집중기획
김 한 경 한국델파이 연구소 상무 이사 [email protected]
정 종 대 한국델파이 연구소 공조기제품개발팀
수석연구원 [email protected]
서 론
차량용 공조 및 냉각 장치의 주요 구성 부품은 그림 1과 같이 크게 4 가지 주요 부품과 각종 기능부품으로 구성된다. 즉 차량 내부 공기의 쾌 적성과 관련된 HVAC(냉방장치와 히팅장치), 냉매를 압축하는 압축기, 증발기에서 받은 열을 외부에 방열시키는 응축기, 엔진 냉각을 위한 라 디에이터와 냉각팬이 일체로 조립되어있는 CRFM(Condenser, Radiator
& Fan Module) 그리고 공조시스템을 제어하는 Control Head가 주요 구성품이다.
본지에서는 각 제품 개발에 관련한 이론적 및 상세한 기술적 설명보 다는 각 제품의 주요 개발 절차와 각 절차에서의 시스템 엔지니어링 내 용에 대하여 대략 소개하며, 전반적인 개발 과정의 주요 엔지니어링 이해 에 초점을 맞추었다.
차량용 공조 및 냉각 시스템 개발 과정
차량용 공조 및 냉각시스템의 개발과정은 타 제조품과 유사한 단계 로서 그림 2와 같이 크게 4개의 단계로 구성된다. 즉, 수주단계, 제품개발 단계, 디자인검증단계, 양산품검증단계이다. 그림 2의 표 중에 마름모는 승인과 관련된 활동이며, 원은 설계검토를 의미한다. 이 중에 각 원의 의
자동차용 공조 및 냉각시스템 개발 소개
자동차용 공조시스템과 엔진 냉각시스템의 개발 과정 을 소개하고자 한다.
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미는 다음과 같다. RR은 Requirement Review(고 객 요구조건 검토), PDR은 Preliminary Design Review(예비 설계제원 검토), IDR은 Interim Design Review(중간 설계제원 검토), CDR은 Critical Design Review(최종 설계제원 검토), PRR 은 Production Readiness Review(양산 준비 완료 검토)의 단계를 거치면서 제원개발이 이루어진다.
각 단계에 대한 주요 활동을 대략 열거하면 다 음과 같으며, 주요 엔지니어링 활동에 대한 자세한 내용도 연결하여 설명하고자 한다.
수주 단계
대략 8가지 활동에 대하여 소개하고자 한다.
즉, 시스템이 장착되는 공간검토, 개발운전조건 및 설계조건 검토, 경쟁사 제품분석, 앞의 3가지 활동 에 따른 최초 제안설계, 컴퓨터 계산을 이용한 가 상설계검증, 초안 제품 제작 및 시험, 고객에게 제 안할 제원 결정 및 소개이다.
설계 개발 단계
수주가 완료되면 초기 제안한 Concept Design에 성능, 무게, 원 가 그리고 NVH(Noise, Vibration
& Harshness) 등의 엔지니어링 목 표가 고려된 최적화 설계가 진행된 다. 기능적인 성능 검증을 위하여 간 이 샘플을 제작하여 시험 검증하게 되며, 내구성을 제외한 설계 검증으 로는 보통 CAE(Computer Aided Engineering)를 포함한 가상설계프로그램과 그동 안의 경험을 데이터베이스화한 BP(Best Practice) 와 설계지침를 모두 동원하여 이루어진다. 이렇게 최적화된 설계는 도면화되어 설계 개발 단계가 완 성된다.
설계 검증 단계
프로토 샘플을 제작하여 설계 검증하는 단계 이다. 즉, 도면에 따라 간이금형(Proto 금형 또는 수명이 짧은 Soft Tooling)을 만들고, 금형을 통해 만들어진 단품을 이용하여 샘플을 제작하여 검증 하는 단계이다.
기능적인 성능검증뿐만 아니라 대부분 내구성 검증이 이 단계에서 이루어지며, 시험실(Lab)에서 진행되는 내구 시험과 실 차량 상태의 내구 시험이 포함된다.
