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자동차 공조분야의 융복합 기술 동향

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Academic year: 2021

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(1)

집중기획

오 광 헌

한라비스테온공조(주) 수석연구원 koh@hvccglobal.com 전 영 하

한라비스테온공조(주) 선임연구원 yjeon1@hvccglobal.com 정 순 안

한라비스테온공조(주) 수석연구원 sjeong2@hvccglobal.com

융복합 기술은 2개 이상의 상이한 기술들을 결합하여 기존 기술의 한계를 극복하고 신기술, 신제품을 개발하는 활동으로 대상 기술에는 타 분야에서 사용되고 있거나 다른 목적으로 개발된 기술들까지도 포 함된다. 기존 기술들을 재조합하여 새로운 가치와 시장을 창출할 수 있다는 매력으로 최근 학문과 산업의 결합까지 포함하여 폭넓게 연구 되고 있으며, 대상 기술들이 계속 발굴되고 있다. 이는 자동차 공조 분 야 기술에서도 예외는 아니다. 미래의 자동차는 에너지 부족, 환경 오 염 등 인류 생존을 위협하는 환경 문제를 해결하는 것과 동시에 소비 자의 안전, 경제성, 편리함과 안락함 등을 고려한 자동차가 대세를 이 룰 것이다. 이를 해결하기 위해서 IT, 전자, 에너지, 화학, 인체공학 등 다양한 분야의 기술들의 융복합이 이루어지고 있다.

기존의 내연 기관 자동차에서 대부분 사용되고 있는 공조 기술은 온도, 습도, 기류, 청정도를 제어하기 위해 냉방의 경우 증기 압축식 냉 동 사이클, 난방의 경우 엔진의 폐열을 이용하는 온수 히터를 이용하 는 것이다. 최근까지 시스템 구성의 큰 변화 없이 시스템 및 부품들의 효율을 향상시키는 방향으로 기술 개발이 이루어져 왔으나, 기존 기술 을 대체할 만한 신기술의 부재와 연비 개선 요구로 인한 압축기 구동 을 위한 소모 동력 및 폐열의 제한으로 획기적인 개선이 어려운 상황

자동차 공조분야의 융복합 기술 동향

자동차 실내를 쾌적한 조건으로 조성하는 공기조화

분야에서 융복합 기술이 적용된 사례와 최신 기술동

향에 대해 소개하고자 한다.

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집 중

집중기획기 획

이다. 또한, 하이브리드, 전기, 연료 전지 자동차 등 새로운 친환경 동력원을 이용하는 차량들의 등장으로 새로운 차량 환경에 대응할 수 있는 신 기술의 발굴이 시급한 상황이다.

이에 본 논고에서는 자동차 분야에서 일어나 고 있는 융복합 기술 동향을 세 가지 사례를 통해 소개하고, 사례별 기술적 배경, 특징 및 그로 인 한 효과들을 간략히 서술한다.

1) 축냉 증발기는 농수산업 및 건물 공조 분야 에서 널리 사용되고 있는 축냉 기술을 차량용 증 발기에 도입한 융복합 기술로 신호 대기 등의 사 유로 정차 시 엔진이 정지되는 ISG (Idle Stop &

Go) 모드에서 실내 쾌적성을 유지하며 엔진의 재 시동을 지연시켜 연비를 개선시키는 기술이다.

2) 하이브리드 히터는 PTC 소자를 사용하는 전기 히터와 온수 히터를 결합한 융복합 기술로 히터가 장착되는 HVAC의 크기를 축소시키고 냉 간 시동 시 난방 효율을 개선시키는 기술이다.

3) 복합식 응축기 적용 시스템은 기존의 공냉 식 응축기와 수냉식 응축기를 융복합한 기술로 공냉식 응축기를 사용하는 기존 시스템에 전장 품 냉각을 위해 저온의 냉각수가 순환하는 저온 라디에이터 내부에 수냉식 응축기를 추가로 적 용함으로써 냉방 효율을 높이고 시스템의 안정

성을 향상시키는 기술이다.

