KR100388251B1 - 터보 압축기의 냉각 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 터보 압축기의 냉각 구조는 전원이 인가되어 기계적인 운동에너지를 발생하게 되는 모터 고정자와, 상기 모터 고정자가 내부에 결합되는 동시에 상기 모터 고정자의 냉각이 원활히 이루어지도록 하기 위하여 내주면의 안쪽으로 케이싱 유로가 형성되어 있는 모터 케이싱이 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 전원와 인가와 마찰로 인하여 고열이 발생되는 모터 고정자의 냉각에 관한 문제가 해결되도록 하는 동시에, 유체의 흐름에 대한 저항으로 인하여 압력 저하가 발생되는 모터 고정자와 모터 케이싱에 관한 문제가 효율적으로 해결되는 장점이 있다.

Description

터보 압축기의 냉각 구조{Structure for cooling of turbo compressor}

본 발명은 유체를 압축시키기 위해 사용되는 압축기에서 발생되는 열을 냉각시키기 위하여 고안된 냉각 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특히 터보 압축기의 내부에서 전원이 인가되어 구동축의 회전력을 발생시키는 고정자의 냉각이 원활히 이루어지도록 하여 수명을 연장시키는 동시에, 압축기 내에서의 압력 손실을 최소화할 수 있는 터보 압축기의 냉각 구조에 관한 것이다.

도 1은 종래 터보 압축기의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래 터보 압축기는 대별하여 유체가 흐르게 되는 관로부와, 외부에서 전원이 인가되어 유체가 압축되도록 하는 구동부와, 여러 부품들이 지지되도록 하기 위한 지지부로 구성되어 있다.

한편, 이와 같은 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 관로부를 유체의 흐름을 순서로 하여 설명하면, 외부의 유체가 흡입되는 흡입관로(23)와, 흡입관로(23)를 통하여 흡입된 외부 유체가 통과하게 되는 모터실(4)과, 모터실(4)을 경유한 유체가 1 단 압축되기 전에 거치게 되는 제 1 가스통로(5) 및 제 1 흡입유로(11)와, 유체가 1 단 압축되는 영역인 제 1 압축실(10)과, 1 단 압축된 유체가 2 단 압축되기 위하여 경유하게 되는 제 2 가스통로(13) 및 제 2 흡입유로(15)와, 제 2 흡입유로(15)를 거친 유체가 2 단 압축되는 제 2 압축실(17)과, 2단 압축된 유체가 고압의 유체로 배출되는 토출관(24)으로 이루어진다.

또한, 구동부는 외부의 전원이 인가되는 모터 고정자(Motor Stator)(2)와, 모터 고정자(2)와 쌍을 이루어 전자기적인 힘에 의하여 회전력을 발생시키는 모터 회전자(Motor Rotor)(3)와, 모터 고정자(2)와 일체로 결합되어 모터 고정자의 회전력을 그대로 받게 되는 구동축(25)과, 구동축(25)의 회전력을 받아 유체가 1 단 압축되도록 하는 제 1 임펠러(9)와, 1 단 압축된 유체가 2 단 압축되도록 하는 제 2 임펠러(20)등이 있다.

마지막으로, 지지부는 내부에 있는 고압의 유체가 외부로 유출되지 않도록 하기 위한 모터 케이싱(1)과, 구동축(25)으로 인한 상하 방향으로의 하중이 지지되도록 하기 위한 제 1 래디얼 베어링(Radial Bearing)(12) 및 제 2 래디얼 베어링(26)과, 제 1 임펠러(9)와 제 2 임펠러(20)로 인하여 발생되는 좌우로의 하중이 지지되도록 하기 위한 스러스트 베어링(Thrust Bearing)(21)과, 제 1 및, 제 2 래디얼 베어링(12)(26)이 외주면에서 지지되도록 하기 위한 제 1 베어링 플레이트(6) 및 제 2 베어링 플레이트(22)와, 제 1 임펠러(9) 및 제 2 임펠러(20)를 통하여 배출된 고속의 유체를 가이드 하기 위하여 모터 케이싱(1)의 좌우측에 마련되는 제 1 디퓨저 케이싱(8) 및 제 2 디퓨저 케이싱(18)등으로 이루어진다.

