KR100241545B1 - 2단 원심압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉방사이클에의 적용이 적합한 2단 원심압축기에 관한 것으로서, 회전축을 가스다이내믹베어링으로 지지하여 윤활 수단이 필요 없으며, 또 윤활 수단이 요구되지 않아 시스템구성이 단순하고 무게가 가벼우며 부피도 작아 에어컨디셔너와 같은 냉방사이클 등에 용이하게 적용시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 내면부위에 코일(14)을 일정하게 배열시킨 고정자(12)가 외통(13)의 내면에 끼워지며 상기 고정자(12) 내부에서 고속회전이 가능하도록 회전축(17)에 회전자 코어(16)를 형성시킨 회전자(11)로 된 전동부(10); 이 전동부(10)의 회전축(17)이 고속 회전될 수 있도록 그 양단부분을 기계적인 마찰이 없는 레이디얼 및 스러스트 가스베어링(22,23)으로 지지된 베어링부(20); 상기 전동부(10)의 상하에 각각 설치되며 상기 전동부(10)의 외통(13)과 격리된 한쪽끝단에서 1차로 압축하고 다른 끝단에서 이를 다시 2차로 압축하는 압축부(30);를 포함하는 2단 원심압축기에 있어서, 상기 전동부(10)는 외통(13) 내면과 고정자(12) 외측의 냉각재킷(15) 사이에 원통홈(153)이 형성되고 이 고정재킷(15)의 원통홈(153) 상하양단에 전동부(10)의 내부공간과 유통되는 냉매구멍(155,156)이 형성되며 상기 냉각재킷(15)의 원통홈(153)과 유통되게 외통(13) 중앙부분에 냉매입구(130)가 형성되고 냉각재킷(15)의 냉매구멍(155,156) 상/하부에 위치되는 외통(13)에는 전동부(10)의 내부공간과 유통된 냉매출구(131,132)가 형성됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기를 요지로 한다.

Description

2단 원심압축기{two-stage centrifugal compressor}

본 발명은 냉방사이클에의 적용이 적합한 2단 원심압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉동사이클을 따라 순환되는 냉매가 고정자의 고정재킷으로 공급되고 전동부내의 공간을 통하여 배출되는 냉매통로가 구비되고 전동부의 회전축과 그 접촉부분의 마찰을 제거하기 위한 가스다이내믹베어링(gas-dynamic bearing)이 구비됨으로써 전동부의 회전속도를 초고속으로 향상시켜 오존 친화적인 저압냉매(ozone-friendly refrigerant)의 사용이 가능하고, 나아가 압축기의 부피 및 무게를 최소한으로 하면서도 고효율의 압축성능을 얻을 수 있는 2단 원심압축기에 관한 것이다.

종래의 2단 원심압축기는 주로 대형 냉방시스템에 적용되는 것으로, 중앙의 전동부 양단에 제1, 제2압축부가 구비되어 있고, 냉방사이클에 의하여 순환되는 냉매를 전동부측으로 순환시켜 전동부에서 발생된 열을 냉각시키며, 상기 전동부의 회전축 및 임펠러에 접촉부의 마찰을 줄일 수 있도록 윤활제(lubricant)의 급유통로가 구성되어 있다.

이러한 종래의 2단 원심압축기는 전체 구성이 전동부의 고속회전에 따른 고열이나 마찰의 발생으로 인한 기계적 장애를 효율적으로 제거할 수 없기 때문에 그 회전속도를 저속으로 유지할 수밖에 없는 것이었으며, 전동부의 회전속도가 저속인 상태에서 원하는 용량의 냉방특성을 얻기 위해서는 제1, 제2압축부의 임펠러 크기가 상대적으로 커져야 하는 것이었다.

그러므로, 이들 임펠러의 크기가 크게되면 이것을 수용하는 하우징 등의 크기가 커져야 하기 때문에 결과적으로 압축기의 전체 부피 및 무게가 대형이 될 수밖에 없었으며, 특히 종래의 2단 원심압축기는 R-114와 같은 냉매를 사용하여 왔으나, 이와 같은 냉매는 오존층을 파괴하기 때문에 사용량이 규제되고 있다.

