KR102311672B1

KR102311672B1 - 컴프레서

Info

Publication number: KR102311672B1
Application number: KR1020170037751A
Authority: KR
Inventors: 진석범
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2021-10-14
Also published as: KR20180108993A; US20180274554A1; US10605265B2; DE102017121307A1; CN108626141A; CN108626141B

Abstract

본 발명은 컴프휠의 축방향을 따라 서지슬릿과 초킹슬릿이 차례로 형성된 컴프휠입구부가 일체로 구비된 컴프하우징과; 선단부가 상기 컴프휠입구부 외측을 감싸는 상태로 상기 컴프휠로 유입되는 기체를 가이드하면서 상기 컴프휠의 축방향을 따라 직선운동이 가능하도록 설치된 슬리브와; 상기 슬리브의 축방향 직선운동에 따라 상기 서지슬릿과 연통되거나 상기 초킹슬릿과 연통될 수 있도록 상기 슬리브에 형성된 선택슬릿과; 상기 슬리브의 외주면과 상기 컴프하우징 사이에서, 상기 슬리브의 직선운동 변위에 따라 상기 서지슬릿 또는 초킹슬릿을 통한 기체의 유동 방향을 가변시키도록 구비된 다수의 베인을 포함하여 구성된다.

Description

컴프레서{COMPRESSOR}

본 발명은 공기를 압축하는 컴프레서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량에 탑재되는 터보차저(Turbocharger)나 수퍼차저(Supercharger)에 사용될 수 있는 컴프레서에 관한 기술이다.

원심 구동 컴프레서의 성능곡선을 참조하면, 컴프레서를 통해 흐르는 유량이 상대적으로 적고 컴프레서의 입구측 압력과 출구측 압력의 비인 압축비가 상대적으로 큰 상황이 되면 서지(surge)가 발생하고, 유량은 상대적으로 많은 상황에서 압축비가 상대적으로 작은 상황이 되면 초킹(choking)이 발생한다.

터보차저에 장착된 컴프레서의 경우, 차량의 운전상황(엔진속도, 부하, EGR사용 여부 등)에 따라 컴프레서가 서지 영역 또는 초킹 영역으로 진입하게 될 수 있다.

상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2010-0054532

A

KR

10-2012-0013460

A

본 발명은 차량의 운전 상황에 따라 컴프레서의 작동 영역이 서지영역 또는 초킹영역으로 진입하게 될 상황에서도 가급적 서지나 초킹의 발생이 방지되도록 함으로써, 실질적으로 서지 영역이나 초킹 영역을 축소하여 컴프레서의 유효 작동영역을 넓히도록 하여 컴프레서의 작동 안정성을 향상시키고 궁극적으로 차량의 출력성능 향상에 기여할 수 있도록 한 컴프레서를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 컴프레서는,

컴프휠의 축방향을 따라 서지슬릿과 초킹슬릿이 차례로 형성된 컴프휠입구부가 일체로 구비된 컴프하우징과;

선단부가 상기 컴프휠입구부 외측을 감싸는 상태로 상기 컴프휠로 유입되는 기체를 가이드하면서 상기 컴프휠의 축방향을 따라 직선운동이 가능하도록 설치된 슬리브와;

상기 슬리브의 축방향 직선운동에 따라 상기 서지슬릿과 연통되거나 상기 초킹슬릿과 연통될 수 있도록 상기 슬리브에 형성된 선택슬릿과;

상기 슬리브의 외주면과 상기 컴프하우징 사이에서, 상기 슬리브의 직선운동 변위에 따라 상기 서지슬릿 또는 초킹슬릿을 통한 기체의 유동 방향을 가변시키도록 구비된 다수의 베인을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 서지슬릿과 초킹슬릿은 각각 상기 컴프휠의 축방향에 수직한 평면에 평행하게 다수의 원호가 간격을 두고 배치된 형상으로 형성될 수 있다.

상기 슬리브의 선택슬릿은 상기 컴프휠의 축방향에 수직한 평면에 평행한 원호를 이루며 상기 서지슬릿의 폭과 초킹슬릿의 폭 중 큰 것의 폭 이상의 폭으로 형성될 수 있다.

