자동차용 에어컨은 조금씩 발전하였습니다. 지금 도로에 굴러다니는 자동차의 에어컨은 모두 조금씩 다릅니다. 발전 역사를 따라면 본인 자동차에 설치된 장치가 어떤 장치인지 알게될 것이며, 고장나고 교환이 필요한 부속에 대해서도 잘 이해하게 될 것 입니다.
자동차 에어컨에서 냉동사이클 4단계 ‘압축-응축-팽창-증발’ 중에서 압축 기능을 수행하는 압축기(compressor)의 발전에 대해서 알아보겠습니다. 줄여서 콤프, 영어 그대로 컴프레서(컴프레서)라고도 불리는 이 장치는 저공해, 친환경, 연비 향상과 같은 시대의 변화에 맞춰서 발전하였습니다.
A. 고정 변위 압축기
과거의 압축기는 아래와 같은 순서로 작동하였습니다. 이것을 영어로 fixed displacement compressor라고 부르며 줄여서 FDC라고도 합니다. ‘고정 변위 압축기’ 정도로 번역할 수 있습니다. 변위는 피스톤의 움직임 거리입니다.
1. 운전자가 에어컨 스위치를 작동시킵니다.
2. 마그네틱 클러치에 전기가 흐릅니다.
3. 엔진의 회전력으로 에어컨 압축기를 회전시킵니다.
4. 압축기의 피스톤은 ‘고정된’ 거리만큼 움직여서 냉매를 압축시킵니다.
이 압축기는 자동차의 실내 온도를 낮추는 역할을 충실하게 수행했지만 몇 가지 시대 변화에 직면하게 되었습니다. 첫 번째는 정숙성입니다. 마그네틱 클러치가 작동하면 멈춰있던 압축기는 순간적으로 엔진의 회전에 큰 저항으로 작용합니다. 이 저항은 운전자에게도 전달되어 불편함을 야기합니다. 두 번째는 연비입니다. 실내 온도가 낮으면 낮을수록 ‘고정된 거리’만큼 피스톤이 움직여서 압축된 냉매는 잉여 압축 냉매가 됩니다. 즉, 필요 이상으로 힘을 소모한 결과 연비가 낮아집니다.
아래 유튜브 영상을 확인하면, 15초부터는 46초까지 고정 변위 압축기의 피스톤 움직임을 확인할 수 있습니다. 뒷부분은 아래 서술할 내용이라서 아래에서 다시 설명하겠습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=ItvfKv0iRPY&t=15s
B. 내부 제어 가변 변위 압축기
이 문제를 해결하기 위해서 발명된 압축기가 있습니다. 영어로 variable displacement compressor라고 부르며 줄여서 VDC라고도 합니다. ‘가변 변위 압축기’ 정도로 번역할 수 있습니다. 조금 더 정확한 명칭은 internally controlled VDC(내부 제어 VDC)입니다. 이것의 작동 순서는 아래와 같습니다.
1. 운전자가 에어컨 스위치를 작동시킵니다.
2. 마그네틱 클러치에 전기가 흐릅니다.
3. 엔진의 회전력으로 에어컨 압축기를 회전시킵니다.
4. 압축기의 제어 밸브(control valve)가 상황에 따라서 피스톤의 움직임 거리를 조절하면서 냉매를 압축시킵니다.
*내부 제어 VDC의 제어밸브: 밸로우즈 밸브
*외부 제어 VDC의 제어밸브: 솔레노이드 밸브
이 방식의 압축기는 에어컨 가동 초반에는 짧은 거리만 움직입니다. 압축기 피스톤의 움직임 거리가 만약 1~10cm라면 초반에는 1cm만 움직여 냉매를 압축합니다. 실내온도를 설정온도에 맞추기 위해서 점점 증가하여 최대 움직임 거리(10cm)까지 움직이다가 설정온도에 도달할 때쯤이면 서서히 압축기 움직임 거리가 다시 점점 줄어들게 됩니다. 고정 변위 압축기는 작동하면 초반부터 10cm로 작동하는 것에 비해서 점진적으로 작동하기 때문에 운전 정숙성이 향상됩니다.
