KR20120015433A - 가변 용량형 유체 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기어를 가진 유체 기계 특히 자동차 엔진의 윤활 회로용 펌프에 관한 것으로서, 상기 유체 기계는 외부 기어(2)와 내부 기어 기어(4)를 포함하는 작동 부분을 가지는데, 상기 내부 기어(4)는 외부 기어(2)의 축방향 공동(25) 내에 수용되고 상기 외부 기어(2)와 맞물려 있다. 내부 기어(2)는 유체 기계의 유속과 용량을 변경시키기 위해 내부 기어(4)에 대해 축방향으로 슬라이딩 이동하게 하도록 배열된 병진 운동 메커니즘(8, 22)과 결합된다. 상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)은 유체 기계의 고압 챔버(48)와 소통하고 있는 제 1 용량 조절 공간(24)과 제 2 용량 조절 공간(15)을 형성하는데, 상기 제 2 용량 조절 공간(15)에서는, 유체 기계(1)가 연결되어 있는 유체 회로의, 고압 챔버(48)와 상이한, 요소의 작동 상태들에 좌우되는 압력 상태들이 존재한다. 병진 운동 메커니즘(8, 22)은 제 1 또는 제 2 용량 조절 공간(24, 15) 내에 존재하는 압력 상태들에 반응하거나, 또는 제 1 및 제 2 용량 조절 공간(24, 15) 내에 존재하는 압력 상태들의 조합에 반응하여 외부 기어(2)를 슬라이딩 이동가능하게 이동시킨다.
또한, 본 발명은 기어를 가진 유체 기계의 용량을 변경시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

가변 용량형 유체 기계{VARIABLE CAPACITY FLUIDIC MACHINE}

본 발명은 유체 기계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기어를 가진 유체 기계 특히 가변 용량을 가진 펌프에 관한 것이다.

바람직하게는, 본 발명이 자동차 엔진의 윤활유용 펌프에도 적용될 수 있으나 이것에만 제한되는 것은 아니다.

다양한 기술 분야들에서, 예를 들어, 자동차 엔진 내부에서 압력 하에서 윤활유를 순환하게 하기 위해, 종종 용적형 내부 기어 펌프(positive displacement internal gear pump)가 사용된다. 이러한 펌프들은, 일반적으로, 고정 바디; 내부 치형(internal toothing)을 가지고 상기 고정 바다 내에서 제 1 회전축 주위로 회전하는 외부 오비탈 기어(external orbital gear); 오직 부분적인 유압 밀봉부(hydraulic seal)로 외부 오비탈 기어의 내부 치형과 맞물려 있는 외부 치형(external toothing)을 가지고 상기 외부 오비탈 기어 내부에서 상기 제 1 회전축과 상이한 제 2 회전축 주위로 회전하는 내부 오비탈 기어(internal orbital gear); 두 오비탈 기어 중 하나를 회전시키고 두 오비탈 기어가 맞물려 있기 때문에 이에 따라 다른 하나도 회전하게 되는, 자동차 엔진에 의해 구동되는 트랜스미션 부재(transmission member)를 포함한다. 상이한 치형 수를 가진 치형구조들은 가변 부피를 가진 챔버들을 형성하며, 상기 챔버들을 통해 흡입 포트(intake port)로부터 배출 포트(discharge port)로 오일이 이송된다.

이러한 펌프에서, 용량 즉 배출부에서의 오일 유속(flow rate)은 엔진의 회전 속도에 좌우되며 이에 따라 펌프는 조속에서 충분한 유속을 제공하여 이러한 상태에서 윤활될 수 있도록 설계된다. 펌프가 고정된 기하학적 형태를 지니면, 고속에서의 유속은 요구량보다 더 높아서 불필요한 에너지 소모가 발생되어 결국 연료 소모가 늘어나게 된다.

유압식 또는 공압식이든, 모터로서, 위에서 기술한 구조가 사용될 때 공압식 펌프에서, 이와 비슷한 문제점에 직면한다.

작동 상태가 변함에 따라, 성능 변화를 줄이고 위에서 기술한 결점을 피하기 위해, 두 오비탈 기어 사이에서 결합 영역의 축방향 연장부(axial extension)를 변경시켜 유속이 바뀌는 가변 용량형 유체 기계(variable capacity fluidic machine)가 고안되어 있다.

첫 번째 예가 JP 56020788호에 기술되어 있다. 이 문헌에 따르면, 모터에 의해 구동된 오비탈 기어를 병진 운동시킴으로서 용량이 조절되는데, 용량을 조절하기 위해 병진 운동과 펌프의 회전 운동을 결합하여 높은 흡수 토크(absorbed torque)를 발생시키는데, 이는 용량 조절에 따른 이점을 제한한다.

또 다른 예는 WO 2004/003345호에 기술된 펌프이다. 이 펌프에서, 회전 운동과 병진 운동은 분리되는데, 회전 운동은 오비탈 기어 중 하나로 전달되고 또 다른 오비탈 기어가 병진 운동함으로써 용량이 변경되고, 이에 따라 고속의 흡수 토크 문제점이 해결된다. 하지만, 상기와 같은 종래 기술의 펌프와 관련된 문제점에 의하면, 용량 조절이 오직 전달 챔버(delivery chamber)와 소통(communicating)하고 있는 공간에서의 압력의 조절에만 좌우된다는 것이다. 이러한 상태에서, 엔진의 메인 조절 채널(main control channel)의 상류에서(upstream) 과잉압력(overpressure)이 발생할 수도 있으며, 고속의 회전 속도로 인해 오일 유속이 현저히 감소하여 불충분한 윤활로 인한 엔진 손상의 위험이 발생할 수도 있다.

게다가, 이러한 종래 기술의 펌프에서는, 유압이 변함에 따라 슬라이딩 이동하는 작은 피스톤으로 인해, 간접적이 아니라 직접적으로는 오비탈 기어의 병진 운동이 수행되지 않고, 외부 오비탈 기어가 병진 운동하게 한다. 이에 따라, 펌프 구조는 더욱 복잡해지고 펌프 반응은 더 느려진다.

