KR101336331B1 - 터보 차져의 로터 조립체 - Google Patents

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성시영
한범석
한창수
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자동차부품연구원
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Abstract

본 발명은 터보 차져의 로터 조립체에 관한 것으로서, 고압의 배기가스에 의해 회전될 수 있도록 다수개의 블레이드가 형성되고, 회전 중심부에 축방향으로 돌출되는 수나사부가 형성되는 로터; 상기 로터의 수나사부와 나사결합되는 암나사부가 형성되어 상기 로터와 조립되는 샤프트;를 포함하고, 상기 로터의 수나사부는 나사 결합시 나사의 회전방향이 상기 로터의 회전방향과 동일한 방향으로 형성되는 것으로서, 부품간 결합성과 내구성을 향상시키고, 배기가스가 고온, 고압인 가솔린 엔진 및 디젤 엔진에 모두 적용할 수 있다.

Description

터보 차져의 로터 조립체{Rotor assembly of turbo-charger}
본 발명은 터보 차져의 로터 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고압의 배기가스에 의해 회전되는 로터를 갖는 터보 차져의 로터 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 자동차나 선박이나 발전소 등에서 널리 사용하는 내연기관의 엔진 효율과 성능을 향상시키기 위하여 연소 후 발생되는 고압의 배기가스를 이용하여 로터를 회전시키고, 로터의 회전력을 이용하여 엔진의 흡기계에 공기를 과급하는 터보 차져가 널리 활용되고 있다.
통상적으로, 디젤 엔진의 경우에는 터보 차져의 효율을 향상시키기 위하여 VGT(Variable Geometry Turbo-charger) 공법이 적용될 수 있으나, 가솔린 엔진의 경우에는 배기가스의 온도가 매우 높아서 이러한 공법이 적용되기 어렵다.
종래의 로터와 로터의 회전축에 연결되는 샤프트는 접합 부위에 브레이징(Brazing) 공법을 적용하여 서로 접합하였으나, 이러한 브레이징 공법은 배기가스의 압력과 온도가 극한으로 상승할 경우, 파단의 원인이 되어 오히려 배기가스의 압력을 제한함으로써 엔진 효율과 성능을 크게 떨어뜨리고, 배기가스의 압력과 온도가 매우 높은 가솔린 또는 디젤 엔진에는 적용할 수 없었던 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 고온 및 고압의 배기가스에 견딜 수 있도록 비교적 무거운 재질의 스틸이나 니켈 합금류를 사용했었으나, 이러한 로터의 무게로 인하여 배기가스의 최초 배출시점부터 로터가 회전하는 회전시점까지 시간의 지연을 나타내는 터보랙(Turto lack) 시간이 길어져서 터보 차져의 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 사상은, 로터의 재질을 TiAl 계열의 금속으로 제작하고, 로터의 회전방향과 동일한 방향의 나사부를 로터에 형성하여 부품간 결합성을 향상시키고, 배기가스가 고온, 고압인 가솔린 엔진 및 디젤 엔진에 모두 적용할 수 있으며, 결합 부위에 E-beam 용접, 레이저 용접, 마찰 접합 등이 가능하여 기계적인 접합강도를 획기적으로 향상시킬 수 있고, 나사부에 필러를 삽입하여 배기가스의 열을 이용한 자기 치유 기능을 가능하게 하는 터보 차져의 로터 조립체를 제공함에 있다.
본 발명의 일 관점에 따른 터보 차져의 로터 조립체는, 고압의 배기가스에 의해 회전될 수 있도록 다수개의 블레이드가 형성되고, 회전 중심부에 축방향으로 돌출되는 수나사부가 형성되는 로터; 상기 로터의 수나사부와 나사결합되는 암나사부가 형성되어 상기 로터와 조립되는 샤프트;를 포함하고, 상기 로터의 수나사부는 나사 결합시 나사의 회전방향이 상기 로터의 회전방향과 동일한 방향으로 형성될 수 있다.
상기 로터 조립체에 따르면, 상기 로터는, TiAl 계열의 금속을 포함하는 재질로 제작될 수 있다.
