KR102333286B1 - 유체 베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프로써, 보다 상세하게 대기로부터 밀봉된 저온부와 상기 저온부의 상부에 구비되는 상온부를 포함하고, 상기 상온부는, 내부가 중공형으로 마련되는 원통 형상의 몸체부와 상기 몸체부의 내부 중심부에 결합되어 동력을 발생시키는 모터와 상기 모터의 중심축을 관통하여 상하방향으로 길게 형성되는 모터축을 포함하며, 상기 저온부는, 내부에 빈 공간이 형성되는 원통 형상의 하우징과 상기 하우징의 상방으로부터 상기 하우징의 중심부를 관통하여 결합되는 베어링 하우징과 상기 베어링 하우징의 내부중심부에 상하방향으로 형성되고, 상기 모터축의 적어도 일부가 삽입되어 상기 모터로부터 발생되는 동력에 의해 회전하는 회전축과 상기 하우징의 하단중심부를 통해 상기 베어링 하우징과 결합되고 상기 회전축과 연결되어 상기 하우징 내부의 유체에 회전력을 전달할 수 있도록, 상기 회전축과 연결된 중심부를 기준으로 방사상으로 다수개의 날개가 형성되고 상기 하우징의 하방에 설치되는 임펠러와 상기 베어링 하우징과 회전축 사이에 구비되는 유체 베어링을 포함하고, 상기 회전축의 회전 시, 상기 회전축의 외주면과 상기 유체 베어링의 내주면 사이에 형성되는 유체막으로 인하여 상기 회전축이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지됨으로써, 상기 저온부의 발열량이 감소하게 되는 것을 특징으로 한다.

Description

유체 베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프{The pump for the cryogenic fluid circulation with the fluid bearing}

본 발명은 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프로써 더욱 자세하게는, 대기로부터 밀봉된 저온부 및 노출된 상온부로 구성되되, 저온부에 최적화된 비접촉식 유체 베어링을 적용하여, 기계적 접촉에 의해 발생하는 발열량을 감소시켜 극저온 냉매 펌프의 성능을 높이고, 부품 간의 마모를 저감하여 내구성을 향상시킨 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 유체라 함은 온도범위를 명확하게 규정하고 있지 않지만은 통상적인 액화 천연 가스(LNG)나 액체의 헬륨, 수소, 네온, 아르곤, 질소, 메탄, 산소 등과 같이 약 영하 183℃ 이하의 온도를 유지하는 유체를 말하는 것으로, 이러한 극저온 유체를 순환시켜 이송하고자 하는 목적으로 사용되는 펌프는 극저온 유체의 특성상 순환시키는 과정에서 기화 등과 같은 손실을 최소화하면서 순환시켜야 하는 조건을 구비해야 한다.

통상적으로 사용되는 유체 순환용 펌프는 상온의 온도조건에서 사용되는 것으로서, 극저온 유체에 사용하기에는 부적합하여 사용하지 못하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래의 기술을 살펴보면, 한국등록특허공보 제10-1441875호에는 극저온 냉매 펌프에 관한 기술이 공개된 바 있다.

그러나, 종래의 기술은 펌프 내에 위치하는 임펠러 축이 펌프 하우징과 일반 베어링에 의한 지지방식으로 제작되어 극저온 환경에서 장시간 동작 시, 마찰에 의한 고장이 자주 발생하게 되어 내구성이 저하되며 수명이 감소하는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 기술은 펌프가 고장나면 초전도 회전기기 자체의 동작이 불가능하여 수리 후 재가동해야 함으로써, 유지보수 및 운전비용이 증가하여, 작업의 효율성이 저하되는 문제점이 있었다.

한국등록특허공보 제10-1441875호(2014.09.19)

