KR101206120B1 - 2연 왕복동 펌프 - Google Patents

Abstract

항상 안정된 펌프 동작이 가능하며, 맥동을 억제한다. 케이스 부재(2)는 내부에 축방향을 따라 한쌍의 공간을 형성한다. 가동 칸막이 부재(3)는 한쌍의 공간 내에 각각 축방향으로 변형 자유롭게 배치되어 한쌍의 공간을 각각 축방향으로 펌프실(5) 및 작동실(6)로 구분한다. 연결 샤프트(11)는 가동 칸막이 부재(3)를 신축 부재(14)를 통해 축방향으로 신축 자유롭게 연결한다. 밸브 기구(27)는 작동실(6)에 작동 유체를 도입하고, 작동실(6)로부터 작동 유체를 배출한다. 컨트롤러(25)는 한쌍의 가동 칸막이 부재(3)의 변위를 각각 연속적으로 검출하는 변위 센서(23)의 출력에 기초해서 한쪽 펌프실(5)의 압축 공정과 다른쪽 펌프실(5)의 압축 공정이 부분적으로 중복되는 중복거리를 가지도록 밸브 기구(27)를 전환함으로써 한쌍의 가동 칸막이 부재(3)를 구동한다.

Description

2연 왕복동 펌프{DUAL RECIPROCATING PUMP}

본 발명은 연결 샤프트(shaft)로 연결된 한쌍의 벨로우즈(bellows), 다이아프램(diaphragm), 플런저(plunger) 등의 가동 칸막이 부재에 의해 형성된 한쌍의 펌프실이 교대로 압축 공정과 팽창 공정을 반복함으로써 펌프 동작을 하는 2연 왕복동 펌프에 관한 것이며, 특히 연결 샤프트에 탄성 수단을 마련해서 이송 유체의 맥동(脈動)을 저감하도록 한 2연 왕복동 펌프에 관한 것이다.

연결 샤프트로 연결된 벨로우즈 등의 가동 칸막이 부재에 의해 한쌍의 폐(閉)공간이 펌프실과 작동실로 구획되고, 한쌍의 작동실에 교대로 작동 유체를 도입함으로써, 연결 샤프트를 왕복동시켜 펌프실을 교대로 압축 및 신장시키도록 한 2연 왕복동 펌프가 알려져 있다. 이러한 종류의 펌프에서는, 연결 샤프트의 왕복 이동 스트로크의 단부(端部)에서 한쌍의 흡입 밸브 및 한쌍의 토출 밸브가 각각 한쪽 펌프실측에서 다른쪽 펌프실측으로 전환되고, 그 결과로서 토출 유량에 스트로크 수에 대응한 맥동이 발생한다. 이러한 맥동은 여러 장해를 초래한다. 예를 들면 반도체 용도에서는 필터에 막힌 파티클이 맥동에 의해 밀려나 하류측으로 혼입하거나, 배관의 흔들림에 의해 이음새로부터 새어나오거나, 세정조의 액면이 물결치거나, 웨이퍼에 액을 분사하는 노즐 선단이 진동하여 세정 효율이 저하하거나, 액체의 관성 저항이 증가해서 유량이 안정되지 않는 등의 문제가 있다. 특히 반도체, 액정, 태양 전지, 의약, 식품 등의 제조 프로세스 분야에 있어서 개선해야 할 큰 과제가 되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 종래, 연결 샤프트의 일부에 코일 스프링을 마련함으로써, 가동 칸막이 부재를 왕복동 방향으로 탄력적으로 연결함에 따라, 상술한 맥동의 저감을 꾀한 기술도 알려져 있다(특허문헌 1, 2).

일본국 공표특허공보 평11-504098호(7페이지 20행～25행, 도 1) WO00/15962(4페이지 37행～5페이지 5행, Fig. 1)

그러나 상술한 특허문헌 1에 개시된 2연 왕복동 펌프에서는, 한쪽 펌프실이 팽창 공정에서 압축 공정으로 바뀌는 스트로크 엔드에서, 다른쪽 펌프실의 팽창 공정이 개시되고, 이 팽창 공정 개시의 지연을 코일 스프링의 수축에 의해 흡수하고자 하는 것이기 때문에, 한쌍의 펌프실에서 적극적으로 압축 공정의 종료와 개시 기간을 중복시키는 방식에 비해 맥동 제거 효과가 적다는 문제가 있다.

