KR100321094B1 - 컴프레서 - Google Patents

Abstract

원심식 냉동 컴프레서는 적어도 하나의 임펠러(17, 18), 전기 모터(27) 및 컴프레서 하우징(12)에 대하여 축방향의 움직임을 제한하기 위하여 샤프트에 연결된 축방향 위치 한정 수단과 함께 비윤활성 레이디얼 베어링 상에 장착된 구동 샤프트(22), 예를 들면 자기 또는 포일 가스 베어링(23, 24)을 포함한다. 하우징(12)은 모터(27)와 컴프레서를 둘러싸고 가스 주입 통로(31) 및 가스 배출 통로(16)를 구성한다. 가스 조절 수단(34)은 가스 주입 통로(31) 내에 제공되고 제어 수단(30)은 조절 수단(34)과 모터의 속도를 변화시켜 냉동 부하에 따라 컴프레서를 통한 압축비 및 질량 유동을 조절한다.

Description

컴프레서

산업상 이용 분야

본 발명은 컴프레서(compressor)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉동시스템, 환경 컨트롤 시스템, 공기조화(이하 '공조'라 함) 시스템 등에 사용되는 컴프레서에 관한 것이다. 설명의 편의를 위하여 본 명세서에서는 공조 시스템을 중심으로 하여 설명한다.

공조 시스템에서 사용되고 있는 컴프레서의 용량은 아주 다양하다. 자동차용 엔진이나 가정용으로 사용되고 있는 소용량의 컴프레서가 있는 반면, 상업용 공조 시스템에서는 그 용량이 수 백톤에 이르는 컴프레서까지 사용되고 있다.

종래 기술

공조 등의 시스템에 사용되는 가스 컴프레서는 컴프레서 베어링(bearing)에 사용되는 윤활유로서 오일 등을 사용하고 있다. 컴프레서가 운전 중에 있을때는 윤활유는 냉매(refrigerant)와의 친화력 때문에 냉매를 흡수하므로 윤활유는, 비록 컴프레서가 운전 중이 아닌 경우라도, 냉매의 응축을 방지하기 위하여 고온에서 보관되는 것이 이상적이다. 이와 같이 압축된 냉매는 컴프레서의 초기 가동시에 윤활유를 거품 형태로 변화시키기 때문에 결국에는 컴프레서 고장의 원인을 제공한다.

게다가, 현재까지의 공조 시스템에 있어서 냉각 회로를 구성할 경우에는 시스템 내를 순환하는 모든 오일은 컴프레서로 되돌아가도록 회로를 설계하는 것이필요하였다. 왜냐하면, 전체 냉각 시스템에서 오일의 순환을 제한하거나 막는 것이 어려우므로, 오일의 경로가 확정되어야할 필요가 있으며 오일의 귀환을 고려해야 하기 때문이다. 이러한 것은 상기의 시스템에 사용되는 장비의 위치, 배관의 길이, 냉매 배관의 크기 및 장비의 특성을 제한하는 요소가 된다. 이러한 다양한 요소를 고려해야 하므로, 부하를 감소시키는 능력과 같은 시스템 효율 및 시스템의 운전 능력을 절충하는 방향으로 시스템이 설계된다.

오늘날 사용되고 있는 대부분의 냉각 시스템 및 공조 시스템은 냉매로서 R12 또는 이와 비슷한 CFC 또는 HCFC를 사용하고 있는데 이러한 냉매는 환경 파괴의 원인이 된다. 현재로서는 기타의 냉매로서 R22가 오존층에 대하여 규정하고 있는 몬트리올 의정서(Montreal Protocol)에 의하여 서기 2030년까기 그 사용이 허용되고 있는 실정이다. 그러나, 이 냉매의 사용은 양적으로 점차 제한될 것이고, CFC를 포함하지 않는 상업적인 냉매로서 몬트리올 의정서 및 국제 가열 환기 및 공고 기구(International Heating, Ventilation and Air Conditioning Industry : HVAC)로부터 아무런 제한을 받지 않는 유일한 냉매는 R134A로 알려져 있다. 그러나 이 냉매는 기존의 헤마틱(hematic) 또는 세미-헤마틱 장치류에 사용되는 CFC를 직접적으로 대체하기에는 부적당한데 그 이유는 R134A의 화학적 구조가 약 30%의 운전 손실을 유발하기 때문이다. 게다가 R134A 냉매는 기본적으로 기존의 컴프레서에 사용하기에 부적당한데 그 이유는 이 냉매가 현재 널리 사용되고 있는 컴프레서용 베어링 및 기타의 회전 또는 왕복 부품의 윤활유와는 화학적으로 서로 적합하지 않기 때문이다.

현재의 공조 시스템의 또 하나의 문제는 1 내지 150 kw의 왕복동, 로터리(rotary) 또는 스크롤(scroll) 컴프레서를 사용하는 소·중형 냉각 시스템에 관한 것이다. 이와 같은 냉각 시스템에 사용되는 컴프레서는 제조 비용이 저렴한 반면 상대적으로 효율이 낮다. 스크루(screw) 컴프레서는 150 내지 1,000 kw의 용량에서는 효율적인 컴프레서이지만 대부분의 경우에 있어서 500 kw가 넘으면 원심(centrifugal) 컴프레서를 사용한다. 이 경우에는 스크루 컴프레서를 사용하는 것보다 효율적이지만 통상적으로 제조 및 유지비용이 과도하게 소요된다.

