KR20240071499A - 터보식 공기압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형의 하우징과, 상기 하우징의 내부 중심에 로터 및 회전축이 배치되고, 상기 로터의 외주에는 스테이터가 이격 구성되며, 상기 스테이터의 전자유도작용에 의해 상기 로터 및 회전축이 회전하는 구동유닛과, 상기 하우징의 내부 중 상기 회전축의 일측단이 돌출된 전방측에 형성되는 압축부와, 상기 하우징의 압축부에 수용되면서 상기 회전축에 결합되어, 상기 회전축의 회전에 의해 회전하여 유입구를 통해 유입된 공기를 압축하는 임펠러 및 상기 하우징의 전방측인 압축부에 결합되고, 상기 임펠러의 회전에 의해 압축된 공기를 수용하는 볼류트를 형성한 볼류트하우징을 포함하여, 터보 공기압축기의 편측복동식 구조를 가지는 로터 및 임펠러 컴플리트에서 볼류트를 일체화함으로써, 로터의 길이를 줄일 수 있게 되고, 짧아진 로터는 압축기의 안전성을 높여 제한속도를 증가시킬 수 있으며, 볼류트를 일체형으로 변경함으로써 부품이 간소화되고 압축기의 사이즈 및 중량을 획기적으로 줄일 수 있는 터보식 공기압축기를 제공한다.

Description

터보식 공기압축기{Turbo air compressor}

본 발명은 터보식 공기압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축부에 구비되는 임펠러를 복동식으로 구비하되, 일체형의 볼류트를 단일로 형성하여, 로터 및 임펠러 컴플리트의 길이 축소로 로터의 다이나믹을 개선하고 사용되는 부품에 간소화로 압축기의 전체 중량을 줄일 수 있는 터보식 공기압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 크게 용적형 압축기와 터보형 압축기로 나눌 수 있다. 용적형 압축기는 왕복동형이나 회전형과 같이 피스톤이나 베인을 이용하여, 유체를 흡입, 압축한 후 토출하는 방식이다. 반면, 터보형 압축기는 회전요소를 이용하여, 유체를 흡입, 압축한 후 토출하는 방식이다.

용적형 압축기는 원하는 토출압력을 얻기 위하여 흡입체적과 토출체적의 비율을 적절하게 조절하여 압축비를 결정하게 된다. 따라서, 용적형 압축기는 용량 대비 전체 크기를 소형화 하는데 제한을 받게 된다.

터보형 압축기는 터보 블러워(turbo blower)와 유사하나, 터보 블러워에 비해 토출압력이 높고 유량이 작다.

이러한 터보형 압축기는 연속적으로 흐르는 유체에 압력을 증가시키는 것으로, 유체가 축방향으로 흐르는 경우에는 축류형으로, 반경방향으로 흐르는 경우에는 원심형으로 구분된다.

한편, 왕복동식 압축기나 회전식 압축기와 같은 용적형 압축기와 달리 터보형 압축기는 회전하는 임펠러의 날개형상을 최적으로 설계하더라도 가공성과 양산성 및 내구성 등 여러 가지 요인으로 인해 한 번의 압축만으로 원하는 높은 압력비를 얻는 것은 어렵다.

이에, 복수 개의 임펠러를 축방향으로 구비하여 유체를 다단으로 압축하는 다단형 터보 공기압축기도 알려져있다.

터보 공기압축기의 편측 복동식 구조를 적용한 로터 및 임펠러 컴플리트에서는 임펠러와, 임펠러 사이에 접합면을 중심으로 양쪽에 대항하여 임펠러가 위치해 있고, 각 임펠러에는 각각의 볼류트를 가지고 있는 구조가 일반적이다.

터보 공기압축기의 편측복동식구조를 가지는 로터 및 임펠러 컴플리트에서는 임펠러의 개수 만큼의 각각의 볼류트를 형성한다.

이로 인하여 로터의 길이가 증대되고 증대된 길이는 로터 다이나믹에 악영향을 미쳐 압축기 안전성을 감소시킨다.

종래기술로는 공개특허 10-2018-0115574호(2018.10.23)를 참조할 수 있다.

