KR20160012026A - 발전 유닛을 구비한 워터 펌프 및 이를 이용한 차량의 공기조화 장치 제어 방법 - Google Patents

Abstract

엔진 정지시에도 공기조화 장치 등 전력을 필요로 하는 다양한 차량의 전기 장치들에 전력을 여유롭게 공급할 수 있도록, 알터네이터(alternator) 외에 엔진 작동시 전기 에너지를 추가적으로 더 생산하는 발전 유닛을 구비한 워터 펌프와, 이 워터 펌프를 이용한 차량의 공기조화 장치 제어 방법이 개시된다. 개시된 워터 펌프는, 하우징(housing), 엔진의 크랭크축 회전에 연계되어 회전하는 풀리(pulley), 하우징 내부에 회전 가능하게 설치되며, 풀리의 회전력에 의해 회전하는 샤프트(shaft), 하우징 내부로 유입된 냉각수를 원심력에 의해 가압하는 것으로, 하우징 내부에서 샤프트에 고정되어 샤프트의 회전에 의해 회전하는 임펠러(impeller), 및 하우징 내부에서 샤프트가 회전함에 따라 전기 에너지를 생성하는 발전 유닛을 구비하고, 발전 유닛은, 샤프트에 지지되어 샤프트가 회전함에 따라 함께 회전하는 로터(rotor), 및 로터를 에워싸도록 하우징 내에 배치된 스테이터(stator)를 구비하고, 로터와 스테이터 중의 하나는 자기장을 형성하고, 다른 하나는 상기 자기장에 기인한 전자기 유도로 생성되는 전류가 흐르는 코일(coil)을 구비한다.

Description

발전 유닛을 구비한 워터 펌프 및 이를 이용한 차량의 공기조화 장치 제어 방법{Water pump with electric power generating unit and method for controlling air conditioning apparatus of vehicle using the same}

본 발명은 예컨대, 자동차와 같은 차량의 엔진(engine)의 과열을 막는 냉각수를 강제 순환시키는 워터 펌프에 관한 것이다.

예컨대, 자동차와 같은 차량의 엔진은 과열을 막기 위해 통상적으로 냉각수(coolant)를 사용하는 수냉식 냉각 시스템이 적용되며, 냉각수를 강제 순환시키기 위하여 워터 펌프(water pump)가 사용된다. 일반적으로 워터 펌프는 기계식, 클러치식, 및 전동 모터식으로 구분된다. 기계식은 벨트(belt)에 의해 연결되어 엔진의 크랭크축 회전에 연동 회전하는 풀리(pulley)와, 상기 풀리와 동축 연결되어 회전하는 임펠러(impeller)를 구비하는 구성을 갖는다.

클러치식 워터 펌프는, 기계식과 구동 원리는 동일하나 풀리(pulley)와 임펠러(impeller)의 축이 클러치 디스크(clutch disk)에 의해 축 연결되거나 끊어질 수 있다. 즉, 엔진 작동 초기에는 클러치 디스크의 EM 코일(electromagnetic coil)에 전기 신호를 인가하여 클러치 디스크를 상기 풀리에서 분리시켜 워터 펌프가 작동하지 않도록 한다. 전동 모터식 워터 펌프는 임펠러가 전동 모터의 축에 연결되어 회전하는 워터 펌프이다.

한편, 차량에는 운전자나 승객의 탑승칸을 시원하게 하는 냉방기 또는 탑승칸을 따뜻하게 하는 히터(heater)를 포함하는 공기조화(空氣調和) 장치가 구비된다. 그런데, 공기조화 장치를 작동시키기 위해서는 많은 전력을 필요로 하므로 엔진이 정지하여 알터네이터(alternator)가 정지된 상태에서는 오랜 시간 동안 공기조화 장치를 작동시키기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제점은 한여름 또는 한겨울에 엔진을 정지한 채 공기조화 장치를 작동시켜야 할 때 큰 어려움으로 부각된다. 특히, 소위 Stop & Start 라고 불리는, 차량이 멈춘 때 자동적으로 엔진을 끄고 차량 출발시 자동적으로 엔진을 다시 켜 공회전을 방지하는 기술이 적용된 차량에서는 배터리(battery)에 저장된 전기 에너지의 부족으로 엔진이 꺼져 있을 때 공기조화 장치를 작동시키기가 어렵다.

