KR101091890B1 - 터보 압축기 - Google Patents

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KR101091890B1
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Abstract

본 발명은 모터부가 모터 케이스에 장착되는 공정이 간편하도록 구조가 개선된 터보 압축기를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 모터 하우징과, 모터 하우징 내부에 배치된 모터, 및 모터와 결합하며 일방향으로 축하중을 받는 구동축을 구비하는 모터부, 및 구동축의 양단 또는 일단에 장착되는 회전차가 구비된 터보 압축기에 있어서, 구동축 중 축하중을 받는 방향의 일측 외주면에 결합되며, 원반형상을 하여 동축 반경 방향으로 형성된 디스크와, 디스크의 측면 중 모터 케이스 외부방향 측면에 접하거나 인접하여, 구동축의 축방향 하중을 지지하는 외부 트러스트 베어링, 및 디스크의 측면 중 모터 케이스 내부방향 측면에 접하거나 인접하며, 구동축의 최대 직경보다 큰 내경을 구비하는 내부 트러스트 베어링을 구비하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기를 제공한다.

Description

터보 압축기{Turbo compressor}
도 1은 종래의 일반적인 터보 압축기를 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 내부 트러스트 베어링 및 구동축을 확대도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 터보 압축기의 내부 트러스트 베어링 및 구동축 부분을 도시한 단면도이고,
도 4는 도 3의 구동축이 모터부에 장착되는 공정을 도시한 단면도이고,
도 5는 도 3의 내, 외부 트러스트 베어링의 일예를 도시한 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
31: 모터 35a: 1단 회전차
35b: 2단 회전차 100: 터보 압축기
120: 모터 하우징 127: 내부 트러스트 베어링
133: 구동축 137: 디스크
141: 베어링 플레이트 147: 외부 트러스트 베어링
Fw: 유체유로 Ds: 축하중 방향
Da: 구동축 조립방향 Hs: 구동축 최대직경
Ht: 내부 트러스트 베어링 내경 R: 레이디얼 베어링
본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모터에 의해서 발생된 기계적 에너지를 압력 에너지로 바꾸어 줄 수 있는 회전차가 구비된 구동축을 구비하며, 상기 구동축 방향으로 축하중이 발생하는 구조를 가진 터보 압축기에 관한 것이다.
터보 압축기는 회전차의 회전력을 이용하여 유체를 축방향으로 흡입한 다음, 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 장치이다. 상기 터보 압축기는 상기 회전차 및 압축실의 개수에 따라 1단 내지는 2단식으로 구분되며, 회전차의 배열 형태에 따라 백 투 백(back to back) 타입과 페이스 투 페이스(face to face) 타입으로 구분된다.
이와 같은 압축기 중에서 2단식 터보 압축기의 하나의 예를 도 1에 도시되고 있다.
도 1에 나타난 것과 같이 2단식 터보 압축기(10)는 모터 하우징(20)과, 상기 모터 하우징(20)의 일측 및 타측에 장착되는 제1베어링 플레이트(41) 및 제2베어링 플레이트(42)를 구비한다.
상기 제1베어링 플레이트(41)의 외측면에 제1구동축 커버(51)가 장착되며, 상기 제1베어링 플레이트(41)와 제1구동축 커버(51)의 외측에는 제1디퓨져 케이스(61)가 장착된다. 상기 모터 하우징(20)을 기준으로 상기 제1베어링 플레이트(41)의 반대편에 배치되는 상기 제2베어링 플레이트(42)의 외측면에는 제2구동축 커버(52)가 장착되며, 상기 제2베어링 플레이트(42)와 제2구동축 커버(52)의 외측에는 제2디퓨져 케이싱(62)이 장착된다.
상기 모터 하우징(20)의 내부에는 모터(31)가 포함된다. 상기 모터(31)는 고정자(stator, 31a)와, 상기 고정자(31a) 내에 장착된 회전자(rotor, 31b) 및 상기 회전자(31b)에 압입된 구동축(33)으로 이루어져 있는데, 상기 모터(31)의 구동축(33)은 양선단이 각각 제1베어링 플레이트(41) 및 제2베어링 플레이트(42)를 관통하는 구조를 가진다.
