KR20190032867A - 드라이 가스 실에 적용된 자기 감쇠기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기에 적용되는 자기 감쇠기 시스템에 관한 것으로, 기어 유닛과 연결되어 구동력을 전달받아 회전축을 중심으로 회전하고, 회전체와 연결되어 상기 구동력을 상기 회전체로 전달하는 샤프트; 상기 샤프트로부터 상기 샤프트의 반경 방향으로 이격됨과 동시에 상기 샤프트를 둘러싸도록 형성되며, 각각 상기 회전축과 나란한 방향으로 이격되어 배치되는 2개의 실링 블록을 포함하되, 상기 회전체와 상기 회전체에 인접하게 배치된 상기 실링 블록의 사이 공간에는 프로세스 가스가 인입되고, 상기 회전체로부터 멀리 배치된 상기 실링 블록과 상기 샤프트의 사이 공간에는 실 가스가 인입되며, 상기 프로세스 가스 및 상기 실 가스는 상기 2개의 실링 블록 사이 공간으로 배출됨으로써 드라이 가스 실을 구성하고, 상기 샤프트가 기 설정된 위치에 위치하도록, 상기 2개의 실링 블록이 상기 샤프트에 자기력을 작용하는 전자석을 각각 포함한다.

Description

드라이 가스 실에 적용된 자기 감쇠기 시스템 {Magnetic damper system applied to dry gas seal}

본 발명은 자기 감쇠기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축기 또는 팽창기에 구비된 자기 감쇠기 시스템에 관한 것이다.

원심 압축기는 회전 운동을 하는 임펠러를 이용하여 유체에 원심력을 부여함으로써, 유체가 압축되도록 하는 장치이다. 도 1을 참조하면 원심 압축기 또는 팽창기에도 적용될 수 있는 전반적인 구성을 확인할 수 있다.

원심 압축기는 일반적으로 구동력을 생산하는 구동부와, 구동부와 연결되는 기어 유닛과, 기어 유닛과 연결되어 구동력을 전달받아 회전하는 샤프트와, 회전축에 연결되어 회전하는 임펠러(102, impeller)와, 임펠러(102)를 둘러싸는 스크롤 및 기타 터빈 케이싱(101) 등을 포함할 수 있다.

이 중 임펠러(102)는 회전 운동에너지를 유체에 전달시켜 유체의 압력을 상승시키는 기능을 한다. 임펠러(102)는 허브, 유체의 이동을 돕고 에너지를 유체에 전달하는 다수 개의 블레이드(blade) 등을 구비하며, 블레이드는 허브의 외주면에 형성될 수 있다. 이때, 임펠러(102)는 허브를 회전시킴으로써 블레이드를 회전시켜 유체를 흡입하여 외부로 토출시킬 수 있다.

임펠러(102)의 후면에는 임펠러(102)에 의해 압축된 유체가 기어박스 영역으로 새어나가지 않도록 하는 밀봉 기술이 적용되었고, 최근 회전하는 임펠러(102)의 회전축을 냉각시키고 축하중을 감소시킬 수 있는 장치인 드라이 가스 실(103, DGS, Dry Gas Seal)이 사용되고 있다. 윤활유를 사용하는 오일 실과 달리, 실 가스를 유로로 인입시켜 임펠러 후면을 밀봉하는 기술이다.

이러한 DGS(103)에 최근 초임계 이산화탄소(sCO2, supercritical carbon dioxide)를 사용하는 방법이 제안되었다. 도 2를 참조하면, 초임계 이산화탄소를 이용한 DGS의 구조를 확인할 수 있다. 이러한 sCO2 DGS에선 실 쪽에서 인입되는 저온의 실 가스(107)와 임펠러 쪽에서 인입되는 고온의 프로세스 가스(106)가 중심에서 만나 중심 유로로 토출된다. 따라서 실 가스(107)와 프로세스 가스(106)가 각각 인입되는 인입 유로와, 섞인 가스(108)가 토출되는 중심 유로를 형성하기 위해 두 개의 실링 블록(104, sealing block)이 필요하다.

고온의 프로세스 가스(106)는 약 705℃의 가스가 사용될 수 있다. 임펠러(102)는 고온의 프로세스 가스(106)가 인입되는 유로를 형성하고 샤프트(31)는 임펠러(102)와 맞닿아 있으므로, 고온의 프로세스 가스(106)로부터 임펠러(102)를 따라 샤프트(31)로 열이 전달될 수 있다. 그런데 기존의 sCO2 DGS에는 고온의 프로세스 가스(106)로 인해 임펠러(102)로부터 샤프트(31)로 전도되는 열을 냉각시키는 수단이 별도로 존재하지 않는다.

