KR101369097B1 - 액체 냉각식 전기 기계 - Google Patents

Abstract

성형된 챔버와 액체 냉각재를 운반하기 위한 통로를 포함하는 전기 기계용 흐름 제어 장치. 상기 기계의 특정 부분에서 냉각재로의 열의 전달 속도는 상기 챔버를 통과하는 액체의 변화하는 속도에 의해 결정되며, 이에 따라, 기계의 상기 부분의 균일한 냉각이 도출된다.

Description

액체 냉각식 전기 기계{LIQUID COOLED ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 전기 기계의 부품의 냉각과 관련되어 있다. 특히, 본 발명은 전기 기계 부품의 고른 냉각을 제공하기 위해 냉각재의 흐름을 제어하는 장치에 관한 것이다.

차량의 전력에 대한 수요가 증가함에 따라, 교류발전기 설계가 더 높은 전력 용량을 추구하는 경향이 있다. 동시에, 교류발전기 하우징이 차량의 엔진 격납실의 공간을 덜 차지하도록, 이를 보다 작게 만들 것에 대한 요구가 있다. 이러한 요구의 결과로서, 교류발전기 하우징내에 위치하는 스테이터/로터 권선에 의해 발생하는 열을 제거해야 하는 교류발전기의 냉각 시스템에 대한 요구가 증가하였다.

교류발전기 냉각 시스템의 하우징은 액체 냉각재가 흐르는 하나 이상의 통로를 포함하는 것이 일반적이다. 상기 냉각재는 차량의 엔진에서 교류발전기로 우회되는 것이 일반적이다. 미국특허 US 6,633,098은 고출력 교류발전기의 스테이터와 로터를 냉각시키기 위한 장치 배열을 기재하고 있다. 상기 스테이터는 슬리브 구조를 구성하는 브라켓(bracket)에 의해 지지된다. 냉각재가 슬리브를 따라 축방향으로, 그리고 슬리브의 단부에서 원주방향으로 뻗어 있다. 냉각재는 슬리브의 하나의 단부에서 투입되고, 회로를 따르며, 상기 회로는 냉각재를 반대쪽 단부로 보냈다가 다시 회수한다. 그 후, 냉각재가 슬리브를 빠져나오고, 스테이터는 냉각된 상태가 된다. 로터는 원심 팬(centrifugal fan)에 의해 냉각된다. 상기 팬으로부터 공기 흐름을 지시하는 핀(fin)과 가이드(guide)가 제공된다.

또한 미국특허 US 6,046,520도 고출력 교류발전기를 냉각하는 것과 관련되어 있다. 용기 형태의 외피(본질적으로, 바닥이 있는 관)가 교류발전기 하우징에 부착되어 있으며, 이때, 교류발전기 하우징과 외피 사이에 갭이 형성된다. 이러한 갭은 하우징의 원주방향과 축방향으로 뻗어 있다. 냉각재가 외피에 접해 있는 투입구(inlet)에서 갭으로 투입된다. 냉각재는 상기 외피의 원주 방향의 갭을 따라 통과하고, 상기 투입구로부터 약 300도 떨어진 곳에 위치하는 배출구를 통해 빠져나온다. 투입구와 배출구 사이의(60도 떨어져 있음) 갭이 부분적으로 차단되어, 유체가 배출구쪽으로 더 짧은 루트를 취하는 것이 방지된다. 투입구와 배출구는 축방향으로 이동되어(외피의 길이 방향을 따라 어긋나 있어서), 냉각을 강화시킬 수 있다. 상기 외피의 원주 둘레의 약 180도 지점에 제한장치가 있다. 이러한 제한장치에 의해, 액체 중 일부가 외피의 바닥 영역까지 축방향으로 우회될 수 있으며, 이렇게 우회된 일부 액체가 바닥 영역 내 베어링을 냉각시킬 수 있다. 나머지 액체는 상기 제한장치를 통과하여, 배출구까지 도달한다.

따라서 교류발전기의 냉각재 통로의 일반적인 배열이 알려졌다. 그러나 내연엔진에 의한 연료 소모량의 감소에 대한 필요성이 증가함에 따라, 종래의 교류발전기의 대표적인 대안인 시동기와 발전기의 통합형 장치(ISG: Integrated Starter Generator)가 개발되었다. 교류발전기처럼, 엔진이 동작 중일 때, ISG도, 차량의 전기 시스템을 전력을 공급하고, 차량의 배터리를 충전하기 위해, 전력을 발생시킨다. 그러나 ISG는 종래의 교류발전기/발전기의 기능과 시동기 모터의 기능을, 하나의 단일 ISG로 결합시킨다. 따라서 교류발전기 모드에서 시동기 모드로의 전환을 수행할 수 있다. ISG는 자동으로 정지된 후, 엔진을 빠르게 재-시동할 수 있어서, 가령, 차량이 신호등을 기다리고 있을 때 불필요한 엔진 아이들링(engine idling)의 시간을 피할 수 있다. 이는 연료 소모량과 배기 배출량을 감소시킨다.

교류발전기처럼, ISG는 냉각될 필요가 있는 스테이터와 로터를 포함한다. 그러나 앞서 설명된 ISG의 이중 기능은 ISG가 교류발전기에서 일반적으로 발견되는 부품외에 또 다른 부품을 필요로 함을 의미한다. 특히, ISG는 엔진을 시동시키기 위해 필요한 고전류를 발생시키기 위한 다양한 전기적 부품을 포함한다. 덧붙이자면, ISG의 시동-정지 기능을 효율적으로 제어하기 위해 복잡한 전자소자가 필요하다. 덧붙여, ISG는 종래의 교류발전기와 동일한 소형화에 대한 요구에 직면하며, 따라서 전기 및 전자적 부품들이 ISG의 하우징으로, 가능한 최소의 공간에서 집적되어야 한다. 고전력 부품을 작고 밀폐된 공간에 결합시키는 것은, ISG의 발열량이 크다는 것(종래의 교류발전기의 발열량보다 상당히 더 큼)을 의미하며, 이러한 ISG의 열은 ISG가 효율적으로 동작하도록 하기 위해 효과적으로 제거되어야 한다.

