KR101427089B1 - 하이브리드 워터 펌프 - Google Patents

하이브리드 워터 펌프 Download PDF

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오창복
이호길
유병주
박종수
권혁환
함명인
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Abstract

전동 모터식 워터 펌프와 클러치식 워터 펌프를 유기적으로 병합하여 그들의 장점만을 살리고, 단점들은 제거한 하이브리드 워터 펌프가 개시된다. 개시된 하이브리드 워터 펌프는, 하우징과 그에 회전 가능하게 삽입되는 샤프트, 하우징 내부에 배치되고, 샤프트의 일측 단부에 고정되어 샤프트의 회전에 의해 회전하는 임펠러(impeller), 엔진의 크랭크축 회전에 연계되어 회전하는 풀리(pulley), 전기 신호가 인가되지 않으면 풀리의 회전력이 샤프트에 전달되도록 풀리와 샤프트를 연결하고, 전기 신호가 인가되면 풀리의 회전력이 샤프트에 전달되지 않도록 풀리와 샤프트의 연결을 끊는 클러치 유닛(clutch unit), 전기 신호에 의해 구동되며, 적어도 두 개의 냉각수 유입구 중의 하나를 통해 하우징에 유입되는 냉각수를 하우징에 유입되기 앞서서 가압하는 모터 펌프, 및 초기 운전 상태인 때 모터 펌프를 정지시키고 풀리와 샤프트의 연결이 끊어지도록 클러치 유닛을 제어하고, 고출력 운전 상태인 때 모터 펌프를 정지시키고 풀리와 샤프트가 연결되도록 클러치 유닛을 제어하며, 초기 운전 상태 및 고출력 운전 상태가 모두 아닌 때 모터 펌프를 작동시키고 풀리와 샤프트의 연결이 끊어지도록 클러치 유닛을 제어하는 제어 유닛을 구비한다.

Description

하이브리드 워터 펌프{Hybrid water pump}
본 발명은 자동차 엔진(engine)의 과열을 막는 냉각수를 강제 순환시키는 워터 펌프에 관한 것이다.
자동차의 엔진은 과열을 막기 위해 통상적으로 냉각수(coolant)를 사용하는 수냉식 냉각 시스템이 적용되며, 냉각수를 강제 순환시키기 위하여 워터 펌프(water pump)가 사용된다. 일반적으로 워터 펌프는 기계식, 클러치식, 및 전동 모터식으로 구분된다. 기계식은 벨트(belt)에 의해 연결되어 엔진의 크랭크축 회전에 연동 회전하는 풀리(pulley)와, 상기 풀리와 동축 연결되어 회전하는 임펠러(impeller)를 구비하는 구성을 갖는다. 이에 따라, 엔진 작동 초기에 웜업(warm-up)이 충분하지 않아 엔진 온도가 낮은 시기에도 워터 펌프가 작동하여 엔진의 웜업을 지연시키고, 엔진 효율과 연비를 저하시키는 요인이 된다.
클러치식 워터 펌프는, 기계식과 구동 원리는 동일하나 풀리(pulley)와 임펠러(impeller)의 축이 클러치 디스크(clutch disk)에 의해 축 연결되거나 끊어질 수 있다. 즉, 엔진 작동 초기에는 클러치 디스크의 EM 코일(electromagnetic coil)에 전기 신호를 인가하여 클러치 디스크를 상기 풀리에서 분리시켜 워터 펌프가 작동하지 않도록 한다. 엔진이 일정 온도로 웜업된 이후에는 EM 코일에 전기 신호가 인가되지 않도록 함으로써 기계식과 마찬가지로 풀리와 임펠러가 동축 연결되어 워터 펌프가 작동한다. 클러치식 워터 펌프는 엔진이 일정 온도 이상으로 웜업된 이후에는 엔진의 회전수와 임펠러의 회전수가 비례 관계가 되도록 연계되어 있어 연비가 향상되는 최적의 엔진 온도로 유지하기 어렵다.
전동 모터식 워터 펌프는 임펠러가 전동 모터의 축에 연결되어 회전하는 워터 펌프로서, 구조가 단순하고, 전동 모터에 인가되는 전기 신호를 조절하여 임펠러의 회전수를 쉽게 조절할 수 있어 연비가 향상되는 최적의 엔진 온도로 유지하기 용이한 장점이 있으나, 전기 계통의 이상이 발생하면 워터 펌프가 작동하지 않게 되어 엔진이 과열되고, 영구적으로 손상될 수 있다.
본 발명은, 전동 모터식 워터 펌프와 클러치식 워터 펌프를 유기적으로 병합하여 그들의 장점만을 살리고 단점들은 제거한 하이브리드 워터 펌프(hybrid water pump)를 제공한다.
또한 본 발명은, 기존의 클러치식 워터 펌프의 설치 공간과 동일한 설치 공간만 있으면 설치할 수 있는, 전동 모터식 워터 펌프와 클러치식 워터 펌프를 병합한 하이브리드 워터 펌프를 제공한다.
