐에테르 (PPE) 폴리아킬렌글리콜 (PAG) 폴리올에스터 (POE) 나. 점도점도는윤활유의물리화학적성질중가장기본이되는성질중의하나로서액체가유동할때나타나는내부저항을말한다. 따라서기계윤활에있어서기계의조건이동일하다면마찰손실, 마찰열, 기계적효율이점도에의해결정된다. 점도는온도가상승하면점도는떨어지고반대로온도가떨어지면점도는커진다. 온도에따른점도의변화를지수로나타낸것이점도지수이다. 점도지수 (Viscosity Index; VI) 는온도의변화에따른윤활유의점도변화를나타내는수치이다. 다. 인화점윤활유를가열해서발생한증기와공기의혼합가스에불을가까이하면순간적으로타버린다. 이때의온도를인화점이라한다. 가열을계속하면증기발생이심해지고그것에점화하면연소가계속하게된다. 이때의온도를발화점또는연소점이라한다. 발화점은일반적으로인화점보다높 그림 1 냉동기용오일의종류으며그온도이상에서윤활유를사용할수없다. 라. 유동성윤활유를냉각시키면점도가증가되어유동성을잃게되고굳어지기시작한다. 입때의온도를응고점이라한다. 응고점에도달하기전까지유동성을갖는온도를유동점이라한다. 마. 극성물질은분자구조로극성물질또는비극성물질로나눈다. 극성분자는분자내에전자들이편재화되어쌍극자가존재하는분자로, 정전기적인력이작용한다. 비대칭구조로, 중심원자에비공유전자쌍이있다. 비극성분자는분자내의전자가고르게분포되어쌍극자가존재하지않는분자이다. 즉원자의전기음성도에의한극성이상쇄되어벡터합이 0 인분자이다. 대칭구조로, 중심원자에비공유전자쌍이없다. 이 산화탄소 (CO2) 는 C와 O원자사이에있는두개의전자쌍을한개로취급하고선형분자모양을하고있는비극성분자이다. 일반적으로극성분자는극성분자끼리비극성분자는비극성분자끼리잘섞이는특성이있다. 따라서극성오일은극성냉매에, 비극성오일은비극성냉매에잘섞이는성질을가지고있다. 냉동기용오일의종류는용도와형식그리고사용냉매에따라달라진다. 냉동기용오일은광유와합성유로나누며그종류는그림 1과같고, 냉동기용오일의물성치는표 1과같다. 기존냉매인염화불화탄소 (CFC) 와염화불화탄화수소 (HCFC) 에는일반적으로광유를사용한다. 광유는나프텐계와파라핀계를기본으로한것이다. 또한파라핀계에알킬벤젠 (Alkyl Benzene; AB) 을혼합 54 기계저널 제 48 권제 1 호 54 기계저널 CK

28 55 기계저널 CK 이산화탄소냉매와오일혼합물의특성 표1냉동기용오일의물성치 항목 물성 종류 광유 POE 오일 AB 오일 PAO 오일 PAG 오일 업체명 ESSO MOBIL ESSO Japan Energy Laporte 모델명 ZERICE 68 EAL Arctic 68 ZERICE S 68 FREOL C68NL RFL 100-X 비중 (15 ) 유동점 ( ) 인화점 ( ) 점도 40 (cst) 점도 100 (cst) 하여사용한다. CFC 냉매와 HCFC 냉매는비극성물질이며비극성인광유와혼합이잘된다. 이러한광유는윤활성이양호하고수분관리에장점을가지고있다. 따라서시스템에서순환하는데문제가없다. 그러나탄화수소계 (hydrofluorocarbon; HFC) 냉매의특징은극성물질이다. 따라서비극성인광유와잘혼합되지않는다. 상용성을높이기위해산소분자가들어있는폴리알킬렌글리콜 (Poly Alkylene Glycol; PAG), Esters 등의극성합성유가새로도입되었다. 오일의윤활성문제에서도 HFC 냉매는염소원자가배제되어냉매자체의윤활성이상당히저하된다. 따라서마모방지제등과같은첨가제를넣어윤활성을개선했다. HFC 냉매인 R-134a 등은 PAG, 폴리올에스테르 (Polyol Ester; POE), 알킬벤젠등과같은극성합성유를사용했다. HFC 냉매는극성을띄어기존 CFC, HCFC 냉매에사용되었던비극성광유와나쁜 상용성을가지기때문에오일순환성에문제가있었고용해도가낮아열전달효율이떨어졌다. 따라서상용성이좋은합성유중에서 POE 오일이일반적으로사용되고있으나수분관리, 윤활성의문제가있었다. 또 HFC 냉매와 PAG오일혼합물은 R-22와광유혼합물에비해화학적안정성과윤활성은우수하나수분흡수성이높고상분리현상등의문제가있어, 수분흡수가낮고가수분해안정성이높은 POE 오일의사용이요구되었다. 혼합냉매인 R-410A, R- 407C 등은합성유인 POE, 폴리비닐에테르 (Poly Vinyl Ether; PVE), PAG 등을사용하였다. R-502 냉매에는광유를사용하기도했고탄화수소냉매인 R- 290에도광유를사용했다. 이산화탄소냉매와광유, AB, PAO, PAG 오일혼합물의경우 증기압특성은 -10 부터 10 까지온도범위에서농도에따른영향이크게없는것으로측정되었다 ( 그림 2). 이산화탄소냉매와 POE 오일혼합물의증기압특성은실험온도범위에서농도가증가함에따라증기압이감소함을보였다. 혼합물의오일농도가 20wt% 와 30wt% 일때는비슷한증기압특성을보였으며특히 50wt% 일때는증기압이현저히떨어지는특성을보였다. 이렇게증기압이현저히감소하는특성은 POE 오일이이산화탄소와완전히섞이면서오일의영향을많이받는것으로판단된다. 평형셀에서 CO2/ 오일혼합물의상용성이산화탄소냉매와오일혼합물에대하여오일의농도를질량비로 5wt% 부터 50wt% 까지 5, 20, 30, 50wt% 일때온도는 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

29 56 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 Pure CO2 Mineral Oil wt 5% Mineral Oil wt 20% Mineral Oil wt 30% Mineral Oil wt 50% Pure CO2 POE Oil wt 5% POE Oil wt 20% POE Oil wt 30% POE Oil wt 50% 증기압 (bar) 증기압 (bar) 온도 ( C) 온도 ( C) Pure CO2(Measured) AB Oil wt 5% AB Oil wt 20% AB Oil wt 30% AB Oil wt 50% Pure CO2(Measured) PAG Oil wt 5% PAG Oil wt 20% PAG Oil wt 30% PAG Oil wt 50% 증기압 (bar) 증기압 (bar) 온도 ( C) 온도 ( C) 그림 2 CO 2 / 오일혼합물의증기압곡선 -10 부터 10 까지 2 씩증가하며상용성실험을수행하였다. 혼합물의상용성상태를크게투명한상태 (clear) 와이층상태 (2- Phase) 로구분한다. 여기서이층상태는다시이층상태1(2-Phase- 1), 이층상태2(2-Phase-2), 이층상태3(2-Phase-3) 으로구분한다. 그림 3은각상태에대한사진을나타낸다. 그림 3(a) 는투명한상태로냉매와오일이잘혼합되어혼합물의포화액영역이한개의층으로이루어져냉매와오일이완 전한섞이는상태를말한다. 그림 3(b), (c), (d) 는이층상태1, 2, 3으로서혼합물의포화액영역이층분리가일어난상태이다. 액체냉매와오일이잘혼합되지않고액체냉매에오일이용해된층과오일에일부의냉매가용해된층으로분리된경우이다. 이중이층상태1의경우는액체냉매가많은층위에오일이많은층을이룬상태이고이층상태2의경우는오일의층위에액체냉매의층이이루고있는상태이다. 또한이층상태3의경우 는오일의층위에액체냉매의층을이루고있는상태에서오일이액체냉매위로기포가형성된다. 이산화탄소냉매와광유, AB, PAO, PAG 오일혼합물은실험조건에서모두비상용성을보인다는것을알수있었다. 반면에이산화탄소냉매와 POE 오일혼합물은모든실험온도와오일농도에서투명한상태를보임으로써상용성이좋다는것을알수있었다. 56 기계저널 제 48 권제 1 호 56 기계저널 CK

30 57 기계저널 CK 이산화탄소냉매와오일혼합물의특성 vapor CO2 Liquid CO2+Oil vapor CO2 Oil Liquid CO2 (a) 투명상태 (b) 이층상태 -1 vapor CO2 Liquid CO2 Oil vapor CO2 Oil Liquid CO2 Oil (c) 이층상태 -2 (d) 이층상태 -3 그림 3 평형셀에서 CO 2/ 오일혼합물의상태 유동중CO2/ 오일혼합물의상용성순수 CO2냉매의유동상태를그림 4에나타내었다. 유동관내에서 CO2냉매는포화액체상태로유동하고있으며, 무색이므로실험온도범위내에서 CO2냉매가가시화부내에가득차있는상태인것처럼보인다. 그림 5는 CO2냉매와 PAG 오일을, 그림 6 은CO2냉매와 POE 오일을혼합하였을경우의유동상태를나타낸것이다. 그림 5에서보는바 와같이 CO2와 PAG 오일혼합물의경우는 CO2냉매가 PAG 오일과혼화되지않아가시화부입구면에오일경계층 (oil trap) 이형성되면서액적 (bubble) 형태로분출되는유동상태를나타내어시스템내부에오일이잔류할가능성을준다. 이것은장배관시스템에서는압축기에서유출된오일이회수되지않을가능성을내포하는결과라할수있어최종적으로윤활불량으로압축기의 파손을가져올우려가있다. 그림 6은 CO2냉매가 POE 오일과혼화되어투명 (clear) 한유동상태를나타낸다. 냉매와오일의밀도차이에의한빛의굴절현상으로아지랑이와유사한유동흐름을관찰할수있다. 평형셀에서 CO2 냉매와오일혼합물의상용성에관한결과와마찬가지로 PAG 오일은냉매와분리된이층상태로유동하는것으로관찰되며, POE 오일은혼화되어투명하게유동 Only CO2 Liquid CO2 Bubble & Spout PAG Oil Trap Clear (Liquid Co2+P OE Oil) 그림 4 CO2 순수냉매그림 5 CO2/PAG 혼합물그림 6 CO2/POE 혼합물 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

