KR20200015287A - 혼합기 과급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 냉매를 압축하는 압축기를 작동시키기 위한 동력을 제공하는 엔진에 공급되는 혼합기의 과급 장치에 관한 것으로, 이는 공기와 연료가 혼합된 기체인 혼합기를 압축하는 임펠러(51); 상기 임펠러(51)와 축 결합되는 회전축(551)을 구비하고, 상기 임펠러(51)를 회전시키는 모터(55); 상기 임펠러(51)를 덮고, 혼합기가 유입되는 흡입구(521)와 혼합기가 배출되는 배출구(524)를 구비하는 임펠러커버(52); 및 상기 임펠러커버(52)와 고정되고, 상기 모터(55)를 내부에 수용하며, 혼합기가 누출되지 않도록 상기 모터(55)를 외부의 공간으로부터 밀봉하는 모터하우징(58);을 포함한다.

Description

혼합기 과급장치{AN AIR-GAS MIXTURE CHARGER FOR COMPRESSOR}

본 발명은 냉매를 압축하는 압축기를 작동시키기 위한 동력을 제공하는 엔진에 공급되는 혼합기의 과급 장치에 관한 것이다.

히트펌프나 냉동사이클의 압축기를 회전 동작시키는 동력으로서 엔진이 사용될 경우, 엔진의 효율을 높이기 위해, 엔진의 혼합기 유입 경로에 혼합기를 과급하는 과급기가 사용될 수 있다.

과급기는 아직 압축되지 않은 혼합기를 흡입하고, 임펠러로 혼합기를 가압하여 엔진에 공급한다. 그리고 상기 임펠러는 모터로 회전시킬 수 있다. 그런데 임펠러 주변에는 가스와 공기가 혼합된 혼합기가 흐르기 때문에, 임펠러에 의해 가압되는 혼합기가 외부로 유출되면 질식이나 폭발 사고로 이어질 수 있다.

따라서 과급기에서 혼합기가 유출되지 않도록 하는 구조가 요구된다.

한편, 혼합기의 유출을 방지하기 위해, 과급기의 임펠러와, 임펠러를 회전시키는 모터를 외부의 환경으로부터 밀봉하게 되면, 모터의 코일 등에서 발생하는 열을 냉각시키는데 어려움이 발생한다.

따라서 과급기의 혼합기 방지 구조는 추가적으로 모터의 효율적인 냉각 구조를 필요로 한다. 특허문헌 1에는 차량용 엔진에 공기를 과급하는 과급기의 압축공기 일부가 모터 내부를 흐르며 냉각 공기로 사용되도록 하여, 모터와 베어링을 냉각하는 구조가 개시되어 있다. 그러나 이는 혼합기를 사용하는 경우 적용이 불가능하다.

공개특허공보 제2014-129407호 공개특허공보 제1991-8320호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 엔진의 과급기 구동원으로서 모터를 적용할 때, 혼합기가 누출되는 것을 방지할 수 있는 과급기 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 혼합기의 누출을 방지하면서도 모터의 방열이 원활히 이루어질 수 있는 과급기 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 과급기를 냉각하기 위해 별도의 냉각 구조를 부가하지 않고도 과급기를 냉각할 수 있는 과급기 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 공기와 연료가 혼합된 기체인 혼합기를 압축하는 임펠러(51); 상기 임펠러(51)와 축 결합되는 회전축(551)을 구비하고, 상기 임펠러(51)를 회전시키는 모터(55); 상기 임펠러(51)를 덮고, 혼합기가 유입되는 흡입구(521)와 혼합기가 배출되는 배출구(524)를 구비하는 임펠러커버(52); 및 상기 임펠러커버(52)와 고정되고, 상기 모터(55)를 내부에 수용하며, 상기 모터(55)를 외부의 공간으로부터 밀봉하는 모터하우징(58);을 포함하는 엔진용 과급기를 제공한다.

상기 모터하우징(58)은 금속 캔 형태로서 밀봉과 방열이 모두 탁월하며, 모터하우징(58)을 밀봉함으로써 임펠러와 모터 사이에 위치하는 베어링을 통해 유출되는 혼합기가 외부로 누출되는 것을 미연에 방지한다.

상기 모터하우징(58)에는, 상기 모터하우징(58) 외부로부터 상기 모터하우징(58) 내부에 수용된 모터(55)에 전원을 공급하는 통로가 되는 전원 연결홀(582)이 마련된다.

상기 전원 연결홀(582)을 통해 혼합기가 누출되는 것을 방지하기 위해, 상기 전원 연결홀(582)에는 전원케이블(70)이 관통하며, 상기 전원케이블(70)과 전원 연결홀(582) 사이에는 패킹(71)이 개재되어 밀봉이 이루어질 수 있다.