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 대기로부터 밀봉된 저온부 및 노출된 상온부로 구성되되, 저온부에 최적화된 비접촉식 유체 베어링을 적용하여, 기계적 접촉에 의해 발생하는 발열량을 감소시켜 극저온 냉매 펌프의 성능을 높이고, 부품 간의 마모를 저감하여 내구성을 향상시키고, 수명을 증가시킬 수 있는 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프에 있어서, 대기로부터 밀봉된 저온부와 상기 저온부의 상부에 구비되는 상온부를 포함하고, 상기 상온부는, 내부가 중공형으로 마련되는 원통 형상의 몸체부와 상기 몸체부의 내부 중심부에 결합되어 동력을 발생시키는 모터와 상기 모터의 중심축을 관통하여 상하방향으로 길게 형성되는 모터축을 포함하며, 상기 저온부는, 내부에 빈 공간이 형성되는 원통 형상의 하우징과 상기 하우징의 상방으로부터 상기 하우징의 중심부를 관통하여 결합되는 베어링 하우징과 상기 베어링 하우징의 내부중심부에 상하방향으로 형성되고, 상기 모터축의 적어도 일부가 삽입되어 상기 모터로부터 발생되는 동력에 의해 회전하는 회전축과 상기 하우징의 하단중심부를 통해 상기 베어링 하우징과 결합되고 상기 회전축과 연결되어 상기 하우징 내부의 유체에 회전력을 전달할 수 있도록, 상기 회전축과 연결된 중심부를 기준으로 방사상으로 다수개의 날개가 형성되고 상기 하우징의 하방에 설치되는 임펠러와 상기 베어링 하우징과 회전축 사이에 구비되는 유체 베어링을 포함하고, 상기 회전축의 회전 시, 상기 회전축의 외주면과 상기 유체 베어링의 내주면 사이에 형성되는 유체막으로 인하여 상기 회전축이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지됨으로써, 상기 저온부의 발열량이 감소하게 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 유체 베어링은, 상기 회전축의 중앙부에 구비되는 기체 베어링과 상기 회전축의 하측에 구비되는 액체 베어링을 포함하고, 상기 액체 베어링은, 상기 임펠러에 의해 유입된 유체상태의 냉매를 바탕으로 액체막을 형성하여, 상기 회전축이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지하고, 상기 기체 베어링은, 상기 임펠러가 극저온의 냉매에 노출되고 상기 모터가 상온의 공기에 노출되어 발생되는 온도구배에 의해 기화된 기체상태의 냉매를 바탕으로 기체막을 형성하여, 상기 회전축이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 액체 베어링은, 상기 액체 베어링의 내주면에 구비되고, 상기 액체 베어링의 회전축을 중심으로 방사형으로 배열되는 복수개의 그루브홈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 기체 베어링 및 액체 베어링과 상기 회전축 사이에는, 각각 기설정된 간격만큼의 간극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 베어링 하우징은, 상기 베어링 하우징과 상기 기체 베어링 사이에 구비되는 범퍼시트를 포함하고, 상기 범퍼시트는, 상기 모터의 회전시작 및 정지에 따라, 상기 베어링 하우징의 내주면과 상기 기체 베어링의 외주면이 접촉되어 손상이 발생하는 것을 최소화하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프는 대기로부터 밀봉된 저온부 및 노출된 상온부로 구성되되, 저온부에 최적화된 비접촉식 유체 베어링을 적용하여, 기계적 접촉에 의해 발생하는 발열량을 감소시켜 극저온 냉매 펌프의 성능을 높이고, 부품 간의 마모를 저감하여 내구성을 향상시키고, 수명을 증가시킬 수 있는 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프를 제공하는데 그 효과가 있다.

보다 상세하게, 본 발명의 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프는 저온부의 하측영역인 액체 냉매 영역에는 액체 베어링을 적용하여 지지하고, 저온부의 중앙 및 상측영역인 기체부분에는 기체 베어링을 적용하여 지지함으로써, 모터축, 회전축 및 임펠러축을 따라 발생하는 온도구배에 대응하여 극저온 냉매 펌프의 작동이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는데 그 효과가 있다.

또한, 본 발명의 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프는 회전축의 외주면에 이격되게 설치되는 유체 베어링 각각의 간극만 조절하여 냉각 및 윤활이 용이하게 수행될 수 있도록 함으로써, 구성이 단순하며 비접촉식이므로 반영구적으로 유체 베어링의 운용이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프는 베어링 하우징의 내주면과 기체 베어링의 외주면이 접촉되어 손상이 발생하거나 기체 베어링과 회전축이 간섭되어 손상되는 것을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명의 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 기체 베어링을 나타낸 사시도이고, 도 3의 (b)는 액체 베어링을 나타낸 사시도 이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 베어링 하우징의 상부를 나타낸 사시도이고, 도 4의 (b)는 베어링 하우징의 하부를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 베어링 하우징 내부의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 간극 설계과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 저온부 및 상온부가 자기 커플링부를 기준으로 분리된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 저온부 및 상온부가 자기 커플링부를 기준으로 분리된 상태를 나타낸 단면도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프에 있어서, 대기로부터 밀봉된 저온부(200)와, 상기 저온부(200)의 상부에 구비되는 상온부(100)를 포함하고, 상기 상온부(100)는 내부가 중공형으로 마련되는 원통 형상의 몸체부(110)와, 상기 몸체부(110)의 내부 중심부에 결합되어 동력을 발생시키는 모터(120)와, 상기 모터(120)의 중심축을 관통하여 상하방향으로 길게 형성되는 모터축(130)을 포함하며, 상기 저온부(200)는, 내부에 빈 공간이 형성되는 원통 형상의 하우징(210)과, 상기 하우징(210)의 상방으로부터 상기 하우징(210)의 중심부를 관통하여 결합되는 베어링 하우징(220)과, 상기 베어링 하우징(220)의 내부중심부에 상하방향으로 형성되고, 상기 모터축(130)의 적어도 일부가 삽입되어 상기 모터(120)로부터 발생되는 동력에 의해 회전하는 회전축(230)과, 상기 하우징(210)의 하단중심부를 통해 상기 베어링 하우징(220)과 결합되고 상기 회전축(230)과 연결되어 상기 하우징(210) 내부의 유체에 회전력을 전달할 수 있도록, 상기 회전축(230)과 연결된 중심부를 기준으로 방사상으로 다수개의 날개가 형성되고 상기 하우징(210)의 하방에 설치되는 임펠러(260)와, 상기 베어링 하우징(220)과 회전축(230) 사이에 구비되는 유체 베어링(280)을 포함하고, 상기 회전축(230)의 회전 시, 상기 회전축(230)의 외주면과 상기 유체 베어링(280)의 내주면 사이에 형성되는 유체막으로 인하여 상기 회전축(230)이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지됨으로써, 상기 저온부(200)의 발열량이 감소한다.

