KR20120133866A - 연료전지 자동차용 공기 블로워 - Google Patents

연료전지 자동차용 공기 블로워 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 임펠러의 회전으로 인해 흡입된 공기를 연료전지 스택으로 압송하는 볼류트(100)와, 상기 임펠러와 결합한 샤프트를 회전시키는 구동부를 포함하는 연료전지 자동차용 공기 블로워에 관한 것이다.
상기 볼류트(100)는, 흡입되는 공기를 상기 임펠러로 안내하는 흡입공기 안내면(114)과, 상기 임펠러를 경유한 공기를 외부까지 안내하는 압축유로(118)의 외면 일부를 구성하는 제1압축유로외면(120)을 포함한 스크롤부(110); 상기 임펠러와 마주하는 쉬라우드(154)와, 상기 압축유로(118)의 외면 나머지를 구성하는 제2압축유로외면(160)을 포함한 디퓨저부(150); 상기 흡입공기 안내면(114)의 일단(114a)과 상기 쉬라우드(154)의 일단(154a)이 맞닿는 부위인 제1접합부(182); 상기 제1압축유로외면(120)의 일단(120a)과 상기 제2압축유로외면(160)의 일단(160a)이 맞닿는 부위인 제2접합부(184); 및상기 스크롤부(110)와 상기 디퓨저부(150)를 결합시키는 결합수단;을 포함한다.

Description

연료전지 자동차용 공기 블로워{AIR BLOWER FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 공기 블로워에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 자동차에 탑재된 연료전지 스택에 압축된 공기를 공급하는 연료전지 자동차용 공기 블로워에 관한 것이다.
최근 화석에너지 고갈에 따른 유가의 지속적인 상승, 차량 배기가스에 따른 환경 오염 등과 같은 문제로 인해 연료전지 자동차의 개발이 더욱 절실히 요구되고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 반응과정에서 전기에너지를 생성시키는 전지이기 때문에 연료전지 자동차는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급장치, 공기를 압축한 후 연료전지 스택에 공급하는 공기 블로워 등을 탑재한다.
상기 공기 블로워의 형태는 연료전지 스택이 필요로 하는 공기의 압력 및 유량에 따라 결정된다. 예컨대 연료전지 스택이 요구하는 공기의 압력이 높고 유량이 적다면, 스크류 압축기가 공기 블로워로 사용될 수 있다. 반면 연료전지 스택이 요구하는 공기의 압력이 낮고 유량이 많다면, 터보 압축기가 공기 블로워로 사용될 수 있다. 자동차에 탑재되는 연료전지 스택은 후자에 해당하는 압력 및 유량 조건을 요구하는바, 일반적으로 연료전지 자동차에는 터보 압축기가 탑재된다.
연료전지 자동차에 탑재되는 공기 블로워는 일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 구동부(10)와, 컴프레서부(30)와, 샤프트(50)를 포함한다.
상기 구동부(10)는 케이스(12)와, 로터(16)와, 스테이터(14)를 포함한다. 케이스(12)는 외부의 공기가 흡입될 수 있도록 흡입구(18)를 구비한다. 또한 케이스(12)는 흡입된 외부의 공기가 컴프레서부(30)로 이동할 수 있도록 공기 이동로를 내장한다. 로터(16)는 샤프트(50)의 외주면에 장착되고, 영구자석을 구비한다. 스테이터(14)는 로터(16)와 이격된 상태로 케이스(12)에 장착되고, 연료전지 스택으로부터 전력을 공급받아 로터(16)의 주변에 전기장을 형성한다. 상기 전기장과 상기 영구자석에 의해 형성된 자기장의 상호작용으로 인해 로터(16) 및 샤프트(50)가 회전하게 된다.
상기 컴프레서부(30)는 볼류트(volute)(32)와, 임펠러(34)를 포함한다. 상기 임펠러(34)는 샤프트(50)의 외주면에 장착되어 샤프트(30)와 함께 회전하면서 공기를 흡입한다. 볼류트(32)는 구동부(10)의 케이스(12)와 결합한 상단을 구비하고, 상기 임펠러(34)를 내장하며, 압출구(36)를 구비한다. 임펠러(34)가 회전하면 상기 흡입구(18)를 통해 공기가 흡입되고, 흡입된 공기는 구동부(10)의 케이스(12)를 통과하여 볼류트(32)로 이동한다. 이후 공기는 임펠러(34)를 경유하면서 가속되고, 임펠러(34)를 경유한 후 압축되어 상기 압출구(36)를 통해 외부로 배출된다. 외부로 배출된 압축 공기는 연료전지 스택으로 공급된다.
