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KR101284670B1 - 초고온 내열 모터펌프 - Google Patents

초고온 내열 모터펌프 Download PDF

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KR101284670B1
KR101284670B1 KR1020120113313A KR20120113313A KR101284670B1 KR 101284670 B1 KR101284670 B1 KR 101284670B1 KR 1020120113313 A KR1020120113313 A KR 1020120113313A KR 20120113313 A KR20120113313 A KR 20120113313A KR 101284670 B1 KR101284670 B1 KR 101284670B1
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heat
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high temperature
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갑 동 김
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갑 동 김
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Abstract

본 발명과 관련된 본 발명과 관련된 초고온 내열 모터펌프는, 인렛과 아웃렛이 형성된 케이싱; 상기 케이싱 내에 수용된 임펠러; 상기 임펠러에 결합되며, 로터코어가 로터캔에 의해 밀봉된 로터 어셈블리; 상기 로터 어셈블리를 수용할 수 있게 형성된 공간부를 가지고, 상기 로터 어셈블리에 회전력을 제공할 수 있게 형성되며, 권선용 전선이 스테이터 코어에 권취된 상태에서 스테이터캔에 의해 밀봉된 스테이터 유닛을 포함하고, 상기 권선용 전선은, 나동선(裸銅線); 상기 코팅층의 외층에 코팅되며, 직조된 내열섬유에 의해 조성되는 직조코팅층; 상기 나동선의 외층 또는 상기 직조코팅층의 외층 중 적어도 어느 하나에 코팅되며, 내열수지에 의해 조성되는 내열코팅층; 및 상기 직조코팅층 또는 상기 내열코팅층의 외층에 코팅되며, 무기물에 의해 조성되는 무기물코팅층을 포함한다.

Description

초고온 내열 모터펌프{SUPER HIGH-TEMPERATURE MOTOR PUMP}
본 발명은 450℃ 이상의 초고온의 환경에서 물이나 다른 냉각수의 사용이 필요치 않는 모터펌프에 관한 것이다.
화재나 폭발사고를 대비하기 위해 사용되는 화재 방화복이나 각종 강화 플라스틱, 전기 절전형 모터 또는 전자제품, 반도체 원료 등은 고온의 환경에서 견딜 수 있어야 한다. 이러한 제품들의 원료를 만드는 것 또한 높은 온도를 만드는 열매체 보일러를 사용하여 열매체유를 400℃ 이상으로 끓인 다음 액상의 원료를 파이프를 통하여 이동시키는데 이송파이프 내의 온도가 내려가면 원료가 굳게 된다.
원료가 굳는 것을 방지하기 위해 고온의 열매체가 사용되는데, 열매체의 이송을 위해 장치에 부가되는 펌프 또한 고온의 환경에서 내열성과 내구성을 확보해야 한다. 고온의 작동유체를 순환시키기 위한 펌프로서 캔드 모터펌프(Canned Motor Pump)는 원심 펌프와 모터를 일체로 조합한 것으로, 펌프액의 일부를 모터나 베어링으로 환류시켜 윤활과 냉각을 행한다. 펌프액이 모터의 로터실까지 유입되므로 모터 펌프는 펌프액이 모터부품으로 침투되지 않도록 깡통 형식으로 구성된다. 따라서, 모든 장치가 밀봉되어 액의 누출이나 소음이 없다는 점에서 플라스틱의 제조, 섬유 등의 제품을 만들어내는 플랜트 등지에서 사용된다.
작동유체의 고온화에 따라, 모터펌프의 과열을 방지하기 위해 모터펌프 외부에 냉각재킷과 같은 수단을 이용하여 물에 의한 냉각구조가 제안되기도 하였다. 그러다 보니, 많은 물을 사용하는 냉각장치가 구비될 수밖에 없는데, 냉각할 수 있는 물도 결국은 다른 에너지를 사용하여 얻어진다는 점에서 여러 문제가 발생한다. 즉, 냉각수의 공급을 위하여 많은 에너지가 낭비되고, 또 설치된 냉각장치가 부식되다 보니 6개월 내지 1년 이내 주기적으로 청소를 해야 하며, 사용된 냉각기가 부식되기 때문에 일정 시기마다 교체해 주어야 한다는 단점도 있다.
