KR20210132350A - 차량용 공기 압축기 - Google Patents

차량용 공기 압축기 Download PDF

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성열우
양현섭
이종성
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Abstract

본 발명은 차량용 공기 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1차 압축된 공기가 이송되는 연결배관을 통해 이동되는 압축공기 중 일부가 냉각수유동부와 열교환되어 상기 구동부를 냉각하는 냉각부를 통해 전체 차량용 공기 압축기의 구동을 안정화할 수 있는 차량용 공기 압축기에 관한 것이다.

Description

차량용 공기 압축기{Air compressor for car}
본 발명은 차량용 공기 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1차 압축된 공기가 이송되는 연결배관을 통해 이동되는 압축공기 중 일부가 냉각수유동부와 열교환되어 상기 구동부를 냉각하는 냉각부를 통해 전체 차량용 공기 압축기의 구동을 안정화할 수 있는 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 공기 압축기를 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 공기 압축기 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.
대한민국 등록특허 제10-1810430호(2017.12.13. 등록)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 1차 압축된 공기가 이송되는 연결배관을 통해 이동되는 압축공기 중 일부가 냉각수유동부와 열교환되어 상기 구동부를 냉각하는 냉각부를 통해 전체 차량용 공기 압축기의 구동을 안정화할 수 있는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 1차 압축된 공기를 이용하여 냉각한 후, 제1압축부 입구측(전방유입구)으로 이송하여 압축공기를 이용하기 위한 별도의 투입을 위한 구성 및 냉각을 완료한 압축공기를 배출하기 위한 구성이 필요치 않으면서도, 구동부(차량용 공기 압축기)의 냉각을 원활히 수행할 수 있는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 모터하우징의 제1유로를 통해 압축공기가 이동되면서 냉각수와 열교환되어 냉각된 압축공기가 후방커버의 제2유로를 통해 이송되어 로터 및 베어링을 냉각하는 제1냉각부, 전방임펠러의 제1중공홀을 통해 전방임펠러를 냉각하는 제2냉각부 및 로터를 바이패스하여 모터하우징 내부를 냉각하는 제3냉각부와 함께, 추가적으로 후방유입구의 일부 압축공기가 로터 내부의 축방향 후방에서 전방으로 이동하면서 냉각되도록 중공축부가 형성되어 충분한 냉각성능을 갖는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 목적은 후방커버의 제2-2유로가 로터 회전방향으로 경사지게 형성되어 제1스러스트베어링 및 제2스러스트베어링과 맞닿는 로터디스크의 냉각 성능을 보다 높일 수 있으며, 냉각부의 단면적을 조절하여 냉각을 위한 압축 공기의 흐름을 보다 원활히 하는 차량용 공기 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)는 압축 대상 공기가 유입되는 전방유입구(111) 및 압축된 공기가 배출되는 전방배출구(112)가 형성된 전방하우징(110)과, 상기 전방하우징(110) 내부에 구비되는 전방임펠러(120)를 포함하는 제1압축부(100); 상기 제1압축부(100)의 전방배출구(112)와 연결배관(400)을 통해 연결되어 제1압축부(100)를 통과한 공기가 유입되는 후방유입구(211) 및 압축된 공기가 배출되는 후방배출구(212)가 형성된 후방하우징(210)과, 상기 후방하우징(210) 내부에 구비되는 후방임펠러(220)를 포함하는 제2압축부(200); 상기 전방하우징(110) 및 후방하우징(210)이 각각 전방 및 후방에 구비되며, 내부에 냉각수가 유동되는 냉각수유동부(313)가 형성된 모터하우징(310)과, 상기 모터하우징(310) 내주면에 결합되는 스테이터(300a)와, 상기 스테이터(300a) 내측에서 회전하는 로터(301)와, 상기 로터(301)에 일체로 형성되는 로터디스크(302)를 포함하여 상기 전방임펠러(120) 및 후방임펠러(220)를 구동시키는 구동부(300); 및 상기 제1압축부(100)를 통해 압축되어 상기 연결배관(400)을 유동하는 압축공기 중 일부가 유입되어 상기 냉각수와 열교환되어, 상기 구동부(300)를 냉각하는 냉각부(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터디스크(302)가 