자동차 메카트로닉스-4

6.4 공조

 자동차의 공기조화 시스템의 구성은 이러한 목적을 달성하기 위해 온수 흐름도와 전기회로와 같은 기능과 이에 필요한 장치를 포함하고 있다. 이러한 기능을 가진 장치는 독립해서 작용할 뿐 아니라 각 기능이 서로 관련하여 실내의 공기 조화장치로서의 목적을 수행하고 있다.

1. 난방장치

 난방장치의 종류는 엔진에서 발생하는 열을 이용하는 것과 엔진 이외의 열원을 사용하는 것이 있으며, 그 열원에 따라 온수식, 연소식 및 기타 방식으로 나눈다. 또, 공기의 흡입방법에 따라 내기 순환식, 외기 순환식 및 내외기 겸용 식이 있다.

1) 온수식 히터

 온수식 히터는 가장 많이 쓰이는 형식이며, 기관의 냉각수 히터 유닛의 열교환기로 보내, 여기서 공기를 데운 다음 이 더운 공기를 송풍기로 차실과 디프로스터로 불어낸다. 그 구조는 히터 유닛, 송풍기, 물 호스, 공기 통로 및 각종 밸브와 스위치 등으로 구성되어 있다. 

히터 유닛은 기관의 물 재킷으로부터 들어온 온수가 유닛 속의 가는 파이프를 통과하게끔 만들어져 있고, 각 파이프 사이에는 방열핀을 부착하여 방열 효과를 높인다.

 송풍기는 장시간의 고속회전을 위해 특수한 무급유 베어링을 사용한 직류 직권식 전동기가 사용되며, 전동기 축에는 유닛의 열을 강제적으로 방출시키는 팬이 부착되어 있다.

 객석 아래 여러 곳에 설치하고, 기관의 냉각수를 배관하여 난방하는 방식과, 대형 열교환기로 더운 바람을 만들고 덕트를 통해 차실 바닥면 근처나 또는 창밑의 여러 곳에서 배출하는 집중 온수 식이 있다. 

 송풍기 전동기의 회전은 난방효과를 조절할 수 있도록 고속 또는 저속으로 변속하게 되어 있으며, 전동기에 직렬로 연결된 저항값을 전환 스위치로 바꾸어 고속, 중속, 저속의 변속을 한다.

2. 냉방장치

 자동차용 냉방장치는 액체 냉매가 증발할 때 주위의 열을 흡수하는 현상을 이용하여 냉방작용을 하는 것이며, 또한 제습과 공기 여과기를 두어 실내 공기 속의 먼지도 제거하게 되어 있다.

 냉방회로 내에서 팽창 밸브까지 고압으로 보내진 냉매는 밸브의 작은 구멍을 통해 증발이 안으로 분사되면, 증발기의 파이프 주변에서 열을 흡수할 때 활발히 증발하여 이때 차실 내의 더운 공기를 송풍기로 불어 증발기의 파이프 주변으로 통하게 하면 공기는 냉각되어 차실 내는 냉방된다. 그리고 증발기에서 공기의 열을 흡수하여 증발 기화한 냉매는 압축기로 압축하여 고온고압(약 70도, 15kg/cm²)의 기체가 되어 응축기로 간다

 응축기로 들어간 냉매는 여기서 증발할 떄 흡수한 열을 방출하여(외부 공기에 의해 냉가 되어) 액화(이때의 온도는 약 50도이다) 한다. 액체로 된 냉매는 수액기에 잠시 저장되어 사이트 글라스 및 드라이어, 스트레이너를 지나, 다시 팽창 밸브로 가서 증발기 속으로 분사되어 냉각 작용을 한다.

