KR101373070B1 - Gas compressor with high speed impeller and gas compressor system including the same - Google Patents

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Abstract

초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치 및 기체 압축시스템이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 기체 압축장치는, 모터 하우징, 상기 모터 하우징 내부에 설치된 수막 베어링, 및 상기 모터 하우징 내부의 공간에 냉각수가 유통되도록 형성된 모터 냉각부을 포함하는 모터와, 상기 모터에 연결되어 회전하는 임펠러, 및 상기 임펠러의 회전에 의해 기체가 압축되는 기체 압축실을 형성하고, 그 표면에 냉각수가 직접 접촉하며 유통되도록 형성된 임펠러 하우징 냉각부를 갖는 임펠러 하우징을 포함하고, 본 발명의 일 측면에 따른 기체 압축시스템은 전술한 기체 압축장치와 상기 모터의 수막 베어링, 상기 모터 냉각부, 및 상기 임펠러 하우징 냉각부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 공급부 및 가열된 냉각수를 냉각시키는 방열기를 포함한다.A gas compression device and a gas compression system using an ultra-high speed rotating body are disclosed. According to an aspect of the present invention, there is provided a gas compression device comprising: a motor including a motor housing, a water film bearing installed in the motor housing, and a motor cooling unit configured to distribute coolant to a space inside the motor housing; An impeller housing having a rotating impeller, and an impeller housing cooling unit formed to form a gas compression chamber in which gas is compressed by the rotation of the impeller, the coolant being in direct contact with and flowing through the surface of the impeller, and in one aspect of the present invention, The gas compression system according to the present invention includes the above-described gas compression device, a water film bearing of the motor, the motor cooling unit, a cooling water supply unit for circulating cooling water in the impeller housing cooling unit, and a radiator for cooling the heated cooling water.

Description

초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치 및 이를 포함하는 기체 압축 시스템{Gas compressor with high speed impeller and gas compressor system including the same}Gas compressor with high speed impeller and gas compression system including same {Gas compressor with high speed impeller and gas compressor system including the same}

본 발명은 회전식 기체 압축장치 및 이를 포함하는 기체 압축 시스템에 관한 것이다. 더 상세하게는, 고온(100∼150℃) 및 고압(1∼3 bar_절대기압)의 기체를 압축하고 그 압축비를 높일 수 있도록 임펠러를 초고속으로 회전시키는 모터를 포함하는 기체 압축장치와 이러한 장치를 적절히 냉각시켜 기체 압축 성능을 유지할 수 있도록 하는 구성을 포함하는 기체 압축 시스템에 관한 것이다. 회전식 기체 압축장치 및 이를 포함하는 시스템은, 예컨대 열 에너지를 이용하여 발생시킨 고온의 수증기를 활용하는 시스템에 적용될 수 있다.The present invention relates to a rotary gas compression device and a gas compression system including the same. More specifically, the gas compression device and the device comprising a motor for rotating the impeller at high speed to compress the gas at high temperature (100 ~ 150 ℃) and high pressure (1 ~ 3 bar_absolute air pressure) and increase the compression ratio The present invention relates to a gas compression system comprising a configuration for allowing the cooling of the gas to properly maintain the gas compression performance. Rotary gas compressors and systems comprising them may be applied to systems utilizing, for example, hot steam generated using thermal energy.

일반적으로 회전식 기체 압축장치, 즉 원심펌프의 내부에서 회전하는 날개를 임펠러(impeller)라 한다. 임펠러는 회전하면서 기체 등의 유체에 운동에너지를 전달하고, 이 운동에너지로 인해 발생하는 기체 등의 원심력이 하우징 내에서 압력으로 변환되어 결국 기체 등의 압력을 상승시킨다. 따라서, 임펠러의 회전 속도가 빠를수록 기체 등의 압축비를 높일 수 있다. 그런데, 임펠러가 빠르게 회전하면 그 회전축을 지지하는 베어링에 심한 마찰이 발생한다. In general, a rotary gas compressor, ie a blade that rotates inside the centrifugal pump, is called an impeller. As the impeller rotates, kinetic energy is transmitted to a fluid such as gas, and centrifugal force such as gas generated by the kinetic energy is converted into pressure in the housing, thereby raising the pressure of the gas or the like. Therefore, the higher the rotational speed of the impeller, the higher the compression ratio of the gas. However, when the impeller rotates quickly, severe friction occurs in the bearing supporting the rotating shaft.

베어링은 일반적으로 회전 운동하는 축의 하중을 지지하며 운동이 원활하게 유지되도록 하는 수단이다. 베어링은 기계장치의 고속화와 더불어 직접 접촉 방식에서 최근에는 회전축과 고정체 사이에 기체를 주입하여 일정한 동압을 형성시키는 간접 접촉방식의 공기 포일 베어링(air foil bearing)이 개발되어 사용되고 있으며, 이 베어링은 회전축과 베어링 하우징 사이의 포일에 공기가 존재하여 기존 다른 직접 접촉식 형태의 베어링과 비교하여 마찰저항이 현저히 작아 고속회전이 가능할 뿐만 아니라 동력 소비가 작은 장점이 있다. Bearings generally support the load of the rotating shaft and are means to keep the movement smooth. In addition to the high speed of machinery, the direct contact method has recently been developed and used indirect contact air foil bearings which inject a gas between the rotating shaft and the fixed body to form a constant dynamic pressure. Due to the presence of air in the foil between the rotating shaft and the bearing housing, the frictional resistance is remarkably small compared to other direct contact bearings, which enables high speed rotation and low power consumption.

공기 포일 베어링은 터보압축기, 터보쿨러, 터보발전기와 같은 터보머신 내에서 고속으로 회전하는 회전축을 반경방향으로 지지하는 데 사용된다. 공기 포일 베어링은 원통형 하우징의 내측에 탄성을 가지는 포일이 상호 중첩되도록 구비되고, 포일의 내측에는 회전축이 회전가능하게 구비된다. 회전축을 20,000 RPM 정도의 고속으로 회전시키면 포일과 회전축 사이의 공간에 공기 유동에 의한 동압이 형성되고, 공기의 동압에 의하여 포일은 회전축으로부터 멀어지는 쪽으로 탄성 변형되며, 회전축과 포일 사이에 공기층(air gap)이 형성됨으로써 회전축이 포일과의 직접 마찰 없이 회전을 할 수 있다.Air foil bearings are used to radially support rotating shafts rotating at high speeds in turbomachines such as turbocompressors, turbocoolers and turbogenerators. The air foil bearing is provided so that elastic foils overlap each other inside the cylindrical housing, and a rotation shaft is rotatably provided inside the foil. When the rotating shaft is rotated at a high speed of about 20,000 RPM, dynamic pressure is generated in the space between the foil and the rotating shaft, and the foil is elastically deformed away from the rotating shaft by the dynamic pressure of the air, and an air gap between the rotating shaft and the foil ), The rotating shaft can rotate without direct friction with the foil.

