KR20010010014A - 터보식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보식 압축기에 관한 것이다. 개시된 터보식 압축기는 회전축을 가지는 전동기와; 상기 전동기의 회전축의 일단부에 설치되어 외부공기를 일차로 압축시키는 제1임펠러와; 상기 압축된 외부공기를 받아들이는 제1볼류트하우징과;상기 회전축의 타단부에 상기 제1볼류트하우징에 대응되도록 설치되며 흡입관이 형성된 제2볼류트하우징과; 상기 제2볼류트하우징의 흡입관과 그 일단이 연통되고 상기 제1볼류트하우징과 그 타단이 연통되어 상기 제1볼류트하우징과 상기 제2볼류트하우징을 연통시키는 유동경로를 형성시키는 것으로써 그 내부의 유동경로에서 유동되는 고온의 압축공기를 소정온도로 냉각시키는 인터쿨러; 및 상기 제2볼류트하우징으로 압축공기를 이차로 압축시켜 공급하는 제2임펠러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

터보식 압축기{Turbo compressor}

본 발명은 터보식 압축기에 관한 것으로서, 특히 고속 전동기의 회전축에 임펠러를 직결시켜 외부공기를 흡입하여 압축시키고 냉각을 시키는 시스템에 관한 것이며, 전동기의 회전축을 에어 포일 베어링으로 지지하여 시스템의 단순화 및 고속화를 실현한 터보식 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 외부공기를 압축시키기 위해서는 피스톤식의 압축기, 로터식 압축기, 터보식 압축기 등이 있는데 터보식 압축기의 경우 고속으로 회전되는 회전축에 연결된 임펠러에 의해 외부공기가 압축된다.

이와 같이 고속으로 회전하는 시스템은 회전체를 지지하는 베어링이 고속, 고하중, 고온 조건에 노출되므로 기존에 사용되는 틸팅 패드 베어링이나 볼 베어링을 사용할 경우 적절한 윤활 시스템과 온도 조절을 위해 복잡한 시스템을 필요로 하게 되며 이때 공급된 윤활유가 임펠러로 들어오지 못하도록 하는 복잡한 씰링 시스템이 요구된다. 이와 같이 복잡한 시스템은 많은 문제를 유발하게 된다.

도 1은 종래의 터보식 압축기의 단면도이다.

도면을 참조하면 회전력을 공급하는 저속 전동기(미도시)와 이를 임펠러에서 요구하는 고속 회전을 얻기 위한 기어 시스템(8)과 회전축의 일단에 설치되는 제 1 임펠러(1)와 상기 제 1 임펠러(1)에서 압축되는 공기를 받아들이는 제 1 볼류트 하우징(2)과, 상기 타 회전축에 일단이 설치되는 제 2 임펠러(3)와, 상기 제 2 임펠러(3)에서 압축되는 공기를 받아들이는 제 2 볼류트 하우징(4)과 상기 회전축을 지지하는 베어링(5)과 타단에 설치되는 제 3 임펠러(6)와 상기 제 2 임펠러에서 압축되는 공기를 받아들이는 제 3 볼류트(7)와 또한 각 단에서 압축된 공기를 냉각시키기 위해서 각 단에 연통되는 곳에 냉각 장치가 설치되어 있다.

종래의 터보 압축기에는 상기에서 설명된 바와 같이 종속 기어를 사용하고 있으며, 상기의 종속 기어는 중량과 체적이 커서 이로 인한 설치 공간의 제약과 무게 증가, 저주파의 진동과 소음의 증가등의 문제를 발생시킨다.

그리고 종래의 압축기에서는 고속의 회전축을 지지하는데 볼베어링이나 틸팅 패드 유세 베어링을 사용하고 있는데 상기의 베어링은 계속적으로 충분히 냉각되고 적당한 압력을 가진 윤활유 공급이 필요하며 공급된 윤활유가 공기 압축 유로에 침입하지 못하도록 가압된 공기를 이용한 가압 시스템과 씰링 시스템을 필요로 한다.

한편 종래의 터보 압축기에서 전동기가 상용 전원으로 구동되는 경우, 정격 전류의 3 내지 4 배 정도의 기동 전류가 요구되기 때문에, 전원 설비 증대와 비용 상승 및, 설치 공간의 확대가 필요하다. 또한 특정의 전원 주파수, 예를 들면 50Hz, 60Hz 에서 최대 능력이 발휘되기 때문에 전원 주파수에 따라서 설계가 이루어져야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하도록 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고속 전동기와 회전축에 에어 포일을 적용함으로써 시스템이 단순화되고 사용이 편리한 터보식 압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 인버터로써 구동하는 고속 전동기를 가동함으로써 전체 중량을 줄인 터보식 압축기를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 터보식 압축기의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 터보식 압축기의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 터보식 압축기의 구동을 설명하기 위한 개략적인 블록도이다.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11, 21: 회전축 13: 유도전동기

14, 24: 제1임펠러 14a: 홀

15, 25: 제1볼류트하우징 16, 26: 제2임펠러

17: 볼 베어링 18, 28: 제2볼류트하우징

23: 고속 전동기(HSM/High Speed Motor)

