독립적으로 구동되는 2개의 원동기와 통합된 외부 기어 펌프

독립적으로 구동되는 2개의 원동기와 통합된 외부 기어 펌프{EXTERNAL GEAR PUMP INTEGRATED WITH TWO INDEPENDENTLY DRIVEN PRIME MOVERS}

우선권

본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 병합된, 2014년 7월 22일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/027,330; 2014년 10월 6일자로 출원된 62/060,431; 및 2014년 10월 20일자로 출원된 62/066,198의 우선권을 청구한다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 펌프 및 그 펌핑 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 독립적으로 구동되는 원동기와 각각 일체화된 2개의 유체 구동기(fluid driver)를 사용하는 펌프 및 그 방법에 관한 것이다.

유체를 이송하는 펌프는 여러 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 유형의 펌프는 기어 펌프이다. 기어 펌프는 정량 변위 펌프(또는 고정 변위 펌프)이며, 즉 이 기어 펌프는 각 회전마다 일정량의 유체를 펌핑하여서, 원유와 같은 고점도 유체를 펌핑하는데 특히 적합하다. 기어 펌프는 일반적으로 한 쌍의 기어가 내부에 배열된 공동(cavity)을 갖는 케이싱(casing)(또는 하우징)을 포함하고, 이 한 쌍의 기어 중 하나의 기어는 엔진 또는 전기 모터와 같은 외부 구동기에 부착된 구동 샤프트에 의해 구동되는 구동 기어로 알려져 있고, 이 한 쌍의 기어 중 다른 기어는 구동 기어와 맞물리는 피동 기어(또는 아이들러 기어)로 알려져 있다. 두 기어가 외부에 톱니를 갖는 기어 펌프는 외부 기어 펌프라고 언급된다. 외부 기어 펌프는 일반적으로 의도된 용도에 따라 스퍼(spur) 기어, 나선형(helical) 기어 또는 헤링본(herringbone) 기어를 사용한다. 관련 기술의 외부 기어 펌프는 하나의 구동 기어와 하나의 피동 기어를 구비한다. 회전자에 부착된 구동 기어가 엔진 또는 전기 모터에 의해 회전가능하게 구동될 때, 구동 기어는 피동 기어와 맞물려 피동 기어를 회전시킨다. 이 구동 기어와 피동 기어가 이렇게 회전하면 펌프의 입구로부터 펌프의 출구로 유체를 운반한다. 상기 관련 기술의 펌프에서, 유체 구동기는 엔진 또는 전기 모터와 한 쌍의 기어로 구성된다.

그러나, 구동 기어가 피동 기어를 회전시키기 위해 유체 구동기의 기어 톱니(gear teeth)가 서로 맞물릴 때, 기어 톱니는 서로 마모되고, 시스템이 개방된 유체 시스템인지 또는 폐쇄된 유체 시스템인지에 상관 없이 마모 기어로부터 나오는 잘려진 재료(sheared material)에 의해 및/또는 다른 오염원으로부터 오염물이 나오는 것에 의해 시스템이 오염되는 문제가 발생할 수 있다. 폐쇄된 루프 시스템이 오염되는 것은 시스템 유체가 초기에 저장조로 들어가지 않고 재순환되기 때문에 특히 문제시된다. 이러한 잘려진 물질은 기어 펌프가 동작하는 시스템, 예를 들어, 유압 시스템의 기능에 해로운 것으로 알려져 있다. 잘려진 물질은 유체에 분산되어 시스템을 통해 이동하며 O-링 및 베어링과 같은 중요한 동작 구성 요소를 손상시킬 수 있다. 대부분의 펌프는 예를 들어 유압 시스템에서 오염 문제로 인해 고장나는 것으로 여겨진다. 구동 기어 또는 구동 샤프트가 오염 문제로 인해 고장나면, 전체 시스템, 예를 들어, 전체 유압 시스템이 고장날 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 유체를 펌핑하는 기능을 하는 알려진 구동기-구동식 기어 펌프 구성(driver-driven gear pump configuration)은 오염 문제로 인해 원치 않은 결점을 갖는다.

나아가, 관련 기술의 시스템은 원동기(예를 들어, 전기 모터)가 펌프의 외부에 배치되고 샤프트가 펌프 케이싱을 통해 연장되어 모터를 구동 기어에 연결하도록 구성된다. 샤프트를 위한 케이싱의 개구는 유체가 누설(leak)되는 것을 방지하기 위해 밀봉(sealed)되어 있지만 여전히 오염원이 될 수 있다. 또한, 관련 기술의 펌프는 펌프와 별도로 배치된 저장 장치, 예를 들어, 축적 장치를 갖는다. 이러한 시스템은 펌프와 저장 장치 사이에 호스 및/또는 파이프를 상호 연결시키는데, 이는 추가적인 오염원을 도입하고 시스템 설계의 복잡성을 증가시킨다.

나아가, 내부 펌프 구성에 대해, 관련 기술의 기어 펌프는 기어의 샤프트를 수용하도록 구성된 베어링 블록을 갖는다. 베어링 블록은 두 기어의 중심 축이 서로 정렬되어 각 기어의 기어 톱니의 맞물림이 동작 공차 내에 있도록 2개의 기어를 정렬시킨다. 그러나, 관련 기술의 펌프의 베어링 블록은 별도의 구성 요소이기 때문에, 각 블록과 이에 대응하는 펌프 케이싱 사이에 밀봉부(seal) 및/또는 O-링을 배치해야 하며, 이는 펌프 조립체의 복잡성과 무게를 증가시켜, 보다 많은 구성 요소들이 고장날 수 있다는 것을 의미한다.

관련 기술의 시스템은 특히 유압 시스템과 같은 산업 분야에서 사용되는 펌프에서 전술된 문제를 해결하지 못한다. 미국 특허 출원 공개 번호 2002/0009368은 고 토크 시스템 또는 유체 내 충진 재료를 갖는 시스템에서 마모 및 과도한 응력으로부터 기어 톱니 표면을 보호하기 위해 독립적으로 구동되는 모터를 사용하는 것을 제시한다. 그러나, '368 문헌의 모터는 펌프의 외부에 있어서 모든 오염원을 제거하지는 못한다. 나아가,'368 문헌은 상호 연결 및 외부 모터 구성으로 인해 오염원을 감소시키거나 또는 제거하기 위해 펌프/원동기 및/또는 저장 장치(예를 들어, 축적 장치)를 통합하는 것을 개시하지 않는다. 다른 관련 기술 문헌 WO 2011/035971은 모터와 펌프가 일체화된 시스템을 개시한다. 그러나, '971 문헌의 시스템은 앞서 논의된 기어의 맞물림으로 인해 오염을 여전히 도입할 수 있는 구동기-구동식 시스템이다. 나아가, '971 문헌은 상호 연결로 인한 오염원을 감소시키거나 제거하기 위해 펌프와 저장 장치(예를 들어, 축적 장치)를 통합하는 것을 개시하지 않는다. 실제, 유체, 즉 연료, 또는 우레아(urea)와 물의 혼합물은 시스템에 의해 소비되어 재순환되지 않기 때문에 이 개념은 심지어 적용될 수 없다. 그리하여, 예를 들어, 유체가 재순환되는 폐루프 또는 개루프 유압 시스템에 비해, 만약 있다면, 이 오염이 최소의 영향을 미친다. 나아가, '971 문헌에 개시된 연료 펌프와 우레아/물 펌프 응용은 예를 들어 굴착기의 붐(boom)을 동작시키는 액추에이터 시스템과 같은 일반적인 산업용 유압 기계에 적용되는 압력 및 흐름과 필적하지 않는다.

종래의, 전통적인 및 제안된 접근법의 추가적인 제한 및 단점은, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는, 도면을 참조하여 본 명세서의 나머지 부분에서 제시된 본 발명의 실시예를 이러한 접근법과 비교하는 것을 통해 명백히 드러날 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예는 2개의 유체 구동기가 배치된 케이싱을 갖는 펌프 및 상기 2개의 유체 구동기를 사용하여 상기 펌프의 입구로부터 상기 펌프의 출구로 유체를 전달하는 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 "유체"라는 용어는 액체를 의미하거나 또는 볼륨(volume)에 비해 대부분 액체를 포함하는 액체와 기체의 혼합물을 의미한다. 각 유체 구동기는 원동기와 유체 변위 부재를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 원동기는 상기 유체 변위 부재 내에 부분적으로 또는 전체적으로 배치된다. 상기 원동기는 상기 유체 변위 부재를 구동하고, 상기 원동기는 유체 변위 부재를 구동할 수 있는, 예를 들어, 전기 모터 또는 다른 유사한 장치일 수 있다. 상기 유체 변위 부재는 상기 원동기에 의해 구동될 때 유체를 이송한다. 상기 유체 변위 부재는 독립적으로 구동되어서 구동-구동 구성(drive-drive configuration)을 갖는다. "독립적으로 동작하는", "독립적으로 동작되는", "독립적으로 구동하는" 및 "독립적으로 구동되는"이라는 용어는 각 유체 변위 부재가 일대일 구성으로 자체 원동기에 의해 동작/구동되는 것을 의미한다. 예를 들어, 펌프의 각 기어는 자체 전기 모터로 구동된다. 구동-구동 구성은 알려진 구동기-구동식 구성의 오염 문제를 제거하거나 감소시킨다.

상기 유체 변위 부재는 고정 요소, 예를 들어, 펌프 벽 또는 다른 유사한 구성 요소 및/또는 이동 요소, 예를 들어, 유체를 이송할 때 다른 유체 변위 부재와 조합하여 작동할 수 있다. 상기 유체 변위 부재는 예를 들어 기어 톱니를 가진 외부 기어, 돌출부(projection)(예를 들어, 범프(bump), 연장부, 융기부(bulge), 돌기부(protrusion), 기타 유사한 구조 또는 이들의 조합)가 있는 허브(예를 들어, 디스크, 실린더 또는 기타 유사한 구성 요소), 만입부(indent)(예를 들어, 공동, 함몰부(depression), 공극(void) 또는 이와 유사한 구조)가 있는 허브(예를 들어, 디스크, 실린더 또는 기타 유사한 구성 요소), 로브(lobe)가 있는 기어 몸체, 또는 구동될 때 유체를 변위시킬 수 있는 기타 유사한 구조물일 수 있다. 상기 유체 구동기는, 예를 들어, 유체 변위 부재를 독립적으로 동작시킬 수 있는 전기 모터 또는 다른 유사한 장치로 독립적으로 동작된다. 그러나, 상기 유체 구동기는 예를 들어 유체를 펌핑하고 및/또는 역 흐름 경로를 밀봉하기 위해 상기 유체 구동기들 사이의 접촉이 동기화되도록 동작된다. 즉, 상기 유체 구동기의 동작은 각 유체 구동기 내의 상기 유체 변위 부재가 다른 유체 변위 부재와 접촉하도록 동기화된다. 상기 접촉은 적어도 하나의 접촉점, 접촉선 또는 접촉 영역을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 접촉을 동기화하는 것은 한 쌍의 유체 구동기 중 하나의 유체 구동기의 표면이 다른 유체 구동기의 표면과 접촉하도록 상기 하나의 유체 구동기를 상기 다른 유체 구동기보다 더 큰 속도로 회전가능하게 구동하는 것을 포함한다. 예를 들어, 동기화된 접촉은 제1 유체 구동기의 제1 유체 변위 부재 상의 적어도 하나의 돌출부(범프, 연장부, 융기부, 돌기부, 다른 유사한 구조 또는 이들의 조합)의 표면과, 제2 유체 구동기의 제2 유체 변위 부재 상의 적어도 하나의 돌출부(범프, 연장부, 융기부, 돌기부, 다른 유사한 구조 또는 이들의 조합) 또는 만입부(공동, 함몰부, 공극 또는 다른 유사한 구조)의 표면 사이에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 동기화된 접촉은 역 흐름 경로(또는 역류 경로)를 밀봉한다.

