[논문]냉매 내 수분의 혼입량이 차량 에어컨의 냉각성능에 미치는 영향

문성원; 민영봉; 정태상

doi:10.5307/jbe.2011.36.5.319

냉매 내 수분의 혼입량이 차량 에어컨의 냉각성능에 미치는 영향
Effects of Water Amount in Refrigerant on Cooling Performance of Vehicle Air Conditioner 원문보기

바이오시스템공학 = Journal of biosystems engineering, v.36 no.5, 2011년, pp.319 - 325

문성원 (경상대학교 농업생명과학연구원 생물산업기계공학과) , 민영봉 (경상대학교 농업생명과학연구원 생물산업기계공학과) , 정태상 (경남과학기술대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to figure out the diagnosis basis of cooling performance depending on water amount in the refrigerant of air conditioner, which can be estimated by the temperatures and pressures along the refrigerant circulation line. A car air conditioner of SONATA III (Hyundai motor Co., Korea) was tested at maximum cooling condition at the engine speed of 1500 rpm in the room controlled at 33~$35^{\circ}C$ air temperature and 55~57% relative humidity conditionally. Measured variables were temperature differences between inlet and outlet pipe surfaces of the compressor, condenser, receive drier and evaporator; and high pressure and low pressure in the refrigerant circulation line; and temperature difference between inlet and outlet air of the cooling vent of evaporator. In this study, changes of the water amount in the refrigerant were correlated to the temperatures and pressure changes and also water amount caused poor cooling performance. As water amount increased in the refrigerant in the air conditioner, the performance of the cooling or the heat transfer became worse. Temporal variations of the surface temperature of the evaporator outlet pipe and the low-side pressure showed various patterns that could estimate the water amount. When the water amount caused bad cooling performance, the patterns of the temperature of the evaporator outlet pipe indicated irregular fluctuation greater than $5^{\circ}C$. When the diagnosis system is using just external sensors of the low-side pressure and the temperatures of inlet and outlet air of cooling vent of the evaporator, the precise pattern of bad cooling performance caused by excess water amount in the cooling line was irregular pressure fluctuation, 25 kPa under 120 kPa, and temperature, $12^{\circ}C$ and less.

주제어

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문제 정의

그렇지만 수분혼입량이 증가하여 일정량 이상이 되면 증발기의 낮은 온도에 의해 팽창밸브에서 수분이 응결 및 동결되고 팽창밸브가 막히게 되어 냉매의 증발작용이 중지되고 증발기의 냉각작용이 일어나지 않게 되고 증발기를 통과하는 고온의 바람에 의해 일정 시간 후 팽창밸브의 수분동결이 풀리게 되고 다시 냉매의 정상 순환이 이루어지는 과정을 반복할 것으로 예상된다. 따라서 냉매라인의 각부 온도와 압력의 상세한 시간적 변화를 측정 분석하여 냉매의 수분혼입 진단이 가능한가를 조사하였다.
본 연구는 에어컨의 냉매 내에 수분이 혼입됨에 따른 냉방 성능을 냉매순환라인의 온도와 압력으로 진단하기 위한 기초 자료를 얻고자 수행하였다. 실험실 내에서 SONATA III(Hyundai motor Co.
본 연구는 일정한 공기 온도와 습도를 유지시킨 실내에서 승용 자동차 에어컨의 냉매 내 수분을 인위적으로 혼입시키고 엔진 회전수 1,500 rpm로 가동하여 최대냉방 상태에서 냉매순환라인의 온도와 압력 및 벤트 입출구 공기 온도를 측정하는 시험을 실시하고, 냉매 내 수분혼입량이 냉매순환라인 온도와 압력 및 냉각성능에 미치는 영향을 분석하여, 에어컨의 냉매 내에 수분이 혼입됨에 따른 냉방성능 저하를 냉매순환라인의 온도와 압력으로 진단하기 위한 기초자료를 얻고자 수행하였다.

