KR20230125057A

KR20230125057A - 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기, 연료 전지시스템 및 차량

Info

Publication number: KR20230125057A
Application number: KR1020237025889A
Authority: KR
Inventors: 리앙 천
Original assignee: 하이난 지루이 하오한 파워 시스템 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-08-28
Also published as: CN112814935A; WO2022166546A1

Abstract

연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기, 연료 전지 시스템 및 차량에 관한 것이다. 고정자(3)와 메인 샤프트(20)는 하우징(4) 내에 설치되고, 메인 샤프트(20)는 고정자(3)의 내부 캐비티에 삽입되어 자유롭게 회전하며, 추력 디스크(17)는 임펠러(12) 후측에 위치하고, 라비린스 씰(9)은 임펠러의(12)의 외측 가장자리 후측에 위치하고, 공기는 라비린스 씰(9)을 통과하면서 메인 샤프트(20)를 냉각시키며, 차단 슬리브는 메인 샤프트(20)와 고정자(3) 사이에 설치되고 냉각 액체가 하우징(4)과 차단 슬리브 사이를 흐르게 하고 고정자(3)가 냉각 액체에 침지되도록 고정자(3)와 메인 샤프트(20)를 밀폐하게 차단하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기, 연료 전지 시스템 및 차량

본 발명은 연료 전지용 압축기, 연료 전지 시스템 및 차량에 관한 것으로, 구체적으로 수소 연료 전지 전기구동용 에어 압축기 기술분야에 속하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기, 연료 전지 시스템 및 차량에 관한 것이다.

신에너지 측면에 있어서, 수소 연료 전지로 동력을 공급하는 자동차는 동력성능이 높고, 수소 충진 속도가 빠르고 항속거리가 길며 21세기 신에너지 자동차의 가장 전략적 의의가 있는 돌파구가 되고 있다. 수소 연료 전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 직접 출력하고, 수소 연료 전지의 출력 밀도는 공기 공급 시스템의 공기 공급 압력 및 공기 공급 유량과 직접적으로 연관되며, 공기 공급 압력이 높고 산소 분압이 높으므로, 연료 전지 반응 속도가 빨라지고, 출력이 증가된다.

에어 압축기는 연료 전지 시스템에 고압 공기 공급원을 제공할 수 있으며, 스크류 압축기 및 스크롤 압축기에 비해, 원심 에어 압축기는 압축비가 더 높은 공기 공급원을 제공하여 전지 스택의 출력 밀도와 전반적인 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 그리고 에어 서스펜션 원심 에어 압축기는 출구 공기에 오일이 없고, 소형화 및 경량화가 용이하여 차량용 연료 전지 에어 압축기에 가장 적합한 선택이다.

연료 전지 시스템의 성능에 맞추기 위해, 소형 원심 압축기의 회전 속도가 높고, 회전자와 주변 공기는 심하게 마찰되어 대량의 열에너지가 발생하므로, 회전자는 온도가 상승하여 변형되고, 열이 베어링에 전달되어 베어링이 고온으로 인해 고장 나도록 할 수 있으며, 초고속의 작용으로 인해 모터 고정자의 온도도 급격히 상승하는데, 제때로 냉각되지 않으면 과도한 열이 절연 재료의 수명에 영향을 미치고, 모터의 출력을 감소시켜 심각한 경우 모터를 태울 것이다.

기존 기술은 공기를 이용하여 모터 고정자를 냉각시키는데, 그 냉각 효과가 이상적이지 않으며, 동축 팬이 전력을 소모하여 시스템 효율을 낮추며, 또는 수냉식 모터 고정자를 사용하고 모터 하우징 내부에 냉각 채널을 배치하여 모터 하우징을 냉각시킴으로써 모터 고정자를 냉각시키는 효과를 달성한다.

그러나, 냉각 효과가 뚜렷하지 않은 것은 주요 표현이다. 냉각 풍량을 높이면 전력 소모가 발생하고, 또한 가열된 공기의 배출로 인해 에어 압축기의 외부 환경에 열이 축적되었다. 연료 전지 적용 시, 자동차 부품의 크기 및 중량 요구로 인해 에어 압축기(기존 기술에서 에어 압축기의 부피 크기는 17인치 컴퓨터 크기와 같고, 회전 속도는 70,000rpm 정도임)의 설계는 에너지 밀도를 최대한 높이고, 자신의 부피와 중량을 줄여야 하기 때문에, 모터는 설계가 콤팩트되고, 회전 속도가 높고, 고정자와 회전자 사이의 간극의 바람 손실이 높고(속도에 비례함), 그리고 모터 과열의 우려가 있으며, 모터 고정자를 냉각챨기 위해, 기존의 수냉식을 사용하면, 냉각 채널이 모터 하우징에 배치되고 금속 열전달을 통해 고정자의 열을 제거하기 때문에, 이런 냉각은 고정자 양측의 말단 권선이 잘 냉각되지 못하고 고정자 양측에 금속 캡을 추가하여 코일을 커버한 다음 외부 금속 캡을 냉각시켜야 하는 문제점이 있다. 또는 냉각 팬의 출력을 높이고 고정자 양측의 말단 권선을 냉각챨기 위해 공기를 사용하며, 그러나 이는 또한 모터의 전체 효율을 감소시킨다.

