KR101221606B1 - 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치 - Google Patents

압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부공기를 흡입하여 압축하는 공기 압축부와; 상기 공기 압축부로부터 압축된 공기를 팽창시키는 공기 팽창부와; 상기 공기 압축부의 압축된 공기와 상기 공기 팽창부의 팽창된 공기를 전달하되, 압축된 공기 또는 팽창된 공기를 독립적으로 전달하거나, 혼합하여 전달하는 라인부와; 상기 라인부로부터 전달받은 공기의 온도를 체크하며 배출하는 배출부; 및 상기 공기 압축부의 압축력과, 공기 팽창부의 팽창력 조절 및 라인부의 공기 흐름을 조절하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치에 관한 것으로, 특히 냉풍 온풍의 생산을 각각 독립적으로 생산함으로써 냉온풍 조절이 용이해진 것이 특징이다.

Description

압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치{Air Cycle Machine}
본 발명은 냉풍기와 온풍기를 동시에 사용할 수 있는 무냉매 친환경 냉온풍 장치로서, 기존의 ACM(Air Cycle Machine)과 달리 냉풍과 온풍을 독립적으로 생산함으로써 냉온풍 조절을 용이하게 하여 냉온풍 공급을 효율적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 공기 순환 장치에 관한 것이다.
현재 세계는 지구온난화로 에너지 사용 규제가 점점 강화되고 있으며, 프레온(Freon)냉매를 사용함으로 인한 대기 중의 오존층 감소 등 용인으로 인하여, 현재의 프레온냉매 보다 천연냉매를 활용하는 쪽으로 기술개발이 활발하게 전개되고 있다.
천연냉매로는 탄화수소(hydrocarbon) 계열의 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 프로필렌 등과 암모니아(NH3), 이산화탄소, 공기 등이 있다.
이들의 경우, 탄화수소계열은 탄소와 수소로만 구성되어, 독성이 없고 화학적으로 안정적이며 지구온난화지수(GWP)도 3으로 낮아 우수한 천연냉매로 보이지만 가연성(flammability)이 매우 높아 위험한 것이 단점이며, 암모니아(NH3)는 우수한 열역학적 특성과 상대적으로 높은 효율을 지닌 냉매이지만 독성이 치명적이고 가연성이 높으며 작동압력이 높아 특수한 관리가 필요하며, 이산화탄소(CO2)의 경우, 독성과 가연성이 없고 안정성이 뛰어난 냉매이지만, 임계온도(31℃)가 낮기 때문에 super-critical 압력에서 응축(냉각)과정을, 그리고 sub-critical 압력에서 증발과정을 해야하는 trans-critical 사이클을 이루어 기술적 접근이 어려운 난점이 있다.
따라서 이러한 분야에서 공기를 천연냉매로 사용하는 것이 저온 냉동시시틈(-40℃ 이하)의 경우 프레온 냉매를 사용하는 것보다 성적계수(COP)도 높고 독성이나 가연성 등도 없어 현재로서는 가장 적합한 것으로 여겨지게 되었다.
즉, 공기를 사용하는 냉동사이클은 에너지 활용면에서도 효율적이고, 친환경적이라, 축산 및 수산 분야에서의 활용이 매우 클 것으로 기대된다.
한편, 도 1은 기존의 비행기나 헬기 등에 사용되고 있는 공기 순환 장치 ACM이며, 공기 냉각과 기내의 압력을 조정하여 더욱 쾌적한 환경을 유지하며 기내의 각종 정밀 기기의 냉각용에도 사용된다.
ACM의 기본 원리는 공기를 압축하여 고압으로 변환할 때의 단열 압축에 의한 온도 상승과, 반대로 압력을 낮출 경우 단열 팽창에 의한 온도 하강의 현상을 이용하는 것이다.
즉, 도 1을 참조하여 상세히 설명하면, 엔진 등에 의한 고온의 공기는 유입관(201)을 통해 유입되어, 열교환기(202)를 지나면서 1차 냉각되고, 다른 열교환기(203)에 의해 2차 냉각되며, ACM 터빈(402)을 회전시켜 단열팽창 현상으로 온도가 급하강 되며 배출되거나, 고온의 공기를 관로(301)를 통해 직접 배출하거나, 온도센서(204,205)의 신호를 기초로 고온의 공기와 상기 배출되는 저온의 공기를 제어용 밸브(302)로 적절하게 조절하여 적당한 온도의 공기로 배출된다.
여기서, ACM 터빈(402)과 강제 냉각팬(401)은 샤프트(403)로 직결되어 있어, ACM 터빈(402)의 회전으로 강제 냉각팬(401)이 회전되면 강제 냉각팬(401)은 외부의 찬공기를 흡입하는 역할도 하지만 ACM 터빈(402)의 부하로도 작용이 되어 ACM 터빈(402)의 회전력을 감소시킨다.
