KR20140129407A - 공기압축기의 모터 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기에서 배출되는 압축공기의 일부를 냉각공기로 사용하여 모터 내부에 흐르게 함으로써, 모터 및 베어링을 냉각시킬 수 있는 공기압축기의 모터 냉각 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 회전축을 중공축으로 구성하고 중공축을 내부유로로 활용하여 냉각공기를 내부유로를 통해 압축기 전방으로 재순환시킴으로써 서지에 대한 안정성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 공기의 재순환경로를 모터 바깥에 형성하지 않고 모터 안쪽에 형성하므로 구조가 단순하고 레이아웃 측면에서 유리한 장점이 있다.

Description

공기압축기의 모터 냉각 장치{Motor cooling apparatus for air compressor}

본 발명은 압축기를 구동하는 모터를 냉각하기 위한 공기압축기의 모터 냉각 장치에 관한 것이다.

내연기관 자동차가 화석연료와 공기 중의 산소를 엔진 내에서 연소시켜 그 폭발력으로 자동차를 구동시키는 것과는 달리, 연료전지자동차(Fuel Cell Vehicle)는 고압수소탱크 또는 개질기를 통해 공급되는 수소와 공기압축기를 통해 공급되는 공기중의 산소를 연료전지스택내에서 전기화학반응시킴으로써 생성된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동한다.

통상적으로 승용연료전지 자동차는 80㎾ 급의 연료전지스택을 탑재하고 있는데, 연료전지스택의 운전을 가압조건에서 할 경우 연료전지스택에 공급되는 공기는 1.2∼3.0 bar의 고압으로 공급되기 때문에 이를 위해서 5천 내지 10만 rpm의 회전수를 갖는 공기압축기를 사용하여야 한다.

상기 연료전지자동차에 적용되는 공기압축기는 외부로부터 흡입한 공기를 임펠러를 이용하여 압축한 후 배기구를 통해 연료전지스택으로 송출한다. 이때, 압축부의 임펠러 및 샤프트는 모터의 회전력에 의해 구동된다.

상기 공기압축기는 고속으로 회전하고, 이때 샤프트를 지지하는 베어링은 모터 마그넷의 발열과 베어링 자체의 발열에 의해 고온의 상태가 지속된다.

통상적인 볼 베어링은 사용온도의 한계가 있고, 베어링을 냉각하기 위해 다양한 방법이 제시되고 있다.

또한, 고속의 모터부도 스테이터 코어와 마그넷에서 심한 발열이 발생하므로, 이에 대한 냉각은 필수적이다.

한편, 공기압축기를 일정 회전수로 운전하면서 흡입밸브를 고정하고 토출밸브를 점차로 폐쇄하여 풍량을 감소해 나가면 어떤 풍량에 있어서 일정한 풍압을 얻을 수 있는데, 상기 토출밸브를 통해 배출되는 유량과 압축비가 도 1에 도시한 바와 같이 한계압력점 즉, C점을 벗어나면 갑자기 관로의 압력과 풍량이 심한 맥동을 일으켜 심할 경우 설비의 파손을 초래하게 되며, 이러한 현상을 서지(surge)라 한다.

이때, C점은 최대로 도달할 수 있는 압력이자 한계점이 된다(통상, 공기압축기의 임펠러에서는 한계압력점 이상의 압력을 발생할 수 없음).

만일 공기압축기가 주어진 압력에서 안티서지 라인에 대응되는 값보다 적은 유량을 공급하도록 요구받으면 서지가 발생되며, 이때 흡입유량과 토출압력은 빨리 그리고 연속적으로 상승 및 하강을 반복하게 되고 큰 충격음을 동반하게 된다.

이와 같은 공기압축기에서 서지는 저유량 구간에서 발생하기 때문에, 기존에는 압축기에서 발생하는 서지를 회피하기 위해 압축기 출구(볼루트 또는 그 후단의 배관)에서 토출 공기를 외부로 버림으로써 작은 유량에서 고압의 공기를 배출시키도록 하고 있다.

