농업생명과학연구 Journal of Agriculture & Life Science Vol. 42, No. 3, pp. 29-34(2008) 자동차에어컨의냉매충전량이냉매순환라인의온도와압력에미치는영향 문성동 1 민영봉 2* 문성원 2 강동현 2 정태상 1 강원대학교공학대학산업경영공학과, 2 경상대학교생물산업기계공학과( 농업생명과학연구원), 3 진주산업대학교기계공학과 3 접수일(2008년 1월 22 일), 수정일(2008년 7월 18 일), 게재확정일(2008년 9월 11 일) Effect of Refrigerant Charging Variation on Temperatures and Pressures of Refrigerant Circulation Line for a Car Air Conditioner Seong-Dong Moon 1 ㆍYoung-Bong Min 2* Seong-Won Moon 2 2 ㆍDong-Hyun Kang ㆍTae-Sang Chung 3 1 Department of Industrial & Management Eng., Kangwon Nat'l Univ., Samcheok 245-711, Korea. 2 Department of Bio-Industrial machinery Eng., Gyeongsang National Univ.(Inst. of Agri. & Life Sci.), Jinju 660-701, Korea. 3 Department of Mechanical Eng., Jinju National Univ., Jinju 660-758, Korea. Received : January 22, 2008, Revised : July 18, 2008, Accepted : September 11, 2008 초록 본연구는에어컨의적정냉매충전량진단을위한자료를제공하기위하여수행하였다. 공기온도 33 35, 습도 55 57%RH로조절되는실내에서 SONATA III(Hyundai motor Co., Korea) 자동차의에어컨시스템을대상으로냉매충전및성능시험장치를구성하고냉매충전량변화에따른냉매라인의측정량으로각지점온도와고압및저압을측정하고분석하였다. 냉매라인의측정온도는압축기, 응축기, 리시버드라이어및증발기의입구와출구파이프표면온도와응축기와증발기벤트입구와출구의송풍공기온도이다. 이들각온도와압력은정도의차이는있으나모두냉매충전량 (Wr) 에따른영향을받으며, 이들을측정하여냉매충전정도를진단할수있는것으로나타났다. 엔진회전속도 2,000 rpm과 1,500 rpm에따른각측정량의변화양상은차이가나타나지않아에너지사용량이낮은 1500 rpm 이시험회전수로적당할것으로판단된다. 냉매충전량에가장큰영향을입는측정량은증발기벤트입출구온도차(Td) 이며, 그다음이냉매라인고압측의압력 (P1) 으로나타났다. 1,500 rpm에서 Wr이 350 g까지증가함에따라 Td는급격히증가하다가 350g에서 700g까지는 12. 8 에서 16.7 로완만하게증가하였고, 700g을초과하면서완만하게감소하였다.P1은Wr이 400g까지증가함에따라급격히증가하다가 400 g에서 700 g까지는 14.3 kgf/cm 2 에서 16.0 kgf/cm 2 으로완만하게증가하였고 700 g 을초과하면급격하게상승하였다. 에어컨사용설명서에제시된냉매충전량이 720 g인것을고려하면 1,500 rpm에서적정냉매충전량진단은 5% 오차범위에서증발기벤트입출구공기온도차가 15, 고압측압력 15 kgf/cm 2 일때로추정된다. 에어컨상태가정상인진단은 Td가 12 이상과 P1이 14 kgf/cm 2 에서 16 kgf/cm 2 사이일때로판단된다. 검색어 - 에어컨, 냉매충전, 에어컨진단 ABSTRACT This study was performed to present the diagnosis basis of optimum or shortage of refrigerant condition of air-conditioner by detecting the temperatures and pressures of refrigerant line. The car air-conditioner of SONATA III(Hyundai motor Co., Korea) was tested in room with controlled air condition at 33 35 and 55 57%RH. Measured variables were surface temperatures of entrance and outlet pipeline of compressor, condenser, receiver dryer, and evaporator, and entrance and outlet air temperatures of cooling vent of evaporator and condenser, and