KR101331279B1 - 바이메탈을 이용한 가변형 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이메탈로 제작된 베인이 냉각수의 온도에 따라 형상 및 크기가 변하여, 냉각수의 온도에 따라 엔진에 형성된 워터재킷에 전달되는 냉각수의 양이 조절되는 가변형 임펠러에 관한 것으로, 엔진 내의 에어층 형성을 방지하고, 엔진의 웜업 단계에서 엔진에 형성된 워터재킷에 전달되는 냉각수의 양을 감소시키며, 종래의 워터펌프에 장착된 바이메탈을 이용한 임펠러에 비하여 임펠러의 생산성을 높이고 가공비를 절감하며, 워터펌프가 냉각수의 온도에 따라 즉각적인 응답을 제공한다.

Description

바이메탈을 이용한 가변형 임펠러{Variable impeller using bi-metal}

본 발명은 바이메탈을 이용한 가변형 임펠러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바이메탈로 제작된 베인이 냉각수의 온도에 따라 형상 및 크기가 변하여, 냉각수의 온도에 따라 엔진에 형성된 워터재킷에 전달되는 냉각수의 양이 조절되는 가변형 임펠러에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 연료를 연소시켜 동력을 얻는데, 연소열의 전부가 동력으로 전환되는 것이 아니고, 그 중 상당량의 열이 실린더 헤드 및 피스톤 등에 흡수되어 열손실을 유발하고 또 이들 부분의 과열을 일으키게 된다. 따라서 엔진을 냉각하여 과열을 방지해서 적절한 온도로 유지되도록 하는 냉각시스템으로서 실린더와 연소실을 둘러싸도록 워터재킷이 형성되고, 상기 워터재킷으로 냉각수를 압송순환시키는 워터펌프가 엔진의 일측면에 장착된다.

그런데 상기한 워터펌프의 구동이 크랭크 샤프트와 연동되어 작동하므로 엔진을 웜업하는 경우에도 작동되어 엔진 부하의 원인이 되고, 웜업 시간을 지체시키는 원인이 되어 연비가 악화되는 문제점이 있었다. 또한, 냉각수의 흐름을 단속하기 위한 서머스탯이 작동되는 과정에서 엔진 내에 밀폐계가 형성되므로서 국부적인 에어층 형성이 완벽하게 제거되기 어렵고 실린더 내 에어층 형성은 엔진의 과열을 야기시키게 되어 엔진의 내구성 측면에서도 수명을 단축시키게 되는 문제점이 있었다.

이와 같은 일반적인 워터펌프의 구조로 인해서 엔진에 가해지는 문제점을 극복하기 위해서 상기 워터펌프에 채용되는 임펠러의 구조적 개선이 요구되는 실정이다.

한편, 등록특허공보 제 10-0488571호를 참조하여 임펠러를 채용한 워터펌프에 관련된 기술을 보면, 바이메탈을 이용하여 동력 전달이 가변적으로 이루어지는 워터펌프에 관련된 것임을 확인할 수 있고, 구체적으로 인용문헌은 샤프트에 환형의 홈이 형성되고, 바이메탈의 일측 내경에는 상기 홈에 끼워지기 위한 환형의 돌출부가 형성되는 것을 기술한다. 그리고, 바이메탈의 온도 감지를 위해 샤프트 안쪽에 중공부가 형성되며, 중공부의 외주연에 다수의 통공이 형성되어 있다.

한편, 통상 샤프트의 제작에 사용되는 SUJ2 재질의 베어링강에 중공과 다수의 통공을 만들기 위해서는 공구의 정밀도 및 강도가 매우 뛰어나야 하므로 생산성이 저하되며, 가공비가 과다하게 발생한다는 문제점이 있다.

