KR101911782B1 - 연료전지 차량용 공기 블로워 - Google Patents

연료전지 차량용 공기 블로워 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 공기 블로워에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 의하면, 모터 하우징의 외주면에 냉각수 유로가 형성되고, 냉각자켓이 모터 하우징을 감싸도록 결합되며, 이때 냉각자켓은 볼루트 일체형인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워가 제공된다.

Description

연료전지 차량용 공기 블로워{Air blower for fuel cell vehicle}
본 발명은 공기 블로워에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터 하우징에 냉각수 유로가 형성되고, 볼루트 일체형인 냉각자켓이 모터 하우징을 감싸도록 결합되는 연료전지 차량용 공기 블로워에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 차량은 연료공급부에서 공급되는 수소와, 공기공급부에서 공급되는 공기 중 산소가 가습기에 공급되어, 물의 전기분해 역반응인 전기화학반응에 의해 연속적으로 생성되는 전기에너지를 사용하여 구동하게 된다.
여기서, 연료전지 차량은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 이 연료전지 스택에 연료와 공기를 가습하여 공급하는 가습기와, 가습기에 수소를 공급하는 연료공급부와, 가습기에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급부, 및 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각모듈을 포함하고 있다.
이때, 공기공급부는 공기 중에 포함된 이물질을 여과하는 에어클리너와, 에어클리너에서 여과된 공기를 압축하여 공급하는 공기 블로워, 및 공기 블로워를 제어하는 컨트롤박스를 포함하여 구성된다.
그런데, 공기 블로워는 압축공기를 생성하기 위해 모터가 고속으로 구동되며, 이때 모터는 상당한 열을 발생시키게 된다. 따라서, 모터 과열에 의한 고장발생을 방지하기 위해서는 적절한 냉각수단이 구비되어야 할 필요가 있다.
도 1은 모터의 냉각이 가능한 공기 블로워에 관한 것으로, 한국공개특허 제10-2010-0109720호(특허문헌 1)에서 개시된 것이다.
도 1에 도시된 공기 블로워(10)는, 하우징(20)과, 하우징(20) 내에 회전 가능하게 지지되는 회전축(30)과, 회전축(30)의 원주 방향을 따라 장착되는 영구자석(41)과 영구자석(41)을 둘러싸는 슬리브부재(42)를 포함하는 로터(40)와, 로터(40)를 둘러싸도록 하우징(20) 내에 배치되며 로터(40)를 회전시키도록 영구자석(41)과 기능적으로 작용하는 코어부(51) 및 권선부(52)를 구비하는 스테이터(50)와, 로터(40)가 하우징(20)에 대하여 회전 가능하게 지지되도록 로터 회전축(30)의 전방측과 후방측에 각각 배치된 적어도 두 개의 라디얼 베어링(61,62)과, 스테이터(50)의 권선부(52)에 대응되지 않는 영역의 로터 회전축(30)의 후방 단부에 장착되는 자석(70)과, 자석(70)에 대응되는 영역의 하우징(20)에 장착되며, 자석(70)과 짝을 이뤄 로터 회전축(30)의 회전수를 검출하는 홀 센서(80)를 포함하여 구성된다.
이때, 로터(40) 및 베어링들(61,62)을 냉각시키는 냉각 공기의 냉각 유로(AF1,AF2)가 로터 회전축(30)의 전방 및 후방으로 연결된다.
또한, 스테이터(50)를 냉각시키기 위한 수냉부(90)가 하우징(20) 내부에 형성되는데, 이 수냉부(90)는, 냉각액이나 냉각수가 들어오는 통로인 입력포트(91), 냉각수가 나가는 통로인 출력포트(92), 및 냉각수가 채워지는 부분, 일명 냉각자켓을 포함하여 이루어지며, 냉각자켓의 일부에는 방열을 촉진하기 위한 냉각핀(93)이 더 구비될 수 있다.
이때, 냉각액을 수용하는 수냉부(90)의 일 부분은 스테이터(50)의 코어부(51)에 실질적으로 접하도록 배치되어 스테이터(50)를 냉각시키며, 수냉부(90)의 다른 일 부분은 스러스트 베어링(63) 및 좌측의 라디얼 베어링(62)의 케이스 부분에 실질적으로 접하도록 형상이 설계된다.
