KR20160135541A - 비회전 샤프트 구조의 플라스틱 쉘 bldc 모터펌프에 있어, 샤프트와 로터임펠라의 토크 내성(耐性) 강화 및 볼루트 형성 - Google Patents

Abstract

비회전 샤프트 구조의 플라스틱 쉘 BLDC 모터펌프에 있어, 샤프트와 로터임펠라의 토크 내성(耐性) 강화 및 볼루트를 형성한다.

Description

비회전 샤프트 구조의 플라스틱 쉘 BLDC 모터펌프에 있어, 샤프트와 로터임펠라의 토크 내성(耐性) 강화 및 볼루트 형성{Method for Strengthening Torque Endurance of Shaft and Rotor-Impeller and Forming Volute Channel of Plastic Shell BLDC Motor Pump with Non-Rotating Shaft}

본 발명은, 모터펌프 중에서 가장 단순하고 경제적인 구조를 가지고 있는, 비회전 샤프트 구조의 플라스틱 쉘 BLDC 모터펌프(이하 'PS BLDC MP' Plastic Shell Brushless Direct Current Motor Pump with Non-Rotating Shaft)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이제까지 통상 10 watt 이하의 소모전력 및 3 m 이하의 수두(水頭, pump head) 압력이 요구되는 경우에만 적용되어 온 PS BLDC MP 구조를 수백 watt급 소모전력 및 수십 미터 이상의 수두 압력이 필요한 분야로 확대 적용될 수 있도록 그 샤프트와 로터임펠라의 토크 내성을 강화하는 방안 및 토출 유동관로 (outlet fluid channel)에 볼루트를 형성하는 방법에 관한 것이다.

비회전 샤프트 구조의 플라스틱 쉘 BLDC 모터펌프(이하 "PS BLDC MP": Plastic Shell BLDC Motor Pump with Non-Rotating Shaft)는 모터펌프 중에서 가장 싸고 단순한 구조를 가지고 있다. PS BLDC MP는 통상 도 1의 199와 같은 것으로서:

A와 같이 임펠라 회전공간(101)의 중심축에 수직으로 형성되어 있는 흡입구(102); 임펠라(122) 회전 원(impeller wheel)의 원주 접선 방향으로 연장된 토출구(103); 임펠라 회전공간(101); 나사 체결부(104)를 가진 플라스틱 상부 쉘(109) ;

B와 같이 외부에 대해서는 상단에서 임펠라회전 공간(101)의 바닥면(111)을 형성하며; 측면에서 상기 상부의 나사체결부(104)와 결합하는 또 다른 나사체결부(112)를 형성하고 있으며; 중앙에는 속이 빈 실린더 형상의 로터(영구자석, 121) 회전공간(113)을 형성하고 있으며; 내부에 대해서는 상기 로터 회전공간(113)을 형성하는 실린더의 벽(115) 바깥 쪽으로 스테이터(stator, 159)가 장착되는 스테이터 장착 공간(114)을 형성하는 한편 스테이터 장착 공간(114)의 하부 쪽으로는 전자부품이 탑재된 PCB(169)를 수용하는 PCB 장착 공간(115)을 형성하는 플라스틱 하부 쉘(119);

C와 같이, 상기 임펠라 회전 공간(101) 및 로터회전공간(113)에 수용되는, 영구자석(121) 위에 플라스틱 오버몰드로 임펠라(122)가 형성되어 임펠라(122)와 영구자석(121)이 한 몸체를 이루고 있으며 길이 방향으로 뚫린 중공(123)에 관통된 샤트프(139)를 고정 중심축으로 삼아 회전을 일으키는 로터-임펠라(129);

D와 같이 로터-임펠라(129)의 축 방향으로 뚫려 있는 중공(123)을 관통하며 통상 i)그 일단이 상부 쉘(109) 중심점(흡입구(102) 중심점)에 삽입 결합 되고 타단이 로터 회전공간(113) 바닥면 중심점에서 덜렁거리는 상태로 장착되거나 혹은 ii) 반대로, 그 타단이 로터 회전공간(113) 바닥면 중심점에 삽입되고 그 일단이 상부 쉘(109) 중심점(흡입구(102) 중심점)에서 덜렁거리는 상태로 장착되는, 회전하지 않는 샤프트(139, 이하 '비회전 샤프트'):

E와 같이 샤프트(139)를 관통하여 로터-임펠라(129)의 양단에 장착되는, 주로 나일론과 같이 내마모성이 강한 플라스틱으로 만들어진 부싱(149);

F와 같이 스테이터 장착공간(114)에 장착되는, 통상 4개 이상의 극 기둥(pole, 151~154)을 갖추고 있으며 전자석 와이어(에나멜 절연처리 되어 있는 와이어)가 인접한 두 극 기둥 사이에 권선 방향을 달리하여 감겨 있는 스테이터(159);

G와 같이 PCB 장착공간(115)에 장착되는, 와이어에 공급되는 직류 전류의 방향을 교번시켜 주는 전자부품들이 장착된 PCB(169);로 구성된다.

이와 같은 PS BLDC MP는 부품 구성이 단순하고, 잔 고장이 거의 없고, 제조원가가 매우 낮으며, 소형화하기 쉽기 때문에 '판매 대수'를 기준으로는 다른 어떠한 유형의 모터펌프보다 월등하게 많이 사용되고 있으며 특히 10watt 이하의 전력을 소모하여 3 미터 이하의 낮은 수두(水頭, pump head) 압력을 발휘해야 하는 경우에는 거의 100% PS BLDC MP를 사용한다. 그러나 통상, 모터펌프의 소모전력이 커져야 하는 경우 혹은 모터펌프가 3미터 이상의 수두 압력을 발휘해야 하는 경우에는 PS BLDC MP를 사용하지 못 하고 있는 것이 현실이다. 이는 기존의 PS BLDC MP의 기계역학적 구조가, 첫째 샤프트 및 로터-임펠라의 토크 하중 내성(회전운동의 반작용으로 일어나는, 비틀림 하중 및 그에 파생되어 발생하는 충격에 대한 내성)이 강하지 못 하다는 취약점; 둘째, 볼루트(volute) 관로를 형성할 수 없다는 취약점을 가지고 있기 때문이다. 이 취약점들을 보다 자세히 들여다 보자.

취약점 1: 샤프트의 토크하중 내성이 약하다. PS BLDC MP의 구조를, 보다 힘이 세고 보다 압력이 높은 모터펌프 제작에 적용하지 못 하고 통상 10watt 이하의 전력을 소모하고 3미터 이하의 수두 압력을 발휘하는 경우에만 사용할 수 밖에 없도록 만드는 기계역학적 취약성의 하나는, 샤프트가 매우 허술하게 장착되어 있다는 점이다. PS BLDC MP는 비회전 샤프트(139)가 축 방향(길이방향)으로 길게 중공(123)이 뚫려 있는 로터-임펠라(129)를 관통하고 있고, 영구자석 로터(121)가, 실린더 형상의 로터 회전공간(113) 격벽(115) 너머에 존재하는 스테이터(159)에서 이루어지는 자기 극성의 변화에 따라, 플라스틱 오버몰드에 의해 한 몸체를 이루고 있는 임펠라(122)를 끌고 회전하는 메커니즘이다. 따라서 샤프트(139) 가 단단히 지지되어 있을 수록 로터-임펠라(129)에 보다 큰 토크 하중을 걸 수 있으며, 샤프트(139)가 허술하게 지지되어 있을 수록 로터-임펠라(129)에 걸 수 있는 토크 하중은 작아진다. 그런데 기존의 PS BLDC MP에서는 샤프트가, 상기 플라스틱 쉘의 상 하 두 개 중 어느 한 쪽에만 삽입 고정되고, 다른 한 쪽에 대해서는 공중에 행잉(hanging)된 상태로 덜렁덜렁 떠 있는 방식으로 장착된다. 이때 "덜렁덜렁"이란 샤프트의 외경과 샤프트 부위의 구조물 사이의 거리가 Δ0.2 mm 이상 큰 상태를 의미한다. 이에 대해서는 아래 상세하게 설명된다.

즉 PS BLDC MP(100)에서 사용되는 비회전 샤프트(139)는, 로터-임펠라(129)의 길이 방향으로 뚫려 있는 중공(123)을 관통하여 로터-임펠라(129)의 회전에 대한 지탱축, 즉 기둥 역할을 제공하는 바, 통상, i) 도 4처럼 그 일단(431: 이하 상부 쉘(109) 쪽 종단을 '일단'이라 부르고 로터-회전공간(113) 바닥 쪽 종단을 '타단'이라 부른다)이 상부 쉘(109) 중심점(흡입구(102) 중심점)에 존재하는 샤프트 삽인구멍(401) 삽입 결합되고, 타단(432)이 로터 회전공간(113) 바닥면 중심점에서 덜렁거리는 상태로 장착되거나, 혹은 ii) 도 5처럼, 반대로, 그 타단(532)이 로터 회전공간(113) 바닥면 중심점에 존재하는 샤프트 삽입구멍(502)에 삽입 결합되고 그 일단(531)이 상부 쉘(109) 중심점(흡입구(102) 중심점)에서 덜렁거리는 상태로 장착되어 있다. 도 4의 경우를 '상부 쉘 삽입방식'이라 부르고 도 5의 경우를 '하부 쉘 삽입 방식'이라 부르자. 이때 "삽입 결합"이란 "샤프트의 외경과 샤프트가 꼽히는 구멍의 내경 사이에 유격 공차(play gap)를 두지 않음으로써, 프레스로 밀어 넣어 결합하는 방식"을 뜻한다.

