KR100833061B1 - 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기는, 회전하는 임펠러의 원심력에 의해 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시켜 작동 유체를 압축하는 원심식 압축기에 있어서, 상기 임펠러로 들어가기 전의 흡입구에 작동 유체의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 고압의 유체를 분사하여 상기 작동 유체의 주된 흐름에 변화를 주도록 설치되는 하나 이상의 분사 노즐; 상기 분사 노즐에 고압의 유체를 공급하는 유체 공급원; 및 상기 유체 공급원으로부터 상기 하나 이상의 분사 노즐에 공급되는 유체의 압력을 변화시키는 압력 조절 모듈을 포함한다. 이러한 본 발명은, 압력 조절 모듈에 의해 소정의 압력으로 제어된 유체를 상기 분사 노즐을 통해 상기 흡입구 측에서 작동 유체의 주된 흐름 방향에 교차하는 방향으로 분사하는 것에 의해 작동 유체의 흐름을 변화시켜 압축기 용량을 제어한다.

원심식, 압축기, 용량, 제어, 유체, 분사, 노즐

Description

고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기{Centrifugal compressor provided with capacity control device using high pressure working fluid injection method}

도 1은 종래의 일반적인 원심식 압축기의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 원심식 압축기의 구성 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 원심식 압축기의 주요부 단면도.

도 4는 도 3의 분사노즐의 중심을 기준으로 한 횡단면도.

본 발명은 원심식 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축기의 흡입 측에서 임펠러로 유입되는 작동 유체의 흐름에 고압 유체를 분사하여 용량을 제어함으로써 압축기의 제어 특성을 향상시키고 압축기의 구조를 간단하게 할 수 있도록 한 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기에 관한 것이다.

냉동 시스템이나 공기 제어 시스템 등에서 사용되는 원심식 압축기의 용량 제어는, 도 1에 도시된 것과 같이, 임펠러(10)로 들어가기 전의 흡입구(2)에 여러 매의 부채꼴 모양의 입구 가이드 배인(IGV: Inlet Guide Vane)(20)을 방사상으로 배치하고, 별도의 액추에이터에 의해 입구 가이드 배인(20)의 개도(회전 각도)를 조절하여 임펠러(10)의 입구 쪽에서 작동 유체(예를 들어, 냉동기의 냉매 가스)의 유동에 이른바 '회전각' 또는 '스월(swirl) 각'을 주어(작동 유체를 회전시켜) 압력 헤드를 변화시킴으로써 용량을 변화시킨다.

이러한 종래 압축기의 용량 제어는 입구 가이드 배인의 각도에 따라 이른바 '무단계 비례 제어'가 가능하고 제어 범위가 넓으며 효율이 좋아 현재 대부분의 냉동기에서 채택하고 있으나, 부분 부하(저부하) 운전시에는 제어 특성이 나빠 용량 조절이 용이하지 않은 단점이 있다. 즉, 50% 이하의 부분 부하 운전시에는 용량 변화가 입구 가이드 배인의 각도에 따라 매우 민감하게 변화하는데, 예를 들어 입구 가이드 배인의 각도가 1°변화할 때마다 용량이 무려 10%씩 변하는 등, 계획된 운전 특성을 그대로 실현하기 어렵다.

또한, 고속 회전식 압축기의 경우에는 부분 부하 시 입구 가이드 배인에 의한 작동 유체의 회전 속도가 임펠러의 회전 속도에 비해 현저하게 낮으므로 부하 조절 범위가 좁고 비효율적이 단점이 있다.

또한, 입구 가이드 배인을 작동시키기 위하여는 서보 모터, 링크, 기어 세트 또는/및 체인으로 구동되는 복잡한 기계적 조절 기구를 구비하여야 하기 때문에, 압축기의 구조가 복잡해지고 고장이 빈번하며 작동 유체의 누설에 취약 부분이 생 기는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 종래의 입구 가이드 배인에 의한 용량 제어 방식을 배제하고 압축기의 흡입 측에서 고압 유체를 분사하여 임펠러로 유입되는 작동 유체의 주된 흐름을 변화시켜 용량을 제어함으로써, 압축기의 제어 특성을 향상시키고 압축기의 구조를 간단하게 할 수 있는 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기를 제공하는 것에 목적이 있다.

