에어컨의 원리.

[곽동수]

차량용 에어컨  - 에어컨(airconditioner)은 말 그대로 공기 조절 장치를 말한다. 이는 에어컨이 단순히 냉방만 하는 것이 아니라 난방, 그리고 공기중의 습도를 조절하는 역할도 한다는 것이다.

차량 취급 설명서에 보면 "에어컨을 장시간 사용하지 않게 되면 에어컨 장치내의 윤활이 안되어 내부 패킹이 굳어져 가스누출의 우려가 있으며 부식등으로 인한 고장이 발생할 수 있다. 

지속적인 성능유지를 위해서는, 계절에 관계 없이 일주일에 1회정도 5~10분간 에어컨을 가동시키는 것이 바람직합니다."라고 에어컨 관리에 대해 설명되어 있다. 그래서, 여기서는 그 이유에 대해 설명하고 이해함으로써 올바른 관리가 이루어지게 하고자 한다.
 
에어컨 원리  - 차량용 에어컨이나 가정용 에어컨이나 그 작동원리는 똑같다. 즉, 실내의 열을 외부로 배출함으로써 실내의 온도를 낮추는 것이다. 여기서 실내의 열을 흡수했다가 외부로 배출하는 중간 매개체가 냉매인 것이다. 그럼, 보다 쉽게 에어컨의 원리를 설명해보자.

물질들은 고체, 액체, 기체의 상태로 변할 수 있는데, 고체에서 액체, 그리고 액체에서 기체로 변할때는 열을 흡수해야 하고, 반대로 기체가 액체로 또 액체가 고체로 변하려면 자신이 가지고 있는 열을 방출해야 한다.

실내에 얼음을 갖다 놓으면 얼음은 녹으면서 물로 변하게 된다. 이 과정에서 얼음이 물로 변하는 것은 얼음 주위의 열을 흡수하기 때문에 녹는 것이고 이를 반대로 얘기하면 얼음 주변의 공기는 열을 빼앗기게 되고 결과적으로 실내 온도가 떨어지는 것이라고 말할 수 있다.

그럼, 얼음이 모두 녹아 물로 변했다면 더이상 주위의 열을 흡수하지 못하므로 더이상 냉각효과는 없어지고 실내 온도는 다시 높아질 것이다. 이를 막기위해서는 계속해서 얼음을 실내에 갖다놔야 한다.

만약, 자동차에서 이렇게 물을 이용해서 냉각 작용을 한다면 계속해서 얼음을 공급해주어야 하는데, 이를 위해서는 자동차에 물을 얼음으로 변환시키는 냉동설비를 하던가 아니면 중간 중간에 얼음가계에서 얼음을 구입해야 한다.

그래서 물이 아닌 보다 손쉽게 주위의 열을 빼앗고 이렇게 빼앗은 열을 외부로 방출한다음 다시 본래의 물질로 끊임없이 순환할 수 있는 물질이 필요한데, 그것이 우리가 흔히 알고 있는 프레온가스이다.

결국, 프레온 가스가 자동차의 에어컨 냉매가 되어 차량 실내의 열을 빼앗아 차량 실내 온도를 낮추고 이렇게 열을 흡수한 냉매는 다시 외부에 열을 방출하면서 차가와져 다시 차량 실내의 열을 흡수하는 순환을 하게 되는 것이다.

그러나, 에어컨 냉매로 사용되는 프레온 가스가 지구의 오존층을 파괴 한다는 것이 알려지면서 소위 말하는 신냉매로 교체가 되었다. 이 신냉매는 프레온가스의 구성분자인 염소를 수소로 바꾼 화학물질인데, 하는 일은 구냉매와 똑같다. 그럼, 자동차에 달린 에어컨 장치들이 하는 일에 대해 알아보자. 
 
블로어 유닛 (blower unit)  - 블로어 유닛내에는 모터와 팬(fan)이 있으며, 모터가 팬을 회전시켜 실내외 공기를 빨아들이고 이 공기는 증발기와 히터를 거쳐 차량 실내로 내보내도록 한다.

