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CO2압축기의 특허 동향
 
Field Report │특허기술자료│
 
월간 기계기술기자 | 2003.12.01 | 2003년 12월호
 
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지금 세계는 치열하게 전개되는 정보 전쟁 속에서 자국의 이익을 확보하기 위해 산업재산권 보호 노력을 급속히 강화하고 있다. 이러한 특허전쟁의 시대에서는 기술 경쟁력이 없이는 미래를 보장받을 수 없으며, 이를 위해 가장 기본이 되는 것은 특허 기술정보의 효율적인 활용이다.
  지난호에 이어 본지에서는 한국특허정보원 내 선행기술조사본부에서 조사 작성한 기술리포트 중 “CO2압축기”에 대해 게재한다<편집자 주>. -한국특허정보원(KIPI) 제공-
1. 서 론
지구 환경 문제에 대한 관심이 높아지면서 오존층 파괴 및 지구 온난화에 대한 대응으로 냉동 공조기에 관해서 냉매 대체화가 진행되고 있다. 오존 층을 파괴하지 않는 HCFC로의 전환이 시도되고 있는 한편 지구 온난화 계수가 작은 자연냉매로의 관심이 높아지고 있다. 이와 같은 상황에 이산화탄소(이하 CO2)는 독성, 가연성에 문제가 없고 환경에 영향을 덜 미치는 자연 냉매로서 주목 받고 있다.
  CO2는 탄화수소(HC)와 암모니아와 같은 독성, 가연성에 문제가 없이 각종 화학 합성 부산 물로서 생성되기 때문에 경제적이고 뛰어난 전열특성을 가지고 기구의 콤팩트화를 가능하게 하기 때문에 뛰어난 작동유체라고 생각 할 수 있다.
  CO2를 냉매로 사용하고자 할 경우 이 냉매가 갖는 고압 특성으로 인해 냉동 사이클 전반에 고압 설계가 요구되며, 특히 CO2압축기 개발에 있어서는 각 부품의 고압화 뿐만 아니라 압축 기구부의 재설계도 요구된다. 여기에서는 각 압축기의 종류별 특성 및 개발 동향을 살펴보고 각국의 CO2압축기 기술에 관한 특허 출원 동향을 살펴보고자 한다.
2. 압축기의 종류별 특성 및 개발 동향
1) 왕복동 압축기(Rciprocating Compressor)
  CO2가 고압이므로 가장 먼저 접근된 압축 방식은 일반적으로 고압 가스 압축에 널리 사용되고 있는 왕복동형이다.
  CO2적용에 따라 압축기 쉘의 고압화, 실린더 헤드, 머플러, 토출관 등의 토출부 부품이 고압에 견디도록 고압 설계가 필요하다. 특히 제일 높은 압력이 걸리는 피스톤과 실린더 헤드 주위의 밀봉은 매우 중요하다. 피스톤에 걸리는 압력은 R22에 비해 5~10 배 높으나, 행정 체적이 작으므로 피스톤 직경에 제한이 있어서 연결봉에 걸리는 힘에 한계가 있고 운동부재에 걸리는 단위하중이 증가하므로 피스톤 핀 베어링에 걸리는 마모를 피하는 것이 쉽지 않다.
  또한 고압에 따라 토크 부하의 변동이 매우 커지 므로 진동이 증대하고 이러한 부하 변동에 맞는 토크 특성을 갖는 모터를 선정하는 것도 효율 감소를 방지하는데 매우 중요하다. 토출 밸브에서 가스의 밀도가 상대적으로 크기 때문에 밸브에 작용하는 충돌 속도에 기인한 밸브의 피로 파괴 현상으로 밸브의 신뢰도가 문제가 될 수 있다. 이를 위해서는 밸브 속도를 감소시키는 설계를 채택하거나, 기존의 리드 밸브대신 판형 밸브 등의 다른 구조의 밸브를 적용하는 것이 필요하다.
  또한 CO2의 높은 밀도는 토출 가스의 압력 맥동을 증대시키므로 토출 머플러 체적을 키우는 등의 재설계가 요구된다. 흡입 가스 냉각 방식을 적용하는 경우, 오일이 압축기 쉘로 넘쳐 들어오는 oil carry-over 문제도 우려된다.
  Yanagisawa 등은 CO2왕복동 압축기에 대한 성능 실험을 통해 피스톤 링이 없는 경우 실린더와 피스톤 사이의 누설이 매우 심각한 수준이며, 또한 밸브를 통해서 역류하는 누설이 상대적으로 행정 체적이 작은 CO2압축기의 성능에 영향을 미침을 보였다.
  누설 제어를 위해 흡입 가스에 의도적으로 약간의 오일을 주입하였을 경우, 5% 오일 혼합 조건에서 체적 효율과 단열 압축 효율이 각각 5% 및 3%씩 증가하였다. 지나치게 많은 오일은 흡입손실을 가져오지만 적정량의 오일은 밸브 누설을 방지하고 간극체적을 줄여 주는 효과가 있다. Neksa 등은두 개의 실린더를 직렬 연결한 2단 압축 방식의 왕복동 압축기를 구성하였다. 이러한 2단 압축 구조는 시스템 설계에 다양성을 제공하는데, 예를 들면 중간압부로의 냉매 유량을 조절함으로써 용량 조절이 가능하다. 하지만 이러한 방식의 용량 조절은 효율 저감을 수반한다.
  1단과 2단의 체적비의 최적치는 이론적으로 구할 수 있지만, 실제에서는 냉동 사이클의 시스템 설계가 바뀌면 운전 조건들이 바뀌므로 최적의 체적비 또한 바뀌게 된다.
  주요 압축기 제조회사로는 이탈리아 도린사가 차량 및 선박 공조용으로 왕복동식을 개발하여 현재몇 가지 모델을 상용화 하였다.
 