본 발명의 하나의 양태에 따라, 전기 기계를 위한 흐름 제어 장치가 제공되며, 상기 흐름 제어 장치는, 제 1 벽 및 제 2 벽을 포함하며, 상기 제 2 벽은 제 1 벽 쪽으로 기울어져 있어서, 제 1 벽과 제 2 벽 사이에 차츰 가늘어지는 형태의(tapered) 제 1 챔버가 형성되고, 상기 제 1 챔버는 입구와 출구를 포함하고, 사용 중에, 차츰 가늘어지는 형태에 의해, 입구와 출구 사이에서 액체가 운반될 때 상기 제 1 챔버 내 액체의 속도가 변화할 수 있으며, 제 1 벽을 통한, 열원(heat source)에서 액체로의 열에너지의 전달이 상기 입구와 출구 간에 실질적으로 균일하다.

바람직하게는, 흐름 제어 장치의 제 2 벽은 가이드 부재(guide member)를 포함하며, 상기 가이드 부재는 제 1 면과 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면은 상기 제 2 면 쪽으로 기울어져 있어서, 상기 제 1 면과 제 2 면 사이에 차츰 가늘어지는 형태의(tapered) 옆모습이 형성되고, 차츰 가늘어지는 형태의 제 1 챔버는 상기 제 1 벽과 상기 가이드 부재의 제 1 면에 의해 형성된다. 상기 가이드 부재는 기계의 분리 가능한 부품일 수 있으며, 기계 자체 구조물의 제조를 단순하게 할 수 있다. 덧붙이자면, 각각 서로 다른 테이퍼 각도(taper angle)를 갖는 다양한 가이드 부재가 생산될 수 있다. 따라서 임의의 특정 기계에 대해 요구되는 유속 프로파일 및 냉각 성능을 제공할 적정한 가이드 부재의 선택이 가능해진다.

흐름 제어 장치는, 액체를 수용하도록 구성된 포트(port)를 포함하는 제 3 벽과, 상기 제 3 벽과 가이드 부재의 제 2 면에 의해 형성되는 제 2 챔버를 더 포함하며, 제 1 챔버의 출구가 상기 제 2 챔버로 연결되어 있고, 사용 중에, 액체는 출구를 통해 제 1 챔버에서 제 2 챔버로 운반되며, 제 2 챔버 내 액체의 일부 또는 전부가 포트에 의해 수용된다. 하나의, 또는 복수의 포트는, 부품들의 냉각을 위해 기계의 또 다른 포트로 액체를 분산하는 기능을 수행한다.

흐름 제어 장치의 제 1 벽은, 액체에서 난류(turbulence)를 유도하기 위한 물결치는 형태(undulated)의 표면을 포함한다. 이에 추가로, 또는 이를 대체하여, 상기 가이드 부재의 제 1 면은 액체에서 난류를 유도하기 위한 물결치는 형태의 표면을 포함한다. 난류 흐름은 층류 흐름(laminar flow)에 비해, 더 높은 속도의 열전달을 도출할 수 있기 때문에, 바람직하다.

본 발명의 두 번째 양태에 따라, 전기 기계를 위한, 전체적으로 원통형인 하우징이 제공된다. 상기 하우징은, 앞서 기재된 흐름 제어 장치를 포함하는 제 1 단부와, 제 2 단부와, 상기 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 축방향으로 뻗어 있는 내측 환형 벽 및 외측 환형 벽과, 상기 내측 환형 벽과 외측 환형 벽 사이에 위치하며 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 축방향으로 뻗어 있는 복수의 통로와, 상기 내측 환형 벽과 외측 환형 벽 사이에서 원주 방향으로 뻗어 있으면서, 축방향 통로와 제 2 단부에서 만나는 도관(conduit)을 포함하며, 사용 중에, 제 1 단부에 위치하는 흐름 제어 장치의 포트(port)로부터, 제 2 단부에서의 도관까지, 축방향 통로에 의해, 액체가 운반되어, 내측 환형 벽을 통해, 열원으로부터 액체로 열에너지가 전달된다. 하우징의 특징은 유속 프로파일의 제어의 이점과 냉각을 위한 액체의 분산의 이점을 모두 제공한다.

본 발명의 세 번째 양태에 따라, 전기 기계의 중공부(cavity)에서 사용되며, 전체적으로 링(ring) 형태인 가이드 부재(guide member)가 제공된다. 상기 가이드 부재는 전기 기계의 중공부에서 입구와 출구 사이에서의 액체의 흐름에 영향을 미치며, 상기 가이드 부재는 제 1 면과 제 2 면을 포함하며, 상기 제 1 면은 상기 제 2 면 쪽으로 기울어져 있어서, 제 1 면과 제 2 면 사이에 차츰 가늘어지는 형태(tapered)의 옆모습이 형성되며, 가이드 부재의 차츰 가늘어지는 형태로 인해, 액체가 입구와 출구 사이에서 운반될 때 제 1 면에 인접한 액체의 속도는 변화한다. 상기 가이드 부재는 기계의 분리 가능한 부품일 수 있으며, 기계 자체 구조물의 제조를 단순하게 할 수 있다. 덧붙이자면, 각각 서로 다른 테이퍼 각도(taper angle)를 갖는 다양한 가이드 부재가 생산될 수 있다. 따라서 임의의 특정 기계에 대해 요구되는 유속 프로파일 및 냉각 성능을 제공할 적정한 가이드 부재의 선택이 가능해진다.

상기 가이드 부재의 상기 제 1 면은 액체에 난류(turbulence)를 유도하기 위한 물결치는 형태(undulated)의 표면을 포함한다. 난류 흐름은 층류 흐름에 비해 더 높은 속도의 열전달을 야기할 수 있기 때문에 바람직하다.