얼핏 보면, 도 4의 '상부 쉘 삽입방식'에 있어서는 샤프트(139)의 타단(432)이 로터 회전공간(113) 바닥면 중앙부에 존재하는 홈 형상의 공간(402, 이하 '타단 안착 홈')에 삽입 결합되어 있는 것처럼 보이지만, 1) 샤프트(139)의 외경보다 샤프트 타단을 위한 안착홈(402)의 내경이 통상 Δ0.2 mm 이상 크고, 2) 안착홈(402)의 깊이가 3mm 이하이기 때문에, 기계역학적으로는 '덜렁거리는 상태'가 될 수 밖에 없다. 또한 도5의 '하부 쉘 삽입방식'에 있어서도 샤프트(139)의 일단(531)이 상부 쉘(109) 중심점(흡입구(102) 중심점)에 존재하는 샤프트 일단 안착 홈(501)에 삽입 결합되어 있는 상태로 보이지만, 이 경우 역시, 샤프트 일단 안착 홈(501)의 내경이 샤프트(139) 외경보다 Δ0.2 mm 이상 크고, 샤프트 일단 안착 홈(501)의 깊이가 얕기 때문에, 샤프트 일단은 '덜렁거리는 상태'가 될 수 밖에 없다. 샤프트 안착홈(도 4의 402, 도 5의 501)의 내경을, 샤프트(139) 외경보다 무려 Δ0.2mm 이상 크게 만드는 이유는, 기존 PS BLDC MP는 상부 쉘(109)과 하부 쉘(119)을 나사 홈(104, 112)을 이용한 회전결합 방식을 사용하고 있는 바, 체결 과정에서 샤프트(139)의 한쪽 종단이 안착 홈에 진입하므로, 회전결합 때 발생하는 유격 공차를 감안해야 하기 때문이다. 또한 통상 샤프트 안착홈(도 4의 402, 도 5의 501)의 깊이를 3 mm 이하로 만드는 이유는, 플라스틱을 사출 할 때에 두께가 3 mm 이상 되면 플라스틱 수지의 수축 오차를 제어하는 것이 불가능하므로, 샤프트 안착홈(도4의 402)이 설치된 평면의 살집 두께가 3 mm 이하이기 때문이다. 또한 도 5에서 보여지는 로터-회전공간 바닥면에 샤프트 타단(532) 삽입구멍(502)이 존재하고 흡입구 중심점에 샤프트 일단(531) 안착홈(501)이 존재하는 경우에는, 안착홈이 설치된 위치가 흡입구 중심부이기 때문에, 흡입 유체 경로를 확보하기 위해 안착홈(501)을 둘러싼 살집 및 그 지지부가 취약할 수 밖에 없다. 한마디로 PS BLDC MP 구조의 핵심부를 이루는 비회전 샤프트(139)의 장착 방식은, 기존에는, 기계역학적으로 매우 취약하기 때문에 10watt 이상의 소모전력 및/또는 0.3 미터 이상의 수두 압력이 요구되는 경우에는 적용되는 것이 불가능한 것이 현실이다.

본 발명자는 특허출원 제 10-2015-0007113를 통하여 PS BLDC MP의 샤프트 양단을 단단하게 영구 고정하는 방안을 제시한 바 있다. 특허출원 제 10-2015-0007113가 제공하는 방안은, 도 6과 같이, 1) 샤프트 일단(631)을 상부 쉘(109) 중심점(흡입구(102) 중심점)에 존재하는 샤프트 삽인구멍(601)에 삽입 결합하고, 2) 샤프트 타단(632)을 침상으로 뾰족하게 만들고, 3) 로터 회전공간(113)의 바닥면(617) 중심점에 관통구(602, 이하 "샤프트 관통구")를 뚫고, 4) 상부 쉘(109)과 하부 쉘(119)을 체결 하여 침상의 샤프트 타단(632)이 샤프트 관통구(602)를 관통하여 튀어나오게 만든 후, 5) 샤프트 관통구(602) 외부(로터 회전공간(113) 반대편)를 둘러싸고 있는 벽(616)에 의해 형성된 우묵한 공간(618)에 에폭시를 부어 샤프트 타단(632)을 영구 고정시키는 방안을 제공하였다.

이 경우 샤프트 타단(632)이 침상이어서 좁은 구멍으로도 진입할 수 있기 때문에, 샤프트 관통구(602)의 내경과 샤프트(139)의 외경 사이의 갭(gap)은, 플라스틱 사출의 일반적 최소 오차 수준인 0.03~0.05 mm 정도까지 쉽게 축소될 수 있다. 이는 기존 통상의 PS BLDC MP의 안착 홈(401, 502) 내경이 샤프트(139) 외경보다 Δ0.2 mm 이상 큰 것에 비하면, 그 갭이 1/4 이하로 되었을 뿐 아니라, 외부로 튀어나온 샤프트 타단(632)을 에폭시로 영구 고정시킬 수 있기 때문에 샤프트(139)가 한층 더 단단하게 장착되게 된다. 본 발명자가 특허 출원 제 10-2015-0007113를 통하여 제공한 상기와 같은 샤프트 장착 강화 방식(이하 "샤프트 타단 관통후 영구고정 방식")을 사용하면 샤프트 양단(631, 632)이 단단하게 잡아지기 때문에 이제까지 통산 10watt 이하의 로드(load)에 대해서만 적용해 온 PS BLDC MP 구조를 중대형 고압 모터펌프로 업그레이드 시킬 수 있는 길이 열리는 것이다. 1/2 마력(약 370 와트) 정도의 전력을 사용할 수 있는 규모까지, 즉 현재보다 약 37배 정도까지 PS BLDC MP 구조를 적용할 수 있게 될 것으로 추정된다. 물론 이때 '중대형' 혹은 '고압'이라 함은 통상 10watt 이하의 소모전력으로 0.3 미터 이하 수두 압력을 발휘하는 PS BLDC MP에 비하여 '크다' '고압이다'이란 의미일 뿐이다. 모터펌프 업계를 통틀은 기준에서 본다면 이는 결코 '중대형'도 아니며 '고압'도 아니다.

그런데 본 발명자가 발명출원 제10-2015-0007113를 통하여 제공한 "샤프트 타단(632) 관통 후 영구고정 방식"은, 샤프트를 단단히 잡아준다는 장점은 있지만, "샤프트 일단(631)이 상부 쉘(109) 중심점에 삽입결합 되어 있고, 샤프트 타단(632)이 하부 쉘(119) 아랫쪽, 로터 회전공간(113)의 건너편 공간(618)에서 에폭시에 의해 영구고정되어 있으므로, 일단 제작된 다음에는, 상부 쉘(109)과 하부 쉘(119)을 분리하여 로터-임펠라(129), 샤프트(139), 부싱(149)의 상태를 점검하거나 유지보수하는 것이 불가능하다"는 단점이 존재한다. PS BLDC MP가 염가의 작은 모터펌프인 경우에는 이 같은 특성은 심각한 문제점이 아니지만, PS BLDC MP의 크기, 소모전력, 성능이 기존보다 수십배 이상 업그레이드되는 경우에는, "분해하여 유지보수 할 수 없다"라는 것은 치명적 단점으로 작용할 수 있다. 이와 같은 유지보수가 필요한 대표적 케이스로는, 샤프트 일단(63) 쪽 부싱 주위(639)에, 유체에 포함되어 있던 이물질(머리카락 혹은 섬유)이 감겨서 임펠라의 회전을 방해하는 경우를 꼽을 수 있다. 따라서 "PS BLDC MP 의 샤프트를 단단히 장착시켜서 샤프트의 토크 하중 내성을 증대시켜야 한다"라는 근본 목표를 달성하면서도, 본 발명자의 특허 출원 제10-2015-0007113이 제공하는 '샤프트 관통후 영구고정 방식'이 상부 쉘(109)과 하부 쉘(119)을 분리하지 못 하도록 영구적으로 봉합해 버리는 결과를 초래하는 것과는 달리, 상부 쉘(109)과 하부 쉘(119)을 분리하여 내부 상태를 점검하고 유지보수 할 수 있는, 새로운 샤프트 장착 강화 방안이 절실하게 요구된다.

취약점 2: 로터-임펠라의 토크 하중 내성이 약하다. 모터펌프 중에 가장 단순하고 경제적인 구조인 PS BLDC MP 구조를, 10 watt 미만의 소모전력 및 3 미터 미만의 수두 압력이 요구되는 환경에서만 적용되어 오던 기존의 한계를 뛰어넘어 그 수십 배 이상의 소모전력과 수두압력이 요구되는 환경에까지 적용시키려 시도하는 경우, 기존 로터-임펠라(129) 구조로는 그 같은 토크 하중을 견딜 수 없다는 문제점이 존재한다.

도 7은 기존의 전형적인 로터-임펠러를 보여주고 있는 도면으로서 A는 축 방향으로 길게 관통구가 뚫려 있는 영구자석을 보여주는 도면이며, B는 영구자석 위에 오버몰드로 덧씌워지는 플라스틱 부분을 가상으로 분리하여 보여주는 도면이며, C1은 오버몰드에 의해 형성된 로터-임페라의 사시도이며 C2는 로터-임펠라의 세로방향 단면도이다. 축 방향으로 길게 중공(711)이 뚫린 원기둥 형상 영구자석(710)을 금형 틀 속에 넣고 플라스틱 오버몰드를 할 때에: 영구자석(710) 중공(711)에 충진되는 플라스틱 기둥 (733) 안에는 축 방향으로 샤프트(139)가 관통할 수 있는 축 방향 중공 통로(734)를 형성시키고; 영구자석(710) 상단(712) 면에, 임펠라(730) 날개(731) 하단을 지지해 주는 '임펠라 지지 부분형 원반(732)' 및 임펠라 날개(731)를 형성시키고; 영구자석(710) 하단(713) 면에 플라스틱 하부 기저단(735)를 형성시키는 구조로 오버몰드 한다. 그런데 오버몰드에 의해 만들어지는, 임펠라(731) 하단의 일부 구간을 지탱하는 '임펠라 지지 부분형 원반'(732)과 영구자석(710) 상단(712) 면 사이의 결합, 플라스틱 기둥(733) 외면과 영구자석(710) 중공(711) 면 사이의 결합, 플라스틱 하부 기저단(735)과 영구자석(710)의 하단(713) 면 사이의 결합은 매끄러운 면대면(面對面) 결합으로 되어 있다는 점을 주목해야 한다. 또한 '임펠라 지지 부분형 원반'(732)이 임펠라(731) 날개 전체 구간 중 일부 구간의 하단에만 연결되어 있다는 점을 주목해야 한다.

