KR100341670B1

KR100341670B1 - 선형 모터 구동부가 마련된 왕복 펌프

Info

Publication number: KR100341670B1
Application number: KR1020000000116A
Authority: KR
Inventors: 코트케윌리암커티스
Original assignee: 마쉬 윌리엄 에프; 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 1999-01-05
Filing date: 2000-01-04
Publication date: 2002-06-24
Also published as: TW444103B; SG99297A1; MY122436A; EP1018601A2; EP1018601A3; JP2002138950A; DE60024154D1; KR20000053376A; BR9906017A; CN1237272C; JP2000205120A; ATE310903T1; ID24400A; US6203288B1; ZA200000045B; US6283720B1; CN1259624A; ES2248012T3; CA2293516C; US6506030B1

Abstract

본 발명의 왕복 펌프는 폐쇄형 내부 격실이 마련된 실린더를 포함한다. 피스톤 조립체에는 분배 단부와, 이와 반대쪽의 단부가 있고, 그 조립체는 상기 격실의 양단부 사이에서 양직선 방향으로 이동할 수 있게 상기 격실 내부에 이동 가능하게 장착된다. 선형 자기 구동부가 선형 이동 자장을 발생시켜 상기 조립체를 양직선 방향 중 한 방향으로의 행정 체적을 통해 양직선 방향으로 이동시키고, 상기 양직선 방향 중 하나는 분배 행정이고, 다른 하나는 흡입 행정이다. 상기 실린더와 피스톤 조립체 사이에 밀봉 부재가 제공되어, 상기 실린더의 내부 격실을 분배 챔버와 저장 챔버로 분할한다. 밸브 제어식 유입 도관이 액체가 분배되는 상기 분배 챔버와 연통되고, 밸브 제어식 유출 도관이 상기 분배 챔버와 연통되어, 피스톤 조립체가 분배 행정에서 상기 행정 체적을 통과하여 이동될 때, 펌핑된 책체를 상기 내부 격실 밖으로 향하게 한다. 에너지 저장 및 방출 매체가 상기 피스톤 조립체와 연통되어, 상기 피스톤 조립체의 상기 내부 격실의 분배 단부로부터 멀어지는 방향으로 이동함에 따른 에너지를 저장하고, 상기 피스톤 조립체가 상기 내부 격실의 분배 단부를 향하는 방향으로 이동될 때 상기 저장된 에너지를 방출한다. 몇몇 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 펌프는 밀폐형이고, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 저장 챔버 내의 가스상 물질을 포함한다.

Description

선형 모터 구동부가 마련된 왕복 펌프{RECIPROCATING PUMP WITH LINEAR MOTOR DRIVER}

본 발명은 왕복 펌프, 특히 선형 모터 구동부(linear motor driver)가 마련된 다양한 방식의 왕복 펌프 및 이러한 왕복 펌프에 의해 액체를 펌핑하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 왕복 펌프는 밀폐형(hermetic) 왕복 펌프인 것이 가장 바람직하고, 본 발명의 방법은 이러한 밀폐형 왕복 펌프에 의해 액체를 펌핑하는 방법이다.

왕복 펌프는 다양한 용례, 특히 액체의 유량이 작고(예컨대, 15 gpm 미만), 요구되는 액체 압력 상승이 큰(예컨대, 500 psi 이상) 환경에서 사용하기에 상당히 좋다. 작은 압력 상승 및 큰 유량이 요구되는 용례에서는, 단일단(single stage)의 원심 펌프(centrifugal pump)가 좋다. 왜냐하면, 이러한 원심 펌프는 단순하고, 비용이 적게 소요되며, 보수 유지의 필요성이 적기 때문이다. 그러나, 왕복 펌프는 원심 펌프에 비해 10% 내지 30% 정도 열역학적 효율이 크다. 많은 용례에 있어서, 왕복 펌프가 바람직하기는 하지만, 기존의 왕복 펌프에는 다음과 같은 단점 및 제한이 있다.

예를 들면, 종래의 왕복 펌프는 통상, 회전 운동을 직선 운동으로 전환하는 슬라이더 크랭크 기구 또는 다른 종래의 기계식 기구를 매개로, 회전 구동 기구에 의해 직선 방향으로 구동된다. 이들 구동 시스템에서는 복수 개의 베어링, 그리스(grease) 또는 오일에 의한 윤활, 구동부로부터 벨트 또는 기어에 의한 회전 속도 감소, 속도를 안정화하기 위한 플라이휠(flywheel), 보호용 안전 가드 및 다른 기계식 기구를 필요로 하며, 이들은 모두 펌프를 복잡하게 하고 펌프의 비용을 증가시킨다. 더욱이, 이들 종래의 구조에 있어서, 각 작동 사이클 동안 시간에 따른 피스톤의 동작(예컨대, 일반적으로 사인 곡선형 동작)과 같이, 피스톤의 행정 길이는 고정되어 있다. 이로 인해, 중간 행정 부근에서 피스톤의 속도가 최고가 되는데, 이는 피스톤의 흡입 행정시 펌프로 들어가는 유체에 베르누이 효과에 의한 압력 감소 및 동적 수두 손실(kinetic head loss)에 의한 압력 감소의 피크를 결정하여, 유효 흡입 수두(net positive suction head, NPSH)가 결정된다.

펌프는 불충분한 NPSH로 인해 기계적 손상을 받기 쉽다. 특히, 펌프로 들어가는 지점에서 액체가 증발하여 기포가 형성된다. 이어서, 증발된 액체가 압축되면 기포가 격렬하게 붕괴되어 음속 충격파(sonic shock wave)가 형성되는데, 이는 궁극적으로 펌프의 구성 요소를 손상시킬 수 있다. 따라서, 펌프 설비에서 이용 가능한 NPSH를 펌프의 요구되는 NPSH보다 충분히 높게 하는 것이 중요하다.

낮은 NPSH를 요구하는 펌프 구조는 설치를 보다 융통성 있게 할 수 있도록 해주고, 종종 설치 비용을 감소시킨다. 또한, 요구되는 NPSH가 좀 더 낮은 경우에는 캐비테이션(cavitation)에 대한 여유를 더 크게 해주고, 따라서 유입구에서의 작동 조건이 설계 규격을 벗어나는 경우에도 작동의 신뢰성을 증가시켜 준다.

왕복 펌프에 대해 요구되는 NPSH 조건은 유입 라인 및 유출 밸브에서의 액체 라인 가속 압력 강하(liquid line acceleration pressure drop) 및 속도로 유도되는 압력 강하(velocity induced pressure drop)(베르누이 효화 및 동적 수두 손실)와 같이, 국부적 유입 흡입 압력(local entry suction pressure)을 감소시키는 경향이 있는 인자들에 의해 지배된다. 유입 밸브의 크기 및 최고의 피스톤 속도 뿐만 아니라, 실린더 및 피스톤의 크기는 요구되는 NPSH를 최소로 설정할 때 중요한 인자이다. 특히, 실린더, 피스톤 및 유입 밸브의 크기가 클수록 펌프의 속도를 느리게 할 수 있다. 이는 NPSH 조건을 더 낮춰준다. 전술한 바와 같이, 낮은 NPSH를 요구하는 펌프 구조는 설치시에 융통성을 더 크게 해주고, 캐비테이션에 대한 여유를 더 크게 해주며, 이는 모두 바람직한 특성이다.

처리율[즉, 유동 턴다운(turndown)]을 감소시키도록, 종래의 왕복 펌프의 속도를 조정하는 것은 주로, 펌프 플라이휠 및 전기 모터 구동부의 크기에 의해 제한된다. 종래의 왕복 펌프는 통상, 고정된 모터 전원 교류(AC) 주파수 및 고정된 공칭 펌프 속도에서 작동된다. 가변 주파수 구동부를 사용하는 것과 같이 하여, 상기 모터에의 교류 전기 공급 주파수를 조정함으로써 펌프 속도를 감소시키는 것은 턴다운에 있어서 통상, 전체 펌프 속도 및 유량의 50%에 한정된다. 펌프 플라이휠은 펌프의 각 행정 사이클 중에 속도의 변동(變動, fluctuation) 또는 리플(ripple)을 최소화 하는 기능을 한다. 이는 각 사이클 중에 펌프 샤프트와 플라이휠 사이에의 운동 에너지를 흡수 및 방출함으로써 달성되는데, 그 결과 펌프의 속도는 공칭 속도에서 상하로 약간만 주기적으로 변동하게 된다. 이를 속도 리플이라 한다. 속도 리플은 각 펌프 행정 사이클(stroke cycle)의 여러 부분에서 모터 토크를 더 크게 그리고 더 작게 한다. 이처럼 토크가 변동되면 모터 인발 전류(motor current draw)는 변동되고, 이는 극단적인 경우에서는 과열에 의해 상기 모터에 해를 끼칠 수 있다. 최대 모터 인발 전류를 결정하는 주요 인자는 속도 변동 비율이다. 주어진 플라이휠 크기 및 모터 크기에 대하여, 속도 리플 비율은 설계 속도 대 감소된 속도 비의 제곱만큼 증가한다는 것에 유의하여야 한다. 또한, 모터 속도가 감소함에 따라, 모터 팬이 모터를 적절히 냉각시키는 여력도 마찬가지로 감소된다. 이들 인자는 조합되어 실제 50% 턴다운 한계를 야기한다. 이러한 한계를 감소시키기 위하여, 별도로 전력 공급되는 모터 냉각 팬을 제공하고, 펌프 모터 프레임 또는 펌프 플라이휠의 크기를 상당히 크게 하는 것과 같은 특별한 조치를 취할 수 있다. 그러나, 이러한 특별 조치는 고비용의 대안 조치이다. 가변 쉐프 직경 벨트 시스템(variable sheaf diameter belt system) 또는 다른 기계식 속도비 조정 방법과 같이, 펌프 속도를 감소시키는 다른 수단은 마모, 미끄러짐(slippage) 및 과도한 최고 부하 파손이 증가하는 문제가 있다.

보다 큰 동작 유동 턴다운이 요구되는 경우에, 종래의 펌프는 홀드 업 탱크(hold up tank)를 이용하여 재생 방식 또는 주기적인 온/오프 방식으로 작동된다. 펌프 둘레로의 재생 유동은 펌프 전력에 있어서 상당히 소모적일 수 있고, 재생 라인, 재생 밸브, 냉각기 및 제어 수단을 필요로 하기 때문에 비용이 추가되고 더욱 복잡해진다. 홀드 업 탱크를 사용하는 경우 장치의 비용도 증가되고, 상당한 과잉 공간을 필요로 하며, 펌프 장치의 작동 및 보수 유지를 복잡하게 한다.

종래의 왕복 펌프와 관련된 다른 결점은 피스톤과 펌프 실린더 사이에 유효 시일(effective seal)을 제공할 필요가 있다는 것이다. 이러한 시일은 통상 피스톤 링 동적 시일(dynamic seal)로 제공된다. 그러나, 이러한 시일을 제공한다 하더라도, 통상 약간의 누설이 생기고, 많은 적용례에 있어서 누설된 물질을 처분 또는 재생하는 것은 성가신 일이다.

종래의 왕복 펌프에서, 피스톤 링의 마모는 종종 펌프의 수리 보수의 주원인이 된다. 이는 부분적으로는, 펌프 배출 압력과 피스톤 배면 누출 수집 압력 사이의 전체 압력차를 밀봉하여 이들 시일이 빨리 마모됨으로써 생기는 것이다. 구체적으로 설명하면, 상기 배면 압력은 종종 펌프의 유입 압력과 같거나 그보다 작아서, 피스톤 링 시일에 걸쳐 상당한 압력 강하를 야기한다. 이는, 다시 피스톤 링 마모 속도를 증가시킨다.

왕복 펌프의 유입 밸브 및 유출 밸브는 통상적으로, 가능한 가장 긴 작동 수명을 달성하면서 펌프의 높은 주기 속도를 수용하는 특정 구조로 된 유체 작동식 체크 밸브이다. 또, 이들 밸브를 그와 같이 특별히 설계하여도, 밸브 파손은 종종 펌프의 기능 불량의 원인이 된다. 왕복 펌프의 설계 속도는 펌프 실린더에서, 요구되는 용적 유량(volumetric flow rate) 및 피스톤의 행정 체적(swept volume)에 기초한다. 보다 느린 속도에서 보다 큰 행정 체적을 동작시키는 데에는 보다 큰 물리적 크기의 펌프 및 보다 고비용이 요구되기 때문에, 실제에 있어서 왕복력, 피스톤 링 마모율 및 NPSH 조건에 의해 제한되는 것처럼, 허용 가능한 가장 큰 속도에서 작동하는 작은 펌프를 설치해 왔다. 보통 200 rpm 내지 600 rpm 범위의 그러한 고속도는 밸브의 수명에 큰 짐이 된다.

전술한 종래 왕복 펌프의 단점이 없는 왕복 펌프가 요구되고, 종래 왕복 펌프와 관련된 긍정적인 면을 실질적으로 증대시키는 것이 요구된다. 본 발명의 왕복 펌프는 (1) 밸브, 피스톤 링 및 로드 패킹과 같은 마모부의 보수, (2) NPSH가 낮은 용례에서 펌프 캐비테이션 손상에 따른 보수, (3) 펌핑된 유체의 공정 스트림으로부터의 누설, (4) 펌핑된 유체의 펌프 주변으로의 누설, (5) 설치 설계를 위한 높은 NPSH 조건, (6) 펌핑된 액체 및 펌프 주변에의 윤활 오염, (7) 고비용, (8) 설치를 위한 공간 조건 및 (9) 노출된 이동부와 관련된 위험을 비롯한 종래 왕복 펌프의 구조의 단점을 최소화 또는 제거한다. 본 발명에 의해서, 전술한 단점은 최소화 또는 제거되고, 높은 열역학적 효율과 같은 종래 왕복 펌프의 긍정적 특징은 증대된다.

지금까지 이용할 수 없었던 본 발명에 따른 왕복 펌프의 유익한 면은 (1) 효율은 개선되고, 전체 설계 압력에서 설계 유량의 0% 내지 100%에서 변하는 가변 유량, (2) 극저온 액체 펌핑 용례에 대해 저온 대기 상태에서의 보다 작은 열 누설, (3) 감소된 속도에서 증대된 출력 압력성 등이 있다.

왕복 펌프의 성능을 개선하기 위한 종래의 시도는 3개의 영역, 즉 종래의 슬라이더 크랭크 구동식 왕복 펌프 크기의 수정, 극저온 및/또는 밀폐형의 왕복 펌프구조의 혁신적인 개선 및 선형 모터 전력 공급식 왕복 구조로의 전환에 집중되어 왔다.

종래의 슬라이더 크랭크 구동식 왕복 펌프의 크기를 수정하는 것과 관련하여, 통상적으로 필요하다고 고려되는 것 보다 큰 행정 체적을 제공하기 위하여 펌프의 크기를 증가시키고자 하는 시도가 있었다. 더 큰 펌프를 사용하게 되면 펌프의 비용이 증대하게 되고, 다만 미리 정해진 유동을 급송하는 데 필요한 펌프 사이클의 수를 감소시킴으로써 마모부의 보수를 감소시키고, 불충분한 NPSH 손상에서 기인하는 보수 유지 비용을 감소시키며, 설치 비용을 감소시켜 큰 NPSH 조건(예컨대, 요구되는 탱크 높이보다 작은 높이)을 충족시키고, 보다 낮은 작동 속도 및 유입 밸브와 유출 밸브의 압력 강하 손실 감소에 따른 열역학적 효율을 증가시키는 이점이 있다.

그러나, 보다 큰 펌프를 사용하여 얻는 전술한 이점들은 (1) 보다 고비용의 펌프, (2) 밀봉할 필요가 있는 보다 큰 피스톤 직경으로 인해, 펌핑된 스트림으로부터의 유체 누설 증가, (3) 요구되는 보다 큰 직경의 로드 시일(rod seal)에서 기인하는 펌프 주변으로의 유체 누설 증가, (4) 더 큰 부품을 사용함으로 인한 전체적인 설치 비용의 증가, (5) 더 큰 부품을 사용함으로 인한 증대된 공간 조건, (6) 예비 부품에 대한 비용 증가, (7) 더 큰 크기로 인한 잔여 보수 유지 노동력 및 조종하는 것과 관련한 비용의 증가와 같이 상당한 비용을 감수해야 얻어진다.

상기한 이점과 결점을 균형 맞추면 왕복 펌프의 치수를 어느 정도 크게 하는 것이 제한된다.

