KR100721418B1 - 연료 펌프용 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서, 양측면의 외측 둘레부의 원주 방향을 따라 형성된 다수 개의 블레이드가 양면으로 관통 형성되어 있고, 이들 블레이드 사이에 인접하여 블레이드 홈이 형성된 임펠러의 구조를 개선한 임펠러가 개시된다. 이 임펠러에 있어서, 상기 블레이드는 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 각도를 두고 기울어져 형성되며, 상기 블레이드 홈은 반경 방향 내측에 유체가 유입되는 유입 영역과 반경 방향 외측에 유체가 유출되는 유출 영역으로 이루어지고, 상기 블레이드 홈의 개구부는, 상기 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면 및 전면을 형성하여 상기 유입 영역을 구성하는 유입 영역 부위(a, c)가 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제1 각도(θ)을 유지하는 직선 형태를 이루고, 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면 및 전면을 형성하는 유출 영역 부위(b, d)가 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제2 각도(α)를 유지하는 직선 형태를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 펌프용 임펠러{IMPELLER FOR FUEL PUMP}

도 1은 임펠러가 장착된 연료 펌프의 개략적인 단면도이다.

도 2 및 도 3은 종래 임펠러 구조의 첫 번째 예를 나타내는 개략도이다.

도 4은 종래 임펠러 구조의 두 번째 예를 나타내는 단면도이다.

도 5은 종래 임펠러 구조의 세 번째 예를 나타내는 단면도이다.

도 6 내지 도 9는 종래 임펠러 구조의 네 번째 예를 나타내는 단면도 및 사시도이다.

도 10 및 도 11은 종래 임펠러 구조의 다섯 번째 예를 나타내는 사시도 및 단면도이다.

도 12은 대표적인 종래 임펠러 구조를 나타내는 사시도이다.

도 13은 대표적인 종래 임펠러 구조에서의 유체의 유입속도 및 유출속도 분포를 보여주는 도면이다.

도 14는 도 13의 A-A 단면에서 보았을 때의 유체의 유입 흐름을 보여주는 도면이다.

도 15는 펌프에서 생기는 누설 형태를 도식적으로 보여주는 단면도이다.

도 16은 일반적인 임펠러에 있어서 연마 가공 부위를 보이는 단면도이다.

도 17은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러의 사시도이다.

도 18은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러의 평면도이다.

도 19은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러에서 개구부의 확대된 형상을 보여주는 평면도이다.

도 20은 개구부의 형상에 따른 펌프 효율의 변화를 보여주는 도면이다.

도 21은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러의 블레이드의 단면 형상을 보여주는 도면이다.

도 22은 대표적인 종래 임펠러 구조에서 블레이드 각도에 따른 펌프 효율의 변화를 보여주는 도면이다.

도 23은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러 구조에서 블레이드 각도에 따른 펌프 효율의 변화를 보여주는 도면이다.

도 24는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러 블레이드 선단부와 임펠러 평면과의 단차를 나타내는 단면도이다.

도 25는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러 구조에서의 유체의 유입 속도 및 유출 속도 분포를 보여주는 도면이다.

도 26은 도 25의 B-B 단면에서 보았을 때의 유체의 흐름을 보여주는 도면이다.

도 27은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러 구조에서의 펌프 효율과 대표적인 종래의 임펠러 구조에서의 펌프 효율을 비교하여 보여주는 도면이다.

본 발명은 연료 펌프용 임펠러에 관한 것으로서, 특히 임펠러 구조의 형상을개선하여 유체 유동에 미치는 저항 및 손실을 최소화하여, 유체의 압송 효율을 극대화할 수 있는 신규 구조의 연료 펌프용 임펠러에 관한 것이다.

자동차와 같은 차량에 있어서, 연료 탱크 내의 연료를 연료 분사 장치에 압송하기 위해 터빈식 연료 펌프가 통상적으로 사용된다. 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같이, 연료 펌프는, 상부 및 하우 하우징으로 이루어지는 펌프 하우징(1-2)과, 상기 펌프 하우징 내부에 회전 가능하게 수납되어 있는 디스크 형태의 임펠러(1-1)와 이 임펠러를 구동축으로 연결되어 회전력을 전달하기 위한 구동 모터(1-3)를 포함하며, 상기 임펠러는 그 외측 둘레부의 원주 방향을 따라 형성되는 다수 개의 블레이드와 이들 블레이드 사이에 인접하여 형성되는 블레이드 홈을 포함한다.

