KR101262111B1

KR101262111B1 - 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치

Info

Publication number: KR101262111B1
Application number: KR1020110136613A
Authority: KR
Inventors: 이행복; 정대윤
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-05-14
Also published as: US8863544B2; FR2984279A1; US20130152615A1; FR2984279B1

Abstract

본 발명은 고해상도 영상정보획득 과정 중에 겪는 고속기동이나 급격한 고도변화 등의 운용환경에서 고해상도 영상정보획득장비의 카메라/전자부의 온도를 적정하게 유지할 수 있게 한 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 항공기의 포드에 구비된 영상정보획등장치에 일정한 온도 환경을 제공하기 위한 환경조절장치에 있어서,
(A) 항공기가 지상에서 이동할 때 구동되는 지상팬이나 비행할 때 구동되는 램에어스쿠프에 의해 냉/난방 유동루프를 구성하는 응축기와 열교환이 이루어지는 응축공기 유동루프와; (B) 냉매라인에 의해 서로 연결되고 R236fa(냉매)를 증발시켜 주위에서 증발열을 흡수하여 냉각하는 증발기와, 램에어 터빈축에 회전축이 연결된 압축기와, 응축공기 유동루프에 의해 열교환되는 응축기와, 응축기에서 응축된 R236fa를 팽창시키는 팽창밸브와, 히터를 포함하는 냉/난방 유동루프; (C) 냉/난방 유동루프에서 냉각되거나 가열된 공기를 카메라/전자부에 공급하여 순환시킴으로써 카메라/전자부가 일정한 온도를 유지하게 하는 공기순환루프; 및 (D) 응축공기 유동루프와 냉/난방 유동루프와 공기순환루프의 구동 상태를 제어하는 제어기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치{Light Weight Environmental Control Unit for Aircraft External Store}

본 발명은 항공기용 환경조절장치에 관한 것으로, 상세하게는 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치에 관한 것이다.

보다 상세하게 본 발명은 고해상도 영상정보획득 과정 중에 겪는 고속기동이나 급격한 고도변화 등의 운용환경에서 고해상도 영상정보획득장비의 카메라/전자부의 온도를 적정하게 유지할 수 있게 한 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치에 관한 것이다.

통상적으로 항공기에는 관심 표적 영상을 획득하여 실시간 지상으로 전송하기 위한 영상정보획득장비를 구비하고 있다.

이 영상정보획등장비는 카메라/전자부를 포함하고 있으며, 항공기의 기체 외부의 포드에 탑재되어 있고, 이러한 항공기는 해수면에서부터 약 14km고도까지 고속으로 비행하여 포드 마찰 열 부하, 고도에 의한 급격한 온도변화를 겪게 되고, 이러한 환경변화는 영장정보획득장비에도 영향을 미치게 된다.

즉, 카메라부에서 영상을 획득할 때와 전자부에서의 신호처리과정에서 영상의 품질을 떨어뜨리지 않고 최고 품질의 영상을 획득하기 위하여 카메라/전자부의 발열에 의한 고온을 냉각시키는 한편, 고고도에서는 주변 저온환경에 대하여 난방장치를 이용하여 일정 온도범위 내에 온도유지가 되도록 환경조절장치로 부터의 냉각 공기 혹은 난방 공기확보, 냉각사이클시스템, 온도센서, 압력센서, 공기순환 팬 및 히터 등의 열 부품을 갖춘 온도제어 기능이 필요하다.

이렇게 영상정보획득장비의 환경을 제어하기 위해 환경조절장치를 구비하고 있으며, 환경제어장치는 포드의 한 섹션에 위치하여 비행조건 및 운용상태에 따른 온도변화를 최소화하도록 온도제어를 하여 영상정보획득장비로 하여금 고해상도 영상정보를 획득하도록 지원한다.

항공기 영상정보획득장치용으로 쓰이는 환경조절장치로는 공기 사이클 냉각장치와 증기 사이클냉각장치로 크게 나눌 수 있다.

공기사이클 냉각장치는 ① 항공기 주 엔진의 압축기로부터 빼낸 고온, 고압의 공기를 터빈으로 팽창시켜 얻어지는 냉각된 공기를 공급하는 방식이거나 ② 항공기 비행속도에 의해서 램에어스쿠프(Ram air scoop)로 유입된 램에어(Ram Air)를 터빈(Turbine)으로 팽창시켜 저압, 저온의 공기를 공급하는 역브레이튼(Reverse Brayton) 공기사이클 냉각장치로 나누어지고, 증기사이클 냉각장치는 보통 에어콘과 유사한 방식으로 냉매의 상변화를 이용하여 저온의 공기를 얻는다.

공기 사이클 냉각장치는 냉각루프상의 누설에 덜 민감하고, 고속 비행 중에 고효율 냉각이 가능하며, 공급전력에 대하여 소형, 경량이며 냉각 및 히팅을 모듈화할 수 있어 유지관리가 용이한 반면에 저효율이며, 지상에서의 항공기 속도조건에 맞는 추가의 전력공급이 필요하고, 냉각공기 온도가 비행조건에 따라서 많이 변화하기 때문에 일정한 공기온도를 얻기 힘들다.

