KR102330526B1

KR102330526B1 - 터보 압축기

Info

Publication number: KR102330526B1
Application number: KR1020200047467A
Authority: KR
Inventors: 오준철; 문창국; 최세헌
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-11-24
Also published as: KR20210129443A

Abstract

상기 회전축의 제1 단부에 위치하는 제1 임펠러; 상기 제1 임펠러와 상기 회전자 사이에 위치하며 상기 회전축을 중심으로 회전하는 원판형상의 스러스트 러너 및 상기 스러스트 러너의 일면으로 냉매를 주입하는 냉매 유입구를 포함하는 터보 압축기는 임펠러의 회전에 의한 추력을 보상할 수 있는 힘을 제공하여 스러스트 러너와 스러스트 베어링 사이의 마찰력을 줄일 수 있다.

Description

터보 압축기 {TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 모터 하우징에 공급하는 냉매를 이용하여 터보 압축기의 추력을 보상하여 최적화 구동할 수 있는 터보 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 냉장고나 에어콘과 같은 증기압축식 냉동사이클(이하, 냉동사이클로 약칭함)에 적용되고 있다. 압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 로터리식, 스크롤식 등으로 구분될 수 있다.

왕복동식 압축기는 실린더 내 피스톤이 왕복운동으로 가스를 압축하는 압축기이고, 이 중 스크롤 압축기는 밀폐용기의 내부공간에 고정된 고정 스크롤에 선회 스크롤이 맞물려 선회운동을 함으로써 고정 스크롤의 고정랩과 선회 스크롤의 선회랩 사이에 압축실이 형성되는 압축기이다.

터보 압축기는 원심 압축기의 일종으로, 케이싱 내에 후곡 날개의 날개 바퀴를 회전해서 그 원심력으로 기체의 압축을 실행하는 것이다. 터보 압축기는 왕복동식, 스크류식 보다 대용량, 저소음, 낮은 유지 보수 등의 장점을 가진다. 뿐만 아니라 오일이 함유되지 않은 깨끗한 압축기체를 생산할 수 있다.

원심형 터보 압축기는 기체를 압축하기 위해 임펠러와 가속된 기체흐름을 감속시켜 압력으로 전환시키는 디퓨져로 구성된다. 모터가 임펠러를 고속 회전시키면 외부 기체가 임펠러의 축방향을 따라 흡입되고 흡입된 기체는 임펠러의 원심방향으로 토출된다. 임펠러의 원심방향으로 토출된 유체는 터보 압축기 내부에 형성된 유로를 따라 이동하면서 압축된다.

터보 압축기는 회전하지 않는 고정부와 회전축을 중심으로 회전하는 회전부를 포함하고, 고속을 회전하면 열이 발생하게 된다. 터보 압축기 구동시 발생하는 열을 적절하게 냉각하지 않으면 마찰이 발생하는 부위에서 소음이 발생하여 사용성이 저하되고 마찰에 의한 손상이 발생하여 내구성이 저하되는 문제가 있다.

터보 압축기의 임펠러는 회전하며 원심방향으로 유체를 이동시키는 힘을 제공하지만 동시에 임펠러의 전면 방향으로 진행하려는 추력을 제공할 수 있다. 이러한 추력에 의해 회전축과 임펠러가 축방향으로 힘을 받게 되어 모터 하우징과 스러스트 러너의 마찰력이 커지는 문제가 있다.

한국 공개공보 KR 2018-0093692A 상기 추력을 보상하기 위해 스러스트 러너와 스러스트 베어링을 이용하여 임펠러의 회전에 따른 추력을 지지하는 구조를 부가한 터보 압축기를 개시하고 있다.

그러나 추력 자체를 감쇄시키는 힘을 제공하는 것이 아니고 추력을 지지하는 부재만 부가한 것에 불과하여 스러스트 러너와 임펠러 사이에 위치하는 스러스트 베어링에 임펠러의 추력에 의해 힘이 가해져 스러스트 베어링이 파손될 수 있다. 또한, 스러스트 러너와 스러스트 베어링이 추력에 의해 밀착되어 구동되면 두 부재 사이의 마찰력이 증가하여 터보 압축기의 효율이 저하되는 문제가 있다.