고온에 노출되는 모터펌프가 안정적인 성능을 발휘하기 위해서는 모터 내에 권선되는 전선의 고내열화도 중요한 문제의 하나이다. 일반적으로, 전선에 코팅되어 있는 수지물은 고온에서의 절연성을 확보할 수 없으므로 고내열 모터펌프에는 고온을 견딜 수 있는 전선이 필요하다. 이러한 고내열 모터펌프 권선용 전선도 사용온도에 따라 코팅층의 재질도 달라지게 된다. 산업적 요구에 따라 온도 한계도 점차 증대되고 있으며, 450℃ 이상 또는 500℃ 이상의 초고온에서도 내구성과 절연성을 유지할 수 있는 권선용 전선에 대한 요구도 대두되고 있다.
본 발명은 상기한 점을 감안한 것으로, 450℃ 이상에서 사용될 수 있는 초고내열의 모터펌프로서, 수냉 방식의 단점을 극복하고 공냉 방식으로 고온의 환경에서 직접 사용될 수 있는 초고온 내열 모터펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위하여, 본 발명의 다른 목적은 내열성을 더욱 높인 전선을 제시하는데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명과 관련된 초고온 내열 모터펌프는, 인렛과 아웃렛이 형성된 케이싱; 상기 케이싱 내에 수용된 임펠러; 상기 임펠러에 결합되며, 로터코어가 로터캔에 의해 밀봉된 로터 어셈블리; 상기 로터 어셈블리를 수용할 수 있게 형성된 공간부를 가지고, 상기 로터 어셈블리에 회전력을 제공할 수 있게 형성되며, 권선용 전선이 스테이터 코어에 권취된 상태에서 스테이터캔에 의해 밀봉된 스테이터 유닛을 포함하고, 상기 권선용 전선은, 나동선(裸銅線); 상기 코팅층의 외층에 코팅되며, 직조된 내열섬유에 의해 조성되는 직조코팅층; 상기 나동선의 외층 또는 상기 직조코팅층의 외층 중 적어도 어느 하나에 코팅되며, 내열수지에 의해 조성되는 내열코팅층을 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 초고온 내열 모터펌프는, 상기 직조코팅층 또는 상기 내열코팅층의 외층에 코팅되며, 무기물에 의해 조성되는 무기물코팅층을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 내열코팅층은, 상기 나동선의 외층에 코팅되는 제1내열코팅층; 및 상기 직조코팅층의 외층에 코팅되는 제2내열코팅층을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 내열수지는 폴리이미드(polyimide) 계열의 수지를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 내열섬유는 유리섬유(glass fiber)를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 무기물코팅층은, 세라믹 파우더를 진공 상태에서 폴리이미드 수지에 의해 함침시켜 건조 경화된 것일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 스테이터 유닛은 프론트 플랜지 및 리어 플랜지를 포함하고, 상기 프론트 플랜지는 상기 리어 플랜지보다 큰 직경을 가지고서 상기 케이싱에 직접 플랜지볼트에 의해 체결될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 초고온 내열 모터펌프는, 상기 스테이터 유닛의 일측으로부터 연장된 연장튜브; 및 상기 연장튜브의 단부에 형성된 커넥터를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 초고온 내열 모터펌프에 의하면, 스테이터 유닛을 구성하는 권선용 전선을 나동선에 내열코팅층, 직조코팅층, 무기질 코팅층을 복합 코팅하는 것으로서, 450℃ 이상의 초고온 환경에서도 안정성과 내구성 및 절연성을 유지할 수 있다. 따라서, 모터의 핵심 부품역할을 하는 권선의 내구온도가 증가되므로, 수냉식과 같은 냉각자켓 및 냉각수의 필요성이 원천적으로 없으며 그에 따라 생산원가를 대폭 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명과 관련된 초고온 내열 모터 펌프의 일 예(100)를 보인 개략적 단면도
도 2는 본 발명과 관련된 고내열 모터펌프 권선용 전선(200)의 적층 구조를 보인 단면도
도 3은 본 발명과 관련된 일 예에 따른 고내열 모터 권선용 전선의 제조방법을 개념적으로 도시한 공정도
이하, 본 발명과 관련된 초고온 내열 모터 펌프를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 고내열 모터 권선용 전선이 적용된 고내열 모퍼펌프의 일 예(100)를 보인 개략적 단면도이다. 도 1에 도시된 것과 같이, 고내열 모터 권선용 전선(200)은, 고온의 환경에서 사용되는 '고내열 모터펌프(100)' 등의 권선용으로 사용될 수 있다.