예시적인 실시예에서, 펌프는 내부 볼륨을 한정하는 케이싱을 포함한다. 상기 펌프 케이싱은 상기 펌프 케이싱의 대향하는 벽들일 수 있는 두 개의 자가-정렬 균형 판(self-aligning balancing plate)을 포함한다. 각 균형 판은 내부 볼륨을 향해 연장되는 돌출 부분을 포함한다. 각 돌출된 부분은 2개의 리세스(recess)를 포함하며, 각 리세스는 유체 구동기의 하나의 단부를 수용하도록 구성된다. 상기 리세스는, 예를 들어, 상기 유체 구동기와 각 리세스의 벽 사이에 예를 들어 슬리브 유형 베어링과 같은 베어링을 포함할 수 있다. 균형 판의 리세스 부분은 펌프 케이싱이 조립될 때 다른 균형 판의 대응하는 리세스 부분과 정렬되고 이 리세스 부분을 향한다. 상기 균형 판은 상기 유체 변위 부재를 정렬시키는데, 즉, 상기 유체 변위 부재들의 중심 축은 서로에 대해 정렬되어, 상기 유체 변위 부재들이 접촉하고 회전할 때 유체를 펌핑한다. 예를 들어, 상기 유체 변위 부재가 기어인 경우, 각 기어 톱니가 회전할 때 서로 적절히 접촉하도록 기어들의 중심축이 정렬된다. 일부 실시예에서, 상기 균형 판은 각 리세스를 연결하는 냉각 그루브(cooling groove)를 포함한다. 상기 냉각 그루브는 상기 유체 구동기가 회전할 때 내부 볼륨으로 이송되는 액체의 일부가 상기 리세스에 배치된 베어링으로 향하는 것을 보장한다. 일부 실시예에서, 단 하나의 자가-정렬 균형 판이 사용되고 대향하는 벽들은 돌출된 부분이 없는 상기 케이싱의 단부 판(end plate)일 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 펌프는 내부 볼륨을 한정하는 케이싱을 포함한다. 상기 펌프 케이싱은 상기 내부 볼륨과 유체 연통하는 2개의 포트를 포함한다. 상기 포트들 중 하나의 포트는 펌프의 입구이고 다른 포트는 출구이다. 일부 실시예에서, 상기 펌프는 입구와 출구의 기능이 역전(reverse)될 수 있도록 양방향이다. 상기 펌프는 상기 내부 볼륨 내에 배치된 2개의 유체 구동기를 포함한다. 상기 유체 구동기의 일부 예시적인 실시예에서, 상기 유체 구동기는 고정자와 회전자를 갖는 전기 모터를 포함할 수 있다. 상기 고정자는 지지 샤프트에 고정 부착될 수 있고 상기 회전자는 상기 고정자를 둘러쌀 수 있다. 상기 유체 구동기는, 상기 회전자로부터 방사 방향 외측으로 돌출하고 상기 회전자에 의해 지지되는 복수의 기어 톱니를 갖는 기어를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 기어를 지지하기 위해 상기 회전자와 상기 기어 사이에 지지 부재가 배치될 수 있다. 상기 2개의 유체 구동기의 기어는 기어가 회전할 때 제1 기어의 톱니가 제2 기어의 톱니와 접촉하도록 배치된다. 상기 제1 및 제2 기어는 각 기어 몸체 내에 배치된 상기 제1 및 제2 모터를 갖는다. 제1 모터는 제1 흐름 경로를 따라 상기 펌프 입구로부터 상기 펌프 출구로 유체를 이송하기 위해 상기 제1 기어를 제1 방향으로 회전시킨다. 상기 제2 모터는, 제2 흐름 경로를 따라 상기 펌프 입구로부터 상기 펌프 출구로 상기 유체를 이송하기 위해 상기 제1 방향과는 반대인 제2 방향으로 상기 제1 모터와 독립적으로 상기 제2 기어를 회전시킨다. 상기 펌프는 상기 입구 포트와 상기 제1 및 제2 기어 사이에 배치된 수렴하는 흐름 부분과, 상기 제1 및 제2 기어와 상기 출구 포트 사이에 발산하는 흐름 부분을 포함한다. 상기 수렴하는 부분과 상기 발산하는 부분은 유체가 상기 펌프를 통해 흐를 때 유체 내의 난류를 감소시키거나 제거한다. 상기 제1 및 제2 기어의 톱니들 사이의 접촉은 상기 제1 및 제2 모터의 회전을 동기화시키는 것에 의해 조정된다. 동기화된 접촉은 상기 펌프의 출구와 입구 사이의 역 흐름 경로(또는 역류 경로)를 밀봉한다. 일부 실시예에서, 상기 제1 모터와 제2 모터는 상이한 분당 회전 수(rpm)로 회전된다.

다른 예시적인 실시예는, 내부에 내부 볼륨을 한정하는 케이싱; 제1 원동기와 제1 유체 변위 부재를 갖는 제1 유체 구동기; 및 제2 원동기와 제2 유체 변위 부재를 갖는 제2 유체 구동기를 포함하는 펌프의 입구로부터 펌프의 출구로 유체를 전달하는 방법에 관한 것이다. 상기 제1 유체 변위 부재는 복수의 제1 돌출부 및 만입부를 가질 수 있고, 상기 제2 유체 변위 부재는 적어도 복수의 제2 돌출부 및 만입부를 가질 수 있다. 상기 펌프 케이싱은 상기 펌프 케이싱의 대향하는 벽들일 수 있는 2개의 균형 판을 포함한다. 각 균형 판은 내부 볼륨을 향해 연장되는 돌출 부분을 포함한다. 각 돌출된 부분은 2개의 리세스를 포함하며, 각 리세스는 유체 구동기의 하나의 단부를 수용하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 단 하나의 자가-정렬 균형 판이 사용되고 대향하는 벽은 상기 돌출된 부분이 없는 상기 케이싱의 단부 판일 수 있다.

상기 방법은 상기 유체 변위 부재들을 서로 축 방향으로 정렬시키기 위해 각 유체 구동기의 각 단부를 리세스에 배치하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제1 흐름 경로를 따라 상기 펌프 입구로부터 상기 펌프 출구로 유체를 이송하고 상기 내부 볼륨 내의 유체의 일부를 리세스로 이송하기 위해 제1 방향으로 상기 제1 유체 변위 부재를 회전시키도록 상기 제1 원동기를 회전시키는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 제2 흐름 경로를 따라 상기 펌프 입구로부터 상기 펌프 출구로 유체를 이송하고 상기 내부 볼륨 내의 유체의 일부를 리세스로 이송하기 위해 상기 제1 방향과는 반대 방향인 제2 방향으로 상기 제2 유체 변위 부재를 회전시키도록 상기 제1 원동기와 독립적으로 상기 제2 원동기를 회전시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 제2 유체 변위 부재의 속도를 상기 제1 유체 변위 부재의 속도의 99% 내지 100%의 범위 내로 동기화시키고, 상기 복수의 제1 돌출부 중 적어도 하나의 돌출부(또는 적어도 하나의 제1 돌출부)의 표면이 상기 복수의 제2 돌출부 중 적어도 하나의 돌출부(또는 적어도 하나의 제2 돌출부)의 표면 또는 상기 복수의 만입부의 적어도 하나의 만입부(또는 적어도 하나의 제2 만입부)의 표면과 접촉하도록 상기 제1 변위 부재와 상기 제2 변위 부재 사이의 접촉을 동기화시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 동기화된 접촉은 상기 펌프의 상기 입구와 상기 출구 사이에 역 흐름 경로를 밀봉한다.

다른 예시적인 실시예는 내부 볼륨을 한정하는 펌프 케이싱을 포함하는 펌프의 제1 포트로부터 제2 포트로 유체를 이송하는 방법에 관한 것이다. 상기 펌프 케이싱은 상기 펌프 케이싱의 대향하는 벽들일 수 있는 2개의 자가-정렬 균형 판을 포함한다. 각 균형 판은 상기 내부 볼륨을 향해 연장되는 돌출 부분을 포함한다. 각 돌출된 부분은 2개의 리세스를 포함하며, 각 리세스는 유체 구동기의 하나의 단부를 수용하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 단 하나의 자가-정렬 균형 판이 사용되고 대향하는 벽은 상기 돌출된 부분이 없는 상기 케이싱의 단부 판일 수 있다. 상기 펌프는 제1 모터와 복수의 제1 기어 톱니를 갖는 제1 기어를 구비하는 제1 유체 구동기, 및 제2 모터와 복수의 제2 기어 톱니를 갖는 제2 기어를 구비하는 제2 유체 구동기를 더 포함한다.

상기 방법은 기어들이 회전할 때 동기적인 접촉을 할 수 있도록 상기 복수의 제1 및 제2 기어 톱니를 축 방향으로 정렬시키기 위해 리세스 내에 각 유체 구동기의 각 단부를 배치하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제1 방향으로 상기 제1 기어의 제1 축 방향 중심선 주위로 상기 제1 기어를 회전시키도록 상기 제1 모터를 회전시키는 단계를 포함한다. 상기 제1 기어의 회전은 제1 흐름 경로를 따라 상기 펌프 입구로부터 상기 펌프 출구로 유체를 이송한다. 상기 방법은 상기 제1 방향과는 반대인 제2 방향으로 상기 제2 기어의 제2 축 방향 중심선 주위로 상기 제2 기어를 회전시키기 위해 상기 제1 모터와는 독립적으로 상기 제2 모터를 회전시키는 단계를 더 포함한다. 상기 제2 기어가 회전하면 제2 흐름 경로를 따라 상기 펌프 입구로부터 상기 펌프 출구로 유체를 이송한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 복수의 제2 기어 톱니 중 적어도 하나의 톱니의 표면과 상기 복수의 제1 기어 톱니 중 적어도 하나의 톱니의 표면 사이의 접촉을 동기화시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 접촉을 동기화시키는 단계는 상기 제1 및 제2 모터를 상이한 rpm으로 회전시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 동기화된 접촉은 상기 펌프의 입구와 출구 사이의 역 흐름 경로를 밀봉한다.

상기 본 발명의 개요는 본 발명의 일부 실시예를 일반적으로 소개하기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 임의의 특정 구성으로 제한하기 위해 의도된 것이 아니다. 상기 본 발명의 개요에 기술된 여러 특징과 특징의 구성들은 임의의 적절한 방식으로 결합되어 본 발명의 임의의 개수의 실시예들을 형성할 수 있는 것으로 이해된다. 변형 예 및 대안적인 구성을 포함하는 일부 추가적인 예시적인 실시예가 본 명세서에 제공된다.

본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하고, 위에서 주어진 일반적인 설명 및 아래에 주어진 상세한 설명과 함께, 본 발명의 바람직한 실시예의 특징을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 외부 기어 펌프의 바람직한 실시예의 분해도이다.
도 1a는 도 1의 펌프의 균형 판의 사시도를 도시한다.
도 1b는 균형 판에 배치된 모터 조립체 및 이 모터 조립체를 갖는 균형 판의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 외부 기어 펌프의 상부 단면을 도시한다.
도 2a는 도 2의 외부 기어 펌프의 라인 AA를 따라 취해진 측단면도이다.
도 2b는 도 2의 외부 기어 펌프의 라인 BB를 따라 취해진 측단면도이다.
도 3은 도 1의 펌프에 사용될 수 있는 지지 샤프트의 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다.
도 4는 도 1의 펌프에 사용될 수 있는 모터 케이싱 조립체의 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 도 4의 모터 케이싱의 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다.
도 4c는 도 4의 모터 케이싱 캡(casing cap)의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 5는 도 1의 외부 기어 펌프에 의해 펌핑되는 유체의 예시적인 흐름 경로를 도시한다.
도 5a는 도 5의 외부 기어 펌프의 접촉 영역 내 2개의 기어 사이의 일면 접촉(one-sided contact)을 도시하는 상부 단면도이다.
도 6 및 도 6a는 저장 장치를 갖는 외부 기어 펌프의 바람직한 실시예의 단면도를 도시한다.
도 7은 도 6의 펌프에 사용될 수 있는 관통 흐름 샤프트의 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 8은 저장 장치를 갖는 외부 기어 펌프의 바람직한 실시예의 단면도를 도시한다.
도 9는 2개의 저장 장치를 갖는 외부 기어 펌프의 바람직한 실시예의 단면도를 도시한다.

본 발명의 예시적인 실시예는 펌프 케이싱의 일부를 형성하는 2개의 자가-정렬 균형 판 사이에 배치된 독립적으로 구동되는 유체 구동기를 갖는 펌프에 관한 것이다. 이러한 예시적인 실시예는, 펌프가 2개의 원동기를 갖는 외부 기어 펌프이고 이 원동기가 전기 모터이고, 이 유체 변위 부재가 기어 톱니를 갖는 외부 스퍼 기어인, 실시예를 사용하여 설명된다. 그러나, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 2개의 유체 구동기를 갖는 전기 모터 구동식 외부 기어 펌프와 관련하여 아래에서 설명되는 개념, 기능 및 특징은, 다른 기어 설계(유체를 구동하도록 적응될 수 있는 나선형 기어, 헤링본 기어, 또는 다른 기어 톱니 설계)를 갖는 외부 기어 펌프; 전기 모터와는 다른 원동기, 예를 들어, 유체 변위 부재를 구동할 수 있는 유압 모터 또는 기타 유체 구동 모터 또는 다른 유사한 장치; 및 기어 톱니를 가진 기어가 아닌 유체 변위 부재, 예를 들어, 돌출부(예를 들어, 범프, 연장부, 융기부, 돌기부, 다른 유사한 구조 또는 이들의 조합)가 있는 허브(예를 들어, 디스크, 실린더 또는 기타 유사한 구성 요소), 만입부(예를 들어, 공동, 함몰부, 공극 또는 이와 유사한 구조)를 갖는 허브(예를 들어, 디스크, 실린더 또는 기타 유사한 구성 요소), 로브를 갖는 기어 몸체, 또는 구동시 유체를 변위시킬 수 있는 기타 유사한 구조;에 용이하게 적용될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 나아가, 예시적인 실시예들은 펌핑되는 유체로서 유압 유체와 관련하여 설명될 수 있다. 그러나, 본 발명의 예시적인 실시예는 유압 유체로 제한되지 않으며, 예를 들어, 물과 같은 유체에도 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 펌프(10)의 예시적인 실시예의 분해도를 도시한다. 펌프(10)는 정량 변위(또는 고정 변위) 기어 펌프를 나타낸다. 이 펌프(10)는 단부 판(80, 82)과 펌프 몸체(81)를 구비하는 케이싱(20)을 포함한다. 케이싱(20)의 내부 표면(26)은 내부 볼륨(11)을 한정한다. 내부 볼륨(11)은 2개의 유체 구동기(40, 60)를 수용한다. 조립될 때 누설을 방지하기 위해, O-링(83) 또는 다른 유사한 장치가 단부 판(80, 82)과 펌프 몸체(81) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 단부 판(80, 82) 중 하나와 펌프 몸체(81)는 단일 유닛으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 단부 판(80)과 펌프 몸체(81)는 금속 블록으로부터 가공될 수 있거나 단일 일체형 유닛으로서 주조될 수 있다.

케이싱(20)은 내부 볼륨(11)과 유체 연통하는 포트(22 및 24)를 갖는다(도 2 참조). 동작 동안 흐름 방향에 기초하여, 포트(22, 24) 중 하나는 펌프 유입구이고, 다른 하나는 펌프 출구이다. 예시적인 실시예에서, 케이싱(20)의 포트(22, 24)는 케이싱(20)의 대향하는 측벽들 상의 둥근 관통 구멍이다. 그러나, 이 형상은 제한적이지 않고 관통 구멍은 다른 형상을 가질 수 있다. 또한, 포트(22, 24) 중 하나 또는 둘 모두는 케이싱의 상부 또는 하부에 위치될 수 있다. 물론, 포트(22, 24)는 펌프의 입구 측에 하나의 포트가 있고 펌프의 출구 측에 하나의 포트가 있도록 위치되어야 한다.

