KR20130024096A - 연료전지 차량용 공기 블로워 - Google Patents

연료전지 차량용 공기 블로워 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임펠러 전방과 후방의 압력차에 의해 발생하는 축방향의 하중을 감소시킬 수 있는 연료전지 차량용 공기 블로워에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 의하면 모터의 회전축을 따라 임펠러의 후방에서 전방으로 감압유로가 연통됨으로써, 공기 블로워의 축방향 하중이 감소되어 내구성이 증대되고, 베어링의 마모에 따른 진동 및 소음 발생을 방지할 수 있다.

Description

연료전지 차량용 공기 블로워{An air blower for fuel cell vehicle}
본 발명은 공기 블로워에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임펠러 전방과 후방의 압력차에 의해 발생하는 축방향의 하중을 감소시킬 수 있는 연료전지 차량용 공기 블로워에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 차량은 연료공급부에서 공급되는 수소와, 공기공급부에서 공급되는 공기 중 산소가 가습기에 공급되어, 물의 전기분해 역반응인 전기화학반응에 의해 연속적으로 생성되는 전기에너지를 사용하여 구동하게 된다.
여기서, 연료전지 차량은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 이 연료전지 스택에 연료와 공기를 가습하여 공급하는 가습기와, 가습기에 수소를 공급하는 연료공급부와, 가습기에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급부, 및 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각모듈을 포함하고 있다.
이때, 공기공급부는 공기 중에 포함된 이물질을 여과하는 에어클리너와, 에어클리너에서 여과된 공기를 압축하여 공급하는 공기 블로워, 및 공기 블로워를 제어하는 컨트롤박스를 포함하여 구성된다.
도 1은 공기 블로워의 일 예를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 "A" 부분 확대도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 공기 블로워(10)는, 전방에 외부공기가 유입되는 공기유입구(21)를 가진 유입덕트(20)와, 유입덕트(20)의 후단에 결합되고 내부에 모터(31)가 설치되는 모터 하우징(30)과, 모터 하우징(30)의 후단에 결합되며 일측에 공기토출구(41)가 형성되는 임펠러 하우징(40)과, 임펠러 하우징(40)의 내부에 설치되어 모터(31)에 의해 회전하며 공기를 압축하는 임펠러(42)와, 임펠러 하우징(40)의 후단에 결합되어 모터(31)의 회전축(32)과 임펠러(42)를 회전 가능하게 지지하는 지지부재(50)를 포함하여 이루어진다.
이때, 공기유입구(21)를 통해 유입덕트(20)의 내부로 들어온 공기는 모터 하우징(30)과 임펠러 하우징(40)을 거쳐 임펠러(42)로 유입되고, 모터(31) 작동에 따른 임펠러(42)의 회전에 의해 고압으로 압축되어 임펠러 하우징(40)의 공기토출구(41)를 통해 외부로 배출된다.
그런데, 공기 블로워(10)는 모터(31)의 회전력을 이용하여 임펠러(42)를 고속으로 회전시켜, 외부로부터 유입된 공기를 압축하여 송풍하기 때문에, 임펠러(42)의 입구측에서는 그 압력이 낮고, 임펠러(42)의 출구측에서는 압력이 높다.
즉, 임펠러(42)의 고속회전에 따라 공기가 임펠러(42)로 유입되며, 임펠러(42)를 거치면서 그 압력이 급격히 상승되어 외부로 토출되는 것이다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이 임펠러(42)와 지지부재(50) 사이에는 임펠러(42)의 회전이 가능하도록 약간의 틈새(60)가 형성되는데, 임펠러(42)를 거치면서 압력이 높아진 공기가 이 틈새(60) 사이로 유입되면서 임펠러(42)의 후방에는 고압이 형성되고, 이에 따라 임펠러(42)를 전방으로 미는 축방향의 하중이 형성된다.
