KR20100093617A - 터보 챠저 - Google Patents

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KR20100093617A
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요시미츠 마츠야마
유키오 다카하시
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

간단한 구성에 의해 터빈 하우징과 배기 노즐 사이에 가지는 틈을 통하여 가스가 고압측으로부터 저압측으로 누출되는 것을 방지한다. 터빈 하우징(1)의 스크롤 통로(8)와 터빈 임펠러(4) 사이에 배치되는 배기 노즐(9)과, 배기 노즐(9)의 후면(24)과 터빈 하우징(1) 사이에 형성되는 틈(19)과, 틈(19)을 폐쇄하는 시일 장치(25)를 가지는 터보 챠저로서, 시일 장치(25)는 고리형상의 1개소가 슬릿으로 잘린 C자 형상을 갖고 내주단이 터빈 하우징(1)을 따라서 배치된 시일 부재(29)를 가지고, 시일 부재(29)는 스크롤 통로(8)의 가스압의 작용에 의해 외주단(33)이 배기 노즐(9)의 후면(24)에 접근하고, 또한 슬릿 단부가 서로 접근함과 동시에 내주단(28)이 터빈 하우징(1)에 접근하도록 직경이 축소되는 구성으로 하였다.

Description

터보 챠저{TURBO CHARGER}
본 발명은 터빈 하우징과 배기 노즐 사이에 가지는 틈을 통하여 가스가 고압측으로부터 저압측으로 누출되는 것을 방지하도록 한 터보 챠저에 관한 것이다.
도 1은 본 발명을 적용하는 종래의 가변 용량형의 터보 챠저의 일 예를 도시한다. 이 터보 챠저는 터빈 하우징(1)과 컴프레셔 하우징(2)이 축받이 하우징(3)을 사이에 두고 체결 볼트(3a, 3b)에 의해 일체적으로 조립되어 있고, 터빈 하우징(1) 내에 배치되는 터빈 임펠러(4)와 컴프레셔 하우징(2) 내에 배치되는 컴프레셔 임펠러(5)가, 축받이 하우징(3)에 축받이(6)를 사이에 두고 회전 자유롭게 지지된 터빈 축(7)에 의해 연결되어 있다.
또한, 상기 축받이 하우징(3)의 터빈 하우징(1)측에는 도 2에 확대하여 도시하는 바와 같이, 터빈 하우징(1)의 스크롤 통로(8)에 도입되는 유체(배기 가스)를 상기 터빈 임펠러(4)로 유도하기 위한 배기 노즐(9)이 설치된다.
배기 노즐(9)은 축받이 하우징(3)측의 전측부 배기 도입벽(10)과 터빈 하우징(1)측의 후측부 배기 도입벽(11)이 소요의 간격을 유지한 상태로 예를 들어 둘레 방향 3개소에 설치한 고정 부재(12)에 의해 일체로 조립되어 있다. 또한, 전측부 배기 도입벽(10)의 전면(축받이 하우징(3) 측면)에는 설치 부재(13)가 고정되어 있고, 상기 터빈 하우징(1)과 축받이 하우징(3)의 조립 시에, 상기 설치 부재(13)를 터빈 하우징(1)과 축받이 하우징(3)으로 협지함으로써 상기 배기 노즐(9)을 고정하고 있다. 또한, 상기 조립 시에, 상기 배기 노즐(9)은 위치 결정 핀(14)에 의해 축받이 하우징(3)에 대하여 위치 결정되어 있다.
전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)의 상호간에는 복수의 노즐 베인(15)이 고리형상으로 배치되어 있고, 각 노즐 베인(15)은 적어도 전측부 배기 도입벽(10)을 관통하는 베인 축(16a)에 의해 전측부 배기 도입벽(10)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 도 1, 도 2의 예에서는 노즐 베인(15)의 양측에 고정한 베인 축(16a, 16b)이 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)의 각각을 관통하여, 각 노즐 베인(15)이 양측 지지로 지지되도록 한 경우를 나타내지만, 베인 축(16a)만이 전측부 배기 도입벽(10)을 관통하여 노즐 베인(15)이 편측 지지로 지지되도록 한 것도 있다.
도 1 중, 17a, 17b, 17c, 17d는 상기 노즐 베인(15)의 개폐 각도를 조절하기 위한 링크식 전달 기구이고, 18은 컴프레셔 하우징(2)에 형성된 스크롤 통로이다.
