KR101796581B1 - 워터펌프의 가변형 임펠러 - Google Patents

Abstract

워터펌프의 가변형 임펠러는 원통형의 외형을 갖고 샤프트에 장착되는 허브와, 허브로부터 외측을 향해 방사상으로 돌출 형성되는 복수의 베인을 포함한다. 각 베인은 임펠러 반지름 방향에 대해 휘어진 형태의 바이메탈 부재로서 주위 온도에 따른 곡률 변경에 의해 변형되도록 구성된다.
이에 따라, 임펠러에 바이메탈 특성을 적용하여 주위 온도에 따라 외경 변화를 주어 운전 조건에 맞는 최적의 냉각수 유량을 발생시킬 수 있으며, 특히, 냉간 시동시 적은 냉각수 유량만을 발생시켜 급속 웜업을 유도하여 연비를 향상시킬 수 있다.

Description

워터펌프의 가변형 임펠러{VARIABLE IMPELLER FOR WATER PUMP}

본 발명은 워터펌프의 가변형 임펠러에 관한 것으로, 특히 운전 조건에 맞는 최적의 냉각수 유량을 유도할 수 있고, 냉간 시동시 연비를 향상시킬 수 있는 워터펌프의 가변형 임펠러에 관한 것이다.

자동차의 냉각장치는 가동 중인 엔진을 냉각하여 과열을 방지하고 엔진의 온도를 일정하게 유지하는 역할을 한다.

대부분의 차량 엔진에 적용되는 수냉식 냉각장치의 경우, 엔진을 구성하는 실린더 블럭과 실린더 헤드에 냉각수를 통과시키는 워터재킷이 형성되고, 엔진의 일측에 워터재킷으로 냉각수를 펌핑하기 위한 워터펌프가 마련된다.

워터펌프는 엔진에 형성된 워터재킷으로 냉각수를 강제 순환시키기 위한 펌프로서, 임펠러를 구동시켜 냉각수를 엔진에 형성된 워터재킷으로 토출해 내는 구조를 갖는데, 이때 냉각수의 토출량은 임펠러의 회전수, 구조 및 형상에 의해 결정된다.

그런데, 종래 워터펌프에 채용되는 임펠러는 구조 및 형상이 고정되어 있어 회전수(RPM) 변화에 의해서만 냉각수 유량을 변경할 수 있고 냉각수 온도 변화에 대해서는 대응할 수 없는 구조이다.

즉 고정된 형태의 임펠러는 엔진 운전 중의 온도 조건에 무관하게 각 회전수별 정해진 유량을 발생시켜 엔진의 온도를 낮추는 냉각 동작을 수행하므로, 운전 조건에 따라 필요보다 많은 냉각수 유량이 발생할 수 있다.

특히 냉간 시동시에는 일반적으로 엔진의 온도가 낮고 윤활유가 높은 점성을 가짐으로 인해 각 구동계의 마찰력이 상대적으로 높아 냉각수 유량이 초과 발생할 경우 웜업(Warm-up) 시간이 늘어나게 되어 연비에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

따라서, 워터펌프에 채용되어 그 구조 및 형상에 의해 냉각수 토출량을 결정하게 되는 임펠러의 구조적 개선 및 최적의 형상 설정이 요구된다.

한국 공개특허공보 제10-2013-0048618호

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 바이메탈 특성을 적용하여 주위 온도에 따라 외경 변화를 주어 운전 조건에 맞는 최적의 냉각수 유량을 발생시킬 수 있는 워터펌프의 가변형 임펠러를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 냉간 시동시 적은 냉각수 유량만을 발생시켜 급속 웜업을 유도하여 연비를 향상시킬 수 있는 워터펌프의 가변형 임펠러를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러는 원통형의 외형을 갖고 샤프트에 장착되는 허브; 및 상기 허브를 중심으로 상기 허브로부터 외측을 향해 방사상으로 돌출 형성되는 복수의 베인을 포함하며, 상기 베인은 임펠러 반지름 방향에 대해 휘어진 형태의 바이메탈 부재로서 주위 온도에 따른 곡률 변경에 의해 변형된다.

본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러는 상기 허브의 외주연으로부터 확장 형성되어 상기 베인을 지지하는 슈라우드를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러에서, 상기 슈라우드와 상기 베인 간에는 소정의 갭이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러에서, 상기 베인은 임펠러 반지름 방향에 대해 소정 곡률로 휘어진 호(Arc) 형태의 바이메탈 부재로서 상기 슈라우드에 대해 직립된 상태로 설치되고, 상기 베인의 일단은 허브에 고정되고 타단은 상기 슈라우드의 외주연을 향하도록 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러에서, 주위 온도에 따라 바이메탈이 팽창 및 수축되면서 상기 베인의 곡률이 변경되어 상기 베인의 직선 길이가 증감될 수 있다.

