KR20180097390A - 터보 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 터보 압축기는, 하우징; 상기 하우징 내부에 수용되어 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터와 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛; 상기 회전축과 연결되는 임펠러를 구비하여 유체를 압축하는 압축 유닛; 상기 회전축의 외주면을 감싸도록 형성되고, 상기 회전축을 회전 가능하도록 수용하는 베어링; 및 상기 하우징에 형성되는 프레임부에 결합되고, 상기 베어링의 외주면을 감싸 지지하며, 운전 속도의 증가 시 상기 회전축을 향하는 방향으로 변위를 발생시키도록 이루어지는 가변 베어링 몸체를 포함한다. 본 발명에 따르면, 베어링과 회전축 사이의 간격이 압축기의 운전 속도에 따라 가변되어, 고속 안정성이 향상될 수 있다.

Description

터보 압축기{TURBO COMPRESSOR}

본 발명은 구동모터에 의해 발생되는 회전력으로 임펠러를 회전시켜 냉매를 압축하는 터보 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 공기나 냉매 등의 유체를 압축하는 장치이다. 압축기는 구동력을 발생하는 구동모터 및 그 구동모터의 구동력을 전달받아 유체를 압축하는 압축부가 함께 구성되며, 압축부의 형태에 따라 여러 종류가 있다.

일반적으로 터보 압축기는 원심식 압축기의 일종으로, 회전축을 회전시키는동력을 발생시키는 구동부와, 회전축에 연결되는 임펠러의 회전에 의해 축방향으로 유입되는 유체를 반경 방향으로 압축시켜 토출시키는 압축부를 포함한다.

압축부는 설계에 따라 1단 또는 다단으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 압축부가 2단으로 구성되는 경우, 구동부의 양 단에 제1 및 제2임펠러가 각각 연결되고, 이들을 수용하는 제1 및 제2압축실이 각각 형성됨으로써, 2단에 걸쳐 압축을 수행하도록 이루어진다. 제1 및 제2압축실은 서로 유체가 연통되는 연통 유로로 연결되어 있다.

터보 압축기의 작동은 먼저 구동부에서 동력이 발생되어 회전축이 회전되는 것으로 시작된다. 회전축이 회전되면, 회전축과 연결된 임펠러가 회전되어 흡입력이 발생된다. 그리고, 압축실과 연통되는 유입 유로를 통해 회전축의 축방향으로 유체가 유입되고, 유체는 임펠러에 의해 압축되어 회전축의 반경 방향으로 토출된다.

압축부가 2단으로 구성되는 경우에는, 반경 방향으로 토출된 유체가 이어서 연통 유로를 통해 회전축의 축방향으로 다음 단의 압축실로 유입되고, 해당 압축실 내부의 임펠러에 의해 다시 반경 방향으로 압축되어 토출된다.

이러한 동작 과정에서, 임펠러에 의해 발생되는 축방향의 힘(추력, thrust)은 스러스트 베어링에 의해 지지되도록 이루어지며, 회전축을 반경 방향으로 지지하기 위하여 반경 방향으로도 레이디얼 베어링이 장착된다.

특히, 레이디얼 베어링은 압축기의 운전 부하를 증대시키기 위해 회전축의 회전 속도를 충분히 높일 수 있도록 설계되는 것이 요구된다. 이러한 요구를 반영하기 위해, 구조물 간의 직접적인 접촉에 의하지 않는 가스 베어링이 도입된 바 있다. 가스 베어링은, 회전축(저널)과 베어링면 사이에서 작동 유체가 막(film)을 형성하여 회전축을 지지하도록 이루어진다.

구체적으로, 도 1은 가스 포일 베어링을 보인 축방향의 단면 개념도이다. 가스 포일 베어링(10)은 회전축(20)의 회전 시에 발생하는 유체 막이 범프 포일(11)에 의해 탄성적으로 지지될 수 있는 특징이 있고, 이러한 탄성 변형 특성은 회전축(20)과의 공차 관리에 유리한 측면으로도 작용한다.