이와 같이 공기 블로워에 발생되는 축방향 하중은, 전체적으로 공기 블로워에 무리를 줄 수 있으며, 특히 모터의 회전축을 지지하는 베어링의 수명을 단축시켜 정상적인 작동을 어렵게 하고, 진동 및 소음 발생의 한 원인이 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는, 임펠러 전방과 후방의 압력차에 의해 발생하는 축방향의 하중을 감소시킴으로써, 내구성 향상의 효과가 있는 연료전지 차량용 공기 블로워와 관련된다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 전방에 외부공기가 유입되는 공기유입구를 가진 유입덕트와, 유입덕트의 후단에 결합되고 내부에 모터가 설치되는 모터 하우징과, 모터 하우징의 후단에 결합되며 일측에 공기토출구가 형성되는 임펠러 하우징과, 임펠러 하우징의 내부에 설치되어 모터에 의해 회전하며 공기를 압축하는 임펠러와, 임펠러 하우징의 후단에 결합되어 모터의 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지부재를 포함하는 연료전지 차량용 공기 블로워에 있어서, 모터의 회전축 내부에 감압유로가 형성되어, 임펠러의 회전에 따라 고압으로 압축되어 임펠러의 후방으로 유입된 고압의 공기를 임펠러의 전방으로 유동시켜, 임펠러의 전방과 후방의 압력차에 따른 축방향의 하중을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워가 제공된다.
여기서, 감압유로는, 일단이 임펠러의 전방 일측에 연통되고, 타단이 임펠러의 후방 일측에 연통되는 것이 바람직하다.
이때, 감압유로는, 회전축 내에서 회전축의 길이방향으로 형성되는 제1유로와, 임펠러의 후방에서 제1유로의 후단으로 연통되는 제2유로와, 제1유로의 전단으로부터 회전축의 일측으로 연통되는 제3유로를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워에 의하면, 임펠러 후방의 고압의 공기가 전방으로 유동하도록, 모터의 회전축을 따라 임펠러의 후방에서 전방으로 감압유로가 연통됨으로써, 공기 블로워의 축방향 하중이 감소되어 내구성이 증대되고, 베어링의 마모에 따른 진동 및 소음 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 공기 블로워를 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 "A" 부분 확대도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워의 단면도.
도 4는 도 3의 "B" 부분 확대도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 감압유로의 형태를 보인 개략도.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
실시예
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워의 단면도이고, 도 4는 도 3의 "B" 부분 확대도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 공기 블로워(이하, '공기 블로워')(100)는, 외부공기가 유입되는 유입덕트(200)와, 유입덕트(200)의 후단에 결합되고 내부에 모터(310)가 설치되는 모터 하우징(300)과, 모터 하우징(300)의 후단에 결합되고 내부에 임펠러(410)가 설치되는 임펠러 하우징(400)과, 임펠러 하우징(400)의 후단에 결합되어 모터(310)의 회전축(320)을 회전 가능하게 지지하는 지지부재(500)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 유입덕트(200)의 전방에는 공기유입구(210)가 형성되며, 임펠러(410)의 회전에 의해 외부로부터 유입되는 공기의 통로가 된다.
모터 하우징(300)은 유입덕트(200)의 후단에 결합되며 내부에 모터(310)를 수용하는데, 이때 모터(310)는 도 3에 도시된 바와 같이 회전축(320)이 고정자(330)를 관통하도록 되어 있고, 고정자(330)와 대향하는 회전축(320)의 외주면에는 회전자(340)가 감겨있다.
임펠러 하우징(400)은 모터 하우징(300)의 후단에 결합되어 내부에 임펠러(410)를 수용하며, 임펠러 하우징(400)의 둘레에는 원주방향으로 스크롤 형태의 송풍부(420)가 형성된다.
이때, 송풍부(420)의 내부에는 임펠러(410)에 의해 고압으로 압축된 공기가 이송되도록 임펠러 하우징(400)의 내부와 연통하는 유로(430)가 형성되고, 송풍부(420)의 일측에는 회전축(320)의 반경방향으로 공기토출구(440)가 형성된다.