이와 같은 종래 터보 압축기에 있어서 본 발명에서 특히 관심을 가지고 있는 부분은 모터 고정자(2)와 모터 고정자를 지지하는 모터 케이싱(1)으로서, 모터 고정자(2)는 외부의 전원이 인가되어 전기장이 발생되도록 하여 회전력을 제공하는 부분으로서, 전원의 인가로 인하여 발생되는 열이나 구동축의 회전으로 인하여 발생되는 열로 인하여 고열이 인가되는 부분이다.

모터 고정자(2)의 냉각이 적절히 이루어지지 않으면, 모터 고정자(2)의 온도가 높아져 모터 고정자(2)의 내부에 설치되어 있는 코일에 소손이 발생된다.

상술된 바와 같은 모터 고정자(2)의 냉각에 관한 문제가 해결되도록 하기 위하여 종래 사용된 방법으로는, 모터 고정자(2)의 직경을 줄여 모터 고정자(2)와 모터 케이싱(1)사이의 간격을 넓혀 줌으로서 보다 많은 유체가 이를 통과하도록 하여 냉각이 원활히 이루어지도록 하거나, 또는 모터 고정자(2)의 내부에 대칭 형상의 고정자 유로(2a)를 형성하여 모터 고정자(2)의 내부로 외부에서 유입된 저온의 유체가 통과하도록 하여 냉각이 원활히 이루어지도록 하였다.

도 2a는 종래 모터 케이싱에서 모터 고정자 결합 부분의 횡단면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A'으로 모터 케이싱을 절단한 종단면도이고, 도 2c는 종래 모터 회전자의 횡단면도이다.

도 2a를 참조하면, 종래 모터 케이싱에서 모터 고정자가 체결되도록 하기 위하여 제 1 러그(lug)(1a)가 형성되어 있고, 제 1 러그(1a)에는 모터 고정자(2)가 나사결합될 수 있도록 하기 위하여 제 1 체결홀(1b)이 가공되어 있다.

도 2b를 참조하면, 제 1 러그(1a)의 전방에는 흡입관로(23)가 형성되어 유입된 유체가 바로 모터 고정자(2)를 냉각시킬 수 있도록 구성되어 있다.

도 2c를 참조하면, 제 1 러그(1a)에 설치되어 흡입관로(23)를 통해 유입된 외부 유체의 통로가 되도록 하기 위한 고정자 유로(2a)와, 코일이 감겨져 외부유체가 통할 수 있도록 하기 위한 철심(2b)과, 모터 고정자(2)의 외주에 형성되어 모터 케이싱(1)과 체결되도록 하기 위한 제 2 러그(2c)와, 제 2 러그(2c)에 가공되어 있는 제 2 체결홀(2d)이 포함되어 있다.

살펴본 바와 같은 구조로 인하여 보다 넓은 유체의 통로가 모터 고정자(2)에 형성되도록 함으로써, 모터 고정자(2)의 냉각이 한층 더 원활히 이루어지도록 할 수 있다.

그러나, 모터 고정자(2)의 크기를 줄여 모터 고정자(2)와 모터 케이싱(1)의 간격을 크게 하여줌으로써 유체가 보다 많이 통과하도록 하는 방법은, 모터 고정자(2)의 크기가 줄어들게 함으로써 모터의 출력을 제대로 낼 수 없어 압축기에서 원하는 출력을 낼 수 없게 되는 문제점이 있고, 고정자 유로(2a)를 고정자(2)의내부에 가공하는 방법도 모터 고정자(2)의 냉각이 충분치 못하도록 하여 모터 고정자(2)의 내부에 있는 코일에 소손이 발생되도록 하는 문제점이 있다.

