KR102449975B1

KR102449975B1 - 인버터 일체형 공기 압축기

Info

Publication number: KR102449975B1
Application number: KR1020200189135A
Authority: KR
Inventors: 이충희; 황순호; 김영상
Original assignee: 주식회사 뉴로스
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-10-06
Also published as: KR20220096567A

Abstract

본 발명의 인버터 일체형 공기 압축기는, 임펠러의 공기 토출 측에서 일부 공기가 임펠러와 모터 하우징의 틈새를 통해 모터 하우징의 내부로 유입되어 모터의 내부를 냉각 시킨 후, 모터의 냉각에 이용한 공기가 모터에 일체로 구성된 제1공기 냉각부 및 제2공기 냉각부를 차례로 거치며 냉각되도록 한 다음, 리턴관을 통해 임펠러의 공기 유입구 측으로 유입되도록 구성되며, PCB 기판 및 이에 결합된 IGBT를 포함한 인버터가 모터 하우징의 외주면측에 배치되어, 공기 압축기의 외부로 냉각 공기를 배출하지 않으면서 모터 및 베어링 등을 효과적으로 냉각시킬 수 있고, 아울러 인버터가 일체로 구비된 공기 압축기를 컴팩트한 사이즈로 제작할 수 있으며 인버터의 냉각이 용이한 인버터 일체형 공기 압축기에 관한 것이다.

Description

인버터 일체형 공기 압축기 {Inverter integrated air compressor}

본 발명은 임펠러의 회전에 의해 흡입되는 공기를 압축하여 송출하는 공기 압축기에 있어서, 인버터가 일체로 내장되어 있는 인버터 일체형 공기 압축기에 관한 것이다.

공기 압축기는 흡입된 유체를 임펠러를 이용해 승압하여 공급할 수 있도록 유체의 에너지를 발생시키는 기계장치이다. 그리고 공기 압축기는 일반적으로 인버터에 의해 고속으로 회전 가능한 고속모터가 구비되며, 고속 회전을 위해 에어 포일 저널 베어링 및 에어포일 스러스트 베어링이 장착되어 사용되고 있다.

이러한 공기 압축기는 외관을 형성하는 본체와 본체의 내부에 구비되어 흡입된 공기를 가압하는 임펠러를 포함한 구동부 및 이를 제어할 수 있는 제어부로 구성되며, 본체에 형성된 공기 흡입구를 통해 본체의 내부로 유입된 공기는 임펠러를 통해 특정한 압력 이상으로 가압된 후 공기 배출구를 통해 배출되도록 구성된다.

여기에서 공기 압축기는 일반적인 모터에 비해 고속으로 회전되므로 에어 포일 베어링들에서 많은 열이 발생하고 모터의 회전자 및 고정자에서도 많은 열이 발생하므로 이에 대한 냉각이 필수적이다.

이를 위해 종래의 공기 압축기는 냉각을 위한 냉각 유로 구조가 형성되어 있으나, 모터 및 각각의 에어 포일 베어링들을 효과적으로 냉각하기 어려웠으며, 이에 따라 공기 압축기 내부 부품들의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 냉각 유로 구조가 필요하다.

그리고 공기 압축기에는 일반적으로 BLDC(brushless direct current)가 사용되며 BLDC 모터의 제어를 위해 인버터가 일체로 장착된다. 그런데 인버터 일체형 공기 압축기는 회전축의 일측에 임펠러가 장착되어 있고, 인버터의 냉각을 위해 임펠러의 반대측 위치에 인버터가 구비되어 있다. 이에 따라 공기 압축기의 전체적인 길이가 길어져 컴팩트한 구성이 어렵고 인버터의 냉각에도 어려움이 있다.

KR 10-2020-0081251 A (2020.07.07.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모터를 냉각시킨 냉각 공기를 공기 압축기의 외부로 배출하지 않으면서 모터 및 베어링 등을 효과적으로 냉각시킬 수 있고, 아울러 인버터가 일체로 구비된 공기 압축기를 컴팩트한 사이즈로 제작할 수 있으며 인버터의 냉각이 용이한 인버터 일체형 공기 압축기를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인버터 일체형 공기 압축기는, 내부에 고정자 및 회전자가 구비되며, 상기 회전자가 회전 가능하게 결합된 모터 하우징; 상기 모터 하우징의 일측에 결합되고, 내부와 연통된 공기 유입구 및 공기 토출구가 형성되며, 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 임펠러 하우징; 상기 임펠러 하우징의 내부에 구비되고, 상기 회전자의 일단에 결합된 임펠러; 상기 모터 하우징의 타측에 결합되고, 내부에 제1냉각 공기유로가 형성되며, 상기 제1냉각 공기유로와 연통된 입구 및 출구가 형성되며, 상기 입구가 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 제1공기 냉각부; 상기 모터 하우징을 통과하는 냉각수 유로 및 상기 냉각수 유로에 인접하여 상기 모터 하우징을 통과하는 제2냉각 공기유로를 포함하며, 상기 제2냉각 공기 유로의 일단이 상기 제1냉각 공기유로의 출구에 연결된 제2공기 냉각부; 일단이 상기 제2냉각 공기유로의 타단에 연결되고, 타단은 상기 임펠러 하우징의 공기 유입구에 연결된 리턴관; 및 PCB 기판 및 상기 PCB 기판에 결합된 IGBT를 포함하고, 상기 모터 하우징의 외주면측에 배치되어 모터 하우징에 결합된 인버터; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 인버터는 PCB 기판 및 IGBT가 모터 하우징의 중심축 방향과 나란하게 배치되며, 상기 PCB 기판와 IGBT는 특정 각도 꺾인 형태로 배치될 수 있다.

