KR102239821B1 - 터보 압축기 - Google Patents

Abstract

본 실시예는 터보 압축기에 관한 것이다. 일 측면에 따른 터보 압축기는, 하우징; 상기 하우징 내부에 수용되어 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터와 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛; 상기 회전축과 연결되는 임펠러를 구비하여 유체를 압축하는 압축 유닛; 상기 회전축의 방향으로 상기 구동 유닛의 양 단부에서 각각 상기 로터를 덮도록 형성되는 제1 및 제2프레임; 상기 회전축의 추력(thrust)에 의한 상기 구동 유닛의 변위를 제한하도록, 상기 제1프레임부에서 상기 구동 유닛을 지지하는 제1추력제한부; 상기 제2프레임부에서 상기 구동 유닛을 지지하는 제2추력제한부; 상기 회전축의 외주면을 감싸도록 형성되고, 상기 회전축을 회전 가능하도록 수용하는 베어링; 및 상기 하우징에 형성되는 프레임부에 결합되고, 상기 베어링의 외주면을 감싸 지지하며, 운전 속도의 증가 시 상기 회전축을 향하는 방향으로 변위를 발생시키도록 이루어지는 가변 베어링 몸체를 포함한다.

Description

터보 압축기{Turbo Compressor}

본 실시예는 터보 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 크게 용적형 압축기와 터보형 압축기로 나눌 수 있다. 용적형 압축기는 왕복동형이나 회전형과 같이 피스톤이나 베인을 이용하여, 유체를 흡입, 압축한 후 토출하는 방식이다. 반면, 터보형 압축기는 회전요소를 이용하여, 유체를 흡입, 압축한 후 토출하는 방식이다.

용적형 압축기는 원하는 토출압력을 얻기 위하여 흡입체적과 토출체적의 비율을 적절하게 조절하여 압축비를 결정하게 된다. 따라서, 용적형 압축기는 용량 대비 전체 크기를 소형화 하는데 제한을 받게 된다.

터보형 압축기는 터보 블로워(Turbo Blower)와 유사하나, 터보 블러워에 비해 토출압력이 높고 유량이 작다. 이러한 터보형 압축기는 연속적으로 흐르는 유체에 압력을 증가시키는 것으로, 유체가 축방향으로 흐르는 경우에 는 축류형으로, 반경방향으로 흐르는 경우에는 원심형으로 구분된다.

일반적으로 터보 압축기는 원심식 압축기의 일종으로, 회전축을 회전시키는 동력을 발생시키는 구동부와, 회전축에 연결되는 임펠러의 회전에 의해 축방향으로 유입되는 유체를 반경 방향으로 압축시켜 토출시키는 압축부를 포함한다.

압축부는 설계에 따라 1단 또는 다단으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 압축부가 2단으로 구성되는 경우, 구동부의 양 단에 제1 및 제2임펠러가 각각 연결되고, 이들을 수용하는 제1 및 제2압축실이 각각 형성됨으로써, 2단에 걸쳐 압축을 수행하도록 이루어진다. 제1 및 제2압축실은 서로 유체가 연통되는 연통 유로로 연결되어 있다.

터보 압축기의 작동은 먼저 구동부에서 동력이 발생되어 회전축이 회전되는 것으로 시작된다. 회전축이 회전되면, 회전축과 연결된 임펠러가 회전되어 흡입력이 발생된다. 그리고, 압축실과 연통되는 유입 유로를 통해 회전축의 축방향으로 유체가 유입되고, 유체는 임펠러에 의해 압축되어 회전축의 반경 방향으로 토출된다.

압축부가 2단으로 구성되는 경우에는, 반경 방향으로 토출된 유체가 이어서 연통 유로를 통해 회전축의 축방향으로 다음 단의 압축실로 유입되고, 해당 압축실 내부의 임펠러에 의해 다시 반경 방향으로 압축되어 토출된다.

이러한 동작 과정에서, 임펠러에 의해 발생되는 축방향의 힘(추력, thrust)은 스러스트 베어링에 의해 지지되도록 이루어지며, 회전축을 반경 방향으로 지지하기 위하여 반경 방향으로도 레이디얼 베어링이 장착된다.

특히, 레이디얼 베어링은 압축기의 운전 부하를 증대시키기 위해 회전축의 회전 속도를 충분히 높일 수 있도록 설계되는 것이 요구된다. 이러한 요구를 반영하기 위해, 구조물 간의 직접적인 접촉에 의하지 않는 가스 베어링이 도입된 바 있다. 가스 베어링은, 회전축(저널)과 베어링면 사이에서 작동 유체가 막(film)을 형성하여 회전축을 지지하도록 이루어진다.

