KR20170128823A - Shaft Extension Cooling type Air Compressor and Fuel Stack Vehicle thereof - Google Patents

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KR20170128823A
KR20170128823A KR1020160059347A KR20160059347A KR20170128823A KR 20170128823 A KR20170128823 A KR 20170128823A KR 1020160059347 A KR1020160059347 A KR 1020160059347A KR 20160059347 A KR20160059347 A KR 20160059347A KR 20170128823 A KR20170128823 A KR 20170128823A
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Abstract

The present invention relates to a shaft extension cooling type air compressor and a fuel cell vehicle. According to the present invention, the shaft extension cooling type air compressor (10) includes a motor cooling path (70-1). In the motor cooling path (70-1), partial air among compressed air is converted to cooling air flowing into a motor housing (21) as the partial air among the compressed air in an impeller (51) coupled to a front end of a motor shaft (24) is collected in a front end of a motor on the impeller (51). The cooling air is collected from the front end of the motor to a rear end of the motor on the opposite side of the impeller (51) by using different pressure on the front side and the rear side of the impeller (51) hung on an air discharge hole (78) bored on the motor shaft (24) while the cooling air cools the inside of the motor housing (21). The cooling air is sucked into the air discharge hole (78) and changes the direction into reverse flow. The cooling air flows out from the motor shaft (24) in the reverse flow and is converted into the compressed air by the impeller (51). The shaft extension cooling type air compressor improves motor cooling effect as the air compressor (10) has a motor cooling structure extended to a whole motor length. Specifically, the shaft extension cooling type air compressor can improve cooling efficiency of an air foil bearing applied to the end of the motor shaft (24) in air flow connected to the end of the motor shaft (24).

Description

축 확장형 냉각방식 공기압축기 및 연료전지 차량{Shaft Extension Cooling type Air Compressor and Fuel Stack Vehicle thereof}[0001] The present invention relates to an air compressor and a fuel cell vehicle,

본 발명은 공기압축기에 관한 것으로, 특히 내부공기흐름이 모터 축 끝단을 이용해 순환됨으로써 모터냉각효과를 모터전장길이의 전체로 확장시켜준 축 확장형 냉각방식 공기압축기 및 연료전지 차량에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an air compressor, and more particularly, to a quasi-axial expansion cooling type air compressor and a fuel cell vehicle, in which an internal air flow is circulated by using a motor shaft end to extend a motor cooling effect to the whole of a motor electric length.

일반적으로 연료전지 차량에서는 연료전지스택(또는 연료전지)에 공급된 수소와 화학 반응하는 산소를 압축공기 형태로 공급하고, 이를 위해 공기압축기가 필수적으로 사용된다.Generally, in a fuel cell vehicle, oxygen which chemically reacts with hydrogen supplied to a fuel cell stack (or a fuel cell) is supplied in the form of compressed air, and an air compressor is essentially used for this purpose.

상기 공기압축기는 공기가 들어오는 입구와 공기가 배출되는 출구를 형성한 볼류트(volute)로 감싸인 임펠러(impeller)로 이루어진 압축유닛, 임펠러를 회전시키는 모터를 구비하고, 모터에서 발생되는 열이 효율적으로 냉각되는 냉각구조를 적용한다.The air compressor includes a compression unit including an impeller enclosing an inlet for air and an outlet for discharging air and a motor for rotating the impeller. Lt; RTI ID = 0.0 > cooling < / RTI >

그러므로 공기압축기는 냉각구조를 통한 모터 과열 방지로 내구성을 유지할 수 있다.Therefore, the air compressor can maintain its durability by preventing overheating of the motor through the cooling structure.

국내특허공개 10-2012-0135541(2012년12월17일)Korean Patent Publication 10-2012-0135541 (December 17, 2012)

하지만, 연료전지스택(또는 연료전지)용 공기압축기는 부하조건별 요구 산소량 공급과 장시간 동작에 따른 성능 유지 및 내부 고열로 인한 베어링 내구성 저하 방지 등을 필요로 함으로써 냉각구조의 성능을 높이기 위한 기술개발이 요구되고 있다.However, since the air compressor for the fuel cell stack (or fuel cell) requires the supply of the required oxygen amount according to the load condition and maintenance of the performance according to the long time operation and prevention of the durability of the bearing due to the internal high temperature, .

