KR20170047450A - 터보 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 터보 압축기는 고정자의 내측에서 방출되는 열과 고정자의 외측에서 방출되는 열을 각각 냉각하는 복수의 냉각부를 마련하고, 고정자의 내측으로 공급되는 냉각 유체가 고정자와 회전자의 사이에 마련된 이격공간으로 직접 공급되도록 함으로써 냉각효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징을 한다.

Description

터보 압축기{TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 터보 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정자의 내측에서 방출되는 열과 고정자의 외측에서 방출되는 열을 각각 냉각하는 복수의 냉각부를 마련함으로써, 모터의 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 터보 압축기에 관한 것이다.

터보 압축기는 회전차의 회전력을 이용하여 유체를 축방향으로 흡입한 다음, 원심방향으로 토출시키면서 압축하는 장치이다. 상기 터보 압축기는 상기 회전차 및 압축실의 개수에 따라 1단 내지는 2단식으로 구분되며, 회전차의 배열 형태에 따라 백 투 백(back to back) 타입과 페이스 투 페이스(face to face) 타입으로 구분된다.

이와 같은 압축기 중에서 2단식 터보 압축기의 하나의 예를 도 1에 도시되고 있다.

도 1에 나타난 것과 같이 2단식 터보 압축기(10)는 모터 하우징(20)과, 상기 모터 하우징(20)의 일측 및 타측에 장착되는 제1베어링 플레이트(41) 및 제2베어링 플레이트(42)를 구비한다.

상기 제1베어링 플레이트(41)의 외측면에 제1구동축 커버(51)가 장착되며, 상기 제1베어링 플레이트(41)와 제1구동축 커버(51)의 외측에는 제1디퓨져 케이스(61)가 장착된다. 상기 모터 하우징(20)을 기준으로 상기 제1베어링 플레이트(41)의 반대편에 배치되는 상기 제2베어링 플레이트(42)의 외측면에는 제2구동축 커버(52)가 장착되며, 상기 제2베어링 플레이트(42)와 제2구동축 커버(52)의 외측에는 제2디퓨져 케이싱(62)이 장착된다.

상기 모터 하우징(20)의 내부에는 모터(31)가 포함된다. 상기 모터(31)는 고정자(stator, 31a)와, 상기 고정자(31a) 내에 장착된 회전자(rotor, 31b) 및 상기 회전자(31b)에 압입된 구동축(33)으로 이루어져 있는데, 상기 모터(31)의 구동축(33)은 양선단이 각각 제1베어링 플레이트(41) 및 제2베어링 플레이트(42)를 관통하는 구조를 가진다.

이 구동축의 반경방향으로 발생한 하중은 상기 각 제1, 제2플레이트(41, 42) 안쪽의 레이디얼 베어링(radial bearing)(R)에 의해 지지되고, 구동축 방향의 하중은 트러스트 베어링(thrust bearing)(81, 82)에 의하여 지지된다.

여기서, 제1디퓨져 케이스(61) 일측에는 제1토출관(73)이 구성되고, 제2디퓨져 케이스(62) 일측에는 제2토출관(77)이 구성되고 있다.

상기 제1구동축 커버(51)와 제1디퓨져 케이스(61) 사이에 제1압축실(Sc1)이 배치되고, 제2구동축 커버(52)와 제2디퓨져 케이스(62) 사이에 제2압축실(Sc2)이 배치된다.

구동축(33)의 양 선단에는 각각 제1압축실(Sc1)에 배치되는 1단 임펠러(35a) 및 제2압축실(Sc2)에 배치되는 2단 임펠러(35b)가 부착되어 있다. 상기 1단 임펠러의 전방에는 제1흡입관(71)이 배치되며, 2단 임펠러의 전방에는 제2흡입관(75)이 배치된다.

또한, 상기 터보 압축기에는 모터 및 베어링을 냉각시키기 위하여 다수의 냉매 유입부(Mi)들 및 냉매 유출부(Mo)가 형성되며, 상기 냉매 및 공기를 유동시키기 위하여 내부에 유체유로(Fw)가 형성되어 있다.

이와 같은 구조를 터보 압축기의 작동방식은 다음과 같다.

먼저, 모터(31)의 구동으로 구동축(33)이 회전할 경우 상기 구동축(133) 양단, 또는 일단에 부착된 양 임펠러(35a, 35b)가 역시 회전하게 된다. 제1흡입관(71)으로 흡입된 유체는 제1압축실(Sc1)로 유입되어 1단 임펠러(35a)에 의해 1단 압축된다.

