KR101362204B1 - 연료전지 자동차용 공기 블로워 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 샤프트(170) 및 이에 결합된 임펠러(154)의 회전을 통해 외부로부터 케이스(112)로 공기를 흡입하고 상기 흡입된 공기를 볼류트(152)를 통해 연료전지 스택으로 압송하는 연료전지 자동차용 공기 블로워(100)에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워(100)는, 상기 샤프트(170)의 단부에 장착된 베어링(120); 상기 베어링(120)을 수용하는 베어링 하우징(122); 상기 케이스(112)에 결합되어 상기 베어링 하우징(122)을 수용하는 서포터(124); 및 상기 베어링 하우징(122)과 상기 서포터(124) 사이에 위치하여 진동이 상기 베어링 하우징(122)으로부터 상기 서포터(124)로 전달되는 것을 방지하는 방진수단(126);을 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 차량의 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.
터보 압축기는 스크류 압축기에 비해 작은 크기를 갖고, 간단한 구조를 갖기 때문에 상대적으로 저렴한 가격으로 제조될 수 있다. 그러나 터보 압축기는 스크류 압축기에 비해 높은 회전수로 작동하기 때문에 간과할 수 없는 진동 및 소음 문제를 유발한다.
일본공개특허 제2008-240574호는 진동 및 소음을 감소시킬 수 있는 터보 압축기를 개시하고 있다.
상기 터보 압축기(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 모터부(10)와, 컴프레서부(20)와, 방진재(15)를 포함한다.
모터부(10)는 로터(11)와, 스테이터(13)와, 하우징(14)을 포함한다. 상기 로터(11)로는 상기 하우징(14)의 양단에 결합된 커버(16, 17)와 회전 가능하게 결합한 샤프트(12)가 관통한다. 또한 로터(11)는 그 외면에 영구자석(11a)을 구비한다. 스테이터(13)는 로터(11)와 비접촉 상태를 유지하고, 코어(13b) 및 상기 코어(13b)에 감긴 코일(13a)을 포함한다. 상기 방진재(15)는 고무재질로서, 스테이터(13)와 하우징(14) 사이에 위치하여 모터부(10)의 진동을 흡수한다.
컴프레서부(20)는 임펠러(21)와 볼류트(volute)(22)를 포함한다. 임펠러(210)는 샤프트(12)의 일단에 연결되고, 회전 가능하게 볼류트(22)의 내부에 구비된다. 볼류트(22)는 공기 흡입구(22b)와 공기 배출구(22a)를 구비한다. 공기 흡입구(22b)는 임펠러(21)의 회전시 외부의 공기를 흡입하고, 공기 배출구(22a)는 임펠러(21)에 의해 가속된 공기를 연료전지 스택으로 압송한다.
연료전지 자동차용 공기 블로워의 진동 및 소음은 주로 구성요소들의 언밸런스(예컨대 임펠러(21)의 불균일한 질량분포, 로터(11)의 불균일한 질량분포 등)와, 샤프트(12)의 부정확한 축정렬에 의해 발생한다. 다시 말해 연료전지 자동차용 공기 블로워의 진동/소음원은 샤프트(12) 및 이와 함께 회전하는 구성들이다. 따라서 연료전지 자동차용 공기 블로워의 진동 및 소음을 효율적으로 방지하기 위해서는 샤프트(12) 및 이와 함께 회전하는 구성들로 인한 진동이 주변 구성들로 전달되는 것을 방지할 필요가 있다.
상기 종래의 공기 블로워(10)는 모터부(10)의 진동을 흡수하는 방진재(15)를 구비한다. 그러나 상기 방진재(15)는 샤프트(12) 및 이와 함께 회전하는 구성들의 진동이 주변 구성들로 전달되는 것을 방지하지 못한다. 따라서 상기 공기 블로워(10)는 진동 및 소음 저감을 위한 근본적 해결책이 될 수 없다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 진동 및 소음이 그 진원으로부터 주변으로 전달되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 자동차용 공기 블로워를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 샤프트(170) 및 이에 결합된 임펠러(154)의 회전을 통해 외부로부터 케이스(112)로 공기를 흡입하고 상기 흡입된 공기를 볼류트(152)를 통해 연료전지 스택으로 압송하는 연료전지 자동차용 공기 블로워(100)로서, 상기 샤프트(170)의 단부에 장착된 베어링(120); 상기 베어링(120)을 수용하는 베어링 하우징(122); 상기 케이스(112)에 결합되어 상기 베어링 하우징(122)을 수용하는 서포터(124); 및 상기 베어링 하우징(122)과 상기 서포터(124) 사이에 위치하여 진동이 상기 베어링 하우징(122)으로부터 상기 서포터(124)로 전달되는 것을 방지하는 방진수단(126);을 포함한다.
