KR102548667B1 - 터보 압축기 및 이를 제어하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생 가능하게 하는 구동 유닛; 일 방향으로 연장되며, 상기 구동 유닛으로부터 발생된 동력에 의해 회전 가능하도록 상기 구동 유닛에 설치되는 축; 상기 축의 일 측에서 상기 축에 설치되는 제1 내지 제3압축유닛을 포함하고, 상기 제1압축유닛은, 증발기로부터 배출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제1 임펠러를 구비하며, 상기 제2압축유닛은, 상기 제1압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제2임펠러를 구비하며, 상기 제3압축유닛은 제3임펠러를 구비하고, 상기 제3임펠러는, 상기 제2압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 외부로 토출하거나 상기 제1압축유닛으로 바이패스하여 제공 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기 및 이를 제어하는 방법을 제공한다.

Description

터보 압축기 및 이를 제어하는 방법{Turbo Compressor and Method of Control the same}

본 발명은 터보 압축기 및 이를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3단 구조의 임펠러에 의해 고압축비를 내면서 소형화 가능한 구조의 터보 압축기 및 이를 제어하는 방법에 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 기체 흐름을 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.

2단 터보 압축기 중 대항형의 터보 압축기는 모터를 중심으로 하여 1,2단의 임펠러가 모터의 양쪽에 대립하여 배치한다. 이러한 구조는 축에 하중을 가하는 임펠러와 저널베어링이 모두 대칭으로 배치되서 기구적으로 안정적인 구조를 취하고 있다.

이러한 대항형 터보 압축기의 모터를 냉각하기 위한 방법으로써, 차가운 온도의 액냉매를 모터부에 인젝션하는 것이 있다. 빠르고 확실하게 모터의 온도를 낮춰줄 수 있다는 것이 장점이다. 하지만 냉동싸이클의 냉매를 일부 바이패스하여 모터냉각에 사용함으로써, 전체 냉동싸이클의 냉동성능을 일부 저감시킬 수 있다는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하면서 모터를 냉각하는 방식으로는 모터의 한쪽면에 임펠러를 모두 배치하는 방식이 있다. 이렇게 임펠러를 배치할 경우 임펠러로 흡입되는 냉매가 모터를 거치면서 모터를 냉각하고 임펠러로 흡입되게 된다. 따라서 추가적인 인젝션 라인이 필요치 않으므로, 대항형의 인젝션 냉각의 단점이 없어진다. 또한 차가운 액냉매 대신의 기체 상태의 흡입냉매를 사용하기 때문에 액냉매 유입에 의한 공력부 효율저하나 신뢰성의 문제가 생기지 않는다.

터보 압축기는 운전속도와 최대 압력비 간에 일정한 관계가 있다. 또한, 운전속도와 유량 간에도 일정한 관계가 있다. 이러한 특성으로 인해, 3단 이상으로 설계 시에 모든 압력비에서 필요 유량 범위를 갖기 어려운 문제가 있다.

특히, 압력비 15 이상에서 10 내지 100%의 부분 부하의 유량범위를 갖기 위해서는 1단 내지 3단의 모든 압축부가 순차적으로 압축하지 않고 2개의 압축부만 차례로 압축하고 1개의 압축부는 흡입 또는 사이클로 바이패스(by-pass)하여 운전범위를 확보하는 기술의 개발이 요구된다.

종래의 터보 압축기 중에서, 특허문헌 1에는, 축 베어링 냉각 배치 구조를 갖는 터보 압축기가 개시되어 있다.

특허문헌 1은, 스러스트 베어링에서의 발열로 인한 스러스트 베이링 플레이트의 변형과, 이로 인한 축의 진동으로 인한 문제의 해결 방법으로 스러스트 베어링 플레이트에 인접하여 흡입냉매 바이패스 유로를 형성하여, 스러스트 베어링부의 냉각을 통한 스러스트 베어링 플레이트의 열변형을 방지하는 구조를 제공한다. 또한, 입구 냉매 유로가 구비된 입구 분배기에 대하여, 입구 분배기는 스러스트 베어링 플레이트에 인접하여 냉각하도록 구성되며, 바이 패스 개구를 포함하며 바이패스 개구를 통해 유입된 일부의 흡입냉매가 스러스트 플레이트를 냉각하고 다시 흡입냉매와 합류하는 구조가 개시되어 있다.

특허문헌 1의 경우, 흡입냉매를 1단 압축부 내부로 분배해주는 가이드의 형상의 제작 및 조립이 어려우며, 유로 저항으로 인한, 압축기의 효율이 저하되며, 압축기의 운전 조건에 따라 높은 밀도의 냉매 유입시 베어링 냉각을 목적으로 분배하게 되면, 냉각 보다 발열이 생기는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 1의 경우, 모터와, 베어링 부를 냉각하기 위해서 액상의 냉매를 넣어주고 이와 교반이 잘 되도록 구현함에 있어서 횡형 압축기의 특성상 1번의 교반으로 밀도가 높은 액냉매가 팽창되어 흡입부로 유입되는 문제가 있다.

한편, 특허문헌 2에는 터보 압축기의 서지(surge)를 예측하고, 서지를 방지하는 제어 시스템이 개시되어 있다. 서지를 제어하는 방법으로서, 고온 가스의 바이패스가 사용되는데, 바이패스 배관은 토출부와 흡입부를 연결하며, 배이패스 배관의 개폐를 가능하게 하는 바이패스 밸브가 적용된다. 또한, 특허문헌 2에는, 서지 방지 제어 시스템에서 서지 발생을 판단하면, 제어장치를 통해 고온 가스의 바이패스 밸브를 정해진 값으로 개폐하는 특징이 개시된다.

특허문헌 2에서 고온 가스 바이패스를 적용하면 토출부의 고온 고압의 토출가스가 흡입 가스와 혼합되어, 흡입압이 올라가면서 서지 회피를 가능하게 한다.

이와 같이, 고온 가스 바이패스를 하면 흡입냉매의 온도가 올라가게 되는데, 이로 인해, 압축기의 효율이 저하되고 기구부 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다. 특히, 3단 압축을 할 경우 3단 압축부로 토출되는 토출가스의 압력과 온도는 1단 또는 2단 압축기에 비하여 훨씬 높게 되며, 3단 터보 압축기에서 서지를 회피하기 위해 종래의 고온 가스 바이패스를 사용한다면, 흡입 냉매의 온도가 과도하게 상승되는 문제가 있다.

EP 2019192850(2020.02.26.) US 7293954(2007.11.13)

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은, 3단 구조의 임펠러에 의해 고압축비를 내면서 소형화 가능한 구조의 터보 압축기 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은, 3단 구조의 임펠러에 의해 압력비를 확보하면서도 유량범위가 작아지지 않는 터보 압축기 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은, 1단 및 2단 압축부만이 토출을 가능하게 하고 3단 압축부는 바이패스를 하거나 1단 압축부의 흡입부로 냉매를 보내서 운전속도를 낮추어 손실을 최소화하는 구조의 터보 압축기 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은, 3단 이상으로 설계시 모든 압력비에서 필요 유량 범위를 가질 수 있는 구조의 터보 압축기 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 터보 압축기는, 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생 가능하게 하는 구동 유닛; 일 방향으로 연장되며, 상기 구동 유닛으로부터 발생된 동력에 의해 회전 가능하도록 상기 구동 유닛에 설치되는 축; 상기 축의 일 측에서 상기 축에 설치되는 제1 내지 제3압축유닛을 포함하고, 상기 제1압축유닛은, 증발기로부터 배출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제1 임펠러를 구비하며, 상기 제2압축유닛은, 상기 제1압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제2임펠러를 구비하며, 상기 제3압축유닛은 제3임펠러를 구비하고, 상기 제3임펠러는, 상기 제2압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 외부로 토출하거나 상기 제1압축유닛으로 바이패스하여 제공 가능하게 한다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제1압축유닛은, 상기 증발기로부터 배출된 냉매가 흡입 가능한 제1입구를 구비하며, 상기 제1입구에는 상기 제3압축유닛에 냉매의 제공을 가능하게 하도록 연통되는 제1 바이패스 유로가 연결되며, 상기 제1 바이패스 유로에는 상기 제1입구로부터 상기 제3압축유닛으로의 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제1밸브가 설치될 수 있다.

상기 제1압축유닛은, 상기 제1임펠러를 수용 가능하게 하는 제1 임펠러 하우징을 구비하며, 상기 제1입구는 상기 제1 임펠러 하우징에 형성될 수 있다.

상기 제2압축유닛은, 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3압축유닛으로 제공 가능하게 하는 제2출구를 구비하며, 상기 제3압축유닛은, 상기 제2출구와 연통 가능하며, 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러로 유입 가능하게 하는 유입 유로를 구비하며, 상기 제2출구 또는 상기 유입 유로에는 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러로 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제2밸브가 설치될 수 있다.

상기 제2임펠러를 수용 가능하게 하는 제2 임펠러 하우징을 구비하며, 상기 제2출구는 상기 제2 임펠러 하우징에 구비될 수 있다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 제3압축유닛은, 상기 제3임펠러의 측부에 형성되어 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매를 모아서 배출 가능하게 하는 제3볼류트를 구비하며, 상기 제1입구 및 상기 제3볼류트 사이에는 제2 바이패스 유로가 형성될 수 있다.

상기 제2 바이패스 유로에는 제3밸브가 설치되고, 상기 제3밸브는 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매가, 상기 제3 볼류트로부터 상기 제1입구로 유동되는 것을 가능 또는 차단하게 할 수 있다.

