KR20240042709A - 공기 압축기 - Google Patents

공기 압축기 Download PDF

Info

Publication number
KR20240042709A
KR20240042709A KR1020220121343A KR20220121343A KR20240042709A KR 20240042709 A KR20240042709 A KR 20240042709A KR 1020220121343 A KR1020220121343 A KR 1020220121343A KR 20220121343 A KR20220121343 A KR 20220121343A KR 20240042709 A KR20240042709 A KR 20240042709A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit
valve
turbine
motor housing
cover
Prior art date
Application number
KR1020220121343A
Other languages
English (en)
Inventor
박건웅
김현칠
박민규
박준혁
채용하
박치용
양현섭
이종성
최규성
Original Assignee
한온시스템 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한온시스템 주식회사 filed Critical 한온시스템 주식회사
Priority to KR1020220121343A priority Critical patent/KR20240042709A/ko
Publication of KR20240042709A publication Critical patent/KR20240042709A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/04—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/009—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by bleeding, by passing or recycling fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/046—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/207—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium with openings in the casing specially adapted for ambient air
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine
    • H02K9/04—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium
    • H02K9/06—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium with fans or impellers driven by the machine shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2210/00—Working fluids
    • F05D2210/10—Kind or type
    • F05D2210/12—Kind or type gaseous, i.e. compressible

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

본 발명은 임펠러를 통해 압축하여 공급 대상으로 보내는 압축부; 상기 압축부를 구동시키는 구동부; 상기 공급 대상으로부터 회수된 압축 공기를 통해 회전되어 상기 임펠러에 동력을 제공하는 터빈부; 상기 압축부에서 압축된 공기의 일부를 유입 받아 터빈부에 공급하는 바이패스 유로; 및 상기 바이패스 유로 상에 구비되어 상기 바이패스 유로와 터빈부의 압력차에 따라 자동으로 개폐되며 상기 터빈부에서 바이패스 유로쪽으로 공기가 역류되는 것을 방지하는 밸브부;를 포함하고, 압력 상태에 따라 밸브부가 자동으로 개폐되어 바이패스 시킬 수 있으며, 아울러 터빈부를 통과하는 수분이 많은 공기가 구동부 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있는 공기 압축기에 관한 것이다.

Description

공기 압축기 {Air compressor}
본 발명은 공기를 압축하여 공급 대상인 연료전지 시스템 등으로 압축 공기를 공급할 수 있는 공기 압축기에 관한 것이다.
연료전지 차량은 수소와 산소가 가습기에 공급되어 물의 전기분해 역반응인 전기화학 반응을 통해 생성되는 전기 에너지를 차량의 구동력으로 공급하는 차량을 말한다.
통상적으로 승용 연료전지 자동차는 100kW 급의 연료전지스택을 탑재하고 있는데, 연료전지스택의 운전을 가압조건에서 할 경우 연료전지스택에 공급되는 공기는 1 내지 4bar의 고압으로 공급되기 때문에 이를 위해서 10만에서 20만 RPM의 회전수를 갖는 공기 압축기를 사용해야 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 포함할 수 있다.
그러나 위와 같은 바이패스 수단을 포함하는 연료전지 차량은 바이패스 수단으로 인해 시스템이 복잡해지고, 차량 내부 공간을 많이 차지하여 콤팩트한 엔진룸 설계가 불가하며, 소형 차량에는 적용이 불가하다.
또한, 공기 압축기는 공기를 공급하는 대상인 연료전지 스택으로부터 회수되는 압축 공기를 통해 회전하여 임펠러에 동력을 제공하기 위한 터빈부가 일체로 구비되며, 압축 공기의 바이패스를 위해 터빈부와 구동부 내부를 연결하도록 연통홀이 형성될 수 있다. 그리하여 연료전지 스택으로부터 회수되는 대량의 수분이 포함된 공기가 공기 압축기의 터빈부를 통과하게 되는데. 이때 공기 압축기의 회전 속도가 하락할 경우 구동부 내부의 압력이 터빈부를 통과하는 공기의 압력보다 낮아지는 압력 역전 현상이 발생할 수 있다. 이로 인해 구동부 내부로 수분이 유입되어 고장의 원인이 되는 문제점이 있다.
KR 10-2021-0112835 A (2021.09.15.)
