KR102331134B1 - 유량조절이 가능한 냉각장치를 가진 터보송풍기 - Google Patents

유량조절이 가능한 냉각장치를 가진 터보송풍기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소형 직결 구동용 공기 송풍기용 구동 모터 및 베어링의 내부 냉각 구조에 관한 것으로서, 본 송풍기는 기존의 기어 증속형 송풍기와 달리 고속모터의 회전자에 공기를 압축하는 임펠러를 직접 조립하고 고속회전을 시킴으로써 압축 공기를 발생시키는 제품이다.
본 발명의 송풍기는 고속 회전하기 때문에 모터와 베어링 냉각을 위해 상용 팬을 사용할 수 없고, 고속회전에 적합하게 설계된 팬에 의해 모터와 베어링을 냉각시키는 공기를 흡입하여 외부로 배출한다.
또한, 고속 회전하는 송풍기는 회전자의 길이 제한이 따르게 된다. 회전자의 길이가 길면, 회전자의 고유진동수와 운전 속도에 대한 주파수 성분이 공진을 일으켜 송풍기의 손상이 올 수 있으므로, 가능한 길이를 짧게 유지하여야 하며, 이로 인해 모터 내부의 냉각 공기유로 공간이 매우 작다.
따라서 모터 내부의 발열부를 효과적으로 냉각하기 위해서는 적절한 공기 유로의 구성이 필요하다.
본 발명에서는 외부 공기의 흡입구에서부터 흡입된 냉각공기를 팬에 의한 토출구 이동하는 경로를 짧게 유지하면서, 각 발열부, 즉 모터와 베어링부의 냉각 효율을 높임으로써, 압축기의 운전온도를 낮추고, 그에 따른 내구성의 증가로 수명을 늘리 수 있는 장점이 있다.

Description

유량조절이 가능한 냉각장치를 가진 터보송풍기{Turbo blower with flow control cooling system}
본 발명은 유량 조절이 가능한 터보 송풍기(압축기) 내부 냉각 장치에 관한 것이다.
산업 현장 전반에 걸쳐 산업용 장비의 고효율화, 친환경화, 소형화, 자동화가 요구되는 시대이다. 이에 압축기 시장에서도 고효율 모터를 적용하고, 윤활/냉각오일을 사용하지 않으며, 크기가 작고, 자동 운전이 되는 장치의 요구가 많아지고 있다.
이러한 시장 요구에 대응하여 무오일 소형 터보 압축기의 개발 및 상용화가 2000년대 이후 이루어졌다.
개발 초기부터 현재 까지 소형 터보 압축기의 압축성능 개선 활동이나, 회전체의 동적 안정성에 대한 발전은 많이 진행되었다.
그러나, 압축기의 내구성을 가름하는 압축기 내부 발생열을 냉각하는 방법에 대한 연구는 지속적으로 진행되고 있다.
압축기의 고속 회전에 의한 내부 발생열로 인한 문제점으로는 적용된 가스포일동압베어링의 수명단축, 회전체내부의 마그넷을 보호하는 슬리브의 변형으로 인한 마그넷 파손, 회전축의 열변형에 의한 베어링, 임펠러, 팬 등 구성품 파손, 고정자 권선의 파손 등의 있다.
이런 발생열을 원활히 냉각시키기 위해 적절한 내부경로를 확보하고, 적절한 내부 공기량을 조절하게 되었다.
대한민국 등록특허공보 10-2157459(2020.09.11.등록)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 압축기 구동 모터와 베어링의 발열을 외부공기에 의해 냉각하는것으로, 고온의 공기를 회전축에 설치된 팬에 의해, 외부로 배출하여 압축기를 냉각시키는데 목적이 있다.
