전기 22 > 냉방 장치 이론 
 1 . 냉방 장치 
 더운 여름날 정원 에 물 을 뿌리 면 시원 하 게 된다 . 또 예방 주사 를 맞 을 때 , 소독 하 기 위해 탈지면 에 적신 액체 인 알코올 을 피부 에 바르 면 얼마 동안 시원 함 을 느낄 수 있 다 . 이것 은 물 이나 알코올 이 액체 에서 기체 로 변화 할 때 주위 에서 기화 에 필요 한 잠열 을 뻬앗 기 때문 이 다 . 
 2 . 냉방 사이클 
 냉동 ( 冷凍 ) 이 란 고체 , 액체 , 기체 등 의 물체 로부터 인위 적 으로 열 을 제거 하 여 물체 를 주위 온도 보다 낮 게 유지 하 는 조작 을 말 하 며 , 이러 한 조작 에 사용 되 는 매체 를 냉매 ( 冷 媒 ) 라고 한다 . 
 냉동 사이클 은 다음 과 같 은 작용 이 있 으며 , 냉매 는 액체 → 기체 → 액체 로 변화 를 반복 하 여 순환 한다 . 
 1 ) 증발 
 냉매 는 증발기 ( EVAPORAYOR ) 안 에서 액체 ( 습한 기체 ) 로부터 기체 ( 과열 증기 ) 로 변화 한다 . 증발기 에 들어온 무상 ( 霧 狀 ) 의 냉매 는 활발히 증발 한다 . 이때 냉매 액 은 증발기 주위 에 있 는 공기 ( 차실 내 공기 ) 로부터 증발 에 필요 한 열 ( 증발 잠열 ) 을 흡수 하 면서 스스로 증발 한다 . 열 을 빼앗긴 공기 는 냉각 되 어 휀 ( FAN ) 에 의해 차실 내 로 유입 되 어 차내 온도 를 강하 시 킨다 . 증발기 내부 에 는 팽창 밸브 ( EXPANSION VALVE ) 에서 보내 진 냉매 액과 증발 된 냉매 증기 가 공존 하 게 되 며 액체 에서 기체 로 의 상태 변화 가 일어나 는데 이 상태 변화 사이 에 압력 ( 증발 압력 ) 과 온도 ( 증발 온도 ) 는 일정 한 관계 가 있 으며 , 압력 이 결정 되 면 온도 도 정해진다 . 즉 , 포 하 압력 과 포화 온도 의 관계 가 있 다 . 
 이 액체 에서 기체 로 의 상태 변화 가 보다 낮 은 온도 에서 증발 도 기 위해서 는 증발기 내 의 압력 을 그만큼 낮 게 유지 해 주 어야 한다 . 이 를 위해 냉매 주기 를 압축기 ( COMPRESSOR ) 에서 흡입 하 여 증발기 의 외부 로 계속 배출 하 도록 한다 . 
 2 ) 압축 
 냉매 는 상온 ( 외기 온도 ) 에서 액화 되 기 쉬운 상태 까지 압축기 에서 압축 된다 . 증발기 내 에서 기화 된 냉매 증기 는 압축기 에 흡입 된다 . 이 작용 은 증발기 내 의 냉매 압력 을 � 蔓 � 상태 로 유지 하 며 0 ℃ 정도 의 낮 은 온도 상태 에서 액체 냉매 가 활발 하 게 증발 을 게 속 할 수 있 도록 하 기 위한 것 이 다 . 
 압축기 에 흡입 된 냉매 증기 는 실린더 내 에서 압축 되 어 압력 이 높 아 지 면 상온 의 외기 로 냉각 해도 쉽 게 액화 될 수 있 는 압력 과 온도 로 된다 . 
