KR101162780B1 - 펌프 - Google Patents

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루크 화조그-하이드로릭 게엠베하 앤 컴퍼니. 카게
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Abstract

본 발명은 펌프, 예컨대 베인셀 펌프(vane cell pump) 또는 롤셀 펌프(roll cell pump), 특히 하나 이상의 상승 구역, 하나 이상의 대원(great circle) 구역, 하나 이상의 하강 구역 및 하나 이상의 소원(small circle) 구역을 포함하는 2-행정 펌프 윤곽(pump contour)을 갖는 기어 펌프에 관한 것이다. 펌프는 펌프 윤곽 내부에 반경 방향 슬롯 내에 배치된, 반경 방향으로 이동 가능한 베인들 또는 롤들을 구비한 로터를 포함한다.
펌프, 로터, 피치각, 베인셀, 롤

Description

펌프{PUMP}
본 발명은 펌프, 예컨대 베인셀 펌프(vane cell pump) 또는 롤셀 펌프(roll cell pump), 특히 하나 이상의 상승 구역, 하나 이상의 대원(great circle) 구역, 하나 이상의 하강 구역 및 하나 이상의 소원(small circle) 구역을 포함하는 2-행정 펌프 윤곽(pump contour)을 갖는 기어 펌프에 관한 것으로, 상기 펌프는 펌프 윤곽 내부에 반경 방향 슬롯 내에 배치된, 반경 방향으로 이동 가능한 베인들 또는 올(roll)들을 구비한 로터를 포함한다.
이러한 펌프는 이미 공지되어 있다. 공지되어 있는 펌프의 경우, 기어 펌프가 발포성 기어 오일을 사용하여 구동된다는 문제가 있다. 발포도(degree of foaming)가 상이함에 따라 오일 탄성(oil elasticity)이 매우 상이하게 나타난다. 오일 내에 용해되지 않은 공기가 많이 함유되어 있으면, 오일은 매우 묽다. 따라서 압력 전환 구조가 일정한 경우 비발포성 경질 오일보다 압력 보상 과정이 더 오래 걸리며, 강한 탄성 분산에 반응하기 위해 압력 전환 과정을 위한 더 긴 회전각을 필요로 한다. 이러한 회전각은 결국 대원 구역을 통해 제공되며, 베인 피치각보다 아주 약간 더 크다. 이 구역에서는 (회전각에 따라 베인 변위(displacement)가 반경 방향 안쪽으로 약간 감소하는 경우를 제외하고) 셀 체적이 거의 일정하며, 압력 보상 슬롯 또는 중간 커패시티(intermediate capacity)(DE 100 27 990 A1 참조)를 통해 압력 전환이 완만한 압력 상승 기울기로 부드럽게 구현될 수 있다. 그러나 발포성 기어 오일을 사용하는 애플리케이션의 경우 이러한 조치들로는 불충분하다.
따라서 본 발명은 전술한 문제점을 갖지 않는 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 펌프, 예컨대 베인셀 펌프(vane cell pump) 또는 롤셀 펌프(roll cell pump), 특히 하나 이상의 상승 구역, 하나 이상의 대원 구역, 하나 이상의 하강 구역 및 하나 이상의 소원 구역을 포함하는 2-행정 펌프 윤곽(pump contour)을 갖는 기어 펌프를 통해 달성되고, 상기 펌프는 펌프 윤곽 내부에 반경 방향 로터 슬롯 내에 배치된, 반경 방향으로 이동 가능한 베인들 또는 롤들을 구비한 로터를 포함하며, 상기 펌프 윤곽의 대원 구역의 각도 범위는 표준 펌프에 비해 더 확장된다.
본 발명에 따른 펌프는, 10-베인 펌프의 경우 펌프 윤곽의 대원 구역이 10-베인 표준 펌프의 로터 내 베인 위치들의 피치각(36°)보다 적어도 10°내지 15°, 바람직하게는 13°만큼 더 크고, 12-베인 펌프의 경우 펌프 윤곽의 대원 구역이 12-베인 표준 펌프의 로터 내 베인 위치들의 피치각(30°)보다 적어도 16°내지 25°, 바람직하게는 22°만큼 더 큰 것을 특징으로 한다. 그 결과, 표준 펌프에 비해 바람직하게 적절한 각도만큼 가압 구역은 축소되고, 압력 보상 과정에 이용되는 영역(압력 보상 슬롯 또는 중간 커패시티)은 확장된다.
