KR102432143B1 - 역 공기 순환기(racm) 열 관리 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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Abstract

항공기(10)는 항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100)을 포함한다. 열 관리 시스템(100)은 항공기(10)의 엔진(14) 상에 장착되는 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM)(102), 및 항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 증기 순환 시스템(VCS)(106)을 포함한다. VCS(106)는 이 VCS(106)를 통해 냉매를 순환시킨다. 응축기(108)가 RACM(들)(102)을 VCS(106)에 커플링한다. 응축기(108)에 커플링되는 RACM(들)(102)은 VCS(106)에 대한 히트 싱크를 제공한다.

Description

역 공기 순환기(RACM) 열 관리 시스템들 및 방법들{REVERSE AIR CYCLE MACHINE (RACM) THERMAL MANAGEMENT SYSTEMS AND METHODS}
본 개시내용의 실시예들은 일반적으로 열 관리 시스템들 및 방법들에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는, 항공기의 엔진에 장착되는 캐스케이드 복류 역 공기 순환기(cascaded double flow reverse air cycle machine)를 포함하는 열 관리 시스템에 관한 것이다.
차세대 군용 항공기는 최소의 항공기 성능 패널티들로 훨씬 더 높은 부하들의 열 관리를 요구할 것이다. 그러한 항공기는, 증기 순환 시스템(VCS; vapor cycle system)을 통합하는 열 관리 시스템을 포함할 수 있다. 그러나, VCS는 통상적으로, 폐열 배출(rejection)을 위한 저온 히트 싱크를 요구한다.
폐열을 배출(rejecting)하기 위해 통상적으로 이용가능한 히트 싱크들은 램(ram) 공기, 엔진 송풍기(fan) 공기 및 제3 스트림 공기를 포함한다. VCS는 램 공기에 대해 직접적으로 폐열을 배출할 수 있지만, 램 항력(ram drag)의 동반된 증가는 항공기 성능을 크게 저하시킨다. 엔진 송풍기 공기 또는 제3 스트림 공기에 대해 VCS 폐열을 직접적으로 배출하는 것은 일반적으로 확실한 옵션이 아닌데, 그 이유는 이들 공기 스트림들의 온도가 너무 높기 때문이다.
VCS에 대한 저온 히트 싱크를 생성하기 위해 공기 순환기가 사용될 수 있다. 공기 순환기는 냉매 응축기를 통해 VCS 폐열을 수용하며, 그 다음, 이 폐열을 엔진 송풍기 공기 또는 제3 스트림 공기로 이송할 것이다. 그러나, VCS 싱크를 생성하기 위해 공기 순환기를 사용하는 것은 극도로 비효율적이어서, 항공기 성능의 상당한 저하를 초래한다.
항공기 성능 패널티들을 최소화시키면서 더 높은 미래의 군용 항공기 부하들을 열적으로 제어할 수 있는 열 관리 시스템에 대한 필요가 존재한다.
그 필요를 염두에 두고, 본 개시내용의 소정의 실시예들은, 항공기의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템을 제공한다. 열 관리 시스템은 항공기의 엔진 상에 장착되는 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM; reverse air cycle machine), 냉매를 순환시키도록 구성되는 증기 순환 시스템(VCS), 및 RACM(들)을 VCS에 커플링하는 응축기를 포함한다. 응축기를 통해 VCS에 커플링되는 RACM(들)은 VCS에 대한 제1 히트 싱크를 제공한다.
적어도 하나의 실시예에서, RACM(들)은 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기(bleed air)를 수용하며, 이 블리드 공기를 냉각 및 팽창시킨다. 냉각 및 팽창된 블리드 공기는 응축기로 지향되며, 응축기에서, 팽창된 블리드 공기는 VCS를 통해 순환하는 냉매로부터 열 에너지를 흡수한다. RACM(들)은, 블리드 공기가 RACM(들)을 통과한 후에, 추력을 회복하기 위해, 블리드 공기를 다시 엔진으로 재도입시킨다.
적어도 하나의 실시예에서, 엔진은 엔진 코어의 외측에 있는 엔진 케이스 내에 우회 열 교환기를 포함한다. RACM(들)은 우회 열 교환기를 통해 엔진 압축기에 커플링된다. 우회 열 교환기는 엔진 코어 외측의 우회 공기 스트림 내에 배치된다. 우회 열 교환기는, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기가 적어도 하나의 RACM으로 지향되기 전에, 이 압축된 블리드 공기를 냉각시킨다.
적어도 하나의 실시예에서, 우회 열 교환기는 엔진 코어를 통과하는 제1 공기 스트림 외측의 제2 공기 스트림 또는 제3 스트림 중 하나 또는 둘 모두 내에 배치된다.
적어도 하나의 실시예에서, RACM은, 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 팽창 및 냉각시키도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 터빈들을 포함한다. RACM은, 블리드 공기가 제1 열 교환기를 통과한 후에 블리드 공기를 압축하도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 압축기들을 포함한다.
적어도 하나의 실시예에서, RACM은 제1 터빈, 제2 터빈, 제1 압축기, 및 제2 압축기를 포함한다. 제1 터빈, 제2 터빈, 제1 압축기, 및 제2 압축기는 공통 축에 커플링된다.
열 관리 시스템은 또한, 연료 라인 및 VCS에 커플링되는 제2 열 교환기를 포함할 수 있다. 연료 라인에 커플링되는 제2 열 교환기는 VCS에 대한 제2 히트 싱크를 제공한다. 제3 열 교환기가 램 공기 우회 도관 및 VCS에 커플링될 수 있다. 램 공기 우회 도관에 커플링되는 제3 열 교환기는 VCS에 대한 제3 히트 싱크를 제공한다.
적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 RACM은 고압 RACM에 커플링되는 저압 RACM을 포함한다.
열 관리 시스템은 또한, 저압 RACM 및 고압 RACM에 동작가능하게 커플링되는 제어 유닛을 포함할 수 있다. 제어 유닛은, 항공기의 대기속도가 아음속(subsonic)일 때, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 단지 저압 RACM을 통해 지향시키도록 구성된다. 제어 유닛은, 항공기의 대기속도가 초음속(supersonic)일 때, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를, 저압 RACM 이전에 고압 RACM을 통해 지향시키도록 구성된다. 제어 유닛은, 압축된 블리드 공기를 저압 RACM 및 고압 RACM을 통해 선택적으로 지향시키도록 선택적으로 제어되는 복수의 밸브들과 통신할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 저압 RACM은 제1 축을 통해 제1 압축기 및 제2 압축기에 커플링되는 제1 터빈 및 제2 터빈을 포함한다. 고압 RACM은 제2 축을 통해 제3 압축기 및 제4 압축기에 커플링되는 제3 터빈을 포함한다.
적어도 하나의 실시예에서, 제1 RACM이 엔진 상에 장착되며, 제2 RACM이 엔진 상에 장착된다. 제1 RACM 또는 제2 RACM 중 하나 또는 둘 모두는 고압 RACM에 커플링되는 저압 RACM을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 소정의 실시예들은, 내부 캐빈(cabin)을 형성하는 동체, 동체로부터 연장되는 날개들, 및 동체에 의해 보유되는 엔진을 포함하는 항공기의 부분들을 냉각시키는 방법을 제공한다. 엔진은 엔진 케이스를 포함하며, 이 엔진 케이스는 엔진 압축기를 포함하는 엔진 코어, 및 엔진 송풍기를 포함한다. 방법은, 항공기의 엔진 상에 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM)를 장착하는 단계, 유체를 순환시켜 열 교환을 통해 항공기의 부분들을 냉각시키기 위해 증기 순환 시스템(VCS)을 사용하는 단계, 적어도 하나의 RACM을 응축기를 통해 VCS에 커플링하는 단계, 및 적어도 하나의 RACM을 VCS에 커플링하는 것을 통해 VCS에 대한 제1 히트 싱크를 제공하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정의 실시예들은, 내부 캐빈을 형성하는 동체, 동체로부터 연장되는 날개들, 및 동체에 의해 보유되는 엔진을 포함하는 항공기를 제공한다. 엔진은 엔진 코어의 외측에 있는 엔진 케이스 내에 엔진 송풍기, 엔진 압축기를 포함하는 엔진 코어, 및 우회 열 교환기를 포함하는 엔진 케이스를 포함한다. 우회 열 교환기는 엔진 코어 외측의 우회 공기 스트림 내에 배치된다. 항공기는 또한, 항공기의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템을 포함한다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 항공기의 정면 사시도를 예시한다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 항공기의 열 관리 시스템의 간략한 블록 다이어그램을 예시한다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른, 항공기의 열 관리 시스템의 개략적인 도면을 예시한다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 역 공기 순환기(RACM)의 개략적인 도면을 예시한다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 항공기의 열 관리 시스템의 개략적인 도면을 예시한다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 열 관리 시스템을 동작시키는 방법의 흐름도를 예시한다.
전술된 요약 뿐만 아니라 소정의 실시예들의 다음의 상세한 설명은, 첨부된 도면들과 함께 읽을 때 더욱 잘 이해될 것이다. 본원에서 사용된 바와 같이, 단수형으로 언급되고 "일" 또는 "하나"란 단어가 앞서 있는 엘리먼트 또는 단계가 복수의 엘리먼트들 또는 단계들을 반드시 배제하는 것은 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 추가로, "일 실시예"에 대한 참조들은, 언급된 특징들을 또한 통합하는 추가적인 실시예들의 존재를 배제하는 것으로서 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 게다가, 반대로 명시적으로 진술되지 않는 한, 특정 조건을 갖는 엘리먼트 또는 복수의 엘리먼트들을 "포함하는" 또는 "갖는" 실시예들은 그 조건을 갖지 않는 추가적인 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 소정의 실시예들은 항공기에 대한 열 관리 시스템을 제공한다. 적어도 하나의 실시예에서, 열 관리 시스템은 엔진에 장착되는 캐스케이드 복류(cascaded double flow) 역 공기 순환기(RACM)를 포함한다. RACM은, 코어 증기 순환 시스템(VCS)에 대한 저온 히트 싱크를 생성하도록 구성된다. 추력을 회복하기 위해 RACM이 히트 싱크 공기를 엔진 송풍기의 상류(upstream)의 엔진으로 재도입시켜서, 엔진 블리드 추출과 연관된 패널티가 감소된다. 복류는, RACM의 크기를 최소화시키기 위해 병렬 터빈들 및 압축기들을 사용하는 것을 지칭한다. RACM 유닛의 크기를 추가로 최소화시키기 위해 다수의 RACM들이 엔진에 장착될 수 있다.
