KR102074962B1 - 전기적 터보컴파운드 기계를 위한 보충적 공기 냉각 시스템 및 공기 압력 오일 밀봉 시스템 - Google Patents

전기적 터보컴파운드 기계를 위한 보충적 공기 냉각 시스템 및 공기 압력 오일 밀봉 시스템 Download PDF

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Abstract

전기 보조형 터보차저(10)는 베어링 하우징(12) 내의 모터 챔버(54) 내에 수용된 전기 모터(52)를 냉각하기 위한 공기 냉각 시스템을 포함한다. 유입구 와류부(76)가 전기 모터(52)의 제1 측부 상에서 베어링 하우징(12) 내에 형성되고, 배출구 와류부(78)는 유입구 와류부(76)와 반대되는 전기 모터(52)의 제2 측부 상에서 베어링 하우징(12) 내에 형성된다. 유입구 와류부(76)는, 유입구 와류부(76) 내로 공급되는 냉각 공기를 가속하고 냉각 공기를 모터 챔버(54) 내로 지향시킨다. 냉각 공기는 축방향을 따라서 모터 챔버(54)를 통해서 유입구 와류부(76)로부터 배출구 와류부(78)로 이동하여 전기 모터(52)를 냉각한다. 배출구 와류부(78)는 냉각 공기를 감속하고 냉각 공기를 모터 챔버(54)의 외부로 지향시킨다.

Description

전기적 터보컴파운드 기계를 위한 보충적 공기 냉각 시스템 및 공기 압력 오일 밀봉 시스템{SUPPLEMENTAL AIR COOLING SYSTEM AND AIR PRESSURE OIL SEALING SYSTEM FOR ELECTRICAL TURBOCOMPOUND MACHINE}
관련출원
본원은 "전기적 터보컴파운드 기계를 위한 보충적 공기 냉각 시스템 및 공기 압력 오일 밀봉 시스템"이라는 명칭으로 2012년 11월 12일자로 출원된 미국 가출원 제61/725,150호에 대한 우선권을 주장하고 그러한 가출원의 모든 이익의 향유를 주장한다.
기술분야
본 발명은 내연기관을 위한 전기적 터보컴파운드 기계에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 터보차저 내의 전기 모터의 냉각을 위한 공기 냉각 시스템에 관한 것이다.
터보차저는 내연기관과 함께 이용되는 강제(forced) 유도 시스템의 유형이다. 터보차저는 압축 공기를 엔진 흡기부로 전달하여, 보다 많은 연료가 연소되게 하고, 그에 따라, 상당한 엔진 중량의 증가 없이, 엔진의 파워 밀도를 증가시킨다. 그에 따라, 터보차저는, 보다 큰 정상적으로 흡기되는 엔진과 동일한 양의 파워를 생성하는 보다 작은 엔진의 이용을 가능하게 한다. 차량 내에서 작은 엔진을 이용하는 것은, 차량 질량 감소, 성능 향상, 및 연료 경제성 향상의 바람직한 효과를 가진다. 또한, 터보차저의 이용은 엔진으로 전달되는 연료의 보다 완전한 연소를 가능하게 하고, 이는 방출 감소라는 매우 바람직한 목표에 기여한다.
터보차저는 엔진의 배기 매니폴드로 연결된 터빈 하우징을 가지는 터빈 스테이지, 엔진의 흡기 매니폴드로 연결된 압축기 하우징을 가지는 압축기 스테이지, 및 터빈 하우징과 압축기 하우징을 함께 연결하는 베어링 하우징을 포함한다. 터빈 스테이지는 터빈 하우징 내에 배치된 터빈 휘일을 포함하고, 압축기 스테이지는 압축기 하우징 내에 배치된 압축기 임펠러를 포함한다. 터빈 휘일이 배기 매니폴드로부터 공급되는 배기 가스의 유입(inflow)에 의해서 회전식으로 구동된다. 샤프트가 베어링 하우징 내에서 회전식으로 지지되고, 터빈 휘일의 회전이 압축기 임펠러의 회전을 유발하도록, 터빈 휘일을 압축기 임펠러로 커플링시킨다. 터빈 휘일 및 압축기 임펠러를 연결하는 샤프트가 회전 축을 형성한다. 압축기 임펠러가 회전함에 따라, 압축기 임펠러는 압축기 하우징으로 진입하는 주변 공기를 압축하고, 그에 의해서, 엔진의 흡기 매니폴드를 통해서 엔진의 실린더로 전달되는, 공기 질량 유량, 공기유동 밀도 및 공기 압력을 증가시킨다.
