2.2.1 응축기

응축기의 점검은 압축기의 토출온도 상승 또는 고압의 상승일 때 점검을 실시한다. 응축기에 관련된 고장 외에도 냉매의 부족 또는 과충전, 필터드라이어 막힘, 팽창밸브 고장 등에 의해서도 비슷한 증상이 나타난다. 응축기 내부의 오염과 냉매의 충전 상태는 육안으로 점검하기 곤란하다.

2.2.2 증발기의 문제점

증발기의 점검은 압력이 낮게 형성되어 압축기에 서리가 발생하거나 현장온도의 상승이 발생될 때 점검을 실시한다. 증발기에 관련된 고장 외에도 냉매 충전량의 부적합, 필터드라이어의 막힘, 팽창밸브 고장, 전자변의 고장 등에 의해서도 영향을 받게 된다. 증발기 내부의 오염과 냉매의 충전 상태는 육안으로 점검하기 어려우며, 설치 위치가 창고나 생산현장의 가장 높은 곳에 설치되어 점검 시 안전상의 위험이 존재한다.

2.2.3 필터드라이어

필터드라이어의 점검은 냉동기를 점검할 때 실시한다. 필터드라이어의 막힘은 냉매 흐름에 영향을 주어 전자변을 제외한 다른 구성요소의 성능에 영향을 준다. 검사유리창을 통해 냉매의 흐름 상태를 확인하지만 장기간 사용하게 되면 오염되어 확인이 곤란하고, 과충전 또는 다량의 냉매 부족시 그 흐름을 확인할 수 없어 불필요한 분해 점검을 실시하게 된다.

2.2.4 전자변

전자변의 점검은 압력이 낮게 형성되거나 냉동기가 기동을 하지 않을 때 실시한다. 전자변의 차단동작에 의해 정지된 냉동기가 다시 기동을 위해서는 전자변의 개방동작으로 저압배관에 냉매가 유입되어야 하지만 소손 또는 전원라인 단선 등에 의해 동작이 불가할 경우 적정압력이 형성되지 않아 기동이 되지 않는다. 이 현상은 팽창변의 고장과 동일한 증상을 나타내어 팽창변과 전자변의 원인 추정에 혼란을 야기할 수 있다.

2.2.5 팽창밸브

팽창밸브의 점검은 압력이 낮게 형성되거나 압축기의 적상, 현장온도의 상승, 토출온도의 상승이 발생될 때 점검을 실시한다. 팽창밸브의 고장은 전자변과 거의 동일한 증상을 나타내므로 그 판별에 혼란을 줄 수 있다. 감온통의 감온 불량, 오리피스의 마모 등은 간헐적인 이상 동작으로 인해 가장 진단하기 어려운 구성요소이며, 이와 관련되어 점검을 위한 연구보다는 종류에 대한 성능평가 또는 동작효율에 관한 연구가 많다^(14)(15).

3.1.1 응축기

응축기는 압축되어 상승된 냉매의 열을 외부의 공기와 열교환하여 고온고압의 가스를 액으로 상변환이 일어나며, 전과 후의 압력은 동일하여 온도만으로 기준을 선정한다. 응축기는 필터드라이어 또는 팽창변의 고장 등에서도 영향을 받으며, 응축기와 필터드라이어 고장에서만 응축기의 입구온도 $T_{1}$이 85[℃]를 넘어 식 (3-5)에 $T_{1}$과 식 (3-8), (3-9)을 활용하여 다음과 같이 응축기의 고장진단기준을 제안한다.

즉, 응축기의 입구 온도가 85[℃]를 넘으며 필터드라이어의 이상이 없고 응축기의 입출구 온도 차가 정상 상태에서 여유율을 적용한 값을 초과할 경우 검출된다.

3.1.2 증발기

증발기는 팽창되어 온도가 낮아진 냉매의 열을 현장의 공기와 열교환하여 저온저압의 액을 가스로 변화된다. 변화 전과 후의 압력은 변하지 않아 온도만을 기준으로 선정한다. 증발기는 다른 구성요소인 응축기, 필터드라이어, 전자변, 팽창변의 고장에도 영향을 받으며, 응축기의 고장으로는$T_{1}$의 온도가 85[℃ ]를 넘지 않으므로 응축기와는 기준이 반대가 된다. 식 (3-6)에 $T_{1}$과 식 (3-5), (3-7),~(3-11)을 활용하여 다음과 같이 증발기의 고장진단기준을 제안한다.