180 kw 이하의 소형 장비의 효율은 왕복동, 로터리, 스크롤 및 스크루 컴프레서의 이용 기술에 의하여 많은 영향을 받는다. 저용량일 경우에는 원심 컴프레서가 높은 효율을 나타내지만, 고속 회전 구동의 한계 및 비용 문제로 인하여 그 사용이 제한되는 실정이다.

WIPO 공고 번호 WO 91/17361에는 제약 및 식품 산업 등에서 사용할 수 있는 오일리스(oilless) 원심 컴프레서가 기재되어 있는데, 이 컴프레서의 특징은 회전 성분의 축의 위치를 측정하는 기구에 의하여 조절되는 자기(magnetic) 베어링 어셈블리 수단에 의하여 영향을 받는 축에 의한 저널링(journalling)이다. 그러나, 이 발명은 공조 시스템에 사용되는 냉각 컴프레서와 관련된 여러 가지 문제점을 고려하지 않고 있다. 이러한 문제점으로서는 가변적인 부하(load) 및 컴프레서의 효율을 저하하지 않으면서 컴프레서의 작동 변수(parameter)를 조절하기 위하여 변화시켜야 하는 가변적인 냉매의 온도와 압력이 있다.

상기에서 볼 수 있듯이 R134A를 포함하여 첨단의 냉매를 사용할 수 있으며, 윤활유 또는 이와 비슷한 윤활 수단을 사용하는 컴프레서에서 나타나는 약점을 극복할 수 있는 보다 향상된 컴프레서의 제조가 요구되어 왔다.

넓은 범위의 부하에서 고효율로 운전될 수 있는 컴프레서의 제조가 요구된다.

또한, 부하의 특성과 상응하여 컴프레서 운전이 가능한 고속 컴프레서에 사용되는 컨트롤 시스템의 제조가 요구된다.

그리고, 다양한 용량에 있어서 상대적으로 간단하고 경제적으로 제조할 수 있는 공조 시스템 또는 냉각 시스템에 사용되는 컴프레서의 제조가 요구된다.

본 발명의 한 수단에 따르면 하나 이상의 압축 단(compression stage) 및 오일리스 베어링에 의하여 지지되는 샤프트(shaft)에 장착된 모터를 가진 회전모터, 샤프트에 의하여 지지되는 최소한 제1단 가스 임펠러(impeller), 상기 모터 및 임펠러를 위한 하우징(housing), 하우징은 냉매 가스의 공급을 조절하기 위한 가스 조절(throttling) 수단을 가진 축방향 연장 가스 입구 및 임펠러에 일체화하고, 하우징은 가스를 수용하는 챔버(chamber)를 한정하고, 챔버로부터 연장된 가스 배출구 및 최소한 제1단 기체 압축에 의한 축방향 부하에 대하여 샤프트 상에서 동작하는 위치 한정(locating) 수단으로 이루어진 냉각 컴프레서를 제공한다.

상기한 컴프레서는 2단 컴프레서인 것이 바람직하며, 상기한 축방향 위치한정 수단은 상기 샤프트의 다른 쪽 끝에서 상기 제1단 임펠러까지에 장착된 제2단을 포함하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기의 두 단에 의하여 생성된 축방향 힘은실제적으로 서로 균형을 이루고 있다.

회전자(rotor) 및 임펠러를 가진 상기 샤프트를 지지하는 오일리스 베어링은 자기 레이디얼(radial) 베어링을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 두 단의 컴프레서에 의하여 균형이 이루어지지 않은 축방향 부하를 고려하기 위한 최소한 하나의 축방향 베어링 또는 스러스트 베어링을 포함한다.

자기 베어링은 능등 레이디얼 및 축방향 베어링, 수동 레이디얼 및 축방향 베어링, 또는 능동 또는 수동 베어링의 조합이 사용될 수 있다. 능동 베어링이 사용될 경우, 세라믹 또는 기타 소재로 이루어진 터치 다운(touch down) 베어링은 동력이 없는 정지 상태에서 샤프트를 지지한다.

또 다른 형태로서, 오일리스 베어링은 가스의 쐐기 형태를 이용하는 포일(foil)가스 베어링을 포함한다. 여기에서 가스는 냉매 가스를 말하며, 샤프트의 표면을 케이싱 내의 이동을 위해 지지하는 얇은 베어링 포일로부터 분리하기 위한 것이다. 포일 가스 베어링은 인코넬(Inconel), 베릴륨 코퍼(beryllium copper) 등 다양한 금속으로 제조할 수 있다. 베어링은 회전 샤프트 및 고정 베어링 부품의 사이에 있는 가스층을 유지하기 위하여 유연성이 있는 포일 표면을 사용한다. 상기한 베어링의 부하 용량은 속도에 따라서 증가하며, 이러한 베어링은 고속 전기 모터에 적합하다. 본 발명에 의한 컴프레서는 거의 완전하게 밀봉되어 있으므로, 컴프레서 하우징 내부에 존재하는 기체는 베어링에 요구되는 가스를 제공하는 냉매 가스이다.