한편, 안정적인 압축기 또는 팽창기의 운전을 위해 압축기의 회전축은 안정적으로 위치를 유지하고 있어야 한다. 이를 유지하기 위해 샤프트에는 스러스트 칼라(thrust collar), 저널 베어링(journal bearing) 등이 사용되어 샤프트를 지지한다. 그러나 스러스트 칼라와 저널 베널링을 사용하더라도 회전축의 회전에 의한 진동을 완전히 상쇄할 수는 없다.

이에 본 발명에서는 샤프트로 전도되는 열을 냉각시키는 수단을 포함하고, 샤프트의 회전에 따른 진동을 추가적으로 억제할 수 있는 자기 감쇠기 시스템을 제안하고자 한다.

일본 등록특허 제3879414호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 압축기 또는 팽창기에 드라이 가스 실과 함께 자기 감쇠기 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템은, 구동력을 전달받아 회전축을 중심으로 회전하는 샤프트; 상기 샤프트로부터 상기 샤프트의 반경 방향으로 이격됨과 동시에 상기 샤프트를 둘러싸도록 형성되며, 각각 상기 회전축과 나란한 방향으로 이격되어 배치되는 2개의 실링 블록을 포함하되, 상기 회전체와 상기 회전체에 인접하게 배치된 상기 실링 블록의 사이 공간에는 프로세스 가스가 인입되고, 상기 회전체로부터 멀리 배치된 상기 실링 블록과 상기 샤프트의 사이 공간에는 실 가스가 인입되며, 상기 프로세스 가스 및 상기 실 가스는 상기 2개의 실링 블록 사이 공간으로 배출됨으로써 드라이 가스 실을 구성하고, 상기 샤프트가 기 설정된 위치에 위치하도록, 상기 2개의 실링 블록이 상기 샤프트에 자기력을 작용하는 전자석을 각각 포함할 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

공간의 낭비 없이 초임계 이산화탄소 DGS와 자기 감쇠기를 구현할 수 있다.

자기 감쇠기를 이용해 샤프트의 회전과 진동을 안정화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다. 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 압축기의 전체적인 모습을 도시한 사시도이다.
도 2는 기존의 초임계 이산화탄소를 사용한 DGS의 구조를 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 사용한 DGS의 구조를 나타낸 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템이 압축기에 설치된상황을 개념적으로 나타낸 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 스러스트 전자석의 구조를 나타낸 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 스러스트 전자석의 구조를 일부 단면과 함께 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 레이디얼 전자석의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 레이디얼 전자석의 구조를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 사용한 DGS의 구조를 나타낸 측단면도이다. 앞서 도 2를 참조한 설명에서 기존의 sCOS DRS는 고온의 프로세스 가스(106)에 의해 임펠러(102)를 따라 고온의 열이 샤프트(31)로 전달되는 문제점을 살펴 보았다. 도 3은 이를 개선하기 위한 구성을 나타낸다.

샤프트(31)는 샤프트(31)를 관통하는 실 가스 유입홀(110)을 포함하고, 임펠러(102)는 임펠러(102)를 관통하는 실 가스 유출홀(111)을 포함할 수 있다. 실 쪽에서 인입된 저온의 실 가스(107)는 실 가스 유입홀(110)을 따라 임펠러(102)와 임펠러 체결샤프트(113) 사이의 공간으로 분기될 수 있다. 분기된 저온의 실 가스(107)는 실 가스 유출홀(111)을 따라 외부로 방출될 수 있다.

실 가스 유입홀(110)을 따라 분기된 저온의 실 가스(112)는 실 가스 유출홀(111)을 따라 방출되기 까지 임펠러(102)의 외주면을 따라 흐르며, 고온의 프로세스 가스(106)에 의해 임펠러(102)로 전달된 열을 냉각시키는 기능을 수행한다. 따라서 고온의 프로세스 가스(106)에 의해 임펠러(102)로부터 샤프트(31)로 전도되는 열을 냉각시켜 필요 이상으로 샤프트(31)의 온도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템이 압축기에 설치된상황을 개념적으로 나타낸 측단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템은 복수의 실링 블록(10, 20), 스러스트 칼라(32), 복수의 축 변위 센서(41) 및 복수의 반경 변위 센서(40)를 포함하고 있음을 확인할 수 있다.