 3 ) 응축 
 냉매 는 응축기 ( CONDENSER ) 내 에서 외기 에 의해 냉각 되 어 기체 에서 액체 로 된다 . 압축기 에서 토출 된 고온 , 고압 의 냉매 는 외기 에 의해 냉각 액화 되 어 리시버 드리 이 버 ( RECEIVER DRIVER ) 에 보낸 진다 . 압축기 에서 토출 된 고온 , 고압 의 냉매 로부터 외기 에 방출 된 열 을 응축열 이 라 하 며 , 냉매 가 증발기 에서 차 실내 로부터 흡수 한 열 ( 증발열 ) 과 응축 인 경우 , 냉각 의 상태 변화 도 증발 의 경우 와 같이 증기 와 액체 가 공존 하 는 상태 이 며 기체 에서 액체 로 변화 하 는 사이 , 압력 ( 응축 압력 ) 과 온도 ( 응축 온도 ) 는 일정 한 관계 가 있 다 . ( 냉매 의 종류 에 따라 , 또 같 은 종류 의 냉매 라 해도 응축 온도 의 차이 에 따라 압력 이 변한다는 점 에 주의 할 것 ) 
 4 ) 팽창 
 냉매 액 은 팽창 밸브 ( EXPANSION VALVE ) 에 의해 증발 이 쉬운 상태 로 압력 이 떨어진다 . 액화 된 냉매 를 증발기 에 보내 기 전 에 미리 증발 하 기 쉬운 상태 로 압력 을 낮추 는 작용 을 팽창 이 라 하 지만 , 이러 한 작용 을 하 는 팽창 밸브 "( EXPANSION VALVE ) 는 감압 작용 과 동시 에 냉매 액 의 유량 을 조절 한다 . 즉 , 증발기 내 에서 증발 하 는 냉매 액 은 소정 의 증발 온도 ( 증발 압력 ) 아래 에서 제거 되 어야 할 열량 ( 냉동 부하 ) 에 의하 여 결정 되 며 이것 을 정확히 파악 하 여 과 부족 이 없 도록 필요 한 냉매 량 을 제어 한 는 것 이 중요 하 다 . 냉매 는 이상 과 같 은 4 가지 작용 을 반복 하 여 냉동 장치 의 사이클 내 를 순환 하 면서 온도 가 낮 은 차 실내 에서 온도 가 높 은 외기 로 열 을 이동 시키 는 일 을 한다 . 
 3 . 냉동 원리 와 방법 
 물체 의 상태 ( 고체 , 기체 , 액체 ) 변화 는 열 의 변화 와 밀접 한 관계 가 있 으며 열 의 출입 에 의하 여 그 상태 가 변화 된다 . 일반 적 으로 냉동기 는 그 내부 에서 상태 가 변화 하 면서 주위 의 열 을 흡수 하 는 냉매 에 의하 여 냉각 작용 을 하 게 된다 . 이 와 같이 물체 의 온도 를 낮 게 유지 하 는 ( 냉각 작용 ) 방법 에 는 여러 가지 가 있 는데 이 를 열 의 이용 측면 에서 분류 하 면 다음 과 같 다 . 
 1 ) 증발열 을 이용 한 방법 
 증발 하 기 쉬운 액체 를 증발 시키 면 증발 할 때 , 주위 의 물체 로부터 다량 의 열 을 빼앗 아 냉동 된다 . 자동차 에어 콘 의 경우 증발 된 냉매 를 냉동 사이클 에 의해 다시 원래 의 상태 로 환원 시켜 반복 하 여 사용 한다 . 이러 한 방법 을 이용 하 는 냉동기 를 열거 하 면 다음 과 같 다 . 
 증기 압축식 냉동기 , 흡 수식 냉동기 , 질소 냉동기 
 2 ) 용해열 을 이용 하 는 방법 
 대기압 에서 얼음 이 융해 될 때 ( 녹 을 때 ) 온도 0 ℃ 에서 79 . 68 Kcal / Kg 의 열 을 흡수 하 는 데 이것 을 이용 한 것 이 다 . 
 4 . 냉동 사이클 의 구성 
 5 . 냉매 
 냉매 는 저 온부 의 열 을 고 온부 로 옮기 는 역할 을 하 는 매체 이 며 , 저 온부 에서 는 액 으로부터 가스 로 , 고 온부 에서 는 가스 로부터 액 으로 상태 변화 를 하 는 것 이 다 . 냉매 로서 가장 중요 한 특성 은 그다지 높 지 않 은 압력 에서 쉽 게 응축 , 즉 액 으로 되 어야 한다 . 