이 구동축의 반경방향으로 발생한 하중은 상기 각 제1, 제2플레이트(41, 42) 안쪽의 레이디얼 베어링(radial bearing)(R)에 의해 지지되고, 구동축 방향의 하중은 트러스트 베어링(thrust bearing)(81, 82)에 의하여 지지된다.
여기서, 제1디퓨져 케이스(61) 일측에는 제1토출관(73)이 구성되고, 제2디퓨져 케이스(62) 일측에는 제2토출관(77)이 구성되고 있다.
상기 제1구동축 커버(51)와 제1디퓨져 케이스(61) 사이에 제1압축실(Sc1)이 배치되고, 제2구동축 커버(52)와 제2디퓨져 케이스(62) 사이에 제2압축실(Sc2)이 배치된다.
구동축(33)의 양 선단에는 각각 제1압축실(Sc1)에 배치되는 1단 임펠러(35a) 및 제2압축실(Sc2)에 배치되는 2단 임펠러(35b)가 부착되어 있다. 상기 1단 임펠러의 전방에는 제1흡입관(71)이 배치되며, 2단 임펠러의 전방에는 제2흡입관(75)이 배치된다.
또한, 상기 터보 압축기에는 모터 및 베어링을 냉각시키기 위하여 다수의 냉 매 유입부(Mi)들 및 냉매 유출부(Mo)가 형성되며, 상기 냉매 및 공기를 유동시키기 위하여 내부에 유체유로(Fw)가 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 터보 압축기의 작동방식은 다음과 같다.
먼저, 모터(31)의 구동으로 구동축(33)이 회전할 경우 상기 구동축(133) 양단, 또는 일단에 부착된 양 임펠러(35a, 35b)가 역시 회전하게 된다. 제1흡입관(71)으로 흡입된 유체는 제1압축실(Sc1)로 유입되어 1단 임펠러(35a)에 의해 1단 압축된다.
1단 압축된 이른바 가압축 유체는 연결통로 및 제2흡입관(75)을 통해 제2압축실(Sc2)로 흡입되어 2단 임펠러(35b)에 의해 2단 압축된다. 2단 압축된 유체는 제2토출관(77)을 통해 토출된다.
이와 더불어 상기 모터 및 베어링 등을 냉각시키기 위하여 상기 터보 압축기 내부에는 유체유로(Fw)가 형성된다. 따라서 제2흡입관으로 유입된 공기 중 일부는 상기 유체유로(Fw) 및 중간토출부(Mo)를 따라서 제1흡입관(71)으로 재유입됨으로써 쉽게 압축기를 냉각시킬 수 있다.
그런데, 도 2에 도시된 바와 같이 구동축(33)에서 모터(31)가 장착되는 부분이 가장 큰 구동축 직경(Hs)을 가지고, 상기 구동축 최대 직경(Hs)은 상기 디스크의 양측과 결합하는 내부, 외부트러스트 베어링(27, 47)들의 내경(Ht)에 비하여 크다. 또한 상기 디스크(37)의 양측에 형성된 내부, 외부트러스트 베어링(27, 47)은 모두 동일한 크기의 내경(Ht)을 가지고 있다.
따라서, 상기 터보 압축기(10)를 조립하는 공정에서, 구동축(33)을 모터 하 우징에 결합시키기 전에 디스크(37)를 먼저 구동축(33)에 결합시킬 수 없다. 이는 도면에서와 같이 구동축의 최대직경(Hs)이 내부 트러스트 베어링의 내경(Ht)에 비하여 크기 때문이다.
즉, 구동축과 디스크를 먼저 결합시킨 후 상기 구동축을 모터 하우징과 조립하는 공정에서는, 구동축의 최대직경(Hs)이 내부 트러스트 베어링의 내경(Ht)에 비하여 크기 때문에, 상기 구동축에 디스크를 결합시킨 후 상기 모터 하우징에 삽입하는 공정 중, 상기 구동축의 회전자(31b)가 상기 내부 트러스트 베어링(27)에 걸리게 된다.
