Monitering Analysis

* 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 이홍원(hongwlee@reseat.re.kr)
* 출처 : American Power Conversion corporation, “Variable compressor oil return”, WO2008073955, p.1~21

적절한 오일을 회수시키는
오일회수 시스템을 제안하다

대부분의 전산실과 같이 많은 정보기기를 가동하는 사무실 내에는 정보기기의 정상 가동이나 쾌적한 환경을 위해 에어컨과 같은 냉매시스템이 사용된다.

또한 이러한 공간의 냉각부하(cooling demand)는 기기의 사용량 및 외기온도에 따라 자주 변화한다.

이와 같이 냉각부하가 자주 변동하는 경우에는 가변속 압축기(variable-speed compressor)를 적용하여 용량을 조절하는 냉매시스템이 매우 효율적이다.

일반적으로 냉매시스템 내 압축기의 작동부품을 윤활시키는 오일(oil)은 냉매에 혼합되어 냉매와 같이 사이클을 순환한다.

그리고 순환되는 오일이 압축기로 복귀되는 회수율은 압축기 속도에 따라 변화한다. 따라서 작은 냉각부하에 맞게 압축기가 지나치게 저속으로 운전하여 오일회수가 충분하게 되지 않으면, 시스템의 효율 저하는 물론 압축기가 손상되는 심각한 문제가 발생한다.

따라서 순환하는 오일을 압축기로 적절하게 복귀시키는 시스템이 필요하다. 이를 위해 압축기 속도를 감시하고 압축기 속도를 제어하는 방법으로 적절한 오일을 회수시키는 오일회수 시스템이 제안되었다.

이 기술을 통해 오일회수의 부족이나 과잉으로 인한 압축기 손상과 수명 단축을 방지하고, 설치·보수비용을 줄일 수 있다. 다음은 이에 관한 공개특허, “가변속 압축기의 오일회수 시스템”에 대해 기술한다.

가변속 압축기로의
오일회수 시스템의 현황과 과제

본 내용은 가변속 압축기로의 오일회수 시스템이 적용된 냉동시스템에 관련된다.

● 압축기 수명과 설치/보수비용을 줄여라!

서버 등 많은 정보기기가 가동되는 전산실과 같은 사무실에는 적지 않은 열이 발생한다. 따라서 전자부품의 동작불량을 막기 위해 실내의 열을 제거하는 것이 필요하다.

전자장비로부터 발생되는 열량은 시간에 따라서, 즉 장비사용량에 따라 다르다. 그러므로 가변속 압축기를 사용하면 저비용으로 열을 효율적으로 제거할 수 있다.

냉매시스템 내의 냉매와 혼합되는 오일의 회수량은 압축기 속도에 따라 변한다. 압축기로 오일을 회수하는 것은 냉매시스템 튜브(tubes) 내의 과도한 압력손실, 시스템의 효율 및 용량 저하를 막기 위해 중요하다.

압축기로의 오일회수를 촉진시키기 위해 튜브 크기는 압축기의 저속운전 중 오일회수에 적합하고, 분리된 오일회수 시스템과 오일보충 및 오일저장 시스템이 설치되어야 한다. 그리고 압축기 오일 수위를 수동으로 점검하고 보충해야 한다.

이러한 기술은 높은 압력손실, 오일회수의 부족이나 과잉으로 인한 압축기 수명단축과 설치 및 보수비용의 증가를 억제할 수 있다.

● 가변속 압축기 적용으로 냉동효율 개선

가변속 압축기로 오일을 회수시키는 제어기술을 제공하는 본 내용은 압축기 서브시스템의 오일양 부족이 확인되면 컨트롤러는 압축기 속도가 올라가도록 제어한다. 이에 따라 압축기 서브시스템으로 많은 양의 오일이 공급된다.

이 냉동시스템은 냉매·오일 혼합물 내 냉매를 제1증기냉매로부터 제1액체냉매로 응축하는 응축기, 응축기로부터 제1액체냉매를 받아 제2액체냉매로 압력을 감소시키는 압력장치, 압력장치로부터 받은 제2액체냉매에 열을 전달시켜 제2증기냉매로 전환하는 증발기, 제2증기냉매를 압축하는 압축기 서브시스템, 그리고 압축기 서브시스템과 연결된 컨트롤러로 구성된다.

컨트롤러는 냉동시스템의 냉각부하에 맞게 압축기 속도를 올리거나 내린다.

또한 압축기로 오일이 적절히 복귀하도록 압축기 속도를 조절할 수 있도록 구성된다.

압축기 속도가 1개 이상의 속도한계에 도달되거나 이 보다 내려가면, 컨트롤러는 압축기 속도를 감시하고 타이머를 작동시킨다.

타이머는 다수의 시간대를 추적할 수 있다. 예로써 컨트롤러는 압축기가 85Hz의 최대 속도에서 75Hz와 50Hz의 저속한계(low-speed threshold) 아래에서 운전한 시간을 추적할 수 있다.

압축기가 저속한계보다 낮은 속도로 가동한 후 저속 한계시간에 도달, 타이머가 작동되면 컨트롤러는 압축기에 속도상승 신호를 보낸다.

