KR20240097252A - 밸브 일체형 전동식 워터 펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밸브 일체형 전동식 워터 펌프에 관한 것으로, 전기자동차에 사용되는 냉각수의 순환을 제어하는 워터 펌프의 통합 하우징 내부에 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브가 일체화 통합 설치된 신개념의 기술에 관한 것이다.
종래에 개시된 기술은 워터 펌프와 밸브 어셈블리를 별도의 체결부재로 결합함으로써 다수의 체결부재로 인해 전체적인 모듈의 크기와 중량이 증가함은 물론 추가적인 체결부재 및 조립 공정에 따른 제조원가가 상승하고, 연결부위의 실링구조 적용 및 내구성의 확보가 필요한 문제점이 야기된다.
본 발명은 이러한 문제점을 일소하기 위한 방안으로 일체형 통합 하우징의 내부에 냉각수를 외부로 순환시키기 위한 임펠러 및 복수개의 포트를 선택적으로 개폐하는 밸브를 함께 통합 설치하여 펌프의 전체적인 구조 간소화 및 내부 유로의 단순화를 구현할 수 있도록 하는 기술을 강구함을 특징으로 한다.

Description

밸브 일체형 전동식 워터 펌프{Valve integrated electric water pump}
본 발명은 전기자동차에 사용되는 냉각수의 순환을 제어하는 워터 펌프의 통합 하우징 내부에 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브가 일체화 통합 설치된 신개념의 기술에 관한 것이다.
전기 자동차는 자동차의 구동 에너지를 기존의 자동차와 같이 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기에너지로부터 얻는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있으나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 공해문제의 심각화, 화석 연료의 고갈 등의 문제가 제기되면서 그 개발이 다시 가속화되고 있다.
이러한 전기 자동차는 모터 또는 배터리 등에서 발생하는 열을 냉각시키는 자동차의 냉각 시스템과 차량 내부의 온도를 조절하기 위한 자동차의 공조시스템을 이용하고 있다.
자동차의 냉각시스템과 공조시스템과 같은 자동차의 유체 순환 시스템에는 유체 순환 및 유량을 제어하는 워터 펌프, 밸브 조립체가 설치된다.
상기 워터 펌프는 입·출수구 포트를 가진 바디와 임펠러를 구동하기 위한 BLDC 모터 및 제어를 위한 PCB가 조립되어 필요 유량을 흡입 및 토출한다.
또한, 밸브조립체는 복수개의 포트가 결합되는 밸브 하우징과, 밸브 하우징의 내부에서 회전하여 복수개의 포트를 선택적으로 개폐하는 밸브와, 밸브를 회전시키는 액추에이터를 포함한다.
그리고 밸브조립체는 유체를 순환시키도록 하기 위해 별도로 구비된 워터 펌프와 연결된다.
종래의 밸브조립체와 워터 펌프가 개별적으로 설치되므로, 설치 면적이 증가하고, 상기 밸브조립체와 워터 펌프를 연결하는 호스가 필요하게 되므로, 제조 과정이 복잡해지고 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위한 선행기술로 「특허등록 제2250158호, 명칭/ 차량 열관리 시스템용 워터 펌프-밸브 통합형 조립체」가 개시되고 있다.
상기 선행기술은 워터 펌프를 밸브조립체에 결합시켜 유체의 흐름의 제어를 개선하는 특징이 있다.
상기 선행기술은 워터 펌프와 밸브 어셈블리를 별도의 체결부재로 결합함으로써 다수의 체결부재로 인해 전체적인 모듈의 크기와 중량이 증가함은 물론 추가적인 체결부재 및 조립 공정에 따른 제조원가가 상승하고, 상기 워터 펌프 및 밸브 어셈블리 상호 간 연결부위의 기밀성 확보를 위해 실링구조의 적용 및 내구성의 확보가 필요하며, 연결부위의 유로형상 복잡성에 따른 관로 차압 발생 및 효율성이 저하되는 문제점이 야기된다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위한 수단으로 일체형 통합 하우징의 내부에 냉각수를 외부로 순환시키기 위한 임펠러 및 복수개의 포트를 선택적으로 개폐하는 밸브를 함께 통합 설치하여 펌프의 전체적인 구조 간소화 및 내부 유로의 단순화를 구현할 수 있도록 하는 기술을 강구한다.
