KR101696436B1 - 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체 - Google Patents

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Abstract

공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체는 쿨링 터빈, 팬, 쿨링 터빈 하우징, 및 온도 조절 밸브를 포함한다. 쿨링 터빈은 회전축의 일측에 결합되며, 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻고, 압축 공기를 팽창 및 냉각시킨다. 팬은 회전축의 타측에 결합되어 쿨링 터빈과 함께 회전하며, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 대기 열교환기로 유입시킨다. 쿨링 터빈 하우징은 쿨링 터빈을 감싸며, 대기 열교환기를 통과한 저온의 압축 공기가 유입되는 냉각 공기 공급구와, 대기 열교환기를 우회한 고온의 압축 공기가 유입되는 고온 공기 공급구를 포함한다. 온도 조절 밸브는 쿨링 터빈 하우징의 내측에서 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 회전에 의해 냉각 공기 공급구의 유로 단면적과 고온 공기 공급구의 유로 단면적이 서로 반비례가 되도록 제어한다.

Description

공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체 {COOLING TURBINE ASSEMBLY FOR AIR CYCLING SYSTEM}
본 발명은 공기 사이클 시스템에 적용되는 쿨링 터빈 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 결빙 방지를 위한 온도 조절 밸브를 포함하는 쿨링 터빈 조립체에 관한 것이다.
역 브레이튼 사이클(Reverse Brayton Cycle)이라 불리는 시스템 원리를 바탕으로 하는 공기 사이클 시스템은 압축 공기를 대기와 열교환시켜 압축 공기의 온도를 낮춘 후 쿨링 터빈을 통과시키면서 팽창에 의한 냉각 효과를 얻는 시스템을 통칭한다.
전술한 공기 사이클 시스템에는 쿨링 터빈에서 팽창 후 급속히 냉각된 공기 중의 응축수가 결빙되는 것을 방지하기 위한 장치가 적용된다. 가장 일반적인 결빙 방지 장치는 외부에서 공급되는 압축 공기의 일부를 대기 열교환기를 이용하여 냉각시키고, 나머지는 대기 열교환기를 우회하여 대기 열교환기를 통과한 공기와 합류시키는 구성으로 이루어진다. 그러면 쿨링 터빈으로 공급되는 압축 공기의 온도를 적정하게 유지시켜 과냉각에 의한 결빙을 방지할 수 있다.
종래 기술의 경우, 주로 삼방 밸브(three ways valve)를 이용하여 대기 열교환기를 통과한 공기와 우회한 공기를 서로 반비례 관계로 그 유량을 조절함으로써 쿨링 터빈의 배기 공기 온도를 조절한다. 그런데 삼방 밸브는 무게와 부피가 크고, 파이프 연결 및 분해 구조가 복잡하며, 고온의 공기와 저온의 공기가 효과적으로 혼합되지 않는 문제가 있다.
한국 등록특허 제1094851호 '공기 압축식 냉동장치' (출원인: 한온시스템)
본 발명은 삼방 밸브를 제거하여 삼방 밸브가 차지하는 중량 및 공간을 다른 용도로 활용할 수 있고, 고온의 공기와 저온의 공기를 효과적으로 혼합시킬 수 있는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체는 쿨링 터빈, 팬, 쿨링 터빈 하우징, 및 온도 조절 밸브를 포함한다. 쿨링 터빈은 회전축의 일측에 결합되며, 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻고, 압축 공기를 팽창 및 냉각시킨다. 팬은 회전축의 타측에 결합되어 쿨링 터빈과 함께 회전하며, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 대기 열교환기로 유입시킨다. 쿨링 터빈 하우징은 쿨링 터빈을 감싸며, 대기 열교환기를 통과한 저온의 압축 공기가 유입되는 냉각 공기 공급구와, 대기 열교환기를 우회한 고온의 압축 공기가 유입되는 고온 공기 공급구를 포함한다. 온도 조절 밸브는 쿨링 터빈 하우징의 내측에서 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 회전에 의해 냉각 공기 공급구의 유로 단면적과 고온 공기 공급구의 유로 단면적이 서로 반비례가 되도록 제어한다.
