KR100205636B1 - 2단 원심압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중앙의 전동부를 중심으로 양단에 압축부를 갖는 2단 원심압축기에 관한 것으로서, 종래의 2단 원심압축기는 윤활제가 냉매와 혼합되어 순환되기 때문에 냉매의 냉각효율이 높지 않고, 회전축이나 임펠러의 접촉부에 있어 윤활제에 의한 마찰 감소의 효율도 떨어지며, 그 구조가 복잡하고 정밀성을 요하기 때문에 정밀한 설계와 정밀한 제어기술이 요구된다는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위하여 본 발명은 2단 원심압축기가 양방의 압축부를 사이에 두고 그 중심에는 저온의 냉매가 공급될 수 있는 밀폐된 전동부를 갖으면서 이 전동부는 고속회전에 따른 기구적 안전성을 유지하기 위한 유동성 축받이 수단과, 윤활유가 필요 없는 레이디얼 및 드러스트 가스 베어링을 포함하고 있는 2단 원심 압축기 및 이를 이용한 냉방 사이클을 제공하는데 있다.

Description

2단 원심압축기

본 발명은 2단 원심압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양측의 제1 및 제2압축부 사이에 밀폐형 전동부를 가지고 있으며, 그 전동부가 냉각 시스템에 의하여 순환되는 냉매에 의하여 냉각되도록 냉매 순환로가 있고, 전동부의 회전축과 그 접촉부 사이의 마찰을 제거하기 위한 가스 다이내믹 베어링(gas-dynamic bearing)과 진동방지를 위한 유동성 축받이 수단을 가지며, 이로 인하여 전동부의 회전속도를 초고속으로 향상시켜 오존 친화적인 저압 냉매(ozone-friendly refrigerant)의 사용이 가능하고, 나아가 압축기의 부피 및 무게를 최소한으로 하면서도 고효율의 압축성능을 얻을 수 있도록 한 2단 원심압축기에 관한 것이다.

종래의 2단 원심압축기는 주로 대형 냉방 시스템에 적용되는 것으로, 중앙에 전동부가 설치되고, 이 전동부의 양측에 제1 및 제2압축부가 구비되어 있으며, 냉동 사이클에 의하여 순환되는 냉매를 전동부측으로 순환시켜 전동부에서 발생된 열을 냉각시키며, 윤활제(lubricant)에 의하여 회전축 및 임펠러 등의 접촉부의 마찰을 줄이는 구성으로 되어있다.

이러한 종래의 2단 원심압축기는 전체 구성이 고속회전에 따른 고열이나 마찰의 발생 등 기계적 장애를 효율적으로 제거할 수 없기 때문에 그 회전 속도를 저속으로 유지할 수밖에 없는 것이었으며, 회전속도가 저속인 상태에서 원하는 용량의 냉방 특성을 얻기 위해서는 제1, 2압축부의 임펠러 크기가 상대적으로 켜져야 하는 것이었다.

그러므로, 이들 임펠러의 크기가 크게될 경우에는 이것을 수용하는 하우징 등의 크기가 클 수밖에 없기 때문에 압축기의 전체 부피 및 무게가 대형이 될 수 밖에 없는 문제점이 있다.

특히, 상기 종래의 2단 원심압축기는 전동부의 회전속도가 저속운전이기 때문에 임펠러측의 압축실로 가해지는 냉매는 저속운전에 적합한 냉동효율을 얻기 위하여 R-22, R134a 등과 같은 고압냉매(15 내지 25 기압)를 사용할 수밖에 없는 것이었고, 이러한 R-22, R134a 등과 같은 고압냉매는 오존층을 파괴하기 때문에 바람직한 것이 못되었다.

한편, 미국 특허 제5,350,039호에는 에어 콘디셔너에 사용될 수 있는 소용량의 2단 원심압축기가 소개되어져 있다. 이 미국 특허에 개시된 2단 원심압축기는 전동부, 전자 제어부 및 압축부가 내장된 하우징과, 저압의 냉매 및 윤활제의 혼합물이 순환되는 순환로로 구성되어 있으며, 하우징내에서는 중앙부에 전동부가 설치되고 그 양단에 제1 및 제2압축부가 구비되어 있고, 제1압축부에 의하여 압축된 냉매가 제2압축부로 이송되도록 구성되어 있다.