기어 유닛(35)은 다양한 기어가 맞물려 구성되는 동력 전달부로, 구동력을 발생시키는 구동부와 연결되어 기어들의 회전으로 샤프트(31)에 구동력을 전달한다. 기어 유닛(35)이 샤프트(31)와 연결되는 방향은 회전축(A)과 나란한 방향이므로, 스러스트 리미트(33)가 더 형성되어 기어 유닛(35)과 샤프트(31)가 회전축(A) 방향으로 이동할 수 있는 범위를 제한할 수 있다.

샤프트(31)는 기어 유닛(35)과 연결되어 구동력을 전달받아 회전하는 구성요소이다. 샤프트(31)는 회전축(A)을 중심으로 회전하고, 일단에서 기어 유닛(35)과 연결됨과 동시에 타단에서는 회전체(30)와 연결된다. 따라서 회전체(30)는 샤프트(31)의 회전에 따라 동일한 회전축(A)을 중심으로 회전하게 된다.

회전체(30)는 샤프트(31)와 연결되어 회전하는 구성요소로, 임펠러 또는 휠이 될 수 있다. 따라서 인입되는 유체에 대해 운동에너지를 전달하여 압축하는 압축기의 주 기능을 수행한다. 본 발명의 명세서에서는 회전체(30)를 임펠러로 가정하고, 임펠러가 유체를 압축시키는 압축기에 사용되는 것으로 가정하여 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 자기 감쇠기 시스템은 회전력을 이용한 팽창기에도 사용될 수 있다.

실링 블록(10, 20)은 샤프트(31)를 둘러싸도록 형성되는 구성요소로, 복수로 구성되어 초임계 이산화탄소 드라이 가스 실에 필요한 유로를 구성한다. 따라서 회전체(30)의 바로 후방에 2개가 위치한다. 본 발명의 일 실시예에서는 실링 블록(10, 20)이 샤프트(31) 양 단에 위치한 회전체(30)의 후방에 각각 2개씩 위치하여 총 4개가 배치된 것으로 자기 감쇠기 시스템을 구성하였다.

실링 블록(10, 20)은 샤프트(31)의 외주면을 따라 샤프트(31)를 감싸되 샤프트(31)와 접촉하지 않는다. 따라서 샤프트(31)로부터 반경방향으로 일정 간격만큼 이격되어 배치된다. 샤프트(31)는 회전하는 구성요소이나 실링 블록(10, 20)은 회전하지 않으며, 접촉으로 인해 마찰이 일어나지 않는다.

실링 블록(10, 20)은 2개씩 배치되는데, 회전축(A)과 나란한 방향으로 배치된다. 또한 실링 블록(10, 20) 간에도 접촉하지 않도록 배치된다. 따라서 2개의 실링 블록(10, 20)은 회전축(A)과 나란한 방향으로 일정 간격만큼 서로 이격되어 배치된다.

실링 블록(10, 20)은 코일이 감겨 형성된 전자석을 포함한다. 실링 블록(10, 20)이 포함할 수 있는 전자석에는 스러스트 전자석(12)과 레이디얼 전자석(22)의 두 종류가 있으며, 본 발명의 일 실시예를 표현한 도 4에서는 좌측에 위치한 2개의 실링 블록(10)이 스러스트 전자석(12)을, 우측에 위치한 2개의 실링 블록(20)이 레이디얼 전자석(22)을 포함하는 것으로 도시하였으나 배치는 이에 제한되지 않는다. 다만 2개의 스러스트 전자석(12)끼리 하나의 쌍을 이루어야 하고, 레이디얼 전자석(22) 역시 그러하므로 인접한 2개의 실링 블록(10, 20)간에는 동일한 종류의 전자석을 포함해야 한다.

실링 블록(10, 20)이 포함하는 전자석은 외부로부터 전력을 공급받아 자기력을 샤프트 작용부(34) 또는 후술할 스러스트 칼라(32)에 대해서 작용해 샤프트(31)가 올바른 위치에 배치되도록 한다. 실링 블록(10, 20)이 포함하는 전자석의 작용 및 구체적 구성에 대해서는 도 5 내지 도 8에 대한 설명에서 후술한다.

도 4에 도시된 실링 블록 중 좌측에 위치한 실링 블록(10)이 구성하는 드라이 가스 실에 대해서 예시적으로 설명한다. 다만 우측에 위치한 실링 블록(20)에 대해서도 마찬가지의 내용이 적용되며, 가스의 흐름을 좌상단에 위치한 유로에 대해서만 표현하였으나 좌하단, 우상단 및 우하단에 위치한 유로에 대해서도 동일한 가스 흐름이 있다 할 것이다.

