KR101038369B1 - 터보 과급기의 수냉식 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 과급기의 수냉식 터빈에 관한 것이다. 이는 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 전달받게 되고, 컴프레셔와 연결되어 컴프레셔를 구동시키게 되는 엔진의 터보 과급기의 터빈에 있어서, 내부 중앙부에 설치공간을 형성하고, 설치공간과 연통되는 배기가스 입구가 일측에 형성되며, 설치공간과 연통되는 배기가스 출구가 전면 중앙부에 형성되는 터빈 하우징; 터빈 하우징의 설치공간에 설치되는 터빈 휠을 포함하되, 터빈 하우징은 설치공간을 둘러싸면서 배기가스 입구와 배기가스 출구를 잇는 곡선 궤적으로 형성되고, 설치공간 둘레와 연통되어 배기가스 입구로부터 유입되는 배기가스에 의해 설치공간에 설치된 터빈 휠의 회전이 유도되도록 하는 배기가스 유동채널; 터빈 하우징에 서로 이격되게 형성되는 냉각수 입구와 냉각수 출구를 잇는 곡선 궤적으로 형성되고, 배기가스 유동채널이 둘러싸면서 배기가스 유동채널 외측에 형성되는 냉각수 유동채널이 내부에 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 터보 과급기의 수냉식 터빈은, 인벌류트(involute) 곡선 형상으로 형성되는 배기가스 유동채널을 둘러싸는 냉각수 유동채널이 내부에 형성된 터빈 하우징의 제공으로 터보 과급기의 냉각 효율과 배기가스 유동 효율 증대를 가능케 한다.

Description

터보 과급기의 수냉식 터빈{A hydrocooling turbine for turbo charger}

본 발명은 터보 과급기의 수냉식 터빈에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 인벌류트(involute) 곡선 형상으로 형성되는 배기가스 유동채널을 둘러싸는 냉각수 유동채널이 내부에 형성된 터빈 하우징의 제공으로 터보 과급기의 냉각 효율이 증대되도록 한 터보 과급기의 수냉식 터빈에 관한 것이다.

터보 과급기(turbo charger)는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 유동에너지를 터빈(turbine)의 출력으로 변환하고, 회전축을 통해 터빈과 접속하는 컴프레셔(compressor)를 터빈의 출력으로 구동하여 과급을 수행하는 장치이다.

이와 같은 터보 과급기와 관련한 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0154104호 "개량된 로울러 베어링축의 지지부를 구비한 터보과급기", 등록번호 제10-0963278호 "터보 차저", 공개특허공보 공개번호 제10-2006-0069655호 "차량의 터보 차저", 공개번호 제10-2008-0111716호 "CNG 엔진 터보 차저의 스러스트 베어링 마모저감구조", 공개번호 제10-2010-0061159호 "자동차용 터보 차저" 등이 안출되어 있다.

한편, 터보 과급기는 엔진의 폭발행정에서 연료의 연소 후 배출되는 고온 상태의 배기가스를 공급받는 것임에 따라, 터보 과급기의 작동과정에서 터빈은 고온의 배기가스에 의해 가열되고, 컴프레셔는 터빈으로부터 열을 전달받아 온도가 상승하게 되므로, 터보 과급기의 내구성 저하와 터보 과급기 내의 윤활유 열화를 야기시킬 수 있다. 또한, 컴프레셔를 통과하여 엔진으로 과급되는 압축공기의 온도도 상승하게 되는데, 이와 같은 압축공기의 온도 상승은 압축공기 내 산소의 밀도를 떨어뜨리고, 엔진 실린더의 흡입효율과 연소효율을 낮추게 된다.

따라서, 고온의 배기가스에 의한 터보 과급기의 온도 상승을 방지하기 위한 냉각장치가 터보 과급기에 설치되거나, 터보 과급기로부터 생성되는 압축공기의 온도를 낮추기 위한 인터쿨러(inter cooler)가 차량에 설치되어 압축공기가 통과하도록 하는데, 냉각장치가 설치되는 터보 과급기와 관련한 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0210679호 "터보 차저 냉각 구조", 등록번호 제10-0265516호 "터보 챠저 냉각장치", 공개실용신안공보 공개번호 제20-1998-046803호, 공개번호 제20-1998-046804호 "냉각효율이 강화된 자동차의 터보 챠지" 등이 안출되어 있다.

