KR20100091259A - 하우징 체결방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하우징 구조를 고안함으로써, 하우징이 고온상태에 노출된 경우여도 G 커플링의 체결력의 저하를 억제할 수 있는 하우징 체결방법 및 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 유체의 공급에 의해 동익(動翼)(1a)을 회전시키는 터빈(1)과, 동익(1a)과 회전축(3a)을 매개로 하여 연결된 임펠러(羽根車)(2a)에 의해 공기를 흡입하는 컴프레서(2)와, 터빈(1)의 외형을 구성하는 터빈 하우징(1b)과, 회전축(3a)을 회전 가능하게 지지하는 베어링 하우징(3)을 갖고, 터빈 하우징(1b)의 오목부(1c)에 베어링 하우징(3)의 볼록부(3b)를 삽입하여, 오목부(1c)의 단차부(1d)에 의해 볼록부(3b)의 단면(3c)을 계지(係止)시킨 후, 오목부(1c), 볼록부(3b)의 바깥쪽 둘레에 형성된 각 플랜지부(1e, 3d)의 바깥쪽 둘레를 G 커플링(4)에 의해 서로 체결한 과급기에 있어서, 단차부(1d)의 계지면의 축방향 위치를 조정하여 오목부(1c), 볼록부(3b)의 형상을 설정하였다.

Description

하우징 체결방법{Housing fastening method}

본 발명은 G 커플링 등의 체결구(締結具)에 의해 하우징을 체결하는 하우징 체결방법 및 G 커플링 등의 체결구에 의해 하우징을 체결한 과급기에 관한 것으로, 특히, 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있는 하우징 체결방법 및 과급기에 관한 것이다.

유체를 동익(動翼)에 공급하여, 유체의 운동에너지를 회전운동으로 변환해서 동력을 얻는 회전식 원동기는, 일반적으로 터빈으로 불리고 있다. 특히, 동익의 반경방향에서 유체를 공급하여 축방향으로 배출하는 타입을 레이디얼 터빈(radial turbine)이라 한다. 이와 같은 레이디얼 터빈을 이용한 장치의 하나로 차량용 과급기가 있다. 여기서, 차량용 과급기(터보차저)는, 배기가스의 공급에 의해 터빈 동익을 회전시키는 가스 터빈과, 상기 터빈 동익과 동축에 연결된 임펠러(羽根車)에 의해 공기를 흡입하는 컴프레서(compressor)를 구비하고 있다. 상기 컴프레서에 의해 흡입된 공기는, 압축되어 엔진에 공급되고, 연료와 혼합되어 연소된다. 연소 후의 배기가스는, 상기 가스 터빈으로 보내져 일을 한 후, 최종적으로 대기중으로 방출된다. 상기 배기가스를 상기 터빈 동익에 공급하는 유로는, 배기가스를 가속시키기 위해, 상기 터빈 동익의 회전축 주변에 소용돌이형상으로 형성된 스크롤부를 갖고, 상기 터빈 동익의 반경방향에서 상기 배기가스를 공급하도록 구성되어 있다.

이와 같은 차량용 과급기는, 가스 터빈의 터빈 동익과 컴프레서의 임펠러를 연결하는 회전축을 가지고 있고, 그 회전축은 베어링 하우징에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 그리고, 터빈 하우징과 베어링 하우징의 체결시에, 터빈 하우징 및 베어링 하우징에 각각 형성된 플랜지부를 G 커플링 등의 체결구에 의해 서로 체결하는 경우가 있다(예를 들면, 특허문헌 1의 도 12 참조).

특허문헌 1: 일본국 특허공개 제2006-258108호 공보, 도 12

그런데, 특허문헌 1과 같이, 터빈 하우징과 베어링 하우징을 G 커플링 등의 체결구에 의해 체결한 경우, 각 플랜지부와 체결구의 선팽창계수가 상위하기 때문에, 과급기의 사용시에 있어서의 각 플랜지부 및 체결구의 열팽창에 의해, 이들 플랜지부와 체결구 사이에 극간이 생겨 버려, 체결구의 체결력이 저하되어 버리는 경우가 있었다. 또한, 터빈 하우징 내가 고온의 배기가스에 노출되면, 상기 플랜지부가 열팽창하여 상기 체결구를 변형시켜버려, 배기가스의 온도가 저온이 된 경우에 있어서의 체결구의 체결력이 저하되어 버리는 경우도 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 하우징구조를 고안함으로써, 하우징이 고온상태에 노출된 경우여도 G 커플링 등의 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있는 하우징 체결방법 및 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 하우징 체결방법은, 한쪽의 하우징에 형성된 오목부에 다른 쪽의 하우징에 형성된 볼록부를 삽입하여, 상기 오목부에 형성된 단차부(段差部)에 의해 상기 볼록부의 단면을 계지(係止)시키는 동시에, 상기 오목부 및 상기 볼록부의 바깥쪽 둘레에 형성된 각 플랜지부를 서로 대치시킨 후, 이들 대치된 플랜지부를 수용하는 홈이 안쪽 둘레에 형성된 고리형상의 체결구에 의해, 상기 한쪽의 하우징과 다른 쪽의 하우징을 서로 체결하는 하우징 체결방법에 있어서, 사용상태에 있어서 상기 각 하우징 및 상기 체결구에 열팽창이 발생해도, 상기 체결구의 홈과 상기 각 플랜지부의 극간이 소정 값 이하가 되도록, 상기 단차부의 계지면의 축방향 위치를 설정하는 동시에, 상기 오목부 및 상기 볼록부의 형상을 설정하는 것을 특징으로 한다.

