KR100481600B1 - 터보 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 터보기계(터보 압축기, 터보 브로워, 터보 팬)의 발열부 냉각 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 고정자에 냉각핀을 설치하고 베어링 하우징에도 냉각핀을 설치하며 공기 공급을 위한 팬을 갖는 냉각구조에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 고속 터보기계의 케이싱에 외부와 공기가 통할 수 있도록 통로를 설치하고 한 쪽에 팬을 장착해 공기를 순환시키며 그 내부에 있는 모터의 고정자에 방열 핀을 설치하고 베어링의 하우징 면에도 방열핀을 설치해 발열부에 해당하는 모터 및 베어링의 냉각을 간단하게 할 수 있는 것에 특징이 있다.

Description

터보 기계 {Turbo machine}

본 발명은 터보기계에 관한 것으로서, 특히 상기 터보기계의 발열부 냉각구조에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 모터의 고정자(Stator)에 냉각핀을 설치하고 공기 공급을 위한 팬(Fan)을 갖는 냉각방법에 관한 것이다.

본 발명은 고속 터보기계에 관한 것으로서 상기 터보 기계에는 일반적으로 터보 압축기(Turbo compressor), 터보 브로워(Turbo blower), 터보 팬(Turbo fan)이 있다.

일반적으로 효율이 높고 경박단소한 것이 특징인 터보 압축기나 터보 브로워 등의 고속 터보 기계는 일반적으로 정속 회전하는 모터에 증속기어를 이용하여 고속회전을 구현하는 방식이나 최근 고속 베어링과 고속 인버터(Invertor) 기술 등의 발전으로 직접 모터를 고속 회전시키는 기술의 상업화가 가능해지고 있다.

기본 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 회전자(회전자; 1-2)와 베어링 (Bearing; 2-6, 2-7)과 일체를 이루는 축(1-1)의 한쪽 또는 양쪽에 임펠러 (Impeller; 3-1)가 설치되어 있으며 모터로부터 회전력을 얻는 상기 임펠러가 고속(보통 수만 RPM 이상)으로 회전하며 그 원심력에 의해 디퓨저(Diffuser; 3-2)를 통과하며 압축되어진 가스(Gas)는 볼류트 케이싱(Volute Casing; 3-4)에 모아지며 외부로 토출된다.

상기 회전부(1-1, 1-2, 2-6, 3-1)는 케이싱(Casing; 2-1)에 고정되어 있는 베어링 하우징(Bearing Housing; 2-4)에 의해 지지되며 궤도를 이탈하지 않고 회전하는 것이다.

그러나 모터의 용량(Power)은 회전수와 토오크(Torque)의 곱이며 모터의 크기는 토오크에 비례하므로 결국 고속 모터는 동일한 용량의 일반 정속 모터에 비해 그 크기가 매우 작아 모터 방열 면적이 부족하게 되며, 따라서 모터에서 발생되는 열의 냉각이 문제가 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 일반적으로 도 1과 같이 고정자(1-3)의 외주 면에 케이싱(2-1)을 설치하고, 상기 케이싱(2-1)에 모터 방열 핀(Fin; 2-3)을 설치하여 팬(Fan; 4-2)을 이용한 강제대류에 의해 냉각을 하거나 도 2와같이 케이싱(2-1)과 고정자(1-3) 외주 면 사이에 쿨링 자켓(Cooling Jacket; 5)을 설치하여 물을 순환시켜 냉각을 하는 것이다.

그러나 도 1에 도시된 냉각구조는 간단하기는 하나 열이 발생하는 모터의 고정자(1-3)와 회전자(1-2), 코일(Coil; 1-4), 베어링(Bearing)부(2-7, 2-6, 2-4)를 직접 냉각하는 것이 아니라, 발생되는 모든 열은 오직 케이싱(2-1)에 설치된 핀(2-3)을 통해서만 냉각되므로 충분한 냉각이 어렵다.