또한, 임펠러(410)는 모터(310)의 회전축(320) 후단에 설치되고, 모터(310)의 회전축(320)이 회전함에 따라 회전축(320)과 함께 회전하면서 유입덕트(200)의 공기유입구(210)를 통해 유입된 공기를 압축하며, 임펠러(410)에 의해 고압으로 압축된 공기는 송풍부(420)의 유로(430)를 통해 공기토출구(440)로 배출된다.
지지부재(500)는 임펠러 하우징(400)의 후단에 결합되어 회전축(320)을 지지하게 되는데, 지지부재(500)의 중앙에는 지지베어링(510)이 수용되어 회전축(320)의 후단을 회전 가능하게 지지한다.
이때, 회전축(320)의 전단은 모터 하우징(300)의 전방에 구비되는 지지베어링에 의해 회전 가능하게 지지되는 것이 바람직하며, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 모터 하우징(300)의 전방에 커버부재(600)가 결합되고, 이 커버부재(600)의 중앙에 지지베어링(610)이 수용될 수 있다.
회전축(320)의 전단과 후단은 각각 캡(710,720)에 의해 덮여져서 이물질의 유입이 방지되도록 하는 것이 바람직하며 이때, 회전축(320)의 전단에 덮이는 캡(720)은 외부로부터 유입되는 공기와의 마찰 저항을 줄이기 위해 전방으로 돌출된 원추형으로 형성되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이 구성된 공기 블로워(100)는, 모터(310)의 작동시 모터(310)의 회전축(320)과 함께 임펠러(410)가 일체로 회전하여 유입덕트(200)를 통해 유입된 외부공기를 고압으로 압축하며, 압축된 공기는 임펠러 하우징(400)을 둘러 스크롤 형태로 형성된 송풍부(420)의 공기토출구(440)를 통해 외부로 토출된다.
그런데, 도 4에 도시된 바와 같이, 임펠러(410)와 지지부재(500) 사이에는 임펠러(410)가 회전할 수 있도록 약간의 틈새(800)가 형성되며, 따라서 일점쇄선 화살표로 도시한 바와 같이 임펠러(410)를 거치면서 압축된 고압의 공기가 송풍부(420)의 유로(430)로 이동하는 과정에서 이 틈새(800)로 유입된다.
이때, 임펠러(410)와 지지부재(500) 사이의 틈새(800)로 유입된 고압의 압축공기로 인해 임펠러(410)의 후방에는 고압이 형성되며, 이에 따라 직선 화살표로 도시한 바와 같이 임펠러(410)를 전방으로 미는 축방향의 하중이 형성된다.
이와 같이 공기 블로워(100)에 발생되는 축방향 하중은, 전체적으로 공기 블로워(100)에 무리를 줄 수 있으며, 아래의 수학식 1에서 볼 수 있듯이 특히 회전축(320)을 지지하는 지지베어링(510,610)의 수명을 단축시키게 된다.
Figure pat00001
여기서, L10h : 베어링 수명(basic rating life), n : 회전속도(rotating speed), C : 기본 동정격하중(basic dynamic load rating), P : 축하중(equivalent dynamic load)이다.
따라서, 축방향 하중의 감소를 위해서는 임펠러(410) 전방과 후방의 압력차를 줄여야 할 필요가 있으며, 이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 공기 블로워(100)는 임펠러(410)의 전방과 후방을 연통하는 감압유로(900)가 회전축(320) 내부에 형성된다.
