대한설비공학회(회장 송두삼)은 6월18일부터 20일까지 용평리조트에서 열린 2025년 하계학술대회에서 ‘콜드체인부문위원회’ 특별세션을 개최해 정온유지를 위한 시스템 및 냉매활용에 대한 다양한 연구를 공유했다.

 

세션은 △열부하조건에 따른 항온챔버의 기초 성능연구(허민수 국립한밭대학교 대학원 기계공학과 회원) △신선식품 택배배송에서 식품 품온 예측모델 개발 및 품온유지를 위한 변수 분석연구(이시은 서울시립대학교 기계정보공학과 회원) △CO₂혼합냉매를 이용한 -60℃ 초저온 줄-톰슨냉동기에 대한 실험적 연구(박상찬 국립부경대학교 냉동공조공학전공 회원) △자연냉열 저장용 분리형 히트파이프시스템의 기초연구(고아현 한국에너지기술연구원 책임연구원) △에이코산기반 나노에멀젼 상변화물질의 열거동에 미치는 영향(Tsogtbilegt Boldoo(초그트빌레그트 볼두) 조선대학교 기계공학과 회원) △PCM캡슐을 활용한 축열조연구(황준한 서울시립대학교 기계정보공학과 회원) 등의 순서로 진행됐다.

 

E과소비 항온챔버 소비전력 연구
항온챔버는 저온·고온환경을 구현할 수 있는 장비로 반도체 및 전자기기의 소형·고성능화가 가속화되면서 중요성이 점점 커지고 있다. 항온챔버는 다양한 설정온도를 구현하기 위해 전기히터와 증기압축식 냉동기가 설치돼 열부하제거 및 정밀온도 환경을 제공한다. 주로 열 신뢰성 평가를 위해 반도체공정 마지막 단계에서 사용되고 있다.

 

허민수 국립한밭대학교 회원은 “현재 항온챔버에 설치된 냉동기와 전기히터에서 많은 에너지가 소비되고 있으며 반도체메모리 등의 전기전자기계에 열부하가 발생되면 항온챔버의 소비전력이 저감돼 이러한 소비전력 변화에 대한 연구가 필요하다”라며 “하지만 기존 항온챔버에 관한 연구는 주로 설정온도 구현 및 안정성에 대해서만 수행됐으며 챔버 내 온도구현과 에너지소비량 변화에 대한 연구성과는 전무해 이번 연구를 진행하게 됐다”고 말했다.

 

항온챔버는 반도체등 전기전자기기가 설치되는 △챔버공간 △온도제어용 전기히터 △증기압축식 냉동기 △팬 등으로 구성된다.

 

연구는 -10~80℃까지의 설정온도 범위에서 최대 2.5kW의 열부하를 0~2.5kW 범위에서 총 4단계를 설정·적용해 수행됐다. 냉동사이클의 최적운전을 위해 전자팽창밸브(EEV)는 과열도 (Superheat) 자동제어방식으로 운전했다. 압축기 안전성 확보를 위해 과열도는 5℃ 이상, 압축기 토출온도는 105℃ 이하로 제한했다.

 

결과적으로 냉동기의 과열도가 증가하면 전자팽창밸브(EEV)의 개도율이 줄어들어 냉매유량 감소, 냉방용량과 전기히터 출력도 동시에 감소해 총 소비전력이 떨어지는 경향을 보였다.

 

열부하가 증가하면 증발기에서 제거해야하는 열량이 증가해 냉방기 냉동기용량은 상승했지만 증가하는 냉방용량은 열부하자체보다 상대적으로 작아서 전기히터 사용량은 더 큰 폭으로 감소했다. 이 때문에 총 전력소비는 오히려 감소하는 역전현상도 확인할 수 있었다.

 

다만 60℃ 이상 고온에서는 단일 냉동사이클방식으로는 설정온도구현이 어려우며 압축기 토출온도가 급격히 상승할 위험이 있어 시스템 안정성 확보를 위한 바이패스 사이클 도입이 필요한 결과도 찾을 수 있었다.