한국 공개공보 KR 2018-0093692A (2018-08-22)

본 발명은 임펠러의 회전에 의한 추력을 보상할 수 있는 힘을 제공하여 스러스트 러너와 스러스트 베어링 사이의 마찰력을 줄인 터보 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명은 임펠러의 회전에 의한 추력을 보상할 수 있는 힘을 제공하여 스러스트 러너와 스러스트 베어링 사이의 마찰력을 줄일 수 있다.

추력을 보상하는 힘은 챔버에 제공되는 냉매량을 조절하여 조절 가능하여 안정적으로 구동할 수 있다.

압력조절밸브를 통해 모터부로 냉매를 주입하여 챔버의 압력을 조절하여 안정적으로 구동할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 터보 압축기의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 터보 압축기의 분해사시도이다.
도 3은 순환 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 터보 압축기의 추력을 도시한 도면이다.
도 5는 개선된 터보 압축기를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 부분확대도이다.
도 7은 터보 압축기의 압축밸브를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

일반적으로 터보 압축기(100)는 원심압축기(100)의 일종으로, 임펠러(136, 137)를 회전하여 그 원심력으로 유체를 압축한다. 터보 압축기(100)는 임펠러(136, 137)의 회전력을 이용하여 기체를 축방향으로 흡입하였다. 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 것으로 임펠러(136, 137)의 개수에 따라 단수가 구분된다. 임펠러(136, 137)를 2개 구비한 2단 터보 압축기(100)는 압축을 2회 진행하여 효율을 더 극대화 시킬 수 있다. 2단 압축기(100)는 임펠러(136, 137)의 배면끼리 마주보도록 배치된 백 투 백(back to back) 타입과 임펠러(136, 137) 흡입단이 서로 마주보도록 배치된 페이스 투 페이스(face to face) 타입이 있다.

도 1은 본 발명의 터보 압축기(100)의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 터보 압축기(100)의 분해사시도이다. 본 실시예에 따른 터보 압축기(100)는 고정자(131), 회전축(133), 회전자(132), 제1 임펠러(136) 및 스러스트 러너(135)와 이를 수용하는 프레임을 포함한다.

모터는 고정자(131)(stator)와 회전자(132)(rotor)를 포함하며, 고정자(131)는 일측과 타측이 개방된 내부공간을 가지는 제1 프레임(111) 내부에 고정된다. 고정자(131)는 코일로 이루어진 복수개의 전자석을 포함할 수 있으며 코일에 전류를 흘리면 자기장을 형성한다. 코일에 흐르는 전류의 세기와 방향을 조절하여 고정자(131)가 형성하는 자기장의 세기 및 방향을 조절할 수 있다. 고정자(131)는 자성물질을 포함하는 회전자(132)의 둘레에 배치되고, 회전자(132)는 고정자(131)가 형성하는 자기장의 영향을 받아 회전할 수 있다.

고정자(131)는 일측에서 타측방향으로 연장된 축홀을 포함하는 도넛 형상을 이루고, 축홀을 따라 연장된 회전축(133)에 회전자(132)가 결합하여 회전축(133)과 함께 회전한다. 회전축(133)은 회전자(132)의 회전을 전달하여 회전축(133)의 단부에 위치하는 임펠러(136, 137)를 회전시킬 수 있다.

회전축(133)의 회전시 발생하는 마찰력을 줄이기 위해 베어링을 이용할 수 있다. 특히 본 발명의 터보 압축기(100)는 회전축(133)이 수평방향으로 배치되어 중력방향으로 힘이 가해지므로 축방향에 수직방향으로 인가되는 힘을 지지하는 저널 베어링(127)을 이용할 수 있다. 저널 베어링(127)은 회전축(133)과 프레임 사이에 배치될 수 있다.

회전축(133)은 고속운전에 적합하기 위해서 축의 강성이 확보될 수 있도록 회전축(133)의 길이는 짧고 직경은 커지는 것이 바람직하다. 다만, 축의 직경이 커지면 프레임과 접촉하는 면적이 증가하여 마찰력이 증가한다. 또한, 회전축(133)과 프레임 사이의 마찰력을 상쇄하기 위해서는 저널 베어링(127)의 크기가 커지는 문제가 있다. 회전축(133)이 커지면 압축기(100)의 크기가 커지고 무게도 증가하는 바, 회전축(133)의 직경을 증가시키는 것도 한계가 있다.