기존 PS BLDC MP에 있어서는, 영구자석(710)과 플라스틱(720)이 '매끄러운 면대면 결합'을 하고 있으며, 나아가, 임펠라 지지 부분형 원반(732)이 임펠라(731) 날개 전체 구간 중 일부 구간의 하단에만 연결되어 있다는 두 가지 특징은 로터-임펠라(122)의 토크 하중 내성을 근원적으로 제약하고 있는 요인이다. 로터-임펠라(740)에 걸리는 토크 하중이 증가하면 로터-임펠라(740)를 구성하는 플라스틱 부(720)와 영구자석(710)이 서로 분리될 수 있을 뿐 아니라, '임펠라 지지 부분형 원반'(732)이 임펠라 날개(731)의 일부 구간만을 지탱해주고 있기 때문에 임펠라 날개(731)가 휘거나 혹은 그 일부가 떨어져 나가게 된다. 따라서, PS BLDC MP 구조를 기존 보다 훨씬 큰 소모전력 및 수두 압력이 요구되는 환경에 적용하기 위해서는, 상기의 '매끄러운 면대면 오버몰드' (710과 720 사이의 오버몰드) 및/또는 '임펠라 지지 부분형 원반'(731)과는 완전히 다른, 로터-임펠라(740)의 토크 하중 내성을 크게 강화할 수 있는 오버몰드 구조가 절실하게 요청되고 있다.

취약점 3: 볼루트 형성 불가능. 모터펌프의 소모 에너지를 증가시키지 않으면서도 모터펌프의 압력을 높일 수 있는 가장 대표적인 방안은 토출구 유동관로(outlet fluid channel)에 볼루트(volute)를 형성시켜 주는 것이다. 볼루트란, 도 2에서 보여지듯이, "임펠라 회전공간(210)으로부터 토출 유동관로(220)가 전개되는 토출구 시작부(201)의 단면적을 작게 하여 유체가 빠른 속도로 임펠라 회전공간(210)으로부터 토출되도록 만든 다음, 토출 유동관로(220)를 점차 넓게 확장하여(222 부위의 관로는 221 부위의 관로보다 훨씬 더 크다) 유체의 속도를 일부러 떨어뜨림으로써 유체의 감속에서 생겨나는 힘(power generated by decrease of speed, 힘은 "질량*가속도"이다. '속도의 감속' 역시 가속도이다)이 압력의 증분(increase of pressure, 압력은 '단위면적당 작용하는 힘'이다)으로 전환되도록 만들어 주는 토출구 관로 구조"를 뜻한다. 이처럼 볼루트는 통상 도 2와 같은 나선(螺線)형으로서, 임펠라 회전 공간(210)을 나선(螺線)형으로 감아 도는 구조를 사용한다. 도 2에서 나타나듯이 토출구 시작부(221)의 관로는 매우 작지만, 관로가 임펠라 회전공간(210)의 원주를 감아 돌면서 점점 커지는 볼루트가 형성되어 있다. 임펠라 회전공간(210)에서 밀려 나오는 유체는 토출구 관로를 따라 흐를 때에 점점 속도가 줄면서 압력이 높아진다. 유체 질량이 마이너스 가속도(즉 속도 저감)를 겪으면서 생겨나는 힘(kg*m/sec²)이 플러스 압력(즉 압력 증대)으로 보전(즉 전환)되는 것이다.

중대형 고압 유체 펌프들에서는 이와 같은 볼루트를 형성하는 것이 어렵지 않다. 중대형 고압 유체펌프들은 도 3과 같이 "1) 로터(310)와 샤프트(320)가 한 몸체로 단단하게 결합되어 있으므로 2) 로터(310)의 회전에 따라 샤프트(320)가 함께 회전하며 (이하 '회전 샤프트'), 3) 펌프 즉, 임펠라(330) 및 그 회전공간(340)은 모터 공간(350)과 방수 격벽(360)으로 구분되어 있고, 3) 회전하는 샤프트(320)가 방수 베어링(370)을 사용하여 이 구분 격벽(360)을 관통하여 임펠라(330) 중심점과 단단하게 결합되어 있는 구조"를 갖추고 있다. 이와 같은 구조는 제조원가가 크게 높아진다는 문제점이 있지만, PS BLDC MP에 비해 다음과 같은 장점이 있기 때문에 나선(螺線)형 볼루트를 형성하는 것이 가능하다.

첫째, 임펠라(330)를 수용하고 그 회전공간(340)을 제공하는 역할을 하는 펌프(390)는 주물(casting)로 제작되는 바, 목표 물체를 만들기 위해 금속 용융 액체가 부어지는 주물 틀은 통상 진흙으로 만든 것으로서, 한번 주물을 뜨고 나면 흙을 부수어 목표 물체를 회수하는 방식이 되므로, 펌프(390)의 내부 형상이 플라스틱 사출보다 훨씬 더 자유롭게 구성될 수 있다. 반면, 플라스틱 사출에서는 목표 물체(injected plastic)을 빼내기 위해 "틀"(mold)을 손상시켜서는 안 된다. 플라스틱 사출에서는 틀(mold)은 통상 수십만 번 사용된다.

둘째, 제조원가 및 크기 및 재질의 강도에 있어 제약이 훨씬 적기 때문에, 연결 부위에 플랜지(391)를 자유자재로 사용할 수 있다. 심지어 300과는 달리, 임펠라 회전공간(340)을, 허리부분을 가로지르는 면(이하 '황도면(黃道面)')을 중심으로 2개의 부품으로 나누어 제작한 다음 플랜지로 결합시키는 방법을 사용할 수도 있다.

이와 같은 주물 제작 금속 펌프에 사용되는 구조를 모방해서는 PS BLDC MP에 있어서 볼루트를 형성시킬 수 없다. 첫째, 주물을 한 번 쓰고 부수는 것이 아니기 때문에 공간 형성에 있어 제약이 많이 따르기 때문이다. 둘째, 플라스틱 쉘에 있어서는 펌프의 압력이 높아지면 플랜지를 사용하는 것이 사실상 불가능하다. 플라스틱은 신장(伸張, elongation) 속성이 있기 때문에 수두압력이 수십 미터에 이르게 되면 (즉 압력이 수 bar에 이르게 되면) 플랜지 결합 부위에서 유체가 새어 나오기 십상이다. 더욱이 플라스틱의 경우에는, 살집 두께가 3 mm 이상 되면 사출 때 수축이 제어되지 않기 때문에 양산이 매우 곤란해지므로 자유롭게 살집 두께를 정할 수 있는 금속에 비해서 상대적으로 살집을 얇게 만들어야 한다. 즉 원래부터 신장 속성이 있을 뿐 아니라 살집 역시 두껍게 설계할 수 없기 때문에, 플라스틱 쉘을 사용하는 경우, 부품을 플랜지 방식으로 제작할 수 없다.

플라스틱 부품의 영구 결합에 있어서 가장 효과적이며, 경제적이며, 강력한 방법은 초음파 용접(ultrasonic welding)이다. 초음파 용접에 의해 형성된 결합부는, 사출 때부터 하나의 몸체로 되어 있는 부위가 보여주는 강도와 거의 같은 수준의 강도를 유지한다. 다시 말해서, PS BLDC MP에 있어 볼루트를 형성하는 가장 효과적이고 효율적인 방법은, 도 8의 A 및 B 처럼 , 임펠라 회전공간을 황도면을 기준으로 둘로 쪼개어 각각에 볼루트 관로의 절반씩 형성한 다음 이를 초음파 용접으로 결합하는 방안이 되어야 한다. 그러나 초음파 용접은 중심부를 향해 초음파 진동을 수렴시키기 때문에 초음파 용접 과정에서 PSBLDC MP의 상부 쉘(109) 중심부에 존재하는 샤프트 일단 삽입구멍(401) 내지 샤프트 일단 안착홈(501) 및 그 연결부가 파손된다는 치명적 문제점이 존재한다. 나선(螺線)형 볼루트를 형성할 수 있는 유일한 방법은, 임펠라 회전공간을 황도면을 기준으로 둘로 쪼개어 각각에 볼루트 관로의 절반씩 형성한 다음 이를 초음파 용접으로 결합하는 것인 바, 기존에는 샤프트 일단 삽입구멍(401) 내지 샤프트 일단 안착홈(501) 및 그 연결부가 초음파 용접 과정에서 파손된다는 문제점 때문에, 결국 PS BLDC MP에서는 볼루트를 형성하려는 시도조차 존재하지 않았던 것이다.

본 발명의 목적은, PS BLDC MP의 단순 효율적 구조를 고스란히 유지하면서, 이를 보다 큰 소모전력과 수두 압력이 요구되는 환경까지 확장시키기 위하여, 샤프트의 토크 하중 내성을 높일 수 있으면서도 상부 쉘과 하부 쉘을 손쉽게 분리/분해할 수 있는 샤프트 장착 방안을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, PS BLDC MP의 단순 효율적 구조를 고스란히 유지하면서 그 적용범위를 보다 큰 소모전력과 수두 압력이 요구되는 환경까지 확장시키기 위하여, 임펠라의 토크 하중 내성을 강화할 수 있는 로터-임펠라 제작 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, PS BLDC MP의 단순 효율적 구조를 고스란히 유지하면서 그 적용범위를 보다 큰 소모전력과 수두 압력이 요구되는 환경까지 확장시키기 위하여, 초음파 용접을 이용하여 각기 볼루트 관로를 형성하는 제작 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 샤프트 및/또는 임펠라의 토크 하중 내성을높일 수 있는 방법으로 제작된 PS BLDC MP를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 초음파 용접을 이용해서 형성된 볼루트 관로를 포함하고 있는 PS BLDC MP를 제공하는 것이다.

본 발명의 플라스틱 쉘 BLDC 모터펌프는, 통상 상부 및 하부 두 조각으로 구성된 플라스틱 사출 쉘(shell); 영구자석에 플라스틱을 오버몰드(overmold)하여 제작된 로터-임펠라(rotor-impeller); 4개 이상의 극 기둥(pole)에 방향을 교번하여 와이어를 감은 스테이터(stator); 로터-임펠라의 길이 방향 중공을 관통하고 있는 비회전 샤프트 (이하 '비회전(非回轉) 샤프트'); 베어링 역할을 대신하는 부슁(bushing); 스테이터 극 기둥에 감긴 와이어에 직류 전기를 교번하기 위한 전자부품을 탑재한 PCB 등 6개 남짓한 부품을 포함한다.