상기 로터 조립체에 따르면, 상기 로터와 샤프트 사이에, 적어도 전자빔(E-beam) 용접, 레이저 용접, 마찰 접합 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상의 공정에 의한 제 1 용접부가 형성될 수 있다.
상기 로터 조립체에 따르면, 상기 샤프트는, 상기 암나사부가 형성되는 중간 연결부재; 및 상기 중간 연결부재에 연결되는 연장부재;를 포함할 수 있다.
상기 로터 조립체에 따르면, 상기 중간 연결부재와 상기 연장부재 사이에, 제 2 용접부가 형성될 수 있다.
상기 로터 조립체에 따르면, 상기 중간 연결부재와 상기 연장부재의 접촉면에 서로 맞물리는 요철부가 형성될 수 있다.
상기 로터 조립체에 따르면, 상기 로터의 수나사부는, 정밀 주조에 의해 형성되거나, 절삭 가공에 의해 형성될 수 있다.
상기 로터 조립체는, 상기 로터의 수나사부와 이와 결합된 상기 샤프트의 암나사부 사이에 설치되고, 취약 부위에 크랙 발생시 크랙 내부에 충전되어 크랙의 전파를 방지하는 자기 치유 기능을 갖는 필러;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 터보 차져의 로터 조립체는, 고압의 배기가스에 의해 회전될 수 있도록 다수개의 블레이드가 형성되고, 회전 중심부에 축방향으로 돌출되는 수나사부가 형성되는 로터와, 상기 로터의 수나사부와 나사결합되는 암나사부가 형성되어 상기 로터와 조립되는 샤프트를 포함한다. 상기 로터의 수나사부와 상기 샤프트의 암나사부는 상기 배기가스의 압력에 의해서 상기 로터가 회전 시 상기 로터의 회전에 의해서 체결되도록 나사선이 형성된다.
상기 로터 조립체에 따르면, 상기 샤프트의 암나사부는 상기 로터의 회전방향의 역방향으로 회전되면서 상기 로터의 수나사부에 체결될 수 있다.
상기 로터 조립체에 따르면, 상기 로터의 수나사부는 상기 로터의 회전방향과 동일한 방향으로 회전되면서 상기 샤프트의 암나사부에 체결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 차져의 로터 조립체는, 부품간 결합성과 내구성을 향상시키고, 배기가스가 고온, 고압인 가솔린 엔진 및 디젤 엔진에 모두 적용할 수 있으며, 부품간 기계적인 접합강도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과를 갖는 것이다.
도 1은 본 발명 사상의 일부 실시예들에 따른 터보 차져의 로터 조립체를 나타내는 부품 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 부품 조립 단면도이다.
도 3은 도 1의 로터와 샤프트의 결합부위를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명 사상의 일부 실시예들에 따른 터보 차져의 로터 조립체의 로터와 샤프트의 결합부위를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 4의 수나사부와 암나사부를 확대하여 나타내는 확대 단면도이다.
도 6은 도 5의 A부분을 확대하여 나타내는 확대 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명 사상의 일부 실시예들에 따른 터보 차져의 로터 조립체(100)를 나타내는 부품 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 부품 조립 단면도이고, 도 3은 도 1의 로터(10)와 샤프트(20)의 결합부위를 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 터보 차져의 로터 조립체(100)는, 크게 로터(10) 및 샤프트(20)를 포함할 수 있다.
여기서, 로터(10)는, 가솔린유나 디젤유 등 각종 화석연료의 연소후 내연기관에서 발생되는 고압의 배기가스에 의해 회전될 수 있도록 날개 형상으로 형성된 다수개의 블레이드(10a)가 형성될 수 있다.
또한, 로터(10)의 회전 중심부에는 축방향으로 돌출되는 수나사부(11)가 형성될 수 있다.
이러한, 로터(10)는, 무게를 최소화하여 터보랙을 줄이기 위하여 티탄(Ti)과 알루미늄(Al)의 금속간화합물로 매우 가볍고, 밀도를 고려한 비강도가 매우 높은 내열합금의 일종인 TiAl 계열의 금속을 포함하는 재질로 제작될 수 있다.