제안 방법

각 시험시의 냉매주입 전 수분혼입량은 0.04 kg, 0.05 kg, 0.06 kg 및 0.07 kg로 하였으며, 냉매충전량은 0.40 kg, 0.55 kg, 0.72 kg으로 하였다. 수분혼입량 범위가 0.
각각의 센서의 출력단은 데이터 측정장치(System10K7, Daytronic Corp., USA)의 열전대카드(10A9-8C, Thermocouple conditioner card)와 전압카드(10A60-4, quad voltage conditioner card)에 연결하여 각각의 데이터를 측정하였다. 데이터 측정 장치로부터 측정한 데이터들은 RS-232 통신을 통하여 컴퓨터(Pentium4 2.
냉매라인의 각 온도 측정지점은 압축기, 응축기, 리시버드라이어 및 증발기의 입구와 출구로부터 1cm 떨어진 지점의 냉매라인 파이프 표면과 응축기와 증발기벤트의 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 압력센서를 장착하여 측정하였다.
그림 2는 에어컨시스템 냉매라인의 온도와 압력의 측정지점을 나타낸 것이다. 냉매라인의 각 온도 측정지점은 압축기, 응축기, 리시버드라이어 및 증발기의 입구와 출구로부터 1cm 떨어진 지점의 냉매라인 파이프 표면과 응축기와 증발기벤트의 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 압력센서를 장착하여 측정하였다. 표 1은 그림 2에 나타낸 에어컨시스템의 각 구성요소와 관련한 온도, 압력 및 상대습도 측정값의 기호를 나타낸 것이다.
, USA)의 열전대카드(10A9-8C, Thermocouple conditioner card)와 전압카드(10A60-4, quad voltage conditioner card)에 연결하여 각각의 데이터를 측정하였다. 데이터 측정 장치로부터 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.
2007년 6월부터 9월까지 에어컨 가동시기의 서울과 진주의 대기 온도와 상대습도를 조사한 결과, 1일 최대온도 33 ~ 35℃에서 상대습도 52~58%로 냉방부하가 가장 높은 것으로 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 et al.
, Korea)를 이용하였다. 또한 실험실 내의 상대습도는 실험실내 중앙에 습도센서(0~90% RH, YHD-R-V, Autonics Corp., Korea)를 설치하여 측정하였다.
4 kg이상에서 실시하였다. 수분과 냉매 주입방법은 엔진을 정지시키고 냉매를 회수한 후 냉매라인을 진공시킨 상태에서 저압라인 내의 콕을 이용해 미리 설치한 주사기의 물이 혼입되도록 저압밸브를 열어 소정의 수분을 주입시키고 저압밸브를 닫고, 주사기를 제거하고 다시 저압밸브에 냉매충전기의 냉매투입호스를 연결하여 소정의 냉매를 주입하였다. 수분혼입량의 정량화는 주사기를 이용하여 주입한 물의 무게로 하였고 냉매충전량은 냉매주입기가 표시하는 냉매저장기의 액화상태의 무게로 하였다.
수분과 냉매 주입방법은 엔진을 정지시키고 냉매를 회수한 후 냉매라인을 진공시킨 상태에서 저압라인 내의 콕을 이용해 미리 설치한 주사기의 물이 혼입되도록 저압밸브를 열어 소정의 수분을 주입시키고 저압밸브를 닫고, 주사기를 제거하고 다시 저압밸브에 냉매충전기의 냉매투입호스를 연결하여 소정의 냉매를 주입하였다. 수분혼입량의 정량화는 주사기를 이용하여 주입한 물의 무게로 하였고 냉매충전량은 냉매주입기가 표시하는 냉매저장기의 액화상태의 무게로 하였다.
07 kg까지인 것은 그 이상에서는 냉각작용이 거의 나타나지 않았기 때문이다. 시험 시 엔진회전수는 1,500 rpm으로 고정하였고, 에어컨의 작동조건은 증발기벤트의 풍량 스위치를 최대로 하고, 온도조절 스위치는 최대냉방으로 하고, 외기유입 상태에서 차량의 문을 완전히 개방하였다. 시험구별 3반복하여 시험하였고, 데이터 측정시간은 엔진시동 후 증발기벤트 입출구 공기온도가 안정되는 시간(3분) 이후 10분간으로 하였다.
시험 시 엔진회전수는 1,500 rpm으로 고정하였고, 에어컨의 작동조건은 증발기벤트의 풍량 스위치를 최대로 하고, 온도조절 스위치는 최대냉방으로 하고, 외기유입 상태에서 차량의 문을 완전히 개방하였다. 시험구별 3반복하여 시험하였고, 데이터 측정시간은 엔진시동 후 증발기벤트 입출구 공기온도가 안정되는 시간(3분) 이후 10분간으로 하였다.
본 연구는 에어컨의 냉매 내에 수분이 혼입됨에 따른 냉방 성능을 냉매순환라인의 온도와 압력으로 진단하기 위한 기초 자료를 얻고자 수행하였다. 실험실 내에서 SONATA III(Hyundai motor Co., Korea) 차량의 에어컨을 대상으로 엔진회전수 1,500 rpm을 유지하고 최대냉방 조작 상태에서 냉매 내 수분혼입량 변화에 따른 냉방성능시험을 실시하였다. 실험실의 실내온도와 상대습도는 33~35℃와 55~57%로 유지하였다.
실험실의 실내온도와 상대습도는 33~35℃와 55~57%로 유지하였다. 측정변수는 냉매순환라인 상의 압축기, 응축기, 리시버드라이어 및 증발기의 입출구 파이프 표면 온도차와 고압과 저압측 압력 및 증발기벤트 입출구 공기온도차이며, 시험한 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

