KR100471926B1 - 내연기관을 위한 흡입공기의 스로틀링을 위한 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액상 또는 기상의 매질을 위한 스로틀장치에 관한 것이다. 이것은 압축기, 펌프 또는 발전기를 구동하는 터빈으로 되어 있으며 여기서 액상 또는 기상의 흐름의 스로틀링은 터빈의 부하상태의 변동에 의하여 이루어진다.

Description

내연기관을 위한 흡입공기의 스로틀링을 위한 터빈{Internal combustion engine suction air throttle turbine}

본 발명은 압축기, 펌프 또는 발전기를 구동하는 터빈을 포함하는, 액상 또는 기상의 매질(liquid or gaseous media)을 위한 스로틀장치에 관한 것이다.

DE OS 32 05 722 호에는 기상의 매질에 대한, 즉 내연기관의 흡입공기를 위한 스로틀장치가 개시되어 있다. 이것은 부하 조정장치의 부하조절 또는 제어시에 나타나는 흡입튜브에서의 유체의 운동에너지의 감소가 다른 형태의 에너지로 변환된다는 점을 이용하고 있다. 이러한 방식으로 하여, 내연기관에 대한 에너지 손실을 포함하는 공지된 스로틀 밸브의 단점, 및 공지된 스로틀 없는 부하 제어 또는 조절 (throttle-less load control or regulation)의 큰 구조적 복잡성과 같은 단점도 해결되었다.

DE OS 32 05 722 호에는 특히 자동차의 내연기관에 대한 부하조절장치가 개시되어 있다. 이러한 부하조절장치는 상기 장치와 공기 흡입관 내의 유동 사이의 운동에너지의 교환을 위한 수단을 구비한 작동기계이며, 여기서 이 작동기계는 적어도 내연기관의 부분 하중 영역에서 상기 유동에 의하여 구동된다. 상기 작동기계는 일정한 조건들 하에서는 과급기(supercharger)로서 작동할 수도 있다.이러한 시스템의 단점은 바이패스 라인(bypass line)이 필요하다는 점에 있다. 상기 작동기계는 이 바이패스 라인에 배치된다. 바이패스 라인과 메인 라인(main line) 모두에는 공기의 공급을 제어하기 위해 스로틀 밸브가 제공된다. 이는 추가적으로 요구되는 기계적 구성요소로 인해 이러한 시스템이 고가가 되게 하며, 또한 고장이 나기 쉽게 한다.공지된 구성의 단점은 또한 내연기관의 스로틀링이 매우 완만하게 이루어진다는 점에 있다.

도 1은 탄성적인 로터 마운팅을 구비한 터빈을 도시하고 있으며,

도 2는 로터를 상세히 도시하고 있으며,

도 3은 2개의 케이싱 구조로 된 합성수지 하우징을 도시하고 있으며,

도 4는 합성수지 하우징의 변형예를 도시하고 있으며,

도 5는 터빈을 구비한 공기 흡입 시스템을 도시하고 있다

따라서 본원발명은 간단한 구조를 가지며 또한 다수의 이용 목적에 적합한, 액상 또는 기상의 매질을 위한 스로틀장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 이러한 목적은 이하에서 기술되는 스로틀링 구성에 의해 해결된다.

본원발명의 주요한 장점은 액상 또는 기상의 유동의 스로틀링이 터빈의 부하 상태를 변동시킴으로써 이루어진다는 점에 있다.

따라서 본원발명을 통해, 스로틀 장소에서 통상적으로 소멸되는 에너지가, 에너지를 변환시키는, 예를 들어 압축기 또는 펌프와 같은 장치에 의하여 활용되어진다. 예를 들어 펌프에 의해서는 공기가 압력 탱크에 공급될 수 있다. 물론 상기 에너지를 물, 기름 또는 기타 액체들을 운반하는 펌프를 구동하기 위한 터빈에 유용하도록 이용할 수도 있다.

본원발명의 유리한 실시예 중 하나는, 예를 들어 터빈에 의해서 생성된 에너지가 다양한 형태의 에너지로 전환될 수 있다는 것이다. 따라서 상기 에너지를 열에너지로 전환하고 이 열에너지를 시스템의 가열 또는 난방을 위해 사용하는 것도 가능하다.