high and low pressure in the refrigerant pipeline. The control variable was refrigerant charging weight. It was represented that the refrigerant charging weight(wr) effected little different on each of the temperatures and pressures with same appearance at both engine speeds of 1,500 rpm and 2,000 rpm. It seemed to be able to be done diagnosis of the refrigerant charging condition by measuring each of the temperatures and pressures at the 1,500 rpm appointed to the test speed due to consume lower energy. The temperature difference(td) between entrance and outlet air of cooling vent of evaporator was most influenced by Wr and next influenced one was the high pressure(p1) in the refrigerant line. The optimum Wr referred to the guide book was 720 g, therefor it was considered that the optimum conditions of the air conditioner is when Td and P1 are 15 and 15 kgf/cm 2 under 5% error. The normal condition of Td referred to textbook was over 12, therefore P1 at normal condition of the air conditioner is between 14 kgf/cm 2 and 16 kgf/cm 2. Key words : Air conditioner system, Refrigerant charge, Diagnosis of air conditioner * 교신저자(Corresponding Author) : 민영봉(Young-Bong Min) Tel. : +82-55-751-5460 Fax. : +82-55-762-0610 E-mail : mybong@gnu.ac.kr
30 J. of Agriculture & Life Science 42(3), September 2008 Ⅰ. 서언 자동차산업이발전하고국민생활수준이향상되면서자동차의성능향상이더욱더강조되고있다. 현대의소비자는안전성및성능이우수하고쾌적한운전환경을갖춘자동차를선호하는추세이다. 쾌적한운전환경은에어컨시스템의성능에제일큰영향을받으며, 수요자의만족도와직결되기때문에에어컨의우수한성능과품질을확보하는것이무엇보다도중요하다(Suh et al., 2003). 자동차에어컨의구성은다른일반에어컨시스템과같지만운전및외부조건등의제약과복잡성으로최적설계에많은어려움이있다(Lee et al., 1995). 에어컨바람이시원하지아니할경우, 그원인은크게기계적인고장과냉매의이상을들수있다. 그중기계적인고장의경우압축기불량, 응축기불량, 리시브드라이어불량및증발기불량이있으며, 냉매이상의경우냉매내에수분함유, 공기혼입그리고냉매충전량이부족한경우가있다. 그중가장먼저고려되어지는요인은에어컨내에들어있는냉매충전량이다. 냉매충전량이부족하면, 냉매순환량이적어져서팽창밸브를통한증발능력이저하된다. 그러나냉매충전량이많아질수록계속적으로팽창밸브를통한증발능력이향상되는것은아니다(Lee et al., 1998). 외기온도가 27 인경우, 냉매충전량이적정냉매량보다 10% 부족하면냉방능력은 13% 감소되고, 10% 과다하면냉방능력은 3% 감소된다(Mohsen et al., 1991). 자동차용에어컨부품이정상작동시냉매충전량이부족하면냉매순환라인의온도와압력에영향을미친다. 냉매충전량을증가또는감소시켜서이들온도와압력을조사및분석하면적정냉매충전량을구명할수있다. 본연구는승용차량을대상으로엔진회전수 1500 rpm 과 2000 rpm 상태에서냉매충전량변화에따른냉매라인의온도와압력변화를측정분석하고, 냉매충전량의적정및부족을진단할수있는자료를제시하기위하여수행하였다. 2.2. 시험장치냉매충전량변화에따른냉매라인의온도와압력변화를알아보기위한측정시험은실험실 (9.3 11 3, L W H, m) 종방향의중앙, 횡(W) 방향우측 1/3지점에차량을위치시키고시험을실시하였다. 그림 1은에어컨냉매라인의각부분온도와압력그리고대기의상대습도를측정하기위한장치이다. 