KR20180011054A - 터보차저 - Google Patents

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KR20180011054A
KR20180011054A KR1020177025861A KR20177025861A KR20180011054A KR 20180011054 A KR20180011054 A KR 20180011054A KR 1020177025861 A KR1020177025861 A KR 1020177025861A KR 20177025861 A KR20177025861 A KR 20177025861A KR 20180011054 A KR20180011054 A KR 20180011054A
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마틴 버거
뤼디거 클라인슈미트
마틴 크롭
조그 제니스
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보쉬 말레 터보 시스템스 게엠베하 운트 코. 카게
마틴 버거
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Abstract

본 발명은 회전자와 고정자를 가지는 유체역학 슬라이딩 베어링을 포함하는 터보차저에 관한 것으로, 이 경우 회전자는 고정자를 중심으로 회전이 가능하다. 회전자의 베어링 표면은 수렴 간격의 구역에서 동압유체 압력을 발생시키기 위해, 고정자와의 접합면 반대쪽에 놓인다. 이러한 타입의 유체역학 슬라이딩 베어링의 용법 특성을 개선하기 위해, 회전축을 통한 세로 단면에서 볼 때, 회전자 베어링 표면 및/또는 접합면은 볼록한 굴곡 또는 오목한 굴곡으로 이루어지는 연속되는 베어링 윤곽 및/또는 곧은 및/또는 굽은 형태를 갖는 적어도 2개의 윤곽 섹션을 형성한다. 본 발명은 또한 유체역학 슬라이딩 베어링과, 이러한 타입의 슬라이딩 베어링을 포함하는 베어링 조립체에 관한 것이다.

Description

터보차저
본 발명은 회전자와 고정자를 가지는 동압유체 플레인(hydrodynamic plain) 베어링을 가지는 배기가스 구동 터보차저에 관한 것으로, 이러한 회전자는 고정자에 대하여 회전 가능하고, 회전자 베어링 표면은 수렴 간격의 구역에서 동압유체 압력을 발생시키기 위해, 고정자와 접합하는 면(counter-surface) 반대쪽에 위치한다.
본 발명은 또한 동압유체 플레인 베어링을 가지는 베어링 장치(arrangement)에 관한 것이다.
마지막으로, 본 발명은 동압유체 플레인 베어링에 관한 것이다.
샤프트, 트랙 롤러, 기어 휠, 또는 펌프 휠과 같은 회전하는 기계 요소들은 힘들과 토크들이 옮겨지도록 방사상 방향 및 축 방향에서의 안내(guidance)를 필요로 한다. 이러한 작업은 유체 역학적으로 작용하는 플레인 베어링들에 의해 행해질 수 있다. 이러한 타입의 베어링의 기능성은 동압유체 압력 발생의 물리적 원리에 기초한다. 동압유체 플레인 베어링들에서는, 적당한 윤활유가 회전자와 고정자 사이에 놓여 있다. 고정자에 대한 회전자의 회전 이동시, 윤활유에는 전단력이 만들어진 다음, 그러한 전단력이 베어링을 통해 특정 속도로 운반된다. 한곳으로 모아지는(converging) 베어링 간극으로 인해, 동압유체 압력 상승이라는 결과가 생기고, 수렴 베어링 간극 후 이어지는 발산 간극 프로필은 압력 강하의 결과를 만든다. 회전자와 고정자 사이의 상대 속도가 충분히 높다면, 동압유체 압력의 결과는 2개의 슬라이딩 파트너(partner)를 서로 분리하기에 충분히 두꺼운 윤활유층을 구축하는 것이다. 이러한 작동 상태에서는, 윤활유층에서 마찰이 일어난다(유체 마찰). 그로 인해 발생된 동압유체 압력은 사용되는 표면적과 결합하여, 외부 힘들과의 평형상태를 유지하고, 플레인 베어링의 부하 용량을 묘사한다. 동압유체 압력을 발생시키기 위해, 압축 일(work) 또는 홈(groove) 또는 포켓(pocket)을 통해 특정 압력으로 전달되는 윤활유 부피(volume)의 형태로 된 어떠한 추가적인 에너지도 필요하지 않다. 부하 용량은 작동 변수(operating variable)들에 의해 결정된다. 동압유체 압력의 수치 계산의 원리는 DIN 31562 Part 1(DIN 핸드북 198; 플레인 베어링들 2; Beuth Verlag GmbH; Berlin, Cologne 1991)에 제공되어 있다.
2가지 기본 베어링 타입은 기존 분야(existing art)에서 발견된다.
1. 유체역학 레디얼(radial) 플레인 베어링들
유체역학 레디얼 플레인 베어링들은 패드(pad) 타입 변형체(variant)로서 또는 틸팅 패드(tilting pad) 베어링들로서의 원통형 슬리브(sleeve)들의 형태로 종종 구현된다(DIN 31562 Part 2 및 VDI 가이드라인들 2204 참조). 플레인 베어링의 유체역학적으로 효과적인(effective) 요소들(예컨대, 패드들)은 원통형이고, 따라서 회전축에 평행하게 배치된다. 수렴 간극 프로필은 고정자에 대한 회전자의 중심을 달리하는 위치로부터 생긴다.
2. 유체역학 축 플레인 베어링
유체역학 축 플레인 베어링들은 동적 압력 엣지(edge)들, Ÿ‡지(wedge) 표면들, 또는 나선홈(spiral groove)들의 형태를 갖는 다양한 홈 또는 표면 변형물(modification)을 가지는 스러스트 와셔(thrust washer)의 형태로 구현된다. 그것들은 또한, 소위 "틸팅 패드" 베어링들로서 구현될 수 있다(DIN 31563 Part 1 내지 3; DIN 31564 Part 1 내지 3 참조). 축 플레인 베어링들은 역부재(counter-member)로서 (일반적으로) 회전하는 스러스트 칼라(thrust collar)를 가지고, 회전축에 직교하게 배치된다. 동압유체 압력을 발생시키기 위해 요구되는 수렴 간극 프로필은 표면 구조물(포켓, 램프(ramp) 등)의 형태(conformation), 기울어질 수 있게 이동 가능한 패드들의 기울어짐, 또는 베어링과 스러스트 칼라 사이의 각도 오프셋(angular offset)에 의해 만들어진다.
방사상 부하와 축 부하 모두가 기술적인 해결책(solution)에서 일어난다면, 전술한 베어링 타입들 모두가 사용되어야 한다. 축 부하는 축 플레인 베어링에 의해 운반되고, 방사상 부하들은 레디얼 플레인 베어링에 의해 운반된다. 한 가지 그러한 해결책은 DE 4217268C2에서 묘사된다. 그럴 경우 2가지 베어링 타입이 서로 독립적으로 계산되고 설계되어야 하고, 이는 설계 및 생산 모두에 있어서 상응하게 높은 비용을 초래한다.
그러므로 상응하게 설계된 유체 정역학적 플레인 베어링들이 그러한 부하 상황을 위해 종종 사용된다. 이러한 상황에서는 전술한 바와 같이 일정한 에너지 수요(demand)를 가지는 압력 펌프를 사용하는 것이 필수적이다. 이러한 종류의 해결책들은 특허 문서 US2,710,234A에서 묘사된다.
압력 올림(pressure buildup)을 발생시키기 위해 회전자 베어링 표면으로 소위 나선 홈들을 도입하는 것이 또 다른 가능성이다. 그러한 해결책들은 특허 문서 US3,265,452A에서 묘사된다. 이러한 종류의 홈들은 추가적인 생산 경비를 일으킨다.
레디얼 부하 및 축 부하 모두를 지원하기 위한 추가 가능성은 소위 구면 베어링이나 피봇팅(pivoting) 베어링(EP 1482189A1) 또는 볼 조인트(DE10028984C2)를 사용하는 것이다. 하지만, 이것들은 그것의 축 주위에서의 역-요소(counter-element)(회전자)의 회전으로 인한 연속적으로 높은 슬라이딩 속도를 위해서는 설계되지 않는다. 대신 그러한 베어링들의 목적은 기울어질 수 있게 이동 가능하거나 보상하는 방식으로 샤프트 오프셋(shaft offset)을 지지하는 것이다. 예를 들면, 유압 실린더들로부터 알려진 것과 같은 스위블(swivel) 베어링들이 이러한 상황에서 알려져 있다. 예를 들면 WO0154613A2에 따른 인공 장구의 엉덩이 관절이 동일한 기능을 수행한다.
