2.1 실험 장치

Fig. 1에 증발기 결빙시험에 사용된 시험장치의 개략도를 나타내었다. 시험장치의 구성은 실내(cabin)와 엔진룸(engine room), 제어부(control panel)로 구분할 수 있으며, 먼저 실내는 자동차의 실내를 모사하여 공기 분배 장치(Air Handling Unit, AHU)와 실내 온도와 습도를 제어할 수 있는 공조기가 위치하고 있다. 엔진룸은 실제 차량의 엔진룸에 위치하는 에어컨 시스템의 응축기와 압축기, 수액기 등이 장착되는 냉방장치(air conditioning test stand)와 온도와 습도를 제어하는 공조기가 설치되어 있다. 그리고 이들 실내와 엔진룸의 각종 환경과 시험 조건은 제어부에 설치된 컴퓨터로 제어 및 모니터링 되며, 데이터도 동시에 취득된다.⁽¹¹⁾

실내는 브라인(brain) 냉각기와 전기히터를 이용하여 -20~60℃까지 온도 조절이 가능하고, 습도는 스팀 발생기로 10~90% 범위에서 제어할 수 있다. 또한 30 kW 전기히터로 차량 엔진의 냉각수(coolant)를 모사하여 약 10~108℃까지 냉각수 온도가 제어된다. 엔진룸은 40 Hp의 압축기를 사용하는 냉동장치와 전기히터를 이용하여 -20~80℃까지 온도 조절이 가능하며, 340~10,000 $m^3/h$ 범위 내에서 풍량 제어가 가능한 원심 회전식 송풍기로 차량이 주행할 때 외부 열교환기의 전면으로 불어오는 주행풍을 모사할 수 있다.

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus and air out temperature measurement positions on the evaporator.

열손실을 방지하기 위하여 모든 장치는 단열이 되어 있으며, 복사열에 의한 열손실도 자동으로 보정된다. 그밖에 압축기의 투입 일을 측정하기 위한 토크 센서 및 에어컨 시스템내 순환하는 냉매량을 측정하기 위한 질량유량계가 설치되어 있으며, 시스템 시험 장치는 실제 차량에서의 냉․난방 시스템의 작동조건을 모사하여 온도와 습도, 풍량 변화 등 다양한 환경조건과 압축기의 회전수를 변화하면서 실험할 수 있다.

본 실험에 사용된 에어컨 시스템은 국내 현대자동차에서 생산하는 SUV(sport utility vehicle)에 적용되는 에어컨 구성부품들로 진행하였다. 압축기는 사판식 압축기를 사용하였고, 열감응식 팽창밸브와 적층형 증발기, 기액 분리형 응축기를 적용하여 실험을 진행하였다.

상세 실험 시료의 제원에 대하여는 Table 1에 나타내었다.

2.2 실험 조건 및 방법

현재 대부분의 자동차 생산업체들은 증발기 후면에 장착된 온도센서로(thermistor sensor) 증발기를 통과한 공기의 온도를 감지하고 증발기의 온도가 설정된 온도 이하로 떨어질 시에 압축기의 작동을 중단하여 증발기의 결빙을 방지하고, 설정온도 이상으로 온도가 올라가면 압축기를 다시 작동하는 방식으로 토출온도를 제어한다.

증발기에서 결빙은 실내의 더운 공기가 증발기와 열 교환하여 이슬점 온도(dew point temperature) 이하로 떨어지면서 응축수가 발생하고 이때 증발기의 온도가 계속 영하의 온도로 내려가게 되면, 증발기의 핀에(fin) 맺힌 응축수가 얼면서 핀이 막히게 된다. 막힌 핀 때문에 공기의 순환량이 저하되고, 냉매 유량이 급격히 감소 하여 과열도가 증가하여 토출 공기의 온도가 상승하고 증발기의 결빙은 점차로 확대되어 나중에는 탑승자에게 큰 불쾌감을 야기한다.

증발기 결빙을 방지하기 위하여 증발기 후단에 설치한 온도센서는 사용용도에 따라 직접 증발기 핀에 삽입하여 핀 온도를 감지하는 방식과 핀에 매우 가깝게 온도센서를 위치하여 증발기가 지나고 난 공기의 온도를 측정하기도 한다. 따라서 온도센서는 증발기 핀 또는 표면에서 증발기 전체 온도를 대표할 수 있는 적절한 위치에서 온도를 측정하여야 한다.

