KR20200054971A - 엔진 시스템용 솔레노이드 작동식 진공 펌프와 이를 구비한 시스템 - Google Patents

엔진 시스템용 솔레노이드 작동식 진공 펌프와 이를 구비한 시스템 Download PDF

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키이스 햄프턴
제임스 에이치. 밀러
데이비드 이. 플레처
브라이언 엠. 그레이첸
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데이코 아이피 홀딩스 엘엘시
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Abstract

터보차지 엔진용 시동-정지 엔진 시스템은 압축기의 상류 또는 압축기의 하류에서 스로틀과 엔진 사이의 위치로 유체 흐름을 갖는 바이패스를 갖거나, 또는 압축기와 스로틀 사이에서 압축기의 상류의 위치로 바이패스 내에 벤투리 장치를 가진다. 진공이 필요한 장치는 벤투리 장치의 흡입 포트와 유체 소통한다. 진공이 필요한 장치 또는 벤투리 장치와 유체 소통하는 전자식 진공 펌프가 추가된다. 전자식 진공 펌프는 시동-정지 엔진의 정지 조건에서 작동하여 벤투리 장치에 의해 생성된 진공을 대체하거나 벤투리 장치에 걸쳐 압력 강하를 제공하여 벤투리 장치가 진공이 필요한 장치에 대해 계속해서 진공을 생성하게 한다.

Description

엔진 시스템용 솔레노이드 작동식 진공 펌프와 이를 구비한 시스템
관련 출원
본 출원은 2017년 9월 21일자로 출원된 미국 가출원 제62/561,249호의 이익을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 진공을 필요로 하는 장치에 의해 사용하기 위한 진공의 생성을 보조하기 위해 엔진에서 사용하기 위한 전기적으로 작동 가능한 진공 펌프, 보다 구체적으로는 피스톤을 가진 진공 펌프와 이를 가진 엔진 시스템에 관한 것이며, 상기 피스톤은 순응성(compliant) 재료 및 피스톤을 고유 주파수(natural frequency)로 움직이는 동일한 하우징 내의 솔레노이드 조립체에 끌릴 수 있는 자성 재료로 이루어진다.
연비 개선, 엔진 소형화, 시동-정지 엔진 기술, 및 자동차에서 디젤 기술의 사용에 대한 요구는 차량 시스템(들) 예를 들면 브레이크 부스트 시스템을 동작시키기 위한 진공의 유용성을 감소시키는 몇 가지 요인을 초래했다. 기존의 전기 진공 펌프는 크고 비싸며 비효율적이다.
따라서, 엔진 시스템의 진공원을 콤팩트하고, 저렴하며, 보다 효율적인 진공 펌프로, 특히 엔진이 꺼졌을 때, 즉 차량 엔진이 타성 주행(coasting), 정지등 또는 정지 신호에서, 또는 브레이크를 작동할 때 시동-정지 엔진을 위한 진공을 생성하는 진공 펌프로 보충하거나 완전히 교체할 필요가 있다.
도 1은 전기 작동식 진공 펌프의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 피스톤 지지부재 및 자성 재료 판의 확대된 분해 정면도이다.
도 3은 도 1의 전기 작동식 진공 펌프에서 체크 밸브들 중 하나의 정면 사시도이다.
도 4는 도 1의 조립된 진공 펌프의 세로 단면도이다.
도 5는 전기 작동식 진공 펌프-벤투리 장치(Venturi device) 조립체의 측면 사시도이다.
도 6은 도 5의 진공 펌프-벤투리 장치 조립체의 세로 단면도이다.
도 7은 전기 작동식 진공 펌프의 제2 실시 예의 세로 단면도이다.
도 8은 전기 작동식 진공 펌프를 포함하는 엔진 시스템의 제1 실시 예의 개략도이다.
도 9는 전기 작동식 진공 펌프를 포함하는 엔진 시스템의 제2 실시 예의 개략도이다.
도 10은 전기 작동식 진공 펌프를 포함하는 엔진 시스템의 제4 실시 예의 개략도이다.
다음의 상세한 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 설명할 것이며, 그 예들은 첨부 도면에 추가로 도시되어 있다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 가리킨다.
본 명세서에 사용된 "유체"는 임의의 액체, 현탁액, 콜로이드, 가스, 플라즈마 또는 이들의 조합을 의미한다.
도 1 및 도 4는 전기 작동식 진공 펌프(10)의 상이한 관점을 도시한다. 진공 펌프(10)는 엔진, 예를 들어 차량의 엔진에서 장치에 진공을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 도 1에서, 진공 펌프(10)는 진공 필요 장치(102)에 연결되고, 진공 펌프(10)는 솔레노이드 조립체(16)에 대한 피스톤(14)의 이동에 응답하여 하우징(12)을 통한 공기의 흐름에 의해 상기 장치(102)를 위한 진공을 생성한다. 하우징(12)은 함께 밀착 결합하여 캐비티(20)를 형성하는 두-부분 구조(예를 들어 제1 섹션(a) 및 제2 섹션(b))이다. 일 실시 예에서, 하우징(12)의 제1 섹션(a) 및 제2 섹션(b)은 플라스틱 용접 공정을 사용하여 함께 고정적으로 결합된 플라스틱 사출 성형된 부품일 수 있다. 캡(12b)은 캐비티(20) 내로 돌출하고, 진공 펌프의 동작 동안 유체 흐름을 향상시키기 위해 캐비티의 내부 표면을 한정하는 표면 내로 오목한 채널(13)을 갖는다.
