KR100582884B1 - 써멀 액츄에이션 펌프 - Google Patents

써멀 액츄에이션 펌프 Download PDF

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Abstract

구조가 간단하면서도 에너지를 절감할 수 있는 써멀 액츄에이션 펌프가 개시된다. 본 발명에 의한 써멀 액츄에이션 펌프는, 각각 적어도 하나의 작동유체 유입구 및 유출구를 가지는 제1챔버 및 제2챔버; 상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 사이에 개재되며, 공급되는 전류의 방향에 따라 일면은 냉각되고 타면은 가열되어 상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 압력을 변화시키는 열전소자;를 포함한다.
열전소자, 펠티어 효과, 멤브레인, 펌프, 써멀

Description

써멀 액츄에이션 펌프{Thermal actuation pump}
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 써멀 액츄에이션 펌프를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 1b는 도 1a의 A부분에 대한 상세도,
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 써멀 액츄에이션 펌프의 동작을 설명하기 위한 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 써멀 액츄에이션 펌프를 개략적으로 나타낸 단면도, 그리고,
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 써멀 액츄에이션 펌프의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100...하우징 120...제1챔버
140...제2챔버 160...열전소자
200...제어부 300,400...멤브레인
본 발명은 유체를 이동시키는 펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전 소자를 이용한 써멀 액츄에이션 펌프에 관한 것이다.
최근에 마이크로 머시닝(Micro-machining) 기술의 비약적인 발전은 다양한 기능을 하는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS:Micro Electro Mechanical System)의 개발을 가능하게 하였다. 이러한 MEMS 장치들은 크기, 비용 및 신뢰성의 관점에서 많은 장점을 가지고 있으므로 광범위한 적용예를 위해 개발되고 있다.
특히, 유체시스템을 초소형화시켜 하나의 칩상에 구현하려는 연구가 진행되고 있으며, 이처럼 초소형화된 유체시스템에는 작동유체를 유동시키는 마이크로 펌프가 기본요소로서 사용되고 있다.
상기와 같은 마이크로 펌프의 일예로 써멀 액츄에이션 펌프가 있다. 통상적으로 써멀 액츄에이션 펌프는 유입구와 유출구를 가지는 챔버와, 상기 챔버를 가열 시키기 위한 히터등의 발열체로 구성된다. 상기와 같은 구성을 가지는 써멀 액츄에이션 펌프를 구동시키기 위해서, 상기 발열체에 전원을 인가한다. 그러면, 챔버 내부의 기체는 가열되어 팽창된다. 그러면, 상기 챔버 내부의 압력이 상승하게 되어 상기 챔버 내부의 기체는 상기 유출구를 통하여 외부로 유출된다. 그리고, 상기 발열체를 냉각시켜서, 챔버 내부의 기체를 수축시키면 챔버 내부의 압력이 낮아져서 외부의 기체가 상기 챔버 내부로 유입된다.
그러나, 가열된 발열체를 냉각시키기 위해서는, 히트싱크등의 별도의 냉각장치가 필요하다. 이러한 냉각장치를 소형 펌프에 구성하는 것이 어려울 뿐만 아니라 구성이 복잡해진다는 단점이 있다. 또한, 발열체에 발열된 열을 다시 이용하지 못하고 상기 히트싱크등을 통하여 소진시키므로서 에너지의 손실이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 구조가 간단하면서도 에너지 손실을 줄일 수 있는 써멀 액츄에이션 펌프를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 써멀 액츄에이션 펌프는, 각각 적어도 하나의 작동유체 유입구 및 유출구를 가지는 제1챔버 및 제2챔버; 및 상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 사이에 개재되며, 공급되는 전류의 방향에 따라 일면은 냉각되고 타면은 가열되어 상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 압력을 변화시키는 열전소자;를 포함한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 유입구 및 상기 유출구에는 체크밸브가 설치되고, 상기 제1 및 제2챔버에 대한 온도, 압력, 또는 전류를 공급한 시간등의 정보에 따라 상기 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 제어하는 제어부가 마련된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제1챔버와 상기 제2챔버 중 적어도 어느 하나의 챔버를 작동유체챔버와 구동유체챔버로 구획하는 멤브레인이 설치된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 써멀 액츄에이션 펌프는, 하우징(100)과, 상기 하우징(100)에 상하로 배치된 제1챔버(120) 및 제2챔버(140)와, 상기 제1챔버(120)와 상기 제2챔버(140) 사이에 위치하도록 상기 하우 징(100)에 설치되는 열전소자(160)와, 상기 열전소자(160)에 전원을 공급하기 위한 전원공급부(180)와, 제어부(200)를 포함한다.
상기 제1챔버(120)와 상기 제2챔버(140)는 작동유체가 유입 및 유출될 수 있도록 각각 유입구(122a,142a) 및 유출구(122b,142b)를 가진다. 또한, 상기 유입구(122a,142a) 및 유출구(122b,142b)에는 작동유체가 일방향으로만 유동될 수 있도록 하기 위한 체크밸브(124a,124b,144a,144b)가 각각 설치된다. 또한, 상기 제1 및 제2챔버(120,140) 각각에는 센서(126,146)가 설치되어 상기 제1 및 제2챔버(120,140)에 대한 온도, 압력등을 센싱하도록 되어 있다.