통상 온도센서는 증발기 전체의 온도 분포를 감안하여 온도가 비교적 낮은 지점을 증발기 결빙의 잠재적인 시작점으로 판단하여 해당위치에 온도센서를 설치한다. 이밖에도 공기 조화장치의 작동(door and cam mechanism)과 조립 등 주변 물과의 간섭이 없어야 하며, 수리를 위한 서비스성과 바람 유동에 방해를 받지 않아야 하고, 증발기에서 응축수가 많은 하단부나 과열 위치는 피해야 한다.

하지만 실제로 차량을 운전함에 있어서 매우 다양한 조건하에서 증발기 표면온도 분포를 대표하는 데는 한계가 있을 수밖에 없다. 실제로 증발기 표면온도를 결정짓는 요소는 증발기 내부에 흐르는 냉매의 온도이며, 냉매의 온도는 증발기내의 열부하와 냉매유량에 따라 달라지기 때문이다.

따라서 본 연구에서는 증발기 표면온도의 분포에 영향을 미칠 수 있는 환경요인인 외기온도와 증발기에 공급되는 풍량, 그리고 냉매량의 변화에 따라 증발기의 결빙에 미치는 영향에 대하여 실험적으로 규명하고자 하였다.

상세 실험 조건에 대한 변수는 Table 2에 나타내었다. 또한 Table 2와 같은 조건으로 각각 실험시 증발기 표면의 온도분포를 확인하기 위하여 Fig. 1에 나타난 것처럼 증발기 표면에 T-type 열전대(thermocouple) 18개를 설치하여 실시간으로 온도를 확인하고 저장하였다. 열전대의 오차는 ±0.3℃이다.

3.1 환경 인자별 증발기 결빙

에어컨은 공기 분배장치의 송풍기에 의해 공급되는 공기와 증발기 내부의 냉매 유동과의 열 교환으로 차가워진 공기는 실내를 시원하게 하고, 더워진 냉매는 다시 냉동사이클(refrigerant cycle)을 순환하면서 차가워져 증발기와의 지속적인 열교환으로 차가워진 공기를 실내에 공급한다. 이때 증발기의 표면 온도는 감지센서에 의하여 결빙 온도 이상을 항상 유지하도록 설계되어 있으나, 여러 환경 인자에 의하여 온도센서가 감지하기도 전에 급격하게 증발기 온도가 빙점이하로 내려가는 경우가 가끔 발생하게 된다. 일례로 에어컨이 갑자기 정지하면 송풍기도 동시에 정지하게 된다. 하지만 증발기에는 압축기의 펌핑 작용에 의하여 짧은 순간 잔류 냉매가 급격하게 쌓이게 되고, 송풍기의 정지로 열부하가 없어졌기 때문에 냉매와 외부공기는 자연 대류에 의해서만 열 교환을 하게 되므로 급격한 열 교환량의 감소로 증발기내 잔류 액냉매의 기화가 지속되는 일정 시간동안 증발기의 온도는 빙점이하로 떨어지게 된다.

Fig. 2는 에어컨 시스템에 충전되는 냉매량별 증발기 표면에서의 온도평균값이다. 먼저 Fig. 2(a)는 정상 냉매량인 650 g과 70% 수준인 455 g, 30% 수준인 195 g일 때 증발기 표면온도이다. 정상 냉매량을 충진하였을 경우 증발기 후면의 온도는 약간의 변동은 있지만 약 2.5℃에서 움직임이 거의 없다. 하지만 저 냉매량 충진을 모사한 455 g의 냉매가 충진 되었을 때 증발기 후면 온도는 평균 3.5℃ 정도이고, 온도의 변동은 약 1.4℃정도로 정상 냉매량이 충진 되었을 때 보다는 조금 더 커지는 경향이다. 다음으로 거의 냉매가 없는 195 g의 냉매를 충진 하였을 때는 증발기가 제 역할을 하지 못하는 것을 알 수 있다. 가동 초기에 잠깐 약 5.6℃까지 온도가 내려갔으나 이내 약 10℃에 도달하였다. 이는 부하에 비하여 증발기내 냉매의 유동이 너무 작아 증발기내에서 냉매가 모두 증발되고 과열된 상태라고 볼 수 있다.