비회전 샤프트 구조의 플라스틱 쉘 BLDC 모터펌프에 있어, 샤프트와 로터임펠라의 토크 내성(耐性) 강화 및 볼루트를 형성한다.

도 1 내지 14는 종래 및 본 발명의 플라스틱 쉘 BLDC 모터펌프의 구조를 보여주는 도면.

"액시얼 터널; 액시얼 터널 하우징; 테이퍼드(tapered) 샤프트"

상기 첫 번 째 목표를 달성하기 위해 본 발명은, 도 9의 A에서 보여지는 바와 같이, 플라스틱 사출로 제작되는 하부 쉘에 관해서는 i) 로터회전공간(942)과 동심으로서 로터회전공간(944) 바깥 아래 쪽으로 축 방향(901)을 따라 연장되어 있으며, ii) 로터회전공간(942) 외벽(921) 외곽 안에 들어오는 외곽을 가지고 있으며, iii) 플라스틱 사출 수축을 피할 수 있는 크기 내지 구조를 갖추고 있으며, iv) 샤프트(902) 외경보다 크되 Δ 0.2 mm 보다 작은 유격 공차를 가지도록 형성된 깊이 3mm 이상의 축 방향 터널(951, 이하 "액시얼 터널 axial tunnel")을 갖추고 있는 축 방향 터널 하우징(950, 이하 "액시얼 터널 하우징")을 제공하는 한편; 이와 동시에 샤프트(902)에 관해서는 vi) '샤프트(902)가 삽입되어 있는 상부 쉘(910) 혹은 그 일부'가 하부 쉘(920)과 결합되는(샤프트가 삽입된 물체가 '상부 쉘의 일부'인 경우에는 그 샤프트-피(被)삽입 '상부 쉘 일부'가 '상부 쉘 본체'와 결합되는) 회전운동과정에서 샤프트(902)가 액시얼 터널(951)에 순조롭게 진입할 수 있도록 그 타단에 경사(tapering)가 형성되어 있으며 vi) 종래의 샤프트에 비하여 터널 길이만큼 길이가 연장된 샤프트(902)이하 '테이퍼드 샤프트")를 해결 수단으로서 제공한다. 상기 액시얼 터널 하우징(951)은, 도 9에서는 상기 액시얼 터널이 하우징 (950) 끝까지 관통하도록 형성되어 있지만, 관통하지 않도록 형성될 수도 있다.

도 9의 B는 도 9의 A 중 하부 쉘(920)만 따로 뽑아 내어 나타낸 단면도이며, 도 9의 C는, 액시얼 터널 하우징(950) 이 A 및 B와 같이 관통형 액시얼 터널(951)을 수용하고 있는 것이 아니라 그 아래쪽 종단에서, 하부 쉘(920) 몸체의 일부분(959)에 의해 폐쇄되어 있는 폐쇄형 액시얼 터널(952)을 수용하고 있는 모습을 보여준다. 즉 본 발명의 근본 사상은, "로터회전공간(942) 바깥 아래쪽(944)으로, 길이가 연장되어 있는 테이퍼드 샤프트(902)를, 작은 유격공차(Δ0.2mm 이하) 및 긴 길이(3mm 이상)로 수용하는 액시얼 터널(951, 952)을 설치하되, 그를 수용하는 액시얼 터널 하우징(950)을, 그 외곽이 로터회전공간(942) 외벽(921)의 외곽보다 작도록, 즉 로터회전공간(942) 외벽(921) 바깥쪽으로 튀어나지 않도록, 로터회전공간(942) 바깥 아래쪽(944)으로 돌출 형성시킴으로써, 한편으로는 스테이터 내부 원주에 의해 형성된 면(961)이 로터회전공간(942) 외벽(921)을 빠듯이 미끄려져 삽입될 수 있도록 만들어 주고, 다른 한편으로는 길게 연장된 샤프트(902)의 타단을 좁은 터널 공간(951, 952) 안에서 단단하게 지지해 주며, 또 다른 한편으로는 상부 쉘과 하부 쉘을 쉽게 분리하여 모터펌프를 유지보수할 수 있게 해준다"인 것이며 액시얼 터널(951, 952)이 액시얼 터널 하우징(950)을 관통하고 있는가, 관통하고 있지 않은가는 전혀 중요한 문제가 아니다. 실제로 흡입구 (911)에서 하부 쉘 끝(929)까지의 길이가 45mm 정도에 불과한 초소형 모터펌프에서조차 관통형 액시얼 터널(951)은 약 10mm, 비(非)관통 액시얼 터널(952)은 8.5mm 정도 형성될 수 있으므로, 또한 액시얼 터널 하우징(950) 돌출 길이는 약 8mm 정도 형성될 수 있으므로, 어느 경우이든, 유격공차가 작은 액시얼 터널(951, 952)로 샤프트(902) 타단을 긴 거리에 걸쳐 단단히 잡아줄 수 있음을 알 수 있다.

또한 유체 펌프에서는 "구성 부위 사이의 크기, 길이 비례가 일정하게 유지되는 경향"(유체역학에서는 이를 'law of affinity(유사성의 법칙)'라 부른다)이 있으므로, 상기 PS BLDC MP의 총길이(911에서 929)가 45mm 인 경우 본 발명에 의해 제공되는 액시얼 터널의 길이가 8.5~10 mm 정도 형성 가능하다는 점으로부터, "본 발명이 제공하는 액시얼 터널의 길이는 PS BLDC MP의 크기를 증가시키지 않고도, PS BLDC MP의 총길이 'L'의 1/5 정도 형성시킬 수 있다"라는 추정규칙(rule of estimation)을 도출할 수 있다. 즉 본 발명에 의해 PS BLDC MP의 크기를 증가시키지 않으면서도, 또한 제조원가를 증가시키지 않으면서도, 또한 상부 쉘(910)과 하부 쉘(920)을 쉽게 분리하여 유지 보수할 수 있으면서도 샤프트(902) 타단을 단단하게 잡아줄 수 있게 된 것이다. 본 발명의 눈에 보이지 않는 또 다른 장점은, "샤프트(902) 일단이 상부 쉘(910)의 중심부에 단단히 삽입되어 있는 구조의 PS BLDC MP의 조립 생산성 및 유지 보수성을 크게 향상시켜 준다"는 데에 있다.

도 4에 나타나 있는 기존 '샤프트 일단(431) 상부 쉘 중심부(401) 삽입 고정 방식'의 PS BLDC MP의 경우, 조립 과정에서 반드시 먼저 로터임펠라(430), 상부 쉘(410), 하부 쉘(420)을 결합시킨 다음 스테이터(450)을 "하부 쉘(420)의 스테이터 및 PCB 장착 공간"(444)에 장착시키고, 그 다음에 PCB(미도시)를 스테이터(450)의 아래쪽 (즉 하부 쉘(420)의 개구 방향)에 장착시켜서 납땜질을 통해 스테이터(450)의 코일 및 외부 연결 와이어(미도시)를 PCB(미도시)에 연결한다. 이는 스테이터(450)를 미리 장착해 놓은 다음에, 샤프트(430)이 그 중심부(401)에 삽입 고정되어 있고 로터임펠라(440)가 샤프트(430)에 관통하여 끼워져 있는 상부 쉘(410) 뭉치를, 스테이터(450)가 장착되어 있는 하부 쉘(420) 뭉치와 회전결합시키려 하는 경우, 스테이터(450)를 구성하는 철심과 로터임펠라(440)을 구성하는 영구자석 사이의 자력 작용에 의해 영구자석이 움직거리면서 부싱(460)이 이탈하여 로터회전공간 내벽과 로터임펠라(440) 사이에 끼어 로터임펠라의 회전에 장애를 일으키는 심각한 제품 불량이 발생하기 때문이다. 한마디로 종래에는 도 4에 나타나 있는 기존 '샤프트 일단(431) 상부 쉘 중심부(401) 삽입 고정 방식'의 PS BLDC MP의 경우, "스테이터(450)가 아직 장착되지 않은 상태에서 상부 쉘 뭉치(410, 430, 440)과 하부 쉘(420)이 결합되어야 한다"라는 제약이 존재했다. 이 제약은, 제조 과정에 있어서는, "흡입구(410)가 돌출되어 있는 상부 쉘(410) 상면을 탁자에 놓은 '뒤집힌 상태'에서 스테이터(450)를 삽입하고 PCB(미도시) 장착하고 코일(미도시) 종단 및 외부 인출 와이어(미도시) 종단을 PCB에 납땜질하고, 하부 쉘(420) 내부 공간(444) 중 잔여 공간에 에폭시를 부어야 한다"는 것을 뜻한다. 즉 다루기 불편한 상부 쉘 뭉치(410, 430, 440)가 결합된 상태에서 하부 쉘(420) 내부 공간(444)에 관한 복잡한 작업을 해야 하는 상황인 것이다. 이는 도 4에 나타나 있는 기존 '샤프트 일단(431) 상부 쉘 중심부(401) 삽입 고정 방식'의 PS BLDC MP의 조립 생산성을 크게 제약하는 요소였다. 또한 이 제약은 제품이 완성되고 나서는, "'재조립 과정에서 발생하는 부싱(460) 이탈 문제' 때문에 분해하여 유지보수하기 힘들다"는 결과를 초래했다.

치차형상 영구자석 및 베인(vane)-임펠라

PS BLDC MP의 임펠라 크기, 소모전력, 수두 압력이 증가하면 임펠라에 대한 토크(torque)가 커지고, 이는 고스란히 임펠라가 영구자석에 플라스틱 오버몰드로 결합되어 있는 부위에 대한 토크 하중으로 작용한다. 본 발명의 두 번 째 목적은 로터임펠라의 토크 하중 내성을 증대시키는 것으로서, 이 하중 때문에 임펠라와 영구자석이 플라스틱 오버몰드로 결합되어 있는 부위가 손상되는 것을 막기 위함이다. 본 발명은 이와 관련하여, 도 10과 같이 i) "종단 중 일단(1011) 및/또는 타단(1012) 및/또는 축 방향 중공(1013) 면이 치차(요철) 형상으로 제작된 영구자석(1010)"을 사용하며; ii) "축 방향 하부면이 종래와 같이 (도7에 보이는 것처럼) 임펠라(731) 날개 하단의 일부 구간만 지탱하는 부분 원반(732)이 아니라, 임펠라 날개(1021) 하단의 전체 구간을 감싸는 베인(1022, vane; 임펠라의 축 방향 종단을 모두 감싸도록 형성된 평면)을 형성하고 있는 임펠라(1020)"를 플라스틱 오버몰드하여 로터임펠라(1030)를 제작하는 해결수단을 제공하며, 이에 선택적으로 추가하여 iii) 상기 임펠라 날개(1021) 상단 전체를 감싸는 또 하나의 베인(미도시, vane)을 초음파 용접으로 상기 임펠라 날개(1021) 상단에 결합시킴으로써, 로터임펠라의 토크 하중 내성을 한 층 더 강화하는 방안을 제공한다.