DE102008059598A1은 배기가스 구동 터보차저를 개시한다. 이러한 터보차저는 그것의 각각의 끝(end)에서 터빈 휠(turbine wheel)과 컴프레서(compressor) 휠을 운반하는 샤프트를 포함한다. 이러한 샤프트는 테이퍼(taper) 베어링들의 형태로 구현되는 2개의 동압유체 플레인 베어링에 의해 하나의 하우징에서 저널(journal)된다.
또 다른 배기가스 구동 터보차저는 WO2014/105377A1에서 묘사된다.
본 발명의 목적은 배기가스 구동된 터보차저와, 동압유체 플레인 베어링 또는 베어링 장치를 갖추게 함으로써 활용성의 개선이 이루어지는 것이다.
이러한 목적은 회전자의 회전자 베어링 표면 및/또는 고정자의 역-표면(counter-surface)이 회전축을 따라서 그리고 회전축을 통하는 단면(section)의 상황에서, 단면도로 볼 때 직선 및/또는 곡선으로서 구현되는 적어도 2개의 윤곽선 구획들로 구성되는 연속적인 베어링 윤곽선을 구성하는 것에 의해 달성된다.
대안적으로, 방사상 방향과 축 방향 모두에서 동압유체 부하 용량을 발생시키기 위해, 회전자 베어링 표면 및/또는 역-표면이 볼록하게 및/또는 오목하게 만곡되는 설비가 또한 만들어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 그 결과로서 단면이 변하는 윤곽선을 가지는 연속적인 베어링을 가지고 축 부하 및 방사상 부하 모두를 지지하는, 한곳으로 모아지는 간극에서의 압력 구역들을 발생시키는 것이 가능하다. 그로 인해 3차원 유체역학 부하 용량이 하나의 동압유체 플레인 베어링에서 만들어진다. 본 발명은 국부적으로 발생된 동압유체 압력이 표면에 정상적으로 작용하는 물리적 효과를 이용한다. 그로부터 국부적인 부하 용량이 생긴다. 만약 본 발명에 따르는 그 기본 원리가 3차원적으로 구성되는 표면이라면, 그로 인해 상응하는 방향들을 가지는 국부적인 힘의 성분들이 만들어진다. 개별적인 힘 성분들의 적분 합(integral sum)으로부터, 베어링의 부하 용량 성분들과 그로 인해 생기는 3차원 부하 용량이 특별한 적용 사례에 관해 계산되고 설계될 수 있다.
이제, 축 부하와 방사상 부하 모두가 단일 동압유체 플레인 베어링에 지지될 수 있기 때문에, 수행될 필요가 있는 베어링 일들을 위해 하나의 기계 요소만이 설계되고 만들어진다. 그 결과는 부품들과 조립체에 관한 경비의 분명한 감소이다. 동압유체 압력 발생을 사용하는 덕분에, 예를 들면 정수압(hydrostatic pressure)을 발생시키기 위해 펌프를 사용하는 것처럼, 외부 에너지의 전달을 필요 없게 하는 것이 가능하다. 이는 설계와 제작 비용 모두를 떨어뜨리고, 작동 비용도 떨어뜨린다. 하나의 연속적인 베어링 윤곽이 여러 개의 윤곽선 구획들로 구성되기 때문에, 그리고 회전자 베어링 표면 또는 역-표면이 볼록하게 또는 오목하게 휘어지기 때문에, 하나 이상의 수렴하는 간극들과, 따라서 축 부하 및 방사상 부하 용량이 만들어진다. 그것의 벡터 합은 축 베어링이 레디얼 베어링과 결합되고 그것들이 부하 용량을 발생시키기 위해 따로따로 사용되는 비교 가능한 베어링 장치들의 부하 용량보다 더 크다. 이 결과는 본 발명에 따르는 동압유체 플레인 베어링들을 가지고 더 작은 공간에서 더 높은 파워(power) 밀도가 발생될 수 있다는 점이다. 베어링 장치에 관한 재료 요구 사항 역시 그로 인해 감소된다.
본 발명의 바람직한 일 변형예에 따르면, 회전자 베어링 표면과 역-표면이 다중 표면 플레인 베어링, 틸팅 패드 베어링, 플로팅(floating) 슬리브 베어링, 또는 원통형 플레인 베어링을 포함하거나 이들로 구성되는 제공이 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 변형예에 따르면, 회전자 베어링 표면과 역-표면이 서로 맞닿아 평면상 접촉으로 인접하지 않는, 특히 서로 맞닿아 전체에 도달하게 인접하지 않는 방식으로, 고정자의 역-표면의 일치로부터 회전자 베어링 표면의 일치가 벗어나지 않는 제공이 이루어질 수 있다. 이는, 예를 들면 회전자와 고정자가 견고하게 멈추게 될 때 일어날 수 있다. 이는 동압유체 압력을 발생시킬 수 없어서, 그 결과 보조 조치 없이는 베어링의 시동(startup)이 어렵거나 불가능한 기하학적 형태가 존재하는 것을 방지한다.
본 발명의 한 가지 예측 가능한 변형예는, 구체화된(shaped), 특히 한 덩어리 방식으로 된 엘리베이션들(elevations)이 회전자 베어링 표면 및/또는 역-표면으로부터 돌출하도록 되어 있는 것이다. 대응하는 형태의 상황에서, 그러한 엘리베이션들을 가지고, 예를 들면 위 효과를 유발하는 것이 가능함으로써, 회전자 베어링 표면과 역-표면은 서로에 맞닿아 완전히 덮는 방식으로 인접하지 않는다. 게다가, 그러한 엘리베이션들을 가지고 유체역학적으로 효과적인 간극 프로필은 적합하게 될 수 있고, 동압유체 베어링의 작동 거동이 조정될 수 있다. 예를 들면, 회전자 베어링 표면이나 역-표면의 구역에서 그러한 목적으로 위해 국부적인 변형이 만들어질 수 있다. 이들 변형은 국부적으로 발생된 압축 응력의 결과로서 정형(reshaping)에 의해 유발될 수 있다. 이러한 엘리베이션들은 유리하게는 레디얼 베어링 간격(clearance)보다 작아야 한다.
본 발명에 따른 동압유체 플레링 베어링은 또한 회전자 베어링 표면 및/또는 역-표면이 상이한 열팽창 계수들을 가지는 구역들을 포함하도록 만들어질 수 있다. 이러한 특징을 가지고, 간극 프로필은 베어링에서 존재하는 온도의 함수로서 영향을 받을 수 있고, 이로 인해 동압유체 플레인 베어링의 부하-운반(load-carrying) 거동의 변화를 생기게 한다. 예를 들면, 전체적인 베어링 부하 용량이나, 축 부하 용량과 같은 하나의 힘 성분만이 온도 상승시 목표로 한 방식으로 증가되는 이용 경우에 관한 제공이 이루어질 수 있다. 열 팽창 계수들은 그러한 구역들에서의 온도 변화시 상승/하강(elevations/depressions)이 일어날 수 있어, 예를 들면 베어링의 거동이 또한 작동 상태에 적합하게 될 수 있는 방식으로 서로 결합될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 목적을 위해 로터 베어링 표면 및/또는 역-표면이 상이한 탄성 계수를 가지는 제공이 또한 이루어질 수 있다. 이 결과는 로터 베어링 표면 또는 역-표면의 기하학적 형태 변경이 윤활유에서의 우세 압력의 변경시 간극에서 만들어지는 것이다. 그로 인해 베어링의 부하 용량이 영향을 받는다. 또한, 오목부(recess), 구멍 등이 로터 베어링 표면 또는 역-표면에서 제공된다는 사실에 의해 작동 상태에 베어링 거동을 적합하게 하는 것을 생각할 수 있다. 열 팽창 또는 탄성을 상이하게 만드는 존(zone)들이 이러한 식으로 또한 구성될 수 있다.
본 발명의 한 가지 생각할 수 있는 변형예에 따르면, 로터 베어링 표면 또는 역-표면이 회전축의 방향에서 로터 베어링 표면 또는 역-표면의 경계를 정하는 2개의 윤곽선 세그먼트를 포함하고, 연속적인 베어링 윤곽선을 구성하기 위해, 그러한 윤곽선 세그먼트들 사이에 하나 이상의 추가 윤곽선 세그먼트가 배치되는 제공이 이루어질 수 있다. 그로 인해, 거의 어떠한 부하 상황에 관해서도 베어링 설계를 구현하는 것이 가능하다. 더욱이, 로터 베어링 표면 및/또는 역-표면이 직접적으로 또는 추가 윤곽선 세그먼트를 거쳐 간접적으로 서로 전이되는 볼록한 윤곽선 세그먼트와 오목한 윤곽선 세그먼트를 나타내는 것이 생각될 수 있다. 결합된 볼록한 윤곽선 세그먼트와 오목한 윤곽선 세그먼트는 베어링 윤곽선에서의 조화된 전이의 구성을 허용하여, 작동 중에 베어링 부하 및/또는 부하 방향들의 변경에 대한 적응성 정도가 높은 것이 가능한 베어링 형태(conformation)를 가능하게 한다.