이하에서는 도면을 참조하여, 상기 임펠러와 관련한 종래 기술을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 다수 개의 블레이드 홈(2-5)이 임펠러의 상하부 양측면에 형성한 임펠러가 도시되어 있다. 이러한 임펠러에 있어서, 임펠러가 회전함에 따라, 블레이드 홈(2-5)의 유체 유입부(2-2)로 들어온 유체가 임펠러의 운동 에너지에 의해 가속되어 유체 유출부(2-3)로 유출되는 선회류(2-1)가 생긴다. 유출된 유체는 펌프 벽면(2-4)에 부딪히면서 가압되는 동시에 순환 유동이 발생하여 다시 임펠러의 다른 블레이드 홈의 유체 유입부로 유입되는 과정을 반복하여, 유체 속도 및 압력이 증가하게 된다. 이러한 임펠러의 구조와 관련하여, 도 3에 도시한 바와 같이, 블레이드 홈의 격벽(3-1) 양측에서 배출되는 유체(3-2)의 흐름 사이에 정체부(둥근 원으로 표시한 부분)가 생기게 된다. 그 결과, 순환류의 유동 비율이 감소하여, 유량이 감소하는 문제가 있다.

상기 임펠러와 관련하여, 도 4에 도시한 임펠러의 경우, 격벽(4-1)의 외주면은 블레이드의 외주면보다 짧게 하여, 격벽 단부(4-2)의 폭을 작게 구성하고 있다. 따라서, 격벽 양쪽의 블레이드 홈은 상기 격벽 단부(4-2)의 바깥쪽에 형성된 통로를 통해 서로 소통하게 된다. 이와 같이, 격격의 길이를 줄임으로써, 도 2와 관련하여 설명한 문제, 즉 유체의 정체 구역을 제거하는 효과를 달성하고 있다. 그러나, 블레이드 홈에서 배출된 연료는 펌프 유로의 소통 부위(4-3)에 부딪혀 양쪽 직각 방향으로 흐르게 되고, 이로 인해 선회류 성분의 손실 및 연료의 유속이 감소하여, 연료 펌프의 효율 상승에 한계로 작용하는 문제점이 야기된다.

상기 문제점과 관련하여, 도 5에 도시한 임펠러의 경우, 격벽(5-1)의 폭이 임펠러 외주쪽으로 갈수록 점점 커지고, 임펠러의 최외각은 환형 부분으로 둘러싸여 있다. 펌프 하우징에는 역시 C자 형태의 유로가 있어, 블레이드 홈과 소통하게 된다. 즉, 도 5에 도시한 임펠러는 임펠러의 외주를 둘러싸는 환형 부위를 형성하여, 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하고 있다. 그러나, 격벽은 임펠러 외주로 갈수록 그 폭이 넓어지나 충분치 않으며, 연료의 맥동을 방지하는 것과 유량비를 증가시키는 것에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않다. 또한, 블레이드 홈의 축방향 길이가 짧아, 많은 양의 연료를 순환시키기 힘든 구조로 되어 있다.

도 6 내지 도 9에는 또 다른 종래의 임펠러 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 임펠러의 블레이드 홈 사이에서의 소통은 별로의 통로를 통해 이루어지거나 임펠러 자체에 형성된 구조를 통해 이루어질 수 있다. 도 6에 도시한 예에 있어서는, 임펠러 자체에 형성된 연통구멍(6-1)을 통해 블레이드 홈 사이의 연통이 이루어진다.

상기 연통 구멍은 연료 펌프가 흡입구에서는 양쪽 펌프 유로에 연료를 분배하는 역할을 하게 되고, 토출구에서는 토출구 반대쪽 블레이드 홈의 연료가 토출될 수 있도록 하는 통로 역할을 하게 된다 블레이드 홈의 형상 및 크기는 압력 상승이 최적으로 이루어지도록 정해져야 하며, 이때 연통 구멍(6-1)도 고려되어야 한다.

펌프 유로(pump channel)를 따라 흐르는 연료의 원주 방향 속도는 임펠러의 회전 속도에 비해 작기 때문에, 반경 방향 안쪽으로 들어가는 연료는 블레이드 홈의 뒷부분(9-1)을 향한다. 이때, 블레이드 홈의 아래 면과 블레이드의 벽면이 만나는 부위가 직각이기 때문에, 여기서의 유체 저항에 의해 연료의 나선 흐름의 원주 방향 속도가 줄어들게 되고, 펌프의 효율은 만족스럽지 못하게 나타나게 된다.

또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 블레이드 홈의 모서리(9-2)가 직선형이며, 반경 방향의 모서리(9-3, 9-4)와 직각으로 만나기 때문에, 블레이드 홈에서 배출되는 연료의 나선형 흐름의 원주 방향 속도가 감소하고, 블레이드 홈으로 유입되는 연료의 흐름이 완만한 형태를 이루지 못하게 되고, 이로 인해 펌프의 효율이 감소한다.

