KR101684587B1 - 공기 사이클 시스템 - Google Patents

Abstract

공기 사이클 시스템은 외부에서 공급받은 고압 공기의 일부 또는 전체를 대기 공기와 열교환시키는 1차 열교환기; 1차 열교환기를 통과한 고압 공기가 유입되는 제1 입구 및 1차 열교환기를 통과하지 않고 우회한 고압 공기가 유입되는 제2 입구를 포함하는 1차 온도 조절 밸브; 1차 온도 조절 밸브를 통과한 고압 공기의 일부 또는 전체를 쿨링 터빈을 통과한 저압 공기와 열교환시키는 2차 열교환기; 1차 온도 조절 밸브의 출구와 연통되는 입구, 쿨링 터빈의 입구와 연통되는 제1 출구, 및 2차 열교환기의 고압측 유로 입구와 연통되는 제2 출구를 포함하는 2차 온도 조절 밸브를 포함한다.

Description

공기 사이클 시스템 {AIR CYCLE SYSTEM}

본 발명은 공기 사이클 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부에서 공급되는 압축 공기로부터 사용처가 요구하는 온도, 압력, 습도 범위의 공조 공기를 신속하게 제공할 수 있는 공기 사이클 시스템에 관한 것이다.

항공기 지상 점검 등에 필요한 공조 공기를 공급하는 에어 컨디셔닝 유닛(Air Conditioning Unit; ACU)은 역 브레이튼 사이클(Reverse Brayton Cycle)이라 불리는 시스템 원리를 바탕으로 하는 공기 사이클 시스템을 적용하고 있다. 이 공기 사이클 시스템은 주로 별도의 독립된 장비인 가스 터빈으로부터 압축 공기를 공급받고, 대기와 열 교환시켜 압축 공기의 온도를 낮춘 후 쿨링 터빈을 통과시키면서 팽창에 의한 냉각 효과를 얻는다.

항공기용 공조 공기는 기본적으로 대기 공기의 냉각 과정에서 발생하는 응축수 및 얼음을 확실하게 제거한 후 공급되어야 하고, 저온에서 고온까지 넓은 범위, 대략 10℃ 내지 100℃ 내에서 온도 조절이 신속하게 이뤄져야 한다는 점에서 일반적인 에어 컨디셔너와는 차별화된다.

기존 ACU의 경우, 별도 장비인 가스 터빈으로부터 압축 공기를 공급받지만 전력은 공급받지 않는 경우가 대부분이며, 이 때문에 기계적인 공압 제어를 통해 ACU를 제어하고 있다. 이러한 수동 제어 및 공압에 의한 제어로 야기되는 문제점들을 해결하기 위하여 쿨링 터빈에서 발생되는 축동력을 이용하여 동축에 발전기를 부착한 후 이를 제어를 위한 전력 또는 쿨링 터빈 부하 조정용 등으로 활용하는 방법도 사용되고 있다. 또한, 공기 사이클 시스템 구성, 수분 제거 방식, 온도 조절 방식 등은 여러 가지 다양한 형태로 제시되어 있다.

일본 등록특허 제5525274호 (발명의 명칭: 주기 항공기용 공조 장치)

본 발명은 쿨링 터빈에서 발생되는 축동력에 의하여 발생되는 전력에 의해 작동되는 전동 액츄에이터, 전자 센서 및 제어기 등을 활용한 전자 제어를 바탕으로, 제습 효과를 극대화하기 위하여 쿨링 터빈에서 배출된 저압 공기의 온도가 저압 공기의 응축수가 결빙되기 직전의 온도로 정밀하게 유지될 수 있는 공기 사이클 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 쿨링 터빈 및 저압 수분 분리기를 통과한 저압 공기에 대하여, 2차 열교환기를 이용하여 공기 중 수분 증가 없이 신속하게 온도를 조절하며, 외부로부터 공급되는 압축 공기의 양을 불필요하게 소모하지 않고 유량을 조절할 수 있는 공기 사이클 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공기 사이클 시스템은, ⅰ) 고압 공기를 팽창 및 냉각시키기 위한 쿨링 터빈과, ⅱ) 외부에서 공급받은 고압 공기의 일부 또는 전체를 대기 공기와 열교환시키는 1차 열교환기와, ⅲ) 1차 열교환기를 통과한 고압 공기가 유입되는 제1 입구와, 1차 열교환기를 통과하지 않고 우회한 고압 공기가 유입되는 제2 입구를 포함하며, 제1 입구와 제2 입구의 유로 단면적이 서로 반비례 관계를 가지는 1차 온도 조절 밸브와, ⅳ) 1차 온도 조절 밸브를 통과한 고압 공기의 일부 또는 전체를 쿨링 터빈을 통과한 저압 공기와 열교환시키는 2차 열교환기와, ⅴ) 1차 온도 조절 밸브의 출구와 연통되는 입구와, 쿨링 터빈의 입구와 연통되는 제1 출구와, 2차 열교환기의 고압측 유로 입구와 연통되는 제2 출구를 포함하며, 제1 출구와 제2 출구의 유로 단면적이 서로 반비례 관계를 가지는 2차 온도 조절 밸브를 포함한다.

공기 사이클 시스템은, 1차 열교환기와 1차 온도 조절 밸브의 제1 입구 사이에 설치되어 1차 열교환기를 통과한 고압 공기 중의 응축수를 제거하는 고압 수분 분리기를 더 포함할 수 있다.

공기 사이클 시스템은, 쿨링 터빈의 출구와 2차 열교환기의 저압측 유로 입구 사이에 설치되어 쿨링 터빈을 통과한 저압 공기 중의 응축수를 제거하는 저압 수분 분리기를 더 포함할 수 있다.

2차 열교환기를 통과한 고압 공기는 2차 온도 조절 밸브의 제1 출구를 통과한 고압 공기와 합류하여 쿨링 터빈으로 공급될 수 있고, 2차 열교환기의 저압측 유로를 통과한 저압 공기는 저압 공기 배관을 거쳐 토출 박스로 공급될 수 있다.

2차 온도 조절 밸브는 저압 공기 배관에 연통되는 제3 출구를 더 포함할 수 있다. 제1 출구가 완전 폐쇄되고 제2 출구가 부분 또는 완전 개방된 상태에서 제3 출구가 점진적으로 개방되어 최종 배출되는 저압 공기의 온도를 높일 수 있다.

다른 한편으로, 1차 온도 조절 밸브의 출구는 제1 출구일 수 있고, 1차 온도 조절 밸브는 저압 공기 배관에 연통되는 제2 출구를 더 포함할 수 있다. 제1 입구가 폐쇄되고 제2 입구가 개방되는 과정에서, 제1 출구의 폐쇄가 시작되고, 제2 출구의 개방이 시작되어 최종 배출되는 저압 공기의 온도를 높일 수 있다.

