KR101070784B1 - 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 크랭크 축의 회전력을 전달받아 구동되는 구동클러치 풀리와, 구동클러치 풀리의 내부를 따라 형성된 갭을 사이에 두고 삽입 설치되며 워터펌프의 회전축과 일체로 형성되는 종동클러치와, 갭에 채워지는 유변유체와, 구동클러치 풀리와 종동클러치에 전기장 또는 자기장을 공급하도록 설치되며 전기장 또는 자기장의 크기를 조절하여 유변유체의 점성 정도를 가변시킴으로써 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 종동클러치의 회전 제어로 워터펌프의 냉각수 유량을 조절할 수 있는 공급부와, 공급부를 제어하는 ECU를 포함한다.

따라서 본 발명에 의하면, 제어가 가능한 유변유체가 채워진 클러치를 자동차 엔진용 워터펌프에 적용하여 필요한 만큼의 냉각수 유량을 제어하여 순환시킴으로써 효율적인 냉각효과를 나타낼 수 있으며, 엔진에 부가되는 불필요한 동력을 감소시킬 수 있어 결과적으로 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

워터펌프, 냉각수, 유량, 제어, 클러치, 유변유체, MR, ER

Description

워터펌프의 냉각수 유량 제어장치 및 방법{COOLING WATER CONTROLING DEVICE FOR WATER PUMP AND METHOD THEREOF}

본 발명은 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 엔진용 워터펌프의 냉각수 유량을 ER(Electro Rheological Fluid) 또는 MR(Magneto Rheological Fluid)의 유변유체가 채워진 클러치를 통하여 연속적으로 조절함에 따라 엔진에 과다한 냉각수의 공급에 의한 동력 부담을 줄여줄 수 있는 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 워터펌프(water pump)는 냉각수를 실린더 및 실린더 헤드, 라디에이터등의 엔진 냉각 시스템에 순환시켜 엔진이 과열되는 것을 방지하고 최적의 온도 조건으로 작동될 수 있도록 하는 장치이다.

또한 워터펌프는 히터코어 등의 난방 시스템으로 엔진에서 가열된 냉각수를 순환시켜 실내 난방이 가능하도록 하는 기능을 담당한다.

이러한 워터펌프는 냉각수를 순환시키는 장치로 임펠러의 회전으로 원심력을 일으켜 물을 뿜어내는 펌프 작용을 하는데 이러한 종래의 워터펌프(10)를 도 1에 도시하였다.

도 1에 도시된 것과 같이, 워터펌프(10)는 펌프몸체(12)와, 임펠러(14), 축(16), 베어링(18)과 미도시된 풀리, 씰 등을 포함하여 구성되어 있다.

그러나, 통상적으로 사용되는 워터펌프에 있어 워터펌프의 풀리가 엔진의 크랭크 축에 벨트로 연결되어 구동됨으로써 엔진의 작동 중에는 항시 같이 작동되어 실제 엔진에서 요구되는 냉각수 양과 관계없이 과다한 양의 냉각수가 계속적으로 펌핑되어 엔진에 불필요한 동력 부담을 가중시키는 문제가 있었다.

위와 같은 문제점 해결을 위하여 최근에는 구동 방식을 전동식으로 하여 엔진회전과 별도로 구동되어 필요한 양 만큼의 냉각수를 순환시킬 수 있는 전동식 워터펌프의 개발이 이루어지고 있으나, 이 역시 워터펌프를 구동시키기 위한 모터가 부가적으로 장착되어야 하므로 비용이 추가되고 전체적인 워터펌프의 크기가 커지는 등의 문제점이 있어 이를 해결할 수 있는 워터펌프의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 제어가 가능한 유변유체가 채워진 클러치를 자동차 엔진용 워터펌프에 적용하고, 그 클러치 내의 ER유체의 전기장 또는 MR유체의 자기장 크기를 연속적으로 제어 및 조절함으로써, 최적의 냉각수 유량을 엔진의 회전수와 독립적으로 제어가 가능하여 보다 효율적인 냉각효과를 나타낼 수 있으며, 엔진에 부가되는 불필요한 동력을 감소시킬 수 있어 결과적으로 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치에 있어서, 크랭크 축의 회전력을 전달받아 구동되는 구동클러치 풀리와, 구동클러치 풀리의 내부를 따라 형성된 갭을 사이에 두고 삽입 설치되며 워터펌프의 회전축과 일체로 형성되는 종동클러치와, 갭에 채워지는 유변유체와, 구동클러치 풀리와 종동클러치에 전기장 또는 자기장을 공급하도록 설치되며 전기장 또는 자기장의 크기를 조절하여 유변유체의 점성 정도를 가변시킴으로써 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 종동클러치의 회전 제어로 워터펌프의 냉각수 유량을 조절할 수 있는 공급부와, 공급부를 제어하는 ECU를 포함하는 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치를 제공된다.