 

허 회원 “이번 실험결과는 반도체용 항온챔버의 실질적인 운전효율 개선 및 냉방·난방의 균형을 잡을 수 있는 기초자료가 될 것”이라며 “항온챔버는 80℃ 등 60℃ 이상 고온 조건에서도 구현이 가능해야돼 고온의 설정온도 구현을 위해 싱글사이클이 아닌 바이패스를 사용한 사이클을 사용해 냉동기용량과 압축기 토출온도를 줄이는 방식을 도입해 향후 과제를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

 

콜드체인 고도화위한 보냉제 최적수량 연구필요
콜드체인 택배시스템은 일정한 온도를 유지해 운송하며 식품신선도와 품질저하를 방지하는 물류방식이다. 최근 신선식품 배송서비스 수요가 급격히 증가하고 있으나 배송식품 특성이나 양에 맞는 적정 보냉재 투입기준이 정립되지 않아 냉매 부족에 의한 품질저하 또는 과다 사용으로 인한 비용·자원 낭비가 발생할 수 있다.

 

이시은 서울시립대 회원은 “최근 신선식품 배송에 대한 수요는 증가하고 있지만 콜드체인 배송과정의 열환경 및 시스템운영에 대한 연구는 여전히 부족하며 기존 연구는 주로 포장재 성능 개선, 유통 단계별 온도 모니터링 및 탄소·에너지소비분석 등으로 진행돼 와 실제 배송 중 식품 품온변화나 식품특성에 따른 적정 냉매량 결정에 대한 연구가 필요한 상황”이라며 “이번 연구에서는 콜드체인 택배 배송과정에서 냉매량·외기온도·시간에 따른 내부공기 및 식품온도변화를 예측하는 기술을 개발하며 최적의 포장시스템 설계를 위한 기초자료를 마련하고자 했다”고 설명했다.

 

신선식품 택배배송에서 식품 품온 예측모델 개발 및 품온유지를 위한 변수 분석연구에서는 아이스팩을 냉매로, 생수병을 식품모사체로 설정해 아이스팩 및 생수병 개수, 외부온도 변화에 따른 품온 예측모델을 구했다.

 

우선 4가지의 열전달 방정식을 이용한 수치해석 모델링을 진행했다. △물, 내부공기 사이의 대류 열전달 △내부공기, 아이스팩 사이의 대류 열전달 △스티로폼 박스에서 내부로의 전도 열전달 △열침입 등이다. 이후 물체의 내부온도가 시간에 따라 변하긴 하지만 공간적으로는 균일하다고 가정하는 모델인 ‘럼프 캐퍼시스턴스(Lumped capacitance)’모델을 채택해 연구를 진행했다.

 

이 모델의 실험은 외부환경 영향을 배제한 챔버실험 3회와 실제 택배배송환경에서 진행된 현장 실험 2회로 구분해 실시했다. 그 결과 예측값과 실측값 사이의 평균 절대오차(MAE)는 대부분 5% 이내로 나타났다. 현장 실험결과를 수치 모델과 비교함으로써 모델의 실제 환경적용 가능성과 예측 정확성을 평가했다.

 

특히 냉매로 사용된 아이스팩 수량이 품온유지에 가장 결정적인 변수로 작용하는 것을 확인할 수 있었다. 아이스팩을 5개 이상 사용 시에는 냉각 지속시간이 비선형적으로 급격히 증가했다. 또한 초기 아이스팩 온도가 낮을수록 냉각효과가 오래 지속되는 것을 확인할 수 있었는데 이는 초기 온도가 낮을수록 잠열 흡수과정이 더 길어져 아이스팩이 오랜 시간 동안 0℃ 근처의 안정적인 냉각효과를 유지할 수 있기 때문으로 해석된다.