본 발명은, 엔진과 라디에이터를 차례로 통과한 냉각수가 유입되는 적어도 두 개의 냉각수 유입구와 상기 엔진으로 향하는 냉각수가 송출되는 하나의 냉각수 송출구가 형성된 하우징, 상기 하우징에 회전 가능하게 삽입되는 샤프트, 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 샤프트의 일측 단부에 고정되어 상기 샤프트의 회전에 의해 회전하는 임펠러(impeller), 엔진의 크랭크축 회전에 연계되어 회전하는 풀리(pulley), 전기 신호가 인가되지 않으면 상기 풀리의 회전력이 상기 샤프트에 전달되도록 상기 풀리와 상기 샤프트를 연결하고, 전기 신호가 인가되면 상기 풀리의 회전력이 상기 샤프트에 전달되지 않도록 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결을 끊는 클러치 유닛(clutch unit), 전기 신호에 의해 구동되며, 상기 적어도 두 개의 냉각수 유입구 중의 하나를 통해 유입되는 냉각수를 상기 하우징에 유입되기 앞서서 가압하는 모터 펌프, 및 상기 클러치 유닛 및 상기 모터 펌프의 작동을 제어하는 제어 유닛을 구비하는 하이브리드 워터 펌프를 제공한다.
상기 제어 유닛은, 초기 운전 상태인 때 상기 모터 펌프를 정지시키고 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결이 끊어지도록 상기 클러치 유닛을 제어하고, 고출력 운전 상태인 때 상기 모터 펌프를 정지시키고 상기 풀리와 상기 샤프트가 연결되도록 상기 클러치 유닛을 제어하며, 상기 초기 운전 상태 및 상기 고출력 운전 상태가 모두 아닌 때 상기 모터 펌프를 작동시키고 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결이 끊어지도록 상기 클러치 유닛을 제어할 수 있다.
또한 본 발명은, 엔진과 라디에이터를 차례로 통과한 냉각수가 유입되는 적어도 하나의 냉각수 유입구와 상기 엔진으로 향하는 냉각수가 송출되는 하나의 냉각수 송출구가 형성된 하우징, 상기 하우징에 회전 가능하게 삽입되는 샤프트, 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 샤프트의 일측 단부에 고정되어 상기 샤프트의 회전에 의해 회전하는 임펠러(impeller), 엔진의 크랭크축 회전에 연계되어 회전하는 풀리(pulley), 전기 신호가 인가되지 않으면 상기 풀리의 회전력이 상기 샤프트에 전달되도록 상기 풀리와 상기 샤프트를 연결하고, 전기 신호가 인가되면 상기 풀리의 회전력이 상기 샤프트에 전달되지 않도록 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결을 끊는 클러치 유닛(clutch unit), 상기 샤프트에 고정되고 상기 샤프트와 함께 회전하는 로터(rotor)와, 상기 로터와 이격되게 상기 샤프트의 주변에 고정 배치된 스테이터(stator)를 구비하여 전기 신호가 인가되면 상기 로터가 회전하여 상기 로터에 고정된 샤프트를 회전시키는 모터 유닛, 및 상기 클러치 유닛 및 상기 모터 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 구비하는 하이브리드 워터 펌프를 제공한다.
상기 제어 유닛은, 초기 운전 상태인 때 상기 모터 유닛을 정지시키고 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결이 끊어지도록 상기 클러치 유닛을 제어하고, 고출력 운전 상태인 때 상기 모터 유닛을 정지시키고 상기 풀리와 상기 샤프트가 연결되도록 상기 클러치 유닛을 제어하며, 상기 초기 운전 상태 및 상기 고출력 운전 상태가 모두 아닌 때 상기 모터 유닛을 작동시키고 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결이 끊어지도록 상기 클러치 유닛을 제어할 수 있다.
상기 로터는 영구 자석을 포함하고, 상기 스테이터는 권취된 코일을 포함할 수 있다.
상기 초기 운전 상태는 상기 냉각수의 온도가 제1 기준보다 작거나 같은 상태로 설정될 수 있다.
상기 초기 운전 상태는 엔진 오일의 온도가 제2 기준보다 작거나 같은 상태로 설정될 수 있다.
상기 제1 기준은 70 내지 80 ℃ 사이의 일 온도일 수 있다.
상기 제2 기준은 60 내지 70 ℃ 사이의 일 온도일 수 있다.
상기 고출력 운전 상태는, 상기 초기 운전 상태가 아닌 상태로서 엔진의 회전수가 제3 기준보다 큰 상태로 설정될 수 있다.
상기 제3 기준은 2000 내지 2500 rpm(revolution per minute) 사이의 일 회전속도일 수 있다.
상기 고출력 운전 상태는, 상기 초기 운전 상태가 아닌 상태로서 가속 페달의 가압량이 제4 기준보다 큰 상태로 설정될 수 있다.
상기 가속 페달의 가압량은 가속 페달을 밟을 때 가속 페달의 최대 회동 각도에 대한 가속 페달의 실제 회동 각도의 비율이며, 상기 제4 기준은 0.4 내지 0.5 사이의 일 숫자일 수 있다.