후방에 위치되는 후방러너방식이되, 상기 냉각부(500)는 상기 모터하우징(310)에 길이방향으로 길게 형성되어 냉각수유동부(313)와 열교환되는 제1유로(311)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제1유로(311)는, 상기 모터하우징(310) 외주면으로부터 내측 중앙으로 압축공기를 이송하는 제1-1유로(311-1)와, 상기 제1-1유로(311-1)로부터 후방측으로 압축공기를 이송하는 제1-2유로(311-2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터디스크(302)를 지지하도록 모터하우징(310)과 후방하우징(210) 사이에 구비되는 후방커버(330) 및 디퓨저(340)를 포함하며, 상기 후방커버(330)는 상기 제1유로(311)로부터 이송된 압축공기를 이송받아 상기 로터디스크(302) 측으로 이송하는 제2유로(333)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2유로(333)는 상기 제1-2유로(311-2)와 연통되도록 중공되는 제2-1유로(333-1)와, 상기 제2-1유로(333-1)로부터 내측 중앙으로 압축공기를 이송하는 제2-2유로(333-2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 후방커버(330)는, 후방측면 중앙 일정영역이 상기 로터디스크(302)가 안착되도록 전방측으로 오목한 안착부(335)와, 상기 제2유로(333)를 통해 이송된 압축공기 중 일부가 상기 로터디스크(302)를 바이패스하도록 상기 안착부(335) 외주에 인접한 일정영역이 중공된 제2중공홀(334)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제2-2유로(333-2)는 상기 로터(301) 회전방향으로 경사지게 상기 제2-1유로(333-1)와 상기 안착부(335)를 연통하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터디스크(302)의 전방 및 후방을 각각 지지하는 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 로터(301) 전방 및 후방을 각각 지지하는 전방저널베어링(305) 및 후방저널베어링(306)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 전방커버(320)를 포함하며, 상기 냉각부(500)는 상기 제1유로(311), 제2유로(333)를 통과한 압축공기가 상기 로터디스크(302), 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)을 냉각하고, 후방커버(330) 및 전방커버(320)와 로터(301) 사이의 영역을 통해 상기 로터(301) 후방에서 전방을 따라 이동하면서 냉각하는 제1냉각부(P1)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 전방임펠러(120)의 후방에서 전방측으로 관통되는 제1중공홀(122)이 형성되고, 상기 냉각부(500)는 상기 제1중공홀(122)을 통과하면서 상기 전방임펠러(120)를 냉각하는 제2냉각부(P2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제1중공홀(122)은 후방 외측에서 전방 중앙방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 모터하우징(310) 및 전방커버(320)에 각각 상기 제2중공홀(334)을 통해 상기 모터하우징(310) 내부를 냉각한 압축공기가 상기 제2냉각부(P2)로 이동되도록 중공된 제3중공홀(312) 및 제4중공홀(323)이 형성되고, 상기 냉각부(500)는 상기 제2중공홀(334), 제3중공홀(312) 및 제4중공홀(323) 중 하나 이상을 통과하면서 모터하우징(310) 내부를 냉각하는 제3냉각부(P3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각부(500)는 상기 연결배관(400)과 제1유로(311)가 냉각배관(510)에 의해 연결되며, 상기 후방커버(330)는 상기 제1냉각부(P1)의 단면적 및 제2중공홀(334)의 단면적 합이 상기 냉각배관(510)의 단면적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 로터(301)는 후방유입구(211)로부터 일부 압축공기를 공급받아 로터(301)를 냉각하도록 축방향으로 중공되는 중공축부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 차량용 공기 압축기는 1차 압축된 공기가 이송되는 연결배관을 통해 이동되는 압축공기 중 일부가 냉각수유동부와 열교환되어 상기 구동부를 냉각하는 냉각부가 형성되어 전체 차량용 공기 압축기의 구동을 안정화할 수 있다.
