[논문]냉매 내 공기혼입에 따른 에어컨 시스템의 냉각성능 저하

문성원; 민영봉; 정태상

doi:10.5307/jbe.2009.34.6.470

문제 정의

본 연구는 에어컨 시스템의 자동 냉매충전장치 개발을 위하여 자동차분야의 선행연구를 검토하여 향후 농업기계에 적용코자 시도하였다. 그 결과 자동차 분야에서도 에어컨 상태 자동진단 및 자동충전장치가 완전히 개발되어 있지 못함을 알게 되었고, 실험의 대상이 농업용 에어컨이 아닌 자동차 에어컨을 택한 것은 우선 실험도구로 사용될 냉매 자동충전기가 자동차용이 상용되고 있는 것과, 본 연구를 통하여 농업용 냉방 시스템의 자동 상태진단 및 냉매충전 장치 연구를 위한 기초자료를 얻고자 함이었다.
본 연구는 농업용 냉방시스템의 자동 상태진단 및 냉매 충전 장치 연구를 위한 기초자료를 얻고자 선행연구로 수행하였다. 시험은 승용차량의 에어컨 시스템을 대상으로 자동차용 냉매충전기와 컴퓨터 계측시스템을 이용하여 수행하였다.
본 연구는 승용차량을 대상으로 엔진회전수 1500 rpm 상태에서 에어컨의 냉매내 공기혼입량 변화에 따른 냉매 라인의 온도와 압력 변화를 측정 분석하여 에어컨의 냉매 내 공기 혼입 상태를 진단할 수 있는 자료를 제시하기 위하여 수행하였다
농업용 냉방 시스템은 원예작물의 냉방에 이용하는 것과 같이 자연에 노출된 환경이 많고 수요가 적어서 냉방시스템의 자체의 기술개발보다 효율적 이용기술에 대한 연구개발이 많은 실정이다. 본 연구는 에어컨 시스템의 자동 냉매충전장치 개발을 위하여 자동차분야의 선행연구를 검토하여 향후 농업기계에 적용코자 시도하였다. 그 결과 자동차 분야에서도 에어컨 상태 자동진단 및 자동충전장치가 완전히 개발되어 있지 못함을 알게 되었고, 실험의 대상이 농업용 에어컨이 아닌 자동차 에어컨을 택한 것은 우선 실험도구로 사용될 냉매 자동충전기가 자동차용이 상용되고 있는 것과, 본 연구를 통하여 농업용 냉방 시스템의 자동 상태진단 및 냉매충전 장치 연구를 위한 기초자료를 얻고자 함이었다.
실험실의 실내온도와 상대습도는 33~35℃와 55~57%RH로 유지하였다. 시험목적은 냉매내 공기혼입량 변화에 따른 냉매라인의 온도와 압력변화를 측정 분석하여, 공기혼입에 의한 냉방불량을 진단할 수 있는 자료를 제시하기 위함이며, 시험한 결과를 요약하면 다음과 같다