이 미국 특허에 개시된 발명의 가장 특징적인 사항은 윤활제가 냉매와 혼합된 상태로 냉매의 순환로를 따라 순환하면서, 전동부에서 발생되는 고열을 냉각시킴과 동시에 회전축 및 임펠러 등의 접촉부의 마찰을 완화시키도록 구성되어 있다는 점으로, 이 발명에서는 윤활제를 별도로 분리시켜 순환시키는 구성이 필요없다는 것이다.

이러한 종래 발명에 있어서는, 전동부의 고속회전에 의하여 발생되는 고열을 식히기 위하여 냉매와 윤활제의 혼합유체가 제1압축부에 의하여 압축되고 다시 제2압축부에 의하여 압축되어 전동부를 순환한 후에 출구로 배출되도록 되어있다.

그러나, 이러한 종래 발명은 윤활제가 냉매와 혼합되어 순환되기 때문에 냉매의 냉각효율이 높지 않고, 회전축이나 임펠러의 접촉부에 있어서 윤활제에 의한 마찰 감소의 효율도 떨어지며, 그 구조가 복잡하고 정밀성을 요하기 때문에 정밀한 설계와 정밀한 제어기술이 요구된다는 문제점이 있다.

특히, 이러한 종래 발명에 있어서는 이것의 압축기 특성상 임펠러의 흡입압력이 대기압 보다 낮은 0.7기압의 저압상태를 유지해야 하므로 균열에 의한 미세한 틈새에 의하여도 밀폐된 압축기내부로 외부공기가 유입될 수 있고, 유입된 외부공기는 냉매와 화학반응을 일으켜 염산 등을 생성하기 때문에 압축기 성능을 현저히 떨어뜨리거나 그 내부를 손상시키는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은 가스 다이내믹 베어링을 사용함으로써 윤활수단을 필요로 하지 않는 2단 원심압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 윤활수단 등이 요구되지 않기 때문에 시스템 구성이 단순하고 무게가 가벼우며 부피도 작아 에어 콘디셔너와 같은 냉방 세트 등에 용이하게 적용될 수 있는 2단 원심압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 시스템 구성이 단순하고 윤활수단등을 요구하지 않기 때문에 그 가격이 저렴하고, 한편으로는 그 취급 및 관리가 용이한 2단 원심압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 임펠러의 고속회전을 가능하게 함으로써 오존층을 파괴하지 않고, 상 변화시 단위질량당 엔탈피 차가 적은 저압냉매를 사용할 수 있는 2단 원심압축기를 제공하는데 있다.

상기의 목적들을 구현하기 위하여, 본 발명의 2단 원심압축기는 양측의 제1, 제2압축부 사이에 밀폐된 전동부와, 이 전동부의 냉각을 위한 냉각통로와, 이 전동부의 축부에 설치된 유동성 축받이 수단과 가스 베어링 수단을 포함하는 구성으로 되어 있다.

본 발명에 의한 2단 원심압축기의 냉방 사이클은, 응축기→기액 분리기→증발기→2단 원심압축기→응축기로 순환되는 폐 사이클을 이루며, 2단 원심압축기의 전동부에는 응축기의 출구로부터 배출되는 액냉매중의 일부가 분기통로→고정자 냉각 팽창변→전동부의 자켓입구→냉각자켓의 공간→자켓출구→기액분리기로 공급되고, 이 기액분리기에서 액냉매와 가스냉매로 분리된 냉매중의 가스냉매가 가스냉매입구→전동부의 내부공간→가스냉매출구의 경로로 순환되는 냉매 경로를 포함하는 것이다.

이하에서 본 발명에 의한 2단 원심압축기를 좀더 구체적으로 설명하여 봄으로서 본 발명의 보다 상세한 특징들이 이해될 수 있을 것이다.

제1도는 본 발명의 2단 원심압축기를 축방향에서 잘라본 상태의 단면도.

제2도는 제1도에서 전동부 부분을 발췌하여 나타낸 요부 단면도.

제3도는 본 발명의 드러스트 가스 베어링 부분을 발췌하여 나타낸 분해 사시도.

제4도는 본 발명의 유동성 축받이 수단을 발췌하여 나타낸 분해 사시도.