상술한 본 발명의 목적은, 회전하는 임펠러의 원심력에 의해 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시켜 작동 유체를 압축하는 원심식 압축기에 있어서, 상기 임펠러로 들어가기 전의 흡입구에 작동 유체의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 고압의 유체를 분사하여 상기 작동 유체의 주된 흐름에 변화를 주도록 설치되는 하나 이상의 분사 노즐; 상기 분사 노즐에 고압의 유체를 공급하는 유체 공급원; 및 상기 유체 공급원으로부터 상기 하나 이상의 분사 노즐에 공급되는 유체의 압력을 변화시키는 압력 조절 모듈을 포함하는 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기를 제공함으로써 달성된다. 이러한 본 발명은, 압력 조절 모듈에 의해 소정의 압력으로 제어된 유체를 상기 분사 노즐을 통해 상기 흡입구 측에서 작동 유체의 주된 흐름 방향에 교차하는 방향으로 분사하는 것에 의해 작동 유체의 흐름을 변화시켜 압축기 용량을 제어한다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 유체 공급원은 상기 압축기의 출구 측에 있는 고압 작동 유체의 일부를 사용하는 것으로서, 상기 압축기 출구로부터 연장되는 취출관 및 상기 취출관으로부터 상기 하나 이상의 분사 노즐을 향해 분기되는 하나 이상의 분기관을 포함하고, 상기 압력 조절 모듈은 상기 취출관의 중간에서 유체의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브로 이루어질 수 있다.

상기 압력 조절 밸브로부터 연장되는 상기 취출관의 말단부와 상기 하나 이상의 분기관 사이에는 상기 하나의 취출관의 유체를 상기 하나 이상의 분기관으로 동일 압력으로 분배하는 분배기가 더 설치되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 분사 노즐은 상기 흡입구의 원주 접선 방향으로 배치되어 흡입구의 원주 접선 방향으로 고압의 유체를 분사하여 상기 임펠러에 유입되는 작동 유체에 스월 유동을 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 도 1과 동일한 부분에 대하여는 동일한 참조 부호를 부여하여 설명한다.

첨부 도면 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원심식 압축기는, 회전하는 임펠러(10)의 원심력에 의해 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시켜 작동 유체(예: 냉동기의 냉매 가스)를 압축하여 토출하는 원심식 압축기로서, 상기 임펠러(10)로 들어가기 전의 흡입구(2)에 설치되는 하나 이상의 분사 노 즐(100)과, 상기 분사 노즐에 고압의 유체를 공급하기 위한 유체 공급원 및 상기 유체 공급원으로부터 상기 하나 이상의 분사 노즐에 공급되는 유체의 압력을 변화시키는 압력 조절 모듈을 포함한다.

상기 분사 노즐(100)은, 작동 유체의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 고압의 유체를 분사하도록 설치되어, 부하의 변동에 대응하여 고압의 유체를 분사함으로써 작동 유체의 주된 흐름에 변화를 주어 임펠러(10)로 들어가는 작동 유체의 양을 조절하여 압축기의 용량을 제어한다. 이는 종래의 흡입 가이드 배인(20, 도 1 참조)의 역할을 대신하는 새로운 개념의 용량 제어 수단이다.

상기 분사 노즐(100)의 설치 방향은, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 흡입구(2)의 원주 접선 방향으로 배치되어 고압의 유체를 흡입구(2)의 원주 접선 방향으로 분사하도록 하는 것이 바람직하다. 고압의 유체를 흡입구(2)의 원주 접선 방향으로 분사하면 임펠러(10)로 들어가는 작동 유체의 흐름에 스월(swirl) 유동을 형성하기 용이하고, 스월 유동은 작동 유체를 회전시킴과 더불어 작동 유체의 흐름을 방해(blocking)하게 되고, 그에 따라 임펠러(10)에 흡입되는 작동 유체의 양이 줄어든다. 이와 병행하여 상기 분사 노즐(100)로부터 분사되는 유체의 압력을 조절하면 작동 유체의 흡입량이 비례적으로 변화함으로써 임펠러(10)로 흡입되는 작동 유체의 양이 비례적으로 변화된다.