이와 달리, 상기 전원 연결홀(582)을 통해 혼합기가 누출되는 것을 방지하기 위해, 상기 전원 연결홀(582)에는 모터하우징(58)의 외부를 향해 개방된 수용홈부(732)를 포함하는 소켓(73)이 밀봉 설치되고, 상기 수용홈부(732)에는 상기 모터(55)와 전기적으로 연결된 제1핀(733)이 구비되고, 상기 수용홈부(732)에는 전원공급부(59)와 전기적으로 연결된 제2핀(741)이 구비된 플러그(741)가 삽입되며, 상기 플러그(741)가 상기 수용홈부(732)에 삽입된 상태에서, 상기 제1핀(733)과 제2핀(741)이 전기적으로 접속되도록 하여, 전원을 공급하면서도 모터하우징(58)의 밀봉력을 충분히 유지할 수 있다.

상기 임펠러커버(52)는 모터의 회전축의 반경 방향으로 외향 연장된 플랜지(525)를 구비하고, 상기 모터하우징(58)에서 상기 임펠러커버(52)에 가까운 단부에는 상기 모터의 회전축의 반경 방향으로 외향 연장된 플랜지(583)를 구비하며, 상기 두 플랜지(525, 583)는 서로 결합하며 밀봉될 수 있다. 이에 따라 과급기의 조립과 밀봉을 편리하고 확실하게 할 수 있다.

상기 임펠러커버(52)와 모터하우징(58) 사이에는 상기 임펠러가 수용되는 공간과 상기 모터가 수용되는 공간을 구획하는 격판(57)이 개재된다.

격판(57)의 중앙부에는 모터의 회전축이 관통하는 홀이 마련되고, 해당 홀 부근에는 상기 회전축을 지지하는 베어링이 설치될 수 있다. 임펠러커버(52)와 상기 격판(57)에 의해 규정되는 공간에는 임펠러(51)가 수용되고, 격판(57)과 모터하우징(58)에 의해 규정되는 공간에는 모터(55)가 수용된다.

모터(55)가 임펠러(51)를 회전시키면, 임펠러커버(52)의 둘레에 마련된 볼루트관(523)에는 임펠러에 의해 가압된 고압의 혼합기가 채워진다.

고압의 혼합기는 임펠러(51)의 하부와 격판(57) 사이의 좁은 공간을 통해 상기 베어링 부위와 연통하는바, 혼합기가 베어링 부위를 통해 모터가 수용된 공간으로 유출될 가능성이 있다.

이에, 상기 격판(57)과 마주하는 임펠러(51)의 저면에 회전축의 중심부를 기준으로 외향 연장되는 회오리 형태의 스파이럴 홈(511)을 형성하여, 베어링으로부터 반경방향으로 멀어지는 방향으로 유동을 발생시키어 볼루트관(523)의 고압 혼합기가 모터 수용 공간으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 엔진용 과급기(50); 상기 엔진용 과급기(50)에 혼합기를 공급하는 혼합부(60); 상기 엔진용 과급기에서 압축된 혼합기를 연소하는 엔진(20); 및 상기 엔진(20)에 의해 회전력을 전달받아 운전되는 냉매용 압축기(10);를 포함하는 압축기 구동 시스템을 더 제공한다.

상기 모터의 코일 등에서 발생하는 열은 방열이 요구된다.

이에 상기 모터하우징(58)에는 상기 압축기(10)에 공급되는 냉매가 유동하는 유로가 형성되고, 증발기(81)에서 기화된 냉매는 상기 모터하우징(58)의 유로를 경유하여 상기 압축기(10)에 공급되도록 할 수 있다.

증발기에서 기화된 냉매가 다시 액화되거나, 증발기에서 미처 기화되지 않은 액상의 냉매는 모터하우징(58)을 경유하며 확실히 기화될 수 있다. 또한 이러한 냉매가 후술할 인터쿨러(40)를 더 경유하도록 하면 인터쿨러(40)의 냉각과 압축기에 유입되는 냉매의 기화를 보다 확실하게 할 수 있다.

이와 함께, 또는 이와 별도로, 상기 모터하우징(58)의 외부에는 냉각수가 공급되는 워터 재킷이 마련되고, 상기 워터 재킷에 냉각수를 순환시키는 냉각수 공급기(90)를 더 구비하여 모터하우징(58)을 냉각함으로써 모터(55)를 냉각할 수도 있다.

상기 과급기(50)와 엔진(20) 사이에는 압축된 혼합기를 냉각하는 인터쿨러(40)가 더 마련되고, 상기 냉각수 공급기(90)에서 공급되는 냉각수는 상기 워터 재킷과 상기 인터쿨러(40)를 모두 순환하도록 할 수도 있다. 즉 인터쿨러(40)의 냉각을 위해 필요한 냉각수를 단지 모터하우징(58)의 워터 재킷에 공급하는 추가적인 구성만으로도, 모터의 냉각이 가능하다.

