현대자동차가 지난 29일 한라공조 대전공장에서 실시한 '자동차 공조시스템의 이해' 행사.
보배드림도 이 행사에 직접 다녀와 그 내용을 전했었죠.
해당 행사에서는 공조시스템에 관한 자세한 이야기와
공조기에 대해 쉽게 가질수 있는 오해를 풀어주는 등
공조기에 대한 유익한 내용을 많이 접할 수 있었습니다.
지난 이야기에 이어 이번에는 공조시스템 자체에 대해 좀더 심층적으로 이야기 해 보고자 합니다.
1. 공조시스템이란?
공조시스템이란, 난방(Heating), 환기(Ventilation), 냉방(Air Conditioning system : 에어컨)등을 통해
차량의 실내를 쾌적하게 유지해 주는 공기조절 시스템을 통틀어 부르는 말입니다.
좁은 의미에서 공조시스템은 실내 공기를 데우거나 차게 하는 장치인데,
최근에 와서는 그 기능이 다양해져 실내 공기 온도 조절뿐만 아니라,
차량 전체의 온도 조절에 대해 폭넒게 관여하고 있습니다.
2. 공조시스템을 이루는 부품들
위 배치도를 통해 공조기를 이루는 전체 부품을 볼 수 있습니다.
의외로 많은 부품들이 필요하죠?
실제로 눈에 보이는 부분은 컨트롤러 뿐이지만
이 복잡한 부품중 하나라도 고장이 나면 실내공기는 엉망이 되고 맙니다.
그럼 공조시스템을 이루는 부품을 하나하나 보면서 어떤 역할을 하는지 알아봅시다.
이것이 바로 공조시스템을 이루는 핵심 부품들입니다.
우선 컨트롤러.
구형의 컨트롤러는 그저 바람의 세기나 에어콘을 켜고 끄는 정도만 조절할 수 있었습니다.
위 사진의 최신 컨트롤러는 각종 정보를 기반으로 실내환경을 자동으로 쾌적하게 유지시켜주는 FATC입니다.
FATC는 전자동 온도 조절 장치(Full Automatic Temperature Control)을 줄인 말인데,
기존 공조장치가 바람세기, 에어컨 작동여부, 바람 방향 등을 모두 수동으로 조절해야 하는 데에 비해
FATC는 원하는 온도만 입력하면 시스템이 알아서 최적의 방식으로 컨트롤하여 실내환경을 유지시켜줍니다.
다음은 냉동공조 시스템에서 핵심을 담당하는 압축기.
복잡한 용어를 줄여 표현하는 것을 좋아하는 현장에서는
컴프레서 라는 정식 명칭 대신 "콤프"라고 짦게 줄여 부릅니다.
에어컨이 그 기능을 하기 위해서는 열을 이동시킬 힘이 필요합니다.
엔진에서 그 힘을 가져와 냉매를 압축해주는 부품이 바로 압축기지요.
위에 보이는 세가지 압축기는 외관으로 보면 큰 차이가 없지만,
좌측부터 고정식 컴프레서, 가변식 컴프레서, 전동식 컴프레서로
내부 구조에는 큰 차이가 있습니다.
압축기의 구조나 차이점 등은 아래에서 에어컨의 작동원리를 설명하면서 같이 설명하도록 하겠습니다.
히터코어와 에바코어입니다.
히터코어는 난방에 쓰이는 것인데, 라디에이터와 거의 기능이 동일합니다.
엔진 냉각수를 끌어와 그 열을 이용해 공기를 데웁니다.
다만 라디에이터는 그 용도가 열을 배출하는데 있기 때문에 히터코어보다 용량도 크고 무겁지요.
히터라니! 우리집 난방비도 장난아닌데! 쓰면 연비가 나빠질거야! 라고 지레짐작하여
겨울에도 벌벌 떨며 운행하시는 분들도 간혹 있는데, 히터코어에서 나오는 열은 원래는 버려질 열입니다.
부담없이 팍팍 트셔도 괜찮습니다.
에바코어는 앞서 말한 증발기입니다. 에바포레이터(증발기)라는 단어를 줄여서 에바코어라고 합니다.
기체를 다루기 때문에 조금의 흠이라도 발생하면 기능을 상실하게 됩니다. 연결부의 실링도 어렵지요.
