KR100534128B1 - 터보압축기 - Google Patents

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KR100534128B1
KR100534128B1 KR10-2004-0001084A KR20040001084A KR100534128B1 KR 100534128 B1 KR100534128 B1 KR 100534128B1 KR 20040001084 A KR20040001084 A KR 20040001084A KR 100534128 B1 KR100534128 B1 KR 100534128B1
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Abstract

본 발명은, 모터케이싱 내에 장착된 고정자와 상기 고정자의 내측에 소정의 간극을 유지하며 회전가능하게 결합된 회전자를 갖는 구동모터와, 상기 회전자와 회전축으로 결합되어 가스를 압축하는 임펠러를 구비한 터보압축기에 있어서, 상기 모터케이싱으로 유입된 냉각가스가 통과하도록 상기 회전자에 상기 회전축방향으로 형성된 복수의 제1냉각홀부와; 상기 각 제1냉각홀부 및 상기 간극 중 어느 하나를 통과하는 냉각가스가 다른 하나로 이동가능하게 상기 각 제1냉각홀부와 상기 간극을 연통하는 적어도 하나의 제2냉각홀부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 구동모터의 회전속도가 고속이거나 회전자의 직경이 커지는 경우에도 구동모터를 효율적으로 냉각할 수 있다.

Description

터보압축기{TURBO COMPRESSOR}
본 발명은, 터보압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구동모터의 냉각구조를 개선한 터보압축기에 관한 것이다.
일반적으로 터보압축기는 구동모터의 구동력으로 임펠러를 회전시키며, 그 임펠러의 회전에 의해 발생되는 원심력으로 냉매와 같은 가스를 흡입하여 압축하는 장치이다.
터보압축기의 구동모터는 임펠러를 고속으로 회전시킴에 따라 고온의 열이 발생하게 되며, 이러한 고온의 열에 의해 구동모터의 효율이 저하된다. 그리고, 이러한 구동모터의 효율저하로 인해 터보압축기의 성능이 떨어지게 된다. 따라서, 구동모터의 효율저하를 방지하기 위해 구동모터의 냉각을 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
이에, 터보압축기의 구동모터를 냉각하기 위한 냉각구조가 한국특허공보 등록번호 제10-0320208에 개시되어 있다. 이러한 종래의 터보압축기의 구동모터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 모터실(미도시)에 고정결합된 고정자(stator)(210)와, 고정자(210)의 내부에 회전 가능하도록 결합된 회전자(rotor)(220)로 구성된다.
고정자(210)는 소정의 길이를 가지며, 그 내부에 회전자(220)가 삽입되는 회전자 삽입구멍(211)이 형성된 원통 형태의 고정자코어(212)에 다수의 권선코일(230)이 결합되어 이루어진다.
회전자(220)는 소정의 길이를 갖는 원통 형태로 형성되어 고정자(210)의 삽입구멍(211)에 삽입된다. 그리고, 회전자(220)에 냉매가 유동하면서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각구멍(H)이 형성된다. 그리고, 회전자(220)는 발판 형태의 코어편이 다수개 적층되어 이루어진 회전자코어(221)와, 회전자코어(221)를 구성하는 각 코어편을 고정하는 고정부재(222)로 이루어진다. 그리고, 회전자(220)의 회전자코어(221) 가운데 구동축(300)이 고정 결합되며, 그 구동축(300)의 양단에는 임펠러(미도시)가 각각 결합된다.
고정부재(222)는 회전자코어(221)를 구성하는 각 코어편에 복수개의 관통공을 형성하고 그 관통공이 형성된 코어편이 적층된 상태에서 그 관통공에 각각 알루미늄 등의 재료로 다이 캐스팅하여 형성된다.
냉각구멍(H)은 구동축(300)의 축방향으로 고정부재(222)에 소정의 내경을 갖도록 형성된다.
이러한 구성에 의해, 종래의 터보압축기에 마련된 모터는 모터실로 유입되는 냉매가스가 고정자(210) 및 회전자(220)의 주위를 유동하며 이에 발생되는 열을 방열 냉각시키며, 회전자(220)의 냉각구멍(H)을 통과하면서 회전자(220)를 냉각시킴으로써 에디 커런트 로스(eddy current loss)를 감소시켜 손실 열의 발생이 감소된다.