또한 특허문헌 2에 개시된 2연 왕복동 펌프에서는, 펌프실의 팽창 공정과 압축 공정의 전환 타이밍이 시간으로 컨트롤되고 있기 때문에, 운전 개시 후의 탄성 부재의 발열이나 주위 환경의 변화 등의 경시 변화나, 스트로크 수를 변화시켰을 경우, 왕복 운동의 위상이 서서히 변화하여 펌프 동작이 불안정해진다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 항상 안정된 펌프 동작이 가능하고, 맥동을 억제한 2연 왕복동 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 2연 왕복동 펌프는, 내부에 축방향을 따라 한쌍의 공간을 형성하는 케이스 부재와, 상기 한쌍의 공간 내에 각각 축방향으로 변형 또는 이동 자유롭게 배치되어 상기 한쌍의 공간을 각각 축방향으로 펌프실 및 작동실로 구분하는 한쌍의 가동 칸막이 부재와, 상기 한쌍의 가동 칸막이 부재를 신축 부재를 통해 축방향으로 신축 자유롭게 연결하는 연결 샤프트와, 상기 펌프실의 흡입측에 마련되며 상기 펌프실로 이송 유체를 유도하는 흡입 밸브와, 상기 펌프실의 토출측에 마련되며 상기 펌프실로부터 상기 이송 유체를 토출하는 토출 밸브와, 상기 작동실에 작동 유체를 도입하고, 상기 작동실로부터 상기 작동 유체를 배출하기 위한 밸브 기구와, 상기 한쌍의 가동 칸막이 부재의 변위를 각각 연속적으로 검출하는 변위 센서와, 상기 변위 센서의 출력에 기초해서 한쪽 펌프실의 압축 공정과 다른쪽 펌프실의 압축 공정이 부분적으로 중복되는 중복거리를 가지도록 상기 밸브 기구를 전환함으로써 상기 한쌍의 가동 칸막이 부재를 구동하는 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

바람직한 하나의 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 가동 칸막이 부재의 전체 스트로크 길이에 대한 상기 중복거리의 비율로 나타내는 중복률을 설정하기 위한 설정 수단을 가지며, 상기 설정 수단에 의해 설정된 상기 중복률의 설정값과, 상기 변위 센서의 출력에 기초해서 상기 중복률을 제어하는 것이다.

기타 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 한쌍의 가동 칸막이 부재의 스트로크 수가 증가함에 따라서 상기 가동 칸막이 부재의 전체 스트로크 길이에 대한 상기 중복거리의 비율로 나타내는 중복률을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

기타 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 가동 칸막이 부재의 전체 스트로크 길이에 대한 상기 중복거리의 비율로 나타나는 중복률을, 펌프 동작이 정지하는 상기 중복률의 한계값보다도 1~3% 적은 값으로 유지하도록 상기 가동 칸막이 부재를 구동하는 것을 특징으로 한다.

기타 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는 최적의 상기 중복률을 정기적 또는 동적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.

기타 실시형태에 있어서, 상기 연결 샤프트의 신축 부재는 압축 상태에서 신장할 때의 부세력(付勢力)을 완화시키는 댐퍼(damper)를 가지는 것을 특징으로 한다.

기타 실시형태에 있어서, 상기 신축 부재는 코일 스프링이거나, 또는 에어 쿠션인 것을 특징으로 한다.

기타 실시형태에 있어서, 상기 한쌍의 가동 칸막이 부재가 이동 스트로크의 단부에 도달한 것을 각각 검출하는 근접 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

기타 실시형태에 있어서, 상기 밸브 기구는 상기 한쌍의 작동실에 각각 마련된 한쌍의 밸브와, 작동 유체 공급원으로부터의 작동 유체의 압력을 조정해서 상기 한쌍의 밸브에 각각 상기 작동 유체를 공급하는 한쌍의 레귤레이터(regulator)를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 2연 왕복동 펌프는, 펌프 헤드와, 이 펌프 헤드의 양측에 서로의 개구측이 마주보도록 설치되어 내부에 펌프실을 각각 형성함과 아울러 축방향으로 각각이 신축 가능한, 바닥이 있는 원통형상의 한쌍의 벨로우즈와, 상기 한쌍의 벨로우즈를 내부에 각각 수용하도록 상기 벨로우즈에 대하여 동축적(同軸的)으로 배치되어, 상기 한쌍의 벨로우즈와의 사이에 작동실을 형성하는, 개구부가 서로 마주보도록 상기 펌프 헤드에 장착된, 바닥이 있는 원통형상의 한쌍의 실린더와, 이들 한쌍의 실린더의 바닥부를 각각 상기 실린더의 중심축을 따라 기밀하면서도 슬라이딩 자유롭게 관통하여 각 일단(一端)이 상기 한쌍의 벨로우즈의 각 바닥부에 각각 연결된 한쌍의 펌프 샤프트와, 이들 한쌍의 펌프 샤프트의 타단(他端)끼리를 신축 부재를 통해 축방향으로 신축 자유롭게 연결하는 연결 샤프트와, 상기 펌프실 내에서 상기 펌프 헤드에 장착되어, 이송 유체의 흡입구로부터 상기 펌프실로 상기 이송 유체를 유도함과 아울러, 상기 펌프실로부터 이송 유체의 토출구로 상기 이송 유체를 유도하는 밸브 유닛과, 상기 작동실에 작동 유체를 도입하고, 상기 작동실로부터 상기 작동 유체를 배출하기 위한 밸브 기구와, 상기 한쌍의 벨로우즈의 변위를 각각 연속적으로 검출하는 변위 센서와, 상기 변위 센서의 출력에 기초해서 상기 한쪽 펌프실의 압축 공정과 다른쪽 펌프실의 압축 공정이 부분적으로 중복되는 중복거리를 가지도록 상기 밸브 기구를 전환함으로써 상기 한쌍의 벨로우즈를 구동하는 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 변위 센서에 의한 연속적인 변위 검출에 기초해서 최적의 압축 공정의 중복거리의 제어가 가능하기 때문에, 항상 안정된 펌프 동작이 가능하고, 맥동을 효과적으로 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1～3의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 동(同) 펌프의 동작을 나타내는 파형도이다.
도 3A는 동 펌프의 스트로크 수에 대한 중복거리의 비율 및 토출측 맥동 압력을 나타내는 그래프이다.
도 3B는 동 펌프의 스트로크 수에 대한 중복거리의 비율의 범위를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제4의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프에 있어서의 연결 샤프트의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제5의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프에 있어서의 연결 샤프트의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제6의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프에 있어서의 연결 샤프트의 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제7의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제8의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제9의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제10의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제11의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프의 구성을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 이 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.

