KR20200067767A - 터보차저, 터보차저 어셈블리 제조 방법 및 그 용도 - Google Patents

터보차저, 터보차저 어셈블리 제조 방법 및 그 용도 Download PDF

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KR20200067767A
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슈테판 슈퇴르
루츠 아우라스
슈테판 로스트
슈테판 바이하르트
산티아고 울렌브로크
세바스티안 스펭글러
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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

터보차저는 제1 매체를 팽창시키는 터빈, 및 제1 매체의 팽창 중에 상기 터빈에서 추출되는 에너지를 이용하여 제2 매체를 압축하는 압축기를 포함하고, 터빈의 터빈 하우징(41)과 압축기의 압축기 하우징(31, 61, 71)은 각각 그 사이에 배치된 베어링 하우징(25)에 연결되고, 터빈 하우징(41) 및/또는 압축기 하우징(31, 61, 71) 및/또는 베어링 하우징(25)은 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 고정자 측 어셈블리를 형성하거나 및/또는 고정자 측 어셈블리(10, 20, 50)를 수용하며, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 각각의 고정자 측 어셈블리(10, 20, 31, 41, 50, 61, 71)는 제너레이티브 제조법에 의해 제조된다.

Description

터보차저, 터보차저 어셈블리 제조 방법 및 그 용도{TURBOCHARGER, METHOD FOR PRODUCING AN ASSEMBLY OF A TURBOCHARGER AND USE}
본 발명은 터보차저에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 터보차저의 어셈블리를 제조하는 방법, 어셈블리 및 방법의 용도에 관한 것이다.
터보차저의 기본 구성은 여기에서 다루는 분야의 당업자에게 알려져 있다. 터보차저는 제1 매체가 팽창되는 터빈을 포함한다. 또한, 터보차저는 제2 매체가 압축되는 압축기, 즉 제1 매체의 팽창 중에 터빈에서 추출된 에너지를 이용하는 압축기를 포함한다. 터보차저의 터빈은 터빈 하우징 및 터빈 로터를 포함한다. 터보차저의 압축기는 압축기 하우징 및 압축기 로터를 포함한다. 터빈의 터빈 하우징과 압축기의 압축기 하우징 사이에는 베어링 하우징이 위치되며, 베어링 하우징은 한편으로는 터빈 하우징에 연결되고 다른 한편으로는 압축기 하우징에 연결된다. 베어링 하우징에는, 터빈 로터를 압축기 로터에 결합하는 샤프트가 장착된다.
터보차저의 고정자 측 어셈블리는 현재까지 주조 부품으로 구현되었다. 특히, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 구조체가 이러한 부품에 도입될 때, 해당 구조체는 주조에 의해 형성된 블랭크 내로 기계 가공되어 도입되거나 또는 주조 중에도 블랭크 내의 적절한 코어에 의해 도입되어야 한다. 이에 따라, 도입되는 구조체는 제조성 측면에서 엄격한 제한을 받는다.
이로부터 시작하여, 본 발명은 새로운 유형의 터보차저, 터보차저의 어셈블리를 생성하는 방법, 및 어셈블리 및 방법의 적절한 용도를 제공한다는 목적을 기초로 한다.
이 목적은 청구항 1에 따른 터보차저를 통해 해결된다. 본 발명에 따르면, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 각각의 고정자 측 어셈블리는 제너레이티브 제조법(generative manufacturing method), 바람직하게는 3D 프린팅에 에 의해 제조된다. 본 명세서에서 제공되는 본 발명에 따르면, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 터보차저의 고정자 측 어셈블리를 제너레이티브 제조법에 의해, 바람직하게는 3D-프린팅에 의해 제조하는 것을 먼저 제안한다. 이에 의해, 주조 중에 통상적인 것과 같이 제조될 부품에 대한 제조 방법에 관련된 기하학적 제한은 더 이상 적용되지 않는다. 터보차저의 고정자 측 어셈블리를 제조하는 데에 제너레이티브 제조법을 이용함으로써, 특히 매체 통로, 특정 지지 구조체 및/또는 중공 공간이 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉에 특히 적합한 다공성 또는 허니콤 구조로 제조될 수 있다.
터보차저의 고정자 측 어셈블리를 제조하는 방법은 청구항 6에 정의되어 있다. 제너레이티브 제조법에 의해 제조된 어셈블리의 용도는 청구항 8에 정의되어 있고, 어셈블리를 제조하는 데에 있어서의 제너레이티브 제조법의 용도는 청구항 9에 정의되어 있다.
본 발명의 바람직한 추가의 개선점은 종속 청구항 및 이하의 설명으로부터 얻어진다. 본 발명의 예시적인 실시예는 제한되지 않고 도면에 의해 더 상세히 설명된다. 도면에서:
