Climate Change Research( 한국기후변화학회지 ) Vol. 3, No. 2, 2012, pp. 153~ 실차를이용한자동차에어컨냉매누출량평가 Measurement of R-134a Leakage from Vehicle Equipped Mobi

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1 Climate Change Research( 한국기후변화학회지 ) Vol. 3, No. 2, 2012, pp. 153~ 실차를이용한자동차에어컨냉매누출량평가 Measurement of R-134a Leakage from Vehicle Equipped Mobile Air Conditioning(MAC) System 김지영 서충열 이상은 김정수 Kim, Ji Young, Seo, Chungyoul, Lee, Sangeun and Kim, Jeongsoo 국립환경과학원교통환경연구소 Transportation Pollution Research Center, National Institute of Environmental Research, Korea 요지자동차에어컨냉매로사용되어온 CFC-12는 1991년부터 1994년에걸쳐 HFC 계열의냉매인 R- 134a로대체되었으며, R-134a는현재자동차에어컨냉매로널리사용되고있다. 그러나 R-134a는지구온난화지수 (GWP) 가 1,300으로매우높으며, 교토의정서에서정한 6대온실가스중에하나로포함되어누출량관리및대체냉매개발이필요한실정이다. 본연구에서는자동차에서배출되는 non-co 2 온실가스배출량산출을위한기초연구로실차상태에서의에어컨냉매누출량을분석하기위하여가변온도밀폐실 (VT shed) 과 Running loss test shed 를이용하여 R-134a의농도변화를측정하였다. 대상차종에대한주차상태에서 R-134a 누출량을분석한결과, 연간누출량이 g/yr 수준으로기존의에어컨시스템을이용한누출량분석결과와유사한수준으로분석되었다. 동일모델차량에단일증발기를적용한차량과이중증발기를적용한차량에대해냉매누출량을비교한결과, 단일증발기로구성된에어컨이적용된차량에비하여이중증발기가적용된에어컨이장착된차량에서누출량이높게나타났다. 이는이중증발기적용에따라에어컨시스템구성시연결부위 ( 호스, 접합부등 ) 가추가되면서해당부위에서의누출이증가된것으로보인다. 또한, 차속별 R-134a 농도변화를분석한결과, 고속주행시 (100 km/hr) 냉매누출이증가하였으며, 송풍량증가에따른누출량변화는나타나지않았다. 키워드 : R-134a, 자동차에어컨, 가변온도밀폐실, 온실가스배출량 ABSTRACT CFC-12 used in mobile air conditioning(mac) system has been replaced by R-134a, a type of Corresponding author : jykim@me.go.kr 접수일자 : / 수정일자 : / 채택일자 :