터빈을 구성함에 있어서, 터빈을 2개 또는 다수개의 케이싱 구조로 구성할 수도 있다. 이러한 구성은 하우징에 합성수지 재료가 사용될 때 특히 유리한데, 각각의 구성요소들이 사출성형에 의해 제조될 수 있어서 매우 저렴한 가격으로 생산될 수 있다.터빈의 임펠러는 합성수지 또는 금속으로 제조될 수 있으므로, 열가소성 합성수지 재료가 사용된다면 상기 임펠러 역시 경제적으로 제조될 수 있다.

본원발명의 또 다른 변형예에서는 터빈의 로터 마운팅 (rotor mounting)을 탄성적인 구조로 구성하고 있다. 이로써 로터는 그 최대 관성모멘트로 축 둘레를 회전할 수가 있고, 근소한 불균형도 상쇄되다. 또한 탄성적인 마운팅으로 인해 베어링 마모가 감소된다.

터빈의 특히 유리한 구성에 있어서는 피복되지 않은 로터가 사용되며, 합성수지로 된 하우징 안에는 로터에 마주하여 금속으로 된 쉘(shell)이 제공된다. 각각의 로터와 금속 쉘 사이의 간극 폭은 제조 공정 또는 설계 기술에서 최적화 될 수 있다.

터빈의 다른 실시예에서는 터빈에 피복된 로터가 구비되는데, 하우징에 대해 밀봉하기 위하여 예를 들어 래버린스 실(labyrinth seal)이 사용될 수 있다.

스로틀 장치에 추가되는 구성으로서는, 예를 들어 유입측 또는 유출측에 액상 또는 기상의 매질을 위한 필터를 제공하는 것이다. 필터가 유입측에 사용된다면 터빈에 이물질이 끼게 되는 것이 감소하며, 이로 인해 터빈의 작동 수명이 더 길어지게 된다.

본원발명에 따른 바람직한 실시예의 이러한 특징들 및 여타의 특징들은 청구 범위에서뿐만 아니라 명세서 및 도면으로부터도 알 수 있으며, 각각의 특징들은 본원발명의 실시예 및 기타 분야에서 개별적으로 또는 서브컴비네이션(subcombination)의 형태로 함께 실현될 수 있으며, 본 명세서에 의해서 청구되는 유리하고도 독립적으로 특허가능한 실시예를 나타낸다.

이하에서는 실시예를 통하여 본원발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1에는 로터가 탄성적으로 장착되어 있고 펌프가 결합되어 있는 터빈이 도시되어 있다. 공통축(10)은 마운팅 슬리브(mounting sleeve;13) 안의 두개의 볼 베어링(11,12) 상에 회전하도록 통상적으로 장착되어 있다. 마운팅 슬리브는 그 양단부에 탄성링(14,15)을 구비하고 있으며, 탄성링은 지지부(16)의 상응하는 홈에 고정되어 있다. 탄성적인 마운팅으로 인해, 약간의 불균형에 있어서도 로터가 그 관성축 상에서 회전한다는 장점을 얻을 수 있다.

터빈측 단부(17) 상 및 펌프측 단부(18) 상에는 각각 금속 쉘(19,20)이 제공되는데, 상기 금속 쉘(19,20)은 적절한 장소에 성형되거나 또는 끼워지거나 또는 스냅(snap)된다. 피복되지 않은 로터(21,22)에 대한 간극폭은 쉘(19,20)과 하우징(23) 사이의 간극부재에 의해 설정될 수 있다.

그러나, 피복된 로터를 사용할 수도 있다. 도 2에는 피복된 로터의 단면이 도시되어 있다. 이 로터는 하우징과 함께 다수의 래버린스 실 영역(24,25)을 갖으며, 따라서 래버린스 실은 로터(21)에 부분적으로 합체되어 있다.

이미 언급한 바와 같이 로터(21)는 터빈측 단부(17)에서 하우징에 대하여 폐쇄되어 있으며, 각각의 터빈 포트(turbine port;37)는 점선으로 도시되어 있다. 물론 로터(21)와 터빈측 단부(17) 사이의 간극은 래버린스 실 영역을 변화시킴으로써 확대될 수 있으며, 이로써 밀봉이 향상될 수 있다.

