고등학생도 이해하는 자동차 에어컨 원리.

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자동차 에어컨 작동 원리.

 

자동차 에어컨 작동 원리를 고등학생에게 설명한다는 생각으로 작성하였습니다.
난방을 제외한 냉방 원리만 다룬 글입니다.
 
급하신 분들은 목차 5번으로 바로 이동하셔도 좋습니다.

 
 
 
목차.
1. 자동차 냉, 난방 장치 역할.
2. 자동차 냉, 난방 장치 기본 원리.
3. 자동차 에어컨 핵심 키워드.
4. 자동차 에어컨 시스템 주요 부품.
5. 자동차 에어컨 작동 원리.
 
 
 
 

1.  자동차 냉, 난방 장치 역할.

 
자동차 냉, 난방 장치는 공기조화장치 HVAC ( heating, ventilating, air conditioning ) 라고도 한다.

자동차 냉, 난방 장치의 역할은 
첫째, 실내 환경을 쾌적하게 하기 위해 실내 공기의 온도, 습도, 풍량, 풍향 등을 조절한다.
둘째, 실내공기 중에 포함되어 있는 먼지를 제거한다.
셋째, 앞유리창의 서리 등을 방지하여 운전자의 시야를 확보한다.
 
 
 
 

2. 자동차 냉, 난방장치 기본 원리. 

 
공기조화기술 시스템 핵심인 HVAC 안에는 블로워 모터, 증발기, 히터코어 등 3개의 핵심 부품과 
내-외기, 템프, 풍향 등 3개 도어가 1개 모듈로 구성되어 
최종적으로 냉방, 난방, 혼합, 환기 등 공기 조화를 구성하게 된다.
 

 
 

3. 자동차 에어컨 핵심 키워드.

자동차 냉방 시스템을 이해하기에 앞서, 중요한 키워드가 몇 가지 있다.
아래 나열한 키워드를 이해하면 전체적인 에어컨 냉방 시스템 이해를 월등히 높일 수 있다.
 
 
첫째, 증발 잠열.  (증발기)
 
증발 잠열이란 이후에 설명할 내용에서 가장 중요한 키워드이다.
기화(액체를 기체로 변화)할 때 외부로부터 흡수하는 열량을 말하며, 증발 잠열이 클수록 주변의 열을 더 많이 빼앗으므로
증발 잠열이 클수록 주위 온도를 더 낮출 수 있다.
 
이는 옛날에 무더운 여름, 어른들이 아스팔트 도로에 물을 뿌리는 행위를 예로 들 수 있다.
뜨거운 아스팔트에 비교적 차가운 물을 뿌림으로써 물은 순간적으로 기화하며 증발 잠열이 발생한다.
이 원리로 우리는 순간 시원한 느낌을 받는 것이다.
 
 
둘째, 교축 작용 (팽창밸브)
 

한 개의 파이프 배관이 있다.
이 배관은 중간 부분에 파란색 동그라미 표시한 급격히 좁아지는 구간이 있다.
그 좁아진 구간을 지나자마자 파이프 배관 통로가 다시 급격히 넓어졌다.
이 배관에 액체가 흐른다.
 
이런 구조는 액체를 무화 상태로 만들며, 압력과 온도를 낮춘다.
 
 

분무기를 연상하면 이해하기 쉽다.
분무기를 조여서 분사하면 액체가 무화상태로 분사된다.
반대로 분무기를 풀어서 분사하면 액체가 일자로 쭉쭉 분사된다.
 
그 말인 즉, 액체가 통과하는 배관 단면적이 급격히 좁아졌다가 넓어지면 액체는 
압력과 온도가 낮아지며 반 기체상태인 무화 상태로 퍼져나간다.
이것이 교축작용이다.
 
 
 
셋째, 비압축성
 
액체는 비압축성 물질이다.
압력이 변하여도 밀도가 변하지 않는 유체를 비압축성 유체라고 한다.
 
( 이 원리로 냉매가 액체상태로 컴프레셔 (압축기)로 유입되면 컴프레셔 및 기타 부품들이 고장 난다. )
 
 
넷째, 액체 비열
 
액체 비열은 물질의 온도를 변화시키는 데 필요한 열량으로,
비열이 큰 물질일수록 온도를 올리거나 낮추기 어렵다.
 
( 자동차 냉매는 이런 이유로 액체 비열이 작아야 한다. 상태 변화가 쉬워야 하기 때문. ) 
 
 
다섯째, 보일-샤를 법칙. (컴프레셔-압축기)
 
보일의 법칙은 한 용기의 부피가 감소할 때 용기 내 기체의 압력이 증가하는 경향을 나타내는 실험 법칙이다.
샤를의 법칙은 일정한 압력에서 기체의 온도를 높이면 부피가 증가하고, 온도를 낮추면 부피가 감소한다.
 ( 출처 : 위키피디아. )
 
컴프레셔를 지난 냉매가 고온 고압의 기체상태라는 것에 대한 이해를 돕는다.
 