특히, 본 발명의 차량용 공기 압축기는 1차 압축된 공기를 이용하여 냉각한 후, 제1압축부 입구측(전방유입구)으로 이송하여 압축공기를 이용하기 위한 별도의 투입을 위한 구성 및 냉각을 완료한 압축공기를 배출하기 위한 구성이 필요치 않으면서도, 구동부(차량용 공기 압축기)의 냉각을 원활히 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 차량용 공기 압축기는 모터하우징의 제1유로를 통해 압축공기가 이동되면서 냉각수와 열교환되어 냉각된 압축공기가 후방커버의 제2유로를 통해 이송되어 로터 및 베어링을 냉각하는 제1냉각부, 전방임펠러의 제1중공홀을 통해 전방임펠러를 냉각하는 제2냉각부 및 로터를 바이패스하여 모터하우징 내부를 냉각하는 제3냉각부와 함께, 추가적으로 후방유입구의 일부 압축공기가 로터 내부의 축방향 후방에서 전방으로 이동하면서 냉각되도록 중공축부가 형성되어 충분한 냉각성능을 갖는다.
또, 본 발명의 차량용 공기 압축기는 후방커버의 제2-2유로가 로터 회전방향으로 경사지게 형성되어 제1스러스트베어링 및 제2스러스트베어링과 맞닿는 로터디스크의 냉각 성능을 보다 높일 수 있으며, 냉각부의 단면적을 조절하여 냉각을 위한 압축 공기의 흐름을 보다 원활히 하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 개략도.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 단면도 및 확대도.
도 4는 상기 도 2에 도시한 차량용 공기 압축기의 압축공기 흐름을 나타낸 도면.(베어링의 구성은 표시하지 않음)
도 5는 상기 도 2의 AA'방향 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 후방에서 전방방향으로 전방커버측 조립 상태를 나타낸 평면도.(디퓨저 이격 시킨 상태에서)
도 7은 상기 도 6의 부분 확대도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기의 단면도 및 확대도.
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 개략도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 단면도 및 확대도이며, 도 4는 상기 도 2에 도시한 차량용 공기 압축기(1000)의 압축공기 흐름을 나타낸 도면이고, 도 5는 상기 도 2의 AA'방향 단면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 후방에서 전방방향으로 전방커버(320)측 조립 상태를 나타낸 평면도이고, 도 7은 상기 도 6의 부분 확대도이며, 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 차량용 공기 압축기(1000)의 단면도 및 확대도이다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 제1압축부(100), 제2압축부(200), 구동부(300), 및 냉각부(500)를 포함한다.
상기 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 제1압축부(100)를 통해 1차 압축된 공기가 연결배관(400)을 통해 제2압축부(200)로 공급되어 2차 압축된 후 배출되는 형태이다.
먼저, 상기 제1압축부(100)는 전방에 위치되어 1차로 압축공기를 생성하는 부분으로, 도 2, 도 3, 도 4, 도 8 및 도 9에서 도면 좌측에 위치하는 부분을 전방으로 정의한다.
상기 제1압축부(100)는 전방하우징(110) 및 전방임펠러(120)를 포함한다. 상기 전방하우징(110)은 압축 대상 공기가 유입되는 전방유입구(111) 및 압축된 공기가 배출되는 전방배출구(112)가 형성되며, 상기 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기가 이동되는 방향으로 단면적이 점차 축소하는 형상으로 압축되는 블로우 형태를 가지며, 상기 전방배출구(112)가 연결배관(400)과 연결되어 압축된 공기가 상기 연결배관(400)으로 배출된다.
상기 전방임펠러(120)는 전방하우징(110) 내부에 구비되어 상기 구동부(300)에 의해 회전력을 전달받아 회전하면서 상기 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기를 압축한다. 상기 전방임펠러(120)는 후방측에 제1실링부재(121)가 구비될 수 있다.
상기 제2압축부(200)는 후방하우징(210) 및 후방임펠러(220)를 포함한다. 상기 후방하우징(210)은 상기 제1압축부(100)를 통해 1차 압축된 공기를 연결배관(400)을 통해 공급받는 후방유입구(211) 및 압축된 공기가 배출되는 후방배출구(212)가 형성되며, 상기 후방유입구(211)를 통해 유입된 공기가 이동되는 방향으로 단면적이 점차 축소하는 형상으로 압축되는 블로우 형태를 가진다.