또한 도 2에 도시된 냉각구조는 수냉식이므로 냉각에는 효과적이나 냉각수를 순환시켜야 하는 관계로 물 순환 장치가 부가적으로 필요하게 되는 불편함이 따른다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 케이싱(2-1)을 2중 구조로 하여 각 발열부인 고정자(1-3), 베어링부(2-7, 2-6, 2-4), 코일(1-4)을 팬(4-2)에 의해 직접 냉각하는 효율적이며 편리한 냉각구조를 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 발열부 냉각을 위한 공기순환통로(4-1)를 갖는 케이싱(2-1)내부에 모터 지지부(2-2)로 고정자(1-3)를 고정하고 그 고정자(1-3)의 외주면에는 모터 방열핀(2-3)을 설치하고 베어링 하우징(2-4)에 베어링 방열핀(2-5)을 설치하고 공기순환 팬(4-2)으로 공기를 강제로 순환시키도록 한것과, 고온부인 압축부로부터 케이싱 내부로 열이 전달되는 것을 막기 위한 열차단 틈새(6)가 있는 것에 그 특징이 있다.

본 발명에 의한 고속 터보 기계는 축에 게재된 회전자와, 모터 지지대에 의해 케이싱에 고정된 고정자로 구성된 모터 및 축으로 구성되며, 상기 고정자에는 모터 방열핀이 장착된 구동부와; 베어링 및 베어링 하우징으로 구성되며, 상기 베어링 하우징에는 베어링 방열핀과 열차단 틈새가 설치된 지지부와; 축에 연결된 임펠러와, 상기 임펠러 외주면에 설치된 디퓨저와, 상기 디퓨저와 연통된 볼류트 케이싱 및 상기 임펠러 후면에 설치된 시일로 구성된 압축부; 및 케이싱의 외면에 설치된 공기순환통로 및 상기 공기순환통로 중의 한 곳에 설치된 공기 순환팬으로 구성된 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시를 위하여, 상기 모터 지지대와 상기 모터 방열핀은 일체형 또는 분리형으로 형성할 수 있으며, 상기 열차단 틈새는 시일면에 설치된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 더욱 바람직스러운 실시를 위하여, 상기 모터 지지대는 상기 베어링 하우징에 고정된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 케이싱(2-1)의 양 쪽에 공기가 쉽게 통과될 수 있도록 공기순환통로(4-1)를 설치하고 그 한 쪽에 공기순환팬 (4-2)을 달아 내부와 외부의 공기가 항상 원활히 교환되도록 한다.

그 내부에 있는 고정자(1-3)외주면과 베어링 하우징(2-4)에 열교환을 용이하게 하는 방열핀(2-3, 2-5)을 각각 설치한다. 즉 팬(4-2)에 의해 순환되는 공기는 상기 두개의 방열핀(2-3, 2-5)과 코일(8)을 직접 냉각하게 되며 고온의 압축부로 부터 케이싱(2-1) 내부로 전달되는 열을 차단하기 위하여 상기 베어링 하우징(2-4) 또는 시일(3-5)면에 열차단 틈새(6)를 구성한다.

터보압축기가 동작되는 과정을 살펴보면, 모터로부터 회전력을 받은 임펠라 (3-1)가 고속 회전하면서 흡입가스는 임펠라 내부에서 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 디퓨져(3-2)를 통과하면서 이 원심력에 의해 운동에너지가 압력수두의 상승으로 이어지고 압축된 고온고압의 가스는 볼류트케이싱(3-4)에서 모아져 토출되어진다.

이 때 이 고온고압의 가스로 인해 압축부(3)는 고온이 되며 이 열은 실(3-5)과 베아링하우징(2-4)를 통해 케이싱(2-1) 내부로 전달되어진다. 이 열이 전달되는 것을 차단하가 위해 열차단틈새(6)를 설치한다.

