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KR20230100184A - Gas Cycle Heat Pump with Cooling Path - Google Patents

Gas Cycle Heat Pump with Cooling Path Download PDF

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KR20230100184A
KR20230100184A KR1020210189871A KR20210189871A KR20230100184A KR 20230100184 A KR20230100184 A KR 20230100184A KR 1020210189871 A KR1020210189871 A KR 1020210189871A KR 20210189871 A KR20210189871 A KR 20210189871A KR 20230100184 A KR20230100184 A KR 20230100184A
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cooling
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motor
passage
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김경수
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㈜티앤이코리아
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Abstract

The present invention relates to a gas cycle heat pump provided with a cooling path. The gas cycle heat pump, which is a mechanism for transferring heat from one spot to another spot, includes: a compression unit provided with a compression gas path connected from a compressed gas inlet to a compressed gas outlet; an expanded gas inlet into which gas which is a refrigerant to be expanded is suctioned; a turbine wheel rotated by the gas introduced through the expanded gas inlet; an expanded gas outlet from which the gas having passed through the turbine wheel is discharged; an expansion unit provided with an expanded gas path connected from the expanded gas inlet to the expanded gas outlet; a motor provided with a rotary shaft having one end coupled to the impeller such that relative rotation is not possible, and having the other end coupled to the turbine wheel such that relative rotation is not possible; a housing having a motor housing space to house the motor; and a cooling path provided to pass through the motor housing space, and provided to enable some of the gas introduced through the expanded gas inlet to function as cooling gas for cooling the motor. In accordance with the present invention, the gas cycle heat pump can have an effect of utilizing a portion of a refrigerant as cooling gas without using separate cooling gas.

Description

냉각 기로를 구비한 기체 사이클 히트 펌프{Gas Cycle Heat Pump with Cooling Path}Gas cycle heat pump with cooling path {Gas Cycle Heat Pump with Cooling Path}

본 발명은 기체 사이클 히트 펌프에 관한 것으로서, 특히 별도의 냉각용 기체를 사용하지 않고 냉매의 일부를 냉각용 기체로 활용할 수 있는 기체 사이클 히트 펌프에 관한 것이다.The present invention relates to a gas cycle heat pump, and more particularly, to a gas cycle heat pump capable of using a part of a refrigerant as a cooling gas without using a separate cooling gas.

히트 펌프(Heat Pump)는, 저온의 열원에서 열을 흡수하여 고온의 열원으로 열을 운송하는 기계장치로서, 마치 낮은 수위의 물을 높은 수위까지 퍼 올리는 것과 비슷하여 열펌프(Heat Pump)라고도 불린다.A heat pump is a mechanical device that absorbs heat from a low-temperature heat source and transports the heat to a high-temperature heat source. .

종래의 히트 펌프(Heat Pump)는, 수소불화탄소(HFC)와 같은 냉매를 사용하는 냉매사이클을 기초로 냉방과 난방을 공급할 수 있도록 개발이 되어 왔다. 그러나, 환경문제로 인하여 수소불화탄소(HFC)와 같은 냉매에 대한 규제가 강화되고 있으며, 유해 냉매의 누설방지를 위하여 구조가 복잡해지고, 냉매 충진 등의 냉매 관리의 어려움이 항상 존재한다는 문제점이 있다.A conventional heat pump has been developed to supply cooling and heating based on a refrigerant cycle using a refrigerant such as hydrofluorocarbon (HFC). However, due to environmental problems, regulations on refrigerants such as hydrofluorocarbons (HFC) are being strengthened, and the structure is complicated to prevent leakage of harmful refrigerants, and there is a problem that difficulties in refrigerant management such as refrigerant filling always exist. .

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 수소불화탄소(HFC) 계열 냉매 대신에 공기(air)를 사용하여 기체 사이클(Gas Cycle)로 구성된 친환경 히트 펌프 제품이 개발이 되고 있으며, 일부 제품은 상용화 단계에 이르고 있다.In order to solve these problems, eco-friendly heat pump products consisting of a gas cycle using air instead of a hydrofluorocarbon (HFC)-based refrigerant are being developed, and some products are reaching the commercialization stage. .

기체 사이클(Gas Cycle)을 이용한 히트 펌프는, 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 압축기(1)와 팽창기(3)를 하나의 축으로 연결하고 여기에 고온 열교환기(2)와 저온 열교환기(4)를 추가하여 기체 사이클 시스템을 구성한 후 외부 열원(6)을 냉방하거나 외부 열원(5)을 난방하는 방식을 가지고 있다.As shown in FIGS. 7 and 8 , a heat pump using a gas cycle connects a compressor 1 and an expander 3 with one shaft and exchanges heat with a high-temperature heat exchanger 2 and a low-temperature heat exchanger. After configuring the gas cycle system by adding the group 4, it has a method of cooling the external heat source 6 or heating the external heat source 5.

즉, 기체 사이클의 전체적인 순환과정은, ⅰ) 공기가 압축기(1)에서 압축됨으로써 그 압력과 온도가 상승하는 압축과정(a→b)과, ⅱ) 압축된 고압, 고온의 공기가 고온 열교환기(2)에서 외부열원(5)으로 열을 전달하며, 등압조건에서 그 온도가 감소하는 온도하강과정(b→c)과, ⅲ) 온도가 하강한 공기가 팽창기(3)에서 팽창됨으로써 그 압력과 온도가 하강하는 팽창과정(c→d)과, iv) 온도와 압력이 하강된 공기가 저온 열교환기(4)에서 외부열원(6)으로부터 열을 빼앗아 등압조건에서 그 온도가 상승하는 온도상승과정(d→a)으로 이루어진다. That is, the overall circulation process of the gas cycle is: i) a compression process (a→b) in which the air is compressed in the compressor 1 and the pressure and temperature rise (a → b), and ii) the compressed high-pressure, high-temperature air is transferred to the high-temperature heat exchanger In (2), heat is transferred to the external heat source (5), and the temperature is lowered in a constant pressure condition (b → c), and iii) the air whose temperature has decreased is expanded in the expander (3), thereby reducing the pressure Expansion process (c → d) in which the temperature and temperature decrease, and iv) Temperature rise in which the temperature and pressure are decreased by taking heat from the external heat source (6) in the low-temperature heat exchanger (4) and increasing its temperature under the condition of constant pressure It consists of the process (d → a).

이때, 압축과정(a→b)에서는 압축기를 구동시키기 위한 압축일(Wc)이 요구되며, 팽창과정(c→d)에서는 팽창기로부터 팽창일(Wt)이 발생되므로, 이 팽창일(Wt)을 압축기로 되돌림으로써 압축기(1)의 구동에 필요한 동력(Winput)을 감소시킬 수 있다.At this time, in the compression process (a → b), the compression work (W c ) is required to drive the compressor, and in the expansion process (c → d), since the expansion work (W t ) is generated from the expander, this expansion work (W By returning t ) to the compressor, power (W input ) required for driving the compressor 1 can be reduced.

또한, 온도하강과정(b→c) 또는 온도상승과정(d→a)에서는 외부열원(5, 6)이 공조공간에 해당하며, 따라서 이 과정에서 공조공간으로 열을 방출하거나 열을 흡수하여 공조공간을 난방 또는 냉방하는 역할을 수행하게 된다.In addition, in the temperature decreasing process (b→c) or temperature rising process (d→a), the external heat sources 5 and 6 correspond to the air-conditioning space, and therefore, in this process, heat is released to the air-conditioning space or heat is absorbed to control the air conditioning. It serves to heat or cool the space.

