KR101362199B1 - 연료전지 자동차용 공기 블로워 - Google Patents

연료전지 자동차용 공기 블로워 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 샤프트(150) 및 이에 결합된 임펠러(134)의 회전을 통해 외부로부터 케이스(112)로 공기를 흡입하고, 상기 흡입된 공기를 볼류트(132)를 통해 연료전지 스택으로 압송하는 연료전지 자동차용 공기 블로워에 관한 것이다.
상기 연료전지 자동차용 공기 블로워는 상기 샤프트(150)의 단부에 장착된 베어링(120); 및 상기 케이스(112)와 일체를 이루어 상기 베어링(120)을 수용하는 서포터(124);를 포함한다.

Description

연료전지 자동차용 공기 블로워{AIR BLOWER FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 공기 블로워에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 자동차에 탑재된 연료전지 스택에 압축된 공기를 공급하는 연료전지 자동차용 공기 블로워에 관한 것이다.
최근 화석에너지 고갈에 따른 유가의 지속적인 상승, 차량 배기가스에 따른 환경 오염 등과 같은 문제로 인해 연료전지 자동차의 개발이 더욱 절실히 요구되고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 반응과정에서 전기에너지를 생성시키는 전지이기 때문에 연료전지 자동차는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급장치, 공기를 압축한 후 연료전지 스택에 공급하는 공기 블로워 등을 탑재한다.
상기 공기 블로워의 형태는 연료전지 스택이 필요로 하는 공기의 압력 및 유량에 따라 결정된다. 예컨대 연료전지 스택이 요구하는 공기의 압력이 높고 유량이 적다면, 스크류 압축기가 공기 블로워로 사용될 수 있다. 반면 연료전지 스택이 요구하는 공기의 압력이 낮고 유량이 많다면, 터보 압축기가 공기 블로워로 사용될 수 있다. 자동차에 탑재되는 연료전지 스택은 후자에 해당하는 압력 및 유량 조건을 요구하는바, 일반적으로 연료전지 자동차에는 터보 압축기가 탑재된다.
연료전지 자동차에 탑재되는 공기 블로워는 일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 구동부(10)와, 컴프레서부(30)와, 샤프트(50)를 포함한다.
상기 구동부(10)는 케이스(12)와, 로터(16)와, 스테이터(14)를 포함한다. 케이스(12)는 외부의 공기가 흡입될 수 있도록 흡입구(18)를 구비한다. 또한 케이스(12)는 흡입된 외부의 공기가 컴프레서부(30)로 이동할 수 있도록 공기 이동로를 내장한다. 로터(16)는 샤프트(50)의 외주면에 장착되고, 영구자석을 구비한다. 스테이터(14)는 로터(16)와 이격된 상태로 케이스(12)에 장착되고, 연료전지 스택으로부터 전력을 공급받아 로터(16)의 주변에 전기장을 형성한다. 상기 전기장과 상기 영구자석에 의해 형성된 자기장의 상호작용으로 인해 로터(16) 및 샤프트(50)가 회전하게 된다.
상기 컴프레서부(30)는 볼류트(volute)(32)와, 임펠러(34)를 포함한다. 상기 임펠러(34)는 샤프트(50)의 외주면에 장착되어 샤프트(30)와 함께 회전하면서 공기를 흡입한다. 볼류트(32)는 구동부(10)의 케이스(12)와 결합한 상단을 구비하고, 상기 임펠러(34)를 내장하며, 압출구(36)를 구비한다. 임펠러(34)가 회전하면 상기 흡입구(18)를 통해 공기가 흡입되고, 흡입된 공기는 구동부(10)의 케이스(12)를 통과하여 볼류트(32)로 이동한다. 이후 공기는 임펠러(34)를 경유하면서 가속되고, 임펠러(34)를 경유한 후 압축되어 상기 압출구(36)를 통해 외부로 배출된다. 외부로 배출된 압축 공기는 연료전지 스택으로 공급된다.
상기 샤프트(50)는 구동부(10)의 케이스(12) 내에 위치하는 일단과, 컴프레서부(30)의 볼류트(32) 내에 위치하는 반대단을 구비한다. 그리고 상기 샤프트(50)의 일단과 반대단 각각에는 베어링(20, 38)이 결합된다. 샤프트(50)의 일단에 결합된 베어링(20)은 베어링 하우징(22)에 수용되어 있고, 상기 베어링 하우징(22)은 서포터(24)에 수용되어 있다. 상기 서포터(24)는 구동부(10)의 케이스(12)에 착탈 가능하게 결합되어 있다.
