KR100273381B1 - 터보 압축기의 구동축 지지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 구동축 지지장치에 관한 것으로, 종래에는 구동축에 구동모터의 회전자와 구동축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링 등이 결합되어 구동축과 일체로 되어 있어 구동축의 자체 하중 뿐만 아니라 스러스트 베어링과 구동모터의 하중에 의해 구동축을 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링에 과도한 하중에 작용하게 되어 초기 구동시 메탈 콘텍트로 인한 부품의 마모가 심하게 발생되는 문제점이 있었는 바, 본 발명은 밀폐용기내에서 압축되는 가스의 일부를 이용하여 구동축의 초기 회전시 발생되는 구동축과 저어널 베어링면과의 마찰을 방지함으로써 부품의 마모로 인한 파손을 방지하여 부품의 수명을 연장시킬 뿐만 아니라 베어링의 신뢰성을 높여 압축기의 전체 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

터보 압축기의 구동축 지지장치

본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로, 특히 구동축의 초기 회전시 발생되는 구동축과 베어링과의 금속 접촉에 의한 마모를 최소화할 수 있도록 한 터보 압축기의 구동축 지지장치에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 공기나 냉매 가스 등의 기체를 압축하는 기계이다. 상기 압축기는 냉동사이클을 구현한 냉동/공조사이클장치를 구성하는 중요한 요소로, 날개차나 로터의 회전운동 또는 피스톤의 왕복운동으로 기체를 압축하게 된다.

제1도는 본출원인이 특허 출원 P97-64567호로 선출원한 바 있는 터보 압축기(일명; 원심 압축기)를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 터보 압축기는 흡입구(1)를 갖는 제1압축실(10)과 토출구(21)를 갖는 제2압축실(20)이 양측에 각각 형성되고 중앙에 모터실(30)이 형성되며 상기 제1압축실(10)과 제2압축실(20)을 연통시킴과 더불어 상기 모터실(30)과 연통되도록 형성된 가스유로(40)를 구비하여 이루어진 밀폐용기(100)와, 상기 모터실(30)에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터(200)와, 일측 단부가 상기 제1압축실(10)에 삽입되고 타측 단부가 상기 제2압축실(20)에 삽입되도록 상기 구동모터(200)에 결합되어 구동모터(200)의 구동력을 전달하는 구동축(300)과, 상기 제1압축실(10)에서 회전가능하도록 구동축(300)의 일측단부에 결합되어 흡입구(1)로 유입되는 가스를 1차 압축하여 가스유로(40)를 통해 제2압축실(20)로 유동시키는 제1임펠러(400)와, 상기 제2압축실(20)에서 회전가능하도록 구동축(300)의 타측 단부에 결합되어 1차 압축되어 제2압축실(20)로 유입된 가스를 2차 압축하여 토출구(21)로 토출시키는 제2임펠러(500)를 포함하여 구성된다.

상기 밀폐용기(100)에 형성된 모터실(30)은 소정의 직경과 길이를 갖는 원통형으로 형성되며, 상기 모터실(30)의 양측으로 제1압축실(10)과 제2압축실(20)이 각각 형성된다. 상기 가스유로(40)는 상기 모터실(30)의 측부에 걸쳐 형성되며, 가스유로(40)와 모터실(30)사이에는 상기 제1압축실(10)에서 가스유로(40)로 유입된 가스중 일부를 모터실(30)내로 유입시키는 유입통공(50)과, 상기 유입통공(50)을 통해 모터실(30)로 유입된 가스가 구동모터(200)을 냉각시킨 다음 상기 가스유로(40)로 다시 유출시키는 유출통공(60)이 형성된다. 또한 상기 모터실(30)의 양측면에는 구동축(300)의 양단부가 각각 삽입되는 축삽입공(70)이 각각 형성되며, 이 축삽입공(70)은 제1압축실(10)과 제2압축실(20)에 각각 연통된다. 상기 흡입구(1)에는 냉동/공조사이클을 구성하는 증발기(미도시)에서 유입된 냉매 가스를 건조시키는 어큐뮬레이터(600)와 연결되며, 상기 토출구(21)는 응축기(미도시)와 연통되어 있다.

상기 제1압축실(10)은 흡입구(1)와 연통되어 흡입 가스를 유도하는 인듀서부(2)와, 상기 인듀서부(2)와 연통되며 상기 제1임펠러(400)가 삽입되어 흡입되는 가스의 운동에너지를 증가시켜주는 제1임펠러실(3)과, 상기 제1임펠러실(3)과 가스유로(40)를 연통시키며 증가된 가스의 운동에너지를 정압으로 변환시켜 가스유로(40)로 유도하는 베인디퓨져부(4) 및 볼류트부(5)로 이루어진다.

