KR20170058082A

KR20170058082A - 차량용 공기 압축기

Info

Publication number: KR20170058082A
Application number: KR1020150161847A
Authority: KR
Inventors: 임차유; 김명훈; 박건웅; 박치용; 양현섭; 정현석
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2017-05-26
Also published as: KR102367740B1

Abstract

본 발명은 차량용 공기 압축기에 관한 것으로, 외관을 형성하며, 냉각수가 저장된 냉각수 자켓(110)을 구비한 하우징(100)과, 공기 유입구(310) 및 공기 토출구(330)가 구비되고 상기 하우징(100)의 일측에 결합되어 공기를 압축하는 임펠러(400)를 지지하는 임펠러 수용부(200) 및 임펠러 하우징(300)과, 상기 하우징(100)의 내주면에 결합되는 스테이터(630)와, 상기 스테이터(630)의 내측에서 회전하는 로터(610)와, 상기 하우징(100)의 길이 방향을 따라 상기 스테이터(630) 및 로터(610)의 중앙을 관통하여 회전 가능하게 설치되어 상기 임펠러(400)를 회전 구동시키며, 길이 방향을 따라 중공이 형성된 회전축(650)이 구비된 블로어 모터(600)와, 상기 회전축(650)에 결합되어 상기 회전축(650)의 양단을 회전 가능하게 지지하는 저널 베어링(730)과, 상기 회전축(650)의 일단을 회전 가능하게 지지하는 트러스트 베어링(700)과, 상기 하우징(100)의 외측에 구비되며 상기 공기 토출구(330)에 연결되어 압축 공기의 일부를 순환시키는 순환 유로(P2)와, 상기 냉각수 자켓(110)에 인접한 상기 하우징(100)의 내부에 구비되어 상기 순환 유로(P2)를 통해 이동하는 공기를 냉각시키는 우회 유로(P3)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 수냉식 냉각 유로를 구비하고 냉각 공기를 수냉식 냉각 유로 쪽으로 우회하여 순환시킴으로써 베어링의 내구성 및 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 베어링 및 로터의 효율적인 냉각으로 공기 압축기의 구동 효율이 향상되는 효과가 있으며, 공기 압축기 내로 연통되는 별도의 냉각 유로를 구비함으로써 외부로의 공기 누설이 없는 장점이 있다.

Description

차량용 공기 압축기{Air blower for vehicle}

본 발명은 차량용 공기 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각 유로를 개선하여 베어링의 내구성 및 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 차량용 공기 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 차량은 수소와 산소가 가습기에 공급되어 물의 전기분해 역반응인 전기화학 반응을 통해 생성되는 전기 에너지를 차량의 구동력으로 공급하는 차량을 말하며, 한국특허등록 제0962903호에 일반적인 연료전지 차량이 개시되어 있다.

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.

연료전지 차량은 통상적으로 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료와 공기를 가습하여 공급하는 가습기와, 가습기에 수소를 공급하는 연료공급부와, 가습기에 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각 모듈 등으로 구성된다.

공기공급부는 공기 중에 포함된 이물질을 여과하는 에어클리너와, 에어클리너에서 여과된 공기를 압축해 공급하는 공기 압축기, 공기 압축기를 제어하는 컨트롤 박스로 구성된다.

전술한 공기 압축기는 외부로부터 흡입한 공기를 임펠러를 이용하여 압축한 후 배기구를 통해 연료전지스택으로 송출한다. 이때, 압축부를 구성하는 임펠러 및 샤프트는 모터의 회전력에 의해 구동된다.

그런데 이러한 종래의 공기 압축기는 베어링 주변의 공간이 협소하여 냉각 공기가 좁은 틈을 통과해 베어링 및 모터 등을 냉각해야 하므로 냉각 성능이 좋지 않은 문제가 있다. 특히, 모터 및 공기 압축기의 후방에 위치한 저널 베어링의 온도가 급격히 상승하기 쉬워 베어링의 손상까지 일으키는 경우가 발생할 수 있다.