본 발명은 상술한 바와 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, 압력의 상태에 따라 저절로 개폐되어 바이패스 유로를 개방하거나 차단할 수 있도록 함으로써. 터빈부를 통과하는 공기에 포함된 수분이 구동부 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있는 공기 압축기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공기 압축기는, 압축 대상인 공기를 유입 받아 압축시키기 위한 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러를 통해 압축된 공기를 공급 대상에 공급하는 압축부; 상기 공급 대상으로부터 회수되는 압축 공기를 통해 회전되어 상기 임펠러에 동력을 제공하기 위한 터빈을 포함하는 터빈부; 상기 임펠러를 구동시키기 위한 구동부; 상기 압축부에서 압축된 공기의 일부를 유입 받아 상기 터빈부에 공급하기 위한 바이패스 유로; 및 상기 바이패스 유로 상에 구비되어 상기 바이패스 유로와 터빈부의 압력차에 따라 자동으로 개폐되며, 상기 터빈부에서 바이패스 유로쪽으로 공기가 역류되는 것을 방지하는 밸브부; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부의 전방측에는 압축부가 결합되고, 상기 구동부의 후방측에는 터빈부가 결합되며, 상기 구동부의 내부를 따라 바이패스 유로가 형성될 수 있다.
또한, 상기 구동부는, 내부가 비어있고 양측이 개방된 모터 하우징; 상기 모터 하우징의 전방측에 결합되고, 상기 압축부에서 모터 하우징의 내부로 압축 공기의 일부가 유입되는 바이패스 유입구가 형성된 전방 베어링 장착부; 상기 모터 하우징 및 전방 베어링 장착부의 전방측에 결합되며, 상기 전방 베어링 장착부와 이격되게 배치된 전방 커버; 상기 모터 하우징의 후방측에 결합되고, 상기 모터 하우징의 내부로 유입된 공기를 터빈부로 배출하기 위한 바이패스 배출구가 형성된 후방 커버; 상기 모터 하우징의 내부에 구비된 스테이터; 및 상기 스테이터, 전방 베어링 장착부, 전방 커버 및 후방 커버의 내측을 통과하고, 전방측이 압축부의 임펠러에 결합되며 후방측이 터빈부의 터빈에 결합된 로터; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 밸브부는, 상기 모터 하우징의 내부에 구비되고 상기 후방 커버에 결합되며, 양면을 관통하는 관통공이 형성된 밸브 커버; 및 상기 밸브 커버와 후방 커버 사이에 개재되며, 상기 밸브 커버의 관통공에 대응되는 위치에 관통공을 개폐할 수 있는 밸브 플랩이 형성된 밸브 플레이트; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 밸브 플랩은 밸브 플레이트에 일측이 연결되어 있고 나머지 부분은 밸브 플레이트에서 이격되어 있으며, 상기 밸브 플랩은 밸브 플레이트와 동일한 평면상에 배치되어 있으며, 상기 밸브 플랩은 밸브 커버의 관통공을 덮어 막을 수 있도록 관통공보다 넓은 면적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 후방 커버의 바이패스 배출구는 상기 밸브 커버의 관통공 및 밸브 플레이트의 밸브 플랩보다 반경방향 바깥쪽 및 원주방향 일측으로 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 후방 커버의 전방측 면에는 상기 밸브 플랩에 대응되는 위치에 바이패스 배출구와 연통되어 상기 밸브 플랩보다 넓게 연통홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 터빈부의 압력이 상기 모터 하우징 내부의 압력보다 높거나 같을 때, 상기 밸브 플랩은 닫혀있을 수 있다.
또한, 상기 모터 하우징 내부의 압력이 상기 터빈부의 압력보다 높되, 상기 모터 하우징 내부의 압력과 터빈부의 압력 차이가 특정값 이하일 때, 상기 밸브 플랩은 닫혀있을 수 있다.
또한, 상기 모터 하우징 내부의 압력이 상기 터빈부의 압력보다 높되, 상기 모터 하우징 내부의 압력과 터빈부의 압력 차이가 특정값을 초과할 때, 상기 밸브 플랩은 개방될 수 있다.
또한, 상기 압축부는, 상기 전방 커버에 결합되며, 상기 압축 대상인 공기가 유입되는 전방 유입구 및 압축된 공기가 배출되는 전방 배출구가 형성된 전방 하우징; 및 상기 전방 하우징의 내부에 구비되어 로터의 전방측에 결합된 임펠러; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 터빈부는, 상기 후방 커버에 결합되며, 상기 공급 대상에서 회수되는 압축 공기가 유입되는 후방 유입구 및 압축 공기가 배출되는 후방 배출구가 형성된 후방 하우징; 및 상기 후방 하우징의 내부에 구비되어 로터의 후방측에 결합된 터빈; 을 포함할 수 있다.
