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우제 심
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1 Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering Vol. 27, No. 6 (2015), pp HFC152a 대체냉매를이용한자동차냉방장치의성능최적화에관한연구 Study of Performance Optimization as an Alternative Refrigerant HFC152a in a Mobile Air Conditioning System 이대웅 (Daewoong Lee) 한라비스테온공조연구본부 Research Division, Halla-Visteon Climate Control Corp., 95 Sinilse-ro, Daedeok-gu, Daejeon, , Korea (Received January 24, 2015; revision received April 20, 2015; Accepted: May 12, 2015) Abstract This study presents an HFC152a refrigerant air conditioner as an alternative to HFC134a, which is currently used in mobile air conditioning systems. Cool-down performance tests of an HFC152a air conditioning system were conducted and compared to a baseline HFC134a air conditioner. The experimental set-up consisted of a belt-driven compressor, a sub-cooled type condenser, an evaporator, and a block-type thermal expansion valve (TXV). A drop-in test was carried out on the mobile air conditioning system under various vehicle running speeds in a climate-controlled wind tunnel (CWT). Additionally, to optimize the HFC152a air conditioning system, the effects of the TXVs on the performance were studied. The results show that compared to the HFC134a air conditioning system, the refrigerant charge quantity was reduced by approximately 20%, the discharge pressure was reduced by about 350~430 kpa, and the air discharge temperature at vehicle running conditions was 0.5~1.5 lower. In addition, good compressor durability was expected due to the lower compression ratio. Key words Alternative refrigerant( 대체냉매 ), Climate-controlled wind tunnel( 환경제어풍동 ), Cool-down performance ( 최대냉방성능 ), Mobile air conditioner( 자동차용냉방장치 ), Refrigerant charge quantity( 냉매충전량 ) Corresponding author, dlee6@hvccglobal.com 기호설명 : 압력 [kpa] : 온도 [ ] 하첨자 : 토출 : 흡입 1. 서론 최근소득수준의향상과선진국형생활구조로의전환, 산업의급격한발달로인하여자동차산업에서도환경적인요소가매우중요하게대두되고있다. 특히오존층파괴 (Ozone Depletion Potential, ODP) 와지구온난화에대한관심이높아지면서유럽연합의회는 2017 년부터는지구온난화지수 (Global Warming Potential, GWP) 가 150 이상인냉매를사용하는자동차의판매및 (1, 2) 운행금지법안을통과시켰다. 