KR100310411B1 - 2단원심압축기와그냉동사이클 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2단 원심압축기와 그 냉동사이클에 관한 것으로서, 종래의 1,2단압축실에서 회전축과 함께 임펠러가 고속 회전됨으로써 발생되는 회전자의 부상을 이용하고 있으나 외통 양단에 마련되는 1,2단 압축실의 압력차이에 의한 불균형 구조를 갖고 있으며 각 단의 임펠러에 의한 흡인력과, 트러스트 베어링의 가스흐름압력, 회전자 전체중량간의 균형이 이루어지지 않으면 트러스트 베어링의 역할을 제대로 수행하지 못하고, 트러스트 베어링을 이루는 상측 가스베어링이 심한 마찰에 의해 가스베어링으로서의 신뢰성을 확보할 수 없는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위하여 본 발명은 2단 원심압축기, 응축기, 팽창밸브, 기액분리기 및 증발기가 구비되어 하나의 폐 사이클을 이루도록 2단 원심압축기를 이용한 냉동사이클에 있어서, 상기 증발기를 통과한 가스냉매는 2단 원심압축기의 제1압축부로 유입되어 1단으로 압축된 후 2단 원심압축기를 이루는 외통의 내부공간으로 통과하면서 전동부를 냉각시키고 2단 원심압축기의 외통을 빠져 나온 가스냉매를 제1압축실의 냉매배출구에서 배출되는 온도보다 낮은 온도로 응축시켜 제2압축실로 유입시키는 보조응축기가 구비되어 2단 원심압축기의 전동부 및 가스베어링의 과열을 방지하면서 2단 원심압축기의 소비전력을 감소시키고 전체 시스템의 효율을 증대시킬 수 있는 냉동사이클을 제공하는데 있다.

Description

2단 원심압축기와 그 냉동사이클{Two-stage centrifugal compressor and refrigerating cycle thereof}

본 발명은 2단 원심압축기와 그 냉동사이클에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2단 원심압축기와 냉동사이클의 유로 개선으로 성능 및 효율의 향상을 꾀할 수 있도록 한 2단 원심압축기와 그 냉동사이클에 관한 것이다.

일반적으로, 2단 원심압축기는 주로 대형 냉방시스템에 적용되는 것으로 산업기술이 발전함에 따라 이를 소형화하고 경량화 시키기 위하여 노력을 기울이고 있는 실정이다.

이러한 기술과 관련된 2단 원심압축기는 본 출원인이 출원한 다수개의 선 출원이 있는데 이들 중 몇 가지를 열거하여 설명한다.

본 출원인의 선 출원들은 한국 특허출원 제97-70882호 내지 70884호에 기재되어 있으며, 이 선 출원들의 핵심적인 요지는 외통 내부에 회전자와 고정자로 된 전동부가 구비되어 있으며 상기 회전자를 이루는 회전축의 양단에 다수의 날개를 갖는 임펠러가 고정되어 있고 상기 임펠러는 외통의 양단에 마련되는 1,2단압축실 내에 설치되어 있다.

상기 임펠러는 1,2단압축실에서 회전축과 함께 고속 회전됨으로써 발생되는 회전자의 부상을 이용하고 있으나 외통 양단에 마련되는 1,2단 압축실의 압력차이에 의한 불균형 구조를 갖고 있다.

이를 구체적으로 부언하면, 각 단의 임펠러에 의한 흡인력과, 트러스트 베어링의 가스흐름압력, 회전자 전체중량간의 균형이 이루어지지 않으면 트러스트 베어링의 역할을 제대로 수행하지 못하고, 트러스트 베어링을 이루는 상측 가스베어링이 심한 마찰에 의해 가스베어링으로서의 신뢰성을 확보할 수 없는 문제점이 있었다.

도 1a와 도1b는 상기 본원의 선 출원에 대한 2단 원심압축기의 개략도이다. 여기에서 W: 회전자의 중량, F₁: 1단 임펠러의 흡인력에 의해 회전축에 가해지는 힘, F₂: 2단 임펠러의 흡인력에 의해 회전축에 가해지는 힘, F₃: 회전축의 칼라 하부측 트러스트 베어링의 가스흐름압력에 의해 회전축에 가해지는 힘, F₄: 회전축의칼라 상부측 트러스트 베어링의 가스흐름압력에 의해 회전축에 가해지는 힘을 나타낸다.

