로터리 압축기

왜 배우는가: 로터리 압축기는 가정용 냉장고와 소형 룸에어컨, 패키지 에어컨 등 소형 냉동공조 시스템의 핵심 압축기다. 왕복동식보다 부품이 적고 진동과 소음이 작아서 소형 기기에 널리 쓰인다. 종류와 특징, 왕복동식과의 비교는 여러 회차에서 반복해 출제되는 주제다.

출제 이력: 제123회 2교시 4번, 제92회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

로터리 압축기는 회전하는 로터와 베인(롤링 피스톤)으로 흡입 가스를 밀폐 공간에 가두어 체적을 연속적으로 줄여 압축하는 회전식 용적형 압축기이다.

핵심 키워드

• 회전식 용적형 압축기
• 롤링 피스톤
• 베인
• 편심 실린더
• 흡입·압축·토출 연속 작동
• 소형 냉동공조 시스템
• 왕복동식 압축기 비교

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 피스톤을 위아래로 밀어 올리는 대신 원통 안에서 돌아가는 부품이 가스를 밀어 압축하는 기계다. 왕복 운동이 없으므로 구조가 단순하고 진동이 적다.

정식 정의는 다음과 같다. 로터리 압축기(Rotary Compressor)는 편심 실린더(eccentric cylinder) 안에서 회전하는 롤링 피스톤(rolling piston)이 흡입 가스를 가두고 그 체적을 줄여 압축하는 압축기다. 이 방식은 회전식 용적형 압축기(positive displacement rotary compressor)에 속한다. 가스를 일정량씩 가두어 압축하므로 용적형으로 분류된다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 롤링 피스톤은 로터 바깥 면을 따라 굴러 움직이며 흡입 쪽과 토출 쪽을 나누는 칸막이 역할을 한다. 베인은 실린더 벽에 붙어 있으며, 롤링 피스톤과 접촉해 가스가 역류하지 않도록 막는다. 베인은 스프링이나 가스 압력으로 롤링 피스톤에 밀착된다.

작동 원리는 다음과 같다. 편심 때문에 롤링 피스톤과 실린더 내벽 사이의 공간은 회전에 따라 커졌다 작아진다. 공간이 가장 커지는 순간 흡입 포트로 가스가 들어온다. 회전이 진행되어 공간이 줄면 가스가 압축된다. 압력이 토출 밸브의 개방 압력에 이르면 토출 밸브가 열려 고압 가스를 내보낸다. 흡입, 압축, 토출이 한 회전 안에서 연속으로 일어나므로 가스 흐름의 맥동이 작다.

로터리 압축기는 설계 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다. 대표적으로 롤링 피스톤식, 회전 베인식, 스크류식이 있다. 소형 냉동공조에서는 주로 롤링 피스톤식과 회전 베인식이 쓰인다. 스크류식은 대용량 장비에 쓰인다. 이 구분은 3교시 문항의 '종류'를 답할 때 그대로 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

왕복동식 압축기는 오랫동안 냉동공조의 기본 압축기였다. 그러나 크랭크 기구, 피스톤 링, 흡입·토출 밸브가 많아 부품 수가 많다. 피스톤의 왕복 운동은 관성력을 만들어 진동과 소음의 원인이 된다. 소형 냉방기와 가정용 냉장고에서는 설치 공간과 소음이 중요한 설계 조건이다. 이 때문에 회전 운동만으로 압축하는 방식이 소형 기기에 필요해졌다.

회전식 압축기는 운동 방향이 한 방향으로 계속 이어진다. 흡입과 토출이 한 회전 안에서 이루어지므로 가스 흐름이 연속적이다. 가스 맥동이 작아 배관 진동과 소음이 줄어든다. 부품 수가 적어 조립이 쉽고 제조 원가를 낮출 수 있다. 소형 기기에서 이 장점은 더욱 크게 작용한다.

회전식 압축기의 또 다른 배경은 밀폐형 구조다. 로터리 압축기는 전동기와 압축기를 같은 축과 같은 케이싱에 넣은 밀폐형으로 많이 만든다. 케이싱이 완전히 밀폐되어 축 실이 없으므로 냉매 누설 경로가 줄어든다. 소음도 케이싱 안에서 감쇠된다. 대신 현장에서 분해 수리가 어려운 단점이 있어 소형 기기에 주로 적용된다.

