KR20000022854A - 개량된 로타리 펌프 - Google Patents

Abstract

I.C. 엔진을 위한 냉각제 펌프는 축 주위를 회전할 수 있는 임펠러를 수용하는 펌프 캐비티를 갖는데. 이 임펠러 축은 엔진의 크랭크축의 회전축과 동축으로 위치된다.

Description

개량된 로타리 펌프{Improvements to Rotary Pumps}

본 발명은 내연 기관(internal combustion engine)을 위한 냉각제 펌프에 관한 것이다.

I.C. 엔진 출력의 실질적인 비율이 엔진 보조 요소를 구동하는 것으로 활용된다는 것, 그리고 수십년 간의 I.C. 엔진 개발을 통해 냉각제 펌프, 윤활제 펌프 및 냉각제 팬과 같은 많은 이러한 보조 요소가 구동되도록 개발되어 왔다는 것은 잘 알려져 있다. 공지의 엔진 설계에 있어서, 크랭크축에 인접한 이러한 보조 요소의 위치는 엔진 구획 내에서 공간을 많이 요구하고 있다.

본 발명의 목적은 축방향으로 컴팩트한 디자인의 펌프, 예를 들어 엔진을 위해 벨트로 구동되는 냉각 팬의 다중 위치 요구로부터 멀리 냉각 펌프를 위치시킨 펌프를 제공하고자 하는 것이다. 공지의 냉각 팬과 냉각제 펌프의 동축 배열을 제거하는 것에 의하여, 냉각 팬 구동을 위한 보다 큰 위치의 유연성이 제공된다. 어떤 내연 기관 구조는 세 개 위치의 팬 드라이브를 요구하고, 이에 따라 별도로 세 개의 냉각제 펌프 설계가 필요하게 되는데, 이러한 요구는 예를 들어 다른 냉각제 펌프의 소용돌이 형태, 볼트 패턴, 인입 파이프 및 호스의 복잡성, 보조관 구조 및 온도 조절 장치 등으로 인해 생산의 복잡화와 관련되게 된다. 따라서, 본 발명의 목적은 적어도 이러한 문제의 일부를 완화시키거나 극복하기 위한 것이다.

또한, 공지의 냉각제 펌프는 구동축이 펌프 캐비티(cavity)로 들어가는 곳에 필수적으로 채용되는 기계적 실링(sealing)과 관련하여 샌다는 잘 알려진 문제가 있다. 자기(magnetic) 커플링 구동을 활용하는 실링 없는 펌프가 제안되기도 하였지만, 산업적으로 널리 허용되도록 한 것은 없다. 본 발명의 다른 목적은 만족스러운 자기 커플링 구동 냉각제 펌프를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 공지 기술보다 개선된 캐비테이션(cavitation) 저항을 갖는 저수준 펌프를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 펌프의 일부 정단면도,

도 2는 본 발명에 따른 펌프의 측단면도,

도 3은 도 2와 유사한 확대된 일부 측단면도,

도 4는 도 2 및 도 3에서 보여진 원반 30의 일부 단면도.

본 발명의 제 1 양상에 따라, I.C. 엔진을 위한 냉각제 펌프는 축 주위를 회전할 수 있는 임펠러(impeller)를 수용하는 펌프 캐비티를 포함하는데, 임펠러 축은 엔진의 크랭크축의 회전축과 동축으로 위치된다.

이러한 위치는, 펌프 축이 크랭크축과 평행하지만 떨어진 위치에 있을 때 필요하듯이, 통상의 벨트 구동을 요구하지 않으면서 크랭크축에 직접 또는 기어로 연결될 수 있어 구동을 단순화시킨다.

그러나, 엔진의 동일 단부에서 크랭크축으로부터 구동되기 위해서는 그 이상의 보조 요소가 요구될 수 있기 대문에, 벨트 구동 시스템을 위한 크랭크축에 장착된 구동 풀리를 구비하고 이 풀리로부터(벨트로부터가 아닌) 냉각제 펌프를 구동시키는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 펌프는 풀리의 면에 있는 제 1 세트의 구동 자석 및 대응하는 인접 임펠러 면에 있는 제 2 세트의 구동되는 자석 또는 토크 링을 사용하는 자기 커플링에 의해 구동되는 것으로, 두 세트 사이에는 수용 쉘(containment shell)을 갖는다. 쉘의 목적은 펌프 내에 냉각제를 수용하면서 두 세트를 커플링시키기 위한 자기 유출을 허용하기 위한 것이다.

크랭크축 위치는 엔진의 냉각된 영역에 비하여 본질적으로 저수준의 위치로부터 더욱 유효한 냉각제 유동 경로가 가능하기 때문에 동력 요구도를 감소시킨다. 이러한 위치에서는 감소된 캐비테이션 때문에 동력 소비가 감소될 수 있다. 펌프는 재생(regenerative) 또는 외주(peripheral) 타입, 또는 원심(centrufugal) 타입일 수도 있다.