따라서 이러한 구조는 ACM 터빈(402) 및 강제 냉각팬(401)을 독립적으로 제어할 수 없으므로, 많은 에너지가 낭비되며 온도 역시 정밀하게 제어할 수 없는 단점을 갖게 된다.
본 발명의 목적은 기존의 공기 순환 장치(ACM)에서 이룰 수 없었던 냉,난방을 하나의 기기에서 선택 사용할 수 있는 본 발명에 따른 공기 순환 장치를 제공하려는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 고효율의 공기 순환 장치를 제공하려는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 냉매가스를 사용하지 않고 순수 공기만으로 냉난방을 실현할 수 있는 공기 순환 장치를 제공하려는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 외부공기를 흡입하여 압축하는 공기 압축부와; 상기 공기 압축부로부터 압축된 공기를 팽창시키는 공기 팽창부와; 상기 공기 압축부의 압축된 공기와 상기 공기 팽창부의 팽창된 공기를 전달하되, 압축된 공기 또는 팽창된 공기를 독립적으로 전달하거나, 혼합하여 전달하는 라인부와; 상기 라인부로부터 전달받은 공기의 온도를 체크하며 배출하는 배출부; 및 상기 공기 압축부의 압축력과, 공기 팽창부의 팽창력 조절 및 라인부의 공기 흐름을 조절하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 의하면, 기존의 ACM에서 이룰 수 없었던 냉난방을 하나의 기기에서 선택 사용할 수 있는 효과 있다. 또한, 발전기에서 생산한 전력을 압축기 제어모듈을 통해 압축기에 반환하여 고효율운전이 가능하며 정밀한 온도 제어가 가능한 효과가 있다.
또한, 발전기에서 생산한 전력을 기타 전력을 필요로 하는 곳에 활용할 수 있으며, 냉매 가스를 사용하지 않고 순수 공기만으로 냉난방을 실현하므로 친환경적인 장점이 있다.
도 1은 종래의 비행기나 헬기 등에 사용되고 있는 공기 순환 장치(ACM)의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치의 동작관계를 나타낸 도면.
본 발명은 도 2에 도시한 바와 같이 공기 압축부(10)와, 공기 팽창부(20)와, 라인부(30)와, 배출부(40) 및 제어부(70)를 포함하여 구성하되, 압축 공기와 팽창 공기는 각각 공기 압축부(10)와 공기 팽창부(20)로부터 독립적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치에 관한 것이다.
공기 압축부(10)는 외부공기(예컨대 상온(25℃)의 공기)를 흡입하여 압축함으로써 외부공기의 온도보다 상승시키는 구성이다.
한편, 공기 압축부(10)는 압축된 공기를 바이패스관(15)을 통해 라인부(30)에 직접 공급하거나, 제1 열교환기(14)로 열교환한 후 라인부(30)에 공급한다.
이를 위해서 공기 압축부(10)는 도 2에 도시한 바와 같이 외부 공기의 유입통로인 제1 유입관(11)과, 상기 제1 유입관(11)을 통해 외부 공기를 강제 흡입하여 압축하는 압축기(12)를 포함하며, 제1 열교환기(14)와, 상기 제1 열교환기(14)의 양측을 연결하는 바이패스관(15)과, 상기 바이패스관(15)의 공기 흐름을 단속하는 밸브(16,17)와, 상기 제1 열교환기(14)를 강제 냉각하는 냉각팬(19)이 더 구비된다.
따라서, 공기 압축부(10)는 압축기(12)에 의해 흡입되는 외부 공기를 바이패스관(15)으로 열교환 없이 라인부(30)에 공급하거나, 상기 외부 공기를 제1 열교환기(14)로 열교환한 후 라인부(30)에 공급할 수 있다.
그리고 상기 제1 유입관(11)에 필터(13)를 더 구비하면, 외부 공기에 포함된 이물질을 필터링할 수 있어 보다 청정한 공기의 제공을 목적으로 한다면 필터(13)를 구비하는 것이 바람직하다.
공기 팽창부(20)는 상기 공기 압축부(10)로부터 압축된 공기를 공급받아 팽창시킴으로써 압축 공기의 온도를 하강시키는 구성이다.
한편, 공기 팽창부(20)는 팽창된 공기를 라인부(30)에 직접 공급하거나, 도 2에 도시한 바와 같이 압축된 공기와 팽창된 공기를 이용하여 열교환 한 후 라인부(30)에 공급할 수 있다.
