본 연구에서는 미래 도심의 다양한 이동 수단에 적합한 대용량 열관리 시스템에 대한 연구를 진행하였다. 선행 문헌 연구를 통하여 공냉식의 공조기 부하 대비 전열 부품의 냉각을 위한 수냉식 부하가 증가하는 친환경 이동 수단에서는 수냉식의 2 차 작동 유체가 적용된 콤팩트 냉각 장치(CRU, compact refrigeration unit)의 타당성을 확인하였으며, 양산 중인 버스 및 선행 개발 중인 UAM 의 냉방부하 검토를 통하여 설계 냉방 능력은 20 kW 급으로 하였다. 이와 같은 냉방능력은 개인용 전기자동차의 냉각능력 5~10 kW 대비 2~4 배의 큰 냉각 사이클이 개발되어야 함을 의미한다.
이와 같은 개발 목표를 위해 압력-엔탈피 선도 분석과 열교환기에서의 열전달 모델링을 통하여 20 kW 급 CRU 시스템의 성능을 예측하고 부품의 사양을 결정할 수 있는 자체 해석 프로그램(in-house code)을 개발하였으며, 본 프로그램을 활용하여 CRU 사이클의 냉매 선정 및 부품의 개발 사양을 결정하였다. CRU 사이클의 냉매는 COP 가 가장 우수한 R123 을 선정하였으며, R123 냉매의 낮은 비체적에 의한 압력 손실을 개선하기 위한 방안으로 압축기 일체형의 만액식 열 교환기를 제안하였다. CRU 사이클의 해석 결과와 압축기에 대한 Balje 선도를 활용하여 20 kW CRU 에 적합한 압축기 종류가 원심 압축기임을 확인하였고, 원심압축기의 설계를 위한 이론 해석과 상용 프로그램을 활용하여 임펠러 형상에 대한 최적 설계를 제안하였다.
본 연구에 의해 개발된 CRU 시스템의 평가 결과는 해석 결과 대비 흡/토출 압력의 오차는 4%를 넘지 않는 반면, 냉방 능력은 +11% 과도하게 측정되었다. 이는 해석 결과의 설계 사양 대비 증발기와 응축기의 용량이 각각 50%와 26% 큰 제품의 선정으로 인해 압축비는 낮아지고 CRU 시스템의 성능이 향상에 의한 결과로 확인되었으며, 제작된 CRU 의 열 교환기(증발기 +50%, 응축기 +26%)를 반영한 CRU 시스템 해석 결과의 냉방 능력은 21.6 kW 로 평가 결과와의 오차는 +11%에서 -3%로 감소하므로 CRU 해석 프로그램의 신뢰성을 확인하였다.
본 연구에서는 상용 열 교환기의 사용과 원활한 시작품 평가를 위하여 CRU 의 경량화 설계가 미 적용된 초기 모델이므로 후속 연구를 통하여 경량화 목표를 달성하고자 한다. 본 연구의 성과는 이동 수단의 열관리 방안에 한정되지 않고, 지열 기반의 히트펌프, 수 열원 기반의 OTEC 및 항공우주 분야 등 다양한 분야에서 열관리 방안 및 에너지 회수 방안에 대한 추가적인 연구에 활용될 수 있다.