대한민국 등록특허공보 제10-1090810호 대한민국 등록특허공보 제10-1114392호

본 발명은, 엔진 정지시 공기조화 장치 등 전력을 필요로 하는 다양한 차량의 전기 장치들에 전력을 여유롭게 공급할 수 있도록, 알터네이터(alternator) 외에 엔진 작동시 전기 에너지를 추가적으로 더 생산하는 발전 유닛을 구비한 워터 펌프와, 이를 이용한 차량의 공기조화 장치 제어 방법을 제공한다.

본 발명은, 하우징(housing), 엔진의 크랭크축 회전에 연계되어 회전하는 풀리(pulley), 상기 하우징 내부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 풀리의 회전력에 의해 회전하는 샤프트(shaft), 상기 하우징 내부로 유입된 냉각수를 원심력에 의해 가압하는 것으로, 상기 하우징 내부에서 상기 샤프트에 고정되어 상기 샤프트의 회전에 의해 회전하는 임펠러(impeller), 및 상기 하우징 내부에서 상기 샤프트가 회전함에 따라 전기 에너지를 생성하는 발전 유닛을 구비하고, 상기 발전 유닛은, 상기 샤프트에 지지되어 상기 샤프트가 회전함에 따라 함께 회전하는 로터(rotor), 및 상기 로터를 에워싸도록 상기 하우징 내에 배치된 스테이터(stator)를 구비하고, 상기 로터와 상기 스테이터 중의 하나는 자기장을 형성하고, 다른 하나는 상기 자기장에 기인한 전자기 유도로 생성되는 전류가 흐르는 코일(coil)을 구비하는, 발전 유닛을 구비한 워터 펌프를 제공한다.

상기 스테이터는 전자석이고, 상기 로터는 상기 샤프트에 권선된 코일일 수 있다.

본 발명의 발전 유닛을 구비한 워터 펌프는, 상기 하우징 내부로 유입된 냉각수가 상기 발전 유닛으로 침투하지 않도록 밀봉하는 씰링 부재(sealing member)를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 발전 유닛을 구비한 워터 펌프는, 상기 풀리의 회전력이 상기 샤프트에 선택적으로 전달되도록, 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결을 이어주거나 끊는 클러치 유닛(clutch unit)을 더 구비할 수 있다.

또한 본 발명의 상기한 발전 유닛을 구비한 워터 펌프를 이용하여 차량의 공기조화 장치를 제어하는 방법으로서, 상기 차량의 엔진이 작동할 때, 상기 차량의 알터네이터(alternator)에서 생성되는 전기 에너지를 사용하여 상기 차량의 공기조화 장치를 작동하고, 상기 발전 유닛에서 생성되는 전기 에너지는 상기 차량의 배터리에 저장하는 엔진 작동시 공기조화 단계, 및 상기 차량의 엔진이 정지한 때, 상기 차량의 배터리에 저장된 전기 에너지를 사용하여 상기 차량의 공기조화 장치를 작동하는 엔진 정지시 공기조화 단계를 구비하는, 차량의 공기조화 장치 제어 방법을 제공한다.

상기 발전 유닛에서 생성되는 전기 에너지를 저장하는 배터리는, 상기 알터네이터에서 생성된 전기 에너지는 저장하지 않는 보조 배터리일 수 있다.

본 발명에 의하면, 엔진 작동시에는 발전 유닛에서 전기 에너지가 발생한다. 그리고, 그 전기 에너지는 차량의 알터네이터에서 발생된 전기 에너지와 함께 또는 분리되어 저장되고, 엔진이 꺼진 때 공기조화 장치 등 전력을 필요로 하는 다양한 차량 내부 장치들에 공급된다. 따라서, 엔진이 꺼진 때에도 전력 부족에 대한 우려 없이 여유롭게 차량 내부 장치를 사용할 수 있다.