본 발명의 공기 압축기는 구동부 내부의 압력과 터빈부의 압력에 따라 밸브 플레이트가 자동으로 개폐되어, 압축부를 통해 압축된 공기를 터빈부를 통해 외부로 바이패스 시킬 수 있으며, 아울러 대량의 수분이 포함된 터빈부를 통과하는 공기가 구동부 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있어 모터의 고장을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기에서 밸브 플레이트의 밸브가 닫힌 상태를 나타낸 정면 단면도이다.
도 2는 도 1의 밸브 플레이트 부분을 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기에서 밸브 플레이트의 밸브가 열린 상태를 나타낸 정면 단면도이다.
도 4는 도 3의 압축부 및 바이패스 유입구 부분을 나타낸 부분 단면도이다.
도 5는 도 3의 터빈부 및 바이패스 배출구 부분을 나타낸 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기를 구동부의 내부에서 터빈부쪽으로 바라본(구동부측 뷰) 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기의 밸브 플레이트를 나타낸 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기를 터빈부에서 구동부쪽으로 바라본(터빈측 뷰) 측면도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기를 포함한 연료전지 시스템에서 각 부분의 압력에 따른 공기 압축기의 밸브부 개폐 상태를 나타낸 구성도이다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 공기 압축기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기에서 밸브 플레이트의 밸브가 닫힌 상태를 나타낸 정면 단면도 및 밸브 플레이트 부분을 나타낸 부분 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기에서 밸브 플레이트의 밸브가 열린 상태를 나타낸 정면 단면도이다. 도 4는 도 3의 압축부 및 바이패스 유입구 부분을 나타낸 부분 단면도이며, 도 5는 도 3의 터빈부 및 바이패스 배출구 부분을 나타낸 부분 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공기 압축기는 크게 압축부(100), 터빈부(200), 구동부(300), 바이패스 유로(C) 및 밸브부를 포함하여 이루어질 수 있으며, 밸브부는 밸브 플레이트(400) 및 밸브 커버(500)를 포함할 수 있다.
압축부(100)는 로터의 회전축 방향으로 전방에 위치되어 압축 공기를 생성하는 부분이다. 도 1에서 좌측에 위치하는 부분을 전방으로 정의하고, 우측에 위치한 부분을 후방으로 정의한다. 압축부(100)는 전방 하우징(110) 및 임펠러(120)를 포함할 수 있다. 전방 하우징(110)에는 압축 대상 공기가 유입되는 전방 유입구(111) 및 압축된 공기가 배출되는 전방 배출구(112)가 형성되며, 전방 배출구(112)는 연결배관을 통해 연료전지 스택과 같은 공급 대상에 연결될 수 있다. 임펠러(120)는 전방 하우징(110)의 내부에 구비되어 구동부(300)에 의해 회전력을 전달받아 회전하면서 전방 유입구(111)를 통해 유입된 공기를 압축한 후 전방 배출구(112)를 통해 배출할 수 있다.