즉, $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 않고 응축기의 입출구 온도 차이가 일정 값을 초과하며, 필터드라이어, 전자변, 팽창변이 정상인 상태에서 증발기의 입출구 온도 차가 일정 값을 초과할 때 검출된다.

3.1.3 필터드라이어와 전자변

필터드라이어와 전자변은 다른 구성요소의 영향에 의하여 입구와 출구의 온도 또는 압력이 변화되지 않고 동일하다. 필터드라이어와 전자변의 이상상태 판단 기준을 식 (3-8)~ (3-11)을 그대로 적용한다.

3.1.4 팽창변

팽창변은 고온고압의 냉매액이 모세관을 통과하며 교축작용에 의해 온도와 압력이 감소하며, 온도보다는 압력의 변화가 확실하여 압력만으로 기준을 선정한다. 팽창변은 응축기에 의해 영향을 받으며, 팽창변의 고장으로는 $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 않으므로 식 (3-7)에 $T_{1}$을 추가하여 다음과 같이 팽창변의 고장진단기준을 제안한다.

즉, $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 않고 팽창변의 입출구 압력 차가 일정 값을 초과할 때 검출된다.

4.2.1 응축기의 실험조건 및 실험결과

응축기의 고장을 가정하기 위하여 인버터를 통해 주파수를 변경하여 풍량에 변화를 주었다. 4대의 팬모터가 60[Hz]로 운전되는 것을 100[%]로 하면, 1대가 고장난 상태에서 세 대의 팬 모터가 운전되는 상황은 전체의 75%가 되므로 주파수를 45[Hz]로 하고, 2대가 고장난 상태에서 2대가 운전된는 상황은 전체의 50%가 되므로 주파수를 30[Hz]로 가정하였다.

상기의 경우에 대하여, 실험을 수행한 결과 팬모터의 풍량 감소에 따른 응축기 입구와 출구의 온도와 압력이 모두 그림4와 같이 상승하였다. 이로 인한 냉동 계통 전체의 냉매 온도가 상승하였으며, 응축기 입구의 온도가 크게 상승하여 입출구 온도 차가 증가하게 되었다. 표 2의 운전 데이터를 식 (3-1)~ 식 (3-4)을 통해 주파수 별로 입출구 온도, 압력차를 계산하고 식(3-12)을 대입하면 고장결과가 다음과 같이 검출되었다.

기준값: 45.1x(1.03~1.05)=46.45~47.36 [℃]

$\triangle T_{45c}일 때,\:$

$\triangle T_{30c}일 때,\:$

그림. 4. 응축기 고장진단 실증 실험에 의한 그래프

Fig. 4. Graph by condenser fault diagnosis demonstration experiment

응축기의 고장 시 필터드라이어의 온도와 압력이 기준치 이내로 연산되었으며, $T_{1}$의 값이 85[℃]를 초과하여 응축기의 고장진단 조건과 부합하여 이상을 표시할 수 있었다. 이 때, 45[Hz]로 75[%]의 효율로 운전될 경우 5[%] 여유율에서는 검출이 되지 않았으므로 3[%]의 여유율로 관리할 필요가 있다. 30[Hz]에서는 10[%]이상의 차이가 발생하였다.

그림4와 같이 응축기의 입구온도$T_{1}$, 출구온도$T_{2}$, 입구 압력$P_{1}$, 출구압력$P_{2}$이 주파수 변화에 따라 상승하였으며, 입구와 출구의 차이 값이 증가하였다. 표 2는 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.

4.2.2 증발기의 실험조건 및 실험결과

증발기는 응축기와 구조가 동일하여 실험조건을 응축기와 동일하게 진행하였다.

실험결과 팬 모터의 풍량 감소에 따른 증발기 입구와 출구의 온도와 압력이 그림 5와 같이 감소하였다. 냉매 계통의 냉매 온도가 감소하여 증발기 입구 온도 또한 감소하게 되었고 그 차이 값이 증가하였다. 표 3의 운전 데이터를 식 (3-1)~ (3-4)와 식 (3-13)을 통해 다음과 같이 고장결과가 검출되었다.