제안 방법

공기혼입량의 정량화는 공기주입 완료시의 에어컨 저압 측 진공압력 즉, 냉매주입전 진공압으로 하였고 냉매 충전량은 냉매주입기가 표시하는 냉매저장기의 액화상태의 무게로 하였다. 각 시험시의 냉매주입전 진공압은 절대압단위 (kPa-a)로 0.13 kPa-a, 34.67 kPa-a, 61.33 kPa-a 및 88.00 kPa-a(l, 260, 460, 660 Torr)로 하였으며, 냉매충전량은 3.92 N(440 g), 5.39 N(550 g), 7.06 N(720 g)으로 하였다. 시험 시 엔진회전수는 1500 rpm 으로 고정하였고 에어컨의 작동조건은 증발기벤트의 풍량스위치를 최대로 하고, 온도조절 스위치는 최대냉방으로 하고, 외기유입상태에서 차량의 문을 완전 개방하였다.
, Korea)를 설치하여 측정하였다. 각각의 센서의 출력단은 데이터 측정장치(SystemlOK7, Daytronic Corp., USA) 의 열전대카드(10A9-8C, Thermocouple conditioner card) 와전압카드(10A60-4, quad voltage conditioner card) 에 연결하여 각각의 데이터를 측정하였다. 데이터 측정장치로부터 측정한 데이터들은 RS-232 통신을 통하여 컴퓨터(Pentium4 2.
39 N이상에서 실시하였다. 공기와 냉매 주입방법은 엔진을 정지시키고 냉매를 회수한 후 냉매라인을 진공시킨 상태에서 저압라인 내에 공기가 혼입되도록 저압밸브를 열어 소정의 공기를 주입시키고 저압밸브를 닫고, 다시 저압 밸브에 냉매충전기의 냉매투입호스를 연결하여 소정의 냉매를 주입하였다. 공기혼입량의 정량화는 공기주입 완료시의 에어컨 저압 측 진공압력 즉, 냉매주입전 진공압으로 하였고 냉매 충전량은 냉매주입기가 표시하는 냉매저장기의 액화상태의 무게로 하였다.
공기와 냉매 주입방법은 엔진을 정지시키고 냉매를 회수한 후 냉매라인을 진공시킨 상태에서 저압라인 내에 공기가 혼입되도록 저압밸브를 열어 소정의 공기를 주입시키고 저압밸브를 닫고, 다시 저압 밸브에 냉매충전기의 냉매투입호스를 연결하여 소정의 냉매를 주입하였다. 공기혼입량의 정량화는 공기주입 완료시의 에어컨 저압 측 진공압력 즉, 냉매주입전 진공압으로 하였고 냉매 충전량은 냉매주입기가 표시하는 냉매저장기의 액화상태의 무게로 하였다. 각 시험시의 냉매주입전 진공압은 절대압단위 (kPa-a)로 0.
냉매라인의 각 온도 측정지점은 압축기, 응축기, 리시버드라이어 및 증발기의 입구와 출구로부터 1 cm 떨어진 지점의 냉매라인 파이프 표면과 응축기와 증발기 벤트의 송풍기 입구와 출구 지점으로 하였다. 냉매라인 파이프 표면에 부착한 온도센서는 엔진으로부터 방열되는 열과 외부 열을 차단하기 위해 단열 처리하였다. 냉매라인의 고압과 저압의 압력측정은 압축기 전후의 고저압 점검 밸브에 압력 센서를 장착하여 측정하였다.
나타낸 것이다. 냉매라인의 각 온도 측정지점은 압축기, 응축기, 리시버드라이어 및 증발기의 입구와 출구로부터 1 cm 떨어진 지점의 냉매라인 파이프 표면과 응축기와 증발기 벤트의 송풍기 입구와 출구 지점으로 하였다. 냉매라인 파이프 표면에 부착한 온도센서는 엔진으로부터 방열되는 열과 외부 열을 차단하기 위해 단열 처리하였다.
냉매라인 파이프 표면에 부착한 온도센서는 엔진으로부터 방열되는 열과 외부 열을 차단하기 위해 단열 처리하였다. 냉매라인의 고압과 저압의 압력측정은 압축기 전후의 고저압 점검 밸브에 압력 센서를 장착하여 측정하였다. 표 1은 그림 2에 나타낸 에어컨 시스템의 각 구성요소와 관련한 온도 압력 및 상대습도 측정값의 기호를 나타낸 것이다.
, USA) 의 열전대카드(10A9-8C, Thermocouple conditioner card) 와전압카드(10A60-4, quad voltage conditioner card) 에 연결하여 각각의 데이터를 측정하였다. 데이터 측정장치로부터 측정한 데이터들은 RS-232 통신을 통하여 컴퓨터(Pentium4 2.4 GHz, Windows XP)로 전송하여 하드디스크에 저장되도록 하였다. 에어컨에 냉매회수, 진공 및 냉매주입 작업은 상업용 냉매충전장치(MS-482, MS motor system Co, Ltd.
나타났다. 따라서 실험실 내 실내온도는 난방기(GHC- 125KF, LG Electronics Inc., Korea)를 이용하여 33~35℃ 범위로 조절하고 습도는 이류체노즐식 가습장치를 이용하여 55~ 57%RH로 조절하였다. Moon 등(2008)은 승용 차량을 대상으로 엔진회전수 1500 rpm과 2000 rpm 상태에서 냉매 충전량 변화에 따른 냉매라인의 온도와 압력 변화를 측정 분석하여, 액화상태의 냉매충전량이 무게로 7.
시험 시 엔진회전수는 1500 rpm 으로 고정하였고 에어컨의 작동조건은 증발기벤트의 풍량스위치를 최대로 하고, 온도조절 스위치는 최대냉방으로 하고, 외기유입상태에서 차량의 문을 완전 개방하였다. 시험구별 3반복하여 시험하였고, 데이터 측정 시간은 엔진시동 후 증발기벤트 입출구 공기온도가 안정되는 시간(1분) 이후 10분간으로 하였다.

