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LG전자, 에어포일 베어링 무급유 압축기 개발

소음·유지비용 낮춘 고효율 인버터 터보냉동기 출시

터보냉동기는 일반적으로 스크류, 스크롤 냉동기에 비해 용량이 크고 효율이 높아 대형 건물공조와 산업현장 공정냉각을 위해 주로 사용되고 있다. 그러나 소용량이 필요한 현장에서는 터보압축기 제작이 어렵고 중·대형에 비해 효율이 낮아 거의 적용되지 않는 것이 현실이다.

초기 터보냉동기 구매 시 주로 가격, 성능, 효율을 고려하기 때문에 가격이 저렴하면서도 성능이 좋고 효율이 높은 제품은 누구에게나 최우선 구매 조건이 된다. 또한 운영측면에서는 기기의 지속적인 효율 유지와 제품수명 연장을 위한 주기적인 오버홀 등과 같은 유지보수 비용도 중요한 요소이다. 

터보냉동기는 전기모터의 회전력을 이용해 냉매를 압축하는 전기구동방식을 채택하고 있고 회전체의 마찰을 줄이기 위해 윤활유를 사용하고 있다. 윤활유는 수명이 있어 일정주기마다 교체해야 하며 그렇지 않으면 불순물이 섞이고 점도가 낮아져 오일로 인해 회전체가 비정상적으로 마모돼 냉동기 성능 및 수명이 저하될 수 있다. 이에 따라 운영자는 평상시 터보냉동기의 안정성에 중요한 요인인 윤활유의 적정 순환량, 온도 및 점도 관리가 필요하며 일정 운전시간 경과 이후 성능 유지를 위해 정비계획을 수립해 관리하고 있다.   

LG전자에서는 터보냉동기에서 중요한 요소인 윤활유에 대해 새로운 방식으로 접근해 윤활유가 필요 없는 혁신적인 무급유 압축기를 개발했다. 무급유 압축기가 적용된 터보냉동기는 윤활유 교체 및 유지관리비용이 발생하지 않는다. 또한 냉동기 내 오일공급 계통인 오일펌프, 오일필터 드라이어, 스트레이너 등이 불필요해 구조적으로 단순화시킬 수 있어 냉동기 고장 원인을 줄일 수 있다.  

LG전자에서는 기존 수입산 무급유 압축기에 적용된 볼베어링이나 저널베어링 대신 에어포일 베어링을 적용해 축과 베어링이 접촉없이 회전할 수 있도록 압축기를 설계했다. 축이 접촉하지 않고 회전하기 때문에 소음이 적고 마모가 줄어들어 수명이 길어진다. 또한 인버터를 적용해 정속 제품에 비해 부분부하효율이 매우 우수하다. 

대부분의 상업, 산업시설은 여름철 피크시즌을 제외하면 부분부하 운전을 하기 때문에 부분부하효율이 우수한 제품을 사용하면 전기요금을 크게 절감할 수 있다. LG전자는 독자적인 에어포일 베어링 기술을 이용해 무급유 압축기를 개발해 외산대비 효율 및 유지보수 측면에서 더 우수한 경쟁력을 확보했다. 
 
세계 최고 수준의 에너지효율 달성
  
무급유 터보냉동기 시장은 마그네틱 베어링과 LG전자에서 개발한 에어포일 베어링 무급유 압축기로 형성돼 있다. 마그네틱 베어링은 축의 위치를 실시간 감지해 고속 제어를 하는 다소 복잡한 센서 및 제어기술이 적용된 것이다. 이에 반해 에어포일 베어링은 산업용 공기압축기·블로워, 고온 고압에서 운전되는 소형 가스터빈, 전투기·항공기의 공기순환장치 등 하이테크분야에 사용되고 있는 기술이다.
 
LG전자에서는 수 십 년간 쌓아온 터보압축기 설계 노하우로 세계 최초의 ‘에어포일 베어링 기술을 적용한 무급유 터보냉동기’를 개발했으며 이 기술로 3건의 특허등록과 2건의 특허출원 중이다.

LG전자의 관계자는 “이번에 개발한 무급유 터보냉동기 기술은 기존 마그네틱 베어링과 비교했을 때 전자기장이 아닌 냉매를 활용해 축을 부상시키기 때문에 구조가 단순하고 별도의 주변장치가 필요하지 않다”라며 “제어가 편리하며 높은 신뢰성을 보장할 수 있다”고 강조했다. 

에어포일 베어링은 슬리브(sleeve)와 다수의 리프포일(Leaf foil)로 구성돼 있다. 에어포일 베어링은 정지상태에서 다수의 리프포일이 모터 축을 지지하고 있으며 리프포일은 시동·정지 시 축과 접촉하게 된다. 모터 축이 회전하게 되면 축과 포일 사이에 냉매 가스층이 형성돼 무접촉 회전이 이뤄지게 된다. 모터 축이 고속 회전하게 되면 축과 베어링 사이의 에어갭이 안정적으로 형성되고 회전 속도가 더 올라가게 되면 에어갭 압력이 상승해 축 지지력을 향상시켜 마찰이 없는 고효율 압축기를 구현하게 된다. 이러한 기술적 우위를 바탕으로 세계 최고의 에너지효율과 신뢰성을 확보할 수 있는 제품이 개발된 것이다.

2단 압축·팽창사이클, 3레벨 인버터 및 고효율 터보압축기 적용으로 100RT급 기준, 세계 최고 수준의 정격효율(COP) 6.4, 종합부분부하효율(IPLV) 11.3(AHRI기준)을 달성했다. 기존 정속 스크류 냉동기와 비교해 무려 113% 이상 높은 부분부하효율을 자랑하며 29.3%의 연간 운전비 절감효과를 거둘 수 있다. 

특히 낮은 소음은 LG전자의 무급유 인버터 터보냉동기의 또 다른 장점이다. 일반적인 터보냉동기가 89dB(A)의 소음인 반면 무급유 인버터 터보냉동기는 74dB(A)로 기존 터보냉동기 대비 15dB(A)을 줄였다. 또한 일반 터보냉동기는 회전수를 조절하기 위해 증속 기어를 사용함으로써 기어 마찰소음이 발생하는 반면 무급유 인버터 터보냉동기는 고속 직결구동방식을 적용해 기어 마찰 같은 소음원인을 제거했다. 특히 저부하 시 효율향상과 서징 방지를 위해 적용된 가변 디퓨저로 냉매량을 조절하기 때문에 냉매 순환 소음이 더욱 저감되는 효과를 얻을 수 있다.

신기술(NET) 인증 받은 무급유 하이테크 기술
  
LG전자의 관계자는 “무급유 인버터 터보냉동기를 통해 LG전자의 터보냉동기 기술은 한층 더 발전할 수 있었다”라며 “효율성, 경제성, 신뢰성을 두루 갖춘 무급유 인버터 터보냉동기는 세계 최고 수준의 효율과 특허 취득으로 기술력을 검증 받았다”고 강조했다. 

실제로 LG전자만의 무급유 하이테크 기술은 2016년 대한민국 신기술(NET) 인증을 취득하며 정부로부터 기술력을 인정받는 쾌거도 이룩했다. 

LG전자의 관계자는 “친환경 냉매 적용과 우수한 효율로 친환경 빌딩 공조 시스템 구축이 용이하며 소음이 작기 때문에 도서관, 병원에 적합하다”라며 “정밀한 온도제어로 화학플랜트, 제약공장 등 정밀 공정분야 곳곳에서도 활용될 것이며 앞으로 대형 터보냉동기 시장까지 확대될 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.