KR101578482B1 - 배기열 회수용 전동식 워터 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동식 워터 펌프에 관한 것으로, 외부에서 인가되는 전원에 의하여 회전하는 모터 모듈과; 모터 모듈과 결합되어 회전력에 의해 유입되는 유체를 가압하는 배출하는 펌프 모듈과; 상기 모터 모듈과 상기 펌프 모듈을 지지 가능하게 결합되는 하우징;를 포함하고, 상기 구동 기어는 상기 모터 모듈에 결합되어 회전하며, 상기 구동 기어 및 상기 종동 기어의 재질은 스테인레스강 또는 엔지니어링 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에, 내구성, 내식성, 내마모성을 향상시킬 수 있고, 펌프 효율을 향상시키고 모터의 고정자측으로의 기밀을 유지할 수 있는 배기열 회수용 전동식 워터 펌프를 제공할 수 있다.

Description

배기열 회수용 전동식 워터 펌프 {Electro Water Pump for Co-generation System}

본 발명은, 배기열 회수용 전동식 워터 펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배기열 회수용으로 사용되는 고온 또는 저온의 물을 순환시키는 워터 펌프의 구조를 개선한 배기열 회수용 전동식 워터 펌프에 관한 것이다.

자동차는 많은 부품들이 결합되어 이루어지는 현대의 대표적인 운송수단이다. 이러한 자동차는 동력을 만들기 위하여 휘발유, 경유 등의 화석 연료나, 전기 등을 사용하고 있으며 그 중에서도 화석 연료의 과다 사용 등으로 지구 환경이 오염되고 지구 온난화 현상의 하나의 원인이 되어 연료 효율을 향상시킬 수 있도록 연구에 박차를 가하고 있다.

이러한 연구의 하나로 자동차에서 동력에너지로 변환되지 못하고 버려지는 열에너지를 동력으로 재생시켜 에너지 효율의 극대화를 추구하는 엔진 회수시스템인 코제너레이션 시스템(Co-Generation System)이 개발되고 있다.

즉, 현재 자동차에 사용되는 내연기관의 효율은 최대 35%를 넘지 못하는데 이는 연료의 약 1/3만이 동력에너지로 변환되고 나머지는 모두 엔진의 냉각수와 배기가스 및 기타 손실로 버려지기 때문이다.

현재 선진국에서 진행되고 있는 현재 선진국에서 진행되고 있는 자동차용 코제너레이션 시스템 기술에는 랭킨 스팀 사이클(Rankine Steam Cycle) 기술, 열전소자(Thermoelectric) 기술 및 전기터보 컴파운드(Electric Turbo Compound) 기술일 알려져 있다.

열전소자 기술은 배기가스로부터 열전소자로 폐열을 회수하여 전기 에너지로 재생하는 기술로써 아직까지 재생 효율이 낮고, 열전소자 가격이 고가라는 점에 비추어 보면, 양산화까지는 다소 시일이 소요될 것으로 판단되고 있다.

전기터보 컴파운드 기술은 터보차져의 터빈에 의해 생성되는 동력이 컴프레서가 요구하는 동력보다 높을 때는 잉여 에너지를 터보차져 축(Turbocharger shaft)에 장착된 제너레이터 또는 모터와 같은 전동기구(Electrical machine)로 전기 에너지로 변환시켜 엔진의 보조 동력으로 이용하거나 올터네이너(Alternator)나 전동식 보기류의 동력으로 이용하며, 터빈 동력이 컴프레서가 요구하는 동력보다 낮을 때는 전동기구(Electrical machine)가 모터로 작용하여 터보차져 축을 가속시켜 엔진 출력을 향상시킨다.

한편, 본 발명이 적용되는 랭킨스팀 기술은 현재 해외 완성차 업체에서 가장 많이 연구 진행 중에 있으며, 연비향상 효과가 가장 높은 기술로 알려져 있다.

