KR20210141491A - 캔드 모터와 그에 의해 구동하는 펌프, 및 그것을 사용한 로켓 엔진 시스템과 액체 연료 로켓 - Google Patents

Abstract

로터가 고속 회전하는 경우에, 취급액이 가스화되는 것을 저감한 캔드 모터를 제공한다. 캔드 모터(10)는, 스테이터실(26)에 배치되는 스테이터(18)와, 로터실(12)에 배치되는 로터(14)와, 로터(14)를 둘러싸는 스테이터 캔(7)을 갖는다. 또한 캔드 모터(10)는, 스테이터(18)를 냉각하기 위한 냉각액이 스테이터실(26)에 유입되도록 구성된 스테이터실 입구부(43)와, 냉각액이 스테이터실(26)로부터 유출되도록 구성된 스테이터실 출구부(44)를 갖는다.

Description

캔드 모터와 그에 의해 구동하는 펌프, 및 그것을 사용한 로켓 엔진 시스템과 액체 연료 로켓

본 발명은 캔드 모터와 그에 의해 구동하는 펌프, 및 그것을 사용한 로켓 엔진 시스템과 액체 연료 로켓에 관한 것이다.

액체 연료 로켓은, 액체 수소나 액체 메탄 등의 저비점의 추진제(연료)와 액체 산소 등의 저비점의 산화제(모두 액체)를 각각의 탱크로부터 고압의 연소실로 보내주고, 연소실에서 연소시켜 발생한 고온의 가스를 노즐로부터 분사함으로써 추력을 얻는 로켓이다. 펌프로 추진제와 산화제를 연소실로 보내주는 펌프 방식이 액체 연료 로켓에 있어서 사용되는 경우가 있다.

펌프를 구동하기 위해 전동 모터, 예를 들어 캔드 모터를 사용할 수 있다. 종래의 캔드 모터를 사용한 펌프에서는, 펌프의 펌프 블레이드에 의해 반송되는 액체(취급액)에, 모터의 로터 자체가 잠겨 있다. 모터의 스테이터의 내측에는 금속제 또는 수지성 캔(이하에서는 「스테이터 캔」이라고 칭함)이 기밀하게 끼워 넣어진다. 로터의 외주에는, 로터의 일부인 금속제 또는 수지성 캔(이하에서는 「로터 캔」이라고 칭함)이 배치된다. 스테이터는 스테이터 캔에 의해, 펌프가 반송하는 액체와 절연되어 있다. 모터 내부의 로터의 외주에 액체가 들어가 냉각 작용을 한다. 캔드 모터는 종래, 취급액의 누설이 바람직하지 않은 화학용 액체, 유독 액체 등의 반송에 사용되고 있다.

종래의 캔드 모터를 사용한 펌프는, 통상 3600rpm 정도의 회전수로, 펌프의 취급액을 캔드 모터의 냉각액으로서 이용하기 위해, 취급액을 로터의 주위(로터 캔과 스테이터 캔 사이의 간극)에 흘리고 있었다. 취급액을 로터의 주위에 흘림으로써, 스테이터 및 로터를 냉각한다. 즉, 스테이터는 로터를 구동하는 전자기적인 힘을 발생시키기 위해, 전선이 권취된 모터 코일이 구비되어 있고, 모터 구동 시에는 모터 코일에 전류가 공급되므로, 모터 코일에 줄 열이 발생한다. 모터 코일은 스테이터의 규소 강판에 감겨 있다. 스테이터의 발열은, 규소 강판의 와전류 손실에 의한 발열이 지배적이다. 이 줄 열과 와전류 손실에 의해 스테이터의 온도가 높아지면, 코일이나 절연물의 소손을 초래할 우려가 있다. 또한, 로터는 스테이터에 의해 발생한 전자기적인 작용을 받아 구동력을 발생시키지만, 로터도 스테이터와 마찬가지로 전기적 손실에 의해 발열한다. 발열에 의한 온도 상승에 의해 자석이 감자하고(온도와 자석의 종류에 따름), 역률이나 효율 저하를 초래할 우려가 있다. 그래서, 취급액을 로터의 주위에 흘림으로써, 스테이터 및 로터를 냉각하여, 모터로서의 효율의 저하를 회피할 수 있다. 그러나, 스테이터의 일부에서 모터 코일의 말단 부분인 코일 엔드는, 로터 캔과 스테이터 캔 사이의 간극으로부터 이격되어 있기 때문에, 즉 냉각액으로부터 이격되어 있기 때문에, 종래에도 냉각되기 어려운 위치이다.

그런데, 로터를 고속 회전(1만 내지 10만rpm)시키는 경우, 종래의 냉각 방법에서는, 이하와 같은 문제가 있다. 즉, 로터를 고속 회전시키기 위해 스테이터에서 발생하여, 스테이터로부터 로터 주위의 취급액에 들어가는 다량의 열과, 로터의 고속 회전에 의해 유체와의 사이에 발생하는 회전 마찰 손실열에 의해 로터 주위의 저비점의 취급액이 가스화되기 쉬워진다. 가스화되면, 코일 엔드는 보다 냉각되기 어려워지고, 스테이터의 온도가 높아진다고 하는 문제가 발생한다. 또한, 가스화에 의해 로터나, 그 밖의 회전체의 진동이 발생하기 쉬워진다고 하는 문제가 발생한다.

로터가 고속 회전(1만 내지 10만rpm)하는 경우, 종래의 냉각 방법에서는, 이하와 같은 다른 문제도 있다. 즉, 로터 캔과 스테이터 캔 사이의 간극을 흐르는 취급액, 즉 냉각액에 의한 회전 마찰 손실이 매우 커져, 펌프 효율이 저하된다. 회전 마찰 손실이란, 로터 표면에 있는 로터 캔과 취급액(유체) 사이에 발생하는 마찰력(유체에 작용하는 전단력)에 의한 에너지 손실이다. 회전 마찰 손실이란, 모터의 출력 토크 중 마찰력에 소비되는 양과 같은 것이다. 취급액의 점도가 높을수록, 또한 로터와 취급액의 회전 방향의 상대 유속이 클수록 회전 마찰 손실은 크다. 경우에 따라서는, 펌프에 요구되는 사양값인 운전 회전수까지, 회전수가 올라가지 않는 경우도 있을 수 있다.

이와 같이, 로터가 고속 회전(1만 내지 10만rpm)하는 경우, 취급액의 가스화를 저감하고 싶을 때와, 냉각액에 의한 회전 마찰 손실을 저감하고 싶을 때가 있다. 어느 쪽 과제를 해결하는 것을 우선할지는, 캔드 모터의 사용 상태나 사용 목적에 의존한다.

일본 특허 공개 소52-137611호 일본 특허 공개 평2-193546호 일본 특허 공개 평8-200274호 일본 특허 공개 제2012-213272호 일본 특허 공표 제2016-52744호

본 발명의 일 형태는, 이러한 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 로터가 고속 회전하는 경우에, 취급액이 가스화되는 것을 저감한 캔드 모터를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 일 형태의 목적은, 로터가 고속 회전하는 경우에, 냉각액에 의한 회전 마찰 손실을 저감 혹은 냉각액에 의한 회전 마찰 손실을 회피한 캔드 모터를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 형태 1에서는, 스테이터실에 배치되는 스테이터와, 로터실에 배치되는 로터와, 상기 로터를 둘러싸는 캔을 갖고, 상기 로터를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 로터실에 유입되도록 구성된 로터실 입구부와, 상기 냉각액이 상기 로터실로부터 유출되도록 구성된 로터실 출구부를 갖는 캔드 모터에 있어서, 상기 스테이터를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 스테이터실에 유입되도록 구성된 스테이터실 입구부와, 상기 스테이터실 입구부로부터 유입된 냉각액이 상기 스테이터실로부터 유출되도록 구성된 스테이터실 출구부를 갖는 것을 특징으로 하는 캔드 모터라고 하는 구성을 취하고 있다.

