KR100853658B1 - 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 회전축의 양단의 임펠러에 마그네틱스러스트디스크를 결합하고 그와 이격되게 마그네틱코일을 배치하여 회전장치가 전체적으로 대칭을 이루어 편심에 의한 불안정성을 해소할 수 있고, 회전축의 크기를 소형화할 수 있는 압축기를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기는 회전축과, 상기 회전축 양단에 구비되는 한 쌍의 임펠러와, 상기 한 쌍의 임펠러의 일면에 각각 결합된 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크와, 상기 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크에 인접하게 배치되는 한 쌍의 마그네틱베어링하우징과, 그리고 상기 마그네틱베어링하우징에 고정되며 상기 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크에 서로 반대 방향의 자기력이 작용하도록 자기장을 형성하는 한 쌍의 마그네틱코일을 포함한다.

마그네틱스러스트베어링, 회전장치, 터보장치, 원심압축기, 마그네틱스러스트디스크, 마그네틱코일, 임펠러

Description

압축기{A COMPRESSOR}

도 1은 종래 기술에 따른 초고속 원심이단압축기의 단면도,

도 2는 종래 기술에 따른 초고속 원심이단압축기의 마그네틱스러스트베어링을 확대 도시한 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 마그네틱스러스트베어링이 장착된 원심이단압축기의 일 실시예를 도시한 단면도,

도 4는 도 3의 압축기의 마그네틱스러스트베어링과 임펠러를 분해하여 도시한 단면도, 그리고

도 5는 도 1의 압축기 회전축과 도 3의 압축기 회전축을 도시한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

101: 흡기부 102: 배기부

110: 제1 임펠러 120: 제2 임펠러

130: 회전축 140: 마그네틱스러스트베어링

141: 마그네틱스러스트디스크 142: 마그네틱코일

150: 고정자 160: 워터자켓

170: 제1 볼류트 180: 제2 볼류트

본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 특히, 압축기의 회전축 양단의 임펠러(impeller)에 마그네틱스러스트베어링의 마그네틱스러스트디스크를 일체로 결합하여 대칭적인 구조를 갖도록 한 마그네틱스러스트베어링을 구비한 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 초고속 압축기는 회전축이 고속으로 회전하는 회전장치이다. 예를 들면, 중대형 산업용 플랜트에는 플랜트 내부의 공조시스템과 같이 작동유체에 공기를 공급하기 위하여 초고속의 압축기가 사용된다. 이러한 압축기는 고압-고유량으로 공기를 공급할 수 있는 고속 터보장치가 많이 사용되고, 20,000 내지 30,000RPM 정도로 회전하는 다단 압축기가 주로 사용된다. 초고속 압축기는 연소시스템, 연료전지시스템 등의 공기 공급기 및 익스펜더 시스템에도 사용된다.

초고속의 압축기와 같은 고속의 터보장치의 회전축을 지지하는데 사용되는 베어링은 압축기의 성능 및 수명과 직결된다. 고속 회전장치에서 볼 베어링은 경제적인 면에서 우수하지만, 초고속의 작동환경에서는 내구성이 감소하고 진동과 소음이 증가하는 문제점이 있어서 적합하지 않다. 오일 베어링은 많은 폐유를 발생시켜 친환경적이지 못한 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근 초고속으로 회전하는 압축기에 공기포일저널베어링과 마그네틱스러스트베어링이 채용되고 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 초고속 압축기를 설명한 다. 마그네틱베어링은 소형의 원심압축기에 많이 사용된다. 도 1은 종래 기술에 따른 초고속 이단 압축기의 단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 초고속 이단 압축기의 마그네틱스러스트베어링을 확대 도시한 단면도이다. 도 1의 압축기는 원심식 볼류트 압축기이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 마그네틱스러스트베어링을 적용한 초고속 이단 압축기는 흡기부(1)와 배기부(2) 사이에 배치되며, 양단에 제1 임펠러(10) 및 제2 임펠러(20)를 구비한 회전축(30)을 포함한다. 회전축(30)은 마그네틱스러스트베어링(40)에 의해 지지되며, 고정자(50)와의 작용에 의해 회전한다. 고정자(50)에서 발생한 열은 워터자켓(60)에 의해 수냉식으로 냉각된다. 마그네틱스러스트베어링(40)은 회전축(30)의 일측에 고정되는 마그네틱스러스트디스크(41)와, 상기 마그네틱스러스트디스크(41)에 양측에 형성되며 자기장을 형성하는 마그네틱코일(42)로 이루어진다. 마그네틱스러스트디스크(41)는 마그네틱코일(42)의 자기장에 의해 자성을 띄는 강자성체로 이루어진다. 제1 볼류트(70) 및 제2 볼류트(80)는 각 단의 제1 임펠러 및 제2 임펠러(10, 20)의 원심방향으로 구비되며, 회전축의 양단에서 서로 마주보며 대칭적으로 배치된다.