문헌 GB 2 440 342호는 축방향으로 배열된 공급부를 제공하고 있는 실질적으로 스타(star) 형태의 내부 링에 대해 기술하고 있다. 이러한 내부 링은 내부 링의 각위치(angular position)에 좌우되는 유입 및 배출 포트를 가진 펌핑 챔버(pumping chamber)와 연결되어 있는 복수의 드릴 웨이(drill way)를 가진다. 상기 문헌들의 장치는 몇몇 결점들을 가진다.

한 결점으로는, 상기 드릴 웨이가 내부 링의 요구 구조 강도를 보장하기 위해 작은 횡단면 크기를 가져야 한다는 점이다. 하지만, 이렇게 작은 횡단면 크기를 가진 드릴 웨이는 고속의 펌프 회전 속도에서 공동화(cavitation) 문제를 야기하는 단점을 가진다.

또 다른 결점으로는, 펌프의 변위(displacement)를 증가시키기 위해, 이에 상응하게 유입 및 배출 포트의 축방향 크기도 증가시켜야 되며, 이에 따라 펌프의 축방향 크기가 상당히 커져야 한다는 것이다. 커다란 축방향 크기는, 일반적으로 엔진의 바닥 부분에 수용되는 펌프를 장착할 때 문제를 일으킨다. 예를 들어, 펌프의 축방향 크기가 커지면, 캠샤프트(camshaft)가 올바르게 이동할 때 간섭현상이 일어나는 위험이 커진다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 해결하는, 기어를 가진 유체 기계를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 축방향으로 이동가능한 오비탈 기어를 슬라이딩 이동하게 하는 병진 운동 메커니즘(translating mechanism)이, 유체 기계의 고압 챔버와 소통하고 있는 공간 외에도, 유체 기계가 연결되어 있는 유체 회로의 고압 챔버와 상이한 한 요소의 작동 상태에 좌우되는 제 2 압력 상태가 존재하는 제 2 용량 조절 공간을 형성하며, 상기 병진 운동 메커니즘은 제 2 용량 조절 공간 내에 존재하는 압력 상태들에 반응하거나, 또는 두 조절 공간 내에 존재하는 압력 상태들의 조합에 반응하여 지지 부분(supporting element) 내에서 축방향으로 슬라이딩 이동가능하다.

축방향으로 슬라이딩 이동가능한 기어는 병진 운동 메커니즘과 일체형으로 구성되는 것이 유리하다.

자동차 엔진의 윤활유용 펌프로서 기계의 용도에 대한 바람직한 경우에서, 제 1 조절 공간은 펌프의 전달부 쪽(delivery side)과 소통하고 있다. 또한, 제 1 구체예에서, 제 2 조절 공간은 압력 하에서 엔진으로부터 펌프로 다시 유입되는 윤활유를 수용하며, 제 2 구체예에서는, 엔진의 작동 상태들에 반응하여 외부 관리 논리장치(external management logic)에 의해 기계의 용량이 구현되는데, 펌프가 최대 용량에서 작동될 때에는 만약 존재한다면, 펌프 내에서 오일 유출이 발생되는, 오일 용기로 배출되게 하기 위해 제 2 조절 공간은 오일이 오일 용기와 수통하고 있으며, 펌프가 최대 용량보다 더 작은 용량에서 작동될 때에는 제 2 조절 공간은 펌프의 전달부 쪽과 소통하고 있다.

GB 2 440 342호에서 기술된 구체예와 상이한 추가적인 구체예에서는, 제작상 요건들에 따라 조절가능한 크기들로 제조될 수 있는 절단부(cut)들에 의해 형성된 개구(opening)들에 의해, 본 발명에 따른 펌프가 반경 방향으로 안내되는 공급부로서 기능할 수 있다. 이에 따라, 펌프 내에서 공동화 문제를 해결하기 위해, 개구의 횡단면 크기를 자유로이 형성하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 펌프의 또 다른 이점으로는, 이러한 펌프에 속하는 스타 형태의 캡(cap)의 치형구조 부분(toothed portion), 내부 오비탈 기어, 및 외부 오비탈 기어의 반경방향 크기를 증가시킴으로써 변위가 증가될 수 있다는 점이다. 따라서, 변위에서의 증가는 펌프의 축방향 크기에 부정적인 영향을 미치지 않으며, 이는 GB 2 440 342호에서 발생되는 문제점과는 다르다.

또한, 본 발명은 기어를 가진 기계의 용량을 변경시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법에 따르면, 유체 기계의 고압 챔버와 소통하고 있는 제 1 용량 조절 공간이 생성되며, 두 기어의 치형이 서로 맞물려 있는 영역의 연장부를 변경시키기 위해 제 1 용량 조절 공간 내에 존재하는 제 1 압력 상태들에 반응하여, 상기 기계 용량은 기계의 두 기어 중 하나를 서로에 대해 축방향으로 슬라이딩 이동가능하게 함으로써 변경된다. 상기 방법은, 제 2 용량 조절 공간을 생성하는 단계; 제 2 공간 내에 기계가 연결되어 있는 유체 회로의 고압 챔버와 상이한 한 요소 내에 존재하는 작동 상태들에 좌우하는 제 2 압력 상태를 구현하는 단계; 및 제 2 용량 조절 공간 내에 존재하는 압력 상태에 반응하거나 또는 두 용량 조절 공간 내에 존재하는 압력 상태의 조합에 반응하여, 축방향으로 슬라이딩 이동가능한 기어를 슬라이딩 이동하게 하는 단계를 추가로 포함한다.