전술한 임펠러를 모터의 회전축에 설치하여 회전시키는 구성에 있어서, 공기 포일 베어링은 모터의 고정자에 대하여 회전 가능하게 설치된 회전자와 연결된 회전축의 원활한 회전을 위해 모터의 하우징과 회전축 사이에 구비된다. 이때, 회전자와 회전축이 고속으로 회전하게 되면 마찰에 의한 열과 모터의 코일에서 발생한 열에 의해 회전축이 가열되어 변형될 수 있을 뿐만 아니라, 회전축과 공기 포일 베어링을 팽창시키며, 베어링 내부의 공기 밀도가 낮아져 동압이 저하된다. 그 결과 공기 포일 베어링이 회전축의 하중을 견디지 못하고, 열팽창된 회전축이 공기 포일 베어링의 마찰면과 직접 접촉하게 되어 회전축이 원활히 회전하지 못하게 되며, 마찰이 심화되면 회전축과 포일 베어링의 열융착이 일어날 수도 있다.In the configuration in which the impeller is installed on the rotating shaft of the motor to rotate, the air foil bearing is provided between the housing and the rotating shaft of the motor for smooth rotation of the rotating shaft connected to the rotor rotatably installed with respect to the stator of the motor. At this time, when the rotor and the rotating shaft rotates at a high speed, the rotating shaft may be heated and deformed by heat generated by friction and heat generated from the coil of the motor, as well as expand the rotating shaft and the air foil bearing, and the air density inside the bearing becomes low. Dynamic pressure falls. As a result, the air foil bearing cannot withstand the load of the rotating shaft, and the thermally expanded rotating shaft comes into direct contact with the friction surface of the air foil bearing, so that the rotating shaft does not rotate smoothly. If friction is intensified, thermal fusion of the rotating shaft and the foil bearing may occur. have.

실제로 공기 포일 베어링이 적용된 모터에서 회전축의 회전속도가 높아져 초고속으로 회전할 경우, 어느 정도의 회전속도까지는 공기 포일 베어링의 지지력이 동압 증가로 인하여 높아지나, 회전축의 회전속도가 50,000 RPM을 초과하면 마찰열과 코일에서 발생한 열로 인하여 공기의 밀도가 감소하면서 오히려 회전축 지지력이 감소하게 된다.
In fact, if the rotational speed of the rotating shaft increases in the motor with the air foil bearing and rotates at a very high speed, the bearing capacity of the air foil bearing increases up to a certain rotational speed due to the increase in dynamic pressure, but if the rotational speed of the rotating shaft exceeds 50,000 RPM, Due to the heat generated from the and coils, the density of the air decreases, but the rotational shaft bearing capacity decreases.

고온(100∼150℃), 고압(1∼3 bar_절대기압) 기체를 50,000 RPM(분당 회전수) 이상의 초고속 임펠러에 의해 압축하는 회전식 기체 압축장치에 공기 포일 베어링(air foil bearing)을 적용할 경우, 회전축과 공기 포일 베어링 사이의 상당한 마찰열에 의한 기체의 온도 상승으로 밀도가 현저히 저하되어 회전체를 지지하는 기체 압력이 약화 되어 초고속 회전이 불가능하다. 이러한, 문제를 해결하기 위하여 초고속 회전시에도 베어링 내부의 동압을 유지할 수 있도록 베어링의 개선이 필요하다. Air foil bearings can be applied to rotary gas compressors that compress high-temperature (100-150 ° C), high-pressure (1-3 bar_absolute air pressure) gases by high-speed impellers of more than 50,000 RPM (rpm). In this case, the density of the gas decreases due to a significant increase in the temperature of the gas due to the substantial heat of friction between the rotating shaft and the air foil bearing, so that the gas pressure for supporting the rotating body is weakened, thereby making it impossible to operate at high speed. In order to solve this problem, it is necessary to improve the bearing to maintain the dynamic pressure inside the bearing even at high speed of rotation.

또한, 모터의 코일에서 발생하는 열이 베어링에 전달되어 악영향을 미치므로 모터에서 주로 발열하는 고정자 및 코일 부분을 효과적으로 냉각시키는 수단도 요구된다. 한편, 임펠러에 의해 기체가 압축되는 과정에서도 온도 상승을 수반한다. 이때 발생한 열이 임펠러 하우징 등에 축적되면 압축 기체의 밀도를 감소시킬 수 있으므로 임펠러 하우징을 냉각시키는 수단도 요구된다.
In addition, since heat generated in the coil of the motor is transmitted to the bearing and adversely affects, a means for effectively cooling the stator and the coil portion that mainly generate heat in the motor is also required. On the other hand, the temperature is also accompanied by the process of compressing the gas by the impeller. If heat generated at this time is accumulated in the impeller housing or the like, the density of the compressed gas can be reduced, so that a means for cooling the impeller housing is also required.

전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치는, 회전자를 갖는 회전축, 상기 회전자의 주변에 배치된 고정자, 및 상기 회전축의 일부분을 회전할 수 있도록 지지하는 수막 베어링을 포함하는 모터; 상기 모터의 회전축에 연결되어 상기 회전축과 일체로 회전하는 임펠러; 및 상기 모터 외부의 상기 임펠러가 설치된 쪽에 설치되어 상기 임펠러의 회전에 의해 기체가 압축되는 기체 압축실을 형성하고, 그 표면에 냉각수가 직접 접촉하며 유통되도록 형성된 임펠러 하우징 냉각부를 갖는 임펠러 하우징을 포함한다. In order to solve the above problems, the gas compression apparatus using an ultra-high speed rotating body according to the present invention, the rotating shaft having a rotor, a stator disposed around the rotor, and to support to rotate a portion of the rotating shaft A motor including a water film bearing; An impeller connected to the rotating shaft of the motor and integrally rotating with the rotating shaft; And an impeller housing installed on a side where the impeller outside the motor is installed to form a gas compression chamber through which the gas is compressed by the rotation of the impeller, and having an impeller housing cooling part formed so that the coolant contacts and flows directly on the surface thereof. .

여기서, 상기 모터는, 상기 고정자 주위를 둘러싸는 모터 하우징; 상기 모터 하우징 내부에서 상기 회전축, 상기 수막 베어링 및 상기 고정자를 제외한 나머지 공간에 냉각수가 유통되도록 형성된 모터 냉각부; 및 상기 고정자 표면의 적어도 일부를 덮는 것으로, 상기 모터 냉각부에 유통되는 냉각수가 상기 고정자에 권선된 코일에 닿지 않도록 차단하는, 방수 몰드를 포함할 수 있다. 상기 방수 몰드는 실리콘으로 이루어진 것일 수 있다.Here, the motor includes a motor housing surrounding the stator; A motor cooling unit configured to distribute coolant to the remaining space except the rotating shaft, the water film bearing, and the stator in the motor housing; And by covering at least a portion of the stator surface, it may include a waterproof mold to block the coolant circulating in the motor cooling unit from touching the coil wound on the stator. The waterproof mold may be made of silicon.

한편, 상기 임펠러 하우징 냉각부는, 상기 임펠러 하우징의 외측면이 상기 기체 압축실 쪽으로 파인 트렌치 구조를 포함하는 것일 수 있다.The impeller housing cooling unit may include a trench structure in which an outer surface of the impeller housing is recessed toward the gas compression chamber.

한편, 상기 수막 베어링은, 상기 회전축의 일부를 둘러싸고, 상기 회전축에서 먼 외주면에서부터 상기 회전축과 마주하는 내주면까지 유체를 공급하는 유체 주입관이 구비된 베어링 하우징; 및 상기 베어링 하우징의 내주면에 구비되는 포일(foil)을 포함하는 것일 수 있다. 상기 포일은, 탑 포일(top foil); 및 상기 탑 포일과 상기 베어링 하우징 사이에 위치하는 범프 포일(bump foil)을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 수막 베어링을 갖는 기체 압축장치는, 상기 고정자 주위를 둘러싸는 모터 하우징; 상기 모터 하우징의 일측에 구비되는 제 1 유체 공급구; 상기 유체 주입관과 연통하도록 상기 베어링 하우징의 외주면에 구비되는 제 2 유체 공급구; 상기 모터 하우징 내부에서 상기 제 1 유체 공급구와 상기 제 2 유체 공급구를 연결하는 연결관; 및 상기 모터 하우징의 일측에 구비되어 내부의 유체가 외부로 배출되도록 하는 드레인을 더 포함할 수 있다.On the other hand, the water film bearing, the bearing housing is provided with a fluid injection tube surrounding a portion of the rotating shaft, the fluid supply from the outer peripheral surface far from the rotating shaft to the inner peripheral surface facing the rotating shaft; And it may include a foil (foil) provided on the inner peripheral surface of the bearing housing. The foil includes a top foil; And a bump foil positioned between the top foil and the bearing housing. In addition, the gas compression device having such a water film bearing includes: a motor housing surrounding the stator; A first fluid supply port provided at one side of the motor housing; A second fluid supply port provided on an outer circumferential surface of the bearing housing so as to communicate with the fluid injection pipe; A connection pipe connecting the first fluid supply port and the second fluid supply port inside the motor housing; And a drain provided at one side of the motor housing to allow the fluid inside to be discharged to the outside.

