가정용 냉장고 에너지 효율향상을 위한 듀얼루프 냉동사이클의 설계 및 평가 = Design and Evaluation of a Dual-Loop Refrigeration Cycle to Enhance Efficiency in Household Refrigerators

국문 초록 (Abstract)

냉장고는 가정용 전기 에너지 소비량의 비중이 높은 대표적인 필수 가전제품으 로, 전 세계적으로 규제기관 및 국제표준 단체들은 에너지 효율기준을 지속적으로 강화하고 있다. 가정용 냉장고는 대부분 증기압축 냉동사이클（VCRs） 시스템을 기반 으로 운전되며, 지난 수십년 동안 냉매 변경, 단열재 개선, 압축기 및 운전 알고리 즘 최적화 등의 다양한 기술적 발전을 통해 가정용 냉장고의 에너지 효율을 향상시 켜 왔다. 이를 해결하기 위한 대안 기술 중 하나로 냉장실과 냉동실 각각의 냉각부 하에 적합하게 운전될 수 있는 듀얼루프（2Comp-2Eva） 냉동사이클 개념이 제시되었 다. 듀얼루프 구조는 냉장실과 냉동실의 냉동사이클을 압축기와 증발기 단에서 완 전히 분리함으로써, 독립적인 온도, 부하제어가 가능하며, 각 냉동사이클 시스템에 서의 증발온도를 최적화할 수 있는 장점을 가진다.
본 연구는 이러한 기술적 제약을 해소하기 위해 듀얼루프 냉동사이클 시스템이 적용된 냉장고를 설계하고 기존 시스템（1Comp-2pEva）과 에너지 성능비교 평가를 통 해 그 성능과 에너지 절감효과에 대한 잠재력을 실험적으로 검증하고자 하였다. 특 히, 냉장실과 냉동실 각각의 냉각부하에 적합하게 설계된 리니어 압축기를 새롭게 선정하였으며, 기계실에 대한 최적설계를 통해 응축성능을 최적화하였으며, 냉장실 측 냉동사이클（R-System）의 모세관（R-Capi）의 내경설계, 그리고 듀얼루프 냉동사이 클 시스템의 냉매 충전량 선정 등 주요변수의 설계를 최적화하였다.
듀얼루프 시스템에서는 냉동실 측 냉동사이클（F-System）에는 12.4cc의 압축기 용 량을, 냉장실 측 냉동사이클（R-System）에는 9.5cc 용량의 리니어 압축기를 각각 적 용하였다. 기준 시스템（1Comp-2pEva）과 비교해보면, 냉동실 증발기（F-Eva）의 냉각운 전 중 증발온도는 -28℃에서 -25℃로 냉장실 증발기（R-Eva）의 냉각운전 중 증발온도 는 -12℃에서 -8℃로 의도적으로 상승시키는 것을 목표로 하여 사이클 효율 향상을 유도하였다. 또한 동일한 기계실 공간 내에서도 두 개의 응축기가 구성되어야 하는 특성을 고려하여 각각의 응축기 방열특성이 최적이 될 수 있도록 응축기 전열면적과 기계실 유동 등의 설계변수를 최적화하여 설계 및 평가하였다.
결과적으로 듀얼루프 냉동사이클 시스템이 적용된 냉장고는 기존 시스템 대비하여 약 10% 수준으로 총 에너지 소비량이 개선되었다. 특히 F-System 운전에서는 기존대 비 약 12%의 에너지 절감효과를 나타내었다. 반대로 R-System에서의 에너지는 기존 대비 약 2.8%만 저감되었는데, 냉장실 온도가 기존 대비 약 1.2℃가 상승되었음을 감안하면 듀얼루프 시스템을 적용하였음에도 R-System에서의 에너지 효율 개선효과 는 미미하였다. 그러한 이유는 R-System 용 압축기（R-Comp）의 적정 용량은 5.5cc이 나, 실험에 적용된 R-Comp는 설계적 제약으로 인해 9.5cc로 설계되어 기준 시스템 대비 압축기의 효율이 감소하였기 때문이다. 이러한 제약사항을 개선하기 위해 R- Comp에 대해서 기구적 변경을 통해 6.0cc의 R-Comp를 프로토 타입으로 제작하였으 며, R-Comp가 9.5cc가 적용된 듀얼루프 시스템의 냉장고에 적용하여 추가적으로 에너 지 효율 성능비교를 수행하였다.
최종 비교실험 결과, R-Comp의 용량을 9.5cc에서 6.0cc로 변경하였을 경우, R- System 측 에너지 효율은 약 9.6% 개선되었으며, 냉장고 총 에너지 소비량 또한 4.1% 개선되는 결과를 얻게 되었다.
