KR101000864B1 - 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연속분사장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 두 개 이상의 열공압 펌프를 병렬로 연결하여 단일의 열공압 펌프가 가지는 토출유량의 주기성을 보완하여 미소 유체의 연속적인 분사를 가능하게 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치에 의하면 병렬로 연결된 두 개 이상의 열공압 펌프가 토출유량에 대하여 반대의 주기성을 갖도록 제어함으로써 상호간의 토출유량에 대한 주기성을 보상하여 유체의 연속적인 분사를 가능하게 하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치는 마이크로 연료전지의 연료공급장치 및 마이크로의료장비 등과 같이 유량의 정밀한 제어 및 유체의 연속적인 분사를 필요로 하는 분야에서 널리 활용될 수 있는 장점이 있다.
열공압 펌프, 연속분사장치,

Description

병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치{A continuous ejector with a parallel thermo-pneumatic pump}
본 발명은 연속분사장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 두 개 이상의 열공압 펌프를 병렬로 연결하여 단일의 열공압펌프가 가지는 토출유량의 주기성을 보완하여 미소 유체의 연속적인 분사를 가능하게 하는 병렬 연결된 열공압펌프를 구비한 연속분사장치에 관한 것이다.
최근 들어 국제적으로 마이크로 유체 시스템에 대한 관심과 개발이 증가되고 있으며, 각종 전자기기의 소형화 추세와 함께 미소유체 분사장치에 대한 요구가 확대되고 있는 실정이다. 이러한 마이크로 유체 시스템은 마이크로의료장비나 마이크로연료전지 등과 같은 분야에 응용되는 매우 중요한 시스템이다.
단백질 칩 또는 DNA 칩과 같은 바이오 칩 상에서의 미세 유체의 제어기술에 있어서는 미세 유체인 시료를 임의의 위치에 원하는 속도로 이동시키는 것이 중요한데, 이러한 시료의 이동은 주로 마이크로펌프와 마이크로 밸브 등을 통해 이루어진다.
상기한 마이크로펌프는 작동 원리나 용도 등에 따라 여러 가지 방식이 제안 되고 있으나 열에 의해 팽창하는 박막의 거동을 이용하여 분사를 구현하는 열공압 펌프(thermo-pneumatic pump)가 주로 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 박막을 구비하는 열공압 펌프의 단면도이다.
도 1을 참조하면 종래 기술에 따른 열공압 펌프(100)는 본체(110), 유체주입구(120), 유체배출구(130), 유체수송로(140), 박막(150), 박막히터(160) 및 열공압매체(170)를 구비한다. 또한 유체주입구(120)는 유입유체저장조(180)에 연결되며 유체배출구(130)는 유출유체저장조(190)에 연결된다. 유체배출구(130)는 노즐(131)을 더 구비할 수도 있다.
먼저, 유체주입구(120)로부터 유체배출구(130) 사이에 유체가 가득 차 있는 경우에는 압력 차이가 없으므로 유체는 유체수송로(140)에 정지해 있을 것이다. 이 상태에서 박막히터(160)에 전원을 공급하게 되면 열공압매체(170)가 팽창하게 되고 이에 따라 박막(150)이 유체수송로(140) 방향으로 부풀어 오르게 된다. 따라서 유체수송로(140)의 압력이 증가하게 되며 유체주입구(120)는 닫히고 유체배출구(130)가 열려 유체가 유체배출구(130) 쪽으로 유체가 이동하게 된다.
이 상태에서 박막히터(160)에의 전원 공급을 차단하면 열공압매체(170)가 수축하고 이에 따라 박막(150)이 원 위치로 복귀하게 된다. 따라서 유체수송로(140)의 압력이 감소하게 되며, 이때는 유체배출구(130)는 닫히고 유체주입구(120)가 열려 유체가 유입유체저장조(180)로부터 유체수송로(140)로 유입된다.
이와 같이 박막의 팽창과 수축의 과정을 반복함으로써 유체를 이동시킬 수 있다. 이때 유체배출구(130)의 끝단부에 노즐(131)을 구비하게 되면 유체의 배출을 순조롭게 하고 유체의 역류를 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이 일반적인 마이크로 열공압 펌프는 비교적 간단한 내부 구조를 가지고 박막의 팽창과 수축을 반복함으로써 펌프의 역할을 수행하는 초소형 분사장치이다. 다른 펌프와 비교하여 펌핑 속도가 비교적 높고, 복잡한 내부 장치가 필요 없으므로 저가의 비용으로 초소형의 장치 제작이 가능한 장점이 있다.
