KR101867491B1 - 터보차저 하우징 시일 - Google Patents

Abstract

배기 가스와 매연이 터보차저로부터 유출되는 것을 방지하기 위해, 내열성 실링 재료가 터보차저 베어링 하우징과 중심 하우징 사이의 접촉면에 도포되고, 경화 또는 건조되어, 박층의 응고된 코팅재를 형성한다. 단부 하우징은 이후 베어링 하우징에 조립되고, 그에 따라 코팅재가 베어링 하우징과 단부 하우징 사이에 가스/매연 시일을 제공한다. 그러나, 본 발명의 시일은, 두 터빈단 사이, 또는 터보차저 단부 하우징에 부착되며 압력을 받는 임의의 부품들 사이의 연결을 실링하기 위해 사용될 수도 있다.

Description

터보차저 하우징 시일{TURBOCHARGER HOUSING SEAL}

본 발명은 특히 터빈 하우징 또는 압축기 하우징이 베어링 하우징에 결합되는 영역에서 터보차저로부터 대기로 가스와 매연이 누출되는 문제점에 관한 것이다. 그러나, 본 발명의 시일은 두 터빈단 사이의 연결을 실링하기 위해 사용될 수도 있다.

터보차저는 정상 급기 구성에서 있을 수 있는 밀도보다 더 큰 밀도로 엔진 흡기구에 공기를 전달하여 더 많은 연료가 연소되게 하며, 그로 인해 엔진 중량을 현저히 증가시키지 않으면서 엔진 마력을 부스팅한다. 더 작은 터보차지된 엔진이 더 큰 물리적 크기의 정상 흡기 엔진을 대체할 수 있으므로, 차량의 크기와 공기역학적 전면 면적이 감소한다.

터보차저는 터빈 하우징(2) 내에 위치하는 터빈 휠(10)을 구동하기 위해 엔진 배기 매니폴드로부터 터빈 하우징으로 들어오는 배기 유동을 사용하는 일종의 과급 시스템(forced induction system)이다. 터빈 휠은 샤프트에 견고하게 부착되어 샤프트-휠 조립체를 이룬다. 샤프트-휠의 주기능은 배기 가스로부터 동력을 이끌어내고, 이러한 동력을 사용하여 압축기를 구동하는 것이다.

압축기단은 압축기 휠과 그 하우징(5)으로 구성된다. 압축기 휠은 샤프트-휠 조립체의 스터브 샤프트 단부에 장착되며, 압축기 너트의 클램프 하중에 의해 제위치에 고정된다. 여과된 공기는 매우 높은 RPM에서의 압축기 휠의 회전에 의해 압축기 커버의 유입구에 축방향으로 인입된다. 터빈단은 압축기 휠을 구동하여 정압 및 일부 잔여 운동 에너지와 열의 조합을 생성한다. 가압 가스는 압축기 토출구를 통해 압축기 커버를 빠져나가고, 통상적으로 인터쿨러를 경유하여 엔진 흡기구에 전달된다.

터보차저의 회전 조립체는 베어링 하우징(3) 내에 회전 가능하게 장착되고, 단부 하우징들, 즉 터빈 하우징(2)과 압축기 하우징(5)이 베어링 하우징 조립체에 부착된다.

단부 하우징들은 클램핑될 원주 결합면을 따라 형상화되고, 클램핑 압력 하에서 베어링 하우징의 상보적 면에 플러시 핏(flush fit)을 형성한다. 베어링 하우징에 대한 단부 하우징들의 반경방향 정렬은, 베어링 하우징과 전술한 단부 하우징들 모두에 선삭 또는 밀링되는 가공된 직경 파일럿들의 상보적 쌍에 의해 통상적으로 관리된다. 단부 하우징의 축방향 정렬 및 부착은 2가지 방법들 중 하나에 의해 통상적으로 관리된다.

베어링 하우징에 단부 하우징을 부착하는 첫 번째 방법은 V자형 밴드(40)들을 사용하는 것이다. V자형 밴드는 V자형으로 형성된 리테이너 섹션(41)들을 구비한 스테인리스 강 밴드로 형성된다. 리테이너(41)들이 밴드(42)에 장착된다. 리테이너는 단일 부품이거나 다수의 부품일 수 있다. V자형 밴드는 통상적으로: 리테이너(41)를 구비한 밴드(42); 밴드의 일 단에 나사산 기둥을 구비한 티-볼트(43); 및 밴드의 타 단에 부착된 트러니언(44)으로 이루어진다. 조립된 경우, 티-볼트의 나사산 기둥이 트러니언을 관통한다. 너트(45)를 나사산 기둥에 걸어 조이면, V자형 밴드의 대향 단부들이 서로 당겨진다. V자형 밴드는 한 쌍의 테이퍼진 "하프 플랜지들(20, 30)"을 맞물리게 하는데, 이들은 같이 모일 때, 대략 삼각형의 횡단면을 가진 "전체" 플랜지를 형성하도록 결합된다. 각각의 "하프 플랜지"가 V자형 밴드에 의해 포획된 각각의 하우징 부분으로부터 연장된다. 도 3a에서, 좌측은 베어링 하우징 "하프 플랜지(30)"를 포함하고, 우측은 터빈 하우징 "하프 플랜지(20)"를 포함한다. V자형 밴드에 나사를 조임으로써, V자형 원주가 감소하고, 원주방향 힘이 웨지 작용에 의해 축방향 힘으로 전환되어, 두 절반부들을 서로 당기며 적어도 이론상으로는 시일을 생성한다.

V자형 밴드에 의해 서로 당겨진 두 부분의 반경방향 정렬 및 (배향을 위해) 서로에 대해 회전하는 기능은 통상적으로 일 부분에 절삭된 직경 리세스와 타 부분에 제조된 수 돌기(male protrusion)에 의해 달성된다. 도 3a에서, 베어링 하우징은 터빈 하우징에 절삭된 상보적 리세스에 끼워맞춤되는 양의 돌기(31)를 생성하도록 가공된다.