터빈부(200)는 후방 하우징(210) 및 터빈(220)을 포함할 수 있다. 후방 하우징(210)은 연료전지 스택과 같은 공급 대상으로부터 회수되는 압축 공기를 공급받아 터빈(220)을 회전시켜 로터(301)에 연결된 임펠러(120)에 회생 동력을 제공할 수 있다. 후방 하우징(210)에는 압축 공기가 유입되는 후방 유입구(212) 및 터빈(220)을 거쳐 압축 공기가 배출되는 후방 배출구(211)가 형성될 수 있다. 후방 유입구(212)는 압축 공기 공급 대상인 연료전지 스택에 연결되어, 연료전지 스택으로부터 회수되는 압축 공기가 후방 유입구(212)를 통해 터빈(220)쪽으로 유입된 후 후방 배출구(211)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
구동부(300) 모터 하우징(310), 전방 베어링 장착부(330), 전방 커버(320), 후방 커버(340), 스테이터(302) 및 로터(301)를 포함할 수 있다. 모터 하우징(310)은 구동부(300)를 형성하는 기본 몸체로서, 압축부(100)의 전방 하우징(110)과 터빈부(200)의 후방 하우징(210) 사이에 모터 하우징(310)이 배치될 수 있다. 즉, 구동부(300)의 모터 하우징(310)을 기준으로 전방측에 압축부(100)가 결합되고 후방측에 터빈부(200)가 결합될 수 있다. 전방 베어링 장착부(330)는 모터 하우징(310)의 전방측에 결합되어 모터 하우징(310)의 개방된 전방측을 막을 수 있고, 전방 베어링 장착부(330)의 중앙은 전방측에서 후방측 방향으로 양면을 관통하는 중공홀이 형성될 수 있다. 그리고 전방 베어링 장착부(330)에는 압축부(100)에서 모터 하우징(310)의 내부로 압축 공기의 일부가 유입될 수 있도록 양면을 관통하는 바이패스 유입구(331)가 형성될 수 있다. 전방 커버(320)는 모터 하우징(310) 및 전방 베어링 장착부(330)의 전방측에 결합될 수 있으며, 전방 커버(320)는 전방 베어링 장착부(330)와 이격되게 배치될 수 있다. 전방 커버(320)의 중앙은 전방측에서 후방측 방향으로 양면을 관통하는 중공홀이 형성될 수 있다. 전방 커버(320)는 전방측이 상기 전방 하우징(110)과 함께 임펠러(120)가 장착되는 공간을 형성하며, 후방측이 전방 베어링 장착부(330)와 함께 로터(301)의 스러스트 러너(303) 및 스러스트 베어링이 구비되는 공간을 형성할 수 있다. 후방 커버(340)는 모터 하우징(310)의 후방측에 결합될 수 있으며, 후방 커버(340)의 중앙은 전방측에서 후방측 방향으로 양면을 관통하는 중공홀이 형성될 수 있다. 후방 커버(340)는 후방측이 후방 하우징(210)과 함께 터빈(220)이 장착되는 공간을 형성하며, 후방 커버(340)는 모터 하우징(310)의 개방된 후방측을 막을 수 있다. 그리고 후방 커버(340)에는 구동부(300)의 모터 하우징(310) 내부의 공기를 터빈부(200)로 보낼 수 있도록 양면을 관통하는 바이패스 배출구(341)가 형성될 수 있다. 또한, 모터 하우징(310)의 내부에는 로터(301) 및 스테이터(302)가 구비될 수 있다. 로터(301)는 전방 커버(320), 전방 베어링 장착부(330), 스테이터(302) 및 후방 커버(340)의 중앙을 모두 관통하는 형태로 배치될 수 있다. 그리고 로터(301)는 전방측이 전방 베어링 장착부(330)에 회전 가능하게 결합될 수 있고 후방측이 후방 커버(340)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 여기에서 전방 베어링 장착부(330)와 로터(301)의 사이 및 후방 커버(340)와 로터(301)의 사이에는 각각 래디얼 베어링이 개재될 수 있다. 또한, 로터(301)의 전방측에는 스러스트 러너가 형성될 수 있고, 스러스트 러너는 로터(301)의 회전축에 수직인 원판 형태로 형성될 수 있으며, 스러스트 러너는 전방 커버(320)와 전방 베어링 장착부(330)의 사이에 배치될 수 있다. 여기에서 스러스트 러너의 양측에는 스러스트 베어링이 개재될 수 있다. 또한, 로터(301)는 전방측이 압축부(100)의 임펠러(120)와 결합되고 후방측이 터빈부(200)의 터빈(220)과 결합될 수 있다. 스테이터(302)는 모터하우징(310) 내주면에 결합 및 고정될 수 있다. 그리하여 스테이터(302)에 전력이 공급되면 로터(301)와 스테이터(302)와의 전자기적 상호 작용에 의해 로터(301)에 회전력이 발생되고, 이 힘에 의해 임펠러(120)가 회전되면서 전방 유입구(111)로 유입된 공기가 압축될 수 있다. 또한, 전방 커버(320)의 전방측에 전방 하우징(110) 및 임펠러(120)가 배치되고, 후방 커버(340)의 후방측에 터빈(220) 및 후방 하우징(210)이 배치될 수 있다.