전술한 본 발명의 하우징 체결방법은, 본 발명자가 G 커플링 등의 체결구에 의해 체결한 하우징에 있어서의 열팽창에 의한 체결력의 저하에 대해 예의 연구한 결과, 단차부의 계지면의 축방향 위치와 체결구의 체결력 사이에 관계성이 있는 것을 발견하여 창안된 발명이다. 즉, 단차부의 계지면의 축방향 위치를 조정함으로써, 플랜지부 및 체결구의 열팽창의 전체 모습을 축차 해명하지 않고 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 상기 단차부의 계지면의 축방향 위치를 설정하는 동시에, 상기 오목부 및 상기 볼록부의 형상을 설정함으로써, 열팽창상태여도 상기 체결구의 홈과 각 플랜지부의 극간을 용이하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 단차부의 계지면의 축방향 위치를 종래 설정되어 있는 위치보다도 단부에 가깝게 설정함(오목부의 깊이를 얕게 함)으로써, 하우징의 내부가 고온(예를 들면, 약 1000℃)에 노출되는 경우여도, 열팽창에 의한 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있다.

적합한 태양으로서, 전술한 하우징 체결방법은, 상기 단차부의 계지면의 축방향 위치를 상기 체결구의 축방향 투영 폭의 범위 내에 포함되도록 설정한다.

이 구성에 의하면, 상기 오목부가 형성된 하우징의 플랜지부에 있어서의 상기 체결구에 대한 접점과 상기 단차부의 계지면의 축방향의 거리가 작아진다. 이 때문에, 특히 상기 오목부가 형성된 하우징이, 상기 볼록부가 형성된 하우징 및 상기 체결구에 비해, 보다 고온에 노출되는 경우에도, 열팽창에 의한 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있다.

즉, 각 플랜지부에 있어서의 체결구와의 접점간의 축방향의 거리는, 상기 볼록부측의 하우징의 플랜지부에 있어서의 상기 계지면과 상기 체결구의 접점과의 거리에서, 상기 오목부측의 하우징의 플랜지부에 있어서의 상기 계지면과 상기 체결구의 거리를 뺀 값이다. 따라서, 하우징 및 체결구의 열팽창이 동일한 경우, 이론적으로는 체결구의 체결력의 저하는 발생하지 않으나, 다른 한편으로, 상기 오목부측의 하우징이, 상기 볼록부측의 하우징보다도 크게 열팽창한 경우, 각 플랜지부에 있어서의 체결구와의 접점간의 축방향의 거리가 상대적으로 작아져, 체결구와의 사이에 극간이 발생하게 된다.

그러나, 이 구성에 있어서는, 상기 오목부가 형성된 하우징의 플랜지부에 있어서의 상기 체결구에 대한 접점과 상기 단차부의 계지면과의 축방향의 거리가 작기 때문에, 상기 오목부가 형성된 하우징에 열팽창이 발생해도 그 접점과 계지면의 축방향의 거리의 증대는 매우 작다. 따라서, 상기 오목부가 형성된 하우징이, 상기 볼록부가 형성된 하우징 및 상기 체결구에 비해, 보다 고온에 노출되는 경우에도, 열팽창에 의한 하우징과 체결구의 극간의 증대를 억제할 수 있어, 이것에 의해 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있다.

다른 태양에 있어서, 본 발명의 하우징 체결방법은, 상기 단차부의 계지면과 상기 볼록부의 단면 사이에 협지되는 박판의 두께를 고려하여 상기 볼록부의 형상을 설정한다.

이 구성에 의하면, 단차부의 계지면과 볼록부의 단면 사이에 스페이서나 인접하는 하우징의 차열판 등의 박판이 협지되는 경우에는, 그 박판의 열팽창도 고려되기 때문에, 보다 효과적으로 열팽창에 의한 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있다.