또한, 상기 터빈 하우징(1)과 배기 노즐(9)의 후측부 배기 도입벽(11) 사이에는 틈(19)이 형성되어 있다. 이 틈(19)은 원래 불필요한 것이지만, 터빈 하우징(1)이 냉간 시와 열간 시의 동안에 열 변형을 일으키는 것, 및 조립 부품에 정밀도상의 편차가 있는 것 등으로 인해 형성되어 있다.
상기 틈(19)이 있으면, 고압측의 스크롤 통로(8)의 배기 가스가 틈(19)을 통하여 저압측의 터빈 임펠러 출구(20)로 쓸데없이 누출되어 버리기 때문에, 이 틈(19)을 폐쇄하기 위해서, 후측부 배기 도입벽(11)이 하류측으로 연장 설치된 연장설치부(11')의 외면과, 이 연장설치부(11')에 대향하는 터빈 하우징(1)의 내면(1')과의 사이에 시일(seal)용 피스톤 링(21)을 배치하여, 가스 누출을 방지하는 동시에 열 변형을 흡수하도록 한 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
특허문헌 1에서는 도 2에 도시하는 바와 같이, 후측부 배기 도입벽(11)의 연장설치부(11')의 외주면에 고리형상의 오목 홈(22)을 형성하여 이 오목 홈(22)에, 통상 2개의 시일용 피스톤 링(21)의 이음매(노치)가 겹치지 않도록 위치를 이동시켜서 배치함으로써 시일 장치(23)를 구성하고, 상기 시일용 피스톤 링(21)의 외주면이 탄발력(彈撥力)에 의해 터빈 하우징(1)의 내면(1')에 압착됨으로써 가스 누출을 방지한다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2006―125588호
그러나, 도 2에 도시하는 바와 같이, 오목 홈(22)에 시일용 피스톤 링(21)을 배치하여 가스 누출을 방지하려고 해도, 가스의 누출량을 적게 억제하기에는 한계가 있다는 문제가 있었다. 즉, 상기 시일용 피스톤 링(21)은 이음매(노치)를 가지고 있고 연속된 링으로는 되어 있지 않기 때문에, 2개의 시일용 피스톤 링(21)의 이음매의 위치를 이동시켜서 배치하여도, 이들의 이음매를 통하여 가스가 누출되어 버린다는 문제가 있다.
또한, 시일용 피스톤 링(21)은 소정의 탄발력을 갖고 터빈 하우징(1)의 내면(1')으로 세게 누름으로써 시일을 행하는 구성상, 높은 강도를 가질 필요가 있으며, 따라서 터빈 하우징(1)의 내면(1')을 높은 진원도(roundness)로 가공하더라도, 시일용 피스톤 링(21)의 진원도가 약간이라도 어긋나 있으면, 터빈 하우징(1)의 내면(1')과 시일용 피스톤 링(21) 사이에는 틈이 생겨 버리고, 이로써, 시일용 피스톤 링(21)의 외주부로부터 가스가 누출된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 실상을 감안하여 이루어진 것으로, 간단한 구성에 의해 터빈 하우징과 배기 노즐 사이에 가지는 틈을 통하여 가스가 고압측으로부터 저압측으로 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 한 터보 챠저를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 터빈 하우징의 스크롤 통로와 터빈 임펠러 사이에 배치되는 배기 노즐과, 상기 배기 노즐의 후면과 상기 터빈 하우징 사이에 형성되는 틈과, 상기 틈을 폐쇄하는 시일 장치를 가지는 터보 챠저로서, 상기 시일 장치는 고리형상의 1개소가 슬릿으로 잘린 형상을 갖고 내주단이 상기 터빈 하우징을 따라 배치된 시일 부재를 가지고, 상기 시일 부재는 스크롤 통로 가스압의 작용에 의해 외주단이 배기 노즐의 후면에 접근하고, 또한 슬릿 단부가 서로 접근하는 동시에 내주단이 상기 터빈 하우징에 접근하도록 직경이 축소되는 구성으로 한 것을 특징으로 한다.
상기 터보 챠저에 있어서, 상기 슬릿이, 내주단측에 대하여 외주단측의 간격이 커지도록 형성되어 있는 것은 바람직하다.
또한, 상기 터보 챠저에 있어서, 상기 시일 부재가, 터빈 하우징측으로부터 배기 노즐측을 향함에 따라 점차로 직경이 커지는 대략 절두(截頭) 원추형상을 가지는 것은 바람직하다.
