KR20040034452A

KR20040034452A - 압축기

Info

Publication number: KR20040034452A
Application number: KR1020030071598A
Authority: KR
Inventors: 프렌치피에르
Original assignee: 홀셋 엔지니어링 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2004-04-28
Also published as: US7014421B2; JP4502619B2; GB0223756D0; DE60310663D1; EP1411223B1; CN1508435A; DE60310663T2; US20040115042A1; JP2004132380A; EP1411223A1; CN100398826C

Abstract

본 발명에 따른 압축기는 압축기 하우징(4, 5)내에 회전가능하게 장착된 압축기휠(8)을 포함하며, 대향하는 환형 벽면 사이에 환형 배출통로(15)가 형성된다. 적어도 하나의 벽면의 일부(20)는, 상기 배출통로(15)내에서 작동압력의 변화로 탄성 벽면 일부가 굽혀지도록 탄성적으로 유연하게 이루어진다.

Description

압축기{Compressor}

본 발명은 압축기에 관한 것으로, 특히 터보차저에 관한 것이며, 이에 국한되지 않는다.

터보차저(turbocharger)는 대기압 이상의 압력(부스트(boost) 압력)으로 내연기관의 흡입구에 공기를 제공하는 장치로 잘 알려져 있으며, 자동차, 동력선 뿐만 아니라 산업 동력 발동원 등에 널리 사용된다. 종래의 터보차저는, 기본적으로, 터빈 하우징 내의 회전가능한 축 상에 장치된 배기가스 유도 터빈휠을 포함한다. 터빈 휠의 회전은 압축기 하우징 내의 축의 타단에 장착된 압축기휠을 회전시킨다. 상기 압축기휠은 엔진의 흡입 매니폴드(manifold)로 압축공기를 공급함으로써 엔진 출력을 증가시킨다.

상기 터보차저는 내연기관의 출력을 증가시키기에 유용할 뿐아니라, 엔진의 효율을 증가시키고, 특히 공기 흐름과 연료 흐름을 배합함으로써 불필요한 방출을 감소시킬 수 있다. 이런 이유로, 디젤 엔진, 특히 대용량 디젤 엔진은 대부분 터보차저를 구비한다.

연소기관의 방출 규정이 보다 엄격해짐에 따라, 이에 대응하는 터보차저의효율과 성능의 일관성이 요구되고 있다. 터보차저의 동작에 영향을 끼치는 요소들은 여러가지 있는데, 이러한 요소들은 흡입구와 배출구의 디자인과 제조와 같은, 터빈 및 압축기휠 하우징의 특징을 포함한다.

본 발명자는, 압축기의 효율이 디퓨저부에 퇴적된 미립자에 의해 현저하게 떨어져 배출구의 유체흐름특성에 부정적인 영향을 미치는 사실을 알아 내었다. 특히 엔진에서 CCV(crank case ventilation)가스가 연소되기 위해 엔진으로 재순환하는 문제가 확인되었다.

CCV가스는 공기, 기름, 물 및 매연의 혼합물을 포함한다. 과거에는 단순히 CCV가스를 대기로 배출하는 것이 용인되었지만, 현재의 방출 규정에서는 더이상 허용되지 않는다. 상기 문제점을 해결하기 위하여, CCV가스를 연소시키도록 엔진으로 통과시키도록 하는 방법을 강구하고 있는 추세이다. 이 방법은, 압축기 흡입구의 낮은 압력 상태가 CCV가스의 도입에 이상적이기 때문에, 터보차저 엔진에 특히 적합하다. 그러나 이는 CCV가스를 압축기 하우징으로 통과시켜야 하는 것을 의미한다.