느린 엔진 속력에서, 배기 가스가 낮은 압력으로 터빈 휘일로 공급되어, 터빈 휘일 및 압축기 임펠러가 느리게 회전하도록 유도하여, 압축기 하우징으로 진입하는 공기가 덜 압축되는 결과를 초래하고, 이는 소위 "터보-래그(turbo-lag)"를 초래한다. 터보-래그를 최소화하고 터보차저 효율을 개선하기 위해서, 그에 따라 엔진 효율을 개선하기 위해서, 전기 모터를 터보차저 내로 통합시키는 것이 공지되어 있다. 이러한 유형의 터보차저는 전기적 터보컴파운드 기계 또는 전기 보조형 터보차저로 일반적으로 지칭된다. 전기 모터는 느린 엔진 속력에서 에너지 공급되어(energized) 부가적인 토크를 터보차저의 샤프트로 부여하고, 이는 터빈 휘일 및 압축기 임펠러가 보다 빨리 회전하도록 유도하여, 비-전기 보조형 터보차저에 의해서 전달될 수 있는 것 보다, 엔진으로 전달되는 공기 질량 유량을 증가시킨다. 전기 모터가 또한 발전기로서 이용될 수 있고, 그러한 발전기는 샤프트의 일, 즉 샤프트의 회전을 전기 파워로 변환한다. 발전기에 의해서 생산된 전기 파워를 이용하여 보조적 전기 구성요소를 작동시키거나 엔진 파워를 증강할 수 있다.
터보차저로 통합되는 전기 모터의 하나의 예가 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor; SRM)이다. SRM의 작동 원리는 단순하고, 잘 알려져 있으며, 릴럭턴스 토크를 기초로 한다. SRM은 집중된 권선을 가지는 고정자(stator with concentrated winding) 및 권선을 가지지 않는 회전자를 포함한다. 전형적인 전기 보조형 터보차저에서, SRM은 베어링 하우징 내에 형성된 모터 챔버 내에 위치된다. 회전자는 샤프트와 일체화되거나 샤프트 상에 장착되고, 샤프트 베어링들의 세트 사이에 일반적으로 배치된다. 고정자는 고정적으로 고정되고 회전자를 둘러싼다. 전형적인 SRM이, "6/4 SRM "으로서 표시되는, 6개의 고정자 폴(pole) 및 4개의 회전자 폴을 가질 수 있을 것이다. 6/4 SRM은 3개의 위상(phase)을 가지고, 각각의 위상은 대향하는 고정자 폴들 상의 2개의 권선으로 이루어진다. 하나의 위상 내의 권선은 동시적으로 에너지 공급되고 자기 플럭스를 생성한다. 권선에 의해서 생성되는 자기 플럭스는 최소 자기 릴럭턴스의 경로를 따르고, 이는 플럭스가, 에너지 공급된 고정자 폴에 가장 근접한 회전자 폴을 통해서 유동하고, 그에 의해서 그러한 회전자 폴을 자기화시키고 회전자가 에너지 공급된 고정자 폴과 자체적으로 정렬되게 한다는 것을 의미한다. 전자기 토크가, 회전자 폴이 에너지 공급된 고정자 폴과 정렬되려는 경향에 의해서 생성된다. 회전자가 회전함에 따라, 상이한 위상이 순차적으로 에너지 공급되어 회전자를 지속적으로 회전시킨다. 발전기로서 이용하기 위해서, 위상은, 고정자 폴 및 회전자 폴이, 접근할 때가 아니라, 분리될 때, 에너지 공급된다.
전형적으로, 액체 냉각 시스템이, 터빈 스테이지 내의 배기 가스로부터 베어링 하우징 내의 전기 모터로 열을 전달하는 것을 최소화하는 주요 수단으로서 제공된다. 그러나, 특정 동작 조건에서, 액체 냉각 시스템이 전기 모터를 적절하게 냉각하지 못할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 공기 냉각 시스템으로 액체 냉각 시스템을 보충하는 것이 바람직하다.
전기 보조형 터보차저를 위한 공기 냉각 시스템이 일반적으로 주지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,605,045호는, 일 단부에 장착된 터빈 휘일(20) 및 타단부에 장착된 압축기 임펠러(28)를 가지는 샤프트(16)를 포함하는 전기 보조형 터보차저(10)를 개시한다. 터보차저(10)는 또한 베어링 하우징(30) 내에 수용된 전기 모터(56)를 포함한다. 베어링 하우징(30) 내의 환형 오일 통로(38)가 전기 모터(56)의 바로(directly) 외측에 있고, 환형 오일 통로(38)를 통한 오일의 유동이 베어링 하우징(30) 내로 유입되는 열의 대부분을 제거한다. 공기 냉각 시스템은 샤프트(16)의 중심을 통한 공기 통로(90´) 및 공기 펌프(94)를 포함하고, 공기 펌프는, 열이 터빈 유입구 스크롤(18)로부터 샤프트(16)로 흡수되는 방향에 반대되는 방향을 따라서 샤프트(16)의 외부로 열을 이동시키기 위해서 공기 통로(90´)를 통해서 공기를 전달한다.
