KR19990054591A - 램 에어 이용 공기조화 장치 - Google Patents

Abstract

램 에어를 이용한 공기조화장치에 관한 본 발명은 대체로 깔대기 형상인 인테이크와, 상기 인테이크와 연결되어 인테이크로 부터 유입된 공기가 내부에서 유동하여 급속팽창되는 터어빈과, 상기 터어빈과 연통되도록 설치되어 내부에 공기가 유동하는 열교환기와, 상기 열교환기와 연통되어, 열교환기의 출구로부터 유입된 공기를 외부로 배출하는 콤프레서와, 상기 터어빈과 콤프레서의 회전중심축을 연결하는 샤프트와, 상기 샤프트의 측부에 구비되며, 샤프트의 회전과 연동하는 발전기와, 상기 발전기와 전기적으로 연결되어, 발전기로부터 생성되는 전기를 공급받아 저장하는 축전기 및, 상기 축전기로부터 전기를 인가받아 샤프트를 회전시킬 수 있도록 샤프트 및 발전기의 측부에 설치된 모터를 포함한다. 이러한 램 에어 이용 공기조화장치는, 공기조화를 하기 위한 필요공기를 가스터어빈에서 공급받지 않으므로, 공기조화장치를 가동중에도 가스터어빈의 출력을 저하시키지 않으며, 더 나아가 가스터어빈과 별개로 작동할 수 있다는 효과가 있다.

Description

램 에어 이용 공기조화 장치

본 발명은 공기조화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터어빈을 통과하며 급속으로 냉각된 공기를 이용하여 실내온도를 조절하는 램 에어(RAM air) 이용 공기조화장치에 관한 것이다.

일반적인 공기조화장치로서 프레온 가스를 냉매로 사용하여 외부의 온도를 조절하는 방법이외에, 공기를 팽창시켜 얻은 저온의 공기를 냉각매질로 사용하는 방법이 알려져 있다. 공기를 팽창시켜 저온의 공기를 얻는 공기냉각장치는 냉방을 위하여 사용되는 것으로서, 고온 고압의 압축공기에 외력을 가하여 팽창시킬 때에 공기의 온도가 급속히 강하하는 성질을 이용한 냉각장치이다. 통상적으로 상기 공기냉각장치는 가스터어빈과 연결되어 사용되고 있으며, 상기 가스 터어빈으로부터 바이패스시킨 고온 고압의 압축공기를 팽창시킴으로써 공기를 급속냉각시키기 위한 터어빈과, 상기 터어빈과 동일 회전축에 결합되어 있는 콤프레서를 구비한다. 상기 콤프레서는 터어빈에 의해서 팽창된 공기를 외부로 배출하는 역할을 한다.

그러나 상기한 종래의 공기냉각장치는 가스터어빈으로부터 고온 고압의 공기를 유입받아 작동하는 것이므로, 공기냉각장치로 인하여 가스터어빈의 출력 및 연소효율이 저하되는 문제가 있다. 가스터어빈은 소정의 추력을 얻기위하여 공기를 흡입 압축하고, 상기 압축된 고온 고압의 공기를 연소 팽창시켜야 한다. 여기서 가스터어빈이 보다 고효율의 성능을 얻기위하여는, 흡입되어 연소되는 공기의 비중량이 커야하지만 상기와 같은 공기냉각장치가 압축공기를 가스터어빈으로부터 일정량 추출하게 되면, 연소실에 공급되는 공기량이 적어짐으로 가스터어빈의 성능손실이 발생한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 가스터어빈과 연결되어 사용되지 않으므로, 항공기 뿐 아니라 다른 운송수단에도 적용이 가능하고, 구조가 간단한 램 에어 이용 공기조화 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 램 에어 이용 공기조화 장치에서의 터어빈의 동작을 설명하기 위하여 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 램 에어 이용 공기조화 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10:유입구 12:유출구