상기 후방임펠러(220)는 상기 후방하우징(210) 내부에 구비되어 상기 구동부(300)에 의해 회전력을 전달받아 회전하면서 상기 후방유입구(211)를 통해 유입된 공기를 압축한다. 상기 후방임펠러(220)는 전방측에 제2실링부재(221)가 구비될 수 있다.
상기 구동부(300)는 모터하우징(310)과, 스테이터(300a)와, 로터(301) 및 로터디스크(302)를 포함한다.
상기 모터하우징(310)은 상기 구동부(300)를 형성하는 기본 몸체로서, 상기 전방하우징(110)과 후방하우징(210) 사이에 구비된다. 또한, 상기 모터하우징(310)은 냉각수가 유동되는 공간인 냉각수유동부(313)가 형성된다. 상기 냉각수유동부(313)는 내부에 냉각수가 유동되면서 모터하우징(310) 자체를 수냉식으로 냉각함과 동시에 상기 냉각부(500)를 통과하는 압축공기를 냉각하여, 상기 냉각된 압축공기에 의해 공랭식으로도 냉각이 이루어진다. 상기 냉각부(500)의 구체적인 구성은 다시 후술한다.
또한, 상기 모터하우징(310)은 내부에 스테이터(300a), 로터(301), 및 로터디스크(302)가 구비된다.
상기 스테이터(300a)는 상기 모터하우징(310) 내주면에 결합고정되는 것으로, 플레이트 및 코일로 구성된다.
상기 로터(301)는 전방 일측이 상기 제1압축부(100)의 전방임펠러(120) 및, 후방 타측이 상기 제2압축부(200)의 후방임펠러(220)와 결합되어 회전하면서, 상기 전방임펠러(120) 및 후방임펠러(220)를 회전시킨다. 이 때, 상기 로터디스크(302)는 로터(301)에 일체로 형성된다. 외부 전력이 공급되면, 상기 로터(301)는 스테이커와의 전자기적 상호 작용에 의해 회전력이 발생되며, 이 힘에 의해 상기 전방임펠러(120) 및 후방임펠러(220)가 회전되고, 1차 및 2차로 공기가 압축된다.
이 때, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터디스크(302)가 후방에 위치되는 후방러너방식으로, 상기 연결배관(400)을 유동하는 압축공기 중 일부가 유입되어 전방에서 후방으로 이동하면서 상기 냉각수유동부(313)와 열교환이 이루어져 냉각된 상태로 상기 로터디스크(302) 측으로 공급되어 원활히 냉각이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터(301)의 회전이 용이하도록 베어링이 구비될 수 있으며, 상기 로터디스크(302)의 전방 및 후방을 각각 지지하는 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)과, 로터(301) 전방 및 후방을 각각 지지하는 전방저널베어링(305) 및 후방저널베어링(306)을 포함할 수 있다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 전방하우징(110)과 모터하우징(310) 사이에 전방커버(320)가 구비되고, 상기 모터하우징(310)과 후방하우징(210) 사이에 후방커버(330) 및 디퓨저(340)가 구비될 수 있다.
상기 전방커버(320)는 상기 모터하우징(310)의 전방에 장착되는 판형태의 제1판부(321)로 이루어지며, 상기 제1판부(321)의 중앙에 상기 로터(301)가 삽입되도록 제1장착부(322)가 중공된다. 상기 전방커버(320)의 제1장착부(322) 형성 영역에 상기 전방저널베어링(305)이 구비될 수 있다. 이 때, 상기 전방커버(320)는 전방측이 상기 전방하우징(110)과 함께 상기 전방임펠러(120)가 장착되는 공간을 형성하며, 후방측이 상기 모터하우징(310)의 전방측을 차단한다.
상기 후방커버(330)는 상기 모터하우징(310)의 후방에 장착되는 판형태의 제2판부(331)로 이루어지며, 상기 제2판부(331)의 중앙에 상기 로터(301)가 삽입되도록 제2장착부(332)가 중공된다. 상기 후방커버(330)의 제2장착부(332) 형성 영역에 상기 후방저널베어링(306)이 구비될 수 있다. 상기 후방커버(330)의 후방측에는 로터디스크(302)가 안착되도록 중앙의 일정영역이 오목한 안착부(335)가 형성된다.