다른 한편으로, 공기 사이클 시스템은 외부에서 공급되는 고압 공기를 저압 공기 배관에 직접 공급하는 연결 배관과, 연결 배관에 설치된 가열 조절 밸브를 더 포함할 수 있다. 가열 조절 밸브의 작동으로 최종 배출되는 저압 공기의 온도를 높일 수 있다.

공기 사이클 시스템은 저압 공기 배관에 설치되는 유량 조절 밸브를 더 포함할 수 있다. 유량 조절 밸브는 저압 공기를 상기 토출 박스로 공급하는 주 유로와, 잉여 유량을 1차 열교환기의 대기 공기 유입 유로로 바이패스하는 바이패스 유로를 포함할 수 있다.

공기 사이클 시스템은, 쿨링 터빈과 저압 수분 분리기 사이에 설치된 결빙 방지용 온도 센서와, 저압 공기의 결빙을 방지하는 온도 관리 범위를 내장하여 쿨링 터빈에서 배출된 저압 공기의 온도가 관리 범위 내에 있도록 1차 온도 조절 밸브를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.

결빙 방지용 온도 센서에서 측정된 온도가 제어기에 내장된 결빙 방지 온도보다 낮을 때, 1차 온도 조절 밸브는 제1 입구의 유로 단면적을 줄이는 동시에 제2 입구의 유로 단면적을 늘리도록 작동할 수 있다. 반대로, 결빙 방지용 온도 센서에서 측정된 온도가 제어기에 내장된 결빙 방지 온도보다 높을 때, 1차 온도 조절 밸브는 제1 입구의 유로 단면적을 늘리는 동시에 제2 입구의 유로 단면적을 줄이도록 작동할 수 있다.

공기 사이클 시스템은, 쿨링 터빈의 입구로 고압 공기를 분사하는 노즐과, 쿨링 터빈과 동축으로 결합되며 전기를 생산하는 발전기와, 쿨링 터빈과 동축으로 결합되며 대기 공기를 1차 열교환기로 흡입하는 팬을 더 포함할 수 있다. 노즐은 가변 베인 노즐로 구성될 수 있으며, 발전기에 요구되는 최소한의 회전수를 갖도록 유량 조절 범위가 제한될 수 있다.

본 발명에 의한 공기 사이클 시스템은 최종 배출되는 공기의 습도를 최소한으로 유지할 수 있고, 항공기 점검 과정에서 요구되는 넓은 온도 범위를 만족할 수 있으며, 최종 배출되는 공기의 온도를 신속하게 변화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기 사이클 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기 사이클 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공기 사이클 시스템의 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.

먼저 일반적인 공기 사이클 시스템을 설명하면 다음과 같다.

외부로부터 유입된 압축 공기는 대기 공기와의 열교환에 의해 열을 뺏긴 후 쿨링 터빈으로 유입된다. 쿨링 터빈으로 유입된 압축 공기는 터빈을 회전시키며 급격히 팽창하면서 냉각되어 최종 사용처로 배출된다. 한편, 압축 공기에 의해 회전하는 터빈의 동축에 부착된 팬은 터빈에서 얻은 회전력으로 회전하며 압축 공기가 대기 공기와 열교환할 수 있도록 대기 공기를 흡입한다. 팬에 의해 열교환기를 통과한 공기는 다시 대기로 배출된다. 이때, 대기 공기와의 열교환을 거친 압축 공기는 그 압력이나 열교환 용량, 대기 공기의 온도 및 습도에 따라 차이날 수 있지만, 대부분 응축수를 함유하게 되며, 쿨링 터빈을 통과하여 냉각된 공기 역시 낮아진 온도에 의해 추가적으로 응축수가 발생하게 된다.

종래 기술에 의한 공기 사이클 시스템의 경우, 최종 배출되는 공기의 수분을 낮추기 위한 다양한 방법들을 사용하고 있다. 크게 분류하면 첫째, 쿨링 터빈 동축에 추가 압축기를 연결하여 외부로부터 공급된 고압 공기의 압력을 더욱 상승시켜 이슬점을 높인 후 대기 공기 또는 쿨링 터빈에서 배출된 냉각 공기와 열교환하여 고압 상태에서 응축수를 최대한 생성시켜 후단의 고압 수분 분리기에서 제거하는 방법, 둘째, 쿨링 터빈에서 배출된 공기의 온도를 결빙이 되지 않는 범위 내에서 최대한 낮게 유지하여 저압 수분 분리기에서 제거하는 방법이 있다. 특히 단순한 시스템에는 후자의 방법이 주로 사용되고 있는데, 온도를 너무 높게 유지하면 응축수가 덜 생성되며, 너무 낮게 유지하면 결빙이 발생한다는 문제점이 있다.

쿨링 터빈의 배기 온도를 조절하는 방식으로는 역시 다양한 방법이 제시되고 있는데, 특히 대기 공기와 고압 공기를 열교환하는 열교환기로 고압 공기가 통과하는 양을 조절하여 쿨링 터빈으로 들어가는 고압 공기 온도를 조절함으로써 쿨링 터빈에서 배출되는 온도를 조절하는 방식이 주로 사용된다. 한편, 낮은 온도를 유지하면서 저압 수분 분리기를 통과한 이후 최종 배출되기 전의 저압 공기는 요구되는 온도에 맞춰 상승시킬 필요가 있는데, 이때 온도 조절은 주로 외부로부터 공급된 고온의 고압 공기를 냉각된 저압 공기와 혼합하는 방식을 사용한다.

그런데, 이 경우 혼합된 공기의 습도가 상승하는 문제점이 있다. 예를 들어 대기 공기의 온도가 30℃, 상대 습도가 90%라고 가정하면 대기압에서 절대 수분량은 건조 공기 1kg 당 약 25g이다. 이러한 조건의 대기 공기를 외부의 독립된 압축기에서 압축하면 상대 습도는 변하지만 절대 습도는 그대로 유지된다. 쿨링 터빈 및 수분 분리기를 통과한 저압 공기의 조건이 예를 들어, 0.3barG, 0℃, 상대 습도가 100%라고 가정하면 절대 수분량은 건조 공기 1kg 당 약 3g이다. 이러한 저압 공기의 온도를 올리기 위해 압축기에서 압축된 건조 공기 1kg 당 약 25g의 절대 수분을 가진 고압 공기를 혼합시키면 온도 상승 조절량, 즉 혼합비에 따라 차이가 있지만 혼합된 공기의 상대 습도는 크게 상승하게 된다. 이 경우, 항공기에 공급되는 낮은 상대 습도 기준을 맞추는 데 문제가 발생한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기 사이클 시스템의 구성도이다. 도 1을 참고하여 제1 실시예에 따른 공기 사이클 시스템을 설명하면 다음과 같다.

