KR20170102213A

KR20170102213A - 유체컴프레서

Info

Publication number: KR20170102213A
Application number: KR1020177014125A
Authority: KR
Inventors: 케빈 뭄파워; 제프리 해밀톤; 캘리 챈들러; 존 주니어 톨버트
Original assignee: 브리스톨 컴프레서즈 인터내셔날, 엘엘씨
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2017-09-08
Also published as: US20160146207A1; WO2016065257A1

Abstract

본 발명에 따른 장치는 로터와 스테이터를 포함하는 전기모터 및 압축챔버와 압축 메커니즘을 포함하는 압축장치를 포함한다. 상기 압축챔버는 전기모터의 로터나 스테이터 중 어느 한 곳 내에 위치된다.

Description

유체컴프레서{FLUID COMPRESSOR}

본 출원은 미국 특허법 119(e) 에 따라 2014년10월24일 자로 제출된 미국 특허 출원 62/068,375 호를 우선권으로 주장하는, 2015년10월23일 자로 제출된 미국 특허 출원 14/921,302 호를 우선권으로 주장한다. 이 출원들 각각은 여기에서 참조적으로 전체가 통합된다.

본 발명은 전체적으로 유체컴프레서에 관한 것이다. 특히, 컴프레서를 구동하는 모터 내부의 압축챔버(compression chamber)에서 유체가 압축되는 유체컴프레서에 관한 것이다.

현존하는 유체컴프레서들은 유체를 압축하기 위한 압축챔버, 상기 압축챔버 내에서 유체를 압축하는 장치를 구동하기 위한 분리된 전기 모터를 포함하는 것이 일반적이다. 이와 같이 분리된 두 개의 메커니즘을 포함하는 것은 전체 구조의 부피가 커지고 비용이 상승하는 것의 원인이 된다.

따라서, 본 출원의 발명자들은 압축장치를 구동하는 전기 모터 내에 압축장치가 포함될 수 있는 방법을 연구하게 되었다.

본 발명의 실시예는 대략적으로, 로터(rotor) 및 스테이터(stator)를 포함하는 전기 모터;와 압축챔버 및 압축메커니즘을 포함하는 압축장치;를 포함하는 컴프레서로 구성된다. 상기 압축챔버는 전기 모터의 로터 또는 스테이터 중 어느 한 곳 내에 위치된다.

이 분야의 당업자를 위한 최적의 실시예를 포함하여 본 발명에서 공개되는 내용은 발명의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시예가 도시된 사시도,
도 2 는 도 1 에 도시된 실시예에서 측면이 절단된 모습이 도시된 도면,
도 3 은 도 1 에 도시된 실시예에서 각 부품들이 분해된 모습이 도시된 사시도,
도 4 는 압축 사이클의 시작 시 압축 챔버의 평면도,
도 5 내지 7 은 압축 사이클의 연속적인 순간들에서 압축 챔버의 평면도들,
도 8 은 압축 사이클의 마지막에서 압축 챔버의 평면도,
도 9 는 냉각 유체 팬(cooling fluid fan)과 냉각 유체 주입홀(cooling fluid inlet hole)이 나타나는 로터의 사시도,
도 10 은 액시얼 컴프레서(axial compressor)로써 구체화된 본 발명의 실시예가 도시된 도면,
도 11 은 스크롤 컴프레서(scroll compressor)로써 구체화된 본 발명의 실시예가 도시된 도면,
도 12 에 각각 도시된 도 12a 내지 12g 는 본 발명에 따른 씰(seal)의 첫번째 실시예가 도시된 도면들,
도 13 에 각각 도시된 도 13a 내지 13f 는 도 12a 내지 12g 에 도시된 실시예에서 씰링(seal ring)의 움직임이 나타난 도면들,
도 14 는 본 발명의 실시예에 따른 베어링들(bearings)의 모습이 나타난 도면,
도 15 와 상기 도 15 에 도시된 도 15a 는 본 발명에 따른 씰의 두번째 실시예가 도시된 도면,
도 16 과 상기 도 16 에 도시된 도 16a 는 본 발명에 따른 베어링의 실시예가 도시된 도면,
도 17 에 각각 도시된 도 17a 내지 도 17e 는 본 발명에 따른 씰의 두번째 실시예가 도시된 도면,
도 18 에 각각 도시된 도 18a 내지 도 18g 는 본 발명에 따른 씰의 세번째 실시예가 도시된 도면,
도 19 는 스테이터 내부에 압축챔버를 갖는 본 발명의 실시예의 평면도.

