KR102124120B1

KR102124120B1 - 항공용 복합 냉각장치

Info

Publication number: KR102124120B1
Application number: KR1020190172922A
Authority: KR
Inventors: 조진우
Original assignee: 엘아이지넥스원 주식회사
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-06-17

Abstract

본 발명은 항공용 복합 냉각장치에 관한 것으로, 외부 공기가 유입되어 통과하는 터빈과, 터빈을 통과하여 팽창되어 냉각된 공기가 유입되어 열교환되는 열교환기를 구비하는 ACM(Air Cycle Machine) 냉각부; 및 터빈의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 제1압축기와, 압축기를 통과한 냉매가 응축되는 응축기와, 응축기에서 배출되는 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와, 팽창밸브에서 배출되는 냉매를 기화시키는 증발기를 구비하는 VCS(Vapor Cycle System) 냉각부;를 포함한다.

Description

항공용 복합 냉각장치{Complex cooling apparatus for aircraft}

본 발명은 항공용 복합 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 항공용 복합 냉각장치에 관한 것이다.

현대의 항공용 장비들은 고집적화되고 고발열이 발생하게 된다. 특히, 원거리 전파 방해장치(Stand Off Jammer) 등과 같은 외장형 포드(pod) 장비들은 항공기의 ECS(Environmental control system)를 통한 냉각 공기나 유체를 제공받지 못하기 때문에 추가적인 냉각장치를 구비하여 전자장비를 냉각하여야 한다.

종래의 항공용 냉각장치로는 ACM(Air Cycle Machine)과 VCS(Vapor Cycle System)방식이 사용된다.

ACM은 항공기를 운용하며 들어오는 외부 공기(램에어)를 팽창시켜 냉각공기를 발생시키고, 이를 열교환함으로써 냉각기능을 수행하게 된다. ACM은 전원 소모가 적지만 냉각 온도 변화 폭이 크며, 항공기 속도에 따른 냉각 용량이 크게 변하는 등의 단점이 있다.

VCS는 전원을 공급받아 압축/응축/팽창/증발되는 일반적인 냉동사이클을 통해 냉각기능을 수행하게 된다. 외장형 포드 형태의 장비들은 항공기에서 추가로 장착되는 구성품이기 때문에 그 전력 사용에 큰 제한을 두고 있는데, 전력 사용중에 큰부분을 냉각장치가 차지하게 되는 문제점이 있다.

한국 공개특허 제10-2011-0059889호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 하는 항공용 복합 냉각장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치는, 외부 공기가 유입되어 통과하는 터빈과, 터빈을 통과하여 팽창되어 냉각된 공기가 유입되어 열교환되는 열교환기를 구비하는 ACM(Air Cycle Machine) 냉각부; 및 터빈의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 제1압축기와, 압축기를 통과한 냉매가 응축되는 응축기와, 응축기에서 배출되는 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와, 팽창밸브에서 배출되는 냉매를 기화시키는 증발기를 구비하는 VCS(Vapor Cycle System) 냉각부;를 포함한다.

여기서, ACM 냉각부는, 터빈의 회전축과 연결되는 제2압축기를 포함하고, VCS 냉각부의 응축기에서 배출되는 공기가 제2압축기를 통과하여 외부로 배출되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치는, 제2압축기에서 압축된 공기에 의해 회전되는 회전팬을 더 구비하고, 제1압축기는, 회전팬의 회전축과 벨트 연결되어 동력을 전달받아 압축하도록 구성될 수 있다.

여기서, 제1압축기는, 사판식(swash plate type)으로 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 응축기는, 제1압축기를 통과한 냉매와 열교환기에서 배출되는 공기를 유입받아 열교환하도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 응축기와 팽창밸브 사이에는 저장조가 포함될 수 있다.

여기서, 팽창밸브는, 증발기로 배출되는 냉매의 양을 제어하는 온도 조절식(thermostatic expansion valve)으로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치는, 터빈의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기와, 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 전원부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 항공용 복합 냉각장치는, 열교환기를 냉각하도록 제1냉각팬이 더 포함되고, 제1냉각팬은 전원부에 의해 전력을 공급받도록 구성될 수 있다.

또한, 항공용 복합 냉각장치는, 증발기를 냉각하도록 제2냉각팬이 더 포함되고, 제2냉각팬은 전원부에 의해 전력을 공급받도록 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면 ACM 냉각부의 램에어(ram air)를 통한 발전 전력을 사용하여 냉각팬(fan)을 구동하고, ACM 냉각부에 구비된 압축기에 의해 압축된 공기를 이용하여 VCS 냉각부의 사판식 압축기를 무전력으로 구동함으로써 냉각효율을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치의 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치의 구성도를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치(10)는, 항공기를 운용시에 유입되는 외부 공기(1), 즉 램에어(ram air)를 팽창시켜 냉각기능을 수행하는 ACM(Air Cycle Machine) 냉각부(100)와, 냉매를 차례로 압축/응축/팽창/증발시켜 냉각기능을 수행하는 VCS(Vapor Cycle System) 냉각부(200)를 포함한다.