또한, 내부 냉각공기의 경로를 2개 경로로 분배하여 회전축, 베어링 및 고정자 등 발열부 전체를 냉각시키고, 제 2경로의 냉각공기량을 조절하여 전체 시스템의 원활한 냉각이 이루어 지도록 냉각장치를 구성 및 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
터보 송풍기용 모터 프레임(10);
상기 모터 프레임(10)에 내설되며, 회전자(21) 및 회전자(21)의 외주연에 구비되는 고정자(22)와, 상기 고정자(22)의 양단에서 회전자(21)를 회전시키기 위해 설치되는 전방 고정자 권선(23) 및 후방 고정자 권선(24)과, 모터 프레임(10) 내에서 회전자(21)를 지지하기 위해 회전자(21) 전, 후방에 설치되는 전방 베어링 하우징(25) 및 후방 베어링 하우징(26)으로 구성되는 모터(20);
상기 터보 송풍기를 통해 가압되어 후방으로 고속송풍되는 공기와는 별도로, 상기 모터 프레임(10) 외부로부터 냉각용 공기를 별개로 흡입하여, 상기 모터 프레임(10) 내 발열부위를 최단거리로 통과하면서 냉각시킬 수 있도록, 상기 모터 프레임(10) 내에 형성되는 냉각공기용 제 1경로(31) 및 제 2경로(32); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이,
첫째로, 회전축과 베어링을 냉각하는 제 1경로와 고정자를 냉각하는 제 2경로를 구축함으로써, 압축기 구동 중 발생하는 모든 발열부를 냉각할 수 있는 효과가 있다.
둘째로, 제 2경로의 냉각 공기 조절장치를 이용하여, 운전 중 발생하는 각 구성품의 발열량 차이에 따른 2개 경로에서 요구되는 공기량의 조절 할 수 있는 효과가 있다.
셋째로, 냉각공기 흡입구를 충분한 냉각공기의 유입이 가능하도록 초기 주물제작 시 생성되도록 금형을 구성하였으며, 이물질 유입방지장치를 설치하여 모터 내부로의 이물질 유입할 수 없도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직결구동 터보송풍기의 내부의 냉각공기 제 1, 2경로를 나타낸 일실시예의 도면.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 프레임을 나타낸 일실시예의 도면.
도 3은 본 발명에 따른 흡입구 및 냉각 공기량 조절장치를 나타낸 일실시예의 도면.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도하지 않는다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징으로 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이를 위한 본 발명은
터보 송풍기용 모터 프레임(10); 상기 모터 프레임(10)에 내설되며, 회전자(21) 및 회전자(21)의 외주연에 구비되는 고정자(22)와, 상기 고정자(22)의 양단에서 회전자(21)를 회전시키기 위해 설치되는 전방 고정자 권선(23) 및 후방 고정자 권선(24)과, 모터 프레임(10) 내에서 회전자(21)를 지지하기 위해 회전자(21) 전, 후방에 설치되는 전방 베어링 하우징(25) 및 후방 베어링 하우징(26)으로 구성되는 모터(20); 상기 터보 송풍기를 통해 가압되어 후방으로 고속송풍되는 공기와는 별도로, 상기 모터 프레임(10) 외부로부터 냉각용 공기를 별개로 흡입하여, 상기 모터 프레임(10) 내 발열부위를 최단거리로 통과하면서 냉각시킬 수 있도록, 상기 모터 프레임(10) 내에 형성되는 냉각공기용 제 1경로(31) 및 제 2경로(32); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터 프레임(10)은 터보 송풍기에서 임펠러(27)가 설치되어 외부공기가 흡입되는 전단측 외주연에, 사각형상으로 4개 설치되고, 4개의 총 개구면적은 터보송풍기 전단의 공기유입구(28) 개구면적보다 상대적으로 크게 형성되어, 모터 프레임(10) 내부로 냉각용 공기가 흡입되도록 하는 흡입구(12); 상기 모터 프레임(10)의 외주연에서 흡입구(12) 각각에 대응설치되어, 외부의 이물일 유입을 방지시키기는 이물질 유입방지장치(13); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1경로(31)는 모터 