본 발명의 네 번째 양태에 따라, 전기 기계를 위한 짝결합 부재(mating member)가 제공된다. 상기 짝결합 부재는 탄성의 외부 커버에 의해 감싸지는 강성의(rigid) 내부 코어를 포함하고, 상기 커버는 평탄한(plain) 밀봉 표면(sealing surface)을 갖는 제 1 짝결합 부분과, 질감처리된(textured) 감쇠 표면(damping surface)을 갖는 제 2 짝결합 부분과, 상기 제 1 짝결합 부분과 제 2 짝결합 부분 사이에 뻗어 있는 내측 환형 벽과 외측 환형 벽을 포함하며, 상기 짝결합 부재는 전기 기계의 하우징의 2개의 부분들을 체결하도록 구성되어, 사용 중에, 밀봉 표면이 하우징으로부터의 액체의 누설을 막고, 감쇠 표면은 하우징의 부분들 간에 전달되는 진동을 흡수할 수 있다. 이중-기능의 짝결합 부재는 액체 냉각재 통로를 밀봉하는 기능과, 기계 내 진동을 감소시키기 위한 기능을 모두 수행하는 효율적인 수단을 제공한다.

바람직하게는, 질감처리된 감쇠 표면은 복수의 양각 딤플(raised dimple)을 포함한다. 방사 방향에서(내측으로, 또는 외측으로) 탄성 커버가 압착되거나 그 밖의 다른 방식으로 심각하게 일그러지지 않게 하면서, 하우징의 2개의 부분이 서로 견고하게 클램핑(clamping) 고정되도록, 상기 딤플이 변형 가능하다.

상기 짝결합 부재는, 제 2 짝결합 부분 상에 위치하며, 양각 딤플로부터 내측으로 방사형으로 뻗어 있는 환형 방사형 돌출부를 더 포함한다. 환형 방사형 돌출부는 추가적인 밀봉을 제공하도록 기능한다.

강성의(rigid) 내부 코어가 내측으로 돌출되는 립(lip)을 포함하며, 이로 인해, 짝결합 부재의 전체 강성(stiffness)이 증가된다.

본 발명의 다섯 번째 양태에 따라, 전기 기계를 위한 전체적으로 원통형인 하우징이 제공된다. 상기 하우징은 제 1 부분을 포함하며, 상기 제 1 부분은 제 1 단부 및 제 2 단부와, 상기 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 축방향으로 뻗어 있는 내측 환형 벽 및 외측 환형 벽과, 내측 환형 벽과 외측 환형 벽 사이에 위치하며, 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 축방향으로 뻗어 있는 복수의 통로와, 내측 환형 벽과 외측 환형 벽 사이에서 원주 방향으로 뻗어 있으며 축방향 통로와 제 2 단부에서 만나는 도관을 포함하며, 상기 하우징은, 제 2 부분과, 앞서 기재된 짝결합 부재(mating member)를 포함하며, 상기 짝결합 부재는 하우징의 제 1 부분과 제 2 부분 간의 체결을 위해 구성된다. 상기 하우징의 특징들은, 유속 프로파일을 제어하고, 냉각을 위해 액체를 분산시키며, 밀봉하고, 진동을 감소시키는 이점을 제공한다.

도 1은 차량의 엔진을 위한 ISG(integrated starter generator)를 도시한다.
도 2는 도 1의 ISG의 정면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 ISG의 하우징의 내부를 도시한다.
도 4는 도 1의 ISG에서 사용되기 위한 스플리터 링을 도시한다.
도 5a는 도 4의 스플리터 링의 평면도와 저면도를 도시한다. 도 5b 및 5c는 스플리터 링의 단면도를 도시한다.
도 6은 도 4의 스플리터 링을 포함한 도 3의 하우징의 반쪽을 도시한다.
도 7은 도 1의 ISG의 단면도를 도시한다.
도 8은 도 4의 스플리터 링의 하면에 걸친 액체 냉각재의 흐름 경로를 도시한다.
도 9는 도 4의 스플리터 링의 상면에 걸친 액체 냉각재의 흐름 경로를 도시한다.
도 10a는 도 1의 ISG에서 사용되기 위한 NVH(noise, vibration and harshness) 링을 도시한다.
도 10b는 도 1의 ISG에서 사용되기 위한 대안적 NVH 링을 도시한다.
도 11은 도 1의 ISG에서 설치되는 도 10a의 NVH 링을 도시한다.
도 12는 본 발명의 또 하나의 실시예에서 사용되는 변형된 하우징을 도시한다.
도 13은 도 12의 하우징과 함께 사용되기 위한 변형된 스플리터 링을 도시한다.

도 1은 차량의 엔진을 위한 시동기와 발전기의 통합형 기계(ISG: Integrated Starter Generator)를 도시한다. ISG(1)는 도 2의 정면도에서 도시된다. ISG(1)는, 전용 전자 제어기가 탑재된 브러쉬리스 모터(brushless motor)를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor)이다. 상기 ISG는 엔진의 크랭크샤프트와 도르래(3) 사이에 연결된 벨트(도면에서 도시되지 않음)에 의해 구동된다. 스테이터 전자석에 대한 강철 로터의 자기 인력에 의해, 엔진을 시동하기 위한 토크(torque)가 발생된다. 어떠한 영구 자석도 필요하지 않으며, 로터는 어떠한 “스쿼럴 케이지(squirrel cage)”나 권선도 구비하지 않는다. 12V ISG(1)가 최대 65Nm 크랭킹 토크(cranking torque), 2.4㎾ 크랭킹 동력 및 3㎾의 발생 동력을 전달할 것이다.

ISG(1)는 전면(7)과 후면(9)을 갖는 원통형으로 주형-제조된 알루미늄 하우징(5)을 포함한다. 하우징(5)은 스테이터 조립체 및 이와 연계된 구동샤프트와 베어링을 우선적으로 수용한다. 알루미늄 전방 커버(11)가 하우징(5)의 전면(7)에 탈착가능하게 부착되어 있다. 전기 및 전자 부품을 포함하는 격납 용기(13)가 ISG(1)의 후면에 탈착가능하게 부착되어 있다. 하우징(5)의 후방부는 축방향으로 안쪽으로 돌출되어, 격납 용기(13)를 수용하는 외부 공동부(도면상 도시되지 않음)를 형성할 수 있다.