1) 냉매

냉방장치에서는 냉매가 회로 안을 순환하여 액체-> 기체-> 액체로 그 상태가 변하는 과정에서 냉각 작용을 하며, 이것을 냉동사이클이라 한다. 냉매란, 냉각 사이클 속을 순환하면서 열을 전달하는 휘발성 물질이며, 자동차에서는 무색, 무취의 냉매 R-12를 사용한다. 냉매 R-12는 대기압에서 -29.8도로 비등하고 0도에서 약 37kcal/kg의 증발열을 가지고 있으며, 일반적으로 냉매 특성은 증발열이 크며, 액화가 용이하고 특성 및 부식성이 적다. 최근에는 프레온 대신 R134A를 개발하였으며 무공해 가스로서 실용화되고 있다.

2) 승용차용 냉방장치

 승용차용 냉방장치는 증발기의 설치위치에 따라 다음과 같이 분류된다. (대기식, 트렁크식)

 대시식은 증발기가 차실 앞쪽에 있는 대시판에 설치되어 있어 앞에서 불어오는 차가운 공기에 의해 상쾌한 느낌을 얻기 쉬운 장점이 있으며, 난방장치와 조합하여 냉방과 제습의 작용을 하는 공기조화장치의 설치가 용이하다. 또, 트렁크식은 차실 뒤쪽 트렁크실에 설치되어 있으므로 공간적인 여유가 있어서 냉방능력을 대시형보다 크게 할 수 있다.

 

6.5 신소재

 자동차의 연료소비는 차량의 중량에 따라 증대하기 때문에 연료절감 및 주행 성능의 향상을 위해서는 경량화가 필수적이며 배기가스 구제, 안전기준의 강화 및 지구온난화에 의한 사회적 요구가 강해짐에 따라 차량의 중량 증대가 예상되므로 차량의 경량화는 더욱 큰 비중을 차지하게 되었다. 이러한 내용을 배경으로 자동차의 차체와 새시, 엔진 등 각 부품에 대한 경량화 추진에 그 목적을 두고 있다.

1. 신소재

1) 고장력 강판 

 일반강의 경우 성형이 잘 되고 성형 후에 변형이 잘 되면 패널이 작은 경우는 유리하지만 패널 사이즈가 커지면 불리해진다. 반대로 변형이 잘 안 되고 가볍고 패널 사이즈가 작으면 불리하고 커지면 유리하다. 이러한 문제를 보완하여 패널 크기에 관계없이 경량화와 성형성을 고려한 것이 고장력 강판이다.

2) 초경량 차체

 자원절약 및 지구환경개선 요구 증대로 차체의 경량화에 의한 고 연비 자동차를 생산할 목적으로 철강제의 사용을 계속 유지하는 생각이다. ULSB의 장점 및 특징은 차량의 경량화, 성형성 및 용접성, 내식성이 우수하다는 것이다. ULSB의 신기술은 고장력 강판의 확대 적용 및 샌드위치 강 및 하이드로포밍 기술을 적용하고, 용접은 차체 레이저빔 용접 등을 적용하여 차체의 중량을 줄이고 강성을 늘려 경량화를 도모해야 할 것이다. 

3) 알루미늄 합금

 경량화의 방법으로 알루미늄(AI)의 적용 빈도도 높아지고 있다. 특히, 일본의 경우 전기자동차의 차체를 알루미늄으로 개발하고 있으며, 미국의 경우 1970년 이후 다수의 박판용 알루미늄이 개발되어 프레스 성형, 접합, 표면처리 등의 가공기술이 확립됨으로써 다수의 알루미늄 합금제 패널을 적용하고 있다. 알루미늄의 특수성은 경량성, 비강도성, 열전도성, 재활용성이 우수하다는 것이다.

 또한 알루미늄은 기존의 후드, 트렁크리드, 도어, 휠 등에 부분적으로 적용되고 주물 및 다이캐스팅 제품으로 엔진이나 동력 전달 당치에도 성형가공기술의 발달과 우수한 알루미늄 합금제의 개발로 차체 전체를 알루미늄으로 개발하고 있다.

 경량화를 위한 세 가지 기술로 성형성과 접착성을 고려한 공법 기술, 경량재료를 사용하여 금속 수지 등의 접합 방법을 고려한 재료기술, 차체와 유닛 등의 구조를 합리화 또는 최적화시키는 구조기술 등을 공동으로 개발해나갈 필요가 있다.

