KR101248462B1 - 시동성능 개선장치, 이를 구비하는 냉각기계 및 냉각시스템 - Google Patents

시동성능 개선장치, 이를 구비하는 냉각기계 및 냉각시스템 Download PDF

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유영준
최희주
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Abstract

본 발명은 시동성능 개선장치, 이를 구비하는 냉각기계 및 냉각시스템에 관한 것으로, 상기 시동성능 개선장치는, 압축기와, 상기 압축기와 유로로 연결되는 터빈과, 상기 터빈에서 회전축을 지지하도록 이루어지는 유체 베어링을 구비하는 냉각기계와 연결되며, 상기 냉각기계의 시동시에 유체를 상기 압축기를 생략하고 상기 터빈으로 바로 공급하도록 상기 압축기의 유입측에서 분기되어 상기 압축기와 터빈을 연결하는 유로로 이어지는 바이패스 경로, 및 상기 바이패스 경로에 배치되는 체크밸브를 포함한다. 이를 통하여, 냉각기계를 시동함에 있어서, 별도의 공기공급장치없이 시동성능이 개선될 수 있다.

Description

시동성능 개선장치, 이를 구비하는 냉각기계 및 냉각시스템{DEVICE FOR THE IMPROVED STARTING, AIR CYCLE MACHINE AND SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 공기베어링이 구비되는 냉각기계의 시동시에 성능을 개선하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 냉각기계는 압축기와 터빈으로 구성되는데, 초기 시동시에는 운용시보다 높은 압력을 필요로 하게 된다. 그러나, 시동을 위한 압축공기 소스의 압력이 충분히 높지 않고 압축기와 터빈 사이에 압력손실을 유발하는 기구물이 설치되어 있는 경우에는 추가의 압력 소스가 필요하게 된다.
특히, 냉각기계의 소형화가 진행되면, 구조의 단순화 및 경량화를 위해 공기베어링이 적용되는데, 공기베어링이 장착된 냉각기계는 초기 시동과정이 입출구 압력차에 매우 민감하다. 그리하여 시동 조건을 적절히 선택하지 않으면 냉각기계가 완벽하게 시동되어 공기베어링이 부양될 때까지 주위의 구조물과 접촉한 채로 회전하게 되어 베어링의 수명이 현저히 단축된다. 또한, 필요 이상의 압력이 공급되면 공기베어링과 구조물 사이의 마찰계수 증가로 시동 자체가 불가능하다.
공기베어링이 적용된 냉각기계의 시동을 위해서는 정교하게 압력이 조절된 압축공기가 공급이 되거나 별도의 시동용 압축공기를 터빈에 직접 공급하여야 하나, 현실적으로 그와 같은 시스템을 추가로 구비하기에는 비용의 부담이 커 공기베어링을 적용함으로써 얻는 이득을 포기해야 하는 상황이 발생하게 된다.
따라서, 간단한 구조로서 냉각기계의 시동성능을 개선할 수 있는 장치가 고려될 수 있다.