한편, 미국특허 제5,350,039호에는 에어컨디셔너에 사용될 수 있는 소용량의 2단 원심압축기가 소개되어 있다. 이 미국특허에 개시된 2단 원심압축기는 전동부, 전자 제어부 및 압축부가 내장된 하우징과, 저압의 냉매 및 윤활제의 혼합물이 순환되는 순환통로로 구성되어 있으며, 상기 하우징은 중앙부에 전동부가 설치되고 그 양단에 1차로 압축된 냉매를 다시 2차로 압축시키는 제1 및 제2압축부가 구성되어 있다.

이 미국특허에 개시된 발명의 가장 특징적인 사항은 윤활제가 냉매와 혼합된 상태로 냉매의 순환통로를 따라 순환하면서 전동부에서 발생되는 고열을 냉각시킴과 동시에 회전축 및 임펠러 등의 접촉부분의 마찰저항을 감소시키도록 구성되어 있으므로 윤활제를 별도로 분리시켜 순환시키는 구성이 필요 없다는 점이다.

또, 전동부의 고속회전에 의하여 발생되는 고열을 냉각시키기 위하여, 냉매와 윤활제의 혼합유체가 제1,제2압축부로 압축되어 전동부를 순환한 후에 배출되도록 되어있다는 점이다.

그러나, 이러한 종래의 발명은 윤활제가 냉매와 혼합되어 순환되기 때문에 냉매의 냉각효율이 높지 않고, 회전축이나 임펠러의 접촉부분에 대한 윤활제의 마찰감소효율도 떨어지며, 그 구조가 복잡하고 정밀성을 요하기 때문에 정밀한 설계와 정밀한 제어기술이 요구된다는 문제점이 있었다.

특히, 이 종래 발명에 있어서는 이것의 압축기 특성상 임펠러의 흡입압력이 대기압보다 낮은 0.3∼0.7기압의 저압상태를 유지해야 하므로 균열과 같은 미세한 틈새에 의하여도 밀폐된 압축기내부로 외부공기가 유입될 수 있고, 압축기의 내부로 외부공기가 유입되게되면 냉매와 화학반응을 일으켜 염산 등을 생성하기 때문에 압축기 성능을 현저히 떨어뜨리거나 그 내부를 손상시키는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은 회전축을 가스다이내믹베어링으로 지지하여 윤활 수단이 필요 없으며, 이로 인하여 별도의 윤활 수단 등이 요구되지 않으므로 시스템 구성이 단순하고 무게가 가벼움은 물론 부피도 작아 에어컨디셔너와 같은 냉방사이클 등에 용이하게 적용시킬 수 있는 2단 원심압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 압축기의 시스템 구성이 단순하고 윤활 수단 등을 요구하지 않기 때문에 그 가격이 저렴하고, 취급 및 관리가 용이한 2단 원심압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 임펠러의 고속회전(3500∼60000RPM)을 가능하게 함으로써 오존층을 파괴하지 않고 원심압축이 용이하면서 비체적이 큰 저압냉매를 사용할 수 있는 2단 원심압축기를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 2단 원심압축기를 축 방향에서 잘라본 단면도,

도 2는 도 1에서 전동부의 고정재킷 부분을 발췌하여 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명의 레이디얼 가스베어링 부분을 발췌하여 나타낸 분해 사시도,

도 4는 본 발명의 스러스트 가스베어링 부분을 발췌하여 나타낸 분해 사시도,

도 5는 본 발명의 2단 원심압축기를 이용한 냉방사이클의 실시예도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 전동부 11: 회전자

