KR100829930B1 - 압전펌프 - Google Patents

Abstract

응답성과 펌핑효율이 향상되고, 펌핑용량을 증대시킬 수 있는 압전펌프가 개시된다. 본 발명에 따른 압전펌프는 유체를 수용하는 내부공간을 가지는 본체부, 유입부, 배출부, 밸브부, 진동판 및 구동부를 포함하며, 상기 구동부는 상기 진동판을 진동판의 배면 방향으로 진동시키도록 구성된다. 따라서, 본 발명에 의하면 유체가 수용되는 내부공간을 최소한으로 줄일 수 있고 진동판의 움직임에 의한 간섭이 생기지 않기 때문에, 압전펌프의 응답성과 펌핑효율을 향상시키고 펌핑용량을 증대시킬 수 있게 된다.

압전펌프, 진동판, 압전소자, 구형파, 안내유로

Description

압전펌프 {Piezoelectric Pump}

도 1은 종래 압전펌프를 나타내는 단면도;

도 2는 도 1의 압전펌프의 진동판을 진동시키는 구동부에 인가되는 입력전압 패턴을 나타내는 구성도;

도 3a는 도 1의 압전펌프에서 유체가 유입되는 과정을 나타내는 단면도;

도 3b는 도 1의 압전펌프에서 유체가 배출되는 과정을 나타내는 단면도;

도 4는 본 발명에 따른 압전펌프를 나타내는 사시도;

도 5는 도 4의 분해사시도;

도 6은 도 4의 단면도;

도 7은 도 6의 중간부재를 나타내는 사시도;

도 8은 도 6의 중간부재의 변형예를 나타내는 사시도;

도 9는 도 6의 유입밸브를 나타내는 평면도;

도 10은 도 6의 구동부에 인가되는 입력전압 패턴을 나타내는 구성도;

도 11a는 도 4의 압전펌프에서 유체가 유입되는 과정을 나타내는 단면도;

도 11b는 도 4의 압전펌프에서 유체가 배출되는 과정을 나타내는 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >

110: 내부공간 120: 유입부

130: 배출부 140: 유입밸브

142: 고정부 144: 개폐부

146: 분리홈 148: 연결부

150: 배출밸브 160: 밸브부

170: 진동판 180: 구동부

182: 제1압전 플레이트 184: 전극 플레이트

186: 제2압전 플레이트 210: 상부 하우징

230: 중간부재 232: 유입유로

234: 배출유로 236: 안내유로

250: 하부 하우징

본 발명은 압전펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조를 개선하여 응답성과 펌핑효율을 향상시키고, 펌핑용량을 증대시킬 수 있는 압전펌프에 관한 것이다.

일반적으로 펌프는 펌핑부의 형상이나 구동방식에 따라 다양한 형태로 분류된다. 이 중 특히 구동방식에 따라서는 엔진이나 전기모터와 같은 원동기와 직결하여 구동하는 방식과 밸브의 동작에 의해 유체가 펌핑되는 방식으로 크게 나눌 수 있다.

그런데, 최근에는 상술한 펌프 방식 외에 새로운 방식으로 펌프역할을 하는 압전펌프(piezoelectric pump)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

압전펌프는 PZT계 조성의 세라믹스 소자의 압전성질, 즉 전기를 공급하면 수축 혹은 팽창하는 성질을 이용하여 펌프에 적용한 것으로 초소형 경량화, 저가격화, 신뢰성 향상에 매우 유리하며 그 응용분야도 다양하다.

메카트로닉스 기술이 고도화함에 따라 센서나 제어기술과 마찬가지로 상황에 맞는 적절한 액츄에이터로는 압전소자, 초립기 왜곡소자, 형상기억합금, 수소저장합금, 기계재료, 전기점성유체, 정전기 등을 이용한 것이 새롭게 연구되고 있다.

상기 압전소자는 변위가 약 0.1% 정도로 작지만, 경량, 고속응답, 대발생역과 같은 특징이 있기 때문에, 미소 변위의 제어, 기계 구조물의 진동제어 등에 적용되고 있으며, 출력은 작지만 초음파 모터의 형태로 전자모터와 경합하는 영역에 응용되고 있어 적절한 이용방법에 따라 각종 액츄에이터의 동력원으로서 활용할 수 있다. 이러한 관점에서 압전소자의 변위 운동에너지를 유압에너지로 변환시켜 주기 위해 압전소자는 초소형 펌프에 적용되는 것이 매우 효과적이다.