23a: 로터 28a: 흡입관

29: 인터쿨러 37: 인버터 모듈

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 터보식 압축기는, 회전축을 가지는 전동기와; 상기 전동기의 회전축의 일단부에 설치되어 외부공기를 일차로 압축시키는 제1임펠러와; 상기 압축된 외부공기를 받아들이는 제1볼류트하우징과; 상기 회전축의 타단부에 상기 제1볼류트하우징에 대응되도록 설치되며 흡입관이 형성된 제2볼류트하우징과; 상기 제2볼류트하우징의 흡입관과 그 일단이 연통되고 상기 제1볼류트하우징과 그 타단이 연통되어 상기 제1볼류트하우징과 상기 제2볼류트하우징을 연통시키는 유동경로를 형성시키는 것으로써 그 내부의 유동경로에서 유동되는 고온의 압축공기를 소정온도로 냉각시키는 인터쿨러; 및 상기 제2볼류트하우징으로 압축공기를 이차로 압축시켜 공급하는 제2임펠러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 제2임펠러에서 공급되는 이차로 압축된 압축공기의 일부가 회전축의 주위로 공급되어 상기 회전축의 주위에는 에어 포일 베어링이 형성된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제 1 임펠러와 제 2 임펠러, 전동기의 지지부로 에어 포일 베어링을 사용하게 된다.

본 발명의 다른 특징에 따르며, 상기 전동기는 인버터 모듈에 의해 제어된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 외부 가압 수단에 의해서 압축된 압축 공기가 회전축의 주위로 공급되어 상기 회전축의 주위에 에어 포일 베어링이 형성될 수 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 보다 상세히 설명하기로 한다

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 터보식 압축기의 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보식 압축기는, 고속회전 예컨데, 대략 70,000rpm 정도 이상으로 회전되는 고속의 전동기(23)와, 상기 전동기(23)의 회전축(21)의 일단부에 설치되는 것으로 회전축(21)의 회전에 의한 모멘텀으로 일차적으로 부압을 형성시키고 이후 외부의 공기를 화살표와 같이 흡입, 압축시켜 압축공기 상태로 변환시키며 다수의 베인이 형성된 제1임펠러(24)와, 상기 제1임펠러(24)에서 압축된 압축공기를 받아들여서 후술하는 제2볼류트하우징(28)으로 보내는 제1볼류트하우징(25)을 포함한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 터보식 압축기는, 상기 전동기(23)의 회전축(21)의 타단부에 설치되는 것으로 다수의 베인이 형성된 제2임펠러(26)와, 상기 제2임펠러(26)에서 이차로 압축된 압축공기를 받아들인 다음 화살표와 같이 소정의 유동경로로 배출시키는 제2볼류트하우징(28)을 포함한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 터보식 압축기는, 상기 제2볼류트하우징(28)에서 연장된 흡입관(28a)과 일단부가 연통되어 화살표로 도시된 바와 같이 압축공기가 유동되는 유동경로를 형성시키며 상기 제1볼류트하우징(25)에서 유입되어 그 내부를 유동하는 고온의 압축공기를 대략 40℃ 이내로 냉각시키는 열교환 장치인 인터쿨러(29)를 포함한다.

본 발명의 주요한 특징중의 하나는 에어 포일 베어링(Air Foil Bearing)을 형성함으로써 고속으로 회전하는 전동기(23)와 제1,2임펠러(24, 26)와 하나의 축으로 연결하여 압축공기를 얻는데 있다.

상기와 같은 구조를 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 터보식 압축기는 다음과 같이 동작된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 터보식 압축기의 구동을 설명하기 위한 개략적인 블록도이다.

먼저, 전원이 인가되어 입력되는 삼상전원은 정류기(31)에서 정류된다. 이후 정류된 전류는 콘트롤러(32)에 의해 제어되는 인버터 모듈(37)에서 조절된다. 상기 콘트롤러(32)는 스위치(30)의 온/오프에 의해 조정된다.

전원이 인가된 고속의 전동기(HSM/High Speed Motor, 23)가 가동되면 제1임펠러(24)에 흡입된 외부공기는 제1임펠러(24)에서 압축되고, 인터쿨러(29)에서 냉각되어진 후, 제1임펠러(24)와 동축의 회전축(21)에 연결되어 구동되는 제2임펠러(26)에 의해 최종 목표압력으로 가압된다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서는 제 2 임펠러에서 공급되는 이차로 압축된 압축 공기를 회전축의 주위로 공급하는 대신에, 도시되지 아니한 외부 가압 수단에 의해서 공급되는 압축 공기를 회전축의 주위로 공급할 수 있다. 그렇게 공급된 압축 공기는 회전축의 주위에서 에어 포일 베어링을 형성하게 될 것이다.

