KR100851592B1 - 고압 저용량 펌프 - Google Patents

Abstract

피스톤 홀더(46)는 실린더(30)의 내외로 유체를 펌핑하기 위해 펌프 실린더(30)에서 왕복 운동하는 가늘고 긴 피스톤 로드(12)를 지지한다. 피스톤 로드(12)는 사파이어 또는 지르콘과 같은 결정질 재료로 만들어지며, 약 10 ㎜ 미만의 직경을 가지며, 펌프는 분당 약 50 나노리터 내지 250 마이크로 리터의 흐름을 수백 바(bar)의 압력으로 제공할 수 있다. 구동 모터(18)는 나사식 구동 스크루(58)를 회전시키고 구동 시스템(26)의 구동 너트(70)는 피스톤 홀더(46)에 선형 구동력을 가한다. 구동 시스템(26)과 피스톤 홀더(46) 사이의 볼-소켓 이음(74)은 취성 피스톤(12)의 파손을 방지하기 위한 정밀한 정렬에 필요성을 피할 수 있다. 소켓(78) 내의 자석(80)이 볼(76)을 적소에 유지하여 스프링 또는 기타 기계적 유지구의 필요성을 제거한다. 소켓(78)은 또한 볼(76)을 둘러싸는 낮은 자기 저항 재료의 링(88)을 포함하고 있어 자기적 유지력을 증대시킨다.

Description

고압 저용량 펌프{HIGH PRESSURE LOW VOLUME PUMP}

본 발명은 고압 액체 크로마토그래피에 사용하기에 적합한 개선된 고압 저용량 펌프에 관한 것이다.

정밀하게 측정된 매우 작은 체적의 액체를 매우 높은 압력으로 정확하게 운반할 수 있는 펌프에 대한 필요성이 존재한다. 예를 들면, 고압 액체 크로마토그래피(HPLC) 과정을 실행하는데 있어서, 메탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 액체 용매를 운반하기 위해 모터 구동식 펌프가 통상적으로 사용된다. 이러한 경향은 크로마토그래피 칼럼의 이동상(mobile phase)을 위해 보다 적은 체적의 용매를 사용하고, 보다 높은 압력에서 작업하기 위한 것이다. 예를 들면, 유체를 분당 약 50 나노리터 내지 약 250 마이크로리터 범위의 저유량으로 수백 바(bar)의 압력에서 운반할 수 있는 펌프를 제공하는 것이 요구된다.

그러한 저유량을 위해 설계된 피스톤 펌프는 그 펌프의 액체 조작 구성 요소의 크기가 매우 작기 때문에 정교할 필요가 있다. 저용량 HPLC 펌프는 사파이어 또는 지르콘 등으로 만들어지는 작은 직경의 피스톤을 사용하는 것이 유익할 수 있는 데, 그 이유는 그러한 재료가 매우 작은 크기에서 치수 및 표면 공차를 맞출 수 있기 때문이다. 그러나, 이러한 재료는 취성이 있어 파손되기 쉽기 때문에 문제점 이 존재한다. 고압 저용량 펌프의 조립 및 작동 중에 작고 정교한 피스톤의 파손을 방지한다는 것은 어렵다.

본 발명의 주목적은 분당 나노리터 범위로 정밀하게 개량된 액체의 흐름을 수백 바 정도의 높은 압력으로 제공할 수 있는 개선된 고압 저용량 펌프를 제공하는 것이다. 다른 목적은 취성 재료로 만들어진 매우 작은 직경의 피스톤을 채용하지만, 펌프의 조립 및 작동 중에 피스톤 파손의 문제점을 극복할 수 있는 펌프를 제공하며, 피스톤을 예를 들면 스프링에 의해 기계적으로 유지시킬 필요성이 없는 펌프를 제공하며, 피스톤과 피스톤 구동 시스템을 많은 비용을 들여 정밀하게 정열시킬 필요가 없는 펌프를 제공하고, 종래에 사용된 펌프의 결점을 극복한 고압 저용량 펌프를 제공하는 것이다.