본 발명의 한 실시형태에 따른 기체 압축장치는, 회전자를 갖는 회전축, 상기 회전자의 주변에 배치된 고정자, 및 상기 회전축의 일부분을 회전할 수 있도록 지지하는 수막 베어링을 포함하는 모터; 상기 모터의 회전축에 연결되어 상기 회전축과 일체로 회전하는 임펠러; 및 상기 모터 외부의 상기 임펠러가 설치된 쪽에 설치되어 상기 임펠러의 회전에 의해 기체가 압축되는 기체 압축실을 형성하고, 그 표면에 냉각수가 직접 접촉하며 유통되도록 형성된 임펠러 하우징 냉각부를 갖는 임펠러 하우징을 포함하고, 여기서, 상기 모터는, 상기 고정자 주위를 둘러싸는 모터 하우징; 상기 모터 하우징 내부에서 상기 회전축, 상기 수막 베어링 및 상기 고정자를 제외한 나머지 공간에 냉각수가 유통되도록 형성된 모터 냉각부; 및 상기 고정자 표면의 적어도 일부를 덮는 것으로, 상기 모터 냉각부에 유통되는 냉각수가 상기 고정자에 권선된 코일에 닿지 않도록 차단하는, 방수 몰드를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 수막 베어링은, 상기 회전축의 일부를 둘러싸고, 상기 회전축에서 먼 외주면에서부터 상기 회전축과 마주하는 내주면까지 유체를 공급하는 유체 주입관이 구비된 베어링 하우징; 및 상기 베어링 하우징의 내주면에 구비되는 포일(foil)을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, there is provided a gas compression device, comprising: a motor including a rotating shaft having a rotor, a stator disposed around the rotor, and a water film bearing for supporting a portion of the rotating shaft; An impeller connected to the rotating shaft of the motor and integrally rotating with the rotating shaft; And an impeller housing installed on a side where the impeller outside the motor is installed to form a gas compression chamber through which the gas is compressed by the rotation of the impeller, and having an impeller housing cooling part formed so that the coolant directly contacts and flows on the surface thereof. Wherein the motor comprises: a motor housing surrounding the stator; A motor cooling unit configured to distribute coolant to the remaining space except the rotating shaft, the water film bearing, and the stator in the motor housing; And a waterproof mold covering at least a portion of the stator surface to prevent the coolant circulating in the motor cooling unit from contacting the coil wound on the stator. A bearing housing having a fluid injection tube surrounding a portion and supplying a fluid from an outer circumferential surface far from the rotation shaft to an inner circumferential surface facing the rotation shaft; And it may include a foil (foil) provided on the inner peripheral surface of the bearing housing.

본 발명의 한 측면에 따른 기체 압축 시스템은, 모터 하우징, 상기 모터 하우징 내부에 설치된 수막 베어링, 및 상기 모터 하우징 내부의 공간에 냉각수가 유통되도록 형성된 모터 냉각부을 포함하는 모터와, 상기 모터에 연결되어 회전하는 임펠러, 및 상기 임펠러의 회전에 의해 기체가 압축되는 기체 압축실을 형성하고, 그 표면에 냉각수가 직접 접촉하며 유통되도록 형성된 임펠러 하우징 냉각부를 갖는 임펠러 하우징을 포함하는 기체 압축장치; 상기 모터의 수막 베어링, 상기 모터 냉각부, 및 상기 임펠러 하우징 냉각부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 공급부; 및 가열된 냉각수를 냉각시키는 방열기를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a gas compression system comprising: a motor including a motor housing, a water film bearing installed inside the motor housing, and a motor cooling unit configured to distribute coolant to a space inside the motor housing; A gas compression apparatus including an impeller housing having a rotating impeller and an impeller housing cooling unit formed to form a gas compression chamber in which gas is compressed by the rotation of the impeller, and the coolant directly contacts and flows on a surface thereof; A coolant supply unit configured to circulate a coolant to the water film bearing, the motor cooling unit, and the impeller housing cooling unit of the motor; And a radiator for cooling the heated cooling water.

여기서, 상기 수막 베어링 또는 상기 모터 냉각부를 거친 냉각수를 상기 임펠러 하우징 냉각부에 공급하고, 상기 임펠러 하우징 냉각부를 거친 냉각수를 방열기를 통해 냉각시킬 수 있다.
Here, the cooling water having passed through the water film bearing or the motor cooling unit may be supplied to the impeller housing cooling unit, and the cooling water having passed through the impeller housing cooling unit may be cooled through a radiator.

본 발명에 따르면, 모터와 회전체 즉, 임펠러의 회전축에 수막 포일 베어링을 적용하고, 모터에서 발생하는 열이 베어링에 영향을 미치지 않도록 열을 효과적으로 배출하여 50,000 RPM 이상의 초고속 회전이 가능하도록 하는 효과가 있다. 아울러, 임펠러의 초고속 회전과 함께 임펠러 하우징을 효과적으로 냉각시킴으로써 압축하고자 하는 기체, 예컨대 수증기의 온도를 최대 190℃, 압축기체의 상승 압력이 3 bar 이상인 고온 고압의 기체 압축장치를 제공하는 효과가 있다. According to the present invention, the water film foil bearing is applied to the rotating shaft of the motor and the rotating body, that is, the impeller, and effectively discharges the heat so that the heat generated from the motor does not affect the bearing, thereby making it possible to achieve high speed rotation of 50,000 RPM or more. have. In addition, by effectively cooling the impeller housing together with the ultra-fast rotation of the impeller, there is an effect of providing a high-temperature, high-pressure gas compressor that has a temperature of compressed gas, for example, water vapor up to 190 ° C., and an elevated pressure of the compressor body of 3 bar or more.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 기체 압축장치의 수막 베어링, 모터 냉각부 및 임펠러 하우징 냉각부에 냉각수를 효율적으로 순환시켜 상기 기체 압축장치를 효과적이고 효율적으로 운용할 수 있도록 하는 기체 압축시스템을 제공하는 효과가 있다. In addition, according to the present invention, to provide a gas compression system for efficiently and efficiently operating the gas compression device by circulating the cooling water efficiently to the water film bearing, the motor cooling unit and the impeller housing cooling unit of the gas compression device. It works.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 압축장치의 내부를 보이는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 압축장치의 외부를 보이는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 압축시스템의 구성을 보이는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 압축장치의 수막 베어링 부분을 발췌하여 확대한 도면이다.
도 5는 상기 도 4의 A-A 단면을 도시한 단면도이다.
1 is a cross-sectional view showing the inside of a gas compression apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a perspective view showing the outside of the gas compression apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a gas compression system according to an embodiment of the present invention.
4 is an enlarged view of the water film bearing portion of the gas compression apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a cross section along AA of FIG. 4.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있는 것이라는 점은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The technical idea of the present invention can be clearly understood through the examples. In addition, it is apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the embodiments described below, but can be modified in various forms within the scope of the technical idea to which the present invention pertains. something to do.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 압축장치의 내부를 보이는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 압축장치의 외부를 보이는 사시도이다. 본 실시예에 따른 기체 압축장치는 수막 베어링(50)을 포함하는 모터와 상기 모터의 회전축(150)에 연결된 임펠러(250)를 포함하는 회전식 기체 압축실(231)을 포함한다. 상기 모터는 모터 하우징(110)과 상기 모터 하우징(110) 내부에 설치되는 고정자(130), 그리고 상기 고정자(130)의 중심부에 설치되어 전자기력에 의해 회전축(150)을 회전시키는 회전자(140)를 포함한다. 상기 회전축(150)은 적어도 하나의 수막 베어링(50)에 의해 회전할 수 있도록 지지 되는데, 본 실시예에서는 상기 회전축(150)의 양 단부에 수막 베어링(50)이 각각 설치된다. 1 is a cross-sectional view showing the inside of a gas compression device according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view showing the outside of the gas compression device according to an embodiment of the present invention. The gas compression device according to the present embodiment includes a rotary gas compression chamber 231 including a motor including the water film bearing 50 and an impeller 250 connected to the rotation shaft 150 of the motor. The motor includes a motor housing 110, a stator 130 installed inside the motor housing 110, and a rotor 140 installed at the center of the stator 130 to rotate the rotating shaft 150 by electromagnetic force. It includes. The rotary shaft 150 is supported to be rotated by at least one hydromechanical bearing 50. In this embodiment, the hydromechanical bearings 50 are installed at both ends of the rotary shaft 150, respectively.