또한, 상기 냉각수 유로는 모터 하우징의 원주방향을 따라 코러게이트(corrugate) 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 인버터에 구비되며 상기 냉각수 유로에 연결된 냉각 플레이트를 더 포함하여 이루어지고, 상기 IGBT는 모터 하우징과 냉각 플레이트 사이에 개재되어, 상기 IGBT의 일면은 모터 하우징의 외주면에 접촉되고 타면은 냉각 플레이트에 접촉될 수 있다.

또한, 상기 임펠러의 공기 토출 측에서 임펠러와 모터 하우징 사이의 틈새를 통해 상기 모터 하우징의 내부로 유입된 공기가, 상기 모터 하우징 내부를 통과하면서 고정자 및 회전자와 열교환되어 가열된 후 상기 제1공기 냉각부로 유입되어 외부로 방열하여 1차로 공기가 냉각되며, 그 후 제2공기 냉각부를 통과하며 냉각수에 의해 2차로 공기가 냉각된 다음, 상기 리턴관을 통해 상기 임펠러 하우징의 공기 유입구 측으로 공기가 유입될 수 있다.

또한, 상기 제1공기 냉각부는, 상기 제1냉각 공기유로를 형성하는 내면에 복수의 방열핀이 돌출 형성될 수 있다.

또한, 상기 모터 하우징의 양측에 형성된 베어링 장착부에 결합되고, 상기 회전자의 양측에 이격되게 배치되며, 상기 회전자가 회전 가능하도록 반경방향 하중을 지지하는 한 쌍의 에어 포일 저널 베어링; 상기 회전자의 타단에 결합되며, 상기 모터 하우징의 타측 베어링 장착부와 제1공기 냉각부 사이에 배치된 스러스트 러너; 및 상기 스러스트 러너에 인접한 베어링 장착부와 스러스트 러너 사이 및 상기 스러스트 러너와 제1공기 냉각부 사이에 개재되어, 상기 스러스트 러너가 회전 가능하도록 축방향 하중을 지지하는 한 쌍의 에어 포일 스러스트 베어링; 을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 임펠러의 공기 토출 측에서 임펠러와 모터 하우징 사이의 틈새를 통과한 공기는 일측에 배치된 에어 포일 저널 베어링, 상기 고정자와 회전자 사이, 타측에 배치된 에어 포일 저널 베어링, 상기 한 쌍의 에어 포일 스러스트 베어링 중 어느 하나 이상의 에어 포일 스러스트 베어링을 차례로 통과한 후, 상기 제1공기 냉각부로 유입될 수 있다.

또한, 상기 모터 하우징 양측의 베어링 장착부에는 각각 양면을 관통하는 관통공이 형성되고, 상기 임펠러의 공기 토출 측에서 임펠러와 모터 하우징 사이의 틈새를 통과한 공기는 일측에 배치된 에어 포일 저널 베어링 및 일측의 관통공을 통과하도록 분기되며, 상기 고정자와 회전자 사이를 통과한 공기는 타측에 배치된 에어 포일 저널 베어링 및 타측의 관통공을 통과하도록 분기될 수 있다.

또한, 상기 제1공기 냉각부는, 상기 스러스트 러너와 마주보는 측면의 중앙부에 내부와 외부를 관통하는 개구가 형성되며, 상기 개구가 스러스트 러너의 타측에 배치된 에어 포일 스러스트 베어링 측과 연통될 수 있다.

그리고 본 발명의 인버터 일체형 공기 압축기는, 내부에 고정자 및 회전자가 구비되고 상기 회전자가 회전 가능하게 결합되며, 내부를 통과하는 냉각수 유로가 형성된 모터 하우징; 상기 모터 하우징의 일측에 결합되고, 내부와 연통된 공기 유입구 및 공기 토출구가 형성되며, 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 임펠러 하우징; 상기 임펠러 하우징의 내부에 구비되고, 상기 회전자의 일단에 결합된 임펠러; 상기 모터 하우징의 타측에 결합되고, 내부에 냉각 공기유로가 형성되며, 상기 냉각 공기유로와 연통된 입구 및 출구가 형성되며, 상기 입구가 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 공기 냉각부; 및 PCB 기판 및 상기 PCB 기판에 결합된 IGBT를 포함하고, 상기 모터 하우징의 외주면측에 배치되어 모터 하우징에 결합된 인버터; 를 포함하여 이루어지고, 상기 공기 냉각부의 출구는 상기 회전자의 회전축과 마주보는 측면의 중앙부에 내부와 외부를 관통하여 형성되며, 상기 회전자의 회전축은 축방향으로 양면을 관통하는 리턴 유로가 형성되어, 상기 리턴 유로의 일단이 상기 공기 냉각부의 출구와 연결되고 타단은 상기 임펠러 하우징의 공기 유입구에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 인버터 일체형 공기 압축기는, 내부에 고정자 및 회전자가 구비되고 상기 회전자가 회전 가능하게 결합되며, 내부를 통과하는 냉각수 유로가 형성된 모터 하우징; 상기 모터 하우징의 일측에 결합되고, 내부와 연통된 공기 유입구 및 공기 토출구가 형성되며, 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 제1임펠러 하우징; 상기 제1임펠러 하우징의 내부에 구비되고, 상기 회전자의 일단에 결합된 제1임펠러; 상기 모터 하우징의 타측에 결합되고, 내부에 제1냉각 공기유로가 형성되며, 상기 제1냉각 공기유로와 연통된 입구 및 출구가 형성되며, 상기 입구가 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 제1공기 냉각부; 상기 모터 하우징을 통과하는 냉각수 유로 및 상기 냉각수 유로에 인접하여 상기 모터 하우징을 통과하는 제2냉각 공기유로를 포함하며, 상기 제2냉각 공기 유로의 일단이 상기 제1냉각 공기유로의 출구에 연결된 제2공기 냉각부; 일단이 상기 제2냉각 공기유로의 타단에 연결되고, 타단은 상기 제1임펠러 하우징의 공기 유입구에 연결된 리턴관; 상기 모터 하우징의 타측에 상기 제1공기 냉각부의 바깥쪽에 결합되며, 내부와 연통된 공기 유입구 및 공기 토출구가 형성된 제2임펠러 하우징; 상기 제2임펠러 하우징의 내부에 구비되고, 상기 회전자의 타단에 결합된 제2임펠러; 및 PCB 기판 및 상기 PCB 기판에 결합된 IGBT를 포함하고, 상기 모터 하우징의 외주면측에 배치되어 모터 하우징에 결합된 인버터; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 인버터 일체형 공기 압축기는 모터의 고정자 및 회전자, 에어 포일 저널 베어링 및 에어 포일 스러스트 베어링들의 냉각 효과가 개선되고, 모터의 내부를 냉각시킨 냉각 공기를 공기 압축기의 외부로 배출하지 않으므로 외부 공기가 오염되지 않을 수 있으며, 공기 압축기가 장착되는 설비 또는 설치 공간에 별도의 공기 배출 구조가 필요 없는 장점이 있다.