본 발명에 의해 제공되는 치차형상 영구자석(1010)과 결합한 베인 임펠라(1020)에 의해 만들어지는 로터-임펠라(1030) 한편으로는 베인(1022)에 의해 임펠라 날개(1021)이 회전토크 때문에 받아 떨어져 나가는 일이 없도록 만들고, 다른 한편으로는 치차형상 결합에 의해 플라스틱부(1020)와 영구자석(1010)이 회전토크에 의해 상호 이탈되는 일이 없도록 만들어줌으로써, 결과적으로는, 회전토크에 대한 내성이 월등하게 강화되었다.

인서트 토출구 혹은 회전결합형 흡입구에 의한 볼루트 형성

본 발명의 세번째 목적은 플라스틱 상부 쉘과 하부 쉘로 이루어진 PS BLDC MP의 쉘(shell)에 있어서, 압력을 증가시키는 역할을 해 주는 볼루트 관로(진행방향으로 갈수록 점점 더 관로 단면적이 증가하는 관로)를 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 이 목적을 위하여 본 발명은 인서트 토출구 (outlet with an insert) 방식과 회전결합형 흡입구(thread-wound inlet module) 방식으로 이루어진, 두 가지 방법을 제공한다.

1. 인서트 토출구 방식

인서트 토출구 방식은, 도 4,5,6에서 보여지는 바와 같이 상부 쉘(410, 510, 610) 이 임펠라 회전공간(445, 545, 645)을 구성하며 하부 쉘(420, 520, 620)은 단지 그 상면이 임펠라 회전공간(445, 545, 645)의 바닥면을 제공하는 경우(이하 "상부 쉘 임펠라 공간 PS BLDC MP")에 적용되는 것으로서, 크기가 작고 제조원가가 낮은 PS BLDC MP를 위한 것이다.

도 11은 "상부 쉘 임펠라 공간 PS BLDC MP"에 인서트 토출구를 적용하여 간이 볼루트를 형성한 것을 보여주는 도면으로서, A와 B는 상부 쉘을 가상으로 횡으로 자른 두 조각(1110, 1120)의 내면을 나타내며, C는 상부 쉘(1130)에 인서트(1140)가 삽입되는 과정을 나타내며, D는 인서트 토출구 (1160) 방식의 상부 쉘(1150)이 완성된 모습을 나타낸다. 이를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

플라스틱 사출을 하면 1130과 같은 상부 쉘이 만들어진다. 본 발명이 제공하는 인서트 토출구 방식을 보다 잘 설명하기 위해, 가상으로 횡으로 잘라 두 조각으로 만들어 보여주는 도면이 A(1110)와 B(1120)이다. 1110은 윗쪽 (흡입구 쪽) 조각의 내부를 보여주며 B는 아랫쪽(로터회전공간 쪽) 조각을 위에서 비스듬히 내려다 본 모습이다. 토출구(1160) 역시 위, 아래 두 조각으로 나뉘어져 보여지고 있는바, 토출구 시작부(1161)은 좁고 토출구 종단부(1162)는 넓다. 토출구는 임펠라 회전이 만들어내는 원의 원주 접선 방향으로 직선으로 전개되어 있다. 그런데 자세히 보면 토출구가 무작정 넓어진 것이 아니라 하나의 작은 물체를 끼워넣을 수 있는 공간(1169)을 가지고 있음을 알 수 있다. 토출구 속에 끼워넣는 작은 물체를 본 발명은 인서트라 부르며, C의 1140에 의해 표현되어 있다. 인서트(1140)를 1130의 토출구 속으로 끼워넣으면 1150과 같은 모습이 된다. 즉 인서트에 의해 토출구 내부 공간(1160)은 미끄럼틀 같은 부드러운 곡선을 그리며 점차 관로가 넓어지는 것이다.

얼핏 생각하면, "인서트(1140)를 끼워넣을 일이 아니라 처음부터 1150과 같은 형상으로 상부 쉘을플라스틱 사출하면 된다"고 볼 수 있지만, 이는 현실적으로 불가능한 일이다. 왜냐하면 'C'에서 보이듯이 토출구 시작부위 외곽(1131)이 토출구 종단 부위 외곽(1132) 보다 두툼해야 연결 튜브 관로를 단단히 토출구 외곽에 끼워 넣을 수 있는데, 토출구 시작부위 관로(1161)는 토출구 종단부위 관로(1162)보다 현격히 작기 때문에, 처음부터 1130과 같은 형상으로 플라스틱 사출을 하는 경우, 토출구 시작부위(1131, 1161)의 살집 두께가 3mm를 초과하여 플라스틱 수축을 제어할 수 없게 되기 때문이다. 즉 본 발명은 인서트(1140)를 따로 분리해 냄으로써, 별다른 제조원가의 상승 없이 소형 염가의 PS BLDC MP에 간이 직선 볼루트 (임펠라 회전 원주 접선을 직선으로 연장한 볼루트)를 형성할 수 있게 만들었다. 이 같은 관로는 도2에 나타난, 임펠라 회전공간을 감도는 정식 나선(螺線) 볼루트가 아니라, 임펠라 회전 원주 접선 방향으로 전개되는 직선 간이 볼루트이지만 "유체의 속도를 일부러 늦추어 압력을 증대시킨다"라는 볼루트의 원리가 적용되어 있다. 실제로 이와 같은 간이 직선 토출구를 소형 PS BLDC MP에 적용하면 수두압력이 크게 상승한다. 예를 들어 5 watt 정도의 소모전력을 사용하는 소형 PS BLDC MP의 경우, 종래에는 통상 2 미터, 최고 3 미터 정도의 수두압력을 발휘했지만, 볼루트 관로를 적용하고 임펠라 날개 형상을 최적화하면 5watt 소모전력으로 수두압력이 약 5미터까지 상승한다.

주의할 점은 볼루트를 사용하면 모터펌프의 에너지 효율이 높아지는 것이 아니라 "압력이 높아진다"라는 사실이다. 모터펌프의 에너지 효율은 input (watt) 에 대한 output (유량*압력)이다. 즉 압력을 높이면 유량이 줄어든다. 볼루트를 사용하는 목적은 "유량은 이미 충분하고 남으므로, 유량을 줄여서 압력을 높인다"는 데에 있는 것이다. 유량은 충분하고 남는 데에 비해서 압력이 부족한 경우가 많으므로, 볼루트를 사용하면, 모터펌프의 소모에너지와 크기를 늘이지 않고도, 원하는 '유량-압력' 컴비네이션을 달성할 수 있다. 본 발명이 제공하는 '인서트 토출구 방식' 볼루트는 크기 및 제조원가가 작은 소형 PS BLDC MP에 있어, 별다른 제조원가의 상승 혹은 소모전력의 증대없이, 사용자가 선택할 수 있는 유량-압력 조합쌍(컴비네이션)을 크게 확장했다.

2. 초음파 용접 및 회전결합형 흡입구 볼루트 방식

그런데 상기 '인서트 토출구 방식'은 매우 간편하고 경제적인 방법으로 볼루트를 형성하는 방법이기는 하지만 제대로 된 고성능 볼루트가 아니라 간이 볼루트라는 약점을 가지고 있다. 고성능의 정식 볼루트는 도 11과 같은 원주 접선의 직선형이 아니라, 도 2에서 나타나는, 나선(螺線)형이기 때문이다. 즉 "원주 접선의 직선"이라는 특징을 가지고 있는 상기 '인서트 토출구 방식'은, 크기가 작고 수두 압력이 낮고 가격이 낮은, 상대적으로 작은 PS BLDC MP에 볼루트를 형성시킬 때에만 적합하다.

보다 크고, 소모전력과 수두압력이 높은 PS BLDC MP를 위해, 본 발명은 도12, 13, 14와 같은 방식으로 제작된 '초음파 용접과 회전결합형 흡입구 모듈' '(이하 TWIM: Thread-wound inlet module)을 사용한 방식을 제공한다. 이를 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

1) 도 4,5,6에서 보여지는 바와 같이 상부 쉘(410, 510, 610) 이 임펠라 회전공간(445, 545, 645)을 구성하며 하부 쉘(420, 520, 620)은 단지 그 상면이 임펠라 회전공간(445, 545, 645)의 바닥면을 제공하는 경우(이하 "상부 쉘 임펠라 공간 PS BLDC MP")는, 앞서 밝힌 바 있듯이 상대적으로 작은 PS BLDC MP에 간이 직선 볼루트를 형성하는 데에 적합한 반면에, 상대적으로 크고 힘이 세고 제조원가가 높은 PS BLDC MP를 위한 정식 나선 볼루트를 형성하기 위해서는, 도12에서 보이는 바와 같이 임펠라 공간을 횡단면(黃道面)으로 잘라서, 하부 쉘(1210, 1220)과 상부 쉘(1230, 1240)이 임펠라 공간의 각 절반 씩(1251, 1252) 및 토출구 관로의 절반씩(1230-A, 1230-B)를 형성하도록 만들며,

2) 상부 쉘(1210, 1220)의 중심부에는 내부에 나사 홈을 갖추어 나사 회전결합을 통해, '외면(1310)에는 상기 나사 홈과 대응하는 나사홈을 갖추고 있으며, 내부 공간에는 샤프트(1330)를 삽입하여 고정시킬 수 있는 샤프트 하우징(1340) 및 그 지지부(1320)가 형성되어 있는 흡입구 링(1390) 및 그에 결합된 샤프트(1330)으로 이루어진 '회전결합 흡입구 모듈'(1300, TWIM)을 수용하는 'TWIM 하우징'(1221)이 형성되어 있다.