상기 공기 블로워에 의하면 컴프레서부(30)가 구동부(10)의 하단에 결합된다. 그러나 상기 컴프레서부(30)는 일본공개특허 제2008-240574호, 일본공개특허 제2010-203242호 등에 개시된 바와 같이 구동부(10)의 상단에 구비되기도 한다.
상술한 바와 같은 공기 블로워의 볼류트(32)는 공기를 임펠러(34)의 입구까지 안내하는 안내부, 임펠러(34)와 좁은 간극을 두고 마주하는 쉬라우드부, 임펠러(34)를 경유한 후 압축된 공기를 연료전지 스택으로 압출하는 압출구(36) 등의 구성을 구비하는바, 복잡한 구조를 갖게 된다. 따라서 상기 볼류트(32)는 사형주조로 제조된다. 그러나 사형주조는 제품의 제작에 비교적 긴 시간을 요구하는바, 생산성을 향상함에 있어 그다지 바람직하지 않다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사형주조에 비해 보다 나은 생산성을 갖는 다이캐스팅으로 제작될 수 있는 형태의 볼류트를 구비하는 연료전지 자동차용 공기 블로워를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 임펠러의 회전으로 인해 흡입된 공기를 연료전지 스택으로 압송하는 볼류트(100)와, 상기 임펠러와 결합한 샤프트를 회전시키는 구동부를 포함하는 연료전지 자동차용 공기 블로워를 제공한다. 이때 상기 볼류트(100)는, 흡입되는 공기를 상기 임펠러로 안내하는 흡입공기 안내면(114)과, 상기 임펠러를 경유한 공기를 외부까지 안내하는 압축유로(118)의 외면 일부를 구성하는 제1압축유로외면(120)을 포함한 스크롤부(110); 상기 임펠러와 마주하는 쉬라우드(154)와, 상기 압축유로(118)의 외면 나머지를 구성하는 제2압축유로외면(160)을 포함한 디퓨저부(150); 상기 흡입공기 안내면(114)의 일단(114a)과 상기 쉬라우드(154)의 일단(154a)이 맞닿는 부위인 제1접합부(182); 상기 제1압축유로외면(120)의 일단(120a)과 상기 제2압축유로외면(160)의 일단(160a)이 맞닿는 부위인 제2접합부(184); 및 상기 스크롤부(110)와 상기 디퓨저부(150)를 결합시키는 결합수단;을 포함한다.
상기 제1접합부(182)는 상기 임펠러의 입구보다 전방에 위치하고, 상기 제2접합부(184)에는 실링부재(190)가 위치한다.
그리고 상기 흡입공기 안내면(114)의 일단(114a) 주변에는 상기 흡입공기 안내면(114)으로부터 상기 디퓨저부(150)까지 연장하는 볼트 체결공(116)이 구비되고, 상기 쉬라우드(154)의 일단(154a) 주변에는 상기 쉬라우드(154)에 노출되지 않은 상태로 상기 볼트 체결공(116)과 연통하는 볼트 체결홈(156)이 구비되며, 상기 결합수단은 상기 볼트 체결공(116) 및 볼트 체결홈(156)에 체결된 볼트로 이루어진다.
본 발명에 의하면 스크롤부와 디퓨저부가 다이캐스팅으로 제조될 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 볼류트의 생산성이 종래에 비해 향상된다.
또한 본 발명에 의하면 스크롤부와 디퓨저부가 착탈 가능하게 결합된다. 따라서 본 발명에 의하면 스크롤부에 구비된 흡입공기 안내면의 형상 변경 및 디퓨저부에 구비된 쉬라우드의 형상 변경이 종래에 비해 저렴한 비용으로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 스크롤부와 디퓨저부의 결합부위 중 하나는 임펠러의 입구보다 전방에 위치하고 다른 하나는 실링부재를 구비한다. 그리고 스크롤부와 디퓨저부를 결합시키는 볼트가 디퓨저부의 쉬라우드로 노출되지 않는다. 따라서 본 발명에 의하면 볼류트를 경유하는 공기의 유실이 방지된다.