여기서, 상기 "터보 차저 냉각 구조"는 터빈과 컴프레셔 외측에 위치되는 터보 차저 하우징, 터보 차저 하우징과 회전축 사이에 위치되어 둘 사이의 마찰력을 저감시키는 베어링, 베어링으로 오일이 공급되는 통로인 오일 공급 홀, 터보 차저 하우징에 복수개 설치되고 냉각수가 순환되는 통로인 워터 재킷, 워터 재킷으로부터 냉각수가 빠져나가는 통로인 냉각수 배출구로 구성되는 터보 차저에 냉각수 배출구의 입구에 설치되어 엔진 정지시 냉각수 배출구를 차단하는 솔레노이드 밸브와, 엔진에 의해 구동되고 솔레노이드 밸브에 전원을 인가하는 알터네이터가 더 구비되도록 함으로써 엔진 정지시 솔레노이드 밸브에 의해 냉각수 배출구의 입구 부분이 차단되어 냉각수가 워터 재킷에 충분히 저장되고, 이에 따라 터보 차저의 과열이 방지되어 오일에 코킹 현상이 발생되지 않도록 하여 오일의 수명 연장과 엔진 내구성 향상을 도모하게 되는 기술이다.

그리고, 상기 "터보 챠저 냉각장치"는 케이싱에 회전축을 설치하여 그 일단에 배기가스에 의하여 구동되는 터빈을 고정하고, 타단에 컴프레셔를 고정하며, 케이싱에 워터 재킷을 형성하여 냉각수 공급관 및 배출관을 연결한 것으로, 냉각수 공급관의 주위에 냉각수 공급관과 연통되는 냉각수 챔버를 설치하고, 냉각수 챔버내에 스프링으로 탄설된 피스톤을 냉각수 공급관을 따라 승강할 수 있게 설치하여 터보 챠저 운전 정지 후 냉각수를 일정시간 유동하게 하여 케이싱 등을 냉각함으로써 고장의 원인이 제거되도록 한 기술이다.

또한, 상기 "냉각효율이 강화된 자동차의 터보 챠지"는 냉각수통로가 일체로 형성된 제 1 몸체를 포함하는 것으로, 이와 같은 냉각수통로는 전체 길이에 걸쳐서 두개의 통로로 분리구성되어 있되, 분리된 제 1 통로에는 흡기매니홀드로부터 외기가 공급순환되고, 제 2 통로에는 냉각수가 순환가능하도록 이루어진 것이다.

터보 과급기는 온도 상승이 최소화될수록 내구성이 향상되고, 터보 과급기로부터 생성되는 압축공기의 온도 상승도 최소화되어 엔진 실린더의 흡입효율과 연소효율을 높일 수 있게 되므로, 상기와 같은 종래의 터보 과급기의 냉각기술에서와 같이 터보 과급기의 온도 상승을 최소화시키는 냉각장치의 개발이나 냉각기술의 개선이 지속적으로 수행될 필요가 있었다.

본 발명은 이와 같은 기술개발의 일환으로 창출된 것으로서, 배기가스 유동채널을 둘러싸면서 배기가스 유동채널 외측에 형성되는 냉각수 유동채널이 터빈 하우징 내부에 형성되어 배기가스가 유동하는 배기가스 유동채널로부터 열이 외측으로 발산되는 것이 방지되는 구조가 제공됨에 따라 터보 과급기의 냉각 효율이 증대될 수 있는 새로운 형태의 터보 과급기의 수냉식 터빈을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 배기가스 유동채널이 인벌류트(involute) 곡선 형상으로 형성되어 배기가스의 유동효율이 증대되어 배기가스가 터빈을 신속하게 통과함으로써 터빈으로의 열전달이 최소화되어 터보 과급기의 냉각 효율이 증대될 수 있는 새로운 형태의 터보 과급기의 수냉식 터빈을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터보 과급기의 수냉식 터빈은, 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 전달받게 되고, 컴프레셔와 연결되어 상기 컴프레셔를 구동시키게 되는 엔진의 터보 과급기의 터빈에 있어서, 내부 중앙부에 설치공간을 형성하고, 상기 설치공간과 연통되는 배기가스 입구가 일측에 형성되며, 상기 설치공간과 연통되는 배기가스 출구가 전면 중앙부에 형성되는 터빈 하우징 및; 상기 터빈 하우징의 설치공간에 설치되는 터빈 휠을 포함하되, 상기 터빈 하우징은 상기 설치공간을 둘러싸면서 상기 배기가스 입구와 배기가스 출구를 잇는 곡선 궤적으로 형성되고, 상기 설치공간 둘레와 연통되어 상기 배기가스 입구로부터 유입되는 배기가스에 의해 상기 설치공간에 설치된 터빈 휠의 회전이 유도되도록 하는 배기가스 유동채널과; 상기 터빈 하우징에 서로 이격되게 형성되는 냉각수 입구와 냉각수 출구를 잇는 곡선 궤적으로 형성되고, 상기 배기가스 유동채널을 둘러싸면서 상기 배기가스 유동채널 외측에 형성되는 냉각수 유동채널이 내부에 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈에서 상기 냉각수 유동채널은 상기 배기가스 유동채널을 '∩'형 단면 형상으로 둘러싸면서 형성된다.