또한, 인버터가 일체로 구비된 공기 압축기를 컴팩트한 사이즈로 제작할 수 있으며 인버터의 냉각이 용이한 장점이 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기를 나타낸 사시도, 좌측면도, 정면도 및 우측면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기의 평면단면도 및 정면단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기의 PCB 기판 및 IGBT를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기의 상부 커버를 제거한 상태를 나타낸 상측 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기를 나타낸 평면 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기를 나타낸 평면 단면도이다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 인버터 일체형 공기 압축기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기를 나타낸 사시도, 좌측면도, 정면도 및 우측면도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기의 평면단면도 및 정면단면도이며, 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기의 PCB 기판 및 IGBT를 나타낸 사시도이며, 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기의 상부 커버를 제거한 상태를 나타낸 상측 평면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기는, 크게 모터 하우징(100), 고정자(200), 회전자(300), 임펠러(400), 임펠러 하우징(410), 제1공기 냉각부(600), 제2공기 냉각부(700), 리턴관(800) 및 인버터(900)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 인버터 일체형 공기 압축기는 한 쌍의 에어 포일 저널 베어링(510, 520), 스러스트 러너(311) 및 한 쌍의 에어 포일 스러스트 베어링(530, 540)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

모터 하우징(100)은 공기 압축기의 외형을 형성하는 부분이며, 몸체 및 몸체의 양단에 결합된 한 쌍의 베어링 장착부를 포함하여 구성될 수 있다. 모터 하우징(100)의 몸체는 내부가 비어있으며 길이방향의 양단이 개방된 대략 원통형으로 형성될 수 있으며, 몸체의 일단에 전방측 베어링 장착부(110)가 결합되고 타단에 후방측 베어링 장착부(120)가 결합될 수 있다. 여기에서 전방측은 도면에서 길이방향의 우측인 외부에서 공기가 유입되는 쪽인 임펠러 하우징(410)의 유입구(411) 쪽이며, 후방측은 도면에서 길이방향의 좌측인 제1공기 냉각부(600)가 있는 쪽이 될 수 있다. 그리고 전방측 베어링 장착부(110) 및 후방측 베어링 장착부(120)는 몸체의 개방된 단부를 덮어 막는 커버 형태로 형성될 수 있으며, 각각 중앙에 양면을 관통하는 구멍이 형성될 수 있다. 그리하여 전방측 베어링 장착부(110)의 구멍에 전방측 에어 포일 저널 베어링(510)이 삽입되어 장착되고, 후방측 베어링 장착부(120)의 구멍에 후방측 에어 포일 저널 베어링(520)이 삽입되어 장착될 수 있다. 또한, 전방측 베어링 장착부(110)에는 양면을 관통하는 관통공(111)이 형성될 수 있으며, 관통공(111)은 전방측 에어 포일 저널 베어링(510)이 장착되는 구멍보다 반경방향 바깥쪽에 위치하고 임펠러(400)의 외경보다는 반경방향 바깥쪽 또는 안쪽에 위치할 수 있다. 또한, 후방측 베어링 장착부(120)에는 양면을 관통하는 관통공(121)이 형성될 수 있으며, 관통공(121)은 스러스트 러너(311)의 외경보다 반경방향 바깥쪽 또는 안쪽에 위치할 수 있다.

고정자(200)는 모터 하우징(100)의 내부에 구비되고, 고정자(200)는 모터 하우징(100)의 내주면에 접하여 고정될 수 있다. 그리고 고정자(200)는 코어에 코일이 권취되어 코일의 엔드턴이 전방측과 후방측을 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 고정자(200)는 중앙부가 양면을 관통하여 뚫려있는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 고정자(200)는 코어의 티스들에 코일이 권취되어 있으며, 코일이 권취된 티스들은 원주방향으로 이격되게 배열되어 티스들의 사이로 공기가 유동될 수 있는 유로가 형성될 수 있다.