31 58 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 압력 (MPa) 압력 (MPa) 조성비 ( 중량 % CO2) 조성비 ( 중량 % CO2) 그림 7 온도조건에따른 CO2/POE 오일혼합물의전체조성그림 8 온도조건에따른 CO2/PAG 오일혼합물의전체조성 하는것으로나타나상용성있음이확인된다. CO2/ 오일혼합물의용해도곡선온도조건에따른 CO2/POE 오일혼합물의전체조성을그림 7에나타내고, CO2/PAG 오일혼합물의전체조성을그림 8에나타내었다. 그림의곡선은각온도에따른액상중오일에녹아있는 CO2조성을나타내며오른 편에는각온도에따른기상중 CO2 조성을나타낸다. 두가지혼합물의경우모두같은온도에서압력이높을수록같은압력에서온도가낮을수록용해도가증가하는경향을보인다. 두혼합물의용해도를비교해보면상부 ( 기상또는액상 ) 에서는모두대부분 CO2가차지하고있다. 하부액상에서같은온도와압력의경우를비교해보면 CO2 용해도는 CO2/POE 혼합물의경우가더높게나타난다. 또한두혼합물모두저온에비하여고온에서압력에따른 CO2 용해도증가율이줄어든것을알수있다. 고압에서 CO2/POE 혼합물은단상 (L) 으로존재하는온도가있지만 CO2/PAG 혼합물에서는 2상 (LL) 이유지된다. 즉상용성은 CO2/POE 혼합물의경우에만나타난다. 58 기계저널 제 48 권제 1 호 58 기계저널 CK

32 59 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 이산화탄소의증발열전달특성 최준영 한국산업기술시험원기계소재부, 책임연구원 _ liya67@ktl.re.kr 이글에서는고려대학교, 서울대학교, 한국산업기술시험원, SINTEF, Graz Univ. 등국내외에서수행된 CO2 증발열전달에관한문헌조사를통하여연구결과들을비교한다. 의증발열전달에 CO2 있어서작동매체인 CO2의비체적, 비열, 점성계수, 표면장력등의물성치가크게변화하므로기존에널리사용되던냉매의증발열전달과는상당히다른결과가나타난다. 예를들면기존의냉매에서는건도가증가함에따라열전달계수가증가하는것으로알려져있으나 CO2의경우에는오히려열전달계수가감소하는것으로보고되고있다. 이처럼 CO2는증발열전달과정에서기존냉매의경향으로부터예측하기힘든결과가나타나므로지금까지국내외에서수행된 CO2 증발열전달에관한 문헌조사를통하여연구결과들을비교하였다. 고려대학교에서는수평관에대하여 CO2와 R-134a의증발열전달특성에관한연구를수행하였다. 이연구에서는전체적으로는 CO2의증발열전달계수가 R- 134a에비하여큰것으로나타났으며열유속이증가함에따라열전달계수는약간증가하는것으로나타났다. 이러한결과는 CO2의경우에드라이아웃현상이상당히저건도영역에서부터발생하여열전달계수가감소하지 만저건도영역에서는핵비등이 R-134a보다 3.5배정도크기때문인것으로해석될수있다. 이연구에서는이전의연구에서도확인된바와같이 CO2의경우에는상당히낮은건도영역에서드라이아웃현상이발생하기때문에이에대한정확한예측이중요하다는결론을제시하고있다. 서울대학교에서는수평관과수직관에대한증발열전달특성에관한연구를수행하였다. 수평관실험에서는건도가증가함에따라열전달계수가감소하는것으 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

33 60 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 로나타났으며, 특히관상부의열전달계수가건도의증가에따라급격히감소하는경향을보인다. 건도증가에따라관상부에서급격히열전달계수가감소하는현상은수평관에서중력에의하여관상부의액막이부분적으로깨지는드라이아웃에기인하는것으로저자들은설명하고있다. 저자들은 CO2에대하여관성력과표면장력의비를나타내는 Weber 수와중력과표면장력의비를나타내는 Bond 수를고찰하여이들의값이기존냉매인 R-22나 R-134a에비하여상당히큰것을확인하였다. 이는이산화탄소가다른냉매들에비해그만큼약한표면장력으로인해액막을유지하기힘들다는것을나타내며이러한경향은증발온도가증가하면서더커지는것으로나타났다. 또한기존의냉매에적용하던증발열전달상관식들은실험결과와상당히오차가큰것으로나타났다. 이는기존의상관식으로는임계점부근에서증발과정을거치는이산화탄소의열전달계수를예측하는것이힘들다는것을의미하며따라서앞으로이산화탄소의증발열전달계수를예측할수있는새로운상관식의개발이필요하다는결론을내렸다. 수직관에대한증발열전달실험에서는수직관이수평관에비하여열전달계수가상당히우수한것으로나타났다. 수평관에서는이산화탄소의낮은점 성과표면장력으로인해초기부터관상부의액막이파열되어열전달계수의감소가나타나는반면, 수직관에서는원주방향으로는중력의영향을받지않기때문에액막이고르게분포되어증발초기에는열전달계수가상당히크게나타난다. 한국산업기술시험원에서는 CO2의증발특성을파악하기위해서평활관, 마이크로핀관, 동관, 마이크로채널관등을직접가열방식으로실험을수행하였다. 평활관의증발열전달특성은관경이작을수록열유속이클수록포화온도가높을수록열전달계수가크게측정되었고, 특정열유속과질량유속에서열전달계수가급격히감소하는드라아아웃현상을확인하였다. 이러한결과는국내타연구결과와잘일치한다. 또한 CO2의증발열전달특성중특이한것은질량유속에크게영향을받지않는다는것이다. 이는고려대학교의연구결과와상반되지만 SINEF 의결과와는동일하다. 마이크로핀관의경우평활관에비해높은열전달계수를나타내고있으며, 전반적인열전달특성은일치하지만저건도영역에서드라이아웃이발생하지는않았으며드라이아웃이평활관보다지연되는것을확인하였다. 이러한사실은근거할때 향후열교환기설계에적용하기위해서는평활관보다는마이크로핀관을사용하는것이효율증대에이점을가지게될것을분석되어진다. 마이크로채널관의경우, 다른여러관에비해높을열전달계수를나타내지만압력강하량이매우크게관찰되었다. 이는열교환기에적용시고려하여야할것으로보인다. 또한알루미늄으로형성된마이크로채널관은 CO2의높은작동압력을견딜수있도록설계되어야할것이다. SINTEF는 CO2 냉동시스템에대하여일찍부터활발한연구를수행하여왔으며증발연전달에관련해서도기존관과마이크로튜브를대상으로많은연구결과를발표하였다. 1997년에발표된연구는기존의냉매에사용되는것과비슷한직경의수평관 (7mm) 에서 CO2의건도, 열유속, 질량유속및증발온도가열전달계수에미치는영향에대하여다루고있다. 증발온도 -25 에서는열전달계수는건도에따라거의변화가없고, -10 에서는건도에따라증가하는경향을보인다. 그러나 5 에서는건도가증가함에따라오히려열전달계수가감소하는경향을보이는것을알수있다. 이것은증발온도가증가하면서 Weber 수와 Bond 수가증가하기때문에드 60 기계저널 제 48 권제 1 호 60 기계저널 CK

34 61 기계저널 CK 이산화탄소의증발열전달특성 CO2-vapour/liquid CO2-vapour/liquid 유입되어나타나는것으로추측하고있다. separation of liquid (a) gas liquid 그림 1 마이크로튜브에서냉매분배의개선방안 (SINTEF) 라이아웃이쉽게발생한다는서울대학교의연구결과와도잘일치한다. SINTEF에서는기존관뿐아니라마이크로튜브에대한증발열전달연구도수행하였다. SINTEF에서사용한마이크로튜브는동일한내경을갖는 25개의채널로구성되어있다. 이실험에서는마이크로튜브를직접가열하는것이곤란하기때문에마이크로채널주위에열전달매체를흘려튜브를가열하는방법을사용하였다. 이러한경우관벽의온도를정확하게측정하는것이힘들기때문에이연구에서는관벽온도를측정하지않고 Wilson Plot 방법을이용하여열전달계수를계산하였다. 이연구에서특징적인결과로는건도 0.5 근처에서열전달계수가 15,000W/m 2 K 에서 5,000W/m 2 K 이하로급격히감소한다는것이다. 또한마이크로채널열교환기에서는냉매의분배문제가심각하게나타날수있는데이를개선하기위하여 CO2-vapour/liquid (b) CO2-vapour /liquid SINTEF에서는그림 1처럼냉매의입구를양쪽으로배치 (b) 하는것을제안하였다. 이연구에서도출된또하나의새로운사실은질량유속의증가가항상열전달계수의증가를가져오는것이아니라는사실이다. 이실험은입출구의건도를일정하게유지하기위해서열유속을조절하면서실시하였다. 실험결과질량유속이 200kg/m 2 s에서 300kg/m 2 s로증가하는경우에는열전달계수가약간증가하지만그이상으로질량유속을증가시키면열전달계수는급격히감소한다. 이것은기존냉동기의증발기에서질량유속이증가함에따라일반적으로열전달계수가증가한다는사실과반대의경향을나타낸것으로아직그이유가정확하게설명되고있지못하고있다. SINTEF에서는이러한현상이질량유속이증가함에따라벽면에서드라이아웃이발생하고냉매액이유로의중앙부로 Graz University에서는증발기성능시험장치를별도로구성하지않고전체냉동시스템에대한실험을실시하였다. 이기관에서는한종류의직관형증발기와두종류의코일형증발기에대한실험을실시하였는데열교환기는세경우모두이중관형식이며에칠렌글리콜용액으로증발기를가열하였다. 이연구에서는관벽에열전대를심는방법으로관벽의온도를측정하여열전달계수를구하였다. 직관형증발기에대한실험결과를보면열전달계수는건도에따라약간감소하는형태로나타나며증발온도가높아짐에따라열전달계수도향상되는것을알수있다. 코일형증발기 (Twist1) 에대한열전달계수는질량유속이증가함에따라열전달계수가증가하는것을알수있으며다른코일형증발기 (Twist2) 에대해서도유사한결과가얻어졌다. Graz University에서행해진실험결과에서가장눈에띄는것은열전달계수가다른연구결과들에비하여반이하로낮게나타났다는것이다. Graz University의연구자들은이렇게낮은열전달계수가주로증발기에존재하는윤활유의영향에기인하는것으로 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