기준값: 2.8x(1.03~1.05)=2.88~2.94 [℃]

$\triangle T_{45e}일 때,\:$

$\triangle T_{30e}일 때,\:$

그림. 5. 증발기 고장진단 실증 실험에 의한 그래프

Fig. 5. Graph by evaporator fault diagnosis demonstration experiment

증발기는 75[%]의 효율에서는 검출이 불가하였지만 50[%]의 고장에서는 검출이 가능하였다. 50[%]에서는 10[%] 정도의 여유율을 주어도 검출이 가능하였으며, 다른 구성요소를 고려하였을 때 다른 구성요소는 정상상태로 판정되었으며, 증발기에 차이 값에 의해 점검등이 표시되었다.

그림 5와 같이 증발기의 입구온도$T_{5}$, 출구온도$T_{6}$, 입구 압력$P_{5}$, 출구압력$P_{6}$이 주파수 변화에 따라 감소하였으며, 입구와 출구의 차이 값이 증가하였다. 표3은 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.

4.2.3 필터드라이어의 실험조건 및 실험결과

다른 구성요소는 모두 정상적인 상태에서 고압의 냉매로 밀봉되어 폐쇄된 배관 계통 내에 임의적으로 필터의 막힘을 구현하기 위하여 필터드라이어 입구 측에 밸브를 설치하고, 밸브의 개도를 50[%] 조정하여 냉매의 흐름에 영향을 주었다. 실험결과, 그림 6과 같이 입구와 출구의 온도와 압력이 감소하였으며, 입구와 출가의 차이 값이 증가하였다. 식 (3-1)~(3-4)를 식 (3-8)과 (3-9)에 대입하여 다음과 같이 고장결과가 검출되었다.

그림. 6. 필터드라이어 고장진단 실증 실험에 의한 그래프

Fig. 6. Graph by filterdrier fault diagnosis demonstration experiment

필터드라이어는 압력과 온도로 검출이 가능하였으며, 다른 구성요소의 영향을 받지 않는다. 기준 값은 임의로 정하였으나, 필요에 따라서 그 값의 변경이 가능하다.

그림 6과 같이 필터드라이어의 입구온도$T_{2}$, 출구온도$T_{3}$, 입구 압력$P_{2}$, 출구압력$P_{3}$이 감소하였으며, 표 4는 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.

4.2.4 전자변의 실험조건 및 실험결과

다른 구성요소는 모두 정상적인 상태에서 전자변의 소손 또는 전원라인의 단선을 구현하기 위하여 전원라인에 셀렉터스위치를 설치하고, 전원의 인가 또는 차단을 수행하였다. 실험결과, 그림 7과 같이 전자변 차단 동작이후 압력과 온도가 급격하게 감소하여차이 값이 증가하였다. 식 (3-1)~(3-4)를 활용하여 식 (3-10)~ (3-11)에 대입하여 다음과 같이 고장결과가 검출되었다.

그림. 7. 전자변 고장진단 실증 실험에 의한 그래프

Fig. 7. Graph by solenoid valve fault diagnosis demonstration experiment

전자변 또한 압력과 온도 모두 검출이 가능하였으며, 다른 요소에 영향을 받지 않는다. 기준 값은 임의로 정하였으나, 필요에 따라서 그 값의 변경이 가능하다.

그림 7과 같이 전자변의 입구온도$T_{3}$, 출구온도$T_{4}$, 입구 압력$P_{3}$, 출구압력$P_{4}$이 감소하였으며, 온도가 다시 상승하기 시작한 것은 냉동기가 저압 정지로 인하여 외부 온도와의 열평형을 위한 온도 상승이 발생하였다. 표 5는 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.

4.2.5 팽창변의 실험조건 및 실험결과

다른 구성요소는 모두 정상적인 상태에서 고장의 대부분을 차지하는 모세관 내 이물로 인한 막힘, 감온통의 손상에 의한 봉입 가스의 누출로 동작 불가를 구현하기 위하여 냉동기가 가동 중인 상태에서 감온통의 연결관을 절단하여 내부에 봉입된 가스를 방출시켰다. 실험결과, 그림 8과 같이 팽창변의 입구 온도는 감소하는 반면 출구 온도는 냉매의 부족하여 상승하게 되었다. 압력은 모두 감소하였으며, 표 6의 값을 식 (3-1)~(3-4)를 활용하여 식 (3-14)에 대입하여 다음과 같이 고장결과가 검출되었다.

