KR20190123217A - 유체 압축기 - Google Patents

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뤼시 메이라
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벨레노스 클린 파워 홀딩 아게
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Abstract

본 발명은 2 단의 고속 유체 압축기 (1) 에 관한 것으로서, 상기 고속 유체 압축기 (1) 는 유체 입구 및 압축된 유체 출구를 갖는 케이스 (2) 를 포함하고, 그리고 상기 케이스 (2) 는 종방향 축선을 중심으로 회전 가능하게 장착된 샤프트 (7) 와, 상기 샤프트 (7) 상에서 서로 마주하여 장착된 제 1 압축 휠 및 제 2 압축 휠로서, 상기 제 1 압축 휠은 제 1 압축단을 형성하고, 상기 제 2 압축 휠은 제 2 압축단을 형성하는, 상기 제 1 압축 휠 및 상기 제 2 압축 휠과, 상기 제 1 압축 휠과 상기 제 2 압축 휠 사이에 위치되고 상기 샤프트 (7) 를 회전시키도록 배열된 모터를 포함한다. 상기 케이스 (2) 는 종방향 축선과 동축으로 연장되고 내부에 적어도 모터가 배열되는 관통 내부 하우징 (50) 을 포함하고, 상기 관통 내부 하우징 (50) 은 내부 벽 (52) 을 갖고, 모터와 함께 적어도 상기 내부 벽 (52) 과 상기 모터 사이에서 채널들 (54) 을 형성하도록 배열되고, 상기 채널들 (54) 은 상기 제 1 압축단과 상기 제 2 압축단 사이에서 연장되어 모터가 상기 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체와 접촉하여 냉각되도록 한다. 게다가, 상기 케이스 (2) 는 그 표면에 상기 고속 유체 압축기의 적어도 하나의 전자 구성 요소 (4a, 4b) 를 수용하도록 배열된 적어도 하나의 일체형 하우징을 형성하는 적어도 하나의 캐비티 (60a, 60b) 를 포함하고, 상기 일체형 하우징은 상기 내부 벽 (52) 을 향하여 연장되어 상기 전자 구성 요소 (4a, 4b) 가 상기 내부 벽 (52) 에 의해서 상기 채널들에서 유동하는 압축될 유체에 의해서 냉각되도록 한다.

Description

유체 압축기{FLUID COMPRESSOR}
본 발명은 2 단의 고속 유체 압축기에 관한 것으로서, 상기 고속 유체 압축기는 유체 입구 및 압축된 유체 출구를 갖는 케이스를 포함하고, 그리고 상기 케이스는 종방향 축선을 중심으로 회전 가능하게 장착된 샤프트와, 상기 샤프트 상에서 서로 마주하여 장착된 제 1 압축 휠 및 제 2 압축 휠로서, 상기 제 1 압축 휠은 제 1 압축단을 형성하고, 상기 제 2 압축 휠은 제 2 압축단을 형성하는, 상기 제 1 압축 휠 및 상기 제 2 압축 휠과, 상기 제 1 압축 휠과 상기 제 2 압축 휠 사이에 위치되고 상기 샤프트를 회전시키도록 배열된 모터, 바람직하게는 동기식 전기 모터를 포함한다.
이런 유체 압축기들은 일반적으로 터보 압축기들 또는 원심 압축기들로 불린다. 이들 압축기들에는 영구 자석의 동기식 모터 (브러시리스 모터) 를 형성하는 고정자 및 회전자가 제공된다. 이런 타입의 압축기들은 매우 고속, 예를 들면, 분당 100,000 ~ 500,000 회전에 도달할 수 있다. 모터는 압축 휠들을 고속으로 구동하고, 그리고 압축 휠들은 유체를 압축한다. 유체는 공기, 가스, 냉매 또는 임의의 다른 적당한 유체일 수도 있다. 2 개의 압축 휠들의 사용은 유체가 2 배 만큼 압축되도록 한다.
이들 압축기들은 수많은 산업적 적용들, 특히 과급 (supercharging) 또는 에너지 교환에 사용된다. 예를 들면, 이들 2 단의 고속 압축기들은 연료 전지 또는 압축된 공기를 사용하는 임의의 다른 시스템 (산업용 또는 의료용 압축기들, 선박용 압축기들, 가스 파이프 라인들 등) 에 파워를 공급하기 위하여 공기, 천연 가스가 사용될 수 있다. 또한, 이들 압축기들은 전기, 하이브리드 또는 수소 차량들에서와 같은 이동식 HVAC (난방, 환기 및 공기 조화) 시스템에서 냉매 가스가 사용될 수 있다. 이들 압축기들은 또한 열 펌프와 같은 고정식 시스템에서 냉매 가스가 사용될 수 있다.
이들 압축기들은 일반적으로 압축될 유체를 위한 제 1 유동 회로와, 압축기를 냉각시키는데 사용되는 냉각 액체를 위한 제 2 유동 회로, 그리고 보다 구체적으로는, 모터와, 한편으로는 모터 샤프트를 지지하고, 다른 한편으로는 전자 구성 요소들을 지지하는 베어링들을 포함한다. 실제로, 모터의 고속 회전은 매우 높은 가열을 야기하므로, 압축기 요소들은 손상을 회피하기 위하여 냉각되어야 한다. 이들 회로들은 일반적으로 적어도 냉각 회로와 관련하여 실제 압축기의 외부에 배열된다.
결과적으로, 이들 압축기들은 매우 부피가 크고 제한된 환경에서 통합될 수 없다.
게다가, 냉각액에 의해서 회수된 열은 낭비되고, 이는 상당한 에너지 낭비가 된다.
