KR20230032167A

KR20230032167A - 공기 압축기

Info

Publication number: KR20230032167A
Application number: KR1020210114681A
Authority: KR
Inventors: 박건웅; 김현칠; 박치용; 최규성
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2023-03-07

Abstract

본 발명은 차량의 연료전지 시스템에 압축 공기를 전달하는 공기 압축기에 관한 것으로, 상세하게는 차량 시스템의 요구에 따라 압축 공기를 연료전지 시스템 또는 외부로 선택하여 전달할 수 있도록 한 공기 압축기에 관한 것이다.

Description

공기 압축기{Air Compressor}

본 발명은 연료전지 시스템에 압축 공기를 전달하는 공기 압축기에 관한 것으로, 상세하게는 시스템의 요구에 따라 압축 공기를 연료전지 시스템 또는 외부로 선택하여 전달할 수 있도록 한 공기 압축기에 관한 것이다.

연료전지 차량은 수소와 산소가 가습기에 공급되어 물의 전기분해 역반응인 전기화학 반응을 통해 생성되는 전기 에너지를 차량의 구동력으로 공급하는 차량을 말하며, 한국등록특허 제10-0962903호에 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.

위와 같은 구성을 갖는 연료전지 차량은 연료전지 시스템에서 생성되는 과발전을 완화하고, 압축기 일 대비 공급 유량이 적어 발생되는 서지를 해소하기 위해 공기 압축기에서 연료전지 시스템으로 과급되는 공기를 바이패스 시켜 외부로 배출하기 위한 바이패스 수단을 포함한다.

바이패스 수단은 공기압축기와, 연료전지 시스템 사이에 연결되어 공기압축기의 압축공기를 외부로 전달하는 바이패스 유로와, 선택적으로 바이패스 유로를 개방 또는 밀폐하도록 바이패스 상에 구비되는 밸브를 포함한다.

위와 같은 바이패스 수단을 포함하는 연료전지 차량은 바이패스 수단으로 인해 시스템이 복잡해지고, 차량 내부 공간을 많이 차지하여 콤팩트한 엔진룸 설계가 불가하고, 소형 차량에는 적용이 불가한 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 압축부를 통해 압축된 공기를 터빈부를 통해 외부로 배출할 수 있도록 압축부와 터빈부를 직접 연결하는 바이패스 유로를 형성하고, 바이패스 유로를 개폐할 수 있는 개폐 수단으로 구비하여 시스템 요구 조건에 따라 압축 공기를 연료전지 시스템 또는 외부로 선택적으로 공급할 수 있도록 한 공기 압축기를 제공함에 있다.

또한, 개폐 수단은, 연료 전지 시스템의 발전량이 과도하거나, 압축기의 부하가 증가하거나, 압축기의 냉각 효율이 떨어지는 경우 바이패스 유로를 개방하도록 한 공기 압축기를 제공함에 있다.

또한, 바이패스 유로는, 공기 압축기 내 발열 부품 주변을 경유하도록 하여 바이패스 유로를 유동하는 압축 공기를 통해 발열 부품을 냉각하도록 한 공기 압축기를 제공함에 있다.

또한, 개폐 수단은, 바이패스 유로의 개도량을 제어할 수 있도록 구성되어 바이패스 유로를 유동하는 공기의 유량을 조절할 수 있도록 한 공기 압축기를 제공함에 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 공기 압축기는, 압축 대상 공기를 유입 받아 압축시키기 위한 임펠러(120)를 포함하고, 상기 임펠러(120)를 통해 압축된 공기를 공급 대상에 공급하는, 압축부(100); 상기 공급 대상에서 회수되는 압축 공기를 통해 회전하여 상기 임펠러(120)에 동력을 제공하기 위한 터빈(220)를 포함하는, 터빈부(200); 상기 임펠러(120)를 구동시키기 위한 구동부(300); 상기 압축부(100)에서 압축된 공기의 일부를 유입 받아 상기 터빈부(200)에 공급하기 위한 바이패스 유로(C); 및 상기 바이패스 유로(C) 상에 구비되어 상기 바이패스 유로(C)를 개방 또는 밀폐하는, 밸브부(500);를 포함한다.

이때, 상기 구동부(300)는, 상기 모터하우징(310)의 전방 측을 차단하며, 상기 전방배출구(112)로 유동하는 공기의 일부를 유입받기 위한 바이패스 유입구(321)가 형성된 전방커버(320)와, 상기 모터하우징(310)의 후방 측을 차단하며, 모터하우징(310) 내부로 유입된 공기를 상기 터빈부(200)로 배출시키기 위한 바이패스 배출구(341)가 형성된 후방커버(340)를 포함하고, 상기 바이패스 유로(C)는, 상류단이 상기 바이패스 유입구(321)와 연통되며, 하류단이 상기 바이패스 배출구(341)와 연통되고, 상기 공기 압축기는, 상기 밸브부(500)를 구동시키기 위한 액추에이터(600);를 더 포함하되, 상기 밸브부(500)는, 상기 바이패스 배출구(341) 상에 구비되어 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 바이패스 배출구(341)를 개방 또는 밀폐하도록 구성된다.

또한, 상기 공기 압축기는, 상기 바이패스 유입구(321) 상에 구비되어 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 바이패스 유입구(321)를 개방 또는 밀폐하도록 구성되는, 전방 밸브부(520);를 더 포함한다.