본 발명의 상황에서는 로터 베어링 표면이 적어도 부분적으로는 로터에 회전 가능하지 않게 연결된 로터 부품으로 구성되는 제공이 이루어질 수 있다. 이는 로터 베어링 표면이 매우 정확하게 꼭 맞는 방식으로 만들어질 수 있다는 장점을 가진다. 더욱이, 독립적인 로터 부품을 가지는 로터를 개별적으로 그리고 키트와 같은(kit-like) 방식으로 특별한 베어링 임무에 적합하게 하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 플레인 베어링은 로터가 플레인 베어링의 윤활유 출구의 구역에서 배치되는, 플레인 베어링과 연관된 디플렉터(deflector)를 포함하도록 만들어질 수 있다. 플레인 베어링에서 안내된(guided) 윤활유는 회전하는 디플렉터의 주변부를 거쳐 분리되는 디플렉터에 의해 방출될 수 있다. 또한, 그러한 윤활유는 특히 그것으로 냉각되는 표면 쪽으로 분리될 수 있고, 이는 또한, 예를 들면 터보차저들에서 일어나는 고온 적용예에 관해서 추가적인 장점을 제공한다.
한 가지 생각할 수 있는 본 발명의 대안예는 윤활유 공급 시스템이 제공된다는 사실을 제공하는데, 이 경우 윤활유는 윤활유 도관을 거쳐 공급 라인(supply line)에 운반될 수 있고, 그러한 공급 라인은 한곳에 모아지는 간극과 물리적으로 통해 있는 상태에 있으며, 그러한 공급 라인은 회전자와 고정자 사이에서 구성되거나, 공급 라인은 고정자를 통과하여 간극 구역까지 연장한다. 그로 인해 간결한 구성을 갖는 베어링 장치(arrangement)들이 생성될 수 있다.
만약 공급 라인이 회전자와 고정자 사이에서 구성된다면, 신뢰 가능하고 균일한 윤활유 공급이 특히 높은 회전 속도에서 보장될 수 있다. 공급 라인이 바람직하게는 고정자에서 홈(groove)과 같은 오목부(recess)의 형태로, 회전자와 고정자 사이의 간극 구역 내로, 회전자와 고정자 사이에서 연장하는 제공이 이루어질 때에는 특히 효과적으로 작동하는 베어링 장치가 가능하게 된다.
본 발명의 목적은 또한 회전자가 회전자 축 방향에서 서로 이격되게 배치된 2개의 베어링 위치를 포함하고, 그러한 베어링 위치들 중 적어도 하나가 청구항 1 내지 12 중 어느 하나에 따른 동압유체 플레인 베어링에 의해 구성되는 베어링 장치를 가지고 달성된다.
특히, 고정자가 2개의 동압유체 플레인 베어링의, 축 방향으로 서로 이격되게 배치된 역 표면들을 구성 또는 갖추고 있는 하우징 삽입물(insert)에 의해 구성되는 제공이 이루어질 수 있다. 그로 인해 부품들과 조립체에 관한 비용이 감소된다. 게다가, 2개의 베어링 위치들의 고정자들은 정확하게 꼭 맞는 방식으로 서로 맞추어질 수 있다.
베어링 장치는 또한 고정자가 윤곽선 세그먼트들을 구성하는 2개의 연장부(extension)를 포함하도록 이루어질 수 있고, 그러한 경우 그러한 연장부들은 직접적으로 또는 센터 피스(center piece)를 통해 간접적으로 연결된다. 2개의 베어링 위치들 사이의 베어링 거리는 센터 피스를 사용하여 정의될 수 있다. 또한, 센터 피스는 추가적인 기능을 수행할 수 있는데, 예를 들면 센터 피스가 베어링 위치들 모두에 윤활유를 공급하기 위한 안내 도관(guidance conduit)들을 포함하는 것을 생각할 수 있다.
본 발명에 따르면, 베어링 위치들은 모두 본 발명에 따른 유체역학 3차원 플레인 베어링들을 구비할 수 있다. 하지만, 하나의 베어링만을 사용하는 것도 가능하다. 그럴 경우 나머지 것은 유체역학 레디얼 베어링으로서 바람직하게 구현될 수 있다.
아래에서 도면들에 도시된, 예가 되는 구현예들을 참조하여, 본 발명이 더 상세히 설명된다.
도 1은 회전자와 고정자를 가지는 동압유체 플레인 베어링을 개략적으로 도시하는 단면도.
도 2는 동압유체 플레인 베어링의 또 다른 대안적인 구현예를 보여주는 단면도.
도 3 내지 6은 고정자의 단면이 도시된, 동압유체 플레인 베어링의 또 다른 대안적인 변형 구현예들을 보여주는 도면.
도 7은 고정자의 상세 확대도.
도 8 내지 11은 동압유체 플레인 베어링들을 가지는 배기가스 구동 터보차저들의 다양한 변형 구현예들의 단면을 보여주는 측면도들.
도 12와 도 13은 특히 배기가스 구동 터보차저의 하우징에서 고정자를 붙들어매기 위한 2가지 기술적 변형 구현예들의 단면을 보여주는 측면도들.
도 14는 배기가스 구동 터보차저의 베어링 장치의 부분 단면도.
도 15 내지 17은 동압유체 플레인 베어링에 관한 윤활유 공급 시스템의 상세도들.
도 1은 회전자(10)의 회전자 축(R)을 따라 절단된 부분의 묘사가 선택되어 있는, 회전자(10)와 고정자(20)를 가지는 동압유체 플레인 베어링을 보여준다. 회전자(10)는 베어링 세그먼트(12)가 부착되는 부착 피스(piece)(11)를 가지고 있다. 예를 들면 기어 등과 같은 기계 성분이 부착 피스(11)에 간접적으로 또는 직접적으로 결합될 수 있다. 베어링 세그먼트(12)는 특히 회전 가능하게 대칭적인 회전자 베어링 표면(13)을 가지고 있다. 회전자 베어링 표면은 연속적인 베어링 윤곽선을 구성한다. 이러한 베어링 윤곽선은 2개의 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.2)에 의해 구성되고, 이는 베어링 윤곽선이 연속적인 방식으로 이루어진다. 따라서 본 발명의 상황에서는, 회전축으로부터의 베어링 윤곽선의 거리가 회전축(세로 중심축)을 따라서 변할 수 있다.
특히, 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 예가 되는 구현예에서는, 베어링 윤곽선이 연속적으로 구별 가능하다. 연속적으로 구별 가능한 베어링 윤곽선들로 인해, 특히 간단한 숫자로 나타내는 베어링 계산이 가능하고, 전체 베어링 윤곽선에 대한 부하 용량들이 가능하다. 윤곽선-표면(21)은 마찬가지로 회전 가능하게 대칭적일 수 있다.
고정자(20)는 회전자(10)를 위한 용기(receptacle)로 구성된다. 그것은 역-표면(21)을 포함한다. 이러한 역-표면(21)은 볼록한 굴곡과 속이 빈 원통형 구역에 의해 발생되는 베어링 윤곽선을 구성한다. 볼록한 굴곡과 속이 빈 원통형 구역은 윤곽선 세그먼트(21.1, 21.2)를 구성한다. 역-표면(21)은 마찬가지로 연속적인 베어링 윤곽선을 구성하고, 회전자 베어링 표면(13)처럼 연속적으로 구별 가능하다.
본 발명의 상황에서는, 고정자(20)가 회전자(10)와 고정자(20) 사이의 상대 속도가 동압유체 압력을 발생시키기 위해 달성될 수 있는 식으로 배치된다. 고정자(20)는 정지된 방식으로 설치될 수 있거나, 예를 들면 플로팅 슬리브(floating sleeve)와 같이 회전 가능하게 구현될 수도 있다.
동압유체 플레인 베어링이 조립된 상태에 있을 때에는, 회전자 베어링 표면(13)이 반대측 역-표면(21)에 위치한다. 도 1로부터 분명한 것처럼, 회전자 베어링 표면(13)의 베어링 윤곽선은 역-표면(21)의 베어링 윤곽선으로부터 약간 벗어날 수 있다. 이는 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.2)에 관해 상이한 굴곡을 사용하여 발생된다. 이러한 기준은 현재의 기하학적 형태가 동압유체 압력을 발생시킬 수 없는 것인 방식으로, 베어링 표면(13)과 역-표면(21)이 전체(full) 적용 범위를 가지고 서로에 대해 평면상에 놓여 있는 것을 방지한다.