 2) 스크롤 압축기(Scroll Compressor)
  스크롤 압축기는 다른 기종의 압축기에 비해 가스 흡입에서 토출까지 크랭크축이 2~3 회전하는 시간에 걸쳐 이루어지므로 토크 변동 및 가스 맥동이 작고, 각 압축실 간의 압력차가 작게 되는 등의 장점이 있다.
  또한 가변속 운전을 통한 용량 제어가 용이하다.
  따라서 CO2를 스크롤 압축기에 적용하는 사례는 일반 공조용, 히트 펌프 온수기, 그리고 자동차 에어컨용 압축기 등이 있다.
  Melco 에서는 R410a용 중간 용량의 스크롤 압축기 구조를 개조하여 운전속도 30~60Hz에서2.5kW ~5.0kW의 냉력을 발생하도록 행정체적7.23cc인 일반 공조용 CO2스크롤 압축기 시제품을 제작하였다.
  고압 적용을 위해 스크롤 랩의 높이를 감소시켜랩 높이와 두께가 동일하게 되었고, 낮은 압축비에 맞도록 랩 인볼루트 각도를 조절하여 설계 체적비가 1.75 가 되도록 하였다. 압축기 다른 부분들은 고압 조건에 맞도록 재설계하였다. 표준 냉방 조건에서 성능 측정 결과 흡입압 3.93MPa, 토출압9.49MPa, 운전속도 48.2Hz에서 체적 효율은 86.4%, 압축기 효율은 47.1%, COP 1.77을 얻었다. 그들은 체적효율이 R410a 스크롤 압축기에 비해 현저히 낮을 것으로 예상했었으나 실제 측정 결과는 거의 대등하게 나타났다. 냉매의 고압화에 따라 스러스트 베어링 손실은 전체 손실의 40%를 차지하는 것으로 분석이 되어, 스러스트 베어링 손실의 감소가 이러한 스크롤 압축기 효율 향상에 매우 중요한 것으로 나타났다.
  DENSO에서는 동경전력회사와 함께 주거용 히트펌프 온수기에 CO2스크롤 압축기를 장착하여 시운전을 하였다. 사용된 압축기는 2마력급이고, 연평균 3.0의 C.O.P를 얻었다.
  압축기 쉘 내부 압은 저압방식을 채용하여 쉘 설계를 용이하도록 하였다. 미쓰비시 중공업에서는 CO2를 적용한 자동차 에어컨용 압축기로 스크롤 압축기를 개발하였다. CO2의 단위체적당 냉동능 력이 R134a의 8배 정도이므로 행정체적은 R134a에 비해 1/8로 감소시킨 13cc이다.
  통상 자동차 에어컨용 R134a 스크롤 압축기에 사용하는 팁실 구조 대신 누설 저감을 위해 고정부 재를 고정부재 경판 후면에 배압을 가하여 눌러주는 순응구조 적용하였다.
  또한 스러스트 베어링면 배후에서 오일을 공급 하므로 선회부재 경판 후면에 유압을 부과시켜 스러스트 베어링 면압을 감소시키는 정압 어시스트 (static pressure assist) 축수구조를 적용하였다.
  이는 기계적 마찰 손실을 감소시키며 베어링 신뢰 성을 향상한다. 차량 에어컨용 CO2스크롤 압축기는 앞으로도 성능 향상 등에 관한 많은 개선의 여지를 남겨 놓고 있는 상태이다.
 