한국 공개특허공보 제10-2018-0097390호(2018. 08. 31. 공개)

본 발명은 고속 운전 시 안정성이 향상될 수 있는 가변 베어링 구조를 갖는 터보 압축기를 제공하는 것에 있다.

본 실시예에 따른 터보 압축기는, 하우징; 상기 하우징 내부에 수용되어 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터와 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛; 상기 회전축과 연결되는 임펠러를 구비하여 유체를 압축하는 압축 유닛; 상기 회전축의 방향으로 상기 구동 유닛의 양 단부에서 각각 상기 로터를 덮도록 형성되는 제1 및 제2프레임; 상기 회전축의 추력(thrust)에 의한 상기 구동 유닛의 변위를 제한하도록, 상기 제1프레임부에서 상기 구동 유닛을 지지하는 제1추력제한부; 상기 제2프레임부에서 상기 구동 유닛을 지지하는 제2추력제한부; 상기 회전축의 외주면을 감싸도록 형성되고, 상기 회전축을 회전 가능하도록 수용하는 베어링; 및 상기 하우징에 형성되는 프레임부에 결합되고, 상기 베어링의 외주면을 감싸 지지하며, 운전 속도의 증가 시 상기 회전축을 향하는 방향으로 변위를 발생시키도록 이루어지는 가변 베어링 몸체를 포함한다.

본 실시예를 통해 돌출부를 통해 연통 유로 내 유체를 탄력적으로 지지하게 되므로, 베어링을 연통 유로의 내측에서 탄력적으로 지지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 베어링 조립체의 단면도.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 베어링 조립체의 변형예를 보인 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 가변 베어링 몸체를 보인 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A,B,C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐 만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐 만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 압축기의 단면도 이다.

도 1을 참조하면, 터보 압축기(100)는 회전에 의해 냉매(이하 '유체'라고도 함)를 압축하도록 구동되는 방식의 원심형 압축기일 수 있다.

터보 압축기(100)는 유체의 압축을 위해 하우징(110), 구동 유닛(120) 및 압축 유닛(130)을 포함할 수 있다.

하우징(110)의 내부에는 터보 압축기(100)의 구성요소들을 수용하는 공간을 형성된다. 하우징(110)의 내부에는 구동 유닛(120)이 설치되며, 구동 유닛(120)은 스테이터(121), 로터(122) 및 회전축(123)을 포함할 수 있다.

구동 유닛(120)의 스테이터(121)는 하우징(110)의 내측에 고정되도록 장착되며, 스테이터(121)와 마주보도록 로터(122)가 배치되고, 로터(122)는 중심부에 회전축(123)을 수용하도록 이루어질 수 있다. 구체적으로, 회전축(123)은 일 방향으로 연장 형성되는 원형의 막대 형상으로 이루어질 수 있고, 로터(122)는 회전축(123)의 외주면을 감싸 서로 고정되도록 장착될 수 있다. 그리고, 스테이터(121)는 로터(122)의 외주면을 마주보며 감싸도록 이루어지며, 로터(122)와는 일정 간격 이격되도록 배치될 수 있다.

한편, 압축 유닛(130)은 설계에 따라 1단 또는 다단으로 구성될 수 있다. 예를 들어 도 1에 보인 것과 같이, 구동 유닛(120)의 양 단에 제1 및 제2임펠러(131a, 131b)가 각각 장착되는 제1 및 제2압축실(132a, 132b)이 형성되어, 2단에 걸쳐 압축을 수행하도록 이루어진다. 제1 및 제2압축실(132a, 132b)은 서로 유체가 연통되는 연결유로(133)로 연결될 수 있다.

제1 및 제2임펠러(131a, 131b)는 구동 유닛(120)의 회전축(123)과 각각 연결되며, 하우징(110)의 일부 또는 하우징(110)과 연결되는 케이싱(134)에 의해 형성되는 제1 및 제2압축실(132a, 132b)에 각각 위치될 수 있다.

터보 압축기(100)는, 회전축(123)을 회전 가능하도록 지지하기 위하여 제1 및 제2프레임부(111a, 111b)를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2프레임부(111a, 111b)는 케이싱(110)의 내주면에서 돌출 형성될 수 있고, 회전축(123)의 축방향으로 구동 유닛(120)의 양 단부를 덮도록 이루어질 수 있다. 제1 및 제2프레임부(111a, 111b)에는 회전축(123)을 반경방향으로 회전 가능하게 지지하는 베어링이 장착될 수 있다.