그러나, 이러한 종래 터보압축기에 마련된 구동모터는 회전자에 구동축의 축방향으로 관통된 냉각구멍을 마련하고 있지만, 구동모터의 회전속도가 50,000rpm 이상 고속으로 증가하거나 회전자의 직경이 커지는 등의 경우에는 냉각효율이 저하됨으로 더 효율적으로 냉각할 수 있도록 구조의 개선이 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은, 구동모터의 회전속도가 고속이거나 회전자의 직경이 커지는 경우에도 구동모터를 효율적으로 냉각할 수 있는 터보압축기를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 모터케이싱 내에 장착된 고정자와 상기 고정자의 내측에 소정의 간극을 유지하며 회전가능하게 결합된 회전자를 갖는 구동모터와, 상기 회전자와 회전축으로 결합되어 가스를 압축하는 임펠러를 구비한 터보압축기에 있어서, 상기 모터케이싱으로 유입된 냉각가스가 통과하도록 상기 회전자에 상기 회전축방향으로 형성된 복수의 제1냉각홀부와; 상기 각 제1냉각홀부 및 상기 간극 중 어느 하나를 통과하는 냉각가스가 다른 하나로 이동가능하게 상기 각 제1냉각홀부와 상기 간극을 연통하는 적어도 하나의 제2냉각홀부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보압축기에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제2냉각홀부는 상기 제2냉각홀부를 통과하는 냉각가스가 상기 간극 또는 상기 제1냉각홀부로 예각을 이루며 유입되도록 경사지게 마련되는 것이 바람직하다.
상기 제2냉각홀부는 상기 회전축의 반경방향에서 상기 회전축방향으로 예각을 이루는 제1경사각과, 상기 회전축의 반경방향에서 상기 회전축의 회전방향으로 예각을 이루는 제2경사각을 갖도록 마련되는 것이 바람직하다.
상기 제1경사각 및 상기 제2경사각은 30°~60°정도인 것이 바람직하다.
상기 제2냉각홀부는 상기 회전축의 반경방향으로 형성될 수도 있음은 물론이다.
상기 복수의 제1냉각홀부 중 적어도 하나의 입구부 또는 출구부에는 상기 간극 또는 상기 제1냉각홀부를 통과하는 냉각가스가 상기 제2냉각홀부를 통과하도록 냉각가스의 출입을 차단하는 홀마개가 마련되는 것이 바람직하다.
상기 홀마개는 상기 각 제1냉각홀부의 입구부 또는 출구부에 교번적으로 마련되는 것이 바람직하다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 터보압축기(1)는 모터케이싱(30)에 장착된 구동모터(40)와, 구동모터(40)와 회전축(5)으로 연결되어 냉매와 같은 가스를 흡입하여 압축하는 제1임펠러(impeller)(10) 및 제2임펠러(20)와, 제1임펠러(10) 및 제2임펠러(20)를 수용하는 제1디퓨저(diffuser)(13) 및 제2디퓨저(23)와, 제1임펠러(10)로 가스를 공급하도록 제1디퓨저(13)와 연결된 가스공급관(11)과, 제2임펠러(20)로부터 압축된 가스를 배출하도록 제2디퓨저(23)와 연결된 가스배출관(25)과, 제1디퓨저(13)와 제2디퓨저(23)를 연결하는 가스연결관(15)을 포함한다.
모터케이싱(30)은 구동모터(40) 및 회전축(5)을 수용하도록 소정의 수용공간을 형성하며, 일측에 구동모터(40)를 냉각하기 위한 냉각가스가 흡입되도록 마련된 냉각가스 흡입구(31)와, 타측에 흡입구(31)로부터 흡입된 냉각가스가 구동모터(40)를 냉각한 후 배출되도록 마련된 냉각가스 배출구(33)를 갖는다. 그리고, 모터케이싱(30)의 양측은 회전축(5)과 결합되어 회전축(5)을 지지하게 된다. 그리고, 모터케이싱(30)과 회전축(5)이 결합되는 지점에는 제1디퓨저(13) 및 제2디퓨저(23)로부터 압축된 가스가 모터케이싱(30)의 내부로 유입되는 것을 방지하도록 실링부재(35)가 마련된다. 그러나, 실링부재(35)에 의해 제1임펠러(10)와 제1디퓨저(13)사이 간격 및 제2임펠러(20)와 제2디퓨저(23)사이 간격으로부터 모터케이싱(30) 내부로 유입되는 가스를 완벽하게 차단할 수는 없으므로 도 3에 도시된 바와 같이, 제2디퓨저(23)와 근접한 모터케이싱(30) 내부의 우측이 제1디퓨저(13)와 근접한 모터케이싱(30) 내부의 좌측보다 높은 압력을 유지하게 된다. 따라서, 모터케이싱(30)의 내부로 유입된 냉각가스는 제2디퓨저(23)와 근접한 모터케이싱(30) 내부의 우측에서 제1디퓨저(13)와 근접한 모터케이싱(30) 내부의 좌측으로 유동하게 된다. 그리고, 모터케이싱(30)으로 유입되는 냉각가스의 압력은 제1디퓨저(13)로 유입되는 가스보다 높으며 제2디퓨저(23)에서 배출되는 가스보다 낮은 것이 바람직하다.