캐비티(20)는 외부 환경과 캐비티 사이의 유체 소통을 위한 복수의 구멍(22)을 한정한다. 하우징(12)의 캐비티(20) 내에는 제1 솔레노이드 조립체(16) 및 피스톤(14)이 수용된다. 피스톤(14)은 자성 재료 판(40)에 의해 밀봉식으로 폐쇄된 제1 단부(32)를 갖고 상기 하우징에 밀봉식으로 접속된 제2 단부(34)를 가지는 탄성 지지부재(30)를 포함하며, 이에 의해 하우징(12)의 캐비티(20)를 피스톤(14)의 대향하는 측면 상에 제1 챔버(18) 및 제2 챔버(19)로 분할한다. 복수의 구멍 중 2개(22')가 제1 챔버(18)와 유체 소통하는데, 그 중 한 구멍(22'a)은 대기(ATM)와 유체 소통하기 위한 것이고 다른 구멍(22'o)은 엔진의 동작 시스템(operating system)(진공 필요 장치(102))과 유체 소통하기 위한 것이며, 복수의 구멍 중 다른 2개(22")는 제2 챔버(19)와 유체 소통하는데, 그 중 한 구멍(22"a)은 대기(ATM)와 유체 소통하기 위한 것이고 다른 구멍(22"o)은 동작 시스템(진공 필요 장치(102))과 유체 소통하기 위한 것이다. 피스톤(14)은 솔레노이드 조립체(16)로의 자성 끌림을 위한 작동 가능한 범위 내에 자성 재료 판(40)을 배치하도록 캐비티(20) 내에 위치된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 진공 펌프는 구멍(22'o 및 22"o)을 둘러싸는 위치에서 외부로부터 돌출된 제1 목부(24)를 갖는다. 일단 조립되면, 캡(26)은 제1 목부(24)에 밀봉 결합되어 복수의 곁방(28)을 한정하며, 각각은 복수의 구멍(22'o 및 22"o) 중 하나와 각각 유체 소통한다. 캡(26)은 곁방(28')을 통해 구멍(22'o)과 유체 소통하기 위한 제1 구멍(52)과, 곁방(28")을 통해 구멍(22"o)와 유체 소통하기 위한 제2 구멍(54)을 갖는다. 곁방(28)과 함께 체크 밸브(50)가 배치된다. 체크 밸브(50)는 하우징(12)과 캡(26) 사이에 배치되는데, 제1 구멍(52)과 제2 구멍(54)을 각각 밀봉하여 덮도록 캡(26)에 대응하여 장착되며, 각각은 압력 변화에 응답하여 독립적으로 움직일 수 있는 재료의 플랩(flap)을 구비한다.
상기 진공 펌프는 구멍(22'a, 22"a)을 둘러싸는 위치에서 그 외부로부터 돌출 하는 제1 목부(25)를 갖는다. 일단 조립되면, 목부(25)는 캡(27)에 밀봉 결합되어, 복수의 구멍(22'a, 22"a) 중 하나와 각각 유체 소통하는 복수의 곁방(29)을 한정한다. 캡(27)은 곁방(29')을 통해 구멍(22'a)과 유체 소통하기 위한 제 1 구멍(62)과, 곁방(29)을 통해 구멍(22"a)과 유체 소통하기 위한 제2 구멍(64)을 갖는다. 곁방(29)과 함께 체크 밸브(60)가 배치된다. 체크 밸브(60)는 하우징(12)과 캡(27) 사이에 장착되는데, 구멍(22'a, 22"a)을 밀봉하여 덮도록 하우징(12)의 외부에 대응하여 장착되며, 각각은 압력 변화에 반응하여 독립적으로 움직일 수 있는 재료의 플랩을 갖는다.
도 3을 참조하면, 체크 밸브(50)는 아래에서 보다 상세하게 설명되며, 이는 체크 밸브(60)에 동일하게 적용될 수 있다. 체크 밸브(50)는 세장형 부재로서, 제1 단부(91) 및 제2 단부(92)를 가지며 이 단부들 사이에 관통하는 개구(90)가 중앙에 위치되어 있다. 제1 단부(91)와 개구(90) 사이의 체크 밸브(50)의 부분은 제1 플랩(94)을 형성하고, 제2 단부(92)와 개구(90) 사이의 체크 밸브(50)의 부분은 제2 플랩(96)을 형성한다. 체크 밸브(50)의 제1 플랩(94) 및 제 2 플랩(96)은 적어도, 구멍(22'o)과 구멍(22"o)에 대응하여 장착될 때 구멍들을 각각 밀봉하지만 압력 변화에 응답하여 구멍들로부터 멀리 구부러져 유체를 통과시킬 수 있는 유연하고 구부러질 수 잇는 재료로 만들어진다. 플랩(94, 96)은 시스템 내 압력 변화에만 기초하여 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 구부러지도록 작동 가능하다. 플랩을 보조하기 위한 스프링, 코일 스프링 등이 없다. 체크 밸브의 개구(90)는 돌출부(91)(도 1 참조)를 수용하도록 크기 및 형상을 가지며, 이것은 제1 목부(24)의 구멍(22'o, 22"o) 사이에 위치되는데, 제1 및 제2 플랩(94, 96)이 구멍(22'o, 22"o)을 덮도록 체크 밸브(50)을 위치시킨다.
보다 상세하게 볼 수 있는 도 1을 참조하면, 피스톤(14)은 자성 재료 판(40)과 탄성 지지부재(30)를 포함한다. 자성 재료 판(40)은 탄성 지지부재(30)의 제1 단부(32)의 특징부를 밀봉 수용하기 위해 그 면 또는 면들에 오목부(42)를 갖는다. 상기 자성 재료 판은 연자성 재료(soft magnetic material) 내지 영구 자석 재료로 제조된 와셔일 수 있다. 와셔는 영구 자성을 형성하기 위해 제조 중에 자기장에 노출될 수 있다. 탄성 지지부재(30)는 캐비티(20) 내부 하우징의 내부면을 밀봉식으로 맞물리도록 제2 단부(34)에 플랜지(flange) 또는 비드(bead)와 같은 특징부(36)를 포함한다. 탄성 지지부재(30)의 재료는, 솔레노이드 조립체(16)를 향해 자성 재료 판을 편향시키는 스프링 특성을 갖고, 캐비티(20)를 제1 및 제2 챔버(18, 19)로 밀봉식으로 세분하기 위한 밀봉 특성을 가지며, 솔레노이드가 활성화되어 상기 자성 재료 판을 끌어 당길 때 솔레노이드 조립체(16)를 향해 연장될 수 있는 탄성 특성을 가질 수 있다. 탄성 지지부재(30)는 벨로우즈 형상일 수 있고 도면에 도시된 바와 같이 환형일 수 있다.