바이패스 유로(C)는 임펠러(120)에 의해 압축된 공기의 일부를 유입 받아 터빈부(200)를 통해 외부로 배출시킬 수 있도록 하는 통로이며, 바이패스 유로(C)는 구동부(300)의 내부를 따라 형성될 수 있다. 일례로 바이패스 유로(C)는 모터 하우징(310)의 내부 공간이 될 수 있으며, 바이패스 유로(C)는 스테이터(302)와 로터(301) 사이의 간극 및 스테이터(302)의 서로 이웃하는 티스 사이의 이격된 공간을 포함할 수 있다. 그리하여 바이패스 유로(C)를 따라 압축 공기가 유동하는 경우 공기가 로터(301) 및 스테이터(302)와 열교환하여 로터(301) 및 스테이터(302)를 냉각시킬 수 있다. 그리고 바이패스 유로(C)는 바이패스 유입구(331) 및 바이패스 배출구(341)를 포함할 수도 있으며, 바이패스 유로(C)는 전방 커버(320)와 로터(301) 사이의 간극 및 전방 커버(320)와 전방 베어링 장착부(330) 사이의 공간을 포함할 수도 있다. 즉, 바이패스 유로(C)는 압축부(100)에서 터빈부(200)로 압축 공기의 일부를 바이패스시킬 수 있는 구동부(300)에 형성된 모든 공간, 구멍 및 간극을 포함할 수 있다.
밸브부는 바이패스 유로(C) 상에 구비되어 바이패스 유로(C)와 터빈부(200)의 압력차에 따라 자동으로 개폐될 수 있으며, 아울러 밸브부는 터빈부(200)에서 바이패스 유로쪽으로 공기가 역류되는 것을 방지할 수 있다. 일례로 밸브부는 밸브 플레이트(400) 및 밸브 커버(500)를 포함할 수 있다. 밸브 커버(500)는 모터 하우징(310)의 내부에 구비되고 후방 커버(340)의 전방측에 결합될 수 있다. 그리고 밸브 커버(500)는 원판의 중앙이 뚫려있는 형태로 형성될 수 있으며, 밸브 커버(500)는 양면을 관통하는 관통공(510)이 형성될 수 있다. 여기에서 후방 커버(340)에는 원주방향을 따라 서로 이격되어 복수의 바이패스 배출구(341)가 형성될 수 있으며, 이에 대응되게 밸브 커버(500)에 복수의 관통공(510)이 형성될 수 있다. 밸브 플레이트(400)는 상대적으로 두께가 얇은 탄성 재질의 판 형태로 형성될 수 있으며, 전체적인 형상은 밸브 커버(500)에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 그리고 밸브 플레이트(400)는 밸브 커버(500)의 각각의 관통공(510)에 대응되는 위치에 밸브 플랩(410)이 각각 형성될 수 있다. 밸브 플랩(410)은 일측이 밸브 플레이트(400)에 연결되어 있고 밸브 플랩(410)의 나머지 부분은 둘레를 따라 슬릿(420)에 의해 밸브 플레이트(400)와 이격될 수 있다. 그리고 밸브 플랩(410)은 외력이 작용하지 않을 때 밸브 플레이트(400)와 동일한 평면상에 배치되어 있고 밸브 플랩(410)은 밸브 커버(500)에 접촉된 상태일 수 있다. 또한, 밸브 플랩(410)은 관통공(510)을 덮어 막을 수 있도록 관통공(510)보다 넓은 면적으로 형성될 수 있다. 여기에서 밸브 플랩(410)은 관통공(510)쪽의 압력이 바이패스 배출구(341)쪽의 압력보다 특정값을 초과하여 높아지게 되면 개방되어 공기가 바이패스되고, 그 이하이면 밸브 플랩(410)이 관통공(510)을 막아서 닫혀있어 공기가 역류되는 것이 방지될 수 있다. 그리고 구동부(300)가 작동되어 임펠러(120)가 회전되면 임펠러(120)를 통과하면서 승압된 압축 공기의 일부가 임펠러(120)의 반경방향 바깥쪽 끝단 부근에서 임펠러(120)의 후방측 면과 전방 커버(320) 사이의 간극을 따라 유동되어 바이패스 유입구(331)를 통해 공기의 일부가 모터 하우징(310)의 내부로 유입되고 나머지 공기는 전방 베어링 장착부(330)와 로터(301)의 사이를 통해 모터 하우징(310)의 내부로 유입될 수 있다. 이후 모터 하우징(310) 내부의 공기는 밸브부(400, 500) 및 바이패스 배출구(341)를 통해 터빈부(200)로 유입될 수 있으며, 일부 공기는 후방 커버(340)와 로터(301)의 사이를 통해 터빈부(200)로 유입될 수 있다.
