자동차 공기 조화에는 온도, 습도 및 풍속을 쾌적 감각의 3요소라고 하며, 이 3요소를 제어하여 안전하고 쾌적한 자동차 운전을 확보하기 위해 설치한 장치를 냉·난방장치라고 한다. 그리고 자동차의 열 부하에는 환기부하, 관류부하, 복사부하, 승원부하 등이 있다.

1. 난방 장치(Heating System)

자동차에서 사용하는 난방장치는 실내를 따뜻하게 하고 동시에 앞면 창유리가 흐려지는 것을 방지하는 장치(디프로스터； defroster)도 겸하게 되어 있다. 난방장치는 주로 온수(溫水)난방을 사용하며 이것은 기관의 냉각수를 이용하는 방식이다. 엔진에서 나오는 뜨거운 냉각수는 히터 코어(Heater Core)를 지나서 다시 엔진이나 라디에이터로 들어가며, 이때 히터코어에 있는 핀(방열판)을 공기가 스쳐 지나가면서 열은 공기에 전도되어 실내를 따뜻하게 한다.

1.1. 히터 코어(Heater core)

공기 분배 유도관 안에 있으며 히터 호스로 엔진과 연결되어 있다.

1.2. 도풍관(Duct)

공기 분배 장치로 히터 코어, 송풍기, 에어컨의 증발기 등이 도풍관 안에 있다. 도풍관은 외부공기 도입용, 디프로스터용, 차실 공기 유입 및 배출용으로 구분되며 이들을 통과하는 공기를 조절하는 공기 조정 밸브(Air Control Valve)가 설치되어 있다.

1.3. 송풍기(Blower)

증발기와 히터 코어를 통해 공기를 밀어 내거나 끌어 들이도록 송풍기가 설치되어 있다. 송풍기는 장시간 고속 회전을 위해 특수한 무급유 베어링(Oilless Bearing)을 사용한 직류 모터가 사용되며, 모터축에는 열을 강제로 방출시키는 팬이 붙어 있다. 이 모터는 소음을 줄이기 위하여 고무 마운트가 설치되어 있다. 송풍기의 종류는 유닛과 별도로 되어 있는 분리식과 일체로 되어 있는 일체식이 있다.

2. 냉방 장치

냉방 장치

에어컨은 에어컨디셔너(air conditioner)의 줄임말이며, 공기 조화장치(냉?난방장치)를 의미한다. 이것은 “일정한 공간에 알맞은 온도?습도 및 청결도 등을 동시에 조절하기 위한 공기 취급 과정”이라고 정의된다. 공기 조화장치를 작동시키는 장치에는 온도 조절장치(냉?난방장치), 습도 조절장치, 공기를 청정 및 정제시키는 여과장치, 공기를 이동 및 순환시키는 장치가 있다. 냉방 장치는 시작과 끝이 별도로 구분될 필요가 없는 폐쇄 환상 장치(Closed-loop System)로 열이 흡수되는 증발기로부터 시작하여 압축기(Compressor), 응축기(Condenser), 리시버 드라이어(Receiver Drier), 팽창 밸브(Expansion Valve) 등으로 구성된다.

2.1. 냉매(Refrigerant)

냉동 사이클의 작동유체(作動流體)로서 열을 빼앗아 열을 운반해 주는 매체의 총칭으로, 자동차 냉동 장치에 주로 사용되는 냉매는 프레온(Freon) 또는 프레온-12인데, 약칭으로 R-12라는 산업용어로 널리 통용되어 왔었다. 그러나 대기의 물질 중에 염화 불화 탄소(CFC)가 오존층 파괴 즉 성층권의 오존과 반응하여 오존층의 두께 감소 내지는 오존층에 구멍을 형성함으로써 지표면에 다량의 자외선을 유입하여 생태계를 파괴한다. 그리고 CFC의 열 흡수 능력이 크기 때문에 대기 중에 CFC가스로 인한 지표면의 온도 상승(온실 효과)을 유발하는 물질로 판명됨에 따라 이의 생산과 사용을 규제하여 오존층을 보호하고 지구의 환경을 보호하기 위해 단계별로 R-12(구냉매) 냉매의 사용 및 생산을 규제하고 신 냉매인 R-134a를 대체 적용하고 있다.

(1) 냉매의 구비 조건

① 무색·무미 및 무취일 것

② 가연성·폭발성 및 사람이나 동물에 피해가 없을 것

③ 낮은온도와 대기압력 이상에서 증발하고, 여름철 뜨거운 공기 중의 저압에서 액화가 쉬울 것

④ 증발 잠열이 크고, 비체적이 적을 것

⑤ 임계온도가 높고, 응고점이 낮을 것

⑥ 화학적으로 안정이 되고, 금속에 대해 부식성이 없을 것

⑦ 가스누출 발견이 쉬울 것

(2) R-134a의 장점

① 오존을 파괴하는 연소(Cl)가 없다.