또한 본 발명은 상술한 압축기 구동 시스템을 구비한 가스엔진 히트펌프 시스템을 제공한다.

본 발명에 의하면, 가스엔진에 공급하는 혼합기의 과급을 위한 동력을 제공하는 모터 설치 부위를 통해 혼합기가 누출되어 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 별도의 냉각 구조를 추가하지 않고서도 모터의 방열을 해결함과 동시에, 압축기에 공급되는 냉매를 확실히 기화하여 압축기의 손상을 방지할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 압축기를 작동시키기 위한 엔진의 흡배기 계통을 나타낸 도면이다.
도 2는 과급기 내부의 임펠러와 모터를 나타낸 단면 사시도이다.
도 3은 과급기의 외부를 나타낸 사시도이다.
도 4와 도 5는 과급기의 모터 하우징에 케이블과 패킹이 적용되는 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6과 도 7은 과급기의 모터 하우징에 소켓이 적용되고 전원 케이블에 커넥터가 적용된 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8과 도 9는 각각 과급기의 모터 하우징에 대한 서로 다른 냉각 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 임펠러의 사시도와 저면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

[가스엔진 히트펌프 시스템]

도 1을 참조하면, 가스엔진 히트펌프 시스템은, 히트펌프의 압축기(10)를 가스를 연소시키는 엔진(20)으로 구동한다. 엔진(20)은 구동장치(11)를 통해 압축기(10)를 구동할 수 있다. 공기와 연료 가스는 혼합부(60)에서 연소에 필요한 적절한 공연비로 혼합되고, 이렇게 혼합된 혼합기는 배관(28)을 통해 엔진(20)에 공급된다.

엔진(20)의 효율을 높이기 위해, 혼합기는 과급기(50)에서 과급될 수 있다. 과급기(50)는 혼합기를 가압하는 임펠러(51)와, 상기 임펠러(51)를 회전시키는 모터(55)를 포함한다. 과급기(50)에서 가압된 혼합기는 인터쿨러(40)에서 냉각되어 부피를 줄일 수 있다. 스로틀 밸브(30)는 혼합기의 유동량을 결정하여 엔진에 유입되는 혼합기의 양을 제어할 수 있다. 스로틀 밸브(30)를 거친 혼합기는 흡기 매니폴드(22)에서 분기되어 각 실린더(21)에 유입되고, 흡입, 압축, 연소 폭발, 배기의 과정을 통해 배기 매니폴드(23)와 배기구(24)를 통해 배기된다.

일반적인 터보차저와 달리, 본 발명의 가스엔진 히트펌프 시스템은 모터(55)의 속도 제어를 통해 과급 정도를 조절할 수 있고, 가스엔진의 회전속도와 과급기(50) 모터(55)의 회전속도를 독립적으로 제어할 수 있어 엔진 성능과 히트펌프의 성능을 향상시킬 수 있다.

[과급기의 구조]

도 2를 참조하면, 과급기의 모터(55)는 회전축(551)에 축설된 로터(552), 로터(552)와 마주하여 위치하는 스테이터(553), 그리고 회전축(551)과 스테이터(553)를 지지하는 모터프레임(56)을 포함한다. 모터프레임(56)에는 베어링(556)이 설치되고, 베어링(556)이 회전축(551)을 회전 가능하게 지지한다. 모터의 코일에서 발생한 열을 방열할 수 있도록, 모터프레임(56)은 통상적으로 개방된 구조를 가진다. 가령 모터프레임(56)과 베어링지지부(563) 사이는 연결부(562)에 의해 연결되고, 이에 따라 개방된 부위가 제공된다.

모터의 양단에서 회전축을 지지할 경우, 조립의 편의성을 위해 모터프레임(56)과 별도로 격판(57)을 설치한다. 격판(57)의 중앙부와 모터프레임(56)의 중앙부에는 베어링지지부(571, 563)가 각각 마련된다. 그리고 격판(57)의 가장자리와 모터프레임(56)의 가장자리의 플랜지(561)는 상호 맞대어지며 고정될 수 있다.

격판(57)의 중앙부에는 회전축(551)이 관통하고, 격판(57)을 사이에 두고 모터의 반대편에는 임펠러(51)가 설치된다. 임펠러(51)는 임펠러커버(52)에 의해 덮이며, 임펠러(51)는 임펠러커버(52)와 격판(57)에 의해 규정되는 공간에서 회전한다. 임펠러(51)가 회전함에 따라, 임펠러 상부에 마련된 임펠러커버의 흡입구(521)를 통해 유입되는 혼합기가 커버면(522)을 따라 이동하며 가압되어 고압의 혼합기가 되며, 원심력에 의해 볼루트관(523)로 유동한다. 그리고 고압의 혼합기는, 볼루트관(523)의 단부에 마련된 배출구(524)를 통해 배출되어, 도 1의 인터쿨러(40)로 이동한다. 볼루트관(523)의 하부에는 상기 격판(57)의 가장자리, 그리고 모터프레임(56)의 플랜지(561)와 결합하는 플랜지(525)가 마련된다.

