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KR0163407B1 - 공기 사이클식 환경 제어 시스템 - Google Patents

공기 사이클식 환경 제어 시스템 Download PDF

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Publication number
KR0163407B1
KR0163407B1 KR1019920702700A KR920702700A KR0163407B1 KR 0163407 B1 KR0163407 B1 KR 0163407B1 KR 1019920702700 A KR1019920702700 A KR 1019920702700A KR 920702700 A KR920702700 A KR 920702700A KR 0163407 B1 KR0163407 B1 KR 0163407B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
conduit
turbine
air
heat exchanger
compressed air
Prior art date
Application number
KR1019920702700A
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English (en)
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KR937001320A (ko
Inventor
엘. 워너 죤
Original Assignee
윌리엄 더블유. 하벨트
유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 윌리엄 더블유. 하벨트, 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션 filed Critical 윌리엄 더블유. 하벨트
Publication of KR937001320A publication Critical patent/KR937001320A/ko
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    • B64D13/00—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space
    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space the air being conditioned
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Abstract

공기 사이클 환경 제어시스템에 있어서, 응축기(46)는 압축된 주변공급공기(9)가 제1터어빈(24)내에서 팽창되기 전에 그로부터 수증기를 제어한다. 제1터어빈으로부터 나오는 냉각된 출구공기(49)는 응축기(46)내에서 냉매로서 사용되어, 응축된 수증기의 증발열을 흡수한다. 응축기(46)를 통과한 후, 따뜻해진 냉매는 제2터어빈(26) 내에서 팽창된다. 공급공기의 압력이 소정의 레벨이하로 떨어지면, 성능을 저하시키거나 불필요하게 되는 사이클 부분은 우회된다.

Description

[발명의 명칭]
공기 사이클식 환경 제어 시스템
[발명의 상세한 설명]
[기술 분야]
본 발명은 공기를 조절하는 공기 사이클식 환경 제어 시스템(air cycle enviromental control system)에 관한 것이다.
[배경 기술]
희박 대기에서 작동되도록 설계된 항공기는 선실(cabin)의 공기를 냉각, 여과, 압축 및 그 밖의 조절 작용을 수행하기 위하여 통상 공기 사이클식 환경 제어 시스템을 채용한다. 대부분의 장치에 있어서, 엔진 압축기 부분, 보조 동력장치 또는 양자에 의해 제공되는 압축된 주변 공기는 공기 사이클식 터빈내에서 팽창되어 저온의 신선한 공기를 선실에 공급한다. 이러한 저온의 신선한 공기를 공급하는데 소요되는 비용은 다음과 같은 이유로 배가된다. 첫째, 이들 조립체에 요구되는 구성요소의 크기 및 숫자로 인해, 이들 시스템은 항공기의 총 중량을 상당히 증가시킨다. 둘째, 압축된 주변 공급 공기내에 저장된 상당량의 에너지는 중형 항공기의 냉각 조건을 만족시켜야 한다. 증가되는 연료비와 심화된 환경 문제에 직면한 산업계에 있어서, 전체 시스템의 성능을 저하시키지 않고,이들 시스템에 요구되는 중량 및 에너제를 감소시키기 위한 많은 노력이 이루어지고 있다.
압축된 주변 공기가 용이하게 사용될 수 있으므로, 이는 공중(airborne) 환경 제어 시스템의 가용 동력원이 된다. 대부분의 시스템에 있어서, 압축된 주변공기가 항공기 외측으로부터 공기에 의해 냉각되는 열교환기를 통과하므로서, 그 온도는 주변 공기 온도 정도로 낮추어진다. 압축된 주변공기의 온도를 더 낮추기 위해, 상기 공기는 터빈내에서 팽창된다. 팽창된 공기의 온도가 이슬점이하로 떨어지는 경우, 그것에 포함된 모든 수증기는 응축된다. 압축된 주변공기의 온도가 빙점 이하로 낮추기 위하여 더욱 팽창되는 경우, 응축된 물은 얼게 된다. 발생된 상당량의 얼음이 시스템을 통과하는 흐름을 방해하여 성능을 저하시키게 되어, 시스템은 작동불능이 될 수도 있다.
