KR100726395B1 - 초음파 압전 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 파이프 내부에 압전 펌프를 일체로 구비하고 별도의 체크 밸브를 장착하지 않음으로써 장치 구성을 간소할 수 있는 초음파 압전 펌프에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 초음파 압전 펌프는 유체 공급원으로부터의 유체가 흐르도록 내부에 중공부가 형성된 유체 파이프와; 상기 중공부에 삽입 고정되고 압전 소자가 구비되며 다수의 유체 흐름공이 형성된 압전 엑추에이터와; 상기 압전 소자에 구동 전원을 인가하는 리드선에 연결된 컨트롤러, 및 상기 압전 엑추에이터 전방의 상기 중공부에 삽입되며 전방 내측으로 경사진 개방부가 형성된 테이퍼 노즐을 포함하여 이루어진다.

초음파, 압전, 펌프, 체크 밸브, 테이퍼 노즐

Description

초음파 압전 펌프 {Ultrasonic Piezoelectric Pump}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 압전 펌프의 단면도.

도 2는 도 1의 엑추에이터의 사시도.

도 3은 도 2의 유니몰프 압전 소자를 도시한 단면도.

도 4는 도 2의 바이몰프 압전 소자를 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 압전 펌프를 도시한 단면도.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 압전 펌프의 단면도.

도 7는 도 6의 엑추에이터의 사시도.

도 8은 도 6의 엑추에이터의 다른 실시예를 나타낸 사시도.

도 9는 본 발명의 실시예에 따라 압전 소자에 인가되는 전압 파형을 나타낸 도면.

도 10은 종래 기술에 따른 압전 펌프의 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 유체 파이프

11 : 중공부

2 : 압전 엑추에이터

21 : 케이스

211 : 관통홀

22 : 프레임

23 : 압전 소자

231 : 박판 플레이트

232 : 압전 세라믹

24 : 유체 흐름공

25 : 실린더

26 : 후방 플레이트

27 : 전방 플레이트

271 : 원형 고무링

3 : 컨트롤러

31 : 리드선

4 : 테이퍼 노즐

41 : 개방부

5 : 간격 조절용 원형링

본 발명은 압전 펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체 파이프 내부에 압전 펌프를 일체로 구비하고 별도의 체크 밸브를 장착하지 않음으로써 장치 구성 을 간소할 수 있는 초음파 압전 펌프에 관한 것이다.

일반적으로 소형 전자 제품이나 의료 장비의 부품들은 트랜지스터의 집적도가 향상됨에 따라 내부에서 발생하는 열로 인해서 오작동 하거나 부품의 손상을 초래할 수 있게 됨에 따라, 전자 부품에 대한 냉각이 소형 전자부품을 이용하는 전자기기에서는 중요한 문제로 대두되고 있다.

이러한, 소형의 전자부품을 냉각하기 위한 방식으로 액체 상태의 냉매를 흡입하여 그 액체 상태의 냉매에 동력을 가하여 진동시켜 소정의 형태로 배출시키는 압전 펌프를 이용한 냉매 순환 시스템이 제안된바 있다.

도 10은 종래 기술에 따른 압전 펌프의 개념도로, 도면을 참조하면 흡입 포트(110)와 토출 포트(120)가 형성된 압전 엑추에이터(100)와, 이 압전 엑추에이터(100) 내부에 설치된 압전 소자(200)를 포함하여 구성되며, 상기 흡입 포트(110)와 토출 포트(120)에는 유체 흐름관(300)이 각각 연결된다.

그리고, 상기 압전 소자(200)에는 그 양단에 연결되어 압전 소자(200)에 전계를 가하여 압전 소자(200)가 변위를 일으키면서 유체를 펌핑시킬 수 있도록 하는 콘트롤러(400)가 리드선(410)을 통해 연결된다.

이러한 구성에 따라, 상기 유체 흐름관(300)을 통해 공급되는 유체는 흡입 포트(110)를 통해 압전 엑추에이터(200) 내부로 공급되고, 이렇게 공급된 유체는 콘트롤러(400)에 의해 압전 소자(200)에 전압이 인가되면 펌핑되어 토출 포트(120)를 통해 토출된다.