보기보다 높은 기술이 필요한 부품입니다.
쿨링 모듈은 차량 전면부에 설치되는 부품입니다.
라디에이터와 컨덴서(에어컨 응축기)가 합쳐진 부품입니다.
최근 자동차들은 이처럼 부품들을 최대한 모듈화 생산하여
생산효율과 차량별 호환성도 높이고 있습니다.
라디에이터는 앞서 말한대로 엔진 열을 낮추기 위해 순환되고 있는 냉각수를 식히기 위한 것입니다.
냉각수가 흐르는 얆은 관들 사이에 얆은 핀이 무수히 배치되어 있는 형태인데,
표면적을 최대한 늘려 열이 빠르게 발산되도록 하기 위한 것입니다.
컨덴서 역시 열을 발산하기 위한 것인데 그 내용물이 물이 아니라 냉매라는 것이 다릅니다.
HVAC은 난방(Heating), 환기(Ventilation), 냉방(Air Conditioning system : 에어컨)을 합쳐 부르는 말입니다.
이 모듈 안에는 히터코어, 에바코어, 블로워 등이 장착되어 있고,
적당한 온도로 만든 공기를 차량 구석구석으로 보내주는 역할을 합니다.
3. 에어컨은 어떻게 작동할까요?
자동차는 자연스럽게 열이 발생할수밖에 없는 구조이기 때문에 히터를 만드는 것은 생각보다 쉽습니다.
하지만 반대로 열을 제거하는 것은 어렵습니다.
그래서 공조기술의 핵심이 되는 부분이 바로 냉방시스템입니다.
에어컨은 기체의 기화열을 이용해 온도를 낮춥니다.
우선 기화열이라고 하는 것은, 액체가 기체로 바뀔 때 외부에서 흡수하는 열을 말합니다.
주사를 맞기 전 알콜솜으로 소독을 할때, 그냥 상온에서 보관한 솜인데도 뭔가 시원한 느낌이 들지요?
알콜이 기체로 변하면서 열을 흡수하기 때문입니다.
에어컨은 복잡한 과정으로 동작하지만 기본원리는 그것과 동일합니다.
에어컨의 내부는 일종의 긴 통로로 되어 있습니다.
여기에 냉매라고 하는 물질이 들어 있는데,
이 물질은 상온에서 기화되고 높은 압력을 가하면 다시 액화되는 특성을 가진 물질입니다.
적은 힘으로도 쉽게 액화할수 있고 상온에서 쉽게 기화되는 물질,
즉 끓는점이 -40~0도 범위에 있는 물질을 냉매로 사용할 수 있습니다.
냉매는 냉각 시스템을 돌다가, 기화기를 만나면 증발되며 기화기를 차갑게 식히고,
열을 머금은 기체로 변해 압축기에 의해 고압으로 압축된 다음,
압축에 의해 뜨거워진 기체가 응축기에 들어가면 열을 발산하여 다시 액체가 되고,
팽창밸브를 통해 다시 기화기로 들어갑니다.
이것이 끊임없이 반복되면서 찬바람을 뿜어내는 것이죠.
그렇다면 기체를 어떻게 압축을 해야 할까요?
여기서 컴프레서(압축기)가 등장합니다.
자전거 바람 넣는 기계 써보신적 많으시죠?
기본적으로는 그것과 같습니다.
컴프레서는 외부 동력(엔진이나 모터)를 통해서 얻은 회전력을
상하로 움직이는 왕복운동으로 변환하여 기체를 강제로 압축시키는 구조입니다.
위 그림에서 보다시피 사선으로 기울어진 판이 중심축에 연결되어 있고,
그 사판에 결합된 피스톤이 사판의 움직임에 따라 앞뒤로 움직이고, 기체를 압축합니다.
그런데 오래된 차나 저렴한 차를 타보면 에어컨을 틀면 시원하긴 한데...
너무 추워서 끄면 이번엔 너무 덥고...
그런 경험 있으시죠?
일정한 경사를 가진 사판을 이용하는 구형 컴프레서는
RPM에 따른 토출량이 항상 같기 때문에 에어컨의 강도를 조절하기가 힘듭니다.