본 실시 형태에서는, 스테이터실에 냉각액, 추진제(연료) 예를 들어 액체 메탄이나 액체 수소 등의 전기 절연성을 갖는 액체를 공급한다. 이 결과, 스테이터의 코일 엔드가 냉각된다. 이에 의해, 스테이터에서 발생하여, 스테이터로부터 로터 주위의 취급액에 들어가는 열을 저감하여, 로터 주위의 취급액이 고속 회전 시에 가스화되는 것을 저감한다. 또한, 스테이터실이란, 스테이터가 배치되는 방 또는 공간을 의미한다. 로터실이란, 로터가 배치되는 방 또는 공간을 의미한다.

상기 그 밖의 과제를 해결하기 위해, 형태 2에서는, 스테이터실에 배치되는 스테이터와, 로터실에 배치되는 로터와, 상기 로터를 둘러싸는 캔을 갖는 캔드 모터에 있어서, 상기 로터를 냉각하기 위한 냉각 가스가 상기 로터실에 유입되도록 구성된 로터실 입구부와, 상기 냉각 가스가 상기 로터실로부터 유출되도록 구성된 로터실 출구부를 갖는 것을 특징으로 하는 캔드 모터라고 하는 구성을 취하고 있다.

본 실시 형태에서는, 냉각 가스가 로터실에 유입된다. 이 때문에, 로터의 외주(예를 들어, 로터 캔과 스테이터 캔 사이의 간극)에는 헬륨이나 수소, 메탄 등의 로터를 냉각하기 위한 냉각 가스가 공급된다. 가스에 의한 회전 마찰 손실은, 액체에 의한 회전 마찰 손실보다 작기 때문에, 로터의 고속 회전에 의해 발생하는 마찰 손실을 저감하면서, 로터를 냉각할 수 있다.

형태 3에서는, 상기 스테이터를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 스테이터실에 유입되도록 구성된 스테이터실 입구부와, 상기 냉각액이 상기 스테이터실로부터 유출되도록 구성된 스테이터실 출구부를 갖는 것을 특징으로 하는 형태 2 기재의 캔드 모터라고 하는 구성을 취하고 있다.

본 실시 형태에 따르면, 로터를 냉각하기 위해 냉각 가스를 사용하고 있는 경우에, 로터를 냉각 가스로 냉각하는 것만으로는 스테이터의 냉각을 충분히 행할 수 없을 때, 스테이터를 적절하게 냉각할 수 있다. 냉각 가스는 냉각액과 비교하여 열량이 작기 때문에, 냉각 능력이 낮아지며, 직접 냉각액으로 스테이터를 냉각하는 것이 바람직한 경우가 있기 때문이다. 또한, 로터를 냉각 가스로 냉각하는 것만으로 스테이터의 냉각을 충분히 행할 수 있을 때에는, 스테이터를 냉각하지 않아도 된다.

형태 4에서는, 상기 로터는, 매분 1만회에서 10만회 회전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 형태 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 캔드 모터라고 하는 구성을 취하고 있다.

형태 5에서는, 상기 냉각액은, 상기 캔드 모터의 취급액인 것을 특징으로 하는 형태 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 캔드 모터라고 하는 구성을 취하고 있다.

형태 6에서는, 상기 캔드 모터는, 구동 회로실에 배치되어 상기 로터를 구동하도록 구성된 구동 회로와, 상기 구동 회로를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 구동 회로실에 유입되도록 구성된 구동 회로실 입구부와, 해당 냉각액이 상기 구동 회로실로부터 유출되도록 구성된 구동 회로실 출구부를 갖는 것을 특징으로 하는 형태 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 캔드 모터라고 하는 구성을 취하고 있다.

형태 7에서는, 상기 스테이터실과 상기 구동 회로실은, 상기 냉각액의 흐름에 관하여 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 형태 6 기재의 캔드 모터라고 하는 구성을 취하고 있다.

형태 8에서는, 형태 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 캔드 모터를 복수개 갖고, 또한 상기 복수개의 캔드 모터 중 1개에 의해 구동되도록 구성된 연료 공급 펌프와, 상기 복수개의 캔드 모터 중 다른 1개에 의해 구동되도록 구성된 산화제 공급 펌프와, 상기 연료 공급 펌프에 의해 연료가 공급되며, 또한 상기 산화제 공급 펌프에 의해 산화제가 공급되도록 구성된 연소실을 갖는 것을 특징으로 하는 로켓 엔진 시스템이라는 구성을 취하고 있다.

형태 9에서는, 형태 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 캔드 모터를 복수개 갖고, 또한 상기 복수개의 캔드 모터 중 1개에 의해 구동되도록 구성된 연료 공급 펌프와, 상기 연료 공급 펌프에 의해 상기 연료가, 상기 복수개의 캔드 모터에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 로켓 엔진 시스템이라는 구성을 취하고 있다.

형태 10에서는, 캔드 모터를 복수개 갖고, 상기 복수개의 캔드 모터 중 1개에 의해 구동되도록 구성된 연료 공급 펌프와, 상기 연료 공급 펌프에 의해 상기 연료가, 상기 복수개의 캔드 모터에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 로켓 엔진 시스템이라는 구성을 취하고 있다.

형태 11에서는, 형태 8 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 로켓 엔진 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 액체 연료 로켓이라는 구성을 취하고 있다.

또한, 상기 스테이터를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 스테이터실에 유입되는 경우에, 상기 복수개의 캔드 모터의 각각의 상기 스테이터실은, 상기 스테이터를 냉각하기 위한 냉각액의 흐름에 관하여 직렬 또는 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 형태 7 기재의 로켓 엔진 시스템이라는 구성을 취할 수 있다.

또한, 로터를 냉각하기 위한 냉각 가스 혹은 냉각액이 상기 로터실에 유입되는 경우에, 복수개의 캔드 모터의 각각의 상기 로터실은, 상기 로터를 냉각하기 위한 냉각 가스 혹은 냉각액의 흐름에 관하여 직렬 또는 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 형태 7 기재의 로켓 엔진 시스템이라는 구성을 취할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 캔드 모터를 도시하는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 로켓 엔진 시스템의 전체 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 일 실시 형태에 관한 캔드 모터를 도시하는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 다른 일 실시 형태에 관한 로켓 엔진 시스템의 전체 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 일 실시 형태에 관한 로켓 엔진 시스템의 전체 구성을 도시하는 블록도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 각 실시 형태에 있어서, 동일 또는 상당하는 부재에는 동일 부호를 붙여 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다. 또한, 각 실시 형태에서 나타내는 특징은, 서로 모순되지 않는 한 다른 실시 형태에도 적용 가능하다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 캔드 모터와, 이 캔드 모터에 의해 구동되는 펌프를 도시하는 도면이다. 이러한 형태의 펌프를 캔드 모터 펌프라고 칭한다. 본 실시 형태에 관한 캔드 모터는, 로터가 고속 회전(1만 내지 10만rpm)하는 경우에, 로터실에 있어서의 취급액이 가스화되는 것을 저감한 캔드 모터이다. 이하에서는, 캔드 모터를 모터부(10)라고 칭하고, 펌프를 펌프부(19)라고 칭한다.