 3) 로터리 압축기(Rotary Compressor)
  CO2를 로타리 압축기에 적용함에 있어 통상적인 1단 압축으로는 많은 문제들이 발생한다. 베인 양면에 걸리는 압력차가 R410a의 경우 보다 2배 이상 되고, 베인과 롤러 접촉면에 작용하는 힘도 급증하므로 구조적인 변형이나 마찰 마모, 그리고 축등의 변형에 기인한 누설 증대 등의 문제들을 2단 압축 방식을 적용하여 상당부분 완화시킨다.
  압축 효율 향상을 위한 간극 체적의 최적치를 얻는 문제는 고압 냉매인 CO2에서는 더욱 중요해 진다.
  간극 체적을 작게 하면 재 팽창에 의한 손실도 적어지지만 냉매의 유로 저항이커지므로 지시동력이 증가한다.
  토출 포트의 직경도 같은 맥락에서 최적치를 얻는 것이 필요하다. 산요에서는 히트 펌프 온수기용의 CO2트윈 로타리 압축기를 개발하여 제품을 시장에 내놓았다.
  개발된 CO2압축기는 2단 압축방식을 통해 압축기 각 단의 압력차를 R410a 냉매와 같은 수준으로 억제했고, 트윈 실린더 방식으로 저진동, 저소음 특성을 얻었다.
  1단계 압축기구를 통해 냉매가스를 쉘내부로 토출하여 압축기 쉘 내부 압력을 중간압으로 설정하고 2단계 압축기구에서 압축된 가스는 쉘 외부로 직접 토출되는 구조를 갖는다. 운전 정지시 중간압이 평균압 이하로 유지되도록 하여 설계압을 낮게 억제할 수 있었다. 이는 1단 압축부와 2단 압축부의 체적비를 조정하는 것에 가능하다. 압력차에 의한 축 변형을 최소한으로 낮추기 위해 상하 편심부 간 형상을 단면 2차 모멘트가 커지는 형상으로 개선하고 이로 인해 변형에 기인한 누설 간극 증대를 최소화하는 것이 필요 하다. 그리고 압축기 쉘내부 압력을 중간압으로 설정함으로써 발생하는 2단 압축부에서의 오일 공급 부족을 1단 토출을 쉘 케이스 내토출과 2단 흡입부로의 직접 토출로 분류하는 것에 의해 해결한다. CO2압축기에 대한 내구성 시험에서 축 표면에 금속 접촉은 발생 하지 않고 유막이 정상으로 형성되며 베인의 마모 상태도 양호하며, 또 베인 선단에 스랏지의 부착도 인지되지 않았다. 또 이들 접동 부품은 현재 생산되고 있는 룸 에어컨용 R140a 로타리 압축기의 접동 부품과 비교했을 때, 부품의 손상 상태는 거의 동등했고, 실용상 문제는 없다고 보고되었다.
 
 4) 베인 압축기(Vane Compressor)
  차량 공조에 사용되는 R134a용 베인 압축기는 동일한 행정 체적을 갖는 다른 기종의 압축기에 비해 밀봉길이가 상대적으로 길므로 CO2응용을 위해서는 별로 고려되지 않았으나 Fukuta 등은 천이 임계 CO2사이클에서 베인 압축기의 사용 가능성을 연구하였다.
  베인 압축기에서는 누설 손실이 베인 압축기의 성능에 가장 영향이 큰 인자이고 따라서 간극이 가장 중요한 설계 변수이므로 원주 방향 밀봉이 효율을 향상 시키는데 있어 핵심 설계 요소이다.
  원주 밀봉선을 증가 시키면 누설은 감소하고 체적효율은 증가하고, 베인 배면압을 조절하면 성능이 증가한다. 체적효율의 증가를 위해 베인 두께를 증가시키면 기계적 효율이 감소한다. 한편 CO2적용시 흡입 및 토출 포트에서 유속이 작고 유체 저항이 작기 때문에 도시 효율은 크다.
  간극을 2/3로 줄일 수 있다면 R134a와 동일한 성능을 얻을 수 있다. 2단 베인 압축기나 압축기- 팽창기 조합과 같은 개선된 설계 개념의 적용은 베인 압축기의 가능성을 더욱 높여준다. 이상 각 압축기 종류별 특성 및 개발 동향을 살펴보았는데, 향후 친환경 자연냉매인 CO2용 압축기 응용 분야는 점차 확산될 것으로 예상된다.
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3. CO2압축기 기술의 특허 출원 동향
1) 주요국(한국,미국,일본) 및 유럽의 특허 출원 건수
  CO2압축기 기술에 관련된 주요국 및 유럽의 전체 특허 출원 건수를 살펴보면 <그림 1>에서 보는 바와 같이 전체 특허 113건 중 일본의 출원건수가 67건으로 가장 많았으며, 그 다음으로 유럽이 26 건, 한국 12건, 미국 8건의 순으로 나타났다. CO2압축기 기술은 일본에서 가장 활발하게 이루어지고 있음을 알 수 있다.
 