베어링 하우징에 단부 하우징들을 부착하는 두 번째 방법은 도 4에 도시된 바와 같이 클램프 플레이트들 및 볼트들의 조합을 사용한다. 이러한 구성에서, 홀들이 하우징에 태핑되고, 볼트(36)들이 태핑된 홀들에 삽입되어, 클램프 플레이트(35)를 가두고, 이는 이후 베어링 하우징과 단부 하우징 사이의 조인트에 클램핑력을 가한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 파일럿 플랜지(30)가 상보적 리세스에 끼워맞춤되어, 터빈 하우징(2)의 보어와 동축에서 베어링 하우징을 반경방향으로 위치결정한다.

이는 터빈 하우징 상에 베어링 하우징을 유지하기 위한 효과적인 방법이지만(대부분의 엔진 설치는 엔진 매니폴드에 터빈 하우징을 조립하고, 터보차저의 나머지 부분은 터빈 하우징에 매달리게 되어, 이러한 조인트가 위에 매달린 질량을 지지할 필요가 있다), 광범위한 온도 스펙트럼에 걸쳐 적절한 클램프 하중을 유지하는 것이 상당히 어려우며, 조립체의 각 구성요소가 이러한 상이한 온도 범위에 걸쳐 상이한 팽창 계수, 항복 강도, 연신, 및 피로 특성을 가진다. 이러한 복잡함 때문에, 이러한 조인트의 실링 능력을 종종 양보하게 되는데, 이는 터보차저 내부 공간과 대기 사이의 압력차를 고려하면 문제가 될 수 있다.

축방향 클램핑 방법들의 비교에 의해, 비슷한 크기의 2개의 터보차저들(하나는 터빈 하우징이 V자형 밴드로 베어링 하우징에 장착되고, 다른 하나는 터빈 하우징이 볼트들 및 클램프 플레이트들로 베어링 하우징에 장착됨)에 대해, 주위 온도에서 클램프 플레이트 연결은 51,000N의 축방향 내력(axial capacity)을 가지며, V자형 밴드 연결은 30,000N의 축방향 내력을 가진다는 것이 밝혀졌다.

터빈 하우징-베어링 하우징 조인트 경계면에서 구성요소들 사이에 확산된 온도가 상당히 넓을 수 있다. 배기 가스는 연료 유형과 엔진 유형에 따라 760℃ 내지 1100℃를 초과할 수 있다. 터빈 하우징-베어링 하우징 조인트의 클램핑면은 종종 이러한 배기 가스로부터 대략 수 밀리미터에 불과할 수 있고, 그에 따라 조인트의 고온측은 베어링 하우징의 결합 부분의 재료 온도보다 500℃ 내지 600℃ 더 높을 수 있다.

실제로, 방법들 중 하나 또는 모두가 단부 하우징들을 베어링 하우징에 부착하기 위해 채용된다. 클램프 플레이트들 및 볼트들로 터빈 하우징을 베어링 하우징에 장착하는 것과, V자형 밴드로 압축기 하우징을 베어링 하우징에 장착하는 것은 흔한 일이다. 장착 방법은 많은 인자들에 의해 결정되며, 그 중 몇몇은 다음과 같다:

- 터보차저를 위해 할당된 엔진 상의 축방향 공간. V자형 밴드 연결은 통상적으로 클램프 플레이트-볼트 연결보다 더 많은 축방향 길이를 필요로 한다.

- 제조 방법(하우징들은 때때로 선삭에 의해 주로 가공되며, 때때로 밀링에 의해 가공된다): 선삭은 플랜지의 가공을 비용효율적이게 하고; 밀링은 볼트 홀들의 드릴링과 태핑을 경제적이게 한다. 통상적으로, V자형 밴드가 클램프 플레이트-볼트보다 더 고가이지만, 가공 비용은 그 반대이므로, 종종 "총 제조 비용"에 따라 결정한다.

- 단부 하우징의 유입구 또는 토출구가 엔진 또는 차량의 결합 특징부와 정렬되도록, 엔진 소비자가 베어링 하우징에 대한 하나 또는 양 단부 하우징의 배향을 바꿀 수 있게 할 필요성. 이러한 필요성은 하나의 기본 터보차저가 다수의 엔진/차량 구성들에 사용되는 상황과 결합되어, 터보차저 부품 수를 최소화하려는 요건에 의해 추진된다.

모든 OE 터보차저들은 의무적인 이유로 파열 및 봉쇄(burst and containment) 요건을 만족해야 한다. V자형 밴드는 파열 활동에 의해 조인트에 가해진 축방향 하중을 흡수하도록 펼쳐지는 것(spread open)이 허용되어야 한다. 볼트들과 클램프들을 구비하면, 요건을 만족하기 위해 클램프가 약간 구부러져야 하고, 볼트/나사산 조합이 약간 풀려야 한다.

기계적 부착을 제공하는 것 외에도, 단부 하우징과 베어링 하우징 사이의 조인트는 또한 터보차저 내의 배기 가스와 매연 같은 배기 성분을 수용하여, 상기 연소 생성물의 유출을 방지할 수 있어야 한다. 베어링 하우징과 단부 하우징의 조인트가 종종 터보차저의 반경방향 외주를 향하기 때문에, 단부 하우징-베어링 하우징 조인트의 직경이 비교적 크고, 그에 따라 터보차저의 진동과 엔진의 진동에 의해 초래된 모든 편향, 및 차량의 이동을 견디는 터보차저의 관성으로 인한 편향을 상당한 거리에 걸쳐 드러내며, 이러한 결합면 쌍이 열악한 시일이 되게 한다. 이러한 조인트가 만족해야 할 클램핑 기준이 있고, 이러한 기준을 만족하기 위해, 이러한 경계면들이 종종 고착방지(anti-seize, 페이스트 또는 액체 형태) 처리된다. 고착방지는 또한 배향을 위해 베어링 하우징에 대해 단부 하우징을 회전시키는 것을 돕는다. 배기 가스가 조인트를 통해 송풍되면, 고착방지 화합물이 조인트로부터 엔진 베이 내로 송풍된다.