 

이 회원은 “결과적으로 냉각지속시간에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 아이스팩 수량이었으며 특히 아이스팩 수량이 일정수준 이상 증가할 경우 냉각성능 향상효과가 급격히 커지는 임계구간이 존재하는 것을 확인했다”라며 “이는 단순히 아이스팩수량을 늘리는 것만으로는 냉각지속시간이 선형적으로 증가하지 않음을 의미하기에 과잉포장에 따른 자원낭비를 방지하기 위해 최적 수량산출이 필요함을 다시 한 번 인지할 수 있었다”고 설명했다.

 

이어 “효율적인 냉장포장설계를 위해서는 단순히 아이스팩 수를 늘리는 것이 아니라 냉각조건을 최적화하는 것이 중요하다는 것이 밝혀졌다”라며 “향후 식품모사를 생수에서 실제 식재료인 소고기로 확장해 배송시간도 최대 48시간까지 늘려 실험을 진행하며 적용가능성을 확대할 계획”이라고 밝혔다.

 

초저온 저장고 CO₂냉매 활용가능성 확인
초저온 냉동기는 △반도체 공정 △식품 급속동결 △저온저장 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있다. 글로벌 초저온 냉동기 시장은 2025년에 약 8억2,000만달러에 달할 것으로 평가되며 2032년까지 연평균 6.5% 성장할 것으로 전망되고 있다.

 

박상찬 부경대학교 회원은 ‘CO₂혼합냉매를 이용한 -60℃ 초저온 줄-톰슨 냉동기에 대한 실험적 연구’를 주제로 최근 이슈가 되고 있는 냉매전환의 실질적 방향에 대한 연구를 발표했다.

 

현재 일반적으로 -60℃ 이하 초저온 저장고로는 혼합냉매를 사용한 줄-톰슨 냉동기가 적용되고 있다. 그런데 줄-톰슨 냉동기는 HFC계열 냉매를 작동유체로 삼는다.

 

박 회원은 “줄-톰슨 냉동기에 사용되는 혼합냉매는 높은 GWP로 인해 규제를 받기 시작했으며 이에 대한 대체냉매의 개발이 필요한 상황으로 저온분야에선 HFC냉매를 대체하기위한 대안으로 CO₂가 주목받고 있다”라며 “CO₂는 낮은 ODP, GWP를 가지고 있지만 다른 냉매에 비해 높은 삼중점으로 인해 삼중점 이하 온도에서는 액체상태로 존재할 수 없어 작동유체로 사용이 곤란하다는 단점도 갖고 있다”고 말했다.

 

이어 “이번에 진행한 연구에선 삼중점 이하의 온도에서 CO₂의 적용가능성을 판단하기 위해 CO₂기반 혼합냉매에 대한 기초실험을 수행했다”라며 “삼중점 이하 온도에서 CO₂의 동결을 방지하기 위해 CO₂를 용해시킬 수 있는 냉매들을 함께 사용했으며 CO₂혼합물이 기존에 사용되던 HFC기반 냉매를 대체할 수 있는지 여부를 검토하고자 했다”고 연구목적를 밝혔다.

 

실험은 냉각수펌프를 기동해 응축기에 냉각수를 공급한 뒤 압축기를 기동하는 것으로 시작한다. 초기 기동 시 발생하는 고압을 완화하기 위해 팽창탱크와 팽창밸브를 모두 연 상태에서 압축기를 기동하며 이후 팽창탱크의 입출구 밸브와 팽창밸브의 개도를 조절해 원하는 운전압력을 유지한다. 증발기 온도가 목표온도에 도달하면 히터에 전력을, 시스템에 부하를 인가해 냉각능력을 측정했다.

 

작동유체 선정을 위해서는 상온에서부터 목표온도까지 연속적인 온도 강하를 얻기 위해 다양한 냉매들에 대한 줄-톰슨 계수와 등온 엔탈피차를 비교했다. 최종적으로 △R1234yf △R32 △CO₂ △R14의 혼합냉매를 작동유체로 선정했다.

 

나아가 혼합냉매 최적화 알고리즘인 유전알고리즘을 통해 시스템의 COP가 최대가 되는 조성비를 도출했다. 다목적 최적화는 Weight-sum method를 사용했으며 최적화의 목적함수는 COP와 GWP로 설정했다. 다양한 가중치에서 COP를 최대한 높게 유지하면서 GWP를 높게 유지할 수 있도록 최적화를 수행했다.