상기한 전기 모터는 전력 효율이 높은 희토류(rare earth) 금속 회전자를 가진 브러시리스(brushless) 직류 모터가 바람직하다. 회전자는 30,000 내지 80,000 RPM 이상의 고속 회전이 가능하다. 단락 회로(short-circuit) 장치 또는 영구 자화된 동기 장치를 포함한 다른 형태의 전기 모터도 본 발명에 사용될 수 있다. 그러나 상기와 같은 모터는 널리 알려져 있음에도 불구하고 본 명세서에서 상세하게는 기술하지 않았는데, 이들 모터는 본 발명에서 제안된 방식으로 냉동 컴프레서를 구동하는데 사용되지 않기 때문이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 외부 하우징이 알루미늄 합금 또는 다른 적당한 금속 또는 합성 플라스틱 소재로된 압력 주물 케이싱이다. 케이싱은 스크루 등과 같은 종래의 파스너(fastener) 필요 없이 함께 클립되거나 체결될 수 있는 둘 이상의 섹션(section)으로 형성될 수 있다. 이와 같은 케이싱 구조는 신속하고 간편한 조립을 가능하게 하면서 안전하고 견고한 케이싱 구조를 제공한다.

내부 하우징 부품, 가이드 베인 어셈블리, 통로(labyrinths), 및 모터와 컴프레서의 다른 내부 부품은 General Electric Company에 의하여 제조되는 "ULTEMP" 상표로 알려진 소재와 같은 합성 플라스틱 소재로 성형하는 것이 바람직하다. 이 플라스틱 물질은 450℃까지 견딜 수 있고 실질적으로 냉매가 통과할 수 없는 안정적인 고온 플라스틱이다. 상기 플라스틱 물질은 비자성이어서, 자기 베어링을 사용하는 컴프레서에 매우 적당한 것이다.

본 발명의 컴프레서는 350 kW까지의 용량으로 만들 수 있으며 낮은 용량 예를 들면 10 kW의 것은 내부 및 외부 케이싱, 가이드 베인 하우징, 가스 분배 덕트 배관 등을 포함하는 대용량 컴프레서의 부품의 대부분을 이용한다. 컴프레서의 낮은 용량은 모터 동력을 감소시키고 라미네이션을 감소시키고, 사용되는 임펠러를 변화시키고, 두 단의 컴프레서로 향하는 가스 입구를 달리함으로써 달성할 수 있다.

본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

제1도는 본 발명의 제1 실시예에 따른 컴프레서의 단면도이다;

제2도는 제1도의 A-A 라인을 따라 나타낸 단면도이다;

제3도는 본 발명의 컴프레서용 냉매 회로의 개략적인 다이아그램이다;

제4도는 본 발명의 제2 실시예에 따른 컴프레서의 변형된 형태의 단면도이다;

제5도는 본 발명의 컴프레서에 사용되는 포일 가스 베어링의 단면도이다;

제6도의 a, b 및 c는 본 발명의 컴프레서를 구동하기 위한 제어 로직 다이아그램이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 냉동 컴프레서는 안정적이고, 내고온성인 사출성형 합성 플라스틱 소재로 이루어진 내부 하우징(12)을 포함한다. 이 소재에 유리 섬유를 충전하여 강도를 높일 수 있다. 외부 하우징(13)은 알루미늄 합금 또는 다른 강성 소재의 두 압력 주물로 이루어지며, 두 압력 주물은 서로 고정되어 하우징 및 전체 가스 통로(14, 6)를 형성한다. 본 발명의 실시예에서, 가스 통로(14)는 한쪽 끝에 있는 제1단 컴프레서(17)로부터 다른 쪽 끝에 있는 제2단 컴프레서(18)까지 뻗어 있다. 가스 통로(16)는 상기 제2단의 출구를 포함한다.

제1단 및 제2단 임펠러가 한 쌍의 자기 레이디얼 베어링(23, 24) 내에 회전하도록 장착된 구동 샤프트(22)의 양쪽 끝에 장착된다. 샤프트(22)는 영구 자석형 브러시리스 직류 모터에 의해 구동되고, 축방향 전자기(electromagnetic) 베어링(26)은 샤프트(22) 상의 축방향 부하에 반작용한다.

전기 모터(27)는 내부 하우징(12)에 의해 지지되는 고정자(28)와 샤프트(22)에 의해 지지되는 회전자(29)를 가진다. 회전자(29)는 네오디늄 아이언 보라이드 (neodyminium iron boride) 같은 종래 공지된 희토류 물질의 적층으로 형성된 것으로 전기적 효율이 극히 높고 속도가 매우 빠르다. 이러한 유형의 전기 모터의 속도는 80,000 rpm 또는 그 이상이며, 이런 높은 회전 속도 때문에 컴프레서의 효율이 컴프레서의 부하 범위 이상으로 높다.

