KR101184929B1

KR101184929B1 - 냉각 장치

Info

Publication number: KR101184929B1
Application number: KR20100011201A
Authority: KR
Inventors: 유영준; 진상욱; 이시우
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2012-09-20
Also published as: KR20110091388A

Abstract

본 발명은 내부 공간을 구비하는 하우징과, 베어링에 의해 상기 하우징의 내부에 회전 가능하게 지지되는 회전축과, 상기 하우징의 일측에 장착되며 상기 회전축의 회전에 따라 유입된 유체를 압축하는 압축기와, 상기 하우징의 타측에 장착되며 상기 압축기에서 유출된 유체를 냉각시켜 유출시킴과 아울러 상기 회전축에 구동력을 제공하는 터빈, 및 상기 하우징에 형성되며 상기 터빈으로 유입되는 유체가 상기 베어링을 냉각시킬 수 있도록 냉각 유로를 형성하는 유로 형성부를 포함하는 냉각 장치를 개시한다.

Description

냉각 장치{REFRIGERATING DEVICE}

본 발명은 압축기와 터빈을 이용한 냉각 장치에 관한 것이다.

냉각 장치는 대상체의 온도 또는 주변 온도를 감소시키기 위한 장치를 말한다.

냉각 장치는 냉장고, 에어콘 등과 같이 건물의 온도 또는 저장된 물체의 온도를 감소시키거나, 차량 엔진용 냉각장치와 같이 특정 기기의 내부에 장착되어 해당 기기 내부의 부품의 과열을 방지하는데 사용되고 있다.

항공기에 적용되는 냉각 장치의 경우, 그 효율성을 최대화하면서도 냉각 장치의 크기를 소형화시키는 것이 요구된다. 이러한 냉각 장치의 일 예로서 압축기와 터빈이 모듈화된 형태의 냉각 장치가 제시되고 있으며, 이러한 냉각 장치의 구동시 냉각 장치 자체의 냉각 또한 중요한 문제로 대두되고 있다.

본 발명은 냉각 장치의 구동에 의해 냉각 장치가 가열되는 것을 방지하기 위한 냉각 구조에 있어서, 종래와 다른 새로운 형태의 냉각 구조를 제시하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 냉각 장치 자체를 냉각시킴에 있어 냉각 장치의 효율에 대한 영향을 최소화할 수 있는 구조를 제안하기 위한 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위하여, 본 발명은 내부 공간을 구비하는 하우징과, 베어링에 의해 상기 하우징의 내부에 회전 가능하게 지지되는 회전축과, 상기 하우징의 일측에 장착되며 상기 회전축의 회전에 따라 유입된 유체를 압축하는 압축기와, 상기 하우징의 타측에 장착되며 상기 압축기에서 유출된 유체를 냉각시켜 유출시킴과 아울러 상기 회전축에 구동력을 제공하는 터빈, 및 상기 하우징에 형성되며 상기 터빈으로 유입되는 유체가 상기 베어링을 냉각시킬 수 있도록 냉각 유로를 형성하는 유로 형성부를 포함하는 냉각 장치를 개시한다.

상기 압축기는 상기 하우징의 일측에 장착되며 압축기 입구와 압축기 출구를 구비하는 압축기 케이스와, 상기 회전축의 일측에 장착되며 상기 회전축의 회전에 의해 회전하여 통과하는 유체의 압력을 증가시키는 임펠러를 포함할 수 있다.

상기 터빈은 상기 하우징의 타측에 장착되며 터빈 입구와 터빈 출구를 구비하는 터빈 케이스와, 상기 회전축의 타측에 장착되며 상기 터빈 입구 및 터빈 출구의 압력차에 의해 회전하는 로터를 포함할 수 있다.

상기 유로 형성부는 터빈 입구의 위치와 회전축의 위치가 연통될 수 있도록 상기 하우징을 관통하여 형성될 수 있으며, 상기 회전축 방향에 대해 경사지게 형성될 수 있다.

상기 압축기 출구 및 터빈 입구는 상기 회전축의 반경 방향을 따라 형성되고, 상기 압축기 입구 및 터빈 출구는 상기 회전축의 축 방향을 따라 형성될 수 있다.

상기 냉각 유로는 상기 유로 형성부의 출구에서 상기 임펠러의 위치까지 연통되는 제1유로와, 상기 유로 형성부의 출구에서 상기 로터의 위치까지 연통되는 제2유로를 포함할 수 있다.

