KR100569832B1

KR100569832B1 - 듀얼모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보압축기 및 이를 이용한 냉난방용 지열 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR100569832B1
Application number: KR1020040070092A
Authority: KR
Inventors: 박무룡; 최상규; 박준영; 윤의수; 황순찬
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-04-11
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: KR20060021219A

Abstract

본 발명은 터보 압축기에 있어서 원주 방향으로 형성된 다수개의 블레이드를 가진 임펠러;와 상기 임펠러로부터 출구방향으로 연장 형성된 베인이 없는 디퓨저와; 상기 베인이 없는 디퓨저의 원주 방향에 형성되며, 2층으로 구성된 다수개의 베인을 가진 베인이 형성된 디퓨저와; 미리 설정된 거리만큼 베인이 형성된 디퓨저를 이동시킬수 있는 구동부를 포함함을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기를 제공한다.

터보압축기, 지열히트펌프

Description

듀얼모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보압축기 및 이를 이용한 냉난방용 지열 히트 펌프 시스템{Turbo-compressor with vane diffusers for dual operating modes and geothermal heat pump stystem with vane diffusers for dual operating modes}

도 1은 종래기술에 따른 터보 압축기의 임펠러와 디퓨저를 나타낸 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 터보 압축기의 임펠러와 디퓨저를 나타낸 정면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 베인이 형성된 디퓨저 구동을 위한 베벨기어와 캠의 배치를 보여주는 정면도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 베인이 형성된 디퓨저 구동을 위한 캠과 스프링의 배치를 보여주는 측면도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 'A'부의 확대도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 'A'부의 확대도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 임펠러 200: 베인이 없는 디퓨저

300, 301, 302: 베인이 형성된 디퓨저 400: 베벨기어

500: 캠 550: 외부구동부

600 : 스프링 800: 구동부

본 발명은 상이한 2가지 운전모드에서 작동하는 터보 압축기에 관한 것으로써, 특히, 지열 히트 펌프 시스템을 운전하기 위한 냉난방 겸용 터보 압축기에 관한 것이다. 도 1은 종래 기술의 실시 예에 따른 터보 압축기의 임펠러와 디퓨저를 나타낸 정면도로서, 에어포일형 베인이 형성된 디퓨저가 설치된 형태이다.

일반적으로, 터보 압축기는 다양한 산업분야에서 공기, 냉매등을 포함한 여러 종류의 가스를 압축하기 위해 사용하는 중요한 요소기계이다. 상기 터보 압축기는 구동축(driving shaft)에 결합된 임펠러와 상기 임펠러의 외주에 형성된 베인이 없는 디퓨저(vaneless diffusers, 200)와 베인이 형성된 디퓨저(vane diffusers, 300)를 포함하여 구성된다. 터보 압축기에서 디퓨저(200,300)는 임펠러(100)의 회전에 의해 증가된 가스의 운동 에너지(kinetic energy)를 정압(static pressure)으로 변환시키는 요소로서, 크게 베인이 없는 디퓨저(200)와 베인이 형성된 디퓨저(300)로 나누어진다. 상기 베인(300)은 가스의 유동을 가이드하며, 각 베인(300)은 임펠러(100)의 중심방향과 소정 각도를 이루도록 설치되며, 각각 에어포일 형상을 가진다. 한편, 베인 있는 디퓨저를 구비한 터보 압축기는 베인이 없는 디퓨저만을 구비한 터보 압축기에 비해 상대적으로 압축비 및 효율면에서 우수하다. 그러나, 종래의 터보 압축기는 일반적으로 하나의 설계점을 기준으로 설계되며, 실제 운전조건 및 운전영역은 설계점에서의 조건을 크게 벗어나지 않는 것이 일반적이다. 그러나, 냉난방 겸용 히트 펌프 시스템에서와 같이 상이한 운전조건이 존재하는 경우 종래의 터보 압축기로 2가지 운전조건을 모두 만족하기는 매우 힘들다.