그러나 팽창과 수축을 반복하는 구조적인 한계로 인해 유체배출구의 유량이 주기성을 가지며, 이러한 팽창과 수축의 주기성을 완벽하게 제어하는 것이 곤란하다는 단점이 있다. 또한 열공압 펌프는 박막에 작용하는 배압(back pressure)의 비선형성으로 인해 정확한 유량제어가 곤란하다. 따라서 열공압 펌프는 연속적이고 균일한 분사를 필요로 하는 시스템에는 적용할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 두 개 이상의 열공압 펌프를 병렬로 연결하여 단일의 열공압 펌프가 가지는 토출유량의 주기성을 보완하여 연속적인 분사를 가능하게 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치는 박막을 구비하는 제1 열공압 펌프, 박막을 구비하고 상기 제1 열공압 펌프와 병렬로 연결된 제2 열공압 펌프 및 상기 제1 열공압 펌프 및 상기 제2 열공압 펌프로부터 배출된 상기 유체를 교대로 흡입하여 분사하는 이젝터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치에 의하면 병렬로 연결된 두 개 이상의 열공압 펌프가 반대의 주기성을 갖도록 제어함으로써 상호간의 주기성을 보상하여 유체의 연속적인 분사를 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치는 마이크로 연료전지의 연료공급장치 및 마이크로의료장비 등과 같이 유량의 정밀한 제어 및 유체의 연속적인 분사를 필요로 하는 분야에서 널리 활용될 수 있는 장점이 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치는 제1 열공압 펌프(210), 제2 열공압 펌프(220) 및 이젝터(230)를 구비한다.
제1 열공압 펌프(210)는 본체(211), 유체주입구(212), 유체배출구(213), 유체수송로(214), 박막(215), 박막히터(216) 및 열공압매체(217)를 구비한다. 한편 제2 열공압 펌프(220)는 본체(221), 유체주입구(222), 유체배출구(223), 유체수송로(224), 박막(225), 박막히터(226) 및 열공압매체(227)를 구비한다. 상기 제1 열공압 펌프(210) 및 제2 열공압 펌프(210)의 세부적인 구성은 종래 기술에 의한 열공압 펌프와 유사한 것으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제2 열공압 펌프(220)는 상기 제1 열공압 펌프(210)와 병렬로 연결된다. 즉, 상기 제1 열공압 펌프(210)의 유체유입구(212) 및 제2 열공압 펌프(220)의 유체유입구(222)가 동일한 유체저장조(미도시)에 연결되고 제1 열공압 펌프(210)의 유체배출구(213) 및 제2 열공압 펌프(220)의 유체배출구(223)는 이젝터(230)에서 하나로 합쳐지게 된다. 한편 제1 열공압 펌프(210)의 유체유입구(212) 및 제2 열공압 펌프(220)의 유체유입구(222)는 하나의 유체저장조가 아닌 각각의 유체저장조에 별도로 연결될 수도 있다.
본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치는 제어부(240)를 더 구비한다. 제어부(240)는 상기 제1 열공압 펌프(210)의 동작을 제어하는 제1제어신호(Con1) 및 상기 제2 열공압 펌프(220)의 동작을 제어하는 제2제어신호(Con2)를 생성한다.
제1제어신호(Con1)가 활성화된 경우에는 제1 열공압 펌프(210)가 동작하고, 제2제어신호(Con2)가 활성화된 경우에는 제2 열공압 펌프(220)가 동작한다. 이때 제1제어신호(Con1) 및 제2제어신호(Con2)는 180도의 위상차를 가지며, 따라서 제1 열공압 펌프(210)와 제2 열공압 펌프(220)는 교대로 동작을 한다. 즉, 제1 열공압 펌프(210)가 동작하는 경우 제2 열공압 펌프(220)는 정지 상태에 있고 제2 열공압 펌프(220)가 동작하는 경우 제1 열공압 펌프(210)는 정지 상태에 있게 된다.
제1 열공압 펌프(210)와 제2 열공압 펌프(220)에서 교대로 배출되는 유체는 이젝터(230)를 통해 외부로 연속적으로 분사된다.
이젝터(230)는 제1 열공압 펌프(210)로부터 배출되는 유체가 흡입되는 제1유체흡입구(231), 제2 열공압 펌프(220)로부터 배출되는 유체가 흡입되는 제2유체흡입구(232) 및 상기 제1유체흡입구 및 상기 제2유체흡입구를 통해 교대로 흡입된 유체를 연속적으로 분사하는 노즐(237)을 구비한다.
상기 이젝터(230)는 제1유체흡입구(231) 및 제2유체흡입구(232)를 통해 유입된 유체를 자연스럽게 노즐(237) 쪽으로 유도하는 연결라인(235,236)을 더 구비하는 것이 바람직하다.
제1유체흡입구(231)에는 제1 열공압 펌프(210)로부터 배출되는 유체의 흡입 유량을 조절하는 제1흡입밸브(233)가 형성되어 있고, 제2유체흡입구(232)에는 제2 열공압 펌프(220)로부터 배출되는 유체의 흡입 유량을 조절하는 제2흡입밸브(234)가 형성되어 있다.
제1흡입밸브(233)는 상기 제1제어신호(Con1)에 응답하여 상기 제1 열공압 펌프(210)가 동작하는 경우에 오픈되어 상기 제1 열공압 펌프(210)로부터 배출되는 유체를 흡입한다. 또한, 제1흡입밸브(233)는 제2 열공압 펌프(220)가 동작하는 경우에는 닫히게 된다.