한편, 도 2는 가스 베어링과 회전축 사이의 간격(clearance)과, 가스 베어링의 축방향 길이(bearing length) 및 공진 등에 따른 불안정성 발생 속도(onset speed) 간의 관계에 대한 분포를 보인 그래프이다. 도 2에 보인 것과 같이, 가스 베어링과 회전축의 간격이 좁아짐에 따라, 특히, 10 μm 수준의 영역에서 불안정성 발생 속도는 급격히 높게 형성되는 경향을 보이고 있다. 이는 가스 베어링과 회전축의 간격이 작을수록 고속 운전 시에도 안정성이 확보될 수 있다는 것을 의미하게 된다.

이러한 해석 결과에 따라, 고속 운전 환경에서도 안정적인 운전을 구현할 수 있으면서도 조립 환경에서는 편의성이 유지될 수 있도록, 가스 베어링과 회전축의 간격을 가변시킬 수 있는 가스 베어링의 개발이 요구된다.

이때, 시스템의 구성을 지나치게 복잡화시키지 않고도 이러한 간격 가변이 회전축의 회전 속도나 그에 대응되는 인자에 의해 손쉽게 제어될 수 있는 구조가 구현되는 것이 바람직하다.

본 발명의 첫 번째 목적은, 운전 속도가 증가할수록 회전축과의 간격이 좁아지도록 가변되어, 공차 관리에 유리하면서도 고속 운전 시 안정성이 향상될 수 있는 가변 베어링 구조를 갖는 터보 압축기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은, 회전축과의 간격이 압축기의 운전 속도 증가에 따른 운전 환경의 온도 상승에 대응되어 조절될 수 있는 가변 베어링 구조를 갖는 터보 압축기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은, 회전축과의 간격이 압축기의 운전 속도 증가에 따른 토출압의 증가에 대응되어 조절될 수 있는 가변 베어링 구조를 갖는 터보 압축기를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 터보 압축기는, 하우징의 내부에 수용되어 회전축을 회전시키는 구동 유닛과, 회전축과 연결되는 임펠러를 구비하여 유체를 압축하는 압축 유닛과, 회전축의 외주면을 감싸고 회전축을 회전 가능하도록 수용하는 베어링과, 하우징에 형성되는 프레임부에 결합되어 베어링을 지지하며 운전 속도 증가 시에는 회전축을 향하는 방향으로 변위를 발생시키도록 이루어지는 가변 베어링 몸체를 포함한다.

본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 터보 압축기는, 구동 유닛과 압축 유닛 간에 동력을 전달하는 회전축의 외주면을 감싸도록 이루어져 회전축을 회전 가능하게 수용하는 베어링과, 프레임부와 베어링 사이에 장착되도록 중공 원통형으로 이루어지고 프레임부보다 열팽창 계수가 큰 가변 베어링 몸체를 포함한다.

본 발명의 세 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 터보 압축기는, 구동 유닛과 압축 유닛 간에 동력을 전달하는 회전축의 외주면을 감싸도록 이루어져 회전축을 회전 가능하게 수용하는 베어링과, 프레임부와 베어링 사이에 위치되어 압축 유닛에서 토출된 유체를 수용하는 가압 챔버가 형성되는 가변 베어링 몸체를 포함한다.

구체적으로 가압 챔버는, 가변 베어링 몸체의 외주면에서 리세스되는 리세스부와, 리세스부와 마주보는 프레임부의 내주면에 의해 형성될 수 있다.

이때, 상기 리세스부는 상기 회전축을 향하여 오목한 곡면을 이루도록 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 해결 수단에 의해 구성되는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫 번째, 본 발명의 터보 압축기는 운전 속도가 증가할수록 회전축과 베어링의 간격이 좁아지도록 이루어짐으로써, 고유진동수 및 공진 발생 속도가 높게 형성될 수 있다. 따라서, 고속 운전 시 안정성이 향상되는 효과가 있다. 나아가, 조립 단계 및 저속 운전 시에는 회전축과 베어링의 간격을 넓게 확보할 수 있어, 조립 편의성 또는 마찰 감소 등의 효과가 달성될 수 있다.