프레임(10)의 외주연에 형성된 흡입구(12)를 통해 냉각용 공기가 유입된 후, 모터 프레임(10) 내부에서 전방 베어링 하우징(25), 전방 고정자 권선(23) 내경, 회전자(21) 외경, 후방 베어링 하우징(26)을 순차적으로 이동한 후, 터보 송풍기의 후방 토출구로 배출되는 냉각공기경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1경로(32)는 모터 프레임(10)의 외주연에 형성된 흡입구(12)를 통해 냉각용 공기가 유입된 후, 전방 고정자 권선(23) 외경, 고정자(22) 외경, 후방 고정자 권선(24) 외경으로 이동한 후, 터보 송풍기의 후방 토출구로 배출되는 냉각공기경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정자(22)는 외주연에 수축결합되어 면접촉되어 열전도율이 향상되도록 하는 냉각 프레임(41); 상기 냉각 프레임(41) 외주연 둘레에 길이방향으로 상호간 이격형성되어, 상기 제 2경로(32)를 따라 이동되는 냉각용 공기와의 접촉면적을 증대시키는 다수의 냉각핀(42); 이 구비되어, 상기 고정자(22)의 냉각효율이 상승되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1, 2경로(31, 32)로 이동되는 냉각용 공기의 총 이동량을 조절하기 위해, 상기 고정자(22)와 후방 고정자 권선(24)의 연결부위에 설치되어, 상기 제 2경로(32)를 통해 고정자(22)에서 후방 고정자 권선(24)측으로 이동되는 제 2경로(32)의 출구측 냉각용 공기량이 조절되도록 하는 냉각 공기량 조절장치(40);가 구비되며, 상기 냉각 공기량 조절장치(40)는 고정자(22)의 후단에 설치되는 링 형태의 판재로써, 외주연이 모터 프레임(10) 내주연의 단턱(11)에 고정되고, 내경 크기의 조절됨으로써 고정자(22) 외경의 외주연을 따라 유입되는 제 2경로(32)의 배출되는 공기량이 조절될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유량조절이 가능한 냉각장치를 가진 터보송풍기를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 직결구동 터보송풍기의 내부의 냉각공기 경로에 대한 설명 도면으로서, 터보 송풍기의 내부에서 열을 발생시키는 부품은 모터 손실로 발생되는 회전자(21), 고정자(22), 회전자(21)를 회전시키기 위한 고정자 권선(고정자(22)의 전, 후방측에 각각 설치되는 전방 고정자 권선(23), 후방 고정자 권선(24))이 있고, 베어링 손실에 의해 발생되며, 상기 회전자(21)의 전, 후방측에서 회전자(21)가 회전가능하게 지지하는 전방 베어링 하우징(25), 후방 베어링 하우징(26)이 대상 부품이다.
물론, 이러한 터보송풍기의 일측(전방)에는 임펠러(27)가 회전가능하게 설치되고, 외부로부터 가압송풍하기 위한 외부공기를 유입하는 공기유입구(28)가 형성되어 있으며, 타측(후방)에는 외부공기를 가압송풍 및 냉각을 완료한 제 1, 2경로(31, 32)를 거친 냉각용 공기가 외부로 배출되는 배출구가 형성되어 있음이다.
또한, 터보송풍기의 전술된 모터(20)가 내설되는 모터 프레임(10) 외주연에는, 제 1, 2경로(31, 32)를 이동하는 냉각용 공기를 유입하기 위해, 도 3에서 보는 바와 같이 모터 프레임(10) 전방에 위치한 냉각공기용 흡입구(12)를 최대한 확보하고자 사각형상의 구멍 4개소를 설치하였고, 이들의 면적을 최대한 확보하고자 크기를 크게 확보하였다. 이로 인해 이물질 유입의 우려가 있어, 외부에 이물질 유입방지장치(13)를 설치한다.
(터보 송풍기의 일반적인 내부 구조 및 작동방식은 널리 공지된 기술로써, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.)
상기 제 1경로(31)의 경우, 도 1에서 점선으로 표시된 경로가 냉각용 공기가 이동하는 제 1경로(31)이며, 이러한 제 1경로(31)를 통해 흐르는 냉각공기는 전방 베어링 하우징(25)의 외경과, 전방 고정자 권선(23)의 내경 사이 공간으로 유입되어, 회전자(21) 외경을 따라 후방 베어링 하우징(26)과 후방 고정자 권선(24) 사이를 지나 송풍팬의 배출구로 빠져나간다.