증기 사이클 냉각장치는 고효율, 저가이며 지상에서도 항공기의 속도와 무관하게 비행중인 것과 같은 냉각능력을 갖는 반면에, 공기 사이클보다 공급전원에 대하여 상대적으로 무거우며 냉각루프상의 누설에 민감하며 고속 비행환경에서 운용상의 제한이 있으며, 규칙적이고 지속적인 유지관리가 필요하다.

공기 사이클 냉각장치를 포드에 설치하여 사용하는 조건은 음속이상의 고속비행조건이나 무게와 크기가 주요 설계요소로 주어질 때이고, 증기 사이클 냉각장치를 사용할 때는 지상에서도 비행할 때와 같은 냉각요구조건이 주어질 때와 공급전원이 제한될 때와 저온 냉각환경이 필요할 때이다. 주변온도가 저온일 때는 히터와 송풍팬으로 이루어진 별도의 난방장치를 구비하여 난방공기를 공급하여 영상정보획득장치의 온도를 제어한다.

종래 기술의 환경조절장치를 도 4 내지 도 6에 도시하였다.

도 4는 공기사이클 냉각장치에 대한 개략도를 나타내고 있다. 고온, 고압의 공기를 냉각된 공기로 변환시키는 에어사이클머신(190)은 점선으로 표시하였다. 주 엔진(100)으로부터 블리드 에어제어기(110)에 의해 조절, 추출된 블리드에어(120)가 일차 열교환기(130)를 거쳐 온도가 강하되며, 에어사이클머신(190)의 압축기(140)를 통과하여 더욱 압축되고, 이차 열교환기(150)를 거치는 동안 온도가 더욱 강하되며, 터빈(160)을 통해 공기가 팽창되는 과정에서 냉각공기가 된다. 이때의 공기 온도는 일반적으로 영하 20도에서 영하 70도로서 직접 냉각해야 할 포드에 투입시킬 수 없으므로 바이패스 밸브(170)의 개폐도에 의해 공급량이 조절되는 고온의 공기와 혼합하여 적당한 온도의 공기(180)가 되도록 하여 공급한다.

도 5는 공기사이클 중 역브레이튼 공기사이클 냉각장치로 항공기 비행속도에 의해 얻어지는 램에어유입구로 들어온 공기는 에어사이클머신의 터빈(200)으로 팽창시켜 저온공기를 얻은 후, 열교환기(220)를 통하여 카메라/전자부에 공급하여 열을 흡수한 후 외부로 배출되도록 되어있다. 항공기가 초음속으로 비행하여 과도한 압력의 램에어가 에어사이클머신으로 유입되어 과속으로 운전되는 경우를 피하기 위하여 터빈입구 쪽에 밸브(210)를 두어 램에어를 바이패스하도록 되어있다. 압축기(230)는 터빈의 팽창동력으로 구동되고 터빈에서 발생하는 동력은 가용 팽창비가 클수록 그리고 공급 공기의 온도가 높을수록 증가하는데 에어사이클머신의 경우, 가용팽창비와 공급공기온도가 낮은 수준이기 때문에 압축기의 구동동력이 적고, 따라서 압축비가 높지 않아 냉각성능에 기여하는 바가 터빈에 비해 크지 않다.

도 6은 종래기술의 다른 일례로 공기사이클 냉각장치와 증기사이클 냉각장치를 혼합한 형태의 냉각사이클 및 난방시스템에 대하여 나타내고 있다. 이 기술의 냉각 및 난방시스템은 카메라/전자부(300)에 대한 내부 온도를 어느 정도 일정하게 유지하기 위해 램에어 유입 공기를 이용하는 응축기 공기 유동 루프(326)와 냉각사이클 냉매 순환을 위한 냉각사이클 유동 루프(327), 히터(336)를 사용하여 온도를 높이는 난방시스템 및 공기 순환 루프(328)로 구성된다.

이 구성품은 크게 램에어 유입구인 램에어스쿠프(329), 압축기(332) 구동을 위한 램에어 터빈(330), 유입 공기량을 조절하는 루우버(331), 압축기(332), 증발기(333), 팽창밸브(334), 지상팬(335), 히터(336), 응축기(339) 및 증발기(333)에서 나온 공기를 카메라/전자부(324)로 송풍해 주는 팬(337) 등으로 구성된다.

통상의 냉각사이클은 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브가 냉매로 채워진 관으로 차례로 연결되어 폐회로를 구성한다.