본 발명의 다른 양상에 따라, I.C. 엔진을 위한 냉각제 펌프는 외주에서 불연속적인 펌프 캐비티에 위치된 재생식 임펠러를 사용하는 것을 특징으로 한다.

임펠러는 원반의 양면에 외주로 연장되는 방사상 홈이 형성된 원반을 포함할 수 있는데, 홈이 진 가장자리 영역은 펌프 캐비티에 놓인다. 펌프 동체의 두 개의 협동하는 요소 사이에 형성된 캐비티는 임펠러 원반의 주 영역 주위에만 보통 330。 정도 홈이 진 가장자리 영역 주위에 실질적인 클리어런스를 제공하고, 홈이 진 가장자리 영역의 원반 면 영역 위에 내향 방사상으로, 그리고 가장자리 영역의 나머지 30。 위에 적절한 주행 클리어런스를 제공한다.

캐비티는 실질적인 클리어런스 부위의 대향 단부, 즉 외주에서 최소 클리어런스 부위의 대향하는 쪽에서 인입 및 인출 포트(port)에 연결된다. 따라서, 이 효과는 원반이 회전하면서 한 쪽 포트에서 냉각제를 끌어들이고 다른 쪽 포트 밖으로 그것을 배출시키는 흐름을 홈이 발생시키는 것이다.

인입 및 인출 포트의 인접한 병렬 위치는 냉각제 회로 설계에서 특히 편리한 점이 발견될 수 있다. 또한, 이러한 재생식 임펠러 시스템은, 중앙 인입 및 접선 유출을 가져 크랭크축 속도 보다 유의적으로 높은 속도로 임펠러를 회전시킬 필요가 없게 하여, 통상의 원심 작용 냉각제 펌프에서 이용하는 것 보다 실질적으로 높은 펌프 헤드를 부여할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따라, 자기 커플링 구동되는 재생식 임펠러 냉각제 펌프는 펌프 임펠러를 저널링하는 베어링을 위한 윤활제로서 펌프를 통과하는 냉각제의 유동을 강제시키기 위하여, 대체로 외주로 연장되는 펌핑 캐비티와 펌프 내의 내향 방사상 영역 사이에서 연장되는 평형(balance) 포트를 갖는다.

본 발명의 또 다른 양상에서는, 캐비티 및 캐비티 내의 임펠러를 수용하는 펌프 동체를 포함하는 I.C. 엔진을 위한 냉각제 펌프가 제공되는데, 동체부는 크랭크축에 인접한 타이밍 케이스 커버(timing case cover)에 의해 형성된다. 유리하게는, 펌프 동체는 부분적으로 타이밍 케이스 커버와 일체로 된다. 본 발명의 다른 양상에서는, 자기적으로 구동되는 임펠러를 갖는 내연 기관을 위한 펌프가 제공되는데, 임펠러는 엔진의 크랭크축 주위를 외주에서 회전 가능하다.

본 발명은 상기 또는 다음에 기재된 본 발명의 특징의 어느 하나가 본 발명의 다른 하나의 특징 및/또는 양상과 결합되는 것도 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

먼저 도 3을 보면, 펌프 동체는 엔진 블록의 전단부 위에 크랭크축 주위로 장착된 타이밍 케이스의 일부가 될 수 있는 제 1 요소 10을 포함한다. 크랭크축의 중심선 또는 회전축은 선 12로 표시된다. 펌프 동체는 제 2 요소 또는 커버 14에 의해 완성되는데, 이것은 요소 10의 외주 바깥으로 향하는 환형 영역 위로 연장되지만 축 12에 더 가까운 영역 위로는 연장되지 않는다. 요소 10, 14는 바람직하게는 화살표 16으로 표시되는 결합 면을 따라 영구적으로 함께 실링되고 그 사이에 펌핑 체임버 또는 캐비티 18을 한정하는데, 이것은 요소 10, 14의 실질적인 주변 부위 위로 연장된다.

도 1을 보면, 캐비티 18은 도 3에도 나타낸 바와 같이, 스터브 튜브(stub tube) 22에 형성된 포트 20 까지 원호를 그리며 올라가서 끝나도록 연장된 점선에 의해 부분적으로 표시된다. 제 2 스터브 튜브 26에 있는 유사한 포트 24는 펌프 캐비티 18의 반대쪽 단부에(이 실시예에서는 제 1 단부로부터 시계방향으로) 위치한다. 두 개의 포트 20, 24 사이의 영역은 캐비티 18이 구비되지 않고 임펠러의 외주 주위에 단지 밀접한 클리어런스를 제공하기 위하여 천공된 웹 19에 의하여 밀폐된다.