온도 조절 밸브는 원통형으로 형성될 수 있고, 원주면을 따라 복수의 관통구를 형성하여 회전에 의해 냉각 공기 공급구와 고온 공기 공급구의 열린 정도를 제어할 수 있다.
복수의 관통구는 냉각 공기 공급구의 유로 제어를 위한 제1 관통구와, 고온 공기 공급구의 유로 제어를 위한 제2 관통구를 포함할 수 있다. 제1 관통구와 제2 관통구의 개수는 각각 냉각 공기 공급구 및 고온 공기 공급구의 개수와 같을 수 있다.
제1 위치에서 제1 관통구 전체는 냉각 공기 공급구와 연통할 수 있고, 제2 관통구는 고온 공기 공급구와 이격될 수 있다. 제2 위치에서 제2 관통구 전체는 고온 공기 공급구와 연통할 수 있고, 제1 관통구의 일부는 냉각 공기 공급구와 연통할 수 있다.
제2 위치는 제1 위치로부터 온도 조절 밸브가 회전된 위치일 수 있고, 온도 조절 밸브는 제1 위치에 있거나 제2 위치에 있거나 제1 위치와 제2 위치 사이에 있도록 회전이 제어될 수 있다.
냉각 공기 공급구와 고온 공기 공급구는 쿨링 터빈의 반경 방향과 나란하게 형성될 수 있다. 온도 조절 밸브의 내측면에는 제1 관통구를 향해 오목하게 형성된 회전 유도벽이 형성되어 제1 관통구로 유입된 저온의 압축 공기를 회전시킬 수 있다.
다른 한편으로, 냉각 공기 공급구와 고온 공기 공급구는 쿨링 터빈 하우징의 원주면에 접선 방향으로 연결되어 제1 관통구와 제2 관통구로 유입된 압축 공기를 회전시킬 수 있다.
쿨링 터빈의 입구에는 압축 공기를 팽창 및 가속시키는 노즐이 설치될 수 있고, 노즐의 유입구는 압축 공기의 회전 방향과 같은 방향으로 형성될 수 있다.
쿨링 터빈 조립체는, 고온 공기 공급구에 설치되고 스프링에 의해 온도 조절 밸브에 밀착되어 온도 조절 밸브와 쿨링 터빈 하우징 사이의 틈새를 막는 슬리브를 더 포함할 수 있다.
온도 조절 밸브는 직선형 액츄에이터와 회전형 액츄에이터 중 어느 하나와 결합되어 직선형 액츄에이터의 진퇴 또는 회전형 액츄에이터의 회전에 따라 회전이 제어될 수 있다.
쿨링 터빈 조립체는, 온도 조절 밸브를 지지하는 원판에 부착된 돌기와, 돌기가 삽입되는 장공을 형성하며 온도 조절 밸브에 조립되는 내측 로드암과, 내측 로드암에 결합되고 원판의 외부로 연결된 로드암 회전축을 더 포함할 수 있다.
쿨링 터빈 조립체는 로드암 회전축에 의해 내측 로드암과 결합되는 외측 로드암을 더 포함할 수 있다. 외측 로드암에 직선형 액츄에이터가 결합되어 직선형 액츄에이터의 진퇴에 따라 온도 조절 밸브의 회전을 제어할 수 있다. 다른 한편으로, 로드암 회전축에 회전형 액츄에이터가 결합되어 회전형 액츄에이터의 회전에 따라 온도 조절 밸브의 회전을 제어할 수 있다.
쿨링 터빈 조립체는, 쿨링 터빈의 배기 파이프에 설치된 배기 온도 센서와, 배기 온도 센서에서 측정된 온도에 따라 온도 조절 밸브의 작동을 제어하여 쿨링 터빈에서 배출되는 공기의 온도가 영상이 되도록 하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 쿨링 터빈 하우징 내부에 온도 조절 밸브를 설치함으로써 별도의 삼방 밸브 및 그를 위한 배관 연결 없이 고온의 압축 공기와 저온의 압축 공기를 효과적으로 혼합하여 쿨링 터빈으로 공급되는 압축 공기의 온도를 효과적으로 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체가 적용된 공기 사이클 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체의 사시도이다.
도 4는 비교예에 따른 쿨링 터빈 조립체를 구비한 공기 사이클 시스템의 구성도이다.