상기 서포터(124)는 상기 베어링 하우징(122)을 수용하기 위한 수용홈(128)을 구비하고, 상기 베어링 하우징(122)의 외주면(122a)과 상기 수용홈(128)의 외주면(128a)은 이격되어 있으며, 상기 방진수단(126)은 상기 베어링 하우징(122)의 외주면(122a) 및 상기 수용홈(128)의 외주면(128a)과 접촉한다.
상기 방진수단(126)은 상기 샤프트(170)의 축방향을 따라 이격된 한 쌍의 고무링 또는 상기 샤프트(170)의 축방향을 따라 연장하는 고무 실린더이다.
본 발명에 의하면, 샤프트의 진동이 구동부의 케이스로 전달되는 과정에서 방진수단에 의해 부분 흡수된다. 따라서 본 발명은 종래의 공기 블로워에 비해 적은 진동 및 소음을 발생시킨다.
또한 본 발명에 의하면, 방진수단이 샤프트의 회전 과정에서 샤프트의 부정확한 축정렬을 교정하여 준다. 따라서 본 발명은 샤프트의 부정확한 축정렬로 인해 발생하는 소음 및 진동을 감소시킨다.
도 1은 종래의 연료전지 자동차용 공기 블로워를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 A부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 A부분의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 연료전지 자동차용 공기 블로워의 실험결과를 보여주는 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(150)와, 샤프트(170)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(150)로 이동할 수 있도록 공기 이동로를 내장한다. 로터(116)는 샤프트(170)의 외주면에 장착되고, 영구자석을 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(170)가 회전하게 된다.
상기 컴프레서부(150)는 볼류트(volute)(152)와, 임펠러(154)를 포함한다. 상기 임펠러(154)는 샤프트(170)의 외주면에 장착되어 샤프트(170)와 함께 회전하면서 공기를 흡입한다. 볼류트(152)는 구동부(110)의 케이스(112)와 결합하고, 상기 임펠러(154)를 내장하며, 압출구(156)를 구비한다. 임펠러(154)가 회전하면 상기 흡입구(118)를 통해 공기가 흡입되고, 흡입된 공기는 구동부(110)의 케이스(112)를 통과하여 볼류트(152)로 이동한다. 이후 공기는 임펠러(154)를 경유하면서 가속되고, 임펠러(154)를 경유한 후 압축되어 상기 압출구(156)를 통해 외부로 배출된다. 외부로 배출된 압축 공기는 연료전지 스택으로 공급된다.
상기 샤프트(170)는 구동부(110)의 케이스(112) 내에 위치하는 일단과, 컴프레서부(150)의 볼류트(152) 내에 위치하는 반대단을 구비한다. 그리고 상기 샤프트(170)의 일단과 반대단 각각에는 베어링(120, 158)이 결합된다. 샤프트(170)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. 상기 서포터(124)는 구동부(110)의 케이스(112)에 결합되어 있다.
샤프트(170)는 부정확한 축정렬, 임펠러(154) 질량의 불균일한 분포, 로터(116) 질량의 불균일한 분포 등의 이유로 인해 회전시 진동할 수 있다. 그리고 샤프트(170)의 진동은 베어링(120), 베어링 하우징(122), 서포터(124), 케이스(112), 볼류트(152)의 진동으로 확장된다. 따라서 샤프트(170)가 진동하면 공기 블로워(100)에 진동 및 소음이 발생하고, 베어링(120)의 수명이 감소하게 된다.
본 발명에 따른 공기 블로워(100)는 샤프트(180)의 진동이 주변으로 확장되는 것을 방지하기 위해 방진수단(126)을 구비한다. 상기 방진수단(126)은 고무와 같이 탄성력을 갖는 재질로 이루어지고, 베어링 하우징(122)과 서포터(124) 사이에 위치한다.