이제 도 1 내지 도 4을 참조하며, 솔레노이드 조립체(16)는 권선(74)을 수용하는 보빈(72)이 배치되는 캐비티(71)를 내부에 한정하는 자성 재료의 코어(70)를 포함한다. 이 예시적인 실시 예에서, 코어(70)는 세로 단면에서 볼 때(도 4 참조) 일반적으로 E 형상일 수 있지만, 3 차원에서 코어(230)는 플레이트(75)로부터 동일한 방향으로 연장되는 외부 지름 링(76) 및 내부 지름 포스트(78)를 가지며, 이에 한정되지는 않는다. 외부 지름 링(76)과 내부 지름 포스트(78) 사이에 형성된 캐비티(71) 내에는 전류를 전달할 수 있는 와이어의 권선(74)을 수용하는 보빈(72)이 배치된다. 일 실시 예에서, 보빈(72)은 플라스틱으로 구성될 수 있고, 플라스틱 사출 성형 공정에 의해 제조될 수 있다. 플라스틱 사출 성형 공정이 설명되었지만, 보빈을 제조하기 위해 다른 접근법 및 재료가 사용될 수도 있음을 이해해야 한다. 도 4에 도시된 보빈(72)은 내부 지름 포스트(78)를 내부에 수용한 중심 보어(79)를 한정하고 반경 방향 외측으로 대향 캐비티(80)를 한정하는 환형 링으로서, 세로 방향 단면에서 볼 때 보빈의 각 절반에 대해서 일반적으로 C-형상 단면을 갖는다. 권선(74)은 예를 들어 구리 배선과 같은 전류를 운반하기 위한 임의의 유형의 와이어일 수 있다. 권선(74)은 진공 펌프가 위치되는 엔진 제어 모듈과 같은 엔진의 시스템 또는 회로 보드에 연결하기 위해 단자(도시되지 않음)에 또는 하우징(12)을 통해 연장되는 와이어 또는 전기 연결부에 전기적으로 연결된다. 상기 시스템 또는 회로 보드(도시되지 않음)는 솔레노이드 조립체(16)를 작동시키기 위한 회로를 포함한다.
진공 펌프(10)는 캡(27)의 대기(ATM) 측에 밀봉 결합된 커버(82)를 포함할 수 있다. 커버(82)는, 존재할 때, 구멍(62, 64)을 먼지 및 부스러기로부터 보호한다. 커버(82)는 진공 펌프가 여전히 대기와 소통할 수 있도록 복수의 구멍(83)을 한정한다. 진공 펌프(10)는 캡(26)의 작동 측에 밀봉 결합된 어댑터(84)를 포함할 수 있다. 어댑터(84)는 유체-밀봉을 위한 호스 또는 튜브(도시되지 않음)를 밀봉 결합하기 위한 밀봉 특징부(87)를 갖는 도관(86)을 포함하며, 이는 진공 펌프(10)를 진공 필요 장치(102)와 같은 엔진의 동작 시스템에 연결할 수 있다.
동작 시에, 솔레노이드 조립체(16)가 활성화되고 자성 재료 판(40)이 거기에로 끌릴 때 배기 조건(exhaust condition )이 발생한다. 여기서, 제1 챔버(18) 내의 유체(공기)는 압축되어 구멍(22'a, 52)에서 체크 밸브 플랩에 힘을 가한다. 구멍(52)에서, 체크 밸브 플랩은 압력이 그것을 캡(26)에 대해 누를 때 닫힌 상태로 유지된다. 반대로, 구멍(22'a)에서, 체크 밸브 플랩은 압력에 의해 개방되어, 제1 챔버로부터 공기를 배출시킨다. 이 배기 조건 동안, 제2 챔버(19) 내의 유체(공기)는 팽창할 수 있고, 그 안의 압력을 감소시킨다. 이와 같이, 구멍(22"a)의 체크 밸브 플랩은 하우징(12)의 외부에 대해 폐쇄된 상태로 유지되고, 구멍(54)의 체크 밸브 플랩은 하우징(12)의 외부를 향해 플랩을 곁방(28") 내로 밀어 넣을 만큼 어댑터(84)와 제2 챔버(19) 사이에 충분한 압력 차이가 있는 경우 개방될 수 있으며, 이는 진공이 필요한 장치를 갖는 동작 시스템에 연결되어 있기 때문에 가능하지 않다.
그 후, 솔레노이드 조립체(16)가 비활성화 될 때, 즉 전류가 권선(74)으로 흐르지 않을 때, 자성 재료 판(40)은 솔레노이드 조립체로부터 멀어져서 흡인 조건(intake condition)을 생성한다. 여기서, 제2 챔버(19) 내의 유체(공기)는 압축되고, 유체(공기)는 어댑터(84) 내부의 압력보다 더 낮은 압력을 갖도록 미리 배기된 제1 챔버(18) 내로 흡인된다. 이와 같이, 구멍(52)의 체크 밸브 플랩은 개방되어 어댑터로부터 제1 챔버 내로 공기를 끌어 당기고 구멍(22'a)의 체크 밸브 플랩은 대기압에 의해 폐쇄된 상태로 유지되어 체크 밸브 플랩을 하우징의 외부에 대해 유지하도록 작용한다. 유체(공기)가 제2 챔버(19) 내에서 압축될 때, 압력은 구멍(54)의 체크 밸브 플랩을 캡(26)에 대해 유지, 즉 폐쇄하며, 대기와 제2 챔버(19) 사이의 압력 차이가 유체가 플랩을 도관(29") 내로 밀어 넣기에 충분하다면(여기서, 제2 챔버 내의 압력은 대기보다 더 크다), 구멍(22"a)의 체크 밸브 플랩은 개방될 수 있다.