회전축(133)의 직경을 증가시키는 대신에 회전축(133)에 결합하는 회전자(132)는 회전축(133)의 다른 부분보다 더 돌출된 형태로 구성할 수 있다. 회전자(132)는 영구자석을 포함하는 데 영구자석의 크기를 크게 할수록 고속회전을 구현하기 용이하여 회전자(132)의 외경을 크게 하면 구동모터의 회전력을 확보할 수 있다. 모터 하우징(110)과 회전축(133)이 결합하는 부분의 회전축(133) 직경은 회전자(132)가 위치하는 부분보다 얇으므로 저널 베어링(127)의 크기도 증가될 필요가 없다.

스러스트 러너(135)는 회전축(133)에 결합하여 회전축(133)의 회전에 따라 회전하는 원판형 부재로서, 회전축(133)의 축방향 움직임을 가이드한다. 임펠러(136, 137)가 양단부에 위치한 회전축(133)은 회전시 유체가 임펠러(136, 137)를 통해 압축되는 과정에서 압력이 축방향으로 인가된다. 회전축(133)의 축방향으로 인가되는 힘은 비대칭이되어 축방향으로 이동이 일어날 수 있어 이를 고정하기 위해 스러스트 러너(135)를 구비할 수 있다.

스러스트 러너(135)가 축방향으로 이동하지 못하도록 제2 프레임(112)과 제3 프레임(113) 사이에 스러스트 러너(135)가 배치되며, 제2 프레임(112)과 제3 프레임(113)은 제1 프레임(111)에 고정될 수 있고, 제2 프레임(112)과 제3 프레임(113) 중 하나는 제1 프레임(111)과 일체형으로 구성될 수 있다. 제2 프레임(112)은 제1 임펠러(136)와 스러스트 러너(135) 사이에 위치하고, 제3 프레임(113)은 스러스트 러너(135)와 모터 사이에 위치할 수 있다.

스러스트 러너(135)는 회전축(133)의 축방향 움직임은 제한하되 회전축(133)의 회전에 영향을 미치지 않아야 한다. 스러스트 러너(135)와 프레임 사이에 마찰력을 최소화 하기 위해 프레임에 스러스트 러너(135)와 마주하는 면에 스러스트 베어링(126)을 구비할 수 있다. 스러스트 베어링(126)은 축방향으로 하중이 작용하는 베어링으로 스러스트 러너(135)가 축방향으로 이동하는 것을 방지하면서 회전축(133)과 함께 회전시 마찰력을 줄일 수 있다.

고정자(131)에 의해 유도된 회전자(132)의 회전력은 회전축(133)을 따라 임펠러(136, 137)로 전달되며 임펠러(136, 137)는 회전하며 임펠러(136, 137)로 공급된 유체를 임펠러 케이싱(116, 117)에 형성된 디퓨저(1162, 1172)를 통과시켜 유체의 압력을 높인다. 임펠러 케이싱(116, 117)에 형성된 디퓨저(1162, 1172)는 유로의 크기가 커지는 확산관이다. 유로의 크기가 커지면 유체의 유속이 느려지면서 운동에너지를 압력에너지로 전환되는 성질을 이용하여 디퓨저(1162, 1172)를 통과한 유체는 압력이 커진다.

압축효과를 높이기 위해 회전축(133)의 양단에 제1 임펠러(136) 및 제2 임펠러(137) 한 쌍을 구비할 수 있으며, 모터 하우징(110)은 제1 임펠러(136) 와 모터를 구획하는 제2 프레임(112) 및 제2 임펠러(137)와 모터를 구획하는 제4 프레임(114)를 포함할 수 있다. 제1 임펠러(136)을 커버하는 제1 임펠러 케이싱(116)과 제2 프레임(112) 사이의 공간이 제1 디퓨저(1162)가 되고 제2 임펠러(137)을 커버하는 제2 임펠러 케이싱(117)과 제4 프레임(114) 사이의 공간이 제2 디퓨저(1172)가 될 수 있다.