12: 고정자 13: 외통

14: 코일 15: 고정재킷

16: 회전자 코어 17: 회전축

20: 베어링부 21,21a: 베어링하우징

22: 레이디얼 가스베어링 23: 스러스트 가스베어링

24: 동심 하우징 25a-25c: 스크루

26: 실링 하우징 30: 압축부

31a,31b: 임펠러 32a,32b: 압축 케이싱

33a,33b: 디퓨저 하우징 34a: 제1압축실

34b: 제2압축실

상기의 목적들을 구현하기 위하여 본 발명은 내면부위에 코일을 일정하게 배열시킨 고정자가 외통의 내면에 끼워지며 상기 고정자 내부에서 고속회전이 가능하도록 회전축에 회전자 코어를 형성시킨 회전자로 된 전동부; 이 전동부의 회전축이 고속 회전될 수 있도록 상기 회전축의 양단부분을 기계적인 마찰이 없는 레이디얼 및 스러스트 가스베어링으로 지지된 베어링부; 상기 전동부의 상하에 각각 설치되며 상기 전동부의 외통과 격리된 한쪽끝단에서 1차로 압축하고 다른 끝단에서 이를 다시 2차로 압축하는 압축부;를 포함하는 2단 원심압축기에 있어서, 상기 전동부는 외통 내면과 고정자 외측의 냉각재킷 사이에 원통홈이 형성되고 이 고정재킷의 원통홈 상하양단에 전동부의 내부공간과 유통되는 냉매구멍이 형성되며 상기 냉각재킷의 원통홈과 유통되게 외통 중앙부분에 냉매입구가 형성되고 냉각재킷의 냉매구멍 상/하부에 위치되는 외통에는 전동부의 내부공간과 유통된 냉매출구가 형성됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 2단 원심압축기를 첨부도면에 의거 좀더 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 2단 원심압축기를 나타내었다. 여기서는, 밀폐된 외통(13)의 내부에 설치되어 회전력을 발생시키는 전동부(10)와, 이 전동부(10)의 양단에서 회전축(17)을 기계적인 마찰이 없는 상태로 고속회전이 가능하도록 레이디얼 및 스러스트 가스베어링(22,23)들로 지지되는 베어링부(20)와, 상기 전동부(10)의 상하에 각각 설치되어 한쪽끝단에서 1차로 압축하고 이를 다시 2차로 압축하는 압축부(30)의 3부분으로 구성되어 있다.

상기 전동부(10)는 회전축(17)의 상/하단에 압축부(30)의 임펠러(31a,31b)들이 결합되어 있는 회전자(11)와, 이 회전자(11)의 회전자 코어(16)를 전자계작용으로 회전시키는 고정자(12)와, 이들을 전체적으로 감싸면서 임펠러(31)측으로는 개방된 원통형의 외통(13)으로 구성된다.

상기 전동부(10)의 고정자(12)는 내면부분에 코일(14)이 감겨지고 그 외측을 감싼 상태로 형성된 냉각재킷(15)이 외통(13)내에 압입되어 있으며, 상기 전동부(10)의 회전자(11)는 고정자(12)와 대향하는 위치에 회전자 코어(16)를 갖는 회전축(17)이 형성되어 있고 이 회전축(17)의 하부에는 스러스트 가스베어링(23)에 의해 지지되는 칼라(17a)가 일체로 형성되어 있다.

상기 외통(13)의 내면에 끼워 맞춰지는 냉각재킷(15)은 도 2에 나타낸 바와 같이 냉각재킷(15) 외측 상/하단의 돌출부(151,152)에 의해 원통홈(153)이 형성되고 상기 돌출부(151,152)에는 원통홈(153)과 상호 유통되게 냉각재킷(15)의 중심선방향으로 다수의 냉매구멍(155,156)들이 천공되어 있다.

상기 외통(13)에는 고정자(12) 외측의 냉각재킷(15)에 형성된 원통홈(153)과 유통되는 냉매입구(130)가 형성되어 있고 상기 냉각재킷(15)의 냉매구멍(155,156) 상/하부에 위치되는 외통(13)에는 전동부(10)의 내부공간과 유통되게 냉매출구(131,132)가 형성되어 있으며, 이 냉매출구(131,132)에는 압축부(30)의 제1,제2압축실(34a,34b)에 이르기까지 연결관(35)이 연결되어 있다.

상기 베어링부(20)는 외통(13) 양단의 베어링하우징(21) 내측의 레이디얼 가스베어링(22)에 의해 회전되게 지지되어 있고, 상기 회전축(17)의 칼라(17a)가 스러스트 가스베어링(23)으로 감싸져서 회전되게 지지되어 있다. 상기 레이디얼 가스베어링(22)과 스러스트 가스베어링(23)은 회전축(17)의 회전시 기계적인 마찰이 없는 회전을 위하여 구비되어 있다.

