KR20210112835A - 차량용 공기 압축기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차량용 공기 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터하우징에 냉각수유동부 내부의 냉각수와 열교환되는 공기가 유동되는 열교환부를 용이하게 형성할 수 있어, 제조성을 보다 높일 수 있으며, 충분한 냉각 성능을 가지는 차량용 공기 압축기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 차량용 공기 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터하우징에 냉각수유동부 내부의 냉각수와 열교환되는 공기가 유동되는 열교환부를 용이하게 형성할 수 있어, 제조성을 보다 높일 수 있으며, 충분한 냉각 성능을 가지는 차량용 공기 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량은 수소와 산소가 가습기에 공급되어 물의 전기분해 역반응인 전기화학 반응을 통해 생성되는 전기 에너지를 차량의 구동력으로 공급하는 차량을 말하며, 한국특허등록 제0962903호에 일반적인 연료전지 차량이 개시되어 있다.
통상적으로 승용연료전지 자동차는 100kW 급의 연료전지스택을 탑재하고 있는데, 연료전지스택의 운전을 가압조건에서 할 경우 연료전지스택에 공급되는 공기는 1~4bar의 고압으로 공급되기 때문에 이를 위해서 10만에서 20만 RPM의 회전수를 갖는 공기압축기를 사용하여야 한다.
연료전지 차량은 통상적으로 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 습도를 높여주는 가습기와, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 연료공급부와, 연료전지 스택에 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각 모듈 등으로 구성된다.
공기공급부는 공기 중에 포함된 이물질을 여과하는 에어클리너와, 에어클리너에서 여과된 공기를 압축해 공급하는 공기 압축기, 가압된 고온의 공기를 냉각하는 냉각장치, 공기의 습도를 높여주는 가습기, 유량을 조절하는 밸브로 구성된다.
전술한 공기 압축기는 외부로부터 흡입한 공기를 압축기임펠러를 이용하여 압축한 후 연료전지스택으로 송출한다.
여기서 압축기임펠러는 구동부로부터 동력을 전달받는 회전축과 연결되어 있으며, 일반적으로 구동부는 스테이터와 로터의 전자기 유도에 의해 회전축을 구동하게 된다.
이때 공기 압축기는 로터의 고속 회전으로 인하여 공기 베어링에서 공기의 저항으로 인한 열손실이 발생하게 되며, 주요 발열부(heat source)인 모터와 베어링에 대한 냉각이 필요하다. 이에, 공기 압축기의 임펠러가 생산하는 압축공기의 일부를 활용하여, 임펠러를 회전시키기 위한 모터 및 베어링을 냉각한 후에, 이를 모터의 회전축 내부 구멍을 통하여 다시 임펠러의 입구 측으로 유입시키는 구조가 제안되고 있다.
이에 관련하여, 한국특허등록 제1810430호에서는 내부 공기 흐름이 모터 축 끝단을 이용해 순환되는 공기압축기 및 연료전지 차량에 관하여 개시하고 있으며, 상기 공기 압축기는, 로터와 스테이터를 내장한 구동 하우징; 상기 구동 하우징을 관통하여 공기배출 홀이 뚫려진 모터 축; 상기 구동 하우징의 상기 하우징 후방엔드에 결합되어 상기 모터 축의 상기 축 후방 엔드를 지지하는 공기 베어링; 상기 임펠러 챔버에서 상기 구동 하우징의 내부공간을 거쳐 상기 모터 외부 챔버로 모여지는 냉각 공기를 상기 임펠러가 형성하는 압축공기에서 뽑아내고, 상기 냉각공기를 상기 공기배출 홀로 빨아들여 상기 축 후방 엔드에서 상기 축 전방 엔드로 배출시켜주는 모터냉각경로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 종래와 같은 공기 압축기는, 압축공기가 공기 베어링(Air foil bearing) 주변의 협소한 공간을 지나면서 유량이 감소하고, 공기의 흐름이 지체되면서, 압축공기를 통한 자체 냉각 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명에 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 모터하우징에 냉각수유동부 내부의 냉각수와 열교환되는 공기가 유동되는 열교환부를 용이하게 형성할 수 있어, 제조성을 보다 높일 수 있으며, 충분한 냉각 성능을 가지는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 열교환부의 제1공기유동부 및 제2공기유동부가 반경방향으로 나란하게 형성되고, 이를 연통하는 공기연통부가 모터하우징 내측으로부터 전방 및 외측방향인 사선방향으로 삽입되어 가공됨으로써 간단하게 모터하우징 내부에 공기가 유동되는 열교환부를 형성할 수 있어 제조성을 높일 수 있는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 임펠러 후단 또는 전방배출구 측 압축공기가 열교환부로 유입되어 냉각수유동부 내부의 냉각수와 열교환되어 냉각되고, 상기 로터, 로터디스크 및 내부에 구비되는 베어링을 