또 다른 태양에 있어서, 본 발명의 하우징 체결방법은, 열팽창하기 어려운 쪽의 하우징에 있어서의 플랜지부의 외경을, 열팽창하기 쉬운 쪽의 하우징에 있어서의 플랜지부의 외경보다도 크게 형성한다.

이 구성에 의하면, 체결되는 하우징의 열팽창의 정도가 상이한 경우에도, 고온상태에 있어서의 양 플랜지부의 바깥쪽 둘레 가장자리를 대략 동일 외경 상에 위치시킬 수 있어, 체결구에 동일 체결구를 기울이는 힘의 작용을 대폭 저감할 수 있다.

또한 구체적인 태양에 있어서, 본 발명의 하우징 체결방법은, 상기 오목부측의 플랜지부에 있어서의 상기 체결구와의 접점과 상기 단차부의 계지면과의 축방향 길이 Az와, 상기 볼록부측의 플랜지부에 있어서의 상기 체결구와의 접점과 상기 단면과의 축방향 길이 Bz를 토대로 하여, 상기 플랜지부의 접점간의 축방향 길이 C＝t＋Bz－Az로 규정하고, 또한 상기 체결구의 접점간의 축방향 길이 Cg로 규정하여, 0≤Cg－C≤허용치 k를 충족시키도록 상기 축방향 길이 Az, Bz를 결정한다. 또한, 상기 허용치 k는, 소정 온도에 있어서 허용 가능한 상기 체결구와 상기 플랜지부의 접점의 극간에 의해 설정된다. 구체적으로는, 상기 허용치 k는, 상기 체결구의 파지부의 개도(開度) θ에 대해, 0≤k＜0.0388/cos(θ/2)의 범위 내의 수치로 설정되는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 전술한 조건에 따라, 오목부측의 축방향 길이 Az와 볼록부측의 축방향 길이 Bz를 설정함으로써, 고온시에 있어서의 체결구와 플랜지부의 극간을 목적하는 범위 내로 제한할 수 있어, 이것에 의해 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있다.

다른 태양에 있어서, 본 발명의 과급기는, 유체의 공급에 의해 동익을 회전시키는 터빈과, 상기 동익과 회전축을 매개로 하여 연결된 임펠러에 의해 공기를 흡입하는 컴프레서와, 상기 터빈의 외형을 구성하는 터빈 하우징과, 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링 하우징을 갖고, 상기 터빈 하우징에 형성된 오목부에 상기 베어링 하우징에 형성된 볼록부를 삽입하여, 상기 오목부에 형성된 단차부에 의해 상기 볼록부의 단면을 계지시키는 동시에, 상기 오목부 및 상기 볼록부의 바깥쪽 둘레에 형성된 각 플랜지부를 서로 대치시킨 후, 이들 대치된 플랜지부를 수용하는 홈이 내부에 형성된 고리형상의 체결구에 의해, 이들 플랜지부를 서로 체결한 과급기에 있어서, 전술한 어느 하나의 하우징 체결방법에 의해, 상기 베어링 하우징과 상기 터빈 하우징을 상기 체결구에 의해 체결한다.

이 구성에 의하면, 열팽창에 의한 체결구의 체결력의 저하를 억제할 수 있는 과급기를 얻을 수 있다.

도 1a는 본 발명의 과급기를 나타내는 측면 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 G 커플링(4)의 정면도이다.
도 2a는 도 1a에 있어서의 II부의 확대도이다.
도 2b는 종래기술에 있어서의 도 2a에 대응하는 부분을 나타내는 확대도이다.
도 3은 본 발명의 하우징 체결방법의 일 실시형태의 설명에 필요한 치수를 정의하는 설명도이다.
도 4a는 상온상태에 있어서의 G 커플링(4)과 플랜지부(1e 및 3d)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4b는 고온상태에 있어서의 G 커플링(4)과 플랜지부(1e 및 3d)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4c는 도 4b에 있어서의 극간 △g와 △c의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 5a는 본 발명의 하우징 체결방법의 다른 실시형태를 나타내는 체결부의 측면 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 하우징 체결방법의 또 다른 실시형태를 나타내는 체결부의 측면 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도 1a~도 5b를 사용해서 설명한다. 여기서, 도 1a는 본 발명의 과급기를 나타내는 측면 단면도, 도 1b는 도 1a의 G 커플링의 정면도이다. 또한, 도 2a는 도 1a에 있어서의 II부의 확대도이고, 도 2b는 종래기술에 있어서의 도 2a에 대응하는 부분을 나타내는 확대도이다.