종래 많은 시스템은 시스템의 작동을 방해할 수 있는 얼음이 형성되지 않도록 하나 또는 두가지 방법을 채용한다. 이러한 방법중 첫번째는 배출 공기의 온도가 빙점 이상으로 유지되도록 터빈을 간단히 설계하는 것이다. 그러면, 얼음이 형성되는 것이 불가능할 뿐만 아니라, 열교환기의 크기와, 전체 시스템 중량의 많은 비중을 차지하는 큰 부피의 구성 요소를 감소시킬 수도 있다. 그러나, 이러한 특성을 갖는 시스템은 터빈으로부터 배출되는 공기의 온도가 빙점 이하로 떨어지는 것을 허용하는 시스템보다 소정의 냉각량의 발생시키는데 더 많은 에너지를 필요로 한다.
이러한 시스템에 사용되는 두번째 방법은 터빈을 빙점 이하에서 작동시키고, 얼음의 존재를 감지하여, 부적합한 얼음 축적 레벨이 표시되어 있는 영역에 결빙을 방지하는 온류를 유동시키는 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 시스템의 이점은 얼음이 감지되는 경우에만 시스템으로부터 에너지를 추출하여 제빙 기구를 작동시킬 수 있다는 점이다. 그러나, 결빙을 방지하는 온류를 유동시키는데에는 시스템의 전체 중량을 증가시키는 추가적인 하드웨어가 요구된다. 미합중국 특허 제3,177,679호의 장치에 있어서, 두 터빈 각각의 출구내의 온도 조절장치가 빙점 이하의 온도를 지시하는 경우, 따뜻한 공기 공급원과 터빈 출구를 연결하는 도관내의 밸브가 개방된다. 미합중국 특허 제4,127,001호의 장치에 있어서, 플레넘(plenum)이 터빈 출구를 수납한다. 터빈 출구내의 온도가 빙점이하로 떨어지는 경우, 밸브는 개방되어, 따뜻한 공기가 플레넘에 전달되므로서, 터빈 출구의 내부면에 얼음이 축적되는 것을 방지한다.
두번째 방법 대신에, 시스템의 터빈을 빙점 이하에서 작동시키고 연속한 고온 기류와 터빈의 배출 공기를 혼합시켜, 그 온도를 상승시킬 수 있다. 미합중국 특허 제3,877,246호에는 이러한 방법을 채용하는 두개의 터빈을 구비하는 시스템이 개시되어 있다. 1차 터빈의 배출 공기는 선실로부터 재순환되는 공기 및 압축공기와 혼합되어, 1차 터빈이 빙점이하에서 작동될 수 있도록 한다. 그후, 이러한 혼합물은 2차 터빈에서 팽창된다. 선실로 유입되기 전에, 2차 터빈으로부터 배출되는 공기는 먼저 침강분리장치를 통과하여 포함된 수증기를 제거한다. 2차 터빈의 하류측 공기의 온도를 빙점이상으로 유지하기 위해, 2차 터빈의 입구와 출구를 연결하는 도관내의 밸브가 조절된다. 단일 시스템을 구비한다는 점을 제외하면 '246특허의 시스템과 동일한 시스템이 미합중국 특허 제2,628,481호에 개시되어 있다. 재순환된 선실 공기는 먼저 여과된 후 분리된다. 분리된 공기중 절반은 터빈으로부터 배출되는 공기와 직접 혼합된다. 이러한 혼합물에 포함된 수증기는 물 분리기내에서 제거된다. 분리기로부터 배출되는 유동은 항공기로 유입되기 전에 재순환된 선실 공기의 나머지 절반과 혼합된다.
미합중국 특허 제 RE 32,100호(미합중국 특허 제4,209,993호의 재등록특허) 및 제4,430,867호에는 터빈의 하류측 공기의 온도를 빙점이상으로 유지하기 위하여, 재순환된 공기에 포함된 열을 이용하는 단일 터빈시스템이 개시되어 있다. 터빈 입구로 유입되기 전에, 압축된 공급 공기는 먼저 1차 응축기의 고온 통로를 통과하여, 포함된 수증기를 제거한다. 응축기의 고온 통로로부터 배출되는 건조공기는 터빈내에서 팽창된다. 미합중국 특허 제 RE 32,100 호에 있어서, 터빈으로부터 배출되는 공기는 선실의 고온 재순환 공기와 혼합되어 응축기의 저온 경로를 통과한다. 미합중국 특허 제4,430,867호에 있어서, 터빈으로부터 배출되는 공기는 선실로 유입되기 전에 열교환기의 저온 경로를 통과한다. 열 교환기의 고온 경로를 통과하는 유체는 선실내에 위치하는 2차 응축기의 저온 경로를 통과한다. 재순환된 공기는 2차 응축기의 고온 경로로부터 추출되어 선실로 귀환되기 전에 건조된다. 2차 응축기의 고온 경로내에서 가열된 유체는 열 교환기로 재순환되기 전에 1차 응축기의 저온 경로로 이동된다.