냉각할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있으며, 압축공기가 별도의 배관 등을 통해 이동되는 흐름없이 차량용 공기 압축기 내에서 열교환이 이루어지는 형태로 소형화가 가능하며 생산성을 보다 높일 수 있는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 목적은 터빈부가 구비되어 압축부를 구동하는 구동부의 부하를 줄일 수 있으며, 전체 연료전지 차량에 있어 전기 사용 효율을 증대시킬 수 있는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)는 전방에 위치되어 압축임펠러(120)의 작동에 의해 유입 공기를 압축하여 압축공기를 생성하는 압축부(100); 모터하우징(330)과, 상기 모터하우징(330) 내주면에 결합되는 스테이터(300a)와, 상기 스테이터(300a) 내측에서 회전하는 로터(301)와, 상기 로터(301)에 일체로 형성되는 로터디스크(302)를 포함하여 상기 임펠러를 구동시키는 구동부(300)를 포함하되, 상기 모터하우징(330)은, 전방으로 개방되되 반경방향으로 상기 로터(301) 중심축과 나란하게 중공되는 제1공기유동부(341) 및 제2공기유동부(342)와, 상기 모터하우징(330) 내측으로부터 중공되어 상기 제1공기유동부(341) 및 제2공기유동부(342)를 연통하는 공기연통부(343)를 포함하는 열교환부(340) 및 내부에 냉각수가 유동되는 냉각수유동부(332)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기연통부(343)는 가공툴이 상기 모터하우징(330) 내측으로부터 전방 및 외측방향인 사선방향으로 삽입가공되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 열교환부(340)는 전방으로부터 유입된 공기가 상기 제1공기유동부(341), 공기연통부(343) 및 제2공기유동부(342)를 순차적으로 통과하면서 상기 냉각수유동부(332) 내부의 냉각수와 열교환되고, 전방으로 이송되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 열교환부(340)는 반경방향으로 상기 제1공기유동부(341)가 외측에 상기 제2공기유동부(342)가 내측에 위치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환부(340)는 원주방향으로 복수개 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 모터하우징(330)의 후방에 장착되는 후방커버(350)에 의해 상기 공기연통부(343)의 상기 모터하우징(330) 내주면으로 중공된 영역이 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 후방커버(350)는 전방에서 상기 모터하우징(330) 내주면측으로 돌출되는 돌출지지부(353)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 후방커버(350)는 상기 돌출지지부(353)의 원주방향을 따라 오목한 실링안착홈 및 상기 실링안착홈에 구비되는 실링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 모터하우징(330) 내부에 구비되는 스테이터(300a)에 의해 상기 공기연통부(343)의 상기 모터하우징(330) 내주면으로 중공된 영역이 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 열교환부(340)를 통과하는 공기 중 일부가 상기 공기연통부(343)를 통해 상기 모터하우징(330) 내부로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 모터하우징(330) 후방에 상기 로터(301)와 연동되는 터빈임펠러(220)를 포함하는 터빈부(200)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 차량용 공기 압축기는 모터하우징에 냉각수유동부 내부의 냉각수와 열교환되는 공기가 유동되는 열교환부를 용이하게 형성할 수 있어, 제조성을 보다 높일 수 있으며, 충분한 냉각 성능을 가지는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 차량용 공기 압축기는 열교환부의 제1공기유동부 및 제2공기유동부가 반경방향으로 나란하게 형성되고, 이를 연통하는 공기연통부가 모터하우징 내측으로부터 전방 및 외측방향인 사선방향으로 삽입되어 가공됨으로써 간단하게 모터하우징 내부에 공기가 유동되는 열교환부를 형성할 수 있어 제조성을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 차량용 공기 압축기는 임펠러 후단 또는 전방배출구 측 압축공기가 열교환부로 유입되어 냉각수유동부 내부의 냉각수와 열교환되어 냉각되고, 상기 로터, 로터디스크 및 내부에 구비되는 베어링을 냉각할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있으며, 압축공기가 별도의 배관 등을 통해 이동되는 흐름없이 차량용 공기 압축기 내에서 열교환이 이루어지는 형태로 소형화가 가능하며 생산성을 보다 높일 수 있는 장점이 있다.