도 1은 터보차저의 제1 고정자 측 어셈블리를 통한 개략적인 단면도이고;
도 2는 터보차저의 제2 고정자 측 어셈블리를 통한 개략적인 단면도이고;
도 3은 터보차저의 제3 고정자 측 어셈블리를 통한 개략적인 단면도이고;
도 4는 터보차저의 제4 고정자 측 어셈블리를 통한 개략적인 단면도이고;
도 5는 터보차저의 제5 고정자 측 어셈블리를 통한 개략적인 단면도이고;
도 6은 터보차저의 제6 고정자 측 어셈블리를 통한 개략적인 단면도이고;
도 7은 터보차저의 추가의 고정자 측 어셈블리를 통한 개략적인 단면도이다.
터보차저의 기본 구성은 여기에서 다루는 업계의 당업자에게 알려져 있다. 따라서, 터보차저는 제1 매체를 팽창시키기 위한 터빈 및 제1 매체의 팽창 중에 터빈에서 추출된 에너지를 이용하여 제2 매체를 압축하기 위한 압축기를 포함한다. 터빈에서 팽창될 제1 매체는 배기 가스이고 압축기에서 압축될 제2 매체는 내연 기관의 흡입 공기이다.
터빈은 터빈 고정자와 터빈 로터를 포함한다. 터빈 고정자는 터빈의 다른 고정자 측 어셈블리를 수용할 수 있는 터빈 하우징을 포함한다. 압축기는 압축기 고정자 및 압축기 로터를 포함한다. 압축기 고정자는 압축기의 다른 고정자 측 어셈블리를 수용할 수 있는 압축기 하우징을 포함한다.
터빈 임펠러로도 지칭되는 터빈 로터는 샤프트에 의해 압축기 임펠러로도 지칭되는 압축기 로터에 연결되며, 샤프트는 터보차저의 추가의 고정자 측 부품, 즉 베어링 하우징 내에 설치된다. 베어링 하우징은 터빈 하우징과 압축기 하우징 사이에 위치되고, 터빈 하우징과 압축기 하우징 모두에 연결된다.
열전도 및/또는 윤활 및/또는 밀봉을 위해, 터보차저는 고정자 측 어셈블리를 포함한다. 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 위해 제공되는 이러한 고정자 측 어셈블리는 예컨대, 터빈 하우징 및/또는 압축기 하우징 및/또는 베어링 하우징의 일체형 부분이거나, 또는 터빈 하우징 또는 압축기 하우징 또는 베어링 하우징에 별도의 어셈블리로서 수용될 수 있다. 이러한 고정자 측 어셈블리는 예를 들어, 베어링 바디, 베어링 부시, 밀봉 공기 안내용 어셈블리 등을 포함한다.
본 발명에 따르면, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 각각의 고정자 측 어셈블리를 제너레이티브 제조법, 특히 3D-프린팅에 의해 제조하는 것을 제안한다.
따라서, 본 명세서에서 제공되는 본 발명에 따르면, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 적어도 하나의 고정자 측 어셈블리를 갖는 터보차저를 제안하는데, 그 고정자 측 어셈블리는 터보차저의 터빈 하우징 및/또는 압축기 하우징 및/또는 베어링 하우징의 일체형 부분이거나 별개의 어셈블리로서 형성되어 터빈 하우징 및/또는 압축기 하우징 및/또는 베어링 하우징에 의해 수용되며, 상기 고정자 측 어셈블리는 제너레이티브 제조법, 바람직하게는 3D-프린팅에 의해 제조된다.
또한, 본 발명은, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 터보차저의 고정자 측 어셈블리를 제너레이티브 제조법, 특히 3D-프린팅에 의해 제조하는 방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 터보차저의 고정자 측 어셈블리로서 제너레이티브 제조법, 특히 3D-프린팅에 의해 제조되는 어셈블리를 제안한다.
마지막으로, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 터보차저의 고정자 측 어셈블리를 제조하는 데에 제너레이티브 제조법, 특히 3D-프린팅을 이용하는 것을 제안한다.
도 1은 어셈블리(10)가 베어링 바디인 경우, 본 발명에 따른 터보차저의 어셈블리(10)를 통한 개략적인 단면도를 예시한다. 이 베어링 바디(10)는 바람직하게는 터보차저의 베어링 하우징에 수용된다.
도 1에 예시된 베어링 바디(10)는 바람직하게는 터보차저의 베어링 하우징에 의해 수용되는 별개의 어셈블리로서 형성되며, 도시한 예시적인 실시예에서, 터보차저의 샤프트를 장착하기 위해 한편으로 레이디얼 베어링(11)과 다른 한편으로 엑시얼 베어링(12)을 구비한다. 제너레이티브 제조법에 의해 제조된 베어링 바디(10)에는 도시 생략한 샤프트의 윤활 및 필요한 경우 냉각을 제공하는 오일의 매체 전달을 제공하는 오일 통로(13) 및 오일 저장 공간(14)이 도입된다. 이러한 베어링 바디(10)는 특히 유리하게는 3D-프린팅에 의해 제조될 수 있다.
도 2는 터보차저의 추가의 고정자 측 부품(20)을 통한 2개의 단면도를 예시하며, 상기 부품(20)은 밀봉 공기 통로(21)가 도입되는 어셈블리이다. 밀봉 공기 통로(21)들은 축방향 및 둘레방향 모두에서 서로에 대해 오프셋되어 있으며, 여기서 고정자 측 어셈블리(20)의 밀봉 공기 통로(21)에 의해 샤프트(23)의 샤프트 밀봉부(22)의 방향으로 밀봉 공기가 안내될 수 있다. 이 샤프트(23)는 터빈 임펠러(24)에 연결된다. 이러한 부품(20)은 압축기 영역에서 밀봉 공기 안내를 위해 사용될 수도 있다. 부품(20)은 바람직하게는 베어링 하우징에 수용되거나 베어링 하우징(25)의 일체형 부분일 수도 있다.