35 62 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 판단하고있다. 냉동시스템의증발기에서윤활유는열전달계수를감소시킨다는것은잘알려진사실이지만 CO2의경우에는그영향이다른냉매에비하여더크게나타나는것으로생각되는만큼앞으로윤활유의영향에대한많은연구가필요하리라생각된다. 전형적인 CO2 증발기의압력범위는 35~70bar 정도로일반적인냉매보다약 10배정도압력이높다. 그러므로유체물성치와최적냉매측질량유속그리고압력강하는일반적인데이터와다르다. 적절하게설계된 CO2증발기와기준 HFC/HCFC 증발기를비교하면 CO2 시스템의압력수준이높을지라도폭발에너지 (P υ) 는비슷하다. 따라서 CO2 시스템에서는내부체적을크게줄일수있다. 액상상태의 CO2는고전도성이고, 동점성계수가낮고, 비열이크기때문에열전달에바람직하다. 액체대기체밀도비가낮기때문에 CO2 증발기에서분배문제는그리염려하지않아도된다. 왜냐하면고압의 2상냉매유동은저압의냉매보다균등하게행동하기때문이다. 감소된표면장력도어떤비등영역에서는증발열전달계수를개선시키는역할을할수있다. Bredesen, Knudsen 등이순수 CO2의관내증 발에대해열전달계수를측정한값은일반적으로기존의상관식을사용하여계산한값보다약 2 배정도크게나타난다. 추론할수있는가능한이유중의하나는 Shah, Gungor and Winterton 등의상관식에는액체표면장력의 Bredesen 등이제시한실험데이터는고밀도공조용증발기보다관직격이크고, 열유속과질량유속이작은범위에대한것이었는데, 열유속이 6~ 9kW/m 2, 질량유속이 200~ 400kg/m 2 s의범위에서열전달계수는 8~14kW/m 2 K로측정되었다. 기존의상관식과실험데이터를잘맞출수있는작업과더불어보다정확한새로운 CO2 증발상관식을찾기위한작업이진행중에있다. 또한향후수행되어야할연구는관경이작고, 열유속과질량유속이더큰영역에대한데이터를확보하는것이다. 압력강하와관련해서 Fuchs 의상관식을사용하면계산한값과잘일치하였으며, 윤활유의종류, 윤활유의농도가열전달과압력강하량에미치는영향에대해서연구가수행되어야한다. 증발기에대한냉매회로와질량유속은일정출구압력에서최대허용포화온도를바탕으로최적화할수있다. 그러면허용할수있는압력강하량은포화압력곡선의기울기에따른다. 예를들면 0 에서 HCFC-22나 HFC- 134a같은냉매는 1K의온도강 하당 0.1bar의압력강하를허용한다. 반면에 CO2는동일한온도강하에대해서약 9배정도큰압력강하를허용한다. 또한, 기존냉매를사용하는열교환기에서 CO2 증발기를설계변경할때특히, 콤팩트한것과질량을줄이는것이무엇보다도중요할때, 최적설계를달성하기위해서는관의수는증가시키고, 직경은작게하여야한다. 그리고높은질량유속에적합하여야하며또한높은압력강하를허용할수있도록설계되어야한다. 질량을줄이고보다넓은공간을확보하기위해서는기준장비들에비해관의직경을상당히감소시켜야한다. 냉매측의표면적을감소함으로생기는열전달감소효과는열전달계수가크기때문에서로상쇄될수있다. CO2 증발기에대한개발은가스쿨러설계와유사한방법으로진행되어왔다. 특히자동차 A/C 분야에서먼저시도되었다. 1세대증발기는기계적인확관을통해만들어진휜-관구조이며, 2세대증발기는적절한파열압력을갖는직경이작은원관구조이다. 그리고최종적인증발기의형상은용접형마이크로채널증발기형태로될것이다. 하지만, 현재주거용공기조화장치에사용되는열교환기는대부분휜-관열교환기형태이다. 원관증발기는많은수의평행한냉매회로를갖도록제작되었으나냉매분배에대한 62 기계저널 제 48 권제 1 호 62 기계저널 CK

36 63 기계저널 CK 이산화탄소의증발열전달특성 (a) 판형열교환기 (b) 핀 - 튜브열교환기 (c) 사형열교환기 (d) 마이크로채널열교환기 그림 2 CO 2 증발기의종류 문제는발생하지않았다. 벤추리형태의분배기가교축밸브뒤에설치되어있고, 각관마다모세관이있어만족할수있을정도의이상유체분배가이루어졌다. 그림 2는일반적인시스템에서 CO2 증발기로사용되는열교환기들의형상을보여주고있다. 그종류로는판형 (plate type)(a), 핀- 튜브형 (Fin and tube type)(b), 사형열교환기 (serpentine type)(c) 가사용된다. 사형열교환 기는편평한압출관을사형으로구부린형상이며관사이에주름진휜이삽입되어있다. 최근에는마이크로채널열교환기 (microchannel type)(d) 적용에대한연구가이어지고있다. 고압에노출된판표면이많기때문에일반적인판형증발기는고압의작동조건에서는적합하지않다. 그러므로남은세가지형상의증발기, 즉핀-튜브형, 사형그리고마이크로채널에대해보 다집중적인연구가필요하다. 핀-튜브형은기존프레온계냉매시스템에서가장많이사용하던열교환기로 CO2 냉매의증발특성에대한연구가많이진행되어져있어서증발기설계에유용한자료로쓰이고있다. 또한, 기존연구자들에의해몇가지사형열교환기를제작하여시험한결과만족할만한결과를얻었다. 사형열교환기의최대장점은헤더의크기가작고, 무게가가볍다 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

37 64 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 는것이다. 그러나관에서액냉매의분배가잘이루어지지않았다. 이에대한해결책을발견할수도있었으나, 마이크로채널에대한연구를하기로결정하였다. 이러한형태의증발기는냉매가각통로를지난후에매니폴드에서액냉매를재분배할수있으며, 유로를따라냉매질량유속을변화시킬수있는유연성이있다. 해결해야할최대과제는폭이넣은관을사용하여증발기에서필요한콤팩트하면서도무게가가벼운고압용매니폴드를설계하는것이있다. CO2를사용하는모든증발기는기준증발기와비교해보았을때성능이우수하게나타났다. 마이크로채널관을사용하는증발기의공기측면적이원관을사용하는증발기보다작았지만단위체적당열용량이좋게나왔으며, 냉매측압력강하역시낮게나왔다. 동일한냉방용량에서실험을수행한결과, 마이크로채널을사용한증발기가주어진공기입구조건과용량에서가장높은증발온도, 즉높은효율을보였다. 공기를냉각시키는것이외에공기조화장치에서증발기는제 습을위한기능을갖도록설계된다. 제습용량은주로표면온도, 증발기공기부면적, 응축수를잘배출시킬수있는기하학적형상에의해결정된다. 종종표면온도를증발온도로단순화하여사용하나실제표면온도는열부하, 휜효율, 냉매증기과열도, 압력강하에의한냉매부온도강하등과같은인자에의해결정된다. HCFC-22와 CO2에대한가정용공조기의실험결과증발온도가높다고제습용량을낮게할필요가없다는결과가도출되고있다. 비록증발온도가 2~3K 정도높아도, 휜효율이높을수록, 냉매온도강하가낮을수록, 과열도가작을수록 CO2 증발기에서의물응축률은 HCFC-22와동일하다. CO2 증발기는증발온도가약간높아도기준증발기보다더많은응축수를생성한다. 따라서제습용량은냉매측온도강하가낮을수록더쉽게증가함을알수있었다. - 최적화된 CO2용열교환기는외형크기, 무게, 성능측면에 서기준열교환기보다충분한경쟁력을갖고있다. 관과매니폴드크기가작을수록기존의프레온냉매열교환기보다패키지크기를줄일수있다. - CO2 증발기는다소증발온도가높더라도기존프레온계증가기와동등하거나, 더많은제습능력을가지고있다. - CO2 증발기의개발을위해서는CO2 증발열전달및압력강하특성의연구, 적절한증발열전달상관식의개발등의지속적인연구가요구된다. 기계적인열교환기설계를위해서는크기와무게를최소화할수있는최적화가필요하며, 원가절감을위한대량생산이가능하도록설계되어야하고기존프레온열교환기에비해작동압력이높으므로열교환기용접부에대한파괴압력개선이필요하다. 또한고효율컴팩트화를위하여마이크로채널열교환기적용이가능하도록제작되어야한다. - 설계모델개선을위해서윤활유를포함한냉매측열전달과압력강하에대한연구가지속적으로수행되어야한다. 64 기계저널 제 48 권제 1 호 64 기계저널 CK