또한, 상기 공기 압축기는, 상기 액추에이터(600)의 구동을 제어하도록 상기 구동부(300)의 외면에 일체로 형성된 제어부(800)를 더 포함한다.

또한, 상기 밸브부(500)는, 판 형태로 상기 후방커버(340)의 전방에 밀착 배치되되, 상기 로터(301)의 축 방향을 중심으로 회전 가능하도록 구비되며, 상기 바이패스 배출구(341)와 대응되는 위치에 밸브홀(510)이 형성되고, 상기 밸브부(500)의 회전에 의해 상기 밸브홀(510)이 상기 바이패스 배출구(341)와 연통되는 경우 상기 바이패스 유로(C)가 개방되고, 상기 밸브홀(510)이 상기 바이패스 배출구(341)와 이격되는 경우 상기 바이패스 유로(C)가 밀폐된다.

또한, 상기 공기 압축기는, 상기 액추에이터(600)와 밸브부(500)를 연결하는 링크부(610)를 포함하고, 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 밸브부(500)의 회전 각도를 제어하여 상기 바이패스 배출구(341)의 개방면적을 조절하는 것을 특징으로 한다.

다른 실시 예로, 상기 공기 압축기는, 상기 바이패스 유입구(321) 상에 구비되어 상기 바이패스 유입구(321)를 개방 또는 밀폐하도록 구성되는, 전방 밸브부(520); 및 상기 전방 밸브부(520)를 구동시키기 위한 전방 액추에이터(620)를 더 포함한다.

또한, 상기 공기 압축기는, 상기 액추에이터(600) 및 상기 전방 액추에이터(620)의 구동을 제어하도록 상기 구동부(300)의 외면에 일체로 형성된 제어부(800)를 더 포함한다.

또한, 상기 전방 밸브부(520)는, 판 형태로 상기 전방커버(320)의 후방에 밀착 배치되되, 상기 로터(301)의 축 방향을 중심으로 회전 가능하도록 구비되며, 상기 바이패스 유입구(321)와 대응되는 위치에 전방 밸브홀(530)이 형성되고, 상기 전방 밸브부(520)의 회전에 의해 상기 전방 밸브홀(530)이 상기 바이패스 유입구(321)와 연통되는 경우 상기 바이패스 유로(C)의 상류단이 개방되고, 상기 밸브홀(510)이 상기 바이패스 유입구(321)와 이격되는 경우 상기 바이패스 유로(C)의 상류단이 밀폐된다.

또한, 상기 공기 압축기는, 상기 액추에이터(600)와, 전방 밸브부(520) 또는, 상기 전방 액추에이터(620)와 전방 밸브부(520)를 연결하는 전방 링크부를 포함하고, 상기 액추에이터(600) 또는, 상기 전방 액추에이터(620)를 통해 상기 전방 밸브부의 회전 각도를 제어하여 상기 바이패스 유입구(321)의 개방면적을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압축부(100)는, 압축 대상 공기가 유입되는 전방유입구(111) 및 상기 공급 대상과 연결되어 압축된 공기를 상기 공급 대상에 공급하는 전방배출구(112)가 형성된 전방하우징(110)과, 상기 전방하우징(110) 내부에 구비되는 임펠러(120)를 포함하고, 상기 터빈부(200)는, 상기 공급 대상과 연결되어 상기 공급 대상에서 회수되는 압축공기가 유입되는 후방유입구(212) 및 상기 압축공기가 배출되는 후방배출구(211)가 형성된 후방하우징(210)과, 상기 후방하우징(210) 내부에 구비되며, 상기 압축공기에 의해 회전하여 상기 임펠러(120)에 동력을 전달하는 터빈(220)를 포함하고, 상기 구동부(300)는, 상기 전방하우징(110) 및 후방하우징(210)이 각각 전방 및 후방에 구비된 모터하우징(310)과, 상기 모터하우징(310)의 내부에 구비된 스테이터(302)와, 상기 스테이터(302) 내측에서 회전하는 로터(301)를 포함하며, 상기 로터(301)의 회전에 의해 상기 임펠러(120) 및 터빈(220)를 구동시키고, 상기 바이패스 유로(C)는, 상기 로터(301) 및 스테이터(302)를 경유하도록 상기 모터하우징(310) 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압축 공기 공급 대상은, 연료 전지 시스템이며, 상기 제어부(800)는, 상기 연료 전지 시스템이 과충전 시 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 바이패스 유로를 개방하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(800)는, 상기 공기 압축기에 서지 발생 시 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 바이패스 유로를 개방하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 구동부(300)에 전력을 공급하기 위한 인버터를 더 포함하고, 상기 구동부(300)의 외면에 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바이패스 배출구(341)는, 복수 개가 상기 축을 중심으로 방사상으로 이격 배치되고, 상기 밸브홀(520)은, 상기 바이패스 배출구(341)에 대응되도록 복수 개가 상기 축을 중심으로 방사상으로 이격 배치된다.

또한, 상기 공기압축기는, 상기 압축부(100)의 출구 압력이 일정 압력 이상인 경우에만, 상기 바이패스 유로를 개방하고, 일정 압력 미만인 경우 상기 바이패스 유로를 차단하도록 상기 바이패스 유로의 상류단에 구비되는 체크밸브부를 더 포함한다.