샤프트(50)가 회전하면 상기 공기 블로워에는 진동이 발생한다. 그리고 이 진동은 샤프트(50)의 회전속도에 동기되는 1X 진동 및 샤프트(50) 회전속도의 2배 성분의 진동인 2X 진동을 포함한다. 상기 2X 진동은 여러 원인들에 의해 발생하고, 그 중 가장 대표적인 것이 샤프트(50)의 부정확한 축정렬이다.
그런데 상기 공기 블로워에 의하면 서포터(24)와 케이스(12)가 볼트나 리벳과 같은 수단에 의해 체결된다. 따라서 상기 공기 블로워는 샤프트(50)의 부정확한 축정렬을 유발할 수 있는 인자들, 예컨대 서포터(24)의 부적절한 조립, 서포터(24)와 케이스(12) 간 체결 부위의 느슨해짐 등을 내재하고 있다.
또한 상기 공기 블로워에 의하면 서포터(24)의 강성 부족 및 질량으로 인해 회전체(샤프트, 로터, 임펠러)의 고유진동수와 상기 2X 진동의 진동수가 일치할 수 있다. 이러한 경우 공진현상으로 인해 2X 진동이 허용할 수 없을 정도로 증가하게 되는바, 그 방지책이 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 샤프트의 부정확한 축정렬을 초래할 수 있는 인자들을 종래에 비해 감소시키고, 회전체의 고유진동수와 2X 진동의 진동수 간 일치 가능성을 종래에 비해 감소시킬 수 있는 연료전지 자동차용 공기 블로워를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 샤프트(150) 및 이에 결합된 임펠러(134)의 회전을 통해 외부로부터 케이스(112)로 공기를 흡입하고, 상기 흡입된 공기를 볼류트(132)를 통해 연료전지 스택으로 압송하는 연료전지 자동차용 공기 블로워에 있어서, 상기 샤프트(150)의 단부에 장착된 베어링(120); 및 상기 케이스(112)와 일체를 이루어 상기 베어링(120)을 수용하는 서포터(124);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워를 제공한다.
상기 서포터(124) 및 케이스(112)의 일체화는 서포터(124)와 케이스(112) 간 부적절한 조립으로 인해 샤프트(150)의 축정렬이 틀어지는 현상이나, 서포터(124)와 케이스(112) 간 체결 부위의 느슨해짐으로 인해 샤프트(150)의 축정렬이 틀어지는 현상을 방지한다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워는 2X 진동을 종래에 비해 감소시킨다.
상기 서포터(124)는, 상기 베어링(120)을 수용하는 수용부(124a); 및 상기 수용부(124a) 및 케이스(112)에 각각 연결된 양단을 구비하고, 볼록한 곡면 형태로 구비된 곡면부(124b);를 포함한다. 그리고 상기 수용부(124a)와 상기 베어링(120) 사이에는 베어링 하우징(122)이 더 개재된다.
상기 서포터(124)가 볼록한 곡면 형태의 곡면부(124b)를 구비하면, 샤프트(150)의 축 어긋남 방향, 즉 샤프트(150)의 반경 방향으로 작용하는 힘에 대한 서포터(124)의 강성이 증가한다. 그리고 이러한 경우 회전체의 고유진동수가 증가하기 때문에 회전체의 고유진동수와 2X 진동의 진동수가 일치할 가능성이 종래에 비해 낮아지게 된다.
본 발명에 의하면, 구동부의 케이스와 서포터가 일체를 이룬다. 그리고 상기 서포터 및 케이스의 일체화는 서포터와 케이스 간 부적절한 조립으로 인해 샤프트의 축정렬이 틀어지는 현상이나, 서포터와 케이스 간 체결 부위의 느슨해짐으로 인해 샤프트의 축정렬이 틀어지는 현상을 방지한다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워는 2X 진동을 종래에 비해 감소시킨다.
본 발명에 의하면 상기 서포터가 볼록한 곡면 형태로 구비된다. 따라서 샤프트의 축 어긋남 방향, 즉 샤프트의 반경 방향으로 작용하는 힘에 대한 서포터의 강성이 증가하고, 이러한 경우 회전체의 고유진동수가 증가한다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워는 회전체의 고유진동수와 2X 진동의 진동수가 일치할 가능성을 종래에 비해 감소시킨다.