도 5a와 도 5b 및 도 5c는 도 2에 도시한 온도 조절 밸브의 구조도이다.
도 6a와 도 6b는 도 2에 도시한 쿨링 터빈 조립체 중 온도 조절 밸브의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
도 7a와 도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체 중 쿨링 터빈과 온도 조절 밸브 및 쿨링 터빈 조립체의 구조도이다.
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체가 적용된 공기 사이클 시스템의 구성도이고, 도 2와 도 3은 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체의 단면도와 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 쿨링 터빈 조립체(300)는 회전축(305)과, 회전축(305)의 일측에 결합된 쿨링 터빈(301)과, 회전축(305)의 타측에 결합된 팬(302)을 포함한다. 회전축(305)에는 전자 제어를 위한 전기를 생산하는 발전기(304)도 결합될 수 있다.
쿨링 터빈(301)의 입구에는 압축 공기를 팽창 및 가속시키는 노즐(303)이 설치된다. 쿨링 터빈(301)은 노즐(303)을 통과한 고속의 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻으며, 압축 공기를 더욱 팽창 및 냉각시킨다. 팬(302)은 쿨링 터빈(301)과 같이 회전하고, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 대기 열교환기(100) 내부로 유입시켜 고온의 압축 공기와 열교환 후 외부로 방출시킨다.
쿨링 터빈(301)과 노즐(303)은 쿨링 터빈 하우징(306)으로 둘러싸이며, 쿨링 터빈 하우징(306)은 노즐(303)과 쿨링 터빈(301)에 공급되는 압축 공기를 대기로부터 밀폐시킨다. 쿨링 터빈 하우징(306)에는 대기 열교환기(100)를 통과한 저온의 압축 공기(냉각 공기)가 유입되는 냉각 공기 공급구(315)와, 대기 열교환기(100)를 통과하지 않고 우회한 고온의 압축 공기가 유입되는 고온 공기 공급구(316)가 형성된다.
쿨링 터빈 하우징(306)의 내측에는 회전축(305)을 중심으로 회전 가능한 온도 조절 밸브(307)가 설치된다. 온도 조절 밸브(307)는 회전에 의해 냉각 공기 공급구(315)의 유로 단면적과 고온 공기 공급구(316)의 유로 단면적이 서로 반비례 관계가 되도록 조절하는 기능을 한다. 온도 조절 밸브(307)의 상세 구조에 대해서는 후술한다.
외부에서 공급되는 압축 공기의 일부는 대기 열교환기(100)를 통과한다. 대기 열교환기(100)를 통과하는 고온의 압축 공기는 팬(302)에 의해 흡입된 대기 공기와 열교환을 하여 냉각된다. 이때 대기 열교환기(100)의 성능과 대기 공기의 유량에 따라 달라질 수 있지만, 대기 열교환기(100)를 통과한 압축 공기의 온도는 대기 온도보다 좀 더 높은 수준까지 냉각될 수 있다.
대기 열교환기(100)를 통과한 저온의 압축 공기는 냉각 공기 배관(101)을 통해 쿨링 터빈 하우징(306)의 냉각 공기 공급구(315)로 유입된다. 그리고 외부에서 공급되는 압축 공기의 나머지는 대기 열교환기(100) 전단에 구성된 분기점으로부터 대기 열교환기를 우회한 고온 공기 배관(102)을 통해 쿨링 터빈 하우징(306)의 고온 공기 공급구(316)로 유입된다.
쿨링 터빈 하우징(306)의 냉각 공기 공급구(315)와 고온 공기 공급구(316)는 온도 조절 밸브(307)의 작동(회전)에 의해 어느 한 쪽의 유로 단면적이 커지면 다른 한 쪽의 유로 단면적이 작아지는 반비례적인 관계로 조절된다. 따라서 냉각 공기 공급구(315)의 유로 단면적을 크게 하고 고온 공기 공급구(316)의 유로 단면적을 작게 하면, 쿨링 터빈(301)으로 유입되는 압축 공기의 온도가 하강하고, 그 반대의 경우에는 압축 공기의 온도가 상승한다.