우선, 도 1a의 2단 원심압축기(특허출원 제97-70882호)에서 회전축에 y 방향으로 작용하는 전체의 힘은로 나타난다. 이는 1단 임펠러와 2단 임펠러가 각각 하부쪽에서 냉매를 흡인하여 방사상으로 배출하므로 그 흡인력에 의하여 회전축에 각각 +y 방향으로 힘을 가하는 것을 보이며, 그러한 1단 임펠러와 2단 임펠러의 흡인력에 의해 회전축에 가해지는 힘이 회전자의 중량에 비하여 상대적으로 크기 때문에 F₁+ F₂+F₃》F₄+W 의 관계를 갖게 된다. 즉, 회전축에 y 방향으로 작용하는 전체의 힘이 "0"에 근접하는 균형 상태를 이루어야만 트러스트 베어링에 의한 회전축의 칼라 지지가 원활한 것이지만, 도 1a의 상태는 회전축을 상부쪽으로 미는 힘이 상대적으로 큰 값을 가지므로 회전축의 칼라 상부쪽에 설치된 트러스트 베어링에 과도한 힘이 걸려 바람직하지 못한 것이다.

다음에, 도 1b의 2단 원심압축기(특허출원 제97-70883호)에서 회전축에 y 방향으로 작용하는 전체의 힘은로 나타난다. 이는 1단 임펠러와 2단 임펠러가 각각 상부쪽에서 냉매를 흡인하여 방사상으로 배출하므로 그 흡인력에 의하여 회전축에 각각 -y 방향으로 힘을 가하는 것을 보이며, 그러한 1단 임펠러와 2단 임펠러의 흡인력에 의해 회전축에 가해지는 힘에 회전자의 중량까지 더하여져 F₁+ F₂+F₄+W 》F₃의 관계를 갖게 된다. 즉, 회전축에 y 방향으로 작용하는 전체의 힘이 "0"에 근접하는 균형 상태를 이루어야만 트러스트 베어링에의한 회전축의 칼라 지지가 원활한 것이지만, 도 1b의 상태는 회전축을 하부쪽으로 미는 힘이 상대적으로 큰 값을 가지므로 회전축의 칼라 하부쪽에 설치된 트러스트 베어링에 과도한 힘이 걸려 바람직하지 못한 것이다.

따라서, 도 1a와 도1b에 도시한 선 출원들은 모두 상부측 또는 하부측 트러스트 베어링에 하중이 편중되고, 이렇게 편중된 하중을 계속적으로 받는 경우 그 트러스트 베어링이 마모됨으로써 신뢰성에 문제가 발생되기 쉬운 문제점이 있었다.

또한, 상기 특허출원 제97-70884호는 1단과 2단 압축실의 균형을 맞출 수 있는 구조이나 2단으로 압축된 고온고압의 가스냉매가 가스베어링과 전동부를 냉각시키는 유로를 취하고 있기 때문에 전동부에서 발생되는 고온의 마찰열을 효과적으로 냉각시킬 수 없어 그 효과가 매우 미흡하며, 고온고압의 가스냉매가 외통 내부를 통과하면서 회전자와의 충돌에 의한 마찰손실은 물론 ΔT, ΔP의 영향이 전체 시스템에 비효율적이므로 이를 보상하기 위해 입력을 증가시켜야 하는 문제점이 발생되었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 선행 기술의 제반 폐단 및 문제점을 해결하기 위해 연구 개발한 것으로서, 1단 압축실에서 압축된 가스냉매를 하우징 내부의 전동부를 통과시키고 이렇게 전동부를 통과한 가스냉매를 다시 냉동사이클을 이루는 보조응축기에서 응축시킨 다음 2단 압축실에서 압축시킴으로써 2단 압축기의 전동부 및 가스베어링의 과열을 방지할 수 있으며, 이에 따라서 2단 원심압축기의 소비전력을 감소시키고 전체 시스템의 효율을 증대시킬 수 있도록 한 2단 원심압축기와 그 냉동사이클을 제공하는데 있다.

도 1a와 도 1b는 선 출원의 2단 원심압축기에 작용하는 힘을 나타낸 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 2단 원심압축기를 나타낸 단면도,

도 3은 본 발명의 2단 원심압축기에서 고정자켓만을 나타낸 사시도,

도 4는 본 발명의 상측 베어링부분을 나타낸 분리 사시도,

도 5는 본 발명에서 외통 하단과 하측 베어링하우징을 나타낸 분리 사시도,

도 6은 도 5의 부품을 조립한 상태의 저면도,

도 7은 본 발명에 따른 유동성 축받이수단을 나타낸 분리사시도,

도 8은 본 발명의 2단 원심압축기를 이용한 냉동사이클에 대한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 2단 원심압축기 2: 응축기 3: 제1팽창밸브