ISG(1)는 투입관 및 배출관(15, 17)을 갖는 냉각 장치를 포함한다. 상기 냉각 장치는, 전기 및 전자 부품과 스테이터 조립체를 냉각시키기 위해, 엔진으로부터의 액체 냉각재를 이용한다.

도 3은 전방 커버(11)와 격납 용기(13)가 생략되어진 하우징(5)을 도시한다. 하우징(5)의 내부는 총 15개의 리브(rib, 19)를 갖도록 주조된다. 상기 15개의 리브(19)는, 하우징의 후방에 위치하는 리브 뿌리부터 전면(7)의 전방 종단부까지 축방향으로 뻗어 있다. 리브(19)는 서로 동일하지 않은 길이를 가지며, 하우징(5)의 원주 둘레에서, 배출관(17)에서부터 하우징(5)의 원주 둘레 180도 지점까지 볼 때, 리브의 최전방 부분이 전면(7)에 점점 더 가깝도록 배열된다. 리브(19)들 사이에 복수의 축방향 도관(axial channel, 21)을 형성하도록 원주 방향으로 이격되어 있다.

하우징(5)의 내부에서 원주 방향으로 뻗어 있고, 리브(19)의 뿌리와 접합되는 캐스트 릿지(cast ridge, 23)가 하우징(5)의 후방 쪽에 위치한다. 상기 릿지(23)는 내측으로 돌출되어, 각각의 리브 뿌리에서 좁은 계단(25)을 형성하며, 상기 계단(25)은 리브(19)의 면에 수직이다. 릿지(23)는, 이웃하는 리브(19) 사이의 각각의 축방향 도관(21)에서 요홈 돌출부(recessed ledge, 27)를 추가로 형성한다. 요홈 돌출부(27)는 계단(25)의 후방에 위치하며, 교대로 이격된 요홈 돌출부(27)와 계단(25)이 성곽 패턴(castellated pattern)을 형성한다.

격벽(partition wall, 29)이 하우징(5)의 후방 쪽에, 그리고 릿지(23)에 인접하게 위치한다. 격벽(29)은 하우징(5)의 종방향 축에 수직이며, 릿지(23)의 요홈 돌출부(27)의 후방에 위치한다. 전기 및 전자 부품을 내포하는 격납 용기(13)(도면 상 도시되지 않음)가 격벽(29)의 반대 측(즉, 후방)에 위치한다. 상기 격납 용기(13)는 온열 매트(thermal mat)에 의해 격벽(29)으로부터 격리된다.

도 4는 사출 성형된 플라스틱으로부터 구성되며 ISG(1)에서 사용되는 스플리터 링(splitter ring, 101)을 도시한다. 도 5a는 상기 스플리터 링(101)의 평면도와 저면도를 나타낸다. 도 5b는 도 5a에서의 선 B-B를 따라 취해진 단면도를 도시한다. 도 5c는 도 5a에서의 선 C-C를 따라 취해진 단면도를 도시한다.

스플리터 링(101)은 전체적으로 평평한 상면(103)과 부분적으로 윤곽진 하면(105)을 포함한다. 액체를 이송하기에 적합한 투입구(107)와 배출구(109)가 스플리터 링(101)의 마주보는 측에 위치한다(즉, 서로 180도만큼 떨어져서 위치한다).

하면(105)의 최하부가 스플리터 링(101)을 위한 평평하고 수평한 베이스(base, 111)를 형성한다. 윤곽진 부분(113, 115)은 각각, 수평한 베이스(111)로부터 투입구(107)와 배출구(109) 쪽으로 뻗어 있다.

상면(103)이 스플리터 링(101)의 두꺼운 부분(투입구(107) 위치)에서부터 얇은 부분(배출구(109) 위치)까지 하향으로 경사지도록, 상면(103)은 상기 수평한 베이스(111)에 대해 기울어져 있다. 따라서 도 5b에서 도시된 바와 같이, 스플리터 링(101)의 측면 형태는 전체적으로, 투입구(107)와 배출구(109) 사이에서 점점 가늘어진다.

투입구(107)와 배출구(109) 사이에 간헐적으로 위치하는 스터드(stud, 117)들이 상면(103)으로부터 뻗어 있다. 상기 스터드(117)들의 상부 표면이 수평면을 형성하도록, 상기 스터드들의 길이는, 투입구(107)에서 배출구(109) 방향으로 증가한다.

원주 방향으로 이격되어 있는 러그(lug, 119)들은 스플리터 링(101)으로부터 방사형으로 외측으로 뻗어 있다. 상기 러그(119)들의 하부 표면이 수평면을 형성하도록, 상기 러그들은 상면(103)에서부터 하면(105) 쪽으로 수직으로 뻗어 있다.

도 6은, 스플리터 링(101)을 포함한 도 3의 하우징(5)의 반쪽의 절단도를 도시한다. 스플리터 링(101)은 격벽(29) 앞쪽에, 그리고 릿지(23)에 이웃하게 설치된다. 스플리터 링(101)의 하면(105)이 격벽(29)과 대면한다. 하면(105)에서부터 뻗어 있는 스터드(117)가 격벽(29)과 접촉하고, 스플리터 링(101)의 얇은 단부가 휘어지는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 예컨대, 축방향 도관(21)을 끝내기 위해, 스플리터 링(101)의 러그(119)가 요홈 돌출부(27)로 끼워지고, 상기 요홈 돌출부(27)에 의해 지지된다. 스플리터 링(101)의 투입구(107)가 하우징(5)의 투입관(15)과 정렬된다.