유사하게, 미국 특허 제6,609,375호는 압축기(16), 터빈(18), 및 압축기와 터빈 사이의 모터 하우징(20)을 포함하는 전기 보조형 터보차저(10)를 개시한다. 터보차저(10)는 또한, 모터 하우징(20) 내에 수용되는 고정자(42) 및 회전자(44)를 가지는 전기 모터를 포함한다. 공기 냉각 시스템은, 압축 공기를 압축기(16)로부터 공기유동 유입구(40)를 통해서 모터 하우징(20) 내로 지향시키는 제1 냉각 호스(34)를 포함한다. 공기는, 고정자(42) 및 회전자(44)를 가로지르고, 모터 하우징(20)을 통해서, 그리고 공기유동 유입구(40)와 반대되는 모터 하우징(20)의 외주방향 측부(side) 상에 위치되는 공기유동 배출구(46)의 외부로 방사상 방향으로 이동한다. 제2 냉각 호스(36)는 공기를 다시 압축기(16)의 유입구로 지향시킨다.
공지된 공기 냉각 시스템 기술은, 전기 보조형 터보차저 내에서 액체 냉각 시스템을 보충하기 위한 능력이 최적은 아니다. 그에 따라, 전기 보조형 터보차저에서 액체 냉각 시스템을 효과적으로 보충하는 공기 냉각 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 양태에 따라서, 전기 보조형 터보차저가 냉각 공기로 전기 모터를 냉각하기 위한 공기 냉각 시스템을 포함한다. 터보차저는 전기 모터를 수용하기 위한 모터 챔버를 가지는 베어링 하우징을 포함한다. 공기 냉각 시스템은 베어링 하우징 내에 형성되고 전기 모터의 제1 측부 상에 배치되는 유입구 와류부(volute) 및 베어링 하우징 내에 형성되고 유입구 와류부와 반대되는 전기 모터의 제2 측부 상에 배치되는 배출구 와류부를 포함한다. 유입구 와류부는, 유입구 와류부 내로 공급되는 냉각 공기를 가속하고 냉각 공기를 모터 챔버 내로 지향시킨다. 냉각 공기는 축방향을 따라서 모터 챔버를 통해서 유입구 와류부로부터 배출구 와류부로 이동하여 전기 모터를 냉각한다. 배출구 와류부는 냉각 공기를 감속하고 냉각 공기를 모터 챔버의 외부로 지향시킨다.
첨부 도면과 함께 고려할 때 이하의 구체적인 설명을 참조함으로써 본 발명이 보다 잘 이해됨에 따라, 본 발명의 장점이 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 발명의 하나의 실시예에 따른 공기 냉각 시스템을 포함하는 전기 보조형 터보차저의 단면도이다.
도 2는 공기 냉각 시스템의 유입구 와류부를 도시하는 베어링 하우징의 측단면도이다.
도 3은 공기 냉각 시스템의 배출구 와류부를 도시하는 베어링 하우징의 측단면도이다.
도 4는 공기 유입구 보어(bore)를 도시하는 베어링 하우징의 단편적인 사시도이다.
도 5는 발명의 다른 실시예에 따른 공기 채널을 포함하는 베어링 하우징의 단면도이다.
도면을 참조하면, 터보차저의 부분이 도 1에서 '10'으로 전체적으로 도시되어 있다. 터보차저(10)는 터빈 스테이지와 압축기 스테이지 사이에 커플링된 베어링 하우징(12)을 포함한다. 터빈 스테이지는 터빈 하우징(미도시) 내에 배치된 터빈 휘일(14)을 포함하고, 압축기 스테이지는 압축기 하우징(미도시) 내에 배치된 압축기 임펠러(16)를 포함한다. 터빈 휘일(14)은 엔진 배기 매니폴드로부터 공급되는 배기 가스의 유입에 의해서 회전식으로 구동된다. 터빈 휘일(14)을 구동한 후에, 배기 가스가 중앙 배출 파이프 또는 엑스듀서(exducer)를 통해서 터빈 하우징으로부터 방출된다. 샤프트(18)는 베어링 하우징(12) 내에서 회전식으로 지지되고, 터빈 휘일(14)의 회전이 압축기 임펠러(16)의 회전을 유발하도록, 터빈 휘일(14)을 압축기 임펠러(16)로 연결한다. 터빈 휘일(14)과 압축기 임펠러(16)를 연결하는 샤프트(18)는 회전축(R1)을 형성한다. 압축기 임펠러(16)가 회전함에 따라, 공기가 유입구 통로를 통해서 압축기 하우징 내로 인입되고 높아진 압력으로 엔진 흡기 매니폴드로 전달되도록 압축된다.