본 발명의 하나 이상의 실시예들은 도면들에 의해 나타나거나 설명될 것이며 이를 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다. 각 실시예들은 본 발명을 설명하는 방법으로써 제공된 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 실제로, 본 발명의 권리 범위 또는 사상에서 벗어나지 않고 본 발명에서 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있다는 것은 이 분야의 당업자에게 있어서 자명할 것이다. 예를 들어, 어느 한 실시예의 일부분으로써 설명된 특징들은 추가적인 실시예를 산출해 내기 위한 다른 실시예로써 사용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 공개된 권리 범위 및 균등물들에 대한 수정예들 및 변형예들 모두를 커버하는 것으로 의도되어야 할 것이다.

도 1 내지 9 는 로터리 컴프레서(rotary compressor)의 첫번째 실시예를 도시하였다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 터빈 컴프레서들(turbine compressors), 스크롤 컴프레서들(scroll compressors), 액시얼 컴프레서들(axial compressors) 및 스크류 컴프레서들(screw compressors) 등과 같이 다양한 다른 종류의 컴프레스들에서 적용될 수도 있다. 예를 들어, 도 10 과 11 각각에는 액시얼 컴프레서와 스크롤 컴프레서에 본 발명이 적용된 모습이 나타난다. 이러한 도면들에는 각각의 컴프레서들의 전기 모터들(250) 내에 위치한 압축 메커니즘들(200)이 나타난다. 이러한 도면들 각각에는 본 발명의 실시예에 따른 압축 메커니즘을 구동하는 전기 모터의 로터 또는 스테이터 중 하나의 내부에 압축 메커니즘이 포함된 컴프레서가 나타난다.

도 1 내지 9 에 나타나는 실시예에서, 로터리 컴프레서(100)는 로워하우징(12), 메인하우징(14), 어퍼하우징(16)으로 구성된 하우징(10)을 포함한다. 상기 로워하우징(12)는 유체인테이크(유체 흡입구)(13)를 포함하고, 상기 어퍼하우징(16)은 유체엑시트(유체 배출구)(17)를 포함한다. 도 1 내지 9 에 도시된 실시예는 볼트를 통해 서로 연결되나 이 분야에 알려진 다른 가능한 수단으로도 연결 가능한 세 개의 하우징부들(three housing portions)를 포함한다. 수정예들 또한 본 발명의 권리범위 내에 있다.

도 1 내지 9 에서, 상기 하우징은 스테이터(32)와 로터(34)를 포함하는 모터(30) 용으로 샤프트(20)가 수용된다. 상기 샤프트(20)는 압축되도록 인테이크(13)로부터 가스를 받는 로워공동부(lower hollow portion)(22)를 포함한다. 또한, 상기 샤프트는 밸브(40)를 통해 유체엑시트(17)로 연결될 수 있게 압축된 유체를 받는 어퍼공동부(upper hollow portion)(22)을 포함한다. 추가적으로, 상기 샤프트는 리프스프링(leaf spring)(27)과 베인(vane)(28)이 수용되는 슬롯(26)을 포함한다.

전기모터(30)는 단속도, 다중속도, 또는 속도 변화가 가능한 모터가 될 수 있다. 추가적으로 전기모터(30)는 유도전동기(induction motor), 영구자석모터, 브러실리스 DC모터(brushless DC motor) 및 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor)를 포함하되 이 것들에 제한되지 않고 여러 다양한 종류의 전기 모터가 될 수 있다.

상기 전기모터(30)로 전류가 인가되어 로터(34)가 회전할 때, 리프스프링(27)의 바이어싱(biasing) 때문에 베인(28)은 앞뒤로 움직일 것이다. 상기 베인(28)의 외부테두리는 로터(34) 내에 있는 압축챔버(36)의 내부표면에 접촉한 상태를 유지할 것이다. 압축챔버(36)는 샤프트 방향을 따라 바라봤을 때 거의 원형의 단면을 갖지만, 압축챔버(36)의 중앙은 샤프트(20)의 중심에서 옵셋된다(상쇄된다). 따라서, 압축챔버(36)는 도 4 내지 8 에 도시된 바와 같이 각각의 압축 사이클 동안에 샤프트(20)의 중심 주변에서 중심을 달리해서(eccentrically) 회전한다.

도 1 내지 9 에서는 베인(28)의 바이어싱(편향)이 리프스프링(27)과 함께 이뤄졌지만, 이러한 바이어싱은 코일스프링 또는 컴프레서 내에 있는 가스 또는 유체에 의한 가스나 유체 압력에 의해서도 이뤄질 수 있다. 아울러, 이러한 수정들은 본 발명의 권리 범위 내에 있다.

