자동차 공조시스템 완벽 가이드

자동차 공조시스템(HVAC)이란 차량의 난방(Heating), 환기(Ventilation), 냉방(Air Conditioning)을 아우르는 시스템으로서 빠른 시간 내에 차량 내부 환경을 쾌적하게 만드는 기술입니다. 현대 자동차에서는 승객의 편안함을 위해 필수적인 요소로 자리 잡고 있습니다.

출처: 글로벌이코노믹

공조 시스템은 빠른 시간 내에 차량 내부의 공기를 쾌적하게 만들기 위해 인위적인 열 흐름을 생성해냅니다. 열은 고온에서 저온의 방향으로 이동하기 때문에 공기를 주변 온도 이하로 냉각시킴으로써 열 흐름을 인위적으로 생성하여 원하는 결과를 얻어낼 수 있는 것입니다.

1. 공기조화시스템

공기조화시스템은 차량 내부의 공기 상태를 조절하여 탑승자에게 쾌적한 환경을 제공하는 시스템입니다. 공기의 온도, 습도, 청정도 및 기류를 제어하여 사계절 내내 최적의 실내 환경을 만들어냅니다.

출처: IPTARGETS

1-1. 열부하

열부하(Heat Load)란 차량 내부에 축적되는 열의 양을 의미합니다. 공조시스템은 이 열부하를 제거하거나 유지하여 쾌적한 실내 환경을 만듭니다.

차량 열부하의 주요 원인

• 태양복사열: 유리창을 통해 들어오는 태양열
• 엔진부하: 엔진에서 발생하는 열
• 탑승자 발열: 인체에서 발생하는 열
• 외기온도: 외부 온도에 의한 열 전달
• 전자장비 발열: 내부 전자장치에서 발생하는 열

열부하는 시간에 따라 변화하며, 특히 여름철 직사광선이 내리쬐는 주차 후에는 차량 내부 온도가 외부보다 20~30°C 높아질 수 있습니다. 이러한 열부하를 효율적으로 제거하는 것이 공조시스템의 중요한 역할입니다.

1-2. 냉방능력

냉방능력은 공조시스템이 단위 시간당 제거할 수 있는 열량을 의미합니다. 일반적으로 kcal/h 또는 BTU/h(British Thermal Unit)로 표시됩니다.

차종	일반적인 냉방능력 범위	비고
소형차	3,000~4,000 kcal/h	승객 4~5명 기준
중형차	4,000~5,000 kcal/h	승객 4~5명 기준
대형차	5,000~6,000 kcal/h	승객 4~7명 기준
SUV	4,500~6,000 kcal/h	실내 공간 크기에 따라 다름

냉방능력은 다음과 같은 요소에 따라 결정됩니다:

• 압축기의 용량과 효율
• 냉매의 종류와 순환량
• 응축기와 증발기의 열교환 효율
• 블로어 팬의 풍량
• 시스템 설계 및 배관의 최적화

1-3. 냉동이론(4행정 카르노사이클)

자동차 에어컨은 냉동사이클의 원리를 활용합니다. 그 중에서도 카르노사이클(Carnot Cycle)의 역과정을 이용한 역카르노사이클(Reverse Carnot Cycle)이 핵심 이론입니다.

출처: 냉동3-3카르노사이클&역카르노사이클성적계수COP - YouTube

역카르노사이클(냉동사이클)의 4가지 과정

1. 압축 과정(Compression): 저온저압의 기체 냉매를 압축하여 고온고압의 기체로 변환
2. 응축 과정(Condensation): 고온고압의 기체 냉매가 열을 방출하며 액체로 변환
3. 팽창 과정(Expansion): 고압의 액체 냉매가 팽창밸브를 통과하며 저압 상태로 변환
4. 증발 과정(Evaporation): 저온저압의 액체 냉매가 주변 열을 흡수하며 기체로 변환

이 사이클은 냉매의 상태 변화를 이용하여 열을 이동시키는 과정입니다. 특히 증발 과정에서 냉매가 주변의 열을 흡수함으로써 차량 내부 공기의 온도를 낮추는 효과를 얻습니다.