본 개시내용의 소정의 실시예들은, 항공기의 엔진 상에 직접적으로 장착되는 역 공기 순환기(RACM) 또는 RACM 유닛을 포함하는 열 관리 시스템을 제공한다. 적어도 하나의 실시예에서, 다수의 RACM들이 엔진에 장착된다. 엔진 장착 RACM은 항공기의 열 관리 시스템에 대한 저온 히트 싱크를 제공한다.
적어도 하나의 실시예에서, RACM들은 엔진 상에 직접적으로 장착된다. 엔진 압축기 블리드 공기는 RACM에 들어가며, 하나 또는 그 초과의 터빈들을 통해 팽창된다. 공기의 팽창에 기인하여 공기의 온도가 감소되어서, 증기 순환 시스템(VCS)이 저온 공기를 히트 싱크로서 직접적으로 사용할 수 있게 된다. 팽창된 공기를 압축하여 그것을 다시 엔진으로 재도입시킴으로써, 엔진 블리드 공기 추출에 기인하는 추력 패널티가 최소화되거나 또는 그렇지 않으면 감소된다. 그에 따라서, 히트 싱크로서 활용되는 모든 엔진 공기는 엔진에서 계속 유지되며, 추력을 생성한다. 엔진 공기의 적합한 팽창 및 압축이 모든 비행 조건들에서 발생한다는 것을 보장하기 위해, 모터가 RACM에 통합될 수 있다. RACM들의 크기 및 중량을 감소시키기 위해, 복류 RACM들이 사용될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, RACM들은 상단 또는 하단이 아니라 엔진의 측면들 상에 장착되며, 이는 RACM들을 엔진 상에 그리고 항공기에 통합시키는 것을 단순화한다.
초음속 순항 동안, 램 공기는 확실한 히트 싱크를 제공하지 않을 수 있는데, 그 이유는 이 램 공기의 온도가 적합한 VCS 열 배출을 위해서는 너무 높기 때문이다. 추가로, 스테이지 간의 제2 스트림 블리드 및 제3 스트림 공기 온도들이 또한 너무 높아서, 이들은 VCS 열 배출에서의 사용을 위해 RACM에 의해 적합하게 냉각될 수 없을 수 있다. 이 경우, 본 개시내용의 소정의 실시예들은 엔진 덕트 공기-열 교환기를 통해 엔진 압축기 최종 스테이지 블리드 공기에 대한 냉각을 제공하며, 그 다음, 그것을 캐스케이드 RACM 유닛에 보낸다. 캐스케이드 RACM 유닛은, 냉각된 최종 스테이지 블리드 공기를 팽창시켜 이 블리드 공기를 저압 4-휠 RACM에 보내기 전에 이 블리드 공기의 압력 및 온도를 감소시키기 위해 사용되는 고압 3-휠 RACM을 포함하며, 이 저압 4-휠 RACM은, 이 블리드 공기를 추가로 팽창시킬 수 있으며, 이 블리드 공기의 압력 및 온도를 감소시킨다. 결과적 저온 히트 싱크는, 먼저 저압 4-휠 RACM에서 그리고 그 다음 고압 3-휠 RACM에서 압축되기 전의, VCS로부터의 폐열을 떠맡는다. 이 재압축된 공기는 마지막으로, 엔진 송풍기 공기 스트림으로 분사된다. 3-휠 RACM은 지상 유휴 상태 및 아음속 순항 동안 우회되며, 초음속 순항 동안 포함될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 항공기(10)의 정면 사시도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 항공기(10)는 군용 전투기 제트이다. 항공기(10)는 예컨대 2 개의 엔진들(14)을 포함하는 추진 시스템(12)을 포함한다. 선택적으로, 추진 시스템(12)은 도시된 것보다 더 많거나 또는 더 적은 개수의 엔진들(14)을 포함할 수 있다. 엔진들(14)은 항공기(10)의 동체(18) 및/또는 날개들(16)에 의해 보유된다. 다른 실시예들에서, 엔진들(14)은 항공기(10)의 다른 부분들에 의해 보유될 수 있다. 동체(18)는 또한, 수평 안전판들(22) 및 수직 안전판들(24)을 지지한다. 항공기(10)의 동체(18)는, 냉각될 항공 전자 기기(avionic)를 포함하는 하나 또는 그 초과의 장비 구역들 및 조종석(30)을 포함하는 내부 캐빈을 형성한다. 선택적으로, 항공기(10)는 다양한 다른 타입들의 군용 항공기일 수 있다. 대안적으로, 항공기는 다양한 타입들의 상용 항공기일 수 있다.
아래에서 설명되는 바와 같이, 항공기(10)는 내부 캐빈 뿐만 아니라 항공기 내의 다양한 시스템들을 냉각시키기 위해 사용되는 열 관리 시스템을 포함한다. 열 관리 시스템은 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM)에 커플링되는 적어도 하나의 증기 순환 시스템(VCS)을 포함할 수 있다. RACM은 단류 RACM(단일 터빈 및 단일 압축기를 포함함), 또는 복류 RACM(2 개의 터빈들 및 2 개의 압축기들을 포함함)일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 복류 RACM은 공통 축에 커플링되는 2 개의 터빈들 및 2 개의 압축기들을 포함한다. 복류 RACM은 모터를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 복류 RACM은 모터를 포함하지 않을 수 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 항공기(10)의 열 관리 시스템(100)의 간략한 블록 다이어그램을 예시한다. 열 관리 시스템(100)은 항공기(10)의 엔진(14)에 직접적으로 장착되는 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM)를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, RACM 또는 RACM 유닛(102)은 엔진(14)의 엔진 케이스(104)의 외부 표면의 일 측에 장착된다. RACM(102)은 증기 순환 시스템(VCS)(106)에 커플링된다. 예컨대, 제1 열 교환기 또는 VCS 냉매 응축기(108)가 RACM(102)을 VCS(106)에 커플링한다.
엔진(14)은 엔진 케이스(104)를 포함하며, 이 엔진 케이스(104) 상에 RACM(102)이 장착된다. 엔진(14)은 앞쪽 단부에 공기 입구(110), 및 뒤쪽 단부에 공기 출구(112)를 더 포함한다. 엔진 송풍기(114)가 공기 입구(110)에 가장 가까이 위치된다. 엔진 코어(116)는, 엔진 송풍기(114) 뒤에, 엔진 케이스(104) 내에 배치된다. 엔진 코어(116)는 하나 또는 그 초과의 연소기들(120)로부터 상류에 엔진 압축기(118)를 포함하며, 이어서, 이 연소기들(120)은 터빈(122)으로부터 상류에 있다.
항공기(10)의 동작 동안, 램 공기(124)가 공기 입구(110)에 들어가며, 엔진 송풍기(114)를 통과한다. 엔진 코어(116)를 통과하는 램 공기(124)는 코어 공기 스트림(126)을 제공한다. 코어 공기 스트림(126)은 엔진 송풍기(114), 압축기(118), 연소기들(120), 및 터빈(122)을 통과한다. 램 공기(124)의 일부분이 엔진 송풍기(114)를 통과하지만, 엔진 코어(116)를 우회하는 공기 스트림(128)(송풍기 우회 공기 스트림(128))으로서, 엔진 코어(116) 주위에서 이동한다. 송풍기 우회 공기 스트림(128)은 공기의 단일 스트림이거나, 또는 송풍기 공기 및 제3 스트림 공기로 분할될 수 있다. 송풍기 공기는 다수의 송풍기 스테이지들, 이를테면 엔진 송풍기(114)로부터 하류(downstream)의 추가적인 송풍기 스테이지들을 통과하며, 엔진 코어(116)를 우회한다. 제3 스트림 공기는 송풍기 공기보다 더 적은 개수의 송풍기 스테이지들을 통과하며, 엔진 코어(116) 및 송풍기 공기 스트림을 우회한다. 예컨대, 제3 스트림 공기는 엔진 송풍기(114)만을 통과하며, 초기 엔진 송풍기(114)로부터 하류의 다른 송풍기 스테이지들을 통과하지 않을 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 엔진(14)은 코어 공기 스트림(126), 그리고 제3 공기 스트림을 포함하지 않는 송풍기 우회 공기 스트림(128)에 대해서만 동작하도록 구성될 수 있다.
엔진 코어(116) 외측의 엔진(14) 내에 우회 열 교환기(130)가 고정된다. 적어도 하나의 실시예에서, 우회 열 교환기(130)는 엔진 케이스(104)의 내부 표면(132)과 엔진 코어(116)의 외부 표면(134) 사이에 배치된다. 우회 열 교환기(130)는 엔진(14) 내의 송풍기 우회 공기 스트림(128)의 경로 내에 있다. 예컨대, 우회 열 교환기(130)는 제2 스트림 공기 또는 제3 스트림 공기의 공기 경로 내에 있을 수 있다.
블리드 공기 도관(136), 이를테면 하나 또는 그 초과의 파이프들, 튜브들, 플리넘(plenum)들, 호스들 등이 압축기(118)를 우회 열 교환기(130)의 입구(138)에 유동적으로 커플링한다. 우회 열 교환기(130)의 출구(140)는 RACM(102)에 유동적으로 커플링된다.