극저온 왕복 펌프에 대해 개발된 것으로는, (1) 미국 특허 제4,792,289호에 개시된 것과 같이, 신규의 동적 시일을 사용하는 것, (2) 미국 특허 제4,792,289호, 제5,511,955호 및 제5,575,626호에 개시된 것과 같이, 유입 및/또는 유출 밸브 구조를 변형하는 것, (3) 미국 특허 제4,396,362호 및 제4,396,354호에 개시된 것과 같이, 열 누설 감소 구조, (4) 미국 특허 제4,239,460호, 제5,511,955호 및 제5,575,626호에 개시된 것과 같이, 감소된 NPSH 조건에 대해 제2 (또는 복수 개의) 예비 압축 챔버를 도입하는 것, (5) 미국 특허 제4,396,362호, 제4,396,354호 및 제5,511,955호에 개시된 것과 같이, NPSH 조건을 감소시키고 체적 효율(volumetric efficiency)을 개선하기 위하여 보조 냉각(sub-cooling) 기구를 도입하는 것 등이 있다. 그러나, 상기한 개선 사항들 중 그 어떤 것도 밀폐형 구조를 채택하고 있지 않다(즉, 펌핑된 액체가 펌프 주변으로 누설되는 것을 방지하기 위한 동적 시일을 사용하지 않는다).

미국 특허 제4,365,942호에는 펌핑되는 액체 헬륨의 극저온으로 인해 초전도성이 유지되는 전기 코일을 포함하는 밀폐형 극저온 펌프가 개시되어 있다. 상기 특허의 펌프 구조는 액체 헬륨의 특성에 대해 독특할 수는 있지만, 다른 유체를 펌핑하는 데에는 널리 적용될 수 없다.

전술한 바와 같이, 다른 종래의 기술에서는 왕복 펌프용 구동부로서 선형 모터를 사용하는 것을 제안하였다. 이러한 형태의 구동부를 펌프에 적용하면 크기를 소형화하고, 전력 소모와 비용 및 보수 유지를 줄이며, 종래의 펌프 구조에서는 얻을 수 없었던 상황에 적용할 수 있는 등의 이점이 있음이 제안되었다. 이러한 선형 모터 구동부는 밀폐형 및 비밀폐형 펌프 구조에 적용할 수 있음이 판명되었다. 선형 모터 전력 공급식 펌프는 미국 특허 제4,350,478호, 제4,687,054호, 제5,179,306호, 제5,252,043호, 제5,409,356호 및 제5,734,209호에 개시된 것처럼, 오일 및 물을 다운 홀 펌핑(down-hole pumping)하는 데에 사용된다고 개시되어 있다.

미국 특허 제4,687,054호에는 펌핑된 액체를 고정자와 전기자 사이의 모터 공기 간극으로부터 분리하기 위하여 시일을 사용하지 않는 습식 공기 간극 구조가 개시되어 있다.

미국 특허 제4,350,478호, 제5,179,306호, 제5,252,043호 및 제5,734,209호에는 펌핑된 액체로부터 모터 공기 간극을 보호하기 위하여 시일을 사용하는 것이 개시되어 있다. 많은 종래의 시일 구조에서는 공기 간극을 윤활 및 열전달 오일로 채우고 있다. 실질적으로 전술한 모든 펌프는 그 펌프가 펌핑하는 액체에 완전히 잠긴 채 작동하고, 따라서 본 발명의 바람직한 실시 형태에서 요구되는 것처럼, 그 주변으로의 누설을 방지하는 밀폐형 시일을 달성하는 것이 논점이 된다는 것을 인식하여야 한다.

밀폐형 구조를 채택하는 다른 전기적 선형 모터 구동식 펌프는 혈액 펌핑(미국 특허 제4,334,180호), 큰 체적의 저압 가스 전달 용도(미국 특허 제4,518,317호), 개념상의 복동식 펌프 구조(미국 특허 제4,965,864호), 종래의 평탄면 선형 모터를 채택하는 비밀폐형 구조(미국 특허 제5,083,905호)와 같이 수 많은 용례에서 사용되어 왔다.

전술한 종래 기술 그 어떤 것도 본 발명의 모든 이점을 갖고 있는 의도된 산업 공정 또는 생산물 급송 용도에 사용되는 밀폐형 펌프 구조를 교시하고 있지 않다.

본 발명의 여러 가지 실시 형태를 설명하기 위하여, 본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 것처럼, 분배 챔버 및/또는 저장 챔버, 또는 피스톤 조립체의 이동과 관련하여, "행정 체적(swept volume)"이라는 용어는, 분배 행정(sispensing stroke) 또는 흡입 행정(suction stroke)을 통해 피스톤 조립체가 이동함으로써 야기되는 분배 챔버 및 저장 챔버의 유체 수용 영역의 체적의 점진적 증분(增分) 변화를 지칭한다. 피스톤 조립체의 분배 행정 중에, 분배 챔버의 유체 영역 체적은 실질적으로 저장 챔버의 유체 영역 체적이 증가하는 양만큼 점진적으로 감소한다. 피스톤 조립체의 흡입 행정 중에, 저장 챔버의 유체 영역 체적은 실질적으로 분배 챔버의 유체 영역 체적이 증가하는 양만큼 점진적으로 감소한다. 상기한 분배 챔버 및 저장 챔버의 유체 영역 체적의 점진적인 감소 및 증가는 피스톤 조립체가 각각 그 분배 행정 및 흡입 행정을 통해 이동함에 따른 분배 챔버 및 저장 챔버에서의 피스톤 조립체 체적의 점진적인 변화량과 동일하다. 실린더와 피스톤 조립체 사이의 밀봉 부재가 실린더에의 이동에 대해 고정되어 있는 경우, 행정 체적은 (분배 행정 또는 흡입 행정에서) 밀봉 부재를 통해 이동하는 피스톤 조립체의 이동 거리 ×밀봉 부재를 통과하는 피스톤 조립체 길이 부분의 단면적과 같다.

본 발명의 여러 펌프와 관련하여 "밀폐형(hermetic)" 또는 "밀폐식으로 밀봉되는(hermetically sealed)"이라는 것은 펌핑된 유체와 펌프의 주변 환경 사이에 동적 시일이 없는 펌프를 의미한다. 동적 시일은 서로에 대해 이동하고 그 결과 밀봉 지점에서 활주 이동되는 본체(body) 사이의 시일이고, 유체가 압축 영역으로부터 압력이 보다 작은 영역으로 누출되는 것을 방지하는 기능을 한다. 전술한 바와 같이, 이러한 동적 시일은 본 발명의 범위 내에 있는 밀폐형 펌프에 있어서, 펌핑된 유체와 펌프의 주변 환경 사이에 마련되지 않는다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 관점에서 안출된 것으로서, 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고 종래 기술의 긍정적인 면을 증대시킬 수 있는 왕복 펌프 및 이러한 펌프에 의해 액체를 펌핑하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하며, 이러한 목적은 후술하는 본 발명의 개선된 특징에 의해서 달성된다.

도 1은 선형 자기 구동부의 일부를 확대 도시한 부분과, 본 발명의 밀폐형 왕복 펌프의 한 가지 실시 형태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 다른 실시 형태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 또 다른 실시 형태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 다른 실시 형태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 4a는 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 다른 실시 형태에 따른 변형된 저장 챔버 장치의 부분 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 또 다른 실시 형태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 다른 실시 형태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 왕복 펌프

12 : 피스톤 조립체

13 : 피스톤

17 : 피스톤 밀봉 부재

20 : 분배 챔버

22 : 저장 챔버

50 : 선형 자기 구동 장치

본 발명의 액체를 펌핑하는 왕복 펌프는 양단부가 있는 폐쇄형 내부 격실(closed interior compartment)을 제공하는 외벽이 마련된 실린더를 포함한다. 피스톤 조립체에는 분배 단부와, 이와 반대쪽의 단부가 마련되어 있고, 그 조립체는 상기 격실의 양단부 사이에서 양직선 방향으로 이동하도록 상기 격실 내부에 이동 가능하게 장착된다. 상기 피스톤 조립체와 피스톤 실린더 사이에 밀봉 부재가 제공되어, 상기 피스톤 조립체가 상기 실린더의 폐쇄형 내부 격실 내부에서 이동할 때 상기 피스톤 조립체와 피스톤 실린더 사이에 동적 유체 시일을 유지한다. 상기 밀봉 부재는 상기 내부 격실을 분배 챔버와 저장 챔버로 분할한다. 선형 자기 구동부(linear magnetic drive)가 선형 이동 자장(磁場)(linearly moving magnetic field)을 발생시켜 상기 피스톤 조립체를 양직선 방향으로 이동시킨다. 밸브 제어식 유입 도관(valve-controlled inlet conduit)이 상기 내부 격실의 분배 챔버와 연통되어 액체를 분배 챔버 내로 향하게 함으로써, 피스톤 조립체가 액체 수용 흡입 행정을 통해 한 직선 방향으로 행정 체적을 통과하여 이동될 때 상기 분배 챔버의 체적을 충전하게 한다. 밸브 제어식 유출 도관이 상기 내부 격실의 분배 챔버와 연통되어, 피스톤 조립체가 액체 분배 행정을 통해 상기 직선 방향과 반대의 방향으로 행정 체적을 통과하여 이동될 때, 펌핑된 액체를 상기 분배 챔버 밖으로 향하게 한다. 에너지 저장 및 방출 매체가 상기 피스톤 조립체와 협동하여, 상기 피스톤 조립체의 흡입 행정을 통한 이동에 따른 에너지를 저장하고, 상기 피스톤 조립체가 분배 행정을 통해 이동될 때 상기 저장된 에너지를 상기 피스톤 쪽으로 방출한다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 펌프는 밀폐형 펌프이다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 저장 챔버를 적어도 부분적으로 충전하여, 상기 피스톤 조립체가 그 흡입 행정 중에 상기 저장 챔버의 행정 체적을 통과하여 이동될 때 에너지를 저장한다.

본 발명의 가장 바람직한 실시 형태에서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 탄성적으로 압축 또는 팽창되어 에너지를 저장 및 방출한다. 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 가스상 물질인 것이 가장 바람직하다. 가스상 물질이 에너지 저장 및 방출 매체로서 사용되는 경우, 그 물질은 상기 실린더의 저장 챔버를 적어도 부분적으로 충전하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 가장 넓은 양태의 범위에서, 저장 챔버 내의 피스톤 조립체 일부가 완전히 액체 내에 있도록 하는 수위로 액체가 상기 저장 챔버에 포함될 수 있다. 사실, 본 발명의 몇몇 실시 형태에서, 액체는 상기 저장 챔버를 완전히 충전할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 자기 구동부는 전자 전원 장치와, 이 전원 장치의 작동을 제어하여 상기 피스톤 조립체의 이동을 조정 가능하게 제어하는 프로그램 가능한 마이크로 프로세서를 포함하는 다중 위상 선형 모터(poly-phase linear motor)이다.

상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서는 양직선 방향으로의 피스톤 조립체의 전체 이동 경로에 걸쳐 피스톤 조립체의 주기적인 이동의 매시점에서, 각 직선 방향으로의 피스톤 조립체의 행정 길이, 각 직선 방향으로의 피스톤 조립체의 이동 시간 주기, 피스톤 조립체의 왕복 운동의 주기 속도(cyclic rate), 구체적으로는, 피스톤 조립체의 위치, 속도 및 가속도와 같은 피스톤 조립체의 이동 특성을 조정 가능하게 제어하도록 상기 전원 장치의 동작을 조정 가능하게 제어할 수 있는 것이 가장 바람직하다. 또한, 상기 피스톤 조립체의 이동은, 어떠한 이동도 일어나지 않는 가변 시간 길이 주기를 포함하도록 제어할 수 있다. 어떠한 이동도 없는 이러한 주기는 필요에 따라 임의의 사이클내, 또는 사이클 사이의 임의의 시간 또는 위치에서 일어날 수 있다.

본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서는, 한 행정(예컨대, 흡입 행정)의 지속 시간이 다른 행정(예컨대, 분배 행정)의 지속 시간과 다르도록 상기 피스톤 조립체의 각 행정(예컨대, 흡입 행정과 분배 행정)의 지속 시간을 조정 가능하게 제어한다. 상기 펌프의 바람직한 방식에서는, 상기 흡입 행정의 지속 시간은 상기 분배 행정의 지속 시간보다 더 길다.

본 발명의 다른 바람직한 형태에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서는 상기 피스톤 조립체의 주기적인 이동이 연속 또는 비연속적이 되도록 상기 피스톤 조립체의 주기적인 이동을 조정 가능하게 제어한다. 즉, 피스톤 조립체의 임의의 사이클 내에서, 또는 피스톤 조립체의 연속하는 사이클 사이의 여러 위치 중 임의의 위치에서 어떤 원하는 지속 시간 중 이동이 일시 멈춰지도록 상기 펌프의 작동을 제어할 수 있다. 상기 각 사이클에는 하나의 흡입 행정과, 하나의 분배 행정이 포함된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 피스톤에는 상기 자기 구동 시스템의 프로그램 가능한 마이크로 프로세서에 전기적 피드백 신호를 제공하는 위치 센서가 포함된다.

본 발명의 가장 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 선형 자기 구동부에는 고정자와 전기자가 포함되는데, 상기 고정자는 펌프 실린더 외측 부근에 위치하고, 상기 전기자는 상기 실린더 내부의 피스톤 조립체 상에 위치한다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 가스상 물질이고, 한 직선 방향으로의 피스톤 조립체의 이동에서 유래되는 에너지의 저장을 돕고, 상기 이동에 후속하여 피스톤 조립체가 상기 직선 방향과 반대 직선 방향으로 이동하는 중에 상기 저장된 에너지를 상기 피스톤 조립체 쪽으로 방출 또는 분배하도록 추가의 기계식 에너지 저장 및 방출 매체(예컨대, 스프링, 벨로우즈 등)가 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 액체를 상기 펌프에 공급하는 밸브 제어식 유입 도관과 연통되는 액체 섬프(liquid sump)가 제공된다.

액체 섬프가 제공되는 경우, 액체 섬프는 부분적으로는 펌핑할 액체로 충전되는 것이 가장 바람직하고, 상기 펌프 내로 인출되는 액체가 일정하지 않은 맥동 유량(pulsating flow rate)으로 유동함에도 불구하고, 펌프 쪽으로 유동하는 액체의 맥동 유동을 최소화 하기 위하여(즉, 액체가 실질적으로 일정한 유량으로 상기 액체 섬프 쪽으로 급송될 수 있도록), 상기 섬프 내에 탄성의 압축 가능하고(압축성) 팽창 가능한(팽창성) 매체(예컨대, 가스)가 있는 누손(漏損) 공간(ullage space)을 포함하는 것이 가장 바람직하다.

몇몇 적용례에 있어서, 상기 누손 공간에는 열적으로 반(反)대류성(anti-convection) 및 반전도성(anti-conduction)의 절연 물질이 포함되며, 선택적으로 열전도성 요소가 제공되어 상기 섬프 내의 액체면을 원하는 높이로 유지하는 것을 도와준다.

상기 액체 섬프에는 섬프 내의 액체를 원하는 높이로 유지하도록 배기 라인(vent line), 밸브, 이 밸브를 작동시키는 액체 플로트(liquid float)가 포함되는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 펌프로부터의 배출부를 제거 가능한 밀봉 연결부를 통해 상기 섬프의 바닥 벽부에 연결하는 도관이 제공된다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 상기 펌프로부터의 배출부를 상기 섬프의 누손 공간을 통해 연결하는 도관이 제공된다.

본 발명에 따르면, 상기 액체 섬프는 탄성 및 팽창성 매체를 수용하는 누손 공간이 없도록, 펌핑되는 액체로 완전히 충전될 수도 있다. 본 발명의 이러한 실시 형태에서, 추가의 탄성 압축성 및 팽창성 매체, 예컨대 액체가 충전되는 벨로우즈 또는 격막 어큐뮬레이터(diaphragm accumulator)가 상기 섬프 내부와 연통된 채 유지되어, 상기 액체 섬프 쪽으로 급송되는 액체의 맥동을 최소화, 즉 액체를 실질적으로 균일한 유량으로 상기 섬프에 제공한다.

본 발명의 몇몇 실시 형태에서, 상기 펌프 내부 격실의 저장 챔버 내의 에너지 저장 및 방출 매체를 구성하는 가스는 비응축성이고, 펌핑할 액체의 증기가 아니며, 상기 펌프에는 제어된 양의 상기 비응축성 가스를 펌프에 공급 및 배출하는 수단이 포함된다.

