KR20170088588A

KR20170088588A - 차량용 공기 블로어

Info

Publication number: KR20170088588A
Application number: KR1020160008657A
Authority: KR
Inventors: 박치용; 박건웅; 양현섭; 안용남
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-08-02
Also published as: KR102465361B1

Abstract

본 발명은 차량용 공기 압축기에 관한 것으로, 내부에 로터(610)와 스테이터(630), 상기 로터(610) 및 스테이터(630)의 중앙을 관통해 회전 가능하게 설치되는 모터 샤프트(650)가 구비된 블로어 모터(600)를 수용하며, 원통형의 내주면과 외주면 사이에 냉각수를 수용하는 하우징(100)과, 상기 하우징(100)의 일측에 결합되어 외부 공기를 흡입하는 임펠러(400)를 지지하는 임펠러 지지부(200)와, 상기 하우징(100)의 타측에 결합되어 베어링(700, 800)을 지지하는 하우징 커버(850)를 포함하며, 상기 하우징(100)에는 외주면으로부터 내주면을 향해 함몰 형성된 복수의 냉각홈(110)이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 냉각유로를 최대한 베어링에 근접하게 접촉시킴과 동시에 냉각수를 좌우 방향으로 순환시킴으로써 냉각 면적 증가에 따른 전후방 베어링 및 모터의 냉각 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

차량용 공기 블로어{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.

이러한 문제를 해결하기 위해 모터의 케이스에 수냉식 냉각 유로를 형성해 베어링 및 모터를 냉각하고 있다. 그러나 이러한 냉각 구조는 냉각수가 들어있는 냉각 유로와 후방 베어링의 간격이 멀고 접촉 면적이 작아 후방 베어링 쪽의 냉각이 부족한 문제가 있다. 또한, 냉각 유로를 모터 하우징에 구성할 때 용접에 의해 조립하게 되므로 용접에 의한 비용 상승 및 용접 불량이 발생하는 문제가 있어 해결이 필요하다.

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 공기 압축기는, 내부에 로터(610)와 스테이터(630), 상기 로터(610) 및 스테이터(630)의 중앙을 관통해 회전 가능하게 설치되는 모터 샤프트(650)가 구비된 블로어 모터(600)를 수용하며, 원통형의 내주면과 외주면 사이에 냉각수를 수용하는 하우징(100)과, 상기 하우징(100)의 일측에 결합되어 외부 공기를 흡입하는 임펠러(400)를 지지하는 임펠러 지지부(200)와, 상기 하우징(100)의 타측에 결합되어 베어링(700, 800)을 지지하는 하우징 커버(850)를 포함하며, 상기 하우징(100)에는 외주면으로부터 내주면을 향해 함몰 형성된 복수의 냉각홈(110)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각수는 상기 냉각홈(110) 주변으로 순환되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각홈(110)은 상기 모터 샤프트(650)의 길이 방향에 대응하는 상기 하우징(100) 외주면의 길이 방향을 따라 복수 개가 상호 이격되어 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각홈(110)을 따라 지그재그 형상으로 구비되어 상기 냉각수를 수용하는 냉각 유로(130)를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각 유로(130)는 상기 냉각수가 유입되는 유입부(136)와, 상기 냉각수가 배출되는 배출부(138)를 포함할 수 있다.

상기 냉각 유로(130)는 상기 냉각홈(110)의 길이 방향 양측을 따라 상기 냉각수를 이송하는 복수 개의 직선형의 유로(132)와, 상기 냉각홈(110)의 길이 방향 양측 단부에서 상기 직선형의 유로(132)와 연결되는 복수 개의 연결 유로(134)를 더 포함할 수 있다.

상기 직선형의 유로(132)와 연결되는 연결 유로(134)는 곡선 형태 또는 직선 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 냉각수는 상기 유입부(136)로 유입되어 상기 직선형의 유로(132)와 상기 직선형의 유로(132)에 연결되는 상기 연결 유로(134)를 순차적으로 거쳐 순환되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각홈(110)은 상기 하우징(100)의 원주 방향을 따라 외주면 상에 복수 개가 함몰 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기는 냉각유로를 최대한 베어링에 근접하게 접촉시킴과 동시에 냉각수를 좌우 방향으로 순환시킴으로써 냉각 면적 증가에 따른 전후방 베어링 및 모터의 냉각 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 냉각 유로의 구성 시 용접부를 삭제하고 오링 또는 가스켓을 이용해 수밀함으로써 조립성 및 생산성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기를 도시한 단면도,
도 2는 도 1에 따른 하우징을 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 하우징 내부에 구비된 냉각 유로를 형상화한 모식도,
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기의 냉각 유로를 형상화한 모식도,
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기의 냉각 유로를 형상화한 모식도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기에 대해 상세히 설명하기로 한다(편의상 임펠러 쪽을 전방, 리어 커버 쪽을 후방이라고 정의하기로 함.).