증발과정은 증발기에서 일어나며 저온, 저압의 습한 기체 상태의 냉매가 저온, 저압의 과열 증기 상태의 냉매로 변화면서 공기로부터 열을 흡수하고, 압축과정은 압축기에서 일어나며 저온, 저압의 습한 기체 상태의 냉매가 고온, 고압의 과열 증기 상태의 냉매로 변화하면서 상온의 외부 공기와 응축기가 원활한 열교환이 가능하다.

응축과정은 응축기에서 일어나며 고온, 고압의 과열 증기 상태의 냉매가 중온, 고압의 액체 상태의 냉매로 바뀌면서 실제 증기상태의 냉매와 액체 상태의 냉매가 공존한 상태이며, 팽창과정에서는 중온, 고압의 액체 상태의 냉매가 저온, 저압의 습한 기체 상태로 변화면서 증발하기 쉬운 상태로 되어 냉매는 액체 → 기체 → 액체 상태로 변화를 반복하면서 냉각사이클을 이룬다.

좀 더 구체적인 장치구성은 다음과 같다.

램에어 터빈(330)은 일반적인 냉각사이클에서 압축기(332)를 구동시키기 위하여 필요한 동력을 얻기 위해 사용된다.

증발기(333)는 카메라/전자부(324)에서의 열 부하에 의해 데워진 공기를 냉각사이클로 순환되는 냉매와의 열교환에 의해 냉각되어 찬공기(338) 혹은 히터(336)에 의해 데워진 더운 공기(338)를 만드는 역할을 수행하는 장치들로 하나의 열교환기와 공기 송풍을 위한 팬(337) 및 히터(336) 등으로 구성된다.

응축기(339)는 냉각사이클에서 압축기(332)를 거쳐 압축된 과증기를 냉각시켜 포화증기로 만들어 주는 역할을 하는 장치로 일종의 열교환기이다.

팽창밸브(334)는 응축기에서 이송되어지는 고온 고압의 액상냉매를 교축하여 저온 저압의 액상 및 기상 2상의 유동 냉매로 팽창시켜 증발기로 보내는 역할을 한다.

히터(336)는 카메라/전자부(324) 내부 온도가 적정하게 유지될 온도보다 낮을 때 온도를 높여주는 역할을 하며 팬(337)으로 송풍하여 카메라/전자부(324)에 더운 공기(338)를 공급한다.

도시되지는 않았으나 기타 구성요소로 유량펌프, 드라이밸브 등이 있다.

온도조절은 크게 3가지 루프 및 히팅을 통해 이루어지며, 응축기 공기유동 루프(327), 냉각사이클 유동 루프(326), 히터(336)에 의한 난방시스템 및 공기 순환 루프(328)로 구성된다.

응축기 공기유동 루프(327)는 램에어(325) 유입공기가 램에어 터빈(330)을 돌리고 램에어 터빈(330)은 램에어 터빈 축과 연결된 압축기(332)를 구동시킨다. 램에어 터빈(330)은 비행할 때에는 램에어 스쿠프에 유입되는 공기를 이용하고 지상에서는 지상팬(335)을 동작시켜 얻은 고속 공기를 이용한다.

냉각사이클 유동 루프(326)는 통상적인 냉각사이클로 압축기(332), 증발기(333), 팽창밸브(334), 응축기(339)로 구성되어 냉매가 각 구성품과 연결된 관로를 순환하면서 증발기(333)에서 공기 순환 루프(328)와의 열교환은 카메라/전자부(324)의 열 부하에 대한 더운 공기를 냉각사이클의 냉매에 의한 찬 공기로 온도제어를 하고 응축기(339)에서의 열교환은 램에어(325) 공기를 이용하거나 지상팬(335)의 송풍 공기를 이용한다. 이때 램에어터빈(330)의 회전속도는 필요로 하는 냉각사이클의 냉각성능에 따라 다르게 조절되며, 이 램에어 터빈(330)의 회전속도는 외부 공기가 유입되는 램에어스쿠프(329)와 램에어 터빈(330) 사이에 설치된 루우버(331)의 각도에 의해 조절된다.

공기 순환 루프는 팬(337)에 의해 증발기(333)의 냉각공기 또는 히터(336)에서 송출하는 난방공기를 카메라/전자부(324)로 송풍, 순환시켜 카메라/전자부(324) 내부 온도를 낮추거나 높여 카메라/전자부(324)의 내부 온도를 적정온도로 유지되도록 한다.

응축기 공기 유동루프(326)에 대하여 더 상세히 설명하면, 초기에 램에어스크푸(329)를 통해 들어온 공기는 이론적으로 등엔트로피 과정에 의해 압축되어 램에어터빈(330) 전단에 이르게 된다. 그러나 램에어스크푸(329)와 공기 사이에 유동마찰에 의해 완전한 등엔트로피 과정에 따른 공기가 램에어터빈(330)에 이르지는 않는다. 그리고 램에어터빈(330)에서 일이 행해짐에 따라 온도 및 압력이 저하된다. 이론적으로는 등엔트로피 과정에 따라 진행될 수 있으나 엔트로피가 증가하는 비가역과정을 거침에 따라 비가역과정을 거친 공기는 응축기(339)에 이르게 된다. 이때 응축기(339)에 유입된 공기는 다소간 가열되어 공기출구를 통하여 밖으로 배출된다. 이때 이론적으로 등엔트로피 과정을 통하여 온도저하와 함께 공기가 배출되지만 비가역 과정에 따라 열역학적 사이클이 진행된다. 그러므로 응축기 공기유동 루프(326)의 목적은 냉각사이클(327)의 램에어터빈(330)에 연결된 냉각사이클 루프의 압축기(332)를 구동하는 것이 주된 목적이다.