본 발명자는 압축기로 통하는 CCV 가스의 순환이 압축기 배출구의 디퓨저부에 상당한 이산화탄소 퇴적물이 축적되는 결과를 초래할 수 있음을 알아내었다. 즉 압축기 하우징을 통과하는 이산화탄소 입자들이 배출구 표면에서 연소되어 시간에 지남에 따라 축적된다. 비록 초기 효율 감소는 비교적 작을 수 있지만, 시간이 지남에 따라 퇴적물이 쌓여 확장될 수 있어, 압축기의 효율이 실직적으로 감소된다. 심지어 시간이 지남에 따라 압축기 흡입구의 디퓨저부가 완전히 막히게 될 가능성도 있다.

더욱이 방출 규정을 만족시키는 조건하에서, 주어진 규격의 엔진으로 부터 높은 출력 발생이 요구될 경우, 압축기로부터 보다 많은 작업량을 요구하게 되고, 압축기 하우징 내어서 고온이 필연적으로 발생되어되어 문제를 악화시킨다.

상기 CCV 가스가 상기 압축기 흡입구로 도입되기 전에 상기 CCV 가스를 정화하는 기술은 알려져 있지만, 현존하는 정화 시스템은 이산화탄소의 축적과 다른 축적물들이 압축기의 배출구 벽에 쌓이는 것을 부분적 밖에 방지할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 의한 압축기는 압축기휠을 둘러싸며 대향하는 환형벽면들 사이에 형성되는 환형 배출통로를 구비하고, 적어도 하나의 상기 벽면 일부는 탄성적으로 유연하게 이루어져, 작동압력이 상기 배출통로 내에서 변화되어 상기 탄성 벽면부가 구부러지짐으로써 퇴적물을 제거시키는 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 터보차저의 주요 구성부를 도시한 외면도.

도2a는 일반적인 압축기의 세부 구성을 도시한 도1의 터보 차저의 일부분의 단면도.

도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도2의 압축기의 변형예를 도시한 단면도.

도4는 도3의 압축기의 유연성 벽부재의 후방 단면도.

도5는 본 발명에 따른 일 실시예의 유연성 환형 벽부재의 일부분을 도시한 정면도.

도6은 도5의 X-X선에 따른 도5의 벽부재의 반경 방향 단면도.

도7은 본 발명에 따른 다른 실시예의 유연성 환형 벽부재를 도시한 반경방향 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

4: 디퓨저15: 디퓨저 통로

16, 17: 환형격판 부재18, 19: 환형홈

20: 막21, 22: 리브부

30: 환형링31: 돌출부

본 발명에 의한 압축기는 압축기 하우징 내에 회전가능하게 설치되는 압축기휠을 포함하며, 상기 압축기 하우징은, 상기 압축기휠을 둘러싸며 대향하는 환형벽면들 사이에 형성되는 환형 배출통로를 구비하고, 적어도 하나의 상기 벽면 일부는탄성적으로 유연하게 이루어져, 작동압력이 상기 배출통로 내에서 변화되어 상기 탄성 벽면부가 굽어지도록 되는 압축기를 제공한다.

상기 탄성벽면부의 굽힘은, 압축기 배출통로에 형성된 이산화탄소 축적물과 같은 미립자 축적물들을 부셔서 제거할 수 있다. 그런 다음, 상기 제거된 미립자들은 연소를 위해 엔진을 통과하게 되며, 엔진(실제로는 동일 선상에 있는 구성요소들,예를 들어 냉각부 후방 터보차저)의 정상적인 엔진 동작을 방해하지 않는다.

또한 본 발명품은 CCV가스를 정화하기 위하여, 압축기의 상류에 필터를 더 설치할 수 있지만 반드시 필요로 하는 것은 아니다.

본 발명의 또 다른 이점은 미립자 축적물 제거가 상기 탄성부가 압축기 배출구 내에서 압력 변환에 따라 자연스럽게 굽혀지는 외적 작용에 의하여 이루어지는 것이다.

또한, 상기 배출통로의 양측의 환형 벽면은 상기한 탄성부를 구비하는것이 바람직하고, 상기 탄성부는 환형이며 상기 각 벽면의 반경 방향 대부분에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 탄성벽면부는, 하우징 벽면에 형성된 홈으로 삽입되고, 하우징 벽의 외둘레면에 접하도록 놓이는 각 탄성부재에 의해 제공된다.