한국특허등록 제0962903호 (등록일 2010. 06. 01)

본 발명의 목적은 냉각 유로를 개선하여 베어링의 내구성 및 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 차량용 블로어는, 외관을 형성하며, 냉각수가 저장된 냉각수 자켓(110)을 구비한 하우징(100)과, 공기 유입구(310) 및 공기 토출구(330)가 구비되고 상기 하우징(100)의 일측에 결합되어 공기를 압축하는 임펠러(400)를 지지하는 임펠러 수용부(200) 및 임펠러 하우징(300)과, 상기 하우징(100)의 내주면에 결합되는 스테이터(630)와, 상기 스테이터(630)의 내측에서 회전하는 로터(610)와, 상기 하우징(100)의 길이 방향을 따라 상기 스테이터(630) 및 로터(610)의 중앙을 관통하여 회전 가능하게 설치되어 상기 임펠러(400)를 회전 구동시키며, 길이 방향을 따라 중공이 형성된 회전축(650)이 구비된 블로어 모터(600)와, 상기 회전축(650)에 결합되어 상기 회전축(650)의 양단을 회전 가능하게 지지하는 저널 베어링(730)과, 상기 회전축(650)의 일단을 회전 가능하게 지지하는 트러스트 베어링(700)과, 상기 하우징(100)의 외측에 구비되며 상기 공기 토출구(330)에 연결되어 압축 공기의 일부를 순환시키는 순환 유로(P2)와, 상기 냉각수 자켓(110)에 인접한 상기 하우징(100)의 내부에 구비되어 상기 순환 유로(P2)를 통해 이동하는 공기를 냉각시키는 우회 유로(P3)를 포함한다.

상기 순환 유로(P2)는 일단이 상기 공기 토출구(330)의 볼루트에 연결되고 타단이 상기 우회 유로(P3)에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 우회 유로(P3)는 상기 하우징(100)의 길이 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 임펠러(400)와 상기 임펠러 수용부(200)의 사이에서부터 상기 회전축(650) 일단의 상기 저널 베어링(700)과 상기 회전축(650) 타단의 상기 저널 베어링(700)을 거쳐 상기 회전축(650)의 타단을 지지하는 후방 베어링(800)을 지나 상기 회전축(650)의 중공으로 연통되는 냉각 유로(P1)를 더 포함한다.

상기 임펠러(400)와 상기 트러스트 베어링(700)의 사이에 삽입되는 베어링 케이싱(750)을 더 포함하며, 상기 우회 유로(P3)는 상기 임펠러(400)와 상기 베어링 케이싱(750)의 사이에서 상기 냉각 유로(P1)와 연통되는 것을 특징으로 한다.

상기 베어링 케이싱(750)은 판면에 관통 형성된 연통홀(752)을 더 포함한다.

상기 연통홀(752)은 상기 블로어 모터(600)를 지지하는 모터 하우징(600a)의 내부로 연통되는 것을 특징으로 한다.

상기 우회 유로(P3)를 통과한 냉각 공기는 상기 냉각 유로(P1)로 유입되고, 상기 냉각 공기 중 일부는 상기 연통홀(752)을 통해 상기 모터 하우징(600a)의 내부로 유입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 블로어는, 수냉식 냉각 유로를 구비하고 냉각 공기를 수냉식 냉각 유로 쪽으로 우회하여 순환시킴으로써 베어링의 내구성 및 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 베어링 및 로터의 효율적인 냉각으로 공기 압축기의 구동 효율이 향상되는 효과가 있으며, 공기 압축기 내로 연통되는 별도의 냉각 유로를 구비함으로써 외부로의 공기 누설이 없는 장점이 있다.

도 1은 차량용 공기 압축기를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 차량용 공기 압축기에 따른 주요 부분을 확대한 단면도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 차량용 공기 압축기를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 차량용 공기 압축기(10)는 외관을 형성하는 하우징(100)과, 하우징(100)의 전방에 결합되어 공기를 흡입하는 임펠러(400)를 수용하는 임펠러 수용부(200) 및 임펠러 하우징(300)과, 하우징(100)의 후방에 결합되는 리어 커버(500)와, 하우징(100)의 내부에 설치되어 임펠러(400)를 회전 구동시키는 블로어 모터(600)를 포함하여 구성된다.