다른 실시 형태에서, 상기 펌프 내부 격실의 저장 챔버 내의 에너지 저장 및 방출 매체를 구성하는 가스는 부분적으로는, 펌핑되는 액체의 증기로 구성되고, 부분적으로는, 펌핑할 액체의 증기가 아닌 비응축성 가스로 구성되며, 상기 펌프에는 제어된 양의 상기 비웅축성 가스를 펌프에 공급 및 배출하는 수단이 포함된다. 몇몇 용례에 있어서, 상기 가스는 펌핑할 액체의 증기로만 구성될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 펌프는 극저온으로 액화된 가스(cryogenically liquified gas)일 수 있는 액화 가스를 펌핑하는 데 사용되고, 상기 실린더에는 상기 액체를 원하는 저온의 온도로 유지하도록 상기 분배 챔버 영역에 단열 수단(heat insulating means)과, 상기 저장 챔버 내의 가스를 원하는 온난 온도로 유지하도록 상기 저장 챔버 영역에 가열 수단을 포함하며, 상기 저장 챔버 영역의 가스 압력은 그 가스의 임계 압력 미만의 압력으로 유지된다. 그러나, 본 발명의 가장 넓은 양태에 따라서, 상기 펌프는 상기 가스의 임계 압력 이상에서 상기 저장 챔버 내의 가스 압력으로 작동될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 상기 펌프 챔버의 저장 챔버에는 벨로우즈부(bellows section)가 포함되고, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 벨로우즈부가 상기 피스톤 조립체의 흡입 행정에 응답하여 이동함으로써, 상기 에너지 저장 및 방출 매체에 에너지를 저장하도록 상기 벨로우즈부와 연통된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 벨로우즈부는 상기 저장 챔버의 단부 부분이고, 상기 에너지 저장 및 방출 매체(예컨대, 스프링)는 상기 벨로우즈부의 외벽과 맞물린다. 이러한 실시 형태에서, 상기 저장 챔버의 벨로우즈부는 액체로 충전될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 저장 챔버 내에 벨로우즈 부재가 배치되고, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 벨로우즈부를 충전하는 가스상 물질이다.

본 발명에 따른 액체 펌핑 방법은, 양단부가 폐쇄되어 있는 피스톤 실린더의 폐쇄형 내부 격실에서 왕복 이동하도록 장착되고 분배 단부와 이와 반대의 단부가 있는 피스톤 조립체를 포함하는 펌프를 제공하는 단계와; 상기 피스톤 조립체가 분배 행정 및 흡입 행정을 통해 상기 실린더 내부에서 왕복되도록 선형 이동 자장을 발생시키는 단계와; 상기 피스톤 조립체와 피스톤 실린더 사이에, 상기 내부 격실을 분배 챔버와 저장 챔버로 분할하는 밀봉 부재를 제공하여, 상기 피스톤 조립체의 분배 행정 및 복귀 행정 중에 상기 피스톤 조립체와 피스톤 실린더 사이에 동적 유체 시일을 유지하는 단계와; 펌핑할 액체를 상기 분배 챔버 내로 도입하는 단계와; 상기 밀봉 부재의 하측면과 상기 피스톤 조립체의 분배 단부가 상기 피스톤 조립체의 분배 행정 및 흡입 행정의 길이 전체에 걸쳐 액체 내에 유지되도록 하는 수위에 상기 액체를 상기 실린더 내에 유지하는 단계와; 상기 피스톤 조립체가 상기 흡입 행정을 통해 이동할 때 에너지를 저장하고 상기 피스톤 조립체가 상기 분배 행정을 통해 이동될 때 상기 저장된 에너지를 상기 피스톤 조립체에 분배하도록 임의의 위치에 에너지 저장 및 방출 매체를 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 방법에 따라서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 내부 격실의 저장 챔버 내에 제공된다.

본 발명의 바람직한 방법에 따르면, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 가스상 물질이고, 상기 피스톤 조립체의 전체 분배 행정 및 흡입 행정 중에 상기 피스톤 조립체의 반대쪽 단부(즉, 상기 분배 단부와 반대쪽의 단부)가 상기 가스상 체적부 내에 있게 하는 수준으로 상기 저장 챔버를 충전하는 것이 가장 좋다.

상기 에너지 저장 및 방출 매체로서 가스상 물질을 포함하는 본 발명의 바람직한 방법에서, 분배할 액체와 가스상 물질 사이의 액체/증기 계면은 상기 밀봉 부재가 상기 펌프의 작동 중에 상기 액체에 완전히 잠겨 있는 높이에서 형성되어 유지된다.

본 발명의 바람직한 방법에 따르면, 상기 선형 이동 자장을 발생시키는 단계는 프로그램 가능한 마이크로 프로세서에 의해 제어되는 전자 전원 장치에 의해 제공된다.

본 발명의 바람직한 방법은 상기 실린더 내부에 피스톤 조립체의 위치를 정하는 단계와, 이러한 위치 결정에 응답하여 상기 선형 이동 자장을 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 방법은 고정자와 전기자를 사용하는 선형 자기 구동부에 의해 상기 선형 이동 자장을 발생시키는 단계를 포함하는데, 상기 고정자는 상기 펌프의 피스톤 실린더 부근 외측에 위치하고 상기 전기자는 상기 피스톤 실린더 내부의 피스톤 조립체 상에 배치되어 상기 피스톤 실린더의 외벽이 배치되는 전기자의 외면과 고정자의 내면 사이에 공기 간극(air-gap)을 만들어 낸다.

본 발명의 바람직한 방법은 분배 행정 또는 흡입 행정에서 상기 피스톤 조립체의 이동에서 유래되는 에너지를 저장하고 상기 피스톤 조립체의 다른 행정 중에 상기 저장된 에너지를 상기 피스톤 조립체에 부여하기 위한 가스상 물질 및 추가의 기계식 매체 모두를 사용하는 단계를 포함한다.

본 발명의 한 방법에 따르면, 상기 저장 챔버 내의 가스상 물질은 비응축성이고 펌핑할 액체의 증기가 아니며, 그 방법에는 제어된 양의 상기 비응축성 가스를 상기 펌프에 공급 및 배출하는 단계가 포함된다.

본 발명의 한 방법에 따르면, 상기 저장 챔버 내의 가스상 물질은 펌핑할 액체의 증기이다.

본 발명의 다른 양태에 따른 방법에서, 상기 저장 챔버 내의 가스상 물질은 부분적으로는, 펌핑할 액체에서 유래되는 증기로 구성되고, 부분적으로는 펌핑할 액체의 증기가 아닌 비응축성 가스로 구성되며, 그 방법에는 제어된 양의 비응축성 가스를 상기 펌프에 공급 및 배출하는 단계가 포함된다.

본 발명의 바람직한 방법에는 상기 펌핑 작동 중에 상기 선형 이동 자장을 변조(modulation)하여 상기 피스톤 조립체의 이동을 변화시키는 단계가 포함된다.

상기 피스톤 조립체의 이동을 변화시키는 바람직한 방법에는 피스톤 조립체의 행정 길이, 피스톤 조립체의 왕복 주기 속도, 피스톤 조립체의 위치, 피스톤 조립체의 속도, 피스톤 조립체의 가속도 중 하나 이상을 변화시키는 단계가 포함된다.

본 발명의 바람직한 방법에는 펌핑할 액체를 액체 섬프로부터 피스톤 실린더 내로 공급하는 단계가 포함된다. 이러한 본 발명의 실시 형태에서, 상기 방법은 액체 섬프 내의 액체 수위를 원하는 높이로 유지하는 단계를 포함하는 것이 가장 바람직하다.

액체 섬프가 이용되는 본 발명의 바람직한 방법에는 펌핑할 액체로 상기 섬프를 부분적으로만 충전하고 상기 섬프 내의 누손 공간에 압축성 매체를 포함하는 단계가 포함된다.

본 발명의 다른 양태에 따른 방법에 있어서, 상기 섬프는 분배할 액체에 의해 실질적으로 완전히 충전되고, 어큐뮬레이터, 예컨대 가요성 벨로우즈 또는 격막 또는 다른 매체가 제공되어 상기 섬프 내로 향하는 액체의 맥동 유동을 최소화한다.

본 발명의 바람직한 방법은 펌핑할 액체를 원하는 저온의 온도로 유지하도록 상기 분배 챔버 영역에서 상기 펌프의 실린더를 단열하고, 상기 저장 챔버 영역을 원하는 온난 온도로 유지되도록 그 영역을 가열하여 상기 저장 챔버 체적의 적어도 일부를 가스상 상태로 유지하는 단계가 포함된다. 상기 저장 챔버 내의 가스 압력은 그 가스의 임계 압력 미만으로 유지되는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 그 가스의 임계 압력 이상의 가스 압력으로 작동하는 것도 본 발명의 가장 넓은 양태에 속한다. 이 방법은 액화 가스, 특히 극저온 액화 가스를 펌핑하는 데에 특히 유용하다.

본 발명의 한 방법에 따르면, 상기 에너지 저장 및 방출 매체와 연통되게 상기 저장 챔버에 벨로우즈부가 제공되어, 상기 흡입 행정을 통해 피스톤 조립체가 이동하여 상기 벨로우즈부가 이동함으로써 상기 에너지 저장 및 방출 매체에 에너지를 저장한다.

상기 후자의 방법의 바람직한 형태에 있어서, 상기 벨로우즈부는 상기 저장 챔버의 단부 부분이고, 상기 에너지 저장 및 방출 매체(예컨대, 스프링)는 상기 벨로우즈부와 연통된다. 본 발명의 이러한 실시 형태에서, 상기 벨로우즈부는 액체에 의해 완전히 충전될 수 있다.

본 발명의 방법에 따른 한 가지 실시 형태에서, 상기 벨로우즈부는 상기 저장 챔버 내부에 위치하고, 상기 에너지 저장 및 방출 매체인 가스상 물질로 충전된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 왕복 펌프가 도 1에 도면 부호 10으로 표시되어 있다. 왕복 펌프(10)는 결합 실린더(14) 내에 배치된 피스톤 조립체(12)를 포함하는 밀폐형 펌프이다. 피스톤 조립체(12)에는 피스톤(13)이 포함되어 있고, 실린더(14)에는 피스톤 조립체(12)가 이동 가능하게 유지되는 폐쇄형 내부 격실(18)을 제공하는 외벽(16)이 포함되어 있다. 피스톤 조립체(12)가 실린더의 폐쇄형 내부 격실(18) 내부에서 자유로이 이동할 수 있게 하면서 피스톤 조립체(12)를 실린더(14) 외벽(16)의 내면으로부터 지지하는 부싱(bushing)(15)이 제공된다. 부싱(15)은, 양 슬라이드면에 건식의 윤활 이송막을 제공하는 복합재가 충전된 테프론 또는 그 밖의 중합체 재료와 같이, 마찰 계수가 작고 수용 가능한 마모성이 있는 재료로 제작된다. 상기 후자의 재료를 사용하면 부싱에 대해 별도의 액체 윤활제를 사용할 필요가 없다. 부싱(15)은 원하는 바에 따라 실린더 벽 또는 피스톤 조립체에 장착될 수 있다.

피스톤(13)의 외면과 실린더(14)의 내면 사이에 피스톤 밀봉 부재(17)가 개재되어, 폐쇄형 내부 격실(18)을 분배 챔버(20)와 저장 챔버(22)로 분할한다. 이는 피스톤 조립체(12)가 각각 분배 행정 및 복귀 행정을 통해 하향 이동 및 상향 이동을 하는 중에, 피스톤 밀봉 부재(17)를 통과하는 액체의 누설을 효과적으로 최소화함으로써 펌핑 효율을 최적화한다. 이러한 밀봉 기능을 제공하는 적당한 구조는 당업자에게 명확하고, 따라서 그러한 구조에 의해서 본 발명의 가장 넓은 양태가 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 밀봉 기능은 피스톤 링, 래버린스 시일(labyrinth seal), 분할된 피스톤 로드 방식의 시일 또는 그 밖의 공지의 밀봉 기구에 의해 제공될 수 있다. 더욱이, 피스톤(13) 또는 실린더(14) 어느 하나에, 또는 이들 두 부재 모두에 장착되게 밀봉 기구를 설계할 수도 있다. 바람직한 실시 형태에 있어서, 피스톤 밀봉 부재(17)는 정지하여 있고, 피스톤(13)이 이동하는 영역에서 실린더(14)의 내벽에 장착되어, 피스톤 조립체(12)의 전체 왕복 행정 중에 실린더의 내벽과 피스톤 사이를 효과적으로 밀봉한다. 피스톤 밀봉 부재(17)는 동적 시일이고, 그 부재에 걸쳐 가해지는 차압의 방향 및 크기에 의해 지배되는 것처럼 상기 부재를 통과하는 소량의 제어된 액체 누설에 따라 작동된다고 인정된다.

도 1을 참조하면, 실린더(14)는 그 양단부(24, 26)에서 폐쇄되어 있고, 피스톤 조립체(12)는 피스톤 조립체(12) 및 결합 실린더(14)의 중앙축(27)을 따라 왕복 이동할 수 있게 장착되어 있다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 펌핑할 액체는 실린더의 분배 챔버(20), 바람직하게는 피스톤 조립체(12)의 원위(遠位) 단부(28) 아래의 영역으로 들어가고 그 곳으로부터 배출된다. 구체적으로 설명하면, 펌핑된 액체는 유입 도관(30)을 통해 격실(18)의 폐쇄 단부(24)로 들어가고, 유출 도관(32)을 통해 폐쇄 단부를 빠져 나간다. 실린더의 내부 격실(18) 내외로의 유입 유동 및 유출 유동은 각각 유입 밸브(34) 및 유출 밸브(35)에 의해 제어된다.

저장 챔버(22)에는 분배 챔버(20)의 단면적에 상응하는 단면적의 하부 영역(38)과, 더 큰 단면적의 확장된 상부 영역(40)이 포함되는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 피스톤 조립체의 분배 행정 및 흡입 행정의 전체 길이 중에 피스톤 조립체(12)의 상단 위에 있는, 저장 챔버(22)의 상기 확장된 상부 영역(40)의 상측 영역은 가스상 물질에 의해 부분적으로 충전되거나 그 전체가 충전된다. 가장 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 상측 영역은 그 전체가 가스상 물질로 충전되지만, 상기 상측 영역이 가스상 물질에 의해 부분적으로만 채워지는 경우, 그 상측 영역의 나머지 부분은 통상 고정된 체적의 저장 액체로 채워질 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 가스상 물질은 펌핑할 액체의 증기상, 또는 다른 비응축성 가스, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 피스톤 조립체(12) 위에 있는, 상기 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)의 상측 영역의 가스상 물질은 일정 정도의 탄성적 압축성 및 팽창성을 제공하고, 이는 각 피스톤 조립체 왕복 사이클 전체에 걸쳐 피스톤 조립체(12) 위에서의 압력 변화를 최소화한다.

도 1을 참조하면, 확장된 상부 영역(40)의 크기 및 형태는 왕복 피스톤 조립체의 각 이동 사이클 중에 그 상부 체적에서의 압력 변화를 최소화 하도록 되어 있다. 피스톤 조립체(12) 위의 가스상 물질의 온도는 열전달 수단(44)에 의해 제어하여 상부 영역(40) 내부의 가스 체적 및 압력을 적절히 유지하는 것이 가장 바람직하다. 채용되는 특정의 열전달 수단이 본 발명의 가장 넓은 양태를 제한하는 것은 아니며, 그 수단에는 당업자에게 공지되고 명백한 수 많은 다른 열전달원 중 임의의 것이 포함될 수 있다. 예컨대, 열전달 수단(44)으로는, 전기 가열 요소, 순환 유체의 코일, 주변의 대류 시스템 등이 있다. 원한다면, 또는 필요하다면, 액체의 온도 및 압력, 증기압과 같이 펌핑할 액체의 사양에 기초하여, 실린더(14) 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)으로의 가스상 물질 유동을 제어하는 가스 입력 밸브(46), 상기 상부 영역으로부터의 가스상 물질 제거를 제어하는 가스 제거 밸브(48)가 채용될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 펌프(10)에는 선형 자기 구동 장치(50)가 포함되어 있다. 상기 구동 장치(50)에는, 피스톤 조립체(12)를 내장하는 폐쇄형 내부 격실(18)의 외부에서 실린더(14)의 외벽(16)에 밀접하게 위치하는 고정자(52)가 포함되어 있다. 고정자(52)는, 피스톤 조립체(12)에 인가되어 그 조립체를 왕복 이동시키는 자기력의 원천이다. 고정자(52)는 복수 개의 연자극편(軟磁極片, magnetically soft pole piece)(철로 구성되는 것이 바람직하다)(54)과, 복수 개의 코일형 와이어 권선(捲線)(절연된 구리로 제공되는 것이 바람직하다)(56)으로 구성된다. 상기 연자극편과 코일형 와이어 권선은 대체로 환형이고, 고정자(52)의 중앙축을 따라 번갈아 가며 적층되어 있다.