도 1a에 나타낸 본 발명의 과급기는, 유체의 공급에 의해 동익(1a)을 회전시키는 터빈(1)과, 동익(1a)과 회전축(3a)을 매개로 하여 연결된 임펠러(2a)에 의해 공기를 흡입하는 컴프레서(2)와, 터빈(1)의 외형을 구성하는 터빈 하우징(1b)과, 회전축(3a)을 회전 가능하게 지지하는 베어링 하우징(3)을 갖고 있다. 터빈 하우징(1a)과 베어링 하우징(3)과 베어링 하우징(3)의 조립은, 다음과 같이 행해진다. 즉, 터빈 하우징(1b)에 형성된 오목부(1c)에 베어링 하우징(3)에 형성된 볼록부(3b)를 삽입하여, 오목부(1c)에 형성된 단차부(1d)에 의해 볼록부(3b)의 단면(3c)을 계지시키는 동시에, 오목부(1c) 및 볼록부(3b)의 바깥쪽 둘레에 형성된 각 플랜지부(1e 및 3d)를 서로 대치시킨 후, 이들 대치된 플랜지부(1e 및 3d)를 수용하는 홈이 안쪽 둘레에 형성된 고리형상의 G 커플링(4)에 의해, 각 플랜지부(1e, 3d)가 서로 체결되어 있다. 그리고, 후술하는 바와 같이, 단차부(1d)의 계지면의 축방향 위치가 설정되는 동시에, 오목부(1c) 및 볼록부(3b)의 형상이 설정되는 것이다. 또한, 도 1a에 나타낸 과급기는, 터빈(1)의 스크롤부(1f)를 다실(multiple-chamber)로 형성한 것이나, 본 발명은 이와 같은 구성에 한정되지 않고, 단실(single-chamber)의 스크롤부를 갖는 과급기여도 되고, 스크롤부(1f)와 동익(1a) 사이에 유량을 조정하는 가변 노즐이 배치된 과급기여도 된다. 또한, 컴프레서 하우징(2b)과 베어링 하우징(3)은, 둘레방향(周方向)에 배치된 복수의 볼트(2c)에 의해 체결되어 있으나, 다른 방법으로 체결해도 된다.

도 1a에 나타낸 과급기에 있어서, 단차부(1d)의 계지면의 축방향 위치는, 예를 들면, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 단차부(1d)의 계지면의 축방향 위치를 G 커플링(4)의 축방향 투영 폭 Zg의 범위 내에 포함되도록 설정된다. 여기서, 터빈 하우징(1b)의 플랜지부(1e)의 단면과 단차부(1d)의 계지면에 있어서의 축방향 폭을 Za로 하면, 플랜지부(1e)와 플랜지부(3d)의 축방향 폭이 거의 같은 것을 전제로, Za≤0.5 Zg의 관계를 갖고 있다. 한편, 도 2b에 나타낸 종래기술의 경우에는, 단차부(1d)의 계지면의 축방향 위치는, G 커플링(4)의 축방향 투영 폭 Zg의 범위 외로 설정되어 있다. 즉, Za＞0.5 Zg의 관계를 갖고 있다. 이 도 2b에 나타낸 형상에서는, 터빈 하우징(1b)의 내부가 고온(예를 들면, 약 1000℃)에 노출된 경우, 각 부재의 열팽창에 의해, G 커플링(4)과 플랜지부(3d) 사이에 극간이 생겨 체결력이 저하되거나, 플랜지부(1e, 3d)가 G 커플링(4)을 넓혀 변형시켜 버린다. 이와 같은 문제점에 대해, 본 발명자가 예의 연구한 결과, 단차부(1d)의 계지면의 축방향 위치와 G 커플링(4)의 체결력 사이에 관계성이 있는 것을 발견하였다. 이에, 본 발명에서는, 단차부(1d)의 계지면의 축방향 위치를, 종래기술보다도 플랜지부(1e)의 단부에 가깝게 설정함으로써, 전술한 문제점의 해결을 도모하고 있다. 바꾸어 말하면, 본 발명의 과급기는, 오목부(1c)의 깊이(＝Za)를 종래기술보다도 얕게 설정한 것이다.

이 구성에 의하면, 터빈 하우징(1b)의 플랜지부(1e)에 있어서의 G 커플링(4)에 대한 접점과 단차부(1d)의 계지면의 축방향의 거리가 작아진다. 이 때문에, 특히 터빈 하우징(1b)이, 베어링 하우징(3) 및 G 커플링(4)에 비해, 보다 고온에 노출되는 경우에도, 열팽창에 의한 G 커플링(4)의 체결력의 저하를 억제할 수 있다.

