KR20190034994A - 터보 컴프레서 서지 방지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치는 내부에 컴프레서휠이 구비되고, 컴프레서휠과 마주하는 측에 공기가 유입되는 유입구가 돌출 형성된 컴프레서 하우징; 일측이 컴프레서 하우징에 연결되되 유입구를 감싸도록 연결되고, 타측에 공기를 공급받는 입구부가 형성된 연결모듈; 일측과 타측의 중공부 크기가 서로 다른 원추 형상으로 형성되어 연결모듈 내부에 구비되고, 단면적이 상대적으로 작은 일측이 컴프레서 하우징의 유입구와 연통되며, 타측이 연결모듈의 입구부에 고정되고, 일측의 중공부 크기가 컴프레서 하우징의 유입구보다 작게 형성된 탄성 재질의 가변콘; 및 가변콘의 외주면에 탄성력을 제공하도록 결합되어, 가변콘 일측의 단면적 크기를 확대시키도록 동작하는 스프링부재;를 포함할 수 있다.

Description

터보 컴프레서 서지 방지장치 {APPARATUS FOR SUPRESSING SURGE OF TURBO COMPRESSOR}
본 발명은 터보차저의 컴프레서 측에서 발생하는 서지를 효과적으로 개선하는 터보 컴프레서 서지 방지장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에서 대기압보다 높은 압력으로 엔진에 공기를 송압하는 것을 과급이라 하며, 과급에 의하여 배기량이 같은 엔진에서도 다량으로 공기를 충전할 수 있어, 이에 따라 연료의 분사량을 증가시키면 엔진의 출력을 향상시킬 수 있다.
이를 위한 터보차져는 엔진에서 발생하는 배출가스의 속도에너지를 이용하여 엔진의 연소실 내부로 다량의 공기를 공급시키어 엔진 출력을 증대시키는 장치인데 여기서 상기 배출가스를 이용하여 다량의 공기를 연소실로 보낼 때에는 이 배출가스로 터빈을 회전시키어 컴프레셔를 가동하게 되고, 이 컴프레셔에서 발생되는 압축공기를 엔진의 실린더로 공급시키어 실린더에 공급되는 공기량을 증대시킴에 따라 연료량의 증대를 통해 엔진 출력의 증가를 가져오도록 되어 있다.
그런데 종래 터보차져는 컴프레셔의 컴프레셔 케이스가 제작된 이후에는 유량을 조절할 수 없어, 공기가 과급되지 않는 서지영역(고산지대 등)에서 사용이 매우 제한적이다. 따라서 고지(고산지대)의 서지마진을 확보하기 위해 다양한 사양의 컴프레셔 휠을 개발할 필요가 있으며, 서지 발생시 이로 인한 소음 발생이 심하고 컴프레서 휠이 파손되는 문제점이 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1184465 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 터보차저의 컴프레서로 유입되는 공기 유량을 가변 조절하면서도 내부에 발생할 수 있는 공기 역류 현상을 효과적으로 방지하는 터보 컴프레서 서지 방지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치는 내부에 컴프레서휠이 구비되고, 상기 컴프레서휠과 마주하는 측에 공기가 유입되는 유입구가 돌출 형성된 컴프레서 하우징; 일측이 상기 컴프레서 하우징에 상기 유입구와 연통되도록 연결되고, 타측에 공기를 공급하는 입구부가 형성된 연결모듈; 상기 연결모듈 내부에 구비되고, 일측과 타측의 단면적 크기가 서로 다른 원추 형상으로 형성된 탄성 재질의 가변콘; 및 상기 가변콘의 외주면에 탄성력을 제공할 수 있도록 결합되어, 상기 가변콘 일측의 단면적 크기를 가변시키도록 동작하는 스프링부재;를 포함할 수 있다.