먼저, 상기 상온부(100)가 마련된다. 상기 상온부(100)는 중공형태로 마련되는 원통 형상의 몸체부(110)와, 상기 몸체부(110)의 내부에 결합되어 동력을 발생시키는 모터(120)와, 상기 모터(120)의 중심축을 관통하여 상하방향으로 길게 형성되는 모터축(130)과, 상기 모터축(130)을 기설정된 위치에 고정시키고, 상기 모터축(130)의 자중과 상기 모터(120)에 의해 상기 모터축(130)이 회전하는 회전축에 부가되는 하중을 지지하면서, 상기 모터축(130)이 원활하게 회전될 수 있도록 상기 모터축(130)의 중심부를 기준으로, 상기 모터축(130)의 상측과 하측에 결합되는 상온 베어링(140)을 포함한다.

일례로, 상기 상온 베어링(140)은 볼 베어링 및 자기 베어링 등을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 상온 베어링(140)은 앵귤러 컨택 볼베어링 (angular contact ball bearing)을 적용하여 지지력과 축력을 동시에 버티며 운용할 수도 있다. 따라서, 상기 상온부(100)의 상기 모터축(130)은, 상기 모터축(130)의 중심부를 기준으로 상부와 하부, 두 지점에서 상기 상온 베어링(140)에 의해 지지되어 안정적으로 회전할 수 있다. 또한, 상기 몸체부(110)는 상기 모터(120)를 냉각시키는 냉각핀으로의 역할을 수행할 수 있다.

다음으로, 상기 저온부(200)가 마련된다. 상기 저온부(200)는, 내부에 대기로부터 밀봉된 공간이 형성될 수 있도록 원통 형상의 하우징(210), 상기 하우징(210)의 상방으로부터 상기 하우징(210)의 중심부를 관통하여 결합되는 베어링 하우징(220), 상기 하우징(210)의 내부에서 상기 베어링 하우징(220)이 차지하고 남은 공간으로 형성되는 고압챔버(211), 상기 베어링 하우징(220)의 내부중심부에 상하방향으로 형성되어 상기 모터(120)로부터 발생되는 회전력을 상기 자기 커플링부(300)를 통해 전달 받아 회전하며, 상기 모터축(130)으로부터 직접 전달되는 전도열을 저감하여 열차폐 효과의 증대를 위해 일부 또는 전체가 중공형태로 마련되는 회전축(230), 상기 베어링 하우징(220)의 내부에 설치되고, 상기 회전축(230)의 단부에 결합되어, 상기 회전축(230)의 자중과 회전축에 걸리는 하중을 지지하여 상기 회전축(230)이 안정적으로 원활하게 회전될 수 있도록 마련되는 극저온 베어링(240), 상기 하우징(210)의 하단중심부를 통해 상기 베어링 하우징(220)과 결합되고 상기 회전축(230)과 연결되어 상기 하우징(210) 내부의 유체에 회전력을 전달할 수 있도록, 상기 회전축(230)과 연결된 중심부를 기준으로 방사상으로 다수개의 날개가 형성되고 상기 하우징(210)의 하방에 설치되는 임펠러(260) 및 상기 하우징(210)의 상하방향을 기준으로 상기 임펠러(260)와 층을 달리하여 상기 임펠러(260)의 주위에 설치되고, 상기 임펠러(260)에 의해 발생된 유체의 유속을 감소시켜 정압력을 증가시키는 디퓨져(270)를 포함한다.

보다 상세히, 상기 베어링 하우징(220)은, 상부의 너비가 상기 저온부(200)의 너비보다 큰 원판형태로 형성되고, 상기 베어링 하우징(220) 상부의 저면 중심부로부터 일부가 원기둥 형상으로 돌출되어 형성된다. 또한, 상기 베어링 하우징(220)의 내부는 중공형태로 마련되어, 상기 회전축(230) 및 극저온 베어링(240)을 포함한 다양한 구성들이 설치될 수 있다. 이때, 상기 베어링 하우징(220)은 상기 유체 베어링(280)이 설치될 수 있도록 설치부 역할을 하며, 상기 베어링 하우징(220)의 내부에 구비되는 배플(baffle)(도면 미도시)을 통해서 상기 회전축(230)의 상단과 하단의 온도구배를 크게 하는 역할을 한다.

또한, 상기 고압챔버(211)는, 상기 저온부(200)의 좌우방향으로 길게 놓이는 가상의 선을 기준으로, 단면이 대략 도넛 형태인 공간으로 형성된다. 즉, 상기 고압챔버(211)는, 상기 하우징(210)에 결합된 상기 베어링 하우징(220)의 외주면을 따라 형성되는 공간으로 마련된다.

또한, 상기 극저온 베어링(240)은, 상기 회전축(230)의 상측에 구비되며, 레이디얼 베어링 및 스러스트 베어링 등과 같이 상기 회전축(230)을 고정시켜 상기 회전축(230)이 안정적으로 회전될 수 있도록 하고, 상기 회전축(230)이 회전하는 과정에서, 상기 회전축(230)의 축방향으로 작용하는 하중을 지지할 수 있는 것이라면 어떠한 형태로든 형성될 수 있다.