즉, 터빈 하우징(1b)의 플랜지부(1e)에 있어서의 G 커플링(4)에 대한 접점과 단차부(1d)의 계지면의 축방향의 거리가 작기 때문에, 터빈 하우징(1b)에 열팽창이 발생해도 그 접점과 계지면의 축방향의 거리의 증대는 매우 작다. 따라서, 터빈 하우징(1b)이 베어링 하우징(3) 및 G 커플링(4)에 비해, 보다 고온에 노출되는 경우에도, 열팽창에 의한 하우징과 체결구의 극간의 증대를 매우 작게 할 수 있어, 이것에 의해 G 커플링(4)의 체결력의 저하를 억제할 수 있다.

상기 G 커플링(4)은 체결구의 일종으로, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 반원호부(4a, 4a)와, 각 반원호부(4a)의 동일한 측의 단부에 형성된 플랜지부(4b, 4b)와, 각 반원호부(4a)의 반대측의 단부에 형성된 접어꺾음부(折返部)(4c, 4c)와, 플랜지부(4b)에 삽통되는 볼트·너트 등의 체결구(4d)와, 접어꺾음부(4c, 4c)를 구속하는 고리형상 링(4e)에 의해 구성되어 있다. 반원호부(4a)의 단면은, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 그 안쪽 둘레에, 터빈 하우징(1b)의 플랜지부(1e) 및 베어링 하우징(3)의 플랜지부(3d)가 수용되는 홈을 갖고 있고, 그 홈은, ハ자형상으로 배치된 경사면을 갖고 있다. 또한, 터빈 하우징(1b)의 플랜지부(1e) 및 베어링 하우징(3)의 플랜지부(3d)는, G 커플링(4)의 경사면과 접촉하도록 테이퍼형상으로 형성되어 있다. 이 G 커플링(4)의 경사면과 플랜지부(1e, 3d)의 테이퍼면은, 도 2a에 나타낸 단면도에서는 점접촉하고 있고, 도 1b에 나타낸 각 반원호부(4a)를 따라 선접촉하고 있다. 그리고, G 커플링(4)의 경사면 사이에 터빈 하우징(1b)의 플랜지부(1e) 및 베어링 하우징(3)의 플랜지부(3d)를 끼워 넣고 체결구(4d)를 체결함으로써, 터빈 하우징(1b)과 베어링 하우징(3)을 체결하고 있다. 또한, G 커플링(4)은, V밴드 커플링으로 불리는 경우도 있다.

또한, 도 1a 및 도 2a에 나타내는 바와 같이, 터빈 하우징(1b)의 단차부(1d)의 계지면과 베어링 하우징(3)의 볼록부(3b)의 단면(3c) 사이에는, 박판을 통형상으로 형성한 차열판(5)의 단부를 맞물리게 하여 협지하도록 하고 있다. 이와 같은 차열판(5)은, 베어링 하우징(3)을 터빈 하우징(1b)에 의해 송류되는 고온의 배기가스로부터 보호하는 부재이다. 이와 같은 구성 그 자체는, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 종래기술과 다르지 않으나, 본 발명에서는 단차부(1d)의 계지면의 축방향 위치를 플랜지부(1e)의 단부에 가깝게 조금 옮김으로써, 차열판(5)의 축방향 길이가 종래기술의 것보다 길게 설정되어 있다. 이와 같이 터빈 하우징(1b)의 단차부(1d)의 계지면과 베어링 하우징(3)의 볼록부(3b)의 단면(3c)에 의해, 차열판(5)을 협지하도록 하는 경우에는, 이 판두께를 고려하여 볼록부(3b)의 형상을 설계할 필요가 있다. 또한, 이와 같은 차열판(5)은 필수 구성요소는 아니고, 이와 같은 차열판(5) 대신에 실링 부재를 구성하는 박판을 고리형상으로 형성한 스페이서를 협지하도록 해도 되며, 터빈 하우징(1b)의 단차부(1d)의 계지면과 베어링 하우징(3)의 볼록부(3b)의 단면(3c)을 직접 접촉시켜도 된다.

다음으로, 본 발명의 하우징 체결방법의 일 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 여기서, 도 3은, 본 발명의 하우징 체결방법의 일 실시형태의 설명에 필요한 치수를 정의하는 설명도이다. 또한, 도 4a는 상온상태에 있어서의 G 커플링(4)과 플랜지부(1e 및 3d)의 관계를 나타내고, 도 4b는 고온상태에 있어서의 G 커플링(4)과 플랜지부(1e 및 3d)의 관계를 나타내고 있다. 도 4c는 도 4b에 있어서의 극간 △g와 △c의 관계를 나타내고 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 각 부품의 치수를 정의한다.