14:터어빈 15:케이싱

16:회전날개 18:샤프트

20:인테이크 21:연통관

22:열교환기 24:콤프레서

26:콘트롤러 28:발전기

30:축전기 32:모터

33:동력전달수단

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 대체로 깔대기 형상인 인테이크와;

상기 인테이크와 연결되어 내부로 유입되는 공기가 유동하며 급속팽창 하도록 구비된 터어빈과; 상기 터어빈과 연통되도록 설치되어 외부와 열교환을 수행하는 열교환기와; 상기 열교환기와 연통되어, 열교환기로부터 공기를 유입받아 외부로 배출하는 콤프레서와; 상기 터어빈과 콤프레서를 연결하는 샤프트와; 상기 샤프트의 측부에 구비되며, 샤프트의 회전과 연동하는 발전기와; 상기 발전기와 전기적으로 연결되어, 발전기로부터 생성되는 전기를 공급받아 저장하는 축전기 및; 상기 축전기로부터 전기를 인가받아 샤프트를 회전시킬 수 있도록, 샤프트 및 발전기의 측부에 설치된 모터를 포함한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 사용되는 터어빈에 의하여 유입공기가 냉각되는 원리를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 터어빈(14)은 대략 원통형의 형상을 취하는 케이싱(15)과, 상기 케이싱(15)의 내부에서 축회전가능하도록 설치된 샤프트(18)가 구비되며, 상기 샤프트(18)에 결합지지되어 회전하는 회전날개(16)를 구비한다. 또한 상기 케이싱(15)의 원주방향으로는 공기 유입구(10)가 마련되어 있다. 따라서 인테이크(20)로부터 유입된 공기는 터어빈(14)의 유입구(10)를 통하여 케이싱(15)의 원주방향으로 유입되어, 화살표 A의 방향으로 회전날개(16)에 도달한 후, 터어빈(14) 내부를 통과하여 유출구(12)를 통하여 화살표 B 방향으로 배출된다.

한편 도면을 참조하면 알 수 있듯이, 케이싱(15)의 내벽면(c)과 회전날개(16)의 선단부(d)와의 간격은 터어빈(14)의 유입구(10)측에서 유출구(12)측으로 점차 증가함을 알 수 있다. 즉, 케이싱(15)의 측부에서 화살표 A의 방향으로 유입되는 공기의 유동 단면적에 비하여, 화살표 B의 방향으로 유출되는 공기의 유동 단면적이 큼을 알 수 있다. 결국 상기와 같이 유동공기가 터어빈(14)의 내부로 유입되어, 회전날개(16)를 지나 유출구로 빠져나가는 동안 유동통로의 단면적이 확대되므로, 공기의 유동에 따라 상기 유동공기의 압력은 감소하고 그에 따라 공기가 급속히 팽창하여 온도가 떨어진다.

도 2에 본 발명의 일 실시예에 따른 램 에어 이용 공기조화 장치의 구성을 개략적으로 도시하였다. 램에어(RAM air)라 함은 운동하는 동체의 운동방향의 반대 방향으로 가해지는 공기를 가리킨다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 램 에어 이용 공기조화장치는, 화살표 e의 방향으로 외부공기가 유입되는 대체로 깔대기의 형상을 취하는 인테이크(intake,20)와, 상기 인테이크와 연통관(21)에 의하여 연통되어 공기를 공급받는 터어빈(14)이 구비된다. 상술한 바와 같이 터어빈(14)에 공급된 유동공기는 화살표 g의 방향으로 이동하면서 팽창되어 냉각된다. 터어빈(14)을 통과하면서 팽창냉각된 유동공기는 계속하여 연통관(21)을 따라 유동하여 열교환기(22)에 도달한다. 상기 열교환기(22)에는 통상적인 열교환기와 같이 다수의 튜브(미도시)와 휜(fin,미도시)이 구비되어, 냉각된 공기가 상기 튜브를 통과하면서 외부와 열교환을 하여 외부의 온도를 낮춘다. 상기 냉각된 공기는 열교환기(22)를 통과하면서 외부와 열교환을 하여 다시 온도가 상승하고, 연통관(21)을 통하여 콤프레서(24)로 이동한다.

