KR101308784B1

KR101308784B1 - 소형 폼 팩터를 갖는 펌프용 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101308784B1
Application number: KR1020087013326A
Authority: KR
Inventors: 제임스 세드론; 조오지 곤넬라; 이라즈 가쉬가이
Original assignee: 엔테그리스, 아이엔씨.
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2013-09-17
Also published as: JP2009527673A; TW200726912A; US8087429B2; CN101583796A; JP5684186B2; EP2894332A1; EP2894332B1; EP1952022A2; US20120057990A1; CN101583796B; JP5339914B2; WO2007061956A3; EP1952022B1; TWI413732B; US20070128050A1; JP2012132470A; WO2007061956B1; WO2007061956A2; US8651823B2; US9399989B2

Abstract

본 발명의 실시예는 폼 팩터를 줄이고 신뢰성과 유용성을 높이는 특징부를 갖는 펌프를 제공한다. 추가적으로, 본 발명의 실시예는 유체 취급 특성을 위한 특징부를 제공한다. 본 발명의 실시예는 모터 구동식 공급 단 펌프와 모터 구동식 토출 단 펌프를 구비하는 펌프를 포함할 수 있다. 공급 단 모터와 토출 단 모터는 다양한 타입의 모터를 포함할 수 있고, 펌프는 롤링 다이어프램 펌프이거나 다른 펌프일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 펌프의 챔버 및 여러 유로를 형성하는 토출 블럭이 일체형 재료로 형성될 수 있다.

Description

소형 폼 팩터를 갖는 펌프용 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR A PUMP WITH REDUCED FORM FACTOR}

관련 출원

본원은 출원인 엔테그리스, 아이엔씨와 발명자 Laverdiere 등이 미국의 수리 관청에 2005년 11월 21일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1590-WO호) "가변 홈 위치 토출 장치용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM)"이란 명칭의 PCT 특허 출원 PCT/US2005/042127호에 대한 혜택을 35 U.S.C 120에 의거하여 주장하고 상기 PCT 특허 출원을 우선권으로 주장하며, Cedrone 등이 2005년 12월 5일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1720호) "소형 폼 팩터를 갖는 다단 펌프용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR MULTI-STAGE PUMP WITH REDUCED FORM FACTOR)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/742,435호에 대한 혜택을 35 U.S.C 119(e)에 의거하여 주장하고 상기 가특허 출원을 우선권으로 주장하는데, 두 특허 출원 모두 본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있다.

본 발명은 유체 펌프에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는 다단 펌프에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예는 소형 폼 팩터를 갖는 다단 펌프에 관한 것이다.

유체가 펌핑 장치에 의해 토출되는 양 및/또는 속도를 정확하게 제어할 필요가 있는 용례가 다수 존재한다. 예컨대, 반도체 처리에 있어서는 포토레지스트 화학 물질과 같은 광화학 물질이 반도체 웨이퍼에 도포되는 양과 속도를 제어하는 것이 중요하다. 처리 중에 반도체 웨이퍼에 도포되는 코팅은 대개 웨이퍼 표면에 걸쳐서 소정의 평탄도를 필요로 하는데, 이 평탄도는 옹스트롬(Å) 단위로 측정된다. 처리 화학 물질이 웨이퍼에 도포되는 속도는, 처리 액체가 균일하게 도포되는 것을 보장하도록 제어되어야만 한다.

오늘날 반도체 산업에서 사용되는 대다수의 광화학 물질은 매우 고가이며, 리터당 $ 1000에 달하는 경우도 흔하다. 따라서, 최저의 양이지만 충분한 양의 화학 물질을 사용하는 것과, 펌핑 장치가 화학 물질에 손상을 입히지 않는 것을 보장하는 것이 바람직하다. 현재의 다단 펌프는 액체에 강렬한 압력 스파이크를 야기할 수 있다. 이러한 압력 스파이크와 그 이후에 나타나는 압력 강하는 유체에 손상을 입힐 수 있다(즉, 유체의 물리적 특성을 바람직하지 않게 변화시킬 수 있다). 추가적으로, 압력 스파이크는 유체 압력의 상승을 초래할 수 있으며, 이러한 유체 압력의 상승으로 인해 토출 펌프는 의도한 것보다 많은 유체를 토출하게 되거나, 또는 유체를 바람직하지 못한 동역학적 특성을 갖는 방식으로 토출하게 된다.

포토레지스트 토출 펌프에 관한 이전의 몇몇 펌프 설계는, 공정 유체에 압력을 가하도록 움직이는 공급 및 토출 챔버에 있는 평평한 다이어프램에 의존하였다. 유압(油壓) 유체는 대개 다이어프램의 일측에 압력을 인가하여 다이어프램을 이동시키고, 이에 의해 공정 유체를 변위시키는데 사용되었다. 유압 유체는 공압 피스 톤 또는 스텝 모터 구동식 피스톤에 의해 압력을 받게 될 수 있다. 토출 펌프가 필요로 하는 변위 체적을 획득하기 위해, 상기 다이어프램은 비교적 큰 표면 면적과, 그에 따른 큰 직경을 가져야만 하였다. 또한, 이전의 펌프에서는 펌프의 여러 부분을 형성하는 여러 플레이트가 클램핑되거나 나사로 고정되는 외부 금속 플레이트에 의해 결합되었다. 여러 플레이트 사이의 공간은 유체의 누출 가능성을 증대시켰다. 추가적으로, 밸브는 펌프의 전반에 걸쳐서 분포되어 있어서, 교환 및 수리를 더 어렵게 만든다.