도 10 및 도 11에는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 또 다른 임펠러가 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 임펠러는 그 블레이드 홈이 반경 방향 단면에서 보았을 때, 곡선 형상을 하고 있으며, 블레이드 홈의 아래 면과 블레이드의 벽면이 만나는 부위 역시 원주 방향 단면도에서 보았을 때 곡선 형상이다. 또한, 블레이드 홈의 각각의 모서리들이 만나는 부분들의 원호 형상을 하고 있다.

도 11을 통해 보다 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 블레이드 홈은 원주 방향 단면도에서 보았을 때 임펠러의 회전 방향으로 보아 앞쪽이 기울어져 있고, 블레이드 홈의 개구부는 반경 방향에 대해 기울어져 형성되어 있다. 이러한 형상으로 인하여, 블레이드 홈의 유체 저항이 줄어들게 되어 연료가 부드럽게 흐르게 되며, 순환류에 원주 방향 속도 벡터가 얻어져 펌프 효율이 상승한다.

도 12에 또 다른 종래의 대표적인 임펠러의 구조가 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 임펠러의 원주 방향 단면에서 보았을 때, 날개의 앞면과 뒷면 모두 임펠러의 회전 방향에 대해서 기울어져 있는 형상이 선회류의 생성과 유속 증대에 효율적이라는 것이 알려져 있다.

그러나, 전술한 종래 기술에서 시도되었던 임펠러들은 블레이드 홈 내부에서의 유체 거동에 대한 미시적 거동과 관련한 고찰이 부족한 구조를 갖고 있어, 펌프 효율의 상승에는 한계가 있다.

특히, 도 12에 도시한 종래의 임펠러에서의 유체의 유입 속도 및 유출 속도의 분포를 나타내고 있는 도 13을 참조하면, 임펠러의 블레이드 홈(13-1)과 펌프 하우징의 유로 홈(13-2)의 경계면에서의 Z 방향의 속도 성분이 도시되어 있다. 이상적으로는, 임펠러의 개구부(13-3)에서 있어서, 유체 유입부에 해당하는 부위와 유출부에 해당하는 부위의 면적과 속도의 벡터 곱이 동등해야 하고, 그 값이 클수록 연료 펌프의 성능이 향상된다. 따라서, 유입부의 측면에서 보면 유입되는 면적이 유출부에 비해 극단적으로 크거나 작지 않아야 하며, 유체의 유입 속도도 전체 유입부에 걸쳐 균일하고 그 속도가 클수록 강한 선회류가 형성되고 전달되는 유량도 증가하게 된다.

그러나, 종래의 임펠러 구조에서의 유체의 유입 속도의 분포를 보면, 유입의 한 지점에서의 유입 속도가 극대로 나타난다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 언급한 이상적인 상황과는 전혀 상이한 모습을 보이고 있고, 펌프의 효율에 좋지 않을 영향을 미친다는 것을 쉽게 유추할 수 있다.

또한, 도 12에 도시한 임펠러의 원주 방향 단면을 나타내고 있는 도 14를 참조하면, 임펠러의 블레이드 홈의 유체의 유입 부분에서 유입되는 유체의 속도 벡터가 도시되어 있다. 날개의 기울어진 각도에 따라 유체가 부드럽게 유입되어야 펌프의 성능 향상에 이상적이라 할 수 있으나, 임펠러의 표면에 형성되어 있는 블레이드의 두께 부분에 충돌한 유체(14-1)가 블레이드 홈 내부로 유입하려고 하는 유체를 방해하는 방향으로 흐름이 형성되고 있다. 회전하는 임펠러의 블레이드 형상에 있어서, 유체가 부드럽게 유입될 수 있는 블레이드의 각도에 대해서는 그 동안 연구가 활발히 이루어져 왔고, 또 나름대로의 성과도 있었지만, 이들은 주로 날개의 살두께 부분에 의해 형성되는 유체의 유입에 방행되는 유체의 흐름 성분을 고려하지 않은 상태에서 이루어진 것들이다.

따라서, 유체의 유입에 이상적인 임펠러 블레이드 홈의 개구부의 형상 및 블레이드의 각도가 설정된 경우에도, 상기 언급한 임펠러의 블레이드의 두께 부분에 의한 유체의 유입에 방해되는 성분을 고려하지 않으면 그 성능을 제대로 발휘할 수 없다는 문제점이 있다.

이상에서 언급한 임펠러의 구조에 있어서, 도 13 및 도 14에 구체적으로 도시한 유입 속도의 분포는 임펠러의 회전 속도와 블레이드의 각도, 블레이드 홈의 개구부의 형상, 블레이드의 형상과 밀접한 관련이 있다는 것을 알 수 있다.

그러나, 임펠러의 회전 속도는 차량에서 요구되는 유체의 압력과 유량에 따라서 변동되는 값으로서, 연료 펌프 자체에서 적절한 값으로 구정하는 것을 어렵다. 또한, 임펠러의 블레이드 각도 역시 금형의 제작성과 관련이 있는 것으로서, 블레이드 각도가 좁아질수록 금형 제작이 어려워지므로, 제작상 한계가 있다.