따라서, 수냉부(90)는 일부의 베어링들(62,63)을 더 냉각시킨다. 즉, 스러스트 베어링(62) 및 라디얼 베어링(62)이 수냉부(90)에 의해 이미 일정 부분 냉각된 상태이므로, 임펠러(25)에서 나온 비교적 고온의 공기가 스러스트 베어링(62) 및 좌측의 라디얼 베어링(62)을 순차적 또는 동시에 통과한 후, 영구 자석(70) 및 우측의 라디얼 베어링(61)에 도달했을 때 더욱 효과적으로 냉각시키게 되어 영구 자석(70) 및 라디얼 베어링(61)의 온도가 한계 온도를 초과하는 것을 억제하게 되는 것이다.
그런데, 상기 특허문헌 1의 공기 블로워(10)의 경우, 별도의 냉각자켓을 제작한 후 하우징(20) 내부에 용접하거나 조립하게 되므로, 부품 구성이 복잡하여 제조비용과 시간이 증대되는 등 공기 블로워(10)의 양산성 및 제작성이 저하되고, 컴팩트하게 제작하기가 어렵다는 문제점이 있다.
KR 10-2010-0109720 A (2010.10.11 공개)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는, 냉각자켓이 볼루트 일체형으로 제작되고, 이 냉각자켓이 외주면에 냉각수 유로가 형성된 모터 하우징에 결합됨으로써, 부품 감소 및 조립성 증대의 효과가 있는 연료전지 차량용 공기 블로워의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 내부에 모터가 장착되고, 외주면 둘레를 따라 냉각수가 선회하여 유동할 수 있도록 냉각수 유로가 형성되는 모터 하우징; 상기 모터 하우징의 외주면을 감싸도록 결합되는 몸체부와, 상기 몸체부의 일측에 원주 방향을 따라 형성되는 제1볼루트부를 포함하는 냉각자켓; 및 상기 모터에 의해 구동하는 임펠러가 내부에 장착되고, 일측에 공기유입구가 형성되며, 타측에는 상기 제1볼루트부와 대응 결합하여 스크롤 형태의 송풍부를 이루는 제2볼루트부가 형성되는 볼루트 하우징;을 포함하는 연료전지 차량용 공기 블로워가 제공된다.
여기서, 상기 냉각수 유로는, 상기 모터 하우징의 길이방향을 따라 스파이럴 형태로 형성된다.
이때, 상기 냉각자켓은, 상기 몸체부와 상기 제1볼루트부가 다이캐스팅에 의해 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1볼루트부와 상기 제2볼루트부는 복수의 체결부재에 의해 대응 결합된다.
아울러, 상기 냉각수 유로와 대응되도록, 상기 몸체부의 외주면에 냉각수 공급포트와 냉각수 배출포트가 각각 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워에 의하면, 모터 하우징의 외주면 둘레를 따라 냉각수 유로가 형성되므로, 모터의 고속 구동시 과열에 의한 고장 발생을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워는, 냉각자켓이 볼루트 일체형으로 형성되므로, 부품 개수 감소에 의한 비용절감과 조립성 증대에 따른 생산성 향상 효과가 있다.
도 1은 종래의 공기 블로워 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워의 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워의 분해 사시도.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
실시예
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워의 분해 사시도이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워(이하, '공기 블로워')(100)는, 내부에 모터(220)가 장착되는 모터 하우징(200)과, 모터 하우징(200)의 외주면을 감싸도록 결합되는 냉각자켓(300)과, 내부에 임펠러(410)가 장착되고 냉각자켓(300)의 전방에 결합되는 볼루트 하우징(400)을 포함한다.
여기서, 모터 하우징(200)의 내부에는 후술하는 모터(220)가 장착되도록 모터 수용부(210)가 형성되고, 모터 하우징(200)의 외주면에는 냉각수 유로(230)가 소정 깊이의 요홈 형태로 형성된다.
이때, 냉각수 유로(230)는 모터 하우징(200)의 둘레를 따라 원주 방향으로 형성되는데, 모터 하우징(200)의 길이 방향으로 서로 이격하여 복수 개 형성되는 것도 가능하고, 바람직하게는 모터 하우징(200)의 길이 방향을 따라 스파이럴(spiral; 나선) 형태로 형성된다.
이때, 냉각수 유로(230)는, 후술하는 냉각자켓(300)의 결합에 의해 반경방향 외측이 밀폐되며, 냉각수는 냉각수 유로(230)를 따라 모터 하우징(200)을 선회하는 과정에서 모터(220)의 열을 전달받아 외부로 배출된다.