제5도는 본 발명의 2단 원심압축기를 이용한 냉방 사이클의 실시예도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 제1압축실 4 : 제2압축실

6 : 전동부 7 : 가스냉매 입구

8 : 가스냉매 출구 9 : 내부공간

10 : 외통 11 : 코일

26 : 냉각자켓 28 : 고정자

33, 34 : 임펠러 35, 36 : 디퓨저 하우징

35a, 36a : 디퓨저 37 : 제1압축부

38 : 제2압축부 39a, 39b : 흡입관

40a, 40b : 압축유체 출구 42 : 회전자

43 : 회전축 44 : 레이디얼 가스 베어링

46, 51 : 직선홈 47, 48 : 원통홈

52 : 내측 카던링 53 : 외측 카던링

54 : 베어링 하우징 55, 61 : 세트스크류

56 : 실링 하우징 57 : 상가스 베어링

58 : 하가스 베어링 59 : 고정링

도 1은 본 발명에 의한 2단 원심압축기를 나타내었다.

여기서는, 밀폐된 전동부(6)의 양단에 제각기 임펠러(33,34)와 디퓨져(35a,36a)들이 설치되어진 제1, 2압축부(37,38)가 형성되어져 있다.

상기 전동부(6)는 상기 제1,2압축부(37,38)의 임펠러(33,34)들이 결합되어져 있는 회전자(42)와, 이 회전자(42)의 회전자 코어를 전자계 작용으로 회전시키는 고정자(28)와, 이들을 전체적으로 감싸면서 임펠러(33,34)측으로는 개방된 외통(10)으로 이뤄져 있다.

상기 전동부(6)의 고정자(28)는 내측에 코일(11)이 권선되어지고 그 외측에 냉각자켓(26)을 감싼 상태에서 외통(10)내에 압입되어져 있으며, 상기 전동부(6)의 회전자(42)는 고정자(28)에 대향하는 위치의 회전자 코어와 회전축(43)을 갖고 있고 이 회전자 코어의 하부에는 유동성 축받이를 위한 칼라(43a)가 회전축(43)에 일체로 형성되어져 있다.

또, 상기 회전축(43)의 양단은 외통(10)과 결합되는 베어링 하우징(54) 내측의 레이디얼 가스 베어링(44)에 의해 회전가능하게 지지되어져 있고, 이 레이디얼 가스 베어링(44)은 회전축(43)이 회전식 기계적 무마찰 회전을 위하여 구비되어져 있다.

또, 상기 회전축(43)의 칼라(43a)는 상/하면이 드러스트 가스 베어링(57,58)으로 감싸져서 이부분에서 기계적 무마찰 회전과 회전축(43)의 축받이가 유동되면서 회전될 수 있는 유동성 축받이 수단과 함께 설치되어져 있다.

또, 상기 회전축(43)이 관통된 베어링 하우징(54)의 외측단에는 외통(10)의 양단을 실링 하우징(56)으로 밀폐시킨 제1, 2압축부(37,38)가 형성되어져 있으며, 상기 회전축(43)의 야단에는 다수의 날개를 갖는 임펠러(33,34)가 제1, 2압축부(37,38) 내부에 구비시킨 디퓨저 하우징(35,36)의 디퓨져(35a,36a)내에서 회전가능케 고정되어져 있다.

상기 제1, 2압축부(37,38)는 임펠러(33,34)를 감싼 디퓨저 하우징(35,36)의 외측에 제1, 2압축실(3,4)들이 형성되어져 있으며, 이들의 제1, 2압축부(37,38)에는 압축하고자 하는 냉매가스가 들어오는 흡입관(39a,39b)이 회전축(43)의 동심축 선상에 형성되어져 있다.

상기 제1압축부(37)의 측방에는 제2압축부(38)의 흡입관(39b)과 연통되도록 한 압축유체 출구(40a)가 형성되어져 있고 상기 제2압축부(38)의 측방에는 냉방 사이클을 이루는 응축기(1)의 입구(1a)와 연통되는 압축유체 출구(40b)가 형성되어져 있다.

상기 외통(10)과 냉각자켓(26)에는 도 2에 나타낸 바와같이 고정자(28)를 냉각시키기 위한 냉각유로가 형성되어져 있으며, 이 냉각유로는 냉각자켓(26) 상/하부의 위치에 외통(10)의 내주면을 따라 형성시킨 원통홈(47,48)과, 이 원통홈(47,48)들과 상호 연결되면서 냉각자켓(26)의 외주면에 축방향으로 형성되어져 있는 다수의 직선홈(46)들로 이뤄져 있다.

또, 상기 원통홈(47,48)들은 액냉매가 외통(10) 일측의 자켓입구(29)로부터 인입된 후 상기 원통홈(47,48) 및 직선홈(46)을 거쳐 다른 측방의 자켓출구(30)로 배출되도록 서로 연결되어져 있다.