냉동사이클의 성능계수(COP, Coefficient Of Performance)는 투입한 에너지 대비 얼마나 많은 열을 이동시킬 수 있는지를 나타내는 지표로서, 이론적으로 역카르노사이클의 COP는 다음과 같이 계산됩니다:

COP = TL / (TH - TL)

TL: 저온측 온도(K), TH: 고온측 온도(K)

2. 냉매

냉매(Refrigerant)는 냉동사이클 내에서 열을 운반하는 매체로, 자동차 공조시스템에서 핵심적인 역할을 합니다. 자동차에서는 주로 R-134a와 R-1234yf와 같은 냉매가 사용됩니다.

출처: 딴지일보

2-1. 냉매의 구비조건

좋은 냉매는 다음과 같은 조건을 갖추어야 합니다:

구분	조건	설명
열역학적 성질	낮은 증발 잠열	적은 양으로도 많은 열을 흡수할 수 있어야 함
	적절한 증발 압력	대기압 이상의 증발압력을 가져 공기 유입을 방지
	적절한 응축 압력	너무 높지 않아 시스템 설계가 용이해야 함
화학적 성질	안정성	시스템 내 금속, 오일과 반응하지 않아야 함
	불연성	화재 위험이 없어야 함
	무독성	누설 시 인체에 무해해야 함
환경적 성질	낮은 오존층 파괴 지수(ODP)	오존층에 미치는 영향이 적어야 함
	낮은 지구 온난화 지수(GWP)	온실효과에 미치는 영향이 적어야 함
경제적 성질	저렴한 가격	합리적인 비용으로 구할 수 있어야 함
	누설 감지 용이성	누설 발생 시 쉽게 발견할 수 있어야 함

2-2. R-134a의 장점

R-134a(HFC-134a, 테트라플루오로에탄)는 오랫동안 자동차 에어컨 시스템에서 널리 사용된 냉매입니다. 현재는 환경 규제로 인해 신차에서는 R-1234yf 등 친환경 냉매로 대체되고 있지만, 여전히 많은 차량에서 사용되고 있습니다.

R-134a의 주요 장점

• 오존층 파괴 없음: 염소를 포함하지 않아 오존층 파괴 지수(ODP)가 0
• 안정적인 성능: 넓은 온도 범위에서 안정적으로 작동
• 호환성: 대부분의 냉동기 오일 및 시스템 구성품과 호환
• 낮은 독성: 인체에 대한 독성이 매우 낮음
• 불연성: 화재 위험이 없음
• 검출 용이성: 누설 발생 시 쉽게 감지 가능

R-134a의 단점으로는 비교적 높은 지구 온난화 지수(GWP ≈ 1430)를 가지고 있어 환경적 측면에서 문제가 제기되었습니다. 이로 인해 최근에는 GWP가 훨씬 낮은 R-1234yf(GWP ≈ 4)로 대체되고 있는 추세입니다.

3. 냉방장치의 구성

자동차 냉방장치는 크게 압축기, 응축기, 건조기, 팽창밸브, 증발기 등의 주요 구성품으로 이루어져 있습니다. 이들은 냉매를 순환시키며 냉방 기능을 수행합니다.

출처: StudyRepository - 티스토리

냉매는 이 다섯 가지 장치로 이루어진 순환계를 계속해서 돌면서 공기를 시원하게 하는 일을 반복합니다.

3-1. 압축기(Compressor)

압축기는 냉동사이클의 심장 역할을 하는 부품으로, 저온저압의 냉매 가스를 고온고압으로 압축하는 역할을 합니다. 보통 엔진의 동력을 벨트를 통해 전달받아 작동하며, 전기차의 경우 전기모터로 구동됩니다.

출처: Guchen Industry

압축기의 주요 종류

• 왕복동식(Reciprocating Type): 피스톤의 왕복운동을 이용
• 로터리식(Rotary Type): 로터의 회전운동을 이용
• 스크롤식(Scroll Type): 나선형 스크롤의 상대운동을 이용
• 가변용량식(Variable Displacement): 냉방 부하에 따라 용량 조절이 가능

압축기는 클러치를 통해 엔진과 연결되며, 에어컨 작동 시에만 클러치가 연결되어 압축기가 작동합니다. 최근에는 연비 향상을 위해 가변용량식 압축기가 널리 사용되고 있으며, 전기차에서는 전기 구동 압축기가 사용됩니다.