본 실시 형태에 관한 모터부(10)와 펌프부(19)를 구비한 펌프는, 로켓 엔진 시스템에 사용된다. 따라서, 펌프부(19)의 취급액은, 로켓 엔진의 연료나 산화제이다. 또한, 본 실시 형태에 관한 캔드 모터는, 로켓 엔진 시스템 이외의, 로터가 고속 회전(1만 내지 10만rpm)하는 용도에 사용할 수도 있다. 또한, 캔드 모터 펌프는, 고속 회전하는 경우에 한하지 않고, 펌프부(19)의 임펠러(20)에서 승압한 취급액의 일부가 토출 케이싱(54)과 모터부(10) 사이의 주축(28)의 주위에 형성된 공간을 통과하여, 로터실(12)에 공급되어, 모터부(10)가 냉각되는 것이 일반적이다. 단, 이것은 취급액이 액체 수소나 액체 메탄과 같은 연료 등이 로터실(12)에 공급되어도 지장없는 경우에 한정된다. 또한, 이 경우, 메커니컬 시일(33)을 마련할 필요가 반드시 있는 것은 아니다. 한편, 캔드 모터 펌프의 취급액이, 로터(14)와 반응하여 착화될 가능성이 있는 산화제(액체 산소) 등의 위험액인 경우에는, 펌프부(19)와 모터부(10) 사이에 메커니컬 시일 등의 축밀봉 장치를 마련하여, 취급액의 로터실(12)에의 유입을 방지할 필요가 있다. 그 경우에는, 모터부(10)의 냉각을 위해, 로터실(12)에 냉각액이 유입되도록 구성된 로터실 입구부(62)를 마련하고, 그곳에서 다른 냉각액을 로터실(12)에 공급한다. 또한, 모터의 취급액(냉각액)은 연료, 펌프의 취급액은 연료와 산화제가 있다.

모터부(10)는, 스테이터실(26)에 배치되는 스테이터(18)와, 로터실(12)에 배치되는 로터(14)와, 로터(14)를 둘러싸는 스테이터 캔(7)을 갖는다. 모터부(10)는, 스테이터(18)를 냉각하기 위한 냉각액이 스테이터실(26)에 유입되도록 구성된 스테이터실 입구부(43)와, 냉각액이 스테이터실(26)로부터 유출되도록 구성된 스테이터실 출구부(44)를 갖는다.

로터(14)는, 매분 1만회에서 10만회 회전한다. 고속 회전하기 때문에 모터부(10)의 각 부는 발열이 커진다. 그 때문에 여러 가지 대책이 행해지고 있다. 일례로서, 주축(28)을 지지하는 2개의 레이디얼 베어링(32)(볼 베어링)에 있어서는, 고속 회전 하의 발열은 로터실(26)을 통과하는 연료로 냉각된다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는 냉각액은 펌프부(19)의 취급액이다.

본 실시 형태에서는 스테이터(18)와 로터(14)의 냉각은 모두 액체의 공급에 의해 행해진다. 스테이터(18)의 냉각은 액체에 의해 행하고, 로터(14)의 냉각은 기체에 의해 행하는 실시 형태에 대해서는 후술한다.

펌프부(19)는, 임펠러(20)와 펌프 케이싱(21)으로 구성되어 있다. 펌프 케이싱(21)은, 흡입 커버(52)와 토출 케이싱(54)을 갖는다. 커버(52)에 흡입구(23)가 마련되고, 토출 케이싱(54)에 토출구(25)가 마련된다. 취급액은 펌프 케이싱(21)의 흡입구(23)로부터 임펠러(20)에 흡인되고, 임펠러(20)의 회전에 의해 승압되어, 펌프 케이싱(21)의 토출구(25)로부터 펌프 외부로 압송된다. 또한, 펌프부(19)는 고속 회전이기 때문에, 연료나 산화제의 흡입 성능의 향상을 목적으로 하여, 펌프부(19)에는 인듀서(50)를 임펠러(20)의 직전에 배치하고 있다.

임펠러(20)는, 모터부(10)에 의해 회전된다. 모터부(10)는, 로터(14)와, 스테이터(18)와, 모터 케이싱(3)과, 스테이터 캔(7)과, 주축(28)을 갖고 있다. 임펠러(20)는, 로터(14)가 고정되어 있는 주축(28)에 결합되어 있다. 이 주축(28)은, 모터 케이싱(3)에 마련되어 있는 레이디얼 베어링(32)으로 회전 가능하게 지지되어 있다.

모터 케이싱(3)은, 모터 하우징 또는 모터 프레임이라고도 불린다. 모터 케이싱(3)은, 원통상의 제1 모터 프레임(56)과, 제1 모터 프레임(56)의 양단을 막는 베어링 커버(5), 제2 모터 프레임(58), 베어링 케이싱(60)을 갖는다. 원통상의 스테이터 캔(7)은, 제1 모터 프레임(56)의 내측에 배치된다. 제1 모터 프레임(56), 베어링 커버(5), 제2 모터 프레임(58), 베어링 케이싱(60)은, 본 실시 형태에서는 별개의 부품이지만, 이들 부품의 임의의 조합을 일체화한 부품으로 할 수 있다. 예를 들어, 베어링 커버(5)와 제1 모터 프레임(56)과 제2 모터 프레임(58)을 일체화한 부품으로 할 수 있다.

원통상의 스테이터 캔(7)은, 베어링 커버(5)와, 제2 모터 프레임(58)과, 베어링 케이싱(60)에 의해 고정되어 있다. 스테이터실(26)은, 모터 케이싱(3)의 제1 모터 프레임(56)과 제2 모터 프레임(58) 및 스테이터 캔(7)에 의해 형성되어 있다. 이 스테이터실(26)에는 취급액이 유입되어 있다. 모터 케이싱(3)의 베어링 커버(5)와 베어링 케이싱(60)에는 레이디얼 베어링(32)이 고정되어 있다.

모터 케이싱(3)과 주축(28) 사이에는 축밀봉 장치로서 메커니컬 시일(33)이 마련되어 있다. 펌프부(19)로부터 로터실(12)로의 액체의 유입은, 메커니컬 시일(33)에 의해 방지되어 있다. 본 도면에 있어서는, 메커니컬 시일(33)의 우측(모터부(10)의 로터측)에 레이디얼 베어링(32a)이 배치되어 있지만, 메커니컬 시일(33)의 좌측(펌프부(19)측)에 레이디얼 베어링(32a)을 배치해도 된다. 이 경우, 베어링(32a)의 냉각은 임펠러(20)가 토출하는 취급액으로 이루어진다. 또한 메커니컬 시일(33) 대신에, 혹은 메커니컬 시일(33)과 함께 플로팅 링이나 래버린스 시일을 사용해도 된다.

로터(14)는, 스테이터실(26)의 내부에 마련되어 있는 스테이터(18)가 발생시키는 전자기적인 작용에 의해 회전력을 발생시키고 있다. 로터(14)는, 회전축인 주축(28)의 둘레에 배치된 로터 코어(90)와, 로터 코어(90)의 둘레에 배치된 로터 캔(88)을 갖는다.

스테이터(18)는, 대략 원통 형상이며, 다수의 축 방향 슬롯을 갖는 스테이터 코어(4)와, 이들 축 방향 슬롯의 내부에 수용된 모터 코일(2)을 갖고 있다. 모터 코일(2)의 축 방향의 양단부에 코일 엔드부(2a)가 있다. 모터 코일(2)에, 예를 들어 후술하는 구동 회로(74)로부터 전력이 공급됨으로써, 스테이터(18)는 회전 자계를 발생시킨다.

