KR20150034848A - 냉각구조를 갖는 터보차저 - Google Patents

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김광환
진경욱
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Abstract

본 발명에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저는 샤프트가 회전가능하게 배치되는 센터하우징, 상기 샤프트의 일단부에 배치되는 터빈임펠러, 상기 샤프트의 타단부에 배치되는 컴프레서임펠러, 배기가스가 상기 터빈임펠러로 유입되도록 상기 터빈임펠러의 외측을 감싸고 상기 센터하우징에 체결되는 터빈하우징, 흡기가 상기 컴프레서임펠로로 유입되도록 상기 컴프레서임펠러의 외측을 감싸고 상기 센터하우징에 체결되는 컴프레서하우징, 및 상기 센터하우징과 상기 터빈임펠러 사이 공간에서 상기 샤프트의 회전방향으로 형성되는 코일타입열교환기를 포함할 수 있다.

Description

냉각구조를 갖는 터보차저{TURBO CHARGER HAVING COOLING STRUCTURE}
본 발명은 배기가스에 의해서 터빈이 회전하고, 상기 터빈에 의해서 회전하는 컴프레서가 흡기를 압축하여 엔진의 출력을 상승시키고 배기가스의 품질을 높이는 냉각구조를 갖는 터보차저에 관한 것이다.
터보차저는 내연기관에 널리 사용되었고, 특히 대형트럭이나 선박엔진에 적용되었다. 최근에는 승용차에 터보차저가 사용되고 있으며, 작은 엔진에서 높은 출력을 얻도록 한다.
아울러, 터보차저는 연료가 보다 완벽하게 연소하도록 함으로서 배기가스의 품질을 향상시킨다. 이러한 터보차저의 기능과 디자인은 종래기술에 기재되어 있다.
터보차저는 배기가스에 의해서 회전하는 터빈, 상기 터빈에 의해서 회전하여 흡기를 압축하는 컴프레서를 포함하고, 상기 터빈과 상기 컴프레서를 샤프트가 연결하는 구조를 갖는다.
한편, 터보차저에서 센터하우징과 샤프트는 약 200 내지 800도의 열이 전달되며, 이에 히티실드(heat shield) 구조물을 장착하여 방사열에 의한 열전달을 최소화한다.
아울러, 히트실드를 적어도 두 재료층과 단열재로 제작하고, 이 히트실드에 단열 공기층을 확보하여 열전달을 최소할 수 있는 방법 등이 있으나, 하우징 간 열전달을 최소하는 연구는 계속되고 있다. 종래 기술로써, WO2010123761A2 및 WO2009068460A1이 있다.
본 발명의 목적은 샤프트와 센터하우징 측으로 전달되는 열을 최소화함으로써 베어링의 내구성을 향상시키고 전체적인 성능을 안정화시키는 냉각구조를 갖는 터보차저를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저는 샤프트가 회전가능하게 배치되는 센터하우징, 상기 샤프트의 일단부에 배치되는 터빈임펠러, 상기 샤프트의 타단부에 배치되는 컴프레서임펠러, 배기가스가 상기 터빈임펠러로 유입되도록 상기 터빈임펠러의 외측을 감싸고 상기 센터하우징에 체결되는 터빈하우징, 흡기가 상기 컴프레서임펠로로 유입되도록 상기 컴프레서임펠러의 외측을 감싸고 상기 센터하우징에 체결되는 컴프레서하우징, 및 상기 센터하우징과 상기 터빈임펠러 사이 공간에서 상기 샤프트의 회전방향으로 형성되는 코일타입열교환기를 포함할 수 있다.
상기 코일타입열교환기는 냉각코일을 포함하고, 상기 냉각코일은 상기 터빈임펠러의 회전방향으로 연장될 수 있다.
상기 냉각코일은 상기 센터하우징의 일측으로부터 냉각수를 공급받고, 상기 중간하주징의 타측으로 냉각수를 배출할 수 있다.
상기 센터하우징에는 상기 냉각코일의 공급구와 배출구와 연결되는 냉각수챔버가 형성될 수 있다.
상기 냉각코일은, 상기 터빈임펠러의 회전방향으로 냉각수가 흐르는 제1코일, 상기 제1코일과 인접하여 배치되고, 상기 터빈임펠러의 회전 반대방향으로 냉각수가 흐르는 제2코일. 및 상기 제1코일에서 상기 제2코일로 연결되는 부분에 배치되는 흐름전환코일를 포함할 수 있다.
상기 냉각코일은, 일측은 유입구와 연결되고, 타측은 유출구와 연결되는 외측코일, 상기 외측코일의 내측에 배치되는 내측코일, 및 상기 외측코일과 상기 내측코일을 연결하는 연결코일을 포함할 수 있다.
상기 코일타입열교환기와 상기 터빈임펠러 사이에 배치되어 열을 차단하는 히트실드를 포함할 수 있다.
상기 냉각코일의 직경은 1 내지 5mm이고, 상기 냉각코일의 내부로 냉각매체가 흐를 수 있다.
상기 냉각매체는 물, 공기, 오일, 또는 아르곤을 포함할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저에서, 센터하우징과 터빈임펠러 사이에 코일타입열교환기를 개재하고, 이 코일타입열교환기를 통해서 냉각매체를 순환시킴으로써 센서하우징과 샤프트로 전달되는 열을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저의 전체적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저의 일부 상세 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저에서 냉각코일의 타입 중 하나를 보여주는 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저에서 냉각코일이 적용된 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저에서 냉각코일의 타입 중 다른 하나를 보여주는 정면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저의 전체적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 냉각구조를 갖는 터보차저는 컴프레서임펠러(100), 샤프트(110), 터빈임펠러(120), 코일타입열교환기(130), 터빈하우징(140), 센터하우징(150), 및 컴프레서하우징(160)을 포함한다.