간단히 말해, 본 발명에 따르면, 고압 액체 크로마토그래피 등을 위한 고압 저용량 펌프가 제공된다. 이 펌프는 펌프 실린더와, 펌핑되는 유체가 이 실린더 내외로 흐르게 하는 통로를 포함하는 펌핑 섹션을 구비한다. 피스톤 조립체는 실린더 내에서 왕복 운동할 수 있는 피스톤과, 이 피스톤을 제1 단부에서 지지하는 피스톤 홀더를 포함한다. 피스톤 구동 시스템이 모터와 피스톤 홀더의 제2 단부 사이에 연결되어 모터의 작동에 응답하여 피스톤 조립체를 왕복 운동시킨다. 피스톤은 약 10 ㎜ 미만의 직경을 갖는 가늘고 긴 로드이다. 구동 시스템과 피스톤 홀더의 제2 단부의 상호 접속은 구형 부재가 소켓 내에 피벗 가능하게 수용된 볼-소켓 이음을 포함한다. 소켓 내의 자석이 그 자기력을 이용하여 구형 부재를 소켓 내에 유지시킨다.

본 발명은, 전술한 목적 및 이점과 기타 다른 목적 및 이점과 함께 도면에 도시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예의 후술되는 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 고압 저용량 펌프를 이 펌프의 주요 축선을 따라 취한 단면도이고,

도 2는 도 1의 펌프의 피스톤 조립체와 구동 시스템의 확대 단면도이다.

이하, 도면을 참조로 하면, 도 1에는 전체적으로 도면 부호 10으로 나타낸, 본 발명의 원리에 따라 구성된 고압 저용량 펌프가 도시되어 있다. 이 펌프(10)는 고압 액체 크로마토그래피 과정 중에 용매 액체의 이동상을 제공하기에 유용하며, 메탄올, 이소프로필 알코올, 아세토니트릴 등과 같은 용매를 분당 약 50 나노리터 내지 약 250 나노리터의 저유량으로 적어도 600 바에 이르는 압력에서 펌핑할 수 있다.

이러한 원하는 수행 특성을 달성하기 위해, 펌프(10)는 약 10 ㎜ 미만의 직경, 바람직하게는 약 1 내지 3 ㎜의 직경을 갖는 가늘고 긴 로드 형상의 피스톤(12)을 포함한다. 피스톤(12)은 결정질 재료, 바람직하게는 사파이어로 만들어지거나, 미네랄, 바람직하게는 지르콘과 같은 유사한 특성을 갖는 재료로 만들어진다. 이러한 재료의 이점은 이들 재료에는 본 발명에 필요한 매우 작은 크기에 서 정밀한 공차 및 표면 특성이 부여될 수 있다는 것이다. 그러한 재료 및 크기로 만들어진 피스톤(12)의 잠재적 결점은, 취성이 있어 펌프(10)가 조립 및 작동 시에 파손된다는 것이다. 본 발명은 이러한 잠재적 결점을 극복하고 펌프 피스톤(12)의 파손에 대한 문제점을 해결한다.

펌프(10)에 대해 보다 상세하게 설명하면, 이 펌프는 구동 모터(18)가 고정된 단부캡(16)을 지지하는 펌프 본체(14)를 포함한다. 구동 모터(18)는 마이크로프로세서의 제어를 받아 정밀하게 회전할 수 있는 스텝 모터이며, 상기 마이크로프로세서는 검출기(22)로부터 케이블(20)을 거쳐 제공되는 위치 피드백 신호를 받아들이고 상기 검출기는 모터(18) 뒤의 인코더로부터 신호를 받아들인다.

피스톤(12)을 포함하는 피스톤 조립체(24)는 피스톤 구동 시스템(26)에 의해 직선 왕복 운동하며, 이 피스톤 구동 시스템은 모터(18)의 회전 운동을 피스톤 구동 시스템(26) 및 피스톤 조립체(24)의 직선 운동으로 전환하는 구동 트랜스미션(28)에 의해 모터(18)에 연결되어 있다. 피스톤(12)은 펌핑 실린더(30) 내에서 왕복 운동하는데, 이 펌핑 실린더는 펌프 헤드(34)에 기계 가공된 펌핑 섹션(32)의 일부이고, 상기 펌프 헤드는 캡(38)을 포함하는 피스톤 하우징(36)에 부착되어 있으며, 상기 캡은 이 캡(38)과 펌프 헤드(34) 사이의 스페이서 본체(40) 및 펌프 본체(14)에 고정되어 있다.

