[자동차 이야기(38)] 자동차 냉난방 장치(상)

계절의 여왕인 5월을 맞아 날씨가 너무 좋아 집안에 가만히 있기에는 견디기 힘든 시기이다. 코로나19로 거리두기와 때문에 외부 활동에 자유롭지 않지만 날씨가 너무 좋은데다 이런저런 행사로 자동차를 이용한 이동이 늘어나는 시기이다. 한낮의 기온은 이미 한여름 날씨의 문턱에 와 있는 듯 27도 이상 올라간다, 이때 자동차 내부의 온도는 창문을 닫은 상태이면 40도 이상이 된다, 여기에 사람의 체온이 더해지면 차내 온도는 견디기 힘든 상태에 까지 오르는데 이때쯤 되면 자동차 에어컨을 작동시키게 된다.

지금은 자동차에 장착이된 에어컨시스템이 예전에 비하여 차량 내, 외부온도, 습도, 일사량, 등의 각 종센서들이 보내오는 신호 값을 에어컨 컨트롤유닛트와 엔진제어컨트롤유닛트에 의해 자동으로 실내온도를 운전자 설정온도에 맞추어서 제어를 하게 되어 있다. 그런데 에어컨시스템이 정상적으로 작동하기위해서는 여러 가지의 에어컨시스템 구성 품들이 다 제 역할을 잘해내야 된다,

에어컨시스템에서 에어컨냉매는 지구환경에 많은 영향을 끼치고 있는데 그동안 에어컨 냉매로 쓰이던 냉매가(가스)바로 오존층 파괴의 주범이기 때문이다. 2017년 이후 기존에 사용되던 자동차용 에어컨냉매 R134a는 오존층 파괴지수는 0이지만 지구 온난화 지수(Global Warming Potential, GWP)가 1370~1430으로 매우 높아 환경적 문제를 가지고 있으며 완전 분해되어 없어지는데 14.6년이 걸린다. 반면 2017년 이후 의무적으로 사용되는 냉매1234yf는 지구 온난화 지수(Global Warming Potential, GWP) 4~4.4이며 분해시간은 11일 정도이다.

따라서 R134a냉매는 2017년 이후에는 지구온난화 문제로 인하여 점차로 사용이 규제되고 있다. 교토의정서에 의하면 지구온난화 방지 규제 대상 가스를 화석연료 연소에 따른 CO2, CH4와 기타 화학 공정 등의 물질인 N2O, HFC, PFC, SF6의 6종으로 정하고, 1차공약기간인 2008년부터 2012년까지 1990년 대비5.2% 감축을 결정하였다. 이에 따라 유럽 연합은 자동차용 에어컨 시스템에서 지구온난화 지수(Global Warming Potential, GWP).가 150이상인 냉매를 사용하는 자동차에 대하여 적용을 제한하였다.




따라서 기존에 생산되는 차량에 적용 중인 냉매 R134a에 대한 적용이 제한되어 지구 온난화지수가 150이하인 대체 냉매가 적용된 자동차 냉방시스템 적용이 진행되고 있다. 다행스럽게도 오존층 파괴가 되지 않는 에어컨냉매를 냉매 제조업체인 하니웰(Honeywell)과 듀폰(Dupont)이 R1234yf냉매를 양산하고 있는데 이 냉매는 지구 온난화지수가 4이고, 오존층 파괴지수도 0이어서 유럽 환경법규에서 요구하는 GWP150 이하를 만족하는 환경 친화적인 냉매로 전 세계적으로 이용되고 있다. 또한 독성이 없고 대기 중에서 분해되는 속도가 기존 R134a 냉매보다 훨씬 빠른 시간에 분해되어 없어지는 것으로 보고되어 있다.

R1234yf 냉매는 R134a 냉매와 비교적 비슷한 열역학적 특성을 가지고 있으나, 동일한 포화온도에서 R1234yf 냉매가 R134a 냉매와 비교하여 증발잠열이 작다. 이는 R1234yf 냉매를 적용한 시스템에서 R134a와 동일한 냉방성능을 내기 위해서는 시스템 개선이 필요한 부분으로 이를 위하여 제조사 에서는 응축기출구와 증발기출구의 냉매가 서로 열 교환이 이루어지도록 내부열교환기를 설치하여 응축기 출구에서 과도한 냉매 현상을 방지하고 증발기에서 냉방성능을 향상시켜준다.