또한 컴프레서가 항상 최대부하로 돌아가기 때문에 엔진의 힘도 많이 빼앗아가지요.
그래서 등장한 것이 위의 "가변식 컴프레서" 입니다.
보시다시피 피스톤을 구동하는 사판의 경사를 임의로 조절할 수 있게 만든 것이 가변식 컴프레서입니다.
사판의 경사를 낮추면 토출량이 줄어들고 엔진에 걸리는 부하가 적어져 연비가 좋아집니다.
강한 냉방이 필요할때는 경사를 높여 토출량을 늘리면 찬바람이 강하게 나오겠죠.
가변식컴프레서가 확실히 기능상으로는 더 좋지만, 내부 구조가 복잡해지기 때문에 단점도 있습니다.
가장 큰 단점은 일단 비싸다는거지요.
컴프레서 자체도 비싸지만 컴프레서를 효과적으로 컨트롤하기 위한 시스템도 구축해야 합니다.
또, 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 아무래도 고정식에 비해 무게가 더 나가고 고장이 나기 쉽습니다.
이런저런 이유로, 아직도 저가형 차량에는 고정식 컴프레서가 많이 쓰이고 있습니다.
고정식 컴프레서의 분해모형.
가변식 컴프레서의 분해모형.
최근에는 엔진이 없는 전기차량이 등장하고 있는데,
기존 컴프레서는 엔진힘을 끌어오는 방식이기 때문에 이용할 수가 없습니다.
그래서 만들어낸 것이 전동컴프레서죠.
기존 컴프와 구조는 유사하지만 자체적으로 모터를 내장하여 전기만 넣으면 기능을 수행할 수 있습니다.
전동컴프는 앞쪽에 풀리 대신 모터가 달려 있어 구분하기 쉽습니다.
별도로 모터가 달려 있기 때문에 한눈에 보기에도 기존 가변식컴프에 비해 크고 무겁습니다.
앞으로도 지속적인 개발이 필요한 부품입니다.
에어컨을 이루는 또하나의 핵심 부품. 바로 증발기입니다.
증발기로 들어온 냉매는 압력이 줄고 온도가 올라가 기화하게 되는데,
이 과정에서 주변 열을 빼앗게 됩니다.
복잡한 냉방공조 시스템 중 실제로 차가워지는 부분이 바로 이 부분이죠.
증발기의 기본 구조는 라디에이터와 흡사합니다.
다만 라디에이터는 열을 발산하는 장치지만 증발기는 열을 흡수하는 장치라는 차이점이 있습니다.
라디에이터는 표면이 뜨겁기 때문에 그냥 부식방지 처리만 하면 되지만,
증발기는 표면이 차가워 물이 맺히기 쉽습니다.
이 물과 각종 오염물이 섞이면 곰팡이나 세균이 증식하기 쉬운데,
오래된 차량의 에어컨을 켤 때 나오는 퀴퀴한 냄새의 원인입니다.
한라공조에서는 자체적으로 개발한 항균코팅을 입혀
물맺힘을 방지하고 세균번식을 억제해 에어컨을 쾌적하게 사용할 수 있도록 하고 있습니다.
한라공조에서 실시한 내부식성,항균성 평과 결과
해외 유명 자동차 메이커인 T사, B사, R사의 제품보다 좋은 결과를 보여주었다고 합니다.
4. 하이브리드/전기차용 공조시스템
하이브리드 차량이나 전기차가 전통적인 엔진 차량과 다른 점이 뭘까요?
바로 모터와 배터리가 들어있다는 점입니다.
초기 하이브리드 차량을 이용해 보신분들은 알겠지만,
모터와 배터리만 사용하여 주행하는 EV모드나
엔진이 돌지 않는 정차상태에서는 곤혹스러운 상황을 맞이하게 됩니다.
바로 에어컨이 돌지 않는다는겁니다.
하이브리드 차량 역시 전통적인 엔진 차량과 동일한 공조 시스템을 사용할 수는 있습니다.
하지만 엔진을 사용하는 공조시스템은 '운행도중 엔진이 꺼지지 않는다' 를 전제로 합니다.
하이브리드차량에 기존 공조시스템을 넣으면 엔진이 멈출때마다 에어컨도 멈추고, 히터도 약해집니다.
