KR101299550B1

KR101299550B1 - 펌프장치 및 펌프 시스템

Info

Publication number: KR101299550B1
Application number: KR1020110125602A
Authority: KR
Inventors: 유지 노노무라; 쓰네오 오사카; 류지 이토야마
Original assignee: 울박 키코 인코포레이션
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-08-23
Also published as: TWI503482B; JP2012117440A; KR20120059406A; TW201231814A; CN102536754B; JP5770458B2; CN102536754A

Abstract

(과제)
본 발명은, 운전정지 시에 유체의 토출을 제한할 수 있는 펌프장치를 제공한다.
(해결수단)
펌프장치(3)는, 케이싱(10)과, 가동부재(30)와, 흡입밸브(41)와, 토출밸브(42)와, 밸브기구(50)를 구비한다. 케이싱(10)은, 흡입구(101)와 토출구(102)와 각각 통할 수 있는 펌프실(100)을 구비한다. 가동부재(30)는, 케이싱(10)의 내부를 이동할 수 있어, 펌프실(100)에 대한 유체의 흡입과 펌프실(100)로부터의 유체의 배출을 교대로 한다. 토출밸브(42)는 펌프실(100)과 토출구(102)의 사이에 부착되고, 펌프실(100)로부터 토출구(42)로 향하는 제1압력 이상의 유체의 흐름을 허용한다. 밸브기구(50)는 케이싱(10)에 부착되고, 흡입구(101)로부터 토출구(102)로 향하는 상기 제1압력보다 큰 제2압력 이하의 유체의 흐름을 제한한다.

Description

펌프장치 및 펌프 시스템{PUMPING DEVICE AND PUMP SYSTEM}

본 발명은, 예를 들면 승압블로워(昇壓 blower) 혹은 승압펌프(昇壓 pump)로서 사용되는 펌프장치(pump 裝置) 및 이것을 구비한 펌프 시스템(pump system)에 관한 것이다.

연료가스(燃料 gas)나 산소 등의 기체, 냉각수나 작동유(作動油) 등의 액체 등을 원하는 압력으로 상승시키는 기기로서, 승압블로워 혹은 승압펌프라고 불리는 펌프장치가 널리 알려져 있다. 이러한 종류의 펌프장치에는, 루츠펌프(roots pump)나 다이아프램 펌프(diaphragm pump) 등이 사용되고 있고, 예를 들면 하기의 특허문헌1에는, 연료전지 시스템(燃料電池 system)에 있어서의 연료가스의 승압블로워로서 사용되는 다이아프램 펌프가 기재되어 있다.

일본국 공개특허 특개2009-47084호 공보

종래의 승압블로워는, 유입되는 유체압력을 감압(減壓)하여 토출하는 기능을 구비하지 않고 있었다. 이 때문에 승압블로워의 흡입구(吸入口)에 소정의 압력 이상의 유체를 공급하는 압력원(壓力源)이 접속되는 펌프 시스템에 있어서는, 승압블로워의 운전정지 시에 흡입구로 유입된 유체가 승압블로워로부터 토출(吐出)되어, 경우에 따라서는 시스템에 불량을 발생시킬 가능성이 있었다.

이상과 같은 사정을 감안하여 본 발명의 목적은, 운전정지 시에 유체의 토출을 제한할 수 있는 펌프장치 및 펌프 시스템을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 하나의 형태에 관한 펌프장치(pump 裝置)는, 케이싱(casing)과, 가동부재(可動部材)와, 제1밸브와, 제2밸브와, 제3밸브를 구비한다.

상기 케이싱은, 흡입구(吸入口)와, 토출구(吐出口)와, 상기 흡입구 및 상기 토출구와 각각 통할 수 있는 펌프실(pump室)을 구비한다.

상기 가동부재는, 상기 케이싱의 내부를 이동할 수 있어, 상기 펌프실에 대한 유체의 흡입과 상기 펌프실로부터의 상기 유체의 배출을 교대로 한다.

상기 제1밸브는, 상기 흡입구와 상기 펌프실의 사이에 부착되고, 상기 흡입구로부터 상기 펌프실에 대한 상기 유체의 흐름을 허용한다.

상기 제2밸브는, 상기 펌프실과 상기 토출구의 사이에 부착되고, 상기 펌프실의 유체가 제1압력 이상인 경우에 상기 펌프실로부터 상기 토출구에 대한 상기 유체의 흐름을 허용한다.

상기 제3밸브는, 상기 케이싱에 부착되고, 상기 흡입구와 상기 토출구의 사이의 상기 유체가 상기 제1압력보다 큰 제2압력 이하인 경우에 상기 흡입구로부터 상기 토출구로 향하는 상기 유체의 흐름을 제한한다.

또 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 하나의 형태에 관한 펌프 시스템(pump system)은, 펌프장치와, 압력원(壓力源)과, 처리부(處理部)를 구비한다.

상기 펌프장치는, 케이싱과, 가동부재와, 제1밸브와, 제2밸브와, 제3밸브를 구비한다.

상기 케이싱은, 상기 압력원과 연락하는 흡입구와, 상기 처리부와 연락하는 토출구와, 상기 흡입구 및 상기 토출구와 각각 통할 수 있는 펌프실을 구비한다.

상기 제1밸브는, 상기 흡입구와 상기 펌프실의 사이에 부착되고, 상기 흡입구로부터 상기 펌프실로 향하는 상기 유체의 흐름을 허용한다.

상기 제2밸브는, 상기 펌프실과 상기 토출구의 사이에 부착되고, 상기 펌프실로부터 상기 토출구로 향하는 제1압력 이상의 상기 유체의 흐름을 허용한다.

상기 제3밸브는, 상기 케이싱에 부착되고, 상기 흡입구로부터 상기 토출구로 향하는 상기 제1압력보다 큰 제2압력 이하의 상기 유체의 흐름을 제한한다.