 

박 회원은 “CO₂의 환경성과 성능 사이에서 균형을 맞추는 데 가장 큰 중점을 뒀으며 실험을 통해 특정혼합비에서 고성능 운전이 가능함을 확인했다”라며 “향후 실증단계를 통해 바이오·냉동·초저온물류 등으로 산업적용사례를 확대할 수 있을 것”이라고 설명했다.

 

탄소중립위한 E집열기술 기초연구 진행
고아현 에너지기술연구원 에너지효율연구본부 책임연구원은 ‘자연 냉열 저장용 분리형 히트파이프 시스템의 기초 연구’를 주제로 최근 탄소중립 이슈로 각광받고 있는 에너지집열기술에 대해 발표했다.

 

연구에서는 겨울철 외기상태를 모사해 자연냉열을 집열할 수 있는 분리형 히트파이프를 설계·제작해 다양한 외기조건에서 증발기부분의 얼음생성 및 발달을 가시화하고 관찰했다.

 

실험장치는 분리형 히트파이프 시스템은 응축기와 증발기 그리고 이를 이어주는 연결부위로 구성된다. 응축기는 겨울철 외기 온도가 모사되는 항온챔버 내부에 탑재돼 있으며 바람을 모사하기 위하여 블로워도 설치돼 있다. 증발기는 수조에 담겨 있으며 칠러에 의한 물의 유량에 의해 수조 안의 물은 일정한 온도로 유지된다.

 

응축기와 증발기의 연결부위는 최대한 단열된 파이프로 연결된다. 얼음의 생성 및 성장을 촬영하며 응축기, 증발기, 수조에 온도계를 위치해 온도를 측정했다. 냉매는 R134a를 사용했다.

 

고 책임연구원은 “겨울철 외기온도 모사가 가능한 항온챔버를 바탕으로 냉열을 집열할 수 있는 분리형 히트파이프를 설계·제작해 수조 속 얼음이 생성되고 성장하는 과정을 살펴봤다”라며 “이번 연구를 통해 겨울철 냉열저장의 실현가능성을 살펴봤으며 실험조건 등에 변화를 줘 각 조건들의 영향을 살펴봤다”고 설명했다.

 

효율적 E저장, PCM 나노에멀전개발
Tsogtbilegt Boldoo 조선대학교 회원은 ‘에이코산기반 나노에멀젼 상변화물질의 열거동에 미치는 영향’을 주제로 발표했다.

 

상변화물질(PCM)에 나노입자를 첨가하면 열에너지저장(TES)시스템의 열성능을 개선하는 데 큰 잠재력이 있는 것으로 나타났다. 연구는 이에 착안해 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 에이코산기반 PCM나노에멀젼의 열저장특성에 어떤 영향을 미치는지 알아봤다. 특히 제조공정 중 첨가시점에 초점을 맞춰 살펴보며 유화 전 또는 유화 후에 MWCNT를 첨가하는 것이 열적 거동과 구조 및 분산안정성에 어떤 영향을 미치는지 알아봤다.

 

PCM은 비수요시간대에 열원에서 생성된 잉여열에너지를 저장하는 효과적인 수단이다. 이렇게 저장된 에너지는 이후 수요가 높은 시간대에 활용될 수 있어 추가발전 필요성을 최소화하며 에너지수급 균형체계에 기여한다. 특히 PCM에멀전은 PCM의 높은 잠열용량과 에멀전의 유체 처리이점을 결합해 열에너지 저장시스템을 위한 진보적이고 효율적인 접근 방식을 제시한다.

 

이러한 장점을 가지고 있음에도 PCM은 낮은 열전도도와 상전이 중 열 반응지연 및 저온에서 고체상태로 인한 펌핑의 어려움 등 실제 적용에 앞서 여러가지 과제에 직면하고 있다.