이제, 본 발명은, 자동차 엔진의 윤활유용 펌프로서 본 발명을 사용하고 비-제한적인 예로써 주어진 바람직한 구체예를 보여주는, 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 펌프를 분해하여 도시한 분해도이다.
도 2는 도 1의 펌프를 조립된 상태로 도시한 투시도이다.
도 3은 펌프의 중앙 바디를 도시한 투시도이다.
도 4는 도 2의 라인 IV-IV을 따라 절단한 펌프를 도시한 횡단면도로서, 펌프는 최대 용량 상태에 있다.
도 5는 도 3의 라인 V-V을 따라 절단한 횡단면도이다.
도 6과 도 7은 펌프의 내부로부터 절단한, 각각, 펌프의 지지 부분의 하부 바디와 상부 바디를 도시한 도면이다.
도 8과 도 9는, 엔진 내에 있는 오일이 2개의 서로 다른 압력 상태에 있는, 펌프의 부분적인 횡단면도이다.
도 10과 도 11은, 펌프의 전달부 쪽에서 2개의 서로 다른 압력 상태에 있는 펌프의 중앙 바디를 도시한 횡단면도이다.
도 12와 도 13은 외부 밸브에 의해 펌프 조절에 관한 다이어그램으로서, 각각 최대 용량 및 감소된 용량 상태에 있는 펌프를 보여주고 있다.

하기 기술된 내용은 본 명세서를 간략하고 명백하게 기술하기 위해 오직 예로써 주어진 바닥 부분으로부터 시작한 수직축으로 배열된 펌프에 관한 것으로서, 용어 "상부", "하부", "상측", "바닥" 등은 이러한 배열 방향을 지칭한다.

도 1 내지 5를 보면, 전반적으로 도면부호 1로 표시된 본 발명에 따른 펌프는 실질적으로 용적형 내부 기어 펌프(positive displacement internal gear pump)로서, 상기 용적형 내부 기어 펌프는 작동 부분 또는 중앙 바디(100) 및 제 1 바디(하부 바디)(102)와 제 2 바디(상부 바디)(104)로 구성된 지지 부분을 포함하는데, 이 부분들 사이에 상기 작동 부분(100)이 둘러싸여 있다.

작동 부분(100)은, 통상, 내부 치형구조(internal toothing), 가령, 예를 들어 5개의 치형(도 5)을 가진 제 1 기어(2)(외부 오비탈 기어), 및 외부 오비탈 기어(2)의 축방향 공동(25) 내에 수용되고 외부 치형구조(external toothing), 가령, 예를 들어 4개의 치형(4A)을 가진 제 2 기어(4)(내부 오비탈 기어)를 포함하는데, 상기 제 2 기어(4)는 오직 부분적인 유압식 밀봉부(hydraulic seal)를 가진 외부 오비탈 기어(2)의 치형과 맞물린다. 내부 오비탈 기어(4)는 (예를 들어 자동차 엔진에 직접 구동되거나 또는 적절한 변속 시스템을 통해 구동되는) 펌프 샤프트(6) 위에 장착되는데, 상기 내부 오비탈 기어(4)는 상기 샤프트에 의해 샤프트(6) 축과 일치하는 제 1 축 주위로 회전되며 외부 오비탈 기어(2)는 제 1 축에 대해 평행한 제 2 축 주위로 회전하게 된다. 두 기어의 치형은 챔버(11)를 형성하는데(도 4), 이 챔버의 부피(volume)는 회전 동안 변하며 상기 챔버를 통해 오일이 펌프(1)의 흡입부(intake) 쪽으로부터 전달부 쪽으로 전달되면서 압축된다. 두 기어의 치형이 맞물려 있는 영역이 축방향으로 연장되어 펌프의 용량(capacity) 또는 변위(displacement)가 결정되며, 이에 따라 펌프로부터 배출되는 오일의 유속(flow rate)이 결정된다.

작동 상태들이 변함에 따라 펌프 용량을 변경시키기 위하여 특히 펌프 용량을 감소시켜 고속의 회전 속도에서 오일의 유속을 감소시키기 위하여, 외부 오비탈 기어(2)가 내부 오비탈 기어(4)에 대해 축방향으로 슬라이딩 이동가능하도록 장착된다. 밑에서 더 상세하게 기술될 것과 같이, 엔진 내에 실제로 존재하는 압력에 의해 또는 펌프 내부의 압력(전달 압력)에 의해 조절과정이 제어된다. 이에 따라 전체 윤활 시스템의 무결성(integrity)이 보호될 수 있으며 뜻밖의 상황들로 인해 압력이 증가하는 경우에서 유속이 감소되는 것을 방지할 수 있으나 회전 속도는 실질적으로 증가하지 않게 한다. 게다가, 오비탈 기어 중 하나가 샤프트(6)에 의해 회전하게 되고 또 다른 오비탈 기어가 병진운동(translation) 함에 따라 용량이 조절되기 때문에, 펌프 회전 운동은 용량 조절과 디커플링되고(decoupled) 똑같은 오비탈 기어가 회전 운동과 병진 운동 둘 다 수행하는 데 대해 상기 흡수된 토크가 감소된다.

외부 오비탈 기어(2)는 회전 운동과 병진 운동을 위해 외부 링(8)에 단단히 연결되어(rigidly connected), 표면의 스텝(7)에 대해 접하도록 외부 오비탈 기어(2)의 바닥 단부 위에 억지로 끼워맞춰 장착된다(mounted with interference). 외부 오비탈 기어(2)와 링(8)의 결합 영역(coupling region)에 상응하여, 이러한 요소들의 에지에는, 각각, 외부 오비탈 기어(2) 위에 있는 절단부(12)와 링(8) 위에 있는 절단부(10)가 제공되어, 챔버(11) 내로 들어오고 챔버(11)로부터 나오는 오일 유입부/배출부를 위한 개구(13)를 형성한다(도 13). 펌프가 조립될 때, 외부 링(8)이 하부 바디(102)의 공동(40) 내에 수용된다. 당업자가 상기 내용을 읽고 첨부된 도면들을 보면 이해할 수 있듯이, 상기 절단부(10 및 12)는 반경 방향으로 배열된 개구(13)를 형성하여, 이에 따라 펌프에 반경 방향으로 공급된다.