38 65 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 이산화탄소냉매용가스쿨러 장영수 한국과학기술연구원에너지메카닉스연구센터, 선임연구원 _ yschang@kist.re.kr 이글에서는차세대대체냉매로주목받고있는이산화탄소의특성과이에따른가스쿨러의설계방법에대하여설명하고, 가스쿨러의개발동향에대해소개하고자한다. 이산화탄소는자연냉매로서가연성과독성이없어대체냉매로주목받고있으나, 임계압력이높고, 임계온도가매우낮아이를시스템에적용할경우, 작동압력이기존시스템에비하여월등하게높으므로내압성이우수하여야한다. 또한열전달과정에서물성치가크게변하여기존냉매의열전달과는많은차이를보인다. 따라서이산화탄소를이용한냉난방시스템의개발을위해서는시스템을구성하는각요소부품들도이러한이산화탄소의특성을고려하여설계및제작되어야한다. 그중에서도열교환기는시스템의크기 및성능과효율을결정짓는핵심요소이므로, 이산화탄소의특성을고려한열교환기의설계및제작기술개발이필수적이다. 이산화탄소를냉매로한냉동사이클도기본적으로는일반냉매를사용하는냉동시스템과유사하다. 그러나일반냉동사이클에서는냉매의열방출과정 ( 응축과정 ) 이임계점이하의 2상류영역에서이루어지지만, 이산화탄소를사용하는냉동사이클은이산화탄소의임계온도가 31.1 로 낮기때문에대개의경우열방출과정이초임계영역에서이루어진다. 따라서이산화탄소의열방출과정 ( 일반냉동사이클에서의응축과정 ) 은일정한압력에서상의변화를수반하지않고있으므로응축이라하지않고가스쿨링 (gas cooling) 이라한다. 그림 1의일반적인증기압축식냉동사이클과달리이산화탄소를사용한초임계냉동사이클에서는고온열원에서의방열과정이임계점이상에서일어나고, 저온열원에서의증발과정은임계점이하에서일어나므로, 기존의역랭킨사이클로운전되는증기압축기냉방시스템과는구분되는특징을가지게된다. Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

39 66 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 2 2 온도 3 일정압력 P 온도 일정압력 P 3 임계점 4 일정압력 P 1 4 일정압력 P 1 엔트로피 엔트로피 그림 1 일반적인증기압축식냉동사이클그림 2 이산화탄소이용초임계냉동사이클 그림 3 가스쿨링은기존시스템의응축기와는달리상변화과정이없고, 임계압이상의고압단상상태에서지속적으로온도가감소하면서열방출이일어나는과정 포화압력 (kpa) 냉매의포화압력 가스쿨링과정은냉매의포화곡선바깥쪽영역으로액상과기 온도 ( C) CO2 R410a R22 R134a 상이뚜렷이구분되지않으며, 온도와압력은임계값보다높은영역인초임계영역에서이루어진다. 따라서기존시스템의응축기와는달리상변화과정이없고, 고압단상상태의냉매가가스쿨러를지나는동안지속적으로온도가감소되면서열방출이일어나게된다. 운전압력우선기존의냉방시스템과가장큰차이는운전압력이다. 기존의냉방시스템에서응축기의운전압력이 10~30bar 정도인데반하여, 이산화탄소를이용한냉방시스템용가스쿨러의압력은 80~150bar 정도로매우높다. 따라서이산화탄소를이용한냉방시스템용가스쿨러의설계및제작에서가장중요한점은가스쿨러를고압에견딜수있는구조로하여야한다는것이다. 한편작동압력이매우높아서냉매의밀도가증가하므로, 동일한냉방능력을위한냉매의체적유량이기존프레온냉매에비하여 1/3 이하의값을가진다. 그리고열교환기내압력손실이시스 66 기계저널 제 48 권제 1 호 66 기계저널 CK

40 67 기계저널 CK 이산화탄소냉매용가스쿨러 템성능저하에미치는영향이기존시스템에비하여작아지므로, 기존시스템에서적용하는전열관보다작은지름의관을적용할수있으며, 이는구조적강도및열전달성능향상에모두이점으로작용한다. 온도변화가스쿨러에서이산화탄소의냉각과정은기존시스템의응축기와는달리가스쿨러를지나는동안온도가지속적으로감소한다. 기존시스템에서는방열과정동안냉매가거의일정한온도를유지하므로, 냉매관의배열에의한열교환기성능변화가미미하여, 주로직교류형태로전열관이배치된다. 그러나이산화탄소의경우그림 4에서와같이고온의이산화탄소가가스쿨러에유입되면서온도가급격히감소하게되며, 총전열량의 80% 이상이첫열에서일어나게된다. 따라서직교류형이나향류형태의열교환기배열은적당하지않으며, 냉매의흐름과냉각공기의흐름을대향류로배치할경우, 열교환기의성능을향상시킬수있다. 이산화탄소의가스냉각과같이핀-튜브열교환기에서냉매의온도구배가큰경우, 관벽과핀을통한열전도로인하여열교환기의성능이저하되는것으로알려져있다. 특히고온의냉매가유입되는열과후열사이의온도차가커져열전달을방해하는것으 냉매온도 ( C) 그림 4 그림 열가스쿨러에서이산화탄소의온도변화 냉매출구 공기입구 핀을통한열전도 로알려져있다. 이를방지하기위해가스쿨러의열사이의핀을분리하여, 핀을통한열전도에의한효과를최소화하는설계가권장된다. 물성치변화이산화탄소를이용한냉방시스 2 열 1 열 냉매입구 공기출구 튜브번호 13 g/s 17.7 g/s 22.4 g/s 템용가스쿨러에서냉매의상변화는일어나지않지만, 그림 6에나타낸바와같이, 열전달이진행되어온도가변화하면전달현상과관련한물성치들이크게변화한다. 이러한특성은이산화탄소를이용한냉방시스템용가스쿨러에서상변화가일어나지않음 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

41 68 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 정압비열 [kj/kgk] 밀도 [kg/m 3 ] 점성계수 10 6 [kg/m 3 ] 열전도율 10 3 [Wmk] 온도 ( C) 온도 ( C) 그림 6 이산화탄소의전달물성변화 에도불구하고, 기존의단상유체에대하여확립된열전달계수나압력손실계수등을적용하여가스쿨러를설계하거나성능을예측하기어렵게한다. 물성치가온도에따라크게변화하는경우, 열전달량과이산화탄소의비열의크기에따라관내부냉매의온도분포가발생하고, 이에따라물성치가달라지므로, 열전달및압력손실은열전달량의크기에도영향을받게된다. 특히비열과열전도도는임계점에접근할수록갑자기증가하는경향, 즉임계점향상 (critical enhancement) 현상이나타남을알수있다. 그리고점성계수의임계점향상은임계점부근의좁은범위내에서한정적으로발생하는데, 임계점에도달하면큰변화를나타낸다. 이산화탄소는가스쿨러의출구부에서임계점에접근하게되므로, 출구부에서비열의급격한증가로, 가스냉각에 가스쿨러는고압에견딜수있고, 냉매의온도변화가크므로대향류형태가바람직하며, 임계점부근에서냉매의급격한물성변화를고려하여설계하여야한다의한냉매의온도변화가작음에에적용되고있다. 국내에서도산도불구하고많은열전달이일어업자원부의차세대신기술개발사날수있으며, 시스템성능에도업의일환으로이산화탄소를이큰영향을미치게된다. 한편으로용한냉난방시스템개발과제가는가스쿨러출구부는이산화탄 2001년부터진행되고있으며, 냉소와공기와의온도차가가장작방 / 난방 / 온수급탕이가능한이은부분으로공기열원냉방시스산화탄소히트펌프시스템을개발템의경우시스템의성능향상을하는것을목표로하고있다. 이위해서약 2 C 미만의최소온도산화탄소냉동시스템의용도와차를유지할수있도록가스쿨러구성에따라각각다른종류의를설계하게된다. 가스쿨러가채용되어사용되거나개발되고있다. 현재이산화탄소는냉매의물성특성상주로차량용냉방시스템과온수제조용열펌프시스템 차량용냉방시스템가스쿨러 1990년대초에개발되기시작한이산화탄소용가스쿨러는먼저차량용에어컨에적용되기시 68 기계저널 제 48 권제 1 호 68 기계저널 CK

42 69 기계저널 CK 이산화탄소냉매용가스쿨러 작하였다. 1990년도에는외경 / 내경이 4.9/3.4mm인알루미늄관에폭이 34mm인평판알루미늄핀이부착된열교환기로가스쿨러에대한연구를본격적으로수행하기시작하였고, 이후 1994년도까지원형관가스쿨러에대한연구는관경을줄이고핀의형상을일반평판핀에서루버핀의형태로다양하게연구개발되었다. 이산화탄소는높은기체밀도와우수한열전달특성을가지고있고, 단위체적당용량이크므로열교환기의소형경량화가가능하다. 이에냉매관의수력직경을기존의관보다크게줄인마이크로채널관이사용된다. 마이크로채널관열교환기를사용하면수력반경이작아높은작동압력으로인한재료두께의증가를최소화할수있는장점이있다. 1997년도에는내경 0.79mm의마이크로채널관형태의가스쿨러가개발되어연구되었다. 마이크로채널관형태의가스쿨러에대하여다중슬랩 (multi-slab) 형태로대향류로구성한것이단일슬랩 (single-slab) 보다시스템의성능이 5% 정도향상된다는연구도제시되었다. 실제자동차에적용되었던마이크로채널관가스쿨러는그림 7과같은형태를가진다. 교환기가많이사용될전망이다. 그러나차량용냉방기에사용되는알루미늄재질의마이크로채널관형태의가스쿨러를냉난방시스템용히트펌프에적용하는경우몇가지문제점이발생하게된다. 히트펌프의가스쿨러는난방과급탕운전시에는증발기로사용된다. 이경우열교환기표면에응축또는착상이발생하며, 응축수배수나착 / 제상에따라공기그림 7 차량용냉방시스템가스쿨러 열교환기성능이크게저하하는문제점이있다. 이산화탄소이용냉난방시스템은고압측의작동압력이 15MPa( 약 150bar) 까지상승하는고압시스템이다. 일반적으로내압한계는시스템안전상최고사용압력의 3배까지견딜수있도록해야하므로약 45MPa( 약 450bar) 까지견딜수있도록시스템을구성해야한다. 그러나현재알루미늄마이크 냉난방시스템용가스쿨러관이작아질수록내압성과열전달성능이좋아지므로이산화탄소시스템에는작은직경의열 그림 8 냉 난방시스템용가스쿨러 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