이때, 온도 조절 밸브(307)의 작동은 쿨링 터빈(301)의 배기 파이프(312)에 설치된 배기 온도 센서(400)에서 측정된 온도에 따라 제어기(600)에 미리 내장된 계산에 의해 제어될 수 있다. 쿨링 터빈(301)의 후단에 수분 분리기(500)가 설치되는 경우, 제어기(600)는 결빙을 방지하기 위하여 쿨링 터빈(301)에서 배출되는 공기의 온도가 0℃ 이상이 되도록 제어할 수 있다.
배기 온도 센서(400)에서 측정된 배출 공기(공조 공기) 온도가 0℃ 이하이면, 냉각 공기 공급구(315)의 유로 단면적을 줄이고 고온 공기 공급구(316)의 유로 단면적을 크게 하여 쿨링 터빈(301)으로 공급되는 압축 공기의 온도를 상승시킨다. 반대로 측정된 배출 공기의 온도가 0℃ 이상이면 냉각 공기 공급구(315)의 유로 단면적을 크게 하고 고온 공기 공급구(316)의 유로 단면적을 줄여 쿨링 터빈(301)으로 공급되는 압축 공기의 온도를 하강시킨다.
그 결과, 쿨링 터빈(301)에서 배출되는 공기가 결빙되지 않는 범위 내에서 압축 공기가 최대한 냉각되도록 조절할 수 있다.
도 4는 비교예의 쿨링 터빈 조립체를 구비한 공기 사이클 시스템의 구성도이다. 도 4를 참고하면, 비교예의 쿨링 터빈 조립체는 전술한 온도 조절 밸브 대신 삼방 밸브를 포함한다.
삼방 밸브(200)는 냉각 공기 배관(101)에 연결되는 제1 유입구와, 고온 공기 배관(102)에 연결되는 제2 유입구와, 쿨링 터빈(301)의 노즐(303)에 연결되는 배출구를 포함한다. 삼방 밸브(200)는 배기 온도 센서(400)에서 측정된 온도에 따라 제1 유입구의 유로 단면적과 제2 유입구의 유로 단면적이 서로 반비례 관계가 되도록 조절함으로써 쿨링 터빈(301)으로 공급되는 압축 공기의 온도를 상승 또는 하강시킨다.
일반적으로 삼방 밸브(200)는 볼 밸브 또는 원판 밸브 등으로 구성되며, 두 개의 유입구 및 하나의 출구와 연결된 배관의 연결 플랜지 등을 포함하므로 상당한 공간을 차지할 뿐만 아니라 중량 역시 가볍지 않다. 또한, 일반적인 삼방 밸브(200)의 구성은 공기의 압력 손실이 상당히 발생할 수 있는 구조로 되어 있으므로, 압력 손실이 팽창비의 손실로 이어져 쿨링 터빈(301)의 냉방 능력을 저하시킬 수 있다.
다시 도 1 내지 도 3을 참고하면, 제1 실시예의 쿨링 터빈 조립체(300)는 삼방 밸브(200) 대신 삼방 밸브(200)와 같은 기능을 하는 온도 조절 밸브(307)를 구비한다.
온도 조절 밸브(307)는 쿨링 터빈 하우징(306)의 내측에 위치하므로 공간을 거의 차지하지 않으며, 삼방 밸브(200)보다 가볍다. 또한, 온도 조절 밸브(307)는 다음에 설명하는 구성에 의해 저온의 압축 공기와 고온의 압축 공기를 효과적으로 혼합시켜 혼합 과정에서의 압력 손실을 최소화할 수 있다.
도 5a와 도 5b 및 도 5c는 도 2에 도시한 온도 조절 밸브의 구조도이고, 도 6a와 도 6b는 도 2에 도시한 쿨링 터빈 조립체 중 온도 조절 밸브의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
도 3과 도 5a 내지 도 6b를 참고하면, 쿨링 터빈 하우징(306)은 쿨링 터빈(301)과 노즐(303)을 감싸는 형태로 구성되며, 쿨링 터빈 하우징(306)의 내부에 원통형의 온도 조절 밸브(307)가 삽입된다. 온도 조절 밸브(307)는 회전축(305)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성되며, 이를 위해 쿨링 터빈 하우징(306)의 내측 외경부로 베어링(313) 등이 설치될 수 있다.