제 1 캡(하부 캡)(14)이 링(8) 내에 수용되며(housed), 펌프의 최대 용량 상태에 있는 외부 오비탈 기어(2)의 바닥 베이스(bottom base)와 내부 오비탈 기어(4)의 바닥 베이스가, 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 캡의 상측 표면에 대해 접한다. 상기 캡(14)은 축방향으로 고정된 위치에 장착되며 링(8)과 외부 오비탈 기어(2)는 펌프 용량을 조절하기 위해 상기 캡(14)에 대해 슬라이딩 이동가능하다. 하부 캡(14)의 하측 부분은 외부 링(8)으로부터 돌출되며 공동(40)의 벽과 함께 챔버(15)(제 1 조절 공간)를 형성하는데, 이 챔버(15)는 하부 캡(14)에 의해 펌핑 챔버(11)로부터 분리되어 있다. 레이디얼 덕트(radial duct)(50)가 상기 챔버(15)에서 끝을 이루며(end), 상기 덕트는 도 1과 도 2에서 도면부호(51)로 표시되어 있는 것과 같이 하부 바디(102)의 측벽 내에 개방되어 있고 압력 하에서 오일을 수용하기 위해 엔진과 소통하고 있다(communicating). 이런 방식으로, 엔진 내에 실제로 존재하는 압력을 나타내는 압력 상태들은 챔버(15) 내에 있으며, 엔진 내부의 압력은 링(8)의 바닥 부분(8A) 위에 작용하기 위해 용량 조절을 위한 제 1 조절 압력이 되며, 링이 외부 오비탈 기어(2)와 결합하여 슬라이딩 이동되게 한다. 하부 캡(14)은 축에서 벗어난 홀(off-axis hole)(16)을 추가로 가지며, 상기 홀(16)을 통해 샤프트(6)가 통과한다.

내부 오비탈 기어(4) 위에 있는 상측 부분에서, 오비탈 기어(2)의 공동(25)은 치형구조의(toothed) 하측 부분(19)과 원통형의 상측 부분(20)을 가진 제 2 캡(스타(star) 형태의 캡)(18)을 수용하고, 이 제 2 캡(18)의 외측 표면의 형태는 외부 오비탈 기어(2)의 내측 표면에 대해 상호보완적인 방식으로(complementary) 형성된다. 상기 원통형의 상측 부분(20)은 제 3 캡(상부 캡)(22)의 원통형 공동 내에 수용된다. 상기 상부 캡(22)은 회전 운동과 병진 운동을 위해 외부 오비탈 기어(2)에 단단하게 연결될 수 있도록 외부 오비탈 기어(2)의 상측 부분 위에 억지로 끼워맞춰 장착되며 외부 오비탈 기어(2)의 측면 표면의 스텝(9)에 대해 접한다(도 4). 따라서, 조절 압력에 노출된 구성요소들인, 상부 캡(22)과 링(8)으로 구성된, 외부 오비탈 기어(2)와 이 기어(2)를 병진운동 하기 위한 메커니즘은 단일의 조절 부재((adjusting member)로서 작용하며, 이 후 "오비탈 바디(orbital body)"로 언급될 것이다.

스타 형태의 캡(18)의 치형구조 부분(19)은 실질적으로 밀봉된 방식으로 공동(25) 내로 삽입되고 예를 들어 바닥 베이스가 실질적으로 내부 오비탈 기어(4)의 상부 베이스와 실질적으로 접촉하고 있으며, 상기 상부 베이스는 상부 캡(22)의 공동의 상부와 함께 개구(26)(도 3)를 통해 전달 챔버(48)(도 4)와 소통하고 있는 챔버(24)(제 2 조절 공간)를 형성한다. 개구(13)와 유사하게, 개구(26)는 상부 캡(22)과 외부 오비탈 기어(2)의 협력하는 에지(cooperating edge)들 위에 제공된 절단부(17, 23)에 의해 형성된다. 따라서, 펌프의 전달부 쪽에 있는 압력은 챔버(24) 내에 존재하며 이 압력은 상부 캡(22)의 상부(22A)(도 9, 도 11)에 작용하며 펌프(1)의 용량을 조절하기 위한 제 2 조절 압력을 형성한다. 상기 개구(26)는 상부 캡(22)과 외부 오비탈 기어(2)의 측면 표면의 리세스(recess)에 의해 형성된 환형의 홈(30) 내로 개방된다.

상부 캡(22)은 상부 바디(104)의 공동(60)(도 4) 내에 수용되고, 예를 들어, 스타 형태의 캡(18)의 섕크(shank)(21) 위에 감겨져 있는 코일 스트링과 같은 스프링(28)에 의해 스텝(9)에 대해 눌러진 상태로 유지된다. 상기 스프링의 한 단부는 상부 캡(22)의 상측면에 대해 접하고 있으며 스프링의 다른 단부는 상부 바디(104)의 상부에 고정된 스프링 커버(34)의 축방향 공동의 상부에 대해 접하고 있다. 스프링(28)은 챔버(15 및/또는 24) 내에서 압력 임계값(pressure threshold)을 형성하기 위해 사전하중된 상태에 있으며(pre-loaded), 상기 임계값이 초과 되었을 때 오비탈 바디가 변위된다. 상기 섕크(21)는 상부 바디(104)의 공동(60)의 축방향 홀(66)과 상부 캡(22)의 축방향 홀(32)을 통과함으로써 스프링 커버(34)의 공동 내로 관통된다. 스프링(38)이 상기 홀(66)을 관통한다.

도 6과 도 7을 보면, 예를 들어 나사(도시되지 않음)에 의해 함께 결합될 수 있도록 하는 하부 및 상부 바디(102 및 104)는 펌프의 내부를 향해 회전되는 면 위에서 각각의 공동(40 및 60)을 가지는데, 이 공동(40 및 60)의 깊이는 오비탈 바디에 대해 원하는 대로 행정을 조절할 수 있게 하도록 선택된다. 하부 바디(102)의 상측면 내에 있는 중공부(hollow)(46, 48)를 통해 공동(40)과 소통하는, 실질적으로 수직인 흡입 덕트와 전달 덕트(42 및 44)가 한 에지 가까이 있는 바디(102) 내에 형성된다. 펌프의 조립된 상태에서 상부 바디(104)의 바닥 표면에 의해 상부 방향으로 밀폐되는(closed) 중공부(46)는 흡입 챔버를 형성한다. 상부 바디(104)의 하측 표면 내에 있는 상호보완적인 중공부(48B)와 함께 상기 중공부(48A)는 전달 챔버(48)를 형성한다. 흡입 챔버와 전달 챔버(46 및 48)의 서로 다른 높이는 상기 흡입 챔버(46)가 오직 챔버(11)(도 4)와 소통하고 있는 반면 전달 챔버(48)는 챔버(24)와 소통하고 있는 사실 때문이다.