그리고, 상기 회전자(42)의 회전자 코어와 마주하는 고정자(28)의 내주면에는 전동부(6)의 공극 사이로 가스냉매를 원활하게 소통시키기 위하여 일정 간격으로 배열된 직선홈(51)들이 형성되어져 있다.

한편, 상기 회전축(43)의 양단을 지지하는 레이디얼 가스 베어링(44)은 도 3과 같이 좀더 구체적으로 나타내었다.

여기서는, 120°간격으로 분할된 3개의 호형 조각편(44a∼44c)이 하나의 원통형을 이루도록 형성되어져 있고, 이 호형 조각편(44a∼44c)들은 그 중앙에서 일측으로 약간 편심된 위치의 외주면에 반구홈(44d)이 제각기 형성되어져 있다.

상기 호형 조각편(43a∼43c)들은 베어링 하우징(54)의 중심을 향하여 120°간격으로 관통된 스크류홀(54a)을 통해 세트스크류(55)가 체결되고 이 세트스크류(55)의 선단이 호형조각편(44a∼44c)의 반구홈(44d)에 각각 끼워진 상태에서 회전축(43)이 회전가능케 지지되어져 있다.

또, 상기 베어링 하우징(54)에는 실링 하우징(56)과 디퓨저 하우징(35,36)이 복수의 스크류(56a)에 의해 고정되어져 있다.

한편, 상기 회전축(43)의 칼라(43a)를 지지하는 유동성 축받이 수단은 카던 지지부로 이뤄져 있으며, 이는 도 4와 같이 트러스트 가스 베어링 수단과 함께 구성되어져 있다.

여기서는, 상기 유동성 축받이 수단인 카던 지지부는 회전축(43)의 칼라(43a)외측으로 끼워지는 내측 카던링(52)과, 이 내측 카던링(52) 및 드러스트 가스 베어링(57,58)들을 수용하고 있는 외측 카던링(53)으로 이뤄져 있다.

상기 외측 카던링(53)은 그 중심을 가로지르는 일직선상에 형성시킨 2개의 힌지홀(b)을 축으로하여 외통(10)의 세트스크류(62)에서 2점 지지에 의해 회전되도록 설치되어 있고 상기 힌지홀(b)들과 평면상 90°교차되어져 있는 스크류홀(c)들이 형성되어져 있으며, 상기 내측 카던링(52)은 그 중심을 가로지르는 일직선상에 형성시킨 2개의 힌지홀(d)을 축으로하여 외측 카던링(53)의 세트스크류(61)에서 2점 지지에 의해 회전가능케 형성되어져 있다.

상기 카던 지지부의 내측 카던링(52) 상/하면에는 드러스트 상/하 가스 베어링(57,58)이 한쌍을 이루도록 배치되어져 있으며, 이 드러스트 상/하 가스 베어링(57,58)은 상기 칼라(43a)와 접촉되는 면에 다수의 직선홈(e)들이 축공(g)을 중심으로하여 방사상으로 형성되어져 있고 이 직선홈(e)에는 회전축(43)의 회전방향으로 기체막을 형성할 수 있도록 얇고 넓은 부채꼴홈(f)이 제각기 형성되어져 있다.

상기 드러스트 상/하 가스 베어링(57,58)중 상가스 베어링(57)은 조립성을 고려하여 2조각으로된 반원형의 가스 베어링(57a,57b)로 분할되어져 있으며, 상기 상가스 베어링(57a,57b)들은 그 반원의 중심부와 주연부를 제외한 부분에 반원판의 돌출부(a)가 제각기 형성되어져 있다.

상기 내측 카던링(52)과 드러스트 상/하 가스 베어링(57,58)의 주연부에는 회전축(43)의 칼라(43a) 외부측에 끼워지거나 씌워진 상태에서 다수의 스크류(60)로 체결하기 위하여 동일한 반경위에 등간격으로 다수의 관통홀(h)이 천공되어져 있고 상기 고정링(59)의 외주연부에는 상기 내측 카던링(52)의 관통홀(h)과 상응하여 결합되는 스크류홀(i)이 형성되어져 있다.

상기 드러스트 가스 베어링(57,58)는 회전축(43)의 칼라(43a) 외측에 위치되도록 내측 카던링(52)을 끼운 상태에서 이 내측 카던링(52)의 상면엔 상가스 베어링(57)들을 고정링(59)과 함께 올려놓고 그 하면엔 하가스 베어링(58)을 칼라(43a)의 하부로부터 삽입하여 복수의 스크류(60)로 체결한다. 이렇게 조립되어진 드러스트 가스 베어링(57,58)은 내측 카던링(52)의 힌지홀(d)에 외측 카던링(53)의 스크류홀(c)로 관통되어진 세트스크류(61)에 의해 지지되어져 있다.