시험 대상차량은 온도와 상대습도를 일정하게 제어할 수 있는 실험실(9.3 × 11 × 3, L × W × H, m3 ) 내에 종방향의 중앙, 횡(W)방향 우측 1/3지점에 위치시키고 시험을 실시하였다.
시험용 에어컨은 SONATA III(Hyundai motor Co., Korea) 차량에 장착되어있는 에어컨을 이용하였다. 차량용 에어컨냉매는 신냉매인 HFC-134a를 사용하였다.
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 에어컨냉매는 신냉매인 HFC-134a를 사용하였다. 시험 대상차량은 온도와 상대습도를 일정하게 제어할 수 있는 실험실(9.

성능/효과

(1) 냉매 내 수분혼입의 변화는 온도와 압력 들의 변화와 관련이 있으며 냉방성능을 저하시키는 원인으로 나타났다.
(2) 냉매의 수분혼입량 증가는 에어컨시스템의 냉각성능을 저하시키며, 냉매파이프라인의 증발기 출구점 온도와 저압측 압력의 시간적 변화 양상으로 수분혼입을 판단할 수 있는 것으로 나타났다.
(3) 에어컨의 성능을 저하시킬만한 냉매의 수분혼입이 있을 때 증발기 출구의 냉매파이프 표면온도는 5℃이상의 불규칙 주기의 변동을 가지는 것으로 나타났다.
(4) 외부 측정센서를 이용할 때 냉매의 수분혼입에 의한 냉방불량의 확실한 진단은 저압측압력이 120 kPa-g보다 낮으면서 이 압력의 변동폭이 25 kPa-g이상이고, 증발기벤트 입출구 공기온도차가 12℃ 이하일 때로 판단된다.
2007년 6월부터 9월까지 에어컨 가동시기의 서울과 진주의 대기 온도와 상대습도를 조사한 결과, 1일 최대온도 33 ~ 35℃에서 상대습도 52~58%로 냉방부하가 가장 높은 것으로 나타났다. 따라서 실험실 내 실내온도는 난방기(GHC- 125KF, LG electronics Inc.
이것은 냉매충전량과 냉매의 수분혼입량의 조건에 따라 팽창밸브의 막힘이 수분 응결과 동결 현상 중 어느 것이 원인으로 작용하였기 때문으로 생각되며, 본 시험에 서는 두 현상의 경계를 명확하게 찾을 수는 없었다. 결론적으로 에어컨의 성능을 저하시킬만한 냉매의 수분혼입이 있을 때 증발기 출구의 냉매파이프 표면온도는 5℃이상의 불규칙 주기의 변동을 가지는 것으로 판단된다.
72 kg일 때 냉매 주입 전 수분혼입에 따른 에어컨 구성요소의 전후 냉매라인의 평균 파이프표면 온도차를 나타낸 것이다. 냉매의 수분혼입량 증가에 따라 파이프라인의 평균 파이프표면 온도차가 전반적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 냉매의 수분 함유량이 증가할수록 에어컨의 냉각성능이 저하되는 것을 보여주는 것으로 판단된다.
72 kg일 때 냉매주입 전 수분혼입에 따른 증발기 출구의 냉매파이프 표면 온도의 상세한 시간적 변화를 나타낸 일례이다. 냉매충전량 0.55 kg이하에서는 증발기출구 냉매파이프 표면온도가 모든 수분혼입량에 대하여 불규칙 주기의 변동이 나타나고, 전반적으로 수분혼입량이 많을수록 변동폭이 작고 긴 주기의 불규칙 변동이 있는 것으로 나타났다. 시험대상 에어컨의 규정 최대 냉매충전량 0.