오늘날의 배출 환경에서는, 터보차저가 배기 시스템이 아닌 엔진실 주위 환경으로 가스 또는 매연을 전달하는 것이 허용되지 않는다. 가스 또는 매연이 터보차저 내의 조인트들을 통과하게 하는 것은, 이러한 누출된 물질들이 임의의 배기 후처리를 거치지 않고, 그에 따라 배출 제어되지 않는다는 것을 의미한다. 누출된 배기 가스는 운전석으로 스며들 수 있고, 차량 운전자에게 유해할 수 있다. 누출된 매연은 엔진실의 미관에 좋지 않다. 그러므로, 많은 엔진 제조업자들이 통상적인 터보차저-차량 덕트 외의 터보차저로부터, 예컨대 터빈 하우징으로부터 배기관으로의 가스 또는 매연의 유출을 허용하지 않는 자격 기준을 가지고 있다.

터보차저 설계는 터빈 휠과 터빈 가스로부터 베어링 하우징으로의 열유동을 제한하기 위해 통상적으로 터빈 열실드(80)를 채용한다. 통상적인 터빈 열실드는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 컵형 금속 스탬핑 또는 종종 가공된 금속 부품이다. 고체적(high volume) 제조에 있어서, 터빈 열실드는 스테인리스 강판으로부터 스탬핑된다. 터빈 열실드의 터빈측 면은 도 1에 도시된 바와 같이 터빈 휠의 후방측에 근접하고, 이는 배기 가스의 전도 효과가 터빈 열실드의 재료에 영향을 미치는 것에 더하여, 터빈 열실드가 터빈 휠로부터의 복사열을 겪는다는 것을 의미한다. 터빈 열실드의 클램핑면들(84_C, 84_T)에서의 온도는 터빈 열실드의 본체에 흡수된 복사열 및 전도열의 곱이고, 열에너지가 터빈측에서의 터빈 하우징과의 접촉 및 베어링 하우징측에서의 베어링 하우징과의 접촉에 의해 열실드로부터 멀리 운반되는 것보다 적다.

터빈 하우징과 베어링 하우징 사이 그리고 압축기 하우징과 베어링 하우징 사이의 압력 구배들은 터보차저 회전 속도뿐만 아니라 엔진에 속하는 하중 계수들(load factors)에 의해서도 구동되는 동적 시스템을 나타낸다. 베어링 하우징으로부터 터빈 하우징으로 그리고 그 역으로의 가스 유로는 주로 터빈-단부 피스톤 링(78)에 의해 제어되는데, 이는 회전하는 샤프트-휠의 홈 내에 장착되며, 정지된 베어링 하우징 보어(32)와 피스톤 링 홈의 회전하는 측면들(cheeks)을 실링한다.

터빈 열실드의 터빈측 면(84_T)과 터빈 하우징의 클램핑면(22), 및 터빈 열실드의 압축기측 면(84_C)과 베어링 하우징 면(33) 사이의 재료 거칠기와 가공 변동으로 인해 불가피한 작은 개구들을 통한 터보차저 외부의 주위 환경으로의 가스 유로도 있다. 이러한 실링 경계면을 통과한 물질들(가스와 매연)은 베어링 하우징과 터빈 하우징의 인접면들에 의해 형성된 경로(90)를 통해 V자형 밴드를 지나 엔진 베이 내로 유출될 수 있다. V자형 밴드는 360°의 접촉 및 (V자형 밴드를 위한 공간이 존재하도록) 충분한 축방향 간극을 필요로 하기 때문에, V자형 밴드 플랜지의 반경은 통상적으로 터보차저 중심선으로부터의 볼류트의 최대 반경에 가깝거나 더 크다. 그러므로, 터빈 열실드의 대략적인 외경(82)으로부터 V자형 밴드 플랜지(34)의 최대 직경까지의 인접면들 각각의 표면적은 터빈 열실드의 직경의 약 4배이다.

이러한 가스와 매연의 누출을 방지하기 위한 하나의 접근방안을 Steve O Hara의 US 6,415,846호에서 확인할 수 있는데, 터빈 하우징과 베어링 하우징이 단일 부품으로 주조되기 때문에, 터빈 하우징과 베어링 하우징 사이에 기계적 조인트를 구비하지 않음으로써 주위 환경으로의 가스와 매연의 누출을 방지한다. 그러나, 이러한 단일 주조는 단부 하우징의 유입구 또는 토출구를 소정의 엔진 또는 차량 구성의 결합 특징부와 정렬시킬 수 있도록, 엔진 소비자가 베어링 하우징에 대한 하나 또는 양 단부 하우징의 배향을 바꾸는 것을 허용하지 않는다. 따라서, 상이한 차량 구성마다 상이한 몰드를 생성해야 할 것이다.

터보차저로부터 주위 환경으로의 배기 가스와 매연의 유출을 방지하려는 이러한 문제점에 대한 많은 해결방안들이 효과적인 시일을 생성하기 위해 시일 링 또는 흑연 함침 시일과 같은 추가적인 구성요소들을 필요로 한다. 다른 구성요소의 추가는 부품들의 추가, 잠재적인 파괴점, 및 제조업자의 인건비와 처리비를 의미한다.

따라서, 단부 하우징들, 특히 터빈 하우징과 베어링 하우징의 조인트를 위한 개선된 시일에 대한 필요성이 존재함을 알 수 있다.