실내 또는 실외 공기는 에어컨 컨트롤러에서 내/외기순환모드를 선택함으로써 결정되는 것이다. 블로어 유닛은 글로브 박스 뒷편에 있다. 
 

증발기(evaporator;에바포레이터)  - 블로어 유닛을 통해 들어온 공기가 증발기를 거치면서 차가운 공기로 변하게 된다. 그리고 증발기에 접촉되는 공기의 양을 증가시키기 위해 증발기(에바포레이터 코어)의 모양은 옆의 그림처럼 라디에이터처럼 생겼다.

그럼, 증발기 내부에 있는 냉매는 공기의 열을 흡수하므로 뜨거워진다. 즉, 냉매는 열을 흡수하면서 액체에서 기체상태로 변하게되는데(물이 열을 흡수하여 수증기로 변하듯이) 이렇게 기체상태로 변한 냉매는 압축기로 들어가게 된다.

반면 증발기에 의해 열을 빼앗긴 공기는 차가워지면서 공기내에 함유하고 있는 수분이 물로 응축되는데, 이 물은 드레인 호스를 통해 외부로 배출되게 된다. 이로 인해 증발기를 거친 공기는 차가워지면서 습도는 떨어지게 되고, 이 공기가 히터유닛으로 들어가게 된다. 
 
히터 유닛(heater unit)  - 히터유닛은 엔진에서 데워진 고온의 냉각수가 히터코어 내부에 흐르게 됨으로써 이를 이용하여 자동차 실내 온도를 높여 주고 차창의 성애를 제거해 주며 에어컨과 동시에 작용하여 증발기에서 차가워진 공기를 적정 온도로 유지하는 기능을 한다.

히터코어 역시 공기와의 접촉면적을 크게 하기 위해 라디에이터처럼 생겼다. 


압축기(compressor;컴프레서)
압축기는 증발기에서 기체상태로 변한 차가운 냉매가스를 흡입, 압축하여 고온고압 상태의 기체로 만들어 응축기로 보내는 역할을 한다. 이처럼 냉매를 압축하는 이유는 높은 온도에서 기체를 액체로 액화시킬 수 있기 때문이다.

자동차에 사용되는 냉매는 대기압인 1기압 상태에서는 -29.8℃에서 액화되는데, 증발기에서 열을 흡수해서 기체로 변한 냉매를 다시 액체로 만들려면 결국 -29.8℃까지 온도를 내려야하지만, 실제 자동차에서 이처럼 낮은 온도를 만들수가 없기에 엔진룸안의 높은 온도에서 냉매를 액체로 변화시키기 위하여 압축하는 것이다.

또한 압축기는 증발기에서 저압상태의 기체를 흡입하여 응축기로 고압상태의 기체를 배출함으로써 냉매를 순환시키는 역할도 한다. 
 
응축기(condenser;컨덴서)  - 응축기는 자동차 엔진룸의 맨 앞에 위치하여 압축기에서 전달된 고온고압의 냉매를 차게해서 액체상태의 냉매로 전환시켜주는 역할을 한다.

즉, 고온고압의 기체상태인 냉매가 응축기를 통과하면서 대기와 접촉하게 되고 이에따라 뜨거운 기체상태의 냉매는 외부로 열을 방출하면서 중온고압의 액체상태의 냉매로 변하게 되는 것이다. 컨덴서에는 컨덴서팬과 함께 있는데, 이 컨덴서팬이 외부의 차가운 공기를 빨아들이는 역할을 한다. 
 
건조기(receiver drier;리시버 드라이어)  - 응축기에서 액체상태로 된 냉매는 완전한 액체상태가 아니라 기체와 액체가 섞어있다. 그래서 건조기에서 기체상태의 냉매와 액체상태의 냉매를 분리해서 액체만을 팽창밸브를 통과시켜 증발기에 보내는 역할을 한다.

또한 냉매에 수분을 함유하고 있으면 수분이 팽창 밸브를 지나가면서 냉각된 냉매에 의해 얼어붙여 통로를 막게되므로 냉매에서 수분을 건조시키는 역할을 하기에 건조기, 또는 탈수기라고도 한다. 
 
 이처럼 에어컨은 물질의 상이 변할때 열을 흡수하고 배출하는 것을 이용하여 공기를 차갑게 해주는 것이다.