고내열 모터펌프(100)는 케이싱(110), 임펠러(115), 프론트 하우징(121), 리어 하우징(122), 스테이터 유닛(130), 로터 어셈블리(140), 베어링(151, 152), 슬리브(155, 156), 보조 임펠러(160), 커넥터(170) 등의 요소를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 고내열 모터펌프(100)의 세부 구성상의 요소는 경우에 따라 이중 일부를 포함하지 않거나 다른 형태로 대체될 수 있다. 이중 스테이터 유닛(130)에 포함된 본 발명과 관련된 고내열 모터 권선용 전선에 대하여는 도 2 및 도 3을 참조로 하여 상세히 설명한다.
다시, 도 1을 참조하면, 케이싱(110)은 임펠러(115)를 감싸는 부분으로서, 작동유체 즉, 용융된 고온의 수지 등이 들어오는 인렛(inlet; 111)과 원심력에 의하여 압송되는 아웃렛(outlet; 112)이 각각 형성되어 있다.
임펠러(115)는 로터 어셈블리(140)에 결합되는 부품으로서, 로터 어셈블리(140)로부터 구동력을 제공받아 회전에 의해 작동유체를 원심방향으로 강제로 안내함으로써 작동유체가 케이싱(110)의 아웃렛(112)으로 향하도록 한다.
프론트 하우징(121) 및 리어 하우징(122)은 베어링(151, 152)이 안착될 자리를 제공할 수 있도록 각각 내측으로 연장된 형태로 되어 있다. 프론트 하우징(121) 및 리어 하우징(122)의 체결을 위해, 스테이터 유닛(130)에는 각각의 플랜지(131, 132)가 구비되어 있다. 이중 프론트 플랜지(131)는 케이싱(110)과의 직접 체결을 위해 리어 플랜지(132)에 비해 직경이 큰 형태로 형성될 수 있다. 프론트 플랜지(131)와 케이싱(110)은 프론트플랜지(131) 쪽에서 삽입되는 플랜지볼트(135)에 의해 체결된다. 스테이터 유닛(130)과 케이싱(110)의 직접 체결구조에 의해 높은 밀봉력을 얻을 수 있으며, 조립도 간편화될 수 있다. 프론트 하우징(121)은 스테이터 유닛(130)의 프론트 플랜지(131)에 프론트 하우징(121) 쪽에서 삽입되는 플랜지볼트(125)에 의해 체결된다.
로터 어셈블리(140)는 샤프트(141) 및 샤프트(141)에 고정되어 있는 로터 코어(142) 및 로터 코어(142)를 밀봉하는 로터캔(143)을 포함하다. 샤프트(141)의 중심은 길이방향의 관통홀(141a)이 형성되어 있으며, 관통홀(141a)에 연결되는 반경방향의 측공(141b)이 포함하고 있다. 모터가 작동되면 임펠러(115)의 작용에 의해 작동유체가 관통홀(141a)로 유입되고 측공(141b)을 통하여 모터의 내부공간으로 유입된다.
로터 어셈블리(140)의 전단과 후단은 슬리브(153, 154)에 의하여 각각 끼워져 있으며, 슬리브(153, 154)는 각각의 베어링(151, 152)에 의하여 지지된다. 베어링(151, 152)에는 나선 및 축선 방향으로 형성된 미로(labyrinth; 151a)가 형성되어 있으며, 미로(151a)를 따라 유동하는 작동유체에 의해 샤프트(141)와 베어링(151, 152) 사이의 원활한 미끄럼이 일어나게 된다. 따라서, 별도의 윤활유를 사용하지 않고 펌프에 의해 수송되는 작동유체에 의하여 윤활작용을 구현한다.