Pa: 터빈 하우징(1b)에 있어서의 G 커플링(4)과의 접점.

Az: 터빈 하우징(1b)에 있어서의 단차부(1d)의 계지면과 접점 Pa의 축방향 길이.

Ar: 터빈 하우징(1b)에 있어서의 접점 Pa의 직경방향 길이(축(Z)으로부터의 길이).

Pb: 베어링 하우징(3)에 있어서의 G 커플링(4)과의 접점.

Bz: 베어링 하우징(3)에 있어서의 볼록부(3b)의 단면(3c)과 접점 Pb의 축방향 길이.

Br:베어링 하우징(3)에 있어서의 접점 Pb의 직경방향 길이(축(Z)으로부터의 길이)

θ: G 커플링(4)의 개도.

t: 차열판(5)의 판두께.

C: 접점 Pa, Pb 사이의 축방향 길이.

또한, 각 부품에 있어서의 고온시의 선팽창계수 및 상온과의 온도차를 다음과 같이 정의한다.

α: 터빈 하우징(1b)의 고온시에 있어서의 선팽창계수.

β: 베어링 하우징(3)의 고온시에 있어서의 선팽창계수.

γ: G 커플링(4)의 고온시에 있어서의 선팽창계수.

ε: 차열판(5)의 고온시에 있어서의 선팽창계수.

△Ta: 터빈 하우징(1b)의 고온시에 있어서의 상온과의 온도차.

△Tb: 베어링 하우징(3)의 고온시에 있어서의 상온과의 온도차.

△Tg: G 커플링(4)의 고온시에 있어서의 상온과의 온도차.

△Ts: 차열판(5)의 고온시에 있어서의 상온과의 온도차.

또한, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 상온상태에서는, 터빈 하우징(1b)의 플랜지부(1e)와 베어링 하우징(3)의 플랜지부(3d)는, 각각 접점 Pa, Pb에 의해 G 커플링(4)과 접촉하고 있다. 일반적으로, 플랜지부(1e, 3d) 사이는, 약간의 극간 △p가 생겨 있고, 여기서는 과장된 상태를 도시하고 있다. 이 극간 △p가 존재함으로써, 터빈 하우징(1b)의 내부가 고온(예를 들면, 약 1000℃)에 노출된 경우, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 각 부품의 열팽창에 의해 베어링 하우징(3)의 플랜지부(3d)와 G 커플링(4) 사이에 극간 △g가 형성되어 버리는 것이 본 발명자의 연구에 의해 확인되고 있다. 예를 들면, 도 2b에 나타낸 종래기술에 있어서, 터빈(1)에 공급되는 배기가스 온도가 1050℃인 경우에는, 0.0388 ㎜의 극간 △g가 형성된다. 이 정도의 극간이어도, G 커플링(4)의 체결력의 저하를 초래하게 된다. 따라서, 본 발명에서는, 터빈(1)에 공급되는 배기가스 온도가 1050℃인 경우에, 적어도 이 종래기술의 극간 △g(＝0.0388 ㎜)보다도 작게 할 필요가 있다.

여기서, 상온상태에 있어서 접점 Pb에 대응하고 있던 G 커플링(4)측의 접점을 Pg로 하면, 고온상태에 있어서의 G 커플링(4)의 접점 Pa, Pg 사이의 축방향 길이 Cg는, 플랜지부(1e, 3d)측의 접점 Pa, Pb 사이의 축방향 길이 C보다도 길어진다. 이 차분(difference)(Cg－C)을 △C로 한다. 여기서, 도 4c에 나타낸 도면으로부터, △C와 △g의 관계를 구하면, △C＝△g/cos(θ/2)가 된다. 전술한 바와 같이 △g는, 적어도 △g＜0.0388 ㎜인 것이 필요하기 때문에, 차분 △C는 △C＜0.0388/cos(θ/2) ㎜인 것이 필요하다. 이 차분 △C의 허용 가능한 수치가 허용치 k로서 설정된다. 즉, 터빈(1)에 공급되는 배기가스 온도가 1050℃인 경우에 있어서의 종래기술의 G 커플링(4)보다도 약간이라도 체결력을 향상시키기 위해서는, 허용치 k는, 0≤k＜0.0388/cos(θ/2)(단위는 ㎜)의 범위 내의 수치로서 정의할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서 G 커플링(4)의 체결력의 저하를 효과적으로 억제하는 경우에는, 극간 △g는 0.002 ㎜ 정도로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 허용치 k는, 0≤k≤0.002/cos(θ/2)(단위는 ㎜)의 범위 내의 수치로서 정의할 수 있다. 또한, 표준적인 G 커플링(4)을 사용한 경우의 허용치 k를 수치로 정의하면, 0≤k≤0.0016(단위는 ㎜)으로 정의하는 것도 가능하다.