그리고 구동클러치 풀리와 종동클러치는 갭을 사이에 두고 서로 엇갈리게 교합 설치될 수 있다.

또한, 구동클러치 풀리와 종동클러치는 갭을 사이에 두고 일정한 간격이 유지되도록 구동클러치 풀리의 외측면에 베어링이 설치되고, 베어링에 종동클러치의 단부측이 회전 가능하게 연결 설치될 수 있다.

더욱이 유변유체는, ER(Electro Rheological Fluid) 또는 MR(Magneto Rheological Fluid)일 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, ECU의 제어에 따라 공급부에서 구동클러치 풀리와 종동클러치에 각각 선택적으로 +, -의 전원을 공급하고 그 전기장의 크기를 조절하는 단계와, 전기장의 크기 조절에 따라 구동클러치 풀리와 종동클러치 사이의 갭에 채워진 유변유체의 점성 정도를 가변시키는 단계와, 유변유체의 점성 정도에 따라 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 종동클러치의 회전을 제어하여 종동클러치에 연결된 워터펌프의 냉각수 유량을 제어할 수 있는 단계를 포함하는 워터펌프의 냉각수 유량 제어방법을 제공한다.

또 본 발명에 따르면, ECU의 제어에 따라 공급부에서 구동클러치 풀리와 종동클러치에 각각 선택적으로 N, S의 전극을 공급하고 그 자기장의 크기를 조절하는 단계와, 자기장의 크기 조절에 따라 구동클러치 풀리와 종동클러치 사이의 갭에 채워진 유변유체의 점성 정도를 가변시키는 단계와, 유변유체의 점성 정도에 따라 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 종동클러치의 회전을 제어하여 종동클러치에 연결된 워터펌프의 냉각수 유량을 제어할 수 있는 단계를 포함하는 워터펌프의 냉각수 유량 제어방법을 제공한다.

본 발명의 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치 및 방법에 의하면, 제어가 가능한 유변유체가 채워진 클러치를 자동차 엔진용 워터펌프에 적용하여 필요한 만큼의 냉각수 유량을 제어하여 순환시킴으로써 효율적인 냉각효과를 나타낼 수 있으며, 엔진에 부가되는 불필요한 동력을 감소시킬 수 있어 결과적으로 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 하지만, 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프와 워터펌프 유량제어 장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 워터펌프와 워터펌프 유량제어 장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프 유량제어방법의 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 워터펌프 유량제어방법의 흐름도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 실시형태의 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치는, 크게 크랭크 축(도시되지 않음)의 회전력을 전달받아 구동되는 구동클러치 풀리(110)와, 구동클러치 풀리(110)의 내부에 형성되는 갭(120)을 사이에 두고 설치되는 종동클러치(140)와, 갭(120)에 채워지는 유변유체(130)(132)와, 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치(140)에 전기장 또는 자기장을 공급하는 공급부(150)와, 공급부(150)를 제어하는 ECU(160)로 구성된다.

여기서 워터펌프(100)는 펌프몸체(102), 임펠러(104), 회전축(106), 베어링(108) 미도시된 씰 등을 포함하여 구성되어 지며, 이 워터펌프(100) 전단부측으로 회전축(106)과 일체로 종동클러치(140)가 설치되고, 종동클러치(140)를 내부에 포함하도록 구동클러치 풀리(110)가 설치될 수 있다.

구동클러치 풀리(110)는 크랭크 축의 회전력을 전달받을 수 있도록 크랭크 축과 벨트(112)를 통해 연결되어 있다.

