에어컨과 히터, 이렇게 발전해 왔어요

자동차 공조장치의 변화




뜨거운 여름에는 차가운 에어컨으로 쾌적하게, 추운 겨울에는 히터로 따뜻하게 해주는 공조 시스템은 어느새 운전자에게는 없어선 안 될 필수 옵션으로 자리 잡았다.

자동차를 운전할 때 당연히 있어야하는 편의장치로 사랑받고 있는 히터와 에어컨은 과연 어떤 변화를 거쳐 오늘날에 이르렀을까.

뜨거운 여름에 에어컨이 필수였던 여름이 가고 기온이 낮아지면서, 이제는 히터를 켜는 빈도가 높아지고 있다.

이와 같이 더울 때는 차가운 바람을 송출하는 에어컨을, 추울 때는 높은 온도의 바람으로 따뜻한 실내 공간을 제공하는 차량용 공조장치는 자동차에서 빼놓을 수 없는 필수품으로 자리 잡았다.

자동차의 공조장치는 크게 자동차의 행정 시 발생하는 열을 통해 실내를 덥히는 히터와 냉매를 이용해 실내 공간의 온도를 낮추는 에어컨, 외기와 내기로 차량을 환기하는 기능으로 나눠져 있다.

최근 코로나19와 미세먼지 이슈 등으로 공기청정기능이 탑재되는 등 공조장치의 기능도 계속 늘어나고 있는 중이다.

이처럼 운전자의 주행을 쾌적하게 유지해주는 공조장치는 어떻게 생겨났으며, 100년이 넘는 시간 동안 어떤 변화를 통해 지금에 이르게 됐을까.



1886년 최초의 내연기관 자동차가 탄생했을 때에는 현재 우리가 알고 있는 히터나 에어컨 등의 공조장치라고 할 만한 것들이 탑재돼있지 않았다.

그 이유는 초창기 자동차의 경우 동력원이 말에서 엔진으로 바뀌었을 뿐 탑승 공간이 외부와 트여있는 기존 마차의 형식과 비슷해 냉·난방에 대한 필요성이 크지 않았기 때문이다.

하지만 자동차 동력계의 성능이 높아지기 시작하면서 점점 자동차의 탑승석은 폐쇄형으로 변화하기 시작했고, 자동차의 주요 소비 계층이 귀족과 같은 상류층이었던 만큼 겨울철에 따뜻한 실내를 원하는 요구가 점점 많아지기 시작했다.

자동차 산업도 소비층의 니즈에 따라 자동차의 동력계뿐만 아니라 쾌적하고 편안한 주행 환경을 제공하는 데도 초점을 맞추기 시작했다.



그렇게 1893년, 자동차의 히터가 발명되며 실질적인 공조장치의 역사가 시작됐다. 최초의 히터는 의외로 오늘날에도 많은 내연기관 자동차에서 사용하는 엔진 열을 활용하는 방식이었다.

이 히터 장치를 발명한 여성 엔지니어 마가렛 A 윌콕스는 엔진의 냉각수를 라디에이터에 순환시켜 외부에서 유입되는 공기가 라디에이터를 통과해 차량의 실내를 덥히도록 기능을 설계했다.

하지만 히터가 발명된 당시에는 개방형 마차 형태의 자동차가 주류를 이루고 있었고, 냉각수 대신 물로 엔진을 식히는 공랭식 자동차의 수가 많았기 때문에 이 방식의 히터 장치가 빛을 보는 데에는 조금 오랜 시간이 걸렸다.

오히려 당시의 자동차 운전자들은 기존의 마차에서 사용했던 가스버너를 자동차에 그대로 사용하는 경우가 많았다.

이 가스버너는 석탄이나 석유 등 별도로 연료가 필요했기 때문에 자리를 차지함은 물론 화재 등의 위험도 컸다.

이에 당시 전문가들은 엔진 옆에 소형 보일러를 장착하거나, 뜨거운 배기가스를 순환시켜 실내 온도를 높이기도 하고, 엔진을 통과한 열기를 직접 실내로 유입되도록 하는 등의 방법을 고안해내기 시작했다.



하지만 이와 같은 방식은 대부분이 효율적이지 않아 실패로 돌아갔고, 처음 발명됐던 엔진 열 활용 방식이 사용되기 시작했다.

그렇게 1930년, GM이 최초로 냉각수 라디에이터인 히터 코어를 통한 차량용 히팅 방식을 개발해 상용화하게 된다.