그런데, 이러한 종래의 압전 펌프는 압전 소자(200)의 변위 발생에 의해 유 체가 펌핑 될 때 유체가 역류하는 것을 방지할 수 있도록 흡입 포트(110)와 토출 포트(120) 각각에 설치되는 체크 밸브(500)를 구비한다.

이와 같이 종래의 압전 펌프는 유체 흐름관(300)과 별도로 구비될 뿐만 아니라, 유체의 역류를 방지하기 위한 별도의 체크 밸브(500)가 펌프와 별도로 구비됨에 따라, 소형화가 어려워 전자 제품이나 의료 장비의 소형화에 부합되지 못하는 단점이 있었다.

본 발명은 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 유체 파이프 중앙에 압전 엑추에이터를 설치하고, 이 압전 엑추에이터 둘레에 다수의 유체 흐름공을 형성하며 압전 엑추에이터 전방에 토출은 용이하고 역류가 어렵도록 전방 내측으로 경사진 테이퍼 노즐을 형성하여, 체크 밸브 없이 압전 엑추에이터의 구동에 의해 유체 역류 현상 없이 유체의 펌핑이 원활하게 이루어지도록 하는 초음파 압전 펌프를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 압전 소자에 인가되는 전압 조절을 통해 유체 토출을 위한 압전 소자의 변위는 급속하게 이루어지도록 하고 유체 흡입을 위한 압전 소자의 복귀는 완만하게 이루어지는 전압 파형을 갖도록 주파수 조절을 함으로써 유체 토출이 원활하게 이루어지도록 하는 초음파 압전 펌프를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 압전 엑추에이터의 압전 소자를 초음파를 이용하여 구동하여 유체가 유동공진을 일으키면서 유동되도록 함으로써 열전달 효율을 촉진시킬 수 있는 초음파 압전 펌프를 제공하기 위한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 초음파 압전 펌프는 유체 공급원으로부터의 유체가 흐르도록 내부에 중공부가 형성된 유체 파이프와; 상기 중공부에 삽입 고정되고 압전 소자가 구비되며 다수의 유체 흐름공이 형성된 압전 엑추에이터와; 상기 압전 소자에 구동 전원을 인가하는 리드선에 연결된 컨트롤러, 및 상기 압전 엑추에이터 전방의 상기 중공부에 삽입되며 전방 내측으로 경사진 개방부가 형성된 테이퍼 노즐을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 일 양상에 따라 상기 압전 엑추에이터는 중앙에 관통홀이 형성된 케이스와, 상기 관통홀에 삽입되며 전방에 상기 압전 소자가 설치되는 프레임과, 상기 케이스의 전,후를 관통하게 상기 프레임의 둘레에 형성되는 상기 유체 흐름공을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 본 발명의 일 양상에서 상기 압전 소자는 박판 플레이트와, 상기 박판 플레이트 일면에 밀착된 압전 세라믹으로 구성되는 유니몰프 형태 또는 박판 플레이트와, 상기 박판 플레이트 양면에 밀착된 압전 세라믹으로 구성되는 바이몰프 형태일 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따라 상기 압전 엑추에이터는 중앙에 관통홀이 형성된 케이스와, 상기 관통홀 내부에 삽입된 파이프 형상의 실린더와, 상기 실린더 후방을 폐쇄하도록 실린더 후방에 고정되는 후방 플레이트와, 상기 실린더 내측벽에 밀착 구비되는 피스톤용 전방 플레이트와, 상기 후방 플레이트와 전방 플레이트를 상호 연결하게 구비되고 다수의 압전 세라믹이 적층된 로드 형태의 상기 압전 소자 와, 상기 케이스의 전,후를 관통하게 상기 실린더의 둘레에 형성되는 상기 유체 흐름공을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 본 발명의 다른 양상에서 상기 전방 플레이트는 상기 케이스 내부의 기밀성을 유지하여 유체 유입을 방지하도록 장착된 원형 고무링을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 다양한 양상들에서 상기 유체 파이프 내부에는 상기 압전 엑추에이터와 상기 테이퍼 노즐 사이의 간격을 조절하기 위한 간격 조절용 원형링이 더 구비될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유체 펌프의 단면도로, 본 발명의 일실시예에 따르면 유체 파이프(1)와, 압전 엑추에이터(2)와, 컨트롤러(3) 및 테이퍼 노즐(4)을 포함하여 이루어진다.