상기 베어링은 상기 제1유로 및 제2유로 상에 각각 배치되는 제1 및 제2베어링을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2베어링은 상기 하우징의 내벽과 상기 회전축의 외주면 사이에 설치되는 공기 베어링들로 구현 가능하다.

상기 압축기 출구와 터빈 입구의 사이에는 상기 압축기 출구에서 유출된 유체의 온도를 감소시키기 위한 열교환기가 추가적으로 구비될 수 있다.

상기 회전축과 하우징의 사이에는 상기 냉각 유로로 유입되는 유량을 조절하기 위한 유량 조절부가 설치될 수 있다.

상기 냉각 장치는 상기 회전축의 반경 방향을 향해 돌출되어 형성되는 지지부와, 상기 지지부의 양면에 장착되며 상기 회전축의 축방향 하중을 지지하는 축방향 베어링을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명은 터빈 입구로 유입된 유체를 냉각시켜 터빈 출구로 유출시키는 터빈과, 상기 터빈으로부터 생성된 에너지를 이용하여 내부로 유입된 유체를 압축시켜 상기 터빈 입구로 공급하는 압축기와, 상기 터빈과 압축기를 지지하는 하우징의 내부에 장착되며 상기 압축기와 터빈을 연결하는 회전축과, 상기 회전축과 하우징의 사이에 배치되며 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링, 및 상기 하우징에 형성되며 상기 터빈 입구로 유입되는 유체가 상기 베어링을 냉각시킬 수 있도록 냉각 유로를 형성하는 유로 형성부를 포함하는 냉각 장치를 개시한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 하우징에 유로 형성부를 형성하여 냉각 유로를 터빈 입구 쪽에서 압축기의 임펠러 쪽과 터빈의 로터 쪽으로 형성함으로써, 냉각 장치의 효율에 미치는 영향을 최소화하면서 베어링의 냉각이 가능한 구조를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 냉각 장치를 보인 단면도.
도 2는 냉각 장치의 주 유로와 관련된 냉각 장치의 동작을 나타내는 도면.
도 3은 냉각 장치의 냉각 유로와 관련된 냉각 장치의 동작을 나타내는 도면.

이하, 본 발명과 관련된 냉각 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 냉각 장치를 보인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 냉각 장치는 하우징(110), 회전축(140), 압축기(120), 및 터빈(130)을 포함한다.

하우징(110)은 냉각 장치의 외관을 형성하며, 회전축(140)이 설치되기 위한 내부 공간을 구비한다.

회전축(140)은 하우징(110)의 내부 공간에 회전 가능하게 설치된다. 회전축(140)은 압축기(120)와 터빈(130)을 연결하는 기능을 한다.

회전축(140)과 하우징(110)의 사이에는 베어링(150)이 설치된다. 회전축(140)은 베어링(150)에 의해 하우징(110)의 내벽에 회전 가능하게 지지되어 있다. 베어링(150)으로서 냉각 장치로 유입되는 유체의 일부를 이용하는 유체 베어링이 사용될 수 있다.

압축기(120)는 하우징(110)의 일측에 장착되며, 회전축(140)의 회전에 따라 압축기(120)의 내부로 유입된 유체를 압축시키는 기능을 한다. 압축기(120)는 압축기 케이스(121)와, 임펠러(122)를 포함할 수 있다.

압축기 케이스(121)는 하우징(110)의 일측에 장착되며, 냉각 장치의 외관을 형성한다. 압축기 케이스(121)는 임펠러(122)를 수용하는 기능을 하며, 압축기 입구(123)와 압축기 출구(124)를 구비한다. 압축기 입구(123)는 회전축(140)의 축 방향을 향하도록 형성될 수 있으며, 압축기 출구(124)는 회전축(140)의 반경 방향을 향하도록 형성될 수 있다.

임펠러(122)는 회전축(140)의 일측에 장착되며, 회전축(140)의 회전에 의해 회전하여 압축기(120)의 내부로 유입된 유체의 압력을 증가시킨다. 즉, 압축기 입구(123)을 통해 압축기(120)의 내부로 유입된 유체는 임펠러(122)를 통과하면서 그 압력이 증가하여 압축기 출구(124)로 유출된다.