한편, 모터 고정자(2)가 냉각되도록 하기 위하여 위에서 설명된 바와 같은 종래의 방법들은 유체의 흐름이 원활히 이루어지지 못하도록 하여 고정자(2)를 통과하는 유체의 흐름에 저항으로 작용함으로써, 제 1 및 제 2 임펠러(9)(20)에 입력되는 설계된 흡입 압력보다 낮은 압력이 되도록 하여 압축기에서 설계된 압축비를 낼 수 없게 되는 문제점이 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은, 모터 고정자의 보호를 위해 상기 모터 고정자 외주면에 착설되는 모터 케이싱 내주면에 케이싱 유로를 형성시키므로서, 터보 압축기 내부의 소정경로를 통해 가압 유동되는 작동유체가 상기 모터 케이싱 내부에 형성된 케이싱 유로를 통해 상기 모터 고정자와 상기 모터 케이싱 사이를 유동하면서 모터 고정자의 냉각이 원활히 이루어지도록 함과 동시에, 종래 모터 고정자의 냉각이 충분하지 못해 외부의 전원이 인가되는 모터 고정자의 코일이 소손되는 것을 방지할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 흡입관로를 통하여 흡입된 유체가 보다 원활히 모터 고정자를 통과할 수 있도록 함으로써, 모터 고정자의 좁은 유체 유로로 인하여 유체에 발생되는 압력 저하를 최소화함으로서 압축기에 설계된 바와 같은 압축비를 손쉽게 낼 수 있도록 하는 터보 압축기의 냉각 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래 터보 압축기의 개략적인 구성도.

도 2a는 종래 터보 압축기에서 모터 케이싱의 횡단면도.

도 2b는 도 2a에서 A-A'선을 따른 모터 케이싱의 종단면도.

도 2c는 종래 모터 회전자의 횡단면도.

도 3a는 본 발명에 따른 모터 케이싱의 횡단면도.

도 3b는 도 3a에서 B-B'선을 따른 모터 케이싱의 종단면도.

도 3c는 본 발명에 따른 모터 고정자의 횡단면도.

도 4a는 본 발명에 따른 모터 고정자와 모터 케이싱의 횡단면도.

도 4b는 도 4a에서 C-C'선을 따른 모터 고정자와 모터 케이싱의 종단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 모터 케이싱 1a : 제 1 러그

2 : 모터 고정자 2a : 고정자 유로

3 : 모터 회전 4 : 모터실

5 : 제 1 가스통로 6 : 제 1 베어링 플레이트

8 : 제 1 디퓨저 케이싱 9 : 제 1 임펠러

10 : 제 1 압축실 11 : 제 1 흡입유로

12 : 제 1 래디얼 베어링 13 : 제 2 가스통로

15 : 제 2 흡입유로 17 : 제 2 압축실

18 : 제 2 디퓨저 케이싱 20 : 제 2 임펠러

21 : 스러스트 베어링 22 : 제 2 베어링 플레이트

23 : 흡입관로 24 : 토출관

25 : 구동축 26 : 제 2 래디얼 베어링

100 : 모터 케이싱 101 : 케이싱 유로

102 : 제 1 러그 103 : 제 1 체결홀

105 : 흡입관로 200 : 모터 고정자

201 : 고정자 유로 202 : 철심

203 : 제 2 러그 204 : 제 2 체결홀

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 터보 압축기의 냉각 구조는, 모터 고정자의 보호를 위해 상기 모터 고정자 외주면에 모터 케이싱이 착설된 구조로 이루어진 터보 압축기에 있어서;상기 모터 고정자의 냉각이 원활할 수 있도록 상기 모터 케이싱 내주면에 작동유체가 유동할 수 있는 케이싱 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기된 바와 같이 본 발명에 따른 터보 압축기의 냉각 구조는, 모터 케이싱의 내주면에 유체가 흐를 수 있는 또 다른 유로인 케이싱 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는데, 이러한 케이싱 유로로 인하여 흡입 관로를 통하여 외부에서 유입된 유체가 보다 원활히 모터 고정자를 냉각시킬 수 있게 된다.