상기 베인은 상기 슬리브의 직선운동 변위에 따라, 상기 컴프휠의 축방향에 대하여 기울어진 각도가 변화하도록 설치될 수 있다.

상기 슬리브의 외주면에는 상기 베인에 삽입되는 다수의 슬리브돌기가 구비되고;

상기 베인은 상기 컴프하우징의 내측면에 회전 가능하게 삽입되어 고정되는 베인회전축과, 상기 베인회전축의 반대편에 상기 슬리브돌기가 삽입되어 슬라이딩되도록 직선적으로 형성된 직선가이드홈이 구비될 수 있다.

상기 베인은 상기 컴프휠의 축방향을 기준으로, 상기 선택슬릿이 상기 서지슬릿과 연통된 상태에서 기울어진 방향과 상기 초킹슬릿과 연통된 상태에서 기울어진 방향이 서로 반대방향을 향하도록 설치될 수 있다.

상기 베인은 상기 컴프하우징의 내측면에 회전 가능하게 삽입되어 고정되는 베인회전축과, 상기 베인회전축의 반대편에 상기 슬리브돌기가 삽입되어 슬라이딩되도록 굴곡을 포함하여 형성된 굴곡가이드홈이 구비될 수 있다.

상기 베인의 상기 베인회전축 반대편에는 가이드클립이 결합되고;

상기 가이드클립에는 상기 굴곡가이드홈이 형성될 수 있다.

본 발명은 차량의 운전 상황에 따라 컴프레서의 작동 영역이 서지영역 또는 초킹영역으로 진입하게 될 상황에서도 가급적 서지나 초킹의 발생이 방지되도록 함으로써, 실질적으로 서지 영역이나 초킹 영역을 축소하여 컴프레서의 유효 작동영역을 넓히도록 하여 컴프레서의 작동 안정성을 향상시키고 궁극적으로 차량의 출력성능 향상에 기여할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 컴프레서가 터보차저에 적용된 실시예를 설명한 도면,
도 2는 도 1의 컴프하우징을 도시한 도면,
도 3은 컴프하우징에 베인이 설치된 상태를 설명한 도면,
도 4는 슬리브를 도시한 도면,
도 5는 베인의 실시예를 도시한 도면,
도 6은 선택슬릿이 서지슬릿과 연통된 상태를 도시한 단면도,
도 7은 도 6의 좌측방향에서 본 베인의 상태도,
도 8은 선택슬릿이 초킹슬릿과 연통된 상태를 도시한 단면도,
도 9는 도 7의 좌측방향에서 본 베인의 상태도,
도 10은 베인의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명 컴프레서(1)의 실시예는, 컴프휠(7)의 축방향을 따라 서지슬릿(3)과 초킹슬릿(5)이 차례로 형성된 컴프휠입구부(9)가 일체로 구비된 컴프하우징(11)과; 선단부가 상기 컴프휠입구부(9) 외측을 감싸는 상태로 상기 컴프휠(7)로 유입되는 기체를 가이드하면서 상기 컴프휠(7)의 축방향을 따라 직선운동이 가능하도록 설치된 슬리브(13)와; 상기 슬리브(13)의 축방향 직선운동에 따라 상기 서지슬릿(3)과 연통되거나 상기 초킹슬릿(5)과 연통될 수 있도록 상기 슬리브(13)에 형성된 선택슬릿(15)과; 상기 슬리브(13)의 외주면과 상기 컴프하우징(11) 사이에서, 상기 슬리브(13)의 직선운동 변위에 따라 상기 서지슬릿(3) 또는 초킹슬릿(5)을 통한 기체의 유동 방향을 가변시키도록 구비된 다수의 베인(17)을 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명은 상기 슬리브(13)의 축방향 직선운동에 의해 상기 선택슬릿(15)이 상기 서지슬릿(3)과 연통되는 서지대응상태와 상기 선택슬릿(15)이 상기 초킹슬릿(5)과 연통되는 초킹대응상태를 형성하여, 서지가 발생할 상황에서 서지를 억제하는 기능과 초킹이 발생할 상황에서 초킹을 억제하는 기능을 수행할 수 있도록 함으로써, 실질적인 컴프레서(1)의 유효 작동 영역을 확대시킬 수 있도록 한 것이다.