따라서, 상기 구동축(33)이 모터 하우징(20)에 삽입된 후에, 디스크(37)가 열간 압연방식 등의 접착수단에 의하여 구동축(33)에 장착되어야 한다. 이로 인하여 상기 디스크(37)는 상기 구동축(33)과 별개로 제작될 수 밖에 없게 된다.
모터가 장착된 상기 구동축이 모터 하우징에 삽입 후에 디스크가 별도로 구동축에 결합됨으로써 조립 작업이 어렵다. 이와 더불어 디스크를 구동축에 열간 압연방식 등의 접착수단에 의하여 조립되어야 하는 별도의 공정을 거쳐야 하므로 작업공정이 추가되고 공정비가 많이 들게 된다는 문제점이 있다.
상기 구조와 다른 2단압축기는 한국특허공개2002-0068699호에 개시되고 있으며, 이 경우에도 내경 트러스트 베어링의 내경이 모터가 장착된 구동축의 최대 직경에 비하여 작음으로 인하여 상기와 문제점이 동일하게 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점 등을 포함하여 여러 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 터보 압축기의 조립공정시에, 구동축에 디스크가 장착된 다음에 상기 구동축이 모터 하우징에 장착되는 구조를 가지는 터보 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은:
모터 하우징와; 상기 모터 하우징 내부에 배치된 모터, 및 상기 모터와 결합하며 일방향으로 축하중을 받는 구동축을 구비하는 모터부; 및 상기 구동축의 양단 또는 일단에 장착되는 회전차;가 구비된 터보 압축기에 있어서,
상기 구동축 중 축하중을 받는 방향의 일측 외주면에 결합되며, 원반형상을 하여 상기 구동축 반경 방향으로 형성된 디스크;
상기 디스크의 측면 중 상기 모터 하우징 외부방향의 외부측면에 접하거나, 인접하여, 상기 구동축의 축 방향 하중을 지지하는 외부 트러스트 베어링; 및
상기 디스크의 측면 중 상기 모터 하우징 내부방향의 내부측면에 접하거나 인접하며, 상기 구동축의 최대 직경보다 큰 내경을 구비하는 내부 트러스트 베어링을 구비하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기를 제공한다.
상기 내부 트러스트 베어링은 그 내경이 상기 외부 트러스트 베어링의 내경에 비하여 큰 것이 바람직하다.
이 경우 상기 외부 트러스트 베어링, 및 내부 트러스트 베어링은 마그네틱 베어링일 수 있다.
이와 달리 상기 외부 트러스트 베어링, 및 내부 트러스트 베어링이 가스 포 일 베어링일 수도 있다.
한편, 상기 디스크는 상기 구동축과 일체로 형성된 것이 바람직하다.
이어서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명에 따른 터보 압축기가 도시되어 있다. 이 경우, 전체적인 터보 압축기의 구조는 도 1과 동일하므로 도 3에는 도시하지 않는다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 압축기(100)는 모터 하우징(120)과, 모터부(130)와, 디스크(137)와, 외부 트러스트 베어링(147), 및 내부 트러스트 베어링(127)을 구비한다.
모터 하우징(120) 내측으로는 고정자(stator) 또는 이와 유사한 기능 및 구조를 가진 부품(31a)이 결합된다. 상기 고정자와 대응하는 구동축의 외주면에는 회전자(31b)가 배치된다. 상기 고정자(31a) 및 상기 고정자와 대응하는 회전자(31b)는 하나의 모터(31)를 이룬다. 따라서 모터(31)의 구동에 따라서, 상기 고정자(31a)와 인접한 상기 회전자(31b)가 회전하게 되고, 상기 회전자와 결합된 구동축(133)도 회전하게 된다.
상기 구동축(133)의 양단 또는 일단에는 회전차(35a, 35b, 도 1참조)가 결합된다. 상기 회전차(35a, 35b)는 임펠러 또는 터빈일 수 있으며, 상기 회전차의 회전에 따라서 유입된 유체가 압축된다.