격판(57)은 고정된 반면 임펠러(51)는 회전하므로, 격판(57)과 임펠러(51) 사이에는 갭이 존재할 수밖에 없다. 볼루트관(523)의 고압의 혼합기는, 이러한 갭을 통해 격판(57)의 중앙에 마련된 베어링(556)의 틈새로 유동할 수 있다. 그리고 베어링(556)으로 유출되는 혼합기는 모터프레임(56)의 개방된 구조를 통해 외부로 누출될 수 있다. 따라서 모터(55)로 혼합기의 과급기(50)를 구동할 경우, 모터(55)가 외부 공간으로부터 밀봉되어야 혼합기의 누출을 방지할 수 있다.

이에, 도 3에 도시된 바와 같이, 밀봉된 캔 형태의 모터하우징(58) 내부에 모터(55)가 수용되도록 할 수 있다. 도 3에 도시된 모터하우징(58)은 도 2에 도시된 모터프레임(56)을 대체하거나, 모터프레임(56)의 외부에 추가적으로 설치될 수 있다.

모터하우징(58)이 모터프레임(56)을 대체하는 경우라면, 도 2에서 연결부(562) 부분이 아암 형태로 연결되는 것이 아니라, 폐색된 면 형태로 연결되는 구조로 변경될 수 있고, 베어링지지부(563) 역시 외부를 향해 막혀 있는 형태로 변경될 수 있다.

모터프레임(56)을 대체하거나, 모터프레임(56)의 외부에 추가적으로 설치되건 관계 없이, 모터하우징(58)은 대략 원통형의 모터수용캡(581)을 포함할 수 있다.

상기 모터수용캡(581)이 임펠러커버(52)와 마주하는 부분은 개방되어 있고, 그 반대편은 막혀 있다. 모터수용캡(581)에서 임펠러커버(52)와 가까운 쪽 단부에는 플랜지(583)가 마련되어 있다. 즉 모터하우징(58)은 신사모자와 같은 형상이라 할 수 있다. 상기 플랜지(583)는 임펠러커버(52)의 플랜지(525)와 밀봉 결합될 수 있다.

상기 모터하우징(58)은 열 전도율이 높은 금속 재질로 제작되어 모터의 방열을 도모할 수 있으며, 이는 판금(sheet metal)을 금형으로 드로잉 가공하여 간편하게 제작할 수 있다.

다만 모터(55)가 수용되는 공간이 모터하우징(58)에 의해 외부로부터 격리 내지 밀봉되는 경우라 하더라도, 모터(55)에는 전원이 공급되어야 한다. 따라서 모터하우징(58)에는 전원 케이블(70)이 통과할 수 있는 전원 연결홀(582)이 마련된다. 상기 전원 연결홀(582)은 모터하우징(58)의 원주벽에 형성되거나, 도시된 바와 같이 플랜지(583)가 형성된 단부와 대향하는 단부의 면에 형성될 수 있다.

[전원 연결홀의 밀봉]

앞서 설명한 바와 같이, 모터하우징(58)은 과급기에서 혼합기의 누출 방지를 위해 설치되는 것이다. 따라서 모터하우징(58)에는, 상기 전원 연결홀(582)을 통해 혼합기가 누설되지 않도록 밀봉하는 구성이 더 구비된다.

도 4와 도 5를 참조하면, 상기 밀봉 구조는 패킹(71)을 포함할 수 있다. 패킹(71)은 탄성력이 매우 높은 수지 재질로 제작될 수 있다. 상기 패킹(71)은 상기 전원 연결홀(582)을 관통하며 끼워지는 관통네크(713) 부분을 포함한다. 상기 관통네크(713)는 전원 연결홀(582)의 형상과 대응하는 형상일 수 있다.

관통네크(713)에는, 전원 케이블(70)이 삽입되는 관통홀(714)이 마련된다. 관통홀(714)은 전원 케이블(70)의 단면적보다 다소 작아 상호 오버랩 될 수 있다. 관통홀(714)은 전원 연결홀(582)의 관통 방향과 나란한 방향으로 형성된다. 전원 케이블(70)이 관통홀(714)에 강제 압입되며 전원 케이블(70)과 관통홀(714)의 내벽 간의 밀봉이 이루어지고, 이에 따라 관통네크(713)의 외주면이 확장되며 관통네크(713)와 전원 연결홀(582)의 내주면 간의 밀봉이 이루어진다.