② 다른 물질과 쉽게 반응하지 않는 안정된 분자 구조로 되어 있다.

③ 열역학적 성질은 R-12와 비슷하다.

④ 불연성이며, 독성이 없다.

(3) R-134a의 단점

① R-12와 같은 응축 온도에서 냉동 능력이 떨어진다. 따라서 R-12와 동일한 냉방 성능을 얻기 위해서는 응축 온도를 낮추어야 한다.

② 고무 및 플라스틱 제품의 상용성에 문제점이 있다.

③ 기존에 사용 중인 압축기 오일과 불 용해성의 문제점이 있다.

④ 온실 효과가 있으므로 회수 및 재생에 문제점이 있다.

⑤ 냉동유의 흡수성에 문제점이 있다.

(4) 냉동 오일(Refrigeration Oil)

압축기의 움직이는 부분을 윤활하기 위해 냉방장치에 오일이 필요하다. 오일은 냉매와 함께 장치 안을 순환하면서 온도 조절 밸브가 원활할 상태를 유지하도록 하는 일도 한다. 냉동 오일은 냉방 장치에 사용하도록 특별히 제조된 것이므로, 다른 오일 등을 냉방 장치(압축기)에 넣으면 절대로 안 된다.

2.2. 구성 부품

(1) 압축기(Compressor, 콤프레셔)

압축기는 증발기에서 실내의 열을 빼앗아 기체가 된 가스 상태의 냉매를 용이하게 액화시키기 위해 압축하여 고압으로 만드는 일과 다시 고압측으로 보내는 일을 한다. 자동차 냉방 장치에 사용되는 압축기는 크랭크식, 사판식, 베인식으로 분류된다. 압축기 클러치는 전자석식으로 필드나 코일에 전류가 흐르면 풀리와 압축기의 주축을 고정시켜 함께 회전된다.

압축기

(2) 응축기(Condenser, 콘덴서)

압축기로부터 온 고온 고압의 냉매 가스(증기)가 응축기의 입구로 들어 오면, 열이 방열판의 핀을 거쳐 공기에 전도되며 냉매 가스는 냉각되어 액체로 된다. 응축기는 보통 라디에이터의 앞쪽에 위치하며 냉각 튜브에 냉각핀을 2mm 정도의 간격으로 설치한 것이며, 튜브는 구리, 핀은 알루미늄을 사용한다.

콘덴서

(3) 리시버 드라이버(Receiver Drier, 건조기)

응축기로부터 리시버 드라이어로 오는 냉매의 습기 제거와 저장하는 일을 한다. 또한 점검을 위해 사이트 글라스(Sight Glass)가 출구라인에 위치해 있으며, 사이트 글라스가 맑으면 이것은 리시버 드라이어 안의 냉매 액면 높이가 유도관 하단부보다 높다는 것을 의미한다.

리시버 드라이어의 구조

(4) 팽창 밸브(Expansion Valve)

이 밸브는 증발기로 들어가는 양을 계량하며 압력을 감소시켜 저압 액체로 바꾼다. 냉매의

압력이 감소되면 이것은 비등하여 기화하면서 열을 흡수한다.

팽창 밸브

(5) 증발기(Evaporator, 에버퍼레이터)

증발기는 공기로부터 열을 흡수하는 일을 한다. 팽창밸브는 냉매가 증발기 배출 관에 이르기 전에 완전히 기화하도록 적당량의 냉매를 계량해서 통과시킨다. 증발기의 온도는 가능한 차가워야 하지만 빙점 이하가 되어서는 안 된다. 만일 온도가 빙점 이하로 내려가면 공기 중의 습기가 증발기 핀에 응고되어 얼어붙기 때문에 공기가 핀을 통과하는 것을 막게 된다. 그러므로 증발기 온도를 조정하고 용량을 제어하는 장치가 있어야 한다.

증발기

(6) 핀 서모 스위치

핀 서모 스위치는 온도 조절 스위치이며, 증발기 커버에 설치되어 있으며, 에어컨 스위치를 ON으로 하면 블로워 릴레이로부터 공급받은 전원을 에어컨 릴레이 쪽으로 전달한다. 증발기의 온도에 따라 ON, OFF되며, 증발기의 온도가 너무 낮아지면 증발기가 빙결되어 블로워 모터에서 생산된 바람은 증발기를 통과할 수 없어 냉각효과가 저하되므로 그 이전에 압축기의 작동을 차단시키기 위해 서모 스위치는 OFF되고, 실내의 공기가 너무 더워지기 전에 적당한 온도로 되면 다시 ON시켜 에어컨 릴레이 쪽으로 전원을 공급한다.