상기 디퓨저(340)는 상기 후방커버(330) 후방에 구비되어 전방측에서 상기 후방커버(330)와 로터디스크(302)가 구비되는 공간을 형성하고, 후방측에서 상기 후방하우징(210)과의 사이에 후방임펠러(220)가 구비되는 공간을 형성한다.
상기 디퓨저(340) 역시, 판형태의 제3판부(341)로 이루어지며, 상기 제3판부(341)의 중앙에 상기 로터(301)가 삽입되도록 제3장착부(342)가 중공된다.
본 발명의 냉각부(500)는 상기 연결배관(400)을 통과하는 압축공기인, 상기 제1압축부(100)를 통해 1차로 압축되어 상기 제2압축부(200)로 이송되는 압축공기 중 일부가 유입되어 냉각수유동부(313)와 열교환되고, 상기 구동부(300)를 냉각하는 구성이다.
먼저, 상기 냉각부(500)는 모터하우징(310)의 제1유로(311)를 포함한다.
상기 제1유로(311)는 상기 모터하우징(310) 외주면으로부터 내측 중앙으로 압축공기를 이송하는 제1-1유로(311-1)와, 상기 제1-1유로(311-1)로부터 후방측으로 압축공기를 이송하는 제1-2유로(311-2)를 포함한다.
상기 제1-2유로(311-2)는 상기 냉각수유동부(313)와 나란하게 형성되어 내부를 유동하는 압축공기가 상기 냉각수유동부(313)와 열교환되어 냉각된다. 상기 도 5에서, 원주방향으로, 상기 냉각수유동부(313)가 12개 형성되고, 상기 제1-2유로(311-2)가 6개 형성된 예를 나타내었으나, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 이에 제한되지 않고 더욱 다양한 개수 및 크기로 형성된다.
또한, 냉각부(500)는 상기 후방커버(330)의 제2유로(333)를 포함할 수 있다.
상기 제2유로(333)는 상기 제1유로(311)를 통해 공급된 상기 냉각된 압축공기를 상기 로터디스크(302) 측으로 공급하는 유로로, 상기 제1-2유로(311-2)와 연통되도록 중공되는 제2-1유로(333-1)와, 상기 제2-1유로(333-1)로부터 내측 중앙으로 압축공기를 이송하는 제2-2유로(333-2)를 포함한다. 이 때, 상기 제2-2유로(333-2)는 일측이 상기 제2-1유로(333-1)와 연통되고, 타측이 상기 후방커버(330)의 후방측 일정 영역에 오목한 형태로 형성되며 상기 로터디스크(302)가 안착되는 상기 안착부(335)와 연통된다.
이 때, 상기 제2-2유로(333-2)는 상기 로터(301) 회전방향으로 경사지게 상기 제2-1유로(333-1)와 상기 안착부(335)를 연통하는 것이 바람직하다. 상기 도 6 및 도 7은 상기 로터(301)와 로터디스크(302) 및 제2스러스트베어링(304)이 장착되고, 상기 디퓨저(340)가 탈착된 상태의 후방측에서 바라본 평면도로, 상기 도 6 및 도 7을 참조하면, 외주방향인 제2-2유로(333-2) 일측은 상기 제2-1유로(333-1)와 연통되고, 타측은 상기 안착부(335)와 연통되는데, 도면에서 로터(301) 회전방향인 반시계방향으로 상기 제2-2유로(333-2)가 경사지게 형성된다. 이를 통해, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)이 마모가 가장 많이 유발되는 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)의 가장자리 영역에 냉각된 압축공기가 원활히 공급되어 충분한 냉각이 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 더욱 상세하게, 상기 도 7에서, 상기 제2-2유로(333-2)와 안착부(335)가 접하는 부분에서 상기 로터(301) 중심으로부터 반경을 L1으로 표시하였고, 상기 L1의 접선을 L2, 상기 제2-2유로(333-2)의 중앙선을 L3로 표시하였다. 즉, L2와 L3 사이각 중 작은 각을 θ라 하였을 때, θ는 90 ㅀ 미만으로 형성되며, 그 경사진 방향은 로터(301) 회전방향이다. 이 때, 상기 θ 값은 적절히 조절될 수 있으며, 제조 가능한 영역에서 작게 형성하여 상기 로터디스크(302)와, 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)이 구비되는 측으로의 압축공기 흐름을 원활히 하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제1유로(311) 및 제2유로(333)를 통해 공급된 압축공기는 기본적으로 제1냉각부(P1)를 통해 내부 구성 부품들을 냉각할 수 있다.