두 번째, 본 발명의 터보 압축기는 운전 속도의 증가에 따른 발열로 인한 열팽창에 의해 회전축과 베어링 사이의 간격이 가변되도록 구현됨으로써, 별도의 제어 장치를 사용하지 않고도 간격이 조절될 수 있다.

세 번째, 본 발명의 터보 압축기는 운전 속도의 증가에 대응되는 유체의 토출압을 이용하여 회전축과 베어링 사이의 간격이 변화되도록 이루어짐으로써, 별도의 제어 수단이 사용되지 않고도 간격이 조절될 수 있다.

이때, 본 발명의 가압 챔버가 프레임부 및 가변 베어링 몸체 간의 결합에 의해 형성됨으로써, 가압 챔버의 가공이 손쉽게 이루어질 수 있다.

아울러, 본 발명의 가압 챔버를 형성하는 가변 베어링 몸체 외주면의 표면적이 넓게 확보됨으로써, 회전축과 베어링의 간격을 좁힐 수 있는 가압력이 충분하게 형성될 수 있다.

도 1은 종래 가스 포일 베어링을 보인 축방향의 단면 개념도.
도 2는 가스 베어링과 회전축 사이의 간격(Clearance)과, 가스 베어링의 축방향 길이(Bearing length) 및 공진 등에 따른 불안정성 발생 속도(Onset speed) 간의 관계에 대한 분포를 보인 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 터보 압축기를 보인 단면 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 조립체를 보인 단면도.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 베어링 조립체를 보인 단면도.
도 5b는 도 5a에 도시된 가변 베어링 몸체를 보인 단면도.

이하, 본 발명에 관련된 터보 압축기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예들을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 터보 압축기(100)를 보인 단면 개념도이다. 본 발명에 따른 터보 압축기(100)는 회전에 의해 냉매(이하 '유체'라고도 함)를 압축하도록 구동되는 방식의 원심형 압축기일 수 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 터보 압축기(100)는 유체의 압축을 위해 하우징(110), 구동 유닛(120) 및 압축 유닛(130)을 포함한다.

하우징(110)은 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 구성요소들을 수용하는 공간을 형성한다. 하우징(110)의 내부에는 구동 유닛(120)이 설치되며, 구동 유닛(120)은 스테이터(121), 로터(122) 및 회전축(123)을 포함한다.

구동 유닛(120)의 스테이터(121)는 하우징(110)의 내측에 고정되도록 장착되며, 스테이터(121)와 마주보도록 로터(122)가 배치되고, 로터(122)는 중심부에 회전축(123)을 수용하도록 이루어질 수 있다. 구체적으로, 회전축(123)은 일 방향으로 연장 형성되는 원형의 막대 형상으로 이루어질 수 있고, 로터(122)는 회전축(123)의 외주면을 감싸 서로 고정되도록 장착될 수 있다. 그리고, 스테이터(121)는 로터(122)의 외주면을 마주보며 감싸도록 이루어지며, 로터(122)와는 일정 간격 이격되도록 배치될 수 있다.

한편, 압축 유닛(130)은 설계에 따라 1단 또는 다단으로 구성될 수 있다. 예를 들어 도 3에 보인 것과 같이, 구동 유닛(120)의 양 단에 제1 및 제2임펠러(131a, 131b)가 각각 장착되는 제1 및 제2압축실(132a, 132b)이 형성되어, 2단에 걸쳐 압축을 수행하도록 이루어진다. 제1 및 제2압축실(132a, 132b)은 서로 유체가 연통되는 연결 유로(133)로 연결될 수 있다.

제1 및 제2임펠러(131a, 131b)는 구동 유닛(120)의 회전축(123)과 각각 연결되며, 하우징(110)의 일부 또는 하우징(110)과 연결되는 케이싱(134)에 의해 형성되는 제1 및 제2압축실(132a, 132b)에 각각 위치될 수 있다.