 2) 연도별 출원 추이
  <그림 2>는 연도별 출원 추이를 나타낸 것으로 일본에서는 1998년에 가장 활발하게 출원하여 2000년 까지 많은 출원건수를 보이다가 2001년 이후 점차 출원건수가 줄어드는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
  한국, 미국, 유럽은 모두 2000년에 가장 많은 출원건수를 보이다가 마찬가지로 2001년 이후 출원건수가 줄어드는 것을 볼 수 있다.
 
 3) 각 국가별 출원인 분포
  각 국가별 출원인 분포를 살펴보면 우선 <그림 3>에서 보는 바와 같이 한국내 주요 출원인은 MAT SUSHITA, MITSUBISHI, SANYO, TOYOTA 등을 들 수 있으며 그중 MITSUBISHI의 출원이 가장 많은 것을알 수 있다.
  <그림 4>는 미국내 출원인 분포를 나타낸 것으로 출원건수가 많지 않은 것을 볼 수 있으며 그 중 TOYOTA가 미국내에서는 다소 많이 출원한 것을 알 수 있다.
  <그림 5>는 일본내 다출원인 분포를 나타낸 것으로 SANYO가 27건으로 가장 많이 출원한 것을볼 수 있다. 그 다음으로 ZEXEL, MATSUSHI TA, SANDEN, DENSO, TOYOTA 등의 순으로 많이 출원하고 있음을 알 수 있다.
  <그림 6>은 유럽내 다출원인 분포를 나타낸 것으로 TOYOTA가 16건으로 가장 많이 출원하였으며 그 다음으로 MITSUBISHI, VISTEON 순으로 많이 출원하고 있음을 알 수 있다. 여기에서 특이한 점은 TOYOTA와 MITSUBISHI가 일본내 보다는 한국과 유럽에 다수 출원하고 있는데 비해 SAN YO는 주로 일본내에서 가장 많은 출원을 하고 있는 것을 볼 수 있다. 상기의 출원인 분포에서 보는 바와 같이 주요국 및 유럽 모두 일본 출원인임을알 수 있다.
 
 4) 압축기의 종류별 출원 건수
  <그림 7>은 압축기의 종류별 출원 건수를 나타낸 것으로 왕복동 압축기 관련 기술이 59건으로 가장 많이 출원되었으며 그 다음으로 스크롤 압축기 31건, 로터리 압축기 20건, 베인 압축기 3건 등의 순으로 나타났다.
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4. 결론
현재 냉동 공조용 CO2압축기 개발은 아직 초기 단계로 볼 수 있으며 시장에 출현한 압축기로는 일반 냉동용 및 공조용으로의 왕복동식 압축기와 히트펌프 온수용 트윈 로타리식 등이다. 스크롤식은 현재로는 주로 자동차 에어컨용으로 관심이 모아 지고 있다.
  앞으로 해결되어야 할 주요 과제들로는 당연히 효율 향상과 신뢰성 확보로 요약 할 수 있다.
  압축기 기종별로 해결되어야 할 과제들은 왕복동 식에서는 밸브의 신뢰성 향상과 피스톤 핀 베어링 마모문제, 모터 토크와 토크 부하를 매칭시키는 문제 등을 들 수 있으며, 트윈 로타리식에서는 2단 압축실 급유특성 향상, 토출 가스 오일 함유량 조절 문제 등이고, 스크롤식에서는 무엇보다도 선회부재 배면의 스러스트 마찰 손실 저감이라고 할 수있다.

 
TAG :  로터리압축기  베인압축기  스크롤압축기  압축기
 
 
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