2 154 김지영 서충열 이상은 김정수 HFC refrigerant, from 1991 to R-134a has since been widely used as a refrigerant of a mobile air conditioner. However, it is one of the six main green house gases listed in Kyoto Protocol, which makes it imperative to regulate its emission and develop alternative refrigerants. In this study, the concentration of leaked R-134a was measured using VT(Variable Temperature) shed and Running loss test shed to analyze the level of air conditioner refrigerant leaked in a vehicle. According to the analysis of the concentration of R-134a leaked from a vehicle parked, annual leakage amount of R-134a was in the range of g/yr. The figure was similar with the leakage from the mobile air conditioning system currently used. In a study using the same vehicle model, a vehicle equipped with dual evaporation system had a higher leakage rate of refrigerant than a vehicle with a single evaporation system. It appears that the added fittings and joints of the dual evaporator system led to higher leakage rate. Besides, the analysis of the change in R-134a concentration under various car speed found that more refrigerant leaked under high speed(100km/hr) and but the volume of the wind did not affect to the variation of refrigerant leakage Key words : R-134a, Mobile Air Conditioning(MAC) System, VT(Variable Temperature) Shed 1. 서론기후변화가환경의중요한이슈로부각되면서세계각국에서는온실가스감축목표를설정하는등의노력을기울이고있다. 우리나라의경우, 2020년기준으로온실가스를 BAU 대비 30% 감축하는것을목표로설정하였으며, 자동차분야도마찬가지로 BAU 대비 34% 감축목표를설정하고있다. 정부에서는 2010년 4월 저탄소녹색성장기본법 을마련하여감축목표달성을위한발판을마련하였다. 최근들어서는자동차에서배출되는 CO 2, CH 4, N 2O 등의온실가스물질외에자동차에어컨냉매의누출및지구온난화영향등에대한관심이높아지고있다. 자동차용에어컨의냉매로사용되어온 CFC- 12( 프레온가스 ) 는 1987년몬트리올의정서가채택됨에따라새로운냉매인 R-134a로대체되었으며 ( 최원영등, 2007; James M. Calm et al., 1998; Denis Clodic et al., 2005), R-134a는현재대부 분의우리나라자동차의에어컨에냉매로사용되고있다. R-134a는오존층파괴의주범인염소 (Cl) 기를포함하고있는기존의 CFC 계열과 R- 22 등의 HCFC 계열의냉매를대체하는대표적인대체냉매로서, 염소 (Cl) 기를제외하고수소 (H), 불소 (F), 탄소 (C) 기로구성된 HFC 계열의냉매로오존층파과지수 (ODP) 는 0이지만, 지구온난화지수 (GWP) 는 1,300으로매우높다 ( 김만회, 2005). 또한, R-134a는이산화탄소 (CO 2), 메탄 (CH 4), 아산화질소 (N 2O), 과불화탄소 (PFCs), 육불화황 (SF 6) 등과함께교통의정서에서정한 6대온실가스로포함되었으며, 유럽에서는 2005년 12 월발효된 EU 법규에서 2011년 1월 1일이후판매되는신차부터 R-134a 사용을전면금지토록규정하였다 ( 김종수등, 2006). 이에따라서천연냉매인 CO 2 가자동차용에어컨의대체냉매로검토되고있으며, 이외에 HC 냉매와더불어 GWP가 140인 R-152a 등을대체냉매로자동차에어컨에적용하기위한연구가진행되고있다 ( 김만회, 2005).

실차를이용한자동차에어컨냉매누출량평가 155 국내외에서 mini-shed를이용한에어컨시스템의누출평가및대체냉매개발에대한연구가활발히진행되어왔으나, 국내에서는자동차에서누출되는냉매량에대한측정자료가없는실정으로, 본연구에서는에어컨시스템이갖추어진실차를이용하여주차상태와운전상태에서의 R- 134a

3 실차를이용한자동차에어컨냉매누출량평가 155 국내외에서 mini-shed를이용한에어컨시스템의누출평가및대체냉매개발에대한연구가활발히진행되어왔으나, 국내에서는자동차에서누출되는냉매량에대한측정자료가없는실정으로, 본연구에서는에어컨시스템이갖추어진실차를이용하여주차상태와운전상태에서의 R- 134a 누출량분석을통하여실차를이용한분석방법의적용가능성및운전조건이냉매누출에미치는영향을평가하고자하였다. 2. 연구방법 2.1 R-134a 누출량측정방법 대상차종선정시험대상자동차는승용차량중소형차 1대와중형차 4대를선정하였다. 에어컨시스템구성에따른영향분석을위하여동일모델차량에단일증발기를적용한차량 (S) 과이중증발기를적용한차량 (S2) 을선정하여누출량을비교하였다. 또한주행거리에따른영향분석을위하여주행거리가상이한동일모델차량 (SN, SN2) 을선정하여누출량을비교하였다 주차상태의누출량분석주차상태에서 R-134a 누출량분석은 COMM- ISSION REGULATION (EC) NO 706/2007 및국내기술표준인자동차공기조화시스템의냉매 Fig. 1. VT(Variable Temperature) shed. 누설량시험방법 ( 기술표준 KSR1168) 에근거하여내부온도를 40 로설정한가변온도밀폐실 (VT shed) 에서 24시간동안 R-134a의농도변화를측정하였다. 가변온도밀폐실은밀폐실전체의온도를제어할수있도록설계되었으며, 온도변화에따른내부체적의변화를보상하기위해서공기주머니 (air bag) 을이용한다. 공칭체적은 65.5 m 3 이다 주행상태의누출량분석주행상태의 R-134a 분석은밀폐실내부에서자동차를주행할수있도록설계된차대동력계를이용하여차속별, 송풍량조건별로 1시간정속주행하여 R-134a 농도변화를측정하였다. 자동차의배기관에서배출되는가스는밀폐실외부로방출되도록설계되어있으며, 밀폐실의공칭체적은 m 3 이다. Table 1. Specification of test vehicles 차량 년식 배기량 (CC) 주행거리 (km) R-134a 주입량 (g) V ,599 10, S ,188 90, S ,188 98, 이중증발기 SN , , SN ,998 14, 비고

