에어컨 및 냉매의 이해

[윤박사]

  에어컨 및 냉매의 이해 

1. 에어컨의 원리

자동차 실내의 공기온도를 낮추기 위해서는 낮은 온도의 열 교환기를 차의 실내에 설치하여, 실내공기를 순환 시키므로 실내공기의 열을 열 교환기로 흡수하면 됩니다.

[그림 1] 냉방의 원리

이를 위해서는 열 교환기를 저온으로 할 필요가 있는데, 그러한 방법에는 여름의 더운날 정원에 물을 뿌리면 시원하게 되는 것이나, 또 예방주사를 맞을 때 소독하기 위해 탈지면에 적신 알콜을 피부에 바르면 얼마동안 시원하게 느껴지는지 알고 있다면 간단하게 찾을 수 있을 것입니다.   이것은 물이나 알콜이 액체에서 기체로 변화할 때 주위에서 기화에 필요한 잠열을 빼앗기 때문인데, 자동차용 에어컨에서는 시원한 물이나 알콜같은 냉각 효과를 내는 액체를 항상 새롭게 연속적으로 공급할 수 없기 때문에, 액체를 순환시켜 연속적이고 지속적인 냉각 효과를 낼 수가 없으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 고안한 방법이 현재의 냉매를 이용한 에어컨시스템입니다.   여기서 잠깐 에어컨 시스템에 나오는 용어에 대해 알아보고 넘어가겠습니다.

  1) 감 열(感 熱)

물이 들어있는 그릇에 열을 가하면 물이 뜨거워지고, 또는 철봉을 산소버너로 가열하며 점점 뜨거워지는데, 일반적으로 물체를 뜨겁게 하거나 차갑게 하는 경우 물체의 온도가 변화하는데 관계되는 열을 감열(感 熱)이라고 합니다.

  2) 잠 열(潛 熱)

[그림 2] 감열과 잠열의 상태 변화

에어컨의 냉방작용은 감열을 이용하고 있지만, 그것 못지않게 잠열이라고 하는것도 큰 역할을 하고 있습니다.   예를들어 물이 들어있는 그릇에 열을 가하면 물의 온도는 감열에 의해서 서서히 상승하기 때문에 가해진 열의 효과를 직접 확인할 수 있지만, 100℃까지 올라가 버리면 그 이후에는 아무리 열을 가해도 물의 온도는 올라가지 않게 되고, 아무리 기다려도 100℃를 유지하게 됩니다.   하지만 그렇다고 해서 그 물에 아무런 변화가 없는 것은 아닙니다.   온도는 비록 100℃를 유지하고 있지만 물은 액체에서 기체(증기)로 변화되고 있습니다.   반대로 얼음(고체)을 녹여서 물(액체)로 만들기 위해 열을 가하는 것도 같은 현상입니다.   0℃의 얼음(고체)이 0℃의 물(액체)로 변화되는 것입니다.    이와같이, 온도 변화없이 물질의 상태변화만을 일으키는 열을 잠열이라고 합니다.   물을 증기로 변화시키는데 소요되는 잠열을 증발 잠열이라고 하고, 증기를 물로 냉각할 때 감소되는 잠열을 응축 잠열이라고 합니다.

  3) 포화 증기, 포화액

밀폐용기에 액화가스를 봉입하면, 용기의 윗부분에는 액화가스의 증기가 존재하고, 밑부분에는 액체가 존재합니다.   이때 용기 주위의 온도가 올라가면 용기 온도도 따라서 올라가고 이로 인해서 용기의 압력도 상승하게 되는데, 이것은 주위로부터 열을 흡수하여 액체 자체의 온도가 상승함과 동시에 액체가 증발하기 때문에 증기의 양이 증가하기 때문입니다.   반대로, 주위의 온도가 내려가면 액체의 온도는 내려가고 동시에 증기의 온도도 내려가 일부는 액화되어 증기의 양이 감소하므로 인해 압력이 낮아집니다.   이와같이 액체와 증기가 공존하는 상태에서는 습도가 어떤 온도에 도달했을 때 압력은 어떤 특정 압력에서 평형상태를 이루고, 그밖의 증기가 존재하지 않는 한 압력과 온도의 관계는 변화가 없다고 할 수 있습니다.   만일, 용기의 체적이 커져다 하더라도 온도가 같다면 증기의 양이 많아진거와 관계없이 압력의 변화는 없습니다.   단, 액체가 남아있다는 가정하에 말입니다.   이와같은 상태를 포화상태라 하며, 용기내의 액체를 포화액, 증기를 포화증기라고 합니다.