회전축(5)은 그 양측에 각각 제1임펠러(10) 및 제2임펠러(20)가 결합되며, 그 중앙영역은 후술할 구동모터(40)의 회전자(51)와 일체로 결합되어 회전하게 된다. 그리고, 회전축(5)은 보통 고속으로 회전하기 때문에 회전축(5)을 축방향으로 지지하는 스러스트베어링(thrust bearing)(37)과, 회전축(5)을 반경방향으로 지지하는 레이디얼베어링(radial bearing)(39)과 결합되는 것이 바람직하다.
구동모터(40)는 모터케이싱(30)에 일체로 장착되는 고정자(stator)(41)와, 고정자(41)의 내측에 소정의 간극(48)을 유지하며 회전 가능하게 결합된 회전자(rotor)(51)를 포함한다.
고정자(41)는 그 내측에 회전자(51)를 수용할 수 있도록 회전자수용부(47)가 형성된 원통 형태의 고정자코어(43)와, 고정자코어(43)에 결합된 다수의 권선코일(45)을 포함한다. 그리고, 회전자수용부(47)는 회전자(51)와 소정거리 이격된 간극(48)을 사이에 두고 결합된다.
회전자(51)는 원통 형태로 형성되어 고정자(41)의 회전자수용부(47)에 삽입된다. 그리고, 회전자(51)는 박판 형태의 코어편이 다수개 적층되어 이루어진 회전자코어(53)와, 회전자코어(53)에 마련된 각 코어편을 지지하는 고정부재(55)를 포함한다. 그리고, 회전자(51)의 회전자코어(53) 중앙영역에는 회전축(5)이 일체로 결합되어 회전가능하게 된다. 그리고, 회전자(51)에는 고속 회전에 의해 발생되는 열을 냉각시키도록 복수의 제1냉각홀부(57) 및 제2냉각홀부(59)가 마련된다. 그리고, 회전자(51)는 복수의 제1냉각홀부(57) 중 적어도 하나의 입구부(57a) 또는 출구부(57b)에 냉각가스의 출입을 차단하도록 마련된 홀마개(60)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
제1냉각홀부(57)는 모터케이싱(30)으로 유입된 냉각가스가 통과하도록 회전자(51)에 회전축(5)방향으로 형성된다. 그리고, 제1냉각홀부(57)는 복수개로 마련되는 것이 바람직하다. 그리고, 제1냉각홀부(57)는 냉각가스가 통과할 수 있도록 회전자코어(53)에 관통 형성되는 것이 바람직하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1냉각홀부(57)는 등간격을 갖도록 4개인 짝수개로 마련되는 것이 바람직하다. 그러나, 제1냉각홀부(57)는 3개 이하로 마련될 수도 있으며, 5개 이상으로 마련될 수도 있음은 물론이다.
제2냉각홀부(59)는 각 제1냉각홀부(57) 및 간극(48) 중 어느 하나를 통과하는 냉각가스가 다른 하나로 이동가능하게 각 제1냉각홀부(57)와 간극(48)을 연통하도록 적어도 하나로 마련된다. 그리고, 제2냉각홀부(59)는 제2냉각홀부(59)를 통과하는 냉각가스가 간극(48) 또는 제1냉각홀부(57)로 예각을 이루며 유입되도록 경사지게 마련되는 것이 바람직하다. 그리고, 제2냉각홀부(59)는 회전축(5)의 반경방향에서 회전축(5)방향으로 예각을 이루는 제1경사각(A)과, 회전축(5)의 반경방향에서 회전축(5)의 회전방향으로 예각을 이루는 제2경사각(B)을 갖도록 마련되는 것이 바람직하다.
제2냉각홀부(59)의 제1경사각(A)은 회전자(51)의 회전에 의한 원심력으로 제1냉각홀부(57)로 통과하는 냉각가스가 간극(48)으로 용이하게 이동할 수 있도록 경사지는 것이 바람직하다. 그리고, 제1냉각홀부(57)의 입구부(57a)에 홀마개(60)가 마련되는 경우, 제2냉각홀부(59)의 제1경사각(A)은 간극(48)을 통해서 유입되는 냉각가스가 제1냉각홀부(57)로 이동할 수 있도록 경사지게 마련되는 것이 바람직하다. 그리고, 제1경사각(A)은 회전축(5)의 반경방향에서 30°~ 60°정도의 각을 이루는 것이 바람직하다.
