KR20080094087A - 감소된 회전자 조립체 직경을 갖는 베인 펌프 - Google Patents

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매튜 윌리암슨
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Abstract

감소된 회전자 직경을 갖는 베인 펌프가 제공된다. 감소된 회전자 직경은 펌프의 전체 크기에서의 감소를 허용하여 종래의 베인 펌프와 비교하여 충분한 패키징 체적이 존재하지 않는 환경에서 펌프를 사용할 수 있게 한다. 또한, 감소된 회전자 직경은 소정의 작동 유체 및 펌프율에 대해서 종래의 베인 펌프와 비교하여 더 높은 속도로 펌프의 작동을 허용하게 한다. 회전자는 일체로 형성된 구동 샤프트와 원통형 회전자 헤드를 포함한다. 고정식 변위 실시예 및 가변식 변위 실시예 양쪽 모두가 도시된다.
베인 펌프, 회전자, 회전자 헤드, 회전자 조립체, 구동 샤프트, 작동 유체, 베인 링

Description

감소된 회전자 조립체 직경을 갖는 베인 펌프 {REDUCED ROTOR ASSEMBLY DIAMETER VANE PUMP}
본 발명은 베인 펌프에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 감소된 회전자 조립체 직경을 갖는 베인 펌프에 관한 것이다.
베인 펌프는 잘 알려져 있고, 광범위하게 다양한 환경에서 사용되고 있다. 그 중에서도 특히 자동차 분야에서, 베인 펌프는 동력 조향 시스템(power steering system), 자동 변속 시스템 및 다소 최근에는 엔진 윤활 시스템에 사용된다
베인 펌프는 많은 특징 및 장점을 제공하지만, 베인 펌프의 회전자 설계 및 구성이 의도되는 것보다 더 큰 회전자 조립체 직경을 갖도록 초래한다는 점에서 베인 펌프는 단점을 갖는다.
이러한 비교적 큰 회전자 조립체 직경은 펌프를 위한 이용 가능한 패키징 공간(즉, 설치 또는 장착 체적)이 충분하지 못할 때 베인 펌프를 사용하지 못하게 한다. 또한, 작동 유체가 (손상 및/또는 과도한 마모를 일으키면서) 캐비테이션(cavitation)되는 속도 이하로 베인의 팁 속도를 유지시키는 회전 속도로 베인 펌프의 작동 속도가 제한되므로, 회전자 조립체 직경이 크면 클수록 펌프가 작동될 수 있는 최대 속도는 더 느려진다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 하나 이상의 단점을 제거하거나 경감시키는 새로운 베인 펌프를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 펌프 챔버와 펌프 챔버 내에 회전식으로 수용된 회전자 조립체를 포함하는 베인 펌프가 제공되며, 회전자 조립체는 원통형 벽이 원형 회전자 헤드로부터 연장되어 있는 원형 회전자 헤드와 상기 원통형 벽에 대향하여 연장하는 일체로 형성된 구동 샤프트를 구비한 회전자와, 회전자 헤드의 원통형 벽 내에 형성된 슬롯을 통해 활주식으로 연장하는 한 세트의 베인들과, 회전자 헤드의 원통형 벽 내에 위치되고 회전자가 회전할 때 각각의 베인의 반경방향 외부 팁을 유지하도록 펌프 챔버의 벽과 접촉한 상태로 각각의 베인의 반경방향 내부 팁의 대부분과 맞물려서 각각의 베인이 회전자의 회전면에서 벗어나 경사지는 것을 방지하는 베인 링을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 펌프 챔버와, 펌프 챔버 내에서 피봇식으로 장착된 제어링과, 제어링 내에서 펌프 챔버 내에 회전식으로 수용된 회전자 조립체를 포함하는 가변식 변위 