KR102386646B1 - 터보 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 터보 압축기는 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터에 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛; 상기 회전축과 연결되고, 전방에서 흡입되는 냉매를 상기 회전축의 반경방향으로 가압하도록 이루어지는 임펠러; 상기 임펠러의 후방에 위치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 메인 프레임부를 구비하는 케이싱; 및 상기 임펠러와 상기 메인 프레임부 사이에 개재되어 상기 메인 프레임부와 이격되는 공간에 감압 챔버를 형성하고, 상기 회전축에 고정되도록 이루어지는 격리 플레이트를 포함한다. 이에 의하면, 임펠러에 작용되는 추력이 저감될 수 있다.

Description

터보 압축기{TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 구동모터에 의해 발생되는 회전력으로 임펠러를 회전시켜 냉매를 압축하는 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 블러워(turbo blower)와 유사하나, 터보 블러워에 비해 토출압력이 높고 유량이 작다. 이러한 터보형 압축기는 연속적으로 흐르는 유체에 압력을 증가시키는 것으로, 유체가 축방향으로 흐르는 경우에는 축류형으로, 반경방향으로 흐르는 경우에는 원심형으로 구분된다.

한편, 왕복동식 압축기나 회전식 압축기와 같은 용적형 압축기와 달리 터보형 압축기는 회전하는 임펠러의 날개 형상을 최적으로 설계하더라도 가공성과 양산성 및 내구성 등 여러 가지 요인으로 인해 한 번의 압축만으로 원하는 높은 압력비를 얻는 것은 어렵다. 이에, 복수 개의 임펠러를 축방향으로 구비하여 유체를 다단으로 압축하는 다단형 터보 압축기도 알려져 있다.

일단 또는 다단의 임펠러를 구비하는 원심형의 터보 압축기에 있어서는, 축방향으로 유입되는 유체를 압축하여 반경방향으로 토출하는 과정에서 임펠러의 후방에 토출압의 냉매가 유입될 수 있다. 이에 따라 임펠러의 전면에는 흡입압, 후면에는 토출압으로 냉매가 분포되고, 회전축의 축방향으로 추력(thrust)이 발생된다. 이러한 추력에 의한 압축기 구성요소들의 변위를 제한하기 위하여, 스러스트 베어링 구조물이 구비된다.

다만, 터보 압축기의 신뢰성 보장과, 경량화 및 제작 비용 절감 등을 위하여 스러스트 베어링의 강도 향상에는 한계가 있다. 따라서, 스러스트 베어링의 강도나 무게 등을 최소한으로 설계하고, 발생되는 추력 자체를 저감하도록 터보 압축기를 설계하는 것이 바람직하다.

종래, 추력 저감을 위하여 다양한 방식으로 임펠러의 후면에 씰 구조물이 도입된 바 있다. 예를 들면, 원형의 돌기 혹은 그루브가 회전축을 중심으로 형성되는 등으로, 임펠러 후면에 형성되는 간극을 좁혀 유입되는 냉매의 압력을 감소시키는 구성이 개시된 바 있다.

다만, 임펠러 후면의 압력 강하 효과를 높이기 위하여는 냉매 유로가 되는 표면을 복잡하고 미세하게 형성하여야 한다. 결과적으로, 미세한 유로 구조 형성을 위한 부품 가공 비용의 증대, 조립 정밀성의 증가 등으로 제작이 어렵게 되는 문제점이 있다.

이러한 배경 하에서, 보다 단순한 구조를 가지면서도 임펠러 후방 공간의 냉매 압력을 효과적으로 감소시킬 수 있는 터보 압축기 구조를 제공할 필요성이 있다.

본 발명의 첫 번째 목적은, 임펠러 후방 공간의 냉매 압력 상승을 제한하여 임펠러에 작용되는 추력을 저감하도록 구성되는 터보 압축기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 임펠러 후방에 별도의 공간을 형성하고 흡입구 측과 직접 연통시켜 추력을 저감하도록 이루어지는 터보 압축기를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 터보 압축기는,

본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 터보 압축기는, 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터에 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛; 상기 회전축과 연결되고, 전방에서 흡입되는 냉매를 상기 회전축의 반경방향으로 가압하도록 이루어지는 임펠러; 상기 임펠러의 후방에 위치하며, 상기 구동 유닛의 축방향 양측에 각각 구비되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 메인 프레임부 및 서브 프레임부를 구비하는 케이싱; 및 상기 임펠러와 상기 메인 프레임부 사이에 개재되어 상기 메인 프레임부와 이격되는 공간에 감압 챔버를 형성하고, 상기 회전축에 고정되도록 이루어지는 격리 플레이트를 포함한다.

상기 메인 프레임부는, 상기 임펠러에서 멀어질수록 상기 메인 프레임부의 외경이 점점 감소하도록 경사지게 형성되고, 상기 임펠러의 일부를 수용하도록 이루어지는 임펠러 수용홈; 및 상기 임펠러 수용홈에서 단차지게 형성되어 상기 격리 플레이트를 수용하고, 상기 격리 플레이트의 후방에 상기 감압 챔버를 형성하는 플레이트 수용홈을 구비할 수 있다.

상기 격리 플레이트의 외주면과 상기 플레이트 수용홈의 내주면 사이의 간격은, 상기 임펠러의 외주면과 상기 임펠러 수용홈 사이의 간격보다 작게 형성될 수 있다.