도 1은 축 방향 및 방사상 방향으로 한곳에 모이는 간극(S)이 좌측 도해에서 고정자(20)에 관해서 회전자(10)의 편심 위치에 의해 만들어지는 동압유체 플레인 베어링의 상징적인 작동을 묘사하는 것이다. 회전자 베어링 표면(13)과 역-표면(21) 사이에서 안내된 윤활유는, 한곳에 모이는 간극의 구역에서, 동압유체 플레인 베어링의 부하 용량을 결정하는 압력을 발생시킨다. 그러한 압력은 모든 포인트에서 회전자 베어링 표면(13)과 역 표면(21)에 대해 정상적으로 작용한다. 그로 인해 회전축(R)에 관해 축 방향으로 및 방사상으로 작용하는 힘 성분들이 만들어진다. 그러한 힘 성분들의 적분 합은 축 방향과 방사상 방향 모두에서 베어링의 부하 용량을 결정한다.
도 2는 본 발명에 따른 동압유체 플레인 베어링의 또 다른 변형 구현예를 보여주고, 이 경우 회전자 베어링 표면(13)은 2개의 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.2), 즉 볼록한 굴곡과 세로 중심축에 수직인 평면 표면에 의해 구성되어 있다. 윤곽선 표면(21)은 대응하는 윤곽선(윤곽선 세그먼트(21.1, 21.2))을 가진다.
도 3은 본 발명에 따른 동압유체 플레인 베어링의 또 다른 구현예를 보여준다. 이 경우 회전자(10)는 3개의 윤곽선(13.1, 13.2, 13.3)을 가지는 회전자 베어링 표면(13)을 가지고 있다. 윤곽선 세그먼트(13.1)는 끝이 잘린 원뿔체로 구성된다. 윤곽선 세그먼트(13.3)는 원통형 구성을 갖는다. 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.3) 사이의 전이 구역은 오목한 굴곡으로서 구현되는 윤곽선 세그먼트(13.2)에 의해 구성된다. 그 형태는 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.3) 전이가 서로에 대해 연속적으로 이루어지도록 되어 있다. 그러므로 베어링 윤곽선(13)은 회전축(R)의 방향으로 연속적으로 구별 가능하다.
고정자(20)의 윤곽선-표면(21)은 그에 맞게 3개의 윤곽선 세그먼트(21.1 내지 21.3)로 구성된다. 윤곽선 세그먼트(21.1)는 원뿔 용기로서 구현된다. 윤곽선 세그먼트(21.1)에는 볼록한 굴곡을 구성하는 윤곽선 세그먼트(21.2)가 인접해 있다. 이러한 볼록한 굴곡은 속이 빈 실린더로서 구현되는 윤곽선 세그먼트(21.3)로의 전이가 이루어진다. 조립된 상태에서, 윤곽선 세그먼트인 13.1과 21.1, 13.2와 21.2, 및 13.3과 21.3은 각각 서로 반대측에 위치한다. 윤곽선 세그먼트(13.3, 21.3)를 가지고서는 방사상 방향으로의 베어링 힘들만이 원통형 구성의 결과로서 발생된다. 반면에, 윤곽선 세그먼트들인 13.1과 13.2, 그리고 21.1과 21.2는 방사상 방향과 축 방향 모두에서 힘 성분들을 발생시킨다.
도 4는 회전자 베어링 표면(13)이 2개의 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.2)로 연속적으로 구성되는, 다중 표면(multi-surface) 또는 패드 타입(pad-type) 동압유체 플레인 베어링을 보여준다. 윤곽선 세그먼트(13.1)는 오목한 굴곡으로서 구현되고, 이러한 오목한 굴곡에는 원통형 윤곽선 세그먼트(13.2)가 인접해 있다. 그에 맞게 고정자(20)의 역-표면(21)은 2개의 윤곽선 세그먼트(21.1, 21.2)로 구성된다. 윤곽선 세그먼트(21.1)는 볼록한 굴곡으로서 구현된다. 이러한 윤곽선 세그먼트(21.1)에는 속이 빈 실린더 형태의 윤곽선 세그먼트(21.2)가 인접해 있다. 역시 이 경우 윤곽선 세그먼트(13.2, 21.2)의 구역에는 방사상 방향의 힘들만이 발생된다. 윤곽선 세그먼트(13.1, 21.1)의 구역에는, 축 방향 힘 성분과 방사상 힘 성분 모두가 한 곳에 모이는 간극(S)에서 발생된다.
도 5는 회전자 베어링 표면(13)이 연속적으로 4개의 윤곽선 세그먼트(13.1 내지 13.4)로 이루어지는 본 발명에 따른 동압유체 플레인 베어링의 형태를 보여준다. 윤곽선 세그먼트(13.1)는 비교적 큰 개방 각도를 가지는 끝이 잘린 원뿔로서 구현된다. 윤곽선 세그먼트(13.2)는 오목한 굴곡의 형태로 인접해 있다. 윤곽선 세그먼트(13.2)에는 실린더의 형태로 윤곽선 세그먼트(13.3)가 직접 인접해 있다. 윤곽선 세그먼트(13.3)는 볼록한 굴곡으로서 구현되는 윤곽선 세그먼트(13.4)로의 전이가 이루어진다. 고정자(20)는 4개의 윤곽선 세그먼트(21.1 내지 21.4)를 가지는 역-표면(21)을 포함한다. 윤곽선 세그먼트(21.1)는 윤곽선 세그먼트(21.2)로 구성되는 볼록한 굴곡으로의 전이가 이루어지는 원뿔 용기를 구성한다. 윤곽선 세그먼트(21.2)에는 속이 빈 원통형 용기의 형태로 윤곽선 세그먼트(21.3)가 인접해 있다. 역-표면(21)은 오목한 굴곡의 모양을 갖는 윤곽선 세그먼트(21.4)로 끝난다. 조립된 상태에서와, 작동중일 때, 도 5에 도시된 동압유체 플레인 베어링은 반대측에 위치한 윤곽선 세그먼트(13.3, 21.3)의 구역에서 방사상 힘 성분들을 발생시킨다. 반면에, 연관된 윤곽선 세그먼트들(13.1, 13.2, 13.4, 21.1, 21.2, 및 21.4)은 방사상 힘 성분과 축 방향 힘 성분 모두를 발생시킨다.
도 1 내지 5에 따른 동압유체 플레인 베어링들 또는 본 발명에 따른 동압유체 플레인 베어링들이 작동하는 동안에는, 동압유체 플레인 베어링에 작용하는 외부 힘은 그것의 크기와 방향이 변할 수 있다. 고정자(20)의 세로 중심축(M)에 대한 회전자(10)의 회전축(R)의 관계 또한 그러한 변화의 결과로서 변경된다. 이러한 변경은 모두 회전자 축(R)과 세로 중심축(M) 사이의 각도 오프셋과, 방사상 오프셋 또는 축(axial) 오프셋일 수 있다. 특히 모든 타입의 오프셋이 동시에 일어나는 것을 생각할 수 있다. 본 발명에 따른 동압유체 플레인 베어링은 그러한 변경에 반응할 수 있다. 고정자(20)에 관한 회전자(10)의 그러한 시프트(shift)시, 한곳에 모이는 간극(S)의 위치 및 기하학적 형태가 변경된다. 한곳에 모이는 간극(S)의 변경은 동압유체 플레인 베어링의 부하 용량을 결정하는 한곳에 모이는 간극(S)에서의 힘 성분들의 변경을 가져온다. 예를 들면, 도 5의 동압유체 플레인 베어링의 상황에서 상승된 축 방향 힘이 회전자(10)에 작용하면, 한곳에 모이는 간극은 윤곽선 세그먼트들(13.1, 13.2, 13.4, 31.1, 21.2, 및 21.4)의 구역에서 변경이 이루어진다. 유체역학 간극의 기하학적 형태의 이러한 변경 때문에, 그러한 구역들에서는 더 높은 압력이 얻어지고, 축 방향 부하 용량의 증가가 생긴다. 그러므로 인가되는 축 방향 힘은 보상될 수 있다. 방사상 부하가 변할 때, 또는 세로 중심축(M)에 관한 회전축(R)의 시프트시에는 비슷한 결과가 이루어진다.
도 6은 도 3에 따른 플레인 베어링을 보여주지만, 이제는 고정자(20)와 회전자(10)의 위치가 서로 바뀐 경우를 보여준다.