이렇게 압축기의 구동에 필요한 동력(Winput)은, 다양한 형태의 모터에 의해서 제공될 수 있는데, 히트 펌프(Heat Pump)의 운용 특성상 매우 장시간 동안 연속적인 모터의 구동이 필요하게 된다. 결국, 히트 펌프(Heat Pump)의 경우에는, 모터와 그에 부속하는 베어링 등에서 고열이 지속적으로 발생할 수 밖에 없어, 주요 발열부(heat source)인 모터, 베어링 등에 대한 효율적인 냉각 구조가 필수적이다.The power (W input ) necessary for driving the compressor may be provided by various types of motors, but due to the operating characteristics of the heat pump, continuous driving of the motor is required for a very long time. After all, in the case of a heat pump, high heat is inevitably continuously generated in the motor and its attached bearings, so an efficient cooling structure for the motor, bearings, etc., which are main heat sources, is essential.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 별도의 냉각용 기체를 사용하지 않고 냉매의 일부를 냉각용 기체로 활용할 수 있도록 구조가 개선된 기체 사이클 히트 펌프를 제공하기 위함이다.The present invention has been made to solve the above problem, and its object is to provide a gas cycle heat pump having an improved structure so that a part of a refrigerant can be used as a cooling gas without using a separate cooling gas.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 기체 사이클 히트 펌프는, 하나의 지점에서 다른 지점으로 열을 전달할 수 있는 장치로서, 압축시킬 냉매인 기체가 흡입되는 압축 기체 흡입구; 상기 압축 기체 흡입구를 통하여 유입된 기체를 압축하는 임펠러; 상기 임펠러에 의하여 압축된 상기 기체가 외부로 배출되는 압축 기체 배출구; 상기 압축 기체 흡입구로부터 상기 압축 기체 배출구까지 연결되어 있는 압축 기체 유로를 구비하는 압축 유닛; 팽창시킬 냉매인 기체가 흡입되는 팽창 기체 흡입구; 상기 팽창 기체 흡입구를 통하여 유입된 기체에 의하여 회전될 수 있는 터빈 휠; 상기 터빈 휠을 통과한 상기 기체가 외부로 배출되는 팽창 기체 배출구; 상기 팽창 기체 흡입구로부터 상기 팽창 기체 배출구까지 연결되어 있는 팽창 기체 유로를 구비하는 팽창 유닛; 일단부가 상기 임펠러와 상대 회전 불가능하게 결합되어 있으며, 타단부는 상기 터빈 휠과 상대 회전 불가능하게 결합되어 있는 회전축을 구비하는 모터; 상기 모터를 수용하는 모터 수용 공간을 구비한 하우징; 상기 모터 수용 공간을 지나가도록 마련되며, 상기 팽창 기체 흡입구를 통하여 유입된 기체의 일부가 상기 모터를 냉각시킬 수 있는 냉각용 기체로 기능할 수 있도록 마련되어 있는 냉각 기로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a gas cycle heat pump according to the present invention is a device capable of transferring heat from one point to another, comprising: a compressed gas inlet through which gas, which is a refrigerant to be compressed, is sucked; an impeller for compressing the gas introduced through the compressed gas inlet; a compressed gas outlet through which the gas compressed by the impeller is discharged to the outside; a compression unit having a compressed gas flow path connected from the compressed gas inlet to the compressed gas outlet; an expansion gas inlet through which gas, which is a refrigerant to be expanded, is sucked; a turbine wheel that can be rotated by the gas introduced through the expansion gas inlet; an expansion gas outlet through which the gas passing through the turbine wheel is discharged to the outside; an expansion unit having an expansion gas flow path connected from the expansion gas inlet to the expansion gas outlet; a motor having a rotational shaft having one end coupled non-rotatably with the impeller and the other end non-rotatably coupled with the turbine wheel; a housing having a motor accommodating space accommodating the motor; and a cooler provided to pass through the motor accommodating space and provided so that a part of the gas introduced through the expansion gas inlet can function as a cooling gas capable of cooling the motor.

여기서, 상기 냉각 기로를 따라 유동하는 상기 냉각용 기체는, 상기 터빈 휠의 상류에서 상기 팽창 기체 유로에 합류한 후, 상기 터빈 휠을 통과하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the gas for cooling flowing along the cooling passage passes through the turbine wheel after joining the expansion gas passage upstream of the turbine wheel.

여기서, 상기 냉각 기로를 따라 유동하는 상기 냉각용 기체는, 상기 모터 수용 공간에 형성되어 있는 냉각 기체 유출구를 통하여 상기 하우징의 외부로 배출되는 것일 수도 있다.Here, the cooling gas flowing along the cooling passage may be discharged to the outside of the housing through a cooling gas outlet formed in the motor accommodating space.

여기서, 상기 압축 기체 유로는 상기 냉각 기로와 공간적으로 분리됨으로써, 상기 압축 기체 유로의 내부에 있는 기체가 상기 냉각 기로로 침투할 수 없는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the compressed gas passage is spatially separated from the cooling passage so that gas inside the compressed gas passage cannot penetrate into the cooling passage.

여기서, 상기 회전축의 양단부 중 적어도 하나에는, 상기 회전축의 반경 방향 하중 또는 축 방향 하중을 지지하는 비접촉 베어링이 적어도 하나 이상 장착되어 있는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that at least one non-contact bearing supporting a load in a radial direction or an axial direction of the rotation shaft is mounted on at least one of both ends of the rotation shaft.

여기서, 상기 냉각 기로는, 상기 하우징을 냉각할 수 있도록 상기 하우징을 관통하는 기로를 포함하는 것이 바람직하다.Here, the cooling passage preferably includes a passage penetrating the housing so as to cool the housing.

여기서, 상기 하우징은, 상기 모터 수용 공간을 구비하는 내측 하우징; 상기 내측 하우징을 둘러감싸는 외측 하우징;을 구비하며, 상기 냉각 기로는, 상기 내측 하우징의 외부 표면과 상기 외측 하우징의 내부 표면 사이에 마련되어 있는 기로를 포함하는 것이 바람직하다.Here, the housing includes an inner housing having a space for accommodating the motor; and an outer housing surrounding the inner housing, and the cooling passage preferably includes a passage provided between an outer surface of the inner housing and an inner surface of the outer housing.

여기서, 상기 냉매인 기체는, 공기를 미리 정한 함량 이상 포함하는 것이 바람직하다.Here, the refrigerant gas preferably contains more than a predetermined amount of air.

본 발명에 따르면, 하나의 지점에서 다른 지점으로 열을 전달할 수 있는 장치로서, 압축 기체 흡입구로부터 압축 기체 배출구까지 연결되어 있는 압축 기체 유로를 구비하는 압축 유닛; 팽창시킬 냉매인 기체가 흡입되는 팽창 기체 흡입구; 상기 팽창 기체 흡입구를 통하여 유입된 기체에 의하여 회전될 수 있는 터빈 휠; 상기 터빈 휠을 통과한 상기 기체가 외부로 배출되는 팽창 기체 배출구; 상기 팽창 기체 흡입구로부터 상기 팽창 기체 배출구까지 연결되어 있는 팽창 기체 유로를 구비하는 팽창 유닛; 일단부가 상기 임펠러와 상대 회전 불가능하게 결합되어 있으며, 타단부는 상기 터빈 휠과 상대 회전 불가능하게 결합되어 있는 회전축을 구비하는 모터; 상기 모터를 수용하는 모터 수용 공간을 구비한 하우징; 상기 모터 수용 공간을 지나가도록 마련되며, 상기 팽창 기체 흡입구를 통하여 유입된 기체의 일부가 상기 모터를 냉각시킬 수 있는 냉각용 기체로 기능할 수 있도록 마련되어 있는 냉각 기로;를 포함하므로, 별도의 냉각용 기체를 사용하지 않고 팽창시킬 냉매의 일부를 냉각용 기체로 활용할 수 있다는 효과가 있다.According to the present invention, an apparatus capable of transferring heat from one point to another, comprising: a compression unit having a compressed gas flow path connected from a compressed gas inlet to a compressed gas outlet; an expansion gas inlet through which gas, which is a refrigerant to be expanded, is sucked; a turbine wheel that can be rotated by the gas introduced through the expansion gas inlet; an expansion gas outlet through which the gas passing through the turbine wheel is discharged to the outside; an expansion unit having an expansion gas flow path connected from the expansion gas inlet to the expansion gas outlet; a motor having a rotational shaft having one end coupled non-rotatably with the impeller and the other end non-rotatably coupled with the turbine wheel; a housing having a motor accommodating space accommodating the motor; A cooler provided to pass through the motor accommodating space and provided so that a part of the gas introduced through the expansion gas inlet can function as a cooling gas capable of cooling the motor; There is an effect that a part of the refrigerant to be expanded without using gas can be used as a gas for cooling.

