KR100868898B1

KR100868898B1 - 적층형 ｐｚｔ를 이용한 압전펌프

Info

Publication number: KR100868898B1
Application number: KR1020070076363A
Authority: KR
Inventors: 함영복; 박중호; 윤소남; 최병오; 정태영
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2008-11-14
Anticipated expiration: 2027-07-30

Abstract

본 발명은 유체 펌핑실에 구비된 다수의 금속 다이어프램의 변위를 적층형 PZT의 순차적 변위를 통해 조절하는 방식으로 체크밸브 없이 고압의 미소 유체를 이송 할 수 있도록 하는 적층형 PZT를 이용한 압전펌프에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 적층형 PZT를 이용한 압전펌프는, 몸체와 상기 몸체의 일측에 형성된 유체 흡입공과 상기 몸체의 타측에 형성된 유체 토출공과 상기 각 유체 흡입공과 인접한 유체 토출공 사이에 형성된 유로를 각각 가지는 다수의 유체 펌핑실과, 상기 각 유체 흡입공 중 최전단 유체 흡입공에 연결된 유체 흡입관과, 상기 각 유체 토출공 중 최후단 유체 토출공에 연결된 유체 토출관과, 상기 각 펌핑실의 일측에 구비되는 금속 다이어프램과, 상기 각 금속 다이어프램 일측에 접촉 구비되는 다수의 적층형 PZT와, 상기 각 적층형 PZT에 순차적으로 전계신호를 인가하여 상기 적층형 PZT의 변위를 일으켜 상기 유체 흡입공을 통해 흡입된 유체를 상기 유체 토출공으로 토출시키는 컨트롤러를 포함하여 구성되되, 상기 각각의 적층형 PZT는 중앙에 접촉 부재를 중심으로 방사형으로 배치되며, 상기 각각의 유체 펌핑실은 상기 방사형으로 배치된 각 적층형 PZT의 외측에 방사형으로 구비된다.

적층형 PZT, 압전펌프, 금속 다이어프램, 유체

Description

적층형 ＰＺＴ를 이용한 압전펌프{PIEZOELECTRIC PUMP USING STACKED PZT}

본 발명은 압전펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체 펌핑실에 구비된 다수의 금속 다이어프램의 변위를 적층형 PZT의 순차적 변위를 통해 조절하는 방식으로 체크밸브 없이 고압의 미소 유체를 이송 할 수 있도록 하는 적층형 PZT를 이용한 압전펌프에 관한 것이다.

마이크로 유체 시스템은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 것으로서, 임상진단, DNA와 펩타이드(Peptide)와 같은 생체의학 연구, 신약개발을 위한 화학분석, 잉크젯 인쇄, 소형 냉각 시스템, 소형 연료전지분야 등과 같은 분야에서 응용되는 매우 중요한 시스템이다.

또한, 마이크로 펌프(Micro Pump)와 마이크로 밸브(Micro Valve)는 이러한 마이크로 유체 시스템에서 유체의 흐름을 가능하게 하고 유체의 양과 속도를 조절하고 흐름을 차단하는 등 유체제어기능을 갖는 핵심 부품에 해당한다.

마이크로 펌프는 작동 원리, 구동 방식, 용도 등에 따라 여러 가지 형식이 제안되고 있다. 지금까지 개발되고 있는 마이크로 펌프는 적층형 PZT(티탄산지르콘납, Plumbum Ziconate Titanate) 소자와 벨로스(Bellows)를 조합시킨 공진구동 마 이크로 펌프, 형상기억합금과 다이아프램(Diaphragm)을 조합시킨 마이크로 펌프, 압전 디스크와 유리박막을 조합시킨 마이크로 펌프, 열공압 액츄에이터(Actuator)와 폴리이마이드(Polyimide)막을 조합한 마이크로 펌프 등이 있다.