한편, 상기 제1, 2압축부(37,38)들과 인접된 위치의 외통(10) 상하부에는 전동부(6)의 냉각을 위한 가스냉매 입/출구(7,8)가 형성되어져 있고 상기 가스냉매 입구(7)로 인입된 가스냉매는 전동부(6)의 공극과 카던 지지부를 통해 가스냉매 출구(8)로 배출되도록 형성되어져 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 전동부(6)의 고정자(28)에 권선된 코일(11)로 전원이 인가되면 코일(11)의 배열에 따라 순차적으로 발생되는 자계가 회전자(42)의 회전축(43)을 회전시킨다. 이때 상기 회전축(43)이 회전되면서 그 양단은 레이디얼가스 베어링(44)을 이루는 호형 조각편(44a∼44c)들이 제각기 하나의 세트스크류(55)에 의해 편심상태로 지지되어 있기 때문에 회전축(43)과 함께 요동한다.

따라서 상기 호형 조각편(44a~44c)들이 요동될 때 회전축(43)과 호형 조각편(44a∼44c)의 사이에는 전동부(6)의 내부로 흐르는 가스냉매가 빨려 들어가 기체막을 형성한다.

이러한 상태에서 회전축(43)이 일정한 회전수에 도달되면 호형 조각편(44a∼44c)들은 정적인 상태로 있게 되므로 회전축(43)은 호형 조각편(44a-44c)들의 정 중앙에서 뜬 상태로 마찰없이 회전되는 것이다.

이와 동시에 도 4와 같이 나타낸 카던 지지부의 드러스트 상/하 가스 베어링(57,58)은 하가스 베어링(58)의 상단면에 칼라(43a)의 하단면이 맞닿은 상태로 있다가 상기 칼라(43a)가 회전되면 전동부(6)의 내부로 흐르는 가스냉매가 직선홈(e)을 통해 부채꼴홈(f)으로 빨려 들어가 기체막이 형성되게 된다. 따라서 회전축(43)의 칼라(43a)는 드러스트 상/하가스 베어링(57,58) 사이의 중앙에서 뜬 상태로 마찰없이 회전되는 것이다.

그리고, 상기 회전축(43)의 회전시 진동이 발생하면 내측 카던링(52)과 외측 카던링(53)은 각각의 2점 지지인 힌지홀(b,d)들을 중심으로하여 평면상 90°로 교차된 상태에서 칼라(43a)를 감싼 상태로 지지하고 있기 때문에 회전축(43)은 유동성을 갖고서 임의의 방향을 취할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 2단 원심압축기의 일측에 형성되어 있는 제1압축부(37)의 흡입관(39a)을 통해 인입되어 제1압축실(3)에서 1차 압축된 가스냉매의 압력과 제2압축부(37)의 제2압축실(4)에서 2차 압축된 가스냉매의 압력차에 의하여 회전축(43)이 도 1 도면중 하측으로 쏠리거나, 상기 전동부(6)의 초기구동시 회전축(43)이 일측으로 쏠리게 되는 등의 현상으로 야기되는 회전축(43)의 진동이 방지될 수 있는 것이다.

또, 상기와 같은 카던 지지부로 인하여 2단 원심압축기(5)의 회전축(43) 부위에 기계적 장애가 발생하지 않아 기기의 동작적 신뢰성을 갖을수 있고, 저속에서 초고속 회전(3500∼60000rpm)에 이르기까지 무리없는 동작을 기대할 수 있는 것이다.

한편, 이와 같이 회전축(43)이 고속으로 회전되면서 전동부(6)에서 열이 발생하면, 이러한 열은 외통(10)의 가스냉매 입구(7)로부터 외통(10)의 밀폐공간인 전동부(6)를 통해 가스냉매 출구(8)로 흐르는 가스냉매에 의하여 냉각되기 때문에 전동부(6)의 동작에 따르는 과열을 방지한다.

특히, 고정자(28)를 감싼 냉각자켓(26)의 외측에는 외통(10)의 원통홈(47,48) 및 직선홈(46) 등을 통하여 액냉매가 흐르면서 고정자(28)의 코일(11)에서 발생되는 열을 빼앗아 가므로 고정자(28)를 더욱 효과적으로 냉각시킨다.