상기 열전소자(160)는 상기 제1챔버(120) 측으로 배치되는 제1플레이트(162)와, 상기 제2챔버(140) 측으로 배치되는 제2플레이트(164)와, 상기 제1플레이트(162)와 상기 제2플레이트(164)의 사이에 개재되는 반도체층(166)을 포함한다. 상기 반도체층(166)에는 전원공급부(180)가 연결되어 전류가 공급되며, 공급된 전류의 방향에 따라 상기 제1 및 제2플레이트(162,164)를 선택적으로 가열 또는 냉각시킨다. 이른바, 열전소자(160)의 펠티어 효과(Peltier effect)가 발생한다. 예컨데, 상기 반도체층(166)에 전원을 인가하면, 상기 제1플레이트(162)를 냉각시키고, 상기 제1플레이트(162)로부터 흡수한 열을 제2플레이트(164)로 전달하여 제2플레이트(164)를 가열시키게 된다. 그리고, 전원공급부(180)의 전류 방향을 반대로 바꾸는 경우, 상기와 반대로 가열 및 냉각이 이루어진다. 이러한 열전소자(160)는 이미 공지된 기술로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제어부(200)는 상기 센서(126,146)로부터 감지된 데이타를 비교 판단하 여 상기 전원공급부(180)의 전류 방향 및 전원 공급여부를 결정한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 써멀 액츄에이션 펌프의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전원공급부(180)는 열전소자(160)에 전원을 공급한다. 그러면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 열전소자(160)는 제1챔버(120)의 열을 흡수하고 제2챔버(140)에 열을 방출한다. 따라서, 제1챔버(120) 내부의 기체는 냉각(C)되어 수축하게 되고 제1챔버(120)는 외부보다 낮은 압력을 가지게 된다. 따라서, 제1유입구(112a)에 설치된 체크밸브(124a)가 외부와 제1챔버(120) 내부의 압력차에 의해 개방되어 외부의 기체가 제1유입구(122a)를 통하여 상기 제1챔버(120)내부로 유입된다. 그리고, 제2챔버(140) 내부의 기체는 가열(H)되어 팽창하게 되고 제2챔버(140)는 외부보다 높은 압력이 형성된다. 따라서, 제2유출구(142b)에 설치된 체크밸브(144b)가 개방되고 제2챔버(140) 내부의 기체는 제2유출구(142b)를 통하여 외부로 유출된다.
다음으로, 센서(126,146)가 상기 제1챔버(120) 및 제2챔버(140)로부터 감지한 온도, 압력 또는 전원을 인가한 시간등의 정보가 제어부(200, 도 1a 참조)로 전송된다. 그리고, 제어부(200, 도 1a 참조)는 기설정된 온도, 압력, 시간등의 정보와 상기 제어부(200, 도 1a 참조)로 전송된 정보를 비교하여 상술한 행정이 종료되었는지를 판단한다. 그리고, 상술한 행정이 종료되지 않은 경우, 상기 전원공급부(180)는 계속 동일한 방향의 전류를 열전소자(160)에 공급하게 되고, 상술한 행정이 종료된 경우, 펌프작업이 종료되었는지를 판단한다.
펌프작업이 종료되지 않은 경우, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제어부(200, 도 1a 참조)는 전원공급부(180)를 제어하여 열전소자(160)에 공급되는 전류 방향을 바꾼다. 그러면, 열전소자(160)는 가열되어 있는 제2챔버(140)의 열을 흡수하고 냉각되어 있는 제1챔버(120)에 열을 방출한다. 이에 의해, 제2챔버(140) 내부의 기체는 냉각(C)되어 수축되고 상기 제2챔버(140)는 외부보다 압력이 낮아진다. 따라서, 외부의 기체가 제2유입구(142a)를 통하여 유입된다. 그리고, 제1챔버(120) 내부의 기체는 가열(H)되어 팽창되고 상기 제1챔버(120)는 외부보다 높은 압력을 가지게 된다. 따라서, 제1챔버(120) 내부의 기체는 제1유출구(122b)를 통하여 외부로 유출된다. 이처럼, 제2챔버(140)를 냉각시키기 위해 제2챔버(140)로부터 흡수한 열을 제1챔버(120)로 이동시켜 제1챔버(120)를 가열시키므로서, 상기 제2챔버(140) 내부에 발생된 열을 다시 이용할 수 있게 된다. 그리고, 상기와 반대로 열이 이동되는 경우도 마찬가지로 발생된 열을 다시 이용할 수 있게 된다. 따라서, 펌프를 구동시키기 위한 에너지 소비를 줄일 수 있게 된다. 또한 , 간단한 구성으로 두개의 챔버(120,140)를 동시에 구동시키므로서 보다 효율적으로 펌핑작업을 수행할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 써멀 액츄에이션 펌프의 단면도이다. 이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 단, 본 발명의 일 실시예와 동일한 부재에 대하여는 동일한 참조부호를 부여한다. 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 써멀 액츄에이션 펌프는, 멤브레인(300,400)이 제1챔버(120)와 제2챔버(140) 각각에 설치되어 상기 제1 및 제2챔버(120,140) 각각을 두개의 챔버(120a,120b)(140a,140b)로 나눈다. 상기 멤브레인(300,400)에 의해 구분되는 챔버(120a,120b)(140a,140b)중 열전소자(160) 방향에 형성된 챔버(120a,140a)에는 펌핑되는 작동유체를 구동시키기 위한 구동유체가 충전될 수 있다. 이러한 구동유체는 열에 의해 그 부피가 쉽게 변하는 공기와 같은 기체상태의 유체인 것이 바람직하다. 또한, 유입구(122a,142a) 및 유출구(122b,142b) 방향의 챔버(120b,140b)는 작동유체가 유입 및 배출될 수 있는 작동유체챔버(120b,140b)이다. 작동유체는 액체 또는 기체일 수 있다. 그리고, 상기 멤브레인(300,400)은 구동유체챔버(120a,140a)와 작동유체챔버(120b,140b) 사이에 기밀을 유지할 수 있도록 하우징(100)에 설치된다. 따라서, 작동유체와 구동유체가 직접 접촉 혼합되는 경우가 발생하지 않아 작동유체가 상기 구동유체에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 의한 써멀 액츄에이션 펌프의 동작을 설명한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 우선, 열전소자(160)에 전원을 인가하면, 제1챔버(120)의 제1구동유체챔버(120a)는 가열된다. 제1구동유체챔버(120a)가 가열되면, 구동유체는 팽창하여 제1멤브레인(300)을 팽창시킨다. 제1멤브레인(300)이 팽창하면, 상기 제1챔버(120)의 제1작동유체챔버(120b)는 부피가 줄어들게, 제1작동유체챔버(120b)에 유입된 작동유체는 제1유출구(122b)를 통하여 외부로 방출된다. 그리고, 제2챔버(140)의 제2구동유체챔버(140a)는 냉각되어 구동유체가 수축하게 되며 제2구동유체챔버(140a) 내부의 압력이 낮아진다. 따라서, 제2멤브레인(400)은 수축되는 방향으로 변형되고, 제2작동유체챔버(140b)는 그 부피가 늘어나서 압력이 낮 아진다. 따라서, 외부의 작동유체가 제2작동유체챔버(140b) 내부에 유입되게 된다.
그리고, 상기 행정이 종료되면, 제어부(200, 도 4참조)는 전원공급부(180)를 제어하여 열전소자(160)로 전달되는 전류의 방향을 바꾸게 된다. 그러면, 상기 제1챔버(120)와 상기 제2챔버(140)의 상기한 바와 반대되는 공정이 수행된다. 즉, 제1구동유체챔버(120a)가 수축되어 제1멤브레인(300)을 수축시켜 제1작동유체챔버(120b)에 외부의 작동유체가 제1유입구(122a)를 통하여 유입된다. 또한, 제2구동유체챔버(140a)가 팽창되고 제2멤브레인(400)이 팽창되어 제2작동유체챔버(140b)에 유입된 작동유체를 제2유출구(142b)를 통하여 유출시킨다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 제1챔버와 제2챔버 사이에 열전소자를 배치하므로서 간단한 구조로 2개의 챔버를 동시에 구동시킬 수 있어 펌핑작업의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 하나에 전달된 열을 소진시키지 않고, 다른 챔버에 전달하므로서 펌프를 구동시키는 에너지의 소비를 줄일 수 있게 된다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (7)

