KR20010010873A - 터보 압축기의 축방향 실링구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기의 축방향 실링구조에 관한 것으로, 본 발명의 축방향 실링구조는 포일 베어링을 사용하여 구동축의 반경방향을 지지하는 구조에서 상기 구동축의 외주면에 모터실을 기준으로 축의 회전방향에 대해 순방향으로 가스흡입용 그루브를 형성함으로써, 상기 구동축이 실링부재에 부딪히는 것을 최대한 방지하면서도 상기한 가스흡입용 그루브가 모터실의 냉매가스를 임펠러의 배면쪽으로 몰아내게 되어 압축가스가 임펠러의 배면을 타고 모터실로 누설되려는 것을 방지하여 압축기의 신뢰성 및 성능이 향상된다.

Description

터보 압축기의 축방향 실링구조{AXIAL SEALING STRUCTURE FOR TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기의 실링구조에 관한 것으로, 특히 포일 베어링과 같이 축과의 공극이 넓은 베어링 장착시 압축가스가 축방향으로 누설되는 것을 방지하는데 적합한 터보 압축기의 축방향 실링구조에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 날개차나 로터의 회전운동 또는 피스톤의 왕복운동으로 공기나 냉매가스와 같은 기체를 압축시키는 것으로, 특히 터보 압축기는 공기 압축기의 일종으로 와류펌프와 같은 구조의 원심 압축기 및 터빈형의 축류 압축기로 구분된다.

도 1은 종래 2단 압축식 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 2단 압축식 터보 압축기는, 흡입구(11)와 연통되는 모터실(12) 그 모터실(12)의 출구와 연통되는 제1 압축실(13) 그 제1 압축실(13)의 출구와 연통되는 제2 압축실(14) 그리고 그 제2 압축실(14)의 토출측에 연통되는 토출구(15)가 케이싱(10)의 양측에 각각 형성되고, 그 케이싱(10)의 내측 중앙에는 엑시얼타입의 비엘디시모터(Brushless DC MOTOR)(20)가 장착되는 모터실(12)이 형성되며, 상기 제1,제2 압축실(13,14) 및 모터실(12)은 제1,제2 가스유로(미도시)에 의해 연통되고, 상기 모터(20)에 결합되어 회전하는 구동축(30)의 양단에는 제1,제2 압축실(13,14)에 각각 삽입되어 회전하면서 냉매가스를 2단으로 압축하는 제1,제2 임펠러(40,50)가 결합되며, 상기 구동모터(20)의 양측에는 구동축(30)을 반경방향 및 축방향으로 지지하는 제1,제2 베어링부재(60A,60B)가 장착되고, 그 각각의 베어링부재(60A,60B)와 제1,제2 임펠러(40,50)의 사이에는 압축가스의 누설을 방지하는 실링부재(70A,70B)가 설치되어 이루어져 있다.

상기 각 베어링부재(60A,60B)는 통상적인 굽힘형 포일 베어링(Spirall Type Foil Bearing)으로서, 원통형인 포일 하우징(Foil Housing)(61)의 내주면에 굽힘력으로 축을 지지하는 다수개의 포일 세그먼트(Foil Segment)(62)가 등간격으로 장착되어 이루어져 있다.

또한, 상기 실링부재(70A,70B)는 원판형으로 형성되어 케이싱(10)에 고정되는 것으로, 그 중심에 구동축(30)이 삽입되는 관통구멍(미부호)이 형성되고, 그 관통구멍의 주면에는 압축실(13,14)로부터 누설되는 압축가스의 압력을 저하시키는 래버린스 실(71)이 형성되어 있다.

도면중 미설명 부호인 13a,14a는 제1,제2 디퓨져이고, 13b,14b는 제1,제2 볼류트이며, C는 공극이다.

상기와 같이 구성된 종래의 2단 압축식 터보압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 인가된 전원에 의해 모터(20)에 유도자기가 발생되면, 그 유도자기에 의해 구동축(30)이 각 베어링부재(60A,60B)에 지지되어 고속으로 회전하게 되고, 상기 구동축(30)의 회전에 의해 제1,제2 임펠러(40,50)가 각 압축실(13,14)내에서 회전하면서 냉매가스를 단계적으로 원심 압축하여 토출구(15)를 통해 응축기(미도시)로 토출시키게 된다.

이때, 상기 냉매가스는 흡입구(11)를 통해 모터실(12)로 유입되었다가 제1 압축실(13)에서 1단 압축되고, 그 1단 압축된 가압축가스는 다시 제2 압축실(14)로 흡입되어 2단 완전압축되면서 토출구(15)를 통해 토출되므로, 상기 모터실(12)의 압력이 제1,제2 압축실(13,14)의 압력에 비해 상대적으로 저압이 되면서 각 압축실(13,14)에서 분출되는 압축가스의 일부가 각 임펠러(40,50)의 배면을 타고 모터실(12)로 누설되려고 하나, 이 누설되려는 냉매가스는 각 임펠러(40,50)와 베어링부재(60A,60B) 사이의 실링부재(70A,70B)에 의해 저지되는 것이었다.