로터(14)와 스테이터(18) 사이에는, 비자성이며 또한 비저항의 큰 얇은 원통상의 금속제 또는 수지성 스테이터 캔(7)이 마련되어 있다. 로터(14)는 스테이터 캔(7)의 내부에 배치되고 있고, 로터(14)는 냉각액 중에 침지된다. 이 냉각액은 본 실시 형태에서는 펌프부(19)에 의해 승압된 유체의 일부이다.

모터부(10)는, 로터(14)를 냉각하기 위한 냉각액이 로터실(12)에 유입되도록 구성된 로터실 입구부(62)와, 냉각액이 로터실(12)로부터 유출되도록 구성된 로터실 출구부(64)를 갖는다. 로터실 입구부(62)는, 베어링 케이싱(60) 내에 형성되어 있다. 로터실 입구부(62)는 입구(62a)와 유로(68)를 갖는다. 유로(68)는, 메커니컬 시일(33)과 레이디얼 베어링(32a)의 위치 관계의 여하에 상관없이, 메커니컬 시일(33)의 우측(모터부(10)의 로터측)에 있고, 로터 코어(90)의 좌측(펌프부(19)측)에 있는 공간에 연통되어 있다. 바꾸어 말하면, 메커니컬 시일(33)과 로터 코어(90) 사이에 연통되어 있다. 도 1에 있어서는, 베어링 케이싱(60)과 주축(28) 사이에 마련되어 있는 공간(66)에 연통되어 있다. 공간(66)은 로터실(12)의 일부이다.

로터실 입구부(62)의 입구(62a)는, 베어링 케이싱(60)에 복수 마련해도 된다. 유로(68)도 베어링 케이싱(60)에 복수 마련해도 된다. 입구(62a)와 유로(68)의 대응은 일대일로 한정되지 않고, 일대다, 다대1, 다대다여도 된다. 일대다의 경우, 예를 들어 유로(68)는, 주축(28)(회전축)으로 보아 반경 방향으로 방사상으로 복수개 마련된다. 복수개의 유로(68)와 접속되는 1개의 입구(62a)는, 베어링 케이싱(60)의 외주에 둘레 방향으로 개구되어 있다. 다대일인 경우, 예를 들어 1개의 유로(68)가 복수의 입구(62a)와 접속되어 있다.

로터실 입구부(62)는, 베어링 케이싱(60) 이외의 부품, 예를 들어 제2 모터 프레임(58)에 마련해도 된다. 이 경우 본 도면에서는, 로터실 입구부(62)는, 제2 모터 프레임(58)과 스테이터 캔(7)을 관통하여 로터실(12)에 연통된다.

유로(68)는, 베어링 케이싱(60) 내를 반경 방향으로 직선상으로 마련해도 되고, 나선상으로 마련해도 된다. 로터실 출구부(64)는, 베어링 커버(5)에 마련되고, 로터 코어(90)와 로터실 출구부(64) 사이에 레이디얼 베어링(32b)이 구비된다. 본 실시 형태에서는, 로터실 출구부(64)는, 베어링 커버(5)의 중심부에 마련된다. 로터실 출구부(64)는, 베어링 커버(5)의 중심부 이외에 마련해도 된다. 또한, 로터실 출구부(64)는, 베어링 커버(5)에 복수개 마련해도 된다. 로터실 출구부(64)는, 경우에 따라서는 베어링 커버(5) 이외의 부품, 예를 들어 제2 모터 프레임(58)에 마련해도 된다.

로터실(12)은, 스테이터 캔(7)과, 베어링 커버(5)와, 베어링 케이싱(60)에 의해 형성되어 있다. 로터실 입구부(62)로부터, 화살표(70)로 나타내는 바와 같이 유입된 냉각액은, 공간(66), 레이디얼 베어링(32a)을 빠져나가, 스테이터 캔(7)의 내부(레이디얼 베어링(32a)의 우측의 로터실(12))에 유입된다. 냉각액은, 또한 스테이터 캔(7)의 내부(로터(14)의 외주(예를 들어, 로터 캔(88)과 스테이터 캔(7) 사이의 간극) 등) 및 레이디얼 베어링(32b)을 빠져 나간다. 냉각액은, 그 후, 로터실 출구부(64)로부터, 화살표(72)로 나타내는 바와 같이 유출되고, 그 후 연소실로 보내진다.

냉각액은, 본 도면과는 반대로 유입되어도 된다. 즉 냉각액은, 로터실 출구부(64)로부터 유입되고, 로터실 입구부(62)로부터 유출되어도 된다. 냉각액이 본 도 1과 같이 로터실 입구부(62)로부터 유입되는 경우, 이하의 이점이 있다. 로터실 입구부(62)로부터 공간(66)에 유입된 냉각액의 압력이, 공간(73)(메커니컬 시일(33)을 통하여 공간(66)에 대향하는 공간)에 존재하는 유체의 압력보다 높은 경우, 공간(73) 내의 유체가 공간(66)에 누설되어 오는 것을 방지할 수 있다.

스테이터 캔(7)과 모터 케이싱(3) 사이에는, 밀폐 공간인 스테이터실(26)이 형성되어 있다. 스테이터(18)는 이 밀폐 공간 내에 배치된다. 격벽으로서 기능하는 스테이터 캔(7)을 스테이터(18)의 내측에 마련함으로써, 로터실(12) 내의 냉각액이 스테이터(18)에 침입하는 것을 방지하고 있다.

캔드 모터 펌프는, 로터(14)가 냉각액에 침지된 상태로 회전하기 때문에, 냉각액과 로터(14) 사이에서 마찰 손실이 발생한다. 그 때문에, 캔드 모터 펌프는 위험 액체 등 특히 그 외부로의 누출을 꺼리는 경우 등 특수한 용도에 사용되는 경우가 많다.

캔드 모터 펌프에서는 통상, 로터(14), 베어링(32), 스테이터 캔(7) 등에서 발생하는 기계적, 전자기적 손실에 의해 발생하는 열은, 로터(14)의 주위에 존재하는 냉각액에 전달된다. 본 도면의 예에서는 임펠러(20)에서 가압된 취급액의 일부를, 로터(14) 등의 냉각액으로서 로터실 입구부(62)로부터 로터실(12)로 유도하고 있다.

로터실(12) 내의 냉각액은, 본 도면의 좌측의 레이디얼 베어링(32a)을 냉각한 후, 로터(14)와 스테이터 캔(7)의 내주면의 간극을 통과할 때 그 부분의 발생 열을 제거한다. 다음에, 본 도면의 우측의 레이디얼 베어링(32b)을 통과하여 최종적으로 로터실 출구부(64)로부터 유출된다. 스테이터 코어(4)나 모터 코일(2)에서 발생한 전기적 손실에 기인하는 발열의 일부는, 스테이터 코어(4)의 내측에 배치된 스테이터 캔(7)을 통하여 로터실(12) 내의 냉각액으로 제거된다.