본 발명에 따른 또 다른 한 펌프는, 흡기 구역의 길이가 표준 펌프와 거의 같게 유지되는 것을 특징으로 한다. 흡기 구역의 크기가 같음으로써 최대 회전수의 달성과 관련하여 손실을 감수하지 않아도 된다는 장점이 있다.
또한, 12-베인 펌프의 경우 변위 윤곽 함수가 흡기 구역에서 가압 구역으로 전환되는 전환점들이 약 3.5×베인 피치각(베인 피치각 = 30°)의 간격을 가지며, 가압 구역에서 흡기 구역으로의 전환점들은 약 2.5×베인 피치각의 간격을 갖는 펌프가 바람직하다. 이 경우, 전환점이 펌프 윤곽의 상승 구역과 하강 구역의 대략 중간 지점에 놓이게 되고, 이는 너무 작지 않은 곡률 반지름을 가진, 양호하게 라운딩(rounding)될 수 있는 계단 함수(step function)를 위해 제공된다는 장점이 얻어진다.
또한, 10-베인 펌프의 경우 변위 윤곽 함수의 전환점이 10-베인 표준 펌프에 비해 회전 방향으로 약 3°만큼 이동되는 펌프가 바람직하다. 이 경우, 상부 베인 펌프와 하부 베인 펌프의 체적 유량(volume flow)의 동적 맥동(pulsation)의 중첩이 최적으로 상호 보완된다. 그 밖의 경우에는 전환점들이 약 2.5×베인 피치각(10-베인 펌프의 경우 베인 피치각 = 36°)의 간격을 갖는다.
이제 도면들을 참고로 본 발명을 기술한다.
도 1은 10-베인 표준 펌프의 펌프 윤곽을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 10-베인 펌프의 펌프 윤곽을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 12-베인 펌프의 펌프 윤곽을 도시한 도면이다.
도 4는 회전각에 대한, 본 발명에 따른 12-베인 펌프 윤곽의 변위 함수를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 12-베인 펌프 윤곽의 회전각에 따른 변위 도함수를 회전각에 대해 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 12-베인 펌프 윤곽의 회전각에 따른 셀 체적의 도함수를 회전각에 대해 도시한 그래프이다.
도 1에는 상응하는 회전각 점들을 가진 10-베인 표준 펌프의 펌프 윤곽이 개략적으로 도시되어 있다. 펌프 윤곽(1)은 도면 중심에 기본적으로 도시되어 있고, 이제 각도점들에 따라 개략적으로 설명될 것이다. 이때 상기 각도들은 정확한 각도로 제시되지 않고 그 위치만 개략적으로 설명된다. 각위치 3에서 소원 구역의 중심에 위치하는 각도(0°)로써 펌프 윤곽의 설명을 시작한다. 소원 구역은 각위치 5에서, 즉 15°에서 상승 구역(윤곽이 바깥쪽으로 확장됨)으로 이어지고, 상기 상승 구역에서는 2개의 베인 사이의 변위 체적이 확대됨으로써 흡기 영역을 형성한다. 상승 구역은 각위치 7(45°)에서 변위 윤곽 함수의 전환점(회전각의 함수로서 반지름 변동)을 가지며, 최종적으로 각위치 9(69°)에서 끝난다. 변위 윤곽 함수의 전환점 위치는 회전각에 대한 변위 윤곽 함수의 제 1 도함수의 최대값 및 최소값의 위치로 (정확하게) 결정될 수 있다. 각위치 9, 즉 69°부터 각위치 11, 즉 111°까지 소위 대원 구역이 연장되며, 상기 대원 구역은 물론 앞에서 언급한 경우, 즉 회전각에 따라 변위가 반경 방향 안쪽으로 약간 감소되는 경우를 통해 베인 헤드가 항상 윤곽에 매칭된 상태로 유지되도록 하는데 이용된다. 또한, 그러한 경우를 수반하는 대원 구역은, 상기 대원 구역의 시작부가 변위 윤곽 함수의 최대값을 형성하고, 상기 변위 윤곽 함수의 제 1 및/또는 제 2 도함수에서 접선 연속성(tangent continuity)이 더 이상 나타나지 않게 되는 즉시 상기 대원 영역이 종결되는 방식으로 정의될 수 있다. 점 11부터, 즉 111°에서 하강 구역이 시작되고, 상기 하강 구역은 165°까지, 즉 각위치 15까지 연장되며, 이 구역은 변위 체적이 감소되므로 베인 셀 펌프의 가압 구역을 나타낸다. 상기 하강 구역은 각위치 13, 즉 135°에서 전환점을 가지며, 변위 윤곽 함수에서 다시 일 전환점을 가진다. 점 7, 즉 상승 구역에서의 전환점과 점 13, 즉 하강 구역에서의 전환점은 약 90°만큼 서로 떨어져 있다. 10-베인 펌프는 36°의 베인 피치각을 가지므로, 상기 각도는 베인 펌프의 2.5배에 상응한다. 즉, 하강 구역에서의 전환점과 다음 상승 구역에서의 전환점 사이의 간격도 베인 피치각의 2.5배가 된다. 또한, 전환점들의 위치는 윤곽 주축에 대칭이다. 165°, 즉 각위치 15부터 180°, 즉 각위치 17까지는 다시 다음 소원 구역의 절반부가 연장된다. 180°부터 360°까지, 즉 각위치 17부터 다시 각위치 3까지는 지금까지 기술한 펌프 윤곽 절반부에 대칭으로 펌프 윤곽이 반복된다.
