KR100582886B1 - 마이크로 멤브레인 펌프 - Google Patents

마이크로 멤브레인 펌프 Download PDF

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Abstract

유체를 이동시키는 마이크로 멤브레인 펌프가 개시된다. 개시된 본 발명에 의한 마이크로 멤브레인 펌프는, 유체 유입실 및 유체 유출실로 구획된 펌프 하우징, 펌프 하우징에 설치되며, 상기 유체 유입실에 대응하는 다수의 중간유입개구 및 상기 유체 유출실에 대응하는 다수의 중간유출개구가 형성된 벨브 플레이트와, 상기 중간유입/출개구에 각각 설치되는 유입/출 체크벨브를 갖춘 벨브조립체, 벨브조립체와의 사이에 소정의 펌프챔버가 형성되도록 상기 펌프 하우징에 설치되며, 제 1 위치 및 제 2 위치 사이로 이동 가능한 멤브레인, 멤브레인을 제 1 위치 및 제 2 위치로 구동시키는 엑추에이터를 포함하는 것를 특징으로 한다.
마이크로 멤브레인, 펌프, 엑추에이터, 체크벨브, 유량

Description

마이크로 멤브레인 펌프{Micro membrane pump}
도 1은 종래 기술에 의한 마이크로 멤브레인 펌프의 분리 사시도,
도 2는 도 1의 조립단면도,
도 3 및 도 4는 종래 마이크로 멤브레인 펌프의 작용을 설명하기 위한 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로 멤브레인 펌프의 분리 사시도,
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도,
도 7은 도 5의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도,
도 8 및 도 9는 본 발명에 의한 마이크로 멤브레인 펌프의 작용을 설명하기 위한 단면도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
110. 펌프 하우징 112. 유입개구
114. 유출개구 116. 격벽
120. 벨브조립체 122. 중간유입개구
124. 중간유출개구 126. 유입 체크벨브
128. 유출 체크벨브 130. 멤브레인
140. 엑추에이터 150. 펌프챔버
본 발명은 유체를 이동시키는 펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 멤브레인(miocro membrane) 펌프에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로 멤브레인 펌프와 같은 소형 유체이동장치는 멤스(MEMS) 분야에서 많이 사용되는데 특히 소형 전자기기나 부품에 많이 사용된다.
이러한 소형 전자기기나 부품은 트랜지스터의 집적도가 향상됨에 따라 내부에서 발생하는 열로 인해서 전자부품이 오작동하거나 부품에 손상을 초래할 수 있으며, 따라서 이러한 전자부품에 대한 냉각문제는 소형 전자부품을 사용하는 전자기기에서 중요한 문제로 대두되었다. 또한, 휴대용 전자기기의 이동전원으로 연료전지를 사용할 경우, 화학반응을 위한 산소의 공급이 필요하게 된다.
종래의 소형 전자기기나 부품에 사용되는 냉각장치나 연료전지의 산소공급을 위한 공기공급장치는 회전팬 내장방식으로 일정량의 공기를 외부에서 소형 전자기기나 부품으로 공급하거나, 냉각핀을 외장하여 소형 전자기기나 부품의 열전도 또는 공기대류를 촉진하여 냉각하는 방식으로 구성되었다. 그러나, 이러한 냉각장치나 공기공급장치는 크기 및 부피의 거대화, 소음발생, 냉각효율등 여러 면에서 문제점이 발생하므로 기기의 소형화를 추구하는 소형 전자기기나 부품에는 맞지 않으므로 최근에는 마이크로 멤브레인 펌프를 채용하는데, 도 1 및 도 2는 이러한 마이크로 멤브레인 펌프에 관한 일 예가 도시된 것이다.