물이 수증기로 변할때 똑같은 100℃의 온도라고 해도 539kcal의 열량을 더 흡수해야 변할 수 있고, 반대로 100℃의 수증기가 100℃의 물로 변하기 위해서는 수증기가 갖고 있는 539kcal의 열량을 밖으로 배출해야 가능한처럼 똑같은 온도에서도 열량을 더 흡수하느냐 배출하느냐에 따라 기체와 액체로 변하는 것을 이용한 것이 에어컨인 것이다.

단지, 그 냉매를 물보다 더 많은 열량을 흡수하고 배출하는 프레온가스를 이용한 것이다.

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겨울철에 에어컨을 작동시켜야 하는 이유

자동차용 에어컨은 냉매와 오일을 혼합해서 안개모양 또는 액체상태로 사용한다. 에어컨 컴프레서도 기계장치이므로 윤활없이 사용하면 금방 마모되어 고장이난다.

가정용 에어컨은 오일을 밑의 오일팬에 괴어 있고, 순환은 냉매만 한다. 원래 그게 정석인데... 자동차용 에어컨은 장치를 간소화하다 보니 냉매와 오일을 섞어서 순환하는 것이 일반적이다.

냉매중에 오일이 섞여 있다는 사실이 자동차용 에어컨의 가스 누설에 두가지 특징적인 현상을 만들게 되었다. 첫째는 오일이 가스 누설의 주범이라는 것과 둘째는 오일이 가스 누설탐지의 좋은 보조역할을 한다는 것이다.

자동차용 에어컨은 구동을 위해 구동축이 컴프레서 밖으로 빠져나와야 한다. 구동축이 빠져 나오는 부분은 고가의 시일(seal)이 있어서 컴프레서 내부의 고압냉매가 새어 나오지 않게 막고 있지만 역부족이다.

시일(seal)과 구동축 사이의 미세한 틈을 통해 냉매가스가 새어 나오는 것을 막기 어려운데, 다행히 냉매중에 혼합된 오일이 이 틈을 모세관 현상으로 메워주기 때문에 냉매가스 누설을 방지한다.(가정용 에어컨은 구동 모터 자체가 냉매속에 잠겨서 회전하므로 구동축을 밖으로 빼낼 필요가 없어서 시일을 통해 누설되는 양이 전혀 없다.)

에어컨을 오랫동안 가동하지 않으면 구동축 시일 둘레에 모세관 현상으로 스며든 소량의 오일이 증발해서 말라버린다. 오일이 말라 없어지면 그 틈새로 냉매가 누설된. 그래서 에어컨을 쓰지 않는 계절에도 일주일에 5분 정도는 가동시키는 것이다.

에어컨을 가동시키면 냉매 밑에 가라앉아 있던 오일이 다시 섞여서 순환되며 구동축 시일(seal) 둘레에도 뿌려진다. 시일(seal)에 다시 오일이 공급되므로 누설 틈새가 밀봉되어 가스 누출이 계속 방지되는 것이다.

에어컨 오일이 새는 곳은 컴프레서의 구동축 시일(seal) 외에도 찌그러진 파이프, 찢어진 응축기(라디에이터 앞에 있는 에어컨용 라디에이터), 낡아 굳어버린 고무 O-ring등이 있다.

이런 곳에서 냉매가 새면 냉매중에 혼입된 오일도 함께 흩뿌려진다. 냉매는 공기중으로 달아나버리지만 오일은 남아서 먼지를 달라붙게 한다. 그래서 냉매가 새는 인근을 보면 오일자국이 있고 더럽게 먼지가 달라붙어 있다.

엔진룸 청소를 게을리 하는 사람의 엔진룸은 기본적으로 기름때와 먼지 투성이이므로 냉매 누출로 인한 흔적을 분간하기 어렵다. 에어컨 냉매가 극히 부족한 상태로 에어컨을 가동시키면 컴프레서의 흡입측에서 공기를 빨아들이는 수가 있다. 냉매중에 공기가 섞이면 냉방능력이 급감한다.