도 7은 회전자(10)의 구역과 고정자(20)의 구역의 상세도이다. 도 7에 도시된 고정자(20)의 하위 구역(sub-region)은, 예를 들면 도 1 내지 6에 따른 윤곽선 세그먼트(21)의 부분이다. 도 7로부터 분명한 것처럼, 구멍(23) 또는 비슷한 애퍼처(aperture)가 고정자(20) 내로 도입된다. 이러한 구멍 또는 애퍼처(23)는 바람직하게는 한곳에 모이는 간극(S)의 구역 내로 지나간다. 만약, 예를 들면 로드(rod)에서 드라이빙함으로써 그러한 구멍 또는 애퍼처(23)에서 압력이 발생된다면, 엘리베이션(elevation)을 구성하는 소성 변형 또는 탄성 변형이 베어링 윤곽선에서, 특히 유체역학적으로 효과적인 간극(S)의 구역에서 만들어진다. 그러므로 역-표면(21)의 표면은 그에 맞게 제어된 방식으로 변형된다. 엘리베이션의 윤곽선(22)은 구멍 또는 애퍼처(23)의 기하학적 형태와 압력에 따라서 제어된 방식으로 영향을 받을 수 있다. 간극 프로필과, 따라서 특히 한곳에 모이는 간극(S)에서의 동압유체 압력의 발생은 엘리베이션(22)의 수단에 의해 목표로 정한 방식으로 영향을 받을 수 있다. 가까이 있는 베어링 임무에 동압유체 플레인 베어링의 추가적인 개별 적응(adaptation)은 이러한 특징을 가지고 실행될 수 있다. 엘리베이션(22)은 물론 회전자(10)에서도 이루어질 수 있다. 또한, 회전자(10) 및/또는 고정자(20)에서 몇몇 엘리베이션을 제공하는 것이 가능하다.
본 발명의 상황에서는 동압유체 간극(S)의 구역에서 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 역-표면(21)이 상이한 열팽창 계수 및/또는 상이한 탄성 계수를 가진 구역들을 가질 수 있도록, 한곳에 모이는 간극(S)에서의 압력 발생을 수정하는 것도 가능하다. 이를 위해, 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 역-표면(21)은 상이한 재료를 가지는 존(zone)들을 가질 수 있다. 예를 들면, 애퍼처, 특히 회전자(10) 및/또는 고정자(20) 내로 도입되는 구멍이 한곳에 모이는 간극(S)의 구역에서 제공될 수 있다. 그럴 경우 이러한 애퍼처는 열팽창 계수 및/또는 탄성 계수를 가지는 재료로 채워질 수 있는데, 이러한 열팽창 계수 및/또는 탄성 계수는 회전자(10) 또는 고정자(20)의 둘러싸는 재료와는 다른 것이다. 예를 들면, 회전자 베어링 표면(13) 또는 역-표면(21)과 같은 높이로 끝나는 수지 재료가 오목부 내로 도입될 수 있다. 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 역-표면(21)이 상이한 열팽창 계수를 가지는 구역들을 포함하는 것도 생각할 수 있는데, 특히 회전자 베어링 표면 및/또는 역-표면에서 하위 소자(sub-element)와 간접적으로 또는 직접적으로 인접하는 회전자 베어링 표면 및/또는 역-표면의 구역보다 낮은 열팽창 계수를 가지는 세라믹 산화물 또는 또 다른 소자로 만들어진 하위 소자에 대한 제공이 이루어질 수 있다. 이러한 종류의 하위 소자의 예들에는 지르코늄 텅스테이트(zirconium tungstate), 실리콘, 티타늄, 강/철(steel/iron)이 포함된다. 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 역-표면(21)은, 예를 들면 대략 18-6K-1인 열팽창 계수를 가지는 청동 재료로 적어도 부분적으로 구성될 수 있다.
도 8 내지 11은 본 발명에 따른 전술한 동압유체 플레인 베어링이 이용되는 본 발명에 따른 배기가스 구동 터보차저의 다양한 변형 구현예들을 보여준다.
도 8에 도시된 것처럼, 배기가스 구동 터보차저는 회전자(10)를 포함한다. 회전자(10)는 그것의 샤프트 끝 부분에서 부착 피스(11)들을 포함하는 샤프트(15)를 가지고 있다. 이러한 부착 피스(11) 중 하나는 터빈 휠(14)을 지니고 있고, 나머지 부착 피스(11)는 컴프레서 휠(compressor wheel)(16)을 지니고 있다.
회전자(10)는 샤프트(15)의 축 방향으로 서로로부터 이격되어 배치되는 2개의 베어링 세그먼트(12)를 포함한다. 회전자 베어링 표면(13)들은 베어링 세그먼트(12)들의 구역에서 구성된다. 본 발명의 상황에서는, 회전자 베어링 표면(13)이 샤프트(15)와 일체로 구현될 수 있지만, 회전자 베어링 표면(13)이 특히 회전 가능하지 않게 샤프트(15)에 연결된 베어링 피스에 의해 구성되는 것도 생각할 수 있다. 예를 들면, 도 8에 도시된 배기가스 구동 터보차저의 경우에는, 터빈 휠(14)과 연관되는 회전자 베어링 표면(13)이 샤프트(15)에서 일체로 구현된다. 좌측 베어링 세그먼트(12)는 샤프트(15)에 회전 가능하게 않게 연결되는 회전자 부품(40)에 의해 구성된다. 회전자 부품(40)은 용기에 의해 관통되는 베이스 부품(41)을 포함한다. 회전자 부품(40)은 그러한 용기를 가지고 샤프트(15)의 안착(seating) 표면(17) 상으로 미끄러질 수 있다. 이러한 미끄러지는 움직임은 샤프트(15)의 숄더(shoulder)(17.1)에 의해 제한을 받을 수 있는데, 회전자 부품(40)은 이러한 숄더(17.1)에 맞닿아 축 방향으로 멈추어진다. 바람직하게, 회전자 부품(40)은 억지 끼워맞춤(tight fit)에 의해 샤프트(15) 상에 축 방향으로 고정된다. 회전자 부품(40)은 베이스 부품(41)에 일체로 형체를 이루는 베어링 세그먼트(42)를 포함한다. 베어링 세그먼트(42)는 좌측 베어링 세그먼트(12)의 회전자 베어링 표면(13)을 구성한다.
회전자 베어링 표면(13)이 샤프트(15) 또는 회전자 부품(40)에 의해서만 구성되지 않는다는 제공이 본 발명의 상황에서 이루어질 수 있다. 대신, 샤프트(15)의 부품 위와 회전자 부품(40)의 부품 위 모두에서 연장하는 회전자 베어링 표면(13)이 또한, 제공될 수 있다.
더욱이 회전자 부품(40)은, 예를 들면 원주 방향 홈과 디플렉터(44)의 형태를 갖는, 원주 방향 밀봉 용기(seal receptacle)(43)를 포함할 수 있다.
회전자(10)는 하우징(50) 내에, 바람직하게는 배기가스 구동 터보차저의 수용 하우징에서 붙들려 있다. 하우징(50)은 베어링 용기(52)가 관통한다. 고정자(20)는 이러한 베어링 용기(52) 내로 삽입된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 고정자(20)는 슬리브 모양의 삽입물로서 구현될 수 있다. 고정자(20)는 그것의 긴 변 끝에 연장부(24)를 포함한다. 연장부(24)의 방사상 외부 표면들은 실질적으로 원통형 구성을 가질 수 있다. 연장부(24)는 회전자 베어링 표면(13)의 반대측 윤곽선 세그먼트(13.1 내지 13.3)에 위치하는 윤곽선 세그먼트(21.1 내지 21.4)를 구성한다. 본 발명에 따르면, 회전자 베어링 표면(13)과 고정자(20)의 역-표면(21)은 그에 맞게 전체 베어링 윤곽선에 걸쳐 축 방향 및/또는 방사상 부하 용량을 일으키기 위해, 전술한 것처럼 연속되는 베어링 윤곽선들로서 구현될 수 있다.
2개의 연장부(24)는 센터 피스(27)를 거쳐 서로 일체로 연결되어 있다.