그러나 로터(14)가 고속 회전(1만 내지 10만rpm)하는 경우, 스테이터(18)에서 발생한 전기적 손실이 종래의 캔드 모터 펌프에 비하여 커진다. 이 때문에, 종래와 같이 스테이터로부터 로터 주위의 취급액으로 열을 놓치면, 로터 주위의 취급액이 저비점의 액체 수소나 액체 메탄 등의 액체 연료이므로, 스테이터(18)로부터 받는 다량의 열에 의해, 스테이터와 로터 사이를 흐르는 취급액의 가스화(기화)가 촉진되어 버린다. 이에 의해, 스테이터와 로터 사이를 취급액이 흐르기 어려워지고, 스테이터의 코일 엔드의 냉각이 곤란해져, 결과적으로 스테이터와 로터의 온도가 급상승하여 기능 정지에 이를 우려가 있다. 거기까지 가지 않더라도, 스테이터와 로터 사이를 흐르는 취급액의 가스화(기화)에 의해 로터나, 그 밖의 회전체가 진동을 일으킨다고 하는 우려가 있다.

본원 발명에서는, 이상의 현상 발생의 우려를 상정하여, 로터실(12) 내의 냉각액에는, 최대한 스테이터로부터의 열을 공급하지 않고, 로터의 고속 회전에 의해 발생하는 회전 마찰 등의 손실열의 제거를 담당시키며, 한편, 스테이터실(26) 내의 냉각액에는 우선적으로 스테이터 및 스테이터의 코일 엔드의 냉각을 행하여, 최대한 스테이터로부터의 열을 로터에 공급하지 않도록 함으로써, 캔드 모터의 로터와 스테이터의 냉각을 효율적으로 행하는 것을 목적으로 한 것이다.

스테이터(18)와 펌프부(19) 사이의 모터 케이싱(3)의 외벽에 구비한 스테이터실 입구부(43)로부터, 화살표(82)로 나타내는 바와 같이 냉각액이 스테이터실(26)에 유입되고, 스테이터(18)의 펌프부(19)와는 반대측의 모터 케이싱(3)의 외벽에 구비한 스테이터실 출구부(44)로부터, 화살표(84)로 나타내는 바와 같이 유출된다.

스테이터실의 열을 최대한 로터실에 공급하지 않기 위해, 스테이터실에 공급하는 냉각액의 온도는, 로터실에 공급하는 냉각액의 온도 이하로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 스테이터실의 열이 로터실로 전열되기 어려워진다. 또한, 스테이터실에 공급하는 냉각액과 로터실에 공급하는 냉각액의 관계가 상류와 하류의 관계(시리즈)가 되지 않도록, 공급원으로부터 분기하여 평행으로 스테이터실과 로터실에 개별적으로 공급하는 것이 바람직하다. 스테이터실, 로터실에 개별적으로 냉각액을 공급함으로써, 각 냉각액이, 각각의 냉각 대상에 집중한 냉각이 가능하다. 혹은, 스테이터실에 공급하는 액의 흐름 방향은, 로터실에 공급하는 액의 흐름 방향과 축 방향으로는 동일한 방향으로 흘리는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 양자가 서로 대면류(카운터류)인 경우에 비하여 열교환을 하기 어려워진다. 또한, 혹은 구조적으로 스테이터 캔의 소재를 열전도율이 낮은 재료(수지재, 수지재(막)와 금속재의 병용)로 하거나, 스테이터 캔의 이중 측벽 구조로 하여 벽 사이를 진공으로 하는 등 단열 효과를 높이는 것도 바람직하다. 이와 같이 하면 스테이터실의 열이 로터실에 전열되기 어려워지고, 각 냉각액이, 각각의 냉각 대상에 집중한 냉각이 가능하다. 또한, 이상 어느 방책, 혹은 복수의 조합으로 이루어지는 대책을 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 예를 들어 스테이터실에 공급하는 액의 흐름 방향이 로터실에 공급하는 액의 흐름 방향과 축 방향으로는 역방향으로 흘린다고 해도, 그 밖의 예를 들어 스테이터실에 공급하는 냉각액의 온도는, 로터실에 공급하는 냉각액의 온도 이하로 하는 것 등에 의해 본 발명은 실시된다.

이상과 같이, 열적인 의미에서 로터실(12) 내의 냉각액과는 다른 냉각액에 의해 직접적으로 스테이터(18)를 냉각한다. 스테이터실(26) 내에 있어서 냉각액은, 스테이터 코어(4) 및 코일 엔드부(2a)의 외주면에 직접적으로 접촉하고 있으며, 스테이터(18)의 냉각을 효율적으로 행할 수 있다. 스테이터실 입구부(43) 및 스테이터실 출구부(44)는 복수 마련해도 된다.

또한, 스테이터실(26) 내의 냉각액이 흐르는 방향은, 본 도면과 반대여도 된다. 즉, 스테이터실 출구부(44)로부터, 화살표(84)와 반대 방향으로 냉각액이 스테이터실(26)에 유입되고, 스테이터실 입구부(43)로부터, 화살표(82)와 반대 방향으로 유출되어도 된다. 또한, 모터부(10)에는, 메커니컬 시일(33)을 장착하기 위한 스터핑 박스(148)가 마련되어 있다.

다음에, 모터부(10)가 구동 회로실을 갖는 경우에, 구동 회로실을 냉각하는 것에 대하여 도 1에 의해 설명한다. 모터부(10)는, 구동 회로실(76)에 배치되고 로터(14)를 구동하도록 구성된 구동 회로(74)와, 구동 회로(74)를 냉각하기 위한 냉각액이 구동 회로실(76)에 유입되도록 구성된 구동 회로실 입구부(78)와, 냉각액이 구동 회로실(76)로부터 유출되도록 구성된 구동 회로실 출구부(80)를 갖는다. 구동 회로(74)로서는, 로터(14)의 회전 속도를 연속적으로 제어할 수 있는 인버터 등이 있다. 또한, 구동 회로실(76)은, 발열량이 적은 경우에는 냉각하지 않아도 된다. 냉각하지 않아도 되는 경우가 있음을 나타내기 위해, 본 도면에서는 구동 회로실(76)은 점선으로 표시하고 있다.

본 도면의 실시 형태에서는 구동 회로실(76)은, 구동 회로실(76)의 하우징(150)이, 나사 등의 고정구에 의해 제1 모터 프레임(56)에 고정되어 있다. 하우징(150)은, 설치부(152)에 있어서, 제1 모터 프레임(56)에 고정되어 있다. 구동 회로실(76)은, 제1 모터 프레임(56) 이외의 모터부(10)의 부품에 고정되어 있어도 된다. 구동 회로실(76)의 형상은, 직육면체, 혹은 제1 모터 프레임(56)의 외형에 맞춘 실린더 형상이 가능하다.

또한, 구동 회로실(76)은, 모터부(10)와는 별개의 독립된 장치여도 된다. 본 도면에서는, 구동 회로실 입구부(78)는, 제1 모터 프레임(56)에의 설치부에 배치되어 있다. 또한, 구동 회로실 입구부(78)는 스테이터실 출구부(44)와 동일한 위치에 마련되어 있다. 구동 회로실 입구부(78)는 직접 스테이터실 출구부(44)와 접속되어 있다. 구동 회로실 입구부(78)와 스테이터실 출구부(44)는, 다른 위치에 마련해도 된다. 그 경우에는 배관으로 접속되어 있어도 된다.

구동 회로실(76) 내의 냉각액은, 구동 회로실 입구부(78)로부터, 화살표(84)로 나타내는 바와 같이 구동 회로실(76)에 유입된다. 냉각액은 구동 회로(74)의 표면을 흘러 구동 회로(74)를 냉각한다. 그 후, 냉각액은 구동 회로실 출구부(80)로부터, 화살표(86)로 나타내는 바와 같이 유출된다. 본 도면에 도시하는 바와 같이, 스테이터실(26)과 구동 회로실(76)은, 냉각액의 흐름에 관하여 직렬로 접속되어 있다. 즉, 스테이터실(26) 내를 냉각한 냉각액이 구동 회로실(76) 내에 유입되고 있다. 또한, 구동 회로실(76) 내를 냉각한 냉각액이 스테이터실(26) 내에 유입되는 것으로 해도 된다. 또한, 스테이터실(26)과 구동 회로실(76)은, 냉각액의 흐름에 관하여 병렬로 접속되어도 된다.