특히, 터보 압축기로 냉난방 겸용 지열 히트 펌프 시스템을 운전하기 위해서는 터보 압축기가 냉방과 난방시의 운전조건을 충족시킬 수 있어야 한다. 그러나, 지열 히트 펌프 시스템에서 터보 냉동기에 유입되는 냉매의 물성치는 냉방과 난방모드에서 상이하며 각 운전조건에서의 터보 압축기 전압비와 효율등의 성능 역시 매우 상이하다. 이러한 상이성은 난방과 냉방시 임펠러 입구와 디퓨저 입구에서의 유동각을 크게 변하게 한다. 특히, 디퓨저 입구에서의 냉방과 난방시 유동각의 현저한 차이로 인해 기존의 터보 압축기로는 냉방과 난방의 상이한 두개의 운전조건을 효율과 안정적인 운전범위의 희생없이 1대의 터보 압축기로 만족시키기는 매우 힘들다. 그러므로 서로 다른 운전조건에서의 각각의 압축비와 효율을 만족하면서 안정적인 운전 영역을 확보하는 것이 냉난방 겸용 지열 히트 펌프 시스템에서와 같이 상이한 2가지 운전조건에 동작하는 터보 압축기에 있어 가장 중요한 요건이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 한대의 터보 압축기로 지열 히트 펌프 시스템에서의 냉난방 운전조건과 같은 상이한 2가지 운전조건을 동시에 만족할 수 있는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 터보 압축기에 있어서, 원주 방향으로 형성된 다수개의 블레이드를 가진 임펠러와; 상기 임펠러로부터의 냉매 출구 방향으로 연장 형성된 베인이 없는 디퓨저와; 상기 디퓨저의 원주 방향으로 형성되며, 2중으로 구성된 다수개의 베인과; 운전조건에 따라 베인을 움직이기 위한 캠과 스프링, 캠을 구동하기위한 베벨기어로 구성된 구동부를 포함함을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기를 제공한다.

본 발명은 냉난방용 지열 히트 펌프 시스템의 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기에 관한 것으로서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 압축기의 임펠러(100)와 이층으로 구성된 냉방용, 난방용 베인이 형성된 디퓨저(301,302)를 나타낸 정면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베인이 형성된 디퓨저 구동을 위한 베벨기어(400)와 캠(500)의 배치를 보여주는 정면도이다. 그리고 도 4는 베인이 형성된 디퓨저의 구동을 위한 캠(500)과 스프링(600)의 배치를 보여주는 측면도 이며, 도 5는 도 4에서 운전조건에 따른 도4의 'A'부 확대도이고, 도6은 도 4에서 운전조건에 따른 도4의 'A'부 확대도이다.

이에 대한 구성을 자세히 설명하면, 다음과 같다.

본 발명은 터보 압축기에 있어서 원주 방향으로 형성된 다수개의 블레이드를 가진 임펠러(100)와; 상기 임펠러(100)로부터의 가스 출구 방향으로 연장 형성된 베인이 없는 디퓨저(vaneless diffusers, 200)와; 상기 디퓨저(200)의 원주 방향에 형성되며, 2중으로 구성된 다수개의 베인이 형성된 디퓨저(vane diffusers, 301,302)와; 설정된 운전모드의 입력에 응답하여 미리 설정된 베인이 형성된 디퓨저(301,302)로 움직이게 하는 구동부(800)를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기에 관한 것이다.
여기서, 상기 베인이 없는 디퓨저(200)는 임펠러(100)로부터의 가스 출구 방향과 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)의 사이에 형성된 가스가 확산되는 공간(홀)의 명칭이다.(이상에서 명시한 베인이 없는 디퓨저와 이하에서 명시된 베인이 없는 디퓨저는 동일한 것임.)
즉, 베인이 형성된 디퓨져(300)와 임페리 사이의 공간을 말한다.