예를 들어, 기존 기술에서, 공보번호가 CN108533510A이고 공보일이 2018년 09월 14일이고 발명명칭이 연료 전지용 에어 서스펜션 원심 압축기인 발명 특허 출원에서는, 모터 하우징 내부와 고정자 외곽에 냉각 액체가 배치되고, 금속 열전달을 이용하여 고정자의 열을 제거하는데, 이 냉각 방식은 효과가 제한적이며, 그리고, 이 특허 출원은 추력 디스크를 임펠러의 원단부에 설치하고, 추력 디스크는 고열 부품이므로 추력 디스크의 냉각 문제점을 고려하지 않은 것이며, 또한, 이 발명의 특허 출원은 부피가 크고 회전 속도가 낮은 단점이 있다.

이에, 기존 기술의 부피가 크고 속도가 낮으며 냉각 효과가 이상적이지 않는 문제점을 극복하도록 압축기의 냉각 방식과 전체 레이아웃을 개선할 필요가 있다.

본 발명의 배경기술에 개시된 정보는 단지 본 발명의 전반적인 배경 지식에 대한 이해를 증가시키기 위한 것일 뿐이며, 해당 정보가 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 선행 기술을 구성한다는 것을 인정하거나 어떤 형태로 암시하여서는 안 된다.

상술한 사실을 감안하여, 본 발명의 목적은 기존의 압축기의 부피가 크고 회전속도가 낮으며 냉각효과가 저하한 문제점을 해결하고, 더 나아가 수소-산소 반응 발전을 위해 전지 스택에 압축 공기를 출력하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기, 연료 전지 시스템 및 차량을 제공하는데 있다. 압축기의 모터 고정자는 액체에 완전히 침지되어 있어 냉각 효과가 뚜렷하고, 극한 조건에서 모터의 정상적인 작동을 더 잘 확보한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기술적 해결방법은 다음과 같다.

해결방법 1:

액체 유입구 및 액체 배출구가 설치되는 하우징,

상기 하우징 내에 설치되는 고정자, 및 상기 하우징 내에 설치되고 고정자 내부 캐비티에 삽입되어 자유롭게 회전하는 메인 샤프트,

상기 하우징에 연결되는 볼류트, 및 볼류트 내에 위치하고 상기 메인 샤프트의 전단에 연결되는 임펠러,

임펠러의 후측에 위치하는 추력 디스크, 및 임펠러의 외측 가장자리 후측에 위치하고 압축된 공기가 통과하면서 메인 샤프트를 냉각시키는 라비린스 씰,

임펠러에 가까운 하우징의 일측에 설치되는 디퓨저, 및

메인 샤프트와 고정자 사이에 설치되고, 냉각 액체가 하우징과 차단 슬리브 사이를 흐르게 하고, 고정자가 냉각 액체 내에 완전히 침지되도록 고정자와 메인 샤프트를 밀폐하게 차단하는 차단 슬리브,를 포함하는, 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기를 제공한다.

추가적으로, 상기 냉각 액체는 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜과 물의 혼합액, 탈이온수, 오일 및 기타 액체이다. 본 해결방법에서는 추가 장비가 필요 없이 차량의 냉각액을 모터의 냉각 매체로 직접 사용할 수 있어 장치의 중량과 부피를 더욱 감소시킨다.

추가적으로, 상기 메인 샤프트는 직경이 20mm이다. 기존 기술에서, 메인 샤프트는 직경이 30~40mm이고, 바람 손실 값이 메인 샤프트 직경의 4승이므로, 기존 기술에 비해 본 발명의 바람 소실은 크게 감소된다.

해결방법 1을 참조하면, 해결방법 1의 일부 실시형태에서, 메인 샤프트 지지 부재, 앞 베어링 시트, 뒷 베어링 시트, 뒷 레이디얼 베어링, 앞 레이디얼 베어링을 더 포함하며,

상기 앞 베어링 시트, 뒷 베어링 시트는 하우징의 전/후단에 밀봉되게 장착되고, 상기 메인 샤프트의 전단은 앞 레이디얼 베어링을 통해 앞 베어링 시트에 연결되며, 메인 샤프트의 후단은 뒷 레이디얼 베어링을 통해 뒷 베어링 시트에 연결된다. 이렇게 설치됨으로써, 메인 샤프트는 고정자 내부 캐비티에서 자유롭게 회전한다.

해결방법 1을 참조하면, 해결방법 1의 일부 실시형태에서, 추력 디스크 지지 부재, 추력 베어링 시트, 외부 추력 베어링, 내부 추력 베어링을 더 포함하며,

추력 베어링 시트는 앞 베어링 시트에 연결되고, 추력 베어링 시트와 앞 베어링 시트 사이에는 앞에서 뒤로 차례로 외부 추력 베어링, 추력 디스크, 내부 추력 베어링이 설치되며, 라비린스 씰은 임펠러와 추력 베어링 시트 사이에 설치된다. 이렇게 설치됨으로써, 추력 디스크에 지지를 제공한다.