이러한 구동클러치 풀리(110)는 내측으로 일정 형태의 공간부를 형성하고, 이 공간부에 워터펌프(100)의 회전축(106)과 일체로 연결된 종동클러치(140)가 설치되되, 구동클러치 풀리(110)의 내부측 공간부와 종동클러치(140)간에 일정 공간의 갭(120)이 생기도록 설치될 수 있다.

따라서 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치(140)는 갭(120)을 사이에 두고 서로 엇갈리게 교합 설치되며, 이는 서로간의 대면적을 증대시키기 위한 것으로서 예시된 형태 이외에도 다양하게 설계될 수 있다.

덧붙여, 종동클러치(140)는 회전축(106)과 일체로 형성되어 위치 유지가 가능하지만 벨트(112)로 연결되는 구동클러치 풀리(110)는 위치 유지가 힘들 수 있다. 이에 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치(140)는 갭(120)을 사이에 두고 일정한 간격이 유지될 수 있도록 구동클러치 풀리(110)의 외측면에 베어링(142)이 설치되고, 베어링(142)에 종동클러치(140)의 단부측이 회전 가능하게 연결 설치될 수 있다.

또한, 종동클러치(140)를 내측에 포함시키기 위하여 구동클러치 풀리(110)는 제작시 반원으로 분리 제작되며, 종동클러치(140)의 설치 후, 반원을 용접 등으로 접합하여 제작하게 된다.

한편, 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치(140) 사이의 갭(120)에는 유변유체(130)(132)가 밀폐된 상태로 채워질 수 있으며, 이 유변유체로는 ER(Electro Rheological Fluid:130) 또는 MR(Magneto Rheological Fluid:132)일 수 있다. 참고로 ER유체는 평상시에 액체인 오일 성질을 가지고 있다가 전압을 가하게 되면 입자들이 배열하여 체인을 형성하게 되고, 액체인 오일은 이들 체인사이에 갇히게 되고, 배열된 입자의 힘으로 인해 마치 고체와 같이 변하게 된다.

즉, 유체의 점성이 증가하는 것과 같은 효과를 가지게 되며, 배열된 입자의 힘이 전압의 크기에 비례하여 조절이 가능한 성질을 가지고 있다.

또한, MR유체는 전압으로 유체의 점성이 증가되는 ER유체와는 달리 자기장으로 유체의 점성을 증가시킬 수 있는 성질을 가진다.

그리고 공급부(150)는 갭(120)에 ER유체(130)가 채워진 경우에 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치(140)에 전기장을 공급하도록 설치되며, 어느 하나의 클러치에 +전압을 공급하여주면 다른 클러치에는 -전압을 공급하게 된다.

따라서 공급부(150)에서 전기장의 크기를 조절함으로써, 갭(120)에 채워진 ER의 유변유체(130)의 점성 정도를 가변시킬 수 있게 된다.

마찬가지로 도 3에서와 같이 공급부(150)는 갭(120)에 MR유체(132)가 채워진 경우에 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치(140)에 가기장을 공급하도록 설치되며, 어느 하나의 클러치에 N전극을 공급하여주면 다른 클러치에는 S전극을 공급하게 되 어 자기장의 크기를 조절함으로써, 갭(120)에 채워진 MR의 유변유체(132)의 점성 정도를 가변시킬 수 있게 된다.

그리고 난방 성능에 관련된 신호와 엔진 냉각성능에 관련된 신호 및 냉각수 온도에 대한 신호에 따라 공급부(150)를 ECU(160)의 제어에 의해 이루어지게 된다.

이와 같은 구조로 이루어진 워터펌프의 냉각수 유량 제어방법은 다음과 같이 이루어진다.

ER 유변유체(130)를 예시한 도 4에 따르면, ECU의 제어에 따라 공급부에서 구동클러치 풀리와 종동클러치에 각각 선택적으로 +, -의 전원을 공급하고 그 전기장의 크기를 조절하는 단계(200)와, 전기장의 크기 조절에 따라 구동클러치 풀리와 종동클러치 사이의 갭에 채워진 유변유체의 점성 정도를 가변시키는 단계(210)와, 유변유체의 점성 정도에 따라 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 종동클러치의 회전을 제어하여 종동클러치에 연결된 워터펌프의 냉각수 유량을 제어할 수 있는 단계(220)를 포함한다.