참고로, 상기 선택슬릿(15)이 상기 서지슬릿(3)과 초킹슬릿(5) 사이에 위치하여, 실질적으로 상기 서지슬릿(3)과 초킹슬릿(5)이 모두 폐쇄된 상태를 중립상태로 칭하기로 한다.

한편, 도 1에서는 본 발명의 컴프레서(1)가 엔진 배기가스에 의해 회전하는 터빈(19)에 연결되어 터보차저를 구성한 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 컴프레서(1)가 터보차저에만 적용되는 것으로 한정되는 것은 아니고, 모터에 의해 구동되는 수퍼차저 등에도 적용될 수 있음은 물론이다.

상기 서지슬릿(3)은 과 초킹슬릿(5)은 상기 컴프휠(7)의 원주방향 외측을 감싸는 컴프휠입구부(9)에 컴프휠(7)로 유입되는 기체의 컴프휠(7) 유입방향을 따라 서지슬릿(3)과 초킹슬릿(5)이 차례로 배치된다.

상기 서지슬릿(3)과 초킹슬릿(5)은 각각 상기 컴프휠(7)의 축방향에 수직한 평면에 평행하게 다수의 원호가 간격을 두고 배치된 형상으로 형성되고, 상기 슬리브의 선택슬릿(15)은 상기 컴프휠(7)의 축방향에 수직한 평면에 평행한 원호를 이루며 상기 서지슬릿(3)의 폭과 초킹슬릿(5)의 폭 중 큰 것의 폭 이상의 폭으로 형성된다.

따라서, 상기 중립상태로부터 상기 슬리브(13)가 상기 컴프휠(7)로부터 멀어지는 방향으로 직선 이동하면, 도 6과 같이 상기 선택슬릿(15)이 상기 서지슬릿(3)과 연통되어 상기 서지슬릿(3)을 통해 빠져 나온 기체가 상기 슬리브(13) 외측을 우회한 후 다시 슬리브(13) 내측을 통해 상기 컴프휠(7) 쪽으로 재순환될 수 있도록 함으로써, 서지를 억제하고, 상기 중립상태로부터 상기 슬리브(13)가 상기 컴프휠(7)에 가까워지는 방향으로 이동하면, 도 8과 같이 상기 선택슬릿(15)이 상기 초킹슬릿(5)과 연통되어 상기 컴프하우징과 슬리브 외측 사이 공간으로 유입되는 기체가 상기 초킹슬릿(5)을 통해 상기 컴프휠(7) 쪽으로 직접 유입되어 초킹을 억제하게 된다.

상기 베인(17)은 상기 슬리브(13)의 직선운동 변위에 따라, 상기 컴프휠(7)의 축방향에 대하여 기울어진 각도가 변화하도록 설치된다.

본 실시예에서, 상기 슬리브(13)의 외주면에는 상기 베인(17)에 삽입되는 다수의 슬리브돌기(21)가 구비되고, 상기 베인(17)은 도 5와 같이 상기 컴프하우징(11)의 내측면에 회전 가능하게 삽입되어 고정되는 베인회전축(23)과, 상기 베인회전축(23)의 반대편에 상기 슬리브돌기(21)가 삽입되어 슬라이딩되도록 직선적으로 형성된 직선가이드홈(25)이 구비된다.

따라서, 상기 슬리브(13)의 직선 이동에 따라 상기 슬리브돌기(21)가 상기 직선가이드홈(25)에서 슬라이딩되면, 상기 베인(17)은 도 6의 상태로부터 도 8의 상태까지 변화하여, 상기 서지슬릿(3)으로부터 재순환하거나 초킹슬릿(5)을 통해 터빈휠 쪽으로 직접 유동하는 기체의 유동방향을 변화시킬 수 있게 되는 것이다.

이 경우, 상기 중립상태에서 베인(17)의 각도는 상기 도 6의 상태와 도 8의 중간 정도가 될 것이며, 이때는 상기 서지슬릿(3)과 초킹슬릿(5)이 모두 폐쇄된 상태로서, 상기 상기 베인 주변을 유동하는 기체가 없으므로, 상기 베인(17)이 장애물로 작용하지는 않는다.