상기 구동부(800)는 외부 구동부(550)와 상호 동력전달 가능하게 연결되고, 상기 외부구동부(550)에 의하여 작동되는 베벨기어(400)와; 상기 베벨기어(400)가 작동되면 베벨기어 사이에 설치되되 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)를 설정된 운전모드위치로 위치하도록 작동하는 캠(500)을 포함하며, 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)의 일측에 위치하며, 타측에 위치하는 상기 캠(500)의 작동에 의하여 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)를 설정된 운전모드위치에 위치하도록 탄성지지 하는 스프링(600)을 포함하며, 상기 외부구동부(550)는 한 축에 2개씩의 베벨기어(400)가 설치되고 상기 베벨기어(400)가 설치된 4개의 축에서 1개의 축은 운전조건을 결정하는 외부신호에 의하여 작동하며, 상기 블레이드는 에어포일형으로 이루어진다.
여기서, 상기 외부 구동부(550)와 구동부(800)는 동력전달 가능하게 상호 연결되는데, 이러한 구성의 예로서, 다수의 축과 베벨기어(400) 등에 의해 상호 연결될 수 있으며, 이에 당업자라면 별도의 설명 없이도 용이하게 실시할 수 있으며, 본 발명의 요지가 이에 있지 아니한 바, 그에 관한 상세한 설명은 회피하기로 한다.

도 2, 3 그리고 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼모드용 디퓨저 베인을 구비한 터보 압축기는 임펠러(100), 베인이 형성된 디퓨저(301,302), 베벨 기어(400), 캠(500)과 스프링(600), 그리고 외부 구동부(550)으로 구성된다.

도 2에서 보여지는 바와 같이 상기 임펠러는 원주상에 등간격으로 배열된 다수개의 블레이드를 가진 원판이다. 상기 임펠러는 구동축을 중심으로 회전하며, 디퓨저(200,301,302) 방향으로 작동유체를 유출시킨다. 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)는 원주방향으로 다수개가 형성되며, 각 운전 조건에 적합한 블레이드 각을 갖는 베인이 이층으로 구성되어 있다. 특히, 지열 히트 펌프 시스템에서 각층의 베인이 형성된 디퓨저는 냉방과 난방 각 운전조건시에 적합한 블레이드각을 갖도록 설계된다.

도 3과 4에서 보는 바와 같이 한 축에 2개씩의 베벨기어(400)가 설치되며 베벨기어(400)가 설치된 4개의 축중 하나는 운전조건을 결정하는 외부 신호에 따라 베벨기어를 작동할 수 있도록 외부와 연결된다. 각 운전모드 설정에 따라 베벨기어(400)가 작동하게 되면 베벨기어 사이에 설치된 캠(500)과 스프링(600)이 베인이 형성된 디퓨저를 축방향으로 움직여 운전 조건에 적합한 베인이 형성된 디퓨저가 유로내에 위치하도록 한다. 이때 베벨기어(400)와 캠(500), 스프링(600)의 작동거리는 베인이 형성된 디퓨저가 스팬길이 만큼 움직이도록 고정되어진다.

도 4의 캠과 스프링, 베인이 형성된 디퓨저 부분을 확대한 도 5에서 베인이 형성된 디퓨저(301,302)의 위치에 따른 캠(500)과 스프링(600)의 상태를 자세히 보여준다. 도 5에서는 윗층의 베인이 형성된 디퓨저(301)가 유로내에 위치하며 이때 스프링(600)의 길이는 상당히 회복되어 있는 상태이다. 이때 운전조건이 변화면, 베벨기어(400)의 작동에 의해 캠(500)이 반시계방향으로 회전하여 도 6에서와 같이 아래층 베인이 형성된 디퓨저(302)가 왼쪽으로 움직여 유로내에 위치하게 된다. 이때 베인이 형성된 디퓨저의 움직임으로 스프링(600)은 압축되어 있는 상태로 유지된다. 이 상태에서 다시 운전조건이 바뀌면 캠(500)은 시계방향으로 회전하게 되며 동시에 스프링(600)의 복원력에 의해 윗층 베인이 형성된 디퓨저(301)가 유로내에 위치하게 된다.
이때, 예를 들어 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)중 윗층의 베인이 형성된 디퓨저는 난방용 운전구간(도 5를 참조)이고, 아랫층의 베인이 형성된 디퓨저는 냉방용 운전 구간(도 6을 참조)으로 동작되어진다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기는 냉난방용 지열 히트 펌프 시스템에서의 냉난방 조건과 같이 상이한 두 운전조건을 베인이 형성된 디퓨저 입구에서 적절한 입사각을 유지하게 함으로써 두 운전조건 모두 높은 압축 효율성 및 넓은 운전영역을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