상기 유체 파이프(1)는 유체 공급원으로부터의 유체가 흐르도록 내부에 중공부(11)가 형성되어 있다.

또한, 상기 압전 엑추에이터(2)는 상기 중공부(11)에 삽입 고정되고 압전 소자(23)가 구비되며 다수의 유체 흐름공(24)이 형성되어 있다.

도 2는 도 1의 압전 엑추에이터의 사시도로, 상기 엑추에이터(2)는 중앙에 관통홀(211)이 형성된 케이스(21)와, 상기 관통홀(211)에 삽입되며 전방에 상기 압 전 소자(23)가 설치되는 프레임(22)으로 구성되며, 상기 프레임(22) 둘레의 상기 케이스(21)에는 유체 파이프(1)에 공급되는 유체가 통과할 수 있도록 상기 케이스(21)의 전,후를 관통하는 다수의 유체 흐름공(24)이 형성되어 있다.

이때, 상기 압전 소자(23)는 도 3에 도시된 바와 같이 박판 플레이트(231)와, 상기 박판 플레이트(231) 일면에 밀착된 압전 세라믹(232)으로 구성되는 유니몰프 형태로 이루어지거나, 도 4에 도시된 바와 같이 박판 플레이트(231)와, 상기 박판 플레이트(231) 양면에 밀착된 압전 세라믹(232)으로 구성되는 바이몰프 형태로 이루어질 수 있다.

상기 컨트롤러(3)는 리드선(31)을 통해 상기 압전 소자(23)에 연결되어 상기 압전 소자(23)에 구동 전원을 인가하는것이다.

한편, 상기 테이퍼 노즐(4)은 상기 압전 엑추에이터 전방의 상기 중공부(11)에 삽입되며 전방 내측으로 경사진 개방부(41)가 형성된 것으로, 개방부(41)가 전방 내측으로 경사지기 때문에 유체의 토출은 용이하게 이루어지는 반면 역류는 어렵게 되는 바, 유체의 역류 현상을 방지할 수 있는 것이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 유체 펌프를 도시한 단면도로, 도 1과 동일한 구성 요소에 대한 구체적인 구성 및 그에 대한 작용은 설명하도록 한다.

도 5를 참조하면, 압전 엑추에이터(2)와 테이퍼 노즐(4) 사이의 상기 유체 파이프(1) 중공부(11)에는 상기 압전 엑추에이터(2)와 테이퍼 노즐(4) 사이의 간격을 조절하기 위한 간격 조절용 원형링(5)이 구비된다.

이때, 간격 조절용 원형링(5)을 이용한 압전 엑추에이터(2)와 테이퍼 노즐(4) 사이의 인접 거리는 유체의 운동 에너지를 가장 최적으로 전달할 수 있는 거리로 조정함이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 유체 펌프의 단면도로, 상기 본 발명의 일실시예와 동일한 구성 요소에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 유체 파이프(1)와, 압전 엑추에이터(2)와, 컨트롤러(3) 및 테이퍼 노즐(4)을 포함하여 이루어진다.

도 7는 도 6의 엑추에이터의 사시도로, 도 6 및 도 7을 참조하면 상기 엑추에이터(2)는 케이스(21)와, 실린더(25)와, 후방 플레이트(26)와, 전방 플레이트(27) 및 압전 소자(23)를 포함하여 이루어진다.

상기 케이스(21)는 그 중앙에 관통홀(211)이 형성되고 상기 실린더(25)는 파이프 형상으로 이루어지며 상기 관통홀(211) 내부에 삽입된다.

