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[전기제품의 첨단 파워 일렉트로닉스 기술Ⅰ②] 냉장고의 파워 일렉트로닉스 기술

김대근 기자
입력 2016.06.01 00:00

[전기제품의 첨단 파워 일렉트로닉스 기술Ⅰ②]
냉장고의 파워 일렉트로닉스 기술

냉장고는 고기·생선 등의 식자재 및 식료품을 부패시키지 않고 장기간 보존하는 것으로서 1950년대 후반의 고도성장기에 급격하게 보급이 확대되었다. 그 후 사회환경과 라이프 스타일의 변화에 따라 △다도어화(多door化) △대용량화 △기능성 향상 △에너지 절약화 등이 도모되어 현재에는 보급률이 거의 100%에 가까운 대체수요의 주체가 되고 있다. 또한, 24시간 상시 운전이라는 점에서 가정 내 소비전력량의 비중도 약 16%로 에어컨에 이어 2번째를 차지하고 있다. 이 때문에 타 가전제품에 비해 에너지 절약에 대한 관심도가 높고, 1999년에는 냉장고 분야에서도 톱 러너 방식에 의한 에너지 절감 목표치가 결정되기도 했다. 냉장고 기술과 관련해서는 크게 ①냉각기술(냉동 사이클, 압축기, 인버터 등) ②단열기술(단열재) ③보존기술(야채실, 냉장실 등) ④기타(탈취·제균 등)로 나눠볼 수 있다. 특히, 최근에는 냉장고 본래의 차게 하는 기능뿐만 아니라, 탈취 기술 등도 실용화되고 있다. 본고에서는 냉장고에 채용되고 있는 최신 기술 및 그 동향을 소개한다.

정리 편집부

냉각기술

증기압축식 냉동 사이클

가정용 냉장고에서는 대부분 압축기를 이용한 증기압축식 냉동 사이클을 이용하고 있다. 이 냉동 사이클은 △압축기(컴프레서) △응축기(콘덴서) △모세관(케피러리 튜브, Capillary Tube) △증발기(에바포레이터, Eva porator) 등으로 구성되며, 압축기에서 냉매를 압축하고 증발잠열을 이용하여 냉각한다. 기존의 냉매에는 프레온 R12가 사용되었지만, 이후 오존파괴계수(ODP)가 0인 대체 프레온 HFC R134a가 사용되면서 현재 일본 국내 및 유럽에서는 지구온난화계수(GWP) 3 이하인 자연냉매, 이소부탄 R600a가 주류를 이루고 있다.

또 최근에는 냉장실과 냉동실에 각각 독립된 증발기를 탑재하여 3방 밸브로 냉매유로를 바꿔 개별적으로 냉각하고, 밸브 개방 시의 개도를 제어함으로써 에너지 절감을 도모하고 있다.

압축기, 모터기술

냉장고의 압축기에는 [그림 2]와 같이 에어컨에서 통상 사용되고 있는 피스톤이 회전하는 로터리 방식이 아닌, 피스톤이 왕복하는 리시프로 방식이 채용되고 있다. 이것은 리시프로 방식이 피스톤과 실린더부의 틈새에 따른 압축누설이 적다는 점에서 특히, 저속 시에서의 효율이 로터리 방식에 비해 좋기 때문이다. 또 압축기의 피스톤부에는 슬라이딩(摺動) 로스 절감을 위해 볼 조인트 방식 등이 채용되고 있다.

현재 냉장고의 압축기 모터는 로터에 자석을 이용한 PM 모터가 주류를 이루고 있으며, 에어컨의 압축기 모터와 마찬가지로 매입자석 동기모터(Interior Perma nent Magnet Synchronous Motor: IPMSM)도 채용되고 있다. 스테이터(stator)에 있어서도 분포권에서 집중권을 채용, 동손 저감에 의한 고효율화를 통해 저코스트화 및 자원 절약화를 실현하고 있다.

인버터 제어, 회로기술
(1) 모터제어기술
PM 모터는 로터 위치를 정확하게 검출해 그에 맞게 인버터에서 구동전압 파형을 출력할 필요가 있다. 단, 압축기 내부는 고온고압으로 센서를 내장할 수 없기 때문에 과거에는 로터가 회전함으로써 권선에 발생하는 유기전압을 검출해 로터의 위치를 검출하는 방식을 채용했다. 최근에는 마이크로컴퓨터 성능이 비약적으로 향상되어 위치검출회로를 이용하지 않는 센서리스 180도 정현파 구동이 주류를 이루고 있다. 이에 모터전류를 정현파화함으로써 모터효율의 향상과 저소음화가 실현되고 있다. 센서리스 정현파 구동에서는 모터 모델을 이용하여 모터전류로부터 로터의 위치를 추정하는 벡터제어방식이 일반적으로 사용되고 있지만, 전압과 전류의 위상차를 제어하는 방식도 실용화되고 있다. 이 방식에서는 벡터제어와 같은 모터 모델이 필요 없고, 복잡한 연산 없이 가전제품에 탑재가 용이하다.

(2) 회로부 및 파워소자

파워소자의 부하가 최대가 될 때는 방에 설치 시부터 설정온도에 도달할 때까지의, 압축기가 연속적으로 동작하는 경우로, 파워소자의 정격 선정 등에 영향을 준다. 통상 IGBT를 내장한 파워모듈이 사용되고 있지만, 보다 온저항이 작은 디스크리트의 MOS-FET 등으로 구성하는 경우도 있다.