제1 임펠러 케이싱(116)은 제1 임펠러(136)의 축방향으로 유체를 공급하는 제1 유입구(1161)와 제1 임펠러(136)의 원주방향으로 유체를 토출하는 제1 토출구(1163)를 포함하고, 제2 임펠러 케이싱(117)은 제2 임펠러(137)의 축방향으로 유체를 공급하는 제2 유입구(1171)와 제2 임펠러(137)의 원주방향으로 유체를 토출하는 제2 토출구(1173)를 포함한다.

제2 임펠러(137)를 이용하여 제1 임펠러(136)에서 압축(1단 압축)된 유체를 재압축(2단 압축)하여 더 큰 압축유체를 얻을 수 있다. 제1 토출구(1163)는 제2 유입구(1171)와 연결되며 제2 임펠러 케이싱(117)의 제2 디퓨저(1172)를 통과하며 재압축된다.

도 3은 유체를 이용한 순환시스템을 도시한 도면이다. 도 3의 (a)는 순환시스템을 도시하고 있으며 순환시스템은 압축기(100, compressure), 응축기(200, condenser), 팽창밸브(300, expansion valve) 및 증발기(400, evaporator)를 포함하며, 각 구성을 연결하며 유체가 이동하는 순환유로를 포함한다.

도 3의 (b)는 순환시스템(10)에서 순환하는 유체의 에너지와 압력의 관계를 도시한 그래프로서, 가로축은 유체에 축적되는 에너지, 즉 엔탈피이고 세로축은 유체의 압력을 의미한다. 앞서 살펴본 바와 같이 압축기(100)에서 유체는 압축(compression)되면서 압력이 높아지면서 엔트로피 또한 높아진다.

압축기(100)를 통과한 유체는 압력과 온도가 높아지면서 고온 고압의 유체로 전환되고, 기체상태를 유지한다. 응축기(200)는 압축기(100)로부터 공급된 기체상태의 고온 고압 기체상태의 유체에서 열을 배출하여 저온 고압의 유체로 전환할 수 있다. 이때 기체상태였던 유체는 액상으로 전환된다. 이때 유체의 상태는 도 3의 (b)의 그래프상 좌측으로 이동한다.

중온 고압의 액상상태의 유체는 증발기(400)로 이동하기 전에 팽창밸브(300)를 통과하는데 팽창밸브(300)는 고온고압의 유체를 좁은 유로를 통화시키면 유체의 속도가 빨라지면서 베르누이 법칙에 의해 속도가 빨라진 만큼 유체의 압력이 낮아진다. 액상의 유체는 액상과 기상이 섞인 유체상태로 팽창(expansion)되고, 액상과 기상이 섞인 저온 저압의 유체는 증발기(400)로 이동한다.

증발기(400)에서 유체는 열을 흡수하며 주변의 온도를 낮추고 공기중의 수증기를 액화시켜 주변의 공기의 습도를 낮출 수 있다. 유체는 열을 흡수하면서 증발하여 기화(evaporation)되고 기체상태의 고온의 유체가 압축기(100)에 공급된다.

이와 같은 순환시스템(10)은 에어컨에 적용되기도 하고, 건조기에 적용될 수도 있다. 건조기는 건조기 내부에 고온의 공기를 공급하기 위한 부품과 고온 다습한 공기에서 습기를 제거하기 위한 부품이 필요한데, 본 순환시스템(10)의 응축기(200)와 증발기(400)를 이용하여 하나의 순환시스템(10)에서 두 가지 역할을 동시에 할 수 있다.

다시 도 2를 참고하면, 터보 압축기(100)가 고속으로 회전하면 열이 발생하게 된다. 터보 압축기(100)의 구동시에 발생한 열을 적절하게 냉각하지 않으면 마찰이 발생하는 부위 및 구동모터의 손상이 발생하게 된다. 또한, 모터와 스러스트 러너(135)의 온도가 상승하면 압축기(100)를 통해 압축되는 유체의 온도도 높아져 유체의 압축효율이 저하될 수 있다. 고온으로 인하여 주변의 부품이 파손될 수 있고 사용자가 만지는 경우 화상의 우려가 있으므로 이를 냉각시킬 필요가 있다.