기존 자동차 공조 시스템의 개요

차량에서의 장착 위치와 시스템의 구성 방 법에 따라 다양하게 분류될 수 있으나, 대부분의 내연기관에서 사용되고 있는 일반적인 공조 시 스템의 기본 구성은 그림 1과 같다. 냉방 시스템 은 증기 압축식 냉동 사이클로 압축기, 응축기, TXV, 증발기로 주요 부품이 구성되고, 난방 시스 템은 엔진의 폐열을 사용하기 위해 엔진 냉각용 냉각수 루프에 연결된 온수 히터가 사용된다. 또 한, 냉간 시동 시 초기 난방 열원이 부족할 경우 PTC 전기 히터가 추가로 구성되어 초기 난방 성 능을 보조하기도 한다. 증발기, 온수 히터, PTC 전기 히터는 차량 실내에 위치한 HVAC 내에 장 착되어 실내로 유입되는 공기를 가열, 제습, 냉각 하며, 냉방 및 난방 시스템 구성을 위한 타 부품 들은 엔진룸에 위치한다.

타 분야에서 사용되는 공조 부품과는 달리 차 량에서 사용되는 공조 부품의 주요 특징은 소형 화, 경량화, 고효율화, 고내구성이라고 할 수 있 다. 차량 실내 및 엔진 룸이라는 제한된 공간 내 에 타 차량용 부품들과 함께 위치되어야 하므로

[그림 1] 자동차 공조 시스템의 기본 구성 부품

<HVAC> <A/C System> <Cooling Module>

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크기에 대한 제약이 크며 그에 따른 고효율 부품 사용 및 시스템 구성이 요구되며, 차량의 연비와 직결되는 중량을 최소화할 수 있는 설계 기술이 필요하다. 또한, 다양한 차량 운행 조건에서도 강 건하게 작동될 수 있도록 고내구성을 보증할 수 있는 구조와 소재가 사용되어야 한다. 따라서 차 량용 공조 시스템에서는 추가적인 부품 구성을 통한 개선이나 신기술의 적용이 용이하지 않을 경우가 많다.

사례 1 - 축냉 기술과 차량용 증발기의 융 복합

일반적으로 축냉 기술은 냉기를 저장하였다 가 필요 시 공급하여 사용하는 기술로 농수산업 분야에서는 농수산물의 예냉, 수송 및 저장을 위 해, 건물 공조 분야에서는 전력 수요가 적은 심야 에 냉기를 생산 및 저장하였다가 주간에 사용함 으로써 에너지를 효율적으로 이용하기 위해 널 리 적용되고 있는 기술이다. 자동차 공조 분야 에서 축냉 기술에 관심을 갖게 되는 이유는 ISG 모드 장착 차량의 증가로 인한 것이다. ISG(Idle Stop & Go) 모드란, 신호 대기 등의 이유로 엔진 이 공회전 상태일 때 엔진을 정지함으로써 연료

소모량을 줄여 연비를 향상시키고 CO₂ 배출량 을 감소시키고자 개발된 기술이다. 하지만 벨트 구동 방식의 압축기가 적용된 차량의 경우 엔진 정지 시 압축기도 함께 정지되게 되므로 냉방을 위한 공조 장치를 작동시킬 수 없다. 또한, 배터 리 전원을 이용하는 전동식 압축기의 경우에도 냉방을 위한 전력 소비가 추가로 발생하게 되므 로 주행 거리가 감소되는 문제가 발생한다. 이에 ISG 모드 시에 엔진 재시동이나 추가적인 전력소 모 없이 냉방을 할 수 있는 기술의 개발이 요구되 고 있다.