도 1은 본 발명의 제1 실시예인 히트 펌프의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 히트 펌프의 II-II선 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 히트 펌프의 부분확대도이다.
도 4는 도 3에 도시된 히트 펌프의 부분확대도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예인 히트 펌프의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 히트 펌프의 부분확대도이다.
도 7은 일반적인 기체 사이클의 개략적인 구성도이다.
도 8은 도 7에 도시된 기체 사이클의 TS 선도이다.
1 is a perspective view of a heat pump that is a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the heat pump shown in FIG. 1 .
FIG. 3 is a partially enlarged view of the heat pump shown in FIG. 2 .
FIG. 4 is a partially enlarged view of the heat pump shown in FIG. 3 .
5 is a cross-sectional view of a heat pump according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a partially enlarged view of the heat pump shown in FIG. 5 .
7 is a schematic configuration diagram of a general gas cycle.
FIG. 8 is a TS diagram of the gas cycle shown in FIG. 7 .

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 제1 실시예인 히트 펌프의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 히트 펌프의 II-II선 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 히트 펌프의 부분확대도이다.FIG. 1 is a perspective view of a heat pump according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the heat pump shown in FIG. 1 . FIG. 3 is a partially enlarged view of the heat pump shown in FIG. 2 .

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 도 7에 도시된 바와 같이 하나의 열원(6)에서 열을 흡수하여 다른 열원(5)으로 열을 전달할 수 있는 장치로서, 하우징(10)과 압축 유닛(20)과 모터(30)와 팽창 유닛(40)과 냉각 기로(14)를 포함하여 구성된다. 이하에서는 도 2이 좌측을 전방이라고 표현하고 도 2의 우측을 후방이라고 표현하며, 냉매인 기체가 100%의 순수한 공기(air)인 것을 전제로 설명하기로 한다.1 to 3, the gas cycle heat pump 100 according to the first preferred embodiment of the present invention absorbs heat from one heat source 6 as shown in FIG. ) As a device capable of transferring heat, it is composed of a housing 10, a compression unit 20, a motor 30, an expansion unit 40, and a cooling passage 14. Hereinafter, the left side of FIG. 2 is expressed as the front and the right side of FIG. 2 is expressed as the rear, and description will be made on the premise that the refrigerant gas is 100% pure air.

상기 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 압축 유닛(20)과 팽창 유닛(40)이 상기 하우징(10)에 일체로 결합되어 있는 단일 조립체의 형태를 가지므로, 컴프레서(compressor)와 익스팬더(expaner)를 결합한 조어인 "컴팬더(compander)"로 지칭할 수 있다.Since the gas cycle heat pump 100 has the form of a single assembly in which the compression unit 20 and the expansion unit 40 are integrally coupled to the housing 10 as shown in FIG. 1, the compressor It can be referred to as "compander", a coined word combining the words "compressor" and "expander".

상기 하우징(10)은, 금속 재질의 하우징(housing)으로서, 외측 하우징(11)과, 내측 하우징(12)을 구비한다.The housing 10 is a housing made of a metal material, and includes an outer housing 11 and an inner housing 12 .

상기 외측 하우징(11)은, 상기 제1 중심축(C1)을 원의 중심으로 하는 단면을 가진 원통형 부재로서, 상기 제1 중심축(C1)을 따라 연장되어 있다.The outer housing 11 is a cylindrical member having a cross section with the first central axis C1 as a center of a circle, and extends along the first central axis C1.

상기 외측 하우징(11)은, 상기 내측 하우징(12)을 둘러감싼 상태로 수용할 수 있도록, 상기 내측 하우징(12)과 대응되는 형상을 가지고 있다.The outer housing 11 has a shape corresponding to the inner housing 12 so as to accommodate the inner housing 12 in a wrapped state.

상기 외측 하우징(11)의 내부 표면과 상기 내측 하우징(12)의 외부 표면은, 미리 정한 간격만큼 이격된 상태로 서로 마주하고 있다.The inner surface of the outer housing 11 and the outer surface of the inner housing 12 face each other while being spaced apart by a predetermined distance.

상기 내측 하우징(12)은, 모터 수용 공간(13)을 내부에 구비하는 원통형 부재로서, 제1 중심축(C1)을 원의 중심으로 하는 단면을 가지며, 상기 제1 중심축(C1)을 따라 연장되어 있다. The inner housing 12 is a cylindrical member having a motor accommodating space 13 therein, and has a cross section with a first central axis C1 as a center of a circle, along the first central axis C1. has been extended

상기 모터 수용 공간(13)은, 후술할 상기 모터(30)를 수용할 수 있도록 상기 모터(30)와 대응되는 형상을 가진 공간이다.The motor accommodating space 13 is a space having a shape corresponding to the motor 30 to accommodate the motor 30 to be described later.

상기 내측 하우징(12)은, 도 2에 도시된 바와 같이 좌측 단부와 우측 단부가 개구되어 있는, 원형이 파이프 형상을 가지고 있다. As shown in FIG. 2 , the inner housing 12 has a circular pipe shape with left and right ends open.

상기 내측 하우징(12)의 외부 표면에는, 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개의 냉각핀(111)이 상기 제1 중심축(C1)을 따라 나열되어 있다.On the outer surface of the inner housing 12, as shown in FIG. 2, a plurality of cooling fins 111 are arranged along the first central axis C1.

본 실시예에서 상기 냉각핀(111)은, 상기 제1 중심축(C1)을 원의 중심으로 하는 원형 고리 형상으로 마련되어 있다.In this embodiment, the cooling fin 111 is provided in a circular annular shape with the first central axis C1 as the center of a circle.

상기 압축 유닛(20)은, 외부의 공기를 흡입하여 압축하는 장치로서, 임펠러(21)와, 외측 커버(22)와, 내측 커버(23)를 구비한다.The compression unit 20 is a device for sucking in and compressing external air, and includes an impeller 21 , an outer cover 22 , and an inner cover 23 .

상기 임펠러(21)는, 원심형 펌프의 주요 구성으로 곡면을 지닌 날개를 복수 개 구비한 바퀴로서, 고속 회전이 가능하도록 장착되어 있다.The impeller 21 is a wheel equipped with a plurality of wings having a curved surface as a main component of a centrifugal pump, and is mounted to enable high-speed rotation.

상기 외측 커버(22)는, 상기 임펠러(21)의 전방에 배치되는 금속 부재로서, 외부의 공기를 흡입되는 압축 기체 흡입구(24)가 형성되어 있다.The outer cover 22 is a metal member disposed in front of the impeller 21 and has a compressed gas inlet 24 through which external air is sucked in.

상기 외측 커버(22)는, 상기 임펠러(21)를 거친 공기가 와선형으로 흐를 수 있도록 형성된 유로를 구비한 스크롤(scroll) 케이싱 형태로 마련된다.The outer cover 22 is provided in the form of a scroll casing having a flow path formed so that the air passing through the impeller 21 can flow in a spiral shape.