여기서, 로터(10)의 수나사부(11)는, 정밀 주조에 의해 형성되거나, TiAl 계열 금속의 연신율이 낮은 것을 고려하여 표면처리나 정밀공정을 이용한 절삭 가공에 의해 형성될 수 있다.
또한, 샤프트(20)는, 로터(10)의 수나사부(11)와 나사결합되는 암나사부(21)가 형성된 나사홀(20a)이 축방향으로 형성되고, 나사홀(20a)을 이용하여 로터(10)와 조립되어 회전축을 이루는 막대 형상인 것이다.
이러한, 샤프트(20)는, 고온, 고압의 배기가스에 노출되지 않기 때문에 비교적 내열성, 내압성이 낮은 일반 스틸 계열의 재질로 제작될 수 도 있고, 샤프트(20)의 내열성 및 내압성을 향상시키고, 경량화를 위해 샤프트(20) 역시 로터(10)와 동질인 TiAl 계열 금속으로 제작될 수 있다.
로터(10)와 샤프트(20)의 결합력을 높이기 위해서, 로터(10)의 수나사부와(11) 샤프트(20)의 암나사부(21)는 배기가스의 압력에 의해서 로터(10)가 회전 시 로터(10)의 회전에 의해서 체결되도록 나사선이 형성될 수 있다. 예를 들어, 샤프트(20)의 암나사부(21)는 로터(10)의 회전방향의 역방향으로 회전되면서 로터(10)의 수나사부(11)에 체결될 수 있다. 또한, 로터(10)의 수나사부(11)는 로터(10)의 회전방향과 동일한 방향으로 회전되면서 샤프트(20)의 암나사부(21)에 체결될 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 로터(10)의 수나사부(11)는 나사 결합시 나사의 회전방향(D2)이 상기 로터(10)의 회전방향(D1)과 동일한 방향으로 형성될 수 있다.
여기서, 로터(10)의 회전방향(D1)이란, 배기가스에 의해 회전되는 로터(10)의 회전 빈도수가 상대적으로 높은 주요 회전방향을 말한다. 즉, 로터(10)가 정방향 회전과 역방향 회전을 모두 할 수 있지만, 터보 차져 효과를 얻기 위해서 주로 회전하는 회전방향을 D1으로 정할 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 로터(10)의 재질을 내열성, 내압성이 우수한 경량의 TiAl 계열의 금속으로 제작하여 통상적으로, 대략 0.1초에서 수초 정도의 터보랙을 줄임으로써 터보 차져의 효율과 성능을 향상시킬 수 있고, 로터(10)의 수나사부(11)가 나사 결합시 나사의 회전방향(D2)이 로터(10)의 회전방향(D1)과 동일한 방향으로 형성되어 로터(10)의 회전시 로터(10)의 회전력에 의해 나사가 더욱 결합되는 방향으로 회전력이 작용하여 견고한 고정을 가능하게 한다.
도 4는 본 발명 사상의 일부 실시예들에 따른 터보 차져의 로터 조립체(200)의 로터(10)와 샤프트(20)의 결합부위를 나타내는 단면도이고, 도 5는 도 4의 수나사부(11)와 암나사부(21)를 확대하여 나타내는 확대 단면도이고, 도 6은 도 5의 A부분을 확대하여 나타내는 확대 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 터보 차져의 로터 조립체(200)는, 로터(10)와 샤프트(20) 사이에, 적어도 E-beam 용접, 레이저 용접, 마찰 접합 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상의 공정에 의한 제 1 용접부(51)가 형성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트(20)는, 암나사부(21)가 형성되는 중간 연결부재(40) 및 중간 연결부재(40)에 연결되는 연장부재(30)를 포함할 수 있다.
여기서, 중간 연결부재(40)와 연장부재(30) 사이에, 제 2 용접부(52)가 형성될 수 있다. 이러한 제 2 용접부(52)는 전자빔(E-beam) 용접, 레이저 용접, 마찰 접합 이외에도 브레이징, 전기용접, 스파크용접, 땜납용접 등 다양한 용접공정을 통해 형성될 수 있다.