임펠러 하우징(300)의 전방 중앙에는 외부 공기가 유입되는 공기 유입구(310)가 형성되고, 전방 양측에는 공기 토출구(330)가 형성된다. 임펠러(400)는 임펠러 하우징(300)의 내부에 설치되며, 임펠러(400)를 관통하는 중공에 후술할 블로어 모터(600)의 회전축(650)이 결합된다. 즉, 임펠러(400)는 회전축(650)에 의해 지지된다. 임펠러(400)에 의해 공기 유입구(310)를 통해 흡입된 공기는 임펠러(400)에 의해 압축되어 공기 토출구(330)로 배출된다.

리어 커버(500)는 하우징(100)의 후방에 결합되어 회전축(650)이 외부로 노출되지 않도록 차단하며, 회전축(650)의 단부를 지지한다.

블로어 모터(600)는 하우징(100)의 내측에 삽입된 모터 하우징(600a)에 삽입된다. 블로어 모터(600)는 모터 하우징(600a)의 내주면에 인접하게 설치되며 중공(번호 미표기)을 갖는 스테이터(630)와, 스테이터(630)의 중공을 관통하여 설치되는 회전축(650)과, 회전축(650)의 외주면에 결합되는 로터(610)로 구성된다. 스테이터(630)는 플레이트(630a) 및 코일(630b)로 구성되어 고정되고, 로터(610)는 회전축(650)의 외주면에 일체로 형성된다.회전축(650)은 길이 방향을 따라 중공이 관통 형성된 중공축이다.

회전축(650)은 일단이 임펠러(400)의 중공에 결합된 상태에서 임펠러(400)의 후방에 설치되는 트러스트 베어링(thrust bearing, 700)에 의해 지지된다. 트러스트 베어링(700)은 회전축(650)의 길이 방향과 수직한 방향으로 회전축(650)을 지지한다. 트러스트 베어링(700)에 인접하여 회전축(650)의 외주면에 결합되는 전방 저널 베어링(730), 회전축(650)의 타단을 회전 가능하게 지지하는 후방 저널 베어링(730) 및 후방 베어링(800)이 구비된다(이하에서는 편의상 모터 샤프트의 임펠러 쪽 일단을 전방으로, 그 반대쪽을 후방으로 정의하기로 함).

외부로부터 전력을 공급받아 블로어 모터(600)가 작동되면, 회전축(650)이 회전하면서 임펠러(400)를 회전 구동시키고, 외부의 공기가 공기 유입구(310)를 통해 유입되어 임펠러(400)를 지나면서 압축된 후 공기 토출구(330)로 배출된다. 블로어 모터(600)의 작동 중 발생되는 열을 냉각하기 위해 하우징(100)의 내측에는 냉각수 자켓(110)이 구비된다.

냉각수 자켓(110)은 하우징(100) 내부에서 하우징(100)을 감싸는 형태를 가지며, 그 내부에 냉각수가 공급되어 저장된다. 냉각수 자켓(110)은 블로어 모터(600)에 인접하여 구비되므로 냉각수와의 열교환을 통해 블로어 모터(600)를 냉각시키는 역할을 한다. 블로어 모터(600)의 냉각에 냉각수 자켓(110)을 이용하는 수냉식 냉각 외에도 공기를 이용해 블로어 모터(600)를 냉각하는 공랭식 냉각 방법이 혼용된다.

블로어 모터(600)를 냉각하기 위한 냉각 유로(P1)는 공기 유입구(310) 및 임펠러(400), 공기 토출구(330)로 연통되는 공기 압축 유로에 연통된다. 냉각 유로(P1)는 임펠러(400)와 임펠러 수용부(200)의 사이에서부터 전방 저널 베어링(730)과 회전축(650)의 사이를 거쳐 후방 저널 베어링(730)과 회전축(650)의 사이를 지나 리어 커버(500)까지 연통된다. 리어 커버(500) 쪽으로 이동한 공기는 리어 커버(500)와 회전축(650)의 사이에서 회전축(650)의 중앙을 관통하는 중공을 따라 다시 공기 유입구(310)까지 연통된다.

전술한 경로가 냉각 유로(P1)이며, 임펠러(400)에 의해 압축된 공기의 일부가 냉각 유로(P1)를 따라 순환하면서 트러스트 베어링(700) 및 전방 저널 베어링(730)을 냉각하고 블로어 모터(600)를 냉각시킨 후 후방 베어링(800)까지 냉각시키고 중공을 통해 공기 유입구(310) 쪽으로 배기된다.