스크류 형식도 같은 연속 흐름 특성을 가진다. 스크류 형식은 1930년대에 고용량과 안정적인 유량이 필요한 조건에서 개발되었다. 그 뒤 압축기 기술이 발전하면서 소형 냉방용 롤링 피스톤식과 회전 베인식이 보급되었다. 이 흐름이 로터리 압축기가 소형 냉동공조 시스템의 주력이 된 배경이다.

결국 로터리 압축기의 필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 소형 기기에 맞는 작은 크기와 가벼운 구조가 필요하다. 둘째, 소음과 진동을 줄이는 연속 흐름이 필요하다. 셋째, 밀폐형 구조로 냉매 누설과 유지관리 부담을 줄여야 한다. 이 세 조건이 맞물리면서 로터리 압축기가 소형 냉동공조의 표준 압축기로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

로터리 압축기는 편심 회전자(롤링 피스톤 또는 로터)가 실린더 내벽을 따라 구르면서 흡입된 냉매 가스를 밀폐 공간에 가두고 체적을 줄여 압축하는 용적형 압축기다. 왕복동식처럼 피스톤이 직선으로 왕복하지 않으므로 운동 방향이 바뀌는 부분이 적다. 흡입, 압축, 토출이 회전 한 바퀴 안에서 연속으로 일어난다.

롤러가 실린더 내벽을 따라 구르며 압축실 체적을 줄이는 것이 로터리 압축기의 원리다

구성요소는 다음과 같다.

롤링 피스톤형에서 롤러는 베인과 함께 압축실을 두 개의 공간으로 나눈다. 한쪽 공간은 흡입 가스로 채워지고, 다른 쪽 공간은 롤러가 밀어 올리며 압축된다. 베인은 실린더에 고정되어 있고 스프링으로 롤러 쪽에 밀착된다. 이 밀착이 흡입 측과 토출 측의 밀봉을 유지한다.

회전자와 실린더 사이에는 미세한 간극이 필요하다. 이 간극을 통한 고압 가스의 누설은 체적효율을 떨어뜨린다. 따라서 간극 관리와 윤활유 공급이 로터리 압축기 설계의 핵심 쟁점이 된다.

압축 과정은 다음 순서로 진행된다.

• 편심축이 회전하면 롤러가 실린더 내벽을 따라 구른다.
• 롤러가 흡입구를 지나면서 저압 냉매 가스가 흡입 쪽 공간으로 들어온다.
• 롤러와 베인 사이 압축실 체적이 줄어들면서 가스 압력이 올라간다.
• 압력이 토출 압력에 도달하면 토출밸브가 열려 고압 가스를 배출한다.

이론 토출량은 행정체적으로 구한다. 롤러 외경 반지름을 r, 실린더 내경 반지름을 R, 높이를 L, 회전수를 N이라 하면 다음과 같다.

$V_{th}=\pi\,(R^{2}-r^{2})\,L\,N$

여기서 V_th는 이론 토출량(㎥/s), R은 실린더 내경 반지름(m), r은 롤러 외경 반지름(m), L은 실린더 높이(m), N은 회전수(rev/s)다. 실제 냉매 유량은 체적효율을 곱하여 구한다.

$\dot{m}=\eta_{v}\,\rho\,V_{th}$

여기서 ṁ은 질량유량(kg/s), η_v는 체적효율(-), ρ는 흡입 가스 밀도(kg/㎥)다.

계산 예제는 다음과 같다. 주어진 값은 R=0.03m, r=0.025m, L=0.02m, N=50rev/s다. R²−r²=0.0009−0.000625=0.000275㎡이다. 이를 대입하면 V_th=π×0.000275×0.02×50=8.64×10⁻⁴㎥/s이다. 단위를 환산하면 0.864L/s, 약 51.8L/min이다. 소형 냉동기 압축기의 행정체적 크기로 상식 범위에 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

로터리 압축기 자체를 직접 정한 법령 조문은 제한적이다. 실무에서는 압축기와 냉동 설비를 대상으로 한 안전 법규, 제품 성능 시험 규격, 에너지 효율 관리 제도를 함께 적용한다. 설계 기준값은 제조사 선정 기준과 설계 기준서에 따라 정한다.