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 하우징을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 하우징 내부에 구비된 냉각 유로를 형상화한 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기(10)는 외관을 형성하는 하우징(100)과, 하우징(100)의 전방에 결합되어 공기를 흡입하는 임펠러(400)를 지지하는 임펠러 지지부(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 모터 샤프트(650)가 결합된다. 즉, 임펠러(400)는 모터 샤프트(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 모터 샤프트(650)가 외부로 노출되지 않도록 차단하며, 모터 샤프트(650)의 단부를 지지한다. 리어 커버(500)의 내측으로 하우징 커버(850)가 구비되어 후술할 후방측 베어링 케이싱(700a')을 지지한다.

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

모터 샤프트(650)는 일단이 임펠러(400)의 중공에 결합된 상태에서 임펠러(400)의 후방에 설치되는 저널 베어링(700)에 의해 회전 가능하게 지지되고, 타단이 트러스트 베어링(thrust bearing, 800)에 의해 회전 가능하게 지지된다(이하에서는 편의상 모터 샤프트의 임펠러 쪽 일단을 전방으로, 그 반대쪽을 후방으로 정의하기로 함). 즉, 트러스트 베어링(800)이 모터 샤프트(650)의 후방에 배치된다.

외부로부터 전력을 공급받아 블로어 모터(600)가 작동되면, 모터 샤프트(650)가 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.

한편, 하우징(100)과 임펠러 지지부(200) 및 하우징 커버(850)와의 결합 부위에는 오링(150) 또는 가스켓이 삽입될 수 있다. 하우징(100)의 결합 부위에 오링(150) 또는 가스켓이 구비됨으로써 별도의 용접 구조 없이 후술할 냉각 유로(130)의 수밀이 가능하므로 용접 불량을 방지하고 조립성 및 생산성이 향상되는 효과가 있다. 블로어 모터(600)의 작동 중 발생되는 열을 냉각하기 위해 하우징(100)에는 냉각수가 수용되는 냉각 유로(130)가 구비된다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(100)은 내부에 냉각수가 수용되어야 하므로 소정의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 하우징(100)은 외주면과 내주면이 냉각수를 수용할 수 있을만큼 충분한 수용 공간을 형성하고 상호 이격되는 것이다. 따라서 냉각수는 하우징(100)의 원통형 외주면과 내주면 사이에 형성된 수용 공간에 수용된다. 또한, 하우징(100)에는 원통형의 외주면으로부터 내주면을 향해 함몰 형성된 냉각홈(110)이 구비된다.

냉각홈(110)은 모터 샤프트(650)의 길이 방향을 따라 하우징(100)의 외주면 상에 함몰 형성되며, 복수 개가 상호 이격되어 배치된다. 냉각홈(110)은 하우징(100)에 냉각수가 채워질 때 증가하는 무게를 감소시키기 위해 구비된다. 따라서 냉각홈(110)은 냉각수의 흐름 및 냉각 성능에 크게 방해되지 않으면서 하우징(100)의 무게를 줄일 수 있도록 적절한 크기 및 수량으로 구비되어야 한다. 본 발명에서는 냉각홈(110)이 하우징(100)의 원통형 외주면의 길이 방향(모터 샤프트의 길이 방향에 대응하는 방향을 외주면의 길이 방향으로 정의함)을 따라 형성되되 원통형 외주면의 길이보다 짧은 길이를 갖도록 구성한다. 또한, 냉각홈(110)이 하우징(100)의 한쪽에만 배치되지 않고 절절히 분산 배치됨으로써 냉기가 골고루 퍼질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 다만, 하우징(100)의 결합 구조에 따라 냉각홈(110)간의 간격은 서로 동일할 수도 있고, 일부 냉각홈(110) 간의 간격이 다른 냉각홈(110) 간의 간격보다 좁거나 넓을 수 있다.

하우징(100) 상에 냉각홈(110)이 복수 개 구비되므로 하우징(100)의 수용 공간에 수용되는 냉각수는 냉각홈(110)이 형성된 부분에는 수용되지 못하고, 냉각홈(110)을 기준으로 그 주변을 채우게 된다. 이렇게 냉각수가 수용된 부분을 형상화하면 도 3에 도시된 것과 같은 형상을 나타내게 된다. 이러한 형상이 바로 냉각수가 수용되는 냉각 유로(130)가 된다(도 3의 냉각 유로는 실제로 이러한 형상의 파이프나 튜브 등이 구비된 것은 아니며, 냉각수의 순환 경로를 가시화하여 표현한 것임).

도 3에 도시된 바와 같이, 냉각 유로(130)는 냉각수가 유입되는 유입부(136) 및 냉각수가 배출되는 배출부(138)를 구비한다. 냉각수는 유입부(136)를 통해 냉각 유로(130)로 유입되어 순환되며, 냉각 유로(130) 주변의 베어링(700, 800) 및 블로어 모터(600)를 냉각시키고 배출부(138)를 통해 냉각 유로(130) 외부로 배출된다. 유입부(136) 및 배출부(138)는 하우징(100)의 후방 일측에 구비되어 하우징(100) 외부와 연결될 수 있다.