내구시험 요구조건은 자동차 회사의 조건과 차 량이 사용되는 지역에 영향을 받으며, 최근 자동
[그림 1] 차량용 공조 및 냉각 시스템의 주요 구성품
[그림 2] 차량용 공조 및 냉각시스템 개발 과정
차 회사의 글로벌화에 따라 전 세계에서 사용할 수 있는 글로벌 시험 조건(Global Specification &
Requirement)으로 통합되며, 이에 따라 내구시험 조건이 강화되는 추세이다. 내구 시험 중에 문제가 될 경우, 설계 개선 활동이 이루어지며, 재시험을 통해 최종 확인된다. 결국 본 단계를 통해 최종 양 산품의 설계가 준비된다.
양산 검증 단계
양산도면에 근거하여 양산 금형과 제조 공정이 완료되는 단계이다. 즉 양산 금형과 양산 공정에서 제작된 양산 제품의 내구시험과 성능시험을 통해 양산품 및 공정이 검증되고, 금형이 최적화되어 양 산 준비가 완료되는 단계이다.
수주 단계의 주요 엔지니어링 활동
고객의 설계조건 및 경계조건에 따른 Concept Design 및 기술제안제원 결정을 위하여 차량 CAD 데이터 분석과 시뮬레이션 작업이 이 단계의 주요 한 엔지니어링 활동이다. 그림 3은 차량 형상 조건 에 따라 타제품과 간섭되지 않도록 공간과 위치를 결정한 예이다. 대부분 공간이 매우 제한적이어서 HVAC과 CRFM 형상이 소형화되는 추세이다. 또한
모든 차종에 동일한 HVAC이 없을 정도로 공간에 대한 영향성이 매우 크다.
HVAC과 CRFM의 장착 위치와 각각의 가능 한 공간이 결정되면, 그림 4의 예제와 같은 CAE 와 그림 5~그림 7에서 간단히 설명한 당사 내부 시 뮬레이션 프로그램의 해석 도구를 이용하여 성능 및 NVH 등의 설계 인자를 최적화하여 Concept Design을 결정한다.
설계 개발 단계의 주요 엔지니어링
수주단계에서 본격적인 개발단계로 진행되면 간이 샘플을 제작하여 실 차량 검증 작업이 진행된 다. 즉 공간검토 및 시스템 성능을 실차에서 확인 하고 각종 제원을 결정하게 된다. 이때 샘플은 금형 이 없는 단계로서 열교환기의 경우, 수공샘플로 제 작하며 그림 8은 라디에이터 헤더탱크를 알루미늄 을 절곡하여 용접하여 제작한 예이다. 플라스틱 제 품의 경우 그림 9와 같이 Mockup으로 제작하여 샘플을 준비한다. 예를 들어 HVAC의 경우 주변 온도 조건이 비교적 높지 않기 때문에 3D 프린터 로 제작이 가능하나 엔진룸에 장착되는 냉각팬과 슈라우드의 경우 고온에서 견딜 수 있는 재료(보통 Poly Carbonate)를 선정하여 기계 가공으로 제작
[그림 3] 차량 형상 조건에 따른 적정 HVAC, CRFM 장착위치
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[그림 4] a)CFD 이용한 최적화 설계의 예 (Duct저항이 포함된 HVAC 특성)
[그림 4] b)Noise Source 예측, 및 HVAC Bracket 최적화 설계의 예
[그림 5] 공조 시스템 시뮬레이션의 예 (AC System의 Cool down 예측)
[그림 6] 엔진 냉각 시스템 시뮬레이션의 예 (CRFM의 유속 및 방열량 예측)
하곤 한다.
각각 준비된 샘플들을 시스템으로 구성하여 차량에 장착하고 실차조건을 시뮬레이션할 수 있 는 풍동(그림 10) 시험을 통해 차량용 공조 시스템 의 냉방 및 난방 성능 그리고 엔진 냉각 시스템의 성능 등을 검증하고 또한 실차 소음 평가(그림 11) 를 통해 NVH의 특성도 검증된다.
시스템의 성능 검증과 함께 각 단품의 상세 설 계가 준비되는 단계이다. 즉 성능뿐만 아니라 금 형을 포함한 전반적인 제품 제작성이 고려되어 완 성된다. 제품의 상세 설계의 검증과 또는 단품의 디자인 최적화를 위하여 다양한 CAE 및 설계 도 구가 이 단계에 가장 많이 사용된다. 예를 들어 HVAC 케이스, 덕트, 엔진쿨링 팬, 슈라우드, 라디 에이터 탱크 및 컨트롤 헤드 등 플라스틱 제품의 경우, 상세 설계를 위하여 그림 12과 같은 Mold
Flow 해석 및 그림 13과 같은 NVH에 대한 강성 해석 등은 필수적인 도구로 사용된다.