이에대한산업계의대응방안으로첫번째는냉매의누출및냉매충전량을줄이고효율을향상시켜이산화탄소배출량을감소시키는한편, 근본적인대응방안으로현재의 HFC134a 냉매를지구온난화지수가낮은냉매로교체하는것이다. 따라서여러국가에서지구온난화지수가낮은 R1234yf 냉매를대체냉매시스템으로지목하여많은연구가진행되었지만, 냉매의생산원가가높아차량의확대적용에어려움을겪고있다. 한편독일자동차공업협회 (VDA) 를위주로한일부카메이커는여전히천연냉매인 R744 냉매시스템을고집하고있으며, 또다른일부에서는 R1234yf 냉매를 Base로한혼합냉매 (3, 4) 를사용하려는시도들이있다. HFC134a와유사한열역학적특성을가지고있는 HFC152a 냉매는기존의 HFC134a 냉방구성부품을변경하지않고그대로사용할수있고, 냉동기유와의상용성이우수하며, 냉방성능의향상과소모동력의저 c SAREK 321

2 이대웅 감, 성능계수가우수한장점이있는대체냉매중의하나이다. (5) Ghodbane (6, 7) 은자동차냉방장치의대체냉매로서 HFC152a 와탄화수소계냉매를이용하여냉방성능을시뮬레이션하였고, 대체냉매를사용한이차회로 (dual loop) 시스템에서의냉방성능을비교하였다. 또한지구온난화의직접적인원인으로냉매의누설과간접적인원인으로는냉방장치가작동시소비되는에너지에원인이있다고밝혔다. Baker et al. (8) 은자동차용냉방장치의대체냉매로서 HFC152a 를적용하여실차상태에서성능실험을하였다. 기존 HFC134a 냉방장치대비팽창밸브, 건조제를변경하였고, 냉매누설감지센서 (sensor) 및안전밸브 (relief valve) 를고압측과저압측에설치하고, 냉매주입량을 HFC134a 냉매주입량의 64% 정도주입하여시험한결과, 화염으로부터의안전성에도큰문제가없으며, HFC134a 냉방장치대비실내온도가 2~3 우수하고, 압축기의토출과흡입압력이낮고, 성능계수는향상하였다. Hill et al. (9) 은여러대체냉매의생애주기분석 (life cycle analysis) 을여러도시의주행패턴에따라분석한결과, 이산화탄소직접배출 (direct emission) 은 HFC152a 가우수한것으로나타났다. HFC152a 는약가연성냉매지만, 자동차공조장치에서실내누출에대비한설계, 또는 HFC152a 와혼합냉매로사용하는방법으로가연성으로인한위험성을크게낮출수있고, 지구온난화지수가 140 으로환경규제를만족하며, HFC134a 와비슷한특성을가지고있어환경및성능측면에서유리하다. 또한기존의자동차공조장치의냉동기유 (Polyalkylene Glycol, PAG) 와호환성이우수하기때문에 HFC134a 의대체냉매로적당하다고밝혔다. (10-12) 따라서본연구에서는자동차용대체냉매로서 HFC 152a 를냉방장치에 Drop-in 하여환경제어풍동 (Climate control Wind Tunnel, CWT) 에서주행조건을변화하면서실차냉방성능을 HFC134a 냉방장치와비교하였다. 또한 HFC152a 냉매시스템에서팽창밸브설정값을변경하여냉방성능에미치는영향에대하여살펴보았다, 2. 시험장치및방법 2.1 환경제어풍동 Fig. 1 은시험에사용된환경제어풍동의개략도와제어범위를보여주고있다. 환경제어풍동은차량의주행은물론이고, 주행속도와동일하게주행풍을모사할수있고, 보일러와냉동기, 스팀발생기가구비되어다 Chamber temperature Wind speed Humidity Dynamo absorbtion Sun load -40~60 0~200 km/h 20~90%, Rh 210 HP 300~1,400 W/m 2 Fig. 1 Specifications and schematic of CWT. 양한기후환경을모사할수있다. 특히환경제어풍동의천정에는인공광원이설치되어태양에의한일사부하를고려할수있다. 냉방장치가장착된시험차량이 200 km/h 까지주행할수있는동력계 (dynamometer) 위에서주행을하면, 모터에의해구동되는송풍기는자동차의주행속도와동일한풍속으로회전하고, 터닝베인 (turning vanes) 을지나, 노즐 (nozzle) 로자동차전면에온도, 습도가일정한균일풍속을공급하게되며, 차속은타코메터의신호에의해자동적으로제어된다. 이와같이시험차량을지난공기는다시터닝베인을통하여송풍기로재순환되고온도와습도가보정되어재공급되는과정을반복하게된다. 냉방성능시험은외기온도가 43.3, 일사량 1,000 W/m 2 에서차량을방치후차실내평균온도가 60 에도달하였을때, 냉방장치를작동하며, 공조장치는최대송풍량에내기순환, 최대냉방, 얼굴 (vent) 로토출되는모드이다. 상세한시험조건은 Table 1 에나타내었다. Table 1 Test conditions of cool-down performance in vehicle air conditioner Environment Air handling system Ambient temp. Relative humidity Sun load Air intake door Mode door Temp. door Blower speed Driving condition 43.3±2 40±2% 1,000 W/m 2 Recirculation Vent Max. Cool Max. High 48 km/h, 30 min 64 km/h, 30 min 96 km/h, 30 min Idle, 30 min 322 c SAREK