3) 또한 상부 쉘(1210, 1220)에는 절반의 임펠라 공간(1251) 및 절반의 토출구 관로(1230-A)가 형성되어 있다. 절반의 토출구 관로(1230-A)는 상기 절반의 원형 임펠라 공간(1251)의 측면에 뚫린 작은 틈새(1231)에서 시작하여 점차 넓어져서 결국 1233 정도의 최대 단면적에 이른다. 바람직하게는 1233 지점을 지난 다음에는 상기 절반의 토출구 종단부(1235)를 향해 점점 작아져서 외부의 튜브 관로를 삽입 결합하기에 적합한 크기까지 축소되는 편이 좋다. 이와 같은 상기 절반의 토출구 관로(1230-A)는 상기 절반의 임펠라 공간(1251)을 나선으로 감고 있다.

4) 이에 대응하여, 하부 쉘(1230, 1240)에는 나머지 절반의 임펠라 공간(1252) 및 나머지 절반의 토출구 관로(1230-B)가 형성되어 있다. 상기 나머지 절반의 토출구 관로(1230-B)는 상기 나머지 절반의 원형 임펠라 공간(1252)의 측면에 뚫린 작은 틈새(1232)에서 시작하여 점차 넓어져서 결국 1234 정도의 최대 단면적에 이른다. 바람직하게는 1234 지점을 지난 다음에는 상기 나머지 절반의 토출구 종단부(1236)를 향해 점점 작아져서 외부의 튜브 관로를 삽입 결합하기에 적합한 크기까지 축소되는 편이 좋다. 이와 같은 상기 나머지 절반의 토출구 관로(1230-B)는 상기 나머지 절반의 임펠라 공간(1252)을 나선으로 감고 있다.

5) 또한 상기 하부 쉘(1240)은, 아래쪽으로는 도4,5,6에서와 마찬가지로, 로터회전공간(1245)과 스테이터 및 PCB 장착공간(1244)을 가지고 있다.

6) 조립과정에 있어, 도4,5,6과 같은 "상부 쉘 임펠라 공간 PS BLDC MP"에서는 샤프트에 로터임펠라를 관통시킨 다음 상부 쉘과 하부 쉘을 회전결합 시키는 것에 반해 본 발명의 "TWIM 방식 PS BLDC MP"에서는, i) 샤프트(1330)를 흡입구 링(1390) 중심부의 샤프트 하우징(1340)에 단단히 삽입하여 고정시킨 TWIM(1300)을 준비한 다음 ii) 로터임펠라(1460)를 샤프트(1330)에 끼우지 않은 채 하부 쉘(1230, 1240)의 로터회전공간(1245) 속에 집어 넣은 다음 iii) 상부 쉘(1210, 1220)과 하부 쉘(1230, 1240)을 초음파 용접(ultrasonic welding)으로 결합시킨 다음 iv) 상기 TWIM 모듈을 상기 'TWIM 하우징(1221)'에 회전결합시켜서 흡입구(1490)를 형성시키는 한편 샤프트(1450)를 로터임펠라(1460) 중공에 관통시킴으로써 조립 결합을 완성한다.

이상과 같은, 본 발명에 의한 TWIM 방식의 근본 사상은, 다음과 같다.

1) 임펠라 공간을 나선으로 감아 도는 정식 나선 볼루트를 갖춘 PS BLDC MP를 제작할 수 있는 유일한 방법은, 임펠라 공간 및 토출구 관로를 황도면을 기준으로 둘로 나누어 각각 사출한 다음 초음파 용접하는 것이다.

2) 그런데 기존 PS BLDC MP에서 처럼 상부 쉘 중앙부 흡입구 안에 샤프트 안착 홈(501) 혹은 삽입구멍(401,601)을 위한 하우징 및 그 연결부가 형성되어 있는 경우, 초음파 용접을 하면, 초음파 진동 파괴력이 물체 안쪽으로 집중되는 경향이 있기 때문에, 샤프트 안착 홈(501) 혹은 삽입구멍(401,601)을 위한 하우징 및 그 연결부가 터져나가고 만다.

3) 따라서 각각 절반씩의 임펠라 공간(1251, 1252)와 절반씩의 토출구 관로(1230-A, 1230-B)를 갖춘 상부 쉘(1210, 1220)과 하부 쉘(1230, 1240)을 각각 별도로 사출하여 로터임펠라(1460)를 내부에 집어넣고 초음파 용접한 다음

4) 별도로 준비되어 있는 TWIM(1300)을, 상부 쉘(1210, 1220) 중심부에 형성되어 있는 TWIM 하우징(1221)을 초음파 용접후에 결합시킨다. 이때 샤프트(1450)는, 본 발명이 제공하는 바에 따라, 그 타단이 경사면인 테이퍼드 샤프트이어야 하며 로터임펠라 회전공간(1245) 바닥면 아래 바깥쪽으로는 액시얼 터널 및 그를 수용하는 액시얼 터널하우징이 돌출 연장되어 있어야 한다. 또한 이때 로터임펠라(1460)의 토크하중 내성을 강화시키기 위해서는, 본 발명이 제공하는 바에 따라, 치차형상 영구자석 및 베인 임펠라를 사용하는 편이 바람직하다. 본 발명에 의한 이와 같은 세가지 방안을 동시에 적용한 PS BLDC MP는 매우 값싼 제조원가로 제작될 수 있음에도, 초음파 용접부가 터져나가거나 로터임펠라의 날개가 떨어져 나가기 전까지는 그 소모전력, 크기, 수두압력, 유량을 증대시킬 수 있는 매우 강인하고 강력한 구조를 가지게 된다. 기존 PS BLDC MP가 통상 10 watts 이하의 소모전력, 3 미터 이하의 수두압력이 요구되는 조건에만 적용됨에 반해서, 본 발명에 의한 세 가지 혁신이 모두 적용된 PS BLDC MP는 370 watts 소모전력에 수십 미터에 이르는 수두압력을 발휘할 수 있다. 이제까지 매우 작은 염가의 모터펌프에만 적용되어 왔던 PS BLDC MP 구조가 본 발명에 의해 그 적용범위가 크게 확대된 것이다.

본 발명은 모터펌프 중에서 가장 단순하고 효율적인 구조를 가지고 있음에도 "샤프트 및 로터-임펠라의 회전토크 내성이 취약하고 볼루트 관로를 형성시킬 수 없다"라는 약점 때문에 이제까지 통상 10 watt 이하의 소모전력, 3미터 이하의 수두압력이 요구되는 분야에서만 적용되어 왔던, 비회전 샤프트를 특징으로 하는 단순 구조의 PS BLDC MP를 소모 전력 수백 watt, 수두압력 수십미터 이상의 강력한 범용 모터펌프로 만들기 위한 일련의 혁신이다. 보다 구체적으로는 본 발명은 상호 연관성이 깊은 다음과 같은 3개 분야에 걸친 혁신으로 구성되어 있다.

첫째, 샤프트의 양단을 단단히 지지하여 로터-임펠라의 회전토크 하중에 대한 내성을 강화하면서도 모터펌프를 쉽게 분해하여 유지 보수할 수 있도록 하는 것;

둘째, 영구자석 위에 플라스틱을 오버몰드하여 만들어지는 로터-임펠라에 있어, 영구자석과 플라스틱의 접면이 로터임펠라의 회전토크 하중에 대하여 보다 강력한 내성을 갖도록 영구자석의 상단 및/또는 종단 및/또는 축 방향 중공면을 치차(요철) 형상으로 만들고 임펠라의 하단을 연결하는 임펠라 하부면에 베인 면(vane plane)을 형성하는 것

셋째, 원주 접선 방향으로 직선으로 전개된 토출구에 별도의 물체를 인서트하여 간이 직선 볼루트 관로를 형성하거나; 혹은 임펠라 회전 공간을 황도면을 따라 하부 쉘과 상부 쉘로 양분하여 나선(螺線)형 볼루트 관로의 각 절반 씩을 하부 쉘과 상부 쉘에 형성한 후, 하부 쉘과 상부 쉘을 초음파 용접으로 결합하고 난 다음에 별도의 TWIM을 CATWIM에 회전결합시켜 정식 나선(螺線) 볼루트를 형성하는 것;

바람직하게는 이 세 가지 방법을 동시에 모두 적용할 때 가장 강력한 PS BLDC MP가 만들어지지만, 편이상 본 명세서에서는 일단 각각을 분리하여 설명한다.

1) "액시얼 터널; 액시얼 터널 하우징; 테이퍼드(tapered) 샤프트"

본 발명은, 플라스틱 사출로 제작되는 하부 쉘에 관해서는 i) 로터회전공간과 동심으로서 로터회전공간 바깥 아래 쪽(PCB를 관통하여)으로 축 방향을 따라 연장되어 있으며, ii) 로터회전공간의 외경보다 작은 외경을 가지고 있으며, iii) 살집 두께가 플라스틱 사출 수축을 피할 수 있는 수준이며, iv) 샤프트 외경보다 크되 그 직경이 Δ 0.2 mm 보다 작은 공차를 가지도록 형성된 깊이 3mm 이상의 축 방향 터널(이하 "액시얼 터널 axial tunnel")을 갖추고 있는 축 방향 터널 하우징(이하 "액시얼 터널 하우징")을 제공하는 한편; 이와 동시에 샤프트에 관해서는 vi) '샤프트 일단이 삽입되어 있는 상부 쉘 혹은 그 일부'가 하부 쉘과 결합되는(샤프트가 삽입된 물체가 '상부 쉘의 일부'인 경우에는 그 샤프트-피(被)삽입 '상부 쉘 일부'가 '상부 쉘 본체'와 결합되는) 회전운동과정에서 샤프트 타단이 터널에 순조롭게 진입할 수 있도록 그 타단에 경사(tapering)가 형성되어 있으며 터널 길이만큼 길이가 연장된 샤프트(이하 '테이퍼드 샤프트")를 해결 수단으로서 제공한다. 상기 액시얼 터널 하우징은, 상기 액시얼 터널이 하우징 끝까지 관통하도록 형성될 수도 있고 관통하지 않도록 형성될 수도 있다.