자기 레이디얼 베어링(23, 24)은 영구 자석 기술을 이용하는 수동형일 수 있다. 이와 달리, 레이디얼 베어링(23, 24)은 능동 자기 베어링용일 수 있으며, 이 경우 제어 회로(circuitry)가 컴프레서에 결합되어 있다. 이 제어 회로는 이미 공지되어 있으므로 자세히는 설명하지 않겠지만, 이 제어 회로는 하우징(12)과 결합된 3차원 인쇄 회로 기판의 형태를 취하고 있으며 베어링의 고정부 및 회전부에 위치한 센서가 있어 베어링의 능동 제어를 가능하게 한다. 제어 회로는 주어진 시간에 고정부에 대한 회전부의 상대적 위치를 판단하고 오차 신호를 생성함으로써, 원하는 만큼의 자기적 조절을 통하여 임의의 주어진 각 위치에서의 편차를 보정하게 한다. 이와 유사하게, 축방향 능동 자기 베어링(26)에 제어 회로가 구비되어 축방향으로 이격된 인접 베어링 면 사이에 소정의 간극이 유지된다. 컴프레서 제어 시스템(30)은, 컴프레서가 작동하는 동안 시스템의 전력 공급이 중단되는 경우에 능동 자기 베어링에 전력을 제공하는 전력 공급 수단을 포함한다. 전력 공급 수단으로는 전기 모터에 대한 전력 공급이 중단되었을 때 이 전기 모터를 발전기로 사용하는 경우나 베어링 자체를 자가발전형으로 사용하는 경우를 들 수 있다. 세라믹 터치 다운 베어링(ceramic touch down bearing)은 샤프트(22)를 고정하면 베어링 부하가 일어나 상기 모터와 자기 베어링에 대한 전력 손실이 발생된다.

2단 컴프레서는 모터 샤프트 상에 축방향 부하를 주어 평형을 이루게 함으로써 최소의 전력으로 최소 크기의 축방향 자기 베어링을 사용할 수 있게한다.

내부 하우징(12)은 또한, 제1단 임펠러(19)를 향하는 가스 흐름을 조절하는 조절식 가이드 베인(34)이 있는 가스 주입실(31)을 형성한다. 낮은 부하 조건에서 가이드 베인(34)은 가스 흐름을 감소시키도록 움직이는 반면에 높은 부하 조건에서는 가이드 베인(34)이 개방되어 제1단 컴프레서(17)로 향하는 가스 흐름이 증가한다. 상술한 실시예에 있어서, 다수의 가이드 베인(34)이 하우징(12)의 입구 가장자리로부터 반경 방향 내측으로 뻗어있고, 각 베인은 반경 방향으로 뻗어있는 축을 중심으로 회전한다. 각 베인은 캠(37)과 이 캠(37)으로부터 연장된 핑거(36)를 가지며, 핑거(36)는 하우징(12)에 장착된 제어링(38)의 대응 슬롯에 삽입되어 있다. 이러한 배열에서, 제어 링(38)이 회전하면 각 캠(37)은 그들 각각의 축에 대하여 이동하고 결국 가이드 베인(34)이 회전한다. 제어 링(38)은 리니어 모터 등(도시하지 않음)에 의해 회전될 수 있다.

제1단 임펠러(19)를 통과한 냉매 가스는 가스 통로(14)를 통과하여 제2단 컴프레서(18)의 입구로 간다. 제2단 컴프레서(18)의 입구에는 컴프레서 크기와 필요한 제어 정도에 따라 가이드 베인이 구비될 수도 있고 그렇지 않을 수 있다.

제2단 컴프레서(18)를 통과한 컴프레서 냉매 가스는 배출 통로(16)를 통해 체크밸브(32)를 지나서 빠져나간다.

전기 모터(27)의 고정자(28)는 하우징(12)과 함께 모터 냉각 덕트(39)를 형성한다. 덕트에는 제2단 컴프레서 또는 두 단의 컴프레서 모두를 우회한 기상 냉매 또는 냉매 회로로부터 뽑아낸 액상 냉매를 공급할 수 있다. 냉각 매체로서 냉매를 사용함에 따라, 모터 열이 냉매 회로의 응축기에서 제거될 수 있어서 효율적인 열 전달 시스템이 된다.

제2도와 제3도에 따라, 본 발명의 컴프레서는 외부 하우징(13)과 용이하게 일체로 형성된 팽창실(33)을 가지고 있는 것이 바람직하다. 팽창실(33)에는 액상 냉매(42)가 팽창실(33)로 들어가는 것을 통제하는 유동 밸브(41)가 구비되어 있다. 상기 냉매 회로 응축기(43)로부터의 냉매 대부분은 액상이다. 그러나, 잔여 액체를 냉각하는 소량의 가스는 밸브(41)를 통하여 팽창실(33)에 냉매를 도입함으로서 제거하는 것이 가능하다.

팽창실(33) 중의 냉매 가스는 포트(44)를 통하여 제1단 컴프레서(17)와 제2단 컴프레서(18) 사이의 통로(14)로 들어간다. 냉매 회로에 있어서, 회로의 응축기 부분 내의 가스는 비교적 고압이고, 팽창실(33)과 상기 통로(14) 내의 가스는 중압인 반면에 팽창 밸브(46)의 하류에 있는 증발기(47) 내의 액체 및 가스는 비교적 저압이다.