또한, 본 발명은 밸브의 상단에 형성된 아웃렛유로와, 상기 임펠러의 토출유로와 연결된 로터 내부의 흡입유로를 일체로 연결하여 냉각수가 로터의 내부를 통과하면서 임펠러로 유입되는 과정에서 모터를 직접 냉각할 수 있도록 하는 기술을 강구한다.
또한, 본 발명은 상기 통합 하우징의 내부를 일부의 냉각수간 순환하면서 모터 및 임펠러를 반복적으로 냉각할 수 있도록 하는 기술을 강구한다.
본 발명에 따르면, 통합 하우징의 내부에 임펠러와 밸브가 함께 내장됨과 아울러 밸브의 아웃렛유로와 로터의 흡입유로가 일체로 연결된 단순화 유로를 형성함으로써 종래와 같이 워터 펌프와 밸브를 연결하기 위한 추가적인 연결부재 및 연결부위의 실링구조를 삭제할 수 있어 워터 펌프의 전체적인 구조 간소화, 중량 감소는 물론 조립공정 단순화 및 제조원가를 대폭 절감하고, 내부 유로의 단순화를 통한 관로 차압 및 펌핑 효율을 개선하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 밸브의 아웃렛유로와 상기 임펠러의 토출유로와 연결된 로터 내부의 흡입유로가 상호 일체로 연결됨으로써 냉각수가 로터의 내부를 통과하면서 모터를 직접 냉각하는 효과를 제공하고, 밸브에서 유입되는 복잡한 유동이 로터 내부의 흡입유로를 상향식으로 지나면서 안정화됨에 따라 캐비테이션 및 소음을 제거하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 통합 하우징의 내부에 설치된 임펠러, 스테이터 및 로터 상호 간에 형성된 간극을 냉각수의 일부가 순환 유동함으로써 모터와 임펠러를 반복적으로 냉각하면서 과열을 방지하고, 내구성을 향상하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명이 적용된 전동식 워터 펌프의 사시도
도 2는 본 발명 전동식 워터 펌프의 정면도
도 3은 본 발명 전동식 워터 펌프의 정단면도
도 4는 본 발명 밸브의 사시도 및 정면도
도 5는 본 발명 축 지지대의 사시도 및 정단면도
도 6는 본 발명의 임펠러 및 로터의 사시도 및 정단면도
도 7는 본 발명 임펠러축의 상부 지지상태 확대단면도
도 8은 본 발명 임펠러축의 하부 지지상태 확대단면도
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결수단을 보다 구체적으로 구현하기 위한 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전체적인 구성을 첨부된 도면에 의거 개략적으로 살펴보면, 통합 하우징(10), 밸브(20), 임펠러(40)의 구성요소로 대분 됨을 확인할 수 있다.
이하, 상기 개략적인 구성으로 이루어진 본 발명을 실시 용이하도록 좀더 상세하게 설명하기로 한다.
우선적으로 본 발명은 밸브(20)와 임펠러(40)를 하나의 통합 하우징(10) 내에 통합 설치하여 워터 펌프의 전체적인 구조를 간소화 함을 특징적인 요지로 한다.
이를 위해 상기 통합 하우징(10)의 내부 하측에는 도 3과 같이 밸브(20)가 설치되고, 이러한 밸브(20)는 하단에 돌출 형성된 회전축(21)이 통합 하우징(10)의 외부에 설치된 엑츄에이터(25)와 일체로 결합됨으로써 엑츄에이터(25)의 작동에 따라 회전하면서 통합 하우징(10)의 외주면에 형성된 복수개의 인포트(11)를 선택적 개폐하는 역할을 수행하며, 상기 통합 하우징(10)의 저면에는 보호커버(26)가 엑츄에이터(25)를 감싸게 설치됨으로써 외부노출을 방지함은 물론 엑츄에이터(25)를 안전하게 보호할 수 있게 된다.