[제1의 실시형태]

도 1은 이 발명의 제1의 실시형태에 따른 2연 왕복동 벨로우즈 펌프의 단면도 및 그 주변 기구를 나타내는 도면이다. 중앙부에 배치된 펌프 헤드(1)의 양측에는 케이스 부재인, 바닥이 있는 원통형상의 실린더(2a, 2b)가 동축 배치되고, 그들의 내부에 한쌍의 공간이 형성되어 있다. 이들 공간 내에는 각각 바닥이 있는 원통형상의 벨로우즈(3a, 3b)가 동축 배치되어 있다. 벨로우즈(3a, 3b)의 개구단은 펌프 헤드(1)에 고정되고, 바닥부에는 샤프트 고정판(4a, 4b)이 고정되어 있다. 벨로우즈(3a, 3b)는 내측을 펌프실(5a, 5b), 외측을 작동실(6a, 6b)로서 실린더(2a, 2b)의 내부 공간을 구분하는 가동 칸막이 부재를 구성한다.

샤프트 고정판(4a, 4b)에는 동축으로 연장되는 샤프트(7a, 7b)의 일단이 고정되어 있다. 샤프트(7a, 7b)의 타단은 각각 실린더(2a, 2b)의 바닥부 중심을, 씰 부재(8)를 통해 기밀하게 관통해서 실린더(2a, 2b)의 외측까지 연장되어 있다. 이 샤프트(7a, 7b)의 타단에는 연결판(9a, 9b)이 너트(10)로 고정되어 있다. 연결판(9a, 9b)은 실린더(2a, 2b)의 상하의 위치에서 연결 샤프트(11a, 11b)로 연결되어 있다. 각 연결 샤프트(11a, 11b)는 샤프트부(12, 13)와 이들 샤프트부(12, 13)의 사이에 장착된 신축 부재인 코일 스프링(14)으로 구성되며, 볼트(15)에 의해 연결판(9a, 9b)에 고정되어 있다.

펌프 헤드(1)에는 펌프의 측면에 임하는 위치에 이송 유체의 흡입구(16)와 토출구(17)가 마련됨과 아울러, 흡입구(18)에서 펌프실(5a, 5b)에 이르는 위치에 흡입 밸브(18a, 18b)가 마련되고, 펌프실(5a, 5b)에서 토출구(17)에 이르는 경로에 토출 밸브(19a, 19b)가 마련되어 있다.

실린더(2a, 2b)의 바닥부 외벽면에는 근접 스위치(21a, 21b)가 장착되어 있다. 근접 스위치(21a, 21b)는 벨로우즈(3a, 3b)의 바닥부가 가장 후퇴한 것을 검출하는 것으로, 예를 들면 연결판(9a, 9b)의 내측면이 근접한 것을 검출한다. 또한, 실린더(2a, 2b)로부터 연장되는 고정판(22a, 22b)에는 변위 센서(23a, 23b)가 장착되어 있다. 변위 센서(23a, 23b)는 연결판(9a, 9b)의 외측면과의 변위를 검출하는 것으로, 예를 들면 레이저 변위계, MR(자기 저항 소자) 센서, 정전용량 센서, 리니어 엔코더(linear encoder), 고주파 발진형 근접 변위 센서, 광섬유식 변위 센서 등이 바람직하게 사용 가능하다. 이들 근접 스위치(21a, 21b) 및 변위 센서(23a, 23b)로부터의 검출 신호는 컨트롤러(25)에 입력되어 있다.

한편, 도시하지 않는 에어 컴프레서 등의 작동 유체원으로부터의 작동 유체, 예를 들면 에어는 레귤레이터(26a, 26b)에서 각각 소정 압력으로 제한되어 전자(電磁) 밸브(27a, 27b)에 공급되고 있다. 컨트롤러(25)는 근접 스위치(21a, 21b) 및 변위 센서(23a, 23b)의 검출 출력을 입력하고, 이들 검출 출력에 기초해서 전자 밸브(27a, 27b)의 개폐를 컨트롤한다.

다음으로 이와 같이 구성된 본 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프의 동작을 설명한다.

도 2는 본 실시형태에 따른 펌프의 동작을 설명하기 위한 각 부의 파형도이다.

에어원으로부터의 에어는 레귤레이터(26a, 26b)에서 각각 소정 압력으로 제한된 뒤에 전자 밸브(27a, 27b)에 공급되고 있다. 이 때문에, 한쪽 작동실(6a, 6b)의 압력 변동이 다른쪽 작동실(6b, 6a)의 압력에 영향을 끼치는 일이 없으므로, 이에 따른 맥동 저감 효과도 있다. 또한 레귤레이터는 2개로 한정될 이유가 없으며, 1개이어도 된다. 이 경우, 정밀 레귤레이터를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 지금, 전자 밸브(27a)가 오프 상태(배기 상태), 전자 밸브(27b)가 온 상태(에어 도입 상태)이고, 펌프실(5a)이 팽창 공정, 펌프실(5b)이 수축 공정에 있다고 한다. 이때, 흡입 밸브(18a) 및 토출 밸브(19b)가 열림, 흡입 밸브(18b) 및 토출 밸브(19a)가 닫힘이 되므로, 이송해야 할 액체는 흡입구(16)에서 펌프실(5a)로 도입되고, 펌프실(5b)로부터 토출구(17)를 통해서 토출된다.