또, 본 발명의 차량용 공기 압축기는 터빈부가 구비되어 압축부를 구동하는 구동부의 부하를 줄일 수 있으며, 전체 연료전지 차량에 있어 전기 사용 효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 모터하우징 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 단면도.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 열교환부의 실시예들을 나타낸 도면.
도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 차량용 공기압축기의 2방향 부분 분해사시도.
도 9는 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 압축공기 흐름을 나타낸 도면.
도 10 내지 도 13은 각각 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 다른 단면도, 2방향 부분 분해사시도, 및 압축공기 흐름을 나타낸 도면.
도 14 내지 도 17은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 또 다른 단면도, 하우징 사시도, 디퓨저 평면도, 및 압축공기 흐름을 나타낸 도면.
도 18은 본 발명에 따른 터빈부를 포함하는 차량용 공기 압축기의 압축공기 흐름을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 단면도.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 열교환부의 실시예들을 나타낸 도면.
도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 차량용 공기압축기의 2방향 부분 분해사시도.
도 9는 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 압축공기 흐름을 나타낸 도면.
도 10 내지 도 13은 각각 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 다른 단면도, 2방향 부분 분해사시도, 및 압축공기 흐름을 나타낸 도면.
도 14 내지 도 17은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 또 다른 단면도, 하우징 사시도, 디퓨저 평면도, 및 압축공기 흐름을 나타낸 도면.
도 18은 본 발명에 따른 터빈부를 포함하는 차량용 공기 압축기의 압축공기 흐름을 나타낸 도면.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 모터하우징(330) 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 단면도이며, 도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 열교환부(340)의 실시예들을 나타낸 도면이고, 도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 차량용 공기압축기의 2방향 부분 분해사시도이며, 도 9는 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 압축공기 흐름을 나타낸 도면이고, 도 10 내지 도 13은 각각 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 다른 단면도, 2방향 부분 분해사시도, 및 압축공기 흐름을 나타낸 도면이며, 도 14 내지 도 17은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 또 다른 단면도, 하우징 사시도, 디퓨저(310) 평면도, 및 압축공기 흐름을 나타낸 도면이고, 도 18은 본 발명에 따른 터빈부(200)를 포함하는 차량용 공기 압축기(1000)의 압축공기 흐름을 나타낸 도면이다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 압축부(100) 및 구동부(300)를 포함한다.
상기 압축부(100)는 전방에 위치되어 압축공기를 생성하여 공급하는 부분으로, 도 1 내지 도 15, 및 도 17에서 도면 좌측을 의미한다.
상기 압축부(100)는 압축하우징 및 압축임펠러(120)를 포함한다. 상기 압축하우징은 압축 대상 공기가 유입되는 전방유입구(111) 및 압축된 공기가 배출되는 전방배출구(112)를 포함하여, 상기 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기가 이동되는 방향으로 단면적이 점차 축소되는 형상으로 압축되는 블로우 형태를 가지며, 상기 전방배출구(112)를 통해 최종 배출된다.
상기 압축임펠러(120)는 상기 전방하우징(110) 내부에 배치되어 상기 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기를 압축한다.
상기 구동부(300)는 모터하우징(330)과, 스테이터(300a)와, 로터(301) 및 로터디스크(302)를 포함한다.
상기 모터하우징(330)은 상기 구동부(300)를 형성하는 기본 몸체로서, 상기 압축부(100)의 후방측에 연결되며, 내부에 스테이커, 로터(301) 및 로터디스크(302)가 구비된다. 또한, 상기 모터하우징(330)은 냉각수가 유동되는 공간인 냉각수유동부(332)가 형성된다. 상기 냉각수유동부(332)는 냉각수가 유입되는 냉각수유입부(332a) 및 냉각수배출부(332b)와 연통된다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 냉각수유동부(332)의 냉각수에 의해 수냉식으로 냉각이 이루어지며, 후술하는 열교환부(340)에 의해 압축공기가 냉각수에 의해 열교환되어 냉각된 상태로 이동되면서 공랭식으로도 냉각이 이루어진다.
상기 열교환부(340)는 상기 모터하우징(330)에 형성되어 압축공기가 이송되는 부분으로, 압축공기가 상기 열교환부(340)를 통과하면서 열교환되어 냉각된 후, 차량용 공기 압축기(1000) 내부를 냉각한다. 더욱 상세하게, 상기 열교환부(340)는 제1공기유동부(341), 제2공기유동부(342) 및 공기연통부(343)를 포함한다.