설계 검증 단계의 주요 엔지니어링
프로토 금형을 통해 제작된 샘플을 프로토 샘 플이라하며 본 샘플을 이용하여 설계 검증을 진행 한다. 이때에 성능뿐만 아니라 제품이 사용되는 부 하조건과 환경을 고려하여 다양한 내구항목이 결 정된다. 내구 항목을 결정하는 환경 요소는 제품 에 따라 매우 다양하지만 자동차에서 고려하는 주요한 항목을 예로 들면 전기적 부하 (Electrical Loads), 기계적 부하, 온도조건, 환경조건, 화학부 하와 국제보호기준 등이 있다.
제품의 사용조건과 부하조건뿐만 아니라 자동 차 회사에 따른 요구조건에 따라 내구 시험 항목
[그림 7] 차량 내부 쾌적성 해석 및 예측의 예
[그림 8] 라디에이터 간이 샘플 (Mule Sample) [그림 9] HVAC Mockup Sample
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과 조건은 매우 다양하며, 평가 방법 및 결과 분석 기준 등을 포함한 내구 시험 자체만으로도 매우 방 대한 기술이 포함되어있다.
각 제품 사용 수명(예를 들어 10년) 동안 신뢰 성에 대하여 검증하기 위하여 가속 내구 시험을 통 해 사용 수명 동안의 내구성과 신뢰성을 확인한다.
차량 공조 및 냉각 장치의 경우 대부분 3~4개월 정도에 시험이 마무리되지만, 내 부식 시험과 연속 내구 시험 같은 특별히 긴 시간이 소요되는 시험은 짧게는 6개월에서 1년에 이르는 시험들도 있다. 사 용자의 요구조건과 차량의 사용 지역이 확대되므 로 내구 시험 조건도 강화되거나 추가되고 있으며, 특히 진동, 소음, 냄새와 같은 감성적인 평가 시험 등이 증가하고 있는 경향이다.
양산 검증 단계의 주요 엔지니어링
이전 단계에서 차량 및 단품 설계가 검증되면 양산 금형과 양산 제조 라인이 준비된다. 양산과
동일하게 제작된 제품의 내구검증이 포함되며, 혹 서지 및 혹한지에서의 실 차량 현장 시험을 통해 성능 및 제원이 최종 확인된다. 지금까지 엔지니어 링해온 모든 결과가 이 현장 시험을 통해 확인되고 검증된다고 할 수 있다.
결 론
차량용 공조 및 엔진 냉각 시스템은 수주단계, 설계개발단계, 설계검증단계, 양산검증단계의 과정 으로 개발된다. 위의 주요 단계를 중심으로 차량용 공조 및 냉각 시스템 엔지니어링을 개발 과정 중심 으로 간략히 소개하였다.
즉, 수주 단계의 독특한 공간검토와 CAE 및 시 뮬레이션 프로그램 활용을 통한 설계 제안, 설계 개발단계의 엔지니어링 샘플 제작 및 성능 개발, 설 계검증단계의 다양한 내구시험을 통한 검증 그리 고 양산 검증 단계를 통한 양산품 완료이다. 본지 에서 언급하지 못한 주요한 엔지니어링이 여전히
[그림 10] Climate Wind Tunnel
[그림 12] Mold Flow 해석의 예 [그림 13] Shroud 강성해석의 예 [그림 11] Vehicle NVH Room
많이 있으나 제한된 지면 관계로 최대한 간략화하 여 주요한 사항만 설명하였다. 최근 개발되는 전기 자동차 및 IT 기술과 연계된 제어, 이산화탄소규제, 지구온난화에 영향이 없는 신냉매, 연비의 혁신적 인 개선 등의 변화에 차량용 공조 및 냉각 시스템
도 계속해서 변화 개발되고 있다. 타 분야의 공조 및 냉각 시스템도 유사한 변화의 경향이 있을 것으 로 생각되며, 동일한 이론적 배경의 타 분야 기술 을 관찰함으로써 변화되는 기술개발에 참고가 되 기를 기대해 본다.
[그림 14] 다축진동시험기(진동내구시험) [그림 15] 복합 부식 시험기