또한, 중간 연결부재(40)와 연장부재(30)의 접촉면에 서로 맞물리는 요철부(41)가 형성되어 중간 연결부재(40)와 연장부재(30) 간의 결합성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 요철부(41)는 도면에 국한되지 않고, 서로 맞물리는 모든 형상의 요철부가 적용될 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명 사상의 일부 실시예들에 따른 터보 차져의 로터 조립체(200)는, 로터(10)의 수나사부(11)와 이와 나사 결합된 샤프트(20)의 암나사부(21) 사이에 설치되고, 취약부위에 크랙(61) 발생시 크랙(61) 내부에 충전되어 크랙(61)의 전파를 방지하는 자기 치유(Self Care) 기능을 갖는 필러(60)(filler)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 필러(60)는, 비교적 용융점이 낮은 Al계열, Ag계열, Cu계열 등의 분말 또는 필름 형태의 금속 물질이 적용될 수 있다.
따라서, 결합 부위에 전자빔(E-beam) 용접, 레이저 용접, 마찰 접합 등이 가능하여 기계적인 접합강도를 획기적으로 향상시킬 수 있고, 나사부(11)(21)에 필러(60)를 삽입하여 배기가스의 열을 이용한 자기 치유 기능을 갖게 함으로써 내구성과 내구연한을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.
따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.
10: 로터 10a: 블레이드
11: 수나사부 20: 샤프트
20a: 나사홀 21: 암나사부
D1, D2: 회전방향 100, 200: 터보 차져의 로터 조립체
51: 제 1 용접부 52: 제 2 용접부
30: 연장부재 40: 중간 연결부재
41: 요철부 60: 필러
61: 크랙

Claims (12)

  1. 고압의 배기가스에 의해 회전될 수 있도록 다수개의 블레이드가 형성되고, 회전 중심부에 축방향으로 돌출되는 수나사부가 형성되는 로터;
    상기 로터의 수나사부와 나사결합되는 암나사부가 형성되어 상기 로터와 조립되는 샤프트;를 포함하고,
    상기 로터의 수나사부와 상기 샤프트의 암나사부는 상기 배기가스의 압력에 의해서 상기 로터가 회전 시 상기 로터의 회전에 의해서 체결되도록 나사선이 형성되는 것인, 터보 차져의 로터 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터는,
    TiAl 계열의 금속을 포함하는 재질로 제작되는 것인, 터보 차져의 로터 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터와 샤프트 사이에, 적어도 전자빔(E-beam) 용접, 레이저 용접, 마찰 접합 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상의 공정에 의한 제 1 용접부가 형성되는 것인, 터보 차져의 로터 조립체
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트는,
    상기 암나사부가 형성되는 중간 연결부재; 및
    상기 중간 연결부재에 연결되는 연장부재;
    를 포함하는, 터보 차져의 로터 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중간 연결부재와 상기 연장부재 사이에, 제 2 용접부가 형성되는 것인, 터보 차져의 로터 조립체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 중간 연결부재와 상기 연장부재의 접촉면에 서로 맞물리는 요철부가 형성되는 것인, 터보 차져의 로터 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터의 수나사부는, 정밀 주조에 의해 형성되는 것인, 터보 차져의 로터 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터의 수나사부는, 절삭 가공에 의해 형성되는 것인, 터보 차져의 로터 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터의 수나사부와 이와 결합된 상기 샤프트의 암나사부 사이에 설치되고, 취약 부위에 크랙 발생시 크랙 내부에 충전되어 크랙의 전파를 방지하는 자기 치유 기능을 갖는 필러;를 더 포함하는, 터보 차져의 로터 조립체.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트의 암나사부는 상기 로터의 회전방향의 역방향으로 회전되면서 상기 로터의 수나사부에 체결되는, 터보 차져의 로터 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터의 수나사부는 상기 로터의 회전방향과 동일한 방향으로 회전되면서 상기 샤프트의 암나사부에 체결되는, 터보 차져의 로터 조립체.
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