냉각 공기 공급구(315)와 고온 공기 공급구(316) 각각은 공기 사이클 시스템 방식에 따라 하나 또는 둘 이상으로 형성된다. 특히, 대기 열교환기(100)를 통과하는 압축 공기의 유로를 크게 구성하여 열교환 효율을 증대시키고자 할 때, 압축 공기는 두 개의 대기 열교환기(100)를 통과한 후 두 개의 냉각 공기 공급구(315)로 유입될 수 있다.
제1 실시예에서는 쿨링 터빈 하우징(306)에 두 개의 냉각 공기 공급구(315)와 하나의 고온 공기 공급구(316)가 형성된다. 두 개의 냉각 공기 공급구(315)는 쿨링 터빈(301)의 좌측과 우측에 하나씩 형성될 수 있고, 하나의 고온 공기 공급구(316)는 쿨링 터빈(301)의 상측에 형성될 수 있다. 이때 공급구(315, 316)의 개수에 관계없이 냉각 공기 공급구(315)의 유로 단면적은 고온 공기 공급구(316)의 유로 단면적과 반비례 관계를 가진다.
온도 조절 밸브(307)와 쿨링 터빈 하우징(306) 사이의 틈새로 고온의 압축 공기가 누설되는 것을 방지하기 위하여, 고온 공기 공급구(316)에 스프링(319)과 슬리브(320)가 설치될 수 있다. 슬리브(320)는 스프링(319)에 의해 온도 조절 밸브(307)에 밀착되어 온도 조절 밸브(307)와 쿨링 터빈 하우징(306) 사이의 틈새를 막는다.
온도 조절 밸브(307)의 원주면에는 냉각 공기 공급구(315)와 고온 공기 공급구(316)를 회전에 의해서 개방하거나 폐쇄할 수 있도록 복수의 관통구(321a, 321b)가 형성된다. 복수의 관통구(321a, 321b)는 냉각 공기 공급구(315)의 유로 제어를 위한 제1 관통구(321a)와, 고온 공기 공급구(316)의 유로 제어를 위한 제2 관통구(321b)를 포함하며, 제1 관통구(321a)의 개수는 냉각 공기 공급구(315)의 개수와 일치한다.
온도 조절 밸브(307)는 액츄에이터(318)(도 1 참조)의 진퇴에 따라 양방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 온도 조절 밸브(307)를 지지하는 원판에 돌기(308)가 부착되고, 돌기(308)가 삽입될 수 있는 장공을 구비한 내측 로드암(309)이 온도 조절 밸브(307)에 조립될 수 있다.
내측 로드암(309)은 원판의 외부로 연결된 로드암 회전축(310)과 결합하고, 로드암 회전축(310)은 외측 로드암(311)에 결합될 수 있다. 외측 로드암(311)에 연결된 액츄에이터(318)의 진퇴에 따라 내측 로드암(309)이 회전하면, 장공에 의해 온도 조절 밸브(307)에 구성된 돌기(308)가 장공을 따라 이동함으로써 온도 조절 밸브(307)는 양방향으로 회전할 수 있다.
예를 들어, 액츄에이터(318)가 전진하면 온도 조절 밸브(307)는 쿨링 터빈(301)의 출구측에서 볼 때 반시계 방향으로 회전하고, 액츄에이터(318)가 후진하면 온도 조절 밸브(307)는 시계 방향으로 회전할 수 있다. 따라서, 액츄에이터(318)가 일 방향으로 움직이면 쿨링 터빈(301)으로 주입되는 압축 공기의 온도가 올라가고, 반대 방향으로 움직이면 압축 공기의 온도가 내려갈 수 있다.
다른 한편으로, 직선형 액츄에이터(318)가 아닌 회전형 액츄에이터를 적용하여 외측 로드암(311) 없이 로드암 회전축(310)에 회전형 액츄에이터를 바로 연결할 수도 있다. 이 경우 역시 액츄에이터가 일 방향으로 회전하면 쿨링 터빈(301)으로 주입되는 압축 공기의 온도가 올라가고, 반대 방향으로 회전하면 압축 공기의 온도가 내려갈 수 있다.
