KR20140124422A

KR20140124422A - 유체 냉각식 전기 보조 터보차저

Info

Publication number: KR20140124422A
Application number: KR1020147024954A
Authority: KR
Inventors: 어거스틴 카바냐로; 마이클 버킹
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2013-02-11
Publication date: 2014-10-24
Also published as: US20150322851A1; IN2014DN07367A; RU2014135808A; DE112013000614T5; CN104145103A; WO2013126232A1

Abstract

유체 냉각식 전기 보조 터보차저는, 하우징(3) 및 하우징(3)에 배치된 전기 모터의 고정자(22)를 포함한다. 고정자(22)는 그 주위에 배치된 한 쌍의 오링(204, 208) 또는 그 밖의 원주방향 씰을 포함한다. 원주방향 씰(204, 208)은 고정자(22)의 원주 내로 형성된 상응하는 홈(202, 206)에 배치될 수 있다. 오링(204, 208)은 하우징(3)의 내부(142, 144)에 대해 밀봉하여 고정자(22)의 적어도 일부 주위에 환형 챔버(130)를 형성하고 고정자(22)의 축방향 단부들에 한 쌍의 단부 공동(122, 126)을 형성하도록 작용한다. 환형 챔버(13)는 고정자(22) 주위에서 냉각 유체가 순환할 수 있게 한다.

Description

유체 냉각식 전기 보조 터보차저{FLUID COOLED ELECTRICALLY-ASSISTED TURBOCHARGER}

본 발명은 유체 냉각식 전기 보조 터보차저에 관한 것이다.

오늘날의 내연기관은 소비자 및 정부 규제 기관에서 요구하는 더욱 엄격한 배기가스 및 효율 표준을 항상 충족시켜야 한다. 따라서, 자동차 제조업자와 공급자는 내연기관의 작동을 개선하기 위한 기술을 연구하고 개발하는 데에 많은 노력과 자본을 들이고 있다. 터보차저는 특히 관심의 대상이 되는 엔진 개발 분야 중 하나이다.

터보차저는, 보통은 낭비될 배기가스 에너지를 이용하여 터빈을 구동한다. 터빈은 샤프트에 장착되어 결과적으로 압축기를 구동한다. 터빈은 배기가스의 열과 운동 에너지를 회전력으로 변환하여 압축기를 구동한다. 터보차저의 목적은, 엔진으로 들어가는 공기의 밀도를 증가시킴으로써 엔진의 체적 효율을 향상시키는 것이다. 압축기는 외기를 유입시켜 이를 흡기 매니폴드 내로, 궁극적으로는 실린더 내로 압축한다. 따라서, 각각의 흡기 행정 시에 더 많은 질량의 공기가 실린더로 들어가게 된다.

특정 엔진에 최대 파워 출력을 제공하기 위해 터보차저의 크기가 정해지는 경우, 터보차저의 저부하 및 과도 응답 성능은 일반적으로 최적 수준보다 낮다. 터보차저의 압축기 성능은 압축기 속도에 좌우된다. 압축기가 상당한 압축 또는 부스트를 엔진에 제공할 만큼 충분히 빠르게 회전하기 위해서는, 배기가스 유동에 상응하는 증가가 있어야 한다. 그러나, 배기가스가 증가되어 터빈-압축기 휠 조립체의 관성이 극복되는 동안에 시간이 지연된다. 엔진의 부스트 요구 및 매니폴드 압력의 실제 증가 사이의 이러한 시간 지연은 종종 터보 래그라고 불린다.

터보 래그 및 저부하 성능의 문제들을 극복하는 데 도움이 되고자, 전기 보조 터보차저가 개발되었다. 전기 보조 터보차저는, 저부하 및 과도 상태 동안 배기가스로부터 유도된 회전력을 보충하도록 작동하는 전기 모터를 포함한다. 일반적으로, 모터는 터빈 및 압축기 휠들을 지닌 동일한 샤프트에 연결된다. 몇몇 경우, 모터의 회전자 자석은 샤프트에 상에 직접 위치되는 한편, 고정자는 터보차저의 중앙 하우징 내부에 포함된다.