각부분의온도측정은열전대(T type, -130 400 ), 냉매라인의고압과저압측정은압력센서 (-760 mmhg ~70 kgf/cm 2, PSM B 0070KAAA, Sensor system technology Co., Ltd., Korea) 를이용하였다. 또한실험실내에함유되어있는상대습도는실험실내중앙에설치된습도센서 (0~90%RH, YHD-R-V, Autonics Corp., Korea) 를이용하여측정하였다. 각각의센서의출력단은데이터측정장치 (System10 K7, Daytronic Corp., USA) 의열전대 (10A9-8C, Thermocouple conditioner card) 카드와전압(10A60-4, quad voltage conditioner card) 카드에연결하여각각의데이터를측정하였다. 데이터측정장치로부터측정한데이터들은 RS-232 통신을통하여컴퓨터(Pentium4 2.4GHz, Windows XP) 로전송하여하드디스크에저장되도록하였다. 컴퓨터에의한데이터수집은 Quick Basic 언어를이용하여작성한프로그램으로수행하였다. 자동차에어컨에주입되는냉매의충전은냉매충전장치 (MS-482, MS motor system Co. Ltd., Korea) 를이용하여충전하였다. Ⅱ. 재료및방법 2.1. 시험차량본연구에사용된대상차량은 SONATA III(Hyundai motor Co., Korea) 이며, 이차량에장착되어있는에어컨을이용하여시험을실시하였다. 차량용에어컨냉매는일반적으로차량에사용되는 R12와 HFC-134a 중현재차량용으로주로사용되고있는신냉매인 HFC-134a를사용하였다. 그림 2는에어컨시스템냉매라인의온도와압력의측정지점을나타낸것이다. 냉매라인의각온도측정지점은압축기, 응축기, 리시버드라이어및증발기의입구와출구로부터 1cm 떨어진지점의냉매라인파이프표면과응축기와증발기벤트의송풍기입구와출구지점으로하였다. 냉매라인파이프표면에부착한온도센서는엔진으로부터
Moon, Min, Moon, Kang, Chung 31 : Effect of Refrigerant Charging Variation on Temperatures and Pressures of Refrigerant Circulation Line for a Car Air Conditioner 의방열되는열과외부열을차단하기위해단열처리하였다. 냉매라인의고압과저압의압력측정은압축기전후의서비스밸브에압력센서를장착하여측정하였다. 표 1은그림 2 의온도와압력의측정지점별기호를정의한것이다. 습장치를이용하여 55 57%RH 로조절하였다. 에어컨 냉매의충전은엔진을정지시킨상태에서 50 1000 g 구간에서 50 g 간격으로충전하여시험하였다. 냉매의 충전은냉매충전장치를이용하여충전-시험-회수-진공 작업을반복하여시험을실시하였다. 차량용에어컨은일 반에어컨과달리압축기의회전속도가엔진회전속도에 비례하므로엔진회전수에따른냉매라인온도변화를측 정하기위해회전수를 1,500 rpm 과 2,000 rpm의 2단 계로구분하여시험하였다. 에어컨의작동조건은증발기 벤트의풍량스위치를최대로하고, 온도조절스위치는최 대냉방으로하고, 외기유입상태에서차량의문을완전개 방하였다. 이때데이터측정시간은시험구별증발기벤트 입출구온도가안정된후 10 분간으로하였고, 임의 3번 씩반복시험을실시하였다. Ⅲ. 결과및고찰 Symbols Devices Physical properties specification T1 Entrance pipe temperature Compressor T2 Outlet pipe temperature T3 Entrance pipe temperature Condenser T4 Outlet pipe temperature T5 Entrance pipe temperature Receiver drier T6 Outlet pipe temperature T7 Entrance pipe temperature Evaporator T8 Outlet pipe temperature T9 Entrance vent air temperature Evaporator T10 Outlet vent air temperature T11 Entrance cooling air temperature Condenser T12 Outlet cooling air temperature P1 High pressure in refrigerant line Pressure P2 Low pressure in refrigerant line H1 Relative Humidity in ambient air 2.3. 시험방법 2007년 6월부터 9월까지에어컨가동시기의우리나라대기온도와상대습도를조사한결과, 1일최대온도 33 35 에서상대습도 52 58%RH로냉방부하가가장높은군으로나타났다. 