KR20100109717A - 무인헬기의 엔진 냉각 시스템 - Google Patents

무인헬기의 엔진 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 무인헬기의 로터의 고속 회전을 용이하게 구현하기 위하여 구동원으로서 로터리엔진을 무인헬기에 장착하되, 로터리엔진의 장착에 따른 엔진 과열 등 여러가지 문제점을 해결한 신규의 엔진 냉각 시스템을 구비한 무인헬기를 제공하기 위한 것으로서, 무인헬기의 로터에 회전력을 제공하기 위하여 상기 무인헬기 본체의 전단부에 마련되는 로터리엔진, 상기 로터리엔진의 출력축에 동축으로 연결되는 제너레이터 회전축을 포함하여 이루어지는 제너레이터, 상기 제너레이터 회전축에 동축으로 연결되는 냉각팬 회전축을 포함하여 이루어지는 냉각팬, 상기 냉각팬 회전축에 동축으로 연결되는 워터펌프 구동축을 포함하여 이루어지는 워터펌프, 상기 로터리엔진의 워터재킷과 상기 워터펌프 사이에 연결되는 라디에이터를 포함하여 이루어지며, 상기 워터펌프의 구동에 의하여 냉각수가 상기 워터펌프, 상기 라디에이터, 상기 로터리엔진의 워터재킷을 따라 순환하도록 수냉시스템을 구축하며, 아울러 상기 냉각팬의 구동에 의하여 외부공기가 상기 라디에이터를 통하여 유입되어 상기 냉각팬을 거친 후 상기 로터리엔진의 엔진커버를 냉각한 후 배출되도록 냉각커버를 마련하여 공냉시스템을 구축한 것을 특징으로 한다.

Description

무인헬기의 엔진 냉각 시스템{ENGINE COOLING SYSTEM FOR UNMANNED HELICOPTER}
본 발명은 무인헬기(무인 헬리콥터)의 엔진으로서 로터리엔진을 채택하고, 상기 로터리엔진의 과열을 방지하기 위한 엔진 냉각 시스템에 관한 것이다.
종래의 산업용 무인헬기는 일반적으로 피스톤 구동 방식의 엔진을 이용하는 것이 일반적이다.
그러나 피스톤 구동 방식의 엔진은 그 구동방식이 피스톤의 상하 왕복이동에 의하여 회전력을 제공하는 것이므로, 매우 짧은 순간에는 피스톤이 정지하는 상태를 이루게 되어, 이러한 구동 방식의 결과 매우 빠른 고속 회전에는 무리가 있다.
한편, 종래의 피스톤 구동 방식의 엔진을 채택한 무인헬기는, 라디에이터를 이용하는 수냉식 냉각 시스템을 구비하고 있다.
이러한 수냉식 냉각 시스템은 공냉 방식의 냉각 시스템에 비하여 그 냉각 효율이 높음에도 불구하고 사막 등 악조건에서 무인헬기를 사용할 경우 엔진 과열의 우려가 있다.