상기 제3볼류트에는 외부의 사이클과 연통되는 제3출구가 형성되고, 상기 제3출구에는 제4밸브가 설치되고, 상기 제4밸브는 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매를 외부의 사이클로 배출되는 것을 가능 또는 차단하게 할 수 있다.

상기 구동 유닛에는, 상기 제1입구와 연통 가능한 냉매 유입 유로가 구비되고, 상기 냉매 유입 유로에는 상기 증발기로부터 배출된 냉매의 유입을 가능 또는 차단하게 하는 제5밸브가 연결될 수 있다.

본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 구동 유닛은, 케이싱의 내주면에 고정 결합되는 스테이터; 및 상기 스테이터의 내측에 위치되고, 내주에 상기 축이 결합되어 상기 스테이터와의 상호 작용에 의해 발생되는 회전력에 의해 상기 축을 회전 가능하게 하는 로터를 포함하고, 상기 냉매 유입 유로는 상기 스테이터에서 발생되는 열을 냉각 가능하도록 상기 스테이터에서 적어도 일 방향을 따라서 형성될 수 있다.

또 다른 상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 터보 압축기는, 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생 가능하게 하는 구동 유닛; 일 방향으로 연장되며, 상기 구동 유닛으로부터 발생된 동력에 의해 회전 가능하도록 상기 구동 유닛에 설치되는 축; 상기 축의 일 측에서 상기 축에 설치되는 제1 내지 제3압축유닛; 및 상기 구동 유닛에 전기적으로 연결되어 상기 제1 내지 제3압축유닛의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제1압축유닛은, 증발기로부터 배출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제1 임펠러를 구비하며, 상기 제2압축유닛은, 상기 제1압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제2임펠러를 구비하며, 상기 제3압축유닛은 제3임펠러를 구비하고, 상기 제3임펠러는, 상기 제2압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 외부로 토출하거나 상기 제1압축유닛으로 바이패스하여 제공 가능하게 할 수 있다.

상기 제1압축유닛은, 상기 증발기로부터 배출된 냉매가 흡입 가능한 제1입구를 구비하며, 상기 제1입구에는 상기 제3압축유닛에 냉매의 제공을 가능하게 하도록 연통되는 제1 바이패스 유로가 연결되며, 상기 제1 바이패스 유로에는 상기 제1입구로부터 상기 제3압축유닛으로의 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제1밸브가 설치될 수 있다.

상기 제2압축유닛은, 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3압축유닛으로 제공 가능하게 하는 제2출구를 구비하며, 상기 제3압축유닛은, 상기 제2출구와 연통 가능하며, 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러로 유입 가능하게 하는 유입 유로를 구비하며, 상기 제2출구 또는 상기 유입 유로에는 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러로 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제2밸브가 설치될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제3압축유닛은, 상기 제3임펠러의 측부에 형성되어 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매를 모아서 배출 가능하게 하는 제3볼류트를 구비하며, 상기 제1입구 및 상기 제3볼류트 사이에는 제2 바이패스 유로가 형성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1밸브에 전기적으로 연결되고, 목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제1밸브가 오프(off) 상태가 되도록 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제2밸브에 전기적으로 연결되고, 목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제2밸브가 오프(off) 상태가 되도록 제어할 수 있다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 제2 바이패스 유로에는 제3밸브가 설치되고, 상기 제3밸브는 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매가, 상기 제3 볼류트로부터 상기 제1입구로 유동되는 것을 가능 또는 차단하게 할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제3밸브에 전기적으로 연결되고, 목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제3밸브가 오프(off)되고, 목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 큰 경우나 서지가 예상되는 경우에 제3밸브가 온(on) 상태가 되도록 제어할 수 있다.

상기 제3볼류트에는 외부의 사이클과 연통되는 제3출구가 형성되고, 상기 제3출구에는 제4밸브가 설치되고, 상기 제4밸브는 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매를 외부의 사이클로 배출되는 것을 가능 또는 차단하게 할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제4밸브에 전기적으로 연결되고, 목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제4밸브가 오프(off) 상태가 되도록 제어할 수 있다.

상기 구동 유닛에는, 상기 제1입구와 연통 가능한 냉매 유입 유로가 구비되고, 상기 냉매 유입 유로에는 상기 증발기로부터 배출된 냉매의 유입을 가능 또는 차단하게 하는 제5밸브가 설치될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제5밸브에 전기적으로 연결되고, 목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제5밸브가 오프(off) 상태가 되도록 제어하고, 목표 유량이 운전가능 유량 보다 크지 않고 난방을 수행하며, 인젝션 부하의 대응이 가능한 경우에 제5밸브가 온(on) 상태가 되도록 제어할 수 있다.

상기의 또 다른 과제를 해결하기 위해 본 발명의 터보 압축기 제어 방법은, 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰지 여부를 판단하는 단계; 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하는 단계; 서지 예상 여부를 판단하는 단계; 및 냉방 또는 난방을 행할지를 판단하는 단계를 포함한다.

냉방을 하도록 결정하게 되면 압축기의 동작을 정지하게 하도록 제어한다.

목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 작은 경우에, 제3압축유닛이 동작하게 되며, 상기 제3압축유닛이 동작하게 되면, 제1 내지 제5밸브를 오프(off) 상태로 하여, 냉매의 토출을 수행하게 하도록 부하에 따른 대응운전을 한다.

서지가 발생하지 않을 것으로 예상되면, 제2압축유닛을 동작하게 하고, 상기 제2압축유닛이 동작하게 되면, 제2 및 제3밸브를 오프(off) 상태로 하여, 냉매의 토출을 수행하게 하도록 부하에 따른 대응운전을 한다.

본 발명은, 1단 및 2단 압축부만이 토출을 가능하게 하고 3단 압축부는 바이패스를 하거나 1단 압축부의 흡입부로 냉매를 보내서 운전속도를 낮추어 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명은, 압력비 15이상에서, 10 % 내지 100 %의 부분 부하의 유량 범위를 갖도록 1 내지 3단의 모든 압축부가 순차적으로 압축하지 않고 1, 2단의 압축부만 차례로 압축하고 3단의 압축부는 흡입 또는 사이클로 바이패스 하여 운전 범위를 확보할 수 있게 한다.

본 발명에서는, 이러한 방식으로 서지 마진 밸브가 적용될 수 있는데, 본 발명의 터보 압축기의 서지점의 운전 불안 발생 시의 운전 속도를 피하도록 동작하거나 사이클의 바이패스 이외의 터보 압축기 만의 안전 밸브의 역할을 하게 되어 실시간으로의 운전 대응을 가능하게 할 수 있다.

본 발명에서 여러 밸브의 운전 특성을 조절하면 종래 기술에서 언급된 냉매 분배기 없이도 고속에서 냉각을 위해서 사용된 많은 양의 냉매가 1단 입구로 들어와서 액압축을 하는 우려점을 최소화가 가능 하기 때문에 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 3단 압축부에서 1단 압축부에 직접적으로 바이패스(by-pass)하여 밸브가 추가로 하나 더 필요하지만 터보 압축기의 유량이 증가되어 초킹 영역보다 더 큰 운전 범위를 가질 수 있으므로 운전속도를 증가하지 않으면서도 정격용량을 확대하여 다양한 제품에 적용이 가능할 수 있다.

또한, 본 발명은, 3단 압축부에서 외부 사이클로 바이패스(by-pass)하여 냉매를 버리는 방법은 유로(일례로, 배관)을 단수화할 수 있어 운전 범위의 확보를 가능하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 터보 압축기를 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 터보 압축기에서의 냉매의 유동, 흡입과 토출을 모식적으로 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 터보 압축기에서 제1 내지 제3압축유닛을 도시하는 개념도.
도 4는 제어부의, 구동 유닛, 제1 내지 제3압축유닛, 및 제1 내지 제5밸브과 전기적 연결 관계를 도시하는 블록도.
도 5는 본 발명의 터보 압축기의 저유량 고압력비 운전을 목표로 하는 동작을 도시하는 순서도.
도 6은 본 발명의 터보 압축기의 저유량 중압력비 운전을 목표로 하는 동작을 도시하는 순서도.
도 7은 본 발명의 터보 압축기의 대유량 저압력비 운전을 목표로 하는 동작을 도시하는 순서도.
도 8은 본 발명의 3단의 터보 압축기와 종래의 2단의 터보 압축기를 비교하여, 유량, 압력비 및 서지 라인을 도시하는 그래프.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 서로 다른 실시예라도 구조적, 기능적으로 모순이 되지 않는 한 어느 하나의 실시예에 적용되는 구조는 다른 하나의 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다.

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

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.

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.

이하, 본 발명에 의한 터보 압축기(100)를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 터보 압축기(100)를 도시하는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 터보 압축기(100)는, 구동 유닛(120), 축(125) 및 제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180)을 포함한다.

구동 유닛(120)은 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생 가능하게 한다. 구동 유닛(120)은, 스테이터(121) 및 로터(122)를 포함하여 구성되는데 상세 구조는 후술하기로 한다.

축(125)은, 일 방향으로 연장되며, 구동 유닛(120)으로부터 발생된 동력에 의해 회전되게 된다.

제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180)은, 축(125)의 일 측에서 상기 축(125)에 설치되는데, 각각의 제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180)은, 냉매를 압축(125) 가능하게 하는 제1 내지 제3임펠러(181)(131, 141, 181)를 구비한다.

제1압축유닛(130)은, 증발기로부터 배출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 구동 유닛(120)으로부터의 동력에 의해 회전하는 제1임펠러(131)를 구비한다.

또한, 제2압축유닛(140)은, 제1압축유닛(130)으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 구동 유닛(120)으로부터의 동력에 의해 회전하는 제2임펠러(141)를 구비한다.