또한, 차량이 이동하지 않는 때임에도 전력 생산을 위해 엔진을 켤 필요가 없어, 엔진 공회전으로 인한 에너지 낭비와 배기가스 발생을 줄일 수 있고, 차량의 연비를 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전 유닛을 구비한 워터 펌프의 단면도이다.
도 2는 도 1의 워터 펌프를 구비한 차량 내부에서 전기 에너지가 생산, 축적, 및 소비되는 장치들의 관계를 개략적으로 도시한 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른, 발전 유닛을 구비한 워터 펌프와, 이를 이용한 차량의 공기조화 장치 제어 방법을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전 유닛을 구비한 워터 펌프의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 다른 워터 펌프(1)는 하우징(2), 풀리(pulley)(10), 샤프트(shaft)(17), 임펠러(impeller)(22), 클러치 유닛(clutch unit)(13), 및 발전 유닛(25)을 구비한다. 하우징(2)은 가스켓(미도시)을 개재하고 스크류(screw) 체결하여 밀봉 결합되는 하우징 보디(housing body)(3)와, 하우징 커버(housing cover)(7)를 구비한다. 하우징 보디(3)의 내부에 냉각수 유입 공간(4)이 형성되고, 하우징 보디(3)와 하우징 커버(7)가 결합되는 부분의 내부에 냉각수 압축 공간(5)이 형성된다. 냉각수 유입 공간(4)과 연결된 냉각수 유입관(9)을 통해 차량의 엔진(미도시)과 라디에이터(radiator)(미도시)를 차례로 통과한 냉각수가 하우징(2) 내부로 유입된다. 냉각수 압축 공간(5)은 냉각수 송출관(미도시)과 연결된다. 냉각수 압축 공간(5)에서 압축된 냉각수는 상기 냉각수 송출관을 통해 하우징(2) 외부로 배출되어 냉각이 필요한 장치들로 분기된다.

풀리(10)는 엔진(미도시)의 크랭크축(미도시)의 회전에 연계되어 회전하는 것으로, 하우징 보디(3)를 중심으로 하우징 커버(7)의 반대측에 배치된다. 샤프트(17)는 하우징(2) 내부에서 베어링(19, 28)에 의해 지지되어 회전 가능하게 설치된다. 샤프트(17)는 동축(同軸) 회전하도록 일렬로 이어진 펌프 샤프트부(18a)와 발전 유닛 샤프트부(18b)를 구비하여 이루어진다. 샤프트(17)는 풀리(10)가 회전할 때 그 회전력이 전달되면 풀리(10)와 동축 회전한다.

임펠러(22)는 샤프트(17)에 고정 체결되어 샤프트(17)가 회전함에 따라 샤프트(17)와 동축 회전 가능하며, 냉각수 압축 공간(5) 내에 배치된다. 임펠러(22)는 냉각수 유입관(9)을 통해 하우징(2) 내부로 유입된 냉각수를 원심력에 의해 가압하고, 가압된 냉각수는 냉각수 압축 공간(5)에서 냉각수 송출관(미도시)을 통해 하우징(2) 외부로 배출된다. 하우징 보디(3)의 내부에 끼워지는 씰링 부재(20)는 하우징(2) 내부로 유입되는 냉각수가 클러치 유닛(13)으로 침투하지 않도록 밀봉한다.

클러치 유닛(clutch unit)(13)은 풀리(10)의 회전력이 샤프트(17)에 선택적으로 전달되도록 풀리(10)와 샤프트(17)의 연결을 이어주거나 끊어 준다. 구체적으로, 클러치 유닛(13)은 풀리(10)에 연결된 클러치 디스크(clutch disk)(15)와, 하우징 보디(3)에 지지되고 상기 클러치 디스크(15)에 인접하여 배치되는 클러치 코일(clutch coil)(14)을 구비한다. 클러치 코일(14)에 전기 신호가 인가되지 않으면 클러치 디스크(15)가 풀리(10) 측으로 바이어스(bias)되고 풀리(10)와 샤프트(17)의 단부가 클러치 디스크(15)에 의해 동력 전달 가능하게 연결된다. 이에 따라 풀리(10)의 회전력이 샤프트(17) 및 임펠러(22)에 전달된다. 그러나, 클러치 코일(14)에 전기 신호가 인가되면 전자석화된 클러치 코일(14)의 자기력(磁氣力)에 의해 클러치 디스크(15)가 클러치 코일(14) 측으로 바이어스되어 풀리(10)로부터 이격된다. 따라서 풀리(10)가 베어링(11)에 지지되어 회전하지만, 풀리(10)의 회전력이 샤프트(17) 및 임펠러(22)에 전달되지 않는다.

발전 유닛(25)은 하우징 커버(7)의 내부 공간에 마련되며, 로터(rotor)(34), 복수의 스테이터(stator)(30), 한 쌍의 집전 링(ring)(36, 38), 및 한 쌍의 브러시(brush)(37, 39)를 구비한다. 하우징 커버(7)의 내부에 끼워지는 씰링 부재(24)는 하우징(2) 내부로 유입되는 냉각수가 발전 유닛(25)으로 침투하지 않도록 밀봉한다.