유동 밸브(41)는 냉매 시스템 상의 부하 요구량에 따라 작동한다. 부하가 증가하고 더 많은 냉매가 증발기를 통하여 공급되면, 유동 밸브가 개방되어 더욱 많은 양의 액체가 팽창실(33) 내부로 유입된다. 부하가 감소하면 유동 밸브는 팽창실(33)로 유입 및 유출되는 액상 냉매(42)의 양은 억제하도록 작동한다. 그러나 유입되는 모든 냉매는 통로(14)로 직접 이동된다.

본 발명의 컴프레서에는 배출 통로(16)와 가스 주입실(31) 내에 압력 변환기가 구비되어 있다. 배출 통로(16) 내 압력 변환기(20)와 주입실(31) 내의 변환기(25)는 이하에서 설명하는 제어 로직을 사용하는 제어 회로(30)를 통하여 모터(27)의 속도를 조절하는 데 사용되어, 제2단 임펠러(21)의 팁 속도 압력이 시스템 응축기 내의 응축 압력보다 약간 높고 컴프레서의 작동 포인트는 서지 포인트(surge point)를 상회하여 유지된다.

주입실(31) 내의 압력 변환기(25)는 가이드 베인(34)에 하나의 제어 형태를 제공하는데 사용되어 컴프레서를 통과하여 흐르는 가스의 양을 조절하고 부하에 따른 일정한 흡입 압력을 제공한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 부하가 감소하면 베인 또는 속도 저하가 제1단(17)으로 흐르는 가스의 양을 감소시킨다.

제4도에는 두 단의 컴프레서가 서로 배면을 맞대고 있고, 제1단 임펠러(19)와 제2단 임펠러(21) 모두 모터의 샤프트(22)의 일단에 장착되어 있는 본 발명의 제2 실시예가 도시되어 있다.

이 실시예에서는, 전기 모터(27)가 한 쌍의 포일 가스 베어링(51, 52) 상에 회전가능하게 장착되어 있다. 포일 베어링(51, 52)은, 공지되어 있는 것으로, 여러가지 다른 형태를 가질 수 있다. 제5도에 도시한 것과 같은 일 형태에서는, 베어링은 원통형 외부 케이싱(54), 케이싱(54) 내에서 일단(57)이 고정된 내부의 매끄러운 상부 포일(56) 및 상부 포일(56)과 케이싱(54) 사이에 위치하며 변형 가능한 일련의 포일(58)을 포함한다. 작동시, 샤프트(22)가 회전하면 샤프트(22) 및 상부 포일(56) 사이에 가스가 유입된다. 가스는 쐐기 형상으로 유입되어 포일(56)상에 샤프트(22)를 지지한다.

본 발명에서, 가스는 이하에서 설명하는 모터를 둘러싼 냉매 가스이다.

케이싱(13)에 대한 샤프트(21)의 축방향 운동은 샤프트(22) 양단의 한 쌍의 자기 스러스트 베어링(61, 62)에 의하여 조절된다. 각 스러스트 베어링(61, 62)은 샤프트 및 지지 케이싱의 각 말단에 장착된 한 쌍의 버튼형 자석(button magnets)(61a, 61b; 62a, 62b)을 포함한다. 관련 버튼형 자석은 일정한 거리로 이격되어 있고 같은 자극이 인접하도록 배치되어 있으므로 이로 인한 척력이 샤프트를 실질적으로 중심에 위치하게 한다. 현재 자석 기술로, 이격 거리가 1/10,000 인치인 경우 약 1 제곱 인치당 60 파운드까지의 반발력을 얻을 수 있다.

이와는 달리, 영구 자석 스러스트 베어링 대신, 제1 실시예에서 설명한 것과 같은 적절한 컨트롤 회로를 겸비한 능동 자기 스러스트 베어링을 사용하거나 또는 앞에서 설명한 포일 층 베어링(51, 52)과 유사한 축방향 포일 가스 베어링을 사용할 수 있다.

이 실시예의 전기 모터(27)는 주입관(64)을 통하여 케이싱(13)에 유입되는 액상 냉매로 냉각된다. 액상 냉매는 바람직하게는 팽창실(33)로부터 유입되거나 냉매 회로의 고압 측으로부터 유입되고, 필요에 따라 밸브, 오리피스, 모세관과 같은 조절 장치를 통하여 유통된다.

액상 냉매는 모터 고정자(28)의 나선형 홈(spiral groove)(66)을 돌아 그 내부(도시하지 않음)의 통로를 통하여 회전자의 일단으로 들어간다. 가열되어 기화된 냉매는 최종적으로 모터 하우징으로부터 구멍(67, 68)과 통로(69)를 통하여 가이드 베인(34)의 하류 쪽의 흡입구(31)로 간다.

본 발명의 이 실시예에서, 팽창실(33)로부터의 냉매 가스는 주입관(71)을 통하여 두 단의 컴프레서 사이에 유입된다.