그런데 임펠러(400)에서 빠져나오는 공기의 온도가 예를 들어 섭씨 110도라고 한다면, 전방 저널 베어링(700)을 냉각시킨 후 공기의 온도는 약 섭씨 130도 정도이다. 블로어 모터(600)를 지나 후방 저널 베어링(730)으로 유입되는 유입구의 온도는 약 섭씨 140도 정도이며, 후방 베어링(800)을 지날 때 공기의 온도는 섭씨 190도 정도가 된다. 따라서 임펠러(400)로부터 제공되는 공기만으로는 회전축(650)의 후방 쪽과 트러스트 베어링(800)을 충분히 냉각시키기 어려우므로, 추가적인 냉각 유로가 필요하다.

도 2는 본 발명의 차량용 공기 압축기에 따른 주요 부분을 확대한 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기의 추가적인 냉각 유로는 하우징(100)의 외측으로 공기를 순환시키는 순환 유로(P2)와, 순환 유로(P2)에 연통되어 냉각수 자켓(110) 주변으로 우회하는 우회 유로(P3)를 포함하여 구성된다.

순환 유로(P2)는 임펠러 하우징(100)의 공기 토출구(330) 쪽의 볼루트(회전체로 인해 높아진 동압을 정압으로 회복시키는 것으로, 공지기술이므로 상세한 설명을 생략하기로 함)로부터 배출되는 압축 공기를 우회 유로(P3)로 유입시킨다. 순환 유로(P2)는 일단이 공기 토출구(330)의 볼루트에 연결되고, 타단이 우회 유로(P3)에 연결된다. 순환 유로(P2)는 하우징(100)의 외측에 구비되되 주변부와의 결합 관계를 고려하여 하우징(100)의 외주면에 근접하도록 설치되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 순환 유로(P2)를 하우징(100) 외측에 탈착 가능하게 결합시킬 수도 있으며, 별도의 결합 수단이 구비될 수 있다.

우회 유로(P3)는 순환 유로(P2)에 일단이 연결되고, 타단은 하우징(100)의 내측으로 연결되되 임펠러(400)와 베어링 케이싱(750) 사이로 연통된다. 또한, 우회 유로(P3)는 냉각수 자켓(110)에 인접한 하우징(100)의 내측에 길이 방향을 따라 관통 형성된다. 우회 유로(P3)는 압축 공기가 냉각수 자켓(110)을 따라 이동하면서 냉각수와의 온도 교환에 의해 냉각되도록 한다. 순환 유로(P2)로 유입된 압축 공기는 고온이나 우회 유로(P3)를 거치면서 냉각되어 차가워진다. 우회 유로(P3)를 통과하면서 냉각된 공기는 하우징(100)의 내측으로 유입된다.

한편, 베어링 케이싱(750)에는 연통홀(752)이 판면에 관통 형성되며, 연통홀(752)은 트러스트 베어링(700)이 구비된 모터 하우징(600a)의 내부로 연통된다. 하우징(100)의 내측으로 유입된 냉각 공기는 회전축(650)와 베어링 케이싱(750)의 사이로 유입되어 트러스트 베어링(700)과 베어링 케이싱(750)의 사이를 따라 이동하고, 저널 베어링(730)과 회전축(650)의 사이로 유입된다. 냉각 공기 중 일부는 연통홀(752)을 통해 트러스트 베어링(700) 쪽으로 바로 공급되어 주변부를 냉각시키고, 저널 베어링(730)과 회전축(650)의 사이로 이동한다. 트러스트 베어링(700)과 저널 베어링(730)을 냉각시킨 냉각 공기는 회전축(650)의 외주면을 따라 이동하며 회전축(650) 및 로터(610)를 냉각시키고, 후방 저널 베어링(730) 및 후방 베어링(800)을 순차적으로 냉각시킨 후 회전축(650)에 형성된 중공 따라 공기 유입구(310) 쪽으로 배출된다.