예를 들면 탄성부재는 압축기 배출구 내 압력화로 굽혀지는 탄성격판을 포함한다.

본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들, 특징들 그리고 장점들은 첨부도면을참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 더 명료하게 이해될 수 있다.

첨부된 도면들을 참조하면, 도1은 전반적으로 도면부호1로 지시되는 터빈(1), 전반적으로 도면부호 2로 지시되는 압축기(2), 및 도면부호 3으로 지시되는 중앙 베어링 하우징(3)을 포함하는 종래 방식의 터보차저를 도시한 것이다. 본 발명은 상기 압축기의 구조에 관한 것이므로 상기 터빈 또는 베어링 하우징 요소들(전적으로 종래의 것일 수 있는)에 대해서는 자세히 기술하지 아니한다.

도2를 참조하면, 도2는 상기 도1의 터보차저에서 압축기(2) 부분을 도시한 단면도로서, 상기 압축기는 디퓨저 섹션(4)(상기 베어링 하우징 캐스팅(3)의 일 부분인)에 의해 부분적으로 나타낸 하우징 및 흡입구(6)와 배출구의 벌류트(valute)(7)를 포함하고 있음을 알 수 있다. 압축기 휠(8)은 상기 베어링 하우징(3)을 통과하여 상기 터빈(1)까지 연장된 축(9)을 중심으로 회전 가능하도록 장착된다. 상기 압축기 말단 베어링과 오일 씰의 배치는 전반적으로 도면부호 9a로 지시된다. 상기 압축기 휠(8)은 상기 구역(4a)내에서 상기 디퓨저 섹션(4) 측으로 오목하게 들어간 백 디스크(back disk)(10)에 의하여 지지되는 일렬의 블레이드(8a)들을 포함한다.

도면에 도시된 상기 압축기는 관형 흡기부(inlet portion)(12) 둘레로 연장되어 그 사이에 환형의 챔버(13)를 형성하는 흡입부(11)를 갖는 흡입구(6)를 포함하는 맵-폭 확장 타입(map width enhanced type)으로 이루어진다. 환형의 슬롯(14)은 상기 관형 흡입부(11)를 관통하도록 형성되어 상기 챔버(13)가 상기 압축기 블레이드들(9)에 의해서 스위핑(sweeping)되는 상기 압축기 하우징의 유도부와 연통된다. 상기 압축기 벌류트(7)측 배출구는 서로 대향하는 상기 압축기 커버(14)의 환형 부분과 상기 베어링 하우징(3)의 디퓨저 섹션(4) 사이의 디퓨저 통로(15)를 통과한다. 따라서 상기 디퓨저 통로(15)는 상기 압축기 블레이드들(9)의 단부(tip)들을 둘러싸는 환형의 통로이다.

본 발명은 상기 압축기 배출구, 특히 상기 디퓨저부 또는 통로(15)(구체적으로는 벌류트(7))에 관한 것이고, 따라서 상기 압축기 흡입구에 대하여는 보다 자세히 기술하지 아니한다. 다만, 제시된 실시예는 맵-폭 확장 타입 압축기이지만, 이러한 형상은 다른 종래의 흡입구 형태를 가지는 압축기에 적용될 수 있는 발명의 작동에는 적합하지 않을 수 있다는 점을 인지해야 한다.

다음으로, 도3을 참조하면, 도3은 본 발명에 따른 상기 도2의 압축기의 변형예를 도시한 것이다. 도3은 상기 디퓨저 통로(15)를 매우 상세하게 도시한 상기 압축기 배출구부의 상세도이다. 본 발명에 따르면 상기 디퓨저 통로(15)의 벽(즉, 서로 대향하는 상기 디퓨저 섹션(4)과 압축기 커버(5)의 표면)은 상기 압축기 커버(5)와 디퓨저 섹션(4)에 형성된 환형홈(18,19) 내에 삽입된 환형의 격판부재(diaphragm member)(16, 17)에 의하여 제공되는 탄성부를 구비한다.