마그네틱코일(42)에 자기장이 형성되면, 강자성체인 마그네틱스러스트디스크(41)에 마그네틱코일(42) 측으로 인력이 작용하여 마그네틱코일(42)들 사이에서 마그네틱스러스트디스크(41)가 축방향으로 지지된다. 따라서, 마그네틱스러스트디스크(41)가 연결된 회전축(30)의 하중이 축방향으로 지지된다.

그러나 이와 같은 종래의 터보장치에서 마그네틱베어링은 회전축 상에 마그 네틱스러스트디스크 및 마그네틱코일이 구비될 공간이 확보되어야 하기 때문에 압축기의 크기가 커지는 문제점이 있다.

또한, 종래에는 고정자의 배치에 의해 회전축의 일측에 치우쳐서 마그네틱스러스트디스크가 배치되므로, 회전축이 회전하는 경우 무게중심이 일측으로 치우쳐 불안정성이 야기되는 문제점이 있다.

또한, 회전축의 중간에 마그네틱스러스트디스크를 구비시키고 마그네틱스러스트디스크 양면에 소정간격 이격되게 고정된 마그네틱코일들을 설치해야 하므로, 구조가 복잡해지고 조립작업이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 터보장치의 회전축 양단의 임펠러에 마그네틱스러스트디스크를 결합하고 그와 이격되게 마그네틱코일을 배치하여 회전장치가 전체적으로 대칭을 이루어 편심에 의한 불안정성을 해소할 수 있고, 회전축의 크기가 소형화된 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기는 회전축과, 상기 회전축 양단에 구비되는 한 쌍의 임펠러와, 상기 한 쌍의 임펠러의 일면에 각각 결합된 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크와, 상기 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크에 인접하게 배치되는 한 쌍의 마그네틱베어링하우징과, 그리고 상기 마그네틱베어링하우징에 고정되며 상기 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크에 서로 반대 방향의 자기력이 작용하도록 자기장을 형성하는 한 쌍의 마그네틱코일을 포함한다. 상기 한 쌍의 마그네틱 스러스트디스크는 강자성체로 이루어지고, 상기 한 쌍의 마그네틱코일은 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크 사이에 서로 대향되게 배치되어 각각의 마그네틱스러스트디스크에 서로 반대방향의 인력이 작용하게 할 수 있다.

상기 임펠러의 내측면에 단차부가 형성되고, 상기 마그네틱스러스트디스크가 임펠러의 단차부에 압입되어 부착될 수 있다. 이때, 상기 마그네틱스러스트디스크는 상기 임펠러의 단차부에 열박음 가공법으로 부착될 수 있다.

상기 마그네틱스러스트디스크는 연강으로 이루어질 수 있다.

상기 압축기는 한 쌍의 임펠러의 둘레방향으로 각각 볼류트가 구비된 원심이단압축기일 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 압축기의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 마그네틱스러스트베어링이 장착된 원심이단압축기의 일 실시예를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 압축기의 마그네틱스러스트베어링 및 임펠러를 분해하여 도시한 단면도이다.

본 실시예의 압축기는 원심식 이단 볼류트 압축기이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 압축기의 흡기부(101)와 배기부(102) 사이에는 양단에 제1 임펠러(110) 및 제2 임펠러(120)가 고정된 회전축이 배치된다. 회전축(130)은 고정자(150)와의 작용에 의해 회전한다. 고정자(150)에서 발생한 열은 워터자켓(160)에 의해 수냉식으로 냉각된다. 마그네틱스러스트베어링(140)은 회전축(130)의 양 단에 구비된 제1 임펠러(110) 및 제2 임펠러(120)의 내측면에 부착되며, 강자성체로 이루어진 마그네틱스러스트디스크(141)와 마그네틱스러스트디스크(141) 내측으로 소정간격 이격되어 배치되는 마그네틱코일(142)로 이루어진다. 제1 볼류트(170) 및 제2 볼류트(180)는 각 단의 제1 임펠러 및 제2 임펠러(110, 120)의 원심방향으로 구비되며, 서로 대칭을 이룬다. 마그네틱코일(142)은 압축기의 하우징에 고정된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 임펠러(110)의 내측면은 마그네틱스러스트디스크(141)의 형상과 대응하도록 단차부가 형성되며, 단차부로 마그네틱스러스트디스크(141)가 압입되어 부착된다. 마그네틱스러스트디스크(141)는 연강으로 이루어지며, 제1 임펠러 및 제2 임펠러(110, 120)의 내측면에 열박음가공 방식으로 부착된다. 열박음가공은 공차 없이 부품을 제조하고 가열하여 치수를 변형하여 조립한 후 냉각시키는 가공방법으로서, 냉각 후에는 조립된 부품들의 치수가 원래의 치수로 다시 변형되어 정확하게 끼워맞추어진다. 따라서, 본 실시예에서 임펠러(110)와 마그네틱스러스트디스크(141)가 열박음 가공법으로 견고하게 조립될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 압축기의 작용효과를 설명한다.