외부로부터 공급된 고온 고압의 압축 공기는 냉각을 위해 먼저 대기 공기와의 열교환이 이뤄지는 1차 열교환기(10)로 유입된다. 외부로부터 공급되는 고압 공기는 대기 조건이 표준 대기 조건 즉 1기압 15℃, 상대 습도 60% 조건일 때, 압축비 및 효율에 따라 다르지만 압력 2.5~3.5barG, 온도 180℃ 내지 200℃의 고온, 고압 조건의 압축 공기일 수 있다. 1차 열교환기(10)에서 대기 공기에 의해 상당량 냉각된 고압 공기는 삼방 밸브로 구성된 1차 온도 조절 밸브(30)로 유입된다.

1차 온도 조절 밸브(30)는 복수의 공기 유로가 형성된 하우징과, 액츄에이터에 의하여 회전 운동 또는 직선 운동을 함에 따라 복수의 공기 유로를 개방하거나 폐쇄하도록 유로가 구성된 밸브 몸체와 하나의 액츄에이터로 구성될 수 있다. 1차 온도 조절 밸브(30)의 제1 입구(31)는 1차 열교환기(10)와 연통되어 있고, 제2 입구(32)는 1차 열교환기(10) 전의 고압 공기 배관과 연통되어 있으며, 출구(33)는 2차 온도 조절 밸브(40)의 입구(41)와 연통되어 있다.

1차 온도 조절 밸브(30)는 제1 입구(31)의 유로 단면적과 제2 입구(32)의 유로 단면적을 유사하게 형성시키며 밸브 액츄에이터의 작동에 의해 서로 반비례 관계로 유로 단면적을 조절할 수 있도록 구성한다. 예를 들어, 제1 입구(31)의 유로 단면적이 감소하면 제2 입구(32)의 유로 단면적이 증가하고, 제1 입구(31)의 유로가 완전 폐쇄되었을 때 제2 입구(32)의 유로는 완전 개방되도록 구성하며, 그 반대의 경우도 반비례 관계로 구성되는 것이 바람직하다.

본 실시예의 1차 온도 조절 밸브(30)에 적용될 수 있는 삼방 밸브는 다양한 방식이 사용되고 있으므로 전술한 목적을 충족시키는 어떠한 형태의 삼방 밸브도 적용 가능하다. 이때, 1차 열교환기(10)와 1차 온도 조절 밸브(30)의 제1 입구(31) 사이에는 1차 열교환기(10)를 통과하며 생성된 고압 공기 중의 응축수를 제거하기 위한 고압 수분 분리기(20)를 설치할 수 있다.

1차 온도 조절 밸브(30)를 통과한 고압 공기는 사방 밸브로 구성된 2차 온도조절 밸브(40)의 입구(41)로 유입된다. 2차 온도 조절 밸브(40)는 1차 온도 조절 밸브(30)와 마찬가지로, 복수의 공기 유로가 형성된 하우징과, 액츄에이터에 의하여 회전 운동 또는 직선 운동을 함에 따라 복수의 공기 유로를 개방하거나 폐쇄하도록 유로가 구성된 밸브 몸체와 하나의 액츄에이터로 구성될 수 있다.

2차 온도 조절 밸브(40)의 제1 출구(42)는 쿨링 터빈(51)의 입구와 연통되고, 제2 출구(43)는 2차 열교환기(70)의 고압측 유로 입구와 연통되며, 제3 출구(44)는 저압 수분 분리기(60) 및 2차 열교환기(70)의 저압측 유로를 통과한 저압 공기 배관(L10)에 연통된다.

제1 출구(42)와 제2 출구(43)는 유사한 유로 단면적을 가지고 서로 반비례 관계로 유로 단면적을 조절할 수 있도록 구성한다. 즉, 제1 출구(42)의 유로 단면적이 감소하면 제2 입구(43)의 유로 단면적이 증가하고, 제1 출구(42)의 유로가 완전 폐쇄되었을 때 제2 출구(43)의 유로가 완전 개방되도록 구성하며, 그 반대의 경우도 반비례 관계로 구성되는 것이 바람직하다.

제3 출구(44)는 제2 출구(43)가 완전 개방되고 제1 출구(42)가 완전 폐쇄된 상태에서 점진적으로 개방되도록 구성한다. 제3 출구(44)가 완전 개방되었을 때에도 제2 출구(43)는 완전 개방되어 있고 제1 출구(42)는 완전 폐쇄되어 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 특히 제3 출구(44)가 완전 개방되었을 때 제2 출구(43) 역시 일부 폐쇄되도록 하여도 무방하나, 제3 출구(44)로 배출되는 공기 유량과 연동하여 아래 설명하는 쿨링 터빈(51)에서 최소한의 회전수가 생성될 수 있는 유량을 통과시키기 위한 유로가 제2 출구(43)에 확보되어야 한다.

2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43)를 통과하는 고압 공기는 2차 열교환기(70)에서 쿨링 터빈(51)을 통과하며 냉각된 후 저압 수분 분리기(60)에서 응축수가 제거된 저압 공기와 열교환을 하게 된다. 이때 고압 공기의 온도는 저압 수분 분리기(60)를 통과한 저압 공기의 온도보다 항상 높기 때문에 2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43)를 통과하여 2차 열교환기(70)의 고압측 유로를 지나는 고압 공기의 유량이 많아질수록 2차 열교환기(70)의 저압측 유로를 통과하여 배출되는 저압 공기의 온도가 상승하게 된다.

또한, 2차 열교환기(70)를 통과하는 고압 공기는 저압 공기로 인하여 냉각되므로, 배출되는 저압 공기의 온도를 상승시키기 위해 외부로부터 공급된 고온의 고압 공기를 저압 공기에 그대로 혼합시키는 방식보다 냉동일량을 더 회수할 수 있다. 특히, 간접적으로 승온을 시키기 때문에 절대 습도는 그대로 유지되면서 온도가 상승되어 상대 습도가 하락하는 효과를 얻을 수 있다.

2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43)를 통하여 2차 열교환기(70)를 지난 고압 공기는 2차 온도 조절 밸브(40)의 제1 출구(42)를 통과한 고압 공기와 합류하여 쿨링 터빈(51)으로 공급된다. 쿨링 터빈(51)의 노즐(54)을 통과하면서 압력 에너지를 속도 에너지로 전환시킨 공기가 쿨링 터빈(51)과 부딪히면서 쿨링 터빈(51)은 회전하게 되고, 회전을 통한 급격한 팽창 과정에서 공기의 압력과 온도가 하강하게 된다. 쿨링 터빈(51)을 통과한 저압 공기는 온도 하강시 발생한 응축수를 포함하고 있는데, 저압 수분 분리기(60)를 통과하면서 이를 제거하고 2차 열교환기(70)의 저압측 유로를 지나게 된다.

한편, 2차 온도 조절 밸브(40)의 제3 출구(44)를 통과하는 고압 공기는 2차 열교환기(70)의 저압측 유로를 통과한 저압 공기와 혼합되는데, 1차 온도 조절 밸브(30)를 통과한 모든 고압 공기를 2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43)에 연통된 2차 열교환기(70)로 통과시켜도 사용자가 설정한 목표 온도만큼 상승하지 않을 경우 사용된다. 예를 들어 항공기에 따라 다르지만, 일부 항공기는 대략 90℃ 내지 100℃에 이르는 고온의 공기를 공급해야 할 필요도 있다.