또한, 통공을 통하여 충분한 유량이 전달되기 어려우며, 임펠러의 중심부에는 상대적으로 유량의 흐름이 더디어 실제 냉각수의 온도를 감지하는데 일정시간이 걸리며, 이 경우 냉각수의 온도가 높아 즉시 임펠러가 회전해야 할 때에도 뒤늦게 회전할 수 있다는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 워터펌프 내로 유입되는 냉각수의 온도에 따라 임펠러의 회전날개로서 기능하는 베인의 배치 각도를 조절하게 하여 별도의 부가장치 없이 유입된 냉각수의 흐름을 조절할 수 있는 가변형 임펠러를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 샤프트; 상기 샤프트를 감싸도록 고정되는 슈라우드; 및 상기 슈라우드에 형성된 슬롯에 변형 가능하도록 고정된 베인;을 포함하며, 상기 베인은 바이메탈 부재인 것을 특징으로 하는 가변형 임펠러를 제공한다.

상기 베인은 상기 슈라우드의 외주연 상에 원주상 등간격으로 복수개가 배치되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 베인은 상기 슈라우드의 외주연으로부터 연장되면서 그 폭이 점점 좁아지는 것이 바람직할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명인 가변형 임펠러는 임펠러의 샤프트를 둘러싸도록 배치되는 베인을 바이메탈로 제작하여 워터펌프가 냉각수의 온도에 따라 즉각적인 응답을 제공하는 효과를 가져올 수 있다. 또한, 본 발명은 엔진 내의 에어층 형성을 방지하고, 엔진의 웜업 단계에서 엔진에 형성된 워터재킷에 전달되는 냉각수의 양을 감소시키며, 종래의 워터펌프에 장착된 바이메탈을 이용한 임펠러에 비하여 임펠러의 생산성을 높이고 가공비를 절감한다.

도 1은 본 발명인 가변형 임펠러가 적용된 워터펌프의 일 실시예로서 냉각수의 온도가 저온 상태일 때를 보이는 단면도,
도 2는 본 발명인 가변형 임펠러가 적용된 워터펌프의 일 실시예로서 냉각수의 온도가 고온 상태일 때를 보이는 단면도,
도 3은 도 2의 'A'부분에 대한 확대 단면도,
도 4는 도 3의 'B'방향에서 바라본 샤프트에 대한 베인의 배치를 보이는 개략도, 및
도 5는 샤프트에 부설되는 베인의 다른 실시예를 보이는 개략도이다.

이하에서 사용되는 "슈라우드(shroud)"는 임펠러를 구성하는 샤프트(21)의 일 단부를 둘러싸는 속이 빈 원통형 부재로서, 그 외주연에는 회전 날개로서 기능하는 베인(vane)이 고정되는 것으로 정의한다.

본 발명의 가변형 임펠러를 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 제조되거나 각각 분리되어 제조될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.

본 명세서 및 도면에서는 자동차 엔진의 워터펌프를 예를 들어 발명을 설명하고 도시하나, 제품이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

가변형 임펠러의 구조의 설명

이하에서는 도 1 내지 3을 참조하여 가변형 임펠러의 구조를 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예가 적용된 자동차 엔진에 사용된 워터펌프(10)는 중공의 하우징(11), 하우징(11)의 일측에 회전 가능하게 배치되는 풀리(12), 및 하우징(11) 내에 배치되는 임펠러(20)를 포함한다.

하우징(11)은 그 내부를 통하여 냉각수가 유입 및 배출됨으로써 순환되는 곳이며, 내부에 임펠러(20)가 배치되어 냉각수의 유동을 지원한다.

풀리(12)는 동력회전을 전달하는 벨트차를 말한다. 본 발명에서는 크랭크 샤프트의 풀리(미도시)와 워터펌프(10)의 풀리(12)가 벨트로써 연결되어 크랭크 샤프트의 동력이 워터펌프의 샤프트(21)에 전달된다. 풀리(12)는 일례로서 주철을 사용해 제작될 수 있으나, 크랭크 샤프트의 동력이 벨트에 의해 샤프트(21)에 전달될 수 있는 어떠한 부재도 가능하다.