상기 수막 베어링(50)에는 상기 회전축(150)과 소정의 간극을 두고 상기 회전축(150)의 일부분을 둘러싸는 베어링 하우징(10)이 마련되고, 상기 베어링 하우징(10)과 상기 회전축(150)의 사이에 윤활 작용을 위한 유체, 예를 들어 물이 공급된다. 유체는 모터 외부로부터 공급되는데, 상기 모터 하우징(110)에 설치된 제1 유체 공급구(120)와 상기 베어링 하우징(10) 내부의 유체 주입관(12)에 연결되게 설치된 제2 유체 공급구(20) 및 모터 내부에서 이들을 연결하는 연결관(160)을 통해 공급될 수 있다. 상기 모터 하우징(110)은 내부 공간을 밀폐시키는 구조를 가지고, 상기 모터 하우징(110)의 다른 한 편에는 유체를 배출하는 드레인(170)이 설치된다. 상기 연결관(160)은 제1 유체 공급구(120)와 제2 유체 공급구(20)를 연결함으로써, 외부로부터 제1 유체 공급구(120)를 통해 공급된 유체가 제2 유체 공급구(20)로 전달될 수 있도록 한다. 상기 드레인(170)은 공급된 유체가 상기 수막 베어링(50)을 거친 후 상기 모터 하우징(110) 외부로 배출되도록 한다. 상기 드레인(170)은 적어도 하나 구비되며, 도면에 도시된 바와 같이 복수로 구비될 수 있다.The water film bearing 50 is provided with a bearing housing 10 surrounding a portion of the rotating shaft 150 with a predetermined gap with the rotating shaft 150, and the bearing housing 10 and the rotating shaft 150 In between is supplied a fluid for lubrication, for example water. The fluid is supplied from the outside of the motor, the second fluid supply port 20 is installed to be connected to the first fluid supply port 120 installed in the motor housing 110 and the fluid injection tube 12 inside the bearing housing 10. And the connection pipe 160 connecting them inside the motor. The motor housing 110 has a structure for sealing the internal space, the other side of the motor housing 110 is provided with a drain 170 for discharging the fluid. The connection pipe 160 connects the first fluid supply port 120 and the second fluid supply port 20 so that the fluid supplied from the outside through the first fluid supply port 120 is supplied to the second fluid supply port ( 20) to be delivered. The drain 170 allows the supplied fluid to be discharged to the outside of the motor housing 110 after passing through the water film bearing 50. At least one drain 170 may be provided, and a plurality of drains 170 may be provided as illustrated in the drawing.

상기 수막 베어링(50)에 제2 유체 공급구(20)를 통해 물을 비롯한 유체가 공급되면 상기 유체 주입관(12)을 통해 회전축(150) 둘레에 유체가 전달된다. 회전축(150)은 모터의 회전력에 의해 초고속으로 회전하고, 그로 인해 공급된 유체는 수많은 미세한 액적을 형성하게 된다. 이러한 미세 액적이 회전축(150) 둘레를 포함한 수막 베어링(50) 내부의 밀도를 증가시켜 높은 강성을 유지할 수 있도록 한다. 유체는 상기 제1 유체 공급구(120)를 통해 주기적으로, 혹은 연속적으로 공급되고, 내부를 순환한 유체는 상기 드레인(170)을 통해 외부로 배출된다. 또한, 미세 액적은 상기 회전축(150)과 상기 수막 베어링(50) 내부에 마련된 포일(미도시) 등의 구조물을 냉각하는 기능도 아울러 수행함으로써, 이들의 열팽창을 방지하여 회전축(150)이 초고속으로 회전하더라도 원활하게 운전될 수 있도록 한다.When a fluid including water is supplied to the water film bearing 50 through the second fluid supply port 20, the fluid is transferred around the rotation shaft 150 through the fluid injection pipe 12. The rotating shaft 150 rotates at a very high speed by the rotational force of the motor, whereby the supplied fluid forms numerous fine droplets. Such fine droplets increase the density inside the water film bearing 50 including the rotational axis 150 to maintain high rigidity. Fluid is periodically or continuously supplied through the first fluid supply port 120, and the fluid circulated therein is discharged to the outside through the drain 170. In addition, the fine droplets also perform a function of cooling a structure such as a foil (not shown) provided in the rotary shaft 150 and the water film bearing 50, thereby preventing thermal expansion thereof, thereby allowing the rotary shaft 150 to operate at high speed. It can be operated smoothly even if it rotates.

이와 같이 고강성의 수막 베어링(50)은 회전축(150)의 회전속도가 증가하여 기존의 공기 포일 베어링의 한계 속도를 초과하는 상황에서도, 회전축(150) 주위의 밀도를 증가시켜 높은 강성을 유지시키고, 포일 등 베어링 내부 구조물과 회전축의 과열에 의한 열융착 등의 문제를 미연에 방지하게 된다. 또한, 수막 베어링(50)은 베어링 강성 확보로 임펠러(250)의 회전으로도 증기와 같은 기체를 압축시킬 수 있도록 함으로써, 증기 압축기와 같이 초고속 회전에 의해 고압을 형성해야 하는 경우에도 적용될 수 있다. 또한, 기존의 일반적인 공기 포일 베어링과 대비하여 베어링의 폭(도 1에서 베어링 하우징(10)의 좌단과 우단 사이의 거리)을 감소시키고 회전축(150)의 길이를 감소시키더라도 충분히 베어링의 강성을 유지할 수 있으므로, 모터의 소형화도 가능하다.As such, the high rigidity hydromechanical bearing 50 maintains high rigidity by increasing the density around the rotating shaft 150 even in a situation where the rotational speed of the rotating shaft 150 increases to exceed the limit speed of the conventional air foil bearing. It is possible to prevent problems such as heat fusion caused by overheating of the bearing internal structure such as foil and the rotating shaft. In addition, the water film bearing 50 may be applied to a case in which a high pressure is to be formed by ultra-high rotation, such as a steam compressor, by compressing a gas such as steam even by the rotation of the impeller 250 to secure bearing rigidity. In addition, the bearing width (distance between the left end and the right end of the bearing housing 10 in FIG. 1) and the length of the rotating shaft 150 can be sufficiently maintained compared to the conventional general air foil bearings. Therefore, the motor can be miniaturized.