도4는 고무 또는 그와 유사한 탄성있게 유연한 물질로 몰딩되고 주연 방향과 반경 방향의 리브(rib)부(21,22)로 보강되어 두꺼워진 격판(20)을 포함하는 격판부재(16,17) 중 하나의 일부를 후방에서 도시한 것이다. 상기 상기 격판(20)의 반경 방향을 기준으로 내,외주면은 두꺼워지고 보강 스틸 링(23,24)(상기 링(23,24)이 다른 소재, 바람직하게는 다른 금속 소재로도 만들어질 수 있다) 둘레로 몰딩된다.

상기 격판부재(17)는 상기 격판(20)의 표면이 상기 디퓨저 섹션(4)의 둘레면과 평평하게 놓여질 수 있도록 상기 홈(19)내에 끼워맞춤 된다. 압력배출통로(25)는 상기 격판(20) 후방의 홈(19) 내에 형성된 공극과 연통되도록 상기 디퓨저 섹션(4)의 벽을 관통하여 제공된다. 상기 압력배출통로(25)는 대기중으로 개방되거나 상기 격판부재(17)를 구부리기에 충분한 추가적인 압력 이동이 있을만한 압축기의 다른 부분(상기 흡입구(6), 상기 압축기 휠 뒷부분, 또는 압축기 토출파이프(discharge pipe)와 같은)에 대하여 개방될 수 있다. 압축기 균등화 덕트(26,27)는 상기 환형 홈(19) 전체를 통하여 압력이 균등해지도록 상기 보강 리브(21,22)를 통하여 제공된다.

상기 압축기 커버(5)측 격판부재(16)의 구조는 상기 격판부재(16)가 축소된 반지름 규격을 가지는 것을 제외하고는 필수적으로 상기 디퓨저 섹션(4)측 격판부재(17)와 동일하다. 압력배출통로(28)는 상기 격판부재(16) 후방에 형성된 공극과 연통되도록 상기 압축기 커버(5)를 관통하여 제공된다.

동작에 있어서, 엔진 사이클 중에 엔진에 공급되는 가압 공기의 압력 변화는 상기 탄성의 격판부재(16,17)를 구부러지게 한다. 이는 상기 격판부재 표면에 형성될 수 있는 카본 또는 다른 입자 퇴적물을 제거시키는 효과를 갖는다. 상기 표면으로부터 제거된 그 퇴적물은 간단하게 엔진으로 전달되고, 엔진(또는 터보차저 애프터 쿨러와 같이, 연결된 다른 어떤 관련 구성요소에도)의 동작에 악 영향을 미치지 않을 정도로 충분히 작아진다.

상기 압력배출통로(25,28)와 압력 균등화 덕트(26,27)의 제공은 상기 격판뒤의 공극이 필요한 때에 상기 격판이 탄성적으로 구부러질 수 있는 능력을 방해하지 않도록 보장한다.

상기 압축기 배출구 통로 벽은 다양한 방법에 의해서 필요한 유연성/탄성을 제공 받을 수 있다. 예를 들어, 도5와 도6은 변형된 한 형태의 격판부재를 도시한 것이다. 상기 도시된 격판부재는 돌출부(31)들과 함께 제공되는 환형의 링(30)을 포함하고, 이는 일 예로서 고무 등의 재료로 몰딩될 수 있다. 상기 부재의 외부 표면, 즉 그 위치에 상기 통로의 표면이 형성된 외부표면은 적절한 엘라스토머(elastomer)로 이루어진 박막(thin membrane)(32)으로 제공될 수 있다. 상기 막(32)과 상기 돌출부(31) 사이의 간극은 상기 막(32)의 표면이 요구되는 신축성을 가지도록 압축성 있는 스폰지 엘라스토머(33)로 채워진다.