압전성이란 물질에 응력을 가할 때, 전기분극이 생성되거나 물질에 전계를 인가할 때 변위를 생성시키는 성질을 말한다. 이런 압전성은 최근에 일반 생활용, 산업용에 관계없이 전자기기 분야에 널리 이용되고 있으며, 기능성 전자소자로서 없어서는 안될 중요한 역할을 가지고 있다. 또한, 센서, 착화소자, 액츄에이터 등 통신과는 별도의 전개가 크게 기대되고 있으며, 압전소자는 전기에너지와 기계에너지와의 상호교환이 상당히 높은 효율성을 나타내고 있다.

도 1을 참조하여, 상술한 압전성을 이용한 종래 압전펌프의 구성을 설명하면 다음과 같다.

종래 압전펌프는 펌프본체(10), 유입구(12)와 배출구(13), 체크밸브(14,15), 진동판(17) 및 구동부(18)를 포함하여 구성된다.

상기 펌프본체(10)는 압전펌프의 외형을 형성하며, 내부에는 유체를 수용하는 내부공간(11)이 형성되어 있다. 그리고 상기 유입구(12)와 배출구(13)는 상기 펌프본체(10)의 일측에는 형성되어 있어, 상기 유체를 내부공간(11) 내로 유입하거나 외부로 배출하는 유로를 제공한다.

상기 체크밸브(14,15)는 유체가 유입되는 유로와 배출되는 유로 상에 각각 구비되어, 유체가 유입구(12)에서 배출구(13) 방향으로 유동하도록 유동 흐름을 제어한다.

즉, 제1밸브(14)는 유입구(12)와 내부공간(11) 사이에 구비되어 유체가 유입되는 방향으로만 개방되도록 구성되며, 제2밸브(15)는 내부공간(11)과 배출구(13) 사이에 구비되어 유체가 배출되는 방향으로만 개방되도록 구성된다.

상기 진동판(17)은 펌핑 작용을 행하는 구성요소로서, 상하 방향으로 진동하면서 유체가 유입구(12)에서 배출구(13)로 유동하도록 하는 구동원으로 작용한다.

한편, 도시되지는 않았지만, 상기 진동판(17)의 배면에는 구동부가 구비되어 상기 진동판(17)이 진동하도록 한다. 상기 구동부는 압전효과를 이용하여, 소정의 전기신호를 인가함으로써, 상하방향의 변위를 발생시킨다.

도 2를 참조하여, 상기 구동부에 인가되는 입력전압 패턴을 설명하면 다음과 같다.

압전효과를 이용하여 상하방향의 변위를 발생시키는 방법은 여러 가지 형태가 있으며, 도 2는 특히 압전펌프에서 일반적으로 사용되는 바이몰프형 방식에서의 입력전압 패턴을 예를 들어 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 구동부(18)는 서로 접하는 두 개의 압전소자(22,26)로 형성되어 있으며, 상기 압전소자(22,26) 각각의 외면은 모두 접지되며, 상기 압전소자(22,26) 사이의 접합면(24)에는 일정 주기를 가지며 평균값이 "0"인 정현파(sinusoidal wave)를 인가한다.

이와 같이, 전압을 인가하게 되면, 구동부(18)는 인가된 전압의 주기에 대응하여 상하방향으로 진동하며 정상파(standing wave)를 발생시키게 된다. 한편, 펌프본체(10)의 내부공간(11) 상에 배치된 진동판(17)은 상기 구동부(18)와 접합되어 있어 구동부(18)의 변위에 맞추어 진동하게 된다.