그러나, 상기 서지 발생을 회피하기 위한 첫번째 방법으로 압축기 출구에 서지 방지용 배기홀을 별도로 추가 형성할 경우에 서지 방지용 배기홀을 통해 외부의 이물질이 유입되는 등 수밀 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또 다른 서지 회피 방법으로, 도 2에 도시한 바와 같이 배관(1)을 통해 압축기(3)의 출구(2)에서 공기를 입구단(4) 측으로 재순환시킴으로써, 유량 손실을 저감하고 서지 마진(도 1에서 서지발생포인트(C점)에서 서지가 발생하지 않는 운전포인트(B점) 사이의 구간)을 확보하였다.

도 2에서 미설명 부호 5는 임펠러, 6은 회전축이다.

그러나, 배관(1)을 통해 압축기(3)의 출구(2)에서 공기를 입구단(4) 측으로 재순환시키는 경우에 별도의 배관(1)이 외부로 노출되어 공기압축기 주변 구조가 복잡해지고 레이아웃 측면에서 불리한 점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 압축기에서 배출되는 압축공기의 일부를 냉각공기로 사용하여 모터 내부에 흐르게 함으로써, 모터 및 베어링을 냉각시킬 수 있는 공기압축기의 모터 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 회전축을 중공축으로 구성하고 중공축을 내부유로로 활용하여 냉각공기를 내부유로를 통해 압축기 전방으로 재순환시킴으로써 서지에 대한 안정성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 공기의 재순환경로를 모터 바깥에 형성하지 않고 모터 안쪽에 형성하므로 구조가 단순하고 레이아웃 측면에서 유리한 공기압축기의 모터 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 공기압축기의 모터 냉각 장치는 모터에 의해 구동되는 공기압축기로서, 연속해서 접하게 배치된 압축기하우징과 모터하우징의 내부에 축방향으로 설치되는 회전축; 상기 압축기하우징 내부의 회전축 상에 회전가능하게 설치되는 임펠러; 상기 모터하우징의 내부의 회전축 상에 설치되는 고정자 및 회전자; 상기 압축기하우징과 모터하우징 사이에 설치되어, 공기압축기와 모터의 내부공간을 구획하는 중간격벽; 및 상기 중간격벽에 형성되어 압축기하우징과 모터하우징을 서로 연통시키는 제1연통홀을 포함하고, 상기 제1연통홀을 통해 압축공기의 일부를 모터하우징 내부에 흘려주어 모터 및 회전축상에 설치된 베어링에서 발생되는 열을 냉각시켜주는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고정자 및 회전자는 회전축에 동심원상으로 배치되고, 고정자와 회전자 사이에 냉각유로가 형성되어, 냉각유로를 통해 냉각공기를 흘려줌으로써 모터의 고정자 및 회전자를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 회전축은 중공축이며, 회전축에 제2연통홀이 형성되어, 모터하우징의 냉각공기를 상기 제2연통홀과 중공축의 내부유로를 통해 압축기하우징의 흡입구측으로 재순환시킴으로써 압축기의 유량 및 압력 성능을 만족하면서 서지에 대한 안정성을 확보할 수 있고, 수밀 성능을 확보할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 공기압축기의 모터 냉각 장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.

첫째로, 중공축을 이용하여 내부 유로를 구성함으로써 베어링 및 모터, 특히 모터 내부의 회전자를 원활하게 냉각할 수 있다.

둘째로, 압축기의 유량/압력 성능을 만족하면서 써지에 대한 안정성을 확보할 수 있다.

셋째로, 내부 유로를 통해 냉각공기를 압축기 전방으로 바이패스 시킴으로써 수밀성능을 확보할 수 있다.