회전체(30)와 회전체(30)에 인접하게 배치된 실링 블록(10)의 사이 공간으로는 고온의 프로세스 가스(71)가 인입된다. 본 발명의 일 실시예에서는 프로세스 가스(71)로 초임계 이산화탄소를 사용한다. 인입된 유체가 이어진 유로를 따라서 진행할 것이므로, 프로세스 가스(71)는 회전체(30)와 실링 블록(10) 사이의 공간(14)을 지나, 회전체(30)에 인접하게 배치된 실링 블록(10)과 샤프트(31) 사이 공간(11)으로 진입한다.

2개의 실링 블록(10) 중 회전체(30)로부터 멀리 배치된 실링 블록(10)과 샤프트(31) 사이 공간(11)으로는 저온의 실 가스(72)가 인입된다. 본 발명의 일 실시예에서는 실 가스(72)로 저온의 초임계 이산화탄소를 사용한다.

프로세스 가스(71)와 실 가스(72)는 각각 실링 블록(10, 20)과 샤프트(31) 사이 공간(11)을 진행해 두 실링 블록(10) 사이의 공간(13)에서 만나게 된다. 따라서 2개의 실링 블록(10) 사이 공간(13)으로 섞여서 배출된다. 이로 인해 2개의 실링 블록(10, 20)과 초임계 이산화탄소를 이용한 드라이 가스 실이 구성된다. 기타 드라이 가스 실을 구성하기 위한 라비린스 실(109, labyrinth seal) 등의 구성요소는 일반적인 드라이 가스 실의 구조를 따른다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템은 기어 유닛(35)을 중심으로 샤프트(31)의 양 단에 회전체(30)가 연결된 압축기에 대해서, 회전체(30) 근처에 실링 블록(10, 20)이 위치하도록 하여 설치될 수 있다. 그러나 샤프트(31)의 일단에만 회전체(30)가 연결된 형태로 압축기가 구성될 수도 있으며, 이 경우 실링 블록(10, 20)은 기어 유닛(35)을 중심으로 양 방향이 아닌 일방에만 배치될 수 있다.

스러스트 칼라(32)(thrust collar)는 샤프트(31)의 외주면에 형성되는 구성요소로, 샤프트(31)의 외주면에서 샤프트(31)의 반경 방향으로 돌출된 원환체로 형성되며, 샤프트(31)의 회전에 따라 같이 회전한다.

스러스트 칼라(32)는 2개의 인접한 실링 블록(10)의 사이 공간에서 돌출된다. 따라서 2개의 인접한 실링 블록(10)을 스러스트 칼라(32)가 구분짓고 있는 형상이 된다. 회전축(A)과 나란한 방향에서 스러스트 칼라(32)의 전후에 실링 블록(10)이 하나씩 각각 배치되는 것이다.

스러스트 칼라(32)는 인접한 실링 블록(10)들이 포함한 전자석의 종류가 스러스트 전자석(12)인 경우 반드시 실링 블록(10) 사이에 위치해야 하나, 인접한 실링 블록(20)들이 포함한 전자석의 종류가 레이디얼 전자석(22)인 경우 배치되지 않아도 무관하다. 스러스트 칼라(32)는 전자석에 의한 회전축(A)과 나란한 방향의 자기력을 전달받아 샤프트(31)의 축 방향 움직임을 제어하기 위한 구성요소이기 때문이다. 스러스트 칼라(32)에 전자석에 의한 자기력이 작용하는 과정에 대해서는 도 5 및 도 6에 대한 설명에서 후술한다.

샤프트 작용면(34)은 샤프트(31)의 외주면을 따라 형성되는 얇은 금속 판으로, 바람직하게는 규소강판을 적층하여 형성될 수 있다. 인접한 실링 블록(20)들이 포함한 전자석의 종류가 레이디얼 전자석(22)인 경우 샤프트 작용부(34)가 샤프트(31)의 외주면에 형성되어야 하나, 인접한 실링 블록(10, 20)들이 포함한 전자석의 종류가 스러스트 전자석(12)인 경우 형성되지 않는다. 샤프트 작용부(34)는, 전자석에 의한 샤프트(31) 반경 방향의 자기력을 전달받아 샤프트(31)의 반경 방향 움직임을 제어하기 위한 구성요소이기 때문이다. 샤프트 작용부(34)에 전자석에 의한 자기력이 작용하는 과정에 대해서는 도 7 및 도 8에 대한 설명에서 후술한다.