전술한 바와 같이, 기어들이 적절히 정렬되는 것을 보장하기 위해, 종래의 외부 기어 펌프는 일반적으로 개별적으로 제공되는 베어링 블록을 포함한다. 그러나, 일부 예시적인 실시예에서, 본 발명의 외부 기어 펌프(10)는 별도로 제공된 베어링 블록을 포함하지 않는다. 대신에, 각 단부 판(80, 82)은 단부 판(80, 82)의 내부 부분(즉, 내부 볼륨(11) 측)에 배치된 돌출된 부분(45)을 포함하여, 별도로 베어링 블록을 제공해야 하는 필요성을 제거한다. 즉, 돌출된 부분(45)의 하나의 특징은 기어들이 적절히 정렬되는 것을 보장하는 것이며, 이는 종래의 외부 기어 펌프에서 베어링 블록에 의해 수행되는 기능이다. 그러나, 전통적인 베어링 블록과 달리, 각 단부 판(80, 82)의 돌출된 부분(45)은 펌프(10)가 펌핑되는 유체의 압력을 견딜 수 있도록 케이싱(20)에 추가적인 질량과 구조를 제공한다. 종래의 펌프에서, 베어링 블록의 질량은 케이싱의 질량에 추가되고 이는 펌프 압력을 유지하도록 설계된다. 따라서, 본 발명의 돌출된 부분(45)은 기어를 정렬시키고 펌프 케이싱(20)에 의해 요구되는 질량을 제공하는 기능을 하여, 펌프(10) 구조의 전체 질량은 유사한 용량의 종래의 펌프에 비해 감소될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 펌프 몸체(또는 중간 구획)(81)는 대체로 원형인 형상을 갖는다. 그러나, 펌프 몸체(81)는 원형으로 제한되지 않으며 다른 형상을 가질 수 있다. 균형 판(80, 82)은 조립될 때 펌프 몸체(81)의 각 측면 상에 부착된다. 펌프 몸체(81)의 내부 표면(106)의 윤곽은, 펌프(10)가 완전히 조립될 때, 펌프(10)의 내부 볼륨(11)이 케이싱(20) 내에 형성되도록 돌출된 부분(45)의 외부 라인(107)의 윤곽과 실질적으로 일치할 수 있다. 펌프 몸체(81)의 치수는 펌프(10)의 설계 요구에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 증가된 펌프 용량이 요구된다면, 펌프 몸체(81)의 방사 방향 직경 및/또는 폭은 이 설계 요구를 만족시키도록 적절히 증가될 수 있다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 각 균형 판(80, 82)의 돌출된 부분(45)은 중심 세그먼트(49)와 측면 세그먼트(51)를 갖는다. 일부 예시적인 실시예에서, 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 중심 세그먼트(49)와 측면 세그먼트(51)는 일반적으로 숫자 8 형상의 형태를 가질 수 있는 하나의 연속적인 구조일 수 있다. 중심 세그먼트(49)는 예를 들어 원통형 형상일 수 있는 2개의 리세스(53)를 갖는다. 2개의 리세스(53)는 유체 구동기(40, 60)의 단부를 각각 수용하도록 구성된다. 리세스(53)의 치수, 예를 들어 리세스(53)의 직경과 깊이는 예를 들어 유체 구동기(40, 60)의 물리적 크기와 기어 톱니(52, 72)의 두께에 기초할 수 있다. 예를 들어, 리세스(53)의 직경은 일반적으로 모터의 물리적 크기에 의존하는 유체 구동기(40, 60)의 직경에 좌우될 수 있다. 유체 구동기(40, 60) 내 모터의 크기는 특정 응용의 전력 요구조건에 따라 변할 수 있다. 각 리세스(53)의 직경은, 유체 구동기(40, 60)의 외부 케이싱은 자유롭게 회전할 수 있으나 그 축에 대해 유체 구동기는 측방향으로 움직이는 것이 제한되도록 하는 크기로 형성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유체 구동기(40, 60)는 각 기어 몸체로부터 방사 방향 외측으로 연장되는 복수의 기어 톱니(52, 72)를 갖는 기어(50, 70)를 포함한다. 펌프(10)가 조립될 때, 기어 톱니(52, 72)는 균형 판(80)의 돌출된 부분의 랜드(land)(55)와 균형 판(82)의 돌출된 부분의 랜드(55) 사이의 갭(gap)에 끼워진다. 따라서, 돌출된 부분(45)은, 예를 들어, 펌핑되는 유체의 유형과 펌프의 설계 흐름 및 압력 용량과 같은 다양한 요인에 좌우될 수 있는 기어 톱니(52, 72)의 두께를 수용하는 크기이다. 돌출된 부분(45)의 대향하는 랜드(55)들 사이의 갭은, 유체 구동기(40, 60)가 자유롭게 회전하면서 여전히 유체를 효율적으로 펌핑하기 위해 랜드(55)와 기어 톱니(52, 72) 사이에 충분한 간극(clearance)이 있도록 설정된다. 각 리세스(53)의 깊이는 갭 폭을 결정한다. 리세스(53)의 깊이는 모터의 길이와 기어 톱니(52, 72)의 두께에 의존한다. 각 리세스(53)의 깊이는 기어 톱니(52, 72)의 상부 표면과 하부 표면을 돌출된 부분(45)의 랜드(55)와 정렬시키기에 적절한 크기이다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 리세스(53)의 깊이는 유체 구동기(40)가 리세스(53) 내로 완전히 삽입될 때 기어(50)의 기어 톱니(52)의 바닥 표면이 균형 판(80)의 랜드(55)와 정렬되도록 설정된다. 전술한 바와 같이, 이러한 정렬에 의해, 기어(50, 70)가 원동기, 예를 들어, 전기 모터에 의해 회전될 때 유체 구동기는 자유롭게 회전하면서 유체를 펌프(10)의 입구로부터 펌프(10)의 출구로 여전히 효율적으로 이송할 수 있다. 유체 구동기(60)가 균형 판(80)의 다른 리세스(53)에 삽입될 때, 기어(70)(도 1b에 도시되지 않음)의 기어 톱니(72)의 바닥 표면은 랜드(55)와도 정렬된다. 유사하게, 유체 구동기(40, 60)의 다른 단부가 단부 판(82)의 리세스(53) 내에 삽입될 때 기어 톱니(52, 72)의 상부 표면은 균형 판(82)의 랜드(55)와 정렬된다. 각 균형 판(80, 82)의 리세스(53)의 중심들 사이의 거리는 유체 구동기(40, 60)의 유체 변위 부재들을 서로 적절히 정렬시키도록 설정된다. 따라서, 도 2 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 완전히 조립될 때, 돌출된 부분(45)은 기어(50, 70)가 정렬되는 것을 보장하는데, 즉 기어(50, 70)의 중심 축이 서로 정렬되는 것을 보장하며, 또한 기어(50, 70)의 상부 표면과 하부 표면이 각 랜드(55)와 정렬되는 것을 보장한다.

일부 실시예에서, 판(80, 82)들 중 단 하나의 판만이 돌출된 부분(45)을 구비한다. 예를 들어, 단부 판(80)은 돌출된 부분(45)을 포함할 수 있고, 단부 판(82)은 예를 들어 유체 구동기(40, 60)의 샤프트를 수용하는 개구와 같은 적절한 특징부를 갖는 커버 판일 수 있다. 이러한 실시예에서, 기어(50, 70)는 도 1에 도시된 바와 같이 유체 구동기(40, 60)의 중심이 아니라 유체 구동기(40, 60)의 단부(미도시)에 배치될 수 있다. 기어가 유체 구동기의 단부 상에 배치되는 예시적인 실시예에서, 돌출된 부분과 펌프 몸체는 돌출된 부분의 랜드와 단부 커버 판 사이에 기어 톱니를 수용하는 갭이 존재하도록 하는 크기로 형성된다. 일부 실시예에서, 단부 판(80)과 펌프 몸체(81)는 단일 유닛으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 단부 판(80)과 펌프 몸체(81)는 금속 블록으로부터 가공될 수 있거나 단일 일체형 유닛으로서 주조될 수 있다. 단일 유닛(80/81)은 돌출된 부분(45)을 포함할 수 있는 반면, 단부 판(82)은 단부 커버 판이다. 대안적으로, 단부 판(82)은 돌출된 부분(45)을 포함할 수 있는 반면, 단일 유닛(80/81)은 커버 용기이다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 돌출된 부분(45)은 케이싱 구성에 따라 케이싱의 양 단부 판에 (또는 단부 판과 커버 용기 모두에) 또는 케이싱의 단 하나의 단부 판에만 (또는 커버 용기에만) 포함될 수 있다. 각 구성에서, 케이싱(20)의 돌출된 부분(들)(45)은, 펌프가 조립될 때, 유체 구동기(40, 60)를 서로 정렬시킨다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예는 유체 구동기(40, 60)와 관련될 때 자가-정렬 케이싱(self-aligning casing)을 제공한다.

바람직하게는, 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 베어링(57)은 원활한 회전을 보장하고 유체 구동기(40, 60)에 마모와 측방향 움직임을 제한하는 것을 보장하기 위해 유체 구동기(40, 60)와 각 리세스(53) 사이에, 예를 들어, 리세스(53)의 내부 보어(bore)에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 베어링(57)은 슬라이딩 베어링 또는 슬리브 베어링일 수 있다. 베어링의 재료 조성은 제한되지 않으며 펌핑되는 유체의 유형에 따라 달라질 수 있다. 펌핑되는 유체와 적용 유형에 따라 베어링은 금속, 비금속 또는 복합 재료일 수 있다. 금속 재료는 강철, 스테인레스 강, 양극 처리된 알루미늄(anodized aluminum), 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 황동 및 이들 각각의 합금을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 비금속 재료는 세라믹, 플라스틱, 복합 재료, 탄소 섬유 및 나노 복합 재료를 포함할 수 있지만, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 베어링(57)은 SKF PCZ-11260B ^TM 과 같은 복합 건식 슬라이딩 부싱/베어링일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 다른 유형의 건식 슬라이딩 베어링이 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 윤활 처리된 롤러 베어링과 같은 다른 유형의 베어링이 사용될 수 있다. 따라서, 펌프(10)로부터의 부하를 견딜 수 있고 펌프(10)의 동작 중에 적절히 기능할 수 있는 임의의 유형의 베어링이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 베어링(57)을 윤활시키기 위해 내부 볼륨(11) 내의 유체의 일부를 리세스(53)에 이송하기 위해 하나 이상의 냉각 그루브들이 각 돌출된 부분(45)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 냉각 그루브(73)는 각 돌출된 부분(45)의 랜드(55)의 표면 상에 배치될 수 있다. 각 냉각 그루브(73)의 적어도 하나의 단부는 리세스(53)로 연장되고 리세스(53) 내로 개방되어 냉각 그루브(73) 내의 유체가 리세스(53)로 흐르게 될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각 그루브의 두 단부는 리세스(53)로 연장되고 이 리세스 내로 개방된다. 예를 들어, 도 1a에서, 냉각 그루브(73)는 기어 맞물림 영역(128)에 있는 리세스(53)들 사이에 배치되어, 냉각 그루브(73)는 하나의 리세스(53)로부터 다른 리세스(53)로 연장된다. 기어 맞물림 영역(128)에 배치된 냉각 그루브(73)에 대안적으로 또는 추가적으로, 랜드(55)의 다른 부분, 즉 기어 맞물림 영역(128)의 외부 부분이 냉각 그루브를 포함할 수 있다. 2개의 냉각 그루브가 도시되어 있지만, 각 균형 판(80, 82)의 냉각 그루브의 수는 변할 수 있고 여전히 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 예시적인 실시예(미도시)에서, 냉각 그루브의 단 하나의 단부는 리세스(53) 내로 개방되고, 다른 단부는 랜드(55) 부분에서 종료되거나 또는 조립될 때 내부 벽(90)에 접한다. 일부 실시예에서, 냉각 그루브는 일반적으로 "U 형상"일 수 있고, 두 단부는 동일한 리세스(53) 내로 개방될 수 있다. 일부 실시예에서, 2개의 돌출된 부분(45) 중 단지 하나의 돌출부만이 냉각 그루브(들)를 포함한다. 예를 들어, 펌프의 배향에 따라 또는 다른 이유 때문에 하나의 세트의 베어링은 윤활 및/또는 냉각이 필요하지 않을 수 있다. 단 하나의 돌출된 부분(45)만을 갖는 펌프 구성의 경우, 일부 실시예에서, 단부 커버 판(또는 커버 용기)은, 케이싱 커버에 인접한 유체 구동기의 모터 부분을 윤활하거나 및/또는 냉각하기 위해 돌출된 부분(45)의 냉각 그루브에 대안적으로 또는 추가적으로 냉각 그루브를 포함할 수 있다.

도 1a에 도시된 예시적인 실시예를 참조하면, 각 냉각 그루브(73)는 곡선 또는 파형 프로파일을 가지며, 포트(22 및 24)(미도시)를 연결하는 축, 예를 들어, 축 DD에 실질적으로 수직으로 배치된다. 나아가, 일부 실시예에서, 그루브(73)는 샤프트(42)의 중심과 샤프트(62)의 중심을 연결하는 중심선(CC)에 대해 대칭적으로 배치된다. 기어 톱니(52, 72)가 회전할 때, 유체는 회전 기어에 의해 생성된 압력으로 인해 각 돌출된 부분(45)에서 랜드(55)의 표면으로 흐른다. 유체가 랜드(55)에 가하는 압력은 각 유체 구동기(40, 60)의 회전 속도가 증가함에 따라 증가한다. 기어 톱니(52, 72)가 회전할 때, 기어(50, 70)에 의해 이송되는 유체의 일부가 냉각 그루브(73) 안으로 들어가고, 압력 차에 의해 유체가 리세스(53)에서 각 냉각 그루브(73)의 개방 단부 쪽으로 흐른다. 이런 방식으로, 리세스(53)에 배치된 베어링(57)은 펌프(10)가 동작하는 동안 냉각 및/또는 윤활을 위한 유체를 연속적으로 수용한다. 전술한 바와 같이, 베어링의 유형은 펌핑되는 유체에 의존한다. 예를 들어, 물이 펌핑되는 경우 복합 베어링이 사용될 수 있다. 유압 유체가 펌핑되는 경우 금속 또는 복합 베어링이 사용될 수 있다. 전술한 예시적인 실시예에서, 냉각 그루브(73)는 곡면이고 파형 형상의 프로파일을 갖는다. 그러나, 다른 실시예에서, 냉각 그루브(73)는 유체를 리세스(53)에 이송할 수 있는 다른 그루브 프로파일, 예를 들어, 지그재그 프로파일, 호(arc), 직선, 또는 일부 다른 프로파일을 가질 수 있다. 각 균형 판(80, 82)의 치수(예를 들어, 깊이, 폭), 그루브 형상 및 그루브의 개수는 베어링(57)의 냉각 요구 및/또는 윤활 요구에 따라 달라질 수 있다.

