KR101274367B1 - 차량용 냉각장치 및 이러한 냉각장치를 구비한 트랙터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각모터와 임펠러와 연결되는 축의 최적 설계안을 제공하도록 하는 차량용 냉각모터 및 이러한 냉각장치를 구비한 트랙터가 개시된다.
본 발명은 라디에이터(10)와 엔진(20)의 사이에 구비되는 냉각모터(30)와;
상기 냉각모터(30)의 축(32)의 한쪽과 연결되어 회전되는 냉각팬(40)과;
상기 냉각모터(30)의 축(32)의 다른쪽과 연결되어 회전하는 임펠러(51)를 가지는 워터펌프(50);로 이루어진 차량용 냉각장치에 있어서,
상기 냉각모터(30)와 임펠러(51)를 연결하는 축(32)은 다음 식의 유효축 안전계수(ν)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치가 제공된다.
ν = (τ_max ·d⁴ _min)/(T ·L), ν≥0.5
여기서, τ_max는 축(32)의 재질에 따라 달라지는 최대 허용 전단응력, d_min은 축(32) 전체중 가장 얇은 곳의 직경, T는 냉각모터(30)의 최대 토크, L은 축(32)의 전체 길이를 나타낸다.

Description

차량용 냉각장치 및 이러한 냉각장치를 구비한 트랙터{Cooling System for Vehicle and Tractor Comprising such Cooling System}

본 발명은 차량용 냉각장치 및 이러한 냉각장치를 구비한 트랙터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각모터와 임펠러와 연결되는 축의 최적 설계안을 제공하여 일반 차량은 물론 트랙터에도 충분히 적용가능하도록 한 것이다.

일반적으로, 엔진에 의해 구동하는 차량에는 엔진 냉각시스템이 구비된다.

이러한 차량의 엔진 냉각시스템은 엔진에서 가열된 냉각수를 라디에이터에서 냉각하여 엔진으로 재순환시키는 구조이다. 엔진룸에는 냉각팬이 장착되며 냉각팬은 차량 밖의 공기를 라디에이터로 강제 흡입하여 라디에이터에서 냉각수의 열을 방열한다. 그리고, 냉각된 냉각수는 워터펌프를 통해 엔진 내부를 순환하면서 엔진의 열을 낮춘다.

최근에는 냉각장치의 효율을 높이기 위해 종래의 벨트-풀리 구동방식 대신에 냉각팬의 구동과 워터펌프의 구동을 하나의 모터로 구동시키는 전동방식이 제공되었다.

즉, 모터의 회전축의 일단에는 냉각팬을 장착하고 회전축의 타단에는 워터펌프의 임펠러를 장착하여 모터의 구동에 의해 팬이 회전하고 라디에이터를 통과하며 냉각된 냉각수가 워터펌프에 의해 순환하는 구조이다.

여기서, 종래의 일반적인 차량용 냉각장치에 있어서, 냉각팬을 구동시키는 모터방식인 경우, 임펠러와 연결되는 축은 모터의 양단에 형성되어 각각 냉각팬과 임펠러를 구동시키도록 되어 있는 구조이므로 상기 축은 그 길이가 길어지게 된다.

또한, 모터의 중심에는 자석이나 코일을 장착하기 위한 로터가 구성되기 때문에, 하중이 크게 증가하게 되는 동시에, 양쪽으로 부하가 발생되어 축에 집중되는 토크가 커져서 축의 강도를 높여야 하는 것이다.

또한, 냉각팬이 회전함에 따라 진동이 발생되고, 축에 하중 및 토크를 가중시키는 결과가 발생하며, 이러한 진동은 상당한 중량을 가지는 로터를 가진(加振)시키기 때문에, 강도를 높이는 축을 설계하는데 어려움이 발생한다.

따라서, 임펠러와 연결되는 축의 강도를 높이기 위해서, 축의 직경을 늘리게 되면, 워터펌프의 효율을 악화시킬 수 있고, 반대로 축의 직경을 일정량 이상 줄여서 가늘어지게 하면, 구동중 축이 파손될 염려가 있게된다.

축의 길이가 길어짐에 따라 축의 직경을 결정함에 있어서, 종래에는 워터펌프의 효율에 큰 영향을 주지 않는 한도내에서 냉각팬에 의한 진동과 로터의 재질에 따른 무게 등을 고려하여 축을 설계하는 것이 상당히 어려웠다.