본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 터보 압축기는, 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터에 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛; 상기 회전축과 연결되고, 전방에서 흡입되는 냉매를 상기 회전축의 반경방향으로 가압하도록 이루어지는 임펠러; 상기 임펠러의 후방에 위치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 메인 프레임부를 구비하는 케이싱; 및 상기 임펠러와 상기 메인 프레임부 사이에 개재되어 상기 메인 프레임부와 이격되는 공간에 감압 챔버를 형성하고, 상기 회전축에 고정되도록 이루어지는 격리 플레이트를 포함하며, 상기 케이싱은, 상기 임펠러의 전방에서 냉매를 흡입하도록 이루어지는 흡입구; 및 일 단은 상기 감압 챔버와 연통되고 타 단은 상기 흡입구와 연통되도록, 상기 케이싱에 관통 형성되는 흡입압 유로를 구비한다.

상기 격리 플레이트는 상기 임펠러를 사이에 두고 상기 흡입구와 서로 나란하게 이격 배치되며, 상기 흡입구의 유로 단면적과 동일한 면적을 갖도록 형성될 수 있다.

상기 케이싱은, 상기 스테이터 및 로터를 수용하고, 상기 메인 프레임부를 구비하는 제1 쉘; 및 상기 제1 쉘을 내부에 수용하여 상기 제1 쉘과 이격되는 공간에 쉘 유로를 형성하고, 상기 임펠러의 전방에서 냉매를 흡입하도록 이루어지는 흡입구를 구비하는 제2 쉘을 포함하고, 상기 흡입압 유로는 상기 쉘 유로를 통과하는 연결 튜브를 구비할 수 있다.

상기 케이싱은, 상기 회전축의 외주면을 감싸도록 형성되어 상기 반경방향으로 지지하도록 형성되는 저널 베어링; 상기 회전축의 외주면에서 돌출 형성되는 스러스트 러너를 상기 회전축의 축방향으로 지지하도록 형성되는 스러스트 베어링을 구비하고, 상기 감압 챔버는 상기 저널 베어링 및 스러스트 베어링에 형성되는 베어링 간극들과 연통되도록 이루어질 수 있다.

상기 케이싱은, 상기 임펠러의 전방에서 냉매를 흡입하도록 이루어지는 흡입구; 및 상기 서브 프레임부의 내부 공간을 이루며, 상기 베어링 간극들을 경유하여 상기 감압 챔버와 연통되도록 형성되는 수용공간을 포함하고, 상기 수용공간은, 흡입압 유로에 의해 상기 흡입구에 연통될 수 있다.

이상에서 설명한 해결 수단에 의해 구성되는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫 번째, 본 발명의 터보 압축기는 임펠러의 후방에 격리 플레이트가 구비되어 감압 챔버를 형성한다. 이에 따라, 임펠러 후방 공간으로 흘러들어가는 냉매의 압력이 낮게 형성되어 임펠러에 작용되는 추력이 저감될 수 있다. 추력이 저감됨으로써, 스러스트 베어링에 작용되는 하중 및 마찰력이 감소되어 부품 경량화가 가능하고, 신뢰성이 향상될 수 있다. 아울러, 마찰에 의한 저항이 감소되어 터보 압축기의 효율이 증대될 수 있다.

아울러, 격리 플레이트와 플레이트 수용홈 사이의 간극을 좁게 형성함으로써, 감압 챔버의 압력 설정이 가능하다. 또한, 위 간극 설계에 의해, 임펠러와 격리 플레이트 사이 공간의 압력이 지나치게 감소되어 임펠러가 후방으로 밀리는 것이 방지될 수 있다.

또한, 격리 플레이트는 흡입구 단면적과 동일한 면적으로 형성됨으로써, 흡입되는 냉매에 의해 임펠러에 가해지는 힘과, 감압 챔버 내의 냉매에 의해 격리 플레이트에 가해지는 힘이 균형을 이룰 수 있다. 임펠러의 전후방에 가해지는 힘이 균형을 이루게 됨으로써, 추력이 제거되거나 감소될 수 있다.

두 번째, 본 발명에 따른 터보 압축기는 흡입압 유로에 의해 감압 챔버 내부의 압력이 흡입압 수준으로 형성될 수 있다. 따라서, 임펠러 후방 공간에 미세한 씰링 구조를 복잡하게 형성하지 않고도 감압 챔버 내부의 압력을 감압시킬 수 있다. 씰링 구조 형성을 위한 가공 비용 및 시간이 절감되고, 조립 편의성이 향상될 수 있다.

이때 흡입압 유로는, 냉매가 회전축을 회전 가능하게 지지하는 저널 베어링 및 스러스트 베어링의 표면을 통과하여 흡입구 측으로 흐르도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 추력 저감을 위한 흡입압 형성과 함께 베어링의 윤활면에 대한 윤활과 냉각이 수행될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 압축기를 보인 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 터보 압축기의 종단면도.
도 3은 도 2에 도시된 영역 A의 확대도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 압축기를 보인 종단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보 압축기를 보인 종단면도.

이하, 본 발명에 관련된 터보 압축기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 명세서에 개시된 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예들을 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.

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 압축기(100)를 보인 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 터보 압축기(100)의 종단면도이다. 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 터보 압축기(100)는, 구동 유닛(110), 임펠러(120) 및 케이싱(101)을 포함한다.