도시된 바와 같이, 마이크로 멤브레인 펌프는 엑추에이터(40), 멤브레인(30), 유입체크벨브(26)와 유출체크벨브(28)를 포함하는 벨브유닛(20), 유입채널(17)과 유출채널(18)을 구비하는 베이스프레임(10) 및 하우징(12)를 포함한다. 상기 유입채널(17)에는 유입체크벨브(26)가, 유출채널(18)에는 유출체크벨브(28)가 각각 설치된다. 이와 같은 구성으로 이루어진 마이크로 멤브레인 펌프의 동작을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 도 3은 엑추에이터(40)에 의하여 멤브레인(30)이 A 방향으로 움직일 때, 도 4는 엑추에이터(40)에 의하여 멤브레인(30)이 B 방향으로 움직일 때 마이크로 멤브레인 펌프의 동작을 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 엑추에이터(40)가 구동함으로써 엑추에이터(40)와 접착물질에 의해 결합된 멤브레인도 상하 진동을 하게 된다. 도 3과 같이 엑추에이터(40)가 화살표 A의 방향 즉, 베이스프레임(10)의 반대방향으로 진동하는 경우 멤브레인(30)도 A 방향으로 이동한다. 그러면, 펌프챔버(50)는 체적이 변하게 되어 내부의 압력에 변화가 생기게 된다. 이러한 펌프챔버(50) 내부의 압력차에 의해 유입체크벨브(26)는 열리게 되어, 유체는 유입채널(17)를 통하여 펌프챔버(50)내로 유입된다. 그리고, 도 4와 같이 엑추에이터(40)가 화살표 B의 방향 즉, 베이스프레임(10) 방향으로 진동하는 경우 멤브레인(30)도 B 방향으로 이동한다. 그러면, 펌프챔버(50) 내부의 압력변화에 의해 유출체크벨브(28)는 열리게 되어, 펌프챔버(50)내의 유체는 유출채널(18)을 통하여 빠져나간다. 이 때, 열려있던 유입체크벨브(26)는 닫히게 되어, 유체는 유입채널(17)을 빠져나가지 못하게 된다.
그런데, 상기 마이크로 멤브레인 펌프는 기존의 유체이동장치에 비해 그 크 기를 줄일 수는 있으나, 효율 측면 즉, 단위시간당 유체 이동량은 기존 장치에 비해 좋지 못하다. 따라서, 효율을 높이기 위해서는 유입채널(17) 및 유출채널(18)의 단면적을 늘려야 하고, 이에 따라, 멤브레인(30) 및 베이스프레임(10)의 직경도 증가시켜야 한다. 그러나, 이렇게 멤브레인(30) 및 베이스프레임(10)의 크기를 증가시키는 경우 소형화라는 또 다른 큰 목적에 부합되지 않게 된다. 또한, 상기 마이크로 멤브레인 펌프는 소형 전자기기에 설치될 때, 다른 핵심구성요소를 먼저 배치한 다음에 남는 공간상에 배치하게되는 즉, 2차적으로 고려하여 설치하는 부품이다. 따라서, 유체의 이동량을 증가시키기 위해 상기와 같이 멤브레인 및 베이스프레임의 직경을 증가시키는데는 일정 한계가 존재하는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 소형이면서 효율이 좋고 특히, 마이크로 멤브레인 펌프가 설치되는 소형 전자기기에서의 공간효율을 극대화시키는 마이크로 멤브레인 펌프를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 마이크로 멤브레인 펌프는, 유체 유입실 및 유체 유출실로 구획된 펌프 하우징, 상기 펌프 하우징에 설치되며, 상기 유체 유입실에 대응하는 다수의 중간유입개구 및 상기 유체 유출실에 대응하는 중간유출개구가 형성된 벨브 플레이트와, 상기 중간유입/출개구에 각각 설치되는 유입/출 체크벨브를 갖춘 벨브조립체, 상기 벨브조립체와의 사이에 소정의 펌프챔버가 형성되도록 상기 펌프 하우징에 설치되며, 제 1 위치 및 제 2 위치 사이로 이동 가능한 멤브레인, 상기 멤브레인을 제 1 위치 및 제 2 위치로 구동시키는 엑추에이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중간유입개구 및 중간유출개구는 각각 일렬로 정렬되어 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 중간유입개구 및 중간유출개구는 서로 나란하게 대칭되도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 펌프 하우징은 상기 유체 유입실로의 유체 유입을 위한 유입개구, 상기 유체 유출실로부터의 유체 배출을 위한 유출개구 및, 상기 유체 유입실과 유출실을 구획하는 격벽을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유입개구 및 유출개구는 상기 펌프 하우징의 한쪽 측면에 나란하게 형성되거나 또는, 양쪽 측면에 대향되도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 엑추에이터는 압전기 구동방식, 정전기 구동방식, 전자기 구동방식 중 어느 하나의 방식에 의해 구동하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 멤브레인 펌프의 구성 및 동작을 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로 멤브레인 펌프(100)는 펌프 하우징(110), 벨브조립체(120), 멤브레인(130) 및 엑추에이터(140)를 포함하도록 구성된다.