또한,상기 체크밸브부(900)는, 상기 압축부(100)의 전방배출구(112)와 연통되는 모니터링 압력 유입구(915)를 포함하여 전방배출구(112)로 배출되는 압축공기를 유입 받는 모니터링실(910); 상기 모니터링실(910)에 구비되어 상기 압축공기의 압력에 의해 탄성 변형하는 탄성부재(920); 상기 바이패스 유로(C)의 상류단(C1)과 연통되는 밸브구동실(930); 및 상기 탄성부재(920)와 연동하여 왕복 운동하도록 밸브구동실(930)에 구비되며, 상기 탄성부재(920)의 탄성 변형에 의해 상류단(C1)을 개방 또는 차단하는 체크밸브(940)를 포함한다.

아울러, 상기 체크밸브부(900)는, 상기 상류단(C1)의 개방 면적이 가변되도록, 상기 탄성부재(920)는, 상기 압축공기의 압력에 따라 비례하여 변형된다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 공기 압축기는, 필요 시 압축기를 통해 연료전지 시스템으로 공급되는 압축 공기를 외부로 바이패스하기 때문에 압축공기를 바이패스 시키기 위한 별도의 구성이 필요치 않아, 시스템을 단순화할 수 있고, 연료전지 차량의 콤팩트한 엔진룸 설계가 가능하여, 소형 차량에도 적용이 가능한 효과가 있다.

또한, 바이패스를 통해 연료 전지 시스템 및 공기 압축기의 과부하를 예방하고, 압축기의 과열을 줄여 시스템의 성능을 최적화하고, 유지 보수비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 바이패스 시 공기 압축기의 주요 발열 부품을 냉각할 수 있어 공기 압축기의 냉각 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 바이패스 시 공기의 유량 제어가 가능하여 보다 다양한 조건에서 최적화된 압축공기 배분이 가능하도록 한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 공기압축기의 단면도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 후방커버와 밸브부의 결합 상태를 나타낸 축 방향 정면도 (바이패스 유로 개방 시)
도 3은, 본 발명의 일실시 예에 따른 후방커버와 밸브부의 결합 상태를 나타낸 축 방향 정면도 (바이패스 유로 일부 개방 시)
도 4는, 본 발명의 일실시 예에 따른 후방커버와 밸브부의 결합 상태를 나타낸 축 방향 정면도 (바이패스 유로 차단 시)
도 5는, 바이패스 유로 개방 시 구동부 내부의 유동 흐름을 나타낸 단면도
도 6은, 바이패스 유로 개방 시 압축 공기의 흐름을 나타낸 블록도
도 7은, 바이패스 유로 일부 개방 시 구동부 내부의 유동 흐름을 나타낸 단면도
도 8은, 바이패스 유로 일부 개방 시 압축 공기의 흐름을 나타낸 블록도
도 9는, 바이패스 유로 차단 시 구동부 내부의 유동 흐름을 나타낸 단면도
도 10은, 바이패스 유로 차단 시 압축 공기의 흐름을 나타낸 블록도
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 체크밸브부의 작동상태를 나타낸 단면개략도
도 12는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 공기압축기의 단면도
도 13은, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 공기압축기의 단면도
도 14는, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 공기압축기의 단면도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 공기 압축기(1000)의 전체 단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 공기 압축기(1000)는, 압축부(100), 터빈부(200), 구동부(300) 및 바이패스부(C)(500)(600)를 포함한다. 공기 압축기(1000)는 압축부(100)를 통해 압축된 공기를 연료전지 시스템과 같은 공급 대상에 공급하고, 상기 공급 대상에서 회수되는 압축 공기는 터빈부(200)로 공급되어 터빈부(200)를 통해 압축부(100)에 회생동력을 제공한 후 외부로 배출되는 형태이다.

압축부(100)는 전방에 위치되어 압축공기를 생성하는 부분으로 도면 좌측에 위치하는 부분을 전방으로 정의하고, 우측에 위치한 부분을 후방으로 정의한다.

압축부(100)는 전방하우징(110) 및 임펠러(120)를 포함한다. 전방하우징(110)은 압축 대상 공기가 유입되는 전방유입구(111) 및 압축된 공기가 배출되는 전방배출구(112)가 형성되며, 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기가 이동되는 방향으로 단면적이 점차 축소하는 형상으로 압축되는 블로우 형태를 가지며, 전방배출구(112)가 제1 연결배관(미도시)과 연결되어 압축된 공기가 상기 제1 연결배관을 통해 연료전지 시스템과 같은 공급 대상에 공급된다. 임펠러(120)는 전방하우징(110) 내부에 구비되어 구동부(300)에 의해 회전력을 전달받아 회전하면서 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기를 압축한다.

터빈부(200)는 후방하우징(210) 및 터빈(220)를 포함한다. 후방하우징(210)은 연료전지 시스템과 같은 공급 대상에서 회수되는 압축 공기를 제2 연결배관을 통해 공급받는 후방유입구(212) 및 터빈(220)를 회전시킨 압축 공기가 배출되는 후방배출구(211)를 포함하고, 후방유입구(212)를 통해 유입된 공기가 이동되는 방향으로 단면적이 점차 축소하는 형상으로 압축되는 블로우 형태를 가진다. 터빈(220)는, 상기 압축 공기를 통해 회전하여 로터(301)와 연결된 임펠러(120)에 회생 동력을 제공한다.