일례로, 상기 극저온 베어링(240)은 상기 회전축(230)이 안정적으로 회전할 수 있도록 고정시키고, 상기 회전축(230)이 회전하는 과정에서, 상기 회전축(230)의 축방향으로 작용하는 하중을 함께 지지할 수 있도록 컴바인드 베어링 또는, 앵귤러 콘택트 볼베어링을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 극저온 베어링(240)은, 볼 베어링을 사용하여 장시간 사용할 경우, 상기 회전축(230)이 회전함에 따라, 마모되거나 상기 회전축(230)의 하중을 버티지 못하고 파손될 수 있다. 이를 보완하기 위해, 상기 극저온 베어링(240)은, 볼 베어링 또는 자기 베어링 등을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 극저온 냉매 펌프는 베어링의 수명이 연장되어 내구성이 향상되는 효과가 있는 것이다.

또한, 본 발명의 상기 저온부(200)는, 상기 베어링 하우징(220)의 외주면을 따라 상기 하우징(210)의 내부에 설치되며 상기 하우징(210)의 상하방향을 기준으로 상기 고압챔버(211)를 다수개의 공간으로 분할하는 원심핀(250)을 포함한다.

보다 상세히, 상기 원심핀(250)은, 중심부에 홈이 형성되고 도넛 형상의 얇은 판상체로 형성된다. 또한, 상기 원심핀(250)은, 상기 베어링 하우징(220)과 접하는 중심부를 기준으로, 외곽은 상기 하우징(210)과 이격되어 유체가 통과할 수 있도록 결합된다. 즉, 하우징(210)의 내부에는 상기 원심핀(250)이 상기 저온부(200)의 상하방향을 기준으로, 높이를 달리하여 결합되는 것이다. 다른 한편으로는, 상기 원심핀(250)은, 상기 하우징(210)에 상기 베어링 하우징(220)이 결합하는 과정에서, 상기 베어링 하우징(220)을 가이드하는 구성으로 볼 수도 있다.

그리고, 상기 고압챔버(211)는, 상기 원심핀(250)에 의하여 상하방향으로 다수개의 공간으로 분리될 수 있다. 따라서, 상기 저온부(200)는, 상기 원심핀(250)의 방열을 이용하여 상기 고압챔버(211)를 상하방향으로 온도구배를 형성하여, 상기 저온부(200)의 하부가 상부보다 극저온 상태를 용이하게 유지하는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 상하방향으로 다수 개의 층으로 분리된 상기 고압챔버(211)에 의하여, 상기 저온부(200)의 유체를 액체와 기체 층으로 각각 분리하여 공동현상을 용이하게 방지하는 효과가 있다.

한편, 본 발명의 상기 저온부(200)는, 상기 임펠러(260) 및 디퓨져(270)의 외주면을 감싸서 원심방향의 유동을 최소한의 손실로 직선방향으로 유도하는 볼루트(도면 미도시) 및 상기 임펠러(260)의 일측에 연장 마련되는 인듀서(도면 미도시)를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 인듀서에 의하여 상기 저온부(200)에 발생할 수도 있는 공동현상을 효과적으로 방지할 수 있을 것이다.

그리고, 본 발명과 같이 상기 디퓨져(270)가 상기 볼루트의 역할을 포함하여, 상기 임펠러(260)와 상기 디퓨져(270)를 포함하여 구성되는 Partial emission형태의 펌프 외에 상기 임펠러(260)와 상기 디퓨져(270) 외에 상기 볼루트를 추가로 포함하여 구비하는 Full emission형태의 펌프에도 적용할 수 있을 것이다. 또한, 상기 임펠러(260)는 회전축인 임펠러축(261)을 포함하고, 상기 임펠러축(261)은 상기 회전축(230)에 삽입되는 방식으로 체결되어, 상기 회전축(230)의 회전에 따라 상기 임펠러축(261)이 회전하여 상기 임펠러(260)가 회전하도록 할 수 있다.

다음으로, 상기 베어링 하우징(220)과 회전축(230) 사이에 구비되는 상기 유체 베어링(280)이 마련된다. 상기 유체 베어링(280)은 상기 회전축(230)의 회전 시, 상기 회전축(230)의 외주면과 상기 유체 베어링(280)의 내주면 사이에 형성되는 유체막으로 인하여 상기 회전축(230)이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지됨으로써, 상기 저온부(200)의 발열량이 감소되도록 한다.

보다 상세하게, 도 2를 참조하면, 상기 유체 베어링(280)은, 상기 회전축(230)의 중앙부에 구비되는 기체 베어링(281)과 상기 회전축(230)의 하측에 구비되는 액체 베어링(282)을 포함하고, 상기 액체 베어링(282)은, 상기 임펠러(260)에 의해 유입된 유체상태의 냉매를 바탕으로 액체막을 형성하여, 상기 회전축(230)이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지하고, 상기 기체 베어링(281)은, 상기 임펠러(260)가 극저온의 냉매에 노출되고 상기 모터(120)가 상온의 공기에 노출되어 발생되는 온도구배에 의해 기화된 기체상태의 냉매를 바탕으로 기체막을 형성하여, 상기 회전축(230)이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지한다. 이때, 상기 냉매는 극저온 상태이며, 액화 수소, 액화 질소 및 액화 산소 등일 수 있다.