구동 유닛(110)은 냉매의 압축을 위하여 회전 구동력을 발생시키는 구성요소이다. 구동 유닛(110)은 고정되는 구성요소인 스테이터(111)와, 스테이터(111)의 내 측에 수용되어 스테이터(111)와의 상호 작용에 의해 회전되는 로터(112)를 구비한다. 그리고, 회전되는 로터(112)의 중심부에는 회전축(115)이 결합된다.

임펠러(120)는 냉매와 직접 접촉되어 냉매를 압축하는 역할을 수행하는 구성요소이다. 본 발명과 같은 터보 압축기(100)는, 회전축(115)의 축방향에서 유입되는 냉매를 임펠러(120)의 회전에 의해 회전축(115)의 반경방향으로 밀어내는 방식으로 압축할 수 있다. 임펠러(120)는 회전축(115)에 결합되어 일 방향으로 회전되며, 냉매가 유입되는 전방면에는 냉매를 가이드하도록 형성되는 날개부(121)가 형성될 수 있다. 그리고 임펠러(120)의 후방면에는 회전축(115)이 연장되어 구동 유닛(110)과 연결될 수 있다.

다만, 도 2에 도시된 것과 같이, 본 실시예는 단일 압축을 위한 하나의 임펠러(120)가 구비된 예를 개시하고 있으나, 본 발명은 압축비를 높이기 위하여 2개 이상의 임펠러가 구비된 터보 압축기에도 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 케이싱(101)은 구동 유닛(110)과 임펠러(120)가 수용되는 공간을 형성하며, 임펠러(120)에 의해 냉매가 흡입되어 압축된 뒤 토출되는 공간을 제공한다. 또한, 임펠러(120), 회전축(115) 및 로터(112) 등의 회전되는 구성요소가 궁극적으로 고정된 케이싱(101)에 의해 상대 회전 가능하게 지지될 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 압축기(100)는 케이싱(101)이 이중 쉘 구조를 갖는다. 즉, 도 2에 보인 것과 같이, 케이싱(101)은 제1 쉘(130) 및 제2 쉘(140)을 구비한다.

제1 쉘(130)은 구동 유닛(110)을 감싸 지지하는 내측 쉘에 해당한다. 제1 쉘(130)은 메인 프레임부(131), 개구부(132) 및 제1 연결부(133)를 구비할 수 있다. 메인 프레임부(131)는 회전축(115)을 회전 가능하게 지지하는 역할을 수행할 수 있다. 도 2에 도시된 것처럼, 메인 프레임부(131)는 제1 쉘(130)의 일 단부인 임펠러(120)와 구동 유닛(110) 사이에 개재될 수 있다. 메인 프레임부(131)의 중심부에는 메인 축구멍(131a)이 형성되고, 메인 축구멍(131a)에는 회전축(115)이 관통될 수 있다. 메인 축구멍(131a)의 내주면에는 회전축(115)을 회전 가능하게 지지하기 위한 저널 베어링(103)이 장착될 수 있다.

개구부(132)는, 구동 유닛(110)을 중심으로 메인 프레임부(131)가 형성되는 일 단부의 반대편인 타 단부에 형성될 수 있다. 개구부(132)는 대략 원통형으로 이루어져 제1 쉘(130)의 내부 공간을 개방하도록 이루어질 수 있다. 도 2에 보인 것처럼, 제1 연결부(133)는 개구부(132)가 형성되는 타 단부에 위치될 수 있다. 제1 연결부(133)는 개구부(132)의 외주 측에서 회전축(115)의 반경방향으로 돌출되고, 제1 쉘(130)의 둘레를 따라 링 형상으로 연장 형성될 수 있다.

제2 쉘(140)은 제1 쉘(130)과 이격된 공간에 쉘 유로(102)를 형성하는 외측 쉘에 해당한다. 구체적으로, 제2 쉘(140)은 제1 쉘(130)을 감싸도록 이루어지며, 제1 쉘(130)과 이격되도록 배치되어 그 이격되는 공간에 쉘 유로(102)를 형성한다. 제1 쉘(130)을 감싸도록 제2 쉘(140)은 대략 회전축(115)의 축방향으로 연장되는 형상으로 이루어질 수 있고, 이에 따라 쉘 유로(102)도 회전축(115)의 축방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.

제2 쉘(140)은 제1 쉘(130)과, 제1 쉘(130)의 외부에 배치되는 임펠러(120)를 수용하도록 이루어질 수 있다. 아울러, 제2 쉘(140)은 흡입구(141)와 토출구(142)를 구비할 수 있다. 흡입구(141)는 냉매가 흡입되도록 임펠러(120)의 전면을 바라보는 위치에 형성될 수 있다. 즉, 임펠러(120)에 구동 유닛(110)이 연결되는 후방 공간의 반대 편인, 날개부(121)가 형성된 임펠러(120)의 전방 공간에 형성될 수 있다. 흡입구(141)는 회전축(115)의 축방향과 나란하게 형성되는 원통형의 공간일 수 있다.