이와 같은 본 발명에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈에서 상기 터빈 하우징은 전면의 가장자리 둘레에 냉각수 입구가 형성되도록 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈에서 상기 냉각수 입구는 상기 터빈 하우징의 전면 하부에 형성되되 상기 배기가스 입구 반대측에 위치되고, 상기 냉각수 출구는 상기 터빈 하우징의 측방향 외주면 둘레에 상기 배기가스 입구측 하부에 형성한다.

이와 같은 본 발명에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈에서 상기 냉각수 입구와 냉각수 출구는 각각 다수개가 형성되도록 하여 상기 터빈 하우징으로의 냉각수 유출입을 수행하는 냉각수 유동관체가 선택적으로 접속될 수 있도록 하되, 상기 냉각수 유동관체가 접속되지 않은 냉각수 입구와 냉각수 출구는 밀폐용 마개에 의해 폐쇄되도록 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈에서 상기 배기가스 유동채널은 인벌류트(involute) 곡선 형상으로 형성된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 터보 과급기의 수냉식 터빈은, 터빈 내부에 배기가스 유동채널과 냉각수 유동채널이 동시에 형성되고, 배기가스 유동채널은 인벌류트(involute) 곡선 형상으로 형성되며, 냉각수 유동채널은 배기가스 유동채널의 외측에서 배기가스 유동채널을 둘러싸면서 형성됨에 따라 터보 과급기의 냉각 효율이 증대되는 효과를 가진다.

이로써, 터보 과급기의 내구성이 증대되는 한편, 압축공기의 온도 상승이 방지되어 엔진의 연소효율의 증대도 도모할 수 있게 되어 엔진 성능이 향상되는 효과를 볼 수 있다.

또한, 배기가스 유동채널이 인벌류트 곡선 형상으로 형성됨에 따라 터빈 하우징의 제조가 용이하게 이루어지고, 제조 불량이 최소화되는 효과도 동시에 가지게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈의 외형도;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈의 수평 단면도;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈의 수평 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 3에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 엔진, 터보 과급기, 터보 과급기의 터빈, 컴퓨레셔 등으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈의 외형도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈의 수평 단면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈의 수평 단면도이다.

본 발명의 수냉식 터빈(10)은 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 전달받아 구동되는 엔진의 터보 과급기(1)를 이루는 것으로, 이와 같은 터보 과급기(1)는 회전축(30)을 통해 서로 접속하게 되는 터빈(10)과 컴프레셔(compressor)(20)를 구비하여 이루어진다. 여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수냉식 터빈(10)은 냉각수의 유동에 의해 터보 과급기(1)가 냉각되어 터보 과급기(1)의 온도 상승이 최소화되록 한 것이다.

이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수냉식 터빈(10)은 터빈 하우징(11)과 터빈 휠(12)을 포함하여 이루어진다.

터빈 하우징(11)은 내부 중앙부에 터빈 휠(12)이 설치되는 설치공간(111)을 형성하고, 설치공간(111)과 연통되는 배기가스 입구(112)가 일측에 형성되며, 설치공간(111)과 연통되는 배기가스 출구(113)가 전면 중앙부에 형성된다.

여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈 하우징(11)은 일측 하부 저면에 배기가스 입구(112)가 형성되어 엔진의 배기 매니폴드와 연결되는 유입관체 등이 접속되도록 하고, 터빈 하우징(11)의 전면 중앙부에 배기가스 입구(112)가 형성되어 엔진의 배기구와 연결되는 유출관체 등이 접속되도록 한다. 이와 같은 유출관체가 터빈 하우징(11)의 전면 중앙부에 접속될 수 있도록 터빈 하우징(11)은 도 1에서와 같이 전면 중앙부 둘레에 볼트공(15)이 형성된 유출관체 결합단(14)이 형성된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈 하우징(11)은 배기가스 유동채널(114)과 냉각수 유동채널(117)을 가진다.