도 7은 도 2에서의 선 A-A에 따라 취해진 ISG(1)의 단면도를 도시한다. 스플리터 링(101)이 끼워진 후, 스테이터 조립체(301)가 하우징(5) 내부에 설치된다. 스테이터 조립체(301)가, 상부 단부(305)와 하부 단부(307)를 갖는 외벽을 갖는 원통형 강철 슬리브(303) 내에 포함된다. 슬리브(303)의 외부 직경은, 하우징(5)의 내부 직경보다 크다. ISG(1)의 조립 공정 동안, 하우징(5)이 슬리브(303)를 수용하도록 확장하도록 상기 하우징(5)이 가열된다. 그 후, 하우징의 하부 단부(307)가, 리브(19) 뿌리에 위치하는 계단(25)에 기대어, 상기 계단(25)에 의해 지지되도록, 슬리브(303)가 하우징(5)에 삽입된다. 또한 축방향 이동을 방지하도록 스플리터 링(101)을 억제하면서, 슬리브(303)의 하부 단부(307)는 스플리터 링(101)의 상면(103)의 스터드(117)의 단부와 접촉한다.

슬리브(303)의 외벽이, 하우징(5)의 내부의 원주 둘레에서, 리브(19)의 면과 접촉한다. 슬리브(303)의 상부 단부(305)가, 리브(19)의 최전방 부분을 넘어서, 하우징(5)의 전면(7) 쪽으로 뻗어 있음으로써, 축방향 도관(21)들이 다 함께 접합하여, 리브(19)의 앞쪽에서, 슬리브(303)의 외벽과 하우징(5) 사이에 원주 도관(circumferential conduit, 311)을 형성할 수 있다.

따라서 슬리브(303)의 외벽에 의해, 리브(19)들 사이의 축방향 도관(21)은 리브(19)의 면을 따라 폐쇄되지만, 스플리터 링(101)과의 교차가 이뤄지는 곳인 하우징(5)의 전면(7)과 축방향 도관(21)의 뿌리 부분 모두는 개방된 채 유지된다. 이러한 억지 끼워 맞춤(interference fit)에 의해, 일반적인 서비스에서 ISG(1)가 고온을 겪을 때, 하우징(5)과 슬리브(303)가 서로 분리되지 않는다.

스플리터 링(101) 및 스테이터 조립체 슬리브(303)가 하우징(5) 내에 설치될 때, 하우징(5)의 후방에서 내측으로 돌출된 부분에 의해 스플리터 링(101)의 내부 에지에서 경계 지워지는 2개의 챔버가 형성된다. 스플리터 링(101)의 하면(105)과 격벽(29) 사이에 하부 챔버가 형성된다. 하면(105)의 수평 베이스(111)로부터 뻗어 있는 윤곽진 부분(113, 115) 때문에, 하부 챔버의 단면적이, 스플리터 링(101)을 따라, 투입구(107)에서부터 배출구(109)까지 변화한다.

상부 챔버는, 스테이터 조립체 슬리브(303)의 수평 하부 단부(307)와 스플리터 링(101)의 기울어진 상면(103) 사이에 형성된다. 상면(103)의 경사짐 때문에, 상부 챔버의 단면적이, 스플리터 링(101)의 투입구(107)와 배출구(109) 사이에서 일정한 비율로 변화한다.

전방 커버(11)가, 전부면(7)에서 원주 방향 도관(311)을 폐쇄하면서, 하우징(5) 상에 설치되어, 상기 원주 방향 도관(311)의 점점 가늘어지는 부분(이하, 테이퍼드 섹션)을 생성할 수 있으며, 이때, 상기 테이퍼드 섹션은, 앞서 기재된 바와 같이, 전부면(7) 쪽으로 뻗어 있는 리브(19)의 최전방 부분에 의해 형성된다.

ISG(1)가 이렇게 조립되는 경우, 하우징(5)의 투입관(15)이 스플리터 링(101)의 투입구(107)에서 하부 챔버로 연결되며, 하부 챔버는 스플리터 링(101)의 배출구(1019)에서 상부 챔버로 연결되고, 상부 챔버는 요홈 돌출부(27)에 수용되는 러그(119)의 영역에서 축방향 도관(21)으로 연결되고, 원주 방향 도관(311)은 슬리브(303)의 상부 단부(305)에서 축방향 도관(21)으로 연결되고, 하우징(5)의 배출관(17)은 원주 방향 도관(311)으로 연결된다.

따라서 전기 및 전자 부품과 스테이터 조립체를 냉각시키기 위한 액체가 ISG(1)의 하우징(5)을 통과하여 흐르기 위한 통로가 형성된다.

사용 중에, 엔진의 물 펌프(water pump)가 강제로 액체 냉각재를 가압된 상태로 투입관(15)을 통과하게 하고, 스플리터 링(101)의 투입구(107)를 통해 하부 챔버로 가게 한다. 투입구(107)에서, 냉각재가 2개의 흐름 경로로 나뉘는데, 상기 2개의 흐름 경로는 각각 격벽(29) 둘레의 반원을 따른다. 이들 냉각재 흐름 경로 중 하나(123)가 도 8에서 도시되어 있으며, 여기서, 도 4의 스플리터 링(101)의 하면(105)의 절반이 도시된다. 2개의 흐름 경로는 스플리터 링(101)의 배출구(109)의 영역에서 다시 만난다.

각각의 경로(123)를 따라 흐르는 냉각재에 속도 경계층이 존재하며, 상기 속도 경계층은, 격벽(29)의 표면으로부터, 흐르는 냉각재까지 뻗어 있다. 또 하나의 속도 경계층은 스플리터 링(101)의 하면(105)으로부터 냉각재로 뻗어 있다.