따라서실험실내실내온도는난방기(GHC-125KF, LG electronics. Inc., Korea) 를이용하여 33 35 범위로조절하고, 습도는이류체노즐식가 그림 3과 4는엔진회전수 1,500rpm과 2,000rpm 에서의냉매파이프라인의측정지점별파이프온도를나타낸것이다. 전반적으로냉매라인에서의파이프온도는압축기출구온도(T2) 가가장높고응축기에서냉매가냉각되어응축기출구온도(T4) 에서낮아져리시버드라이어를지나증발기입구까지 3~5 정도약간낮아지는것으로나타났다. 각지점에서의온도는냉매충전량에따라변화가나타나며특히압축기입출구와증발기입출구의온도가분명한차이를보였다. 냉매충전량 400~700 g사이는전지점에서거의동일한온도로나타났고, 증발기입출구온도차가크게나는것으로보아에어컨이정상으로가동되는냉매충전량으로판단된다. 정도의차이는있지만각지점의파이프표면온도를측정하여냉매의정상충전을판단할수있을것으로보이며, 특히증발기입출구파이프온도차(T7-T8) 는적정충전량판단에유용한큰것으로판단된다. 엔진회전수 1,500rmp에서증발기입출구파이프온도차는냉매충전량 100g일때 0.7, 300g일때 16.9, 500 g일때 41.2, 700g일때 42.1, 900g 일때 29.5 로나타났다. 엔진회전수 2000rpm에서증발기입출구파이프온도차는냉매충전량 100g일때 1. 0, 300g일때 24.3, 500g일때 39.1, 700g일때 40.8, 900g 일때 32.1 로나타났다. 엔진회전수 1500rpm과 2000rpm 모두에서냉매충전량 700g일때증발기입출구파이프온도차가가장높게나타났다. 이상의결과를종합해보면이차량의적정냉매충전량은 700g 이며, 에어컨정상작동시의냉매충전량은 400~700g 사이로판단되며, 증발기입출구파이프온도차가 35 이
32 J. of Agriculture & Life Science 42(3), September 2008 상이면충전량정상으로, 40 이상이면충전량적정으로진단이가능하나대기의온습도의상태에따라진단온도는차이가있을것으로생각된다. 의경우에는 400g 에서 1.5kgf/cm 2 으로상승하여이후큰변화가없었다. 2,000rpm에서고압의경우냉매충전량이 50 400g 범위에서급격히증가하였고, 400 700g 범위에서는 18.2 kgf/cm 2 에서 20.0kgf/cm 2 으로큰차이없이완만히증가하였다. 저압의경우에는냉매충전량 400 700g에서 0.5kgf/cm 2 으로회전수에따른압력변화는크지않았으나 900g 이후에는급격하게증가하여 1,000g에서 4.8kgf/cm 2 으로되었다. 냉매충전량 900g 이후저압측압력이증가하는이유는리시브드라이어내에냉매액이가득차게되어여분의냉매가응축기에쌓이게되므로응축압력이커지는것으로사료된다 (Lee et al., 1998). 따라서이차량에서의냉매액이가득차게되는냉매충전량은 950g 이상인것으로사료된다. 이상의결과에서고압과저압의측정으로적정냉매충전량을진단하기는어렵고, 1,500rpm 과 2,000rpm 에서고압이각각 14~16kgf/cm 2, 18~20kgf/cm 2 사이이면정상가동냉매충전량으로진단할수있을것으로판단된다. 그림5는엔진정지상태에서의냉매충전량에따른저압과고압라인의압력변화를나타낸것이다. 압력측정은냉매를주입한후5 분간냉매를안정시킨후에측정하였다. 그결과고압과저압의압력은동일하게나타났으며, 엔진정지상태에서는냉매충전량 0 100g 구간에서는냉매라인압력은약 5kgf/cm 2 까지급격히증가하였지만, 냉매충전량 150g 이상에서의압력변화는완만하게증가하는것으로나타났다. 정상냉매충전량에서는 5.5~5.8kgf/ cm 2 사이로나타났다. 그림 6은엔진가동상태에서엔진회전수 1,500rpm 과 2,000rpm에서냉매충전량변화에따른고압과저압의변화를나타낸것이다. 1,500rpm에서고압의경우냉매충전량이 50 400g 범위에서는압력이급격히증가하였고, 냉매충전량이 450 700g 범위에서는 14.3kgf/cm 2 에서 16.0kgf/cm 2 으로큰차이없이완만히증가하였다. 저압
Moon, Min, Moon, Kang, Chung 33 : Effect of Refrigerant Charging Variation on Temperatures and Pressures of Refrigerant Circulation Line for a Car Air Conditioner 그림 7은엔진회전수와냉매충전량에따른증발기벤트입출구온도차(T9 - T10) 를나타낸것이다. 냉매충전량 0 g~350 g 에서는 1500rpm과 2000rpm 모두증발기벤트입출구온도차는급격히증가하였고, 400 g~700g 사이에서는 12.8 에서 16.7 로완만히증가하였고, 700g 이상에서는온도차가줄어드는것으로나타났다. 대상차량의사용설명서(MS Motor System Co. Ltd., Korea) 에따르면적정냉매충전량은 720g인데그림 7의결과와일치하는것으로판단된다. 냉매충전량에따른증발기벤트입출구온도차데이터를분석한결과, 엔진속도에따른큰차이는나타나지않아에너지사용량이낮은 1500 rpm이적당할것으로판단된다. 