이때, 변위 센서(23b)의 출력은 연결판(9a)의 이간에 수반해서 하강한다. 컨트롤러(25)는 변위 센서(23b)의 출력을 감시하고, 변위 센서(23b)의 출력이 소정의 임계값(THR) 이하가 되면, 전자 밸브(27a)를 온 상태로 해서 에어를 작동실(6a)로 도입한다. 이로 인해, 펌프실(5a)은 팽창 공정에서 압축 공정으로 전환된다. 그러나 이 시점에서는 다른 한쪽의 작동실(6b)에도 에어가 계속해서 공급되고 있으므로, 펌프실(5b)도 압축 공정을 유지하고 있다. 따라서 흡입 밸브(18a, 18b)가 닫힘, 토출 밸브(19a, 19b)가 열림이 되어, 양쪽 펌프실(5a, 5b)로부터 액체가 토출된다. 연결 샤프트(11a, 11b)의 코일 스프링(14)은 이때의 벨로우즈(3a, 3b)의 양단 사이의 치수 변화를 흡수하기 위해 압축된다.

근접 스위치(21b)가 스트로크 엔드를 검출하면, 전자 밸브(27b)가 에어 배기로 전환되고, 벨로우즈(3b)는 연결 샤프트(11a, 11b)로 견인되어 신장을 개시하므로 펌프실(5b)은 팽창 공정으로 전환된다. 이상의 동작을 좌우의 펌프실(5a, 5b)에서 반복한다.

도 2에는 양쪽 펌프실(5a, 5b)이 모두 압축 공정으로 되어 있는 중복거리 P O가 나타나 있다. 이와 같이, 한쪽 펌프실의 토출 압력이 저하하는 토출 공정의 최종 단계 직전에서, 다른쪽 펌프실로부터도 액체가 토출되도록 함으로써 토출측의 맥동이 억제된다. 이 중복거리 PO는 전환 타이밍을 규정하는 변위 센서(23a, 23b) 출력의 임계값(THL, THR)의 설정값에 의해 조정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 펌프의 기동시에 왕복 동작의 양쪽 스트로크단에서 변위 센서(23a, 23b)의 출력값을 각각 샘플링하고, 그 출력값에 기초해서, 전체 스트로크 길이에 대한 중복거리 PO의 비율(이하, '중복률'이라고 부름)로 설정한다. 컨트롤러(25)에는 도시하지 않는 상기 비율의 설정 수단이 마련되고, 이 설정 수단을 이용해서 임의의 비율을 설정 가능하게 한다.

본 발명자 등의 실험에 의하면, 최적의 중복률은 펌프의 스트로크 수, 벨로우즈(3a, 3b)의 물리적 특성, 코일 스프링(14)의 스프링 상수, 공급 에어 압력, 공급 에어의 급/배기 조건 등, 다양한 요소에 의해 변화된다.

예를 들면, 도 3A는 이 펌프의 왕복 동작의 각 스트로크 수에 있어서의 최적의 중복률(%)과 토출측 맥동 압력폭(MPa)을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 3A에는 비교예로서 중복이 없는 경우의 운전에 의한 토출측 맥동 압력폭도 나타내고 있다. 이 도면으로부터 명백한 바와 같이, 스트로크 수가 증가하면, 최적의 중복률도 증가시키는 것이 바람직하다. 스트로크 수를 20에서 120(spm)으로 했을 경우, 그래프에 의하면 중복률(%)은 11～29(%)인데, 이것은 특정한 급/배기 조건 등이 특정한 조건일 때의 결과이며, 다양한 조건을 감안하면 11~50(%)인 것이 바람직하다.

이 실시형태에 의하면, 변위 센서(23a, 23b)에 의해 연결판(9a, 9b)의 스트로크 단부에서의 변위를 연속적으로 검출할 수 있도록 하고 있기 때문에, 임계값(THL, THR)의 설정으로 중복률(%)을 자유롭게 설정할 수 있다. 이 때문에, 토출 유체의 맥동이 가장 억제되는 최적의 설정을 할 수 있다. 또한 본 실시형태에 의하면, 토출액, 흡입액 압력 센서로부터의 피드백이 없어도 최적의 중복률을 선택할 수 있다.

[제2의 실시형태]

앞선 실시형태에서는 중복률이 한계값을 가지는 점에 대하여 특별히 언급하지 않았지만, 중복률을 너무 크게 하면, 한쪽 가동 칸막이 부재를 전진시키는 힘과 다른쪽 가동 칸막이 부재를 전진시키는 힘이 길항(拮抗)하여 펌프 동작의 정지를 초래한다. 이와 같이 펌프 동작이 정지해 버리는 중복률을 이하 '한계 중복률'이라고 부른다.