배기가스 유동채널(114)은 설치공간(111)을 둘러싸면서 배기가스 입구(112)와 배기가스 출구(113)를 잇는 곡선 궤적으로 형성되는데, 이와 같은 배기가스 유동채널(114)은 설치공간(111)의 가장자리 둘레와 연통된다. 이에 따라, 배기가스 입구(112)로부터 유입된 배기가스는 배기가스 유동채널(114)을 따라 유동하면서 설치공간(111)에 설치된 터빈 휠(12)의 회전이 유도하게 된다.

여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기가스 유동채널(114)은 인벌류트(involute) 곡선 형상으로 형성된다. 이와 같은 배기가스 유동채널(114)은 배기가스 출구(113)에서 배기가스 입구(112) 방향으로 인벌류트 곡선 형상을 이루는데, 이에 따라 배기가스 유동채널(114)을 통과하는 배기가스의 유동효율이 증대되어 배기가스가 배기가스 유동채널(114)을 신속하게 통과할 수 있게 되고, 이로써 고온의 배기가스와 터빈 하우징(11) 사이 열전달이 최소화되어 터빈 하우징(11)의 온도 상승이 억제될 수 있게 된다.

냉각수 유동채널(117)은 배기가스 유동채널(114)과 함께 터빈 하우징(11)의 내부에 형성되는 것으로, 터빈 하우징(11)에 서로 이격되게 형성되는 냉각수 입구(115)와 냉각수 출구(116)를 잇는 곡선 궤적으로 형성된다. 이와 같은 냉각수 유동채널(117)은 도 2에서와 같이 배기가스 유동채널(114)을 둘러싸면서 배기가스 유동채널(114) 외측에 형성된다.

여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기가스 유동채널(114)은 도 3에서와 같이 배기가스 유동채널(114)을 '∩'형 단면 형상으로 둘러싸면서 형성된다.

상기와 같이 냉각수 유동채널(117)은 배기가스 유동채널(114)의 외측에서 배기가스 유동채널(114)을 둘러싸면서 형성되는 한편, 배기가스 유동채널(114)을 '∩'형 단면 형상으로 둘러싸면서 형성됨에 따라, 배기가스 유동채널(114)의 외측 방향의 열전도가 억제되면서 터빈(10)의 가열이 방지되고, 이로써 컴프레셔(20)로의 열전도도 억제되어 터보 과급기(1)의 냉각 효율이 증대될 수 있게 된다.

한편, 냉각수 입구(115)는 터빈 하우징(11)의 전면의 가장자리 둘레에 형성된다. 여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 과급기(1)의 수냉식 터빈(10)은 냉각수 입구(115a)가 터빈 하우징(11)의 전면 하부, 배기가스 입구(112)의 반대측에 위치되도록 하고, 냉각수 출구(116a)는 터빈 하우징(11)의 측방향 외주면 둘레, 배기가스 입구측 하부에 형성되도록 한다.

여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 과급기의 수냉식 터빈(10)은 다수개의 냉각수 입구(115a)(115b)(115c)(115d)가 터빈 하우징(11)의 전면 가장자리 둘레를 따라 서로 이격되게 형성되도록 하는 한편, 다수개의 냉각수 출구(116a)(116b)(116c)가 터빈 하우징(11)의 측방향 외주면 둘레를 따라 서로 이격되게 형성되도록 한다. 이로써 터보 과급기(1)의 설계조건이나 설치조건에 따라 다수개의 냉각수 입구(115a)(115b)(115c)(115d)와 다수개의 냉각수 출구(116a)(116b)(116c) 중에서 하나씩을 선택하여 터빈 하우징(11)으로의 냉각수 유출입을 수행하는 냉각수 유동관체를 접속시킬 수 있게 된다.