여기에서 상기 밸브(20)는 어느 하나의 인포트(11)와 선택적으로 연결되면서 냉각수가 유입될 수 있도록 원주방향을 따라 복수개의 입수구(22)가 형성되고, 상단 중앙에는 인포트(11)를 통해 유입된 냉각수의 방향을 전환하여 상향식으로 배출하면서 모터(M)를 구성하는 로터(45)의 흡입유로(46)와 일체로 연결되는 아웃렛유로(23)가 형성된다.
상기 밸브(20)의 상측에는 모터(M)를 구성하는 로터(45) 및 스테이터(30) 중에서 모터의 전자기회로를 구성하는 고정부분에 해당하는 스테이터(30)가 고정 설치되고, 이러한 스테이터(30)는 오버몰딩(Over-Molding) 처리함으로써 내구성과 방수성을 확보한다.
상기 스테이터(30)의 상측에는 임펠러(40)가 회전 가능하게 설치되고, 이러한 임펠러(40)의 하단에는 전자기회로에서 회전하는 부분을 담당하는 로터(45)가 일체로 돌출 형성되며, 로터(45)는 스테이터(30)에 의해 회전할 수 있도록 스테이터(30)를 관통하여 배치되고, 특히 상기 임펠러(40)는 방사상으로 형성된 다수의 토출유로(41)가 상기 로터(45)의 중앙에 상하로 관통 형성된 흡입유로(46)와 상호 일체로 연결된다.
그리고 상기 밸브(20)의 상단에 형성된 아웃렛유로(23) 및 상기 로터(45)의 흡입유로(46)는 냉각수가 유도할 수 있도록 일체로 연결됨으로써 임펠러(40)의 회전 작동시 인포트(11)를 통해 유입된 냉각수는 밸브(20)를 거쳐 로터(45)의 내부인 흡입유로(46)를 통과하여 토출유로(41)를 통해 원활하게 토출되고, 냉각수는 로터(45) 내부를 통과하는 과정에서 모터(M)를 직접 냉각하는 효과를 제공한다.
상기 스테이터(30)의 상측에 회전 가능하게 설치되는 임펠러(40)의 회전지지 구조에 대해 살펴보면, 상기 스테이터(30)의 하단에는 축 지지대(50)가 일체로 결합되는 것으로, 축 지지대(50)는 도 3 및 도 5와 같이 중앙에 축 보스(51)가 형성되고, 상기 축 보스(51)를 중심으로 밸브(20)의 아웃렛유로(23)와 연결되는 다수의 인렛유로(52)가 형성되며, 상기 축 지지대(50)는 밸브(20)의 상단에 끼움 결합된다.
그리고 상기 임펠러(40) 및 로터(45)를 임펠러축(42)이 관통하여 임펠러(40)와 일체로 일체화 결합되고, 임펠러축(42)의 상, 하부는 각각 하우징 커버(60) 및 축 보스(51)에 회전 자유롭게 지지됨으로써 임펠러(40)는 안정적으로 회전할 수 있게 된다.
여기에서 상기 임펠러축(42)은 도 7 내지 도 8과 같이 상하 양측에 각각 마찰저항을 방지하는 위한 부싱(43)이 끼워져 회전의 원활성을 제고하고, 상기 하우징 커버(60)에 삽입 설치된 스러스트 핀(47) 또는 축 보스(51)에 삽입 설치된 볼(48)에는 임펠러축(42)의 상, 하단부가 각각 지지됨으로써 임펠러축(42)의 상하 축 방향 이동을 방지하며, 특히 상기 임펠러축(42)의 상단에는 만곡면(42a)이 형성됨으로써 만곡면(42a)은 스러스트 핀(47)과 점 접촉을 하면서 더욱 원활한 회전력을 발휘하는 효과를 제공한다.
이러한 본 발명은 상기 통합 하우징(10)의 내부에 모터(M)의 작동에 따라 회전하면서 펌핑의 기능을 수행하는 임펠러(40) 및 밸브(20)가 함께 내장됨은 물론 밸브(20)의 아웃렛유로(23) 및 로터(45)의 흡입유로(46)가 일체로 연결된 유로를 형성하면서 펌프의 기능을 원활하게 수행함으로써 종래와 같이 펌프와 밸브를 연결하기 위한 추가적인 연결부재 및 연결부위의 실링구조를 삭제할 수 있어 워터 펌프의 전체적인 구조를 간소화 함은 물론 중량을 줄여주고, 조립공정 단순화 및 제조원가를 대폭 절감하며, 내부 유로의 단순화를 통한 관로 차압 및 펌핑 효율을 개선하는 효과를 제공한다.