이를 위해 상기 공기 팽창부(20)는 압축 공기가 유입되는 제2 유입관(21)과, 상기 제2 유입관(21)을 통해 유입되는 압축 공기를 팽창시키는 팽창기(27)를 포함하며, 상기 제2 유입관(21)의 내부에는 제2 열교환기(23)를 구비하고, 상기 팽창기(27)로부터 팽창된 공기가 상기 제2 열교환기(23)에 전달되도록 팽창기(27)와 제2 열교환기(23)를 연결하는 제2 연결관(24)을 구비한다. 공기 팽창부(20)를 이와 같이 구성하면 상기 유입되는 압축공기는 제2 열교환기(23)의 외측을 경유하게 되고 팽창기(27)를 통해 팽창된 뒤 팽창된 공기가 제2 열교환기(23)의 내측으로 이동되게 되므로 상기 공기 팽창부(20)는 압축 공기와 팽창 공기를 열교환 시키며 라인부(30)에 공급할 수 있다.
여기서, 팽창기(27)는 압축 공기에 의해 회전되는 팽창터빈(25)과, 상기 팽창터빈(25)에 부하를 제공하는 발전기를 포함하며, 상기 발전기는 고정자(26b)와 회전자(26a)를 포함한다.
라인부(30)는 상기 공기 압축부(10)의 압축된 공기와 상기 공기 팽창부(20)의 팽창된 공기를 배출부(40)에 전달하되, 압축된 공기 또는 팽창된 공기를 독립적으로 전달하거나, 혼합하여 전달하는 구성으로서, 도 2에 도시한 바와 같이 메인밸브(37)를 포함한다. 메인밸브(37)는 3웨이 밸브일 수 있으며 이러한 3웨이 밸브를 이용하여 공기 압축부(10)의 압축 공기와, 공기 팽창부(20)의 팽창 공기를 독립적으로 각각 내보내거나, 적절하게 혼합하여 내보낼 수 있다.
배출부(40)는 상기 라인부(30)로부터 전달받은 공기의 온도를 체크하며 배출하는 구성으로, 라인부(30)로부터 공급되는 공기의 온도를 센싱하는 온도센서(41)와, 상기 라인부(30)로부터 공급되는 공기를 감압하는 감압부와, 상기 라인부(30)로부터 공급되는 공기의 소음을 감소시키는 소음 감소장치를 포함한다.
제어부(70)는 상기 공기 압축부(10)의 압축력과, 공기 팽창부(20)의 팽창력 조절 및 라인부(30)에서 배출부(40)로의 공기 흐름을 조절하는 구성으로, 공기 압축부(10)의 압축기(12)를 제어하는 압축 제어모듈(71)과, 팽창터빈(25)에 부하를 제공하기 위한 발전기의 회전자(26a)의 회전속도를 제어하는 발전기 제어모듈(72)과, 온도센서(41)의 신호를 기초로 메인 밸브(37)의 개폐량 조절과 압축 제어모듈(71) 및 발전기 제어모듈(72)을 제어하는 메인 제어모듈(73)을 포함한다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치의 동작관계를 설명한다.
<온풍시>
압축 제어모듈(71)을 통해 압축기(12)를 구동하면 외부 공기는 압축기(12)에 의해 제1 유입관(11)으로 유입되어 압축기(12)에 의해 압축되고, 압축된 공기가 바이패스관(15)과 라인부(30)를 거쳐 메인밸브(37)에 도달하면, 메인밸브(37)는 이를 배출부(40)에 직접 전달한다. 이때 메인밸브(37)는 3way 방식이기 때문에 공기 팽창부(20)측은 차단함으로써 열손실을 최소화한다.
<냉풍시>
압축 제어모듈(71)을 통해 압축기(12)를 구동하면 외부 공기는 압축기(12)에 의해 제1 유입관(11)을 유입되어 압축기(12)에 의해 압축되고, 압축된 공기는 외부 공기에 비해 고온이어서 제1 열교환기(14) 및 냉각팬(19)을 통해 열교환하여 1차 냉각하며, 제2 유입관(21)으로 이동되어 제2 유입관(21)에 구비된 제2 열교환기(23)에 의해 2차 냉각되고 팽창기(27)를 통해 단열 팽창된 공기는 제2 연결관을 통해 제2 열교환기(23)를 통해 열교환이 이루어진 후 메인밸브(37)를 통해 배출부(40)로 배출된다.
이때 강한 냉기를 배출하기 위해서는 발전기를 통해 팽창터빈(27)에 강한 부하를 걸어주면 달성될 수 있다.
그리고 적당한 온도(예컨대, 10℃)를 지속적으로 배출하기 위해서는 압축 제어모듈(71)에서의 압축기(12) 제어와 발전기 제어모듈(72)의 발전기 제어와 메인 제어모듈(73)을 통한 메인밸브(37)의 제어를 배출부(40)의 온도센서(41)의 신호를 기초로 제어하면 적당한 온도의 공기를 지속적으로 배출할 수 있다.