본 발명의 터보 챠저에 따르면, 시일 부재의 내주단을 터빈 하우징에 형성한 계단부를 따라서 배치하면, 시일 부재는 스크롤 통로 가스압의 작용을 받아서 외주단이 상기 배기 노즐의 후면에 접근하고, 또, 스크롤 통로 가스압과 틈의 압력의 압력 차에 의해 슬릿 단부가 서로 접근하는 동시에 내주단이 상기 계단부에 접근하도록 시일 부재의 직경이 축소하도록 하고 있으므로, 간단한 구성에 의해 터빈 하우징과 배기 노즐의 후면 사이의 틈을 높은 시일성을 갖고 폐쇄할 수 있는 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
도 1은 종래의 터보 챠저의 일 예를 도시하는 절단 측면도.
도 2는 도 1의 노즐부 근방의 절단 측면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 노즐부 근방의 절단 측면도.
도 4는 도 3과는 배기 노즐의 노즐 베인을 지지하는 지지 방법이 다른 예를 도시하는 절단 측면도.
도 5는 도 3, 도 4에서의 시일 부재의 정면도.
도 6은 도 5의 시일 부재에 있어서의 슬릿의 형상 예를 도시하는 정면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 노즐부 근방의 절단 측면도.
도 8은 도 7의 변형예를 나타내는 노즐부 근방의 절단 측면도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 도 1, 도 2의 터보 챠저에 적용한 본 발명의 일 실시예를 도시하는 것으로, 스크롤 통로(8)의 가스가, 터빈 하우징(1)과 배기 노즐(9)의 후면(24) 사이에 형성되는 틈(19)을 통하여 터빈 임펠러(4)측으로 누출되는 것을 방지하기 위해서, 터빈 하우징(1)과 배기 노즐(9)의 후면(24) 사이에 시일 장치(25)를 설치하고 있다.
또한, 도 3에서는 노즐 베인(15)의 양측에 고정한 베인 축(16a, 16b)이 전측부 배기 도입벽(10)과 후측부 배기 도입벽(11)의 각각을 관통하여, 각 노즐 베인(15)이 양측 지지로 지지된 배기 노즐(9)을 가지는 터보 챠저에 적용한 경우를 예시하지만, 이것에 대하여, 도 4에 도시하는 바와 같이, 베인 축(16a)만이 전측부 배기 도입벽(10)을 관통하여 노즐 베인(15)이 편측 지지로 지지된 배기 노즐(9)을 가지는 터보 챠저에도, 마찬가지로 시일 장치(25)는 적용할 수 있다.
상기 시일 장치(25)는 터빈 하우징(1)이 배기 노즐(9)의 후면(24)과 대향하여 틈(19)을 형성하고 있는 부분(26)의 외주 위치에 터빈 축과 평행한 통형(筒形)의 계단부(27)를 설치하고 있고, 또한, 이 계단부(27)에 내주단(28)이 결합하도록 한 시일 부재(29)를 배치하고 있다.
시일 부재(29)는 도 5에 도시하는 바와 같이, 대략 절두 원추형상의 금속 박판(薄板)으로 이루어지고 둘레 방향의 1개소가 0.2 내지 0.8mm 정도 폭의 슬릿(30)에 의해 잘린 형상(C자 형상)을 가지고, 시일 부재(29)의 내주단(28)은 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이 배기 노즐(9)로부터 멀어지는 방향으로 굴곡되어 상기 계단부(27)에 결합하고 있고, 또한, 시일 부재(29)의 외주단(33)은 상기 내주단(28)으로부터 배기 노즐(9)의 후면(24)의 외주단측을 향하여 직경이 확대된 원추형상의 직선부(31)와, 배기 노즐(9)의 후면(24)에 밀착하도록 굴곡된 만곡부(32)를 가지고 있다.
이 때, 시일 부재(29)의 내주단(28)은 스크롤 통로(8) 내의 가스압에 의해 축 방향으로 이동할 수 있도록 상기 계단부(27)에 약간의 틈을 갖고 결합되어 있고, 또한, 시일 부재(29)는 스크롤 통로(8) 내의 가스압에 의해 슬릿 단부(29a, 29b)가 서로 접근하여 직경이 축소되는 변형 강도(두께)로 형성되어 있다.