축냉 증발기는 기존 축냉 기술의 개념을 차량 용 증발기에 도입한 기술로 축냉재를 증발기 내 부에 봉입하여 압축기 가동 시 냉기를 저장하였 다가 ISG 모드 진입 시 냉기를 사용함으로써 실 내 쾌적성을 유지하고 압축기 재가동 시간을 지 연시킬 수 있다. 차량용 공조 부품의 특성인 소형 화 및 경량화를 위해 축냉재 용기, 축냉 방법 등 이 종합적으로 검토되어 설계되어야 하며, 일반 적으로 축냉재의 부피를 줄이기 위해 상변화 물 질(PCM)이 축냉재로 이용하고 있다.

그림 2는 축냉 기술과 증발기가 결합된 축냉 증발기의 사례들로 특징은 다음과 같다. a)는 증 발기의 전후열 사이 중앙열에 축냉재를 위치시

[그림 2] 축냉 기술과 증발기 융복합의 예

a) <b> <c>

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집중기획기 획

킴으로써 효과적으로 축냉과 방냉을 할 수 있는 구조로 되어 있다. b)는 증발기의 공기가 통과하 는 일부 영역을 제거하여 축냉재를 위치함으로 써 축냉 효과를 얻을 수 있다. c)는 증발기와는 별도로 축냉재와 냉매가 열교환할 수 있는 열교 환기를 추가로 구성함으로써 동일한 축냉 효과 를 얻고 있다.(1),(2),(3),(4)

그림 3은 축냉 효과 검증 결과의 사례로 축냉 증발기가 적용된 축냉 시스템의 냉방 성능을 실 험적으로 검증한 결과이며, 실차 풍동 및 도로 주 행 실험을 통해 기존 증발기가 적용된 시스템과 비교 평가되었다. 쾌적성의 기준을 증발기로부 터 실내로 유입되는 공기 온도가 15℃ 이하라고 가정할 경우 연구 결과는 아래와 같이 정리될 수 있다. (2)

1) 시스템이 충분히 안정되었을 경우 축냉 증 발기가 적용된 축냉 시스템은 주행 중 엔진 정지 시 기존 시스템 대비 쾌적성을 57~80초간 더 확 보할 수 있다.

2) 축냉 증발기만을 적용한 비교적 간단한 구 성의 축냉 시스템으로도 시내 주행 중 89%의 신 호 대기 구간에서 압축기 재가동 없이 실내 쾌적 성 유지 가능하였다.

3) 압축기 가동 시간 축소 및 가동 횟수 감소 를 통해 연료 및 배터리 전력 소모를 최소화하여 연비 개선 및 압축기 내구성 향상이 가능하다.

축냉 효과에 따른 압축기 재가동 시간 지연에 따른 연비 개선 및 CO₂ 감축 효과는 다양하게 분 석되고 있다. 시험 조건에 따라 연비의 경우 7%

까지 개선이 가능할 수 있으며 신호 대기 구간이 잦은 도심지 주행 시에는 20%까지도 개선이 가 능하고, CO₂ 배출량의 경우 1.4 g/km 개선되며 특정 조건에서는 7 g/km까지고 개선함을 검증 한 연구결과가 발표되고 있다. (3), (4)

사례 2 - 전기 히터와 온수 히터의 융복합

일반적으로 전기 히터는 손쉽게 이용할 수 있 는 전기를 이용하는 난방 장치로 가정용 난방 기 술 분야에서 널리 이용되고 있으며, 방열 수단에 따라 그림 4와 같이 PTC, 세라믹, 적외선 히터 등 으로 나눌 수 있다. 자동차 공조 분야에서는 겨울 철 냉간 시동 시 냉각수 열원을 이용할 수 없는 초기 엔진 워밍업 상황에서 보조 난방 장치로 활 용하기 위해 전기 히터를 도입하여 이용해 오고 있으며, 화재 안정성에 민감한 자동차 분야의 특

[그림 3] 축냉 증발기의 적용 효과

(5)

성 상 온도에 따른 저항값이 변하며 상대적으로 저온 발열을 하는 PTC 히터를 도입하였다.