상기 가변콘은 단면적이 상대적으로 작은 일측이 상기 컴프레서 하우징의 유입구와 연통되고, 타측이 상기 연결모듈의 입구부에 고정되되, 일측 단면적의 크기가 상기 컴프레서 하우징의 유입구보다 작게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 컴프레서 하우징에는 상기 유입구를 감싸면서 돌출된 결합구가 형성되고, 상기 연결모듈은 외주면이 상기 컴프레서 하우징의 결합구 내측에 끼워져 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연결모듈은, 일측과 타측의 단면적이 서로 다르게 형성되어, 단면적이 상대적으로 작은 일측이 상기 컴프레서 하우징의 유입구와 연결되고, 타측의 외주면이 결합구에 끼워지되, 상대회전가능하도록 마련된 회전부재와, 고정된 상태를 유지하도록 마련되어, 일측에 상기 회전부재의 타측면이 상대회전가능하도록 결합되고, 타측에 입구부가 형성된 고정부재로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 회전부재에는 상기 스프링부재의 일단부가 걸리도록 하는 걸림부가 형성되고, 상기 스프링부재의 타단부는 상기 가변콘과 함께 상기 고정부재의 입구부에 고정되며, 중간부가 상기 가변콘의 외주면에 결합된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 회전부재의 걸림부에는 반경방향으로 돌출된 돌출부가 형성됨으로써, 상기 회전부재의 회전에 따라 상기 스프링부재의 일단부가 돌출부에 위치하여 인장될 경우, 상기 가변콘 일측의 단면적이 상기 컴프레서 하우징의 유입구와 단면적과 동일해지도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 컴프레서 하우징에는 유입구를 형성하는 측벽에 마련되어, 컴프레서휠 측의 공기를 결합구와 회전부재가 이루는 챔버로 유도하는 제1홀이 형성되고, 상기 회전부재의 외주면에는 제2홀이 형성되며, 상기 가변콘의 외주면에는 제3홀이 형성되어, 공기를 재순환시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 회전부재의 제2홀과 상기 가변콘의 제3홀은 서로 정렬되지 않도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 고정부재의 외주면과 상기 결합구 내측면 사이에는 실링부재가 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 터보 컴프레서 서지 방지장치에 따르면 터보차저의 컴프레서 입구부로 유입되는 공기통로 면적을 가변제어함으로써, 컴프레서로 유입되는 유량 제어를 통해 서지 현상이 발생하는 것을 방지하고 서지마진을 확보할 수 있어, 터보차저의 상품성을 향상시킬 수 있다.
또한, 컴프레서 측의 공기통로 면적을 좁게 하였을 때 역류 현상이 발생하더라도 역류하는 공기를 회수하여 재순환시킴으로써 터보차저 효율이 저해되는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치가 작동할 경우에 측면 형상을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치가 작동할 경우에 스프링부재의 동작을 도시한 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전부재를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변콘을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치가 미작동 상태일 때의 측면 형상을 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치가 미작동 상태일 때의 스프링부재의 동작을 도시한 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치가 작동할 경우에 측면 형상을 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치가 작동할 경우에 스프링부재의 동작을 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전부재를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변콘을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치가 미작동 상태일 때의 측면 형상을 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 컴프레서 서지 방지장치가 미작동 상태일 때의 스프링부재의 동작을 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 터보 컴프레서 서지 개선장치는 내부에 컴프레서휠(10)이 구비되고, 상기 컴프레서휠(10)과 마주하는 측에 공기가 유입되는 유입구(21)가 돌출 형성된 컴프레서 하우징(20); 일측이 상기 컴프레서 하우징(20)에 상기 유입구(21)와 연통되도록 연결되고, 타측에 공기를 공급하는 입구부(49)가 형성된 연결모듈(40); 상기 연결모듈(40) 내부에 구비되고, 일측과 타측의 단면적 크기가 서로 다른 원추 형상으로 형성된 탄성 재질의 가변콘(30); 및 상기 가변콘(30)의 외주면에 탄성력을 제공할 수 있도록 결합되어, 상기 가변콘(30) 일측의 단면적 크기를 가변시키도록 동작하는 스프링부재(35);를 포함할 수 있다.
상기 컴프레서휠(10)은 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21)를 통해 유입된 공기를 압축하도록 회전 동작함으로써, 압축 공기를 엔진의 흡기 매니폴드로 토출하여 엔진의 흡기 효율을 증대시킨다.