여기서, 상기 베인(17)의 각도는 상기 베인(17)의 베인회전축(23), 직선가이드홈(25) 및 상기 슬리브돌기(21)의 형상과 위치에 따라 변화될 수 있는 바, 적절한 실험과 해석에 의해 서지대응상태와 초킹대응상태에서 상기 베인(17)이 최적의 각도가 되도록 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 베인(17)은 상기 컴프휠(7)의 축방향을 기준으로, 상기 선택슬릿(15)이 상기 서지슬릿(3)과 연통된 상태에서 기울어진 방향과 상기 초킹슬릿(5)과 연통된 상태에서 기울어진 방향이 서로 반대방향을 향하도록 설치될 수 있을 것이다.

이를 위해, 상기 슬리브(13)의 외주면에는 상기 베인(17)에 삽입되는 다수의 슬리브돌기(21)가 구비되고, 상기 베인(17)은 상기 컴프하우징(11)의 내측면에 회전 가능하게 삽입되어 고정되는 베인회전축(23)과, 상기 베인회전축(23)의 반대편에 상기 슬리브돌기(21)가 삽입되어 슬라이딩되도록 굴곡을 포함하여 형성된 굴곡가이드홈(27)이 구비된 구성으로 할 수 있다.

도 10의 실시예에서 상기 베인(17)의 상기 베인회전축(23) 반대편에는 가이드클립(29)이 결합되고, 상기 가이드클립(29)에는 상기 굴곡가이드홈(27)이 형성되도록 하였다. 물론, 상기 가이드클립(29)을 별도로 구성하지 않고 상기 베인(17)의 베인회전축(23) 반대편에 상기 굴곡가이드홈(27)이 베인(17)에 일체로 형성되도록 할 수도 있을 것이다.

도 10의 실시예와 같은 베인(17)을 사용하게 되면, 상기 슬리브(13)의 직선이동에 따라 상기 서지대응상태와 초킹대응상태에서 상기 슬리브돌기(21)가 상기 굴곡가이드홈(27) 중앙의 굴곡부를 지나게 되므로, 상기 베인(17)이 상기 컴프휠(7)의 축방향을 기준으로, 서로 반대방향을 향하도록 회전되게 된다.

이 경우, 상기 서지대응상태에서는 상기 베인(17)이 컴프휠(7)의 블레이드 비틀림 방향과 반대방향이 되도록 하고, 초킹대응상태에서는 상기 베인(17)이 컴프휠(7)의 비틀림 방향과 동일방향이 되도록 할 수 있으며, 이와 같은 베인(17)의 각도는 서지대응상태 및 초킹대응상태에서 각각 최적의 기체 유동을 형성함으로써, 서지와 초킹을 더욱 억제할 수 있게 하여, 궁극적으로 컴프레서(1)의 유효 작동 영역을 더욱 확대시키도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

참고로, 본 실시예의 슬리브(13)에는 상기 슬리브(13)를 상기 축방향을 따라 직선이동시키는 조작력을 전달받기 위한 작동로드(31)가 일체로 구비되어 있어서, 상기 작동로드(31)에 슬리브(13)의 직선 변위를 발생시킬 수 있는 각종 액츄에이터가 연결될 수 있는 바, 상기 액츄에이터로는 모터나 유압 또는 공압실린더 등이 연결될 수 있을 것이며, 상기 작동로드(31) 없이 상기 슬리브(13) 자체에 액츄에이터가 직접 연결될 수도 있을 것이다.

따라서, 엔진을 제어하는 컨트롤러가 엔진의 운전상황 또는 컴프레서(1)의 운전상황에 따라 상기 액츄에이터를 제어하여 상기 슬리브(13)를 직선이동시킴에 의해 서지나 초킹을 억제하여, 실질적으로 컴프레서(1)가 작동할 수 있는 유효 작동 영역을 확대시키도록 할 수 있다.