흥미롭게도, 진공 펌프(10)는, 피스톤(14)의 자성 재료 판(40)이 공명 상태로 배치될 수 있고, 반복적이고 연속적인 진공 발생을 위해 배기 위치와 흡인 위치 사이에서 반복적으로 튀어 오를 수 있는 구조를 갖는다. 이러한 공명을 달성하기 위해, 솔레노이드 조립체(16)는, 탄성 지지부재(30)의 공명 시의 진동이 자성 재료 판(40)을 이동시켜 진공을 발생시키도록 고유 주파수에서 탄성 지지부재(30)를 여기시키는 펄스 변조를 사용하여 작동된다. 이와 같이, 솔레노이드 조립체로의 낮은 에너지 입력으로, 예상보다 높은 진공 출력이 생성된다. 상기 펄스 변조는, 그것이 고유 주파수에서 탄성 지지부재(30)를 여기하여 솔레노이드의 단순한 온/오프 사이클링이 생성할 수 있는 것보다 탄성 지지부재의 더 많은 선형 이동을 생성할 수 있다면, 펄스 진폭 변조, 펄스 폭 변조, 또는 펄스 위치 변조일 수 있다. 진공 펌프(10)는 많은 장점을 갖는다: 소형이고, 효율적이며, 제조하기에 적당하며, 작업자 또는 시스템이 동일한 것을 요구할 때마다 진공을 필요로 하는 장치에 적절한 진공 레벨을 보장하도록 전기적으로 제어 가능하다. 진공 펌프는 높은 흡입 진공 및 높은 유량을 제공하며, 공명 조건에서 작동될 수 있다. 일 실시 예에서, 사이클 당 5 cm3의 유체를 이동시킬 수 있다. 또한 전기와 만드는 데 사용되는 재료도 매우 효율적이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 진공 펌프(10)는 본 명세서에서 참조 번호 '100'으로 식별되고 진공 펌프-벤투리 장치 조립체로 지칭되는 벤투리 장치(100)의 배출 포트(discharge port)(112)에 일체화되거나 연결된 어댑터(84)를 갖는다. 진공 펌프-벤투리 장치 조립체(100)는 엔진 예를 들어 차량의 내연 기관에서 진공 필요 장치에 의해 사용되는 진공을 제공하기 위해 사용된다. 상기 진공 필요 장치는 차량 브레이크 부스트(brake boost) 장치, 터보차저 웨이스트 게이트(turbocharger waste gate) 액추에이터, 가열 및 환기 액추에이터, 드라이브라인(driveline) 액추에이터(예를 들어, 4륜 구동 액추에이터), 연료 증기 정화 시스템(purging system), 엔진 크랭크케이스 환기, 연료 시스템 누출 시험 시스템, 자동 변속기 및/또는 공기 조화기. 여기에 식별된 엔진의 특정 구성 요소들을 나타내기 위해 포함된 몇몇 박스를 제외하고 엔진 및 모든 그 구성 요소 및/또는 서브시스템들은 도면에 도시되어 있지 않지만, 엔진 구성 요소들 및/또는 서브시스템은 차량 엔진에서 일반적으로 발견되는 모든 것을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 도면의 실시 예는 일반적으로 벤투리 장치를 갖는 것으로 언급되지만, 벤투리 장치는 모티브 포트(motive port)가 대기압에 연결될 때 "애스퍼레이터(aspirator)"로서 또는 모티브 포트가 부스트 압력(예를 들면, 터보차저에 의해 생성된 부스트 공기로 인한 압력)에 연결될 때 "이젝터(ejector)"로서 지칭될 수 있다.
진공 펌프-벤투리 장치 조립체(100)는 도시된 바와 같이 상부 하우징(104) 및 하부 하우징(106)으로 구성된 하우징(101)과 진공 펌프(10)를 포함한다. 상부 및 하부의 명칭은 페이지에서 배향된 도면에 관한 것이며 여기서는 설명을 위해 각각 오른쪽 및 왼쪽을 지칭하고 엔진 시스템에서 이용되는 경우 그런 방향으로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 상부 하우징(104)은 음파 용접, 가열 또는 사이에 기밀 밀봉을 형성하기 위한 다른 종래의 방법에 의해 하부 하우징(106)에 결합된다.
도 6을 참조하면, 하부 하우징(106)은 복수의 포트를 포함하는 통로(144)를 한정하며, 이들 포트 중 일부는 엔진의 구성 요소들 또는 서브시스템들에 연결될 수있다. 상기 포트는: (1) 모티브 포트(108); (2) 흡입 포트(suction port)(110); (3) 배출 포트(112); 및 선택적으로, (4) 공동 소유인 미국 특허 9,534,704에 도시된 바이패스 포트를 포함한다. 체크 밸브는 유체가 바람직하지 않은 방향으로 흐르지 않도록 이들 포트의 어느 것의 하류 또는 상류에 배치될 수 있다. 여기서, 하부 하우징(106)의 흡입 포트(110) 및 상부 하우징(104)의 연결부(150)는 챔버(166)를 형성하고 부유하는 판형 밀봉 부재(136)를 이용하여 체크 밸브를 집합적으로 형성한다. 하부 하우징(106)은 상기 챔버 내로 상향 연장되는 복수의 반경 방향으로 이격된 핑거(134)를 포함하는 챔버(166) 내에 하부 밸브 시트(124)를 한정한다. 반경 방향으로 이격된 핑거(134)들은 밀봉 부재(136)를 개방 위치에서 지지한다.
하부 하우징(106)의 통로(144)는, 발산하는 즉 더 작은 치수의 입구 단부(186)로부터 더 큰 치수의 출구 단부(189)로 점진적으로 연속해서 테이퍼지는 배출 섹션(181)의 제2 테이퍼링 부분(183)(본 명세서에서 배출 콘이라고도 함)을 향해 수렴하는 모티브 섹션(180)의 제1 테이퍼링 부분(182)(본 명세서에서 모티브 콘이라고도 함)을 포함하는 중심 세로축을 따라 내부 치수를 가진다. 여기서, 제1 테이퍼링 부분(182)과 제2 테이퍼링 부분(183)은 단대단 정렬되지만(모티브 섹션(180)의 출구 단부(184)가 배출 섹션(181)의 입구 단부(186)에 연결됨), 선형 거리로 이격되어서 벤투리 갭(185)을 형성한다. 벤투리 갭(185)은 챔버(166)와 유체 소통하고 모티브 섹션(180)의 출구 단부(184) 및 배출 섹션(181)의 입구 단부(186)는 챔버(166) 내로 연장된다. 챔버(166)는 출구 단부(184) 및 입구 단부(186)의 아래 및 주위에서 연장된다. 또한, 반경 방향으로 이격된 핑거(134)들은 출구 단부(184) 및 입구 단부(186)의 아래 및 주위로 유체 흐름을 가능하게 하는 개구들을 그들 사이에 가진다.