3-2. 응축기(Condenser)

응축기는 압축기에서 보내진 고온고압의 냉매 가스를 외부 공기와 열교환하여 액체로 응축시키는 역할을 합니다. 일반적으로 차량 앞쪽 라디에이터 앞에 위치하여 주행 중 유입되는 공기를 이용해 냉매의 열을 방출합니다.

응축기의 주요 종류

• 튜브앤핀형(Tube and Fin Type): 전통적인 형태로, 튜브를 통해 냉매가 흐르고 핀을 통해 열 방출
• 병렬흐름형(Parallel Flow Type): 여러 개의 미세 튜브를 통해 냉매가 병렬로 흐름, 열교환 효율이 높음
• 서브쿨형(Sub-cool Type): 응축된 냉매를 추가로 냉각하여 효율 향상

응축기는 냉매의 상태 변화(기체→액체)를 일으키며, 이 과정에서 냉매가 가지고 있던 열을 외부로 방출합니다. 따라서 응축기 주변에서는 뜨거운 바람이 느껴집니다. 응축기의 성능은 자동차 에어컨의 냉방 능력에 직접적인 영향을 미치므로, 이물질이나 먼지로 인한 막힘이 없도록 정기적인 청소가 필요합니다.

3-3. 건조기(Dryer/Receiver-Dryer)

건조기(리시버 드라이어)는 응축기에서 나온 액체 냉매 내의 수분과 불순물을 제거하고 냉매를 일시 저장하는 역할을 합니다. 수분은 냉동사이클 내에서 얼음을 형성하거나 산성 화합물을 생성하여 시스템을 손상시킬 수 있어 제거가 필수적입니다.

건조기의 주요 구성

• 필터: 냉매 내 미세 불순물 제거
• 건조제(Desiccant): 냉매 내 수분 흡수(주로 실리카겔 또는 몰레큘러 시브 사용)
• 저장부: 액체 냉매 저장
• 사이트 글래스(일부 모델): 냉매량 확인 창

건조기는 팽창밸브 방식의 시스템에서 주로 사용되며, 어큐뮬레이터는 오리피스 튜브 방식의 시스템에서 증발기 후단에 설치되어 유사한 역할을 합니다. 건조기 내의 건조제는 시간이 지남에 따라 수분 흡수 능력이 저하되므로, 시스템 개방 수리 시 또는 일정 주기로 교체하는 것이 좋습니다.

3-4. 팽창밸브(Expansion Valve)

팽창밸브는 고압의 액체 냉매를 저압 상태로 팽창시켜 증발기로 보내는 역할을 합니다. 이 과정에서 냉매의 압력과 온도가 급격히 낮아지며, 증발기에서 열을 흡수할 수 있는 상태로 변화합니다.

팽창밸브의 주요 종류

• 열식 팽창밸브(TXV, Thermostatic Expansion Valve): 증발기 출구 온도에 따라 밸브 개도를 자동 조절
• 전자식 팽창밸브(EEV, Electronic Expansion Valve): 전자제어를 통해 정밀하게 냉매 흐름 조절
• 오리피스 튜브(Orifice Tube): 고정된 크기의 구멍을 통해 냉매 팽창, 구조가 단순하지만 조절 불가

팽창밸브는 냉동사이클의 고압부와 저압부를 구분하는 경계에 위치하며, 증발기로 유입되는 냉매의 양을 조절함으로써 시스템의 효율을 결정하는 중요한 역할을 합니다. 특히 열식 팽창밸브는 벌브와 다이어프램을 이용해 증발기 출구 온도를 감지하여 냉매 흐름을 자동으로 조절하는 지능적인 장치입니다.