로터(34)는 샤프트(17), 구체적으로는 발전 유닛 샤프트부(18b)에 지지되어 샤프트(17)가 회전함에 따라 함께 회전한다. 로터(34)는 발전 유닛 샤프트부(18b)에 권선된 코일(coil)이다. 복수의 스테이터(30)는 로터(34), 즉 권선된 로터 코일을 에워싸도록 하우징 커버(7)의 내부 공간에 배치된다. 각 스테이터(30)는 하우징 커버(7)의 내측벽에 고정 결합된 스테이터 코어(core)(31)와, 스테이터 코어(31)에 권선된 스테이터 코일(coil)(32)을 구비한다. 상기 스테이터 코일(32)에 전류가 흐르면 스테이터(30) 주변에 자기장이 형성된다. 즉, 스테이터(30)는 전자석(電磁石)이 된다. 샤프트(17)가 회전할 때 스테이터 코일(32)에 전류가 흐르면 상기 자기장에 기인한 전자기 유도로 기전력이 형성되며, 로터 코일(34)을 포함하여 적절한 회로가 마련되면 기전력으로 인한 전류가 로터 코일(34)을 따라 흐르게 된다.

한편, 로터(34)와 스테이터(30)는 도 1에 도시된 구성에 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 스테이터가 전자석이 아닌 영구 자석일 수도 있다. 또는, 로터가 전자석이나 영구 자석이고, 스테이터가 전자기 유도로 생성된 전류가 흐르는 코일일 수도 있다. 한 쌍의 집전 링(36, 38)은 발전 유닛 샤프트부(18b)와 절연된 채 고정 체결된 링(ring) 형상의 도체로서, 한 쌍의 집전 링(36, 38)은 서로 이격되고, 둘 중 하나는 권선된 로터 코일(34)의 일 측 말단에 전기적으로 연결되고 둘 중 다른 하나는 권선된 로터 코일(34)의 타 측 말단에 전기적으로 연결된다. 한 쌍의 집전 링(36, 38)은 상기 전자기 유도에 의해 생성된 전류를 모은다. 한 쌍의 브러시(37, 39)는 각각 집전 링(36, 38)과 접촉된 채, 상기 전자기 유도에 의해 생성된 전류를 워터 펌프(1) 외부로 전달한다.

도 2는 도 1의 워터 펌프를 구비한 차량 내부에서 전기 에너지가 생산, 축적, 및 소비되는 장치들의 관계를 개략적으로 도시한 구성도로서, 이를 참조하여 발전 유닛을 구비한 워터 펌프를 이용하여 차량의 공기조화 장치를 제어하는 방법을 설명한다. 도 2를 참조하면, 엔진이 작동하면 차량 내부의 알터네이터(alternator)(30)에서 전기 에너지가 생성되어 차량의 전기 장치(40, 48)에 공급된다. 차량의 전기 장치에는 공기 조화 장치(40)와 기타 전기 장치(48)가 포함된다. 공기 조화 장치(40)는 냉방기(42)와 히터(44)를 포함한다. 도시되진 않았으나, 기타 전기 장치(48)는 예컨대, 점화 플러그, 브레이크(brake) 유압 실린더 작동 모터, 실내 및 실외 라이트 등을 포함한다. 챠량의 전기 장치(40, 48)는 엔진이 작동함과 동시에 자동으로, 또는 운전자의 조작에 의해 작동될 수 있다.

엔진 작동으로 알터네이터(30)에서 생성되는 전기 에너지 중 차량의 전기 장치(40, 48)에 공급되고 남은 여분의 전기 에너지는 차량의 배터리(35)에 저장된다. 또한, 워터 펌프(1)(도 1 참조)의 발전 유닛(25)에서도 상술한 바와 같이 엔진 작동 중에 전기 에너지가 생성되고, 이 전기 에너지는 배터리(35)에 저장된다.

본 발명에 따른 차량의 공기조화 장치 제어 방법은, 엔진 작동시 공기 조화 단계와, 엔진 정지시 공기 조화 단계를 구비하며, 도 2를 참조한 이상의 설명에는 상기 엔진 작동시 공기 조화 단계가 포함된다.