4: 제1기액분리기 5: 제2팽창밸브 6: 제2기액분리기

7: 증발기 8: 보조응축기 10: 전동부

11: 회전자 12: 고정자 13: 외통

14: 내면유로 15,342: 냉매배출구 21a: 상측 베어링하우징

21b: 하측 베어링하우징 22: 레이디얼 가스베어링 23: 트러스트 가스베어링

23a: 스페이스 링 23b: 고정링 23c: 상측 가스베어링

23d: 하측 가스베어링 23d: 하측 가스베어링 23e,25a,25b: 스크류

24: 외측링 24a: 힌지홀 24b,24d,212: 세트스크류

24c,211,237: 스크류홀 26: 실링 하우징 27: 디퓨저

31: 제1압축실 32: 제2압축실 33,34: 압축 케이싱

35: 임펠러 111: 회전축 112: 회전자 코어

113: 칼라 121: 코일 122: 고정자켓

123: 외면 유로 124: 고정자코어 213: 냉매 유로

221: 호형조각편 222: 반구홈 231: 축홀

232: 직선홈 233: 부채꼴홈 235: 단턱

236: 관통홀 331,341: 냉매흡입구

상기와 같은 목적을 구현할 수 있도록 본 발명은 2단 원심압축기, 응축기, 팽창밸브, 기액분리기 및 증발기가 구비되어 하나의 폐 사이클을 이루도록 2단 원심압축기를 이용한 냉동사이클에 있어서, 상기 증발기를 통과한 가스냉매는 2단 원심압축기의 제1압축실로 유입되어 1단으로 압축된 후 2단 원심압축기를 이루는 외통의 내부공간으로 통과하면서 전동부를 냉각시키고 2단 원심압축기의 외통을 빠져 나온 가스냉매를 제1압축실에서 배출시의 온도보다 낮은 온도로 응축시켜 제2압축부로 유입시키는 보조응축기가 구비된 2단 원심압축기를 이용한 냉동사이클을 특징으로 한다.

또 상기 기액분리기에서 분리된 기상냉매를 2단 원심압축기의 제2압축실로 유입시키는 유로가 마련된 2단 원심압축기를 이용한 냉동사이클을 특징으로 한다.

그리고 본 발명은 외통 중간부분의 내면에 고정자켓이 고정되고 이 고정자켓의 내면부분에 코일을 일정하게 배열시킨 고정자; 이 고정자와 대향하는 위치의 회전축에 회전자 코어가 형성되고 상기 회전축의 상/하단부분을 고속회전이 가능케 상/하측 베어링부분의 동적 가스베어링으로 지지된 회전자로 전동부가 구비되며, 이 전동부를 감싸는 외통의 상/하단에 제각기 임펠러를 포함하는 제1,2압축부분이 구비되어진 2단 원심압축기에 있어서, 상기 제1압축실에서 1단으로 압축된 가스냉매가 외통의 내부공간으로 유입되도록 외통 하단에 일정한 간격으로 다수개의 내면 유로가 형성되고 상기 외통 하단에 고정되는 하측 베어링하우징에는 외통 내부와통하는 다수개의 냉매 유로가 형성되며, 상기 외통의 중간부분에는 그 내부의 전동부와 상/하측 베어링부분을 통해 가스냉매가 배출되는 냉매배출구가 형성되고 이 냉매배출구를 통해 배출된 가스냉매는 보조응축기에서 냉각된 후 제2압축실로 유입됨을 특징으로 한다.

이하에서 본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명함으로써 본 발명의 구체적인 특징들이 보다 쉽게 이해될 것이다.

도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 2단 원심압축기를 설명하기 위해 나타낸 도면들이다.

여기서는, 외통(13) 내부의 중간에 설치되어 회전력을 발생시키는 전동부(10)와, 상기 외통(13)의 상/하단에서 전동부(10)의 회전자(11)를 고속회전이 가능하도록 동적 가스베어링들로 지지하는 상/하측 베어링부분과, 상기 전동부(10)의 외통(13) 상/하단에 각각 설치되어 하단에서 1단으로 압축하고 이를 다시 상단에서 2단으로 압축하는 제1,2압축부분으로 크게 구성되어 있다.

상기 전동부(10)는 회전축(111)의 상/하단에 제1,2압축부분의 임펠러(35)들이 결합되어 있는 회전자(11)와, 이 회전자(11)를 전자계 작용으로 회전시키는 고정자(12)로 구성되어 있다.

상기 전동부(10)의 고정자(12)는 내측에 코일(121)이 감겨진 고정자 코어(124)가 고정되어 있고 그 외측에 고정자켓(122)으로 감싼 상태에서 외통(13) 내에 압입되어 있고 상기 고정자켓(122)에는 도 3과 같이 외통(13)의 내면을 따라 가스냉매가 흐르도록 다수개의 외면 유로(123)가 일정한 간격을 갖고 형성되어 있다. 상기 고정자켓(122)의 외면 유로(123)는 외통(13)의 내면에 형성시켜도 무방하다.

상기 전동부(10)의 회전자(11)는 고정자(12)와 대향하는 위치의 회전축(111)에 회전자 코어(112)가 형성되어 있고 이 회전축(111)의 하부에는 트러스트 가스베어링(23)을 포함하는 유동성 축받이수단에 의해 지지되는 칼라(113)가 일체로 형성되어 있다.