도입된 PTC 히터는 HVAC 내에 장착되며 공 기 흐름 방향을 기준으로 기존 온수 히터의 뒤쪽 에 독립적으로 구성하여 사용된다. 최근 난방 성 능 향상과 차 실내 공간 증대를 통한 편의성 개선

요구가 증대됨에 따라 초기 난방 성능과 HVAC 크기 개선의 필요성이 커지고 있다. 이에 현 난 방 시스템의 패키지와 성능을 향상시키기 위한 온수 히터와 PTC 히터를 일체화하는 기술이 연 구되고 있다. 그림 5와 같이 현 난방 시스템에서 는 PTC 히터가 온수 히터와 일정한 간격을 두고

[그림 4] 가정용 전기히터의 종류

[그림 5] PTC 히터가 적용된 기존 난방 시스템

[그림 6] 하이브리드 히터가 적용된 난방 시스템

<PTC 히터>

<HVAC내 PTC 히터 결합 구조>

<HVAC내 하이브리드 히터 결합구조>

<세라믹 히터>

<PTC 히터의 구조>

<하이브리드 PTC 히터 구조>

<적외선히터>

(6)

후방에 배치되어 HVAC 크기를 줄이는데 한계가 있다. 만약 각 부품의 두께를 축소하여 패키지 개 선을 하더라도 두께 축소에 따른 성능 하락이 동 반되므로 동일한 성능을 유지하면서 HVAC 크기 를 축소하는 것은 간단한 문제가 아니다. 또한, 실내로 유입되는 일부의 공기만 PTC 히터와 열 교환되는 구조로 HVAC 내에 구성되어 초기 난 방 시 열교환되지 않은 일부 차가운 공기가 그대 로 실내로 유입되면서 실내 온도가 충분히 상승 되지 못하는 문제도 야기될 수 있다.

그림 6은 온수 히터와 PTC 히터를 일체로 융 복합시킴으로써 HVAC 크기 및 초기 난방 성능 을 획기적으로 개선한 일체형 하이브리드 히터 의 결합 및 부품 구조이다. 적용된 PTC 히터의 경 우 기존의 방법과는 다르게 PTC 소자를 구성하 여 기존 PTC 히터 대비 50% 이상 두께가 감소 된 박막형 구조이며 실내로 유입되는 모든 공기 와 열교환할 수 있도록 방열부가 구성되어 있다.

온수 히터와는 기계적인 방법으로 일체형으로 결 합되어 HVAC에 장착되는 구조이다. 온수 히터와 PTC 히터의 간격이 없어지고 박막형 PTC 히터 구조가 적용됨으로써 HVAC의 크기가 크게 축소 될 수 있으며 모든 공기가 PTC 히터와 열교환할 수 있도록 구성되어 난방 성능도 개선되었다.

그림 7은 하이브리드 히터 적용에 따른 효과 검증 사례이며, 온수 히터와 전기 히터(PTC 히

터) 일체형 결합에 따른 난방 성능 향상 효과를 실험적으로 검증한 결과이다. HVAC 내에 장착 된 상태에서 상대 비교되었으며 발표된 결과는 아래와 같이 요약될 수 있다.

1) 기존 PTC 히터 대비 50% 이상 두께를 축 소시킬 수 있어 향후 HVAC 패키지 슬림화를 통 한 차 실내 공간을 증대시킬 수 있다.

2) 냉간 시동 시 외부로부터 유입되는 영하의 공기가 모두 PTC 히터를 통과하여 난방 성능 및 온도분포가 크게 향상됨을 확인할 수 있다.

3) 기존 PTC 히터 대비 초기 난방 성능이 크 게 향상되어 겨울철 난방 속효성 향상에 기여할 수 있다.