특히, 연료전지스택(또는 연료전지)용 공기압축기는 공기 압축유닛(볼류트(volute)와 임펠러(impeller))과 모터가 분리된 구조를 적용함으로써 모터의 과도한 온도 상승을 방지할 수 있는 냉각 구조의 적용이 더욱 요구될 수밖에 없다.Particularly, the air compressor for a fuel cell stack (or a fuel cell) has a cooling structure capable of preventing an excessive temperature rise of the motor by applying a structure in which an air compression unit (volute and impeller) It is inevitably required to be applied more.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 볼류트와 임펠러의 후단에서 모터 내부로 유입되는 공기흐름이 모터 축의 후방 끝단으로 흘러간 후 모터 축의 내부를 통해 모터 축의 전방 끝단에서 외부로 배출됨으로써 모터전장길이의 전체로 확장된 냉각구조의 작용으로 모터냉각효과를 더욱 높이고, 특히 모터 축의 후방 끝단에 이어진 공기흐름으로 모터 축의 후방 끝단 부위를 지지하는 공기베어링(air foil bearing)의 냉각효율도 향상되는 축 확장형 냉각방식 공기압축기 및 연료전지 차량을 제공하는데 목적이 있다.In accordance with the present invention, the air flow introduced into the motor from the rear end of the bolt and the impeller flows to the rear end of the motor shaft, and then is discharged from the front end of the motor shaft to the outside through the inside of the motor shaft, The cooling effect of the cooling structure extended to the whole length of the whole length is further enhanced and the cooling efficiency of the air foil bearing supporting the rear end portion of the motor shaft by the air flow leading to the rear end of the motor shaft is also improved An axial expansion type cooling type air compressor, and a fuel cell vehicle.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 축 확장형 냉각방식 공기압축기는 로터와 스테이터를 내장한 내부공간이 형성되고, 임펠러와 벌류트가 위치되어 임펠러 챔버를 형성한 하우징 전방엔드와 전원 공급용 커넥터가 위치된 하우징 후방엔드를 갖춘 모터 하우징; 상기 모터 하우징을 관통하여 상기 임펠러와 결합된 축 전방 엔드의 반대쪽을 축 후방 엔드로 형성하며, 상기 축 전방 엔드와 상기 축 후방 엔드를 이어주는 공기배출 홀이 뚫려진 모터 축; 상기 모터 하우징의 상기 하우징 후방엔드에 결합되어 상기 모터 축의 상기 축 후방 엔드를 지지하며, 상기 축 후방 엔드가 위치된 모터외부 챔버를 상기 커넥터와 형성한 공기 베어링; 상기 임펠로의 회전에 의한 전후면 압력차가 형성되며, 상기 임펠러 챔버에서 상기 모터 하우징의 내부공간을 거쳐 상기 모터외부 챔버로 모여지는 냉각공기를 상기 임펠러가 형성하는 압축 공기에서 뽑아내고, 상기 냉각공기를 상기 공기배출 홀로 빨아들여 상기 축 후방 엔드에서 상기 축 전방 엔드로 배출시켜주는 모터냉각경로; 가 포함된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an axial expansion type cooling air compressor according to the present invention includes an inner space including a rotor and a stator, a housing front end having an impeller chamber and an impeller, A motor housing having a housing rear end; A motor shaft through which an air discharge hole is formed to communicate with the shaft front end and the shaft rear end, the opposite side of the shaft front end passing through the motor housing and coupled with the impeller; An air bearing coupled to the housing rear end of the motor housing to support the shaft rear end of the motor shaft and to form a motor outer chamber in which the shaft rear end is located; Wherein a pressure difference between the front and rear sides of the impeller is formed and the cooling air collected in the motor outer chamber through the inner space of the motor housing in the impeller chamber is extracted from the compressed air formed by the impeller, A motor cooling path for sucking the air into the air discharge hole and discharging the air from the rear end to the shaft front end; Is included.

바람직한 실시예로서, 상기 모터냉각경로는 상기 임펠러 챔버와 상기 모터 하우징의 내부공간을 이어주는 공기 유입홀, 상기 모터 하우징의 내부공간과 상기 모터외부 챔버를 이어주는 모터후방 공기 홀을 포함한다.In a preferred embodiment, the motor cooling path includes an air inlet hole connecting the impeller chamber and the inner space of the motor housing, and a motor rear air hole connecting the inner space of the motor housing and the motor outer chamber.

바람직한 실시예로서, 상기 공기 유입홀은 상기 모터 하우징에 형성되고, 상기 모터후방 공기 홀은 상기 공기 베어링에 형성된다. 상기 모터외부 챔버에는 확장 홈이 더 형성되고, 상기 확장 홈은 상기 공기배출 홀과 일치되는 위치에서 상기 커넥터에 형성된다.In a preferred embodiment, the air inlet hole is formed in the motor housing, and the motor rear air hole is formed in the air bearing. The motor outer chamber is further formed with an expansion groove, and the expansion groove is formed in the connector at a position coinciding with the air discharge hole.

바람직한 실시예로서, 상기 모터냉각경로에는 상기 모터 하우징의 내부공간을 상기 스테이터의 앞뒤 공간으로 구분하는 모터전방 챔버와 모터후방 챔버가 더 포함되고, 상기 모터전방 챔버는 상기 공기 유입홀과 연통되며, 상기 모터후방 챔버는 상기 모터후방 공기 홀과 연통된다. 상기 모터전방 챔버와 상기 모터후방 챔버는 모터내부 공기 홀로 연통되고, 상기 모터내부 공기 홀은 상기 스테이터가 형성하는 스테이터 간극이다.In a preferred embodiment, the motor cooling path further includes a motor front chamber and a motor rear chamber that divide the internal space of the motor housing into a front space and a rear space of the stator, and the motor front chamber communicates with the air inlet hole, The motor rear chamber communicates with the motor rear air hole. The motor front chamber and the motor rear chamber are communicated with an air hole inside the motor, and the air hole inside the motor is a stator gap formed by the stator.

그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 차량은 모터 축의 전단에 결합된 임펠러의 압축 공기 중 일부 공기가 임펠러쪽 모터 전단부위에 모여져 모터 하우징의 내부로 유입되는 냉각공기로 전환되고, 냉각공기가 모터 축에 뚫린 공기배출 홀에 걸리는 임펠러의 전후면 압력차로 모터 전단부위에서 모터 하우징의 내부를 냉각하면서 임펠러반대쪽 모터 끝단부위에 모여진 후 공기배출 홀로 빨려 들어가 역방향 흐름으로 전환되며, 냉각공기가 역방향 흐름으로 모터 축에서 빠져 나와 임펠러에 의해 압축 공기로 전환되도록 하는 모터냉각경로를 갖춘 축 확장형 냉각방식 공기압축기가 포함된 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, in the fuel cell vehicle of the present invention, some of the compressed air of the impeller coupled to the front end of the motor shaft is collected at the motor front end portion of the impeller and is converted into the cooling air introduced into the motor housing, Cooling air is collected at the end of the motor opposite to the impeller while cooling the inside of the motor housing at the front end of the motor by the pressure difference between the front and rear sides of the impeller, which is caught in the air discharge hole of the motor shaft. An axial expansion type cooling air compressor having a motor cooling path for allowing the motor to exit from the motor shaft in reverse flow and to be converted to compressed air by the impeller.