상기 제1공기유동부(341) 및 제2공기유동부(342)는 각각 전방으로 개방되며 축방향으로 중공되어 압축공기가 이동하는 공간을 형성하되, 반경방향으로 나란하게 위치된다. 상기 제1공기유동부(341)는 압축공기가 모터하우징(330) 내부로 유입되는, 전방에서 후방 방향으로 이동되는 흐름을 가지고, 상기 제2공기유동부(342)는 상기 제1공기유동부(341)를 통과한 압축공기가 다시 후방에서 전방 방향으로 이동되는 흐름을 갖는다.
이 때, 상기 열교환부(340)는 반경방향으로 상기 제1공기유동부(341)가 외측에 상기 제2공기유동부(342)가 내측에 위치되어 열교환이 완료된 압축공기를 로터(301)가 위치되는 중앙으로 용이하게 이송할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 공기연통부(343)는 후방에서 상기 제1공기유동부(341) 및 제2공기유동부(342)를 연통시키는 구성으로, 모터하우징(330) 내측으로부터 중공된다. 다시 말해, 상기 공기연통부(343)는 가공툴이 상기 모터하우징(330) 내측으로부터 전방 및 외측 방향인 사선방향으로 삽입가공되어 형성되는 것으로, 도 1에 가공툴을 점선으로 표시하였다. 가공툴의 길이에 의해 모터하우징(330) 내측으로부터 삽입하여 중공된 영역을 형성하는 것이 어려운 바, 외부에 중공된 영역을 형성하는 경우엔 이를 폐쇄하기 위한 별도의 구조물 또는 공정이 필요하다. 이에 반해, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 사선방향으로 공기연통부(343)를 형성하여 제조성을 확보하면서도 열교환부(340)의 제1공기유동부(341) 및 제2공기유동부(342)를 연통하여 압축공기 흐름을 원활히 형성할 수 있어 냉각 성능을 보다 높일 수 있다.
특히, 상기 열교환부(340)는 전방으로부터 유입된 공기가 상기 제1공기유동부(341), 공기연통부(343) 및 제2공기유동부(342)를 순차적으로 통과하면서 상기 냉각수유동부(332) 내부의 냉각수와 열교환되고, 전방으로 이송되며, 상기 열교환부(340)는 원주방향으로 복수개 형성될 수 있다.
상기 공기연통부(343)가 모터하우징(330) 내측으로부터 중공되어 상기 제1공기유동부(341) 및 제2공기유동부(342)를 연결하도록 형성되므로, 모터하우징(330)의 개방된 내측은 다양한 방법에 의해 밀폐되거나, 일부 압축공기가 이동되는 바이패스 유로로서 이용될 수 있다.
먼저, 도 2 및 도 3에 도시된 형태는 모터하우징(330) 후방에 구비되는 후방커버(350)에 의해 상기 공기연통부(343)의 모터하우징(330) 내주면 측으로 개방된 영역이 폐쇄되는 예를 나타내었다. 더욱 상세하게, 상기 후방커버(350)는 제3판부(351)가 형성되며, 상기 제3판부(351)의 중앙 일정영역이 로터(301)가 장착되도록 중공되는 제4장착부(352)가 형성된다. 또한, 상기 제3판부(351)의 전방 일정영역이 상기 모터하우징(330) 내주면 측으로 돌출되는 돌출지지부(353)가 상기 공기연통부(343)의 개방된 영역을 밀폐하도록 돌출될 수 있다.
또한, 도 4에 도시한 형태는 상기 도 2 및 도 3에 도시한 형태에서, 상기 돌출지지부(353)의 원주방향을 따라 오목한 실링안착홈이 형성되고, 상기 실링안착홈에 실링부가 구비되어 보다 확실히 밀폐되도록 하는 예를 나타내었다.
또, 도 5에 도시한 형태는 상기 모터하우징(330)에 장착되는 스테이터(300a)에 의해 상기 공기연통부(343)의 상기 모터하우징(330) 내주면으로 중공된 영역이 밀폐되는 예를 나타내었다.
상기 도 2 내지 도 5는 상기 공기연통부(343)의 모터하우징(330) 내주면으로 중공된 영역이 밀폐되어 상기 열교환부(340)의 제1공기유동부(341)를 통해 유입된 압축공기가 전량 공기연통부(343) 및 제2공기유동부(342)를 통해 이동되어 전방으로 이동되는 예를 나타내었다.
또한, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 열교환부(340)를 통과하는 공기 중 일부가 상기 공기연통부(343)를 통해 상기 모터하우징(330) 내부로 공급되어 모터하우징(330) 내부를 직접 냉각할 수 있다.