도 2에는 기어 펌프에 사용하기 위한 본 발명에 따른 펌프 윤곽이 도시되어 있으며, 이 펌프 윤곽은 더 연장된 대원 구역을 갖는다. 이제 다시 각위치 3, 즉 소원 구역의 중간에 놓인 0°에서 펌프 윤곽(1)의 설명을 시작한다. 각위치 5, 즉 15°에서 펌프 윤곽의 상승부가 시작되어, 각위치 9, 즉 69°에서 끝난다. 반면 상승 구역 내에 위치한 펌프 윤곽 함수의 전환점은 도 1의 45°가 아닌 47.7°, 즉 대략 48°까지 또는 도 1에 비해 회전방향으로 3°더 이동됨으로써 새로운 전환점 20에 놓이게 된다. 새로운 윤곽의 대원 구역은 이제 각위치 9, 즉 69°에서부터 각위치 22, 즉 118°까지 연장되며, 이는 도 2의 대원 구역이 도 1의 대원 구역에 비해 약 7°더 확장됨을 의미하며, 이러한 확장부는 오일 내에 함유된 용해되지 않은 공기를 응축하기 위한 더 긴 압력 보상 과정에 사용된다. 펌프 윤곽의 하강 구역은 각위치 22, 즉 118°에서 시작되고, 다시 각위치 15, 즉 165°에서 끝나며, 이는 가압 구역이 도 1의 가압 구역에 비해 7°만큼 더 짧아진 것을 의미한다. 중요한 것은 각위치 5에서 각위치 9까지의 흡기 구역의 길이가 유지된다는 점이며, 이는 최대 회전수의 달성과 관련하여 바람직하다. 하강 구역에서의 전환점(24)은 137.7°, 즉 대략 138°에 위치하고, 이는 도 1의 전환점에 비해 회전방향으로 3°더 앞으로 이동된 위치이며, 이는 두 전환점이 90°또는 10-베인 펌프의 베인 피치각(36°)×2.5의 간격을 유지한다는 것을 의미한다. 전환점 17, 즉 180°에서 본 발명에 따른 이러한 새로운 변위 윤곽이 상반부에 대칭으로 반복된다.
도 3에는 본 발명에 따른 12-베인 펌프의 펌프 윤곽이 도시되어 있다. 각위치 3의 0°에서 다시 펌프 윤곽(1)의 설명을 시작한다. 12-베인 펌프는 36°대신 30°의 베인 피치각을 갖기 때문에, 10-베인 펌프에서 30°였던 소원 구역이 6°만큼 24°로 감소될 수 있으며, 그 결과 변위 윤곽의 상승 구역이 소원 구역의 절반이 지난 12°에서, 즉 각위치 30에서 시작된다. 변위 윤곽의 상승 구역, 즉 흡기 구역은 도 1 및 도 2의 윤곽에서와 같이 54°로 유지되고, 따라서 66°지점인 각위치 32에서, 즉 10-베인 펌프의 경우보다 3°이전의 위치에서 끝난다. 도 1 및 도 2의 변위 윤곽과 같은 크기의 흡기 구역이 유지됨으로써 흡기 구역의 길이가 최대 회전수의 달성과 관련하여 더욱 바람직하게 이용될 수 있다. 상승 구역에서의 변위 윤곽 함수의 전환점은 바람직하게 상승 구역의 중간 지점에 놓여야 하므로, 대략 37.5°인 각위치 34에 배치된다. 이러한 펌프 윤곽의 대원 구역은 이제 66°지점의 각위치 32에서부터 118°지점의 각위치 36까지 연장되고, 도 2의 펌프 윤곽에 비해 3°만큼 그리고 도 1의 펌프 윤곽에 비해 10°만큼 확장되며, 이는 재차 발포성 기어 오일을 이용하는 더 개선된 압력 보상 과정에 대한 이득을 의미한다. 하강 구역, 즉 상기 펌프 윤곽의 가압 구역은 118°지점의 각위치 36에서부터 168°지점의 각위치 38까지 연장되고, 이어서 각위치 38에서 다시 펌프 윤곽이 다음 소원 구역으로 전환된다. 하강 구역에서의 변위 윤곽 함수의 전환점은 141.7°지점의 각위치 40에 놓이며, 그럼으로써 각위치 34에 놓인 전환점으로부터 약 104°만큼, 즉 12-베인 펌프의 베인 피치각인 30°의 약 3.5배만큼의 간격을 갖는다. 하강 구역, 즉 가압 구역에서의 전환점 40은 각위치 42에 놓인 다음 전환점으로부터 역회전 방향으로 베인 피치각(30°)의 약 2.5배만큼 이격된다.