한편, 본 발명과 같이 극저온 냉매 순환펌프는 주로 수직으로 설치되고, 상기 임펠러(260)의 부분 및 상기 회전축(230)의 하부는 액체 냉매 영역(227)으로, 액체상태의 냉매가 채워져 있으며, 축을 따라 상방으로 갈수록 유입되는 열침입에 의해 액체 냉매가 기화되어 기체상체의 냉매로 채워져 있다. 따라서, 상기 저온부(200)의 하측영역인 상기 액체 냉매 영역(227)에는 상기 액체 베어링(282)을 적용하여 지지하고, 상기 액체 베어링(282)은 저널 베어링(Fluid journal bearing)일 수 있다. 또한, 상기 저온부(200)의 중앙 및 상측영역인 기체부분에는 상기 기체 베어링(281)을 적용하여 지지하고, 상기 기체 베어링(281)은 가스포일 저널베어링(gas foil journal bearing)을 적용할 수 있다. 또한, 작동유체(냉매), 축의 길이(회전축의 길이), 작동환경(온도, 습도 등) 등에 따라 액체를 활용하여 축을 지지하는 액체 저널 베어링 또는 기체를 활용하여 축을 지지하는 가스포일 저널 베어링이 단독으로 적용될 수도 있다. 즉, 상기 모터(120)는 상온에 노출되어 있으며, 상기 임펠러(260)는 극저온 환경에 노출되어 있으므로, 상기 모터축(130), 회전축(230) 및 임펠러축(261)을 따라 온도구배가 발생한다. 상기 온도구배에 의해 상기 극저온 냉매가 기화온도 이상이 되면 상기 임펠러(260)의 상단으로 향할수록 냉매는 점차적으로 포화기체가 된다. 따라서, 상기 회전축(230)의 하부 및 상기 임펠러축(261)은 극저온의 액체 상태의 냉매에 노출되는 상태로, SUS304 또는 SIS316 등의 오스테나이트계 스테일리스강 소재로 제작될 수 있다. 또한, 상기 액체 베어링(282)은 역시 극저온의 액체 상태의 냉매에 노출되는 상태로, AL6061-T6 등의 알루미늄 소재로 제작될 수 있다.

그리고, 도 3의 (a)를 참조하면, 상기 기체 베어링(281)은 링 형상으로 내부에 빈 공간이 형성되어, 상기 회전축(230)이 삽입된다. 또한, 상기 기체 베어링(281)의 일측에는 틈이 형성되어 상기 기체 베어링(281)의 온도차에 의한 부피의 변화에 대응할 수 있도록 한다. 또한, 상기 기체 베어링(281)은 상기 기체 베어링(281)의 틈 인근에 상기 기체 베어링(281)의 외부방향으로 수직으로 돌출되어 형성되는 돌출부(283)를 포함한다. 이때, 상기 돌출부(283)는 후술할 슬릿(221)에 삽입되는 방식으로, 상기 기체 베어링(281)이 상기 베어링 하우징(220)에 체결될 수 있도록 한다.

한편, 도 4의 (a)를 참조하면, 상기 베어링 하우징(220)은 내부에 중공이 형성되는 도넛 형상으로 형성되는 원판부(226)가 연속적으로 적층되어 형성된다. 이때, 상기 베어링 하우징(220)의 내주면에는 상기 베어링 하우징(220)의 중앙부에서부터 상부방향으로 연장되어 형성되는 슬릿(221)이 마련된다. 즉, 상기 슬릿(221)은 상기 베어링 하우징(220)의 길이방향을 따라 길게 형성되며, 상기 돌출부(283)와 대응되는 형상으로 형성된다. 따라서, 상기 돌출부(283)가 상기 슬릿(221)에 삽입되는 방식으로, 상기 기체 베어링(281)이 상기 베어링 하우징(220)에 체결되는 것이다. 이때, 상기 베어링 하우징(220)의 중공은 상기 기체 베어링(281)의 직경보다 더 크게 형성될 수 있다.

또한, 도 3의 (b)를 참조하면, 상기 액체 베어링(282)은, 상기 액체 베어링(282)의 내주면에 구비되고, 상기 액체 베어링(282)의 회전축을 중심으로 방사형으로 배열되는 복수개의 그루브홈(284)을 포함한다. 보다 상세하게, 상기 복수개의 그루브홈(284)은 상기 액체 베어링(282)의 중심축을 기준으로 방사형으로 배열된다. 이때, 상기 그루브홈(284)은 인접한 그루브홈(284)과 상기 액체 베어링(282)의 중심축을 기준으로 90도 내지 120도 간격으로 이격되어 형성된다. 이때, 상기 그루브홈(284)이 인접한 그루브홈(284)과 상기 액체 베어링(282)의 중심축을 기준으로 120도를 초과하는 간격으로 형성되면, 상기 액체 베어링(282)의 냉각 성능 및 윤활 성능이 감소하여 상기 액체 베어링(282)의 수명이 감소하게 되는 문제점이 있다. 또한, 상기 그루브홈(284)이 인접한 그루브홈(284)과 상기 액체 베어링(282)의 중심축을 기준으로 90도 미만인 간격으로 형성되면, 상기 그루브홈(284)을 제작하는데 소요되는 시간 및 비용이 증가하게 되는 문제점과 상기 액체 베어링(282)의 구조적 강성이 감소하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 그루브홈(284)은 인접한 그루브홈(284)과 상기 액체 베어링(282)의 중심축을 기준으로 120도 간격으로 이격되어 형성되는 것이다.