따라서 상기 전동부(6)가 구동중에는 계속하여 냉각되기 때문에 그 전동부(6)는 항시 최적의 운전 상태로 유지되게 된다.

이와 같이 전도부(6)가 구동됨에 따라 회전축(43)과 함께 그 양단의 임펠러(33,34)가 고속으로 회전되는 것이고, 이 임펠러(33,34)의 회전으로 인한 흡인력에 의해 제1압축부(37)의 흡입관(39a)으로 유입된 가스냉매는 제1압축부(37)의 임펠러(33) 및 디퓨저(35a)를 통해 1차적으로 압축되게 된다.

상기 제1압축부(37)에서 압축된 가스냉매는 압축유체출구(40a)로부터 연결관(41)를 통하여 배출되고 이 연결관(41)으로 배출된 가스냉매에 외통(10)의 내부공간(9)을 통과한 가스냉매가 합류되고, 다시 2단 압축을 위한 제2압축부(38)의 임펠러(34) 흡인력에 의해 흡입관(39b)으로부터 유입된후 제2압축실(4)의 임펠러(34) 및 디퓨저(36a)를 통해 제2압축실(4)에서 2차적으로 압축된다.

상기 제2압축실(4)에서 압축된 가스냉매는 압축유체 출구(40b)를 통해 응축기(1)의 입구측으로 배출된다.

한편, 도 5는 상기 2단 원심압축기를 냉방 사이클에 적용한 일 실시예를 나타내었다.

여기에서의 냉방 사이클은 냉매가 2단 원심압축기(5)→응축기(1)→기액분리기(24)→증발기(2)로 순환되는 폐 사이클을 이루며, 부언하면 상기 2단 원심압축기(5)의 제2압축실(4)→응축기(1)의 입구(1a)→응축기(1)의 출구(1b)→보조 팽창변(23)→기액분리기(24)→재열교환기(25)→주팽창변(15)→증발기(2)의 입구(2a)→증발기(2)의 출구(2b)→재열교환기(25)→2단 원심압축기(5)의 제1압축실(3)를 통해 순환된다.

상기 2단 원심압축기(5)의 전동부(6)에는 냉매가 응축기(1)→전동부(6)의 냉각자켓(26)의 내부공간→기액분리기(24)→외통(10)의 가스냉매입구(7)→전동부(6)의 내부공간(9)→외통(10)의 가스냉매출구(8)→2단 원심압축기(5)의 제2압축실(4)로 순환된다.

이를 좀더 부언하면, 상기 응축기(1)의 출구(1b)로부터 배출되는 액냉매중의 일부는 분기통로(17)→고정자 냉각 팽창변(18)→전동부(6)의 자켓입구(29)→냉각자켓(26)의 공간→자켓출구(30)→기액분리기(24)로 공급되고, 이 기액분리기(24)에서 액냉매로부터 분리된 가스냉매는 가스냉매 입구(7)→전동부(6)의 내부공간(9)→가스냉매 출구(8)의 경로로 순환된다.

또, 상기 외통(10)의 자켓출구(30), 증발기(2)의 출구(2b), 보조 팽창변(23)의 입구 등에는 각각의 팽창변들을 제어하기 위한 센서(32)들이 설치되어져 있고, 이는 각 센서부분의 냉매 압력과 온도에 따라 자동적으로 조절되는 열조절변(Thermo regulrating valve)들로 되어져 있다.

상기 전동부(6)에는 증발기(2)를 통과한 공기 온도를 증발기(2) 주위의 센서(32)에 의하여 검출하고 이 센서(32)에 의해 검출된 것을 입력신호로하여 전동부(6)를 제어하는 주파수 제어기(31)가 구비되어져 있다.

이러한 구성의 냉방 사이클은 파워코드(63)를 통해 전동부(6)에 전원이 인가되면 2단 원심압축기(5)가 운전을 시작함에 따라 증발기(2) 주위로부터 충분한 기화열을 흡수하지 못한 가스냉매가 재열교환기(25)를 거치면서 기액분리기(24)로부터 증발기(2)측으로 공급되는 액냉매가 갖고 있는 열을 흡수하게 된다.

따라서 2단 원심압축기(5)측으로 흐르는 가스냉매의 온도가 상승되어 건증기 상태로 흡입되고, 2단 원심압축기(5)의 제1압축실(3)에서 1차적으로 압축된후 제2압축실(4)의 흡입관(39b)으로 이송되는 것이다.