터보 압축기(100)의 작동을 설명하면, 구동 유닛(120)에 인가되는 전원에 의한 스테이터(121)와 로터(122) 간의 상호작용에 의해 회전축(123)이 회전됨으로써 작동이 시작된다. 그리고 회전축(123)에 연결되는 제1임펠러(131a)의 회전에 의해 제1압축실(132a)로 유체가 유입된다. 이때, 유체는 회전축(123)의 축방향으로 유입되며, 제1임펠러(131a)에 의해 회전축(123)의 반경 방향으로 압축되어 토출됨으로써 유체의 압축이 이루어진다.

2단으로 압축이 이루어지는 본 실시예의 경우에는, 제1압축실(132a)에서 제1임펠러(131a)에 의해 압축되어 회전축(123)의 반경 방향으로 유체가 토출되어 연결 유로(133)로 흐른다. 그리고 유체는 연결 유로(133)로부터 제2압축실(132b)에 회전축(123)의 축방향으로 유입되고, 제2임펠러(131b)에 의해 재차 압축되어 회전축(123)의 반경 방향으로 토출될 수 있다.

본 발명의 터보 압축기(100)는, 제1 및 제2임펠러(131a, 131b)에서 회전축(123)의 축방향으로 유입되는 냉매를 압축하여 반경방향으로 토출시키므로, 냉매가 유입되는 축방향으로 추력(thrust)이 발생된다. 이러한 추력은 스테이터(121)와 로터(122) 사이의 정렬 상태를 변화시키는 변위를 발생시킴으로써, 구동 유닛(120)의 동작에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 것과 같이 스러스트 베어링(141)과 스러스트 러너(142)를 포함하는 추력제한부(140)가 형성될 수 있다.

한편, 로터(122)와 함께 회전되는 회전축(123)은, 기설정된 위치에서 회전을 지속하도록 하우징(110)의 적어도 일 측에 연결되는 프레임부(111)에 회전 가능하게 지지된다. 특히, 회전축(123)의 반경 방향으로 회전축(123)을 지지하고 회전축(123)의 고속 회전을 구현하기 위하여, 가스 베어링 방식이 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 베어링 조립체의 단면도 이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 베어링 조립체는, 베어링(150) 및 가변 베어링 몸체(160)를 포함한다.

본 실시예에서, 베어링(150)은 가스 포일 베어링 방식으로 구동될 수 있다. 베어링(150)은 회전축(123)을 마주보도록 배치되며, 회전축(123)의 회전 시에 회전축(123)의 외주면과 이격되도록 이루어져, 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 유체에 의해 회전축(123)의 지지를 구현하는 역할을 한다.

도 2에 도시된 것과 같이, 구체적으로 베어링(150)은 탑 포일(top foil, 151)과 범프 포일(bump foil, 152)을 구비할 수 있다. 탑 포일(151)은 회전축(123)의 표면의 일부를 각각 감싸는 곡면 형태의 복수 개의 포일로 이루어질 수 있다. 범프 포일(152)은 탑 포일(151)을 감싸도록 배치되며, 탑 포일(151)과 후술하는 가변 베어링 몸체(160) 사이에 개재될 수 있다. 범프 포일(152)은 복수 개의 요철을 갖는 얇은 포일로 이루어질 수 있다.

범프 포일(152)은 복수 개의 요철 형상에 의해 탑 포일(151)과 가변 베어링 몸체(160)의 내주면에 각각 지지되도록 이루어질 수 있다.

본 실시예의 베어링(150)은 탑 포일(151)과 범프 포일(152)을 구비하는 구조에 의해, 회전축(123)의 반경 방향으로 탄성력을 가질 수 있게 된다. 본 발명에 따른 터보 압축기(100)가 작동되어 회전축(123)의 회전이 시작되면, 회전축(123)의 표면과 탑 포일(151) 사이에는 회전축(123)의 회전에 의해 유체 막이 형성된다. 유체 막에 의해 탑 포일(151)은 회전축(123)의 반경 방향으로 가압되고, 이 가압력에 의해 요철 구조의 범프 포일(152)은 요철 구조가 눌려 펴지는 방향으로 탄성 변형될 수 있다. 즉, 범프 포일(152)은 탑 포일(151)과 회전축(123) 사이에 형성되는 유체 막보다 낮은 탄성 계수를 갖도록 이루어질 수 있다.