상기 관통네크의 양측 단부에는 제1막음면(711)과 제2막음면(712)이 각각 형성될 수 있다. 제1막음면(711)과 제2막음면(712)은 상호 대칭인 동일한 형태일 수 있다. 제1막음면(711)과 제2막음면(712)은 관통네크의 단부에서 반경(radial) 방향으로 외향 연장된다. 이는 모터하우징(58)의 표면과 이면에 각각 밀착하여 밀봉 능력을 높임은 물론, 패킹(71)이 전원 연결홀(582)로부터 빠지는 것을 방지해준다.

모터하우징(58) 내부의 모터(55)는 전원 케이블(70)을 통해 외부의 전원공급부(59)와 연결될 수 있다.

도 6과 도 7을 참조하면, 상기 밀봉 구조는 소켓(73)과 플러그(74) 구조를 포함할 수 있다.

소켓(73)은 합성수지 재질로 제작될 수 있고, 모터하우징(58)의 전원 연결홀(583) 부분에 삽입 설치될 수 있다. 전원 연결홀(583)에 설치된 소켓(73)은 외향 개방된 형태의 수용홈부(732)를 구비한다. 수용홈부(732)에는 외부로부터 플러그(74)가 압입된다.

수용홈부(732)는 상기 전원 연결홀(582)의 내주면과 접하는 측벽과, 상기 측벽의 안쪽 단부를 막는 바닥을 포함한다. 측벽은 전원 연결홀(582)과 밀착되어 밀봉이 이루어진다.

수용홈부(732)의 바닥에는 제1핀(733)이 설치된다. 제1핀(733)은 플러그의 삽입 방향과 나란한 방향으로 연장되는 형태를 가진다. 제1핀(733)이 설치되더라도 바닥은 밀봉 상태를 유지한다. 즉 제1핀(733)은 인서트 사출될 수 있다. 상기 제1핀(733)은 모터하우징(58) 내부의 모터와 전원케이블(70)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 제1핀(733)이 수형(male) 핀인 것이 예시되고 후술할 플러그의 제2핀(741)은 암형(female) 핀인 것이 예시되고 있으나, 그 반대여도 무방하다.

상기 수용홈부(732)의 측벽의 바깥쪽 단부에는 플랜지 형태로 외향 연장되는 막음면(731)이 마련된다. 상기 막음면(731)은 모터하우징(58)의 외면과 접하여 밀봉력을 높이며, 아울러 상기 소켓(73)의 설치 삽입 깊이를 규제한다. 수용홈부(732)에 플러그가 삽입될 때 소켓에 가해지는 삽입력은 상기 막음면(731)에 의해 지지될 수 있다.

플러그(74)는 상기 수용홈부(732)과 상보적인 형상을 포함한다. 그리고, 플러그(74)에는 상기 제1핀(733)과 접촉하며 전기적으로 연결되는 제2핀(741)이 구비된다. 제2핀(741)은 플러그의 삽입 방향으로 연장된 암형 핀일 수 있다. 상기 제2핀(741)은 전원 케이블(70)을 통해 전원공급부(59)와 전기적으로 연결될 수 있다.

플러그 역시 합성수지 재질로 제작될 수 있고, 제2핀은 여기에 인서트 사출될 수 있다. 상기 플러그(74)는 상기 소켓(73)보다 더 연성을 가지는 재질일 수 있고, 소켓(73)에 정확히 맞거나 그보다 아주 약간 커서 강제 압입되도록 할 수 있다.

위 패킹(71) 또는 소켓(73)-플러그(74) 구조는, 모터가 수용된 공간의 밀봉 상태를 유지하면서도, 밀봉된 공간에 있는 모터에 전원을 공급하는 것이 가능하도록 해준다.

[모터의 냉각 구조]

상기 모터에는 전자기 코일이 구비되고, 전자기 코일에서 발생하는 손실은 열로 변환된다. 방열의 원활하지 않으면 코일의 온도가 상승하여 모터의 구동 효율이 낮아지게 된다. 그러나 본 발명의 모터의 코일은 밀봉된 공간에 존재하는바, 공기의 대류는 모터하우징(58) 내부에서만 이루어지게 된다.

따라서 본 발명에서는, 모터하우징(58)을 냉각하여, 모터하우징(58) 내부의 공기의 대류를 통해 모터하우징(58)으로 전달된 코일의 열을 냉각시키는 간접 냉각 방식을 적용한다.

먼저 도 8을 참조하면, 상기 모터하우징(58)은 히트펌프의 냉매에 의해 냉각될 수 있다. 히트펌프는 사이클 상 순서대로 증발기(81), 압축기(10), 응축기(83), 팽창장치(미도시)를 포함한다. 증발기(81)에서 기화된 냉매는 냉매관(82)을 타고 이동하여 모터하우징(58)에 공급된다.