이때 기액분리기(24)에서 공급된 가스냉매는 가스냉매 입구(7)를 거쳐 전동부(6)의 내부공간(9)으로 인입되고, 이것은 다시 고정자(28)와 회전자(42) 사이의 공극 및 고정자(28) 내측면의 직선홈(51)을 따라 흘러서 전동부(6)의 고정자(28)와 회전자(42)를 냉각하고 가스냉매 출구(8)를 통하여 배출되는 것이다.

상기 가스냉매 출구(8)를 통하여 배출되는 가스냉매와 제1압축실(3)에서 배출되는 가스냉매는 2단 원심압축기(5)의 제2압축실(4)에서 더욱 압축된 후 압축유체 출구(40b)를 통해 응축기(1)의 입구(1a)로 향한다.

상기 응축기(1)에서는 냉각공기에 의하여 가스냉매를 액냉매로 응축되고, 이와 같이 응축된 대부분의 액냉매는 응축기(1)로부터 일측유로(14)를 따라 이송되면서 보조 팽창변(23)에 의해 기액분리기(24)에서 중간압까지 팽창되게 된다. 이렇게 액냉매가 중간압까지 팽창되면서 기액분리기(24)의 내부에는 기액혼합상태로 유지되고 수력학적 원리에 따라 가스냉매와 액냉매로 분리되는 것이다.

한편, 상기 응축기(1)로부터 분기통로(17)를 통하여 흐르는 적은 양의 액냉매는 고정자 냉각 팽창변(18)과 자켓입구(29)를 통하여 냉각자켓(26)의 직선홈(46)과 원통홈(47,48)으로 이뤄져 있는 자켓공간으로 유입되고, 이 자켓공간을 통과하는 동안에 전동부(6)에서 발생되는 열을 흡수하기 때문에 고정자(28)를 냉각시키게 된다.

이렇게 상기 냉각자켓(26)의 자켓공간을 통해 자켓출구(30)로 배출되는 액냉매 또한 기액분리기(24)로 유입된다.

상기 기액 분리기(24)내의 액냉매는 재열교환기(25)를 지나는 동안 증발기(2)로부터 다른 일측유로(20)를 거쳐 원심압축기(5)의 제1압축실(3)으로 유입되는 가스냉매에 의하여 증발에 적합하도록 더욱 냉각되고, 이렇게 냉각된 액냉매는 주팽창변(15)에 의하여 팽창되면서 증발기(2)의 입구(2a)로 유입되어 증발되기 시작한다.

이렇게 증발기(2)의 입구(2a)를 통과한 액냉매는 계속하여 증발되면서 증발(기화)시 필요한 기화열만큼 증발기(2) 주위의 열을 흡수함으로써 냉각효과를 얻는 것이다.

상기 증발기(2)의 주위로부터 충분한 기화열을 흡수하지 못한 가스냉매는 증발기(2)의 출구(2b)로 배출된 후 재열교환기(25)를 거치면서 기액분리기(24)로부터 증발기(2)측으로 공급되는 액냉매가 갖고 있는 열을 흡수하게 되고, 이로 인해 온도가 상승되어 과열증기 상태의 가스냉매는 2단 원심압축기(5)측으로 흡입되게 된다.

또, 본 발명을 적용한 냉방 사이클은 냉방능력을 무단으로 조절할 수 있으며, 이는 센서(32)에 따라 전동부(6)의 회전자(42) 회전수를 무단으로 제어함으로써 가능하다.

또한, 주파수 제어장치(31)는 가스 베어링(44,57,58)에 의해 회전가능케 지지된 회전축(43)의 칼라(43a)와 그 양단이 가스 베어링(44,57,58)의 표면으로부터 이탈되는 시점까지 회전자(42)의 회전수를 기동부터 점진적으로 증가시킨다.

위와같이 본 발명의 2단 원심압축기는 전동부의 회전축이 드러스트 가스 베어링과 함께 유동성 축받이 수단으로 이뤄져 있기 때문에 전동부의 고속회전에 의한 무리가 야기되지 않으며, 그리고, 전동부의 내부공간에 저온의 액냉매가 공급되고 고정자와 외통의 끼워맞춤 부분에도 별도의 냉각유로가 구성됨으로써 전동부 냉각 효과가 우수하다.

또, 본 발명은 2단 원심압축기를 포함한 냉방 사이클이 2단 원심압축기의 전동부로 제공되는 냉매를 원활하게 소통시키면서 2단 원심압축기의 제1압축실로 제공되는 가스냉매는 재열교환기에 의하여 건증기 상태로 공급됨으로써 원심압축기의 냉각 효율을 최대로 높일수 있는 것이다.