본 발명은 터보 공기압축기의 편측복동식 구조를 가지는 로터 및 임펠러 컴플리트에서 볼류트를 일체화하여 단일로 구성함으로써, 로터의 길이를 줄일 수 있고, 짧아진 로터는 로터의 다이나믹을 개선하여, 압축기의 안전성을 높여 제한속도를 증가시킬 수 있으며, 볼류트를 일체형으로 형성함으로써 부품이 간소화되고 압축기의 사이즈 및 중량을 획기적으로 줄일 수 있는 터보식 공기압축기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 터보식 공기압축기는 원통형의 하우징; 상기 하우징의 내부 중심에 로터 및 회전축이 배치되고, 상기 로터의 외주에는 스테이터가 이격 구성되며, 상기 스테이터의 전자유도작용에 의해 상기 로터 및 회전축이 회전하는 구동유닛; 상기 하우징의 내부 중 상기 회전축의 일측단이 돌출된 전방측에 형성되는 압축부; 상기 하우징의 압축부에 수용되면서 상기 회전축에 결합되어, 상기 회전축의 회전에 의해 회전하여 유입구를 통해 유입된 공기를 압축하는 임펠러; 및 상기 하우징의 전방측인 압축부에 결합되고, 상기 임펠러의 회전에 의해 압축된 공기를 수용하는 볼류트를 형성한 볼류트하우징을 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 임펠러는 상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 크기가 서로 대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 임펠러는 상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 크기가 서로 비대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 임펠러는상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 서로 같은 형상을 이루는 복동식 임펠러인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 임펠러는 상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 서로 다른 형상을 이루는 복동식 임펠러인 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 상기 볼류트하우징에는 면적의 중심에 형성되고, 외부에서 공기가 유입되는 제1유입구와, 상기 제1유입구를 중심으로 상기 임펠러의 외주방향으로 형성되어, 상기 압축부에서 압축된 공기의 유동을 안내하는 토출유로와, 상기 토출유로와 연결되고, 상기 압축부에서 압축된 압축공기를 수용하는 단일의 볼류트를 형성하는 것이 바람직하다.

더불어 본 발명에 따른 터보식 공기압축기는 상기 하우징의 후방측에 결합되고, 외부에서 공기가 유입되는 제2유입구가 형성된 후방하우징을 포함한다.

본 발명에 따른 터보식 공기압축기에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.

터보 공기압축기의 편측복동식 구조를 가지는 로터 및 임펠러 컴플리트에서 볼류트를 일체화하여 단일로 구성함으로써, 로터의 길이를 줄일 수 있다.

로터의 길이는 다이나믹에 중요한 요소이며, 짧아진 로터는 압축기의 안전성을 높여 제한속도를 증가시킬 수 있다.

이와 더불어 볼류트를 일체형으로 형성함으로써 부품이 간소화되고 압축기의 사이즈 및 중량을 획기적으로 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터보식 공기압축기를 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 터보식 공기압축기의 공기 흐름을 보인 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 압축부에 구비되는 임펠러를 복동식으로 구비하되, 일체형의 볼류트를 단일로 형성하여, 로터 및 임펠러 컴플리트의 길이 축소로 로터의 다이나믹을 개선하고 사용되는 부품에 간소화로 압축기의 전체 중량을 줄일 수 있는 터보식 공기압축기에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1 및 도 2를 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 터보식 공기압축기는 하우징(110)과, 구동유닛(200)과, 압축부(120)와, 임펠러(300)와, 볼류트하우징(400)와, 후방하우징(500)을 포함하는데, 상기 하우징(110)은 원통의 형상으로 전방측에는 볼류트하우징(400)을 결합하고, 후방측에는 후방하우징(500)을 결합한다.

이때 상기 볼류트하우징(400)에는 면적의 중심에 제1유입구(410)가 형성되어, 외부에서 공기를 유입하고, 상기 제1유입구(410)를 중심으로 임펠러(300)의 외주방향으로 토출유로(420)를 형성하여, 압축부(120)에서 압축된 공기의 유동을 안내한다.

그리고 상기 토출유로(420)와 연결되고, 상기 압축부(120)에서 압축된 압축공기를 수용하는 단일의 볼류트(430)를 형성한다.

여기서 상기 하우징(110)의 후방측에 결합되는 후방하우징(500)에는 외부에서 공기가 유입되는 제2유입구(510)를 형성한다.

따라서 상기 하우징(110)은 유체가 흡입되는 유입구(410, 510)와, 유체가 상기 유입구(410, 510)로부터 유입된 유체가 압축된 후에 단일의 볼류트(430)로 유동한다.

