KR101187890B1 - 가변 베인 모듈 및 이를 구비한 연료전지 공기 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 고온에서의 재료 특성에 따른 부품의 열변형을 감소시킬 수 있고, 동시에 열변형이 일어나는 경우에도 작동이 안정적으로 이루어질 수 있는 가변 베인 모듈을 제공하는 것이다. 또한, 이러한 가변 베인 모듈을 구비한 연료전지 공기 공급 장치를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 하우징; 상기 하우징에 회동 가능하게 설치된 복수 개의 가변 베인; 각각의 가변 베인이 일단에 결합된 복수 개의 베인 조절 레버; 상기 베인 조절 레버의 타단에 형성된 볼 수용 홈에 수용된 복수 개의 베어링 볼; 및 상기 하우징 내에서 회전 가능하게 설치되고, 상기 베어링 볼이 가이드 되는 홈이 형성된 베인 조절링을 포함하는 가변 베인 모듈을 제공하고, 이를 구비한 연료전지 공기 공급 장치를 제공한다.

Description

가변 베인 모듈 및 이를 구비한 연료전지 공기 공급 장치{Variable vane module and air supply apparatus for fuel cell having the same}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 공기 공급 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.

도 2는 도 1의 II 부분의 확대도.

도 3은 본 발명에 따른 가변 베인 모듈의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도.

도 4는 도 3에 도시된 가변 베인 모듈의 분해도.

도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 가변 베인 모듈에서 베인 조절 레버의 배치를 보여주는 도면.

도 6은 베인 조절 레버, 가변 베인 및 베어링 볼의 결합 관계를 보여주는 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

52: 임펠러 53: 압축기 스크롤

64: 터빈 휠 65: 터빈 스크롤

70: 가변 베인 모듈 71: 가변 베인

72: 베어링 볼 74: 회전축 결합부

75: 하우징1 76: 베인 조절링

77: 평판 베어링 78: 하우징2

79: 베인 조절 레버 121: 마그네틱 로터부

122: 스테이터 150, 152, 155: 유체의 흐름

200: 연료전지

본 발명은 안정적인 동작이 가능하고 가변 베인 모듈 및 이를 구비한 연료전지 공기 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구성이 간단하고 열변형이 적어서 안정적인 동작이 가능하고 효율이 향상된 가변 베인 모듈 및 이를 구비한 연료전지용 공기 공급 시스템에 관한 것이다.

가변 베인은 공기 압축기, 냉매 압축기, 터보 챠저(turbo charger), 연료전지 공기 공급 장치, 보조 동력 장치(Aauxiliary Power Unit: APU), 소형 엔진, 항공기용 엔진, 열차용 엔진, 선박용 엔진 등에 사용될 수 있는 것으로 터빈에 공급되는 고온의 유동의 유동량을 조절하는 기능을 한다.

종래의 가변 베인은 주로 볼 베어링, 로울러 베어링 등과 같은 일반적인 베어링과 저널 베어링을 결합하여 설계된 제품이 사용되었으며, 특히 터빈에서는 저온에서 작동 가능한 구조로 이루어져 왔다.

종래의 가변 베인은, 적절한 냉각 수단이 함께 배치되지 않아서 재료 특성에 따른 부품의 열변형으로 인해 고온에 노출된 상태로는 작동이 어려운 단점이 있었다. 또한 가변베인의 작동부들의 기구적 연결에서도 엔진 등의 작동시의 열에 의하여 상호 기구적인 열결이 원활하지 않은 문제점이 있다. 이에 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있는 가변 베인의 개발 필요성이 크게 대두되게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고온에서의 재료 특성에 따른 부품의 열변형을 감소시킬 수 있고, 동시에 열변형이 일어나는 경우에도 작동이 안정적으로 이루어질 수 있는 가변 베인 모듈을 제공하는 것이다. 또한, 이러한 가변 베인 모듈을 구비한 연료전지 공기 공급 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

하우징;

상기 하우징에 회동 가능하게 설치된 복수 개의 가변 베인;

각각의 가변 베인이 일단에 결합된 복수 개의 베인 조절 레버;

상기 베인 조절 레버의 타단에 형성된 볼 수용 홈에 수용된 복수 개의 베어링 볼; 및

상기 하우징 내에서 회전 가능하게 설치되고, 상기 베어링 볼이 가이드 되는 홈이 형성된 베인 조절링을 포함하는 가변 베인 모듈을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 하우징 내에 배치되어 상기 베인 조절링의 회전 마찰을 윤활하는 평판 베어링을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 본 발명의 목적은,