본 발명은 터보차저로부터 배기 가스와 매연의 유출을 방지하는 방법에 관련되며, 터보차저의 베어링 하우징과 단부 하우징, 특히 터빈 하우징 사이의 가스/매연 시일을 생성하기 위해, 기존의 부품들에 대해 사전-도포 경화 또는 건조된 코팅재를 설계 및 구현함으로써 상기 방법을 달성한다.

터보차저의 터빈 하우징이 매우 높은 온도에서 배기 가스에 노출될 뿐만 아니라, 엔진 배기 매니폴드에 연결된다는 것과, 반대로 압축기 하우징이 훨씬 더 낮은 온도에서 공급 공기에 노출된다는 것과, 베어링 하우징이 두 단부 하우징을 가교연결하는 금속 열전도체라는 것이 잘 알려져 있다. 게다가, 터빈 하우징이 배기 가스에 의해 가열됨에 따라, 터빈 하우징은 불균일하게 가열되어, 열로 인한 변형을 초래한다. 그러므로, 터빈 하우징을 베어링 하우징에 연결하기 위한 수단들은 약간의 축방향 및 반경방향 슬라이딩 접촉을 허용하도록 설계된다. 따라서, 당해 기술분야의 이러한 작업은 금속 접촉면들이 깨끗하게 유지되며 슬라이딩 가능하다고 가정한다. 놀랍게도, 본 발명에 따르면, 하나의 접촉면에 도포되고 건조 또는 경화되어, 단부 하우징들과 베어링 하우징의 조립 전에 코팅재를 형성하는 적절한 실링 재료가 배기 누출 갭을 효과적으로 실링하도록 제자리에 유지될 것이다.

건조 또는 경화된 코팅재는 바람직하게는 베어링 하우징이나 단부 하우징이 아닌 열실드의 접촉 영역들에 형성된다. 비교적 경량이며 낮은 질량을 가진 열실드는 오븐에서 쉽게 건조 또는 경화된다. 이러한 코팅재-개질된 열쉴드는 터보차저의 조립 동안 임의의 종래의 열실드와 동일한 방식으로 다루어질 수 있고, 그에 따라 조립 라인에 아무런 변화도 야기하지 않는다.

본 발명은 유사한 참조 번호들이 유사한 부품들을 나타내는 첨부 도면에 제한이 아닌 예로서 도시된다.
도 1은 통상적인 터보차저 조립체의 단면을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 건식 실런트가 도포된 통상적인 터빈 열실드의 두 도면을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 통상적인 V자형 밴드의 두 도면을 도시한다.
도 4는 통상적인 볼트-클랩 플레이트 조인트의 기하형상을 도시한다.
도 5는 통상적인 V자형 밴드 조인트의 기하형상을 도시한다.
도 6은 다단 터보차저 구성을 도시한다.

본 발명자들은 아주 작은 결점들 및 가공 결함들이 단부 하우징과 베어링 하우징 사이의 실링 경계면 또는 클램핑면들에서의 배기 가스 또는 압축 가스 누출 가능성을 제공하지만, 시일을 달성하기 위해 별개의 개스킷을 도입하지 않으면서, 터보차저 중심선으로부터 비교적 큰 반경에서의 V자형 연결 또는 더 작은 직경에서의 클램프 플레이트-볼트 연결을 실링하는 데 굉장한 어려움이 있다는 것을 인식하였다. 이러한 개스킷의 두께, 터보차저 조립 동안 이러한 개스킷의 도입에 수반되는 추가 단계들, 및 개스킷이 열주기에 따라 느슨해지는 경향이 있다는 사실로 인해, 이러한 접근방안은 문제점들과 연관되었고, 산업상 광범위하게 채택되지 않았다.

본 발명자들은 (a) 단부 하우징과 베어링 하우징 사이의 상보적 접촉면들을 식별하는 단계(예컨대, 터빈 단부의 경우, 터보차저 작동 중에 그 사이로 배기 가스와 매연이 유출될 수 있음); 및 (b) 상기 상보적 면들 중 적어도 하나에 실링 재료를 도포하는 단계; (c) 실링 재료를 경화시켜, 건조 또는 경화된 코팅재를 가진 부분을 형성하는 단계; 및 (d) 코팅재가 배기 가스와 매연의 유출 장벽을 형성하도록 터보차저를 조립하는 단계를 포함하는 실링 방법을 고안하였다.

터보차저의 예컨대 베어링 하우징과 터빈 하우징 사이에 가스/매연 시일을 생성하기 위해 선택되는 잠재적인 실링 재료들의 영역을 고려할 때, 선택된 실링 재료는, 터보차저의 터빈 하우징과 연관된 고온을 견디는 능력, 및 상이한 속도로 가열 및 냉각되며 상이한 열팽창 계수를 가지는 인접한 부품들 사이의 반복된 차동 열팽창 주기를 견디는 능력을 포함하여, 소정의 물리적, 화학적 특성을 가질 필요가 있다. 일반적으로, 실링 재료들은 "유동 가능", "형상화된 인서트", 및 "사전-응고"로 분류될 수 있다.

유동 가능한 실링 재료들

유동 가능한 형태(액체, 겔, 페이스트 등 － 실온에서 흐르는 형태)로 도포되며, 적어도 실링될 대향하는 면들이 서로 결합되는 시점에 이러한 유동 가능한 형태를 갖도록 설계된 실링 재료들("실런트들")이 알려져 있다. 이는 수성(water-based) 실링 재료들과 중합체형 실링 재료들을 포함한다.

이러한 실런트들은 유동 가능한 형태로 배기관 개스킷, 촉매 변환기, 가스 터빈 엔진, 또는 연료 전지에 일반적으로 적용되고, 부품들이 압력 하에 결합(클램핑, 볼트 연결)되며, 그 후에 실런트가 보통 제어 조건 하에서 부품에 "흐르게 되거나(running in)" 또는 오븐에서 베이킹됨으로써 건조 또는 경화된다.