또한, 상기 밸브(20)로 유입되는 냉각수는 회전하면서 복잡한 유동을 형성하는데 이와 같은 복잡한 유동은 아웃렛유로(23)를 통해 로터(45) 내부의 흡입유로(46)를 상향식으로 통과하면서 안정화되는 효과를 제공한다.
한편, 상기 밸브(20)와 임펠러(40)를 하나의 통합 하우징(10) 내에 통합 설치할 수 있도록 하는 본 발명 통합 하우징(10)의 구체적인 한정구성에 대해 설명하기로 한다.
이를 위한 통합 하우징(10)은 도 3과 같이 하측에 밸브(20)를 전용으로 수용하는 밸브 수용부(12)가 형성되고, 이러한 밸브 수용부(12)의 상측에는 스테이터(30) 및 로터(45)를 수용하는 모터 수용부(13)가 형성되며, 상기 모터 수용부(13)의 상측에는 임펠러(40)를 수용하는 임펠러 수용부(14)가 각각 구분하도록 형성된다.
여기에서 각각 구분된 밸브 수용부(12), 모터 수용부(13) 및 임펠러 수용부(14)는 밸브(20), 스테이터(30) 및 임펠러(40)의 순서로 상부에서 하부로 삽입하면서 통합 설치가 용이하도록 상부로 가면서 단면적인 넓어지는 단차(stepped) 구조를 갖도록 형성됨으로써 밸브(20), 스테이터(30) 및 임펠러(40)의 설치가 용이함은 물론 하나의 통합 하우징(10) 내부에 통합 설치가 가능함으로써 워터 펌프의 전체적인 구조의 간소화를 달성할 수 있게 된다.
또한, 상기 통합 하우징(10)의 상단에는 통합 하우징(10)을 밀폐함과 아울러 임펠러축(42)의 상측을 회전 가능하게 지지하는 기능을 발휘하는 하우징 커버(60)가 결합 설치되고, 상기 하우징 커버(60)의 내주면에는 원주방향을 따라 토출 안내로(61)가 형성되며, 이 토출 안내로(61)는 외부로 돌출 형성된 아웃포트(62)와 연결됨으로써 상기 임펠러(40)의 토출유로(41)에서 토출되는 냉각수는 토출 안내로(61)를 경유하여 아웃포트(62)를 통해 외부로 원활하게 토출될 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 일부의 냉각수가 통합 하우징(10)의 내부를 순환하면서 모터(M) 및 임펠러(40)를 반복적으로 냉각할 수 있도록 하는 신규의 기술이 추가로 접목된다.
이를 위한 기술구성으로 상기 임펠러(40)와 스테이터(30)의 사이에는 간극(15)이 형성되고, 임펠러(40)의 상단과 하우징 커버(60)의 사이에도 간극(15a)이 형성되며, 로터(45)와 스테이터(30)의 사이에도 간극(15b)이 형성된다.
따라서 상기 임펠러(40)를 통해 토출되는 냉각수의 일부는 임펠러(40)와 스테이터(30) 간에 형성된 간극(15), 임펠러(40)의 상단과 하우징 커버(60) 간에 형성된 간극(15a), 로터(45)와 스테이터(30) 간에 형성된 간극(15b) 및 흡입유로(46)의 하측을 원활하게 순환하면서 모터(M) 및 임펠러(40)를 자연적으로 반복하여 각하는 효과를 제공한다.
여기에서 상기 임펠러(40)의 상단에는 도 6 내지 도 7과 같이 토출유로(41)와 연통하는 다수의 냉각유로(44)가 형성되고, 상기 임펠러(40)의 상단과 하우징 커버(60) 간에 형성된 간극(15a)으로 유입된 냉각수는 이러한 냉각유로(44)를 통과하면서 임펠러(40)를 더욱 냉각할 수 있게 된다.