그리하여 본 발명의 공기 압축기는 구동부의 내부 압력과 터빈부의 압력에 따라 밸브 플레이트의 밸브 플랩이 자동으로 개폐되어, 압축부를 통해 압축된 공기를 터빈부를 통해 외부로 바이패스 시킬 수 있으며, 아울러 대량의 수분이 포함된 터빈부를 통과하는 공기가 구동부의 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있어 구동부의 고장을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기를 구동부의 내부에서 터빈부쪽으로 바라본(구동부측 뷰) 측면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기의 밸브 플레이트를 나타낸 평면도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기를 터빈부에서 구동부쪽으로 바라본(터빈측 뷰) 측면도이다.
도시된 바와 같이 후방 커버(340)의 바이패스 배출구(341)는 밸브 커버(500)의 관통공(510) 및 밸브 플레이트(400)의 밸브 플랩(410)보다 반경방향 바깥쪽 및 원주방향 일측으로 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 모터 하우징(310)의 내부를 통과하는 공기는 로터(301)가 회전됨에 따라 반경방향으로 안쪽에서 바깥쪽으로 유동되고 아울러 로터(301)가 회전되는 원주방향쪽으로 유동되려고 하기 때문에, 관통공(510)과 밸브 플랩(410)과 바이패스 배출구(341)를 공기의 흐름에 대응되는 방향으로 배치함으로써, 공기가 보다 원활하게 유동되도록 할 수 있다. 또한, 밸브 플랩(410)도 반경방향으로 안쪽 부분이 밸브 플레이트(400)에 연결될 수 있으며, 밸브 플랩(410)이 밸브 플레이트(400)에 연결된 부분으로부터 연장 형성되는 방향도 반경방향 안쪽에서 바깥쪽으로 연장 형성되되 반경방향에 대해 로터(301)가 회전되는 방향쪽으로 경사진 방향으로 밸브 플랩(410)이 연장된 형태로 형성될 수 있다.
또한, 후방 커버(340)의 전방측 면에는 밸브 플랩(410)에 대응되는 위치에 바이패스 배출구(341)와 연통되어 밸브 플랩(410)보다 넓게 연통홈(342)이 형성될 수 있다. 그리하여 연통홈(342)에 의해 밸브 플랩(410)이 개폐될 수 있는 공간을 확보할 수 있으며, 연통홈(342)에 의해 밸브 플랩(410)이 개방되는 정도를 제한할 수도 있다. 따라서 밸브 플랩(410)의 개폐 작동이 원활하게 이루어질 수 있고 밸브 플랩(410)이 과도하게 변형되는 것을 방지할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 압축기를 포함한 연료전지 시스템에서 각 부분의 압력에 따른 공기 압축기의 밸브부 개폐 상태를 나타낸 구성도이다.
도 9를 참조하면, 우선 본 발명의 공기 압축기(1000)는 연료전지 스택(2000)에 연결될 수 있다. 압축부(100)가 연료전지 스택(2000)의 공기 유입측에 연결되고 연료전지 스택(2000)의 공기 배출측에 터빈부(200)가 연결될 수 있다. 여기에서 터빈부(200)의 압력이 모터 하우징 내부의 압력인 바이패스 유로 상의 압력과 같을 때 밸브부(400, 500)는 닫혀있을 수 있다. 이때는 본 발명의 공기 압축기가 작동되지 않아 로터가 정지된 상태일 수 있다. 그리고 압축부(100)에서 연료전지 스택(2000)으로 공급되는 압축 공기의 압력(P1; 압축부 토출 압력), 구동부(300)의 내부에 형성된 바이패스 유로 상의 압력(P2; 바이패스 압력) 및 연료전지 스택(2000)에서 터빈부(200)로 압축 공기가 회수되는 압축 공기의 압력(P3; 터빈부 회수 압력)이 모두 같고 이는 대기압과 같을 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 공기 압축기(1000)가 작동되어 로터가 회전되는 상태이되, 로터의 회전 속도가 최대 회전 속도의 약 30% 이하인 경우 밸브 플레이트와 밸브 플랩의 탄성에 의해 밸브부(400, 500)는 닫혀있을 수 있다. 또는 공기 압축기(1000)의 급감속시에 밸브부(400, 500)는 닫혀있을 수 있다. 여기에서 공기 압축기(1000)에서 연료전지 스택(2000)으로 공급하는 압축 공기는 연료전지 스택(2000)을 통과하면서 압력이 하락하는데, 이때 연결 배관의 길이나 연료전지 스택의 특성에 따라 터빈부 회수 압력(P3)의 하락율과 변화 속도가 상이하다. 이에 따라 압축부 토출 압력(P1)과 바이패스 압력(P2)의 변화 시간 대비 터빈부 회수 압력(P3)의 변화 시간은 딜레이가 발생하며, 압축부 토출 압력(P1)과 바이패스 압력(P2) 대비 터빈부 회수 압력(P3)이 더 높아지는 압력 역전 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 로터의 회전 속도가 상대적으로 낮은 저속 영역이거나 급감속시에는 압력 역전 현상이 발생할 수 있는데, 이때 밸브부(400, 500)에 의해 압축 공기가 역류되는 것이 자동으로 차단될 수 있다.