추가적으로, 상기 임펠러, 추력 디스크, 메인 샤프트는 인장 스크류를 통해 동축으로 연결되며, 압축된 공기는 라비린스 씰을 통과하면서 추력 베어링을 냉각시킨다. 이렇게 설치됨으로써, 삼자가 동축으로 회전하도록 확보한다.

해결방법 1을 참조하면, 해결방법 1의 일부 실시형태에서, 차단 슬리브는, 전후 양단이 앞 베어링 시트와 뒷 베어링 시트에 실링 링을 통해 밀봉되게 연결된다.

앞 베어링 시트와 뒷 베어링 시트의 외벽에는 실링 홈이 구비되고, 실링 홈에는 실링 링이 설치되며, 차단 슬리브의 내벽과 앞 베어링 시트, 뒷 베어링 시트의 외벽 사이는 실링 링을 통해 밀봉된다.

또는, 차단 슬리브의 양단의 외벽에는 실링 홈이 구비되고, 실링 홈에는 실링 링이 설치되며, 차단 슬리브의 외벽과 앞 베어링 시트, 뒷 베어링 시트의 내벽 사이는 실링 링을 통해 밀봉된다.

이렇게 설치됨으로써, 다양한 밀봉 방식을 이용하여 밀봉성을 확보하면서 가공, 장착 및 분해가 편리하다.

해결방법 1을 참조하면, 해결방법 1의 일부 실시형태에서, 차단 슬리브는 일체형 제조 구조이다. 이렇게 설치됨으로써, 가공이 편리하다.

해결방법 1을 참조하면, 해결방법 1의 일부 실시형태에서, 차단 슬리브는 분리형 제조 구조이다. 이렇게 설치됨으로써, 장착 및 분해가 편리하다.

차단 슬리브는 앞 긴 슬리브 및 뒷 슬리브를 포함하고, 앞 긴 슬리브 및 뒷 슬리브는 밀봉되게 연결되며,

또는, 차단 슬리브는 앞 슬리브 및 뒷 긴 슬리브를 포함하고, 앞 슬리브 및 뒷 긴 슬리브는 밀봉되게 연결되며,

또는, 차단 슬리브는 앞 슬리브, 중간 슬리브 및 뒷 슬리브를 포함하고, 앞 슬리브, 중간 슬리브 및 뒷 슬리브는 차례로 밀봉되게 연결되며,

추가적으로, 중간 슬리브는 회전축의 중심부에 위치하고, 중간 슬리브의 벽 두께는 앞 슬리브 및 뒷 슬리브의 벽 두께보다 작다. 이렇게 설치됨으로써, 열전도율을 높여 열을 빠르게 도출한다.

해결방법 1을 참조하면, 해결방법 1의 일부 실시형태에서, 중간 슬리브는 PEEK 플라스틱, POM 플라스틱, PBT 플라스틱, PVC 플라스틱 및 탄소 섬유 등과 같은 비전도성 재료로 구성되며, 차단 슬리브 재료로는 방수성 및 비전도성을 가지는 재료이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 여기서는 더 이상 열거하지 않는다.

해결방법 1을 참조하면, 해결방법 1의 일부 실시형태에서, 차단 슬리브는 중간 슬리브이고, 중간 슬리브는 앞 베어링 시트와 뒷 베어링 시트에 실링 링을 통해 밀봉되게 연결된다. 이렇게 설치됨으로써, 장착 및 분해가 편리하다. 이는 앞 베어링 시트와 앞 슬리브를 일체로 가공하고 뒷 베어링 시트와 뒷 슬리브를 일체로 가공하는 것과 같다.

위에서 설명된 실시형태는 서로 충돌되지 않는 한 서로 조합되어 상이한 기술적 해결방법을 구성할 수 있다.

해결방법 2: 본 발명의 다른 측면에 따르면, 해결방법 1에 따른 고속 에어 서스펜션 압축기를 포함하는 연료 전지 시스템을 더 제공한다.

해결방법 3: 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 해결방법 1에 따른 고속 에어 서스펜션 압축기 또는 해결방법 2에 따른 연료 전지 시스템을 포함하는 차량을 제공한다.

본 발명에 의해 달성되는 효과는 다음과 같다.

첫째, 본 발명에서 임펠러 후측에 추력 디스크를 배치하고, 차단 슬리브를 사용하여 모터 고정자와 모터 축 시스템 부품을 차단한 다음, 모터 하우징 부위에 액체 유입 및 유출 인터페이스 채널을 설치함으로써 고정자가 액체에 완전히 침지되어 모터의 열의 대부분을 제거하도록 하며, 액체의 비열 용량은 공기보다 훨씬 크고 필요한 냉각 유량이 적으므로, 시스템 효율이 향상되고, 임펠러에 멀어지는 단부에 동축 냉각 팬이 배치되지 않고, 고온 및 건조한 사막 지역과 같은 극한 외부 환경에서 모터 내부 온도를 낮추고 모터가 정상적으로 작동하도록 확보하는 효과를 얻을 수 있다.