미합중국 특허 제 RE 32,100호 및 제4,430,867호에 개시된 시스템에 의하면, 터빈내에서 팽창되기 전에 기류로부터 수증기를 제거하는 수단을 제공함으로써, 터빈이 빙점이하에서 보다 효율적으로 작동된다. 그러나, 이들 시스템은 수증기가 터빈 유입류에 의하여 응축되는 경우에 발생되는 증발열을 복원시키지 못하므로, 사이클 효율 및 냉각용량을 전체적으로 저하시킨다.
[발명의 개요]
본 발명의 목적은 압축된 주변 공기내에함유되는 수증기에 저장된 증발열의 복원을 통해 공기 사이클식 환경 제어 시스템의 효율을 증가시키는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 다양한 주변 조건하에서 최적의 시스템 효율을 위해 사이클을 변화시키는 수단을 제공하는 것이다.
본원의 방법 발명에 따르면, 압축된 주변 공급 공기로부터 수증기를 응축 및 제거하는 단계; 상기 응축 단계에서 건조된 공기를 1차 터빈에서 팽창시키는 단계; 및 상기 1차 터빈에서 팽창된 공기를 응축단계에서 냉매로서 채용하는 단계를 포함하는 밀폐체내부에서의 공기조화 방법에 있어서, 상기 응축 단계에서 가열된 냉매를 2차 터빈에서 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 공급공기의 질량 유량을 측정하는 단계를 또한 특징으로 하며, 그리고 상기 공급공기의 질량 유량이 소정의 1차 레벨이하로 떨어지면, 상기 공급공기를 2차 터빈의 입구로 직접 공급하는 단계를 또는 상기 공급공기의 질량 유량이 소정의 2차 레벨이하로 떨어지면, 상기 공급공기를 2차 터빈의 출구로 직접 공급하는 단계를 또한 특징으로 한다.
본원의 시스템 발명에 따르면, 열교환 관계로 배열된 응축 유동로와 냉매 유동로를 갖는 응축형 열교환기; 조절되는 압축 공기를 1차 온도로 냉각시키기 위하여 상기 조절되는 압축 공기를 팽창시키는 1차터빈; 피조절 수증기를 함유하는 압축 공기를 응축형 열교환기의 응축 유동로에 전달하기 위한 수단(적어도 일부의 수증기의 응축에 의하여 압축된 공기를 건조시키기 위하여 압축 공기가 충분히 냉각되도록, 수증기를 함유하는 압축 공기가 응축형 열교환기의 냉매 유동로를 통과하는 냉각 유체와 열교환 관계에 있는 응축 유동로를 통과한다); 건조 압축 공기를 팽창시키도록 1차 터빈에 전달하기 위하여 1차 터빈의 응축형 열교환기의 응축 유동로 사이에서 유체 연통하는 제1도관; 및 1차 터빈에서 팽창된 압축 공기를 냉각 유체로서 응축형 열교환기의 냉매 유동로에 전달하기 위하여 1차 터빈과 응축형 열교환기의 냉매 유동로 사이에서 유체 연통하는 제2도관을 포함하는, 조화 공기로서 밀폐체에 공급되는 수증기를 함유하는 압축 공기를 조절하기 위한 공기 사이클식 환경 제어 시스템에 있어서, 조절되는 압축 공기를 2차 온도로 냉각시키기 위하여 1차 터빈에서 이전에 팽창된 압축 공기를 더욱 팽창시키는 2차 터빈; 압축 공기를 응축형 열교환기의 냉매 유동로로부터 내부에서 더욱 팽창시키는 2차 터빈까지 전달하기 위하여 2차 터빈과 응축형 열교환기의 냉매 유동로 사이에서 유체 연통하는 제3도관; 및 상기 2차 터빈에서 팽창된 공기를 폐쇄체에 전달하기 위하여 2차 터빈과 폐쇄체 사이에서 유체 연통하는 제4도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 환경 제어 시스템이 제공된다.