전기 모터는 열과 오염에 민감하다. 따라서, 터보차저와 관련된 흔한 문제인 열 및 오일 이동을 제어하는 것은, 전기 보조 터보차저 응용에서 더욱 문제가 된다. 예를 들어, 과도한 열은 고정자 코일을 과열시키고 영구 자석을 손상시키기도 한다. 더욱이, 오일 오염은 모터의 회전자와 고정자 사이에 점성 저항을 발생시킬 뿐만 아니라 회전자와 고정자 사이의 간극 안으로 먼지와 부스러기를 이동시킬 수 있다.

따라서, 오일이 모터 안으로 이동하는 것을 억제하고 모터 구성요소들을 적절히 냉각하는 전기 보조 터보차저 설계가 필요하다.

하우징 및 하우징에 배치된 전기 모터의 고정자를 포함하는 유체 냉각식 전기 보조 터보차저가 본원에 제공된다. 고정자는 그 주위에 배치된 한 쌍의 오링 또는 그 밖의 원주방향 씰을 포함한다. 원주방향 씰은, 고정자의 원주 내로 형성된 상응하는 홈에 배치될 수 있다. 오링은 하우징의 내부에 대해 밀봉하여 고정자의 적어도 일부 주위에 환형 챔버를 형성하고 고정자의 축방향 단부들에 한 쌍의 단부 공동을 형성하도록 작용한다. 환형 챔버는 고정자 주위에서 오일과 같은 냉각 유체의 순환을 가능하게 하도록 이루어진다.

본원에 설명된 기술의 특정 양태들에서, 하우징 내에서 고정자의 각 측부에 하나씩 한 쌍의 베어링이 배치될 수 있다. 베어링들에 의해 하우징 내에 샤프트가 지지된다. 샤프트는 결과적으로 터빈 휠 및 압축기 휠을 지지한다. 전기 모터 회전자가 샤프트 상에서 베어링들 사이의 고정자 내부에 배치된다.

일 실시예에서, 터보차저가 샤프트의 서로 반대측 단부들에 배치된 압축기 휠 및 터빈 휠을 포함한다. 하우징이 샤프트를 지지하고, 하우징 내에 고정자가 배치된다. 고정자와 하우징의 내부 사이에 한 쌍의 씰이 배치됨으로써, 고정자의 적어도 일부 주위에 챔버를 형성한다. 고정자의 축방향 단부들에 한 쌍의 단부 공동이 위치된다. 챔버는 환형 구성으로 이루어질 수 있다. 씰은 고정자의 원주 주위에 배치된다. 하우징 내에서 고정자의 각 측부에 하나씩 한 쌍의 베어링이 배치되어 샤프트를 지지한다.

이러한 기술의 또 다른 양태에서, 하우징은 상부 및 하부 세그먼트들로 분할된다. 챔버는 상부 세그먼트를 통해 형성된 입구 및 하부 세그먼트를 통해 형성된 출구를 구비한다. 상부 및 하부 세그먼트들 사이에 세그먼트 씰이 배치되고, 상기 상부 및 하부 세그먼트들 중 하나에 씰 홈이 형성되어 세그먼트 씰을 수용한다. 하우징의 내부로부터 개구가 연장되며, 고정자로부터 연장되는 와이어를 수용하도록 구성되고 크기가 정해진다.

이러한 기술의 또 다른 양태에서, 한 쌍의 칼라가 샤프트에 부착되며 각각 회전자와 상응하는 베어링 사이에 위치된다. 각각의 칼라는 그의 상응하는 베어링에 인접한 원통형 플린저 부분을 포함한다. 원통형 플린저 부분은 복수의 반경방향 배출구 또는 노치를 포함하며, 이에 따라 베어링으로부터 원통형 플린저 부분의 리세스 영역으로 들어가는 오일은 배출구를 통해 반경방향 외측으로 방출되거나 흐르고, 여기에서 칼라로부터 배출된다. 각각의 칼라는 원통형 플린저 부분의 반대측의 스페이서 부분 및 스페이서 부분과 원통형 플린저 부분 사이에 위치된 피스톤 링을 포함한다.

이러한 기술의 또 다른 양태에서, 스페이서 부분은 회전자와 인접하는 축방향 대향 위치결정 표면 또는 측면을 가지고, 원통형 플린저 부분은 베어링의 상응하는 축방향 측면에 인접하는 축방향 대향 표면을 가지며, 그로 인해 베어링들에 대해 회전자 및 샤프트를 축방향으로 위치시킨다. 스페이서 부분은, 상응하는 단부 공동의 내측 표면에 맞닿은 축방향 대향 플린저 표면을 포함하며, 플린저 표면은 피스톤 링을 지나 이동하는 오일이 단부 공동의 내측 표면을 따라 이동하도록 안내하는 작용을 하며, 여기서 그 후 오일이 고정자로부터 배출된다.