본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러에서, 상기 베인의 직선 길이는 바이메탈의 팽창에 의해 상기 슈라우드의 외주연까지 확장되는 것을 상한으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러에서, 상기 베인의 곡률 변경으로 인한 임펠러 반지름 방향의 단면적 변화를 통해 외부로 토출되는 냉각수 유량이 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러에서, 상기 베인은 상기 허브의 외주연 상에 방사상 등간격으로 복수 개가 배치될 수 있다.

본 발명에 의한 워터펌프의 가변형 임펠러에 따르면, 바이메탈 특성을 적용하여 주위 온도에 따라 외경 변화를 주어 운전 조건에 맞는 최적의 냉각수 유량을 발생시킬 수 있다.

특히, 냉간 시동시 적은 냉각수 유량만을 발생시켜 급속 웜업을 유도하여 연비를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 임펠러가 적용된 워터펌프를 예시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 임펠러를 나타낸 사시도.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 베인의 형상 및 길이 변화를 설명하기 위한 평면도.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 도시된 베인의 형상 및 단면적 변화를 설명하기 위한 사시도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 임펠러가 적용된 워터펌프를 예시한 단면도이다.

일 실시예에서, 워터펌프(100)는 엔진의 일측에 부착되는 하우징(110), 하우징(110)의 내부를 가로질러 수용되는 샤프트(130), 샤프트(130)의 일측에 회전 가능하게 배치되는 풀리(120), 샤프트(130)의 다른 일측에 설치되어 하우징(110) 내에 수용되는 임펠러(150)를 포함한다.

하우징(110)의 내부공간을 통하여 냉각수가 유입 및 배출되면서 순환하게 되며, 그 내부에 임펠러(150)가 배치되어 냉각수의 유동을 지원한다.

샤프트(130)는 풀리(120)와 연결되어 하우징(110) 내에 회전 가능하게 배치된다.

풀리(120)는 동력회전을 전달하기 위한 것으로, 일 실시예에서는, 워터펌프(100)의 풀리(120)가 엔진 크랭크샤프트의 풀리(미도시)와 벨트로 연결되어 크랭크샤프트의 동력이 워터펌프(100)의 샤프트(130)에 전달, 크랭크샤프트의 구동력에 의해서 워터펌프(100)가 구동된다.

도시된 바와 같이, 전술한 샤프트(130)는 긴 원통형이며 하우징(110)의 종방향 중심을 가로질러 수용된다. 샤프트(130)의 일측은 풀리(120)에 맞물리며 다른 일측에는 임펠러(150)가 장착된다. 샤프트(130)는 풀리(120)에 의해 회전하여 임펠러(150)를 회전시킨다.

임펠러(150)는 하우징(110)의 내부에 배치되어 냉각수의 유동을 가능하게 하는 것으로, 빠른 속도로 회전하여 원심력을 발생시키고 회전 과정에서 발생하는 원심력에 의해 냉각수를 흡입하여 엔진에 형성된 워터재킷으로 토출해 내는 구조를 갖는다.

일 실시예에서, 임펠러(150)는 바이메탈(Bi-metal) 특성을 적용해 변형이 가능하도록 구성한 가변형 임펠러로서, 원통형의 외형을 갖고 샤프트에 장착되는 허브(Hub)(151) 및 바이메탈 재질로 이루어져 허브(151)에 장착되는 복수의 베인(Vane)(152)을 포함하며, 이들 베인(152)을 지지하도록 배치되는 원판형의 슈라우드(Shroud)(153)를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 구성되는 임펠러(150)는 주위 온도(냉각수 온도)에 따른 바이메탈의 팽창 및 수축, 이에 따른 베인(152)의 곡률 변경에 의해 변형될 수 있으며, 슈라우드(153)에 의해 베인(152)의 형상 변화를 가이드할 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 전술한 가변형 임펠러(150)의 구조 및 형상에 대해서 보다 상세히 예시한다.

우선 임펠러(150)의 중심부에 위치하는 허브(151)는 속이 빈 원통형이며 샤프트(130)의 일측 외주연을 둘러싸도록 고정되어 샤프트(130)와 일체로서 회전한다.

이러한 허브(151)를 중심으로 하여 그 외주연에는 허브(151)로부터 외측을 향해 방사상으로 돌출 형성되는 복수의 베인(152)이 배열된다.

각 베인(152)은 서로 다른 열 팽창 계수를 갖는 이종의 얇은 금속판을 포개어 붙인 바이메탈 부재로 제작된다.