이러한 마이크로 펌프는 내부 용적이 변화하는 펌프실과 체크 밸브(Check-Valve)가 조합된 형태가 주류를 이룬다.

도 6은 종래의 일반적인 압전펌프를 나타낸 것으로서 유체 흡입공(110)과 토출공(120)이 구비되며 인가 전압에 따라 변위를 일으키도록 압전 소자(130)가 도전성탄성판에 부착되는 방식의 유니몰프 압전액츄에이터(140)와, 압전소자(130)에 전계를 인가하는 리드선(150)과 리드선(150)을 통해 인가되는 전계 신호를 제어하는 전압인가장치(160)로 구성된다.

이러한 구성에 따라, 전압인가장치(160)를 통해 인가된 전계에 의해 압전소자(130)가 한쪽 방향으로 변위를 일으키면서 유체를 흡입공(110)을 통해 흡입한 후 유체 토출공(120)으로 토출함으로써 유체를 펌핑시킨다.

이러한 압전펌프는 전계 신호에 따라 변위만을 발생하므로 펌핑시의 유체 흡입과 토출을 단속하는 별도의 체크 밸브(170,180)를 필요로 하는 단점이 있다.

이러한 단점을 해소하기 위한 기술이 대한민국 등록특허 10-561728호에 "압전펌프"라는 제목으로 개시된 바 있다.

이 기술은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 유체 흡입관(200)에 연결된 유체 흡입공(210)과 유체 토출관(300)에 연결된 유체 토출공(310)이 형성된 펌프 케이스(400)의 유체 펌핑실(500)에 압전엑츄에이터(600)가 구비된다. 그리고 펌프 케 이스(400)의 내측에는 유체 흡입공(210)과 유체토출공(310)유로를 공유하는 다수의 유체 펌핑실(500)이 설치되어 각각의 유체 펌핑실(500)에는 서로를 공유하는 다수의 압전엑츄에이터(600)가 취부된다. 이를은 각각 컨트롤러(700)에 연결되어 서로 다른 변위차를 이루며 연동하여 동작한다.

그런데, 이 기술의 압전엑추에이터(600)는 유니몰프 타입이기 때문에 변위를 크게 하여 많은 유체을 이동시킬 수 있으나, 발생력이 작으므로 압력을 크게 가지지 못하여 고압의 미소 유체 이송이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 유체 펌핑실에 구비된 각 금속 다이어프램 일측의 적층형 PZT의 순차 변위를 통해 유체를 펌핑함으로써 별도의 체크밸브 없이 유체의 이송 및 역류를 제어하며 고압의 미소 유체를 이송을 할 수 있도록 하는 적층형 PZT를 이용한 압전펌프를 제공함에 있다.

본 발명의 적층형 PZT를 이용한 압전펌프는, 몸체와 상기 몸체의 일측에 형성된 유체 흡입공과 상기 몸체의 타측에 형성된 유체 토출공과 상기 각 유체 흡입공과 인접한 유체 토출공 사이에 형성된 유로를 각각 가지는 다수의 유체 펌핑실과, 상기 각 유체 흡입공 중 최전단 유체 흡입공에 연결된 유체 흡입관과, 상기 각 유체 토출공 중 최후단 유체 토출공에 연결된 유체 토출관과, 상기 각 펌핑실의 일측에 구비되는 금속 다이어프램과, 상기 각 금속 다이어프램 일측에 접촉 구비되는 다수의 적층형 PZT와, 상기 각 적층형 PZT에 순차적으로 전계신호를 인가하여 상기 적층형 PZT의 변위를 일으켜 상기 유체 흡입공을 통해 흡입된 유체를 상기 유체 토출공으로 토출시키는 컨트롤러를 포함하여 구성되되, 상기 각각의 적층형 PZT는 중앙에 접촉 부재를 중심으로 방사형으로 배치되며, 상기 각각의 유체 펌핑실은 상기 방사형으로 배치된 각 적층형 PZT의 외측에 방사형으로 구비된다.