이 방식은 외부에서 유입된 공기는 냉각수 라디에이터를 통과하며 따뜻해진 뒤 블로워 모터를 거쳐 실내에 유입되는 형태로 이뤄진다.

이 방식의 난방 시스템은 이후 전 세계 자동차 시장의 표준 히터 방식으로 자리 잡으며 대부분의 자동차에 널리 사용되게 된다.

이처럼 히터는 약 90년 전 발명된 간단하면서도 효율적인 방식이 지금까지 이어져오고 있다.

그렇다면 뜨거운 여름에도 쾌적한 실내에서 편안한 주행을 돕는 에어컨은 언제부터 시작됐을까.

최초의 에어컨은 에어컨 브랜드로도 유명한 윌리스 캐리어의 손에서 시작됐다.

1902년 미국 브룩클린의 인쇄공장의 의뢰로 온·습도 조절장치를 발명한 윌리스 캐리어는 1906년 장치의 이름을 공기 조절 장치(Apparatus for Treating Air)로 변경하며, 현재 사용하고 있는 구조의 에어컨을 세상에 알렸다.



하지만 이 당시 사용됐던 에어컨은 불에 잘 붙고 유독 물질이 많은 냉매를 사용해 프레온 냉매가 사용되기 전까지 제대로 상용화되지 못했다.

높은 가격과 큰 부피로 인해 자동차에 적용되는 데도 오랜 시간이 걸렸다.

에어컨의 발명은 1902년에 이뤄졌지만, 차량용 에어컨은 이후로 30년 세월이 흐른 1933년 미국 자동차 회사들의 손에서 만들어지게 됐다.

차량용 에어컨이 발명된 1930년 대 초창기에는 차량용 에어컨을 자동차에 공장에서 직접 제작하지 않고, 생산 라인에서 차량 조립이 완료된 뒤 에어컨 공장에서 차량용 에어컨을 설치하는 방식으로 만들어졌다.

가격도 오늘 날의 물가로 치면 약 500만 원에 달하는 고가 옵션이었고, 트렁크 용량의 절반을 차지할 만큼 부피도 거대했다.

게다가 부족한 내구성과 온도 조절을 할 수 없어 차량 구매자들에게 큰 인기를 얻지는 못했다.

그렇게 1953년이 되던 해 미국의 자동차 제조사 크라이슬러에서 자사의 플래그십 세단 ‘임페리얼’에 현재와 흡사한 방식의 차량용 에어컨 시스템인 에어템프를 개발해 탑재하면서 에어컨 상용화의 역사가 시작됐다.

이 에어템프 시스템은 현재 사용되고 있는 차량용 에어컨과 같이 래디얼 콤프레서를 도입해 빠르고 뛰어난 냉각 효율을 자랑했고, 여기에 습도 조절 및 공기 정화 기능도 함께 갖춰 오늘 날까지 이 방식을 기반으로 에어컨 장치가 발전하고 있다.

이 다음 해에는 내쉬 사의 모델 앰버서더가 세계 최초의 통합공조장치를 장착하고 자동차 시장에 모습을 드러냈다.



기존의 자동차에는 에어컨 기능과 히터, 송풍 기능이 각각 분리돼 있었는데, 이 차량을 시작으로 오늘 날의 통합 공조장치 방식이 주를 이루게 된다.

게다가 당시 500만 원 정도에 달했던 에어컨 옵션에 비해 내쉬 사의 통합 공조 장치 옵션은 약 350만 원 정도밖에 되지 않아 많은 사랑을 받을 수 있었다.

온도 조절을 할 수 없었던 에어컨 온도 조절도 1964년 캐딜락이 세계 최초로 다이얼 방식의 온도조절장치를 출시하면서 가능해졌다.

캐딜락의 다이얼 방식은 차량의 송풍구 플랩을 조정해 에바포레이터를 통과한 찬 공기와 히터를 켰을 때 발생하는 따뜻한 공기를 혼합해 온도를 저장하는 방식이다.

이 방식은 오토 에어컨 시스템이 보급된 현재도 옵션이 없는 차량이나 렌터카에서 종종 볼 수 있다.

이 같은 큰 변화로 인해 에어컨의 수요도 빠르게 증가했다. 당시 유행했던 컨버터블 자동차 시장도 크게 위축되면서 차량용 에어컨 탑재율이 기하급수적으로 올라가기 시작했다.