제2냉각홀부(59)의 제2경사각(B)은 회전자(51)의 회전방향에 의해 제1냉각홀부(57)로 통과하는 냉각가스가 간극(48)으로 용이하게 이동할 수 있도록 경사지는 것이 바람직하다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전자(51)가 시계방향으로 회전하는 경우 제1냉각홀부(57)에서 간극(48)으로 용이하게 냉각가스가 이동할 수 있도록 회전축(5)의 반경방향에서 좌측으로 경사지게 마련되는 것이 바람직하다. 그리고, 제1냉각홀부(57)의 입구부(57a)에 홀마개(60)가 마련되는 경우, 제2경사각(B)은 간극(48)을 통해서 유입되는 냉각가스가 제1냉각홀부(57)로 용이하게 이동할 수 있도록 회전축(5)의 반경방향에서 좌측으로 경사지게 마련되는 것이 바람직하다. 그리고, 제2경사각(B)은 회전축(5)의 반경방향에서 30°~ 60°정도의 각을 이루는 것이 바람직하다. 그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 제2냉각홀부(59)가 각 제1냉각홀부(57)와 간극(48)사이에 3개로 마련되나, 1개 또는 2개 혹은 4개 이상으로 마련될 수도 있음은 물론이다.
홀마개(60)는 각 제1냉각홀부(57)의 입구부(57a) 또는 출구부(57b)에 교번적으로 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1냉각홀부(57)가 4개로 마련되는 경우, 홀마개(60)는 상부 및 하부에 마련된 제1냉각홀부(57)의 출구부(57b)에 마련되며, 좌측 및 우측에 마련된 제1냉각홀부(57)의 입구부(57a)에 마련되는 것이 바람직하다. 그리고, 홀마개(60)가 제1냉각홀부(57)의 출구부(57b)에 마련된 경우, 냉각가스는 간극(48) 및 제1냉각홀부(57)로 유입되며, 제1냉각홀부(57)로 유입된 냉각가스는 제2냉각홀부(59)를 통해 간극(48)으로 이동하여 배출되게 된다. 그리고, 홀마개(60)가 제1냉각홀부(57)의 입구부(57a)에 마련된 경우, 냉각가스는 간극(48)으로만 유입되며, 간극(48)으로 유입된 냉각가스는 간극(48) 및 제2냉각홀부(59)를 통해 제1냉각홀부(57)로 이동하여 배출되게 된다. 그리고, 이러한 홀마개(60)는 마련되지 않을 수도 있으며, 복수의 제1냉각홀부(57) 중 선택적으로 마련될 수도 있으며, 복수의 제1냉각홀부(57)의 입구부(57a) 또는 출구부(57b)에만 마련될 수도 있음은 물론이다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 제1실시예에 따른 터보압축기(1)의 구동모터(40)가 냉각되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 구동모터(40)에 전원이 인가되어 구동모터(40)가 회전축(5)을 회전시킨다. 그러면, 제1임펠러(10) 및 제2임펠러(20)가 회전하게 되어 제1임펠러(10) 및 제2임펠러(20)로 유입되는 가스를 압축하게 된다. 그리고, 모터케이싱(30)으로 냉각가스가 유입되어 구동모터(40)를 냉각하게 된다. 이때, 냉각가스는 간극(48)과 회전자(51)에 마련된 제1냉각홀부(57) 및 제2냉각홀부(59)를 통과함으로써 구동모터(40)에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있게 된다.
이에, 본 발명의 제1실시예에 따른 터보압축기(1)는 회전자(51)에 제1냉각홀부(57)뿐만 아니라 제2냉각홀부(59)를 마련함으로써, 구동모터(40)가 회전자(51)를 예를 들어 50,000rpm 이상 고속으로 회전시키는 경우나 회전자(51)의 직경이 커지는 경우 등에 에디 커런트 로스(eddy current loss)에 의해 유발되는 고온의 열을 용이하게 냉각시킬 수 있게 된다. 그리고, 제2냉각홀부(59)를 회전축(5)의 반경방향에 대해 경사지게 마련하여 냉각가스의 유동을 더욱 원활하게 함으로써 구동모터(40)에서 발생되는 열을 더욱 용이하게 냉각시킬 수 있다. 또한, 제1냉각홀부(57)의 입구부(57a) 또는 출구부(57b)에 홀마개(60)를 마련하여 냉각가스가 제2냉각홀부(59)로 더욱 용이하게 유입될 수 있도록 함으로써 구동모터(40)에서 발생되는 열을 더욱 용이하게 냉각시킬 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 터보압축기의 구동모터(140)의 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 제2실시예는 구동모터(140)의 회전자(151)에 마련된 제2냉각홀부(159)가 제1냉각홀부(57) 및 간극(48) 사이를 관통하도록 회전축(5)의 반경방향으로 형성되는 것이 제1실시예와의 차이점이다.