고정자(52)는 피스톤 조립체(12)의 왕복 이동 방향으로의 선형 이동 자장(磁場)을 만들어 내고, 이 자장은 공지된 구조의 전자 부품 및 전원 패키지(electronics and power supply package)(60)에 접속된 전기 전도체(58)를 통해 코일형 와이어 권선(56)으로 향하는 전류를 변조시킴으로써 발생된다. 상기 패키지(60)는 종래 구조의 외부 마이크로 프로세서(도시 생략)의 일부를 형성하는 소프트웨어 프로그램의 제어 하에서, 고정자의 상기 권선에 공급되는 전류에 대한 전압 및 주파수를 변조 제어하여, 실린더(14)의 폐쇄형 내부 격실(18) 내부에서 피스톤 조립체(12)를 양직선 방향으로 왕복 이동시키는 선형 이동 자장을 만들어 낸다. 특히, 고정자(52)의 변조된 자장은 피스톤 조립체(12)의 일부를 구성하는 전기자(62)와 반작용한다.

다시 도 1을 참조하면, 전기자(62)는 복수 개의 영구 자석(64)과, 복수 개의 연자극편(66)(철로 구성되는 것이 바람직하다)으로 구성되어 있다. 영구 자석(64)과 연자극편(66)은 대체로 환형이고, 전기자의 중앙축선을 따라 중앙의 축(65) 위에 번갈아 가며 적층되어 있다. 고정자(52)와 전기자(62)는 다중 위상 선형 모터를 이루며, 피스톤 조립체(12)를 실린더(14)의 내부 격실(18) 내부에서 왕복 이동시키는 구동력은 상기 전기자 자석의 정적 자장과 고정자의 동적 자장의 상호 작용에 의해 발생된다.

전술한 바와 같이, 펌프(10)의 바람직한 실시 형태에 있어서, 고정자(52)는 실린더(14)와 동축으로 실린더 외벽(16)의 외측에 장착된다. 따라서, 고정자는 펌핑할 액체 또는 피스톤 조립체(12) 위쪽의 실린더(14) 상부 영역(40)에 포함된 가스에 의해 습윤되지 않는다. 자기력선이 통과하여 집중되는, 고정자(52)의 내경과 전기자(62)의 외경 사이의 환형 간극은 "공기 간극"이라고 알려져 있고, 이는 도 1에 도시된 고정자(52)와 전기자(62)의 부분 확대도에서 도면 부호 68로 표시되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 실린더의 외벽(16)은 공기 간극(68) 내에 위치되고, 따라서 비자성 재료로 제작된다.

(도시하지 않은) 다른 구성에 있어서, 고정자(52)는 실린더의 압력 경계의 내측에 장착될 수도 있다. 그러나, 이러한 구성은 덜 바람직하다. 왜냐하면, 이와 같이 구성할 경우, 고정자(52)가 펌프의 액체 및/또는 실린더(14)의 내부 격실(18) 내부의 상부 체적에 있는 가스(40)에 노출되기 때문이다. 이와 같은 노출의 관점에서, 고정자의 구성 요소와 상기 유체(즉, 고정자와 액체, 고정자와 가스) 사이에 재료의 적합성(compatibility)이 확립되어야 하고, 고정자(52)의 설계시 압력 격납부(pressure containment)가 포함되도록 해야 한다.

펌프(10)의 상측 단부에서 볼 수 있는 바와 같이, 자기 왜곡형 위치 피드백 센서(magnetostrictive-type feedback sensor)(72)가 피스톤 조립체(12) 부근에 비접촉 관계로 장착되어, 피스톤(13)의 위치 및 속도를 나타내는 피드백 전기 신호(73)를 제공한다. 이 피드백 신호(73)는 전자 부품 및 전원 패키지(60) 쪽으로 향하고, 이는 다시 전기 전도체(58)를 통해 고정자 권선(56)으로 향하는 전류의 전압 및 주파수를 변조시킨다. 본 발명에서 이러한 피드백 또는 "폐쇄 루프" 시스템을 채택하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 상기 피드백 신호는 자기 구동 시스템의 성능을 향상시키기 때문이다. 그러나, 피드백 시스템을 채택하는 것이 강제적인 사항은 아니며, 본 발명의 가장 넓은 양태에 따라, 위치 피드백 시스템을 사용하지 않고 "개방 루프" 작동 방식을 채택할 수 있다는 것도 이해하여야 한다.

도시한 바와 같이, 펌프(10)는 실질적으로 수직으로 배향된 채 도시되어 있는데, 이러한 배향이 가장 바람직하다. 그러나, 실린더 내부 격실(18)의 액상 및 가스상 사이에 비교적 뚜렷한 계면(74)이 유지되고 그러한 계면이 피스톤 밀봉 부재(17) 위로 뚜렷이 상승된 위치에서 저장 챔버(22)에 존재하기만 한다면, 상기 수직 배향에서 어느 정도 벗어나는 것도 가능하다. 특히, 펌프의 작동축(27)이 수평으로 접근함에 따라, 내부 격실(18)의 저장 챔버(22)로부터 피스톤 밀봉 부재(17) 아래쪽의 분배 챔버(20), 궁극적으로는 피스톤(13)이 가로지르는 작업 행정 체적 쪽으로 가스가 손실될 위험이 발생한다. 이러한 가스 손실은 피스톤 밀봉 부재(17) 바로 위쪽에서 상기 두 유체(가스와 액체)의 교반 혼합(agitated mixing)에 의해 개시될 수 있다. 피스톤 밀봉 부재(17) 위쪽에서의 혼합은 피스톤 조립체(12)의 이동과 유체끼리의 상대 부력에 의한 유체끼리의 작용에 의해 일어난다. 상기 가스 및 액체 혼합물이 밀봉 부재(17)를 통과하여 하측으로 누설되는 것은 상기 밀봉 부재에 걸친 차압이 상기 방향으로 유체를 누설시키는 경향에 의해 생기는 결과이다. 피스톤(13) 아래쪽의 분배 챔버(20) 영역으로 누출되는 가스는 펌프의 배출 스트림으로 빠져 나간다. 이러한 가스 손실로 인해 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 가스를 보충할 필요가 있게 되고, 이는 펌프의 동작 제어를 복잡하게 한다. 펌프의 작동축(27)이 그 수직 위치로부터 편의 가능한 허용 정도는, 피스톤 조립체의 행정 길이 및 그러한 행정의 사이클 속도와 같은 변수 뿐만 아니라, 펌핑할 액체의 밀도와 저장 챔버(22)의 상부 영역(40) 내 가스의 상대 밀도비의 함수이다. 수직 위치에 대해 허용된 각도 편의 위치에 대한 정밀한 제한과 관련한 내용은 이러한 제한을 정하는 데 포함되는 수 많은 요인 때문에 언급할 수 없다. 그러나, 펌프(10)가 순간 또는 주기적인 가속도의 영향을 받기 쉬운 운동을 하도록 장착된다면, 중력 가속도에 상기 가속도를 벡터식으로 부가하여, 펌프의 작동축(27)이 수직 위치로부터 편의 가능한 정도를 더욱 제한할 필요가 있다.

가장 바람직한 작동 양식에 있어서, 액체/가스 계면(74)은 피스톤의 전체 왕복 행정 중에 밀봉 부재(17) 위쪽에 뚜렷이 유지된다. 즉, 밀봉 부재(17)의 상측(75)과 하측(77)은, 피스톤(13)이 그 근위(상측) 왕복 제한점과 원위(하측) 왕복 제한점 사이에서 왕복될 때 액상 내부에만 남아 있다. 중요한 특징은 실린더(14) 저장 챔버(22) 내부의 가스상 물질이 밀봉 부재(17)를 지나, 분배 챔버(20)로부터 펌핑할 액체 속으로 이동하는 것을 배제한다는 것이다. 이는 피스톤(13)이 그 근위 왕복 제한점과 원위 왕복 제한점 사이의 분배 행정에서 왕복될 때, 밀봉 부재(17)의 적어도 하측(77)을 상기 액상 내에 유지함으로써 달성된다.

계면(74)의 최적 위치는 펌핑되는 액체의 실제 사양에 따른다. 특히, 고정자(52) 및 전기자(62)의 수용 가능한 작동 온도 한계에 대해, 분배 챔버(20)로부터 펌핑되는 액체 및 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 있는 가스상 물질에 대한 온도 조건은 피스톤 조립체(12)의 길이를 따라 액체/가스 계면(74)의 위치를 적절히 설계할 때 고려할 필요가 있는 중요한 요인이다.

저장 챔버(22) 내의 가스 및 액체의 압력은 각 왕복 이동 사이클 중에 피스톤 밀봉 부재(17)를 통과한 순 액체 누설량이 실질적으로 제로가 되도록 하는 수준에서 유지하는 것이 중요하다. 구체적으로 설명하면, 피스톤 조립체(12)의 하향 또는 액체 분배 행정시, 피스톤 밀봉 부재(17)를 지나는 액체의 누설은 상향인 반면에, 피스톤 조립체의 상측 또는 후퇴 행정(흡입)시 액체의 누설은 하향이며, 피스톤(13)의 전체 상향 행정 중에 피스톤 밀봉 부재(17) 위에 존재하는 누설 액체 저장부(76)로부터 인출된다.

저장 챔버(22)에서 누설 액체 저장부(76)의 특정 높이 또는 체적은 엄격하게 일정하지는 않지만, 피스톤 조립체(12)의 각 왕복 사이클의 진행 과정에 걸쳐 어느 정도는 변동된다. 각 사이클에서 제로의 순 피스톤 누설은, 상승하지도 떨어지지도 않는 시간적으로 평균한 액체/가스 계면 수위(time average liquid/gas interface level), 즉 높이가 실질적으로 일정하게 유지되는 평균 수위를 야기한다. 물론, 액체/가스 계면(74)의 순간적인 높이는 명목상으로, 피스톤의 행정 길이를 통한 피스톤 조립체(12)의 이동 및 그에 따른 상기 밀봉 부재에 걸친 변동 차압의 결과 생기는 피스톤 밀봉 부재(17)를 통과하는 요동 누출로 인해 상승 및 하강할 것이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 시간적으로 평균한 액체/가스 계면(74) 수위는 상승하지도 하강하지도 않는다.

저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 있는 가스상 물질의 압력을 제어하여, 피스톤 밀봉 부재(17)를 지나는 액체의 순 누설량을 제로로 하는 것은 몇몇 수단에 의해 달성할 수 있다. 특히, 펌프의 액체 유입 압력과 액체의 유출 압력 사이의 압력은 약 중간 정도의 수준으로 제어된다. 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 있는 가스상 물질의 압력이 변하면, 피스톤 밀봉 부재(17)를 지나는 액체 누설률이 영향을 받는다. 이러한 누설은 피스톤 조립체(12)가 각각 하향 및 상향 이동할 때 상향 및 하향 방향에서 잠재적으로 다른 속도로 일어난다. 피스톤 조립체(12)가 행정 체적을 통해 이동할 때 분배 챔버(20)에서의 압력과, 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에서의 가스상 물질의 압력은 피스톤 조립체(12) 이동의 모든 지점에서 피스톤 밀봉 부재(17)를 지나는 액체 누설을 구동하는 차압을 정하는 역할을 한다. 분배 챔버(20)의 행정 체적의 압력이 펌프를 적용하는 분야에 의해 고정되어 있다고 하면, 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에서의 가스상 체적부의 압력은, 피스톤 밀봉 부재(17)를 지나는 상향 및 하향 액체 누설율을 조정하여 피스톤 조립체(12)의 각 전체 왕복 사이클 중에 공칭 제로 순누설(norminally zero net leakage) 상태를 달성하도록 제어된다. 피스톤 밀봉 부재(17)를 통과한 누설 액체는 피스톤 밀봉 부재에 걸친 고압에서 저압으로의 차압 방향에 있고, 상기 누설 액체의 양은 상기 밀봉 부재에 걸친 차압이 증가함에 따라 증가된다.

피스톤 조립체(12) 위의 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 있는 가스상 물질에는 에너지 저장 기능이 있다. 특히, 피스톤 조립체(12)가 그 흡입 행정을 통해 상향 이동하는 데에는 저압 액체를 피스톤(13) 아래의 분배 챔버(20)의 행정 체적 내로 인출하기 위하여 자기 일(magnetic work)을 입력할 필요는 거의 없다. 그러나, 피스톤 조립체(13)에 걸친 차압은 피스톤 조립체(12)의 상향 이동 중에 선형 자기 구동 시스템(50)으로부터 현저한 자기 일 에너지의 입력을 필요로 한다. 이어지는 하향, 즉 분배 행정시, 액체가 유출 밸브(36)를 통해 배출될 때, 피스톤(13) 아래의 펌핑된 액체에 가해지는 고압은 상당한 크기의 입력 일을 필요로 한다. 피스톤(13)의 하향 또는 분배 행정 중에 제공되는 입력 일은 부분적으로는 전기자(62)와 고정자(52) 사이의 자력선에 의해 제공되고, 상기 일의 나머지는 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 있는 압축된 가스상 물질의 재팽창에 의해 제공된다. 피스톤 조립체(12)의 상향 행정 중에 입력되는 자기 에너지는, 압력/체적 에너지가 피스톤 조립체의 하향 행정 중에 피스톤 조립체(12)에 다시 방출됨에 따라 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 있는 가스상 물질에 저장된다. 이는 피스톤 조립체(12)의 상향 및 하향 행정시 자기 구동 시스템(50)에의 균일한 부하를 가능하게 해준다.

다른 실시 형태에 있어서, 가스상 물질에 의해 또는 가스상 물질 없이, 실린더(14)의 상부 내측 단부면과, 피스톤 조립체(12)의 상측 또는 근위 단부면 사이에 작용하는 압축 스프링(78)에 의해, 피스톤 조립체(12)의 상향 또는 후퇴 흡입 행정 중에 포텐셜 에너지가 저장될 수가 있다. 전술한 압축된 가스상 물질 대신에 또는 그 가스상 물질과 함께 다른 기계적, 전기적 또는 자기 에너지 저장 구성 요소를 사용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 그러나, 이들 다른 저장 기구를 사용하는 것은 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 가스상 물질을 사용하는 것 만큼 좋지는 않은데, 왜냐하면 이들 요소를 추가하는 경우 보다 복잡해지기 때문이다.

본 발명의 가장 바람직한 실시 형태에 따른 펌프(10)는 펌핑된 액체와 펌프의 주변 환경 사이에 모든 동적 시일을 제거하여, 밀폐식으로 밀봉된 구조를 제공하도록 구성된다는 것에 유의하여야 한다.

종래 기구에서 사용된 동적 시일은, 통상 압축된 유체를 함유하고 서로에 대해 상대 운동 하에 있는 본체 사이에서, 압축된 영역으로부터 덜 압축된 주변 영역으로 유체가 빠져 나가는 것을 방지하도록 작용한다. 종래의 왕복 펌프에 있어서, 상기 고정체(stationary body)는 통상 펌프 하우징 시일이고, 이동체(moving body)는 피스톤 로드이다. 이 피스톤 로드는 펌프 하우징으로 들어가 기계적 일을 유체에 전달한다. 본 발명의 밀폐식으로 밀봉된 변형예를 이용하면 이러한 동적 시일을 사용하지 않아도 된다. 그러나, 본 발명의 가장 넓은 양태에 따르면, 왕복 펌프는 밀폐식 펌프일 것을 필요로 하지 않는다.

