KR20190031906A

KR20190031906A - 고속 고효율 터보 공기압축기

Info

Publication number: KR20190031906A
Application number: KR1020170120171A
Authority: KR
Inventors: 이재형; 손석우; 김준호; 은동기
Original assignee: (주)대주기계
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-03-27
Also published as: KR101966650B1

Abstract

고속 고효율 터보 공기압축기에 관한 것으로,
모터 하우징의 내부에 고정자와 회전자, 구동축이 설치되고, 구동축의 양단에 제1임펠러와 제2임펠러가 설치되는 모터; 모터 하우징의 일측에 장착되고, 외측에 제1디퓨져 케이스가 장착되고, 내주면에 제1베어링 및 제1베어링 하우징이 설치되는 제1베어링 플레이트; 모터 하우징의 타측에 장착되고, 외측에 제2디퓨져 케이스가 장착되고, 내주면에 제2베어링 및 제1베어링 하우징이 설치되는 제2베어링 플레이트;를 포함하고, 제1베어링 하우징 및 제2베어링 하우징에 제1베어링 및 제2베어링에 윤활유를 공급하기 위한 윤활유 공급배관이 접속되고, 제1베어링 하우징 및 제2베어링 하우징에 각각 온도센서 설치구멍이 마련되고, 각 온도센서 설치구멍에 온도센서가 설치된 기술 구성을 통하여
모터 구동에 따른 공기 압축과정에서 베어링의 파손 및 모터 구동축의 손상을 방지할 수 있게 되는 것이다.

Description

고속 고효율 터보 공기압축기 { TURBO AIR COMPRESSOR WITH HIGH SPEED AND EFFICIENCY }

본 발명은 고속 고효율 터보 공기압축기에 관한 것으로, 더 자세하게는 모터 구동과정에서 제1베어링과 제2베에링의 윤활유 온도를 감지하여 이상발생시에 모터를 정지시킴으로써 베어링의 파손과 모터 구동축의 손상을 방지할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

최근 국제사회는 기후변화 문제에 적극적으로 대응 및 CO₂ 배출 감소를 위한 각종 협약 및 의정서 등을 체결하고 있으며, 이와 병행하여 소비 에너지 절감을 위한 다각적 노력을 기울이고 있다.

이에 세계 각국은 구체적으로 감축목표를 설정하여 국가의 주요 전략으로 채택하고 있으며, 우리나라의 경우, 2030년까지 배출전망치(BAU) 대비 37%까지 온실가스 배출을 감축하는 목표를 설정하고 있다.

그런데 자동차, 전기전자, 기타 중공업 등의 분야에서 많이 사용되는 중형압축기(100HP)의 경우 대부분 오일 윤활 시스템을 이용하는 스크루 방식을 채택하고 있어 폐오일의 발생, CO₂ 배출 등의 환경문제에 노출되어 있는 상황이다.

이에 전 세계적으로 오일프리(Oil-Free) 압축기 수요가 크게 증가하고 있고, 이에 맞추어 고속 고효율 터보 공기 압축기의 개발이 요구되고 있다.

일반적으로 공기압축기(air compressor)는 피스톤, 임펠러, 스크류 등에 공기압축 기구를 사용하여 공기를 필요한 압력으로 압축시켜 탱크 등에 저장하는 장치를 지칭한다.

공기압축기는 압축방식에 따라 크게 원심형과 용적형으로 구분될 수 있다.

원심형은 회전에 의한 원심력을 통해 공기의 압력과 속도를 높이는 것으로, 축류식과 다류식으로 다시 구분될 수 있고, 회전자의 각도에 따라 다익형, 레디얼형, 터보형 등으로 구분되기도 한다.

통상적으로 사용되는 원심형 공기압축기는 터보형이 주를 이루고 있다.

용적형은 왕복동식과 회전식으로 구분될 수 있는데, 왕복동식은 피스톤을 구비하고 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동됨에 따라 공기를 압축시키는 방식이고, 회전식은 메일(male), 피메일(female) 스크류 로터가 회전되면서 압축 공기를 만들어내는 통상 스크류식 공기압축기로 지칭되는 방식이다.