모터 하우징(110) 내부 온도를 줄이기 위해 냉매를 이용할 수 있으며, 냉매는 모터 하우징(110)에 연결된 냉매 유입구(153)를 통해 모터 하우징(110) 내부로 유입될 수 있다. 고온의 모터와 스러스트 러너(135)의 표면을 통과하여 열을 흡수한 후에 토출될 수 있다.

냉매 유입구(153)를 통해 공급되는 냉매는 별도의 유체를 이용할 수도 있으나, 전술한 순환시스템(10)에 이용되는 유체를 이용할 수 있다. 압축기(100)에서 압축되는 유체는 고온으로 전환되나 압축기(100)에서 온도가 상승된 유체도 모터 하우징(110) 내부의 온도보다 낮기 때문에 압축기(100)의 유체를 이용할 수도 있다. 예를 들어 1단 압축된 유체가 토출되는 제1 토출구에 바이패스로 냉매 유입구(153)를 연결하여 냉매 유입구(153)로 일부 유체가 흘러들어가 모터의 온도를 냉각시킬 수 있다.

다만, 보다 우수한 냉각효과를 위해서 순환시스템(10)에서 온도가 낮은 냉매를 냉매 유입구(153)를 통해 공급하여 하우징의 온도를 더 낮출 수 있다. 예를 들어, 응축기(200)를 통과한 냉매는 압축기(100)의 냉매에 비하여 저온을 유지하고 엔탈피가 낮아 주변의 열의 흡수효율이 높다. 따라서, 응축기(200)를 통과한 냉매를 바이패스하여 냉매 유입구(153)로 공급할 수 있다. 이때 냉매는 모터 하우징(110)에 공급 시에는 액상상태이나 모터 하우징(110) 내에서 모터와 스러스트 러너(135)의 열을 흡수하고 기상상태로 냉매 배출구(154)를 통해 배출 될 수 있다.도 4 는 터보 압축기(100)의 추력을 도시한 도면이다. 이와 같은 터보 압축기(100)는 임펠러(136)가 회전축(133)의 축방향으로 유입되는 유체를 압축하여 반경반향으로 토출시키므로 유체가 유입되는 축방향으로 추력(thrust)이 발생한다. 이러한 추력은 고정자(131)와 회전자(132) 사이의 정렬 상태를 변화시키므로 압축기의 회전력을 감소시킬 수 있다.

또한, 추력에 의한 위치변화의 정도가 큰 경우 제2 프레임(112) 및 제3 프레임(113)과 회전부 사이의 마찰력이 커지는 문제가 발생할 수 있다. 스러스트 러너(135)는 이러한 추력을 지지하여 일정 범위 이상 이동하지 않도록 제한하고 스러스트 러너(135)와 제2 프레임(112) 사이 및 스러스트 러너(135)와 제3 프레임(113) 사이에 스러스트 베어링(127)을 통해 접촉하더라도 마찰력을 줄일 수 있다. 다만, 스러스트 러너(135)는 추력 자체를 줄이는 것이 아니라 추력에 의한 회전부(회전축(133), 회전자, 임펠러)의 이동을 제한하는 것이므로 여전히 마찰력에 의한 성능 저하가 발생할 수 있다.

제1 임펠러(136)에 의한 제1 방향의 추력(F1)을 보상하고 터보 압축기(100)의 효율을 높이기 위해 제2 임펠러(137)를 제1 임펠러(136) 반대편에 둘 수 있다. 제2 임펠러(137)는 제1 임펠러(136)와 반대 방향을 향하고 있어 제2 임펠러(137) 구동시 발생하는 추력(F2)은 제1 임펠러(136)에 의한 추력(F1)의 반대 방향인 제2 방향으로 작용하여 제1 임펠러(136)의 추력(F1)을 상쇄할 수 있다. 다만, 제2 임펠러(137)의 크기가 제1 임펠러(136)보다 작고 추력이 약하므로(F1>F2) 그 차이에 상응하는 크기의 추력(F3=F1-F2)은 제1 방향으로 남아있어 여전히 회전부에 영향을 미친다.

