베인-롤러 결합형 가변속 압축기 개발 및 이를 이용한 열펌프 시스템의 성능에 관한 실험적 연구 = An Experimental Study on the Development of a Vane-Roller Combined VariableSpeed Compressor and the Performance of a Heat Pump System Using It

국문 초록 (Abstract)

지구 온난화로 인한 기온상승과 기후변화, 그리고 생활과 주거공간의 수준 향상은 쾌적한 실내 환경에 대한 요구로 이어지고 있다. 이에 따라 온도, 습도, 기류를 정밀하게 제어하고 실내/외 부하 변동에 신속하고 정확하게 대응할 수 있는 인버터 에어컨의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 그러나 에어컨은 전력 소비가 큰 제품으로, 최소한의 전력으로 성능을 극대화하면서 실내 쾌적성을 유지할 수 있는 고효율 제품의 개발이 꾸준히 요구된다. 가정용 에어컨에 널리 적용되는 베인-롤러 분리형 로터리 인버터 압축기는, 건물 부하가 낮은 환경에서 저속 운전 시 실린더 내부의 흡입실과 압축실간 압력비가 낮아지는 문제가 있다. 그 결과 롤러와 선접촉 미끄럼 운동을 하는 베인 선단이 편심 회전 운동하는 롤러 표면과 떨어졌다, 붙었다를 반복하고, 이과정에서 압축실의 냉매가 흡입실로 누설되어 성능이 급격하게 저하된다.
이때, 베인 점핑으로 불리는 충격 소음이 롤러의 회전수에 비례하여 발생하게 된다.
에어컨 사용 시간이 증가함에 따라 저부하 운전 비중이 높아지면서 저속 운전의 중요성은 더욱 높아지고 있다. 그럼에도 제조사들은 베인 점핑을 회피하기 위해 특정 속도 이하의 운전을 로직으로 제한하는 방식을 사용해 왔다. 이때 허용 가능한 최소 회전수는 냉매·오일의 종류, 냉매 유량, 부품 조합, 사이클 설계 등에 따라 달라지므로, 개발 단계에서 제한 영역을 최대한 저속으로 확장하기 위한 사이클 최적화와, 점핑 발생을 방지하는 회전수 제한 로직의 적절성 검증이 반복적으로 필요하다. 이러한 절차는 시간과 비용을 크게 증가시키지만, 다양한 글로벌 사용 조건과 이상 운전 상황을 모두 반영해 검증하기 어렵기 때문에 실제 필드에서는 여전히 점핑에 기인한 이상 소음으로 클레임이 발생하고 있다. 특히 효율 향상 때문에 운전 영역 확장이 불가피한 제조사의 경우, 최소 회전수를 제한하는 것만으로는 근본적인 해결이 어렵다는 한계가 존재한다.
본 연구는 이러한 구조적 한계를 해결하기 위해 베인과 롤러를 힌지로 결합하여, 베인이 롤러와 면접촉 구름 운동을 수행하도록 하는 새로운 베인–롤러 힌지 결합형 로터리 압축기를 제안하였다. 이 구조는 저속 운전 구간에서도 냉매 누설을 구조적으로 차단하므로, 별도의 로직 제한 없이 압축기가 보증하는 최저 운전 회전수（5 Hz）까지 안정적으로 사용이 가능하다. 그 결과, 개발 단계에서 요구되던 다수의 저속 검증 실험과 반복 튜닝을 대폭 축소하여 시간과 비용을 절감할 수 있으며, 다양한 필드 조건에서 발생하는 베인 점핑 소음 문제를 근원적으로 해소할 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 저속 운전 영역의 확장으로 냉방 기간 에너지 효율（CSPF）을 약 3~5% 개선하여 전기요금 부담을 낮출 수 있다. 또한 기존 시스템이 저부하에 적절히 대응하지 못해 빈번하게 발생하던 thermal on/off 운전이 해소되어, 장시간 사용에도 실내 온열 쾌적성을 안정적으로 유지할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global warming–driven temperature rise and climate change, together with higher standards of living and housing, have heightened demand for comfortable indoor environments. Consequently, demand for inverter-driven air conditioners—capable of precise control of temperature, humidity, and airflow and of responding quickly and accurately to indoor and outdoor load fluctuations-has continued to grow. However, air conditioning is a product that consumes a lot of power, there is a persistent demand for high-efficiency models that maximize performance while maintaining indoor comfort with minimal power consumption. The vane-roller separable rotary inverter compressor, which is widely applied to household air conditioners, has a problem of lowering the pressure ratio between the suction chamber and the compression chamber inside the cylinder when operating at low speeds in an environment with low building load. As a result, the vane tip, which maintains line-contact sliding with the roller, repeatedly separates from and recontacts the surface of the eccentrically rotating roller. During this process, refrigerant leaks from the compression chamber back into