또 모터부(1-2, 1-3, 1-4)의 전기적 손실은 모두 열로 변환되며, 게다가 베아링부(2-6, 2-7, 2-4)의 마찰손실도 모두 열로 변하므로 외부로의 열 방출이 필요한 것인데 이를 위해 모터방열핀(2-3)과 베아링방열핀(2-5)와 모터권선(1-4)에 공기순환팬(4-2)을 이용하여 강제로 공기를 불어 넣어 냉각이 용이하게 되는 것이다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 지지대와 모터 방열핀이 일체형이 아닌 분리형으로 구성할 수 있다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이, 모터 지지대가 케이싱이 아닌 베아링하우징에 고정되도록 구성할 수 있다.

또한 도 6에 도시된 바와 같이, 열차단틈새를 베아링하우징 면에 설치하지 않고 실 면에 설치할 수 있다.

전술한 실시 예들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것이 아니며 동일 사상의 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 간단한 공냉식 냉각방식이면서도 충분한 냉각이 이루어지며 특히 베어링(2-6, 2-7)부도 직접 냉각에 의해 낮은 온도를 유지할 수 있어 특히 가스 베어링을 적용하는 고속 터보기계의 신뢰성 향상의 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반적인 터보 기계 냉각구조의 제1 실시 예를 나타내는 도면이며,

도 2는 종래의 일반적인 터보 기계 냉각구조의 제2 실시예를 나타내는 도면이며,

도 3은 본 발명에 의한 터보 기계 냉각구조의 제1 실시예를 나타내는 도면이며.

도 4는 본 발명에 의한 터보 기계 냉각구조의 제2 실시예를 나타내는 도면이 며.

도 5는 본 발명에 의한 터보 기계 냉각구조의 제3 실시예를 나타내는 도면이며.

도 6은 본 발명에 의한 터보 기계 냉각구조의 제4 실시예를 나타내는 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 구동부 1-1: 축

1-2: 회전자 1-3: 고정자

1-4: 모터권선 2: 지지부

2-1: 케이싱 2-2: 모터 지지대

2-3: 모터 방열핀 2-4: 베어링 하우징

2-5: 베어링 방열핀 2-6: 레이디얼 베아링

2-7: 스러스트 베아링 3: 압축부

3-1: 임펠러 3-2: 디퓨져

3-3: 슈라우드 3-4: 볼류트 케이싱

3-5: 시일 4: 공기 순환부

4-1: 공기 순환통로 4-2: 공기 순환팬

5: 쿨링 자켓 6: 열차단 틈새

Claims (6)

1. 모터 지지대, 베어링 및 베어링 하우징으로 구성되며, 상기 베어링 하우징에는 베어링 방열핀과 열차단 틈새가 설치된 지지부와;

   축에 게재된 회전자와, 상기 지지부의 모터 지지대에 의해 케이싱에 고정된 고정자로 구성된 모터 및 축으로 구성되며, 상기 고정자에는 모터 방열핀이 장착된 구동부와;

   축에 연결된 임펠러와, 상기 임펠러 외주면에 설치된 디퓨저와, 상기 디퓨저와 연통된 볼류트 케이싱 및 상기 임펠러 후면에 설치된 시일로 구성된 압축부; 및

   케이싱의 외면에 설치된 공기순환통로 및 상기 공기순환통로 중의 한 곳에 설치된 공기 순환팬으로 구성된 냉각부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
2. 제 1항에 있어서, 모터 지지대와 모터 방열핀은 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 터보 기계.
3. 제 1항에 있어서, 모터 지지대와 모터 방열핀은 분리된 것을 특징으로 하는 터보 기계.
4. 제 1항에 있어서, 모터 지지대는 베어링 하우징에 고정된 것을 특징으로 하는 터보 기계.
5. 제 1항에 있어서, 열차단 틈새는 시일면에 설치된 것을 특징으로 하는 터보 기계.
6. 제 1항에 있어서, 열차단 틈새에 단열재를 채워 넣은 것을 특징으로 하는 터보 기계.