Study on the Cooling Performance of CO₂ Heat Pump System with Intercooling for Electric Vehicles = 중간 냉각을 적용한 전기자동차용 CO₂ 히트펌프 시스템의 냉방 성능에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

기후변화에 대한 전 세계적인 우려가 증대됨에 따라, 기존 냉매에 대한 규제가 강화되고 있으며, 이에 따라 고(高) 지구온난화지수(GWP)를 갖는 수소불화탄소(HFC)를 대체할 수 있는 지속 가능한 대안으로 자연냉매가 주목받고 있다. 이 중 이산화탄소(R744)는 무독성, 비가연성 특성과 함께 지구온난화지수(GWP = 1) 및 오존층 파괴지수(ODP = 0)가 매우 낮아 자동차용 히트펌프 시스템에 유망한 냉매로 평가받고 있다. 그러나 R744는 높은 임계압력과 낮은 임계온도로 인해 필연적으로 초임계 운전이 요구되며, 이는 난방 성능 측면에서는 유리하나 고온 외기 조건에서는 냉방 성능 저하를 초래하는 한계가 있다. 이러한 문제를 극복하고 극한 운전 조건에서의 냉방 성능을 향상시키기 위해, 본 연구에서는 인터쿨링(intercooling)을 적용한 R744 히트펌프 시스템을 제안하였다.
기본 R744 사이클과 인터쿨링 사이클에 대해 각각 실험 장치를 구축하였으며, 두 시스템 모두 내부 열교환기(internal heat exchanger, IHX)를 적용하였다. 인터쿨링 사이클의 경우, 2단 압축기 사이에 수냉식 인터쿨러(intercooler, ITC)를 추가하고, 2단 압축기 출구 측에는 수냉식 가스쿨러(water gas cooler, WGC)를 적용하였다. 각 구성 요소의 열역학적 영향을 분리하여 분석하기 위해, ITC만 적용한 경우, WGC만 적용한 경우, 그리고 ITC와 WGC를 동시에 적용한 경우의 세 가지 운전 모드를 비교, 평가하였다. 외기온도 25°C 조건에서는 두 시스템의 냉방 성능이 유사하게 나타났으며, 냉방 용량과 COP의 차이는 각각 최대 1.7%와 5.6% 이내였다. 이는 가스쿨러 출구 온도가 임계온도 부근 또는 그 이하로 유지되어 열 방출이 원활하게 이루어짐에 따라 인터쿨링 적용 효과가 제한적으로 나타난 결과로 판단된다.
반면, 외기온도 35°C 및 45°C의 고온 조건에서는 인터쿨링 적용에 따른 성능 향상이 뚜렷하게 나타났다. 외기온도 35 °C 조건에서 냉방 용량과 COP는 각각 최대 7.5%와 18.3% 향상되었으며, 45°C 조건에서는 각각 18.5%와 22.1%까지 향상되었다. WGC는 고압측 열 방출 성능을 개선하여 가스쿨러 출구 온도를 저감시키고, 이에 따라 토출 압력을 낮춤으로써 COP 향상에 크게 기여하였다. 한편 ITC는 토출 온도를 저감시켜 시스템의 열적 안정성 확보에 기여하였다. 외기온도 45°C 조건의 경우, 압축기의 허용 운전 한계 내에서 달성 가능한 최대 냉방 용량 조건에서 성능 비교를 수행하였다.
추가적으로, 실험 범위를 초과하는 고온, 고압 영역에서의 시스템 거동을 분석하기 위해 수치 해석 모델을 개발하였다. 해당 모델은 모든 실험 조건에서 실험 결과와 ±10% 이내의 오차 범위로 잘 일치하는 결과를 나타냈다. 시뮬레이션 결과, 외기온도 45°C 조건에서 WGC 적용 시 최적 고압 조건이 약 130 bar 부근으로 낮아지는 반면, 기본 사이클 및 ITC 단독 적용 사이클의 경우 최적점이 약 140 bar 부근에서 형성되는 것으로 나타났다. 또한 ITC 적용 시 최적 운전 조건에서의 토출 온도가 160°C 이상에서 약 140°C 수준으로 저감되었다. 각 사이클의 최적 운전점에서 인터쿨링 사이클은 기본 시스템 대비 냉방 용량과 COP를 각각 8.3%와 16.0% 향상시키는 것으로 확인되었다.