축 변위 센서(41)는 샤프트(31)의 회전축(A) 방향 변위를 감지한다. 축 변위 센서(41)가 회전축(A) 방향 변위를 감지하는 방법은 광의 발신 및 수신에 의한 방법, 와전류 센서를 이용하는 방법 등이 있으나 그 방법은 이에 제한되지 않는다.

축 변위 센서(41)는 샤프트(31)의 회전축(A) 방향 변위를 감지하기 위해 회전축(A)과 나란한 방향에서 회전체(30)의 정면에 위치할 수 있으나 배치되는 위치는 이에 제한되지 않는다.

축 변위 센서(41)가 감지한 샤프트(31)의 회전축(A) 방향 변위는 실링 블록(10, 20)이 포함하는 전자석 중 스러스트 전자석(12)에 전달되어 샤프트(31)의 회전축(A) 방향 변위를 자기력의 작용으로 제어하도록 한다. 축 변위 센서(41)의 측정값을 이용하여 스러스트 전자석(12)에 흘려줄 전력의 양을 제어하기 위한 제어부가 중간에 경유될 수 있다. 따라서 샤프트(31)가 회전축(A) 방향으로 올바른 위치에서 벗어나 있는 경우, 이를 축 변위 센서(41)가 감지하고 스러스트 전자석(12)에 측정값을 전달함으로써 샤프트(31)에 회전축(A) 방향으로 자기력을 작용해 샤프트의 회전축(A) 방향으로 진동을 억제하고 샤프트(31)를 올바른 위치로 돌아가도록 한다.

반경 변위 센서(40)는 샤프트(31)의 반경 방향 변위를 감지한다. 반경 변위 센서(40)가 반경 방향 변위를 감지하는 방법은 광의 발신 및 수신에 의한 방법, 자기 홀 센서를 이용하는 방법 등이 있으나 그 방법은 이에 제한되지 않는다.

반경 변위 센서(40)는 샤프트(31)의 반경 방향 변위를 감지하기 위해 회전축(A)에 직교하는 방향으로 샤프트(31)를 바라보며 배치될 수 있으나 배치되는 위치는 이에 제한되지 않는다.

반경 변위 센서(40)가 감지한 샤프트(31)의 반경 방향 변위는 실링 블록(10, 20)이 포함하는 전자석 중 레이디얼 전자석(22)에 전달되어 샤프트(31)의 반경 방향 변위를 자기력의 작용으로 제어하도록 한다. 반경 변위 센서(40)의 측정값을 이용하여 레이디얼 전자석(22)에 흘려줄 전력의 양을 제어하기 위한 제어부가 중간에 경유될 수 있다. 따라서 샤프트(31)가 반경 방향으로 올바른 위치에서 벗어나 있는 경우, 이를 반경 변위 센서(40)가 감지하고 레이디얼 전자석(22)에 측정값을 전달함으로써 샤프트(31)에 반경 방향으로 자기력을 작용해 샤프트의 반경 방향 진동을 억제하고 샤프트(31)를 올바른 위치로 돌아가도록 한다.

베어링(50)은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템이 자기력을 작용하는 샤프트(31)를 지지하기 위해 배치된다. 따라서 샤프트(31)를 둘러싸도록 형성되어 샤프트(31)를 지지한다. 본 발명의 일 실시예에서는 베어링(50)이 기어 유닛(35)의 양 옆에 총 2개 배치되는 것으로 표현하였으나, 베어링(50)의 개수 및 배치되는 위치는 이에 제한되지 않는다. 베어링(50)으로는 저널 베어링이 사용될 수 있으나, 베어링(50)의 종류 역시 이에 제한되지 않는다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 스러스트 전자석(12)의 구조 및 작용을 살펴본다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 스러스트 전자석(12)의 구조를 나타낸 측단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 스러스트 전자석(12)의 구조를 일부 단면과 함께 나타낸 사시도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 실링 블록(10, 20)은 스러스트 전자석(12)을 포함할 수 있고, 2개의 실링 블록(10, 20) 사이에는 스러스트 칼라(32)가 배치될 수 있다.

도전성의 코일이 샤프트(31)를 둘러싸도록 감겨서 스러스트 전자석(12)을 구성한다. 실링 블록(10, 20)이 회전축(A) 방향으로 스러스트 칼라(32)의 전후에 하나씩 배치되어 2개가 인접하게 배치되어 있으므로, 각 실링 블록(10, 20)의 내부에 샤프트(31)를 둘러싸도록 감긴 코일이 수용된다. 총 2개의 스러스트 전자석(12)이 배치되는 것이다.