한편, 상기 모터 하우징(110) 내부에는 냉각수가 유통될 수 있는 공간인 모터 냉각부(210)가 마련되고, 상기 모터 하우징(110)에는 외부로부터 상기 모터 냉각부(210)로 냉각수를 공급하는 제 1 냉각수 주입구(180)가 마련될 수 있다. 상기 고정자(130)는 전기가 흐르는 코일을 포함하므로, 누전을 차단하기 위해 상기 고정자(130)의 코일과 상기 모터 냉각부(210) 사이에는 방수 몰드(200)가 배치된다. 상기 방수 몰드(200)는 상기 고정자(130)를 완전히 둘러싸는 것일 수도 있고, 고정자(130)의 코일과 모터 하우징(110)이 접촉하는 부분을 제외한 나머지 부분을 둘러싸는 것일 수도 있다. 상기 방수 몰드(200)는 고무와 같이 신축성이 있는 소재로 이루어지고 상기 모터 하우징(110)의 내벽에 밀착되어 고무 패킹과 같이 냉각수가 코일 측으로 유입되는 것을 방지하는 구조를 가질 수 있다. 모터의 작동시에 상기 고정자(130)의 코일에서는 많은 열이 발생하므로, 상기 방수 몰드(200)는 실리콘 러버(silicon rubber) 또는 에폭시 수지(epoxy resin) 같이 열에 강하고 비교적 열전도도가 높은 소재로 형성될 수 있다. On the other hand, the motor housing 110 is provided with a motor cooling unit 210 which is a space through which the coolant flows, and the motor housing 110 is made of an agent for supplying cooling water to the motor cooling unit 210 from the outside. 1 Cooling water inlet 180 may be provided. Since the stator 130 includes a coil through which electricity flows, a waterproof mold 200 is disposed between the coil of the stator 130 and the motor cooling unit 210 to block a short circuit. The waterproof mold 200 may completely surround the stator 130 or may surround other portions of the stator 130 except for a portion where the coil and the motor housing 110 contact each other. The waterproof mold 200 may be made of an elastic material such as rubber and may be in close contact with the inner wall of the motor housing 110 to prevent the cooling water from flowing into the coil side, such as rubber packing. Since a lot of heat is generated in the coil of the stator 130 during the operation of the motor, the waterproof mold 200 is formed of a material that is heat resistant and relatively high in thermal conductivity, such as silicon rubber or epoxy resin. Can be.

상기 모터 냉각부(210)는 전술한 드레인(170)과 연결될 수 있다. 상기 제 1 냉각수 주입구(180)를 통해 주입된 냉각수는 상기 모터 냉각부(210) 내부를 돌며 상기 고정자(130)를 냉각시킨 후 상기 수막 베어링(50)에서 배출된 유체와 함께 상기 드레인(170)을 통해 배출될 수 있다. 본 실시예와 달리 모터 하우징에 별도의 냉각수 배출구가 마련될 수도 있음은 물론이다. 냉각수는 상기 모터 냉각부(210) 뿐만 아니라 상기 고정자(130)와 상기 회전자(140) 사이의 간극에도 유입될 수 있는데, 이 경우 유입된 냉각수가 초고속으로 회전하는 상기 회전자(140)의 표면에 닿으며 미세한 액적을 형성하여 상기 수막 베어링(50)의 기능을 보조할 수도 있다.The motor cooling unit 210 may be connected to the drain 170 described above. The coolant injected through the first coolant inlet 180 rotates inside the motor cooler 210 and cools the stator 130, and together with the fluid discharged from the water film bearing 50, the drain 170. Can be discharged through. Unlike the present embodiment, of course, a separate cooling water outlet may be provided in the motor housing. Cooling water may flow into the gap between the stator 130 and the rotor 140 as well as the motor cooling unit 210. In this case, the surface of the rotor 140 in which the introduced cooling water rotates at a high speed. In contact with the water droplets may be formed to assist the function of the water film bearing 50.

한편, 상기 회전축(150)과 연결된 임펠러(250) 쪽에는 기체 압축실(231)을 형성하는 임펠러 하우징(230)이 배치된다. 상기 임펠러 하우징(230)에는 냉각수가 유통되는 공간인 임펠러 하우징 냉각부(240)가 마련된다. 상기 임펠러 하우징 냉각부(240)는 임펠러(250)의 주변부를 따라 링 형태로 배치될 수 있다. 상기 임펠러 하우징 냉각부(240)는, 예컨대 상기 임펠러 하우징(230)의 바깥쪽에 형성된 트렌치에 덮개가 덮인 구조로 형성될 수 있으며, 외부로부터 상기 임펠러 하우징 냉각부(240)에 냉각수를 주입하는 제 2 냉각수 주입구(190)와 냉각수를 배출하는 임펠러 하우징 드레인(179)과 연결될 수 있다.Meanwhile, an impeller housing 230 forming a gas compression chamber 231 is disposed at the impeller 250 connected to the rotation shaft 150. The impeller housing 230 is provided with an impeller housing cooling unit 240 which is a space through which coolant flows. The impeller housing cooling part 240 may be disposed in a ring shape along the periphery of the impeller 250. The impeller housing cooling unit 240 may be formed, for example, in a cover covered with a trench formed outside the impeller housing 230, and a second injecting cooling water into the impeller housing cooling unit 240 from the outside. It may be connected to the cooling water inlet 190 and the impeller housing drain 179 for discharging the cooling water.

도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 기체 압축장치에서의 베어링 유체와 냉각수의 흐름을 살펴보면, 상기 제 1 유체 공급구(120)를 통해 베어링 유체가 주입되고(Bin), 상기 제 1 냉각수 주입구(180)를 통해 냉각수가 주입된다(Min). 모터 하우징(110) 내부에서 합류된 상기 베어링 유체와 냉각수는 상기 드레인(170)을 통해 모터 외부로 배출된다(Mdrain). 여기서, 상기 베어링 유체와 냉각수는 동일한 유체일 수 있고, 물 또는 물을 주성분으로 한 유체일 수 있다. 한편, 상기 제 2 냉각수 주입구(180)를 통해 주입된(Hin) 냉각수는 상기 임펠러 하우징(230)과 그 내부의 기체를 냉각시킨 후 상기 임펠러 하우징 드레인(179)으로 배출된다(Hout).Looking at the flow of the bearing fluid and the coolant in the gas compression apparatus according to this embodiment with reference to Figure 2, the bearing fluid is injected (Bin) through the first fluid supply port (120), the first coolant inlet ( Cooling water is injected through 180 (Min). The bearing fluid and the coolant joined in the motor housing 110 are discharged to the outside of the motor through the drain 170. Here, the bearing fluid and the cooling water may be the same fluid, and may be water or a fluid mainly composed of water. Meanwhile, the coolant injected through the second coolant inlet 180 (Hin) cools the impeller housing 230 and the gas therein and is discharged to the impeller housing drain 179 (Hout).