구동부(300)는 모터하우징(310)과, 로터(301) 및 스테이터(302)를 포함한다. 모터하우징(310)은 구동부(300)를 형성하는 기본 몸체로서, 전방하우징(110)과 후방하우징(210) 사이에 구비된다. 또한, 모터하우징(310)은 내부에 로터(301) 및 스테이터(302)가 구비된다. 로터(301)는 전방 일측이 압축부(100)의 임펠러(120)와 결합되고, 후방 타측이 터빈부(200)의 터빈(220)와 결합되어 회전하면서, 임펠러(120) 및 터빈(220)를 회전시킨다. 또한, 터빈(220)의 회전력을 임펠러(120)에 전달하도록 구성된다. 스테이터(302)는 모터하우징(310) 내주면에 결합 고정되는 것으로, 플레이트 및 코일로 구성된다. 따라서 외부 전력이 공급되면, 로터(301)는 스테이터(302)와의 전자기적 상호 작용에 의해 회전력이 발생되며, 이 힘에 의해 임펠러(120)가 회전되고, 임펠러(120)의 회전에 의해 전방유입구(111)로 유입된 공기가 압축된다.

또한, 공기 압축기(1000)는 전방하우징(110)과 모터하우징(310) 사이에 전방커버(320)가 구비되고, 모터하우징(310)과 후방하우징(210) 사이에 후방커버(340)가 구비될 수 있다. 전방커버(320)는 모터하우징(310)의 전방에 장착되는 판 형태로 이루어지며, 중앙에 로터(301)가 삽입되도록 중공부가 형성된다. 전방커버(320)는 전방측이 상기 전방하우징(110)과 함께 임펠러(120)가 장착되는 공간을 형성하며, 후방측이 상기 모터하우징(310)의 전방 측을 차단한다. 후방커버(340)는 모터하우징(310)의 후방에 장착되는 판 형태로 이루어지며, 중앙에 로터(301)가 삽입되도록 중공부가 형성된다. 후방커버(340)는, 후방 측이 후방하우징(210)과 함께 터빈(220)가 장착되는 공간을 형성하며, 전방 측이 모터하우징(310)의 후방 측을 차단한다.

한편, 전방커버(320)에는 전방배출구(112)로 유동하는 압축 공기의 일부를 유입받기 위한 바이패스 유입구(321)가 형성되고, 후방커버(340)에는, 구동부(300) 내부의 공기를 외부로 배출시키기 위한 바이패스 배출구(341)가 형성된다.

상기 바이패스부는, 임펠러(120)를 통해 압축된 공기를 유입 받아 구동부(300)를 경유하여 구동부(300)를 냉각시킨 후 열교환된 압축 공기를 터빈부(200)로 바이패스시켜 외부로 배출하도록 구성된다. 이를 위해 바이패스부는, 상류단(C1)이 전방커버(320)에 형성된 바이패스 유입구(321)와 연통되고, 하류단(C2)이 후방커버(340)에 형성된 바이패스 배출구(341)와 연통되는 바이패스 유로(C)와, 바이패스 유로(C)의 하류단(C2)과 후방커버(340)의 바이패스 배출구(341) 사이에 배치되어 바이패스 배출구(341)의 개도를 조절하는 밸브부(500)와, 밸브부(500)에 구동력을 전달하는 밸브 구동부(600, 610)를 포함한다.

따라서 밸브부(500)의 제어에 의해 바이패스 유로(C)와 바이패스 배출구(341)가 연통될 경우 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기의 일부가 바이패스 유입구(321)를 통해 바이패스 유로(C)로 유입된 후 바이패스 배출구(341)를 통해 후방배출구(211)로 공급되어 외부로 배출됨에 따라 연료전지 시스템으로 공급되는 압축공기를 차단하거나, 양을 줄이도록 구성된다.

또한, 밸브부(500)의 제어에 의해 바이패스 유로(C)와 바이패스 배출구(341)가 차단될 경우 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기가 모두 연료전지 시스템으로 공급되도록 구성될 수 있다.

이때 바이패스 유로(C)는 구동부(300)의 내부를 경유하도록 구성되고, 보다 구체적으로 로터(301) 및 스테이터(302)를 경유하도록 구성된다. 따라서 바이패스 유로(C)를 따라 공기가 유동하는 경우 상기 바이패스 공기가 로터(301) 및 스테이터(302)와 열교환하도록 하여 로터(301) 및 스테이터(302)를 냉각시키도록 구성될 수 있다.

이하 상기와 같은 구성을 갖는 밸브부(500) 및 밸브 구동부(600, 610)의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 4에는, 본 발명의 일실시 예에 따른 후방커버(340)와 밸브부(500)의 결합 상태를 나타낸 축 방향 정면도가 도시되어 있다. 도 2에는, 바이패스 배출구(341)의 개방 시 정면도가 도시되어 있고, 도 3에는, 바이패스 배출구(341)의 일부 개방 시 정면도가 도시되어 있고, 도 4에는, 바이패스 배출구(341)의 밀폐 시 정면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 밸브부(500)는 원판 형태로 이루어질 수 있다. 밸브부(500)는, 구동부(300) 상에 축 방향을 중심으로 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 또한, 밸브부(500)는, 바이패스 배출구(341)와 대응되는 위치에 밸브홀(510)이 형성될 수 있다. 따라서 밸브부(500)는 도 2에 도시된 바와 같이 밸브홀(510)과 바이패스 배출구(341)를 연통시켜 바이패스 배출구(341)를 개방시킬 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 밸브홀(510)과 바이패스 배출구(341)가 일부만 연통되도록 하여 바이패스 배출구(341)를 일부만 개방시키도록 구성될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 밸브부(500)의 회전에 의해 밸브홀(510)과 바이패스 배출구(341)가 이격되도록 하여 밸브부(500)를 통해 바이패스 배출구(341)를 밀폐하도록 구성될 수 있다. 즉 밸브부(500)는, 바이패스 배출구(341)의 개방 및 밀폐뿐만 아니라, 바이패스 배출구(341)의 개방 면적을 제어하여 바이패스 배출구(341)를 경유하는 공기의 유량 제어도 가능하도록 구성된다.