따라서, 칼라는 회전자와 고정자 사이의 간극 안으로 오일이 이동하는 것을 억제하기 위해 1차, 2차 및 3차 오일 이동 제어 구조를 제공한다. 1차 오일 제어는 원통형 플린저 부분에 의해 제공된다. 원통형 플린저 부분은 오일이 피스톤 링으로부터 하우징에 형성된 다양한 오일 출구 통로로 향하게 한다. 2차 오일 제어는 피스톤 링에 의해 제공된다. 원통형 플린저 부분을 지나 이동하는 오일은 피스톤 링 씰에 의해 추가적으로 이동하는 것이 억제된다. 마지막으로, 3차 오일 이동 제어는 스페이서 부분의 축방향 대향 플린저 표면에 의해 제공된다. 피스톤 링을 지나 이동하는 오일은 칼라로부터 흘러나오고 단부 공동의 내측 표면을 따라 안내되어 하우징에 형성된 다양한 오일 출구 통로 중 하나를 통해 배출되게 된다.

유체 냉각식 전기 보조 터보차저의 이러한 양태들 및 다른 양태들은, 본원의 상세한 설명 및 도면들을 고려한 후에 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 범주는 제시된 바와 같은 청구항들에 의해 결정되는 것이며, 주어진 주제가 배경기술에 언급된 임의의 문제 또는 모든 문제들을 다루는지 여부 또는 이러한 발명의 내용에 언급된 임의 특징들 또는 양태들을 포함하는지 여부에 의해 결정되는 것이 아님을 이해할 것이다.

유체 냉각식 전기 보조 터보차저의 바람직한 실시예를 비롯한 비제한적 비배타적 실시예들을 다음의 도면들을 참조하여 설명하며, 이 때 다르게 명시되지 않는 한 다양한 도면들에 있어서 동일한 참조번호들은 동일한 부분들을 나타낸다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 유체 냉각식 전기 보조 터보차저의 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 터보차저의 부분 횡단면 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 하우징 세그먼트들의 횡단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 하부 하우징 세그먼트의 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 상부 하우징 세그먼트의 사시도이다.
도 6은 도 3에 도시된 하우징 세그먼트들의 정면 단부도이다.
도 7은 도 2에 도시된 압축기단 베어링 및 칼라 장치의 부분 확장 횡단면 사시도이다.
도 8은 도 2에 도시된 터빈단 베어링 및 칼라 장치의 부분 확장 횡단면 사시도이다.

실시예들을, 그 일부를 구성하며 예시적으로 특정의 예시적 실시예들을 보여주는 첨부 도면을 참조하여, 이하에 더욱 충분히 설명한다. 이러한 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 개시된다. 그러나, 실시예들은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본원에 제시된 실시예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 그러므로 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 여겨지는 것이 아니다. 터보차저의 모든 구성요소가 도면에 도시된 것은 아니며 본 개시는 당업계에 알려진 것과 같은 다양한 터보차저 구성요소의 사용을 고려함을 이해해야 한다. 터보차저 구성은 당업계에 잘 숙지되어 있으며, 본원에 충분히 설명되고 개시된 본 출원의 기술을 이해하기 위해 반드시 터보차저의 모든 구성요소들을 완전히 설명할 필요는 없다.

도 1 및 도 2에 도시된 유체 냉각식 전기 보조 터보차저(1)는, 하우징(3) 및 하우징에 배치된 전기 모터(20)를 포함한다. 전기 모터(20)는 샤프트(7) 상에 배치된 회전자(24) 및 고정자(22)를 포함한다. 샤프트(7)는 하우징(3) 내 회전자(24)의 각 측부에 배치된 저널 베어링(10, 12)에 의해 하우징(3)에서 지지된다. 당업계에 알려진 바와 같이, 샤프트(7) 상에는 터보차저의 작동 부분을 포함하는 터빈 휠(5) 및 압축기 휠(9)이 배치된다. 고정자(22)는 당업계에 알려진 바와 같이 복수의 코일 권선(28)을 지지하는 전기자(26)를 포함한다. 영구 자석 모터의 경우, 회전자(24)는 복수의 영구 자석을 포함할 수 있다. 예컨대 스위치드 릴럭턴스 모터와 같은 다른 유형의 모터가 사용될 수 있다. 전기 모터(20)는 당업계에서 잘 이해되는 바와 같이 적합한 전도성 연결부들을 통해 적절한 제어부 및 전원에 연결된다.