ACM 냉각부(100)는, 외부 공기(1)가 유입되어 통과하는 터빈(110)과, 터빈(110)에서 배출되는 공기가 유입되는 열교환기(120)를 구비한다.

ACM 냉각부(100)에서는, 외부 공기(1)가 터빈(110)을 통과하여 팽창되면서 공기가 냉각되고 제1냉각라인(2)를 냉각된 공기가 열교환기(120)로 유입된다.

열교환기(120)로 유입된 공기는 냉각될 대상장비(20)을 냉각하게 되는데, 즉, 대상장비(20)으로부터 제1고온라인(3)이 열교환기(120)로 유입되고 열교환기(120)으로 유입된 제1냉각라인(2)과 열교환되면서 냉각기능을 수행한다.

여기서, 제1고온라인(3) 상에는 유입측 및 배출측에 각각 온도센서(31,33)이 구비되어 대상장비(20)의 냉각상태를 모니터링할 수 있게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치(10)는, ACM 냉각부(100)로 외부 공기(1)가 유입되면서 터빈(110)은 회전하게 되고, 터빈(110)의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기(130)와, 발전기(130)에서 생산된 전력을 저장하여 공급하는 전원부(310)를 포함할 수 있다.

일실시예로서 항공용 복합 냉각장치(10)는, 전원부(310)에 저장된 전력을 사용하여 열교환기(120)를 냉각하도록 제1냉각팬(320)이 더 포함될 수 있다. 제1냉각팬(320)은 열교환기(120)의 제1고온라인(3)이 위치한 측에 위치하여 가동됨으로써 냉각효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서 ACM 냉각부(100)에 구비된 터빈(110)의 회전축(115)과 연결되는 제2압축기(150)를 포함할 수 있다. 이 경우, VCS 냉각부(200)의 응축기(230)로부터 배출되는 공기는 제2압축기(150)를 통과하여 외부로 배출되게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치(10)의 VCS 냉각부(200)는, 저압 기체상태의 냉매를 고압 기체상태의 냉매로 압축하는 제1압축기(210)와, 제1압축기(210)를 통과한 기체상태의 냉매가 응축되는 응축기(230)와, 응축기(230)에서 배출되는 액체상태의 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(270)와, 팽창밸브(270)에서 배출되는 액체냉매를 기화시키는 증발기(290)를 구비하고, 증발기(290)에서 배출되는 냉매를 다시 제1압축기(210)로 유입시키도록 구성하여 제2냉각라인(7)을 따라 냉매가 순환하게 된다.

제1압축기(210)는, ACM 냉각부(100)에 구비된 제2압축기(150)에 의해 압축된 공기를 사용하여 구동되도록 구성될 수 있다. 일실시예로서, ACM 냉각부(100)에 구비된 제2압축기(150)에 의해 압축되어 배출되는 공기가 배출경로 상에 설치된 회전팬(160)을 회전시키게 되고, 제1압축기(210)는 회전팬(160)의 회전축과 벨트 연결되어 동력을 전달받아 압축하도록 구성될 수 있다. 특히, 제1압축기(210)는, 사판식(swash plate type)으로 구성되어 압축력을 생성할 수 있다. 이와 같이 구성됨으로써 본 발명의 VCS 냉각부(200)는 별도의 전원공급수단이 없이도 제1압축기(210)를 무전력으로 작동시킬 수 있게 된다.

응축기(230)는, 제1압축기(210)에서 가압되어 배출되는 고압기체인 냉매를 응축시키는 장치로서, 본 발명의 일실시예에서는 별도의 냉각팬을 구비하지 않고 ACM 냉각부(100)의 열교환기(120)에서 배출되는 공기를 유입받아 열교환하여 응축되도록 구성된다.

팽창밸브(270)는 고압 액체상태의 냉매의 압력을 낮춰서 저압 액체로 만드는 구성이다. 본 발명의 실시예에서 팽창밸브(270)는, 증발기(290)로 배출되는 냉매의 양을 제어하는 온도 조절식(thermostatic expansion valve)으로 구성될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 팽창밸브(270)로 유입되는 냉매 중 일부가 증발기(290)에서 배출되는 제2냉각라인(7)으로 보내어지고, 나머지는 증발기(290)로 입력되도록 구성됨으로써, 팽창밸브(270)에서 증발기(290)로 유입되는 냉매량을 조절하여 일정 온도로 유지할 수 있게 된다. 또한, 제1고온라인(3)상에 설치된 온도센서(31,33)을 통해 측정된 온도를 바탕으로 대상장비(20)의 냉각상태를 확인하고, 이에 따라 팽창밸브(270)를 조절하여 VCS 냉각부(200)의 냉각력을 적절하게 제어하도록 구성할 수도 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는, 응축기(230)와 팽창밸브(270) 사이에는 저장조(250)가 포함될 수 있다. 저장조(250)는 팽창밸브(270)로 유입되기 전에 냉매가 모이는 장치로서 소정의 필터소재를 삽입하여 냉매에 포함된 수분 등의 불순물을 필터링할 수도 있다.