입구 단부(188, 186) 및 출구 단부(184, 189)는 임의의 원형, 타원형 또는 어떤 다른 다각형 형태일 수 있으며, 그로부터 연장되는 점진적으로 연속해서 테이퍼지는 내부 치수는 쌍곡선 또는 원뿔을 한정하지만 이에 한정되지 않는다. 모티브 섹션(180)의 출구 단부(184) 및 배출 섹션(181)의 입구 단부(186)에 대한 몇몇 예시적인 구성은 미국 특허출원 일련번호 제14/294,727호(2014년 6월 3일 출원)에 제시되어 있으며, 이 문헌의 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다. 제2 테이퍼링 부분(183)은 또한 제2 테이퍼링 부분의 출구 단부(189)에 근접한 바이패스 포트와의 접합점을 형성할 수 있다.
여전히 도 6을 참조하면, 상부 하우징(104)은 그 길이를 따라 연장하는 통로(146)를 한정하고 복수의 포트를 한정하며, 이들 포트 중 일부는 엔진의 구성 요소들 또는 서브시스템들에 연결될 수 있다. 상기 포트는: (1) 연결부(150)(챔버(166)의 입구 포트를 한정함); 및 (2) 진공 필요 장치(102)에 연결 가능한 제2 포트(154) . 상부 하우징(104)은 상부 밸브 시트(125)를 포함한다. 여기서, 챔버(166) 내로 돌출하는 한 쌍의 동심 환형 비드가 상부 밸브 시트(125)를 형성하고 핀(164)은 챔버(166) 내에서 밀봉 부재(136)의 이동을 위한 가이드로서 챔버(166) 내로 하향 연장된다. 따라서, 밀봉 부재(136)는, 핀(164)을 수용하기 위한 크기를 갖고 위치 설정된 관통하는 구멍(bore)을 포함한다.
동작 시, 진공 펌프(10)는 전술한 바와 같이 작동하고 흡인 조건 동안, 모티브 섹션(180)으로부터 배출 섹션(181)을 향해 벤투리 장치(101)를 통한 유체 유동을 끌어 당기고, 그에 의해 상부 하우징(104) 및 벤투리를 통해 흡입을 유도하여 진공 필요 장치(102) 내에 진공을 생성한다.
도 7을 참조하면, 진공 펌프의 제2 실시 예가 도시되어 있으며 '210'로 지칭된다. 진공 펌프(210)는 도 1 내지 도 4의 진공 펌프(10)와 유사하게 구성되지만, 하우징(212)과 밀봉 결합하여 피스톤(14)을 사이에 두고 제1 솔레노이드 조립체(16)에 대향하는 제2 솔레노이드 조립체(216)를 갖는다. 하우징(212)은 진공 펌프(10)에 대해 위에서 설명한 바와 같이 권선(272)으로 채워진 보빈(271)을 수용하는 코어(270)를 갖는 제2 솔레노이드 조립체를 위한 공간을 만들기 위해 다르게 형성될 것이다. 하우징(212)은 외부 환경과 캐비티(220) 사이의 유체 소통을 위한 복수의 구멍(22)을 구비하며, 피스톤(14)(탄성 지지부재(30) 및 자성 재료 판(40))은 제1 챔버(218) 및 제2 챔버(219)로 분할된다. 제1 및 제2 챔버(218, 219)는 진공 펌프(10)보다 큰 부피를 가질 것이다. 복수의 구멍(222') 중 2개는 제1 챔버(218)와 유체 소통하고, 한 구멍(222'a)은 대기(ATM)와 유체 소통하기 위한 것이고, 다른 구멍(222'o)은 엔진(진공 필요 장치(102))의 동작 시스템과 유체 소통하기 위한 것이며, 복수의 구멍(222") 중 다른 2개는 제2 챔버(219)와 유체 소통하고, 그 중 한 구멍(222"a)은 대기(ATM)와 유체 소통하기 위한 것이고 다른 구멍(222"o)는 동작 시스템(진공 필요 장치(102))과 유체 소통하기 위한 것이다. 피스톤(14)은 솔레노이드 조립체(16) 및 제2 솔레노이드 조립체(216)로의 자성 끌림을 위한 작동 가능한 범위 내에 자성 재료 판(40)을 배치하도록 캐비티(220) 내에 위치된다.
진공 펌프(10)에 대해 위에서 논의된 바와 같이, 진공 펌프(210)는, 캡(도시되지 않음)에 밀봉 결합될 때 하우징(212)의 외부에 대응하여 장착된 체크 밸브를 수용하는 복수의 곁방을 형성하여 구멍들(222', 222")을 폐쇄하는 제1 목부(225)와, 어댑터(도시되지 않음)에 밀봉 결합될 때 상기 어댑터에 대응하여 장착된 체크 밸브를 수용하는 복수의 곁방을 형성하여 상기 어댑터의 구멍들을 폐쇄하는 제2 목부(226)를 가진다. 동작 시, 자성 재료 판(40)이 제2 솔레노이드 조립체에 의해 제1 솔레노이드 조립체(16)로부터 멀리, 도 7의 좌측으로 이동할 때, 흡인 조건은 진공 펌프(10)에서와 같이 222'o를 통해 동작 시스템으로부터 제1 챔버(218) 내로 공기를 끌어 당기지만, 추가로, 제2 챔버의 구멍(222"a)의 체크 밸브 챔버가 개방될 것이다. 그 후, 진공 펌프(10)의 "배기 조건"에서, 자성 재료 판(40)이 제1 솔레노이드 조립체(16)로 끌어 당겨질 때, 구멍(222'a) 및 구멍(222"o)의 체크 밸브가 개방될 것이다. 따라서 두 조건 모두에서 동작 시스템으로부터 유체(공기)의 흡인이 일어난다. 이 결합된 작용은 진공 펌프(10)와 비교하여 진공 펌프(210)의 공기 유량을 두 배로 제공한다. 이 실시 예에서, 자성 재료 판에 대한 공명 조건은 두 솔레노이드 조립체(16, 216) 사이에서 가능하다.