도 3a 및 도 3b를 참조하여, 도 1의 압전펌프의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 압전펌프에서 유체가 유입되는 과정을 나타내는 단면도이고, 도 3b는 압전펌프에서 유체가 배출하는 과정을 나타내는 압전펌프의 단면도이다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 진동판(17)에 배면방향으로 변위가 발생하게 되면, 내부공간(11)의 체적은 증가하면서 내부공간(11)의 압력이 떨어지게 된다. 따라서, 유입구(12) 측의 제1밸브(14)가 열리면서, 상대적으로 높은 압력의 유입구(12) 측 유체가 내부공간(11)으로 유입된다. 이 때, 배출구(13) 측의 제2밸 브(15)는 닫혀있는 상태가 된다.

다음으로, 구동부(18)의 입력전압 신호에 대응하여, 도 3b에 도시된 바와 같이 진동판(17)에 전면 방향으로 변위가 발생하면, 내부공간(11)의 체적은 줄어들게 되며, 내부공간(11)의 체적은 감소하면서 내부공간(11)의 압력이 증가하게 된다. 따라서, 배출구(13) 측의 제2밸브(15)가 열리면서 유체는 내부공간(11)에서 상대적으로 낮은 압력의 배출구(13) 측으로 배출된다. 이 때, 유입구(12) 측의 제1밸브(14)는 닫혀있는 상태가 된다.

이와 같이, 진동판(17)이 배면방향과 전면방향으로 주기적인 변위를 발생시키며 진동하게 되면, 내부공간(11)의 압력이 변화되게 되어 결과적으로 유체를 유입구(12)에서 배출구(13) 측으로 펌핑할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 압전펌프는, 압전 액츄에이터의 성질상 변위의 크기가 20㎛ 이내이기 때문에 1회의 토출유량은 수 ㎖에 불과하지만, 응답특성이 2 kHz ~ 10 kHz에 달하기 때문에, 일반펌프에서 문제가 되는 맥동이 거의 발생하지 않는 장점이 있다. 특히, 정밀가공기, 정밀연료분사기뿐만 아니라, 초정밀 화학 분석, 인체내 약품이송 등에 매우 유용한 펌프이다. 또한, 압전펌프는 유체나 주변환경의 온도가 변해도 압전 액츄에이터의 특성이 크게 변하지 않기 때문에 기계효율이나 체적 효율의 변동이 크지 않으며 전기 입력에 따라서 구동되는 구조를 갖고 있기 때문에 매우 컴팩트하고 소음이 거의 없다는 장점을 가지고 있다.

하지만, 상술한 종래의 압전펌프는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 종래의 압전펌프는 유체를 수용하는 내부공간의 체적이 커서, 처음 펌 핑을 개시할 때 유체가 내부공간에 채워지는 시간동안 펌핑이 일어나지 않는 문제점이 있었다. 즉, 내부공간에 유체가 채워지는 시간만큼 압전펌프의 응답성이 떨어지는 문제점이 있었다.

특히, 진동판이 상하방향으로 진동하기 위해서는 최소한의 공간이 확보되어야, 진동판과 내부공간을 이루는 내벽과의 간섭을 방지할 수 있다. 따라서, 단순히 내부공간을 줄여서 응답성을 향상시킬 수 없는 문제점이 있었다.

둘째, 내부공간 내로 유입되는 유체는, 유입구에서 내부공간으로 유입될 때와 내부공간에서 배출구로 배출될 때 급격한 유로의 확장과 축소 및 유로 방향의 변화가 생기게 된다. 이러한 유로의 변화에 의해 유로 저항이 증가하게 되며, 특히 내부공간의 가장자리에서는 와류가 발생하여 유로 저항을 급격히 증가시키는 문제점이 있었다. 그리고, 이러한 유로 저항은 압전펌프의 전체 효율을 저하시키는 원인이 되었다.

셋째, 종래 압전펌프는 펌핑할 수 있는 펌핑용량에 한계가 있었다. 즉, 압전펌프에서 펌핑용량을 증가시키기 위해서는 진동판의 진폭을 증가시켜야 하는데, 진동판의 진폭을 증가시키면 상술한 바와 같이 내부공간을 이루는 내벽과 진동판이 간섭을 일으킬 수 있기 때문에 진동판의 진폭을 증가시키는데 한계가 있었다.