Fig. 2 Experimental results of evaporator surface temperature with various refrigerant charge quantities($T_{air}$ = 25℃ 80% RH, $Q_{air}$ = 120 $m^3/h$).

Fig. 3 Experimental results of evaporator left and right air out temperature with various refrigerant charge quantities ($T_{air}$ = 25℃ 80% RH, $Q_{air}$ = 120 $m^3/h$).

Fig. 2(b)는 냉매량이 50% 수준인 325 g이 충진 되었을 때 증발기 후면의 공기온도 분포이다. 냉매 충진량이 부족하면 증발기내 유량이 불균일하게 흐르기 때문에 온도도 약 1.4℃~3.5℃ 사이를 변동하고 있다가 12분이 지나면서 증발기의 일부가 빙결되기 시작한다. 이후 24분을 지나면서 거의 대부분의 증발기가 빙결되었다. 이와 같은 현상은 냉매량의 불균일로 인한 증발기내 냉매 쏠림 현상으로 특정부분의 온도가 영하로 내려가고, 이때 핀에서 형성된 응축수가 얼게 되는 것이다. 일단 빙결이 시작되면 그 부위를 중심으로 핀이 막히게 되어 풍량이 감소하며, 냉매유량이 더욱 감소되어 점차로 빙결부위는 확대되며 궁극적으로는 증발기가 완전히 동결되는 현상까지 발생된다. Fig. 3은 증발기의 좌측과 우측의 후면 공기온도를 비교해 보았다. Fig. 3(a)의 정상 냉매량($m_{ref}$ = 650 g)은 토출 온도가 약 2.0℃~2.9℃ 이내의 변동은 있지만, 증발기의 좌측과 우측간의 온도 차이는 없었다. 냉매량이 정상 냉매량의 70%($m_{ref}$ = 455 g)가 충진 되었을 때 온도의 변동 폭은 2.0℃~3.9℃로 더욱 커졌으며, 증발기 우측의 온도가 좌측보다 약간 높게 나타났다. 마지막으로 정상 냉매량의 30%($m_{ref}$ = 195 g)가 충진 되었을 때 증발기의 좌측은 약 4.0℃의 비교적 고른 온도분포를 보이나, 우측은 15℃가 넘는 높은 온도차를 보이고 있다. 이는 증발기 출구가 우측에 위치하기 때문에 냉매량이 부족하므로 출구 쪽으로 가면서 증발기내 냉매가 모두 과열(dry-out) 되기 때문이다.

Fig. 3(b)는 정상 냉매량의 50%($m_{ref}$ = 325 g)가 충전되었을 때 증발기 좌측과 우측의 온도이다. 냉매 유량이 부족하기 때문에 출구 쪽으로 갈수록 냉매가 상승하고 있으며, 좌측은 약 2.9℃, 우측은 약 4.2℃정도 온도차가 발생하고 있다.

Fig. 4 Experimental results of evaporator air out temperature with various ambient temperature and airflow volume rate ($m_{ref}$ = 650 g).

Fig. 5 Experimental results of evaporator left and right air out temperature with various ambient temperature and airflow volume rate ($m_{ref}$ = 650 g).

Fig. 4는 증발기에 공급되는 외기온도의 변화와 풍량이 변화되었을 때 증발기 후면 공기온도의 변화를 보여주고 있다. 먼저 Fig. 4(a)에서 외기온도가 35℃ 90% RH일 때를 보면, 냉매가 증발기 내를 정상적으로 유동하고 있지만 부하가 너무 커서 공기온도가 모두 높다. 풍량이 감소함에 따라 증발기 후면 공기 온도도 낮아지며 풍량이 530 $m^3/h$일 때는 증발기 토출 공기온도가 약 23.5℃이나, 풍량이 320 $m^3/h$이면 약 14.8℃로 낮아지고, 풍량이 90 $m^3/h$일 때는 4.8℃로 낮아졌다. 또한 외기온도가 25℃ 80% RH일 때는 부하가 작아졌으므로 온도는 더욱 낮아지고, 풍량이 530 $m^3/h$일 때는 약 8.6℃, 320 $m^3/h$일 때는 약 5.4℃, 풍량이 90 $m^3/h$이면 약 1.5℃ 정도로 증발기 후면의 토출 공기온도가 낮아졌다.