상기 제1냉각부(P1)는 상기 로터디스크(302)가 형성된 후방측에서 전방측으로 압축공기가 이동하면서 냉각이 이루어지는 공간을 의미하는 것으로, 더욱 상세하게, 상기 제1냉각부(P1)는 상기 제1유로(311) 및 제2유로(333)를 통해 이송된 압축공기가 상기 로터디스크(302), 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)을 냉각하고, 로터(301) 외주면을 따라 후방에서 전방으로 이동하면서 상기 로터(301)를 냉각한다.
또한, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 냉각부(500)가 제2냉각부(P2)를 포함하여 상기 제1냉각부(P1)를 통과한 압축공기가 전방임펠러(120)를 냉각하고, 상기 전방하우징(110)의 전방유입구(111)로 배출되도록 한다.
상기 제2냉각부(P2)는 전방임펠러(120)에 형성된 제1중공홀(122)에 의해 압축공기가 이동되는 공간을 의미하는 것으로, 상기 제1냉각부(P1)를 통과한 공기가 상기 전방임펠러(120)의 후방에서 상기 제1중공홀(122)을 통해 전방으로 이동하면서 전방임펠러(120)를 냉각하고, 상기 전방유입구(111)로 이송되어 제1압축부(100)에 의해 다시 압축되어 공급되는 흐름을 갖는다.
즉, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)냉각을 위한 압축공기를 배출하기 위한 별도의 유로가 필요치 않으며, 압축기 냉각을 위해 이용되었던 압축공기는 다시 상기 제1압축부(100)에 의해 압축되어 공급된다.
이 때, 상기 제1중공홀(122)은 후방 외측에서 전방 중앙방향으로 경사지게 형성되어, 냉각을 위한 압축공기가 상기 전방임펠러(120)의 후면을 냉각한 후, 상기 제1중공홀(122)로 이송되어 전방임펠러(120)를 효과적으로 냉각할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
추가로, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 냉각부(500)가 제3냉각부(P3)를 더 포함할 수 있다.
상기 제3냉각부(P3)는 상기 제1냉각부(P1)의 흐름과는 개별적인 흐름을 형성하는 공간으로, 상기 제1유로(311) 및 제2유로(333)를 통해 이송된 압축공기 중 일부가 상기 로터디스크(302), 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304) 측으로 공급되지 않고 상기 후방커버(330)를 관통하여 형성되는 중공홀 형태의 제2중공홀(334)을 통해, 모터하우징(310) 내부로 공급되어 냉각되도록 하고, 상기 제1냉각부(P1)로 합류하여 배출될 수 있다.
상기 제2중공홀(334)은 상기 안착부(335) 외주의 상기 로터디스크(302)가 구비되지 않는 일정 영역이 중공되는 홀 형태를 의미한다.
추가적으로, 상기 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 제2중공홀(334)을 통해 모터하우징(310) 내부로 공급되어 냉각된 압축공기가 상기 제2냉각부(P2)로 직접 이송되어 배출되도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 제3냉각부(P3)는 상기 모터하우징(310) 및 전방커버(320)에 각각 제3중공홀(312) 및 제4중공홀(323)이 형성되어, 상기 제2중공홀(334)을 통해 상기 모터하우징(310) 내부를 냉각한 압축공기가 상기 제3중공홀(312) 및 제4중공홀(323)을 통해 상기 제2냉각부(P2)로 이송된다.
한편, 상기 냉각부(500)는 상기 연결배관(400)과 제1유로(311)가 냉각배관(510)에 의해 연결될 수 있으며, 이 때, 상기 후방커버(330)는 상기 제1냉각부(P1)의 단면적 및 제2중공홀(334)의 단면적 합이 상기 냉각배관(510)의 단면적보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제1냉각부(P1)의 단면적은 상기 후방커저의 제2장착부(332)와 로터(301) 사이의 영역으로, 압축공기가 이동가능한 영역의 면적을 의미하며, 도 5에 표시하였다.