왕복 피스톤 조립체(12)는 상기한 것과 같은 전자기적 수단에 의해 발생되는 자기력선에 의해 구동된다. 특히, 피스톤 조립체(12)의 이동은 복수의 외부 자장을 변조시킴으로써 일어난다. 상기 외부 자장의 변조는 자장을 만들어 내는 전류를 변조시킴으로써 달성되고, 이러한 변조에 의해서 피스톤 조립체의 이동을 변화 가능하게 제어할 수 있게 되는데, 상기 제어는 양직선 방향으로 이동하는 피스톤 조립체의 전체 이동 경로 전체에 걸쳐 피스톤 조립체의 주기적인 이동의 매시점에서 피스톤 조립체의 직선 행정의 길이, 피스톤 조립체의 주기적인 주파수, 피스톤 조립체의 위치, 속도 및 가속도를 변화 및 조정 가능하게 제어하는 것을 포함한다.

바람직한 작동 양식에 있어서, 상기 선형 모터는 피스톤 조립체(12)의 흡입 행정 및 급송 행정을 완성하도록 다른 시간 주기를 제공하게 작동되는데, 상기 흡입 행정은 급송 행정보다 느린 것이 좋다.

다른 바람직한 작동 양식에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서가 상기 피스톤 조립체의 주기적인 이동이 연속적 또는 비연속적이도록 그 이동을 조정 가능하게 제어한다. 즉, 피스톤 조립체의 임의의 사이클 내, 또는 피스톤 조립체의 연속하는 사이클 사이에서의 여러 지점에서, 임의의 원하는 지속 시간에서의 이동 멈춤을 제공하게 펌프의 작동을 제어할 수 있는데, 상기 각 사이클에는 하나의 흡입 및 분배 행정이 포함되어 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 가장 넓은 양태에 따라서, 상기 프로그램 가능한 컨트롤러를 통해 상기 선형 모터를 채용하여, 피스톤 조립체의 이동에 대한 많은 다른 기여를 변화시킬 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 제2 실시 형태가 도면 부호 100으로 표시되어 있다.

밀폐형 왕복 펌프(100)는, 온도가 주변 온도보다 낮고 주변 온도에서는 오로지 증기 상태로 존재하는 액체(예컨대, 액화된 산업용 가스, 통상, 질소, 산소, 아르곤, 수소, 헬륨, 메탄 등)를 펌핑하도록 설계되어 있다. 이러한 구조에 있어서, 피스톤 밀봉 부재(17) 위쪽의 저장 챔버(22) 상부 영역(102)에 있는 가스의 압력을 제어하는 바람직한 방법은 펌핑되는 액체상을 비등(沸騰)시키는 것이다. 액체상을 비등시키면, 저장 챔버(22)의 상부 영역(102)은 펌핑되는 액체의 증기상에 의해 실질적으로 완전히 충전된다. 저장 챔버(22)의 상부 영역(102)에 과잉의 증기가 있다면, 액체/증기 계면(104)은 폐쇄형 실린더(108) 및 왕복 피스톤 조립체(110)의 극저온 온도 단부(106)를 향해 아랫쪽으로 재위치된다. 이는 증기 저장부의 일부를 열구배 영역(112)의 하측 단부에 있는 보다 낮은 온도의 표면에 노출시킨다. 이로 인해 재응축이 유도되고, 이는 다시 증기 저장부를 감소시켜 액체/증기 계면(104)을 상측으로 복원시킨다.

역으로, 상부 영역(102)에 증기가 충분하지 않다면, 액체/증기 계면(104)은 자동적으로 상승되어, 피스톤 밀봉 부재(17) 위의 액체상을 열구배 영역(112)의 보다 고온의 표면에 노출시킨다. 이로 인해 액체가 증발되어 상부 영역(102)에 증기가 보충된다.

상기한 설명으로부터, 펌프(100)의 상부 영역(102)에 있는 증기의 제어는 밀폐형 실린더(108) 및 그 안의 피스톤 조립체(110)의 길이를 따른 열구배의 제어에 기초한다는 것이 명백하다.

상부 영역(102)의 가스상 물질이 펌핑할 액체에서 기인하는 증기로 완전히 채워지거나 주로 그러한 증기로 구성되고, 피스톤 조립체(110) 위의 압력이 펌핑할 액체의 임계 압력보다 큰 경우에는 명확한 액체/증기 계면이 존재하지 않는다. 구체적으로 설명하면, 상기 임계 압력보다 큰 압력에서는, 유체의 온도가 증가하는 열구배 방향으로, 유체의 밀도가 감소되는 구배가 존재한다. 후자의 경우에 있어서, 저온의 보다 밀(密)한 "액체 같은 유체"를 보다 고온의 덜 밀한 "가스 같은 유체"와 혼합하면, 펌프의 작동이 영향을 받는다. 펌프를 설계할 때, 상기 유체의 혼합의 최소화, 전도에 의해 수용 가능한 열전달, 안정된 온도 프로화일에 걸친 잔여 혼합(residual mixing)에 의해 수용 가능한 열전달을 보장하기 위하여, 액체 같은 영역과 가스 같은 영역 사이에서의 열구배의 길이를 증가시키는 것과 같이, 상기 문제를 다루기 위한 조치가 이루어져야 한다.

상기 "임계 압력(critical pressure)"이라는 것은 임의의 온도에서도 액체상과 가스상이 명백히 분리되지 않는 유체 압력을 지칭한다는 것에 유념하여야 한다. 이러한 임계 압력 미만의 압력에서, 가스의 액체상으로의 응축이 일어날 수 있는 명백한 조건은 액화 온도(비등점이라고도 알려져 있다)이고, 액체/증기 계면이 존재한다.

선형 자기 구동 장치의 전기자(114) 및 고정자(116)[이들은 도 2에 개략적으로 도시되어 있지만, 펌프(10)에 사용되는 전기자(62) 및 고정자(52)의 구조와 동일할 수 있다]는 전기 저항 및 맴돌이 전류 손실에 의해 발생된 열[도 2에서 파형의 화살표(118)로 표시되어 있다]이 주변으로 버려지고 펌핑된 액체로는 버려지지 않도록 주변 온도보다 약간 높은 온도에서 작동되는 것이 좋다. 극저온 액체에 공급되는 열은 열역학적 펌프 효율을 감소시키고, 유입 액체에서 NPSH에 대한 조건을 증가시킨다는 것에 유의하여야 한다.

도 2에서는 생략하였지만, 펌프(100)에 사용된 자기 구동 장치는 펌프(10)에 사용된 선형 자기 구동 장치(50)와 동일할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 즉, 펌프(100)에 사용된 선형 자기 구동 장치는 펌프(10)에 사용된 전기자(62) 및 고정자(52)와 실질적으로 동일한 구조의 전기자 및 고정자 외에도, 펌프(10)에 사용된 전자 부품 및 전원 패키지(60)와 실질적으로 동일한 외부 마이프로 프로세서 제어식 전자 전원 패키지를 포함할 수 있다. 더욱이, 펌프(100)에 사용된 상기 패키지의 전기 출력을 제어하는 것은 펌프(10)에 사용된 패키지(60)의 전기 출력을 제어하는 것과 동일할 수 있다. 즉, 소프트웨어 프로그램에 의한 제어가 좋다. 또한, 펌프(100)에 사용된 상기 구동 장치는 펌프(10)에 사용된 것과 동일한 방식의 위치 피드백 장치를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, NPSH는 유입 액체의 정압과 그 유입 온도에서의 액체의 증기압의 차이를 정지 액체의 높이(height of standing liquid)로 표현한 것이다. NPSH가 충분하지 않으면, 펌프 유입부에서 액체가 비등하게 된다. 이어서, 비등 작용에 의한 증기의 기포가 펌핑 과정에서 압축 중에 격렬히 붕괴되어, 액체에 음향으로 전달되는 충격파를 발생시킨다. 이는 펌프의 기계적 구성 요소에 손상을 일으킬 수 있다. 따라서, 액체의 수위가 낮고 따라서 이용 가능한 NPSH가 작은 용기로부터 펌핑 작용이 가능하도록 하기 위해서는, 요구되는 NPSH가 낮은 펌프 구조가 양호하다는 것을 이해하여야 한다.

피스톤 밀봉 부재(17) 아래의 분배 챔버(20)는 액체/증기 계면(104) 수위를 적절히 제어하도록 요구되는 열구배를 펌프에 확보하기 위하여 극저온 상태로 유지되어야 한다. 펌프(100)의 흡입 작용은 극저온 액체 유입 공급 라인(도시 생략)에 직접 적용되거나 극저온 유입 섬프(120)로부터 적용될 수 있다. 유입 액체의 부냉각(보조 냉각)의 양이 낮은 경우에는 섬프의 사용이 바람직하다. 본 명세서에서 지칭되는 "보조 냉각"의 크기(양)는 유입 액체의 온도와, 유입 압력에서의 그 액체의 비등 온도의 차이를 의미한다.

본 발명에 따르면, 유입 섬프(120)에는 펌프로의 유입구에서 액체의 압력에 대해 설계된 압력 용기(124)가 포함된다. 이 압력 용기(124)는 그 근위 또는 상측 단부에서 펌프(100)의 온난 단부에 장착되고, 명목상 축대칭 구조인데, 압력 용기의 축은 명목상 외측 실린더(108) 및 피스톤 조립체(110)의 중앙선과 동일 선상에 있다. 압력 용기(124)는 극저온에 적합한 재료로 제작되고, 그렇지 않으면 펌핑할 액체와 양립 가능하다.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 섬프의 압력 용기(124)는 펌프(100)의 온난 단부에서 적합판(adaptive plate)(126)에 장착되고, 상기 적합판은 압력 용기 내부의 섬프 압력 공동을 폐쇄하는 폐쇄부 역할을 한다. 섬프(120)는 그 온난한 상측 단부로부터 저온의 바닥 단부로의 열전달을 최소화하도록 설계되어 있고, 그 수직 길이를 따른 열구배를 유지하기에 적당하여야 한다. 압력 용기(124)의 외면은 진공 자켓(128)에 의해 절연되어 있거나, 주변으로부터 섬프(120)로의 열전달[파형선(130)으로 개략적으로 나타냄]을 방지하는 다른 적당한 절연 수단에 의해 절연되어 있다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 펌프(100)에 의해 다루어지는 극저온 액체는 적당한 유입 도관(132)를 통해 압력 용기(124) 벽의 개방구를 경유하여 섬프(120)로 들어간다. 그 후에, 액체는 섬프(120)로부터 유입 밸브(134)를 통해 펌프(100) 내로 인출되는데, 유입 밸브는 극저온의 온도 조건 하에서도 적절히 기능할 수 있는 종래 구조의 것이다. 액체는 피스톤 조립체(110)의 상향, 즉 흡입 행정에 의해 만들어진 원위 행정 체적에서의 감소된 압력으로 인해 펌프(100) 내로 인출된다는 것을 이해하여야 한다.

다른 한편으로, 분배 행정을 통해 왕복 피스톤 조립체(110)가 하향 이동하여 펌프(100)로부터 배출되는 액체는 유출 밸브(136)를 통해 빠져 나가고, 고정되어 있지만 분리 가능한 밀봉 연결부(138)를 통해 섬프(120)로부터 급송된다. 상기 밀봉 연결부는 펌프(100)를 보수 유지, 또는 다른 원하는 목적을 위해 섬프(120)로부터 제거할 수 있도록 해준다.

별법으로서, 상기 배출된 액체는, 배출된 액체로의 열전달이 가능한 분야에 대하여, 점선(127)으로 개략적으로 표시한 바와 같이, 적합판(126)을 통해 그 액체를 급송함으로써 섬프(120) 밖으로 향하게 할 수도 있다. 후자와 같은 구성에 있어서, 적합판(126)은 국부적인 저온 침투를 수용할 수 있게 적절히 설계되어야 하고, 이러한 구조는 당업자에게 명백하며, 종종 극저온 진공 자켓형 조립체에서 발견된다. 따라서, 국부적인 저온 투과 수용을 위해 사용되는 특정의 구조는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되어서는 안되고, 본 명세서에서는 더 이상 논의하지 않는다.

섬프(120)는, 펌프(100)에 의해 펌핑되는 극저온 액체용 저장 용기의 역할을 하는 것 외에도, 피스톤 조립체(110)의 각 왕복 사이클 중에 펌프 흡입 압력 변동을 최소화하는 어큐뮬레이터의 역할도 한다. 섬프(120)내의 액체 위에 있는 증기(140)는, 섬프 액체의 수위(142)가 각 피스톤 조립체의 왕복 사이클 중에 미소하게 주기적으로 상승 및 하강할 수 있게 하여, 섬프에서의 압력 변화 또는 변동을 최소화 하는 압축성 요소의 역할을 한다.

섬프의 액체 수위(142)를 유지하는 것은 주로 대형 장치에 펌프를 적용하는 용례에 따라, 몇몇 방법에 의해서 제어될 수 있다. 한 가지 방법은 폐쇄형 실린더(108) 내부의 액체/가스 계면 수위를 제어하는 것과 관련하여 전술한 것과 동일한 방식으로, 섬프 용기를 따른 열구배를 제어하는 것이다. 액체 수위(142)의 위치를 명확히 특정하기 위하여, 열전도성 요소(144)가 섬프 용기(124)의 온난한 상측 단부에서 적합판(126)을 통해, 섬프 액체 수위에 대해 요구되는 하측의 저온 위치까지 연장되도록 장착되어 있다. 열전도성 요소(144)의 외면은 그 원위 단부를 제외하고는, 섬프(120)에서 액체 위의 증기(140)로의 열전달로부터 열적으로 차단된다. 상기 요소(144)의 하측 또는 원위 단부는 상승 액체 수위에 대해 비등 개시점을 제공한다. 열전도성 요소(144)의 온난한 상측 단부는 주변 대기로의 전도성 구조, 대류 구조, 전기 요소 또는 (적당한 온도 유지에 적합한) 다른 적당한 수단에 의해 적당한 온도로 유지될 수 있다. 전도성 요소(144)의 상측 단부를 온난한 온도로 유지하기 위해 사용되는 특정의 수단은 본 발명의 가장 넓은 양태를 제한하는 것으로 고려되지는 않으며, 채용되는 특정 수단은 당업자에게 명백하다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 다른 실시 형태가 도면 부호 200으로 표시되어 있다. 이 펌프의 구조는 펌프(100)의 구조와 실질적으로 동일하고, 따라서 펌프(100)의 구성 요소와 동일한 펌프(200)의 구성 요소는 도 2에서 사용한 것과 동일한 도면 부호를 사용하며, 도 2와 관련하여 전술한 것과 동일한 방식으로 기능한다. 이들 요소는 펌프(200)와 관련하여 더 이상 상세히 설명하지 않는다. 펌프(200)에 사용된 자기 구동 장치는 펌프(10, 100)에 사용되는 구동 장치와 동일하므로 더 이상 상세히 설명하지 않는다.

펌프(200)는 섬프의 액체 수위(142)를 제어하는 방법 및 구조가 펌프(100)와 다르다. 특히, 펌프(200)에서 섬프의 액체 수위(142)를 제어하는 방법 및 장치는, 작은 또는 제로의 펌프 유동 주기를 필요로 하지만 신속한 재시동을 위해 펌프와 섬프를 저온 상태로 유지하여야 하는 용례에 대해 바람직하다. 이 실시 형태에 있어서, 플로트 밸브(float valve)(202)가 섬프 증기 배기 라인(204)에 연결되어 있다. 플로트 밸브(202)는 원하는 섬프 액체 수위에서 섬프 용기(124) 내에 배치되어 있다. 액체 수위 상태가 플로트 밸브(202) 아래에 있을 때(이는, 액체 수위가 낮은 상태를 나타낸다), 플로트 밸브(202)는 밸브 플러그(206)가 중력에 의해 밸브 시이트(208)로부터 개방되도록 함으로써 개방된다. 이와 같이 플로트 밸브(202)가 개방되면, 섬프 내의 압력 보다 작은 압력의 싱크(sink)에서 끝나는 배기 라인에 기초하여, 증기가 섬프(120)로부터 증기 배기 라인(204)을 통해 배기된다. 증기가 증기 배기 라인(204)을 통해 배기되면, 증기의 제거에 따른 섬프 압력의 감소에 기초하여 액체의 섬프로의 유입 유동이 더 커지기 때문에, 섬프(120)에서의 액체 수위는 상승된다.