한편, 제3압축유닛(180)은, 제2압축유닛(140)으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 외부로 토출하거나 상기 제1압축유닛으로 바이패스하여 제공 가능하게 하는 제3임펠러(181)를 구비한다.

제1 및 제2압축유닛(130, 140)의 냉매 압축(125)에 의해 제3압축유닛(180)은 흡입 냉매를 제공받아서 하우징 또는 사이클로 바이패스하여 손실을 최소화하면서 넓은 운전 범위를 갖게 할 수 있다.

제3압축유닛(180)은 제1 및 제2압축유닛(130, 140)에서 압축된 후의 높은 밀도의 냉매를 압축하도록 이루어져서 제1압축유닛(130)에서 냉매를 압축 시에 상대적으로 큰 유량을 압축하지 않아도 되며, 제3압축유닛(180)에서 압축된 냉매는 하우징 입구인 증발기 후단으로 다시 제공을 가능하게 하기에 손실을 최소화할 수 있게 한다.

또한, 제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180)을 통하여, 목표 압력비를 위한 목표 속도에서 유량과 압력비가 커지기 때문에 운전속도를 낮추어 운전하게 되므로 효율 개선을 확보할 수 있다.

또한, 이러한 방법은 제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180)을 통한 3단 압축을 하는 방법 대비 동일 운전 속도에서 유량과 압력비가 줄어들게 되지만 서지점 운전을 최소화하면서 운전역을 확보할 수 있게 된다.

종래의 2단 터보 압축기(100)의 경우, 고온 가스 바이패스(hot gas by-pass)는 2단 압축된 토출 냉매를 1단 압축부로 다시 흡입하게 하기 때문에 상대적으로 온도 및 압력 상승이 급격하게 증가하였기 때문에, 바이패스의 유량이 제한되는 문제가 있다. 반면, 본 발명의 터보 압축기(100)는, 제3압축유닛(180)을 통하여 압축된 냉매가 제1 및 제2압축유닛(130, 140)으로 다시 공급되기 때문에 상대적으로 온도 및 압력의 상승이 최소화가 가능하며, 터보 압축기(100)가 일반적으로 가지고 있는 서지 특성에 대하여 설계 마진을 가질 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는, 이러한 방식으로 서지 마진 밸브가 적용될 수 있는데, 본 발명의 터보 압축기(100)의 서지점의 운전 불안 발생 시의 운전 속도를 피하도록 동작하거나 사이클의 바이패스 이외의 터보 압축기(100) 만의 안전 밸브의 역할을 하게 되어 실시간으로의 운전 대응을 가능하게 할 수 있다.

제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180)과, 이에 구비되는 제1 내지 제3임펠러(131, 141, 181)의 상세 구조에 대하여는 후술하기로 한다.

본 발명의 터보 압축기(100)는, 케이싱(110)을 더 포함할 수 있다. 케이싱(110)은, 내부공간에 구동 유닛(120)이 설치되고, 케이싱(110)의 외부에는 제1압축유닛(130)과 제2압축유닛(140)이 설치되며, 구동 유닛(120)과 압축유닛(130, 140)의 사이에는 축(125)으로 연결된다.

본 실시예에 따른 터보 압축기(100)는, 도 1을 참조하면, 케이싱(110)의 내부공간에 구동 유닛(120)이 설치되고, 케이싱(110)의 외부에는 제1압축유닛(130)과 제2압축유닛(140)이 설치되며, 구동 유닛(120)과 압축유닛(130, 140)의 사이에는 축(125)으로 연결되는 예가 도시된다.

케이싱(110)은 양단이 개구되어 원통모양으로 형성되는 쉘(111)과, 쉘(111)의 양쪽 개구단을 각각 복개하는 전방측 프레임(112)과 후방측 프레임(113)으로 이루어질 수 있다.

쉘(111)의 내주면에는 후술할 구동 유닛(120)의 스테이터(121)가 고정 결합되고, 전방측 프레임(112)과 후방측 프레임(113)의 중앙부에는 후술할 축(125)이 관통되도록 축구멍(112a, 113a)이 각각 형성되며, 전방측 프레임(112)의 축구멍(112a)과 후방측 프레임(113)의 축구멍(113a)에는 축(125)을 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링(151, 152)이 각각 설치될 수 있다.

그리고 전방측 프레임(112)의 내측면에는 제1 스러스트 베어링(153), 후방측 프레임(113)의 내측면에는 제2 스러스트 베어링(154)이 각각 결합되고, 후술할 축(125)에는 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)에 각각 대향하도록 제1 축방향 지지판(스러스트 러너, 161)과 제2 축방향 지지판(스러스트 러너, 162)이 각각 고정 결합될 수 있다. 즉, 제1 스러스트 베어링(153)은 제1 축방향 지지판(161)과 함께 제1 방향 추력제한부를 형성하고, 제2 스러스트 베어링(154)은 제2 축방향 지지판(스러스트 러너, 162)과 함께 제2 방향 추력제한부를 형성하게 된다. 이로써, 제1 방향 추력제한부와 제2 방향 추력제한부는 서로 반대방향으로 스러스트 베어링을 형성하면서 축(125)을 포함한 회전요소에 대한 추력을 상쇄시키게 된다.

한편, 구동 유닛(120)은 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생시키는 역할을 한다. 구동 유닛(120)은 스테이터(121), 로터(122)를 포함하고, 로터(122)의 중심에는 그 로터(122)의 회전력을 후술할 제1임펠러(131)와 제2임펠러(141)로 전달하기 위한 축(125)이 결합된다.

스테이터(121)는 케이싱(110)의 내주면에 압입되어 고정되거나 케이싱(110)에 용접되어 고정될 수 있다. 일례로, 스테이터(121)의 외주면은 D자형으로 디컷지게 형성되어, 케이싱(110)의 내주면과의 사이에 유체가 이동할 수 있는 통로가 형성될 수 있다.

로터(122)는 스테이터(121)의 내측에 위치되며 스테이터(121)와 이격 배치된다. 로터(122)의 축방향 양단에는 후술할 제1임펠러(131)와 제2 임펠러(141)에 의해 발생되는 편심하중을 상쇄시키기 위한 밸런스 웨이트가 결합될 수 있다. 하지만, 밸런스 웨이트는 로터(122)에 설치되지 않고 축(125)에 결합될 수도 있다.

구동 유닛(120)에는 증발기로부터 배출된 냉매의 유입을 가능하게 하는 냉매 유입 유로(182f)가 형성될 수 있으며, 이의 구조에 대하여는 후술하기로 한다.

밸런스 웨이트가 축(125)에 결합되는 경우에는 앞서 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(스러스트 러너)(162)을 이용하여 밸런스 웨이트로 활용할 수 있다.

축(125)은 로터(122)의 중심을 관통하여 압입 결합된다. 따라서 축(125)은 스테이터(121)와 로터(122)의 상호작용에 의해 발생하는 회전력을 전달받아 로터(122)와 함께 회전하고, 이 회전력은 후술할 제1임펠러(131)와 제2임펠러(141)에 전달되어 냉매를 흡입, 압축하여 토출하게 된다.

축(125)의 양측, 즉 로터(122)의 양쪽에는 케이싱(110)에 구비된 제1 및 제2 스러스트 베어링(153, 154)에 의해 축방향으로 지지되는 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(스러스트 러너, 162)이 각각 고정 결합된다. 이에 따라, 축(125)은 앞서 설명한 바와 같이 그 축(125)에 구비된 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)이 케이싱(110)에 구비된 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)에 의해 서로 반대방향으로 지지되면서 제 1 압축유닛(130)과 제2압축유닛(140)에 의해 발생되는 추력을 효과적으로 상쇄시킬 수 있다.

제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)은 로터(122)의 양단에 일체로 구비될 수도 있지만, 이 경우 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)이 축(125)을 축방향으로 지지하는 과정에서 발생되는 마찰열이 로터(122)에게로 전달될 수도 있고, 각 지지판(161, 162)이 축방향으로 하중을 받아 변형될 경우 로터(122)가 변형될 수 있다. 이에, 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)은 로터(122)의 양단으로부터 각각 이격되는 것이 바람직할 것이다.

또한, 후술할 축(125)에 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)을 고정 결합할 경우, 앞서 설명한 바와 같이 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)의 무게나 고정위치를 조절하여 밸런스 웨이트로 이용할 수도 있을 것이다. 이 경우, 로터(122)에 별도의 밸런스 웨이트를 설치하지 않아도 되므로, 그만큼 회전요소의 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 터보 압축기(100)의 축방향 길이를 줄일 수 있어 터보 압축기(100)를 소형화할 수 있다.

여기서, 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)은 전방측 프레임(112)과 후방측 프레임(113)에 설치되지 않고 그 반대쪽인 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)에 설치될 수도 있을 것이다.

또한, 케이싱(110)의 내부, 즉 전방측 프레임(112)과 로터(122)의 사이 또는 후방측 프레임(113)과 로터(122)의 사이에는 그 케이싱(110)에 각각 고정되는 별도의 전방측 고정판(미도시)과 후방측 고정판(미도시)을 더 구비하고, 그 전방측 고정판과 후방측 고정판에 각각 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)이 설치될 수도 있다. 이 경우에는 터보 압축기(100)의 축방향 길이가 길어지고 조립공수가 증가할 수 있으나, 케이싱(110)에 직접 스러스트 베어링을 설치하는 것에 비해 신뢰성을 높일 수 있을 것이다.