랭킨스팀 기술은, 도 7에 도시된 바와 같이, 폐열회수를 위한 작동유체를 가압시키는 펌프(21, 31), 폐열을 회수하는 열교환기(Boiler, Superheater, 32, 22, 22a), 작동유체를 응축시키기 위한 열교환기(Condenser, 23, 33)로 이루어지는 폐열 회수시스템과 고압의 스팀(작동유체)의 팽창에 의해 동력을 재생시키는 동력 재생 시스템 및 재생 동력을 엔진동력과 매칭시키고 전체 시스템을 제어하는 통합 제어 시스템으로 구분된다. 본 시스템의 레이아웃은 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하는 고온 루프(HT-High Temperature Loop)와 비교적 저온인 엔진 냉각수로부터 폐열을 회수하는 저온 루프(LT-Low Temperature Loop)로 구성된다.

여기서 고온 펌프(HT Pump, 21)는 고온 루프의 작동유체를 고압으로 가압시켜주는 펌프이고, 저온 펌프(LT Pump, 31)는 저온 루프의 작동유체를 고압으로 가압시켜주는 펌프이다.

또한, 고온 보일러(HT Boiler,22)는 고온 루프의 작동유체의 온도를 올려주는 열교환기로써 일반적으로 액상에서부터 이상(二相) 구간까지 상변화를 하고, 고온 슈퍼히터(HT Superheater, 22a)는 고온 루프의 작동유체를 과열 증기(Super-heat) 구간까지 상변화 시켜주며, 고온 컨덴서(HT Condenser 내지 저온 슈퍼히터 LT Superheater, 23)는 저온 팽창기 출구의 작동유체를 액상으로 응축시켜주어, 일반적으로 공랭식 열교환기를 사용하여 외부로 방열시킨다.

그러나, 필요에 따라 냉각유체를 저온 루프의 작동유체를 사용함으로써 저온 작동유체가 폐열을 재회수함으로써 폐열회수를 극대화시키고자 한다. 저온 루프에서는 엔진 냉각수 온도보다 고온 팽창기 출구의 고온 작동유체 온도가 더 높아 슈퍼히터 역할을 하며, 저온 보일러(LT Boiler, 32)는 저온 루프의 작동유체의 온도를 올려주는 열교환기로 일반적으로 액상에서부터 이상(二相) 구간까지 상변화하고, 저온 콘덴서(LT Condenser, 33)는 저온 팽창기 출구의 작동유체를 액상으로 응축시켜주는 공랭식 열교환기이며, 저온 리규퍼레이터(LT Recuperator, 34)는 저온 팽창기와 콘덴서(Condenser)의 중간에 장착되는 중간 열교환기로 팽창기에서 나오는 고온의 작동유체를 콘덴서에서 응축된 저온의 작동유체가 열교환을 하여 공랭식 저온 콘덴서에서 요구되는 방열량이 매우 크기 때문에 중간에 배치하여 저온 콘덴서의 사이즈 부담을 덜어준다.

이러한 시스템에 사용되는 전동식 고온 펌프(21) 및 전동식 저온 펌프(31)가 본 발명에 적용되는 펌프이다.

이러한 배기열 회수를 위한 시스템과 이에 사용되는 펌프에 대하여 일본 공개특허공보 特開2006-084056호(2006.03.30)가 개시되어 있다.

본 발명의 목적은, 내구성, 내식성, 내마모성을 향상시킬 수 있는 배기열 회수용 전동식 워터 펌프를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 펌프 효율을 향상시키고 모터의 고정자측으로의 기밀을 유지할 수 있는 배기열 회수용 전동식 워터 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, 맞물려 회전하는 구동 기어와 종동 기어를 갖는 전동식 워터 펌프에 있어서, 외부에서 인가되는 전원에 의하여 회전하는 모터 모듈과; 모터 모듈과 결합되어 회전력에 의해 유입되는 유체를 가압하는 배출하는 펌프 모듈과; 상기 모터 모듈과 상기 펌프 모듈을 지지 가능하게 결합되는 하우징;를 포함하고, 상기 구동 기어는 상기 모터 모듈에 결합되어 회전하며, 상기 구동 기어 및 상기 종동 기어의 재질은 스테인레스강 또는 엔지니어링 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프에 의해서 달성된다.