역으로, 섬프(120) 내의 액체 수위가 크면 플로트 밸브(202)가 폐쇄된다. 섬프로부터 증기 배기 라인을 폐쇄함으로써, 증기량이 증가하게 되는데, 이는 섬프 용기(124)의 온난 단부로부터 아래쪽의 원위 또는 저온 단부로의 보통의 열전달에 의해 야기되는 섬프 액체의 비등으로 인한 것이다. 이러한 과정은 액체 수위(142)가 통상 플로트 밸브(202)의 부근에 있는 명목상의 안정점에 도달한다. 이러한 구조에 있어서, 액체 수위가 높은 상태 하에서 비등 과정을 증대시키기 위하여, 도 2에 도시한 열전도성 요소(144)와 같은 전도성 요소가 사용될 수 있다. 플로트 밸브(202) 및 이와 연결된 섬프 증기 배기 라인(204)를 사용하면, 낮은 또는 제로의 펌프 유동 상태에 의해 섬프 건조부가 비등되는 것을 방지할 수 있다.

유입 섬프 액체 수위(142)는 실린더 및 피스톤 조립체의 열구배 영역(210)의 하측 또는 원위 위치를 형성한다는 것을 이해하여야 한다. 유입 섬프(120)의 액체는, 액체 밀봉 부재(17)와 피스톤(13) 사이의 이동에 의해 발생되는 것과 같은 마찰열을 실린더(108) 벽으로부터 제거하기도 한다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 섬프(120)의 증기 공간부에는 반(反)대류 및 절연 구조(212)가 장착되어, 섬프 용기(124)의 상측의 온난 단부로부터 하측의 저온 단부까지 증기를 통한 과잉의 열전달을 최소화한다. 상기 반대류 및 절연 구조(212)는 본 명세서에서 개시된 것과 같은 그 의도된 기능을 제공할 수 있는 임의의 종래 구조일 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 또 다른 실시 형태가 도면 부호 300으로 표시되어 있다. 펌프(300)는 도 1에 도시된 펌프(10)와 매우 유사하지만, 피스톤 조립체 위에는, 펌핑할 액체의 증기와는 다른 비응축성 가스로 충전될 수 있는 가스 체적부를 제공하는 방식으로 구성되어 있다. 간략하게 설명하면, 펌프(10)의 요소와 상응하는 펌프(300)의 요소는 도 1에서 표시한 도면 부호와 동일한 도면 부호로 나타내었고, 더 이상 상세히 설명하지 않는다. 펌프(300)에 사용되는 자기 구동 장치는 전술한 펌프(10, 100, 200)에서 사용되는 자기 구동 장치와 동일하다는 것에 유의하여야 한다.

펌프(300)는 특히, 주변 온도에 보다 근접한 온도에 있는 액체(비극저온 액체)를 펌핑하도록 설계되어 있는데, 그러한 액체의 유입 온도에서의 증기압은 유입 액체 압력 및 유출 액체 압력의 평균의 작은 비율을 구성한다. 이러한 방식의 펌프에 있어서, 피스톤 조립체(12) 위의 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)은 비응축성 가스로 충전되어야 한다. 상부 체적부의 유입 및 유출 가스 제어 밸브(302, 304)를 통해 가스를 추가하거나 제거함으로써, 원하는 가스 저장량을 유지하여야 한다. 피스톤 조립체(12)의 길이를 따른 액체/가스 계면(74)의 적절한 위치를 유지하도록 하는 상기 밸브(302, 304)의 작동은 당업자에게 잘 알려져 있고 본 발명의 가장 넓은 양태를 제한하지 않는 적당한 액체 수위 측정 장치 및 제어부에 의해 실행되거나 제어된다. 예컨대, 필요한 수위를 유지하기 위하여 액체 수위를 감지하고 밸브의 작동을 제어하는 잠재적으로 적당한 몇 개의 방법이 있고, 이 중에서 특별히 선택하는 것은 당업자에게 명백한 사항이다. 도시된 실시 형태에 있어서, 펌프(300)에는 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)의 상측 내부와 연통되는 압력 변환기(306)가 마련되어 있다. 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 있는 가스상 물질의 압력은 보통, 피스톤 조립체(12)의 각 왕복 이동 사이클 중에 최고치와 최소치 사이에서 변동된다. 수용 가능하고 미리 정해진 최고치와 최소치 사이에서 가스 압력 변동 최대 차이를 유지하도록 설계된 방식으로 제어 밸브(302, 304)를 작동시키기 위하여, 압력 변환기의 출력에 의해 밸브 컨트롤러(308)가 제어된다. 과도하게 작은 가스 체적은 사이클 압력 변동 차이를 증가시킨다. 과도하게 큰 가스 체적은 사이클 압력 변동 차이를 감소시킨다. 상부 영역(40)에 대해 선택되는 비응축성 가스는 펌핑할 액체와 양립될 수 있어야 하고, 펌프 배출 스트림을 오염시키는 것으로 고려되어서는 안되는 것이 좋은데, 왜냐하면 가스의 일부가 펌핑된 액체에 용해되기 때문이다.

도 4a를 참조하면, 펌프(300)의 변형된 구조가 도시되어 있는데, 이는 펌핑할 액체와 양립하지 않을 수 있고 실제로 그 액체를 오염시킬 수도 있는 비압축성 가스에 대해 펌프를 사용할 수 있게 해준다. 이 변형된 구조에 있어서, 스테인레스강 벨로우즈 형태인 것이 바람직한 가요성 부재(310)가 제공되어, 비압축성 가스를 유지하고 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)에 있는 액체로부터 그 가스를 분리한다. 상기 벨로우즈(310)는 유입 및 유출 가스 제어 밸브(302, 304)를 통해 각각 가스 유입구 및 유출구와 연통된다. 상기 벨로우즈 내에 원하는 가스 압력을 유지하는 상기 밸브(302, 304)의 작동은 도 4에 도시한 펌프의 실시 형태와 관련하여 전술한 것과 동일할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 펌프에는 저장 챔버(22)의 상부 벽(26)을 통해 벨로우즈(310)의 내부와 연통되는 압력 변환기(306)가 마련될 수 있다. 상기 벨로우즈 내의 가스상 물질의 압력은 보통, 피스톤 조립체(12)의 각 왕복 이동 사이클 중에 최대치와 최소치 사이에서 변동한다. 수용 가능하고 미리 정해진 최고치와 최소치 사이에서의 가스 압력 변동 최대 차이를 유지하도록 설계된 방식으로 제어 밸브(302, 304)를 작동시키기 위하여, 압력 변환기의 출력에 의해 밸브 컨트롤러(308)가 제어된다. 과도하게 작은 가스 체적은 사이클 압력 변동 차이를 증가시킨다. 과도하게 큰 가스 체적은 사이클 압력 변동 차이를 감소시킨다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 밀폐형 왕복 펌프의 다른 실시 형태가 도면 부호 400으로 표시되어 있다. 펌프(400)에는 펌프(300)와 마찬가지로, 도 1에 도시된 펌프(10)와 유사한 많은 요소들이 포함되어 있다. 그러나, 펌프(400)에는 특별한 특징이 있는데, 이러한 특징으로 인해 펌프는, 주변 온도에 보다 근접한 온도에 있는 액체를 펌핑할 때 사용하기에 특히 적합하며, 그러한 액체의 유입 온도에서의 증기압은 유입 액체 압력의 상당한 부분을 차지하고 그 증기압은 온도 상승에 따라 현저히 상승한다. 이러한 환경에서, 피스톤 조립체(12) 위의 저장 챔버(22)의 상부 영역(40)은, 피스톤 조립체 위의 상부 영역(40)이 적당한 가스 체적을 유지하기 위해 여러 열전달 수단(44)을 사용함으로써, 아래의 액체의 온도보다 높은 온도로 유지된다면 액체에서 기인하는 증기로만 구성될 수도 있다. 열전달 수단(44)은 도 1에 도시된 펌프(10)와 관련하여 전술한 것과 같은 공지의 기구일 수 있다. 중복되는 설명을 피하기 위하여, 그에 대한 논의는 반복하지 않는다. 마찬가지로, 열구배(402)를 유지하기 위하여, 그 열구배의 온난 단부에 열전달 수단(406)이 제공될 필요가 있을 수도 있다. 이러한 열전달 수단(406)은 냉각수 코일, 주변 대류 열전달 표면 또는 당업자에게 공지된 다른 수단일 수 있다.

펌프(400)는 액체 프로판을 펌핑하는 데 사용될 수 있거나 보일러의 공급수 펌프와 같은 것일 수 있다. 후자의 경우에, 펌프(400)의 상부 영역(40)은 연소 연도 가스(combustion flue gas)가 있는 보일러로부터의 과잉 스팀에 의해 가열되거나, 전술한 별도의 수단에 의해 가열될 수 있다. 이들 적용례에 있어서, 고정자(52)와 전기자(62)는 펌핑되는 액체가 위치하는 펌프의 원위 또는 저온측 단부 부근에 장착되는 것이 가장 바람직하다. 펌프(400)에 사용되는 자기 구동 장치는 전술한 펌프(10, 100, 200, 300)에서 사용되는 구동 장치와 동일하다는 것에 유의하여야 하고, 따라서 더 이상의 상세한 설명은 하지 않는다.

도면 부호 402로 개략적으로 나타낸 열구배 영역은 펌프의 열적으로 분리된 고온 단부와 온난 단부 사이에서, 외측 실린더(14) 및 피스톤 조립체(12) 뿐만 아니라, 펌핑할 액체에 존재하도록 구성되어 있다. 액체/가스 계면(74)은 상기 열구배 영역 내에 있다.

펌프(400)에서 두 온도 영역을 원하는 대로 열적으로 차단하는 것이 중요한데, 왜냐하면 과도한 온도는, 고정자의 일부를 구성하는 전기 권선 상의 영구 자석 및 절연부와 같은 선형 모터 구동 장치의 구성 요소에 해롭기 때문이다. 두 온도 영역 사이의 원하는 단열을 달성하기 위하여, 피스톤 조립체(12)의 일부로서 절연 스페이서(404)가 마련된다. 절연 스페이서(404)는 전기자(62) 위에서 액체가 과도하게 혼합되는 것을 방지하기도 한다. 이러한 과잉 혼합은 두 온도 영역 사이에서 열전달을 증가시킬 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 밀폐형 펌프의 다른 실시 형태가 도면 부호 500으로 표시되어 있다. 이 펌프는 가스상 물질이 에너지 저장 및 방출 기능을 제공하는가 여부에 의존하지 않는다는 점에서 전술한 실시 형태들과는 다르다. 더욱이, 펌프(500)에서 에너지 저장 및 방출 매체는 왕복 피스톤 조립체(12)를 내장하고 있는 피스톤 실린더(502) 외부에 있다.

도 1에 도시한 펌프(10)의 특징부와 동일하거나 실질적으로 동일한 펌프(500)의 특징부는 도 1에 사용한 도면 부호와 동일한 도면 부호로 나타내었다.

왕복 피스톤 조립체는 전술한 피스톤 조립체와 실질적으로 동일하지만, 그 길이가 다소 더 짧다. 전술한 실시 형태들에서처럼, 피스톤 조립체(12)와 실린더(502) 사이에 밀봉 부재(17)가 제공되어, 내부 격실을 분배 챔버(20)와 저장 챔버(22)로 분할한다.

도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 실린더(502)의 저장 챔버(22)는 상부 벨로우즈부(504)를 포함하고, 펌핑할 액체로 완전히 충전되어 있다. 저장 챔버(22)를 충전하는 액체는 본질적으로 비압축성이며, 밀봉 부재(17)를 통과한 액체가 누설되는 일은 거의 없기 때문에, 저장 챔버의 체적은 상대적으로 고정되어 있다.

도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 벨로우즈부(504)의 상측 단부에는 힘 전달 단부판(506)이 포함되어 있는데, 이 단부판에 대해 압축 스프링(508)이 부세되어 있다. 압축 스프링의 반대쪽 단부는 원주상으로 서로 이격되어 있는 지지 부재(512)의 일단부에 고정되어 있는 펌프의 근위 장착판(510)에 대해 부세되어 있다. 지지 부재(512)의 양단부는 임의의 적당한 수단(예컨대, 용접)에 의해 실린더(502)의 외면에 고정되어 있다. 서로 이격되어 있는 상기 지지 부재의 수는 복수의 위치(예컨대, 3-4)에서 장착판(510)을 지지하도록 변화될 수 있다. 펌프(500)에서 압축 스프링(508)이 에너지 저장 및 방출 매체라는 것을 이해하여야 한다.

각 지지 부재(512)의 단부 중간에는 하측 및 상측으로 향하는 정지면(516, 518)을 제공하는 노치(514)가 포함되어 있다. 이들 정지면은 벨로우즈(504)의 허용되는 연장 정도 및 압축 정도를 제한하여, 상기 벨로우즈의 탄성의 특성을 보존한다. 이들 정지면(516, 518)은 보통의 작동 중에, 상기 힘전달 단부판(506)에 의해 제어되도록 의도한 것은 아니며, 대신 시동, 동작 정지 또는 다른 과도적 상황에서의 이동을 제한한다.

피스톤 조립체(12)가 흡입 행정을 통해 근위 장착판(510)을 향해 이동함에 따라, 저장 챔버(22)에서의 피스톤 조립체의 행정 체적은 그 내부의 비압축성 액체를 이동시켜, 벨로우즈(504) 및 힘전달 단부판(506)을 연장시킨다. 힘전달 단부판(506)의 이러한 연장된 (근위) 위치는 점선(507)으로 표시되어 있다. 이는, 다시 스프링(508)을 압축하여 스프링에 포텐셜 에너지를 저장한다. 피스톤 조립체(12)의 역 또는 분배 행정시, 상기 스프링에 저장된 에너지는 단부판(506) 및 내부의 액체에 부여되고, 이어서 피스톤 조립체(12)의 상측 단부에 부여된다. 힘 전달 단부판(506)의 압축된 (원위) 상태가 점선(509)으로 표시되어 있다.

펌프로의 동작 액체 유입 압력 및 펌프로부터의 유출 압력에 대한 제한은, 벨로우즈(504)를 연장 및/또는 압축으로부터 보호하여 벨로우즈의 탄성 특성을 보존하고, 보다 구체적으로는, 정지면(516, 518)에 대한 단부판(506)의 동작 충격을 방지할 필요성에 의해 좌우된다. 허용 가능한 펌프의 유입 및 유출 압력을 수정하기 위하여, 에너지 저장 스프링(508)의 정격 또는 평균 압축을 변화 또는 변동시키도록 기구(도시 생략)가 제공될 수도 있다. 예를 들면, 장착판(510)에 대한 스프링(508)의 근위 단부를 재위치시키기 위하여, 나사 조정부가 제공될 수 있다. 그러나, 이러한 재위치 기구는 에너지 저장 및 방출 매체로서 가스상 물질을 사용할 때에는 주어지지 않는다는 단점이 있다. 기계식 스프링을 사용하는 경우에, 스프링의 자유 길이로부터 스프링이 변형되는 크기에 상관 없이, 스프링의 변형마다 변화되는 스프링 힘의 크기(즉, 스프링 상수)는 고정되어 있다. 필요로 하는 주기적인 (최대에서 최소) 스프링 변형 정도는 피스톤 조립체의 행정이 일정하다면 항상 일정하다는 것에 유의하여야 한다. 피스톤 행정이 일정하다고 하면, 평균 스프링 작동 길이 및 평균 스프링 힘이 스프링의 근위 단부 위치를 근위 방향 또는 원위 방향으로 이동시켜 조정될 수 있다 해도, 스프링 힘의 최대에서 최소의 변화는 각 사이클을 통해 일정하다. 이로 인해, 최대 스프링 힘 대 최소 스프링 힘의 비는 평균 스프링 압축 및 힘의 조정에 따라 변하게 된다. 스프링(508)의 평균 압축 및 힘이 낮은 분배 챔버(20)에서 평균 펌프 압력이 더 낮은 경우에, 상기 최대 스프링 힘 대 최소 스프링 힘의 비는 증가한다. 최소의 스프링 힘이 0으로 접근함에 따라, 상기 힘의 비는 무한대로 접근한다. 저장 챔버(22)의 액체 압력은 스프링 힘에 직접 비례하기 때문에, 상기 압력은, 펌프의 평균 유체 유입 및 유출 압력이 감소함에 따라, 피스톤 조립체의 주기적인 이동시의 모든 부분에서 변동의 정도가 더 크게 된다. 예를 들면, 유입 압력이 고정된 상태에서, 배출 압력이 강하되면 상기한 것과 같은 현상이 발생한다. 저장 챔버(22)에서의 현저한 압력 변동은 선형 모터로부터 최대 및 일정한 에너지 출력을 달성하는 데 해가 된다.