상기 압력원은, 상기 흡입구에 접속되고, 상기 제2압력 이하의 유체를 상기 펌프장치에 공급한다.

상기 처리부는, 상기 토출구에 접속되고, 상기 펌프장치로부터 토출되는 유체를 처리한다.

도1은 본 발명의 하나의 실시형태에 관한 펌프 시스템의 개략을 나타내는 도면이다.
도2는 본 발명의 하나의 실시형태에 관한 펌프장치의 단면도이다.
도3은 상기 펌프장치에 구비되는 밸브기구의 구성을 나타내는 단면 사시도이다.
도4는 상기 밸브기구의 단면도이다.
도5는 상기 펌프장치의 운전 및 정지를 반복하였을 때에 있어서의 펌프장치의 토출유량의 시간변화를 나타내는 하나의 실험결과이다.
도6은 도5에 나타나 있는 실험에 사용된 배관 구성도이다.
도7은 상기 펌프장치의 하나의 작용을 설명하는 도면이다.
도8은 본 발명의 제2실시형태에 관한 펌프장치의 단면도이다.
도9는 본 발명의 제3실시형태에 관한 펌프장치의 일부분을 분해한 사시도이다.
도10은 도9에 나타나 있는 펌프장치에 있어서의 하나의 작용을 설명하는 도면이다.
도11은 본 발명의 제4실시형태에 관한 펌프장치의 사시도이다.
도12는 도11에 나타나 있는 펌프장치의 주요부 단면도이다.
도13은 도11에 나타나 있는 펌프장치의 정면도이다.
도14는 도11에 나타나 있는 펌프장치의 배면도이다.
도15는 도11에 나타나 있는 펌프장치의 평면도이다.
도16은 도11에 나타나 있는 펌프장치의 저면도이다.
도17은 도11에 나타나 있는 펌프장치의 우측면도이다.
도18은 도11에 나타나 있는 펌프장치의 좌측면도이다.

본 발명의 하나의 실시형태에 관한 펌프장치(pump 裝置)는, 케이싱(casing)과, 가동부재(可動部材)와, 제1밸브와, 제2밸브와, 제3밸브를 구비한다.

상기 제3밸브는, 상기 케이싱에 부착되고, 상기 흡입구와 상기 토출구의 사이의 상기 유체가 상기 제1압력보다 크고 제2압력 이하인 경우에 상기 흡입구로부터 상기 토출구로 향하는 상기 유체의 흐름을 제한한다.

상기 펌프장치에 있어서, 가동부재는, 펌프실의 용적을 주기적으로 변화시킴으로써 펌프실에 대한 유체의 흡입과 펌프실로부터의 유체의 배출을 교대로 한다. 유체는 기체이더라도 좋고, 액체이더라도 좋다. 유체의 흡입 시에 흡입구로부터 제1밸브를 통하여 펌프실로 유체가 유입된다. 유체의 배출 시에 펌프실로 유입된 유체는, 펌프실에 있어서 가동부재에 의하여 제1압력 이상으로 압축됨으로써 제2밸브를 개방하여 토출구로부터 토출된다. 이상의 동작이 반복됨으로써 토출구로부터 제1압력 이상의 압력으로 유체가 토출된다.

제2밸브는, 펌프실 내의 압력이 상기 제1압력 이상에 도달한 시점에서 밸브를 개방하여, 펌프실로부터 토출구에 대한 유체의 흐름을 허용한다. 따라서 예를 들면 펌프장치의 운전정지 시에, 흡입구에서 제1압력 이상의 압력으로 유체가 펌프실로 유입되면, 제2밸브를 개방하여 토출구로 향하는 유체의 흐름이 형성된다.

여기에서 상기 펌프장치는 제3밸브를 구비한다. 제3밸브는 제1압력보다 큰 제2압력 이하의 유체의 흐름을 제한한다. 따라서 펌프장치의 운전정지 시에 흡입구로부터 제1압력 이상, 제2압력 이하의 압력을 구비하는 유체가 펌프실로 유입된 경우에도 제3밸브에 의하여 유체의 흐름이 저지되어, 토출구로부터의 유체의 토출을 억제할 수 있다. 이에 따라 운전정지 시에 있어서의 유체의 준비되지 않은 토출이 억제된다.

또 상기 펌프장치에 의하면, 펌프장치의 운전정지 시에 있어서의 유체의 준비되지 않은 토출을 억제할 수 있기 때문에, 흡입구에 유체압력원(流體壓力源)이 접속되는 펌프 시스템(pump system)에도 적용할 수 있다. 이에 따라 운전정지 시에 토출구로부터 유체가 누출됨으로써 시스템에 불량이 발생할 우려를 해소할 수 있다.

상기 제2압력은 적절하게 설정할 수 있어, 예를 들면 흡입구에 유입되는 유체의 압력 또는 운전정지상태에서 토출되는 유체의 허용유량 등을 기준으로 하여 설정된다. 「흐름을 제한한다」에는, 「흐름을 차단한다」라는 의미와, 「흐름을 차단하지 않더라도 그 유량을 저하시킨다」라는 의미가 포함된다.

제3밸브는 케이싱에 부착된다. 제3밸브는 흡입구측에 부착되더라도 좋고, 토출구측에 부착되더라도 좋다. 하나의 실시형태에서는, 제3밸브는 제2밸브보다 토출구측에 배치된다. 이에 따라 펌프실로 유입되는 유체의 흐름을 저지하지 않아 안정된 펌프 성능을 확보할 수 있다.