도 3B에는 어떤 조건하에서의 각 스트로크 수에 있어서의 한계 중복률이 나타나 있다. 펌프 동작을 정지시키지 않기 위해서는, 이 한계 중복률을 넘지 않으면서, 또한 맥동이 취해지는 도시된 해칭으로 나타낸 범위에서 중복률을 유지하도록 펌프의 동작을 제어하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 한계 중복률로부터 몇%(예를 들면 1~3%) 적은 중복률을 유지하는 것이 바람직하다. 이 최적의 중복률은 스트로크 수에 의해 변화한다.

그래서 제2의 실시형태에서는, 도 1에 나타낸 근접 스위치(21a, 21b) 및 변위 센서(23a, 23b)로부터의 검출 신호에 기초해서, 컨트롤러(25)가 펌프의 중복률을 감시하여, 펌프 운전 중에 스트로크 수에 따라서 중복률을 동적으로 변화시킨다.

구체적으로는, 사전에 다양한 급/배기 조건에 대하여 도 3B의 해칭 내의 최적 중복률을 구해서 제어 테이블을 작성해 둔다. 제어 테이블은 2점의 캘리브레이션(calibration)에 의해 최적의 중복률을 구하고, 그 밖의 중복률을 보간(補間;interpolation)에 의해 구함으로써 작성해도 된다. 그리고 펌프 운전 중에, 스트로크 수와 변위 센서(23a, 23b)의 출력으로부터 제어 테이블을 참조하여, 스트로크 수가 변화한 것을 검출하면, 중복률을 감소 또는 증가시키도록 제어한다.

이로 인해, 스트로크 수에 부합한 최적의 중복률이 되어, 펌프를 저맥동 운전시킬 수 있다.

또한 최적의 중복률은 펌프나 주위 환경의 경시 변화, 급/배기 조건을 포함하는 운전 조건 등에 의해 변동하는 경우도 있다. 이 때문에, 제어 테이블의 정기적인 캘리브레이션이나 변위 센서(23a, 22b) 등의 출력에 기초한 동적인 캘리브레이션을 행해도 된다.

또한 변위 센서(23a, 23b)의 출력으로부터, 제어 테이블을 작성하지 않아도 '한계 중복률'의 -1%~-3%를 항상 찾으면서 운전할 수 있다. 그 때, 액체 압력 센서로부터의 피드백은 불필요하다.

[제3의 실시형태]

도 4는 본 발명의 제3의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프에 사용되는 연결 샤프트(31a(31b))의 부분 단면도이다.

제1의 실시형태에서는 연결 샤프트(11a, 11b)의 신축 부재로서 코일 스프링(14)을 사용했지만, 이 실시형태에서는 신축 부재로서 에어 쿠션을 사용하고 있다. 즉, 연결 샤프트(31a(31b))는 샤프트부(32, 33)와, 양자를 결합하는 에어 쿠션부(34)로 구성되어 있다. 에어 쿠션부(34)는 샤프트부(33)의 선단에 부착된 에어 실린더(35)와 샤프트부(32)의 선단에 부착된 피스톤(36)으로 이루어지며, 에어 실린더(35)로 에어 도입구(37)를 통해 소정압의 에어가 공급되고 있다.

이 실시형태에 의하면, 최적의 중복률뿐만 아니라 최적의 스프링압의 설정도 용이하다. 또한, 스프링압은 시간적으로 변화시킬 수도 있다.

[제4의 실시형태]

도 5는 본 발명의 제4의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프에 사용되는 연결 샤프트(41a(41b))의 부분 단면도이다.

앞선 실시형태에서는, 한쪽 펌프실이 압축 공정에서 팽창 공정으로 전환될 때에, 코일 스프링(14)에 축적된 에너지가 방출됨으로써 흡입측에 과대한 흡입압력이 발생하여, 흡입측의 맥동이 증폭될 가능성이 있다. 그래서 이 실시형태에서는 연결 샤프트의 신축 부재가 압축 상태에서 신장할 때의 부세력을 완화시키기 위한 댐퍼를 마련하고 있다.

이 실시형태의 연결 샤프트(41a(41b))는 샤프트부(42, 43)와, 이들 사이에 장착된 압축시에 축장(縮長)하는 코일 스프링(44)과, 신장시에 축장하는 댐퍼용 코일 스프링(45)을 가진다.

이 실시형태에 의하면, 펌프실이 압축 공정에서 팽창 공정으로 이행할 때에, 댐퍼용 코일 스프링(45)이 펌프실의 급격한 팽창을 억제하므로 흡입측의 맥동을 억제할 수 있다.

[제5의 실시형태]

도 6은 도 5의 실시형태를 더욱 변형시킨 것으로, 댐퍼로서 에어 쿠션을 이용한 예이다.

이 실시형태에서는 연결 샤프트(51a(51b))가 샤프트부(52, 53)와, 이들 사이에 마련된 쿠션부(54)로 구성되며, 쿠션부(54)는 코일 스프링(55)과 에어 쿠션부(56)의 밸런스에 의해 신축한다. 에어 도입구(57)로부터 에어 쿠션부(56)에 도입되는 에어압을 적절히 조정함으로써, 토출측, 흡입측 쌍방의 맥동을 저감할 수 있다.

[제6의 실시형태]

도 7은 도 5의 실시형태를 모두 에어 쿠션으로 행한 실시형태를 나타내고 있다.