펌프 하우징(110)은 마이크로 멤브레인 펌프(100)의 외관을 형성하며, 외부의 공기와 같은 유체가 유입되어 배출된다. 펌프 하우징(110)은 길이 방향으로 길 게 형성되며, 내부에는 펌프 하우징(110)을 유체 유입실(111)과 유체 유입실(113)로 구분되도록 펌프하우징(110)을 가로지르는 격벽(116)이 설치된다. 펌프 하우징(110)의 일측면에는 외부의 유체가 유입되어 유체 유입실(111)로의 유체 유입을 위한 유입개구(112) 및 유체 유출실(113)로부터의 유체 배출을 위한 유출개구(114)가 나란하게 형성된다. 본 실시예에서는 도시되지 않았으나, 상기 유입개구(112) 및 유출개구(114)는 서로 대향되도록 펌프 하우징(110)의 양 측면에 형성되는 것도 가능하다. 유입개구(112) 및 유출개구(114)에는 외부와 유체를 교환할 수 있는 유체운송수단(미도시)이 연결된다.
벨브조립체(120)는 상기 펌프 하우징(110) 내부에 길이방향으로 길게 설치되며, 적어도 한 개 이상의 중간유입개구(122) 및 중간유출개구(124)가 형성되는 벨브 플레이트(121), 복수의 유입 체크벨브(126) 및 유출 체크벨브(128)가 형성된다.
상기 복수의 중간유입개구(122) 및 중간유출개구(124)는 벨브 플레이트(121)에 길이방향으로 일렬로 정렬되어 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 중간유출/입개구(122,124)는 서로 나란하게 대칭되도록 배치되는 것이 바람직하다. 펌프 하우징(110)의 유입개구(112)를 통하여 외부로부터 유입되는 유체는 복수의 중간유입개구(122)를 통하여 펌프챔버(150)로 들어간다. 펌프챔버(150)로 유입된 유체는 복수의 중간유출개구(124)를 통하여 펌프챔버(150)를 빠져나가고, 펌프 하우징(110)의 유출개구(114)를 통하여 펌프 하우징(110) 외부로 유출된다. 각 중간유입개구(122)에는 유입 체크벨브(126)가 설치되고, 각 중간유출개구(124)에는 유출 체크벨브(128)가 설치된다. 따라서, 상기 유입 체크벨브(126) 및 유출 체크벨브(128)는 중간유입개구(122) 및 중간유출개구(124)와 마찬가지로 벨브 플레이트(121)에 일렬로 정렬되고 또한, 서로 대칭되게 형성된다. 유입/출 체크벨브(126,128)는 유체가 일방향으로만 흐르도록 유체의 출입을 제어한다. 그리고, 유입/출 체크벨브(126,128) 는 유연(flexible)한 재질로 구성되어, 멤브레인(130)의 위치이동에 의한 펌프챔버(150)의 압력변화에 의해 개폐된다. 벨브 플레이트(121)의 중간유입개구(122) 및 중간유출개구(124) 부위에는 홈부(125)가 형성되어 있어서, 유입/출 체크벨브(126,128)가 안착된다.
이와 같이, 복수의 중간유입/출개구(122,124) 및 유입/출 체크벨브(126,128)를 일렬로 벨브조립체(120)에 설치하여, 상기 벨브조립체(120) 및 펌프 하우징(110), 멤브레인(130)을 한 쪽 길이 방향 즉, 1차원 방향으로만 확장시킴으로써 단위 시간당 흐르는 유량을 증가시킬 수 있게 된다. 기존에 단위 시간당 유출입되는 유량의 양을 증대시키기 위해서는 유출입채널의 직경을 증가시켜야 하며, 이는 결국 베이스프레임(10, 도1 참조) 및 멤브레인(30, 도1 참조)의 직경 크기 즉, 2차원 방향으로 확장시켜야 했다. 그러나, 본 발명에 의하면 1차원 방향으로만 확장시킴으로써 단위 시간당 흐르는 유량을 증가시킬 수 있게 되어, 마이크로 멤브레인 펌프가 설치되는 소형전자기기에의 공간효율을 극대화할 수 있게 된다.