그러나, 유동 가능한 유형의 실링 재료는 소정의 문제점들과 연관된다. 베어링 하우징과 터빈 하우징 중 하나 또는 모두에 유동 가능한 실링 재료를 도포하기 위해 조립 라인에 스테이션을 추가하는 것은 자본과 인력의 추가 투자를 의미한다. 실링 재료가 기포나 공극 없이 균일하게 도포되도록, 그리고 유동 가능한 실런트가 조립 공정 시 접촉에 의해 문질러지거나 닦여나가지 않도록 보장하는 것은 굉장한 품질 제어 설비를 필요로 할 수 있다. 게다가, 수성 실런트의 건조 또는 중합체계 실런트의 경화 전의 재료의 제한된 노출 시간은 촉박함이라는 문제점이 있고, 이러한 부품들은 밤새 방치된 경우 또는 시프트들 간에 박리되거나(scale) 경화될 수 있다. 이러한 부품들의 건조 또는 경화를 방지하기 위해 종종 대기와 온도를 제어할 필요가 있다. 마지막으로, 실링 재료가 부품들이 결합된 후에 건조 또는 경화되도록 설계된 경우, 터보차저 하우징을 경화 또는 건조 온도까지 가열하는 데에 많은 에너지가 필요함에 따라, 이는 상당한 시간 및 에너지 요건들을 의미할 것이다.

형상화된 인서트

선택적으로 하나 또는 양 실링면이 다른 실런트 재료로 코팅될 수 있는, 예컨대 흑연 개스킷, O-링, 구리 적층 개스킷 등과 같은 고체 재료로 이루어진 별개의 인서트가 시일을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 추가적인 부품 역시 새로운 설계상의 문제점, 내구성의 고려, 및 조립 비용을 초래하므로, 터보차저의 누출을 실링하기 위한 최적의 방법으로서 고려될 수 없다.

사전-응고된 실링 재료

유동 가능한 실링 재료들 및 형상화된 인서트들과 연관된 문제점들을 피하기 위해, 본 발명자들은 유동 가능하지만 응고 가능한 실런트 박층을 적어도 하나의 접촉면에 도포하고, 실런트를 제자리에 건조 또는 경화시켜, 접촉면들을 결합시키는 시점 전에 고체 코팅재를 형성하는 것을 실험하였고, 그에 따라 조립 스테이션으로 운반될 때, 응고된 코팅재는 터보차저의 적어도 하나의 부품, 그렇지 않으면 종래의 부품 상에 있게 된다. 이러한 코팅재들은 비교적 쉽게 도포되며(예컨대, 분무, 실크 스크린, 브러싱), 얇게 코팅되고 제어 조건 하에서 제자리에 건조 또는 경화되므로 흐르지 않는다. 이들은 쉽게 제거되지 않는다(실제로, 제거하기가 매우 어려울 수 있다). 본 발명에 따라 사용되는 응고된 실런트들은 고온 노화 저항성, 부식성 대기 저항성, 황산과 질산 저항성, 및 오일과 다른 탄화수소 저항성을 특징으로 한다. 자동차 배기 개스킷 코팅 재료와 같이, 유사한 극도의 고온 응용들에서 기존에 사용된 실런트들이 본 발명에 따른 사용을 위한 적절한 후보들로 고려될 수 있고, 본 발명은 실링 재료가 부품들의 결합 전에 건조 또는 경화된다는 점에서 종래의 절차와 상이하며, 반면에 배기관 개스킷을 실링하기 위한 종래의 방법은 실런트를 도포하고, 이후 클램핑 압력이 유동 가능한 실런트를 압착하도록 부품들을 결합시키는 단계를 포함한다.

실런트들은 이황화 몰리브덴(MoS₂), 흑연, 또는 플루오로중합체의 변형물(예컨대, 플루오로플라스틱 또는 플루오로엘라스토머)과 같은 다양한 주요 성분들에 기초할 수 있다. 500℃가 넘는 온도에서 효과적인 실링 재료들이 다양한 실링 재료 제조업자들 또는 유통업자들의 카탈로그에서 발견될 수 있다. 실런트의 정확한 조성은 중요하지 않다; 중요한 점은 실런트가 예컨대 열실드에 사전-도포되며 제자리에 경화되어 고체 코팅재를 형성할 수 있는 유형일 수 있다는 것과, 실런트가 적어도 550℃ 내지 600℃ 범위의 온도를 견디며 효과적으로 유지된다는 것이다.

보다 나은 편의를 위해, 그리고 광의 배제와 같은 사전조치를 피하고, UV 경화, 광 경화, 또는 전자빔 경화 실런트와 연관된 추가 설비의 비용과 불편을 또한 피하기 위해, 일반적이며 상업적으로 쉽게 입수 가능한 실런트들이 본 발명에서 바람직하게 사용된다.

본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, "Sandstrom L277" MoS₂/흑연 재료(5wt.% 내지 10wt.%의 규산 나트륨염, 20wt.% 내지 25wt.%의 이황화 몰리브덴, 1wt.% 내지 5wt.%의 탄소, 및 잔여 물을 포함하는 40% 고체 함량을 가진 수성, 분무 도포된 재료)로 이루어진 (건조 또는 경화 상태에서) 0.5㎜ 내지 1.2㎜ 두께의 코팅재가 열실드의 "하프 플랜지" 접촉면들(84_T, 84_C) 모두에 도포되며, 바람직하게는 가열된 건조 분위기에서, 바람직하게는 15분 동안 60℃ 내지 150℃의 순환 공기 하에서 건조되고, 그 후에 코팅된 부품은 15분 동안 움직이는 공기 내에서 냉각될 수 있다. 이렇게 코팅된 부품은 코팅이 문질러질 염려 없이 다루어질 수 있다.