또한, 각 베인(152)은 도시된 바와 같이 임펠러(150)의 반지름 방향에 대해 곡선으로 휘어진 형태로 제작되어 온도에 따른 곡률 변경으로 변형이 가능하도록 그 일단만이 허브(151)에 고정된다.

이와 같이, 각 베인(152)을 초기 휘어진 형태의 바이메탈 부재로서 제작하여 허브(151)에 변형 가능하도록 고정하면, 주위 냉각수 온도의 고저에 따라 베인(152)의 형상 및 길이를 변화시킬 수 있다.

즉 종래 고정된 형태의 임펠러가 온도 조건에 관계없이 각 회전수별로 정해진 유량을 발생시키는데 반해, 일 실시예와 같은 가변형 임펠러(150)는 주위 냉각수 온도에 따라 베인(152)의 곡률이 변경되어 변형된다.

이로 인해 임펠러(150)의 전체적인 외경이 바뀌어 반지름 방향의 단면적을 변화시키며, 반지름 방향의 단면적 변화를 통해 외부로 토출되는 냉각수 유량을 조절하여 각 운전 조건에 맞는 최적의 냉각수 유량을 발생시킬 수 있다.

특히, 초기 휘어진 형태로 베인(152)을 형성하고 초기 형태 및 저온 조건에서 가변형 임펠러(150)의 외경이 작게 유지되도록 구성함으로써 냉간 시동시 적은 냉각수 유량만을 발생시켜 급속 웜업을 유도하여 연비 향상을 도모할 수 있다.

중심부가 통공된 원판형으로 제작되는 슈라우드(153)는 이들 베인(152)과 대향하도록 허브(151)의 외주연으로부터 확장 형성되어 베인(152)을 지지하는 것으로, 냉각수 온도에 따른 각 베인(152)의 형상 변화를 가이드해 주는 역할을 한다.

베인(152)의 형상 변화를 가능케 하거나 보다 용이하게 하기 위하여, 슈라우드(153)와 각 베인(152) 간에는 소정의 갭이 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 각 베인(152)은 도시된 바와 같이 임펠러(150)의 반지름 방향에 대해 일정한 곡률로 휘어진 호(arc) 형태의 바이메탈 부재로서 슈라우드(153)에 대해 직립된 상태로 설치될 수 있다.

또한, 주위 냉각수 온도에 따라 이와 같은 베인(152)의 곡률 변경과 그에 따른 변형이 가능하도록 베인(152)의 일단만이 허브(151)에 고정되고 타단은 슈라우드(153)의 외주연을 향하도록 배치될 수 있다.

또한, 베인(152)은 허브(151)의 외주연 상에 방사상 등간격으로 복수 개가 배치될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 냉각수의 온도에 따른 베인(152)의 형상 및 길이 변화를 예시한 것이다.

일 실시예에서, 베인(152)은 도시된 바와 같이 임펠러(150)의 반지름 방향에 대해 일정 곡률을 갖는 호 형태로 휘어진 바이메탈 부재로서 도 3a와 같이 초기 베인(152)의 직선 길이가 슈라우드(153)의 외경보다 작게 제작되며 열 팽창에 따라 그 곡률이 변화된다.

이와 같은 구조에 있어서, 냉각수의 온도가 저온일 때보다 냉각수의 온도가 고온일 때 바이메탈이 팽창하며 바이메탈로 제작된 베인(152)의 곡률 변경 및 변형으로 그 길이가 길어지면서 임펠러(150)의 외경을 확대시키게 된다.

저온 조건(냉각수의 온도가 저온인 상태, 예컨대 냉간 시동시)에서는 도 3a와 같이 베인(152)의 곡률 및 직선 길이가 유지되어 임펠러(150)의 전체 외경(D1)도 초기 상태와 같이 작게 유지된다. 따라서 임펠러(150)의 회전에 따른 냉각수 유량이 낮은 수준으로 유지된다.

이후 엔진 운전 중에 고온 조건(냉각수의 온도가 상대적으로 고온인 상태, 예컨대 엔진 중부하/고부하 영역)이 되면 바이메탈이 팽창하여 베인(152)의 곡률이 도 3b와 같이 변화되면서 그 직선 길이가 슈라우드(153)의 외경 방향으로 확대된다. 따라서 임펠러(150)의 전체 외경(D2)이 증가하여 더 많은 냉각수 유량을 발생시키게 된다.

엔진 운전시 온도가 상승되면 임펠러(150)의 전체적인 외경이 증대(D1→D2)되어 냉각수 유량을 증가시키는 것이다.