이러한 탄성 변형에 의해, 본 발명의 터보 압축기(100)의 운전 시에 베어링(150)과 회전축(123) 사이에 일정 간격이 형성되고, 이 공간에 형성되는 유체 막이 베어링의 역할을 수행하게 된다. 아울러, 베어링의 탄성 변형은 베어링 조립체와 회전축(123) 간의 공차 요구를 완화하여, 조립이 용이하게 수행될 수 있다.

한편, 가변 베어링 몸체(160)는 베어링(150)을 지지하는 지지체의 역할을 하며, 특히 본 발명의 가변 베어링 몸체(160)는 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 작동 시 베어링(150)과 회전축(123) 사이의 간격을 가변시키는 역할을 수행한다.

가변 베어링 몸체(160)는 하우징(110)에 형성되는 프레임부(111)에 결합된다. 하우징(110)에 구비되는 프레임부(111)는 중심부에 회전축(123)이 관통되도록 형성되며, 가변 베어링 몸체(160)는 프레임부(111)와 회전축(123) 사이에 개재되도록 이루어진다. 즉, 가변 베어링 몸체(160)는 베어링(150)의 외주면을 감싸도록 이루어진다.

그리고 가변 베어링 몸체(160)는, 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 운전 속도 증가 시 베어링(150)의 외주면을 가압하는 방향으로 변위가 발생되도록 이루어진다. 즉, 가변 베어링 몸체(160)는, 회전축(123)이 회전되는 속도가 증가될수록 베어링(150)과 회전축(123) 사이의 간격은 서로 가까워지도록 변형된다.

앞서 도 2를 참조하여 설명한 것과 같이, 회전축(123)과 베어링(150)의 간격이 좁아지면 시스템의 고유진동수 및 공진 발생 속도가 높게 형성될 수 있다. 즉, 회전축(123)과 베어링(150)의 간격이 작을 경우, 고속 운전 시 에 안정성이 향상될 수 있고, 고속 운전 가능한 영역이 더욱 확대되어 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다. 아울러, 조립 단계 및 저속 운전 시에는 회전축(123)과 베어링(150)의 간격이 넓게 확보할 수 있어, 조립 편의성 또는 마찰 감소 등은 종래의 수준과 동일하게 유지될 수 있는 이점이 있다.

가변 베어링 몸체(160)는 중공 원통(hollow cylinder)형으로 이루어질 수 있다. 가변 베어링 몸체(160)의 외주면과 결합되는 프레임부(111)의 내주면은 이러한 중공 원통 형상을 수용할 수 있도록 이루어진다. 그리고, 베어링(150)은 중공 원통 형상의 내주면에 장착되어 베어링(150)을 감싸도록 형성될 수 있다.

가변 베어링 몸체(160)는 프레임부(111)보다 열팽창 계수가 큰 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 프레임부(111)의 재질이 철로 이루어지는 경우, 가변 베어링 몸체(160)의 재질은 황동, 알루미늄, 또는 구리로 이루어질 수 있다.

위와 같은 형상과 재질을 갖는 가변 베어링 몸체(160)는, 본 실시예의 터보 압축기(100)의 운전 속도가 증가됨에 따른 내부 온도 증가에 의해 가변될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 터보 압축기(100)의 운전 속도를 높이게 되면, 고속으로 회전하는 구성요소들 및 내부를 흐르는 냉매의 온도가 상승하게 된다. 이러한 환경에서 프레임부(111) 및 가변 베어링 몸체(160)의 온도도 상승하게 되면, 프레임부(111) 및 가변 베어링 몸체(160)는 각각 의 열팽창 계수에 의해 부피가 팽창된다.

이때, 프레임부(111)는 가변 베어링 몸체(160)에 비해 열팽창이 작으므로, 프레임부(111)에 외주면이 둘러싸이는 가변 베어링 몸체(160)는 외주면 측으로는 팽창이 제한된다. 따라서, 가변 베어링 몸체(160)는 베어링(150)이 장착되는 내주면 측으로 팽창되는 변위가 발생될 수 있다. 이에 의해, 고속 및 고온의 환경에서 베어링(150)과 회전축(123)의 간격이 작아지도록 변화될 수 있다. 가변되는 변위는, 예를 들어, 본 발명의 터보 압축기(100)에서 고온 환경에서 대략 100~150℃ 수준에서, 가변 베어링 몸체(160)의 내경이 5~20 μm 수준으로 감소하도록 이루어질 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 터보 압축기(100)에서, 운전 속도의 증가 시 발열 및 온도 상승에 대응하는 열팽창에 의해 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 간격이 가변되도록 구현됨으로써, 복잡한 제어 장치 및 구조물이 추가되지 않고도 운전 속도에 따른 간격 가변이 이루어질 수 있게 된다.