  1. 각각 적어도 하나의 작동유체 유입구 및 유출구를 가지는 제1챔버 및 제2챔버;
    상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 사이에 개재되며, 공급되는 전류의 방향에 따라 일면은 냉각되고 타면은 가열되어 상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 압력을 변화시키는 열전소자;
    상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 온도 또는 압력을 센싱하기 위한 센서;
    상기 열전소자에 전원을 인가하기 위한 전원공급부; 및
    상기 전원공급부에 의해 상기 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 써멀 액츄에이션 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입구 및 상기 유출구에는 체크밸브가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 써멀 액츄에이션 펌프.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 챔버의 온도, 압력, 작동시간 중 적어도 어느 하나의 정보를 이용하여 전류의 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 써멀 액츄에이션 펌프.
  5. 제 1항, 제 2항, 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1챔버와 상기 제2챔버 중 적어도 어느 하나의 챔버를 작동유체챔버와 구동유체챔버로 구획하는 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 써멀 액츄에이션 펌프.
  6. 제1항, 제 2항, 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1챔버와 상기 제2챔버를 각각 작동유체챔버와 구동유체챔버로 구획하는 제1 및 제2멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 써멀 액츄에이션 펌프.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 구동유체챔버에는 기체상태의 구동유체가 충전되는 것을 특징으로 하는 써멀 액츄에이션 펌프.
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