이로써, 상기 제 1경로(31)에서는 전방 베어링 하우징(25), 전방 고정자 권선(23) 내경, 회전자(21), 고정자(22) 내경, 후방 베어링 하우징(26)과 후방 고정자 권선(24) 내경에서 발생되는 열을 냉각시키는 데 사용된다.
상기 제 2경로(32)의 경우, 도 1에서 실선으로 표시된 경로이며, 이러한 제 2경로(32)는 전방 고정자 권선(23) 외부 공간으로 유입되어, 고정자(22)의 외경에 설치된 냉각 프레임(41)의 냉각핀(42) 부분을 따라, 후방 고정자 권선(24) 외부공간을 지나, 송풍팬의 배출구로 빠져 나간다.
상기 제 2경로(32)에서는 전방 고정자 권선(23) 외경, 냉각 프레임(41), 후방 고정자 권선(24) 외경에서 발생되는 열을 냉각시키는데 사용된다.
더불어, 도 2와 같이 상기 고정자(22)의 외경에는 냉각 프레임(41)을 수축 결합하여 고정자(22)에서 발생되는 열을 잘 흡수할 수 있도록 한다. 그리고, 냉각 프레임(41)의 외경에는 냉각공기와의 원활한 열전달을 가능하도록 냉각핀(42)을 설치하여 접촉면적을 늘린다.
또한, 도 3에서와 같이, 2개의 냉각공기 경로인 제 1, 2경로(31, 32)를 따라 흐르는 냉각공기의 양을 조절하기 위해 냉각 공기량 조절장치(40)를 냉각 프레임(41)의 후방면에 설치하여 제 2경로(32)의 냉각공기량을 조절한다. 이 때의 조절 방법은 냉각 공기량 조절장치(40)의 내경 크기를 조절하여 고정자(22)의 출구 측 공기통과면적을 조절하여 적용한다.
이에, 결론적으로 본 발명은 상기와 같은 구성을 통해 하기와 같은 특징을 가진다.
우선적으로, 본 발명은 하기와 같은 특징을 가진다.
모터 냉각공기용 흡입구(12)로부터 냉각팬의 토출까지의 냉각 공기 경로를 최단거리로 구성하고, 주요 발열부를 통과할 수 있도록 2개의 경로로 구성한다.
제 1, 2경로(31, 32)로 이루어지는 2개의 경로의 전체 흡입구(12)는, 모터 프레임(10)의 전방 측면부에 사각형상의 개구부를 4개 설치하여, 전체 모터(20) 및 베어링 발열부를 거쳐갈 수 있도록 형성하고, 팬의 공기유입구(28)보다 크게 확보한다. 이때 흡입구(12)로의 이물질 유입을 방지하기 위한 이물질 유입방지장치(13)를 설치한다. .
상기 제 1경로(31)는 전방 베어링 하우징(25), 전방 고정자 권선(23)의 내경, 회전자(21)의 외경, 후방 베어링 하우징(26)를 따라 냉각 공기 유로를 형성한다.
상기 제 2경로(32)는 전방 고정자 권선(23)의 외경과 고정자(22)의 발열을 흡수하는 냉각 프레임(41)을 따라 냉각 공기 유로를 형성한다.
상기 제 2경로(32)를 통해 냉각되는 고정자(22)를 효과적으로 냉각하기 위하여, 냉각 프레임(41) 내경과 고정자(22) 외경의 열전도율이 향상되도록 수축 결합을 적용한다. 또한 흡수된 열을 냉각 프레임(41) 외경에 냉각핀(42)을 형성하여 냉각 공기와의 접촉면적을 증가시킨다.