도 1은 일반적인 공기압축기의 성능맵을 보여주는 그래프이다.
도 2는 종래기술에 따른 공기압축기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기압축기의 모터 냉각 장치의 단면도이다.
도 4는 기존의 연료전지 차량용 공기압축기에서 시간에 따른 모터 및 베어링의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 중공축을 이용한 공기압축기의 모터 냉각구조를 적용한 경우에 시간에 따른 베어링과 모터의 온도를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기압축기(10)의 모터(20) 냉각 장치의 단면도이다.

본 발명은 연료전지 차량에 적용가능한 공기압축기(10)에 관한 것이다.

상기 공기압축기는 크게 공기를 압축하기 위한 압축기(10)와, 압축기를 구동하기 위한 모터(20) 2부분으로 구성되며, 모터(20)에 의해 압축기의 회전축(14)과 임펠러(17)를 구동시켜 외부의 공기를 압축하여 연료전지스택에 송출한다.

상기 압축기(10)는 흡입구(11)와 배출구(12)를 가지는 압축기하우징(13)과, 압축기하우징(13)의 내부에 회전가능하게 장착되는 임펠러(17)를 포함한다.

또한, 모터(20)는 압축기하우징(13)의 배면측에 축방향으로 배치되는 모터하우징(28)과, 모터하우징(28)의 내부에 동심원상으로 설치되는 고정자(21) 및 회전자(22)를 포함한다.

상기 압축기하우징(13)과 모터하우징(28) 사이에는 중간격벽(15)이 반경방향으로 설치되어, 압축기하우징(13)과 모터하우징(20)의 내부공간을 구획한다.

상기 압축기하우징(13)과 모터하우징(28)의 내부 중심축상에 회전축(14)이 배치되고, 중간격벽(15) 및 모터하우징(28)의 끝에 설치된 베어링(23)에 의해 회전가능하게 지지된다.

상기 임펠러(17)는 압축기하우징(13)의 내부에 위치하고 임펠러 장착판(16)을 매개로 회전축(14)의 앞쪽 단부에 일체로 설치되어, 회전축(14)과 일체로 작동된다.

상기 압축기하우징(13)의 앞쪽 단부에는 축방향으로 흡입구(11)가 형성되고, 압축기하우징(13)의 상단부 일측에는 배출구(12)가 형성되어, 흡입구(11)를 통해 외부 공기가 압축기하우징(13) 내부에 유입되고, 유입된 공기가 임펠러(17)를 따라 회전하면서 원심력을 받아 임펠러(17)의 외곽부 측으로 이동하며 압축되며, 고압의 공기가 배출구(12)를 통해 연료전지스택으로 송출된다.

여기서, 상기 압축기(10)를 구동하기 위한 모터(20)는 전자기적 손실에 의해 고정자(21)와 회전자(22)의 발열이 발생하게 되는데, 고정자(21)의 발열은 외부케이스를 공냉 또는 수냉함으로써 냉각할 수 있다.

그러나, 회전자(22)는 모터(20) 내부에 있기 때문에 냉각이 쉽지 않으므로, 본 발명에서는 모터(20)의 내부에 고정자(21) 및 회전자(22)와 베어링(23)을 냉각하기 위한 냉각수단이 마련된다.

상기 냉각수단으로 중간격벽(15)에 제1연통홀(24)이 형성되고, 모터(20)의 고정자(21)와 회전자(22) 사이에 냉각유로(25)가 형성되고, 회전축(14)의 내부에 중공부가 형성되고, 회전축(14)의 후단에 제2연통홀(26)이 중공부와 연통되게 형성되어 있다.

상기 압축기(10)에서 배출구(12)를 통해 배출되는 압축공기의 일부를 모터하우징(28)의 내부에 흘려보내 줌으로써 모터하우징(28) 내부에 설치된 고정자(21), 회전자(22) 및 베어링(23)을 냉각시킬 수 있다.

상기 모터(20)를 냉각하기 위한 압축공기의 흐름 경로를 살펴보면 다음과 같다.