상기 내측 커버(23)는, 상기 임펠러(21)의 후방에 배치되는 금속 부재로서, 볼트나 스크류에 의하여 상기 하우징(10)과 결합된다.The inner cover 23 is a metal member disposed behind the impeller 21 and is coupled to the housing 10 by bolts or screws.

상기 임펠러(21)는 상기 압축 기체 흡입구(24)를 통하여 유입된 공기를 압축하는 부재로서, 상기 임펠러(21)에 의하여 압축된 공기는 압축 기체 배출구(25)를 통하여 외부로 배출된다.The impeller 21 is a member that compresses the air introduced through the compressed gas inlet 24, and the air compressed by the impeller 21 is discharged to the outside through the compressed gas outlet 25.

상기 압축 기체 흡입구(24)로 흡입된 공기는, 상기 압축 기체 흡입구(24)로부터 상기 압축 기체 배출구(25)까지 연결되어 있는 압축 기체 유로(26)를 따라 이동하면서 압축되는 압축 기체 흐름(CF)을 형성하게 된다.The air sucked into the compressed gas inlet 24 is compressed while moving along the compressed gas passage 26 connected from the compressed gas inlet 24 to the compressed gas outlet 25, and the compressed gas flow CF will form

상기 모터(30)는, 회전력을 발생시키는 전기 모터로서, 상기 임펠러(21)에 고속 회전력을 공급하기 위한 장치이다. 이 모터(30)는 회전축(31)과 스테이터(32)와 로터(33)와 저널 베어링(34)과 스러스트 베어링(35)을 포함한다.The motor 30 is an electric motor that generates rotational force and is a device for supplying high-speed rotational force to the impeller 21 . The motor 30 includes a rotating shaft 31, a stator 32, a rotor 33, a journal bearing 34, and a thrust bearing 35.

상기 회전축(31)은, 상기 제1 중심축(C1)을 따라 연장된 막대 부재로서, 상기 임펠러(21)를 회전시키기 위하여 전단부가 상기 임펠러(21)와 상대 회전 불가능하게 결합되어 있다. The rotating shaft 31 is a rod member extending along the first central axis C1, and has a front end coupled to the impeller 21 so as not to rotate relative to each other in order to rotate the impeller 21.

상기 회전축(31)의 후단부는, 후술할 팽창 유닛(40)의 터빈 휠(41)과 상대 회전 불가능하게 결합되어 있다.The rear end of the rotary shaft 31 is coupled to a turbine wheel 41 of an expansion unit 40 to be described later and non-rotatably.

상기 스테이터(32)는, 계자 코일(field coil)이 감겨지는 고정자(stator)로서, 상기 모터 수용 공간(13)에 고정된 상태로 장착된다.The stator 32 is a stator around which a field coil is wound, and is mounted in the motor accommodating space 13 in a fixed state.

상기 로터(33)는, 영구 자석을 포함하는 회전자(rotor)로서, 상기 회전축(31)의 중간부에 결합되어 있다.The rotor 33 is a rotor including a permanent magnet, and is coupled to an intermediate portion of the rotating shaft 31 .

상기 저널 베어링(34)은, 상기 회전축(31)의 반경 방향 하중을 지지하기 위한 공기 베어링으로서 비접촉 베어링의 일종이며, 상기 회전축(31)을 회전 가능하게 지지하며, 한 쌍이 마련되어 상기 회전축(31)의 전단부와 후단부에 각각 배치되어 있다.The journal bearing 34 is a type of non-contact bearing as an air bearing for supporting a load in the radial direction of the rotation shaft 31, rotatably supports the rotation shaft 31, and a pair is provided to support the rotation shaft 31 are respectively disposed at the front and rear ends of the

상기 스러스트 베어링(35)은, 상기 회전축(31)의 축 방향(C1) 하중을 지지하기 위한 공기 베어링으로서 비접촉 베어링의 일종이며, 상기 회전축(31)을 회전 가능하게 지지하며, 상기 회전축(31)의 후단부에 한 쌍이 배치되어 있다.The thrust bearing 35 is a type of non-contact bearing as an air bearing for supporting the load of the rotation shaft 31 in the axial direction (C1), rotatably supports the rotation shaft 31, and A pair is disposed at the rear end of

상기 스테이터(32)와 상기 로터(33) 사이, 상기 회전축(31)과 상기 스테이터(32)의 사이, 상기 회전축(31)과 상기 베어링(34, 35)의 사이, 각각에는 미리 정한 간격이 존재한다.Between the stator 32 and the rotor 33, between the rotating shaft 31 and the stator 32, and between the rotating shaft 31 and the bearings 34 and 35, there are predetermined intervals, respectively. do.

상기 팽창 유닛(40)은, 외부의 공기를 흡입하여 팽창시키는 장치로서, 터빈 휠(41)과 외측 커버(42)와 내측 커버(43)를 구비한다.The expansion unit 40 is a device for inhaling and expanding external air, and includes a turbine wheel 41, an outer cover 42, and an inner cover 43.

상기 터빈 휠(41)은, 원심형 팽창기(expander)의 주요 구성으로 곡면을 지닌 날개를 복수 개 구비한 바퀴로서, 고속 회전이 가능하도록 장착되어 있다.The turbine wheel 41 is a wheel equipped with a plurality of wings having a curved surface as a main component of a centrifugal expander, and is mounted to enable high-speed rotation.

상기 터빈 휠(41)은, 후술할 팽창 기체 흡입구(44)를 통하여 흡입되는 공기의 공기력에 의하여 회전될 수 있도록 마련되어 있다.The turbine wheel 41 is provided to be rotated by air force of air sucked through an expansion gas inlet 44 to be described later.

상기 외측 커버(42)는, 상기 터빈 휠(41)의 후방에 배치되는 금속 부재로서, 상기 터빈 휠(41)을 통과한 공기가 외부로 배출되도록 마련된 팽창 기체 배출구(45)가 형성되어 있다.The outer cover 42 is a metal member disposed behind the turbine wheel 41, and has an expansion gas outlet 45 provided to discharge air passing through the turbine wheel 41 to the outside.

상기 외측 커버(42)의 내부에는, 상기 팽창 기체 흡입구(44)를 통하여 외부로부터 흡입된 공기가 잠시 머무를 수 있도록 마련된 팽창 기체 저장 공간(441)이 형성되어 있다.Inside the outer cover 42, an expansion gas storage space 441 is formed so that air sucked in from the outside through the expansion gas inlet 44 can stay for a while.

상기 팽창 기체 저장 공간(441)이 일단부에는, 도 1에 도시된 바와 같이 공기가 외부로부터 흡입될 수 있도록 마련된 팽창 기체 흡입구(44)가 형성되어 있다.At one end of the expansion gas storage space 441, as shown in FIG. 1, an expansion gas inlet 44 is formed so that air can be sucked in from the outside.

상기 내측 커버(43)는, 상기 터빈 휠(41)의 전방에 배치되는 금속 부재로서, 볼트나 스크류에 의하여 상기 하우징(10)과 결합된다.The inner cover 43 is a metal member disposed in front of the turbine wheel 41 and is coupled to the housing 10 by bolts or screws.

상기 외측 커버(42)와 상기 내측 커버(43)의 사이에는, 상기 팽창 기체 저장 공간(441)에 수용된 공기가 가속되면서 팽창할 수 있도록 마련된 터빈 노즐(47)이 형성되어 있다.A turbine nozzle 47 is formed between the outer cover 42 and the inner cover 43 so that air accommodated in the expansion gas storage space 441 can be accelerated and expanded.

상기 터빈 노즐(47)은, 상기 터빈 휠(41)의 상류측에 배치된 노즐로서, 공기를 가속시킬 수 있도록 마련되어 있다.The turbine nozzle 47 is a nozzle disposed upstream of the turbine wheel 41 and is provided to accelerate air.