아울러, 100~150℃ 수준으로 형성되는 고속 운전 환경을 고려할 때, 프레임부(111)와 가변 베어링 몸체(160) 가열간 압입되면, 이러한 고온 환경에서 프레임부(111)와 가변 베어링 몸체(160) 간의 결합이 약해지거나 해체될 염려가 있을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임부(111) 및 가변 베어링 몸체(160)의 결합은, 가변 베어링 몸체(160)를 프레임부(111)에 냉간 압입하여 이루어질 수 있고, 이에 의해 고온 환경에서도 구조적 결합이 유지되어 베어링(150)과 회전축(123)의 간격 가변이 안정적으로 구현될 수 있다.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 베어링 조립체의 변형예를 보인 단면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 가변 베어링 몸체를 보인 단면도이다.

본 발명의 베어링 조립체는, 프레임부(211)가 연통 유로(211a)를 구비하고, 가변 베어링 몸체(260)는 가압 챔버(261)를 구비할 수 있다. 연통 유로(211a) 및 가압 챔버(261)는 압축 유닛(130)에서 토출되는 냉매의 압력을 이용하여 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 간격을 감소시킬 수 있다.

연통 유로(211a)는 압축 유닛(130)에서 토출된 유체를 수용하는 공간과 연통되도록 형성된다. 연통 유로(211a)는 프레임부(211)의 내부를 관통하여 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 회전축(123)의 반경 방향으로 관통 형성될 수 있다. 또한, 연통 유로(211a)는 회전축(123)을 중심으로 원주 방향을 따라 복수 개가 이격 배치되도록 형성될 수 있다.

한편, 가압 챔버(261)는 가변 베어링 몸체(260)의 내부에 형성되고, 연통 유로(211a)와 연통되는 공간으로 이루어질 수 있다. 연통 유로(211a)가 회전축(123)의 원주 방향으로 복수 개 형성되는 경우에는 각각의 연통 유로(211a)에 연통되도록 복수 개가 독립된 공간으로 형성될 수 있다.

가압 챔버(261)는 회전축(123)을 중심으로 원주 방향으로 연장 형성되는 하나의 공간으로 이루어질 수도 있다. 구체적으로, 중공 원통형의 가변 베어링 몸체(260) 내부에 환형의 공간을 형성할 수 있다.

연통 유로(211a)의 가장자리를 형성하는 프레임부(211)의 내주면에는 내측으로 돌출되는 돌출부(218)가 형성될 수 있다. 돌출부(218)는 프레임부(211)의 내면으로부터 반경 방향인 내측으로 돌출될 수 있다. 돌출부(218)는 복수로 구비되어, 원주 방향을 따라 상호 이격되게 배치될 수 있다. 프레임부(211)의 내면으로부터 돌출부(218)의 반경 방향 돌출 길이는, 연통 유로(211a)의 반경 방향 길이의 1/2 보다 크게 형성될 수 있다.

베어링 몸체(260)의 외주면에는 홈(268)이 형성될 수 있다. 홈(268)은 베어링 몸체(260)의 외주면 타 영역보다 내측으로 함몰되는 형상을 가질 수 있다. 홈(268)의 바닥면은 곡면일 수 있다. 홈(268)은 반원형의 단면 형상을 가질 수 있다. 홈(268)은 복수로 구비되어, 베어링 몸체(260)의 원주 방향을 따라 상호 이격되게 배치될 수 있다. 다수의 홈(268)은 베어링 몸체(260)의 외주면에서 패턴을 형성할 수 있다.

베어링 몸체(260)의 외면으로부터 홈(268)의 바닥면까지의 반경 방향 길이는, 프레임부(211)의 내면으로부터 돌출된 돌출부(218)의 반경 방향 길이보다 작게 형성될 수 있다.

또한, 인접한 홈(268) 사이 원주 방향 길이는, 인접한 돌출부(218) 사이 원주 방향 길이 보다 작게 형성될 수 있다.

상기와 같은 구조에 따르면, 상기 돌출부(218)를 통해 상기 연통 유로(211a) 내 유체를 탄력적으로 지지하게 되므로, 상기 베어링(150)을 상기 연통 유로(211a)의 내측에서 탄력적으로 지지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 베어링 몸체(260)의 외주면 홈 패턴 구조로 인하여, 유체와 베어링 몸체(260) 간 접촉 면적이 증가될 수 있는 장점이 있다.