본 발명의 목적은 공지된 고속 압축기들의 다양한 결점들을 극복하는 것이다.
보다 정확하게는, 본 발명의 목적은 매우 콤팩트한 2 단의 고속 유체 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 회전 속도, 높은 압축비 및 최적의 에너지 효율을 가지면서도 작은 부피를 차지하는 2 단의 고속 유체 압축기를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 2 단의 고속 유체 압축기에 관한 것으로서, 상기 고속 유체 압축기는 유체 입구 및 압축된 유체 출구를 갖는 케이스를 포함하고, 그리고 상기 케이스는 종방향 축선을 중심으로 회전 가능하게 장착된 샤프트와, 상기 샤프트 상에서 서로 마주하여 장착된 제 1 압축 휠 및 제 2 압축 휠로서, 상기 제 1 압축 휠은 제 1 압축단을 형성하고, 상기 제 2 압축 휠은 제 2 압축단을 형성하는, 상기 제 1 압축 휠 및 상기 제 2 압축 휠과, 상기 제 1 압축 휠과 상기 제 2 압축 휠 사이에 위치되고 상기 샤프트를 회전시키도록 배열된 모터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 케이스는 종방향 축선과 동축으로 연장되고 내부에 적어도 상기 모터가 배열되는 관통 내부 하우징을 포함하고, 상기 관통 내부 하우징은 내부 벽을 갖고, 상기 모터와 함께 적어도 상기 내부 벽과 상기 모터 사이에서 채널들을 형성하도록 배열되고, 상기 채널들은 상기 제 1 압축단과 상기 제 2 압축단 사이에서 연장되어 상기 채널들에서 유동하는 압축될 유체와 접촉하여 상기 모터를 냉각시킨다. 게다가, 상기 케이스는 그 표면에 상기 고속 유체 압축기의 적어도 하나의 전자 구성 요소를 수용하도록 배열된 적어도 하나의 일체형 하우징을 형성하는 적어도 하나의 캐비티를 포함하고, 상기 일체형 하우징은 상기 내부 벽을 향하여 연장되어 상기 전자 구성 요소가 상기 내부 벽을 통해 상기 채널들에서 유동하는 압축될 유체에 의해서 냉각되도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 고속 유체 압축기는 상기 고속 유체 압축기의 압축 및 냉각 모두를 위하여 하나의 동일한 유체를 포함한다. 압축될 유체의 순환 및 다양한 압축기 요소들의 냉각 모두를 위하여 사용되는 채널들의 배열은 매우 컴팩트한 압축기를 얻는 것을 가능하게 한다. 특히, 상기 전자 구성 요소가 상기 내부 벽을 통해 냉각되는 구성은 상기 전자 구성 요소가 유체에 의해서 직접 냉각되는 구성과 비교하여 몇 가지 이점들을 갖는다. 모든 전자 구성 요소들은 특별한 시일링 없이 배열될 수 있다. 유체를 배수하지 않으면서 전자 구성 요소들에 대한 작업을 수행하는 것이 가능하고, 이는 복잡하고 비용이 많이 드는 작업이다. 게다가, 상기 케이스 내의 상기 일체형 하우징 내부에 상기 전자 구성 요소를 고정함으로써 공간을 절약할 수 있다.
게다가, 본 발명에 따른 고속 유체 압축기는 상기 모터에서, 상기 모터 샤프트를 지지하는 상기 베어링들에서, 그리고 전자 구성 요소들에서 모든 열 손실들을 회수하여 상기 손실들을 유용한 작업으로 변환시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 고속 유체 압축기는 작은 부피를 차지하면서 높은 회전 속도, 높은 압축비 및 최적의 에너지 효율을 갖는다.
본 발명은 또한 이런 유체 압축기를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 목적들, 이점들 및 특징들은 비제한적인 실시예로 제공되고 첨부된 도면들에 의해서 예시되는 본 발명의 실시 형태의 이하의 상세한 설명에서 더욱 명확하게 나타나게 될 것이다.
- 도 1 은 본 발명에 따른 고속 압축기의 사시도를 나타낸다.
- 도 2 는 종방향 축선을 따른 도 1 의 고속 압축기의 분해도를 나타낸다.
- 도 3 은 도 1 의 고속 압축기를 위에서 바라본 부분 분해 사시도를 나타낸다.
- 도 4 는 도 1 의 고속 압축기의 종단면도이다.
- 도 5 는 도 4 의 선 C-C 를 따라 취한 단면도이다.
- 도 6 은 압축 휠들 및 회전자를 지탱하는 샤프트의 사시도이다.
- 도 7 은 베어링들 주위의 고속 압축기의 확대 단면도이다.
- 도 8 은 전자 구성 요소들을 지탱하는 플레이트의 사시도이다.
도 1 및 도 2 를 참조하면, 터보 압축기 또는 원심 압축기 타입의 2 단의 고속 유체 압축기 (1) 가 도시된다. 이하의 설명에서, 용어 '유체' 는 공기, 가스, 천연 가스, 냉매 또는 임의의 다른 적당한 유체일 수 있다.
고속 유체 압축기 (1) 는 알루미늄으로 제조되고, 또한 상부면 (2a) 이 상부 커버 (3a) 에 의해서 폐쇄되고, 그리고 전방면 (2b) 및 후방면 (2c) 이 각각 전방 커버 (3b) 및 후방 커버 (3c) 에 의해서 폐쇄되는 케이스 (2) 를 포함한다. 케이스의 측면들 (2d) 은 상기 측면들의 베이스에서 결합되어 U자 형상 단면을 갖는 바닥 (2e) 을 형성한다.