본 실시 형태에서는, 로터실(12)과 스테이터실(26)과 구동 회로실(76)을 흐르는 냉각액은 동일 종류의 액체이며, 펌프부(19)의 취급액이다. 취급액은 예를 들어, 액체 연료 로켓의 연료인 액체 메탄, 케로신, 액체 수소 등의 전기 절연성을 갖는 액체이다. 또한, 로터실(12)과 스테이터실(26)을 흐르는 냉각액으로서 동일 종류의 액체를 사용할 수 있는 경우, 스테이터 캔(7)에 관통 구멍을 마련하여, 로터실(12)로부터 스테이터실(26)을 직결해도 되는 경우가 있다. 이렇게 하였을 때에는, 로터실(12)로부터 스테이터실(26)로, 혹은 스테이터실(26)로부터 로터실(12)로 관통 구멍을 통하여 냉각액을 흘린다.

또한, 로터실(12)과 스테이터실(26)에 냉각액을 공급할 때, 후술하는 도 3에 도시하는 바와 같이, 스테이터실(26)에 냉각액을 공급해도 된다. 즉, 모터 코일(2)의 축 방향의 양단부이며 코일 엔드부(2a)의 각각 근방의 모터 케이싱(3)에, 스테이터실 입구부(431)와 스테이터실 입구부(432)를 마련한다. 또한, 이들 대략 중간 위치의 모터 케이싱(3)에 스테이터실 출구부(441)를 마련하여, 스테이터실 입구부(431)와 스테이터실 입구부(432)로부터 스테이터실로 화살표(82)와 같이 액체 연료를 공급한다.

공급한 액체 연료는, 스테이터(4)의 간극(154)을 통하여 스테이터실 입구부(441)로부터 화살표(84)와 같이 회수된다. 이에 의해, 스테이터실 입구부(431)와 스테이터실 입구부(432)로부터 화살표(82)와 같이 공급된 액체 연료가 코일 엔드(2a)에 우선적으로 접촉하여 처음에 냉각되므로, 금속 등의 고체의 전열에서는 냉각하기 어려운 코일 엔드(2a)의 냉각을, 축 방향의 양단부에서 효율적으로 행할 수 있다. 공급된 액체 연료가, 화살표(154)와 같이 스테이터(4)의 간극을 통하여 스테이터실 입구부(441)로부터 화살표(84)와 같이 회수되는 과정에서, 스테이터 코어 전역을 냉각할 수 있다.

다음에, 로터(14)를 냉각하기 위한 냉각 가스가 로터실(12)에 유입되도록 구성된 로터실 입구부(62)와, 냉각 가스가 로터실(12)로부터 유출되도록 구성된 로터실 출구부(64)를 갖는 캔드 모터의 다른 실시 형태에 대하여 도 1에 의해 설명한다.

본 실시 형태에서는, 스테이터(18)의 냉각은 액체를 공급함으로써 행하고, 로터(14)의 냉각은 기체를 공급함으로써 행한다. 이 실시 형태는, 로터(14)가 고속 회전(1만 내지 10만rpm)하는 경우에, 로터(14)를 냉각액으로 냉각하면, 냉각액에 의한 회전 마찰 손실이 커져, 고속 회전에 지장이 생긴다고 하는 문제를 해결하기 위해, 냉각 가스에 의해 회전 마찰 손실을 저감한 캔드 모터를 제공하는 것이다.

본 실시 형태에서는, 냉각 가스가 로터실 입구부(62)로부터 로터실(12)에 유입되고, 로터실(12)을 흘러 로터실 출구부(64)로부터 유출된다. 이 때문에, 로터(14)의 외주(예를 들어, 로터 캔(88)과 스테이터 캔(7) 사이의 간극)에는, 헬륨이나 수소, 메탄 등의 로터를 냉각하기 위한 냉각 가스가 공급된다. 가스에 의한 회전 마찰 손실은, 액체에 의한 회전 마찰 손실보다 작기 때문에, 로터(14)의 고속 회전에 의해 발생하는 마찰 손실을 저감하면서, 로터(14)를 냉각할 수 있다. 이 경우, 로터(14)의 고속 회전에 의해 발생하는 마찰 손실이 감소하므로 모터에 입력하는 전력량을 저감할 수 있고, 스테이터에 있어서의 발열 손실도 저감할 수 있다.

이미 설명한 실시 형태에서는, 냉각액이 로터실(12)에 유입된다. 그러나 본 실시 형태에서는, 냉각 가스가 로터실(12)에 유입된다. 여기서, 이미 설명한 실시 형태와 본 실시 형태에서는, 냉각에 사용되는 물질이 액체인지 가스인지라고 하는 차이가 있지만, 펌프부(19)와 모터부(10)의 구성은 동일하게 할 수 있다. 이 때문에, 도 1을 사용하여 앞서 설명한 부분에서 본 실시 형태와 중복되는 부분은 설명을 생략하고, 새로운 내용에 관하여 본 실시 형태를 설명한다.

냉각 가스는, 예를 들어 헬륨 가스이다. 헬륨 가스는 로켓에 있어서 밸브의 조작, 축 시일용의 퍼지 가스 등에 사용되기 때문에, 로켓에 탑재되어 있는 경우가 있다. 헬륨 가스가 밸브의 조작, 축 시일용의 퍼지 가스 등으로서 로켓에 탑재되어 있지 않은 경우에는, 냉각을 위해 헬륨 가스를 로켓에 탑재한다. 냉각 가스는, 로켓 엔진의 연료를 가스화한 것을 사용할 수도 있다.

로터실 입구부(62)로부터, 화살표(70)로 나타내는 바와 같이 유입된 냉각 가스는, 공간(66)과 레이디얼 베어링(32a)을 빠져나가 스테이터 캔(7)의 내부(로터실(12))에 유입된다. 냉각 가스는, 또한 스테이터 캔(7)의 내부 및 레이디얼 베어링(32b)을 빠져나가, 로터실 출구부(64)로부터, 화살표(72)로 나타내는 바와 같이 유출된다. 그 후, 냉각 가스는 대기 중 혹은 우주 공간에 방출된다. 또한, 냉각 가스가, 로켓 엔진의 연료를 가스화한 것인 경우에는, 냉각 가스를 연소실로 보내도 된다.

다음에, 스테이터(2)의 코일 엔드(2a)에 즉시 냉각액이 닿도록 2개의 스테이터실 입구부(431, 432)와, 1개의 스테이터실 출구부(441)를 마련하여, 스테이터실 입구부(431, 432)로부터 스테이터실(26) 내로 냉각액을 공급하는 실시 형태에 대하여 도 3에 의해 설명한다. 본 도면에 도시하는 실시 형태에서는 도 1에 도시하는 스테이터실 입구부(43)와 스테이터실 출구부(44)의 거의 중간의 위치에 마련한 스테이터실 출구부(441)로부터 스테이터실 내의 냉각액을 취출한다. 스테이터실 입구부(431)와 스테이터실 입구부(432)의 위치는, 각각 스테이터실 입구부(43)와 스테이터실 출구부(44)의 위치와 거의 동일하다. 스테이터실 출구부(441)는, 스테이터실 입구부(43)와 스테이터실 출구부(44)의 거의 중간의 위치이다. 또한, 도 3에 도시하는 스테이터실 입구부(431), 스테이터실 입구부(432), 스테이터실 출구부(441)의 위치는 일례이며, 다른 위치여도 된다. 스테이터실 입구부(431)와 스테이터실 입구부(432)가, 모터의 축 방향에 있어서 스테이터(18)의 양측에, 또한 코일 엔드(2a)의 근방에 위치하는 것이 바람직하다.