상기 외통(13)은 전동부(10)를 전체적으로 감싸면서 제1,2압축부분이 개방된 원통형으로 형성되어 있으며, 그 하단의 내면에는 일정한 간격으로 배열된 내면 유로(14)가 다수 형성되어 있고 그 중간 상부에는 냉매배출구(15)가 형성되어 있다.

상기 상/하측 베어링부분은 상기 회전축(111)의 양단이 외통(13) 양단과 결합되는 상/하측 베어링하우징(21a,21b) 내부의 레이디얼 가스베어링(22)에 의해 회전 가능케 지지되어 있고, 상기 베어링부중 하측 베어링부분과 근접된 위치에는 회전축(111)의 칼라(113)를 회전 가능케 감싸는 트러스트 가스베어링(23)이 도7에 도시한 바와 같이 다수개의 스크류(23e)로 고정되어 있다. 상기 레이디얼 가스베어링(22)과 트러스트 가스베어링(23)은 회전축(111)이 회전할 때 기계적인 마찰이 없는 상태로 회전되도록 구비되어 있다.

한편, 상기 회전축(111)의 상단을 지지하는 상측 베어링부분에 대하여 도 4와 같이 구체적으로 나타내었다.

상측 베어링부분의 상측 베어링하우징(21a)은 그 외면에서 중심부를 향하여 120°간격으로 스크류홀(211)이 형성되어 있고 이 스크류홀(211)에는 레이디얼 가스베어링(22)의 호형조각편(221)들을 지지하는 세트스크류(212)가 체결되어 있으며, 상기 외통(13)의 상단과 긴밀하게 밀착되도록 다수개의 스크류(25a)로 고정되어 있다. 상기 상측 베어링하우징(21a)에는 제2압축실(31)과의 경계를 이루는 실링 하우징(26)과 디퓨저(27)가 복수의 스크류(25b)에 의해 고정되어져 있다.

상기 레이디얼 가스베어링(22)은 120°간격으로 분할된 3개의 호형조각편(221)들이 하나의 원통형을 이루도록 형성되어 있고, 상기 호형조각편(221)들은 그 중앙에서 일측으로 약간 치우친 위치의 외면에 반구홈(222)이 제각기 형성되어 있다.

이러한 구성의 레이디얼 가스베어링(22)은 회전축(111)을 감싸도록 3개의 호형조각편(221)이 배열되되 상기 호형조각편(221)의 반구홈(222)에는 베어링하우징(21a)의 스크류홀(211)을 관통하여 각각 체결된 세트스크류(212) 선단이 끼워져 있다.

한편, 상기 하측 베어링부분을 이루는 하측 베어링하우징(21b)과 외통(13) 부분에 대하여 도 5,6과 같이 구체적으로 나타내었다.

상기 하측 베어링부분의 하측 베어링하우징(21b)은 외통(13)의 하단과 긴밀하게 밀착되도록 다수개의 스크류(25a)로 고정되어 있으며, 외면에서 그 중심부를 향하여 120°간격으로 스크류홀(211)이 형성되고 이 스크류홀(211)에는 호형조각편(221)을 지지하는 세트스크류(212)가 체결되어 있으며, 상기 외통(13) 하단에 조립하였을 때 외통(13) 하단의 내면 유로(14)와 연통되도록 원호형상의 냉매유로(213)가 형성되어 있다. 상기 하측 베어링하우징(21b)의 내부 또한 레이디얼가스베어링(22)이 마련되어 있다.

또 상기 하측 베어링하우징(21b)에는 제2압축부분과의 경계를 이루는 실링 하우징(26)과 디퓨저(27)가 복수의 스크류(25b)에 의해 고정되어져 있다.

또 상기 회전축(111)의 칼라(113)를 지지하는 트러스트 가스베어링(23)과 이를 수용하는 유동성 축받이수단에 대하여 도 7과 같이 구체적으로 나타내었다.

상기 유동성 축받이수단은 하측 베어링하우징(21b)의 상단보다 높은 위치에 회전축(111)의 칼라(113)를 지지하는 트러스트 가스베어링(23)과, 상기 트러스트 가스베어링(23)을 수용하여 일정한 범위 내에서 자유자재로 유동되면서 회전 가능케 지지하는 외측링(24)으로 구성되어 있다.

상기 트러스트 가스베어링(23)은 회전축(111)의 칼라(113) 외측에 씌워지는 스페이스 링(23a)과, 이 스페이스 링(23a)의 상/하면에 설치되는 상/하측 가스베어링(23c,23d) 및 상기 구성부품들을 스크류(23e)로 고정하기 위한 고정링(23b)으로 구성되어 있다.

상기 상/하측 가스베어링(23c,23d)은 스페이스 링(23a)의 상/하면에서 한 쌍을 이루도록 배치되어 있으며, 상기 칼라(113)와 접촉되는 면에 중앙의 축홀(231)을 중심으로 하여 방사상으로 다수의 직선홈(232)들이 형성되어져 있고 이 직선홈(232)에는 회전축(111)의 회전방향으로 기체막을 형성할 수 있도록 얇고 넓은 부채꼴홈(233)이 제각기 형성되어져 있다.