고정자의 전기자(26)는 한 쌍의 원주방향 홈(202, 206)을 포함하며, 거기에 한 쌍의 오링(204, 208)이 각각 배치된다. 오링(204, 208)은 하우징(3)의 내부벽(142, 144)(도 3 내지 도 5 참조)에 대해 밀봉함으로써 고정자(22)의 적어도 일부 주위에 연장된 환형 챔버(130)를 형성하도록 작용한다. 오링(204, 208)은 적합한 고온 엘라스토머, 예컨대 미국 켄터키 주 렉싱턴의 Parker O-Ring에서 구할 수 있는 Parker Compound FF200-75 과불소화 엘라스토머로 형성될 수 있다. 환형 챔버(130)는 고정자(22) 주위에 오일과 같은 냉각 유체를 순환시키도록 이루어진다. 일례로, 오일은 포트(184, 132)를 통해 환형 챔버(130)에서 순환된다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 고정자(22)의 단부들에 한 쌍의 단부 공동(122, 126)이 생성된다. 따라서, 하우징(3)의 내부 공동(141)은 적어도 3개의 챔버, 즉 환형 챔버(130) 및 두 개의 단부 공동(122, 126)으로 구분된다. 환형 챔버(130)에는 냉각 오일이 채워져 있는 한편, 단부 공동(122, 126)에는 오일이 없는 상태로 남아있게 한다. 단부 공동(122, 126)은 오링(204, 208) 중 상응하는 하나에 의해 일 측부가 밀봉되고 상응하는 칼라(32, 30)에 의해 다른 일 측부가 밀봉되며, 이는 하기에 더욱 충분히 설명한다. 도 5를 참조하면, 전도체 개구(176)가 하우징(3)의 내부 공동(141)으로부터 연장되어, 고정자(22)로부터 연장된 와이어(미도시)를 수용한다. 전도체 개구(176)가 어느 한쪽의 단부 공동(122, 126)으로부터 연장될 수 있음은 물론이다. 단부 공동들 사이에서 하우징(3) 내에 고정자(22)를 축방향으로 위치시키기 위해, 공동(141)의 단부들에 인접하게 위치결정 견부(146)가 제공된다. 터보차저의 중심선을 따라 축방향으로 한 쌍의 세그먼트로 분할된 베어링 하우징과 관련하여 다양한 대표적인 실시예들을 설명하지만, 하우징은 터보차저 중심선에 수직으로 세그먼트들로 분할될 수도 있다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 대표적인 실시예에서, 베어링 하우징(3)은 터보차저(1)의 중심축(A)을 따라 축방향으로 한 쌍의 세그먼트로 분할된다. 이 경우, 베어링 하우징의 상부 세그먼트(150)는 가압 오일 시스템 요소들을 전부 수용한다. 압축기단 저널 베어링 오일 공급을 위한 오일 보어(182)와 마찬가지로, 터빈단 저널 베어링 오일 공급을 위한 오일 보어(181)가 축(A)에 거의 수직으로 드릴링될 수 있다. 연결 보어(180)가 압축기 디퓨저 면으로부터 드릴링된 후 확장 플러그(185)로 밀봉된다. 이러한 연결 보어는 오일 입구(162)와 교차하도록 드릴링되며, 환형 챔버(130)를 챔버 입구(184)를 통해 오일 입구(162)에 유체 연결하기 위한 도관으로서 사용된다. 베어링 공급 오일 보어(181, 182)는 또한 연결 보어(180)를 통해 오일 입구(162)에 연결된다. 하우징(3)은 오일 공급 부품을 연결하기 위한 적절한 리셉터클(160)을 또한 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징의 하부 세그먼트(152)는 상부 세그먼트(150)에 대응되게 맞물려 베어링 하우징(3)을 완성한다. 오일 배출 특징부들이 베어링 하우징의 하부 세그먼트에 제공된다. 복수의 오일 배출구(112, 113)가, 오링(204, 208) 또는 샤프트 씰 칼라(30, 32)로부터 오일이 빠져나갈 수 있게 한다. 저널 베어링(10, 12)로부터 오일이 빠져나갈 수 있도록 복수의 배출구(104, 108)가 제공된다. 구멍들(104, 108, 112, 113, 132)로부터 배출되는 오일은 공통의 플리넘(114)에 모아진다. 도 5는 환형 챔버(130)에 냉각 유체를 공급하기 위한 대안적인 구성을 예시한다. 챔버 입구(184)(도 3)를 통해 베어링 오일 회로로부터 오일을 공급하는 대신, 한 쌍의 챔버 입구(156)에 연결된 별도의 입구(154) 내로 오일이 공급된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 하우징(3)은 예를 들어 하우징(3)의 터빈단에 일체형 열 차단부(175)를 포함한다. 열 차단부(175)와 하우징(3)의 나머지 부분 사이에 공기 공동(177)이 제공된다. 따라서, 터빈을 통해 흐르는 배기가스와 관련된 열은 하우징 재료를 통해 저널 베어링(10) 내로 직접적으로 이동할 수 없다.