베인 펌프가 제공되며, 회전자 조립체는 원통형 벽이 원형 회전자 헤드로부터 연장되어 있는 원형 회전자 헤드와 원통형 벽에 대향하여 연장하는 일체로 형성된 구동 샤프트를 구비한 회전자와, 회전자 헤드의 원통형 벽 내에 형성된 슬롯을 통해 활주식으로 연장하는 한 세트의 베인들과, 회전자가 회전할 때 각각의 베인의 반경방향 외부 팁을 제어 링의 벽과 접촉한 상태로 유지하도록 그리고 각각의 베인이 회전자의 회전면에서 벗어나 경사지는 것을 방지하도록 회전자 헤드의 원통형 벽 내에 위치된 베인 링을 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 내연 기관에 의해 구동되며 편심 장착된 평형 추를 각각 포함하는 하나 이상의 평형 샤프트를 포함하는 내연 기관용 동적 평형기와, 펌프 챔버와 펌프 챔버 내에 회전식으로 수용되고 동적 평형기에 의해 회전되는 회전자 조립체를 포함하는 윤활 오일 베인 펌프가 제공되며, 회전자 조립체는 원통형 벽이 원형 회전자 헤드로부터 연장되어 있는 원형 회전자 헤드와 원통형 벽에 대향하여 연장하는 일체로 형성되고 하나 이상의 평형 샤프트와 함께 회전하는 구동 샤프트를 구비한 회전자와, 회전자 헤드의 원통형 벽 내에 형성된 슬롯을 통해 활주식으로 연장하는 한 세트의 베인들과, 회전자 헤드의 원통형 벽 내에 위치되고 회전자가 회전할 때 각각의 베인의 반경방향 외부 팁을 펌프 챔버의 벽과 접촉한 상태로 유지하도록 각각의 베인의 반경 방향 내부 팁의 대부분과 맞물리고 각각의 베인이 회전자의 회전면에서 벗어나 경사지는 것을 방지하는 베인 링을 포함한다.
본 발명은 펌프의 전체 반경 크기를 감소시키고 소정의 작동 유체 및 펌프율에 대하여 종래의 베인 펌프와 비교하여 더 높은 속도로 펌프의 작동을 허용하는 감소된 회전자 조립체 직경을 갖는 베인 펌프를 제공한다. 회전자는 일체로 형성된 구동 샤프트와 원통형 회전자 헤드를 포함한다. 본 발명의 베인 펌프는 이용가능 패키징 체적이 비교적 작으며 펌프의 작동 속도가 비교적 높을 수 있지만 자동 변속기 및 비자동 시스템을 포함하는 다양한 다른 응용예에서도 사용될 수 있는 내연 기관용 동적 평형기 내의 엔진 윤활 오일 펌프로서 사용되는데 특히 적합한 것으로 믿는다.
본 발명의 양호한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시에 의해 기술될 것이다.
도1은 종래 기술의 베인 펌프의 회전자 조립체 및 회전자 하우징의 전방 및 측면의 사시도를 도시한다.
도2는 도1의 하우징의 회전자 조립체 및 회전자 하우징의 정면도를 도시한다.
도3은 본 발명에 따른 베인 펌프의 회전자 조립체 및 회전자 하우징의 전방 및 측면의 사시도를 도시한다.
도4는 도3의 베인 펌프의 정면도를 도시한다.
도5는 도4의 선 5-5를 따라 취한 단면을 도시한다.
도6은 도4의 펌프에 대한 회전자의 사시도를 도시한다.
도7은 도4의 펌프에 대한 다른 회전자의 사시도를 도시한다.
도8은 본 발명에 따른 가변식 변위 베인 펌프의 정면도를 도시한다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "회전자 조립체 직경"이라는 용어 등은, 회전자 조립체가 1회전을 할 때, 베인의 반경방향 외부 팁이 회전자의 회전 중심으로부터 연장하는 최대 한도의 측정치를 포함하도록 의도된다.
종래 기술의 베인 펌프는 도1 및 도2에서 대체로 도면부호 20으로 지칭된다. 도시된 바와 같이, 펌프(20)는 펌프 챔버(28)를 한정하는 회전자 하우징(24)을 포함하고, 펌프 챔버(28) 내에 회전자 조립체(32)가 위치된다..