여기서, 도면으로 도시하지는 않았으나, 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)이 구동 유닛(120)의 일측, 즉 스테이터(121)를 기준으로 전방측이나 후방측 중에서 어느 한 쪽에 모아 구비될 수도 있다.

한편, 압축유닛(130, 140, 180)은 단일 압축을 진행하도록 한 개의 압축유닛으로 형성될 수도 있지만, 본 실시예와 같이 다단 압축을 진행하도록 복수 개의 압축유닛으로 형성될 수 있다. 다단 압축(125)의 경우 복수 개의 압축유닛(130, 140, 180)이 구동 유닛(120)을 기준으로 케이싱(110)의 양측에 설치되는 것이 축방향 하중이 큰 터보 압축기(100)의 특성을 고려하면 신뢰성 측면에서 바람직할 수 있다.

하지만, 복수 개의 압축유닛이 양쪽에 설치되는 대향형의 경우는 압축기의 길이가 길어지고 압축효율이 저하될 수 있으므로, 복수 개의 압축유닛(130, 140, 180)을 구동 유닛(120)을 기준으로 한쪽에 형성하는 것이 고효율 및 소형화 측면에서 바람직할 수 있다. 이하에서는 복수 개의 압축유닛이 구비되어 다단으로 냉매를 압축하는 경우, 냉매를 압축하는 순서에 따라 제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180)으로 각각 구분하여 설명하기로 한다.

제1압축유닛(130)과 제2압축유닛(140)은 케이싱(110)의 일측에서 축방향을 따라 연이어 설치된다.

또한, 제1압축유닛(130)과 제2압축유닛(140)은 모두 우측에서 냉매가 유입되도록 제1 및 제2임펠러(131, 141)는 서로 같은 방향을 향하도록 배치된다.

제1압축유닛(130)은, 상기 증발기로부터 배출된 냉매가 흡입 가능한 제1입구(132b)를 구비한다. 또한, 제1압축유닛(130)은, 제1임펠러(131)를 수용 가능하게 하는 제1 임펠러 하우징(132)을 구비할 수 있는데, 제1입구(132b)는 일례로, 제1 임펠러 하우징(132)의 일 측에 형성될 수 있다. 도 1에는 터보 압축기(100)의 가운데 부근의 제1 임펠러 하우징(132)에서 축과 나란한 방향으로 제1입구(132b)가 형성되어 있는 예가 도시된다.

제1입구(132b)에는 제3압축유닛(180)에 냉매의 제공을 가능하게 하도록 연통되는 제1 바이패스 유로(182d)가 연결되며, 상기 제1 바이패스 유로(182d)에는 상기 제1입구(132b)로부터 상기 제3압축유닛(180)으로의 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제1밸브(191a)가 설치될 수 있다.

제1밸브(191a)는, 제1 바이패스 밸브로 이해될 수 있다.

도 1의 상측 부근을 보면, 제1 바이패스 유로(182d)가 제1 임펠러 하우징(132), 제2 임펠러 하우징(142) 및 제3 임펠러 하우징(182)에서 “ㄱ”자의 형상으로 형성되어 있는 예가 도시되는데, 반드시 이러한 구조에 한정되는 것은 아니고, 제1입구(132b)와 제3압축유닛(180)의 유입 유로(182f)를 연통할 수 있다면 다른 구조나 구성으로 형성될 수도 있다.

제1압축유닛(130)과 제2압축유닛(140)과 제3 압축유닛(180)은 각각의 임펠러(131, 141, 181)가 각각의 임펠러 하우징(132, 142, 182)에 수용되어 결합될 수 있다. 즉, 제1압축유닛(130)은 제1임펠러(131)가 제1 임펠러 하우징(132)에 수용되어 축(125)에 결합되고, 제2압축유닛(140)은 제2임펠러(141)가 제2 임펠러 하우징(142)에 수용되어 축(125)에 결합되고, 제3압축유닛(180)은 제3임펠러(181)가 제3 임펠러 하우징(182)에 수용되어 축(125)에 결합될 수 있다. 하지만, 경우에 따라서는 제1임펠러(131)와, 제2 임펠러(141)와, 제3임펠러(181)가 한 개의 임펠러 하우징에 연속으로 배치되어 축(125)에 결합될 수도 있다. 다만, 한 개의 임펠러 하우징에 복수 개의 임펠러가 설치되면 임펠러 하우징의 형상이 상당히 복잡하게 될 것이다.

여기서, 본 실시예는 복수 개의 임펠러가 구동 유닛(120)(또는 케이싱(110))을 기준으로 축방향의 일 측에 연이어 설치되는 다단 터보 압축기(100)를 예를 들어 설명한다.

제1 임펠러 하우징(132)의 내부에는 제1임펠러(131)가 수용되는 제1 임펠러 수용공간(132a)이 형성되며, 제1 임펠러 하우징(132)의 일단에는 흡입관(115)이 연결되어 냉동사이클의 증발기로부터 냉매가 흡입되는 제1입구(132b)가 형성되고, 제1 임펠러 하우징(132)의 타단에는 1단 압축된 냉매를 후술할 제2 임펠러 하우징(142)으로 안내하는 제1출구(132c)가 형성된다.

제1 임펠러 수용공간(132a)은 제1임펠러(131)를 완전히 수용할 수 있도록 제1입구(132b)와 제1출구(132c)를 제외한 밀폐형상으로 형성될 수도 있지만, 제1임펠러(131)의 배면측이 개방되고 그 개방된 면이 후술할 제2 임펠러 하우징(142)의 전방측면에 밀폐되는 반 밀폐형상으로 형성될 수도 있다.

제1입구(132b)와 제1출구(132c)의 사이에는 제1임펠러(131)의 날개부(131b) 외주면과 일정 간격만큼 이격되어 제1디퓨져(133)가 형성되고, 제1디퓨져(133)의 후류측에는 제1볼류트(134)가 형성된다. 그리고, 제1디퓨져(133)의 축방향 일단의 중심에 제1입구(132b)가, 제1볼류트(134)의 후류측에 제1출구(132c)가 각각 형성된다.

제1임펠러(131)는 축(125)에 결합되는 제1원판부(131a)와, 제1원판부(131a)의 전방면에 형성되는 복수 개의 제1날개부(131b)로 이루어진다. 제1원판부(131a)는 그 전방면에는 복수 개의 제1날개부(131b)가 원추 형상으로 형성되지만, 그 후방면은 배압을 받도록 평판모양으로 형성될 수 있다.

여기서, 제1원판부(131a)의 후방에는 축(125)에 결합된 제1 배압플레이트(미도시)가 소정이 간격만큼 이격되어 구비되고, 그 제1 배압플레이트에는 환형으로 된 제1 실링부재(미도시)가 구비될 수 있다. 이로써, 제1원판부의 후방에는 후술할 제2 임펠러 하우징(142)의 전방면과 제1 배압플레이트의 사이에 소정의 냉매가 채워지는 제1 배압공간(미도시)이 형성될 수 있다. 하지만, 제1입구(132b)를 통해 흡입되는 냉매의 압력은 그리 높지 않아 축(125)에 대한 추력이 크지 않을 수 있으므로 제1 배압공간은 배제될 수 있다.

제2압축유닛(140)은 제2임펠러(141)로부터 토출된 냉매를 상기 제3압축유닛(180)으로 제공 가능하게 하는 제2출구(142d)를 구비할 수 있다. 일례로, 후술하는 바와 같이, 제2출구(142d)는, 제2 임펠러 하우징(142)에 구비될 수 있다. 또한, 제3압축유닛(180)은, 유입 유로(182f)를 구비할 수 있다. 유입 유로(182f)는, 제2출구(142d)와 연통 가능하며, 제2임펠러(141)로부터 토출된 냉매를 제3임펠러(181)로 유입 가능하게 하는 유입 유로(182f)를 구비할 수 있다.

제2출구(142d) 또는 상기 유입 유로(182f)에는 상기 제2임펠러(141)로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러(181)로 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제2밸브(191b)가 설치될 수 있다.

제2밸브(191b)는, 제2임펠러(141)로부터 토출된 냉매를 제3임펠러(181)로 유동을 유입 또는 차단하는 유입 밸브로 이해될 수 있다.

도 1에는, 제2 볼류트에 제2출구(142d)가 구비되어 있으며, 유입 유로(182f)에 제2밸브(191b)가 설치되는 예가 도시된다. 하지만, 반드시 이러한 구조에 한정되는 것은 아니고, 제2밸브(191b)는 제2출구(142d) 측에 설치될 수도 있을 것이다.

한편, 제2 임펠러 하우징(142)의 내부에는 제2 임펠러(141)가 수용되는 제2 임펠러 수용공간(142a)이 형성되며, 제2 임펠러 하우징(142)의 일단에는 제1 임펠러 하우징(132)의 제1출구(132c)에 연결되어 1단 압축된 냉매가 흡입되는 제2 입구(142b)가 형성되고, 제2 임펠러 하우징(142)의 타단에는 토출관(116)이 연결되어 2단 압축된 냉매를 냉동사이클의 응축기로 안내하는 제2 토출구(142c)가 형성된다.

제2 입구(142b)와 제2 토출구(142c)의 사이에는 제2 임펠러(141)의 날개부(141b) 외주면과 일정 간격만큼 이격되어 제2 디퓨져(143)가 형성되고, 제2 디퓨져(143)의 후류측에는 제2 볼류트(144)가 형성된다. 그리고, 제2 디퓨져(143)의 축방향 일단의 중심에 제2 입구(142b)가, 제2 볼류트(144)의 후류측에 제2 토출구(142c)가 각각 형성된다.