이제, 도 8 내지 도 11을 참조하여, 본 발명에 따른 펌프 작동이 기술될 것이다. 도면에서, 이중선 화살표는 오일 유입부를 나타내고, 단일선 화살표는 스프링(28)에 의해 구현된 임계값보다 높은 오일 압력을 나타내며, 점선 화살표는 임계값보다 낮은 압력을 나타낸다.

종래의 통상적인 방식으로, 샤프트(6)에 의해 전달된 토크가 내부 오비탈 기어(4)에 가해지고, 상기 내부 오비탈 기어(4)는 회전에 의해 외부 오비탈 기어를 회전하게 하며, 펌프가, 상이한 챔버(11)를 통과하기 때문에 압축되고 용기(sump)로부터 빨려 들어온(sucked) 오일을 흡입 챔버(46)로부터 전달 챔버(48)로 이송될 수 있게 한다. 압력 하에 있는 오일은, 도 8과 도 9에 있는 화살표(F1)로 도시된 것과 같이, 모터로부터 공동(40)의 바닥과 링(8) 사이에 있는 챔버(15) 내부로 도달한다. 게다가, 압력 하에 있는 오일은, 도 10과 도 11에 있는 화살표(F2)로 도시된 것과 같이, 전달 챔버(48)로부터 스타 형태의 캡(18)과 상부 캡(22) 사이에 있는 챔버(24)로 통과한다.

저속의 엔진의 회전 속도에서(도 8), 외부 링(8)에 작용하는 엔진 내부의 오일 압력(화살표 F3)은 스프링(28)의 저항을 극복하기에 충분하지 못하다. 스프링(28)은 외부 오비탈 기어(2)를 하부 캡(14)과 접촉하고 있는 상태로 유지하여, 이에 따라 챔버(11)(도 4)는 최대 부피를 가지며 펌프(1)를 위한 최대 용량 상태를 결정한다. 스프링(28)의 사전하중(도 9의 화살표 F4)에 의해 구현된 임계값을 초과하고 엔진의 회전수를 증가시켜 링(8)의 바닥 에지(8A)에 작용하는 압력이 증가할 때, 오비탈 바디는 상부 바디(104)를 향해 이동하고 펌핑 챔버(11) 높이의 감소로 인해 용량이 줄어든다. 게다가, 상기 운동으로 인해, 제 2 챔버(29)가 외부 오비탈 기어(2)와 하부 캡(14) 사이에 형성되며 흡입 챔버(46)와 전달 챔버(48) 사이에 오일이 재순환되거나(oil recirculation) 또는 유압 단락(hydraulic short-circuit)의 상태를 생성한다. 단락 상태로 인해, 펌프를 도 8에 도시된 시작 상태로 재설정(reset)하기 위해 압력이 줄어든다.

챔버(24) 내에 잇는 펌프의 전달 압력은 위에서 기술한 것과 같은 작동 상태와 유사한 작동 상태를 결정한다. 정상적인 작동 상태 하에서, 챔버(24) 내에 있는 압력은 스프링(28)에 의해 가해진 힘(화살표(F5), 도 10)을 극복하기에 충분하지 않으며, 따라서, 외부 오비탈 기어(2)는 하부 캡(14)과 접촉하고 있으며 펌프(1)는 펌프의 최대 용량에서 작동한다. 주어진 압력 임계값 위로 가해지는 오일 전달 압력(화살표(F6), 도 11)이 증가되어 상부 캡(22)이 스타 형태의 캡(18)으로부터 멀어지도록 이동된다. 이에 따라, 외부 오비탈 기어(2)도 하부 캡(14)으로부터 멀어지도록 이동하고, 위에서 기술된 것과 같이, 챔버(29)를 통해 유압 단락(hydraulic short-circuit) 상태가 결정된다. 두 경우 모두, 오비탈 바디가 이동하고 있는 동안, 내부 오비탈 기어(4)는 항상 외부 오비탈 기어(2)와 맞물려서 펌프가 작동된다.

본 발명이 원하는 목적을 구현하게 해 주는 것은 자명하다. 사실, 오비탈 바디의 병진 운동과 이에 따라 오일 유속과 펌프(1)의 가능한 용량 감소는 2개의 공간(15 및 24) 내의 오일 압력에 의해 조절되며, 이 공간들은 윤활 회로(lubrication circuit)의 2개의 상이한 지점 즉 펌프의 전달부 쪽과 엔진과 소통하고 있다. 따라서, 한편으로는, 덕트(50)를 통해 펌프에 전송된 압력 신호를 통해, 펌프를 필요로 하는 것은 엔진 자체이며, 오일 유속은 주어진 경우에서 존재하는 작동 상태들을 위해 실제로 필요하다. 다른 한편으로는, 예를 들어, 콜드 스타트(cold start)의 경우 또는 필터 차단(filter obstruction)으로 인해, 엔진의 메인 조절 채널(main control channel)의 상류에서(upstream) 발생하는 압력 증가는 전달 채널 내에서 과잉압력(overpressure)으로 변환되는데, 안전 임계값(safety threshold)이 초과되고 나면, 펌프를 유압식 단락 상태 또는 오일 재순환 상태로 오게 하여, 불충분한 윤활로 인한 엔진 손상을 방지한다.

더구나, 유속은, 슬라이딩 이동가능한 부재를 밀어내는 피스톤에 의해, 슬라이딩 이동가능한 부재에, 간접적이 아니라 직접 작용하여 조절되며, 이에 따라 구조는 더 간단해지고 반응은 더 빨라진다.