43 70 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 로채널관열교환기로는요구내압성능을만족시키기어려운실정이다. 따라서열전달성능, 제작성, 가격등종합적인요인을고려하여기존의공랭식열교환기에많이사용되는핀-튜브열교환기를관두께를증가시키고, 용접기술을개선하여요구내압성능을만족하는가스쿨러를개발하고있다. 그림 8은일본다이킨사의 4.5kW급이산화탄소온수제조용히트펌프에사용된가스쿨러를보여주고있다. 냉매는코일형으로감긴외경 4mm, 관두께 0.9mm의 2개의세관으로흐르며냉각된다. 물은세관이감고있는중앙부의관내를흐르며가열된다. 이열교환기는 2층으로구성되어있으며그림에나타난 것은상층부열교환기이다. 온수급탕기가스쿨러최근일본에서이산화탄소이용온수급탕기가개발되어미쯔비시를비롯한 5~6개기업에서판매하고있다. 온수급탕기용가스쿨러는앞서설명한냉매대공기의냉난방시스템용가스쿨러와달리냉매대물용열교환기이다. 산요전기공조는가스쿨러를다채널마이크로튜브를사용하여구성하였다. 냉매는 4개의마이크로채널내를흐르고, 물은구리로만든원관으로흐르게되는데, 원관과마이크로채널관을직경이 15cm 정도되는원통에나선형으로감아서열교환을하게된다. 이방식은다이킨사의가 스쿨러와마 가스쿨러 ( 급탕 ) 찬가지로냉 매관과물측 관이단순히 접촉되어있 는 형태로, 접촉저항이 상당히 클 것으로예측 된다. 덴소 이산화탄소 의경우내 냉매유입 물 경 0.5mm 물측 의 동관 그림 9 온수급탕기가스쿨러 ( 다이킨사 ) 150개가 U 자형으로구성되어있으며관의길이는약 1m 정도이다. 이산화탄소는미세관내를흐르며냉각되며물은미세관과직각으로형성된유로를흐른다. 물측의열전달을향상시키기위하여유로내에핀이부착되어있으며열교환기전체가브레이징으로일체화되어있다. 지금까지이산화탄소의특성과이를반영한기본적인가스쿨러의설계방법에대하여설명하였고, 현재사용중이거나개발중인가스쿨러에대한개발동향을살펴보았다. 이산화탄소는자연물질로환경에미치는영향이미미하므로, 냉매누설이많이발생하는차량용냉방시스템에우선적으로적용되어왔다. 또한열방출온도가고온인특성을이용하여급탕기로도개발되어사용되고있다. 현재국내에서냉난방시스템용히트펌프의개발연구가진행되고있으므로, 이산화탄소를이용한냉난방시스템의보급과응용분야가확대될것으로생각한다. 이를위해기존의증기압축식냉동시스템과차별되는가스쿨러의고효율, 고신뢰성기술의개발이필수적이라고여겨진다. 70 기계저널 제 48 권제 1 호 70 기계저널 CK

44 71 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 이산화탄소용요소부품해석및성능평가기술 김욱중 한국기계연구원에너지기계연구센터, 책임연구원황윤욱 한국기계연구원에너지기계연구센터, 선임연구원 _ ojkim@kimm.re.kr 이글에서는이산화탄소를냉매로사용하는냉난방시스템에서필수적으로요구되는요소부품인전자팽창밸브와사방밸브개발을위한해석과성능평가기술에대해서소개하고자한다. 이산화탄소를냉매로사용하는냉난방시스템의팽창장치로는전자팽창밸브, 팽창터빈혹은피스톤, 팽창스크롤등다양한형태의개발이시도되었으나현재까지전자팽창밸브만이상용화되어있다. 이전자팽창밸브는그림 1과같은형태를가지며구성도에보인바와같이회전코일과스테이터코일로구성된구동스테핑모터에의해직선운동하는니들이냉매가흘러가는오리피스의면적을결정하고, 이에따라냉난방시스템내에흐르는냉매의유량과작동압력이결정된다. 냉난방시스템에서냉 난방운 전절환을위해요구되는이산화탄소냉매용사방밸브는그림 2 와같은형태를가지며전자밸브 01: 밸브본체, 11: 스테이터코일, 10: 상케이스, 12a: 입구파이프, 12b: 출구파이프, 13: 마그네트, 14: 하케이스, 15: 니들, 16: 회전스프링, 17: 베이스, 17a: 오리피스 (Orifice), 18: 고정프레임, 18a: 회전코일, 18b: 하측스토퍼, 18c: 정밀나사부 19: 고정핀, 20: 이동나사부, 21: 고정용와셔, 22: 압축스프링, 23: 상측스토퍼 그림 1 이산화탄소냉매용전자팽창밸브및구성도 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

45 72 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 를이용하여고압과저압의압력차로슬라이드밸브를이동시킴으로써냉매의흐름을변경하게된다. a: 사이드캡 (Side Cap), b: 바디 (Body), c: 오링 (O-ring), d: 피스톤브라켓 (Piston Bracket), e: 슬라이드밸브 (Slide valve), f: 사이드시트 (Side seat), g: 볼트 (Bolt), h: 모세관 (Capillary), I: 압축기고압접속관 (Charge pipe), j: 응축기또는증발기접속관, k: 압축기저압접속관 (Suction pipe), l: 바디시트판넬 (Body seat panel) 그림 2 그림 3 그림 4 이산화탄소냉매용사방밸브및구성도 (a) 상케이스 (Upper case) Patran 을이용한전자팽창밸브구조해석 (a) 비대칭구조 Patran 을이용한사방밸브의구조해석 (b) 조립품 (b) 대칭구조 냉난방시스템의작동압력과용량에적합한전자팽창밸브와사방밸브를설계하기위해서는구조및유동해석소프트웨어를이용하여단품및조립품의기하학적인변수들의영향에대한고찰이선행되어야한다. 특히, 기존의프레온계냉매에비해 10배이상의고압의특성을가진이산화탄소냉매에적용하기위해서는내압성과기밀성이매우중요한요소이므로 ANSYS, Patran 등의구조해석소프트웨어를이용하여재료의선정및기하학적설계의적절성을분석하여야한다. 그림 3에는 Patran 소프트웨어를이용하여전자팽창밸브에서의단품및조립품의응력분포를계산한결과를보인것으로특정지점에응력집중이나타날수있음을확인할수있어제품제작에앞서고압에취약한부분을개선할수있다. 그림 4는 Patran 소프트웨어를이용하여사방밸브의응력분포를보인것으로비대칭에의한모멘트발생을상쇄시키기위해형상변경을시도한예이며또한재료변경에따른응력분포와항복강도특성 72 기계저널 제 48 권제 1 호 72 기계저널 CK

46 73 기계저널 CK 이산화탄소용요소부품해석및성능평가기술 그림 5 Maxwell 프로그램을이용한전자팽창밸브구동부토크해석 그림 6 Maxwell 프로그램을이용한사방밸브용솔레노이드밸브해석 을쉽게파악하여실제제품의설계와제작에반영할수있다. 그림 5에는전자기해석소프트웨어인 Maxwell을이용하여전자팽창밸브구동부의재료에따른자기력과토크 (torque) 해석결과를보여준다. 스테핑모터의구동치형상과재료변화에따라자속밀도와구동토크가변하는경향을살펴볼수있으며, 이를바탕으로스테핑모터의최적값을실제제품제작시반영할수있다. 또한그림 6에보인바와같이 기존프레온계냉매의경우에비해훨씬큰흡인력을요구하는이산화탄소용사방밸브의구동원인솔레노이드밸브의소재와암페어턴을결정하는데 Maxwell 프로그램을적용할수있다. 기하학적인설계가이루어진후에는이산화탄소를유체로하여유동특성을살펴보아야한다. 유동해석소프트웨어로는 Fluent, CFX, CFD-ACE 등이 널리사용된다. 그림 7에는 Fluent를이용하여구한전자팽창밸브내속도분포를보인다. 이산화탄소를적용하는전자팽창밸브내에서는보통초임계상태의이산화탄소가액상과기상이혼합된 2상상태로상변화가일어난다. 2상상태의유동을해석하기위한모델에는 VOF모델, Cavitation 모델, Algebraic Slip 모델등이있으나어떠한모델도유량값을정확하게예측하기에는한계가있다. 그러나기하학적인형상의변화에따른유량과압력강하의변화경향을분석할수있는장점을제공한다. 해석소프트웨어의결과가보다실제적인의미를지니기위해서전자팽창밸브의성능평가결과와비교함으로써정교한모델로확립될수있을것이다. 그림 8에는역시 Fluent를이용한사방밸브내의유동해석결과를보인것으로이와같은해석을통하여사방밸브의주요설계항목인압력강하를예측해볼수있다. Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