감압유로(900)는 모터(310)의 회전축(320)을 통해 임펠러(410)의 전방과 후방이 연통되도록 형성되는데, 임펠러(410) 후방의 고압의 공기를 감압유로(900)를 통해 임펠러(410)의 전방으로 유도함으로써, 임펠러(410) 전방과 후방의 압력차를 줄이게 되는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 감압유로(900)는, 회전축(320) 내에서 회전축(320)의 길이방향으로 형성되는 제1유로(910)와, 제1유로(910)의 후단에서 회전축(320)의 반경방향으로 연장되어 임펠러(410) 후방으로 연통되는 제2유로(920)와, 제1유로(910)의 전단에서 회전축(320)의 반경방향으로 연장되어 임펠러(410) 전방으로 연통되는 제3유로(930)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 실링부재(520) 등에 의해 제2유로(920)가 직접 임펠러(410) 후방으로 연통되기 곤란한 경우에는, 제4유로(940)가 임펠러(410)의 후단 중앙부 일측에서 회전축(320) 방향으로 비스듬하게 경사져서 제2유로(920)로 연통되게끔 하는 것도 가능하다.
이 경우, 임펠러(410)에 의해 고압으로 압축되어 임펠러(410)와 지지부재(500) 사이 틈새(800)를 통해 임펠러(410)의 후방으로 유입된 공기는, 제4유로(940)를 거쳐 제2유로(920)로 유입되고, 제2유로(920)에서 제1유로(910)를 거쳐 제3유로(930)를 통해 임펠러(410)의 전방으로 배출된다.
그리고, 이렇게 감압유로(900)를 통해 임펠러(410)의 전방으로 배출된 공기는, 다시 임펠러(410)에 의해 압축되어 송풍부(420)의 유로(430)를 거쳐 공기토출구(440)로 배출된다.
여기서, 도 3과 도 4에 도시된 실시예에서는 제1유로(910)가 회전축(320)의 중앙부에서 회전축(320)의 축선을 따라 길이방향으로 형성되고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 제1유로(910)가 회전축(320)의 축선에 대하여 비스듬하게 경사져서 형성되거나, 나선형태로 형성되는 것도 가능하다.
또한, 제2유로(920)와 제3유로(930)가 회전축(320)의 반경방향에 대하여 비스듬하게 경사져서 형성되는 것도 물론 가능하며 아울러, 제1유로(910) 내지 제4유로(940)의 개수는 회전축(320)의 강도와 임펠러(410) 전·후방의 압력차를 고려하여 각각 적절히 선택될 수 있다.
도 5는 이러한 본 발명의 변형예를 도시한 것으로, 제1유로(910)가 회전축(320)의 축선으로부터 소정거리 이격하여 원주방향을 따라 다수 형성되고, 이에 대응하여 제2유로(920) 내지 제4유로(940)가 다수 형성된 예를 보이고 있다.
그리고, 다른 변형예로서, 별도의 도면으로 도시하지는 않았으나, 다수의 제1유로(910)가 제2유로(920)의 중앙에서 분기되어 회전축의 외주면 방향으로 비스듬하게 경사져서 형성되거나, 제3유로(930)의 중앙에서 제1유로(910)가 다수로 분기되어 각각 제2유로(920)와 연통되게 형성되는 것도 가능하다.
한편, 제1유로(910)를 모터(310)의 전방에 해당하는 위치까지 연장하여, 제3유로(930)가 모터(310)의 전방으로 연통되게 함으로써, 모터(310) 작동시 회전축(320)의 냉각이 이루어지도록 할 수 있으며, 이 경우 공기의 유량 증가에 따라 고정자(330)의 냉각효율도 향상될 수 있다.
이하, 도 3과 도 4를 참고하여, 본 발명의 일실시예에 따른 공기 블로워(100)의 작동을 설명하기로 한다.
모터(310)에 전원이 공급되면 회전자(340)와 함께 모터(310)의 회전축(320)이 회전하며, 이때 회전축(320)에 일체로 결합된 임펠러(410)가 회전축(320)과 함께 회전하여 외부의 공기를 공기 블로워(100) 내부로 흡입한다.