펌프 헤드(34)의 펌핑 섹션(32)은 유체 유입 통로(42)와 유체 유출 통로(44)를 포함하며, 이들 두 통로는 펌핑 실린더(30)와 연통한다. 유체가 실린더(30) 내에서 피스톤(12)의 표면을 따라 흐르기에는 충분한 간극이 피스톤(12) 주위에 존재 하고, 원한다면 통로(42, 44)는 실린더의 길이를 따라 다른 지점, 예를 들면 유입 또는 유출 밸브를 펌프 헤드(34) 상에 또는 그 내에 장착하는 것을 가능하게 하는 지점에 위치할 수 있다. 펌프 헤드(34)에 또는 이로부터 원거리에 위치하는 유입류 밸브(도시 생략)는 피스톤이 실린더(30)에서부터 밖으로(도 1에서 볼 때는 우측으로) 이동할 경우 통로(42)와 실린더(30)로 유체가 흐를 수 있도록 개방된다. 펌프 헤드(34)에 또는 이로부터 원거리에 위치하는 유출류 밸브(도시 생략)는 피스톤이 실린더(30) 안으로(도 1에서 볼 때는 좌측으로) 이동할 경우 개방된다. 이들 유입류 및 유출류 밸브는 체크 밸브이거나, 솔레노이드 밸브와 같이 마이크로프로세서로 제어되는 밸브일 수 있다. HPLC 시스템에서 연속적인 이동상의 흐름을 제공하기 위해, 유출류가 항상 적어도 하나의 밸브(10)에 의해 마련되도록 복수 개의 밸브(10)의 조립체가 사용될 수 있다.

피스톤 조립체(24)는 축선 방향으로 연장하는 긴 구멍이 한쪽 단부에 있는 피스톤 홀더(46)를 포함하며, 상기 구멍 안으로 피스톤(12)이 삽입되어 고정된다. 피스톤 홀더(46)는 스페이서 본체(40) 내의 세척 챔버(48)에서 왕복 운동한다. 세척 포트(50)를 통해 흐르는 세척액은 세척 챔버(48)를 통과하여 흐를 수 있다. 일단은 피스톤 홀더(46)의 홈(54) 내에 있고 타단은 캡(38)과 스페이서 본체(40) 사이에 구속된 접을 수 있는 벨로우즈 시일(bellows seal)(52)에 의해, 펌핑되는 액체가 세척액으로부터 격리된다. 도 1에 도시되어 있는 피스톤이 완전히 연장한 위치는 펌프 헤드(34)에 대한 피스톤 홀더(46)의 멈춤 플랜지(56)의 맞물림에 의해 결정된다.

구동 트랜스미션(28)은 샤프트 커플링(62)에 의해 모터(18)의 구동 샤프트(60)와 축방향으로 정렬되어 이에 고정된 나사식 구동 스크루(58)를 포함한다. 구동 시스템(26)은 구동 스크루(58)를 축선 방향으로 수용하는 중공 구동 칼라(64)를 포함한다. 이 칼라(64)의 반경 방향으로 연장하는 돌출부(66)는 펌프 본체(14) 내에서 축선 방향으로 연장하는 슬롯(68)에 수용되어 구동 칼라(64)의 회전을 방지한다. 나사식 구동 너트(70)가 칼라(64) 내에 장착되어 구동 스크루(58)와 결합한다. 베어링(72)은 펌프(10)의 축선을 따라 직선 운동하는 칼라(64)를 지지한다. 모터(18)가 샤프트(60)를 회전시키는 경우, 스크루(58)의 회전은 결합된 구동 너트(70) 및 구동 칼라(64)의 정밀하게 제어된 직선 운동을 초래한다.

본 발명에 있어서, 볼-소켓 이음(74)이 구동 칼라(64)와 피스톤 홀더(46) 간에 구동력을 전달한다. 피스톤 홀더(46)의 피스톤(12) 반대쪽 단부는 이음용 볼(76)을 제공하도록 그 형상이 구형이다. 구동 칼라(64)의 단부에는 상기 볼(76)을 수용하는 소켓(78)이 마련되어 있다. 볼-소켓 이음(74)을 사용함으로써, 피스톤 조립체(24)의 운동 축선과 구동 시스템(26)의 축선과의 정확한 정렬에 대한 필요성을 회피할 수 있다. 정밀 공차에 대한 비용이 제거되고, 오정렬에 의한 피스톤(12)의 파손이 방지된다.

