Introduction

본 실험 장치에서 구현 가능한 입구압력과 출구압력의 범위는 각각 최소 대기압부터 최대 8.2 bar이다. 따라서 입·출구 압력차이 ΔP는 최대 7.2 bar이며 최소 0이다. 본 논문에서는 스크롤 기계의 효율특성상 사용이 고려되지 않는 범위를 배제하고 고효율 구간이며 효율의 경향성이 변하는 부분을 살펴보기 위해 ΔP=3.5 bar 이상 ΔP=7.2 bar 이하 구간을 실험대상으로 설정한다. 위 조건에서 두 가지 실험을 하여 비교한다. 첫 번째 실험은 출구 밸브를 완전 개방하여 출구압력을 대기압과 같게 하고, 입구 압력을 조절하여 입·출구 압력차이에 따른 팽창기 출력을 측정하는 실험이다. 두 번째 실험은 입구 밸브를 완전히 개방하여 입구압력이 8.2 bar인 상태에서 출구압력을 조절하여 압력차이에 따른 팽창기 출력을 측정하는 실험이다. 두 실험 모두 회전속도는 항상 2000 rpm으로 일정한 상태에서 실험을 수행하였다.

스크롤 팽창기의 회전속도에 따른 운전특성과 최적운용 지점을 알아보기 위해 회전속도 2000, 2500, 3000, 3500 rpm에서 실험을 각각 시행하였다. 출구압력은 1 bar 고정, 입구압력은 각 목표 회전속도를 만드는 8.2 bar 이하의 압력을 유지한다. 이때, 입·출구 압력 차이에 따른 출력과 단열효율을 비교했다.

압축기로 설계된 스크롤 기계를 팽창기로 사용할 때 공기의 흐름은 압축기에서의 방향과 반대가 된다. 변화된 흐름에서 압축기에는 없었던 공기흐름을 방해하는 요소를 갖게 되는 셈이다. 스크롤 랩이 시작되는 중심부는 압축기로 사용할 때 배기구로 사용되어 공기를 내보내는 부분이지만, 팽창기의 경우 공기가 유입되는 곳이다. Fig. 2과 같이 스크롤이 회전할 때 유입구의 단면적을 가리는 구조가 유입량에 영향을 미칠 수 있다.

Fig. 2 
Disturbance of air at the entrance by the wrap

일반적으로 유량은 출력과 효율에 큰 영향을 미치는 요소이기 때문에, 유량의 방해요소로 추측되는 초기 랩 부분을 절삭하여 모든 선회각에서 입구를 가리지 않도록 가공된 스크롤을 만들었다. Fig. 3은 스크롤 압축기로 사용되던 원형을 유지한 스크롤(위)과 유입구 단면적과 겹치지 않도록 초기 랩을 깎은 스크롤(아래)과 비교사진이다. 초기 스크롤 랩 끝부분의 높이를 낮춤으로써 유입구 단면과 접하지 않도록 만들었다.

Fig. 3 
Cutting at the starting edge of wrap. original scroll (up), modified scroll (down)

이 스크롤을 실험 대상으로 입구 압력을 조절하여 입·출구 압력차이에 따른 성능을 측정한다. 회전속도는 2000 rpm으로 고정하고, 스크롤 형상 변경에 따른 출력 변화를 분석한다.

이 실험에서 팽창기의 출력은 회전수가 고정되어 있기 때문에, 토크에 의해 결정된다. 출력은 동일한 압력 차이에서 출구압력이 낮을 때 더 높은 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. Fig. 4에서 좌측 수직축과 검은 점으로 그려진 그래프는 팽창기 효율을, 우측 수직축과 흰점으로 그려진 그래프는 팽창기 출력을 나타낸다.

Fig. 4 
Effects of Pressure difference on expander efficiency and power

출구 배압이 존재하는 경우, 압력이 가장 낮은 최외각 팽창실도 대기압보다 높은 압력을 갖게 된다. 누설은 압력차의 제곱근에 비례하게 발생하기 때문에, 스크롤로부터 외부로 더 큰 누설이 발생한다. 따라서, 스크롤에 의해 전환되는 축 회전 출력이 그래프와 같이 감소하게 된다. 압력차 3.5 bar에서 두 실험간 출력차이가 가장 크게 나타났다. 이때, 출력의 차이는 255 W로 배압이 존재 할 때, 그렇지 않은 경우보다 62% 출력이 감소되었다. 출력 손실은 압력차이가 가장 낮은 지점에서 최대를 나타내었고, 배압이 대기압에 근접할 수록 출력의 격차가 줄어들었다. 출구압력이 높은 조건에서 팽창기는 출구 환경이 대기압일 경우 보다 최고 단열효율이 감소한다. ⁵⁾

또, 5 bar 이상의 압력차에서는 입·출구 압력차가 더 증가하여도 효율은 더 높아지지 않는 상한효율을 갖게 된다. 이것은 스크롤 랩 고유 형상에 따른 것으로, 다음 ‘3.2.3 스크롤 랩 형상 개선’ 실험에서 확인할 수 있다.

회전속도가 증가할 때, 팽창기는 회전속도가 증가하면서 유량이 비례하여 증가한다. 따라서, 팽창기의 출력도 증가하게 된다.