콤프레서(24)는 케이싱과 상기 케이싱의 내부에 다수개의 날개를 가진 임펠러(impeller,미도시)로 구성되어 있다. 상기 임펠러는 터어빈(14)의 내부에 구비된 회전날개(도 1의 16)와 동일 샤프트(18)에 결합된다. 그러므로 회전날개의 회전수와 임펠러의 회전속도는 동일하며, 따라서 터어빈(14)과 콤프레서(24) 사이의 각 연통관(21)내에서 공기가 원활히 유동한다. 상기 콤프레서(24)의 내부에 설치되어 있는 임펠러는 터어빈(14)의 회전날개에 의해서 동력을 받아 회전하면서, 열교환기(22)로부터 유입되는 공기를 화살표 f의 방향으로 외부로 방출한다. 또한 콤프레서(24)의 외부에는 콘트롤러(26)가 구비된다. 상기 콘트롤러(26)는 콤프레서(24)내부의 임펠러의 회전수를 계측하여, 상기 임펠러의 회전수가 각 경우에 대응하도록 적절히 셋팅된 기준치보다 떨어지면 후술할 축전기(30)로 신호를 보내어 모터(32)를 회전시킨다.

한편, 상기 샤프트(18)의 측부에는 발전기(28)와 모터(32) 및 축전기(30)가 설치된다. 먼저, 상기 발전기(28)는 그 회전축이 샤프트(18)의 회전축과 평행하도록 설치되며 동력전달수단(33)에 의해 연결되어, 샤프트(18)의 회전과 연동하여 발전기(28)의 회전축이 회전할 수 있다. 상기 동력전달수단(33)은 기어나 체인 또는 벨트등이 사용될 수 있다. 그러므로 동체가 운동할 때 발생하는 동체의 운동속도성분과 반대방향의 속도성분을 갖는 램 에어가, 화살표 e의 방향으로 인테이크(20)에 유입됨에 의해 터어빈(14)의 회전날개(도 1의 16)가 회전하게되고 이에 따라 샤프트(18)가 축회전하게 되면, 상기 샤프트(18)와 연동하는 발전기(28)의 회전축도 회전하여 전기를 발생한다.

아울러 상기 발전기(28)와 전기적으로 연결되어 발전기(28)로부터 생성된 전기가 저장되는 축전기(30)가 상기 발전기(28)의 측부에 마련된다. 상기 축전기(30)는 동체가 운동할 때에 발전기(28)가 샤프트(18)와 연동하여 회전함으로써 발생한 전기를 축전한 후, 동체가 정지하여 인테이크(20)로 램에어가 유입되지 않음으로써 터어빈(14)의 회전날개가 회전하지 못하여, 열교환기로 냉각공기를 공급하지 못하게 될 경우에, 모터(32)에 전기를 공급하여 모터(32)로 하여금 샤프트(18)를 회전시킨다. 즉 콤프레서(24)에 구비되어 있는 콘트롤러(26)가 샤프트(18)의 회전수를 감지하여, 샤프트(18)가 일정속도 이하로 회전하면, 축전기(30)에 신호를 보내어 모터(32)를 회전시키고, 모터(32)의 회전력에 의하여 샤프트(18)를 회전시켜 터어빈(14)의 회전날개를 계속적으로 회전시킨다. 그러므로 동체가 정지하더라도 터어빈(14)의 회전날개는 계속적으로 회전하여 열교환기(22)에 냉각공기를 공급할 수 있다. 상기와 같이 모터(32)에 의하여 샤프트(18)가 회전하기 위해서는 모터(32)와 샤프트(18)사이에 동력전달수단(33)이 구비된다. 동력전달수단(33)은 상기한 발전기의 경우와 마찬가지로 기어나 체인 또는 벨트등이 사용될 수 있다. 아울러 상기 축전기(30)는 모터(32)와 전기적으로 연결되어 있다.