따라서, 2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43)가 완전히 개방되고 제1 출구(42)가 완전히 폐쇄된 상태에서 제3 출구(44)를 점진적으로 열어 최종 배출되는 저압 공기의 온도를 더욱 상승시킬 수 있다. 또는 2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43)가 완전히 개방되지 않거나 제1 출구(42)가 완전히 폐쇄되지 않은 상태에서도 제3 출구(44)를 열리게 할 수 있으나, 제어 속도, 주 사용 온도, 쿨링 터빈(51)의 용량 등에 따라 제1, 제2, 제3 출구(42, 43, 44)의 유로 단면적 및 개폐의 연동 관계는 조절될 수 있다.

그러나, 기본적으로 제1 출구(42)와 제2 출구(43)는 유로 단면적이 서로 반비례 되는 것이 바람직하고, 제2 출구(43)가 최소한 절반 이상 개방된 이후에 제3 출구(44)가 개방되기 시작하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 2차 온도 조절 밸브(40)에 적용될 수 있는 사방 밸브는 다양한 방식이 사용되고 있으므로 전술한 목적을 충족시키는 어떠한 형태의 삼방 밸브도 적용 가능하다.

2차 열교환기(70)를 통과한 저압 공기는 2차 온도 조절 밸브(40)의 제3 출구(44)와 연통된 고온 고압 공기와의 혼합 구간을 지나서 유량 조절 밸브(80)로 유입된다. 유량 조절 밸브(80)는 저압 공기를 외부로 최종 공급하기 위한 토출 포트를 갖춘 토출 박스(100)로 연결되는 주 유로(81)와 잉여 유량을 바이패스 하기 위한 바이패스 유로(82)로 나뉜다. 따라서 주 유로(81)와 바이패스 유로(82)는 액츄에이터의 조절에 따라 유로 단면적이 서로 반비례 되게 하는 것이 바람직하다.

이때, 바이패스 유로(82)로 배출되는 잉여 공기는 1차 열교환기(10)의 대기 공기 유입 유로로 유입되어 대기 공기와 함께 고압 공기의 냉각을 돕게 구성한다. 주 유로(81)를 통과한 저압 공기는 유량계(90)를 지나 토출 박스(100)로 유입된 후 최종 토출 포트에 연결된 호스 등을 통하여 외부로 공급된다. 이때 유량계(90)는 오리피스, 벤츄리 등 다양한 원리의 유량계 적용이 가능하다.

쿨링 터빈 조립체(50)는 쿨링 터빈(51) 외경과 일정 구간 이격되어 위치하는 노즐(54)을 포함한다. 노즐(54)은 유로 단면적 및 각도가 고정된 고정 베인 노즐과, 변동 가능한 가변 베인 노즐 중 어느 하나를 적용할 수 있다. 특히 가변 베인 노즐의 경우, 외부로부터 공급되는 고압 공기의 양을 조절할 수 있는 중요한 요소인데, 노즐(54)의 유로 단면적을 줄이면 쿨링 터빈(51)으로 공급되는 공기량이 감소하여 외부로부터 공급되는 고압 공기의 양 역시 줄어들고 그 반대의 경우도 가능하다.

그러나, 본 실시예의 쿨링 터빈 조립체(50)는 제어를 위한 발전기(53)를 포함하고 있으므로 노즐(54)의 유로 단면적을 지나치게 줄이면 쿨링 터빈(51)의 회전 속도가 감소하게 되고, 회전 속도의 감소는 발전기(53) 생성 전압의 강하를 발생시킨다. 따라서 쿨링 터빈 조립체(50)에 적용하는 노즐(54)은 발전기(53)에 요구되는 최소한의 회전수를 갖도록 조절 범위를 제한하는 것이 바람직하다.

또는, 노즐(54)을 완전히 폐쇄하여 외부로부터 고압 공기가 공급되지 않도록 할 수도 있는데, 이 경우 가변 베인 노즐을 조정하는 액츄에이터에 전원을 공급하기 위하여 발전기(53)에서 생성되는 전력을 발전기(53) 회전이 감소하는 중에도 일정 시간 사용할 수 있도록 커패시터(콘덴서) 또는 배터리에 저장해 둘 필요가 있다. 배터리의 경우 사용 시간이 오래되면 저장 능력이 감소하다가 결국 사용 불능이 되어버릴 수가 있으므로 커패시터를 적용하는 것이 더 바람직 할 수도 있다.

쿨링 터빈(51)의 동축에 부착된 팬(52)은 쿨링 터빈(51)에서 얻은 회전력으로 회전하며 압축 공기가 대기 공기와 열교환할 수 있도록 대기 공기를 흡입한다. 팬(52)에 의해 1차 열교환기(10)를 통과한 공기는 다시 대기로 배출된다.

전술한 발전기(53)에서 생성된 전력은 제어기(120)로 공급되어 제어 및 전력 저장에 활용된다. 신속한 제어를 위해 본 실시예에 적용된 제어기(120) 및 각종 센서와 액츄에이터는 전자식 및 전동식인 것이 바람직하지만, 일부 공압식 및 기계식 센서 및 액츄에이터를 적용할 수도 있다.

전술한 구성을 바탕으로, 제1 실시예의 공기 사이클 시스템의 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 사용처로 공급되는 공조 공기의 배출 유량 조절은, 유로가 고정된 노즐인 경우 노즐에 의한 유량 조절이 불가능하므로 유량 조절 밸브(80)에 의한다. 사용자 설정 유량보다 유량계(90)에서 측정되는 유량이 많으면 유량 조절 밸브(80)의 주 유로(81) 출구를 닫는 동시에 바이패스 유로(82)를 열어 쿨링 터빈(51) 후단에 배압이 걸리지 않는 상태에서 주 유로(81)로 가는 유량을 줄일 수 있다.

반대로 설정 유량보다 유량계(90)에서 측정되는 유량이 적으면 유량 조절 밸브(80)의 주 유로(81) 출구를 여는 동시에 바이패스 유로(82)를 닫아서 주 유로(81)로 가는 유량을 늘릴 수 있다. 그러나 이러한 방식의 유량 제어는 외부로부터 공급되는 고압 공기를 최종 배출 공기보다 많이 소모함으로써 에너지를 낭비하게 된다. 따라서 유량 조절 밸브(80) 보다는 가변 베인 노즐(54) 단독 또는 가변 베인 노즐(54)과 유량 조절 밸브(80)를 복합적으로 제어하여 유량을 조절하는 방식이 보다 효율적이다.