본 발명은 공기베어링이 적용된 냉각기계 및 냉각시스템에 있어서, 추가의 시동용 공기공급장치를 사용하지 않고 냉각기계의 시동성능을 개선하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 시동성능 개선장치는, 압축기와, 상기 압축기와 유로로 연결되는 터빈과, 상기 터빈에서 회전축을 지지하도록 이루어지는 유체 베어링을 구비하는 냉각기계와 연결된다. 또한, 상기 시동성능 개선장치는, 상기 냉각기계의 시동시에 유체를 상기 압축기를 생략하고 상기 터빈으로 바로 공급하도록 상기 압축기의 유입측에서 분기되어 상기 압축기와 터빈을 연결하는 유로로 이어지는 바이패스 경로, 및 상기 바이패스 경로에 배치되는 체크밸브를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 시동성능 개선장치는, 상기 바이패스 경로를 형성하도록, 제1 및 제2 유입구와, 제1 및 제2 유출구를 구비한다. 상기 압축기의 유입측에는 유체가 유입되어 냉매와 열교환하도록 이루어지는 제1 열교환기가 장착되고, 상기 압축기와 터빈을 연결하는 유로에는 제2 열교환기가 배치되며, 상기 제1 유입구는 외부의 유체가 유입되도록 이루어지며, 상기 제2 유입구는 상기 제2 열교환기와 연결되며, 상기 제1 유출구는 상기 제1 열교환기와 이어지며, 상기 제2 유출구는 상기 터빈과 연결될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 유입구 및 제1 유출구는 상기 체크밸브의 일측에 연결되는 제1 분기관에 의하여 형성되고, 상기 제2 유입구 및 제2 유출구는 상기 체크밸브의 타측에 연결되는 제2 분기관에 의하여 형성된다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 하우징의 내부에 회전가능하게 장착되는 회전축과, 유입된 유체를 상기 회전축의 회전에 따라 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 유체를 팽창시켜 상기 압축된 유체의 온도를 낮추도록 상기 압축기와 연결되며 상기 회전축에 구동력을 제공하도록 형성되는 터빈과, 상기 하우징에 배치되어 상기 터빈으로 유입되는 유체 중 적어도 일부에 의하여 부양되며, 상기 회전축을 지지하도록 이루어지는 유체 베어링, 및 시동시에 유체를 상기 압축기를 생략하고 상기 터빈으로 바로 공급하도록 상기 압축기의 유입측에서 분기되어 상기 터빈으로 이어지는 바이패스 경로와, 상기 바이패스 경로에 배치되는 체크밸브를 구비하는 시동성능 개선장치를 포함하는 냉각기계를 개시한다.
상기 냉각기계는 유체가 유입되어 냉매와 열교환하도록 이루어지며, 상기 압축기의 유입측에 연결되는 제1 열교환기, 및 상기 압축기와 터빈을 연결하는 유로에 장착되며, 상기 바이패스 경로에 의하여 상기 제1 열교환기와 상기 체크밸브를 사이에 두고 배치되는 제2 열교환기를 포함한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 유체가 유입되어 냉매와 열교환하도록 이루어지는 열교환기와, 상기 열교환기에서 유출되는 유체를 압축시키도록 상기 열교환기와 연결되는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 유체를 팽창시켜 상기 압축된 유체의 온도를 낮추도록 상기 압축기와 연결되는 터빈, 및 상기 터빈의 시동시에 상기 열교환기로 유입되는 유체 중 적어도 일부를 상기 터빈으로 공급하도록, 상기 압축기의 유입측에서 분기되어 상기 터빈으로 이어지는 바이패스 경로와, 상기 터빈의 시동 후에 상기 열교환기를 향한 역류를 제한하도록 상기 바이패스 경로에 배치되는 체크밸브를 구비하는 시동성능 개선장치를 포함하는 냉각시스템을 개시한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 시동성능 개선장치, 이를 구비하는 냉각기계 및 냉각시스템은, 바이패스 경로와 체크밸브를 이용함에 따라, 공기베어링이 적용된 냉각기계 시스템이 가지는 넓은 영역의 입출구 압력조건에서도 시동이 신속하게 완료되도록 한다.
이를 통하여, 본 발명은 냉각기계의 시동에 유연성을 제공하고 공기베어링을 보호하여 수명을 연장시키는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 기존의 냉각기계 시동시 일반적으로 사용하는 별도의 시동용 압축공기 없이도 원활한 시동이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 시동성능 개선장치가 장착되기 전의 냉각시스템을 나타내는 개념도.
도 2는 도 1의 냉각기계를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명과 관련한 시동성능 개선장치가 장착된 냉각시스템을 나타내는 개념도.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3의 냉각시스템에서 시동시와 시동후의 유체흐름을 나타내는 개념도들.
이하, 본 발명에 관련된 시동성능 개선장치, 이를 구비하는 냉각기계 및 냉각시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 시동성능 개선장치가 장착되기 전의 냉각시스템을 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 냉각기계를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 냉각시스템(100)은 열교환기(110), 압축기(130) 및 터빈(140)을 포함한다.
열교환기(110)는 유체가 유입되어 냉매와 열교환하도록 이루어지며, 상기 유체가 상기 냉매의 기화온도에 인접한 온도로 유출되게, 상기 열교환에 의하여 상기 냉매가 기화되도록 형성된다.
냉매는, 예를 들어 자연수 또는 냉각수 등이 될 수 있고, 유입되는 유체는 상기 냉매의 기화온도 이상의 고온 공기, 압축가스 등이 될 수 있다.