이러한 경우, 제1실시예의 제2냉각홀부(159)보다 더욱 용이하게 제2냉각홀부(159)를 가공할 수 있다. 그리고, 홀마개(60)는 각 제1냉각홀부(57)의 입구부(57a) 또는 출구부(57b)에 교번적으로 마련되는 것이 바람직하며, 자세한 설명은 제1실시예와 유사함으로 생략한다.
이에, 본 발명의 제2실시예에 따른 터보압축기는 구동모터가 회전자를 예를 들어 50,000rpm 이상 고속으로 회전시키는 경우나 회전자의 직경이 커지는 등의 경우 등에 에디 커런트 로스(eddy current loss)에 의해 유발되는 고온의 열을 용이하게 냉각시킬 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 구동모터의 회전속도가 고속이거나 회전자의 직경이 커지는 경우에도 구동모터를 효율적으로 냉각할 수 있다.
그리고, 제2냉각홀부를 경사지게 마련하여 냉각가스의 유동을 더욱 원활하게 함으로써 구동모터에서 발생되는 열을 더욱 용이하게 냉각시킬 수 있다. 또한, 제1냉각홀부의 입구부 또는 출구부에 홀마개를 마련하여 냉각가스가 제2냉각홀부로 더욱 용이하게 유입될 수 있도록 함으로써 구동모터에서 발생되는 열을 더욱 용이하게 냉각시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래 터보압축기에 마련된 모터의 단면도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터보압축기의 개략적인 단면도,
도 4는 도 3의 터보압축기의 구동모터의 Ⅳ-Ⅳ 단면도,
도 5는 도 4의 터보압축기의 구동모터의 Ⅴ-Ⅴ 단면도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 터보압축기의 구동모터의 단면도,
도 7은 도 6의 터보압축기의 구동모터의 Ⅶ-Ⅶ 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 터보압축기 5 : 회전축
10 : 제1임펠러 11 : 가스흡입관
13 : 제1디퓨저 15 : 가스연결관
20 : 제2임펠러 23 : 제2디퓨저
25 : 가스배출관 30 : 모터케이싱
31 : 흡입구 33 : 배출구
35 : 실링부재 37 : 스러스트베어링
39 : 레디얼베어링 40 : 구동모터
41 : 고정자 43 : 고정자코어
45 : 권선코일 47 : 회전자수용부
48 : 간극 51 : 회전자
53 : 회전자코어 55 : 코어지지부
57 : 제1냉각홀부 59 : 제2냉각홀부
60 : 홀마개

Claims (7)

  1. 모터케이싱 내에 장착된 고정자와 상기 고정자의 내측에 소정의 간극을 유지하며 회전가능하게 결합된 회전자를 갖는 구동모터와, 상기 회전자와 회전축으로 결합되어 가스를 압축하는 임펠러를 구비한 터보압축기에 있어서,
    상기 모터케이싱으로 유입된 냉각가스가 통과하도록 상기 회전자에 상기 회전축방향으로 형성된 복수의 제1냉각홀부와;
    상기 각 제1냉각홀부 및 상기 간극 중 어느 하나를 통과하는 냉각가스가 다른 하나로 이동가능하게 상기 각 제1냉각홀부와 상기 간극을 연통하는 적어도 하나의 제2냉각홀부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2냉각홀부는 상기 제2냉각홀부를 통과하는 냉각가스가 상기 간극 또는 상기 제1냉각홀부로 예각을 이루며 유입되도록 경사지게 마련되는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2냉각홀부는 상기 회전축의 반경방향에서 상기 회전축방향으로 예각을 이루는 제1경사각과, 상기 회전축의 반경방향에서 상기 회전축의 회전방향으로 예각을 이루는 제2경사각을 갖도록 마련되는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1경사각 및 상기 제2경사각은 30°~60°정도인 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2냉각홀부는 상기 회전축의 반경방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 제1냉각홀부 중 적어도 하나의 입구부 또는 출구부에는 상기 간극 또는 상기 제1냉각홀부를 통과하는 냉각가스가 상기 제2냉각홀부를 통과하도록 냉각가스의 출입을 차단하는 홀마개가 마련되는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 홀마개는 상기 각 제1냉각홀부의 입구부 또는 출구부에 교번적으로 마련되는 것을 특징으로 하는 터보압축기.
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