제3밸브는, 상기 제2압력 이하의 유체의 흐름을 완전하게 차단할 수 있는 구조이더라도 좋고, 상기 제1압력과 상기 제2압력의 사이에서 단계적으로 개도(開度)가 변화되는 구조이더라도 좋다. 전자의 경우에 제3밸브는 예를 들면 전자밸브 등으로 구성할 수 있다.

한편 후자의 경우에 제3밸브는, 압력에 따라 개도가 커지는 밸브구조가 채용된다. 예를 들면 제3밸브는, 밸브 시트(valve seat)와, 상기 밸브 시트에 착좌(着座)될 수 있으며 상기 제1압력 이상 제2압력 이하의 압력에 따라 개도가 연속적으로 변화되는 밸브부재를 구비한다. 이러한 밸브구조를 구비하는 밸브로서, 예를 들면 엄브렐러 밸브(umbrella valve)가 적용될 수 있다. 이에 따라 상기 펌프장치로부터 토출되는 유체의 저유량제어(低流量制御)가 가능하게 된다.

상기 케이싱은, 상기 제2밸브와 상기 제3밸브의 사이를 연락하는 유로(流路)의 일부가 확장된 공간부(空間部)를 더 구비하더라도 좋다. 상기 공간부는, 토출되는 유체의 맥동(脈動)을 완충하는 버퍼 공간으로서 기능을 한다. 이에 따라 유체의 맥동을 저감시킬 수 있어, 안정된 유량으로 유체를 토출할 수 있다. 또한 토출유량에 의거하여 펌프장치의 구동을 제어하는 경우에 있어서는, 펌프장치의 안정된 구동제어가 가능하게 된다.

상기 펌프장치는 다이아프램 펌프(diaphragm pump)로 구성할 수 있다. 이 경우에 상기 가동부재는, 상기 펌프실을 구획하는 변형 가능한 다이아프램(diaphragm)을 포함한다. 이에 따라 소형의 펌프장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시형태에 관한 펌프 시스템은, 펌프장치와, 압력원(壓力源)과, 처리부(處理部)를 구비한다.

상기 압력원은, 상기 흡입구에 접속되고, 상기 제2압력 이하의 유체를 상기 펌프장치로 공급한다.

상기 펌프 시스템에 의하면, 펌프장치의 운전정지 시에, 압력원으로부터 제1압력 이상, 제2압력 이하의 압력을 구비하는 유체가 펌프실로 유입된 경우에도 제3밸브에 의하여 유체의 흐름이 저지되어, 토출구로부터의 유체의 토출이 제한된다. 이에 따라 운전정지 시에 있어서의 유체의 준비되지 않은 토출이 억제된다. 또한 운전정지 시에 토출구로부터 유체가 누출됨으로써 시스템에 불량이 발생할 우려를 해소할 수 있다.

상기 처리부는 특별하게 한정되지 않아, 펌프장치로부터 토출되는 유체를 사용하여 에너지나 동력을 생성하기 위한 각종 기기, 예를 들면 개질기(改質器), 연소기(燃燒器), 발전기(發電機), 실린더 장치(cylinder 裝置), 각종 엔진을 포함한다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명한다.

<제1실시형태>

[펌프 시스템]

도1은, 본 발명의 하나의 실시형태에 관한 펌프 시스템의 개략을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 펌프 시스템(1)은, 압력원(2)과, 펌프장치(3)와, 처리부(4)와, 제어부(5)를 구비한다.

압력원(2)은 펌프장치(3)의 흡입측(1차측)에 접속되고, 처리부(4)는 펌프장치(3)의 토출측(2차측)에 접속된다. 압력원(2)은, 소정 압력의 유체(기체 또는 액체)를 수용하는 탱크(tank), 봄베(bombe) 등의 용기이더라도 좋고, 컴프레서(compressor) 등의 압력발생원이더라도 좋다. 펌프장치(3)는, 압력원(2)으로부터 유입되는 압력(P1)의 유체를 소정의 압력(P2)으로 높여서 처리부(4)로 공급하는 승압블로워(昇壓 blower) 혹은 승압펌프(昇壓 pump)로서 기능을 한다. 처리부(4)는, 펌프장치(3)로부터 공급된 유체를 처리하여 에너지 또는 동력 등을 생성한다. 제어부(5)는, 펌프장치(3)의 운전을 제어하지만 처리부(4)를 포함하는 시스템 전체를 제어하더라도 좋다.

펌프 시스템(1)은 예를 들면 연료전지 시스템(燃料電池 system)에 적용된다. 이 경우에 압력원(2)은 연료탱크에 상당하고, 펌프장치(3)는 연료가스(예를 들면 도시가스(메탄), LPG(액화프로판가스))를 승압하여 처리부(4)로 공급한다. 처리부(4)에는, 연료가스를 수소로 전환하는 개질기(改質器), 수소를 축적하는 연료전지, 수소와 산소를 반응시키는 발전부(發電部) 등이 포함된다.

[펌프장치]

다음에 도2를 참조하여 펌프장치(3)에 대하여 상세하게 설명한다. 도2는 펌프장치(3)의 구조를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태에 있어서 펌프장치(3)는 다이아프램 펌프(diaphragm pump)로 구성된다.

펌프장치(3)는, 금속으로 제작된 케이싱(casing)(10)과, 구동부(驅動部)(20)를 구비한다. 케이싱(10)은, 펌프본체(11)와, 펌프헤드(pump head)(12)와, 펌프헤드커버(pump head cover)(13)를 구비한다. 구동부(20)는, 모터(motor)(21)와, 모터 케이스(motor case)(22)를 구비한다.

펌프본체(11)는, 가동부재(30)를 수용하는 동작공간(動作空間)(105)을 케이싱(10)의 내부에 형성한다. 가동부재(30)는, 다이아프램(31)과, 다이아프램(31)에 고정된 고정구(固定具)(32)와, 고정구(32)를 모터(21)에 연결하는 커넥팅 로드(connecting rod)(33)를 구비한다.