임펠러, 마그네틱 로터 및 터빈 휠이 동일 축상에 위치된 연료전지 공기 공급 장치에 있어서,

상기 터빈 휠로 고온의 기체 유동을 안내하는 가변 베인 모듈을 구비하고,

상기 가변 베인 모듈은,

하우징;

상기 하우징에 회동 가능하게 설치된 복수 개의 가변 베인;

각각의 가변 베인이 일단에 결합된 복수 개의 베인 조절 레버;

상기 베인 조절 레버의 타단에 형성된 볼 수용 홈에 수용된 복수 개의 베어링 볼; 및

상기 하우징 내에서 회전 가능하게 설치되고, 상기 베어링 볼이 가이드 되는 홈이 형성된 베인 조절링을 포함하는 연료전지 공기 공급 장치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 하우징 내에 배치되어 상기 베인 조절링의 회전 마찰을 윤활하는 평판 베어링을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 가변 베인 모듈은 상기 터빈 휠과 상기 임펠러의 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 가변 베인 모듈을 구비한 공기 공급 장치의 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II 부분의 확대도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 연료전지 공기 공급 장치는 마그네틱 로터(121), 스테이터(122), 압축기 및 터빈을 구비한다.

상기 마그네틱 로터(121)의 중심축은 상기 압축기 및 터빈의 회전축과 일체로 연결되어 있다. 상기 압축기의 회전축에는 임펠러(52)가 결합되어 있고, 상기 압축기는 상기 임펠러(52)의 회전에 의해 150번 및 152번으로 표시된 경로를 따라 외부로부터 공기를 흡입하고, 이를 압축하여 상기 연료전지(200)로 이송하는 기능을 한다. 일부 공기는 터빈 휠(64) 방향으로 이동하여 터빈이 과열되는 것을 막는 냉각 유체로 작용할 수 있고, 상기 임펠러(52)를 통과하는 유동은 상기 터빈의 가변 베인(71)의 하우징 후면을 지나면서 상기 터빈의 가변 베인(71)이 과열되는 것을 막는 냉각 유체로 기능할 수 있다.

상기 연료전지(200)는 상기 공기 공급 장치를 통해 이송 받은 공기와 수소를 반응시켜 전력을 생산하고, 이러한 반응의 부산물로 고온의 기체를 발생시킨다. 이 고온의 기체는 155번으로 도시된 경로를 따라 상기 터빈에 공급되어 상기 터빈휠(64)을 회전시키는 동력을 제공한다. 이렇게 구성됨으로써 상기 압축기의 임펠 러(52)를 회전시키는 동력의 일부를 연료전지(200)에서 생산된 고온의 기체로부터 일부 재생하여 활용할 수 있다. 또한, 터빈의 효율 향상을 위하여 상기 연료전지(200)에서 나온 고온의 기체를 가열하는 연소실(미도시)이 상기 연료전지(200)와 상기 터빈의 사이에 더 배치될 수 있다.

상기 터빈에서는 고온의 기체를 터빈 휠(64)에 분사하여 터빈 휠(64)을 회전시킴으로써 연소가스의 유체 에너지를 기계적 에너지인 회전력으로 변환한다. 상기 터빈 휠(64)이 회전함에 따라 상기 터빈 휠(64)의 회전축에 일체로 결합된 발전부의 마그네틱 로터(121)가 회전한다. 상기 마그네틱 로터부(121)는 발전부에 설치되는 스테이터(122)에 의해 자기장이 형성된 상태에서 회전하게 된다. 이에 따라 상기 마그네틱 로터(121)는 상기 스테이터(122)에 의해 형성된 자기장을 변화시키면서 전류를 발생시켜 발전기로서의 기능을 하도록 한다.

압축기의 임펠러(52)와 압축기 디퓨저를 거쳐 압축기 스크롤(53)로 진행하는 상온의 유체가 상기 가변 베인 모듈의 후면을 지나감으로써 상기 가변 베인(71) 및 그 부근에 배치된 부품들을 냉각시켜주는 기능을 한다. 이에 따라 고온의 유체에 의해 열변형이 심하게 일어나기 쉬운 가변 베인(71)에서의 베인조절기구들의 열변형을 감소시켜 작동관계가 원활하게 해 줄 수 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 가변 베인 모듈의 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에 도시된 가변 베인 모듈의 분해도가 도시되어 있으며, 도 5에는 가변 베인과 베인 조절 레버의 구성을 보다 상세히 보여주는 도면이 도시되어 있다. 또한, 도 6에는 가변 베인, 베인 조절 레버 및 베어링 볼의 결합 관계를 보다 상세히 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도면에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 가변 베인 모듈(70)은 하우징1(78), 평판 베어링(77), 베인 조절링(76), 하우징2(75), 복수 개의 가변 베인(71) 및 상기 가변 베인(71)의 개수에 대응하는 개수의 베인 조절 레버(79)를 구비한다. 상기 하우징1(78), 상기 평판 베어링(77), 상기 베인 조절링(76), 상기 하우징2(75)는 순차적으로 결합되고, 상기 가변 베인(71)은 그 회전축이 상기 하우징2(75)의 외측에서 상기 하우징2(75)에 형성된 관통홀을 통해 삽입된다. 상기 베인 조절 레버(79)는 상기 하우징2(75)의 내측에 위치하고, 상기 관통홀을 통해 하우징2(75)의 내측으로 돌출된 상기 가변 베인(71)의 회전축에 고정된다. 상기 베인 조절 레버(79)의 일단에는 상기 가변 베인(71)의 회전축이 회동 결합구(74)에 의해 결합되고, 타단에는 베어링 볼(72)이 수용된다. 상기 베어링 볼(72)은 상기 베인 조절링(76)에 형성된 볼 수용 홈(76a)에 수용된다.