상기 터빈 노즐(47)을 통과하면서 가속되고 팽창된 공기는, 상기 터빈 휠(41)을 거친 후 상기 팽창 기체 배출구(45)를 통하여 외부로 배출된다.Air that is accelerated and expanded while passing through the turbine nozzle 47 passes through the turbine wheel 41 and then is discharged to the outside through the expansion gas outlet 45 .

상기 팽창 기체 흡입구(44)로 흡입된 공기는, 상기 팽창 기체 흡입구(44)로부터 상기 팽창 기체 배출구(45)까지 연결되어 있는 팽창 기체 유로(46)를 따라 이동하면서 팽창되는 팽창 기체 흐름(EF)을 형성하게 된다. 이때 상기 팽창 기체 흐름(EF)의 공기력에 의하여 상기 터빈 휠(41)은 일정한 회전력을 받게된다.The air sucked into the expansion gas inlet 44 moves along the expansion gas passage 46 connected from the expansion gas inlet 44 to the expansion gas outlet 45 while expanding the expansion gas flow EF. will form At this time, the turbine wheel 41 receives a constant rotational force by the air force of the expansion gas flow EF.

상기 냉각 기로(14)는, 냉각용 기체(G)가 유동하면서 상기 모터(30) 및 베어링(34, 35)를 냉각시킬 수 있도록 마련된 기로로서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 모터 수용 공간(13)의 내부에 마련되어 있다.The cooling passage 14 is a passage provided to cool the motor 30 and the bearings 34 and 35 while the cooling gas G flows, and as shown in FIG. 3, the motor accommodating space ( 13) is provided inside.

상기 팽창 기체 흡입구(44)를 통하여 유입된 후 상기 팽창 기체 저장 공간(441)에 수용된 공기의 일부가, 상기 모터(30) 등을 냉각하는 냉각용 기체(G)로 사용된다.A part of the air received in the expansion gas storage space 441 after being introduced through the expansion gas inlet 44 is used as cooling gas G for cooling the motor 30 and the like.

상기 팽창 기체 흡입구(44)를 통하여 유입된 공기의 3 내지 10% 정도가, 상기 냉각용 기체(G)로 사용되는 것이 적절하며, 본 실시예에서는 상기 팽창 기체 흡입구(44)를 통하여 유입된 공기의 5%가 냉각용 기체 (G)로 사용되고 있다.It is appropriate that about 3 to 10% of the air introduced through the expansion gas inlet 44 is used as the cooling gas G, and in this embodiment, the air introduced through the expansion gas inlet 44 5% of is used as gas (G) for cooling.

상기 냉각 기로(14)는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 모터 수용 공간(13) 및 하우징(10)을 거쳐서 지나가도록 마련되어 있는데, 외측 기로(14a), 전단 기로(14b), 내측 기로(14c), 후단 기로(14d)를 포함한다.The cooling passage 14 is provided to pass through the motor accommodation space 13 and the housing 10 as shown in FIG. ), and a rear end group 14d.

상기 외측 기로(14a)는, 상기 하우징(10)을 냉각할 수 있도록 상기 하우징(10)을 관통하는 기로로서, 상기 제1 중심축(C1)을 중심으로 연장되어 있다.The outer air passage 14a is a air passage penetrating the housing 10 to cool the housing 10, and extends around the first central axis C1.

상기 외측 기로(14a)는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 내측 하우징(12)의 외주면과, 상기 외측 하우징(11)의 내주면에 의하여 형성된다.As shown in FIG. 3 , the outer group 14a is formed by an outer circumferential surface of the inner housing 12 and an inner circumferential surface of the outer housing 11 .

상기 전단 기로(14b)는, 상기 내측 하우징(12)의 전단부 외곽으로부터 상기 내측 하우징(12)의 중심 방향을 향하여 냉각용 기체가 유동할 수 있도록 마련된 기로이다.The front end passage 14b is a passage provided to allow cooling gas to flow from the outer edge of the front end of the inner housing 12 toward the center of the inner housing 12 .

상기 전단 기로(14b)는, 상기 외측 기로(14a)의 전단부로부터 상기 모터 수용 공간(13)까지 연장되며, 상기 내측 하우징(12)의 일부를 관통할 수도 있다.The shearing airway 14b extends from the front end of the outside airway 14a to the motor accommodating space 13 and may pass through a part of the inner housing 12 .

상기 내측 기로(14c)는, 냉각용 기체가 상기 스테이터(32)의 계자 코일과, 상기 회전축(31)과, 상기 로터(33)와, 상기 베어링(34, 35)을 거쳐 지나갈 수 있도록 마련된다.The inner air passage 14c is provided so that gas for cooling can pass through the field coil of the stator 32, the rotating shaft 31, the rotor 33, and the bearings 34 and 35 .

상기 내측 기로(14c)의 전단부는 상기 전단 기로(14b)와 연통되어 있으며, 상기 내측 기로(14c)의 후단부는 후술할 후단 기로(14d)와 연통되어 있다.The front end of the inner airway 14c communicates with the front airway 14b, and the rear end of the inner airway 14c communicates with the rear airway 14d to be described later.

상기 후단 기로(14d)는, 냉각용 기체가 상기 내측 하우징(12)의 후단부 중심으로부터 상기 내측 하우징(12)의 반경 방향으로 향하여 유동할 수 있도록 마련된 기로이다.The rear air passage 14d is a air passage provided so that the cooling gas can flow from the center of the rear end of the inner housing 12 toward the radial direction of the inner housing 12 .

본 실시예에서 상기 후단 기로(14d)는, 상기 내측 하우징(12)의 외부 표면과 상기 터빈 휠(41)의 표면 사이에 마련되는 원판형 공간으로서, 냉각 기체 유출구(142)를 통하여 상기 터빈 노즐(47)과 연통되어 있다.In this embodiment, the rear end airway 14d is a disk-shaped space provided between the outer surface of the inner housing 12 and the surface of the turbine wheel 41, and the turbine nozzle through the cooling gas outlet 142 It is in communication with (47).

상기 냉각 기체 유출구(142)는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 내측 커버(43)에 형성되어 있는 구멍으로서, 상기 터빈 휠(41)의 최대 직경부 근처에 위치한다.As shown in FIG. 4 , the cooling gas outlet 142 is a hole formed in the inner cover 43 and is located near the maximum diameter of the turbine wheel 41 .

상기 냉각 기로(14)는, 상기 제1 중심축(C1)을 중심으로 회전 대칭 내지 축 대칭으로 배열되는 것이 바람직하다.The cooling furnace 14 is preferably arranged rotationally or axially symmetrically around the first central axis C1.

상기 팽창 기체 저장 공간(441)에 수용된 공기의 일부는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 내측 커버(43)에 형성되어 있는 냉각 기체 유입구(141)를 통하여 상기 외측 기로(14a)로 유입된다.A part of the air accommodated in the expansion gas storage space 441 is introduced into the outer air passage 14a through the cooling gas inlet 141 formed in the inner cover 43 as shown in FIG. 4 .

상기 냉각 기로(14a, 14b, 14c, 14d)를 순차적으로 유동한 후 상기 냉각 기체 유출구(142)를 통하여 상기 터빈 노즐(47)로 유출되는 공기는, 그 압력이 충분히 낮기 때문에 상기 터빈 휠(41)의 상류에 위치한 터빈 노즐(47)에서 팽창 기체 흐름(EF)에 합류한 후, 상기 터빈 휠(41)을 통과하게 된다.After sequentially flowing through the cooling passages 14a, 14b, 14c, and 14d, the air flowing out to the turbine nozzle 47 through the cooling gas outlet 142 has a sufficiently low pressure, so that the turbine wheel 41 After joining the expansion gas flow EF at the turbine nozzle 47 located upstream of ), it passes through the turbine wheel 41.