상기 제2압축실(20)은 상기 가스유로(40)와 연통되어 1차 압축된 가스를 유도하는 인듀서부(22)와, 상기 인듀서부(22)와 연통되며 상기 제2임펠러(500)가 삽입되어 유입되는 가스의 운동에너지를 증가시켜주는 제2임펠러실(23)과, 상기 제2임펠러실(23)과 토출구(21)를 연통시키며 증가된 가스의 운동에너지를 정압으로 변환시켜 토출구(21)로 내보내는 베인디퓨져부(24) 및 볼류트부(25)로 이루어진다.

상기 구동모터(200)는 모터실(30)의 내경에 결합되는 비엘디시 모터(Brushless DC MOTOR)로 이루어지며, 이 비엘디시 모터는 회전자부(201)와 고정자부(202)로 구성된다.

상기한 바와 같은 터보 압축기의 작동은 다음과 같다.

상기 터보 압축기는 구동모터(200)에 전류가 인가되면 구동모터(200)가 작동함과 더불어 구동모터(200)의 구동력이 구동축(300)에 전달되어 구동축(300)이 회전하게된다. 상기 구동축(300)의 회전에 의해 구동축(300)의 양단부에 결합된 제1임펠러(400)와 제2임펠러(500)가 각과 회전하게 된다. 상기 제1임펠러(400)와 제2임펠러(500)의 회전력에 의해 어큐뮬레이터(600)를 통과한 냉매 가스가 흡입구(1)를 통해 제1압축실(10)로 유입되어 1차 압축되고, 이 1차 압축된 냉매 가스는 가스유로(40)를 통해 제2압축실(20)로 유입되며, 이 제2압축실(20)로 유입된 1차 압축된 냉매가스는 제2압축실(20)에서 2차 압축되어 토출구(21)를 통해 토출된다. 이 2차 압축되어 토출된 냉매 가스는 냉동/공조사이클을 구성하는 응축기(미도시)로 유입된다. 그리고 상기 구동모터(200)가 고속으로 회전시 구동모터(200)의 손실에 의해 열을 발생하게 되며, 이 발생된 열은 제1압축실(10)에서 1차 압축되어 가스유로(40)를 흐르는 냉매 가스의 일부가 유입통공(50)을 통해 모터실(30)로 유입되어 구동모터(200)를 냉각한 다음 유출통공(60)을 통해 가스유로(40)로 흐르면서 구동모터(200)를 냉각하게 된다.

한편, 상기 제1,2압축실(10,20)에서 각각 회전하면서 냉매 가스를 압축하는 제1,2임펠러(400,500)가 양단부에 결합된 구동축(300)은 제1압축실(10)내의 압력과 제2압축실(20)내의 압력차로 인하여 축방향으로 힘을 받게 될 뿐만 아니라 구동축(300)이 소정의 길이로 이루어져 자체의 하중에 의해 반경방향으로 힘을 받게 되어 구동축(300)의 회전이 원활하지 못하게 됨으로 이를 위하여 구동축(300)의 축방향과 반경방향으로 구동축(300)을 지지하게 된다.

상기 구동축(300)을 지지하기 위한 종래의 구조는 상기 구동축(300)의 양단부에 축방향의 힘을 지지하는 스러스트 베어링(700)이 결합되고, 또한 상기 구동모터(200)의 양측에 위치하도록 구동축(300)에 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링(800)이 결합되어 구동축(300)을 지지하는 구조로 되어 있다. 상기 스러스트 베어링(700)은 모터실(30)을 이루는 양측면에 접촉되도록 구동축(300)의 양측에 결합되어 모터실(30)의 양측면과 베어링면을 이루게 된다. 그리고 상기 레이디얼 베어링(800)은 구동축의 회전시 발생되는 유체의 유동을 이용하는 저어널 베어링이 사용된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 구동축 지지구조는 구동축(300)에 구동모터(200)의 회전자부(201)와 구동축(300)을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링(700) 등이 결합되어 구동축(300)과 일체로 되어 있어 구동축(300)의 자체 하중 뿐만 아니라 스러스트 베어링(700)과 구동모터(200)의 하중에 의해 구동축(300)을 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링(800)에 과도한 하중에 작용하게 되어 초기 기동시 부품의 마모가 심하게 발생되며, 특히 압축기의 온/오프(ON/OFF) 작동이 많을 경우 부품이 파손될 우려가 발생하게 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 구동축의 초기 회전시 발생되는 구동축과 베어링과의 금속 접촉에 의한 마모를 최소화할 수 있도록 한 터보 압축기의 구동축 지지장치를 제공함에 있다.