밸브부(500)는, 밸브 구동부(600, 610)를 통해 회전되며, 밸브 구동부는, 밸브부(500)에 회전 동력을 발생시키는 액추에이터(600) 및 액추에이터(600)와 밸브부(500)를 연결하는 링크부(610)를 포함하여 구성될 수 있다. 따라서 액추에이터(600)의 회전각도 제어를 통해 밸브부(500)의 회전각도 제어가 가능하고 이에 따라 바이패스 배출구(341)의 개방면적을 제어하여 바이패스 유로를 통해 외부로 배출되는 압축공기의 유량을 조절할 수 있도록 구성된다.

도 5에는, 바이패스 유로 개방 시 구동부(300) 내부의 유동 흐름을 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 6에는, 바이패스 유로 개방 시 압축 공기의 흐름을 나타낸 블록도가 도시되어 있다. 또한, 도 7에는, 바이패스 유로 일부 개방 시 구동부 내부의 유동 흐름을 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 8에는, 바이패스 유로 일부 개방 시 압축 공기의 흐름을 나타낸 블록도가 도시되어 있다. 아울러, 도 9에는, 바이패스 유로 차단 시 구동부 내부의 유동 흐름을 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 10에는, 바이패스 유로 차단 시 압축 공기의 흐름을 나타낸 블록도가 도시되어 있다.

밸브홀(510)과 바이패스 배출구(341)를 연통시켜 바이패스 배출구(341)가 완전히 개방된 경우 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 압축부(100)에서 구동부(300) 내부로 유입되어 로터(301)를 냉각시키기 위한 냉각 공기 외에 바이패스 유로(C)를 통해 외부로 배출되는 바이패스 압축공기(A2)가 최대로 증가함에 따라 압축부(100)를 통해 연료전지 시스템으로 공급되는 주 압축공기(A1)는 차단 또는 최소화된다. 따라서 연료전지 시스템에서 생성되는 과발전을 완화하고, 압축기 일 대비 공급 유량이 적어 발생되는 서지를 해소할 수 있는 효과가 있다.

또한, 밸브홀(510)과 바이패스 배출구(341)를 일부만 연통시켜 바이패스 배출구(341)가 일부 개방된 경우 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 압축부(100)에서 바이패스 유로(C)를 통해 외부로 배출되는 바이패스 압축공기(A2)가 일부 발생됨에 따라 압축부(100)에서 연료전지 시스템으로 공급되는 주 압축공기(A1)가 일부 줄어들게 된다. 연료전지 시스템에서 생성되는 발전의 일부 감소가 필요할 경우 주 압축공기(A1)의 공급량을 조절하여 최적의 발전 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

아울러, 밸브홀(510)과 바이패스 배출구(341)가 이격되도록 하여 밸브부(500)를 통해 바이패스 배출구(341)를 밀폐한 경우 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 압축부(100)로 공급된 공기 중 압축부(100)에서 구동부(300) 내부로 유입되어 로터(301)를 냉각시키기 위한 냉각 공기를 제외한 공기가 모두 압축부(100)를 통해 연료전지 시스템으로 공급됨에 따라 연료전지 시스템의 발전량이 최대가 되도록 구성될 수 있다.

도 11에는 본 발명의 일실시 예에 따른 체크밸브부(900)의 작동상태를 나타낸 단면개략도가 도시되어 있다.

한편 본 발명의 제1 실시 예에 따른 공기 압축기(1000)는 추가 실시 예로 압축부(100)의 출구 압력을 모니터링 하여 상기 출구 압력이 일정 수준 이상일 경우 바이패스 유로(C)의 이용이 가능하고, 일정 수준 미만일 경우에는 바이패스 유로(C)의 이용이 불가하도록 바이패스 유로(C)의 상류단(C1)에 체크밸브부(900)가 구비될 수 있다.

도 9a 에 도시된 바와 같이 체크밸브부(900)는, 압축부(100)의 전방배출구(112)와 연통되는 모니터링 압력 유입구(915)를 포함하여 전방배출구(112)로 배출되는 압축공기를 유입 받는 모니터링실(910)과, 모니터링실(910)에 구비되어 상기 압축공기의 압력에 의해 탄성 변형하는 탄성부재(920)와, 바이패스 유로(C)의 상류단(C1)과 연통되는 밸브구동실(930)과, 탄성부재(920)와 연동하여 왕복 운동하도록 밸브구동실(930)에 구비되며, 탄성부재(920)의 탄성 변형에 의해 상류단(C1)을 개방 또는 일부개방 또는 차단하는 체크밸브(940)를 포함한다. 여기서 탄성부재(920)는 판스프링 일 수 있고, 체크밸브(940)는, 볼밸브일 수 있다.

위와 같은 구성의 체크밸브부(900)는, 도 11a에 도시된 바와 같이 모니터링실(910)로 일정 압력 미만의 압축공기가 유입되는 경우 탄성부재(920)는 압력 유입구(915) 측으로 볼록한 상태를 유지하여 체크밸브(940)가 바이패스 유로의 상류단(C1)을 차단하도록 구성된다.