1단 압축된 이른바 가압축 유체는 연결통로 및 제2흡입관(75)을 통해 제2압축실(Sc2)로 흡입되어 2단 임펠러(35b)에 의해 2단 압축된다. 2단 압축된 유체는 제2토출관(77)을 통해 토출된다.

이와 더불어 상기 모터 및 베어링 등을 냉각시키기 위하여 상기 터보 압축기 내부에는 유체유로(Fw)가 형성된다. 따라서 제2흡입관(75)으로 유입된 공기 중 일부는 상기 유체유로(Fw) 및 중간토출부(Mo)를 따라서 제1흡입관(71)으로 재유입됨으로써 쉽게 압축기를 냉각시킬 수 있다.

그런데, 이러한 종래의 터보 압축기는 압축 공기를 이용해 압축기를 냉각시킨다는 장점이 있으나, 압축 공기가 하우징의 내부를 통과하는 과정에서 베어링의 오일이나 윤활유, 또는 하우징 내부에서 발생하는 파티클 등에 의해 오염된 상태로 제1흡입관 측으로 재유입되는 문제가 있다.

또한, 단지 하우징의 일측으로 냉각용 공기를 주입하고 타측에서 배출되도록 하는 것이므로, 하우징 내부공간에서 발생하는 와류현상 등에 의해 냉각 균일도가 저하되는 등, 냉각효율이 낮은 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고정자의 내측에서 방출되는 열과 고정자의 외측에서 방출되는 열을 각각 냉각하는 복수의 냉각부를 마련함으로써, 모터의 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 터보 압축기를 제공함에 있다.

또한, 고정자의 내측으로 공급되는 냉각 유체가 고정자와 회전자의 사이에 마련된 이격공간으로 직접 공급되도록 함으로써 냉각효율을 향상시킬 수 있는 터보 압축기를 제공함에 있다.

또한, 하우징의 내부에서 발생할 수 있는 오염물질에 의해 압축 공기가 오염되는 것을 방지할 수 있는 터보 압축기를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 하우징;과, 상기 하우징내에 회전가능하게 장착된 샤프트;와, 상기 샤프트에 결합된 압축기 임펠러;와, 상기 압축기 임펠러를 구동하기 위해 상기 하우징에 결합된 고정자와 상기 샤프트에 결합된 회전자를 구비한 중공형 모터; 및 상기 하우징 상의 고정자 양단부에 대응하는 위치에서 하우징의 내부공간과 외부공간을 각각 연결하는 제1유입공과 제1배출공, 상기 제1유입공에 배치되어 제1유입공으로 유입된 냉각 유체를 고정자와 회전자 사이의 이격공간을 향해 방출하는 노즐부가 형성된 제1냉각부;를 포함하는 터보 압축기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 노즐부는 복수 마련되어 원주상으로 이격 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징 상의 고정자에 대응하는 위치에 형성된 냉각 유로와, 상기 냉각 유로의 일단부에 배치되어 상기 냉각 유로로 냉각 유체를 공급하는 제2유입공과, 상기 냉각 유로의 타단부에 배치되어 냉각 유로의 냉각 유체를 배출하는 제2배출공이 형성된 제2냉각부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각 유로는 하우징의 외주면에 샤프트의 축방향을 따라 나선형으로 함몰되어 냉각수가 통과하는 나선홈과, 상기 하우징의 외주면을 감싸 나선홈의 개구를 마감하는 커버를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 샤프트와 하우징 사이에 배치되어 샤프트를 회전가능한 상태로 지지하는 복수의 자기(Magnetic) 베어링;을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징의 양단부에는 샤프트가 관통하는 관통홀이 형성되어 하우징의 양단부 개구를 마감하는 고정플레이트;가 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정플레이트에는 하우징 내부공간의 기밀을 위해 샤프트와 임펠러 중 적어도 어느 하나에 밀착하는 씰링부재가 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 고정자의 내측에서 방출되는 열과 고정자의 외측에서 방출되는 열을 각각 냉각하는 복수의 냉각부를 마련함으로써, 모터의 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 터보 압축기가 제공된다.

또한, 고정자의 내측으로 공급되는 냉각 유체가 고정자와 회전자의 사이에 마련된 이격공간으로 직접 공급되도록 함으로써 냉각효율을 향상시킬 수 있는 터보 압축기가 제공된다.

또한, 하우징의 내부에서 발생할 수 있는 오염물질에 의해 압축 공기가 오염되는 것을 방지할 수 있는 터보 압축기가 제공된다.