다시 도 2를 참고하여 좀 더 자세히 설명하면, 운전자가 히터(도시되지 않음)를 작동시키면 빠른 난방 성능 향상 즉, 냉각수 온도를 빨리 올리기 위해서는 벨트(112)와 연결되어 구동력을 전달받는 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치의 구동비가 1:1에 가까워지도록 설정해야 하는 바, ECU(160)에서는 공급부(150)를 통해 전기장을 공급하지 않게 된다.

위와 같은 과정을 통하여 시간이 경과됨에 따라 점차적으로 냉각수의 온도가 난방성능에 필요한 온도까지 도달하게 되면, 이러한 온도 정보는 온도센서(미도시) 를 통해 ECU(160)로 전달되며, ECU(160)에서 냉각수의 공급 조절이 필요하다고 판단하게 되면 공급부(150)에 신호를 주어 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치(140)에 각각 +전압과 -전압을 공급하여 전기장의 크기를 조절하여 공급하게 된다. 이때 전기장의 크기는 축적된 데이터를 통하여 설정할 수 있다.단계(200)

따라서 전기장의 크기가 클수록 갭(120)에 채워진 유변유체(130)의 점성이 증가되어 유변유체(130)를 사이에 두고 있는 종동클러치(140)에는 저항이 발생되어 구동비가 변화될 수 있다. 즉, 구동클러치 풀리(110)는 벨트(112)에 의하여 1200rpm으로 회전되면, 종동클러치(140)는 유변유체(130)의 점성 저항에 의하여 그 이하의 회전력을 가지게 되며 이로 인하여 워터펌프(100)에 공급되는 냉각수 량을 제어할 수 있다. 단계(210)(220)

더 나아가 공급부(150)를 통하여 전기장의 크기 변화가 데이터를 통하여 그때 온도 상황에 맞추어 연속적으로 조절할 수 있어 결과적으로 워터펌프(100)에 공급되는 냉각수 량을 연속적으로 제어할 수 있다.

그리고 MR 유변유체(132)를 예시한 도 5에 따르면, ECU의 제어에 따라 공급부에서 구동클러치 풀리와 종동클러치에 각각 선택적으로 N, S의 전극을 공급하고 그 자기장의 크기를 조절하는 단계(300)와, 자기장의 크기 조절에 따라 구동클러치 풀리와 종동클러치 사이의 갭에 채워진 유변유체의 점성 정도를 가변시키는 단계(310)와, 유변유체의 점성 정도에 따라 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 종동클러치의 회전을 제어하여 종동클러치에 연결된 워터펌프의 냉각수 유량을 제어할 수 있는 단계(320)를 포함한다.

도 3을 참고하여 좀 더 자세히 설명하면, 운전자가 히터(도시되지 않음)를 작동시키면 빠른 난방 성능 향상 즉, 냉각수 온도를 빨리 올리기 위해서는 벨트(112)와 연결되어 구동력을 전달받는 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치의 구동비가 1:1에 가까워지도록 설정해야 하는 바, ECU(160)에서는 공급부(150)를 통해 자기장을 공급하지 않게 된다.

위와 같은 과정을 통하여 시간이 경과됨에 따라 점차적으로 냉각수의 온도가 난방성능에 필요한 온도까지 도달하게 되면, 이러한 온도 정보는 온도센서를 통해 ECU(160)로 전달되며, ECU(160)에서 냉각수의 공급 제어가 필요하다고 판단하게 되면 공급부(150)에 신호를 주어 구동클러치 풀리(110)와 종동클러치(140)에 각각 N전극과 S전극을 공급하여 자기장의 크기를 조절하여 공급하게 된다. 이때 자기장의 크기는 축적된 데이터를 통하여 설정할 수 있다.단계(300)

따라서 자기장의 크기가 클수록 갭(120)에 채워진 유변유체(132)의 점성이 증가되어 유변유체(132)를 사이에 두고 있는 종동클러치(140)에는 저항이 발생되어 구동비가 변화될 수 있다. 즉, 구동클러치 풀리(110)는 벨트(112)에 의하여 1200rpm으로 회전되면, 종동클러치(140)는 유변유체(132)의 점성 저항에 의하여 그 이하의 회전력을 가지게 되며 이로 인하여 워터펌프(100)에 공급되는 냉각수 량을 제어할 수 있다. 단계(310)(320)

상술한 바와 같이 본 발명에서는 기존의 워터펌프(100)를 그대로 사용하고, 엔진의 회전에 의해 구동되는 벨트의 레이아웃을 그대로 사용하면서도 제어가 가능한 ER 또는 MR 유변유체가 채워진 클러치를 자동차 엔진용 워터펌프에 적용하여 필 요한 만큼의 냉각수 유량을 제어하여 순환시킴으로써 효율적인 냉각효과를 나타낼 수 있으며, 엔진에 부가되는 불필요한 동력을 감소시킬 수 있다.