또한, 진동판의 진폭을 증가시키는 것도, 단순히 인가되는 전압의 최대값을 높임으로써 얻어지지 않는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적 은 진동판과 내부공간의 간섭이 생기지 않으면서 내부공간을 최소화하여 응답성을 향상시킨 압전펌프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 유체의 유동저항을 최소화하여 펌핑효율을 향상시킨 압전펌프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 진동판의 진폭을 증가시켜 펌핑용량을 증가시킨 압전펌프를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 유체를 수용하는 내부공간을 가지는 본체부, 상기 유체를 상기 내부공간으로 유입되도록 하는 유입부, 상기 내부공간에 수용된 유체를 배출되도록 하는 배출부, 상기 내부공간에 구비되어 상기 유입부와 상기 배출부를 연결하는 안내유로, 상기 유체가 상기 유입부에서 상기 배출부 방향으로 유동하도록 유체의 흐름을 제어하는 밸브부, 상기 내부공간 내에서 상기 내부공간의 일면을 형성하는 진동판 및 상기 진동판의 배면에 구비되어, 상기 진동판을 배면 방향으로 진동시키는 구동부를 포함하여 구성되는 압전펌프를 제공한다.

여기서, 상기 안내유로는 일정 폭을 가지는 비원형의 트랙(track) 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 안내유로는 상기 유입부와 연결되는 부위 및 상기 배출부와 연결되는 부위 중 적어도 어느 하나에는 소정의 곡률을 가지는 라운드부가 형성되는 것이 바람직하다.

삭제

한편, 상기 구동부는 압전소자에 소정 파형의 전기를 인가하여 구동되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 구동부는 상기 진동판의 배면에 접합되는 제1압전 플레이트, 상기 제1압전 플레이트의 배면에 접합된 전극 플레이트 및 상기 전극 플레이트의 배면에 접합된 제2압전 플레이트를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 구동부는 상기 제1압전 플레이트에 일정 전압이 인가되고, 상기 전극 플레이트에 일정 주기의 구형파가 인가되며, 상기 제2압전 플레이트는 접지되어 구동될 수 있다. 여기서, 상기 제2전극 플레이트에 인가되는 구형파는 최대값이 상기 제1압전 플레이트에 인가되는 전압과 동일하며 일정 평균값을 가지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 진동판은 방수 특성과 탄성 특성이 뛰어난 실리콘 재질로 이루어질 수 있다.

상기 밸브부는 상기 유체의 유입 경로상에 구비되어, 상기 유체의 유입방향으로 개방되는 유입밸브 및 상기 유체의 배출 경로상에 구비되어, 상기 유체의 배출방향으로 개방되는 배출밸브를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 압전펌프는 구조적으로 유체가 내부로 유입되도록 하는 유입부 및 상기 유체가 외부로 배출되도록하는 배출부가 구비된 상부 하우징, 상기 상부 하우징의 하부에 구비되고, 상기 유입부와 연통된 유입유로 및 상기 배출부와 연통된 배출유로가 형성되며, 유체를 수용하는 내부공간을 가지는 중간부재, 상기 중간부재에 구비되어 상기 유입유로와 상기 배출유로를 연결하는 안내유로, 상기 상부 하우징과 상기 중간부재 사이에 구비되어, 상기 유체가 상기 유입부에서 상기 배출부 방향으로 유동하도록 유체의 흐름을 제어하는 밸브부, 상기 상부 하우징과 결합하는 하부 하우징, 상기 상부 하우징과 상기 하부 하우징의 사이에 구비되며, 상기 내부공간의 일면을 형성하는 진동판 및 상기 진동판의 배면에 구비되어, 상기 진동판을 배면 방향으로 진동시키는 구동부를 포함한다.

삭제

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 압전펌프의 기본적인 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에 따른 압전펌프는, 본체부(200), 유입부(120), 배출부(130), 밸브부(160), 진동판(170) 및 구동부(180)를 포함하여 구성된다.

먼저, 본체부(200)는 유체를 수용하는 내부공간(110)을 가지며, 후술하는 유입부(120)와 배출부(130)와 연통되어 있다.

본 실시예에서 상기 본체부(200)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 하우징(210), 중간부재(230) 및 하부 하우징(250)이 순차적으로 결합된 형태로 구성되며, 상기 중간부재(230)에 내부공간(110)이 형성된 형태를 예시하고 있다.