또한, 상기 실린더(25) 둘레의 상기 케이스(21)에는 상기 케이스(21)를 전,후방으로 관통하여 유체가 통과할 수 있도록 다수의 유체 흐름공(24)이 형성되어 있다.

상기 후방 플레이트(26)는 상기 실린더(25) 후방을 폐쇄하도록 실린더(25) 후방에 고정되며, 상기 전방 플레이트(27)는 상기 실린더(25) 내측벽에 밀착 구비되어 왕복운동 하는 피스톤 역할을 한다.

상기 압전 소자(23)는 상기 후방 플레이트(26)와 전방 플레이트(27)를 상호 연결하게 구비되고 다수의 압전 세라믹(232)이 적층되어 외부 인가 전압에 의해 상기 전방 플레이트(27)를 전,후진 시키는 로드 역할을 하게 된다.

또한, 압전 엑추에이터(2)와 테이퍼 노즐(4) 사이의 상기 유체 파이프(1) 중공부(11)에는 상기 압전 엑추에이터(2)와 테이퍼 노즐(4) 사이의 간격을 조절하기 위한 간격 조절용 원형링(5)이 구비된다.

도 8은 도 6의 엑추에이터의 다른 실시예를 나타낸 단면도로, 도 6 내지 도 8을 참조하면 상기 전방 플레이트(27)에는 상기 케이스(21) 내부의 기밀성을 유지하여 유체 유입을 방지하도록 장착된 원형 고무링(271)을 포함하여 구성된다.

이에 따라, 케이스(21) 외부의 유체 파이프(1)의 중공부를 흐르는 유체가 엑추에이터 내부로 유입되는 것이 방지된다.

상기 컨트롤러(3)는 리드선(31)을 통해 상기 압전 소자(23)에 연결되어 상기 압전 소자(23)에 구동 전원을 인가하는 것이다.

한편, 상기 테이퍼 노즐(4)은 상기 압전 엑추에이터 전방()의 상기 중공부(11)에 삽입되며 전방 내측으로 경사진 개방부(41)가 형성된 것으로, 개방부(41)가 전방 내측으로 경사지기 때문에 유체의 토출은 용이하게 이루어지는 반면 역류는 어렵게되는 바, 유체의 역류 현상을 방지할 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면, 유체 파이프 중앙에 설치된 압전 엑추에이터와 전방 내측으로 경사진 테이퍼 노즐을 이용하여, 압전 소자의 변위에 따라 체크 밸브 없이 유체를 펌핑함으로써, 유체 펑핑이 원활하게 이루어질 뿐만 아니라 유체 파이프와 유체 펌프를 별도로 구비하지 않으며 체크 밸브를 구비하지 않음으로써 구성을 간단하게 할 수 있어 소형화에 유리한 것이다.

이와 같은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 초음파 압전 펌프를 이용한 유체 펌핑은 압전 소자(23)에 인가되는 전압 조절을 통해 이루어지도록 하되, 도 9에 도시된 바와 같이 유체를 흡입시에는 전압이 완만하게 증가하고 유체 토출시에는 전압이 급속히 떨어지는 전압 파형을 갖도록 조절한다.

다시 말해, 유체 토출을 위한 압전 소자의 변위는 급속하게 이루어지도록 하고 유체 흡입을 위한 압전 소자의 복귀는 완만하게 이루어지는 전압 파형을 갖도록 주파수 조절을 함으로써 유체 토출이 원활하게 이루어지도록 하는 것이다.

그리고, 본 발명은 초음파 압전 소자를 유체 입자에 운동 에너지를 전달하여 유체 입자가 관성에 의해 유동하게 한다.

즉, 유체가 관성에 의해 운동함에 있어서 유체의 유동 주파수와 공진을 시킴으로 인해 열전달 촉진을 할 수 있는 것이다.