상기 제어 유닛은, 상기 초기 운전 상태 및 상기 고출력 운전 상태를 판단하는 파라미터(parameter)를 자동차의 ECU(electronic control unit)로부터 수신하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 워터 펌프에 의하면, 엔진의 작동 상태에 따라 풀리의 회전력에 의해 냉각수를 가압 공급하는 방식과, 모터 펌프 또는 모터 유닛을 구동하여 냉각수를 가압 공급하는 방식이 자동적으로 선택된다. 따라서, 엔진 시동 후에 최적의 엔진 온도를 유지하기 용이하고, 전기 계통이 고장난 비상의 조건하에서도 냉각수를 순환시켜 엔진 파손과 같은 더 큰 손상을 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 서로 다른 방향에서 보고 도시한 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 서로 다른 방향에서 보고 도시한 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 제어하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 제어하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 서로 다른 방향에서 보고 도시한 분해 사시도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 서로 다른 방향에서 보고 도시한 사시도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 다른 워터 펌프(10)는 하우징, 샤프트(31), 임펠러(impeller)(38), 풀리(pulley)(25), 클러치 유닛(clutch unit), 모터 펌프(45), 및 제어 유닛(65)을 구비한다.
상기 하우징은 가스켓(19)을 개재하고 스크류(screw) 체결하여 밀봉 결합되는 하우징 보디(housing body)(11)와, 하우징 커버(housing cover)(20)를 구비한다. 하우징 보디(11)에는 임펠러 수용홈(volute)(14)과, 상기 임펠러 수용홈(14)의 중앙부에 연결되는 샤프트 관통공(15)과, 상기 임펠러 수용홈(14)의 주변부에 연결되는 냉각수 송출 개구(16)가 형성된다. 또한, 상기 샤프트 관통공(15)에 연결되는 제1 냉각수 유입 개구(12)와 제3 냉각수 유입 개구(13)가 형성된다. 하우징 커버(20)에는 상기 임펠러 수용홈(14)에 연결되는 제2 냉각수 유입 개구(21)와 제4 냉각수 유입 개구(22)가 형성된다.
제1 냉각수 유입 개구(12)에는 써모스탯(thermostat)(41)이 탑재되고, 제1 냉각수 유입 연결관(43)이 체결된다. 제1 냉각수 유입 개구(12)와 제2 냉각수 유입 개구(21)를 통해서는 자동차의 엔진(미도시)과 라디에이터(radiator)(미도시)를 차례로 통과한 냉각수가 하우징 내부로 선택적으로 유입된다. 구체적으로, 써모스탯(41)은 냉각수의 온도가 통과 온도보다 높으면 제1 냉각수 유입 개구(12)를 개방하고, 냉각수의 온도가 통과 온도보다 낮거나 같으면 제1 냉각수 유입 개구(12)를 폐쇄한다. 예컨대, 상기 통과 온도는 80 내지 90℃ 중의 일 온도일 수 있다. 제1 냉각수 유입 개구(12)가 폐쇄되면 제2 냉각수 유입 개구(21)를 통하여 엔진과 라디에이터를 차례로 통과한 냉각수가 하우징 내부로 유입되고, 제1 냉각수 유입 개구(12)가 개방되면 제2 냉각수 유입 개구(21)를 통해서는 냉각수가 유입되지 않는다.
제3 냉각수 유입 개구(13)를 통해서는 엔진룸(engine room)(미도시)과 오일 쿨러(oil cooler)(미도시)를 통과한 냉각수가 하우징 내부로 유입되고, 제4 냉각수 유입 개구(22)를 통해서는 서지 탱크(surge tank)(미도시)와 히터(heater)(미도시)를 통과한 냉각수가 하우징 내부로 유입된다. 제3 냉각수 유입 개구(13)와 제4 냉각수 유입 개구(22)는 항상 개방되어 있다. 냉각수 송출 개구(16)를 통해서는 하우징 내부에서 가압된 냉각수가 송출되고, 하우징 외부로 배출된 냉각수는 냉각이 필요한 장치들로 분기된다.
샤프트(31)는 베어링과 일체로 형성되거나, 별개로 제조된 베어링과 결합되어, 상기 샤프트 관통공(15)을 통해 하우징 보디(11)에 회전 가능하게 삽입된다. 임펠러(38)는 상기 임펠러 수용홈(14)에 회전 가능하게 수용되고 샤프트(31)의 일측 단부에 고정되어 샤프트(31)의 회전에 의해 회전한다. 샤프트(31)의 중간에 끼워지는 씰링 부재(35)는 임펠러 수용홈(14)으로 유입되는 냉각수가 샤프트 관통공(15)을 통해 누출되지 않도록 밀봉한다. 풀리(25)는 샤프트(31)의 타측 단부를 중심으로 회전 가능하게 배치되고, 엔진(미도시)의 크랭크축(미도시)과 벨트(belt)에 의해 연결되어 상기 크랭크축 회전에 연계되어 회전한다.