스테이터 유닛(130)은 철심 코어(133)에 전선(200)이 권취된 형태로서, 스테이터캔(134)에 의하여 밀봉되어 있다. 스테이터 유닛(130)의 선단부와 후단부는 전술한 바와 같이 프론트 하우징(121)과 리어 하우징(122)에 각각 결합되기 위한 플랜지(131, 132)를 구비하고 있다. 스테이터 유닛(130)에 포함되어 있는 전선(200)은 높은 온도 환경에서 절연성을 유지해야 하는 주요 부품으로서 전선(200)에 대한 상세한 내용은 도 2 이하를 참조로 상세히 설명한다.
보조 임펠러(160)는 로터 어셈블리(140)가 장착된 내부의 공간에 포함된 에어의 유출을 위한 통로를 제공한다. 즉, 장치가 작동된 후 임펠러(115)의 회전에 의하여 내부 공간으로 작동유체가 유입되도록 공기를 빼주고, 공기가 다 빠지면 이를 폐쇄시킨다.
커넥터(170)는 스테이터 유닛(130)의 전선(200) 등이 외부의 단자와 연결하는 부분으로서, 연장튜브(171)에 의하여 고온의 스테이터 유닛(130)과 일정한 거리를 두고 있다. 이러한 연장튜브(171)는 커넥터(170)를 고온으로부터 보호하면서도 유사시 취급이 용이하도록 한다.
도 2는 본 발명과 관련된 고내열 모터펌프 권선용 전선(200)의 적층 구조를 보인 단면도이고, 도 3은 본 발명과 관련된 일 예에 따른 고내열 모터 권선용 전선의 제조방법을 개념적으로 도시한 공정도이다.
이들 도면에 도시된 것과 같이, 본 예의 고내열 모터펌프 권선용 전선(200)은, 중심으로부터 순차적으로 나동선(裸銅線; 210), 제1내열코팅층(220), 직조코팅층(230), 제2내열코팅층(240), 무기물코팅층(250)이 적층된 형태로 되어 있다. 도시에서 제1내열코팅층(220) 및 제2내열코팅층(240)은 모두 사용된 형태를 예시하였으나, 이들 중 어느 하나는 생략될 수도 있다. 제조방법에 있어, 고내열 모터펌프 권선용 전선(200)의 제조방법은, 나동선에 1차 내열코팅층을 형성하는 단계, 직조코팅층을 형성하는 단계, 2차 내열코팅층을 형성하는 단계 및 무기물 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이하, 고내열 모터펌프 권선용 전선(200)의 제작방법을 도 3을 참조로 설명한다.
나동선(210)은 내열 처리를 위한 구리 도선의 상태로서, 모터의 용량에 맞는 직경을 갖도록 선택될 수 있다.
제1내열코팅층(220)은 나동선(210)에 일차적으로 입혀지는 내열층으로서, 내열수지에 의해 조성될 수 있다. 그러한 내열수지로서 내열성과 내화성이 우수한 폴리이미드(polyimide) 계열의 수지(221)가 사용될 수 있다. 폴리이미드 수지는 400℃ 이상의 고온을 견딜 수 있는 재료로서, 종래 폴리올레핀 등과 같은 저융점 수지를 사용한 후 폴리이미드 수지를 적층하는 방식에 비하여, 본 실시예와 같이 나동선에 직접 코팅시킨 후 폴리이미드를 추가 적층함으로써 내열 온도를 현저히 증가시킨다. 즉, 나동선에 폴리이미드 수지를 코팅하기 전에 폴리올레핀과 같은 접착성 수지를 코팅하는 경우 폴리올레핀에 의한 내열 온도의 저하가 발생하는데 본 예와 같이 폴리이미드를 직접 부착함으로써 내열 온도를 떨어뜨리지 않는다.
도 3(a)와 같이, 이러한 액상의 내열 수지(221)가 입혀진 상태에서 히터(H)에 의해 열을 가하여 경화시킨다.
직조코팅층(230)은 제1내열코팅층(220)에 의하여 입혀진 나동선(210)을 보강하고 내열성을 높일 수 있도록 내열섬유에 의해 코팅된다. 그러한 직조코팅층(230)을 이루는 내열섬유는 제1내열코팅층(220)을 둘러싸는 복수 가닥의 유리섬유(glass fiber)로서, 도 4(b)와 같이, 나선방향으로 복수의 유리섬유 가닥이 교차되게 연속적으로 직조하는 형태로 만들어질 수 있다. 유리섬유는 1,000℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있으므로 내부의 제1내열코팅층(220) 및 나동선(210)에 대한 내열 역할을 하게 된다.