이처럼 공기압축기는 상당히 다양한 방식 및 종류가 존재하나, 통상적으로는 운용환경에 따라 왕복동식 또는 스크류식이 선택되어 사용된다.

왕복동식은 상대적으로 고압에 유리하나 압축 용량이 피스톤의 크기와 직결되므로 용량면에서는 단점을 가지고 있고, 스크류식은 2개의 스크류 로터가 회전하는 동안 흡입, 압축, 토출이 연속적으로 이뤄지므로 용량 면에서는 유리한 이점이 있지만 왕복동식에 비해 고압의 압축에는 적합하지 않다.

이러한 제약으로 인해, 통상적으로 대용량의 공기를 저압으로 압축시키는 경우에는 스크류식이 주로 사용되고, 보다 적은 용량의 공기를 고압으로 압축시키는 경우에는 왕복동식이 주로 사용된다.

한편, 고압 공기압축기의 일종으로 다단압축식 공기압축기가 알려져 있다.

다단압축식은 하나의 압축기로 충분한 압력에 다다를 수 없는 경우, 복수의 공기압축기를 거쳐 공기가 연속적으로 다단 압축되도록 함으로써, 고압 또는 초고압 영역에서의 압축을 가능케 한다.

이러한 다단압축식 공기압축기는 복수의 왕복동식 공기압축기를 순차적으로 직렬 연결한 구조로 이뤄지게 되며, 복수의 피스톤이 중앙의 크랭크 축에 설치되어 크랭크 축의 회전에 따라 왕복운동됨에 따라 각 단(satge)에서의 압축과정을 수행하게 된다.

그러나 상기와 같이 왕복동식이 조합된 다단압축식 공기압축기는 필요한 압축용량을 충족시키기 위해 저단(low stage)에서 피스톤의 크기가 커지게 되며, 이로 인해 장치의 무게나 부피가 커지게 되어 장치의 소형화에 한계가 있다.

또한, 고단(high stage)으로 갈수록 피스톤의 크기가 급격히 작아지면서 저단과 고단의 피스톤 간에 중량이나 기진력이 크게 차이나게 되고, 이와 같은 중량이나 기진력의 불균형은 구동시 소음 및 진동을 일으키게 된다.

상기와 같은 소형화의 한계나 소음 진동의 문제점은 설치공간이 제한되거나 소음 진동에 민감한 환경에서 보다 크게 문제될 수 있다.

하기의 특허문헌 1에는 냉각 시스템의 효율을 우수하게 유지함과 아울러 구성을 단순하고 컴펙트하게 구성할 수 있는 고속모터 직결구동 3단 터보압축기가 개시되어 있다.

특허문헌 1의 3단 터보압축기는 제1 임펠러와, 제2 임펠러 및 제3 임펠러를 구비하고, 제1,2,3 임펠러를 회전 구동시키는 2개 이상의 구동용 모터를 포함하여 압축을 수행하는 것으로서, 단일개의 냉각용 임펠러를 사용하여 2개 이상의 구동용 모터를 냉각하는 형태이다.

하기의 특허문헌 2에는 저단 영역의 스크류식과 고단 영역의 왕복동식이 조합된 다단압축식 공기압축기가 개시되어 있다.

특허문헌 2의 다단압축식 공기압축기는 케이스 조립체; 베드 조립체; 스크류식 압축기로 구성되는 1단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 2개의 2단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 3단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 4단 압축기; 및 상기 크랭크 축을 회전시켜 상기 2단 내지 4단 압축기의 피스톤에 구동력을 제공하며, 벨트를 통해 상기 1단 압축기의 스크류 로터로 구동력을 제공하는 전동기;를 포함하는 형태이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1318800호 (2013년 10월 10일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1752308호 (2017년 06월 23일 등록)

한편, 모터 구동에 따른 공기 압축과정에서 모터 구동축의 고속 회전을 지지하기 위한 베어링에는 윤활유가 공급되고, 베어링에 공급된 윤활유는 회수배관을 통해 회수된다.