상부 커버 (3a) 는 이하에서 알 수 있는 바와 같이 압축기의 전자 구성 요소들 (4) 측에 위치된다. 따라서, 상부 커버 (3a) 를 통한 접근이 발생하기 때문에, 이하에서 알 수 있는 바와 같이, 압축기에 통합된 전자 구성 요소들 (4) 로의 접근이 용이하다. 전방 및 후방 커버들 (3b, 3c) 은 압축기의 내부 (모터, 회전자, 베어링들 등) 로 접근하는데 사용된다. 시일링 가스킷 (20) 은 케이스 (2) 의 상부면 (2a) 과 상부 커버 (3a) 사이에 삽입된다. 상기 시일링 가스킷 (20) 은 먼지 및 습기로부터 전자 구성 요소들 (4) 을 보호한다.
케이스 (2) 는 전방 커버 (3b) 에 배열된 압축될 유체를 위한 입구 (5) 와, 케이스 (2) 의 측면들 (2d) 중 하나에 배열된 접선 방향의 압축된 유체 출구 (6) 를 갖는다.
도 4 를 참조하면, 케이스 (2) 는 전방면 (2b) 및 후방면 (2c) 을 통과하는 종방향 축선 (AA) 을 중심으로 회전 가능하게 장착된 세라믹 샤프트 (7), 상기 샤프트 (7) 의 각각의 단부에서 서로 마주하여 장착된 제 1 원심 압축 휠 (8) 및 제 2 원심 압축 휠 (10) 을 포함하고, 상기 제 1 원심 압축 휠 (8) 은 제 1 압축단을 형성하고, 그리고 상기 제 2 원심 압축 휠 (10) 은 제 2 압축단을 형성한다. 보다 구체적으로는, 샤프트 (7) 는 중공이고, 그리고 나사 로드 (11) 를 포함하고, 상기 나사 로드의 각각의 단부에는 압축 휠들 (8, 10) 중 하나가 나사 결합되고, 이는 압축 휠들의 조립 및 분해를 용이하게 한다. 따라서, 2 개의 압축 휠들 (8, 10) 은 동일한 샤프트 (7) 상에서 구동되고, 이는 보다 나은 에너지 효율을 제공하고 감속 기어의 사용을 회피한다. 압축 휠들 (8, 10) 의 후방은 압축기 내부의 압력들을 제어하고 축선 방향의 힘들의 균형을 맞추기 위해 래비린스 시일 (labyrinth seal) 을 포함한다.
케이스 (2) 는 또한 제 1 압축 휠 (8) 과 제 2 압축 휠 (10) 사이에 위치되고 샤프트 (7) 를 회전시키도록 배열된 동기식 전기 모터 (12) 를 포함한다. 모터 (12) 는 영구 자석의 동기식 전기 모터 (브러시리스 모터) 를 형성하도록 상호 작용하는 고정자 (14) 및 회전자를 포함한다. 보다 구체적으로는, 고정자 (14) 는 코일 (14a) 및 케이스 (2) 에 대해 고정 장착된 2 개의 페라이트 요소들 (14b) 에 의해서 형성된다. 회전자는, 예를 들면, 접착 결합에 의해서 샤프트 (7) 와 일체로 제조된 자석 (16a) 을 포함하고, 그리고 상기 회전자는 탄소 섬유 외장 (16b) 으로 덮혀진다. 티타늄 플랜지들 (16c) 은 측방향 단부들에 (예를 들면, 접착 결합에 의해서) 고정되고, 그리고 고속에서 원심력들에 대한 회전자의 내성을 보장한다.
샤프트 (7) 는 적어도 전방 래디얼 베어링 (18), 후방 래디얼 베어링 (22) 및 액시얼 베어링 (24) 에 의해서 그 종방향 축선 (AA) 을 중심으로 케이스 (2) 에 회전 가능하게 장착된다. 압축기는 모터 (16) 의 전방 및 후방 각각에서 샤프트 (7) 주위에 위치되도록 배열된, 전방 래디얼 베어링 (18) 을 지지하기 위한 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26), 후방 래디얼 베어링 (22) 을 지지하기 위한 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 을 포함한다. 후방에서, 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 과 후방 커버 (3c) 사이에는 볼루트 (29) 가 또한 제공된다. 볼루트 (29) 는 압축 후에 접선 방향의 유체 출구 (6) 로 통하는 오리피스를 포함한다. 또한, 제 1 압축 휠 (8) 과 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 사이에서 샤프트 (7) 주위에 위치되도록 배열된 액시얼 베어링 (24) 을 지지하기 위한 액시얼 베어링 브래킷 (30) 이 제공된다. 액시얼 베어링이 모터의 후방에 배열될 수 있음은 명백하다.
베어링들은 제한된 마찰을 발생시키기 위하여 비접촉식이고 공기 역학적이다. 상기 베어링들은 윤활을 필요로 하지 않고 유지 보수를 거의 필요로 하지 않는다. 보다 구체적으로는, 도 6 을 참조하면, 액시얼 베어링 (24) 은 공기 역학적 베어링이고, 그리고 디스크에 의해서 형성되고, 상기 디스크는 그 면들 중 적어도 하나의 면에 공기막을 생성하도록 배열된 제 1 의, 바람직하게는 나선 형상의 홈들 (24a) 을 포함한다. 전방 및 후방 래디얼 베어링들 (18, 22) 은 공기 역학적 베어링들이고, 그리고 전방 및 후방 래디얼 베어링들 (18, 22) 을 대면하는 상태로, 샤프트 (7) 는 공기막을 생성하도록 배열된 제 2 홈들 (32) 을 갖는다.