다른 한편으로, 에너지 저장 및 방출 매체로서 가스상 물질을 사용하는 것은 그 가스 저장량을 조정할 수 있는 그 융통성으로 인해 전술한 제한을 갖지 않는다. 가스상 물질의 저장부를 충전 또는 배기하면, 정격 체적에서 그 물질에 의한 힘 뿐만 아니라, "스프링 상수"도 변화된다. 그 결과, 체적의 주어진 주기적 변화에 대해, 피스톤 조립체에의 힘의 변화 및 그로 인한 피스톤의 근위 쪽에서의 압력 변화는 고정된 최대치 대 최소치의 비를 갖는다. 이는, 선형 모터로부터의 에너지 흐름이 피스톤 조립체의 각 이동 사이클에서 흡입 행정 및 분배 행정에 대해 보다 일정한 수준으로 유지되는 것을 보장해 준다. 이는 전체 펌프 장치의 최대 효율을 보장해 준다.

그러나, 펌프(500)는, 특히 어떤 특정 분야의 적용시에 이점이 있다는 것에 유의하여야 한다. 펌프(500)가 보다 좁은 범위의 유입 압력 및 유출 압력 범위 내에서 작동되는 것으로 제한된다고 하면, 전술한 바와 같이, 최종 구조는 비교적 콤팩트하고, 열구배를 보존하거나 임의의 에너지 저장 및 방출 매체에서의 가스 체적을 제어하기 위한 복잡한 제어 수단은 없다. 펌프(500)는 유입 압력 및 유출 압력이 매우 안정한 곳에 양호하게 적용될 수 있다. 또 다른 이점은, 상기 펌프는 임의의 위치에 장착될 수 있고, 상당한 정도의 가속 동작도 받을 수 있다는 것인데, 왜냐하면 자연적인 액체/가스 계면이 없기 때문이며, 이 계면은 붕괴되거나 붕괴될 수 있어 펌프에 의해 실린더의 근위측으로부터 가스가 방출되도록 한다.

주변 온도보다 높거나 낮은 온도 및 변화되는 상대 증기압에서 액체를 펌핑하기 위한 본 발명에 따른 펌프 구조에 대해 많은 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 작동 중에, 피스톤 조립체 위의 가스 체적을 적절히 확정하고 유지하는 것이 중요하며, 요구되는(예컨대, 극저온 액체를 펌핑할 때) 피스톤 실린더 내의 저장 챔버 및 분배 챔버 사이에 수용 가능한 열구배를 정하는 것이 중요하다.

상기한 내용으로부터, 본 발명의 왕복 펌프는 산업 공정에 사용하기에 적당하고, 자력선을 통해 피스톤 조립체를 구동하는 선형 모터 구동 장치의 독특한 협동을 이용하며, 밀폐식으로 밀봉된 기구를 유지하면서 에너지 저장 및 방출 매체(예컨대, 가스 체적)을 내장하거나, 에너지 저장 및 방출 매체(예컨대, 스프링)와 협력하도록 피스톤 조립체의 배면측에서 저장 챔버 내의 행정 체적을 폐쇄한다. 본 발명의 밀폐식으로 밀봉된 펌프에서 사용되는 선형 모터 구동 장치는 밀폐식으로 밀봉되지 않은 펌프에 사용되는 종래의 기계식 구동 장치, 예컨대 회전 운동을 직선 운동으로 전환하는 전환 기구가 마련된 회전 모터를 대체한다.

본 발명의 펌프는 극저온 및 비극저온 액체 모두를 펌핑하는 데 적용될 수 있다는 많은 이점이 있다. 본 발명의 모든 형태에 있어서, 펌프는 실온에서 또는 실온 부근에서 작동되게 설계되고 상업적으로 이용 가능한 선형 모터 구조를 사용할 수 있다. 펌핑할 액체가, 극저온 유체를 펌핑하는 경우와 같이, 펌핑부와 매우 근접한 부분에서 모터와의 커플링을 허용하지 않는 용례에 있어서, 본 발명은 단일 작동식의 피스톤 장치를 사용하고, 펌프를 선형 모터와 물리적으로 적절히 분리시킨다.

본 발명은 특히, 기존의 극저온 왕복 펌핑 기구에 비해 많은 이점을 갖고 있다. 더욱이, 이들 많은 이점은 전술한 바와 같이, 비극저온 펌핑에도 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 고정자와 전기자 사이에, 본 발명의 선형 모터에 원통형의 공기 간극을 정하는 기하 형태는 그 공기 간극에서 고정자의 보어에 비자기성 라이너를 부착할 수 있게 해준다. 이는 고정자 조립체를 전기자로부터 절연시키고, 이는 고정자 재료 및 구조를 선형 모터의 제조시에 제공되는 것과 같은, 표준의 것으로 할 수 있게 해준다. 달리 말하면, 상기한 것과 같은 절연에 의해, 액체 산소 또는 그 밖의 공격성 액체(aggressive liquid)에 대해 필요한 것과 같이 펌프 유체와 양립 가능한 재료 조건을 피할 수 있게 된다. 더욱이, 피스톤 조립체에 입력되는 일에 대한 힘의 인가는 고정자 라이너를 통해 작용하는 자력선에 의해 이루어지기 때문에, 상기 고정자 라이너는 펌프부의 압축된 액체 경계와 일체로 형성될 수 있고, 따라서 완전히 밀폐식으로 밀봉된 펌프 구조를 만들어 낼 수 있게 된다.

본 발명은 종래 기술과 달리, 피스톤의 배면측 또는 근위쪽에서 저장 챔버내의 압력을 상승시킴으로써 피스톤 밀봉 부재를 지나는 누설량을 매우 효과적으로 최소화한다. 이는 누설을 막는 피스톤 로드에 어떤 실질적인 해를 가하지 않은 채, 또는 피스톤 로드의 수명을 단축시키지 않은 채 달성할 수 있다. 왜냐하면, 펌프의 주변으로의 누설을 방지하기 위해, 종래의 펌프에 채용되었고 보통 과도한 마모를 받게 되는 동적 시일이 본 발명의 가장 바람직한 펌프 구조에서는 사용되지 않기 때문이다. 피스톤 시일의 누설은 본 발명의 펌프에서 두 방향이고, 그 펌프 내의 액체 저장부로부터 손실되지 않기 때문에, 그러한 시일의 구조는 다소 보다 큰 누설이 가능하게 하고, 이는 대응하여 시일 접촉부의 압력 감소에 의해, 펌핑된 액체에 들어가는 마찰열을 감소시키는 이점이 있다. 피스톤 시일 누설은 명목상의 펌프 체적 효율 손실을 나타낼 수 있기는 하지만, 보다 더 큰 이점은 펌핑된 스트림에의 열부하의 감소이고, 따라서 바람직하지 않은 증발을 감소시킨다는 것이다.

선형 자기 모터를 사용하는 본 발명의 왕복 펌프는, 일반적으로 고정된 피스톤 행정 길이 및 고정된 사인파형 이동을 통해 피스톤 로드 조립체를 왕복시키기 위하여 회전 운동을 직선 운동으로 전환시키는 기계식 전환 기구를 사용하는 종래의 왕복 펌프에 비해 상당한 이점을 제공한다. 본 발명의 펌프에 사용되는 선형 모터는 고정된 사인파형 이동에 대하여, 행정 길이를 조정할 수 있는 동작 및 프로그램 가능한 동작을 제공한다. 본 발명의 이러한 펌프 작동의 융통성은 펌프의 작동 전 또는 펌프가 실질적으로 사용되고 있는 중에 조정 가능하다. 피스톤 동작의 유입부에서의 피스톤 속도의 피크를 최소화하고, 흡입 및 배출 시간 주기가 같지 않도록 하는 것은 요구되는 전체 펌프 NPSH에 미치는 실린더 압력 감소를 제어함에 있어서 이점으로 고려된다. 이러한 속도 및 시간 제어는 종래의 기계식 전환 기구, 예컨대 종래의 펌프에서 통상 사용되는 슬라이더 크랭크 링크 장치로는 달성할 수 없다. 더욱이, 본 발명의 선형 모터 구동식 펌프에서 피스톤 조립체의 행정, 속도 및 이동을 조정할 수 있어, 현재의 극저온 왕복 펌프에서는 불가능한 여러 목적을 달성하기 위해 그러한 펌프를 사용할 수 있게 된다. 이것은 이론상, 본 발명의 펌프가 0% 내지 100%의 사이의 임의의 유량에서도 작동할 수 있다는 것으로서, 이는 종래의 구조에서는 달성할 수 없는 작동 양식이다. 특히, 종래의 왕복 펌프는 속도 안정화를 위해 플라이휠을 사용하고, 상기한 넓은 범위의 유량을 달성할 수 없다. 구체적으로 설명하면, 플라이휠은 속도에 의존하는 동력학에 기초하여 에너지를 저장한다. 본 발명은 속도와는 무관한 가스 압력 또는 그 밖의 탄성의 압축 또는 팽창 매체에 의해 에너지를 저장한다.

종래의 왕복 펌프는 설치부 및 펌프 베어링에 미치는 진동 효과를 제한하기 위하여, 전체 중량을 감소시키고자 하였다. 본 발명의 펌프는 보다 긴 행정 길이 및 보다 느린 주기율로 작동할 수 있다는 관점에서, 왕복 중량에 대한 제한은 완화된다. 이는 본 발명에 따른 극적온 펌프의 온난 단부와 저온 단부 사이의 길이를 증가시킬 수 있게 해주어, 펌프의 저온 단부 내로 열이 누출되는 것을 감소시킨다. 본 출원인은 이를 열역학적 펌프 효율 및 NPSH 조건의 감소라는 면에서 상당한 이점으로 고려하고 있으며, 이는 "일정한 저온 유지" 상태를 가능하게도 해준다. 이와 관련하여, 종래의 구조에서는 온난 단부에 비교적 밀접하게 커플링된 펌프 저온 단부가 있다. 따라서, 저온 단부는 펌프가 작동 정지된 후에 빨리 따뜻해진다. 이는 본 발명의 펌프에서는 경험할 수 없는 문제이다. 따라서, 종래의 펌프에서는 펌프의 운전 정지 기간이 몇 시간 이상이라면 재시동 전에 냉각 기간이 필요하다. 이는 펌프의 작동상 성가신 일이고, 냉각 과정 중에 일어나는 증발로 인해 제품을 손실을 나타낸다. 본 발명은 저장 액체가 펌프 흡입에 이용 가능한 채 남아 있는 한 상기 종래의 냉각 조건을 제거 또는 최소화한다. 냉각 대기 상태에서 수용 가능하게 작은 잔류 액체의 증발물은 극저온 액체 저장 탱크의 누손 체적부로 복귀되어 그 바람직한 이점을 유지한다.

본 발명의 또 다른 이점은 기계적 복잡성을 감소시키고, 이에 대응하여 유지 조건을 감소시킨다는 것이다. 전술한 바와 같이, 종래의 왕복 펌프와 비교하여, 본 발명의 펌프에는 크랭크 샤프트, 연결 로드, 피스톤 로드, 크로스 헤드, 리스트 핀(wrist-pin), 플라이휠, 벨트 및/또는 모터 풀리를 필요로 하지 않는 것을 비롯하여, 이동부의 수가 적다. 마찬가지로, 벨트 가드, 모터 장착부, 슬라이더, 크랭크 하우징, 주베어링, 샤프트 시일, 피스톤 로드 거리편, 피스톤 로드 패킹 및 로드 와이퍼 조립체와 같은 많은 부품들을 제거함으로써, 고정부의 수도 감소된다. 본 발명에 있어서, 상기 후자의 구성 요소는 전자 제어 및 전원 패키지로 대체되는데, 이는 그 대응되는 기계식 부품에 비해 유지 비용이 덜 소요된다.

추가의 상세한 설명 없이도, 전술한 내용에 의해 본 발명이 완전히 설명되었지만, 본 발명은 현재 또는 향후의 지식을 적용하여, 여러 사용 조건 하에서 사용되도록 변형될 수 있다.

본 발명의 왕복 펌프는 종래의 왕복 펌프에 비해 열역학적 펌프 효율 및 NPSH 조건 면에서 상당한 이점을 제공하며, 기계적 복잡성 및 유지 조건도 감소시킨다. 또한, 종래 기술에 비해 부품의 수도 감소된다.

Claims

액체를 펌핑하는 왕복 펌프로서,

양단부가 있는 폐쇄형 내부 격실을 제공하는 외벽을 포함하는 실린더와;

피스톤 조립체로서, 분배 단부와, 이와 반대쪽의 단부가 마련되어 있고, 상기 폐쇄형 내부 격실의 양단부 사이에서 피스톤 조립체 및 실린더의 중앙축을 따라 양직선 방향으로 이동할 수 있게 상기 격실 내부에 이동 가능하게 장착되는 피스톤 조립체와;

상기 피스톤 조립체와 실린더 사이에 마련되어, 상기 피스톤 조립체가 상기 밀폐형 내부 격실의 양단부 사이에서 양직선 방향으로 이동할 때 상기 피스톤 조립체와 상기 실린더 사이에 동적 유체 시일을 유지하고 상기 내부 격실을 분배 챔버와 저장 챔버로 분할하며, 상기 피스톤 조립체의 분배 단부는 상기 피스톤 조립체가 상기 양직선 방향으로 이동하는 중에 분배 챔버 내에 유지되는, 밀봉 부재와;

상기 피스톤 조립체를 흡입 행정을 통해 한 직선 방향으로 구동시키는 자력과, 상기 피스톤 조립체를 분배 행정을 통해 다른 직선 방향으로 구동시키는 자력을 발생시키는 선형 자기 구동부와;

상기 내부 격실의 분배 챔버와 연통되어, 상기 피스톤 조립체가 액체를 수용하는 흡입 행정을 통해 상기 한 직선 방향으로 행정 체적을 통과하여 이동할 때 상기 분배 챔버의 체적부를 충전하도록 액체를 상기 분배 챔버 내로 향하게 하는 밸브 제어식 유입 도관과;

상기 내부 격실의 분배 챔버와 연통되어, 상기 피스톤 조립체가 액체 분배 행정을 통해 상기 한 직선 방향과 반대 방향의 직선 방향으로 행정 체적을 통과하여 이동할 때, 펌핑된 액체를 상기 분배 챔버 밖으로 향하게 하는 밸브 제어식 유출 도관과;

상기 선형 자기 구동부에 의해 상기 피스톤 조립체에 부여되는 자력에 의하여 피스톤 조립체가 흡입 행정을 통해 흡입 행정 방향으로 이동함으로써 생기는 에너지를 저장하고, 상기 저장된 에너지의 방출 및 상기 선형 자기 구동부에 의해 제공되는 자력에 의해 제공되는 합력에 의해 상기 피스톤 조립체가 분배 행정을 통해 분배 행정 방향으로 이동될 때 상기 저장된 에너지를 상기 피스톤 조립체에 방출하는 에너지 저장 및 방출 매체