그림. 8. 팽창변 고장진단 실증 실험에 의한 그래프

Fig. 8. Graph by expansion valve fault diagnosis demonstration experiment

기준값: 1.18(1.03~1.05)=1.22~1.24 [℃]

이상이 발생되었을 때,

다른 구성요소의 영향을 고려하여도 $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 않아 검출이 가능하였으며, 압력으로 팽창변의 상태를 판단하였다.

그림 8과 같이 팽창변의 입구온도$T_{4}$, 입구 압력$P_{4}$, 출구압력$P_{5}$이 감소 하였으며, 출구온도$T_{5}$만 상승하였다. 표 6은 구성요소 별 영향을 파악하기 위한 냉동기 운전 중 전체 데이터를 나타낸다.

4.3.1 응축기의 검증

응축기는 필터드라이어와 팽창변에 영향을 받으므로 표 4와 표 6의 데이터를 식 (3-12)에 적용하면 다음과 같이 고장조건이 산출되었다.

필터드라이어의 고장일 경우,

(46.97~47.88)<56 = 응축기 점검등 OFF

팽창변의 고장일 경우,

(40.48~41.27)<43.5 = 응축기 점검등 OFF

필터드라이어의 고장시에는 필터드라이어의 조건이 응축기의 고장조건에 부합되지 않아 응축기의 고장이 검출되지 않았으며, 팽창변의 고장시에는 $T_{1}$이 85[℃]를 초과하지 못해 응축기의 고장이 검출되지 않았다.

4.3.2 증발기의 검증

증발기는 모든 부품에 영향을 받아 표 2, 표 4, 표 5, 표 6의 데이터를 활용하여 식 (3-13)에 적용하면 다음과 같이 고장조건이 산출되었다.

응축기의 50[%] 고장일 경우,

(5>0.2 or 0.2>0.02) and

(46.45~47.36)<50.3 and (1.04~1.06)<1.37 and

(34.81~35.49)<42 = 증발기 점검등 OFF

필터드라이어 고장일 경우,

5>2.4 or 0.2>0.05) and

(46.97~47.88)<56 and (1.07~1.09)>0.6 and

(2.37~2.42)<13.8 = 증발기 점검등 OFF

전자변 고장일 경우,

(5<14.8 or 0.2<0.66) and

(46.57~47.46)>45.2 and (1.07~1.09)>0.45 and

(2.27~2.31)<3.5 = 증발기 점검등 점등 OFF

팽창변 고장일 경우,

(5>-0.2 or 0.2>0.01) and

(40.48~41.27)<43.3 and (1.22~1.24)<1.32 and

(2.78~2.84)<3.2 = 증발기 점검등 OFF

응축기 고장시 온도차 T1과 팽창변의 압력 차이 조건이 증발기의 고장조건에 부합하지 않았으며, 필터드라이어 고장시 온도차T1과 필터드라이어의 압력차/온도차가 증발기의 고장조건에 부합되지 않아 증발기의 고장이 검출되지 않았다. 전자변 고장시 전자변의 온도차와 압력차가 증발기의 고장조건에 부합하지 않았으며, 팽창변 고장시 팽창변의 압력차 조건이 증발기의 고장조건에 부합되지 않아 증발기의 고장이 검출되지 않았다.

4.3.3 필터드라이어 및 전자변의 검증

4.3.4 팽창변의 검증

팽창변의 입구와 출구의 압력의 차이에 변화가 발생하는 영향을 주는 것은 응축기 고장 뿐으로 표 2의 데이터를 식 (3.1.4.1)에 적용하면 다음과 같이 팽창변의 고장조건이 산출되었다.

응축기의 25[%] 고장일 경우,

= 팽창변의 점검등 OFF

응축기의 고장시 $T_{1}$의 조건이 맞지 않아 팽창변의 고장이 검출되지 않았다.