한편, 모터 하우징(200)의 후단은 개방되며, 모터 하우징(200)의 전단 중앙에는 중공이 형성된다.
모터(220)는 모터 하우징(200) 내에 장착되는데, 모터 수용부(210)의 내주면에 인접하게 설치되는 고정자(221)와, 고정자(221)를 관통하도록 설치되고 그 선단부에 후술하는 임펠러(410)가 결합되는 회전 샤프트(222)와, 회전 샤프트(222)의 외주면에 결합되는 회전자(223)를 포함하여 구성되며, 고정자(221)에 권선된 코일(221a)에 전원이 인가되면 자기력에 의해 회전자(223)와 함께 회전 샤프트(222)가 회전하게 된다.
이때, 모터 수용부(210)의 후단에는 후방커버(241)가 결합될 수 있으며, 모터 하우징(200) 전단의 중공에는 회전 샤프트(222)가 관통하도록 전방커버(242)가 결합되고, 전방커버(242)와 회전 샤프트(222)의 외주면 사이에 전방 베어링(510)이 개재되어 회전 샤프트(222)를 회전 가능하게 지지한다.
또한, 모터 하우징(200)의 후단에는 지지부재(600)가 결합되어 모터 하우징(200)의 후단을 밀폐하는데, 이 지지부재(600)의 중공에는 회전 샤프트(222)의 후단부를 회전 가능하게 지지하기 위한 후방 베어링(520)이 장착된다.
이때, 지지부재(600)의 후단에는 이물질의 유입을 방지하기 위한 캡(610)이 결합되며, 이 캡(610)에는 후술하는 볼루트 하우징(400)의 공기유입구(420)를 통해 모터 하우징(200) 내부로 유입된 공기가 외부로 유출될 수 있도록 관통홀(611)이 형성되는 것이 바람직하다.
냉각자켓(300)은 몸체부(310)와, 몸체부(310)의 일측에 형성되는 제1볼루트부(320)를 포함하여 구성된다.
이때, 몸체부(310)는 통체형으로서 모터 하우징(200)의 외주면을 감싸도록 결합되며, 몸체부(310)의 내주면이 모터 하우징(200)의 외주면에 밀착됨으로써, 냉각수 유로(230)를 따라 냉각수가 모터 하우징(200)의 둘레를 선회할 수 있게 된다.
또한, 몸체부(310)의 외주면에는 냉각수 유로(230)에 대응하여 냉각수 공급포트(311)와 냉각수 배출포트(312)가 각각 구비되며, 냉각수 공급포트(311)를 통해 냉각수 유로(230)로 공급된 냉각수는 냉각수 유로(230)를 거쳐 냉각수 배출포트(312)를 통해 외부로 배출된다.
제1볼루트부(320)는, 후술하는 볼루트 하우징(400)의 제2볼루트부(430)와 대응 결합하여, 냉각자켓(300)과 볼루트 하우징(400)의 결합부 둘레에 원주 방향으로 스크롤 형태의 송풍부(350)를 형성하는 것으로, 몸체부(310)의 전단 일측에 폭이 확장되어 형성된다.
이때, 냉각자켓(300)의 몸체부(310)와 제1볼루트부(320)는, 예를 들어 다이캐스팅에 의해 일체로 형성되는 것이 바람직하며, 이를 통해 종래에 비해 부품수가 감소되고, 단순히 모터 하우징(200)의 외주면에 냉각자켓(300)을 끼움으로써 냉각수 유로(230)가 형성되므로, 공기 블로워(100)의 조립성이 증대되는 효과가 있다.
냉각자켓(300)의 전방에 볼루트 하우징(400)이 결합된다.
이때, 볼루트 하우징(400)의 일측에는 공기유입구(420)가 형성되고, 타측에는 냉각자켓(300)의 제1볼루트부(320)와 대응 결합되도록, 제2볼루트부(430)가 제1볼루트부(320)의 형상과 대응되는 형상으로 형성된다. 그리고, 제1볼루트부(320)와 제2볼루트부(430)는 볼트 등 복수의 체결부재(700)에 의해 서로 결합하게 된다.