결빙 가능성이 더욱 감소되는 본 발명의 양호한 실시예에 의하면, 상기 1차 터빈은 내부에서 팽창된 건조 압축 공기가 냉각되는 1차 온도가 건조 압축 공기의 이슬점과 응축형 열교환기의 냉매 유동로를 통과하는 건조 압축 공기의 빙점사이에 포함될 수 있는 팽창비를 갖는 것을 특징으로 하며, 상기 2차 터빈(26)의 터빈 노즐은 1차 터빈의 터빈 노즐보다 유동 저항성이 실질적으로 작은 것을 특징으로 한다. 응축형 열교환기와 관련된 결빙을 더욱 제거하기 위하여, 건조 압축 공기의 일부를 제1도관으로부터 1차 터빈을 경유하여 제2도관까지 바이패스 시키기 위하여 제1도관과 제2도관 사이에서 유체 연통하는 제5도관; 상기 응축형 열교환기의 냉매 유동로 내부의 결빙을 검출하기 위한 수단; 및 건조 압축 공기의 일부를 제1도관으로부터 제5도관을 거쳐 제2도관까지 선택적으로 바이패스시키기 위하여 제5도관 내부에 작동식으로 배치되며, 그리고 상기 결빙 검출 수단에 응답하는 바이패스 제어 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 시스템은 순항 고도에서 조우하는 건조, 저압 대기에 순응할 수 있다. 예를 들면, 상기 시스템은 2차 터빈에 직접 공급하기 위하여 응축형 열교환기와 1차 터빈 주변의 수증기 함유 압축 공기의 일부를 제3관으로 바이패스하도록 피조절 수증기 함유 압축 공기를 응축형 열교환기에 전달하는 수단과 제3도관 사이에서 유체 연통하는 제6도관; 피조절 시스템에 전달되는 수증기 함유 압축 공기의 질량 유량을 측정하기 위한 수단; 및 응축형 열교환기에 전달되는 수증기 함유 압축 공기의 일부를 응축형 열교환기와 1차 터빈 둘레의 제6도관을 통해 2차 터빈에 선택적으로 바이패스시키기 위하여, 제6도관 내부에 작동식으로 배치되며, 그리고 질량 유량 측정 수단에 응답하는 바이패스 제어 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 시스템은 응축형 열교환기, 1차 터빈 및 2차 터빈 주변의 수증기 함유 압축 공기의 일부를 폐쇄체에 직접 공급시키는 제4도관으로 바이패스시키기 위하여 피조절 수증기 함유 압축 공기를 응축형 열교환기에 전달하는 수단과 제4도관 사이에서 유체 연통하는 제7도관; 피조절 시스템에 전달되는 수증기 함유 압축 공기의 질량 유량을 측정하기 위한 수단; 및 응축형 열교환기에 전달되는 수증기 함유 압축 공기의 일부를 응축형 열교환기, 1차 터빈 및 2차 터빈 둘레의 제7도관을 통해 폐쇄체에 공급하기 위한 제4도관으로 선택적으로 바이패스시키기 위하여, 제7도관 내부에 작동식으로 배치되며, 그리고 질량 유량 측정 수단에 응답하는 바이패스 제어 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 및 기타 본 발명의 목적, 특징 및 이점들이 첨부된 도면 및 이하의 상세한 설명으로부터 명백히 나타나게 될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 공기 사이클식 환경 제어 시스템의 개략도이다.
[발명을 실행하기 위한 바람직한 실시예]
제1도를 참조하면, 압축된 주변 공급공기(9)는 도관(10)을 통해 공기 사이클식 환경 제어 시스템으로 유입된다. 이러한 공기의 공급원(비도시)은 보조 동력장치, 가스 터빈 엔진의 압축기 부분 또는 양자일 수도 있다. 시스템으로 유입되는 압축공기의 유량은 1차 열교환기(PHX; 16)의 고온 통로에 도관(14)에 의하여 연결된 밸브(12)에 의해 조절된다. 이러한 고온 통로내의 공기를 냉각하기 위해, 상대적으로 저온인 외부 주변 공기(17)가 항공기(비도시)의 외부에 위치하는 개구(20)로 유동되어 냉각 통로를 통과한다. 저속 작동중에 공기가 이러한 냉각통로를 충분히 유동하도록 유지하기 위해, 도관(28)을 통해 냉각통로의 출구에는 한 쌍의 터빈(24, 26)에 의해 축(23)을 통해 구동되는 팬(22)이 연결되어, 가열된 외부 주변 공기(29)를 상기 통로를 통해 추출한 후 도관(30)을 통해 항공기로부터 배출한다. 이러한 팬 도출 도관(16)의 밸브(32)는 냉각 유량을 조절하기 위하여 변형될 수도 있다.