온도 조절 밸브(307)의 내측면에는 제1 관통구(321a)와 접하는 곡면의 회전 유도벽(317)이 형성될 수 있다. 회전 유도벽(317)은 제1 관통구(321a)와 같은 개수로 구비되며, 제1 관통구(321a)를 향해 오목하게 형성된다.
회전 유도벽(317)에 의해 제1 관통구(321a)를 통과한 냉각 공기는 회전하면서 노즐(303)의 유입구로 안내되며, 온도 조절 밸브(307)로 냉각 공기와 고온 공기가 함께 유입될 때 냉각 공기가 회전하면서 고온 공기와 효과적으로 혼합된다. 따라서 온도 조절 밸브(307)는 냉각 공기와 고온 공기를 효과적으로 혼합시켜 혼합 과정에서의 압력 손실을 최소화할 수 있다.
쿨링 터빈 조립체(300)는 냉방 부하가 최대로 필요한 하절기 등을 감안하여 냉각 공기의 유로가 완전히 개방되었을 때 고온 공기의 유로가 완전히 폐쇄되도록 할 수 있다(도 6a 참조). 반면에 고온 공기의 유로가 완전히 개방되었을 때 냉각 공기의 유로는 완전히 폐쇄될 수도 있지만, 쿨링 터빈 조립체(300)의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하기 위하여 냉각 공기의 유로는 일부 개방되도록 할 수 있다(도 6b 참조).
이를 위해 제1 관통구(321a)와 제2 관통구(321b)는 아래의 두가지 조건을 모두 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
첫째, 제1 위치에서 제1 관통구(321a) 전체는 냉각 공기 공급구(315)와 연통하여 냉각 공기 공급구(315)의 유로를 최대로 개방시키고, 제2 관통구(321b)는 고온 공기 공급구(316)와 이격되어 고온 공기 공급구(316)의 유로를 폐쇄시킨다.
둘째, 제2 위치에서 제2 관통구(321b) 전체는 고온 공기 공급구(316)와 연통하여 고온 공기 공급구(316)의 유로를 최대로 개방시키고, 제1 관통구(321a)는 그 일부만 냉각 공기 공급구(315)와 연통하여 냉각 공기 공급구(315)의 유로를 일부 개방시킨다.
이때 제2 위치는 제1 위치로부터 소정의 회전각으로 회전된 위치를 의미하며, 온도 조절 밸브(307)는 제1 위치에 있거나 제1 위치와 제2 위치 사이에 있거나 제2 위치에 있도록 회전이 제어된다.
구체적으로, 냉방 부하가 최대로 필요할 때, 온도 조절 밸브(307)는 제1 관통구(321a) 전체가 냉각 공기 공급구(315)와 연통하여 냉각 공기가 제한 없이 온도 조절 밸브(307)로 유입되도록 한다(도 6a 참조). 이때 제2 관통구(321b)는 고온 공기 공급구(316)와 이격되어 고온 공기 공급구(316)의 유로를 완전히 폐쇄할 수 있다.
유입되는 냉각 공기는 회전 유도벽(317)에 부딪혀 회전하는데, 노즐(303)의 유입구는 냉각 공기의 회전 방향과 같은 방향으로 형성된다. 따라서 냉각 공기는 방향 변경이나 마찰에 의한 압력 손실 없이 노즐(303)의 유입구로 유입될 수 있다. 이때 슬리브(320)는 온도 조절 밸브(307)의 외주면에 밀착되어 온도 조절 밸브(307)와 쿨링 터빈 하우징(306) 사이의 틈새를 밀폐하고 있으므로 고온 공기의 누설에 의한 온도 상승을 방지할 수 있다.
대기 조건 등의 변화로 쿨링 터빈(301)을 통과한 공기의 온도가 결빙 방지 등을 위해 설정된 온도 이하로 떨어진 경우, 제어기(600)는 직선형 액츄에이터(318)를 후진시켜 온도 조절 밸브(307)를 시계 방향으로 회전시킨다. 그러면 제2 관통구(321b)가 고온 공기 공급구(316)와 통하면서 고온 공기 공급구(316)의 유로가 증가하고, 냉각 공기 공급구(315)의 유로는 감소한다(도 6b 참조).