이러한 본 발명의 축 확장형 냉각방식 공기압축기는 모터 축을 이용하여 모터전장길이의 전체로 냉각구조를 확장함으로써 다음과 같은 장점 및 효과를 구현한다.The axial expansion cooling type air compressor of the present invention realizes the following advantages and effects by expanding the cooling structure to the entire length of the motor using the motor shaft.

첫째, 냉각효율상승으로 부하조건별 요구 산소량 공급과 장시간 동작에 따른 성능 유지 및 내부 고열로 인한 베어링 내구성 저하 방지 등을 필요로 하는 연료전지스택(또는 연료전지)에 적합하고, 모터 과열에 의한 연료전지(또는 연료전지 스택)의 성능 저하를 가져오지 않는다. 둘째, 냉각구조에 의한 공기흐름이 모터 내부에서 열을 흡수한 후 모터 축의 후방 끝단에서 볼류트와 임펠러 쪽의 전방으로 이어짐으로써 모터내부의 온도 상승이 설정 범위이내로 유지될 수 있다. 셋째, 모터 축의 후방 끝단부위에서 모터 축을 지지하는 공기베어링(air foil bearing)이 공기냉각흐름을 통해 자연적으로 냉각됨으로써 과열로 인한 내구성 저하 현상이 해소된다. 넷째, 모터 내부에 공기흐름이 냉각효과에 더해 임펠러 전/후면 압력차도 줄여줌으로써 추력과다 현상도 줄어든 압력차만큼 크게 감소된다.First, it is suitable for a fuel cell stack (or fuel cell) which requires the supply of required oxygen amount for each load condition due to an increase in cooling efficiency, maintenance of performance according to long-time operation, prevention of bearing durability due to internal high temperature, The performance of the battery (or the fuel cell stack) is not deteriorated. Second, the air flow by the cooling structure absorbs heat from the inside of the motor, and then flows from the rear end of the motor shaft to the forward side of the volute and the impeller, so that the temperature rise inside the motor can be maintained within the set range. Third, the air foil bearing supporting the motor shaft at the rear end portion of the motor shaft is naturally cooled through the air cooling flow, thereby eliminating the durability deterioration due to overheating. Fourth, the air flow inside the motor reduces the impeller front / rear pressure difference in addition to the cooling effect, so that the thrust excessive phenomenon is greatly reduced by the reduced pressure difference.

도 1은 본 발명에 따른 축 확장형 냉각방식 공기압축기의 단면구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 축 확장형 냉각방식 공기압축기의 작동 상태이며, 도 3은 본 발명에 따른 축 확장형 냉각방식 공기압축기가 적용된 연료전지스택(또는 연료전지)의 예이고, 도 4는 본 발명에 따른 축 확장형 냉각방식 공기압축기가 적용된 연료전지 차량의 예이다.FIG. 1 is a sectional view of an axial expansion cooling type air compressor according to the present invention, FIG. 2 is an operational state of the axial expansion type cooling type air compressor according to the present invention, and FIG. 3 is an axial expansion type cooling type air compressor FIG. 4 shows an example of a fuel cell vehicle to which an axial expansion cooling type air compressor according to the present invention is applied.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which illustrate exemplary embodiments of the present invention. The present invention is not limited to these embodiments.

도 1을 참조하면, 축 확장형 냉각방식 공기압축기(10)는 정역회전되는 모터유닛(20), 모터유닛(20)의 앞쪽으로 조립되어 회전되는 압축유닛(50), 모터유닛(20)의 뒤쪽으로 조립되어 전원이 공급되는 커넥터(60), 모터유닛(20)의 내부에 공기흐름을 형성시켜주는 모터냉각경로(70-1)로 구성된다. 특히, 상기 모터유닛(20)은 압축유닛(50)과 커넥터(60)의 각각을 볼트나 스크류로 결합하며, 각 결합부위에는 기밀을 위한 팩킹(30)이 포함된다.1, the axially expanding cooling type air compressor 10 includes a motor unit 20 rotated in normal and reverse directions, a compression unit 50 assembled and rotated forward of the motor unit 20, And a motor cooling path 70-1 for forming an air flow inside the motor unit 20. The motor cooling path 70-1 includes a motor 60, In particular, the motor unit 20 is connected to the compression unit 50 and the connector 60 by bolts or screws, respectively, and each joint includes a packing 30 for airtightness.

구체적으로, 상기 모터유닛(20)은 앞쪽으로 압축유닛(50)이 결합되고 뒤쪽으로 커넥터(60)가 결합된 모터 하우징(21), 모터 하우징(21)의 내부로 수용된 마그네틱으로 이루어진 로터(22), 하우징(21)의 내벽으로 고정된 스테이터(23), 압축유닛(50)을 회전시키도록 로터(22)에 의해 회전되는 모터축(24), 압축유닛(50)쪽에서 모터축(24)을 지지하는 전단 베어링(40-1), 커넥터(60)쪽에서 모터축(24)을 지지하는 후단 베어링(40-2)으로 구성된다. 특히, 상기 모터축(24)은 중공축으로 이루어짐으로써 모터냉각경로(70-1)의 일부를 구성한다. 상기 전단 베어링(40-1)은 볼베어링을 적용하며, 상기 후단 베어링(40-2)은 공기 베어링을 적용한다.Specifically, the motor unit 20 includes a motor housing 21 to which a compression unit 50 is coupled forwardly and a connector 60 is coupled to the front, a rotor 22 that is magnetically housed inside the motor housing 21 A stator 23 fixed to the inner wall of the housing 21, a motor shaft 24 rotated by the rotor 22 to rotate the compression unit 50, a motor shaft 24 on the compression unit 50 side, And a rear end bearing 40-2 for supporting the motor shaft 24 at the connector 60 side. Particularly, the motor shaft 24 is formed as a hollow shaft, thereby constituting a part of the motor cooling path 70-1. The front end bearing 40-1 applies ball bearing and the rear end bearing 40-2 applies air bearing.