조립을 위해, 설치된 터빈 휠(14)이 있는 회전자(10)는 도 8의 도면 평면에서 우측으로부터 좌측으로 하우징(50) 내로 미끄러지고, 고정자(20)는 하우징(50)에서 정지하고 있는 방식으로 미리 설치되어 있다. 그에 맞게 샤프트(15)는 우측 베어링 세그먼트(12)의 회전자 베어링 표면(13)이 고정자(20)의 반대측 역-표면(21)에 위치할 때까지 고정자(20)를 통해 미끄러진다. 회전자(10)가 미끄러질 때, 원주 방향 밀봉 용기(19) 내에 놓인 밀봉물(seal) 역시 하우징(50)의 밀봉 표면의 구역 내로 이동한다. 그럴 경우 회전자 부품(40)은 그것이 숄더(17.1)에 맞닿아 멈추어질 때까지, 좌측으로부터 샤프트(15) 상으로 미끄러질 수 있다. 회전자 부품(40)의 회전자 베어링 표면(13)은 고정자(20)의 좌측 역-표면(21) 반대측에 위치한다. 회전자 부품(40)의 원주 방향 밀봉 용기(43) 내에 밀봉물이 놓일 수 있다. 그럴 경우 베어링 피스(30)는 회전자 부품(40) 위에서 미끄러진다. 베어링 피스(30)는 커버의 형태로 구현될 수 있다. 그것은 하우징(50)의 애퍼처(51) 내로 주변 표면(31)에서 삽입되고 밀봉된다. 베어링 피스(30)를 정확하게 맞도록 설치하는 것은 설치된 상태에서 하우징(50)의 역-표면에 맞닿아 접하는 베어링 피스(30)의 정지부(stop)(33)를 통해 확실하게 된다. 베어링 피스(30)는 스핀 도관(spin conduit)의 형태로, 베어링 피스(30)의 내부 윤곽선으로 원주 방향으로 도입될 수 있는 전환(diversion) 구역(32)을 포함한다. 그럴 경우 컴프레서 휠(16)이 샤프트(15) 상으로 미끄러지고 그 위에서 고정된다. 컴프레서 휠(16)은 회전자 부품(40)에 맞닿아 멈추게 되고, 축 방향으로 그리고 샤프트(15)에 관해서 방사상으로 옮겨질 수 없게 고정된다.
대안적인 설치 방법에서는, 고정자(20)가 샤프트(15) 상에 미리 설치될 수 있고, 베어링 하우징 내로 패키지(package)로서 미끄러지는데, 이 경우 고정자(20)는 하우징(50)에 관하여 축 방향으로 고정된다.
대안적인 일 구현예에서는, 베어링 피스(30)가 생략될 수 있다. 이러한 구현예(도시되지 않은)의 경우에는 회전자 부품(40)이 설치 이유로 인해 디플렉터(44)를 포함하지 않는다. 하지만, 회전자 부품(40)은 예를 들면 밀봉 링(ring)의 수용을 위한 원주 방향 홈(groove)의 형태를 갖는 원주 방향 밀봉 용기(43)를 계속해서 포함할 수 있다. 그럴 경우 밀봉 링은 베어링 피스(30)에 맞닿기보다는 하우징(50)에 맞닿아 접한다.
또한, 도 8에서 분명한 것처럼 윤활유 도관(53)이 하우징(50) 내로 오목하게 들어가 있다. 윤활유 도관(53)은 고정자(20)의 센터 피스(27) 둘레에서 원주 방향으로 하우징(50)에서 모양을 이루고 있는 분배기(distributor) 공간(54) 내로 열려 있다. 고정자(20)는 통로(passage)(25)들을 가지고 있다. 이들은 분배기 공간(54)과, 회전자(10)와 고정자(20) 사이에 배치된 공동(18) 사이의 물리적인 연결을 생성한다. 공동(18)은 샤프트(15)의 축 방향에서 통로(25)로부터 2개의 베어링 세그먼트(12)로 인도되어 있다. 공동(18)은 회전자 베어링 표면(13)들과 베어링 세그먼트(12)들의 역-표면(21) 사이에서 구성되는 간극 구역과 물리적으로 연결되어 있다. 작동 매체, 특히 윤활유는 그에 맞게 2개의 동압유체 플레인 베어링에 윤활유 도관(53)을 거쳐 전달될 수 있다. 회전자(10)가 작동 사용 중에 고정자(20)에 대해 회전될 때에는, 2개의 베어링 세그먼트(12)의 간극 구역에 동압유체 압력 형성이 일어난다. 윤활유는 윤활유 도관(53)과 공동(18)을 거쳐 베어링 세그먼트(12)들로 계속해서 운반되고, 그러한 윤활유는 2개의 동압유체 플레인 베어링을 통과한다. 좌측 동압유체 플레인 베어링의 간극 구역 다음에는 윤활유가 회전자 부품(40)의 구역 내로 이동하고, 그런 다음 디플렉터(44)를 거쳐 바깥쪽으로 방사상으로 회전된다. 그런 다음 윤활유는 베어링 피스(30)의 전환 구역(32) 내로 이동한다. 윤활유는 중력의 방향으로 흘러가고 하우징의 공동(55)에서 모아진다.
우측 동압유체 플레인 베어링에서는, 플레인 베어링의 간극 구역 다음에, 윤활유가 부착 피스(11)로부터 바깥쪽으로 방사상으로 회전된다. 윤활유는 하우징(50) 내로 형체를 이루는 전환 구역(56)의 구역 내로 이동한다. 그런 다음 윤활유는 중력의 방향으로 아래쪽으로 흘러가서 다시 공동(55)에서 모아진다. 하우징을 냉각시키는 것은, 베어링 피스(30)의 전환 구역(32)과, 특히 터빈 휠(14)의 구역에서의 전환 구역(56) 모두를 가지고 윤활유로 달성된다. 이는 상당한 추가적인 이익을 제공한다. 특히, 작동 사용중에 발생하는 열적 입력(thermal input)은 윤활유를 통해 방산될 수 있고, 베어링 위치(12)들로부터 멀어지게 유지될 수 있다. 그로 인해 고온 적용예들에서의 동압유체 플레인 베어링들의 작동 신뢰도가 보장될 수 있다. 그 결과는 특히 윤활유가 베어링 세그먼트(12)들의 구역에서 허용할 수 없는 온도 스트레스에 노출되는 것을 방지하는 것이다.
도 8에서의 구현예에서는, 고정자(20)가 센터 피스(27)의 통로(25) 내로 맞물리는 핀(70)에 의해 축 방향으로 그리고 회전 가능하게 고정된다. 그러한 핀은 오일 공급(윤활유 공급(35)) 구멍에서 하우징(50)에 유리하게 위치할 수 있고, 고정자(20)의 통로(25) 내로 맞물릴 수 있다.
그러한 윤활유는 공동(55)에서 모아지고, 임의로는 열 교환기와 펌프를 거쳐 윤활유 도관(53) 내로 다시 운반된다.
도 9에 따른 고정자(20)는 고정 소자(58)를 가지고 하우징(50)에서 붙들려 있다. 고정 소자(58)는, 예를 들면 도 9로부터 분명한 것처럼, 멈춤 링(retaining ring)에 의해 구성될 수 있다.
딴 방법으로는 도 9에 따른 배기가스 구동 터보차저의 기술적 구성은 위에서 진술된 내용에 대한 참조가 이루어질 수 있도록, 도 8의 것에 대응한다.
도 10은 위에서 진술된 내용에 대한 참조가 이루어질 수 있고, 그 차이들만이 논의되도록 도 8과 도 9에 따른 형태에 실질적으로 대응하는 배기가스 구동 터보차저의 또 다른 변형 구현예를 보여준다.
도 10으로부터 분명한 것처럼, 2개의 밀봉 용기(19)를 가지는 2중 밀봉물이 하우징(50)의 지지 세그먼트(57)의 구역에서 개선된 밀봉 효과를 위해 사용된다.
윤활유 도관(53)은 부착 스레드(thread)의 형태로 구현될 수 있는, 하우징(50)의 공급 라인(53.1)으로부터 나아간다.
고정자(20)는 원주 방향과 축 방향 모두에서 고정 소자(58)에 의해 붙들려 있다. 고정 소자(58)는 안착 표면(58.1)과 지지 표면(58.2)을 포함하는 베이스 소자(58.3)를 포함한다. 고정 연장부(58.4)가 베이스 소자(58.3)에 부착된다. 고정 연장부(58.4)는 고정자를 고정시키기 위해, 고정자(20)의 붙들어 매는 용기 내로 맞물린다. 고정 소자(58)는 이러한 목적을 위해, 고정 연장부(58.4)가 고정자(20)의 원주 방향 홈 내로 삽입될 수 있도록, 2개의 부품으로 된 방식으로 구현될 수 있다. 하지만, 하나의 조각으로 된 고정 소자(58)에서 탄력적으로 굴절 가능한(deflectable) 래칭 소자로서, 고정 연장부(58.4)가 장착되는 것을 생각할 수도 있다. 고정 소자(58)는 축 방향과 원주 방향에서 고정자를 움직이지 않게 하기 위해, 축 방향의 힘들과 원주 방향에서의 힘들 모두가 흡수될 수 있는 방식으로 구현된다.