Fig. 4(b)는 증발기로 공급되는 공기온도가 15℃ 80% RH일 때 증발기 후면의 토출 공기 온도이다. 외기온도가 낮으므로 냉방부하가 작아 토출온도는 곧바로 0℃까지 내려가며, 약 6분 시점에서 증발기는 결빙이 시작 되었다. 상기 결과로 보면, 고풍량일 때 보다는 저풍량일 때가 증발기의 결빙에는 불리함을 확인하였다. 따라서 증발기 결빙 방지를 위한 온도센서(thermistor sensor)의 최적위치 선정을 위해서는 해당 차종에서 공기 분배 장치의 송풍기가 공급 가능한 최소 풍량으로 시험이 필요함을 알 수 있었다.

Fig. 5는 증발기로 공급되는 공기의 온도와 풍량이 변화하였을 때 증발기의 좌측과 우측의 후면 공기온도를 비교하였다. Fig. 5(a)의 외기온도가 35℃ 90% RH일 때 증발기로 공급되는 풍량에 따라 조금씩 차이가 나타 나며, 최대 3.7℃정도 우측의 토출 공기온도가 좌측보다 높았다. 외기온도가 25℃ 80% RH에서도 우측의 토출 공기온도가 좌측보다 높았으며 그 차이는 최대 2.4℃정도였다. 고온 다습한 환경인 외기온도가 35℃의 공기가 증발기로 불어올 때 증발기내에서 냉매의 과열도 및 온도 편차가 커지는 것을 알 수 있다. 한편 고온의 열부하 조건에서는 증발기 후면의 공기온도도 함께 상승하게 되어 증발기 결빙온도에는 도달하지 못하였다.

Fig. 5(b)는 외기온도가 15℃ 80% RH일 때 증발기 좌, 우 온도 편차이다. 앞서 설명 드린바와 같이 냉방부하가 작기 때문에 증발기내에 냉매는 비교적 균일하게 잘 흐르는 것으로 보이며, 좌우측의 토출 공기온도 편차는 약 1.3℃정도 우측이 좀 더 높았다. 이는 증발기 구조의 특성으로 우측에 증발기 냉매 출구가 위치하기 때문에 상대적으로 출구 쪽으로 갈수록 냉매가 더 잘 증발되고 증발기 후면의 토출 공기온도도 상승하는 것으로 보인다.

3.2 증발기 표면온도 시험

증발기에서 결빙은 표면 온도가 응축수의 어는점 이하로 내려갈 때 발생하는 현상이다. 일반적으로는 증발기에 온도감지 센서가 있어 어는점 이하로 내려가는 것을 방지하고 있으며, 설령 약간의 결빙이 발생해도 에어컨의 압축기가 정지하면, 시간이 흐르면서 얼었던 응축수가 녹기 때문에 별 문제는 없다. 하지만, 결빙이 발생한 증발기에서 응축수가 채 녹기도 전에 에어컨을 지속적으로 가동하게 되면 증발기의 결빙 영역이 점차로 확대되며 풍량이 감소하게 되고, 냉매와의 열 교환량이 감소하여 증발기 표면 온도는 더욱 하강하고 결빙은 더욱 확대된다.