토출구(142)를 통하여는 압축된 냉매가 토출된다. 특히, 본 발명에서는 쉘 유로(102)를 통과한 냉매가 토출되도록 위치된다. 도시된 것처럼, 토출구(142)는 제2 쉘(140)의 외주면을 관통하도록 형성될 수 있고, 흡입구(141) 및 임펠러(120)와는 회전축(115)의 축방향으로 이격된 위치에 형성될 수 있다. 즉, 임펠러 하우징부(143)와 토출구(142) 사이에는 쉘 유로(102)가 위치되어, 임펠러(120)에 의해 가압되는 냉매가 쉘 유로(102)를 거쳐 토출구(142)로 토출될 수 있다.

한편, 제1 쉘(130)은 내측 원통부(134) 및 디퓨저부(135)를 구비할 수 있다. 내측 원통부(134)는, 구동 유닛(110)을 수용하도록 회전축(115)의 축방향으로 연장되는 원통 형상으로 이루어진다. 내측 원통부(134)의 내주면에는 스테이터(111)가 고정될 수 있다. 내측 원통부(134)의 일 단부에는 앞서 설명한 메인 프레임부(131), 타 단부에는 앞서 설명한 개구부(132) 및 제1 연결부(133)가 형성될 수 있다.

디퓨저부(135)는, 내측 원통부(134)의 외주면에서 경사지게 형성될 수 있다. 특히, 임펠러(120)로부터 멀어지는 방향으로 내측 원통부(134) 전체의 외경을 점진적으로 감소시키도록 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 디퓨저부(135)는 회전축(115)의 축방향으로 연장되면서 일정 각도로 구배를 형성하도록 이루어지는 부분이 될 수 있다.

다른 한편으로, 제2 쉘(140)은 임펠러 하우징부(143), 제2 연결부(144) 및 외측 원통부(145)를 구비할 수 있다. 임펠러 하우징부(143)는, 임펠러(120)가 위치되는 일 측에 형성되고 임펠러(120)를 둘러싸는 형상으로 이루어질 수 있다. 임펠러 하우징부(143)는 제2 쉘(140)의 일 단부에 형성되는 흡입구(141)와 연결되는 공간으로 이루어질 수 있다. 임펠러 하우징부(143)는 임펠러(120)를 수용하고, 임펠러(120)에 의해 가압되는 냉매를 가이드하는 형상을 가질 수 있다. 외측 원통부(145)는 제1 쉘(130)의 내측 원통부(134)를 감싸도록 형성되며, 임펠러 하우징부(143)와 제2 연결부(144) 사이를 연결하도록 연장 형성될 수 있다.

제2 연결부(144)는 임펠러 하우징부(143)가 형성되는 일 측의 반대편인 제2 쉘(140)의 타 측에 형성될 수 있다. 제2 연결부(144)는 제1 연결부(133)의 외주면과 대응되는 형상으로 이루어져, 제1 연결부(133)와 서로 고정 결합될 수 있다.

제2 연결부(144)는 제1 연결부(133)의 외주면에 결합되는 링부(142a)와, 제1 쉘(130)의 타 단부를 형성하는 제1 연결부(133)의 단부에 결합되는 플랜지부(142b)를 구비할 수 있다. 제2 연결부(144)의 링부(142a)와 플랜지부(142b)에 의해, 제2 쉘(140)은 제1 쉘(130)을 회전축(115)의 반경방향 및 축방향으로 지지할 수 있다.

이상에서 설명한 구성요소들을 중심으로 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 구동 유닛(110)에 전력이 공급됨으로써 회전축(115)이 회전되면, 임펠러(120)가 회전되기 시작한다. 임펠러(120)의 회전에 의해, 임펠러(120) 전방의 흡입구(141)에는 임펠러(120) 측을 향하는 압력 구배가 형성되고, 이에 의해 흡입 배관 및 흡입구(141)를 거쳐 냉매가 흡입된다.

대략 회전축(115)의 축방향으로 흡입된 냉매는 회전되는 임펠러(120)에 의해 회전축(115)의 반경방향으로 압축되어 흐르게 된다. 그리고 냉매는 임펠러(120)의 외주에 위치되는 제1 쉘(130)과 제2 쉘(140) 사이 공간인 쉘 유로(102)로 진입하여, 회전축(115)의 축방향으로 제1 쉘(130)의 외주면과 제2 쉘(140)의 내주면 사이로 흐르게 된다. 최종적으로, 냉매는 제2 쉘(140)에 마련되는 토출구(142)를 통하여 압축된 상태로 토출될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 터보 압축기(100)는 이중 쉘 구조에 의해 형성되는 쉘 유로(102)를 통과하여 흐른다. 쉘 유로(102)를 통과하면서, 냉매는 제1 쉘(130) 내부에 수용되는 스테이터(111) 및 로터(112)와 회전축(115)에서 발생되는 열을 회수하도록 작용될 수 있다. 즉, 냉매에 의해, 발열이 일어나는 구동 유닛(110)에 대한 냉각이 수행될 수 있다.

나아가, 디퓨저부(135)가 형성됨에 따라, 임펠러(120)에 의해 회전축(115)의 반경방향으로 가압된 냉매가 회전축(115)의 축방향으로 쉘 유로(102)를 따라 흐르면서 압축이 수행될 수 있게 된다. 이때, 도 2에 도시된 것처럼, 제1 및 제2 쉘(130, 140)은 반경방향 디퓨저(105)를 형성하도록 이루어질 수 있다. 임펠러(120)의 외주부에서 제1 쉘(130)의 메인 프레임부(131)를 따라 회전축(115)의 반경방향으로 연장되는 공간이 반경방향 디퓨저(105)가 될 수 있다.