즉, 상기 열교환부(340)는 압축공기를 유입하여 상기 냉각수유동부(332) 내부의 냉각수와 열교환하여 전방에서 후방으로 이동하면서 냉각이 수행되도록 할 수 있으며, 부가적으로, 일부 공기가 바이패스되어 모터하우징(330) 내부로 직접 공급되어 냉각하도록 할 수도 있다.
압축공기의 흐름은 다양하게 형성될 수 있는 바, 아래에서 다시 설명한다.
상기 스테이터(300a)는 상기 모터하우징(330) 내주면에 결합고정되는 것으로, 플레이트 및 코일로 구성된다.
상기 로터(301)는 전방 일측이 상기 압축부(100)의 압축임펠러(120)와 결합되어 회전하면서 상기 임펠러를 회전시킨다. 이 때, 상기 로터디스크(302)는 로터(301)에 일체로 형성된다.
외부 전력이 공급되면 상기 로터(301)는 상기 스테이터(300a)와의 전자기적 상호 작용에 의해 회전력이 발생되며, 이 힘에 의해 상기 임펠러가 회전되고, 공기가 압축된다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터(301)의 회전이 용이하도록 베어링이 구비될 수 있으며, 상기 로터디스크(302)의 전방에 제1스러스트베어링(303), 상기 로터디스크(302)의 후방에 구비되는 제2스러스트베어링(304)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 로터(301)의 전방 및 후방에서 양단을 회전 가능하게 지지하는 제1저널베어링(미도시) 및 제2저널베어링(미도시)을 포함할 수 있다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 전방하우징(110)과 모터하우징(330) 사이에 디퓨저(310) 및 전방커버(320)가 순차적으로 구비될 수 있다.
상기 디퓨저(310)는 상기 전방하우징(110) 후방에 구비되어 전방측에서 상기 임펠러를 지지한다. 상기 디퓨저(310)는 제2판부(311) 및 제2장착부(312)를 포함한다. 상기 제2판부(311)는 상기 전방하우징(110)의 후방에 구비되는 판 형태의 몸체를 의미하며, 상기 제2장착부(312)는 상기 제2판부(311)의 중앙이 중공되어 상기 디퓨저(310)가 장착된다.
상기 전방커버(320)는 상기 디퓨저(310)의 후방에 구비되어 상기 로터(301), 로터디스크(302), 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)을 지지하는 구성으로, 제1판부(321), 제1장착부(322), 및 제1유동홀(323)을 포함하여 형성된다.
상기 제1판부(321)는 상기 전방커버(320)를 형성하도록 상기 디퓨저(310)와 모터하우징(330) 사이에 구비되는 판형 몸체를 의미한다.
상기 제1장착부(322)는 상기 제1판부(321)의 중앙이 중공되어 상기 로터(301)가 장착되는 영역이다.
이 때, 상기 제1판부(321)는 후방의 상기 제1장착부(322)의 둘레 일정영역이 상기 로터디스크(302), 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)이 안착되도록 오목한 오목부(325)가 형성될 수 있다.
상기 제1유동홀(323)은 상기 모터하우징(330)의 제1공기유동부(341)와 연통되도록 상기 제1판부(321)의 일정영역이 중공되는 부분으로, 압축공기가 상기 열교환부(340)의 제1공기유동부(341)로 이송하는 통로를 형성한다.
이 때, 상기 디퓨저(310)는 상기 제1유동홀(323)로 압축공기가 용이하게 이동되도록 한느 공간을 형성하도록 후방 둘레가 상기 전방커버(320) 전방으로 돌출되는 제1돌출부(314)가 형성된다. 즉, 상기 디퓨저(310)의 제2판부(311)와 전방커버(320)의 제1판부(321) 사이에는 압축공기가 이동될 수 있는 공간이 형성된다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 제1유동홀(323) 및 제1공기유동부(341)로 공급되는 압축공기가 다양한 위치에서 분기되어 이용될 수 있는데, 먼저, 임펠러 후단의 압축공기 중 일부가 이송될 수 있다. (도 2, 도 7 내지 도 9 참조) 이 경우, 상기 디퓨저(310)는 압축임펠러(120) 후방의 압축공기가 디퓨저(310)의 제2판부(311)를 관통하여 상기 디퓨저(310) 및 전방커버(320) 사이 공간으로 이송되도록 상기 제2판부(311)의 일정영역이 중공되는 제2유동홀(313)이 형성된다.