또한, 일반적인 차량에 모터를 이용한 냉각장치를 적용하는 경우에는 주로 포장도로를 주행하기 때문에, 축에 가해지는 충격과 동하중이 크지 않지만, 트랙터와 같이 주로 비포장도로를 주행하는 차량인 경우에는 축에 가해지는 충격과 동하중이 일반 차량에 비해 매우 크기 때문에, 안정성과 내구성에 문제가 발생하였다.

따라서, 트랙터의 특성에 맞는 설계조건과 안정성을 평가할 수 있는 기준이 필요하게 되는 것이다.

대한민국 공개특허 제 10-2011-55296호(공개일 : 2011.5.25)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 냉각모터의 축을 설계함에 있어서, 축의 안정성을 쉽게 평가할 수 있는 유효축 안전계수를 마련하여 용이하게 안전한 축을 설계하여 일반 차량은 물론, 트랙터와 같이 주행조건이 열악한 차량에 충분히 적용할 수 있도록 한 차량용 냉각장치 및 이러한 냉각장치를 구비한 트랙터를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단은, 라디에이터와 엔진의 사이에 구비되는 냉각모터와; 상기 냉각모터의 축의 한쪽과 연결되어 회전되는 냉각팬과; 상기 냉각모터의 축의 다른쪽과 연결되어 회전하는 임펠러를 가지는 워터펌프로 이루어진 차량용 냉각장치에 있어서,

상기 냉각모터와 임펠러를 연결하는 축은 다음 식의 유효축 안전계수에 의해 결정되는 것이다.

ν = (τ_max ·d⁴ _min)/(T ·L), ν≥0.5

여기서, τ_max는 축의 재질에 따라 달라지는 최대 허용 전단응력, d_min은 축 전체중 가장 얇은 곳의 직경, T는 냉각모터의 최대 토크, L은 축의 전체 길이를 나타낸다.

또한, 상기 축(32)과 보스(B)에 의해 임펠러(51) 입구가 가려지는 최대 직경(d_wp)은 임펠러쪽 축(32) 직경(d_min)과 다음 식으로 결정된다.

d_wp = k·d_min

여기서, k는 비례상수로서, 1 ≤ k ≤ 4 의 범위이다.

또한, 상기 축과 보스에 의해 임펠러 입구가 가려지는 최대 직경(d_wp)과 임펠러 날개 내접원 직경(d_im)의 비율은 다음 식의 조건을 만족하도록 되는 것이다.

(d_wp/d_im)≤ 0.85

또한, 본 발명은 상기 조건의 냉각장치를 구비하는 트랙터가 제공됨을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명은 유효축 안전계수를 마련하여 차량용 냉각장치의 냉각모터와 워터펌프의 임펠러간의 축을 가장 안정된 조건으로 용이하게 설계할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 주행조건이 열악한 트랙터와 같은 차량에 적용하더라도 축에 가해지는 충격과 동하중에 충분히 견딜 수 있어 높은 신뢰성을 가지면서 동시에 안전성 평가기준이 될 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 냉각장치의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 임펠러 날개의 내접원과 모터 축과의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 워터펌프의 임펠러와 냉각모터 축의 구체적인 구조를 통해 임펠러 날개와 모터 축의 직경과의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 워터펌프 효율과 d_wp/d_im간의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 냉각장치의 구조를 나타낸 개략도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량(예를 들어 트랙터)용 냉각장치(1)는 라디에이터(10)와 엔진(20)의 사이에 구비되는 냉각모터(30)와, 이 냉각모터(30)의 축(32) 한쪽과 연결되어 회전되는 냉각팬(40)과, 냉각모터(30)의 축(32)의 다른쪽과 연결되는 워터펌프(50)로 이루어진 구조이다.

상기 냉각모터(30)내에는 상기 축(32)과 연결되어 회전하도록 하는 로터(31)가 구비되어 있다. 물론, 구체적으로 도시하지는 않았지만 스테이터도 구비되어 있다.

상기 워터펌프(50)는 냉각모터(30)의 축(32)과 연결되어 회전되도록 하는 임펠러(51)가 갖추어져 있다.

또한, 라디에이터(10)에서 배출된 냉각수는 냉각수 배관(11) 및 이 냉각수 배관(11)과 연결된 연결관(60)을 통해 워터펌프(50)쪽으로 유입된 다음, 워터펌프(50)의 임펠러(51)에 의해 엔진(20) 내부로 유입된다.