상기 상측 가스베어링(23c)은 조립성을 고려하여 2개의 조각으로 된 반원형으로 분할되어 있고, 그 반원의 주연부분에는 스페이스 링(23a)의 내경보다 큰 직경으로 단턱(235)이 제각기 형성되어 있다.

상기 상/하측 가스베어링(23c,23d)과 스페이스 링(23a)의 주연 부분에는 회전축(111)의 칼라(113)를 스크류(23e)로 체결할 수 있도록 다수의 관통홀(236)이 동일한 반경위에 등간격으로 형성되어 있고, 상기 고정링(23b)의 외주면 부분에는 상기 상/하측 가스베어링(23c,23d) 및 스페이스 링(23a)의 관통홀(236)과 상응하여 결합되는 스크류홀(237)이 형성되어져 있다.

상기 외측링(24)은 외통(13)에 체결되는 2개의 세트스크류(24b)로 회전되면서 지지되도록 그 중심을 가로지르는 일직선상에 2개의 힌지홀(24a)이 형성되어 있고 상기 힌지홀(24a)들과 평면상 90° 교차되는 일직선상의 스크류홀(24c)에 트러스트 가스베어링(23)을 회전 가능한 상태로 지지하도록 세트스크류(24d)가 체결되어 있다.

이러한 트러스트 가스베어링(23)의 조립과정을 참고적으로 설명하면, 먼저 하측 가스베어링(23d)위에 스페이스 링(23a)을 올려놓고 회전축(111)의 칼라(113) 저면이 하측 가스베어링(23d) 상면과 접촉되도록 그 중앙의 축홀(231)로 회전축(111)을 관통시킨다. 이러한 상태에서 회전축(111)의 칼라(113) 외측에 스페이스 링(23a)을 끼우고 이 스페이스 링(23a) 및 칼라(113)의 상면에 반원형상의 상측 가스베어링(23c)을 고정링(23b)과 함께 올려놓고, 이 고정링(23b)의 상부로부터 복수의 스크류(23e)를 체결시켜 조립을 완료한다.

상기 제1,2압축부분은 상/하측 베어링하우징(21a,21b)과 그 외측단에 외통(13)의 양단을 실링 하우징(26)과 디퓨저(27)로 밀폐시킨 그 외측에 마련되며,상기 실링 하우징(26)과 디퓨저(27)의 사이에는 실링 하우징(26)을 관통한 회전자(11)의 회전축(111)의 양단에 다수의 날개를 갖는 임펠러(35)가 고정되어 있다.

상기 외통(13)의 상/하단 및 디퓨저(27)의 외측에는 제1,2압축실(31,32)을 이루는 압축 케이싱(33,34)이 씌워져 있고 그 중앙에는 임펠러(35)의 회전으로 인해 발생되는 흡입력에 의해 흡입되는 냉매흡입구(331,341)가 형성되어 있고 상기 제1,2압축부분의 임펠러(35)는 압축 케이싱(33,34)의 냉매흡입구(331,341)를 통하여 흡입할 수 있도록 그 날개들이 디퓨저(27)와 대향하여 설치되어 있다.

그리고, 상기 제1압축실(31)측 냉매흡입구(331)는 임펠러(35)의 하부쪽으로 냉매가 흡입되게 하여 그 임펠러(35)의 냉매흡입에 의해 회전축(111)을 상부쪽으로 미는 힘이 발생되게 형성하며, 상기 제2압축실(32)측 냉매흡입구(341)는 임펠러(35)의 상부쪽으로 냉매가 흡입되게 하여 그 임펠러(35)의 냉매흡입에 의해 회전축(111)을 하부쪽으로 미는 힘이 발생되게 형성한다.

상기 제2압축부분의 압축 케이싱(32b) 일측에는 냉각사이클을 이루는 응축기(2)로 배출하는 냉매배출구(342)가 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 2단 원심압축기는 전동부(10)를 이루는 고정자(12)에 감겨진 코일(121)로 전원이 인가되면 코일(121)의 배열에 따라 순차적으로 발생되는 자계가 회전자(11)의 회전축(111)을 회전시킨다. 이때, 상기 회전축(111)이 회전되면서 그 양단은 상/하측 베어링하우징(21a,21b)의 내부에서 레이디얼 가스베어링(22)을 이루는 호형조각편(221)들이 제각기 하나의세트스크류(212)에 의해 편심된 상태로 지지되어 있기 때문에 회전축(111)과 함께 요동한다.

따라서 상기 호형조각편(221)들이 요동될 때 회전축(111)의 외면과 호형조각편(221)의 내면 사이에는 전동부(10)의 내부로 흐르는 가스냉매가 빨려 들어가 기체막을 형성한다.