가변 베인 노즐(54)이 장착된 경우 외부로 공급되는 공조 공기 배출 유량의 조절은, 유량 조절 밸브(80)가 완전 개방된 상태에서, 사용자가 설정한 유량에 맞춰 가변 베인 노즐(54)의 공기 유로 단면적을 늘리거나 줄여 유량을 증가시키거나 감소시킨다. 사용자가 설정한 유량에 도달하면 가변 베인 노즐(54) 작동용 액츄에이터는 작동을 중단한다. 이때, 가변 베인 노즐(54) 유로 단면적을 줄여가다가 완전 차단하게 되면 쿨링 터빈(51)에 공급되는 공기가 줄다가 완전 차단되어 쿨링 터빈(51)은 회전력을 잃고 정지하게 된다.

만약, 가변 베인 노즐(54)의 유로 단면적을 줄여가다가 쿨링 터빈(51)의 회전수가 줄어 쿨링 터빈(51)에 동축으로 연결된 발전기(53)가 충분한 전력을 생산하기 어렵게 되면 제어가 불가능해질 수 있다. 따라서, 발전기(53)에서 생성되는 전력 없이도 충전된 전력으로 제어가 가능토록 커패시터나 배터리를 구비할 수 있다. 다만, 공기 사이클 시스템 시동 직후 유량을 줄여야 하는 상황이 발생할 수 있으므로 커패시터나 배터리의 충전 전력이 부족해질 우려가 있을 수 있다.

따라서, 보다 바람직하게는, 발전기(53) 전력 생성이 필요한 최소한의 회전수 또는 제어에 필요한 최소 전력을 설정해두어, 회전수가 떨어지거나 전력이 떨어지면 가변 베인 노즐(54)의 유로 단면적을 더 이상 줄이지 않도록 하는 제어가 필요하다. 또한, 가변 베인 노즐(54)을 상기와 같이 최소 한계까지 조절한 상태에서 추가적인 유량 감소가 필요하면, 유량 조절 밸브(80)를 조정하여 유량을 조절할 수 있다.

또 다른 유량 조절의 방법으로, 외부로부터 공급되는 고압 공기가 1차 열교환기(10) 및 우회 라인으로 분기되기 전 공급 유량 조절 밸브(110)를 설치하여 외부에서 공급되는 공기량을 조절함으로써 공기 사이클 시스템에서 외부로 배출되는 공조 공기 유량을 조절할 수도 있다. 단, 이 경우 일정 수준 이하에 공기량을 줄이면, 쿨링 터빈 노즐(54)의 효율이 급격히 떨어지고, 그로 인하여 팬(52)의 회전이 감소함으로써 1차 열교환기(10)에 필요한 충분한 대기 공기를 유입하지 못하게 될 뿐만 아니라, 요구되는 발전기(53)의 회전수를 맞추지 못할 수도 있다. 따라서, 공급 유량 조절 밸브(110)를 설치하여 유량을 조절하는 경우, 최소 유량 한계를 설정하여 공급 공기량이 일정 수준 이하로 떨어지지 않게 공급 유량 조절 밸브(110)에 제한을 두는 것이 바람직하다.

한편, 외부로 공급되는 공조 공기 온도 조절 및 습도의 관리는 다음과 같다. 먼저, 전술한 바와 같이 제습 방법 중 본 실시예에서는 쿨링 터빈(51)에서 배출된 공기의 온도를 응축수가 결빙이 되지 않는 범위 내에서 최대한 낮게 유지하여 응축수를 많이 생성한 후 저압 수분 분리기(60)에서 제거하는 방법을 채택하고 있다. 대부분의 대기 조건에서, 고압 공기의 압력이 충분하여 쿨링 터빈(51)에서의 팽창비가 충분하고 공기 중의 수분량이 많지 않아서 수증기의 응축 과정에서 발생하는 응축열이 많지 않다면 쿨링 터빈(51)을 통과한 저압 공기는 영하로 떨어져서 결빙이 일어난다.

이러한 결빙을 방지하기 위해서는 여러가지 방법이 있을 수 있으나, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 쿨링 터빈(51)에 공급되는 고압 공기의 온도를 조절하여 쿨링 터빈(51)에서 배출된 저압 공기에 결빙이 일어나지 않도록 조절한다. 이를 위하여 1차 온도 조절 밸브(30)를 사용하여 1차 열교환기(10)를 통과하는 고압 공기량과 우회하여 합류하는 고압 공기량을 조절하여 온도를 조절하는 방식을 사용한다.

그러나, 1차 온도 조절 밸브(30)를 통과한 공기는 2차 온도 조절 밸브(40)에서 2차 열교환기(70)를 통과하는 양에 따라 최종적으로 쿨링 터빈(51)으로 공급되는 온도가 결정되므로, 이를 제어하기 위해서는 쿨링 터빈(51)과 저압 수분 분리기(60) 사이에 결빙 방지용 온도 센서(121)를 설치하고 결빙을 방지하는 온도 관리 범위를 제어기(120)에 내장하여 2차 온도 조절 밸브(40)의 작동 여부와 상관없이 쿨링 터빈(51)에서 배출된 저압 공기 온도가 지속적으로 해당 온도 관리 범위 내에 있도록 1차 온도 조절 밸브(30)를 조절한다.

따라서 결빙 방지용 온도 센서(121)에서 측정된 온도가 제어기(120)에 내장된 결빙 방지 온도, 예를 들어 0℃ 보다 낮으면 1차 온도 조절 밸브(30)에서 1차 열교환기(10)를 통해 공기가 유입되는 제1 입구(31)의 유로 단면적을 줄이는 동시에 1차 열교환기(10)를 우회하는 제2 입구(32)의 유로 단면적을 늘려서 온도를 올리고, 결빙 방지용 온도 센서(121)에서 측정된 온도가 제어기(120)에 내장된 결빙 방지 온도보다 높으면 그 반대로 하여 온도를 내린다.

또한, 전술한 구성으로 인해 액츄에이터가 일 방향으로 회전하거나 전진하면 온도가 상승하고, 반대 방향으로 회전하거나 후진하면 온도가 하강할 수 있어 단순한 제어가 가능하다. 신속하고 지속적으로 변동되는 이러한 제어를 위해서는 공압식 액츄에이터나 기계식 센서보다는 전기 제어에 의한 전동 액츄에이터 및 전자 온도 센서를 설치하는 것이 바람직하다.

외부로 공급되는 공조 공기의 배출 온도 조절은 2차 온도 조절 밸브(40)를 주로 사용한다. 저압 수분 분리기(60)를 통과한 저압 공기는 후단의 2차 열교환기(70)를 통과하므로, 이 저압 공기의 온도를 상승시키기 위해서는 상대적으로 고온인 고압 공기가 2차 열교환기(70)를 통과하도록 한다.