압축기(130) 및 터빈(140)은 하나의 냉각기계(120)를 형성할 수 있다. 상기 냉각기계(120)는 공기베어링이 적용된 소형 냉각기계가 될 수 있다.
압축기(130)는 열교환기(110)에서 유출되는 유체를 압축시키도록 상기 열교환기(110)와 연결되며, 터빈(140)은 상기 압축기(130)에서 압축된 유체를 팽창시켜 상기 압축된 유체의 온도를 낮추도록 상기 압축기(130)와 연결된다.
도 2를 참조하면, 압축기(130)는 회전축(121)의 회전에 따라 압축기(130)의 내부로 유입된 유체를 압축시키는 기능을 한다. 압축기(130)는 임펠러(131)를 구비하며, 임펠러(131)는 회전축(121)의 일측에 장착되며, 회전축(121)의 회전에 의해 회전하여 압축기(130)의 내부로 유입된 유체의 압력을 증가시킨다.
터빈(140)은 압축기(130)에서 유출된 유체를 냉각시켜 유출시킴과 아울러 상기 회전축(121)에 구동력을 제공하는 기능을 한다. 즉, 터빈(140)은 냉각된 유체를 배출시키는 기능을 함과 동시에 압축기(130)의 구동원으로서의 기능을 한다. 압축기(130)는 터빈(140)으로부터 생성된 에너지를 이용하여 압축기(130) 내부로 유입된 유체를 압축시켜 터빈 입구로 공급한다.
터빈(140)은 로터(141)를 구비하며, 로터(141)는 상기 회전축(121)의 타측에 장착되며, 터빈 입구와 터빈 출구의 압력차에 의해 회전 동작을 수행한다. 터빈(140)의 내부로 유입된 유체는 로터(141)를 회전시켜 에너지를 생성하며, 로터(141)를 통과한 유체는 팽창에 의하여 냉각되어 터빈 출구로 배출된다.
이와 같이, 임펠러(131), 로터(141) 및 회전축(121)은 서로 고정되어 함께 회전하도록 구성되며, 각각은 하우징(122)에 설치된다. 하우징(122)은 냉각 장치의 외관을 형성하며, 회전축(121)이 설치되기 위한 내부 공간을 구비한다.
도시에 의하면, 회전축(121)과 하우징(122)의 사이에는 베어링(150)이 설치된다. 회전축(121)은 베어링(150)에 의해 하우징(122)의 내벽에 회전 가능하게 지지되어 있다. 베어링(150)으로서 냉각 장치로 유입되는 유체의 일부를 이용하는 유체 베어링이 사용될 수 있으며, 작동 유체가 공기인 경우 공기 베어링이 사용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 냉각기계(120)의 효율을 증대시키기 위하여 압축기(130)의 출구에 제2 열교환기(160)가 배치될 수 있다.
제2 열교환기(160)은 압축기(130)와 터빈(140)의 사이에 배치되며 상기 압축기(130)에서 유출되는 유체를 냉각한다. 제2 열교환기(160)는 압축기(130)의 선단에 배치되는 열교환기(110, 이하 '제1 열교환기'라 한다)와 동일하거나 유사한 구조의 열교환기가 될 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 냉각시스템에서 시동성능을 개선하는 장치에 대하여 설명한다. 다만, 본 발명의 적용은 상기 냉각시스템에만 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 냉각을 이용한 환경조절장치에 적용되는 등, 설명되는 시동성능 개선장치는 유체베어링을 이용하는 냉각기계를 구비하는 다른 형태의 냉각시스템에도 적용 가능하다.
도 3은 본 발명과 관련한 시동성능 개선장치가 장착된 냉각시스템을 나타내는 개념도이고, 도 4a 및 도 4b는 각각 도 3의 냉각시스템에서 시동시와 시동후의 유체흐름을 나타내는 개념도들이다.
도시에 의하면, 냉각기계(120)에는 시동성능 개선장치(200)가 연결되어, 상기 냉각기계(120)의 초기 시동성능을 향상시키는 역할을 수행한다.
시동성능 개선장치(200)는 바이패스 경로(210)와 체크밸브(220)를 포함한다.