루우버(331)는 공기유동량을 조절하여 램에어터빈(330)의 속도를 적절히 조정하는데 이용하는데 전기모터에 의해 구동되고, 램에어터빈(330)의 회전속도를 제한하여 램에어터빈(330)의 과속도를 막는다. 이 루우버에는 위치센서가 장착되어 있어 각도 및 위치정보를 제어기에 제공한다. 항공기에 탑재되어 운용시, 램에어스쿠프를 통해 유입된 공기를 사용하며, 지상운용조건에서는 지상팬을 구동하여 고속공기를 활용한다.

통상적으로 냉각사이클루프(326)의 냉각효율을 최대화하기 위해서는 압축기 회전수, 전자팽창밸브(Electronic Expansion Valve)의 개도, 증발기와 응축기의 팬 회전수를 제어하는 것이다. 그 중에서 압축기의 회전수를 가변하여 용량제어를 하거나, 전자팽창밸브의 개도 조절에 의한 증발기의 과열도를 제어하는 방식을 이용한다. 압축기의 과열 방지를 위한 제어, 증발온도의 제어, 증발기의 열 부하에 따른 냉매 유량 제어 등이다.

통상적으로 압축기는 왕복동 압축기, 로터리 압축기, 스크롤 압축기, 스크루 압축기 및 원심식 압축기가 있다. 압축기의 운전상태는 응축온도, 증발온도 및 흡입가스의 과열도에 의해 크게 좌우되며, 압축기의 성능은 체적효율, 압축효율 및 기계효율의 3가지 성능값에 따라 좌우된다. 대부분의 압축기에서 냉각용량은 표준운전 시의 용량보다 큰 규격으로 설정된다. 따라서 실제 운전할 때는 압축기의 냉각용량을 조절해야 한다. 압축기에서 냉각용량가변기술은 회전속도제어, 흡입체적제어, 로딩제어 등이 있다. 외부에서 펄스폭 변조방식으로 솔레노이드 밸브를 제어해서 고정스크롤과 선회스크롤을 기구적으로 로딩 및 언로딩함으로써 용량을 조절하는 방식, 상하부 실린더간에 바이패스 냉매밸브를 구성하여 바이패스 유로의 개폐에 따라 압축기의 냉각능력을 다단계로 변화시킬 수 있도록 하여 용량을 조절하는 방법, 인버터를 사용하여 압축기의 회전속도를 가변시켜 냉각용량을 제어하는 방식 등이 있다.

증기 사이클 냉각시스템의 제어 요소 중에서 증발기의 과열도 제어는 그 냉각시스템의 효율 및 안정성에 큰 영향을 미친다. 즉, 압축기 및 증발기의 용량제어시, 그 용량변화에 따라 증발기의 과열도가 급격히 변하여 전체 시스템을 불안정하게 하고 압축기 파손의 우려도 있다. 증발기 출구의 과열도 제어를 위하여 모세관 및 온도 감응식 팽창밸브가 있다.

그러나 상기 종래의 기술에서, 도 4의 공기사이클 냉각장치는 항공기 외부에 포드 형식으로 장착하는 영상정보획득장치용으로 부적합하다. 항공기 외부에 장착하는 영상정보획득장비는 항공기 주 엔진(110)의 압축기로부터 블리드 에어(120)를 공급받기에 곤란하기 때문이다.

도 5의 공기사이클 냉각장치는 소형, 경량화를 할 수 있으나 비행시에만 동작하고 지상에서는 별도의 냉각 공기 공급장치를 구비해야 하는 단점을 가지고 있다.

도 6의 공기사이클 냉각장치와 증기사이클 냉각장치의 혼용 환경조절장치는 지상이나 비행 중에도 제한 없이 냉난방이 가능하나, 냉각부하에 따른 신속대응이 어렵고 온도제어가 곤란하며, 부피가 너무 크고 무게가 무거워 무게 제한을 받는 시스템에는 제한을 받을 수 있다.

종래의 압축기에서 왕복동식 압축기는 무겁고 진동이 크며 저효율의 문제가 있다.

종래의 냉각사이클에서 냉각용량을 제어하는 팽창밸브로 초기에 적용된 모세관방식은 유로 단면적이 고정되어 냉각부하 변동은 압축기 회전수변화에 따른 응축기 출구 냉매의 과냉각도 상태에 따라 결정된다.