대상 데이터

차량용 에어컨 냉매는 신냉매인 HFC-134a를 사용하였다. 시험 대상 차량은 온도와 상대습도를 일정하게 제어할 수 있는 실험실(9.3x1 lx 3, LxWxH, m) 내에 종방향의 중앙, 횡(W)방향 우측 U3 지점에 위치시키고 시험을 실시하였다. 그림 1은 에어컨 냉매 라인의 각 부분 온도와 압력 그리고 대기의 상대습도를 측정하기 위한 장치이다.
시험용 에어컨은 SONATA Ⅲ(Hyundai motor Co., Korea) 차량에 장착되어있는 에어컨을 이용하였다. 차량용 에어컨 냉매는 신냉매인 HFC-134a를 사용하였다.
시험은 승용차량의 에어컨 시스템을 대상으로 자동차용 냉매충전기와 컴퓨터 계측시스템을 이용하여 수행하였다. 실험실 내에서 SONATA Ⅲ(Hyundai motor Co.
시험은 승용차량의 에어컨 시스템을 대상으로 자동차용 냉매충전기와 컴퓨터 계측시스템을 이용하여 수행하였다. 실험실 내에서 SONATA Ⅲ(Hyundai motor Co., Korea) 차량의 에어컨을 대상으로 엔진회전수 1500 rpm에서 최대냉방조작 상태에서 시험을 실시하였다. 실험실의 실내온도와 상대습도는 33~35℃와 55~57%RH로 유지하였다.
4 GHz, Windows XP)로 전송하여 하드디스크에 저장되도록 하였다. 에어컨에 냉매회수, 진공 및 냉매주입 작업은 상업용 냉매충전장치(MS-482, MS motor system Co, Ltd., Korea) 를 이용하였다.
, Korea) 차량에 장착되어있는 에어컨을 이용하였다. 차량용 에어컨 냉매는 신냉매인 HFC-134a를 사용하였다. 시험 대상 차량은 온도와 상대습도를 일정하게 제어할 수 있는 실험실(9.