엔진(20)으로 유입된 냉각수는 엔진용 냉각수 유로(21)를 통과하면서 엔진(20)의 열을 흡수한 다음, 엔진(20)의 외부로 배출되는데, 엔진(20)의 외부로 배출된 냉각수는 써모스탯(70)(thermostat)으로 유입된 후, 써모스탯(70)에서 냉각수 배관(12)을 통해 라디에이터(10)로 이동하거나, 또는 써모스탯(70)에서 워터펌프(50)쪽으로 냉각수가 이동가능하도록 연결되는 바이패스 유로(80)를 통해 워터펌프(50)쪽으로 유입된다.

상기 써모스탯(70)은 엔진(20)에서 배출되는 냉각수의 온도를 감지하고, 감지된 온도가 설정된 온도보다 낮을 경우에는 바이패스 유로(80)로 냉각수를 이동시키고, 감지된 온도가 설정된 온도를 초과할 경우에는 라디에이터(10)로 냉각수를 이동시킨다.

따라서, 워터펌프(50)에는 써모스탯(70)에서 바이패스 유로(80)를 통해 냉각수가 유입된다.

여기서, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 다음 수학식 1에 의해 유효 축 안전계수(υ)를 나타낼 수 있다.

여기서, τ_max는 축의 재질에 따라 달라지는 최대 허용 전단응력, d_min은 축 전체중 가장 얇은 곳의 직경으로서, 예를 들어 임펠러(51)와 연결되는 축(32) 부분의 직경이 될 수 있다.

또한, T는 냉각모터의 최대 토크, L은 축(32)의 전체 길이, 다시 말해서, 냉각팬(40)과 워터펌프(50)의 임펠러(51)까지 하나로 연결된 축(32)의 전체 길이를 나타낸다.

무차원인 유효축 안전계수(ν)는 축의 안정성을 평가하는 기준으로 최소한 최소허용 전단응력(ν_min)보다 커야 하며, 이보다 낮을 경우 구동중 축이 파손될 수 있다.

임펠러(51)와 냉각모터(30)는 하나의 축(32)으로 연결되는데, 이때 냉각모터(30)의 축(32) 직경에 따라 임펠러(51) 입구의 크기에 영향을 줄 수 있다.

만일, 축(32)의 연결을 위한 보스(B)를 포함한 축에 의해 임펠러 입구를 가리는 원의 크기가 임펠러 날개 내접원의 크기에 비해 일정 비율 이상 커지게 되면, 워터펌프(50)의 효율이 급격히 낮아진다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 축(32)과 보스(B)에 의해 임펠러(51) 입구가 가려지는 최대 직경(d_wp)은 보스(B)(또는 시일)의 직경에 의해 결정되는데, 이는 축(32)의 직경에 비례하여 커지기 때문에 축(32)의 직경을 최소화하는 것이 중요하다.

일반적으로, 전체 축에서 임펠러(51)와 연결되는 축(32)을 가장 작은 직경으로 설계하고, 보스(B)(또는 시일, 또는 시일 및 보스)의 크기는 축 직경보다 크게 형성하기 때문에, 축(32)과 보스(B)에 의해 임펠러(51) 입구가 가려지는 최대 직경(d_wp)은 다음 수학식 2와 같이 임펠러쪽의 축(32) 직경(d_min)의 비례상수 k배로 계산한다.

만일, 축(32)과 시일 및 보스(B)의 직경의 크기가 보스 > 시일 > 축이라면, d_wp 는 보스의 직경이 된다.

또한, 일반적으로 d_wp 는 d_min 의 크기에 비례하여 커지는데, 시일이나 보스의 여부에 따라 상기 비례상수 k는 1 ~ 4의 범위를 가진다.

다시 말해서, 다음의 수학식 3으로 표현할 수 있다.

만일, 비례상수(k)가 1인 경우에는 d_wp = d_min 이 되는데, 이 경우에는 보스, 또는 시일이 축(32)으로부터 돌출되지 않고 내장형으로서 축(32)에 매립되어 결합되는 구조이다.

또한, 다음 수학식 4는 축(32)과 보스(B)에 의해 임펠러(51) 입구가 가려지는 최대 직경(d_wp)과 임펠러 날개 내접원 직경(d_im) 비율의 최소범위를 나타낸 것이다.