구체적으로, 상기 압축유닛(50)은 모터축(24)에 의한 회전으로 외부 공기를 압축공기로 형성하는 임펠러(51), 임펠러(51)를 감싼 볼류트(53-1,53-2), 압축공기를 외부로 배출하는 압축공기출구(55)를 포함한다. 특히, 상기 볼류트(53-1,53-2)는 외부 공기가 유입되는 입구를 갖추고 임펠러(51)를 감싸는 볼류트 프론트(53-1)와 볼류트 리어(53-2)로 구분되며, 모터 하우징(21)에 볼트나 스크류로 체결된다.Specifically, the compression unit 50 includes an impeller 51 that forms external air as compressed air by rotation of the motor shaft 24, volutes 53-1 and 53-2 that surround the impeller 51, And a compressed air outlet 55 for discharging the compressed air to the outside. Particularly, the bolts 53-1 and 53-2 are divided into a bolus front 53-1 and a bolus rear 53-2 having an inlet for introducing outside air and surrounding the impeller 51, And is fastened to the motor housing 21 with bolts or screws.

구체적으로, 상기 커넥터(60)는 스테이터(23)에 전원을 공급하여 모터 축(24)을 회전시키며, 모터 하우징(21)의 뒤쪽으로 조립된 상태에서 모터냉각경로(70-1)의 일부를 형성한다.Specifically, the connector 60 supplies power to the stator 23 to rotate the motor shaft 24, and a part of the motor cooling path 70-1 is assembled to the rear side of the motor housing 21 .

구체적으로, 상기 모터냉각경로(70-1)는 임펠러 챔버(70), 공기 유입홀(71), 모터전방 챔버(72), 모터내부 공기 홀(73), 모터후방 챔버(74), 모터후방 공기 홀(75), 모터외부 챔버(76), 확장 홈(77), 공기배출 홀(78)로 구성된다.Specifically, the motor cooling path 70-1 includes an impeller chamber 70, an air inflow hole 71, a motor front chamber 72, a motor inner air hole 73, a motor rear chamber 74, An air hole 75, a motor outer chamber 76, an expansion groove 77, and an air vent hole 78. [

일례로, 상기 임펠러 챔버(70)는 임펠러(51)의 뒤쪽부위와 모터 하우징(21)(또는 전단 베어링(40-1)의 앞쪽부위에 형성된 공간으로 이루어진다. 상기 공기 유입홀(71)은 볼류트 리어(53-2)와 모터 하우징(21)을 체결하는 볼트나 스크류 체결위치나 그 주변부로 뚫려진다. 상기 모터전후방 챔버(72,74)는 스테이터(23)가 수용된 모터 하우징(21)의 내부 공간으로 형성되고, 스테이터(23)의 앞쪽 공간(임펠로(51)쪽 위치)을 모터전방 챔버(72)로 구분하며 스테이터(23)의 뒤쪽 공간(후단베어링(40-2)쪽 위치)을 모터후방 챔버(74)로 구분한다. 상기 모터내부 공기 홀(73)은 로터(22)와 스테이터(23)의 간극을 이용해 형성되나, 도 1과 같이 스테이터(23)를 관통해 형성될 수도 있다. 상기 모터후방 공기 홀(75)은 후단 베어링(40-2)의 케이스부위를 관통해 형성된다. 상기 모터외부 챔버(76)는 후단 베어링(40-2)의 뒤쪽부위와 커넥터(60)의 앞쪽부위에 형성된 공간으로 이루어지고, 모터 축(24)의 끝단이 위치됨으로써 냉각공기에 의한 냉각 효과를 공기압축기의 전장길이의 전체로 확장시켜 준다. 상기 확장 홈(77)은 공기배출 홀(78)과 일치되는 위치에서 커넥터(60)의 케이스를 이용해 파여지고, 모터외부 챔버(76)의 공간을 확장하여 공기배출 홀(78)의 주변부위에 대한 공기 흐름의 정체를 줄여준다. 상기 공기배출 홀(78)은 모터 축(24)의 축길이 전체에 뚫려짐으로써 별도의 가공 없이 중공의 모터축(24)으로 형성된다. For example, the impeller chamber 70 includes a space formed in a rear portion of the impeller 51 and a front portion of the motor housing 21 (or the front end bearing 40-1) The front and rear chambers 72 and 74 of the motor are pierced by bolts or screws for fastening the luer rear 53-2 to the motor housing 21. The front and rear chambers 72 and 74 of the motor are housed in the motor housing 21 (A position on the side of the rear end bearing 40-2) of the stator 23 and a front space (position on the side of the impeller 51) of the stator 23 is divided into a motor front chamber 72, The motor internal air hole 73 is formed by using the gap between the rotor 22 and the stator 23 but may be formed through the stator 23 as shown in FIG. The motor rear air hole 75 is formed through the case portion of the rear end bearing 40-2. The motor outer chamber 76 Is formed by a space formed in the rear portion of the rear end bearing 40-2 and the front portion of the connector 60. By positioning the end of the motor shaft 24, The expansion groove 77 is extended by the case of the connector 60 at a position coinciding with the air discharge hole 78 to expand the space of the motor outer chamber 76 to form the air discharge hole The air discharge hole 78 is formed in the entire axial length of the motor shaft 24 and is formed as a hollow motor shaft 24 without any additional processing .