상기 제 1경로(31)와 제 2경로(32)를 지나가는 공기의 양을 조절하기 위해, 제 2경로(32)의 냉각 프레임(41)의 출구부에 냉각 공기량 조절장치(40)를 설치하여, 제 2경로(32)의 냉각공기량을 조절한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
10: 모터 프레임 11: 단턱
12: 흡입구 13: 이물질 유입방지장치
20: 모터 21: 회전자
22: 고정자 23: 전방 고정자 권선
24: 후방 고정자 권선 25: 전방 베어링 하우징
26: 후방 베어링 하우징 27: 임펠러
28: 공기유입구 31: 제 1경로
32: 제 2경로 40: 냉각 공기량 조절장치
41: 냉각 프레임

Claims (6)

  1. 터보 송풍기용 모터 프레임(10);
    상기 모터 프레임(10)에 내설되며, 회전자(21) 및 회전자(21)의 외주연에 구비되는 고정자(22)와, 상기 고정자(22)의 양단에서 회전자(21)를 회전시키기 위해 설치되는 전방 고정자 권선(23) 및 후방 고정자 권선(24)과, 모터 프레임(10) 내에서 회전자(21)를 지지하기 위해 회전자(21) 전, 후방에 설치되는 전방 베어링 하우징(25) 및 후방 베어링 하우징(26)으로 구성되는 모터(20);
    상기 터보 송풍기를 통해 가압되어 후방으로 고속송풍되는 공기와는 별도로, 상기 모터 프레임(10) 외부로부터 냉각용 공기를 별개로 흡입하여, 상기 모터 프레임(10) 내 발열부위를 최단거리로 통과하면서 냉각시킬 수 있도록, 상기 모터 프레임(10) 내에 형성되는 냉각공기용 제 1경로(31) 및 제 2경로(32); 로 이루어지며,
    상기 모터 프레임(10)은
    상기 터보 송풍기에서 임펠러(27)가 설치되어 외부공기가 흡입되는 전단측 외주연에, 사각형상으로 4개 설치되고, 4개의 총 개구면적은 터보송풍기 전단의 공기유입구(28) 개구면적보다 상대적으로 크게 형성되어, 모터 프레임(10) 내부로 냉각용 공기가 흡입되도록 하는 흡입구(12);
    상기 모터 프레임(10)의 외주연에서 흡입구(12) 각각에 대응설치되어, 외부의 이물일 유입을 방지시키기는 이물질 유입방지장치(13);로 이루어지며,
    상기 제 1경로(31)는
    상기 모터 프레임(10)의 외주연에 형성된 흡입구(12)를 통해 냉각용 공기가 유입된 후, 모터 프레임(10) 내부에서 전방 베어링 하우징(25), 전방 고정자 권선(23) 내경, 회전자(21) 외경, 후방 베어링 하우징(26)을 순차적으로 이동한 후, 터보 송풍기의 후방 토출구로 배출되는 냉각공기경로를 형성하고,
    상기 제 2경로(32)는
    상기 모터 프레임(10)의 외주연에 형성된 흡입구(12)를 통해 냉각용 공기가 유입된 후, 전방 고정자 권선(23) 외경, 고정자(22) 외경, 후방 고정자 권선(24) 외경으로 이동한 후, 터보 송풍기의 후방 토출구로 배출되는 냉각공기경로를 형성하며,
    상기 고정자(22)는
    외주연에 수축결합되어 면접촉되어 열전도율이 향상되도록 하는 냉각 프레임(41);
    상기 냉각 프레임(41) 외주연 둘레에 길이방향으로 상호간 이격형성되어, 상기 제 2경로(32)를 따라 이동되는 냉각용 공기와의 접촉면적을 증대시키는 다수의 냉각핀(42);
    이 구비되어, 상기 고정자(22)의 냉각효율이 상승되도록 하며,
    상기 제 1, 2경로(31, 32)로 이동되는 냉각용 공기의 총 이동량을 조절하기 위해, 상기 고정자(22)와 후방 고정자 권선(24)의 연결부위에 설치되어, 상기 제 2경로(32)를 통해 고정자(22)에서 후방 고정자 권선(24)측으로 이동되는 제 2경로(32)의 출구측 냉각용 공기량이 조절되도록 하는 냉각 공기량 조절장치(40);가 구비되며,
    상기 냉각 공기량 조절장치(40)는 고정자(22)의 후단에 설치되는 링 형태의 판재로써, 외주연이 모터 프레임(10) 내주연의 단턱(11)에 고정되고, 내경 크기의 조절됨으로써 고정자(22) 외경의 외주연을 따라 유입되는 제 2경로(32)의 배출되는 공기량이 조절될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 유량조절이 가능한 냉각장치를 가진 터보송풍기.
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