도 4 에 도시된 바와 같이 사이클이 시작될 때, 베인(28)은 어퍼공동부(24)에서 로워공동부(22)를 나눠서 유체는 압축챔버(36)로 먼저 들어오지만 유체엑시트(17)로 직접 흐를 수는 없다. 상기 로터(34)가 회전함에 따라, 베인은 도 5 내지 7 에 도시된 바와 같이 유체를 압축하여 유체가 수축될 수 있을 용적(volume)을 발생시킨다. 상기 로터(34)가 계속적으로 회전하고 유체를 압축시킴에 따라, 도 8 에 도시된 바와 같이 어퍼공동부(24)에 유체가 도달할 수 있게 된다. 그 다음에 압축된 유체는 밸브(40)를 통과함으로써 압축챔버(36)의 바깥으로 배출될 수 있다.

압축챔버(36)의 외부벽면은 유체의 누출을 방지하도록 금속 등으로 제조된 (도 14 의) 솔리드슬리브(solid sleeve)(36A)이다. 이는 단지 라미네이트 구조물들(laminate structures)을 포함할 것인 일반적인 전기 모터 로터들과 대비된다. 특히, 상기 솔리드슬리브(36A)는 스틸로 제조될 것이다.

도 1 내지 9 에 도시된 실시예에서, 10in³ 의 용량(displacement)을 가질 것이다. 다른 실시예들에서, 상기 컴프레서는 0.5 내지 200in³ 범위의 용량을 가질 수 있다. 스크롤 컴프레서들을 사용하는 본 발명의 실시예들에서, 더 큰 용량들이 더 효율적이다. 결론적으로, 매우 큰 용량일 때, 본 발명은 스크류 컴프레서를 사용함으로써 구체화될 것이다. 도 1 내지 9 의 컴프레서는 R-400 씨리즈 또는 R-500 씨리즈 냉매와 같은 냉각 유체를 압축할 것이다. 다른 유체들 또한 압축할 수 있으며 이러한 변형예들 모두는 본 발명의 권리범위 내에 있을 것이다. 추가적으로, 컴프레서 구성품들의 각 부는 로터와 스테이터의 크기와 관련하여 더 큰 용량이 허용되도록 로터 및/또는 스테이터의 길이를 초과하여 확장될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 도 10 에는 전기모터(250)의 양끝단 모두를 초과하여 길이방향을 따라 압축 메커니즘(200)이 확장된 액시얼 컴프레서가 도시되었다.

본 발명의 실시예에서, 또한 로터는 내부 부품을 냉각시키기 위해 냉각 유체가 로터(34)를 통과하도록 구동시키기 위한 냉각 유체 팬(cooling fluid fan)(50)을 포함한다. 도 9 는 베인들(52)을 포함하는 냉각 유체 팬(50)을 나타낸 것이며, 그것들 중 하나는 거기의 베이스(base)에서 홀(54)을 갖는다. 각각의 베인은 로터(34)의 상단에 대하여 예각(acute angle)을 이루며, 그것의 베이스에서 홀(54)을 갖는 베인은 로터(34)의 외부에서 상기 홀(54)로 냉각 유체가 멈추고 이동될 수 있다. 상기 로터(34)는 냉각 유체가 내부 로터 부품들을 통과하여 냉각시키는 것이 허용되도록 상기 홀(54)과 연결된 통로들을 그 것의 내부에 가질 수 있다. 그 다음에 냉각 유체는 로터(34)의 하부표면에 있는 (도 14 에 표시된) 홀(56)을 통해서 로터에서 배출된다. 상기 냉각 유체는 오일, 냉매, 윤활 유체(lubrication fluid), 또는 이러한 유체들의 조합물 등이 될수도 있다.

도 9 는 여섯 개의 베인들(52) 중 하나의 베이스에서 하나의 홀(54)을 갖는 로터(34)가 도시되었다. 그러나, 다른 실시예들에서, 여러 개의 베인들(52)은, 여섯 개의 베인들 각각이 그것들의 베이스에서 홀을 각각 갖는 것과 같이, 그것들의 베이스에서 홀들을 가질 수 있다. 추가적으로, 로터(34)의 상단과 각각의 오일 베인 사이의 각도는 0 도 내지 90 도 사이로 형성될 것이다. 이러한 수정예들 모두는 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다.