상기 모터하우징(58)은 히트펌프 사이클의 냉매와 열교환을 하며 냉각된다. 상기 모터하우징(58)에는 냉매가 유동하는 유로(미도시)가 형성될 수 있다. 그리고 냉매는 상기 유로를 유동하며 모터하우징(58)과 열교환할 수 있다.

증발기(81)에서 기화된 냉매는 모터하우징(58)에서 열교환하며 승온되는바, 증발기에서 미처 기화되지 못한 냉매는 모터하우징(58)을 거치며 확실히 기화될 수 있다. 이에 따르면, 모터(55)를 냉각하는 것을 물론이거니와, 액상의 냉매가 압축기(10)에 유입되어 발생할 수 있는 문제를 미연에 방지할 수 있다.

도시하지는 아니하였으나, 상기 모터하우징(58)을 경유한 냉매가 이어서 상기 인터쿨러(40)까지 경유하게 함으로써, 냉매의 기화를 더욱 확실하게 하는 것이 가능하다.

도 8에는 증발 과정을 거친 냉매가 모터하우징(58)을 경유하는 구조를 개시하였다. 그러나 히트펌프의 사이클에서 증발 과정 직전의 냉매가 모터하우징(58)을 경유하는 구조를 적용할 수도 있음은 물론이다. 이러한 과정을 거치면 모터하우징(58)을 더욱 차갑게 냉각할 수 있어 모터(55)의 냉각 능력이 더욱 높아질 수 있다.

히트펌프의 사이클 단계 중 어느 단계에서 냉매가 모터하우징(58)을 결정하도록 할 것인지는, 적정한 모터하우징(58)의 목표 냉각온도, 히트펌프에 사용되는 냉매의 종류 등을 고려하여 결정할 수 있다.

다음으로 도 9에는, 워터재킷(미도시)을 이용한 모터하우징(58)의 냉각 구조가 개시된다. 상기 워터재킷 냉각 방식은 도 8의 냉매를 통한 냉각방식을 대체하거나, 이와 함께 적용될 수 있다.

모터하우징(58)에는 워터재킷이 씌워질 수 있다. 그리고 이러한 워터재킷에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급기(90)가 더 마련될 수 있다. 상기 냉각수 공급기(90)는 인터쿨러(40)를 냉각하기 위한 냉각수 공급기(90)일 수 있다. 즉 모터하우징(58)을 냉각하기 위해 별도의 냉각수 공급장치가 추가되는 것이 아니라, 인터쿨러(40)를 냉각하기 위해 냉각수가 유동하는 냉각수관(91)이 모터하우징(58)의 워터재킷을 경유하도록 하는 냉각 경로의 변경을 통해, 모터하우징(58)의 냉각을 간단히 구현할 수 있다.

냉각수는 모터하우징(58)을 먼저 거친 후 인터쿨러(40)로 유동하거나, 인터쿨러(40)를 먼저 거친 후 모터하우징(58)으로 유동할 수 있다. 이는 냉각되어야 하는 인터쿨러(40)의 혼합기 온도와 모터하우징(58)의 모터(55) 온도의 고저에 의해 결정되거나, 둘(40, 58) 중 어느 것이 더 우선적으로 냉각되어야 하는지 등을 고려하여 선택될 수 있다.

[혼합기 유출 방지 구조]

앞서 설명한 모터하우징(58) 구조는, 모터가 설치되는 공간에 혼합기가 유입될 가능성을 전제로 한 구조라 할 수 있다. 즉 임펠러커버(52)와 격판(57)에 의해 규정되는 임펠러의 수용 공간에 존재하는 혼합기의 일부가, 회전축을 지지하는 베어링 부위를 통해 모터 수용 공간에 유출될 경우, 이러한 혼합기가 외부로 누출되지 않도록 하기 위한 것이다.

도 10에는, 임펠러커버(52)와 격판(57)에 의해 규정되는 임펠러의 수용 공간에 존재하는 혼합기가 회전축을 지지하는 베어링 부위를 통해 모터 수용 공간에 유출되는 것을 방지하거나 최소화할 수 있는 구조가 개시된다.

도 2를 참조하면, 임펠러(51)의 저면은 격판(57)과 소정의 갭을 가지고, 이러한 갭이 혼합기가 유출되는 경로가 된다. 이러한 경로를 통한 혼합기의 유동은 임펠러(51)에 의해 가압된 고압의 혼합기가 그보다 상대적으로 저압인 격판(57)의 베어링 지지부(571) 쪽으로 유동하려는 경향에 의해 발생한다.

이러한 점을 감안하여 본 발명은, 도 10에 도시된 바와 같이 임펠러(51)의 저면에 스파이럴 홈(511)을 형성한다. 가령 도 10에 도시된 바와 같이 임펠러의 회전 방향과 동일한 방향으로, 임펠러의 반경방향 외측 가장자리에서 중심을 향하는 스파이럴 홈(511)을 임펠러 저면에 형성한다. 그러면 임펠러 저면의 갭 영역에서는, 회전축의 중심으로부터 반경방향으로 외향하는 방향으로 공기의 흐름, 즉 펌핑이 유도된다.