더욱이 본 발명은 예시된 워터펌프 외에도 자동차 엔진에 의해 벨트 구동되는 모든 냉매 압축기, 오일펌프 등의 회전수 제어에 적용이 가능하며, 또한, 일반 자동차 뿐만 아니라 공작기계와 중장비 등 엔진에 의해 벨트 구동되는 부품의 회전수 제어에도 적용이 가능하다.

이상 본 발명에 따른 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치 및 방법의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

도 1은 종래 기술에 따른 워터펌프의 사시도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프와 워터펌프 유량제어 장치의 단면도이고,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 워터펌프와 워터펌프 유량제어 장치의 단면도이고,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프 유량제어방법의 흐름도이고,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 워터펌프 유량제어방법의 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 워터펌프 110 : 구동클러치 풀리

112 : 벨트 120 : 갭

130, 132 : 유변유체 140 : 종동클러치

142 : 베어링 150 : 공급부

160 : ECU

Claims (6)

1. 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치에 있어서,

   크랭크 축의 회전력을 전달받아 구동되는 구동클러치 풀리와,

   상기 구동클러치 풀리의 내부를 따라 형성된 갭을 사이에 두고 삽입 설치되며 상기 워터펌프의 회전축과 일체로 형성되는 종동클러치와,

   상기 갭에 채워지는 유변유체와,

   상기 구동클러치 풀리와 상기 종동클러치에 전기장 또는 자기장을 공급하도록 설치되며 전기장 또는 자기장의 크기를 조절하여 상기 유변유체의 점성 정도를 가변시킴으로써 상기 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 상기 종동클러치의 회전 제어로 상기 워터펌프의 냉각수 유량을 조절할 수 있는 공급부와,

   상기 공급부를 제어하는 ECU

   를 포함하는 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동클러치 풀리와 상기 종동클러치는 상기 갭을 사이에 두고 서로 엇갈리게 교합 설치되는 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동클러치 풀리와 상기 종동클러치는 상기 갭을 사이에 두고 일정한 간격이 유지될 수 있도록 상기 구동클러치 풀리의 외측면에 베어링이 설치되고, 상기 베어링에 상기 종동클러치의 단부측이 회전 가능하게 연결 설치되는 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 유변유체는,

   ER(Electro Rheological Fluid) 또는 MR(Magneto Rheological Fluid)인 워터펌프의 냉각수 유량 제어장치.
5. ECU의 제어에 따라 공급부에서 구동클러치 풀리와 종동클러치에 각각 선택적으로 +, -의 전원을 공급하고 그 전기장의 크기를 조절하는 단계와,

   전기장의 크기 조절에 따라 상기 구동클러치 풀리와 상기 종동클러치 사이의 갭에 채워진 유변유체의 점성 정도를 가변시키는 단계와,

   상기 유변유체의 점성 정도에 따라 상기 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 상기 종동클러치의 회전을 제어하여 상기 종동클러치에 연결된 워터펌프의 냉각수 유량을 제어할 수 있는 단계

   를 포함하는 워터펌프의 냉각수 유량 제어방법.
6. ECU의 제어에 따라 공급부에서 구동클러치 풀리와 종동클러치에 각각 선택적으로 N, S의 전극을 공급하고 그 자기장의 크기를 조절하는 단계와,

   자기장의 크기 조절에 따라 상기 구동클러치 풀리와 상기 종동클러치 사이의 갭에 채워진 유변유체의 점성 정도를 가변시키는 단계와,

   상기 유변유체의 점성 정도에 따라 상기 구동클러치 풀리의 회전수와는 별도로 상기 종동클러치의 회전을 제어하여 상기 종동클러치에 연결된 워터펌프의 냉각수 유량을 제어할 수 있는 단계

   를 포함하는 워터펌프의 냉각수 유량 제어방법.

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