따라서, 샤프트(130)가 일정 속도로 회전하더라도 주위 온도(냉각수 온도)에 따라 임펠러(150)의 외경이 변화되어 엔진에 형성된 워터재킷에 전달되는 냉각수의 양이 유동적으로 조절될 수 있다.

즉 주위 온도에 따라 베인(152)의 곡률이 적절히 가변되어 임펠러(150)의 전체 외경을 변화시킴으로써, 운전 조건에 맞는 최적의 냉각수 유량을 얻을 수 있게 되는 것이다.

또한, 주위 온도에 따라 바이메탈이 팽창 및 수축되면서 베인(152)의 곡률이 변경되어 베인(152)의 직선 길이가 증감될 수 있고 이를 통해 임펠러(150)의 전체 외경 및 지름을 조절할 수 있다.

베인(152)의 직선 길이는 바이메탈의 팽창에 의해 도 3b와 같이 슈라우드(153)의 외주연까지 확장되는 것을 상한으로 할 수 있다.

이 경우, 고온 조건에서는 바이메탈 팽창으로 베인(152)이 커지면서 임펠러(150)의 외경이 슈라우드(153)의 외주연까지 확장되고, 저온 조건에서는 바이메탈 수축으로 베인(152)이 작아지면서 임펠러(150) 외경이 슈라우드(153)의 외주연으로부터 내측으로 축소되어 도 3a와 같은 초기 상태로 복원된다.

도 4a 및 도 4b는 도 2에 도시된 베인의 형상 및 단면적 변화를 설명하기 위한 사시도이다.

도 3a 및 도 3b에서 설명한 바와 같이, 냉각수의 온도가 상승 또는 하강함에 따라 베인(152)을 구성하는 바이메탈이 팽창/축소되면서 베인(152)의 곡률 변경을 유도하여 베인(152)을 변형시키고 이에 따라 임펠러(150)의 외경이 변화된다.

임펠러(150)의 외경이 변화되면, 임펠러(150)의 반지름 방향의 단면적이 변화하게 되며, 이를 통해 냉각수 유량을 조절할 수 있다.

도 4a는 냉각수의 온도가 저온일 때를 예시한 것으로 베인(152)이 임펠러(150)의 반지름 방향에 대해 일정 곡률로 휘어진 형상임을 알 수 있다(도 3a와 대응함).

도 4b는 냉각수의 온도가 도 4a에 비하여 상대적으로 고온일 때를 예시한 것으로, 바이메탈이 팽창하여 반지름 방향에 대한 베인(152)의 곡률이 변경된 것을 확인할 수 있다(도 3b와 대응함).

도 4a 및 도 4b를 비교하면, 임펠러(150)의 회전시 냉각수를 밀어내는 베인(152)의 단면적은 저온시 RH, 고온시 R'H이고, R' > R이므로, 도 4b와 같은 고온 조건에서 더 많은 유량을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.

즉 주위 온도(냉각수 온도)에 따른 임펠러(150)의 반지름 방향의 단면적의 변화를 통해 이에 상응하는 유량을 유동적으로 발생시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따른 워터펌프의 가변형 임펠러의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

100: 워터펌프
110: 하우징
120: 풀리
130: 샤프트
150: 임펠러
151: 허브
152: 베인
153: 슈라우드

Claims (8)

1. 원통형의 외형을 갖고 샤프트에 장착되는 허브;
   상기 허브를 중심으로 상기 허브로부터 외측을 향해 방사상으로 돌출 형성되는 복수의 베인; 및
   상기 허브의 외주연으로부터 확장 형성되어 상기 베인을 지지하는 슈라우드를 포함하며,
   상기 베인은, 상기 슈라우드에 대해 직립된 상태로 일단은 허브에 고정되고 타단은 상기 슈라우드의 외주연을 향하도록 설치되며, 임펠러의 반지름 방향에 대해 소정 곡률로 휘어진 호(Arc) 형태의 바이메탈 부재로 이루어져서 주위 온도에 따른 곡률 변경에 의해 변형되며, 상기 변형은 상기 바이메탈 부재의 팽창에 의한 직선 길이가 상기 슈라우드의 외주연까지 확장되는 것을 상한으로 하는 것을 특징으로 하는 워터펌프의 가변형 임펠러.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 슈라우드와 상기 베인 간에는 소정의 갭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 워터펌프의 가변형 임펠러.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 베인의 곡률 변경으로 인한 임펠러 반지름 방향의 단면적 변화를 통해 외부로 토출되는 냉각수 유량이 조절되는 것을 특징으로 하는 워터펌프의 가변형 임펠러.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 베인은 상기 허브의 외주연 상에 방사상 등간격으로 복수 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 워터펌프의 가변형 임펠러.

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