사례 3 - 공냉식 응축기와 수냉식 응축기의 융복합

차량용 공조 시스템에 사용되는 응축기는 압 축기로부터의 고온 고압 냉매를 냉각시키는 열 교환기로 열교환 방식에 따라 수냉식, 공냉식으 로 나눌 수 있다. 공냉식 응축기는 차량 전면 그 릴 후단에 위치하며 외기의 공기와 열교환 하여 냉매를 냉각시킨다. 수냉식 응축기의 경우 냉각 수를 이용하여 냉매를 냉각시키며 열용량이 큰 냉각수를 이용함에 따라 방열 성능을 크게 향상 시킬 수 있는 장점이 있으나, 엔진 냉각수의 온도

[그림 7] 하이브리드 히터의 개선 효과

< HVAC 내 공기 유동 비교 > < 방열성능 비교 >

집 중

집중기획기 획

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[그림 8] 수냉식 응축기와 공냉식 응축기의 결합 사례

가 응축기 냉매 입구 온도와 유사하므로 별도의 저온 냉각수 루프를 구성하여야 하는 단점이 있 어 일반적으로 공냉식 응축기가 대부분 적용되 고 있다.

최근 하이브리드, 전기, 연료 전지 차량과 같 은 친환경 차량과 엔진 효율 향상을 위해 수냉 식 인터쿨러를 장착한 터보 엔진 차량이 증가하 고 있다. 친환경 차량의 경우 엔진 라디에이터와 별도로 전기 장비 냉각을 위한 저온의 라디에이 터 적용이 필요하며 터보 엔진 차량의 경우에도 수냉식 인터쿨러를 통과한 냉각수를 냉각시키기

위해 저온 라디에이터의 적용이 필요하다. 저온 라디에이터를 순환하는 냉각수의 온도는 기존 내연 기관의 엔진 냉각수 대비하여 약 40℃ 정도 더 낮아 고온 냉매의 냉각 수단으로의 활용이 충 분히 가능하므로 냉방 성능 및 효율을 크게 개선 시킬 수 있는 수냉식 응축기의 적용 요구가 증대 되고 있다. 하지만 수냉식 응축기의 경우 충분히 저온인 냉각수가 공급되지 않을 경우 기존 공냉 식 응축기보다 성능 및 효율이 좋지 못한 단점이 있으며, 별도의 추가 구성 없이 충분히 저온인 냉 각수를 항상 공급하는 것이 불가능하므로 차량

[그림 9] 수냉식 응축기와 공냉식 응축기 융복합 효과

< Fan power reduction > < Compressor Pd decrease >

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집 중

집중기획기 획

용 공조 시스템에 수냉식 응축기의 적용이 이루 어지지 않고 있다. 또한, 보행자 보호를 위해 차 량 전면 후드 하단 영역이 축소되고 있어 공냉식 응축기 크기도 축소 요구되고 있는 상황이다.

그림 8은 이런 상황을 극복하기 위해 수냉식 와 공냉식 응축기를 융복합한 기술의 사례이다.

기술의 요지는 압축기로부터 가압된 고온의 냉 매를 저온 라디에이터의 탱크 내에 장착된 수냉 식 응축기에서 1차로 냉각시킨 후 공냉식 응축기 에서 2차로 추가 냉각시킴으로써 수냉식 응축기 의 장점을 추가로 확보하고자 하는 것이다. (6)

그림 9는 수냉식 응축기와 공냉식 응축기를 결합함으로써 얻을 수 있는 효과에 대한 연구 결 과이다. 수냉식 응축기를 추가함으로써 공냉식 응축기의 크기 축소가 가능하여 저온 라디에이 터와 공냉식 응축기를 동일 평면에 위치시킬 수 있으며, 이로 인한 쿨링 모듈의 두께 축소 및 중 량 절감이 가능하다. 공기의 유동 저항을 줄임으 로써 쿨링 팬에서 소비되는 동력을 30~40%까 지 절감 가능하다. 또한, 수냉식 응축기로부터 안 정적인 방열 성능 확보가 가능하여 압축기의 냉 매 토출 압력을 약 21%까지 절감 가능하고 이로 인해 압축기 소비 동력이 감소시킬 수 있다. 결론 적으로 수냉식 응축기와 공냉식 응축기를 융복 합함으로써 안정적인 실내 쾌적성 유지가 가능 하며, 팬과 압축기의 소비 동력 감소를 통한 연비 감소 효과를 얻을 수 있다.