그러나, 상기와 같이 포일 베어링이 구비된 터보 압축기는 그 포일 베어링의 특성상 반경방향 공극(C)이 커서 구동축(30)의 반경방향 요동폭도 증가하게 되고, 이로 인해 상기 임펠러(40,50)의 배면과 포일 베어링 사이에 개재되는 실링부재(70A,70B)의 공극(C)이 증가하게 되므로, 그 실링부재(70A,70B)의 실링효과가 현저하게 저하되면서 압축가스의 축방향 누설이 증가하여 결국 압축기의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 터보 압축기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 포일 베어링이 구비된 터보 압축기에서 압축실로부터 분출되는 압축가스가 임펠러의 배면쪽으로 누설되는 것을 최소화하여 압축기의 성능을 향상시킬 수 있는 터보 압축기의 실링구조를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 도 1의 "A"부를 확대하여 보인 것으로, 레이디얼 베어링면에 형성되는 가스흡입용 그루브의 형상을 보인 종단면도.

도 3은 본 발명에 의한 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도.

도 4는 도 3의 "B"부를 확대하여 보인 것으로, 레이디얼 베어링면에 형성되는 가스흡입용 그루브의 형상을 보인 종단면도.

도 5는 본 발명 축방향 실링구조의 변형예를 보인 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 구동축 110 : 가스흡입용 그루브

60A,60B : 베어링부재 200A,200B : 실링부재

300A,300B : 베어링 겸 실링부재

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 흡입구와 연통되는 제1 압축실 및 토출구와 연통되는 제2 압축실이 서로 연통되게 케이싱에 형성되고, 그 케이싱의 내부에는 구동력을 발생하는 구동모터가 장착되며, 그 구동모터의 가동자에는 함께 회전하는 구동축이 결합되고, 그 구동축의 양단에는 함께 회전하면서 냉매가스를 단계별로 압축하도록 제1 임펠러 및 제2 임펠러가 각 압축실에 장착되며, 상기 구동축의 양측에는 그 구동축을 반경방향으로 지지하는 포일 베어링이 고정 설치되고, 그 각각의 포일 베어링과 각각의 임펠러 사이에는 구동축이 일정공극을 두고 관통되는 실링부재가 설치되되 그 실링부재에 대향되는 구동축의 외주면에는 축회전시 유체가 저압인 모터실에서 고압인 압축실쪽으로 강제 유입되도록 하여 누설가스를 억제하는 가스흡입용 그루브가 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 축방향 실링구조가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 터보 압축기의 축방향 실링구조를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 터보 압축기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 4는 도 3의 "B"부를 확대하여 보인 것으로, 레이디얼 베어링면에 형성되는 가스흡입용 그루브의 형상을 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 포일 베어링이 구비된 본 발명 2단 압축식 터보 압축기는 케이싱(10)의 중앙에 모터실(12)이 구비되고, 그 모터실(12)의 양측에 제1 압축실(11)과 제2 압축실(12)이 형성되며, 상기 모터실(12)에는 엑시얼 타입의 비엘디시형 구동모터(20)가 장착되고, 그 구동모터(20)에 일체된 구동축(100)의 양단에는 상기한 각 압축실(11,12)에서 회전하면서 냉매가스를 단계별로 원심 압축시키는 제1 임펠러(40) 및 제2 임펠러(50)가 결합되고, 상기 구동모터(20)의 양측과 각 임펠러(40,50) 사이에는 상기한 구동축(100)의 반경방향 및 축방향 하중을 지지하는 베어링부재(60A,60B)가 설치되며, 그 베어링부재(60A,60B)와 각 임펠러(40,50)의 배면 사이에는 압축가스의 축방향 누설을 방지하는 실링부재(200A,200B)가 설치되어 이루어진다.

상기 베어링부재(60A,60B)는 다수개의 포일 세그먼트(62,62)가 스파이럴 타입으로 구동축(100)을 감싸 굽힘력으로 축을 지지하는 포일 베어링으로, 이러한 포일 베어링은 케이싱(10)에 고정되는 지지부재(미부호)에 원통형의 포일 하우징(61,61)이 고정 체결되고, 그 포일 하우징(61,61)의 내주면에 만곡진 다수개의 포일 세그먼트(62,62)가 등간격으로 장착되어 구동축(100)을 탄력 지지하도록 이루어진다.

상기 실링부재(200A,200B)는 환상의 원판형으로 형성되어 그 외주면은 케이싱(10)의 양측면에 볼트(미도시)로 체결 고정되고, 그 내주면에는 구동축(100)이 소정의 공극을 갖도록 하여 관통되며, 상기 실링부재(200A,200B)의 내주면에 대향되는 구동축(100)의 외주면에는 도 4에 도시된 바와 같이, 축 회전시 유체가 저압인 모터실(12)에서 고압인 압축실(13,14)쪽으로 강제 유입되도록 하는 가스흡입용 그루브(110)가 축의 회전방향을 고려하여 형성된다.