대부분의 가정용 에어컨은 이 팽창밸브가 실외기에 위치합니다. 팽창밸브는 실내환경에 따라 증발기로 보내는 냉매의 양까지도 조절합니다. 밸브를 활짝 열면 많은 양의 냉매가 보내지며 증발기에서는 더 활발하게 증발이 이루어져 실내는 더 빨리 시원해집니다.

3-5. 증발기(Evaporator)

증발기는 팽창밸브를 통과한 저온저압의 액체 냉매가 주변의 열을 흡수하며 기화되는 과정이 일어나는 부품입니다. 차량 실내(대시보드 내부)에 위치하여 블로어 팬으로 공급되는 공기로부터 열을 흡수하여 차가운 공기를 만들어 냅니다.

증발기의 특징 및 기능

• 열교환: 공기 중의 열을 흡수하여 냉매로 전달
• 제습: 공기 중 수분을 응축시켜 습도 감소(결로 현상)
• 필터링: 공기 중 먼지 및 오염물질 제거(에어필터와 함께)

증발기는 알루미늄 핀과 튜브로 구성된 열교환기로, 표면적을 최대화하여 열교환 효율을 높이도록 설계되어 있습니다. 저온 상태로 유지되기 때문에 공기 중 수분이 표면에 응결되어 제습 효과도 제공합니다. 이 응결수는 드레인 튜브를 통해 차량 하부로 배출됩니다.

증발기 표면에는 시간이 지남에 따라 먼지와 수분으로 인해 곰팡이나 박테리아가 자랄 수 있어, 에어컨 냄새의 주요 원인이 됩니다. 따라서 정기적인 에어컨 클리닝을 통해 증발기를 청소하는 것이 중요합니다.

3-6. 냉매압력스위치(Refrigerant Pressure Switch)

냉매압력스위치는 시스템 내 냉매의 압력을 모니터링하여 비정상적인 압력 상태일 때 시스템을 보호하는 안전장치입니다. 일반적으로 고압 스위치와 저압 스위치로 구분됩니다.

냉매압력스위치의 종류 및 기능

• 고압 스위치(High Pressure Switch): 시스템 내 압력이 지나치게 높을 때(약 30~32kg/cm² 이상) 압축기 작동을 중지시켜 과압으로 인한 시스템 손상 방지
• 저압 스위치(Low Pressure Switch): 시스템 내 압력이 지나치게 낮을 때(약 2kg/cm² 이하) 압축기 작동을 중지시켜 냉매 부족 또는 누설로 인한 압축기 손상 방지
• 삼중압력 스위치(Triple Pressure Switch): 고압, 중압, 저압 세 가지 압력 상태를 모니터링

압력 스위치는 주로 압축기 주변이나 냉매 라인에 설치되며, 압력 이상 시 전기적 신호를 통해 클러치나 ECU에 작동 중지 신호를 보냅니다. 이는 냉매 누출, 응축기 막힘, 팬 고장 등 다양한 문제로부터 시스템을 보호하는 중요한 역할을 합니다.

3-7. 핀서모센서(Fin Thermo Sensor)

핀서모센서는 증발기의 핀 온도를 감지하여 결빙을 방지하고 시스템을 제어하는 센서입니다. 증발기 온도가 너무 낮아지면(0°C 근처) 결빙이 발생할 수 있어, 이를 방지하기 위해 사용됩니다.

핀서모센서의 기능

• 결빙 방지: 증발기 온도가 0°C 이하로 내려가면 압축기 작동을 일시 중지
• 사이클링: 온도에 따라 압축기를 자동으로 온/오프 제어
• 시스템 보호: 비정상적인 저온 상태에서 시스템 보호

핀서모센서는 일반적으로 증발기 핀 사이에 삽입되어 있으며, 서미스터(thermistor) 타입의 온도 감지 소자를 사용합니다. 온도 변화에 따라 저항값이 변화하는 특성을 이용하여 증발기 온도를 정확하게 측정합니다.

최신 차량에서는 핀서모센서 대신 디지털 온도 센서와 ECU(Electronic Control Unit)를 통한 제어 방식을 사용하기도 합니다. 이를 통해 더 정밀한 온도 제어와 다양한 운전 조건에 따른 최적화된 작동이 가능해졌습니다.