도 12a 내지 도 12g 는 도 1 에 도시된 씰(80)의 첫번째 실시예가 도시되었다. 상기 씰(80)은 어퍼레이스(upper race)(82), 로워레이스(84), 씰링(86) 및 오링(88, 89)을 포함한다. 어퍼레이스(82)는 외부둘레 주변의 환상의(annular) 홈(82A) 및 내부둘레 주변의 환상의 홈(82B)을 포함한다. 로워레이스(84)는 외부둘레 주변의 환상의 홈(84A) 및 외부둘레 주변의 환상의 홈(84B)을 포함한다. 오링(88)은 어퍼레이스(82)가 로터와 함께 회전하게 상기 어퍼레이스(82)를 샤프트에 마찰되게 밀폐시키도록 홈(82B)에 위치된다. 오링(89)은 상기 로워레이스(84)와 (도 14 에 표시된) 어퍼베어링컵(92) 사이의 공간을 밀폐시키게 홈(84B)에 위치된다. 모터가 꺼졌을 때, 씰링(86)은 처음에 어퍼레이스의 홈(82A) 내에 위치한다. 그러나, 모터가 회전함에 따라, 씰링(86)의 스플릿(split)(86A)는 모터가 회전하는 동안 씰링(86)의 직경이 확장되는 것을 허용하고, 그리고 이는 도 13A 내지 13F 에 도시된 것과 같이 로워레이스(84)의 홈(84A)에 씰링이 최소한 부분적이더라도 진입하는 것을 야기한다. 이는 어퍼레이스와 로워레이스 사이의 공간으로 오염물질들의 침투를 상기 씰링이 방지하는 것을 허용한다.

도 14 에는 베어링들(90A, 90B)의 확대된 모습이 나타난다. 도 1 내지 9 및 12 내지 14 에 도시된 실시예에서, 베어링들(90A, 90B)은 동(bronze), 윤활유가 도포된, 슬리브드라운부싱들(sleeve drawn bushings)이다. 그러나, 마그네틱, 오일리스(oil-less), 및 씰드 롤러(sealed roller) 베어링들과 같은 다른 베어링들도 가능하다. 이러한 모든 수정예들은 본 발명의 권리 범위 내에 있다.

어퍼베어링(90A)은 로터(34)의 상단을 지지하고, 로워베어링(90B)은 로터(34)의 하단을 지지한다. 상기 베어링들(90A, 90B)은 일반적인 베어링들 보다 서로 간에 더 가깝게 위치된다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 베어링들(90A, 90B) 각각은 로터(34)의 각 끝단에 있는 오프닝(opening) 내에서 샤프트(20)가 위치하는 상기 로터(34)의 중앙 통로로 확장된다. 이는 보다 안정적인 작동 및 베어링에 가해지는 하중(load)의 감소를 허용한다. 추가적으로, 그것들은 일반적인 베어링들 보다 더 큰 직경과 더 긴 길이를 가지며, 이는 일반적인 베어링들 보다 더 큰 지지력을 제공한다. 도 14 에 도시된 바와 같이. 어퍼베어링(90A)은 로워베어링컵(94)에 인접하고 이 것은 또한 스틸재로 제조된다. 로워베어링(90B)는 로워베어링컵(94)에 인접하고 이 것 또한 스틸재로 제조된다. 도 14 에 도시된 실시예에서, 로터(34)는 대략 베어링들(90A, 90B)과 높이가 거의 비슷한 알루미늄 로터 엔드 링들(aluminum rotor end rings)(34A)를 포함할 것인 반면에, 베어링들(90A, 90B) 사이 로터(34)의 부분은 스틸 라미네이션들(steel laminations)(34B)이 될 것이다. 알려진 바와 같이, 상기 로터(34) 또한 압축챔버(36)의 외부 경계(outer boundary)를 제공하는 스틸 슬리브(36A)를 포함한다.

도 15 와 15a 는 본 발명에 따른 씰의 두번째 실시예를 나타낸다. 상기 씰(180)은 도 17a 에 도시된 아우터레이스(184)와 이너레이스(182)를 포함한다. 상기 이너레이스(182)는 아우터레이스(184)의 표면(184A)와 접촉하는 표면(182A)를 포함한다. 이는 오일이 컴프레서의 외부로 누출되는 것을 방지하는 밀폐기능을 제공한다. 표면들(182A, 184A)의 각도는 가령, 수직방향으로 20° 정도 될 수 있을 것이다. 그러나, 다른 구성들 또한 청구된 본 발명의 권리범위 내에 포함될 것이다. 도 15 와 15a 에 도시된 실시예에서, 오링들이 이너레이스의 내부표면과 아우터레이스의 외부표면에 있는 홈들 내에 위치된다.

도 16 과 16a 는 본 발명의 밀폐된 베어링(sealed bearing)의 실시예를 나타낸다. 베어링(280)은 이너레이스(286)과 아우터레이스(284) 사이에 위치하는 금속구들(metal spheres)(282)를 포함한다.