이처럼 제1 임펠러(136)를 향하는 축방향 추력을 상쇄하기 위해 모터 하우징(110) 내부에 유입되는 냉매를 이용할 수 있다. 모터 하우징(110) 내부의 회전부는 고속으로 회전하기 때문에 열이 발생한다. 모터 하우징(110) 내의 온도를 낮추기 위해 하우징 내부로 냉매를 주입할 수 있다.

도 5는 개선된 터보 압축기(100)를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 부분확대도이다. 터보 압축기(100)의 모터 하우징(110) 내부에 주입되는 냉매는 스러스트 러너(135)에서 열이 많이 발생하므로 스러스트 러너(135)가 위치하는 제2 프레임(112)과 제3 프레임(113) 사이 공간에 주입될 수 있다.

이때 냉매가 주입되는 냉매 유입구(153)를 도 6에 도시된 바와 같이 스러스트 러너(135)의 일면(제2 프레임(112)과 대면하는 면)을 향하여 공급할 수 있다. 스러스트 러너(135)의 일면으로 주입된 냉매는 제1 임펠러(136)와 제2 임펠러(137)에 의한 추력(F3) 의 반대 방향인 제2 방향으로 스러스트 러너(135)에 힘을 제공할 수 있다. 따라서, 냉매가 스러스트 러너(135)의 일면에 직접 공급함으로써 스러스트 러너(135)에 제2 방향의 힘을 제공하고 임펠러의 추력에 의한 제1 방향의 힘을 상쇄할 수 있다. 또한, 스러스트 러너(135)에 냉매를 바로 공급하면, 스러스트 러너(135)에서 발생한 열을 제거하는데 보다 효율적인 장점이 있다.

스러스트 러너(135)와 제2 프레임(112) 사이의 마찰력을 줄이고 스러스트 러너(135)의 회전을 보조하기 위한 스러스트 베어링(127)은 스러스트 러너(135)가 스러스트 베어링(127)을 향해 인가하는 힘이 줄어들면서 스러스트 베어링(127)과 스러스트 러너(135) 사이의 마찰력은 더욱 감소될 수 있다.

스러스트 러너(135)의 일면을 향하는 냉매 유입구(153)는 제2 프레임(112)을 관통하여 연결될 수 있으며 냉매 유입구(153)를 통해 유입된 냉매는 스러스트 러너(135)와 스러스트 베어링(127) 사이의 이격공간을 유지하기 위해 스러스트 러너(135)와 제2 프레임(112) 사이의 공간을 닫힌 공간으로 만들어 냉매에 의한 제2 방향의 힘을 유지할 수 있다. 설명의 편의를 위해 제2 프레임(112)과 스러스트 러너(135) 사이의 공간을 챔버라 한다.

스러스트 러너(135)의 추력(F3)에 의해 챔버로 공급된 냉매가 스러스트 러너(135)를 통과하여 모터가 위치하는 모터부 쪽으로 쉽게 이동할 수 있다. 스러스트 러너(135)와 스러스트 베어링(127) 사이에 냉매를 일정량 유지시켜 스러스트 러너(135)와 스러스트 베어링(127) 사이의 마찰력을 줄이기 위해 냉매가 챔버 내에 유지될 수 있도록 챔버를 닫힌 공간으로 만들 수 있다.

챔버로 공급된 냉매는 제1 방향으로 이동하면 제1 임펠러(136)와 제2 프레임(112) 사이로 유출 될 수 있고, 제2 방향으로 이동하면 모터 하우징(110)의 모터부로 이동하 수 있다. 제1 방향의 이동을 방지하기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 임펠러와 제2 프레임(112) 사이에 제1 씰(121)을 형성하여 유출을 막을 수 있다.

이때 씰은 회전하는 임펠러와 회전하지 않는 제2 프레임(112) 사이를 밀폐하기 위한 것으로 접촉되는 경우 회전력에 영향을 미친다. 따라서, 임펠러와 제2 프레임(112) 사이에 위치하는 제1 씰(121)은 라비린스씰과 같은 비접촉씰을 이용할 수 있다.