따라서 도 2에 보인 것과 같이, 냉매는 임펠러(120)에 의해 가압되어 반경방향 디퓨저(105)를 통과하면서 일차적으로 압축되고, 회전축(115)의 축방향으로 연장되는 디퓨저부(135)를 통과하면서 압축이 계속 진행될 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 쉘(140)은 서브 프레임부(146)를 구비할 수 있다. 서브 프레임부(146)는 제2 연결부(144)가 결합되는 제2 쉘(140)의 타 측에 결합될 수 있다. 서브 프레임부(146)는 회전축(115)을 축방향 및 반경방향으로 지지하도록 이루어질 수 있다. 메인 프레임부(131)의 저널 베어링(103)과 유사하게, 서브 프레임부(146)는 회전축(115)이 관통 형성되는 서브 축구멍(146a)을 구비할 수 있다. 서브 축구멍(146a)의 내주면에는 회전축(115)을 반경방향으로 지지하도록 이루어지는 저널 베어링(103)이 장착될 수 있다.

또한, 서브 프레임부(146)는 스러스트 베어링(104)을 구비할 수 있다. 스러스트 베어링(104)은 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 동작 시, 임펠러(120) 전후방 공간의 냉매 압력 차에 의해 생성되는 추력(thrust)에 의한 변위를 제한하기 위한 구성요소이다.

회전축(115)의 변위를 제한하기 위하여, 회전축(115)에는 스러스트 러너(115a)가 고정 결합될 수 있다. 도 2에 보인 것과 같이, 스러스트 러너(115a)는 회전축(115)의 외주면에서 반경방향으로 돌출 형성되는 원판형의 부재일 수 있다.

스러스트 베어링(104)은 스러스트 러너(115a)가 회전 마찰되면서 지지될 수 있도록 이루어진다. 본 실시예에서 스러스트 베어링(104)은 서브 프레임부(146)와 제2 연결부(144)에 각각 형성되어 스러스트 러너(115a)를 전후 양 면에서 지지할 수 있도록 배치될 수 있다. 스러스트 베어링(104)에 의해, 본 실시예의 임펠러(120)에서 회전축(115)의 축방향(예를 들면, 도 2의 하 측에서 상 측으로 향하는 방향)으로 생성되는 추력에 의한 변위가 제한될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 터보 압축기(100)는 고속 회전을 구현하기 위하여, 도시된 바와 같이 가스 베어링이 채용될 수 있다. 구체적으로, 저널 베어링(103)과 스러스트 베어링(104) 각각은, 범프 포일(bump foil)과 탑 포일(top foil)을 구비할 수 있다. 회전축(115) 또는 스러스트 러너(115a)의 고속 회전 시 범프 포일이 탄성적으로 눌려, 탑 포일과 회전축(115) 사이에 공기 층인 베어링 간극이 형성되고, 베어링 간극에 의해 회전축(115)이 지지되는 형태로 동작될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 영역 A의 확대도이다. 이하에서는 도 2 및 3을 참조하여, 본 발명의 터보 압축기(100)가 스러스트 베어링(104)에 작용되는 추력 부담을 완화할 수 있도록 이루어지는 구조에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터보 압축기(100)는 격리 플레이트(150)를 더 포함한다. 도 3에 자세히 보인 것처럼, 격리 플레이트(150)는 임펠러(120)와 메인 프레임부(131) 사이에 개재되도록 회전축(115)에 고정된다. 그리고 격리 플레이트(150)는 메인 프레임부(131)와 이격되는 공간에 감압 챔버(106)를 형성하도록 이루어진다. 격리 플레이트(150)는 중심부에 회전축(115)이 관통되어 결합되는 원판형으로 이루어질 수 있다.

격리 플레이트(150)가 수용되기 위하여, 메인 프레임부(131)에는 임펠러 수용홈(131a) 및 플레이트 수용홈(131b)이 형성될 수 있다. 임펠러 수용홈(131a)은 메인 프레임부(131)에서 임펠러(120)를 향하는 면에서 단차지게 형성되고, 임펠러(120)의 일부를 수용할 수 있다. 즉, 임펠러 수용홈(131a)은 임펠러(120)의 후면과 마주보도록 형성될 수 있다. 도시된 것처럼, 임펠러 수용홈(131a)은 임펠러(120)의 직경보다 크게 형성됨으로써, 임펠러 수용홈(131a)은 임펠러(120)의 외주면을 통하여 임펠러 하우징부(143) 및 흡입구(141) 공간과 연통될 수 있다.

플레이트 수용홈(131b)은 임펠러 수용홈(131a)에서 단차지게 형성되어 격리 플레이트(150)를 수용하도록 이루어질 수 있다. 또한, 격리 플레이트(150)의 후방에 감압 챔버(106)를 형성하도록 이루어질 수 있다. 즉, 임펠러 수용홈(131a)의 바닥면을 격리 플레이트(150)가 이격되어 오버랩함으로써, 감압 챔버(106)가 형성될 수 있다. 이때, 격리 플레이트(150)는 회전축(115)과 함께 회전되므로, 격리 플레이트(150)의 외주면과 임펠러 수용홈(131a)의 내주면은 서로 이격되도록 위치될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 터보 압축기(100)는 임펠러(120)의 후방에서 회전되는 격리 플레이트(150)에 의해 감압 챔버(106) 공간히 형성된다. 이에 따라, 임펠러(120) 후방 공간으로 흘러 들어가는 냉매의 압력이 낮게 형성되어 임펠러(120)에 작용되는 추력이 저감될 수 있다.