샤프트(18)는, 축방향으로 이격된 제1 및 제2 저어널 베어링(20, 22)에 의해서 베어링 하우징(12) 내에서 회전식으로 지지된다. 전형적으로, 터빈 휘일(14)은 샤프트(18)의 확대된 쇼울더(shoulder) 부분(24)에 바로 인접한 샤프트(18)의 일 단부에 맞대기(butt) 용접된다. 샤프트(18)는 베어링 하우징(12)의 터빈 측부를 통해서 연장된다. 제1 피스톤 링(26)은 쇼울더 부분(24)의 외측 외주를 둘러싸서, 터빈 스테이지 내의 배기 가스가 베어링 하우징(12) 내로 진입하는 것을 방지하기 위한, 샤프트(18)와 베어링 하우징(12) 사이의 밀봉부를 형성한다.
샤프트(18)의 대향 단부가 감소된 직경 부분(28)을 가지고, 감소된 직경 부분 상에 압축기 임펠러(16)가 장착된다. 제2 저어널 베어링(22)에 인접하여, 샤프트(18)의 감소된 직경 부분(28)은, 터보차저(10) 내의 축방향 부하를 관리하기 위해서 정지적인 스러스트 베어링 부재(stationary thrust bearing member)(32)와 협력하는 스러스트 와셔(30)를 반송한다(carry). 감소된 직경 부분(28)은 또한, 압축기 임펠러(16)의 후방측부(backside)에 바로 인접하여 위치되는, 삽입체(34) 및 플린저 슬리브(flinger sleeve)(36)를 또한 반송한다. 스러스트 와셔(30), 스러스트 베어링 부재(32), 삽입체(34), 및 플린저 슬리브(36)가 베어링 하우징(12)의 압축기 측부 상에서 스러스트 베어링 포켓(38) 내로 조립된다. 스냅 링(40)이, 스러스트 와셔(30), 스러스트 베어링 부재(32), 삽입체(34), 및 플린저 슬리브(36)를 스러스트 베어링 포켓(38) 내에서 유지한다. 삽입체(34) 및 플린저 슬리브(36)가 협력하여, 오일이 압축기 하우징 내로 흡입되는 것을 방지하고 압축 공기가 베어링 하우징(12) 내로 누설되는 것을 방지한다. 플린저 슬리브(36)는 샤프트(18) 상에 장착되고 함께 회전한다. 플린저 슬리브(36)를 가지는 샤프트(18)가 삽입체(34)를 통해서 연장된다. 제2 피스톤 링(42)은 플린저 슬리브(36)의 외측 외주를 둘러싸서, 압축기 스테이지 내의 압축 공기가 베어링 하우징(12)으로 진입하는 것을 방지하기 위한, 플린저 슬리브(36)와 삽입체(34) 사이의 밀봉부를 형성한다. O-링(44)은 삽입체(34)의 외측 외주를 둘러싸서 삽입체(34)와 베어링 하우징(12) 사이에 밀봉부를 형성하고, 그러한 밀봉부는 또한 압축기 스테이지 내의 압축 공기가 베어링 하우징(12)으로 진입하는 것을 방지한다.
오일이 베어링 하우징(12)을 통해서 순환하여, 제1 및 제2 저어널 베어링(20, 22)으로 윤활을 제공한다. 터빈 측부에서, 샤프트(18)가 회전함에 따라, 제1 저어널 베어링(20)을 빠져나가는 오일이 쇼울더 부분(24)에 의해서 수득되고, 오일 드레인 공동(oil drain cavity)(48)으로 연결되는 제1 오일 드레인(46)을 향해서 외측으로 지향된다. 압축기 측부에서, 샤프트(18)가 회전함에 따라, 제2 저어널 베어링(22)을 빠져나가는 오일이 플린저 슬리브(36)에 의해서 수득되고, 오일 드레인 공동(48)으로 연결되는 제2 오일 드레인(50)을 향해서 외측으로 지향된다.