3 HFC152a 대체냉매를이용한자동차냉방장치의성능최적화에관한연구 Table 2 Air conditioning system components in vehicle test Condenser Evaporator Compressor Thermal expansion valve 2.2 최대냉방성능시험 Type:Sub-cooled, 35 tubes Size:513 W 350 H 18 t Type:Laminator Size:235 W 210 H 60 t Type:Swash plate, HS-15 model #1:147 kpa at 0, 250 kpa at 10 #2:127 kpa at 0, 230 kpa at 10 차실내평균온도를측정하기위하여차량의전석과후석의가슴부위와발부위에각각 8 개씩의 T 형열전대를설치하여온도를측정하였다. 또한공조장치에서토출되는공기온도를측정하기위하여각토출구마다열전대를설치하였으며, 압축기의토출압력과흡입압력, 응축기와증발기입구와출구의냉매온도도측정하였다. 사용된 T 형열전대의측정오차는 ±0.3 이다. 또한차량의주행속도와엔진회전수, 공조장치의송풍기모터에공급되는전압과전류를각각측정하였다. 시험은먼저차량에서 HFC134a 냉매시스템에대하여냉방성능평가한다음, 동일한시료를깨끗이세척을한후, HFC152a 냉매로변경하여성능을비교하였다. 이때냉동기유는압축기의초기무게를측정하여부족한만큼보충을하였다. 시험차량은현대자동차에서생산하는 1500 cc, 4 단자동변속기를탑재한소형승용차이고, 상세냉방장치의구성부품은 Table 2 에나타내었다. 냉방성능을시험하기위해서는먼저적정냉매량결정시험을하였으며, 이어서최대냉방성능시험, 팽창밸브가실차냉방성능에미치는영향순으로시험을진행하였다. 팽창밸브는증발기 (evaporator) 의냉방부하에대응하여팽창밸브의 Power Element(PE) 의압력과증발기출구의과열도, 스프링장력과의힘의차이에의해밸브를개폐하여냉매의흐름양을제어한다. 팽창밸브단품성능실험은입구측으로 1131 kpa 의질소가스를공급한후 PE 를항온조에담그고 0 와 10 로온도를변화시키면서팽창밸브출구측압력을측정한다. (13) 고, 또한냉매량을부족충전시에는증발기출구과열도의상승에따라비체적의증가로냉매순환량이감소하여성능이저하되기때문이다. 따라서본연구에서는 Table #2(Thermal expansion valve 는 #1) 의냉방장치를자동차에장착후환경제어풍동에서적정냉매량결정시험을하였으며, 적정냉매량결정은과냉각응축기를사용할시기존의평행류형응축기의적정냉매량선정과는상이하다. 과냉각응축기의특성상냉매충전량의증가와함께과냉각온도가증가하다가정체를이룬지점에서의냉매량을적정냉매량으로선정한다. (14) Fig. 2 는각각의 HFC134a 와 HFC152a 시스템에대하여적정냉매량결정시험결과를보여주고있다. Fig. 2(a) 를보면냉방장치에충전되는냉매량이증가하면서, 과냉각 (sub-cool) 온도도급격히증가하고있으며냉매충전량이 450~550 g 사이에서과냉각온도는냉매량증가대비완만한증가로정체를이루는지점이라고볼수있으며, 동시에응축기출구의압력이안 (a) HFC134a refrigerant 3. 시험결과및고찰 3.1 적정냉매량결정 냉방장치에서냉매충전량은매우중요하다. 냉매량을과충전하면응축기의압력과온도가상승하게되 (b) HFC152a refrigerant Fig. 2 Experimental results of refrigerant charge determination. c SAREK 323