제1도는 일반적인 터보 압축기의 일예를 도시한 단면도.

제2도는 본 발명의 터보 압축기 구동축 지지장치가 장착된 터보 압축기의 단면도.

제3도는 상기 제2도의 부분 확대도.

제4(a)도는 본 발명의 터보 압축기 구동축 지지장치의 작동전 구동축의 위치를 도시한 단면도.

제4(b)도는 본 발명의 터보 압축기 구동축 지지장치의 작동 상태에서 구동축의 위치를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 제1압축실 20 : 제2압축실

30 : 모터실 40 : 가스유로

100 : 밀폐용기 200 : 구동모터

300 : 구동축 400 : 제1임펠러

500 : 제2임펠러 700 : 스러스트 베어링

800 : 저어널 베어링 810,810´ : 노즐구멍

820,820´ : 노즐 900 : 가스저장탱크

910 : 제1연결관 920 : 제2연결관

930 : 조절밸브 940 : 한방향 밸브

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 제1압축실과 제2압축실이 양측에 각각 형성되고 중앙에 모터실이 형성되며 상기 제1압축실과 제2압축실을 연통시키는 가스유로를 구비하여 이루어진 밀폐용기와, 상기 모터실에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 일측 단부가 상기 제1압축실에 삽입되고 타측 단부가 상기 제2압축실에 삽입되도록 상기 구동모터에 결합되어 구동모터의 구동력을 전달하는 구동축과, 상기 제1압축실에서 회전가능하도록 구동축의 일측 단부에 결합되어 유입되는 가스를 1차 압축하여 가스유로를 통해 제2압축실로 유동시키는 제1임펠러와, 상기 제2압축실에서 회전가능하도록 구동축의 타측 단부에 결합되어 1차 압축되어 제2압축실로 유입된 가스를 2차 압축하여 토출시키는 제2임펠러와, 상기 구동축에 결합되어 구동축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링과, 상기 구동축에 결합되어 구동축을 반경방향으로 지지하는 저어널 베어링을 포함하여 구성된 터보 압축기에 있어서; 상기 밀폐용기의 측부에 설치되는 가스저장탱크와, 상기 압축된 냉매 가스의 일부를 상기 가스저장탱크에 유입되도록 연결하는 제1연결관과, 상기 가스저장탱크의 저장된 냉매 가스가 상기 저어널 베어링과 구동축사이의 베어링면으로 공급되도록 베어링면과 가스저장탱크를 연통시키는 제2연결관과, 상기 제2연결관에 설치되어 정상 운전시 압력 가스의 흐름을 막고 초기 기동시 압력 가스를 흐르게 하여 초기 기동시 가스저장탱크의 압력에 의해 구동축을 부상시키도록 하는 조절밸브를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 터보 압축기의 구동축 지지장치가 제공된다.

이하, 본 발명의 터보 압축기 구동축 지지장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 터보 압축기 구동축 지지장치는, 제2도에 도시한 바와 같이, 먼저, 제1압축실(10)와 제2압축실(20)이 양측에 각각 형성되고 중앙에 모터실(30)이 형성되며 상기 제1압축실(10)과 제2압축실(20)을 연통시키는 가스유로(40)를 구비하여 이루어진 밀폐용기(100)와, 상기 모터실(30)에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터(200)와, 일측 단부가 상기 제1압축실(10)에 삽입되고 타측 단부가 상기 제2압축실(20)에 삽입되도록 상기 구동모터(200)에 결합되어 구동모터(200)의 구동력을 전달하는 구동축(300)과, 상기 제1압축실(10)에서 회전가능하도록 구동축(300)의 일측단부에 결합되어 유입되는 가스를 1차 압축하여 가스유로(40)를 통해 제2압축실(20)로 유동시키는 제1임펠러(400)와, 상기 제2압축실(20)에서 회전가능하도록 구동축(300)의 타측 단부에 결합되어 1차 압축되어 제2압축실(20)로 유입된 가스를 2차 압축하여 토출시키는 제2임펠러(500)와, 상기 구동축(300)에 결합되어 구동축(300)을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링(700)과, 상기 구동축(300)에 결합되어 구동축(300)을 반경방향으로 지지하는 저어널 베어링(800)을 포함하여 구성됨은 종래의 터보 압축기와 같다. 그리고 상기 밀폐용기(100)의 측부에 설치되는 가스저장탱크(900)와, 상기 제1압축실(10)에서 1차 압축된 냉매 가스의 일부를 상기 가스저장탱크(900)에 유입되도록 연결하는 제1연결관(910)과, 상기 가스저장탱크(900)의 저장된 냉매 가스를 상기 저어널 베어링(800)과 구동축(300)사이의 베어링면에 공급하는 제2연결관(920)과, 상기 제2연결관(920)에 설치되어 제2연결관(920)으로 흐르는 냉매 가스를 제어하는 조절밸브(930)를 포함하여 구성된다.