또한, 전술한 정의로부터, 고온상태에 있어서의 접점 Pa, Pb 사이의 축방향 길이 C를 산출하면, C＝{t(1＋ε△Ts)＋Bz(1＋β△Tb)}－Az(1＋α△Ta)…(1)로 표기할 수 있다. 또한, 고온상태에 있어서의 접점 Pa, Pb 사이의 축방향 길이 Cg는, Cg＝(t＋Bz－Az)(1＋γ△Tg)－{Ar(1＋α△Ta)－(Ar＋Br)(1＋γ△Tg)＋Br(1＋β△Tb)}tan(θ/2)…(2)로 표기된다. 따라서, 허용치 k가 설정되면, 0≤△C≤k…(3)의 관계를 충족시키도록, 터빈 하우징(1b)에 있어서의 단차부(1d)의 계지면과 접점 Pa의 축방향 길이 Az와, 베어링 하우징(3)에 있어서의 볼록부(3b)의 단면(3c)과 접점 Pb의 축방향 길이 Bz를 구할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 있어서는, 상기 식 (1)(2)(3)을 사용함으로써, 판두께 t(박판의 두께)를 고려하여, 볼록부(3b)의 형상에 관한 파라미터(축방향 길이 Bz, 직경방향 길이 Br, 개도 θ 등)를 결정할 수 있고, 더 나아가서는, 판두께 t를 고려한 볼록부(3b)의 형상의 설계를 행할 수 있다.

전술한 하우징 체결방법에 의해 오목부측의 축방향 길이 Az 및 볼록부측의 축방향 길이 Bz를 설정함으로써, 과급기의 형식이나 용량에 관계없이, G 커플링(4)의 체결력의 저하를 억제할 수 있다. 또한, G 커플링(4)을 사용해서 하우징을 체결하는 것이면, 과급기 이외의 제품(예를 들면, 웨이스트 게이트 밸브, 배기 매니폴드, 머플러 등)에도 적용할 수 있다.

계속해서, 본 발명의 하우징 체결방법 외의 실시형태에 대해, 도 5a 및 도 5b를 참조하면서 설명한다. 여기서, 도 5a는 본 발명의 하우징 체결방법 외의 실시형태를 나타내는 체결부의 측면 단면도이고, 도 5b는 또 다른 실시형태를 나타내는 체결부의 측면 단면도이다. 또한, 도 2a에 나타낸 구성부품과 동일한 부분에는 동일 부호를 붙여 중복된 설명을 생략한다.

도 5a에 나타낸 실시형태에서는, 베어링 하우징(3)의 플랜지부(3d)의 외경(반경)을 터빈 하우징(1b)의 플랜지부(1e)의 외경(반경)보다도 △h만큼 확경(擴徑)하고 있다. 이것은, 베어링 하우징(3)보다도 터빈 하우징(1b) 쪽이 고온상태가 되기 때문에 열팽창하기 쉬운 것을 고려한 것이다. 즉, 열팽창의 차에 의해 접점 Pa와 접점 Pb가 직경방향으로 어긋남이 발생하는 것을 고려하여, 고온상태에 있어서 접점 Pa와 접점 Pb가 축방향과 대략 평행이 되도록 한 것이다. 이 경우에는, 전술한 접점 Pa, Pb 사이의 축방향 길이 C 및 접점 Pa, Pg 사이의 축방향 길이 Cg의 계산식을 그대로 적용할 수 있다. 만일, 도 5a에 나타낸 하우징 체결방법을 채용하지 않는 경우여도, 접점 Pa와 접점 Pb를 잇는 선분과 축방향이 이루는 각도를 고려해서 용이하게 접점 Pa, Pb 사이의 축방향 길이 C를 산출할 수 있다.

도 5b에 나타낸 실시형태에서는, 터빈 하우징(1b)의 오목부(1c)에 있어서의 단차부(1d)의 계지면과, 베어링 하우징(3)의 볼록부(3b)에 있어서의 단면(3c)을 직접 접촉시키고 있다. 즉, 도 2a에 나타낸 차열판(5)이 필요 없는 경우이다. 이것은, 과급기의 형식에 따라서는 차열판(5)이 필요 없는 경우를 고려한 것이다. 이 경우, 전술한 접점 Pa, Pb 사이의 축방향 길이 C 및 접점 Pa, Pg 사이의 축방향 길이 Cg의 계산식으로부터 차열판(5)에 관한 변수(t, ε, △Ts)를 제외하면, 각 축방향 길이 C, Cg를 용이하게 산출할 수 있다. 또한, 단차부(1d)의 계지면과 볼록부(3b)의 단면(3c) 사이에, 차열판(5) 대신에 스페이서나 실링 부재를 협지시키는 경우에는, 이와 같은 협지부재의 판두께나 선팽창계수 등을 사용해서 각 축방향 길이 C, Cg를 산출하면 된다.