이러한 상태에서 회전축(111)이 일정한 회전수에 도달되면서 호형조각편(221)들은 정적인 상태로 유지되게 되므로 회전축(111)은 원형을 이루는 호형조각편(221)들의 중앙에서 뜬 상태로 마찰 없이 회전되는 것이다.

이와 동시에 도 7과 같이 나타낸 하측 베어링하우징(21b)의 트러스트 가스베어링(23)은 하측 가스베어링(23d)의 상면에 칼라(113)의 하면이 맞닿은 상태로 있다가 상기 칼라(113)가 회전되면 전동부(10)의 내부로 흐르는 가스냉매가 하측 가스베어링(23d)의 직선홈(232)들을 통해 부채꼴홈(233)으로 빨려 들어가 기체막이 형성되게 된다. 따라서 회전축(111)의 칼라(113)는 상/하측 가스베어링(23c,23d) 사이의 중앙에서 뜬 상태로 마찰 없이 회전되는 것이다.

이는 회전자(11)의 회전축(111)이 제1압축실(31)측 임펠러(35)의 흡인력에 의해 상부쪽으로 힘을 받는 반면 제2압축실(32)측 임펠러(35)의 흡인력에 의해 하부쪽으로 힘을 받음과 동시에 회전자(11)의 중량에 의해 하부쪽으로 힘을 받는 상태로써, W: 회전자의 중량, F₁: 1단 임펠러의 흡인력에 의해 회전축에 가해지는 힘, F₂: 2단 임펠러의 흡인력에 의해 회전축에 가해지는 힘, F₃: 회전축의 칼라 하부측트러스트 베어링의 가스흐름압력에 의해 회전축에 가해지는 힘, F₄: 회전축의 칼라 상부측 트러스트 베어링의 가스흐름압력에 의해 회전축에 가해지는 힘이라고 할 때, 회전축에 y 방향으로 작용하는 전체의 힘이로 나타나고, 이 값이 종래에 비하여 "0"에 근접하기 때문이며, 따라서 제1압축실(31)에서 1차 압축된 가스냉매의 압력과 제2압축실(32)에서 2차 압축된 가스냉매의 압력차이 및 회전자(11) 전체 중량으로 인하여 도 2의 하측으로 쏠리거나, 상기 전동부(10)의 초기구동시 회전축(111)이 일측으로 쏠리게 되는 등의 현상으로 야기되는 회전축(111)의 진동이 방지될 수 있는 것이다.

또, 상기와 같은 레이디얼 및 트러스트 가스베어링(22,23)으로 인하여 2단 원심압축기(1)의 회전축(111) 부위에 기계적 장애가 발생하지 않아 기기의 동작 신뢰성을 갖고, 저속에서 초고속 회전(3500∼60000rpm)에 이르기까지 무리 없는 동작을 기대할 수 있는 것이다.

이와 같이 회전자(11)의 회전축(111)이 고속으로 회전되면서 전동부(10)에서 열이 발생하는데, 이러한 열은 외통(13) 하단의 제1압축부분에서 압축된 가스냉매가 제1압축실(31)과 연통된 냉매유로(213)와 내면 유로(14)를 통하여 전동부(10)가 마련된 외통(13)의 내부로 유입되고, 이렇게 외통(13)의 내부로 유입된 가스냉매는 전동부(10)의 고정자(12)와 회전자(11)의 회전자코어(112) 사이에 형성된 공극과, 고정자(12)를 감싼 고정자켓(122) 외면의 외면 유로(123)를 통과하는 동안 고정자(12)의 코일(121)에서 발생되는 열을 빼앗아 가므로 고정자(12)를 냉각시킨다.

이와 동시에 상기 외통(13)의 내부에 유입된 가스냉매는 상/하측 베어링하우징(21a,21b) 내부의 레이디얼 가스베어링(22)과, 가스냉매 중 일부는 회전축(111)의 칼라(113) 상/하면에서 상/하측 가스베어링(23c,23d)의 직선홈(232)과 부채꼴 홈(233)으로 흡입되므로 상/하측 베어링부분 및 트러스트 가스베어링(23)에서 발생되는 열을 빼앗아간다.

이와 같이 제1압축실(31)에서 1단으로 압축된 가스냉매가 하측 베어링하우징(21b)의 냉매 유로(213)와 이와 접하는 외통(13) 하단내면의 내면 유로(14)를 통해 외통(13)의 내부공간에 설치된 상/하측 베어링부분은 물론 전동부(10)를 통과하면서 냉각시킴으로써 전동부(10)의 동작에 따른 과열을 방지한다. 따라서 상기 전동부(10)가 구동 중에는 계속하여 냉각되기 때문에 그 전동부(10)는 항시 최적의 운전 상태로 유지되게 된다.