도 18a 내지 18g 에는 본 발명에 따른 씰의 세번째 실시예가 도시되었다. 씰(380)은 이너레이스(382), 아우터레이스(384) 및 씰링(388)을 포함한다. 아우터레이스(384)는 씰링(388)에 접촉하는 표면(384A)을 포함하고, 이너레이스(382)는 마찬가지로 씰링(388)에 접촉하는 표면(382A)를 포함한다. 따라서, 씰링(388)은 이너레이스와 아우터레이스 사이의 공간을 통해 오일이 누출되는 것을 방지할 수 있다. 어느 한 실시예에서, 표면들(382A, 384A)는 수직방향에 대하여 45°각도로 형성된다. 그러나, 다른 구성들 또한 청구된 본 발명의 권리범위 내에 포함된다.

도 19 는 본 발명의 실시예를 도시한 것으로써, 여기에는 도 1 내지 9 에 도시된 바와 같은 로터를 대신하여 스테이터 내부에 압축챔버가 위치한 모습이 도시되었다. 컴프레서(500)는 로터(534) 내부에 위치한 스테이터(532) 내부에 압축챔버(536)을 포함한다. 베인(528)은 압축챔버(536)의 측부분(side)을 압축 및 팽창시키도록 샤프트(520)의 내외부로 움직인다. 따라서, 스테이터 내부에 압축챔버를 갖는 컴프레서는 도 1 내지 9 에 도시된 컴프레서와 유사한 방식으로 동작할 수 있다.

본 명세서에서 공개되도록 설명된 본 발명의 사용예들은 최적의 실시예를 포함하고, 특정 장치 또는 시스템을 사용하는 것과 제작하는 것 그리고 특정하게 통합되거나 또는 연계된 방법들로 수행하는 것을 포함하여 이 분야의 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 설명되었다. 본 발명은 여기에 기재된 특정 실시예들에 대해서만 상세하게 설명되었지만, 이러한 실시예들의 균등물, 변형예, 수정예 등이 제공될 수 있다는 것은 이 분야의 당업자라면 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 설명된 예들에 의해 제한되는 것이 아니며, 여기에서 공개되지 않았더라도 어떠한 수정예, 변형예 및/또는 추가구성이 있을 수 있음은 당업자라면 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

Claims

로터와 스테이터를 포함하는 전기모터; 및
압축챔버와 압축 메커니즘을 포함하는 압축장치;를 포함하고,
상기 압축챔버는 전기모터의 로터 또는 스테이터 중 어느 한 곳에 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 압축챔버는 전기모터의 로터 내부에 위치한 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 압축챔버는 전기모터의 스테이터 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 이너레이스와 아우터레이스를 포함하는 씰을 더 포함하는 장치.
제 4 항에 있어서, 이너레이스와 아우터레이스 사이에 놓이고 전기모터가 작동할 때 위치가 변화되도록 구성된 씰링을 더 포함하는 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 씰링은 전기모터가 꺼졌을 때 이너레이스에 있는 위치에서부터 상기 전기모터가 켜졌을 때 아우터레이스에 있는 위치로 부분적으로라도 움직이는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4 항에 있어서, 이너레이스와 아우터레이스 사이에 위치하는 다수 개의 금속구들(metal spheres)를 더 포함하는 장치.
제 4 항에 있어서, 이너레이스의 표면과 아우터레이스의 표면에 접촉하게 씰링이 위치된 것을 특징으로 하는 장치.
로터, 스테이터, 샤프트를 포함하고, 상기 로터는 중앙 통로를 포함하며, 상기 로터의 중앙 통로에 샤프트가 부분적으로라도 위치하는 전기모터;
상기 로터의 상단을 지지하며, 로터의 중앙 통로의 상측 부분으로 확장된 어퍼베어링;
상기 로터의 하단을 지지하면, 로터의 중앙 통로의 하측 부분으로 확장된 로워베어링;을 포함하는 장치.
로터와 스테이터를 포함하는 전기모터; 및
어퍼레이스, 로워레이스 및 씰링을 포함하는 씰;을 포함하고,
상기 씰링은 어퍼레이스의 외부 둘레에 있는 환상의(annular) 홈에 위치되고, 상기 어퍼레이스의 외부 둘레에 있는 환상의 홈은 로워레이스의 내부 둘레에 있는 환상의 홈과 인접하여, 상기 로터와 함께 어퍼레이스가 회전할 때, 어퍼레이스와 로워레이스 사이의 공간을 밀폐시키도록 로워레이스의 내부 둘레에 있는 환상의 홈으로 상기 씰링이 최소한 부분적으로라도 이동하는 것을 특징으로 하는 장치.