이렇게 순환 유로(P2) 및 우회 유로(P3)가 구비되고 냉각수를 이용해 공기를 냉각시켜 공급하게 되면, 후방 베어링(800)으로 유입되는 냉각 공기의 온도를 수십도 이상 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 순환 유로(P2) 및 우회 유로(P3)가 구비되기 전보다 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

따라서 베어링 및 로터의 효율적인 냉각으로 공기 압축기의 구동 효율이 향상되는 효과가 있으며, 공기 압축기 내로 연통되는 별도의 냉각 유로를 구비함으로써 외부로의 공기 누설이 없는 장점이 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.

10: 공기 압축기 100: 하우징
110: 냉각수 자켓 200: 임펠러 수용부
300: 임펠러 하우징 310: 공기 유입구
330: 공기 토출구 400: 임펠러
600: 블로어 모터 600a: 모터 하우징
650: 회전축 700: 트러스트 베어링
730: 저널 베어링 750: 베어링 케이싱
752: 연통홈 800: 후방 베어링
P1: 냉각 유로 P2: 순환 유로
P3: 우회 유로

Claims

외관을 형성하며, 냉각수가 저장된 냉각수 자켓(110)을 구비한 하우징(100)과,
공기 유입구(310) 및 공기 토출구(330)가 구비되고 상기 하우징(100)의 일측에 결합되어 공기를 압축하는 임펠러(400)를 지지하는 임펠러 수용부(200) 및 임펠러 하우징(300)과,
상기 하우징(100)의 내주면에 결합되는 스테이터(630)와, 상기 스테이터(630)의 내측에서 회전하는 로터(610)와, 상기 하우징(100)의 길이 방향을 따라 상기 스테이터(630) 및 로터(610)의 중앙을 관통하여 회전 가능하게 설치되어 상기 임펠러(400)를 회전 구동시키며, 길이 방향을 따라 중공이 형성된 회전축(650)이 구비된 블로어 모터(600)와,
상기 회전축(650)에 결합되어 상기 회전축(650)의 양단을 회전 가능하게 지지하는 저널 베어링(730)과,
상기 회전축(650)의 일단을 회전 가능하게 지지하는 트러스트 베어링(700)과,
상기 하우징(100)의 외측에 구비되며 상기 공기 토출구(330)에 연결되어 압축 공기의 일부를 순환시키는 순환 유로(P2)와,
상기 냉각수 자켓(110)에 인접한 상기 하우징(100)의 내부에 구비되어 상기 순환 유로(P2)를 통해 이동하는 공기를 냉각시키는 우회 유로(P3)를 포함하는 차량용 공기 압축기.
제1항에 있어서,
상기 순환 유로(P2)는 일단이 상기 공기 토출구(330)의 볼루트에 연결되고 타단이 상기 우회 유로(P3)에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제2항에 있어서,
상기 우회 유로(P3)는 상기 하우징(100)의 길이 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제3항에 있어서,
상기 임펠러(400)와 상기 임펠러 수용부(200)의 사이에서부터 상기 회전축(650) 일단의 상기 저널 베어링(700)과 상기 회전축(650) 타단의 상기 저널 베어링(700)을 거쳐 상기 회전축(650)의 타단을 지지하는 후방 베어링(800)을 지나 상기 회전축(650)의 중공으로 연통되는 냉각 유로(P1)를 더 포함하는 차량용 공기 압축기.
제4항에 있어서,
상기 임펠러(400)와 상기 트러스트 베어링(700)의 사이에 삽입되는 베어링 케이싱(750)을 더 포함하며, 상기 우회 유로(P3)는 상기 임펠러(400)와 상기 베어링 케이싱(750)의 사이에서 상기 냉각 유로(P1)와 연통되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제5항에 있어서,
상기 베어링 케이싱(750)은 판면에 관통 형성된 연통홀(752)을 더 포함하는 차량용 공기 압축기.
제6항에 있어서,
상기 연통홀(752)은 상기 블로어 모터(600)를 지지하는 모터 하우징(600a)의 내부로 연통되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제7항에 있어서,
상기 우회 유로(P3)를 통과한 냉각 공기는 상기 냉각 유로(P1)로 유입되고, 상기 냉각 공기 중 일부는 상기 연통홀(752)을 통해 상기 모터 하우징(600a)의 내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.