한편, 상기 회전축(17)의 양단을 지지하는 레이디얼 가스베어링(22)은 도 3과 같이 좀더 구체적으로 나타내었다.

여기서는, 120°간격으로 분할된 3개의 호형 조각편(221)들이 하나의 원통형을 이루도록 형성되어 있고, 이 호형 조각편(221)들은 그 중앙에서 일측으로 약간 편심된 위치의 외면에 반구홈(222)이 제각기 형성되어 있다.

상기 호형 조각편(221)들은 베어링하우징(21)의 중심을 향하여 120°간격으로 관통된 스크루홀(211)을 통해 세트스크루(212)가 체결되고 이 세트스크루(232)의 선단이 호형 조각편(221)의 반구홈(222)에 각각 끼워진 상태에서 회전축(17)이 회전 가능케 지지되어 있다.

또, 상기 베어링하우징(21)은 전동부(10)의 고정자(12)와 동심을 이루도록 외통(13) 양단의 동심하우징(24)에 스크루(25a)로 고정되어 있고, 상기 베어링하우징(21)에는 압축부(30)와의 경계를 이루는 실링 하우징(26)과 디퓨저 하우징(33a,33b)이 복수의 스크루(25b)에 의해 고정되어 있다.

한편, 상기 회전축(17)의 칼라(17a)를 지지하는 스러스트 가스베어링(23)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 3개의 호형 조각편(221)들로 이루어진 레이디얼 가스베어링(22)이 설치된 베어링하우징(21a) 상단에 마련되어 있으며 이는 스페이서링(231)과 상/하측 가스베어링(233,234) 및 고정링(232)으로 구성된다.

상기 베어링하우징(21a)은 상단에 회전축(17)의 칼라(17a)와 함께 하측 가스베어링(234)이 삽입되는 정도의 깊이로 베어링 설치홈(213)이 형성되어 있고 그 상단으로부터 베어링 설치홈(213)의 하단에 이르기까지 그 외측부분을 방사상으로 절결시킨 냉매유로(214)가 형성되어 있다.

상기 스페이서링(231)의 상/하면에는 상/하측 가스베어링(233,234)이 한 쌍을 이루도록 배치되어 있으며, 이 상/하측 가스베어링(233,234)은 칼라(17a)와 접촉되는 면에 다수의 직선홈(235)들이 축공(236)을 중심으로 하여 방사상으로 형성되어 있고 이 직선홈(235)에는 회전축(17)의 회전방향으로 기체막을 형성할 수 있도록 얇고 넓은 부채꼴홈(237)이 제각기 형성되어 있다.

상기 스러스트 가스베어링(23)을 이루는 상측 가스베어링(233)은 조립성을 고려하여 2조각으로 된 반원형의 가스베어링(233a,233b)으로 분할되어 있으며, 상기 상측 가스베어링(233a,233b)들은 그 반원의 중심부와 주연부를 제외한 부분에 반원의 돌출부(238)가 제각기 형성되어 있다.

상기 상측 가스베어링(233)과 고정링(232)의 주연부에는 회전축(17)의 칼라(17a) 외부측에 끼워지거나 씌워진 상태에서 다수의 스크루(25c)로 체결하기 위하여 동일한 반경 위에 일정간격으로 다수의 관통홀(239)이 천공되어 있고 상기 베어링하우징(21a)의 외주연부에는 상기 상측 가스베어링(233) 및 고정링(232)의 관통홀(239)과 상응하여 결합되는 스크루홀(210)이 형성되어 있다.

이러한 구성으로 된 스러스트 가스베어링(23)의 조립과정을 참고적으로 설명하면, 베어링하우징(21a)의 베어링 설치홈(213)에 하측 가스베어링(234)과 스페이서링(231)을 순차적으로 끼우고 이 스페이서링(231)내에 회전축(17)의 칼라(17a)가 위치되도록 끼운 다음 이 칼라(17a)의 상면에 상측 가스베어링(233a,233b)을 고정링(232)과 함께 올려놓고 이 고정링(232)의 상부로부터 복수의 스크루(25c)를 체결시켜 조립한다.