제2내열코팅층(240)은 직조코팅층(230)의 올과 올 사이의 공간 및 충전을 채워줌으로써 내열성을 높이면서도, 직조코팅층(230)의 풀림을 방지한다. 이러한 제2내열코팅층(240) 역시 폴리이미드 계열의 내열 수지(241)에 의해 조성될 수 있다.
무기물코팅층(250)은 권선작업을 마친 상태에서 전선이 일정한 형태로 유지되도록 고정시키면서 내부의 나동선(210)에 전달되는 열을 차단시킨다. 그러한 무기물코팅층(250)은 권취된 전선을 고온에 견딜 수 있는 세라믹 파우더를 진공 상태에서 폴리이미드 수지에 의하여 함침하는 것에 의하여 이루어질 수 있다.
이와 같이 제조된 고내열 모터펌프 권선용 전선(200)은 450℃ 또는 500℃ 이상의 온도가 지속적으로 유지되는 환경에서도 절연성이 저하되지 않고 내구한도를 높인다. 따라서, 모터펌프의 냉각을 위한 냉각수 또는 이를 순환시키기 위한 재킷의 필요성을 경감시켜주며 그에 따른 경제적 비용을 혁신적으로 줄여주며, 유지 보수를 위한 관리 및 비용의 발생을 원천적으로 차단시켜 준다.
상기와 같이 설명된 초고온 내열 모터 펌프는 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 고내열 모터펌프 200: 고내열 모터펌프 권선용 전선
110: 케이싱 111: 인렛
112: 아웃렛 115: 임펠러
121: 프론트 하우징 122: 리어 하우징
130: 스테이터 유닛 131: 프론트 플랜지
132: 리어 플랜지 133: 스테이터 코어
134: 스테이터캔 140: 로터 어셈블리
141: 샤프트 141a: 관통홀
142b: 측공 142: 로터 코어
143: 로터 캔 151, 152: 베어링
151a: 미로(labyrinth) 153, 154: 슬리브
160: 보조임펠러 170: 커넥터
171: 연장튜브

Claims (8)

  1. 인렛과 아웃렛이 형성된 케이싱;
    상기 케이싱 내에 수용된 임펠러;
    상기 임펠러에 결합되며, 로터코어가 로터캔에 의해 밀봉된 로터 어셈블리; 및
    상기 로터 어셈블리를 수용할 수 있게 형성된 공간부를 가지고, 상기 로터 어셈블리에 회전력을 제공할 수 있게 형성되며, 권선용 전선이 스테이터 코어에 권취된 상태에서 스테이터캔에 의해 밀봉된 스테이터 유닛을 포함하고,
    상기 권선용 전선은,
    나동선(裸銅線);
    상기 나동선의 외층에 가열경화되어 일차 코팅되는 폴리이미드(polyimide) 계열 수지의 제1내열코팅층;
    상기 제1내열코팅층의 외층에 코팅되며, 유리섬유로 직조된 내열섬유에 의해 조성되는 직조코팅층; 및
    상기 직조코팅층의 외층에 가열경화되어 이차 코팅되는 폴리이미드 계열 수지의 제2내열코팅층을 포함하는, 초고온 내열 모터펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2내열코팅층의 외층에 코팅되며, 무기물에 의해 조성되는 무기물코팅층을 더 포함하는, 초고온 내열 모터펌프.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 무기물코팅층은,
    세라믹 파우더를 진공 상태에서 폴리이미드 수지에 의해 함침시켜 건조 경화된 것인, 초고온 내열 모터펌프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터 유닛은 프론트 플랜지 및 리어 플랜지를 포함하고,
    상기 프론트 플랜지는 상기 리어 플랜지보다 큰 직경을 가지고서 상기 케이싱에 직접 플랜지볼트에 의해 체결된, 초고온 내열 모터펌프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터 유닛의 일측으로부터 연장된 연장튜브; 및
    상기 연장튜브의 단부에 형성된 커넥터를 더 포함하는, 초고온 내열 모터펌프.
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