도 10으로부터 명백한 것처럼, 고정 소자(58)는 동압유체 플레인 베어링의 간극 구역에 인접하게 추출 윤곽선을 구성한다. 이러한 윤곽선은 윤활유가 고정 소자(58)를 거쳐 베어링 피스(30)의 전환 구역(32) 내로 확실하게 이동하게 한다.
마지막으로, 도 10으로부터 베어링 피스(30)는 그것의 외부 주변부에서 밀봉물(34)을 지니고 있다. 그로 인해 베어링 피스(30)는 하우징(50)에 관해 신뢰 가능하게 밀봉될 수 있다. 고정 소자(58)는 그것이 하우징(50)의 역-표면에 맞닿아 그것의 밀봉 표면(58.1)으로 멈추어지도록 하우징(50)의 용기 내로 삽입된다. 안착 표면(58.2)은 베어링 피스(30)의 정지부(33)에 관한 접합점으로서의 역할을 한다.
도 11은 배기가스 구동 터보차저의 또 다른 변형 구현예를 보여주는 것으로, 이러한 배기가스 구동 터보차저의 형태는 위의 진술문에 대한 참조가 이루어질 수 있도록, 도 10의 배기가스 구동 터보차저의 것에 실질적으로 대응한다.
도 10에 따른 배기가스 구동 터보차저와는 대조적으로, 도 11에 따른 배기가스 구동 터보차저는 수정된 윤활유 공급 시스템을 가진다. 그에 맞게 윤활유 도관(53) 내로 열려 있는 공급 라인(53.1)이 제공된다. 윤활유 도관(53.1)은 2개의 공급 라인(53.2)으로 전이된다. 공급 라인(53.2)은 고정자(20)의 인피드(infeed)(28) 내로 열려 있다. 인피드(28)는 윤활유 공급 목적으로 2개의 동압유체 플레인 베어링의 간극 구역과 물리적으로 연결되어 있다.
위에서 이미 언급된 것처럼, 고정자(20)는 상이한 방식으로 하우징(50)에서 축 방향으로 그리고 회전 가능하지 않게 연결될 수 있다.
도 12와 도 13은 고정자(20)를 고정하기 위한 또 다른 2가지 변형예를 보여준다.
도 12에 의해 예시된 것처럼, 개구(59)를 통해 주위와 통해 있는 안내 도관(59)이 하우징(50) 내로 도입될 수 있다. 개구(59.1)의 반대 위치에 가이드(59)가 고정자(20)와, 고정자(20)와 연관되는 하우징(50)의 하우징 세그먼트 사이에서 구성되는 공동 내로 열려 있다. 이러한 공동은 고정자(20)의 외부 윤곽선에서 숄더에 의해 구성된다. 그에 맞게 용기(29)가 만들어진다. 이제 고정 소자(58)는 개구(59.1)를 통해 가이드(59) 내로 미끄러질 수 있다. 고정 소자(58)는 와이어(wire) 세그먼트와 같은 구부리기 쉬운 성분으로 구성될 수 있다. 고정 소자(58)는 가이드(59)를 거쳐 용기(29)의 구역 내로 이동하고, 그러한 상황에서 용기(29)의 윤곽선에 따라 바람직하게는 유연하게 변형된다. 고정 소자(58)의 삽입 운동은 고정자(20)의 정지부(29.1)와 정지부(29.2)에 의해 제한된다. 고정 피스(58)를 삽입시에는 그러한 고정 피스(58)가 처음에 정지부(29.1)의 구역 내로 이동하고, 또한 도면에 도시된 것처럼 고정 소자(58)에 맞닿아 정지부(29.2)가 접할 때까지, 하우징(50)의 고정자 용기에서 고정자(20)를 회전시킨다. 그로 인해 고정자는 원주 방향에서 보유된다.
축 방향에서의 보유는, 고정자(20)가 고정 소자(58)에 관해 축 방향에서 더 이상 굴절될 수 없도록, 용기(29)가 홈 모양의 구성을 가진다는 사실에 의해 달성될 수 있다.
도 13은 도관의 형태를 갖는 2개의 가이드(59)가 하우징(50) 내로 도입되는 또 다른 변형 구현예를 보여준다. 이러한 도관은 다시 한번 용기(29)들 내로 열린다. 용기(29)들은 고정자(20)에서 세트백(setback)들로서 구현된다. 예를 들면 와이어 세그먼트의 형태를 갖는 고정 소자(58)는 다시 한번 가이드(59)들 내로 도입될 수 있다. 고정 소자(58)는, 예를 들면 고정자(20)의 평평해진 영역과 같은 모양을 하고 있는 베벨(bevel)들에 맞닿아 접해 있고, 그로 인해 원주 방향에서 고정자(20)를 고정시킨다. 축 방향으로 고정하는 것은 용기(29)가 홈과 같은 모양을 갖는 구성을 하고 있다는 사실에 의해 다시 한번 달성될 수 있다. 가이드(59)는 고정 소자(58)가 오일 방출 구멍(도 13에서의 바닥에서)을 통해 가이드 내로 도입될 수 있는 방식으로 하우징(50) 내에 바람직하게 위치한다. 그로 인해 추가적인 구멍의 설치가 회피될 수 있다. 용기(29)는 바람직하게는 고정자(20)에서 중심에 있게 위치한다. 2개의 고정 소자(59)의 사용은 축 방향 힘들의 상황에서는 회전자(10)에 어떠한 토크도 작용하지 않는다는 장점이 있는데, 이는 그러한 힘들이 회전자(10)에 관해 집중되게 흡수되기 때문이다.
도 14는 특히 배기가스 구동 터보차저에서 사용하기 위한 동압유체 플레인 베어링의 또 다른 변형 구현예를 보여준다. 다시 한번 베어링 세그먼트(12)를 구성하는 2개의 동압유체 플레인 베어링이 사용된다. 본 발명에 따르면, 좌측 동압유체 플레인 베어링은 여러 개의 윤곽선 세그먼트(13.1 내지 13.4)로 이루어지는 회전자 베어링 표면(13)을 포함한다. 고정자(20)는 마찬가지로 여러 개의 윤곽선 세그먼트(21.1 내지 21.4)를 포함하는 역-표면(21)을 포함한다. 우측 동압유체 플레인 베어링(60)은 보통의 레디얼 베어링으로서 구현된다. 공급 라인(53.2) 내로 열려 있는 인플로우(inflow) 라인(53.1)이 하우징(50) 내로 도입된다. 동압유체 간극에서 윤활유 공급을 달성하기 위해, 공급 라인(53.2)은 동압유체 플레인 베어링의 고정자의 인피드(28, 61)와 물리적으로 연결되어 있다.
도 15 내지 17은 도 10에 따른 배기가스 구동 터보차저에서 본 발명에 따른 동압유체 플레인 베어링의 다양한 변형예를 더 상세히 예시한다. 이들 동압유체 플레인 베어링은 물론 다른 배기가스 구동 터보차저, 특히 도면들에서 설명된 다른 배기가스 구동 터보차저에서도 사용될 수 있다.
도 15로부터 분명한 것처럼, 고정자(20)는 연장부(24)가 형체를 이루는 센터 피스(27)를 가지고 있다. 연장부(24)는 윤곽선 세그먼트(21.1, 21.2)를 가지는 역-표면(21)을 구성한다. 공급 라인(53.2)은 또한 고정자(20)와 하우징(50) 사이에서 구성된다. 공급 라인(53.2)은 연장부(24)의 구역에서보다 작은 외측 직경을 가지는 고정자(20)의 세그먼트에 의해 구성된다. 공급 라인(53.2)은 인피드(28) 내로 열려 있다. 인피드(28)는 동압유체 플레인 베어링의 간극 구역(S)과 물리적으로 연결되어 있다. 윤곽선 세그먼트(21.1, 21.2)로부터 반대측에서 회전자(10)가 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.2)를 구성한다. 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.2, 21.1, 21.2)는 연속적으로 구별할 수 있는 방식으로 서로 전이가 이루어진다. 센터 피스(27)는 통로(25)를 포함한다. 고정자(20)는, 회전자(10)로의 전이 구역에서 또 다른 공급 라인(53.3)을 생성하는 세트백을 구성한다. 윤활유는 2개의 공급 라인(53.2, 53.3)을 거쳐 윤활유 도관(53)으로부터 간극 구역(S)까지 전달될 수 있다.