압축기 출구(124) 쪽에는 임펠러(122)를 통과한 유체의 유속을 감소시켜 압력을 증가시키기 위한 디퓨져(diffuser, 125)가 설치될 수 있다.

터빈(130)은 하우징(110)의 타측에 장착되며, 압축기(120)에서 유출된 유체를 냉각시켜 유출시킴과 아울러 회전축(140)에 구동력을 제공하는 기능을 한다. 즉, 터빈(130)은 냉각된 유체를 배출시키는 기능을 함과 동시에 압축기(120)의 구동원으로서의 기능을 한다. 압축기(120)는 터빈(130)으로부터 생성된 에너지를 이용하여 압축기(120) 내부로 유입된 유체를 압축시켜 터빈 입구(132)로 공급한다.

터빈(130)은 터빈 케이스(131)와 로터(132)를 포함할 수 있다.

터빈 케이스(131)는 하우징(110)의 타측에 장착되며, 냉각 장치의 외관을 형성한다. 터빈 케이스(131)는 로터(132)를 수용하는 기능을 하며, 터빈 입구(133)와 터빈 출구(134)를 구비한다. 터빈 입구(133)는 회전축(140)의 반경 방향을 향하도록 형성되 수 있으며, 터빈 출구(134)는 회전축(140)의 축 방향을 향하도록 형성될 수 있다.

로터(132)는 회전축(140)의 타측에 장착되며, 터빈 입구(133)와 터빈 출구(134)의 압력차에 의해 회전 동작을 수행한다. 터빈 입구(133)를 통해 터빈(130)의 내부로 유입된 유체는 로터(132)를 회전시켜 에너지를 생성하며, 로터(132)를 통과한 유체는 냉각되어 터빈 출구(134)로 배출되게 된다. 터빈 입구(133)와 로터(132)의 사이에는 터빈 입구(133)를 통과한 유체의 유속을 증가시키기 위한 노즐(135)이 설치될 수 있다.

임펠러(122), 로터(132), 및 회전축(140)은 서로 고정되어 함께 회전하도록 구성된다. 본 실시예에 의하면, 이들은 볼트(161)와 너트(162)에 의해 서로 체결되어 있다. 볼트(161)는 임펠러(122) 쪽에서 회전축(140)을 관통하여 로터(132)의 외부로 연장되며, 볼트(161)의 단부에 너트(62)가 체결되어 임펠러(122), 로터(132), 및 회전축(140)의 체결이 이루어진다. 터빈 입구(133)를 통해 유입된 유체에 의해 로터(132)의 회전이 이루어지게 되며, 그에 따라 회전축(140)과 임펠러(122)의 회전이 이루어지게 된다.

압축기 출구(124)와 터빈 입구(133)의 사이에는 이들을 연결하는 배관이 설치될 수 있으며, 압축기 출구(124)로 유출된 유체는 터빈 입구(133)를 통해 터빈(130)의 내부로 유입된다. 압축기 출구(124)와 터빈 입구(133)의 사이, 즉 이들을 연결하는 배관 상에는 압축기 출구(124)에서 유출된 유체의 온도를 감소시키기 위한 열교환기가 추가적으로 구비될 수 있다.

하우징(110)에는 터빈(130)으로 유입되는 유체가 베어링(150)를 냉각시킬 수 있도록 냉각 유로를 형성하는 유로 형성부(170)가 형성된다. 유로 형성부(170)는 터빈 입구(133)에 해당하는 위치와 회전축(140)의 위치가 연통될 수 있도록 하우징(110)을 관통하여 형성된다. 터빈 입구(133)로 유입된 유체는 유로 형성부(170)를 통하여 하우징(110)의 내부로 유입되게 된다. 베어링(150)을 냉각시키기 위한 냉각 유로에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.

한편, 베어링(150)은 유로 형성부(170)의 출구를 기준으로 양측에 각각 배치된 제1 및 제2베어링(151,152)를 포함한다. 제1 및 제2베어링(151,152)는 하우징(110)의 내벽과 회전축(140)의 외주면 사이에 설치된다. 제1베어링(151)은 유로 형성부(170)의 출구를 기준으로 압축기(120)가 위치한 쪽에 장착되며, 제2베어링(152)은 유로 형성부(170)의 출구를 기준으로 터빈(130)이 위치한 쪽에 장착된다. 제1 및 제2베어링(151,152)으로서 유체 베어링이 사용될 수 있으며, 작동 유체가 공기인 경우 공기 베어링이 사용될 수 있다.