제2 임펠러(141)는 축(125)에 결합되는 제2원판부(141a)와, 제2원판부(141a)의 전방면에 형성되는 복수 개의 제2날개부(141b)로 이루어진다. 제2원판부(141a)는 그 전방면에는 복수 개의 제2날개부(141b)가 원추 형상으로 형성되지만, 그 후방면은 배압을 받도록 평판모양으로 형성될 수 있다.

여기서, 제2원판부(141a)의 후방에는 축(125)에 결합된 제2 배압플레이트(145)가 소정이 간격만큼 이격되어 구비되고, 그 제2 배압플레이트(145)에는 환형으로 된 제2실링홈(145a)이 형성되어 그 제2실링홈(145a)에 제2 실링부재(146)가 삽입될 수 있다. 이로써, 제2원판부(141a)의 후방에는 제2 배압플레이트(미도시)와 케이싱(110)의 전방면 사이에 소정의 냉매가 채워지는 제2 배압공간(미도시)이 형성된다. 그리고, 제2 배압공간으로 유입되는 냉매의 일부가 제2실링홈(미도시)으로 유입되어 제2 실링부재(미도시)를 밀어 올림에 따라, 제2 배압공간은 밀봉되게 된다.

제2 배압공간은 후술할 배압유로가 연결되고, 배압유로에는 제2 배압공간의 압력이 압축기의 운전속도(즉, 압축비)에 따라 제2 배압공간의 압력을 가변시킬 수 있도록 배압유로를 선택적으로 개폐하는 배압 조절밸브가 설치될 수 있다.

예를 들어, 배압유로는 제2 임펠러 하우징(142)과 케이싱(110)의 내부를 관통하여 형성될 수 있다. 즉, 제2 임펠러 하우징(142)의 벽체를 이루는 하우징의 내부에 제1 배압유로가 형성되고, 케이싱(110)의 전방측 프레임(112)의 내부에는 제1 배압유로와 연통되는 제2 배압유로가 형성될 수 있다. 물론, 배압유로는 토출관의 중간에서 분관되는 파이프 형태로 이루어질 수도 있으나, 배압유로가 임펠러 하우징과 전방측 프레임의 내부에 형성되는 것이 부품수를 줄여 제조비용을 절감할 수 있어 바람직할 수 있다.

하지만, 경우에 따라서는 배압유로는 그 배압유로가 구비된 별도의 밸브프레임을 케이싱(110)의 전방면에 조립하여 형성할 수도 있다.

제3압축유닛(180)은, 제2압축유닛(140)에 인접하도록 배치된다.

제3압축유닛(180)은, 케이싱(110)의 구동 유닛(120)이 배치된 위치와 반대편의 일측에 설치된다.

즉, 제3압축유닛(180)은 제3임펠러(181)가 제3 임펠러 하우징(182)에 수용되어 축(125)에 결합되게 된다.

제3임펠러(181)는 도 1에 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2임펠러(131, 141)와는 반대를 향하도록로 배치되어 있다.

한편, 제3 임펠러 하우징(182)의 내부에는 제3임펠러(181)가 수용되는 제3 임펠러 수용공간(182a)이 형성되며, 제3 임펠러 하우징(182)의 일단에는 제2압축유닛(140)으로부터 토출된 냉매가 제공되는 제3입구(182b)가 형성되고, 제3 임펠러 하우징(182)의 하측에는 3단 압축된 냉매를 토출하는 제3토출구(182c)가 형성된다.

제3 임펠러 수용공간(182a)은 제3임펠러(181)를 완전히 수용할 수 있도록 제3입구(182b)와 제3토출구(182c)를 제외한 밀폐형상으로 형성될 수도 있지만, 제3임펠러(181)의 배면측이 개방되고 그 개방된 면이 후술할 제2 임펠러 하우징(142)의 후방측면에 밀폐되는 반 밀폐형상으로 형성될 수도 있다.

제3입구(182b)와 제3토출구(182c)의 사이에는 제3임펠러(181)의 날개부(181b) 외주면과 일정 간격만큼 이격되어 제3디퓨져(183)가 형성되고, 제3디퓨져(183)의 후류측에는 제3볼류트(184)가 형성된다. 그리고, 제3디퓨져(183)의 축방향 일단의 중심에 제3입구(182b)가, 제3볼류트(184)의 후류측에 제3토출구(182c)가 각각 형성된다.

제3임펠러(181)는 축(125)에 결합되는 제3원판부(181a)와, 제3원판부(181a)의 전방면에 형성되는 복수 개의 제3날개부(181b)로 이루어진다. 제3원판부(181a)는 그 전방면에는 복수 개의 제3날개부(181b)가 원추 형상으로 형성되지만, 그 후방면은 배압을 받도록 평판모양으로 형성될 수 있다.

여기서, 제3원판부(181a)의 후방에는 축(125)에 결합된 배압플레이트(미도시)가 소정이 간격만큼 이격되어 구비되고, 그 배압플레이트에는 환형으로 된 실링부재(미도시)가 구비될 수 있다. 이로써, 제3원판부의 후방에는 후술할 제2 임펠러 하우징(142)의 후방면과 배압플레이트의 사이에 소정의 냉매가 채워지는 배압공간(미도시)이 형성될 수 있다.

제3압축유닛(180)은, 제3임펠러(181)로부터 토출된 냉매를 배출 가능하게 하는 제3볼류트(184)를 구비할 수 있다. 전술한 제1입구(132b)와, 제3볼류트(184) 사이에는 제2 바이패스 유로(182e)가 형성될 수 있다.

또한, 제2 바이패스 유로(182e)에는, 제3밸브(191c)가 설치될 수 있는데, 상기 제3밸브(191c)는 상기 제3임펠러(181)로부터 토출된 냉매가, 상기 제3볼류트(184)로부터 상기 제1입구(132b)로 유동되는 것을 가능 또는 차단하게 한다.

제3밸브(191c)는, 제2 바이패스 유로(182e)에 설치되는 제2 바이패스 밸브로 이해될 수 있다.

또한, 제3볼류트(184)에는 외부의 사이클과 연통되는 제3출구(182g)가 형성되고, 상기 제3출구(182g)에는 제4밸브(191d)가 설치되고, 상기 제4밸브(191d)는 상기 제3임펠러(181)로부터 토출된 냉매를 외부의 사이클로 배출되는 것을 가능 또는 차단하게 할 수 있다.

제4밸브(191d)는 제3 바이패스 유로에 설치되는 제3 바이패스 밸브로 이해될 수 있다.

도 1에는 제3 임펠러 하우징(182)에서 좌측 방향으로 제3출구(182g)가 형성되는 예가 도시되는데, 제3출구(182g)는 외부의 사이클과 연통될 수 있으며, 제3출구(182g)에는 제4밸브(191d)가 설치되어 있는 예가 도시된다.

본 발명은, 이와 같이, 제3볼류트(184)에는 외부의 사이클과 연통되는 제3출구(182g)가 형성되고, 상기 제3출구(182g)에는 제4밸브(191d)가 설치되며, 제3출구(182g)는 외부의 사이클과 연통될 수 있으며, 제3출구(182g)에는 제4밸브(191d)가 설치되어 있는 구성에 의해, 압력비 15이상에서, 10 % 내지 100 %의 부분 부하의 유량 범위를 갖도록 1 내지 3단의 모든 압축부가 순차적으로 압축하지 않고 1, 2단의 압축부만 차례로 압축하고 3단의 압축부는 흡입 또는 사이클로 바이패스 하여 운전 범위를 확보할 수 있게 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 터보 압축기(100)는 복수 개의 임펠러()131, 141, 181)가 구동 유닛(120)(또는 케이싱(110))을 기준으로 축방향 일측에 연이어 설치되는 다단 구조의 터보 압축기(100)를 예로 들어 설명한다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 제3 임펠러 하우징(182)의 내부에는 제3 임펠러(181)가 수용되는 제3 임펠러 수용공간(182a)이 형성되며, 제3 임펠러 하우징(182)의 일단에는 유입 유로(182f)가 구비되어 제2압축유닛(140)으로부터 토출된 냉매를 제공받을 수 있게 하고, 제3 임펠러 하우징(182)의 타단에는 제3임펠러(181)에 의해 압축된 냉매를 배출하는 제3출구(182g) 및 제3토출구(182c)가 형성된다.

한편, 구동 유닛(120)에는 제1입구(132b)와 연통 가능한 냉매 유입 유로(182f)가 구비될 수 있는데, 냉매 유입 유로(182f)에는 제5밸브(191e)가 연결될 수 있다. 냉매 유입 유로(182f)는 일례로, 적어도 일 방향을 따라서 형성될 수 있다.

제5밸브(191e)는, 증발기로부터의 냉매를 터보 압축기(100)의 내부로 공급하는 인젝션 밸브로 이해될 수 있다.

도 1을 참조하면, 구동 유닛(120)의 스테이터(121)에 냉매 유입 유로(182f)가 형성되어 있는 예가 도시되는데, 일례로, 냉매 유입 유로(182f)는 스테이터(121)의 대각선 방향으로 형성되는 예가 도시되나 반드시 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 1에는 케이싱(110)에 냉매 유입 유로(182f)에 연통되는 유입구가 형성되고, 유입구에 제5밸브(191e)가 설치되어 있는 예가 도시된다.

제5밸브(191e)에 의해, 증발기로부터 배출된 냉매가 터보 압축기(100)의 내부로 유입 또는 차단하게 할 수 있다.

케이싱(110)의 전방측 프레임(112)에는 반경방향으로 소정의 깊이를 가지는 밸브공간(미도시)이 형성되고, 배압밸브(미도시)가 삽입 설치될 수 있으며, 밸브공간과 배압밸브의 사이에는 그 배압밸브를 탄력 지지하는 밸브스프링(미도시)이 설치될 수 있다.