도 11을 참조하면, 공기 압축기(1000)가 작동되어 로터가 회전되는 상태이되, 로터의 회전 속도가 최대 회전 속도의 약 30%를 초과하는 경우 밸브부(400, 500)가 열려서 압축 공기가 바이패스될 수 있다. 또는 공기 압축기(1000)의 급가속시에 밸브부(400, 500)는 열려서 압축 공기가 바이패스될 수 있다. 즉, 모터 하우징 내부의 압력인 바이패스 압력(P2)이 터빈부 회수 압력(P3) 보다 높되, 바이패스 압력(P2)과 터빈부 회수 압력(P3)의 압력 차이가 특정값을 초과할 때 밸브부(400, 500)가 개방되어 압축 공기가 바이패스될 수 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 : 공기 압축기
100 : 압축부
110 : 전방 하우징 111 : 전방 유입구
112 : 전방 배출구 120 : 임펠러
200 : 터빈부
210 : 후방 하우징 211 : 후방 배출구
212 : 후방 유입구 220 : 터빈
300 : 구동부
301 : 로터 302 : 스테이터
310 : 모터 하우징 320 : 전방 커버
330 : 전방 베어링 장착부 331 : 바이패스 유입구
340 : 후방 커버 341 : 바이패스 배출구
342 : 연통홈
C : 바이패스 유로
400 : 밸브 플레이트 410 : 밸브 플랩
420 : 슬릿
500 : 밸브 커버 510 : 관통공
2000 : 연료전지 스택

Claims (12)

  1. 압축 대상인 공기를 유입 받아 압축시키기 위한 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러를 통해 압축된 공기를 공급 대상에 공급하는 압축부;
    상기 공급 대상으로부터 회수되는 압축 공기를 통해 회전되어 상기 임펠러에 동력을 제공하기 위한 터빈을 포함하는 터빈부;
    상기 임펠러를 구동시키기 위한 구동부;
    상기 압축부에서 압축된 공기의 일부를 유입 받아 상기 터빈부에 공급하기 위한 바이패스 유로; 및
    상기 바이패스 유로 상에 구비되어 상기 바이패스 유로와 터빈부의 압력차에 따라 자동으로 개폐되며, 상기 터빈부에서 바이패스 유로쪽으로 공기가 역류되는 것을 방지하는 밸브부;
    를 포함하는 공기 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부의 전방측에는 압축부가 결합되고, 상기 구동부의 후방측에는 터빈부가 결합되며, 상기 구동부의 내부를 따라 바이패스 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는,
    내부가 비어있고 양측이 개방된 모터 하우징;
    상기 모터 하우징의 전방측에 결합되고, 상기 압축부에서 모터 하우징의 내부로 압축 공기의 일부가 유입되는 바이패스 유입구가 형성된 전방 베어링 장착부;
    상기 모터 하우징 및 전방 베어링 장착부의 전방측에 결합되며, 상기 전방 베어링 장착부와 이격되게 배치된 전방 커버;
    상기 모터 하우징의 후방측에 결합되고, 상기 모터 하우징의 내부로 유입된 공기를 터빈부로 배출하기 위한 바이패스 배출구가 형성된 후방 커버;
    상기 모터 하우징의 내부에 구비된 스테이터; 및
    상기 스테이터, 전방 베어링 장착부, 전방 커버 및 후방 커버의 내측을 통과하고, 전방측이 압축부의 임펠러에 결합되며 후방측이 터빈부의 터빈에 결합된 로터;
    를 포함하는 공기 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밸브부는,
    상기 모터 하우징의 내부에 구비되고 상기 후방 커버에 결합되며, 양면을 관통하는 관통공이 형성된 밸브 커버; 및
    상기 밸브 커버와 후방 커버 사이에 개재되며, 상기 밸브 커버의 관통공에 대응되는 위치에 관통공을 개폐할 수 있는 밸브 플랩이 형성된 밸브 플레이트;
    를 포함하는 공기 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브 플랩은 밸브 플레이트에 일측이 연결되어 있고 나머지 부분은 밸브 플레이트에서 이격되어 있으며,
    상기 밸브 플랩은 밸브 플레이트와 동일한 평면상에 배치되어 있으며,
    상기 밸브 플랩은 밸브 커버의 관통공을 덮어 막을 수 있도록 관통공보다 넓은 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 후방 커버의 바이패스 배출구는 상기 밸브 커버의 관통공 및 밸브 플레이트의 밸브 플랩보다 반경방향 바깥쪽 및 원주방향 일측으로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 후방 커버의 전방측 면에는 상기 밸브 플랩에 대응되는 위치에 바이패스 배출구와 연통되어 상기 밸브 플랩보다 넓게 연통홈이 형성된 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 터빈부의 압력이 상기 모터 하우징 내부의 압력보다 높거나 같을 때, 상기 밸브 플랩은 닫혀있는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 모터 하우징 내부의 압력이 상기 터빈부의 압력보다 높되,