따라서 본 발명의 터보식 압축기의 주요한 특징 중 다른 하나는 종래의 윤활장치를 제거하고 에어 포일 베어링을 사용하는 데 있다. 상기 에어 포일 베어링은 종래의 기구적인 베어링이 아니라 직접적인 물리적 접촉이 없이 압축공기로써 베어링의 역할을 하게되는 소위 에어베어링이며, 공기를 윤활매체로 이용함으로써 로터(23a)를 지지한다. 여기서 상기 에어 포일 베어링을 형성시키는 압축공기는 제2임펠러(26)에서 이차로 압축되어 상기 전동기(23)의 회전축(21)과 로터(23a)측으로 공급되어진다.

본 발명의 터보식 압축기의 주요한 특징 중 또 다른 하나로써 상기 제1, 2임펠러(24, 26)를 고속 구동시키는 전동기(23)의 구동을 인버터 모듈(37)을 이용하여 제어하는데 있다.

상기 인버터 모듈(37)은 전동기(23)의 회전수를 조정하여 압축공기의 출력을 조정함으로서 전체적인 시스템을 제어하며, 상기 인버터 모듈(37)에 의한 전동기 (23)의 회전 속도 변경을 통해 제1, 2임펠러(24, 26)의 변속운전을 용이하게 함으로써 공기량을 적절히 제어를 한다. 이러한 인버터 모듈(37)에 의한 전동기(23)의 구동방식은 기동시 기동전류를 제한하여 전원설비의 축소 및 경제적 비용절감을 가져온다. 또한 기존의 터보식 압축기에 일반적으로 적용되는 기어박스를 제거하여 무게, 진동 및 소음을 저감시켰다.

또한 인버터 모듈(37)을 사용함으로써 주파수에 따른 설계변경의 문제점을 해결하였을 뿐만 아니라 최적의 운전속도를 선택함으로써 소요 동력을 절감하고 자동영역을 확장하여 신뢰성을 높였다.

상기 인버터 모듈(37)을 이용하는 고속의 전동기(23)는 제1, 2임펠러(24, 26)를 동일한 회전축(21)으로 연결시킨 단일축에 의한 직접구동방식으로 구동됨으로써 제1, 2임펠러(24, 26)가 회동시 외부공기를 효과적으로 압축시키고 압축공기중의 일부를 상기 회전축(21)의 주위로 공급시켜 화살표로 표시된 냉각 통로 방향으로 에어 포일 베어링을 형성시킨다.

이상 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 터보식 압축기는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째; 에어 포일 베어링을 형성시켜 윤활장치를 제거함으로써 고속회전이 가능하게 하였다.

둘째; 고속의 전동기와 임펠러를 동축으로 연결하는 직접구동방식으로 저속전동기 사용할 때 필요한 기어박스를 제거하여 무게, 진동 및 소음을 저감하였다.

셋째; 인버터에 의한 전동기 회전 속도 변경을 통해 임펠러의 변속운전을 용이하게 함으로써 공기량의 제어를 용이하게 할 수 있다.

넷째; 인버터에 의한 전동기 구동방식을 채택하여 기동시 기동전류를 제한하여 전원설비를 축소하고 제조비용을 절감하였다.

다섯째; 인버터를 채택함으로써 주파수에 따른 설계변경의 문제점을 해결하였을 뿐만 아니라 최적의 운전속도를 선택함으로써 소요 동력을 절감하고 자동영역을 확장하여 신뢰성을 높였다.

여섯째; 인버터를 채택함으로써 최적의 운전속도를 선택하여 소요 동력을 절감하고 자동영역을 확장하여 신뢰성을 높였다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명 되었으나 이는 예시적인 것이며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해 할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 회전축을 가지는 전동기와;

   상기 전동기의 회전축의 일단부에 설치되어 외부공기를 일차로 압축시키는 제1임펠러와;

   상기 압축된 외부공기를 받아들이는 제1볼류트하우징과;

   상기 회전축의 타단부에 상기 제1볼류트하우징에 대응되도록 설치되며 흡입관이 형성된 제2볼류트하우징과;

   상기 제2볼류트하우징의 흡입관과 그 일단이 연통되고 상기 제1볼류트하우징과 그 타단이 연통되어 상기 제1볼류트하우징과 상기 제2볼류트하우징을 연통시키는 유동경로를 형성시키는 것으로써 그 내부의 유동경로에서 유동되는 고온의 압축공기를 소정온도로 냉각시키는 인터쿨러; 및

   상기 제2볼류트하우징으로 압축공기를 이차로 압축시켜 공급하는 제2임펠러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보식 압축기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제 1 임펠러와 제 2 임펠러, 전동기의 지지부로 에어 포일 베어링 사용을 특징으로 하는 터보식 압축기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전동기는 인버터 모듈에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 터보식 압축기.
4. 제1항에 있어서, 상기 제 2 임펠러에서 공급되는 이차로 압축된 압축 공기의 일부가 회전축의 주위로 공급되어 상기 회전축의 주위에는 에어 포일 베어링이 형성되는 것을 특징으로 하는 터보식 압축기.
5. 제1항에 있어서, 상기 외부 가압 장치에 의해서 공급되는 압축 공기가 회전축의 주위로 공급되어 상기 회전축의 주위에는 에어 포일 베어링이 형성되는 것을 특징으로 하는 터보식 압축기.