본 실시예에서 상기 냉각 기로(14)는, 상기 압축 기체 유로(26)와 공간적으로 분리되어 있다. 따라서, 상기 압축 기체 유로(26)의 내부에 있는 공기가, 압축되는 과정에서 상기 압축 기체 유로(26)로부터 누설되어 상기 냉각 기로(14)로 침투할 수 없는 구조이다.In this embodiment, the cooling passage 14 is spatially separated from the compressed gas passage 26 . Accordingly, the air inside the compressed gas passage 26 cannot leak from the compressed gas passage 26 and penetrate into the cooling passage 14 in the process of being compressed.

상술한 구성의 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 하나의 지점에서 다른 지점으로 열을 전달할 수 있는 장치로서, 압축시킬 냉매인 기체가 흡입되는 압축 기체 흡입구(24); 상기 압축 기체 흡입구(24)를 통하여 유입된 기체를 압축하는 임펠러(21); 상기 임펠러(21)에 의하여 압축된 상기 기체가 외부로 배출되는 압축 기체 배출구(25); 상기 압축 기체 흡입구(24)로부터 상기 압축 기체 배출구(25)까지 연결되어 있는 압축 기체 유로(26)를 구비하는 압축 유닛(20); 팽창시킬 냉매인 기체가 흡입되는 팽창 기체 흡입구(44); 상기 팽창 기체 흡입구(44)를 통하여 유입된 기체에 의하여 회전될 수 있는 터빈 휠(41); 상기 터빈 휠(41)을 통과한 상기 기체가 외부로 배출되는 팽창 기체 배출구(45); 상기 팽창 기체 흡입구(44)로부터 상기 팽창 기체 배출구(45)까지 연결되어 있는 팽창 기체 유로(46)를 구비하는 팽창 유닛(40); 일단부가 상기 임펠러(21)와 상대 회전 불가능하게 결합되어 있으며, 타단부는 상기 터빈 휠(41)과 상대 회전 불가능하게 결합되어 있는 회전축(31)을 구비하는 모터(30); 상기 모터(30)를 수용하는 모터 수용 공간(13)을 구비한 하우징(10); 상기 모터 수용 공간(13)을 지나가도록 마련되며, 상기 팽창 기체 흡입구(44)를 통하여 유입된 기체의 일부가 상기 모터(30)를 냉각시킬 수 있는 냉각용 기체(G)로 기능할 수 있도록 마련되어 있는 냉각 기로(14);를 포함하므로, 별도의 냉각용 기체(G)를 사용하지 않고 팽창시킬 냉매의 일부를 냉각용 기체(G)로 활용할 수 있다는 장점이 있다.The gas cycle heat pump 100 having the above configuration is a device capable of transferring heat from one point to another, and includes a compressed gas inlet 24 into which gas, which is a refrigerant to be compressed, is sucked; an impeller 21 for compressing the gas introduced through the compressed gas inlet 24; a compressed gas outlet 25 through which the gas compressed by the impeller 21 is discharged to the outside; a compression unit (20) having a compressed gas passage (26) connected from the compressed gas inlet (24) to the compressed gas outlet (25); an expansion gas inlet 44 into which gas, which is a refrigerant to be expanded, is sucked; a turbine wheel 41 that can be rotated by the gas introduced through the expansion gas inlet 44; an expansion gas outlet 45 through which the gas passing through the turbine wheel 41 is discharged to the outside; an expansion unit (40) having an expansion gas passage (46) connected from the expansion gas inlet (44) to the expansion gas outlet (45); A motor 30 having a rotating shaft 31 having one end coupled non-rotatably to the impeller 21 and the other end non-rotatably coupled to the turbine wheel 41; a housing 10 having a motor accommodating space 13 accommodating the motor 30; It is provided to pass through the motor accommodating space 13, and a part of the gas introduced through the expansion gas inlet 44 is provided to function as a cooling gas G capable of cooling the motor 30. Since it includes a cooler 14, there is an advantage that a part of the refrigerant to be expanded can be used as a cooling gas G without using a separate cooling gas G.

그리고 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 상기 냉각 기로(14)를 따라 유동하는 상기 냉각용 기체(G)가, 상기 터빈 휠(41)의 상류에 위치한 터빈 노즐(47)에서 상기 팽창 기체 유로(46)에 합류한 후, 상기 터빈 휠(41)을 통과하므로, 상기 팽창 기체 흐름(EF)에 합류한 냉각용 기체(G)도 상기 터빈 휠(41)의 회전력을 증가시키는 데에 기여를 할 수 있는 장점이 있으며, 상기 팽창 기체 흐름(EF)에 합류하는 냉각용 기체(G)에 의하여, 상기 터빈 휠(41)로 유동하는 공기의 유량도 상대적으로 증가함으로써, 상기 팽창 유닛(40)의 성능도 증가시킬 수 있는 장점이 있다.Further, in the gas cycle heat pump 100, the cooling gas G flowing along the cooling path 14 is transferred from the turbine nozzle 47 located upstream of the turbine wheel 41 to the expansion gas passage After joining 46, since it passes through the turbine wheel 41, the cooling gas G joining the expansion gas flow EF also contributes to increasing the rotational force of the turbine wheel 41. The expansion unit 40 has the advantage of being able to do this, and the flow rate of the air flowing to the turbine wheel 41 is relatively increased by the cooling gas G joining the expansion gas flow EF. It also has the advantage of increasing performance.

또한 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 상기 압축 기체 유로(26)가 상기 냉각 기로(14)와 공간적으로 분리됨으로써, 상기 압축 기체 유로(26)의 내부에 있는 기체가 상기 냉각 기로(14)로 침투할 수 없으므로, 상기 압축 유닛(20)의 압력 손실 없이 상기 모터(30)를 효율적으로 냉각할 수 있는 장점이 있다.In addition, in the gas cycle heat pump 100, the compressed gas passage 26 is spatially separated from the cooling passage 14, so that the gas inside the compressed gas passage 26 passes through the cooling passage 14. Since it cannot penetrate into, there is an advantage in that the motor 30 can be efficiently cooled without a pressure loss in the compression unit 20.

그리고 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 상기 회전축(31)의 양단부 중 적어도 하나에는, 상기 회전축(31)의 반경 방향 하중 또는 축 방향 하중을 지지하는 공기 베어링(34, 35)이 적어도 하나 이상 장착되어 있으므로, 상기 공기 베어링(34, 35)에 의하여 상기 모터(30)의 사용 수명이 증가하고 진동 소음이 감소하며, 별도의 오일이나 냉각수가 없어도 냉매인 공기에 의하여 베어링(34, 35)을 쉽게 냉각할 수 있다는 장점이 있다.In the gas cycle heat pump 100, at least one air bearing 34 or 35 supporting a load in a radial direction or an axial direction of the rotation shaft 31 is provided at least one of both ends of the rotation shaft 31. Since it is mounted, the service life of the motor 30 is increased and vibration noise is reduced by the air bearings 34 and 35, and the bearings 34 and 35 are cooled by air as a refrigerant even without separate oil or coolant. It has the advantage of being easy to cool.

또한 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 상기 냉각 기로(14)가, 상기 하우징(10)을 냉각할 수 있도록 상기 하우징(10)을 관통하는 기로(14a, 14b, 14c, 14d)를 포함하므로, 냉각용 기체(G)인 공기를 사용하여 신속하게 상기 하우징(10)을 냉각할 수 있는 장점이 있다.In addition, in the gas cycle heat pump 100, the cooling passage 14 includes passages 14a, 14b, 14c, and 14d penetrating the housing 10 so as to cool the housing 10. , There is an advantage in that the housing 10 can be quickly cooled using air, which is a gas (G) for cooling.