이러한 냉매 순환방법은 증발기의 과열도를 필요한 범위 내로 신속하게 제어하기가 곤란하며, 온도 감응식 팽창밸브(Thermostatic Expansion Valve, TXV)은 증발기 출구측 배관에 냉매가스가 봉입된 감온통(Sensing Bulb)을 부착 설치하여, 증발기 내 냉매 포화압과 출구 냉매의 온도차에 의해서 감온통의 냉매가스가 팽창/수축함으로써 포펫밸브와 연결된 다이아프램이 밸브 개도를 조절하여 온도제어를 한다.

냉매증기 온도와 그 냉매의 포화온도 간의 온도차를 과열도라 하는데, 이 값은 감온통의 실제 온도와 감온통이 놓인 곳에서 관로 내를 흐르는 냉매의 흡입압력에 상응하는 포화온도와의 온도차를 측정함으로써 알 수 있다. 온도감응식 팽창밸브는 과열도를 제어함으로써, 냉매액이 압축기로 귀환하는 것을 방지할 수 있게 되고, 증발기의 거의 모든 표면을 유효하게 활용할 수 있도록 해 주며, 냉매유동량과 증발기에서 증발될 수 있는 양을 일치시켜주고, 증발기의 열부하가 변하더라도 냉매 과열도를 설정 범위 내로 유지할 수 있게 해 준다.

그러나 감온통 봉입 냉매의 압력은 주변온도 변화에 의한 외란으로 검출오차가 발생할 수 있고, 다이아프램의 변형한계는 급속냉각이 요구될 경우에는 냉매 압송지연이 발생할 수 있다. 이러한 과도상태의 냉매 유량제어의 불균일함은 증발기 내에서 냉매가스가 주기적으로 진동하는 현상이 나타나 시스템의 안정성에 악영향을 미치게 된다. 또한, 압축기의 인버터 구동 및 증발기의 열부하 변동에 대한 신속한 유량제어가 어려우며, 효율적인 냉각시스템제어가 곤란하다.

종래 냉각시스템은 넓은 온도 범위에서 운전되기 때문에 사이 클 내를 순환하는 냉매량의 변화는 매우 크다. 따라서 운전조건에 따른 잉여냉매를 저장하기 위한 별도의 수액기가 설치되며, 응축기에서 응축한 액을 일시 저장하면서 증발기 내에서 소요되는 만큼의 냉매만을 팽창밸브로 보내주게 된다.

종래 난방기술은 환경조절장치와는 별개의 난방장치 및 이를 제어하는 제어장치를 카메라/전자부에 설치함으로써 구성이 복잡하고 난방용 구성품인 히터도 커서 설치 공간이 큰 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 고해상도 영상정보획득 과정 중에 겪는 고속기동 및 급격한 고도변화 등의 운용환경에서 고해상도 영상정보획득장비의 카메라/전자부의 온도를 적정하게 유지할 수 있는 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 보다 효율적으로 카메라/전자부의 온도를 적정하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 구성을 단순화시켜 좁은 공간에도 설치가 가능한 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

더욱이, 본 발명은 난방용량에 비해 소형, 경량의 히터를 장착하여 난방제어를 단일 제어기를 통하여 할 수 있을 뿐만 아니라, 가변속 압축기를 구비하여 용량 제어와 과열도 제어를 전자팽창밸브로 실행하여 별도의 수액기를 사용하지 않고 냉난방을 할 수 있으며, 냉각사이클의 최적제어와 난방장치를 제어기를 통하여 제어함으로써 온도조절이 필요한 카메라/전자부에 주어진 온도범위로 유지될 수 있게 한 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명에 의한 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치는 항공기의 포드에 구비된 영상정보획등장치에 일정한 온도 환경을 제공하기 위한 환경조절장치에 있어서,

(A) 항공기가 지상에서 이동할 때 구동되는 지상팬이나 비행할 때 구동되는 램에어스쿠프에 의해 냉/난방 유동루프를 구성하는 응축기와 열교환이 이루어지는 응축공기 유동루프와; (B) 냉매라인에 의해 서로 연결되고 R236fa(냉매)를 증발시켜 주위에서 증발열을 흡수하여 냉각하는 증발기와, 램에어 터빈축에 회전축이 연결된 압축기와, 응축공기 유동루프에 의해 열교환되는 응축기와, 응축기에서 응축된 R236fa를 팽창시키는 팽창밸브와, 히터를 포함하는 냉/난방 유동루프; (C) 냉/난방 유동루프에서 냉각되거나 가열된 공기를 카메라/전자부에 공급하여 순환시킴으로써 카메라/전자부가 일정한 온도를 유지하게 하는 공기순환루프; 및 (D) 응축공기 유동루프와 냉/난방 유동루프와 공기순환루프의 구동 상태를 제어하는 제어기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 의한 환경조절장치는 가능한 소형화 및 경량화하는 것이 바람직하므로 상기 압축기는 회전수를 가변할 수 있는 가변형 로터리 압축기인 것이 바람직하고, 증발기의 과열도를 신속하게 제어할 수 있도록 전자팽창밸브로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 증발기와 압축기 사이에는 액분리기를 더 설치하여 냉매와 냉각기유의 급격한 유입으로 인한 압축기의 손상을 방지할 수 있게 하는 것이 바람직하고, 냉매라인에는 하나 이상의 펌프를 구비하여 냉매의 원활한 순환이 이루어질 수 있게 할 수 있다.

