연비향상을 위한 자동차용 열교환기 최신 기술 동향
원 종 필 자동차부품연구원 열제어시스템연구센터 센터장 ㅣ e-mail : [email protected]
2010년 UNFCC의 보고서에 의하면, 유럽 27개국의 온 실가스 배출 현황에서, 전 산업 중 수송부문에서 약 20%
의 온실가스가 배출되며, 전체 온실가스 중 이산화탄소 가 차지하는 비중이 80%를 넘어서고 있고, 이에 따라 CO
2규제에 의한 파급효과가 가장 큰 분야이고, 교토 의 정서가 2005년부터 발효됨에 따라 전 세계 온실가스를 줄여야 하는 도전에 부합하여 화석연료 사용량의 50%를 차지하는 수송부문은 CO
2배출 저감을 위해 배출가스 저감(연비 향상)을 위한 자동차 및 자동차 부품의 개발 이 필수불가결한 상황으로, 우리나라도 자동차 분야에 서의 이산화탄소를 포함한 온실가스 배출량의 전체의 약 13%(2010년 기준)로서 자동차 분야의 온실가스 저감
을 위해 많은 노력이 필요한 상황이다(그림 1 참조).
초박형 증발기 개발
운전석 주변 부품의 소형화와 관련하여 계기판 (Instrument panel) 내부에 장착되는 공조 시스템의 하 나인 HVAC Unit는 계기판 내부공간의 점유율이 가장 높다. 이에 따라 HVAC Unit의 소형화는 운전석 주변 편의장치 부품 증가에 따른 공간 확보에 있어서 중요한 과제로 대두되고 있으며, 그림 2에서와 같이 종래의 HVAC Unit 대비 체적을 30% 감소, 중량을 20% 감소하 면서 에어컨 성능을 동등하게 구현할 수 있도록 하는 기술들을 개발하고 있다. HVAC Unit의 소형화에 기여 할 수 있는 주요 인자로는 내부 에 장착되는 히터코어(Heater core)와 증발기(Evaporator)의 소형화와 HVAC Unit 구조의 변화가 대표적이다. 특히 증발 기는 HVAC Unit 내부에 장착 되는 열교환기로 차량 실내공 기 또는 외부공기를 흡입하여 이를 냉각시킨 다음 실내로 차 가운 공기를 공급하는 역할을 하며 다른 부품보다 HVAC Unit 내부에서의 공간 점유율 이 가장 높아, 소형화/고효율
그림 1유럽의 사업부문별 온실가스 배출비율(출처 : UNFCC)
이 글에서는 자동차분야에서 이슈가 되고 있는 연비향상을 위한 열관리 시스템의 최신 열교환기 기술 동향에 대해서 소개하고자 한다.
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화가 절실하게 요구되는 부품이다.
HVAC Unit 경량화의 시작은 1992년을 기점으로 차 량용 증발기의 소형화 기술이 개발되면서였다. 그 당시 HVAC 경량화를 가능하게 한 것은 서펜틴(Serpentine) 형의 증발기보다 무게와 체적을 줄인 평행류 적층형 증 발기로 개발 대체하면서 시작되었다. 이때부터 차량 에 어컨용 증발기는 평행류 적층형 증발기가 주류를 이루 게 되었으며, 지속적으로 소형/경량화 개발이 이루어졌 다. 2000년 이후부터는 그림 3에서와 같이 58mm 두께 로 더욱 소형화된 증발기가 개발되어지면서 HVAC Unit의 구조도 변화하여 더욱 소형화된 HVAC Unit가 개발되었다.
국내의 경우 양산 중인 증발기의 두께는 45mm~
60mm 사이로 2004년 이후 소형/경량화된 증발기만이 신규 차종에 적용되고 있는 실정이다. 일본의 경우
2003년 이후 개발되는 모든 신규 차종에는 증발기 두께 가 38mm~58mm 사이의 제품들에만 적용되고 있으며, 국내 차량보다 HVAC 소형화/경량화를 위한 요소 기술 들이 앞서 있는 것으로 판단된다.
증발기의 소형화를 위해서 적층 판형(Plate type)에 서 튜브형으로 변경되는 경향이고, 튜브형의 경우 튜브 사이에 핀을 접합하여 열교환 성능을 향상시키고자 코 어(core)부와 튜브의 양단에 헤더(Header)부로 구성된 압출 성형 튜브 증발기의 적용이 확대 진행 중으로, 기 존의 적층 판형 증발기의 자리를 대체할 것으로 보 인다.
ISG(Idle Stop & Go) 적용시 열쾌적성 향상용 PCM 적용 증발기
하이브리드 차량에서 엔진이 정지하는 EV주행 모드 또는 공회전 정지(Idle stop) 시 차 실내 냉방은 전동압 축기의 작동에 의하여 수행되며, 에어컨을 작동하면서 EV모드로 주행하기 위해서는 대용량의 2차전지가 필요 한 실정이다. 또한 동절기에는 공회전 정지의 짧은 시 간 엔진 On/Off에도 불구하고 차가운 외기 때문에 차 실내 난방성능은 떨어지는 상황이다.
이를 해결하기 위해서, 덴소(Denso) 사 등에서는 HVAC 내에 축냉시스템을 적용하는 방안으로 실차 적 용이 시도되고 있다. 대표적인 축냉시스템은 축냉증발 기로 축냉재를 증발기 내부에 적용하여서, 냉기를 축냉 재에 저장하였다가 공회전 정지 출발(Idle stop go) 모 드 진입시 냉기를 계속 공급하여 실내측의 열쾌적성을 유지하고자 하는 열교환기 기술이다. 현재 적용이 검토 중인 축냉재로는 기존 증발기의 부피 확대를 최소화하 기 위하여, 상변화 물질(PCM)을 선호하는 편이다.