한편, 압축기(12)를 통해 외부 공기를 강제 흡입하여 압축된 공기와 팽창터빈(25)을 통해 발전기가 발전하여서 생성된 전력은 제어부(70)를 통해 압축기(12)를 구동하기 위한 동력으로 전환하거나, 기타 전력을 필요로 하는 장치에 사용될 수 있다.
이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 공기 압축부 11: 제1 유입관
12: 압축기 13: 필터
14: 제1 열교환기 15: 제1 연결관
20: 공기 팽창부 21: 제2 유입관
23: 제2 열교환기 24: 제2 연결관
25: 팽창터빈 26a: 회전자
26b: 고정자 27: 팽창기
30: 라인부 37: 메인밸브
40: 배출부 41: 온도센서
70: 제어부

Claims (11)

  1. 전기를 동력원으로 외부공기를 흡입하여 압축하는 공기 압축부(10)와;
    상기 공기 압축부(10)로부터 압축된 공기를 팽창시키며, 전기발생을 부하로 하는 공기 팽창부(20)와;
    상기 공기 압축부(10)의 압축된 공기와 상기 공기 팽창부(20)의 팽창된 공기를 전달하되, 압축된 공기 또는 팽창된 공기를 독립적으로 전달하거나, 혼합하여 전달하는 라인부(30)와;
    상기 라인부(30)로부터 전달받은 공기의 온도를 체크하며 배출하는 배출부(40);를 포함하여 구성되며,
    상기 압축 공기와 팽창 공기는 동일축에 의해 구동되는 것이 아닌 각각 독립적으로 구성된 공기 압축부(10)와 공기 팽창부(20)에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공기 압축부(10)는 흡입한 외부공기와 압축된 공기를 이용하여 열교환 한 후 라인부(30)에 공급하는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 공기 팽창부(20)는 압축된 공기와 팽창된 공기를 이용하여 열교환이 이루어지도록 한 후 라인부(30)에 공급하는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 라인부(30)는 공기 압축부(10)의 압축된 공기와 공기 팽창부(20)의 팽창된 공기를 전달하되, 압축된 공기 또는 팽창된 공기를 독립적으로 전달하거나, 혼합하여 전달하는 메인밸브(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배출부(40)는 라인부(30)로부터 공급되는 공기의 온도를 센싱하는 온도센서(41)와;
    상기 라인부(30)로부터 공급되는 공기를 감압하는 감압부와;
    상기 라인부(30)로부터 공급되는 공기의 소음을 감소시키는 소음 감소장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 공기 압축부(10)는,
    외부 공기의 유입통로인 제1 유입관(11)과;
    상기 제1 유입관(11)을 통해 외부 공기를 강제 흡입하여 압축하는 압축기(12);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 유입관(11)은 외부 공기에 포함된 이물질을 필터링하는 필터(13)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 공기 압축부(10)는,
    제1 열교환기(14)와, 상기 제1 열교환기(14)의 양측을 연결하는 바이패스관(15)과, 상기 바이패스관(15)의 공기 흐름을 단속하는 밸브(16,17)와, 상기 제1 열교환기(14)를 강제 냉각하는 냉각팬(19)을 더 구비하여,
    상기 압축기(12)에 의해 흡입되는 외부 공기를 바이패스관(15)으로 열교환 없이 라인부(30)에 공급하거나, 상기 외부 공기를 제1 열교환기(14)로 열교환한 후 라인부(30)에 공급하는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 공기 팽창부(20)는,
    압축 공기가 유입되는 제2 유입관(21)과;
    상기 제2 유입관(21)을 통해 유입되는 압축 공기를 팽창시키는 팽창기(27);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 공기 팽창부(20)는,
    상기 제2 유입관(21)의 내부에 제2 열교환기(23)를 구비하고,
    상기 팽창기(27)로부터 팽창된 공기가 상기 제2 열교환기(23)에 전달되도록 팽창기(27)와 제2 열교환기(23)를 연결하는 제2 연결관(24)을 구비하여,
    상기 유입되는 압축공기는 제2 열교환기(23)의 외측을 경유하게 하고 팽창기(27)를 통해 팽창한 뒤 팽창된 공기를 제2 열교환기(23)의 내측으로 이동되게 하여 열교환 하는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 팽창기(27)는 압축 공기에 의해 회전되는 팽창터빈(25)과;
    상기 팽창터빈(25)에 부하를 제공하는 발전기;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축과 팽창이 독립적 구성에 의해 이루어지는 공기 순환 장치.
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