클러치 유닛은 풀리(25)에 연결된 클러치 디스크(28)와, 하우징 보디(11)에 지지되고 상기 클러치 디스크(28)에 인접하여 배치되는 클러치 코일(29)을 구비한다. 클러치 유닛, 구체적으로 클러치 코일(29)에 전기 신호가 인가되지 않으면 상기 클러치 디스크(28)가 풀리(25) 측으로 바이어스(bias)되고 풀리(25)와 샤프트(31)의 타측 단부가 동력 전달 가능하게 연결된다. 이에 따라 풀리(25)의 회전력이 샤프트(31) 및 임펠러(38)에 전달된다. 그러나, 클러치 코일(29)에 전기 신호가 인가되면 전자석화된 클러치 코일(29)의 자기력(磁氣力)에 의해 클러치 디스크(28)가 클러치 코일(29) 측으로 바이어스되고 풀리(25)와 샤프트(31)의 타측 단부가 분리된다. 따라서 풀리(25)의 회전력이 샤프트(31) 및 임펠러(38)에 전달되지 않는다.
모터 펌프(45)는 제2 냉각수 유입 개구(21)로 유입되는 냉각수를 하우징에 유입되기 앞서서 가압한다. 모터 펌프 유입관(51)은 모터 펌프(45)의 축 방향 유입 개구(46)에 연결되고, 모터 펌프 유출관(52)의 일측은 모터 펌프(45)의 방사 방향 유출 개구(47)에 연결되며, 모터 펌프 유출관(52)의 타측은 제2 냉각수 유입 개구(21)에 연결된다. 따라서, 모터 펌프 유입관(51)을 통하여 축 방향 유입 개구(46)로 유입된 냉각수가 모터 펌프(45) 내부에서 가압되어 방사 방향 유출 개구(47), 모터 펌프 유출관(52), 및 제2 냉각수 유입 개구(21)를 통하여 하우징 내부로 유입되고, 냉각수 송출 개구(16)를 통해 하우징 밖으로 배출된다.
한편, 모터 펌프(45)의 위치는 자동차 내부의 공간 활용에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제2 냉각수 유입 개구(21)에 가깝게 또는 멀리 장착될 수 있다.
제어 유닛(65)은 클러치 유닛과 모터 펌프(45)의 작동을 제어한다. 구체적으로, 자동차의 엔진 작동을 시작한 초기 운전 상태인 때에는 제어 유닛(65)은 모터 펌프(45)에 전기 신호를 인가하지 않아 모터 펌프(45)를 정지시키고, 클러치 코일(29)에 전기 신호를 인가하여 풀리(25)와 샤프트(31)의 연결을 끊는다. 이에 따라 엔진이 충분히 가열되지 않은 상태에서 냉각수가 순환되지 않아 엔진이 정상 운전 온도까지 빠르게 상승된다.
또한, 고출력 운전 상태인 때에는 제어 유닛(65)은 모터 펌프(45)에 전기 신호를 인가하지 않아 모터 펌프(45)를 정지시키고, 클러치 코일(29)에 전기 신호를 인가하지 않아 풀리(25)와 샤프트(31)를 연결시킨다. 이에 따라 샤프트(31)에 결합된 임펠러(38)가 회전하여 하우징 내부로 유입된 냉각수를 가압하여 냉각수 송출 개구(16)로 송출한다. 고출력 운전 상태인 엔진으로 인해 풀리(25)가 고속 회전하므로, 임펠러(38)도 고속 회전하여 냉각수가 빠른 속도로 순환되며, 냉각 성능이 커진다.
상기 초기 운전 상태 및 상기 고출력 운전 상태가 모두 아닌 때에는 제어 유닛(65)은 모터 펌프(45)에 전기 신호를 인가하여 모터 펌프(45)를 작동시키고, 클러치 코일(29)에 전기 신호를 인가하여 풀리(25)와 샤프트(31)의 연결을 끊는다. 이에 따라 모터 펌프(45)에 의해 가압된 냉각수가 하우징 내부로 유입되고 다시 냉각수 송출 개구(16)를 통해 배출되어 순환한다.
모터 펌프(45)의 출력이 커지면 냉각수의 가압력이 커져 냉각 성능이 커진다. 추가적으로, 제어 유닛(65)은 초기 운전 상태 및 고출력 운전 상태가 모두 아닌 때에 냉각수의 온도, 엔진 오일의 온도, 엔진 회전수, 또는 가속 페달의 가압량에 비례하여 모터 펌프(45)의 출력을 증대시킬 수 있다. 가속 페달의 가압량은 운전자가 가속 페달(미도시)을 밟을 때 가속 페달의 최대 회동에 대한 가속 페달의 실제 회동 각도의 비율로서 0 내지 1 사이의 숫자로 나타난다.
여기서, 상기 초기 운전 상태는 냉각수의 온도가 제1 기준보다 작거나 같고, 엔진 오일의 온도가 제2 기준보다 작거나 같은 상태로 설정된다. 제1 기준은 70 내지 80 ℃ 사이의 일 온도이고, 제2 기준은 60 내지 70 ℃ 사이의 일 온도이다. 예를 들어, 제1 기준이 80 ℃, 제2 기준이 70 ℃ 로 설정되면, 제어 유닛(65)은 냉각수의 온도가 80 ℃보다 작고, 엔진 오일의 온도가 70 ℃ 보다 작으면 초기 운전 상태라고 판단한다. 다만, 냉각수의 온도와 엔진 오일의 온도를 반드시 모두 고려하여 초기 운전 상태를 판단해야 하는 것은 아니며, 냉각수의 온도만을 고려하거나, 엔진 오일의 온도만을 고려하여 초기 운전 상태를 판단할 수도 있다.