또한, 상기 구동 기어와 상기 종동 기어를 회전 가능하게 지지하는 베어링은 습식 카본 베어링을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 모터 모듈은 회전하고 상기 펌프 모듈과 결합되는 회전자와; 상기 회전자를 회전 가능하게 자력을 형성하는 고정자;를 포함하며, 상기 펌프 모듈로 유입되는 유체가 상기 고정자로 유입되지 않도록 상기 하우징에 결합되는 캔형 바디;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 모터 회전자의 중앙영역에는 회전축이 결합되고, 상기 회전축을 회전가능하게 지지하도록 상기 캔형 바디에 결합되는 습식 카본베어링을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동 기어는 내접 기어이며, 상기 종동 기어는 외접 기어를 포함하는 것이 바람직하다.

이에, 본 발명에 따르면, 내구성, 내식성, 내마모성을 향상시킬 수 있고, 펌프 효율을 향상시키고 모터의 고정자측으로의 기밀을 유지할 수 있는 배기열 회수용 전동식 워터 펌프를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전동식 워터 펌프의 단면도,
도 2는 도 1의 분해도,
도 3(a) 및 도 3(b)는 기어 부분의 사시도 및 단면도,
도 4는 캔형 바디의 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 워터 펌프 단면도,
도 6은 도 5의 분해도,
도 7은 본 발명에 따른 전동식 워터 펌프가 사용되는 예를 도시한 개략도이다.

이하에서 본 발명인 배기열 회수용 전동식 워터 펌프의 일실시예를 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전동식 워터 펌프의 단면도이고, 도 2는 도 1의 분해도이며, 도 3(a) 및 도 3(b)는 기어 부분의 사시도 및 단면도이고, 도 4는 캔형 바디의 사시도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 워터 펌프 단면도이고, 도 6은 도 5의 분해도이며, 도 7은 본 발명에 따른 전동식 워터 펌프가 사용되는 예를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 배기열 회수용 전동식 워터 펌프(100, 이하에서 ‘전동식 워터펌프’라 한다)는 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 외관을 형성하는 하우징(110)과, 하우징(110) 내를 출입하는 작동유체가 순환 가능하게 가압하는 펌프 모듈(150)과, 펌프 모듈(130)에 회전력 내지 동력을 제공하는 모터 모듈(130)을 포함하며, 펌프 모듈(150)은 모터 모듈(130)과 결합되는 구동 기어(151)와 구동 기어(151)와 맞물리는 종동 기어(153)를 포함하며, 구동 기어(151)와 종동 기어(153)의 재질은 스테인레스강 또는 엔지니어링 플라스틱으로 구비되는 것이 바람직하다. 이러한 재질적 특성에 의해 내식성, 내마모성, 내구성을 향상시킬 수 있다.

이하에서 전동식 워터펌프(100) 중에서 도 7의 고온 펌프(21)와 관련된 설명은 도 1 내지 도 4를 참조하고, 도 7의 저온 펌프(23)와 관련된 설명은 도 5 및 6을 참조한다.

하우징(110)은 모터 모듈(130)을 지지하는 모터 하우징(113)과, 모터 하우징(113)과 결합되어 펌프 모듈(150)을 지지하는 펌프 하우징(111)과, 펌프 하우징(111)과 결합되어 펌프 모듈(150)을 덮는 펌프 커버(111a)와, 모터 하우징(113)과 결합하는 각종 전자기적 구성을 작동, 제어하는 제어모듈(170)을 지지하는 제어기 하우징(115)을 포함한다.

모터 모듈(130)은 외부에서 인가되는 전원에 의하여 자기장을 형성하여 자력을 제공하는 고정자(133)와, 고정자(133)의 자력에 의해 회전하고 중앙영역에 회전축(135)을 갖는 회전자(131)를 구비한다. 모터 모듈(130)은 보다 안정적이고 효율이 우수한 BLDC 모터가 바람직하다.

펌프 모듈(150)은, 회전축(135)과 결합되는 구동 기어(151)와 구동 기어(151)와 맞물리는 종동 기어(153)와, 종동 기어(153)와 구동 기어(151)를 회전할 수 있도록 결합되는 부싱(155)을 포함하여, 부싱(155)은 펌프 하우징(111)에 의하여 지지된다.