한편, 연료 펌프의 성능을 나타내는 또 다른 중요한 요소는 누설에 의한 효율의 감소이다. 연료 펌프에서의 누설은 도 15에 도시한 바와 같이, 임펠러의 축방향으로 형성되는 임펠러의 평면부(15-3)와 펌프 하우징의 평면부(15-4) 사이의 틈에서 발생하는 누설(15-1)과, 임펠러의 반경 방향으로 형성되는 임펠러의 외주면(15-5)과 펌프 하우징의 내주면(15-6) 사이의 틈에서 발생하는 누설(15-2)이 있다.

임펠러의 블레이드 홈이 임펠러의 외주면(15-5)과 펌프 하우징의 내주면(15-6) 사이의 틈과 분리되어 있는 형태의 임펠러에 있어서는, 임펠러의 평면부(15-5)와 펌프 하우징의 평면부(15-4) 사이의 틈에서 발생하는 누설이 펌프 효율에 대해 보다 지배적으로 작용한다.

따라서, 임펠러의 축방향으로 형성되는 임펠러의 평면부(15-3)와 펌프 하우징의 평면부(15-4) 사이의 틈에서 발생하는 누설(15-1)을 줄이는 것이 펌프 성능 향상의 중요한 기술적 핵심 사항으로서, 일반적으로 10~30㎛ 수준의 틈새 관리가 요망되고 있다.

그러나, 이러한 요구 수준은 플라스틱 사출 혹은 알루미늄 다이캐스팅으로 이루어지는 자동차용 연료 펌프의 재료 및 생산 공법만으로는 달성이 불가능한 수준이다. 따라서, 일반적으로 사출 후에 누설에 관련된 평면을 추가로 연마 가공 등을 통해 상기 관리 치수를 달성하고 있다. 임펠러도 도 16에 도시한 바와 같이, 사출성형 후에 양면을 0.1~0.2 mm 정도를 연마 가공하고 있다.

따라서, 임펠러 블레이드의 두께에 의한 저항을 감소시키기 위한 형상은 여러 가지 형태로 제안될 수 있지만, 사출 후에 연마 가공 등에 의해 그 형상에 변형이 발생하면, 의도했던 바와 전혀 다른 결과가 발생하게 되므로, 이러한 점을 고려한 형상의 제안이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 제반 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 임펠러 구조에서의 유체 유동을 분석하여 유체 유동에 대한 저항 및 손실로 작용하는 형상을 파악하여, 이를 개선할 수 있는 임펠러의 블레이드 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 실제 양산에서도 개선된 성능을 편차 없이 최대한 발휘할 수 있는 구조를 제공하여 대량 생산에도 적합한 구조를 지닐 수 있는 임펠러 구조를 제공하는 것이다.

특히, 본 발명은 유입 속도의 분포를 개선하기에 적합한 임펠러 블레이드 홈의 개구부의 형상과 블레이드 형상을 갖는 임펠러 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 신규 구조의 임펠러가 제공된다. 구체적으로, 양측면의 외측 둘레부의 원주 방향을 따라 형성된 다수 개의 블레이드가 양면으로 관통 형성되어 있고, 이들 블레이드 사이에 인접하여 블레이드 홈이 형성된 임펠러에 있어서, 상기 블레이드는 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 각도를 두고 기울어져 형성되며, 상기 블레이드 홈은 반경 방향 내측에 유체가 유입되는 유입 영역과 반경 방향 외측에 유체가 유출되는 유출 영역으로 이루어지고, 상기 블레이드 홈의 개구부는, 상기 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면 및 전면을 형성하여 상기 유입 영역을 구성하는 유입 영역 부위(a, c)가 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제1 각도(θ)을 유지하는 직선 형태를 이루고, 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면 및 전면을 형성하는 유출 영역 부위(b, d)가 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제2 각도(α)를 유지하는 직선 형태를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 제1 각도(θ)는 5°~ 25°이고, 상기 제2 각도(α)는 0°~ 20°이고, 바람직하게는 상기 제1 각도(θ)는 10°~ 20°이고, 상기 제2 각도(α)는 5°~ 15°이며, 보다 바람직하게는, 상기 제1 각도(θ)는 15°이고, 상기 제2 각도(α)는 10°이다.

본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 블레이드 홈의 유로폭에 대한 상기 유입 영역 부위의 길이의 비가 0.35~0.95이고, 바람직하게는 0.5~0.8이며, 더욱 바람직하게는 0.65이다.