그러므로 상기 임펠러 챔버(70)와 상기 공기 유입홀(71)은 임펠러(51)쪽으로 형성된 전방냉각경로를 형성하고, 상기 모터전후방 챔버(72,74)와 상기 모터내부 공기 홀(73)은 모터 하우징(21)에 형성된 중앙냉각경로를 형성하며, 상기 모터후방 공기 홀(75)과 상기 모터외부 챔버(76) 및 상기 확장 홈(77)은 커넥터(60)쪽으로 형성된 후방냉각경로를 형성하고, 상기 공기배출 홀(78)은 모터 축(24)의 중공 홀을 이용한 축 냉각경로를 형성한다, 그 결과, 상기 전방냉각경로는 임펠러(51)에 의해 압축된 압축 공기중 일부 압축공기를 냉각공기로 모터 하우징(21)의 앞쪽에서 유입시켜주고, 상기 중앙냉각경로는 냉각공기를 모터 하우징(21)의 내부공간으로 확산시켜주며, 상기 후방냉각경로는 냉각공기를 모터 하우징(21)의 내부공간에서 커넥터(60)쪽으로 빼내주고, 상기 축 냉각경로는 냉각공기를 모터 하우징(21)의 뒤쪽에서 하우징(21)의 앞쪽으로 배출시켜 준다.Therefore, the impeller chamber 70 and the air inlet hole 71 form a forward cooling path formed toward the impeller 51, and the motor front and rear chambers 72 and 74 and the motor internal air hole 73 are connected to the motor housing Wherein the motor rear air hole 75 and the motor outer chamber 76 and the expansion groove 77 form a rear cooling path formed toward the connector 60, The air discharge hole 78 forms a shaft cooling path using the hollow hole of the motor shaft 24. As a result, the front cooling path is a state in which some of the compressed air compressed by the impeller 51 is cooled The cooling air flows from the front side of the motor housing 21 and the central cooling path spreads the cooling air into the inner space of the motor housing 21, To the connector 60 side, Each route allows to discharge the cooling air toward the front of the housing 21 from the rear of the motor housing 21.

도 2를 참조 하면, 축 확장형 냉각방식 공기압축기(10)에서는 압축 공기를 연료전지스택(또는 연료전지)쪽으로 공급해주는 산소 공급 작용(실선의 화살표)과, 압축 공기 중 일부의 압축 공기를 이용한 냉각작용(파선의 화살표)이 동시에 구현된다.Referring to FIG. 2, in the axial expansion type air compressor 10, an oxygen supply operation (solid line arrow) for supplying compressed air to the fuel cell stack (or a fuel cell) and a cooling operation (Broken line arrows) are simultaneously implemented.

일례로, 공기압축기(10)의 압축공기 공급 작용은 커넥터(60)의 전원공급과 함께 스테이터(23)와 로터(22)의 작용으로 모터축(24)이 회전되어 이루어진다. 즉, 모터 축(24)은 임펠러(51)를 회전시킴으로써 실선의 화살표와 같이 외부공기 흐름이 형성된다. 구체적으로, 외부공기는 볼류트(53-1,53-2)로 들어와 회전하는 임펠러(51)에 의해 압축공기로 전환되고, 압축공기출구(55)를 나온 압축공기는 연료전지스택(1)의 발전에 필요한 산소를 공급하도록 연료전지스택(1)으로 공급된다. 이러한 작용은 통상적인 압축공기 공급 작용과 같다.The compressed air supply operation of the air compressor 10 is achieved by rotating the motor shaft 24 by the action of the stator 23 and the rotor 22 together with the power supply of the connector 60. That is, as the motor shaft 24 rotates the impeller 51, an external air flow is formed as indicated by a solid line arrow. Specifically, the outside air is converted into compressed air by the impeller 51 which rotates by entering the volutes 53-1 and 53-2, and the compressed air leaving the compressed air outlet 55 flows into the fuel cell stack 1, Is supplied to the fuel cell stack 1 so as to supply oxygen necessary for the power generation of the fuel cell stack 1. This action is equivalent to a conventional compressed air supply operation.

일례로, 공기압축기(10)의 냉각공기 공급 작용은 압축공기 중 일부가 압축공기출구(55)를 빠져나가기 전 임펠러 챔버(70)로 유입되고, 유입된 냉각공기는 파선의 화살표와 같이 모터냉각경로(70-1)를 형성한다.For example, the operation of supplying the cooling air to the air compressor 10 is such that some of the compressed air flows into the impeller chamber 70 before exiting the compressed air outlet 55, and the introduced cooling air is cooled by the motor cooling Thereby forming a path 70-1.

먼저 상기 냉각공기는 공기 유입홀(71)을 통해 임펠러 챔버(70)에서 모터전방 챔버(72)로 들어가고, 모터내부 공기 홀(73)을 통해 모터전방 챔버(72)에서 모터후방 챔버(74)로 흘러간다. 그러므로 임펠러 챔버(70) -> 공기 유입홀(71) -> 모터전방 챔버(72) -> 모터내부 공기 홀(73) -> 모터후방 챔버(74)를 거치는 냉각공기의 정 방향흐름은 스테이터(23) 및 전단 베어링(40-1)의 발열이 포함된 모든 열원을 냉각하여준다. 여기서 "->"은 냉각공기의 흐름 방향을 나타내는 화살표 기호이다.The cooling air first enters the motor front chamber 72 from the impeller chamber 70 through the air inlet hole 71 and flows from the motor front chamber 72 to the motor rear chamber 74 through the motor inner air hole 73, . The forward flow of cooling air through the impeller chamber 70-> the air inlet hole 71-> the motor front chamber 72-> the motor inner air hole 73-> the motor rear chamber 74, 23 and the front end bearing 40-1. Here, "- >" is an arrow symbol indicating the flow direction of cooling air.