한편, 이상에서 설명한 초음파 압전 펌프는 유체를 중심으로 설명하였으나 공기등과 같은 기체의 경우에도 그 사용이 가능하며 구성 및 작동관계 등은 유체의 경우와 동일하여 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 유체 파이프 중앙에 압전 엑추에이터를 설치하고, 이 압전 엑추에이터 둘레에 다수의 유체 흐름공을 형성하며 압전 엑추에이터 전방에 토출은 용이하고 역류가 어렵도록 전방 내측으로 경사진 테이퍼 노즐을 형성하여, 체크 밸브 없이 압전 엑추에이터의 구동에 의해 유체 역류 현상 없이 유체 의 펌핑이 원활하게 이루어지도록 하여 펌핑 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 압전 소자에 인가되는 전압 조절을 통해 유체 토출을 위한 압전 소자의 변위는 급속하게 이루어지도록 하고 유체 흡입을 위한 압전 소자의 복귀는 완만하게 이루어지는 전압 파형을 갖도록 주파수 조절을 함으로써 유체 토출이 원활하게 이루어지도록 할 수 있는 이점이 있다.

그리고, 본 발명은 압전 엑추에이터의 압전 소자를 초음파를 이용하여 구동하여 유체가 유동공진을 일으키면서 유동되도록 함으로써 열전달 효율을 촉진시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (7)

1. 유체 공급원으로부터의 유체가 흐르도록 내부에 중공부(11)가 형성된 유체 파이프(1)와;

   상기 중공부(11)에 삽입 고정되고 압전 소자(23)가 구비되며 다수의 유체 흐름공(24)이 형성된 압전 엑추에이터(2)와;

   상기 압전 소자(23)에 구동 전원을 인가하는 리드선(31)에 연결된 컨트롤러(3), 및

   상기 압전 엑추에이터 전방의 상기 중공부(11)에 삽입되며 전방 내측으로 경사진 개방부(41)가 형성된 테이퍼 노즐(4)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 압전 펌프.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압전 엑추에이터(2)는;

   중앙에 관통홀(211)이 형성된 케이스(21)와,

   상기 관통홀(211)에 삽입되며 전방에 상기 압전 소자(23)가 설치되는 프레임(22)과,

   상기 케이스(21)의 전,후를 관통하게 상기 프레임(22)의 둘레에 형성되는 상기 유체 흐름공(24)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 초음파 압전 펌프.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 압전 소자(23)는;

   박판 플레이트(231)와,

   상기 박판 플레이트(231) 일면에 밀착된 압전 세라믹(232)으로 구성되는 유니몰프 형태인 것을 특징으로 하는 초음파 압전 펌프.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 압전 소자(23)는;

   박판 플레이트(231)와,

   상기 박판 플레이트(231) 양면에 밀착된 압전 세라믹(232)으로 구성되는 바이몰프 형태인 것을 특징으로 하는 초음파 압전 펌프.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 압전 엑추에이터(2)는;

   중앙에 관통홀(211)이 형성된 케이스(21)와,

   상기 관통홀(211) 내부에 삽입된 파이프 형상의 실린더(25)와,

   상기 실린더(25) 후방을 폐쇄하도록 실린더(25) 후방에 고정되는 후방 플레이트(26)와,

   상기 실린더(25) 내측벽에 밀착 구비되는 피스톤용 전방 플레이트(27)와,

   상기 후방 플레이트(26)와 전방 플레이트(27)를 상호 연결하게 구비되고 다 수의 압전 세라믹이 적층된 로드용 상기 압전 소자(23)와,

   상기 케이스(21)의 전,후를 관통하게 상기 실린더(25)의 둘레에 형성되는 상기 유체 흐름공(24)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 초음파 압전 펌프.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 전방 플레이트(27)는;

   상기 케이스(21) 내부의 기밀성을 유지하여 유체 유입을 방지하도록 장착된 원형 고무링(271)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 압전 펌프.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유체 파이프(1) 내부에는;

   상기 압전 엑추에이터(2)와 상기 테이퍼 노즐(4) 사이의 간격을 조절하기 위한 간격 조절용 원형링(5)이 더 구비됨을 특징으로 하는 초음파 압전 펌프.

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