다이아프램(31)은 원반 형상의 고무재료로 형성되어 있고, 그 가장자리 부분이 펌프본체(11)와 펌프헤드(12)의 사이에 협지(挾持)되어 있다. 고정구(32)는 다이아프램(31)의 중앙부에 고정되어 있고, 다이아프램(31)을 상하로부터 삽입하도록 조립된 복수의 부품으로 구성되어 있다. 커넥팅 로드(33)는 다이아프램(31)의 중심부를 관통하도록 고정구(32)와 일체화 된다. 커넥팅 로드(33)는, 베어링(bearing)(34)을 통하여 모터(21)의 회전축(回轉軸)(210)에 부착된 편심캠(偏心 cam)(35)의 둘레면에 연결된다.

펌프헤드(12)는 흡입구(101)와 토출구(102)를 구비하고, 환상(環狀)의 대좌(臺座)(110)의 상면에 배치되어 있다. 대좌(110)는 펌프본체(11)의 상부의 개구단부(開口端部)에 부착되고, 펌프헤드(12)와 함께 다이아프램(31)의 가장자리 부분을 협지한다. 펌프헤드(12)는 다이아프램(31)과의 사이에 펌프실(100)을 형성한다.

펌프헤드(12)는, 흡입구(101)와 펌프실(100)의 사이를 연락하는 흡입통로(吸入通路)(T1)와, 펌프실(100)과 토출구(102)의 사이를 연락하는 토출통로(吐出通路)(T2)를 각각 구비한다. 펌프실(100)은, 흡입통로(T1) 및 토출통로(T2)를 통하여 흡입구(101) 및 토출구(102)에 각각 통할 수 있다. 흡입통로(T1) 및 토출통로(T2)에는, 흡입밸브(41)(제1밸브) 및 토출밸브(42)(제2밸브)가 각각 부착되어 있다.

흡입밸브(41)는, 흡입통로(T1)를 형성하는 흡입구멍(h1)을 폐쇄하도록 펌프헤드(12)에 부착된다. 흡입밸브(41)는, 펌프실(100)에 접하는 흡입구멍(h1)의 끝 부분에 부착된 리드밸브(reed valve)로 구성되어, 흡입구(101)로부터 펌프실(100)로 향하는 유체의 흐름을 허용한다. 흡입밸브(41)의 밸브개방압력(흡입밸브(41)의 개방에 필요한 최저압력)은 특별하게 한정되지 않아, 펌프장치의 동작 시에 펌프실(100)로 소정 유량의 가스가 유입되는 정도의 밸브개방압력을 구비하고 있으면 좋다. 따라서 흡입밸브(41)의 밸브개방압력은, 압력원(2)으로부터 펌프장치(3)로 공급되는 가스의 압력보다 낮은 압력이더라도 좋다.

한편 토출밸브(42)는, 토출통로(T2)를 형성하는 토출구멍(h2)을 폐쇄하도록 펌프헤드(12)에 부착된다. 토출밸브(42)는, 펌프실(100)과는 반대측의 토출구멍(h2)의 끝 부분에 부착된 리드밸브로 구성되어, 펌프실(100)로부터 토출구(102)로 향하는 유체의 흐름을 허용한다. 토출밸브(42)의 밸브개방압력(토출밸브(42)의 개방에 필요한 최저압력)은 특별하게 한정되지 않아, 목적으로 하는 토출압력이 얻어지는 압력으로 설정되며, 본 실시형태에서는 흡입밸브(41)의 밸브개방압력보다 큰 압력(제1압력)으로 설정된다.

펌프헤드커버(13)는 펌프헤드(12)의 상부에 부착된다. 흡입통로(T1) 및 토출통로(T2)는, 펌프헤드(12)와 펌프헤드커버(13)가 조합됨으로써 각각 형성된다. 펌프본체(11), 펌프헤드(12) 및 펌프헤드커버(13)는 복수 개의 나사부재(B)를 사용하여 일체적으로 고정된다.

모터(21)는, 회전수 제어가 가능한 직류 브러시리스 모터(直流 brushless motor)로 구성되고, 원통 모양의 모터 케이스(22)의 내부에 수용된다. 모터(21)는, 회전축(210)과, 스테이터(stator)(211)와, 회전자(回轉子)(212)를 구비한다. 스테이터(211)는 모터 케이스(22)의 내면에 고정되어 있고, 회전자(212)는 회전축(210)의 둘레에 고정되어 있다. 회전축(210)은 베어링(bearing)(23, 24)을 통하여 모터 케이스(22)에 지지되어 있고, 그 선단부는 편심캠(35)의 회전중심에 부착되어 있다.

편심캠(35)은, 그 회전중심이 베어링(34)의 인너 레이스(inner race)에 대하여 편심되도록 형성되어 있다. 따라서 모터(21)의 구동에 의하여 회전축(210)이 그 축을 중심으로 하여 회전하면, 편심캠(35)이 회전축(210)과 함께 회전함으로써, 가동부재(30)가 동작공간(105)의 내부에 있어서 상하방향으로 왕복이동한다. 이에 따라 펌프실(100)의 용적이 주기적으로 변화되어, 소정의 펌프 기능이 얻어지게 된다. 가동부재(30)의 왕복 이동량(스트로크량)은 편심캠(35)의 편심량에 의하여 결정된다.

펌프장치(3)는 밸브기구(valve 機構)(50)(제3밸브)를 더 구비한다. 본 실시형태에 있어서 밸브기구(50)는 토출구(102)에 부착된다. 밸브기구(50)는, 펌프장치(3)의 운전정지 시에 있어서의 가스의 토출구(102)로부터의 가스의 유출을 제한하는 기능을 구비한다.