압축기(10)의 배출구(12)를 통해 배출되는 압축공기의 일부가 중간격벽(15)의 제1연통홀(24)을 통해 압축기하우징(13)의 임펠러(17) 배면에서 모터하우징(28) 내부로 유입되고, 유입된 공기는 모터(20)의 고정자(21)와 회전자(22) 사이에 형성된 냉각유로(25)를 통과하고, 통과된 공기는 제2연통홀(26)을 통해 모터하우징(28)에서 회전축(14)의 중공부인 내부유로(27)에 유입된 후 내부유로(27)를 따라 회전축(14) 앞쪽으로 이동하여 압축기(10)의 흡입구(11) 쪽으로 재순환된다.

여기서, 제1연통홀(24)을 통해 모터하우징(28) 내부로 유입된 공기는 고정자(21)와 회전자(22) 사이의 냉각유로(25)를 흐르면서 고정자(21)는 물론 회전자(22)에서 발생하는 열을 냉각시키고, 모터하우징(28)의 내부 곳곳에 확산되면서 베어링(23)과 열교환으로 베어링(23)에서 부가적으로 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다.

한편, 기존에 압축기하우징의 흡입구 압력은 대기압에 가깝고, 압축기하우징의 배출구 압력은 흡입구 압력에 비해 상대적으로 높고, 상기 압축기하우징의 임펠러 장착판의 배면은 압축기하우징의 출구압력에 의해 지배를 받으므로, 임펠러의 앞쪽면과 뒤쪽면에 압력차이가 발생하고, 이러한 압력차이로 인해 임펠러 장착판은 전방측을 향해 축방향의 하중을 받는다.

상기한 축방향 하중은 베어링에 직접적인 영향을 미치게 되므로, 베어링의 내구성을 저하시키는 문제점이 있었다.

그러나, 본 발명에서는 임펠러 장착판(16)의 배면에 있던 공기를 중간격벽(15)에 형성된 제1연통홀(24)을 통해 모터하우징(28)으로 배출시킴으로써 임펠러(17)에 작용하는 축하중을 저감하여 베어링(23)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

즉, 압축기하우징(13)의 출구압력이 임펠러 장착판(16)의 배면에 작용할 때 임펠러 장착판(16)의 배면 공간에 있는 공기 중 일부가 제1연통홀(24)을 통해 모터하우징(28)의 내부로 유입되고, 회전자(22)와 고정자(21) 사이의 냉각유로(25)를 경유하여 제2연통홀(26)을 통해 회전축(14) 내부로 유입되고, 회전축(14) 내부의 공기는 다시 압력이 상대적으로 낮은 압축기하우징(13)의 흡입구(11) 측으로 배출된다.

결국, 임펠러 장착판(16)의 배면에 있는 공기를 재순환 경로, 즉 제1연통홀(24)→모터(20)의 냉각유로(25)→제2연통홀(26)→회전축(14)의 내부유로(27)를 통해 흡입구(11)로 배출시켜, 임펠러 장착판(16)의 배면 공간에 작용하는 압력 P3이 출구압력 P2보다 떨어지도록 함으로써 기존의 출구압력 P2와 흡입구 압력 P1 사이의 차이로 인해 발생되는 축방향 하중을 저감하게 되는 것이다.

또한, 임펠러(17)에서 배출구(12)를 통해 배출되는 압축공기 중 일부를 모터하우징(28)으로 흘려보냄으로써 압축기(10)의 출구압력을 낮게 하여 저유량 조건에서도 압축기(10)의 유량 및 압력 성능을 만족하면서 서지에 대한 안정성을 확보할 수 있다.

이때, 서지 마진(예를 들어, 도 1의 그래프에서 B점이 운전포인트라고 할 때 서지 발생을 회피하기 위해 서지발생포인트에서 벗어나야 하는 최소한의 거리, 예를 들면 C점과 B점 사이의 거리)은 이미 정해져 있으므로, C점이 왼쪽으로 이동됨에 따라 B점(운전포인트)도 왼쪽으로 이동가능하여 C점에 대한 B점(운전포인트)의 설계자유도를 확장하여 운전영역을 넓힐 수 있다.