임펠러(20)는 풀리(12)와 연결되어 하우징(11) 내에 회전 가능하게 배치되는 샤프트(21), 샤프트(21)의 일측 외주연을 둘러싸도록 고정되는 슈라우드(shroud, 22), 및 슈라우드(22)에 고정되는 베인(vane, 23)을 포함한다. 일반적으로 원심펌프 내부에서 회전하는 날개로 정의할 수 있다. 임펠러(20)는 그 회전 과정에서 발생하는 원심력에 의하여 냉각수에 운동에너지를 주고, 상기 운동에너지가 압력으로 변환하여 냉각수를 수송하게 된다. 본 발명에서는 상기 회전을 통해 냉각수를 엔진에 형성된 워터재킷으로 보내는 역할을 한다.

도 1 및 도 2에서 도시되고 있는 것과 같이, 샤프트(21)는 긴 원통형이며 하우징(11)의 종방향 중심을 가로질러 수용되고, 일 단부는 풀리(12)에 맞물리며 타 단부는 슈라우드(22)에 의해 둘러싸인다. 샤프트(21)는 풀리(12)에 의해 회전하며, 슈라우드(22)를 회전시킨다.

슈라우드(22)는 속이 빈 원통형이며, 위에 서술한 것과 같이 샤프트(21)의 타 단부를 둘러싼다. 그렇게 함으로써 샤프트(21)와 일체로서 회전하는 것이 가능해진다. 슈라우드(22)는 일례로서 베인(23)의 하측 단부를 수용하고 고정하기 위한 슬롯을 가진다. 바람직하게는, 상기 베인(23)은 슈라우드(22) 상에 원주상 등간격으로 복수개가 위치한다.

베인(23)은 슈라우드(22)에 변형 가능하도록 고정되는데, 도 3을 참조하여 일 실시예로서의 고정 방식을 상술한다. 슈라우드(22)에 형성된 슬롯에 베인(23)의 일 단부가 용이하게 삽입되도록 상기한 슬롯보다 약간 작게 베인(23)의 일단부가 제작되며, 슬롯에 삽입된 베인(23)은 용접에 의하여 고정되어 용접부(24)를 갖는다. 상술한 고정방식은 슈라우드(22)와 베인(23) 간의 결합 강도를 유지하는 동시에 가공 과정의 용이성을 확보하여 품질을 높이는데 기여한다.

한편, 슈라우드(22)의 슬롯은 그 명칭에 구애 받지 않고 슈라우드(22)에 형성되는 어떤 형태의 홈 또는 홀을 포함한다.

또한, 베인(23)은 바이메탈로 제작된다. 여기서, 바이메탈(bi-metal)이란 열팽창계수가 매우 다른 두 종류의 얇은 금속판을 포개어 붙여 한 장으로 만든 막대 형태의 부품을 말한다. 따라서, 바이메탈로 제작된 베인(23)은 냉각수의 온도에 따라 형상 및 크기의 변화가 발생한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 냉각수의 온도에 따른 베인(23)의 위치 변화를 설명한다. 도 1은 냉각수의 온도가 저온일 때를 도시하는 것으로 베인(23)이 샤프트(21)의 중심축을 향하여 소정 각도의 경사각(α)으로 기울어진 형상임을 알 수 있다. 도 2는 냉각수의 온도가 도 1에 비하여 상대적으로 고온일 때를 도시하는 것으로 도 2에 도시된 베인(23)이 도 1에 도시된 베인(23)에 비하여 상대적으로 샤프트(21)의 중심축과 이루고 있는 경사각(α)이 더 커진 것을 확인할 수 있다. 즉, 냉각수의 온도가 상승함에 따라 베인(23)을 구성하는 바이메탈이 변형되어 상기 베인(23)이 이루는 경사각(α)을 변화시킨다.