를 포함하는 왕복 펌프.
청구항 1에 있어서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 저장 챔버를 적어도 부분적으로 채우는 왕복 펌프.
청구항 1에 있어서, 상기 왕복 펌프는 밀폐식으로 밀봉된 것인 왕복 펌프.
청구항 2에 있어서, 상기 왕복 펌프는 밀폐식으로 밀봉된 것인 왕복 펌프.
청구항 1에 있어서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 흡입 행정을 통한 피스톤 조립체의 이동에 따른 에너지를 저장하도록 탄성적으로 압축 또는 팽창 가능한 것인 왕복 펌프.
청구항 2에 있어서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 가스상 물질을 포함하는 왕복 펌프.
청구항 6에 있어서, 상기 피스톤 조립체가 상기 흡입 행정에서 이동함으로써 유래되는 에너지를 저장하고, 상기 피스톤 조립체가 상기 분배 행정에서 이동될 때 상기 저장된 에너지를 상기 피스톤 조립체에 방출하는 추가의 에너지 저장 및 방출 수단을 더 포함하는 왕복 펌프.
청구항 6에 있어서, 상기 가스상 물질은 비응축성이고 펌핑할 액체의 증기가 아니며, 상기 가스상 물질을 상기 펌프로부터 공급 및 배출하는 수단과, 상기 펌프 내에 원하는 가스 저장량을 유지하는 제어 수단을 포함하는 왕복 펌프.
청구항 6에 있어서, 상기 가스상 물질은 펌핑할 액체의 증기에 의해 부분적으로 구성되고, 펌핑할 액체의 증기가 아닌 비응축성 가스에 의해 부분적으로 구성되며, 상기 제어된 양의 비응축성 가스를 상기 펌프에 공급 및 배출하는 수단을 포함하는 왕복 펌프.
청구항 6에 있어서, 상기 피스톤 조립체는 이 조립체가 상기 흡입 행정 및 분배 행정을 통해 이동될 때 피스톤 조립체의 상기 반대쪽 단부에 의해 차지되는 영역에서 상기 저장 챔버가 실질적으로 가스상 물질로 충전되도록 상기 실린더 내에 배치되는 왕복 펌프.
청구항 10에 있어서, 상기 가스상 물질은 오로지 펌핑할 액체의 증기로만 구성되는 왕복 펌프.
청구항 10에 있어서, 액화 가스를 펌핑하며, 상기 실린더는 상기 분배 챔버의 영역에 상기 펌핑할 액체를 원하는 저온의 온도로 유지하여 액체 상태를 유지하는 단열 수단과; 상기 저장 챔버의 영역에 상기 저장 챔버를 원하는 온난 온도로 유지하여 상기 저장 챔버 체적의 적어도 일부를 가스상 상태로 유지하는 가열 수단을 포함하며, 상기 저장 챔버의 가스 압력은 그 가스의 임계 압력 미만으로 유지되는 왕복 펌프.
청구항 10에 있어서, 극저온 액화 가스를 펌핑하며, 상기 실린더는 상기 분배 챔버의 영역에 상기 펌핑할 액체를 원하는 저온의 온도로 유지하여 상기 액체 상태를 유지하는 단열 수단과; 상기 저장 챔버의 영역에 상기 저장 챔버를 원하는 온난 온도로 유지하여 상기 저장 챔버 체적의 적어도 일부를 가스상 상태로 유지하는 가열 수단을 포함하며, 상기 저장 챔버의 가스 압력은 실질적으로 그 가스의 임계 압력 이하로 유지되는 왕복 펌프.
청구항 1에 있어서, 상기 자기 구동부는, 전자 전원 장치와, 이 전원 장치의 동작을 제어하여 상기 피스톤 조립체의 이동을 조정 가능하게 제어하는 프로그램 가능한 마이크로 프로세서를 포함하는 다중 위상 선형 모터인 왕복 펌프.
청구항 14에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서는, 상기 피스톤 조립체의 양직선 방향으로의 이동 경로 전체에 걸쳐서 그 주기적 동작의 매시점에서, 상기 피스톤 조립체의 각 직선 방향으로의 행정 길이와, 상기 피스톤 조립체의 각 직선 방향으로의 행정 시간 주기와, 피스톤 조립체의 위치, 속도 및 가속도를 포함하는 피스톤 조립체의 왕복 운동의 주기 속도를 제어하도록 상기 전원 장치의 동작을 조정 가능하게 제어할 수 있는 것인 왕복 펌프.
청구항 14에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서는 상기 피스톤 조립체의 연속되는 사이클 사이에 동작 지체 시간을 제공하도록 피스톤 조립체의 동작을 조정 가능하게 제어하며, 상기 각 사이클에는 피스톤 조립체의 흡입 행정과 분배 행정이 포함되는 것인 왕복 펌프.
청구항 14에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서는 상기 피스톤 조립체의 임의의 사이클 내의 하나 이상의 여러 위치에서 동작 시체 시간을 제공하도록 피스톤 조립체의 동작을 조정 가능하게 제어하고, 상기 각 사이클에는 피스톤 조립체의 흡입 행정과 분배 행정이 포함되는 것인 왕복 펌프.
청구항 14에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서에 전기 피드백 신호를 제공하는 피스톤 조립체 위치 센서를 더 포함하는 왕복 펌프.
청구항 14에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서는 상기 흡입 행정 동안의 상기 피스톤 조립체의 이동의 지속 시간과, 상기 분배 행정 동안의 상기 피스톤 조립체의 이동의 지속 시간을 조정 가능하게 제어하는 왕복 펌프.
청구항 19에 있어서, 상기 프로그램 가능한 마이크로 프로세서는 상기 흡입 행정 동안의 상기 피스톤 조립체의 이동의 지속 시간을 상기 분배 행정 동안의 피스톤 조립체의 이동의 지속 시간보다 작도록 조정 가능하게 제어하는 왕복 펌프.
청구항 1에 있어서, 상기 선형 자기 구동부에는 고정자와 전기자가 포함되고, 상기 고정자는 상기 실린더의 외측 부근에 위치하고 상기 전기자는 상기 실린더 내부의 피스톤 조립체 상에 위치하는 왕복 펌프.
청구항 2에 있어서, 상기 선형 자기 구동부에는 고정자와 전기자가 포함되고, 상기 고정자는 상기 실린더의 외측 부근에 위치하고 상기 전기자는 상기 실린더 내부의 상기 피스톤 조립체 상에 위치하는 왕복 펌프.
청구항 2에 있어서, 상기 펌프에 액체를 공급하는 상기 밸브 제어식 유입 도관과 연통되는 액체 섬프를 더 포함하는 왕복 펌프.
청구항 23에 있어서, 상기 액체 섬프는 상기 액체로 완전히 충전되는 왕복 펌프.
청구항 23에 있어서, 상기 액체 섬프는 상기 액체에 의해 부분적으로 충전되고, 그 내부에 압축성 매체를 갖는 누손 공간을 포함하는 왕복 펌프.
청구항 25에 있어서, 상기 누손 공간은 반(反)대류 및 반전도 성질이 있는 단열부를 포함하는 왕복 펌프.
청구항 25에 있어서, 상기 액체 섬프 내의 액체를 원하는 높이로 유지하는 것을 도와주는 열전도성 요소를 포함하는 왕복 펌프.
청구항 25에 있어서, 상기 액체 섬프는 배기 라인, 밸브 및 상기 섬프 내의 액체를 원하는 높이에 유지하도록 상기 밸브를 작동시키는 액체 플로트를 포함하는 왕복 펌프.
청구항 25에 있어서, 상기 펌프로부터의 배출부를 제거 가능한 밀봉 연결부를 통해 상기 섬프의 바닥벽 부분에 연결하는 도관 수단을 포함하는 왕복 펌프.
청구항 25에 있어서, 상기 상기 펌프로부터의 배출부를 상기 섬프의 누손 공간을 통해 연결하는 도관 수단을 포함하는 왕복 펌프.
청구항 1에 있어서, 상기 저장 챔버에는 벨로우즈부가 포함되고, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 벨로우즈부와 연통되며, 상기 벨로우즈부는 상기 피스톤 조립체의 흡입 행정에 의해 이동되어 상기 에너지 저장 및 방출 매체에 에너지를 저장하는 왕복 펌프.
청구항 31에 있어서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 벨로우즈부를 충전하는 가스상 물질이고, 상기 벨로우즈부는 상기 저장 챔버 내에 위치되는 부재인 왕복 펌프.
청구항 31에 있어서, 상기 벨로우즈부는 상기 저장 챔버의 단부 부분이고, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 상기 벨로우즈부의 외벽과 맞물리는 왕복 펌프.
청구항 33에 있어서, 상기 벨로우즈부는 액체로 충전되는 왕복 펌프.
(a) 양단부가 폐쇄되어 있는 피스톤 실린더의 폐쇄형 내부 격실에서 왕복 이동하도록 장착되고 분배 단부와 이와 반대의 단부가 있는 피스톤 조립체를 포함하는 펌프를 제공하는 단계와;

(b) 전기자와 고정자를 포함하며, 상기 고정자는 전기자 부근에 위치하고 전기자는 상기 고정자와 협동하도록 상기 피스톤 조립체 상에 장착되는 선형 자기 구동부를 제공하는 단계와;

(c) 상기 피스톤 조립체를 흡입 행정을 통해 한 직선 방향으로 구동시키는 자력과, 상기 피스톤 조립체를 분배 행정을 통해 다른 직선 방향으로 구동시키는 자력을 발생시키도록 상기 고정자에 변조 전류를 제공하는 단계와;

(d) 상기 내부 격실을 분배할 액체를 내장하는 분배 챔버와 저장 챔버로 분할하는 밀봉 부재를 상기 피스톤 조립체와 피스톤 실린더 사이에 제공하여, 상기 피스톤 조립체의 전체 선형 분배 행정 및 복귀 행정 중에 상기 피스톤 조립체와 피스톤 실린더 사이에 시일을 유지하는 단계와;

(e) 상기 피스톤 조립체를 흡입 행정을 통해 자력에 의해 이동시켜, 펌핑할 액체를 분배 챔버 내로 도입하는 단계와;

(f) 상기 실린더 내의 액체를 상기 밀봉 부재의 하측면과 상기 피스톤 조립체의 분배 단부가 상기 피스톤 조립체의 분배 행정 및 흡입 행정의 길이 전체에 걸쳐 액체 내부에 유지되도록 하는 수위로 유지하는 단계와;

(g) 상기 피스톤 조립체가 흡입 행정을 통해 자력에 의해 이동될 때 에너지를 저장하고, 상기 피스톤 조립체가 분배 행정을 통해 상기 저장된 에너지의 방출 및 상기 선형 자기 구동부에 의해 상기 피스톤 조립체에 부여되는 자력에 의해 제공되는 합력에 의해 분배 행정 방향으로 이동될 때 상기 저장된 에너지를 상기 피스톤 조립체에 방출하는 위치에 에너지 저장 및 방출 매체를 제공하는 단계

를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 35에 있어서, 상기 내부 격실의 저장 챔버에 상기 에너지 저장 및 방출 매체를 제공하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 35에 있어서, 프로그램 가능한 마이크로 프로세서에 의해 제어되는 전자 전원 장치를 통해 선형 이동 자장을 발생시키는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 35에 있어서, 상기 실린더 내부에 상기 피스톤 조립체의 위치를 결정하는 단계와, 이러한 결정에 응답하여 상기 선형 이동 자장을 제어하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 35에 있어서, 고정자와 전기자를 사용하는 선형 자기 구동부로 상기 선형 이동 자장을 발생시키는 단계를 포함하며, 상기 고정자는 상기 펌프의 피스톤 실린더 외측 부근에 위치하고, 상기 전기자는 상기 피스톤 실린더의 외벽이 배치되는 전기자의 외면과 고정자의 내면 사이에 공기 간극을 형성하도록 상기 피스톤 실린더 내부의 피스톤 조립체 상에 위치하는 액체 펌핑 방법.
청구항 36에 있어서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체는 가스상 물질을 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 40에 있어서, 상기 펌프의 작동 중에 상기 저장 챔버 내의 액체와 가스상 물질 사이에, 형성된 액체/증기 계면을 형성하여 유지하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 40에 있어서, 상기 피스톤 조립체의 반대쪽 단부가 상기 피스톤 조립체의 분배 행정 및 흡입 행정 전체에 걸쳐 상기 가스상 물질 내에 있도록 하는 수위로 상기 저장 챔버를 가스상 물질로 충전하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 40에 있어서, 상기 가스상 물질은 비응축성이고 펌핑할 액체의 증기가 아니며, 상기 제어된 양의 비응축성 가스상 물질을 상기 펌프에 공급 및 배출하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 40에 있어서, 상기 가스상 물질은 펌핑할 액체의 증기인 액체 펌핑 방법.
청구항 40에 있어서, 상기 가스상 물질은 펌핑할 액체로부터의 증기에 의해 부분적으로 구성되고, 펌핑할 액체의 증기가 아닌 비응축성 가스에 의해 부분적으로 구성되며, 상기 제어된 양의 비응축성 가스를 상기 펌프에 공급 및 배출하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 35에 있어서, 상기 펌핑 작동 중에 상기 선형 이동 자장을 변조하여 상기 피스톤 조립체의 이동을 변화시키는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 46에 있어서, 상기 피스톤 조립체의 동작을 변화시키는 것은, 각 직선 방향으로의 피스톤 조립체의 행정 길이와, 각 직선 방향으로의 피스톤 조립체의 행정의 시간 주기와, 상기 피스톤 조립체의 위치, 속도 및 가속도를 포함하는 피스톤 조립체의 왕복 운동의 주기적 속도 중 적어도 하나를 양 직선 방향으로의 피스톤 조립체의 전체 경로에 걸쳐 주기적인 작동의 매 시점에서 변화시키는 것을 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 47에 있어서, 상기 분배 행정 및 흡입 행정에 대해 각각 다른 지속 시간을 제공하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 47에 있어서, 상기 피스톤 조립체의 연속되는 왕복 사이클 사이에 동작 지체 시간을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 각 왕복 사이클에는 분배 행정과 흡입 행정이 포함되는 액체 펌핑 방법.
청구항 47에 있어서, 상기 피스톤 조립체의 임의의 사이클 내의 하나 이상의 여러 위치에서의 동작 지체 시간을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 각 사이클에는 하나의 분배 행정과 하나의 흡입 행정이 포함되는 액체 펌핑 방법.
청구항 35에 있어서, 펌핑할 액체를 액체 섬프로부터 상기 피스톤 실린더 내로 제공하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 51에 있어서, 상기 액체 섬프 내의 액체 수위를 원하는 높이로 유지하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 51에 있어서, 상기 액체 섬프를 펌핑할 액체에 의해 부분적으로 충전하고, 상기 섬프 내의 누손 공간에 압축성 매체를 포함하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 36에 있어서, 상기 펌핑할 액체를 원하는 저온의 온도로 유지하도록 상기 분배 챔버의 영역에서 상기 펌프의 외측 실린더를 단열하고, 상기 저장 챔버의 임의의 영역을 원하는 온난 온도로 유지하도록 상기 저장 챔버의 상기 영역을 가열하며, 상기 저장 챔버의 가스 압력을 그 가스의 임계 압력 미만으로 유지하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 54에 있어서, 상기 펌핑할 액체는 액화 가스인 액체 펌핑 방법.
청구항 54에 있어서, 상기 펌핑할 액체는 극저온 액화 가스인 액체 펌핑 방법.
청구항 36에 있어서, 상기 펌핑할 액체를 원하는 저온의 온도로 유지하도록 상기 분배 챔버의 영역에서 상기 펌프의 외측 실린더를 단열하고, 상기 저장 챔버의 임의의 영역을 원하는 온난 온도로 유지하도록 상기 저장 챔버의 상기 영역을 가열하며, 상기 저장 챔버의 가스 압력을 그 가스의 임계 압력 이하로 유지하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 57에 있어서, 상기 펌핑할 액체는 액화 가스인 액체 펌핑 방법.
청구항 57에 있어서, 상기 펌핑할 액체는 극저온 액화 가스인 액체 펌핑 방법.
청구항 35에 있어서, 상기 저장 챔버 내에 벨로우즈부를 제공하고, 상기 흡입 행정을 통한 상기 피스톤 조립체의 이동에 의해 상기 벨로우즈부가 상기 에너지 저장 및 방출 매체에 에너지를 저장하도록 상기 벨로우즈부와 상기 에너지 저장 및 방출 매체를 서로 통하게 하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 60에 있어서, 상기 저장 챔버 내에 상기 벨로우즈부를 위치시키고, 상기 벨로우즈부를 가스상 물질로 채우는 단계를 포함하며, 상기 가스상 물질은 상기 에너지 저장 및 방출 매체인 액체 펌핑 방법.
청구항 60에 있어서, 상기 벨로우즈부를 상기 저장 챔버의 단부 부분으로서 제공하고, 상기 벨로우즈부의 외벽이 상기 에너지 저장 및 방출 매체와 맞물리게 하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 62에 있어서, 상기 에너지 저장 및 방출 매체로서 스프링 부재를 제공하는 단계를 포함하는 액체 펌핑 방법.
청구항 62에 있어서, 상기 벨로우즈부를 액체로 충전하는 액체 펌핑 방법.
청구항 6에 있어서, 액화 가스를 펌핑하며, 상기 실린더는 펑핑할 액체를 원하는 저온 온도로 유지하여 상기 액체 상태를 유지하도록 상기 분배 챔버의 한 영역에 단열 수단과, 상기 저장 챔버를 원하는 온난 온도로 유지하여 저장 챔버 제적의 적어도 일부를 가스 상태로 유지하도록 상기 저장 챔버의 한 영역에 가열 수단을 포함하는 왕복 펌프.
청구항 65에 있어서, 상기 액화 가스는 극저온 액화 가스인 왕복 펌프.
청구항 65에 있어서, 상기 저장 챔버의 압력은 그 챔버 내에 있는 가스의 임계 압력 미만으로 유지되는 왕복 펌프.
청구항 65에 있어서, 상기 저장 챔버의 압력은 실질상, 그 챔버 내에 있는 가스의 임계 압력 이상으로 유지되는 왕복 펌프.