아래 영상에서는 벨로우즈 밸브의 위치와 형상을 확인할 수 있습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=yMp2MtcQ9rk
C. 외부 제어 가변 변위 압축기
이 방식은 냉매의 압축 효율 측면에 보면 완벽해 보입니다. 하지만, 주행의 관점까지 확장해서 보면 아쉬운 부분이 보입니다. 언덕길 주행이나 급격한 가속 시에 에어컨 컴프레서의 작동 때문에 최적의 연비 rpm을 넘어서게 될 것입니다. 최적의 rpm을 유지하기 위해서, 에어컨 작동 이외의 다른 환경도 고려하여 에어컨 압축기의 작동을 제어하는 압축기가 발명되었습니다. externally controlled VDC(외부적 제어 VDC)라고 합니다. 이 압축기의 제어밸브로는 솔레노이드 밸브가 사용됩니다. 각종 센서들로부터 수신받은 신호로 상황을 판단하여 최적의 제어 조건을 솔레노이드로 보냅니다. 벨로우즈 밸브와 솔레노이드 밸브의 부착 위치는 동일하고, 외관적으로 전기 커넥터의 유무로 판단할 수 있습니다.
아래 영상 60초쯤에 손으로 원형판을 눌립니다. 이 판의 경사 변화는 제어밸브에 의해서 움직이고, 그 결과 피스톤의 움직임 거리가 변화하게 됩니다.
https://www.youtube.com/watch?v=ItvfKv0iRPY&t=50s
아래 영상에서는 솔레노이드밸브(또는 Electronic Control Valve)의 위치와 형상을 확인할 수 있습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=woLy2kKk24M
D. 클러치 없는 압축기
외부적 제어 VDC는 더 발전하여 마그네틱 클러치까지 삭제하였습니다. 그래서 영어로 clutchless compressor라고 부르기도 합니다. 엔진의 동력을 연결하고 끊는 역할을 하던 마그네틱 클러치가 없기 때문에 당연하게도 압축기의 축은 시동이 걸려있으면 항상 회전합니다. 하지만 냉매를 압축하지 않습니다. 솔레노이드 밸브의 제어로 압축기 피스톤의 움직임 거리는 0cm이 되기 때문입니다. 압축기 내부의 냉매 압력으로 제어되는 벨로우즈 밸브였으면 불가능한 일입니다.
아래 영상 90초에는 마그네틱 클러치 풀리를 손으로 돌려도 압축기의 축이 회전하지 않고, 1분 56초에 clutchless 풀리를 손으로 돌리면 압축기의 축이 회전하는 장면을 확인할 수 있습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=ItvfKv0iRPY&t=90s
여기까지 개괄적으로 자동차 에어컨의 압축기의 변화에 대해서 알아봤습니다. 사실 이 글은 제가 즐겨보는 자동차 정비 유튜버 ‘자동차의 모든 것’에서 한 가지 실수를 보고 작성하게 되었습니다. 바로 손에는 솔레노이드 밸브를 들고 있으면서 입으로는 벨로우즈 밸브라고 말씀하시는 장면 때문입니다. 정비소 블로그에서도 동일한 실수를 몇 번 봤습니다. 두 밸브 모두 압축기의 움직임 거리를 제어한다는 점에서 동일하지만, 벨로우즈 밸브는 스스로 냉매의 압력을 측정하고 제어합니다. 반면 솔레노이드 밸브는 제어만 할 뿐, 스스로 냉매의 압력을 측정하지 않습니다.
그리고 에어컨 냉방 성능 문제로 이 글을 검색하고 읽어보시는 분이 있다면 꼭 제어밸브(벨로우즈 밸브 또는 솔레노이드 밸브) 교환을 추천드립니다. 고정 변위 압축기’에는 없고 ‘가변 변위 압축기’에 존재하는 이 제어 밸브 덕분에 과도한 냉매의 압축으로 인해서 압축기 자체가 파손되는 사례가 많이 줄었습니다.
제어밸브 제어 및 작동 원리까지 작성하면 글이 너무 길어지기 때문에 이쯤에 마무리하고 다음에 기회가 되면 설명하는 기회를 가져보겠습니다.
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