한편, 도 4의 (b)를 참조하면, 상기 베어링 하우징(220)은 상기 베어링 하우징(220)의 하측에 단차지게 내입되어 형성되고, 상기 액체 베어링(282)이 안착될 수 있는 공간을 마련하는 안착홈(222)을 포함한다. 즉, 상기 안착홈(222)은 상기 임펠러축(261)과 베어링 하우징(220) 사이에 공간을 마련하여, 상기 액체 베어링(282)이 상기 회전축(230)의 회전에 따라 회전될 수 있도록 한다.

또한, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 기체 베어링(281) 및 액체 베어링(282)과 상기 회전축(230) 사이에는, 각각 기설정된 간격만큼의 간극(285)이 형성된다. 여기서, 본 발명의 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프의 설계방법에 대해 설명한다. 즉, 상기 기체 베어링(281) 및 액체 베어링(282)과 상기 회전축(230) 사이의 상기 간극(285)은 후술할 [수학식 1]과 같이 좀머펠트 넘버를 통해 설계될 수 있다.

[수학식 1]

이때, [수학식 1]의 S는 좀머펠트 수(Sommerfeld Number, dimensionless), r은 상기 회전축(230)의 직경(shaft radius, m), c는 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)과 상기 회전축(230) 사이의 레디얼 간극(285)(radial clearance, m),

는 점성계수(absolute viscosity of the lubricant, pascal’s),

는 상기 회전축(230)의 각속도(angular velocity of the shaft, rev/s), L은 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 길이방향의 길이(bearing length, m), D는 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 직경(bearing diameter, m), W는 작용 하중 또는 축무게(applied load, N)이다.

따라서, 상기 임펠러(260)의 크기나 작동 회전속도에 따라 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 직경 D 및 상기 회전축(230)의 각속도

를 설정한다. 이후, 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 종횡비를 L/D =1.0 로 설정하여 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 길이 L을 설정한다. 그리고, 상기 냉매의 종류 및 작동조건(온도, 압력)에 따라 점성계수(μ)를 고려하여 설정하고, 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 길이(L), 직경(D) 및 상기 회전축(230)의 무게(W)가 정해지면, 그에 따른 축경대비 간극(285)(c)을 상기 [수학식 1]을 이용하여 설정한다. 이후, 설정된 상기 간극(285)이 가공 가능한 범위 내인지를 판단한다. 일례로, 가공오차 0.01mm 수준을 기준으로 한다. 이때, 상기 간극(285)이 가공 불가능한 경우, 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 종횡비를 L/D를 재차 설정하여 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 길이 L을 설정한다. 또한, 상기 간극(285)이 가공 가능한 경우, 상기 회전축(230)의 흔들림 정도가 허용범위 이내인지를 판단한다. 일례로, 상기 허용범위는 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 이동량과 대비하여, 상기 베어링 하우징(220)의 바닥면과 상기 임펠러(260) 사이의 설계 간극 길이에 60% 내지 80% 수준으로 한다. 이때, 상기 회전축(230)의 흔들림 정도가 허용범위를 벗어나는 경우, 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 종횡비를 L/D를 재차 설정하여 상기 기체 베어링(281) 또는 액체 베어링(282)의 길이 L을 설정한다. 또한, 상기 회전축(230)의 흔들림 정도가 허용범위 내인 경우, 상기 간극(285)의 설계를 종료한다.

일례로, 상기 임펠러(260)의 직경은 90mm 내지 110mm이고, 상기 회전축(230)의 직경은 30mm 내지 50mm이며, 상기 회전축(230)의 각속도

는 8000rpm 내지 10000rpm이고, 상기 회전축(230)의 무게 W는 9kg 내지 11kg이며, 상기 유체 베어링(280)의 직경은 30.04mm 내지 50.40mm이고, 상기 냉매는 LN2(액화 질소)이며, 작동 온도는 -196도일 수 있다.

이때, 상기 간극(285)은, 상기 회전축(230)의 직경에 0.001배 내지 0.01배로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 간극(285)이 상기 회전축(230)의 직경에 0.001배 미만으로 형성되는 경우, 상기 간극(285)을 형성하기 용이하지 않고, 상기 회전축(230)과 유체 베어링(280)이 접촉되어 상기 회전축(230) 및 유체 베어링(280)에 손상이 발생하여 수명이 감소하게 되는 문제점과 상기 간극(285) 사이에 발열량이 급속도로 증가하게 되어 상기 회전축(230)의 변형 또는 열손실의 증가에 따른 수명감소의 문제점이 있다. 또한, 상기 간극(285)이 상기 회전축(230)의 직경에 0.01배를 초과하도록 형성되는 경우, 상기 회전축(230)의 진동이 발생하거나 윤활 및 냉각이 용이하게 이루어지지 않게 되는 문제점과 상기 회전축(230)의 지지력이 감소하여 상기 회전축(230)의 흔들림 정도가 증가하게 되어 진동이 발생하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 간극(285)은, 상기 회전축(230)의 직경에 0.001배 내지 0.01배로 형성되는 것이다.