볼(76)을 소켓(78) 내에 구속시키고 구동 시스템(26)이 피스톤 조립체를 밀고 당길 수 있게 하기 위해서, 자석(80)이 소켓(78)내에 포함되어 있다. 볼(76)은 스프링 또는 기타 유지 장치에 의한 기계적 힘보다는 자기력에 의해 유지된다. 소켓(78)은 대체적으로 컵 형상이고, 자석(80)을 수용하는 기부 벽(82)과, 볼(76)을 둘러싸는 측벽(84)을 포함한다. 볼(76)을 포함하는 피스톤 홀더(46)는 자석(80)에 의해 끌어당겨지는 자성 재료, 바람직하게는 철계 재료로 형성된다. 자석(80)의 표면에는 비자성, 바람직하게는 플라스틱제의 스페이서(86)가 볼(76)을 자석(80)에 근접하게 위치시키고, 소켓(78) 내에서의 볼(76)의 전방향 피벗 운동을 가능하게 한다. 자석(80)은 기타 재료로 이루어질 수 있지만, 네오디뮴-철-붕소의 희토류 자석이 바람직하다.

자기적 유지력은 측벽(84)에서 지지되며 볼(76)의 중앙 평면을 둘러싸는 연철과 같은 자기 저항이 낮은 재료로 된 링(88)에 의해 최대화된다. 이 링(88)은 자석(80)과 볼(76)을 포함하는 낮은 자기 저항 경로에 기여하며, 개방단의 자속 경로를 대부분 폐쇄단의 자속 경로로 변화시킴으로써 자기적 유지력을 증대시킨다.

펌프(10)를 조립함에 있어, 캡(38)이 펌프 본체(14)에 결합될 때에 볼(76)이 소켓(78) 안으로 들어가 도 1에 도시되어 있는 완전히 안착된 위치로 자석(80)에 의해 압박된다. 이는 피스톤(12)에 충격 또는 응력을 가하지 않는 부드럽고 원활한 운동이어서, 파손을 피할 수 있다. 기계적 유지 시스템이 사용된다면, 소켓(78) 내에 피스톤(12)을 삽입하는 것은 갑작스런 운동 또는 피스톤 홀더(46)에 가해지는 비축방향 하중에 의해 발생하는 충격 또는 응력으로 인해 파손을 야기할 우려가 있다.

본 발명은 도면에 도시되어 있는 본 발명의 실시예의 세부 사항을 참조로 기재되어 있지만, 이러한 세부 사항은 첨부된 청구 범위에 따른 본 발명에 보호 범위를 한정하기 위한 것이 아니다.

Claims (9)

1. (A) 피스톤과,

   (B) 제1 단부 및 이 제1 단부의 반대측에 배치되는 제2 단부를 구비하며, 상기 제1 단부에는 상기 피스톤이 장착되고 상기 제2 단부상에는 볼이 배치되는 피스톤 홀더와,

   (C) 피스톤 구동 시스템의 단부에 마련된 소켓

   을 포함하며, 상기 소켓은

   (1) 기부 벽과,

   (2) 상기 기부 벽에서부터 축방향으로 연장하여 상기 볼의 적어도 일부를 둘러싸는 측벽과,

   (3) 자기력을 이용하여 상기 소켓 내에 상기 볼을 유지하도록 상기 기부 벽 내에 유지된 자석

   을 포함하며, 상기 피스톤은 미네랄로 만들어지는 것인 고압 저용량 펌프.
2. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 결정질 미네랄로 만들어지는 것인 고압 저용량 펌프.
3. 제2항에 있어서, 상기 피스톤은 사파이어로 만들어지는 것인 고압 저용량 펌프.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 지르콘으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 고압 저용량 펌프.
6. 제1항에 있어서, 상기 자석은 희토류 재료로 만들어지는 것인 고압 저용량 펌프.
7. 제6항에 있어서, 상기 자석은 네오디뮴-철-붕소 자석인 것인 고압 저용량 펌프.
8. 제1항에 있어서, 상기 볼과 상기 자석 사이에 배치된 스페이서를 더 포함하는 고압 저용량 펌프.
9. 제1항에 있어서, 상기 기부벽과 반대측의 상기 측벽의 단부에 배치된 링을 더 포함하며, 이 링은 자기 저항이 낮은 재료로 만들어지는 것인 고압 저용량 펌프.

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