상기 터보 압축기 내부 또는 외부로 유체유로(Fw)가 형성된다. 이 경우, 상기 유체유로(Fw)는 1단 임펠러(35a)와 2단 임펠러(35b)를 서로 연결하여 공기를 2단으로 압축시킬 수도 있고, 상기 터보압축기 내부에 형성되어 모터 및 베어링들을 냉각시키는 기능을 할 수도 있다.
상기 구동축(133)은 일방향(Ds)으로 축하중을 받도록 한다. 그리고, 상기 축하중을 받는 쪽으로 상기 구동축의 일측의 외주면에는 상기 구동축의 반경방향으로 디스크(137)가 결합된다. 상기 디스크(137)는 통상 원반형상을 하며, 상기 내부, 외부 트러스트 베어링(127, 147)과 접촉, 또는 인접하도록 하는 기능을 한다.
상기 외부 트러스트 베어링(147)은 상기 디스크(137)의 측면 중 상기 모터 하우징의 외부쪽에 형성된 외부측면(137b)과 접하도록 배치된다. 상기 외부 트러스트 베어링은 상기 구동축의 축방향 하중을 지지하는 기능을 하는데, 도면에 도시된 바와 같이 베어링 플레이트(141)와 결합될 수도 있으며, 이와 달리 다른 부품에 결합될 수도 있다.
한편, 디스크의 측면 중 상기 모터 하우징 내부쪽에 형성된 내부측면(137a)에는 내부 트러스트 베어링(127)이 접촉된다. 상기 내부 트러스트 베어링은 도 3에 도시된 바와 같이 내부 직접 모터 하우징(120)에 결합될 수도 있고, 이와 다른 부품에 결합될 수도 있다.
상기 내부 트러스트 베어링(127)은 그 내경(Ht)이 상기 구동축(133)의 최대직경(Hs)에 비하여 크다.
이 경우, 모터(31)가 장착된 구동축의 직경이 전체 구동축 중에서 가장 크게 된다. 따라서, 상기 내부 트러스트 베어링의 내경(Ht)이 상기 모터가 결합된 구동축의 직경(Hs)에 비하여 큼으로 인하여 상기 구동축의 모터가 형성된 부분이 상기 모터 하우징에 결합된 내부 트러스트 베어링을 관통할 수 있게 된다.
도 4를 참조하여 본 발명에 따른 터보 압축기의 조립 공정을 설명하면, 구동축의 축하중이 하나의 방향(Ds)으로 발생하도록 각각의 구성요소의 구조 및 크기를 정한다. 그 후 상기 구동축(133) 중 축하중을 받는 일측의 외주면에 축 반경방향으로 디스크(137)를 결합하고, 이와 더불어 구동축에 회전자(31b)를 결합한다. 그 후 상기 모터 하우징(120)에 상기 구동축(133)이 삽입 결합되는 공정을 가진다.
즉, 상기 모터 하우징(120)에 구동축(133)이 삽입되기 전에 상기 디스크를 장착한다. 이는 상기 내부 트러스트 베어링(127)의 내경(Ht)이 상기 모터가 장착된 구동축의 최대직경(Hs)에 비하여 큼으로 인하여, 상기 구동축이 상기 모터 하우징 내에 삽입 시에 상기 내부 트러스트 베어링(127)과 상기 구동축(133)이 간섭이 발생하지 않기 때문에 가능하다. 이로 인하여, 구동축(133)이 모터 하우징(120)을 관통한 후에, 디스크(137)를 구동축(133)에 결합할 필요가 없게 되어, 조립공정이 단순화된다.
이 경우, 상기 디스크(137)는 상기 구동축(133)과 별개로 제작하여 상기 구동축(133)에 결합시킬 수도 있으나, 상기 구동축(133)과 일체로 형성시키는 것이 바람직하며, 이로 인하여 터보 압축기의 조립공정이 줄어들게 된다.
한편, 상기 구동축이 모터 하우징을 관통하는 공정에서는, 구동축이 축하중 받는 방향(Ds)과 반대 방향(Da)으로 모터 하우징에 장착되는데, 이는 디스크가 구동축의 축하중을 받는 일측에 배치되어야 하며, 따라서 상기 구동축이 상기 모터 하우징에 삽입되는 때에 고정자(31a)와 디스크(137)가 충돌되는 것을 방지하기 위함이다.