상기 압축부(30)는 전동부(10)의 회전축(17)이 관통된 베어링하우징(21,21a)의 외측단에 외통(13)의 양단을 실링 하우징(26)으로 밀폐되어 있으며, 상기 회전축(17)의 양단에는 다수의 날개를 갖는 임펠러(31a,31b)가 압축 케이싱(32a,32b) 내부에 구비시킨 디퓨저 하우징(33a,33b)의 디퓨져 내에서 회전 가능케 고정되어 있다.

상기 압축부(30)에는 임펠러(31a,31b)를 감싼 디퓨저 하우징(33a,33b) 외측의 압축 케이싱(32a,32b) 내부에 제1,제2압축실(34a,34b)들이 형성되어 있으며, 상기 압축 케이싱(32a,32b)에는 압축하고자 하는 냉매가스가 들어오는 흡입관(321,322)이 회전축(17)의 중심선상에 형성되어 있다.

상기 압축 케이싱(32a,32b)에는 압축유체출구(323,324)가 형성되되 상기 압축 케이싱(32a)의 압축유체출구(323)는 제2압축실(34b)의 흡입관(324)과 유통되도록 연결되어 있고 상기 압축 케이싱(32b)의 압축유체출구(324)는 냉방사이클을 이루는 응축기의 입구와 유통되도록 연결되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 전동부(10)의 고정자(12)에 감겨진 코일(14)로 전원이 인가되면 코일(14)의 배열에 따라 순차적으로 발생되는 자계가 회전자(11)의 회전축(17)을 회전시킨다. 이때, 회전축(17)이 회전되면서 그 양단은 레이디얼 가스베어링(22)을 이루는 호형 조각편(221)들이 제각기 하나의 세트스크루(212)에 의해 편심된 상태로 지지되어 있기 때문에 회전축(17)과 함께 요동한다.

따라서 상기 호형 조각편(221)들이 요동될 때 회전축(17)의 외면과 호형 조각편(221)의 내면사이에는 전동부(10)의 내부로 흐르는 가스냉매가 빨려 들어가 기체박막을 형성하게 된다.

이러한 상태에서 회전축(17)이 일정한 회전수에 도달되면 호형 조각편(221)들은 정적인 상태로 유지되게 되므로 회전축(17)은 호형 조각편(221)들의 정 중앙에서 뜬 상태로 마찰 없이 회전되는 것이다.

이와 동시에 도 4와 같이 나타낸 베어링하우징(21a)의 스러스트 가스베어링(23)은 하측 가스베어링(234)의 상면에 칼라(17a)의 하면이 맞닿은 상태로 있다가 상기 칼라(17a)가 회전되면 전동부(10)의 내부로 흐르는 가스냉매가 베어링 설치홈(213) 외측의 냉매유로(214)들과 하측 가스베어링(234)의 직선홈(235)들을 통해 부채꼴홈(237)으로 빨려 들어가 기체박막이 형성되게 된다. 따라서 회전축(17)의 칼라(17a)는 상/하측 가스베어링(233,234) 사이의 중앙에서 뜬 상태로 마찰 없이 회전되는 것이다.

따라서, 2단 원심압축기의 회전축(17)은 제1압축실(34a)에서 1차 압축된 가스냉매의 압력과 제2압축실(34b)에서 2차 압축된 가스냉매의 압력차이로 인하여 도면 도 1에서 하부 측으로 쏠리거나 상기 전동부(10)의 초기구동시 회전축(17)이 일측으로 쏠리게 되는 등의 현상으로 야기되는 회전축(17)의 진동이 방지되게 된다.

또, 상기와 같은 2단 원심압축기는 레이디얼 및 스러스트 가스베어링(22,23)으로 인하여 2단 원심압축기(1)의 회전축(17) 부위에 기계장애가 발생하지 않아 기기의 동작신뢰성을 갖으며 저속에서 초고속 회전(3500∼60000rpm)에 이르기까지 무리 없는 동작을 기대할 수 있는 것이다.