도 3에 보인 터보 압축기(100)를 예로 들어 그 작동을 설명하면, 구동 유닛(120)에 인가되는 전원에 의한 스테이터(121)와 로터(122) 간의 상호작용에 의해 회전축(123)이 회전됨으로써 작동이 시작된다. 그리고 회전축(123)에 연결되는 제1임펠러(131a)의 회전에 의해 제1압축실(132a)로 유체가 유입된다. 이때, 유체는 회전축(123)의 축방향으로 유입되며, 제1임펠러(131a)에 의해 회전축(123)의 반경 방향으로 압축되어 토출됨으로써 유체의 압축이 이루어진다.

2단으로 압축이 이루어지는 본 실시예의 경우에는, 제1압축실(132a)에서 제1임펠러(131a)에 의해 압축되어 회전축(123)의 반경 방향으로 유체가 토출되어 연결 유로(133)로 흐른다. 그리고 유체는 연결 유로(133)로부터 제2압축실(132b)에 회전축(123)의 축방향으로 유입되고, 제2임펠러(131b)에 의해 재차 압축되어 회전축(123)의 반경 방향으로 토출될 수 있다.

본 발명의 터보 압축기(100)는, 제1 및 제2임펠러(131a, 131b)에서 회전축(123)의 축방향으로 유입되는 냉매를 압축하여 반경방향으로 토출시키므로, 냉매가 유입되는 축방향으로 추력(thrust)이 발생된다. 이러한 추력은 스테이터(121)와 로터(122) 사이의 정렬 상태를 변화시키는 변위를 발생시킴으로써, 구동 유닛(120)의 동작에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 것과 같이 스러스트 베어링(141)과 스러스트 러너(142)를 포함하는 추력제한부(140)가 형성될 수 있다.

한편, 로터(122)와 함께 회전되는 회전축(123)은, 기설정된 위치에서 회전을 지속하도록 하우징(110)의 적어도 일 측에 연결되는 프레임부(111)에 회전 가능하게 지지된다. 특히, 회전축(123)의 반경 방향으로 회전축(123)을 지지하고 회전축(123)의 고속 회전을 구현하기 위하여, 가스 베어링 방식이 사용된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 조립체를 보인 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 베어링 조립체는, 베어링(150) 및 가변 베어링 몸체(160)를 포함한다.

본 실시예에서, 베어링(150)은 가스 포일 베어링 방식으로 구동될 수 있다. 베어링(150)은 회전축(123)을 마주보도록 배치되며, 회전축(123)의 회전 시에 회전축(123)의 외주면과 이격되도록 이루어져, 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 유체에 의해 회전축(123)의 지지를 구현하는 역할을 한다.

도 4에 보인 것과 같이, 구체적으로 베어링(150)은 탑 포일(top foil, 151)과 범프 포일(bump foil, 152)을 구비할 수 있다. 탑 포일(151)은 회전축(123)의 표면의 일부를 각각 감싸는 곡면 형태의 복수 개의 포일로 이루어질 수 있다. 범프 포일(152)은 탑 포일(151)을 감싸도록 배치되며, 탑 포일(151)과 후술하는 가변 베어링 몸체(160) 사이에 개재될 수 있다. 범프 포일(152)은 복수 개의 요철을 갖는 얇은 포일로 이루어질 수 있다. 도 4에 보인 것과 같이, 범프 포일(152)은 복수 개의 요철 형상에 의해 탑 포일(151)과 가변 베어링 몸체(160)의 내주면에 각각 지지되도록 이루어질 수 있다.

본 실시예의 베어링(150)은 탑 포일(151)과 범프 포일(152)을 구비하는 구조에 의해, 회전축(123)의 반경 방향으로 탄성력을 가질 수 있게 된다. 본 발명에 따른 터보 압축기(100)가 작동되어 회전축(123)의 회전이 시작되면, 회전축(123)의 표면과 탑 포일(151) 사이에는 회전축(123)의 회전에 의해 유체 막이 형성된다. 유체 막에 의해 탑 포일(151)은 회전축(123)의 반경 방향으로 가압되고, 이 가압력에 의해 요철 구조의 범프 포일(152)은 요철 구조가 눌려 펴지는 방향으로 탄성 변형될 수 있다. 즉, 범프 포일(152)은 탑 포일(151)과 회전축(123) 사이에 형성되는 유체 막보다 낮은 탄성 계수를 갖도록 이루어질 수 있다.