도 1은 종래의 일반적인 터보 압축기를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명 터보 압축기의 단면도,
도 3은 본 발명 터보 압축기의 제1냉각부와 제2냉각부의 냉각상태를 나타내는 작용도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 터보 압축기에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중 도 2는 본 발명 터보 압축기의 단면도이고, 도 3은 본 발명 터보 압축기의 제1냉각부와 제2냉각부의 냉각상태를 나타내는 작용도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명 터보 압축기는 하우징(110)과, 샤프트(120)와, 압축기 임펠러(130)와, 모터(140)와, 자기 베어링(150)과, 제1냉각부(160) 및 제2냉각부(170)를 포함하여 구성된다.

상기 하우징(110)은 관형의 몸체를 가지며, 상기 하우징(110)의 양단부에는 샤프트(120)가 관통하는 관통홀이 형성되어 하우징(110)의 양단부 개구를 마감하는 고정플레이트(111)가 배치된다.

상기 양단부에 배치된 고정플레이트(111)에는 상기 샤프트(120)와 하우징(110) 사이에 배치되어 샤프트(120)를 회전가능한 상태로 지지하는 복수의 자기(Magnetic) 베어링(150)이 설치된다. 이러한 자기 베어링(150)은 샤프트(120)에 수직으로 작용하는 하중을 지지하는 것뿐만 아니라, 샤프트(120) 축 방향으로 작용하는 하중을 지지하기 위해 레이디얼(radial) 타입의 자기 베어링(150a)과 스러스트(thrust) 타입의 자기 베어링(150b)을 포함할 수 있으며, 자기 베어링(150)으로 구성됨에 따라 윤활유와 같은 오일이 불필요하게 되므로 오염방지 및 안전성을 향상시킬 수 있다.

상기 샤프트(120)는 상기 자기 베어링(150)을 통해 상기 하우징(110)내에 회전가능하게 장착되는 것으로서, 샤프트(120)에는 스러스트 타입의 자기 베어링(150b) 지지를 위한 디스크가 형성될 수 있다.

상기 압축기 임펠러(130)는 원반형의 플레이트에 다수의 날개가 형성된 것으로, 상기 샤프트(120)의 단부에 설치되며, 샤프트(120)와 함께 회전하면서 유입공기를 압축한다. 본 실시예에서는 상기 임펠러(130)를 샤프트(120)의 양단부에 각각 설치하여 백 투 백 타입의 2단식 압축기를 구성한 것으로 예를 들어 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 임펠러(130)의 전방에는 공기의 축방향 유입을 안내하고 임펠러(130)에서 압축된 공기의 수직방향 유출을 안내하는 볼류트 하우징(volute housing)이 배치될 수 있다.

상기 고정플레이트(111)에는 하우징(110) 내부공간의 기밀을 위해 선단부가 샤프트(120)에 탄력적으로 밀착하는 씰링부재(112)가 고정될 수 있다. 씰링부재(112)는 기밀유지를 위해 선단부가 샤프트(120)의 외주면에 탄력적으로 밀착하도록 배치되는 것도 가능하다.

한편, 상기 고정플레이트(111)와 압축기 임펠러(130)의 사이공간에는 하우징(110) 내부공간의 기밀유지를 위한 씰링부재(112)가 배치된다. 한편, 상기 씰링부재(112)는 상기 관통홀의 내주면과 샤프트(120)의 외주면 사이공간에 배치하는 것도 가능할 것이다.

상기 모터(140)는 상기 압축기 임펠러(130)를 구동하기 위해 상기 하우징(110)에 결합된 고정자(141)와 상기 샤프트(120)에 결합된 회전자(142)를 포함하며, 상기 고정자(141)의 내주면과 회전자(142)의 외주면 사이에는 공기가 유동할 수 있는 이격공간(143)이 형성된다.

상기 제1냉각부(160)는 상기 하우징(110)의 고정자(141) 양단부에 대응하는 위치에서 하우징(110)의 내부공간과 외부공간을 각각 연결하는 제1유입공(161)과 제1배출공(162)과, 상기 제1유입공(161)에 배치되어 제1유입공(161)으로 유입된 냉각 유체를 고정자(141)와 회전자(142) 사이의 이격공간(143)을 향해 방출하는 노즐부(163)가 형성된 제1냉각부(160)를 포함한다. 상기 노즐부(163)는 냉각효율의 향상을 위해 복수 마련되어 원주상으로 이격 배치되는 것이 바람직하다.