그리고, 냉각수 유동관체가 접속되지 않은 냉각수 입구(115b)(115c)(115d)와 냉각수 출구(116b)(116c)는 밀폐용 마개(13)가 끼워지면서 폐쇄되게 된다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

1 : 터보 과급기 10 : 터빈
11 : 터빈 하우징 111 : 설치공간
112 : 배기가스 입구 113 : 배기가스 출구
114 : 배기가스 유동채널
115, 115a, 115b, 115c, 115d : 냉각수 입구
116, 116a, 116b, 116c, 116d : 냉각수 출구
117 : 냉각수 유동채널 12 : 터빈 휠
13 : 밀폐용 마개 14 : 유출관체 결합단
15 : 볼트공 20 : 컴프레셔
30 : 회전축

Claims (6)

1. 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 전달받게 되고, 컴프레셔(20)와 연결되어 상기 컴프레셔(20)를 구동시키게 되는 엔진의 터보 과급기의 터빈에 있어서,
   내부 중앙부에 설치공간(111)을 형성하고, 상기 설치공간(111)과 연통되는 배기가스 입구(112)가 일측에 형성되며, 상기 설치공간(111)과 연통되는 배기가스 출구(113)가 전면 중앙부에 형성되는 터빈 하우징(11) 및;
   상기 터빈 하우징(11)의 설치공간(111)에 설치되는 터빈 휠(12)을 포함하되,
   상기 설치공간(111)을 둘러싸면서 상기 배기가스 입구(112)와 배기가스 출구(113)를 잇는 곡선 궤적으로 형성되고, 상기 설치공간(111) 둘레와 연통되어 상기 배기가스 입구(112)로부터 유입되는 배기가스에 의해 상기 설치공간(111)에 설치된 터빈 휠(12)의 회전이 유도되도록 하는 배기가스 유동채널(114)과;
   상기 터빈 하우징(11)에 서로 이격되게 형성되는 냉각수 입구(115)와 냉각수 출구(116)를 잇는 곡선 궤적으로 형성되고, 상기 배기가스 유동채널(114)을 둘러싸면서 상기 배기가스 유동채널(114) 외측에 형성되는 냉각수 유동채널(117)이 상기 터빈 하우징(11)의 내부에 형성되되,
   상기 냉각수 입구(115)는 상기 터빈 하우징(11)의 전면 가장자리 둘레의 하부에 형성되되 상기 배기가스 입구(112) 반대측에 위치되고,
   상기 냉각수 출구(116)는 상기 터빈 하우징(11)의 측방향 외주면 둘레에 상기 배기가스 입구(112) 측 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 과급기의 수냉식 터빈.
2. 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 전달받게 되고, 컴프레셔(20)와 연결되어 상기 컴프레셔(20)를 구동시키게 되는 엔진의 터보 과급기의 터빈에 있어서,
   내부 중앙부에 설치공간(111)을 형성하고, 상기 설치공간(111)과 연통되는 배기가스 입구(112)가 일측에 형성되며, 상기 설치공간(111)과 연통되는 배기가스 출구(113)가 전면 중앙부에 형성되는 터빈 하우징(11) 및;
   상기 터빈 하우징(11)의 설치공간(111)에 설치되는 터빈 휠(12)을 포함하되,
   상기 설치공간(111)을 둘러싸면서 상기 배기가스 입구(112)와 배기가스 출구(113)를 잇는 곡선 궤적으로 형성되고, 상기 설치공간(111) 둘레와 연통되어 상기 배기가스 입구(112)로부터 유입되는 배기가스에 의해 상기 설치공간(111)에 설치된 터빈 휠(12)의 회전이 유도되도록 하는 배기가스 유동채널(114)과;
   상기 터빈 하우징(11)에 서로 이격되게 형성되는 냉각수 입구(115)와 냉각수 출구(116)를 잇는 곡선 궤적으로 형성되고, 상기 배기가스 유동채널(114)을 둘러싸면서 상기 배기가스 유동채널(114) 외측에 형성되는 냉각수 유동채널(117)이 상기 터빈 하우징(11)의 내부에 형성되되,
   상기 냉각수 입구(115)와 냉각수 출구(116)는 각각 다수개가 형성되도록 하여 상기 터빈 하우징(11)으로의 냉각수 유출입을 수행하는 냉각수 유동관체가 다수개의 상기 냉각수 입구(115) 중에서 선택된 어느 하나와 다수개의 상기 냉각수 출구(116) 중에서 선택된 어느 하나와 각각 접속될 수 있도록 하고,
   상기 냉각수 유동관체가 접속되지 않은 냉각수 입구(115)와 냉각수 출구(116)는 밀폐용 마개(13)에 의해 폐쇄되도록 하는 것을 특징으로 하는 터보 과급기의 수냉식 터빈.
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