그리고 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 상기 하우징(10)이, 상기 모터 수용 공간(13)을 구비하는 내측 하우징(12); 상기 내측 하우징(12)을 둘러감싸는 외측 하우징(11);을 구비하며, 상기 냉각 기로(14)가, 상기 내측 하우징(12)의 외부 표면과 상기 외측 하우징(11)의 내부 표면 사이에 마련되어 있는 외측 기로(14a)를 포함하므로, 상기 외측 기로(14a)를 형성하기 용이하며, 상기 냉각핀(111)에 의하여 상기 외측 기로(14a)를 유동하는 공기를 신속하게 냉각시킬 수 있다는 장점이 있다.In addition, the gas cycle heat pump 100 includes: an inner housing 12 having the motor accommodating space 13; An outer housing 11 surrounding the inner housing 12; and the cooling passage 14 is provided between the outer surface of the inner housing 12 and the inner surface of the outer housing 11 Since the outer air passage 14a is included, it is easy to form the outer air air passage 14a, and the air flowing through the outer air passage 14a can be quickly cooled by the cooling fin 111.

또한 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)는, 상기 냉매인 기체(G)가 미리 정한 함량 이상의 순수한 공기(air)를 포함하므로, 수소불화탄소(HFC)와 같은 유해한 냉매를 사용하지 않을 수 있는 바, 친환경적이라는 장점이 있다.In addition, the gas cycle heat pump 100 may not use a harmful refrigerant such as hydrofluorocarbon (HFC) because the gas (G) as the refrigerant contains pure air having a predetermined content or more. Bar, It has the advantage of being eco-friendly.

한편, 도 5에는 본 발명의 제2 실시예인 기체 사이클 히트 펌프(200)가 도시되어 있다. 이 기체 사이클 히트 펌프(200)의 구성 및 효과는 대부분 상술한 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)의 그것과 동일하거나 대응되므로, 이하에서는 양자간의 차이점에 대해서만 설명하기로 한다.Meanwhile, FIG. 5 shows a gas cycle heat pump 200 as a second embodiment of the present invention. Since most of the configuration and effects of the gas cycle heat pump 200 are the same as or correspond to those of the gas cycle heat pump 100 described above, only differences between the two will be described below.

상기 기체 사이클 히트 펌프(200)는, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 후단 기로(14d)가 상기 터빈 노즐(47)가 연통되어 있지 않는 구성을 가지며, 추가로 유출 기로(14e)와 유출 기로(14f)를 구비한다.As shown in FIG. 5, the gas cycle heat pump 200 has a structure in which the turbine nozzle 47 is not communicated with the downstream air passage 14d, and further includes an outlet air passage 14e and an outlet air passage ( 14f).

상기 유출 기로(14e)는, 도 6에 도시된 바와 같이 일단부가 상기 내측 기로(14c)의 후단부측에 연통되어 있으며, 타단부는 냉각 기체 유출구(142a)를 통하여 외부와 연통되어 있다.As shown in FIG. 6, the outflow passage 14e has one end in communication with the rear end of the inner passage 14c and the other end in communication with the outside through the cooling gas outlet 142a.

상기 냉각 기체 유출구(142a)는, 상기 외측 하우징(11)의 후단부에 형성되어 있으며, 상기 모터 수용 공간(13)과 외부를 연통시키고 있다.The cooling gas outlet 142a is formed at the rear end of the outer housing 11 and communicates the motor accommodating space 13 with the outside.

상기 유출 기로(14f)는, 도 6에 도시된 바와 같이 일단부가 상기 스러스트 베어링(35) 근처에 있는 상기 내측 기로(14c)에 연통되어 있으며, 타단부는 냉각 기체 유출구(142b)를 통하여 외부와 연통되어 있다.As shown in FIG. 6, the outflow passage 14f has one end communicating with the inner passage 14c near the thrust bearing 35, and the other end communicating with the outside through the cooling gas outlet 142b. are connected

상기 냉각 기체 유출구(142b)는, 상기 외측 하우징(11)의 후단부에 형성되어 있으며, 상기 모터 수용 공간(13)과 외부를 연통시키고 있다.The cooling gas outlet 142b is formed at the rear end of the outer housing 11 and communicates the motor accommodating space 13 with the outside.

상기 기체 사이클 히트 펌프(200)는, 상기 냉각 기로(14)를 순환하면서 상기 모터(30) 등을 냉각한 냉각용 기체(G)가 다시 상기 터빈 휠(41)로 보내져 재활용되는 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)과 달리, 상기 냉각 기로(14)를 순환한 냉각용 기체(G)가 상기 냉각 기체 유출구(142a, 142b)를 통하여 상기 하우징(10)의 외부로 배출됨으로써 재활용되지 않는다는 점에서 차이가 있다.In the gas cycle heat pump 200, the cooling gas G, which cools the motor 30 and the like while circulating through the cooler 14, is sent back to the turbine wheel 41 and recycled. The gas cycle heat Unlike the pump 100, the cooling gas (G) that circulated through the cooling passage 14 is discharged to the outside of the housing 10 through the cooling gas outlets 142a and 142b. Difference in that it is not recycled there is

상기 기체 사이클 히트 펌프(200)를 사용하면, 상기 기체 사이클 히트 펌프(100)에 비하여 구조가 간단하다는 장점이 있다. 또한 상기 모터 수용 공간(13)의 공기 압력이 낮게 형성되기 때문에, 상기 공기 베어링(34, 35)에 작용하는 하중이 비교적 감소한다는 장점도 있다. The use of the gas cycle heat pump 200 has a simpler structure than the gas cycle heat pump 100 . In addition, since the air pressure in the motor accommodating space 13 is low, there is an advantage in that the load acting on the air bearings 34 and 35 is relatively reduced.

하지만, 상기 기체 사이클 히트 펌프(200)를 사용하는 경우에는, 상기 냉각용 기체(G)의 일부를 외부로 방출하여 폐기하게 되므로, 상기 팽창 유닛(40)의 성능 및 효율의 약간 감소하는 단점은 있다.However, in the case of using the gas cycle heat pump 200, since a part of the cooling gas G is discharged to the outside and discarded, the performance and efficiency of the expansion unit 40 are slightly reduced. there is.

상술한 실시예들에서는, 상기 냉매인 기체가 100%의 순수한 공기(air)인 것을 전제로 하고 있으나, 순수한 공기에 일정 부분 다른 기체가 혼합된 경우도 포함됨은 물론이다.In the above-described embodiments, it is assumed that the refrigerant gas is 100% pure air, but a case in which a certain portion of other gases is mixed with pure air is included as a matter of course.

상술한 실시예들에서는, 상기 하우징(10)이 외측 하우징(11)과 내측 하우징(12)을 포함하는 2중 케이싱 구조를 가지고 있으나, 외측 하우징(11)만을 구비하는 구조도 가능함을 물론이다.In the above-described embodiments, the housing 10 has a double casing structure including an outer housing 11 and an inner housing 12, but a structure having only the outer housing 11 is also possible.

상술한 실시예들에서는, 상기 베어링(34, 35)이 공기 베어링으로 마련되어 있으나, 가스 베어링, 마그네틱 베어링 등 다른 종류의 비접촉 베어링이 사용될 수도 있음은 물론이다.In the above-described embodiments, the bearings 34 and 35 are provided as air bearings, but other types of non-contact bearings such as gas bearings and magnetic bearings may be used as a matter of course.

상술한 실시예들에서는, 기밀을 위한 별도의 실링(sealing) 수단이 설명되어 있지 않지만, 다양한 종류의 실링 수단이 사용될 수도 있음은 물론이다.In the above-described embodiments, a separate sealing means for confidentiality is not described, but it goes without saying that various types of sealing means may be used.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.Although the present invention has been described above, the technical scope of the present invention is not limited to the contents described in the above-described embodiments, and an equivalent configuration modified or changed by a person skilled in the art is the technical scope of the present invention. It is clear that it does not go beyond the scope of ideas.