또한, 제1 배압구멍(미도시)의 일측에는 밸브공간을 케이싱(110)의 내부공간과 연통시키는 제2 배압구멍(미도시)이 형성될 수 있다. 제2 배압구멍은 제1 배압구멍보다 안쪽, 즉 배압밸브가 압력에 의해 개방되는 경우 제1 배압구멍보다 더 높은 압력을 받았을 때 열릴 수 있도록 제1 배압구멍보다 더 중심쪽에 위치하도록 형성된다. 하지만, 경우에 따라서는 제2 배압구멍은 제1 배압구멍과 동일한 위치, 즉 제1 배압구멍과 제2배압구멍이 동시에 개폐되는 위치에 형성될 수도 있고, 제1 배압구멍 보다 더 바깥쪽에 형성될 수도 있다.

배압밸브는 볼밸브 또는 피스톤 밸브로 이루어질 수 있다. 이러한 배압밸브는 배압유로를 통해 유입되는 냉매의 압력에 의한 힘과 탄성부재의 탄성력에 의한 힘의 차이에 따라 3개의 위치를 가질 수 있다. 즉, 배압밸브는 제1 배압구멍과 제2 배압구멍이 모두 닫히는 제1 위치, 제1배압구멍이 열리고 제2 배압구멍은 닫히는 제2 위치, 그리고 제1 배압구멍과 제2 배압구멍이 모두 열리는 제3 위치를 가지도록 형성될 수 있다.

이를 위해, 밸브스프링은 압축코일 스프링으로 이루어져 그 배압밸브의 안쪽면과 밸브공간 사이에 설치될 수도 있고, 경우에 따라서는 밸브스프링이 인장코일스프링으로 이루어져 그 배압밸브의 바깥쪽과 밸브공간 사이에 설치될 수도 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 제1 배압유로가 제2압축유닛(140)의 토출측, 즉 제2 토출구에 연결되는 것이나, 경우에 따라서는 배압유로가 제1압축유닛의 토출측에 연결될 수도 있다. 이 경우에도 밸브공간 및 배압밸브 등 기본적인 구성은 전술한 실시예와 동일하게 형성할 수도 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 터보 압축기(100)는 다음과 같이 동작될 수 있다.

즉, 구동 유닛(120)에 전원이 인가되면, 스테이터(121)와 로터(122) 사이의 유도 전류에 의해 회전력이 발생되고, 이 회전력에 의해 축(125)이 로터(122)와 함께 회전을 하게 된다. 축(125)에 의해 제1임펠러(131)와, 제2임펠러(141), 및 제3임펠러(181)에 구동 유닛(120)의 회전력이 전달되고, 제1임펠러(131)와 제2 임펠러(141)와 제3임펠러(181)가 각각의 임펠러 수용공간(132a, 142a, 182a)에서 동시에 회전을 하게 된다.

그러면 냉동사이클의 증발기를 통과한 냉매가 흡입관과 제1입구(132b)를 통해 제1 임펠러 수용공간(132a)으로 유입되고, 이 냉매는 제1임펠러(131)의 날개부(131b)를 따라 이동하면서 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 제1디퓨져(133)를 통과하게 된다.

그러면, 제1디퓨져(133)를 통과하는 냉매는 그 제1디퓨져(133)에서 원심력에 의해 운동에너지가 압력수두의 상승으로 이어지고, 원심 압축된 고온 고압의 냉매는 제1볼류트(134)에서 모아져 제1출구(132c)를 통해 토출된다.

그러면, 제1출구(132c)에서 토출되는 냉매는 제2 임펠러 하우징(142)의 제2 입구(142b)를 통해 제2 임펠러(141)로 전달되면서, 제2 임펠러(141)의 내부에서 다시 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 제2 디퓨져(143)를 통과하게 된다.

그러면, 제2디퓨져(143)를 통과하는 냉매는 원심력에 의해 원하는 압력까지 압축되고, 이 2단 압축된 고온고압의 냉매는 제2 볼류트(144)에서 모아져 제2 토출구(142c)와 토출관(미도시)을 통해 응축기로 토출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

한편, 제2디퓨져(143)를 통과하고 제2볼류트(144)에서 모아진 냉매의 일부는 제3압축유닛(180)으로 제공된다. 제3압축유닛(180)으로 제공되는 냉매는 전술한 제3압축유닛(180)의 유입 유로(182f)를 따라서 유동하여 제3입구(182b)를 통해서 제3 임펠러 수용공간(182a)으로 유입되게 된다.

그 후, 제3 임펠러(181)로 전달되면서, 제3 임펠러(181)의 내부에서 다시 정압이 상승하며 동시에 원심력을 가지고 제2 디퓨져(183)를 통과하게 된다.

그러면, 제3디퓨져(183)를 통과하는 냉매는 원심력에 의해 원하는 압력까지 압축되고, 이 3단 압축된 고온고압의 냉매는 제3볼류트(184)에서 모아진 냉매의 일부는 제3 토출구(182c)와 토출관(미도시)을 통해 응축기로 토출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

제3볼류트(184)에서 모아진 냉매의 다른 일부는 제3출구(182g)를 통해 외부의 사이클로 제공될 수 있다.

또한, 제3볼류트(184)에서 모아진 냉매의 또 다른 일부는 후술하는 제어부(170)에 의해 제2 바이패스 유로(182e)를 유동하여 통해 제1압축유닛(130)으로 다시 제공될 수 있다.

이때, 제1임펠러(131)와 제2 임펠러(141)는 각 임펠러 하우징(132, 142)의 제1입구(132b)와 제2 입구(142b)를 통해 흡입되는 냉매에 의해 후방쪽으로 밀리는 추력을 받게 된다. 특히, 제2 임펠러(141)의 경우는 제1임펠러(131)에 의해 1단 압축된 냉매가 제2 입구(142b)를 통해 유입됨에 따라 상당히 큰 후방향 추력을 받게 된다. 이러한 후방향 추력은 케이싱(110)의 내부에 구비되는 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)에 의해 저지되어 제1임펠러(131)와 제2 임펠러(141)가 축(125)과 함께 후방쪽으로 밀리는 것이 억제된다.

앞서 설명한 바와 같이, 제1임펠러(131)와 제2 임펠러(141)가 구동 유닛(120)을 기준으로 한 쪽에 몰려서 설치되는 경우에는 축방향 후방쪽으로는 상당히 큰 추력을 받게 되어 그만큼 스러스트 베어링의 단면적을 넓게 확보하여야 압축기의 신뢰성을 유지할 수 있다. 그러나, 이는 터보 압축기(100)의 크기가 증대될 뿐만 아니라 스러스트 베어링에서의 마찰손실이 증가하면서 압축기 효율이 저하될 수 있다. 또, 고속운전시 구동 유닛(120)의 부하가 증가하여 발열량이 높아지나 이를 효과적으로 냉각하지 못하거나 별도의 냉각장치가 필요하게 되어 전체적으로 제조비용이 증가하게 될 수 있다.

이를 감안하여, 제1임펠러(131)와 제2 임펠러(141)가 후방으로 추력을 받고, 제3임펠러(181)도 후방으로 추력을 받아, 제1 및 제2임펠러(131, 141)와, 제3임펠러(181)의 추력은 서로 상쇄될 수 있으며, 이로 인해 스러스트 베어링에 가해지는 하중을 줄일 수 있다. 그러면, 스러스트 베어링의 크기를 줄일 수 있고, 스러스트 베어링에 의한 마찰손실을 줄여 압축기 효율을 높일 수 있다.

또한, 고속운전시 구동 유닛(120)으로부터 발생되는 발열량이 증가할 수 있으나, 바이패스되는 냉매의 일부를 케이싱(110)의 내부공간으로 유도하여 구동 유닛(120)을 냉각하게 되면 구동 유닛(120)의 성능을 높여 압축기 효율을 향상시킬 수 있다.

도 4는 제어부(170)의, 구동 유닛(120), 제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180), 및 제1 내지 제5밸브(191a, 191b, 191c, 191d, 191e)과 전기적 연결 관계를 도시하는 블록도이다.

도 4에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 터보 압축기(100)는 제어부(170)를 더 포함할 수 있다.

제어부(170)는, 터보 압축기(100)의 목표 유량, 운전가능 유량, 목표 압력비 및 운전 가능 압력비에 근거하여 터보 압축기(100)를 운전하게 하거나 정지하게 한다.

일례로, 제어부(170)는, CPU 등이 장착된, 컨트롤러나 기판 등을 포함하여 구성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제어부(170)는 후술하는 제어 방법과 관련된 다양한 로직이나 프로그램 등을 저장하고 활용할 수 있는 구성으로 이해될 수 있다.

제어부(170)는, 구동 유닛(120), 제1 내지 제3압축유닛(130, 140, 180), 및 제1 내지 제5밸브(191a, 191b, 191c, 191d, 191e)와 각각 전기적으로 연결되며, 이러한 예가 도 4에 도시된다.

제어부(170)는, 터보 압축기(100)의 저유량 고압력비 운전, 저유량 중압력비 운전 또는 대유량 저압력비 운전하는 각각의 경우에, 제1 내지 제5밸브(191a, 191b, 191c, 191d, 191e)를 온(on) 또는 오프(off)하거나, 제2 또는 제3압축유닛(140, 180)이 냉매의 압축을 수행하게 함으로써 부하에 대응하여 운전하게 할 수 있다.