3-8. 블로어유닛(Blower Unit)

블로어유닛은 차량 내부로 공기를 강제 순환시키는 장치로, 팬과 모터로 구성됩니다. 증발기와 히터코어를 통과한 공기를 실내로 보내주는 역할을 합니다.

블로어유닛의 구성 및 기능

• 블로어 모터: 팬을 회전시키는 전기 모터
• 블로어 팬: 공기를 순환시키는 원심형 팬
• 블로어 저항: 팬 속도를 조절하는 전기 저항(또는 전자식 속도 제어장치)
• 하우징: 공기 흐름을 안내하는 덕트 구조

블로어유닛은 일반적으로 대시보드 내부, 증발기와 히터코어 주변에 위치합니다. 사용자는 에어컨 컨트롤 패널을 통해 블로어 풍량을 조절할 수 있으며, 최근 차량에서는 자동 온도 조절 시스템에 의해 자동으로 풍량이 제어되기도 합니다.

블로어 모터는 지속적인 사용으로 인해 마모될 수 있는 부품 중 하나로, 소음 발생, 풍량 감소, 작동 불량 등의 증상이 나타날 경우 점검이 필요합니다. 또한 블로어유닛 내부의 필터는 정기적인 교체가 필요한 소모품입니다.

4. 전자동에어컨

전자동에어컨(Automatic Air Conditioning)은 사용자가 설정한 온도에 따라 시스템이 자동으로 풍량, 토출 온도, 송풍 방향 등을 조절하여 실내 온도를 일정하게 유지하는 시스템입니다.

출처: 전기 모터, 전기 모터 컨트롤러, 전기 보트

전자동에어컨의 특징

• 온도 자동 제어: 설정 온도에 따라 자동으로 냉방/난방 전환 및 강도 조절
• 다중 센서 활용: 실내 온도 센서, 외부 온도 센서, 일사 센서 등 다양한 센서 정보를 활용
• 지능형 제어: 마이크로프로세서 기반의 제어 로직으로 최적의 실내 환경 유지
• 듀얼존/멀티존 제어: 운전석과 조수석, 또는 전후석의 온도를 개별적으로 제어

전자동에어컨은 다음과 같은 주요 작동 모드를 제공합니다:

모드	기능	특징
AUTO	완전 자동 제어	온도 설정만으로 모든 기능 자동 제어
ECON	경제 운전 모드	최소한의 에너지로 목표 온도 유지
MAX A/C	최대 냉방 모드	최대 냉방 능력으로 빠른 실내 냉각
DEFROST	성에 제거 모드	창문의 성에/김서림 제거에 최적화
BI-LEVEL	이중 레벨 모드	상부와 하부에 다른 온도의 공기 공급

5. 전자동에어컨 부품의 구조와 작동

전자동에어컨은 기본적인 냉방장치 구성품 외에도 다양한 센서와 액추에이터, 제어 장치를 포함하고 있습니다.

전자동에어컨의 주요 센서

• 실내 온도 센서: 차량 내부 온도 측정
• 외기 온도 센서: 외부 온도 측정
• 일사 센서: 태양광 강도 측정
• 습도 센서: 실내 습도 측정(최신 차량)
• 증발기 온도 센서: 증발기 코어 온도 측정

전자동에어컨의 주요 액추에이터

• 모드 도어 액추에이터: 송풍 방향 제어(Face, Bi-level, Floor, Mix, Defrost)
• 온도 조절 도어 액추에이터: 냉/온풍 혼합 비율 제어
• 내/외기 전환 도어 액추에이터: 내부 순환/외부 공기 유입 제어
• 전동 블로어 모터: PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 정밀한 풍량 제어
• 전자식 팽창밸브: 냉매 유량의 정밀 제어(일부 고급 차량)

전자동에어컨 시스템은 A/C ECU(Air Conditioning Electronic Control Unit) 또는 기후 제어 모듈(Climate Control Module)에 의해 제어됩니다. 이 제어 장치는 각종 센서 데이터를 수집하고 분석하여 설정 온도에 맞게 액추에이터를 제어합니다.