특히, 임펠러 수용홈(131a)과 임펠러(120) 사이 공간으로 냉매가 흘러 들어가면서 일차적인 감압이 이루어진 냉매가, 플레이트 수용홈(131b)과 격리 플레이트(150) 사이를 통하여 감압 챔버(106)로 흘러 들어가면서 더욱 감압될 수 있다. 나아가, 격리 플레이트(150)가 회전되면서 생성되는 원심력은, 격리 플레이트(150)의 외주면과 플레이트 수용홈(131b) 사이의 공간으로 냉매가 침투되는데 저항으로 작용될 수 있게 된다.

임펠러(120)에 작용되는 추력이 저감됨으로써, 스러스트 베어링(104)에 작용되는 하중 및 마찰력이 감소되어 부품 경량화가 가능하고, 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, 마찰에 의한 저항이 감소되어, 압축기의 구동 시 효율이 증대될 수 있다.

한편, 격리 플레이트(150)의 외주면은 플레이트 수용홈(131b)의 내주면과 마주보고, 임펠러(120)의 외주면의 적어도 일부는 임펠러 수용홈(131a)의 내주면과 마주보도록 배치된다. 그리고 이들 서로 마주보는 틈을 통하여 냉매가 흘러 임펠러(120)의 후방 공간을 채우게 된다.

이때, 격리 플레이트(150)의 외주면과 플레이트 수용홈(131b)의 내주면 사이의 간격과 임펠러(120)의 외주면과 임펠러 수용홈(131a)의 내주면 사이의 간격 설계에 의해, 감암 챔버의 압력이 조절될 수 있다. 본 실시예에서는, 격리 플레이트(150)의 외주면과 플레이트 수용홈(131b)의 내주면 사이의 간격(b)은, 임펠러(120)의 외주면과 임펠러 수용홈(131a) 사이의 간격(a)보다 작게 형성될 수 있다.

격리 플레이트(150)와 플레이트 수용홈(131b) 사이의 반경방향 간극(b)이 임펠러(120)와 임펠러 수용홈(131a) 사이의 반경방향 간극(a)보다 작게 형성되면, 감압 챔버(106) 내에 형성되는 냉매의 압력은 임펠러(120)와 격리 플레이트(150) 사이 공간의 냉매 압력보다 더 낮게 유지될 수 있다. 이에 따라 임펠러(120) 후방 공간의 냉매 압력을 충분히 낮출 수 있어, 추력 감소 효과가 더욱 향상될 수 있다. 아울러, 후술하는 것과 같이 감압 챔버(106)가 흡입구(141)와 연통되도록 구성되는 경우에, 임펠러(120)와 격리 플레이트(150) 사이 공간의 냉매 압력까지 지나치게 감소되어 임펠러(120)가 오히려 후방으로 밀릴 수 있는 상황이 방지될 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 감압 챔버(106)와 흡입구(141)가 서로 연통되도록 이루어지는 구성에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 터보 압축기(100)의 케이싱(101)은, 흡입압 유로(160)를 더 구비할 수 있다. 흡입압 유로(160)는 일 단이 감압 챔버(106)와 연통되고 타 단이 흡입구(141)와 연통되도록 이루어질 수 있다. 도 2에 보인 것처럼, 흡입압 유로(160)의 일부는 케이싱(101)을 관통하도록 형성될 수 있다. 그리고 다른 일부는, 케이싱(101)의 외부 공간을 따라 연장되어 흡입구(141)로 냉매가 유입되는 흡입 배관(10)과 서로 연결되도록 이루어질 수 있다. 또한, 흡입압 유로(160)는, 제1 쉘(130)과 제2 쉘(140) 사이의 쉘 유로(102)를 통과하는 연결 튜브(161)를 구비할 수 있다. 본 실시예에서 연결 튜브(161)는, 디퓨저부(135)가 형성되는 내측 원통부(134)와 외측 원통부(145) 사이 공간에 장착될 수 있다.

흡입압 유로(160)에 의해, 감압 챔버(106) 내부 공간의 냉매는 흡입압 또는 그와 유사한 수준의 압력을 갖도록 유지될 수 있다. 냉매는 흡입압 유로(160)를 통하여, 흡입 배관(10)으로부터 감압 챔버(106)로 흐를 수 있고 또는 반대로 감압 챔버(106)로부터 흡입 배관(10) 측으로 흐를 수 있다. 흡입압 유로(160)에서 냉매가 흐르는 방향은, 압축기의 운전 상황이나 격리 플레이트(150)와 플레이트 수용홈(131b) 사이의 간격 설정 등에 따라 변화될 수 있다.

결과적으로 흡입압 유로(160)에 의한 냉매 교환에 의해, 감압 챔버(106) 내부 공간은 냉매 압력이 낮게 유지될 수 있다. 특히, 종래와 같이 임펠러(120)에 의해 압축된 냉매의 압력을 감소시키고자 임펠러(120) 후방 공간에 미세한 씰링 구조를 복잡하게 형성하지 않고도, 감압 챔버(106) 내부의 압력을 감압시킬 수 있다. 따라서, 씰링 구조 형성을 위한 가공 비용 및 시간이 절감되고, 조립 편의성이 향상될 수 있는 이점이 있다.