회전자 조립체(32)는 한 세트의 반경방향 연장 슬롯들이 내부에 형성된 회전자(36)를 포함하고, 슬롯들 내에 한 세트의 펌프 베인(44)이 활주식으로 보유된다. 베인 링(48)은 베인(44)들의 내부 단부들과 접합하여, 회전자(36)가 회전할 때 베인의 외부 단부(44)들이 펌프 챔버(28)의 벽과 맞물림 상태로 유지하는 것을 보장한다. 회전자(36)는 구동 샤프트(56)의 회전이 회전자(36)를 회전시키도록 구동 샤프트(56)가 수용되는 인덱스된(indexed) 중심 보어(52)를 더 포함한다.
명백한 바와 같이, 회전자(36)의 가능한 최소 직경은 구동 샤프트(56)의 크기의 함수이다. 구동 샤프트(56)에 의해 운반될 예상 부하(load)에 따라서, 직경은 소정 크기가 되어야 한다. 유사하게, 베인(44)으로 부하를 이송하기 위해서, 회전자(36)는 샤프트(56)로부터 부하를 안전하게 운반하기에 충분한 재료를 포함하여야 하고, 따라서 베인(44)이 장착되는 반경방향 슬롯은 부분적으로 보어(52)를 향하여 안쪽으로만 연장할 수 있어서, 회전자(36)가 구성될 수 있는 최소 직경을 제한한다.
본 발명에 따른 베인 펌프는 도3 및 도4에서 대체로 도면부호 100으로 지칭된다. 도시된 바와 같이, 펌프(100)는 회전자 하우징(104)과 회전자 조립체(108)를 포함한다.
회전자 하우징(104)은 회전자 조립체(108)가 수용되는 펌프 챔버(112)를 한정한다. 펌프 챔버(112)는 회전축을 갖는 원형 단면을 갖는다.
도시되지 않지만 베인 펌프 분야에서 잘 알려져 있기는 하지만, 회전자 하우징(104)은 펌프 챔버(112) 내의 저압 영역과 유체 연통하고 저압 작동 유체를 펌프 챔버(112) 및 회전자 조립체(108) 내로 도입되도록 허용하고 그에 의해 가압되도록 허용하는 펌프 입구를 또한 포함한다. 추가로, 회전자 하우징(104)은 펌프 챔버(112) 내의 고압 영역과 유체 연통하고 펌프(100)에 의해 가압된 작업 유체가 펌프 챔버(112)를 나가도록 허용하는 펌프 출구(도시 생략)를 포함한다.
도5 및 도6에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 회전자 조립체(108)는 회전자 헤드(120) 및 일체로 형성된 구동 샤프트(124)를 포함하는 새로운 회전자(116)를 포함한다. 회전자 헤드(120)는 대체로 중공 실린더의 형태로 되어 있고, 구동 샤프트(124)보다 더 큰 직경을 갖는다. 회전자 헤드(120)는 실린더의 벽을 통해 연장하는 한 세트의 원주방향으로 이격된 반경방향 슬롯(132)들을 포함한다. 회전자 헤드(120)는 비교적 정밀한 공차로 하우징(104) 내의 원형 개구(105)를 통해 연장한다. 회전자 헤드(120)의 숄더 표면(shoulder surface, 121)은 펌프 챔버(112)의 바닥과 활주식으로 맞물린다. 정밀한 공차 끼워맞춤은 구동 샤프트(124)와 하우징 사이의 계면을 대체로 밀봉한다.
도3 및 도4에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 한 세트의 반경방향 연장 베인(128)들은 슬롯(132)들 내에 활주식으로 수용된다. 베인 링(136)은 베인(128)의 반경방향 내부 단부와 접합하여서 회전자(116)가 회전할 때 베인(128)의 반경방향 외부 단부가 펌프 챔버(112)의 내부 표면과 밀봉 접촉하는 상태를 유지시킨다. 회전자(116)의 회전축이 펌프 챔버(112)의 회전축으로부터 편의되기 때문에, 인접한 베인(128)들은 회전자(116)가 회전할 때 체적 팽창 및 수축하는 일련의 펌핑 챔버를 한정하도록 회전자 헤드(120) 및 펌프 챔버(112)의 내부 표면과 밀봉식으로 상호 작용한다. 펌프 입구는 팽창되는 펌핑 챔버들과 유체 연통하고, 펌프 출구는 수축되는 펌핑 챔버들과 유체 연통한다.