도 2의 BB 축을 따른 펌프(10)의 단면도를 도시하는 도 2b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 균형 판(80, 82)은 균형 판(80, 82)의 각 포트(22, 24) 측에서 경사진 (또는 비스듬한) 세그먼트(31)를 포함한다. 일부 예시적인 실시예에서, 경사진 세그먼트(31)는 돌출된 부분(45)의 일부이다. 다른 예시적인 실시예에서, 경사진 세그먼트(31)는 돌출된 부분(45)에 부착된 별도의 모듈형 구성 요소일 수 있다. 이러한 모듈형 구성은 원할 경우 용이하게 교체되고 기어 톱니(52, 72)로 유체가 흐르는 흐름 특성을 쉽게 변경하는 능력이 있다. 경사진 세그먼트(31)는, 펌프(10)가 조립될 때, 펌프(10)의 입구측과 출구측이 내부에 형성된 수렴하는 흐름 통로 또는 발산하는 흐름 통로를 각각 갖도록 구성된다. 물론, 기어(50, 70)의 회전 방향에 따라 포트(22 또는 24) 중 하나의 포트는 입구 포트일 수 있고 다른 포트는 출구 포트일 수 있다. 흐름 통로는 경사진 세그먼트(31)와 펌프 몸체(81)에 의해 한정되는데, 즉 포트에 인접한 외부 단부에서 경사진 세그먼트(31)의 두께(Th2)는 기어(50, 70)에 인접한 내부 단부의 두께(Th1)보다 더 작다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 이 두께의 차이는 포트(22)에서 각도(A)를 갖는 수렴하는/발산하는 흐름 통로(39), 및 포트(24)에서 각도(B)를 갖는 수렴하는/발산하는 흐름 통로(43)를 형성한다. 일부 예시적인 실시예에서, 각도(A 및 B)는 제조 공차 내에서 측정했을 때 약 9도 내지 약 15도 범위에 있을 수 있다. 각도(A)와 각도(B)는 시스템 구성에 따라 같거나 다를 수 있다. 바람직하게는, 양방향 펌프인 경우, 각도(A)와 각도(B)는 제조 공차 내에서 측정했을 때 동일하다. 그러나 흐름 방향에 따라 다른 유체 흐름 특성이 요구되거나 희망되는 경우 이 각도는 달라질 수 있다. 예를 들어, 유압 실린더 유형의 응용에서, 실린더가 추출(extracted)되고 있는지 또는 후퇴(retracted)되고 있는지에 따라 흐름 특성이 다를 수 있다. 경사진 구획의 표면의 프로파일은, 유체가 기어(50, 70)로 들어가거나 및/또는 나올 때, 유체의 원하는 유체 흐름 특성에 따라, 도 2b에 도시된 바와 같이 편평하거나, 곡선(미도시)이거나 또는 일부 다른 프로파일을 가질 수 있다.

동작 동안, 유체가 예시적인 목적을 위해 펌프(10)의 입구, 예를 들어, 포트(22)로 들어갈 때, 유체는, 유체가 기어(50, 70)로 흐를 때 통로(39)의 적어도 일부분의 단면적이 점차적으로 감소되는 수렴하는 흐름 통로(39)를 만난다. 수렴하는 흐름 통로(39)는 유체의 속도와 압력이 급격히 변하는 것을 최소화하고, 유체가 펌프(10)의 기어(50, 70) 내로 점진적으로 전이하는 것을 용이하게 한다. 유체가 펌프(10) 내로 점진적으로 전이하면 펌프(10) 내에서 또는 펌프 외부에서 발생할 수 있는 기포의 형성 또는 난류의 흐름을 감소시킬 수 있어서 공동화(cavitation)를 방지하거나 최소화할 수 있다. 유사하게, 유체가 기어(50, 70)를 빠져 나나갈 때, 유체는, 유체가 출구 포트, 예를 들어, 포트(24)로 흐를 때, 통로의 적어도 일부분의 단면적이 점진적으로 확장되는 발산하는 흐름 통로(43)를 만난다. 따라서, 발산하는 흐름 통로(43)는 기어(50, 70)의 출구로부터 유체가 점진적으로 전이하게 하여 유체가 안정화되게 한다.

유체 구동기(40, 60)의 예시적인 실시예가 도 2 및 도 2a를 참조하여 주어진다. 도 2는 도 1의 펌프(10)의 상부 단면도를 도시한다. 도 2a는 펌프(10)의 도 2의 라인 AA를 따라 취해진 측단면도를 도시한다. 도 2 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 유체 구동기(40, 60)는 케이싱(20)의 내부 볼륨(11)에 배치된다. 유체 구동기(40)는 모터(41)와 기어(50)를 포함하고, 유체 구동기(60)는 모터(61)와 기어(70)를 포함한다. 유체 구동기(40, 60)의 지지 샤프트(42, 62)는 케이싱(20)의 포트(22)와 포트(24) 사이에 배치되고, 일 단부에서 균형 판(80)에 의해 지지되고, 다른 단부에서 균형 판(82)에 의해 지지된다. 그러나, 샤프트(42, 62)와 이에 따라 유체 구동기(40, 60)를 지지하는 수단은 이러한 설계로 제한되지 않으며 샤프트를 지지하는 다른 설계가 사용될 수 있다. 예를 들어, 단부 커버 판 또는 커버 용기가 돌출 부분(45)을 포함하지 않는 일부 예시적인 실시예에서, 샤프트(42, 62)는 케이싱(20)에 의해 직접 지지되는 것이 아니라 케이싱(20)에 부착된 블록에 의해 지지될 수 있다. 유체 구동기(40)의 지지 샤프트(42)는 유체 구동기(60)의 지지 샤프트(62)와 병렬로 배치되고, 2개의 샤프트는 각 기어(50, 70)의 기어 톱니(52, 72)가 회전할 때 서로 접촉하도록 적절한 거리만큼 분리된다. 전술한 바와 같이, 일부 예시적인 실시예에서, 각 균형 판(80, 82)의 돌출 부분(45)은 유체 구동기(40, 60)의 기어(50, 70)들 사이에 적절한 정렬을 제공한다. 유체 구동기(40, 60)의 샤프트(42, 62)가 케이싱(20) 외부로 연장되는 예시적인 실시예에서, 밀봉부(67)가 유체 구동기(40, 60)의 샤프트(42, 62) 상에 배치되어, 외부로부터 리세스(53)를 밀봉할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 참조. 예시적인 실시예에서, 복수의 밀봉부(67)는, 예를 들어, SKF ZBR 로드 압력 시일(rod pressure seals) ^TM , 예를 들어, 모델 번호 ZBR-60X75X10-E6W ^TM 일 수 있다. 그러나, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 다른 유형의 밀봉부가 사용될 수 있다. 나아가, 다른 실시예에서, 균형 판(80, 82)은 지지 샤프트(42, 62)가 케이싱(20)의 외부로 연장되지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 균형 판(80, 82)의 두께는 케이싱(20)의 외부로 연장될 필요 없이 샤프트(42, 62)를 지지하기에 충분할 수 있다. 이러한 유형의 구성은 펌프 케이싱 내에 더 적은 개구가 있기 때문에 오염 가능성을 더 제한한다.

유체 구동기(40, 60)의 모터(41, 61)를 참조하면, 고정자(44, 64)는 각 지지 샤프트(42, 62)와 회전자(46, 66) 사이에 방사 방향으로 배치된다. 고정자(44, 64)는 케이싱(20)에 고정 연결된 각 지지 샤프트(42, 62)에 고정 연결된다. 회전자(46, 66)는 고정자(44, 64)의 방사 방향 외측에 배치되고, 각 고정자(44, 64)를 둘러싼다. 따라서, 모터(41, 61)는 이 실시예에서 모터의 외부가 회전하고 모터의 중심이 정지해 있다는 것을 의미하는 외부-회전자 모터 설계(또는 외측-회전자 모터 설계)이다. 이와 달리, 내부 회전자 모터 설계에서 회전자는 회전하는 중심 샤프트에 부착된다. 예시적인 실시예에서, 모터(41, 61)는 다중 방향 전기 모터이다. 즉, 어느 하나의 모터가 동작 요구에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전 동작을 생성하도록 동작할 수 있다. 나아가, 예시적인 실시예에서, 모터(41, 61)는 회전자와 그에 따라 부착된 기어의 속도 및/또는 토크가 여러 볼륨 흐름과 펌프 압력을 생성하도록 변화될 수 있는 가변 속도, 가변 토크 모터이다.

도 3은 지지 샤프트(42, 62)의 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다. 제1 지지 샤프트(42)는 대체로 원통형이고 중공 샤프트일 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 샤프트는 중실일 수 있다. 도 3의 예시적인 실시예에서, 통로(109)는 중심선을 따라 지지 샤프트(42, 62)의 길이만큼 연장한다. 일부 실시예에서, 지지 샤프트(42, 62)의 각 단부 상에 캡(미도시)이 제공될 수 있다. 지지 샤프트(42, 62)는 샤프트의 축 방향으로 중심 영역(115)의 외부 표면 상에 스플라인 부분(splined portion)(108)을 가질 수 있다. 각 고정자(44, 64)는 펌프(10)가 완전히 조립될 때 각 지지 샤프트(42, 62)의 대응하는 스플라인 부분(108) 상에 끼워지는 맞물림 스플라인 부분(미도시)을 가질 수 있다. 이런 방식으로, 각 고정자(44, 64)는 케이싱(20)에 고정 부착된 각 지지 샤프트(42, 62)에 고정 부착된다. 지지 샤프트(42, 62)에는 복수의 관통 구멍(110)이 배치될 수 있다. 각 관통 구멍(110)은 지지 샤프트(42, 62)의 외부 표면과 지지 샤프트(42, 62) 내의 통로(109) 사이를 유체 연결한다. 지지 샤프트(42, 62)의 단부(111, 113)와 관통 구멍(110)을 통해 냉각 유체, 예를 들어, 공기와 같은 외부 냉각 유체가 모터(41, 61)로 순환될 수 있다. 일부 실시예에서, 펌프는 펌핑되는 유체가 단부(111, 113)와 구멍(110)을 통해 순환되도록 구성될 수 있다. 관통 구멍(110)의 직경과 수는 모터, 냉각 유체, 펌핑되는 유체의 유형, 및 펌프 응용의 원하는 냉각 특성에 기초하여 설정될 수 있다.

각 유체 구동기(40, 60)는 모터(41, 61)의 각 샤프트(42, 62), 고정자(44, 64) 및 회전자(46, 66)를 수용하는 모터 케이싱을 포함한다. 일부 실시예에서, 모터(41, 61)의 케이싱과 각 기어(50, 70)는 단일 유닛을 형성한다. 예를 들어, 도 4는 모터 케이싱 몸체(89), 모터 케이싱 캡(91) 및 기어(50, 70)를 포함하는 모터 케이싱 조립체(87)의 예시적인 실시예의 사시도를 도시한다. 도 2a는 각 유체 구동기(40, 60)가 케이싱 몸체(89)와 캡(91)을 포함하는 펌프(10)의 단면도를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 각 케이싱 몸체(89) 내에 모터(41, 61)가 각각 배치되어 있다. 각 유체 구동기(40, 60)의 케이싱 몸체(89)는 각 회전자(46, 66)에 고정 부착된다. 따라서 회전자(46, 66)가 회전할 때, 기어(50, 70)를 포함하는 각 케이싱 몸체(89)도 또한 회전한다. 각 모터(41, 61)는 고정된 고정자(44, 64)와 회전자(46, 66) 사이에 배치된 베어링(103)을 포함한다. 일부 실시예에서, 모터 베어링(103)은 베어링으로 둘러싸이고, 윤활을 위해 펌핑되는 유체를 필요로 하지 않는다. 다른 실시예에서, 모터 베어링(103)은 예를 들어 유압 유체를 펌핑할 때 윤활을 위해 펌핑되는 유체를 사용할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 케이싱 캡(91)은 모터 케이싱 몸체(89)의 단부에 배치된다. 모터 케이싱 몸체(89)는 예를 들어 복수의 나사에 의해 모터 케이싱 캡(91)에 고정 연결될 수 있다. 그러나, 본 발명의 모터 케이싱 몸체(89)와 모터 케이싱 캡(91) 사이를 연결하는 방법은 전술한 나사 연결로 제한되지 않는다. 볼트 또는 일부 다른 부착 방법과 같은 다른 방법이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 모터 케이싱 캡(91)과 모터 케이싱 몸체(89) 사이에 O-링 또는 일부 유형의 개스킷(gasket) 재료 또는 실런트(sealant)를 사용하여 케이싱 내부가 이송되는 유체로부터 격리되는 것을 보장할 수 있다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 각 모터 케이싱 몸체(89)는 각 회전자/고정자/샤프트 조립체를 수용하기 위한 개구(97), 및 2개의 모터 베어링(103) 중 하나의 베어링을 수용하기 위한 개구(93)를 구비한다. 도 4c에 도시된 바와 같이 모터 케이싱 캡(91)은 2개의 모터 베어링(103) 중 다른 베어링을 수용하기 위한 개구(95)를 구비한다. 모터 베어링(103)과 개구(93, 95) 사이의 경계면(interface)은 밀봉을 형성하여, 펌프(10)가 완전히 조립될 때, 모터 케이싱 조립체(87)의 내부가, 만약 원하는 경우, 펌핑되는 유체로부터 격리되게 한다. 그러나, 일부 실시예에서, 유체의 유형에 따라, 모터(41, 61)는 펌핑되는 유체에 의해 악영향을 받지 않아서, 모터 케이싱 조립체(87)의 내부는 밀봉될 필요가 없다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 모터(41, 61)는 유압 유체를 견딜 수 있어서, 이들 실시예에서는 완벽한 밀봉이 필요치 않다. 모터 베어링(103)과 개구부(93, 95) 사이의 밀봉은 가압 끼워 맞춤, 억지 끼워 맞춤에 의해 또는 베어링(103)을 개구부(93, 95)에 부착하고, 일부 실시예에서는 유체를 모터 케이싱 조립체(87)의 내부로부터 격리하는 일부 다른 방법에 의해 형성될 수 있다. 펌프(10)가 완전히 조립되면, 도 2a에 도시된 바와 같이 고정자(44, 64)는, 각 모터 케이싱 조립체(87)의 외부로 연장되어 케이싱(20)에 고정 연결된 각 지지 샤프트(42, 62)에 고정 연결된다. 베어링(103)은 각 모터 케이싱 조립체(87)와 함께 회전자(46, 66)가 여전히 각 고정자(44, 64)와 지지 샤프트(42, 62) 주위로 자유롭게 회전할 수 있는 것을 보장한다.