여기서, 상기 중간부재(230)에는 상기 상부 하우징(210)의 하부에 구비되고, 상기 유입부(120)와 연통된 유입유로(232; 도7 참조) 및 상기 배출부(130)와 연통된 배출유로(234; 도 7참조)가 형성된다.

상기 하부 하우징(250)의 하부 중앙부에는 연통홀(254)이 형성되어 있어, 구동부(180)의 전원을 연결할 때 커넥터를 연결할 수 있으며, 진동판(170)이 진동할 때 진동판(170)의 배면측 공기가 외부와 원활하게 유출입할 수 있도록 구성되어 있다.

그리고 상기 상부 하우징(210)과 하부 하우징(250)에는 소정의 체결부재에 의해 결합될 수 있도록 체결홀(212,252)이 각각 형성되어 있다.

하지만, 이와 달리 상기 상부 하우징(210)과 중간부재(230)를 일체로 형성하거나, 본체부(200) 전체를 몰딩하여 제작하는 것도 또한 가능하다.

상기 유입부(120)는 유체를 상기 내부공간(110)으로 유입되도록 하는 구성요소이며, 상기 내부공간(110)과 연통하는 유로가 형성되어 있다. 그리고 상기 배출부(130)는 상기 내부공간(110)에 수용된 유체를 배출되도록 하는 구성요소이며, 상기 유입부(120)와 같이 상기 내부공간(110)과 연통하는 유로가 형성되어 있다.

한편, 상기 내부공간(110)에는 상기 유입부(120)와 배출부(130)를 연결하는 안내유로(236)가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 안내유로(236)의 구체적인 구성과 작용에 대해서는 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.

그리고 본 실시예는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유입부(120)와 배출부(130)가 상기 상부 하우징(210)과 일체로 형성된 형태를 예시하고 있으나, 유입부(120)와 배출부(130)를 별도의 부재로 제작하여 상부 하우징(210)에 결합하여 구성하는 것도 가능함은 물론이다.

상기 유입부(120)와 배출부(130)의 형상에는 제한이 없으나, 도 4에 도시된 바와 같이 유동저항을 최소화할 수 있도록 내부의 홀이 원형으로 형성되는 것이 바 람직하다.

상기 밸브부(160)는 상기 상부 하우징(210)과 중간부재(230) 사이에 구비되어, 상기 유체가 상기 유입부(120)에서 상기 배출부(130) 방향으로 유동하도록 유체의 흐름을 제어하는 역할을 수행한다.

상기 밸브부(160)는 구체적으로 상기 유체의 유입 경로상에 구비되어 상기 유체의 유입방향으로 개방되는 유입밸브(140) 및 상기 유체의 배출 경로상에 구비되어 상기 유체의 배출방향으로 개방되는 배출밸브(150)를 포함한다.

상기 밸브부(160)의 동작원리와 구체적인 형상에 대해서는 도 8을 참조하여 후술한다.

상기 진동판(170)은 후술하는 구동부(180)와 접합되어 구동부(180)의 운동에 연동하여 배면 방향으로 진동한다. 상기 진동판(170)은 상기 상부 하우징(210)과 하부 하우징(250)의 사이에 구비되어 상기 내부공간(110) 내에서 상기 내부공간(110)의 일면을 형성하기 때문에, 진동판(170)의 상하방향 진동은 내부공간(110)의 부피를 변화시켜 내부공간(110)의 압력을 변화시킨다.

그리고, 이러한 내부공간(110)의 압력변화는 유체가 유입부(120)에서 배출부(130)로 유동시키는 펌핑 작용의 구동원이 된다.

한편, 상기 진동판(170)은 유체가 수용되는 내부공간(110)과 구동부(180)를 구획하여 방수하는 역할을 수행하기 때문에, 물이 흡수되지 않는 재질인 것이 바람직하다. 이와 함께, 상기 진동판(170)은 진동판(170)의 진동을 위한 구동력을 최소화 하기 위하여 탄력성이 뛰어난 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 실시 예에서는 상술한 특성을 만족하기 위하여 상기 진동판(170)이 실리콘 재질로 이루어진다.