엔진이 정지된 상태에서도 운전자의 선택에 따라 차량의 전기 장치(40, 48)의 작동이 가능하고, 이때에는 배터리(35)에 저장된 전기 에너지가 사용된다. 소위 스톱 & 스타트(Stop & Start)라고 하는 엔진 공회전 방지 기술이 적용된 차량은 주행 중에 잠시 멈추면 엔진이 자동으로 정지하지만, 작동중인 전기 장치(40, 48)는 계속 작동하며, 이때에도 배터리(35)에 저장된 전기 에너지가 사용된다. 공기 조화 장치(40)가 기타 전기 장치(48)에 비해 전력 소모가 많은데, 알터네이터(30)에서 생성된 전기 에너지 외에 발전 유닛(25)에서 추가로 생성된 전기 에너지가 배터리(35)에 저장되므로 전력 부족 및 이로 인한 배터리(35)의 완전 방전 염려를 줄일 수 있다. 이상의 설명에는 본 발명에 따른 차량의 공기조화 장치 제어 방법 중 엔진 정지시 공기 조화 단계에 대한 설명이 포함된다.

한편, 도 2에 도시된 예는 알터네이터(30)와 발전 유닛(25)에서 생성된 전기 에너지가 모두 하나의 배터리(25)에 저장되도록 구성되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 알터네이터(30)에서 생성된 전기 에너지는 주(主) 배터리에 저장되고, 발전 유닛(25)에서 생성된 전기 에너지는 보조 배터리에 저장되도록 구성될 수도 있다. 보조 배터리가 주 배터리와 분리되어 구비된 경우에는 엔진 정지시 보조 배터리에 저장된 전기 에너지가 주 배터리에 저장된 전기 에너지보다 공기 조화 장치(40)를 작동시키는데 우선적으로 사용될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: 워터 펌프 2: 하우징
10: 풀리 13: 클러치 유닛
17: 샤프트 22: 임펠러
25: 발전 유닛 30: 스테이터
34: 로터 코일 36, 38: 집전 링(ring)

Claims (6)

1. 하우징(housing); 엔진의 크랭크축 회전에 연계되어 회전하는 풀리(pulley); 상기 하우징 내부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 풀리의 회전력에 의해 회전하는 샤프트(shaft); 상기 하우징 내부로 유입된 냉각수를 원심력에 의해 가압하는 것으로, 상기 하우징 내부에서 상기 샤프트에 고정되어 상기 샤프트의 회전에 의해 회전하는 임펠러(impeller); 및, 상기 하우징 내부에서 상기 샤프트가 회전함에 따라 전기 에너지를 생성하는 발전 유닛;을 구비하고,
   상기 발전 유닛은, 상기 샤프트에 지지되어 상기 샤프트가 회전함에 따라 함께 회전하는 로터(rotor), 및 상기 로터를 에워싸도록 상기 하우징 내에 배치된 스테이터(stator)를 구비하고, 상기 로터와 상기 스테이터 중의 하나는 자기장을 형성하고, 다른 하나는 상기 자기장에 기인한 전자기 유도로 생성되는 전류가 흐르는 코일(coil)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 발전 유닛을 구비한 워터 펌프.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 스테이터는 전자석이고, 상기 로터는 상기 샤프트에 권선된 코일인 것을 특징으로 하는, 발전 유닛을 구비한 워터 펌프.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 하우징 내부로 유입된 냉각수가 상기 발전 유닛으로 침투하지 않도록 밀봉하는 씰링 부재(sealing member);를 더 구비한 것을 특징으로 하는, 발전 유닛을 구비한 워터 펌프.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 풀리의 회전력이 상기 샤프트에 선택적으로 전달되도록, 상기 풀리와 상기 샤프트의 연결을 이어주거나 끊는 클러치 유닛(clutch unit);을 더 구비한 것을 특징으로 하는, 발전 유닛을 구비한 워터 펌프.
5. 제1 항의 발전 유닛을 구비한 워터 펌프를 이용하여 차량의 공기조화 장치를 제어하는 방법으로서,
   상기 차량의 엔진이 작동할 때, 상기 차량의 알터네이터(alternator)에서 생성되는 전기 에너지를 사용하여 상기 차량의 공기조화 장치를 작동하고, 상기 발전 유닛에서 생성되는 전기 에너지는 상기 차량의 배터리에 저장하는 엔진 작동시 공기조화 단계; 및,
   상기 차량의 엔진이 정지한 때, 상기 차량의 배터리에 저장된 전기 에너지를 사용하여 상기 차량의 공기조화 장치를 작동하는 엔진 정지시 공기조화 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는, 차량의 공기조화 장치 제어 방법.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 발전 유닛에서 생성되는 전기 에너지를 저장하는 배터리는, 상기 알터네이터에서 생성된 전기 에너지는 저장하지 않는 보조 배터리인 것을 특징으로 하는, 차량의 공기조화 장치 제어 방법.

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