156 김지영 서충열 이상은 김정수 분광광도측정법은빛에너지가음향에너지로전환되는데기초하고있으며, 음향측정장치가신호를감지한다. 측정대상가스는파장별선별투과장치를통과하여조사되며, 분자에의해흡수된복사선은가스분자의열에너지로전환되어가스의온도및압력이상승하게되며, 상승된압력은그림 3과같이측정장치에서검출되는음파를유발하게된다. Fig. 2.

2.2 R-134a 분석방법 2.2.1 Infrared Photo-Acoustic Spectroscopy (IR PAS/Innova-1314) 2.2.2 Gas Chromatography GC를이용한분석방법은대부분의화학물질과공정시험에널리사용되는방법으로대기중가스상물질측정에사용되는방법이다.

4 156 김지영 서충열 이상은 김정수 분광광도측정법은빛에너지가음향에너지로전환되는데기초하고있으며, 음향측정장치가신호를감지한다. 측정대상가스는파장별선별투과장치를통과하여조사되며, 분자에의해흡수된복사선은가스분자의열에너지로전환되어가스의온도및압력이상승하게되며, 상승된압력은그림 3과같이측정장치에서검출되는음파를유발하게된다. Fig. 2. Running loss test shed. 주행속도에따른 R-134a 누출량변화를분석하기위하여에어컨송풍량을 100% 로설정한상태에서차속을 0, 20, 60, 100 km/hr의조건으로변화시켜누출량을측정하였다. 또한, 동일한차속에서에어컨송풍량변화에따른누출량변화를분석하기위하여 60 km/hr의속도로주행하면서송풍량을 50%. 100% 로변화시켜누출량을측정하였다. 2.2 R-134a 분석방법 Infrared Photo-Acoustic Spectroscopy (IR PAS/Innova-1314) Gas Chromatography GC를이용한분석방법은대부분의화학물질과공정시험에널리사용되는방법으로대기중가스상물질측정에사용되는방법이다. 본연구에서는 GC-FID를이용하여 R-134a 농도를측정하였으며, 분석조건은표 2와같다 R-134a 누출량산정방법기술표준 KSR1168의자동차공기조화시스템의냉매누설량시험방법에근거하여 shed 내부의 R-134a 농도변화를측정하여식 (1) 에따라단위시간당누출량을산정하고, 식 (2) 에따라연간누출량을산정하였다 (KSR1168:2009). Fig. 3. PAS Innova-1314 measurement principle(yingzhong YU, 2008).