터보 압축기에 있어서 원주 방향으로 형성된 다수개의 블레이드를 가진 임펠러(100)와; 상기 임펠러(100)로부터의 가스 출구 방향으로 연장 형성된 베인이 없는 디퓨저(200)와; 상기 디퓨저(200)의 원주 방향에 형성되며, 2중으로 구성된 다수개의 베인이 형성된 디퓨저(301,302)와; 설정된 운전모드의 입력에 응답하여 미리 설정된 베인이 형성된 디퓨저(301,302)로 움직이게 하는 구동부(800)를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기.
제1항에 있어서,

상기 구동부(800)는 외부 구동부(550)와 상호 동력전달 가능하게 연결되고 상기 외부구동부(550)에 의하여 작동되는 베벨기어(400)와; 상기 베벨기어(400)가 작동되면 베벨기어 사이에 설치되되 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)를 설정된 운전모드위치로 위치하도록 작동하는 캠(500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기.
제2항에 있어서,

상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)의 일측에 위치하며, 타측에 위치하는 상기 캠(500)의 작동에 의하여 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)를 설정된 운전모드위치에 위치하도록 탄성지지 하는 스프링(600)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기.
2항에 있어서,

상기 외부구동부(550)는 한 축에 2개씩의 베벨기어(400)가 설치되고 상기 베벨기어(400)가 설치된 4개의 축에서 1개의 축은 운전조건을 결정하는 외부신호에 의하여 작동하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기.
1항에 있어서,

상기 블레이드는 에어포일형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 터보 압축기.
지열히트펌프 시스템에 있어서,

원주 방향으로 형성된 다수개의 블레이드를 가진 임펠러(100)와; 상기 임펠러(100)로부터의 가스 출구 방향으로 연장 형성된 베인이 없는 디퓨저(200)와; 상기 디퓨저(200)의 원주 방향에 형성되며, 2층으로 구성되되 지열용 히트펌프시스템의 냉방운전 혹은 난방운전에 의하여 선택되도록 이루어진 베인이 형성된 디퓨저(301,302); 설정된 냉방운전 혹은 난방운전모드의 입력에 응답하여 미리 설정된 베인이 형성된 디퓨저(301,302)로 움직이게 하는 구동부(800)를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 냉난방용 지열 히트 펌프 시스템.
제6항에 있어서,

상기 구동부(800)는 외부 구동부(550)와 상호 동력전달 가능하게 연결되고 상기 외부구동부(550)에 의하여 작동되는 베벨기어(400)와; 상기 베벨기어(400)가 작동되면 베벨기어 사이에 설치되되 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)를 설정된 운전모드위치로 위치하도록 작동하는 캠(500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 냉난방용 지열 히트 펌프 시스템.
제7항에 있어서,

상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)의 일측에 위치하며, 타측에 위치하는 상기 캠(500)의 작동에 의하여 상기 베인이 형성된 디퓨저(301,302)를 설정된 운전모드위치로 위치하도록 탄성지지 하는 스프링(600)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 냉난방용 지열 히트 펌프 시스템.
제7항에 있어서,

상기 외부구동부(550)는 한 축에 2개씩의 베벨기어(400)가 설치되고 상기 베벨기어(400)가 설치된 4개의 축에서 1개의 축은 운전조건을 결정하는 외부신호에 의하여 작동하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드용 베인이 형성된 디퓨저를 구비한 냉난방용 지열 히트 펌프 시스템.