도3 내지 도6에서 도시된 회전자(116)의 실시예는 당업자에 의해 알 수 있는 바와 같은 임의의 적합한 방식으로 성형 분말 금속(molded powdered metal)으로 제작된다. 그러나, 당업자라면 생각할 수 있는 바와 같이 회전자는 강철 또는 다른 적합한 재료로 기계 가공하는 것을 제한 없이 포함하는 다양한 다른 방식으로 형성될 수 있다는 것이 또한 고려된다.
다른 적합한 회전자의 예가 도7에 도시된다. 도7에서, 회전자(200)는 적합한 강철 재료로 기계 가공되었다. 도시된 바와 같이, 베인(128)을 위한 슬롯(204)은 슬롯 기계가공 작용의 결과로서 일체로 형성된 구동 샤프트 내로 다소 연장된다. 당업자에게 명백할 수 있는 바와 같이 펌프(100)에 대한 적합한 회전자들은 작동 유체 등에 따라 PEEK(폴리에테르-에테르-케톤)과 같은 플라스틱 재료를 포함하는 다양한 다른 재료들로 제작될 수 있다.
도1 및 도2에서 도시된 바와 같은 종래의 베인 펌프에서, 베인 링은 회전자의 회전면 밖으로의 베인들의 비틀림 및 베인들 각각의 슬롯 내의 결합을 방지하도록 회전자의 상단 및 바닥 양쪽에 채택되어야만 한다.
대조적으로, 회전자 조립체(108)에서는, 단일 베인 링(136)이 채택된다. 베인 링(136)은 대체로 원통형이 바람직하고, 베인 링(136)의 주연 면은 그 부근에서 연장하는 환형 홈(137)을 갖는다. 베인 링은 허브(hub, 139)를 또한 포함할 수 있다. 베인 링(136)은 회전자 헤드(120)의 내부의 바닥(140)으로부터 연장하도록 크기 설정되고 회전자 헤드(120)의 상단과 실질적으로 같은 높이로 위치된다. 이 위치에서, 베인 링(136)은 베인(128)들이 회전자 헤드(120)의 회전 평면 밖으로 비틀리는 것을 방지하도록 각각의 베인(128)의 대략 2/3의 내부 에지(edge)와 맞물린다.
베인 링(136)은 당업자라면 생각할 수 있는 바와 같이 중공 원통형 부재, 고체의 원통형 부재 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 베인 링(136)의 구성은 특정하게 제한되지 않고, 베인 링(136)은 강철 또는 분말 금속 또는 적합한 공업용 수지 등으로부터 성형된 다른 적합한 재료로부터 기계 가공될 수 있다는 것이 추가로 고려된다. 베인 링(136)은 회전자 헤드(120) 내에서 적층된 2개 이상의 원통형 부재들의 복합체일 수 있다는 것이 또한 고려된다.
이제 명백한 바와 같이, 회전자 헤드(120) 및 구동 샤프트(124)를 일체로 형성함으로써, 회전자 헤드(120)의 직경은 도1 및 도2에 도시된 바와 같은 종래의 베인 펌프 회전자의 직경에 비교하여 감소될 수 있다. 회전자 헤드(120)의 직경을 감소시킴으로써, 회전자(116)의 회전 중심으로부터의 베인(128)의 팁의 최대 반경 길이는 종래의 베인 펌프에서보다 상당히 적어서, 회전자 조립체 직경을 감소시키고 종래의 베인 펌프보다 더 높은 속도로 펌프(100)를 작동하도록 허용한다.
또한, 회전자 헤드(120)가 종래의 베인 펌프의 회전자보다 더 작은 직경을 가질 수 있으므로, 베인 펌프(100)는 종래의 베인 펌프와 비교하여 불충분한 패키 징 체적이 존재하는 환경에서 사용될 수 있다.