냉각재는 연속성 원리에 따라 행동하는 비압축성 액체이어서, 정류(steady flow) 상태 하에서, 흐름의 속도는 액체면의 단면적(즉, 냉각재의 흐름 방향에 수직으로, 하부 챔버를 가로질러 취해진 평면의 면적)에 반비례한다. 따라서 냉각재가 투입구(107)로부터, 스플리터 링(101)의 하면(105)의 윤곽진 부분(113)에 의해 형성되는 하부 챔버의 테이퍼드 섹션(tapered section)의 좁아지는 부분을 따라 흐를수록, 냉각재의 속도가 증가한다. 그 후, 냉각재는 하면(105)의 수평 베이스(111)에 의해 형성된 하부 챔버의 일정한 단면을 통과할 때 일정한 속도로 흐른다. 그 후, 냉각재가 스플리터 링(101)의 하면(105)의 윤곽진 부분(115)에 의해 형성된 하부 챔버의 테이퍼드 섹션의 넓어지는 부분을 통과하여 흐를수록 냉각재의 속도가 감소한다. 그 후, 냉각재가 스플리터 링(101)의 배출구(109)에 도달한다. 하부 챔버를 통과하는 냉각재의 속도는, 분 당 약 2리터의 체적 유량에서, 초 당 약 0.2 내지 0.55미터이다. 이는 전기 및 전자 부품으로부터의 열 추출(heat extraction) 측면에서 최적이다. 또한 이는 핵심 냉각 영역에 냉각재 오염물이 심어질 가능성을 낮춘다.

격벽(29)에 인접한 격납 용기(13) 내 고온 전기 및 전자 부품이 격벽(29)으로 열을 전달하며, 이는, 격벽(29)과 상기 격벽을 통과하여 흐르는 냉각재 간의 온도차를 야기한다. 결과적으로 격벽(29)의 표면으로부터, 흐르는 냉각재로 뻗어 있는 열 경계층이 존재하며, 격벽(29)에서 냉각재로의 열에너지의 전달이 존재한다. 열전달 속도는 격벽(29)과 냉각재 간의 온도차에 비례한다. 주요한 열전달 메커니즘은 대류이다. 더 구체적으로는, 기관의 물 펌프에 의해 냉각재가 하부 챔버를 통해 펌프되기 때문에, 강제 대류의 프로세스이다.

앞서 설명된 바와 같이, 냉각재가 스플리터 링(101)의 투입구(107)로부터 배출구(109)로 흐를 때, 하부 챔버의 단면적의 변화에 의해, 냉각재의 속도가 변한다. 따라서 투입구(107)와 배출구(109) 사이에서, 냉각재에 의해 추출되는 단위 시간 당 열에너지양이 변화한다. 즉, 격벽(29)에서 냉각재로의 열전달의 속도는, 하부 챔버의 형태에 의해 정의되고 스플리터 링(101)의 투입구(107)와 배출구(109) 사이에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 따라서 전기 및 전자 부품에서 어떠한 유의미한 온도 구배(temperature gradient)도 피하면서, 격벽(29)은 실질적으로 균일한 온도로 유지된다. 이는, 이러한 온도 구배에 의해 전기 및 전자 부품의 고르지 못한, 그리고 아마도 부적절한 냉각이 초래됨으로써, ISG(1)의 성능이 제한되거나 심지어 손상도 입을 수 있기 때문에, 중요하다.

하우징(5)의 후방부에서 격납 용기(13) 내 전기 및 전자 부품에 의해 방출되는 열이 약 400W에 도달한다. 하우징(5) 내 스테이터 조립체에 의해 방출되는 열은 약 1200W에 도달한다.

격벽(29)으로부터 냉각재로 대류되는 열의 양은, 예를 들어, 뉴튼의 냉각법칙을 적용함으로써, 발견될 수 있다. 이를 위해, 액체 밀도, 속도, 점도, 비열 및 열전도율 등의 몇 개의 인수의 함수인 대류성 열전달 계수를 알 필요가 있다. 대류성 열전달 계수는, 먼저, 누셀트수(Nusselt number)(냉각재에 의해 전도되는 열에 대한 격벽(29)에서 냉각재로 들어가는 열의 비)와 프란틀수(Prandtl number)(열 경계층 두께에 대한 속도 경계층 두께의 비)를 계산함으로써, 얻어질 수 있다. 또는, 일반적인 유체와 다양한 흐름 기하학적 형태를 위한 대류성 열전도 계수가 실험에 의해 확립되어진 바 있으며, 잘 알려져 있다.

낮은 속도에서 냉각재의 흐름은 층류인 경향이 있다. 속도가 높을수록, 따라서 레이놀드수(Reynolds number)가 더 높을수록, 흐름은 난류일 수 있다. 난류는 운동량 전달에 영향을 미치는 것처럼, 엔탈피 전달에 영향을 미치기 때문에, 난류는 열 경계층뿐 아니라 속도 경계층에도 영향을 미친다. 격벽(29)의 고온 표면에서의 정체 액체 막 층은, 층류 흐름에 비교할 때, 난류 흐름에서 더 얇다. 따라서 대류성 열전달 계수와 열전달 속도가 난류 흐름의 경우 더 크다. 따라서 격벽(29)에서 냉각재로의 열전달의 속도를 증가시키기 위해, 난류를 냉각재로 도입시키는 것이 바람직하다. 이는 전기 및 전자 부품이 고 전력 레벨로 동작할 때 희망 온도로 유지될 수 있도록 냉각 성능을 개선한다. 또는 조작자의 요구사항에 따라서, 전기 및 전자 부품이 자신의 가용 서비스 수명을 연장하면서, 동일한 전력 레벨에서 더 낮은 온도로 동작할 수 있다.

도 3에서 도시되는 바와 같이, 격벽(29)의 표면에 울퉁불퉁한 부분을 포함시킴으로써, 난류가 도입된다. 이러한 울퉁불퉁한 부분은 일련의 교대하는 봉우리와 골의 형태를 취하며, 이로 인해, 측방으로 격벽(29)을 바라볼 때 파도형태 패턴이 제공된다. 이러한 물결치는 봉우리와 골은 흐름을 동요시켜서, 격벽(29)의 표면 가까이에서 냉각재의 온도 프로파일의 기울기를 변화시킬 수 있다. 또한, 액체면의 단면적을 간헐적으로 증가시키고 감소시키는 데 영향을 미침으로써, 국지적인 흐름 속도 변동을 초래할 수 있다. 그러나 이는, 하면(105)의 수평면(111)에서부터 뻗어 있는 윤곽진 부분(113, 115)의 속도에 영향을 미치며, 이러한 영향이 우세하다.