5 실차를이용한자동차에어컨냉매누출량평가 157 Table 2. Analysis condition for GC-PDHID GC Agilernt 6890N GC On-line TD Markes Air Server Detector FID Column Agilent DB-1 (60m 0.32mm 3μm) Column temp. 40 (5 min) 224 (40 min) Detector temp. 250 Carrier gas N 2 ( %) Sample flow 10 ml/min 3.1 Preconditioning 결과냉매시스템에대한누출량평가를위해서는시스템구성및냉매주입후시스템내부의냉매흐름상태가 steady state를유지하는지를평가하기위하여 pre-conditioning 시험과정을거치고있으며 (Yingzhong YU, 2008), 이에본연구에서도냉매를주입한후 steady state 상태에도달하는시점을확인하기위하여 preconditioning 시험을진행하였다. 서로다른두차종에대하여냉매를회수한후에제작사에서제시하는냉매주입량에따라냉매 (1) m R-134a : Leak flow rate of R-134a (g/h) n R-134a : Number of moles of R-134a (mol) V shed : SHED-chamber net volume (m 3 ) V MAC : Gross volume of the vehicle (m 3 ) T shed : Temperature in the SHED (K) P shed : Pressure in the SHED (kpa) C R-134a,i : R-134a initial concentration (ppm) C R-134a,e : R-134a final concentration (ppm) t : Test time t e : final time t i : initial time M R-134a : Molar mass of R-134a (=102 g/mol) R : Gas constant (= kj/mol K) (2) m R-134a,yr : MAC leakage (g/yr) CF : Correlation factor (=0.277) m R-134a : Leak flow rate of R-134a (g/h) 3. 연구결과 Fig. 4. Concentration measurements during preconditioning.

158 김지영 서충열 이상은 김정수 를주입하고냉매누출량을측정하였으며, 그결과두차종에서각각시험시작후 7시간 23분및 9시간 36분후부터냉매농도변화가직선성을나타내었으며, 이에따라최대 10시간후부터는 steady state 상태에도달함을알수있었다. 3.2 주차상태누출량분석결과대상차종에대한주차상태에서 R-134a 누출량을분석한결과, 에어컨시스템을이용하여분석한값 ( 유럽인증자료 ) 과유사하게나타났으나, PAS를이용한분석에비하여 GC-FID를이용하여분석한결과값이낮게나타났다.

차량주행거리별누출량비교결과, 주행거리가많은차량에서냉매누출이적게나타났으며, 이는차량주행거리보다는에어컨시스템의상태가냉매누출을결정하는중요한요소이기때문 Fig. 6. Schematic diagram of single and dual evaporator systems(wonyoung Choi, 2007). 인것으로사료된다. 3.

6 158 김지영 서충열 이상은 김정수 를주입하고냉매누출량을측정하였으며, 그결과두차종에서각각시험시작후 7시간 23분및 9시간 36분후부터냉매농도변화가직선성을나타내었으며, 이에따라최대 10시간후부터는 steady state 상태에도달함을알수있었다. 3.2 주차상태누출량분석결과대상차종에대한주차상태에서 R-134a 누출량을분석한결과, 에어컨시스템을이용하여분석한값 ( 유럽인증자료 ) 과유사하게나타났으나, PAS를이용한분석에비하여 GC-FID를이용하여분석한결과값이낮게나타났다. 동일차종에서단일증발기로구성된에어컨이적용된차량에비하여이중증발기가적용된에어컨이장착된차량에서누출량이높게나타났다. 이는에어컨시스템을이용한연구에서도동일한결과를보였으며 ( 최원영외, 2007), Fig. 6과같이이중증발기적용에따라에어컨시스템구성시연결부위 ( 호스, 접합부등 ) 가추가되면서해당부위에서의누출이증가된것으로보인다. 차량주행거리별누출량비교결과, 주행거리가많은차량에서냉매누출이적게나타났으며, 이는차량주행거리보다는에어컨시스템의상태가냉매누출을결정하는중요한요소이기때문 Fig. 6. Schematic diagram of single and dual evaporator systems(wonyoung Choi, 2007). 인것으로사료된다. 3.3 주행상태누출량분석결과 차속별 R-134a 농도변화를분석한결과, 60 km /hr 이하에서는차속별냉매농도변화추이가유 사하였으나, 고속주행시 (100 km/hr) 에냉매농도 가빠르게증가하였으며, 차속별시간당누출량 을산정하여비교한결과, 60 km/hr 이하의저속 에서는차속별경향성이뚜렷하지않았으나, 100 km/hr 의고속에서 g/hr 수준으로시간 당누출량이가장높게나타났다. 송풍량증가에 따른냉매누출량변화분석결과, 동일한속도 (60 km/hr) 에서송풍량 50% 와 100% 조건에서 냉매변화추이는차이를보이지않았으며송풍 량증가에따른누출량변화는나타나지않았다. Fig. 5. Refrigerant(R-134a) leakage rates from vehicles. Fig. 7. Comparison of R-134a concentrations by vehicle speed.