둘째, 모터 축 시스템의 냉각의 경우, 한편으로는 공기가 통과하면서 열을 제거하고, 다른 한편으로는 금속의 열전도 및 대류에 의해 방열되며, 고정자와 금속 슬리브의 온도가 다른 부분보다 훨씬 낮기 때문에 대부분의 회전자와 기계 부품의 온도도 낮아지고 공기 냉각 팬을 완전히 포기할 수 있어 우수한 방열 효과를 형성한다.

셋째, 기존 기술에서 압축기의 부피가 작을수록 출력이 작아지고 냉각 능력이 떨어지는 반면, 본 발명에 따른 압축기는 냉각 효과를 확보하는 전제 하에 구조가 컴팩트되어 회전 속도가 150,000rpm에 도달할 수 있으며, 부피는 손바닥 정도이고 일반적인 외형 치수는 길이*너비*높이가 200*150*160(단위: mm)이다.

넷째, 본 발명은, 극한 작동 상태에서 레이디얼 베어링과 추력 베어링이 모두 정상 작동 시의 200~300% 정도의 열(매우 가혹한 작동 조건으로 간주될 수 있음)을 발생하여 모터의 정상 출력(12~16kw)과 회전자의 정상 작동 회전 속도(120,000~150,000rpm)를 유지하는 상태에서 시뮬레이션하는 결과, 본 발명의 냉각 방식이 모터 내부 온도의 분포가 당업계에서 알려진 정상 온도 범위에 있어 모터의 정상적인 작동과 설계 수명을 확보했다는 것을 검증했다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 조립도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 고정자가 완전히 침지된 상태도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 공기 냉각 흐름 방향의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 차단 슬리브와 앞 베어링 시트, 뒷 베어링 시트의 제1 밀봉 연결 관계도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 차단 슬리브와 앞 베어링 시트, 뒷 베어링 시트의 제2 밀봉 연결 관계도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 3단 분리형 차단 슬리브의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 2단 분리형 차단 슬리브의 개략도(앞이 짧고 뒤가 길음)이다.
도 8은 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 2단 분리형 차단 슬리브의 개략도(앞이 길고 뒤가 짧음)이다.
도 9는 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 일체형 차단 슬리브의 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 차단 슬리브와 고정자의 위치 관계도이다.
도 11은 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 온도 분포도(임펠러 및 볼류트가 제외)이다.
도 12는 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 공기 냉각 채널의 온도 및 압력 분포도이다.
도 13은 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 외형 치수도(정면도)이다.
도 14는 본 발명에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기의 외형 치수도(측면도)이다.

이하, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 출원의 해결방법을 더 잘 이해할 수 있도록 하기 위해, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 실시예에 따른 기술적 해결방법에 대하여 명확하고 완전하게 설명하기로 하며, 물론, 설명된 실시예는 본 출원의 실시예 전체가 아니라 실시예의 일부에 불과하다. 본 출원의 실시예에 기초하여, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 창의적인 노력 없이 획득한 다른 모든 실시예는 본 출원의 보호범위에 속해야 한다.

본 출원의 명세서, 특허청구범위 및 상기 첨부된 도면에서, "제1", "제2" 등의 용어는 유사한 대상을 구별하기 위해 사용된 것으로, 특정한 순서 또는 차례를 설명하기 위해 사용된 것이 아님에 유의해야 한다. 이렇게 사용된 데이터는 적절한 상황에서 교환될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, "포함하다" 및 "갖다"라는 용어 및 그들의 임의의 변형 형태는 비배타적 포함을 커버하도록 의도하며, 예를 들어, 일련의 단계 또는 유닛을 포함하는 프로세스, 방법, 시스템, 제품 또는 장치가 명시적으로 나열된 단계 또는 유닛에 반드시 제한되는 것이 아니라, 명시적으로 나열되지 않았거나 이러한 프로세스, 방법, 제품 또는 장치에 고유한 다른 단계 또는 유닛이 포함될 수 있다.

본 출원에서, "상", "하", "내", "중", "외", "앞", "뒤" 등의 용어로 표시되는 방위 또는 위치 관계는 도면에 도시된 방위 또는 위치를 기준으로 한다. 이들 용어는 주로 본 출원 및 그의 실시예를 더 잘 설명하기 위해 사용되며, 지시된 장치, 컴포넌트 또는 구성요소가 특정 방위를 가져야 하거나 특정 방위로 구성 및 작동되어야 한다고 제한하려는 것이 아니다.

또한, 상기 용어들 중 일부는 방위이나 위치 관계를 나타내는 것 외에도 다른 의미를 나타내는데 사용될 수 있으며, 예를 들어 "상"이라는 용어는 경우에 따라 어떤 부착 관계이나 연결 관계를 나타내기 위해 사용될 수도 있다. 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특정 상황에 따라 본 출원에서 이러한 용어들의 특정 의미를 이해할 수 있다.