즉, 시일 부재(29)에는 스크롤 통로(8)의 가스압이 작용하게 되지만, 이 때, 틈(19)에 연통하고 있는 슬릿(30) 부분의 압력은 스크롤 통로(8)의 가스압에 대하여 낮은 압력으로 되어 있다. 따라서, 시일 부재(29)에 작용하는 가스압과 슬릿(30) 부분의 압력과의 압력 차에 의해, 상기 슬릿 단부(29a, 29b)는 끌어 당겨지는 힘을 받아서 서로 접근하고, 또한 내주단(28)도 계단부(27)에 접근하게 되고, 이로써 시일 부재(29)는 직경이 축소되게 된다.
또, 상기한 바와 같이, 시일 부재(29)의 직경이 축소할 때, 슬릿 단부(29a, 29b)가 대략 밀착한 상태로 되도록 하기 때문에, 도 6에 도시하는 바와 같이, 슬릿(30)의 간격을, 내주단(28)측의 간격(S1)에 대하여 외주단(33)측을 향함에 따라 점차로 커지게 되어 간격(S2)이 되도록 쐐기 모양으로 형성하여도 좋다.
상기 실시예에 따르면 다음과 같이 작동한다.
도 3, 도 4에 도시하는 실시예에 있어서는 터빈 하우징(1)에 형성한 계단부(27)에, 도 5에 도시하는 시일 부재(29)의 내주단(28)을 결합시킨 후, 도 1에 도시하는 바와 같이, 터빈 하우징(1)을 체결 볼트(3a)를 사용하여 축받이 하우징(3)에 일체로 조립한다.
도 3, 도 4와 같이 터빈 하우징(1)에 배치된 시일 부재(29)는 스크롤 통로(8)의 가스압(스크롤 유로(8)의 압력과 틈(19)의 압력과의 차 압)에 의해서 A 방향으로 가압되고, 이로써 시일 부재(29)의 외주단(33)의 만곡부(32)가 배기 노즐(9)에서의 후측부 배기 도입벽(11)의 후면(24)에 접근하여 밀착된다.
한편, 시일 부재(29)에 작용하는 가스압에 대하여, 슬릿(30)(도 5)부에서의 압력이 낮아지기 때문에, 이 압력 차에 의해서 슬릿 단부(29a, 29b)가 서로 가까이 끌어 당겨져서 접근하게 되고, 동시에 내주단(28)도 계단부(27)에 접근하게 되고, 이로써 시일 부재(29)는 직경이 축소된다.
이와 같이, 시일 부재(29)의 외주단(32)이 배기 노즐(9)의 후면(24)에 밀착함으로써 배기 노즐(9)과의 사이가 폐쇄되고, 또, 시일 부재(29)의 슬릿 단부(29a, 29b)가 서로 접근하는 동시에, 내주단(28)이 계단부(27)에 접근하도록 시일 부재(29)의 직경이 축소됨으로써, 간단한 구성으로, 터빈 하우징(1)과 배기 노즐(9) 사이의 틈(19)을 높은 시일성을 갖고 폐쇄할 수 있게 된다. 또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 슬릿(30)의 내주단(28)측의 간격(S1)에 대하여 외주단(33)측의 간격(S2)이 커지도록 형성해 두면, 시일 부재(29)의 직경이 축소하였을 때, 슬릿 단부(29a, 29b)가 대략 밀착하도록 균일하게 접근하게 되므로, 슬릿(30)부에 있어서의 시일성을 더욱 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, C자형을 가지는 시일 부재(29)가 단면이 대략 L자형을 가지고 있고, 스크롤 통로(8)의 가스압의 작용에 의해 외주단(33)이 배기 노즐(9)에 있어서의 후측부 배기 도입벽(11)의 후면에 접근하고, 또 도 5에 도시하는 바와 같이 슬릿 단부(29a, 29b)가 서로 접근하는 동시에 내주단(28)이 터빈 하우징(1)에 형성한 계단부(27)에 접근하도록 직경이 축소되는 구성으로 하고 있다. 도 7의 시일 부재(29)의 형상에 있어서도, 스크롤 통로(8)의 배기 가스의 압력을 이용하여 틈(19)을 막는 것에 의해, 틈(19)을 통하여 배기 가스가 누출되는 것을 저감할 수 있다. 또한, 도 7의 실시예에서는 상기 터빈 하우징(1)으로부터 후측부 배기 도입벽(11)의 외주부에 도입 간격(34)을 형성하도록 돌출한 돌출부(35)를 설치하고, 상기 도입 간격(34)으로 연이어 통하는 도입실(36)을 터빈 하우징(1)에 설치함으로써 계단부(27)를 형성하고 있으며, 이 계단부(27)에 상기 시일 부재(29)를 배치하고 있다. 따라서, 도 7의 형상에 따르면, 상기 스크롤 통로(8)로부터의 배기 가스가, 돌출부(35)에 의해 배기 노즐(9)에 안정되게 유도된다.