냉각액은, 화살표(82)로 나타내는 바와 같이, 스테이터실 입구부(431)와 스테이터실 입구부(432)로부터 유입되고, 화살표(154)와 같이 스테이터실 출구부(441)를 향하여 흐른다. 냉각액은 스테이터(18)를 냉각한 후에, 스테이터실 출구부(441)로부터 화살표(84)로 나타내는 바와 같이 유출된다.

다음에, 이미 설명한 로터를 가스에 의해 냉각을 행하는 실시 형태의 캔드 모터를 사용한 로켓 엔진 시스템에 대하여 도 2에 의해 설명한다. 도 2는, 로켓 엔진 시스템(92)의 전체 구성을 도시하는 블록도이다. 로켓 엔진 시스템(92)은, 가스 냉각을 행하는 실시 형태의 캔드 모터를 2개 갖는다. 즉, 로켓 엔진 시스템(92)은, 2개의 모터부(10) 중 1개(모터부(10a))에 의해 구동되도록 구성된 연료 공급 펌프인 펌프부(19a)와, 2개의 모터부(10) 중 다른 1개(모터부(10b))에 의해 구동되도록 구성된 산화제 공급 펌프인 펌프부(19b)를 갖는다.

또한, 로켓 엔진 시스템(92)은, 펌프부(19a)에 의해 연료가 공급되며, 또한 펌프부(19b)에 의해 산화제가 공급되도록 구성된 연소실(94)과, 연소실(94)에서의 연소에 의해 생성된 가스를 분출하기 위한 노즐(96)을 갖는다. 액체 수소나 액체 메탄 등의 연료는, 연료 탱크(98)로부터 배관(100)에 의해 펌프부(19a)로 보내져, 펌프부(19a)에 의해 고압으로 된 후에, 배관(102)으로 보내진다.

연료는 배관(102)으로부터 분기부(104)에 의해, 노즐(96)을 향하는 배관(106)과, 모터부(10)를 향하는 배관(108)에 분배된다. 분기부(104)는 예를 들어, 배관(102)으로부터 배관(106)과 배관(108)에 분기되는 분기 배관과, 배관(106)과 배관(108)에 각각 마련된 제어 밸브를 갖는다. 각 제어 밸브에 의해 배관(106)과 배관(108)에 연료를 흘릴지 여부가 제어된다. 이하에 나타내는 분기부에 대해서도 마찬가지의 구성으로 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 분기부의 상류측은 분기부의 하류측보다 고압이기 때문에, 분기부에 있어서 제어 밸브 없이 해도 된다. 배관(106)에 의해 연료는 노즐(96)과 연소실(94)의 냉각을 위해, 노즐(96)과 연소실(94)의 외주를 경유하여, 연소실(94) 내로 보내진다.

한편, 연료는 배관(108)으로부터, 분기부(110)에 의해, 모터부(10a)를 향하는 배관(112)과, 모터부(10b)를 향하는 배관(114)에 분배된다. 연료는 배관(112)에 의해 모터부(10a)로 보내져, 모터부(10a)의 스테이터(18)를 냉각한 후에, 배관(116)으로부터 유출된다. 유출된 연료는 배관(116)으로부터, 합류부(118)에 의해, 배관(106)으로부터 온 연료와 합류되어 배관(120)으로 보내지고, 그 후 연소실(94)로 보내진다.

또 한편, 연료는 배관(114)에 의해 모터부(10b)로 보내져, 모터부(10b)의 스테이터(18)를 냉각한 후에, 배관(122)으로부터 유출된다. 유출된 연료는 배관(122)으로부터, 합류부(124)에 의해, 배관(120)으로부터 온 연료와 합류되어 배관(126)으로 보내지고, 그 후 연소실(94)로 보내진다.

모터부(10)의 로터(14)를 냉각하기 위한 헬륨 가스의 반송 경로에 대하여 설명한다. 헬륨 가스는, 헬륨 가스 탱크(128)로부터 배관(130)에 의해 분기부(132)로 보내진다. 헬륨 가스는 배관(130)으로부터 분기부(132)에 의해, 모터부(10a)를 향하는 배관(134)과 모터부(10b)를 향하는 배관(136)에 분배된다. 헬륨 가스는 배관(134)에 의해 모터부(10a)로 보내져, 모터부(10a)의 로터(14)를 냉각한 후에, 배관(138)으로부터 유출된다. 유출된 헬륨 가스는 대기 중 혹은 우주 공간에 방출된다. 헬륨 가스는 배관(136)에 의해 모터부(10b)로 보내져, 모터부(10b)의 로터(14)를 냉각한 후에, 배관(140)으로부터 유출된다. 유출된 헬륨 가스는 대기 중 혹은 우주 공간에 방출된다.

다음에, 산화제의 반송 경로에 대하여 설명한다. 산화제는, 산화제 탱크(142)로부터 배관(144)에 의해 펌프부(19b)로 보내져, 펌프부(19b)에 의해 고압으로 된 후에, 배관(146)으로 보내진다. 산화제는, 배관(146)을 경유하여 연소실(94) 내로 보내진다.

본 도면에 있어서, 모터부(10)를 냉각하기 위한 냉각액(연료)은, 모터부(10a)의 스테이터실(26)과 모터부(10b)의 스테이터실(26)에 병렬로 공급되고 있다. 마찬가지로 모터부(10)를 냉각하기 위한 헬륨 가스는, 모터부(10a)의 로터실(12)과 모터부(10b)의 로터실(12)에 병렬로 공급되고 있다.

냉각액은, 모터부(10a)와 모터부(10b)의 스테이터실(26)에 직렬로 공급해도 된다. 마찬가지로 헬륨 가스는, 모터부(10a)와 모터부(10b)의 로터실(12)에 직렬로 공급해도 된다. 즉, 냉각액을 모터부(10a)의 스테이터실(26)에 공급한 후에 모터부(10b)의 스테이터실(26)에, 또는 반대로, 모터부(10b)의 스테이터실(26)에 공급한 후에 모터부(10a)의 스테이터실(26)에 공급해도 된다.

마찬가지로 헬륨 가스를 모터부(10a)의 로터실(12)에 공급한 후에 모터부(10b)의 로터실(12)에, 또는 반대로 모터부(10b)의 로터실(12)에 공급한 후에 모터부(10a)의 로터실(12)에 공급해도 된다.

도 2에 있어서는, 헬륨 가스를 로터(14)의 냉각에 사용하고 있지만, 이미 설명한 바와 같이 연료를 로터(14)의 냉각에 사용해도 된다. 이에 대하여, 도 4, 5에 의해 설명한다. 도 4, 5는 본 발명의 다른 일 실시 형태에 관한 로켓 엔진 시스템의 전체 구성을 도시하는 블록도이다. 본 도면은, 연료 펌프에 의해 가압된 연료를 산화제용, 연료용의 각 캔드 모터의 로터실에 공급하는 경우(즉 도 1)의 캔드 모터의 냉각 방법을 도시한다.