상기 구동부(180)는 상기 진동판(170)의 배면에 구비되어 상기 진동판(170)을 진동시키는 구성요소로서, 본 실시예에서는 상기 진동판(170)의 배면에 접합되어 상기 구동부(180)에 연계하여 진동한다.

한편, 본 발명에서는 상기 구동부(180)가 상하 방향으로 진동하는 대신, 상기 진동판(170)의 배면 방향, 즉 압전펌프의 아래 방향으로만 진동하도록 구성된다.

본 발명은 이와 같이 구동부(180)를 어느 일측 방향으로만 진동하도록 구성함으로써, 상기 진동 방향의 반대 방향에서의 내부공간(110)과 진동판(170)의 간섭을 고려하지 않아도 된다. 따라서 펌프의 응답성을 향상시키기 위해 상기 내부공간(110)을 최소화하더라도 진동판(170)이 상기 내부공간(110)을 이루는 내벽들과 충돌하여 간섭하는 현상이 발생하지 않게 된다.

상기 구동부(180)를 이와 같이 진동시키기 위한 구체적인 인가 전압의 패턴은 도 10을 참조하여 후술한다.

도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 안내유로의 구체적인 구성과 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 7은 내부공간(110)을 형성하는 중간부재(230)의 하부를 나타내는 사시도이다. 상술한 바와 같이, 상기 내부공간(110)에는 상기 유입부(120)와 배출부(130), 보다 상세하게는 유입유로(232)와 배출유로(234)를 연결하는 안내유로(236)가 구비되는 것이 바람직하다.

이러한 안내유로(236)는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 본 실시예는 도 7에 도시된 바와 같이 소정 깊이를 가지는 비원형의 트랙(track) 형상인 것을 예시하고 있다.

따라서, 기존과 같이 원통형으로 내부공간(110)이 형성된 경우와 대비할 때, 내부공간(110)을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

도 8은 도 7에 도시된 안내유로(236)의 변형예를 도시한 것으로서, 안내유로(336)에서 유입유로(332)와 배출유로(334)와 연결되는 부분에는 소정의 곡률을 가진 라운드부(338)가 형성되어 있다.

이와 같이, 안내유로(336)에 라운드부(338)를 형성함으로써, 유체의 급격한 유로변화에 따른 유동저항을 줄일 수 있어, 펌핑 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

다음으로, 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 밸브부(160)의 구체적인 구성과 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 9는 밸브부(160) 중 유입밸브(140)의 구조를 도시하고 있으며, 배출밸브(150)도 이와 동일한 구조로 이루어진다.

상술한 바와 같이 밸브부(160)는 유체가 일정 방향으로만 유동하도록 유체의 흐름을 제어하는 구성요소이다.

상기 밸브부(160)를 구성하는 유입밸브(140) 또는 배출밸브(150)는 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 본체상에 고정되는 고정부(142)와, 상기 고정부(142)와 탄성적으로 연결되어 상하 방향으로 틸팅(tilting) 가능하게 구비되는 개폐부(144)를 포함하여 구성된다. 그리고 상기 고정부(142)와 개폐부(144)는 분리홈(146)에 의해 분리되며, 연결부(148)를 통해 틸팅 가능하게 결합되어 있다.

본 실시예에서는 상기 밸브 상에 상기 고정부(142)와 개폐부(144)를 분리하는 분리홈(146)에 의해 상기 고정부(142)와 개폐부(144)가 서로 일체로 형성된 형태를 예시하고 있으나, 이와 달리 별도의 고정부(142)와 개폐부(144)를 제작하고 이를 서로 탄력적으로 틸팅 가능하게 연결하여 구성하는 것도 물론 가능하다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유입밸브(140)는 유체의 유동 방향을 따라 단면적이 작은 쪽에서 큰 쪽으로 변하는 위치에 구비되고, 상기 배출밸브(150)는 유체의 유동 방향으로 따라 단면적이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 변하는 위치에 구비된다.

따라서, 상기 유입밸브(140)와 배출밸브(150)는 단면적이 큰 쪽으로만 개폐부(144)가 틸팅되어 유로가 연통될 수 있고, 단면적이 작은 쪽으로는 개폐부(144)의 틸팅이 차단되어 유체의 역류를 방지할 수 있게 된다.