그리고 상기 하우징(110)의 내부 중 회전축(211)의 일측단이 돌출된 전방측에는 상기 볼류트하우징(400)과의 결합으로 압축부(120)를 형성하는데, 상기 압축부(120)에는 복동식 임펠러(300)를 구비한다.

여기서 상기 임펠러(300)는 상기 회전축(211)과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 크기가 서로 대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러(300)이거나, 상기 회전축(211)과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 크기가 서로 비대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러(300)일 수 있다.

또한, 상기 임펠러(300)는 상기 회전축(211)과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 서로 같은 형상을 이루는 복동식 임펠러이거나, 상기 회전축(211)과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 서로 다른 형상을 이루는 복동식 임펠러일 수 있다.

따라서 상기 압축부(120)는 상기 하우징(110)의 전방측에 형성된 제1유입구(410)와 인접하게 되고, 상기 하우징(110)의 전방측에 형성된 제1유입구(410)와, 상기 하우징(110)의 후방측에 형성된 제2유입구(510)를 통해 유입되는 유체가 압축부(120)로 유동하여, 상기 압축부(120)에 구비된 임펠러(300)의 회전으로 유체의 압축이 이루어져, 상기 하우징(110)의 볼류트(430)를 통해 토출된다.

상기 임펠러(300)의 날개의 크기 및 형상은 어느 하나에 한정하지 않고, 설계요건에 따라 요구되는 압력 용량에 따라 다양한 크기 및 형상으로 형성될 수 있다.

그리고 상기 하우징(110)은 내부에는 회전력을 발생시키는 구동유닛(200)을 구비하는데, 상기 구동유닛(200)은 상기 하우징(110)의 내부에 설치되며, 유체의 압축을 위한 동력을 발생하기 위해 로터(210)와 스테이터(220)를 구비한다.

이때 상기 로터(210)는 회전축(211)을 포함하며, 상기 로터(210)를 기준으로 외주변에는 스테이터(220)가 구성되며, 상기 스테이터(220)의 전자유도작용에 의해 상기 로터(210) 및 회전축(211)이 회전하게 되고, 상기 회전축(211)의 전방측과 후방측 각각에는 전방베어링(도시하지 않음) 및 후방베어링(도시하지 않음)으로 지지되어, 상기 회전축(211)의 고속 회전에 의하여 발생되는 마찰력을 감소시킨다.

여기서, 상기 각 베어링은 레이디얼 베어링(radial bearing), 스러스트 베어링(thrust bearing), 테이퍼 베어링(taper bearing) 중 어느 하나일 수 있으며, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 하우징(110)의 내부에 수용되는 상기 로터(210)와 스테이터(220)는 일반적인 전동모터의 구성과 같이 상기 스테이터(220)가 상기 하우징(110)의 내측면을 따라 장착되고, 상기 로터(210)는 상기 스테이터(220)의 내부에 회전 가능하게 이격되어 배치된다.

따라서 상기 회전축(211)은 상기 로터(210)의 내부에 상기 로터(210)와 함께 회전 가능하게 장착되어, 외부에서 공급되는 전원에 의해 상기 스테이터(220)에서 전자기장이 발생하게 되면, 전자유도작용에 의해 상기 스테이터(220)의 내부에 장착된 상기 로터(210) 및 회전축(211)이 회전운동하고, 상기 로터(210)가 회전함에 따라 회전력이 발생한다.

여기서 상기 회전축(211) 중 일측은 상기 하우징(110)의 압축부(120)로 돌출되고, 상기 압축부(120)로 돌출된 회전축(211)의 일측에는 임펠러(300)가 결합된다.

그러므로 상기 로터(210)가 회전함에 따라 발생한 회전력이 상기 회전축(211)을 통해 상기 임펠러(300)로 전달되고, 상기 임펠러(300)는 그 회전력으로 회전하여, 상기 하우징(110)의 전방측에 형성된 제1유입구(410)와, 상기 하우징(110)의 후방측에 형성된 제2유입구(510)를 통해 상기 압축부(120)로 유입되는 유체를 압축하여 상기 볼류트(430)로 토출되도록 한다.

이때 상기 임펠러(300)는 상기 회전축(211)과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들과 서로 대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징(110) 후방측의 제2유입구(510)를 통해 유입된 유체는 상기 압축부(120)로 유동하면서, 상기 하우징(110) 내부에 구비된 스테이터(220)를 공냉 시킨다.