47 74 기계저널 CK 테마기획 이산화탄소이용냉 난방시스템 그림 7 Fluent를이용하여해석한전자팽창밸브속도분포 (a) 압력분포 (b) 속도분포그림 8 Fluent를이용하여해석한사방밸브의압력및속도분포 Air flow rate (m 3 /h) Valve opening (pulse) 그림 9 개도에따른전자팽창밸브내유량변화 전자팽창밸브와사방밸브의성능은크게유량및압력강하특성평가와반복작동에의한내구성평가로구분될수있으나이산화탄소용에대해서는현재 KS 등으로규정되어있지않으므로여기서는전자팽창밸브의평가에대해서만언급하고자한다. 전자팽창밸브를지나는유량및압력강하특성을실험을통하여분석할수있는방법에는 2가지가있다. 일반적으로밸브를평가하는방식으로는상류에일정한압력의공기나질소를통과시켜대기압으로배출하는방식으로널리사용된다. 그림 9에는공기를이용하여전자팽창밸브의성능을평가한결과를보여주고있다. 이러한결과를통하여유량계수를산출하여사용자가실제밸브를선정함에있어가이드라인을제공할수있다. 그러나일반적인밸브가아니라냉난방시스템용으로개발된전자팽창밸브는실제사이클에설치하여유량및압력강하특성을살펴보는것이가장중요하다. 냉매를적용한실제사이클성능평가는펌프구동사이클과압축기구동사이클의 2가지방법이있다. 펌프구동사이클은포화압력이낮은냉매에적합하고냉동유의영향을배제한냉매만의유량및압력강하특성을살펴볼 74 기계저널 제 48 권제 1 호 74 기계저널 CK

48 75 기계저널 CK 이산화탄소용요소부품해석및성능평가기술 m, g/s TEEV, in C 그림 10 압축기구동사이클을이용한평가장치및전자팽창밸브내이산화탄소유량특성 수있는장점이있다. 압축기구동사이클을이용한성능평가는실제열펌프사이클에적용하는방식으로냉매와냉동유가함께흐름으로써실제로열펌프에일어나는현상과동일하다는장점을지니고있다. 이산화탄소와같이포화압력이매우높고팽창밸브를통한압력강하가큰경우에는펌프구동사이클을이용한성능평가방법은적용이어려워압축기구동사이클을적용하는것이일반적이다. 그림 10에는압축기구동사이클을이용한평가장치와이장 치를이용하여전자팽창밸브입구압력을 8MPa, 10MPa로일정하게유지하고, 입구온도가변화할때전자팽창밸브를통과하는실제이산화탄소의유량변화를살펴본결과를보인다. 전자팽창밸브입구온도가임계점에가까워질수록이산화탄소의밀도가감소하여유량이감소하고, 입구압력이증가함에따라서증발개시점이전자팽창밸브내하류지점으로이동함으로써유량이증가함을실제사이클실험을통하여이해할수있다. 이처럼이산화탄소용전자팽창 밸브와사방밸브를개발하는과정은해석소프트웨어를이용한기하학적인설계로부터실제사이클에설치하여그성능을평가하는일련의과정을거쳐야한다. 이산화탄소냉매를적용함에있어서는높은압력이라는제약조건이있기때문에누설과응력집중에의한파괴에대한설계에주의하여야하며실제사이클에설치하여장시간운전함으로써개발된전자팽창밸브와사방밸브의내구성도함께살펴보아야할것이다. Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

49 82 기계저널 CMYK 업계동정 필리핀 3 억달러화력발전소수주 두산중공업이필리핀에서 3억달러상당의친환경석탄화력발전소건설공사를수주했다. 두산중공업은지난달 11일, 필리핀현지에서발주처인한국전력필리핀현지법인 (KEPHILCO) 이강원사장, 필리핀현지합작파트너인살콘 (Salcon) 전력회사데니스빌라리얼 (Dennis T.Vilareal) 사장과두산중공업이남두사장등이참석한가운데 100MW급필리핀쎄부 (Cebu) 석탄화력발전소 2기에대한 EPC(Engineering, Procurement & Construction) 공급계약을체결했다고밝혔다. 두산중공업은이번 EPC계약에따라설계에서부터기자재제작, 설치, 시운전에이르는전과정을일괄수행해오는 2011년 2월과 5월에각각 1,2 호기를준공할계획이다. 특히이번프로젝트는필리핀의유명휴양지인쎄부 (Cebu) 지역에건설되기때문에오염물질발생을최소화할수있는친환경유동층 (CFB; Circulating Fluidized-Bed) 보일러기술이적용된다. 고속선종경쟁력업그레이드 대우조선해양은최근국내조선업계가전량수입에의존하던 대형고속선용일체형방향타 (Full spade rudder) 를국내최초로개발, 막대한수입대체효과를거둔것은물론대형컨테이너운반선이운항중겪어야하는고질적인문제인공동현상 ( 空洞現像 ; Cavitation) 까지완전히해결하는일석이조의성과를거뒀다. 대우조선해양은최근고속선종에적합하면서프로펠러회전시생기는공동현상도해결할수있는 대형고속선용일체형방향타 의자체개발에성공했으며특허출원도마쳤다. 이번에개발을마친 대형고속선용일체형방향타 는점차고속화, 대형화되고있는컨테이너운반선의고질적인문제점해소와수입대체효과에큰의의가있다. 컨테이너운반선의경우스크루가회전하면서방향타와의사이에순간적으로물이없어지는공동현상 (cavitation) 이생긴다. 이때순간압력이세지면서발생한기포가방향타에충격을주게되고결과적으로방향타의도장이벗겨지면서심한부식현상을가져오게된다. 특히 25노트 ( 시속 45km) 이상고속으로운항하는컨테이너운반선의경우이런현상이더욱심해건조뒤 5년정도가지나면대대적인보강작업을해야할정도다. 그간국내조선업체들은저속선종방향타의경우자체적으로설계했으나고속선종은독일등에서전량수입에의존해, 납기문제와높은수입비용등의부담이컸다. 그러나대우조선해양이이번에 대형고속선용일체형방향타 를개발함으로인해입고지연으로인한납기문제와높은수입가 82 기계저널제48권제1호 82 기계저널 CMYK

50 83 기계저널 CMYK 업계동정 로인한외화유출문제도말끔히해결됐다. 수빅조선소 1 단계완공 한진중공업은지난달 5일필리핀수빅현지법인 (HHIC-Phil Inc.) 에서가진준공식에서수빅조선소의 1단계건설을완료했다고밝혔다. 수빅만 70만평부지에조선소건설을추진해온동사는 2006년 5월착공에들어가조선소건설과선박생산을동시에추진한지불과 18개월만에대형조선소를완공하는쾌거를이루게된것이다. 관계자에따르면금번완공은조선소로서사실상선박건조에필요한생산시설일체가완벽히가동하게되었음을뜻한다. 길이 370m, 폭 100m, 깊이 12.5m의 5도크와 1.6km에이르는안벽시설, 2기의초대형골리앗크레인과공정별크레인, 그리고 1,000m에이르는조립공장, 도장공장, 철구공장외사무동, 케이터링센터등생산설비를완비했으며, 5도크를중심으로강재절단에서탑재에이르는전공정을완벽하게소화할수있다. 광양제철소, 코크스공장세계신기록세워 광양제철소코크스공장이 1987년 3월가동이후 20년 9개월만인지난 12일코크스제조누계 1억톤을달성했다. 이는광양제철소의조업기술력을바탕으로최단시간내에달성한세계신기록이며, 1999년광양제철소제5용광로증설이후에도추가적인코크스공장의증설없이안정적으로코크스를공급해왔다는점에서도의미가크다. 코크스 (cokes) 는밀폐된로 ( 爐 ) 에원료탄을장입하여 1,300 의고온에서 19시간정도건류하여제조되며쇳물생산에필요한주요열원으로, 코크스 1억톤은 15톤덤프트럭을기준으로 700만대분량이다. 한편, 광양제철소는지난달 12일윤용철선강담당부소장과이기창화성부장등임직원이참석한가운데코크스누계생산 1억톤달성기념행사를가졌다. 10 억불수출의탑수상 두산엔진은지난해 11월 30일, 한국무역협회주최로서울무역센터에서열린제44회무역의날기념행사에서수출확대, 해외시장개척및세계 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CMYK

51 84 기계저널 CMYK 업계동정 일류상품수출증대공로를인정받아 10억불수출의탑을수상했다. 두산엔진은세계최고수준의선박엔진생산업체로지난 2006년 7월부터약 1년동안직접적인수출과국내선박회사에장착되어해외로나가는간접수출을합쳐총 10억 2,000만달러의실적을올린바있다. 이는전년도동기대비보다 55% 늘어난실적으로두산엔진은 2005년 5 억불수출의탑수상에이어 2년만에 10억불수출의탑을수상하는기록을세우게되었다. 분당복합화력, 환경친화기업재지정 분당복합화력발전처는지속적인환경개선노력과환경친화적경영으로 '07년 11월 22일환경부로부터환경친화기업으로재지정되어지난달 10 일현판식을가졌다. 2004년 10월환경친화기업으로처음지정된이래환경개선계획을성실히이행, 우수한실적으로 3년간지정을유지해왔으며금년 7월환경친화기업재지정을신청, 서류심사를거쳐지난해 10월 30일교수및전문가등 8명으로구성된환경친화기업심사위원회로부터현장심사를받았었다. 현장심사에서심사위원회는우리발전소의획기적인 NOx 배출농도저감과국내최초로발전설비에연계한연료전지, 태양광발전설비등의신재생에너지도입, 폐열회수설비설치와같은에너지절약추진등지구온난화에대응하기위한노력을높이평가하였으며도심속쾌적한발전소로서환경경영실적의우수성을인정하였다. 일산복합, 일산열병합발전처 로새출발 한국동서발전일산복합화력발전처가지난해 11월 28일부로발전소특성을더잘살린 일산열병합발전처 로명칭을변경한다고지난달 4일밝혔다. 일산열병합발전처는그동안복합화력발전방식에초점을둔명칭을사용해왔으나, 타복합화력발전소와는달리난방열생산을병행하는등의차별성을부각해이와같이명칭변경을했다고전했다. 일산열병합발전처는이를계기로주민에난방열공급우선설비로서지역에한층다가서게됐고, 발전시설에대한대주민민원유발예방효과도기대하고있다. 한편, 일산열병합발전처로이름이바뀜에따라현행 `ILSAN Combined Cycle Power Plant`였던영문명칭역시 ILSAN Combined Heat & Power Plant`로바뀌게된다. 84 기계저널제48권제1호 84 기계저널 CMYK