상기 고출력 운전 상태는, 상기 초기 운전 상태가 아닌 상태로서 엔진의 회전수가 제3 기준보다 큰 상태이거나, 가속 페달의 가압량이 제4 기준보다 큰 상태로 설정된다. 제3 기준은 2000 내지 2500 rpm(revolution per minute) 사이의 일 회전속도이다. 가속 페달 가압량은 이미 설명한 바와 같이 운전자가 가속 페달(미도시)을 밟을 때 가속 페달의 최대 회동에 대한 가속 페달의 실제 회동 각도의 비율로서 0 내지 1 사이의 숫자로 나타나는데, 제4 기준은 0.4 내지 0.5 사이의 일 숫자이다. 예를 들어, 제3 기준이 2500 rpm 으로 설정되면 제어 유닛(65)은 초기 운전 상태가 아니며, 엔진의 회전수가 2500 rpm 보다 크면 고출력 운전 상태라고 판단한다. 한편, 제4 기준이 0.5 로 설정되면 제어 유닛(65)은 초기 운전 상태가 아니며, 가속 페달 가압량이 0.5 보다 크면, 비록 엔진의 회전수가 2500 rpm 보다 작거나 같더라도 고출력 운전 상태라고 판단한다.
상기 냉각수의 온도, 엔진 오일의 온도, 엔진의 회전수, 가속 페달의 가압량에 기초하여 고출력 운전 상태인지, 초기 운전 상태인지, 또는 둘 다 아닌 상태인지가 판단된다. 따라서, 이와 같은 정보들을 운전 상태를 판단하는 파라미터(parameter)라 한다. 제어 유닛(65)은 상기 운전 상태를 판단하는 파라미터를 자동차의 ECU(electronic control unit)로부터 수신한다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 제어하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 도 1 내지 도 4와, 도 7을 참조하여 하이브리드 워터 펌프(10)의 작동을 제어하는 방법의 일 예를 설명한다. 이 제어 방법은 제어 유닛(65)에 의해 수행된다. 먼저, 자동차의 엔진의 작동이 개시되면(S10), 워터 펌프(10)의 클러치 코일(29)에는 전기 신호가 인가되고(클러치 유닛 ON) 모터 펌프(45)에는 전기 신호가 인가되지 않아(모터 펌프 OFF), 임펠러(38)는 회전하지 않고 모터 펌프(45)는 정지한다(S11).
일정 시간이 경과한 후(S12), 냉각수 온도가 제1 기준보다 큰지를 판단하고(S13), 엔진 오일 온도가 제2 기준보다 큰지를 판단한다(S14). S13 및 S14의 조건 중 하나라도 만족되지 않으면 여전히 초기 운전 상태로 판단되어 S12, S13, 및 S14를 반복한다. S13 및 S14를 만족하면, 엔진 회전수가 제3 기준보다 큰지를 판단한다(S15). S15의 조건을 만족하면 고출력 운전 상태로 판단되어 클러치 코일(29)에 전기 신호를 인가하지 않고(클러치 유닛 OFF) 모터 펌프(45)에는 전기 신호가 인가되지 않는다(모터 펌프 OFF)(S151). 이에 따라 임펠러(38)는 회전하고 모터 펌프(45)는 정지하며, 임펠러(38)의 회전으로 하우징 내부의 냉각수가 가압되어 냉각수 순환 경로로 공급된다(S152).
S15의 조건이 만족되지 않으면 가속 페달의 가압량이 제4 기준보다 큰지를 판단한다(S16). S16의 조건을 만족하면 S15의 조건을 만족하지 못하였음에도 불구하고 고출력 운전 상태로 판단되어 S151 및 S152 단계가 수행된다. 그러나, S16의 조건이 만족되지 않으면 초기 운전 상태도 아니고 고출력 운전 상태도 아닌 것으로 판단되어 클러치 코일(29)에 전기 신호를 인가하고(클러치 유닛 ON) 모터 펌프(45)에 전기 신호를 인가한다(S161). 이에 따라 모터 펌프(45)의 작동으로 냉각수가 가압되고 하우징을 관통하여 냉각수 순환 경로로 공급된다(S162). 한편, S152 또는 S162 단계가 수행되면 다시 S12 단계부터 과정이 반복되며, 이러한 반복 과정은 엔진이 정지될 때까지 계속된다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 도시한 사시도 및 단면도이다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프(70)는 제1 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프(10)(도 1 내지 도 4 참조)와 유사한 점이 많으므로 이하에서 상이한 점 위주로 설명한다. 제1 실시예의 워터 펌프(10)와 비교하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프(70)는 모터 펌프(45)(도 1 참조)를 설치할 공간이 충분하지 않거나, 냉각수 유입 개구가 3개나 그보다 작은 경우, 또는 써모스탯(41)이 구비되지 않은 경우에 적용이 선호된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 다른 하이브리드 워터 펌프(70)는 하우징, 샤프트(91), 임펠러(impeller)(98), 풀리(pulley)(85), 클러치 유닛(clutch unit), 모터 유닛, 및 제어 유닛(115)을 구비한다. 상기 하우징은 가스켓(미도시)을 개재하고 스크류(screw) 체결하여 밀봉 결합되는 하우징 보디(housing body)(71)와, 하우징 커버(housing cover)(80)를 구비한다. 제1 실시예의 하우징 보디(11)(도 1 내지 도 4 참조)와 마찬가지로 제2 실시예의 하우징 보디(71)에는 냉각수 송출 개구(76), 제1 냉각수 유입 개구(미도시), 및 제3 냉각수 유입 개구(73)가 형성된다. 하우징 커버(80)에는 제2 냉각수 유입 개구(81)와 제4 냉각수 유입 개구(82)가 형성된다.