도 7 을 참조하면, 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 은 전방 래디얼 베어링 (18) 에 제공된 제 2 슬롯 (36) 을 대면하여 위치된 제 1 슬롯 (34) 을 적어도 포함하고, 상기 제 1 슬롯 (34) 및 상기 제 2 슬롯 (36) 은 전방 베어링 O-링 조인트 (38) 를 수용하도록 배열된다. 도 7 에는 2 세트의 슬롯들 (34, 36) 이 제공된다. 마찬가지로, 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 은 후방 래디얼 베어링 (22) 에 제공된 제 4 슬롯을 대면하여 위치된 제 3 슬롯을 적어도 포함하고, 상기 제 3 슬롯 및 상기 제 4 슬롯은 후방 베어링 O-링 조인트를 수용하도록 배열된다. 전방 래디얼 베어링 (18) 및 후방 래디얼 베어링 (22) 에 제공된 슬롯들은 둥근 바닥을 갖는다. 래디얼 베어링들 (18, 22) 은 상기 각각의 O-링 조인트들에 의해서만 축선 방향 및 반경 방향으로 유지된다. 후자는 래디얼 베어링들 (18, 22) 의 센터링을 보장하고, 반경 방향의 유극을 보상하고, 진동들을 감쇠시키고, 그리고 이들의 축선 방향 위치를 유지한다. 게다가, 이 어셈블리는 공간을 절약하고, 압축기의 소형화를 더욱 증가시킨다.
샤프트 (7) 의 중심에서 2 개의 압축 휠들 (8, 10) 을 지탱하는 나사 로드 (11) 의 반경 방향의 유지 및 센터링은 나사 로드 (11) 에 제공된 슬롯에 장착된 조인트 (39) (도 4 참조) 에 의해서 달성된다.
게다가, 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 은 공기의 통과를 위해 제공된 제 5 슬롯 (40) 을 포함한다. 마찬가지로, 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 은 공기의 통과를 위해 제공된 제 6 슬롯을 포함한다. 이들 제 5 및 제 6 슬롯들과, 베어링들의 각각의 중요한 지점 사이에서 연통하는 보어들은 압축기 전체에 걸쳐서 특히 시일링 조인트들 사이에서 압력 균형을 유지할 수 있게 한다. 이것은 조인트들의 이탈 (dislodging) 을 회피한다.
본 발명에 따르면, 도 2, 도 4 및 도 5 를 참조하면, 케이스 (2) 는 케이스 (2) 의 전방면 (2b) 과 후방면 (2c) 사이에서 종방향 축선 (AA) 과 동축으로 연장되고, 그리고 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 및 전방 래디얼 베어링 (18), 모터 (12) 및 그의 샤프트 (7), 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 및 후방 래디얼 베어링 (22), 제 2 압축 휠 (10) 및 볼루트 (29) 를 수용하는 관통 내부 하우징 (50) 을 포함한다. 전방면 (2b) 측에서, 관통 내부 하우징 (50) 은 제 1 압축 휠 (8), 액시얼 베어링 브래킷 (30) 및 액시얼 베어링 (24) 을 포함하는 전방 커버 (3b) 에 의해서 폐쇄된다. 후방면 (2c) 측에서, 관통 내부 하우징 (50) 은 후방 커버 (3c) 에 의해서 폐쇄된다.
관통 내부 하우징 (50) 은 내부 벽 (52) 을 갖고, 모터 (12) 와 함께 적어도 상기 내부 벽 (52) 과 모터 (12) 사이에 채널들 (54) 을 형성하도록 배열되고, 상기 채널들 (54) 은 제 1 압축단과 제 2 압축단 사이에서 연장되어 모터 (12) 가 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체와 접촉하여 냉각되도록 한다. 보다 구체적으로는, 여기에 나타낸 변형예에서, 내부 벽 (52) 과 접촉하지 않는 종방향 중공부들 (55) 또는 모터 (12) 의 페라이트 요소들 (14b) 의 면들이 압축될 유체의 유동을 위하여 상기 내부 벽 (52) 과 함께 상기 채널들 (54) 을 형성하도록 모터에 실질적으로 다각형 (여기서 12 각형) 단면을 제공한다면, 관통 내부 하우징 (50) 의 내부 벽 (52) 은 원형 단면을 갖고, 그리고 모터 (12) 의 고정자 (14) 의 2 개의 페라이트 요소들 (14b) 은 이들의 외부면들에 종방향 축선 (AA) 을 따라서 연장되는 종방향 중공부들 (55) (도 5 참조) 을 갖는다.
보다 일반적으로는, 제 1 압축단과 제 2 압축단 사이의 종방향 축선을 따라서 위치된 압축기의 모든 부분들은 제 1 압축단과 제 2 압축단 사이에서 연장되는 압축될 유체를 위한 유동 채널들 (54) 을 형성하도록 크기가 정해지고 배열된다. 따라서, 채널들 (54) 은 전방 커버 (3b) 와 액시얼 베어링 브래킷 (30) 사이에서, 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 과 내부 벽 (52) 사이에서 (이를 위해, 하우징 (50) 의 입구에 놓여 있는 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 의 숄더 (56) 는 압축 유체 유동 채널들 (54) 과 대응하게 배열된 슬롯들 (58) 을 가짐), 전술한 바와 같이, 모터 (12) 의 페라이트 요소들 (14b) 과 내부 벽 (52) 사이에서, 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 과 내부 벽 (52) 사이에서, 볼루트 (29) 와 내부 벽 (52) 사이에서, 그리고 후방 커버 (3c) 와 볼루트 (29) 사이에서 형성된다. 이들 채널들 (54) 은 압축기 내부에서의 난류를 회피하도록 설계된다.