도8은 도3, 도4, 도5, 도6 및 도7의 구성요소들과 유사한 구성요소들은 같은 도면부호로 지칭된다. 도8에서, 본 발명에 따른 가변식 변위 베인 펌프는 대체로 도면부호 300으로 지칭된다. 펌프(300)는 펌프 챔버(112)를 한정하는 회전자 하우징(104)을 포함한다. 펌프 챔버(112)는 입구(109) 및 출구(111)를 갖는다. 제어 링(304)은 회전자 조립체(108)를 둘러싼다.
베인(128)의 반경방향 외부 팁은 펌프(300)의 체적 변위를 변경시키기 위해서 회전자 조립체(108) 및 펌프 챔버(112)의 편심을 변경하도록 피봇 지점(308)에 대하여 피봇하는 제어 링(304)의 내부 표면과 접촉한다. 편의 스프링(312)은 제어 링(304)을 최대 변위 위치로 편의시킨다. 통로(도시 생략)는 출구(111)로부터 제어 챔버(113)로 연장되어서, 펌핑 챔버 내의 압력이 증가할 때, 제어 챔버(113) 내의 압력이 증가하여 스프링(312)의 편의력에 대해 작용하는 힘을 초래하고, 펌프(300)를 통한 유동 체적을 감소시킨다.
펌프(300)는 펌프(100)와 같이 일하게 감소된 패키지 크기 및 높은 작동 속도를 제공하며 펌프(300)의 변위가 바라는 대로 변경되도록 허용한다.
본 발명에 따른 베인 펌프에 대해 본 발명자들에 의해 고려된 하나의 특정한 용도는 엔진 진동을 감소시키도록 많은 내연기관에 채택되는 동적 평형기에서 사용되는 것이다. 이러한 동적 평형기는 엔진의 섬프(sump) 내에 일반적으로 장착되고, 엔진 진동을 감소시키도록 편심 추(weight)를 회전시키는 하나 이상의 평형 샤프트를 포함한다. 내연 기관의 섬프 내의 이들 동적 평형기의 위치는 매우 제한된 패 키징 체적을 초래하며, 이용 가능한 공간 내에 종래의 베인 펌프를 장착하는 것이 불가능하지는 않을지라도 어려울 것이다.
또한, 동적 평형기 내에 종래의 베인 펌프를 성공적으로 장착하는 경우에도, 이러한 평형기는 흔히 엔진의 크랭크샤프트의 속도를 두 배로 작동시켜서, 수많은 환경에서, 동적 평형기의 작동 속도는 종래의 베인 펌프가 캐비테이션 및/또는 과도한 베인 마모를 경험하는 속도 이상이 될 것이다.
대조적으로, 본 발명에 따른 베인 펌프(100)는 종래의 베인 펌프보다 더 작은 패키징 체적을 요구될 수 있고, 미국 특허 출원 제US 2004/0216956 A1호에서 기술한 바와 같이 평형기 내의 평형 샤프트에 연결되거나 또는 평형 샤프트의 일부분을 포함하는 구동 샤프트(124)를 이용하여 설치될 수 있다. 또한, 베인 펌프(100)의 감소된 회전자 조립체 직경으로 인하여, 베인 펌프(100)는 캐비테이션이 일어나는 작동 속도로부터 더 큰 작동 속도 오차를 가지면서 동적 평형기의 더 높은 회전 속도에서 작동될 수 있다.
본 발명은 감소된 회전자 조립체 직경을 갖는 베인 펌프를 제공한다. 회전자 조립체 직경을 감소시킴으로써, 펌프의 전체 크기가 감소될 수 있고, 이것은 종래의 펌프와 비교하여 충분한 이용가능 패키징 체적을 가지지 못하는 환경에서 펌프를 채택되도록 허용한다. 또한, 본 발명의 더 작은 회전자 조립체 직경은 소정의 작동 유체 및 펌프율에 대하여 종래의 베인 펌프와 비교하여 더 높은 속도에서 본 발명의 펌프 작동을 허용한다.