이러한 탄성 변형에 의해, 본 발명의 터보 압축기(100)의 운전 시에 베어링(150)과 회전축(123) 사이에 일정 간격이 형성되고, 이 공간에 형성되는 유체 막이 베어링(150)의 역할을 수행하게 된다. 아울러, 베어링(150)의 탄성 변형은 베어링 조립체와 회전축(123) 간의 공차 요구를 완화하여, 조립이 용이하게 수행될 수 있다.

한편, 가변 베어링 몸체(160)는 베어링(150)을 지지하는 지지체의 역할을 하며, 특히 본 발명의 가변 베어링 몸체(160)는 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 작동 시 베어링(150)과 회전축(123) 사이의 간격을 가변시키는 역할을 수행한다.

가변 베어링 몸체(160)는 하우징(110)에 형성되는 프레임부(111)에 결합된다. 도 4에 보인 것과 같이, 하우징(110)에 구비되는 프레임부(111)는 중심부에 회전축(123)이 관통되도록 형성되며, 가변 베어링 몸체(160)는 프레임부(111)와 회전축(123) 사이에 개재되도록 이루어진다. 즉, 가변 베어링 몸체(160)는 베어링(150)의 외주면을 감싸도록 이루어진다.

그리고 가변 베어링 몸체(160)는, 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 운전 속도 증가 시 베어링(150)의 외주면을 가압하는 방향으로 변위가 발생되도록 이루어진다. 즉, 가변 베어링 몸체(160)는, 회전축(123)이 회전되는 속도가 증가될수록 베어링(150)과 회전축(123) 사이의 간격은 서로 가까워지도록 변형된다.

앞서 도 2를 참조하여 설명한 것과 같이, 회전축(123)과 베어링(150)의 간격이 좁아지면 시스템의 고유진동수 및 공진 발생 속도가 높게 형성될 수 있다. 즉, 회전축(123)과 베어링(150)의 간격이 작을 경우, 고속 운전 시에 안정성이 향상될 수 있고, 고속 운전 가능한 영역이 더욱 확대되어 본 발명에 따른 터보 압축기(100)의 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다. 아울러, 조립 단계 및 저속 운전 시에는 회전축(123)과 베어링(150)의 간격이 넓게 확보할 수 있어, 조립 편의성 또는 마찰 감소 등은 종래의 수준과 동일하게 유지될 수 있는 이점이 있다.

이하에서는 가변 베어링 몸체(160)의 변형이 구현되는 구조들에 대해 구체적으로 설명한다.

도 4의 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가변 베어링 몸체(160)는 중공 원통(hollow cylinder)형으로 이루어질 수 있다. 가변 베어링 몸체(160)의 외주면과 결합되는 프레임부(111)의 내주면은 이러한 중공 원통 형상을 수용할 수 있도록 이루어진다. 그리고, 베어링(150)은 중공 원통 형상의 내주면에 장착되어 베어링(150)을 감싸도록 형성도리 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 가변 베어링 몸체(160)는 프레임부(111)보다 열팽창 계수가 큰 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 프레임부(111)의 재질이 철로 이루어지는 경우, 가변 베어링 몸체(160)의 재질은 황동, 알루미늄, 또는 구리로 이루어질 수 있다.

위와 같은 형상과 재질을 갖는 가변 베어링 몸체(160)는, 본 실시예의 터보 압축기(100)의 운전 속도가 증가됨에 따른 내부 온도 증가에 의해 가변될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 터보 압축기(100)의 운전 속도를 높이게 되면, 고속으로 회전하는 구성요소들 및 내부를 흐르는 냉매의 온도가 상승하게 된다. 이러한 환경에서 프레임부(111) 및 가변 베어링 몸체(160)의 온도도 상승하게 되면, 프레임부(111) 및 가변 베어링 몸체(160)는 각각의 열팽창 계수에 의해 부피가 팽창된다.