스러스트 전자석(12)을 구성하는 코일은 샤프트(31)를 둘러싼 원환체로 형성된다. 따라서 코일의 원주 방향을 따라서 전류가 흐르게 되고, 이에 따라 코일이 형성하는 원의 중심에서는 원에 직교하는 방향으로 향하는, 회전축(A) 방향과 나란한 자기력선(60)이 형성되고, 원의 반경 방향 바깥에서는 원의 중심에서 형성된 자기력선(60)의 방향과 반대되는 방향으로 자기력선(60)이 형성된다.

회전축(A) 방향과 나란한 방향에서 코일의 전후방에 형성되는 자기력선(60)은 샤프트(31)의 반경 방향으로 형성되며, 코일의 전방에 형성된 자기력선(60)의 방향과 코일의 후방에 형성된 자기력선(60)의 방향이 서로 반대가 된다. 따라서 코일을 둘러싼 자기력선(60)의 폐루프가 형성된다.

실링 블록(10, 20)은 자속이 흐를 수 있는 금속으로 형성될 수 있고, 스러스트 칼라(32) 역시 마찬가지로 금속으로 형성될 수 있다. 따라서 스러스트 전자석(12)에 의해서 형성된 자속이 실링 블록(10) 및 스러스트 칼라(32)를 통해서 흐를 수 있다. 절연체나 에어 갭을 통해 자속이 흐르도록 하지 않고, 투자율이 높은 금속을 배치함으로써 전자석의 효율을 높이는 것이다.

도 5에서는 하방에 위치한 스러스트 전자석(12)의 단면 주변에만 자기력선(60)을 도시하였다. 그러나 상방에 위치한 스러스트 전자석(12)의 단면 주변에는 도시되지 않았으나 하방에 위치한 스러스트 전자석(12)의 단면 주변에 형성된 자기력선(60)과 회전축(A)을 중심으로 대칭되게 자기력선(60)이 형성된다. 좌하방에 위치한 스러스트 전자석(12)의 단면 주변에서 형성되는 자기력선(60)의 폐루프가 시계방향으로 순환하도록 형성된다면, 좌상방에 위치한 스러스트 전자석(12)의 단면 주변에서는 반시계방향으로 순환하는 자기력선(60)의 폐루프가 형성되는 것이다. 이러한 자기력선(60)의 흐름 방향은 예시적인 것으로, 반대 방향도 가능하다.

도 5에서 좌측에 위치한 스러스트 전자석(12)과 우측에 위치한 스러스트 전자석(12)은 서로 반대 방향의 자기력선(60) 폐루프를 형성하므로, 중심에 위치한 스러스트 칼라(32)에 대해 각각 인력을 작용하게 된다. 따라서 스러스트 칼라(32)는 회전축(A)과 나란한 양 방향으로 각각의 스러스트 전자석(12)에 의해 인력을 받는 상태가 되고, 그 균형이 이루어지는 곳에 위치한다.

만일 샤프트(31)가 도 5 내에서 올바른 위치보다 우측으로 치우쳐 있다면, 축 변위 센서(41)가 이러한 샤프트(31)의 회전축(A) 방향 변위를 감지하게 된다. 축 변위 센서(41)는 스러스트 전자석(12)에 제어 신호를 전달한다. 좌측에 위치한 스러스트 전자석(12)이 더 강하게 스러스트 칼라(32)를 잡아당기는 자기력을 발생시키도록 하는 것이다. 따라서 변화된 자기력에 의해 스러스트 칼라(32)는 좌측으로 이동하여 스러스트 칼라(32)와 결합된 샤프트(31)를 올바른 위치에 배치시킨다.

또한 샤프트(31)에 대해 회전축(A) 방향으로 충격 또는 진동이 발생하는 경우, 이에 대해서도 지속적으로 스러스트 전자석(12)이 자기력을 작용하고 있으므로, 움직임을 감쇠시키고 올바른 위치로 돌아올 수 있도록 한다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 레이디얼 전자석(22)의 구조 및 작용을 살펴본다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 레이디얼 전자석(22)의 구조를 일부 개방시켜 나타낸 사시도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 레이디얼 전자석(22)의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감쇠기 시스템의 실링 블록(20)은 레이디얼 전자석(22)을 포함할 수 있다.

실링 블록(20)에는 샤프트(31)의 반향 방향으로 연장되는 돌출부(23)가 실링 블록(20)의 원주를 따라 복수개로 일정 간격마다 배치된다. 본 발명의 일 실시예에서는 실링 블록(20)의 내주면으로부터 돌출부(23)가 샤프트(31)를 향해 샤프트(31)의 반경 방향을 따라 돌출되도록 하였다. 도전성의 코일이 상기 돌출부(23)를 둘러싸도록 감겨서 복수의 레이디얼 전자석(22)을 구성한다.