55 kg이하에서는 증발기출구 냉매파이프 표면온도가 모든 수분혼입량에 대하여 불규칙 주기의 변동이 나타나고, 전반적으로 수분혼입량이 많을수록 변동폭이 작고 긴 주기의 불규칙 변동이 있는 것으로 나타났다. 시험대상 에어컨의 규정 최대 냉매충전량 0.72 kg일 때 수분혼입량 0.05 kg이하에서는 증발기 출구의 냉매파이프 표면온도가 영하이하로 떨어지고 변동폭이 거의 없는 에어컨 정상가동의 양상을 보였고, 0.06 kg 이상에서는 불규칙 주기의 변동현상을 나타내었다. 이와 같은 현상은 냉매에 수분이 혼입되면 에어컨 가동 시 팽창밸브의 수분응결과 동결 그리고 해결의 반복현상의 영향으로 추측되며 냉매충전량이 많을수록 수분혼입량이 적을수록 그 영향은 적지만 반복주기나 변동폭은 특정현상을 나타내지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에어컨의 냉방 불량의 원인은 무엇인가?	에어컨의 냉방 불량은 기계적 고장, 냉매의 부족 및 냉매 내 이물질의 혼입이 원인이 되고 있다. 기계적 고장은 외형적 형태, 작동상태 및 입출력 동력변화 등으로 쉽게 알 수 있는 반면에 냉매의 이상에 대한 것은 냉매 부족, 공기 혼입 및 물 혼입 등에 의한 것으로 상태 진단만으로 구별하여야 하는 어려움이 있다.
	에어컨의 냉매 내 수분이 혼입되어 에어컨의 상태가 변화하는 것에 대해서 참고서와 정비지침서에는 어떻게 언급되어 있나?	에어컨의 냉매 내 수분이 혼입되어 에어컨 상태가 변화하는 것에 대한 문헌은 찾아볼 수 없었으나 참고서와 정비지침서에서 언급된 것은 다음과 같다. 에어컨 냉매 내 수분이 혼입된 경우 에어컨 시스템 가동 중 팽창밸브가 동결되는 현상이 나타나며, 에어컨 냉방상태가 주기적으로 차거나 차지 않으며, 압력이 가끔 떨어졌다가 정상 압력이 되는 현상이 나타난다고 하였다.
	에어컨의 기계적 고장은 어떻게 알 수 있나?	에어컨의 냉방 불량은 기계적 고장, 냉매의 부족 및 냉매 내 이물질의 혼입이 원인이 되고 있다. 기계적 고장은 외형적 형태, 작동상태 및 입출력 동력변화 등으로 쉽게 알 수 있는 반면에 냉매의 이상에 대한 것은 냉매 부족, 공기 혼입 및 물 혼입 등에 의한 것으로 상태 진단만으로 구별하여야 하는 어려움이 있다. 에어컨의 바람이 시원하지 않을 때 즉, 냉방성능저하 시 고장 및 성능저하 요인을 정확하게 진단하여야 하는데 대부분 정비사의 경험에 의한 진단에 의존하고 있는 실정이다.

참고문헌 (8)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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