한편 이하의 실시형태에 있어서, 앞선 실시형태와 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고 중복되는 설명은 할애한다.

연결 샤프트(61a, 61b)는 샤프트부(62, 63)와, 이들 사이에 마련된 에어 쿠션부(64)로 구성되며, 에어 쿠션부(64)는 에어 실린더(65)와 피스톤(66)으로 구성되어 있다. 에어 도입구(67, 68)로부터 도입되는 에어 실린더(65) 내부의 압력과 피스톤(66)의 배면의 압력의 밸런스에 의해 토출측, 흡입측 쌍방의 맥동을 경감할 수 있다.

본 실시형태에서는 도 1의 펌프에 있어서의 레귤레이터(26a, 26b) 및 전자 밸브(27a, 27b)에 더해서, 에어 쿠션부(64)를 제어하기 위해 레귤레이터(28a, 28b) 및 전자 밸브(29a, 29b)를 마련하고 있다.

[제7의 실시형태]

도 8은 제6의 실시형태의 변형예를 나타내는 도면이다.

이 실시형태는 에어 쿠션부(64)의 피스톤(66)의 배면의 압력 컨트롤을 역지 밸브(69)(nonreturn valve)와 저속 스피콘(스피드 컨트롤러)으로 실현한 예이다.

이 실시형태에서는 (연결 샤프트(61a)가 수축할 때에는) 에어 도입구(67)로부터 상시 에어를 공급해 두어 피스톤(66)의 배면에 에어를 도입하고, 연결 샤프트(61a)가 신장할 때에는 저속 스피콘(70)이 피스톤(66)의 배면의 에어의 배기를 제한한다. 이로 인해, 댐퍼로서 기능한다.

이 실시형태에 의하면, 제6의 실시형태보다도 간단한 구성으로 할 수 있다.

[제8의 실시형태]

도 9는 본 발명의 제8의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프를 나타내는 단면도이다.

앞선 실시형태에서는 가동 칸막이 부재로서 벨로우즈를 사용했지만, 이 실시형태에서는 가동 칸막이 부재로서 피스톤을 사용하고 있다.

중앙부에 배치된 펌프 헤드(71)의 양측에는 케이스 부재인, 바닥이 있는 원통형상의 실린더(72a, 72b)가 동축 배치되고, 그들의 내부에 한쌍의 공간이 형성되어 있다. 이들 공간 내에는 각각 피스톤(73a, 73b)이 왕복동 자유롭게 배치되어 있다. 피스톤(73a, 73b)의 선단측은 펌프 헤드(71)측에 대향하며, 펌프 헤드(71)와의 사이에 펌프실(75a, 75b)을 형성하고 있다. 피스톤(73a, 73b)의 기단측(基端側)은 작동실(76a, 76b)을 형성하고, 샤프트(77a, 77b)가 동축 고정되어 있다. 샤프트(77a, 77b)의 타단은 각각 실린더(72a, 72b)의 바닥부 중심을, 씰 부재(78)를 통해 기밀하게 관통해서 실린더(72a, 72b)의 외측까지 연장되어 있다.

펌프 헤드(71)에는 펌프의 측면에 임하는 위치에 이송 유체의 흡입구(86)와 토출구(87)가 마련됨과 아울러, 흡입구(86)에서 펌프실(75a, 75b)에 이르는 위치에 볼형상의 흡입 밸브(88a, 88b)가 마련되고, 펌프실(75a, 75b)에서 토출구(87)에 이르는 위치에 토출 밸브(89a, 89b)가 마련되어 있다.

기타 구성은 도 1의 구성과 동일하다.

이러한 펌프에 있어서도, 변위 센서(23a, 23b)에 의한 연속적인 변위 검출에 기초해서 최적의 중복률을 설정할 수 있어 맥동을 효과적으로 억제할 수 있다.

[제9의 실시형태]

도 10은 본 발명의 제9의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프를 나타내는 단면도이다.

앞선 실시형태에서는 가동 칸막이 부재로서 벨로우즈 또는 피스톤을 사용했지만, 이 실시형태에서는 가동 칸막이 부재로서 다이아프램을 사용하고 있다.

중앙부에 배치된 펌프 헤드가 내부에 형성된 본체부(91)의 양측에는 본체부(91)와 함께 공간을 형성하는 케이스 부재인 커버(92a, 92b)가 장착되어 있다. 본체부(91)와 커버(92a, 92b)에 의해 형성되는 공간에는 이들 공간을 각각 펌프실(95a, 95b)과 작동실(96a, 96b)로 구획하도록 다이아프램(93a, 93b)이 장착되어 있다. 다이아프램(93a, 93b)은 그 중앙부가 본체부(91)를 관통하는 연결 샤프트(94)로 연결되어 있다. 연결 샤프트(94)는 신축 부재로서의 코일 스프링(97)을 구비하여, 전체가 신축 자유롭게 구성되어 있다.

본체부(91)에는 이송 유체의 흡입구(106)와 토출구(107)가 마련됨과 아울러, 흡입구(106)에서 펌프실(95a, 95b)에 이르는 경로에 볼형상의 흡입 밸브(108a, 108b)가 마련되고, 펌프실(95a, 95b)에서 토출구(107)에 이르는 경로에 토출 밸브(109a, 109b)가 마련되어 있다.