그런데 종래 기술에 따른 터보 공기압축기에서는 윤활유의 공급과정 및 회수과정에서 이상이 발생하게 되면 베어링에 공급된 윤활유의 온도가 상승하게 되고, 그에 따라 베어링의 파손이나 모터 구동축의 손상이 유발되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 공기 압축과정에서 모터의 구동축의 회전을 지지하는 베어링의 과열로 인한 베어링의 파손 및 모터의 구동축의 손상을 방지할 수 있도록 하는 고속 고효율 터보 공기압축기를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기는 모터 하우징의 내부에 고정자와 회전자, 구동축이 설치되고, 구동축의 양단에 제1임펠러와 제2임펠러가 설치되는 모터; 모터 하우징의 일측에 장착되고, 외측에 제1디퓨져 케이스가 장착되고, 내주면에 제1베어링 및 제1베어링 하우징이 설치되는 제1베어링 플레이트; 모터 하우징의 타측에 장착되고, 외측에 제2디퓨져 케이스가 장착되고, 내주면에 제2베어링 및 제1베어링 하우징이 설치되는 제2베어링 플레이트;를 포함하고, 제1베어링 하우징 및 제2베어링 하우징에 제1베어링 및 제2베어링에 윤활유를 공급하기 위한 윤활유 공급배관이 접속되고, 제1베어링 하우징 및 제2베어링 하우징에 각각 온도센서 설치구멍이 마련되고, 각 온도센서 설치구멍에 온도센서가 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기는 제1베어링 하우징 및 제2베어링 하우징에 설치된 온도센서의 센싱값에 따라 모터 및 윤활이상표시부(181)의 작동을 제어하는 제어유니트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기는 제어유니트는 온도센서에 의해 감지된 윤활유 온도가 설정된 값 이상이면 모터를 정지시키고, 윤활이상표시부를 작동시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기에 의하면, 공기 압축과정에서 모터 구동축을 지지하는 제1베어링 및 제2베어링의 윤활상태를 감지하여 윤활유의 온도가 상승하였을 때에 모터를 정지시킴으로써 베어링의 파손 및 모터 구동축의 손상을 방지할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기에 의하면, 베어링의 이상으로 인한 모터의 손상을 방지할 수 있게 되므로 터보 공기압축기의 내구성 및 상품성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 구성을 나타낸 종단면도,
도 2는 동 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 모터 제어 구성도,
도 3은 동 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 모터 제어 흐름도.

이하 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 구성을 나타낸 종단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기(100)는 모터(110), 제1베어링 플레이트(120) 및 제2베어링 플레이트(130)를 포함한다.

모터(110)는 모터 하우징(111)과, 모터 하우징(111)의 내부에 설치되는 고정자(112)와 회전자(113), 구동축(114)을 포함한다.

회전자(113)를 관통한 구동축(114)은 일단은 제1베어링 플레이트(120)를 관통하고, 구동축(114)의 타단은 제2베어링 플레이트(130)를 관통한다.

제1베어링 플레이트(120)은 모터 하우징(111)의 일측에 장착된다.

제1베어링 플레이트(120)의 외측면에는 제1구동축 커버(121)가 장착되고, 제1베어링 플레이트(120)와 제1구동축 커버(121)의 외측에는 제1디퓨져 케이스(140)가 장착된다.

제1베어링 플레이트(120)의 구동축 통과구멍 내주면에는 구동축(114)의 회전을 지지하기 위한 제1베어링(123) 및 제1베어링 하우징(124)이 설치된다.

제2베어링 플레이트(130)는 모터 하우징(111)의 타측에 장착된다.

제2베어링 플레이트(130)의 외측면에는 제2구동축 커버(131)가 장착되고, 제2베어링 플레이트(130)와 제2구동축 커버(131)의 외측에는 제2디퓨져 케이싱(150)이 장착된다.