전술한 바와 같이, 2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43)가 2차 열교환기(70)의 고압측 유로와 연통되어 있는데, 2차 열교환기(70)의 저압측 유로를 통과하는 저압 공기의 온도를 올리기 위해 2차 열교환기(40)로 보내는 고압 공기의 양을 효과적으로 조절하기 위해서는 2차 온도 조절 밸브(40)의 제1 출구(42), 즉 쿨링 터빈(51)으로 직통되는 고압 공기의 양과 함께 조절되어야 한다. 즉, 신속한 온도 제어를 위해 제2 출구(43)가 열리는 만큼 제1 출구(42)는 닫히거나, 제2 출구(43)가 닫히는 만큼 제1 출구(42)가 열리도록 서로 반비례의 상관 관계를 가지도록 구성한다.

사용자가 설정한 배출 온도보다 토출 박스(100)에 설치된 배출 온도 센서(122)에서 측정된 배출 온도가 낮을 경우, 먼저 간접 열교환을 통해 온도를 상승시키기 위하여 2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43)를 개방하면서 제1 출구(42)를 같은 비율로 닫아나간다. 제2 출구(43)를 통해 2차 열교환기(70)로 공급되는 고압 공기의 양이 많아질수록 고압 공기와 열교환하면서 지나가는 저압 공기의 온도는 상승한다.

제2 출구(43)를 모두 개방하고 제1 출구(42)를 모두 폐쇄하여 전체 고압 공기가 2차 열교환기(70)를 통과하도록 하였음에도 불구하고 사용자가 설정한 배출 온도보다 측정된 배출 온도가 낮으면 제3 출구(44)를 개방하면서 온도를 상승시킨다. 제3 출구(44)를 개방할 경우, 고온의 고압 공기가 직접적으로 저압 공기와 혼합되므로 온도 상승은 빠르게 이뤄질 수 있다.

이때 제1 출구(42)가 완전 폐쇄된 상태에서 제2 출구(43)도 일부 폐쇄될 수 있으나 전술한 바와 같이 발전기(53) 구동을 위한 최소한의 공기량을 공급할 만큼의 유로는 확보되도록 2차 온도 조절 밸브(40)를 구성한다. 또한, 전술한 구성으로 인해, 1차 온도 조절 밸브(30)와 마찬가지로 액츄에이터가 일 방향으로 회전하거나 전진하면 온도가 상승하고, 반대 방향으로 회전하거나 후진하면 온도가 하강할 수 있어 단순한 제어가 가능하다.

또한, 대기 공기의 온도가 상당히 낮은 경우 항공기 가열이 필요할 때, 제3 출구(44)를 모두 개방하여도 사용자가 설정한 온도까지 배출 공기의 온도가 상승하지 못할 수도 있다. 이 경우, 쿨링 터빈(51)에서 배출되는 저압 공기의 온도를 결빙이 되지 않는 범위 내에서 낮게 유지하고 있던 1차 온도 조절 밸브(30)를 사용하여 온도를 추가 상승시킬 수 있다.

즉, 1차 온도 조절 밸브(30)를 사용하여 1차 열교환기(10)를 통과하는 고압 공기의 양을 조절함으로써 대기 공기와 열교환하는 유량을 더욱 감소시키거나 아예 열교환 시키지 않고 외부로부터 공급된 고온의 고압 공기를 2차 온도 조절 밸브(40)로 공급할 수 있기 때문에 쿨링 터빈(51)에서 배출되는 저압 공기의 온도뿐만 아니라, 2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43) 및 제3 출구(44)를 통해 공급되는 고압 공기의 온도가 함께 상승하므로 쉽게 최종 배출되는 공조 공기의 온도를 올릴 수 있다.

물론, 2차 온도 조절 밸브(40)의 제2 출구(43) 또는 제3 출구(44)를 개방하면서 동시에 1차 온도 조절 밸브(30)를 이용하여 최종 배출되는 공조 공기의 온도를 상승시킬 수도 있다. 그러나 저압 수분 분리기(60)를 통과하기 전에 온도를 올릴 경우 응축수를 충분히 생성시키지 못하기 때문에 위에서 설명된 순서에 의해서 조절하는 것이 더 바람직하다.

또한, 본 실시예에 적용되는 1차 온도 조절 밸브(30) 및 2차 온도 조절 밸브(40)에 사용되는 액츄에이터는 쿨링 터빈 조립체(50)의 발전기(53)에서 생성되는 전력을 이용한 전공 레귤레이터에 의해 작동되는 공압식 액츄에이터나 전기 모터로 작동되는 전동식 액츄에이터를 적용할 수 있다. 물론 순수한 공압 액츄에이터의 적용도 가능하나 신속하고 정확한 제어를 위해서는 바람직하지 않다.

또한, 전술한 액츄에이터들은 위치 제어가 불필요하다. 즉, 온도 센서에서 측정되는 값과 사용자가 설정한 값을 제어기에서 비교하여, 측정치가 설정치보다 높으면 같아질 때까지 일 방향으로 회전시키거나 직동시키고, 그 반대인 경우 반대 방향으로 회전시키거나 직동시키면 된다. 다만, 액츄에이터는 상한치와 하한치의 리밋 스위치 등을 내장할 수 있다.

또한, 위치 제어가 가능한 액츄에이터를 적용할 수도 있으나, 대기 조건의 변화, 외부 압축기의 압축비 및 온도 변화에 따라 제어 범위가 변화하므로 위치 제어는 사전에 실측 또는 예측된 데이터베이스를 제어기(120)에 내장하거나, 별도의 함수를 통해 더욱 빠른 제어를 구현하고자 할 때 사용될 수 있다.

한편, 고압 수분 분리기(20)와 저압 수분 분리기(60)에서 배출된 응축수는 1차 열교환기(10)의 대기 공기 유입 유로에 바로 분사되어 열교환에 도움을 주거나, 일차적으로 쿨링 터빈 조립체(50) 내부에 구성된 쿨러(56)로 공급되어 윤활유 및 하우징 등의 냉각에 사용된 후, 이차적으로 1차 열교환기(10)의 대기 공기 유입 유로에 분사되어 대기 공기와 함께 고압 공기 냉각에 효과적으로 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기 사이클 시스템의 구성도이다. 도 2를 참고하여, 제2 실시예의 공기 사이클 시스템을 설명하면 다음과 같다.

다른 구성은 제1 실시예와 동일하지만, 1차 온도 조절 밸브(30a)에 사방 밸브가 적용되고, 2차 온도 조절 밸브(40a)에 삼방 밸브가 적용된다는 차이점이 있다. 1차 온도 조절 밸브(30a)의 제1 입구(35)는 1차 열교환기(10)와 연통되어 있고, 제2 입구(36)는 1차 열교환기(10) 전의 고압 공기 배관과 연통되어 있다. 제4 출구(37)는 2차 온도 조절 밸브(40a)의 입구(45)로 연통되어 있고, 제5 출구(38)는 저압 수분 분리기(60) 및 2차 열교환기(70)의 저압측 유로를 통과한 저압 공기 배관(L10)에 연통된다.