도 10을 참조하여, 본 발명에 따른 구동부에 인가되는 입력 전압 패턴을 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이 상기 구동부(180)는 압전소자를 포함하여 구성되며, 전기를 인가하여 변위에너지를 발생시키는 압전효과를 이용하여 진동을 발생시킨다. 본 실시예에서 상기 구동부(180)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 총 3개의 플레이트가 접합된 형태로 구성된다.

구체적으로, 본 실시예에서 상기 구동부(180)는 상기 진동판(170)의 배면에 접합되는 제1압전 플레이트(182), 상기 제1압전 플레이트(182)의 배면에 접합된 전극 플레이트(184) 및 상기 전극 플레이트(184)의 배면에 접합된 제2압전 플레이트(186)를 포함하여 구성된다.

본 발명은, 구동부(180)에 한쪽 방향으로만 진동을 발생시키기 위하여, 각각의 플레이트(182,184,186)에 다른 패턴의 입력전압을 인가한다. 구체적으로, 제1압전 플레이트(182)에 일정 전압을 인가하고, 전극 플레이트(184)에 일정 주기의 구형파를 인가하며, 제2압전 플레이트(186)를 접지시킨다.

여기서, 상기 전극 플레이트(184)에 인가되는 구형파는, 도 10에 도시된 바와 같이 최대값이 상기 제1압전 플레이트(182)에 인가되는 전압과 동일하다. 그리고 구형파의 평균값은 "0"이 아닌 일정값을 가지기 때문에 진동판(170)이 배면방향으로만 진동할 수 있도록 한다.

도 11a 및 도 11b를 참조하여, 본 발명에 따른 압전펌프의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

도 11a는 도 4의 압전펌프에서 유체가 유입되는 과정을 나타내는 단면도이고, 도 11b는 도 4의 압전펌프에서 유체가 배출되는 과정을 나타내는 단면도이다.

먼저, 도 11a에 도시된 바와 같이, 진동판(170)에 배면방향으로 변위가 발생하게 되면, 내부공간(110)의 체적은 증가하면서 내부공간(110)의 압력이 떨어지게 된다. 따라서, 유입부(120) 측의 유입밸브(140)가 열리면서, 상대적으로 높은 압력의 유입구 측 유체가 내부공간(110)으로 유입된다. 이 때, 배출부(130) 측의 배출밸브(150)는 닫혀있는 상태가 된다.

다음으로, 구동부(180)의 입력전압 신호에 대응하여, 도 11b에 도시된 바와 같이 진동판(170)이 전면방향으로 변위가 발생하면, 내부공간(110)의 체적은 줄어들게 되며 내부공간(110)의 체적은 감소하면서 내부공간(110)의 압력이 증가하게 된다. 따라서, 배출부(130) 측의 배출밸브(150)가 열리면서 유체는 내부공간(110)에서 상대적으로 낮은 압력의 배출부(130) 측으로 배출된다. 이 때, 유입부(120) 측의 유입밸브(140)는 닫혀있는 상태가 된다.

이와 같이, 진동판(170)이 배면 방향과 전면 방향으로 주기적인 변위를 발생시키며 진동하게 되면, 내부공간(110)의 압력이 변화되게 되어 결과적으로 유체를 유입구에서 배출구 측으로 펌핑할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서의 진동판(170)은 배면방향으로의 진동만 발생하며 진동판(170)의 전면방향으로의 변위는 발생하지 않기 때문에, 내부공간(110)을 최소화 할 수 있으며 진동판(170)의 진폭을 키우더라도 내부공간(110)과의 간섭이 일어나지 않는다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 압전펌프는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 진동판을 배면방향으로 진동시켜 내부공간을 줄일 수 있게 구성함으로써, 펌핑의 응답성을 향상시키는 이점이 있다.

특히, 유체를 수용하는 내부공간상에 유입부와 배출부를 연결하는 안내유로를 형성하여, 진동판과의 간섭을 방지하면서 압전펌프의 응답성을 극대화시킬 수 있다.