도3은 밸브기구(50)의 구성을 나타내는 단면 사시도이고, 도4는 그 단면도를 각각 나타내고 있다. 밸브기구(50)는, 고무로 제작된 밸브부재(valve 部材)(51)와, 밸브부재(51)를 수용하며 금속으로 제작된 하우징(housing)(52)을 구비한다.

하우징(52)은, 케이싱(10)의 토출구(102)에 접속되는 제1단부(第一端部)(521)와, 처리부(4)와 연락하는 관로(管路)(도면에 나타내는 것을 생략)에 접속되는 제2단부(第二端部)(522)를 구비한다. 제1단부(521)의 둘레에는 씰링(seal ring)(54)이 장착되어 있고, 이 씰링(54)에 의하여 제1단부(521)가 토출구(102)의 내부에 기밀(氣密)하게 부착된다.

하우징(52)의 내부에는, 제1단부(521)와 제2단부(522)의 사이를 연락하는 내부통로(內部通路)(523)가 형성되어 있다. 내부통로(523)의 대략 중앙부에는, 중심부와 그 둘레에 복수의 구멍(531)을 구비하는 벽부(壁部)(53)가 내부통로(523)의 벽면에 수직으로 형성되어 있고, 이들의 구멍(531)을 통하여 제1단부(521)와 제2단부(522)의 사이가 통할 수 있도록 되어 있다.

밸브부재(51)는 엄브렐러 밸브(umbrella valve)로 구성된다. 즉 밸브부재(51)는 대략 원반 모양으로 형성되고, 그 중심부에 형성된 축부(軸部)(511)가 벽부(53)의 중심구멍에 장착됨으로써 내부통로(523)에 배치된다. 밸브부재(51)의 가장자리 부분(512)은, 제2단부(522)에 접하는 벽부(53)의 표면에 형성된 밸브시트(valve seat)(532)에 탄성적으로 접촉되어 있어, 제2단부(522)측으로부터 제1단부(521)측에 대한 유체의 흐름을 저지한다. 즉 밸브부재(51)는 역류방지밸브로서 기능을 한다.

한편 밸브부재(51)는, 제1단부(521)측으로부터 제2단부(522)측에 대한 순방향의 유체의 흐름에 대해서는 소정의 압력 이상에서 밸브를 개방함으로써 상기 유체의 흐름을 허용한다. 이 경우에 밸브부재(51)는, 도4에 나타나 있는 바와 같이 가장자리 부분(512)이 제2단부(522)측으로 탄성변형(彈性變形)됨으로써 밸브시트(532)로부터 이간(離間)되어, 밸브부재(51)에 의한 내부통로(523)의 차단상태가 해제된다. 상기 소정의 압력보다 낮은 유체압력 하에서는, 가장자리 부분(512)은 밸브시트(532)에 착좌(着座)되어 내부통로(523)의 차단상태가 유지된다.

밸브부재(51)로는, 각종 프로세스 가스에 대하여 내성(耐性)을 구비하는 고무재료가 사용된다. 예를 들면 프로세스 가스에 메탄이나 프로판 등이 사용되는 경우에는, 니트릴고무(NBR), 수소화니트릴고무(HNBR), 불소고무(FKM) 등과 같이 메탄이나 프로판 등의 탄화수소계 가스에 대하여 내성을 구비하는 고무재료가 밸브부재(51)로서 사용된다. 밸브부재(51)의 두께, 크기는 특별하게 한정되지 않으며, 각종 사양에 대응할 수 있는 밸브개방압력을 확보할 수 있는 두께, 크기로 각각 설정된다.

즉 밸브부재(51)의 밸브개방압력(밸브부재(51)의 개방에 필요한 최저압력)은, 적어도 토출밸브(42)의 밸브개방압력(제1압력)보다 높은 압력으로 설정된다. 그리고 밸브부재(51)는, 그 밸브개방압력보다 높은 소정의 압력(제2압력) 이하의 가스의 흐름을 제한한다.

밸브부재(51)의 밸브개방압력은, 펌프 시스템(1)의 압력원(2)으로부터 공급되는 가스압력(P1)을 참조하여 결정된다. 본 실시형태에서는 밸브부재(51)의 밸브개방압력은, 압력원(2)의 가스압력(P1)보다 높은 압력으로 설정된다. 이에 따라 압력원(2)의 가스압력(P1)이 토출밸브(42)의 밸브개방압력보다 큰 경우이더라도 펌프장치(3)의 운전정지 시에 있어서의 토출구(102)로부터 처리부(4)에 대한 가스의 유출을 차단하여, 처리부(4)에 대한 가스의 유출을 확실하게 방지할 수 있다.

또 후술하는 바와 같이 상기 밸브부재의 밸브개방압력은, 압력원(2)의 가스압력(P2)보다 낮은 압력으로 설정되더라도 좋다.

[펌프장치의 동작]

다음에 이상과 같이 구성되는 펌프장치(3)의 전형적인 동작예를 설명한다.

펌프장치(3)는 구동부(20)의 모터(21)를 기동시킴으로써 구동된다. 모터(21)의 회전수는, 예를 들면 펌프장치(3)의 토출측에 설치된 유량계(流量計)에 의거하여 일정한 토출유량이 되도록 제어부(5)에 의하여 제어된다. 모터(21)는, 회전축(210)을 통하여 편심캠(35)을 회전시킴으로써 가동부재(30)를 동작공간(105)에 있어서 소정의 스트로크로 왕복이동시킨다. 이에 따라 펌프실(100)을 구획하는 다이아프램(31)이 상하이동되어, 펌프실(100)의 용적이 주기적으로 변화된다.