1차 열교환기(16)의 고온 경로에서의 냉각에 뒤이어, 1차 열교환기의 배출 공기(33)는 도관(34)을 통해 압축기(36)로 유동된다. 압축기(36) 역시 두개의 터빈(24, 26)에 의해 구동된다. 이러한 압축 단계에 의해 가열된 압축기의 배출 공기(37)는 도관(38)을 통해 2차 열교환기(SHX; 40)의 고온 통로로 이동된다. 2차 열교환기는 전술된 1차 열교환기(16)의 냉각 수단과 마찬가지로 냉각 통로를 통해 유동되는 외부 주변 공기(27)에 의해 냉각된다.
2차 열교환기(40)의 고온 통로부터 배출되는 2차 열교환기의 배출 공기(47)는 도관(48)을 통해 응축기(46)의 응축 유동통로로 유동된다. 이러한 응축기(46)내의 열전달 표면의 온도는 2차 열교환기의 배출 공기(47)의 소정의 이슬점 또는 그 이하로 유지된다. 이것에 의하여 2차 열교환기의 배출 공기가 도관(56)을 통해 1차 터빈(24)으로 유동되기 전에 건조된다. 1차 터빈에서의 팽창에 의해 냉각된 후, 1차 터빈의 배출 공기는 도관(50)을 통해 응축기의 냉각 통로로 유동되어, 열전달면을 냉각시키고 응축된 수증기의 증발열을 흡수한다. 따라서, 1차 터빈(24)의 팽창율은 1차 터빈의 배출 공기(49)의 온도를 결빙이 방지될 수 있도록 충분히 높게 유지시켜, 소정의 질량 유량이 시스템을 통해 응축기(46)의 고온 통로로 유동되도록 선택된다. 대부분의 적용에 있어서, 1차 터빈의 배출 공기(49)의 바람직한 온도는 35~40℉(1.7~4.4℃)이다. 1차 터빈 출구의 실제 온도가 소정치이하로 떨어지거나, 어떤 수단에 의해 얼음의 존재가 응축기(46)내에서 감지되는 경우, 밸브(58)는 건조된 1차 터빈의 유입 공기(59)가 도관(60)을 통과하여 1차 터빈의 배출공기(49)와 혼합 및 가열시키도록 개방된다.
얼음 축적을 감지하기 위하여 여러 가지 방법이 채용될 수 있다. 압력 센서(비도시)는 응축기의 고온 통로의 입구 및 출구에 위치될 수 있다. 소정의 수준을 넘어서는 과도한 압력강하가 고온 통로에 발생되는 경우, 상당량의 얼음이 통로내에 형성되어 유동을 방해할 수도 있다. 그것에 대한 대안으로서, 저온 고압의 공기 공급원에 연결된 오리피스(비도시)의 출구는 응축기(46)의 고온 통로로 배출하도록 설치될 수도 있다. 오리피스의 치수는 소량의 흐름만이 그것을 통과하도록 선택된다. 오리피스로 유입되는 기류를 측정하는 유동 또는 압력 센서가 압력의 증가, 즉 유동의 감소를 나타내는 경우에는 얼음이 내부에 형성되어 노즐 개구를 막고 있다고 결론지을 수 있다.
2차 결환기의 배출 공기(47)가 응축기(46)의 응축 통로를 통과함에 따라, 혼합되는 모든 수증기의 증발열은 응축시에 냉각 통로내의 1차 터빈 배출 공기(49)에 의해 회복된다. 응축기 냉각 통로의 배출공기(61) 내에 저장되는 회복가능한 전체 에너지는 회복된 증발열과 1차 터빈(24)에 의해 복원되지 않은 모든 에너지의 합이 된다. 이러한 에너지를 회복하기 위해, 응축기 냉각 통로의 배출 공기(61)는 도관(63)을 통과하여 2차 터빈(26)에서 팽창된다.