본 발명은 비행중이거나 지상운용환경에서도 냉난방 기능을 할 수 있는 소형, 경량의 영상정보획득장치용 환경조절장치를 제공할 수 있다.

특히, 본 발명은 제어기를 통해 온도, 비행속도 및 고도 정보를 받아 히터, 팬, 전자팽창밸브, 플랫 및 압축기 인버터를 제어하여 카메라/전자부에 적정의 온도가 유지되도록 차가운 공기 혹은 더운 공기를 공급함으로써 영상정보획득장치가 최적의 조건에서 구동되어 정확한 정보를 획득할 수 있게 하는 것이다.

더욱이, 압축기를 소형 경량의 가변형 로터리 압축기로 구성함으로써 소형화 및 경량화할 수 있고, 전자팽창팽밸브를 사용함으로써 증발기의 과열도를 신속하게 제어할 수 있다.

이렇게 소형화 및 경량화됨으로써 환경조절장치 내부에 장착하여 냉난방제어를 단일 제어기를 통하여 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 대한 환경조절장치 및 온도제어방법에 대한 개략 블록도
도 2는 고해상도 영상정보획득장비를 탑재한 항공기의 측면도이고,
도 3은 고해상도 영상정보획득장비에 대한 본 발명에 따른 환경조절장치 결합도이며,
도 4는 본 발명의 환경조절장치 외형이며,
도 5는 종래의 공기사이클 냉각장치에 대한 개략도이며,
도 6은 종래의 역브레이튼 공기사이클 냉각장치이며,
도 7은 종래의 공기사이클과 증기사이클 혼합 형태의 냉난방장치이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한, 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

본 발명에 의한 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치는 카메라/전자부의 온도를 적정하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 구성을 단순화시켜 좁은 공간에도 설치가 가능하게 하기 위한 것으로서, 크게 구분하여 응축공기 유동루프(10), 냉/난방 유동루프(20), 공기순환루프(30) 및 제어기(4)를 포함하여 구성된다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 항공기 탑재 고해상도 영상정보획득장비용 환경조절장치는 도 1에 도시한 바와 같이 항공기의 포드에 설치되고, 도 2에 도시한 바와 같이 구성된 고해상도 영상정보획득장치에 설치되며, 도 3에 도시한 바와 같은 외형을 갖으며, 그 구성은 도 7에 도시된 바와 같다.

응축공기 유동루프(10)는 하기 응축기(24)와 열교환하여 응축기의 열을 흡수하거나 응축기에 열을 전달하기 위한 수단으로 항공기의 운용 상태에 따라 열교환이 이루어지는 방법이 달라진다.

즉, 항공기가 지상에서 이동할 때 열교환을 위한 공기를 공급하는 수단으로 지상팬(12)이 구비되어 있고, 비행할 공기를 공급하기 위한 램에어스쿠프(11)를 구비하고 있다.

응축공기 유동루프(10)에 의해 열교환이 이루어지는 응축기(24)는 냉/난방 유동루프(20)를 구성하는 하나의 구성요소로서, 이 냉/난방 유동루프(20)는 냉매라인(RL)에 의해 서로 연결되고, 냉매를 증발시켜 주위에서 증발열을 흡수하여 냉각하는 증발기(21)와, 램에어 터빈축에 회전축이 연결된 압축기(23)와, 응축기(24)와, 응축기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(25)를 포함하고 있다.

이러한 냉/난방 유동루프(20)는 통상의 냉난방시스템을 구성하는 것과 유사하며, 그 작용은 하기에서 상세하게 설명한다.

냉/난방 유동루프(20)에서 냉각 또는 가열된 냉매는 공기순환루프(30)로 공급되어 카메라/전자부(31)를 냉각시키거나 가열하여 카메라/전자부(31)가 일정한 온도를 유지되게 한다.

냉/난방 유동루프(20)는 상황에 따라 외기의 온도에 따라 냉각사이클이나 난방사이클로 운용된다.

냉각사이클로 운용될 때에는 카메라/전자부(31)의 발열에 의해 높아진 더운 공기를 냉각시키기 위해 공기순환루프(30)에서 온 공기를 증발기(21)에서 냉각시키기 위해 관로에 냉매가 사이클을 이루면서 순환하는 냉각루프로서 전통적인 냉각사이클을 통하여 이루어진다.