이 과정에서 배기 파이프(312)에 설치된 배기 온도 센서(400)로부터 측정된 공기의 온도가 설정 온도에 도달하면 액츄에이터(318)는 작동을 멈추고 그 상태를 유지한다.
만약, 대기 조건 등의 변화로 쿨링 터빈(301)을 통과한 공기의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승하면, 제어기(600)는 액츄에이터(318)를 전진시켜 온도 조절 밸브(307)를 반시계 방향으로 회전시킨다. 그러면 냉각 공기 공급구(315)의 유로는 다시 커지고, 고온 공기 공급구(316)의 유로는 작아지게 되어 쿨링 터빈(301)을 통과한 공기의 온도가 하강한다.
이와 같이 제어기(600)는 지속적으로 쿨링 터빈(301)의 배기 공기 온도를 측정하고, 측정된 온도에 따라 액츄에이터(318)를 제어함으로써 결빙을 방지할 수 있다.
온도 조절 밸브(307)는 결빙 방지 뿐만 아니라 쿨링 터빈(301)을 통과하는 공기의 온도를 최대한 상승시킬 필요가 있을 때, 고온 공기 공급구(316)를 완전히 개방하여 대기 열교환기(100)를 통과하지 않은 고온의 압축 공기가 그대로 쿨링 터빈(301)으로 유입될 수 있도록 할 수도 있다.
제1 실시예에서 냉각 공기 공급구(315)와 고온 공기 공급구(316)는 쿨링 터빈(301)의 반경 방향과 나란하게 형성된다. 이 경우 온도 조절 밸브(307)의 내측에 제1 관통구(321a)와 접하는 회전 유도벽(317)을 형성하여 온도 조절 밸브(307)의 내부로 유입된 냉각 공기를 회전시킴으로써 냉각 공기와 고온 공기를 효과적으로 혼합시킨다.
도 7a와 도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 쿨링 터빈 조립체 중 쿨링 터빈과 온도 조절 밸브 및 쿨링 터빈 조립체의 구조도이다.
도 7a와 도 7b를 참고하면, 제2 실시예에서 쿨링 터빈 하우징에는 냉각 공기 공급구(315)와 고온 공기 공급구(316)가 하나씩 형성되고, 냉각 공기 공급구(315)와 고온 공기 공급구(316)는 모두 쿨링 터빈 하우징(306)의 원주면에 접선 방향으로 연결된다.
온도 조절 밸브(307)의 원주면에는 냉각 공기 공급구(315)의 유로 제어를 위한 제1 관통구(321a)와, 고온 공기 공급구(316)의 유로 제어를 위한 제2 관통구(321b)가 형성된다.
냉각 공기 공급구(315)와 고온 공기 공급구(316)가 접선 방향으로 연결됨에 따라, 온도 조절 밸브(307)로 유입된 냉각 공기와 고온 공기는 노즐(303) 주위를 회전하면서 서로 효과적으로 혼합된다. 따라서 제2 실시예의 온도 조절 밸브(307)는 제1 실시예의 회전 유도벽(317)을 생략할 수 있다.
제2 실시예의 쿨링 터빈 조립체에서 전술한 구성을 제외한 나머지 구성은 모두 제1 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
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.