4) 티타늄 합금

 티타늄(Ti) 함금은 강도와 내식성이 좋고 가벼우므로 새로운 산업용 소재 및 자동차용 부품으로 사용하려는 노력이 꾸준히 연구되고 있다. 가격이 강에 비하여 월등히 비싸지만 높은 온도에서 강도 및 인성, 내 충격성, 내 피로성이 매우 우수하기 때문에 엔진의 부품에 대체재료 밸브, 밸브 리테이너, 커넥팅 로드, 밸브 스프링, 크랭크 샤프트, 밸브 샤프트 등에 적용 비율이 증대되고 있다.

 

2. 복합재료

1) 개요

 복합재료는 주로 항공 우주분야에 많은 적용 되며 경량, 강성, 내식성이 우수한 재료 특성을 가졌기 때문에 자동차의 외장부품에 적합한 재료로 알려져 있다. 일반 산업용으로는 골프채, 스키, 테니스 라켓 등 스포츠용품에 많이 사용하고 있다. 복합재료의 성분은 탄소섬유 등 고강도 섬유로서 성형성이 양호한 특징을 지니고 있다.

2) 특징과 사용

 가볍고 녹슬지 않고, 충격에 강하고 형상을 자유로이 성형할 수 있으며, 차체형상을 성형할 때 자유롭게 제작이 가능하다. 그리고 외장, 섀시, 엔진부품, 기타 부품 등에 사용된다.

3. 세라믹

1) 개요

 고기능 구조용 세라믹은 세계의 치열한 경쟁에서 산업경제에 커다란 영향을 미칠 수 있는 중요한 기술이다. 세라믹은 고온이나 부식에 견딜 수 있고 강도와 인성이 뛰어나 가벼우며, 다른 금속이나 고분자 재료와 비교할 때 내마모성, 내열성, 내화학성이 요구되는 부분에 적용할 수 있다. 세라믹은 내충격성이 떨어지므로 차량의 진동, 충격 등에 취성이 발생할 수도 있기 때문에 세라믹을 실제 응용에 사용할 때에는 많은 제한이 있다. 최근에 세라믹 목표는 세라믹의 성질을 개선함으로써 취성 파괴를 없애거나 최소화하여 적용한다. 그러나 세라믹은 가격이 비싸고 복잡한 형상의 제조가 어려운 점 등 극복해야 할 한계점이 있다. 

2) 성질 및 사용

새로운 세라믹 재료의 특징은 다음과 같다

- 모든 세라믹 재료는 균열이 성장하기 전이나 성장하는 도중에 균열의 에너지 소모를 증대시켜 재료의 인성을 증대시킨다.

- 세라믹에 레진을 적용하여 섬유 사이의 접촉을 방지하여 인성을 증대 시킨다.

- 계면에서의 반응 생성물 층과 섬유코팅 사이의 기계적 영향을 고려한다.

- 제조과정에서 기계적 손상을 입지 않도록 코팅을 한다.

- 1100도 이상에서 강도가 저하되는 것을 막기 위해 화학증착법을 적용한다.

 그리고 적용사례는 자동차 산업의 차량 경량화, 내부식 등을 고려하여 피스톤, 캠 샤프트, 피스톤 로드, 엔진 블록, 터보차 전용 터빈, 후처리장치 등에 적용되며, 특히 산업용 부품에 적용이 증대되고 있다. 

4. 반도체

 반도체는 자동차의 전기전자 부품으로 다양하게 사용되고 이으며, 최근 각종 전자제어의 회로와 소자 등에 활용성이 크게 증대되므로 활발히 개발되고 있다. 그리고 여러 가지 전기 재료 중 전기적 분류에서 어느 조건하에서만 전기가 잘 통하는 반도체가 있으며, 이것은 물질의 고유저항에 따라 분류된다.