도 3은 2개의 구조로 된 터빈의 합성수지 하우징을 도시하고 있다. 두 개의 쉘(26,27)은 터빈축을 따라 분리되어 있다. 로터는 여기에 도시되지 않았는데, 이 두 개의 합성수지 부분이 제조된 후, 로터가 완전한 베어링을 구비하여 제자리에 조립되며, 합성수지 부분들이 초음파 공법에 의해 서로 용접된다.

도 4도 마찬가지로 터빈의 합성수지 하우징을 개략적으로 도시하고 있다. 이 경우에는 두 개의 분리평면이 형성되어 있으며, 상기 분리평면 각각은 로터의 영역에 위치한다. 로터와 베어링이 중간 부분(28)에 삽입된 후에 합성수지 부분(28,29,30)이 초음파 공법에 의해 마찬가지로 용접된다.

도 5는 내연기관의 흡기 시스템 상에 있는 스로틀 내지 터빈의 구성을 도시하고 있다. 흡기 시스템에는 매니폴드(manifold;33)가 포함되어 있으며, 하나 이상의 흡기관(34)이 이 매니폴드로부터 접합 플렌지(35)로 이어진다. 상기 접합 플랜지(35)는 내일기관에 부착된다. 내연기관으로의 공기 공급을 제어하기 위한 스로틀 밸브 대신에 또는 이에 부가하여, 스로틀 장치가 터빈의 형태로 제공된다. 내연기관에 의해 도입된 공기가 흡입측 단부(36)에서 상기 터빈에 공급되며, 이러한 공기는 흡기 시스템의 대기압 이하의 압력과 대기압 사이의 압력강하에 의하여 터빈을 구동한다. 압축기측 단부(37)에서는 차량 시스템에 유용한 압축공기가 생산된다. 터빈의 구조는 도 3에 도시된 것과 유사하며, 여기서 하우징 면(32)은 흡기 시스템의 단부면(31)에 의해 형성된다. 로터 및 베어링이 설치된 후에, 다른 하우징 쉘(30)이 단부면(31)에 나사체결되거나 용접된다. 역시 여기서도, 열가소성 합성수지를 사용하는 경우에는 초음파 용접 방식이 사용될 수 있다.

구조가 간단하며 다수의 이용 목적에 적합한 스로틀장치에 적용 가능하다.

Claims (8)

1. 기상의 매질을 위한 스로틀장치로서,

   압축기, 펌프, 또는 발전기를 구동하는 터빈(36)을 포함하고,

   기상 유동의 스로틀링이 터빈(36)의 부하상태를 변화시킴으로써 이루어지며,

   터빈(36)은, 플라스틱 또는 금속의 하우징(17,18)과 플라스틱 또는 금속의 로터(21,22)를 구비하는, 두 개 이상의 쉘 구조안에 장착되어, 내연기관의 흡기 시스템 상에 배치되며,

   상기 시스템은 매니폴드(33)를 포함하고, 하나 이상의 흡기관(34)이 상기 매니폴드로부터 접합 플렌지(35)로 안내되며,

   내연기관의 흡입 공기가 유입측 상에서 상기 터빈(36)으로 안내되며,

   상기 흡입 공기가, 대기압과 터빈의 흡기압 사이의 압력구배로 인하여 터빈을 구동하며,

   하우징 면(32)이 흡기 시스템의 단부면(31)에 의하여 형성되고, 로터 및 베어링이 설치된 후에 다른 하우징 쉘(30)이 나사체결되거나 용접되는 스로틀장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   터빈의 로터 베어링(14,15)이 탄성적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스로틀장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   터빈은 피복되지 않은 로터를 포함하며,

   플라스틱 하우징의 경우에, 로터에는 로터에 마주하는 금속 쉘이 제공되고, 로터에 마주하는 금속 쉘과 로터와의 간격은 조정가능한 것을 특징으로 하는 스로틀장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   터빈은 피복된 로터를 포함하며, 하나 이상의 래버린스 실에 의하여 하우징(17)에 대해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 스로틀장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   유입측 또는 유출측 상에 기상의 매질을 위한 필터가 제공되는 것을 특징으로 하는 스로틀장치.
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