고 찰

상기와 같이 자동차 공조 분야에서의 융복 합 기술 동향에 대해 살펴보았다. 농수산 및 건물 공조 분야에서 주로 사용되는 축냉 기능과 차량 용 증발기의 기능 간의 융복합, 보조 난방을 위한 PTC 전기 히터와 기존 온수 히터의 다른 에너지

원 간의 융복합, 공기로 냉각되는 공냉식 응축기 와 냉각수로 냉각되는 수냉식 응축기의 열교환 방식 간의 융복합, 모두 기존 시스템의 한계를 상 이한 기술들의 융복합을 통해 극복한 사례들로 차량용 공조 시스템의 쾌적성, 연비, 패키지, 효 율, 성능 등에서의 작지 않은 개선 효과를 확인하 였다. 앞서 서술한 바와 같이 단일 분야에서의 기 술의 발전만으로는 급격한 환경 변화에 따른 새 로운 요구들을 만족시킬 수 있는 혁신적인 제품 을 개발하기에 한계가 있다. 다양한 분야에서 기 술, 제품, 서비스 간의 융복합이 이루어지고 있으 며 자동차 공조 분야에서도 활발히 이루어지고 있다. 상대적으로 기술의 변화 주기가 긴 자동차 부품 분야에서 융복합 기술의 필요성은 타 산업 분야보다 더 강조될 필요가 있다. 또한, 친환경 관련 규제들이 강화되고 소비자의 요구 사항들 이 다양해 짐에 따른 새로운 개념의 차량 등장이 필요한 시점에서 자동차 부품 분야에서 융복합 기술의 가치는 더 커지고 있다. 따라서 융복합 기 술들을 더 많은 분야에서 더 많은 기술자들이 사 용할 수 있도록 방법론에 대한 연구와 다양한 사 례 공유를 통한 기술 전파가 필요한 시점이라 하 겠다.

참고문헌

1. Youngha Jeon, Kwanghun Oh, Yoonho Wang, 2012, “Experimental Study on Cooling Performance during ISG Mode with Cold Storage Evaporator”, 한국자동차공학회 2012 대전•충청지부 추계학술대회, 19-25.

2. Youngha Jeon, Kwanghun Oh, Sunan Jeong, Yoonho Wang, 2013, “Experimental Study on Cooling Effect of Cold Storage System during ISG Mode”, 한국자동차공학회 2013 KSAE 부문

(9)

종합학술대회, 798-804.

3. T. Györög and N. Yokoyama, 2010, “Impact of Cold Storage Evaporator to Fuel economy”, Automotive Summit MEETING 2010, Automotive Summit.

4. R. Manski, T. Strauß, M. Kohl, M. Weinbrenner, and et al., "Storage Evaporators - Innovative AC Concept for Micro Hybrid Vehicles", SAE Technical Paper

5. Jungsam Gu, Kwanghun Oh, Sunan Jeong,

Yoonho Wang, 2013, “A Study on Applying Hybrid PTC Heater to Vehicle for Heating Performance Improvement”, 한국자동차공학회 2013 KSAE 부문 종합학술대회, 762-767.

6. G. Mathur, J. Hara, M. Iwasaki, Y. Meguriya, 2012, “Development of an Innovative Energy Efficient Compact Cooling System “SLIM””, SAE International, 2012-01-1201.

참조

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