도시하지 않았으나 냉각수의 온도가 저온일 때보다 냉각수의 온도가 고온일 때 바이메탈로 제작된 베인(23) 자체의 크기 역시 커지게 된다. 따라서, 샤프트(21)가 크랭크 샤프트와 비례하는 속도로 회전하더라도 냉각수의 온도에 따라 엔진에 형성된 워터재킷에 전달되는 냉각수의 양이 조절된다.

도 4 및 도 5를 참조하여 도 3의 'B'방향에서 바라 본 베인(23)의 형상을 상술한다. 도 4에 도시된 것과 같이 베인(23)은 슈라우드(22)의 외주연 상에 원주방향으로 복수개가 등간격으로 배치된다. 즉, 방사상으로 일정한 간격을 이루게 된다. 한편, 도 5에 도시된 것과 같이 다른 실시예로서 베인(23')은 슈라우드(22)의 외주연으로부터 연장되면서 그 폭이 점점 좁아지도록 구성된다. 상기의 구조를 통하여 냉각수를 효과적으로 전달할 수 있다. 상기 구조의 이점을 보면, 임펠러가 시계 또는 반시계 방향으로 회전하는 경우에 자연스럽게 원심력 및 베인(23')의 기울어진 각도에 따라 임펠러에 근접한 냉각수가 베인(23')의 끝단으로 이동할 수 있게 됨으로써 냉각수의 유동을 돕게 된다.

작동 방법의 설명

엔진이 시동되어 크랭크 샤프트가 회전하면, 크랭크 샤프트 풀리는 벨트로 연결된 풀리(12)를 회전시킨다. 상기 풀리(12)의 회전에 따라, 풀리(12)와 결합된 샤프트(21) 및 샤프트(21)의 타 단부를 둘러싸고 있는 슈라우드(22)도 함께 회전하게 된다.

도 1을 참조하여, 냉각수의 온도가 저온일 때(즉, 엔진의 웜업 단계)를 설명한다. 샤프트(21)의 회전 구동에 따라서 상기 샤프트(21)의 중심축을 향하여 경사진 베인(23)은 저온의 냉각수 중에서 회전한다. 그러나 냉각수의 온도가 고온일 때와 비교하여 베인(23)의 크기가 작고 기울어진 형상이므로 엔진에 형성된 워터재킷에 전달되는 냉각수의 양이 적다. 즉, 바이메탈로 이루어진 베인(23)이 팽창되기 전에는 베인(23)과 샤프트(21) 사이의 경사각(α)이 90°보다 작은(예를 들어 45°) 상태를 유지함으로써 냉각수를 유동하게 할 수 있는 베인(23)의 유효면적이 작아진다.

도 2를 참조하여, 냉각수의 온도가 고온일 때(엔진의 냉각이 요구되는 단계)를 설명한다. 고온의 냉각수는 바이메탈 부재인 베인(23)을 팽창하게 함으로써 경사각(α)이 점점 증가하게 한다. 즉, 베인(23)은 냉각수의 온도가 증가함에 따라 샤프트(21)의 중심축과 이루는 경사각이 커짐으로써 하우징(11) 내에 유입된 냉각수에 미치는 유효면적이 증가한다. 따라서, 엔진에 형성된 워터재킷에 전달되는 냉각수의 양이 많아 진다.

10 : 워터펌프
11 : 하우징
12 : 풀리
20 : 임펠러
21 : 샤프트
22 : 슈라우드
23, 23' : 베인
24 : 용접부

Claims (3)

1. 샤프트;
   상기 샤프트의 일 단부를 감싸도록 고정되는 슈라우드; 및
   상기 슈라우드에 형성된 슬롯에 상기 샤프트의 축방향을 따라 변형 가능하도록 고정된 베인;
   을 포함하며,
   상기 베인은 바이메탈 부재로서 상기 슈라우드의 외주연 상에 원주상 등간격으로 복수개가 방사상으로 배치되고, 상기 슈라우드의 외주연으로부터 연장되면서 그 폭이 점점 좁아지는 것을 특징으로 하는,
   가변형 임펠러.
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