즉, 응축기 공기유동루프(10)에 의해 작동된 압축기(23)에서 가스 상태로 압축된 냉매는 과증기 상태에서 압축되고, 램에어스쿠프(11)에 의해 구동되는 응축기(24)에 의해 열교환이 이루어져 열을 방출하고 팽창밸브(25)에 의해 급속히 냉각되어지며, 증발기(21)에 의해 냉매는 공기순환루프(30)에 필요한 공기와 열 교환이 이루어진다.

증발기(21) 및 응축기(24)는 하나의 열교환기로서 인치당 30여 개의 냉각핀을 갖는 매우 조밀한 핀 구조물로서 공기의 증발 및 응축에 사용된다. 증발기(21)를 구성하는 열교환기는 냉매의 증발을 위해 공기가 사용되며, 응축기(24)를 구성하는 열교환기는 냉매 응축 및 냉각을 위해 램에어스쿠프(11)로 유입된 공기가 사용된다.

증발기(21)에 사용된 팬은 공기가 원활히 카메라/전자부(31)에 공급될 수 있게 하는 장치로서, 모터에 의해 구동되며 두 가지 속도 모드를 가지고 있으며, 해수면으로부터 고도 30,000피트에서 일반적으로 11,500 rpm으로 회전한다. 이때 탑재카메라에 사용된 팬은 저고도에서 70리터/초 또는 고고도에서 120리터/초의 유량을 송출할 수 있다.

지상팬(12)은 지상에서 램터빈에 공기를 제공하기 위한 것으로 지상에서 작동할 경우 약 6,000rpm으로 돌며 응축기(24)로부터 열을 흡수하여 배출하는 역할을 한다.

이러한 본 발명을 구성하는 상기의 각 구성요소의 구동을 제어하는 수단으로 제어기(40)를 구비하고 있다.

제어기(40)는 온도제어기를 제어하면서 신호처리모듈과 통신을 위한 인터페이스에 필요한 하드웨어 및 소프트웨어로 구성되어 있다. 상기 제어기는 시스템제어기(도시되지는 않음)가 제어기에 제공하는 신호로 항공기가 이/착륙인지, 운항 중인지를 판단하기 위한 신호가 있으며, 항공기 속도인 마하수, 항공기 고도, 외부유동 공기온도, 카메라/전자부의 온도를 제공한다.

또, 제어기(40)는 냉각사이클 및 응축기 공기 유동루프에서 압축기의 압력 및 온도, 증발기 압력 및 온도, 루우버 각도, 램터빈속도를 받아서 드라이펌프, 유동조절펌프, 루우버각도, 증발기, 지상팬 및 히터를 구동하기 위한 명령신호를 보낸다.

본 발명의 목적은 보다 소형화되고 경량화하는 것으로, 압축기(23)는 소형 경량에 적합하고, 회전수를 가변할 수 있는 가변형 로터리 압축기를 채용하였으며, 증발기(21)의 과열도를 신속하게 제어할 수 있는 팽창밸브(25)는 전자팽창밸브를 채용하였다.

또한, 냉매와 냉각기유의 급격한 유입으로 인하여 압축기(23)가 손상되는 것을 방지하기 위하여 증발기(21)와 압축기(23) 사이에는 액분리기(21)를 더 설치하였으며, 액체 냉매와 오일 혼합체의 일시적인 저장용기로서 상기 혼합체를 일정한 비율로 압축기로 흡입되도록 설계하였다.

액분리기(21)는 수직방향으로 배관되는 것이 바람직하고, 가능한 한 압축기(23)와 같은 높이에 근접되게 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 냉매라인(RL)에는 하나 이상의 펌프가 더 구비하여 냉매의 흐름을 원활하게 제어할 수 있게 하였고, 압축기(23)와 응축기(24) 사이에는 습기, 산성 물질 및 이물질을 걸려 주어 시스템을 보호하는 필터드라이(26)와, 냉매라인에 흐르는 냉매의 흐름이 정상인지 여부를 감지하기 위한 사이트글라스(27)를 더 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 환경조절장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 공기순환루프(30)로 공기를 순환시킬 때 공기를 가열하기 위한 히터(33)와 카메라/전자부(31)를 통과한 공기를 공기순환루프(30)의 외부로 배출시키기 위한 팬(미설명)을 더 구비할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 환경조절장치는 다수의 펌프를 구비하는 것이 바람직하며, 이러한 펌프로는 냉매를 액분리기(22)에서 증발기(21)로 공급하여 열역학 사이클의 필요한 냉매의 양을 조절하는 유량조절펌프(미도시)와, 전자밸브팽창밸브(25)가 열린 상태에서 증발기(21)에 있던 냉매를 액분리기(22)로 보내는 역할을 하는 드라이 펌프(미도시) 등이 있다.

드라이 펌프 작동시 냉매 압축률이 증가하고, 결과적으로 증발온도가 감소하고, 압축기 출구에서 냉매 온도가 증가하여 램터빈의 속도가 더욱 증가한다.