도시되진 않았으나, 제1 냉각수 유입 개구에는 써모스탯(thermostat)이 탑재되고, 제1 냉각수 유입 연결관(99)이 체결된다. 제1 냉각수 유입 개구와 제2 냉각수 유입 개구(81)를 통해서는 자동차의 엔진(미도시)과 라디에이터(radiator)(미도시)를 차례로 통과한 냉각수가 하우징 내부로 선택적으로 유입된다. 구체적으로, 써모스탯은 냉각수의 온도가 통과 온도보다 높으면 제1 냉각수 유입 개구를 개방하고, 냉각수의 온도가 통과 온도보다 낮거나 같으면 제1 냉각수 유입 개구를 폐쇄한다. 예컨대, 상기 통과 온도는 80 내지 90℃ 중의 일 온도일 수 있다. 제1 냉각수 유입 개구가 폐쇄되면 제2 냉각수 유입 개구(81)를 통하여 엔진과 라디에이터를 차례로 통과한 냉각수가 하우징 내부로 유입되고, 제1 냉각수 유입 개구가 개방되면 제2 냉각수 유입 개구(81)를 통해서는 냉각수가 유입되지 않는다.
제3 냉각수 유입 개구(73)를 통해서는 엔진룸(engine room)(미도시)과 오일 쿨러(oil cooler)(미도시)를 통과한 냉각수가 하우징 내부로 유입되고, 제4 냉각수 유입 개구(82)를 통해서는 서지 탱크(surge tank)(미도시)와 히터(heater)(미도시)를 통과한 냉각수가 하우징 내부로 유입된다. 제3 냉각수 유입 개구(73)와 제4 냉각수 유입 개구(82)는 항상 개방되어 있다. 냉각수 송출 개구(76)를 통해서는 하우징 내부에서 가압된 냉각수가 송출되고, 하우징 외부로 배출된 냉각수는 냉각이 필요한 장치들로 분기된다.
샤프트(91)는 하우징 보디(71)에 삽입되며, 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 임펠러(98)는 하우징 보디(71) 내에 회전 가능하게 수용되고 샤프트(91)의 일측 단부에 고정되어 샤프트(91)의 회전에 의해 회전한다. 샤프트(91)의 중간에 끼워지는 씰링 부재(95)는 상기 4개의 냉각수 유입 개구들을 통해 하우징 내로 유입되는 냉각수가 클러치 유닛과 모터 유닛 측으로 누출되지 않도록 밀봉한다. 풀리(85)는 베어링에 지지되고, 샤프트(91)의 타측 단부를 중심으로 회전 가능하게 배치되며, 엔진(미도시)의 크랭크축(미도시)과 벨트(belt)에 의해 연결되어 상기 크랭크축 회전에 연계되어 회전한다.
클러치 유닛은 풀리(85)에 연결된 클러치 디스크(88)와, 하우징 보디(71)에 지지되고 상기 클러치 디스크(88)에 인접하여 배치되는 클러치 코일(89)을 구비한다. 클러치 유닛, 구체적으로 클러치 코일(89)에 전기 신호가 인가되지 않으면 상기 클러치 디스크(88)가 풀리(85) 측으로 바이어스(bias)되고 풀리(85)와 샤프트(91)의 타측 단부가 동력 전달 가능하게 연결된다. 이에 따라 풀리(85)의 회전력이 샤프트(91) 및 임펠러(98)에 전달된다. 그러나, 클러치 코일(89)에 전기 신호가 인가되면 전자석화된 클러치 코일(89)의 자기력(磁氣力)에 의해 클러치 디스크(88)가 클러치 코일(89) 측으로 바이어스되고 풀리(85)와 샤프트(91)의 타측 단부가 분리된다. 따라서 풀리(85)가 베어링에 지지되어 회전하지만, 풀리(85)의 회전력이 샤프트(91) 및 임펠러(98)에 전달되지 않는다.