본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 블레이드의 단면은 블레이드의 끝단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상으로 이루어지고, 그 단면은 2차 함수 형태로 표현할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 블레이드의 단면은 그 중심이 블레이드의 각도 중심부에 위치하고, 단반경(W)이 블레이드의 폭 방향으로 형성되고 장반경(L)이 블레이드의 길이 방향으로 형성되는 타원 궤적을 이룬다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 블레이드의 선단부는 상기 임펠러의 한 쪽 측면에 대해 약 0.05~0.3 mm의 단차를 두고 임펠러의 두께 방향으로 짧게 형성된다.

전술한 본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조로 한 이하의 본 발명의 바람직한 실시 형태의 상세한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명에 있어서, 통상적으로 요구되는 공지의 장치 및 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 17은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 임펠러의 일부 절취 사시도이고, 도 18은 도 17에 도시한 임펠러의 평면도이며, 도 19는 도 17에 도시한 임펠러에 형성된 블레이드 홈의 개구부의 확대 평면도이다.

도 17에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 임펠러(17)는 그 외측 둘레부의 원주 방향을 따라 상하 양측면에 형성되는 다수 개의 블레이드(17-1)와 이들 블레이드 사이에 인접하여 형성되는 블레이드 홈(17-2)을 포함한다. 상기 블레이드 홈에는 반경 방향 내측에 유체가 유입되는 유입 영역(17-3)과 반경 방향 외측에 유체가 유출되는 유출 영역(17-4)이 형성된다. 즉, 블레이드는 그 전체가 완만한 곡선 또는 직선 형태로 연속적으로 연장되는 것이 아니라, 도 19에 도시한 바와 같이, 블레이드의 대략 중심을 기점으로 진행 방향이 바뀌는 구조를 이루고 있으며, 상기 기점을 중심으로 유체의 유입 영역과 유출 영역이 구분되는 구조를 이루고 있다. 즉, 유입 영역 및 유출 영역 각각은 그 평면 형태로 보았을 때, 전체적으로 대략 평행사변형에 가까운 사각형 형태를 이루게 된다(도 19 참조).

한편, 도면에 도시한 바와 같이, 상향 양측면의 블레이드 홈(17-2)은 서로 연통하고 있다. 또한, 도 18에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 임펠러의 블레이드 홈에 있어서, 예컨대 도 9에 도시한 것처럼 블레이드 홈의 모서리가 직각으로 형성되는 것이 아니라, 블레이드 홈 내부 전체에 걸쳐 완만한 경사를 이루는 형태로 구성되어 있다.

도 19를 참조하여, 본 발명에 따른 임펠러 구조의 특징을 보다 구체적으로 설명하면, 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면을 형성하는 유입 영 역(17-3) 부위(a)는 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제1 각도(θ)을 유지하는 직선 형태를 이루고, 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면을 형성하는 유출 영역(17-4) 부위(b)는 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제2 각도(α)를 유지하는 직선 형태를 이룬다.

한편, 상기 유체 유입 부위(a)는 임펠러의 중심으로부터 블레이드 홈의 유입 영역(17-3)과 유출 영역(17-4)을 경계 짓는 지점까지의 거리(r_m1)와 임펠러의 중심으로부터 블레이드 홈(17-2)의 반경 방향 내측까지의 거리(r_i)의 차이, 즉 유체 유입 길이(r_m1-r_i)를 갖고 있고, 상기 유체 유출 부위(b)는 임펠러의 중심으로부터 블레이드 홈(17-2)의 반경 방향 외측까지의 거리(r₀)와 임펠러의 중심으로부터 블레이드 홈의 유입 영역(17-3)과 유출 영역(17-4)을 경계 짓는 지점까지의 거리(r_m1)의 차이, 즉 유체 유출 길이(r₀-r_m1)를 갖고 있다.

또한, 마찬가지로, 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 전면을 형성하는 유입 영역(17-3) 부위(c)는 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제1 각도(θ)을 유지하는 직선 형태를 이루고, 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면을 형성하는 유출 영역(17-4) 부 위(d)는 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제2 각도(α)를 유지하는 직선 형태를 이룬다.

또한, 상기 유체 유입 부위(c)는 임펠러의 중심으로부터 블레이드 홈의 유입 영역(17-3)과 유출 영역(17-4)을 경계 짓는 지점까지의 거리(r_m2)(r_m1과 같을 수도 있다)와 임펠러의 중심으로부터 블레이드 홈(17-2)의 반경 방향 내측까지의 거리(r_i)의 차이, 즉 유체 유입 길이(r_m2-r_i)를 갖고 있고, 상기 유체 유출 부위(d)는 임펠러의 중심으로부터 블레이드 홈(17-2)의 반경 방향 외측까지의 거리(r₀)와 임펠러의 중심으로부터 블레이드 홈의 유입 영역(17-3)과 유출 영역(17-4)을 경계 짓는 지점까지의 거리(r_m2)에서 의 차이, 즉 유체 유출 길이(r₀-r_m2)를 갖고 있다.