도 2a 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각 유체 구동기(40, 60)의 모터 케이싱 몸체(89)는 각 기어(50, 70)의 각 측면 상의 외부 방사 방향 표면 상에 베어링 표면(101)을 구비한다. 펌프(10)가 완전히 조립될 때, 베어링 표면(101)은 리세스(53)에 배치된다. 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 베어링(57)은 제1 모터 케이싱(89)의 베어링 표면(101)과 각 리세스(53) 사이에 배치된다. 단 하나의 돌출된 부분(45)만이 사용되는 일부 실시예에서, 케이싱 몸체(89)는 단 하나의 베어링 표면(101)만을 구비할 수 있다.

도 4c는 모터 케이싱 캡(91)의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다. 전술한 바와 같이, 모터 케이싱 캡(91)은 그 내부 림(rim) 상에 스플라인(또는 돌기부)(99)을 포함할 수 있다. 이 스플라인(99)은 펌프(10)가 완전히 조립될 때 스플라인(99)이 "파지할" 수 있는 각 모터 회전자(46, 66) 내의 맞물림 스플라인(미도시) 또는 맞물림 표면(미도시)과 맞물릴 수 있다. 이런 방식으로, 회전자(46, 66)와 각 모터 케이싱 조립체(87)는 하나의 회전 개체가 될 수 있는데, 즉 각 모터 케이싱 조립체(87)는 회전자(46, 66)에 고정 연결된다. 그러나, 본 발명의 각 모터 케이싱 조립체(87)에 회전자(46, 66)를 부착하는 방법은 상술된 스플라인 연결로 제한되지 않는다. 볼트, 나사, 만입부, 그루브, 노치, 범프, 브래킷(bracket) 또는 일부 다른 부착 방법과 같은 다른 방법이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예에서, 모터 케이싱 몸체(89)의 내부 표면, 예를 들어, 베이스 및/또는 측벽은 각 회전자(46, 66)를 파지하는 만입부, 그루브, 노치, 범프, 브래킷, 돌출부 등을 구비하여, 모터 케이싱 조립체(87)와 각 회전자(46, 66)가 하나의 회전 개체가 되게 할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 모터 베어링(103)과 개구(93, 95) 사이의 경계면은 제1 회전자(46)를 제1 모터 케이싱(89)에 부착시켜 이들이 하나의 회전 개체가 되게 하는 기능을 할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 기어 톱니(52, 72)는 각 모터 케이싱 몸체(89)상에 형성되어 이 모터 케이싱 몸체의 일부이다. 즉, 기어(50, 70)의 기어 몸체와 모터(41, 61)의 모터 케이싱은 동일하다. 따라서, 모터 케이싱 몸체(89)와 각 기어 톱니(52, 72)는 하나의 부품으로 제공된다. 예를 들어, 도 4, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 케이싱 몸체(89)의 중심에 기어 톱니(52, 72)를 형성하도록 모터 케이싱 몸체(89)의 외부 표면을 가공할 수 있고, 또는 예를 들어, 단 하나의 돌출된 부분(45)만을 구비하는 실시예의 경우, 케이싱 몸체(89)의 단부(미도시)에 기어 톱니(52, 72)를 형성하도록 모터 케이싱 몸체(89)의 외부 표면을 가공할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 모터 케이싱 몸체(89)는 몰드(mold)가 기어 톱니(52, 72)를 포함하도록 주조될 수 있다.

그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 기어(50, 70)는 모터 케이싱 몸체(89)와 별개로 제조되고 나서 결합될 수 있다. 예를 들어, 기어 톱니를 포함하는 링 형상의 기어 조립체가 제조되고 나서 예를 들어 용접 공정을 통해 모터 케이싱에 결합될 수 있다. 물론, 예를 들어 가압 끼워 맞춤, 억지 끼워 맞춤, 접합(bonding) 또는 일부 다른 부착 수단과 같은 다른 방법이 2개의 구성 요소를 결합시키는데 사용될 수 있다. 그리하여, 모터 케이싱/기어를 제조하는 방법은 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 변할 수 있다. 나아가, 일부 실시예에서, 모터 케이싱 조립체(87)는 자체 케이싱을 포함할 수 있는 모터를 수용하도록 구성된다. 즉, 모터 케이싱 조립체(87)는 모터의 원래 케이싱 위에 추가적인 보호 커버로서 작용할 수 있다. 이것은 모터 케이싱 몸체(89)가 펌프 용량과 수리 가능성 면에서 보다 큰 유연성을 위해 다양한 "기성품(off-the-shelf)" 모터를 수용할 수 있게 한다. 나아가, 예를 들어, 모터가 자체 케이싱을 갖는 경우 펌핑되는 유체에 대해 모터 케이싱 조립체(87)에 적절한 재료 조성을 제공하는 점에서 보다 큰 융통성이 있다. 예를 들어, 모터 케이싱 조립체(87)는 부식성 유체를 견딜 수 있는 재료로 제조될 수 있는 반면, 모터는 상이한 재료로 제조된 케이싱에 의해 보호될 수 있다. 단 하나의 돌출된 부분(45)만을 구비하는 일부 실시예에서, 모터 케이싱 몸체(89)는 기어(50, 70)를 포함하지 않을 수 있고, 기어(50, 70)는 모터(41, 61)의 단부에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 돌출된 부분(45)의 리세스(53)는 기어(50, 70)와 랜드(55)가 랜드(55)와 커버 판 사이에 적절히 정렬되도록 모터 케이싱 몸체(89)를 수용하는 크기로 형성될 수 있다.

펌프 동작의 상세한 설명이 다음에 제공된다.

도 5는 외부 기어 펌프(10)의 예시적인 실시예의 예시적인 유체 흐름 경로를 도시한다. 복수의 제1 기어 톱니(52)와 복수의 제2 기어 톱니(72) 사이의 접촉 영역(78)과 포트(22, 24)는 하나의 직선 경로를 따라 실질적으로 정렬된다. 그러나, 포트들을 정렬시키는 것은 이러한 예시적인 실시예에 제한되지 않고 다른 정렬들이 사용될 수 있다. 설명을 위해, 기어(50)는 모터(41)에 의해 시계 방향(74)으로 회전 가능하게 구동되고, 기어(70)는 모터(61)에 의해 반시계 방향(76)으로 회전 가능하게 구동된다. 이 회전 구성에서, 포트(22)는 기어 펌프(10)의 입구 측이고, 포트(24)는 기어 펌프(10)의 출구 측이다. 일부 예시적인 실시예에서, 두 기어(50, 70)는 별개로 제공된 모터(41, 61)에 의해 각각 독립적으로 구동된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 펌핑될 유체는 화살표(92)로 도시된 바와 같이 포트(22)에서 케이싱(20)으로 유입되고, 화살표(96)로 도시된 바와 같이 포트(24)를 통해 펌프(10)를 빠져 나간다. 유체의 펌핑은 기어 톱니(52, 72)에 의해 달성된다. 기어 톱니(52, 72)가 회전할 때, 접촉 영역(78)으로부터 밖으로 회전하는 기어 톱니는 각 기어 상의 인접한 톱니들 사이에 확장하는 톱니간 볼륨을 형성한다. 이러한 톱니간 볼륨이 확장됨에 따라, 각 기어 상의 인접한 톱니들 사이의 공간은 입구 포트, 이 예시적인 실시 형태에서, 포트(22)로부터 오는 유체로 채워진다. 그 후, 유체는 화살표(94 및 94')로 도시된 바와 같이 케이싱(20)의 내부 벽(90)을 따라 각 기어와 함께 이동하게 된다. 즉, 기어(50)의 톱니(52)는 유체가 경로(94)를 따라 흐르게 하고, 기어(70)의 톱니(72)는 유체가 경로(94')를 따라 흐르게 한다. 각 기어 상의 기어 톱니(52, 72)의 팁(tip)과 케이싱(20)의 대응하는 내부 벽(90) 사이의 매우 작은 간극은 유체가 톱니간 볼륨에 포획(trapped)되게 하여, 유체가 입구 포트를 향해 다시 누설되는 것을 방지한다. 기어 톱니(52, 72)가 주위를 돌아 접촉 영역(78)으로 다시 회전할 때, 다른 기어의 대응하는 톱니가 인접한 톱니들 사이의 공간으로 진입하기 때문에, 각 기어 상의 인접한 톱니들 사이에 수축하는 톱니간 볼륨이 형성된다. 수축하는 톱니간 볼륨은 유체가 인접한 톱니들 사이의 공간을 빠져 나오게 하고, 화살표(96)로 도시된 바와 같이 포트(24)를 통해 펌프(10) 밖으로 흘러 나가게 한다. 일부 실시예에서, 모터(41, 61)는 양방향이고, 모터(41, 61)는 펌프(10)를 통한 유체 흐름 방향을 역전시키도록 역전될 수 있는데, 즉 유체가 포트(24)로부터 포트(22)로 흐르도록 역전될 수 있다.

접촉 영역(78)을 통해 역류되는 것, 즉 출구 측으로부터 입구 측으로 유체가 누설되는 것을 방지하기 위해, 접촉 영역(78)에서 제1 기어(50)의 톱니와 제2 기어(70)의 톱니 사이의 접촉은 역류를 방지하는 밀봉을 제공한다. 접촉력은 실질적인 밀봉을 제공할 만큼 충분히 크지만, 종래 기술의 시스템과는 달리, 이 접촉력은 다른 기어를 상당히 구동시킬 만큼 크지는 않다. 관련 기술의 구동기-구동식 시스템에서, 구동기 기어에 의해 가해지는 힘은 구동되는 기어를 회전시키는데, 즉 구동기 기어는 구동되는 기어와 맞물려 (또는 연동되어) 구동되는 기어를 기계적으로 구동시킨다. 구동기 기어로부터 힘이 두 톱니들 사이의 경계면 지점에서 밀봉을 제공하지만, 이 힘은 구동되는 기어를 기계적으로 구동하여 원하는 흐름과 압력으로 유체를 이송하기에 충분해야 하기 때문에 이 힘은 밀봉에 필요한 힘보다 훨씬 더 높다. 이러한 큰 힘은 관련 기술의 펌프에서 재료가 톱니로부터 잘려져 나가게 한다. 이 잘려진 물질은 유체에 분산되어 유압 시스템을 통해 이동하며, O-링 및 베어링과 같은 중요한 동작 구성 요소를 손상시킬 수 있다. 그 결과 전체 펌프 시스템이 고장나서 펌프 동작을 중단시킬 수 있다. 이러한 펌프의 고장과 동작 중단으로 인해 펌프를 수리하는 데 상당한 다운시간(downtime)이 초래될 수 있다.

그러나, 펌프(10)의 예시적인 실시예에서, 톱니(52, 72)가 접촉 영역(78)에서 밀봉부를 형성할 때, 펌프(10)의 기어(50, 70)는 다른 기어를 상당한 정도 기계적으로 구동하지 않는다. 대신, 기어 톱니(52, 72)가 서로 마모되지 않도록 기어(50, 70)가 독립적으로 회전 가능하게 구동된다. 즉, 기어(50, 70)는 동기적으로 구동되어 접촉을 제공하지만 서로 마모되지는 않는다. 구체적으로, 기어(50, 70)의 회전은 적절한 회전 속도로 동기화되어, 기어(50)의 톱니가 실질적으로 밀봉을 제공할 만큼 충분한 힘으로 접촉 영역(78)에서 제2 기어(70)의 톱니와 접촉하는데, 즉 접촉 영역(78)을 통해 출구 포트 측으로부터 입구 포트 측으로 유체가 누설되는 일이 실질적으로 제거된다. 그러나, 전술한 구동기-구동식 구성과 달리, 2개의 기어 사이의 접촉력은 하나의 기어가 다른 기어를 기계적으로 상당한 정도로 구동시키기에는 불충분하다. 모터(41, 61)의 정밀한 제어는 동작 동안 기어 위치가 서로 동기화된 상태로 유지되는 것을 보장한다. 따라서, 종래의 기어 펌프에서 잘려진 재료에 의해 야기되는 전술한 문제점이 효과적으로 회피된다.