이어 상기 냉각공기는 모터후방 공기 홀(75)을 통해 모터후방 챔버(74)에서 모터외부 챔버(76)로 유입되고, 임펠러 전/후면 압력차에 의해 확장 홈(77)쪽에서 공기배출 홀(78)로 빨려 들어가며, 공기배출 홀(78)을 지나감으로써 모터 축(24)의 끝단에서 전단으로 배출된다. 그러므로 모터후방 공기 홀(75) -> 모터외부 챔버(76) -> 공기배출 홀(78)을 거치는 냉각공기의 역 방향흐름은 후단 베어링(40-2)을 집중 냉각한 후 스테이터(23) 및 전단 베어링(40-1)의 발열이 포함된 모든 열원을 한번 더 냉각하여준다. 여기서 "->"은 냉각공기의 흐름 방향을 나타내는 화살표 기호이다.The cooling air is introduced into the motor outer chamber 76 from the motor rear chamber 74 through the motor rear air hole 75 and the air discharge hole 78 from the expansion groove 77 side by the impeller front / And is discharged to the front end from the end of the motor shaft 24 by passing through the air discharge hole 78. [ Therefore, the reverse flow of the cooling air through the motor rear air hole 75, the motor outer chamber 76, and the air discharge hole 78 causes the rear stage bearing 40-2 to be concentratedly cooled, All of the heat sources including the heat generation of the front end bearing 40-1 are cooled again. Here, "- >" is an arrow symbol indicating the flow direction of cooling air.

이와 같이 상기 모터냉각경로(70-1)는 임펠러(51)의 외부 공기 압축 과정에서 일부 공기를 냉각공기로 모터 하우징(21)의 내부로 끌어 들여 모터 전단에서 모터 끝단으로 흐르게 하고, 이어 임펠로(51)의 전/후면 압력차로 모터 축(24)에 뚫린 공기배출 홀(78)로 냉각공기를 빨아 들여 모터 끝단에서 모터 전단으로 배출되도록 한다.In this way, the motor cooling path 70-1 draws some air into the motor housing 21 as cooling air in the process of compressing the outside air of the impeller 51 to flow from the front end of the motor to the motor end, The cooling air is sucked into the air discharge hole 78 opened in the motor shaft 24 by the front / rear pressure difference of the motor 51 and discharged from the motor end to the motor front end.

그 결과, 축 확장형 냉각방식 공기압축기(10)의 하우징 내부의 스테이터(23)에 국한된 냉각구조 대비 약 140도 이하의 온도 저하 도달 시간이 보다 빠르면서 굵은 실선의 화살표로 표시된 모터축(24)의 추력 감소에 보다 효과적이며, 특히 모터 축(24)의 전단을 지지하는 전단 베어링(40-1)과 함께 후단을 지지하는 후단 베어링(40-2)에 대한 냉각효과로 베어링 내구성 유지에 크게 기여됨이 실험적으로 확인되었다.As a result, the temperature drop time of about 140 degrees or less compared with the cooling structure limited to the stator 23 inside the housing of the shaft expanding cooling type air compressor 10 is faster and the temperature of the motor shaft 24 It is more effective in reducing the thrust and particularly contributes greatly to the maintenance of the durability of the bearing by the cooling effect on the rear end bearing 40-2 supporting the rear end together with the front end bearing 40-1 supporting the front end of the motor shaft 24. [ Was confirmed experimentally.

한편, 도 3은 공기압축기(10)를 적용한 연료전지스택(또는 연료전지)의 구성을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(1)은 공기압축기(10), 공기 유입기(10-1), 가습기(10-2)를 포함하고, 산소가 공급되도록 공기공급라인으로 연결된다. 즉, 상기 공기압축기(10)는 연료전지스택(1)으로 이어진 공기공급라인에 설치되고, 상기 공기 유입기(10-1)는 공기압축기(10)의 뒤쪽에서 공기공급라인에 설치되며, 상기 가습기(10-2)는 공기압축기(10)의 앞쪽에서 연료전지스택(1)과 공기압축기(10)를 이어주는 공기공급라인에 설치된다.3 shows the configuration of a fuel cell stack (or fuel cell) to which the air compressor 10 is applied. As shown, the fuel cell stack 1 includes an air compressor 10, an air inlet 10-1, a humidifier 10-2, and is connected to an air supply line for supplying oxygen. That is, the air compressor 10 is installed in an air supply line leading to the fuel cell stack 1, the air inlet 10-1 is installed in an air supply line at the back of the air compressor 10, The humidifier 10-2 is installed in the air supply line which connects the fuel cell stack 1 and the air compressor 10 in front of the air compressor 10. [

여기서, 상기 공기압축기(10)는 도 1과 도 2를 통해 기술된 축 확장형 냉각방식 공기압축기(10)와 동일하다Here, the air compressor 10 is the same as the axial expansion type air compressor 10 described with reference to Figs. 1 and 2

그러므로 상기 공기압축기(10)는 축 확장형 냉각방식 공기압축기(10)의 냉각효과를 그대로 구현함으로써 연료전지 스택(1)은 운영 안정성과 함께 그 성능 향상이 이루어진다.Therefore, the air compressor (10) realizes the cooling effect of the axial expansion type air compressor (10) as it is, so that the performance of the fuel cell stack (1) is improved with its operation stability.