제1베어링(151)의 일측에는 회전축(140)의 반경 방향을 향해 돌출되는 지지부(180)가 구비될 수 있다. 하우징(110)의 내벽에는 회전축(140)의 반경 방향으로 리세스된 리세스부(111)가 형성되며, 지지부(180)는 리세스부(111)의 내부에 위치한다. 지지부(180)는 회전축(140) 상에 고정되어 형성 가능하다.

지지부(180)의 양면에는 회전축(140)의 축방향 하중을 지지하는 축방향 베어링들(181,182)이 장착될 수 있다. 축방향 베어링들(181,182)은 리세스부(111)의 벽면과 지지부(180)의 사이에 설치된다. 축방향 베어링들(181,182) 또한 제1 및 제2베어링(151,152)와 마찬 가지로 유체 베어링(예를 들어, 공기 베어링)의 형태를 가질 수 있다.

회전축(140)과 하우징(110)의 사이에는 냉각 유로로 유입되는 유량, 즉, 유량 형성부(150)를 통해 하우징(110)의 내부로 유입되는 유량을 조절하기 위한 유량 조절부(190)가 설치된다. 유량 조절부(190)는 그 외주면에 요철들이 형성되어 있는 링 형태를 가지며, 유체가 이러한 요철들을 통과함에 따라 유속이 감소되게 된다. 이러한 요철의 갯수, 유량 조절부(190)와 하우징(110)의 접촉 정도 등에 따라 냉각 유로로 유입되는 유량이 조절될 수 있다.

이하, 도 2 및 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예와 관련된 냉각 장치의 작동 방식에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 냉각 장치의 주 유로와 관련된 냉각 장치의 동작을 나타내는 도면이고, 도 3은 냉각 장치의 냉각 유로와 관련된 냉각 장치의 동작을 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 3에 도시된 화살표는 냉각 장치에서 유체가 이동하는 방향을 나타내고 있다.

도 2를 참조하면, 화살표를 따르는 유로는 주 유로(또는, 1차 유로)로 지칭될 수 있다. 압축기 입구(123)로 유입된 유체는 임펠러(122)의 회전 및 디퓨저(125)에 의해 그 압력이 상승하고, 압력이 상승한 상태에서 압축기 출구(124)로 유출되게 된다.

압축기 출구(124)로부터 나온 유체는 열교환기를 통과하여 냉각되게 되며, 터빈 입구(133)로 유입되게 된다. 터빈 입구(133)의 유체는 노즐(135)를 통과하면서 유속이 증가(압력이 감소)하게 되며, 터빈(130)의 로터(132)를 회전시킨다.

로터(132)를 통과한 유체는 그 온도가 감소하여 터빈 출구(134)로 유출되게 되며, 터빈 출구(134)에 연결된 배관에 의해 냉각 대상으로 흐르게 된다.

로터(132)의 회전에 의해 회전축(140)이 회전하게 되며, 그에 따라 회전축(140)에 고정된 임펠러(122)가 회전되게 되어 압축기 입구(123)로 유입된 유체를 압축하게 된다.

도 3을 참조하면, 화살표를 따르는 유로는 냉각 유로(또는 2차 유로)로 지칭될 수 있다.

터빈 입구(133)로 유입된 유체는 유로 형성부(170)를 통해 하우징(110)의 내부로 유입되어 냉각 유로를 흐르게 된다.

냉각 유로는 유로 형성부(170)의 출구에서 임펠러(122)의 위치까지 연통되는 제1유로(171)와, 유로 형성부(170)의 출구에서 로터(132)의 위치까지 연통되는 제2유로(172)를 포함한다.

유로 형성부(170)를 통과한 유체는 유로 형성부(170)의 출구에서 분기되어 제1유로(171)와 제2유로(172)를 각각 흐르게 된다. 유로 형성부(170)는 제1유로(171) 또는 제2유로(172)로 유입되는 유량을 조절할 수 있도록 회전축(140)의 축 방향에 대해 경사지게 형성 가능하다. 유로 형성부(170)의 기울기에 따라 제1유로(171)와 제2유로(172)를 흐르는 유체의 상대적인 유량을 조절할 수 있다.