가동부재(30)는 펌프실(100)의 용적을 주기적으로 변화시킴으로써, 펌프실(100)에 대한 가스의 흡입과 펌프실(100)로부터의 가스의 배출을 교대로 한다. 즉 흡입구(101)에 접속된 압력원(2)으로부터 흡입밸브(41)를 통하여 압력(P1)(예를 들면 2kPa(게이지 압력))의 연료가스가 펌프실(100)로 유입된다. 펌프실(100)로 유입된 연료가스는, 펌프실(100)에 있어서 가동부재에 의하여 압축됨으로써 승압되어 토출밸브(42) 및 밸브기구(50)를 개방시킨다. 이상의 동작이 반복됨으로써 토출구(102)로부터 처리부(4)로 압력(P2)(예를 들면 15kPa(게이지 압력))의 연료가스가 토출된다.

여기에서 토출밸브(42)는, 펌프실(100) 내의 압력이 토출밸브(42)의 밸브개방압력 이상에 도달한 시점에서 밸브를 개방하여, 펌프실(100)로부터 토출구(102)에 대한 가스의 흐름을 허용한다. 따라서 펌프장치(3)의 운전정지 시에 흡입구(101)에서 토출밸브(42)의 밸브개방압력 이상의 압력으로 가스가 펌프실(100)로 유입되면, 토출밸브(42)를 개방하여 토출구(102)로 향하는 가스의 흐름이 형성된다.

여기에서 본 실시형태의 펌프장치(3)에 있어서는, 토출구(102)에 밸브기구(50)가 부착되어 있다. 밸브기구(50)는 압력원(2)의 가스압력(P1)보다 높은 밸브개방압력을 구비한다. 따라서 펌프장치(3)의 운전정지 시에, 흡입구(101)로부터 압력(P1)의 가스가 펌프실(100)로 유입된 경우에도 밸브기구(50)에 의하여 가스의 흐름이 저지되어, 토출구(102)로부터 처리부(4)에 대한 가스의 유출이 방지된다. 이와 같이 운전정지 시에 있어서의 가스의 준비되지 않은 토출이 억제되기 때문에, 시스템에 불량이 발생할 우려를 해소할 수 있다.

또 본 실시형태에 있어서 밸브기구(50)는, 유입압력에 따라 개도(開度)를 연속적으로 변화시킬 수 있는 구조를 구비한다. 이에 따라 펌프장치(6)의 운전재개 시에 토출압력에 따라 밸브기구(50)를 개방할 수 있어, 신속하게 필요한 유량의 가스를 처리부(4)에 공급할 수 있다.

도5는, 도6에 나타나 있는 실험조건에서 펌프장치(3)의 운전 및 정지를 반복하였을 때에 있어서의 펌프장치(3)의 토출유량의 시간변화를 나타내고 있다. 도6에 있어서, a는 버퍼탱크(buffer tank), b는 압력계(壓力計), c는 흡입배관(吸入配管), d는 블로워(blower)이며, 본 실시형태의 펌프장치(3)에 상당한다. e는 압력계, f는 토출배관(吐出配管), g는 고정 오리피스(固定 orifice), h는 유량계(流量計)이다.

도5에 나타나 있는 바와 같이 토출유량의 최소값은 0이며, 펌프장치(3)의 운전정지 시에, 밸브기구(50)에 의한 가스의 폐쇄기능이 정상적으로 작용하고 있는 것이 확인되었다. 또한 펌프장치(6)의 토출유량은 일정값으로 안정하게 유지되어, 재현성이 높은 것도 확인되었다.

도7은, 펌프장치(6)의 모터(21)에 입력되는 회전수 제어전압(Vsp)에 대한 펌프장치(6)의 토출유량의 변화를 나타내는 하나의 실험결과이다. 펌프장치(6)가 구비되는 배관 시스템은, 도6에 나타나 있는 배관의 예와 동일한 것으로 하였다.

도7에 나타나 있는 바와 같이 펌프장치의 운전시작 후에, 소정의 회전수에 도달한 시점에서 가스의 토출이 시작되고, 그 유량은 펌프장치의 구동회전수에 대략 비례하여 상승하는 것이 확인되었다. 이와 같이 본 실시형태에 의하면, 가스의 폐쇄기능과 안정한 토출유량제어를 실현할 수 있다.

<제2실시형태>

도8은 본 발명의 제2실시형태에 관한 펌프장치를 나타내고 있다. 이하, 제1실시형태와 다른 구성에 대하여 주로 설명하고, 상기 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그에 대한 설명을 생략 또는 간략화 한다.

본 실시형태의 펌프장치(6)는, 토출구(102)에 부착되는 밸브기구(60)의 구성이 상기의 제1실시형태와 다르다. 밸브기구(60)는, 엄브렐러 밸브를 구성하는 밸브부재(61)를 구비하고, 도3 및 도4에 나타나 있는 제1실시형태와 동일한 형태로 하우징(62)의 내부통로에 설치되어 있다.

본 실시형태의 밸브기구(60)는, 토출밸브(42)의 밸브개방압력(제1압력) 이상 또한 압력원(2)의 가스압력(P1)(제2압력) 이하의 가스의 유출을 제한하는 기능을 구비하는 점에서 제1실시형태와 공통된다. 그러나 본 실시형태에 있어서의 밸브기구(60)는, 펌프장치(6)의 운전정지 시에 토출구(102)로부터 처리부(4)에 대한 가스의 유출은 허용하지만, 그 유출량을 소정 이하로 억제하는 기능을 구비하는 점에서 제1실시형태와 다르다.

즉 본 실시형태의 밸브부재(61)의 밸브개방압력은 압력원(2)의 가스압력(P1)보다 낮은 압력으로 설정된다. 본 실시형태의 밸브기구(60)는 가스압력에 따라 개도를 연속적으로 변화시킬 수 있는 구조이기 때문에, 밸브기구(60)에 유입되는 가스압력에 따라 처리부(4)측으로 유출되는 가스의 유량을 제어할 수 있다.