항공기 선실(6)내로 유입되는 기류의 체적 및 온도를 조절하기 위해, 2차 터빈 배출 공기(65)는 혼합기(64)로 들어가서 재순환된 선실 공기(69)와 혼합된다. 팬(68)은 재순환된 공기(69)를 도관(66) 및 필터(67)를 통해 선실(62)로부터 흡입한다. 팬(68)의 속도는 도관(70)을 통해 혼합기(64)로 들어가는 재순환 공기(69)의 질량 유량이 전체 순환 조건을 만족할 수 있도록 제어된다.
본 발명에 따른 시스템은 전체 시스템의 작동 성능 및 효율을 감소시킬 수도 있는 주변 및 작동 상태의 변화에 순응할 수 있다. 압축된 주변 공기(9)의 압력이 너무 낮게되면, 고온 와이어 풍력계(73)로 이를 감지하여, 신선한 선실 공기 조건을 만족시키는데 필요한 수준으로 질량 유동을 떨어뜨린다. 1차 바이패스 밸브(72)가 개방되면, 유동은 도관(74)을 통해 응축기(46)와 1차 터빈(24)을 바이패스하여 2차 열교환기의 배출 공기(47)를 2차 터빈으로 직접 보낼 수 있다. 1차 바이패스 밸브(72)는 통상 항공기가 순항시의 높은 고온에 있는 경우와, 외부 대기(17)와 공급 공기(9)가 저압 건조 상태인 경우에 해방된다. 두 터빈(24, 26)의 팽창율 및 노즐 치수는 습도가 있는 낮은 고도에서의 고압 대기에서 시스템 성능을 최적화하도록 선택되어 왔다.
2차 터빈은 1차 터빈에 의해 이미 팽창된 공기를 더욱 팽창시키도록 설계되며, 따라서 1차 터빈 노즐보다 유동을 더 적게 제한하도록 커다란 노즐을 갖는다. 2차 터빈으로 직접 들어오는 유동은 응축기(46) 및 1차 터빈(24)으로 먼저 들어오는 유동보다 훨씬 적게 제한된다. 유동 제한을 감소시킴으로써, 공급 공기압이 낮은 동안 보다 큰 체적유량이 유지되어, 공기의 충분한 질량 유량이 선실로 유입될 수도 있다.
1차 바이패스 밸브(72)가 완전히 개방되고, 고온 풍력계(73)가 압축된 주변 공기(9)의 질량유량이 여전히 시스템의 최소 유량보다 낮음을 나타내면, 2차 바이패스(76)가 개방된다. 1차 터빈(24)과 응축기(46)외에도, 유동은 2차 터빈(26)을 바이패스하여 2차 열교환기의 배출 공기(47)를 2차 바이패스 도관(78)을 통해 혼합기(64)로 직접 이동시킨다. 이러한, 상황에서, 터빈(24, 26) 어느 것도 구동되지 않음에 따라, 압축기(36) 및 팬(22)은 정지된다. 압축기(36)는 유동 제한부로서 작용하며, 압축기 출구의 압력은 입구 압력 이하로 떨어진다. 이는 압축기의 입구와 출구를 연결하는 도관(44) 내에 위치되는 체크밸브(42)를 개방시켜, 1차 열교환기의 배출 공기(33)가 압축기를 바이패스하여 2차 열교환기(40)로 직접 유동되도록 한다. 이러한 조건하에서, 압축된 주변공기(9)는 1차 열교환기(16)로부터 2차 열교환기(40)로 직접 이동된 후에 혼합기(64)로 들어가서 최대 체적 유량이 시스템을 통과하도록 한다.
압축된 주변 공기(9)의 질량유량이 충분한 경우라도, 2차 바이패스 밸브(76)는 시스템을 통과하는 냉각 용량 및 체적 유량을 조절하도록 변형될 수 있다. 2차 터빈 출구로부터 배출되는 공기(65)의 체적 유량 또는 온도가 너무 낮은 경우, 2차 바이패스 밸브(76)가 개방된다.