본 발명은 상기와 같은 무인헬기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 무인헬기의 로터의 고속 회전을 용이하게 구현하기 위하여 로터리엔진을 무인헬기에 장착하되, 로터리엔진의 장착에 따른 엔진 과열 등 여러가지 문제점을 해결하기 위하여 신규의 엔진 냉각 시스템을 구비한 무인헬기를 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 무인헬기의 로터에 회전력을 제공하기 위하여 상기 무인헬기 본체의 전단부에 마련되는 로터리엔진, 상기 로터리엔진의 출력축에 동축으로 연결되는 제너레이터 회전축을 포함하여 이루어지는 제너레이터, 상기 제너레이터 회전축에 동축으로 연결되는 냉각팬 회전축을 포함하여 이루어지는 냉각팬, 상기 냉각팬 회전축에 동축으로 연결되는 워터펌프 구동축을 포함하여 이루어지는 워터펌프, 상기 로터리엔진의 워터재킷과 상기 워터펌프 사이에 연결되는 라디에이터를 포함하여 이루어지며, 상기 워터펌프의 구동에 의하여 냉각수가 상기 워터펌프, 상기 라디에이터, 상기 로터리엔진의 워터재킷을 따라 순환하도록 수냉시스템을 구축하며, 아울러 상기 냉각팬의 구동에 의하여 외부공기가 상기 라디에이터를 통하여 유입되어 상기 냉각팬을 거친 후 상기 로터리엔진의 엔진커버를 냉각한 후 배출되도록 냉각커버를 마련하여 공냉시스템을 구축한 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 라디에이터는 상기 냉각커버의 전단부 상부에 마련되는 제1라디에이터와 상기 냉각커버의 전단부 하부에 마련되는 제2라디에이터로 이루어지며, 상기 워터펌프는 상기 제1라디에이터와 상기 제2라디에이터 사이에 직렬 형태로 배치되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 로터리엔진의 배출구에 머플러가 연결되며, 상기 머플러는 상기 로터리엔진의 엔진커버를 냉각한 외부공기가 배출되는 부위에 위치되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 제1라디에이터에 제1온도 센서가 마련되며, 상기 제2라디에이터에 제2온도 센서가 마련되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 로터리엔진 및 상기 머플러로부터 발생되는 열기가 상기 무인헬기의 본체에 마련되는 전자기기들에 영향을 미치지 않도록 상기 냉각커버가 상기 로터리엔진 및 상기 머플러를 상기 무인헬기의 본체로부터 격리시키는 구조를 가지는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 냉각팬 회전축과 상기 워터펌프 구동축은 상기 로터리엔진의 출력축의 회전속도에 연동하여 그 회전속도가 증감되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 냉각팬의 회전날개는 탄소섬유 프리프레그가 가압가열 성형되어 제조된 것인 것이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명은, 무인헬기의 로터의 고속 회전을 용이하게 구현하기 위하여 구동원으로서 로터리엔진을 무인헬기에 장착하되, 로터리엔진의 장착에 따른 엔진 과열 등 여러가지 문제점을 해결한 신규의 엔진 냉각 시스템을 구비한 무인헬기를 제공하게 된다.
이하 본 발명에 의한 일 실시예에 따라 그 구체적 구성과 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 무인헬기의 엔진 냉각 시스템을 구비한 무인 헬기의 정면도이며, 도 2는 도 1의 사시도이며, 도 3은 도 1의 엔진 냉각부의 개념도이며, 도 4는 도 1의 엔진 냉각부의 사시도이며, 도 5 및 도 6은 도 1의 엔진 냉각부의 내부 구조를 보이기 위하여 일부를 생략 및 투명하게 도시한 내부 도시 사시도이며, 도 7 및 도 8은 도 1의 엔진 냉각부의 냉각커버의 사시도이며, 도 9는 도 7의 냉각커버의 분리 사시도이며, 도 10은 실제로 조립된 상태의 엔진 냉각부의 사시 촬영 사진이다.
본 실시예는 도 1 등과 같은 무인헬기에 있어서 무인헬기의 로터에 회전력을 제공하기 위하여 로터리엔진(110)을 채택하였다.
로터리엔진(110)은 무인헬기 본체의 전단부에 배치되며, 로터리엔진(110)을 위시하여 냉각 시스템의 각종 부품들이 내장되도록 냉각 커버(170)가 마련되도록 하여 엔진 냉각부(100)를 구성하고 있다.
본 실시예의 로터리엔진(110)은 가솔린을 연료로 사용하는 것이다.
로터리엔진(110)은 통상 그 출력축이 1회전하기 위하여는 흡입->압축->폭발->배기로 이루어지는 1행정이 3회 수행되므로, 결과적으로 엔진은 소형이면서 고출력을 얻을 수 있다.
따라서 피스톤 구동 방식의 일반적인 엔진에 비하여 같은 회전수에서 3배의 폭발을 일으키게 되며, 결과적으로 고속 회전시 피스톤 구동 방식의 엔진에 비하여 쉽게 과열된다는 문제가 있다.
통상 일반적인 육상차량의 경우 냉각수의 용량을 확장시킴으로써 이러한 문제를 쉽게 해결할 수 있지만, 무인헬기의 경우 자체 하중을 가볍게 하여야 한다는 무인헬기의 기술적 특징상 냉각수의 용량을 확대하는 것은 기술적으로 무리가 있다.