상기 제2중공홀(334)의 단면적은 상기 제2중공홀(334)이 복수개 형성될 경우, 전체의 단면적을 의미한다.
본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 냉각을 위한 압축공기가 유입되는 영역의 냉각배관(510) 단면적보다, 상기 제1냉각부(P1)의 단면적 및 제2중공홀(334)의 단면적 합이 더 크게 형성되어 압축공기의 흐름을 보다 원활히 하여 압축공기에 의한 냉각 성능을 보다 높일 수 있다.
즉, 상기 냉각부(500)는 상기 제1유로(311) 및 제2유로(333)를 통과하여, 상기 제1냉각부(P1) 및 및 제3냉각부(P3) 중 하나의 유로를 통과한 후, 상기 제2냉각부(P2)를 통과하여 차량용 공기 압축기(1000) 내부를 원활히 냉각할 수 있으며, 전방유입구(111)로 배출되어 압축기로 유입되는 다른 공기들과 합류되어 압축이 수행된다. 이에 따라, 본 발명의 차량용 공기 압축기(1000)는 압축공기를 이송받기 위한 별도의 구성 및 냉각을 완료한 압축공기를 배출하기 위한 별도의 구성이 필요치 않으면서도 냉각 성능을 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.
1000 : 차량용 공기 압축기
100 : 제1압축부
110 : 전방하우징 111 : 전방유입구
112 : 전방배출구
120 : 전방임펠러 121 : 제1실링부재
122 : 제1중공홀
200 : 제2압축부
210 : 후방하우징 211 : 후방유입구
212 : 후방배출구
220 : 후방임펠러 221 : 제2실링부재
300 : 구동부
300a : 스테이터
301 : 로터 301a : 중공축부
302 : 로터디스크
303 : 제1스러스트베어링 304 : 제2스러스트베어링
305 : 전방저널베어링 306 : 후방저널베어링
310 : 모터하우징
311 : 제1유로(311-1 : 제1-1유로, 311-2 : 제1-2유로)
312 : 제3중공홀
313 : 냉각수유동부
320 : 전방커버
321 : 제1판부 322 : 제1장착부
323 : 제4중공홀
330 : 후방커버
331 : 제2판부 332 : 제2장착부
333 : 제2유로(333-1 : 제2-1유로, 333-2 : 제2-2유로)
334 : 제2중공홀
335 : 안착부(로터디스크 장착 공간을 형성함)
340 : 디퓨저
341 : 제3판부 342 : 제3장착부
400 : 연결배관
500 : 냉각부
510 : 냉각배관
P1 : 제1냉각부
P2 : 제2냉각부
P3 : 제3냉각부(바이패스유로)
A1 : 제1단면적
A2 : 제2단면적(제2중공홀의 중공 영역)
A3 : 제3단면적(후방커버의 제2장착부와 로터 사이 영역)

Claims (15)

  1. 압축 대상 공기가 유입되는 전방유입구(111) 및 압축된 공기가 배출되는 전방배출구(112)가 형성된 전방하우징(110)과, 상기 전방하우징(110) 내부에 구비되는 전방임펠러(120)를 포함하는 제1압축부(100);
    상기 제1압축부(100)의 전방배출구(112)와 연결배관(400)을 통해 연결되어 제1압축부(100)를 통과한 공기가 유입되는 후방유입구(211) 및 압축된 공기가 배출되는 후방배출구(212)가 형성된 후방하우징(210)과, 상기 후방하우징(210) 내부에 구비되는 후방임펠러(220)를 포함하는 제2압축부(200);
    상기 전방하우징(110) 및 후방하우징(210)이 각각 전방 및 후방에 구비되며, 내부에 냉각수가 유동되는 냉각수유동부(313)가 형성된 모터하우징(310)과, 상기 모터하우징(310) 내주면에 결합되는 스테이터(300a)와, 상기 스테이터(300a) 내측에서 회전하는 로터(301)와, 상기 로터(301)에 일체로 형성되는 로터디스크(302)를 포함하여 상기 전방임펠러(120) 및 후방임펠러(220)를 구동시키는 구동부(300); 및
    상기 제1압축부(100)를 통해 압축되어 상기 연결배관(400)을 유동하는 압축공기 중 일부가 유입되어 상기 냉각수와 열교환되어, 상기 구동부(300)를 냉각하는 냉각부(500)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터디스크(302)가 후방에 위치되는 후방러너방식이되,
    상기 냉각부(500)는 상기 모터하우징(310)에 길이방향으로 길게 형성되어 냉각수유동부(313)와 열교환되는 제1유로(311)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1유로(311)는,
    상기 모터하우징(310) 외주면으로부터 내측 중앙으로 압축공기를 이송하는 제1-1유로(311-1)와,