레이디얼 전자석(22)을 구성하는 코일은 돌출부(23)를 둘러싼 환형으로 형성된다. 따라서 코일이 감긴 방향을 따라서 전류가 흐르게 되고, 이에 따라 코일이 형성하는 고리의 중심에서는 상기 고리에 직교하는 방향으로 향하는, 돌출부(23) 방향과 나란한 자기력선(61)이 형성된다.

서로 인접한 레이디얼 전자석(22)에 전류를 반대 방향으로 흘려주어, 각각의 레이디얼 전자석(22)의 코일이 형성하는 고리의 중심에 서로 반대되는 방향의 자기력선(61)이 형성된다. 따라서 서로 인접한 레이디얼 전자석(22)에 의해 자기력선(61)의 폐루프가 형성된다.

실링 블록(20)은 자속이 흐를 수 있는 금속으로 형성될 수 있고, 실링 블록(20)의 일부인 돌출부(23) 역시 마찬가지로 금속으로 형성될 수 있다. 따라서 레이디얼 전자석(22)에 의해서 형성된 자속이 실링 블록(20)을 통해서 흐를 수 있다. 절연체나 에어 갭을 통해 자속이 흐르도록 하지 않고, 투자율이 높은 금속을 배치함으로써 전자석의 효율을 높이는 것이다.

돌출부(23)가 실링 블록(20)의 내주면을 따라 일정 간격으로 이격되어 복수개 배치되므로, 레이디얼 전자석(22) 역시 상응하는 개수로 형성된다. 샤프트(31)를 둘러싸며 레이디얼 전자석(22)이 배치되게 되므로, 샤프트(31)를 중심으로 서로 반대편에 위치한 레이디얼 전자석(22)은 서로 반대 방향으로 샤프트 작용부(34)에 자기력을 가한다.

도 8에서는 일측 영역에 위치한 레이디얼 전자석(22)의 단면 주변에만 자기력선(61)을 도시하였다. 그러나 나머지 영역에 위치한 레이디얼 전자석(22)의 단면 주변에는 도시되지 않았으나 도시된 자기력선(61)과 동일한 방식으로 자기력선(61)이 형성된다.

샤프트(31)를 둘러싸고 배치되는 복수의 레이디얼 전자석(22)은 중심에 위치한 샤프트(31)의 외주면에 형성되는 샤프트 작용부(34)에 대해 각각 인력을 작용하게 된다. 샤프트(31)에 대해 반경 방향으로 복수의 레이디얼 전자석(22)이 자기력을 작용하므로, 샤프트(31)의 반경 방향 움직임을 제어하고 반경 방향 진동을 억제할 수 있다. 샤프트(31)는 복수의 레이디얼 전자석(22)이 가하는 자기력의 균형이 이루어지는 곳에 위치한다.

만일 샤프트(31)가 도 8 내에서 올바른 위치보다 좌하방으로 치우쳐 있다면, 샤프트(31)와 이격되게 위치한 반경 변위 센서(40)가 이러한 샤프트(31)의 반경 방향 변위를 감지하게 된다. 반경 변위 센서(40)는 레이디얼 전자석(22)에 제어 신호를 전달한다. 우상방에 위치한 레이디얼 전자석(22)이 더 강하게 샤프트 작용부(34)를 잡아당기는 자기력을 발생시키도록 하고, 나머지 레이디얼 전자석(22)에 대해서도 샤프트(31)를 우상방으로 보낼 수 있도록 자기력을 발생시키는 제어 신호를 전달하는 것이다. 따라서 변화된 자기력이 샤프트 작용부(34)에 작용하여 샤프트(31)는 우상방으로 이동한다. 이에 따라 샤프트(31)는 올바른 위치에 배치된다.

또한 샤프트(31)에 대해 반경 방향으로 충격 또는 진동이 발생하는 경우, 이에 대해서도 지속적으로 복수의 레이디얼 전자석(22)이 자기력을 작용하고 있으므로, 움직임을 감쇠시키고 올바른 위치로 돌아올 수 있도록 한다.

도 7 에서는 실링 블록(20)의 회전축(A) 방향 양 면이 개방된 것으로 도시되었으나, 별도의 측벽을 더 포함하여 폐쇄되도록 구성할 수 있다. 또한 도 7에서는 실링 블록(20)이 완전한 원형을 이루지 않고 일부 영역을 개방시켜, 불완전한 원형으로 도시되었으나, 이는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 실제 실링 블록(20)은 원형을 이룬다.