제2베어링 플레이트(130)의 구동축 통과구멍 내주면에는 구동축(114)의 회전을 지지하기 위한 제2베어링(133) 및 제2베어링 하우징(134)이 설치된다.

제1디퓨져 케이스(140) 일측에는 제1토출관(141)이 마련되고, 제2디퓨져 케이스(150) 일측에는 제2토출관(151)이 마련된다.

제1구동축 커버(121)와 제1디퓨져 케이스(140) 사이에 제1압축실(S1)이 마련되고, 제2구동축 커버(131)와 제2디퓨져 케이스(150) 사이에 제2압축실(S2)이 마련된다.

구동축(114)의 양 선단에는 각각 제1압축실(S1)에 배치되는 제1임펠러(161) 및 제2압축실(S2)에 배치되는 제2임펠러(162)가 설치된다.

제1임펠러(161)의 전방에는 제1흡입관(171)이 배치되며, 제2임펠러(162)의 전방에는 제2흡입관(172)이 배치된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터보 공기압축기(100)에는 모터 및 베어링을 냉각시키기 위하여 다수의 냉매 유입부(Mi) 및 냉매 유출부(Mo)가 형성되며, 냉매 및 공기를 유동시키기 위하여 내부에 유체유로(Fw)가 형성된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기(100)의 제1베어링 하우징(124) 및 제2베어링 하우징(134)에는 제1베어링(123) 및 제2베어링(133)에 윤활유를 공급하기 위한 윤활유 공급배관이 접속된다.

도 2는 동 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 모터 제어 구성도이고, 도 3은 동 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기의 모터 제어 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기(100)에 있어서 제1베어링 하우징(124) 및 제2베어링 하우징(134)에는 각각 온도센서 설치구멍(124a)(134a)이 마련된다.

제1베어링 하우징(124) 및 제2베어링 하우징(134)에 마련되는 각 온도센서 설치구멍(124a)(134a)에는 온도센서(T1)(T2)가 설치된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기(100)는 제1베어링 하우징(124) 및 제2베어링 하우징(134)에 설치된 온도센서(T1)(T2)의 센싱값에 따라 모터(110) 및 윤활이상표시부(181)의 작동을 제어하는 제어유니트(180)를 포함한다.

제어유니트(180)는 온도센서(T1)(T2)에 의해 감지된 윤활유 온도가 설정된 값 이상이면 모터(110)를 정지시키고, 윤활이상표시부(181)를 작동시킨다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기(100)의 작동은 다음과 같다.

먼저, 모터(110)의 구동으로 구동축(114)이 회전하게 되면 구동축(114) 양단에 설치된 제1임펠러(161)과 제2임펠러(162)가 회전하게 된다.

제1임펠러(161)의 회전과정에서 제1흡입관(171)으로 흡입된 공기는 제1압축실(S1)로 유입되고, 제1임펠러(161)에 의해 1차 압축된다.

제1임펠러(161)에 의해 1차 압축된 공기는 제1인터쿨러를 통해 냉각된 후 제2흡입관(172)을 통해 제2압축실(S2)로 공급되고, 제2임펠러(162)에 의해 2차 압축된다.

제2임펠러(162)에 의해 2차 압축된 유체는 제2토출관(151)을 통해 토출된 후 제2인터쿨러를 통해 냉각된다.

한편, 모터(110)의 구동과정에서는 윤활유 공급배관을 통해 구동축(114)이 원활하게 회전되도록 구동축(114)을 지지하는 제1베어링(123) 및 제2베어링(133)에 윤활유가 공급되고, 제1베어링(123)과 제2베어링(123)에 공급된 윤활유는 별도의 회수배관을 통해 회수된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기(100)는 공기 압축과정에서 제1베어링 하우징(124) 및 제2베어링 하우징(134)에 설치된 온도센서(T1)(T2)를 통해 제1베어링(123) 및 제2베어링(133)에 작용하는 윤활유의 온도를 감지하고, 그 감지값을 제어유니트(180)로 전송한다.