그래서 하이브리드나 전기차에서는 다른 방식으로 공조시스템을 구성해야 합니다.
엔진 정지시 에어컨 정지를 막기 위해 자체적으로 동력을 발생시키는 전동 컴프레서가 필요합니다.
전동컴프레서는 엔진의 힘을 빼앗지 않기 때문에 동력손실이 적고,
최적의 RPM을 제어할 수 있기 때문에 효율이 좋습니다.
아직까지는 그 크기가 크고 가격이 비싸 일반차량에는 채용되고 있지 않지만,
일반차량에 채용해도 장점이 있습니다.
동력성능이 중요한 경우에는 에어컨 켤 때마다 차가 버벅대지 않는다는 것은 큰 메리트지요.
하이브리드차는 엔진이 종종 멈추고 효율이 좋아 냉각 수온이 히터 역할을 할만큼 충분히 높지 않고,
전기자동차는 엔진이 아예 없어 별도의 열원을 만들어야합니다.
전기히터는 냉각수를 사용하는 기존 방식 대신 열선을 사용하여 전기로 열을 만들어내는 장치입니다.
엔진이 멈춘다고 추위에 벌벌 떨지 않아도 되는 것이죠.
하이브리드 차량과 전기차량에 쓰이는 배터리는 리튬이온 배터리입니다.
휴대폰을 오래 켜고 있으면 배터리가 뜨거워지는 것처럼, 자동차도 운행을 하면서 배터리에서 열이 발생합니다.
배터리가 뜨거우면 효율이 떨어지고 폭발의 위험이 있기 때문에, 배터리도 공조 시스템으로 식혀주어야 합니다.
모터나 변속기 전기장치 등 구동부품에서는 열이 발생하기 마련이죠.
하지만 엔진이 없는 전기차는 냉각수를 돌릴 구동력이 없습니다.
작은 모터를 쓰는 경우 공랭식 냉각으로도 충분하지만,
높은 출력을 내는 모터일수록 열이 많이 발생합니다.
그런 열을 식히기 위한 것이 별도의 모터를 이용해 냉각수를 돌리는 냉각 시스템입니다.
뜨거운 모터를 적절히 식혀주는 것은 과열을 방지할 뿐만 아니라 내구성도 높여줍니다.
5. 공조시스템의 효율적인 사용 방법
에어컨은 복잡한 구조로 이루어져 있는 만큼,
효율적인 사용 방법을 숙지하면 처음 성능 그대로 오랬동안 사용할 수 있습니다.
혹시 냉매 충전할때마다 "냉매좀 많이 넣어주세요" 이 한마디 하시나요?
에어컨은 적정 냉매량이 정해져 있습니다. 이보다 적거나 많은 경우 냉각성능이 저하됩니다.
또, 적정량의 범위는 +-50g, 총 100g정도 범위인데,
1년에 유출되는 양은 20g 미만이므로 매년 냉매 충전을 할 필요도 없습니다.
냉매를 충전할 때 컴프레서 윤활용 오일도 같이 넣게 되는데,
어떤 곳에서는 이 냉매 충전과 별도로 오일을 넣는 것을 추천하는 경우도 있습니다.
컴프레서 오일은 별도로 충전할 필요가 없습니다.
오히려 오일이 너무 많으면 압축효율을 저하시켜 성능이 떨어질수도 있습니다.
에어컨 필터 교환은 기본이죠?
또, 시동 전에 에어컨을 끄면 물 발생을 줄여 다음 운행시 쾌적하게 에어컨을 이용할 수 있습니다.
에어컨의 컴프레서는 엔진과 바로 연결되어 있기 때문에 엔진 회전수에 큰 영향을 받습니다.
작동초기에는 윤활유가 고르게 분포되어 있지 않아 고회전 사용시 무리가 생길수도 있습니다.
시동을 켜고 장시간 지난 상태라고 하더라도 에어컨을 켜지 않으면 컴프레서는 회전하고 있지 않기 때문에
주행중 높은 회전수에서 갑자기 에어컨을 작동시키면 컴프레서 수명을 단축시키게 됩니다.
겨울철 결로 방지를 위해서는 히터, 에어컨 모두 효과가 있으나 에어컨이 효과가 더 빠릅니다.