김(1998) 은증발기벤트입출구온도차가 12 이상이면정상, 9 이상 12 미만일때 1 급냉방불량, 6 이상 9 미만의경우에는 2 급냉방불량, 6 미만일때에는 3 급냉방불량으로정의하였다. 따라서증발기벤트입출구온도차가 12 이상시에어컨을정상상태로, 1 6 에서적정냉매충전량으로진단할수있으나, 대기의온습도에따라약간의차이가있을것으로판단되어대기온습도조건이본연구에서와다른때의시험연구가계속되어야할것으로생각된다. 온도를측정하여냉매의정상충전을판단할수있을것으로보이며, 특히증발기입출구파이프온도차는적정충전량판단에유용한큰것으로판단된다. 2. 증발기입출구파이프온도차분석결과시험에어컨의적정냉매충전량은 700g, 에어컨정상작동시의냉매충전량은 400~700g 사이로판단되며, 증발기입출구파이프온도차가 35 이상이면충전량정상으로, 40 이상이면충전량적정으로진단이가능하나대기의온습도의상태에따라진단온도는차이가있을것으로생각된다. 3. 엔진속도 2000rpm과 1500rpm에따른각온도와압력의변화양상은차이가나타나지않아에너지사용량이낮은 1500rpm이시험회전수로적당할것으로판단된다. 4. 냉매충전량에가장큰영향을입는측정량은증발기벤트입출구온도차이며, 그다음이냉매라인고압측의압력으로나타났다. 5. 1,500rpm에서냉매충전량이 350g까지증가함에따라증발기벤트입출구온도차는급격히증가하다가 350g 에서 700g까지는 12.8 에서 16.7 로완만하게증가하였고, 700g 을초과하면서완만하게감소하였다. 6. 1,500rpm에서냉매라인고압측의압력은냉매충전량 이 400g까지증가함에따라급격히증가하다가 400 g에서 700g까지는 14.3kgf/cm 2 에서 16.0kgf/cm 2 으 로완만하게증가하였고 700g을초과하면급격하게 7. 상승하였다. 에어컨사용설명서에제시된냉매충전량이 720g인것 을 고려하면 1,500rpm에서 적정냉매충전량 진단은 5% 오차범위에서증발기벤트입출구공기온도차가 1 5, 고압측압력 15kgf/cm 일때로추정된다. 8. 에어컨상태가정상인진단은증발기벤트입출구공기 온도차가 12 이상과 Ph가 14kgf/cm 에서 16kgf/ cm 2 사이일때로판단되나대기의온습도에따라약 간의차이가있을것으로생각된다. Literature cited Ⅳ. 결론자동차에어컨을대상으로냉매충전량변화에따른에어컨냉매라인의온도와압력을측정하고분석한결과를요약하면다음과같다. 1. 정도의차이는있지만냉매라인각지점의파이프표면 1. Lee, H. K, and J. D. Jung. 1995. An experimental study on the laminated evaporator of car airconditioner. Proceedings of the Korea Society of Automotive Engineers Conference 234-239. (In Korean) 2. Lee, G. H., J. D. Jung, K. H. Choi, and J. Y. Yoo. 1998. An experimental study on the performance of automobile air conditioning system with
34 J. of Agriculture & Life Science 42(3), September 2008 variations of charging conditions. Transactions of Korea Society of Automotive Engineers 6(2):203-211. (In Korean) 3. Suh, E. K., O. N. Ha. 2003. Performance Characteristics of Heat Exchanger for the Automobile Air-conditioner. Journal of Research Institute of Energy and Resources Technology 25(2):119-133. (In Korean) 4. Mohsen Farzad and Dennis L. O'Neal. 1991. System performance characteristics of an air conditioner over a range of charging conditions. Int. J. Refrig 14:321-328 5. Ha, O. N. and C. S. Park. 2003. A study on the heat transfer characteristics of condenser for the automobile air-conditioners. The journal of the research institute of mechanical technology 6(2):89-99. (In Korean) 6. 김찬원. 1998. 자동차에어컨. 중원사:199-214.