성능/효과

(1) 냉매의 공기혼입량 증가는 에어컨시스템의 냉각성능을저하시키며, 공기혼입량 변화의 영향이 크고 냉매 충전량 변화의 영향보다 높게 나타나는 측정량은 압축기 입출구 파이프 표면온도차, 저압측 압력 및 증발기벤트입출구 공기온도차인 것으로 나타났다.
(2) 압축기입출구 파이프 표면온도차, 저압측 압력 및 증발기 벤트 입출구 공기온도차를 측정하여 냉매의 공기 혼입량 진단이 가능하며, 각각의 값이 55℃이하, 166.7 kPa-g 이상 및 13.7℃이하이면 냉매내 공기가 혼입되었다고 진단할 수 있을 것으로 판단된다.
2007년 6월부터 9월까지 에어컨 가동시기의 서울과 진주의 대기 온도와 상대습도를 조사한 결과, 1일 최대온도 33 ~ 35℃ 에서 상대습도 52~58%RH로 냉방부하가 가장 높은 것으로 나타났다. 따라서 실험실 내 실내온도는 난방기(GHC- 125KF, LG Electronics Inc.
공기 혼입량이 많을수록 즉 진공압이 증가하면 증발기벤트 입출구 공기 온도 차는 직선적으로 낮아지는 것으로 나타났다. 증발기 벤트 입출구 공기온도차는 냉매의 증가에 의한 영향보다 공기 혼입량 증가에 의한 영향이 더 크게 나타나 공기혼입 진단변수로 이용이 가능한 것으로 판단되며, 증발기벤트 입출구 공기 온도 차가 13.
06 N일 때 공기 혼입량 지표인 냉매주입전진공압에 따른 에어컨 구성요소의 전후 냉매파이프라인의 파이프 표면온도차를 나타낸 것이다. 냉매주입전 진공압의 증가, 즉 냉매의 공기혼입량 증가에 따라 각 파이프 표면온도차는 전반적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 냉매에 공기가 혼입되면 에어컨의 냉각성능이 저하되는 것을 보여주는 것으로 판단된다.
따라서 증발기입출구 파이프 표면온도차 (Teva)는 공기혼입량 영향의 진단변수로 사용할 수 없는 것으로 판단된다. 냉매주입전 진공압이 증가하면 냉매중에 공기가 많이 혼입되므로 에어컨의 냉각성능이 떨어지게 되는 현상을 명확하게 보인 것은 압축기입출구 파이프 표면온도차 (Tcom)와 증발기입출구 파이프 표면온도차(Teva)로 나타났다. 그러나 증발기입출구 파이프 표면온도차(Teva)는 냉매 충전량의 영향이 공기혼입량의 영향보다 크므로 공기혼입량 진단변수로 사용할 수 없으며, 압축기입출구 파이프 표면온도차(Tcom)를 측정하여 냉매의 공기혼입량 진단이 가능할 것으로 판단되며, 압축기입출구 파이프 표면온도차(Tcom)가 55℃이하이면 냉매내 공기가 혼입되었다고 진단할 수 있을 것으로 판단된다.
증발기입출구 파이프 표면온도차(Teva)는 공기 혼입량이 증가함에 따라 직선적으로 감소하는 것으로 나타났다. 냉매충전량 3.92 N과 냉매주입전 진공압 0.13 kPa-a에서의 증발기입출구 파이프 표면온도차(Teva)는 17℃ 인데 냉매 충전량 3.92 N 냉매주입전 진공압 34.67 kPa-a이상에서 1 7℃ 이하이고, 냉매충전량 3.92 N이상과 냉매주입전 진공압 34.67 kPa-a이상에서 19℃이상으로 변화의 일률성이 없는 것으로 나타났다. 따라서 증발기입출구 파이프 표면온도차 (Teva)는 공기혼입량 영향의 진단변수로 사용할 수 없는 것으로 판단된다.
0 kgf/cm2)로 냉매충전량 증가에 의한 증가폭보다 높은 값으로 나타났다. 따라서 저압측 압력은 공기혼입량 증가의 영향이 냉매충전량 증가의 영향보다 더 큰 범위로 작용하여 냉매의 공기혼입 진단변수로 사용할 수 있을 것으로 판단되며 저압측 압력이 166.7 kPa-g(1.7 kgVcn?)이상으로 나타나면 냉매에 공기가 혼입된 것으로 판단해도 좋을 것으로 생각된다.
9 kPa이었다. 또한 전구간 냉매충전량 범위에서 공기 혼입량에 증가에 의한 저압측 압력의 증가폭은 19.7-98.0 kPa-g(0.2 ~1.0 kgf/cm2)로 냉매충전량 증가에 의한 증가폭보다 높은 값으로 나타났다. 따라서 저압측 압력은 공기혼입량 증가의 영향이 냉매충전량 증가의 영향보다 더 큰 범위로 작용하여 냉매의 공기혼입 진단변수로 사용할 수 있을 것으로 판단되며 저압측 압력이 166.
또한 컴퓨터 계측시스템의 계측오차범위를 5%로 감안해서 점검한 결과, 냉매의 공기혼입량 진단에 적합한 진단변수는 압축기입출구 파이프 표면온도차, 저압 및 증발기벤트입출구 공기온도차로 나타났다.
공기 혼입량이 많을수록 즉 진공압이 증가하면 증발기벤트 입출구 공기 온도 차는 직선적으로 낮아지는 것으로 나타났다. 증발기 벤트 입출구 공기온도차는 냉매의 증가에 의한 영향보다 공기 혼입량 증가에 의한 영향이 더 크게 나타나 공기혼입 진단변수로 이용이 가능한 것으로 판단되며, 증발기벤트 입출구 공기 온도 차가 13.7℃이하인 경우는 공기가 혼입되었다고 판단하여도 좋을 것으로 생각된다
리시버드라이어입출구 파이프 표면온도차(Tree)는 공기혼입의 영향이 나타나지만 그 값들이 너무 작아서 계측오차와의 구별이 어려웠으므로 공기혼입량 영향의 진단변수로 사용할 수 없는 것으로 판단된다. 증발기입출구 파이프 표면온도차(Teva)는 공기 혼입량이 증가함에 따라 직선적으로 감소하는 것으로 나타났다. 냉매충전량 3.

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