베어링 하우징의 상부 및 하부 세그먼트(150, 152)는 조립 공정 중 함께 기계적으로 체결된다. 세그먼트들은 고정(retaining) 볼트, 리벳, 피닝, 용접, 접착과 같은 임의의 기계적 또는 화학적 수단에 의해 함께 체결될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 볼트(170)가 상부 세그먼트(150)를 하부 세그먼트(152)에 클램핑한다. 이들 볼트는 탭 구멍 안으로 체결될 수 있거나, 또는 깨끗한 보어(172)(도 4 및 도 5)를 통과하여 너트에 나사결합될 수 있다. 하우징 세그먼트(150, 152)는 당업계에 알려진 바와 같이 맞춤 핀(미도시)으로 서로에 대해 위치될 수 있다. 각각의 하우징 세그먼트는 이러한 맞춤 핀을 수용하기 위한 구멍(174)을 포함한다. 이들 고정 볼트에 의해 공급된 클램프 하중은 밀봉 가스켓을 압축하여, 베어링 하우징의 내부와 베어링 하우징의 외부 사이에 오일 및 가스 밀봉을 제공한다. 밀봉 가스켓은 함침 흑연 밀봉 매체, 예컨대 그라포일(grafoil) 가요성 가스켓일 수 있지만, 엠보싱 처리된 평평한 심(shim) 타입의 가스켓일 수도 있다. 가스켓은 도면에 구체적으로 도시되지는 않았으며, 가스켓은 일반적으로 당업계에서 잘 알려져 있다. 대안적으로, 또는 가스켓에 추가하여, 밀봉 화합물이 밀봉 표면(192, 194)에 도포될 수 있다. 씰의 융기된 부분을 위해 홈(190)이 하부 세그먼트(152)에 제공된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 가스켓을 위한 홈(190)이 하부 세그먼트(152)에 위치하지만, 홈(190)은 상부 세그먼트(150)에 (또는 둘 다에) 위치할 수도 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 칼라(30, 32)는 회전자(24)의 어느 일 측에서 샤프트(7)에 부착되고, 회전자와 상응하는 베어링(12, 10) 사이에 각각 배치된다. 칼라(30, 32)는 회전자를 축방향으로 위치시킬 뿐만 아니라, 회전자(24)와 고정자(22) 사이의 간극으로 오일이 이동하는 것을 방지하기 위한 1차, 2차 및 3차 밀봉 구조를 제공하도록 작용한다. 칼라(30, 32)는 샤프트(7) 상에 가압되고 그로 인해 샤프트 상에 회전자(24)를 고정하고 위치시킬 수 있다.

도 7을 참조하면, 압축기단 칼라(30)는 스페이서 부분(304) 및 그로부터 연장된 원통형 플린저 부분(308)을 포함한다는 것을 알 수 있다. 이 경우에서와 같이, 스페이서 부분(304)은 홈(306)과 같은 특징부를 갖도록 기계가공되어 칼라의 회전 질량을 줄일 수 있다. 그러나, 홈은 생략되어도 되고 또는 홈은 도면에 도시된 것과 다른 횡단면을 가져도 된다는 것을 이해해야 한다. 또한, 샤프트-회전자 조립체를 동력학적으로 밸런싱하기 위해 필요에 따라 이러한 영역의 재료를 칼라(30, 32) 중 하나 또는 둘 다로부터 제거해도 된다. 이에 따라 밸런스 교정 스톡을 제공하기 위해 단부 칼라에 재료를 추가할 수 있다. 터보차저의 조립을 용이하게 하기 위해 압축기단 칼라(30), 이 경우 스페이서 부분(304)의 외경은, 고정자(22)의 내경(X)에 맞춰지도록 크기가 정해진다. 칼라(30, 32)는 알루미늄, 강, 티타늄 등과 같은 임의의 적합한 재료로 이루어질 수 있다.