52 85 기계저널 CMYK 업계동정 태안발전본부, 국제공인시험기관인정 한국서부발전태안발전본부는최근산자부기술표준원산하한국인정기구로부터석탄시험분야국제공인시험기관으로인정을받았다고밝혔다. 이번에취득한신규인정분야는석탄분석중발열량, 공업분석, 원소분석, 황분등의 9개항목이다. 서부발전관계자는 이번신규인정취득으로기업이미지를높이는것은물론석탄분석결과에대한국제적공신력과신뢰성확보에도기여할것으로보인다 고설명했다. 한편, 서부발전태안발전본부는지난해 3월말인정신청후약 9개월만에국제공인시험기관으로인정받는쾌거를이뤘다. 러시아현지공장건설 현대자동차가러시아상트페테르부르크에연산 10만대규모의완성차공장을건설해러시아최고브랜드로도약하기위한발판을마련한다. 현대자동차는지난달 17일서울양재동본사에서정몽구회장이참석한가운데발렌티나마트비옌코 (Valentina Matviyenko) 러시아상트페테르부르크 (Saint Petersburg) 주지사와현대차김동진부회장이러시아공장건설협력에관한투자의향서조인식을가졌다고밝혔다. 이번투자의향서체결을시작으로현대차는본격적으로상트페테르부르크에공장건설준비작업에들어가며, 내년상반기중착공한다는계획이다. 이날조인식에참석한정몽구회장은인사말을통해, 현지공장건설을통해러시아에적합한차를생산해러시아국민의사랑을받는브랜드로성장하고자한다 며, 향후현대차가러시아자동차산업발전에기여할수있도록상트페테르부르크의많은지원과협조를부탁한다 고말했다. 유럽자동차부품시장공략개시 2006년매출기준으로세계부품업체글로벌톱 20에오르며글로벌경영에박차를가하고있는현대모비스가국내부품업계최초로중소부품업체들과손잡고유럽완성차업체들을대상으로국산자동차부품수주상담회를개최하면서유럽시장공략에나섰다. 현대모비스는지난달 12일부터 13일까지대원강업동양피스톤대기오토모티브등 10여국내중소부품업체들과독일완성차업체인폴크스바겐 (Volkswagen) 본사를방문해국산자동차부품의우수성을알리는 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CMYK

53 86 기계저널 CMYK 업계동정 2007 모비스부품박람회 (MOBIS Supplier Expo 2007) 를개최했다고밝혔다. 현대모비스는이에따라독일볼프스부르크 (Wolfsburg) 에위치한 폴크스바겐개발센터 (VW Wolfsburg Development Center) 에전시공간을마련하고폴크스바겐및아우디등자동차브랜드계열사의구매담당자및기술자 300여명을초청해한국산부품의우수성을알리고활발한수주상담을진행했다. 이번전시회에서현대모비스는운전석모듈 (Cockpit Module) 파워스티어링펌프 (PSP) 스티어링칼럼 (Steering Column) MDPS(Motor-Driven Power Steering) 에어백등 12종의부품을, 협력업체들은파워트레인 (Powertrain) 및섀시 (Chassis) 부품류 50여종등총 60여종의부품을전시했다. 세계최초멀티미디어방송다중송출서비스시연성공 LG전자가세계최초로상용휴대폰상에서방송용주파수확보, 중계기지국설치등추가투자없이모바일TV 서비스를제공할수있는차세대방송기술시연에성공했다. LG전자는지난달 14일 ( 현지시각 ) 스웨덴에릭슨연구소에서에릭슨네트워크와공동으로 3세대망을활용한모바일TV 기술인 MBMS( 멀티미디어방송다중송출서비스, Multimedia Broadcast Multicast Service) 시연에성공했다. MBMS 는통신용주파수외에방송용주파수가별도로필요한 DMB, DVB-H 등다른모바일TV 기술과는달리 WCDMA( 비동기 3세대이동통신 ) 통신망을이용해방송을수신할수있는차세대모바일TV 기술이다. 특히, 기존 WCDMA 통신망업그레이드를통해기지국설치등추가투자없이통신과방송을모두서비스할수있는것이특징이다. 이번시연에는 3G 샤인폰을사용했으며 TV방송전송시선명한화질과고른전송속도를보였다. 뿐만아니라, 전화통화를하면서방송을볼수있는등멀티태스킹의안정성도확보했다. 도시바에원낸드라이센스제공 삼성전자는퓨전메모리의시장확대에적극대응하기위해독자제품인원낸드 (OneNANDTM), 플렉스원낸드 (Flex-OneNANDTM) 에대해도시바와라이센스제공계약을체결했다. 삼성전자는지난해 10월 ST마이크로와원낸드라이센스제공계약을맺었으며, 이번에도시바도추가로계약을체결하고삼성전자원낸드캠프에합 86 기계저널제48권제1호 86 기계저널 CMYK

54 87 기계저널 CMYK 업계동정 류함으로써퓨전메모리시장이급속히성장할수있는기반이확보되었다. 원낸드와플렉스원낸드는본격적으로확대가예상되는 3G(3세대 ) 기반 HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access: 고속하향패킷접속 ) 통신환경에서초고속다운로드가가능한최적의플래시메모리솔루션이다. 따라서 3G 이후펼쳐질향후시장에서도주도적인위치를차지할것으로예상되어세계플래시메모리공급업체들의본격적인합류가이뤄지고있는것이다. 4 억 3,000 만달러정유플랜트수주, 국내기업최초 삼성엔지니어링이세계최대의석유회사를고객으로확보했다. 삼성엔지니어링은지난달 3일, 사우디아라비아국영석유회사아람코 (Aramco) 가발주한 4억 3,000만달러정유플랜트계약을체결했다고발표했다. 사우디아라비아의동부주베일 (Jubail) 산업공단에서동남쪽으로 70km 떨어진라스타누라 (Ras Tanura) 지역에건설되는이번설비는완공후일일 10만배럴의디젤처리능력을갖추게된다. 삼성엔지니어링은설계, 구매, 시공, 시운전에이르는전과정을일괄턴키로수행, 오는 2010년 6월완공할예정이다. #5CGL 계약체결 유니온스틸은지난달 20일본사에서 POSCO E&C사와연산 37만톤규모의신규 CGL( 용융아연도금설비 ) 설비도입계약을체결하였다. 계약식에는유니온스틸홍순철사장및관련임직원, POSCO E&C 한수양사장및관련임직원이참석하였다. 신설되는 CGL은광폭박판소재용제품전용라인으로써용융아연도금강판과갈바륨강판을생산할수있도록구성되어있으며, 특히최근아연가격의급격한변동에대응하여아연박부착및균일부착이가능한설비이다. 이는금년가동을시작한 PL-TCM( 연속산세압연설비 ) 투자에대한후속조치로최근착공한 N0.5CCL( 칼라코팅설비 ) 와함께유니온스틸제품의전반적인품질경쟁력향상및신제품개발에크게기여할것으로기대된다. 학회사무국 : hgyang@ksme.or.kr Journal of the KSME, Jan 기계저널 CMYK

55 102 기계저널 CK 논문집목차 제 31 권제 12 호, 통권제 267 호 대한기계학회논문집 A 권 < 재료및파괴 CAE 및응용역학 동역학및제어 생산및설계공학 신뢰성부문 > < 학술논문 > 상용차량의브레이크시스템과차량시스템주파수분석을통한브레이크저더의실험적고찰 / 문일동 김종대 오재윤 1131 양극산화된알루미늄과마이크로인덴테이션을이용한 3차원마이크로-나노하이브리드패턴제작 / 권종태 신흥규 서영호 김병희 1139 저밀도이광자광중합영역의중첩방법을이용한기능성마이크로채널제작에관한연구 / 박상후 임태우 양동열 1144 다분야통합최적설계방법론의병렬처리성능분석 / 안문열 이세정 1150 열생성알루미나박막의크리프및인장특성 / 김문영 박상열 양성호 최희숙 고원 송국현 1157 등가하중을이용한원자로핵연료봉지지격자스프링의비선형응답구조최적설계 / 김도원 이현아 송기남 김용일 박경진 1165 초정밀대면적미세형상가공기의구조특성해석 / 김석일 이원재 1173 적응적내부경계레벨셋기반위상최적화를이용한쉘구조물의경량화설계 / 박강수 윤성기 1180 PEMFC 냉각시스템의물부식방지에관한연구 / 박광진 정재화 김정현 배중면 1188 PDMS 유연몰드를이용한구리마이크로메시시트의제작 / 정순녕 강창근 정임덕 배공명 박치열 정필구 고종수 1194 등색프린지데이터를이용한인장하중판재중앙균열선단주위의하이브리드광탄성응력장해석 / 백태현 첸레이 1200 < 기술논문 > 폐타이어의열분해장치개발 / 김태규 양상민 1208 시멘트분쇄기용테이블라이너의굽힘피로강도의실험적조사 / 백석흠 이경영 조석수 장득열 주원식 년도대한기계학회논문집 A권저자색인 / 편집부 년도 Journal of Mechanical Science and Technology 저자색인 / 편집부 1224 제 31 권제 12 호, 통권제 267 호 대한기계학회논문집 B 권 < 열공학 유체공학 에너지및동력공학부문 > < 학술논문 > 벽면캐비티각에따른 GDI 분무의벽충돌과정에대한수치적연구 / 심영삼 최경민 김덕줄 971 홈노즐을이용한정전분무확산연소시스템개발및특성연구 / 김우진 김경태 김상수 979 수치해석을이용한단일마이크로채널의단면가열조건의열전달특성에관한연구 / 최치웅 허철 김동억 김무환 986 원형관-평판휜형상의밀집형열교환기내공기측대류열전달특성에대한수치해석 / 모정하 이상호 994 이중으로경사진 3차원캐비티내자연대류열전달현상에관한수치해석적연구 / 명현국 1002 메탄-수소대향류확산화염에서 H2와 H의선호확산을통한화학적효과에관한연구 / 박정 권오붕 이의주 윤진한 길상인 1009 잉크에부분적으로잠긴회전하는롤주위의액막유동해석 / 유승환 이관수 엄석기 기계저널제48권제1호 102 기계저널 CK