회전자(300)는 고정자(200)의 중앙부를 통과하여 삽입된 형태로 배치되며, 회전자(300)는 고정자(200)의 내측에 이격되어 배치될 수 있다. 그리고 회전자(300)는 회전축(310) 및 마그넷(320)을 포함하여 구성될 수 있으며, 회전축(310)의 축방향으로 양측 사이의 위치에 마그넷(320)이 배치될 수 있다. 또한, 일례로 회전축(310)은 외주면에 오목하게 홈이 형성되고 홈에 마그넷(320)이 삽입되어 있는 형태로 결합될 수 있다. 또한, 회전축(310)의 축방향으로 일측이 전방측 에어 포일 저널 베어링(510)의 내측에 삽입되어 회전 가능하도록 지지되고, 축방향 타측이 후방측 에어 포일 저널 베어링(520)의 내측에 삽입되어 회전 가능하도록 지지될 수 있다. 그리하여 두 개의 에어 포일 저널 베어링에 의해 회전자(300)가 반경방향으로 지지될 수 있다.

임펠러 하우징(410)은 모터 하우징(100)의 길이방향 일측인 전방측에 결합되며, 임펠러 하우징(410)과 모터 하우징(100)의 결합에 의해 형성된 내부 공간에 임펠러(400)가 배치될 수 있다. 그리고 임펠러 하우징(410)은 내부와 연통되는 유입구(411) 및 토출구(412)가 형성될 수 있으며, 전방측에 외부 공기가 유입되는 유입구(411)가 형성되고 유입구(411)에서 반경방향으로 이격된 위치에 승압된 공기가 토출되는 토출구(412)가 형성될 수 있다.

임펠러(400)는 임펠러 하우징(410)의 내부에 구비되며, 임펠러(400)는 회전자(300)의 회전축(310) 일단에 결합될 수 있다. 그리하여 회전자(300)가 회전되면 임펠러(400)가 함께 회전되고 임펠러(400)의 회전에 의해 임펠러 하우징(410)의 유입구(411)를 통해 외부 공기가 흡입되어 임펠러(400)를 거치며 승압된 후 토출구(412)를 통해 미리 정해진 위치로 압송될 수 있다. 그리고 임펠러(400)의 반경방향 외측 및 이에 대응되는 위치의 전방측 베어링 장착부(110)에는 톱니 형태 등의 다양한 씰 구조가 형성될 수 있으며, 상기한 씰 구조에 의해 임펠러(400)의 반경방향 외측단에서 전방측 베어링 장착부(110)와의 사이 틈새를 통해 공기가 유동되는 것이 제한될 수 있다. 단, 일부 공기는 토출 측인 임펠러(400)의 반경방향 외측단에서 전방측 베어링 장착부(110)의 씰 구조 사이의 틈새를 통해 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다.

스러스트 러너(311)는 길이방향으로 회전축(310)의 타단에 위치하며, 스러스트 러너(311)는 회전축(310)과 일체로 형성될 수 있다. 그리고 스러스트 러너(311)는 원판 형태로 형성될 수 있으며, 후방측 베어링 장착부(120)의 좌측에 배치될 수 있다. 또한, 후방측 베어링 장착부(120)와 스러스트 러너(311)의 사이에 전면측 에어 포일 스러스트 베어링(530)이 개재될 수 있으며, 전면측 에어 포일 스러스트 베어링(530)은 후방측 베어링 장착부(120)의 좌측면 쪽에 장착될 수 있다.

제1공기 냉각부(600)는 모터 하우징(100)의 길이방향 타측인 후방측에 결합될 수 있고, 제1공기 냉각부(600)는 내부에 공기가 유동될 수 있는 제1냉각 공기유로(610)가 형성된 챔버 형태로 형성될 수 있으며, 제1냉각 공기유로(610)에 연통된 입구(611) 및 출구(612)가 형성될 수 있다. 그리고 제1공기 냉각부(600)는 후방측 베어링 장착부(120)에 결합될 수 있으며, 제1공기 냉각부(600)와 후방측 베어링 장착부(120)의 사이에 스러스트 러너(311)가 배치될 수 있다. 이때, 제1공기 냉각부(600)와 후방측 베어링 장착부(120) 사이의 공간은 스러스트 러너(311)가 원활하게 회전될 수 있도록 스러스트 러너(311)의 두께 및 외경 보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 후방측 베어링 장착부(120)에는 스러스트 러너(311)가 안치되는 안치홈이 오목하게 형성될 수 있고, 관통공(121)이 안치홈에 연결될 수 있으며, 관통공(121)은 전면측 에어 포일 스러스트 베어링(530)보다 반경방향으로 바깥쪽에 배치될 수 있다. 또한, 스러스트 러너(311)와 제1공기 냉각부(600)의 사이에 후면측 에어 포일 스러스트 베어링(540)이 개재될 수 있으며, 후면측 에어 포일 스러스트 베어링(540)은 제1공기 냉각부(600)의 우측면 쪽에 장착될 수 있다. 또한, 제1공기 냉각부(600)에 형성된 입구(611)는 관통공(121)에 대응되는 위치에 형성될 수 있으며, 후면측 에어 포일 스러스트 베어링(540)보다 반경방향으로 바깥쪽에 위치할 수 있다. 또한, 후방측 베어링 장착부(120)에는 모터 하우징(100)의 내부에서 전면측 에어 포일 스러스트 베어링(530)과 후방측 에어 포일 저널 베어링(520)이 인접한 코너 부분을 향해 대각선 방향으로 공기가 통과될 수 있는 관통공(122)이 더 형성될 수 있다. 또한, 출구(612)는 다양한 위치에 형성될 수 있으며, 일례로 도시된 바와 같이 제1공기 냉각부(600)의 상측에 위치할 수 있다. 또한, 제1공기 냉각부(600)는 제1냉각 공기유로(610)를 형성하는 내면에 열교환 효율을 향상시키기 위한 복수의 방열핀(613)이 돌출 형성될 수 있으며, 방열핀(613)의 형태 및 배치는 다양하게 형성될 수 있다. 그리고 제1공기 냉각부(600)는 일부 표면인 좌측면이 외부로 노출되어 외부로 방열을 할 수 있으며, 도시되지는 않았으나 외부로 방열하는 면에도 방열핀이 형성될 수 있다. 또한, 제1공기 냉각부(600)는 회전축(310)과 마주보는 면에서 회전축(310)에 대응되는 중앙부에 제1냉각 공기유로(610)와 연통되는 개구(620)가 형성될 수 있다. 또한, 모터 하우징(100)의 내측면, 전방측 베어링 장착부(110) 및 후방측 베어링 장착부(120)에도 열교환 효율을 향상시키기 위해 도시된 바와 같이 방열핀이 형성될 수 있다.