고온 실런트는 또한 미국 특허 제6,648,597호 또는 제7,150,099호에 개시된 바와 같이 접착형 재료, 즉 뉴욕 브룩클린 소재의 Cotronics Corporation에서 입수 가능한 것과 같은 고온 세라믹 접착제(특히, 907F, 7020, 954, 952, 7032, Resbond 989 또는 904의 제품 라벨로 판매되는 제품들); Aremco(Ceramabond 503, 600, 또는 516), Sauerizon(인산염계 접착제들), 또는 Zircar(ZR-COM), 또는 이러한 기본 접착제 유형들의 변형물일 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 터보차저의 조립 후가 아닌 조립 전에 재료가 표면에 도포되고, 건조 또는 경화된다.

대안으로, UNIFRAX LDS, FIBERMAX CAULK, 또는 TOPCOAT 3000의 상표로 판매되는 뉴욕 나이아가라 폭포 소재의 Unifrax Corporation의 제품들을 사용할 수 있다. 다른 대안들로는, Hercules Inc.로부터 입수 가능한 Hercules High-Heat Furnace Cement #35-515, 및 Rutland #77/78 Stove Gasket Cement가 포함된다.

실런트는 터보차저 하우징 및 열실드 재료와 대략적으로 동일한 열팽창 계수를 가지는 것이 바람직하다. "대략적으로 동일한"은 두 재료의 열팽창 계수들이 서로의 약 25% 내에 존재한다는 것을 의미한다. 일반적으로, 팽창 계수가 더 긴밀하게 매칭될수록 더 좋다. 약 500℃의 작동 온도에서, 팽창 계수의 매칭은 시일의 장기간 내구성을 장려하는 데 있어 분명히 중요하다. 실런트의 열팽창 계수는 실런트를 작은 금속 입자들 또는 금속 분말과 혼합함으로써 조절될 수 있다. 실런트 재료들이 주로 세라믹인 경우, 이러한 재료들은 금속 입자들보다 팽창 계수가 훨씬 더 낮다. 그러므로, 금속 입자들 또는 분말을 세라믹과 혼합하면, 열실드 또는 터보차저 하우징의 계수에 근접한 팽창 계수를 가진 제품을 생성할 수 있다.

마지막으로, Aremco Products, Inc.에 의해 개발된 고온고압 저항성의 실런트인 New Pyro-Putty 950은 개스킷을 위한 대체품으로서 사용하기 위한 것으로, 510℃에 이르는 서비스 조건을 위해 보일러, 압축기, 열교환기, 노, 오븐, 배기 매니폴드, 및 터빈과 같은 고온 구성요소들을 실링하기 위해 거칠고, 절취된(scored), 불규칙한 면들을 수선하기 위한 것이다. 제조업자는 1시간 동안 204℃까지 가열함으로써 조인트를 경화시킬 수 있다고 교시한다. 그러나, 제조업자의 설명과는 달리, 본 발명에서는, 조인트의 형성 전에 실런트가 박층으로 도포 및 경화된다.

본 발명의 바람직한 실시예들

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 통상적인 터빈 열실드(80)가 스테인리스 강판 스톡으로부터 인발 및 스탬핑된다. 물론, 열실드는 고체로부터 압연되거나 심지어 가공될 수 있고, 매우 얕은 스탬핑에서 골진(ribbed) 형상까지 다양한 형상을 취할 수 있다. 열실드의 플랜지는 외경(82)을 가지며, 이는 열실드를 터보차저에 대해 동심으로 위치결정하기 위해, 베어링 하우징 또는 터빈 하우징의 리세스 내에 위치한다. 도 4에 도시된 경우에는, 리세스가 터빈 하우징에 있으며, 베어링 하우징이 이러한 리세스 내에 역시 반경방향으로 정렬되는 파일럿 외경을 가진다. 파일럿 및 리세스의 위치는 반대가 되는 것이 좋을 수도 있다. 홀이 열실드의 중심에 스탬핑되어, 샤프트-휠이 열실드를 관통할 수 있게 한다. 그러므로, 샤프트-휠과 열실드 사이에 고리(annulus)가 존재하여, 배기 가스와 매연이 열실드의 홀을 통과할 수 있다. 샤프트-휠 조립체 상에는 피스톤 링(78)이 장착되며, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 그 측면들(cheek faces) 상에서 샤프트-휠의 피스톤 링 홈을 실링하고, 그 외경 상에서 베어링 하우징의 피스톤 링 보어(32)를 실링한다. 피스톤 링 시일은 피스톤 링의 터빈 휠측으로부터 피스톤 링의 베어링 하우징측으로의 배기 가스와 매연의 유동을 방지한다.

본 발명의 부재 시에, 열실드의 베어링 하우징측의 공간 내에 압력 하에 존재할 수 있는 이러한 배기 가스와 매연이 베어링 하우징의 터빈 대향 파일럿면(33)과 열실드 압축기 대향 플랜지면(84_C) 사이에 형성된 누출 경로를 통해 터보차저의 내부로 유출될 수 있다.

배기 가스와 매연은 열실드의 터빈 하우징측의 공간을 통해 주위 환경으로 유출될 수도 있다. 누출 경로는 터빈 하우징의 압축기 대향 파일럿면(22)과 열실드 터빈 대향 플랜지면(84_T) 사이에 형성된 조인트를 통하고, 이후 주위 대기를 향한 클램프 플레이트들 사이의 갭들을 통한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같은 V자형 밴드 구성에서, 터빈 하우징(2)과 베어링 하우징(3)의 축방향으로 대향하는 인접한 접촉면들(22, 33)이 열실드의 플랜지에 클램핑될 때, 터빈 하우징(2)의 직경상 바깥쪽의 압축기 대향면(91)과 베어링 하우징(3)의 직경상 바깥쪽의 터빈 대향면(89) 사이에(즉, 열실드의 대략적인 외경과 V자형 밴드 플랜지(34)들의 외경들 사이에) 갭(90)이 존재하도록, 베어링 하우징과 터빈 하우징의 설계 공차들이 통상적으로 결정된다.