비접촉씰은 직접 접촉하지 않으나 양측에 위치하는 공간 사이의 경로를 복잡하게 형성하여, 비접촉씰의 일측에서 타측으로 이동하는 유체량을 최소화 할 수 있다. 임펠러씰은 챔버 내로 공급된 냉매의 제1 방향 유출을 방지할 수 있다.

제2 방향으로 냉매가 유출되는 것을 방지하기 위해 스러스트 러너(135)의 원주방향 단부와 제1 프레임(111) 사이를 차폐하는 제2 씰(122)을 포함할 수 있으며, 회전축(133)과 제3 프레임(113) 사이에 제3 씰(123)을 형성할 수 있다. 제3 프레임(113)은 회전축(133)이 관통하는 축홀이 형성되며 축홀은 회전축(133)보다 큰 지름을 가지므로 축홀 둘레를 따라 제3 씰(123)을 형성할 수 있다. 제2 씰(122) 및 제3 씰(123)도 전술한 제1 씰(121)과 같은 비접촉 씰을 이용할 수 있다.

챔버를 차폐하는 제1 내지 제3 씰(123)을 두는 경우 챔버의 압력이 높아져 스러스트 러너(135)의 추력(F3)에 대향하는 힘을 제공할 수 있으나 챔버의 압력이 너무 커지면 오히려 스러스트 러너(135)의 추력(F3)보다 냉매에 의한 힘(F4)가 더 크게 되어 스러스트 러너(135)가 제2 방향으로 이동하는 문제가 있다.

따라서, 챔버 내에 압력이 높아지면 챔버 내의 냉매 양을 줄여야 하며, 냉매 유입구(153)에 냉매밸브(155)를 두어 챔버 내로 유입되는 냉매량을 조절할 수 있다. 제어부는 챔버 내의 압력을 감지하여 냉매밸브(155)를 닫아 챔버 내의 압력을 줄이고 챔버 내의 압력이 낮으면 냉매밸브(155)를 열어 챔버 내의 압력을 다시 높일 수 있다.

다만, 냉매량을 줄이면 모터 하우징(110) 내부의 온도가 상승하는 문제가 있으므로 챔버 내의 냉매를 적극적으로 배출할 필요가 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 챔버와 연결된 압력조절밸브(156)를 이용할 수 있다.

압력조절밸브(156)는 챔버와 연결되는 제1 입구(1562), 모터부와 연결되는 제2 입구(1563)를 포함하며 챔버와 모터부를 선택적으로 연통시킨다. 상기 챔버의 압력이 높은 경우 상기 챔버와 상기 모터부를 연통하여 챔버내의 냉매를 모터부로 공급하고 챔버의 압력이 낮으면 닫아 챔버 내에 냉매가 머무르도록 조절한다.

챔버내의 압력을 감지하여 제어부가 압력조절밸브(156)를 전자적으로 조절할 수도 있으나, 기계적으로 동작하는 압력조절밸브(156)를 이용할 수 도 있다. 도 7은 터보 압축기(100)의 압력조절밸브(156)를 도시한 도면으로 (a)는 압력조절밸브(156)가 닫힌 상태를 도시하고 (b)는 열린 상태를 도시한다.

압력조절밸브(156)는 일측에 제1 입구(1562)가 위치하고 타측에 제2 입구(1563)가 위치하는 밸브 하우징(1561) 내에 스토퍼(1565)와 밸브스프링(1566)이 위치한다. 스토퍼(1565)는 제1 입구(1562)에 끼워져 제1 입구(1562)를 막고 밸브스프링(1566)은 스토퍼(1565)가 제1 입구(1562)를 막는 상태를 유지하도록 스토퍼(1565)에 힘을 가한다.

챔버내의 압력(P1)이 커지면 스토퍼(1565)에 인가되는 힘이 커지며 밸브스프링(1566)이 압축되고 제1 입구(1562)가 개방되어 냉매는 압력조절밸브(156)를 통과하여 모터부로 이동할 수 있다. 냉매가 모터부로 이동하여 모터부의 온도를 낮춘 후에 배출될 수 있으며 챔버의 압력을 낮춰 스러스트 러너(135)에 인가되는 힘을 조절할 수 있다.