보다 구체적으로 방진수단(126)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 서포터(124)에 형성된 수용홈(128)의 외주면(128a)과 베어링 하우징(122)의 외주면(122a) 간 이격 공간에 위치한다. 그리고 방진수단(126)은 상기 수용홈(128)의 외주면(128a) 및 베어링 하우징(122)의 외주면(122a) 모두와 접촉하도록 구비된다. 또한 방진수단(126)은 도 3에 도시된 바와 같이 한 쌍의 링으로 이루어진다. 이때 상기 한 쌍의 링은 샤프트(170)의 축방향을 따라 이격된다. 한편, 상기 방진수단(126)은 도 4에 도시된 바와 같이 샤프트(170)의 축방향을 따라 연장하는 실린더 형태로 구비될 수도 있다.
상술한 바와 같은 방진수단(126)이 공기 블로워(100)에 구비되면, 샤프트(170)의 진동이 베어링(120)과 베어링 하우징(122)으로 전달된 후 상기 방진수단(126)에 의해 부분 흡수된다. 따라서 샤프트(170)의 진동 중 일부만이 서포터(124)로 전달되고, 이로써 공기 블로워(100) 전체의 진동 및 소음은 감소한다.
또한 방진수단(126)은 진동 흡수 기능 외에 샤프트(170)의 부정확한 축정렬을 바로잡는 기능도 수행한다. 즉, 초기에 샤프트(170)의 축정렬이 부정확하게 이루어졌다고 하더라도 샤프트(170)의 회전 과정에서 샤프트(170)의 축정렬은 방진수단(126)의 탄성력에 의해 정확하게 교정된다. 따라서 상기 공기 블로워(100)에 의하면 샤프트(170)의 부정확한 축정렬로 인한 진동 및 소음은 제거될 수 있다.
본 출원인은 본 발명에 따른 공기 블로워(100)의 효과를 확인하기 위해 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5에서 가로축은 샤프트(170)의 rpm이고, 세로축은 데시벨(dB)로 표시된 소음의 정도이다. 샤프트(170)의 rpm은 5000에서 40000까지 표시되어 있다. 한편, 도 5의 (a)는 방진수단(126)을 구비하지 않은 경우에 대한 실험 결과이고, 도 5의 (b)는 방진수단(126)이 도 3에 도시된 바와 같이 한 쌍의 고무링으로 이루어진 경우에 대한 실험 결과이다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 약 15000 rpm 이하 및 33000 rpm 이상에서 소음이 현격하게 감소됨을 알 수 있다. 또한 15000 rpm 이상 33000 rpm 이하에서도 소음이 대체적으로 감소됨을 알 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 126 : 방진수단
128 : 수용홈 150 : 컴프레서부
152 : 볼류트(volute) 154 : 임펠러
156 : 압출구 158 : 베어링
170 : 샤프트

Claims (4)

  1. 샤프트(170) 및 이에 결합된 임펠러(154)의 회전을 통해 외부로부터 케이스(112)로 공기를 흡입하고, 상기 흡입된 공기를 볼류트(152)를 통해 연료전지 스택으로 압송하는 연료전지 자동차용 공기 블로워(100)에 있어서,
    상기 샤프트(170)의 단부에 장착된 베어링(120);
    상기 베어링(120)을 수용하는 베어링 하우징(122);
    상기 케이스(112)에 결합되어 상기 베어링 하우징(122)을 수용하는 서포터(124); 및
    상기 베어링 하우징(122)과 상기 서포터(124) 사이에 위치하여 진동이 상기 베어링 하우징(122)으로부터 상기 서포터(124)로 전달되는 것을 방지하는 방진수단(126);을 포함하며,
    상기 서포터(124)는 상기 베어링 하우징(122)을 수용하기 위한 수용홈(128)을 구비하고, 상기 베어링 하우징(122)의 외주면(122a)과 상기 수용홈(128)의 외주면(128a)은 이격되어 있으며, 상기 방진수단(126)은 상기 베어링 하우징(122)의 외주면(122a) 및 상기 수용홈(128)의 외주면(128a)과 접촉하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워(100).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방진수단(126)은 상기 샤프트(170)의 축방향을 따라 이격된 한 쌍의 고무링인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워(100).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방진수단(126)은 상기 샤프트(170)의 축방향을 따라 연장하는 고무 실린더인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워(100).
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