* 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 *
100, 200: 기체 사이클 히트 펌프
10: 하우징
11: 외측 하우징
12: 내측 하우징
13: 모터 수용 공간
14: 냉각 기로
14a: 외측 기로
14b: 전단 기로
14c: 내측 기로
14d: 후단 기로
14e: 유출 기로
14f: 유출 기로
20: 압축 유닛
21: 임펠러
22: 외측 커버
23: 내측 커버
24: 압축 기체 흡입구
25: 압축 기체 배출구
26: 압축 기체 유로
30: 모터
31: 회전축
32: 스테이터
33: 로터
34: 저널 베어링
35: 스러스트 베어링
40: 팽창 유닛
41: 터빈 휠
42: 외측 커버
43: 내측 커버
44: 팽창 기체 흡입구
45: 팽창 기체 배출구
46: 팽창 기체 유로
47: 터빈 노즐
111: 냉각핀
141: 냉각 기체 유입구
142, 142a, 142b: 냉각 기체 유출구
441: 팽창 기체 저장 공간
1: 압축기
2: 고온 열교환기
3: 팽창기
4: 저온 열교환기
5, 6: 열원
* Description of symbols for main parts of drawings *
100, 200: gas cycle heat pump
10: housing
11: outer housing
12: inner housing
13: motor accommodating space
14: with cooler
14a: external crossroads
14b: shearing machine
14c: inner girdles
14d: rear crossroads
14e: spillway
14f: spillway
20: compression unit
21: impeller
22: outer cover
23: inner cover
24: compressed gas inlet
25: compressed gas outlet
26: compressed gas flow path
30: motor
31: axis of rotation
32: stator
33: rotor
34: journal bearing
35: thrust bearing
40: expansion unit
41: turbine wheel
42: outer cover
43: inner cover
44: inflation gas inlet
45: expansion gas outlet
46: expansion gas flow path
47: turbine nozzle
111: cooling fin
141: cooling gas inlet
142, 142a, 142b: cooling gas outlet
441: expansion gas storage space
1: Compressor
2: high temperature heat exchanger
3: Inflator
4: low temperature heat exchanger
5, 6: heat source

Claims (8)

하나의 지점에서 다른 지점으로 열을 전달할 수 있는 히트 펌프로서,
압축시킬 냉매인 기체가 흡입되는 압축 기체 흡입구; 상기 압축 기체 흡입구를 통하여 유입된 기체를 압축하는 임펠러; 상기 임펠러에 의하여 압축된 상기 기체가 외부로 배출되는 압축 기체 배출구; 상기 압축 기체 흡입구로부터 상기 압축 기체 배출구까지 연결되어 있는 압축 기체 유로를 구비하는 압축 유닛;
팽창시킬 냉매인 기체가 흡입되는 팽창 기체 흡입구; 상기 팽창 기체 흡입구를 통하여 유입된 기체에 의하여 회전될 수 있는 터빈 휠; 상기 터빈 휠을 통과한 상기 기체가 외부로 배출되는 팽창 기체 배출구; 상기 팽창 기체 흡입구로부터 상기 팽창 기체 배출구까지 연결되어 있는 팽창 기체 유로를 구비하는 팽창 유닛;
일단부가 상기 임펠러와 상대 회전 불가능하게 결합되어 있으며, 타단부는 상기 터빈 휠과 상대 회전 불가능하게 결합되어 있는 회전축을 구비하는 모터;
상기 모터를 수용하는 모터 수용 공간을 구비한 하우징;
상기 모터 수용 공간을 지나가도록 마련되며, 상기 팽창 기체 흡입구를 통하여 유입된 기체의 일부가 상기 모터를 냉각시킬 수 있는 냉각용 기체로 기능할 수 있도록 마련되어 있는 냉각 기로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 사이클 히트 펌프
As a heat pump capable of transferring heat from one point to another,
a compressed gas inlet through which gas, which is a refrigerant to be compressed, is sucked; an impeller for compressing the gas introduced through the compressed gas inlet; a compressed gas outlet through which the gas compressed by the impeller is discharged to the outside; a compression unit having a compressed gas flow path connected from the compressed gas inlet to the compressed gas outlet;
an expansion gas inlet through which gas, which is a refrigerant to be expanded, is sucked; a turbine wheel that can be rotated by the gas introduced through the expansion gas inlet; an expansion gas outlet through which the gas passing through the turbine wheel is discharged to the outside; an expansion unit having an expansion gas flow path connected from the expansion gas inlet to the expansion gas outlet;
a motor having a rotational shaft having one end coupled non-rotatably with the impeller and the other end non-rotatably coupled with the turbine wheel;
a housing having a motor accommodating space accommodating the motor;
A cooler provided to pass through the motor accommodating space and provided so that a part of the gas introduced through the expansion gas inlet can function as a cooling gas capable of cooling the motor; gas characterized by comprising a cycle heat pump
제 1항에 있어서,
상기 냉각 기로를 따라 유동하는 상기 냉각용 기체는, 상기 터빈 휠의 상류에서 상기 팽창 기체 유로에 합류한 후, 상기 터빈 휠을 통과하는 것을 특징으로 하는 기체 사이클 히트 펌프
According to claim 1,
The gas for cooling flowing along the cooling passage passes through the turbine wheel after joining the expansion gas passage upstream of the turbine wheel.
제 1항에 있어서,
상기 냉각 기로를 따라 유동하는 상기 냉각용 기체는, 상기 모터 수용 공간에 형성되어 있는 냉각 기체 유출구를 통하여 상기 하우징의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 기체 사이클 히트 펌프
According to claim 1,
The cooling gas flowing along the cooling passage is discharged to the outside of the housing through a cooling gas outlet formed in the motor accommodating space.
제 1항에 있어서,
상기 압축 기체 유로는 상기 냉각 기로와 공간적으로 분리됨으로써, 상기 압축 기체 유로의 내부에 있는 기체가 상기 냉각 기로로 침투할 수 없는 것을 특징으로 하는 기체 사이클 히트 펌프
According to claim 1,
The compressed gas passage is spatially separated from the cooling passage, so that the gas inside the compressed gas passage cannot penetrate into the cooling passage.
제 1항에 있어서,
상기 회전축의 양단부 중 적어도 하나에는, 상기 회전축의 반경 방향 하중 또는 축 방향 하중을 지지하는 비접촉 베어링이 적어도 하나 이상 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 기체 사이클 히트 펌프
According to claim 1,
At least one non-contact bearing supporting a radial load or an axial load of the rotation shaft is mounted on at least one of both ends of the rotation shaft.
제 1항에 있어서,
상기 냉각 기로는, 상기 하우징을 냉각할 수 있도록 상기 하우징을 관통하는 기로를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 사이클 히트 펌프
According to claim 1,
The cooling passage includes a passage penetrating the housing so as to cool the housing.
제 1항에 있어서,
상기 하우징은, 상기 모터 수용 공간을 구비하는 내측 하우징; 상기 내측 하우징을 둘러감싸는 외측 하우징;을 구비하며,
상기 냉각 기로는, 상기 내측 하우징의 외부 표면과 상기 외측 하우징의 내부 표면 사이에 마련되어 있는 기로를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 사이클 히트 펌프
According to claim 1,
The housing may include an inner housing having a space for accommodating the motor; An outer housing surrounding the inner housing;
The cooling air passage includes a air passage provided between an outer surface of the inner housing and an inner surface of the outer housing.
제 1항에 있어서,
상기 냉매인 기체는, 공기를 미리 정한 함량 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 사이클 히트 펌프
According to claim 1,
The gas as the refrigerant is a gas cycle heat pump, characterized in that it contains more than a predetermined content of air
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