이때 상기 하우징(110) 후방측의 제2유입구(510)를 통해 유입된 유체는 상기 제2유입구(510)를 통해 스테이터(220)를 거쳐 상기 압축부(120)로 이어지는 유로를 따라 유동하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 스테이터(220)에 상기 제2유입구(510)를 통해 유입된 유체가 유동하는 유로를 형성하는 것이 바람직하다.

따라서 상기 유로는 상기 제2유입구(510)로 유입된 유체가 상기 제2유입구(510)에서 회전축(211)의 후방측을 지지하는 후방베어링으로, 상기 후방베어링에서 스테이터(220)로, 상기 스테이터(220)에서 회전축의 전방측을 지지하는 전방베어링으로, 전방베어링에서 임펠러(300)로 유동하는 경로를 이루어, 상기 제2유입구(510)로 유입된 유체는 상기 하우징(110)의 내부 구성요소를 공냉 시키면서 상기 임펠러(300)가 구비된 압축부(120)로 유동하게 된다.

따라서 상기한 구성의 터보 공기압축기와 같이 복동식 임펠러에 대응하는 볼류트 일체화하여 단일로 형성하여, 로터 다이나믹을 개선할 뿐만 아니라, 사용되는 부품에 간소화를 구현할 수 있다.

볼류트를 일체화함으로써 로터 및 임펠러 컴플리트의 길이를 줄일 수 있고, 이는 로터 다이나믹을 개선하는데 영향을 줄일 수 있어 로터 다이나믹의 마진여유를 높여 회전체가 구동하는 안전 구간을 확보하여 터보 압축기의 보다 안정적인 설계에 도움을 줄 수 있다.

또한, 볼류트를 일체화함으로써, 기존에 임펠러당 1개씩 사용되었던 볼류트 하우징의 수량을 줄일 수 있고, 디퓨져블럭, 볼류트 끝에 연결된 토출배관 등의 부품 수량을 줄여 부품을 간소화시킬 수 있고, 줄어든 부품의 중량을 줄일 수 있는 이점 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

110: 하우징
120: 압축부
200: 구동유닛
210: 로터
211: 회전축
220: 스테이터
300: 임펠러
400: 볼류트하우징
410: 제1유입구
420: 토출유로
430: 볼류트
500: 후방하우징
510: 제2유입구

Claims (7)

1. 원통형의 하우징;
   상기 하우징의 내부 중심에 로터 및 회전축이 배치되고, 상기 로터의 외주에는 스테이터가 이격 구성되며, 상기 스테이터의 전자유도작용에 의해 상기 로터 및 회전축이 회전하는 구동유닛;
   상기 하우징의 내부 중 상기 회전축의 일측단이 돌출된 전방측에 형성되는 압축부;
   상기 하우징의 압축부에 수용되면서 상기 회전축에 결합되어, 상기 회전축의 회전에 의해 회전하여 유입구를 통해 유입된 공기를 압축하는 임펠러; 및
   상기 하우징의 전방측인 압축부에 결합되고, 상기 임펠러의 회전에 의해 압축된 공기를 수용하는 볼류트를 형성한 볼류트하우징을 포함하는 터보식 공기압축기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러는
   상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 크기가 서로 대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러인 것을 특징으로 하는 터보식 공기압축기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러는
   상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 크기가 서로 비대칭을 이루도록 형성한 복동식 임펠러인 것을 특징으로 하는 터보식 공기압축기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러는
   상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 서로 같은 형상을 이루는 복동식 임펠러인 것을 특징으로 하는 터보식 공기압축기.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러는
   상기 회전축과 결합하는 플레이트를 기준으로, 상기 플레이트의 일면에 형성된 날개들과, 상기 플레이트의 타면에 형성된 날개들은 서로 다른 형상을 이루는 복동식 임펠러인 것을 특징으로 하는 터보식 공기압축기.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 볼류트하우징에는
   면적의 중심에 형성되고, 외부에서 공기가 유입되는 제1유입구와,
   상기 제1유입구를 중심으로 상기 임펠러의 외주방향으로 형성되어, 상기 압축부에서 압축된 공기의 유동을 안내하는 토출유로와,
   상기 토출유로와 연결되고, 상기 압축부에서 압축된 압축공기를 수용하는 단일의 볼류트를 형성하는 터보식 공기압축기.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 하우징의 후방측에 결합되고, 외부에서 공기가 유입되는 제2유입구가 형성된 후방하우징을 포함하는 터보식 공기압축기.

Images