 1 ) 신 냉매 ( R - 134 a ) 적용 목적 
 대기 의 물질 중 에 염화 불화 탄소 ( CFC : R - 12 프레온 가스 분자 중 CI 염소 ) 가 오존 층 을 파괴 하 고 즉 성층권 오존 과 반응 하 여 오존층 의 두께 감소 내지 는 오존층 애 구멍 을 형성 함 으로 지표면 에 다량 의 자외선 을 유입 하 여 상태 계 를 파괴 하 고 CFC 의 열 흡수 능력 이 크 기 때문 에 대기층 의 CFC 가스 로 인한 지 표면 의 온도 상승 을 유발 하 는 물질 로 판명 됨 에 따라 2000 년 부터 R - 12 냉매 의 생산 을 규제 하 고 R - 134 a 냉매 를 대체 적용 하 였 다 . 
 2 ) 냉매 로 의 중요 조건 
 ( 1 ) 비점 이 적당히 낮 을 것 
 ( 6 ) 냉매 의 증발 잠열 이 클 것 
 ( 2 ) 응축 압력 이 적당히 낮 을 것 
 ( 7 ) 증기 의 비체적 이 적 을 것 
 ( 3 ) 압축기 토출 가스 의 온도 가 낮 을 것 
 ( 8 ) 임계 온도 가 충분히 높 을 것 
 ( 4 ) 부식성 이 적 을 것 
 ( 9 ) 안전성 이 높 을 것 
 ( 5 ) 전기 절연성 이 좋 을 것 
 3 ) R - 134 a 특성 
 ▶ 오존 층 을 파괴 하 는 Cl 이 없 는 R - 12 의 대체 냉매 
 ▶ 안정 된 분자 구조 ( 다른 물질 과 반응 을 잘 하 지 않 음 ) 
 ▶ R - 12 와 유사 한 열역학 적 구조 
 ▶ 불연 성 및 독성 이 없 는 유일 한 오존 비파괴 냉매 
 ▶ R - 12 와 같 은 응축 온도 에서 의 냉 동력 저하 
 ▶ NITRILE 호스 재질 ( 현재 질 ) 과 투과성 문제 
 ▶ 고 무 제품 과 PLASTIC 제품 의 사용 성 문제 
 ▶ 현 COMPRESSOR OIL 과 불용 해성 문제 
 ▶ 온실 효과 가 있 어 향후 회수 및 재생 문제 
 ▶ R - 134 a 의 흡수성 문제 
 4 ) R - 134 a 의 성능 비교표 
 R - 134 a SISTEM 
 변경 이유 
 SYSTEM 과 의 
 MINEREAL OIL 용해 성 
 오존층 파괴 계수 
 분 자 량 
 응 고 점 ( ℃) 
 비 등 점 ( ℃) 
 임 계 온 도 ( ℃) 
 임 계 압 력 ( ㎏/㎠) 
 SYSTEM 성능 은 R - 134 a 와 R - 12 는 동일 조건 DATA 이 다 . 
 6 . 몰레 에 르 선도 
 냉매 상태 를 나타내 는 양 은 엔탈피 i ( kcal / ㎏) 로 표시 되 지만 , 엔탈피 만 으로 는 냉매 의 상태 를 알 수 없 다 . 따라서 또 하나 의 상태량 , 즉 압력 , 온도 , 비체적 을 알 면 그 상태 를 알 수 있 다 . 또 하나 의 상태량 , 즉 압력 , 온도 , 비체적 을 알 면 그 상태 를 알 수 있 다 . 
 이 와 같이 엔탈피 i 를 또 하나 의 상태량 과 조합 기 켜 두 축 으로 하 는 선도 를 작성 하 면 냉매 의 상태 를 선도 상 에 표시 할 수 있 다 . 일반 적 으로 엔탈피 를 횡축 으로 하 고 압력 P 를 종축 으로 하 여 냉매 상태 를 나타내 는 선도 를 물리 에 르 선도 라고 한다 . 
 냉매 를 몰리에르 선도 상 에서 구분 하 면 , 냉매 는 액체 , 기체 , 액체 와 기체 의 혼합 상태 ( 포화 상태 ) 로 구분 된다 . 여기 에서 는 몰리에르 선도 상 의 각점 에 따라 냉매 가 어떤 상태 로 존재 하 는지 를 설명 한다 . 