이제 도 8을 참조하면, 진공 펌프(10)는 도시된 바와 같이 엔진 시스템(200)에 연결되는데, 이 엔진은 바람직하게는 시동-정지 엔진이다. 엔진 시스템(200)은 대기에 연결된 에어 필터 또는 클리너(202)를 포함하고, 엔진(208)에 부스트 압력을 보내는 압축기(206)를 갖는 터보차저(204)를 포함한다. 압축기(206)와 엔진(208) 사이에는 스로틀(throttle(210)과 충전 공기 냉각기(CAC: charge air cooler)(212)가 있으며, 충전 공기 냉각기는 스로틀(210)의 상류에 있다. 엔진 시스템(200)은 또한 스로틀(210)을 바이패스(bypass)하기 위한 2개의 옵션을 갖는다. 옵션 1은 압축기(206)의 상류에서 시작하는 스로틀(210)의 바이패스(경로 A)이다. 옵션 2는 압축기(206)의 하류에서 시작하는 스로틀(210)의 바이패스(경로 B)이다. 바이패스 A 또는 B 내에는 자동 차단 밸브(ASOV: automated shut off valve)(216)에 의해 제어되는, US 9,827,963, US 9,534,704, 및 US 10,024,458에 기재된 벤투리 장치와 같은 벤투리 장치(214)가 존재하며, 상기 자동 차단 밸브는, 경로 A가 선택되면 상기 벤투리 장치(214)를 애스퍼레이터로서 작동시키고, 경로 B가 선택되면 벤투리 장치(214)를 이젝터로서 작동시킨다. 여기서, 벤투리 장치(214)는 진공을 필요로하는 장치로서 브레이크 부스트 시스템(218)에 연결되는 것으로 도시되어 있으며, 여기에 설명된 전기 작동식 진공 펌프(10)는 벤투리 장치의 흡입 포트(220)와 동일한 브레이크 부스트 시스템(218)의 포트에 연결되어 벤투리 장치에 의해 제공되는 진공에 대한 보충 또는 대체로서 브레이크 부스트 시스템(218)에 진공을 제공한다. 특히, 진공 펌프(10)는 브레이크 부스트 시스템(218) 또는 엔진(208)이 작동하지 않을 때 즉 엔진의 시동-정지 사이클의 정지 조건(stop condition)에 있을 때 연결될 수 있는 진공을 필요로 하는 임의의 다른 장치에 진공을 공급하도록 작동 가능하다.
이제 도 9를 참조하면, 진공 펌프(10)는 도시된 바와 같이 엔진 시스템(300)에 연결되는데, 이 엔진은 바람직하게는 시동-정지 엔진이다. 엔진 시스템(300)은 대기에 연결된 공기 필터 또는 클리너(302), 엔진(308)에 부스트 압력을 전달하는 압축기(306)를 갖는 터보차저(304)를 포함한다. 압축기(306)와 엔진(308) 사이에는 스로틀(310)과 충전 공기 냉각기(312)가 있으며, 충전 공기 냉각기는 스로틀(310)의 상류에 있다. 엔진 시스템(300)은 또한 스로틀(310)을 바이패스하기 위한 2개의 옵션을 갖는다. 옵션 1은 압축기(306)의 상류에서 시작하는 스로틀(310)의 바이패스(경로 A)이다. 옵션 2는 압축기(306)의 하류에서 시작하는 스로틀(310)의 바이패스(경로 B)이다. 바이패스 A 또는 B 내에는 자동 차단 밸브(ASOV)(216)에 의해 제어되는, US 9,827,963, US 9,534,704, 및 US 10,024,458에 기재된 벤투리 장치와 같은 벤투리 장치(314)가 존재하며, 자동 차단 밸브는, 경로 A가 선택되면 벤투리 장치(314)를 애스퍼레이터로서 작동시키고, 경로 B가 선택되면 벤투리 장치(314)를 이젝터로서 작동시킨다. 여기서, 벤투리 장치(314)는 진공을 필요로 하는 장치로서 브레이크 부스트 시스템(318)에 연결되는 것으로 도시되어 있으며 본 명세서에 기술된 전기 작동식 진공 펌프(10)는 벤투리 장치(314)의 배출 포트(322)에 연결되어 진공 펌프(10)의 흡인 조건 동안 벤투리 장치(314)에 의해 진공을 발생시키며, 상기 흡인 조건은 엔진이 작동하지 않을 때, 즉 엔진의 시동-정지 사이클의 정지 조건에 있을 때 발생하도록 설정되어, 진공이 계속해서 생성되어 브레이크 부스트 시스템(318) 또는 이를 대체하는 다른 진공 필요 장치에 제공하게 된다. 이 구성에서, 바이패스 A 및 B는 또한 엔진(308)과 벤투리 장치(314)의 배출 포트(322) 사이에 체크 밸브(324)를 포함하며, 이것은 유체가 벤투리 장치(314)를 통해 잘못된 방향으로 흐르는 것을 방지한다.