또한, "설치", "연결" 및 "고정"이라는 용어는 광의적으로 이해해야 한다. 예를 들어, "연결"은 고정 연결, 탈착 가능 연결, 또는 일체형 구조일 수 있고, 기계적 연결 또는 전기적 연결일 수 있으며, 직접 연결 또는 중간 매체를 통해 간접적 연결일 수 있으며, 또는 2개의 장치, 컴포넌트 또는 구성요소 간의 내부 연통일 수 있다. 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특정 상황에 따라 본 출원에서 상기 용어들의 특정 의미를 이해할 수 있다.

충돌되지 않는 한, 본 출원의 실시예 및 실시예에서의 특징은 서로 조합될 수 있음에 유의해야 한다. 이하, 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 본 출원을 상세히 설명하기로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1: 도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 6, 도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기는,

받침대(1), 뒷 레이디얼 베어링(2), 고정자(3), 하우징(4), 앞 레이디얼 베어링(5), 앞 베어링 시트(6), 볼류트(8), 라비린스 씰(9), 인장 스크류(11), 임펠러(12), 추력 베어링 시트(13), 디퓨저(14), 외부 추력 베어링(16), 추력 디스크(17), 내부 추력 베어링(18), 메인 샤프트(20), 뒷 베어링 시트(23), 뒷 커버(24) 및 차단 슬리브를 포함하며, 차단 슬리브는 3단 분리형 구조이고, 앞 슬리브(26), 중간 슬리브(25) 및 뒷 슬리브(22)를 포함하며,

상기 하우징(4)은 받침대(1)에 설치되고, 하우징(4)에는 액체 유입구(19)와 액체 배출구(21)가 설치되고, 액체 유입구(19)와 액체 배출구(21)에는 파이프 조인트가 연결되어 있으며,

상기 앞 베어링 시트(6)는 볼트에 의해 하우징(4)의 전단에 고정되게 장착되고, 상기 앞 베어링 시트(6)의 외벽과 하우징(4)의 전단 내벽 사이는 실링 링에 의해 밀봉되게 장착되며, 상기 뒷 베어링 시트(23)는 볼트에 의해 하우징(4)의 후단에 고정되게 장착되고, 상기 뒷 베어링 시트(23)의 외벽과 하우징(4)의 후단 내벽 사이는 실링 링을 통해 밀봉되게 장착되며, 상기 메인 샤프트(20)의 전단은 앞 레이디얼 베어링(5)을 통해 앞 베어링 시트(6)에 연결되고, 메인 샤프트(20)의 후단은 뒷 레이디얼 베어링(2)을 통해 뒷 베어링 시트(23)에 연결되고, 뒷 베어링 시트(23)에는 뒷 커버(24)가 고정되게 장착되며, 상기 고정자(3)는 하우징(4)의 내벽에 고정되게 장착되고, 메인 샤프트(20)는 고정자(3)의 내부 캐비티에 삽입되어 자유롭게 회전하며,

상기 하우징(4)의 전단은 볼트(7)에 의해 볼류트(8)에 고정되어 연결되고, 디퓨저(14)는 임펠러(12)에 가까운 하우징(4)의 일측에 설치되고, 볼류트(8)에는 공기 유입구(10)와 공기 배출구(15)가 구비되며, 임펠러(12)는 볼류트(8) 내에 위치하고, 상기 추력 베어링 시트(13)는 볼트에 의해 앞 베어링 시트(6)에 체결되어 연결되고, 추력 베어링 시트(13)와 앞 베어링 시트(6) 사이에는 외부 추력 베어링(16), 추력 디스크(17) 및 내부 추력 베어링(18)이 앞에서 뒤로 차례로 설치되며, 임펠러(12), 추력 디스크(17) 및 메인 샤프트(20)는 인장 스크류(11)를 통해 동축으로 연결되며, 라비린스 씰(9)은 임펠러(12)와 추력 베어링 시트(13) 사이에 설치되고, 그리고 추력 베어링 시티(13)에 고정되게 장착되며, 압축된 공기는 라비린스 씰(9)을 통과하면서 추력 베어링과 메인 샤프트(20)를 냉각시키며,

차단 슬리브는 메인 샤프트(20)와 고정자(3) 사이에 설치되고, 냉각 액체가 하우징(4)과 차단 슬리브 사이를 흐르게 하고 고정자(3)가 완전히 냉각 액체에 침지되도록 고정자(3)와 메인 샤프트(20)를 밀폐하게 차단하며, 상기 냉각 액체는 에틸렌 글리콜이며, 구체적으로는 앞 슬리브(26), 중간 슬리브(25), 및 뒷 슬리브(22)는 순차적으로 밀봉되게 연결되며, 중간 슬리브는 회전축의 중심에 위치하고, 영구 자석을 정면으로 마주하도록 설치되고, 중간 슬리브의 벽 두께는 앞 슬리브 및 뒷 슬리브의 벽 두께보다 작으며, 중간 슬리브는 PEEK 플라스틱으로 제조되고, 앞 베어링 시트(6) 및 뒷 베어링 시트(23)의 외벽에는 실링 홈이 구비되고, 실링 홈에는 실링 링이 설치되며, 앞 슬리브(26)의 내벽과 앞 베어링 시트(6)의 외벽 사이는 실링 링에 의해 밀봉되게 장착되고, 뒷 슬리브(22)의 내벽과 뒷 베어링 시트(23)의 외벽 사이는 실링 링에 의해 밀봉되게 장착되며, 앞 슬리브(26)의 후단과 뒷 슬리브(22)의 전단은 각각 중간 슬리브(25)의 외벽에 접착되어 밀봉된다.