M: 모터 10: 통합 하우징
11: 인포트 12: 밸브 수용부
13: 모터 수용부 14: 임펠러 수용부
15, 15a, 15b: 간극 20: 밸브
21: 회전축 22: 입수구
23: 아웃렛유로 25: 엑츄에이터
30: 스테이터 40: 임펠러
41: 토출유로 42: 임펠러축
42a: 만곡면 43: 부싱
44: 냉각유로 45: 로터
46: 흡입유로 48: 볼
50: 축 지지대 51: 축 보스
52: 인렛유로 60: 하우징 커버
61: 토출유로 62: 아웃포트

Claims (7)

  1. 통합 하우징(10)의 내부 하측에 설치되고, 엑츄에이터(25)의 작동에 따라 회전하면서 복수개의 인포트(11)를 선택적 개폐하는 밸브(20)와;
    상기 밸브(20)의 상측에 고정 설치된 스테이터(30)의 상측에 회전 가능하게 설치되고, 하단에 돌출 형성된 로터(45)가 스테이터(30)를 관통하여 배치되며, 방사상으로 형성된 다수의 토출유로(41) 및 상기 로터(45)의 중앙에 상하로 관통 형성된 흡입유로(46)가 상호 일체로 연결된 임펠러(40)를 포함하여 이루어지는 한편;
    상기 밸브(20)의 상단에 형성된 아웃렛유로(23) 및 상기 흡입유로(46)는 냉각수가 유동하도록 연결된 것을 특징으로 하는 밸브 일체형 전동식 워터 펌프.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 하우징(10)은 하측에 밸브(20)를 수용하는 밸브 수용부(12)가 형성되고, 상기 밸브 수용부(12)의 상측에는 스테이터(30) 및 로터(45)를 수용하는 모터 수용부(13)가 형성되며, 상기 모터 수용부(13)의 상측에 임펠러(40)를 수용하는 임펠러 수용부(14)가 구분하여 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브 일체형 전동식 워터 펌프.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 하우징(10)의 상단에는 하우징 커버(60)가 결합 설치되고, 상기 하우징 커버(60)의 내주면에 형성된 토출 안내로(61)는 외부로 돌출 형성된 아웃포트(62)와 연결되어 상기 임펠러(40)의 토출유로(41)에서 토출되는 냉각수는 토출 안내로(61)를 경유하여 아웃포트(62)를 통해 외부로 토출되는 것을 특징으로 하는 밸브 일체형 전동식 워터 펌프.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브(20)로 유입되는 냉각수의 유동은 아웃렛유로(23)를 통해 로터(45) 내부의 흡입유로(46)를 상향식으로 통과함과 아울러 로터(45) 내부를 통과하는 과정에서 모터를 직접 냉각하는 것을 특징으로 하는 밸브 일체형 전동식 워터 펌프.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 스테이터(30)의 하단에는 중앙에 형성된 축 보스(51)를 중심으로 밸브(20)의 아웃렛유로(23)와 연결되는 다수의 인렛유로(52)가 형성된 축 지지대(50)가 일체화 결합되고, 상기 축 지지대(50)는 밸브(20)의 상단에 끼움 결합되며, 상기 임펠러(40) 및 로터(45)를 관통하여 일체화 결합된 임펠러축(42)의 상하는 하우징 커버(60) 및 축 보스(51)에 각각 회전 자유롭게 지지된 것을 특징으로 하는 밸브 일체형 전동식 워터 펌프.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 임펠러축(42)은 상하 양측에 각각 부싱(43)이 끼워지고, 상기 하우징 커버(60) 및 축 보스(51)에 삽입 설치된 스러스트 핀(47) 또는 볼(48)에 상, 하단부가 각각 지지되는 것을 특징으로 하는 밸브 일체형 전동식 워터 펌프.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 임펠러(40)를 통해 토출되는 냉각수의 일부는 임펠러(40)와 스테이터(30) 간에 형성된 간극(15), 임펠러(40)의 상단과 하우징 커버(60) 간에 형성된 간극(15a), 로터(45)와 스테이터(30) 간에 형성된 간극(15b) 및 흡입유로(46)의 하측을 순환하면서 모터(M) 및 임펠러(40)를 반복적으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 밸브 일체형 전동식 워터 펌프.
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