그리고 이러한 펌핑 작용은, 임펠러(51)의 회전속도가 증가함에 따라 함께 증가한다. 따라서 임펠러(51)의 회전속도가 빨라 볼루트관(523)의 혼합기의 압력이 더 높아지는 만큼, 스파이럴 홈(511)에 의해 발생하는 펌핑력도 높아진다.

이러한 펌핑 기능에 의해, 볼루트관(523)의 혼합기가 회전축(551)의 중심부까지 이동하는 경향은 차단되고, 이에 따라 혼합기가 모터 설치 공간으로 유출되는 현상은 방지되거나 최소화된다.

상기 스파이럴 홈(511)에 의한 혼합기 유출 방지 구조는, 앞서 설명한 모터하우징(58)과 함께 적용하거나, 모터하우징(58) 대신 적용할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 과급기가 적용된 엔진 히트펌프 시스템의 작동을 살펴본다.

혼합부(60)에서 적절한 공연비로 혼합된 혼합기는 과급기(50)에 유입된다. 모터(55)와 임펠러(51)의 회전에 의해 흡입구(521)로 유입된 혼합기는 가압되어 볼루트관(523)으로 이동한다. 볼루트관(523)에서 배출구(524)를 통해 배출된 혼합기는 가압 과정을 거치며 다소 승온된 상태가 된다.

상기 혼합기는 인터쿨러(40)에 의해 냉각된 후 스로틀 밸브(30)를 거쳐 엔진(20)에 공급되어 연소된다. 인터쿨러(40)에는 냉각수가 공급되어 혼합기를 냉각하고, 인터쿨러(40)를 지나는 냉각수는 상기 모터하우징(58) 외부에 장착된 워터 재킷을 거치며 모터하우징(58)도 함께 냉각한다.

엔진(20)에서 연소되며 발생하는 회전력은 압축기(10)를 가동시킨다. 압축기(10)가 가동됨에 따라 히트 펌프의 냉매는 냉매관(82)을 따라 유동하게 된다.

증발기(81)에서 열교환하여 증발된 기체 상의 냉매는 모터(55)를 수용하고 있는 모터하우징(58)의 유로를 거치며 모터하우징(58)을 냉각하고 냉매 자체는 더욱 확실히 기화된다. 이에 따라 모터에서 발생한 열은 모터하우징(58) 내부 공기의 대류에 의해 냉각된다.

모터하우징(58)은 밀봉되어 있으므로, 임펠러커버(52) 쪽 공간의 혼합기가 모터하우징(58) 쪽으로 유입되더라도 혼합기가 외부로 누설되는 일은 발생하지 않는다. 아울러 임펠러(51)의 저면에는 스파이럴 홈(511)이 마련되어 있으므로, 임펠러가 회전함에 따라 반경방향 외측으로 펌핑력이 작용하게 되고, 이에 따라 임펠러커버(52) 쪽 공간의 혼합기가 회전축(551)과 격판(57)의 틈새를 통해 모터하우징(58) 쪽 공간으로 유입되는 것이 방지되거나 최소화된다.

한편 모터하우징(58)의 유로를 거치며 확실히 기화된 냉매는 압축기(10)에 유입되어 고온 고압의 기체 상의 냉매로 압축되고, 응축기(82)로 유동하여 응축된다. 그 후 팽창된 냉매는 다시 증발기(81)로 유입되어 증발되는 순환 과정이 반복된다.

상기 가스 엔진 히트펌프 시스템은 모터로 엔진에 혼합기를 과급하므로 히트펌프 시스템의 효율을 높일 수 있고, 혼합기 내부의 모터 설치 구조를 통해 혼합기가 외부로 누출되는 것이 방지되며, 히트펌프 시스템의 냉매와 과급 계통의 인터쿨러에 공급되는 냉각수를 밀봉된 공간에 있는 모터의 냉각에 활용할 수 있어 시스템을 보다 간단하게 구성할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

10: 압축기
11: 구동장치
20: 엔진
21: 실린더
22: 흡기 매니폴드
23: 배기 매니폴드
24: 배기구
28: 배관
30: 스로틀밸브
40: 인터쿨러
50: 과급기
51: 임펠러
511: 스파이럴 홈
52: 임펠러커버
521: 흡입구
522: 커버면
523: 배출나선관
524: 배출구
525: 플랜지
55: 모터
551: 회전축
552: 로터
553: 스테이터
556: 베어링
56: 모터프레임
561: 플랜지
562: 연결부
563: 베어링지지부
57: 격판
571: 베어링지지부
58: 모터하우징
581: 모터수용캡
582: 전원 연결홀
583: 플랜지
59: 전원공급부
60: 혼합부
70: 전원케이블
71: 패킹(수지)
711: 제1막음면
712: 제2막음면
713: 관통네크
714: 관통홀
73: 소켓
731: 막음면
732: 수용홈부
733: 제1핀(메일핀)
74: 플러그
741: 제2핀(피메일핀)
81: 증발기
82: 냉매관
83: 응축기
90: 냉각수 공급기
91: 냉각수관