결과적으로, 상기 회전축(230)의 외주면에 이격되게 설치되는 상기 유체 베어링(280) 각각의 간극(285)만 조절하여 냉각 및 윤활이 용이하게 수행될 수 있도록 함으로써, 구성이 단순하며 비접촉식이므로 반영구적으로 상기 유체 베어링(280)의 운용이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 상기 베어링 하우징(220)은, 상기 베어링 하우징(220)과 상기 기체 베어링(281) 사이에 구비되는 범퍼시트(223)를 포함하고, 상기 범퍼시트(223)는, 상기 모터(120)의 회전시작 및 정지에 따라, 상기 베어링 하우징(220)의 내주면과 상기 기체 베어링(281)의 외주면이 접촉되어 손상이 발생하는 것을 최소화한다.

보다 상세하게, 도 5를 참조하면, 상기 범퍼시트(223)는 상기 기체 베어링(281)의 외주면을 감싸는 형태로 구비되는 시트(224)와, 상기 시트(224)의 외주면을 감싸는 형태로 구비되고, 물결형상으로 형성되는 범퍼(225)를 포함한다. 상기 시트(224) 및 범퍼(225)는 탄성소재로 형성되어, 상기 모터(120)의 회전시작 및 정지에 대응하여 상기 기체 베어링(281)과 베어링 하우징(220)이 간섭되어 손상되는 것을 최소화하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 범퍼시트(223)는 상기 기체 베어링(281)의 내주면을 따라 형성되어, 상기 기체 베어링(281)과 회전축(230)이 간섭되어 손상되는 것을 최소화할 수도 있다.

이하에서는, 본 발명의 제2실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예는 제1실시예와 비교하여 자기 커플링부(300)가 마련된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예와 제1실시예의 중첩되는 구성에 대해서는 제1실시예의 설명을 원용한다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 유체베어링이 적용된 극저온 냉매펌프는, 상기 상온부(100)와 저온부(200) 사이에 구비되는 상기 자기 커플링부(300)가 마련된다. 상기 자기 커플링부(300)는, 일측의 중심부가 함몰되어 내부에 홈이 형성되는 원기둥 형상의 암자기 커플링(320), 상기 암자기 커플링(320)에 형성된 홈에 삽입되고, 상기 저온부(200)의 상방으로부터 돌출되어 형성되는 수자기 커플링(330)을 포함한다. 또한, 상기 자기 커플링부(300)는, 상기 암자기 커플링(320) 및 수자기 커플링(330)을 통해 유체가 통과하지 못하도록, 밀도가 높은 재질로 형성되어 상기 암자기 커플링(320) 및 수자기 커플링(330)의 외주면을 감싸도록 형성되는 밀봉캡(310)을 포함한다.

보다 상세히, 상기 암자기 커플링(320)은, 단면이 ‘ㄷ’자 형상으로 구비되며, 상기 암자기 커플링(320)의 중심부에 형성된 홈이 하방으로 개구지게 형성된다. 그리고, 상기 수자기 커플링(330)은, 상기 암자기 커플링(320)에 용이하게 삽입될 수 있도록 상기 암자기 커플링(320)에 형성된 홈의 형상과 대응되어 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 수자기 커플링(330)이 상기 암자기 커플링(320)에 삽입되는 과정에서 상기 수자기 커플링(330)의 상측 가장자리, 즉, 상기 암자기 커플링(320)에 가장 먼저 삽입되는 상기 수자기 커플링(330)의 단부는 곡면으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 암자기 커플링(320) 및 수자기 커플링(330) 간에 잦은 탈착이 이루어지더라도, 상기 수자기 커플링(330) 및 상기 암자기 커플링(320) 간의 마찰에 의해 발생할 수 있는 마모를 저감하여, 상기 자기 커플링부(300)의 내구성이 향상될 수 있다.

또한, 상기 몸체부(110)는 상기 자기 커플링부(300)의 너비보다 더 큰 원통 형상으로 형성된다. 그리고, 상기 상온부(100)는, 상기 암자기 커플링(320)의 타측으로부터 상방으로 연장 마련된다. 또한, 상기 모터축(130)의 하부가 상기 암자기 커플링부(320)와 결합되어 형성되는 것이다. 다시 말하면, 상기 암자기 커플링(320)이 상기 상온부(100)의 하면으로부터 하방으로 돌출되어 개구지게 형성되는 것으로 볼 수도 있다.

