1. 머리말

건물이 고(高)단열화·대(大)공간화 됨에 따라 냉방부하가 해마다 증가함과 동시에 공랭 히트펌프 칠러는, 냉각탑을 필요로 하지 않고 난방 시 화석연료를 공급할 필요가 없으며 여러 대를 연속 설치해 사용함으로써 고장 시 리스크를 줄일 수 있다는 이점이 평가돼 열원기의 주류로 수요가 신장하고 있다. 또한 보급 초기에 도입된 기기의 갱신과 냉매 규제로 인해 앞으로는 그 수요가 더욱 증가할 것으로 예측된다<그림 1>.

한정된 설치 공간에서 증가하는 냉방부하에 대응하기 위해 공랭 히트펌프 칠러에 대해서는 1대당 능력 향상<그림 2>과 더불어 기기 자체의 에너지절감 성능 향상 특히 부분부하 특성이 뛰어난 공랭 히트펌프 칠러를 요구해 왔다.

또한 다양한 열부하에 적용하기 위해 여러 대를 연속 설치해 대응하는 한편, 물 시스템은 제어하기가 복잡해 도입비용이 많이 드는 문제가 있었다. 특히 여러 대를 설치할 때 냉방부하와 난방부하 동시 추출 시스템 등을 구축할 경우에는 더욱 현저해 컨트롤러나 리모콘으로 시스템을 용이하게 구축하는 점도 요구돼 왔다.

2. 개발 기기 

2.1 개발의 개요

효율적이면서 대용량 기계를 요구하는 시장의 니즈를 고려해 현 주류인 60마력기(180kW)의 에너지절감 성능 향상뿐만 아니라 능력이 더 큰 70마력기(200kW)를 개발했고 운전효율 면에서 갱신 대상이었던 약 15년 전의 40마력기를 웃도는 에너지절감 성능을 확보해 종전의 칠러와 흡수식으로부터의 수요 갱신에 대응했다.

또한 종전과 같은 60마력의 유닛 사이즈와 중량으로 70마력기를 개발하고 단위 마력당 중량을 줄여 자원절감을 도모함과 동시에 R32 냉매 채택과 아울러 냉매 봉입량을 종전기 대비 삭감함으로써 환경보전성을 확보했다.

2.2  외관 및 사양

공랭 히트펌프 칠러 ‘MSV2’의 외관을 <사진 1>에, 사양을 <표 1>에 각각 나타낸다.

미쓰비시중공업 서멀시스템즈(주)의 종전기(MSV1 40/50/60마력)에서 유닛 사이즈를 컴팩트하게 한 다음, 새로 70마력을 투입해 전(全)마력(40/50/60/70마력) 모두 업계 정상급주)의 냉각 COP(5℃ 차이 조건) 을 달성하고 냉각 시 부분부하의 특성을 나타내는 IPLVc에서도 전마력이 업계의 정상을 실현했다.

3. 선진성·창조성

3.1  “e-3D 스크롤” 압축기 채택

고효율·공간절감을 충족시키는 공랭 히트펌프 칠러를 개발하기 위해 미쓰비시중공업 서멀시스템즈(주)의 독자적인 3D 스크롤을 더욱 진화한 “e-3D 스크롤” 압축기를 개발했다. 미쓰비시중공업 서멀시스템즈(주)는 스크롤 압축기를 한층 더 고효율화, 소형 경량화하기 위해 2005년부터 종전의 원주방향 압축에 높이방향 압축을 더한 독자적인 3차원 압축기구(3D 스크롤)를 개발해 각종 제품에 전개했다.

3D 스크롤을 채택함으로써 압축기의 소형 대용량화, 고압축비화를 달성했지만 한편으로는 3차원으로 압축하기 위해 설치한 스텝으로부터의 누출을 줄여야 하기 때문에 효율을 한층 더 높여야 했다.

그 문제를 해결하기 위해 스크롤의 랩 높이가 연속적으로 변화하는 세계 최초의 압축기구  “e-3D 스크롤”을 개발했다<그림 3><그림 4>.

“e-3D 스크롤”은 종전의 3D 스크롤과 마찬가지로 반경 방향에 더해 축 방향으로도 용적의 변화가 생기기 때문에 소형 대용량과 고강도의 양립, 고압축비 확보 등 종전 3D 스크롤의 장점이 “e-3D 스크롤”에서도 마찬가지로 발휘된다.

게다가 종전의 3D 스크롤에 설치돼 있던 톱니 끝(어덴덤)과 톱니뿌리의 스텝이 “e-3D 스크롤”에는 존재하지 않기 때문에 스텝 부분으로부터는 누출이 일어나지 않는다. 그러므로 종전의 3D스크롤에 비해 효율이 대폭 향상됐다.

한편 “e-3D 스크롤” 특유의 특징은 스크롤의 톱니 끝과 톱니뿌리가 소용돌이(와권)의 길이방향을 따라 슬로프 형상이기 때문에 선회 스크롤의 선회운동에 수반해 톱니 끝 클리어런스가 주기적으로 변한다는 점이다. 종전의 스크롤은 선회 스크롤의 운동방향과 스크롤 톱니 끝·톱니뿌리 면이 평행하기 때문에 선회각에 따르지 않아 톱니 끝 클리어런스의 크기가 일정하다. 이에 반해 “e-3D 스크롤”은 선회 스크롤 운동방향에 대해 톱니 끝·톱니뿌리 면이 경사져 있어 선회각에 따라 톱니 끝 클리어런스의 크기가 주기적으로 변한다. 때문에 기하학적으로는 전(全)선회각에 빈틈없이 압축실을 형성할 수는 없지만 톱니 끝에는 탄성재료로 된 Tip Seal이 설치돼 있고 Tip Seal이 클리어런스 변화에 추종해 상대 톱니뿌리와 항상 접촉함으로써 틈새를 밀봉해 압축실을 형성한다. 이 메커니즘을 채택함으로써 랩 높이를 변경하기 위한 스텝을 폐지할 수 있어 종전의 3D 스크롤 압축기에 비해 냉각 정격조건뿐만 아니라 부분부하 조건에서도 압축기 효율을 크게 향상시켰다<그림 5>.

“e-3D 스크롤” 압축기를 탑재함으로써 종전기에 비해 60마력급은 IPLVc를 약 20% 개선해 5.3을 달성했다.

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.본 원고는 일본공업출판주식회사 발행하는 ‘建築設備と配管工事’잡지에서 발췌하여 번역한 것입니다.

전체 기사는 2023년 10월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

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