상기 가스저장탱크(900)는 소정의 내부 체적을 갖도록 형성되며, 일측에는 상기 제1연결관(910)과 연통되는 유입공(901)이 형성되고 타측에는 상기 제2연결관(920)과 연통되는 유출공(902)이 형성된다. 그리고 상기 가스저장탱크(900)의 내부에는 가스저장탱크(900) 내부의 압력과 제1연결관(910)내의 압력차에 따라 제1연결관(910)을 개폐하는 한방향 밸브(940)가 설치된다. 상기 한방향 밸브(940)는 제1연결관(910)과 연통되는 유입공(901)을 가스저장탱크(9300)의 내측에서 막는 밸브(941)와 상기 일측이 상기 가스저장탱크(900)에 결합되어 상기 밸브(941)를 탄성적으로 지지하는 스프링(942)으로 이루어진다

상기 제1연결관(910)은 소정의 직경과 길이로 형성되며 일측은 제1압축실(10)에서 1차 압축된 냉매 가스가 제2압축실(20)로 흐르는 가스유로(40)와 연통되게 결합되고 타측은 상기 가스저장탱크(900)의 유입공(901)에 연통되도록 결합된다.

상기 제2연결관(920)은 일측이 상기 가스저장탱크(900)의 유출공(902)에 연통되고 타측은 분지되어 구동모터(200)의 양측에 각각 위치하여 구동축(300)을 지지하는 저어널 베어링(800)에 각각 연통된다. 상기 저어널 베어링(800)에는 구동축(300)과 접촉되는 베어링면과 연통되는 노즐(810) 및 노즐구멍(820)이 형성되고 상기 노즐구멍(820)은 상기 제2연결관(920)과 연통된다.

상기 조절밸브(930)는 솔레노이드 밸브로 함이 바람직하다.

본 발명의 변형예로, 제2연결관(920)과 연통되는 노즐구멍(820) 및 노즐(810)이 형성된 반대측에 위치하도록 저어널 베어링(800)에 상기 가스유로(40)와 연통되는 노즐구멍(820´) 및 노즐(810´)이 형성되고 상기 노즐(810´)은 구동축(300)과 접촉되는 베어링면과 연통된다.

미설명 부호 600은 어큐뮬레이터를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 터보 압축기 구동축 지지장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 구동모터(200)가 작동하기 전의 상태는, 제4(a)도에 도시한 바와 같이, 구동축(300)에 결합되는 스러스트 베어링(700) 및 구동모터(200) 회전자부(201)의 하중과 구동축(300) 자체 하중으로 인하여 구동축(300)이 저어널 베어링(800) 내경의 하면에 위치하게 된다. 상기 구동모터(200)를 작동하기 전에 컨츄롤러(Controller)에 의해 조절밸브(930)를 열게 되면 가스저장탱크(900)에 채워진 가압된 냉매 가스가 제2연결관(920)을 통해 저어널 베어링(800)에 형성된 노즐구멍(820)과 노즐을 통해 구동축(300)에 분사된다. 상기 분사된 냉매 가스에 의해 구동축(300)이, 제4(b)도에 도시한 바와 같이, 부상하게 되며, 이와 동시에 구동모터(200)를 작동시켜 구동축(300)을 회전시키게 된다. 상기 구동축(300)이 회전하게 되면 상기 조절밸브(930)를 닫게 되고 상기 구동축(300)은 저어널 베어링(800)과 유체의 의한 가스 베어링 상태를 유지하면서 회전하게 된다. 그리고 상기 구동축(300)의 회전에 의해 제1,2임펠러(400,500)가 제1,2압축실(10,20)에서 회전하면서 제1압축실(10)에 냉매가스를 흡입하여 1차 압축시키게 되고 이 1차 압축된 냉매 가스는 가스유로(40)를 통해 제2압축실(20)에 유입되어 제2압축실(20)에서 2차 압축되어 토출된다. 그리고 상기 1차 압축되어 가스유로(40)를 통해 흐르던 냉매 가스의 일부는 제1연결관(910)으로 유입되며 상기 가스저장탱크(900)와 제1연결관(910)의 압력차에 의해 한방향 밸브(940)가 열려 가스저장탱크(900)로 1차 압축된 냉매 가스가 유입되어 저장된다.