 ( 1 ) 포화 액 
 위 의 그림 중 A 점 에서 실린더 에 일정 압력 을 유지 시키 면서 액체 에 열 을 가하 면 액체 의 온도 는 상승 하 게 되 고 일정 온도 에 도달 하 면 더 이상 상승 하 지 않 는다 . ( B 점 ) 
 이 상태 의 액체 를 포화 액 이 라 하 며 이때 의 온도 및 압력 을 각각 포화 온도 , 포화 압력 이 라 한다 . 
 ( 2 ) 포화 증기 
 포화 액 을 계속 가열 하 면 액체 의 일부 가 온도 , 동일 압력 의 기체 로 변화 한다 . 이 기체 를 포화 증기 라 하 며 , 포화 액 과 포화 증기 가 공존 하 고 있 는 상태 ( C 점 ) 를 습포 화 증기 또는 간단히 습증기 라 한다 . 
 습포 화 증기 를 계속 가열 하 면 액체 ( 포화 액 ) 는 계속 증발 하 여 전부 기체 ( 포화 증기 ) 가 된다 ( D 점 ) . 이 상태 를 건포 화 증기 라 한다 . 
 ( 3 ) 과열 증기 와 과열 도 
 건포 화 능기 를 계속 가열 하 게 되 면 포화 증기 의 온도 는 계속 올라간다 . 이 와 같이 포화 온도 이상 으로 가열 된 증기 를 과열 증기 라 한다 ( E 점 ) . 과열 증기 의 포화 증기 의 온도 차 를 과 열도 라 한다 . 
 ( 4 ) 과 냉각액 과 과냉각 도 
 포화 액 을 냉각 하 면 온도 가 내려간다 . 포화 온도 보다 저온 의 액체 를 과 냉각액 이 라 한다 ( A 점 ) . 
 7 . 몰리 에 드 선도 와 냉동 사이클 
 냉동 사이클 을 몰리에르 선도 와 같이 표시 하 면 아래 그림 과 같 고 , . 냉매 의 상태 변화 는 몰리에르 선도 를 이용 하 면 간단히 고찰 , 계산 할 수 가 있 다 . 
 1 ) 압축 행정 ( A → B ) 
 증발기 에서 증발 을 완료 한 냉매 가스 는 과열 증기 로 압축기 에 흡입 되 어 단 열 과정 인 등 엔트로피 선 과 평행 하 게 진행 되 어 그려진다 . 압축기 입구 와 출구 에서 는 엔탈피 변화 ( A 1 - B 1 ) 는 압축기 의 일 량 과 같 다 . 
 2 ) 응축 행정 ( B → C ) 
 응축기 입구 의 냉매 는 고온 , 고압 의 과열 증기 상태 이 며 , 냉각핀 에 의해 냉각 되 어 지 고 과열 증기 에서 포화 증기 로 , 포화 증기 에서 포화 액 으로 상태 가 변화 한다 . 
 응축기 내 에서 의 냉매 응축 은 압력 이 일정 한 상태 에서 진행 되 며 일반 적 으로 등압 변화 라고 한다 . 몰리에르 선도 에서 등압 변화 는 수평선 으로 표시 되 며 엔 타피 차 ( B 1 - C 1 ) 가 응축기 의 방열량 과 같 다 . 
 3 ) 팽창 행정 ( C → D ) 
 응축기 를 통하 여 과 냉각액 이 된 고압 의 냉매 는 팽창 밸브 의 미세 한 통로 를 통과 함 으로써 감압 되 어 ( 교축 작용 ) 저 온 저압 의 무상 의 포화 액 이 된다 . 팽창 밸브 에서 의 상변화 는 교축 팽창 이 라 하 고 몰리에르 선도 에서 등 엔 탈피선 과 일치 하 며 수직선 으로 표시 된다 . 그러므로 팽창 밸브 의 직전 과 직후 의 냉매 의 엔탈피 는 같 다 . 
 4 ) 증발 행정 ( D → A ) 
 팽창 밸브 를 통과 한 냉매 는 무상 ( 霧 狀 ) 의 포화 액 상태 에서 증발기 로 들어가 차실 내 의 공기 로부터 열 을 빼앗 아 포화 증기 로 변화 한 후 다소 과열 증기 상태 로 변화 한다 . 증발기 내 에서 의 냉매 증발 은 , 일정 한 압력 하 에서 진행 되 는 등압 변화 이 며 , 엔탈피 의 변화 ( A 1 - D 1 ) 는 증발기 에서 흡수 한 열량 과 같 다 . 