임펠러는 일반적으로 원반형 부분 30을 포함하는데, 도 3에서 보듯이 원반의 외부 가장자리 영역에서 각각의 면 위에 규칙적으로 위치된 홈 32의 완전한 링이 구비된다. 임펠러는 펌프 동체 요소 10의 한 쪽 면과 인접한 내부 면 사이에 작은 클리어런스 34, 원반의 반대 쪽 면과 제 2 동체 요소 14의 인접 면 사이에 작은 클리어런스 36, 그리고 원반의 가장자리와 두 개의 포트를 분리시키는 웹(web) 부분 19 사이에 작은 클리어런스 38을 갖는다.

임펠러는 저널 베어링 42에 연결된 허브(hub) 슬리브 40 위에 놓이고 다음에 기술하는 구동 풀리와 인접한 면에서 일련의 동등한 간격으로 구동되는 자기 요소 44를 구비한다.

구동 풀리 46은 그 이상의 엔진 보조 요소를 구동하기 위한 한 쌍의 V 벨트 48과 연결되는 것으로 나타나고, 크랭크축과 구동 연결되고 펌프 동체부 10의 내향 방사상으로 위치된 허브 50을 갖는다. 오일 실링 52는 그 사이에 위치한다. 풀리는 구동 자석 54를 갖는데, 이것은 구동 토크를 구동되는 자석 44로 전달하도록 예를 들어 구동되는 자석 44와 축으로부터 동일한 방사상 위치에서 적절히 위치된다.

펌프는 도시된 실시예에서 저널 베어링 42와 펌프 동체 64의 상응하는 부분 사이에 갇힌 관 부분 62를 갖는 수용 쉘 60을 더욱 포함한다. 쉘 60은 스러스트 베어링 72를 수용하기 위하여 축 12에 대체로 방사상으로 연장되고 이후에 자석 44와 54 사이에 적절히 위치된다. 이 실시예에서 쉘 60은 본질적으로 대향하는 자석 44, 54 사이에서 축 12에 대체로 방사상으로 연장되고, 참조 번호 66의 영역에서 펌프 동체부 14에 연결되고 유지된다.

참조 번호 72로 표시되는 스러스트 베어링으로서 작용하는 다른 베어링은 수용 쉘 60과 저널 베어링 42 사이에 축방향으로 갇혀 있다. 수용 쉘 60은 써클립 (Circlip; RTM) 또는 이와 동등한 것이 될 수 있는 스러스트 와셔(thrust washer) 74에 의하여 축방향 위치에 유지될 수 있다.

평형 포트 70은 주 펌프 캐비티 18과 펌프의 내부 사이에 대체로 방사상으로 연장되어 구비된다. 본 실시에에서 이것의 각위치는 도 1에서 포트 20 가까이로 보여진다. 임펠러 30의 시계 방향 회전에서, 포트 20은 저압 인입 포트이고 인출 포트 24 가까이의 고압은 냉각제를 내부로 누출시켜 클리어런스 34를 통해 베어링 40, 42 및 72를 통과하여 평형 체임버 75로 가도록 한다. 본 실시예에서는 윤활제로서 작용하는 냉각제의 흐름이 저압 포트 20 근방에 있는 캐비티 18로 되돌아오는데 주로 평형 포트 70을 통하지만 또한 클리어런스 36을 통하기도 한다.

본 분야의 당업자에게는 기술된 펌프가 통상의 냉각제 펌프와는 그 위치에서 차이가 있다는 것, 즉 엔진의 상부 대신 크랭크축 수준에 있다는 것이 이해될 것이다. 또한 그 형식에 있어서도 원심식 펌프라기보다는 재생식 펌프라는 것이 다르다. 더욱이, 자기 커플링 작용에 의하여 구동된다는 점과, 펌프 내부에서 베어링 면 주위 및 이를 통하여 가압된 냉각제 흐름을 갖는다는 점에서도 다르다. 본 발명은 이들 특징의 어느 하나, 이들의 어떠한 조합, 또는 이들 특징을 가능하게 만드는 세부적 구조에도 존재한다.

도시되지 않은 하나의 변형에서, 스러스트 베어링 72는 요소 10과 저널 베어링 42 사이에 위치한다. 또한, 요소 14에 형성된 채널 대신 요소 10에 형성된 채널에 의하여 포트 70을 위치시키는 것도 가능하다.

도시되지 않은 하나의 변형에서, 임펠러는 재생식 또는 외주식이 아닌 원심식일 수 있는데, 바람직하게는 수용 쉘 66의 가장 큰 직경 보다 큰 직경의 허브를 갖는다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 I.C. 엔진을 위한 냉각제 펌프는 축 주위를 회전할 수 있는 임펠러(impeller)를 수용하는 펌프 캐비티를 포함하고 임펠러 축이 엔진의 크랭크축의 회전축과 동축으로 위치됨에 따라, 통상의 벨트 구동을 요구하지 않으면서 크랭크축에 직접 또는 기어로 연결될 수 있어 구동을 단순화시킨다.