제2공기 냉각부(700)는 냉각수 유로(710) 및 제2냉각 공기유로(720)를 포함하여 구성될 수 있다. 냉각수 유로(710)는 모터 하우징(100)을 통과하는 형태로 형성될 수 있으며, 일례로 냉각수 유로(710)는 모터 하우징(100)을 구성하는 원통형 몸체의 원주방향으로 가면서 지그재그 형태 또는 코러게이트 형태 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 그리고 모터 하우징(100)에는 냉각수 유로(710)를 따라 냉각수가 순환될 수 있도록 냉각수 유로(710)에 연결된 냉각수 입구 및 출구가 형성될 수 있으며, 냉각수 입구 및 출구는 외부의 냉각수 펌프 및 냉각수 탱크에 연결될 수 있다. 또한, 제2냉각 공기유로(720)는 냉각수 유로(710)에 인접한 위치에 형성되며, 제2냉각 공기유로(720)는 모터 하우징(100)을 통과하는 형태로 형성될 수 있다. 그리고 제2냉각 공기유로(720)는 일단이 제1냉각 공기유로(610)의 출구(612)에 연결되고 타단은 모터 하우징(100)의 외면에 형성될 수 있다.

리턴관(800)은 파이프, 호스, 플렉시블 관 등 다양한 형태의 관으로 형성될 수 있으며, 리턴관(800)은 모터 하우징(100) 및 임펠러 하우징(410)의 외부에 배치될 수 있다. 그리고 리턴관(800)은 일단이 제2냉각 공기유로(720)의 타단에 연결되고, 리턴관(800)은 타단이 임펠러 하우징(410)의 외부 공기 유입측인 유입구(411)에 연결될 수 있다.

그리하여 임펠러(400)가 회전되면 임펠러(400)의 공기 토출 측에서 일부 공기가 임펠러(400)와 모터 하우징(100)의 전방측 베어링 장착부(110)에 형성된 씰 구조 사이의 틈새를 통과한 공기가 분기되어 일부는 전방측 에어 포일 저널 베어링(510)을 통해 모터 하우징(100)의 내부로 유입되며, 나머지 공기는 관통공(111)을 통해 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다. 그리고 모터 하우징(100)의 내부로 유입된 공기는 고정자(200)와 회전자(300)의 사이 및 고정자(200)의 티스들 사이의 유로를 통과한 후 분기되어 일부 공기는 후방측 에어 포일 저널 베어링(520) 및 전면측 에어 포일 스러스트 베어링(530)을 차례로 통과한 후 후방측 베어링 장착부(120)와 제1공기 냉각부(600) 사이의 공간으로 유입되며, 일부 공기는 대각선 방향으로 형성된 관통공(122)을 통해 전면측 에어 포일 스러스트 베어링(530)을 차례로 통과한 후 후방측 베어링 장착부(120)와 제1공기 냉각부(600) 사이의 공간으로 유입되며, 나머지 공기는 관통공(121)을 통해 후방측 베어링 장착부(120)와 제1공기 냉각부(600) 사이의 공간으로 유입될 수 있다. 이후 공기는 분기되어 일부 공기는 후면측 에어 포일 스러스트 베어링(540)을 통과하여 제1공기 냉각부(600)의 개구(620)를 통해 제1냉각 공기유로(610)로 유입되며, 나머지 공기는 제1공기 냉각부(600)의 입구(611)를 통해 제1냉각 공기유로(610)로 유입될 수 있다. 제1냉각 공기유로(610)로 유입된 공기는 제1냉각 공기유로(610) 내에서 유동되면서 방열핀(613)들과 열교환되어 1차로 냉각된 후 출구(612)를 통해 배출되어 제2공기 냉각부(700)의 제2냉각 공기유로(720)로 유입된다. 여기에서 제1공기 냉각부(600)의 제1냉각 공기유로(610)에서의 공기 흐름은 불규칙적인 흐름이 형성될 수도 있고, 원주방향을 따라 회전되는 흐름이 형성될 수도 있으며, 이외에도 다양한 형태의 흐름이 형성될 수 있다. 제2공기 냉각부(700)로 유입된 공기는 제2냉각 공기유로(720)를 따라가면서 주변에 위치하는 냉각수 유로(710)를 따라 흐르는 냉각수와 열교환되어 2차로 냉각된 후 리턴관(800)을 통해 임펠러 하우징(410)의 유입구(411)로 유입될 수 있다. 이때, 임펠러(400)와 모터 하우징(100)의 전방측 베어링 장착부(110) 사이의 틈새를 통과한 공기가 유동되면서 전방측 에어 포일 저널 베어링(510), 고정자(200), 회전자(300), 후방측 에어 포일 저널 베어링(520), 전면측 에어 포일 스러스트 베어링(530) 및 후면측 에어 포일 스러스트 베어링(540)을 균일하게 냉각시킬 수 있다. 그리고 상기한 부품들을 냉각시키며 가열된 공기는 제1공기 냉각부(600)에서 외부로 방열을 통해 공랭식으로 1차로 냉각되고, 제2공기 냉각부(700)에서 냉각수에 의해 수랭식으로 2차로 냉각된 후, 임펠러 하우징(410)의 유입구(411)로 되돌려 보내진다. 이에 따라 냉각 공기의 온도가 상승되는 것을 방지할 수 있으며, 부품들을 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