윤활유 공급배관을 통해 제1베어링(123) 및 제2베어링(133)에 공급되는 윤활유가 회수배관을 통해 정상적으로 회수될 때에는 온도센서(T1)(T2)를 통해 감지되는 윤활유의 온도가 설정된 범위내에 있게 된다.

그러나 윤활유 공급배관을 통한 윤활유의 공급이 정상적으로 이루어지지 않게 되거나 제1베어링(123) 및 제2베어링(133)에 공급된 윤활유가 회수배관을 통해 정상적으로 회수되지 않을 때에는 제1베어링(123) 및 제2베어링(133)에 작용하는 윤활유의 압력 및 온도가 상승하게 되고, 이때 온도센서(T1)(T2)를 통해 감지되는 윤활유의 온도는 설정값을 초과하게 된다.

상기에서 온도센서(T1)(T2)를 통해 감지되는 윤활유의 온도는 설정값을 초과하게 되면 제어유니트(180)는 모터(110)를 정지시켜 구동축(114)이 손상되지 않도록 한다.

또한, 제어유니트(180)는 윤활이상표시부를 작동하여 베어링 윤활계통의 이상이 있음을 알리게 된다.

이처럼 본 발명에 따른 고속 고효율 터보 공기압축기(100)는 공기 압축과정에서 모터(110)의 구동축(114)의 회전을 지지하는 재1베어링(123) 및 제2베어링(133)의 윤활에 문제가 발생하였을 때에 모터(110)를 정지시킴으로써 해당 베어링(123)의 파손 및 모터(110)의 구동축(114)의 손상을 방지할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 터보 공기압축기
110 : 모터
114 : 구동축
120 : 제1베어링 플레이트
123 : 제1베어링
124 : 제1베어링 하우징
130 : 제2베어링 플레이트
133 : 제2베어링
134 : 제2베어링 하우징
140 : 제1임펠러
150 : 제2임펠러
180 : 제어유니트
181 : 윤활이상표시부
T1, T2 : 온도센서

Claims

모터 하우징(111)의 내부에 고정자(112)와 회전자(113), 구동축(114)이 설치되고, 구동축(114)의 양단에 제1임펠러(161)와 제2임펠러(162)가 설치되는 모터(110);
모터 하우징(111)의 일측에 장착되고, 외측에 제1디퓨져 케이스(140)가 장착되고, 내주면에 제1베어링(123) 및 제1베어링 하우징(124)이 설치되는 제1베어링 플레이트(120);
모터 하우징(111)의 타측에 장착되고, 외측에 제2디퓨져 케이스(150)가 장착되고, 내주면에 제2베어링(133) 및 제1베어링 하우징(134)이 설치되는 제2베어링 플레이트(130);를 포함하고,
제1베어링 하우징(124) 및 제2베어링 하우징(134)에 제1베어링(123) 및 제2베어링(133)에 윤활유를 공급하기 위한 윤활유 공급배관이 접속되고,
제1베어링 하우징(124) 및 제2베어링 하우징(134)에 각각 온도센서 설치구멍(124a)(134a)이 마련되고, 각 온도센서 설치구멍(124a)(134a)에 온도센서(T1)(T2)가 설치된 것을 특징으로 하는 고속 고효율 터보 공기압축기.
제1항에 있어서,
제1베어링 하우징(124) 및 제2베어링 하우징(134)에 설치된 온도센서(T1)(T2)의 센싱값에 따라 모터(110) 및 윤활이상표시부(181)의 작동을 제어하는 제어유니트(180);를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 고효율 터보 공기압축기.
제2항에 있어서,
제어유니트(180)는 온도센서(T1)(T2)에 의해 감지된 윤활유 온도가 설정된 값 이상이면 모터(110)를 정지시키고, 윤활이상표시부(181)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 고속 고효율 터보 공기압축기.