격벽(29)의 표면에 울퉁불퉁한 부분을 포함시키는 것은 일반적으로, 격벽(29)의 섹션의 두께를 증가시키면서, 주형 주조된 하우징(5)의 이러한 영역에서 증가된 구조적 강도를 제공한다. 이는, 벽이 자신이 처한 상태를 견디는 것을 보조하기 때문에 바람직하다. 이러한 상태는, 로터의 회전과 ISG(1)가 구비된 차량의 이동에 의한 진동과 함께, 고온 및 많은 횟수의 고온/저온 열 사이클을 포함한다. 그러나 강도가 더 높아지는 이점에도 불구하고, 열전달 특성이 격납 용기(13) 내 전기 및 전자 부품의 냉각 요건에 부합하도록, 벽의 두께는 신중하게 제한된다.

일반적으로, 장치 내 액체 흐름에서의 난류의 결과는, 상기 장치 전체에 걸친 전체 압력 강하가 증가하는 경향이 있다는 것이다. 본 발명의 경우 이러한 압력 강하는 바람직하지 않는데, 왜냐하면, 압력 강하로 인해, 엔진의 물 펌프가 더 자주 필요하기 때문이며, 이로 인해, 엔진의 연료 소모량이 증가할 수 있기 때문이다. 따라서 앞서 언급된 바와 같이, 난류를 흐름에 도입시키는 것이 바람직할지라도, 난류의 크기는 신중하게 제한된다. 세심한 설계가, 과도한 난류를 통한 허용될 수 없는 큰 압력 강하를 발생시키지 않으면서(이러한 허용될 수 없는 큰 압력 강하는, 예를 들어, 냉각재가 너무 갑작스럽게 방향을 바꾸게 되는 경우 발생할 수 있음), 열전달을 돕기 위한 냉각재의 효과적인 혼합을 발생시킨다. 특히, 격벽(29)의 표면에서 물결치는 봉우리와 골의 구배(gradient)를 세심하게 결정함으로써, 임의의 가능성 있는 연료 소모 불이익을 엄격하게 제한하면서, 흐름 제어 장치가 전기 및 전자 기기를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

냉각재가 스플리터 링(101)의 배출구(109)에 도달하면, 상기 냉각재는 상부 챔버 내부로, 그리고 상면(103) 상으로 흐르는데, 이때, 다시 한 번 2개의 흐름 경로로 나뉜다. 이들 흐름 경로 중 하나(125)는 도 9에서 도시되어 있으며, 여기서 도 4의 스플리터 링(101)의 상면(103)의 반쪽이 도시된다.

앞서 기재된 바와 같이, 스플리터 링(101)의 상면(103)이, 스테이터 조립체 슬리브(303)의 하부 단부(307)에 대해 경사져 있기 때문에, 상부 챔버의 단면은 일정한 비율로 변화한다. 냉각재가 배출구(109)에서 멀어지는 방향으로 상면(103)을 따라 흐를 때, 상부 챔버의 단면이 점점 좁아지고, 따라서 냉각재의 속도가 점점 증가한다.

냉각재가 상면(103)을 따라 흐름에 따라, 냉각재의 일부분이, 축방향 도관(21)으로의 또 하나의 흐름 경로(129) 쪽으로 우회한다. 냉각재의 이러한 일부분은 축방향 도관(21)에 의해 원주 방향 도관(311)으로 운반되며, 고온의 스테이터 조립체 슬리브(303)로부터 열에너지를 추출한다. 그 후, 냉각재가 원주 방향 도관(311)의 넓어지는 부분을 통과하여 배출구(17) 쪽으로 흐르며, 상기 냉각재는 상기 배출구(17)에서 하우징(5)을 떠나 차량의 엔진의 냉각 시스템으로 복귀한다.

따라서 냉각재는 다양한 축방향 도관(21)을 통해 하우징(5)의 주변에 원하는 속도와 원하는 양으로 분포됨으로써, 스테이터 조립체를 냉각시킬 수 있다.

도 10a는 앞서 설명된 ISG(1)를 위한 NVH(noise, vibration, harshness) 링(501)을 도시한다. 도 11은 도 7의 ISG(1)의 일부분을 상세하게 도시하며, 하우징(5)과 전방 커버(11) 사이에서 ISG(1)에 설치된 NVH 링(501)을 도시한다. 상기 NVH 링(501)은 전방 커버(11)를 하우징(5)으로부터 분리하여, 전방 커버(11)와 하우징이 직접 접촉하지 않을 수 있다.

NVH 링(501)은 두 가지 기능을 가진다. 첫째는, 액체 냉각재가 하우징(5) 내 통로로부터 탈출하는 것을 방지하기 위해 밀봉재(seal)로서 기능하는 것이다. 둘째는, 하우징(5) 내에서 스테이터/로터 조립체에 의해 유도된 진동을 흡수하고 가라앉힘으로써, 전방 커버(11)를 회전하는 부품으로부터 격리하고, 소음을 감소시키도록 기능하는 것이다.

상기 NVH 링(501)은, 탄성중합체(고무) 케이스(505)에 내장된 강성의 강철 코어(503)를 포함한다. 상기 강철 코어(503)는 강건하고, 비교적 유연하고 변형 가능한 케이스(505)에 대한 형태를 제공한다. 케이스(505)는 상면 및 하면(507, 509)을 가진다. 하면(509)은 평평하고 매끄럽다. 상면(507)은 서로 이격되어 있는 복수의 양각 딤플(raised dimple)을 포함한다. 상면과 하면(507, 509)은 내측 환형 벽과 외측 환형 벽(513, 515)에 의해 연결된다. 벽(513, 515)은 원주 방향 그리핑 홈(circumferential gripping groove, 517)을 포함하며, 상기 원주 방향 그리핑 홈은 하우징(5)과 전방 커버(11) 상의 방사형 돌출부(519)에 대응한다. NVH 링(501)이 하우징(5)에 대한 축방향 움직임에 저항하고, 누설방지 밀봉을 제공하도록, 상기 홈(517)은 돌출부(519)와 체결된다.