냉난방시스템 이란 차량 실내의 공기조화로 냉난방 과 환기까지 넓은 의미로 해석이 되고 있다. 이런 의미에서 공기조화(Air conditioning)란 온도, 습도 및 기류, 박테리아, 먼지, 유해 가스등의 조건을 실내에 있는 사람이나 물품에 대하여 가장 좋은 조건으로 유지하는 것으로 다음과 같은 공기조화 4요소가 이루어져야 한다.

1.자동차 냉, 난방시스템 공기조화4요소
1)공기의 건구 온도와 그 분포상태(온도)
2)공기의 습도와 그 분포상태(습도)
3)공기의 유동상태(기류)
4)공기의 신선도(청정도)

2.자동차 냉, 난방시스템 고려사항
차량 실내는 유리창으로부터의 투과 복사열과 차 벽면을 통한 복사열의 영향을 받는다. 따라서 공기조화 4요소를 위해 차량 내부의 온도를 적절하게 유지할 수 있도록 히터코어 와 증발기(이베퍼레이터) 용량선정 및 송풍기 풍량 제어, 엔진출력을 고려한 압축기(컴프레서)의 적당한 토출량, 증기 용량을 고려한 응축기(콘덴서) 용량 등이 고려되어야 한다.



3.차량 냉방
차량의 냉방은 차량 내외의 열원과 인체로 부터 발생하는 열 부하에 대해 차량실내에 쾌적한 상태를 유지하는 하기 위한 것으로 운전자의 작동에 따라 온도설정과 풍량, 풍향, 등을 조절 할 수 있다.

1)냉방의 정의
냉방이란 주변온도에 비해 낮은 온도를 유지할 수 있도록 하는 환경 조건을 냉방이라 한다.
차량의 냉방은 강제 대류에 의해 찬 공기를 차량내부에 순환시켜 차량 내부온도를 주의 온도보다 낮추게 된다. 냉방 작동시 차량 내부의 증발기(이베퍼레이터)에 중온 저압의 가스가 통과 하면서 가스는 증발잠열을 하게 된다, 이때 블로어 모터에 의해 차량 내부의 공기는 증발기 의 핀 튜브에 접촉하며 노점에 이르게 되며 공기 중에 포함된 수분은 증발기 외부에 물방울 형태로 붙어 있다가 외부로 배출된다. 이런 과정을 거치면서 차량 내부의 공기는 습도가 조절이 되면서 실내 공기는 온도와 습도가 내려가면서 쾌적한 상태를 유지한다.
인체 피부에 닿는 기류속도는 0.1~0.3m/s정도가 적당하다.

2)실내, 외 온도와 습도 관계



4.열 부하
차량 실내에는 여러 형태의 외부 열 부하를 받는데 이와 같은 것을 냉방 부하라 하며 일반적으로 4요소로 구분한다.

1)인체 발열량
인체에 의해 주어지는 열량으로 실내에 수분을 공급하기도 하며 열량은 1인당 현열량 35~45kcal/h 잠열량45~55kcal/h 이다. 따라서 전 발열량은 80~100kcal/h 이다.

2)복사 열
태양으로 부터 복사되는 열을 차량의 표면에 직접 받는 것으로 자동차 외관과 기후에 따라 열량의 차이는 크다. 여름 한낮의 복사열은 180kcal/m²h 이다.
3)대류 열
자동차 주행 중 에는 차량 내부와 외부의 대류가 활발하게 일어난다. 자동차 유리, 패널, 트림 등을 통하여 외부의 열기가 차량 내부로 침입하며 엔진에서 발생하는 열 또한 차량 내부로 일정부분 전달되는 것 등을 대류 열이라 한다.

4)자연 환기 열

자동차 실내와 외부는 자연 환기 시스템과 강제 순환 장치가 장착되어 있어 실내의 건조한 공기를 방출하고 외부에서 고온 다습한 공기가 유입되면서 열과 수분이 유입된다. 차량이 운행 중에는 외부 오염된 공기가 유입되면서 차내 일산화탄소의 증가로 일정부분 환기를 필요로 한다. 1인당 신선한 공기량은 25m³/h이다.

5.자동차 냉,난방시스템의 구성
자동차 실내의 냉난방을 하기 위한 공조시스템 기본 구성 중 냉난방을 위한 구성은 응축기, 팽창장치, 증발기, 리시버 드라이어, 응축기 팬 등이 있고, 난방을 위한 구성은 히터코어, PTC히터, 히터호스 등으로 구성되어 있다. 또한, 냉난방 송풍을 위한 블로어모터, 풍향을 조절하는 모터, 온도조절모터, 내,외기절환모터 와 쾌적한 실내공기 유입을 위한 에어필터가 구성되어 있다.



류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수