한편, 상기 컴프레서 하우징(20)은 컴프레서휠(10)로 외기를 공급하기 위해 컴프레서휠(10)과 마주하는 측에 돌출된 형상의 유입구(21)를 형성하여 컴프레서휠(10)로 공기를 공급한다.
본 발명에서 상기 가변콘(30)은 단면적이 상대적으로 작은 일측이 상기 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21)와 연통되고, 타측이 상기 연결모듈(40)의 입구부(49)에 고정되되, 일측 단면적의 크기가 상기 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21)보다 작게 형성된다.
즉, 가변콘(30) 일측의 중공부 크기는 연통되는 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21) 크기보다 작게 형성되어, 유입구(21) 측으로 공급되는 공기통로의 면적을 줄여 흡입공기의 양을 줄일 수 있다. 이에 따라, 컴프레서휠(10)로 전달되는 공기 유량을 조절할 수 있는바, 공기가 과급되지 않는 서지영역에서도 컴프레서를 효과적으로 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에서 가변콘(30)의 일측 크기를 가변하는데, 스프링부재(35)가 사용된다. 스프링부재(35)의 작동에 관하여는 후술하도록 하겠다.
본 발명에서 상기 컴프레서 하우징(20)에는 상기 유입구(21)를 감싸면서 돌출된 결합구(27)가 형성되고, 상기 연결모듈(40)은 외주면이 상기 컴프레서 하우징(20)의 결합구(27) 내측에 끼워져 연결될 수 있다.
즉, 컴프레서 하우징(20)은 유입구(21) 외에 유입구(21)보다 큰 단면적을 가지면서 연결모듈(40)과 결합되는 결합구(27)가 돌출 형성되도록 마련된다. 상기 결합구(27)가 형성됨으로써 발생하는 효과에 대하여는 후술할 것이다.
본 발명에서 상기 연결모듈(40)은, 일측과 타측의 단면적이 서로 다르게 형성되어, 단면적이 상대적으로 작은 일측이 상기 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21)와 연결되고, 타측의 외주면이 결합구(27)에 끼워지되, 상대회전가능하도록 마련된 회전부재(41)와, 고정된 상태를 유지하도록 마련되어, 일측에 상기 회전부재(41)의 타측면이 상대회전가능하도록 결합되고, 타측에 입구부(49)가 형성된 고정부재(47)로 구성될 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 회전부재(41)는 단면적이 서로 다른 원통이 서로 이어지는 형상으로 구비되는데, 도 1과 같이 단면적이 비교적 작게 형성된 일측이 컴프레서 하우징(20)의 유입구(20)와 연결되고, 단면적이 넓은 타측은 외주면이 결합구(27) 내주면에 끼워지도록 마련된다.
이때, 도시되어 있지는 않지만 상기 회전부재(41)는 컴프레서 하우징(20)과 별도의 베어링과 같은 연결장치를 매개로 서로 연결되도록 마련되거나, 상기 컴프레서 하우징(20)과 약간의 공차를 두면서 끼워짐으로써, 컴프레서 하우징(20)에 대해 상대 회전가능하도록 마련될 수 있다. 상기 회전부재(41)는 별도로 마련된 액츄에이터에 의해 회전제어되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 고정부재(47)는 가변콘(30)을 고정시키는 역할을 수행한다. 이때, 고정부재(47)는 회전부재(41)로부터 회전력을 전달받지 않기 위해 베어링을 매개로 결합되거나, 공차를 두면서 서로 연통되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 고정부재(47)의 외주면과 상기 결합구(27) 내측면 사이에는 실링부재(29)가 설치될 수 있다. 이에 따라 고정부재(47)가 컴프레서 하우징(20)에 고정되도록 구비되고, 고정부재(47)와 컴프레서 하우징(20) 사이 공간으로 이물질이나 외부 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에서 상기 회전부재(41)에는 상기 스프링부재(35)의 일단부가 걸리도록 하는 걸림부(43)가 형성되고, 상기 스프링부재(35)의 타단부는 상기 가변콘(30)과 함께 상기 고정부재(47)의 입구부(49)에 고정되며, 중간부가 상기 가변콘(30)의 외주면에 결합될 수 있다.