본 발명의 컴프레서의 주 장점은 모든 컴프레서에 공통되는 부품을 사용하여 예를 들면, 10kW부터 100kW까지의 다양한 용량 범위의 컴프레서를 제조할 수 있다는 것이다. 그래서 케이싱, 하우징, 베어링 등이 모든 컴프레서에 공통될 수 있고, 용량을 바꾸기 위하여 행하여야 할 변화는 단지 모터 크기 및 전력과 임펠러, 가이드 베인 등의 설계이다.

본 발명의 또 다른 특징은 컴프레서 작동을 제어하는 데 사용되는 제어 시스템과 제어 로직이다. 제6도를 참조하면, 본 발명의 컴프레서 및 관련 컴프레서를 제어하기 위하여 고안된 제어 로직이 예로서 도시되어 있다. (표1)에는 예로 든 로직 다이어그램에서 사용된 약어에 대한 설명과 제어 시스템(30)(제1도 참조)의 일부인 컴퓨터 메모리에 저장되거나 컴프레서와 냉매회로 상이 다양한 센서로부터 입력되는 컴프레서 작동용 변수들을 기재하였다. 이들 센서는 공조 시스템의 증발기로 유입되는 냉각수 유입 온도, 모터 회전 속도, 압력 변환기(25)에 의하여 측정되는 흡입 압력, 임펠러 팁 온도, 압력 트랜스듀서(20)에 의하여 측정되는 배출 압력, 증발기를 떠나는 냉각수의 온도, 모터 전류 및 입구 가이드 베인 위치에 관한 신호를 제어 시스템(30)으로 제공한다.

입력 신호를 입력 상자(103)에서 받으면, 제어 로직은 지시된 변수를 조사하고, 이 변수를 소정의 한계 내로 하여, 모터 속도를 증가시켜 압축비(배출 압력과 흡입 압력으로부터 계산) 및/또는 질량 유동(mass flow)의 증가를 일으킨다.

시스템 상 부하는 냉각수 유입 및 유출 온도에 의하여 나타난다. 제어 시스템은 이들 온도를 끊임없이 감시하고 입구 가이드 베인 위치 및 모터 속도를 변화시켜 일정한 범위 내에서 이들 온도를 유지한다. 일례로, 원하는 냉각수 유출 온도는 7℃로 설정될 수 있지만, 냉각수 유출 온도를 재설정하는 경우, 냉각수 유입 온도가 소정의 값(이 예에서는 9℃)으로 감소하면 에너지 절감을 목적으로 냉각수 유출 온도를 온도(이 예에서는 9℃)로 재설정 할 수 있다.

시스템 부하가 변하면, 이와 같은 변화는 입력(103)에서 검출되어 제어 로직은 입구 가이드 베일 위치 및 모터 속도를 조절하여 미리 설정된 원하는 변수를 유지한다. 임펠러 딥 온도 및 모터 전류와 같은 몇 가지 변수는 잘못된 표시를 주어 잘못된 경우 시스템을 끌 수 있다.

본 발명의 컴프레서는 다수의 실질적으로 동일한 모듈화된 냉동 유닛이 서로 조립되어 공주 시스템을 이루는 모듈화된 냉동 시스템에 사용될 때 특히 적당하다. 본 발명의 이 제어 로직은 검출된 부하 조건에 따라 그와 같은 모듈화 시스템 내 추가적인 컴프레서를 작동 또는 정지하게 한다.

본 발명의 컴프레서는, 자기 또는 포일 베어링과 같은 오일리스 베어링 기술을 이용하여, R134A 냉매와 같은 진보된 냉매를 사용할 수 있다. 베어링 기술 또한 일반적인 원심 컴프레서와 비교하여 컴프레서의 작동 효율을 실질적으로 개선하여매우 높은 회진 속도가 가능하게 한다.

내부 하우징(12), 모터 냉각 덕트 배관, 통로 및 다른 내부 구성품은 General Electric "ULTEMP" 플라스틱 물질, 또는 매우 높은 경도(rigidity)를 갖고, 화학물질 공격으로부터 밀폐되어 있고, 전기에 비도전체이며 매우 높은 내열성을 갖는 다른 유리 충전 복합체 물질을 사용하여 사출성형 될 수 있다. 이와 같은 구조는 길이 방향에 대하여 필요한 강도를 가지면서 컴프레서를 동일한 용량의 컴프레서보다 실질적으로 작은 크기로 만들 수 있게 한다. 그래서 본 발명에 따른 컴프레서는 전체적으로 절반 보다 작은 크기일 수 있으며, 동일한 용량의 컴프레서의 무게에 비하여 삼분의 일 이하일 수 있다. 외부 하우징(13)은 바람직하게는 알루미늄 합금 주물이다.