제1 실시예에서와 마찬가지로, 1차 온도 조절 밸브(30a)는 제1 입구(35)의 유로 단면적과 제2 입구(36)의 유로 단면적을 유사하게 형성시키며 밸브 액츄에이터의 작동에 의해 서로 반비례 관계로 유로 단면적을 조절할 수 있도록 구성한다. 예를 들어, 제1 입구(35)의 유로 단면적이 감소하면 제2 입구(36)의 유로 단면적이 증가하고, 제1 입구(35)의 유로가 완전 폐쇄되었을 때 제2 입구(36)의 유로는 완전 개방되도록 구성하며, 그 반대의 경우도 반비례 관계로 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 제1 입구(35)가 폐쇄되어가고 제2 입구(36)가 개방되어가는 과정에서, 제5 출구(38)의 개방이 시작되고, 제4 출구(37)의 폐쇄가 시작될 수 있다. 단, 제5 출구(38)가 모두 개방된 상태에서 제1 입구(35)는 완전 폐쇄되고 제2 입구(36)는 완전 개방을 마친 상태인 것이 바람직하다. 단, 전술한 바와 같이 발전기(53) 구동을 위한 최소한의 회전수를 확보하기 위해 제5 출구(38)가 완전 개방된 상태에서도 제4 출구(37)는 일부 개방되어 있어야 한다.

1차 온도 조절 밸브(30a)의 제4 출구(37)를 통과한 공기는 2차 온도 조절 밸브(40a)의 입구(45)로 유입된다. 2차 온도 조절 밸브(40a)는 삼방 밸브의 구조를 가지며, 제1 출구(46)는 쿨링 터빈(51) 입구와 연통되고, 제2 출구(47)는 2차 열교환기(70)의 고압측 유로 입구와 연통된다. 제1 출구(46)와 제2 출구(47)는 서로 반비례 관계로 유로 단면적을 조절할 수 있도록 구성한다. 즉, 제1 출구(46)의 유로 단면적이 감소하면 제2 출구(47)의 유로 단면적이 증가하고, 제1 출구(46)의 유로가 완전 폐쇄되었을 때 제2 출구(47)의 유로가 완전 개방되도록 구성하며, 그 반대의 경우도 반비례 관계로 구성되는 것이 바람직하다. 제2 출구(47)를 통해 2차 열교환기(70)를 통과한 공기는 제1 출구(46)를 통과하여 2차 열교환기(70)를 우회한 공기와 다시 합류하여 쿨링 터빈(51) 입구로 공급된다.

제2 실시예의 공기 사이클 시스템의 온도 제어 방법을 설명하면 다음과 같다. 제1 실시예와 마찬가지로 쿨링 터빈(51)과 저압 수분 분리기(60) 사이에 결빙 방지용 온도 센서(121)를 설치하고 결빙을 방지하는 온도 관리 범위를 제어기(120)에 내장하여 2차 온도 조절 밸브(40a)의 작동 여부와 상관없이 쿨링 터빈(51)에서 배출된 저압 공기 온도가 지속적으로 해당 온도 관리 범위 내에 있도록 1차 온도 조절 밸브(30a)를 조절한다. 즉, 1차 온도 조절 밸브(30a)의 제1 입구(35)와 제2 입구(36)의 유로 단면적을 서로 반비례 되도록 조절하여 온도를 조정하는 방식은 제1 실시예와 동일하다.

일정 구간 내에서 1차 온도 조절 밸브(30a)가 일 방향으로 회전하거나 전진하면 제1 입구(35)의 유로가 감소하고 제2 입구(36)의 유로는 증가한다. 반대 방향으로 회전하거나 후진하면 제1 입구(35)의 유로는 증가하고 제2 입구(36)의 유로는 감소한다. 특히 액츄에이터 작동 시작점에서는 제1 입구(35)의 유로는 완전 개방되어 있고 제2 입구(36)의 유로는 완전 폐쇄되는 것이 바람직하다.

결빙 방지를 위한 1차 온도 조절 밸브(30a)의 작동 범위는 제1 입구(35)의 유로가 완전 폐쇄되고 제2 입구(36)의 유로가 완전 개방되는 지점에서 끝난다. 제1 실시예와 마찬가지로, 2차 온도 조절 밸브(40a)로 유입된 공기의 온도는 2차 열교환기(70)를 통과하는 공기량에 따라 그 온도가 변화하므로, 결빙 방지를 위해서는 2차 온도 조절 밸브(40a)의 작동과 상관없이 결빙 방지용 온도 센서(121)에서 측정되는 온도가 결빙 방지 온도 범위 내에 있도록 1차 온도 조절 밸브(30a)를 지속적으로 조정하여 결빙을 방지하도록 한다.

최종 배출 공기의 온도를 제어하기 위해서는 우선 2차 온도 조절 밸브(40a)를 사용하고 그 다음에 1차 온도 조절 밸브(30a)를 사용한다. 제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 2차 온도 조절 밸브(40a)를 사용하여 2차 열교환기(70)를 통과하는 고압 공기의 유량을 늘리면 2차 열교환기(70)를 지나는 저압 공기의 온도가 상승한다. 그러나 2차 온도 조절 밸브(40a)로 유입된 모든 고압 공기를 2차 열교환기(70)로 통과시켜도 사용자 설정 배출 공기 온도를 맞추지 못할 경우에는 1차 온도 조절 밸브(30a)를 사용하여 온도를 상승시켜야 한다.

즉, 결빙 방지 온도를 무시하고 1차 열교환기(10)를 우회하는 고압 공기 유량을 늘리면 대기 공기와 열교환을 하지 못하므로 온도가 상승하게 된다. 외부로부터 공급된 모든 고압 공기가 1차 열교환기(10)를 우회해도 사용자 설정 배출 공기 온도를 맞추지 못하는 경우에는 1차 온도 조절 밸브(30a)의 제5 출구(38)를 개방하여 고온의 고압 공기를 2차 열교환기(70)를 통과한 저압 공기와 혼합시켜 온도를 빠르게 상승시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공기 사이클 시스템의 구성도이다. 도 3을 참고하여, 제3 실시예의 공기 사이클 시스템을 설명하면 다음과 같다.

다른 구성은 제1 실시예와 동일하지만, 2차 온도 조절 밸브(40b)에도 사방 밸브 대신 삼방 밸브가 적용되며 별도의 가열 조절 밸브(130)가 추가된다는 차이점이 있다. 가열 조절 밸브(130)는 외부에서 공급되는 고압 공기를 토출 박스(100)와 연결된 저압 공기 배관(L10)에 직접 공급하는 연결 배관(L20) 상에 설치된다.

1차 온도 조절 밸브(30b)는 제1 입구(31)가 1차 열교환기(10)와 연통되고 제2 입구(32)가 1차 열교환기(10) 전의 고압 공기 라인에 연통되며, 제1 입구(31)와 제2 입구(32)의 유로 단면적은 서로 반비례의 상관관계로 조절되도록 구성된다. 2차 온도 조절 밸브(40b)는 제1 출구(46)가 쿨링 터빈(51) 입구와 연통되고 제2 출구(47)가 2차 열교환기(70)와 연통되며, 제1 출구(46)와 제2 출구(47)의 유로 단면적은 서로 반비례의 상관 관계로 조절되도록 구성된다.