상기 샤프트(110)가 상기 센터하우징(150)의 중심부를 관통하고, 베어링(미도시)을 통해서 회전가능하게 배치되고, 상기 샤프트(110)의 일단부에 상기 터빈임펠러(120)가 장착되고, 상기 샤프트(110)의 타단부에 상기 컴프레서임펠러(100)가 장착된다.
상기 터빈하우징(140)은 상기 센터하우징(150)에 장착되고, 상기 터빈임펠러(120)의 외부를 감싸고, 상기 터빈임펠러(120)로 배기가스를 공급하고, 배출한다. 그리고, 상기 컴프레서하우징(160)은 상기 센터하우징(150)에 장착되고, 상기 컴프레서임펠러(100)의 외부를 감싸고, 상기 컴프레서임펠러(100)로 흡기를 공급하고, 토출한다.
상기 코일타입열교환기(130)는 상기 터빈임펠러(120)와 상기 센터하우징(150) 사이의 좁은 공간에 배치되어, 이들 사이에 형성되는 열을 흡수한다. 따라서, 배기가스에 의해서 상기 센터하우징(150)의 온도상승을 제한하고, 베어링의 윤활온도를 낮추어 전체적인 터보차저의 내구성을 향상시킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저의 일부 상세 단면도이다.
도 2를 참조하면, 코일타입열교환기(130)는 공급구(200), 냉각코일(210), 및 배출구(220)를 포함하고, 상기 공급구(200)와 상기 배출구(220)는 상기 센터하우징(150)의 내부에 형성되는 냉각수챔버와 각각 연결된다.
그리고, 상기 냉각코일(210)을 사이에 두고 일측에 상기 센터하우징(150)이 배치되고, 타측에 히트실드(132)(heat shield)가 배치된다. 상기 히트실드(132)는 상기 터빈임펠러(120) 측에서 상기 센터하우징(150) 측으로 열이 이동하는 것을 방지하고, 상기 코일타입열교환기(130)를 보호한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저에서 냉각코일의 타입 중 하나를 보여주는 정면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 코일타입열교환기(130)는 냉각코일(210), 공급구(200), 및 배출구(220)를 포함하고, 상기 냉각코일(210)은 제1코일(310), 제2코일(320), 및 흐름전환코일(300)을 포함한다.
상기 제1코일(310)은 상기 공급구(200)와 연결되고, 냉각매체가 시계 방향으로 흐르도록 형성되고, 상기 제2코일(320)은 상기 배출구(220)와 연결되고, 냉각매체가 시계 반대방향으로 흐르도록 타단은 상기 제1코일(310)의 타단과 연결된다.
그리고, 상기 제1코일(310)과 상기 제2코일(320)이 연결되는 부분에는 냉각매체의 흐름을 전환하는 흐름전환코일(300)이 배치된다.
도시한 바와 같이, 상기 냉각코일(210)은 스파이럴 형태로 상기 제1코일(310)과 상기 제2코일(320)이 상기 샤프트(110)의 중심방향으로 서로 인접하여 배치된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저에서 냉각코일이 적용된 사시도이다. 도 4는 도 2의 상태에서 상기 히트실드를 떼어난 상태에서 상기 코일타입열교환기가 상기 센터하우징에 설치된 상태를 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각구조를 갖는 터보차저에서 냉각코일의 타입 중 다른 하나를 보여주는 정면도이다.
도 5를 참조하면, 코일타입열교환기(130)는 공급구(200), 배출구(220), 냉각코일(210), 및 연결코일(520)을 포함하고, 상기 냉각코일(210)은 내측코일(510) 및 외측코일(500)을 포함한다.
상기 외측코일(500)은 상기 공급구(200)와 상기 배출구(220)에 연결되고, 상기 내측코일(510)의 외측에 설정된 간격을 두고 상기 외측코일(500)이 배치되고, 상기 내측코일(510)과 상기 외측코일(500)은 상기 샤프트(110)의 중심축과 동심원을 따라서 형성된다.
그리고, 상기 외측코일(500)과 상기 내측코일(510)을 연결하는 연결코일(520)이 더 형성된다. 따라서, 상기 공급구(200)를 통해서 공급되는 냉각매체는 상기 외측코일(500), 상기 연결코일(520), 및 상기 내측코일(510)을 통해서 상기 배출구(220)를 통해서 순환한다.
본 발명의 실시예에서 상기 냉각코일(210)의 직경은 약 1 내지 5mm에 포함될 수 있고, 상기 냉각코일(210)의 내부로 냉각매체가 흐르면서 상기 터빈임펠러(120) 측에서 상기 센터하우징(150) 측으로 전달되는 열을 흡수할 수 있다. 아울러, 상기 냉각매체는 물, 공기, 오일, 또는 아르곤을 포함할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 컴프레서임펠러 110: 샤프트
120: 터빈임펠러 130: 코일타입열교환기
132: 히트실드 140: 터빈하우징
150: 센터하우징 160: 컴프레서하우징
200: 유입구 210: 냉각코일
220: 배출구 300: 흐름전환코일
310: 제1코일 320: 제2코일
500: 외측코일 510: 내측코일
520: 연결코일