즉, 이상의 설명을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 블레이드 홈(17-2)의 개구부의 유체 유입 영역(17-3)과 유체 유출 영역(17-4)은 각각 그 평면 형태에서 보았을 때, 임펠러의 중심을 잇는 가상선에 대해 소정의 각도를 형성하는, 전체적으로 평행사변형에 가까운 형태를 이루고 있으며, 그 면적은 상이한 형태이다.

본 발명자는 상기한 것과 같은 개구부의 형태를 갖는 블레이드 홈과 관련하여, 상기 각도 및 길이를 변화시켜 가면서 최적의 펌프 효율을 나타내는 치수에 대 하여 실험하였다. 즉, 도 20에 도시한 바와 같이, 상기한 형태의 블레이드 홈을 갖고 있는 임펠러는 전체적으로 제1 각도(θ)가 대략 5°~ 25°이고, 제2 각도(α)가 대략 0°~ 20°인 경우, 펌프 효율이 40% 이상으로 수렴한다는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 각도(θ)가 약 10°~ 20°이고, 제2 각도(α)가 약 5°~ 15°인 경우, 40%를 훨씬 상회하는 펌프 효율이 얻어지며, 특히 제1 각도(θ)가 약 15°이고, 제2 각도(α)가 약 10°일 때, 최고의 펌프 효율이 얻어진다는 것이 실험으로 밝혀졌다. 또한, 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유로폭(r₀-r_i)에 대한 유입 부위의 길이(r_m1-r_i)의 비가 약 0.35 ~ 0.95일 때, 펌프 효율이 40% 이상으로 수렴하고, 그 비가 0.5 ~ 0.8인 경우, 40%를 훨씬 상회하는 펌프 효율이 얻어지며, 가장 바람직하게는 0.65일 때 최고의 펌프 효율이 얻어진다는 것이 확인되었다.

한편, 본 발명자는 블레이드 홈뿐만 아니라, 블레이드 자체의 형상 개선을 통해 펌프 효율의 개선을 도모하였다. 구체적으로, 도 21에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 블레이드의 수직 단면 형상은, 블레이드의 끝단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상으로 이루어지고, 단면의 곡선은 2차 함수 형태로 표현할 수 있도록 구성된다. 보다 구체적으로는, 상기 블레이드의 수직 단면 형상은, 중심이 블레이드의 각도 중심부에 위치하고, 단반경(W)은 블레이드의 폭 방향으로 형성되고 장반경(L)은 블레이드의 길이 방향으로 형성되는 타원형, 즉 X²/L² + Y²/W² = 1과 같은 2차 함수로 표현할 수 있다.

단반경(W)은 블레이드의 두께에 관련된 것으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 대략 0.05~0.2 mm이다. 블레이드의 두께가 0.05 mm보다 작은 경우, 블레이드의 강도에 악영향을 미치고, 0.2 mm보다 두꺼운 경우에는, 블레이드 홈의 체적이 감소하여, 유량이 감소하는 결과가 초래된다.

또한, 장반경(L)은 전체적인 블레이드의 형상에 관련된 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 W ~ 10W로 이루어진다. 장반경(L)의 길이가 W보다 작으면 유체의 부드러운 유입에 저항으로 작용하게 되고, 10W보다 길면, 블레이드 선단부의 강도가 약해지는 경향을 나타낸다.

이처럼, 요구되는 연료 펌프의 성능과 블레이드의 각도를 고려하여, 단반경(W) 및 장반경(L)을 적정한 값으로 선정할 필요가 있는데, 전체적인 형상에 있어서, 타원 궤적의 블레이드가 블레이드의 강도를 고려함과 동시에 유체의 부드러운 유입을 달성할 수 있는 가장 이상적인 형태라 할 수 있다.

또한, 블레이드의 선단이 날카로운 모서리로 형성되지 않고 자연스럽게 타원 궤적을 따라 소정의 곡률 반경을 갖는 형태로 처리되므로, 금형 제작 및 사출 성형에도 유리한 형상이 된다.

상기 본 발명에 따른 블레이드의 형상의 특징을 종래 기술과 관련하여 설명하면 다음과 같다.

도 22에 도시한 것과 같이, 종래의 임펠러 구조의 경우, 블레이드의 각도에 따른 펌프 효율의 차이가 두드러지게 나타난다. 이는, 유체의 유입부에 있어서 펌프의 성능에 가장 유리한 유체의 유입 각도가 존재하다는 것을 의미하는 것으로서, 블레이드 각도가 30~40°인 경우에 가장 성능에 유리한 것으로 나타난다. 그러나, 블레이드 각도가 작아질수록 금형 제작 및 성형에 불리하므로, 실제 제작엔 한계가 있었고, 제작을 하더라도 만족한 양산성을 기대하기가 어렵다는 문제가 있었다. 따라서, 블레이드 각도를 조정하면 펌프 성능을 더욱 향상시킬 수 있음에도 불구하고, 대부분의 연료 펌프 제작업체에 의해 실제로 제작되는 임펠러의 구조는 블레이드 각도를 45~50°로 하고 있는 것이 현재의 실정이다.