실시예 2: 실시예1과의 차이점은 차단 슬리브와 앞 베어링 시트(6), 뒷 베어링 시트(23）의 밀봉 방식에 있는데, 구체적으로는, 앞 슬리브(26) 및 뒷 슬리브(22)의 외벽에는 실링 홈이 구비되고, 실링 홈에는 실링 링이 설치되며, 앞 슬리브(26)의 외벽과 앞 베어링 시트(6)의 내벽 사이는 실링 링에 의해 밀봉되게 장착되고, 뒷 슬리브(22)의 외벽과 뒷 베어링 시트(23)의 내벽 사이는 실링 링에 의해 밀봉되게 장착된다. 구체적으로는 도 5를 참조하면 된다.

실시예 3: 실시예 1 또는 실시예 2와의 차이점은, 차단 슬리브가 일체형 제조 구조로 구성되고 차단 슬리브의 양단은 앞 베어링 시트(6) 및 뒷 베어링 시트(23)에 밀봉되게 장착휠는 점이다. 구체적으로는 도 9를 참조하면 된다.

실시예 4: 실시예 1 또는 실시예 2와의 차이점은, 차단 슬리브가 2단 분리형 제조 구조로 구성된다는 점인데, 구체적으로는, 차단 슬리브는 밀봉되게 연결된 앞 긴 슬리브(27) 및 뒷 슬리브(22)를 포함하며, 앞 긴 슬리브(27)는 앞 베어링 시트(6)에 밀봉되게 장착되고, 뒷 슬리브(22)는 뒷 베어링 시트(23)에 밀봉되게 장착된다. 구체적으로는 도 8을 참조하면 된다.

실시예 5: 실시예 1 또는 실시예 2와의 차이점은, 차단 슬리브가 2단 분리형 제조 구조로 구성된다는 점인데, 구체적으로는, 차단 슬리브는 밀봉되게 연결된 앞 슬리브(26) 및 뒷 긴 슬리브(28)를 포함하며, 앞 슬리브(26)는 앞 베어링 시트(6)에 밀봉되게 장착되고, 뒷 긴 슬리브(28)는 뒷 베어링 시트(23)에 밀봉되게 장착된다. 구체적으로는 도 7을 참조하면 된다.

실시예 6: 상기 실시예 1과의 차이점은 중간 슬리브(25)가 POM 플라스틱으로 제조된다는 점이다.

실시예 7: 상기 실시예 1과의 차이점은 중간 슬리브(25)가 PBT 플라스틱으로 제조된다는 점이다.

실시예 8: 상기 실시예 1과의 차이점은 중간 슬리브(25)가 PVC 플라스틱으로 제조된다는 점이다.

실시예 9: 상기 실시예 1과의 차이점은 중간 슬리브(25)가 탄소 섬유로 제조된다는 점이다.

실시예 10: 상기 실시예 1과의 차이점은 냉각 액체가 에틸렌 글리콜과 물의 혼합액이다는 점이다.

실시예 11: 상기 실시예 1과의 차이점은 냉각 액체가 오일이다는 점이다.

위에서 설명된 실시예 1~11은 서로 충돌되지 않는 한, 서로 조합되어 다른 기술적 해결방법을 구성할 수 있다.

실시예 12: 실시예 1~11 중 어느 한 항에 따른 고속 에어 서스펜션 압축기를 포함하는 연료 전지 시스템을 더 제공한다.

실시예 13: 본 발명의 또 다른 측면은, 실시예 1~11 중 어느 한 항에 따른 고속 에어 서스펜션 압축기 또는 실시예 12에 따른 연료 전지 시스템을 포함하는 차량을 제공한다.

본 발명의 냉각 시뮬레이션 시험은 다음과 같다.

1. 재료 특성

[표 1] 재료 특성 리스트

2. 모터 냉각 조건은 다음과 같다.

에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 냉각 채널: 난류(turbulent flow)

20℃에서의 밀도: 1114 kg/m³

열전도율: 0.256 W/m.K

비열 용량: 2433 J/kg.K

점도: 18.376 cP,

유체 입구 압력: (101325 + 32022) Pa

유체 입구 질량 유량: 0.1 kg/s

볼륨 유량: 0.1/1114=9e-5m³/s

유체 입구 정체 온도: 45℃

유체 출구 압력: 101325 Pa

유체에 필요한 펌프 출력: 9e-5*32022=2.87W,

회전자 회전 속도: 120,000~150,000 rpm

모터 출력 범위: 12~16 kw

공기 냉각 채널: 난류(turbulent flow)

입구 공기 정체 온도: 140℃

출구 압력: 86000 Pa;

3. 열적 분석의 계산 결과는 도 11 및 도 12에 나타내었다.