도 12와 도 13은 본 발명에 따라 엔진 내에 있는 펌프(1)의 용도를 도식적으로 도시한 도면인데, 여기서 윤활 오일의 유속은 엔진 내에 있는 오일 압력에 반응하거나 또는 보다 일반적으로는 엔진의 전체 작동 상태(예를 들어, 오일 압력 및 온도, 회전 속도 등)에 반응하여 외부 관리 논리장치(external management logic)에 의해 결정된다. 펌프(1)의 구조는 도 1 내지 도 11에 도시된 구조와 같다. 명확하게 도시하기 위해, 전달 덕트(44)는 펌프(1)의 외부에 도시되어 있다. 굵은 실선들은 압력 하에 있는 오일 경로를 나타내고 있으며, 도면부호 S로 표시된 점선들은, 만약 존재한다면, 배출되는 유출 경로를 나타낸다.

이러한 형상에서, 전달 덕트(44)는, 예를 들어, 솔레노이드 밸브(solenoid valve)와 같이, 조절 유닛에 의해 구동된 슬라이드 밸브(120)와 같은 분배 밸브(distribution valve)(110)의 포트(포트 D)에 연결되는데, 이 밸브는 적절한 센서(도시되지 않음)에 의해 감지된 엔진의 작동 상태들에 따라 엔진 상태를 변경시키도록 전기적으로 작동된다. 특히, 솔레노이드 밸브(120)는 최대 용량(및 최대 유속)에서 펌프 작동에 상응하는 제 1 상태 또는 제 2 상태가 되며, 용량 조절을 위해, 최대값보다 작은 값이 되며 이에 따라 분배 밸브(110)가 제 1 상태와 제 2 상태가 된다.

도 12에 도시된 두 밸브들의 제 1 상태에서, 분배 밸브(110)는 솔레노이드 밸브(120)를 통해 제 2 포트(포트 E)에서 덕트(44)로부터 오일을 수용하며, 이 오일은 스프링(112)의 작용에 대해 전진 위치로 밸브를 슬라이딩 이동시킨다. 이러한 상태 하에서, 덕트(50)는 압력 하에서 오일로 공급되는 것이 아니라 펌프를 통해 유출된 오일만을 수거하는데, 만약 유출 오일이 있다면, 분배 밸브(110)의 포트(B 및 C)를 통해 오일 용기(sump) 쪽으로 배출된다. 포트(A)도, 만약 있다면, 펌프 쪽으로 배출되어야 하는 유출 오일만을 수거한다. 오비탈 바디에 대해 반대로 작용하는(contrasting) 스프링(28)이 적절하게 설정되어, 펌프(1)의 챔버(24) 내에 오직 오일만 존재하는 것이 충분하지 않게 되어, 펌프와 엔진의 정상적인 작동 상태 하에서, 스프링(28)의 저항(resistance)을 극복하여, 이에 따라 외부 오비탈 기어(2)가 하부 캡(14)에 대해 접한다.

도 13에 도시된 제 2 상태에서, 솔레노이드 밸브(120)는 분배 밸브(110)를 향하는 오일 경로를 밀폐하여, 이에 따라 포트(E)에는 공급되지 않는다. 그 뒤, 상기 밸브는 다시 정지 상태로 돌아오는데, 이 상태에서 전체 오일은 챔버(D)에 도달하며 일부는 덕트(50)와 포트(A 및 B)를 통해 챔버(15)로 다시 유입된다. 두 챔버(15 및 24) 내에 압력 하의 오일이 존재함으로써, 오비탈 바디에 가해져 있는 전체 압력은 스프링(28)의 저항을 극복하고 상기 오비탈 바디가 이동하게 하여 재순환 챔버(29)를 생성한다.

두 상태에서, 만약 있다면, 비정상적인 작동으로 인한 펌프 전달 챔버(48) 내의 과잉압력이 밸브 상태와 무관하게 외부 오비탈 기어(2)를 이동하게 한다는 것을 이해해야 한다.

또한, 이러한 형상으로 인해, 2개의 서로 다른 압력에 따른 용량 변화를 조절하는 데 관해 안전성을 유지한다.

위에서 기술한 내용들은 제한적인 것이 아니라 오직 예로서 제공되었으며 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 변형예와 개선예들이 가능하다는 것은 자명하다.

예를 들어, 도면에서는, 예컨대 억지로 끼워맞춰 장착되어 회전 운동과 병진 운동을 위해 서로 단단하게 연결된 3개의 개별 요소(2, 12 및 22)를 포함하는 오비탈 바디가 도시되어 있으나, 오비탈 바디는 외부 오비탈 기어(2)를 형성하고 두 공간(15 및 24)을 형성하여 오비탈 바디의 병진 운동을 야기하기에 적절하게 형태가 형성된 단일 바디(single body)일 수 있다.

게다가, 내부 오비탈 기어(4)가 샤프트에 의해 회전되고 외부 오비탈 기어(2)는 펌프 용량을 변경시키기 위해 내부 오비탈 기어 위에서 슬라이딩 이동가능하며 흡입 챔버(46)로부터 펌프의 내부 챔버(11)로 유체를 분배하고 상기 챔버들로부터 전달 챔버(48)로 유체를 분배하는 부재를 형성하나, 두 오비탈 기어 작업이 서로 대체할 수 있다는 사실은 자명하다. 그러나, 여기서는 구조를 단순하게 하기 위해 본 명세서에 기술된 해결사항이 바람직하다.

또한, 본 발명이 펌프에 대해 기술되었으나, 도 1 내지 도 11에 도시되어 있는 구체예는 덕트(44)를 통해 고압의 유체를 수용하고 덕트(42)를 통해 저압의 유체를 배출하는 모터로서 사용되는 기계에도 사용될 수 있다. 하지만, 모터로서 작동할 때, 변위(displacement)의 가능한 변화는 오직 제 1 공간(24) 내의 압력에 의해서 결정된다.