이 경우에 밸브부재(61)를 전부 개방시키는 데에 필요한 압력은, 압력원(2)의 가스압력(P1)보다 큰 압력(예를 들면 펌프장치(3)의 통상 운전 시의 토출압(P2) 이하)으로 설정된다. 이에 따라 토출밸브(42)의 밸브개방압력(제1압력) 이상 또한 압력원(2)의 가스압력(P1)(제2압력) 이하의 가스의 유량을 밸브기구(60)에 의하여 제어할 수 있다.

본 실시형태에 의하면, 펌프장치(6)의 운전정지 시에 있어서 압력원(2)으로부터 공급되는 가스유량을 소정의 유량으로 줄여서 처리부(4)에 공급할 수 있다. 이에 따라 펌프장치(6)의 상류측 혹은 하류측에 오리피스 등의 스로틀 밸브(throtlle valve)를 별도로 설치할 필요가 없어, 시스템의 부품수의 삭감을 도모할 수 있다. 본 실시형태는, 펌프장치(6)의 운전정지 시에도 처리부(4)에 소정 유량 이하의 가스를 공급할 필요가 있는 시스템에 적합하게 사용된다.

<제3실시형태>

도9는 본 발명의 제3실시형태에 관한 펌프장치를 나타내고 있다. 이하, 제1실시형태와 다른 구성에 대하여 주로 설명하고, 상기 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그에 대한 설명을 생략 또는 간략화 한다.

본 실시형태의 펌프장치(7)는, 펌프본체(11)와, 펌프헤드(72)와, 펌프헤드커버(73)를 포함하는 케이싱(70)을 구비한다. 펌프헤드(72)에는, 흡입구(101)와 토출구(102)가 각각 형성되어 있다. 토출구(102)에는, 제1실시형태에서 설명한 밸브기구(50)가 부착된다.

또 펌프헤드(72)에는, 흡입통로(T1)와, 토출통로(T2)와, 버퍼탱크(721)가 각각 형성되어 있다. 이들 통로의 적어도 일부는 펌프헤드(72)의 상면으로부터 외부로 노출되어 있고, 밀봉부재를 통하여 펌프헤드커버(73)로 덮여짐으로써 외기(外氣)와 차단된다.

일반적으로 다이아프램형의 펌프는 구조적으로 토출가스에 맥동(脈動)이 발생한다. 펌프의 구동회전수를 토출가스의 유량의 측정값에 의거하여 제어하는 경우에 맥동이 크면 정확한 유량을 측정할 수 없어, 펌프의 구동제어가 불안정하게 된다. 또한 토출가스가 연료가스인 경우에 맥동에 의하여 연소가 불안정하게 되거나 또는 불완전연소를 초래할 우려가 있다.

여기에서 본 실시형태의 펌프장치(7)는, 토출통로(T2)와 토출구(102)의 사이에 버퍼탱크(721)를 구비한다. 버퍼탱크(721)는, 토출밸브(42)(토출통로(T2))와 밸브기구(50)의 사이에 이들을 연락하는 유로의 일부를 확장한 공간부(空間部)(74)를 형성한다. 버퍼탱크(721)는 토출밸브(42)로부터 토출되는 가스의 맥동을 완충하는 기능을 구비한다.

본 실시형태의 펌프장치(7)에 의하면, 밸브기구(50)로부터 토출되는 가스의 맥동을 저감시켜서 안정된 유량으로 가스를 토출할 수 있다. 또한 토출유량에 의거하여 펌프장치(7)의 구동을 제어하는 경우에 있어서는, 펌프장치(7)의 안정된 구동제어가 가능하게 된다. 또한 펌프와 버퍼탱크가 일체화 되어 있기 때문에, 펌프 시스템의 가스유로에 별도의 버퍼탱크를 설치할 필요가 없어, 시스템 구성의 간소화를 도모할 수 있다.

버퍼탱크(721)의 공간부(74)의 용적은, 토출밸브(42)로부터 토출되는 가스의 맥동(압력폭)에 의거하여 정해진다. 도10은 본 발명자들이 행한 하나의 실험결과이며, 버퍼용적(cc)과 토출구(102)로부터 토출되는 가스의 압력폭과의 관계를 나타내고 있다. 도10에 나타나 있는 바와 같이 공간부(74)의 용적이 클수록 압력폭을 작게 할 수 있다. 예를 들면 공간부(74)의 용적을 120cc 이상으로 함으로써 맥동폭을 0.75kPa 이하로 억제할 수 있다.

<제4실시형태>

도10은 본 발명의 제4실시형태에 관한 펌프장치를 나타내고 있다. 이하, 제1실시형태와 다른 구성에 대하여 주로 설명하고, 상기 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그에 대한 설명을 생략 또는 간략화 한다.

본 실시형태의 펌프장치(8)는, 케이싱(80)과, 구동부(20)와, 버퍼탱크(81)를 구비한다. 케이싱(80)은, 흡입구(101)와, 토출구(102)를 구비하고, 흡입구(101)로부터 흡입된 가스를 도면에 나타나 있지 않은 펌프실에서 승압하여, 버퍼탱크(81)를 통하여 승압된 가스를 토출구(102)로부터 토출한다.

도11은 버퍼탱크(81) 및 토출구(102)의 단면도이다. 버퍼탱크(81)의 내부에는 소정 용적의 공간부(74)가 형성되어, 토출가스의 맥동을 저감시킨다. 토출구(102)는 공간부(74)와 통하고 있고, 토출구(102)의 내부에는 밸브부재(51)가 부착되어 있다. 밸브부재(51)는 제1실시형태와 동일한 구성을 구비하고, 소정 압력 이하의 가스의 유출을 제한하는 기능을 구비한다.