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 압축시스템의 구성을 보이는 블럭도이다. 본 실시예에 따른 기체 압축시스템은, 전술한 도 1 내지 도 2의 실시예에 따른 기체 압축장치를 포함하고, 상기 수막 베어링(50), 상기 모터 냉각부(210) 및 상기 임펠러 하우징 냉각부(240)에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부(270)와, 이들로부터 열을 흡수한 냉각수를 방열시키는 방열기(260)를 포함하는 냉각수 순환 시스템을 포함한다. 여기서는 상기 베어링 유체와 냉각수가 동일한 유체인 경우를 가정하여 이들을 동일하게 냉각수로 칭하여 설명한다. 먼저, 냉각수 공급부(270)가 상기 수막 베어링(50)과 상기 모터 냉각부(210)에 냉각수를 공급한다. 수막 베어링(50) 내에서 미세한 액적을 형성했던 냉각수는 모터 내부에서 상기 모터 냉각부(210) 내의 냉각수와 합쳐져서 드레인을 통해 모터 외부로 배출된다. Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a gas compression system according to an embodiment of the present invention. The gas compression system according to the present embodiment includes a gas compression device according to the embodiment of FIGS. 1 and 2 described above, and includes the water film bearing 50, the motor cooling unit 210, and the impeller housing cooling unit ( Cooling water circulation system including a cooling water supply unit 270 for supplying the cooling water to 240, and a radiator 260 for radiating the cooling water absorbing heat therefrom. Here, assuming that the bearing fluid and the coolant are the same fluid, the same will be described as the coolant. First, the cooling water supply unit 270 supplies cooling water to the water film bearing 50 and the motor cooling unit 210. Cooling water that has formed fine droplets in the water film bearing 50 is combined with the cooling water in the motor cooling unit 210 inside the motor and discharged to the outside of the motor through the drain.

이때, 상기 냉각수 공급부(270)는 상기 수막 베어링(50)과 상기 모터 냉각부(210)에 각각 다른 압력과 유량으로 냉각수를 공급할 수 있다. 동일한 압력에 다른 유량으로 냉각수를 공급할 수도 있다. 예를 들어, 상기 수막 베어링(50) 측에는 분당 0.1~10리터의 물을 2~6 bar의 절대압력으로 주입할 수 있고, 이는 수막 베어링(50)에서 모터의 회전 속도에 따라 미세 액적이 원활하게 발생하도록 조절될 수 있다. 상기 모터 냉각부(210) 측에는 일반적인 상수도의 공급 압력 범위에서 상기 모터 냉각부(210)의 용량 및 모터의 발열량에 따라 적절한 유량의 냉각수를 주입할 수 있다.In this case, the cooling water supply unit 270 may supply the cooling water at different pressures and flow rates to the water film bearing 50 and the motor cooling unit 210, respectively. Cooling water can also be supplied at different flow rates at the same pressure. For example, the water film bearing 50 side may be injected with 0.1 to 10 liters of water per minute at an absolute pressure of 2 to 6 bar, which may be smoothly applied according to the rotational speed of the motor in the water film bearing 50. Can be adjusted to occur. The cooling water of an appropriate flow rate may be injected into the motor cooling unit 210 according to the capacity of the motor cooling unit 210 and the amount of heat generated by the motor in a supply pressure range of a general water supply.

상기 모터 하우징의 드레인을 통해 배출된 냉각수는 이송되어 다시 임펠러 하우징 냉각부(240)로 공급된다. 이때, 상기 드레인에서의 배출 압력에 의해 냉각수를 이송할 수도 있고, 필요에 따라서는 펌프를 이용하여 냉각수를 이송하고 상기 임펠러 하우징 냉각부(240)에 주입할 수도 있다. 상기 모터의 작동 온도는 임펠러 하우징의 작동 온도에 비해서는 상대적으로 낮으므로, 상기 모터 냉각부(210)를 거쳐 배출된 냉각수를 상기 임펠러 하우징 냉각부(240)에 주입하여도 충분한 냉각 효과를 얻을 수 있고, 냉각수를 효율적으로 활용할 수 있다. Cooling water discharged through the drain of the motor housing is transferred and supplied to the impeller housing cooling unit 240 again. At this time, the cooling water may be transferred by the discharge pressure from the drain, or if necessary, the cooling water may be transferred using a pump and injected into the impeller housing cooling unit 240. Since the operating temperature of the motor is relatively lower than the operating temperature of the impeller housing, sufficient cooling effect can be obtained even if the coolant discharged through the motor cooling unit 210 is injected into the impeller housing cooling unit 240. And cooling water can be utilized efficiently.

상기 임펠러 하우징 내부의 기체는 온도가 매우 높으며, 임펠러에 의한 기체의 압축과, 기체와 임펠러 사이의 마찰 등으로 인해 열이 더 발생한다. 예를 들어, 임펠러에 의해 1bar 정도 압력이 상승된 증기의 온도는 190℃ 이상에 이를 수 있다. 따라서, 상기 임펠러 하우징 냉각부(240)를 통과한 냉각수 역시 높은 온도를 띠게 되므로, 방열기(260)를 통해 다시 냉각시킨 후에 상기 냉각수 공급부(270)로 보내어 재순환될 수 있다. 상기 방열기(260)는 외부로 열을 방출하여 냉각수의 온도를 낮추는 장치로서, 공냉식 냉각탑 또는 수냉식 냉각탑 등이 적용될 수 있다.The gas inside the impeller housing is very high in temperature, and heat is further generated due to compression of the gas by the impeller, friction between the gas and the impeller, and the like. For example, the temperature of the steam whose pressure is increased by about 1 bar by the impeller may reach 190 ° C or more. Therefore, since the coolant passing through the impeller housing cooler 240 also has a high temperature, the coolant may be recycled by being cooled again through the radiator 260 and then sent to the coolant supply unit 270. The radiator 260 is a device for lowering the temperature of the cooling water by dissipating heat to the outside, an air-cooled cooling tower or a water-cooled cooling tower may be applied.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 기체 압축장치의 수막 베어링 부분을 발췌하여 확대한 도면이고, 도 5는 상기 도 4의 A-A 단면을 도시한 단면도이다. 상기 도 4는 회전축의 길이 방향에 평행한 단면을 도시하고, 상기 도 5는 회전축의 길이 방향에 수직인 단면을 도시한다.4 is an enlarged view of an extract of a water film bearing portion of a gas compression apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the A-A cross section of FIG. 4. 4 shows a cross section parallel to the longitudinal direction of the rotary shaft, and FIG. 5 shows a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the rotary shaft.

본 발명의 한 실시예에 따른 수막 베어링은, 도 4 및 도 5를 참조하면, 베어링 하우징(10)과 유체 공급구(20) 및 포일(30)을 포함하여 이루어진다. 여기서 유체로는 물이나 물을 주성분으로 하는 액체뿐만 아니라 공기보다 밀도가 높은 액체이면 어떤 것이든 적용될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 베어링 유체와 냉각수에 동일한 유체를 적용하는 것이 바람직하다. 4 and 5, the hydromechanical bearing according to the embodiment of the present invention includes a bearing housing 10, a fluid supply port 20, and a foil 30. Herein, the fluid may be any liquid as long as it is a liquid having a higher density than air as well as water or a liquid mainly composed of water. However, in the present embodiment, it is preferable to apply the same fluid to the bearing fluid and the cooling water.

베어링 하우징(10)은 수막 베어링의 외형을 이루는 부분으로, 내부에 포일(30)과 회전축(150)이 삽입된다. 베어링 하우징(10)은 유체 주입관(12)과 하우징 결합부(14)를 구비한다. 상기 유체 주입관(12)은 베어링 하우징(10)의 일측에 구비되는 유체 공급구(20)의 단부와 연통되며, 유체 공급구(20)를 통해 공급된 유체를 포일(30) 방향으로 주입한다. 하우징 결합부(14)는 모터 하우징(110)에 수막 베어링을 고정시키는 역할을 수행한다. 유체 공급구(20)는 단부가 유체 주입관(12)과 연통하도록 베어링 하우징(10)의 일측에 구비된다. The bearing housing 10 is a part forming the outer shape of the water film bearing, and the foil 30 and the rotation shaft 150 are inserted therein. The bearing housing 10 has a fluid injection tube 12 and a housing coupling portion 14. The fluid injection tube 12 communicates with an end portion of the fluid supply port 20 provided at one side of the bearing housing 10 and injects the fluid supplied through the fluid supply port 20 in the direction of the foil 30. . The housing coupling portion 14 serves to fix the water film bearing to the motor housing 110. The fluid supply port 20 is provided at one side of the bearing housing 10 so that the end portion communicates with the fluid injection tube 12.