압축기 서브시스템에는 가변속 압축기가 구성된다. 컨트롤러는 제1시간한계(first time threshold)보다 긴 시간 동안 가변속 압축기의 속도가 제1속도한계(first speed threshold)보다 낮은 경우, 압축기 서브시스템의 오일 양이 적정량에 대해 적은 것으로 결정하도록 구성된다.

컨트롤러는 제2시간한계보다 긴 시간 동안 가변속 압축기의 속도가 제2속도한계보다 낮은 속도로 운전하면, 가변속 압축기의 속도를 증가시킨다. 여기서 제2속도한계는 제1속도한계보다 낮고, 제2시간한계는 제1시간한계보다 짧다.

컨트롤러는 압축기 서브시스템 내의 오일 양 부족을 결정하면 가변속 압축기를 최대속도의 60% 이상의 수준으로 작동시킨다.

또한 컨트롤러는 가변속 압축기의 오일레벨이 하한보다 낮으면 압축기 서브시스템 내의 오일이 부족한 것으로 결정한다. 컨트롤러는 압축기의 오일레벨이 상한에 도달할 때까지 압축기 속도를 증가시킨다.

압축기 서브시스템은 제1, 제2 압축기로 구성되며, 제1압축기는 정속도(fixed-speed) 압축기이다. 컨트롤러는 압축기 서브시스템의 오일양이 부족하다고 결정하면 제1압축기를 가동시키고 정상에서는 정지시킨다.

또한 이 내용에서 가변속 압축기에는 제1압력의 증기냉매·오일 혼합물이 들어가는 입구(input), 그리고 제1압력을 제2압력으로 압축한 증기냉매·오일 혼합물이 통과하는 출구(output)가 설치된다.

그리고 컨트롤러는 압축기와 연결되어, 압축기가 1차시간보다 긴 시간 동안, 제1속도하한보다 낮은 속도로 운전하면, 압축기 속도를 1차 속도에서 2차속도로 상승시킨다.

이 내용은 다음 기능 중 적어도 1개 이상을 적용한다. ① 2차 속도는 압축기 최대속도의 60%보다 높다. ② 2차 속도는 압축기 최대속도의 90%보다 높다. ③ 2차 속도는 압축기 최대속도의 100% 수준이다. 그리고 압축기는 2차 시간 동안 2차속도로 작동하도록 제어한다. 여기서 2차시간은 1차시간의 10%보다 짧다.

압축기가 3차시간한계보다 긴 시간 동안 2차 저속한계보다 낮은 속도로 운전하는 경우, 컨트롤러는 압축기 속도를 올린다. 이때 2차속도 한계는 1차속도한계보다 낮고, 3차 시간한계는 1차시간한계보다 짧다.

이 내용은 대체적으로 다음과 같은 방법을 제공한다. ① 냉매시스템의 냉각부하에 비례하여 냉각용량에 맞게 가변속 압축기를 운전, ② 적정 오일회수율과의 비교에 따른 압축기로의 오일회수 확대 결정, ③ 냉각부하에 무관하게 압축기로의 오일회수를 위해 압축기 속도를 상승시키는 방법이다.

또한 압축기로의 오일회수를 위해 냉각부하에 무관하게 압축기 속도를 올려서 압축기에 적절한 윤활이 이루어진 후에는 압축기 속도를 냉각부하에 비례한 속도로 복귀시킨다.

이 내용에 의한 가변속 압축기 적용 냉동시스템은 구조가 간단하고 비용이 낮으며 압축기 신뢰성이 높다. 또한 가변속 압축기를 적용함으로써 냉동효율이 개선된다. 오일회수 시스템에 의해 가변속 압축기에는 압축기 속도의 변화에도 불구하고 적절한 양의 윤활유가 복귀된다.

이 내용에서 다른 실시 예로써 압축기의 사전 속도에 무관하게 압축기를 주기적으로 고속으로 작동시키기 위해 컨트롤러에 타이머를 사용할 수 있다. 예로써 컨트롤러는 압축기를 30분마다 2분 동안 최대 속도로 작동시킨다. 작동하는 속도의 크기와 작동시간, 그리고 작동주기는 압축기에 적정량의 오일을 회수할 수 있게 정한다.

또한 컨트롤러는 물리적 특성치를 감시함으로써 오일 부족을 판정하고, 오일회수를 위해 압축기 속도를 올릴 수 있다. 예로써 압력센서, 온도센서, 가스속도 센서를 적용한다.

열교환기 효율은 물론
시스템 전체의 효율을 높이다

본 내용에 의한 압축기로의 오일회수 시스템에 의해 냉동부하에 관계없이 압축기 내에 적정 오일이 확보됨으로써 압축기 손상이 방지된다. 따라서 압축기 수명 단축과 설치 및 보수비용의 증가가 방지된다.

또한 이 발명에 의한 압축기로의 오일 복귀로 열교환기 등 냉매유로 내에 잔류하는 오일 양이 감소함에 따라 열교환기 효율은 물론 시스템 전체의 효율이 개선된다.

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