바이패스 경로(210)는 상기 냉각기계(120)의 시동시에 유체를 압축기(130)를 생략하고 터빈(140)으로 바로 공급하도록 상기 압축기(130)의 유입측에서 분기되어 상기 압축기(130)와 터빈(140)을 연결하는 유로(231, 도 1 참조)로 이어진다. 즉, 상기 터빈(140)의 시동시에 제1 열교환기(110)로 유입될 유체 중 적어도 일부를 상기 터빈(140)으로 공급하는 것이다. 이 경우에, 제2 열교환기(160)는 바이패스 경로에 의하여 제1 열교환기(110)와 체크밸브(220)를 사이에 두고 배치된다.
체크밸브(220)는 상기 터빈(또는 냉각기계)의 시동 후에 제1 열교환기(110)를 향한 역류를 제한하도록 상기 바이패스 경로(210)에 배치된다.
도 4a를 참조하면, 제1 열교환기(110), 압축기(130) 및 제2 열교환기(160)를 통과하는 유로(101-211-214-102-212-217-213)는 체크밸브(220)를 통과하는 유로(101-211-215-216-217-213)에 비해 압력손실이 크다. 따라서, 체크밸브(220)의 작동 압력(Cracking Pressure)을 낮게(예를 들어, 1 psi 이하) 설정한 상태에서, 시동을 위해 최초로 유체(예를 들어, 공기)가 공급되면 시스템 입구로 공급된 유체는 체크밸브(220)가 장착된 쪽의 유로(101-211-215-216-217-213)를 지나게 된다. 상기 유체는 터빈 입구배관을 지나 터빈(140)으로 공급되어 터빈을 회전시킴으로써 냉각기계를 시동시키고 시스템의 출구(103)로 배출된다.
도 4b은 위의 과정을 거쳐 냉각기계(120)가 시동되어 정상적으로 동작하게 된 후의 유체 흐름을 나타낸다. 냉각기계가 일정 회전수 이상 동작하면 압축기(130)는 공기를 압축하기 시작하므로, 이렇게 압축된 공기는 압축기(130)의 출구로부터 제2 열교환기(160)를 지나 체크밸브(220)의 출구 배관(216)을 통해 체크밸브(220)를 닫고 이후의 배관(217-213)을 통하여 터빈으로 공급된다. 환경조절장치 시스템은 체크밸브(220)가 없는 것처럼 정상적으로 동작하게 된다.
이와 같이 시동성능 개선장치(200)를 냉각시스템에 장착하면, 냉각기계(120)의 시동초기에는 유체가 압축기(130)와 열교환기들(110,160)을 바이패스(by-pass)하고 바로 터빈(140)으로 공급되므로 시동이 훨씬 쉽고 빠르게 이루어지며, 일단 시동이 완료된 후에는 압축기(130)가 공기를 압축하여 체크밸브(220)를 닫으므로 냉각시스템은 원래의 상태로 정상 동작하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 시동성능 개선장치(200)는 상기 바이패스 경로(210)를 형성하도록, 제1 및 제2 유입구(211, 212)와, 제1 및 제2 유출구(214, 213)를 구비한다.
도시에 의하면, 제1 유입구(211)는 외부의 유체가 유입되도록 이루어지며, 제2 유입구(212)는 제2 열교환기(160)와 연결되며, 제1 유출구(214)는 제1 열교환기(110)와 이어지며, 제2 유출구(213)는 터빈(140)과 연결된다.
상기 제1 유입구(211) 및 제1 유출구(214)는 체크밸브(220)의 일측에 연결되는 제1 분기관에 의하여 형성되고, 상기 제2 유입구(212) 및 제2 유출구(213)는 상기 체크밸브의 타측에 연결되는 제2 분기관에 의하여 형성될 수 있다.
제1 및 제2 분기관은 각각 일체로 형성되거나, 독립된 2개의 배관으로 구성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 분기관은 체크밸브에 일체로 결합되어 하나의 모듈로서 구성될 수 있다. 이와 같이, 시동성능 개선장치(200)가 모듈화됨에 의하여, 압축기, 열교환기 및 터빈으로 구성된 냉각기계에 범용으로 장착될 수 있다.