절단부(10 및 12)에 의해 형성된 개구(13)가 선호되는 구조들에 적용될 수 있는 크기로 형성될 수 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 펌프 내의 공동화(cavitation) 문제를 피하기 위해 개구(13)의 횡단면 크기를 자유롭게 정하는 것도 가능하다.

또 다른 이점으로는, 외부 오비탈 기어(2), 내부 오비탈 기어(4) 및 스타 형태 탭(18)의 치형구조 부분(19)의 반경방향 크기들을 증가시켜 변위가 증가될 수 있다는 점이다. 따라서, 변위가 증가하는 것은 펌프의 축방향 크기에 부정적인 영향을 끼치지 않는다.

물론, 모터의 펌프는 유압식 기계 대신에 공압식 기계(pneumatic machine)일 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술된 개별 요소들은 기능적으로 균등한 요소들로 교체될 수 있다.

Claims (10)

1. 기어를 가진 유체 기계로서, 상기 유체 기계는 기계(1)가 연결된 유체 회로의 저압 부분과 고압 부분과 각각 소통하고 있는 저압 챔버(46)와 고압 챔버(48)가 형성된 지지 부분(102, 104) 및 상기 챔버(46, 48)들 사이에서 유체를 전달하기 위한 작동 부분(100)을 포함하며, 상기 작동 부분은 상기 지지 부분(102, 104) 내에 장착되고 외부 기어(2)와 내부 기어(4)를 포함하며, 상기 외부 기어(2)는 제 1 치형(tooth) 수를 가진 내부 치형(2A)을 가지고 제 1 축 주위로 회전하도록 배열되며, 상기 내부 기어(4)는 상기 외부 기어(2)의 축방향 공동(25) 내에 수용되고 제 2 치형 수를 가진 외부 치형(4A)을 가지며 상기 제 1 축과 상이한 제 2 축 주위로 회전하도록 배열되고, 상기 외부 치형(4A)은 오직 부분적인 유체 밀봉부(fluid seal)로 외부 기어(2)의 내부 치형(2A)과 맞물리며, 두 기어(2, 4)의 치형은 챔버(11)를 형성하고, 상기 챔버(11)의 부피는 회전 동안 변경하고 상기 챔버(11)를 통해 유체는 저압 및 고압 챔버(46, 48) 중 하나에 연결된 기계 유입부로부터 저압 및 고압 챔버(46, 48) 중 다른 하나에 연결된 기계 배출부로 전달되며, 내부 및 외부 기어(2, 4) 중 내부 기어(4)는 축방향으로 고정된 위치에 장착되고 외부 기어(2)는 병진 운동 메커니즘(8, 22)과 결합되며, 상기 메커니즘(8, 22)은 두 기어(2, 4)의 치형(2A, 4A)이 맞물려 있는 영역의 축방향 연장부(axial extension)를 변경시킴으로써 기계 용량을 변화시키기 위해 축방향으로 고정된 위치에 장착된 기어에 대해 축방향으로 슬라이딩 이동되게 하고, 상기 병진 운동하는 메커니즘(8, 22)은 고압 챔버(48)와 소통하고 있는 제 1 용량 조절 공간(24)을 형성하며 축방향으로 슬라이딩 이동가능한 기어(2)를 슬라이딩 이동시키게 하기 위해 상기 제 1 용량 조절 공간(24) 내에 존재하는 제 1 압력 상태에 반응하여 슬라이딩 이동하도록 배열되는 기어를 가진 유체 기계에 있어서,
   상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)은 제 2 용량 조절 공간(15)을 추가로 형성하는데, 상기 제 2 용량 조절 공간(15)에서 기계의 고압 챔버(48)와는 상이한 유체 회로의 한 요소(element)의 작동 상태들에 좌우되는 제 2 압력 상태가 존재하며, 상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)은 상기 제 2 용량 조절 공간(15) 내에 존재하는 압력 상태들에 반응하거나 또는 제 1 및 제 2 용량 조절 공간(24, 15) 내에 존재하는 압력 상태들의 조합에 반응하여 상기 지지 부분(102, 104) 내에서 축방향으로 슬라이딩 이동가능한, 기어를 가진 유체 기계.
2. 제 1 항에 있어서,
   펌프(1)가 엔진 특히 자동차 엔진의 윤활 회로(lubrication circuit)에 연결되고, 상기 제 1 용량 조절 공간(24)은 상기 펌프(1)의 전달부 쪽(44, 48)과 소통하고 있는 것을 특징으로 하는 기어를 가진 유체 기계.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 축방향으로 슬라이딩 이동가능한 기어(2)는 상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)과 일체형 바디(integral body)로서 형성되거나 상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)에 단단하게 연결되며(rigidly connected), 상기 제 1 용량 조절 공간(24)은 상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)의 내부에 형성된 챔버인 것을 특징으로 하는 기어를 가진 유체 기계.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)은 제 1 축방향 단부에서 제 1 밀폐 바디(22)를 추가로 포함하며, 상기 제 1 용량 조절 공간(24)을 형성하는 챔버는 상기 제 1 밀폐 바디(22), 슬라이딩 이동가능한 기어(2)의 축방향 공동(25)의 벽, 및 상기 공동을 밀폐하는 바디(18) 사이에서 형성되고, 상기 바디는 동일한 공동 내에서 축방향으로 고정된 위치에 배열되며, 측면 표면 부분에 걸쳐, 슬라이딩 이동가능한 기어(2)의 치형과 상호보완적인 외부 치형을 가지며 용량 조절을 위해 슬라이딩 이동가능한 기어(2)를 슬라이딩 이동할 수 있게 하면서도 상기 제 1 용량 조절 공간(24)으로부터 가변 부피 챔버(11)를 분리시키기 위해 상기 치형과 밀봉방식으로 맞물리도록(sealingly mesh) 배열되는 것을 특징으로 하는 기어를 가진 유체 기계.