도 1은 종래의 연료전지 자동차용 공기 블로워를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 대한 실험결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 구동부(110)와, 컴프레서부(130)와, 샤프트(150)를 포함한다.
상기 구동부(110)는 케이스(112)와, 로터(116)와, 스테이터(114)를 포함한다. 케이스(112)는 외부의 공기가 흡입될 수 있도록 흡입구(118)를 구비한다. 또한 케이스(112)는 흡입된 외부의 공기가 컴프레서부(130)로 이동할 수 있도록 공기 이동로를 내장한다. 로터(116)는 샤프트(150)의 외주면에 장착되고, 영구자석을 외면에 구비한다. 스테이터(114)는 로터(116)와 이격된 상태로 케이스(112)에 장착되고, 연료전지 스택으로부터 전력을 공급받아 로터(116)의 주변에 전기장을 형성한다. 상기 전기장과 상기 영구자석에 의해 형성된 자기장의 상호작용으로 인해 로터(116) 및 샤프트(150)가 회전하게 된다.
상기 컴프레서부(130)는 볼류트(volute)(132)와, 임펠러(134)를 포함한다. 상기 임펠러(134)는 샤프트(150)의 외주면에 장착되어 샤프트(150)와 함께 회전하면서 공기를 흡입한다. 볼류트(132)는 구동부(110)의 케이스(112)와 결합하고, 상기 임펠러(134)를 내장하며, 압출구(136)를 구비한다. 임펠러(134)가 회전하면 상기 흡입구(118)를 통해 공기가 흡입되고, 흡입된 공기는 구동부(110)의 케이스(112)를 통과하여 볼류트(132)로 이동한다. 이후 공기는 임펠러(134)를 경유하면서 가속되고, 임펠러(134)를 경유한 후 압축되어 상기 압출구(136)를 통해 외부로 배출된다. 외부로 배출된 압축 공기는 연료전지 스택으로 공급된다.
상기 샤프트(150)는 구동부(110)의 케이스(112) 내에 위치하는 일단과, 컴프레서부(130)의 볼류트(132) 내에 위치하는 반대단을 구비한다. 그리고 상기 샤프트(150)의 일단과 반대단 각각에는 베어링(120, 138)이 결합된다. 샤프트(150)의 일단에 결합된 베어링(120)은 베어링 하우징(122)에 수용되어 있고, 상기 베어링 하우징(122)은 서포터(124)에 형성된 수용홈(128)에 수용되어 있다.
한편, 상술한 연료전지 자동차용 공기 블로워(100)에 의하면 컴프레서부(130)가 구동부(110)의 하단에 결합된다. 그러나 상기 컴프레서부(130)는 구동부(110)의 상단에 구비될 수도 있다.
상기 샤프트(150)가 회전하면 연료전지 자동차용 공기기 블로워(100)에는 진동이 발생한다. 그리고 이 진동은 샤프트(150)의 회전속도에 동기되는 1X 진동 및 샤프트(150) 회전속도의 2배 성분의 진동인 2X 진동을 포함한다. 상기 2X 진동은 여러 원인들에 의해 발생하고, 그 중 가장 대표적인 것이 샤프트(50)의 부정확한 축정렬이다. 따라서 2X 진동을 줄이기 위해서는 샤프트(50)의 부정확한 축정렬을 유발할 수 있는 인자들을 제거할 필요가 있다.
종래의 연료전지 자동차용 공기 블로워에 따르면 상기 서포터(124)가 구동부(110)의 케이스(112)에 착탈 가능하게 결합된다. 따라서 종래의 연료전지 자동차용 공기 블로워는 서포터(124)의 부적절한 조립, 서포터(124)와 케이스(112) 간 체결 부위의 느슨해짐 등과 같이 샤프트(150)의 부정확한 축정렬을 유발할 수 있는 인자들을 내재하고 있다.
그러나 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워(100)에서는 상기 서포터(124)가 케이스(112)와 일체를 이룬다. 따라서 상기 연료전지용 공기 블로워(100)는 서포터(124)와 케이스(112) 간 부적절한 조립으로 인해 샤프트(150)의 축정렬이 틀어지는 현상이나, 서포터(124)와 케이스(112) 간 체결 부위의 느슨해짐으로 인해 샤프트(150)의 축정렬이 틀어지는 현상을 발생시키지 않고, 이로써 2X 진동을 종래에 비해 감소시키게 된다.