결과적으로, 상기 모터가 장착된 상기 구동축의 최대직경(Hs)이 상기 내부 트러스트 베어링의 내경(Ht)에 비하여 작음으로 인하여, 상기 모터가 형성된 구동축이 모터케이스에 결합된 내부 트러스트 베어링(127)을 통과하여 장착될 수 있고, 따라서, 장착 공정이 간편하여지고, 공정비가 감소된다.
이 경우, 상기 외부, 내부 트러스트 베어링은 에어 포일 베어링일 수 있다. 상기 에어 포일 베어링은 낱개의 날개형태의 포일을 회전방향으로 일부 겹쳐 배치하고 구동축을 지지하는 리프형(Leaf Type)과, 전체를 하나의 포일로 하고 포일 외부에 여러 가지 형태로 포일을 지지하는 스프링(Spring)을 배치하는 범프형(Bump Type) 등이 있다.
상기 에어 포일 베어링에 의하면 모터의 작동 시 고속으로 회전하는 구동축에 의해 각각의 포일과 구동축 표면 사이에 고압의 가스막이 형성되고, 이러한 가스막의 압력에 의해 구동축이 부상(浮上)지지됨으로써, 각 포일간의 마찰 및 가스쿠션효과 등에 의해 뛰어난 감쇠작용이 수행된다.
도 5는 에어 포일 베어링의 하나의 예를 도시한다. 도면을 참조하면, 내부, 외부 에어 포일 트러스트 베어링(127, 147)은 트러스트 기저부(271, 471)와, 상기 트러스트 기저부(271, 471)의 트러스트면(271a, 471a)에 설치된 적어도 하나의 에어 포일(272, 472)을 구비한다.
상기 트러스트 기저부(271, 471)의 중앙부에는 관통공(273, 473)이 형성되어 있다. 상기 관통공(273, 473)에 구동축(133)이 삽입되고, 트러스트 디스크면(137)과 에어 포일(272, 472)의 트러스트면(272a, 472a)이 인접 또한 접한다.
그리고, 상기 에어 포일(272, 472)은, 이 에어 포일의 트러스트면(271a, 471a)으로 수직인 힘인 축하중이 가해지는 경우, 댐핑 및 지지하는 기능을 가진다.
이와 달리, 상기 외부, 내부 트러스트 베어링은 마그네틱 베어링일 수 있다.
이상과 같은 구조를 갖는 본 발명인 터보 압축기에 따르면, 구동축에 장착되는 모터와 디스크가 결합된 후에, 상기 구동축이 모터 하우징에 삽입됨으로써, 조립방법이 간단하다.
이와 더불어 상기 구동축과 디스크가 일체로 형성됨에 따라 상기 구동축에 디스크를 결합시키는 작업공정이 줄어들며, 원가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 모터 하우징와; 상기 모터 하우징 내부에 배치된 모터, 및 상기 모터와 결합하며 일방향으로 축하중을 받는 구동축을 구비하는 모터부; 및 상기 구동축의 양단 또는 일단에 장착되는 회전차;가 구비된 터보 압축기에 있어서,
    상기 구동축 중 축하중을 받는 방향의 일측 외주면에 결합되며, 원반형상을 하여 상기 구동축 반경 방향으로 형성된 디스크;
    상기 디스크의 측면 중 상기 모터 하우징 외부방향 측면에 접하거나 인접하여, 상기 구동축의 축방향 하중을 지지하는 외부 트러스트 베어링; 및
    상기 디스크의 측면 중 상기 모터 하우징 내부방향 측면에 접하거나 인접하며, 상기 구동축의 최대 직경보다 큰 내경을 구비하는 내부 트러스트 베어링을 구비하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 트러스트 베어링은 그 내경이 상기 외부 트러스트 베어링의 내경에 비하여 더 큰 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부, 내부 트러스트 베어링은 가스 포일 베어링인 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부, 내부 트러스트 베어링은 마그네틱 베어링인 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 디스크는 상기 구동축과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
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