또한 커버(92a, 92b)에는 다이아프램(93a, 93b)의 배면에 임하여 다이아프램(93a, 93b)이 가장 후퇴한 것을 검출하는 근접 스위치(111a, 111b)가 마련되어 있다. 또한 연결 샤프트(94)의 측면에는, 연결 샤프트(94)의 왕복동 방향의 변위를 검출하기 위한 리니어 엔코더로 이루어지는 변위 센서(113a, 113b)가 마련되어 있다.

기타 구성은 도 1의 구성과 동일하다.

이러한 펌프에 있어서도, 변위 센서(113a, 113b)에 의한 연속적인 변위 검출에 기초해서 최적의 중복률을 설정할 수 있어 맥동을 효과적으로 억제할 수 있다.

[제10의 실시형태]

도 11은 본 발명의 제10의 실시형태에 따른 2연 왕복동 펌프를 나타내는 단면도이다.

제1의 실시형태에서는 각 연결 샤프트(11a, 11b)는 샤프트부(12, 13)의 거의 중간 위치에 장착된 코일 스프링(14)을 구비하고 있었지만, 이 실시형태에서는 코일 스프링(14)이 샤프트부(12)측으로 치우친 위치에 장착되어 있다. 또한, 흡입구(16)의 도시하지 않는 배관 및 토출구(17)의 도시하지 않는 배관에는, 액체 압력 센서(116, 117)가 구비됨과 아울러, 작동실(6a, 6b)에 임하도록 에어 압력 센서(127a, 127b) 및 리크 센서(150a, 150b)가 구비되어 있다. 또한, 변위 센서(123a, 123b)는 레이저 변위계로 이루어지며, 각 연결 샤프트(11a, 11b)의 변위량을 검출한다. 그리고 각 압력 센서(116, 117, 127a, 127b)의 검출 출력은 컨트롤러(25)에 입력된다.

이 실시형태에 의하면, 각 연결 샤프트(11a, 11b)의 코일 스프링(14)이 치우친 위치에 장착되어 있기 때문에, 펌프의 흡입구(16) 및 토출구(17)의 배관에 접촉하지 않는 구조로 할 수 있어, 전체의 소형화를 꾀할 수 있는 동시에 배관의 자유도를 향상시킬 수 있다.

또한, 컨트롤러(25)가 근접 센서(21a, 21b) 및 변위 센서(123a, 123b)로부터의 검출 출력뿐만 아니라, 각 압력 센서(116, 117, 127a, 127b)로부터의 검출 출력을 취득해서 제어할 수 있으므로, 예를 들면 다음과 같은 제어가 가능해진다.

즉, 컨트롤러(25)는 액체 압력 센서(116, 117)의 출력에 의해, 흡입측 및 배출측의 이송 유체의 맥동을 검출하고, 이 맥동이 최소가 되도록 중복률을 제어할 수 있다.

또한 공급 에어의 압력이 변화하면 최적의 중복률(%)도 변화하는데, 이 실시형태에서는 컨트롤러(25)가 에어 압력 센서(127a, 127b)로 공급 에어 압력을 감시하고, 검출된 에어 압력에 기초해서 중복률(%)을 제어하는 것이 가능하다.

또한, 레귤레이터(26a, 26b)에 전공(電空) 레귤레이터를 사용하고, 컨트롤러(25)가, 공급 에어의 압력을 제어함으로써 토출 압력의 변화에 관계없이 스트로크 수를 일정하게 하는 유량 일정 제어를 행하는 경우에도, 공급 에어 압력에 따라서 중복률(%)을 변화시키는 것이 가능하다.

그 밖에, 펌프의 각 부의 온도 변화나 경시 변화에 의한 영향을 고려해서 변위 센서(123a, 123b)의 0점 보정을 행하여 펌프를 운전하도록 해도 된다. 0점 보정은 예를 들면 펌프의 기동시에 있어서의 연결 샤프트(11a, 11b)의 최대 이동시의 값을 컨트롤러(25)로 취득해 두고, 이것을 제어에 포함하도록 하거나, 이것에 기초해서 정기적으로 체크하도록 해서 운전하면 된다.

[기타 실시형태]

또한, 이상의 제8 및 제9의 실시형태에서도 토출측의 맥동을 방지하기 위해, 연결 샤프트에 도 5～7에 나타낸 것과 같은 댐퍼를 마련하도록 해도 되는 것은 말할 것도 없다.

1, 71 펌프 헤드
2a, 2b, 72a, 72b 실린더
3a, 3b 벨로우즈
5a, 5b 펌프실
6a, 6b 작동실
11a, 11b, 31a, 31b, 41a, 41b, 51a, 51b, 94 연결 샤프트
14, 44, 45, 55, 97 코일 스프링
16, 86, 106 흡입구
17, 87, 107 토출구
18a, 18b, 88a, 88b, 108a, 108b 흡입 밸브
19a, 19b, 89a, 89b, 109a, 109b 토출 밸브
21a, 21b, 111a, 111b 근접 스위치
23a, 23b, 113a, 113b 변위 센서
25 컨트롤러
26a, 26b, 28a, 28b 레귤레이터
27a, 27b, 29a, 29b 전자 밸브

Claims (11)