이와 같이 전동부(10)가 구동됨에 따라 회전자(11)의 회전축(111)과 함께 그 양단의 임펠러(35)가 고속으로 회전되는 것이고, 이들 중 임펠러(35)의 회전으로 인한 흡인력에 의해 하측 압축 케이싱(33,34)의 냉매흡입구(331,341)으로 유입된 가스냉매는 하측의 임펠러(35)와 압축 케이싱(33)의 디퓨저(27)를 통해 제1압축부분의 압축실(31)에서 1단으로 압축되게 된다.

상기 제1압축실(31)에서 1단으로 압축된 가스냉매는 하측 베어링하우징(21b)의 냉매 유로(213)와 외통(13) 내면의 내면 유로(14)를 통해 외통(13)의 내부공간으로 배출되고 이 외통(13)의 내부공간으로 배출된 냉매가스는 상/하측 베어링부분과 전동부(10) 를 통과한 후 외통(13)의 냉매배출구(15)를 거쳐 냉동사이클을 이루는 보조응축기(8)에서 1단으로 압축된 가스냉매가 보조적으로 응축된다.

이렇게 제1압축부분의 제1압축실(31)에서 1단으로 압축된 가스냉매가 보조응축기(8)에 의해 응축된 후 제1기액분리기(4)로부터 발생된 플래시 가스와 합쳐져 제2압축부분의 임펠러(35)가 회전됨에 따라 발생되는 흡인력으로 인해 제2압축부분으로 유입된 후 제2압축부분의 임펠러(35)와 압축케이싱(34)의 디퓨저(27)를 통해 2차적으로 압축된다. 이렇게 제2압축실(32)에서 2단으로 압축된 가스냉매는 압축케이싱(34)의 제2압축실(32)과 냉매토출구(342)로 배출되어 냉동사이클을 이루는 응축기(2)로 공급되게 된다.

도 8은 본 발명의 2단 원심압축기(1)를 냉방사이클에 적용한 실시 예를 나타내었다.

여기에서의 냉방 사이클은 냉매가 2단 원심압축기(1) → 응축기(2) → 제1기액분리기(4) → 증발기(7) → 2단 원심압축기(1)로 순환되는 폐 사이클을 이루며, 부언하면 상기 2단 원심압축기(1)의 제2 압축실(32) → 응축기(2) → 제1 팽창밸브(3) → 제1기액분리기(4) →제2 팽창밸브(5) → 제2기액분리기(6) → 증발기(7) → 2단 원심압축기(1)의 제1 압축실(31) → 보조응축기(8) →2단 원심압축기(1)의 제2 압축실(32)을 통해 순환된다. 또 냉방사이클을 이루는 제1기액분리기(4)에서 액상냉매와 기상냉매로 분리된 냉매 중 기상냉매인 플래시 가스는 2단 원심압축기(1)의 제2 압축실(32)로 공급된다.

이러한 구성의 냉방 사이클은 파워코드(도시되지 않았음)를 통해 전동부(10)의 고정자(12)에 전원이 인가되면 2단 원심압축기(1)가 운전을 시작하게 되고 이에 따라 증발기(7)의 주위로부터 충분하게 기화열을 흡수한 가스냉매가 2단 원심압축기(1)의 제1압축부분으로 유입되고, 2단 원심압축기(1)의 제1압축실(31)에서 1단으로 압축된 가스냉매는 하측 베어링하우징(21b)의 냉매유로(213)와 외통(13) 내면의 내면 유로(14)를 통해 외통(13)의 내부공간으로 이송되는 것이다.

상기 외통(13)의 내부공간으로 압축 이송된 가스냉매는 하측 베어링부분과 전동부(10)를 냉각시키면서 상부로 이송되고, 상측 베어링부분을 통과하는 동안에 전동부(10)와 상/하측 베어링부분에서 발생되는 열을 흡수하여 냉각시키면서 외통(13)의 냉매배출구(15)를 통해 보조응축기(8)로 향한다.

다시 말해서, 상기 외통(13)의 내부공간에 설치된 고정자(12)와 회전자코어(112) 부분을 냉각시킴과 동시에 회전축(111) 상/하단의 레이디얼 및 트러스트 가스베어링(22,23)으로 공급되어 기계적인 접촉부를 냉각시킨다.

상기 보조응축기(8)에서는 냉각공기에 의하여 가스냉매의 온도를 제1압축실(31)에서 배출되는 온도보다 낮추어 제2압축실(32)로 공급된다. 이때, 제1기액분리기(4)에서 발생된 낮은 온도의 기상냉매와 합쳐져 제2압축실(32)로 유입되게 된다.

따라서 2단 원심압축기의 압축효율 향상과, 이로 인하여 2단 원심압축기의 가동시간을 줄여 소비전력이 감소되게 된다.