결론적으로 본 연구를 통해 듀얼루프 냉동사이클 구조가 기존 시스템 대비 에너지 절감 및 안정적인 냉각성능 유지 측면에서 실현 가능성이 충분히 높으며, 사이클 구 성부품의 열역학적 최적설계를 통해 그 효과를 더욱 크게 확대할 수 있음을 검증하 였다. 향후 연구에서는 기계실 레이아웃의 변화, 응축기의 형상개선, 그리고 압축기 의 효율개선 등의 세부요소의 추가적인 분석 및 개선을 통해 더욱 경제적이고 효율 적인 시스템으로 발전할 가능성이 높을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Most household refrigerators are driven by vapor compression refrigeration （VCR） systems, and over the past several decades, their energy performance has been improved through advancements such as alternative refrigerants, enhanced insulation materials, compressor design refinement, and optimized control algorithms. However, conventional single-compressor systems inherently suffer from thermodynamic interference between the refrigerator compartment （R-Compt） and the freezer compartment （F-Compt）, as well as limited capability for independent load control optimized for different storage temperatures. These structural constraints restrict further improvement of the system coefficient of performance （COP）. To address these limitations, the dual-loop （2Comp–2Eva） refrigeration cycle concept— capable of operating each compartment according to its specific cooling load—has been proposed and experimentally investigated since the 1990s. In this study, a dual-loop VCR system was designed and experimentally evaluated against a conventional 1Comp–2pEva baseline refrigerator to verify its energy-saving potential and cooling performance. The dual-loop prototype utilized a 12.4 cc compressor for the F- system and a 9.5 cc compressor for the R-system. During steady-state cooling, the evaporating temperature of the F-evaporator was intentionally increased from −28 °C to −25 °C, and that of the R-evaporator from −12 °C to −8 °C to improve COP. Experimental results showed that the dual-loop system reduced total energy consumption by approximately 10 % compared to the baseline system, with a 12 % reduction in the F- system and a 2.8 % reduction in the R-system.
The limited improvement in the R-system was attributed to the oversized 9.5 cc compressor, whose optimal displacement was calculated to be 5.5 cc. To address this mismatch, a mechanically modified 6.0 cc prototype compressor was applied, resulting in a 9.6 % improvement in R-system energy efficiency and an additional 4.1 % reduction in total refrigerator energy consumption.
In conclusion, this study experimentally demonstrates that the dual-loop refrigeration architecture offers significant potential for energy reduction while maintaining acceptable cooling performance in household refrigerators. Furthermore, the findings indicate that additional improvements may be achieved through thermodynamic optimization of system components, including condenser geometry, mechanical-room layout, and compressor efficiency enhancement. Future work will expand on these results to develop a more economically optimized and highly efficient dual-loop refrigerator platform.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 선행 연구 4
• 1.3 연구 목적 7
• 2. 이론적 검증 14
• 3. 실험장치 및 방법
• 3.1 가정용 냉장고 실험장치 19
• 3.2 성능평가 측정장치
• 3.2.1 가정용 냉장고 성능평가 측정 29
• 3.2.2 리니어 압축기 성능평가 측정 31
• 4. 듀얼루프 시스템 냉장고의 부품사양 선정 4.1 증발기 설계 39
• 4.2 리니어 압축기 44
• 4.3 듀얼루프 시스템 냉장고의 기계실 설계 4.3.1 응축기 설계 51
• 4.3.2 기계실 유동 설계 53
• 4.3.3 듀얼루프 시스템의 방열성능 54
• 4.4 듀얼루프 시스템 냉장고의 R-Capi. 선정 4.4.1 이론적 검토 61
• 4.4.2 실험 결과 63
• 4.5 듀얼루프 시스템 냉장고의 냉매 충전량 선정 67
• 4.6 듀얼루프 시스템 운전 제어전략 75
• 5. 냉장고 성능실험 및 비교분석
• 5.1 Baseline 냉장고 성능실험 80
• 5.2 듀얼루프 시스템 냉장고 성능실험 81
• 5.3 듀얼루프 시스템 냉장고의 추가적인 에너지 절감 88
• 6. R-Comp 재설계 및 성능평가
• 6.1 R-Comp 용 리니어 압축기 재설계 91
• 6.2 듀얼루프 시스템 냉장고 성능실험 92
• 7. 결 론 및 향후 과제 7.1 결 론 100
• 7.2 향후 과제 102
• Appendix 103
• References 104
• Abstract 108