일부 실시예에서, 기어(50, 70)의 회전은 적어도 99% 동기화되고, 여기서 100% 동기화는 두 기어(50, 70)가 동일한 rpm으로 회전한다는 것을 의미한다. 그러나, 2개의 기어들(50, 70)의 기어 톱니들 사이의 접촉을 통해 실질적인 밀봉이 제공되는 한, 동기화 퍼센트는 변할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 동기화 비율은 기어 톱니(52)와 기어 톱니(72) 사이의 간극 관계에 기초하여 95.0% 내지 100% 범위에 있을 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 동기화 비율은 기어 톱니(52)와 기어 톱니(72) 사이의 간극 관계에 기초하여 99.0% 내지 100%의 범위이고, 또 다른 예시적인 실시예에서, 동기화 비율은 기어 톱니(52)와 기어 톱니(72) 사이의 간극 관계에 기초하여 99.5% 내지 100%의 범위에 있다. 다시, 모터(41, 61)의 정밀한 제어는 동작 동안 기어 위치가 서로 동기화된 상태로 유지되는 것을 보장한다. 기어(50, 70)를 적절히 동기화시키는 것에 의해 기어 톱니(52, 72)는 실질적인 밀봉을 제공할 수 있는데, 예를 들어, 5% 이하의 범위의 슬립 계수(slip coefficient)를 갖는 역류 또는 누설 률(leakage rate)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 약 120℉에서 일반적인 유압 유체의 경우, 슬립 계수는 3000 psi 내지 5000 psi의 범위의 펌프 압력에 대해 5% 이하, 2000 psi 내지 3000 psi의 범위의 펌프 압력에 대해 3% 이하, 1000 psi 내지 2000 psi의 범위의 펌프 압력에 대해 2% 이하, 및 최대 1000 psi의 범위의 펌프 압력에 대해 1% 이하일 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 기어(50, 70)는 모터(41, 61)를 적절히 동기화시키는 것에 의해 동기화된다. 다수의 모터를 동기화하는 것은 관련 분야에서 알려져 있으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.

예시적인 실시예에서, 기어(50, 70)의 동기화는 기어(50)의 톱니와 기어(70)의 톱니 사이에 일면 접촉(one-sided contact)을 제공한다. 도 5a는 접촉 영역(78)에서 2개의 기어(50, 70) 사이에 이 일면 접촉을 도시하는 단면도를 도시한다. 예시를 위하여, 기어(50)는 시계 방향(74)으로 회전 가능하게 구동되고, 기어(70)는 기어(50)와 독립적으로 반시계 방향(76)으로 회전 가능하게 구동된다. 또한, 기어(70)는 기어(50)보다 1초의 일부만큼, 예를 들어, 0.01 초/회전만큼 더 빠르게 회전 구동될 수 있다. 기어(50)와 기어(70) 사이의 이러한 회전 속도 차이는 2개의 기어(50, 70) 사이의 일면 접촉을 가능하게 하여, 2개의 기어(50, 70)의 기어 톱니 사이에 실질적인 밀봉을 제공하여 상기한 바와 같이 입구 포트와 출구 포트 사이를 밀봉한다. 따라서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 기어(70) 상의 톱니(142)는 접촉점(152)에서 기어(50) 상의 톱니(144)와 접촉한다. 회전 방향(74, 76)으로 전방을 향하고 있는 기어 톱니의 면을 전방 측(F)이라고 정의하면, 톱니(142)의 전방 측(F)은 접촉점(152)에서 톱니(144)의 후방 측(R)과 접촉한다. 그러나, 기어 톱니의 치수는 톱니(144)의 전방 측(F)이 기어(70) 상의 톱니(142)에 인접한 톱니인 톱니(146)의 후방 측(R)과 접촉하지 않는 (즉, 이격되는) 방식으로 형성된다. 따라서, 기어(50, 70)가 구동될 때 접촉 영역(78)에서 일면 접촉이 있도록 기어 톱니(52, 72)가 설계된다. 기어(50, 70)가 회전할 때 톱니(142)와 톱니(144)가 접촉 영역(78)으로부터 멀리 이동할 때 톱니(142, 144) 사이에 형성된 일면 접촉이 단계적으로 감소된다. 2개의 기어(50, 70) 사이에 회전 속도 차이가 있는 한, 기어(50) 상의 톱니와 기어(70) 상의 톱니 사이에 이 일면 접촉이 간헐적으로 형성된다. 그러나, 기어(50, 70)가 회전하기 때문에 각 기어 상의 그 다음 2개의 톱니가 그 다음 일면 접촉을 형성하기 때문에 접촉 영역(78)에서는 항상 접촉이 있어서 역류 경로가 실질적으로 밀봉되게 유지된다. 즉, 일면 접촉은 포트(22 및 24)들 사이에 밀봉을 제공하여, 펌프 입구로부터 펌프 출구로 운반되는 유체가 접촉 영역(78)을 통해 펌프 입구로 역류하는 것을 방지한다(또는 실질적으로 방지한다).

도 5a에서, 톱니(142)와 톱니(144) 사이의 일면 접촉은 특정점, 즉 접촉점(152)에 있는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 예시적인 실시예에서 기어 톱니 사이의 일면 접촉은 특정점에서만 접촉하는 것으로 국한되지 않는다. 예를 들어, 일면 접촉은 복수의 점에서 일어나거나 또는 톱니(142)와 톱니(144) 사이의 접촉선을 따라 일어날 수 있다. 다른 예로서, 일면 접촉은 두 기어 톱니의 표면 영역 사이에서 일어날 수 있다. 따라서, 일면 접촉 동안 톱니(142)의 표면 상의 영역이 톱니(144)의 표면 상의 영역과 접촉할 때 밀봉 영역이 형성될 수 있다. 각 기어(50, 70)의 기어 톱니(52, 72)는 2개의 기어 톱니 사이의 일면 접촉을 달성하기 위해 톱니 프로파일(또는 곡률)을 갖도록 구성될 수 있다. 이런 방식으로, 본 발명에서 일면 접촉은 한 점 또는 점들에서 일어나거나, 선을 따라 일어나거나, 또는 표면 영역에 걸쳐 일어날 수 있다. 따라서, 전술한 접촉점(152)은 접촉 위치(또는 위치들)의 일부로서 제공될 수 있으며, 하나의 접촉점으로 제한되지 않는다.

일부 예시적인 실시예에서, 각 기어(50, 70)의 톱니는 접촉 영역(78)에 있는 톱니들 사이에 과도한 유체 압력을 포획하지 않도록 설계된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 유체(160)는 톱니(142, 144, 146)들 사이에 포획될 수 있다. 포획된 유체(160)가 펌프 입구와 펌프 출구 사이에 밀봉 효과를 제공하지만, 기어(50, 70)가 회전할 때 과도한 압력이 축적될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 기어 톱니 프로파일은 가압된 유체를 방출(release)하기 위해 기어 톱니(144, 146) 사이에 작은 간극(또는 갭)(154)이 제공되도록 구성된다. 이러한 설계는 과도한 압력이 형성되지 않는 것을 보장하면서 밀봉 효과를 유지한다. 물론, 접촉 점, 접촉 선 또는 접촉 영역은 다른 톱니 면의 측과 접촉하는 하나의 톱니 면의 측으로 국한되지 않는다. 유체 변위 부재의 유형에 따라, 동기화된 접촉은 제1 유체 변위 부재 상의 적어도 하나의 돌출부(예를 들어, 범프, 연장부, 융기부, 돌기부, 다른 유사한 구조 또는 이들의 조합)의 임의의 표면과, 제2 유체 변위 부재 상의 적어도 하나의 돌출부(예를 들어, 범프, 연장부, 융기부, 돌기부, 다른 유사한 구조 또는 이들의 조합) 또는 만입부(예를 들어, 공동, 함몰부, 공극 또는 유사한 구조) 사이에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 유체 변위 부재 중 적어도 하나는, 접촉력이 보다 명확한 밀봉 영역을 제공하도록, 탄성 재료, 예를 들어, 고무, 엘라스토머 재료 또는 다른 탄성 재료로 제조되거나 이를 포함될 수 있다.

상술된 예시적인 실시예에서, 전기 모터(41, 61)와 기어(50, 70)를 포함하는 두 유체 구동기(40, 60)는 단일 펌프 케이싱(20)으로 통합된다. 본 발명의 외부 기어 펌프(10)의 이 신규한 구성은 다양한 장점을 제공하는 컴팩트한 설계를 가능하게 한다. 첫째, 전술한 기어 펌프 실시예가 차지하던 공간 또는 바닥 면적은 종래의 기어 펌프와 비교할 때 필요한 구성 요소를 단일 펌프 케이싱으로 통합하는 것에 의해 현저히 감소된다. 또한 펌프 시스템의 총 중량은, 모터를 펌프에 연결하는 샤프트와 같은 불필요한 구성 요소를 제거하고 모터/기어 구동기를 위한 별개의 장착물을 제거하는 것에 의해, 더 감소된다. 또한, 본 발명의 펌프(10)는 콤팩트하고 모듈식으로 설계되어 있어서 종래의 기어 펌프를 설치할 수 없었던 위치에서도 용이하게 설치될 수 있고, 쉽게 교체될 수 있다.

또한, 신규한 균형 판 구성은 다양한 추가적인 장점을 제공한다. 첫째, 기어 펌프의 설계가 단순화된다. 리세스(53)를 갖는 돌출된 부분(45)을 펌프 설계에 병합함으로써 별도로 제공되던 베어링 블록의 필요성이 제거된다. 각 베어링 블록과 이에 대응하는 커버 사이에 배치된 밀봉부(들) 및/또는 O-링(들)도 제거될 수 있다. 더 적은 수의 밀봉부 및/또는 O-링이 기어 펌프에 사용되기 때문에, 이러한 밀봉부 및/또는 O-링의 파손시 누설 가능성이 감소된다. 또한, 돌출된 부분(45)이 각 균형 판(80, 82)의 일부이거나 일체형으로 부착되기 때문에 각 단부 판(80, 82)의 강성이 증가되어, 이에 따라 펌프(10)가 펌핑 동작 동안 부과되는 부하, 예를 들어, 굽힘 부하에 덜 취약하게 되어, 펌프(10)의 구조적 안정성(또는 구조적 내구성)이 개선된다.

본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 펌프는 하나의 일체형 유닛을 형성하도록 펌프에 고정 부착되는 유체 저장 장치를 포함한다. 예를 들어, 도 6은 펌프(10')와 저장 장치(170)를 갖는 유체 전달 시스템의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 펌프(10')의 배열은, 샤프트(42, 62) 대신에 각 관통 통로(184 및 194)를 갖는 관통 흐름 유형 샤프트(42', 62')가 포함되는 것을 제외하고는, 펌프(10)의 배열과 유사하다. 따라서, 간결함을 위해, 펌프(10')의 상세한 설명은 본 실시예를 설명하는데 필요한 것을 제외하고는 생략된다. 도 6의 실시예에서, 각 샤프트(42', 62')는 관통 흐름 유형 샤프트이고, 각 샤프트는 샤프트(42', 62')의 몸체를 통해 축 방향으로 이어지는 관통 통로를 갖는다. 각 샤프트의 일 단부는 포트(22, 24)들 중 하나에 연결되는 채널의 균형 판(82)의 개구와 연결된다. 예를 들어, 측단면도인 도 6a는 균형 판(82)을 통해 연장되는 채널(182)을 도시한다. 채널(182)의 하나의 개구는 관통 흐름 샤프트(42')의 일 단부를 수용하는 반면, 채널(182)의 다른 단부는 펌프(10')의 포트(22)로 개방된다. 각 관통 흐름 샤프트(42', 62')의 다른 단부는 균형 판(80) 내의 각 개구를 통해 유체 챔버(172) 내로 연장된다. 펌프(10)와 유사하게, 관통 흐름 샤프트(42', 62')는 케이싱(20) 내 각 개구에 고정 연결된다. 예를 들어, 관통 흐름 샤프트(42', 62')는 균형 판(80)의 채널 개구(예를 들어, 채널(182 및 192)을 위한 개구), 및 저장 장치(170)에 연결되는 균형 판(82) 내 개구에 부착될 수 있다. 관통 흐름 샤프트(42', 62')는 나사산 끼워 맞춤, 가압 끼워 맞춤, 억지 끼워 맞춤, 솔더링, 용접, 이들의 임의의 적절한 조합 또는 다른 알려진 수단에 의해 부착될 수 있다.

도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 저장 장치(170)는, 펌프(10'), 예를 들어, 균형 판(80)에 장착되어 하나의 일체형 유닛을 형성할 수 있다. 저장 장치(170)는 펌프(10')에 의해 펌핑되는 유체를 저장하고 명령된 동작을 수행하는데 필요한 유체를 공급할 수 있다. 일부 실시예에서, 펌프(10')의 저장 장치(170)는 시스템을 위한 유체를 저장하는 가압 용기이다. 이러한 실시예에서, 저장 장치(170)는 시스템에 적절한 지정된 압력으로 가압된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 저장 장치(170)는 용기 하우징(188), 유체 챔버(172), 가스 챔버(174), 분리 요소(또는 피스톤)(176) 및 커버(178)를 포함한다. 가스 챔버(174)는 분리 요소(176)에 의해 유체 챔버(172)로부터 분리된다. 2개의 챔버(172, 174) 사이의 누설을 방지하기 위해 하나 이상의 밀봉 요소(미도시)가 분리 요소(176)를 따라 제공될 수 있다. 커버(178)의 중심에서, 충전 포트(180)를 통해 가스, 예를 들어, 질소를 충전하는 것에 의해 저장 장치(170)가 가스로 가압될 수 있도록 충전 포트(180)가 제공된다. 물론, 충전 포트(180)는 저장 장치(170) 상의 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있다. 커버(178)는 복수의 볼트(190) 또는 다른 적절한 수단을 통해 용기 하우징(188)에 부착될 수 있다. 커버(178)와 용기 하우징(188) 사이에 하나 이상의 밀봉부(미도시)가 제공되어 가스의 누설을 방지할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 유체 구동기(40)의 관통 흐름 샤프트(42')는 균형 판(80)의 개구를 통해 가압 용기의 유체 챔버(172) 안으로 침투(penetrate)한다. 관통 흐름 샤프트(42')는 샤프트(42')의 내부를 통해 연장하는 관통 통로(184)를 포함한다. 관통 통로(184)가 유체 챔버(172)와 유체 연통하도록 관통 통로(184)는 유체 챔버(172)로 이어지는 관통 흐름 샤프트(42')의 단부에 포트(186)를 구비한다. 관통 흐름 샤프트(42')의 다른 단부에서 관통 통로(184)는 유체 통로(182)에 연결되고, 이 유체 통로(182)는 균형 판(82)을 통해 연장되고 포트(22 또는 24)에 연결되어 (포트(22)에의 연결이 도 6a에 도시됨) 관통 통로(184)가 포트(22) 또는 포트(24)와 유체 연통되게 한다. 이런 방식으로, 유체 챔버(172)는 펌프(10')의 포트와 유체 연통한다.