또한, C자형을 가지는 시일 부재(29)는 도 8에 도시하는 바와 같이, 내주단(28)이 계단부(27)를 따라서 배기 노즐(9) 방향으로 연장된 후 직경 방향 외측으로 연장되고, 계속하여 터빈 축과 평행하게 배기 노즐(9) 방향으로 연장하여 외주단(33)이 배기 노즐(9)에 있어서의 후측부 배기 도입벽(11)의 후면에 접근하도록 계단형으로 형성되어 있어도 좋고, 또한, 그 밖의 다양한 형상으로 할 수 있다.
상기 시일 부재(29)는 매우 간략한 구성으로 할 수 있기 때문에, 저렴한 가격으로 높은 생산성을 가지고 제조할 수 있다.
한편, 도 3에 도시하는 바와 같이, 베인 축(16b)이 후측부 배기 도입벽(11)을 관통하고 있는 관통 구멍(16')의 위치보다도 배기 가스의 상류측(스크롤 통로(8)측)에 상기 시일 부재(29)에 의한 시일 장치(25)를 설치하여 시일을 행하면, 배기 노즐(9)을 통과하는 배기 가스의 압력에 대하여 시일 부재(29) 하류의 틈(19)의 압력이 낮은 것에 의해, 배기 노즐(9) 내의 배기 가스는 베인 축(16b)의 관통 구멍(16')을 통하여 틈(19)측으로 유출되게 되고, 또한, 상기 배기 노즐(9) 내 압력과 틈(19)의 압력과의 압력 차에 의해 노즐 베인(15)이 후측부 배기 도입벽(11)측으로 가압되어 변위하고, 베인 축(16b)에 구비한 차양모양부(brim; 16'')가 상기 관통 구멍(16')을 막도록 후측부 배기 도입벽(11)으로 세게 눌러짐으로써, 배기 노즐(9)의 가스가 베인 축(16b)의 관통 구멍(16')을 통하여 틈(19)으로 유출되는 것을 방지하여 시일성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경을 가할 수 있는 것은 물론이다.
산업상의 이용 가능성
본 발명은 스크롤 통로 가스압의 작용에 의해 외주단이 배기 노즐의 후면에 접근하고, 또 슬릿 단부가 서로 접근하는 동시에 내주단이 터빈 하우징에 접근하도록 직경이 축소되는 구성으로 한 시일 부재를 터보 챠저에 구비하고, 터보 챠저의 시일성을 높일 때에 사용할 수 있다.
1: 터빈 하우징 4: 터빈 임펠러
8: 스크롤 통로 9: 배기 노즐
19: 틈 25: 시일 장치
28: 내주단 29: 시일 부재
29a, 29b: 슬릿 단부 30: 슬릿
33: 외주단

Claims (3)

  1. 터빈 하우징의 스크롤 통로와 터빈 임펠러 사이에 배치되는 배기 노즐과, 상기 배기 노즐의 후면과 상기 터빈 하우징 사이에 형성되는 틈과, 상기 틈을 폐쇄하는 시일(seal) 장치를 가지는 터보 챠저로서, 상기 시일 장치는 고리형상의 1개소가 슬릿으로 잘린 형상을 갖고 내주단이 상기 터빈 하우징을 따라서 배치된 시일 부재를 가지고, 상기 시일 부재는 스크롤 통로 가스압의 작용에 의해 외주단이 배기 노즐의 후면에 접근하고, 또한 슬릿 단부가 서로 접근하는 동시에 내주단이 상기 터빈 하우징에 접근하도록 직경이 축소되는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 터보 챠저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿은 내주단측에 대하여 외주단측의 간격이 커지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 챠저.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 시일 부재는 터빈 하우징측으로부터 배기 노즐측을 향함에 따라 점차로 직경이 커지는 대략 절두(截頭) 원추형상을 가지는 것을 특징으로 하는 터보 챠저.
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