the suction chamber, leading to an abrupt drop in performance. At the same time, impact noise known as “vane jumping” occurs, with its intensity scaling with the roller’s rotational speed. As air-conditioner usage increases, the proportion of operation at low load grows, making low-speed operation ever more important. Nevertheless, manufacturers have traditionally limited operation below certain speeds via control logic to avoid vane jumping. The allowable minimum speed depends on factors such as the refrigerant and oil types, refrigerant flow rate, component combinations, and cycle design. In the development stage, cycle optimization to expand the restricted area to as low a speed as possible and verification of the appropriateness of the rotation speed limit logic to prevent jumping are repeatedly required. These procedures significantly increase development time and cost, yet it remains difficult to test every global usage condition and off-nominal scenario; consequently, field complaints caused by jumping-related abnormal noise still occur. For manufacturers that must widen the operating range to improve efficiency, limiting the minimum rotational speed alone cannot provide a fundamental solution. To overcome this structural limitation, this study proposes a new vane–roller hinge-coupled rotary compressor in which the vane is hinged to the roller to realize rolling, surface-contact motion. This configuration structurally blocks refrigerant leakage even in the low-speed region, enabling stable operation down to the compressor’s guaranteed minimum operation frequency （5 Hz） without additional logic limitations. As a result, the number of low-speed verification tests and iterative tuning steps required during development can be drastically reduced, saving both time and cost, while fundamentally eliminating vane-jumping noise under diverse field conditions. Furthermore, expanding the low-speed operating region improves the Cooling Seasonal Performance Factor （CSPF） by approximately 3–5%, thereby reducing electricity costs. It also suppresses the frequent thermal on/off cycling that conventional systems exhibit under small loads, enabling stable maintenance of thermal comfort during extended operation.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 선행 연구 12
• 1.3 연구 목적 24
• 제 2장 이론적 배경 30
• 2.1 베인-롤러 분리형 로터리 압축기 31
• 2.2 베인-롤러 분리형 로터리 압축기의 이상거동 38
• 2.2.1 베인 점핑 현상 38
• 2.2.2 점핑 현상 발생 메커니즘 45
• 2.3 시스템 에너지 효율 (EER/CSPF) 48
• 2.4 열적 쾌적성 59
• 제 3장 베인-롤러 결합형 압축기 설계 65
• 3.1 힌지 결합 베인-롤러 형상 설계 65
• 3.2 힌지 결합 베인-롤러 신뢰성 검증 74
• 3.2.1 힌지 결합부 베인 신뢰성 74
• 3.2.2 힌지 결합부 롤러 신뢰성 78
• 3.2.3 압축기 신뢰성 검증 81
• 제 4장 실험장치 및 방법 89
• 4.1 장치 및 세부사양 89
• 4.2 성능/에너지 효율 평가 94
• 4.3 열적 쾌적성 평가 97
• 4.4 소음/진동 평가 103
• 제 5장 실험 결과 및 고찰 108
• 5.1 성능/에너지 효율 110
• 5.1.1 압축기 성능/효율 110
• 5.1.2 제품 성능/효율 (EER/CSPF) 116
• 5.2 열적 쾌적성 128
• 5.3 소음/진동 140
• 제 6장 결론 및 향후 연구과제 168
• 6.1 결론 168
• 6.2 향후 연구과제 171
• 참고 문헌 172
• ABSTRACT 178