앞서 설명한 바와 같이 감압 챔버(106) 내부의 냉매 압력을 흡입압 수준으로 형성하는 경우, 격리 플레이트(150)의 크기 및 형상은 흡입구(141)의 크기 및 형상을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들면, 격리 플레이트(150)는 임펠러(120)를 사이에 두고 상기 흡입구(141)와 서로 나란하게 이격 배치되며, 상기 흡입구(141)의 유로 단면적과 동일한 면적을 갖도록 형성될 수 있다.

더 구체적으로는, 감압 챔버(106) 내의 냉매에 의해 격리 플레이트(150)의 후면이 가압되는 힘과, 냉매가 흡입구(141)를 통하여 흡입되어 임펠러(120)의 전면에 가해지는 힘이 서로 균형을 이루도록 설계될 수 있다. 이때, 감압 챔버(106) 내의 냉매 압력이 흡입구(141)의 냉매 압력과 균형을 이루는 경우에는 흡입구(141)가 임펠러(120)의 날개부(121)와 맞닿는 부분의 내경(d1)과 격리 플레이트(150)의 직경(d2)은 서로 동일한 값을 갖도록 설계될 수 있다.

다만, 감압 챔버(106) 내에 형성되는 냉매 압력과, 회전축(115)의 단면적만큼의 면적도 고려하여 임펠러(120)의 전방과 격리 플레이트(150)의 후방에 가해지는 힘이 동일하게 형성시킬 수 있는 최적의 격리 플레이트(150) 직경을 산출할 수 있다.

위와 같은 설계에 의해, 임펠러(120)의 전방에 가해지는 힘과 격리 플레이트(150)의 후방에 가해지는 힘이 서로 균형을 이루게 되면, 추력이 극히 감소되거나 제거될 수 있어 본 발명의 효과가 극대화될 수 있다.

이상에서는 격리 플레이트(150)에 의해 감압 챔버(106)를 형성하고, 감압 챔버(106)의 압력을 흡입 냉매의 압력과 유사하게 조절할 수 있는 구성 및 효과에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 다른 실시예 및 또 다른 실시예를 들어, 흡입압 유로(160)의 다양한 실시예에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 압축기(200)를 보인 종단면도이다. 본 발명의 다른 실시예는, 흡입압 유로(260)가 케이싱(101) 내부에 형성됨으로써 압축기 배관 구조가 간결하게 구현될 수 있는 예이다.

도 4를 참조하면, 흡입압 유로(260)는 제1 쉘(130) 및 제2 쉘(140)을 각각 관통하도록 이루어질 수 있다. 구체적으로 흡입압 유로(260)는, 감압 챔버(106)를 형성하는 제1 쉘(130)의 메인 프레임부(131)와, 임펠러(120)를 수용하는 제2 쉘(140)의 임펠러 하우징부(143)를 관통하여 흡입구(141)와 연통되도록 형성될 수 있다. 이때 흡입압 유로(260)는, 제1 쉘(130)과 제2 쉘(140) 사이의 쉘 유로(102) 공간을 통과하는 연결 튜브(261)를 구비할 수 있다. 도 4의 실시예에서 연결 튜브(261)는, 쉘 유로(102) 중에서도 반경방향 디퓨저(105) 공간을 통과하도록 회전축(115)의 축방향으로 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라 흡입압 유로(260)가 케이싱(101) 내부에 형성되면, 앞선 일 실시예와 달리 케이싱(101) 외부를 연결하는 배관 구조가 생략될 수 있다. 별도의 외부 배관을 설치함에 따른 냉매 누설 가능성이 제거될 수 있고, 압축기 설치 공간이 절약될 수 있는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터보 압축기(300)를 보인 종단면도이다. 본 발명의 또 다른 실시예는 흡입압 유로(360) 배치에 의하여 베어링부의 윤활면 형성 및 냉각이 이루어질 수 있도록 이루어진다.

도 5에 도시된 것과 같이, 본 실시예는 흡입압 유로(360)의 일부가 케이싱(101)의 외부에 형성될 수 있다. 다만, 흡입압 유로(360)는 케이싱(101)의 내부에서 서브 프레임부(346)의 수용공간(347)을 통하여 감압 챔버(106)와 연통될 수 있다.

앞서 설명한 일 실시예와 동일하게, 본 실시예의 제2 쉘(140)의 타 단에는 서브 프레임부(346)가 결합된다. 그리고, 서브 프레임부(346)는 제2 쉘(140)의 제2 연결부(144)와 함께, 회전축(115)에 고정되는 스러스트 러너(115a)를 지지하는 스러스트 베어링(104)을 구비할 수 있다. 또한, 서브 프레임부(346)는 회전축(115)을 반경방향으로 지지하는 저널 베어링(103)을 구비할 수 있다.

본 발명에서 스러스트 베어링(104) 및 저널 베어링(103)은, 앞서 설명한 바와 같이 냉매 및 오일에 의해 베어링 간극을 형성하는 가스 베어링으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 터보 압축기(300)의 작동 시, 감압 챔버(106)로부터 위 베어링 간극들을 거쳐 냉매가 흐를 수 있다.