즉, 상기 압축임펠러(120) 후단에서 상기 디퓨저(310) 및 전방커버(320) 사이로 유입된 압축공기는 상기 전방커버(320)의 제1유동홀(323)을 통해 상기 열교환부(340)의 제1공기유동부(341)로 유입되어 공기연통부(343) 및 제2공기유동부(342)를 통과하면서 냉각수와 열교환되어 냉각되고 로터(301) 냉각이 이루어진다. 이 냉각흐름은 아래에서 다시 설명한다.
또, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 제1유동홀(323) 및 제1공기유동부(341)(열교환부(340))로 공급되는 압축공기가 전방배출구(112)에 인접한 전방하우징(110)으로부터 이송되는 일부일수 있다. (도 14 내지 도 17 참조) 이 경우, 상기 전방하우징(110)은 상기 전방배출구(112)를 통해 배출되는 압축공기 중 일부를 상기 디퓨저(310) 측으로 이송하도록 오목한 슬롯(113)이 형성되고, 상기 디퓨저(310)의 제1판부(321)에 상기 슬롯(113)으로부터 이송된 압축공기를 상기 전방커버(320)의 제1유동홀(323)로 이송하도록 중공된 제3유동홀(316)이 형성된다. 즉, 전방하우징(110)의 전방배출구(112)를 통해 배출되는 압축공기 중 일부가 상기 상기 전방하우징(110)의 슬롯(113), 상기 디퓨저(310)의 제3유동홀(316), 상기 전방커버(320)의 제1유동홀(323)을 통해 상기 열교환부(340)로 이동된다.
한편, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 열교환부(340)를 통과하여 냉각된 압축공기가 다양한 흐름을 가지면서 모터하우징(330) 내부의 로터(301)를 냉각할 수 있다.
먼저, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 열교환부(340)를 통과하여 냉각된 압축공기가 상기 로터디스크(302), 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)이 구비되는 영역으로 직접 공급되어 냉각될 수 있다. (도 2, 도 7 내지 도 9 참조) 이를 위하여, 상기 전방커버(320)는 상기 오목부(325)(제1스러스트베어링(303), 로터디스크(302), 및 제2스러스트베어링(304)이 구비되도록 전방커버(320)의 제1판부(321) 후방 일정영역이 오목하게 형성되는 부분)가 상기 제2공기유동부(342)와 연통될 수 있다.
또한, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 열교환부(340)를 통과하여 냉각된 압축공기가 상기 디퓨저(310)와 전방커버(320) 사이로 이송되어 상기 로터디스크(302)의 전방 및 후방을 순차적으로 냉각할수 있다. (도 10 내지 도 13 참조, 단 도 13에서, 로터디스크(302) 전후의 냉각 공기 흐름을 설명하기 위하여 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)은 나타내지 않고 화살표로 나타내었다.) 이를 위하여 상기 전방커버(320)는 상기 제2공기유동부(342)와 연통되도록 중공된 제4유동홀(324)이 형성된다. 다시 말해, 상기 열교환부(340)를 통과하여 냉각된 압축공기는 상기 전방커버(320)의 제4유동홀(324)을 통해 상기 디퓨저(310)와 전방커버(320) 사이 영역으로 이동되고, 상기 전방커버(320)의 제1장착부(322)를 통해 로터(301)의 전방에서 후방으로 이동하면서 냉각되고, 특히, 로터디스크(302)의 전방에 위치되는 제1스러스트베어링(303) 및 로터디스크(302)의 후방에 위치되는 제2스러스트베어링(304)을 냉각한다.
이 때, 상기 디퓨저(310)는 상기 제4유동홀(324)을 통해 열교환부(340)로부터 유입되는 공기와, 상기 열교환부(340)로 공급되는 공기를 구획하여, 후방에서 중앙측 일정영역을 제외한 나머지 제4유동홀(324)의 둘레를 감싸도록 돌출되는 제2돌출부(315)가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전방커버(320)는 상기 제4유동홀(324)을 통해 유입된 공기가 중앙의 제2장착부(312)를 통해 상기 로터디스크(302)가 위치되는 상기 전방커버(320) 후방으로 용이하게 이동되도록, 오목부(325)의 일정영역이 원주방향으로 오목하게 형성되는 안내홈(326)이 더 형성되는 것이 바람직하다. (도 12 참조)
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 열교환부(340)를 통과한 공기가 로터(301) 외주면을 따라 전방에서 후방으로 이동하면서 냉각한다.