게다가, 채널들 (54) 내부에서 유동하는 압축될 유체가 모터 (12) 로 진입해서 고정자 (14) 와 회전자 (16) 사이로 유동하도록 배열된 적어도 하나의 오리피스 (예를 들면, 도 4 의 도면 부호 57a); 및 모터 (12) 를 냉각시킨 후에 압축될 유체가 모터 (12) 를 나와서 상기 채널들 (54) 과 다시 합류하도록 배열된 적어도 하나의 오리피스 (예를 들면, 도 4 의 도면 부호 57b) 가 제공되는 것이 유리하다.
마찬가지로, 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체가 액시얼 베어링 (24), 전방 래디얼 베어링 (18) 및 후방 래디얼 베어링 (22) 에 근접하여 유동하도록 배열된 적어도 하나의 오리피스 (예를 들면, 도 4 의 도면 부호 59a); 및 상기 액시얼 베어링 (24), 상기 전방 래디얼 베어링 (18) 및 상기 후방 래디얼 베어링 (22) 을 냉각시킨 후에 압축될 유체가 상기 채널들 (54) 과 다시 합류하도록 배열된 적어도 하나의 오리피스 (예를 들면, 도 4 의 도면 부호 57b 에 대응함) 가 제공되는 것이 유리하다.
따라서, 입구 (5) 를 통하여 제 1 압축단에 진입한 후, 압축될 유체는 제 1 압축단과 제 2 압축단 사이의 종방향 축선을 따라서 위치된 압축기 부분들을 통하여 채널들 (54) 로 통과되어 제 2 압축단과 다시 합류한다. 결과적으로, 이것이 내부 벽 (52) 과 모터의 페라이트 요소들 (14b) 사이를 통과할 때, 압축될 유체는 모터를 냉각시키고, 그리고 모터에 의해서 손실된 칼로리들을 회수하여 제 2 압축단으로 진입하기 전에 그 효율을 증가시킨다. 게다가, 오리피스들 (57a, 57b) 은 유동의 약간의 편향을 허용하여, 압축될 유체가 또한 고정자 (14) 와 회전자 (16) 사이에서 베어링들에서 유동하여 이들 요소들을 냉각시키고 모터에서의 열 손실들 및 베어링들에서의 마찰로 인한 열 손실들을 회수한다.
게다가, 도 3 및 도 5 를 참조하면, 케이스 (2) 는 그 표면에 압축기의 적어도 하나의 전자 구성 요소를 수용하도록 배열된 적어도 하나의 일체형 하우징을 형성하는 적어도 하나의 캐비티 (60a, 60b) 를 포함하고, 상기 일체형 하우징은 채널들 (54) 에 가능한 한 근접하게 상기 내부 벽 (52) 을 향하여 연장되어 상기 전자 구성 요소가 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체와 그 자체가 접촉하게 되는 내부 벽 (52) 에 의해서 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체에 의해서 냉각되도록 한다.
유리하게는, 케이스 (2) 는 그 상부 내부면 (62) 을 규정하는 동일한 표면에 압축기의 전자 구성 요소를 수용하도록 배열된 일체형 하우징을 각각 형성하는 몇 개의 캐비티들 (60a, 60b) 을 포함하고, 상기 캐비티들 (60a, 60b) 은 케이스 (2) 의 관통 내부 하우징 (50) 의 내부 벽 (52) 의 적어도 상부에, 그리고 적어도 하나의 측면에, 바람직하게는 각각의 측면에 배열된다. 따라서, 일체형 하우징들 및 따라서 이들 일체형 하우징들 내부에 위치된 전자 구성 요소들은 내부 벽 (52) 과 접촉하여 채널들 (54) 내부를 유동하는 압축될 유체에 가능한 한 근접하게 배열되어, 상기 압축될 유체는 상기 내부 벽 (52) 에 의해서 상기 전자 구성 요소들에 의해서 방출되는 열을 회수할 수 있다.
바람직하게는, 캐비티들 (60a, 60b) 중 적어도 하나는 케이스 (2) 의 상부 내부면 (62) 의 적어도 일부에 걸쳐서 종방향으로 연장되는 일체형 하우징을 형성하도록 압축될 유체를 위한 유동 채널들 (54) 을 따라서 종방향으로 적어도 부분적으로 연장된다. 따라서, 일체형 하우징들은 상기 내부 벽 (52) 에 의해서 일체형 하우징들 내부에 배치된 전자 구성 요소들과 압축될 유체 사이의 최대 열교환 영역을 제공하기 위하여 채널들 (54) 을 따른다.
유리하게는, 도 8 을 참조하면, 압축기는 압축기의 전자 구성 요소들 (4) 을 수용하도록 배열된 적어도 하나의 플레이트 (64) 를 포함하고, 상기 플레이트 (64) 는 그 하부면에 종방향 축선 (AA) 을 따라서 종방향으로 연장되는 전자 구성 요소들 (4a, 4b) 을 적어도 갖고, 상기 플레이트 (64) 는 케이스 (2) 의 상부 내부면 (62) 상부에 위치되어 플레이트 (64) 의 하부면을 종방향으로 가로질러서 연장되는 상기 전자 구성 요소들 (4a, 4b) 은 각각 압축될 유체를 위한 유동 채널들 (54) 을 따라서 종방향으로 적어도 부분적으로 연장되는 이들의 일체형 하우징들 내부에 수용된다. 플레이트 (64) 의 상부면에는 상부 커버 (3a) 내부에 수용되도록 배열된 다른 전자 구성 요소들 (4c) 이 제공된다.