포일(30)은 베어링 하우징(10)의 내주면에 구비되며, 회전 샤프트(150)와 일정 간격만큼 이격되어 회전축(150)과의 사이에 공극을 형성한다. 일례로, 포일(30)은 도 5에 도시된 바와 같이 탑 포일(top foil)(32)과 범프 포일(bump foil)(34)로 구성될 수 있다. 이와 같은 범프형 포일 베어링은 회전축(150)의 기동과 정지시 범프 포일(34)과 베어링 하우징(10) 또는 범프 포일(34)과 탑 포일(32) 사이의 마찰에 의해 진동 감쇠가 용이하고, 운전시 회전축(150)을 지지하는 스프링의 강성이 매우 우수한 특성을 갖는다.The foil 30 is provided on the inner circumferential surface of the bearing housing 10 and is spaced apart from the rotation shaft 150 by a predetermined interval to form a gap between the rotation shaft 150. In one example, the foil 30 may be composed of a top foil 32 and a bump foil 34 as shown in FIG. 5. Such bump type foil bearings are easily damped by friction between the bump foil 34 and the bearing housing 10 or the bump foil 34 and the top foil 32 when the rotating shaft 150 starts and stops. In operation, the rigidity of the spring supporting the rotating shaft 150 has a very excellent characteristic.

유체 공급구(20)를 통해 물을 비롯한 유체가 공급되면 유체 주입관(12)을 통해 회전축(150)에 유체가 전달된다. 회전축(150)은 초고속으로 회전하는 관계로, 유체가 공급되면 이를 분무(噴霧)시켜 수많은 미세한 액적(液滴)을 형성시킨다. 이때, 미세 액적은 수증기와는 달리, 액체 분자들이 덩어리를 이루고 있으므로 밀도가 크다. 물을 비롯한 유체는 공기에 비해 매우 큰 밀도를 가지므로, 이러한 미세 액적이 회전축(150)과 포일(30)에 분무되면 포일(30)을 포함한 베어링의 온도를 감소시키고 밀도를 증가시켜 고강성을 유지할 수 있도록 한다. When fluid, including water, is supplied through the fluid supply port 20, the fluid is delivered to the rotation shaft 150 through the fluid injection tube 12. The rotating shaft 150 rotates at an extremely high speed, and when a fluid is supplied, it rotates to form a large number of fine droplets. At this time, unlike the water droplets, the fine droplets have a high density because liquid molecules form agglomerates. Since fluids, including water, have a very high density compared to air, when these fine droplets are sprayed on the rotational shaft 150 and the foil 30, the temperature of the bearing including the foil 30 is decreased and the density is increased to increase the high rigidity. To maintain.

이와 더불어, 액체 분자 적은 포일(30)과 회전축(150)의 냉각 기능도 아울러 수행함으로써, 포일(30)과 회전축(150)의 열팽창을 방지하여 회전축(150)이 초고속으로 회전하더라도 원활하게 기동될 수 있도록 한다.In addition, by performing the cooling function of the foil 30 and the rotating shaft 150 with less liquid molecules, it is possible to prevent the thermal expansion of the foil 30 and the rotating shaft 150 to be smoothly started even if the rotating shaft 150 rotates at a very high speed. To help.

일반적인 공기 포일 베어링과 같이 공기만으로의 냉각은 베어링과 회전축의 열팽창에 의한 밀도 감소로 강성이 저하되는 현상을 저지하기 어렵다. 그러나, 본 발명에 따른 수막 베어링은 포일(30)과 회전축(150) 사이에 액적에 의한 수막(water screen)을 형성시켜 공기에 의한 냉각에 액체에 의한 냉각이 부가될 수 있도록 함으로써, 베어링의 강성을 극대화할 수 있다.
As with general air foil bearings, cooling with air alone is difficult to prevent the degradation of rigidity due to density reduction due to thermal expansion of the bearing and the rotating shaft. However, the water film bearing according to the present invention forms a water screen by droplets between the foil 30 and the rotating shaft 150 so that cooling by air can be added to cooling by air, thereby providing rigidity of the bearing. Can be maximized.

10 - 베어링 하우징 20 - 제2 유체 공급구
30 - 포일 50 - 수막 베어링
110 - 모터 하우징 120 - 제1 유체 공급구
130 - 고정자 140 - 회전자
150 - 회전축 160 - 연결관
170 - 드레인 210 - 모터 냉각부
180 - 제1 냉각수 주입구 190 - 제2 냉각수 주입구
10-bearing housing 20-second fluid supply port
30-foil 50-water bearing
110-motor housing 120-first fluid inlet
130-Stator 140-Rotor
150-axis of rotation 160-connector
170-Drain 210-Motor Cooling Unit
180-First coolant inlet 190-Second coolant inlet

Claims (10)