한편, 도 7, 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 모터하우징(330)은 상기 전방커버(320)의 오목부(325)로 유입된 압축공기 중 일부가 제2스러스트베어링(304)을 통과하지 않고 모터하우징(330) 내측으로 바이패스되도록 전방 일정영역이 중공되는 제5유동홀(333)이 더 형성될수 있다. 또한, 상기 후방커버(350) 역시, 상기 제3판부(351) 일정영역이 중공된 제6유동홀(354)이 형성되어 모터하우징(330) 내부의 공기가 후방하우징(210) 측으로 바이패스되도록 제6유동홀(354)이 더 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 후방커버(350) 후방에 터빈부(200)가 더 구비될 수 있다. 상기 터빈부(200)는 후방하우징(210) 및 터빈임펠러(220)를 포함한다.
상기 후방하우징(210)은 상기 후방커버(350)의 후방에 형성되어 연료전지(4)로부터 배기되는 공기가 유입되는 후방유입구(211) 및 배출되는 후방배출구(212)가 형성되며, 내부에 터빈임펠러(220)를 포함한다.
상기 터빈부(200)가 구비되는 경우의 공기 흐름을 설명하면, 연료전지(4)시스템으로, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000), 열교환기(2), 가습기(3), 및 연료전지(4)를 포함한다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 압축부(100)에서 외부로부터 압축대상 공기를 흡입하여 압축하고 상기 열교환기(2)로 공급한다. 상기 열교환기(2)는 상기 압축부(100)가 압축한 고온 상태의 공기를 냉각하고, 상기 가습기(3)는 냉각된 공기에 수분을 첨가한 후, 상기 연료전지(4)로 공급된다. 상기 연료전지(4)로부터 배기되는 공기는 상기 터빈부(200)로 공급되어 로터(301)와 연통되는 터빈임펠러(220)를 회전시켜 구동부(300)의 부하를 감소시킨다. 이후, 상기 터빈부(200)를 통과한 공기는 차량 밖으로 배기된다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 터빈부(200)가 구비되어 연료전지(4) 시스템에서 구동부(300)의 부하를 줄여 전기 사용 효율을 보다 증대할 수 있는 장점이 있다.
상기 로터(301)의 전방으로부터 후방으로 이송된 압축공기는 상기 후방커버(350)의 제4장착부(352)를 통해 상기 터빈부(200)의 터빈임펠러(220)로 이송되어 외부로 배기된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 임펠러 후단 또는 전방배출구(112) 측 압축공기가 열교환부(340)로 유입되어 냉각수유동부(332) 내부의 냉각수와 열교환되어 냉각되고, 상기 로터(301), 로터디스크(302) 및 내부에 구비되는 베어링을 냉각할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있으며, 압축공기가 별도의 배관 등을 통해 이동되는 흐름없이 차량용 공기 압축기(1000) 내에서 열교환이 이루어지는 형태로 소형화가 가능하며 생산성을 보다 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
2 : 열교환기
3 : 가습기
4 : 연료전지
1000 : 차량용 공기 압축기
100 : 압축부
110 : 전방하우징 111 : 전방유입구
112 : 전방배출구 113 : 슬롯
120 : 압축임펠러
200 : 터빈부
210 : 후방하우징 211 : 후방유입구
212 : 후방배출구
220 : 터빈임펠러
300 : 구동부
300a : 스테이터
301 : 로터 302 : 로터디스크
303 : 제1스러스트베어링 304 : 제2스러스트베어링
310 : 디퓨저
311 : 제2판부 312 : 제2장착부
313 : 제2유동홀 314 : 제1돌출부
315 : 제2돌출부 316 : 제3유동홀
320 : 전방커버
321 : 제1판부 322 : 제1장착부
323 : 제1유동홀 324 : 제4유동홀
325 : 오목부 326 : 안내홈
330 : 모터하우징
331 : 제3장착부
332 : 냉각수유동부
332a : 냉각수유입부 332b : 냉각수배출부
333 : 제5유동홀
340 : 열교환부
341 : 제1공기유동부 342 : 제2공기유동부
343 : 공기연통부
350 : 후방커버
351 : 제3판부 352 : 제4장착부
353 : 돌출지지부 354 : 제6유동홀
3 : 가습기
4 : 연료전지
1000 : 차량용 공기 압축기
100 : 압축부
110 : 전방하우징 111 : 전방유입구
112 : 전방배출구 113 : 슬롯
120 : 압축임펠러
200 : 터빈부
210 : 후방하우징 211 : 후방유입구
212 : 후방배출구
220 : 터빈임펠러
300 : 구동부
300a : 스테이터
301 : 로터 302 : 로터디스크
303 : 제1스러스트베어링 304 : 제2스러스트베어링
310 : 디퓨저
311 : 제2판부 312 : 제2장착부
313 : 제2유동홀 314 : 제1돌출부
315 : 제2돌출부 316 : 제3유동홀
320 : 전방커버
321 : 제1판부 322 : 제1장착부
323 : 제1유동홀 324 : 제4유동홀
325 : 오목부 326 : 안내홈
330 : 모터하우징
331 : 제3장착부
332 : 냉각수유동부
332a : 냉각수유입부 332b : 냉각수배출부
333 : 제5유동홀
340 : 열교환부
341 : 제1공기유동부 342 : 제2공기유동부
343 : 공기연통부
350 : 후방커버
351 : 제3판부 352 : 제4장착부
353 : 돌출지지부 354 : 제6유동홀
Claims (11)
- 전방에 위치되어 압축임펠러(120)의 작동에 의해 유입 공기를 압축하여 압축공기를 생성하는 압축부(100);