상기 제2냉각부(170)는 상기 하우징(110) 상의 고정자(141)에 대응하는 위치에 형성된 냉각 유로(173)와, 상기 냉각 유로(173)의 일단부에 배치되어 상기 냉각 유로(173)로 냉각 유체를 공급하는 제2유입공(171)과, 상기 냉각 유로(173)의 타단부에 배치되어 냉각 유로(173)의 냉각 유체를 배출하는 제2배출공(172)을 포함한다. 상기 냉각 유로(173)는 하우징(110)의 외주면에 샤프트(120)의 축방향을 따라 나선형으로 함몰되어 냉각수가 통과하는 나선홈(173a)과, 상기 하우징(110)의 외주면을 감싸 나선홈(173a)의 개구를 마감하는 커버(173b)를 포함하며, 상기 나선홈(173a)의 깊이와 피치는 모터의 발열량에 따라 조절가능하다.

지금부터는 상술한 터보 압축기의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

모터의 고정자(141)에 전원이 인가되면 고정자(141)의 중앙에 배치된 회전자(142)가 회전하게 되며, 이러한 회전 구동으로 인해 샤프트(120)와 샤프트(120)의 양단에 고정된 임펠러(130)가 회전하면서 공기를 압축한다.

이때, 상기 샤프트(120)는 하우징(110) 양단의 고정플레이트(111)에 각각 고정된 레이디얼 타입의 자기 베어링(150a)에 의해 샤프트(120)에 수직으로 작용하는 하중이 자기의 반발력에 의해 지지되고, 일측 고정플레이트(111)에 고정된 스러스트 타입의 자기 베어링(150b)에 의해 축방향으로 작용하는 하중이 지지된 상태로 회전하게 된다. 상기 자기 베어링(150)은 무윤활이기 때문에 윤활용 오일에 의한 환경오염의 우려가 없고, 비접촉이기 때문에 진동과 같은 충격으로 인한 베어링의 수명단축을 방지할 수 있다.

하우징(110)의 양단부에 위치한 고정플레이트(111)에는 링형의 씰링부재(112)가 배치되며, 씰링부재(112)의 선단부는 샤프트(120)와 함께 회전하는 임펠러(130) 측에 탄력적으로 접촉하므로, 하우징(110) 내부공간이 기밀하게 유지되므로, 하우징(110) 내부에서 발생하는 오염물질이 임펠러(130)에 의해 압축되는 공기로 혼입되는 것이 방지된다.

한편, 상기 모터(140)에서 발생하는 열은 고정자(141)의 내측을 냉각하는 제1냉각부(160)와 고정자(141)의 외측을 냉각하는 제2냉각부(170)에 의해 냉각된다.

먼저, 제1냉각부(160)는 도 3에서 도시하는 바와 같이, 제1유입공(161)이 고정자(141)의 일측과 마주하는 하우징(110)의 일측 내부공간과 연결되고, 제1배출공(162)이 고정자(141)의 타측과 마주하는 하우징(110)의 타측 내부공간과 연결되며, 고정자(141)의 양측 내부공간은 고정자(141)와 회전자(142) 사이의 이격공간(143)을 통해 연결된다.

따라서, 제1유입공(161)으로 냉각기체와 같은 냉각 유체를 공급하면, 냉각 유체가 일측 내부공간을 채운 다음, 이격공간(143)을 경유하여 타측 내부공간으로 이동하고, 이어서 제1배출공(162)을 통해 외부로 배출되며, 이 과정에서 모터에서 발생하는 열을 냉각할 수 있다.

그런데, 제1유입공(161)과 이격공간(143)의 사이에는 모터의 고정자(141)에 권취된 코일과 코어가 복잡한 형상으로 배치되어 있으므로, 냉각 유체의 와류현상이 발생하게 되며, 이로 인해 냉각 균일도가 저하하는 등 냉각효과가 낮아지는 문제가 발생한다.

이때, 상기 제1유입공(161)과 이격공간(143) 사이에 노즐부(163)를 배치하여 제1유입공(161)으로 공급되는 냉각 유체를 이격공간(143)으로 직접 공급하면, 일측 내부공간에서의 와류현상이 방지되는 것은 물론, 모터에 비해 상대적으로 낮은 온도의 냉각 유체가 이격공간(143)으로 직접 공급되는 것이므로 냉각효율이 향상된다.

한편, 상기와 같은 노즐부(163)는 다수 마련되고 원주방향으로 이격 배치되어 냉각 균일도를 향상시킬 수 있으며, 보다 효과적인 냉각을 위해 냉각 유체가 링형의 이격공간(143) 전면에 골고루 공급될 수 있도록 링형의 토출구를 형성하는 것도 가능할 것이다.