동작 중에, 램 공기(124)는 엔진의 공기 입구(110)로 이동하며, 엔진 송풍기(114)를 통과한다. 코어 공기 스트림(126)은 압축기(118)를 통과한다. 블리드 공기 도관(136)은 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기의 일부분을 우회 열 교환기(130)로 재지향시킨다. 송풍기 우회 공기 스트림(128)은 열 교환기(130)를 통과하며, 압축된 블리드 공기로부터 열을 흡수하여서, 압축된 블리드 공기의 온도가 감소된다. 그 다음, 감소된 온도의 압축된 블리드 공기는 RACM(102)으로 이동하며, 이 RACM(102)은 블리드 공기를 팽창 및 냉각시킨다. 팽창된 냉각된 공기는 VCS 냉매 응축기(108)로 이동하며, 이 VCS 냉매 응축기(108)에서, 팽창된 냉각된 공기는 VCS 냉매로부터 열을 흡수한다. VCS(106)의 VCS 냉매는 증기로서 VCS 냉매 응축기(108)로 이동할 수 있다. RACM으로부터의 팽창된 냉각된 공기가 VCS 냉매 응축기(108) 내에서 VCS 냉매와 에너지를 교환하여서, 증기가 액체로 응축된다.
따라서, VCS 냉매 응축기(108)에 커플링되는 RACM(102)은 VCS(106)에 대한 히트 싱크를 제공한다. VCS(106)의 유체로부터 RACM(102)의 팽창된 냉각된 공기에 의해 흡수되는 에너지는 공기의 온도를 증가시킨다. 그 다음, RACM(102)은 공기를 압축하며, 이 공기를 다시 우회 공기 스트림(128)으로 재도입 공기(150)로서 재도입시킨다. 재도입 공기(150)를 다시 우회 공기 스트림(128)으로 재도입시킴으로써, RACM(102)은 엔진 추력을 회복하며, 엔진(14)에서 공기를 추출하는 것과 연관된 추력 패널티를 제거하거나, 최소화시키거나, 또는 그렇지 않으면 감소시킨다. 적어도 하나의 실시예에서, 다수의 RACM들(102)이 엔진(14)에 장착된다. 엔진 장착 RACM(102)은 항공기(10)의 VCS(106)에 대한 저온의, 그리고 감소된 추력 패널티의 히트 싱크를 제공한다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른, 항공기(10)의 열 관리 시스템(100)의 개략적인 도면을 예시한다. 도시된 바와 같이, 엔진(14) 내에, 이를테면 제3 공기 스트림 유동 경로(200) 내에 우회 열 교환기(130)가 고정된다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 우회 열 교환기(130)는 제2 스트림 유동 경로(202), 이를테면 송풍기 공기 유동 경로 내에 고정된다.
RACM(102)은 위에서 표시된 바와 같이 엔진 케이스(104)에 장착된다. 도 3에서 도시된 바와 같이, RACM(102)은 복류 RACM이다. RACM(102)은 공통 축(212)을 통해 2 개의 압축기들(208 및 210)에 커플링되는 2 개의 터빈들(204 및 206)을 포함하는 4-휠 RACM이다. 대안적으로, RACM(102)은 더 큰 단일 터빈 및 더 큰 단일 압축기를 포함할 수 있다(예컨대, 단류 RACM). 그러나, 2 개의 더 작은 터빈들(204 및 206) 그리고 2 개의 더 작은 압축기들(208 및 210)을 사용함으로써, RACM(102)의 전체 크기(예컨대, 전체 직경) 및 중량이 감소된다. 또한, 대안적으로, 터빈들(204 및 206) 그리고 압축기들(208 및 210)의 동작을 보조하기 위하여, 축(212)에 모터가 커플링될 수 있다.
압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기는 도관(216)을 통해 터빈들(204 및 206)로 이동하며, 터빈들(204 및 206)에 전력을 공급한다. 즉, 터빈들(204 및 206)을 통한 압축된 블리드 공기의 유동은 터빈들(204 및 206)이 움직이게(move) 하며, 이는 축(212)이 회전하게 하고, 그에 따라 압축기들(208 및 210)에 전력을 또한 공급하게 한다. 대안적으로, 터빈들(204 및 206) 그리고 압축기들(208 및 210)의 움직임(movement)을 보조하기 위해 모터가 사용될 수 있다.
우회 열 교환기(130)를 RACM(102)에 유동적으로 커플링하는 도관(216)(이를테면, 하나 또는 그 초과의 파이프들, 튜브들, 호스들 등) 내에 밸브(214)가 배치될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 제어 유닛(218)은 (이를테면, 하나 또는 그 초과의 유선 또는 무선 연결들을 통해) 밸브(214)와 통신하며, 개방 포지션과 폐쇄 포지션 사이에서 밸브(214)를 동작시키도록 구성된다. 밸브(214)가 개방 포지션으로 있을 때, (우회 열 교환기(130)에 의해 컨디셔닝된) 블리드 공기가 RACM(102)으로 이동하며, 터빈들(204 및 206)에 의해 팽창 및 냉각된다. 밸브(214)가 폐쇄 포지션으로 있을 때, 컨디셔닝된 블리드 공기가 RACM(102)으로 이동하는 것이 방지된다. 예컨대, 제어 유닛(218)은 이를테면 항공기(10)가 비행 중이 아닐 때 밸브(214)를 폐쇄할 수 있다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 도관(216)은 밸브(214)를 포함하지 않을 수 있다.
도시된 바와 같이, 3 개의 별개의, 그리고 별도의 히트 싱크들이 VCS(106)에 커플링될 수 있다. 제1 히트 싱크(230)는 연료 라인(234) 및 VCS(106)의 냉매 라인(236)에 커플링되는 열 교환기, 이를테면 냉매 응축기(232)를 포함한다. 제2 히트 싱크(238)는 램 공기 도관(242) 및 냉매 라인(236)에 커플링되는 열 교환기, 이를테면 응축기(240)를 포함한다. 램 공기 도관(242)은, 램 공기(124)가 엔진 송풍기(114)로 이동하기 전에, 램 공기(124)의 일부분을 응축기(240) 쪽으로 분로(shunt)한다. 그 다음, 램 공기는 응축기(240)를 통과하며, 예컨대, 엔진 구역을 환기시키기 위해 도관(241)을 통해 채널링될(channeled) 수 있다. 제3 히트 싱크(244)는 RACM(102) 및 VCS(106)의 냉매 라인(236)에 커플링되는 VCS 냉매 응축기(108)를 포함한다. 선택적으로, VCS(106)는 제3 히트 싱크(244)에만 커플링될 수 있다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, VCS(106)는 제1 히트 싱크(230) 또는 제2 히트 싱크(238) 중 하나, 그리고 제3 히트 싱크(244)에 커플링될 수 있다. 제1, 제2, 및 제3이란 용어들이 단지 히트 싱크들의 개수를 표시한다는 것이 이해되어야 한다. 제1 히트 싱크(230)가 제2 또는 제3 히트 싱크로 간주될 수 있으며, 제2 히트 싱크(238)가 제1 또는 제3 히트 싱크로 간주될 수 있으며, 제3 히트 싱크(244)가 제1 또는 제2 히트 싱크로 간주될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 제어 유닛(218)은 하나 또는 그 초과의 유선 또는 무선 연결들을 통해 열 관리 시스템(100) 내의 다양한 밸브들과 통신한다. 제어 유닛(218)은, 공중 비히클(air vehicle) 비행 조건 및 열 관리의 원하는 레벨에 따라 개방 포지션과 폐쇄 포지션 사이에서 밸브들을 선택적으로 동작시키도록 구성된다.
도 2에 대해 위에서 표시된 바와 같이, 램 공기(124)는 엔진(14)의 공기 입구(110)로 이동하며, 엔진 송풍기(114)를 통과한다. 코어 공기 스트림(126)은 압축기(118)를 통과한다. 블리드 공기 도관(136)은 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기의 일부분을 우회 열 교환기(130)로 재지향시킨다. 송풍기 우회 공기(128)가 열 교환기(130)를 통과하며, 압축된 블리드 공기로부터 열을 흡수하여서, 압축된 블리드 공기의 온도가 감소된다. 그 다음, 감소된 온도의 압축된 블리드 공기는 RACM(102)으로 이동하며, 이 RACM(102)은 터빈들(204 및 206)을 통해 블리드 공기를 팽창 및 냉각시킨다. 팽창된 냉각된 공기는 도관(250)을 통해 VCS 냉매 응축기(108)로 이동하며, 이 VCS 냉매 응축기(108)에서, 팽창된 냉각된 공기는 VCS(106)의 라인(236)을 통해 순환하는 유체 냉매로부터 열을 흡수한다. VCS(106)로부터의 유체는, 증기와 액체의 결합으로서, VCS(106)로부터 VCS 냉매 응축기(108)로 이동한다. RACM(102)으로부터의 팽창된 냉각된 공기가 VCS 냉매 응축기(108) 내에서 VCS(106)로부터의 유체와 에너지를 교환하여서, 나머지 증기가 액체로 응축되며, 그 다음, 이 액체는 다시 VCS(106)로 재순환된다. 이러한 방식으로, 히트 싱크(244)(RACM(102)을 VCS(106)에 커플링하는 냉매 응축기(108)로 표현됨)가 VCS(106)의 라인(236)을 통해 순환하는 냉매를 컨디셔닝하여서, 냉매가 항공기(10)의 하나 또는 그 초과의 시스템들, 컴포넌트들, 영역들 등으로부터 열을 흡수할 수 있게 된다. 제1 히트 싱크(230) 및 제2 히트 싱크(238)는 또한, 라인(236)을 통해 순환하는 냉매를 응축한다.
VCS(106)의 냉매로부터 RACM(102)의 팽창된 냉각된 공기에 의해 흡수되는 에너지는 RACM 히트 싱크 공기의 온도를 증가시킨다. 그 다음, RACM(102)은 압축기들(208 및 210)을 통해 RACM 히트 싱크 공기를 압축하며, 그것을 다시 분사 도관(260)을 통해 엔진 송풍기 공기 스트림(150)으로 분사한다.