한편, 본 발명의 터보 압축기 제어 방법(S100, S200, S300)은, 제어부(170)에 의해 터보 압축기(100)의 목표 유량, 운전가능 유량, 목표 압력비 및 운전 가능 압력비에 근거하여 터보 압축기(100)를 운전하게 하거나 정지하게 한다.

본 발명의 터보 압축기 제어 방법(S100, S200, S300)은, 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰지 여부를 판단하는 단계(S10, S210, S310), 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하는 단계(S20, S220, S320), 서지 예상 여부를 판단하는 단계(S50, S250, S350) 및 냉방 또는 난방을 행할지를 판단하는 단계(S30, S230, S330)를 포함한다.

또한, 본 발명의 터보 압축기 제어 방법(S100, S200, S300)은, 터보 압축기(100)의 저유량 고압력비 운전, 저유량 중압력비 운전 또는 대유량 저압력비 운전하는 각각의 경우에, 제어부(170)의 제어 동작에 의해, 제1 내지 제5밸브(191a, 191b, 191c, 191d, 191e)를 온 또는 오프하거나, 제2 또는 제3압축유닛이 냉매의 압축을 수행하게 함으로써 부하에 대응하여 운전하게 할 수 있다.

제어부(170)에 의해 본 발명의 터보 압축기 제어 방법(S100, S200, S300)이 수행되는 예에 대하여 이하의, 도 5 내지 도 7의 순서도를 참조하여 서술하기로 한다.

도 5에는 본 발명의 터보 압축기(100)의 저유량 고압력비 운전을 목표로 하는 동작(S100)을 하는 순서도가 도시된다.

제어부(170)는 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰지 여부를 판단하여(S10), 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰 경우(예)는 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하고(S20), 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 작은 경우(아니오)는 냉방을 할지 난방을 할지 판단한다(S30).

냉방을 하도록 결정하게 되면, 터보 압축기(100)의 동작은 정지하게 된다(S35).

반면, 난방을 하도록 결정하게 되면 인젝션 부하의 대응 가능 여부를 판단하여(S40), 인젝션 부하가 대응 가능하다면(예) 제5밸브(191e)를 온(on) 상태로 하여(S43) 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S70).

목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하여(S20), 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰(예) 경우에는 서지의 발생 여부에 대해 예상하게 된다(S50).

반면, 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 작은(아니오) 경우에는 제3압축유닛(180)이 동작하게 된다(S55). 제3압축유닛(180)이 동작하게 되면, 제1 내지 제5밸브(191a, 191b, 191c, 191d, 191e)를 오프(off) 상태로 하는데(S57), 이 경우 도 2에서의 토출 2가 수행되게 되며 또한, 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S70).

서지가 발생될 것으로 예상되면(예) 제3밸브(191c)를 온(on) 상태로 하여(S60) 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S70).

반면, 서지의 발생하지 않을 것으로 예상되면(아니오) 제3압축유닛(180)이 동작하게 된다(S55). 제3압축유닛(180)이 동작하게 되면, 제1 내지 제5밸브(191a, 191b, 191c, 191d, 191e)를 오프(off) 상태로 하는데(S57), 이 경우 도 2에서의 토출 2가 수행되게 되며 또한, 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S70).

도 6에는 본 발명의 터보 압축기(100)의 저유량 중압력비 운전을 목표로 하는 동작(S200)을 하는 순서도가 도시된다.

제어부(170)는 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰지 여부를 판단하여(S210), 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰 경우(예)는 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하고(S220), 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 작은 경우(아니오)는 냉방을 할지 난방을 할지 판단한다(S230).

냉방을 하도록 결정하게 되면, 터보 압축기(100)의 동작은 정지하게 된다(S235).

반면, 난방을 하도록 결정하게 되면 인젝션 부하의 대응 가능 여부를 판단하여(S240), 인젝션 부하가 대응 가능하다면(예) 제5밸브(191e)를 온(on) 상태로 하여(S243) 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S270).

목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하여(S220), 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰(예) 경우에는 서지의 발생 여부에 대해 예상하게 된다(S250).

반면, 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하여(S220), 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 작은(아니오) 경우에는 제2압축유닛(140)이 동작하게 된다(S255). 제2압축유닛(140)이 동작하게 되면, 제2 및 제3밸브(191c)를 오프(off) 상태로 하는데(S257), 이 경우 도 2에서의 토출 1이 수행되게 되며 또한, 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S270).

또한, 서지의 발생할 것으로 예상되면(예) 제3밸브(191c)를 온(on) 상태로 하여(S260) 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S270).

반면, 서지의 발생하지 않을 것으로 예상되면(아니오) 제2압축유닛(140)이 동작하게 된다(S255). 제2압축유닛(140)이 동작하게 되면, 제2 및 제3밸브(191c)를 오프(off) 상태로 하는데(S257), 이 경우 도 2에서의 토출 1이 수행되게 되며 또한, 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S270).

또한, 제2압축유닛(140)이 동작하게 되면(S255), 제3압축유닛(180)에서 제2밸브(191b)가 오프(off)되며, 제1밸브(191a)는 온(on) 상태에 있으며, 도 2에서의 토출 2가 수행되거나 제4밸브(191d)가 온(on) 상태가 되어 부하 대응 운전을 가능하게 할 수 있다(S256).

이로 인해, 도 2에서의 토출 2 및 토출 1의 압력차이에 의하여 전체 시스템 토출 역류 방지될 수 있고, 시스템 부해 대응 및 냉매의 유로에서의 서지가 방지되게 된다. 이를 위해, 역류 방지 밸브(일례로, 체크 밸브)와 차압 밸브가 설치될 수 있다.

도 7에는 본 발명의 터보 압축기(100)의 대유량 저압력비 운전을 목표로 하는 동작(S300)을 하는 순서도가 도시된다.

제어부(170)는 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰지 여부를 판단하여(S310), 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰 경우(예)는 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하고(S320), 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 작은 경우(아니오)는 냉방을 할지 난방을 할지 판단한다(S330).

냉방을 하도록 결정하게 되면, 제3압축유닛(180)이 유량 대응 가능여부를 판단하게 하며(S333), 대응이 가능하지 않으면(아니오), 터보 압축기(100)의 동작은 정지하게 된다(S335). 반면, 제3압축유닛(180)의 유량 대응이 가능하면(예), 제3압축유닛(180)에서 제2밸브(191b)가 오프(off)되며, 제1밸브(191a)는 온(on) 상태에 있으며, 도 2에서의 토출 2가 수행되거나 제4밸브(191d)가 온(on) 상태가 되어 부하 대응 운전을 가능하게 할 수 있다(S356).

반면, 난방을 하도록 결정하게 되면 인젝션 부하의 대응 가능 여부를 판단하여(S340), 인젝션 부하가 대응 가능하다면(예) 제5밸브(191e)를 온(on) 상태로 하여(S343) 부하에 따른 대응운전을 하게 되고(S370), 인젝션 부하가 대응 가능하지 않다면(아니오) 동작이 정지된다(S335).

한편, 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하여(S320), 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰(예) 경우에는 서지의 발생 여부에 대해 예상하게 된다(S350).

서지의 발생할 것으로 예상되면(예) 제3밸브(191c)를 온(on) 상태로 하여(S360) 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S370).

반면, 서지의 발생하지 않을 것으로 예상되면(아니오) 제2압축유닛(140)이 동작하게 된다(S355). 제2압축유닛(140)이 동작하게 되면, 제2 및 제3밸브(191b, 191c)를 오프(off) 상태로 하는데, 이 경우 도 2에서의 토출 1이 수행되게 되며(S357), 또한, 부하에 따른 대응운전을 하게 된다(S370).

또한, 제2압축유닛(140)이 동작하게 되면(S355), 제3압축유닛(180)에서 제2밸브(191b)가 오프(off)되며, 제1밸브(191a)는 온(on) 상태에 있으며, 도 2에서의 토출 2가 수행되거나 제4밸브(191d)가 온(on) 상태가 되어 부하 대응 운전을 가능하게 할 수 있다(S356).

이로 인해, 도 2에서의 토출 2 및 토출 1의 압력차이에 의하여 전체 시스템 토출 역류 방지될 수 있고, 시스템 부해 대응 및 냉매의 유로에서의 서지가 방지되게 된다. 이를 위해, 역류 방지 밸브(일례로, 체크 밸브)와 차압 밸브가 설치될 수 있다.