이제 도 10을 참조하면, 진공 펌프(10)는 도시된 바와 같이 엔진 시스템(400)에 연결되는데, 이는 바람직하게는 시동-정지 엔진이다. 엔진 시스템(400)은 대기에 연결된 공기 필터 또는 클리너(402), 엔진(408)에 부스트 압력을 보내는 압축기(406)를 갖는 터보 차저(404)를 포함한다. 압축기(406)와 엔진(408) 사이에는 스로틀(410)과 충전 공기 냉각기(412)가 있으며, 충전 공기 냉각기(412)는 스로틀(410)의 상류에 있다. 엔진 시스템(400)은 압축기(406)에 대한 제1 바이패스(401)를 가지며, 이것은 압축기(406)의 하류이지만 스로틀의 상류에서 시작하여, 도 10의 실선 화살표의 유로에 의해 표현된 바와 같이, 공기를 압축기(406)의 상류 위치(415)로 복귀시킨다. 제1 바이패스(401) 내에는, 자체 내부의 바이패스를 갖거나 갖지 않는 US 9,827,963, US 9,534,704, 및 US 10,024,458의 벤투리 장치와 같은 벤투리 장치(414)와, 압축기의 상류 복귀 위치(415)와 벤투리 장치(414) 사이의 체크 밸브(426)가 있다. 벤투리 장치(414)는 브레이크 부스트 캐니스터, 연료 정화 캐니스터, 크랭크 케이스 환기 시스템 등일 수 있는 진공 필요 장치(418)와 유체 소통하는 흡입 포트(420)를 갖는다.
여전히 도 10을 참조하면, 추가로, 엔진 시스템(400)은 스로틀(410)의 바이패스인 제2 바이패스(403)를 가지며, 이는 스로틀의 상류 측(430)에서 스로틀의 하류 측(432)까지의 바이패스이다. 제2 바이패스(403)는 벤투리 장치(414)를 포함하는 제1 바이패스(401)의 공통 부분(405)을 공유한다. 제2 바이패스(403)는 벤투리 장치(414)와 바이패스의 하류 측(432) 사이에 위치된 체크 밸브(434)를 가지며 여기서 설명된 진공 펌프(10)는 체크 밸브(434)의 상류 벤투리 장치(414)의 배출 포트(422)에 연결된다. 여기서, 벤투리 장치(414)는 진공 필요 장치(418)에 연결된 것으로 도시되어 있고, 전기 작동식 진공 펌프(10)는 진공 펌프(10)의 흡인 조건 동안(엔진이 작동하지 않을 때, 즉 엔진의 시동-정지 사이클의 정지 조건에 있을 때) 벤투리 장치(414)에 의해 진공을 발생시켜서, 진공이 계속해서 생성되어 진공 필요 장치(418)에 제공되게 한다.
도 8 내지 도 10에 도시된 엔진 시스템에 대하여, 모든 측면에서 전기 진공 펌프는 약 10 kPa 내지 약 15 kPa의 진공을 생성한다. 이 진공 량은 벤투리 장치를 통해 진공을 생성하기 위해 벤투리 장치(314, 414)에 걸쳐 압력 강하를 생성하기에 충분하다.
도 8 내지 도 10의 시동-정지 엔진 시스템 중 어느 하나를 작동시키는 방법이 또한 개시된다. 상기 방법은, 먼저 상기 실시 예들 중 어느 하나에 따른 시동-정지 엔진 시스템(200, 300 또는 400)을 제공하는 단계, 그 다음 시동-정지 엔진 시스템의 정지 조건 동안, 펄스 변조된 파워 신호를 파워 소스(도시하지 않음)로부터 전기 진공 펌프(10) 내 솔레노이드에 보내서 피스톤(14)을 작동시켜 피스톤의 고유 공명 주파수에서 반복적으로 솔레노이드(16)를 향해서 및 그로부터 멀리 피스톤을 움직이는 단계를 포함한다. 상기 고유 공명 주파수는 전형적으로 탄성 지지부재(30)의 진동수이다. 모든 실시 예에서, 상기 펄스 변조는 펄스 폭 변조, 펄스 진폭 변조, 및 펄스 위치 변조로부터 선택된다. 일부 실시 예에서, 펄스 변조는 펄스 폭 변조이다. 모든 실시 예에서, 전기식 진공 펌프(10)는 약 10 kPa 내지 약 15 kPa의 진공을 생성한다.
본 발명이 특정 실시 예와 관련하여 도시되고 설명되었지만, 본 명세서를 읽고 이해하면 통상의 기술자에게 변형이 떠오를 것이 명백하며, 본 발명은 그러한 모든 변형을 포함한다.

Claims (20)

  1. 진공 펌프에 있어서,
    캐비티를 한정하고, 외부 환경과 상기 캐비티 사이의 유체 소통을 위한 복수의 구멍을 한정하는 하우징;
    상기 하우징의 캐비티 내에 둘러싸인 제1 솔레노이드 조립체;
    상기 하우징 내에 둘러싸이고, 자성 재료 판에 의해 밀봉 폐쇄된 제1 단부와 상기 하우징에 밀봉 연결된 제2 단부를 가지는 피스톤 - 여기서, 상기 하우징의 캐비티는 상기 피스톤에 의해 대향하는 제1 챔버 및 제2 챔버로 분할됨; 및
    상기 하우징과 상기 하우징에 장착된 캡 사이에 형성된 복수의 곁방;
    을 포함하고,
    상기 피스톤은 공명 진동을 위해 상기 솔레노이드 조립체로의 자성 끌림을 위한 작동 가능한 범위 내에 상기 자성 재료 판을 배치하도록 위치되고;
    상기 복수의 구멍 중 2개는 상기 제1 챔버와 유체 소통하고, 둘 중 하나는 대기와 유체 소통하기 위한 것이고, 다른 하나는 엔진의 동작 시스템과 유체 소통하기위한 것이며,
    상기 복수의 구멍 중 다른 2개는 상기 제2 챔버와 유체 소통하고, 둘 중 하나는 대기와 유체 소통하기 위한 것이고, 다른 하나는 엔진의 동작 시스템과 유체 소통하기 위한 것이며,
    상기 복수의 곁방 각각은 상기 하우징의 복수의 구멍 각각과 유체 소통하고 내부에 체크 밸브를 가지며,
    상기 진공 펌프의 대기 측의 체크 밸브는 상기 하우징의 상기 복수의 구멍을 밀봉하여 덮도록 상기 하우징의 외부에 장착되고, 상기 진공 펌프의 동작 시스템 측의 체크 밸브는 상기 동작 시스템과 유체 소통하는 상기 캡의 입구 및 출구 중 적어도 하나를 밀봉하여 덮도록 상기 하우징에 결합된 캡에 장착되는, 진공 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 조립체는 권선을 수용하는 보빈이 장착된 오목한 캐비티를 내부에 한정하는 코어를 포함하는, 진공 펌프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    동작 시스템과 유체 소통하도록 위치된 상기 하우징의 상기 복수의 구멍 중 2개의 구멍에 밀봉 연결된 벤투리 장치를 더 포함하는, 진공 펌프.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 재료 판은 영구 자석인, 진공 펌프.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔레노이즈 조립체와 반대 방향으로 상기 자성 재료 판에 작용하는 제2 솔레노이즈 조립체를 더 포함하는, 진공 펌프.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔레노이드는 상기 피스톤의 탄성 지지부재의 고유 진동 주파수와 동일한 속도(rate)로 펄스 변조되는, 진공 펌프.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각각의 체크 밸브는 상기 하우징 및 상기 캡 중 어느 하나의 상기 복수의 구멍들 중 2개를 탈착 가능하게 밀봉하여 덮기 위한 제1 플랩(flap) 및 제2 플랩을 한정하는 세장형 탄성중합체 부재인, 진공 펌프.