또한, 도 11b에 도시된 바와 같이 모니터링실(910)로 일정 압력을 초과하는 압축공기가 유입되는 경우 탄성부재(920)는, 밸브구동실(930) 측으로 볼록하게 변형하여 체크밸브(940)가 바이패스 유로의 상류단(C1)을 개방하도록 구성된다.

추가적으로 도 11c에 도시된 바와 같이 모니터링실(910)로 유입되는 압축공기의 압력에 따라 탄성부재(920)가 비례하여 변형되도록 하여 체크밸브(940)에 의한 상류단(C1)의 개방 면적이 가변될 수 있도록 구성된다.

위와 같은 체크밸브부의 구성을 통해 압축기 출구 압력이 일정 압력 이상일 경우에만 바이패스 유로(C)를 이용해 연료전지 시스템으로 공급되는 주 압축공기(A1)의 양을 줄일 수 있도록 구성된다.

도 12에는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 공기 압축기(2000)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 공기 압축기(2000)는, 압축부(100), 터빈부(200), 구동부(300) 및 바이패스부(C)(500)(600)를 포함하며, 위 구성은 상술된 제1 실시 예의 공기 압축기(1000)와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

이때 공기압축기(2000)는, 바이패스 유로(C)의 상류단(C1)과 전방커버(320)의 바이패스 유입구(321) 사이에 배치되어 바이패스 유입구(321)의 개도를 조절하는 전방 밸브부(520)와, 전방 밸브부(520)에 구동력을 전달하는 전방 밸브 구동부(620, 630)를 더 포함한다.

전방 밸브부(520)는, 구동부(300) 상에 축 방향을 중심으로 회전 가능하도록 결합될 수 있고, 전방 밸브부(520)는, 바이패스 유입구(321)와 대응되는 위치에 전방 밸브홀(530)이 형성될 수 있다.

전방 밸브부(520)는 밸브부(500)와 동일하게 구동되며, 전방 밸브홀(530)과 바이패스 유입구(321)를 연통시켜 바이패스 유입구(321)를 개방시킬 수도 있고, 전방 밸브부(520)의 회전에 의해 전방 밸브홀(530)과 바이패스 유입구(321)가 이격되도록 하여 전방 밸브부(520)를 통해 바이패스 유입구(321)를 밀폐하도록 구성될 수 있다. 또한, 전방 밸브홀(530)과 바이패스 유입구(321)가 일부만 연통되도록 하여 바이패스 유입구(321)를 일부만 개방시키도록 구성될 수 있다.

전방 밸브부(520)는, 전방 밸브 구동부(620, 630)를 통해 회전되며, 전방 밸브 구동부는, 전방 밸브부(520)에 회전 동력을 발생시키는 전방 액추에이터(620) 및 전방 액추에이터(620)와 전방 밸브부(520)를 연결하는 전방 링크부(630)를 포함하여 구성될 수 있다.

따라서 전방 밸브부(520)의 제어에 의해 바이패스 유로(C)와 바이패스 유입구(321)가 연통되고, 밸브부(500)의 제어에 의해 바이패스 유로(C)와 바이패스 배출구(341)가 연통될 경우 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기의 일부가 바이패스 유입구(321)를 통해 바이패스 유로(C)로 유입된 후 바이패스 배출구(341)를 통해 외부로 배출되어 연료전지 시스템으로 공급되는 압축공기를 차단하거나 양을 줄인다.

또한, 전방 밸브부(520) 또는 밸브부(500)의 제어에 의해 바이패스 유로(C)와 바이패스 유입부(321) 또는, 바이패스 유로(C)와 바이패스 배출구(341)가 차단될 경우 전방유입구(111)를 통해 유입된 공기가 모두 연료전지 시스템으로 공급되도록 구성될 수 있다.

상술된 제1 실시 예의 경우 최대 압축 유량이 상대적으로 작은 압축기의 경우 적용이 가능하고, 최대 압축 유량이 상대적으로 많은 경우 상술된 제2 실시 예와 같이 압축부와 터빈부에 각각 전방 밸브부와 밸브부를 구비하여 바이패스 유로를 유동하는 공기를 제어하도록 구성할 수 있다.

도 13에는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 공기 압축기(3000)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 공기 압축기(3000)는, 압축부(100), 터빈부(200), 구동부(300) 및 바이패스부(C)(500)(600)를 포함하며, 위 구성은 상술된 제1 실시 예의 공기 압축기(1000)와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

이때 공기압축기(3000)는, 바이패스 유로(C)의 상류단(C1)과 전방커버(320)의 바이패스 유입구(321) 사이에 배치되어 바이패스 유입구(321)의 개도를 조절하는 전방 밸브부(520)와, 전방 밸브부(520)에 구동력을 전달하는 전방 링크부(611)를 더 포함한다.

이때, 전방 밸브부(520)는, 상술한 제2 실시 예와 달리 밸브부(500)를 구동하는 액추에이터(600)를 통해 회전 가능하도록 액추에이터(600)와 전방 밸브부(520)를 연결하는, 전방 링크부(611)를 더 포함한다.

따라서 액추에이터(600)를 통해 밸브부(500) 회전 시 전방 밸브부(520)가 연동하여 회전하도록 구성된다.