1. 내부에 축방향을 따라 한쌍의 공간을 형성하는 케이스 부재와,
   상기 한쌍의 공간 내에 각각 축방향으로 변형 또는 이동 자유롭게 배치되어 상기 한쌍의 공간을 각각 축방향으로 펌프실 및 작동실로 구분하는 한쌍의 가동 칸막이 부재와,
   상기 한쌍의 가동 칸막이 부재를 신축 부재를 통해 축방향으로 신축 자유롭게 연결하는 연결 샤프트와,
   상기 펌프실의 흡입측에 마련되며 상기 펌프실로 이송 유체를 유도하는 흡입 밸브와,
   상기 펌프실의 토출측에 마련되며 상기 펌프실로부터 상기 이송 유체를 토출하는 토출 밸브와,
   상기 작동실에 작동 유체를 도입하고, 상기 작동실로부터 상기 작동 유체를 배출하기 위한 밸브 기구와,
   상기 한쌍의 가동 칸막이 부재의 변위를 각각 연속적으로 검출하는 변위 센서와,
   상기 변위 센서의 출력에 기초해서 한쪽 펌프실의 압축 공정과 다른쪽 펌프실의 압축 공정이 부분적으로 중복되는 중복거리를 가지도록 상기 밸브 기구를 전환함으로써 상기 한쌍의 가동 칸막이 부재를 구동하는 컨트롤러를 구비하고,
   상기 컨트롤러는 상기 가동 칸막이 부재의 전체 스트로크 길이에 대한 상기 중복거리의 비율로 나타내는 중복률을 설정하기 위한 설정 수단을 가지며, 상기 설정 수단에 의해 설정된 상기 중복률의 설정값과, 상기 변위 센서의 출력에 기초해서 상기 중복률을 제어하는 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 상기 한쌍의 가동 칸막이 부재의 스트로크 수가 증가함에 따라서 상기 가동 칸막이 부재의 전체 스트로크 길이에 대한 상기 중복거리의 비율로 나타내는 중복률을 증가시키는 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
3. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 상기 가동 칸막이 부재의 전체 스트로크 길이에 대한 상기 중복거리의 비율로 나타내는 중복률을, 펌프 동작이 정지하는 상기 중복률의 한계값보다도 1~3% 적은 값으로 유지하도록 상기 가동 칸막이 부재를 구동하는 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
4. 제3항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 최적의 상기 중복률을 정기적 또는 동적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
5. 제1항에 있어서,
   상기 연결 샤프트의 신축 부재는, 압축 상태로부터 신장할 때의 부세력(付勢力)을 완화시키는 댐퍼(damper)를 가지는 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
6. 제1항에 있어서,
   상기 신축 부재는 코일 스프링인 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
7. 제1항에 있어서,
   상기 신축 부재는 에어 쿠션인 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
8. 제1항에 있어서,
   상기 한쌍의 가동 칸막이 부재가 이동 스트로크의 단부에 도달한 것을 각각 검출하는 근접 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 밸브 기구는,
   상기 한쌍의 작동실에 각각 마련된 한쌍의 밸브와,
   작동 유체 공급원으로부터의 작동 유체의 압력을 조정해서 상기 한쌍의 밸브에 각각 상기 작동 유체를 공급하는 한쌍의 레귤레이터(regulator)를 구비한 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
10. 펌프 헤드와,
    상기 펌프 헤드의 양측에 서로의 개구측이 마주보도록 설치되어 내부에 펌프실을 각각 형성함과 아울러 축방향으로 각각이 신축 가능한, 바닥이 있는 원통형상의 한쌍의 벨로우즈와,
    상기 한쌍의 벨로우즈를 내부에 각각 수용하도록 상기 벨로우즈에 대하여 동축적(同軸的)으로 배치되어, 상기 한쌍의 벨로우즈와의 사이에 작동실을 형성하는, 개구부가 서로 마주보도록 상기 펌프 헤드에 장착된, 바닥이 있는 원통형상의 한쌍의 실린더와,
    상기 한쌍의 실린더의 바닥부를 각각 상기 실린더의 중심축을 따라 기밀하면서도 슬라이딩 자유롭게 관통하여 각 일단이 상기 한쌍의 벨로우즈의 각 바닥부에 각각 연결된 한쌍의 펌프 샤프트와,
    상기 한쌍의 펌프 샤프트의 타단끼리를 신축 부재를 통해 축방향으로 신축 자유롭게 연결하는 연결 샤프트와,
    상기 펌프실 내에서 상기 펌프 헤드에 장착되어, 이송 유체의 흡입구에서 상기 펌프실로 상기 이송 유체를 유도함과 아울러, 상기 펌프실에서 이송 유체의 토출구로 상기 이송 유체를 유도하는 밸브 유닛과,
    상기 작동실에 작동 유체를 도입하고, 상기 작동실로부터 상기 작동 유체를 배출하기 위한 밸브 기구와,
    상기 한쌍의 벨로우즈의 변위를 각각 연속적으로 검출하는 변위 센서와,
    상기 변위 센서의 출력에 기초해서 상기 한쪽 펌프실의 압축 공정과 다른쪽 펌프실의 압축 공정이 부분적으로 중복되는 중복거리를 가지도록 상기 밸브 기구를 전환함으로써 상기 한쌍의 벨로우즈를 구동하는 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 하는 2연 왕복동 펌프.
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