한편, 도 4는 공기압축기(10)가 적용된 연료전지 차량의 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 연료전지 차량은 수소와 산소의 화학반응을 이용해 전기가 생성되는 연료전지스택(1)과, 연료전지스택(1)에서 생성된 전기를 이용하여 구동되는 전기모터(2)와, 차량의 상위제어기로 작용하는 제어기(3)와, 연료전지스택(1)에 수소를 공급하는 수소탱크(5)와, 연료전지스택(1)의 산소 요구량에 맞춰 공기를 압축하도록 작동하고 작동에 의한 온도상승을 자체적으로 냉각시켜주는 공기압축기(10)가 포함된다.On the other hand, Fig. 4 shows an example of a fuel cell vehicle to which the air compressor 10 is applied. As shown in the figure, the fuel cell vehicle includes a fuel cell stack 1 in which electricity is generated using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, an electric motor 2 driven by electricity generated in the fuel cell stack 1, A controller 3 serving as an upper controller of the vehicle, a hydrogen tank 5 for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1, and a controller 5 for operating and operating to compress air in accordance with the oxygen demand of the fuel cell stack 1 And an air compressor 10 for cooling the temperature rise by itself.

여기서, 상기 공기압축기(10)는 도 1과 도 2를 통해 기술된 축 확장형 냉각방식 공기압축기(10)와 동일하다Here, the air compressor 10 is the same as the axial expansion type air compressor 10 described with reference to Figs. 1 and 2

그러므로 상기 공기압축기(10)는 축 확장형 냉각방식 공기압축기(10)의 냉각효과를 그대로 구현함으로써 연료전지 스택(1)은 운영 안정성과 함께 그 성능 향상이 이루어지고, 이로부터 연료전지 차량의 성능도 함께 향상된다.Therefore, the air compressor (10) realizes the cooling effect of the axial expansion cooling type air compressor (10), so that the performance of the fuel cell stack (1) is improved with the stability of operation and the performance of the fuel cell vehicle Together.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 축 확장형 냉각방식 공기압축기(10)는 모터 축(24)의 전단에 결합된 임펠러(51)의 압축 공기 중 일부 공기가 임펠러(51)쪽 모터 전단부위에 모여져 모터 하우징(21)의 내부로 유입되는 냉각공기로 전환되고, 냉각공기가 모터 축(24)에 뚫린 공기배출 홀(78)에 걸리는 임펠러(51)의 전후면 압력차로 모터 전단부위에서 모터 하우징(21)의 내부를 냉각하면서 임펠러(51)반대쪽 모터 끝단부위에 모여진 후 공기배출 홀(78)로 빨려 들어가 역방향 흐름으로 전환되며, 냉각공기가 역방향 흐름으로 모터 축(24)에서 빠져 나와 임펠러(51)에 의해 압축 공기로 전환되도록 하는 모터냉각경로(70-1)를 포함함으로써 공기압축이(10)의 모터전장길이의 전체로 확장된 모터 냉각구조로 모터냉각효과를 더욱 높이고, 특히 모터 축(24)의 끝단까지 이어진 공기흐름으로 모터 축(24)의 끝단에 적용된 공기베어링(air foil bearing)의 냉각효율도 함께 향상시킬 수 있다.As described above, in the axial expansion cooling type air compressor 10 according to the present embodiment, some air in the compressed air of the impeller 51 coupled to the front end of the motor shaft 24 is supplied to the motor front end portion of the impeller 51 And the cooling air flows into the motor housing 24 from the front end portion of the motor by the pressure difference between the front and rear sides of the impeller 51 which is caught in the air discharge hole 78 opened in the motor shaft 24, The air is sucked into the air discharge hole 78 after the inside of the motor 21 is cooled while being cooled at the end portion of the motor opposite to the impeller 51 to be converted into the reverse flow and the cooling air flows out of the motor shaft 24 in the reverse direction, 51 so that the air compression increases the motor cooling effect further with the motor cooling structure extended to the whole of the motor electric length of the motor 10, (24) Gin is the air flow in the cooling efficiency of the air bearing (air bearing foil) applied to the end of the motor shaft 24 can be improved together.

1 : 연료전지스택 2 : 전기모터
3 : 제어기 5 : 수소탱크
10 : 공기압축기 10-1 : 공기유입기
10-2 : 가습기 20 : 모터유닛
21 : 모터 하우징 22 : 로터
23 : 스테이터 24 : 모터 축
30 : 팩킹 40-1 : 전단베어링
40-2 : 후단베어링 50 : 압축유닛
51 : 임펠러 53-1 : 볼류트 프론트
53-2 : 볼류트 리어 55 : 압축공기출구
60 : 커넥터 70-1 : 모터냉각경로
70 : 임펠러 챔버 71 : 공기 유입 홀
72 : 모터전방 챔버 73 : 모터내부 공기 홀
74 : 모터후방 챔버 75 : 모터후방 공기 홀
76 : 모터외부 챔버 77 : 확장 홈
78 : 공기배출 홀1: Fuel cell stack 2: Electric motor
3: Controller 5: Hydrogen tank
10: air compressor 10-1: air inlet
10-2: Humidifier 20: Motor unit
21: motor housing 22: rotor
23: stator 24: motor shaft
30: Packing 40-1: Shear bearing
40-2: rear end bearing 50: compression unit
51: Impeller 53-1: Volute front
53-2: Boltrear 55: Compressed air outlet
60: Connector 70-1: Motor cooling path
70: impeller chamber 71: air inlet hole
72: motor forward chamber 73: motor internal air hole
74: motor rear chamber 75: motor rear air hole
76: motor outer chamber 77: expansion groove
78: Air exhaust hole

Claims (9)