 

연구에서는 이를 해결하는 방법으로는 PCM을 연속적인 매질(주로 물이나 오일)내에 미세·나노크기의 액적으로 분산시켜 안정적인 에멀전을 형성하는 것이 있다. 이러한 접근방식은 열전달특성을 개선하고 펌핑시스템과의 간편한 통합을 가능하게 해 충전·방전사이클 동안 열 교환을 가속화해 시스템성능을 크게 향상시킬 수 있다.

 

Tsogtbilegt 회원은 “유화 전 및 유화 후 첨가방법을 비교한 결과 유화 전에 MWCNT를 첨가하면 열적거동과 분산안정성이 크게 향상되는 것으로 나타났다”라며 “최적화된 제형인 MWCNT@PCM-ED는 순수 에이코산에서 8°C였던 과냉각 온도를 0.4°C로 크게 감소시켜 상변화 반응성이 향상됐음을 보여줬다”고 설명했다.

 

이어 “연구는 에이코산기반 PCM 나노에멀젼에 MWCNT를 첨가해 열에너지 저장성능을 향상시키는 효과를 입증했다”라며 “이번 연구는 더욱 효율적인 에너지저장을 목표로 하는 차세대 PCM 나노에멀전개발에 긍정적 영향을 끼칠 것”이라고 밝혔다.

 

PCM 과냉각·상분리 단점 해결안 제시
황준한 서울시립대학교 회원은 ‘PCM캡슐을 활용한 축열조연구’를 주제로 중저온 산업폐열을 안정적이고 효율적으로 저장할 수 있는 방안을 제안했다.

 

산업공정에서 발생하는 에너지의 상당부분은 중저온 (약 80~90 °C)의 열형태로 방출된다. 산업 폐열은 에너지 낭비와 더불어 대기로 직접방출될 경우 지역 온도상승과 온실가스 배출을 가중시켜 기후변화와 도시열섬 현상을 불러일으킨다. 이 때문에 산업폐얼을 효과적으로 흡수하며 재활용하는 시스템의 중요성이 커지고 있다.

 

산업폐열을 회수하고 저장하는 것은 전체 에너지효율을 향상시키며 연료소비를 줄이는 효과적인 전략으로 꼽힌다. 다양한 열에너지 저장(TES: Thermal Energy Storage) 기술 중에서도, 상변화물질(PCM: Phase Change Material)을 이용한 잠열축열시스템(LHTES: Latent Heat Thermal Energy Storage)은 높은 에너지 저장밀도와 준정온(isothermal) 작동특성으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 하지만 PCM은 과냉각과 상분리와 같은 문제로 인해 반복적인 충·방열사이클에서 성능저하를 초래할 수 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해서는 PCM의 저장 방식과 열교환구조에 대한 정교한 설계가 필수적이다.

 

이번 연구에서는 중저온폐열을 효율적으로 저장할수 있는 상변화물질(PCM)을 이용한 두 가지 축열장치를 비교했다. 첫 번째 축열조는 직경 50mm의 구형 PCM캡슐을 활용해 탱크내부에 열교환 유체(HTF)를 직접 순환시키는 구조다.

 

두 번째 축열조는 벌크상태의 PCM내에 스파이럴튜브형 열교환기를 삽입한 구조로 관 내 HTF가 흐르며 간접적으로 열을 전달하는 축열조형태다. 두 시스템 모두 25L의 PCM을 담을 수 있도록 설계됐으며 동일조건에서의 실험을 통해 열 성능을 비교했다.

 

황 회원은 “연구결과 열 면적이 넓은 PCM캡슐을 이용한 축열조가 열효율 측면에 있어 더 효율적일 것으로 예상된다”라며 “또한 PCM의 부작용인 과냉과과 상분리 측면에서는 PCM캡슐이 부작용을 더 완화할 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.

 

이어 “중저온 산업폐열을 안정적이고 효율적으로 저장하기 위한 PCM축열장치 설계 최적화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다”라며 “향후 두 저장구조의 비교를 통해 보다 신뢰성높은 PCM기반 축열장치설계를 제안할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.