    상기 모터 하우징 내부의 압력과 터빈부의 압력 차이가 특정값 이하일 때,
    상기 밸브 플랩은 닫혀있는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 모터 하우징 내부의 압력이 상기 터빈부의 압력보다 높되,
    상기 모터 하우징 내부의 압력과 터빈부의 압력 차이가 특정값을 초과할 때,
    상기 밸브 플랩은 개방되는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 압축부는,
    상기 전방 커버에 결합되며, 상기 압축 대상인 공기가 유입되는 전방 유입구 및 압축된 공기가 배출되는 전방 배출구가 형성된 전방 하우징; 및
    상기 전방 하우징의 내부에 구비되어 로터의 전방측에 결합된 임펠러;
    를 포함하는 공기 압축기.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 터빈부는,
    상기 후방 커버에 결합되며, 상기 공급 대상에서 회수되는 압축 공기가 유입되는 후방 유입구 및 압축 공기가 배출되는 후방 배출구가 형성된 후방 하우징; 및
    상기 후방 하우징의 내부에 구비되어 로터의 후방측에 결합된 터빈;
    을 포함하는 공기 압축기.
KR1020220121343A 2022-09-26 2022-09-26 공기 압축기 KR20240042709A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220121343A KR20240042709A (ko) 2022-09-26 2022-09-26 공기 압축기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220121343A KR20240042709A (ko) 2022-09-26 2022-09-26 공기 압축기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240042709A true KR20240042709A (ko) 2024-04-02

Family

ID=90714957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220121343A KR20240042709A (ko) 2022-09-26 2022-09-26 공기 압축기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240042709A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210112835A (ko) 2020-03-06 2021-09-15 한온시스템 주식회사 차량용 공기 압축기

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210112835A (ko) 2020-03-06 2021-09-15 한온시스템 주식회사 차량용 공기 압축기

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110709608B (zh) 空气压缩机
US11473583B2 (en) Turbo compressor, in particular for a fuel cell system
JP5290244B2 (ja) 建設機械の電動モータおよび電動モータの冷却回路
US10087953B2 (en) Air blower for fuel cell vehicle
CN111188781B (zh) 车辆用空气压缩机
US20230106824A1 (en) Air compressor for vehicle
CN112503025A (zh) 空气压缩机和车辆
KR20200056294A (ko) 차량용 공기 압축기
CN113195897B (zh) 包括两个命令模块的泵组
JPH1162601A (ja) エンジンの過給装置
KR20240042709A (ko) 공기 압축기
KR101811571B1 (ko) 연료전지 차량용 공기 블로워
JP2020186724A (ja) スラスト荷重軽減化のためのブリードシステムを備えた単段コンプレッサ
KR102157459B1 (ko) 고효율 터보송풍기
CN116261628A (zh) 用于车辆的空气压缩机
KR20190109802A (ko) 밸브 장치
JPH07245913A (ja) 空冷式電動機
KR20210112835A (ko) 차량용 공기 압축기
KR20210115187A (ko) 차량용 공기 압축기
KR20210120275A (ko) 차량용 공기 압축기
CN114502844A (zh) 用于车辆的空气压缩机
CN112510225B (zh) 燃料电池控制系统和燃料电池控制方法
CN216342915U (zh) 一种在线变向风机
US11920490B2 (en) Charging device with thrust bearing
CN214577776U (zh) 一种单级悬臂式电机直连集成式压缩机组