12-베인 펌프에서의 더 작은 베인 피치각(30°)으로 인해, 예컨대 대원 길이와 베인 피치각의 차(표준 10-베인 윤곽의 경우 6°, 도 2에 따른 개선된 10-베인 윤곽의 경우 13°)가 22°이다. 심지어 가압 구역은 도 2의 축소된 가압 구역에 비해 다시 3°더 연장될 수 있다. 즉, 변위 윤곽의 계단 함수들에서의 전환점들은 베인 피치각의 5배수를 가지며, 이는 하부 베인의 압력 맥동과 상부 베인의 압력 맥동의 원활한 중첩의 토대가 된다. 본 발명의 목적은 대원 구역에서의 이용 가능한 각도를 최대한 길게 형성하는 것이다. 그 이유는, 발포성 기어 오일에서의 소음이 기하학적 구조상 야기되는 체적 유량 맥동에 의해 좌우되기보다는, 주로 압력 보상 과정에 의해서 좌우되기 때문이다. 또한, 이러한 윤곽에서는 가압 구역이 흡기 구역보다 약간 더 짧고, 전환점들은 쌍으로 극미한 정도로 더 회전된다.
도 4에는 회전각에 대하여 도 3의 12-베인 펌프의, 하강 구역이 길어진 변위 윤곽 함수가 도시되어 있다. 점 50(도 3의 점 30에 대응됨)에서 윤곽 상승이 시작되고, 이 윤곽 상승은 점 54까지 지속된다. 대략 66°지점에 위치한 점 54(도 3의 점 32)에서 대원 구역(56)이 시작된다. 상기 대원 구역(56)은 위에서 언급한 하강 구역에 따라 베인 변위를 점 58(도 3의 점 36)까지 일정하게 감소시키고, 이 경우 윤곽 하강부(60)는 점 62(도 3의 38)까지 연장된다. 이어서 점 62에서 소원 구역(64)이 시작되고, 상기 소원 구역은 점 66까지 연장된다. 그런 다음 다시 점 50에서부터와 동일한 형태로 윤곽 상승부가 시작된다. 변위 윤곽의 이러한 전개 양상에서, 대원 구역(56)이 소원 구역(64)에 비해 명백히 길어질 수 있다는 사실을 알 수 있으며, 여기서 소원 구역은 12-베인 펌프의 경우 30°에서 6°가 감소된 만큼의 영역에 걸쳐 연장된다.
도 5에는 도 3의 윤곽의 회전각에 따른 베인 변위의 도함수가 회전각에 대해 도시되어 있다. 점 70(도 3의 점 30)에서 회전각에 따른 베인 변위의 도함수의 값이 점차 증가함으로써 윤곽 상승부가 시작되고, 상기 윤곽 상승부는 점 72에서 최대값(도 3의 점 34)을 가지며, 그곳에서부터 회전각에 따른 베인 변위의 도함수 값이 점 74(도 3의 점 32)까지 꾸준히 감소한다. 이어서 점 74에서 대원 구역으로의 전환이 이루어지며, 상기 대원 구역의 도함수는 라인 76의 특성곡선으로 표시된다. 대원 구역(76)은 점 78(도 3의 점 36)에서 소원 방향의 계단 함수로 전환되고, 상기 계단 함수는 먼저 함수 특성곡선 80으로 표시된, 회전각에 따른 베인 변위의 도함수 값의 감소와 함께 시작되어 최소점 82(도 3의 점 40)까지 감소되고, 이어서 함수 구역 84로 표시된, 회전각에 따른 베인 변위의 도함수 값이 다시 증가한다. 이제 점 86(도 3의 38)에서 소원 구역(90)에 도달하고, 상기 소원 구역은 점 92까지 연장된다. 점 92에서부터는 점 70에서부터 진행된 것과 동일한 형태로 함수 특성곡선이 다시 반복된다. 이 경우 최대점 72와 최소점 82(변위 윤곽 함수의 전환점들) 사이에 베인 피치각의 3.5배의 간격이 형성되는 반면, 최소점 82에서부터 다음 최대점 94까지는 베인 피치각의 약 2.5배의 간격이 형성된다. 변위 함수의 전환점들의 이러한 간격은 이미 앞에서 기술한 것처럼 하부 베인 맥동과 상부 베인 맥동의 원활한 중첩의 토대이다.