도7은 또다른 형태의 격판부재를 도시한 것이다. 이는 상기 격판이 상기 압축기의 디퓨저 섹션과 하나 또는 그 이상의 벤트 홀(vent hole)(35)(앞서 언급한대로 대기 또는 상기 압축기의 다른 부분과 연통될 수 있는) 사이의 상기 격판을 가로지르는 압력 변화의 결과로서, 상기 격판을 굴곡지게 하도록 포옴(foam) 등의 재료 만들어진 지지 부재에 고정된 얇고 유연성 있는 격판(33)을 포함한다. 상기 격판(33)은 적절하게 얇은 엘라스토머로 형성될 수 있고 상기 지지부재(34)는 적절하게 압축 가능한 스폰지 엘라스토머로 형성될 수 있다.

전술한 상기 격판 구조의 가능한 수정예와, 상기 압축기 배출구 통로를 상기 압축기의 보통의 작동 중에 퇴적물을 제거하기 위하여 탄력성 있는 벽으로 제공하는 다른 가능한 대체 구조는 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

본 발명에 의한 압축기는 압축기휠을 둘러싸며 대향하는 환형벽면들 사이에 형성되는 환형 배출통로를 구비하고, 적어도 하나의 상기 벽면 일부는 탄성적으로 유연하게 이루어져, 작동압력이 상기 배출통로 내에서 변화되어 상기 탄성 벽면부가 구부러지도록 함으로써 퇴적물을 제거시키는 효과가 있다.

Claims

압축기 하우징 내에서 회전가능하게 설치되는 압축기휠을 포함하며,

상기 압축기 하우징은, 상기 압축기휠을 둘러싸며 대향하는 환형벽면들 사이에 형성되는 환형 배출통로를 구비하고,

적어도 하나의 상기 벽면 일부는 탄성적으로 굽힘 가능하게 이루어져, 작동압력이 상기 배출통로 내에서 변화되어 상기 탄성 벽면부가 굽혀지도록 되는

압축기.
제1항에 있어서,

상기 환형벽면들 모두는 탄성부를 구비한

압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 환형벽면의 탄성부는 환형으로 이루어지는

압축기.
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 각 환형벽면은 반경방향에 걸쳐 평면으로 이루어지며, 상기 환형벽면의 굽힘 가능한 면은 각 벽면의 반경방향 대부분을 걸쳐 연장하는

압축기.
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 환형벽면은 상기 하우징의 벽에 형성된 홈으로 삽입되는 각각의 탄성부재를 포함하는

압축기.
제5항에 있어서,

상기 탄성부재는 상기 각 하우징벽의 둘레면과 접하는 면을 구비하는

압축기.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 탄성부재는 탄성격판을 포함하는

압축기.
제7항에 있어서,

상기 탄성격판 후방의 홈내에 공극이 형성되고, 상기 공극내에서 현저한 압력의 변화없이 상기 탄성격판의 굽힘에 적합하도록 상기 공극과 연통되게 하나 이상의 압력배출통로가 제공되는

압축기.
제8항에 있어서,

상기 탄성격판은 반경방향 및/또는 주연방향 보강 리브상에서 지지되는

압축기.
제9항에 있어서,

상기 탄성격판 및 보강 리브는 서로 일체로 몰딩되는

압축기.
제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 탄성부재는 환형으로 이루어지는

압축기.
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 탄성격판은 환형이고,

상기 탄성격판의 전체 환형 범위 둘레의 탄성격판 후방의 공극에서 압력이 균등하도록 상기 보강 리브를 통해 압력 균등 덕트가 제공되는

압축기.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 탄성부재는 상기 굽힘에 적합한 압축성 포옴에 지지되는 탄성격판을 포함하는

압축기.
제13항에 있어서,

상기 탄성부재는 환형 지지부재를 포함하며, 상기 포옴은 상기 지지부재와 탄성격판 사이에 개재되는

압축기.
제14항에 있어서,

상기 지지부재는 상기 포옴층을 통해 연장하고, 상기 탄성격판을 직접적으로 지지하는 돌출부를 포함하는

압축기.