탄성중합체 케이스(505)는, 상면(507)으로부터 외측으로 방사형으로 뻗어 있어서 외측 환형 벽(515)의 둘레에 플랜지(flange, 523)를 형성하는 립(521, lip)을 포함한다. 상기 플랜지(523)는 하우징(5) 상의 환형 돌출부(525)와 접하면서, NVH 링(501)을 위치시키고, 전방 커버(11)를 위한 접촉 표면을 제공한다.

상기 전방 커버(11)는 복수의 볼트에 의해 하우징(5)에 고정된다. 볼트가 조여질 때 NVH 링(501)으로 전달되는 축방향 클램핑 하중에 의해, 딤플(511)이 내측 및 외측 방사 방향으로, 전체적으로 탄성 변형을 겪는다. 이렇게 딤플(511)을 평평하게 함으로써, 클램핑 힘이 흡수되어, NVH 링(501)의 환형 벽(513, 515)들을 압착되게 하거나, 그 밖의 다른 방식으로 심하게 뒤틀리게 하지 않고, 전방 커버(11)와 하우징이 서로 견고하게 연결된다. 이로 인해, 밀봉재의 무결성이 보장되고, ISG(1)의 냉각 통로로부터 액체가 빠져나가는 것이 방지된다.

도 10b에서 도시된 대안적 NVH 링(501')이 강철 코어(503')와 탄성중합체(고무) 케이스(505')를 포함한다. 도 10a의 실시예에서와 동일한 방식으로, 원주 방향 그리핑 홈(517')이 하우징 상에 위치하는 방사형 돌출부(도면상 도시되지 않음)와, 전방 커버에 대응한다. 환형 방사형 돌출부(600)가 NVH 링(501')의 상면(507')에 제공되며, 양각 딤플(511')로부터 내측으로 방사형으로 뻗어 있다. 환형 방사형 돌출부(600)가 추가적인 밀봉을 제공한다.

NVH 링(501')의 코어(503')가 립(602, lip)을 포함하며, 상기 립(602)은 방사형으로, 내측으로, 즉, 탄성중합체 케이스(505')의 립(521')으로부터 멀어지는 방향으로 뻗어 있다. 따라서 립(602)들은 내측으로 대면하는 환형 플랜지(inwardly facing annular flange)를 형성하여, NVH 링(501')의 전체적인 강성(stiffness)을 증가시킨다.

앞서 기재된 흐름 제어 장치는 다양한 형태를 취할 수 있으며, 도면에서 나타나는 형태로 국한되지 않음을 알 것이다.

격벽(29) 표면에서의 불규칙한 부분은, 딤플(dimple), 홈(groove), 또는 그 밖의 다른, 흐름을 동요시켜 흐름이 난류가 되게 하기에 적정한 수단일 수 있다.

스플리터 링(101)은, 성형된 플라스틱 외의 다른 물질, 가령, 알루미늄 또는 강철로부터 구성될 수 있다.

본 발명의 두 번째 실시예에서, 스플리터 링(101)이 빠진다. 대신, 상부 챔버와 하부 챔버의 구조물을 하우징(5)의 주형 자체에 형성함으로써, 앞서 기재된 냉각재 흐름 경로의 단면적의 변화가 얻어진다.

도 12는 본 발명의 세 번째 실시예에서 사용되는 하우징(701)을 도시한다. 상기 하우징(701)은, 리브(rib, 703)의 개수가 15개에서 29개로 증가하고, 이에 따라서, 리브(703)들 사이의 축방향 도관(705)의 개수가 증가한다는 점을 제외하고, 앞서 언급된 하우징(5)과 유사하다.

도 13은 도 12의 하우징(701)과 사용되기 위한 스플리터 링(901)을 도시한다. 상기 스플리터 링(901)은, 러그(lug, 903)와 스터드(905)의 개수 및 위치가 하우징(701)에 대응하도록 변경된 점을 제외하고는, 앞서 설명된 스플리터 링(101)과 유사하다.

이 실시예에서, 하우징(701) 내 더 많은 개수의 리브(703)가 의미하는 것은, 각각의 리브(703)의 폭과 각각의 축방향 도관(705)의 폭이 더 작다는 것이다. 이는 3가지 특정 이점을 제공한다. 첫째, 하우징(701)이 스테이터 조립체 슬리브(303)와 접촉하는 경우 하우징(701) 내 응력의 크기가 감소한다. 둘째, (스테이터/로터에 의해 초래되는) 축방향 도관(705)에서의 공진이 감소하여, ISG(1)의 소음 수준이 감소되고, 하우징(701)의 피로 수명(fatigue life)이 확장된다. 셋째, 축방향 도관(705)에서 냉각재와 접촉하는 리브(703) 표면적의 증가 때문에, 스테이터 조립체 슬리브(303)에서 냉각재로의 열전달이 개선된다. 이로 인해서, 하우징(701)의 원주 방향에서, 온도장(temperature field)은 보다 균일해지고, 피크(peak) 온도가 더 낮아진다.

Claims (2)

1. 전기 기계의 중공부(cavity)에서 사용되는 링(ring)-형태의 가이드 부재(guide member)에 있어서, 상기 가이드 부재는 전기 기계의 중공부에서 입구와 출구 사이에서의 액체의 흐름에 영향을 미치며,
   상기 가이드 부재는 제 1 면 및 제 2 면을 포함하며,
   상기 제 1 면은 제 2 면 쪽으로 기울어져 있어서, 상기 제 1 면과 제 2 면 사이에 차츰 가늘어지는 형태의(tapered) 옆모습이 형성되고,
   사용 중에, 차츰 가늘어지는 형태의 제 1 챔버가 전기 기계의 제 1 벽과 가이드 부재의 제 1 면 사이에 형성되고, 상기 제 1 챔버의 차츰 가늘어지는 형태로 인해, 액체가 입구와 출구 사이에서 운반됨에 따라 제 1 면에 인접한 액체의 속도가 변화할 수 있는 것을 특징으로 하는 가이드 부재.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 면은 액체에 난류(turbulence)를 유도하기 위한 물결치는 형태의(undulated) 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 가이드 부재.
   

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