도 1은 종래의 연료전지 자동차용 공기 블로워를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워의 볼류트를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 볼류트를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 2의 볼류트를 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 A-A'에 따른 단면의 일부를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기 블로워는 구동부와 볼류트(100)를 포함한다. 그러나 상기 연료전지 자동차용 공기 블로워는 볼류트(100)의 구조에 있어 기술적 특징을 갖는바, 이하에서는 볼류트(100) 이외의 구성들에 대하여는 도 1을 그대로 인용하고 별도의 설명을 생략한다. 그리고 이는 볼류트(100)의 명확한 이해를 위한 것일 뿐 볼류트(100) 이외의 구성들을 도 1에 도시된 것으로 한정하기 위한 것이 아님을 미리 밝혀둔다.
상기 볼류트(100)는 임펠러(34)의 회전으로 인해 흡입된 공기를 연료전지 스택으로 압송하기 위한 것으로서, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 스크롤부(110) 및 디퓨저부(150)를 포함한다.
상기 스크롤부(110)는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 흡입공기 안내면(114)과 제1압축유로외면(120)을 구비한다. 상기 흡입공기 안내면(114)은 임펠러(34)의 회전 시 흡입구(18)로 흡입된 후 케이스(12)를 통과한 공기를 임펠러(34)의 입구까지 안내한다. 그리고 상기 흡입공기 안내면(114)의 하단(114a) 주변에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 볼트 체결공(116)이 구비된다. 상기 볼트 체결공(116)은 샤프트(50)의 길이방향을 따라 연장하고, 개방된 상하면을 갖는다. 한편, 상기 흡입공기 안내면(114)의 상단 주변에는 도 3에 도시된 바와 같이 볼트 체결홈(112)이 구비된다. 상기 볼트 체결홈(112)으로 인해 볼류트(100)는 구동부(10)의 하단에 볼트로 체결될 수 있다.
상기 제1압축유로외면(120)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 압축유로(118)의 외면 일부를 구성한다. 상기 압축유로(118)는 임펠러(34)를 경유한 공기를 연료전지 스택까지 압송하기 위해 구비된 것이다.
상기 디퓨저부(150)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 쉬라우드(154)와 제2압축유로외면(160)을 포함한다. 상기 쉬라우드(154)는 좁은 간극을 두고 임펠러(34)와 마주하고 있고, 제2압축유로외면(160)은 압축유로(118)의 외면 나머지 부위를 구성한다. 한편 쉬라우드(154)의 상단(154a) 주변에는 도 4에 도시된 바와 같이 볼트 체결홈(156)이 형성된다. 상기 볼트 체결홈(156)은 샤프트(50)의 길이방향을 따라 연장하고, 개방된 상면 및 밀폐된 하면을 갖는다.
상기 스크롤부(110)와 디퓨저부(150)는 볼트(미도시)를 통해 서로 결합된다. 상기 볼트는 스크롤부(110)의 상부에서 상기 볼트 체결공(116) 및 볼트 체결홈(156)으로 삽입된다.
스크롤부(110)와 디퓨저부(150) 간 결합이 이루어지면, 흡입공기 안내면(114)의 하단(114a)과 쉬라우드(154)의 상단(154a)이 맞닿아 제1접합부(182)를 형성하고, 제1압축유로외면(120)의 하단(120a)과 제2압축유로외면(160)의 하단(160a)이 맞닿아 제2접합부(184)를 형성한다.
상술한 바와 같은 스크롤부(110)와 디퓨저부(150)는 각각 다이캐스팅으로 제조된 후 서로 결합함으로써 볼류트(100)를 형성하게 된다. 따라서 상기 연료전지 자동차용 공기 블로워에 의하면 볼류트(100)의 생산성이 종래에 비해 향상된다.
상기 스크롤부(110)의 흡입공기 안내면(114) 형상은 상황에 따라 다르게 구비될 수 있다. 그리고 상기 디퓨저부(150)의 쉬라우드(154) 형상 또한 상황에 따라 다르게 구비될 수 있다. 종래의 연료전지 자동차용 공기 블로워에 의하면 스크롤부와 디퓨저부가 사형주조법에 의해 일체로 형성되는바, 흡입공기 안내면(114) 및 쉬라우드(154) 중 어느 하나의 형상만이 변경을 요구하는 경우에도 스크롤부(110) 및 디퓨저부(150) 모두가 교체되어야 한다. 그러나 본 발명에 따르면 스크롤부(110)와 디퓨저부(150)가 분리 가능하게 체결되기 때문에 형상 변경을 요구하는 부분만이 교체될 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 흡입공기 안내면(114)의 형상 변경 및 쉬라우드(154)의 형상 변경이 종래에 비해 저렴한 비용으로 이루어질 수 있다.