스페이서 부분(304)은 회전자(24)에 인접한 축방향 대향 위치결정 표면 또는 측면(302)을 포함한다. 원통형 플린저 부분(308)은 베어링(12) 상의 상응하는 축방향 대향 표면에 맞닿는 축방향 대향 표면(309)을 가진다. 따라서, 칼라(30) 및 유사한 방식으로 칼라(32)는 베어링(10, 12)에 대해 회전자(24) 및 샤프트(7)를 위치시키도록 작용한다.

원통형 플린저 부분(308)은 리세스 영역(332)과 교차하는 복수의 반경방향 배출구(310)를 포함한다. 원통형 플린저 부분(308)과 스페이서 부분(304) 사이에서 칼라(30)의 원주 주위에 피스톤 링 홈(314)이 형성된다. 피스톤 링(40)이 홈(314)에 배치되며 하우징(3)과 칼라(30) 사이에 씰을 제공하도록 작용한다. 스페이서 부분(304)은 축방향 대향 플린저 표면(312)을 포함한다. 플린저 표면(312)은 단부 공동(126) 내로 연장되며 단부 공동 표면(123)과 협력하여 오일을 회전자(24)로부터 이동시킨다.

저널 베어링(10, 12)은 오일 공급 통로, 예컨대 도 7에 도시된 오일 공급 통로(102)를 통해 공급을 받는다. 저널 베어링(10)으로의 오일 공급은 저널 베어링(12)으로의 오일 공급과 실실적으로 동일하므로, 여기에서는 저널 베어링(12)만 설명된다. 이 경우, 베어링(12)에 공급된 오일은 공통의 오일 플리넘(114) 내로 둘 다 이어지는 오일 배출 통로(104, 108)를 통해 배출된다. 칼라(30)는 원통형 플린저 부분(308)의 형태로 1차 또는 첫 번째 오일 제어 구조를 포함한다. 베어링(12)으로부터 칼라(30)로 배출되는 오일은 리세스 영역(332)으로 들어가며, 하우징(3)에 형성되고 배출구(310)와 정렬된 환형 홈(330)을 향해 구멍(310)을 통해 원심력으로 흐른다. 배출 통로(104)는 환형 홈(330)과 교차함으로써, 홈(330)으로 흘러 들어가는 오일이 통로(104)를 통해 공통의 오일 플리넘(114) 내로 배출될 수 있다. 이런 방식으로, 원통형 플린저 부분(308)은 피스톤 링(40)으로부터 멀어지도록 오일을 안내한다.

피스톤 링(40)은, 원통형 플린저 부분(308)을 지나 이동할 수 있는 오일이 회전자와 고정자를 향해 누출 경로를 따라 더 이동하는 것을 억제하는, 2차 또는 두 번째 씰 구조로서의 역할을 한다. 피스톤 링(40)은 당업계에 알려진 바와 같은 표준 피스톤 링 씰일 수 있으며, 예컨대 강으로 이루어질 수 있다. 피스톤 링(40)은 도면에 도시된 바와 같이 하우징(3)과 칼라(30) 사이에 씰을 제공한다.

그러나, 오일이 피스톤 링(40)을 지나 이동할 수 있는 경우, 스페이서 부분(304)의 축방향 대향 플린저 표면(312)이 3차 또는 세 번째 씰로서의 작용을 하며, 남아 있는 오일이 단부 공동(126)의 내측 표면(123)을 따라 반경방향으로 흐르게 한다. 표면(123)을 따라 유도된 오일은 그 후, 도 8을 참조하여 하기에 추가로 설명되는, 단부 공동(122)과 관련된 오일 배출 통로(112)와 유사한 또 다른 오일 배출 통로를 통해 오일 플리넘(114) 내로 배출된다.

도 8에 도시된 터빈단의 칼라 및 베어링 장치는, 압축기단과 유사하다. 터빈단은 터빈 휠(5)에 인접하여 샤프트(7)를 지지하는 베어링(10)을 포함한다. 베어링(10)과 회전자(24) 사이에 칼라(32)가 배치된다. 터보차저의 압축기단과 터빈단 둘 다에 동일한 칼라가 사용될 수 있음을 고려한다. 그러나 이 경우, 하기에 설명된 바와 같이 칼라들(30, 32) 사이에 차이가 있다.