또한, 복수의 중간유입/출개구(122,124) 및 유입/출 체크벨브(126,128)를 일렬로 정렬하여 배치함으로써, 벨브의 유동 저항이 감소하여 단위 시간당 다량의 유량을 안정적으로 유동시킬 수 있게 된다.
멤브레인(130)은 상기 벨브조립체(120)의 상부에 설치되며 펌프 하우징(110) 의 양 측벽(118) 상단에 결합된다. 멤브레인(130)과 벨브조립체(120) 사이에는 펌프챔버(150)가 형성된다. 멤프레인(140)는 후술할 엑추에이터(140)에 의해 제1위치 및 제2위치 사이에서 이동하게 된다.
엑추에이터(140)는 상기 멤브레인(130)과 결합하여 멤브레인(130)을 구동시키는데 그 구동방식으로는 압전기(piezoelectric) 구동방식, 전자기(electromagnetic) 구동방식, 정전기(electrostatic) 구동방식 등 다양한 구동방식이 있으나 본 발명의 실시예에서는 압전기(piezoelectric) 구동방식이 사용되는 예를 설명하기로 한다. 압전기 구동방식에 의하면 상기 엑추에이터(140)는 압전물질로 구성되며 상하부에 전극이 설치되게 된다.
이하, 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 멤브레인 펌프(100)의 작동을 설명한다. 도 8은 멤브레인(130)이 제1위치에 있을 때, 도 9는 멤브레인(130)이 제2위치에 있을 때 마이크로 멤브레인 펌프(100)의 동작을 나타낸 도면이다.
마이크로 멤브레인 펌프(100)의 동작을 위해서 우선 엑추에이터(140)로 전압이 인가된다. 인가되는 전압은 교류전압으로, 교류전압을 가하면 상기 압전물질로 구성된 엑추에이터(140)는 상하진동을 하게 된다. 이러한 압전물질은 일반적으로 외부로부터 압전물질에 외력이 가해졌을때, 가해진 외력 즉, 기계적 에너지에 대응하는 전기적에너지(ex:전압)를 발생하며, 반대로 전기적에너지를 압전물질에 가하게 되면 기계적 에너지를 발생한다. 이때, 가해진 전기적에너지가 교류전압인 경우에는 상기 압전물질은 진동하는 특유의 성질을 가진다.
이렇게 교류전압이 상기 엑추에이터(140)로 인가되면, 상기 엑추에이터(140)는 진동을 하게 되고, 상기 엑추에이터(140)와 결합된 멤브레인(130)도 결국 제1위치 및 제2위치 사이에서 상하진동을 하게 된다.
도 8에서와 같이 엑추에이터(140)가 화살표 E의 방향으로 진동하는 경우를 설명하기로 한다. 이 경우, 엑추에이터(140)에 연결된 멤브레인(130)도 화살표 E 방향으로 상승하여 제1위치에 있게 된다. 상기 멤브레인(140)의 상승에 따라 펌프챔버(150)는 확장하게 된다. 이때, 상기 벨브조립체(120)의 유입 체크밸브(126)는 열리게 되고, 유출 체크벨브(128)는 닫히게 된다.
즉, 멤브레인(130)에 미치는 외력의 변화에 의해 펌프챔버(150)는 체적이 늘어나서 내부의 압력의 작아지게 되고, 이러한 압력차에 의해 유입 체크밸브(126)는 열려진다. 따라서, 펌프 하우징(110)의 유입개구(112)를 통해 외부로부터 유입되는 유체는 중간유입개구(122)를 통하여 상기 펌프챔버(150)를 채우게 된다.