외부의 공기는 공기유입구(210)를 통해 유입덕트(200) 내부로 유입되고, 모터 하우징(300)을 거치는 과정에서 모터(310)를 냉각시키며, 임펠러 하우징(400)으로 유입된 후, 임펠러(410)에 의해 고압으로 압축된다.
고압으로 압축된 공기는 스크롤 형태의 송풍부(420)의 유로(430)를 따라 이동하며, 공기토출구(440)를 통해 외부로 토출된다.
이때, 공기가 임펠러(410)를 통해 송풍부(420)로 유동하는 과정에서, 일부의 압축된 공기가 임펠러(410)와 지지부재(500) 사이의 틈새(800)를 통해 임펠러(410)의 후방으로 유입되는데, 이처럼 임펠러(410)의 후방으로 유입된 고압의 공기는 감압유로(900)를 통해 다시 임펠러(410)의 전방으로 유도된다.
즉, 임펠러(410)와 지지부재(500) 사이의 틈새(800)를 통해 임펠러(410) 후방으로 유입된 공기는 제4유로(940)를 통해 회전축(320) 내의 제2유로(920)로 유입되고, 제2유로(920)에서 제1유로(910)를 거쳐 임펠러(410)의 전방 방향으로 유동하며, 제3유로(930)를 통해 임펠러 하우징(400) 내에 설치된 임펠러(410)의 전방으로 배출된다.
이에 따라, 임펠러 후방 고압의 공기가 감압유로를 통해 임펠러의 전방으로 빠져나오므로, 임펠러 전·후방의 압력차에 따른 축하중이 저감되는 효과가 있다.
아울러, 임펠러(410) 후방의 공기가 임펠러(410) 전방으로 이동함에 따라, 임펠러(410) 입구쪽 공기유량이 증가하여 임펠러(410)의 압축효율이 증가하는 효과도 있다.
100 : 공기 블로워 200 : 유입덕트
210 : 공기유입구 300 : 모터 하우징
310 : 모터 320 : 회전축
400 : 임펠러 하우징 410 : 임펠러
420 : 송풍부 500 : 지지부재
800 : 틈새 900 : 감압유로
910 : 제1유로 920 : 제2유로
930 : 제3유로 940 : 제4유로

Claims (3)

  1. 전방에 외부공기가 유입되는 공기유입구(210)를 가진 유입덕트(200)와, 상기 유입덕트(200)의 후단에 결합되고 내부에 모터(310)가 설치되는 모터 하우징(300)과, 상기 모터 하우징(300)의 후단에 결합되며 일측에 공기토출구(440)가 형성되는 임펠러 하우징(400)과, 상기 임펠러 하우징(400)의 내부에 설치되어 상기 모터(310)에 의해 회전하며 공기를 압축하는 임펠러(410)와, 상기 임펠러 하우징(400)의 후단에 결합되어 상기 모터(310)의 회전축(320)을 회전 가능하게 지지하는 지지부재(500)를 포함하는 연료전지 차량용 공기 블로워에 있어서,
    상기 모터(310)의 회전축(320) 내부에 감압유로(900)가 형성되어, 상기 임펠러(410)의 회전에 따라 고압으로 압축되어 상기 임펠러(410)의 후방으로 유입된 고압의 공기를 상기 임펠러(410)의 전방으로 유동시켜, 상기 임펠러(410)의 전방과 후방의 압력차에 따른 축방향의 하중을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 감압유로(900)는,
    일단이 상기 임펠러(410)의 전방 일측에 연통되고, 타단이 상기 임펠러(410)의 후방 일측에 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 감압유로(900)는,
    상기 회전축(320) 내에서 상기 회전축(320)의 길이방향으로 형성되는 제1유로(910)와, 상기 임펠러(410)의 후방에서 상기 제1유로(910)의 후단으로 연통되는 제2유로(920)와, 상기 제1유로(910)의 전단으로부터 상기 회전축(320)의 일측으로 연통되는 제3유로(930)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기 블로워.
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