그리고 상기 유체 공급원은 상기 하나 이상의 분사 노즐(100)에 고압의 유체를 공급한다. 고압의 유체는 작동 유체와 다른 별도의 유체를 압축하여 공급하는 것이 아니라 작동 유체와 동일한 유체를 사용한다. 이를 위하여, 압축기의 출구(4) 측에 있는 고압의 작동 유체의 일부를 사용한다. 따라서 상기 유체 공급원은, 도 2에 도시된 바와 같이, 압축기 출구(4)의 일측으로부터 취출관(200)을 연결하고, 이 취출관(200)으로부터 상기 하나 이상의 분사 노즐(100)을 향해 분기되는 하나 이상의 분기관(250)을 포함한다.

상기 압력 조절 모듈은, 부하의 변동에 따라 상기 유체 공급원으로부터 하나 이상의 분사 노즐(100)에 공급되는 유체의 압력을 변화시키는 역할을 하는 것으로서, 도 2에 도시된 실시예와 같이, 상기 취출관(200)의 중간에 압력 조절 밸브(300)를 설치하여 취출관(200)으로부터 분기관(250)으로 공급되는 유체의 압력을 조절한다.

상기 각 분사 노즐(100)로부터 토출되는 고압 유체의 압력은 모든 분사 노즐(100)에 있어서 동일한 것이 바람직하다. 이를 위하여, 본 발명에서는, 상기 압력 조절 밸브(300)로부터 연장되는 상기 취출관(200)의 말단부와 상기 하나 이상의 분기관(250) 사이에 상기 하나 이상의 분기관(250)으로 동일 압력의 유체를 분배하는 분배기(350)가 설치된다. 상기 분배기(350)의 예로서는 이른바 '플리넘 챔버(plenum chamber)' 형태를 들 수 있다.

상기 분사 노즐(100)의 구체적인 설치 형태는, 도 4에 도시된 바와 같이, 압축기의 흡입구(2)에 균일 간격으로 동일 크기의 분사공(110)을 형성하고, 각 분사공(110)에 커넥터(120)를 설치하며, 각 커넥터(120)에 상기한 분기관(250)을 연결한 구조로 이루어질 수 있다.

첨부 도면에서는 임펠러(10)가 하나만 설치되어 있는 형태의 원심식 압축기 를 일례로 도시하여 설명하였으나, 본 발명은 2개 이상의 임펠러(10)가 순차적으로 배치된 형태인 이른바 '다단 원심식 압축기'에도 동일하게 적용가능하다. 즉, 다단 원심식 압축기에서는 흡입구에 가장 가깝게 배치되어 있는 제1단계 임펠러의 앞쪽에 본 발명에 따른 분사공(110)을 상술한 바와 동일한 구성으로 설치할 수 있으며, 이 경우 동일한 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, 부하의 감소에 따라 압력 조절 모듈 즉, 압력 조절 밸브(300)가 작동하여 유체 압력을 제어한 후 분사 노즐(100)로 공급하여 압축기의 흡입구(2)에서 작동 유체의 주된 흐름에 교차하는 방향으로 분사함으로써 임펠러(10)로 들어가는 작동 유체의 흐름을 변화시키게 된다.

구체적으로, 흡입구(2) 부분에서 분사 노즐(100)을 통해 고압의 유체를 분사하면 임펠러(10)로 들어가는 작동 유체의 흐름에 스월 유동이 형성됨으로써 임펠러(10)에 들어가는 작동 유체의 입사각이 변화됨과 동시에 작동 유체의 흐름에 방해가 일어난다. 부하의 감소에 대응하여, 상기 압력 조절 밸브(300)는 분사 노즐(100)로부터 분사되는 유체의 압력을 조절하면 임펠러(100)로 유입되는 작동 유체의 흡입량이 비례적으로 변화되어 압축기의 용량이 변화된다.

앞서 설명한 바와 같이, 입구 가이드 배인을 통해 압축기의 용량을 제어하는 종래의 방식에 있어서는, 부분 부하 운전시 입구 가이드 배인에 의한 작동 유체의 회전 속도가 임펠러(10)의 회전 속도에 비해 현저하게 낮아 비효율적이고, 입구 가이드 배인의 각도에 따라 용량이 매우 민감하게 변화한다는 단점이 있었으나, 본 발명에서는 분사 노즐(100)로부터 분사되는 고압 유체의 압력만 변화시키면 되므로 부분 부하에서도 계획된 운전 특성을 효과적으로 실현할 수 있다.