제1베어링(151)과 축방향 베어링들(181,182)은 제1유로(171) 상에 배치되고, 제2베어링(152)은 제2유로(172) 상에 배치된다.

열교환기에 의해 냉각된 유체는 터빈 입구(133)를 통해 하우징(110) 내부로 유입디어 제1 및 제2유로(171,172) 상을 흐르게 되며, 이 과정에서 제1 및 제2베어링(151,152)과 축방향 베어링들(181,182)들이 냉각되게 된다. 따라서, 회전축(140)과 하우징(110)의 사이의 마찰에 의해 발생하는 열에 의해 베어링(150)과 축방향 베어링(182,182)이 그 기능을 상실하거나 이로 인해 냉각 장치에 고장이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

터빈 입구(133)로 유입되는 유체의 압력이 임펠러(122) 또는 로터(133) 쪽의 압력보다 높기 때문에 유로 형성부(170)를 통과하는 유체는 압력차로 인해 제1 및 제2유로(171,172) 상을 흐르게 된다.

제1유로(171)를 통과한 유체는 임펠러(122)의 위치까지 진행하여 압축기 입구(123)로부터 유입된 유체들과 혼합되며, 혼합된 유체들은 임펠러(122)의 회전에 의해 압축되어 디퓨저(125)를 통과하게 된다.

제2유로(172)를 통과한 유체는 로터(133)의 위치까지 진행하여 노즐(135)을 통과한 유체와 혼합되게 되며, 혼합된 유체들은 로터(133)를 통과하여 터빈 출구(134)로 배출되게 된다.

이와 같이, 냉각 유로를 터빈 입구 쪽에서 압축기(120)의 임펠러(122) 쪽과 터빈(130)의 로터(132) 쪽으로 형성함으로써, 냉각 장치의 효율에 미치는 영향을 최소화하면서 베어링(151,152), 축방향 베어링(181,182)의 냉각이 가능한 구조를 구현할 수 있다.

이상에서 설명한 냉각 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

터빈 입구 및 터빈 출구의 압력차에 의해 회전하는 로터에 의해, 상기 터빈 입구로 유입된 유체를 냉각시켜 상기 터빈 출구로 유출시키는 터빈;
임펠러를 구비하여, 상기 터빈으로부터 생성된 에너지를 이용하여 내부로 유입된 유체를 압축시켜 상기 터빈 입구로 공급하는 압축기;
상기 터빈과 압축기를 지지하는 하우징의 내부에 장착되며, 상기 압축기와 터빈을 연결하는 회전축;
상기 회전축과 하우징의 사이에 배치되며, 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링;
상기 압축기의 출구와 상기 터빈 입구의 사이에 배치되며, 상기 압축기 출구에서 유출된 유체의 온도를 낮추어 상기 터빈 입구로 공급하기 위한 열교환기; 및
상기 하우징에 형성되며, 상기 터빈 입구로 유입되는 유체가 상기 베어링을 냉각시킬 수 있도록, 상기 하우징을 관통하여 냉각 유로까지 연장되는 유로 형성부를 포함하고,
상기 냉각 유로는 상기 회전축과 상기 하우징 사이의 갭을 따라 연장되고,
상기 유로 형성부의 출구에서 상기 임펠러의 위치까지 연통되는 제1유로; 및
상기 유로 형성부의 출구에서 상기 로터의 위치까지 연통되는 제2유로를 포함하고,
상기 유로 형성부는 상기 제1 유로 또는 제2 유로를 향하여 송출되는 유량을 조절할 수 있도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
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제1항에 있어서,
상기 압축기 출구 및 터빈 입구는 상기 회전축의 반경 방향을 따라 형성되고,
상기 압축기 입구 및 터빈 출구는 상기 회전축의 축 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 베어링은,
상기 제1유로 및 제2유로 상에 각각 배치되는 제1 및 제2베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 및 제2베어링은 상기 하우징의 내벽과 상기 회전축의 외주면 사이에 설치되는 공기 베어링들인 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 회전축과 하우징의 사이에는 상기 냉각 유로로 유입되는 유량을 조절하기 위한 유량 조절부가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 회전축의 반경 방향을 향해 돌출되어 형성되는 지지부; 및
상기 지지부의 양면에 장착되며, 상기 회전축의 축방향 하중을 지지하는 축방향 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
삭제