한편, 구동부(110)의 케이스(112) 내부 및 컴프레서부(130)의 볼류트(132) 내부에서 회전하는 샤프트(150), 임펠러(134) 및 로터(116)(이하, "회전체"라 함)는 고유진동수를 갖는다. 그리고 서포터(124)와 케이스(112)의 일체화는 2X 진동의 정도는 줄여주나 2X 진동의 발생을 완전하게 방지하지는 못한다. 따라서 서포터(124)와 케이스(112)의 일체화가 이루어지더라도 회전체의 고유진동수와 2X 진동의 진동수 일치로 인해 공진 현상이 발생할 가능성은 여전히 존재한다. 상기 공진 현상은 2X 진동의 진폭을 제어할 수 없을 정도로 증가시키는바, 방지되어야 한다.
회전체의 고유진동수와 2X 진동의 진동수 간 일치 가능성을 낮추기 위해 상기 서포터(124)는 수용부(124a) 및 곡면부(124b)를 포함한다. 상기 수용부(124a)는 베어링 하우징(122)을 수용한다. 상기 곡면부(124b)는 수용부(124a) 및 케이스(112)에 각각 연결된 양단을 구비하고, 볼록한 곡면 형태로 구비된다. 여기서, 볼록하다는 것은 도 2에서 위쪽으로 휘어진 것을 의미한다.
서포터(124)가 볼록한 곡면 형태의 곡면부(124b)를 구비하면, 샤프트(150)의 축 어긋남 방향, 즉 샤프트(150)의 반경 방향으로 작용하는 힘에 대한 서포터(124)의 강성이 증가한다. 그리고 이러한 경우 회전체의 고유진동수가 증가하기 때문에 회전체의 고유진동수와 2X 진동의 진동수가 일치할 가능성이 종래에 비해 낮아지게 된다.
이와 같은 효과의 입증을 위해 실험이 수행되었고, 그 결과가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서 우측은 서포터(124)가 상기 곡면부(124b)를 구비한 경우에 대한 결과이고, 좌측은 상기 곡면부(124b)가 샤프트(150)의 반경방향을 따라 연장하는 직선 형태로 구비된 경우에 대한 결과이다. 양측 모두에서 서포터(124)는 케이스(112)와 일체를 이룬다.
또한 도 3에서 가로축은 rpm을 단위로 하는 샤프트(150)의 회전수를 나타내고, 세로축은 헤르쯔를 단위로 하는 주파수를 나타낸다. 도 3에서 회전체의 고유진동은 1차 모드와 2차 모드로 표시되어 있다.
도 3을 살펴보면, 곡면부(124b)를 구비한 서포터(124)가 설치된 경우에 회전체의 고유진동수(1차 모드 및 2차 모드)가 상대적으로 높음을 알 수 있다. 특히 샤프트(150)의 최대 회전수인 40000 rpm 이하에서는 회전체의 2차 모드 진동수가 2X 진동의 진동수와 만나지 않음이 확인될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100 : 연료전지 자동차용 공기 블로워 110 : 구동부
112 : 케이스 114 : 스테이터
116 : 로터 118 : 흡입구
120 : 베어링 122 : 베어링 하우징
124 : 서포터 124a : 수용부
124b : 곡면부 130 : 컴프레서부
132 : 볼류트 134 : 임펠러
136 : 압출구 150 : 샤프트

Claims (3)

  1. 샤프트(150) 및 이에 결합된 임펠러(134)의 회전을 통해 외부로부터 케이스(112)로 공기를 흡입하고, 상기 흡입된 공기를 볼류트(132)를 통해 연료전지 스택으로 압송하는 연료전지 자동차용 공기 블로워에 있어서,
    상기 샤프트(150)의 단부에 장착된 베어링(120); 및
    상기 케이스(112)와 일체를 이루어 상기 베어링(120)을 수용하는 서포터(124);를 포함하며,
    상기 서포터(124)는,
    상기 베어링(120)을 수용하는 수용부(124a); 및
    상기 수용부(124a) 및 케이스(112)에 각각 연결된 양단을 구비하고, 볼록한 곡면 형태로 구비된 곡면부(124b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수용부(124a)와 상기 베어링(120) 사이에는 베어링 하우징(122)이 더 개재된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워.
KR1020110054306A 2011-06-07 2011-06-07 연료전지 자동차용 공기 블로워 KR101362199B1 (ko)

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KR20020094828A (ko) * 2001-06-13 2002-12-18 주식회사 캄코 차량용 쿨링팬 모터 조립체
JP2008240574A (ja) * 2007-03-26 2008-10-09 Jtekt Corp 遠心圧縮機
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