이상과 같이 구성되는 본 실시형태에 있어서도 상기의 각 실시형태와 동일한 작용효과를 얻을 수 있다. 본 실시형태의 펌프장치(8)에 의하면, 밸브기구로서의 밸브부재(51)가 케이싱(80)에 지지되어 있기 때문에 부품수의 삭감을 도모할 수 있다.

또 도13∼도18은 펌프장치(8)의 외관을 나타내는 것으로서, 도13은 정면도, 도14는 배면도, 도15는 평면도, 도16은 저면도, 도17은 우측면도, 도18은 좌측면도이다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 여러 가지 변경을 가할 수 있다는 것은 물론이다.

예를 들면 이상의 실시형태에서는 소정 압력 이하의 유체의 흐름을 제한하는 밸브기구는 토출구에 부착되었지만, 이에 한정되지 않고 예를 들면 토출밸브와 토출구 사이의 토출통로 상에 상기 밸브기구가 설치되더라도 좋다.

또 상기 밸브기구를 구성하는 밸브부재는, 엄브렐러 밸브에 한정되지 않고 예를 들면 볼 밸브(ball valve)나 버터플라이 밸브(butterfly valve) 등으로 구성되더라도 좋다.

또한 이상의 실시형태에서는 펌프장치는 다이아프램 펌프로 구성되었지만, 이에 한정되지 않고 루츠펌프(roots pump) 등 다른 펌프장치에도 본 발명은 적용될 수 있다. 루츠펌프의 경우에 펌프실의 용적을 변화시키는 가동부재로서는, 서로 대향하도록 배치되는 회전자(回轉子)에 대응한다.

1 : 펌프 시스템
2 : 압력원
3, 6, 7, 8 : 펌프장치
4 : 처리부
10, 70, 80 : 케이싱
20 : 구동부
30 : 가동부재
31 : 다이아프램
41 : 흡입밸브
42 : 토출밸브
50, 60 : 밸브기구
51, 61 : 밸브부재
74 : 공간부
100 : 펌프실
101 : 흡입구
102 : 토출구

Claims

흡입구(吸入口)와, 토출구(吐出口)와, 상기 흡입구 및 상기 토출구와 각각 통할 수 있는 펌프실(pump室)을 구비하는 케이싱(casing)과,
상기 케이싱의 내부를 이동할 수 있어, 상기 펌프실에 대한 유체의 흡입과 상기 펌프실로부터의 상기 유체의 배출을 교대로 하는 가동부재(可動部材)와,
상기 흡입구와 상기 펌프실의 사이에 부착되고, 상기 흡입구로부터 상기 펌프실에 대한 상기 유체의 흐름을 허용하는 제1밸브와,
상기 펌프실과 상기 토출구의 사이에 부착되고, 상기 펌프실의 유체가 제1압력 이상인 경우에 상기 펌프실로부터 상기 토출구에 대한 상기 유체의 흐름을 허용하는 제2밸브와,
상기 케이싱에 부착되고, 상기 흡입구와 상기 토출구 사이의 상기 유체가 상기 제1압력보다 큰 제2압력 이하인 경우에 상기 흡입구로부터 상기 토출구로 향하는 상기 유체의 흐름을 제한하는 제3밸브를
구비하는 것을 특징으로 하는 펌프장치(pump 裝置).
제1항에 있어서,
상기 제3밸브는, 상기 제2밸브보다 상기 토출구측에 배치되는 것을 특징으로 하는 펌프장치.
제2항에 있어서,
상기 제3밸브는, 상기 제1압력 이상 상기 제2압력 이하의 압력에 따라 개도(開度)가 연속적으로 변화되는 밸브부재(valve 部材)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프장치.
제3항에 있어서,
상기 밸브부재는 엄브렐러 밸브(umbrella valve)인 것을 특징으로 하는 펌프장치.
제2항에 있어서,
상기 케이싱은, 상기 제2밸브와 상기 제3밸브의 사이를 연락하는 유로(流路)의 일부가 확장된 공간부(空間部)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 펌프장치.
제1항에 있어서,
상기 가동부재는,
상기 펌프실을 구획하는 변형할 수 있는 다이아프램(diaphragm)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프장치.
흡입구와, 토출구와, 상기 흡입구 및 상기 토출구와 각각 통할 수 있는 펌프실을 구비하는 케이싱과,
상기 케이싱의 내부를 이동할 수 있어, 상기 펌프실에 대한 유체의 흡입과 상기 펌프실로부터의 상기 유체의 배출을 교대로 하는 가동부재와,
상기 흡입구와 상기 펌프실의 사이에 부착되고, 상기 흡입구로부터 상기 펌프실로 향하는 상기 유체의 흐름을 허용하는 제1밸브와,
상기 펌프실과 상기 토출구의 사이에 부착되고, 상기 펌프실로부터 상기 토출구로 향하는 제1압력 이상의 상기 유체의 흐름을 허용하는 제2밸브와,
상기 케이싱에 부착되고, 상기 흡입구로부터 상기 토출구로 향하는 상기 제1압력보다 큰 제2압력 이하의 상기 유체의 흐름을 제한하는 제3밸브를
구비하는 펌프장치와,
상기 흡입구에 접속되고, 상기 제2압력 이하의 유체를 상기 펌프장치에 공급하는 압력원과,
상기 토출구에 접속되고, 상기 펌프장치로부터 토출되는 유체를 처리하는 처리부를
구비하는 것을 특징으로 하는 펌프 시스템(pump system).
제7항에 있어서,
상기 제3밸브는, 상기 제2압력 이하의 상기 유체의 흐름을 차단하는 밸브부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제3밸브는, 상기 제1압력 이상 상기 제2압력 이하의 압력에 따라 개도가 연속적으로 변화되는 밸브부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프 시스템.