'52'로 전체적으로 도시된 전기 모터가 터보차저(10) 내로 통합된다. 하나의 예에서, 모터가 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)일 수 있을 것이다. 전기 모터(52)가, 베어링 하우징(12) 내에 형성된 모터 챔버(54) 내에 배치되고 제1 및 제2 저어널 베어링(20, 22) 사이에서 축방향으로 배치된다. 전기 모터(52)는 회전자(56) 및 고정자(58)를 포함한다. 회전자(56)는 샤프트(18) 상에 장착되고 함께 회전된다. 회전자(56)는, 샤프트(18)에 고정된 제1 및 제2 칼라(collar)(60, 62) 사이에서 축방향으로 연장된다. 제1 및 제2 칼라(60, 62)는, 전기 모터(52)가 모터로서 동작하는 경우에, 토크를 회전자(56)로부터 샤프트(18)로 전달하는 것을 돕고, 전기 모터(52)가 발전기로서 동작하는 경우에, 토크를 샤프트(18)로부터 회전자(56)로 전달하는 것을 돕는다. 또한, 제1 및 제2 칼라(60, 62)는 회전자(56)와 제1 및 제2 저어널 베어링(20, 22) 각각의 사이에서 이격부재로서 작용한다. 각각의 폴 상에 집중된 권선을 가지는 고정자(58)가 정지적인 방식으로 장착되고 회전자(56)를 외주방향으로 둘러싼다.
제3 피스톤 링(64)은, 제1 저어널 베어링(20)을 윤활하기 위해서 이용되는 오일이 모터 챔버(54) 내로 누설되는 것을 방지하기 위해서 제1 칼라(60)의 외측 외주를 둘러싸서 제1 칼라(60)와 베어링 하우징(12) 사이에 밀봉부를 형성한다. 유사하게, 제4 피스톤 링(66)은, 제2 저어널 베어링(22)을 윤활하기 위해서 이용되는 오일이 모터 챔버(54) 내로 누설되는 것을 방지하기 위해서 제2 칼라(62)의 외측 외주를 둘러싸서 제2 칼라(62)와 베어링 하우징(12) 사이에 밀봉부를 형성한다.
터빈 스테이지 내의 배기 가스로부터 베어링 하우징(12) 내의 전기 모터(52)로 열이 전달되는 것을 최소화하기 위해서, 액체 냉각 시스템이 제공된다. 액체 냉각 시스템은, 고정자(58)의 외측 외주와 베어링 하우징(12)의 내측 외주 사이에 형성된 환형 액체 냉각 공동(68)을 포함한다. 액체 냉각 공동(68)은, 고정자(58)와 베어링 하우징(12) 사이에 밀봉부를 형성하기 위해서 고정자(58)의 외측 외주를 둘러싸는 제1 및 제2 O-링(70, 72) 사이에서 축방향으로 연장된다. 오일은 액체 냉각 공동(68)을 통해서 순환하여 터빈 스테이지로부터 발산되는 열을 제거함으로써 전기 모터(52)를 냉각한다. 제1 및 제2 O-링(70, 72)은 액체 냉각 공동(68)을 밀봉하여, 액체 냉각 공동(68) 내의 오일이 모터 챔버(54) 내로 누설되는 것을 방지한다.
액체 냉각 시스템을 보충하기 위해서 공기 냉각 시스템이 제공된다. 공기 냉각 시스템은, 베어링 하우징(12)의 벽을 통해서 연장되고 베어링 하우징(12)의 터빈 측부 내에 형성된 유입구 와류부(76)와 커플링되는 공기 유입구 보어(74)를 포함한다. 유입구 와류부(76)는 축방향을 따라 모터 챔버(54)의 유입구 단부로 개방된다. 유입구 와류부(76)는 냉각 공기의 유동을 가속하기 위해서 스크롤(scroll) 형상을 가진다. 배출구 와류부(78)는, 유입구 와류부(76)와 반대되는 전기 모터(52)의 측부 상에서 베어링 하우징(12)의 압축기 측부 내에 형성된다. 배출구 와류부(78)는 축방향을 따라 모터 챔버(54)의 배출구 단부로 개방된다. 배출구 와류부(78)는 냉각 공기의 유동을 감속하기 위해서 유입구 와류부(76)의 형상과 반대되는 스크롤 형상을 가진다. 배출구 와류부(78)는, 베어링 하우징(12)의 벽을 통해서 연장되는 공기 배출구 보어(미도시)에 커플링된다.