4 이대웅 정적인 500 g 을적정냉매량으로선정하였다. Fig. 2(b) 는 HFC152a 냉방장치의냉매충전량시험결과로앞에서와같은방법으로 400 g 을적정냉매량으로선정하였다. HFC152a 는분자질량이 HFC134a 의대략 65% 정도이므로, 냉방장치에충전되는냉매량도분자질량비만큼줄어들것을기대하였으나, 냉매충전량시험결과 HFC134a 냉매결정량의대략 80% 의냉매가적절한냉매충전량으로시험되었다. 3.2 최대냉방성능시험 HFC152a 냉매의 0 에서포화압력은 HFC134a보다대략 31 kpa정도낮고, 엔탈피는 100 kj/kg정도많기때문에기존의 HFC134a 냉방장치와비교시냉방능력은 20%, 성능계수는약 10% 정도향상되는것으로보 (15, 16) 고되고있다. Fig. 3은 HFC134a와 HFC152a 냉매시스템에대하여차량의주행조건별로압축기의토출압력과온도를비교한것이다. 토출압력은 HFC152a 시스템이전운전영역에서약 350~430 kpa정도낮게나타나고있으나, 토출온도는 HFC134a와거의유사한수준이며, 정차시는약간낮게나타났다. 이는앞서설명한냉매의열역학적특성이다르기때문이다. 토출압력이낮아진다면, 압축기의내구성능이유리해지고, 냉방장치운전중고압에의한압축기의정지 (cut-off) 가능성도줄어들게되며, 냉방성능과효율향상도기대된다. Fig. 4는 HFC134a와 HFC152a 냉매시스템에대하여주행조건별로압축기흡입압력과온도를비교하였다. 먼저흡입압력을보면 HFC152a 시스템이 HFC134a 대비주행시에는대략 15~20 kpa정도압력이낮게나타나며, 흡입온도도주행시는약 4~5 정도, 정차시는약 3.5 정도낮게나타났다. Fig. 3 Comparison of Pd and Td in the HFC134a and HFC152a air conditioner. Fig. 4 Comparison of Ps and Ts in the HFC134a and HFC152a air conditioner. Fig. 5 Comparison of compression ratio in the HFC134a and HFC152a air conditioner. Fig. 5 는각 HFC134a 와 HFC152a 냉매시스템에서압축기의압축비 (compression ratio) 를주행조건별로비교한것이다. 압축비 ( ) 는압축기의출구압력을흡입압력의비로표현되었으며, 압축비가낮아지면압축기의체적효율이증가하게되고, 압축기의내구수명이향상하게된다. HFC152a 냉매시스템의압축비가전운전영역에서 HFC134a 보다낮게나타나고있으며, 운전특성에따라서는압축기의회전수가빨라지는주행조건에서는압력비가높아지다가, 정차시에는낮아지고있다. Fig. 6 은자동차에서최대냉방성능을시험한결과로주행조건별로공조장치에서토출되는공기온도와차실내의평균온도를비교한것이다. 초기에는차실내에축척된열부하로인하여냉방장치를가동하여도토출공기온도가높게나타나고있다. 하지만, 시간이지나면서, 차량의주행속도가증가할수록토출공기온도는급격히떨어지며, HFC152a 시스템이 HFC134a 시스템보다 0.5~2.1 정도낮은토출공기온도분포 324 c SAREK

5 HFC152a 대체냉매를이용한자동차냉방장치의성능최적화에관한연구 Fig. 6 Cool-down performance in the HFC134a and HFC152 air conditioner. 를보이다가 96 km/h 에서는두시스템이모두 5 정도의안정된온도를보여주고있다. 주행시에는차량의주행속도가빨라짐에따라엔진크랭크풀리로부터동력을전달받는압축기의회전수가증가하기때문에냉방장치를순환하는냉매유량이많아지고, 차속의증가로인하여응축기로유입되는풍량증가로응축능력이향상되어토출공기온도가점차로낮아지는것이다. 이후정차시에서는압축기의급격한회전수저하로인하여냉매순환량이감소되고, 응축기의응축능력도저하되어토출공기온도가서서히상승하며, HFC152a 시스템이 HFC134a 시스템보다 0.5 ~1.5 정도토출공기온도가높게나타났다. 실내평균온도는토출공기온도의지배적인영향을받기때문에동일한경향을보이고있다. 다음은 HFC152a 의냉방장치에서팽창밸브설정값이 0 에서각각 147 kpa 와 127 kpa 의압력값을갖는밸브에대하여성능에미치는영향을살펴보았다. Fig. 7 은팽창밸브시험결과로과열온도 (superheat) 변화에대한출구압력을나타내고있다. 먼저냉매의포화증기선 (vapor saturation curve) 을비교해보면, HFC152a 냉매가동일온도에서 HFC134a 보다포화압력이낮은것을볼수있다. 일반적으로팽창밸브는증발기출구압력값이증가하면냉매유량이증가하고, 반대로감소시는과열도가커지므로냉매유량이감소하는특성이있다. TXV #1 과 TXV #2 모두약 35 에서최대작동압력 (Maximum Operating Pressure, MOP) 을보여주고있으며, 5 에서 TXV #1 은 TXV #2 보다약 71kPa 정도압력이높으며, 이는유량의증가를가져온다. Fig. 8 은 HFC152a 냉방장치에서팽창밸브설정값에따라압축기의토출압력과온도의변화를보여주고있다. 