VCS(106)는, 항공기(10)의 전자 시스템들 및/또는 내부 캐빈을 컨디셔닝하기 위해 냉매가 상(phase) 변화들을 겪는 증기-순환 냉동을 제공하도록 구성된다. VCS(106)는 이 VCS(106)를 통해 냉매를 순환시켜, 열 교환을 통해 항공기(10)의 부분들을 냉각시킨다. 항공기(10)의 컴포넌트들(예컨대, 항공전자기기들) 및/또는 내부 캐빈으로부터 열을 흡수하기 위하여, 냉매는 (예컨대, 액체로부터 증기로) 상들을 변화시키는 VCS(106)를 통해 순환하는 유체를 제공한다.
VCS(106)는 제1 스테이지 모터(270) 및 압축기(271), 그리고 제2 스테이지 모터(272) 및 압축기(273)를 포함할 수 있다. 제2 스테이지 압축기(273)는 라인(236)에 커플링되며, 이어서, 이 라인(236)은 제1 히트 싱크(230), 제2 히트 싱크(238), 및 제3 히트 싱크(244)에 커플링된다. 그 다음, 히트 싱크들(230, 238, 및 244) 중 하나 또는 그 초과를 통해 응축되는 냉매는, 하나의 스트림이 제1 스로틀링 밸브를 통과하는 반면에 다른 스트림이 냉매 보조냉각기(subcooler)(278)를 통과하는 상태로 나뉜다. 다음으로, 스로틀링 밸브로부터의 냉매는, 제1 스테이지 압축기(271)로부터의 냉매와 결합하기 전에, 보조냉각기를 통과한다. 냉매 증발기(284)를 통해 항공기(10) 내의 공냉식 부하들(282)(이를테면, 공기 순환을 통해 냉각되는, 항공기(10)의 하나 또는 그 초과의 전자 시스템들을 포함함) 및 캐빈(280)으로부터 열을 흡수하도록, 다른 냉매 스트림은 스로틀링 밸브를 통해 보내지며, 그 다음, 냉매 라인(236)을 통해 보내진다. 냉매 라인(236)은 또한, 액냉식 부하들(288)(이를테면, 액체 순환을 통해 냉각되는, 항공기(10)의 하나 또는 그 초과의 전자 시스템들을 포함함)로부터 열을 흡수하기 위해 다른 스로틀링 밸브 및 냉매 증발기(286)에 커플링될 수 있다.
도시된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 밸브들이 VCS(106)의 다양한 도관들 내에 배치될 수 있다. VCS(106)를 통한 원하는 양의 유체(예컨대, 냉매 또는 다른 그러한 냉각제) 유동을 제공하기 위해, 밸브들은 제어 유닛(218)에 의해 선택적으로 제어될 수 있다.
VCS(106)는 도시된 것보다 더 많거나 또는 더 적은 개수의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예컨대, VCS는 2 개 미만의 모터들(270 및 272) 그리고/또는 2 개 미만의 압축기들(271 및 273)을 포함할 수 있다. 추가로, 냉매 라인(236)은 도시된 것보다 더 많거나 또는 더 적은 개수의 부하들에 커플링될 수 있다. 예컨대, 냉매 라인(236)은 단지 캐빈(280), 또는 공냉식 부하(282), 또는 액냉식 부하(288)를 컨디셔닝하도록 구성될 수 있다.
연료 라인(234)은 연료 탱크(290)와 엔진(14) 사이의 연료 전달 도관을 제공한다. 냉매 응축기(232)는 연료 라인(234)을 VCS(106)의 냉매 라인(236)에 커플링한다. 따라서, 냉매 응축기(232)가 라인(236)의 냉매로부터의 열 에너지를 연료 라인(234) 내의 연료로 이송하여서, 연료의 온도는 증가되고, 냉매의 온도는 감소된다.
그 다음, 연료 라인(234)은 엔진 발전기(296) 및 엔진 윤활 시스템(298)의 열 교환기들(292 및 294)을 통과할 수 있다. 열 에너지가 발전기(296) 및 윤활 시스템(298)으로부터 열 교환기들(292 및 294)을 통해 연료 라인(234) 내의 연료로 이송되어서, 연료의 온도는 증가되고, 발전기(296) 및 윤활 시스템(298)의 온도는 감소된다. 그 다음, 연료는 연료 라인(234)을 통해 엔진으로 전달된다. 이들 열적 부하들을 떠맡은 후에 연료의 온도가 엔진 최대 전달 온도를 초과하면, 온도를 엔진 전달 제한치로 감소시키기 위해, 연료 유량은 연소 연료 유량을 초과하게 증가된다. 이 증가된 연료 유량과 엔진 연소 연료 유량 사이의 차이는 다시 공중 비히클 연료 탱크로 재순환된다. 재순환 연료는, 탱크로 되돌아 가기 전에, VCS(106)의 스로틀링 밸브 다음에 있는 증발기(286)에서 냉각된다.
대안적으로, 연료 라인(234)은 열 교환기들(292 및 294)을 통해 발전기(296) 및 윤활 시스템(298)에 커플링되는 것이 아닐 수 있다. 대신에, 연료 라인(234) 내의 연료는 VCS(106)로부터의 열 에너지를 냉매 응축기(232)를 통해 수용하며, 그 다음, 직접적으로 엔진(14)으로 이동할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 제어 유닛(218)은 밸브들을 통해 열 관리 시스템(100)을 통한 유체들(이를테면, 공기 및 냉매)의 유동을 선택적으로 제어하도록 동작한다. 예컨대, 캐빈(280), 공냉식 부하(282), 및 액냉식 부하들(288)의 온도들을 제어하기 위하여, 제어 유닛(218)은 다양한 도관들을 통한 유체들(기체이든, 증기이든, 또는 액체이든 간에)의 온도를 제어하기 위해 밸브들을 선택적으로 개방 및 폐쇄할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 본 출원에서 설명된 시스템들은 제어 유닛(218)을 포함하지 않을 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같이, "제어 유닛", "유닛", "중앙 프로세싱 유닛", "CPU", "컴퓨터" 등의 용어는, 마이크로제어기들, RISC(reduced instruction set computer)들, ASIC(application specific integrated circuit)들, 논리 회로들, 그리고 본원에서 설명된 기능들을 실행할 수 있는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 결합을 비롯한 임의의 다른 회로 또는 프로세서를 사용하는 시스템들을 포함하여 임의의 프로세서-기반 또는 마이크로프로세서-기반 시스템을 포함할 수 있다. 이들은 단지 예시적이며, 따라서 그러한 용어들의 정의 및/또는 의미를 조금도 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예컨대, 제어 유닛(218)은 열 관리 시스템(100)의 동작을 제어하도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 프로세서들이거나 또는 이들을 포함할 수 있다.
제어 유닛(218)은, 데이터를 프로세싱하기 위하여, 하나 또는 그 초과의 저장 엘리먼트들(이를테면, 하나 또는 그 초과의 메모리들)에 저장되는 명령들의 세트를 실행하도록 구성된다. 예컨대, 제어 유닛(218)은 하나 또는 그 초과의 메모리들을 포함하거나 또는 이들에 커플링될 수 있다. 저장 엘리먼트들은 또한, 원하는 대로 또는 필요한 대로 데이터 또는 다른 정보를 저장할 수 있다. 저장 엘리먼트들은 프로세싱 머신 내에서 정보 소스 또는 물리적 메모리 엘리먼트의 형태로 있을 수 있다.
명령들의 세트는, 본원에서 설명된 발명의 요지의 다양한 실시예들의 방법들 및 프로세스들과 같은 특정 동작들을 수행하도록 프로세싱 머신과 같은 제어 유닛(218)에게 명령하는 다양한 커맨드들을 포함할 수 있다. 명령들의 세트는 소프트웨어 프로그램의 형태로 있을 수 있다. 소프트웨어는 시스템 소프트웨어 또는 애플리케이션 소프트웨어와 같은 다양한 형태들로 있을 수 있다. 추가로, 소프트웨어는 별개의 프로그램들의 집합, 더 큰 프로그램 내의 프로그램 서브세트 또는 프로그램의 일부분의 형태로 있을 수 있다. 소프트웨어는 또한, 객체-지향 프로그래밍 형태의 모듈식 프로그래밍을 포함할 수 있다. 프로세싱 머신에 의한 입력 데이터의 프로세싱은 사용자 커맨드들에 대한 응답으로, 또는 이전의 프로세싱의 결과들에 대한 응답으로, 또는 다른 프로세싱 머신에 의해 이루어진 요청에 대한 응답으로 이루어질 수 있다.
본원에서의 실시예들의 다이어그램들은 하나 또는 그 초과의 제어 또는 프로세싱 유닛들, 이를테면 제어 유닛(218)을 예시할 수 있다. 프로세싱 또는 제어 유닛들이, 본원에서 설명된 동작들을 수행하는 연관된 명령들(예컨대, 유형의, 그리고 비-일시적인 컴퓨터 판독가능 저장 매체, 이를테면 컴퓨터 하드 드라이브, ROM, RAM 등 상에 저장된 소프트웨어)과 함께 하드웨어로서 구현될 수 있는 회로들, 회로소자, 또는 이들의 일부분들을 표현할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하드웨어는 본원에서 설명된 기능들을 수행하도록 하드와이어링된 상태 머신 회로소자를 포함할 수 있다. 선택적으로, 하드웨어는, 하나 또는 그 초과의 논리-기반 디바이스들, 이를테면 마이크로프로세서들, 프로세서들, 제어기들 등을 포함하며 그리고/또는 이들에 연결되는 전자 회로들을 포함할 수 있다. 선택적으로, 제어 유닛(218)은 FPGA(field programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit), 마이크로프로세서(들) 등 중 하나 또는 그 초과와 같은 프로세싱 회로소자를 표현할 수 있다. 다양한 실시예들에서의 회로들은 본원에서 설명된 기능들을 수행하기 위해 하나 또는 그 초과의 알고리즘들을 실행하도록 구성될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 알고리즘들은, 흐름도 또는 방법에서 명시적으로 식별되든 또는 아니든 간에, 본원에서 개시된 실시예들의 양상들을 포함할 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "소프트웨어" 및 "펌웨어"란 용어들은 상호교환 가능하며, RAM 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 및 NVRAM(non-volatile RAM) 메모리를 포함하여, 컴퓨터에 의한 실행을 위해 메모리에 저장되는 임의의 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 위의 메모리 타입들은 단지 예시적이며, 따라서 컴퓨터 프로그램의 저장에 사용가능한 메모리의 타입들에 대해 제한하지 않는다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 역 공기 순환기(RACM)(102)의 개략적인 도면을 예시한다. 도 2-도 4를 참조하면, RACM(102)은 엔진(14) 내의 우회 열 교환기(130), 및 VCS(106)의 냉매 라인(236)에 커플링되는 VCS 냉매 응축기(108)에 커플링된다. 적어도 하나의 실시예에서, 캐스케이드 RACM 유닛(102)은 고압 3-휠 RACM(452)에 연결되는 저압 4-휠 RACM(450)을 포함한다. 대안적으로, 고압 RACM(452)은 2 개의 터빈들을 포함하는 4-휠 RACM일 수 있다.