본 발명을 바람직한 실시예에 관하여 도시 및 설명하였으나, 본기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범주를 이탈하지 않고 다양한 변화, 생략 및 첨가가 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 열교환 관계로 배열된 응축 유동로와 냉매 유동로를 갖는 응축형 열교환기(46); 조절되는 압축 공기를 제1온도로 냉각시키기 위하여 상기 조절되는 압축 공기를 팽창시키는 1차 터빈(24); 수증기를 함유하는 압축 공기가 응축형 열교환기(46)의 냉매 유동로를 통과하는 냉각 유체와 열교환 관계에 있는 응축 유동로를 통과하도록, 적어도 수증기 일부의 응축에 의하여 압축된 공기를 건조시키기 위하여 압축 공기가 충분히 냉각되도록, 조절될 수증기를 함유하는 압축 공기를 응축형 열교환기(46)의 응축 유동로에 전달하기 위한 수단(14, 34, 46, 38, 48); 건조 압축 공기를 팽창시키도록 1차 터빈(24)에 전달하기 위하여 1차 터빈(24)과 응축형 열교환기(46)의 응축 유동로 사이에서 유체 연통하는 제1도관(56); 및 1차 터빈(24)에서 팽창된 압축 공기를 냉각 유체로서 응축형 열교환기(46)의 냉매 유동로에 전달하기 위하여 1차 터빈(24)과 응축형 열교환기(46)의 냉매 유동로 사이에서 유체 연통하는 제2도관(50)을 포함하는, 조화 공기로서 밀폐체에 공급되는 수증기를 함유하는 압축 공기를 조절하기 위한 공기 사이클식 환경 제어 시스템에 있어서, 조절되는 압축 공기를 2차 온도로 냉각시키기 위하여 1차 터빈(24)에서 이전에 팽창된 압축 공기를 더욱 팽창시키는 2차 터빈(26); 압축 공기를 응축형 열교환기(46)의 냉매 유동로부터 내부에서 더욱 팽창시키는 2차 터빈(26)까지 전달하기 위하여 2차 터빈(26)과 응축형 열교환기(46)의 냉매 유동로 사이에서 유체 연통하는 제3도관(63); 및 상기 2차 터빈(26)에서 팽창된 공기를 폐쇄체에 전달하기 위하여 2차 터빈(26)과 폐쇄체(62) 사이에서 유체 연통하는 제4도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 환경 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차 터빈(24)은 내부에서 팽창된 건조 압축 공기가 냉각되는 1차 온도가 건조 압축 공기의 이슬점과 응축형 열교환기(46)의 냉매 유동로를 통과하는 건조 압축 공기의 빙점사이에 포함될 수 있는 팽창비를 갖는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 환경 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 1차 터빈(24)과 2차 터빈(26) 각각은 터빈 노즐을 구비하며, 상기 2차 터빈(26)의 터빈 노즐은 1차 터빈(24)의 터빈 노즐보다 유동 저항성이 실질적으로 작은 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 환경 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 건조 압축 공기의 일부를 제1도관(56)으로부터 1차 터빈(24)을 경유하여 제2도관(50)까지 바이패스하기 위하여 제1도관(56)과 제2도관(50) 사이에서 유체 연통하는 제4도관(60); 상기 응축형 열교환기(46)의 냉매 유동로 내부의 결빙을 검출하기 위한 수단; 및 건조 압축 공기의 일부를 제1도관(56)으로부터 제4도관(60)을 거쳐 제2도관(50)까지 선택적으로 바이패스하기 위하여 제5도관(60)내부에 작동식으로 배치되며 그리고 상기 결빙 검출 수단에 응답하는 바이패스 제어 밸브(58)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 환경 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 2차 터빈(26)에 직접 공급하기 위하여 응축형 열교환기(46)와 1차 터빈(24) 주변의 수증기 함유 압축 공기의 일부를 제3도관(63)으로 바이패스하도록 피조절 수증기 함유 압축 공기를 응축형 열교환기(46)에 전달하는 수단(14, 34, 36, 38, 48)과 제3도관(63) 사이에서 유체 연통하는 제6도관(74); 피조절 시스템에 전달되는 수증기 함유 압축 공기의 질량 유량을 측정하기 위한 수단(73); 및 응축형 열교환기(46)에 전달되는 수증기 함유 압축 고익의 일부를 응축형 열교환기(46)와 1차 터빈(24) 둘레의 제6도관(74)을 통해 2차 터빈(26)에 선택적으로 바이패스시키기 위하여, 제6도관(74) 내부에 배치되며 그리고 질량 유량 측정 수단(73)에 응답하는 바이패스 제어 밸브(72)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 환경 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 응축형 열교환기(46), 1차 터빈(24) 및 2차 터빈(26) 주변의 