  8. 시동-정지 엔진 시스템에 있어서,
    공기 흐름을 스로틀에 지향시키는 압축기를 가지는 터보차저;
    상기 스로틀의 하류에 있는 엔진;
    상기 압축기의 상류 또는 상기 압축기의 하류로부터 상기 스로틀과 상기 엔진 사이의 위치로의 유체 흐름을 가지며, 진공을 발생시키는 벤투리 장치를 포함하는 바이패스;
    상기 벤투리 장치의 흡입 포트와 유체 소통하는 진공 필요 장치; 및
    상기 진공 필요 장치 또는 상기 벤투리 장치와 유체 소통하는 전자식 진공 펌프;
    를 포함하며,
    상기 전자식 진공 펌프는 상기 시동-정지 엔진의 정지 조건 동안 작동하여 상기 벤투리 장치에 의해 발생된 진공을 대체하거나 상기 벤투리 장치에 걸쳐 압력 강하를 제공하여 상기 벤투리 장치가 상기 진공 필요 장치를 위한 진공을 계속해서 생성하게 하는, 시동-정지 엔진 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 진공 필요 장치는 브레이크 부스트 시스템인, 시동-정지 엔진 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이패스 내 상기 벤투리 장치의 상류에 자동 차단 밸브를 더 포함하는, 시동-정지 엔진 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 전자식 진공 펌프는 상기 벤투리 장치의 배출 포트와 유체 소통하여 상기 벤투리 장치에 걸쳐 압력 강하를 제공함으로써 상기 벤투리 장치가 상기 정지 조건 동안 상기 진공 필요 장치를 위한 진공을 계속해서 생성하게 하는, 시동-정지 엔진 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 바이패스 내 상기 벤투리 장치의 하류에 체크 밸브를 더 포함하는, 시동-정지 엔진 시스템.
  13. 시동-정지 엔진 시스템에 있어서,
    공기 흐름을 스로틀에 지향시키는 압축기를 가지는 터보차저;
    상기 스로틀의 하류에 있는 엔진;
    상기 압축기와 상기 스로틀 사이에서 상기 압축기의 상류에 있는 위치로의 유체 흐름을 가지며, 진공을 발생시키는 벤투리 장치를 포함하는 제1 바이패스;
    상기 벤투리 장치의 흡입 포트와 유체 소통하는 진공 필요 장치;
    상기 압축기와 상기 스로틀 사이에서 상기 스로틀과 상기 엔진 사이의 위치로의 유체 흐름을 가지며, 상기 제1 바이패스의 일부를 공유하는 제2 바이패스; 및
    상기 벤투리 장치의 배출 포트와 유체 소통하는 전자식 진공 펌프;
    를 포함하며,
    상기 전자식 진공 펌프는 상기 시동-정지 엔진의 정지 조건 동안 작동하여 상기 벤투리 장치에 걸쳐 압력 강하를 제공함으로써 상기 벤투리 장치가 상기 진공 필요 장치를 위한 진공을 계속해서 생성하게 하는, 시동-정지 엔진 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 진공 필요 장치는 브레이크 부스트 시스템인, 시동-정지 엔진 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 진공 필요 장치는 진공 캐니스터인, 시동-정지 엔진 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 전자식 진공 펌프는 상기 벤투리 장치의 흡입 포트와 유체 소통하여 상기 벤투리 장치에 걸쳐 압력 강하를 제공함으로써 상기 벤투리 장치가 상기 진공 필요 장치를 위한 진공을 계속해서 생성하게 하는, 시동-정지 엔진 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2 바이패스 내, 상기 벤투리 장치의 하류 및 상기 전자식 진공 펌프의 하류에 체크 밸브를 더 포함하는, 시동-정지 엔진 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 바이패스 내, 상기 벤투리 장치와 상기 압축기의 상류 사이의 위치에 체크 밸브를 더 포함하는, 시동-정지 엔진 시스템.
  19. 시동-정치 엔진 시스템에서 제공을 제공하는 방법으로서,
    제 8 항의 시동-정지 엔진 시스템을 제공하는 단계; 및
    상기 시동-정치 엔진 시스템의 정지 조건 동안, 상기 전자식 진공 펌프 내 솔레노이드에 파워의 펄스 변조된 신호를 보내 상기 피스톤을 작동시켜 상기 피스톤의 고유 진동 주파수로 상기 솔레노이드를 향해 그 다음 상기 솔레노이드로부터 멀리 반복해서 이동시키는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  20. 시동-정치 엔진 시스템에서 제공을 제공하는 방법으로서,
    제 13 항의 시동-정지 엔진 시스템을 제공하는 단계; 및
    상기 시동-정치 엔진 시스템의 정지 조건 동안, 상기 전자식 진공 펌프 내 솔레노이드에 파워의 펄스 변조된 신호를 보내 상기 피스톤을 작동시켜 상기 피스톤의 고유 진동 주파수로 상기 솔레노이드를 향해 그 다음 상기 솔레노이드로부터 멀리 반복해서 이동시키는 단계;
    를 포함하는, 방법.
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