56 103 기계저널 CK 대한기계학회논문집 A B 권, JMST 차실내 Defrost 노즐분류의충돌각변화에따른유동특성에관한실험적연구 / 김덕진 김현주 이지근 노병준 1024 단일채널및다채널을포함한평판형고체산화물연료전지의열유동해석및성능평가 / 안효정 차석원 1033 마이크로사이클론연소기의혼합및유동특성에관한수치해석연구 / 최병일 한용식 김명배 황철홍 오창보 년도대한기계학회논문집 B권저자색인 / 편집부 년도 Journal of Mechanical Science and Technology 저자색인 / 편집부 1051 Journal of Mechanical Science and Technology Vol. 21 No. 12 <Materials and Design Engineering> Toughness and fracture mechanisms of glass fiber/aluminum hybrid laminates under tensile loading / S.-C. Woo, N.-S. Choi, Y.-W. Chang 1937 Field investigation on load distribution and deflections of railway track sleepers / J. A. Zakeri, J. Sadeghi 1948 Static states of cohesive granular media / I. Preechawuttipong, R. Peyroux, F. Radjai, W. Rangsri 1957 Multidimensional visualization and clustering for multiobjective optimization of artificial satellite heat pipe design / M.-J. Jeong, T. Kobayashi, S. Yoshimura 1964 Fast design of the QP-based optimal trajectory for a motion simulator / Y. M. Cho, H. S. Kim, I. K. Kim, J. J. Woo, J. Kim 1973 XML-based assembly visualization for a multi-cad digital mock-up system / I.-H. Song, S.-C. Chung 1986 A study on ranked bidirectional evolutionary structural optimization (R-BESO) method for fully stressed structure design based on displacement sensitivity / C.-H. Ryu, Y.-S. Lee 1994 Design and analysis of wave energy converter for a buoy / J.-S. Oh, J.-D. Kim, J.-H. Lee, H.-I. Park, T. Komatsu 2005 An identification method for joint structural parameters using an FRF-based substructuring method and an optimization technique / D.-H. Lee, W.-S. Hwang 2011 Micromechanics analysis of progressive failure in cross-ply carbon fiber/epoxy composite under uniaxial loading / S. Sirivedin, S. Y. Han, K. S. Lee 2023 Evaluation and verification of a structural safety analysis for a type B transport package for a radioactive waste drum / D.-H. Kim, K.-S. Seo, K.-H. Lee, S.-J. Lee, J.-M. Kim 2031 Topology optimization of a PCB substrate considering mechanical constraints and heat conductivity / M. S. Kim, S. R. Kim, S. Y. Han, B. J. Yi 2041 <Dynamics, Vibration and Control> Robust force control of a hybrid actuator using quantitative feedback theory / K. K. Ahn, N. H. T. Chau, D. Q. Truong 2048 Output feedback controller design for input time-delayed nonlinear system / Y. H. Choi, Y. C. Kim, K. T. Chong 2059 Free vibration analysis of circularly curved multi-span Timoshenko beams by the pseudospectral method / J. Lee 2066 Transmission loss estimation of splitter silencer using multi-domain BEM / H.-D. Ju, S.-B. Lee, Y.-B. Park 2073 Statistical energy analysis of non-resonant response of isotropic and orthotropic plates / C.-Y. Cheng, R.-J. Shyu, D.-Y. Liou 2082 Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK

57 104 기계저널 CK 논문집목차 Assessment of floor response spectrum by parametric error estimation and its application to a spring- mounted reactor vessel assembly / M. S. Park 2091 Dynamic analysis and design of a high voltage circuit breaker with spring operating mechanism / W.-S. Yoo, S.-O. Kim, J.-H. Sohn 2101 An experimental study of the dynamic characteristics of the catenary-pantograph interface in high speed trains / J. S. Kim 2108 Influence of support viscoelastic properties on the structural wave propagation / J. Park 2117 <Production Engineering and Fusion Technology> A study on low-velocity impact damage of Z-pin reinforced laminates / J. Teng, Z. Zhuang, B. Li 2125 Interference verification of injection molds on the web-based CAD viewer / I.-H. Song, S.-C. Chung 2133 Open manufacturing system using MMS service and object oriented manufacturing equipments / D.-H. Kim, S.-H. Kim, J.-Y. Song 2141 Data acquisition system of compound semiconductor fabrication / S. W. Lee, H. K. Lee 2149 <Thermal and Power Engineering> An analytical study on the thermal characteristics of flat-plate and evacuated solar collectors / J. Kim, H. Y. Kwak, D. W. Lee 2159 A comparison of the effect of the electrohydrodynamic technique on the condensation heat transfer of HFC-134a inside smooth and micro-fin tubes / S. Laohalertdecha, S. Wongwises 2168 An investigation of local heat transfer characteristics in a ventilated disc brake with helically fluted surfaces / S. B. Park, K. S. Lee, D. H. Lee 2178 Effects of external humidification on the performance of a polymer electrolyte fuel cell / Y. Lee, Y. Kim, Y. Jang, J. M. Choi 2188 <Fluids Engineering> Computational fluid dynamics analysis of greenhouse microclimates by heated underground tubes / A. Rouboa, E. Monteiro 2196 Analysis of diesel spray structure using a hybrid model / S. Chung, J. Park, S. Kim, J. Yeom 2205 A study on the air knife flow with Coanda effect / D.-W. Lee, J.-G. Hwang, Y.-D. Kwon, S.-B. Kwon, G.-Y. Kim, D.-E. Lee 2214 A visual study on turnabout phenomenon of vortex roll-up in forced jet diffusion flames / K.-M. Lee 2221 A study of the flow characteristics of developing turbulent pulsating flows in a curved duct / H.-C. Sohn, H.-N. Lee, G.-M. Park 2229 An experimental study on the AC electroosmotic flow around a pair of electrodes in a microchannel / H. S. Heo, S. Kang, Y. K. Suh 2237 Viscous dissipation in micro-channels / D. Han, K.-J. Lee 2244 A numerical prediction and flight test of the transient fuel temperatures in an aircraft / Y. J. Kim, C. N. Kim 2250 '07 Author index 2261 Titles of papers published in the transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers 기계저널 제 48 권제 1 호 104 기계저널 CK

58 105 기계저널 CK 학회소식 2007 년도제 12 차이사회및송년회개최 우리학회에서는 2007년도제12차이사회를지난해 12월 21일에학회회의실에서개최하여회무에관한사안을보고및논의하였다. 한편, 이사회에이어개최된 2007년도송년회에서는 년도임원,` 부문회장,` 지부장그리고전임회장등이참석하여올한해를마무리하는담소를나눴다. 제12차이사회에서보고및의결된주요내용은다음과같다. 일시 : 2007년 12월 21일 ( 금 ) 오후 3:00 장소 : 학회회의실 참석 : 박화영강신형이상용황재석이진호임재규정준기김석준박승호최우천김윤영이행남임홍재김완두정경렬석창성유홍희 [ 이종원감사 ] 송년회참석 : 민수홍조선휘김천욱이종원이강용박화영강신형이상용황재석이진호임재규정준기김석준박승호최우천김윤영이행남임홍재김완두주석재장신규유홍희정문기유완석오원석전흥재정시영김민수최연선이우방 보고사항 : 1. 총무 학술 편집 재무업무등을각담당이사께서보고함 년도제11차이사회회의록을확인 접수함. 의결사항 : 1. 대한기계학회논문집윤리규정 ( 안 ) 을원칙적으로승인하며, 추후동내용을학회임원께전송하여상세히확인받은후확정하기로함.( 상세내용생략 ) 2. 국제재생에너지학술대회및전시회 (RE2008) 의후원을승인함. - 기간 : ( 월 )~17.( 금 ) - 장소 : 벡스코 ( 부산광역시 ) - 조직위원장 : 장송진 - 후원내용 : 학회명칭사용 * RE2008: Renewable Energy 2008, 학술대회 1,200명, 전시회 200업체 3. ICASS 2008의후원을승인함. - 기간 : ( 화 )~17.( 금 ) - 장소 : COEX( 서울특별시 ) - 주관 : 제어 로봇 시스템학회 ( 회장 : 주덕영 ) - 후원내용 : 학회명칭사용 4. 부문및연구회설치및운영에관한규정 의개정을승인함. - 변경내용 : 2인의부문부회장 ==> 5인이내의부문부회장 - 개정이유 : 산학연소속다수회원의보다적극적인참여유도 현재제6조 ( 부문및연구회조직 ) 1 부문은... 중략 부문이사회는부문회장, 2인의부문부회장및부문이사를포함하여 30인이내로구성한다 생략... 개정 ( 안 ) 제6조 ( 부문및연구회조직 ) 1 부문은... 중략 부문이사회는부문회장, 5인이내의부문부회장및부문이사를포함하여 30인이내로구성한다. 3.. 생략... Journal of the KSME, Jan 기계저널 CK