또한, 기존에는 압축기의 배출구 측에 서지 방지용 배기홀을 형성하여 저유량 조건에서 외부로 압축공기의 일부를 버리는 방식으로 써지를 회피함에 따라 외부의 이물질 등이 서지 방지용 배기홀을 통해 유입되어 수밀 성능이 떨어졌지만, 본 발명에서는 모터(20) 내부, 예를 들어 중공축의 내부유로(27)를 통해 냉각공기를 압축기(10) 전방으로 바이패스 시킴으로써 수밀성능을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 배관을 이용하지 않으므로 압축기(10) 주변의 공간을 단순화시켜 레이아웃 측면에서도 유리하다.

본 발명에 따른 공기 재순환 경로를 모터하우징(28) 내부에 적용하여 모터(20) 및 베어링(23)이 냉각되는 정도를 실험한 결과를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 기존의 연료전지 차량용 공기압축기에서 시간에 따른 모터 및 베어링의 온도를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 중공축을 이용한 공기압축기의 모터 냉각구조를 적용한 경우에 시간에 따른 베어링과 모터의 온도를 나타낸 것이다.

즉, 본 발명을 적용한 도 5의 모터 온도가 종래기술에 따른 도 4의 모터 온도보다 30도 이상 저감되었고, 본 발명을 적용한 도 5의 베어링 온도가 종래기술에 따른 도 4의 베어링 온도보다 20도 가량 저감되었다.

이러한 결과를 통해 모터의 안정성 확보는 물론 베어링(23)의 내구 성능 개선의 효과를 얻을 수 있다.

10 : 압축기
11 : 흡입구
12 : 배출구
13 : 압축기하우징
14 : 회전축
15 : 중간격벽
16 : 임펠러 장착판
17 : 임펠러
20 : 모터
21 : 고정자
22 : 회전자
23 : 베어링
24 : 제1연통홀
25 : 냉각유로
26 : 제2연통홀
27 : 내부유로
28 : 모터하우징

Claims (3)

1. 모터(20)에 의해 구동되는 공기압축기(10)의 모터(20) 냉각 장치에 있어서,
   연속해서 접하게 배치된 압축기하우징(13)과 모터하우징(28)의 내부에 축방향으로 설치되는 회전축(14);
   상기 압축기하우징(13) 내부의 회전축(14) 상에 회전가능하게 설치되는 임펠러(17);
   상기 모터하우징(28)의 내부의 회전축(14) 상에 설치되는 고정자(21) 및 회전자(22);
   상기 압축기하우징(13)과 모터하우징(28) 사이에 설치되어, 공기압축기(10)와 모터(20)의 내부공간을 구획하는 중간격벽(15); 및
   상기 중간격벽(15)에 형성되어 압축기하우징(13)과 모터하우징(28)을 서로 연통시키는 제1연통홀(24);
   을 포함하고, 상기 제1연통홀(24)을 통해 압축공기의 일부를 모터하우징(28) 내부에 흘려주어 모터(20) 및 회전축(14)상에 설치된 베어링(23)에서 발생되는 열을 냉각시켜주는 것을 특징으로 하는 공기압축기(10)의 모터(20) 냉각 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정자(21) 및 회전자(22)는 회전축(14)에 동심원상으로 배치되고, 고정자(21)와 회전자(22) 사이에 냉각유로(25)가 형성되는 것을 특징으로 하는 공기압축기(10)의 모터(20) 냉각 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전축(14)은 중공축이며, 회전축(14)에 제2연통홀(26)이 형성되어, 모터하우징(28)의 냉각공기를 상기 제2연통홀(26)과 중공축의 내부유로(27)를 통해 압축기하우징(13)의 흡입구(11)측으로 재순환시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 공기압축기(10)의 모터(20) 냉각 장치.
   
   
   

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