터보차저(10)의 압축기 스테이지로부터의 냉각 공기는 공기 유입구 보어(74)에 커플링된 유입구 호스 또는 유사한 도관을 통해서 유동하고 유입구 와류부(76) 내로 공급된다. 냉각 공기는 유입구 와류부(76) 내에서 가속되고 유입구 와류부(76) 내의 접선방향 유동(tangential flow)으로부터 모터 챔버(54) 내의 축방향 유동으로 전환된다. 냉각 공기가 모터 챔버(54)를 통해서 축방향으로 유동하고, 그에 의해서 전기 모터(52)의 회전자(56) 및 고정자(58)를 냉각한다. 냉각 공기가 모터 챔버(54)의 대향 단부에 도달할 때, 냉각 공기가 모터 챔버(54) 내의 축방향 유동으로부터 배출구 와류부(78) 내의 접선방향 유동으로 전환된다. 냉각 공기가 배출구 와류부(78) 내에서 감속되고 이어서 공기 배출구 보어를 통해서 배출구 와류부(78)를 빠져 나간다. 공기 배출구 보어에 커플링된 배출구 호스 또는 유사한 도관이 냉각 공기를 터보차저(10)의 압축기 스테이지로 다시 지향시킨다.
전술한 실시예에서, 냉각 공기가 베어링 하우징(12)의 터빈 측부 상에서 모터 챔버(54)로 진입하고 베어링 하우징(12)의 압축기 측부 상에서 모터 챔버(54)를 빠져 나간다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 냉각 공기가 반대 방향으로 유동하도록, 공기 유입구 보어(74) 및 공기 배출구 보어뿐만 아니라, 유입구 와류부(76) 및 배출구 와류부(78)가 배열될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 냉각 공기가 베어링 하우징(12)의 압축기 측부 상에서 모터 챔버(54)로 진입하고 베어링 하우징(12)의 터빈 측부 상에서 모터 챔버(54)를 빠져나갈 수 있을 것이다.
동작 조건하에서, 제1 압력(P1)이 제1 피스톤 링(26)과 제3 피스톤 링(64) 사이에 형성된 지역 내에서 베어링 하우징(12) 내에 형성되고, 제2 압력(P2)이 제2 피스톤 링(42)과 제4 피스톤 링(66) 사이에 형성된 지역 내에서 베어링 하우징(12) 내에 형성되고, 제3 압력(P3)이 액체 냉각 공동(68) 내에 형성되며, 제4 압력(P4)이 모터 챔버(54) 내에서 형성된다. 제1 압력(P1)이, 제1 저어널 베어링(20)을 윤활하기 위해서 이용된 오일이 제3 피스톤 링(64)을 지나서 모터 챔버(54) 내로 누설되게 하는 경향을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 유사하게, 제2 압력(P2)이, 제2 저어널 베어링(22)을 윤활하기 위해서 이용되는 오일이 제4 피스톤 링(66)을 지나서 모터 챔버(54) 내로 누설되게 하는 경향을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 유사하게, 제3 압력(P3)이, 액체 냉각 공동(68) 내의 오일이 제1 및 제2 O-링(70, 72)을 지나서 모터 챔버(54) 내로 누설되게 하는 경향을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 전술한 방식으로, 냉각 공기를 모터 챔버(54) 내로 도입하는 것은 제4 압력(P4)을 증가시키고, 그에 따라 제1 압력(P1)과 제4 압력(P4) 사이의 차이(delta)가 작아지고, 그에 의해서 오일이 제3 피스톤 링(64)을 지나서 모터 챔버(54) 내로 누설되는 경향을 최소화한다. 유사하게, 제2 압력(P2)과 제4 압력(P4) 사이의 차이가 작아지고, 그에 의해서 오일이 제4 피스톤 링(66)을 지나서 모터 챔버(54) 내로 누설되는 경향을 최소화한다. 유사하게, 제3 압력(P3)과 제4 압력(P4) 사이의 차이가 작아지고, 그에 의해서 오일이 제1 및 제2 O-링(70, 72)을 지나서 모터 챔버(54) 내로 누설되는 경향을 최소화한다.
도 5에 대략적으로 도시된 본 발명의 제2 실시예에서, 베어링 하우징(12)은, 모터 챔버(54) 내의 압력 균형을 위해서 모터 챔버(54)의 대향 단부들 사이에 커플링된 공기 채널(82)을 포함한다. 보다 구체적으로, 공기 채널(82)은 모터 챔버(54)로부터 독립적이고 이격된, 베어링 하우징(12) 내에서 연장된 통로이다. 공기 채널(82)의 일 단부가 유입구 와류부(76)에 인접한 모터 챔버(54)의 유입구 단부에 커플링되고, 공기 채널(82)의 타 단부는 배출구 와류부(78)에 인접한 모터 챔버(54)의 배출구 단부에 커플링된다. 공기 채널(82)이 모터 챔버(54)의 유입구 단부와 배출구 단부 사이에서 압력의 균형을 이룰 것임을 이해할 수 있을 것이다. 모터 챔버(54)의 유입구 단부와 배출구 단부 사이에서 압력의 균형을 이루는 것은, 제1 및 제2 O-링(70, 72) 상의 압력의 균형을 이루고, 이는 액체 냉각 공동(68)을 밀봉하는데 도움이 된다. 공기 채널(82)이 베어링 하우징(12)을 통해서 연장되고 액체 냉각 공동(68)의 외부 측부 상에서 루트 연결된다(routed).