예를 들면, 전자 구성 요소들 (4a) 은 트랜지스터들이고, 상기 트랜지스터들은 케이스와의 가능한 한 가장 큰 접촉 표면을 갖고 모터 (12) 의 각각의 측면에서 내부 벽 (52) 에 의해서 압축될 유체에 가능한 한 근접하게 되도록 플레이트의 각각의 측면에서 종방향으로, 그리고 플레이트 (64) 에 수직으로 배열된다. 충분한 자리가 있다면, 트랜지스터들은 모두 모터의 동일한 단일 측면에 배치될 수 있다는 것이 명백하다.
게다가, 압축될 유체를 위한 유동 채널들 (54) 을 따라서 종방향으로 적어도 부분적으로 연장되는 일체형 하우징들 및 특히 일체형 하우징은 스트립 스프링 (66) 을 포함하고, 상기 스트립 스프링 (66) 은 바람직하게는 종방향으로 배치되고, 그리고 상기 일체형 하우징 내부에 배치된 전자 구성 요소 (4a) 가 내부 벽 (52) 의 방향으로 일체형 하우징의 벽에 놓여지도록 배열된다.
전자 구성 요소들 (4b) 은, 예를 들면, 원형 단면의 튜브 커패시터들이고, 그리고 케이스와의 가능한 한 가장 큰 접촉 표면을 갖고 모터 (12) 상부의 내부 벽 (52) 에 의해서 압축될 유체에 가능한 한 근접하게 되도록 하기 위하여 모터 (12) 상부에 제공된 대응하는 둥근 바닥에서 캐비티들 (60b) 내부에 수용되도록 플레이트 (64) 의 하부면에 종방향으로 배열된다. 커패시터와 케이스 (2) 사이의 접촉성을 좋게 하기 위하여 캐비티 (60b) 의 바닥에 열 전도성 페이스트를 배열하는 것이 가능하다.
따라서, 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체는 또한 압축될 상기 유체에 가능한 한 근접하게 배열되는 압축기의 전자 구성 요소들로부터의 열 손실들을 회수한다. 게다가, 압축기의 내부는 최적화되고, 그리고 특히 케이스의 상부 표면은 압축기의 전자 구성 요소들을 작은 부피로 수용하도록 절단되고, 이는 매우 컴팩트한 압축기를 제조할 수 있게 한다.
유리하게는, 케이스 (2) 의 상부 내부면 (62) 은 모터 (12) 와 전자 구성 요소들 (4) 사이에서 케이블들의 통과를 허용하도록 배열된 보어 (68) 를 갖고, 상기 보어는 압축될 유체가 누출되지 않도록 시일링된다. 이를 위해, 수지가 보어 (68) 내로 주입되고, 그리고 상기 수지가 주입될 때 케이블 요소들은 수지 내로 삽입된다. 이어서, 모터 (12) 및 전자 구성 요소들 (4) 에 각각 연결된 다른 케이블 요소들은 보어 (68) 내부에서 수지로 캐스팅된 케이블 요소들에 용접된다. 다른 시일링된 케이블 통로들 (70, 72) 은, 예를 들면, 제어 케이블 출구 및 파워 케이블 출구를 위해 케이스 (2) 의 후방면 (2c) 에 제공되고, 이는 안전한 연결을 제공한다.
바람직하게는, 압축기는 2 개의 압축단들 사이에 압력 및 온도 센서 (74) 를 포함하고, 이는 압축기의 자기 조절을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 유체 압축기는 100,000 rpm ~ 500,000 rpm 의 매우 높은 회전 속도에 도달할 수 있다. 제 2 압축단으로 진입하기 전에 효율을 증가시키기 위하여 (압축될 유체의 온도가 증가함에 따라 압력도 증가함), 제 1 압축단에서 압축된 유체가 전체 시스템을 통하여 실질적으로 이동하여 손실된 모든 열, 특히 모터, 베어링들 및 전자 구성 요소들에서 손실된 열의 회수를 가능하게 한다. 게다가, 추가의 냉각 회로의 도움 없이, 압축기를, 그리고 전자 장치가 케이스에 통합되도록 하는 압축기 내부에서의 전자 구성 요소들의 배열을 냉각시키는데 압축될 유체만을 사용하는 것은 매우 컴팩트한 압축기를 얻을 수 있게 한다. 따라서, 본 발명에 따른 압축기는 작은 부피를 차지하면서 높은 회전 속도 및 높은 압축비를 갖는다. 예를 들면, 본 발명에 따른 압축기는 이하의 치수들과 함께 3 보다 큰 압축비와 4 kW 정도의 파워를 갖는다: 단지 1.5 kg 의 중량에 대해 약 14 x 8 x 11 cm 의 길이 x 폭 x 높이.
본 발명에 따른 압축기는 가스 압축을 필요로 하는 수많은 적용들에 사용될 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 따른 압축기는 연료 전지들 또는 압축된 공기를 사용하는 임의의 다른 시스템 (산업용 압축기들, 의료용 압축기들, 선박용 압축기들 등) 에 파워를 공급하기 위하여 공기가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 압축기는 전기, 하이브리드 또는 수소 차량들에서와 같은 이동식 HVAC (난방, 환기, 공기 조화) 시스템에서 냉매 가스가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 압축기는 또한 열 펌프와 같은 고정식 시스템에서 냉매 가스가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 압축기는 또한 천연 가스가 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 유체 압축기를 포함하는 디바이스 (100) 에 관한 것이다. 상기 디바이스는 압축된 공기를 필요로 할 수 있고, 그리고 연료 전지, 의료용 디바이스 또는 산업용 기계 장치일 수 있다. 상기 디바이스는 압축된 천연 가스를 필요로 할 수 있다. 상기 디바이스는 또한 압축된 냉매 가스를 필요로 할 수 있고, 그리고 열 펌프 또는 HVAC 시스템일 수도 있다.