Claims (9)

  1. 샤프트가 회전가능하게 배치되는 센터하우징;
    상기 샤프트의 일단부에 배치되는 터빈임펠러;
    상기 샤프트의 타단부에 배치되는 컴프레서임펠러;
    배기가스가 상기 터빈임펠러로 유입되도록 상기 터빈임펠러의 외측을 감싸고 상기 센터하우징에 체결되는 터빈하우징;
    흡기가 상기 컴프레서임펠로로 유입되도록 상기 컴프레서임펠러의 외측을 감싸고 상기 센터하우징에 체결되는 컴프레서하우징; 및
    상기 센터하우징과 상기 터빈임펠러 사이 공간에서 상기 샤프트의 회전방향으로 형성되는 코일타입열교환기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
  2. 제1항에서,
    상기 코일타입열교환기는 냉각코일을 포함하고, 상기 냉각코일은 상기 터빈임펠러의 회전방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
  3. 제2항에서,
    상기 냉각코일은 상기 센터하우징의 일측으로부터 냉각수를 공급받고, 상기 중간하주징의 타측으로 냉각수를 배출하는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
  4. 제3항에서,
    상기 센터하우징에는 상기 냉각코일의 공급구와 배출구와 연결되는 냉각수챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
  5. 제2항에서,
    상기 냉각코일은,
    상기 터빈임펠러의 회전방향으로 냉각수가 흐르는 제1코일;
    상기 제1코일과 인접하여 배치되고, 상기 터빈임펠러의 회전 반대방향으로 냉각수가 흐르는 제2코일; 및
    상기 제1코일에서 상기 제2코일로 연결되는 부분에 배치되는 흐름전환코일;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
  6. 제2항에서,
    상기 냉각코일은,
    일측은 유입구와 연결되고, 타측은 유출구와 연결되는 외측코일;
    상기 외측코일의 내측에 배치되는 내측코일; 및
    상기 외측코일과 상기 내측코일을 연결하는 연결코일;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
  7. 제1항에서,
    상기 코일타입열교환기와 상기 터빈임펠러 사이에 배치되어 열을 차단하는 히트실드;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
  8. 제2항에서,
    상기 냉각코일의 직경은 1 내지 5mm이고, 상기 냉각코일의 내부로 냉각매체가 흐르는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
  9. 제8항에서,
    상기 냉각매체는 물, 공기, 오일, 또는 아르곤을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각구조를 갖는 터보차저.
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