칼라(32)는, 칼라(30)와 유사하게 원통형 플린저 부분(328)을 포함한다. 이 경우, 칼라(32)는 배출구보다는 복수의 배출 노치(311)를 포함한다. 스페이서 부분(324)에서 원통형 플린저 부분(328) 반대측에는 그 주위에 선택적으로 홈(326)이 형성된다. 위치결정 표면(322)이 회전자(24)에 인접하고, 반대측으로 대향하는 축방향 표면(317)이 베어링(10)에 인접함으로써, 회전자(24) 및 샤프트(7)를 위치시킨다. 칼라(32)는 피스톤 링 홈(315) 및 피스톤 링(42)을 포함한다. 스페이서 부분(324)은 또한 단부 공동(122)의 내측 표면(124)과 맞닿은 축방향 대향 플린저 표면(313)을 포함한다.

압축기단 칼라(30)와 마찬가지로, 터빈측 칼라(32)는 1차, 2차 및 3차 밀봉 구조를 포함한다. 구체적으로, 원통형 플린저 부분(328)은 리세스 영역(334)으로 들어가는 오일을 배출 노치(311)를 통해 홈(336) 내로 분출되거나 흐르게 한다. 홈(336)은 오일 배출 통로(108) 및 오일 플리넘(114) 내로 배출시킨다. 원통형 플린저 부분(328)을 지나 이동하는 오일이 추가로 이동하는 것이 피스톤 링(42)에 의해 방지된다. 그러나, 오일이 피스톤 링(42)을 지나 이동할 수 있는 경우, 플린저 표면(313)은 원심력 하에서 오일이 단부 공동(122)의 표면(124)을 따라 나아가게 한다. 내측 표면(124)을 따라 배출되는 오일은 오일 통로(112)를 통해 공통의 오일 플리넘(114) 내로 배출된다.

샤프트(7) 및 칼라(30, 32)에 대해 회전자(24)가 회전하는 것을 방지하기 위해, 칼라(30, 32)는 서로 협력하는 인덱싱 특징부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 칼라(32)는 회전자(24)로부터 돌출된 상응하는 돌기(218)에 대응하여 위치결정 표면(322)에 형성된 하나 이상의 슬롯(318)을 포함한다. 따라서, 칼라(30, 32)가 회전자(24)의 어느 일 측에서 샤프트(7) 상에 가압되면, 칼라들 중 적어도 하나가 회전자에 맞물려 샤프트(7)에 대한 회전자(24)의 회전을 방지한다. 이 경우, 슬롯이 칼라(32)에 형성된 것으로 도시되었지만, 대안적으로, 슬롯은 회전자에 형성되고 칼라 상에 돌기가 형성될 수 있다.

단부 공동에 오일이 이동하는 것을 추가로 억제하기 위해, 단부 공동(122, 126)에 정압 소스가 구비될 수 있다. 적합한 압력 소스는, 제한 없이 예를 들면, 트럭 에어, 터빈 입구/웨이스트게이트 압력 또는 별도의 터보단으로부터의 압축 가스를 포함한다. 고정자에 추가적인 냉각을 제공하기 위해 단부 공동(122, 126)에 공기가 공급될 수 있음을 또한 고려한다.

따라서, 유체 냉각식 전기 보조 터보차저를 예시적인 실시예에 대해 어느 정도 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명은 종래 기술을 감안하여 해석된 다음의 청구항에 의해 정의되며, 이에 따라 본원에 포함된 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않으면서 예시적인 실시예들에 수정 및 변경이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims

샤프트(7)의 서로 반대측 단부들에 배치된 압축기 휠(9) 및 터빈 휠(5);
샤프트(7)를 지지하는 하우징(3);
하우징(3)에 배치된 고정자(22); 및
하우징(3)의 내부(142, 144)와 고정자(22) 사이에 배치됨으로써 고정자(22)의 적어도 일부 주위에 챔버(130)를 형성하는 한 쌍의 씰(204, 208)
을 포함하는 터보차저(1).
제1항에 있어서,
고정자(22)의 축방향 단부들에 위치된 한 쌍의 단부 공동(122, 126)을 포함하는 터보차저(1).
제1항에 있어서,
챔버(130)는 환형 구성으로 이루어진, 터보차저(1).
제1항에 있어서,
씰(204, 208)은 고정자(22)의 원주 주위에 배치된, 터보차저(1).
제1항에 있어서,
하우징(3)에서 고정자(22)의 각 측부에 하나씩 배치된 한 쌍의 베어링(10, 12)을 포함하는 터보차저(1).
제1항에 있어서,
하우징(3)은 분할되는, 터보차저(1).
제6항에 있어서,
챔버(130)는 상부 세그먼트(150)를 통해 형성된 입구(184, 156) 및 하부 세그먼트(152)를 통해 형성된 출구(132)를 구비하는, 터보차저(1).
제7항에 있어서,
상부 세그먼트(150) 및 하부 세그먼트(152) 사이에 배치된 세그먼트 씰을 포함하는 터보차저(1).
제8항에 있어서,
상기 상부 세그먼트(150) 및 하부 세그먼트(152) 중 하나에 형성된 씰 홈(190)을 포함하는 터보차저(1).
제1항에 있어서,
하우징(3)의 내부로부터 연장되며, 고정자(22)로부터 연장되는 와이어를 수용하도록 구성되고 크기가 정해진 개구(176)를 포함하는 터보차저(102).
샤프트(7) 상에 장착된 회전자(24), 및 샤프트(7)의 서로 반대측 단부들 상에 배치된 압축기 휠(9) 및 터빈 휠(5)을 포함하는 회전 조립체;
상기 회전 조립체를 지지하도록 구성된 베어링 하우징(3);
베어링 하우징(3)에서 회전자(24) 주위에 배치된 고정자(22); 및
고정자(22)의 서로 반대측 단부에 배치되며, 베어링 하우징(3)의 내부(142, 144)에 대해 밀봉하여 고정자(22)의 적어도 일부 주위에 환형 챔버(130)를 형성하고 고정자(22)의 축방향 단부들에 한 쌍의 단부 공동(122, 126)을 형성하도록 작용하는 한 쌍의 원주방향 씰(204, 208)
을 포함하는 유체 냉각식 전기 보조 터보차저(1).
제11항에 있어서,
한 쌍의 원주방향 씰(204, 208)은 고정자(22)의 원주 내로 형성된 상응하는 홈(202, 206)에 배치된 오링을 포함하는, 터보차저(1).
샤프트(7) 상에 장착된 회전자(24), 및 샤프트(7)의 서로 반대측 단부들 상에 배치된 압축기 휠(9) 및 터빈 휠(5)을 포함하는 회전 조립체;
상기 회전 조립체를 지지하도록 구성된 베어링 하우징(3);
베어링 하우징(3)에서 회전자(24) 주위에 배치된 고정자(22);
고정자(22)의 서로 반대측 단부들에 배치되며, 베어링 하우징(3)의 내부(142, 144)에 대해 밀봉하여 고정자(22)의 적어도 일부 주위에 환형 챔버(130)를 형성하고 고정자(22)의 축방향 단부들에 한 쌍의 단부 공동(122, 126)을 형성하도록 작용하는 한 쌍의 원주방향 씰(204, 208);
하우징(3)에서 고정자(22)의 각 측부에 하나씩 배치되며, 상기 회전 조립체를 지지하도록 작용하는 한 쌍의 베어링(10, 12); 및
샤프트(7)에 부착되며, 각각 회전자(24)와 상응하는 베어링(10, 12) 사이에 위치되고, 상응하는 베어링(10, 12)에 인접한 원통형 플린저 부분(308, 328)을 각각 포함하는 한 쌍의 칼라(30, 32)
를 포함하는 유체 냉각식 전기 보조 터보차저(1).
제13항에 있어서,
원통형 플린저 부분(308, 328)은 복수의 반경방향 노치(311)를 포함하며, 이에 따라 원통형 플린저 부분(308, 328)의 리세스 영역(332, 324)으로 들어가는 오일이 노치(311)를 통해 반경방향 외측으로 방출되게 하는, 터보차저(1).
제14항에 있어서,
각각의 칼라(30, 32)는 원통형 플린저 부분(308, 328) 반대측의 스페이서 부분(304, 324), 및 스페이서 부분(304, 324)과 원통형 플린저 부분(308, 328) 사이에 위치된 피스톤 링(314, 315)을 포함하는, 터보차저(1).