결국, 터보 압축기(100)는, 운전 속도의 증가에 대응되는 냉매의 토출압을 이용하여 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 간격이 변화되도록 이루어짐으로써, 별도의 제어 수단이 구비되지 않고도 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 간격이 조절될 수 있다.

한편, 본 발명의 터보 압축기(100)는, 임펠러부(131a, 131b)에서 회전축(123)의 축방향으로 유입되는 냉매를 압축하여 반경방향으로 토출시키므로, 냉매가 유입되는 축방향으로 추력(thrust)이 발생된다. 이러한 추력은 스테이터(121)와 로터(122) 사이의 정렬 상태를 변화시키는 변위를 발생시킴으로써, 구동 유닛(120)의 동작에 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 터보 압축기(100)는, 제1프레임부(111a)에서 구동 유닛(120)을 지지하는 제1추력제한부(140a)와, 제2프레임부(111b)에서 구동 유닛(120)을 지지하는 제2추력제한부(140b)를 포함한다. 즉, 구동 유닛(120)의 양 단을 덮는 제1 및 제2프레임부(111a, 111b) 각각에 추력을 지지할 수 있도록 제1 및 제2추력제한부(140a, 140b)가 형성된다.

터보 압축기(100)는, 제1 및 제2추력제한부(140a, 140b)에 의해 구동 유닛(120)의 양 단부에서 추력을 지지하게 됨으로써, 종래 일 측에서 추력을 지지하는 과정에서 발생될 수 있는 구동 유닛(120)의 편심 또는 불균형이 완화될 수 있는 효과가 있다.

한편, 제1 및 제2추력제한부(140a, 140b) 각각은 종래의 경우보다 단순한 구성요소를 갖도록 이루어질 수 있다. 제1추력제한부(140a)는 제1스러스트 베어링(141a) 및 제1스러스트 러너(142a)를 포함할 수 있고, 제2추력제한부(140b)는 제2스러스트 베어링(141b) 및 제2스러스트 러너(142b)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1프레임부(111a)에는 로터(122)와 마주보는 측에 제1스러스트 베어링(141a)이 장착되고, 제2프레임부(111b)에는 로터(122)와 마주보는 측에 제2스러스트 베어링(141b)이 장착된다. 그리고 회전축(123)에는, 로터(122)와 제1스러스트 베어링(141a) 사이에 제1스러스트 러너(142a)가 장착되고, 로터(122)와 제2스러스트 베어링(141b) 사이에 제2스러스트 러너(142b)가 장착된다.

제1 및 제2스러스트 베어링(141a, 141b)은, 각각 제1 및 제2프레임부(111a, 111b)의 일 측면을 덮는 가스 베어링일 수 있고, 제1 및 제2스러스트 러너(142a, 142b)는 회전축(123)과 동심으로 형성되는 원판형의 부재일 수 있다. 또한, 제1 및 제2스러스트 러너(142a, 142b)는 황동 재질로 이루어질 수 있다.

위와 같이 구동 유닛(120)의 양 단에 위치되는 제1 및 제2추력제한부(140a, 140b)는, 각각 서로 다른 한 방향으로만 구동 유닛(120)을 지지하도록 이루어진다. 즉, 한 개의 스러스트 베어링과 한 개의 스러스트 러너로 추력제한부가 형성될 수 있다.

또한, 제1 및 제2스러스트 러너(142a, 142b)는 일측 단부만이 제1 및 제2스러스트 베어링(141a, 141b)과 마찰된다. 이에 따라, 마찰에 의한 발열이 제1 및 제2스러스트 러너(142a, 142b) 각각에서 저감될 수 있다. 이는, 동일한 발열량에 대해 두 개의 스러스트 러너에서 방열이 일어날 수 있게 됨으로써, 열교환 면적이 증가되는 측면으로도 이해될 수 있다.

한편, 제1 및 제2스러스트 러너(142a, 142b)는, 회전축(123)에 결합되고, 회전축(123)의 축방향으로 로터(122)와 기설정된 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 제1추력제한부(140a)를 기준으로, 제1스러스트 러너(142a)가 로터(122)와 접촉되어 배치되어 있다면, 추력에 의해 제1스러스트 러너(142a)뿐만 아니라 로터(122)에도 가압력이 전달된다. 이에 따라, 로터(122)에 미세한 변위가 발생되어 스테이터(121)와 로터(122) 간의 정렬 상태가 틀어질 우려가 있게 된다. 제1스러스트 러너(142a)가 로터(122)와 서로 이격됨으로써, 제1스러스트 러너(142a)가 가압되되더라도 로터(122)가 가압되는 것은 방지될 수 있는 완충 효과를 얻을 수 있게 된다. 이는 제2추력제한부(140b)의 경우에도 마찬가지이다.