또한, 후방측 베어링 장착부(120)에는 양면을 관통하는 관통공(123)이 추가로 형성될 수 있으며, 관통공(123)은 스러스트 러너(311)가 배치된 공간과는 연통되지 않도록 형성될 수 있다. 그리고 제1공기 냉각부(600)에는 상기 관통공(123)과 제1냉각 공기유로(610)를 연결하는 입구(614)가 추가로 형성될 수 있다. 그리하여 모터 하우징(100) 내부의 공기 일부가 관통공(123)을 통해 에어 포일 스러스트 베어링(530, 540)들을 통과하지 않고 직접 제1공기 냉각부(600)로 유입될 수 있다.

인버터(900)는 크게 PCB 기판(910) 및 IGBT(920)를 포함하여 구성될 수 있으며, 전자소자(940)들을 더 포함할 수 있다. 그리고 모터 하우징(100)의 외주면 측에는 오목하게 형성된 수용 공간이 마련되어 있으며, 이 수용 공간에는 인버터(900)가 삽입되고 인버터(900)는 모터 하우징(100)에 결합 및 고정될 수 있다. 또한, PCB 기판(910)과 IGBT(920)는 90도를 이루도록 배치되어 서로 결합 및 전기적으로 연결될 수 있다. 그리하여 모터 하우징(100)의 폭방향 정면 측에 PCB 기판(910)이 배치되고 높이방향 상면 측에 IGBT(920)가 배치될 수 있다. 또한, IGBT(920)가 배치된 상면 측에는 커패시터 및 전류센서 등의 전자소자(940)들이 배치될 수 있으며, 전자소자(940)들은 외부에서 전원이 입력되는 메인 커넥터 및 IGBT(920)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 모터 하우징(100)의 인버터(900)가 수용된 부분에는 커버가 결합되어 인버터(900)가 밀폐될 수 있으며, 정면 측에는 정면 커버(960)가 결합되고 상면 측에는 상부 커버(950)가 결합될 수 있다.

이에 따라 본 발명의 인버터 일체형 공기 압축기는 모터의 고정자 및 회전자, 에어 포일 저널 베어링 및 에어 포일 스러스트 베어링들의 냉각 효과가 개선되고, 모터의 내부를 냉각시킨 냉각 공기를 공기 압축기의 외부로 배출하지 않으므로, 외부 공기가 오염되지 않을 수 있으며, 공기 압축기가 장착되는 설비 또는 설치 공간에 별도의 공기 배출 구조가 필요 하지 않다. 또한, 인버터가 일체로 구비된 공기 압축기를 컴팩트한 사이즈로 제작할 수 있으며 인버터의 냉각이 용이할 수 있다.

또한, 본 발명의 인버터 일체형 공기 압축기는 냉각 플레이트(930)를 더 포함할 수 있으며, 냉각 플레이트(930)는 인버터(900) 측에 구비되어 인버터(900)를 냉각시킬 수 있다. 여기에서 냉각 플레이트(930)의 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 유로가 형성되며, 냉각 플레이트(930)는 모터 하우징(100)에 형성된 냉각수 유로(710)에 연결되어 냉각수가 유동될 수 있다. 그리고 IGBT(920)는 모터 하우징(100)과 냉각 플레이트(930) 사이에 개재되며, IGBT(920)의 일면은 모터 하우징(100)의 외주면에 접촉되고 타면은 냉각 플레이트(930)에 접촉될 수 있다. 여기에서 IGBT(920)는 양면에서 열이 발생하기 때문에, 모터 하우징(100)에 형성된 냉각수 유로(710) 및 냉각 플레이트(930)에 의해 IGBT(920)는 양면이 고르게 냉각될 수 있어, IGBT(920)를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 또한, 모터 하우징(100)에 형성된 냉각수 유로(710) 중 IGBT(920)에 근접한 일부 냉각수 유로는 냉각 플레이트(930)와 병렬로 연결되되 중간에 막힌 부분이 형성되어, 냉각 플레이트(930)쪽으로 냉각수가 원활하게 유동되면서 아울러 IGBT(920)의 하부쪽을 용이하게 냉각시킬 수 있다.

<실시예 2>

도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기를 나타낸 평면 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기는 상기한 제1실시예에서 제2공기 냉각부(700)가 없고 제1공기 냉각부(600)에서 배출되는 냉각공기를 직접 회전자(300)의 회전축(310)에 형성된 리턴 유로(312)를 통해 임펠러 하우징(410)의 유입구(411)쪽으로 되돌려 보내는 구성이다. 즉, 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기에서는 공기 냉각부(600a)의 출구(612a)가 회전자(300)의 회전축(310)과 마주보는 측면의 중앙부에 내부와 외부를 관통하여 형성되며, 회전자(300)의 회전축(310)은 축방향으로 양면을 관통하는 리턴 유로(312)가 형성되어, 리턴 유로(312)의 일단이 공기 냉각부(600a)의 출구(612a)와 연결되고 타단은 임펠러 하우징(410)의 공기 유입구(411)에 연결될 수 있다. 그리고 모터 하우징(100)에는 모터의 냉각을 위한 냉각수가 유동되는 냉각수 유로(710)가 형성될 수 있다.