Fig. 6은 에어컨 시스템에 충진되는 냉매량별 증발기 표면 18군데에서 측정한 온도분포이다. 냉매량 650 g의 경우는 대부분이 증발기 목표온도인 2.0℃ 근처이며, 일부의 영역이 3.0℃의 분포를 보이고 있다. 냉매량 455 g 에서는 정상 냉매량(100%)과 온도 분포면에서 큰 차이는 보이지 않으나, 일부의 좌측 하단부 영역에서 약간 온도가 높게 나타났다. Fig. 6(c)의 50% 수준인 325 g에서는 증발기 내를 흐르는 냉매의 불균일로 인하여 온도 분포가 0.3℃~8.0℃까지 매우 넓게 분포하였다. 특히 온도센서가 위치하는 곳에서는 3.0℃가까운 온도를 감지하고 있지만 이미 일부의 영역에서는 0.3~0.7℃의 온도이므로 머지않아 이 부위를 중심으로 결빙이 발생할 것으로 보인다. 즉, 증발기의 온도를 감지하는 위치의 온도와 증발기 최저온부의 온도차 때문에(센서에서 감지하는 온도가 높게 유지되기 때문) 에어컨은 정지하지 않고 계속 작동을 하게 되며, 이로 인하여 증발기 표면온도는 일부의 구간에서 영하로 내려가게 되고, 이 영역에서의 응축수는 빙점 이하가 되기 때문에 결빙이 발생하게 된다. Fig. 6(d) 30% 수준의 195 g에서도 50% 충진시와 비슷한 경향을 보이고 있다. 증발기의 온도 분포는 -1.1℃~20.0℃로 최대 23℃의 온도 편차를 보이고 있다. 냉방부하에 비하여 너무 작은 냉매량이 흐르므로 이와 같은 현상이 나타난 것으로 보인다.

Fig. 6 Evaporator surface temperature distribution with various refrigerant charge quantities($T_{air}$ = 25℃ 80%RH, $Q_{air}$ = 120 $m^3/h$).

Fig. 7 Evaporator surface temperature distribution with various inlet air temperature and airflow volume rate($m_{ref}$ = 650 g).

Fig. 8 Evaporator freezing mechanism according to the surface temperature changes with 50% refrigerant charge quantity ($T_{air}$ = 25℃ 80% RH, $Q_{air}$ = 120 $m^3/h$).

Fig. 7은 열부하의 변화가 증발기 표면의 온도에 미치는 영향을 보고자 외기온도와 풍량을 변화하면서 증발기 온도분포를 살펴보았다. 먼저 Fig. 7(a)에서 외기온도가 35℃일 때는 증발기 표면온도가 대부분 3.1℃~11.9℃로 최대 9.0℃의 온도 편차를 가진다. Fig. 7(b)와 같이 외기온도 25℃에서 증발기의 온도 분포는 0.2℃~4.6℃사이로 최대 4.4℃의 온도 편차이다. 증발기로 공급되는 풍량에 의한 영향으로는 530 $m^3/h$의 풍량이 공급되었을 때 온도분포는 5.8℃~13.4℃이고, 최대 온도편차는 7.6℃이다. 반면 풍량이 320 $m^3/h$로 감소하면 증발기 표면 온도차는 3.1℃~10.4℃로 축소된다. 풍량이 증가하면 냉방부하가 증가하므로 상대적으로 증발기 표면온도는 상승하는 경향을 보이며, 그 영향은 외기온도의 변화보다는 크지 않았다.

Fig. 8는 정상 냉매량 대비 약 50%가 충진 되었을 때 냉방부하 대비 증발기 내부에서의 유량 불균일로 인하여 증발기 표면이 빙결되는 과정에 대하여 시간별로 증발기 표면온도의 변화를 살펴보았다. 먼저 에어컨 작동후 약 270초 정도가 지나면 증발기의 일부에서는 0.6℃근처의 낮은 온도를 가짐을 알 수 있고 이 위치는 결빙을 방지하기 위하여 선정한 위치(1.7℃ 이상의 온도를 감지)와는 다른 영역에서 발생 하였다. 이후 720초가 지나면서 이 영역의 온도는 더욱 낮아져 이미 결빙을 시작하였고, 1,440초를 지나면서 빙결영역은 증발기의 상당한 면적으로 확대 되었다. 이후 1,740초가 되면 증발기는 대부분이 얼어서 거의 바람이 통과하지 못하는 수준까지 도달하였다.

결국 결빙은 환경요인에 의하여 영향을 받게 되며, 이 모두가 증발기내에 흐르는 유체의 불균일로 인한 증발 온도의 편차에 기인한다. 일단 빙결이 발생되면, 어는 부위가 점차로 확대되어 사용자는 풍량의 감소, 실내온도의 상승으로 불쾌감을 느끼고, 나아가 에어컨 시스템의 고장까지도 야기할 수 있다.