본 실시예에서 수용공간(347)은 위 저널 베어링(103) 및 스러스트 베어링(104)의 윤활면을 통과한 냉매가 모이도록 이루어지는 서브 프레임부(346)의 내부 공간일 수 있다. 아울러, 도 5에 보인 것처럼, 흡입압 유로(360)는 수용공간(347)과 흡입구(141, 또는 흡입배관(10))를 서로 연통시키도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 수용공간(347)의 냉매는 흡입압 유로(160)를 거쳐 흡입구(141) 측과 연통되어 흡입압 수준의 압력을 형성할 수 있다. 그리고 수용공간(347)과 연통되는 감압 챔버(106) 내부도 흡입구(141) 수준의 냉매 압력을 갖게 될 수 있다.

감압 챔버(106)와 흡입구(141)가 저널 베어링 및 스러스트 베어링(104)을 거쳐 수용공간(347) 및 흡입압 유로(360)에 의해 서로 연통됨으로써, 임펠러(120) 후방의 냉매 압력 감소 효과와 함께 가스 베어링 윤활면의 지지 및 냉각이 수행될 수 있다. 냉각 효과가 향상됨으로써, 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 효율이 향상될 수 있는 이점이 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 터보 압축기를 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100, 200, 300: 터보 압축기 101: 케이싱
102: 쉘 유로 103: 저널 베어링
104: 스러스트 베어링 105: 반경방향 디퓨저
106: 감압 챔버 110: 구동 유닛
111: 스테이터 112: 로터
115: 회전축 120: 임펠러
121: 날개부 130: 제1 쉘
131: 메인 프레임부 131a: 임펠러 수용홈
131b: 플레이트 수용홈 131c: 메인 축구멍
132: 개구부 133: 제1 연결부
134: 내측 원통부 135: 디퓨저부
140: 제2 쉘 141: 흡입구
142: 토출구 143: 임펠러 하우징부
144: 제2 연결부 145: 외측 원통부
146, 346: 서브 프레임부 146a, 346a: 서브 축구멍
150: 격리 플레이트 160, 260, 360: 흡입압 유로
161, 261: 연결 튜브 347: 수용공간

Claims (8)

1. 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터에 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛;
   상기 회전축과 연결되고, 전방에서 흡입되는 냉매를 상기 회전축의 반경방향으로 가압하도록 이루어지는 임펠러;
   상기 임펠러의 후방에 위치하며, 상기 구동 유닛의 축방향 양측에 각각 구비되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 메인 프레임부 및 서브 프레임부를 구비하는 케이싱; 및
   상기 임펠러와 상기 메인 프레임부 사이에 개재되어 상기 메인 프레임부와 이격되는 공간에 감압 챔버를 형성하고, 상기 회전축에 고정되도록 이루어지는 격리 플레이트를 포함하는 터보 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 메인 프레임부는,
   상기 임펠러에서 멀어질수록 상기 메인 프레임부의 외경이 점점 감소하도록 경사지게 형성되고, 상기 임펠러의 일부를 수용하도록 이루어지는 임펠러 수용홈; 및
   상기 임펠러 수용홈에서 단차지게 형성되어 상기 격리 플레이트를 수용하고, 상기 격리 플레이트의 후방에 상기 감압 챔버를 형성하는 플레이트 수용홈을 구비하는 터보 압축기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 격리 플레이트의 외주면과 상기 플레이트 수용홈의 내주면 사이의 간격은, 상기 임펠러의 외주면과 상기 임펠러 수용홈 사이의 간격보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 케이싱은,
   상기 임펠러의 전방에서 냉매를 흡입하도록 이루어지는 흡입구; 및
   일 단은 상기 감압 챔버와 연통되고 타 단은 상기 흡입구와 연통되도록, 상기 케이싱에 관통 형성되는 흡입압 유로를 구비하는 터보 압축기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 격리 플레이트는 상기 임펠러를 사이에 두고 상기 흡입구와 서로 나란하게 이격 배치되며, 상기 흡입구의 유로 단면적과 동일한 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
6. 제4항에 있어서,
   상기 케이싱은,
   상기 스테이터 및 로터를 수용하고, 상기 메인 프레임부를 구비하는 제1 쉘; 및
   상기 제1 쉘을 내부에 수용하여 상기 제1 쉘과 이격되는 공간에 쉘 유로를 형성하고, 상기 임펠러의 전방에서 냉매를 흡입하도록 이루어지는 흡입구를 구비하는 제2 쉘을 포함하고,
   상기 흡입압 유로는 상기 쉘 유로를 통과하는 연결 튜브를 구비하는 터보 압축기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 케이싱은,
   상기 회전축의 외주면을 감싸도록 형성되어 상기 반경방향으로 지지하도록 형성되는 저널 베어링;
   상기 회전축의 외주면에서 돌출 형성되는 스러스트 러너를 상기 회전축의 축방향으로 지지하도록 형성되는 스러스트 베어링을 구비하고,
   상기 감압 챔버는 상기 저널 베어링 및 스러스트 베어링에 형성되는 베어링 간극들과 연통되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 케이싱은,
   상기 임펠러의 전방에서 냉매를 흡입하도록 이루어지는 흡입구; 및
   상기 서브 프레임부의 내부 공간을 이루며, 상기 베어링 간극들을 경유하여 상기 감압 챔버와 연통되도록 형성되는 수용공간을 포함하고,
   상기 수용공간은,
   흡입압 유로에 의해 상기 흡입구에 연통되는 터보 압축기.

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