이상에서 설명한 터보 압축기(100) 및 이를 제어하는 방법(S100, S200, S300)은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100:터보 압축기
110:케이싱 111:쉘
112:전방측 프레임 113:후방측 프레임
120:구동 유닛 121a:냉매 유입 유로
121:스테이터 122:로터
125:축
130:제1압축유닛 131:제1임펠러
132:제1 임펠러 하우징 132b :제1입구
132c:제1출구
140:제2압축유닛 141:제2임펠러
142:제2 임펠러 하우징 142b :제2입구
142d: 제2출구
170:제어부
180:제3압축유닛
181: 제3임펠러 182:제3 임펠러 하우징
182b :제3입구 182g: 제3출구 182f: 유입 유로
182d:제1 바이패스 유로 182e:제2 바이패스 유로
191a:제1밸브 191b:제2밸브 191c:제3밸브
191d:제4밸브 191e:제5밸브

Claims (20)

1. 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생 가능하게 하는 구동 유닛;
   일 방향으로 연장되며, 상기 구동 유닛으로부터 발생된 동력에 의해 회전 가능하도록 상기 구동 유닛에 설치되는 축;
   상기 축의 일 측에서 상기 축에 설치되는 제1 내지 제3압축유닛을 포함하고,
   상기 제1압축유닛은, 증발기로부터 배출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제1 임펠러를 구비하며,
   상기 제2압축유닛은, 상기 제1압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제2임펠러를 구비하며,
   상기 제3압축유닛은 제3임펠러를 구비하고,
   상기 제3임펠러는, 상기 제2압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 외부로 토출하거나 상기 제1압축유닛으로 바이패스하여 제공 가능하게 하고,
   상기 제1압축유닛은, 상기 증발기로부터 배출된 냉매가 흡입 가능한 제1입구를 구비하며, 상기 제1입구에는 상기 제3압축유닛에 냉매의 제공을 가능하게 하도록 연통되는 제1 바이패스 유로가 연결되며, 상기 제1 바이패스 유로에는 상기 제1입구로부터 상기 제3압축유닛으로의 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제1밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1압축유닛은, 상기 제1임펠러를 수용 가능하게 하는 제1 임펠러 하우징을 구비하며, 상기 제1입구는 상기 제1 임펠러 하우징에 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
4. 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생 가능하게 하는 구동 유닛;
   일 방향으로 연장되며, 상기 구동 유닛으로부터 발생된 동력에 의해 회전 가능하도록 상기 구동 유닛에 설치되는 축;
   상기 축의 일 측에서 상기 축에 설치되는 제1 내지 제3압축유닛을 포함하고,
   상기 제1압축유닛은, 증발기로부터 배출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제1 임펠러를 구비하며,
   상기 제2압축유닛은, 상기 제1압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제2임펠러를 구비하며,
   상기 제3압축유닛은 제3임펠러를 구비하고,
   상기 제3임펠러는, 상기 제2압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 외부로 토출하거나 상기 제1압축유닛으로 바이패스하여 제공 가능하게 하고,
   상기 제2압축유닛은, 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3압축유닛으로 제공 가능하게 하는 제2출구를 구비하며,
   상기 제3압축유닛은, 상기 제2출구와 연통 가능하며, 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러로 유입 가능하게 하는 유입 유로를 구비하며,
   상기 제2출구 또는 상기 유입 유로에는 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러로 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제2밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제3압축유닛은, 상기 제3임펠러의 측부에 형성되어 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매를 모아서 배출 가능하게 하는 제3볼류트를 구비하며,
   상기 제1압축유닛은, 상기 증발기로부터 배출된 냉매가 흡입 가능한 제1입구를 구비하며,
   상기 제1입구 및 상기 제3볼류트 사이에는 제2 바이패스 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2 바이패스 유로에는 제3밸브가 설치되고, 상기 제3밸브는 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매가, 상기 제3 볼류트로부터 상기 제1입구로 유동되는 것을 가능 또는 차단하게 하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
7. 제5항에 있어서,
   상기 제3볼류트에는 외부의 사이클과 연통되는 제3출구가 형성되고, 상기 제3출구에는 제4밸브가 설치되고, 상기 제4밸브는 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매를 외부의 사이클로 배출되는 것을 가능 또는 차단하게 하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 구동 유닛에는, 상기 제1입구와 연통 가능한 냉매 유입 유로가 구비되고, 상기 냉매 유입 유로에는 상기 증발기로부터 배출된 냉매의 유입을 가능 또는 차단하게 하는 제5밸브가 연결되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
9. 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생 가능하게 하는 구동 유닛;
   일 방향으로 연장되며, 상기 구동 유닛으로부터 발생된 동력에 의해 회전 가능하도록 상기 구동 유닛에 설치되는 축;
   상기 축의 일 측에서 상기 축에 설치되는 제1 내지 제3압축유닛; 및
   상기 구동 유닛에 전기적으로 연결되어 상기 제1 내지 제3압축유닛의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제1압축유닛은, 증발기로부터 배출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제1 임펠러를 구비하며,
   상기 제2압축유닛은, 상기 제1압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제2임펠러를 구비하며,
   상기 제3압축유닛은 제3임펠러를 구비하고,
   상기 제3임펠러는, 상기 제2압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 외부로 토출하거나 상기 제1압축유닛으로 바이패스하여 제공 가능하게 하고,
   상기 제1압축유닛은, 상기 증발기로부터 배출된 냉매가 흡입 가능한 제1입구를 구비하며, 상기 제1입구에는 상기 제3압축유닛에 냉매의 제공을 가능하게 하도록 연통되는 제1 바이패스 유로가 연결되며, 상기 제1 바이패스 유로에는 상기 제1입구로부터 상기 제3압축유닛으로의 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제1밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
10. 삭제
11. 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생 가능하게 하는 구동 유닛;
    일 방향으로 연장되며, 상기 구동 유닛으로부터 발생된 동력에 의해 회전 가능하도록 상기 구동 유닛에 설치되는 축;
    상기 축의 일 측에서 상기 축에 설치되는 제1 내지 제3압축유닛; 및
    상기 구동 유닛에 전기적으로 연결되어 상기 제1 내지 제3압축유닛의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1압축유닛은, 증발기로부터 배출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제1 임펠러를 구비하며,
    상기 제2압축유닛은, 상기 제1압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 토출 가능하게 하도록 상기 구동 유닛으로부터의 동력에 의해 회전하는 제2임펠러를 구비하며,
    상기 제3압축유닛은 제3임펠러를 구비하고,
    상기 제3임펠러는, 상기 제2압축유닛으로부터 토출된 냉매를 흡입하고 흡입된 냉매를 압축하여 외부로 토출하거나 상기 제1압축유닛으로 바이패스하여 제공 가능하게 하고,
    상기 제2압축유닛은, 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3압축유닛으로 제공 가능하게 하는 제2출구를 구비하며,
    상기 제3압축유닛은, 상기 제2출구와 연통 가능하며, 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러로 유입 가능하게 하는 유입 유로를 구비하며,
    상기 제2출구 또는 상기 유입 유로에는 상기 제2임펠러로부터 토출된 냉매를 상기 제3임펠러로 유동을 가능 또는 차단하게 하는 제2밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
12. 제9항에 있어서,
    상기 제3압축유닛은, 상기 제3임펠러의 측부에 형성되어 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매를 모아서 배출 가능하게 하는 제3볼류트를 구비하며,
    상기 제1입구 및 상기 제3볼류트 사이에는 제2 바이패스 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
13. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2밸브에 전기적으로 연결되고,
    목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제2밸브가 오프(off) 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 바이패스 유로에는 제3밸브가 설치되고, 상기 제3밸브는 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매가, 상기 제3 볼류트로부터 상기 제1입구로 유동되는 것을 가능 또는 차단하게 하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제3밸브에 전기적으로 연결되고,
    목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제3밸브가 오프(off)되고,
    목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 큰 경우나 서지가 예상되는 경우에 제3밸브가 온(on) 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
16. 제12항에 있어서,
    상기 제3볼류트에는 외부의 사이클과 연통되는 제3출구가 형성되고, 상기 제3출구에는 제4밸브가 설치되고, 상기 제4밸브는 상기 제3임펠러로부터 토출된 냉매를 외부의 사이클로 배출되는 것을 가능 또는 차단하게 하고,
    상기 제어부는,
    상기 제4밸브에 전기적으로 연결되고,
    목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제4밸브가 오프(off) 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
17. 제12항에 있어서,
    상기 구동 유닛에는, 상기 제1입구와 연통 가능한 냉매 유입 유로가 구비되고, 상기 냉매 유입 유로에는 상기 증발기로부터 배출된 냉매의 유입을 가능 또는 차단하게 하는 제5밸브가 설치되고,
    상기 제어부는,
    상기 제5밸브에 전기적으로 연결되고,
    목표 압력비가 운전가능 압력비 보다 크지 않은 경우나 서지가 예상되지 않는 경우에 제5밸브가 오프(off) 상태가 되도록 제어하고,
    목표 유량이 운전가능 유량 보다 크지 않고 난방을 수행하며, 인젝션 부하의 대응이 가능한 경우에 제5밸브가 온(on) 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
18. 청구항 제9항, 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따르는 터보 압축기를 제어하는 제어 방법으로서,
    제어부가 상기 터보 압축기의 목표 유량이 운전 가능 유량 보다 큰지 여부를 판단하는 단계;
    상기 제어부가 상기 터보 압축기의 목표 압력비가 운전 가능 압력비 보다 큰지 여부를 판단하는 단계;
    서지가 발생할 것으로 예상되는지 여부를 판단하는 단계; 및
    냉방 또는 난방을 행할지를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 목표 유량이 상기 운전 가능 유량 보다 작은 경우 상기 냉방 또는 난방할지를 판단하여 냉방을 하기로 결정하면 상기 터보 압축기의 동작을 정지하게 하고, 난방을 하기로 결정하면 인젝션 부하의 대응 가능 여부를 판단하여 상기 인젝션 부하가 대응 가능하다면 제5밸브를 온 상태로 하여 부하에 따른 대응운전을 하게 하고,
    상기 목표 압력비가 상기 운전 가능 압력비 보다 작은 경우, 제3압축유닛이 동작하게 되고, 제1 내지 제5밸브를 오프 상태로 하여 부하에 따른 대응운전을 하게 하며,
    서지가 발생할 것으로 예상되면 제3밸브를 온 상태로 하여 부하에 따른 대응운전을 하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기 제어 방법.
19. 삭제
20. 제18항에 있어서,
    서지가 발생하지 않을 것으로 예상되면, 제2압축유닛을 동작하게 하고, 상기 제2압축유닛이 동작하게 되면, 제2 및 제3밸브를 오프(off) 상태로 하여, 냉매의 토출을 수행하게 하도록 부하에 따른 대응운전을 하는 것을 특징으로 하는 터보 압축기 제어 방법.
    

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