최신 차량에는 습기제거모드가 있어 이런 작동을 자동으로 처리해 줍니다.
엔진은 열을 아주 많이 내는 기계입니다.
휘발유가 가진 에너지의 30~40%만 운동에너지로 전환되고 나머지는 대부분 열로 발산됩니다.
그래서 이 열을 없애주기 위한 시스템이 갖춰져 있는데, 이것이 라디에이터입니다.
엔진이 과열되었다고 해서 갑자기 시동을 끄면 어떻게 될까요?
라디에이터의 냉각수를 순환시키는 워터펌프는 엔진과 바로 연결되어 있습니다.
시동이 꺼지는 순간 워터펌프의 작동도 멈추고, 엔진블록 주변의 물이 그자리에 멈춥니다.
그순간 안쪽에 열을 잔뜩 머금고 있던 부품들의 온도가 상승하게 되고,
피스톤과 실린더 등 중요 엔진 부품이 녹아내려 서로 붙어버리게 됩니다.
이것이 소착이라는 현상인데 소착이 일어나면 엔진을 거의 새로 만들어야 하기 때문에 수리비용이 큽니다.
소착을 방지하기 위해서는 과열이 일어났다 하더라도 엔진을 바로 끄지 않고,
엔진이 최대한 열을 적게 발생하는 공회전 상태를 유지하여 엔진의 냉각시스템이 엔진을 식히기를 기다려야 합니다.
6. 공조장치 작동에 관한 오해들
공조장치의 제어가 전자동화됨에 따라, 기존 수종 공조기에서는 볼 수 없던 증상이 나타나
사용자를 혼란스럽게 하는 경우가 종종 있습니다.
사용자 설명서에 적혀 있다고는 하지만 몇백페이지에 달하는 설명서를 다 읽어본 사람이 몇이나 될까요.
그래서 이번에는 공조장치가 멋대로 작동하는 이유에 대해서 알아봅니다.
- 추운날 에어컨을 켜면 작동하지 않아요!
겨울철 이슬맺힘을 제거하기 위해 에어컨을 켰는데도 에어컨이 작동되지 않는 경우가 있습니다.
많은 분들이 이것을 고장이라고 생각하시고 정비소를 찾는데,
이것은 컴프레서 파손을 막기 위한 것입니다.
엔진룸이 영하일때에는 증발기를 통해도 냉매가 증발하지 않아 컴프레서로 액체상태의 냉매가 유입될수 있습니다.
액체상태의 냉매가 유입되면 큰 부하가 발생하여 컴프레서가 파손될 수 있다고 합니다.
- 난방을 틀었는데 바람이 나오지 않아요!
시동을 켜자마자 난방을 틀었는데도 나오지 않는 경우도 있지요.
엔진이 식었을때는 어차피 따뜻한 바람이 나오지 않기 때문에,
승객이 찬바람을 맞는 것을 방지하기 위해 바람이 나오지 않게 되어있다고 합니다.
- 제멋대로 유리쪽에서 바람이 나와요!
추운 날 유리쪽에 바람이 나오는 것은 운전자 안전을 위해 자동으로 습기 제거 기능이 동작하는 것이라 합니다.
- 아무 조작도 하지 않았는데 공조기가 마음대로 움직여요!
오토 디포그 기능이 있는 경우 창문에 김서림을 자동으로 감지해 습기제거 모드가 작동하는 경우도 있습니다.
단순한 MIX/DEF기능에 비해 더 세세한 단계를 거쳐 습기를 제거하기 때문에
공조기가 멋대로 작동한다고 오해할 수도 있는 부분이지요.
혹시 차를 탈 때마다 역한 냄새를 참고 있지는 않으셧나요?
내차는 오래된 차니까 어쩔수 없지...라고 생각하고 계시진 않으신가요?
제대로 된 관리법만 알고 있으면 10년, 20년 고장없이 쾌적하게 공조기를 사용할 수 있습니다.
지금껏 공조기에 대해 무심하게 지나가곤 했다면, 한번쯤 에어컨 필터라도 직접 교체해 보시는건 어떨까요?
오늘의 보배드림 이야기 여기서 마치겠습니다.