100: 대기 열교환기 200: 삼방 밸브
300: 쿨링 터빈 조립체 301: 쿨링 터빈
303: 노즐 304: 발전기
305: 회전축 306: 쿨링 터빈 하우징
307: 온도 조절 밸브 309: 내측 로드암
310: 로드암 회전축 311: 외측 로드암
314: 액츄에이터 고정축 315: 냉각 공기 공급구
316: 고온 공기 공급구 317: 회전 유도벽
318: 액츄에이터 319: 스프링
320: 슬리브 321a: 제1 관통구
321b: 제2 관통구 400: 배기 온도 센서
500: 수분 분리기 600: 제어기

Claims (14)

  1. 회전축의 일측에 결합되며, 압축 공기가 부딪히는 힘으로 회전력을 얻고, 압축 공기를 팽창 및 냉각시키는 쿨링 터빈;
    상기 회전축의 타측에 결합되어 상기 쿨링 터빈과 함께 회전하며, 회전에 의한 흡인력으로 대기 공기를 대기 열교환기로 유입시키는 팬;
    상기 쿨링 터빈을 감싸며, 상기 대기 열교환기를 통과한 저온의 압축 공기가 유입되는 냉각 공기 공급구와, 상기 대기 열교환기를 우회한 고온의 압축 공기가 유입되는 고온 공기 공급구를 포함하는 쿨링 터빈 하우징; 및
    원통형으로 형성되고, 상기 쿨링 터빈 하우징의 내측에서 상기 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 원주면을 따라 상기 냉각 공기 공급구의 유로 제어를 위한 제1 관통구와, 상기 고온 공기 공급구의 유로 제어를 위한 제2 관통구를 형성하고, 회전에 의해 상기 냉각 공기 공급구 및 상기 고온 공기 공급구의 열린 정도를 제어함으로써 상기 냉각 공기 공급구의 유로 단면적과 상기 고온 공기 공급구의 유로 단면적이 서로 반비례가 되도록 제어하는 온도 조절 밸브
    를 포함하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    제1 위치에서 상기 제1 관통구 전체는 상기 냉각 공기 공급구와 연통하고, 상기 제2 관통구는 상기 고온 공기 공급구와 이격되며,
    제2 위치에서 상기 제2 관통구 전체는 상기 고온 공기 공급구와 연통하고, 상기 제1 관통구의 일부는 상기 냉각 공기 공급구와 연통하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 상기 온도 조절 밸브가 회전된 위치이며,
    상기 온도 조절 밸브는 상기 제1 위치에 있거나 상기 제2 위치에 있거나 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에 있도록 회전이 제어되는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 공기 공급구와 상기 고온 공기 공급구는 상기 쿨링 터빈의 반경 방향과 나란하게 형성되고,
    상기 온도 조절 밸브의 내측면에는 상기 제1 관통구를 향해 오목하게 형성된 회전 유도벽이 형성되어 상기 제1 관통구로 유입된 저온의 압축 공기를 회전시키는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 공기 공급구와 상기 고온 공기 공급구는 상기 쿨링 터빈 하우징의 원주면에 접선 방향으로 연결되어 상기 제1 관통구와 상기 제2 관통구로 유입된 압축 공기를 회전시키는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 쿨링 터빈의 입구에 압축 공기를 팽창 및 가속시키는 노즐이 설치되며,
    상기 노즐의 유입구는 상기 압축 공기의 회전 방향과 같은 방향으로 형성되는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고온 공기 공급구에 설치되고, 스프링에 의해 상기 온도 조절 밸브에 밀착되어 상기 온도 조절 밸브와 상기 쿨링 터빈 하우징 사이의 틈새를 막는 슬리브를 더 포함하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  10. 제1항, 제4항 내지 제7항, 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 조절 밸브는 직선형 액츄에이터와 회전형 액츄에이터 중 어느 하나와 결합되어 직선형 액츄에이터의 진퇴 또는 회전형 액츄에이터의 회전에 따라 회전이 제어되는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 온도 조절 밸브를 지지하는 원판에 부착된 돌기;
    상기 돌기가 삽입되는 장공을 형성하며 상기 온도 조절 밸브에 조립되는 내측 로드암; 및
    상기 내측 로드암에 결합되고 상기 원판의 외부로 연결된 로드암 회전축
    을 더 포함하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 로드암 회전축에 의해 상기 내측 로드암과 결합되는 외측 로드암을 더 포함하며,
    상기 외측 로드암에 상기 직선형 액츄에이터가 결합되어 상기 직선형 액츄에이터의 진퇴에 따라 상기 온도 조절 밸브의 회전을 제어하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 로드암 회전축에 상기 회전형 액츄에이터가 결합되어 상기 회전형 액츄에이터의 회전에 따라 상기 온도 조절 밸브의 회전을 제어하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
  14. 제1항, 제4항 내지 제7항, 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쿨링 터빈의 배기 파이프에 설치된 배기 온도 센서; 및
    상기 배기 온도 센서에서 측정된 온도에 따라 상기 온도 조절 밸브의 작동을 제어하여 상기 쿨링 터빈에서 배출되는 공기의 온도가 영상이 되도록 하는 제어기
    를 더 포함하는 공기 사이클 시스템용 쿨링 터빈 조립체.
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