본 발명은 임펠러(136)의 회전에 의한 추력을 보상할 수 있는 힘을 제공하여 스러스트 러너(135)와 스러스트 베어링(127) 사이의 마찰력을 줄일 수 있다.

압력조절밸브(156)를 통해 모터부로 냉매를 주입하여 챔버의 압력을 조절하여 안정적으로 구동할 수 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

100: 압축기 200: 응축기
300: 팽창밸브 400: 증발기
110: 모터 하우징 111: 제1 프레임
112: 제2 프레임 113: 제3 프레임
114: 제4 프레임 116, 117: 임펠러 프레임
1161, 1171: 유입구 1162, 1172: 디퓨져
1163, 1173: 토출구 121: 제1 씰
122: 제2 씰 123: 제3 씰
126: 스러스트 베어링 127: 저널 베어링
131: 고정자(stator) 132: 회전자(rotor)
133: 회전축 133a: 제2 유로
135a: 제3 유로 135: 스러스트 러너
136: 제1 임펠러 137: 제2 임펠러
153: 냉매 유입구 155: 냉매밸브
156: 압력조절밸브 1561: 밸브하우징
1562: 제1 입구 1563: 제2 입구
1565: 스토퍼 1566: 밸브스프링

Claims

제1 프레임;
상기 제1 프레임 내부에 위치하며 축홀을 포함하는 고정자(stator);
상기 고정자의 축홀을 관통하는 회전축;
상기 회전축에 결합된 회전자(rotor);
상기 회전축의 제1 단부에 위치하는 제1 임펠러;
상기 제1 임펠러와 상기 회전자 사이에 위치하며 상기 회전축을 중심으로 회전하는 원판형상의 스러스트 러너;
상기 스러스트 러너와 상기 제1 임펠러 사이에 위치하며 상기 제1 프레임의 일측을 커버하고 상기 회전축이 관통하는 축홀이 형성된 제2 프레임;
상기 스러스트 러너와 상기 고정자 사이에 위치하며 상기 회전축이 관통하는 축홀이 형성된 제3 프레임; 및
상기 제2 프레임과 상기 스러스트 러너의 일면 사이의 챔버로 냉매를 주입하는 냉매 유입구를 포함하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 냉매 유입구는
상기 제2 프레임을 관통하고 상기 스러스트 러너의 일면을 향하여 사출되도록 배치된 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 스러스트 러너의 외주면과 상기 제1 프레임 사이에 위치하는 씰을 포함하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제1 임펠러와 상기 제2 프레임 사이에 형성된 씰을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제3 프레임의 축홀과 상기 회전축 사이에 형성된 씰을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 씰은 비접촉 씰인 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 냉매 유입구는 유량을 조절하는 냉매밸브; 및
상기 챔버 내의 압력이 증가하는 경우 상기 냉매의 유량을 줄이고 상기 챔버 내의 압력이 줄어들면 상기 냉매의 유량을 증가시키도록 상기 냉매밸브를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 챔버와 연결되는 제1 입구, 상기 제1 프레임의 상기 회전자가 위치하는 모터부와 연결되는 제2 입구를 포함하며 상기 챔버의 압력이 높은 경우 상기 챔버와 상기 모터부를 연통시키는 압력조절밸브를 더 포함하는 터보 압축기.
제8항에 있어서,
상기 압력조절밸브는,
상기 제1 입구에 위치하는 스토퍼; 및
상기 스토퍼가 상기 제1 입구를 막도록 힘을 가하는 상기 스토퍼에 밸브스프링을 포함하고,
상기 챔버의 압력이 높아지면 상기 밸브스프링이 수축되어 상기 스토퍼가 상기 제1 입구를 개방하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 냉매 유입구는 상기 제1 임펠러를 통해 압축된 유체의 토출구와 연결된 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제2 프레임과 상기 스러스트 러너 사이에 위치하는 스러스트 베어링을 포함하는 터보 압축기.
제1항에 있어서,
상기 회전축의 제2 단부에 연결되는 제2 임펠러를 더 포함하고,
상기 제1 임펠러에 의한 제1 방향의 추력은 상기 제2 임펠러에 의한 제2 방향의 추력 보다 큰 것을 특징으로 하는 터보 압축기.