상술된 실시 예에 따른 공기 압축기는, 단일 액추에이터를 통해 전방 밸브부(520)와 밸브부(500)가 구동하기 때문에 부품수와 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 14에는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 공기 압축기(4000)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 공기 압축기(4000)는, 압축부(100), 터빈부(200), 구동부(300) 및 바이패스부(C)(500)(600)를 포함하며, 위 구성은 상술된 제1 실시 예의 공기 압축기와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

도시된 바와 같이 공기 압축기(4000)는, 제어부(800)를 포함할 수 있고, 제어부(800)는, 구동부(300)의 외면에 일체로 형성될 수 있다. 제어부(800)는 구동부(300)에 전력을 공급하기 위한 인버터와, 액추에이터(600)의 제어를 위한 PCB로 구성될 수 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1000, 2000, 3000, 4000 : 공기 압축기
100 : 압축부
110 : 전방하우징 111 : 전방유입구
112 : 전방배출구 120 : 임펠러
200 : 터빈부
210 : 후방하우징 211 : 후방배출구
212 : 후방유입구 220 : 터빈
300 : 구동부
301 : 로터 302 : 스테이터
310 : 모터하우징 320 : 전방커버
321 : 바이패스 유입구 340 : 후방커버
341 : 바이패스 배출구
C : 바이패스 유로
500 : 밸브부
510 : 밸브홀 520 : 전방 밸브부
530 : 전방 밸브홀
600 : 액추에이터
610 : 링크부 620 : 전방 액추에이터
611, 630 : 전방 링크부
A1 : 주 압축공기
A2 : 바이패스 압축공기
800 : 제어부
900 : 체크밸브부
910 : 모니터링실 920 : 탄성부재
930 : 밸브구동실 940 : 체크밸브