 8 . 열 부하 와 냉동 능력 
 1 ) 열 부하 
 자동차 실내 에 는 외부 및 내부 에서 여러 가지 열 이 가해진다 . 이런 열 들 을 차내 열부 하 라고 한다 . 차량 의 열부 하 는 보통 4 가지 요소 로 분류 된다 . 
 ▶ 인체 로부터 의 발열 : 인체 의 피부 표면 에서 발생 되 는 열 로써 실내 에 수분 을 공급 하 기 도 한다 . 일반 성인 이 인체 바깥 으로 방열 하 는 열량 은 1 시간 당 100 Kcal / h 이 다 
 ▶ 복사 에 의한 열 의 침입 : 태양 으로부터 복사 되 는 열 은 자동차 의 외부 표면 에 직접 받 게 된다 . 이 복사열 은 자동차 의 색상 유리 가 차지 하 는 면적 , 복사 시간 , 기후 에 따라 차이 가 있 다 . 
 ▶ 전도 및 대류 에 의한 열 의 침입 : 자동차 의 벽면 부근 에 는 대류 에 의해 열 이 전달 된다 . 자동차 가 주행 중 에 는 대류 가 활발히 일어나 므로 침입 하 는 열량 이 많 아 지 게 된다 . 좀 더 실내 를 시원 하 게 유지 하 기 위해서 는 외기 와 의 온도 차 가 더 커야 하 기 때문 에 그만큼 많 은 열 이 침입 된다 . 
 자동차 의 표면 은 고온 인 외기 에 노출 되 고 실내 는 저온 이 므로 판넬 과 트림 을 과 해서 외기 열 이 침입 한다 . 또한 , 엔진 의 발열 로 엔진 룸 이 뜨거워지 므로 역시 판넬 과 트림 을 통해 열 이 침입 된다 . 
 ▶ 자연 환기 에 의한 열 의 침입 : 자동차 실내 는 완전히 차단 되 어 있 으나 주행 중 에 는 도어 나 유리 의 틈새 로 외기 가 들어오 거나 실내 공기 가 빠져나가 는 자연 환기 가 이루 어 진다 . 최근 에 는 대부분 의 자동차 에 강제 환기 장치 가 부착 되 어 있 다 . 환기 는 실내 의 건조 공기 를 외부 로 빼내 고 그 대신 외부 에서 습하 고 따뜻 한 공기 를 유입 하 므로 그 온도 차 만큼 열 및 수분 이 침입 하 는 셈 이 된다 . 자동차 에어 콘 은 위 와 같 은 열부 하 가 실내 에 침입 할 때 증발기 에서 열 을 흡수 하 며 , 응축기 에서 열 을 방출 하 는 작용 을 한다 . 
 2 ) 냉방 능력 
 냉방 능력 은 냉동기 가 열량 을 얼마 만큼 빼앗 을 수 있 는가 하 는 능력 을 말 한다 . 냉방 능력 의 표시 는 단위 시간 당 얼마 만큼 의 열량 을 빼앗 을 수 있 는가 를 나타내 며 " kcal / h " 단위 를 써서 표시 한다 . 햇빛 을 직접 받 는 장소 에 차 를 주차 해 두 면 차체 는 복사열 을 받 게 되 어 고온 이 되 고 , 실내 의 좌석 이나 계기 류 도 뜨거워진다 . 이 상태 를 「 축 열 되 었 다 」 라고 말 하 고 , 이 상태 에서 자동차 에어 콘 을 작동 시키 면 , 자동차 에어 콘 은 전항 ①~④ 의 열 부하 이외 에 도 축 열 된 열 을 배출 하 기 위해서 냉방 능력 을 발휘 하 여야 한다 . 이때 에어 콘 이 발휘 하 는 냉방 능력 을 최대 냉방 능력 이 라 한다 . 작동 개시 후 어느 정도 시간 이 경과 하 면 축 열 에 의한 열부 하 는 급격 한 변화 에 대응 하 는 냉방 능력 을 발휘 할 수 있 도록 자동 조절 된다 . 이상 과 같이 냉방 능력 은 주어진 열 부하 에 따라서 다양 하 게 변화 된다 .