도 6에는 도 3의 윤곽의 회전각에 따른 셀 체적의 도함수가 회전각에 대해 도시되어 있다. 셀 체적의 점 100까지의 점증적(progressive) 증가 부분 및 이어서 점 102까지의 점감적(degressive) 증가 부분은 흡기 과정을 나타낸다. 이어서 대원 구역에서는 그러한 상황에 의해 체적이 미세하게 꾸준히 감소되고, 이어서 곧바로 점 104부터 점 106까지 체적이 점증적으로 감소하는 단독 가압 과정이 이루어지며, 이어서 점 108까지 점감적 체적 감소가 이루어진다. 그런 다음 소원 구역을 통과하면 다시 점 110까지 점증적 체적 증가가 이루어지며, 이때 처음에 기술한 프로세스가 여기서 두 번째로 반복된다. 각도에 따른 셀 체적의 이러한 도함수에서도 예컨대 점 100과 점 106 사이에 변위 윤곽 함수의 전환점들 간의 간격이 베인 피치각의 3.5배에 달하고, 점 106에서부터 점 110까지의 간격은 베인 피치각의 2.5배에 달한다.

Claims (11)

  1. 펌프로서,
    2-행정 펌프 윤곽(contour); 및
    상기 펌프 윤곽 내의 로터를 포함하고,
    상기 펌프 윤곽은 적어도 하나의 상승 구역, 적어도 하나의 대원(large circule) 구역, 적어도 하나의 하강 구역 및 적어도 하나의 소원(small circle) 구역을 포함하고,
    상기 로터는 반경 방향 로터 슬롯들 내에 반경 방향으로 이동가능한 베인(vane)들을 가지고,
    상기 펌프 윤곽의 대원 구역의 각도 범위는 연장되고, 상기 대원 구역은 상기 하강 영역보다 큰,
    펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 기어 펌프(gear pump)인,
    펌프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 10-베인 펌프이고, 상기 펌프 윤곽의 일측의 대원 구역은 10-베인 표준 펌프의 로터 내의 베인 위치들의 피치각(36°) 보다 10° 내지 15° 더 큰,
    펌프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 일측의 대원 구역은 상기 10-베인 표준 펌프의 로터 내의 베인 위치들의 피치각(36°) 보다 13° 더 큰,
    펌프.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 12-베인 펌프이고, 상기 펌프 윤곽의 일측의 대원 구역은 12-베인 표준 펌프의 로터 내의 베인 위치들의 피치각(30°) 보다 16° 내지 25° 더 큰,
    펌프.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 일측의 대원 구역은 상기 12-베인 표준 펌프의 로터 내의 베인 위치들의 피치각(30°) 보다 22° 더 큰,
    펌프.
  7. 제 1 항에 있어서,
    흡기 구역의 길이는 연장되지 않는,
    펌프.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 12-베인 펌프이고, 흡기 구역에서 가압 구역으로 전환되는 변위(displacement) 윤곽 함수의 전환점들은 3.5×베인 피치각(베인 피치각 = 30°)의 간격을 가지는,
    펌프.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 10-베인 펌프이고, 가압 구역에서 흡기 구역으로 전환되는 변위 윤곽 함수의 전환점들은 2.5×베인 피치각의 간격(베인 피치각 = 36°)의 간격을 가지는,
    펌프.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 10-베인 펌프이고, 변위 윤곽 함수의 전환점들은 회전 방향으로 3° 이동되는,
    펌프.
  11. 제 1 항에 있어서,
    변위 윤곽 함수의 전환점들은 상기 펌프 윤곽에 대해 균일하게 위치하지 않는,
    펌프.
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