본 발명에 따른 가변 베인 모듈(70)에서는 상기 베인 조절링(76)을 소정 각도 회전시킴에 따라 상기 가변 베인(71)들의 각도가 조절된다. 상기 베인 조절링(76)의 회전은 각도가 크지 않기 때문에 유압 실린더를 이용하여도 조절이 가능하다. 특히, 베어링 볼(72)이 상기 베인 조절 레버(79)의 단부에 수용된 상태로 상기 베인 조절링(76)의 볼 수용 홈(76a)에 동시에 수용되어 상기 볼 수용 홈(76a)을 따라 가이드 되어 상기 베인 조절링(76)을 소정 각도 회전시킬 때의 움직임이 매우 부드럽게 이루어질 수 있다. 따라서 압축 및 연소가 진행됨에 따라 고온이 조절링 및 조절레버들에 전달이 되면서 열적변형이 발생하는 경우에도 상기 베어링 볼이 각각 접하는 볼 수용홈 내에서 유동적으로 움직임으로 열변형에 의한 작동불량이 최소화 되어 진다.

이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 가변 베인 모듈은 가변 베인을 구성하는 가변 구조물 부품의 수가 작아서 고온에 따라 작동 성능이 크게 저하되는 현상을 피할 수 있다. 또한, 도 1에 잘 도시된 것과 같이 압축기의 임펠러와 터빈 휠의 사이에 가변 베인 모듈이 배치됨으로써, 압축기 임펠러를 통과하는 상온의 유동에 의해 가변 베인이 냉각될 수 있는 구성을 가지고 있다.

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

Claims (5)

1. 하우징(75,78);

   상기 하우징에 회동 가능하게 설치된 복수 개의 가변 베인(71);

   각각의 가변 베인(71)이 일단에 결합된 복수 개의 베인 조절 레버(79);

   상기 베인 조절 레버(79)의 타단에 형성된 홈에 수용된 복수 개의 베어링 볼(72);

   상기 하우징(75,78) 내에서 회전 가능하게 설치되고, 상기 베어링 볼(72)이 가이드 되는 볼 수용 홈이 형성된 베인 조절링(76); 및

   상기 하우징(75,78) 내에 배치되어 상기 베인 조절링(76)의 회전 마찰을 윤활하는 평판 베어링(77)을 포함하는 가변 베인 모듈.
2. 삭제
3. 압축기 임펠러(52), 마그네틱 로터부(121) 및 터빈 휠(64)이 동일 축상에 위치된 연료전지 공기 공급 장치에 있어서,

   상기 터빈 휠(64)로 고온의 기체 유동을 안내하는 가변 베인 모듈(70)을 구비하고,

   상기 가변 베인 모듈(70)은,

   하우징(75,78);

   상기 하우징에 회동 가능하게 설치된 복수 개의 가변 베인(71);

   각각의 가변 베인(71)이 일단에 결합된 복수 개의 베인 조절 레버(79);

   상기 베인 조절 레버(79)의 타단에 형성된 홈에 수용된 복수 개의 베어링 볼(72);

   상기 하우징(75,78) 내에서 회전 가능하게 설치되고, 상기 베어링 볼(72)이 가이드 되는 볼 수용 홈이 형성된 베인 조절링(76); 및

   상기 하우징(75,78) 내에 배치되어 상기 베인 조절링(76)의 회전 마찰을 윤활하는 평판 베어링(77)을 포함하는 연료전지 공기 공급 장치.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,

   가변 베인 모듈(70)은 상기 터빈 휠(64)과 상기 임펠러(52)의 사이에 위치하는 연료전지 공기 공급 장치.

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