1. 센싱 단계: 각종 센서를 통해 실내외 환경 정보 수집

2. 분석 단계: 수집된 데이터와 설정 온도를 비교 분석

3. 제어 단계: 분석 결과에 따라 최적의 제어 신호 생성

4. 작동 단계: 각 액추에이터가 제어 신호에 따라 작동

5. 피드백 단계: 작동 결과에 따른 새로운 환경 정보 수집 및 반복

최신 차량에서는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 A/C ECU가 엔진 ECU, 차체 ECU 등 다른 제어 장치와 정보를 교환하며, 차량 전체 시스템과 통합된 지능형 제어가 이루어집니다.

6. 차량 난방시스템

차량의 난방시스템은 실내 온도를 높이고 유리창의 서리를 제거하는 데 사용됩니다. 내연기관 차량과 전기차는 열원의 차이로 인해 서로 다른 난방 방식을 사용합니다.

출처: 매일매일 자동차를 공부하자 - 티스토리

내연기관 차량의 난방시스템

내연기관 차량에서는 엔진에서 발생하는 폐열(엔진 냉각수의 열)을 이용하여 난방을 합니다.

• 히터코어: 엔진 냉각수의 열을 공기에 전달하는 열교환기
• 워터밸브: 히터코어로 유입되는 냉각수 양을 조절
• 블로어 팬: 히터코어를 통과하는 공기 공급
• 온도 조절 도어: 히터코어를 통과하는 공기량 조절

전기차의 난방시스템

전기차는 엔진에서 발생하는 폐열이 없기 때문에 다른 방식의 난방 시스템을 사용합니다.

• PTC 히터(Positive Temperature Coefficient): 전기 저항을 이용한 직접 발열 방식
• 히트펌프 시스템: 에어컨의 역사이클을 이용한 고효율 난방 방식
• 배터리 열관리 시스템 연계: 배터리 발열을 난방에 활용
• 좌석/스티어링 휠 히터: 직접적인 접촉 난방으로 에너지 효율 향상

최신 차량에서는 난방시스템과 냉방시스템이 통합된 공조시스템으로 구성되어 있으며, 계절에 따라 냉방과 난방 모드가 자동으로 전환됩니다. 또한 온도와 풍량, 송풍 방향 등을 세밀하게 제어하여 탑승자의 쾌적함을 극대화하고 있습니다.

전기차에서는 냉난방 시스템이 주행 거리에 큰 영향을 미치기 때문에, 에너지 효율을 높이기 위해 히트펌프 방식이 점차 보편화되고 있습니다. 히트펌프는 냉매의 순환을 이용해 외부의 열을 실내로 가져오는 방식으로, 전기 직접 가열 방식보다 2~3배 높은 에너지 효율을 제공합니다.

결론 및 정리

자동차 공조시스템은 차량 내부의 환경을 쾌적하게 유지하는 필수적인 시스템으로, 냉방과 난방, 환기 기능을 통합적으로 제공합니다. 냉동사이클의 원리를 이용한 냉방 시스템과 엔진의 폐열이나 전기에너지를 이용한 난방 시스템이 유기적으로 작동하여 계절이나 날씨에 관계없이 쾌적한 실내 환경을 만들어 냅니다.

최근에는 에너지 효율성, 환경 친화성, 사용자 편의성을 높이기 위한 다양한 기술이 공조시스템에 적용되고 있습니다. 특히 전기차의 보급과 함께 새로운 형태의 공조시스템이 발전하고 있으며, 인공지능과 IoT 기술을 접목한 스마트 공조시스템도 등장하고 있습니다.

자동차 공조시스템에 대한 이해는 차량 관리 및 정비에 도움이 될 뿐만 아니라, 효율적인 사용을 통해 연비 향상과 차량 내 쾌적한 환경 유지에 기여할 수 있습니다. 앞으로도 환경 규제 강화와 전기차 전환 등 자동차 산업의 패러다임 변화에 따라 공조시스템 기술도 지속적으로 발전해 나갈 것입니다.