둘째, 안내유로가 형성하여 유체가 내부공간으로 유입할 때와 내부공간에서 배출될 때 생기는 급격한 유로의 확장과 축소를 방지함으로써, 유로의 변화에 따른 유로저항을 최소화할 수 있다. 이와 함께, 내부공간에서의 와류 발생 현상도 줄어든다. 따라서, 결과적으로 유체의 유동에 따른 저항을 최소화하여, 압전펌프의 전체 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

셋째, 본 발명은 진동판이 배면방향으로만 진동하도록 구성하여, 종전처럼 내부공간과 진동판의 간섭이 일어나지 않기 때문에, 진동판의 진폭을 증가시키는 데 제약이 따르지 않는다. 따라서, 진동판의 진폭을 키워 펌핑용량을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

특히, 진동판을 진동시키는 구동부에 최적화된 전압패턴을 인가함으로써, 진동판의 진폭을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다.

Claims (12)

1. 유체를 수용하는 내부공간을 가지는 본체부;

   상기 유체를 상기 내부공간으로 유입되도록 하는 유입부;

   상기 내부공간에 수용된 유체를 배출되도록 하는 배출부;

   상기 유입부와 상기 배출부를 연결하고, 상기 유입부와 연결되는 부위 및 상기 배출부와 연결되는 부위 중 적어도 어느 하나에는 소정의 곡률을 가지는 라운드부가 형성된 안내유로;

   상기 유체가 상기 유입부에서 상기 배출부 방향으로 유동하도록 유체의 흐름을 제어하는 밸브부;

   상기 내부공간 내에서 상기 내부공간의 일면을 형성하는 진동판; 및

   상기 진동판의 배면에 구비되어, 상기 진동판을 배면 방향으로 진동시키는 구동부를 포함하여 구성되는 압전펌프.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 안내유로는 일정 폭을 가지는 비원형의 트랙(track) 형상인 것을 특징으로 하는 압전펌프.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 구동부는 압전소자에 소정 파형의 전기를 인가하여 구동되는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
6. 제1항에 있어서,

   상기 구동부는,

   상기 진동판의 배면에 접합되는 제1압전 플레이트;

   상기 제1압전 플레이트의 배면에 접합된 전극 플레이트; 및

   상기 전극 플레이트의 배면에 접합된 제2압전 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
7. 제6항에 있어서,

   상기 구동부는 상기 제1압전 플레이트에 일정 전압이 인가되고, 상기 전극 플레이트에 일정 주기의 구형파가 인가되며, 상기 제2압전 플레이트는 접지되어 구동되는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
8. 제7항에 있어서,

   상기 전극 플레이트에 인가되는 구형파는 최대값이 상기 제1압전 플레이트에 인가되는 전압과 동일하며 일정 평균값을 가지는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
9. 제1항에 있어서,

   상기 진동판은 실리콘 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
10. 제1항에 있어서,

    상기 밸브부는,

    상기 유체의 유입 경로상에 구비되어, 상기 유체의 유입방향으로 개방되는 유입밸브; 및

    상기 유체의 배출 경로상에 구비되어, 상기 유체의 배출방향으로 개방되는 배출밸브;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
11. 유체가 내부로 유입되도록 하는 유입부 및 상기 유체가 외부로 배출되도록하는 배출부가 구비된 상부 하우징;

    상기 상부 하우징의 하부에 구비되고, 상기 유입부와 연통된 유입유로 및 상기 배출부와 연통된 배출유로가 형성되며, 유체를 수용하는 내부공간을 가지는 중간부재;

    상기 중간부재에 구비되어 상기 유입유로와 상기 배출유로를 연결하고, 상기 유입유로와 연결되는 부위 및 상기 배출유로와 연결되는 부위 중 적어도 어느 하나에는 소정의 곡률을 가지는 라운드부가 형성된 안내유로;

    상기 상부 하우징과 중간부재 사이에 구비되어, 상기 유체가 상기 유입부에서 상기 배출부 방향으로 유동하도록 유체의 흐름을 제어하는 밸브부;

    상기 상부 하우징과 결합하는 하부 하우징;

    상기 상부 하우징과 하부 하우징의 사이에 구비되며, 상기 내부공간의 일면을 형성하는 진동판; 및

    상기 진동판의 배면에 구비되어, 상기 진동판을 배면 방향으로 진동시키는 구동부를 포함하여 구성되는 압전펌프.
12. 삭제

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