도 16은 윤활유 도관(53)과 물리적으로 연결되어 있는(통로 25) 공급 라인(53.3)이 다시 회전자(10)와 고정자(20) 사이에서 구성되는 윤활유 공급 시스템의 일 변형예를 보여준다. 공급 라인(53.2)을 구성하는 함몰부(depression)가 회전자(10) 및/또는 고정자(20) 내로 도입된다. 그에 맞게 회전자(10)와 고정자(20) 사이의 전체 베어링 윤곽선에 걸쳐, 부분적으로 또는 완전하게 공급 라인이 구성된다. 그러므로 윤활유는 윤활유 도관(53), 공급 라인(53.3)을 거쳐, 공급 라인(53.2)을 거쳐 직접 동압유체 플레인 베어링의 간극 구역(S) 내로 공급될 수 있다. 또 다른 변형예에서는, 고정자(20)에서의 함몰부(53.2)가 베어링 시스템의 안애 윤곽선을 따른다. 그러므로 고정자(20)에서의 함몰부(53.2)는 차단 없이 레디얼 베어링 구역으로부터 축 방향 베어링 구역으로 전이가 이루어진다. 홈 윤곽선(곡선)은 유효 구역에서 연속적으로 구별 가능한 함수(function)로서 정의된다.
도 17은 우측에서 본 단면도로 나타낸, 도 16에 따른 고정자(20)를 보여주는 것으로, 도 15에 도시된 고정자(20)를 통한 단면 평면이 표시되어 있다.

Claims (19)

  1. 회전자(10)와 고정자(20)를 가지는 동압유체 플레인 베어링을 가지는 배기가스 구동 터보차저로서,
    상기 회전자(10)는 상기 고정자(20)에 관해 회전 가능하고, 한곳에 모아지는 간극의 영역에서 동압유체 압력을 발생시키기 위해, 회전자 베어링 표면(13)이 상기 고정자(20)의 반대측 역-표면(counter-surface)(21)에 위치하며,
    상기 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 상기 역-표면(21)은, 직선 및/또는 굴곡들로서 구현되는 적어도 2개의 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.2, 13.3, 13.5, 21.1, 21.4)로부터 구성되는 연속적인 베어링 윤곽선을, 회전축(R)을 따라서 그리고 회전축(R)을 통해 있는 단면의 상황에서 단면도로 구성하거나,
    방사상 방향과 축 방향으로 동압유체 부하 용량을 발생시키기 위해, 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 윤곽선 표면(21)이 볼록하게 및/또는 오목하게 만곡되어 있는, 배기가스 구동 터보차저.
  2. 회전자(10)와 고정자(20)를 가지는 동압유체 플레인 베어링으로서,
    상기 회전자(10)는 상기 고정자(20)에 관해 회전 가능하고, 한곳에 모아지는 간극의 구역에서 동압유체 압력을 발생시키기 위해, 회전자 베어링 표면(13)은 고정자(20)의 역-표면(21) 반대측에 위치하며,
    상기 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 상기 역-표면(21)은, 직선 및/또는 굴곡들로서 구현되는 적어도 2개의 윤곽선 세그먼트(13.1, 13.2, 13.3, 13.5, 21.1, 21.4)로부터 구성되는 연속적인 베어링 윤곽선을, 회전축(R)을 따라서 그리고 회전축(R)을 통해 있는 단면의 상황에서 단면도로 구성하거나,
    방사상 방향과 축 방향으로 동압유체 부하 용량을 발생시키기 위해, 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 윤곽선 표면(21)이 볼록하게 및/또는 오목하게 만곡되어 있는, 동압유체 플레인 베어링.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 회전자 베어링 표면(13)의 형태는, 회전자 베어링 표면(13)과 역-표면(21)이 서로 맞닿는 평면 접촉으로 접하지 않는, 특히 서로 맞닿는 완전히 덮는(full-coverage) 방식으로 접하지 않는 방식으로 고정자(20)의 역-표면(21)의 형태로부터 벗어나는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 하나의 피스(piece) 방식으로 모양을 갖는 엘리베이션(elevation)(22)이 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 역-표면(21)으로부터 돌출하는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자 베어링 표면(13)과 역-표면(21)은 다수의 표면을 갖는 플레인 베어링, 틸팅 패드(tilting pad) 베어링, 플로팅 슬리브 베어링, 또는 원통형 플레인 베어링을 포함하거나 구성하는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자 베어링 표면(13) 및/또는 역-표면(21)은 상이한 열팽창 계수들을 가지는 구역들을 포함하고, 특히 세라믹 산화물 또는 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 윤곽선 표면(21)에서 하위 소자(sub element)와 간접적으로 또는 직접적으로 인접하는 역-표면(21) 및/또는 회전자 베어링 표면(13)의 구역보다 낮은 열팽창 계수를 가지는 또 다른 소자로 만들어진 제공이 이루어질 수 있는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 베어링 표면(13) 및/또는 상기 역-표면(21)은 상이한 탄성 계수를 가지는 구역들을 나타내는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 베어링 표면(13) 또는 상기 역-표면(21)은, 회전축(R)의 방향에서 회전자 베어링 표면(13) 또는 역-표면(21)의 범위를 정하는 2개 이상의 윤곽선 세그먼트(21.1, 21.2, 21.3)를 포함하고,
    중단되지 않는 연속적으로 구별 가능한 베어링 윤곽선을 구성하고, 특히 전체 베어링 윤곽선에 대해 축 방향 및/또는 방사상 방향으로 부하 용량을 가능하게 하기 위해, 윤곽선 세그먼트(21.1, 21.3) 사이에 하나 이상의 추가 윤곽선 세그먼트(21.2)가 배치되는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 베어링 표면(13) 또는 상기 역-표면(21)은, 서로 직접적으로 또는 추가 윤곽선 세그먼트(21.2)를 거쳐 간접적으로 전이되는 적어도 하나의 볼록한 윤곽선 세그먼트와 하나의 오목한 윤곽선 세그먼트(21.1, 21.2, 21.3)를 나타내는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 베어링 표면(13)은 상기 회전자(10)에 회전 가능하지 않게 연결된 회전자 부품(40)으로 적어도 부분적으로 구성되는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자(10)는 플레인 베어링의 윤활유 출구의 구역에 배치되는, 플레인 베어링과 연관된 디플렉터(deflector)(44)를 포함하는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    윤활유 공급 시스템을 가지고, 상기 윤활유는 윤활유 도관(53)을 거쳐 공급 라인(53.2)에 운반 가능하며,
    상기 공급 라인(53.2)은 한곳에 모이는 간극(S)과 물리적으로 연결되어 있고,
    상기 공급 라인(53.2)은 회전자(10)과 고정자(20) 사이에서 구성되며,
    상기 공급 라인(53.2)은 고정자(20)를 통하여 간극 구역까지 연장하는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 공급 라인(53.2)은 상기 회전자(10)와 상기 고정자(20) 사이에서, 바람직하게는 상기 고정자(20)에서의 홈과 같은 오목부의 형태로, 상기 회전자(10)와 상기 고정자(20) 사이의 간극 구역으로 연장하는, 배기가스 구동 터보차저 또는 동압유체 플레인 베어링.
  14. 회전자(10)와 고정자(20)를 가지는 베어링 장치로서,
    상기 회전자(10)는 상기 고정자(20)에 관해 회전 가능하고, 한곳에 모이는 간극(S)의 구역에서 동압유체 압력을 발생시키기 위해, 회전자 베어링 표면(13)이 고정자(20)의 역-표면(21) 반대 측에 위치하며,
    상기 회전자(10)는 회전자 축 방향에서 서로 이격되어 배치된 2개의 베어링 위치를 포함하고, 베어링 위치들 중 적어도 하나는 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 따른 동압유체 플레인 베어링에 의해 구성되는, 베어링 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 고정자(20)는 2개의 동압유체 플레인 베어링의, 축 방향으로 서로로부터 이격되어 배치된 역-표면(21)을 구성하거나 운반하는 하우징 삽입물(insert)에 의해 구성되는, 베어링 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 고정자(20)는 윤곽선 세그먼트(21.1 내지 21.4)를 구성하는 2개의 연장부(24)를 포함하고, 상기 연장부(24)는 직접적으로 또는 센터 피스(center piece)(27)를 통해 간접적으로 연결되어 있는, 베어링 장치.
  17. 제14 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    베어링 위치들 중 하나는 동압유체 레디얼 베어링에 의해 구성되는, 베어링 장치.
  18. 제15 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    윤활유는 윤활유 공급 시스템에 의해 플레인 베어링 모두에 동시에 전달되는, 베어링 장치.
  19. 제14 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 따른 베어링 장치를 가지는 배기가스 구동 터보차저로서,
    특히 역-표면(21)(청구항 14)은 구성하거나 운반하는 하우징 삽입물이, 억지 끼워맞춤(tight fit)에 의해 또는 축 방향 샤프트 고정 링 또는 또 다른 고정 소자(58)에 의해 하우징(50)에서 고정된 방식으로 붙들려 있는 제공이 이루어질 수 있는, 배기가스 구동 터보차저.
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