에틸렌 글리콜 출구 정체 온도: 51.03℃

공기 출구 정체 온도: 137.7℃

부피별 회전자 평균 온도: 164.4℃

부피별 영구 자석 평균 온도: 145.2℃

부피별 고정자 적층 평균 온도: 69.8℃

면적별 고정자 적층 외경 평균 온도: 75.34℃

부피별 고정자 톱니 및 구리 권선 평균 온도: 64.2℃;

[표 2] 면적별 평균 게이지 압력 및 온도(도 12의 1, 2, 3, 4 위치)

시뮬레이션 계산 결과를 정리하면,

입력 조건을 설정하여 모델링함으로써, 레이디얼 베어링과 추력 베어링이 모두 정상 작동 시 200~300% 정도의 열(매우 가혹한 작업 조건으로 간주될 수 있음)를 발생하여 모터의 정상 출력(12~16kw)과 회전자의 정상 작동 회전 속도(120,000~150,000rpm)를 유지하는 상태에서 시뮬레이션하는 결과, 본 발명의 냉각 방식은 모터 내부 온도의 분포가 당업계에서 알려진 정상 온도 범위에 있으므로, 모터의 정상적인 작동과 설계 수명을 확보했다는 것을 검증했다. 기존 기술의 모터 구조 설계에 의한 냉각 방식을 사용하면, 동일한 냉각 입력 조건(주로 액체 및 공기의 출입구 유량과 온도이고, 그리고 임펠러에서 멀리 떨어진 측에 냉각 팬이 없는 조건)에서 모터 내부 온도의 분포가 당업계에서 알려진 정상 온도 범위에 도달할 수 없고, 모터가 고온 상태에 있어 정상적으로 작동할 수 없으며, 사용 수명도 설계 수명보다 훨씬 짧아 본 발명의 냉각 효과와 비교할 수 없었다.

상술한 실시예는 본 발명의 기술적 해결방법을 설명하기 위해 사용된 것일 뿐이고, 이를 제한하기 위한 것이 아니며, 본 발명은 상술한 실시예를 참조하여 상세하게 설명되었지만, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 전술한 실시예에서 기재된 기술적 해결방법에 대해 여전히 수정할 수 있거나, 그 기술적 특징의 일부 또는 전부를 동등적으로 대체할 수 있음을 이해해야 하며, 그러나, 이러한 수정 또는 대체는 해당 기술적 해결방법의 본질을 본 발명의 실시예에 따른 기술적 방법의 범위에서 벗어나게 하는 것이 아니다.

또한, 본 명세서는 실시형태에 따라 설명되었지만 각 실시형태가 독립적인 하나의 기술방법을 포함하는 것이 아님을 이해해야 하고, 본 명세서의 이러한 설명 방식은 명확함을 위한 것일 뿐이며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 명세서를 하나의 전체로 받아들여야 하고, 다양한 실시예의 기술적 해결방법은 또한 적절하게 조합되어 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 다른 실시형태를 형성할 수 있다.

1: 받침대
2: 뒷 레이디얼 베어링
3: 고정자
4: 하우징
5: 앞 레이디얼 베어링
6: 앞 베어링 시트
7: 볼트
8: 볼류트
9: 라비린스 씰
10: 공기 유입구
11: 인장 스크류
12: 임펠러
13: 추력 베어링 시트
14: 디퓨저
15: 공기 배출구
16: 외부 추력 베어링
17: 추력 디스크
18: 내부 추력 베어링
19: 액체 유입구
20: 메인 샤프트
21: 액체 배출구
22: 뒷 슬리브
23 : 뒷 베어링 시트
24: 뒷 커버
25: 중간 슬리브
26: 앞 슬리브
27: 앞 긴 슬리브
28: 뒷 긴 슬리브