이와 같이 반경 변위 센서(40)에 연결된 레이디얼 전자석(22)과 축 변위 센서(41)에 연결된 스러스트 전자석(12)의 작용에 의해 회전하는 샤프트(31)의 반경 방향 및 회전축(A) 방향 움직임을 제어하여 급격한 샤프트(31)의 움직임에 대해 감쇠기로 작용하고 올바른 위치에 샤프트(31)가 위치하도록 할 수 있다. 동시에 전자석을 포함하는 실링 블록(10, 20)이 초임계 이산화탄소 드라이 가스 실이 되므로, 실의 역할을 공간의 낭비 없이 수행할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10, 20, 104: 실링 블록 11: 실링 블록과 샤프트 사이 공간
12: 스러스트 전자석 13: 실링 블록 사이 공간
14: 실링 블록과 회전체 사이 공간
21: 실링 블록 내주면 22: 레이디얼 전자석
23: 돌출부 24: 실링 블록과 샤프트 사이 공간
30: 회전체 31: 샤프트
32: 스러스트 칼라 33: 스러스트 리미트
34: 샤프트 작용부 35: 기어 유닛
40: 반경 변위 센서 41: 축 변위 센서
50, 105: 베어링 60, 61: 자기력선
71, 106: 프로세스 가스 72, 107, 112: 실 가스
101: 케이싱 102: 임펠러
103: 드라이 가스 실 109: 라비린스 실
110: 실 가스 유입홀 111: 실 가스 유출홀
113: 임펠러 체결샤프트 A: 회전축

Claims (6)

1. 구동력을 전달받아 회전축을 중심으로 회전하는 샤프트;
   상기 샤프트로부터 상기 샤프트의 반경 방향으로 이격됨과 동시에 상기 샤프트를 둘러싸도록 형성되며, 각각 상기 회전축과 나란한 방향으로 이격되어 배치되는 2개의 실링 블록을 포함하되,
   회전체와 상기 회전체에 인접하게 배치된 상기 실링 블록의 사이 공간에는 프로세스 가스가 인입되고, 상기 회전체로부터 멀리 배치된 상기 실링 블록과 상기 샤프트의 사이 공간에는 실 가스가 인입되며, 상기 프로세스 가스 및 상기 실 가스는 상기 2개의 실링 블록 사이 공간으로 배출됨으로써 드라이 가스 실을 구성하고,
   상기 샤프트가 기 설정된 위치에 위치하도록, 상기 2개의 실링 블록이 상기 샤프트에 자기력을 작용하는 전자석을 각각 포함하는 자기 감쇠기 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 샤프트는,
   상기 샤프트의 외주면에서 상기 샤프트의 반경 방향으로 돌출되어 상기 2개의 실링 블록 사이 공간에 배치되는 스러스트 칼라를 포함하는 자기 감쇠기 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 2개의 전자석은, 상기 샤프트를 둘러싸도록 감긴 코일을 각각 포함하고,
   상기 2개의 전자석이 각각 포함하는 코일에 전류가 흐르는 자기 감쇠기 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 2개의 실링 블록은, 상기 샤프트의 반경 방향으로 연장되고 상기 샤프트를 둘러싸도록 배치된 복수의 돌출부를 포함하고,
   상기 전자석은, 복수로 구성되어 상기 복수의 돌출부에 각각 감긴 코일을 포함하는 자기 감쇠기 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 샤프트에 고정되도록 체결되는 임펠러를 더 포함하고,
   상기 샤프트는 상기 실 가스가 분기되어 유입되는 실 가스 유입홀을 포함하고, 상기 임펠러는 상기 분기된 실 가스가 유출되는 실 가스 유출홀을 포함하되,
   상기 분기된 실 가스에 의해 상기 샤프트로 전도되는 열이 냉각되는 자기 감쇠기 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 샤프트의 회전축 방향 움직임을 감지하는 축 변위 센서; 및
   상기 샤프트의 반경 방향 움직임을 감지하는 반경 변위 센서를 더 포함하되,
   상기 축 변위 센서 및 상기 반경 변위 센서는, 상기 전자석이 상기 샤프트에 자기력을 작용하도록, 상기 감지된 샤프트의 회전축 방향 움직임 및 상기 감지된 샤프트의 반경 방향 움직임을 상기 전자석으로 전달하는 자기 감쇠기 시스템.

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