그러나, 본 발명에 따른 임펠러의 구조, 즉 전술한 블레이드의 단면 구조와 블레이드 홈의 개구부의 형상에 따르면, 도 23에 나타낸 바와 같이, 블레이드 각도에 따른 펌프 효율의 차이가 극히 미미하였다. 이는 종래의 임펠러의 형상에서 표면에 나타나는 블레이드의 두께에 의한 저항으로 작용하는 흐름을 억제해 줌과 동시에 블레이드 단면의 타원 궤적에 따라 유체가 부드럽게 유입될 수 있는 구조를 취함으로써, 블레이드 각도에 따른 펌프 효율의 차이가 나타나지 않는다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 임펠러는 금형 제작 등을 위해 블레이드 각도를 45~50°로 하여도, 종래와 같이 펌프 효율의 감소는 거의 일어나지 않는다.

한편, 종래 기술과 관련하여 설명한 바와 같이, 임펠러의 평면부와 펌프 하우징의 평면 사이의 틈에서 발생하는 누설과 관련하여, 임펠러의 사출 성형 후 임펠러의 양면을 0.1~0.2 mm 정도 연마 가공하게 된다. 이러한 연마 가공과 관련하 여, 전술한 본 발명의 블레이드의 형상이 연마 가공에 의해 변형된다면 본 발명이 의도한 효과와 다른 결과가 초래될 여지가 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 연료 펌프용 임펠러에 있어서 필수적인 연마 가공이 이루어진 후에도 본 발명이 의도한 전술한 블레이드의 형상이 유지될 수 있도록 도 24에 도시한 바와 같이, 연마량을 감안하여 임펠러의 표면과 블레이드 선단부 사이에 소정의 단차를 두고 임펠러를 제작하는 것이 바람직하다. 본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 단차는 0.05~0.3 mm를 두고 임펠러를 제작하는 것이 바람직한데, 단차의 크기가 0.05 mm보다 작으면 사출 후에 필요한 연마량을 확보하지 못하게 되고, 단차의 크기가 0.3 mm보다 크면 연마량이 지나치게 많아져서 가공 시간이 길어지게 된다.

한편, 도 13과 관련하여 전술한 바와 같이, 유체의 유입부에서 유체의 유입 속도가 전체적으로 균일한 것이 강한 선회류를 형성하는 데 바람직하다. 이와 관련하여, 본 발명자는 상기한 구조의 임펠러에 있어서, 유체의 유입부에서의 유입 속도 분포 실험을 수행하였으며, 그 결과는 도 25에 도시한 것과 같다.

임펠러의 블레이드 홈(17-2)과 펌프 하우징의 유로 홈(25-2) 사이의 경계면에서의 Z 방향의 속도 성분을 나타낸 도 25에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 임펠러의 경우, 도 12에 도시한 종래의 임펠러의 유입 속도의 분포를 나타내고 있는 도 13과 비교하여, 유체의 유입 부분에서의 유입 속도의 분포가 전면적이고 또 균일하게 분포되어 나타났다. 즉, 본 발명은 상기한 것과 같이, 유입부에서의 개 구부의 형상과 블레이드의 단면 형상을 개선하여 저항 및 손실로 작용하는 형상 요소를 제거함으로써, 임펠러의 블레이드 홈의 유입 영역에 보다 많은 유량이 균일하게 유입되도록 하여, 보다 손실이 없는 선회류를 형성하여 보다 많은 유량이 전달될 수 있도록 한다.

또한, 종래의 임펠러의 경우, 도 14에 도시한 바와 같이, 임펠러의 표면에 형성되어 있는 블레이드의 두께 부분에 충돌한 유체(14-1)로 인해 블레이드 홈 내부로 유입하려고 하는 유체를 방해하는 방향으로 흐름이 형성된다. 그러나,본 발명에 따르면, 도 26에 도시한 것과 같이, 임펠러의 표면에 형성되어 있는 블레이드의 두께 부분에 충돌한 유체가 블레이드 홈으로 유입되려고 하는 유체의 방해하는 흐름을 거의 야기하지 않고, 타원 궤적으로 형성된 날개의 표면을 따라 유체가 부드럽게 유입되도록 한다. 즉, 본 발명의 블레이드 각도에 따른 펌프 효율의 분포를 나타내는 도 23과 개구부에서의 유체의 유입 속도의 분포를 나타내는 도 25로부터 임펠러의 블레이드 홈의 유체의 유입 영역에서 유입되는 유체의 속도 벡터가 임펠러의 반경 방향으로의 위치와 관련성이 상대적으로 적다는 것을 유추할 수 있다.