또한, 모터 고정자의 냉각이 원활히 이루어지는 동시에, 유체가 통과하게 되는 유로가 절대적으로 많아지며 유체가 통과할 수 있는 유로의 면적이 넓어짐으로써, 유체에 작용되는 저항이 작아져 모터 고정자를 통하는 중에 발생되는 유체의 압력 감소도 최소한으로 억제할 수 있게 된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 소개하도록 한다.

도 3a는 본 발명에 따른 모터 케이싱의 횡단면도이다.

도 3a를 참조하면, 본 발명에 따른 모터 케이싱의 내주면에는 모터 고정자가 체결되어 고정되도록 하기 위한 제 1 러그(lug)(102)가 형성되어 있고, 상기 제 1 러그(102)에는 모터 고정자의 체결을 위한 제 1 체결홀(103)이 가공되어 있다.

또한, 이에 더하여 상기 제 1 러그(102)가 형성되어 있지 않은 모터 케이싱(100)의 내주면에는 케이싱 유로(101)가 형성되어 유체의 보다 원활한 유동을 기하고 있는 것이다.

이와 같은 형상으로 인하여 유체가 모터 고정자를 원활히 냉각시킬 수 있는 동시에 유체에 작용되는 저항도 줄어들게 되어 압축기에서 원래 설계된 바와 같은 압축비를 얻을 수 있으며, 모터 고정자의 크기도 줄일 필요가 없는 것이다.

도 3b는 본 발명에 따른 모터 케이싱의 종단면도이다.

도 3b를 참조하면, 이는 도 3a의 B-B' 선을 따라 절단한 모터 케이싱의 종단면도로서, 모터 케이싱(100)에는 외부에서 유체가 원활히 흡입될 수 있도록 하기 위한 흡입관로(105)와, 상기 흡입관로(105)를 통하여 흡입된 유체가 모터 고정자의 외주를 냉각시킬 수 있도록 하기 위한 케이싱 유로(101)가 모터 케이싱(100)의 내주면에 형성되어 있다. 상기 케이싱 유로(101)는 모터 케이싱(100)의 종 방향으로 길게 형성되어 모터 고정자를 유체가 용이하게 통과할 수 있도록 하고 있다.

한편, 상기 케이싱 유로(101)는 유체의 흐름으로 인한 진동의 영향이 억제되도록 하기 위하여 각각의 케이싱 유로(101)가 중심축에 대하여 대칭으로 형성되도록 한다.

다만, 모터 고정자와 체결되어 모터 고정자를 지지하기 위한 제 1 러그(102)는 그대로 유지되도록 하고, 케이싱 유로(101)를 모터 케이싱(100)의 내주면에 형성하여 흡입관로(105)를 통하여 유입된 외부 유체는 압력의 저감없이 모터 고정자를 냉각시킬 수 있게 되는 것이다.

도 3c는 본 발명에 따른 터보 압축기의 냉각 구조에 적용되는 모터 고정자의 횡단면도이다.

도 3c를 참조하면, 본 발명에 따른 터보 압축기는 모터 케이싱(100)과 체결되도록 하기 위하여 외주면에 형성되어 있는 제 2 러그(203)와, 제 2 러그(203)에 가공되어 상기 제 1 체결홀(103)과 일렬로 정열되어 모터 고정자(200)가 체결되도록 하기 위한 제 2 체결홀(204)와, 외부에서 전원이 인가되도록 하기 위한 코일이권선되도록 하기 위한 철심(202)이 포함되어 있다.

또한, 압축기의 압축비가 크게 형성되어 많은 유체의 흡입이 필요한 경우에는 고정자 유로(201)가 가공되어 유체가 보다 원활히 유동되도록 할 수도 있다.

도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 모터 고정자와 모터 케이싱이 체결된 모습을 설명하는 횡단면도와 종단면도이다.