그래서 냉매가 아주 부족한 에어컨을 수리할때는 누설부위를 수리한 후(대체로 O-ring교환) 진공뽑기를 반드시 해야 한다. 에어컨 계통중에 흡입된 공기를 다 빼내버린 후 진공속으로 순수한 냉매만을 주입해야 냉각효과가 100% 발휘하게 된다. 공기가 섞이면 공기가 섞인 비율만큼 냉방능력이 감퇴된다. 냉매를 주입할때는 반드시 적정비율의 오일을 혼합시켜야 한다.

진공뽑기를 한 후 냉매만 달랑 주입하면(2-3년전에는 누구나 이런 식으로 수리했다) 에어컨 컴프레서가 윤활부족으로 금방 마모될 뿐더러 구동축 시일에도 오일이 부족해지므로 기껏 보충했던 냉매가 금방 새어나가버린다. 에어컨에 사용하는 오일은 매우 묽은 전용 "냉동기 오일"이 있다.

냉매를 보충할 때, 과충전은 절대 피해야 한다. 과충전(overcharge)한다고 냉방성능이 향상 되는 것이 아니라 오히려 감소하게된다. 에어컨의 냉방능력은 규정량의 냉매가 주입될때 최고가 되고, 부족하거나 과다해도 능력은 감퇴한다. 과충전이 심할 경우 에어컨 컴프레서로 액체냉매가 흘러넘쳐 들어가므로 컴프레서의 내부 벨브가 터지게된다. 컴프레서 벨브가 터지기 직전에 경운기 엔진소리 비슷한게 나고, 그 소리가 사라지면(벨브가 터지면) 전혀 냉방이 되지 않는다. 

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겨울철의 에어컨 사용 

거의 모든 승용차 에어컨은 "에어믹스 방식"이라고 하는 것이다. 이것은 우선 들어온 공기(외기또는 내기)를 에어컨 코어를 통과시킨다. 에어컨 가동중이라면 공기는 차갑게 되고, 공기중의 습기는 차가운 에어컨 코어에 이슬로서 맺혀서 물방울이 되어 떨어진다.

에어컨을 가동시키지 않았다면 에어컨 코어를 통과해도 공기에는 아무런 변화가 없이 그냥 지나친다. 그 다음 믹싱챔버로 들어간다. 여기는 공기통로의 반쪽에 히터코어가 자리잡고 있다.

그리고 히터코어 앞에는 믹싱컨트롤 도어라는 것이 있어서 얼마만큼의 공기를 히터를 통과시키고, 얼마만큼을 히터를 통과시키지 않을 것인가를 정하게 된다. 이 믹싱컨트롤 도어를 가동시키는 것이 바로 환기조종레버중에서 온도 조절레버이다.

그 다음 분배유닛으로 들어간 공기는 분배조종 도어의 개/폐에 따라서 각 분출구로 향해진다. 따라서 에어컨을 가동시켜서 공기를 차갑게 하면서 물기를 쫙 빼낸 뒤에 히터로 다시 데워지도록 믹싱컨트롤 도어를 조작하면 건조한 고온공기를 얻을 수 있다. 최종 공기온도는 믹싱컨트롤 도어를 움직임으로써 얼마든지 마음대로 조절할 수 있다.

비가 오는 날씨에 에어컨을 가동시켜서 습기를 제거한 뒤, 여름이라면 히터코어를 통과시킬 필요 없이 그냥 분출시키면 되고, 겨울이라서 에어컨을 켜면 좀 춥다고 생각되시면 히터코어를 통과시켜서 재가열 시키면 적절한 온도까지 올릴 수 있다.

추운 겨울에 유리창의 습기를 없애기 위해 차가운 에어컨 바람을 맞으며 다닐 필요 없이 따뜻한" 에어컨 바람을 맞으며 다닐 수 있다는 것이다. 비오는 날 에어컨으로 습기를 제거해서 다니면 몸도 보송보송하고 느낌도 좋다. 에어컨과 히터를 동시에 가동시키면 그게 뭔 에너지 낭비냐고 하는 이도 있다. 낭비 이긴 하지만, 편리한 생활을 얻을 수 있다. 기계에 무리가 가는 것도 아니다.

[배송학]

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