본 발명자는 최종적으로 종래의 임펠러 구조와, 상기한 구조의 본 발명에 따른 임펠러 구조에 대해 비교 실험을 하였고, 그 결과를 도 27에 나타낸다. 도면에 도시한 바와 같이, 임펠러의 구조만 다르고, 유로의 형상 및 부하 조건 등은 동일한 상태에서 유량도 전반적으로 증가하고, 동시에 펌프의 효율 역시 향상되었다는 사실을 확인할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 변경, 수정될 수 있다는 것은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 제공되는 신규 구조의 임펠러에 따르면, 블레이드 홈의 개구부의 형상과 블레이드 단면의 형상을 종래의 임펠러의 것과 다르게 구성하여, 유체의 유입 속도를 균일하게 하고, 유체의 유입 흐름을 방해하지 않도록 함으로써, 상기 임펠러가 장착되는 펌프 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제품을 용이하게 양산할 수 있다.

Claims (16)

1. 양측면의 외측 둘레부의 원주 방향을 따라 형성되된 다수 개의 블레이드가 양면으로 관통 형성되어 있고, 이들 블레이드 사이에 인접하여 블레이드 홈이 형성된 연료 펌프용 임펠러에 있어서,

   상기 블레이드는 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 각도를 두고 기울어져 형성되며,

   상기 블레이드 홈은 반경 방향 내측에 유체가 유입되는 유입 영역과 반경 방향 외측에 유체가 유출되는 유출 영역으로 이루어지고,

   상기 블레이드 홈의 개구부는, 상기 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면 및 전면을 형성하여 상기 유입 영역을 구성하는 유입 영역 부위(a, c)가 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제1 각도(θ)을 유지하는 직선 형태를 이루고, 임펠러의 회전 방향과 관련하여 블레이드의 후면 및 전면을 형성하는 유출 영역 부위(b, d)가 임펠러의 중심을 연결하는 가상의 선과 임펠러의 회전 방향에 대해 후방으로 소정의 제2 각도(α)를 유지하는 직선 형태를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 각도(θ)는 5°~ 25°이고, 상기 제2 각도(α)는 0°~ 20°인 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 각도(θ)는 10°~ 20°이고, 상기 제2 각도(α)는 5°~ 15°인 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 각도(θ)는 15°이고, 상기 제2 각도(α)는 10°인 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드 홈의 유로폭에 대한 상기 유입 영역 부위의 길이의 비가 0.35~0.95인 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 블레이드 홈의 유로폭에 대한 상기 유입 영역 부위의 길이의 비가 0.5~0.8인 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 블레이드 홈의 유로폭에 대한 상기 유입 영역 부위의 길이의 비가 0.65인 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
8. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드의 단면은 블레이드의 끝단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상으로 이루어지고, 그 단면은 2차 함수 형태로 표현할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 블레이드의 단면은 그 중심이 블레이드의 각도 중심부에 위치하고, 단반경(W)이 블레이드의 폭 방향으로 형성되고 장반경(L)이 블레이드의 길이 방향으로 형성되는 타원 궤적을 이루는 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
10. 청구항 5에 있어서, 상기 블레이드의 단면은 블레이드의 끝단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상으로 이루어지고, 그 단면은 2차 함수 형태로 표현할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 블레이드의 단면은 그 중심이 블레이드의 각도 중심부에 위치하고, 단반경(W)이 블레이드의 폭 방향으로 형성되고 장반경(L)이 블레이드의 길이 방향으로 형성되는 타원 궤적을 이루는 것을 특징으로 하는 연료 펌프용 임펠러.
12. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드의 선단부는 상기 임펠러의 한 쪽 측면에 대해 0.05~0.3 mm의 단차를 두고 임펠러의 두께 방향으로 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
13. 청구항 5에 있어서, 상기 블레이드의 선단부는 상기 임펠러의 한 쪽 측면에 대해 0.05~0.3 mm의 단차를 두고 임펠러의 두께 방향으로 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
14. 청구항 8에 있어서, 상기 블레이드의 선단부는 상기 임펠러의 한 쪽 측면에 대해 0.05~0.3 mm의 단차를 두고 임펠러의 두께 방향으로 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
15. 청구항 9에 있어서, 상기 블레이드의 선단부는 상기 임펠러의 한 쪽 측면에 대해 0.05~0.3 mm의 단차를 두고 임펠러의 두께 방향으로 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
16. 청구항 10에 있어서, 상기 블레이드의 선단부는 상기 임펠러의 한 쪽 측면에 대해 0.05~0.3 mm의 단차를 두고 임펠러의 두께 방향으로 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 임펠러.

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