한편, 이와 같이 회전축(17)이 고속으로 회전되면서 전동부(10)에서 발생하는 열은 외통(13)의 냉매입구(130)로부터 유입된 액체냉매가 흐르면서 고정자(12)를 감싼 냉각재킷(15) 외측의 원통홈(153) 및 냉매구멍(155,156)들을 통과하는 동안 고정자(12)의 코일(14)에서 발생되는 열을 액체냉매가 가스냉매로 증발됨에 따른 기화열로 빼앗아가므로 고정자(12)를 냉각시킨다.

이를 부언하면, 상기 고정자(12)는 냉각재킷(15)의 냉매구멍(155,156)들로부터 외통(13)의 밀폐공간인 전동부(10)의 내부공간을 통해 냉매출구(131,132)로 흐르는 가스냉매에 의하여 냉각되기 때문에 전동부(10)의 동작에 따르는 과열을 방지한다. 따라서 상기 전동부(10)가 구동중에는 계속하여 냉각되기 때문에 그 전동부(10)는 항시 최적의 운전상태로 유지되게 된다.

이와 같이 전동부(10)가 구동됨에 따라 회전축(17)과 함께 그 양단의 임펠러(31a,31b)가 고속으로 회전되게 되고, 이들 중 임펠러(31a)의 회전으로 인한 흡인력에 의해 하부측 압축 케이싱(32a)의 흡입관(321)으로 유입된 가스냉매는 임펠러(31a)와 디퓨저 하우징(33a)의 디퓨저를 통해 제1압축실(34a)에서 1차로 압축되게 된다.

상기 제1압축실(34a)에서 압축된 가스냉매는 압축유체출구(323)로부터 연결관(35)을 통하여 배출되고 이 연결관(35)으로 배출된 가스냉매에 외통(13)의 밀폐된 내부공간을 통과한 가스냉매와 합류되게 된다.

이와 같이 합류된 가스냉매는 다시 2단 압축을 위한 하부측 압축부(30)의 임펠러(31b)또한 회전축(17)과 함께 회전됨에 따라 발생되는 흡인력으로 인해 상부측 압축 케이싱(32b)의 흡입관(322)으로부터 유입된 후, 제2압축실(34b)의 임펠러(31b) 및 디퓨저 하우징(33b)의 디퓨저를 통해 제2압축실(34b)에서 2차로 압축된다. 상기 제2압축실(34b)에서 압축된 가스냉매는 압축유체출구(324)를 통해 응축기(2)측으로 공급되게 된다.

한편, 도 5는 본 발명의 2단 원심압축기(1)를 냉방사이클에 적용한 일 실시 예를 나타내었다.

여기에서의 냉방사이클은 냉매가 2단 원심압축기(1)→ 응축기(2)→ 기액분리기(3)→ 증발기(4)로 순환되는 폐 사이클을 이루며, 부언하면 상기 2단 원심압축기(1)의 제2압축실(34b)→응축기(2)의 입구→응축기(2)의 출구→제1보조팽창밸브(5)→기액분리기(3)→메인 팽창밸브(6)→증발기(4)의 입구→증발기(4)의 출구→2단 원심압축기(1)의 제1압축실(34a)을 통해 순환되게 된다.

또 상기 2단 원심압축기(1)의 전동부(10)에는 응축기(2)의 출구로부터 배출되는 액체냉매중의 일부가 제2보조팽창밸브(7)→외통(13)의 냉매입구(130)→냉각재킷(15)의 원통홈(153)→냉매구멍(155,156)을 통과하면서 가스냉매로 완전하게 증발되고 이 가스냉매는 전동부(10)의 밀폐된 내부공간→외통(13) 상/하부의 냉매출구(131,132)→연결관(35)→2단 원심압축기(1)의 제2압축실(34b)로 순환되게 된다.

주파수제어기(9)는 상기 전동부(10)에 전기적으로 연결되어 있으며 이는 증발기(4)를 통과하는 공기온도를 측정한 센서(8)의 측정값에 따라 전동부(10)의 회전수를 제어한다.

본 발명의 2단 원심압축기(1)에 적용된 냉매는 원심압축에 용이하도록 비체적이 크고 분자량이 200이상이며 생태학적으로 위해가 없는 저압냉매를 사용하며 이러한 저압냉매는 예를 들어 RC-318, R-218, R-236fa, R-31-10등이 있다.