이를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. 앞서 "발명이 속한 분야의 기존 기술"에서 설명한 바와 같이, PS BLDC MP는 샤프트의 일단이 상부 쉘 중심점(흡입구 중심점)에 단단히 삽입되어 있든가 혹은 샤프트의 타단이 로터회전공간의 바닥면 중심점에 단단히 삽입되어 있는 바, 본 발명은 샤프트의 일단이 상부 쉘 중심점에 단단히 삽입되는 방식을 사용한다. 이와 같이 샤프트의 일단이 상부 쉘 중심점에 단단히 삽입된 방식인 경우, 종래에는, 그 타단은 로터회전공간 바닥면 중심점에 약 1~2mm 깊이로 움푹하게 꺼져 있는 샤프트 타단 안착홈 안에서 덜렁거리며 떠 있는 상태였다. 이때 "덜렁거린다"라 함은, "샤프트(139)의 외경보다 샤프트 타단 안착홈(402)의 내경이 통상 Δ0.2mm 이상 큰 유격을 가진 상태"를 의미한다. 기존 PS BLDC MP 중 샤프트 일단을 상부 쉘 중심점에 삽입 고정시키는 방식을 채택한 제품들이 이와 같이 공차가 큰 '샤프트 타단 안착홈'을 형성시킨 까닭은, 상부 쉘과 하부 쉘을 결합시키는 과정에서 정교하게 샤프트 타단을 안착홈의 위치에 맞출 수 없기 때문이다. 이에 반하여 본 발명은, i) 샤프트 타단을 경사지게 만들고(테이퍼드 샤프트 tapered shaft) ii) 샤프트의 길이를 연장하고 iii) 로터회전공간 바닥면 중심점에 축 방향으로 길이 3mm 이상 되는, 샤프트 타단이 진입하는 액시얼 터널을 갖춘 액시얼 터널 하우징을 로터회전공간 바깥 아랫쪽으로 형성시키는 방안을 제공한다.

본 발명이 제시하는 바와 같은 테이퍼드 샤프트를 사용하는 경우, 샤프트 외경과 터널 내경 사이의 유격 공차는 Δ0.05mm 이하로 줄어들 수 있으며, 터널 길이는, 하부 쉘 안쪽으로 PCB 등을 설치하기 위하여 통상 10mm 정도 높이의 원기둥 형상 공간이 존재하므로, 10mm 이상 형성될 수 있다. 또한 터널의 길이가 3mm 이상 되는 경우 플라스틱 사출 때의 수축을 제어하기 위해서, 로터회전공간 바닥면 자체의 두께가 3mm 이상 될 수 없으므로, 샤프트 하우징은 반드시 로터회전공간 바닥면 바깥쪽으로 돌출되어야 한다. 또한 영구자석 로터와 전자석 스테이터 내부의 원형 종단 사이의 거리를 최소로 좁혀서 양자 사이의 전자기적 상호작용력을 극대화해 하므로, 스테이터 내부의 원형 종단은, 로터회전공간 외벽을 빠듯하게 미끄러지면서 삽입되어야 하는 바, 상기 액시얼 터널 하우징의 외곽이 로터회전공간 외벽의 외곽보다 크면 영구자석 로터와 전자석 스테이터 내부의 원형 종단 사이의 거리가 벌어지게 되므로, 상기 액시얼 터널 하우징의 외곽은 반드시 로터회전공간 외벽의 외곽 안에 들어와야 한다. 이와 같이 만들어진, 상부 쉘 중심점에 삽입되는 테이퍼드 샤프트 및 액시얼 터널(액시얼 터널 하우징)을 사용하면 샤프트의 일단은 상부 쉘에 단단하게 삽입되어 있고 샤프트의 타단은 유격 공차가 최소화된 '긴' 터널에 의해 지지되므로, 한편으로는, 로터임펠라 회전토크가 결과시키는 하중에 대해 샤프트의 내성이 크게 강화되며 다른 한편으로는 손쉽게 모터펌프의 상하부를 분해하여 유지보수할 수 있다.

2) 치차형상 영구자석 및 베인(vane)-임펠라

PS BLDC MP의 임펠라 크기, 소모전력, 수두 압력이 증가하면 임펠라에 대한 토크(torque)가 커지고, 이는 고스란히 임펠라가 영구자석에 플라스틱 오버몰드로 결합되어 있는 부위에 대한 토크 하중으로 작용한다. 본 발명의 두 번 째 목적은 로터임펠라의 토크 하중 내성을 증대시키는 것으로서, 이 하중 때문에 임펠라와 영구자석이 플라스틱 오버몰드로 결합되어 있는 부위가 손상되는 것을 막기 위함이다. 본 발명은 이와 관련하여, i) "종단 중 일단 및/또는 타단 및/또는 축 방향 중공 면이 치차(요철) 형상으로 제작된 영구자석"을 사용하여; ii) "축 방향 하부면이 베인(vane; 임펠라의 축 방향 종단을 모두 감싸도록 형성된 평면)을 형성하고 있는 임펠라"를 플라스틱 오버몰드하여 로터임펠라를 제작하는 해결수단을 제공하며, 이에 선택적으로 추가하여 iii) 상기 "축 방향 하부면이 베인을 형성하여 임펠라를 받치고 있는 로터임펠라에의 상부면에 또하나의 베인 면(vaneplane)을 초음파 용접으로 결합시킴으로써, 로터임펠라의 토크 하중 내성을 한 층 더 강화하는 방안을 제공한다. 영구자석은 분말야금(powder metallurgy)과 매우 유사한 공정을 통하여 제작된다. 즉 분말을 압착 성형하여 소결함으로써 그 형상이 결정된다. 압착 성형이란, 성형 틀(compression mold)에 분말을 붓고 최소 수백톤의 힘을 가진 프레스로 지그시 눌러서 성형시키는 방법이다. 따라서 성형 틀에 치차 형상의 거울 형상(mirrored shape)을 형성시켜 놓으면 '치차 형상을 갖춘 영구자석'이 성형될 수 있다. 이때 샤프트 타단 및 그 주변 부위는 상기 테이퍼트 샤프트 및 액시얼 터널(액시얼 터널 하우징)방식으로 형성되어 있을 수 있다.

이와 같은 고안은, 기존 기존 PS BLDC MP에서 나타나는; 첫째, 영구자석의 매끄러운 면 위에 플라스틱을 오버몰드 하여 로터임펠라를 형성시키기 때문에 플라스틱 부위와 영구자석 사이의 결합력이 감당할 수 있는 토크 하중이 크게 제약된다는 약점; 둘째, 임펠라의 하단 전체를 감싸는 베인이 아니라 임펠라 하단의 일부만을 감싸주는 '부분 원반(圓盤)'으로는 감당할 수 있는 토크 하중이 크게 제약된다는 약점 등 두 가지의 구조적 약점을 근본적으로 극복하게 만들었다. 나아가, 선택적으로는, 상기 "축 방향 하부면이 베인을 형성하여 임펠라의 하단을 받치고 있는 로터임펠라에의 상단에 또 하나의 베인 면(vane plane)을 초음파 용접으로 결합시킴으로써, 로터임펠라의 토크 하중 내성을 한 층 더 강화하는 방안을 제공한다. 이에 의하여 오직 매우 고가의 고압 펌프에서만 사용되는 상하 2면 베인을 갖춘 임펠라를, 제조원가가 지극히 작은 PS BLDC MP 구조에 적용할 수 있게 되었다.

3) 인서트 토출구 혹은 회전결합형 흡입구에 의한 볼루트 형성

플라스틱 상부 쉘과 하부 쉘로 이루어진 PS BLDC MP의 쉘(shell)에 있어서, 압력을 증가시키는 역할을 해 주는 볼루트 관로(진행방향으로 갈수록 점점 더 관로 단면적이 증가하는 관로)를 형성하려는 시도는 지금까지 존재하지 않았다. 본 발명은 볼루트 형성을 위하여, 인서트 토출구 (outlet with an insert) 방식과 회전결합형 흡입구(thread-wound inlet module) 방식으로 이루어진, 두 가지 방법을 제공한다.

1. 인서트 토출구

인서트 토출구 방식은, 일단 토출구를 원주 접선 방향으로 전개시키고 관로를 점차 확대하는, "간이 직선형 볼루트 관로" 방식이다. 이 방식이 해결해야 하는 과제는, "내경이 작은 토출구 시작 부위의 외곽이 내경이 큰 토출구 끝 부위 외곽보다 두툼해야 튜브 등 관로를 결합할 수 있다"라는 관로 인터페이스 차원의 요구와, "플라스틱 사출의 수축현상을 제어하기 위해서는 살집 두께가 3mm를 넘으면 안 되므로 내경이 작은 토출구 시작 부위의 외곽이 토출구 끝 부위의 외곽보다 오히려 작아져야 한다"라는 플라스틱 사출 차원의 요구가 충돌하고 있다는 문제점이다. 즉 플라스틱 사출에서 일어나는 수축을 제어하기 위해서는, 관로 내경이 작은 토출구 시작 부위의 외곽이, 관로 내경이 큰 토출구 종단 부위의 외곽보다 작아져야 하는 바, 이 경우, 토출구에 튜브 등 관로를 끼워 넣게 되면, 뿌리 쪽 (토출구 시작 부위 쪽)으로 갈수록 튜브가 단단히 밀착하는 것과는 정반대로, 뿌리 쪽에서 관로가 허공에 뜨게 됨으로써, 결국 관로를 끼워넣을 수 없게 된다는 치명적 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, i) 일단 "살집 두께가 3mm를 넘지 않아야 한다"라는 플라스틱 사출의 요구를 도외시하고, 즉 토출구 시작 부위 살집 두께가 3mm를 넘는 것을 감수하고, 토출구 시작 부위의 외곽을 토출구 끝 부위보다 충분히 크게 만들어 튜브 관로를 결합하기 편하도록, 또한 토출구 내부에 끝 부분으로 올수록 관로 단면적이 확대된 볼루트 관로가 형성되도록, 가상 설계를 한 다음 ii) "토출구 시작 부위의 살집 두께가 플라스틱 사출 수축현상을 제어하기 위해서는, 내부를 어떻게 도려내야 할 것인가?"라는 관점에서 "도려내야 할 부분"을 설계하여 iii) "도려내야 할 부분"을 제외한 나머지 부분을 하나의 사출물로 제작하는 한편, "도려내야 할 부분"을 별도로 끼워넣는 삽입물로 제작하는, '별도의 인서트(insert)를 사용해서 볼루트 관로를 형성하는 방법', 즉 '인서트 토출구 방식'을 제공한다.