도 4, 5에 있어서, 산화제용 펌프를 구동하는 모터부(10b)에서는, 연료를 로터실(12)용으로 입구(62a)에 공급한다. 연료를 모터부(10b)의 스테이터실(26)용으로 스테이터실 입구부(43)에 공급한다. 연료는 배관(114)으로부터, 분기부(158)에 의해, 입구(62a)를 향하는 배관(160)과, 스테이터실 입구부(43)를 향하는 배관(162)에 분배된다. 연료는 로터실(12)과 스테이터실(26)을 통과한 후에, 도시하지 않은 배관과, 이 배관의 합류부를 거쳐 배관(122)으로 유출된다.

연료용 펌프를 구동하는 모터부(10a)에서는 연료를, 산화제 펌프와 동일한 방법, 혹은 입구(62a)를 사용하지 않고 메커니컬 시일(33)의 간극으로부터 혹은 메커니컬 시일(33)을 마련하지 않고, 토출 케이싱(54)과 로터실(12) 사이의 주축(28)의 주위에 형성된 공간을 통과시켜, 로터실(12)에 공급한다. 산화제 펌프와 동일한 방법인 경우, 연료는 배관(112)으로부터, 분기부(168)에 의해, 입구(62a)를 향하는 배관(170)과, 스테이터실 입구부(43)를 향하는 배관(172)에 분배된다. 배관(170)은, 연료를 로터실(12)용으로 입구(62a)에 공급한다. 배관(172)은 연료를 스테이터실(26)용으로 스테이터실 입구부(43)에 공급한다. 연료는 로터실(12)과 스테이터실(26)을 통과한 후에, 도시하지 않은 배관과, 이 배관의 합류부를 거쳐 배관(116)으로 유출된다.

도 5의 실선(156)은, 입구(62a)를 사용하지 않고 메커니컬 시일(33)의 간극으로부터 혹은 메커니컬 시일(33)을 마련하지 않고, 토출 케이싱(54)과 로터실(12) 사이의 주축(28)의 주위에 형성된 공간을 통과하여, 로터실(12)에 공급되는 연료의 흐름을 나타낸다. 연료는 스테이터실(26)용으로 스테이터실 입구부(43)에 배관(112)으로부터 공급된다. 연료는 로터실(12)과 스테이터실(26)을 통과한 후에, 도시하지 않은 배관과, 이 배관의 합류부를 거쳐 배관(116)으로 유출된다. 액체 연료 로켓은, 도 2, 4, 5에 도시하는 로켓 엔진 시스템을 가질 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태의 예에 대하여 설명하였지만, 상기한 발명의 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로서, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 그 취지를 일탈하지 않고, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그의 균등물이 포함되는 것은 물론이다. 또한, 상술한 과제의 적어도 일부를 해결할 수 있는 범위, 또는 효과의 적어도 일부를 발휘하는 범위에 있어서, 특허청구범위 및 명세서에 기재된 각 구성 요소의 임의의 조합 또는 생략이 가능하다.

2: 모터 코일
2a: 코일 엔드부
3: 모터 케이싱
4: 스테이터 코어
5: 베어링 커버
6: 로터
7: 스테이터 캔
10: 모터부
10a: 모터부
10b: 모터부
12: 로터실
14: 로터
18: 스테이터
19: 펌프부
19a: 펌프부
19b: 펌프부
20: 임펠러
21: 펌프 케이싱
23: 흡입구
25: 토출구
26: 스테이터실
28: 주축
32: 레이디얼 베어링
43: 스테이터실 입구부
44: 스테이터실 출구부
52: 흡입 커버
54: 토출 케이싱
56: 제1 모터 프레임
58: 제2 모터 프레임
60: 베어링 케이싱
62: 로터실 입구부
62a: 입구
64: 로터실 출구부
66: 공간
68: 유로
74: 구동 회로
76: 구동 회로실
78: 구동 회로실 입구부
80: 구동 회로실 출구부
88: 로터 캔
90: 로터 코어
92: 로켓 엔진 시스템
94: 연소실
96: 노즐
98: 연료 탱크
128: 헬륨 가스 탱크
142: 산화제

Claims (11)

1. 스테이터실에 배치되는 스테이터와,
   로터실에 배치되는 로터와,
   상기 로터를 둘러싸는 캔을 갖고, 상기 로터를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 로터실에 유입되도록 구성된 로터실 입구부와,
   상기 냉각액이 상기 로터실로부터 유출되도록 구성된 로터실 출구부를 갖는 캔드 모터에 있어서,
   상기 스테이터를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 스테이터실에 유입되도록 구성된 스테이터실 입구부와,
   상기 스테이터실 입구부로부터 유입된 냉각액이 상기 스테이터실로부터 유출되도록 구성된 스테이터실 출구부를 갖는 것을 특징으로 하는 캔드 모터.
2. 스테이터실에 배치되는 스테이터와,
   로터실에 배치되는 로터와,
   상기 로터를 둘러싸는 캔을 갖는 캔드 모터에 있어서,
   상기 로터를 냉각하기 위한 냉각 가스가 상기 로터실에 유입되도록 구성된 로터실 입구부와,
   상기 냉각 가스가 상기 로터실로부터 유출되도록 구성된 로터실 출구부를 갖는 것을 특징으로 하는 캔드 모터.
3. 제2항에 있어서, 상기 스테이터를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 스테이터실에 유입되도록 구성된 스테이터실 입구부와,
   상기 냉각액이 상기 스테이터실로부터 유출되도록 구성된 스테이터실 출구부를 갖는 것을 특징으로 하는 캔드 모터.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터는 매분 1만회에서 10만회 회전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 캔드 모터.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각액은, 상기 캔드 모터의 취급액인 것을 특징으로 하는 캔드 모터.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캔드 모터는, 구동 회로실에 배치되어 상기 로터를 구동하도록 구성된 구동 회로와,
   상기 구동 회로를 냉각하기 위한 냉각액이 상기 구동 회로실에 유입되도록 구성된 구동 회로실 입구부와,
   해당 냉각액이 상기 구동 회로실로부터 유출되도록 구성된 구동 회로실 출구부를 갖는 것을 특징으로 하는 캔드 모터.
7. 제6항에 있어서, 상기 스테이터실과 상기 구동 회로실은, 상기 냉각액의 흐름에 관하여 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 캔드 모터.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 캔드 모터를 복수개 갖고, 또한
   상기 복수개의 캔드 모터 중 1개에 의해 구동되도록 구성된 연료 공급 펌프와,
   상기 복수개의 캔드 모터 중 다른 1개에 의해 구동되도록 구성된 산화제 공급 펌프와,
   상기 연료 공급 펌프에 의해 연료가 공급되며, 또한 상기 산화제 공급 펌프에 의해 산화제가 공급되도록 구성된 연소실을 갖는 것을 특징으로 하는 로켓 엔진 시스템.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 캔드 모터를 복수개 갖고, 또한
   상기 복수개의 캔드 모터 중 1개에 의해 구동되도록 구성된 연료 공급 펌프와,
   상기 연료 공급 펌프에 의해 상기 연료가, 상기 복수개의 캔드 모터에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 로켓 엔진 시스템.
10. 캔드 모터를 복수개 갖고,
    상기 복수개의 캔드 모터 중 1개에 의해 구동되도록 구성된 연료 공급 펌프와,
    상기 연료 공급 펌프에 의해 상기 연료가, 상기 복수개의 캔드 모터에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 로켓 엔진 시스템.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 로켓 엔진 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 액체 연료 로켓.

Images