그림 4는 덴소 사에서 개발 중인 CS(Cold storage) 증 발기로, 증발기의 공기가 통과하는 일부 영역을 제어하 여 축냉재를 적용함으로써 축냉 효과를 얻을 수 있도록 개발되었다.
그림 2HVAC 시스템 소형화 Trend
그림 3증발기 소형화/경량화 Trend
연비향상을 위한 자동차용 열교환기 최신 기술 동향
그림 5의 축냉 증발기 적용 실차의 공회전 정지시의 열쾌적성 평가 결과를 보면, 엔진정지로 압축기가 가동 되지 않는 시간이 짧다고 하여도, 실내 토출 측의 온도 는 상대적으로 높이 올라가는 것을 알 수 있고, 상변화 물질을 적용한 축냉 증발기를 적용하였을 경우, 압축기 의 사용을 상대적으로 적게 해도 충분히 냉방부하를 만 족할 수 있는 것을 보여주고 있다.
열교환 성능 향상용 수랭식 열교환기(수랭식 응 축기, 배열회수 열교환기)
차량에 적용되는 열교환기는 각각의 기능와 구조에 따라서, 그림 6과 같이 공기와 열교환을 하는 방열기, 공랭식 과급기(charge air cooler), 응축기가 있고, 냉각 수와 열교환을 통하여서 방열(혹은 흡열)을 하는 자동 변속기 유체(automatic transmission fluid) 난방기 (warmer), 배기가스재순환(exhaust gas recirculation) 냉각기(cooler), 변속기오일 냉각기(transmission oil cooler) 등이 있다. 열교환기의 경우 공기보다 상대적으 로 비열이 높은 냉각수를 활용하여 컴팩트하게 만들어 서 연비 규제 대응을 위한 개발이 진행되고 있다.
새로이 개발되는 차량용 열관리시스템을 적용하기 위하여서, 개발이 요구되는 수랭식 열교환기 중에는 수 랭식 응축기가 있다. 수랭식 응축기의 경우, 일본에서 연구가 많이 진행되고 있는데, 칼소닉칸세이 사에서는 1.4L 터보 가솔린엔진을 장착한 VW Golf 차량에 대하 여 수랭식/공랭식 슬림 응축기 기술을 적용하여 JC08 주행모드에서 연비실험 결과 4% 정도의 연비가 향상되 었고, 엔진 냉각모듈도 40% 정도 경량화 효과를 보여주 고 있다.
칼소닉칸세이에서 개발한 수랭식/공랭식 컨덴서 열 교환기의 경우, 수랭식 컨덴서만을 사용하게 되었을 경 우에는 냉방성능뿐만 아니라, 차량 레이아웃 측면에서 도 효과가 있을 것으로 발표되었다. 수랭식 컨덴서의 경우, 다음 그림 7에서도 볼 수 있듯이 적층형 판형 열
교환기의 적용이 최적의 열교환기로 검토되고 있고 특 허 등 기술선점이 이루어지고 있다.
최근 열손실로 낭비되는 에너지, 즉 엔진 냉각수와 배기가스로 버려지는 열을 회수하여 다시 동력으로 변 환하여 사용함으로써 자동차 연비를 향상시키는 배기 열 회수 시스템이 부각되고 있으며, 배기열 회수 열교 환기에 대한 개발 요구가 진행되고 있다.
배기열 회수 및 급속 워엄업(fast warm-up)용 자동변 속기유체 난방기(ATF Warmer)의 경우, 배기가스 폐열 을 이용하여 엔진 냉각수의 온도를 높이고, 높아진 냉 각수를 이용하여서 변속기의 워엄업을 촉진하기 위한 적층 판형 수랭식 열교환기이다. 그림 8에 표시한 열교 환기는 엔진 발열량이 낮은 하이브리드 자동차 및 디젤
그림 4Denso 사의 축냉 증발기(CS Evaporator)
그림 5 Denso 사의 축냉 증발기(CS Evaporator) 실차 성능 평가 결과
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차량에 주로 적용되어 시동 초기 엔진 및 변속기 오일온 도 상승에 따른 마찰저감과 동절기 실내 보조히터 전력 소모 저감 등의 효과가 있 다.
유럽의 FIAT사는 그림 9 및 그림 10에 표시한 바와
같이 배기폐열을 이용하여 실내 난방에 적용하여서, 워 엄업 성능을 개선할 수 있는 스마트히터(Smart heater)를 실차에 적용하여 연비 향상 및 CO
2, HC 및 CO 배출을 줄이는 효과를 보여주었다.
750W의 PTC 히터와의 비교 평가에서도 냉각수 온도 및 실내난방 성능이 우수하였 기 때문에, 디젤차량 등에 적용이 가능할 것으로 판단 된다.
자동차의 냉방과 냉각에 적용되는 열교환기들에 대 한 환경 규제 및 연비 규제
그림 6수랭식 열교환기 적용 열관리시스템 구성도
그림 7Slim water cooled condenser기술(칼소닉)
그림 9FIAT 사에서 적용한 U-cooler type smart heater 및 작동구조
그림 10FIAT 사의 U-cooler type smart heater 실차실험 결과
그림 8ATF Warmer(국내 W사)