이러한 냉방사이클의 작동과정을 참고적으로 설명하면, 파워코드(도시되지 않았음)를 통해 전동부(10)에 전원이 인가되면 2단 원심압축기(1)가 운전을 시작함에 따라 증발기(4) 주위로부터 충분하게 기화열을 흡수한 가스냉매가 2단 원심압축기(1)측으로 흡입되고, 2단 원심압축기(1)의 제1압축실(34a)에서 1차로 압축된 후 제2압축실(34b)의 흡입관(322)으로 이송되는 것이다.

이때, 기액분리기(3)에서 공급된 가스냉매는 외통(13)의 냉매출구(131,132)를 통하여 배출되는 가스냉매와 제1압축실(34a)에서 배출되는 가스냉매 등이 합류된 상태에서 2단 원심압축기(1)의 제2압축실(34b)에서 2차로 압축된 후 압축유체출구(324)를 통해 응축기(2)의 입구로 향한다.

상기 응축기(2)는 냉각공기에 의하여 가스냉매를 액체냉매로 응축시키고 이와 같이 응축된 대부분의 액체냉매는 응축기(2)로부터 제1보조팽창밸브(5)에 이르기까지 이송된 후 이 제1보조팽창밸브(5)에 의해 기액분리기(3)에서 중간압까지 팽창되게 된다. 이렇게 액체냉매가 중간압까지 팽창되면서 기액분리기(3)의 내부에는 기체와 액체의 혼합상태로 유지되고 수력학적원리에 따라 가스냉매와 액체냉매로 분리되게 된다.

한편, 상기 응축기(2)로부터 분기된 통로를 통하여 흐르는 적은 양의 액체냉매는 제2보조팽창밸브(7)와 외통(13)의 냉매입구(130)를 통하여 냉각재킷(15)의 원통홈(153)으로 유입되고, 이 원통홈(153)을 통과하는 동안에 전동부(10)에서 발생되는 열을 흡수하기 때문에 고정자(12)를 냉각시키게 된다.

이렇게 냉각재킷(15)의 냉매구멍(155,156)을 통해 외통(13)의 내부공간으로 배출되는 가스냉매는 다시 내부공간에 설치되어진 고정자(12)와 회전자 코어(16) 부분을 냉각시킴과 동시에 회전축(17) 상/하단의 레이디얼 및 스러스트 가스베어링(22,23)으로 공급되어 기계적인 접촉부분을 냉각시킨 후 외통(13)의 냉매출구(131,132)를 통해 연결관(35)으로 배출되게 된다.

상기 기액분리기(3)내의 액체냉매는 메인 팽창밸브(6)에 의하여 팽창되면서 증발기(4)의 입구로 유입되어 증발되기 시작한다. 이렇게 증발기(4)의 입구를 통과한 액체냉매는 계속하여 증발되면서 증발(기화)시 필요한 기화열만큼 증발기(4) 주위의 열을 흡수함으로써 냉각효과를 얻는 것이다.

이와 같이 증발기(4)를 통과하면서 흡수한 열에 의해 증발(기화)된 가스냉매는 2단 원심압축기(1)측으로 흡입되게 된다.

또, 본 발명을 적용한 냉방사이클은 증발기(4)측의 센서(8)에 따라 전동부(10)의 주파수제어기(9)가 전동부(10)를 제어하므로 회전자(17)의 회전수가 무단으로 제어할 수 있고 이로 인하여 냉방능력을 무단으로 조절할 수 있는 것이다.

또한, 주파수제어기(9)는 스러스트 가스베어링(23)에 의해 회전 가능케 지지된 회전축(17)의 칼라(17a)와 그 양단이 레이디얼 가스베어링(22)의 표면으로부터 이탈되는 시점까지 회전자(11)의 회전수를 기동부터 점진적으로 증가시킨다.

위와 같이 본 발명에 따른 2단 원심압축기는 전동부의 회전축이 레이디얼 및 스러스트 가스베어링으로 지지되어 있기 때문에 전동부의 고속회전에 의한 무리가 야기되지 않으며, 또 외통의 내면에 끼워 맞춰진 고정재킷을 통해 전동부의 내부공간에도 별도의 냉각통로가 구성됨으로써 전동부의 냉각효과가 우수하다.