결빙 방지를 위한 온도 제어는 전술한 실시예들과 동일하며, 배출 공기의 온도 제어를 위해서는 먼저 2차 온도 조절 밸브(40b)로 2차 열교환기(70)를 통과하는 고압 공기량을 조절하고, 그 다음에 1차 온도 조절 밸브(30b)로 1차 열교환기(10)를 통과하는 공기량을 조절한다. 온도 상승량이 부족할 경우에, 가열 조절 밸브(130)를 작동하여 외부로부터 공급되는 고압 공기를 직접적으로 최종 배출되는 공기에 혼합시킬 수 있다. 제3 실시예의 경우, 밸브(30b, 40b, 130)를 세 개 적용해야 한다는 점에서 전술한 제1, 제2 실시예들과 차이가 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 1차 열교환기 20: 고압 수분 분리기
30, 30a, 30b: 1차 온도 조절 밸브
40, 40a, 40b: 2차 온도 조절 밸브
50: 쿨링 터빈 조립체 51: 쿨링 터빈
52: 팬 53: 발전기
54: 노즐 56: 쿨러
60: 저압 수분 분리기 70: 2차 열교환기
80: 유량 조절 밸브 90: 유량계
100: 토출 박스 110: 공급 유량 조절 밸브
120: 제어기 121: 결빙 방지용 온도 센서
122: 배출 온도 센서 130: 가열 조절 밸브

Claims (14)

1. 고압 공기를 팽창 및 냉각시키기 위한 쿨링 터빈;
   외부에서 공급받은 고압 공기의 일부 또는 전체를 대기 공기와 열교환시키는 1차 열교환기;
   상기 1차 열교환기를 통과한 고압 공기가 유입되는 제1 입구와, 상기 1차 열교환기를 통과하지 않고 우회한 고압 공기가 유입되는 제2 입구를 포함하며, 제1 입구와 제2 입구의 유로 단면적이 서로 반비례 관계를 가지는 1차 온도 조절 밸브;
   상기 1차 온도 조절 밸브를 통과한 고압 공기의 일부 또는 전체를 상기 쿨링 터빈을 통과한 저압 공기와 열교환시키는 2차 열교환기;
   상기 1차 온도 조절 밸브의 출구와 연통되는 입구와, 상기 쿨링 터빈의 입구와 연통되는 제1 출구와, 상기 2차 열교환기의 고압측 유로 입구와 연통되는 제2 출구를 포함하며, 제1 출구와 제2 출구의 유로 단면적이 서로 반비례 관계를 가지는 2차 온도 조절 밸브; 및
   결빙 방지를 위한 온도 관리 범위를 내장하고, 상기 1차 온도 조절 밸브의 상기 제1 입구 및 상기 제2 입구의 유로 단면적을 제어하여 상기 쿨링 터빈에서 배출되는 저압 공기의 온도가 온도 관리 범위에 속하도록 하는 제어기
   를 포함하는 공기 사이클 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1차 열교환기와 상기 1차 온도 조절 밸브의 제1 입구 사이에 설치되어 상기 1차 열교환기를 통과한 고압 공기 중의 응축수를 제거하는 고압 수분 분리기를 더 포함하는 공기 사이클 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 쿨링 터빈의 출구와 상기 2차 열교환기의 저압측 유로 입구 사이에 설치되어 상기 쿨링 터빈을 통과한 저압 공기 중의 응축수를 제거하는 저압 수분 분리기; 및
   상기 쿨링 터빈과 상기 저압 수분 분리기 사이에 설치된 결빙 방지용 온도 센서
   를 더 포함하는 공기 사이클 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 2차 열교환기를 통과한 고압 공기는 상기 2차 온도 조절 밸브의 제1 출구를 통과한 고압 공기와 합류하여 상기 쿨링 터빈으로 공급되는 공기 사이클 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 2차 온도 조절 밸브는 상기 저압 공기 배관에 연통되는 제3 출구를 더 포함하며,
   상기 제1 출구가 완전 폐쇄되고 상기 제2 출구가 부분 또는 완전 개방된 상태에서 상기 제3 출구가 점진적으로 개방되어 최종 배출되는 저압 공기의 온도를 높이는 공기 사이클 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 1차 온도 조절 밸브의 출구는 제4 출구이고,
   상기 1차 온도 조절 밸브는 상기 저압 공기 배관에 연통되는 제5 출구를 더 포함하는 공기 사이클 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 입구가 폐쇄되고 상기 제2 입구가 개방되는 과정에서, 상기 제4 출구의 폐쇄가 시작되고 상기 제5 출구의 개방이 시작되어 최종 배출되는 저압 공기의 온도를 높이는 공기 사이클 시스템.
8. 제4항에 있어서,
   외부에서 공급되는 고압 공기를 상기 저압 공기 배관에 직접 공급하는 연결 배관과, 연결 배관에 설치된 가열 조절 밸브를 더 포함하며,
   상기 가열 조절 밸브의 작동으로 최종 배출되는 저압 공기의 온도를 높이는 공기 사이클 시스템.
9. 제4항에 있어서,
   상기 저압 공기 배관에 설치되는 유량 조절 밸브를 더 포함하며,
   상기 유량 조절 밸브는 저압 공기를 토출 박스로 공급하는 주 유로와, 잉여 유량을 상기 1차 열교환기의 대기 공기 유입 유로로 바이패스하는 바이패스 유로를 포함하는 공기 사이클 시스템.
10. 삭제
11. 제3항에 있어서,
    상기 결빙 방지용 온도 센서에서 측정된 온도가 상기 제어기에 내장된 결빙 방지 온도보다 낮을 때, 상기 1차 온도 조절 밸브는 상기 제1 입구의 유로 단면적을 줄이는 동시에 상기 제2 입구의 유로 단면적을 늘리도록 작동하는 공기 사이클 시스템.
12. 제3항에 있어서,
    상기 결빙 방지용 온도 센서에서 측정된 온도가 상기 제어기에 내장된 결빙 방지 온도보다 높을 때, 상기 1차 온도 조절 밸브는 상기 제1 입구의 유로 단면적을 늘리는 동시에 상기 제2 입구의 유로 단면적을 줄이도록 작동하는 공기 사이클 시스템.
13. 제1항 내지 제9항, 제11항, 및 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쿨링 터빈의 입구로 고압 공기를 분사하는 노즐;
    상기 쿨링 터빈과 동축으로 결합되며 전기를 생산하는 발전기; 및
    상기 쿨링 터빈과 동축으로 결합되며 대기 공기를 상기 1차 열교환기로 흡입하는 팬
    을 더 포함하는 공기 사이클 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 노즐은 가변 베인 노즐로 구성되며, 상기 발전기에 요구되는 최소한의 회전수를 갖도록 유량 조절 범위가 제한되는 공기 사이클 시스템.

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