도 3은 압축기 임펠러(30)와, 이 압축기 임펠러(30)에 인접하고 압축기 하우징의 일체형 부분인 고정자 측 어셈블리(31)의 영역에서의 터보차저로부터 취한 부분을 도시한다. 어셈블리(31)에는 압축기 로터(30)를 냉각하기 위한 중공 공간(32)을 통해 특히 냉각 매체를 안내시키기 위해 매체 안내를 위해 제공될 수 있는 중공 구조체, 즉 중공 공간(32)이 도입된다. 여기서, 중공 공간(32)을 통해서는 공기 또는 오일을 안내하는 것이 가능하다. 여기서, 중공 공간(32)은 주변에 대한 연결 보어를 구비하지 않거나 대안적으로는 연결 보어를 구비한 채 구현될 수 있다.
도 4는 터빈 영역, 즉 터빈 임펠러(40) 및 인접한 터빈 하우징(41)의 영역에서 본 발명에 따른 터보차저로부터 취한 부분을 도시한다. 고정자 측 터빈 하우징(41)에는 냉각, 여기서는 터빈 로터(40)의 냉각을 위해 제공되는 중공 공간(42)이 도입된다. 상기 중공 공간(42)은, 도 3의 예시적인 실시예와 유사하게, 터보 로터(40)의 냉각을 위해 매체 안내, 특히 공기 또는 오일의 안내를 위해 제공될 수 있다. 여기서, 중공 공간(42)은 마찬가지로 주변에 대한 연결 보어를 구비하거나 연결 보어를 구비하지 않은 채 구현될 수 있다.
도 5는 터보차저의 추가의 고정자 측 부품(50)을 통한 개략적인 단면도를 예시하며, 여기서 부품(50)은 베어링 부시이다. 이 베어링 부시(50)에는, 특히 장착될 샤프트의 구동면 방향으로 오일을 안내하기 위해 매체 안내 통로(51)가 도입된다. 따라서, 상기 부품(50)은 터보차저의 샤프트의 장착 및 윤활, 그리고 필요한 경우 냉각을 위해 제공되지만, 그 부품(50) 자체가 고정자 측 어셈블리이다. 베어링 부시는 바람직하게는 터보차저의 베어링 하우징 내에 수용된다.
도 6에서는 본 발명에 따른 터보차저로부터 취한 다른 부분을 도시하는 데, 즉 도 3과 유사하게, 압축기 하우징(61)과 결합된 압축기 임펠러(60)로부터 취한 부분을 도시한다. 압축기 하우징(61)에는 중공 공간(62), 즉 특정 기공부(63)를 가지는 중공 공간(62)이 역시 도입된다. 통로(64)를 통해, 이 중공 공간(32)에는 예를 들어 압축기 임펠러(60)를 냉각시키기 위해 냉각제가 공급될 수 있다.
도 7은 압축기 임펠러(70) 및 압축기 하우징(71)의 영역에서 본 발명에 따른 터보차저로부터 취한 다른 부분을 도시한다. 압축기 하우징(71)도 역시 고정자 측 어셈블리이다. 이 고정자 측 어셈블리에는 단열 효과를 제공하기 위해 2개의 획정된 구조체, 즉 압축기 임펠러(70)를 냉각하기 위한 냉각제 통로(72) 및 예를 들어 허니콤 구조체(74)를 가지는 중공 공간(73)이 도입된다. 허니콤 구조체(74)는 가스 또는 단열 재료로 채워질 수 있다.
냉각 및 단열은 모두 열전도를 제공하는 데, 즉 냉각은 냉각될 부품으로부터 열을 방출하는 한편, 단열은 열 입력으로부터 단열될 부품을 차폐한다.
본 발명은, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공되는 터보차저의 고정자 측 부품을 적층 제조법(additive manufacturing method), 바람직하게는 3D-프린팅에 의해 제조하는 것을 제안한다.
이 부품은 별도의 부품으로 구현되거나 터보차저의 압축기 하우징 또는 터빈 하우징 또는 베어링 하우징의 일체형 부분으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 매체 안내 구조체 및/또는 지지 구조체 등과 같은 구조체가 부품에 도입될 수 있는 데, 즉 주조하는 도중의 경우와 같이 기하학적 제한이 없다. 이에 의해, 최적의 윤활 및/또는 냉각 및/또는 밀봉을 보장하기 위해 복잡한 기하학적 구조체를 통해 냉각 및/또는 윤활 및/또는 밀봉용 매체를 안내하는 것이 가능하다.
본 발명에 관한 어셈블리는 금속 어셈블리이며, 이러한 금속 어셈블리의 프린팅을 위해 금속 분말이 제공되며, 이 분말은 부품을 제조하기 위해 3D-프린팅에 의해 한층씩 도포되거나 한층씩 용융된다.
10 어셈블리/베어링 바디
11 레이디얼 베어링
12 엑시얼 베어링
13 오일 통로
14 오일 저장 공간
20 어셈블리
21 밀봉 공기 통로
22 샤프트 밀봉부
23 샤프트
24 임펠러
25 베어링 하우징
30 압축기 임펠러
31 어셈블리/압축기 하우징
32 중공 공간
40 터빈 임펠러
41 어셈블리/터빈 하우징
42 중공 공간
50 어셈블리/베어링 부시
51 오일 통로
60 압축기 임펠러
61 어셈블리/압축기 하우징
62 중공 공간
63 기공부
64 통로
70 압축기 임펠러
71 어셈블리/압축기 하우징
72 냉각 통로
73 중공 공간
74 허니콤 구조체