Claims

압축 대상 공기를 유입 받아 압축시키기 위한 임펠러(120)를 포함하고, 상기 임펠러(120)를 통해 압축된 공기를 공급 대상에 공급하는, 압축부(100);
상기 공급 대상에서 회수되는 압축 공기를 통해 회전하여 상기 임펠러(120)에 동력을 제공하기 위한 터빈(220)를 포함하는, 터빈부(200);
상기 임펠러(120)를 구동시키기 위한 구동부(300);
상기 압축부(100)에서 압축된 공기의 일부를 유입 받아 상기 터빈부(200)에 공급하기 위한 바이패스 유로(C); 및
상기 바이패스 유로(C) 상에 구비되어 상기 바이패스 유로(C)를 개방 또는 밀폐하는, 밸브부(500);
를 포함하는, 공기 압축기.
제 1항에 있어서,
상기 구동부(300)는,
상기 모터하우징(310)의 전방 측을 차단하며, 상기 전방배출구(112)로 유동하는 공기의 일부를 유입받기 위한 바이패스 유입구(321)가 형성된 전방커버(320)와, 상기 모터하우징(310)의 후방 측을 차단하며, 모터하우징(310) 내부로 유입된 공기를 상기 터빈부(200)로 배출시키기 위한 바이패스 배출구(341)가 형성된 후방커버(340)를 포함하고,
상기 바이패스 유로(C)는,
상류단이 상기 바이패스 유입구(321)와 연통되며, 하류단이 상기 바이패스 배출구(341)와 연통되고,
상기 공기 압축기는, 상기 밸브부(500)를 구동시키기 위한 액추에이터(600);를 더 포함하되,
상기 밸브부(500)는, 상기 바이패스 배출구(341) 상에 구비되어 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 바이패스 배출구(341)를 개방 또는 밀폐하도록 구성되는, 공기 압축기.
제 2항에 있어서,
상기 공기 압축기는, 상기 바이패스 유입구(321) 상에 구비되어 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 바이패스 유입구(321)를 개방 또는 밀폐하도록 구성되는, 전방 밸브부(520);를 더 포함하는, 공기 압축기.
제 2항에 있어서,
상기 공기 압축기는,
상기 액추에이터(600)의 구동을 제어하도록 상기 구동부(300)의 외면에 일체로 형성된 제어부(800)를 더 포함하는, 공기 압축기.
제 2항에 있어서,
상기 밸브부(500)는,
판 형태로 상기 후방커버(340)의 전방에 밀착 배치되되, 상기 로터(301)의 축 방향을 중심으로 회전 가능하도록 구비되며, 상기 바이패스 배출구(341)와 대응되는 위치에 밸브홀(510)이 형성되고,
상기 밸브부(500)의 회전에 의해 상기 밸브홀(510)이 상기 바이패스 배출구(341)와 연통되는 경우 상기 바이패스 유로(C)가 개방되고, 상기 밸브홀(510)이 상기 바이패스 배출구(341)와 이격되는 경우 상기 바이패스 유로(C)가 밀폐되는, 공기 압축기.
제 5항에 있어서,
상기 공기 압축기는,
상기 액추에이터(600)와 밸브부(500)를 연결하는 링크부(610)를 포함하고,
상기 액추에이터(600)를 통해 상기 밸브부(500)의 회전 각도를 제어하여 상기 바이패스 배출구(341)의 개방면적을 조절하는 것을 특징으로 하는, 공기 압축기.
제 2항에 있어서,
상기 공기 압축기는, 상기 바이패스 유입구(321) 상에 구비되어 상기 바이패스 유입구(321)를 개방 또는 밀폐하도록 구성되는, 전방 밸브부(520); 및
상기 전방 밸브부(520)를 구동시키기 위한 전방 액추에이터(620);
를 더 포함하는, 공기 압축기.
제 7항에 있어서,
상기 공기 압축기는,
상기 액추에이터(600) 및 상기 전방 액추에이터(620)의 구동을 제어하도록 상기 구동부(300)의 외면에 일체로 형성된 제어부(800)를 더 포함하는, 공기 압축기.
제 3항 또는 제 7항에 있어서,
상기 전방 밸브부(520)는,
판 형태로 상기 전방커버(320)의 후방에 밀착 배치되되, 상기 로터(301)의 축 방향을 중심으로 회전 가능하도록 구비되며, 상기 바이패스 유입구(321)와 대응되는 위치에 전방 밸브홀(530)이 형성되고,
상기 전방 밸브부(520)의 회전에 의해 상기 전방 밸브홀(530)이 상기 바이패스 유입구(321)와 연통되는 경우 상기 바이패스 유로(C)의 상류단이 개방되고, 상기 밸브홀(510)이 상기 바이패스 유입구(321)와 이격되는 경우 상기 바이패스 유로(C)의 상류단이 밀폐되는, 공기 압축기.
제 9항에 있어서,
상기 공기 압축기는,
상기 액추에이터(600)와, 전방 밸브부(520) 또는, 상기 전방 액추에이터(620)와 전방 밸브부(520)를 연결하는 전방 링크부를 포함하고,
상기 액추에이터(600) 또는, 상기 전방 액추에이터(620)를 통해 상기 전방 밸브부의 회전 각도를 제어하여 상기 바이패스 유입구(321)의 개방면적을 조절하는 것을 특징으로 하는, 공기 압축기.
제 1항에 있어서,
상기 압축부(100)는, 압축 대상 공기가 유입되는 전방유입구(111) 및 상기 공급 대상과 연결되어 압축된 공기를 상기 공급 대상에 공급하는 전방배출구(112)가 형성된 전방하우징(110)과, 상기 전방하우징(110) 내부에 구비되는 임펠러(120)를 포함하고,
상기 터빈부(200)는, 상기 공급 대상과 연결되어 상기 공급 대상에서 회수되는 압축공기가 유입되는 후방유입구(212) 및 상기 압축공기가 배출되는 후방배출구(211)가 형성된 후방하우징(210)과, 상기 후방하우징(210) 내부에 구비되며, 상기 압축공기에 의해 회전하여 상기 임펠러(120)에 동력을 전달하는 터빈(220)를 포함하고,
상기 구동부(300)는, 상기 전방하우징(110) 및 후방하우징(210)이 각각 전방 및 후방에 구비된 모터하우징(310)과, 상기 모터하우징(310)의 내부에 구비된 스테이터(302)와, 상기 스테이터(302) 내측에서 회전하는 로터(301)를 포함하며, 상기 로터(301)의 회전에 의해 상기 임펠러(120)를 구동시키고,
상기 바이패스 유로(C)는, 상기 로터(301) 및 스테이터(302)를 경유하도록 상기 모터하우징(310) 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는, 공기 압축기.
제 4항에 있어서,
상기 압축 공기 공급 대상은, 연료 전지 시스템이며,
상기 제어부(800)는,
상기 연료 전지 시스템이 과충전 시 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 바이패스 유로를 개방하는 것을 특징으로 하는, 공기 압축기.
제 4항에 있어서,
상기 제어부(800)는,
상기 공기 압축기에 서지 발생 시 상기 액추에이터(600)를 통해 상기 바이패스 유로를 개방하는 것을 특징으로 하는, 공기 압축기.
제 4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 구동부(300)에 전력을 공급하기 위한 인버터를 더 포함하고, 상기 구동부(300)의 외면에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는, 공기 압축기.
제 5항에 있어서,
상기 바이패스 배출구(341)는, 복수 개가 상기 축을 중심으로 방사상으로 이격 배치되고,
상기 밸브홀(520)은, 상기 바이패스 배출구(341)에 대응되도록 복수 개가 상기 축을 중심으로 방사상으로 이격 배치되는, 공기 압축기.
제 2항에 있어서,
상기 공기압축기는,
상기 압축부(100)의 출구 압력이 일정 압력 이상인 경우에만, 상기 바이패스 유로를 개방하고, 일정 압력 미만인 경우 상기 바이패스 유로를 차단하도록 상기 바이패스 유로의 상류단에 구비되는 체크밸브부;
를 더 포함하는, 공기 압축기.
제 16항에 있어서,
상기 체크밸브부(900)는,
상기 압축부(100)의 전방배출구(112)와 연통되는 모니터링 압력 유입구(915)를 포함하여 전방배출구(112)로 배출되는 압축공기를 유입 받는 모니터링실(910);
상기 모니터링실(910)에 구비되어 상기 압축공기의 압력에 의해 탄성 변형하는 탄성부재(920);
상기 바이패스 유로(C)의 상류단(C1)과 연통되는 밸브구동실(930);
상기 탄성부재(920)와 연동하여 왕복 운동하도록 밸브구동실(930)에 구비되며, 상기 탄성부재(920)의 탄성 변형에 의해 상류단(C1)을 개방 또는 차단하는 체크밸브(940);
를 포함하는, 공기 압축기.
제 17항에 있어서,
상기 체크밸브부(900)는,
상기 상류단(C1)의 개방 면적이 가변되도록, 상기 탄성부재(920)는, 상기 압축공기의 압력에 따라 비례하여 변형되는, 공기 압축기.