에어컨 시스템의 가격도 점점 낮아져 1960년에는 미국 전체 자동차 중 20% 정도에 불과했던 에어컨 보급율도 1969년에는 54%에 이를 정도로 높아졌다.

이 시기 이후로 에어컨은 차량에 없어선 안 될 필수 옵션으로 여겨졌으며, 에어컨의 장착 여부가 중고차 시세에도 큰 영향을 주는 데 이르렀다.

이후 1980~1990년대를 거쳐 현재에 이르기까지 에어컨 및 공조장치는 대부분의 차량에 기본 사양으로 장착되고 있다.



또한, 이 시기에는 고급차에 다이얼 방식이 아닌 전자 외기 센서를 통해 자동으로 온·습도 등을 조절해주는 오토 에어컨도 모습을 드러내기 시작한다.

온도계가 차량 내부 온도를 감지해 공조장치가 플랩을 제어해 운전자가 원하는 쾌적한 온도를 지속적으로 유지해주는 전자식 오토 에어컨은 과거에는 고급차에만 들어가던 상징적인 옵션이었으나, 현재는 경차에도 상용화될 정도로 보편화 되고 있다.

더 나아가 앞좌석의 개별 온도 조절은 물론, 후석 온도 조절까지 제어할 수 있는 독립 공조 시스템이 자동차 시장에서 자리잡아가고 있으며, 하이브리드 모델과 같은 친환경차의 경우 연비까지 고려한 냉난방 제어 시스템이 탑재되기도 한다.

현재는 차량에 탑승하기 전 미리 시동을 걸고 원하는 온도로 냉·난방 조절을 제어하거나, 내비게이션 정보와 연동돼 터널 통과 시 환기 모드를 내기순환으로 바꿔주는 등 IoT와 접목한 지능형 공조 시스템이 각광받고 있다.

이처럼 자동차의 공조장치는 실내를 쾌적하게 만든다는 목적 아래 계속해서 진화를 거듭하고 있다.

그렇다면 미래의 공조장치는 어떤 시스템이 주류를 이루게 될까. 현재 내연기관 자동차 시장이 저물어가면서 공조장치도 큰 변화의 시기를 맞이하고 있다.



현재 진행형이기도 하지만 앞으로의 공조장치는 현재 사용되고 있는 내연기관차의 공조장치는 엔진 열을 이용한 히터, 냉매와 컴프레서 구동을 통해 찬 공기를 발생시키는 에어컨이 아닌 히트펌프 방식의 공조 시스템이 주를 이룰 것으로 전망된다.

히트펌프 방식은 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어 올린다하여 붙여진 이름이다.
 
처음에는 냉장고나 냉동고, 에어컨 등 압축 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발됐으나, 현재는 냉매의 발열 또는 응축열을 사용하면서 저온의 열원을 고온으로 전달하는 냉방장치와 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치를 겸용하는 통괄 공조장치의 의미로 쓰인다.

현재 대부분의 전기차에는 냉방과 난방을 겸용하는 구조의 히트펌프가 탑재돼 있다.
 
난방 시에는 압축기에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시켜 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하도록 구성하고,

냉방 시에는 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환돼 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만든다.

쉽게 말하자면, 에어컨 실외기를 실내에 두고 에어컨 본체를 실외에 설치하면 난방으로 사용할 수 있고, 실외기를 밖에 설치하고, 본체를 실내에 두면 냉방으로 사용할 수 있는 것과 같은 원리다.

실제로 히트펌프는 밸브를 이용해 냉매 순환을 반대로 돌게 하며 냉·난방을 전환한다.



이처럼 히트펌프 방식의 경우 냉방 시에는 내연기관 차량의 에어컨과 비슷한 효율을 내지만, 엔진에서 발생한 열을 이용하는 내연차와 달리 실내를 덥힐 때도 밸브를 돌려 에너지를 소비해야 해 효율이 낮을 수밖에 없는 구조였다.

하지만 최근에는 배터리나 모터에서 발생하는 약간의 열을 재사용해 히터를 구동하는 PTC 히트 펌프가 적용돼 기존 히트펌프 방식보다 효율이 개선되고 있으며,

현재는 효율이 20~30% 정도밖에 개선되지 않았지만, 기술이 발전함에 따라 효율은 더 올라갈 것으로 보인다.