회전자를 갖는 회전축, 상기 회전자의 주변에 배치된 고정자, 및 상기 회전축의 일부분을 회전할 수 있도록 지지하되, 상기 회전축의 일부를 둘러싸고 상기 회전축에서 먼 외주면에서부터 상기 회전축과 마주하는 내주면까지 유체를 공급하는 유체 주입관이 구비된 베어링 하우징 및 상기 베어링 하우징의 내주면에 구비되는 포일(foil)을 포함하는 수막 베어링을 포함하는 모터;
상기 모터의 회전축에 연결되어 상기 회전축과 일체로 회전하는 임펠러; 및
상기 모터 외부의 상기 임펠러가 설치된 쪽에 설치되어 상기 임펠러의 회전에 의해 기체가 압축되는 기체 압축실을 형성하고, 그 표면에 냉각수가 직접 접촉하며 유통되도록 형성된 임펠러 하우징 냉각부를 갖는 임펠러 하우징을 포함하는,
초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치.
A rotating shaft having a rotor, a stator disposed around the rotor, and a part of the rotating shaft are supported to rotate, and a fluid is enclosed from the outer circumferential surface surrounding the portion of the rotating shaft to an inner circumferential surface facing the rotating shaft. A motor including a bearing housing including a fluid injection pipe to supply and a water film bearing including a foil provided on an inner circumferential surface of the bearing housing;
An impeller connected to the rotating shaft of the motor and integrally rotating with the rotating shaft; And
And an impeller housing having an impeller housing cooling unit installed on a side where the impeller outside the motor is installed to form a gas compression chamber in which gas is compressed by the rotation of the impeller, and having a coolant contacting and circulating the coolant directly on the surface thereof.
Gas compression device using an ultra high speed rotor.
제 1 항에 있어서,
상기 모터는,
상기 고정자 주위를 둘러싸는 모터 하우징;
상기 모터 하우징 내부에서 상기 회전축, 상기 수막 베어링 및 상기 고정자를 제외한 나머지 공간에 냉각수가 유통되도록 형성된 모터 냉각부; 및
상기 고정자 표면의 적어도 일부를 덮는 것으로, 상기 모터 냉각부에 유통되는 냉각수가 상기 고정자에 권선된 코일에 닿지 않도록 차단하는, 방수 몰드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치.
The method of claim 1,
The motor includes:
A motor housing surrounding the stator;
A motor cooling unit configured to distribute coolant to the remaining space except the rotating shaft, the water film bearing, and the stator in the motor housing; And
Covering at least a portion of the surface of the stator, characterized in that it comprises a waterproof mold, which prevents the coolant flowing in the motor cooling unit from touching the coil wound on the stator, gas compression apparatus using an ultra-high speed rotating body.
제 2 항에 있어서,
상기 방수 몰드는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치.
3. The method of claim 2,
The waterproof mold is a gas compression device using an ultra-high speed rotating body, characterized in that made of silicon.
제 1 항에 있어서,
상기 임펠러 하우징 냉각부는, 상기 임펠러 하우징의 외측면이 상기 기체 압축실 쪽으로 파인 트렌치 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치.
The method of claim 1,
The impeller housing cooling unit is a gas compression device using an ultra-high speed rotating body, characterized in that the outer surface of the impeller housing includes a trench structure toward the gas compression chamber.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 포일은,
탑 포일(top foil); 및
상기 탑 포일과 상기 베어링 하우징 사이에 위치하는 범프 포일(bump foil)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치.
The method of claim 1,
The foil is,
Top foil; And
And a bump foil positioned between the top foil and the bearing housing.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자 주위를 둘러싸는 모터 하우징;
상기 모터 하우징의 일측에 구비되는 제 1 유체 공급구;
상기 유체 주입관과 연통하도록 상기 베어링 하우징의 외주면에 구비되는 제 2 유체 공급구;
상기 모터 하우징 내부에서 상기 제 1 유체 공급구와 상기 제 2 유체 공급구를 연결하는 연결관; 및
상기 모터 하우징의 일측에 구비되어 내부의 유체가 외부로 배출되도록 하는 드레인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치.
The method of claim 1,
A motor housing surrounding the stator;
A first fluid supply port provided at one side of the motor housing;
A second fluid supply port provided on an outer circumferential surface of the bearing housing so as to communicate with the fluid injection pipe;
A connection pipe connecting the first fluid supply port and the second fluid supply port inside the motor housing; And
And a drain provided at one side of the motor housing to allow the fluid inside to be discharged to the outside.
회전자를 갖는 회전축, 상기 회전자의 주변에 배치된 고정자, 및 상기 회전축의 일부분을 회전할 수 있도록 지지하는 수막 베어링을 포함하는 모터;
상기 모터의 회전축에 연결되어 상기 회전축과 일체로 회전하는 임펠러; 및
상기 모터 외부의 상기 임펠러가 설치된 쪽에 설치되어 상기 임펠러의 회전에 의해 기체가 압축되는 기체 압축실을 형성하고, 그 표면에 냉각수가 직접 접촉하며 유통되도록 형성된 임펠러 하우징 냉각부를 갖는 임펠러 하우징을 포함하고,
여기서, 상기 모터는,
상기 고정자 주위를 둘러싸는 모터 하우징; 상기 모터 하우징 내부에서 상기 회전축, 상기 수막 베어링 및 상기 고정자를 제외한 나머지 공간에 냉각수가 유통되도록 형성된 모터 냉각부; 및 상기 고정자 표면의 적어도 일부를 덮는 것으로, 상기 모터 냉각부에 유통되는 냉각수가 상기 고정자에 권선된 코일에 닿지 않도록 차단하는, 방수 몰드를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 수막 베어링은,
상기 회전축의 일부를 둘러싸고, 상기 회전축에서 먼 외주면에서부터 상기 회전축과 마주하는 내주면까지 유체를 공급하는 유체 주입관이 구비된 베어링 하우징; 및 상기 베어링 하우징의 내주면에 구비되는 포일(foil)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
초고속 회전체를 이용한 기체 압축장치.
A motor including a rotating shaft having a rotor, a stator disposed around the rotor, and a water film bearing for supporting a portion of the rotating shaft to rotate;
An impeller connected to the rotating shaft of the motor and integrally rotating with the rotating shaft; And
An impeller housing having an impeller housing cooling unit installed on a side where the impeller outside the motor is installed to form a gas compression chamber in which gas is compressed by rotation of the impeller, and having a coolant contacting and circulating the coolant directly on the surface thereof;
Here, the motor,
A motor housing surrounding the stator; A motor cooling unit configured to distribute coolant to the remaining space except the rotating shaft, the water film bearing, and the stator in the motor housing; And a waterproof mold covering at least a portion of the stator surface to block the coolant circulating in the motor cooling unit from touching the coil wound on the stator.
The water film bearing,
A bearing housing surrounding a portion of the rotating shaft and having a fluid injection tube for supplying a fluid from an outer circumferential surface far from the rotating shaft to an inner circumferential surface facing the rotating shaft; And characterized in that it comprises a foil (foil) provided on the inner peripheral surface of the bearing housing,
Gas compression device using an ultra high speed rotor.
모터 하우징, 상기 모터 하우징 내부에 회전자를 갖는 회전축, 상기 회전자의 주변에 배치된 고정자, 및 상기 회전축의 일부분을 회전할 수 있도록 지지하되, 상기 회전축의 일부를 둘러싸고 상기 회전축에서 먼 외주면에서부터 상기 회전축과 마주하는 내주면까지 유체를 공급하는 유체 주입관이 구비된 베어링 하우징 및 상기 베어링 하우징의 내주면에 구비되는 포일(foil)을 포함하는 수막 베어링, 및 상기 모터 하우징 내부의 공간에 냉각수가 유통되도록 형성된 모터 냉각부을 포함하는 모터와, 상기 모터에 연결되어 회전하는 임펠러, 및 상기 임펠러의 회전에 의해 기체가 압축되는 기체 압축실을 형성하고, 그 표면에 냉각수가 직접 접촉하며 유통되도록 형성된 임펠러 하우징 냉각부를 갖는 임펠러 하우징을 포함하는 기체 압축장치;
상기 모터의 수막 베어링, 상기 모터 냉각부, 및 상기 임펠러 하우징 냉각부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 공급부; 및
가열된 냉각수를 냉각시키는 방열기를 포함하는,
초고속 회전체를 이용한 기체 압축시스템.
A motor housing, a rotating shaft having a rotor inside the motor housing, a stator disposed around the rotor, and a portion of the rotating shaft to be rotatable, surrounding a portion of the rotating shaft and extending from an outer circumferential surface away from the rotating shaft. A water film bearing including a bearing housing having a fluid injection tube for supplying a fluid to an inner circumferential surface facing the rotating shaft, and a foil provided on an inner circumferential surface of the bearing housing, and configured to distribute coolant to a space inside the motor housing. An impeller housing cooling unit formed of a motor including a motor cooling unit, an impeller connected to the motor to rotate, and a gas compression chamber in which gas is compressed by the rotation of the impeller, and the coolant is in direct contact with and flows through the surface of the impeller A gas compression device comprising an impeller housing having;
A coolant supply unit configured to circulate a coolant to the water film bearing, the motor cooling unit, and the impeller housing cooling unit of the motor; And
A radiator for cooling the heated coolant,
Gas compression system using ultra high speed rotor.
제 9 항에 있어서,
상기 수막 베어링 또는 상기 모터 냉각부를 거친 냉각수를 상기 임펠러 하우징 냉각부에 공급하고, 상기 임펠러 하우징 냉각부를 거친 냉각수를 방열기를 통해 냉각시키는 것을 특징으로 하는, 초고속 회전체를 이용한 기체 압축시스템.
The method of claim 9,
And supplying cooling water having passed through the water film bearing or the motor cooling unit to the impeller housing cooling unit, and cooling the cooling water having passed through the impeller housing cooling unit through a radiator.
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