제2냉각부(170)는 도 3에서 도시하는 바와 같이, 하우징(110)의 외측면에 배치되어 고정자(141)의 외측을 냉각하는 것이다. 구체적으로, 제2냉각부(170)의 냉각 유로(173)는 하우징(110)의 외주면에 나선형태로 형성되는 나선홈(173a)과 하우징(110)의 외측면을 감싸 나선홈(173a)의 개구를 마감하는 커버(173b)를 통해 구성되며, 제2유입공(171)은 상기 냉각 유로(173)의 일단부에 배치되어 냉각 유로(173)로 냉각 유체를 공급하고, 제2배출공(172)은 상기 냉각 유로(173)의 타단부에 배치되어 냉각 유로(173)를 통과한 냉각 유체를 배출한다. 상기 제2냉각부(170)의 제2유입공(171)을 통해 공급되는 냉각수와 같은 냉각 유체는 하우징(110)의 외측면 중 고정자(141)에 대응하는 위치에 나선형태로 배치된 냉각 유로(173)를 통과(도 3에 점선으로 표시하였음)하면서 고정자(141)의 외측을 향해 방출되는 열에너지를 흡수하여 제2배출공(172)을 통해 외부로 배출된다.

상기와 같이, 본 실시예에 따르면, 제1냉각부(160)를 통해 고정자(141) 내측에서 발생하는 열을 냉각시키고, 제2냉각부(170)를 통해 고정자(141)의 외측에서 발생하는 열을 냉각시킴으로써, 모터에서 발생하는 열을 신속하고도 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

또한, 임펠러(130)에 의해 압축되는 공기가 이동하는 유로와 하우징(110)의 내부공간이 기밀하게 분리되도록 함으로써 하우징(110)의 내부공간에서 발생할 수 있는 오염물질이 임펠러(130)에 의해 압축되는 공기에 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 샤프트(120)를 자기 베어링(150)으로 지지함으로써, 오일이나 윤활유와 같은 오염물질이 방출되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110:하우징, 111:고정플레이트, 112:씰링부재,
120:샤프트, 130:압축기 임펠러, 140:중공형 모터,
141:고정자, 142:회전자, 143:이격공간,
150:자기 베어링, 160:제1냉각부, 161:제1유입공,
162:제1배출공, 163:노즐부, 170:제2냉각부,
171:제2유입공, 172:제2배출공, 173:냉각 유로,
173a:나선홈, 173b:커버

Claims (7)

1. 하우징;
   상기 하우징 내에 회전가능하게 장착된 샤프트;
   상기 샤프트에 결합된 압축기 임펠러;
   상기 압축기 임펠러를 구동하기 위해 상기 하우징에 결합된 고정자와 상기 샤프트에 결합된 회전자를 구비한 중공형 모터; 및
   상기 하우징 상의 고정자 양단부에 대응하는 위치에서 하우징의 내부공간과 외부공간을 각각 연결하는 제1유입공과 제1배출공, 상기 제1유입공에 배치되어 제1유입공으로 유입된 냉각 유체를 고정자와 회전자 사이의 이격공간을 향해 방출하는 노즐부가 형성된 제1냉각부;를 포함하는 터보 압축기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 노즐부는 복수 마련되어 원주상으로 이격 배치되는 터보 압축기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 하우징 상의 고정자에 대응하는 위치에 형성된 냉각 유로와, 상기 냉각 유로의 일단부에 배치되어 상기 냉각 유로로 냉각 유체를 공급하는 제2유입공과, 상기 냉각 유로의 타단부에 배치되어 냉각 유로의 냉각 유체를 배출하는 제2배출공이 형성된 제2냉각부;를 더 포함하는 터보 압축기.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 냉각 유로는 하우징의 외주면에 샤프트의 축방향을 따라 나선형으로 함몰되어 냉각수가 통과하는 나선홈과, 상기 하우징의 외주면을 감싸 나선홈의 개구를 마감하는 커버를 포함하는 터보 압축기.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 샤프트와 하우징 사이에 배치되어 샤프트를 회전가능한 상태로 지지하는 복수의 자기(Magnetic) 베어링;을 포함하는 터보 압축기.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 하우징의 양단부에는 샤프트가 관통하는 관통홀이 형성되어 하우징의 양단부 개구를 마감하는 고정플레이트;가 배치되는 터보 압축기.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 고정플레이트에는 하우징 내부공간의 기밀을 위해 샤프트와 임펠러 중 적어도 어느 하나에 밀착하는 씰링부재가 마련되는 터보 압축기.

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