또, 본 발명은 상 변화시 단위 질량당 엔탈피 차가 적은 저압 압축형(최대 5 내지 8 기압)이면서 생태학적으로 위해가 없는 고분자량 및 저압 특성을 갖는 저압냉매(RC-318, R-218, RC-31-10등)를 사용할 수 있도록 설계 되어져 있기 때문에 오존층 파괴에 따른 환경피해 문제를 적극적으로 배제할 수 있는 것이다.

Claims (9)

1. 양단의 제1, 2압축부(37,38) 사이에 전동부(6) 냉각을 위한 냉각유로를 갖고있는 밀폐된 전동부(6)가 구비되어져 있고, 이 전동부(6)의 회전축(43)에는 이 회전축(43)의 고속회전시 기구적 진동방지를 위한 유동성 축받이 수단과 축 결합 부위에서 기계적 무마찰을 위한 가스 베어링 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
2. 제1항에 있어서, 상기 유동성 축받이 수단은 카던 지지부로 구성된 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
3. 제1항에 있어서, 상기 전동부(6)의 냉각유로는 고정자(28)의 냉각자켓(26) 외주면과 외통(10)의 끼워맞춤 부분에 형성되어져서 고정자(28)를 냉각시키기 위한 냉각유로와, 상기 회전자(42)의 회전자 코어와 마주하는 고정자(28)의 내주면에서 전동부(6)의 공극 사이로 가스냉매가 원활하게 흐르도록 일정한 간격으로 형성시킨 직선홈(51)들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
4. 제3항에 있어서, 상기 냉각유로는 고정자(28) 외측의 냉각자켓(26) 외주면에 축방향으로 형성시킨 다수의 직선홈(46)들과, 이들의 직선홈(46) 양끝단 위치에서 외통(10)의 내주면을 따라 형성되어져 있는 다수의 원통홈(47,48) 및 이 원통홈(47,48)들과 이어져 있는 자켓입구(29)와, 자켓출구(30)로 이뤄져 있는 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
5. 제1항에 있어서, 상기 가스 베어링 수단은 회전자(42)의 회전축(43)의 양단에 이들을 무마찰 수단으로 지지하도록 설치한 레이디얼 가스 베어링(44)으로 이뤄져 있는 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
6. 제2항에 있어서, 상기 카던지지부는 칼라(43a)의 외측으로 끼워지고 칼라(43a)의 중심을 가로지르는 2개의 힌지홀(d)들을 축으로하여 회전되게 설치되어져 있는 내측 카던링(52)과, 이 내측 카던링(52)의 외측으로 끼워진 상태에서 지지할 수 있도록 그 중심을 가로지르는 일직선상에 세트스크류(61)가 체결되는 2개의 스크류홀(c)이 형성되고 상기 내측 카던링(52)의 중심에서 평면상 90°교차되는 일직선상에 설치된 외통(10)의 세트스크류(62)에서 2점 지지에 의해 회전되도록 힌지홀(b)들이 형성되어져 있는 외측 카던링(53)으로 이뤄져 있는 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
7. 제2항에 있어서, 상기 카던 지지부에는 가스 베어링 수단이 구비되어져 있으며, 이 가스 베어링 수단은 드러스트 상/하 가스 베어링(57,58)으로 이뤄져 있는 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
8. 제5항에 있어서, 상기 레이디얼 가스 베어링(44)은 120°간격으로 분할되어 있는 3개의 호형 조각편(44a,44b,44c)이 하나의 원형을 이루도록 형성되어져 있고, 이호형 조각편(44a∼44c)들은 그 중앙에서 일측으로 약간 편심된 위치의 외주면에 반구형 홈(44d)이 형성되어져 있으며, 상기 호형 조각편(44a∼44c)들은 하우징(44e)의 중심을 향하여 120°간격으로 관통된 세트스크류(55)가 스크류홀(54a)을 통하여 반구형 홈(44d)에 각각 끼워진 상태에서 회전축(43)이 회전가능케 지지될 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
9. 제7항에 있어서, 상기 드러스트 상/하 가스 베어링(57,58)은 회전축(43)의 칼라(43a)와 접촉되는 면에 축공(g)을 향하여 방사상으로 형성시킨 다수의 직선홈(e)들과, 이 직선홈(e)으로부터 얇은 부체꼴 형상으로 연설되어져서 기체막을 형성하기 위한 부체꼴홈(f)들이 구비되어져 있는 것을 특징으로 하는 2단 원심압축기.