도 4에 도시된 바와 같은 클램프 플레이트-볼트형 연결에서, 베어링 하우징(3)과 터빈 하우징(2)의 접촉부 및 베어링 하우징(3)과 열실드(80)의 접촉부 모두에서 클램핑 하중을 터빈 하우징(2)에 인가하기 위해, 볼트(36)가 클램프 플레이트(35)를 편향시킬 수 있도록, 베어링 하우징(3)의 플랜지(30)의 두께와 열실드의 플랜지의 두께의 합은 터빈 하우징의 리세스의 깊이보다 통상적으로 더 크다.

클램프 플레이트-볼트 또는 V자형 밴드 어느 구성에서든, 접촉면들에서의 표면 결함들이 가스 또는 매연의 누출을 허용하는 누출 경로들을 형성할 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 이러한 두 누출 경로(90) 중 어느 쪽을 통해서든 한차례 가스와 매연이 주위 환경으로 들어갈 수 있다.

본 발명에 따르면, 도포되고 응고(건조 또는 경화)되어 터보차저의 조립 전에 접촉 영역들에 고체 코팅재를 형성하는 실런트가 이러한 누출을 방지한다.

본 발명의 제1 실시예에서, 실런트 재료가 터빈 열실드(80)의 플랜지들의 압축기 대향면(84_C)과 터빈 대향면(84_T) 모두에 박층으로서 사전-도포된다. 코팅될 면들은 터빈 휠에 인접한 약간 원뿔형의 면에 플랜지를 연결하는 대략 원통형의 벽면에 플랜지를 연결하는 반경들과 터빈 열실드의 외경(82)에 의해 한정되는 두 면이다. 박층의 실링 재료는 이후 경화 또는 건조되어, 응고된 코팅층을 형성한다. 터보차저를 구성하는 동안 조립될 때, 압축기 대향면(84_C)은 베어링 하우징의 터빈 대향면(33)에 의해 제한되고, 터빈 대향면(84_T)은 터빈 하우징의 압축기 대향면(22)에 의해 제한된다.

실링 조성물이 사전-건조 또는 경화되므로, 부품들이 터치에 민감하지 않으며, 코팅 일관성을 쉽게 검사할 수 있고, 결함이 발견된 경우 재가공할 수 있으며, 다루기 용이하고, 흐르지 않는다. 따라서, 터보차저 조립체는 특별한 사전조치 또는 훈련을 요구하지 않으면서 종래의 방식으로 진행될 수 있다. 게다가, 본 발명에 따르면, 코팅재가 건식 고체 코팅재이기 때문에, 터보차저 부품들은 시일을 파손 또는 손상시키지 않으면서 서비스 받을 수 있다(예컨대, 분해되거나 재조립될 수 있다).

본 발명의 실링 프로토콜의 효율성을 측정하기 위한 본 발명자에 의한 시험에 따르면, 압축기 유입구와 터빈 토출구가 밀봉된 비코팅 열실드 구성의 터보차저는 최대 2.7atm을 펌핑하였고, 2분 미만에 시험 압력의 50%를 잃어버린 반면, 사전-도포 건식 코팅된 열실드를 구비한 유사하게 구성된 터보차저의 시험에 따르면, 심지어 열실드의 다수의 분해 및 재조립을 거친 터보차저에서, 어떤 시편도 10분 후에 시험 압력의 50%까지 누출되지 않았다.

본 발명의 제2 실시예에서, 통상적인 터빈 열실드를 사용하지 않는 터보차저 또는 수냉식 터빈 하우징에 대해, 실링 재료가 도포되고, 건조 또는 경화되어, 조립 전에 터빈 하우징과 베어링 하우징의 직접 접촉면들 중 하나 또는 모두에 고체 코팅재를 형성한다. 일례로, 클램프 플레이트-볼트 구성에 대해, 실런트가 터빈 하우징의 리세스의 받침대(abutment)의 압축기 대향면(22), 및 베어링 하우징의 플랜지(30)의 터빈 대향면(33)에 도포되고, 이후 건조 또는 경화될 것이다. 이 경우, 이러한 조인트 내에는 터빈 열실드가 없을 것이고, 그에 따라 두 하우징의 두 면이 접촉하여 실링면을 형성할 것이다. 비록 덜 효율적인 시일이지만, 누출 경로(90)를 따라 임의의 다른 상보적 인접면(들)에 코팅재를 사전-도포함으로써 시일을 형성할 수도 있다.

본 발명의 제2 실시예에 대한 대안에서, 통상적인 터빈 열실드를 사용하지 않는 터보차저 또는 수냉식 터빈 하우징에 대해, 건식 코팅재가 조립 전에 터빈 하우징과 베어링 하우징의 직접 경계면들에 도포된다. 일례로, V자형 밴드 구성에 대해, 실런트가 터빈 하우징의 리세스의 받침대의 압축기 대향면(22), 및 베어링 하우징의 플랜지(30)의 터빈 대향면(33)에 도포되고, 이후 조립 전에 건조 또는 경화될 것이다. 이 경우, 이러한 조인트 내에는 터빈 열실드가 없을 것이고, 그에 따라 두 면이 접촉하여 실링면을 형성할 것이다. 비록 덜 효율적인 시일이지만, 누출 경로(90)를 따라 임의의 다른 상보적 인접면(들)에 건식 코팅재를 사전-도포함으로써 시일을 형성할 수도 있다. 몇몇 경우들에서, V자형 밴드 구성에 대해, 바깥쪽의 상보적 인접면들(33, 91)은 전술한 바와 같이 파일럿과 리세스의 주요 안쪽 경계면(22, 33)에서의 충분한 클램프 하중을 보장하기 위해 릴리브된다. 한 쌍의 릴리브된 면 또는 단일의 릴리브된 면의 경우, 이러한 구역은 사전-도포되고 건조 또는 경화된 코팅재를 위해 더 이상 적용 가능하지 않을 것이다.