여기서, 상기 포일 베어링(60A,60B)은 본 실시예에서와 같이 실링부재(200A,200B)와 는 별도로 지지부재(미도시)에 결합되어 상호 개별적으로 하여 케이싱(10)에 고정 체결되거나, 또는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 베어링 겸 실링부재(300A,300B)의 내주면에 단차부(미부호)를 음각지게 형성하여 그 단차부에 포일 베어링을 이루는 포일 하우징(미부호) 및 포일 세그먼트(320)를 일체로 체결시킬 수도 있다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 11은 흡입구이고, 15는 토출구이며, 13a,14a는 제1,제2 디퓨져이고, 13b,14b는 제1,제2 볼류트이며, 320은 포일 세그먼트, C는 공극이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 축방향 실링구조가 구비된 터보 압축기의 일반적인 동작은 종래와 동일하다.

즉, 인가된 전원에 의해 모터(20)에 유도자기가 발생되면, 그 유도자기에 의해 구동축(30)이 각 베어링부재(200A,200B) 또는 베어링 겸 실링부재(300A,300B)에 지지되어 고속으로 회전하게 되고, 상기 구동축(100)의 회전에 의해 제1,제2 임펠러(40,50)가 함께 회전하면서 흡입구(11)를 통해 모터실(12)로 유입된 냉매가스를 흡입하여 1단 압축한 다음에 그 1단 압축된 가압축가스를 다시 제2 압축실(14)로 흡입하여 2단 완전압축시켜 토출구(15)를 통해 토출시키게 된다.

이때, 상기 모터실(12)의 압력이 전술한 바와 같이 제1,제2 압축실(13,14)의 압력에 비해 상대적으로 저압이 되면서 각 압축실(13,14)에서 분출되는 압축가스의 일부가 각 임펠러(40,50)의 배면을 타고 모터실(12)로 누설되려고 하나, 상기 구동축(100)의 회전시 모터실(12)에 충진되어 있던 냉매가스가 구동축(100)의 가스흡입용 그루브(110)에 의해 상기한 누설가스의 역방향으로 강하게 토출되면서 누설가스가 모터실(12)로 유입되는 것을 저지하게 되는 것이다.

이와 같이, 상기 포일 베어링을 이용하여 구동축의 반경방향을 지지하는 경우에는 그 포일 베어링의 공극이 통상적인 가스베어링에서의 공극에 비해 크게 되어 실링부재의 공극이 넓어지게 되고, 이로 인해 각 임펠러의 배면을 통해 모터실로 누설되는 가스를 통상적인 래버린스 실로는 저지할 수 없게 되나, 본 발명에서와 같이 구동축의 외주면에 모터실을 기준으로 축의 회전방향에 대해 순방향으로 가스흡입용 그루브를 형성하게 되면 상기 구동축이 실링부재에 부딪히지 않고 안정적으로 회전하게 되는 것은 물론, 상기 가스흡입용 그루브가 모터실의 냉매가스를 임펠러의 배면쪽으로 몰아내면서 임펠러의 배면을 타고 모터실로 누설되려는 가스를 억제하여 압축기의 성능이 향상될 수 있게 된다.

본 발명에 의한 터보 압축기의 축방향 실링구조는 포일 베어링을 사용하여 구동축의 반경방향을 지지하는 구조에서 상기 구동축의 외주면에 모터실을 기준으로 축의 회전방향에 대해 순방향으로 가스흡입용 그루브를 형성함으로써, 상기 구동축이 실링부재에 부딪히는 것을 최대한 방지하면서도 상기한 가스흡입용 그루브가 모터실의 냉매가스를 임펠러의 배면쪽으로 몰아내게 되어 압축가스가 임펠러의 배면을 타고 모터실로 누설되려는 것을 방지하여 압축기의 신뢰성 및 성능이 향상된다.

Claims (2)

1. 흡입구와 연통되는 제1 압축실 및 토출구와 연통되는 제2 압축실이 서로 연통되게 케이싱에 형성되고, 그 케이싱의 내부에는 구동력을 발생하는 구동모터가 장착되며, 그 구동모터의 가동자에는 함께 회전하는 구동축이 결합되고, 그 구동축의 양단에는 함께 회전하면서 냉매가스를 단계별로 압축하도록 제1 임펠러 및 제2 임펠러가 각 압축실에 장착되며, 상기 구동축의 양측에는 그 구동축을 반경방향으로 지지하는 포일 베어링이 고정 설치되고,

   그 각각의 포일 베어링과 각각의 임펠러 사이에는 구동축이 일정공극을 두고 관통되는 실링부재가 설치되되 그 실링부재에 대향되는 구동축의 외주면에는 축회전시 유체가 저압인 모터실에서 고압인 압축실쪽으로 강제 유입되도록 하여 누설가스를 억제하는 가스흡입용 그루브가 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 축방향 실링구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 포일 베어링은 실링부재의 내주면 일부에 일체로 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 터보 압축기의 축방향 실링구조.