여기에서, 본 발명을 예시적인 방식으로 설명하였고, 이용된 전문 용어가 제한 보다는 설명적인 단어의 본질로서 의도된 것임을 이해할 수 있을 것이다. 상기 교시 내용에 비추어, 본 발명의 많은 변형예 및 변경예가 이루어질 수 있을 것이다. 그에 따라, 첨부된 청구항의 범위 내에서, 발명이 상세한 설명 내에서 구체적으로 열거된 바와 달리 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 냉각 공기로 전기 모터(52)를 냉각하기 위한 공기 냉각 시스템을 포함하는 터보차저(10)로서:
    상기 전기 모터(52)를 수용하기 위한 모터 챔버(54)를 포함하는 베어링 하우징(12);
    상기 베어링 하우징(12) 내에 형성되고 상기 전기 모터(52)의 제1 측부 상에 배치되는 유입구 와류부(76)로서, 상기 유입구 와류부(76)는 상기 유입구 와류부(76) 내로 공급되는 냉각 공기를 가속하고 상기 냉각 공기를 상기 모터 챔버(54) 내로 지향시키는, 유입구 와류부(76); 및
    상기 베어링 하우징(12) 내에 형성되고 상기 유입구 와류부(76)와 반대되는 전기 모터(52)의 제2 측부 상에 배치되는 배출구 와류부(78)로서, 상기 유입구 와류부(76) 및 상기 배출구 와류부(78)는 축방향으로 이격되고, 상기 배출구 와류부(78)는 냉각 공기를 감속하고 냉각 공기를 상기 모터 챔버(54)의 외부로 지향시키는, 배출구 와류부(78)를 포함하고;
    상기 냉각 공기가 상기 축방향을 따라서 상기 모터 챔버(54)를 통해서 상기 유입구 와류부(76)로부터 상기 배출구 와류부(78)로 이동하여 상기 전기 모터(52)를 냉각하는, 터보차저(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입구 와류부(76)는 상기 축방향에 대한 접선 방향으로 냉각 공기를 가속하는, 터보차저(10).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배출구 와류부(78)는 상기 축방향에 대한 상기 접선 방향으로 냉각 공기를 감속하는, 터보차저(10).
  4. 제3항에 있어서,
    공기 유입구 보어(74) 및 공기 배출구 보어를 포함하고, 상기 공기 유입구 보어(74)는 상기 베어링 하우징(12)의 벽을 통해서 연장되고 유입구 와류부(76)에 커플링되고, 상기 냉각 공기는 상기 공기 유입구 보어(74)를 통해서 상기 유입구 와류부(76)로 진입하고, 상기 공기 배출구 보어는 상기 베어링 하우징(12)의 상기 벽을 통해서 연장되고 상기 배출구 와류부(78)에 커플링되며, 상기 냉각 공기가 상기 공기 배출구 보어를 통해서 상기 배출구 와류부(78)를 빠져나가는, 터보차저(10).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 하우징(12)이, 상기 모터 챔버(54)로부터 독립적이고 이격된 공기 채널(82)을 포함하고, 상기 공기 채널(82)이 상기 유입구 와류부(76)에 인접한 상기 모터 챔버(54)의 유입구 단부와 상기 배출구 와류부(78)에 인접한 상기 모터 챔버(54)의 배출구 단부 사이에 커플링되는, 터보차저(10).
  6. 전기 보조형 터보차저(10)의 전기 모터(52)를 냉각하기 위해서 액체 냉각 시스템 및 공기 냉각 시스템을 포함하는 베어링 하우징(12)으로서:
    상기 전기 모터(52)를 수용하기 위한 모터 챔버(54);
    상기 전기 모터(52)의 외측 외주와 상기 베어링 하우징(12)의 내측 외주 사이에 형성된 환형 액체 냉각 공동(68);
    상기 베어링 하우징(12) 내에 형성되고 상기 전기 모터(52)의 제1 측부 상에 배치되는 유입구 와류부(76)로서, 상기 유입구 와류부(76)는 상기 유입구 와류부(76) 내로 공급되는 냉각 공기를 가속하고 상기 냉각 공기를 상기 모터 챔버(54) 내로 지향시키는, 유입구 와류부(76); 및
    상기 베어링 하우징(12) 내에 형성되고 상기 유입구 와류부(76)와 반대되는 전기 모터(52)의 제2 측부 상에 배치되는 배출구 와류부(78)로서, 상기 유입구 와류부(76) 및 상기 배출구 와류부(78)는 축방향으로 이격되고, 상기 배출구 와류부(78)는 냉각 공기를 감속하고 냉각 공기를 상기 모터 챔버(54)의 외부로 지향시키는, 배출구 와류부(78)를 포함하고;
    상기 냉각 공기가 상기 축방향을 따라서 상기 모터 챔버(54)를 통해서 상기 유입구 와류부(76)로부터 상기 배출구 와류부(78)로 이동하여 전기 모터(52)를 냉각하는, 베어링 하우징(12).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유입구 와류부(76)는 상기 축방향에 대한 접선 방향으로 냉각 공기를 가속하는, 베어링 하우징(12).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배출구 와류부(78)는 상기 축방향에 대한 상기 접선 방향으로 냉각 공기를 감속하는, 베어링 하우징(12).