압축기토출압력은팽창밸브와관계없이비슷한압력을보이고있지만, TXV #2 가 TXV #1 보다과열도가증가하기때문에토출온도는 TXV #2 가전운전영 Fig. 7 Thermal expansion valve characteristics with HFC134a and HFC152a refrigerant. Fig. 8 TXVs effect on Pd and Td in the HFC152a air conditioner. 역에서대략 5~8 정도상승하였다. Fig. 9 는팽창밸브설정값에따라압축기의흡입압력과온도에미치는영향을나타내고있다. 팽창밸브설정값변화에따른흡입압력의변화는거의없으나, 흡입온도는 TXV #2 가주행시에는 TXV #1 보다높게나타나고있으며, 이는과열도의증가의영향으로보인다. 정차시에는 TXV #2 가토출압력이약간낮게나타나고, 온도는거의동등수준이었다. Fig. 10 은 HFC152a 냉방장치에서팽창밸브설정값이압축기의압축비에미치는영향에대하여나타내었다. 압축비는 TXV #1 이전운전영역에서 TXV #2 보다약간더낮은경향을보이고있다. 이는앞서살펴본바와같이 TXV #2 의경우과열도가높아시스템에서토출압력과흡입압력이함께증가하였기때문으로이는압축기의일량증가를가져올수있지만, 시험한범위내에서는큰영향은없어보인다. Fig. 11 은 HFC152a 냉매시스템에서팽창밸브설정값에따라공조장치의토출공기온도와실내평균온 c SAREK 325

6 이대웅 Fig. 9 TXVs effect on Ps and Ts in the HFC152a air conditioner. 히정차시에온도가상당히낮아져, 기존의 HFC134a 냉방장치와동등한수준의토출공기온도를보여주고있다. 이는팽창밸브의설정값이낮아지면, 팽창밸브로통과하는유량은줄어들지만교축과정으로습증기상태로증발기에들어간냉매가출구에서완전히증발하기때문에증발기출구온도가낮아지고, 따라서토출공기온도도낮아진것이다. 실내평균온도도토출공기온도와동일한경향으로 TXV #2 가 TXV #1 보다약간씩더낮아졌다. HFC152a 냉방장치에서팽창밸브설정값을변경하면서성능시험을한결과, TXV #2 가 TXV #1 보다토출압력과온도및압축비는약간불리하지만, 정차시흡입압력이낮고, 전운전영역에서토출공기온도가낮게나타나 HFC152a 냉방장치에적합한팽창밸브로선정하였다. 4. 결론 Fig. 10 TXVs effect on compression ratio in the HFC152a system. HFC134a 자동차용냉방장치의대체냉매로서 HFC 152a 냉매를적용하여실차상태에서적정냉매량결정, 주행조건별로냉방성능을비교하고, 팽창밸브설정값을변경하여성능에미치는영향을살펴본결과다음과같은결론을얻었다. (1) HFC152a 냉방장치의냉매충전량은 HFC134a 냉방장치의충전량보다 20% 정도감소하였다. (2) HFC152a 는 HFC134a 냉방장치보다대략 350~430 kpa 정도토출압력이낮게나타났다. (3) HFC152a 냉방장치의차실내토출공기온도는 HFC 134a 냉방장치보다주행시는 0.5 ~1.5 낮았으나, 정차시는 1.6 상승하였다. (4) HFC152a 냉방장치의성능최적화는팽창밸브설정값의변경만으로가능하였다. 이상으로자동차용냉방장치에 HFC152a 냉매를적용하여시험한결과, 냉매충전량의감소와토출압력이낮아져, 압축기의내구성향상과효율증대가기대된다. References Fig 11. TXVs effect on cool-down performance in the HFC152a air conditioner. 도변화를나타내었다. 토출공기온도차가크진않지만, TXV #2 가주행및정차, 전운전조건에서 TXV #1 보다약간씩온도가낮아지는경향을보이고있다. 특 1. United nations environment programme, 1987, Montreal protocol on substances that deplete the ozone layer, Final act, New York, United Nations. 2. Global environment change report, 1997, A brief analysis of the Kyoto protocol, Vol. Ⅸ, No Directorate-general environment, consultation paper, 2003, How to considerably reduce greenhouse gas 326 c SAREK

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