(7) 듀얼 압력 스위치

듀얼 압력 스위치는 리시버 드라이버 위에 설치되어 있으며, 블로워 릴레이로부터 공급받은 전원을 서모 스위치가 연결시켜주면 에어컨 릴레이 쪽으로 전원을 공급하는 역할을 한다. 듀얼 압력 스위치는 안전장치로서 에어컨 사이클 내의 냉매 압력에 의해 작동되며 만약, 냉매가 전혀 없는 상태에서 에어컨을 작동시켰을 경우 증발기는 냉각되지 않으므로 핀 서모 스위치가 작동하지 않아 압축기는 계속 작동하므로 압축기가 과열되어 파손될 우려가 있으므로 이때 듀얼 압력 스위치가 OFF되어 에어컨 릴레이로 가는 전원을 차단한다. 반대로 냉매가 과 충전되었거나 에어컨 사이클이 막히면 냉매의 압력이 급격히 상승하여 압축기 및 에어컨 사이클이 파손되므로 서모 스위치가 OFF된다.

(8) 에어컨 릴레이(air con relay)

압축기에 전원을 공급하는 것이며, 작동 전원은 에어컨 스위치, 서모 스위치, 듀얼 압력 스위치를 통하여 공급된다. 만약, 릴레이가 작동하여 압축기가 갑자기 작동을 하게 되면 기관에 충격이 가해지거나, 기관의 회전속도가 낮은 경우에는 작동이 정지하게 된다. 이런 경우에 에어컨 릴레이의 작동을 기관 컴퓨터가 조절하여 아이들 업(idle up)시킨다. 즉 컴퓨터는 압력 스위치로부터의 전압 신호를 기준으로 하여 에어컨 릴레이의 작동 여부를 결정한다.

3. 자동 에어컨 장치

3.1. FATC(전자동 에어컨 장치)

공기조화의 제어 역시 마이크로 컴퓨터를 사용하여 차실 내 외부에 설치된 각종 온도 센서와 컨트롤 패널의 신호를 입력하면 컴퓨터는 온도 밸런스의 연산을 행한 후 흡입교체 댐퍼, 배출교체 댐퍼, 믹싱댐퍼, 히터밸브, 히터 릴레이, 블로워 모터 등을 제어하여 차실내의 온도를 최적으로 유지하도록 한다. 또 컨트롤 패널 상에 제어상태를 표시하기도 하며 외기온도가 비교적 낮을 때는 압축기를 차단하여 연료를 절약할 수도 있다. 전자동 에어컨의 구성은 컴퓨터를 비롯하여 파워 트랜지스터, 하이 블로워 릴레이, 블랜드 도어 액추에이터, 토출 모드 도어 제어용 액추에이터, 흡입 모드 제어용 액추에이터, 실내 온도 센서, 외기 온도 센서, 일사량 센서, 습도 센서, 핀 서모 센서, 에어컨 압축기 제어용 저압 및 고압 스위치, 수온 센서 등으로 되어 있다.

3.2. 전자동 에어컨의 입력과 출력

전자동 에어컨의 입력과 출력

3.3 전자동 에어컨 센서(sensor)의 종류의 그 작용

(1) 일사량(일광) 센서

일사량 센서는 포토 다이오드를 사용하며 포토 다이오드는 빛의 양에 따른 일종의 가변 전원이다. 포토 다이오드의 고유 저항이 클 때에는 전류의 흐름이 작아지기 때문에 저항 값은 고정된 상태에서 전류의 변화는 전압 변화에 큰 영향을 미친다.

(2) 실내 온도센서

자동차 실내의 온도를 검출하여 컴퓨터로 입력시키며, 이 값에 의해 블로워 모터의 회전속도를 제어한다. 실내 온도 센서는 부특성 서미스터를 이용한 것으로 온도가 상승하면 저항 값이 감소하고, 온도가 낮으면 저항 값이 증가한다.

(3) 외기 온도센서

외기 온도센서는 바깥온도를 검출하여 컴퓨터로 입력시키며, 이 신호에 의해 컴퓨터는 부하량을 감지한다. 이 센서도 부특성 서미스터를 사용하며 온도 변화에 따른 저항 값의 변화는 실내 온도 센서와 약간의 차이는 있으나 원리는 같다.

(4) 습도 센서

뒤 선반 트림에 설치된 습도 센서는 자동차 실내의 습도를 검출하여 컴퓨터로 입력시키며, 컴퓨터는 실내의 습도, 실내온도 및 내부 공기순환, 외부 공기순환 모드 상태에 따라 자동차 실내의 습도를 조절한다.

 전자동 에어컨의 센서 설치위치