RACM(102)은 블리드 공기 도관(136)으로부터 분기되는 분기 도관(300)을 포함한다. 분기 도관(300) 내에 밸브(302)가 배치된다. 적어도 하나의 실시예에서, 제어 유닛(218)은 하나 또는 그 초과의 유선 또는 무선 연결들을 통해 밸브(302)와 통신한다. 터빈(306)이 공통 축(312)을 통해 압축기들(308 및 310)에 커플링되어 고압 RACM이 형성된다. 터빈(306)은 분기 도관(300)의 출구 단부(314)로부터 하류에 배치된다.
밸브(214)는, 블리드 공기 도관(136)과 분기 도관(300)의 교차점(junction)(316)으로부터 하류에, 블리드 공기 도관(136) 내에 배치된다. 블리드 공기 도관(136)이 터빈들(204 및 206)에 커플링되고, 이 터빈들(204 및 206)이 축(212)에 연결되며, 이 축(212)이 압축기들(208 및 210)에 또한 연결되어서, 저압 RACM이 형성된다. 터빈들(204 및 206)은 도관(250)에 유동적으로 커플링되며, 이 도관(250)은 VCS 냉매 응축기(108)에 유동적으로 커플링되며, 이 VCS 냉매 응축기(108)는 또한, 냉매 라인(236)에 커플링된다. VCS 냉매 응축기(108)는 또한, 도관(251)을 통해 압축기들(208 및 210)에 커플링된다. 압축기들(208 및 210)은 엔진 분사 도관(260)에 유동적으로 커플링된다. 엔진 분사 도관(260) 내에 밸브(320)가 배치된다.
밸브(320)로부터 상류의 엔진 분사 도관(260)으로부터 분기 도관(322)이 분기한다. 분기 도관(322) 내에 밸브(324)가 배치된다. 밸브들(214, 302, 320, 및 324)은 하나 또는 그 초과의 유선 또는 무선 연결들을 통해 제어 유닛(218)과 통신할 수 있다.
분기 도관(322)은 압축기들(308 및 310)에 커플링된다. 분기 도관(322)은 압축기들(308 및 310)에 대한 공기 입구 도관을 제공한다. 공기 출구 도관(326)이 압축기들(308 및 310)로부터 하류에 있으며, 밸브(320)로부터 하류의 엔진 분사 도관(260)에 재연결된다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 복류 캐스케이드 RACM(102)은 도 2 및 도 3에서 도시되는 엔진(14)에 장착된다. 동작 중에, 밸브들(216, 302, 324, 및 320)은 항공기(도 1에서 도시됨)의 대기 속도에 따라 개방되거나 또는 폐쇄된다. 예컨대, 적어도 하나의 실시예에서, 제어 유닛(218)은 항공기(10)의 대기 속도에 따라 밸브들(214, 302, 324, 및 320)을 선택적으로 제어한다.
도 2-도 4를 참조하면, 항공기(10)의 아음속 순항 동안, 밸브들(302 및 324)은 폐쇄되고, 밸브들(214 및 320)은 개방된다. 고압 RACM은 우회되며, 압축기(118)로부터 끌어당겨지는 블리드 공기(400)가 분기 도관(300)을 통해 단일 터빈(306) 쪽으로 이동하는 것이 방지된다. 대신에, 블리드 공기(400)는 블리드 공기 도관(136)의 개방된 밸브(214)를 통해 저압 RACM으로 이동하며, 터빈들(204 및 206)에 의해 팽창 및 냉각된다. 그 다음, 팽창된 냉각된 블리드 공기(402)는 열 VCS 냉매 응축기(108)를 통과하며, 이 열 VCS 냉매 응축기(108)에서, 냉각된 블리드 공기가 냉매 라인(236) 내의 냉매(404)로부터 열 에너지를 흡수하여서, 온도가 낮춰지고 냉매(406)가 응축되며, 이 냉매(406)는 VCS 냉매 응축기(108)로부터 이동하며, 냉매 라인(236)을 통해 VCS(106)에 순환된다.
팽창된 냉각된 블리드 공기(402)가 냉매(404)로부터 열 에너지를 흡수하기 때문에, 블리드 공기는, 높은 온도로, 팽창된 블리드 공기(408)로서, 도관(251)으로 이동한다. 그 다음, 팽창된 블리드 공기(408)는 압축기들(208 및 210)을 통과하며, 압축된 엔진 분사 공기(410)로서 압축기들(208 및 210)을 나간다. 밸브(324)가 폐쇄되기 때문에, 엔진 분사 공기(410)는 분기 도관(322)을 통과하는 것이 아니라, 대신에 개방된 밸브(320)를 통과하며, 엔진 분사 도관(260)을 통해 다시 엔진(14)으로 이동한다. 엔진 분사 공기(410)가 송풍기 공기 스트림(128)으로 분사될 때, 이 엔진 분사 공기(410)로부터 추력이 회복된다.
항공기(10)가 초음속의 대기속도들로 비행되고 있을 때, 심지어 터빈들(204 및 206)을 통과한 후에도, 압축된 블리드 공기(400)의 온도는 너무 높아서, 냉매로부터 열을 흡수하지 못할 수 있다. 따라서, 압축된 블리드 공기(400)가 터빈들(204 및 206)을 통과하기 전에 터빈(306)을 먼저 통과하도록, 밸브가 (이를테면, 제어 유닛(218)을 통해) 동작될 수 있다. 그러한 동작 동안, 밸브들(302 및 324)이 개방되는 반면에, 밸브들(214 및 320)은 폐쇄된다. 압축된 블리드 공기(400)는 먼저 분기 도관(300)의 개방된 밸브(302)를 통과하여 터빈(306)으로 이동하며, 이 터빈(306)은 압축된 블리드 공기(400)를 팽창 및 냉각시킨다. 초기에 팽창된 냉각된 공기(412)는, 터빈(306)의 출구를 블리드 공기 도관(136)에 연결하는 연결 도관(301)을 통해, 폐쇄된 밸브(214)로부터 하류의 블리드 공기 도관(136)으로 다시 이동한다. 그 다음, 앞서 설명된 바와 같이, 공기(412)는 터빈들(204 및 206)을 통과하며, 이 터빈들(204 및 206)은 초기에 팽창된 냉각된 공기(412)를 추가로 팽창 및 냉각시켜, 추가로 팽창 및 냉각된 공기(402)를 산출하며, 그 다음, 이 추가로 팽창 및 냉각된 공기(402)는 VCS 냉매 응축기(108)를 통과한다.
VCS 냉매 응축기(108)를 통과한 후에, 팽창된 블리드 공기의 온도는 (냉매로부터 열 에너지를 흡수하는 것에 기인하여) 증가된다. 팽창된 블리드 공기(408)가 VCS 냉매 응축기(108)로부터 이동하고, 그 다음, 압축기들(208 및 210)을 통과하여서, 압축된 엔진 분사 공기(410)가 산출된다. 밸브(320)가 폐쇄되기 때문에, 압축된 엔진 분사 공기(410)는 압축기들(308 및 310)을 통과하며, 이 압축기들(308 및 310)이 엔진 분사 공기(410)를 추가로 압축하여서, 추가로 압축된 엔진 분사 공기(420)가 산출된다. 다음으로, 압축기들(308 및 310)의 출력을 엔진 분사 도관(260)에 연결하는 연결 도관(326)을 통해, 공기(420)는 폐쇄된 밸브(320)로부터 하류의 엔진 분사 도관(260)으로 이동한다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 항공기(10)의 열 관리 시스템(100)의 개략적인 도면을 예시한다. 열 관리 시스템(100)은 엔진(14)의 엔진 케이스(104)에 장착되는 제1 RACM(102a) 및 제2 캐스케이드 RACM(102b)을 포함한다. 제1 RACM(102a)이 도 3에 대해 도시 및 설명된 RACM(102)과 유사한 반면에, 제2 캐스케이드 RACM(102b)은 도 4에 대해 도시 및 설명된 캐스케이드 RACM(102)과 유사하다.
제1 블리드 공기 도관(136)이 압축기(118)를 제1 RACM(102a)에 연결하는 반면에, 제2 블리드 공기 도관(136b)은 압축기를 제2 RACM(102b)에 연결한다. 아음속 비행 동안, 압축된 블리드 공기의 일부분이 RACM들(102a 및 102b) 둘 모두로 지향되도록, 열 관리 시스템(100)의 밸브들은 (이를테면, 제어 유닛(218)에 의해) 설정된다. 우회 열 교환기들(130a 및 130b)이 엔진(104)의 우회 공기스트림들 내에 배치된다. 도 4에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 아음속 비행 동안, 압축된 블리드 공기가 터빈(306) 대신에 터빈들(204 및 206)로 이동하도록, 제2 RACM(102b)의 밸브들은 (이를테면, 제어 유닛(218)에 의해) 설정된다. RACM들(102a 및 102b) 둘 모두의 터빈들(204 및 206)이 VCS 냉매 응축기(108)에 커플링되는 동시에, RACM들(102a 및 102b) 둘 모두의 압축기들(208 및 210)이 또한, VCS 냉매 응축기(108)에 커플링된다.