한편, 도 9에서와 같이 엑추에이터(140)가 화살표 F 방향으로 진동하는 경우를 설명한다. 이 경우, 엑추에이터(140)에 연결된 멤브레인(130)도 화살표 F 방향으로 하강하여 제2위치에 있게 된다. 이때, 상기 벨프 조립체(120)의 유출 체크벨브(128)는 열리게 되고, 유입 체크벨브(126)는 닫히게 된다.
즉, 멤브레인(130)에 미치는 외력의 변화에 의해 펌프챔버(150)는 체적이 줄어들게되어 내부의 압력은 커지게 되고, 이러한 압력차에 의해 유출 체크벨브(128)가 오픈된다. 따라서, 펌프챔버(150)에 있는 유체는 중간유출개구(124)를 통하여 챔버(150) 외부로 유출되고, 펌프 하우징(110)의 유출개구(114)를 통하여 펌 프 하우징(110) 외부로 빠져나가게 된다.
이러한 방식으로 상기 엑추에이터(140)의 구동에 의해 멤브레인(130)은 상하 이동하게 되어 유체의 공급을 필요로 하는 부품, 예를 들면 전자기기의 피냉각부품 또는 연료전지의 공기공급부에 일정량의 공기와 같은 유체를 공급하여 피냉각부품을 냉각하거나 필요한 소정공기를 연료전지의 공기공급부에 공급할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로 멤브레인 펌프는, 복수의 중간유입/출개구 및 이에 대응하는 유입/출 체크벨브를 일렬로 정렬되게 벨브 플레이트에 설치하여, 상기 벨브 플레이트 및 펌프 하우징, 멤브레인을 한 쪽 길이 방향 즉, 1차원 방향으로만 확장시킴으로써 단위 시간당 흐르는 유체의 유량을 증가시킬 수 있게 된다. 따라서, 기존에 단위 시간당 유출입되는 유량의 양을 증대시키기 위해 베이스프레임 및 멤브레인의 직경 즉, 2차원 방향으로 확장시키지 않고서, 단위 시간당 흐르는 유체의 유량을 증가시킬 수 있게 되어 마이크로 멤브레인 펌프가 설치되는 소형 전자기기에의 공간효율을 극대화할 수 있게 된다.
또한, 복수의 중간유입/출개구 및 유입/출 체크벨브를 일렬로 정렬하여 배치함으로써, 벨브의 유동 저항이 감소하여 단위 시간당 다량의 유체를 안정적으로 유동시킬 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 유체 유입실 및 유체 유출실로 구획된 펌프 하우징;
    상기 펌프 하우징에 설치되며, 상기 유체 유입실에 대응하는 다수의 중간유입개구 및 상기 유체 유출실에 대응하는 다수의 중간유출개구가 형성된 벨브 플레이트와, 상기 중간유입/출개구에 각각 설치되는 유입/출 체크벨브를 갖춘 벨브조립체;
    상기 벨브조립체와의 사이에 소정의 펌프챔버가 형성되도록 상기 펌프 하우징에 설치되며, 제 1 위치 및 제 2 위치 사이로 이동 가능한 멤브레인;
    상기 멤브레인을 제 1 위치 및 제 2 위치로 구동시키는 엑추에이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 멤브레인 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간유입개구 및 중간유출개구는 각각 일렬로 정렬되어 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 멤브레인 펌프.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중간유입개구 및 중간유출개구는 서로 나란하게 대칭되도록 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 멤브레인 펌프.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 펌프 하우징은,
    상기 유체 유입실로의 유체 유입을 위한 유입개구;
    상기 유체 유출실로부터의 유체 배출을 위한 유출개구; 및
    상기 유체 유입실과 유출실을 구획하는 격벽;을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 멤브레인 펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유입개구 및 유출개구는 상기 펌프 하우징의 한쪽 측면에 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 멤브레인 펌프.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유입개구 및 유출개구는 상기 펌프 하우징의 양쪽 측면에 대향하도록 형성된는 것을 특징으로 하는 마이크로 멤브레인 펌프.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑추에이터는 압전기 구동방식, 정전기 구동방식, 전자기 구동방식 중 어느 하나의 방식에 의해 구동하는 것을 특징으로 하는 마이크로 멤브레인 펌프.
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