또한, 종래에는 입구 가이드 배인을 작동시키기 위하여 복잡한 기계적 구동 장치를 구비하여야 함으로써 압축기의 구조가 복잡해지고 제어가 용이치 못하며 고장이나 작동 유체의 누설 문제에 취약할 수밖에 없었으나, 본 발명은 작동 유체를 분사 노즐로 분사하는 간단한 고압 유체 분사 장치에 의해 구현되므로 구조가 간단하고 압축기의 크기가 줄어들며 작동 유체의 누설의 문제가 없는 압축기가 실현된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래의 입구 가이드 배인에 의한 용량 제어 방식을 배제하고 압축기의 흡입 측에서 고압 유체를 분사하여 임펠러로 유입되는 작동 유체의 주된 흐름을 변화시켜 용량을 제어하는 구조를 가짐으로써, 압축기의 제어 특성이 향상되고 압축기의 구조가 간단한 원심식 압축기가 구현된다.

이상에서는 첨부도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 형태에 대한 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 회전하는 임펠러의 원심력에 의해 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시켜 작동 유체를 압축하는 원심식 압축기에 있어서,

   상기 임펠러로 들어가기 전의 흡입구에 작동 유체의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 고압의 유체를 분사하여 상기 작동 유체의 주된 흐름에 변화를 주도록 설치되는 하나 이상의 분사 노즐;

   상기 분사 노즐에 고압의 유체를 공급하는 유체 공급원; 및

   상기 유체 공급원으로부터 상기 하나 이상의 분사 노즐에 공급되는 유체의 압력을 변화시키는 압력 조절 모듈을 포함하여,

   상기 압력 조절 모듈에 의해 소정의 압력으로 제어된 고압의 유체를 상기 분사 노즐을 통해 상기 압축기의 흡입구 측에서 작동 유체의 주된 흐름 방향에 교차하는 방향으로 분사하는 것에 의해 작동 유체의 흐름이 변화되어 압축기 용량이 제어되며,

   상기 유체는 상기 압축기의 출구 측에 있는 고압 작동 유체의 일부를 사용하고, 상기 유체 공급원은, 상기 압축기 출구로부터 연장되는 취출관 및 상기 취출관으로부터 상기 하나 이상의 분사 노즐을 향해 분기되는 하나 이상의 분기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기.
3. 회전하는 임펠러의 원심력에 의해 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시켜 작동 유체를 압축하는 원심식 압축기에 있어서,

   상기 임펠러로 들어가기 전의 흡입구에 작동 유체의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 고압의 유체를 분사하여 상기 작동 유체의 주된 흐름에 변화를 주도록 설치되는 하나 이상의 분사 노즐;

   상기 분사 노즐에 고압의 유체를 공급하는 유체 공급원; 및

   상기 유체 공급원으로부터 상기 하나 이상의 분사 노즐에 공급되는 유체의 압력을 변화시키는 압력 조절 모듈을 포함하여,

   상기 압력 조절 모듈에 의해 소정의 압력으로 제어된 고압의 유체를 상기 분사 노즐을 통해 상기 압축기의 흡입구 측에서 작동 유체의 주된 흐름 방향에 교차하는 방향으로 분사하는 것에 의해 작동 유체의 흐름이 변화되어 압축기 용량이 제어되며,

   상기 유체는 상기 압축기의 출구 측에 있는 고압 작동 유체의 일부를 사용하고, 상기 유체 공급원은, 상기 압축기 출구로부터 연장되어 분사 노즐로 연결되는 취출관을 포함하고,

   상기 압력 조절 모듈은, 상기 취출관의 중간에서 유체의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 압력 조절 밸브로부터 연장되는 상기 취출관의 말단부는 상기 하나 이상의 분사 노즐에 대응하여 하나 이상의 분기관으로 나누어지고, 상기 취출관과 하나 이상의 분기관 사이에는 상기 하나 이상의 분기관에 유체를 동일 압력으로 분배하기 위한 분배기가 설치되는 것을 특징으로 하는 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 분사 노즐은 상기 흡입구의 원주 접선 방향으로 배치되어 흡입구의 원주 접선 방향으로 고압의 유체를 분사하여 상기 임펠러에 유입되는 작동 유체에 스월 유동을 형성하는 것을 특징으로 하는 고압 유체 분사식 용량 제어 장치를 구비하는 원심식 압축기.

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