유량조절 펌프 작동시 냉매 압축률이 감소하여 증발온도가 증가하고, 압축기 출구에서 냉매 온도가 감소하여 터빈의 속도가 감소한다. 히터는 증발기 후단에 장착되며 카메라/전자부의 온도가 낮을 때 작동된다.

도시하지는 않았으나 상기 각 장치에 필요한 전원을 공급하기 위한 전력모듈이 더 구비되어 있으며, 전력모듈은 전기적인 에너지가 필요한 구동부에 전력을 공급하는 역할을 하는 모듈로서 제어기, 증발기, 지상 팬, 히터 등에 필요한 전력을 공급하는 역할을 수행한다.

본 발명은 친환경 냉매인 R236fa를 사용하여 70℃의 회수공기와 30℃의 공급공기로 냉각하는 전기적으로 구동되는 증기사이클시스템이다.

장치는 FPGA 디지털 제어기에 의해 제어되는데 고장진단기능, 항공기통신 인터페이스, 카메라/전자부의 시스템제어와 연동되며, 증발기 출구에서 나온 과증기 냉매는 압축기로 들어가 압축된다.

압축기를 나온 고압, 과증기는 응축기에서 공랭되는데 비행중에는 램에어에 의해 냉각되고 지상에서는 지상팬의 송풍으로 냉각된다.

지상에서는 항공기로부터 오는 와우신호(Weight-on-wheels signal)에 의해 지상팬의 구동 여부를 판단한다. 대부분의 상태에서 냉매는 응축기 안에서 포화온도 이하로 냉각된다.

압축기로 돌아온 냉매는 이후 동일 사이클을 반복하여 작동된다.

냉각공기는 2단 속도로 구동되는 팬에 의해 카메라/전자부에 송풍되어 공급된다.

2단 속도 팬은 저고도에서는 저속으로 공기 밀도가 희박한 고고도에서는 충분한 공기유량을 얻기 위해 고속으로 구동된다.

압축기, 지상팬, 팬은 항공기에서 공급하는 115VAC/400Hz 전원을 공급을 받는다. 제어기와 센서들은 28VDC 전원을 공급받는다. 필터드라이어는 습기, 산성 물질 및 이물질을 걸려 주어 시스템을 보호하는 역할을 한다.

1 : 항공기 2 : 영상정보획득장비
3 : 환경조절장치 4 : 전자부
10 : 응축공기유동루프
11 : 램에어스쿠프 12 : 지상팬
20 : 냉/난방 유동루프
21 : 증발기 22 : 액분리기
23 : 압축기 24 : 응축기
25 : 팽창밸브 26 : 필터드라이
27 : 사이트글라스
30 : 공기순환루프
31 : 카메라/전자부
40 : 제어기

Claims

항공기의 포드에 구비된 영상정보획등장치에 일정한 온도 환경을 제공하기 위한 환경조절장치에 있어서,
(A) 항공기가 지상에서 이동할 때 구동되는 지상팬(12)이나 비행할 때 구동되는 램에어스쿠프(11)에 의해 냉/난방 유동루프를 구성하는 응축기와 열교환이 이루어지는 응축공기 유동루프(10)와;
(B) 냉매라인(RL)에 의해 서로 연결되고 R236fa(냉매)를 증발시켜 주위에서 증발열을 흡수하여 냉각하는 증발기(21)와, 램에어 터빈축에 회전축이 연결된 압축기(23)와, 응축공기 유동루프(10)에 의해 열교환되는 응축기(24)와, 응축기에서 응축된 R236fa를 팽창시키는 팽창밸브(25)와, 히터(33)를 포함하는 냉/난방 유동루프(20);
(C) 냉/난방 유동루프(20)에서 냉각되거나 가열된 공기를 카메라/전자부(31)에 공급하여 순환시킴으로써 카메라/전자부(31)가 일정한 온도를 유지하게 하는 공기순환루프(30); 및
(D) 응축공기 유동루프(10)와 냉/난방 유동루프(20)와 공기순환루프(30)의 구동 상태를 제어하는 제어기(40);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치.
제 1 항에 있어서,
압축기(23)는 회전수를 가변할 수 있는 가변형 로터리 압축기인 것을 특징으로 하는 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
팽창밸브(25)는 전자팽창밸브인 것을 특징으로 하는 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치.
제 3 항에 있어서,
증발기(21)와 압축기(23) 사이에, 액분리기(21)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치.
제 4 항에 있어서,
냉매라인(RL)에는 하나 이상의 펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치.
제 5 항에 있어서,
압축기(23)와 응축기(24) 사이에는 습기, 산성 물질 및 이물질을 걸려 주어 시스템을 보호하는 필터드라이(26)와, 냉매라인에 흐르는 냉매의 흐름이 정상인지 여부를 감지하기 위한 사이트글라스(27)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 항공기 외부 장착물 탑재용 소형 경량 환경조절장치.