제2흡입밸브(234)는 상기 제2제어신호(Con2)에 응답하여 상기 제2 열공압 펌프(220)가 동작하는 경우에 오픈되어 상기 제2 열공압 펌프(220)로부터 배출되는 유체를 흡입한다. 또한, 제2흡입밸브(234)는 제1 열공압 펌프(210)가 동작하는 경우에는 닫히게 된다.
한편 상기 제1 열공압 펌프(210)는 제1 열공압 펌프(210)의 박막(215)을 팽창시켜 유체를 이송시키기 위해 전원을 공급하는 제1전원공급부(218)를 별도로 더 구비할 수 있으며, 상기 제2 열공압 펌프(220)는 제2 열공압 펌프(220)의 박막(225)을 팽창시켜 유체를 이송시키기 위해 전원을 공급하는 제2전원공급부(228)를 별도로 더 구비할 수 있다.
상기 제1전원공급부(218)와 제2전원공급부(228)는 제1 열공압 펌프(210)와 제2 열공압 펌프(220)에 각각 별도로 구비된 것으로 도시되어 있으나 하나의 전원공급부로 통합될 수도 있다.
제1흡입밸브(233)의 동작을 제어하는 신호로서 제1 열공압 펌프(210)의 동작을 제어하는 신호와 동일한 신호인 제1제어신호(Con1)를 사용하는 것으로 설명하였으나 제1제어신호(Con1)와 다른 별도의 제어신호를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 제2흡입밸브(234)의 동작을 제어하는 신호로서 제2 열공압 펌프(220)의 동작을 제어하는 신호와 동일한 신호인 제2제어신호(Con2)를 사용하는 것으로 설명하였으나 제2제어신호(Con2)와 다른 별도의 제어신호를 사용하는 것도 가능하다.
한편, 도 2에서는 두 개의 열공압 펌프가 병렬로 연결된 것만을 도시하였으나 이는 일 실시 예에 불과한 것으로 이에 한정되지 아니하고 두 개 이상 다수의 열공압 펌프를 병렬로 연결하는 것도 가능하다.
상기와 같이 본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치는 열공압 펌프를 유체저장조에 병렬로 연결하고 제어부의 제어신호를 통해 병렬로 연결된 열공압 펌프가 교대로 동작할 수 있도록 제어함으로써 단일의 열공압 펌프가 가지는 주기성을 보상하여 유체의 연속적인 분사를 가능하게 한다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 박막을 구비하는 열공압 펌프의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims (8)

  1. 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치에 있어서
    박막을 구비하는 제1 열공압 펌프;
    박막을 구비하고 상기 제1 열공압 펌프와 병렬로 연결된 제2 열공압 펌프;
    상기 제1 열공압 펌프 및 상기 제2 열공압 펌프로부터 배출된 유체를 교대로 흡입하여 분사하는 이젝터; 및
    상기 제1 열공압 펌프의 동작을 제어하는 제1제어신호와 상기 제2 열공압 펌프의 동작을 제어하는 제2제어신호를 생성하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열공압 펌프와 상기 제2 열공압 펌프가 교대로 동작할 수 있도록 상기 제1제어신호와 상기 제2제어신호는 180도의 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 이젝터는,
    상기 제1 열공압 펌프로부터 배출되는 유체가 흡입되는 제1유체흡입구;
    상기 제2 열공압 펌프로부터 배출되는 유체가 흡입되는 제2유체흡입구; 및
    상기 제1유체흡입구 및 상기 제2유체흡입구를 통해 교대로 흡입된 유체를 연속적으로 분사하는 디퓨저를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1유체흡입구는 제1흡입밸브를 더 구비하고,
    상기 제2유체흡입구는 제2흡입밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1흡입밸브는 상기 제1제어신호에 응답하여 상기 제1 열공압 펌프가 동작하는 경우에 오픈되고, 상기 제2 열공압 펌프가 동작하는 경우에 클로즈되며,
    상기 제2흡입밸브는 상기 제2제어신호에 응답하여 상기 제2 열공압 펌프가 동작하는 경우에 오픈되고, 상기 제1 열공압 펌프가 동작하는 경우에 클로즈되는 것을 특징으로 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이젝터는
    상기 제1유체흡입구 및 상기 제2유체흡입구를 통해 유입된 유체를 상기 디퓨저 쪽으로 유도하는 노즐을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1 열공압 펌프는, 상기 제1 열공압 펌프에 구비된 박막을 팽창시켜 유체를 이송시키기 위해 전원을 공급하는 제1전원공급부를 더 구비하고
    상기 제2 열공압 펌프는, 상기 제2 열공압 펌프에 구비된 박막을 팽창시켜 유체를 이송시키기 위해 전원을 공급하는 제2전원공급부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 연결된 열공압 펌프를 구비한 연속분사장치.
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