또한, 상기 수학식 2의 조건보다 축(32)과 보스(B)에 의해 임펠러(51) 입구가 가려지는 최대 직경(d_wp)과 임펠러쪽 축(32)의 직경(d_min)간의 비율이 더 높게되면, 도 4의 그래프처럼 워터펌프의 효율이 급격히 저하된다.

이러한 식을 이용하여 축을 설계하는데 있어서 안전한 직경범위를 선정할 수 있는 것이다.

또한, 유효축 안전계수(ν)와 워터펌프(50)의 효율에 대한 임계값을 설정함에 있어서, 다음 표 1에서 보는 바와 같이 설정될 수 있다.

유효축 안전계수 (ν)	비례상수 (k)	dwp/dim	워터펌프 효율	축 파손 여부	캐비테이션 (cavitation)	비고
30	2.7	0.93	14.6%	×	○	워터펌프에서 캐비테이션이 발생하여 임펠러 손상됨.
13	2.6	0.85	45.3%	×	×	워터펌프 효율 임계점
2.5	2.8	0.54	57.4%	×	×
0.5	2.9	0.32	60.2%	×	×	안전계수 임계점
0.3	2.4	0.27	63.8%	○	×	워터펌프 효율은 놓으나 내구성이 취약하여 축 파손됨.

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 비례상수(k)는 시일의 종류와 보스의 크기에 따라 결정되기 때문에, 유효축 안전계수(ν)나 워터펌프(50)의 효율과는 무관하다.

또한, 유효축 안전계수(ν)의 임계점은 0.5이고, 이보다 낮을 경우에는 축이 파손될 수 있다.

다시 말해서, ν≥0.5 조건을 만족해야 하는 것이다.

일반적으로, 유효축 안전계수(ν)가 커지면 축의 직경이 커진다는 것을 의미하기 때문에, d_wp/d_im 의 비율도 비례해서 커지게 되고, d_wp/d_im = 0.85 일때 워터펌프의 효율의 임계점이 된다.

d_wp/d_im 의 비율이 0.85보다 높을 경우, 캐비테이션과 같은 문제가 발생되어 워터펌프의 효율이 떨어지며, 내구성에 영향을 주게 된다.

즉, (d_wp/d_im)≤ 0.85를 만족해야 하는 것이다.

이와 같이, 본 발명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의거 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

d_wp : 축과 보스에 의해 임펠러 입구가 가려지는 최대 직경
d_im : 임펠러 날개 내접원 직경
ν : 유효축 안전계수
1 : 차량용 냉각장치
10 : 라디에이터
11,12 : 냉각수 배관
20 : 엔진
21 : 엔진용 냉각수 유로
30 : 냉각모터
31 : 로터
32 : 축
40 : 냉각팬
50 : 워터펌프
51 : 임펠러
60 : 연결관
70 : 써모스탯
80 : 바이패스 유로

Claims (4)

1. 라디에이터(10)와 엔진(20)의 사이에 구비되는 냉각모터(30)와;
   상기 냉각모터(30)의 축(32)의 한쪽과 연결되어 회전되는 냉각팬(40)과;
   상기 냉각모터(30)의 축(32)의 다른쪽과 연결되어 회전하는 임펠러(51)를 가지는 워터펌프(50);로 이루어진 차량용 냉각장치에 있어서,
   상기 냉각모터(30)와 임펠러(51)를 연결하는 축(32)은 다음 식의 유효축 안전계수(ν)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
   ν = (τ_max ·d⁴ _min)/(T ·L), ν≥0.5
   여기서, τ_max는 축(32)의 재질에 따라 달라지는 최대 허용 전단응력, d_min은 축(32) 전체중 가장 얇은 곳의 직경, T는 냉각모터(30)의 최대 토크, L은 축(32)의 전체 길이를 나타낸다.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 축(32)과 보스(B)에 의해 임펠러(51) 입구가 가려지는 최대 직경(d_wp)은 임펠러쪽 축(32) 직경(d_min)과 다음 식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
   d_wp = k·d_min
   여기서, k는 비례상수로서, 1 ≤ k ≤ 4 의 범위이다.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 축(32)과 보스(B)에 의해 임펠러(51) 입구가 가려지는 최대 직경(d_wp)과 임펠러 날개 내접원 직경(d_im)의 비율은 다음 식의 조건을 만족하도록 되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
   (d_wp/d_im)≤ 0.85
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 기재된 차량용 냉각장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 트랙터.

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