모터 유닛은, 샤프트(91)에 고정되고 샤프트(91)와 함께 회전하는 로터(rotor)(105)와, 로터(105)와 이격되게 샤프트(91)의 주변에 고정 배치된 스테이터(stator)(107)를 구비한다. 로터(105)는 영구자석(magnet)을 포함하고, 스테이터(107)는 권취된 코일(coil)을 포함한다. 상기 스테이터(107)의 코일에 전기 신호가 인가되면 영구자석을 포함하는 로터(105)의 자기력과 전자석화된 코일을 포함하는 스테이터(107)의 자기력이 서로 영향을 주고 받아 로터(105)가 회전하고, 이로 인해 로터(105)에 고정된 샤프트(91)가 회전한다. 한편, 모터 유닛의 구조는 도 6에 도시된 것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 로터가 권취된 코일을 포함하고, 스테이터가 영구자석을 포함하도록 구성될 수도 있다.
제어 유닛(115)은 클러치 유닛과 모터 유닛의 작동을 제어한다. 구체적으로, 자동차의 엔진 작동을 시작한 초기 운전 상태인 때에는 제어 유닛(115)은 모터 유닛, 구체적으로 스테이터(107)의 권취된 코일에 전기 신호를 인가하지 않고, 클러치 코일(89)에 전기 신호를 인가하여 풀리(85)와 샤프트(91)의 연결을 끊는다. 이에 따라 엔진이 충분히 가열되지 않은 상태에서 냉각수가 순환되지 않으므로 엔진이 정상 운전 온도까지 빠르게 상승된다.
또한, 고출력 운전 상태인 때에는 제어 유닛(115)은 상기 스테이터(107)의 코일에 전기 신호를 인가하지 않고, 클러치 코일(89)에 전기 신호를 인가하지 않아 풀리(85)와 샤프트(91)를 연결시킨다. 이에 따라 샤프트(91)에 결합된 임펠러(98)가 회전하여 하우징 내부로 유입된 냉각수를 가압하여 냉각수 송출 개구(76)로 송출한다. 고출력 운전 상태인 엔진으로 인해 풀리(85)가 고속 회전하므로, 임펠러(98)도 고속 회전하여 냉각수가 빠른 속도로 순환되며, 냉각 성능이 커진다.
상기 초기 운전 상태 및 상기 고출력 운전 상태가 모두 아닌 때에는 제어 유닛(115)은 상기 스테이터(107)의 코일에 전기 신호를 인가하여 샤프트(91)를 회전시키고, 클러치 코일(89)에 전기 신호를 인가하여 풀리(85)와 샤프트(91)의 연결을 끊는다. 이에 따라 샤프트(91)에 결합된 임펠러(98)가 회전하여 하우징 내부로 유입된 냉각수를 가압하여 냉각수 송출 개구(76)로 송출한다.
모터 유닛의 출력이 커지면 샤프트(91)와 이에 결합된 임펠러(98)의 회전력이 커져 냉각 성능이 커진다. 추가적으로, 제어 유닛(115)은 초기 운전 상태 및 고출력 운전 상태가 모두 아닌 때에 냉각수의 온도, 엔진 오일의 온도, 엔진 회전수, 또는 가속 페달의 가압량에 비례하여 모터 유닛의 출력을 증대시킬 수 있다. 가속 페달의 가압량은 운전자가 가속 페달(미도시)을 밟을 때 가속 페달의 최대 회동 각도에 대한 가속 페달의 실제 회동 각도의 비율로서 0 내지 1 사이의 숫자로 나타난다.
한편, 상기 초기 운전 상태 및 상기 고출력 운전 상태의 설정 기준에 대해서는 본 발명 제1 실시예의 제어 유닛(65)(도 1 및 도 2 참조)에 대한 설명에서 이미 언급하였으므로 중복된 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 워터 펌프를 제어하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 도 5 및 도 6과, 도 8을 참조하여 하이브리드 워터 펌프(70)의 작동을 제어하는 방법의 일 예를 설명한다. 이 제어 방법은 제어 유닛(115)에 의해 수행된다. 먼저, 자동차의 엔진의 작동이 개시되면(S20), 워터 펌프(70)의 클러치 코일(89)에는 전기 신호가 인가되고(클러치 유닛 ON) 모터 유닛에는 전기 신호가 인가되지 않아(모터 유닛 OFF) 임펠러(98)는 회전하지 않는다. (S21).
일정 시간이 경과한 후(S22), 냉각수 온도가 제1 기준보다 큰지를 판단하고(S23), 엔진 오일 온도가 제2 기준보다 큰지를 판단한다(S24). S23 및 S24의 조건 중 하나라도 만족되지 않으면 여전히 초기 운전 상태로 판단되어 S22, S23, 및 S24를 반복한다. S23 및 S24를 만족하면, 엔진 회전수가 제3 기준보다 큰지를 판단한다(S25). S25의 조건을 만족하면 고출력 운전 상태로 판단되어 클러치 코일(89)에 전기 신호를 인가하지 않고(클러치 유닛 OFF) 모터 유닛에는 전기 신호가 인가되지 않는다(모터 유닛 OFF)(S251). 이에 따라 풀리(85)의 회전력이 전달되어 임펠러(98)가 회전하며, 임펠러(98)의 회전으로 하우징 내부의 냉각수가 가압되어 냉각수 순환 경로로 공급된다(S252).