한편 흡입공기 안내면(114)을 따라 이동하는 공기가 임펠러(34)로 유입되면, 그 압력이 상승하게 된다. 따라서 제1접합부(182)가 임펠러(34)와 마주하게 위치한다면, 제1접합부(182)를 통해 공기가 유출될 가능성이 높다. 이에 상기 제1접합부(182)는 공기의 흐름을 기준으로 하였을 때 상기 임펠러(34)의 입구보다 전방에 위치한다. 아직 임펠러(34)로 유입되지 않은 공기의 압력은 임펠러(34)로 이미 유입된 공기에 비해 낮은 압력을 갖기 때문에, 제1접합부(182)의 위치가 위와 같다면 공기의 유실 가능성 내지 유실량이 상대적으로 낮게 된다.
상기 임펠러(34)를 거쳐 압축유로(118)에 도달한 공기는 높은 압력을 갖는다. 따라서 압축유로(118)에 도달한 공기는 제2접합부(184)를 통해 유출될 수 있다. 이에 제2접합부(184)에는 도 5에 도시된 바와 같이 실링부재(190)가 구비된다.
상기 실링부재(190)는 고무재질로 이루어진다. 또한 실링부재(190)가 스크롤부(110)와 디퓨저부(150)가 서로 결합되기 이전에 상기 제2압축유로외면(160)의 상단(160a)에 안착될 수 있도록, 실링부재(190)의 하면에는 돌기가 형성되고 제2압축유로외면(160)의 상단(160a)에는 상기 돌기가 삽입되기 위한 홈이 구비된다. 상기 돌기와 홈의 위치는 서로 교체되어도 무방하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100 : 볼류트(volute) 110 : 스크롤부
114 : 흡입공기 안내면 114a : 흡입공기 안내면 하단
116 : 볼트 체결공 118 : 압축유로
120 : 제1압축유로외면 120a : 제1압축유로외면 하단
150 : 디퓨저뷰 154 : 쉬라우드
154a : 쉬라우드 상단 156 : 볼트 체결홈
160 : 제2압축유로외면 160a : 제2압축유로외면 상단
182 : 제1접합부 184 : 제2접합부
190 : 실링부재

Claims (4)

  1. 임펠러의 회전으로 인해 흡입된 공기를 연료전지 스택으로 압송하는 볼류트(100)와, 상기 임펠러와 결합한 샤프트를 회전시키는 구동부를 포함하는 연료전지 자동차용 공기 블로워에 있어서,
    상기 볼류트(100)는,
    흡입되는 공기를 상기 임펠러로 안내하는 흡입공기 안내면(114)과, 상기 임펠러를 경유한 공기를 외부까지 안내하는 압축유로(118)의 외면 일부를 구성하는 제1압축유로외면(120)을 포함한 스크롤부(110);
    상기 임펠러와 마주하는 쉬라우드(154)와, 상기 압축유로(118)의 외면 나머지를 구성하는 제2압축유로외면(160)을 포함한 디퓨저부(150);
    상기 흡입공기 안내면(114)의 일단(114a)과 상기 쉬라우드(154)의 일단(154a)이 맞닿는 부위인 제1접합부(182);
    상기 제1압축유로외면(120)의 일단(120a)과 상기 제2압축유로외면(160)의 일단(160a)이 맞닿는 부위인 제2접합부(184); 및
    상기 스크롤부(110)와 상기 디퓨저부(150)를 결합시키는 결합수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1접합부(182)는 상기 임펠러의 입구보다 전방에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2접합부(184)에는 실링부재(190)가 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡입공기 안내면(114)의 일단(114a) 주변에는 상기 흡입공기 안내면(114)으로부터 상기 디퓨저부(150)까지 연장하는 볼트 체결공(116)이 구비되고, 상기 쉬라우드(154)의 일단(154a) 주변에는 상기 쉬라우드(154)에 노출되지 않은 상태로 상기 볼트 체결공(116)과 연통하는 볼트 체결홈(156)이 구비되며, 상기 결합수단은 상기 볼트 체결공(116) 및 볼트 체결홈(156)에 체결된 볼트인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기 블로워.
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