본 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않고, 예를 들면, G 커플링 이외의 체결구에도 적용할 수 있는 등, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 각종 변경이 가능한 것은 물론이다.

Claims (8)

1. 한쪽의 하우징에 형성된 오목부에 다른 쪽의 하우징에 형성된 볼록부를 삽입하여, 상기 오목부에 형성된 단차부(段差部)에 의해 상기 볼록부의 단면을 계지(係止)시키는 동시에, 상기 오목부 및 상기 볼록부의 바깥쪽 둘레에 형성된 각 플랜지부를 서로 대치시킨 후, 이들 대치된 플랜지부를 수용하는 홈이 안쪽 둘레에 형성된 고리형상의 체결구(締結具)에 의해, 이들 플랜지부를 서로 체결하는 하우징 체결방법에 있어서,
   사용상태에 있어서 상기 각 하우징 및 상기 체결구에 열팽창이 발생해도, 상기 체결구의 홈과 상기 각 플랜지부의 극간이 소정 값 이하가 되도록, 상기 단차부의 계지면의 축방향 위치를 설정하는 동시에, 상기 오목부 및 상기 볼록부의 형상을 설정하는 것을 특징으로 하는 하우징 체결방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단차부의 계지면의 축방향 위치를 상기 체결구의 축방향 투영 폭의 범위 내에 포함되도록 설정한 것을 특징으로 하는 하우징 체결방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단차부의 계지면과 상기 볼록부의 단면 사이에 협지되는 박판의 두께를 고려하여 상기 볼록부의 형상을 설정하는 것을 특징으로 하는 하우징 체결방법.
4. 제1항에 있어서,
   사용상태에 있어서의 열팽창이 상기 한쪽의 하우징과 다른 쪽의 하우징이 상이한 것에 있어서,
   열팽창하기 어려운 쪽의 하우징에 있어서의 플랜지부의 외경을, 열팽창하기 쉬운 쪽의 하우징에 있어서의 플랜지부의 외경보다도 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 하우징 체결방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 오목부측의 플랜지부에 있어서의 상기 체결구와의 접점과 상기 단차부의 계지면과의 축방향 길이 Az와, 상기 볼록부측의 플랜지부에 있어서의 상기 체결구와의 접점과 상기 단면과의 축방향 길이 Bz와, 상기 단차부의 계지면과 상기 볼록부의 단면과의 사이에 협지되는 박판의 두께 t를 토대로 하여, 상기 플랜지부의 접점간의 축방향 길이 C＝t＋Bz－Az로 규정하고, 또한 상기 체결구의 접점간의 축방향 길이 Cg로 규정하여, 0≤Cg－C≤허용치 k를 충족시키도록 상기 축방향 길이 Az, Bz를 결정하는 것을 특징으로 하는 하우징 체결방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 허용치 k는, 소정 온도에 있어서 허용 가능한 상기 체결구와 상기 플랜지부의 접점의 극간에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 하우징 체결방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 허용치 k는, 상기 체결구의 파지부의 개도(開度) θ에 대해, 0≤k＜0.0388/cos(θ/2)의 범위 내의 수치인 것을 특징으로 하는 하우징 체결방법.
8. 유체의 공급에 의해 동익(動翼)을 회전시키는 터빈과, 상기 동익과 회전축을 매개로 하여 연결된 임펠러(羽根車)에 의해 공기를 흡입하는 컴프레서와, 상기 터빈의 외형을 구성하는 터빈 하우징과, 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링 하우징을 갖고, 상기 터빈 하우징에 형성된 오목부에 상기 베어링 하우징에 형성된 볼록부를 삽입하여, 상기 오목부에 형성된 단차부에 의해 상기 볼록부의 단면을 계지시키는 동시에, 상기 오목부 및 상기 볼록부의 바깥쪽 둘레에 형성된 각 플랜지부를 서로 대치시킨 후, 이들 대치된 플랜지부를 수용하는 홈이 안쪽 둘레에 형성된 고리형상의 체결구에 의해, 이들 플랜지부를 서로 체결한 과급기에 있어서,
   제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 하우징 체결방법에 의해 상기 베어링 하우징과 상기 터빈 하우징을 상기 체결구에 의해 체결하는 것을 특징으로 하는 과급기.

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