수증기 함유 압축 공기의 일부를 폐쇄체(62)에 직접 공급시키는 제4도관으로 바이패스시키기 위하여 피조절 수증기 함유 압축 공기를 응축형 열교환기(46)에 전달하는 수단(14, 34, 36, 38, 48)과 제4도관 사이에서 유체 연통하는 제7도관(78); 피조절 시스템에 전달되는 수증기 함유 압축 공기의 질량 유량을 측정하기 위한 수단(73); 및 응축형 열교환기(46)에 전달되는 수증기 함유 압축 공기의 일부를 응축형 열교환기(46), 1차 터빈(24) 및 2타 처빈(26) 둘레의 제7도관(78)을 통해 폐쇄체(62)에 공급하기 위한 제4도관으로 선택적으로 바이패스시키기 위하여, 제7도관(78)내부에 작동식으로 배치되며, 그리고 질량 유량 측정 수단(73)에 응답하는 바이패스 제어 밸브(76)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 환경 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 피조절 수증기 함유 압축 공기를 응축형 열교환기(46)의 응축 유동로에 전달하기 위한 수단(14, 34, 36, 38, 48); 상기 응축형 열교환기(46)의 응축 유동로의 상류측에 배치되며 그리고 응축 유동로를 통과하기 전에 피조절 수증기 함유 압축공기를 부가적으로 가압하는 압축기(36); 부가적으로 압축되도록 수증기 함유 압축 공기를 압축기(34)에 전달하기 위하여 수증기 함유 압축 공기원과 압축기(34) 사이에서 유체 연통하는 공급 도관(14, 34); 및 상기 압축기에서 부가적으로 압축된 수증기 함유 압축 공기를 응축형 열교환기(46)의 응축 유동로에 전달하기 위하여 응축형 열교환기(46)의 응축 유동로와 압축기(34) 사이에서 유체 연통하는 전달 도관(38, 48)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 압축기(34), 1차 도관(24) 그리고 2차 도관(26)은 공통축(23)에 작동식으로 장착되며, 상기 1차 터빈(24)과 2차 터빈(26)은 압축기(34)에 동력을 공급하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공통축(23)에 장착된 팬(22)을 포함하며, 상기 1차 터빈(24)과 2차 터빈(26)은 압축기(34)와 팬(22)에 동력을 공급하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 제어 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 응축형 열교환기(46), 1차 터빈(24) 및 2차 터빈(26) 주변의 수증기 함유 압축 공기의 일부를 폐쇄체(62)에 직접 전달하는 제4도관으로 바이패스시키기 위하여 전달 도관(48)과 제4도관 사이에서 유체 연통하는 응축기 바이패스 도관(74); 공급 도관(74)을 통과하는 수증기 함유 압축 공기의 질량 유량을 측정하기 위한 수단(73); 응축형 열교환기(46)에 전달되는 수증기 함유 압축 공기의 일부를 응축기 바이패스 도관(38)을 통해 선택적으로 바이패스시키기 위하여, 응축기 바이패스 도관(74) 내부에 작동식으로 배치되며 그리고 질량 유량 측정 수단에 응답하는 바이패스 제어 밸브(72); 압축기(36) 둘레의 공급 도관으로부터 수증기 함유 압축 공기를 공급 도관(38)으로 바이패스시키기 위하여 공급 도관(34)과 전달도관(38) 사이에서 유체 연통하는 압축기 바이패스 도관(74); 및 상기 바이패스 제어 밸브(72)의 완전 개방시에 개방하여, 모든 수증기 함유 압축 공기를 압축기(36)로 바이패스하도록, 압축기 바이패스 도관(44) 내부에 작동식으로 배치되며, 그리고 바이패스 제어 밸브(72)에 응답하는 역지 밸브 수단(42)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 사이클식 제어 시스템.
  11. 압축된 주변 공급 공기로부터 수증기를 응축 및 제거하는 단계; 상기 응축 단계에서 건조된 공기를 1차 터빈(24)에서 팽창시키는 단계; 및 상기 1차 터빈(24)에서 팽창된 공기를 응축 단계에서 냉매로서 채용하는 단계를 포함하는 밀폐체(62) 내부에서의 공기 조화 방법에 있어서, 상기 응축 단계에서 가열된 냉매를 2차 터빈(26)에서 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 공급공기의 질량 유량을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 공급공기의 질량 유량이 소정의 1차 레벨이하로 떨어지면, 상기 공급공기를 2차 터빈(26)의 입구로 직접 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 공급공기의 질량 유량이 소정의 2차 레벨이하로 떨어지면, 상기 공급공기를 2차 터빈(26)의 출구로 직접 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 방법.
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