Claims

액체 유입구(19) 및 액체 배출구(21)가 설치되는 하우징(4),
상기 하우징(4) 내에 설치되는 고정자(3), 및 상기 하우징(4) 내에 설치되고 상기 고정자(3) 내부 캐비티에 삽입되어 자유롭게 회전하는 메인 샤프트(20),
상기 하우징(4)에 연결되는 볼류트(8), 및 상기 볼류트(8) 내에 위치하고 상기 메인 샤프트(20)의 전단에 연결되는 임펠러(12),
상기 임펠러(12)의 후측에 위치하는 추력 디스크(17), 및 상기 임펠러(12)의 외측 가장자리 후측에 위치하고 압축된 공기가 통과하면서 상기 메인 샤프트(20)를 냉각시키는 라비린스 씰(9),
상기 임펠러(12)에 가까운 상기 하우징(4)의 일측에 설치되는 디퓨저(14), 및
상기 메인 샤프트(20)와 상기 고정자(3) 사이에 설치되고, 냉각 액체가 상기 하우징(4)과 상기 차단 슬리브 사이를 흐르게 하고 상기 고정자(3)가 냉각 액체 내에 완전히 침지되도록 상기 고정자(3)와 상기 메인 샤프트(20)를 밀폐하게 차단하는 차단 슬리브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제1항에 있어서,
상기 냉각 액체는 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜과 물의 혼합액, 탈이온수 또는 오일인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제1항에 있어서,
상기 메인 샤프트(20)는 직경이 20mm인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제1항 또는 제3항에 있어서,
메인 샤프트 지지 부재, 앞 베어링 시트(6), 뒷 베어링 시트(23), 뒷 레이디얼 베어링(2), 앞 레이디얼 베어링(5)을 더 포함하며,
상기 앞 베어링 시트(6), 상기 뒷 베어링 시트(23)는 상기 하우징(4)의 전/후단에 밀봉되게 장착되고, 상기 메인 샤프트(20)의 전단은 상기 앞 레이디얼 베어링(5)을 통해 앞 베어링 시트(6)에 연결되며, 상기 메인 샤프트(20)의 후단은 뒷 레이디얼 베어링(2)을 통해 뒷 베어링 시트(23)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제4항에 있어서,
추력 디스크 지지 부재, 추력 베어링 시트(13), 외부 추력 베어링(16), 내부 추력 베어링(18)를 더 포함하며,
상기 추력 베어링 시트(13)는 상기 앞 베어링 시트(6)에 연결되고, 상기 추력 베어링 시트(13)와 상기 앞 베어링 시트(6) 사이에는 앞에서 뒤로 차례로 상기 외부 추력 베어링(16), 상기 추력 디스크(17), 상기 내부 추력 베어링(18)이 설치되며, 상기 라비린스 씰(9)은 상기 임펠러(12)와 상기 추력 베어링 시트(13) 사이에 설치되고, 상기 임펠러(12), 상기 추력 디스크(17), 상기 메인 샤프트(20)는 인장 스크류(11)를 통해 동축으로 연결되며, 압축된 공기는 상기 라비린스 씰(9)을 통과하면서 추력 베어링을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제5항에 있어서,
상기 차단 슬리브는, 전후 양단이 상기 앞 베어링 시트(6)와 상기 뒷 베어링 시트(23)에 실링 링을 통해 밀봉되게 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제6항에 있어서,
상기 앞 베어링 시트(6)와 뒷 베어링 시트(23)의 외벽에는 실링 홈이 구비되고, 상기 실링 홈에는 실링 링이 설치되며, 상기 차단 슬리브의 내벽과 상기 앞 베어링 시트(6), 상기 뒷 베어링 시트(23)의 외벽 사이는 실링 링을 통해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제6항에 있어서,
상기 차단 슬리브의 양단의 외벽에는 실링 홈이 구비되고, 상기 실링 홈에는 실링 링이 설치되며, 상기 차단 슬리브의 외벽과 상기 앞 베어링 시트(6), 상기 뒷 베어링 시트(23)의 내벽 사이는 실링 링을 통해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제6항에 있어서,
상기 차단 슬리브는 일체형 제조 구조이며,
상기 차단 슬리브는 중간 슬리브(25)이고, 상기 중간 슬리브(25)는 상기 앞 베어링 시트(6) 및 상기 뒷 베어링 시트(23)에 실링 링을 통해 밀봉되게 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제6항에 있어서,
상기 차단 슬리브는 분리형 제조 구조이며,
상기 차단 슬리브는 앞 긴 슬리브(27) 및 뒷 슬리브(22)를 포함하고, 상기 앞 긴 슬리브(27) 및 상기 뒷 슬리브(22)는 밀봉되게 연결되며,
또는, 상기 차단 슬리브는 앞 슬리브(26) 및 뒷 긴 슬리브(28)를 포함하고, 상기 앞 슬리브(26) 및 상기 뒷 긴 슬리브(28)는 밀봉되게 연결되며,
또는, 상기 차단 슬리브는 상기 앞 슬리브(26), 상기 중간 슬리브(25) 및 상기 뒷 슬리브(22)를 포함하고, 상기 앞 슬리브(26), 상기 중간 슬리브(25) 및 상기 뒷 슬리브(22)는 차례로 밀봉되게 연결되며, 상기 중간 슬리브(25)는 회전축의 중심부에 위치하고, 상기 중간 슬리브(25)의 벽 두께는 앞 슬리브(26) 및 뒷 슬리브(22)의 벽 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제10항에 있어서,
상기 중간 슬리브(25)는 비전도성 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제11항에 있어서,
상기 중간 슬리브(25)는 PEEK 플라스틱, POM 플라스틱, PBT 플라스틱, PVC 플라스틱 및 탄소 섬유로 제조되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 고속 에어 서스펜션 압축기.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 고속 에어 서스펜션 압축기를 포함하는 연료 전지 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 고속 에어 서스펜션 압축기 또는 제13항에 따른 연료 전지 시스템을 포함하는 차량.