제1스러스트 러너(142a)와 제2스러스트 러너(142b)는 서로 다른 질량을 가질 수 있다. 일 예로, 회전축(123)의 외면으로부터 제1스러스트 러너(142a)의 외측 단부까지의 반경 방향 길이는, 회전축(123)의 외면으로부터 제2스러스트 러너(142b)의 외측 단부까지의 반경 방향 길이 보다 길게 형성될 수 있다. 제1스러스트 러너(142a)의 단면적은 제2스러스트 러너(142b)의 단면적 보다 크게 형성될 수 있다.

또한, 축방향을 기준으로 제1스러스트 러너(142a)의 두께(B1)는, 제2스러스트 러너(142b)의 두께(B2) 보다 두껍게 형성될 수 있다.

또한, 축방향을 기준으로 제1스러스트 러너(142a)와 로터(122)간 간격(A1)은, 제2스러스트 러너(142b)와 로터(122)간 간격(A2) 보다 길게 형성될 수 있다. 즉, 로터(122)의 양단을 기준으로, 제2스러스트 러너(142b)가 제1스러스트 러너(142a) 보다 가깝게 배치될 수 있다.

나아가, 제1스러스트 베어링(141a)과 제1스러스트 러너(142a) 간 축방향 길이(C1)는, 제2스러스트 베어링(142b)과 제2스러스트 러너(142b) 간 축방향 길이(C2) 보다 짧게 형성될 수 있다.

상기와 같은 구조에 따르면, 제1 및 제2스러스트 러너가 밸런스 웨이트의 역할을 하도록 이루어질 수 있어, 터보 압축기의 소형화 및 경량화가 구현될 수 있는 장점이 있다. 나아가, 추력을 지지할 때 발생될 수 있는 편심이나 불균형이 완화될 수 있다.