팽창밸브(270)를 통해 저압상태의 액체냉매를 제2냉각라인(7)를 통해 유입받아서 기화되는 곳으로, 충분히 냉각된 냉매가 주변의 열을 흡수하여 기화되면서 주변을 냉각하게 된다. 이러한 증발기(290)로 대상장비(20)을 냉각하기 위해 대상장비(20)으로부터 제2고온라인(5)이 증발기(290)로 유입되고 증발기(290)로 유입된 제2냉각라인(7)과 열교환되도록 구성된다.

본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치(10)는, 앞서 설명된 바와 같이 ACM 냉각부(100)에 구비된 터빈(110)의 회전력을 이용하여 전력을 생산하게 되는데, 전원부(310)에 저장된 전력을 사용하여 증발기(290)를 냉각하도록 제2냉각팬(330)이 더 포함될 수 있다. 제2냉각팬(330)은 증발기(290)의 제2고온라인(5)이 위치한 측에 위치하여 가동됨으로써 냉각효율을 향상시킬 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 항공용 복합 냉각장치(10)는, 항공기를 운용하며 들어오는 램에어를 팽창시켜 냉각공기를 발생시키는 ACM 냉각부(100)와, 전원을 공급받아 압축/응축/팽창/증발되는 냉동사이클을 수행하는 VCS 냉각부(200)를 복합적으로 결합하여 냉각 효율을 향상시키게 된다.

보다 구체적으로는, 본 발명의 실시예에서는, ACM 냉각부(100)에서의 램에어 발전 전력을 사용하여 냉각팬(320,330)들을 구동하고, ACM 냉각부(100)의 제2압축기(150)에서 압축된 공기를 이용하여 VCS 냉각부(200)의 사판식 압축기(210)를 무전력으로 구동하도록 구성되었고, VCS 냉각부(200)의 응축기(230)에는 별도의 냉각팬을 구비하지 않고 ACM 냉각부(100)의 열교환기(120)에서 배출되는 제1냉각라인(2)을 통해 열교환하도록 구성됨으로써 향상된 복합 냉각 구조를 가지게 된다.

이와 같이 본 발명은, ACM 냉각부(100)와 VCS 냉각부(200)를 결합하여 구성됨으로써 전원 소모가 작지만 냉각 온도 변화 폭이 크고 항공기 속도에 따른 냉각 용량이 크게 변화되는 ACM 냉각부(100)의 단점과, 압축기용 전원이 필요하며 냉매의 특성으로 인해 주변 고온환경에서의 냉각 성능이 저하되는 VCS 냉각부(200)의 단점을 서로 보완하여 해소함으로써 냉각할 대상장비를 최적 온도로 유지할 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 항공용 복합 냉각장치
100: ACM 냉각부
110: 터빈
120: 열교환기
130: 발전기
150, 210: 압축기
200: VCS 냉각부
230: 응축기
250: 저장조
270: 팽창밸브

Claims

외부 공기가 유입되어 통과하는 터빈과, 터빈을 통과하여 팽창되어 냉각된 공기가 유입되어 열교환되는 열교환기를 구비하는 ACM(Air Cycle Machine) 냉각부; 및
터빈의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 제1압축기와, 제1압축기를 통과한 냉매가 응축되는 응축기와, 응축기에서 배출되는 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와, 팽창밸브에서 배출되는 냉매를 기화시키는 증발기를 구비하는 VCS(Vapor Cycle System) 냉각부;를 포함하되,
ACM 냉각부는,
터빈의 회전축과 연결되는 제2압축기를 포함하고,
VCS 냉각부의 응축기에서 배출되는 공기가 제2압축기를 통과하여 외부로 배출되도록 구성되는, 항공용 복합 냉각장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
항공용 복합 냉각장치는,
제2압축기에서 압축된 공기에 의해 회전되는 회전팬을 더 구비하고,
제1압축기는,
회전팬의 회전축과 벨트 연결되어 동력을 전달받아 압축하도록 구성되는, 항공용 복합 냉각장치.
청구항 3에 있어서,
제1압축기는,
사판식(swash plate type)으로 구성되는, 항공용 복합 냉각장치.
청구항 1에 있어서,
응축기는,
제1압축기를 통과한 냉매와 열교환기에서 배출되는 공기를 유입받아 열교환하도록 구성되는, 항공용 복합 냉각장치.
청구항 1에 있어서,
응축기와 팽창밸브 사이에는 저장조가 포함되는, 항공용 복합 냉각장치.
청구항 1에 있어서,
팽창밸브는,
증발기로 배출되는 냉매의 양을 제어하는 온도 조절식(thermostatic expansion valve)으로 구성되는, 항공용 복합 냉각장치.
청구항 1에 있어서,
항공용 복합 냉각장치는,
터빈의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기와, 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 전원부를 더 포함하는, 항공용 복합 냉각장치.
청구항 8에 있어서,
열교환기를 냉각하도록 제1냉각팬이 더 포함되고,
제1냉각팬은 전원부에 의해 전력을 공급받도록 구성되는, 항공용 복합 냉각장치.
청구항 8에 있어서,
증발기를 냉각하도록 제2냉각팬이 더 포함되고,
제2냉각팬은 전원부에 의해 전력을 공급받도록 구성되는, 항공용 복합 냉각장치.