  9. 제8항에 있어서,
    공기 유입구 보어(74) 및 공기 배출구 보어를 포함하고, 상기 공기 유입구 보어(74)는 상기 베어링 하우징(12)의 벽을 통해서 연장되고 상기 유입구 와류부(76)에 커플링되고, 상기 냉각 공기는 상기 공기 유입구 보어(74)를 통해서 상기 유입구 와류부(76)로 진입하고, 상기 공기 배출구 보어는 상기 베어링 하우징(12)의 상기 벽을 통해서 연장되고 상기 배출구 와류부(78)에 커플링되며, 상기 냉각 공기가 상기 공기 배출구 보어를 통해서 상기 배출구 와류부(78)를 빠져나가는, 베어링 하우징(12).
  10. 터보차저(10)로서:
    모터 챔버(54)를 포함하는 베어링 하우징(12);
    상기 모터 챔버(54) 내에 배치된 전기 모터(52);
    상기 전기 모터(52)를 액체로 냉각하기 위한 액체 냉각 시스템; 및
    상기 액체 냉각 시스템을 보충하기 위해서 상기 전기 모터(52)를 냉각 공기로 냉각하기 위한 공기 냉각 시스템을 포함하고;
    상기 냉각 공기가 축방향을 따라서 상기 모터 챔버(54)를 통해서 유입구 와류부(76)로부터 배출구 와류부(78)로 이동하여 상기 전기 모터(52)를 냉각하는, 터보차저(10).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 액체 냉각 시스템이, 상기 전기 모터(52)의 외측 외주와 상기 베어링 하우징(12)의 내측 외주 사이에 배치된 환형 액체 냉각 공동(68)을 포함하는, 터보차저(10).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공기 냉각 시스템이 상기 베어링 하우징(12) 내에 형성된 유입구 와류부(76) 및 상기 베어링 하우징(12) 내에 형성된 배출구 와류부(78)를 포함하고, 상기 유입구 와류부(76) 및 상기 배출구 와류부(78)는 축방향으로 이격되고, 상기 유입구 와류부(76)는 상기 유입구 와류부(76) 내로 공급되는 냉각 공기를 가속하고 냉각 공기를 상기 모터 챔버(54) 내로 지향시키고, 상기 배출구 와류부(78)는 냉각 공기를 감속하고 냉각 공기를 상기 모터 챔버(54)의 외부로 지향시키는, 터보차저(10).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유입구 와류부(76)가 상기 전기 모터(52)의 제1 측부 상에 배치되고, 상기 배출구 와류부(78)가 상기 유입구 와류부(76)와 반대되는 상기 전기 모터(52)의 제2 측부 상에 배치되는, 터보차저(10).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 액체 냉각 공동(68)이 상기 축방향을 따라 제1 및 제2 O-링(70, 72) 사이에서 연장되고, 상기 제1 및 제2 O-링(70, 72)이 상기 전기 모터(52)의 외측 외주를 둘러싸고 상기 베어링 하우징(12)의 내측 외주와 접촉하여 그 사이에 밀봉부를 형성하는, 터보차저(10).
  15. 제14항에 있어서,
    상기 베어링 하우징(12)이, 상기 모터 챔버(54)로부터 독립적이고 이격된 공기 채널(82)을 포함하고, 상기 공기 채널(82)이 상기 유입구 와류부(76)에 인접한 상기 모터 챔버(54)의 유입구 단부와 상기 배출구 와류부(78)에 인접한 상기 모터 챔버(54)의 배출구 단부 사이에 커플링되어 상기 모터 챔버(54) 내에서 압력 균형을 이루는, 터보차저(10).
KR1020157013811A 2012-11-12 2013-11-04 전기적 터보컴파운드 기계를 위한 보충적 공기 냉각 시스템 및 공기 압력 오일 밀봉 시스템 KR102074962B1 (ko)

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