이렇게 제2압축실(32)에서 2단으로 압축된 가스냉매는 응축기(2)로 공급되고 냉각공기에 의하여 액상냉매로 응축되며, 이렇게 응축된 액상냉매는 응축기(2)로부터 제1팽창밸브(3)에 이르기까지 이송된 후 이 제1팽창밸브(3)에 의해 제1기액분리기(4)에서 중간압까지 팽창되게 된다. 이때, 액상냉매가 중간압력까지 팽창시키면서 제1기액분리기(4)의 내부에는 기상 및 액상의 혼합상태로 유지되고 수력학적 원리에 따라 가스냉매와 액상냉매로 분리되는 것이다.

상기 제1기액분리기(4) 내의 기상냉매는 보조응축기(8)에서 온도가 낮춰진 가스냉매와 함께 제2압축실(32)로 공급되고, 그 하부에 고인 액상냉매는 제2팽창밸브(5)에 의하여 증발되기 쉬운 최적의 중간압력까지 팽창시키면서 증발기(7)로 유입되어 증발되기 시작한다. 이렇게 증발기(7)를 통과하는 액상냉매는 계속하여 증발되면서 증발(기화)시 필요한 기화열만큼 증발기(7) 주위의 열을 흡수함으로써 냉각효과를 얻는 것이다.

이와 같이 증발기(7)를 통과하면서 흡수한 열에 의해 증발(기화)된 가스냉매는 2단 원심압축기(1)의 제1압축실(31)로 흡입되게 된다.

상기 제2기액분리기(6)는 냉방사이클의 효율향상을 위하여 다단으로 팽창시키는 것이므로 그 이상의 개수로 마련할 수도 있고 제1기액분리기(3)만을 마련할 수도 있다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 2단 원심압축기는 1단 또는 2단 압축실에서 압축된 가스냉매를 외통 내부의 전동부와 상/하측 베어링부분으로 통과시켜 냉각시키는 선출원 기술과는 달리 1단 압축실에서 압축된 가스냉매를 하우징 내부의 전동부를 통과시키고 이렇게 전동부를 통과한 가스냉매를 다시냉동사이클을 이루는 보조응축기에서 응축시킨 다음 2단 압축실에서 압축시킴으로써 2단 압축기의 전동부 및 가스베어링의 과열을 방지할 수 있으며, 이에 따라서 2단 원심압축기의 소비전력을 감소시키고 전체 시스템의 효율을 증대시킬 수 있는 특유의 효과가 있다.

Claims (3)

1. 외통(13) 중간부분의 내면에 고정자켓(122)이 고정되고 이 고정자켓(122)의 내면부분에 코일(121)을 일정하게 배열시킨 고정자(12); 이 고정자(12)와 대향하는 위치의 회전축(111)에 회전자 코어(112)가 형성되고 상기 회전축(111)의 상/하단부분을 고속회전이 가능케 상/하측 베어링부분의 동적 가스베어링으로 지지된 회전자(11)로 전동부(10)가 구비되며, 이 전동부(10)를 감싸는 외통(13)의 상/하단에 제각기 임펠러(35)를 포함하는 제1,2압축실(31,32)이 구비되어진 2단 원심압축기에 있어서,

   상기 제1압축실(31)에서 1단으로 압축된 가스냉매가 외통(13) 내부공간으로 유입되도록 외통(13) 하단에 일정한 간격으로 다수개의 내면 유로(14)가 형성되고 상기 외통(13) 하단에 고정되는 하측 베어링하우징(21b)에는 외통(13) 내부와 통하는 다수개의 냉매 유로(213)가 형성되며, 상기 외통(13)의 중간부분에는 그 내부의 전동부(10)와 상/하측 베어링부분을 통해 가스냉매가 배출되는 냉매배출구(15)가 형성되고 이 냉매배출구(15)를 통해 배출된 가스냉매는 보조응축기(8)에서 냉각된 후 제2압축실(32)로 유입됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기.
2. 2단 원심압축기(1), 응축기(2), 제1팽창밸브(3), 제1기액분리기(4) 및 증발기(7)가 구비되어 하나의 폐 사이클을 이루도록 2단 원심압축기를 이용한 냉동사이클에 있어서,

   상기 증발기(7)를 통과한 가스냉매는 2단 원심압축기(1)의 제1압축실(31)로 유입되어 1단으로 압축된 후 2단 원심압축기(1)를 이루는 외통(13)의 내부공간으로 통과하면서 전동부(10)를 냉각시키고 2단 원심압축기(1)의 외통(13)을 빠져 나온 가스냉매를 제1압축실(31)의 배출온도보다 낮은 온도로 응축시켜 제2압축실(32)로 유입시키는 보조응축기(8)가 구비됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기를 이용한 냉동사이클.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1기액분리기(4)에서 분리된 기상냉매를 2단 원심압축기(1)의 제2압축실(32)로 유입시키는 유로가 마련됨을 특징으로 하는 2단 원심압축기를 이용한 냉동사이클.