압축기의 가동이 멈추게 되면 구동모터(200)의 정지에 의해 구동축(300)은 다시 저어널 베어링(800)의 내경 하면에 위치하게 되며, 압축기의 재가동시 상기한 바와 같은 과정을 반복하게 된다.

상기 구동모터(200)의 정지시 조절밸브(930)를 오픈시켜 가스저장탱크(900)에 저장된 냉매 가스를 구동축(300)과 저어널 베어링(800)사이의 베어링면에 공급하게 되면 구동모터(200) 정지시에 발생할 수 있는 구동축(300)과 저어널 베어링(800)사이의 마모를 억제할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 구동축(300)의 고속회전시 유용하게 사용되는 가스베어링에서 가장 문제시 되는 초기 기동시에 발생되는 메탈 콘텍트(Metal Contact)를 해결하게 됨으로써 부품의 마모를 방지하게 된다.

또한, 1차 압축되어 가스저장탱크(900)로 유입되는 가스는 구동모터(200)가 작동시 조절밸브(930)가 닫히게 됨으로 구동축(300)을 지지하기 위해 소모되는 압축가스의 손실은 극히 작게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 터보 압축기의 구동축 지지장치는 압축되는 가스의 일부를 이용하여 구동축의 초기 회전시 발생되는 구동축과 저어널 베어링면과의 마찰을 방지하게 됨으로써 부품의 마모로 인한 파손을 방지하여 부품의 수명을 연장시킬 뿐만 아니라 베어링의 신뢰성을 높여 압축기의 전체 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 제1압축실과 제2압축실이 양측에 각각 형성되고 중앙에 모터실이 형성되며 상기 제1압축실과 제2압축실을 연통시키는 가스유로를 구비하여 이루어진 밀폐용기와, 상기 모터실에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 일측 단부가 상기 제1압축실에 삽입되고 타측 단부가 상기 제2압축실에 삽입되도록 상기 구동모터에 결합되어 구동모터의 구동력을 전달하는 구동축과, 상기 제1압축실에서 회전가능하도록 구동축의 일측 단부에 결합되어 유입되는 가스를 1차 압축하여 가스유로를 통해 제2압축실로 유동시키는 제1임펠러와, 상기 제2압축실에서 회전가능하도록 구동축의 타측 단부에 결합되어 1차 압축되어 제2압축실로 유입된 가스를 2차 압축하여 토출시키는 제2임펠러와, 상기 구동축에 결합되어 구동축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링과, 상기 구동축에 결합되어 구동축을 반경방향으로 지지하는 저어널 베어링을 포함하여 구성된 터보 압축기에 있어서; 상기 밀폐용기의 측부에 설치되는 가스저장탱크와, 상기 압축된 냉매 가스의 일부를 상기 가스저장탱크에 유입되도록 연결하는 제1연결관과, 상기 가스저장탱크의 저장된 냉매 가스가 상기 저어널 베어링과 구동축사이의 베어링면으로 공급되도록 베어링면과 가스저장탱크를 연통시키는 제2연결관과, 상기 제2연결관에 설치되어 정상 운전시 압력 가스의 흐름을 막고 초기 기동시 압력 가스를 흐르게 하여 초기 기동시 가스저장탱크의 압력에 의해 구동축을 부상시키도록 하는 조절밸브를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 터보압축기의 구동축 지지장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스저장탱크의 내부에는 가스저장탱크내부의 압력과 제1연결관내의 압력차에 따라 제1연결관을 개폐하는 한방향 밸브가 설치됨을 특징으로 하는 터보 압축기의 구동축 지지장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 저어널 베어링에는 구동축과 접촉되는 베어링면과 연통되는 노즐 및 노즐구멍이 형성되고 상기 노즐구멍은 상기 제2연결관과 연통됨을 특징으로 하는 터보 압축기의 구동축 지지장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 조절밸브는 솔레노이드 밸브임을 특징으로 하는 터보 압축기의 구동축 지지장치.

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