<실시예 3>

도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기를 나타낸 평면 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 제3실시예에 따른 공기 압축기는 상기한 제1실시예에서 임펠러가 하나 더 추가된 구성이다. 즉, 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 일체형 공기 압축기에서는 모터 하우징(100)의 일측에 제1임펠러 하우징(410a) 및 제1임펠러(400a)가 배치되고 제1임펠러(400a)는 회전축(310)의 일단에 결합될 수 있다. 그리고 모터 하우징(100)의 타측에는 제2임펠러 하우징(410b) 및 제2임펠러(400b)가 배치되고 제2임펠러(400b)는 회전축(310) 타단에 결합될 수 있다. 여기에서 회전축(310)은 제1공기 냉각부(600)를 관통될 수 있다. 그리하여 스러스트 러너(311)와 제2임펠러(400b)의 사이에 제1공기 냉각부(600)가 배치될 수 있다.

여기에서 본 발명의 제3실시예에 따른 공기 압축기는 제1임펠러(400a) 측에서 1차로 압축되어 토출된 공기가 제2임펠러(400b)의 유입 측으로 보내져 공기를 2차로 압축 및 토출하여 원하는 곳으로 보낼 수 있도록 구성된 2단 임펠러 형태의 공기압축기에 적용될 수 있다. 또는 제1임펠러(400a) 측에서 공기를 압축 및 토출하여 차량용 연료전지스택 등으로 보내고, 연료전지스택에서 사용되고 남은 버려지는 압축 공기는 제2임펠러(400b)의 유입 측으로 보내져 제2임펠러(400b)를 회전시키도록 구성될 수 있다. 그리하여 제1임펠러(400a)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 사용되어 공기 압축기의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 모터 하우징
110 : 전방측 베어링 장착부 111 : 관통공
120 : 후방측 베어링 장착부 121 : 관통공
122 : 관통공 123 : 관통공
200 : 고정자
300 : 회전자 310 : 회전축
311 : 스러스트 러너 312 : 리턴 유로
320 : 마그넷
400 : 임펠러 410 : 임펠러 하우징
411 : 유입구 412 : 토출구
400a : 제1임펠러 410a : 제1임펠러 하우징
400b : 제2임펠러 410b : 제2임펠러 하우징
510 : 전방측 에어 포일 저널 베어링
520 : 후방측 에어 포일 저널 베어링
530 : 전면측 에어 포일 스러스트 베어링
540 : 후면측 에어 포일 스러스트 베어링
600 : 제1공기 냉각부 610 : 제1냉각 공기유로
611 : 입구 612 : 출구
613 : 방열핀 614 : 입구
620 : 개구
700 : 제2공기 냉각부
710 : 냉각수 유로 720 : 제2냉각 공기유로
800 : 리턴관
900 : 인버터 910 : PCB 기판
920 : IGBT 930 : 냉각 플레이트
940 : 전자소자 950 : 상부 커버
960 : 전면 커버