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)은 상기 제 1 밀폐 바디(22)의 맞은편에 있는 단부에서 환형의 단부 부분(8)을 가지는데, 상기 환형의 단부 부분(8)에서 제 2 밀폐 바디(14)가 축방향으로 고정된 위치에 수용되고, 상기 제 2 용량 조절 공간(15)은 제 2 밀폐 바디(14)와 상기 환형의 단부 부분(8)을 수용하고 지지 부분 내에 형성된 공동(40)의 벽, 제 2 밀폐 바디(14), 및 환형의 단부 부분(8)의 에지(8A) 사이에서 형성되는 것을 특징으로 하는 기어를 가진 유체 기계.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 밀폐 바디(14)는, 상기 기계(1)의 최대 용량을 결정하는 병진 운동 메커니즘(8, 22)의 정지 위치에서는 상기 슬라이딩 이동가능한 기어(2)의 인접한 단부에 대해 접하도록 배열되고, 상기 정지 위치에 대해 병진 운동된 상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)의 위치들에서는 상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)의 환형 부분(8)과 상기 슬라이딩 이동가능한 기어(2)의 단부와 함께 저압 챔버(46)와 고압 챔버(48) 사이에서 유압식 단락(fluidic short-circuit)을 형성하는 제 2 챔버(29)를 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 기어를 가진 유체 기계.
7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 2 용량 조절 공간(15)은 엔진으로부터 펌프(1)로 다시 유입되는 압축 윤활 유체를 수용하도록 배열되고, 상기 병진 운동 메커니즘(8, 22)은 상기 제 1 또는 제 2 용량 조절 공간(24, 15) 내의 윤활 유체의 압력이 주어진 임계값(threshold)을 초과할 때 상기 슬라이딩 이동가능한 기어(2)를 슬라이딩 이동하게 하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 기어를 가진 유체 기계.
8. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   펌프(1)의 용량을 구현하기 위한 외부 관리 논리장치(external management logic)와 결합되고, 윤활 유체의 유속은 엔진의 작동 상태들에 좌우되며, 상기 펌프(1)의 전달부 쪽(44, 48)은 조절 바디(120)와 결합된 압축 유체 분배 밸브(110)에 연결되고, 상기 조절 바디(120)는 상기 외부 관리 논리장치에 의해 조절되며 상기 펌프(1)가 최대 용량에서 작동될 때에는 분배 밸브(110)를 제 1 작동 상태에 설정하도록 배열되거나 또는 상기 펌프(1)의 용량이 변경되어야 할 때에는 제 2 작동 상태에 설정하도록 배열되며, 상기 제 2 용량 조절 공간(15)은 상기 분배 밸브(110)를 통해 분배 밸브(110)의 제 1 상태에 있는 윤활 회로의 저압 지점, 또는 분배 밸브(110)의 제 2 상태에 있는 펌프(1)의 전달부 쪽(44, 48) 중 하나와 소통하고 있는 것을 특징으로 하는 기어를 가진 유체 기계.
9. 외부 기어(2)와 내부 기어(4)를 포함하는 기어를 가진 유체 기계(1)의 용량을 변경시키기 위한 방법으로서, 상기 외부 기어(2)는 제 1 치형 수(2A)를 가진 내부 치형을 가지며 제 1 축 주위로 회전하도록 배열되고, 상기 내부 기어(4)는 외부 기어(2)의 축방향 공동(25) 내에 수용되고 오직 부분적인 유체 밀봉부로 외부 기어(2)의 내부 치형(2A)과 맞물리는 제 2 치형 수(4A)를 가진 외부 치형을 가지며 상기 제 1 축과 상이한 제 2 축 주위로 회전하도록 배열되고, 상기 두 기어(2, 4)의 치형은 챔버(11)를 형성하는데, 상기 챔버(11)의 부피는 회전 동안 변경되고 상기 챔버(11)를 통해 유체가 기계 유입부로부터 기계 배출부로 전달되는, 기어를 가진 유체 기계의 용량을 변경시키기 위한 방법에 있어서,
   상기 방법은:
   - 기계(1)의 고압 챔버(44, 48)와 소통하고 있는 제 1 용량 조절 공간(24)을 생성하는 단계를 포함하고;
   - 두 기어(2, 4)의 치형이 맞물리는 영역의 축방향 연장부를 변경시키기 위해 제 1 용량 조절 공간(24) 내에 존재하는 제 1 압력 상태에 반응하여 기어들 중 하나를 서로에 대해 슬라이딩 이동하게 하는 단계를 포함하며;
   상기 방법은, 추가로:
   - 제 2 용량 조절 공간(15)을 생성하는 단계를 포함하고;
   - 제 2 용량 조절 공간(15) 내에 제 2 압력 상태를 구현하는 단계를 포함하는데, 상기 제 2 압력 상태는 기계(1)가 연결된 유체 회로의 고압 챔버(48)와 상이한 요소 내에 존재하는 작동 상태에 좌우되고;
   - 제 2 용량 조절 공간(15) 내에 존재하는 압력 상태에 반응하거나 또는 제 1 및 제 2 용량 조절 공간(24, 15) 내에 존재하는 압력 상태의 조합에 반응하여, 축방향으로 슬라이딩 이동가능한 기어(2)를 슬라이딩 이동하게 하는 단계를 포함하는, 기어를 가진 유체 기계의 용량을 변경시키기 위한 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유체 기계는 엔진 특히 자동차 엔진의 윤활 회로에 연결된 펌프이며, 상기 제 2 용량 조절 공간(15) 내에 제 2 압력 상태를 구현하는 단계는 압축 윤활 유체를 엔진으로부터 제 2 공간(15)으로 다시 유입시키거나, 혹은 엔진의 작동 상태가 펌프(1)의 최대 용량을 요구하는 경우에는 상기 제 2 공간(15)을 윤활 회로의 저압 지점에 연결시키거나 또는 엔진의 작동 상태가 펌프(1)의 최대 용량보다 작은 펌프(1) 용량을 요구하는 경우에는 펌프(1)의 전달부 쪽(44, 48)에 연결시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 기어를 가진 유체 기계의 용량을 변경시키기 위한 방법.

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