종합적으로, 본 연구를 통해 인터쿨링 적용이 R744 히트펌프 시스템의 고온 외기 조건에서의 냉방 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 전기자동차용 자연냉매 히트펌프 시스템의 설계 및 성능 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Growing global concerns regarding climate change have necessitated stringent regulations on conventional refrigerants. Consequently, natural refrigerants have garnered significant attention as sustainable alternatives to high-GWP hydrofluorocarbons (HFCs). Among these alternatives, carbon dioxide (R744) is considered a promising refrigerant for automotive heat pump systems due to its non-toxic and non-flammable characteristics, as well as its minimal environmental impact (GWP = 1, ODP = 0). However, owing to its low critical temperature and elevated critical pressure, R744 systems are inherently operated in the transcritical regime, which is advantageous for heating but causes substantial performance degradation during cooling, especially under high ambient temperature conditions. To address this limitation and improve cooling performance in extreme operating environments, this study introduces an R744 heat pump system incorporating intercooling.
An experimental apparatus was developed for both a base R744 cycle and an intercooling cycle. Both systems incorporated an internal heat exchanger, while the intercooling cycle further employed a water-cooled intercooler(ITC) between the two compression stages and a water gas cooler (WGC) downstream of the 2nd-stage compressor. To decouple the thermodynamic effects of each component, three operating modes—ITC only, WGC only, and combined ITC+WGC—were evaluated. Under 25°C ambient conditions, the two systems exhibited similar cooling performance, with capacity and COP differing by no more than 1.7% and 5.6%, respectively. This behavior is attributed to the gas cooler outlet temperature remaining sufficiently near or below the critical temperature, which ensures efficient heat rejection and thereby marginalizes the benefits of intercooling. Conversely, at elevated ambient temperatures of 35°C and 45°C, the application of intercooling yielded substantial performance improvements. At 35°C, the cooling capacity and COP increased by up to 7.5% and 18.3%, respectively; at 45°C, these improvements reached 18.5% and 22.1%. The WGC effectively enhanced high pressure side heat rejection, reducing the outlet temperature of outdoor gas cooler and consequently the discharge pressure, which significantly improved COP. Meanwhile, the ITC lowered discharge temperature and contributed to system thermal stability. For the 45°C case, performance comparison was conducted at the maximum capacity achievable within the compressor’s allowable operating limit.
A numerical model was subsequently developed to analyze system behavior in high-temperature and high-pressure regions beyond the experimental range. The model demonstrated agreement with experimental results within 10% across all test conditions. Simulation results indicated that, at 45°C, the WGC shifted the optimal high-pressure level downward, with the performance optimum occurring near a discharge pressure of approximately 130 bar. In contrast, the base and ITC only cycles exhibited optimal points near 140 bar. The ITC also lowered the discharge temperature at the optimum from more than 160 °C to approximately 140 °C. At their respective optimal operating points, the intercooling cycle improved cooling capacity and COP by 8.3% and 16.0% relative to the base system.
In summary, this study shows that the incorporation of intercooling significantly enhances the cooling performance of R744 heat pump systems under high temperature. These results are expected to support more effective design and performance optimization of natural-refrigerant heat pump systems for electric vehicle applications.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Figures vi
• List of Tables ix
• Nomenclature x
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background of the study 1
• 1.2. Literature survey 7
• 1.2.1. Thermodynamic characteristics of CO2 refrigerant 7
• 1.2.2. Performance enhancement strategies for R744 system 12
• 1.2.3. Previous studies on intercooling R744 system 16
• 1.3. Objectives and Scope 20
• Chapter 2. Experimental evaluations of cooling performance of intercooling cycle 23
• 2.1. Introduction 23
• 2.2. System configuration 25
• 2.2.1. The base R744 heat pump 25
• 2.2.2. The intercooling R744 heat pump 27
• 2.3. Experimental setup and method 33
• 2.3.1. Experimental setup 33
• 2.3.2. Experimental method 41
• 2.3.3. Uncertainty analysis 46
• 2.4. Results and discussion 49
• 2.4.1. Experimental results of base and intercooling cycle 49
• 2.4.2. Comparison of experimental results 57
• 2.4.3. Effect of Intercooling 65
• Chapter 3. Numerical analysis of cooling performance
• performance of intercooling cycle 73
• 3.1. Numerical modeling 73
• 3.2. Results and discussion 81
• 3.2.1. Model verification 81
• 3.2.2. Performance prediction under 45°C condition 85
• 3.2.3. Performance prediction under 54°C condition 90
• Chapter 4. Conclusion 93
• Bibliography 96
• 국문 초록 105