여기서, 도 2 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 부싱(155)은 상하로 나누어져 있으며, 상하 부싱(155)은 각각 종동 기어(153)와 구동 기어(151)의 축인 종동 및 구동기어축(153a, 151a)을 회전 가능하게 지지하는 기어축 베어링(153b)을 내측에 구비하고 있다. 이러한 기어축 베어링(153b)은 습식 카본 베어링으로 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 습식 카본 베어링이 구비되어 유체가 공급되면서 회전할 수 있어 보다 효율적으로 큰 저항이 없이 구동 기어(151)와 종동 기어(153)가 회전할 수 있어 구동 토크를 절감할 수 있어 펌프 효율을 향상시킬 수 있다.

이러한 구조에 의해 종동 기어(153)와 구동 기어(151)가 맞물리면 펌프 하우징과 기어가 형성된 부분으로 유체가 이동하면 흡입구(181)에서 유체가 흡입되어 배출구(183)로 가압된 유체가 배출된다.

그리고, 캔형 바디(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 회전자(131)의 일단을 지지하고 펌프 모듈(150)로부터 회전자(131) 측으로 유입된 유체가 고정자(133) 측으로 유입되지 않도록 하우징(110)에 결합된다. 캔형 바디(140)는 회전자(131)가 수용될 공간을 가지고 얇은 두께를 갖는 원통형으로 구비되어 있고, 작동유체인 물에 대한 내식성을 갖는 스테인레스강을 포함한 다양한 재질로 마련된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 워터펌프(200)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 모터 모듈(130)의 회전축(135)과 결합되는 구동 기어 기능을 하는 내접 기어(251)와, 내접 기어(251) 외측에서 맞물리는 종동 기어 기능을 하는 외접 기어(253)를 포함하는 펌프 모듈(250)을 구비하는 것이 바람직하다.

나머지 특별하게 언급하지 않은 구성은 전술한 실시예와 동일하거나 형상이 상이하더라도 기능이 동일하다.

내접 기어(251) 및 외접 기어(253)의 재질은 전술한 실시예와 같이 스테인레스강 또는 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 것이 바람직하다.

이에, 본 발명에 따르면, 고정자 등을 간단하고 편리하게 방수를 할 수 있고, 구조가 간단한 스테이터캔을 가지고 수명을 향상시킬 수 있는 자동차 열 회수장치용 전동식 워터펌프 및 그 장치를 제공할 수 있으며, 열 회수를 극대화할 수 있는 자동차 열 회수장치용 전동식 워터펌프 및 그 장치를 제공할 수 있다.

여기서, 본 발명의 여러 실시예를 도시하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

100 : 전동식 워터펌프 110 : 하우징
111 : 펌프 하우징 111a : 펌프 커버
113 : 모터 하우징 115 : 제어기 하우징
130 : 모터 모듈 131 : 회전자
133 : 고정자 135 : 회전축
140 : 캔형 바디 150 : 펌프 모듈
151 : 구동 기어 153 : 종동 기어
151a, 153a : 구동기어축, 종동기어축
153b : 기어축 베어링 155 : 부싱
170 : 제어모듈 181 : 흡입구
183 : 배출구

Claims (5)

1. 맞물려 회전하는 구동 기어와 종동 기어를 갖는 전동식 워터 펌프에 있어서,
   외부에서 인가되는 전원에 의하여 회전하는 모터 모듈과;
   모터 모듈과 결합되어 회전력에 의해 유입되는 유체를 가압하는 배출하는 펌프 모듈과;
   상기 모터 모듈과 상기 펌프 모듈을 지지 가능하게 결합되는 하우징;를 포함하고,
   상기 구동 기어는 상기 모터 모듈에 결합되어 회전하며, 상기 구동 기어 및 상기 종동 기어의 재질은 스테인레스강 또는 엔지니어링 플라스틱을 포함하고,
   상기 모터 모듈은 회전하고 상기 펌프 모듈과 결합되는 회전자와; 상기 회전자를 회전 가능하게 자력을 형성하는 고정자;를 포함하며,
   상기 펌프 모듈로 유입되는 유체가 상기 고정자로 유입되지 않도록 상기 하우징에 결합되는 캔형 바디;를 포함하며,
   상기 모터 회전자의 중앙영역에는 회전축이 결합되고, 상기 회전축을 회전가능하게 지지하도록 상기 캔형 바디에 결합되는 습식 카본베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구동 기어와 상기 종동 기어를 회전 가능하게 지지하는 베어링은 습식 카본 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 구동 기어는 내접 기어이며, 상기 종동 기어는 외접 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프.

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