도 4에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 초음속 비행 동안, 압축된 블리드 공기가 터빈들(204 및 206)로 이동하기 전에 터빈(306)으로 이동하도록, 제2 RACM(102b)의 밸브들은 (이를테면, 제어 유닛(218)에 의해) 설정된다. 추가로, 도 4에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 초음속 비행 동안, 압축된 블리드 공기는, 다시 엔진(14)으로 재도입되기 전에 압축기들(208, 210, 308, 310)을 통과한다. 선택적으로, 초음속 비행 동안, 압축된 블리드 공기가 제1 RACM(102a)을 통과하는 것을 방지하기 위해 밸브(214)는 폐쇄될 수 있다.
선택적으로, 제1 RACM(102a)은 또한, 제2 RACM(102b)과 유사한, 터빈(306) 및 압축기들(308 및 310)을 포함하는 캐스케이드 RACM일 수 있다. 이 경우, 제1 RACM(102a)은 아음속 및 초음속 비행 동안 제2 RACM(102b)과 동일한 방식으로 동작할 것이다.
적어도 하나의 실시예에서, 열 관리 시스템(100)은 RACM 구성 및 기류의 라우팅을 제어함으로써 항공기의 동작 동안 냉각 요건들을 해결한다. 지상 유휴 상태 냉각 요건들을 충족시키기 위해, 열 관리 시스템(100)은 엔진 연소 연료 및 램 공기를 사용하지만, RACM들(102a 및 102b)을 사용하지는 않는데, 그 이유는 엔진 블리드 공기 압력이 이 RACM들(102a 및 102b)을 구동시키기에는 충분히 높지 않기 때문이다. 아음속 비행 동안, 열 관리 시스템(100)은 엔진 연소 연료, 램 공기, 그리고 RACM(102a) 및 캐스케이드 RACM(102b) 중 하나 또는 둘 모두를 히트 싱크들로서 사용한다. 캐스케이드 RACM(102b)은 비행 환경 및 요구되는 부하에 따라 RACM들 둘 모두를 사용할 수 있거나 또는 사용하지 않을 수 있다. 초음속 순항 냉각 요건들을 충족시키기 위해, 열 관리 시스템은 램 공기가 너무 뜨겁기 때문에 어떤 램 공기도 히트 싱크로서 사용하지 않지만, 대신에 엔진 연소 연료, RACM(102a), 그리고 캐스케이드 RACM(102b)의 RACM들 둘 모두가 동작하는 상태의 캐스케이드 RACM(102b)을 사용한다.
도 1-도 5를 참조하면, 열 관리 시스템(100)은, 엔진 블리드 공기를 VCS(106)에 대한 히트 싱크로 변환하도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 엔진-장착 RACM들(102)을 포함한다. 블리드 공기는 먼저, 송풍기 우회 공기 스트림(128)(이를테면, 제2 공기 스트림 또는 제3 공기 스트림)에서, 엔진(14) 내에 위치된 열 교환기(들)(130)를 통해 냉각된다. RACM(들)(102)은, 추력을 회복하기 위해, 블리드 공기를 다시 엔진(14)으로 재도입시킨다.
대안적으로, 열 관리 시스템(100)은 도시된 것보다 더 많거나 또는 더 적은 개수의 RACM들(102) 및 VCS(106)를 포함할 수 있다. 예컨대, 열 관리 시스템(100)은 3 개 또는 그 초과의 RACM들(102), 그리고 3 개 또는 그 초과의 VCS(106)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 열 관리 시스템(100)은 2 개 또는 그 초과의 RACM들(102) 및 하나의 VCS(106)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 열 관리 시스템(100)은 2 개 또는 그 초과의 VCS 유닛들(106) 및 하나의 RACM(102)을 포함할 수 있다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 열 관리 시스템(100)을 동작시키는 방법의 흐름도를 예시한다. 도 1-도 6을 참조하면, 방법은, 적어도 하나의 RACM(102)이 항공기(10)의 엔진(14)의 엔진 케이스(104)의 외부 표면에 장착되는 600에서 시작한다. 예컨대, 제1 RACM(102a) 및 제2 RACM(102b)이 엔진(14)에 장착될 수 있다.
602에서, 제어 유닛(218)은 항공기(10)가 초음속 미만으로 이동중인지 여부를 결정한다. 즉, 제어 유닛(218)은 항공기(10)의 대기 속도가 아음속인지 또는 초음속인지를 결정한다. 항공기(10)가 초음속 미만으로 이동중이라면, 방법은 602로부터 604로 진행하며, 604에서, 엔진(14)의 압축기(118)로부터의 블리드 공기의 일부분이 엔진(14) 내의 열 교환기(130)를 통해 제1 또는 저압 RACM(450)(이를테면, 2 개의 터빈들 및 2 개의 압축기들을 갖는 4-휠 RACM)으로 지향되도록, 제어 유닛(218)은 열 관리 시스템(100)의 밸브들을 동작시킨다. 그 다음, 606에서, 저압 RACM(450)은 블리드 공기를 완전히 컨디셔닝한다. 608에서, 저압 RACM(450)으로부터의 완전히 컨디셔닝된 블리드 공기를 이용하여, VCS(106)로부터의 열 에너지가 흡수된다. 610에서, 저압 RACM을 통과한 후에, 추력을 회복하기 위해 블리드 공기는 다시 엔진(14)의 공기스트림으로 재도입된다. 그 다음, 방법은 602로 되돌아 간다.
그러나, 602에서, 항공기(10)가 초음속 미만으로 이동중이 아니다(즉, 항공기(10)가 초음속으로 이동중이다)라고 제어 유닛(218)이 결정하면, 방법은 612로 진행하며, 612에서, 압축기(118)로부터의 블리드 공기의 일부분이 제2 또는 고압 RACM(452)으로 지향된다. 614에서, 고압 RACM은 블리드 공기를 프리-컨디셔닝한다. 그 다음, 616에서, 프리-컨디셔닝된 블리드 공기는 저압 RACM(450)으로 지향되며, 이 저압 RACM(450)은 블리드 공기를 추가로 컨디셔닝한다. 620에서, 저압 RACM(450)으로부터의 추가로 컨디셔닝된 블리드 공기를 이용하여, VCS(106)로부터의 열 에너지가 흡수된다. 622에서, 저압 RACM(450) 및 고압 RACM(452)을 통과한 후에, 추력을 회복하기 위해 블리드 공기는 다시 엔진(14)의 공기스트림으로 재도입된다. 그 다음, 방법은 602로 되돌아 간다.
도 1-도 6을 참조하면, 본 개시내용의 실시예들은, 적어도 하나의 VCS 내의 냉매로부터의 열을, 비히클(vehicle)의 엔진에 장착되는 적어도 하나의 RACM을 통과한 엔진 블리드 공기로 이송함으로써 항공기의 항공전자기기들 및 캐빈을 효율적으로 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템들을 제공한다. 열 관리 시스템들은 또한, 하나 또는 그 초과의 VCS 내의 냉매로부터의 열을 비히클의 연료 라인 내의 연료 및/또는 램 공기 도관으로 이송할 수 있다.
열 관리 시스템들은, 추력을 회복하기 위해, 적어도 하나의 RACM을 통과하며 VCS의 유체로부터 열 에너지를 흡수하기 위해 사용된 블리드 공기를 다시 엔진으로 재도입시킨다. 즉, 엔진에서 공기를 추출하는 것과 연관된 항력 패널티를 제거하거나, 최소화시키거나, 또는 그렇지 않으면 감소시키기 위하여, RACM은, 이를테면 엔진 송풍기의 상류 지점에서, 공기를 다시 엔진으로 재도입시킨다. 적어도 하나의 실시예에서, 다수의 RACM들이 엔진에 장착된다. 엔진 장착 RACM은 항공기의 TMS에 대한 콤팩트하고, 저온이며, 낮은 추력 패널티의 히트 싱크를 제공한다.
본 개시내용의 실시예들을 설명하기 위해 상단, 하단, 하부, 중간, 측방향, 수평, 수직, 앞쪽 등과 같은 다양한 공간 및 방향 용어들이 사용될 수 있지만, 그러한 용어들이 단지, 도면들에서 도시된 배향들에 대해 사용된다는 것이 이해된다. 배향들이 반전되거나, 회전되거나, 또는 달리 변화되어서, 상부 부분이 하부 부분이 되고, 그 반대로도 가능하며, 수평이 수직이 되는 식일 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 태스크 또는 동작을 수행"하도록 구성"되는 구조, 제한, 또는 엘리먼트는 태스크 또는 동작에 대응하는 방식으로 특히 구조적으로 형성, 구성, 또는 적응된다. 명확성 목적과 의심 방지 목적을 위해, 단지 태스크 또는 동작을 수행하도록 수정될 수 있는 오브젝트는, 본원에서 사용되는 바와 같이 태스크 또는 동작을 수행"하도록 구성"되지 않는다.