또, 본 발명은 2단 원심압축기를 포함한 냉방사이클이 2단 원심압축기의 전동부로 제공되는 냉매를 원활하게 소통시키므로 원심압축기의 냉각효율을 최대로 높일 수 있는 것이다.

또, 본 발명은 원심압축에 용이하도록 비체적이 크고 분자량이 200이상이며 생태학적으로 위해가 없는 저압냉매(RC-318, R-218, R-236fa, R-31-10등)를 사용할 수 있도록 설계되어 있으므로 오존층 파괴에 따른 환경피해문제를 적극적으로 배제할 수 있는 것이다.

Claims (6)

1. 내면부위에 코일(14)을 일정하게 배열시킨 고정자(12)가 외통(13)의 내면에 끼워지며 상기 고정자(12) 내부에서 고속회전이 가능하도록 회전축(17)에 회전자 코어(16)를 형성시킨 회전자(11)로 된 전동부(10); 이 전동부(10)의 회전축(17)이 고속 회전될 수 있도록 상기 회전축(17)의 양단부분을 기계적인 마찰이 없는 레이디얼 및 스러스트 가스베어링(22,23)으로 지지된 베어링부(20); 상기 전동부(10)의 상하에 각각 설치되며 상기 전동부(10)의 외통(13)과 격리된 한쪽끝단에서 1차적으로 압축하고 다른 끝단에서 이를 다시 2차적으로 압축하는 압축부(30);를 포함하는 2단 원심압축기에 있어서, 상기 전동부(10)는 외통(13) 내면과 고정자(12) 외측의 냉각재킷(15) 사이에 원통홈(153)이 형성되고 이 고정재킷(15)의 원통홈(153) 상하양단에 전동부(10)의 내부공간과 유통되는 냉매구멍(155,156)이 형성되며 상기 냉각재킷(15)의 원통홈(153)과 유통되게 외통(13) 중앙부분에 냉매입구(130)가 형성되고 냉각재킷(15)의 냉매구멍(155,156) 상/하부에 위치되는 외통(13)에는 전동부(10)의 내부공간과 유통된 냉매출구(131,132)가 형성됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각재킷(15) 하단의 냉매구멍(156)은 상단의 냉매구멍(155)보다 더 많은 개수로 천공됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
3. 제1항에 있어서, 상기 레이디얼 가스베어링(22)은 하나의 원형을 이루는 호형 조각편(221)들이 120° 간격으로 3분할되고 이 호형 조각편(221)들은 그 외면의 반구형 홈(222)에 베어링하우징(21,21a)의 중심을 향하여 120° 간격으로 관통된 세트스쿠루(212)가 끼워져 지지됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
4. 제1항에 있어서, 상기 스러스트 가스베어링(23)은 베어링하우징(21a) 상단의 베어링 설치홈(213)에 하측 가스베어링(234)과 스페이서링(231)이 끼워지고 이 스페이서링(231)내에 위치되게 회전축(17)의 칼라(17a)를 위치시켜 이 칼라(17a)의 원판면 및 베어링하우징(21a)의 상면에 놓인 상측 가스베어링(233)과 고정링(232)이 다수개의 볼트(25c)로 체결됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
5. 제4항에 있어서, 상기 상/하측 가스베어링(233,234)은 회전축(17)의 칼라(17a)와 접촉되는 원판면에 축공(236)을 중심으로 하여 방사상으로 다수의 직선홈(235)들이 형성되고, 이 직선홈(235)과 연속하여 한쪽으로 얇은 부채꼴 형상의 부채꼴홈(237)들이 형성됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
6. 제4항에 있어서, 상기 베어링하우징(21a)의 베어링 설치홈(213)은 회전축(17)의 칼라(17a)와 함께 하측 가스베어링(234)이 삽입되는 정도의 깊이로 형성되고, 그 상단으로부터 베어링 설치홈(213)의 하단에 이르기까지 그 외측부분을 방사상으로 절결시킨 냉매유로(214)가 형성됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기.

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