Claims (26)

1. 오일리스 레이디얼 베어링에 의해 지지되는 샤프트에 장착된 제1 임펠러를 갖는 원심 컴프레서 제1단,

   상기 샤프트에 연결된 회전자를 포함하며 상기 샤프트를 구동하는 전기 모터,

   상기 샤프트와 연결되며 상기 샤프트의 축방향 이동을 제한하는 축방향 위치 한정 수단,

   상기 모터와 상기 제1 임펠러를 둘러싸며, 축방향으로 뻗어있는 가스 주입 통로와 가스 배출 통로를 일체로 구비하는 하우징,

   모터 냉각용 액상 냉매를 이송하고 상기 모터로부터의 냉매 가스를 상기 가스 주입 통로로 이송하는 하우징 내부의 통로와 상기 임펠러로의 가스 공급을 제어하는 상기 가스 주입 통로 내부의 가스 조절 수단, 그리고

   냉각 부하에 따라 상기 가스 조절 수단을 제어하는 제어 수단

   을 포함하며,

   상기 제어 수단은 상기 냉각 부하에 기초하여 제어 신호를 생성하고, 상기 조절 수단은 상기 제어 신호에 응답하는

   액상 및 기상 냉매 압축 컴프레서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1단으로부터 가스를 유입받으며, 상기 샤프트에 장착된 제2 임펠러를 포함하는 원심 컴프레서 제2단을 더 포함하는 컴프레서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 모터는 상기 제1단 및 제2단 사이에 위치하고, 상기 하우징은 상기 제1단의 출구로부터의 가스를 축방향으로 배치된 상기 제2단의 입구로 이송하는 덕트를 구비한 컴프레서.
4. 제3항에 있어서,

   팽창실에서 상기 제2단으로 냉매 가스를 이송하는 가스 포트를 더 포함하는 컴프레서.
5. 제4항에 있어서,

   상기 팽창실이 상기 하우징과 결합되어 있고, 부하에 따라 상기 팽창실 내부로 유입되는 냉매의 흐름을 제어하는 액상 냉매 레벨 센서와 밸브를 포함하는 컴프레서.
6. 제1항에 있어서,

   상기 축방향 위치 한정 수단이 축방향 능동 자기 스러스트(thrust) 베어링을 포함하는 컴프레서.
7. 제1항에 있어서,

   상기 축방향 위치 한정 수단은 상기 샤프트의 각 단두에 고정되어 있는 제1 영구 자석과 상기 제1 입구 자석애 인접한 상기 하우징에 고정되어 있는 제2 영구 자석을 각각 갖는 한 쌍의 능동 자기 스러스트 베어링을 포함하고, 상기 각 베어링의 제1 및 제2 영구자석은 동일 자극이 인접하게 배치되어 서로 반발함으로써 상기 샤프트를 상기 제2 자석들 사이의 중심에 위치시키는 컴프레서.
8. 제1항에 있어서,

   상기 축방향 위치 한정 수단이 측방향 포일 가스 베어링을 포함하는 컴프레서,
9. 제1항에 있어서,

   상기 오일리스 레이디얼 베어링이 포일 가스 베어링을 포함하는 컴프레서.
10. 제1항에 있어서,

    상기 가스 조절 수단은 가스 주입 통로 내부에서 반경방향으로 뻗어있는 복수의 가이드 베인을 포함하며, 상기 각각의 베인은 상기 제어 수단으로부터의 제어 신호에 응답하여 상기 하우징 내부의 제어 링에 의해 반경방향 축을 중심으로 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 회전가능한 컴프레서.
11. 제1항에 있어서,

    상기 하우징은 사출성형 합성 플라스틱 재료로 이루어진 내부 하우징을 포함하고, 상기 내부 하우징은 베어링 지지체, 냉매 통로, 모터 고정자 지지체, 및 가스 통로(gas labyrinths)를 형성하는 컴프레서.
12. 제11항에 있어서,

    상기 하우징이 알루미늄 합금을 주조하여 이루어진 외부 하우징을 포함하는 컴프레서.
13. 제1항의 컴프레서, 상기 가스 배출 통로로부터의 냉매 가스를 응축하는 냉매 응축기, 팽창실, 팽창 장치 및 증발기 수단을 포함하고,

    상기 제어 수단은 상기 증발기 수단, 상기 가스 주입 통로 및 가스 배출 통로 내의 압력 변환기, 가스 조절 수단, 모터 전원 공급 수단 및 모터 속도 센서 수단으로부터의 입력 신호를 수신하고, 시스템 부하 및 로직 제어 변수들에 따라 상기 모터의 속도 및 상기 가스 조절 수단을 조걸하여 상기 컴프레서를 통한 냉매 흐름을 유지하는 냉동 시스템.
14. 제1항에 있어서,

    상기 오일리스 레이디얼 베어링이 제어 회로를 갖는 능동 자기 베어링을 포함하며 상기 제어 회로는 베어링 회전 면과 고정 면 사이에 소정의 공간을 유지하는 컴프레서.
15. 샤프트에 장착된 임펠러를 갖는 원심 컴프레서 제1단,

    상기 샤프트에 연결된 회전자를 포함하고, 상기 샤프트를 구동하는 전기 모터- 여기서, 상기 샤프트를 제어 회로를 갖는 능동 자기 베어링에 의해 지지되어 베어링의 회전 면과 고정 면 사이에 소정의 공간을 유지함- ,

    상기 샤프트에 연결되어 샤프트의 측방향 이동을 제한하는 축방향 위치 한정 수단,

    상기 모터와 임펠러를 둘러싸며, 축방향으로 뻗어있는 가스 주입 통로 및 가스 배출 통로를 일체로 구비하는 하우징,

    상기 모터 냉각용 냉매를 이송하고 상기 모터로부터의 냉매 가스를 상기 가스 주입 통로로 이송하는 하우징 내부의 통로.