유입부(136)를 통해 냉각 유로(130)로 유입된 냉각수는 냉각 유로(130)를 따라 순환되는데, 냉각 유로(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 냉각홈(110)의 주변을 따라 지그재그 형상으로 구성된다. 냉각홈(110)의 길이 방향 양측을 따라 구성되는 직선형의 유로(132)와, 냉각홈(110)의 길이 방향 양측 단부에서 직선형의 유로(132)와 연결되는 연결 유로(134)가 하나로 연통되어 하나의 냉각 유로(130)를 형성한다. 직선 유로(132)를 연결하는 연결 유로(134)는 주변 부품 배치에 따라 하우징(100)의 외주면을 향해 볼록한 곡선 형태로 구현될 수도 있고, 직선 형태로 구현될 수도 있다. 본 실시 예에서는 연결 유로(134)가 하우징(100)의 외주면을 향해 볼록한 형태를 예로 하여 설명한다.

이와 같이, 냉각수가 냉각 유로(130)를 따라 지그재그로 유동하면서 하우징(100)의 전체를 감싸는 형태로 순환되므로 냉각 면적이 증가하게 된다. 따라서 베어링(700, 800)은 물론, 블로어 모터(600)까지 골고루 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기의 냉각 유로에 대해 설명하기로 한다(전술한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하며, 상세한 설명을 생략하기로 함).

도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기의 냉각 유로를 형상화한 모식도이고, 도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 공기 압축기의 냉각 유로를 형상화한 모식도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 냉각 유로(130')의 직선형의 유로(132)를 연결하는 연결 유로(134')는 모두 모터 샤프트(650)를 향하는 방향으로 오목한 곡선형으로 구비될 수도 있다.

또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각 유로(130'')의 직선형의 유로(132)를 연결하는 연결 유로(134")는 일측은 하우징(100)의 외주면을 향해 볼록한 형태, 타측은 모터 샤프트(65)를 향하는 방향으로 오목한 형태로 구비될 수도 있다.

연결 유로의 이러한 형상은 주변 부품과의 배치에 따라 달라질 수 있으며, 전술한 연결 유로의 형상에 제한되지 않느다.

한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 냉각홈(110)이 하우징(100)의 외주면 길이 방향이 아닌 원주 방향을 따라 형성될 수도 있으며, 베어링(700, 800)에 인접한 부분에 구비될 수도 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: 냉각홈 130: 냉각 유로
136: 유입부 138: 배출부
200: 임펠러 지지부 300: 임펠러 하우징
310: 공기 유입구 330: 공기 토출구
400: 임펠러 500: 리어 커버
600: 블로어 모터 600a: 모터 하우징
650: 모터 샤프트 700: 저널 베어링
800: 트러스트 베어링 850: 하우징 커버

Claims

내부에 로터(610)와 스테이터(630), 상기 로터(610) 및 스테이터(630)의 중앙을 관통해 회전 가능하게 설치되는 모터 샤프트(650)가 구비된 블로어 모터(600)를 수용하며, 원통형의 내주면과 외주면 사이에 냉각수를 수용하는 하우징(100)과,
상기 하우징(100)의 일측에 결합되어 외부 공기를 흡입하는 임펠러(400)를 지지하는 임펠러 지지부(200)와,
상기 하우징(100)의 타측에 결합되어 베어링(700, 800)을 지지하는 하우징 커버(850)를 포함하며,
상기 하우징(100)에는 외주면으로부터 내주면을 향해 함몰 형성된 복수의 냉각홈(110)이 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제1항에 있어서,
상기 냉각수는 상기 냉각홈(110) 주변으로 순환되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제2항에 있어서,
상기 냉각홈(110)은 상기 모터 샤프트(650)의 길이 방향에 대응하는 상기 하우징(100) 외주면의 길이 방향을 따라 복수 개가 상호 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제3항에 있어서,
상기 냉각홈(110)을 따라 지그재그 형상으로 구비되어 상기 냉각수를 수용하는 냉각 유로(130)를 더 포함하는 차량용 공기 압축기.
제4항에 있어서,
상기 냉각 유로(130)는 상기 냉각수가 유입되는 유입부(136)와, 상기 냉각수가 배출되는 배출부(138)를 포함하는 차량용 공기 압축기.
제5항에 있어서,
상기 냉각 유로(130)는 상기 냉각홈(110)의 길이 방향 양측을 따라 상기 냉각수를 이송하는 복수 개의 직선형의 유로(132)와, 상기 냉각홈(110)의 길이 방향 양측 단부에서 상기 직선형의 유로(132)와 연결되는 복수 개의 연결 유로(134)를 더 포함하는 차량용 공기 압축기.
제6항에 있어서,
상기 직선형의 유로(132)와 연결되는 상기 연결 유로(134)는 곡선 형태 또는 직선 형태인 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제6항에 있어서,
상기 냉각수는 상기 유입부(136)로 유입되어 상기 직선형의 유로(132)와 상기 직선형의 유로(132)에 연결되는 상기 연결 유로(134)를 순차적으로 거쳐 순환되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
제2항에 있어서,
상기 냉각홈(110)은 상기 하우징(100)의 원주 방향을 따라 외주면 상에 복수 개가 함몰 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.