 
 
 

4. 자동차 에어컨 시스템 주요 부품.

 
첫 째, 압축기 ( 컴프레셔 )
 
엔진에 의해 구동되며, 저온-저압 상태인 기체 냉매를 
고온-고압으로 변환하여 응축기로 보낸다.
 
 
둘째, 응축기 (콘덴서)
 
압축기로부터 유입된 고온-고압 상태인 기체 냉매를 냉각시켜 액체 냉매로 변환시킨다.
 
 
셋째, 건조기 ( 리시버 드라이어 )
 
수분 및 이물질 흡수, 기포 분리, 압력 조정, 냉매 저장 역할을 한다.
액체 상태인 냉매가 팽창밸브에 공급될 수 있도록 한다.
 
응축기 (콘덴서)와 일체형으로 장착되기도 하며, 듀얼 및 트리플 압력 스위치가
장착되기도 한다.
 
CCOT 방식 ( 팽창밸브 대신 오리피스 튜브를 사용하는 구형 방식 ) 에서는 
어큐뮬레이터에서 리시버 드라이어 역할을 하며, TXV 방식 ( 팽창밸브 사용 방식, 신형 )이
고압 측에 설치된 것과는 반대로 증발기와 압축기 사이인 저압 측에 장착된다.
 
 
넷째, 팽창밸브
 
고압 액체 냉매를 오리피스를 통해 급속 냉각시켜 저온, 저압 기체 상태로 바꾸는 역할을 한다.
 
액상 냉매가 무화하기 위해 출구온도를 감지하여 증발기로 들어가는 냉매 양을 조절한다.
 
 
 
다섯째, 증발기
 
팽창과정을 거쳐 유입된 저온저압 냉매가 기체로 변하는 동안 냉각팬으로 
튜브를 통과하는 공기 중 열을 빼앗아 블로어 모터로 실내에 유입시킨다.
 
 
 
 
 

5. 자동차 에어컨 작동 원리.

 
 

출처 : 나무위키https://namu.wiki/w/%EC%97%90%EC%96%B4%EC%BB%A8/%EC%9B%90%EB%A6%AC%EC%99%80%20%EA%B5%AC%EC%A1%B0

 냉매 흐름 순서 
1. 압축기 (컴프레셔)
2. 응축기 (콘덴서) (실외기)
3. 팽창밸브
4. 증발기 (실내기)

압축기-컴프레셔

압축기는 기체 냉매를 내연기관 엔진과 같은 피스톤 운동으로 압축시킨다.
압축된 냉매는 약 80~100도씨 정도이며,
고온 고압 기체 상태가 된다.

 

응축기 - 콘덴서,실외기

그리고 고온 고압 기체 냉매가 응축기로 흐른다.
응축기는 코일 형태로 되어있으며 길이가 길다.
응축기를 지나가는 기체냉매를 냉각팬으로 냉각시킨다.
80~100도씨를 약 32도씨 정도인 외부 온도로 냉각시키는 거다.
 
냉매는 액체 비열이 낮기 때문에 조금만 온도를 낮춰도 액체로 변한다.
압축기로 고온 고압을 만드는 이유는 냉매를 액체로 만들기 위함이다.

그렇게 냉매는 고온 고압 액체 상태로 응축기( 콘덴서 )를 빠져나온다.
 

팽창밸브

이후 팽창밸브로 고온 고압 액체 상태인 냉매가 흐른다.
팽창밸브에서 냉매는 교축작용으로 저온 저압 액체가 된다.
이론적으로 액체이지만 실제로는 기체 반 액체 반이다.
(교축작용은 목차 3번 키워드 설명에 설명했다.)
 
 
 팽창밸브를 지난 저온 저압 액체 상태인 냉매는 
온도가 약 5도씨이다. 그리고 그대로 증발기로 흐른다.
 

증발기-실내기

증발기는 콘덴서와 유사한 형태를 하고 있다.
냉각팬도 구비되어 있다.
 
증발기를 지나는 5도씨인 냉매를
냉각팬으로 증발시킨다.
약 25~30도씨 정도인 실내 온도를 가해줌으로써 증발하게 되는 건데
 
냉매는 액체 비열이 낮으므로, 20~30도씨 정도 온도차이로 쉽게 증발하는 것이다.
 (액체 비열은 목차3번 키워드 설명에서 설명했다.)

이 과정에서 증발 잠열이 발생하며,
증발 잠열로 인해 차가워진 증발기 주위 기체는 블로워 모터로 실내로 송풍 된다.
( 증발 잠열은 목차 3번 키워드 설명에서 설명했다. )
 


그리고 증발기를 통과한 저온-저압-기체 상태인 냉매는
다시 압축기로 흐른다.
증발기에서 냉매가 증발되지 않고 액체상태로 압축기로 흐르면 안 된다.
액체는 비압축성 유체이기 때문이다.
( 비압축성 유체는 목차 3번 키워드 설명에서 설명했다. )
 
위 과정이 반복되는 것이 자동차 및 일반적으로 사용하는 모든 에어컨의 원리이다.