구체적으로, 상기 걸림부(43)는 회전부재(41)의 일측과 타측 사이에 단면적 차이가 발생하는 부분으로부터 타측방향으로 돌출되도록 형성된다.
여기서, 상기 회전부재(41)의 걸림부(43)에는 반경방향으로 돌출된 돌출부(45)가 형성됨으로써, 상기 회전부재(41)의 회전에 따라 상기 스프링부재(35)의 일단부가 돌출부(45)에 위치하여 인장될 경우, 상기 가변콘(30) 일측의 단면적이 상기 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21)와 단면적과 동일해지도록 마련된다.
상기 돌출부(45)는 복수개로 구비되어 걸림부(43)를 따라 일정거리 이격된 상태로 돌출형성되도록 마련될 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 가변콘(30)의 형상을 가변하도록 탄성력을 제공하는 탄성스프링(35)은 일단부가 회전부재(40)에 형성된 걸림부(43)에 걸리고, 타단부가 고정부재(47)에 고정된다.
여기서, 회전부재(40)가 회전하여 탄성스프링(35)의 일단부가 걸림부(43) 중 돌출부(45)가 형성되지 않은 부분에 걸릴 경우라면, 도 1과 같이 탄성스프링(35)이 본래 상태로 압축되면서 가변콘(30) 일측의 단면적이 유입구(21)의 단면적보다 작은 본래의 형상을 유지한다. 이를 통해 컴프레서 서지 마진을 증대시킨다.
반면, 도 6에 도시된 바와 같이 탄성스프링(35)의 일단부가 돌출 형성된 돌출부(45)에 걸리도록 회전부재(40)가 회전된 상태라면, 도 2와 같이 탄성스프링(35)이 인장되면서 가변콘(30)의 일측이 팽창되어 단면적이 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21) 단면적과 동일해진다. 따라서, 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21)로 공급되는 공기량을 증대시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 터보 컴프레서 서지 방지장치를 구성하는 상기 컴프레서 하우징(20)에는 유입구(21)를 형성하는 측벽에 마련되어, 컴프레서휠(10) 측의 공기를 결합구(27)와 회전부재(41)가 이루는 챔버(25)로 유도하는 제1홀(23)이 형성되고, 상기 회전부재(41)의 외주면에는 제2홀(42)이 형성되며, 상기 가변콘(30)의 외주면에는 제3홀(33)이 형성됨으로써, 유입구(21)로 유입된 공기를 재순환시킬 수 있다.
즉, 회전부재(41)의 회전에 따라 스프링부재(35)의 일단부가 돌출부(45)가 형성되지 않은 걸림부(43)에 걸리도록 동작할 경우, 상기 가변콘(30)의 형상이 원상복구되어 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21) 면적 대비 가변콘(30) 일측의 단면적 크기가 줄어든다.
이때, 가변콘(30)의 일측과 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21) 측에 형성되는 단차에 의하여 유입공기가 역류되는 현상이 발생한다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 역류현상이 발생되는 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21) 측벽에 제1홀(23)을 형성하여, 유입구(21), 결합구(27) 및 회전부재(41)가 이루는 챔버(25)로 공기를 유도한다. 상기 챔버(25)로 유입된 공기는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 회전부재(41)의 외주면에 형성된 제2홀(42)과, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 가변콘(30) 외주면에 형성된 제3홀(33)을 거쳐서 다시 가변콘(30)의 중공부로 유입된다.
따라서, 컴프레서 하우징(20)의 유입구(21) 측에서 역류되던 공기를 다시 유입구(21)로 재순환시킬 수 있는바, 역류현상으로 인한 유동 손실이 발생하거나 특이 소음이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 회전부재(41)의 제2홀(42)과 상기 가변콘(30)의 제3홀(33)은 서로 정렬되지 않도록 형성될 수 있다.
즉, 도 5와 같이 스프링부재(35)가 인장되도록 회전부재(41)가 작동할 경우, 가변콘(30)에 형성된 제3홀(33)과 회전부재(41)에 형성된 제2홀(42)이 정렬되지 않으면서, 가변콘(30)과 회전부재(41)가 서로 밀착되도록 마련되는바, 역류현상이 발생하지 않는 상황에서 불필요하게 공기 유동이 재순환되어 유동 효율이 저해되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 터보 컴프레서 서지 방지장치에 따르면 터보차저의 컴프레서 입구부로 유입되는 공기통로 면적을 가변제어함으로써, 컴프레서로 유입되는 유량 제어를 통해 서지 현상이 발생하는 것을 방지하고 서지마진을 확보할 수 있어, 터보차저의 상품성을 향상시킬 수 있다.