Claims (19)

  1. 2 단의 고속 유체 압축기 (1) 로서,
    상기 고속 유체 압축기 (1) 는 유체 입구 (5) 및 압축된 유체 출구 (6) 를 갖는 케이스 (2) 를 포함하고, 그리고
    상기 케이스 (2) 는 종방향 축선 (AA) 을 중심으로 회전 가능하게 장착된 샤프트 (7) 와, 상기 샤프트 (7) 상에서 서로 마주하여 장착된 제 1 압축 휠 (8) 및 제 2 압축 휠 (10) 로서, 상기 제 1 압축 휠 (8) 은 제 1 압축단을 형성하고, 상기 제 2 압축 휠 (10) 은 제 2 압축단을 형성하는, 상기 제 1 압축 휠 (8) 및 상기 제 2 압축 휠 (10) 과, 상기 제 1 압축 휠 (8) 과 상기 제 2 압축 휠 (10) 사이에 위치되고 상기 샤프트 (7) 를 회전시키도록 배열된 모터 (12) 를 포함하고,
    상기 케이스 (2) 는 상기 종방향 축선 (AA) 과 동축으로 연장되고 내부에 적어도 상기 모터 (12) 가 배열되는 관통 내부 하우징 (50) 을 포함하고,
    상기 관통 내부 하우징 (50) 은 내부 벽 (52) 을 갖고, 상기 모터 (12) 와 함께 적어도 상기 내부 벽 (52) 과 상기 모터 (12) 사이에서 채널들 (54) 을 형성하도록 배열되고,
    상기 채널들 (54) 은 상기 제 1 압축단과 상기 제 2 압축단 사이에서 연장되어 상기 모터 (12) 가 상기 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체와 접촉하여 냉각되도록 하고,
    상기 케이스 (2) 는 그 표면에 상기 고속 유체 압축기의 적어도 하나의 전자 구성 요소 (4) 를 수용하도록 배열된 적어도 하나의 일체형 하우징을 형성하는 적어도 하나의 캐비티 (60a, 60b) 를 포함하고,
    상기 일체형 하우징은 상기 내부 벽 (52) 을 향하여 연장되어 상기 전자 구성 요소 (4) 가 상기 내부 벽 (52) 에 의해서 상기 채널들에서 유동하는 압축될 유체에 의해서 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통 내부 하우징 (50) 의 상기 내부 벽 (52) 은 원형 단면을 갖고, 그리고
    상기 모터 (12) 는 그 외부면에 중공부들 (55) 을 갖고, 상기 중공부들 (55) 은 압축될 유체의 유동을 위해 상기 내부 벽 (52) 과 함께 상기 채널들 (54) 을 형성하는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스 (2) 는 그 상부 내부면 (62) 을 규정하는 동일한 표면에 상기 고속 유체 압축기의 전자 구성 요소 (4a, 4b) 를 수용하도록 배열된 일체형 하우징을 각각 형성하는 몇 개의 캐비티들 (60a, 60b) 을 포함하고,
    상기 캐비티들 (60a, 60b) 은 상기 케이스 (2) 의 상기 내부 벽 (52) 의 적어도 상부에, 그리고 적어도 하나의 측면에 배열되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐비티 (60a, 60b) 는 종방향으로 연장된 일체형 하우징을 형성하도록 압축될 유체의 유동을 위한 상기 채널들 (54) 을 따라서 종방향으로 적어도 부분적으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고속 유체 압축기는 상기 고속 유체 압축기의 상기 전자 구성 요소들 (4) 을 수용하도록 배열된 적어도 하나의 플레이트 (64) 를 포함하고,
    상기 플레이트 (64) 는 그 하부면에 종방향으로 연장되는 전자 구성 요소들 (4a, 4b) 을 적어도 갖고,
    상기 플레이트 (64) 는 상기 케이스 (2) 의 상부 내부면 (62) 상부에 위치되어 상기 플레이트 (64) 의 상기 하부면을 종방향으로 가로질러서 연장되는 상기 전자 구성 요소들 (4a, 4b) 은 각각 압축될 유체의 유동을 위한 상기 채널들 (54) 을 따라서 종방향으로 적어도 부분적으로 연장되는 이들의 일체형 하우징들 내부에 수용되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 일체형 하우징은 상기 일체형 하우징 내부에 배치된 상기 전자 구성 요소 (4a) 가 상기 내부 벽 (52) 의 방향으로 상기 일체형 하우징의 벽에 놓여지도록 배열된 스트립 스프링 (66) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속 유체 압축기는 상기 케이스 (2) 의 상부면 (2a) 을 폐쇄하기 위한 상부 커버 (3a) 를 포함하고,
    상기 상부 커버 (3a) 는 상기 전자 구성 요소들 (4) 측에 위치되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터 (12) 는 고정자 (14) 및 회전자 (16) 를 포함하고,
    상기 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체가 상기 모터 (12) 에 진입하여 상기 고정자 (14) 와 상기 회전자 (16) 사이에서 유동하도록 배열된 적어도 하나의 오리피스 (57a) 및 상기 모터 (12) 를 냉각시킨 후에 압축될 유체가 상기 모터 (12) 를 나와서 상기 채널들 (54) 과 다시 합류하도록 배열된 적어도 하나의 오리피스 (57b) 가 제공되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트 (7) 는 적어도 전방 래디얼 베어링 (18), 후방 래디얼 베어링 (22) 및 액시얼 베어링 (24) 에 의해서 상기 케이스 (2) 에 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체가 상기 전방 래디얼 베어링 (18), 상기 후방 래디얼 베어링 (22) 및 상기 액시얼 베어링 (24) 에 각각 근접하여 유동하도록 배열된 적어도 하나의 오리피스 (59a) 및 상기 전방 래디얼 베어링 (18), 상기 후방 래디얼 베어링 (22) 및 상기 액시얼 베어링 (24) 을 냉각시킨 후에 압축될 유체가 상기 채널들 (54) 과 다시 합류하도록 배열된 적어도 하나의 오리피스 (57b) 가 제공되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 액시얼 베어링 (24) 은 공기 역학적 베어링이고, 그리고