일부 실시예에서, 제2 샤프트는 또한 펌프의 포트와 유체 저장 장치 사이에 유체 연통을 제공하는 관통 통로를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 관통 흐름 샤프트(62')는 또한 단부 판(80)의 개구를 통해 저장 장치(170)의 유체 챔버(172) 안으로 침투한다. 관통 흐름 샤프트(62')는 샤프트(62')의 내부를 통해 연장되는 관통 통로(194)를 포함한다. 관통 통로(194)가 유체 챔버(172)와 유체 연통하도록 관통 통로(194)는 유체 챔버(172)로 이어지는 관통 흐름 샤프트(62)의 단부에 포트(196)를 구비한다. 관통 흐름 샤프트(62)의 다른 단부에서 관통 통로(194)는 유체 채널(192)에 연결되고, 이 유체 채널(192)은 단부 판(82)을 통해 연장되고 포트(22 또는 24)(도시되지 않음)에 연결되어, 관통 통로(194)가 펌프(10')의 포트와 유체 연통되게 한다. 이런 방식으로, 유체 챔버(172)는 펌프(10')의 포트와 유체 연통한다.

도 6에 도시된 예시적인 실시예에서, 관통 통로(184)와 관통 통로(194)는 공통 저장 장치(170)를 공유한다. 즉, 유체는 관통 통로(184, 194)를 통해 공통 저장 장치(170)에 제공되거나 이로부터 인출된다. 일부 실시예에서, 관통 통로(184, 194)는 펌프의 동일한 포트, 예를 들어, 포트(22) 또는 포트(24)에 연결된다. 이들 실시예에서, 저장 장치(170)는 예를 들어 폐루프 유체 시스템에서 펌프(10')의 적절한 포트에 원하는 압력을 유지하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 통로(184, 194)는 펌프(10')의 대향하는 포트들에 연결된다. 이러한 배열은 펌프(10')가 양방향인 시스템에서 유리할 수 있다. 적절한 밸브(도시되지 않음)는 펌프(10')의 동작을 악영향을 방지하기 위해 어느 유형의 배열로 설치될 수 있다. 예를 들어, 밸브(도시되지 않음)는 관통 통로(184)와 관통 통로(194)가 펌프(10')의 상이한 포트들로 가는 구성에서 저장 장치(170)를 통해 펌프(10')의 입구와 출구 사이의 단락을 방지하도록 적절히 작동될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 저장 장치(170)는 충전 포트(180)를 통해 가스 챔버(174) 내에 가스, 예를 들어, 질소 또는 일부 다른 적절한 가스로 명령된 압력으로 미리 충전될 수 있다. 예를 들어, 저장 장치(170)는 유체 시스템의 최소 요구된 압력의 적어도 75%, 일부 실시예에서 유체 시스템의 최소 요구된 압력의 적어도 85%로 미리 충전될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 저장 장치(170)의 압력은 유체 시스템의 동작 요구조건에 기초하여 변할 수 있다. 저장 장치(170)에 저장된 유체의 양은 펌프(10)가 동작하는 유체 시스템의 요구조건에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 시스템이 예를 들어 유압 실린더와 같은 액추에이터를 포함하는 경우, 저장 용기(170)는 액추에이터를 최대로 동작시키는데 필요한 유체의 양에 저장 장치(170)에 최소로 요구되는 용량을 더한 것을 보유할 수 있다. 저장된 유체의 양은 동작 동안 유체의 온도 변화로 인해 및 유체 전달 시스템이 동작하는 환경으로 인해 유체 볼륨의 변화에 따라 변할 수도 있다.

저장 장치(170)가 예를 들어 커버(178) 상의 충전 포트(180)를 통해 가압될 때, 분리 요소(176)에 가해지는 압력은 유체 챔버(172) 내 임의의 액체를 가압한다. 그 결과, 가압 유체는 관통 통로(184, 194)를 통해, 및 단부 판(82)의 채널(예를 들어, 관통 통로(194)를 위한 채널(192))을 통해, 저장 장치(170) 내 압력이 펌프(10')의 포트(포트들)의 압력과 등화될 때까지, 펌프(10')의 포트(또는 배열에 따라 포트들) 내로 푸시된다. 동작 동안, 관련 포트에서의 압력이 유체 챔버(172) 내의 압력 아래로 떨어지면, 저장 장치(170)로부터 가압된 유체는 압력이 등화될 때까지 적절한 포트로 푸시된다. 반대로, 관련 포트에서의 압력이 유체 챔버(172)의 압력보다 더 높아지면, 포트로부터의 유체는 관통 통로(184 및 194)를 통해 유체 챔버(172)로 푸시된다.

도 7은 관통 흐름 샤프트(42', 62')의 예시적인 실시예의 확대도를 도시한다. 관통 통로(184, 194)는 단부(209)로부터 단부(210)로 관통 흐름 샤프트(42', 62')를 통해 연장하고, 샤프트(42', 62')의 단부(209)(또는 단부(209) 근처)에 테이퍼진 부분(또는 수렴하는 부분)(204)을 포함한다. 단부(209)는 저장 장치(170)와 유체 연통한다. 테이퍼진 부분(204)은 관통 흐름 샤프트(42', 62')의 단부(209)(또는 단부(209) 근처)에서 시작하여, 점(206)까지 관통 흐름 샤프트(42', 62')의 관통 통로(184, 194) 안으로 부분적으로 연장된다. 일부 실시예에서, 테이퍼진 부분은 관통 통로(184, 194)의 길이의 5% 내지 50% 연장될 수 있다. 테이퍼진 부분(204) 내에서, 샤프트(42', 62')의 내부에서 측정했을 때 관통 통로(184, 194)의 직경은 테이퍼진 부분이 관통 흐름 샤프트(42, 62)의 단부(206)까지 연장될 때 감소된다. 도 7에 도시된 바와 같이 테이퍼진 부분(204)은 단부(209)에서 직경(D1)을 가지고 점(206)에서 더 작은 직경(D2)으로 감소되고, 이 직경의 감소는 유체의 흐름 특성이 측정가능하게 영향을 받도록 구성된다. 일부 실시예에서, 직경의 감소는 선형적이다. 그러나, 관통 통로(184, 194)의 직경의 감소는 선형 프로파일이어야 할 필요는 없고, 곡선 프로파일, 계단 프로파일 또는 일부 다른 원하는 프로파일을 따를 수 있다. 따라서, 가압 유체가 저장 장치(170)로부터 관통 통로(184, 194)를 경유하여 펌프의 포트로 흐르는 경우, 유체는 직경의 감소(D1 → D2)를 겪게 되고, 이것은 유체 흐름에 저항을 제공하여 저장 장치(170)로부터 펌프 포트로 가압 유체의 방출(discharge)을 느리게 한다. 저장 장치(170)로부터 유체의 방출을 느리게 함으로써, 저장 장치(170)는 등온 또는 실질적으로 등온으로 거동한다. 가압 용기가 거의 등온 팽창/압축되면, 즉 가압 용기 내의 유체의 온도의 변화가 제한되면 유체 시스템에서 가압 용기의 열적 안정성과 효율을 개선시키는 경향이 있다는 것이 이 기술 분야에 알려져 있다. 따라서, 이 예시적인 실시예에서, 일부 다른 예시적인 실시예에 비해, 테이퍼진 부분(204)은 저장 장치(170)로부터의 가압 유체의 방출 속도의 감소를 용이하게 하여, 저장 장치(170)의 열적 안정성과 효율성을 제공한다.

가압 유체가 저장 장치(170)로부터 펌프(10)의 포트로 흐를 때, 유체는 점(206)에서 테이퍼진 부분(204)을 빠져 나가서 확장 부분(또는 목부(throat) 부분)(208)으로 들어가고 여기서 관통 통로(184, 194)의 직경은 제조 공차 내에서 측정했을 때 직경(D2)으로부터 D2보다 큰 직경(D3)으로 확장한다. 도 7의 실시예에서, D2로부터 D3으로 계단 형상으로 확장된다. 그러나 확장 프로파일이 계단 형상으로 수행될 필요는 없고, 확장이 비교적 신속히 수행되는 한, 다른 프로파일도 가능하다. 그러나, 일부 실시예에서, 펌핑되는 유체 및 관통 통로(184, 194)의 길이와 같은 요인에 따라, 점(206)에서 확장 부분(208)의 직경은 제조 공차 내에서 측정했을 때 초기에 직경(D2)과 같을 수 있고, 이후 점차적으로 직경(D3)으로 확장될 수 있다. 관통 통로(184, 194)의 확장 부분(208)은 저장 장치(170)로부터 유체의 흐름을 안정화시키는 역할을 한다. 테이퍼진 부분(204)의 직경의 감소가 유체에 교란을 일으킬 수 있는 노즐 효과(또는 벤투리 효과)로 인해 유체의 속도를 증가시킬 수 있기 때문에 흐름 안정화가 필요할 수 있다. 그러나, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 유체가 테이퍼진 부분(204)을 떠나자마자, 노즐 효과에 기인한 유체의 난류가 확장 부분(208)에 의해 완화된다. 일부 실시예에서, 제3 직경(D3)은 제조 공차 내에서 측정했을 때 제1 직경(D1)과 같다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 관통 흐름 샤프트(42', 62')의 전체 길이는 유체 흐름을 안정화시키기 위해 관통 통로(184, 194)의 구성을 병합하는데 사용될 수 있다.

안정화된 흐름은 단부(210)에서 관통 통로(184, 194)를 빠져나간다. 단부(210)에서의 관통 통로(184, 194)는 예를 들어 단부 판(82) 내 채널(예를 들어, 관통 통로(184)를 위한 채널(182) - 도 6a 참조)을 통해 펌프(10)의 포트(22) 또는 포트(24) 중 어느 하나에 유체적으로 연결될 수 있다. 물론, 흐름 경로는 펌프 케이싱 내의 채널로 제한되지 않으며 다른 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 포트(210)는 펌프(10')의 포트(22) 또는 포트(24)에 연결되는 외부 파이프 및/또는 호스에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 단부(210)에서 관통 통로(184, 194)는 확장 부분(208)의 제3 직경(D3)보다 더 작은 직경(D4)을 갖는다. 예를 들어, 직경(D4)은 제조 공차 내에서 측정했을 때 직경(D2)과 같을 수 있다. 일부 실시예에서, 직경(D1)은 직경(D2)보다 50 내지 75%만큼 더 크고, 직경(D4)보다 50 내지 75%만큼 더 크다. 일부 실시예에서, 직경(D3)은 직경(D2)보다 50 내지 75%만큼 더 크고, 직경(D4)보다 50 내지 75%만큼 더 크다.

유체 통로의 단면 형상은 제한적이지 않다. 예를 들어, 원형-형상 통로, 직사각형-형상 통로 또는 일부 다른 원하는 형상 통로가 사용될 수 있다. 물론, 관통 통로는 테이퍼진 부분과 확장 부분을 갖는 구성으로 제한되지 않고, 관통 통로의 길이를 따라 균일한 단면적을 갖는 관통 통로를 포함하는 다른 구성이 사용될 수 있다. 따라서, 관통 흐름 샤프트의 관통 통로의 구성은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변할 수 있다.

상기 실시예에서, 관통 흐름 샤프트(42', 62')는 유체 챔버(172) 내로 짧은 거리 침투한다. 그러나 다른 실시예에서, 관통 흐름 샤프트(42', 62') 중 어느 하나 또는 둘 모두는 단부들이 유체 챔버(172)의 벽과 동일 높이에 있도록 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 관통 흐름 샤프트의 단부는, 예를 들어, 균형 판(80)과 같은 다른 위치에서 종료될 수 있고, 예를 들어, 채널, 호스 또는 파이프와 같은 적절한 수단을 샤프트가 유체 챔버(172)와 유체 연통하게 할 수 있다. 이 경우, 관통 흐름 샤프트(42', 62')는 유체 챔버(172) 내로 침투함이 없이 균형 판(80, 82)들 사이에 완전히 배치될 수 있다.

상기 실시예에서, 저장 장치(170)는 케이싱(20)의 균형 판(80) 상에 장착된다. 그러나, 다른 실시예에서, 저장 장치(170)는 케이싱(20)의 균형 판(82) 상에 장착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 저장 장치(170)는 펌프(10')로부터 이격되어 배치될 수 있다. 이 경우, 저장 장치(170)는, 예를 들어, 호스, 튜브, 파이프 또는 다른 유사한 장치와 같은 연결 매체를 통해 펌프(10')와 유체 연통할 수 있다.

상기 예시적인 실시예에서, 두 샤프트(42', 62')는 관통 통로 구성을 포함한다. 그러나, 일부 예시적인 실시예에서, 두 샤프트들 중 단 하나의 샤프트만이 관통 통로 구성을 갖는다. 예를 들어, 도 8은 외부 기어 펌프와 저장 장치 시스템의 다른 실시예의 측단면도이다. 이 실시예에서, 펌프(310)는 전술한 외부 기어 펌프(10, 10')의 예시적인 실시예와 실질적으로 유사하다. 즉, 유체 구동기(340)의 동작 및 기능은 유체 구동기(40)의 동작 및 기능과 유사하고, 유체 구동기(360)의 동작 및 기능은 유체 구동기(60)의 동작 및 기능과 유사하다. 또한, 저장 장치(370)의 구성 및 기능은 전술한 저장 장치(170)의 구성 및 기능과 유사하다. 따라서 간결함을 위해, 펌프(310) 및 저장 장치(370)의 동작에 대한 상세한 설명은 본 예시적인 실시예를 설명하는데 필요한 것을 제외하고 생략된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 펌프(10')의 샤프트(42')와는 달리, 유체 구동기(540)의 샤프트(342)는 관통 통로를 포함하지 않으며, 예를 들어, 도시된 바와 같은 중실 샤프트이거나 또는 전술한 샤프트(42)와 유사할 수 있다. 따라서, 유체 구동기(360)의 샤프트(362)만이 관통 통로(394)를 포함한다. 관통 통로(394)는 채널(392)을 통해 유체 챔버(372)와 펌프(310)의 포트 사이에 유체 연통을 허용한다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 관통 통로(394) 및 채널(392)은 전술한 관통 통로(194) 및 채널(192)과 유사한 기능을 수행한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 간결함을 위해, 관통 통로(394) 및 채널(392)의 상세한 설명 및 펌프(310)의 기능은 생략된다.