한편, 상기 회전축(123)의 외주면 중 제1스러스트 러너(142a)와 제2스러스트 러너(142b)의 배치 영역에는 널링이나 스키빙과 같은 표면 처리 영역이 형성될 수 있다. 또한, 회전축(123)의 외주면에는 외측으로 돌출되어 사이에 제1스러스트 러너(142a) 및 제2스러스트 러너(142b)의 배치 영역을 형성하는 리브(125)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 축방향으로 제1 및 2스러스트 러너(142a, 142b)가 밀리는 것이 방지될 수 있는 장점이 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 '포함하다', '구성하다' 또는 '가지다' 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 하우징;
   상기 하우징 내부에 수용되어 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터와 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛;
   상기 회전축과 연결되는 임펠러를 구비하여 유체를 압축하는 압축 유닛;
   상기 회전축의 방향으로 상기 구동 유닛의 양 단부에서 각각 상기 로터를 덮도록 형성되는 제1프레임부 및 제2프레임부를 포함하는 프레임부;
   상기 회전축의 추력(thrust)에 의한 상기 구동 유닛의 변위를 제한하도록, 상기 제1프레임부에서 상기 구동 유닛을 지지하는 제1추력제한부;
   상기 제2프레임부에서 상기 구동 유닛을 지지하는 제2추력제한부;
   상기 회전축의 외주면을 감싸도록 형성되고, 상기 회전축을 회전 가능하도록 수용하는 베어링; 및
   상기 하우징에 형성되는 상기 프레임부에 결합되고, 상기 베어링의 외주면을 감싸 지지하며, 운전 속도의 증가 시 상기 회전축을 향하는 방향으로 변위를 발생시키도록 이루어지는 가변 베어링 몸체를 포함하고,
   상기 압축 유닛은 상기 구동 유닛의 양단에 제1임펠러와 제2임펠러가 장착되는 제1압축실과 제2압축실을 포함하여 2단에 걸쳐 압축이 이루어지고,
   상기 베어링은,
   상기 회전축의 표면을 감싸는 곡면 형태의 복수 개의 포일로 이루어지는 탑 포일; 및
   상기 탑 포일을 감싸도록 배치되며, 상기 탑 포일과 상기 가변 베어링 몸체 사이에 배치되는 범프 포일을 포함하고,
   상기 범프 포일은 복수 개의 요철 형상에 의해 상기 탑 포일과 상기 가변 베어링 몸체의 내주면에 각각 지지되고,
   상기 프레임부에는 상기 압축 유닛에서 토출된 유체를 수용하는 공간과 연통되며, 회전축의 반경 방향으로 상기 프레임부를 관통하는 연통 유로가 배치되고,
   상기 가변 베어링 몸체와 상기 프레임부의 사이에는 상기 연통 유로와 연통되는 가압 챔버가 배치되며,
   상기 연통 유로와 상기 가압 챔버는 상기 압축 유닛에서 토출되는 냉매의 압력을 이용하여 상기 회전축과 상기 베어링 사이의 간격을 감소시키고,
   상기 가압 챔버의 가장자리를 형성하는 상기 프레임부의 내주면에는 내측으로 돌출되는 돌출부가 배치되고,
   상기 돌출부는 복수로 구비되어 원주 방향을 따라 상호 이격되게 배치되고,
   상기 프레임부의 내면으로부터 상기 돌출부의 반경 방향 돌출 길이는 상기 연통 유로의 반경 방향 길이의 1/2보다 크게 형성되고,
   상기 가변 베어링 몸체의 외주면에는 타 영역보다 내측으로 함몰되는 형상의 홈이 배치되고,
   상기 홈은 바닥면이 곡면인 반원형으로 형성되며,
   상기 홈은 복수로 구비되어 상기 가변 베어링 몸체의 원주 방향을 따라 상호 이격되게 배치되고,
   상기 가변 베어링 몸체의 외면으로부터 상기 홈의 바닥면까지의 반경 방향 길이는 상기 프레임부의 내면으로부터 돌출되는 상기 돌출부의 반경 방향 길이 보다 작게 형성되며,
   상기 돌출부의 원주 방향 길이는 상기 홈의 원주 방향 길이 보다 길게 형성되고,
   상기 연통 유로의 원주 방향 길이는 상기 홈의 원주 방향 길이 보다 길고,
   상기 복수의 홈 중 인접한 홈 사이 원주 방향 길이는 상기 복수의 돌출부 중 인접한 돌출부 사이의 원주 방향 길이 보다 작게 형성되고,
   상기 제1추력제한부는,
   상기 로터를 향하도록 상기 제1프레임부에 장착되는 제1스러스트 베어링; 및
   상기 제1스러스트 베어링과 상기 로터 사이에 위치되는 제1스러스트 러너를 포함하고,
   상기 제2추력제한부는,
   상기 로터를 향하도록 상기 제1프레임부에 장착되는 제2스러스트 베어링; 및
   상기 제2스러스트 베어링과 상기 로터 사이에 위치되는 제2스러스트 러너를 포함하며,
   상기 제1스러스트 러너와 상기 제2스러스트 러너는 서로 다른 질량을 가지고,
   상기 회전축의 외면으로부터 상기 제1스러스트 러너의 외측 단부까지의 반경 방향 길이는, 상기 회전축의 외면으로부터 상기 제2스러스트 러너의 외측 단부까지의 반경 방향 길이보다 길게 형성되고,
   상기 제1스러스트 러너의 단면적은 상기 제2스러스트 러너의 단면적 보다 크게 형성되고,
   축방향을 기준으로, 상기 제1스러스트 러너의 두께는 상기 제2스러스트 러너의 두께 보다 두껍게 형성되고,
   축방향을 기준으로, 상기 제1스러스트 러너와 상기 로터 사이 간격은, 상기 제2스러스트 러너와 상기 로터 사이 간격보다 길게 형성되고,
   상기 제1스러스트 베어링과 상기 제1스러스트 러너 간 축 방향 길이는, 상기 제2스러스트 베어링과 상기 제2스러스트 러너 간 축 방향 길이보다 짧게 형성되고,
   상기 회전축의 외주면 중 상기 제1스러스트 러너와 상기 제2스러스트 러너의 배치 영역에는 널링 또는 스키빙의 표면 처리 영역이 형성되고,
   상기 회전축은, 외주면으로부터 외측으로 돌출되어 상기 제1스러스트 러너와 상기 제2스러스트 러너의 배치 영역을 형성하는 리브가 배치되는 터보 압축기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 프레임부의 재질은 철로 이루어지고,
   상기 가변 베어링 몸체의 재질은 황동, 알루미늄 및 구리 중 어느 하나로 이루어지는 터보 압축기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 가압 챔버는 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 연장 형성되는 터보 압축기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 가변 베어링 몸체는 중공 원통형으로 이루어지는 터보 압축기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2스러스트 러너는 각각 상기 로터와 기설정된 간격으로 이격되어 상기 회전축에 결합되는 터보 압축기.
   

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