로터와 스테이터를 내장한 내부공간이 형성되고, 임펠러와 벌류트가 위치되어 임펠러 챔버를 형성한 하우징 전방엔드와 전원 공급용 커넥터가 위치된 하우징 후방엔드를 갖춘 모터 하우징;
상기 모터 하우징을 관통하여 상기 임펠러와 결합된 축 전방 엔드의 반대쪽을 축 후방 엔드로 형성하며, 상기 축 전방 엔드와 상기 축 후방 엔드를 이어주는 공기배출 홀이 뚫려진 모터 축;
상기 모터 하우징의 상기 하우징 후방엔드에 결합되어 상기 모터 축의 상기 축 후방 엔드를 지지하며, 상기 축 후방 엔드가 위치된 모터외부 챔버를 상기 커넥터와 형성한 공기 베어링;
상기 임펠러 챔버에서 상기 모터 하우징의 내부공간을 거쳐 상기 모터외부 챔버로 모여지는 냉각공기를 상기 임펠러가 형성하는 압축 공기에서 뽑아내고, 상기 냉각공기를 상기 공기배출 홀로 빨아들여 상기 축 후방 엔드에서 상기 축 전방 엔드로 배출시켜주는 모터냉각경로;
가 포함된 것을 특징으로 하는 축 확장형 냉각방식 공기압축기.
A motor housing having an inner space formed with a rotor and a stator therein and having a housing front end where an impeller and a volute are positioned to form an impeller chamber and a housing rear end where a power supply connector is located;
A motor shaft through which an air discharge hole is formed to communicate with the shaft front end and the shaft rear end, the opposite side of the shaft front end passing through the motor housing and coupled with the impeller;
An air bearing coupled to the housing rear end of the motor housing to support the shaft rear end of the motor shaft and to form a motor outer chamber in which the shaft rear end is located;
Wherein the cooling air is collected in the impeller chamber through the inner space of the motor housing to the motor outer chamber from the compressed air formed by the impeller and is sucked into the air discharge hole, A motor cooling path for discharging to the front end;
Wherein the cooling air is introduced into the air compressor.
청구항 1에 있어서, 상기 모터냉각경로는 상기 임펠러 챔버와 상기 모터 하우징의 내부공간을 이어주는 공기 유입홀, 상기 모터 하우징의 내부공간과 상기 모터외부 챔버를 이어주는 모터후방 공기 홀이 포함된 것을 특징으로 하는 축 확장형 냉각방식 공기압축기.
The motor cooling apparatus according to claim 1, wherein the motor cooling path includes an air inlet hole for connecting the impeller chamber and the inner space of the motor housing, and a motor rear air hole for connecting the inner space of the motor housing and the motor outer chamber. Axial expansion type cooling air compressor.
청구항 2에 있어서, 상기 공기 유입 홀은 상기 모터 하우징에 형성되고, 상기 모터후방 공기 홀은 상기 공기 베어링에 형성된 것을 특징으로 하는 축 확장형 냉각방식 공기압축기.
3. The shaft-expanding cooling air compressor of claim 2, wherein the air inlet hole is formed in the motor housing, and the motor rear air hole is formed in the air bearing.
청구항 2에 있어서, 상기 모터외부 챔버에는 확장 홈이 더 형성되고, 상기 확장 홈은 상기 커넥터에 형성된 것을 특징으로 하는 축 확장형 냉각방식 공기압축기.
3. The shaft-expanding cooling air compressor of claim 2, wherein the motor outer chamber is further formed with an expansion groove, and the expansion groove is formed in the connector.
청구항 4에 있어서, 상기 확장 홈은 상기 공기배출 홀과 일치되는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 축 확장형 냉각방식 공기압축기.
5. The air compressor according to claim 4, wherein the expansion groove is formed at a position coinciding with the air discharge hole.
청구항 2에 있어서, 상기 모터냉각경로에는 상기 모터 하우징의 내부공간을 상기 스테이터의 앞뒤 공간으로 구분하는 모터전방 챔버와 모터후방 챔버가 더 포함되고, 상기 모터전방 챔버는 상기 공기 유입홀과 연통되며, 상기 모터후방 챔버는 상기 모터후방 공기 홀과 연통된 것을 특징으로 하는 축 확장형 냉각방식 공기압축기.
The motor cooling apparatus according to claim 2, wherein the motor cooling path further includes a motor front chamber and a motor rear chamber that divide an inner space of the motor housing into a front space and a rear space of the stator, and the motor front chamber communicates with the air inlet hole, Wherein the motor rear chamber is in communication with the motor rear air hole.
청구항 6에 있어서, 상기 모터전방 챔버와 상기 모터후방 챔버는 모터내부 공기 홀로 연통되고, 상기 모터내부 공기 홀은 상기 스테이터가 형성하는 스테이터 간극인 것을 특징으로 하는 축 확장형 냉각방식 공기압축기.
7. The axial expansion type air compressor according to claim 6, wherein the motor front chamber and the motor rear chamber communicate with an air hole inside the motor, and the air hole inside the motor is a stator gap formed by the stator.
청구항 1에 있어서, 상기 공기배출 홀은 상기 모터 축의 중공홀인 것을 특징으로 하는 축 확장형 냉각방식 공기압축기.
The axial expansion type air compressor according to claim 1, wherein the air discharge hole is a hollow hole of the motor shaft.
청구항 1 내지 청구항 8중 어느 한 항에 의한 축 확장형 냉각방식 공기압축기;
가 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.An axial expansion type air compressor according to any one of claims 1 to 8;
Fuel cell vehicle.
KR1020160059347A 2016-05-16 2016-05-16 Shaft Extension Cooling type Air Compressor and Fuel Stack Vehicle thereof KR101810430B1 (en)

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