    상기 임펠러에 대한 가스의 공급을 제어하며, 상기 가스 주입 통로 내부의 축방향으로 연장되는 복수의 가이드 베인- 여기서, 각각의 가이드 베인은 상기 제어 수단으로부터의 제어 신호에 따라 하우징 내측의 제어 링에 의해 반경방향 축을 중심으로 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 회전가능함- 을 포함하는 가스 조절 수단, 그리고

    냉매 부하에 따라 상기 가스 조절 수단을 제어하는 제어 수단

    을 포함하는 냉동 컴프레서.
16. 제15항에 있어서,

    상기 축방향 위치 한정 수단이 축방향 능동 자기 스러스트 베어링을 포함하는 냉동 컴프레서.
17. 제15항에 있어서,

    상기 축방향 위치 한정 수단은 상기 샤프트의 각 단부에 고정되어 있는 제1 영구 자석과 상기 제1 영구 자석에 인접한 상기 하우징에 고정되어 있는 제2 영구 자석을 각각 갖는 한 쌍의 능동 자기 스러스트 베어링을 포함하고, 상기 각 베어링의 제1 및 제2 영구자석은 동일 자극이 인접하게 배치되어 서로 반발함으로써 상기 샤프트를 상기 제2 자석들 사이의 중심에 위치시키는 냉동 컴프레서.
18. 제15항에 있어서,

    상기 하우징은 사출성형 합성 플라스틱 재료로 이루어진 내부 하우징을 포함하고, 상기 내부 하우징은 베어링 지지체, 냉매 통로, 모터 고정자 지지체, 및 가스 통로(gas labyrinths)를 형성하는 냉동 컴프레서.
19. 제18항에 있어서,

    상기 하우징이 알루미늄 합금 주조로 이루어진 외부 하우징을 포함하는 냉동 컴프레서.
20. 샤프트에 장착된 임펠러를 갖는 원심 컴프레서 제1단,

    오일리스 레이디얼 베어링들에 의해 지지되는 상기 샤프트에 연결된 회전자를 포함하고, 상기 샤프트를 구동시키는 전기 모터,

    상기 샤프트에 연결되어 상기 샤프트의 축방향 이동을 제한하는 축방향 위치 한정 수단,

    상기 모터와 임펠러를 둘러싸고, 축방향으로 연장되는 가스 주입 통로 및 가스 배출 통로를 일체로 구비하는 하우징,

    상기 임펠러에 가스의 공급을 제어하는 상기 가스 주입 통로 내부의 가스 조절 수단,

    부하에 따라 상기 가스 조절 수단을 제어하는 제어 수단,

    상기 가스 배출 통로로부터의 냉매 가스를 응축하는 냉매 응축기, 팽창실,

    팽창 장치, 그리고

    증발기 수단

    을 포함하고,

    상기 제어 수단이 증발기 수단, 상기 가스 주입 통로 및 가스 배출 통로 내부의 압력 변환기, 가스 조절 수단, 모터 전원 공급 수단 및 모터 속도 센서 수단으로부터의 입력 신호들을 수신하고, 상기 컴프레서를 통해 소정의 냉매 흐름을 유지하기 위해 시스템 부하 및 로직 제어 변수들에 따라 모터의 속도 및 가스 조절 수단을 조절하도록 동작하는 냉동 시스템.
21. 제20항에 있어서,

    상기 하우징이 모터를 냉각하는 냉매를 이송하고, 상기 모터로부터 상기 가스 주입 통로로 냉매를 이송하기 위한 통로를 일체로 구비하는 냉동 시스템.
22. 제20항에 있어서,

    상기 제1단으로부터 가스를 유입받으며, 상기 샤프트에 장착된 제2 임펠러를 포함하는 원심 컴프레서 제2단을 더 포함하는 냉동 시스템.
23. 제22항에 있어서,

    상기 모터는 상기 제1단 및 제2단 사이에 위치하고, 상기 하우징은 덕트를 일체로 형성하여 상기 제1단의 출구로부터의 가스를 축방향으로 배치된 상기 제2단의 입구로 이송하는 냉동 시스템.
24. 제22항에 있어서,

    팽창실에서 상기 제2단으로 냉매 가스를 이송하는 가스 포트를 더 포함하는 냉동 시스템.
25. 제24항에 있어서,

    상기 펭창실이 상기 하우징과 일체로 형성되고, 부하에 따라 상기 팽창실 내부로의 냉매 흐름을 제어하도록 액상 냉매 레벨 센서 및 밸브를 포함하는 냉동 시스템.
26. 제30항에 있어서,

    상기 제어 수단이 상기 입력 신호들로부터의 입력 데이터 및 사전에 프로그램된 메모리로부터의 입력 데이터를 사용하고, 소정의 동작 변수들을 유지시키기 위해 모터 속도 및 가스 조절을 결정하는 냉동 시스템.