이때, 프레임부(111)는 가변 베어링 몸체(160)에 비해 열팽창이 작으므로, 프레임부(111)에 외주면이 둘러싸이는 가변 베어링 몸체(160)는 외주면 측으로는 팽창이 제한된다. 따라서, 가변 베어링 몸체(160)는 베어링(150)이 장착되는 내주면 측으로 팽창되는 변위가 발생될 수 있다. 이에 의해, 고속 및 고온의 환경에서 베어링(150)과 회전축(123)의 간격이 작아지도록 변화될 수 있다. 가변되는 변위는, 예를 들어, 본 발명의 터보 압축기(100)에서 고온 환경에서 대략 100~150℃ 수준에서, 가변 베어링 몸체(160)의 내경이 5~20 μm 수준으로 감소하도록 이루어질 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 터보 압축기(100)에서, 운전 속도의 증가 시 발열 및 온도 상승에 대응하는 열팽창에 의해 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 간격이 가변되도록 구현됨으로써, 복잡한 제어 장치 및 구조물이 추가되지 않고도 운전 속도에 따른 간격 가변이 이루어질 수 있게 된다.

아울러, 100~150℃ 수준으로 형성되는 고속 운전 환경을 고려할 때, 프레임부(111)와 가변 베어링 몸체(160)가 열간 압입되면, 이러한 고온 환경에서 프레임부(111)와 가변 베어링 몸체(160) 간의 결합이 약해지거나 해체될 염려가 있을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임부(111) 및 가변 베어링 몸체(160)의 결합은, 가변 베어링 몸체(160)를 프레임부(111)에 냉간 압입하여 이루어질 수 있고, 이에 의해 고온 환경에서도 구조적 결합이 유지되어 베어링(150)과 회전축(123)의 간격 가변이 안정적으로 구현될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따라, 고속 운전 환경에서의 온도 상승에 대응하여 가변되는 베어링 조립체에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 고속 운전 환경에서의 고압의 토출압에 대응하여 가변되는 베어링 조립체에 대하여 설명한다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 베어링 조립체를 보인 단면도이며, 도 5b는 도 5a에 도시된 가변 베어링 몸체를 보인 단면도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 프레임부(211)가 연통 유로(211a)를 구비하고, 가변 베어링 몸체(260)는 가압 챔버(261)를 구비한다. 연통 유로(211a) 및 가압 챔버(261)는 압축 유닛(130)에서 토출되는 냉매의 압력을 이용하여 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 간격을 감소시키는 역할을 수행한다.

연통 유로(211a)는 압축 유닛(130)에서 토출된 유체를 수용하는 공간과 연통되도록 형성된다. 도 5a 및 5b에 보인 것과 같이, 연통 유로(211a)는 프레임부(211)의 내부를 관통하여 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 회전축(123)의 반경 방향으로 관통 형성될 수 있다. 또한, 연통 유로(211a)는 회전축(123)을 중심으로 원주 방향을 따라 복수 개가 이격 배치되도록 형성될 수 있다.

한편, 가압 챔버(261)는 가변 베어링 몸체(260)의 내부에 형성되고, 연통 유로(211a)와 연통되는 공간으로 이루어질 수 있다. 연통 유로(211a)가 회전축(123)의 원주 방향으로 복수 개 형성되는 경우에는 각각의 연통 유로(211a)에 연통되도록 복수 개가 독립된 공간으로 형성될 수 있다. 또는, 도 5a 및 5b에 보인 것과 같이, 가압 챔버(261)는 회전축(123)을 중심으로 원주 방향으로 연장 형성되는 하나의 공간으로 이루어질 수도 있다. 구체적으로, 중공 원통형의 가변 베어링 몸체(260) 내부에 환형의 공간을 형성할 수 있다.