참고로, 상기 서지슬릿(3) 또는 선택슬릿(15)을 통한 기체의 유동에 의해 각각 서지가 억제되고 초킹이 억제되는 것은 이미 종래에 공지된 원리에 의한 것이므로, 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

1; 컴프레서
3; 서지슬릿
5; 초킹슬릿
7; 컴프휠
9; 컴프휠입구부
11; 컴프하우징
13; 슬리브
15; 선택슬릿
17; 베인
19; 터빈
21; 슬리브돌기
23; 베인회전축
25; 직선가이드홈
27; 굴곡가이드홈
29; 가이드클립
31; 작동로드

Claims

컴프휠의 축방향을 따라 서지슬릿과 초킹슬릿이 차례로 형성된 컴프휠입구부가 일체로 구비된 컴프하우징과;
선단부가 상기 컴프휠입구부 외측을 감싸는 상태로 상기 컴프휠로 유입되는 기체를 가이드하면서 상기 컴프휠의 축방향을 따라 직선운동이 가능하도록 설치된 슬리브와;
상기 슬리브의 축방향 직선운동에 따라 상기 서지슬릿과 연통된 상태와 상기 초킹슬릿과 연통된 상태 사이를 전환할 수 있도록 상기 슬리브에 형성된 선택슬릿과;
상기 슬리브의 외주면과 상기 컴프하우징 사이에서, 상기 슬리브의 직선운동 변위에 따라 상기 서지슬릿 또는 초킹슬릿을 통한 기체의 유동 방향을 가변시키도록 구비된 다수의 베인;
을 포함하여 구성되고,
상기 베인은 상기 슬리브의 직선운동 변위에 따라, 상기 컴프휠의 축방향에 대하여 기울어진 각도가 변화하도록 설치되며,
상기 슬리브의 외주면에는 상기 베인에 삽입되는 다수의 슬리브돌기가 구비되고;
상기 베인은 상기 컴프하우징의 내측면에 회전 가능하게 삽입되어 고정되는 베인회전축과, 상기 베인회전축의 반대편에 상기 슬리브돌기가 삽입되어 슬라이딩되도록 직선적으로 형성된 직선가이드홈이 구비된 것
을 특징으로 하는 컴프레서.
청구항 1에 있어서,
상기 서지슬릿과 초킹슬릿은 각각 상기 컴프휠의 축방향에 수직한 평면에 평행하게 다수의 원호가 간격을 두고 배치된 형상으로 형성된 것
을 특징으로 하는 컴프레서.
청구항 2에 있어서,
상기 슬리브의 선택슬릿은 상기 컴프휠의 축방향에 수직한 평면에 평행한 원호를 이루며 상기 서지슬릿의 폭과 초킹슬릿의 폭 중 큰 것의 폭 이상의 폭으로 형성된 것
을 특징으로 하는 컴프레서.
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컴프휠의 축방향을 따라 서지슬릿과 초킹슬릿이 차례로 형성된 컴프휠입구부가 일체로 구비된 컴프하우징과;
선단부가 상기 컴프휠입구부 외측을 감싸는 상태로 상기 컴프휠로 유입되는 기체를 가이드하면서 상기 컴프휠의 축방향을 따라 직선운동이 가능하도록 설치된 슬리브와;
상기 슬리브의 축방향 직선운동에 따라 상기 서지슬릿과 연통된 상태와 상기 초킹슬릿과 연통된 상태 사이를 전환할 수 있도록 상기 슬리브에 형성된 선택슬릿과;
상기 슬리브의 외주면과 상기 컴프하우징 사이에서, 상기 슬리브의 직선운동 변위에 따라 상기 서지슬릿 또는 초킹슬릿을 통한 기체의 유동 방향을 가변시키도록 구비된 다수의 베인;
을 포함하여 구성되고,
상기 베인은 상기 컴프휠의 축방향을 기준으로, 상기 선택슬릿이 상기 서지슬릿과 연통된 상태에서 기울어진 방향과 상기 초킹슬릿과 연통된 상태에서 기울어진 방향이 서로 반대방향을 향하도록 설치되며,
상기 슬리브의 외주면에는 상기 베인에 삽입되는 다수의 슬리브돌기가 구비되고;
상기 베인은 상기 컴프하우징의 내측면에 회전 가능하게 삽입되어 고정되는 베인회전축과, 상기 베인회전축의 반대편에 상기 슬리브돌기가 삽입되어 슬라이딩되도록 굴곡을 포함하여 형성된 굴곡가이드홈이 구비된 것
을 특징으로 하는 컴프레서.
청구항 7에 있어서,
상기 베인의 상기 베인회전축 반대편에는 가이드클립이 결합되고;
상기 가이드클립에는 상기 굴곡가이드홈이 형성된 것
을 특징으로 하는 컴프레서.