도 4a를 참조하면, 모터 고정자(200)와 모터 케이싱(100)은 제 2 체결홀(204)과 제 1 체결홀(103)이 일렬로 정열되어 나사 또는 볼트와 같은 체결도구가 삽입되어 일체로 고정되며, 또한, 유체가 통과되는 경로로는 모터 고정자(200)의 외부와 모터 케이싱(100)의 내주와의 간격과, 모터 케이싱(100)의 내주에 가공되어 있는 케이싱 유로(101)가 이용된다.

이처럼 확장된 유체의 경로로 인하여 보다 많은 유체가 용이하게 모터 고정자(200)를 냉각시킬 수 있고, 또한 유체 흐름에 대한 저항도 작아지게 된다.

한편, 모터 고정자(200)의 내부에는 고정자 유로(201)가 가공되어 유체의 흐름 경로는 보다 넓어질 수가 있다.

도 4b를 참조하면, 흡입 관로(105)를 통하여 흡입된 외기가 모터 고정자(200를 냉각시킬 수 있는 유체의 경로가 상세히 표시되는데, 케이싱 유로(101)와 고정자 유로(201)가 이를 나타내고 있는 것이다. 또한, 유체가 흐를 수 있는 또 다른 경로로서 모터 고정자(200)와 모터 케이싱(100) 사이의 간격(W)이 표시되어 있다.

상술된 바와 같이 본 발명은 모터 고정자의 냉각에 관한 문제와, 모터 고정자의 냉각이 원활해지는 동시에 발생하게 되는 부작용으로서 유체의 압력 강하에관한 문제가 효과적으로 해결되는 것이다.

본 발명은 모터 고정자의 냉각에 관한 문제가 능동적으로 해결되는 것에 그 특징이 있고, 본 발명의 사상을 제대로 이해하는 당업자라면 동일한 사상의 범위 내에서 또 다른 실시예를 만들어내는 것은 쉬운 일이다.

설명된 바와 같은 본 발명은, 모터 고정자의 보호를 위해 상기 모터 고정자 외주면에 착설되는 모터 케이싱 내주면에 케이싱 유로를 형성시키므로서, 터보 압축기 내부의 소정경로를 통해 가압 유동되는 작동유체가 상기 모터 케이싱 내부에 형성된 다수의 케이싱 유로를 통해 상기 모터 고정자와 상기 모터 케이싱 사이를 유동하면서 모터 고정자의 냉각이 원활히 이루어지도록 함과 동시에, 종래 모터 고정자의 냉각이 충분하지 못해 외부의 전원이 인가되는 모터 고정자의 코일이 소손되는 것을 방지할 수 있는 탁월한 효과가 있다.또한, 상기 모터 케이싱 내주면에 형성된 케이싱 유로로 인해 흡입관로를 통하여 흡입된 작동유체가 보다 원활히 모터 고정자를 통과하도록 하므로서, 유체에 발생되는 압력 저하를 최소화하여 압축기에 설계된 바와 같은 압축비를 손쉽게 낼 수 있는 등의 탁월한 효과도 있다.

Claims (3)

1. 모터 고정자의 보호를 위해 상기 모터 고정자 외주면에 모터 케이싱이 착설된 구조로 이루어진 터보 압축기에 있어서;

   상기 모터 고정자의 냉각이 원활할 수 있도록 상기 모터 케이싱 내주면에 작동유체가 유동할 수 있는 케이싱 유로가 형성된 것을 특징으로 터보 압축기의 냉각 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 모터 고정자의 외주와 상기 모터 케이싱의 내주에는 상기 모터 고정자와 상기 모터 케이싱이 체결되도록 하기 위한 제 2 러그와 제 1 러그가 포함되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 냉각 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 케이싱 유로는 유체의 유동으로 인한 진동의 영향을 막기 위하여 상기 모터 케이싱의 내주에 중심축에 대한 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 냉각 구조.