결과적으로, 상기 상온부(100) 및 저온부(200)가 상기 암자기 커플링(320) 및 수자기 커플링(330)의 자력에 의하여 상기 모터(120)의 토크를 상기 회전축(230)으로 전달하며, 상기 상온부(100) 또는 저온부(200)에 문제가 발생 시, 문제가 발생한 일부만 교체하는 방식에 의해 비용절감, 유지 및 보수가 용이한 효과가 있다. 또한, 본 발명은 상기 저온부(200)가 상기 자기 커플링부(300)에 의하여 상기 상온부(100)와 결합하는 방식으로 구성됨에 따라, 상기 저온부(200)의 내부에 형성되는 상기 고압챔버(211)를 대기로부터 용이하게 밀폐시켜 상기 저온부(100) 내부의 유체가 누설되는 것을 방지하는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 상기 상온부(100)에서 상기 모터(120)에 의하여 발생되는 열이 상기 저온부(200)에 직접적으로 전도되는 것을 저감하여 열차폐 성능을 증대시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 상기 고압챔버(211)가 상기 원심핀(250)에 의하여 상하방향으로 다수개의 공간으로 분리되어, 상기 저온부(200) 내부의 유체를 기체와 액체 층으로 분리하여 공동현상을 방지하는 효과가 있다. 또한, 상기 상온부(100)로부터 상기 저온부(200)의 하부로 갈수록 온도 구배가 증가하여, 상기 상온부(100) 및 저온부(200) 간의 열차폐율을 증대시키는 효과가 있다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 상온부
110 : 몸체부
120 : 모터
121 : 로터
122 : 스테이터
130 : 모터축
140 : 상온 베어링
150 : 냉각팬
151 : 냉각팬 커버
200 : 저온부
210 : 하우징
211 : 고압챔버
220 : 베어링 하우징
221 : 슬릿
222 : 안착홈
223 : 범퍼시트
224 : 시트
225 : 범퍼
226 : 원판부
227 : 액체 냉매 영역
230 : 회전축
240 : 극저온 베어링
250 : 원심핀
260 : 임펠러
261 : 임펠러축
270 : 디퓨져
280 : 유체 베어링
281 : 기체 베어링
282 : 액체 베어링
283 : 돌출부
284 : 그루브홈
285 : 간극
291 : 유입부
292 : 유출부
300 : 자기 커플링부
310 : 밀봉캡
320 : 암자기 커플링
330 : 수자기 커플링

Claims (5)

1. 극저온 냉매 펌프에 있어서,
   대기로부터 밀봉된 저온부; 및
   상기 저온부의 상부에 구비되는 상온부;를 포함하고,
   상기 상온부는,
   내부가 중공형으로 마련되는 원통 형상의 몸체부;
   상기 몸체부의 내부 중심부에 결합되어 동력을 발생시키는 모터; 및
   상기 모터의 중심축을 관통하여 상하방향으로 길게 형성되는 모터축;을 포함하며,
   상기 저온부는,
   내부에 빈 공간이 형성되는 원통 형상의 하우징;
   상기 하우징의 상방으로부터 상기 하우징의 중심부를 관통하여 결합되는 베어링 하우징;
   상기 베어링 하우징의 내부중심부에 상하방향으로 형성되고, 상기 모터축의 적어도 일부가 삽입되어 상기 모터로부터 발생되는 동력에 의해 회전하는 회전축;
   상기 하우징의 하단중심부를 통해 상기 베어링 하우징과 결합되고 상기 회전축과 연결되어 상기 하우징 내부의 유체에 회전력을 전달할 수 있도록, 상기 회전축과 연결된 중심부를 기준으로 방사상으로 다수개의 날개가 형성되고 상기 하우징의 하방에 설치되는 임펠러; 및
   상기 베어링 하우징과 회전축 사이에 구비되는 유체 베어링;을 포함하고,
   상기 회전축의 회전 시, 상기 회전축의 외주면과 상기 유체 베어링의 내주면 사이에 형성되는 유체막으로 인하여 상기 회전축이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지됨으로써, 상기 저온부의 발열량이 감소하게 되되,
   상기 유체 베어링은,
   상기 회전축의 중앙부에 구비되는 기체 베어링; 및
   상기 회전축의 하측에 구비되는 액체 베어링;을 포함하고,
   상기 액체 베어링은,
   상기 임펠러에 의해 유입된 유체상태의 냉매를 바탕으로 액체막을 형성하여, 상기 회전축이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지하고,
   상기 기체 베어링은,
   상기 임펠러가 극저온의 냉매에 노출되고 상기 모터가 상온의 공기에 노출되어 발생되는 온도구배에 의해 기화된 기체상태의 냉매를 바탕으로 기체막을 형성하여, 상기 회전축이 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지하는 것을 특징으로 하는 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 액체 베어링은,
   상기 액체 베어링의 내주면에 구비되고, 상기 액체 베어링의 회전축을 중심으로 방사형으로 배열되는 복수개의 그루브홈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기체 베어링 및 액체 베어링과 상기 회전축 사이에는, 각각 기설정된 간격만큼의 간극이 형성되는 것을 특징으로 하는 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프.
4. 제1항에 있어서,
   상기 베어링 하우징은,
   상기 베어링 하우징과 상기 기체 베어링 사이에 구비되는 범퍼시트;를 포함하고,
   상기 범퍼시트는,
   상기 모터의 회전시작 및 정지에 따라, 상기 베어링 하우징의 내주면과 상기 기체 베어링의 외주면이 접촉되어 손상이 발생하는 것을 최소화하는 것을 특징으로 하는 유체베어링이 적용된 극저온 냉매 펌프.
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