냉장고의 회로설계에서는 안전 면에서 인버터와 메인 제어부가 절연되는 경우가 많으며, 각각 마이크로컴퓨터가 탑재되어 UART 등의 통신기능에 의해 회전수 등의 지령이 실시된다. 또 PAM(Pulse Amplitude Modu lation) 회로라고 불리는 컨버터를 이용하여 인버터의 입력전압을 승압시킴으로써 압축기의 구동범위를 확대하는 것도 있다.

냉장고는 취침 시에도 동작하기 때문에 저소음화 대책도 중요하며, 캐리어 주파수도 5~15kHz로 에어컨에 비해 높아지고 있다. 전원고조파에 대해서도 냉장고는 클래스 D로 분류되어 전력에 비례한 한도치가 적용된다. 일반적으로 리액터를 이용한 역률개선회로가 채용되고 있다.

센서에 의한 에너지절약제어

오늘날의 전력사정을 반영하여 가정 내의 에너지절약·절전의식이 점점 높아지고 있는 가운데 냉장고에서도 에너지절약 운전모드가 탑재되기 시작했다. 그 일례로 △도어개폐센서 △고내온도센서 △외기온센서와 마이크로컴퓨터에 의한 제어기술을 조합함으로써 [그림 3]과 같이 도어의 개폐빈도와 식품투입 상황에 따라 변화하는 고내온도를 정밀하게 감지해 압축기의 회전수를 제어하고 있다. 특히, 취침·외출 시 등 장시간 도어개폐를 하지 않는 시간대에는 최대 약 15%의 절전효과를 얻을 수 있다. 또한, 운전상태에 따라 조작패널의 나뭇잎 마크(LED)가 3단계로 바뀌어 절전효과를 눈으로 확인할 수 있다.

단열기술

냉장고 케이스는 단열성이 뛰어난 경질 우레탄폼으로 충진되어 강성을 유지하고 있다. 기존의 우레탄폼 발포제에는 특정 프레온 CFC-11이 사용됐지만 오존층을 파괴하기 때문에 대체 프레온 HCFC-141b가 채용되었다. 현재에는 프레온 가스(CFC)를 쓰지 않는 시클로펜탄이 주류를 이루고 있다.

또, 최근에는 글래스울(glass wool)을 진공포장한 진공단열재 패널을 우레탄폼 안에 넣어 에너지 절약 성능을 향상시키고 있다. 이 진공단열재는 열전도율 1~2mW/mK로, 경질 우레탄폼의 약 10~20배에 달하는 단열성능을 가지고 있기 때문에 에너지 절약 성능뿐 아니라, 단열재 두께를 얇게 함으로써 고내 용적률 향상에도 유효하다.

보존기술

냉장고는 해마다 대형화가 진행되어 기존의 냉장실, 냉동실 외에 △5~8℃에서 건조를 억제하는 전용 야채실 탑재의 3도어, △칠드, 빙온(氷溫), 파셜(partial) 등으로 불리는 -3~2℃의 신온도대실(新溫度帶室, The new temperature zone) △전용 제빙실 등을 더한 ‘다도어 냉동냉장고’가 주류를 이루고 있다.

고습도 실드 구조 야채실
야채의 신선도 저하에 가장 영향을 끼치는 건조를 막기 위해 [그림 4]와 같이 야채실의 밀폐성을 높여 야채에 직접 냉기를 가하지 않는 고습도 실드 구조를 채용했다. 이를 통해 기존 대비 야채의 수분보유율을 약 2배 지속시키고 있다.

저산소 칠드실

칠드실(냉장실)을 밀폐하고 진공펌프로 0.8기압까지 낮춰 저산소 상태로 만듦으로써 식품의 산화를 억제하고 비타민C 등의 영양소를 유지시키는 기능을 실현한다.

과냉각 응용 냉동실
적외선 센서로 식품의 온도를 정밀하게 관리하고 식품을 과냉각(過冷却, Supercooling) 상태로 만든 후, 순식간에 식품 중심부에서 얼음핵을 생성해 미립자 동결시킨다. 이를 통해 맛이나 식감을 훼손시키지 않고 고기뿐만 아니라 감자나 죽순 등도 냉동시킬 수 있도록 고안되었다.

기타 기능

탈취·제균기능

기존에는 주로 냉기를 순환시키는 경로 안에 필터를 설치하여 탈취 및 제균을 실시했지만, 최근에는 이온 및 플라스마를 이용하는 방향으로 가고 있다.

그 일례로 플라스마 방전에 의해 음양의 이온을 발생시킴으로써 냉장고 내의 탈취 및 부유 곰팡이균·부착균의 제균을 실시하는 시스템에 대해 설명한다. 이것은 [그림 5]와 같이 시스템 장치 내의 루버를 문의 개폐상태에 따라 컨트롤함으로써 탈취모드(탈취필터에 부유취(浮游臭: 공기 중 떠다니는 냄새)를 흡착시켜 음양이온을 조사(照射)해 냄새입자를 분해·탈취)와 제균모드(고내에 음양이온을 방출하여 부유 곰팡이균·부착균을 제거)를 자동적으로 전환시켜 고내의 쾌적성 및 청결을 유지한다.

투명제빙기능
가정에서 쉽게 얼음의 크기와 투명도를 고를 수 있어 용도에 맞게 다양한 종류의 얼음을 만들 수 있는 기능도 탑재되어 있다. [그림 6]의 자동제빙 시스템에서는 제빙용기의 구조를 연구하여 냉기풍량·풍향제어에 의해 얼음의 크기·투명도를 변경, 시판 얼음의 크기(기존 대비 약 2.3배)와 투명도를 실현하고 있다.