Claims (9)

  1. 터보차저로서:
    제1 매체를 팽창시키는 터빈; 및
    상기 제1 매체의 팽창 중에 상기 터빈에서 추출되는 에너지를 이용하여 제2 매체를 압축하는 압축기
    를 포함하고,
    상기 터빈의 터빈 하우징(41)과 상기 압축기의 압축기 하우징(31, 61, 71)은 각각 그 사이에 배치된 베어링 하우징(25)에 연결되고,
    상기 터빈 하우징(41) 및/또는 상기 압축기 하우징(31, 61, 71) 및/또는 상기 베어링 하우징(25)은 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 고정자 측 어셈블리를 형성하거나 및/또는 고정자 측 어셈블리(10, 20, 50)를 수용하며,
    윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 각각의 고정자 측 어셈블리(10, 20, 31, 41, 50, 61, 71)는 제너레이티브 제조법(generative manufacturing method)에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  2. 제1항에 있어서, 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 각각의 고정자 측 어셈블리(10, 20, 31, 41, 50, 61, 71)는 3D-프린팅으로 제조되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 고정자 측 어셈블리(10, 50)는 오일 전달 통로(13, 51)를 가지는 베어링 바디인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 고정자 측 어셈블리(20)는 샤프트 밀봉부의 방향으로 밀봉 공기를 전달하는 밀봉 공기 통로(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 고정자 측 어셈블리(31, 41, 61, 71)는 상기 터빈의 터빈 임펠러(40) 또는 상기 압축기의 압축기 임펠러(33, 60, 70)의 열전달을 위해 중공 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  6. 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 터보 차저의 고정자 측 어셈블리(10, 20, 31, 41, 50, 61, 71)를 제조하는 방법으로서:
    제너레이티브 제조법에 의해 상기 고정자 측 어셈블리(10, 20, 31, 41, 50, 61, 71)를 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고정자 측 어셈블리(10, 20, 31, 41, 50, 61, 71)는 3D-프린팅에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 터보차저의 고정자 측 어셈블리(10, 20, 31, 41, 50, 61, 71)로서의 제너레이티브 제조법, 특히 3D-프린팅에 의해 제조되는 어셈블리의 용도.
  9. 윤활 및/또는 열전도 및/또는 밀봉을 제공하는 터보차저의 고정자 측 어셈블리를 제조하는 데에 있어서의 제너레이티브 제조법, 특히 3D-프린팅의 용도.
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