실차를이용한자동차에어컨냉매누출량평가 159 Fig. 8. Refrigerant(R-134a) leakage rates by vehicle speed. 6.46 13.28 g/yr 수준으로나타났으며, 단일증발기로구성된에어컨이적용된차량에비하여이중증발기가적용된에어컨이장착된차량에서누출량이높게나타났다.

7 실차를이용한자동차에어컨냉매누출량평가 159 Fig. 8. Refrigerant(R-134a) leakage rates by vehicle speed g/yr 수준으로나타났으며, 단일증발기로구성된에어컨이적용된차량에비하여이중증발기가적용된에어컨이장착된차량에서누출량이높게나타났다. 이는이중증발기적용에따라에어컨시스템구성시연결부위 ( 호스, 접합부등 ) 가추가되면서해당부위에서의누출이증가된것으로보인다. 또한, 차속별 R-134a 농도변화를분석한결과, 고속주행시 (100 km/hr) 냉매누출이증가하여시간당냉매누출량이 g/hr 수준으로나타났으며, 송풍량증가에따른누출량변화는나타나지않았다. 참고문헌 Fig. 9. Comparison of R-134a concentrations by volume of the wind. 4. 결론및토의 본연구에서는기존의에어컨시스템만을이용 하여측정되어온자동차에어컨의 R-134a 누출량 을가변온도밀폐실을이용하여실차상태누출량 을측정함으로써향후실차실험의적용가능성을 평가하고, 차량의운전조건등에따른누출량변 화를분석하였다. 실차를이용한주차상태의 R-134a 누출량분 석결과, 기존의에어컨시스템을이용한누출량 분석결과와유사한수준으로분석되었으며, 이에 따라에어컨시스템을이용한분석방법을가변온 도밀폐실을이용한실차의냉매누출량평가에도 적용가능할것으로판단된다. 주차상태에서 R-134a 누출량은연간누출량이 기술표준 KSR1168 ( 자동차공기조화시스템의냉매누설량시험방법 ). 최원영외, 2007, 자동차에어컨시스템의연간냉매누설량평가, 대한설비공학회 2007 하계학술발표대회논문집, pp 김만회, 2005, CFC 대체냉매의현황과기술동향, Prospectives of Industrial Chemistry, 8(2), 김종수외, 2005, R-134a와 R-152a 냉매를이용한자동차용에어컨시스템의성능에관한실험적연구, 대한설비공학회 개지회학술발표대회논문집, pp Yingzhong, YU, 2008, Generic approach of refrigerant HFC-134a emission modes from mobile air conditioning(mac) systems. COMISSION REGULATION (EC)NO706 / 2007 Clodic, Denis, and Lionel Palandre, Measurement of leak flow rates of mobile air-conditioning systems, 2005, SAE Siegl, W. O. et al., R-134a Emissions from vehicles, Environ. Sci. Technol., 2002, 36, pp Calm, J. M. et al., Trade-offs in refrigerant selections: past, present, and future, 1998, Int J. Refrig., 21(4), pp

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words