또는, 가압 챔버(261)는 가변 베어링 몸체(260) 및 프레임부(211)의 결합에 의해 형성되는 공간일 수 있다. 가변 베어링 몸체(260)가 중공 원통형으로 이루어지는 경우에, 가변 베어링 몸체(260)의 외주면에는 회전축(123)을 향하는 방향으로 리세스되는 리세스부(262)가 형성될 수 있다. 즉, 도 5b에 보인 것과 같이, 가변 베어링 몸체(260)의 리세스부(262)와 프레임부(211)의 내주면에 의해 마련되는 공간이 가압 챔버(261)가 될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 가압 챔버(261)가 형성되는 가변 베어링 몸체(260)의 재질은 유체의 토출압과 탄성 변형량을 고려하여 설계될 수 있다. 앞서 설명한 일 실시예에서와 같이, 가변 베어링 몸체(260)가 5~20 μm 수준의 변위를 발생시키도록, 압축 유닛(130)에서 토출된 냉매의 압력과, 가변 베어링 몸체(260)의 탄성 계수 및 형상을 고려하여 설계될 수 있다. 이때, 가변 베어링 몸체(260)를 감싸는 프레임부(211)는 탄성 계수가 상대적으로 높은 재질로 형성되어, 가변 베어링 몸체(260)가 회전축(123)을 향하여 변형되는 것을 지지하는 역할을 수행할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 압축기(100)는, 운전 속도의 증가에 대응되는 냉매의 토출압을 이용하여 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 간격이 변화되도록 이루어짐으로써, 별도의 제어 수단이 구비되지 않고도 회전축(123)과 베어링(150) 사이의 간격이 조절될 수 있다.

아울러, 앞서 설명한 경우 중 가압 챔버(261)가 프레임부(211) 및 가변 베어링 몸체(260) 간의 결합에 의해 형성되는 경우, 가변 베어링 몸체(260)에 가압 챔버(261)를 가공하는 작업이 보다 손쉽게 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 가변 베어링 몸체(260)와 프레임부(211)가 서로 가압 챔버(261)를 형성하는 경우, 앞서 설명한 리세스부(262)는 회전축(123)을 향하여 오목한 곡면 형상을 가질 수 있다. 오목한 형상에 의해, 가압 챔버(261) 내에서 냉매가 회전축(123)을 향하여 가압하는 영역이 넓어지게 되어 가압력이 증가될 수 있으며, 냉매의 토출압을 이용하여 필요한 수준의 간격 변화를 구현하기 위하여 오목한 형상을 고려할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따라 프레임부(111, 211)와 가변 베어링 몸체(160, 260)를 구비하는 경우, 하우징(110)에 형성되는 프레임부(111, 211)의 설계 변경에 제약이 있을 여지가 있다. 이러한 경우에는, 본 발명의 가변 베어링 몸체(150, 250)를 제1몸체와 제2몸체를 포함하도록 구성할 수 있다.

예를 들어, 온도 변화에 대응되는 가변 베어링 몸체(160)의 경우, 제1몸체가 프레임부(111)에 지지되는 중공 원통형으로 이루어지고, 제2몸체는 제1몸체보다 큰 열팽창 계수를 갖고, 제1몸체의 내주면에 삽입되는 중공 원통형으로 이루어질 수 있다. 온도 증가에 따라 제1몸체가 제2몸체의 외주면을 지지하여 제2몸체를 내주면 측으로 변형되도록 할 수 있다.

또는, 압력 변화에 대응되는 가변 베어링 몸체(260)의 경우에도, 제1몸체는 연통 유로(211a)를 구비하고 프레임부(211)에 지지되며, 제2몸체는 상대적으로 제1몸체에 비해 탄성 변형이 큰 재질로 이루어져 제1몸체 내부에 삽입될 수 있다.