2. 회전결합형 흡입구 모듈(TWIM)

그런데 상기 '인서트 토출구 방식'은 매우 간편하고 경제적인 방법으로 볼루트를 형성하는 방법이기는 하지만 제대로 된 정식 나선(螺線)형 볼루트가 아니라 간이 직선형 볼루트라는 약점을 가지고 있다. 정식 나선(螺線)형 볼루트는, 도??에 나타나 있듯, 볼루트 관로가 임펠라 회전공간을 나선(螺線)형으로 감아도는 방식이다. 수두 압력이 낮고 가격이 낮은, 상대적으로 작은 PS BLDC MP에 볼루트를 형성시킬 때에는 간이 직선형 볼루트가 적합하지만, 수두압력이 높고 제조원가와 사이즈가 큰 PS BLDC MP에서는 정식 와류형 볼루트를 써야 한다. 본 발명은 사이즈가 크고, 소모전력과 수두압력이 높은 PS BLDC MP를 위해, 본 발명은 다음과 같이 나선(螺線)형 볼루트를 형성하는 '회전결합형 흡입구'(thread-wound inlet module) 방식을 제공한다.

1) 임펠라 공간을 황도면(黃道面)으로 잘라서, 하부 쉘이 임펠라 공간의 절반을 포함하도록 형성하고 상부 쉘이 (기존에는 임펠라 공간의 전체를 구성했던 데 반하여) 임펠라 공간의 절반만 포함하도록 만들며

2) 상부 쉘과 하부 쉘을 초음파 용접으로 결합하되

3) (초음파 용접이 진동 충격이 내부를 향해 집중되는 속성 때문에 상부 쉘 중심점에 존재하는 샤프트 일단 삽입 구멍 및 그 주위의 살집이 초음파 용접과정에서 파괴되는 것을 막기 위해) 상부 쉘 흡입구 및 그 중심점에 존재하는 샤프트 일단 삽입 구멍을 나사체결부(thread)가 형성되어 있는 별도의 '회전결합형 흡입구 모듈'(이하 TWIM: Thread-wound inlet module)로 만드는 한편, 상부 쉘의 중심부에는 회전결합형 흡입구 모듈을 수용하는 '나사체별부를 갖춘 실린더'(이하 '회전결합형 흡입구 모듈 수용 실린더 CATWIM Cylinder Accommodating Thread-wound inlet Module )를 형성시키며

4) 초음파 용접이 끝난 다음에 샤프트가 그 중심부 사프트 삽입구에 단단히 삽입된 상기 TWIM을 상기 CATWIM에 삽입하여 결합시키며

5) 이때 샤프트는 테이퍼드 샤프트이며 하부 쉘에는 샤프트 타단이 진입하는 액시얼 터널 (및 액시얼 터널 하우징)이 존재하며.

6) 또한 이때 선택적으로는, 로터임펠라가 상기 두번째 목적을 달성하기 위한 수단에 따라, i) "종단 중 일단 및/또는 타단 및/또는 축 방향 중공 면이 치차(요철) 형상으로 제작된 영구자석"을 사용하여; ii) "축 방향 하부면이 베인(vane; 임펠라의 축 방향 종단을 모두 감싸도록 형성된 평면)을 형성하고 있는 임펠라"를 플라스틱 오버몰드하여 회전토크 하중을 견딜 수 있는 것을 사용하며, 이에 선택적으로 추가하여 iii) 상기 "축 방향 하부면이 베인을 형성하여 임펠라를 받치고 있는 로터임펠라에의 상부면에 또하나의 베인 면(vaneplane)을 초음파 용접으로 결합시킴으로써, 로터임펠라의 토크 하중 내성이 한층 더 강화된 것일 수도 있다.

본 발명이 제공하는 CATWIM 의 원리를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. 플라스틱 쉘을 사용하는 모터펌프에 있어, 임펠라 회전공간을 감아돌며 관로가 점차 넓어졌다가 (외부 관로와의 연결을 위해) 다시 좁아지는 형상의 나선(螺線)형 볼루트를 만들 수 있는 최적의 현실적 방안은 임펠라 회전공간을 황도면을 기준으로 상부와 하부 잘라서 상하 각각에 회전공간 및 볼루트 관로의 절반 씩 형성시킨 뒤 상부 쉘과 하부 쉘을 (정원이 아니기 때문에 나사 홈을 이용한 회전결합을 하지 못 하므로) 초음파 용접으로 결합시키는 것이다. 그런데 통상 초당 15~20 kHz에 달하는 고속 초음파 진동은 물체의 안쪽으로 집중되는 속성이 있다. 물체의 바깥 쪽은 공기이며 공기는 플라스틱이나 금속에 비해 진동 전달을 현격히 가로막는 속성이 있기 때문이다. 물체의 바깥 쪽을 향하던 진동 파장은 물체 표면에 이르러 반사되어 물체 안쪽으로 파고 드는 것이다. 이 경우, '물체'란 그 중심부에 샤프트 일단 삽입 구멍을 형성하는 살집 및 그 살집과 흡입구 내벽을 연결하는 연결부를 가지고 있는 상부 쉘이 포함된다. 즉 초음파 용접의 고속 진동은 상부 쉘의 샤프트 삽입 구멍 살집 및 그 연결부에 집중되는 것이다. 그 결과 샤프트 삽입 구멍 살집 및 그 연결부가 파손된다는 치명적 문제점이 발생하는 것이다.

본 발명은 이 문제점을 해결하기 위해 1) '흡입구 및 샤프트 삽입구멍 살집 및 그 연결부'로 이루어진 부위를, 나사 홈을 가진 별도의 부품 (TWIM)으로 분리해 내고 2) 상부 쉘 중앙부에 상기 TWIM의 나사 홈과 결합하는 또 다른 나사 홈을 가진, 속이 빈 실린더 형상의 지지부(CATWIM)를 형성하여 3) 초음파 용접으로 상부 쉘과 하부 쉘을 결합시킨 다음에 4) 상기 삽입 구멍에 샤프트 일단을 단단히 삽입시킨 상기 TWIM을 상기 CATWIM에 회전결합시키는 방안을 제공한다.

본 발명이 제공하는 TWIM-CATWIM 방식의 근본 원리는 다음과 같다.

1) 상부 쉘과 하부 쉘을 초음파 용접으로 결합할 수 있어야 토출구 관로의 형상을 자유롭게 형성할 수 있다.

2) 초음파 용접은 물체 중심부를 향해 고속 진동 충격을 집중시키는 속성이 있는 바, 상부 쉘 중심부에 존재하는 샤프트 삽입구멍 살집 및 그 연결부가 초음파 용접 과정에서 파손되는것을 막기 위해서는, 샤프트 삽입구멍 살집 및 그 연결부를 별도의 TWIM 부품으로분리해 내면 된다.

3) 이로써 상부 쉘과 하부 쉘을 초음파 용접할 수 있는 길이 만들어졌으며, 상부 쉘과 하부 쉘이 나사 홈을 이용한 회전결합 매커니즘에 의해 결합하지 않게 된 만큼, 상부 쉘과 하부 쉘의 테두리 형상이 더 이상 정원(正圓)일 필요가 없게 되었다.

4) 따라서 임펠라 회전공간을 황도면을 중심으로 상부 쉘과 하부 쉘로 자르고, 임펠라 회전공간을 감아도는 나선(螺線)형 볼루트 관로를 상부 쉘과 하부 쉘에 각각 절반씩 형성한 다음, (이와 같이 설계하면, 더 이상 회전결합을 할 수 없는, '정원이 아닌 형상'이 된다) 상부 쉘과 하부 쉘을 초음파 용접으로 결합시킨 후 상기 TWIM을 회전결합 시킨다.

본 발명은 이상과 같이, 크기가 작고 제조원가가 낮아야 하는 PS BLDC MP에서는 인서트 토출구 방식으로 간이 직선 볼루트를 형성하고, 크기가 크고 제조원가가 조금 높아져도 상관없는 PS BLDC MP에 대해서는 초음파 용접을 사용하는 TWIM (회전결합형 흡입구 모듈) 방식에 의해 정식 나선(螺線) 볼루트를 제공한다.

비회전 샤프트를 특징으로 하는 PS BLDC MP는, 모터펌프 중에서 가장 단순하고 효율적인 구조를 가지고 있음에도 "샤프트 및 로터-임펠라의 회전토크 내성이 취약하고 볼루트 관로를 형성시킬 수 없다"라는 약점 때문에 이제까지 통상 10 watt 이하의 소모전력, 3미터 이하의 수두압력이 요구되는 분야에서만 적용되어 왔다. 그러나, 본 발명에 의해, 첫째, 샤프트를 양단에서 단단히 지지해 주어 로터임펠라 회전토크에 대한 샤프트의 내성이 강화되었으면서도 모터펌프를 쉽게 분해하여 유지보수할 수 있게 되었고, 둘째, 회전토크 하중에 대한 로터임펠라의 내성이 강화되었고, 셋째, 볼루트 관로를 형성시켜 압력을 높일 수 있게 됨으로써, 크기, 소모전력, 수두압력에 있어 훨씬 더 강력한 힘을 발휘하는 분야에 쓰일 수 있게 되었다. 바꾸어 표현하면 (비회전 샤프트 방식의 PS BLDC MP)에 비하여 엄청난 고가의 모터펌프에서 사용되는 베인 임펠라 및/또는 볼루트 관로를 갖춘, 강력하면서도 제조원가가 수분의 일로 줄어든 모터펌프를 제작할 수 있게 된 것이다.

Claims (1)

1. 샤프트와 로터임펠라의 토크 내성(耐性) 강화 및 볼루트를 형성하는 비회전 샤프트 구조의 플라스틱 쉘 BLDC 모터펌프.

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