상기와 같은 시동성능 개선장치, 이를 구비하는 냉각기계 및 냉각시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 압축기와, 상기 압축기와 유로로 연결되는 터빈과, 상기 터빈에서 회전축을 지지하도록 이루어지는 유체 베어링을 구비하는 냉각기계와 연결되는 시동성능 개선장치에 있어서,
    상기 냉각기계의 시동시에 유체를 상기 압축기를 생략하고 상기 터빈으로 바로 공급하도록 상기 압축기의 유입측에서 분기되어 상기 압축기와 터빈을 연결하는 유로로 이어지는 바이패스 경로; 및
    상기 바이패스 경로에 배치되는 체크밸브를 포함하는 시동성능 개선장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시동성능 개선장치는,
    상기 바이패스 경로를 형성하도록, 제1 및 제2 유입구와, 제1 및 제2 유출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 시동성능 개선장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압축기의 유입측에는 유체가 유입되어 냉매와 열교환하도록 이루어지는 제1 열교환기가 장착되고, 상기 압축기와 터빈을 연결하는 유로에는 제2 열교환기가 배치되며,
    상기 제1 유입구는 외부의 유체가 유입되도록 이루어지며, 상기 제2 유입구는 상기 제2 열교환기와 연결되며, 상기 제1 유출구는 상기 제1 열교환기와 이어지며, 상기 제2 유출구는 상기 터빈과 연결되는 것을 특징으로 하는 시동성능 개선장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 유입구 및 제1 유출구는 상기 체크밸브의 일측에 연결되는 제1 분기관에 의하여 형성되고, 상기 제2 유입구 및 제2 유출구는 상기 체크밸브의 타측에 연결되는 제2 분기관에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 시동성능 개선장치.
  5. 하우징의 내부에 회전가능하게 장착되는 회전축;
    유입된 유체를 상기 회전축의 회전에 따라 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 유체를 팽창시켜 상기 압축된 유체의 온도를 낮추도록 상기 압축기와 연결되며, 상기 회전축에 구동력을 제공하도록 형성되는 터빈;
    상기 하우징에 배치되어 상기 터빈으로 유입되는 유체 중 적어도 일부에 의하여 부양되며, 상기 회전축을 지지하도록 이루어지는 유체 베어링; 및
    시동시에 유체를 상기 압축기를 생략하고 상기 터빈으로 바로 공급하도록, 상기 압축기의 유입측에서 분기되어 상기 터빈으로 이어지는 바이패스 경로와, 상기 바이패스 경로에 배치되는 체크밸브를 구비하는 시동성능 개선장치를 포함하는 냉각기계.
  6. 제5항에 있어서,
    유체가 유입되어 냉매와 열교환하도록 이루어지며, 상기 압축기의 유입측에 연결되는 제1 열교환기; 및
    상기 압축기와 터빈을 연결하는 유로에 장착되며, 상기 바이패스 경로에 의하여 상기 제1 열교환기와 상기 체크밸브를 사이에 두고 배치되는 제2 열교환기를 더 포함하는 냉각기계.
  7. 유체가 유입되어 냉매와 열교환하도록 이루어지는 열교환기;
    상기 열교환기에서 유출되는 유체를 압축시키도록 상기 열교환기와 연결되는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 유체를 팽창시켜 상기 압축된 유체의 온도를 낮추도록 상기 압축기와 연결되는 터빈; 및
    상기 터빈의 시동시에 상기 열교환기로 유입되는 유체 중 적어도 일부를 상기 터빈으로 공급하도록, 상기 압축기의 유입측에서 분기되어 상기 터빈으로 이어지는 바이패스 경로와, 상기 터빈의 시동 후에 상기 열교환기를 향한 역류를 제한하도록 상기 바이패스 경로에 배치되는 체크밸브를 구비하는 시동성능 개선장치를 포함하는 냉각시스템.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06180156A (ja) * 1992-12-08 1994-06-28 Nippon Sanso Kk 低温空気発生装置
KR19980054249U (ko) * 1996-12-31 1998-10-07 이대원 항공기의 온도 제어 장치
JP2003517128A (ja) 1999-12-17 2003-05-20 ハネウェル・インコーポレーテッド ２段水分離ｅｃｓ
KR20110091388A (ko) * 2010-02-05 2011-08-11 국방과학연구소 냉각 장치

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