위의 설명이 예시적인 것으로 의도되며, 제한적인 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 위에서 설명된 실시예들(및/또는 이들의 양상들)은 서로 결합하여 사용될 수 있다. 그 외에도, 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않고, 특정 상황 또는 재료를 본 개시내용의 다양한 실시예들의 교시들에 적응시키기 위해 많은 수정들이 이루어질 수 있다. 본원에서 설명된 재료들의 치수들 및 타입들이 본 개시내용의 다양한 실시예들의 파라미터들을 정의하는 것으로 의도되지만, 실시예들은 결코 제한적이지 않으며, 예시적 실시예들이다. 위의 설명을 검토할 때, 많은 다른 실시예들이 당업자들에게 자명할 것이다. 그러므로, 본 개시내용의 다양한 실시예들의 범위는, 첨부된 청구항들의 권리가 부여되는 등가물들의 전체 범위와 함께, 그러한 청구항들을 참조하여 결정되어야 한다. 첨부된 청구항들에서, "비롯하여" 및 "~에서"란 용어들은 "포함하여" 및 "여기서"란 개개의 용어들의 알기 쉬운 한국어 등가물들로서 사용된다. 게다가, "제1", "제2", 및 "제3" 등의 용어들은 단지 라벨들로서 사용되며, 이 용어들의 오브젝트들에 대한 수치적 요건들을 부과하는 것으로 의도되지 않는다. 추가로, 다음의 청구항들의 제한들은 수단-및-기능(means-plus-function) 포맷으로 기록되지 않으며, 그러한 청구항 제한들이 "~하기 위한 수단"이란 문구 다음에 추가적인 구조가 결여된 기능의 진술을 명시적으로 사용하지 않는 한 그리고 사용할 때까지, 35 U.S.C. § 112(f)에 기반하여 해석되는 것으로 의도되지 않는다.
추가로, 본 개시내용은 다음의 조항들에 따른 실시예들을 포함한다:
조항 1. 항공기의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템으로서, 열 관리 시스템은,
항공기의 엔진 상에 장착되는 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM);
냉매를 순환시키도록 구성되는 증기 순환 시스템(VCS); 및
적어도 하나의 RACM을 VCS에 커플링하는 응축기
를 포함하며, 응축기를 통해 VCS에 커플링되는 적어도 하나의 RACM은 VCS에 대한 제1 히트 싱크를 제공한다.
조항 2. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서, 적어도 하나의 RACM은 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 수용하고, 블리드 공기를 냉각 및 팽창시키며, 냉각 및 팽창된 블리드 공기는 응축기로 지향되며, 응축기에서, 팽창된 블리드 공기는 VCS를 통해 순환하는 냉매로부터 열 에너지를 흡수한다.
조항 3. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서, 블리드 공기가 적어도 하나의 RACM을 통과한 후에, 추력을 회복하기 위해, 적어도 하나의 RACM은 블리드 공기를 다시 엔진으로 재도입시킨다.
조항 4. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서, 엔진은 엔진 코어의 외측에 있는 엔진 케이스 내에 우회 열 교환기를 더 포함하며, 적어도 하나의 RACM은 우회 열 교환기를 통해 엔진 압축기에 커플링되며, 우회 열 교환기는 엔진 코어 외측의 우회 공기 스트림 내에 배치되며, 우회 열 교환기는, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기가 적어도 하나의 RACM으로 지향되기 전에, 이 압축된 블리드 공기를 냉각시킨다.
조항 5. 조항 3의 열 관리 시스템에 있어서, 우회 열 교환기는 엔진 코어를 통과하는 제1 공기 스트림 외측의 제2 공기 스트림 또는 제3 스트림 중 하나 또는 둘 모두 내에 배치된다.
조항 6. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서, 적어도 하나의 RACM은, 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 팽창 및 냉각시키도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 터빈들을 포함한다.
조항 7. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서, 적어도 하나의 RACM은, 블리드 공기가 제1 열 교환기를 통과한 후에 블리드 공기를 압축하도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 압축기들을 포함한다.
조항 8. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서, 적어도 하나의 RACM은 제1 터빈, 제2 터빈, 제1 압축기, 및 제2 압축기를 포함하며, 제1 터빈, 제2 터빈, 제1 압축기, 및 제2 압축기는 공통 축에 커플링된다.
조항 9. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서,
연료 라인 및 VCS에 커플링되는 제2 열 교환기 ―연료 라인에 커플링되는 제2 열 교환기는 VCS에 대한 제2 히트 싱크를 제공함―; 및
램 공기 우회 도관 및 VCS에 커플링되는 제3 열 교환기
를 더 포함하며, 램 공기 우회 도관에 커플링되는 제3 열 교환기는 VCS에 대한 제3 히트 싱크를 제공한다.
조항 10. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서, 적어도 하나의 RACM은 고압 RACM에 커플링되는 저압 RACM을 포함한다.
조항 11. 조항 10의 열 관리 시스템에 있어서, 저압 RACM 및 고압 RACM에 동작가능하게 커플링되는 제어 유닛을 더 포함하며, 제어 유닛은, 항공기의 대기속도가 아음속일 때, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 단지 저압 RACM을 통해 지향시키도록 구성되며, 제어 유닛은, 항공기의 대기속도가 초음속일 때, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를, 저압 RACM 이전에 고압 RACM을 통해 지향시키도록 구성된다.
조항 12. 조항 11의 열 관리 시스템에 있어서, 제어 유닛은, 압축된 블리드 공기를 저압 RACM 및 고압 RACM을 통해 선택적으로 지향시키도록 선택적으로 제어되는 복수의 밸브들과 통신한다.
조항 13. 조항 10의 열 관리 시스템에 있어서, 저압 RACM은 제1 축을 통해 제1 압축기 및 제2 압축기에 커플링되는 제1 터빈 및 제2 터빈을 포함하며, 고압 RACM은 제2 축을 통해 제3 압축기 및 제4 압축기에 커플링되는 제3 터빈을 포함한다.
조항 14. 조항 1의 열 관리 시스템에 있어서, 적어도 하나의 RACM은 엔진 상에 장착되는 제1 RACM 및 엔진 상에 장착되는 제2 RACM을 포함한다.
조항 15. 조항 14의 열 관리 시스템에 있어서, 제1 RACM 또는 제2 RACM 중 하나 또는 둘 모두는 고압 RACM에 커플링되는 저압 RACM을 포함한다.
조항 16. 항공기의 부분들을 냉각시키는 방법으로서,
항공기는 내부 캐빈을 형성하는 동체, 동체로부터 연장되는 날개들, 및 동체에 의해 보유되는 엔진을 포함하며, 엔진은 엔진 압축기를 포함하는 엔진 코어 및 엔진 송풍기를 포함하는 엔진 케이스를 포함하며, 방법은,
항공기의 엔진 상에 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM)를 장착하는 단계;
냉매를 순환시키기 위해 증기 순환 시스템(VCS)을 사용하는 단계;
적어도 하나의 RACM을 응축기를 통해 VCS에 커플링하는 단계; 및
적어도 하나의 RACM을 VCS에 커플링하는 것을 통해 VCS에 대한 제1 히트 싱크를 제공하는 단계를 포함한다.
조항 17. 조항 16의 방법에 있어서,
엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 적어도 하나의 RACM에서 수용하는 단계;
적어도 하나의 RACM을 사용하여, 압축된 블리드 공기를 냉각 및 팽창시키는 단계;
냉각 및 팽창된 블리드 공기를 응축기로 지향시키는 단계
를 더 포함하며, 응축기에서, 팽창된 블리드 공기는 VCS를 통해 순환하는 유체로부터 열 에너지를 흡수한다.
조항 18. 조항 16의 방법에 있어서, 블리드 공기가 적어도 하나의 RACM을 통과한 후에, 추력을 회복하기 위해, 블리드 공기를 다시 엔진으로 재도입시키기 위해 적어도 하나의 RACM을 사용하는 단계를 더 포함한다.
조항 19. 조항 16의 방법에 있어서,
엔진 코어의 외측에 있는 엔진 케이스 내에 우회 열 교환기를 배치하는 단계;
적어도 하나의 RACM을 우회 열 교환기를 통해 엔진 압축기에 커플링하는 단계 ―우회 열 교환기는 엔진 코어 외측의 우회 공기 스트림 내에 배치됨―; 및
압축된 블리드 공기가 적어도 하나의 RACM으로 지향되기 전에, 우회 열 교환기를 이용하여, 압축된 블리드 공기를 냉각시키는 단계
를 더 포함한다.
조항 20. 조항 16의 방법에 있어서,
VCS에 대한 제2 히트 싱크를 제공하기 위해 제2 열 교환기를 연료 라인 및 VCS에 커플링하는 단계; 및
VCS에 대한 제3 히트 싱크를 제공하기 위해 제3 열 교환기를 램 공기 우회 도관 및 VCS에 커플링하는 단계
를 더 포함한다.
조항 21. 조항 16의 방법에 있어서,
적어도 하나의 RACM의 저압 RACM 및 고압 RACM에 제어 유닛을 동작가능하게 커플링하는 단계;
항공기의 대기속도가 아음속일 때, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 단지 저압 RACM을 통해 지향시키기 위해 제어 유닛을 사용하는 단계; 및
항공기의 대기속도가 초음속일 때, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를, 저압 RACM 이전에 고압 RACM을 통해 지향시키기 위해 제어 유닛을 사용하는 단계
를 더 포함한다.
조항 22. 항공기로서,
내부 캐빈을 형성하는 동체;
동체로부터 연장되는 날개들;
동체에 의해 보유되는 엔진 ―엔진은 엔진 코어의 외측에 있는 엔진 케이스 내에 엔진 송풍기, 엔진 압축기를 포함하는 엔진 코어, 및 우회 열 교환기를 포함하는 엔진 케이스를 포함하며, 우회 열 교환기는 엔진 코어 외측의 우회 공기 스트림 내에 배치됨―; 및
항공기의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템
을 포함하며, 열 관리 시스템은,
엔진 상에 장착되는 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM) ―적어도 하나의 RACM은 우회 열 교환기를 통해 엔진 압축기에 커플링되며, 우회 열 교환기는, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기가 적어도 하나의 RACM으로 지향되기 전에, 이 압축된 블리드 공기를 냉각시키며, 적어도 하나의 RACM은 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 팽창 및 냉각시키도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 터빈들, 및 블리드 공기를 압축하도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 압축기들을 포함함―;
냉매를 순환시키도록 구성되는 증기 순환 시스템(VCS); 및
적어도 하나의 RACM을 VCS에 커플링하는 응축기
를 포함하며,
응축기에 커플링되는 적어도 하나의 RACM은 VCS에 대한 제1 히트 싱크를 제공하며,
적어도 하나의 RACM은 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 수용하고, 블리드 공기를 냉각 및 팽창시키며, 냉각 및 팽창된 블리드 공기는 응축기로 지향되며, 응축기에서, 팽창된 블리드 공기는 VCS를 통해 순환하는 유체로부터 열 에너지를 흡수하며, 그리고
적어도 하나의 RACM은, 블리드 공기가 적어도 하나의 RACM을 통과한 후에, 추력을 회복하기 위해, 블리드 공기를 다시 엔진으로 재도입시킨다.