또한, 본 발명의 펌프에서 인입 및 인출 포트의 인접한 병렬 위치는 냉각제 회로 설계에서 특히 편리하고, 재생식 임펠러 시스템은 중앙 인입 및 접선 유출을 가져 크랭크축 속도 보다 유의적으로 높은 속도로 임펠러를 회전시킬 필요가 없게 하여, 통상의 원심 작용 냉각제 펌프에서 이용하는 것 보다 실질적으로 높은 펌프 헤드를 부여할 수 있다.

Claims (15)

1. 축 주위를 회전할 수 있는 임펠러(impeller)를 수용하는 펌프 캐비티를 포함하고, 임펠러 축이 엔진의 크랭크축의 회전축과 동축으로 위치되는 것을 특징으로 하는 I.C. 엔진을 위한 냉각제 펌프.
2. 제 1 항에 있어서, 벨트 구동 시스템을 위한 크랭크축에 장착된 구동 풀리를 수용하여, 바람직하게는 벨트로부터 직접이 아니라 이 풀리로부터 냉각제 펌프를 구동시키도록 된 펌프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 펌프가 풀리의 면에 있는 제 1 세트의 구동 자석 및 대응하는 인접 임펠러 면에 있는 제 2 세트의 구동되는 자석 또는 토크 링을 사용하는 자기 커플링에 의해 구동되고, 두 세트 사이에는 수용 쉘(containment shell)을 갖는 펌프.
4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서, 펌프 캐비티가 외주에서 불연속적이고 임펠러가 재생(regenerative) 타입인 펌프.
5. 외주에서 불연속적인 펌프 캐비티에 재생식 임펠러가 위치된 것을 특징으로 하는 I.C. 엔진을 위한 냉각제 펌프.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 임펠러는 원반의 양면에 외주로 연장되는 방사상 홈이 형성된 원반을 포함하고, 홈이 진 가장자리 영역이 펌프 캐비티에 위치하는 펌프.
7. 제 4 항, 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 펌프 동체의 두 개의 협동하는 요소 사이에 형성된 캐비티는 임펠러 원반의 주 영역 주위에만 바람직하게는 330。 정도 홈이 진 가장자리 영역 주위에 실질적인 클리어런스를 제공하는 펌프.
8. 제 7 항에 있어서, 캐비티는 홈이 진 가장자리 영역의 원반 면 영역 위에 내향 방사상으로, 그리고 바람직하게는 가장자리 영역의 나머지 30。 위에 적절한 주행 클리어런스를 제공하는 펌프.
9. 제 4 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서, 캐비티는 실질적인 클리어런스 부위의 대향 단부, 즉 외주에서 최소 클리어런스 부위의 대향하는 쪽에서 인입 및 인출 포트(port)에 실질적으로 연결되는 펌프.
10. 제 1 항 내지 제 9 항의 어느 한 항에 있어서, 펌프 임펠러를 저널링하는 베어링을 위한 윤활제로서 펌프를 통과하는 냉각제의 가압된 유동을 조장하기 위하여, 대체로 외주로 연장되는 펌핑 캐비티와 펌프 내의 내향 방사상 영역 사이에서 연장되는 평형(balance) 포트를 포함하는 펌프.
11. 펌프 임펠러를 저널링하는 베어링을 위한 윤활제로서 펌프를 통과하는 냉각제의 가압된 유동을 조장하기 위하여, 대체로 외주로 연장되는 펌핑 캐비티와 펌프 내의 내향 방사상 영역 사이에서 연장되는 평형(balance) 포트를 갖는, 자기 커플링 구동되는 재생식 임펠러 냉각제 펌프.
12. 제 1 항 내지 제 11 항의 어느 한 항에 있어서, 캐비티 및 캐비티 내의 임펠러를 수용하는 펌프 동체를 포함하고, 동체부는 크랭크축에 인접한 타이밍 케이스 커버(timing case cover)에 의해 형성되는 펌프.
13. 캐비티 및 캐비티 내의 임펠러를 수용하는 펌프 동체를 포함하고, 동체부는 크랭크축에 인접한 타이밍 케이스 커버(timing case cover)에 의해 형성되는 I.C. 엔진을 위한 냉각제 펌프.
14. 제 1 항 내지 제 13 항의 어느 한 항에 있어서, 자기적으로 구동되는 임펠러를 갖고, 이 임펠러는 엔진의 크랭크축 주위를 외주에서 회전 가능한 펌프.
15. 자기적으로 구동되는 임펠러를 갖고, 이 임펠러는 엔진의 크랭크축 주위를 외주에서 회전 가능한 내연 기관을 위한 펌프.