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본 발명은 각 금속 다이어프램의 일측에 구비된 적층형 PZT의 순차 변위를 통해 유체를 펌핑함으로써 별도의 체크밸브 없이 유체의 이송 및 역류를 제어하며 고압의 미소 유체를 이송 할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 적층형 PZT를 이용한 압전펌프를 설명하기 위한 평면 개념도이도, 도 2는 도 2의 A-A'선 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 몸체(1)와, 다수의 유체 펌핑실(2)과, 유체 흡입관(3)과, 유체 토출관(4)과 다수의 금속 다이어프램(5)과, 다수의 적층형 PZT(6) 및 컨트롤러(7)를 포함하여 구성된다.

여기서, 유체 펌핑실(2)은, 몸체(1)의 일측에 형성된 유체 흡입공(31)과, 몸체(1)의 타측에 형성된 유체 토출공(41)과, 유체 흡입공(31)과 인접한 유체 토출공(41) 사이에 형성된 유로(11)를 각각 가진다.

그리고, 각 유체 흡입공(31) 중 최전단의 유체 흡입공(31)에는 유체 흡입관(3)이 연결되어 유체를 흡입하게 되며, 각 유체 토출공(41) 중 최후단의 유체 토출공(41)에는 유체 토출관(4)이 연결되어 유체를 토출하게 된다.

즉, 유체 흡입관(3)에 연결된 최전단 유체 흡입공(31)을 통해 유입된 유체가 유로(11)를 통해 이동한 후 유체 토출공(41)으로 토출된 후 유체 흡입공(31)으로 유입, 유체 토출공(41) 토출 과정의 반복 과정을 거친 후 최후단의 유체 토출공(41)을 통해 유체 토출관(4)으로 토출된다.

한편, 각 펌핑실(2)의 일측에는 금속 다이어프램(5)이 구비되고, 각 금속 다이어프램(5)의 일측에는 각각 적층형 PZT(6)가 구비된다.

그리고, 컨트롤러(7)는 각 적층형 PZT(6)에 순차적으로 전계신호를 인가하여 적층형 PZT(6)의 변위에 따라 금속 다이어프램(5)의 변위를 일으킨다. 이와 같이 순차적으로 변위되는 적층형 PZT(6)에 의해 유체 흡입공(31)으로 흡입된 유체가 유체 토출공(41)으로 토출된다.

즉, 유체 흡입관(3)에 연결된 최전단의 유체 흡입공(31)을 통해 유입된 유체는 유로(11)을 통해 유체 토출공(41)으로 토출된 후 인접하는 유체 흡입공(31)으로 흡입 되고, 이 과정이 반복 된 후 최후단의 유체 토출공(41)을 통해 유체 토출관(4)으로 토출된다.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 적층형 PZT를 이용한 압전펌프의 적용예들을 나타낸 사시도로서, 유로나 유체 펌핑실과 유체 흡입공 및 유체 토출공에 대한 구성은 도 2를 참조하도록 한다.

도 3을 참조하면, 다수의 유체 펌핑실(2)은 상호 동일 선상에 연속 배치되는 구조를 가지며, 이에 따라 유체가 직선 흐름을 갖게 된다.

도 4를 참조하면, 다수의 유체 펌핑실(2)은 다층의 적층 구조로 연속 배치되는 각각의 펌프 케이스에 구비되되, 인접하는 유체 펌핑실(2) 사이의 유체 흡입공 (미도시함)과 유체 토출공(미도시함)은 유로를 통해 상호 대응되게 반복적으로 배치된다.

즉, 인접하는 유체 펌핑실(2)의 유체 흡입공(31)과 유체 토출공(41)은 서로 대응되게 배치되어, 유체 흡입공(31)을 통해 유입되어 유체 토출공(41)으로 토출된 유체가 유로를 따라 인접하는 유체 흡입공(31)으로 토출되는 것이다.