    상기 제1-1유로(311-1)로부터 후방측으로 압축공기를 이송하는 제1-2유로(311-2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터디스크(302)를 지지하도록 모터하우징(310)과 후방하우징(210) 사이에 구비되는 후방커버(330) 및 디퓨저(340)를 포함하며,
    상기 후방커버(330)는 상기 제1유로(311)로부터 이송된 압축공기를 이송받아 상기 로터디스크(302) 측으로 이송하는 제2유로(333)가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    제2유로(333)는 상기 제1-2유로(311-2)와 연통되도록 중공되는 제2-1유로(333-1)와,
    상기 제2-1유로(333-1)로부터 내측 중앙으로 압축공기를 이송하는 제2-2유로(333-2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 후방커버(330)는,
    후방측면 중앙 일정영역이 상기 로터디스크(302)가 안착되도록 전방측으로 오목한 안착부(335)와,
    상기 제2유로(333)를 통해 이송된 압축공기 중 일부가 상기 로터디스크(302)를 바이패스하도록 상기 안착부(335) 외주에 인접한 일정영역이 중공된 제2중공홀(334)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2-2유로(333-2)는 상기 로터(301) 회전방향으로 경사지게 상기 제2-1유로(333-1)와 상기 안착부(335)를 연통하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 로터디스크(302)의 전방 및 후방을 각각 지지하는 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 차량용 공기 압축기(1000)는 로터(301) 전방 및 후방을 각각 지지하는 전방저널베어링(305) 및 후방저널베어링(306)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 차량용 공기 압축기(1000)는 전방커버(320)를 포함하며,
    상기 냉각부(500)는 상기 제1유로(311), 제2유로(333)를 통과한 압축공기가 상기 로터디스크(302), 제1스러스트베어링(303) 및 제2스러스트베어링(304)을 냉각하고, 후방커버(330) 및 전방커버(320)와 로터(301) 사이의 영역을 통해 상기 로터(301) 후방에서 전방을 따라 이동하면서 냉각하는 제1냉각부(P1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 전방임펠러(120)의 후방에서 전방측으로 관통되는 제1중공홀(122)이 형성되고,
    상기 냉각부(500)는 상기 제1중공홀(122)을 통과하면서 상기 전방임펠러(120)를 냉각하는 제2냉각부(P2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1중공홀(122)은 후방 외측에서 전방 중앙방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 차량용 공기 압축기(1000)는 상기 모터하우징(310) 및 전방커버(320)에 각각 상기 제2중공홀(334)을 통해 상기 모터하우징(310) 내부를 냉각한 압축공기가 상기 제2냉각부(P2)로 이동되도록 중공된 제3중공홀(312) 및 제4중공홀(323)이 형성되고,
    상기 냉각부(500)는 상기 제2중공홀(334), 제3중공홀(312) 및 제4중공홀(323) 중 하나 이상을 통과하면서 모터하우징(310) 내부를 냉각하는 제3냉각부(P3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각부(500)는 상기 연결배관(400)과 제1유로(311)가 냉각배관(510)에 의해 연결되며,
    상기 후방커버(330)는 상기 제1냉각부(P1)의 단면적 및 제2중공홀(334)의 단면적 합이 상기 냉각배관(510)의 단면적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 로터(301)는 후방유입구(211)로부터 일부 압축공기를 공급받아 로터(301)를 냉각하도록 축방향으로 중공되는 중공축부가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기.
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