본 발명의 제3 실시예에서, 직렬 또는 조절된 2단 터보차저들과 같이 다수의 터보차저들이 있는 구성에서, 제1 터빈단의 엑스듀서(exducer)로부터 제2 터빈단의 유입구로 배기를 운반하는 터빈 덕트에 터보차저들을 결합시키는 구성으로 조립하기 전에, 코팅재가 슬립 조인트(slip joint)의 상보적 인접면들에 도포되고, 이후 경화 또는 건조된다. 터빈 덕트가 하류 터빈단 내로 또는 그 위로 미끄러지는 슬립 조인트가 있는 구성에서, 다음으로, 사전-도포되고 경화 또는 건조된 코팅재가 이러한 슬립 조인트의 상보적 인접면에 적용될 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1단 터보차저는 터빈 하우징(50)을 구비하고, 배기 가스가 터빈 하우징으로부터 엑스듀서(23)를 통해 터빈 휠(10A)을 빠져나가고, 제1단 터빈 하우징(50)으로부터 터빈 덕트(52) 내로 흐른다. 터빈 덕트(52)는 제1단 터빈 하우징의 엑스듀서(23)로부터 제2단 터빈 하우징(51)의 진입구로 유체 소통되며, 여기서 제1단 엑스듀서(23)로부터 제2단 터보차저의 터빈 휠(10B)로 배기 가스를 유도한다. 터빈 덕트는 슬립 조인트의 바깥쪽 부분의 내경면(54)에 근접한 외경면(55)을 가진 슬립 조인트의 안쪽 부분을 구비한다. 배기 가스로부터의 매연 또는 가스가 주위 환경으로 전달되는 것을 방지하는 시일을 생성하기 위해, 코팅재가 슬립 조인트의 인접면들(54, 55) 중 하나 또는 모두에 형성된다. 슬립 조인트의 안쪽 부분 및 슬립 조인트의 바깥쪽 부분은 나란히 놓일 수 있다. 중요한 점은 부품들을 결합시켜 조인트를 형성하기 전에, 실링 재료가 슬립 조인트의 활성면들에 도포 및 경화된다는 것이다.

본 발명의 제3 실시예에 대한 변형례에서, "O"링의 금속 버전과 유사한 "C" 시일 또는 실링 링이 슬립 조인트에 포함되고, 주위 환경으로 누출될 수 있는 배기 가스와 매연을 위한 시일을 생성하기 위해, 조립 전에, 실링 재료가 슬립 조인트의 활성 구성요소들(실링 링과 내외부 구성요소들의 표면들)에 도포되고, 경화 또는 건조된다.

본 발명의 제4 실시예에서, 조립 전에, 실런트가 밸브를 수용한 하우징, 또는 상기 하우징을 터빈 하우징에 조립하는 다른 유사 메커니즘의 결합면들에 도포되고, 경화 또는 건조된다. 전술한 바와 같은 베어링 하우징과 터빈 하우징의 파일럿 및 받침대 구성과 유사한 방식으로, "부속(accessory)" 하우징이 터빈 하우징에 장착되는데, 사전-응고된 코팅재가 조인트의 적절한 인접면들 상에 형성되어 있다.

본 발명의 제5 실시예에서, 실런트가 터보차저의 구성요소들과 다른 엔진 또는 차량 구성요소들 사이의 결합면들에 도포되고, 건조 또는 경화된다. 이러한 조인트의 일례로, 터빈 하우징의 엑스듀서로부터 차량 다운파이프(터보차저와 배기관 사이의 연결)로 이어지는 마몬 조인트(marmon joint)가 있다. 본 발명의 제5 실시예의 다른 예는 터보차저의 터빈 하우징과 엔진의 배기 매니폴드의 연결이다.

본 발명이 설명되었다.

Claims (14)

1. 베어링 하우징과 단부 하우징 사이에 배치되는 열실드를 포함하는 터보차저에서, 터보차저 베어링 하우징을 터보차저 단부 하우징(2, 5)에 대해 기밀 결합하는 방법으로서,
   (a) 상기 단부 하우징과 열실드 사이의 상보적 접촉면 및 상기 베어링 하우징과 열실드 사이의 상보적 접촉면을 식별하는 단계;
   (b) 상기 열실드의 하나 이상의 상기 상보적 접촉면에 500℃ 이상의 작동 온도에서 가스 장벽을 제공할 수 있는 유동성 실링 재료를 도포하는 단계로서, 상기 단부 하우징 및 베어링 하우징에는 유동성 실링 재료를 도포하지 않는, 단계;
   (c) 상기 실링 재료를 건조 또는 경화시켜 건조 또는 경화 응고된 코팅층을 형성하는 단계로서, 터보차저의 최초 조립 이후에도 터보차저 단부 하우징 및 베어링 하우징과 상기 열실드의 분해 및 재조립이 가능한, 경화 응고된 코팅층을 형성하는 단계; 및
   (d) 상기 실링 재료가 응고된 코팅층을 형성하도록 건조 또는 경화된 후에, 상기 코팅층이 터보차저 단부 하우징 및 베어링 하우징 중 하나 이상과 열실드 사이에 가스 장벽을 형성하도록, 터보차저를 조립하고, 상기 단부 하우징을 반경방향으로 슬라이딩 접촉시켜 베어링 하우징에 대한 배향을 조정하며, 상기 단부 하우징을 베어링 하우징에 고정하는 단계;를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 코팅층은 0.5㎜ 내지 1.2㎜의 두께를 가지는, 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 실링 재료는 이황화 몰리브덴계 실링 재료, 흑연계 실링 재료, 세라믹계 실링 재료, 및 플루오로중합체계 실링 재료로 이루어진 군에서 선택되는, 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단부 하우징은 클램프 플레이트-볼트형 연결 또는 V자형 밴드 연결에 의해 상기 베어링 하우징에 결합되는, 방법.
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