S25의 조건이 만족되지 않으면 가속 페달의 가압량이 제4 기준보다 큰지를 판단한다(S26). S26의 조건을 만족하면 S25의 조건을 만족하지 못하였음에도 불구하고 고출력 운전 상태로 판단되어 S251 및 S252 단계가 수행된다. 그러나, S26의 조건이 만족되지 않으면 초기 운전 상태도 아니고 고출력 운전 상태도 아닌 것으로 판단되어 클러치 코일(89)에 전기 신호를 인가하고(클러치 유닛 ON) 모터 유닛에 전기 신호를 인가한다(S261). 이에 따라 로터(105)의 회전력에 의해 샤프트(91)와 임펠러(98)가 회전하며, 임펠러(98)의 회전으로 하우징 내부의 냉각수가 가압되어 냉각수 순환 경로로 공급된다(S262). 한편, S252 또는 S262 단계가 수행되면 다시 S22 단계부터 과정이 반복되며, 이러한 반복 과정은 엔진이 정지될 때까지 계속된다.
한편, 전기 공급 계통의 고장이 발생하면, 고출력 운전 상태일 때와 마찬가지로, 클러치 유닛 OFF 및 모터 펌프 OFF(제1 실시예의 경우), 또는 클러치 유닛 OFF 및 모터 유닛 OFF(제2 실시예의 경우)로 작동한다. 즉, 벨트에 의한 풀리(25, 85)(도 1 및 도 6 참조)의 회전력이 임펠러(38, 98)(도 1 및 도 6 참조)에 항상 전달된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 워터 펌프 11: 하우징 보디
20: 하우징 커버 25: 풀리
28: 클러치 디스크 29: 클러치 코일
31: 샤프트 35: 씰링 부재(sealing member)
38: 임펠러 45: 모터 펌프

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 엔진과 라디에이터를 차례로 통과한 냉각수가 유입되는 제1, 2 냉각수 유입개구와 상기 엔진으로 향하는 냉각수가 송출되는 하나의 냉각수 송출구가 형성된 하우징;
    상기 하우징에 회전 가능하게 삽입되는 샤프트;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 샤프트의 일측 단부에 고정되어 상기 샤프트의 회전에 의해 회전하는 임펠러(impeller);
    엔진의 크랭크축 회전에 연계되어 회전하는 풀리(pulley);
    전기 신호가 인가되지 않으면 상기 풀리의 회전력이 상기 샤프트에 전달되도록 상기 풀리와 상기 샤프트를 연결하고, 전기 신호가 인가되면 상기 풀리의 회전력이 상기 샤프트에 전달되지 않도록 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결을 끊는 클러치 유닛(clutch unit);
    냉각수 온도가 통과 온도보다 높으면 상기 제1 냉각수 유입 개구 개방 및 제2 냉각수 유입 개구 폐쇄시키고, 냉각수 온도가 통과 온도보다 낮으면 상기 제1 냉각수 유입 개구 폐쇄 및 제2 냉각수 유입 개구 개방 상태를 선택하여 실행하는 써모스탯;
    상기 제2 냉각수 유입 개구에 배치되어, 전기 신호에 의해 구동되며, 상기 제2 냉각수 유입 개구를 통해 유입되는 냉각수를 상기 하우징에 유입되기 앞서서 가압하는 모터 펌프; 및
    엔진의 출력 상태 및 냉각수의 온도 조건에 따라서, 상기 클러치 유닛 및 상기 모터 펌프의 작동을 제어하는 제어 유닛;을 구비하고,
    상기 제어 유닛은, 초기 운전 상태인 때 상기 모터 펌프를 정지시키고 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결이 끊어지도록 상기 클러치 유닛을 제어하고, 고출력 운전 상태인 때 상기 모터 펌프를 정지시키고 상기 풀리와 상기 샤프트가 연결되도록 상기 클러치 유닛을 제어하며, 상기 초기 운전 상태 및 상기 고출력 운전 상태가 모두 아닌 때 상기 모터 펌프를 작동시키고 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결이 끊어지도록 상기 클러치 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 초기 운전 상태는 상기 냉각수의 온도가 제1 기준보다 작거나 같은 상태로 설정된 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 초기 운전 상태는 엔진 오일의 온도가 제2 기준보다 작거나 같은 상태로 설정된 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 기준은 70 내지 80 ℃ 사이의 일 온도인 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 기준은 60 내지 70 ℃ 사이의 일 온도인 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 고출력 운전 상태는, 상기 초기 운전 상태가 아닌 상태로서 엔진의 회전수가 제3 기준보다 큰 상태로 설정된 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제3 기준은 2000 내지 2500 rpm(revolution per minute) 사이의 일 회전속도인 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  12. 제2 항에 있어서,
    상기 고출력 운전 상태는, 상기 초기 운전 상태가 아닌 상태로서 가속 페달의 가압량이 제4 기준보다 큰 상태로 설정된 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 가속 페달의 가압량은 가속 페달을 밟을 때 가속 페달의 최대 회동 각도에 대한 가속 페달의 실제 회동 각도의 비율이며,
    상기 제4 기준은 0.4 내지 0.5 사이의 일 숫자인 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
  14. 제2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 초기 운전 상태 및 상기 고출력 운전 상태를 판단하는 파라미터(parameter)를 자동차의 ECU(electronic control unit)로부터 수신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 워터 펌프.
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