한편, 무인헬기의 경우 공중에서 이동하거나 정지한 상태를 유지하므로 다량의 외부공기를 엔진 냉각에 쉽게 이용할 수 있다는 장점이 있다.
따라서 본 실시예는 이와 같은 고속 회전으로 인한 과열 문제를 해결하기 위하여 수냉시스템을 기본적으로 장착하고 수냉시스템을 보완하기 위하여 공냉시스템이 일체적으로 마련되어 수냉시스템을 보완할 뿐만 아니라 외부공기에 의하여 로터리엔진(110)을 냉각할 수 있도록 하고 있다.
이를 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 로터리엔진(110)의 출력축에 제너레이터(130)의 제너레이터 회전축이 동축으로 연결된다.
즉, 로터리엔진(110)의 출력축 중 일측은 클러치(10)에 연결되어 무인헬기의 로터에 회전력을 제공하게 되며, 로터리엔진(110)의 출력축 중 타측은 제너레이터(130)에 회전력을 제공하게 되는 것이다.
제너레이터(130, generator)는 제너레이터 회전축에 마련된 자석의 회전으로 전기를 발전하며, 이 발전된 전기는 무인헬기의 본체에 마련된 배터리에 충전된 후 무인헬기의 비행 제어(서보모터 제어 및 전자장비 구동 등)에 필요한 전기를 보충하게 된다.
제너레이터(130)의 제너레이터 회전축에는 냉각팬(140)의 냉각팬 회전축이 동축으로 연결된다.
물론 실시예에 따라서는 냉각팬 회전축은 제너레이터 회전축이 연장된 것일 수도 있다. 즉, 통상 냉각팬 회전축과 상기 냉각팬 회전축에 연결된 회전날개로 이루어지는 냉각팬을 장착함에 있어서, 냉각팬 회전축을 별도로 마련하지 않고 제너레이터 회전축의 일부에 냉각팬의 회전날개를 장착하여 냉각팬이 회전되도록 구성할 수도 있다.
냉각팬(140)은 냉각팬 회전축과 상기 냉각팬 회전축에 연결되어 회전하는 회전날개로 이루어지며, 냉각팬(140)은 제너레이터(130)의 제너레이터 회전축을 매개하여 로터리엔진(110)의 출력축에 연동하여 회전하게 된다.
즉, 냉각팬(140)은 그 회전날개가 회전하여 외부공기를 로터리엔진(110)측으로 송풍하여 로터리엔진(110)을 냉각시키게 된다.
그러나 냉각팬(140)은 로터리엔진(110)과 함께 매우 빠른 고속으로 회전되어야 하며, 이로 인하여 냉각팬(140)의 회전날개는 매우 빠른 고속의 회전에도 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.
이를 위하여 냉각팬(140)의 회전날개는, 탄소섬유 프리프레그를 성형 금형에 적층하는 형태로 안치한 후 이를 가압가열 성형하여 제조하도록 한다. 이와 같이 탄소섬유 프리프레그를 가압가열 성형하여 냉각팬(140)의 회전날개를 제조함으로써, 회전날개는 매우 빠른 속도에도 견딜 수 있는 내구성을 갖출 수 있다.
냉각팬(140)의 냉각팬 회전축에는 워터펌프(150)의 워터펌프 구동축이 동축으로 연결된다. 냉각팬 회전축으로서 제너레이터 회전축을 이용하는 경우에는 제너레이터 회전축에 워터펌프 구동축이 연결된다.
워터펌프(150)는 워터펌프 구동축의 회전으로 냉각수를 펌핑할 수 있다.
본 실시예에서는 커플링(151)으로 워터펌프(150)의 구동축과 냉각팬(140)의 회전축을 연결하였지만 이는 실시예에 따라 얼마든지 변경될 수 있다.
본 실시예에서 워터펌프(150)는 워터펌프 구동축의 구동에 의하여 냉각수를 순환시키는 역할을 한다.