이때, 냉각자켓(300)의 제1볼루트부(320)와 볼루트 하우징(400)의 제2볼루트부(430)의 결합에 의해, 냉각자켓(300)과 볼루트 하우징(400)의 결합부 둘레를 따라 스크롤 형태의 송풍부(350)가 형성됨은 전술한 바와 같으며, 송풍부(350)의 일단에는 공기토출구(351)가 형성된다.
또한, 볼루트 하우징(400)과 냉각자켓(300)의 외주면에는 소음 및 진동 개선을 위해 복수의 리브(440)가 원주 방향을 따라 서로 이격하여 형성된다.
아울러, 볼루트 하우징(400)의 내부에는 임펠러(410)가 장착되며, 이 임펠러(410)는 회전 샤프트(222)의 전단부에 결합되어 모터(220) 구동시 공기유입구(420)를 통해 유입되는 공기를 고압으로 압축하게 된다.
이때, 송풍부(350)의 내부에는 임펠러(410)에 의해 고압으로 압축된 공기가 이송되도록 공기유로(352)가 형성되며, 이 공기유로(352)는 공기유입구(420)와 공기토출구(351)를 연통하도록 형성된다.
즉, 볼루트 하우징(400) 전방의 공기유입구(420)를 통해 내부로 유입된 공기는, 고속으로 회전하는 임펠러(410)에 의해 압축되어 송풍부(350)의 공기유로(352)를 따라 이송되며, 공기토출구(351)를 통해 외부로 공급되는 것이다.
이때, 볼루트 하우징(400)과 임펠러(410) 사이에는 임펠러(410)가 회전할 수 있도록 약간의 틈새가 형성되며, 따라서 임펠러(410)에 의해 압축된 공기의 일부가 이 틈새를 통해 임펠러(410) 후방의 전방 베어링(510) 방향으로 유동하는 한편, 모터 하우징(200)의 전단에 형성되는 연통홀(250)을 통해 모터 하우징(200)으로 유입되어 모터(220)와 후방 베어링(520)을 지나게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 공기 블로워(100)는, 임펠러(410) 후방으로 유입되어 모터 수용부(210)를 거쳐 지지부재(600)의 관통홀(611)로 빠져나가는 공기에 의해 공냉식 냉각이 이루어짐과 동시에, 모터 하우징(200) 둘레를 선회하는 냉각수에 의해 수냉식 냉각이 이루어지게 된다.
100 : 공기 블로워 200 : 모터 하우징
220 : 모터 222 : 회전 샤프트
230 : 냉각수 유로 250 : 연통홀
300 : 냉각자켓 310 : 몸체부
311 : 냉각수 공급포트 312 : 냉각수 배출포트
320 : 제1볼루트부 350 : 송풍부
351 : 공기토출구 352 : 공기유로
400 : 볼루트 하우징 410 : 임펠러
420 : 공기유입구 430 : 제2볼루트부
600 : 지지부재

Claims (5)

  1. 내부에 모터(220)가 장착되고, 외주면 둘레를 따라 냉각수가 선회하여 유동할 수 있도록 냉각수 유로(230)가 외주면에 요홈 형태로 형성되는 모터 하우징(200);
    상기 모터 하우징(200)의 외주면을 감싸도록 결합되어 상기 냉각수 유로의 반경방향 외측을 밀폐하는 몸체부(310)와, 상기 몸체부(310)의 일측에 원주 방향을 따라 반구형상으로 형성되는 제1볼루트부(320)를 포함하는 냉각자켓(300); 및
    상기 모터(220)에 의해 구동하는 임펠러(410)가 내부에 장착되고, 일측에 공기유입구(420)가 형성되며, 타측에는 반구형상의 상기 제1볼루트부(320)와 대응 결합하여 스크롤 형태의 송풍부(350)를 이루는 반구형상의 제2볼루트부(430)가 형성되는 볼루트 하우징(400);을 포함하는 연료전지 차량용 공기 블로워.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각수 유로(230)는,
    상기 모터 하우징(200)의 길이방향을 따라 스파이럴 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각자켓(300)은,
    상기 몸체부(310)와 상기 제1볼루트부(320)가 다이캐스팅에 의해 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1볼루트부(320)와 상기 제2볼루트부(430)는 복수의 체결부재(700)에 의해 대응 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수 유로(230)와 대응되도록, 상기 몸체부(310)의 외주면에 냉각수 공급포트(311)와 냉각수 배출포트(312)가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워.
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