상기와 같이 구성되는 램 에어 이용 공기조화장치를 탑제한 동체가 운동을 하게되면, 동체의 운동에 따라 동체의 운동방향속도 성분과 반대방향 속도성분의 공기가 인테이크(20)로 화살표 e의 방향으로 유입되어, 유입공기가 터어빈(14)으로 이동한다. 상기한 바와 같이 공기는 터어빈을 통과하면서 급속팽창되어 냉각되고, 이 상태로 연통관(21)을 통하여 열교환기(22)로 이동한다. 냉각된 공기가 열교환기(22)를 통과하면서 외부와 열교환을 하고, 유동공기는 온도가 상승되어 콤프레서(24)로 이동하며, 콤프레서(24)를 통과한 유동공기는 외부로 화살표 f의 방향으로 배출된다. 상기와 같이 공기가 인테이크(20)로 유입되고 콤프레서(24)를 통과하여 유출되는 동안, 콤프레서(24)에 설치되어 있는 콘트롤러(26)는 콤프레서(24)의 임펠러의 회전속도를 계측하여, 모터(32)의 구동여부를 결정한다.

상기한 바대로 터어빈(14)의 회전날개와 콤프레서(24)의 임펠러는 동일한 샤프트(18)에 의해 연결되어 있으므로, 터어빈(14)이 회전하는 동안 상기 샤프트(18)는 연동하여 회전하게 되고, 상기 샤프트(18)와 동력전달수단(33)에 의해 연결되어 있는 발전기(28)는 샤프트(18)와 연동하여 전기를 발생한다. 상기 발전기(28)로부터 생성된 전기는 축전기(30)에서 축전되고, 상기 축전기(30)의 전기는 샤프트(18)의 회전속도가 각 경우에 대응되도록 적절히 셋팅된 기준치 이하로 내려갈 때에, 콘트롤러(26)로부터 신호를 받아 모터(32)에 인가된다. 모터(32)가 회전하게 되면, 샤프트(18)역시 연동하여 회전하게 되고 터어빈(14)의 회전날개도 회전하게 된다. 터어빈의 회전날개가 회전함에 따라 인테이크(20)의 외부의 공기는 터어빈(14)내부로 흡입, 급속팽창되어 열교환기에 냉각공기를 공급할 수 있다.

이상, 본 발명은 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 램 에어 이용 공기조화장치는, 공기조화를 하기 위한 필요공기를 가스터어빈에서 공급받지 않으므로, 공기조화장치를 가동중에도 가스터어빈의 출력을 저하시키지 않으며, 더 나아가 가스터어빈과 별개로 본 램 에어 이용 공기조화장치만 작동할 수 도 있다는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 대체로 깔대기 형상인 인테이크와;

   상기 인테이크와 연결되어, 내부로 유입되는 공기가 유동하며 급속팽창 하도록 구비된 터어빈과;

   상기 터어빈과 연통되도록 설치되어 외부와 열교환을 수행하는 열교환기와;

   상기 열교환기와 연통되어, 열교환기로부터 공기를 유입받아 외부로 배출하는 콤프레서와;

   상기 터어빈과 콤프레서를 연결하는 샤프트와;

   상기 샤프트의 측부에 구비되며, 샤프트의 회전과 연동하는 발전기와;

   상기 발전기와 전기적으로 연결되어, 발전기로부터 생성되는 전기를 공급받아 저장하는 축전기 및;

   상기 축전기로부터 전기를 인가받아 샤프트를 회전시킬 수 있도록 샤프트 및 발전기의 측부에 설치된 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 램 에어 이용 공기조화장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 발전기는 샤프트와 연동할 수 있도록 샤프트와 평행하게 설치되며, 아울러 상기 발전기 및 모터는 샤프트와 동력전달 수단에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 램 에어 이용 공기조화장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 콤프레서에는 회전속도계가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 램 에어 이용 공기조화장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 동력전달수단은 기어, 체인 및 벨트로 이루어진 군 중에 선택된 하나로 구성된 동력전달기구인 것을 특징으로 하는 램 에어 이용 공기조화장치.