Claims (10)

1. 공기와 연료가 혼합된 기체인 혼합기를 압축하는 임펠러(51);
   상기 임펠러(51)와 축 결합되는 회전축(551)을 구비하고, 상기 임펠러(51)를 회전시키는 모터(55);
   상기 임펠러(51)를 덮고, 혼합기가 유입되는 흡입구(521)와 혼합기가 배출되는 배출구(524)를 구비하는 임펠러커버(52); 및
   상기 임펠러커버(52)와 고정되고, 상기 모터(55)를 내부에 수용하며, 혼합기가 누출되지 않도록 상기 모터(55)를 외부의 공간으로부터 밀봉하는 모터하우징(58);을 포함하는 엔진용 과급기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 모터하우징(58)에는, 상기 모터하우징(58) 외부로부터 상기 모터하우징(58) 내부에 수용된 모터(55)에 전원을 공급하는 통로가 되는 전원 연결홀(582)이 마련되고,
   상기 전원 연결홀(582)에는 전원케이블(70)이 관통하며,
   상기 전원케이블(70)과 전원 연결홀(582) 사이에는 패킹(71)이 개재되어 밀봉이 이루어지는 엔진용 과급기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 모터하우징(58)에는, 상기 모터하우징(58) 외부로부터 상기 모터하우징(58) 내부에 수용된 모터(55)에 전원을 공급하는 통로가 되는 전원 연결홀(582)이 마련되고,
   상기 전원 연결홀(582)에는 모터하우징(58)의 외부를 향해 개방된 수용홈부(732)를 포함하는 소켓(73)이 밀봉 설치되고,
   상기 수용홈부(732)에는 상기 모터(55)와 전기적으로 연결된 제1핀(733)이 구비되고,
   상기 수용홈부(732)에는 전원공급부(59)와 전기적으로 연결된 제2핀(741)이 구비된 플러그(741)가 삽입되며,
   상기 플러그(741)가 상기 수용홈부(732)에 삽입된 상태에서, 상기 제1핀(733)과 제2핀(741)은 전기적으로 접속되는 엔진용 과급기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러커버(52)는 모터의 회전축의 반경 방향으로 외향 연장된 플랜지(525)를 구비하고,
   상기 모터하우징(58)에서 상기 임펠러커버(52)에 가까운 단부에는 상기 모터의 회전축의 반경 방향으로 외향 연장된 플랜지(583)를 구비하며,
   상기 두 플랜지(525, 583)는 서로 결합하며 밀봉되는 엔진용 과급기.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러커버(52)와 모터하우징(58) 사이에는 상기 임펠러가 수용되는 공간과 상기 모터가 수용되는 공간을 구획하는 격판(57)이 개재되고,
   상기 격판(57)과 마주하는 임펠러(51)의 저면에는 회전축의 중심부를 기준으로 외향 연장되는 회오리 형태의 스파이럴 홈(511)이 구비되는 엔진용 과급기.
   
6. 청구항 1의 엔진용 과급기(50);
   상기 엔진용 과급기(50)에 혼합기를 공급하는 혼합부(60);
   상기 엔진용 과급기에서 압축된 혼합기를 연소하는 엔진(20); 및
   상기 엔진(20)의 회전력을 전달받아 운전되는 냉매용 압축기(10);를 포함하는 압축기 구동 시스템.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 모터하우징(58)에는 상기 압축기(10)에 공급되는 냉매가 유동하는 유로가 형성되고,
   증발기(81)에서 기화된 냉매는 상기 모터하우징(58)의 유로를 경유하여 상기 압축기(10)에 공급되는 압축기 구동 시스템.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 모터하우징(58)의 외부에는 냉각수가 공급되는 워터 재킷이 마련되고,
   상기 워터 재킷에 냉각수를 순환시키는 냉각수 공급기(90)를 더 구비하는 압축기 구동 시스템.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 과급기(50)와 엔진(20) 사이에는 압축된 혼합기를 냉각하는 인터쿨러(40)가 더 마련되고,
   상기 냉각수 공급기(90)에서 공급되는 냉각수는 상기 워터 재킷과 상기 인터쿨러(40)를 순환하는 압축기 구동 시스템.
   
10. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 압축기 구동 시스템을 구비한 가스 엔진 히트펌프 시스템.

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