    상기 액시얼 베어링은 그의 면들 중 적어도 하나의 면에 공기막을 생성하도록 배열된 제 1 홈들 (24a) 을 갖는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전방 래디얼 베어링 (18) 및 상기 후방 래디얼 베어링 (22) 은 공기 역학적 베어링들이고, 그리고
    상기 전방 래디얼 베어링 (18) 및 상기 후방 래디얼 베어링 (22) 을 대면하는 상태로, 상기 샤프트 (7) 는 공기막을 생성하도록 배열된 제 2 홈들 (32) 을 갖는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 고속 유체 압축기는 상기 모터 (12) 의 전방 및 후방 각각에서 상기 샤프트 (7) 주위에 위치되도록 배열된 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 및 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 을 포함하고,
    상기 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 은 상기 전방 래디얼 베어링 (18) 에 배열된 제 2 슬롯 (36) 을 대면하게 위치된 제 1 슬롯 (34) 을 적어도 포함하고,
    상기 제 1 슬롯 (34) 및 상기 제 2 슬롯 (36) 은 전방 베어링 시일링 조인트 (38) 를 수용하도록 배열되고,
    상기 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 은 상기 후방 래디얼 베어링 (22) 에 배열된 제 4 슬롯을 대면하게 위치된 제 3 슬롯을 적어도 포함하고,
    상기 제 3 슬롯 및 상기 제 4 슬롯은 후방 베어링 시일링 조인트를 수용하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전방 래디얼 베어링 브래킷 (26) 은 공기의 통과를 위하여 제공된 제 5 슬롯 (40) 을 포함하고, 그리고
    상기 후방 래디얼 베어링 브래킷 (28) 은 공기의 통과를 위하여 제공된 제 6 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스 (2) 는 상기 모터 (12) 와 상기 전자 구성 요소들 (4) 사이에서 케이블들의 통과를 허용하도록 배열된 보어 (68) 를 갖고,
    상기 보어 (68) 는 시일링되는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 냉매 가스인 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 공기인 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 천연 가스인 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기.
  19. 2 단의 고속 유체 압축기 (1) 를 포함하는 디바이스 (100) 로서,
    상기 2 단의 고속 유체 압축기 (1) 는 유체 입구 (5) 및 압축된 유체 출구 (6) 를 갖는 케이스 (2) 를 포함하고, 그리고
    상기 케이스 (2) 는 종방향 축선 (AA) 을 중심으로 회전 가능하게 장착된 샤프트 (7) 와, 상기 샤프트 (7) 상에서 서로 마주하여 장착된 제 1 압축 휠 (8) 및 제 2 압축 휠 (10) 로서, 상기 제 1 압축 휠 (8) 은 제 1 압축단을 형성하고, 상기 제 2 압축 휠 (10) 은 제 2 압축단을 형성하는, 상기 제 1 압축 휠 (8) 및 상기 제 2 압축 휠 (10) 과, 상기 제 1 압축 휠 (8) 과 상기 제 2 압축 휠 (10) 사이에 위치되고 상기 샤프트 (7) 를 회전시키도록 배열된 모터 (12) 를 포함하고,
    상기 케이스 (2) 는 상기 종방향 축선 (AA) 과 동축으로 연장되고 내부에 적어도 상기 모터 (12) 가 배열되는 관통 내부 하우징 (50) 을 포함하고,
    상기 관통 내부 하우징 (50) 은 내부 벽 (52) 을 갖고, 상기 모터 (12) 와 함께 적어도 상기 내부 벽 (52) 과 상기 모터 (12) 사이에서 채널들 (54) 을 형성하도록 배열되고,
    상기 채널들 (54) 은 상기 제 1 압축단과 상기 제 2 압축단 사이에서 연장되어 상기 모터 (12) 가 상기 채널들 (54) 에서 유동하는 압축될 유체와 접촉하여 냉각되도록 하고,
    상기 케이스 (2) 는 그 표면에 상기 고속 유체 압축기의 적어도 하나의 전자 구성 요소 (4) 를 수용하도록 배열된 적어도 하나의 일체형 하우징을 형성하는 적어도 하나의 캐비티 (60a, 60b) 를 포함하고,
    상기 일체형 하우징은 상기 내부 벽 (52) 을 향하여 연장되어 상기 전자 구성 요소 (4) 가 상기 내부 벽 (52) 에 의해서 상기 채널들에서 유동하는 압축될 유체에 의해서 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는, 2 단의 고속 유체 압축기를 포함하는 디바이스.
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