전술한 예시적인 실시예는 단 하나의 저장 장치만을 도시하지만, 본 발명의 예시적인 실시예는 하나의 저장 장치로 제한되지 않고 하나를 초과하는 저장 장치를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 예시적인 실시예에서, 저장 장치(770)는, 펌프(710)에, 예를 들어, 균형 판(782) 상에 장착될 수 있다. 저장 장치(770)는 펌프(710)에 의해 펌핑될 유체를 저장할 수 있고, 명령된 작업을 수행하는데 필요한 유체를 공급할 수 있다. 또한, 다른 저장 장치(870)는, 펌프(710) 상에, 예를 들어, 균형 판(780) 상에 장착될 수 있다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 저장 장치(770 및 870)들은 저장 장치(170)와 구성과 기능 면에서 유사하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 간결함을 위해, 저장 장치(770 및 870)들의 상세한 설명은 본 예시적인 실시예를 설명하는데 필요한 것을 제외하고는 생략된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 모터(741)는 샤프트(742)를 포함한다. 샤프트(742)는 관통 통로(784)를 포함한다. 관통 통로(784)는, 유체 챔버(772) 내에 배치되어 관통 통로(784)가 유체 챔버(772)와 유체 연통되게 하는 포트(786)를 구비한다. 관통 통로(784)의 다른 단부는 채널(782)을 통해 펌프(710)의 포트와 유체 연통한다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 관통 통로(784) 및 채널(782)은 전술한 관통 통로(184) 및 채널(182)과 구성 및 기능이 유사하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 간결함을 위해, 관통 통로(784)의 상세한 설명과 펌프(710)의 특성 및 기능은 생략된다.

또한, 펌프(710)는 샤프트(762)를 포함하는 모터(761)를 포함한다. 샤프트(762)는 관통 통로(794)를 포함한다. 관통 통로(794)는, 유체 챔버(872) 내에 배치되어 관통 통로(794)가 유체 챔버(872)와 유체 연통되게 하는 포트(796)를 구비한다. 관통 통로(794)의 다른 단부는 채널(792)을 통해 펌프(710)의 포트와 유체 연통한다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 관통 통로(794) 및 채널(792)은 전술한 관통 통로(194) 및 채널(192)과 유사하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 간결함을 위해, 관통 통로(794)의 상세한 설명과 펌프(710)의 특성 및 기능은 생략된다.

채널(782 및 792)은 펌프의 동일한 포트 또는 상이한 포트에 각각 연결될 수 있다. 동일한 포트에 연결하면 특정 환경에서 유리할 수 있다. 예를 들어, 하나의 대형 저장 장치가 어떤 이유로 비실용적이라면, 도 9에서 도시된 바와 같이 펌프의 반대쪽에 장착된 2개의 더 작은 저장 장치로 저장 용량을 분리할 수 있다. 대안적으로 각 저장 장치(770 및 870)를 펌프(710)의 상이한 포트에 연결하면, 또한 특정 환경에서 유리할 수 있다. 예를 들어, 각 포트를 위한 전용 저장 장치는 펌프가 양방향인 상황에서 그리고 펌프의 입구와 펌프의 출구가 평활화될 필요가 있는 압력 스파이크(spike)를 경험하거나 또는 저장 장치로 완화되거나 또는 제거될 수 있는 일부 다른 흐름이나 압력 교란을 경험하는 상황에서 유리할 수 있다. 물론, 각 채널(782 및 792)은 적절한 밸브(도시되지 않음)를 사용하여 펌프(710)의 두 포트에 연결되어, 각 저장 장치(770 및 870)가 원하는 포트와 연통하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 밸브는 펌프 동작에 악영향을 방지하도록 적절히 동작되는 것이 요구된다.

도 9에 도시된 예시적인 실시예에서, 저장 장치(770, 870)는 펌프(710)의 케이싱에 고정 장착된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 저장 장치(770, 870)들 중 하나 또는 둘 모두는 펌프(710)로부터 이격되어 배치될 수 있다. 이 경우, 저장 장치 또는 저장 장치들은 연결 매체, 예를 들어, 호스, 튜브, 파이프 또는 다른 유사한 장치를 통해 펌프(710)와 유체 연통할 수 있다.

상기 실시예가 기어 톱니를 갖는 스퍼 기어를 구비하는 외부 기어 펌프 설계와 관련하여 설명되었지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 후술되는 개념, 기능 및 특징은, 다른 기어 설계(예를 들어, 유체를 구동하도록 적응될 수 있는 나선형 기어, 헤링본 기어 또는 기타 기어 톱니 설계)를 갖는 외부 기어 펌프; 2개를 초과하는 원동기를 구비하는 펌프; 전기 모터 이외의 원동기, 예를 들어, 유체 변위 부재를 구동할 수 있는 유압 모터 또는 다른 유체 구동 모터 또는 기타 유사한 장치; 및 기어 톱니를 가진 외부 기어 이외의 유체 변위 부재, 예를 들어, 기어 톱니를 가진 내부 기어, 돌출부(예를 들어, 범프, 연장부, 융기부, 돌기부, 기타 유사한 구조 또는 이들의 조합)가 있는 허브(예를 들어, 디스크, 실린더, 기타 유사한 구성 요소), 만입부(예를 들어, 공동, 함몰부, 공극 또는 기타 유사한 구조)가 있는 허브(예를 들어, 디스크, 실린더 또는 기타 유사한 구성 요소), 로브가 있는 기어 몸체 또는 구동시 유체를 변위시킬 수 있는 기타 유사한 구조;에 용이하게 적응될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 간결함을 위해, 다양한 펌프 설계의 상세한 설명은 생략된다. 또한, 상기 실시예가 외부 기어 설계를 갖는 유체 변위 부재를 갖는 것이지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 유체 변위 부재의 유형에 따라, 동기화된 접촉이 측면 대 측면 접촉으로 제한되지 않고, 하나의 유체 변위 부재 상의 적어도 하나의 돌출부(예를 들어, 범프, 연장부, 융기부, 돌기부, 다른 유사한 구조 또는 이들의 조합)의 임의의 표면과, 또 다른 유체 변위 부재 상의 적어도 하나의 돌출부(예를 들어, 범프, 연장부, 융기부, 돌기부, 다른 유사한 구조, 또는 이들의 조합) 또는 만입부(예를 들어, 공동, 함몰부, 공극 또는 다른 유사한 구조)의 임의의 표면 사이에 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

상기 실시예에서 예를 들어 기어와 같은 유체 변위 부재는 전체적으로 금속 재료 또는 비금속 재료 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 금속 재료는 강철, 스테인레스 강, 양극 처리된 알루미늄, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 황동 및 이들 각각의 합금을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 비금속 재료는 세라믹, 플라스틱, 복합 재료, 탄소 섬유 및 나노 복합 재료를 포함할 수 있지만, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어 고압에 견딜 수 있는 견고성을 요구하는 펌프에는 금속 물질을 사용할 수 있다. 그러나, 저압 응용에 사용되는 펌프의 경우, 비금속 재료가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 유체 변위 부재는, 예를 들어, 밀봉 영역을 더욱 향상시키기 위해, 예를 들어, 고무, 엘라스토머 물질 등과 같은 탄성 물질로 만들어질 수 있다.

대안적으로, 유체 변위 부재, 예를 들어, 상기 실시예에서, 기어는 상이한 재료의 조합으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 몸체는 알루미늄으로 제조될 수 있고, 다른 유체 변위 부재와 접촉하는 부분, 상기 예시적인 실시예에서, 기어 톱니는 고압에 견딜 수 있는 견고성을 요구하는 펌프에는 강철로 제조되거나, 저압 적용을 위한 펌프에는 플라스틱으로 제조되거나, 또는 적용 유형에 기초하여 엘라스토머 재료 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.

본 발명의 예시적인 펌프는 다양한 유체를 펌핑할 수 있다. 예를 들어, 유압 오일, 엔진 오일, 원유, 혈액, 액체 약품(시럽), 도료, 잉크, 수지, 접착제, 용융 열가소성 물질, 역청, 피치, 당밀, 용융 초콜릿, 물, 아세톤, 벤젠, 메탄올 또는 다른 유체를 펌핑하도록 설계될 수 있다. 펌핑될 수 있는 유체의 유형에 의해 알 수 있는 바와 같이, 펌프의 예시적인 실시예는 중공업 기계, 화학 산업, 식품 산업, 의료 산업, 상업용 응용, 주거용 응용 또는 펌프를 사용하는 다른 산업과 같은 다양한 응용에 사용될 수 있다. 유체의 점도, 적용에 요구되는 압력과 흐름, 유체 변위 부재의 설계, 모터의 크기와 전력, 물리적 공간의 고려, 펌프 중량 또는 펌프 설계에 영향을 미치는 기타 요소 등의 인자들이 펌프 설계에서 중요한 역할을 할 수 있다. 적용 유형에 따라, 전술한 실시예에 부합하는 펌프는, 예를 들어, 1 내지 5000 rpm의 일반적인 범위 내에서 동작 범위를 가질 수 있다고 생각된다. 물론, 이 범위는 제한적이지 않고 다른 범위도 가능하다.

펌프 동작 속도는 유체의 점도, 원동기 용량(예를 들어, 유체 변위 부재를 구동할 수 있는 전기 모터, 유압 모터 또는 다른 유체 구동 모터, 내연 엔진, 가스 엔진 또는 다른 유형의 엔진 또는 기타 유사한 장치의 용량), 유체 변위 부재 치수(예를 들어, 기어의 치수, 돌출부가 있는 허브, 만입부가 있는 허브 또는 구동시 유체를 변위시킬 수 있는 다른 유사한 구조), 원하는 흐름 속도, 원하는 동작 압력, 및 펌프 베어링 부하와 같은 인자를 고려하여 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 예를 들어, 일반적인 산업 유압 시스템에 적용하는 것에 관한 응용에서, 펌프의 동작 속도는 예를 들어 300 rpm 내지 900 rpm의 범위일 수 있다. 또한 펌프의 의도된 용도에 따라 동작 범위를 선택할 수도 있다. 예를 들어, 상기 유압 펌프 예에서, 1-300 rpm의 범위 내에서 동작하도록 설계된 펌프는 유압 시스템에서 필요한 바에 따라 보충 흐름을 제공하는 대기 펌프(stand-by pump)로서 선택될 수 있다. 300-600 rpm의 범위에서 동작하도록 설계된 펌프는 유압 시스템이 연속적으로 동작하도록 선택될 수 있는 반면, 600-900 rpm의 범위에서 동작하도록 설계된 펌프는 최대 흐름 동작을 위해 선택될 수 있다. 물론, 하나의 일반적인 펌프가 3가지 유형의 동작을 모두 제공하도록 설계될 수 있다.

예시적인 실시예의 응용은 스태커(stacker), 휠 로더(wheel loader), 지게차(forklift), 채광(mining), 공중 작업 플랫폼(aerial work platform), 폐기물 처리, 농업, 트럭 크레인, 건설, 임업 및 기계 공장 산업을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 소형 산업으로 분류되는 응용의 경우, 상기 논의된 펌프의 예시적인 실시예는, 예를 들어, 1500 psi 내지 3000 psi의 범위에서 2 cm ³ /rev(cubic centimeters per revolution)으로부터 150 ㎤/rev로 변위될 수 있다. 효율과 슬립 계수를 한정하는 기어 톱니와 기어 하우징 사이의 유체 갭, 즉 공차는 예를 들어 +0.00-0.05 mm의 범위일 수 있다. 중형 산업으로 분류되는 응용의 경우, 전술한 펌프의 예시적인 실시예는 예를 들어 3000 psi 내지 5000 psi의 범위의 압력 및 +0.00-0.07 mm의 범위의 유체 갭에서 150 ㎤/rev으로부터 300 ㎤/rev로 변위될 수 있다. 대형 산업으로 분류되는 응용의 경우, 전술한 펌프의 예시적인 실시예는 예를 들어 3000 psi 내지 12,000 psi의 범위의 압력 및 +0.00-0.0125 mm의 범위의 유체 갭에서 300 ㎤/rev으로부터 600 ㎤/rev로 변위될 수 있다.

또한, 유체 변위 부재의 치수는 펌프의 용도에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 기어가 유체 변위 부재로 사용될 때, 기어의 원형 피치는 1mm 미만(예를 들어, 나일론의 나노 복합 재료)으로부터 산업 응용 분야에서 사용되는 수 미터에 이를 수 있다. 기어의 두께는 용도에 따라 원하는 압력과 흐름에 따라 달라진다.

일부 실시예에서, 유체 변위 부재, 예를 들어, 한 쌍의 기어를 회전시키는 원동기, 예를 들어, 모터의 속도는 펌프로부터의 흐름을 제어하도록 변화될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 원동기, 예를 들어, 모터의 토크는 펌프의 출력 압력을 제어하도록 변화될 수 있다.

본 발명은 특정 실시예를 참조하여 개시되었지만, 첨부된 청구범위에 한정된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시예에 많은 수정, 변경 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명은 설명된 실시예들로 제한되지 않고, 본 발명의 최대 범위는 이하의 청구범위의 언어 및 그 등가물에 의해 한정되는 것으로 의도된다.