다시 말해, 도 4에 따르면 컨트롤러(7)의 순차적인 제어 신호에 따라 다수의 적층형 PZT가 순차적 변위를 일으키게 된다. 이에 따라, 유체 흡입관(3)을 통해 유입된 유체가 제 1 유체 흡입공(31)을 통해 유입된 후 펌핑실 내부의 유로(11)를 통해 제 1 유체 토출공(41)으로 토출되고, 이 유체는 펌핑실 외부의 유로(11)를 따라 제 2 유체 흡입공(31)으로 유입, 제 2 유체 토출공(41)을 통해 토출, 외부 유로를 통해 제 3 유체 흡입공(31)으로 유입 및 최종적으로 제 3 유체 토출공(41)을 통해 유체 토출관(4)으로 토출된다.

한편, 도 5에 따르면, 다수의 적층형 PZT(6)는 중앙에 접촉 부재를 중심으로 방사형으로 배치되며, 다수의 유체 펌핑실(2)은 상기 방사형으로 배치된 각 적층형 PZT(6)의 외측에 방사형으로 구비된 펌프 케이스(12) 내에 각각 구비된다.

이에 따라, 유체 펌핑실을 동일 선상이나 적층형 구조가 아닌 다양한 방향에 방사형으로 배치할 수 있으므로, 펌프의 활용을 다양하게 할 수 있다.

그리고, 본 발명은 유체를 펌핑하기 위하여 적층형 PZT를 이용함으로써 발생력을 크게 할 수 있으며 변위를 크게 가지지는 못하지만, 고압의 미소 유체 이송이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 적층형 PZT를 이용한 압전펌프를 설명하기 위한 평면 개념도.

도 2는 도 1의 A-A'선 단면도.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 적층형 PZT를 이용한 압전펌프의 적용예들을 나타낸 사시도.

도 6은 종래의 일반적인 마이크로 펌프를 나타낸 개념도.

도 7은 종래의 압전 펌프를 도시한 사시도.

도 8은 도 7의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 몸체

11 : 유로

12 : 펌프 케이스

2 : 유체 펌핑실

3 : 유체 흡입관

31 : 유체 흡입공

4 : 유체 토출관

41 : 유체 토출공

5 : 금속 다이어프램

6 : 적층형 PZT

7 : 컨트롤러

Claims

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몸체(1)와,

상기 몸체(1)의 일측에 형성된 유체 흡입공(31)과 상기 몸체(1)의 타측에 형성된 다수의 유체 토출공(41)과 상기 각 유체 흡입공(31)과 인접한 유체 토출공(41) 사이에 형성된 유로(11)를 각각 가지는 다수의 유체 펌핑실(2)과,

상기 유체 흡입공(31) 중 최전단 유체 흡입공(31)에 연결된 유체 흡입관(3)과,

상기 유체 토출공(41) 중 최후단 유체 토출공(41)에 연결된 유체 토출관(4)과,

상기 각 펌핑실(2)의 일측에 구비되는 금속 다이어프램(5)과,

상기 각 금속 다이어프램(5) 일측에 접촉 구비되는 적층형 PZT(6)와,

상기 각 적층형 PZT(6)에 순차적으로 전계신호를 인가하여 상기 적층형 PZT(6)의 변위에 따라 상기 금속 다이어프램(5)의 변위를 일으켜 상기 유체 흡입공(31)을 통해 흡입된 유체를 상기 유체 토출공(41)으로 토출시키는 컨트롤러(7)를 포함하여 구성되되,

상기 각각의 적층형 PZT(6)는 중앙에 접촉 부재를 중심으로 방사형으로 배치되며,

상기 유체 펌핑실(2)은 상기 방사형으로 배치된 각 적층형 PZT(6)의 외측에 방사형으로 구비된 펌프 케이스(12) 내에 각각 구비된 것을 특징으로 하는 적층형 PZT를 이용한 압전펌프.