워터펌프(150)를 사이에 두고 냉각커버(170)의 전단부 상부에 제1라디에이터(161)가 마련되며, 냉각커버(170)의 전단부 하부에 제2라디에이터(162)가 마련된다.
제1,2라디에이터(161,162)는 내부에 냉각수가 지나가면서 외부공기에 의하여 냉각수가 냉각되는 역할을 한다.
즉, 로터리엔진(110)의 워터재킷과 제1라디에이터(161), 제1라디에이터(161)와 워터펌프(150), 워터펌프(150)와 제2라디에이터(162), 제2라디에이터(162)와 로 터리엔진(110)의 워터재킷은 냉각수 호스(180)에 의하여 서로 연결되어 냉각수가 순환되는 통로를 제공한다.
도 3에서 냉각수의 순환 경로는 파선으로 표시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이 워터펌프(150)는 제1라디에이터(161)와 제2라디에이터(162) 사이에 직렬 형태로 배치된다.
한편, 로터리엔진(110)으로부터 배출되는 배기가스는 머플러(120)를 통과한 후 외부로 배출되므로 머플러(120) 또한 뜨거운 배기가스에 의하여 과열되게 되며, 따라서 로터리엔진(110)과 함께 머플러(120)가 냉각되도록 구성되는 것이 바람직하다.
이를 위하여 냉각커버(170)는 도 3, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각팬(140)의 구동에 의하여 외부공기가 제1,2라디에이터(161, 162)를 통하여 냉각커버(170) 내부로 유입되며, 유입된 외부공기는 냉각팬(140)을 지나 로터리엔진(110)의 엔진커버를 냉각한 후 머플러(120)를 냉각하면서 배출되도록 구성된다.
도 3에서 외부공기의 경로는 일점쇄선으로 도시하였다.
또한 제1,2라디에이터(161,162)를 통하여 유입되는 외부공기는 제1,2라디에이터(161,162)를 지나는 냉각수를 냉각하게 된다.
또한 냉각커버(170)는 로터리엔진(110) 및 머플러(120)로부터 발생되는 열기가 무인헬기의 본체에 마련되는 각종 전자기기들(액츄에이터, 전자박스 등)에 영향을 미치지 않도록 로터리엔진(110) 및 머플러(120)를 무인헬기의 본체로부터 이격 시키는 역할을 하여 각종 전자기기의 오작동을 방지하게 된다.
한편, 제1,2라디에이터(161, 162)에는 제1,2온도센서(161a, 162a)가 각각 마련되며, 이와 같이 제1,2온도센서(161a, 162a)에 의하여 각각의 라디에이터(161, 162)의 온도 변화를 감시하게 되고, 이에 의하여 로터리엔진(110) 혹은 워터펌프(150)의 이상 여부를 실시간으로 감시하는 것이 가능하게 된다.
또한 본 실시예에서 냉각팬(140) 및 워터펌프(150)의 회전속도, 구체적으로는 냉각팬 회전축 및 워터펌프 구동축의 회전속도는 로터리엔진의 출력축 회전속도에 연동하여 그 속도가 증감되도록 구성되므로, 로터리엔진의 출력축 회전속도가 빨라지면 냉각팬 회전축의 속도가 빨라지게 되어 외부공기의 유입 속도가 증가하게 되고, 아울러 워터펌프(150)에 의하여 순환되는 냉각수의 순환 속도가 빨라지게 되어 로터리엔진(110) 등의 냉각이 원활하게 되는 실시간 적응형 냉각 구조를 구비하고 있다.
아울러 본 실시예에서 제1,2라디에이터(161, 162)는 냉각커버(170)의 전단부 상부 및 하부에 비스듬하게 배치된다. 이는 무인헬기의 본체의 주요 이동방향이 전진 내지 상하이동이라는 것을 감안하여 가급적 많은 외부공기가 냉각커버(170) 내부로 유입될 수 있도록 설계한 것이다.