Claims

내부에 고정자 및 회전자가 구비되며, 상기 회전자가 회전 가능하게 결합된 모터 하우징;
상기 모터 하우징의 일측에 결합되고, 내부와 연통된 공기 유입구 및 공기 토출구가 형성되며, 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 임펠러 하우징;
상기 임펠러 하우징의 내부에 구비되고, 상기 회전자의 일단에 결합된 임펠러;
상기 모터 하우징의 타측에 결합되고, 내부에 제1냉각 공기유로가 형성되며, 상기 제1냉각 공기유로와 연통된 입구 및 출구가 형성되며, 상기 입구가 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 제1공기 냉각부;
상기 모터 하우징을 통과하는 냉각수 유로 및 상기 냉각수 유로에 인접하여 상기 모터 하우징을 통과하는 제2냉각 공기유로를 포함하며, 상기 제2냉각 공기 유로의 일단이 상기 제1냉각 공기유로의 출구에 연결된 제2공기 냉각부;
일단이 상기 제2냉각 공기유로의 타단에 연결되고, 타단은 상기 임펠러 하우징의 공기 유입구에 연결된 리턴관; 및
PCB 기판 및 상기 PCB 기판에 결합된 IGBT를 포함하고, 상기 모터 하우징의 외주면측에 배치되어 모터 하우징에 결합된 인버터;
를 포함하여 이루어지는 인버터 일체형 공기 압축기.
제1항에 있어서,
상기 인버터는 PCB 기판 및 IGBT가 모터 하우징의 중심축 방향과 나란하게 배치되며, 상기 PCB 기판와 IGBT는 특정 각도 꺾인 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
제1항에 있어서,
상기 냉각수 유로는 모터 하우징의 원주방향을 따라 코러게이트(corrugate) 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
제1항에 있어서,
상기 인버터에 구비되며 상기 냉각수 유로에 연결된 냉각 플레이트를 더 포함하여 이루어지고,
상기 IGBT는 모터 하우징과 냉각 플레이트 사이에 개재되어, 상기 IGBT의 일면은 모터 하우징의 외주면에 접촉되고 타면은 냉각 플레이트에 접촉된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
제1항에 있어서,
상기 임펠러의 공기 토출 측에서 임펠러와 모터 하우징 사이의 틈새를 통해 상기 모터 하우징의 내부로 유입된 공기가, 상기 모터 하우징 내부를 통과하면서 고정자 및 회전자와 열교환되어 가열된 후 상기 제1공기 냉각부로 유입되어 외부로 방열하여 1차로 공기가 냉각되며, 그 후 제2공기 냉각부를 통과하며 냉각수에 의해 2차로 공기가 냉각된 다음, 상기 리턴관을 통해 상기 임펠러 하우징의 공기 유입구 측으로 공기가 유입되는 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제1공기 냉각부는,
상기 제1냉각 공기유로를 형성하는 내면에 복수의 방열핀이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
제1항에 있어서,
상기 모터 하우징의 양측에 형성된 베어링 장착부에 결합되고, 상기 회전자의 양측에 이격되게 배치되며, 상기 회전자가 회전 가능하도록 반경방향 하중을 지지하는 한 쌍의 에어 포일 저널 베어링;
상기 회전자의 타단에 결합되며, 상기 모터 하우징의 타측 베어링 장착부와 제1공기 냉각부 사이에 배치된 스러스트 러너; 및
상기 스러스트 러너에 인접한 베어링 장착부와 스러스트 러너 사이 및 상기 스러스트 러너와 제1공기 냉각부 사이에 개재되어, 상기 스러스트 러너가 회전 가능하도록 축방향 하중을 지지하는 한 쌍의 에어 포일 스러스트 베어링;
을 더 포함하여 이루어지는 인버터 일체형 공기 압축기.
제7항에 있어서,
상기 임펠러의 공기 토출 측에서 임펠러와 모터 하우징 사이의 틈새를 통과한 공기는 일측에 배치된 에어 포일 저널 베어링, 상기 고정자와 회전자 사이, 타측에 배치된 에어 포일 저널 베어링, 상기 한 쌍의 에어 포일 스러스트 베어링 중 어느 하나 이상의 에어 포일 스러스트 베어링을 차례로 통과한 후, 상기 제1공기 냉각부로 유입되는 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
제7항에 있어서,
상기 모터 하우징 양측의 베어링 장착부에는 각각 양면을 관통하는 관통공이 형성되고, 상기 임펠러의 공기 토출 측에서 임펠러와 모터 하우징 사이의 틈새를 통과한 공기는 일측에 배치된 에어 포일 저널 베어링 및 일측의 관통공을 통과하도록 분기되며, 상기 고정자와 회전자 사이를 통과한 공기는 타측에 배치된 에어 포일 저널 베어링 및 타측의 관통공을 통과하도록 분기되는 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1공기 냉각부는,
상기 스러스트 러너와 마주보는 측면의 중앙부에 내부와 외부를 관통하는 개구가 형성되며, 상기 개구가 스러스트 러너의 타측에 배치된 에어 포일 스러스트 베어링 측과 연통된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
내부에 고정자 및 회전자가 구비되고 상기 회전자가 회전 가능하게 결합되며, 내부를 통과하는 냉각수 유로가 형성된 모터 하우징;
상기 모터 하우징의 일측에 결합되고, 내부와 연통된 공기 유입구 및 공기 토출구가 형성되며, 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 임펠러 하우징;
상기 임펠러 하우징의 내부에 구비되고, 상기 회전자의 일단에 결합된 임펠러;
상기 모터 하우징의 타측에 결합되고, 내부에 냉각 공기유로가 형성되며, 상기 냉각 공기유로와 연통된 입구 및 출구가 형성되며, 상기 입구가 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 공기 냉각부; 및
PCB 기판 및 상기 PCB 기판에 결합된 IGBT를 포함하고, 상기 모터 하우징의 외주면측에 배치되어 모터 하우징에 결합된 인버터;
를 포함하여 이루어지고,
상기 공기 냉각부의 출구는 상기 회전자의 회전축과 마주보는 측면의 중앙부에 내부와 외부를 관통하여 형성되며,
상기 회전자의 회전축은 축방향으로 양면을 관통하는 리턴 유로가 형성되어, 상기 리턴 유로의 일단이 상기 공기 냉각부의 출구와 연결되고 타단은 상기 임펠러 하우징의 공기 유입구에 연결된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
제11항에 있어서,
상기 인버터는 PCB 기판 및 IGBT가 모터 하우징의 중심축 방향과 나란하게 배치되며, 상기 PCB 기판와 IGBT는 특정 각도 꺾인 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.
내부에 고정자 및 회전자가 구비되고 상기 회전자가 회전 가능하게 결합되며, 내부를 통과하는 냉각수 유로가 형성된 모터 하우징;
상기 모터 하우징의 일측에 결합되고, 내부와 연통된 공기 유입구 및 공기 토출구가 형성되며, 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 제1임펠러 하우징;
상기 제1임펠러 하우징의 내부에 구비되고, 상기 회전자의 일단에 결합된 제1임펠러;
상기 모터 하우징의 타측에 결합되고, 내부에 제1냉각 공기유로가 형성되며, 상기 제1냉각 공기유로와 연통된 입구 및 출구가 형성되며, 상기 입구가 상기 모터 하우징의 내부와 연통된 제1공기 냉각부;
상기 모터 하우징을 통과하는 냉각수 유로 및 상기 냉각수 유로에 인접하여 상기 모터 하우징을 통과하는 제2냉각 공기유로를 포함하며, 상기 제2냉각 공기 유로의 일단이 상기 제1냉각 공기유로의 출구에 연결된 제2공기 냉각부;
일단이 상기 제2냉각 공기유로의 타단에 연결되고, 타단은 상기 제1임펠러 하우징의 공기 유입구에 연결된 리턴관;
상기 모터 하우징의 타측에 상기 제1공기 냉각부의 바깥쪽에 결합되며, 내부와 연통된 공기 유입구 및 공기 토출구가 형성된 제2임펠러 하우징;
상기 제2임펠러 하우징의 내부에 구비되고, 상기 회전자의 타단에 결합된 제2임펠러; 및
PCB 기판 및 상기 PCB 기판에 결합된 IGBT를 포함하고, 상기 모터 하우징의 외주면측에 배치되어 모터 하우징에 결합된 인버터;
를 포함하여 이루어지는 인버터 일체형 공기 압축기.
제13항에 있어서,
상기 인버터는 PCB 기판 및 IGBT가 모터 하우징의 중심축 방향과 나란하게 배치되며, 상기 PCB 기판와 IGBT는 특정 각도 꺾인 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 공기 압축기.