[그림 3] 용기내 액화가스와 포화온도 곡선

만약, 일정한 압력하에서 120℃로 끓고 있던 물에서 가해지고 있던 열을 제거하면, 당연히 비등의 작용은 멈추게 되지만, 물의 온도는 일정기간 그대로 120℃로 유지됩니다.   에어컨시스템에서도 에어컨에 사용되고 있는 냉매는 비점이 몹시 낮기 때문에 낮은 온도에서도 간단하게 증기가 되고, 포화증기를 만들어 낼 수 있습니다.   그렇기 때문에 증기를 넣은 용기속의 온도를 측정하면 압력을 추정할 수 있으며, 또한 반대로 압력을 측정하면 냉매의 온도를 알 수가 있는 것입니다.   즉, 증기의 압력과 온도는 항상 상관관계에 있기 때문에 에어컨 테스트 항목에 압력 테스트가 빠지지 않고 들어가 있는 것입니다.

3. 에어컨의 형식

  1) TXV형 (Thermo Expansion Valve Type)

    ① 작동 및 각 부품의 역할

    ② 냉매의 변화

[그림 8] 냉동 싸이클에서의 냉매의 변화

  2) CCOT형(Clutch Cycling Orifice Tube Type)

   ① 작동 및 각 부품의 역할

4. 냉 매

  1) 냉매의 정의

냉동 사이클을 따라 순환하면서 열을 이동시켜서 항상 차가운 바람이 나올 수 있게 해주는 매체가 되는 물질입니다.

  2) 냉매의 필요조건 

냉매의 필요조건

  3) 냉매의 종류

    ① R-12 (구 냉매)

      가) 성 질

      - 화학적으로 상온에서는 불활성이며, 427℃이상까지 열적으로 안정.

      - 비교적 낮은 잠열을 가지고 있어 소규모 냉동기에서 유리.

      나) 장 점

      - 증발 잠열이 크고, 액화가 용이.

      - 연소하거나 폭발하지 않음.

      - 화학적으로 안정되어 변질되지 않음.

      - 독성이 없음.

      - 부식성이 없음.

      - 음식물, 의류에 해가 없음.

      - 쉽게 구입할 수 있으며, 가격이 저렴.

      - 윤활 오일등과 잘 융화.

      다) 단 점

      - 수분이 있으면 마그네슘이나 알루미늄 합금을 침식.

      - 불에 접촉하면 염산, 포겐가스등 독성물질과 유독가스를 발생.

      - 오존층을 파괴하고, 온실효과를 유발.

    ② R-134a (신 냉매)

아래는 신 냉매와 구 냉매의 특성 비교표입니다. 

      가) R-134a 적용배경

예전부터 사용해오던 R-12 냉매는 안정되고 무독, 무해등 많은 장점을 가지고 있으나, 얼마전부터 문제가 되어온 환경파괴(오존층 파괴 및 지구 온난화)측면에 대해서는 매우 좋지 않은 영향을 주고 있습니다.   이에 국제 연합 환경계획(UNEP)이라는 단체에서 몬트리얼 의정서가 채택(1989년1월 발효)되어 규제되어야 할 특정 프레온(R-11,R-12,R-113,R-114,R-115)에 대해서는 단계별로 사용 및 생산을 규제해서 2000년까지는 전면 규제키로 결정되었으며, 이에 따라 R-12에 대응하는 대체 냉매가 필요하게 되었고, 이것이 바로 신 냉매인 R-134a입니다. 

      나) 장 점

      - 오존을 파괴하는 Cl이 없는 R-12의 대체 냉매.

      - 안정된 분자구조 (다른 물질과 쉽게 반응하지 않음).

      - R-12와 유사한 열역학적 성질.

      - 불연성 및 독성이 없는 유일한 오존 비파괴 냉매.

      다) 단 점

      - R-12와 같은 응축온도에서의 냉동능력 저하.

         (R-12와 동일한 냉방 성능을 위해 농축온도를 저하시켜야 함)

      - 고무 제품과 플라스틱 제품의 사용성 문제.

      - 기존 사용중인 압축기 오일과 불 용해성 문제.

      - 온실효과가 있어 향후 회수 및 재생문제.

      - R-134a 냉동유의 흡수성 문제.

      라) 신 냉매(R-134a) 사용시 변경 내용 

[oasis]

감사합니다. ^^