위와 같은 경우, 가변 베어링 몸체(150, 250) 자체를 별도로 제작할 수 있게 되며, 하우징(110)에 형성되는 프레임부(111, 211) 자체에 대한 재질 선택이나 압입 공정의 가능 여부 등과 관련한 제약 조건으로부터 자유로울 수 있는 이점이 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 터보 압축기(100)를 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100: 터보 압축기 110: 하우징
111, 211: 프레임부 120: 구동 유닛
121: 스테이터 122: 로터
123: 회전축 130: 압축 유닛
131a: 제1임펠러 131b: 제2임펠러
132a: 제1압축실 132b: 제2압축실
133: 연결 유로 140: 추력제한부
141: 스러스트 베어링 142: 스러스트 러너
150: 베어링 151: 탑 포일
152: 범프 포일 160, 260: 가변 베어링 몸체
211a: 연통 유로 261: 가압 챔버
262: 리세스부

Claims (11)

1. 하우징;
   상기 하우징 내부에 수용되어 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터와 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛;
   상기 회전축과 연결되는 임펠러를 구비하여 유체를 압축하는 압축 유닛;
   상기 회전축의 외주면을 감싸도록 형성되고, 상기 회전축을 회전 가능하도록 수용하는 베어링; 및
   상기 하우징에 형성되는 프레임부에 결합되고, 상기 베어링의 외주면을 감싸 지지하며, 운전 속도의 증가 시 상기 회전축을 향하는 방향으로 변위를 발생시키도록 이루어지는 가변 베어링 몸체를 포함하는 터보 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가변 베어링 몸체는 중공 원통형으로 형성되고, 상기 프레임부보다 열팽창 계수가 큰 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 프레임부의 재질은 철로 이루어지고,
   상기 가변 베어링 몸체의 재질은 황동, 알루미늄 및 구리 중 어느 하나로 이루어지는 터보 압축기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 프레임부는, 상기 압축 유닛에서 토출된 유체를 수용하는 공간과 연통되도록 형성되는 연통 유로를 구비하고,
   상기 가변 베어링 몸체는, 상기 연통 유로와 연통되는 공간으로 이루어지는 가압 챔버를 구비하는 터보 압축기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 연통 유로 및 가압 챔버는 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 복수 개가 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
6. 제4항에 있어서,
   상기 가압 챔버는 상기 회전축을 중심으로 원주 방향을 따라 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
7. 제4항에 있어서,
   상기 가변 베어링 몸체는 중공 원통형으로 이루어지고,
   상기 가압 챔버는 상기 가변 베어링 몸체의 외주면에서 리세스되는 리세스부와 상기 프레임부의 내주면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 리세스부는 상기 회전축을 향하여 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 압축기.
9. 하우징;
   상기 하우징 내부에 수용되어 회전력을 발생시키는 스테이터 및 로터와, 상기 로터와 연결되어 회전되는 회전축을 구비하는 구동 유닛;
   상기 회전축과 연결되는 임펠러를 구비하여 유체를 압축하는 압축 유닛; 및
   상기 하우징에 형성되는 프레임부에 장착되어 상기 회전축을 회전 가능하도록 지지하는 베어링 조립체를 포함하며,
   상기 베어링 조립체는,
   상기 회전축의 외주면을 감싸도록 형성되고, 상기 회전축의 반경 방향으로 탄성 변형되도록 이루어지는 포일 베어링;
   상기 포일 베어링을 지지하도록 감싸고, 운전 속도의 증가 시 상기 회전축을 향하는 방향으로 변위를 발생시키도록 이루어지는 가변 베어링 몸체를 포함하는 터보 압축기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 가변 베어링 몸체는,
    상기 프레임부에 지지되고, 중공 원통형으로 이루어지는 제1몸체; 및
    상기 제1몸체의 내주면에 장착되는 중공 원통형으로 형성되고, 상기 제1몸체보다 열팽창 계수가 크도록 이루어지는 제2몸체를 구비하는 터보 압축기.
11. 제9항에 있어서,
    상기 가변 베어링 몸체는,
    상기 프레임부에 지지되는 중공 원통형으로 형성되고, 상기 압축 유닛에서 토출된 유체를 수용하는 공간과 연통되도록 형성되는 연통 유로를 구비하는 제1몸체; 및
    상기 제1몸체의 내주면에 장착되는 중공 원통형으로 형성되고, 상기 연통 유로와 연통되는 가압 챔버를 구비하는 제2몸체를 포함하는 터보 압축기.

Images