조항 23. 조항 22의 항공기에 있어서, 적어도 하나의 RACM은 고압 RACM에 커플링되는 저압 RACM을 포함하며, 열 관리 시스템은 저압 RACM 및 고압 RACM에 동작가능하게 커플링되는 제어 유닛을 더 포함하며, 제어 유닛은, 항공기의 대기속도가 아음속일 때, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를 단지 저압 RACM을 통해 지향시키도록 구성되며, 제어 유닛은, 항공기의 대기속도가 초음속일 때, 엔진 압축기로부터의 압축된 블리드 공기를, 저압 RACM 이전에 고압 RACM을 통해 지향시키도록 구성된다.
본 기재된 설명은 예들을 사용하여, 최선의 모드를 비롯하여 본 개시내용의 다양한 실시예들을 개시하며, 그리고 또한, 임의의 디바이스들 또는 시스템들을 만들어 사용하고 임의의 통합된 방법들을 수행하는 것을 비롯하여 당업자가 본 개시내용의 다양한 실시예들을 실시하는 것을 가능하게 한다. 본 개시내용의 다양한 실시예들의 특허가능한 범위는 청구항들에 의해 정의되며, 당업자들에게 떠오르는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은, 이 예들이 청구항들의 문언과 상이하지 않은 구조적 엘리먼트들을 갖는다면, 또는 이 예들이 청구항들의 문언과 사소한 차이들을 갖는 등가의 구조적 엘리먼트들을 포함한다면, 청구항들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100)으로서, 상기 열 관리 시스템(100)은,
    상기 항공기(10)의 엔진(14) 상에 장착되는 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM; reverse air cycle machine)(102) － 상기 적어도 하나의 RACM(102)은 엔진 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기(bleed air)를 수용하고, 상기 블리드 공기를 냉각 및 팽창시킴 －;
    냉매를 순환시키도록 구성되는 증기 순환 시스템(VCS; vapor cycle system)(106); 및
    상기 적어도 하나의 RACM(102)을 상기 VCS(106)에 커플링하는 응축기(108)
    를 포함하며,
    상기 응축기(108)를 통해 상기 VCS(106)에 커플링되는 상기 적어도 하나의 RACM(102)은 상기 VCS(106)에 대한 제1 히트 싱크(244)를 제공하고, 냉각 및 팽창된 블리드 공기는 상기 응축기(108)로 지향되며, 상기 응축기(108)에서, 팽창된 블리드 공기는 상기 VCS(106)를 통해 순환하는 냉매로부터 열 에너지를 흡수하는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100).
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 블리드 공기가 상기 적어도 하나의 RACM(102)을 통과한 후에, 추력을 회복하기 위해, 상기 적어도 하나의 RACM(102)은 상기 블리드 공기를 다시 상기 엔진(14)으로 재도입시키는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100).
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 엔진(14)은 엔진 코어(116)의 외측에 있는 엔진 케이스(104) 내에 우회 열 교환기(130)를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 RACM(102)은 상기 우회 열 교환기(130)를 통해 상기 엔진 압축기(118)에 커플링되며,
    상기 우회 열 교환기(130)는 상기 엔진 코어(116) 외측의 우회 공기 스트림(128) 내에 배치되며, 그리고
    상기 우회 열 교환기(130)는, 상기 엔진 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기가 상기 적어도 하나의 RACM(102)으로 지향되기 전에, 상기 압축된 블리드 공기를 냉각시키는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100).
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 우회 열 교환기(130)는 상기 엔진 코어(116)를 통과하는 제1 공기 스트림 외측의 제2 공기 스트림 또는 제3 스트림 중 하나 또는 둘 모두 내에 배치되는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100).
  6. 제1 항, 및 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 RACM(102)은 제1 터빈(204), 제2 터빈(206), 제1 압축기(208), 및 제2 압축기(210)를 포함하며,
    상기 제1 터빈(204), 상기 제2 터빈(206), 상기 제1 압축기(208), 및 상기 제2 압축기(210)는 공통 축(212)에 커플링되는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100).
  7. 제1 항, 및 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 라인(234) 및 상기 VCS(106)에 커플링되는 제2 열 교환기(232) ―상기 연료 라인(234)에 커플링되는 상기 제2 열 교환기(232)는 상기 VCS(106)에 대한 제2 히트 싱크(230)를 제공함―; 및
    램(ram) 공기 우회 도관(242) 및 상기 VCS(106)에 커플링되는 제3 열 교환기(240)
    를 더 포함하며,
    상기 램 공기 우회 도관(242)에 커플링되는 상기 제3 열 교환기(240)는 상기 VCS(106)에 대한 제3 히트 싱크(238)를 제공하는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100).
  8. 제1 항, 및 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 RACM(102)은 고압 RACM(452)에 커플링되는 저압 RACM(450)을 포함하는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100).
  9. 제1 항, 및 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    저압 RACM(450) 및 고압 RACM(452)에 동작가능하게 커플링되는 제어 유닛(218)
    을 더 포함하며,
    상기 제어 유닛(218)은, 상기 항공기(10)의 대기속도가 아음속(subsonic)일 때, 엔진 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기를 단지 상기 저압 RACM(450)을 통해 지향시키도록 구성되며,
    상기 제어 유닛(218)은, 상기 항공기(10)의 대기속도가 초음속(supersonic)일 때, 상기 엔진 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기를, 상기 저압 RACM(450) 이전에 상기 고압 RACM(452)을 통해 지향시키도록 구성되는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키도록 구성되는 열 관리 시스템(100).
  10. 항공기(10)의 부분들을 냉각시키는 방법으로서,
    상기 항공기(10)는 내부 캐빈(cabin)을 형성하는 동체, 상기 동체로부터 연장되는 날개들, 및 상기 동체에 의해 보유되는 엔진(14)을 포함하고,
    상기 엔진(14)은 엔진 압축기(118)를 포함하는 엔진 코어(116) 및 엔진 송풍기(fan)(114)를 보유하는 엔진 케이스(104)를 포함하며,
    상기 방법은,
    상기 항공기(10)의 상기 엔진(14) 상에 적어도 하나의 역 공기 순환기(RACM)(102)를 장착하는 단계;
    냉매를 순환시키기 위해 증기 순환 시스템(VCS)(106)을 사용하는 단계;
    상기 적어도 하나의 RACM(102)을 응축기(108)를 통해 상기 VCS(106)에 커플링하는 단계;
    상기 적어도 하나의 RACM(102)을 상기 VCS(106)에 커플링하는 것을 통해 상기 VCS(106)에 대한 제1 히트 싱크(230)를 제공하는 단계;
    상기 엔진 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기를 상기 적어도 하나의 RACM(102)에서 수용하는 단계;
    상기 적어도 하나의 RACM(102)을 사용하여, 상기 압축된 블리드 공기를 냉각 및 팽창시키는 단계; 및
    냉각 및 팽창된 블리드 공기를 상기 응축기(108)로 지향시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 응축기(108)에서, 팽창된 블리드 공기는 상기 VCS(106)를 통해 순환하는 유체로부터 열 에너지를 흡수하는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키는 방법.
  11. 삭제
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 블리드 공기가 상기 적어도 하나의 RACM(102)을 통과한 후에, 추력을 회복하기 위해, 상기 블리드 공기를 다시 상기 엔진(14)으로 재도입시키기 위해 상기 적어도 하나의 RACM(102)을 사용하는 단계
    를 더 포함하는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키는 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 엔진 코어(116)의 외측에 있는 상기 엔진 케이스(104) 내에 우회 열 교환기(130)를 배치하는 단계;
    상기 적어도 하나의 RACM(102)을 상기 우회 열 교환기(130)를 통해 상기 엔진 압축기(118)에 커플링하는 단계 ―상기 우회 열 교환기(130)는 상기 엔진 코어(116) 외측의 우회 공기 스트림(128) 내에 배치됨―; 및
    압축된 블리드 공기가 상기 적어도 하나의 RACM(102)으로 지향되기 전에, 상기 우회 열 교환기(130)를 이용하여, 상기 압축된 블리드 공기를 냉각시키는 단계
    를 더 포함하는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키는 방법.
  14. 제10 항, 제12 항 및 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 VCS(106)에 대한 제2 히트 싱크를 제공하기 위해 제2 열 교환기를 연료 라인 및 상기 VCS(106)에 커플링하는 단계; 및
    상기 VCS(106)에 대한 제3 히트 싱크를 제공하기 위해 제3 열 교환기를 램 공기 우회 도관 및 상기 VCS(106)에 커플링하는 단계
    를 더 포함하는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키는 방법.
  15. 제10 항, 제12 항 및 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 RACM(102)의 저압 RACM(450) 및 고압 RACM(452)에 제어 유닛(218)을 동작가능하게 커플링하는 단계;
    상기 항공기(10)의 대기속도가 아음속일 때, 상기 엔진 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기를 단지 상기 저압 RACM(450)을 통해 지향시키기 위해 상기 제어 유닛(218)을 사용하는 단계; 및
    상기 항공기(10)의 대기속도가 초음속일 때, 상기 엔진 압축기(118)로부터의 압축된 블리드 공기를, 상기 저압 RACM(450) 이전에 상기 고압 RACM(452)을 통해 지향시키기 위해 상기 제어 유닛(218)을 사용하는 단계
    를 더 포함하는,
    항공기(10)의 부분들을 냉각시키는 방법.
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