도 5는 도 1의 압축기 회전축과 도 3의 압축기 회전축을 도시한 단면도이다. 종래의 기술인 도 1의 압축기의 회전축(30)과 본 발명이 적용된 도 3의 압축기 회전축(130)의 길이를 비교하면, 도 3의 압축기의 회전축(130)이 도 1의 압축기의 회전축(30)에 비하여 길이(L) 만큼 짧은 것을 알 수 있다. 이는 도 3의 회전축(130)에서 마그네틱스러스트디스크(141, 141')가 회전축(130) 상에 배치되는 것이 아니 라, 회전축 양단의 제1 임펠러(110) 및 제2 임펠러(120)와 일체로 형성되기 때문이다. 따라서, 전체적인 압축기의 크기를 소형화할 수 있다.

또한, 도 1의 압축기의 회전축(30)에는 고정자가 배치되는 부분에서 일측으로 치우쳐 마그네틱스러스트디스크(41)가 형성되기 때문에, 마그네틱스러스트디스크(41)에 의해 회전축이 대칭적인 형상이 아니므로 회전시 편심이 형성되어 회전구동의 불안정성을 야기할 수 있다. 그러나 도 3의 압축기의 회전축(130)과 연결된 임펠러(110, 120)와 마그네틱스러스트디스크(140, 140')가 대칭적으로 배치되기 때문에 회전구동시 회전축(130)에 편심이 형성되지 않고 안정적으로 회전할 수 있게 된다.

또한, 회전장치의 하우징에 마그네틱스러스트디스크(141) 및 마그네틱코일(142)에 대응하는 형상의 공간을 형성할 필요가 없으므로, 제작이 편리하고, 조립과정이 단순해진다.

또한, 오일을 사용하지 않기 때문에, 초고속 베어링으로서 친환경적인 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 마그네틱스러스트베어링의 마그네틱스 러스트디스크를 터보장치의 임펠러의 내측에 일체로 형성하고 마그네틱 코일을 그 내측으로 소정간격 이격되게 배치함으로써, 회전축 중간에 별도의 마그네틱스러스트디스크를 부착할 필요가 없으므로 회전축의 크기를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 회전축 양단에 마그네틱스러스트디스크가 대칭적으로 배치되기 때문에 회전축의 회전구동시 안정성이 향상되는 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 회전축의 형상이 단순화될 수 있기 때문에 부품의 제작이 편리하고, 조립작업이 간단해질 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 회전축과,

   상기 회전축 양단에 구비되는 한 쌍의 임펠러와,

   상기 한 쌍의 임펠러의 일면에 각각 결합된 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크와,

   상기 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크에 인접하게 배치되는 한 쌍의 마그네틱베어링하우징과, 그리고

   상기 마그네틱베어링하우징에 각각 고정되며 상기 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크에 서로 반대 방향의 자기력이 작용하도록 자기장을 형성하는 한 쌍의 마그네틱코일을 포함하고,

   상기 한 쌍의 마그네틱스러스트디스크는 강자성체로 이루어지고,

   상기 한 쌍의 마그네틱코일은 상기 각각의 마그네틱스러스트디스크에서 인접하게 회전축의 중앙측으로 위치되는

   압축기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 임펠러의 내측면에 단차부가 형성되고,

   상기 마그네틱스러스트디스크가 임펠러의 단차부에 압입되어 부착되는

   압축기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 마그네틱스러스트디스크는 상기 임펠러의 단차부에 열박음 가공법으로 부착되는 압축기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 마그네틱스러스트디스크는 연강으로 이루어진 압축기.
6. 제1항, 제3, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 임펠러의 둘레방향으로 각각 볼류트가 구비된 압축기.

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