또한, 컴프레서 측의 공기통로 면적을 좁게 하였을 때 역류 현상이 발생하더라도 역류하는 공기를 회수하여 재순환시킴으로써 터보차저 효율이 저해되는 현상을 방지할 수 있다.
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 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 컴프레서휠 20: 컴프레서 하우징
21: 유입구 23: 제1홀
25: 챔버 27: 결합구
29: 실링부재 30: 가변콘
33: 제3홀 35: 스프링부재
40: 연결모듈 41: 회전부재
42: 제2홀 43: 걸림부
45: 돌출부 47: 고정부재
49: 입구부

Claims (9)

  1. 내부에 컴프레서휠이 구비되고, 상기 컴프레서휠과 마주하는 측에 공기가 유입되는 유입구가 돌출 형성된 컴프레서 하우징;
    일측이 상기 컴프레서 하우징에 상기 유입구와 연통되도록 연결되고, 타측에 공기를 공급하는 입구부가 형성된 연결모듈;
    상기 연결모듈 내부에 구비되고, 일측과 타측의 단면적 크기가 서로 다른 원추 형상으로 형성된 탄성 재질의 가변콘; 및
    상기 가변콘의 외주면에 탄성력을 제공할 수 있도록 결합되어, 상기 가변콘 일측의 단면적 크기를 가변시키도록 동작하는 스프링부재;를 포함하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변콘은 단면적이 상대적으로 작은 일측이 상기 컴프레서 하우징의 유입구와 연통되고, 타측이 상기 연결모듈의 입구부에 고정되되, 일측 단면적의 크기가 상기 컴프레서 하우징의 유입구보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컴프레서 하우징에는 상기 유입구를 감싸면서 돌출된 결합구가 형성되고,
    상기 연결모듈은 외주면이 상기 컴프레서 하우징의 결합구 내측에 끼워져 연결된 것을 특징으로 하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연결모듈은,
    일측과 타측의 단면적이 서로 다르게 형성되어, 단면적이 상대적으로 작은 일측이 상기 컴프레서 하우징의 유입구와 연결되고, 타측의 외주면이 결합구에 끼워지되, 상대회전가능하도록 마련된 회전부재와,
    고정된 상태를 유지하도록 마련되어, 일측에 상기 회전부재의 타측면이 상대회전가능하도록 결합되고, 타측에 입구부가 형성된 고정부재로 구성된 것을 특징으로 하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 회전부재에는 상기 스프링부재의 일단부가 걸리도록 하는 걸림부가 형성되고,
    상기 스프링부재의 타단부는 상기 가변콘과 함께 상기 고정부재의 입구부에 고정되며, 중간부가 상기 가변콘의 외주면에 결합된 것을 특징으로 하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 회전부재의 걸림부에는 반경방향으로 돌출된 돌출부가 형성됨으로써, 상기 회전부재의 회전에 따라 상기 스프링부재의 일단부가 돌출부에 위치하여 인장될 경우, 상기 가변콘 일측의 단면적이 상기 컴프레서 하우징의 유입구와 단면적과 동일해지도록 마련된 것을 특징으로 하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 컴프레서 하우징에는 유입구를 형성하는 측벽에 마련되어, 컴프레서휠 측의 공기를 결합구와 회전부재가 이루는 챔버로 유도하는 제1홀이 형성되고,
    상기 회전부재의 외주면에는 제2홀이 형성되며,
    상기 가변콘의 외주면에는 제3홀이 형성되어, 공기를 재순환시키는 것을 특징으로 하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 회전부재의 제2홀과 상기 가변콘의 제3홀은 서로 정렬되지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 고정부재의 외주면과 상기 결합구 내측면 사이에는 실링부재가 설치된 것을 특징으로 하는 터보 컴프레서 서지 방지장치.
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