상기의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상은 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 조정되어 실시될 수 있다. 이러한 변형 내지 조정이 본 발명의 기술적 사상을 이용한다면 이는 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
본 발명은 무인헬기의 로터를 고속 회전시키기 위하여, 로터리엔진을 무인헬기에 탑재하고 이로부터 발생되는 문제점들을 해결하기 위하여 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 무인헬기의 엔진 냉각 시스템을 구비한 무인 헬기의 정면도,
도 2는 도 1의 사시도,
도 3은 도 1의 엔진 냉각부의 개념도,
도 4는 도 1의 엔진 냉각부의 사시도,
도 5 및 도 6은 도 1의 엔진 냉각부의 내부 구조를 보이기 위하여 일부를 생략 및 투명하게 도시한 내부 도시 사시도,
도 7 및 도 8은 도 1의 엔진 냉각부의 냉각커버의 사시도,
도 9는 도 7의 냉각커버의 분리 사시도,
도 10은 실제로 조립된 상태의 엔진 냉각부의 사시 촬영 사진.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 엔진 냉각부 110 : 로터리엔진
120 : 머플러 130 : 제너레이터
140 : 냉각팬 150 : 워터펌프
151 : 커플링
161 : 제1라디에이터 161a : 제1온도센서
162 : 제2라디에이터 162a : 제2온도센서
170 : 냉각커버 180 : 냉각수 호스

Claims (7)

  1. 무인헬기의 로터에 회전력을 제공하기 위하여 상기 무인헬기 본체의 전단부에 마련되는 로터리엔진, 상기 로터리엔진의 출력축에 동축으로 연결되는 제너레이터 회전축을 포함하여 이루어지는 제너레이터, 상기 제너레이터 회전축에 동축으로 연결되는 냉각팬 회전축을 포함하여 이루어지는 냉각팬, 상기 냉각팬 회전축에 동축으로 연결되는 워터펌프 구동축을 포함하여 이루어지는 워터펌프, 상기 로터리엔진의 워터재킷과 상기 워터펌프 사이에 연결되는 라디에이터를 포함하여 이루어지며,
    상기 워터펌프의 구동에 의하여 냉각수가 상기 워터펌프, 상기 라디에이터, 상기 로터리엔진의 워터재킷을 따라 순환하도록 수냉시스템을 구축하며,
    아울러 상기 냉각팬의 구동에 의하여 외부공기가 상기 라디에이터를 통하여 유입되어 상기 냉각팬을 거친 후 상기 로터리엔진의 엔진커버를 냉각한 후 배출되도록 냉각커버를 마련하여 공냉시스템을 구축한 것을 특징으로 하는 무인헬기의 엔진 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라디에이터는 상기 냉각커버의 전단부 상부에 마련되는 제1라디에이터와 상기 냉각커버의 전단부 하부에 마련되는 제2라디에이터로 이루어지며, 상기 워 터펌프는 상기 제1라디에이터와 상기 제2라디에이터 사이에 직렬 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 무인헬기의 엔진 냉각 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 로터리엔진의 배출구에 머플러가 연결되며, 상기 머플러는 상기 로터리엔진의 엔진커버를 냉각한 외부공기가 배출되는 부위에 위치되는 것을 특징으로 하는 무인헬기의 엔진 냉각 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1라디에이터에 제1온도 센서가 마련되며, 상기 제2라디에이터에 제2온도 센서가 마련되는 것을 특징으로 하는 무인헬기의 엔진 냉각 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 로터리엔진 및 상기 머플러로부터 발생되는 열기가 상기 무인헬기의 본체에 마련되는 전자기기들에 영향을 미치지 않도록 상기 냉각커버가 상기 로터리엔진 및 상기 머플러를 상기 무인헬기의 본체로부터 격리시키는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 무인헬기의 엔진 냉각 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각팬 회전축과 상기 워터펌프 구동축은 상기 로터리엔진의 출력축의 회전속도에 연동하여 그 회전속도가 증감되는 것을 특징으로 하는 무인헬기의 엔진 냉각 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각팬의 회전날개는 탄소섬유 프리프레그가 가압가열 성형되어 제조된 것인 것을 특징으로 하는 무인헬기의 엔진 냉각 시스템.
KR1020090028125A 2009-04-01 2009-04-01 무인헬기의 엔진 냉각 시스템 KR101036624B1 (ko)

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