입·출구 공기의 엔탈피 변화 Δh _s는, 스크롤의 형태는 회전속도에 관계없이 일정하기 때문에 회전속도에 무관하게 스크롤 입·출구의 압력 비에 의해 결정된다. 실험 결과와 비교할 때, 회전속도에 따른 엔탈피 변화량은 최대값의 3% 이내의 오차를 보였다.

이론적으로 용적형 유체기계인 팽창기의 1회전 당 유입되는 기체의 부피는 일정하다. 따라서, 분당 회전수에 대한 팽창기 체적유량의 비율을 통해 1회전 누설로 인해 늘어난 체적유량을 알 수 있다. Fig. 5에서 높은 회전수에서, 행정 마다 누설 공기량이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 일정간극을 갖는 스크롤 랩이 빠른 속도로 이동 할수록 공기의 상대속도가 줄어들어 간극을 통과하는 공기 누설이 줄어드는 것을 알 수 있다. 따라서 회전속도를 높이는 것은 누설을 낮추는 효과를 만들며, 효율을 높이는 요인이 된다. 실험속도 범위, 3500 rpm 이하에서는 이런 경향성이 지켜졌으며, 회전속도가 높아져 누설이 적어지고 효율이 향상되는 요인으로 작용한다.

Fig. 5 
Effects of pressure difference and rotational speed on volumetric flow per cycle

스크롤 압축기의 선회 스크롤에는 축을 중심으로 선회하며 각변위(Angular Displacement)가 생기지 않도록 하는 올댐링과 중심축을 지지하는 베어링이 있다. 올댐링과 베어링에서의 마찰손실은 회전속도가 증가함에 따라서 증가한다. 이에 따른 기계적 에너지 손실이 각속도가 빨라짐에 따라 증가하게 된다.

Fig. 6 그래프에서 출구가 대기압 일때, 회전속도에 따른 두 개의 상반된 경향성에 의해 효율의 최대 값이 존재하는 회전속도가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 그래프는 입·출구 압력차 범위가 3~7 bar이고 출구압력이 대기압 일 때, 각 회전속도별 효율의 변화를 나타낸다. 위에서 언급한 회전수 증가에 의한 효율 향상보다 회전마찰에 의한 효율 감소가 더 우세하게 작용하기 시작하는 지점이 2500 rpm이고, Fig. 6에서 그래프의 증감이 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 본 실험에서 2500 rpm에서 최대효율에 이른다.

Fig. 6 
Effects of pressure difference and rotational speed on expander efficiency

Fig. 7은 압력 차이에 따른 두 스크롤의 단열효율과 출력을 보여주는 그래프다. 두 스크롤 중 하나는 공기압축기 원형을 바로 팽창기로 사용한 스크롤이고, 다른 하나는 흡입구 단면을 침범하는 초기 스크롤 랩(Wrap) 일부를 절삭한 스크롤이다. 실험 결과, 초기 랩을 절삭한 스크롤의 경우 입·출구 압력차이 ΔP가 3.2 bar일 때, 7 bar일 때, 각각 원형 스크롤 대비 19%, 13% 유량이 증가하였다. 3.2 bar와 7 bar 사이에서 압력차이가 증가함에 따라 두 스크롤 간 유량차이는 선형적으로 줄어들었다. 실험 설계 시 공기 유입구 부분의 스크롤이 유량에 영향을 준다는 가정이 유효하였다. 그리고, 유량이 증가하는 것이 출력에 영향을 주어 ΔP=3.2 bar에서 122 W, ΔP=7 bar에서 82 W 만큼 출력이 늘어났다. 이것은 원형스크롤 대비 각각 18%, 5% 증가한 출력이다. 낮은 압력에서 차이에 더 민감하게 유량, 출력이 증가했다. 출력 또한 압력차가 증가하면서 선형적으로 두 스크롤 간 출력차이가 줄어들었다.

Fig. 7 
Effects of pressure difference and the scroll wrap on expander efficiency

가공된 스크롤과 원형 스크롤을 비교할 때, 유량의 증가량이 축 출력의 증가량보다 더 우세하고, 증가된 유량에 의한 누설의 증가로 인해 가공된 스크롤이 더 낮은 효율을 갖게 된다. 최대 효율이 60%로 가공 전 스크롤에 비해 8% 감소하였다.

그래프에서 두 스크롤의 상한 효율을 갖게 하는 입·출구 압력차의 범위가 다른 것을 관찰 할 수 있다. 개선된 스크롤의 경우 그 범위가 4.5 bar에서 시작되어 그 보다 높은 압력차를 포함한다. 스크롤의 입구를 가공했을때, 가공된 틈새로 공기가 이동하기 때문에, 팽창을 시작하는 첫 폐쇄된 팽창실 생성시점이 지연되기 때문이다. 대기압 출구로 공기가 방출되는 시점은 같고 최초 팽창실 생성 시점이 팽창 구간을 결정한다. 스크롤 랩 형상이 깎여 팽창 구간이 변하고, 팽창기에서 팽창할 수 있는 최대 압력차가 정해진다. 따라서, 초기 스크롤이 가공된 팽창기는 최대 압력차가 원형보다 작고, 더 낮은 압력차에서 최대효율을 보인다.