모터하우징(330)과, 상기 모터하우징(330) 내주면에 결합되는 스테이터(300a)와, 상기 스테이터(300a) 내측에서 회전하는 로터(301)와, 상기 로터(301)에 일체로 형성되는 로터디스크(302)를 포함하여 상기 임펠러를 구동시키는 구동부(300)를 포함하되,
상기 모터하우징(330)은,
전방으로 개방되되 반경방향으로 상기 로터(301) 중심축과 나란하게 중공되는 제1공기유동부(341) 및 제2공기유동부(342)와, 상기 모터하우징(330) 내측으로부터 중공되어 상기 제1공기유동부(341) 및 제2공기유동부(342)를 연통하는 공기연통부(343)를 포함하는 열교환부(340) 및
내부에 냉각수가 유동되는 냉각수유동부(332)가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제1항에 있어서,
상기 공기연통부(343)는 가공툴이 상기 모터하우징(330) 내측으로부터 전방 및 외측방향인 사선방향으로 삽입가공되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제2항에 있어서,
상기 열교환부(340)는 전방으로부터 유입된 공기가 상기 제1공기유동부(341), 공기연통부(343) 및 제2공기유동부(342)를 순차적으로 통과하면서 상기 냉각수유동부(332) 내부의 냉각수와 열교환되고, 전방으로 이송되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제3항에 있어서,
상기 열교환부(340)는 반경방향으로 상기 제1공기유동부(341)가 외측에 상기 제2공기유동부(342)가 내측에 위치되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제3항에 있어서,
상기 열교환부(340)는 원주방향으로 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제3항에 있어서,
상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 모터하우징(330)의 후방에 장착되는 후방커버(350)에 의해 상기 공기연통부(343)의 상기 모터하우징(330) 내주면으로 중공된 영역이 밀폐되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제5항에 있어서,
상기 후방커버(350)는 전방에서 상기 모터하우징(330) 내주면측으로 돌출되는 돌출지지부(353)가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제7항에 있어서,
상기 후방커버(350)는 상기 돌출지지부(353)의 원주방향을 따라 오목한 실링안착홈 및 상기 실링안착홈에 구비되는 실링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제3항에 있어서,
상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 모터하우징(330) 내부에 구비되는 스테이터(300a)에 의해 상기 공기연통부(343)의 상기 모터하우징(330) 내주면으로 중공된 영역이 밀폐되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제3항에 있어서,
상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 열교환부(340)를 통과하는 공기 중 일부가 상기 공기연통부(343)를 통해 상기 모터하우징(330) 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
- 제1항에 있어서,
상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 모터하우징(330) 후방에 상기 로터(301)와 연동되는 터빈임펠러(220)를 포함하는 터빈부(200)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
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|---|---|---|---|
| KR1020200028367A KR20210112835A (ko) | 2020-03-06 | 2020-03-06 | 차량용 공기 압축기 |
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|---|---|
| KR20210112835A true KR20210112835A (ko) | 2021-09-15 |
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ID=77793359
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|---|---|
| KR (1) | KR20210112835A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20240042709A (ko) | 2022-09-26 | 2024-04-02 | 한온시스템 주식회사 | 공기 압축기 |
| WO2024167148A1 (ko) * | 2023-02-06 | 2024-08-15 | 한온시스템 주식회사 | 차량용 공기 압축기 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101810430B1 (ko) | 2016-05-16 | 2017-12-19 | 주식회사 동희산업 | 축 확장형 냉각방식 공기압축기 및 연료전지 차량 |
-
2020
- 2020-03-06 KR KR1020200028367A patent/KR20210112835A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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| WO2024167148A1 (ko) * | 2023-02-06 | 2024-08-15 | 한온시스템 주식회사 | 차량용 공기 압축기 |
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