본 발명의 위에서 기술한 실시예들은 본 발명의 예로서 의도되는 것이고, 본 발명의 변경 및 수정은 여기에 첨부된 청구 범위에 의해 단지 한정되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 본 발명에 실시될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 베인 펌프이며,
    입구 및 출구를 갖는 펌프 챔버와,
    펌프 챔버 내에 회전식으로 수용된 회전자 조립체를 포함하며,
    상기 회전자 조립체는,
    원통형 벽이 원형 회전자 헤드로부터 연장되어 있는 원형인 회전자 헤드와 상기 원통형 벽에 대향하여 연장하는 일체로 형성된 구동 샤프트를 구비한 회전자와,
    회전자 헤드의 원통형 벽 내에 형성된 슬롯을 통해 활주식으로 연장하는 한 세트의 베인들과,
    각각의 베인의 반경방향 외부 팁을 펌프 챔버의 벽과 접촉한 상태로 유지하도록 회전자 헤드의 원통형 벽 내에 위치된 베인 링을 포함하고,
    상기 한 세트의 베인들은 회전자가 회전할 때 일련의 팽창 및 수축 펌핑 챔버들을 형성하도록 회전자 헤드 및 펌프 챔버와 밀봉식으로 상호 작용하고, 상기 팽창 펌핑 챔버들은 상기 입구와 유체 연통하고, 상기 수축 펌핑 챔버들은 상기 출구와 유체 연통하는 베인 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 회전자는 분말 금속으로 제조되는 베인 펌프.
  3. 제1항에 있어서, 회전자는 금속으로 제조되는 베인 펌프.
  4. 제1항에 있어서, 회전자는 플라스틱으로 제조되는 베인 펌프.
  5. 제1항에 있어서, 베인 링은 원통형 본체인 베인 펌프.
  6. 제1항에 있어서, 베인 링은 중공인 베인 펌프
  7. 제1항에 있어서, 베인 링은 금속으로 제조되는 베인 펌프.
  8. 제1항에 있어서, 베인 링은 플라스틱으로 제조되는 베인 펌프.
  9. 제1항에 있어서, 베인 링은 회전자 헤드의 원통형 벽 내에서 적층된 2개의 베인 링 부재들을 포함하는 베인 펌프.
  10. 제1항에 있어서, 상기 베인 링은 주연 표면 내에 환형 홈을 갖고, 상기 주연 표면은 상기 한 세트의 베인들과 맞물리는 베인 펌프.
  11. 가변식 변위 베인 펌프이며,
    펌프 챔버와,
    상기 펌프 챔버 내에서 피봇식으로 장착되고 최대 변위 위치로 편의된 제어 링과,
    상기 제어링 내에서 펌프 챔버 내에 회전식으로 수용된 회전자 조립체를 포함하며,
    상기 회전자 조립체는,
    원통형 벽이 원형 회전자 헤드로부터 연장되어 있는 원형 회전자 헤드와 상기 원통형 벽에 대향하여 연장하는 일체로 형성된 구동 샤프트를 구비한 회전자와,
    회전자 헤드의 원통형 벽 내에 형성된 슬롯을 통해 활주식으로 연장하는 한 세트의 베인들과,
    각각의 베인의 반경방향 외부 팁을 제어 링의 벽과 접촉한 상태로 유지하도록 회전자 헤드의 원통형 벽 내에 위치된 베인 링을 포함하고,
    상기 한 세트의 베인들은 회전자가 회전할 때 일련의 팽창 및 수축 펌핑 챔버들을 형성하도록 회전자 헤드 및 펌프 챔버와 밀봉식으로 상호 작용하고, 상기 팽창 펌핑 챔버들은 상기 입구와 유체 연통하고, 상기 수축 펌핑 챔버들은 상기 출구와 유체 연통하는 베인 펌프.
  12. 제11항에 있어서, 상기 베인 링은 주연 표면 내에 환형 홈을 갖고, 상기 주연 표면은 상기 한 세트의 베인들과 맞물리는 베인 펌프.
  13. 내연 기관에 의해 구동되며, 회전을 실행하기 위해 회전자 조립체와 작용 가 능하게 맞물리고, 하나 이상의 평형 샤프트의 회전 속도에 비례하는 펌프 출력을 발생시키며 편심 장착된 평형 추를 각각 포함하는 하나 이상의 평형 샤프트를 포함하는 내연 기관용 동적 평형기와 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 가변식 변위 펌프.
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