본 발명의 실시예는 소형 폼 팩터와, 더 원만한 유체 취급 능력, 그리고 유체의 사용을 줄이고 신뢰성을 높이는 여러 특징부를 갖는 다단 펌프를 제공한다. 본 발명의 일 실시예는 다단 펌프를 포함하는데, 이 다단 펌프는 펌프 유입 유로, 펌프 유출 유로, 펌프 유입 유로와 유통하는 공급 펌프, 공급 펌프 및 펌프 유출 유로와 유통하는 토출 펌프, 및 선택적으로 유체의 흐름이 다단 펌프를 통과할 수 있게 하는 밸브의 세트를 포함한다. 공급 펌프는 공급 챔버 내에서 움직일 수 있는 공급 단(段) 다이어프램, 공급 단 다이어프램을 이동시키는 공급 피스톤, 및 공급 피스톤을 왕복 운동시키도록 공급 피스톤에 결합된 공급 모터를 포함할 수 있다. 토출 펌프는 토출 챔버 내에서 움직일 수 있는 토출 롤링 다이어프램, 토출 롤링 다이어프램을 이동시키는 토출 피스톤, 및 토출 피스톤을 왕복 운동시키도록 토출 피스톤에 결합된 토출 모터를 포함할 수 있다. 본 발명의 여러 실시예에 따르면, 공급 단 다이어프램은 또한 롤링 다이어프램일 수 있다. 추가적으로, 공급 모터와 토출 모터는 각각 스텝 모터 또는 무브러시 DC 모터일 수 있거나, 또는 예컨대 공급 모터는 스텝 모터이고 토출 모터는 무브러시 DC 모터일 수 있다. 일 실시예에 따른 다단 펌프는 토출 챔버, 공급 챔버, 및 다단 펌프 내의 여러 유로를 적어도 부분적으로 형성하는 일체형 토출 블럭을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 다단 펌프를 포함하는데, 이 다단 펌프는 펌프 유입 유로와, 펌프 유출 유로, 그리고 펌프 유출 유로와 유통하는 토출 챔버의 적어도 일부분 및 펌프 유입 유로와 유통하는 공급 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 일체형 토출 블럭을 포함한다. 이 다단 펌프는 공급 챔버 및 토출 챔버와 유통하는 필터와, 공급 챔버 내에서 움직일 수 있는 공급 단 다이어프램과, 공급 단 다이어프램을 이동시키는 공급 피스톤과, 공급 피스톤을 왕복 운동시키도록 공급 피스톤에 결합된 공급 모터와, 토출 챔버 내에서 움직일 수 있는 토출 다이어프램과, 토출 다이어프램을 이동시키는 토출 피스톤, 그리고 토출 피스톤을 왕복 운동시키도록 토출 피스톤에 결합된 토출 모터를 더 포함할 수 있다.

토출 블럭은 펌프 유입 유로의 제1 및 제2 부분과, 공급 단 유출 유로의 제1 및 제2 부분과, 토출 단 유입 유로의 제1 및 제2 부분과, 배출(vent) 유로의 제1 및 제2 부분과, 퍼지 유로의 제1 및 제2 부분, 그리고 펌프 유출 유로의 적어도 일부분을 더 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유로는 다음과 같이 구성될 수 있다. 즉, 펌프 유입 유로의 제1 부분은 입구와 유입 밸브 사이를 연통하고, 펌프 유입 유로의 제2 부분은 유입 밸브와 공급 챔버 사이를 연통하며; 공급 단 유출 유로의 제1 부분은 공급 챔버와 격리 밸브 사이를 연통하고, 공급 단 유출 유로의 제2 부분은 필터로 통하며; 토출 단 유입 유로의 제1 부분은 필터와 차단 밸브 사이를 연통하고, 토출 단 유입 유로의 제2 부분은 차단 밸브와 토출 챔버 사이를 연통하며; 배출 유로의 제1 부분은 필터와 배출 밸브 사이를 연통하고, 배출 유로의 제2 부분은 배출 밸브와 배출 출구 사이를 연통하며; 퍼지 유로의 제1 부분은 토출 챔버와 퍼지 밸브 사이를 연통하고, 퍼지 유로의 제2 부분은 퍼지 밸브와 공급 챔버 사이를 연통한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 다단 펌프의 제조 방법을 포함하는데, 이 방법은 공급 챔버, 토출 챔버, 펌프 유입 유로 및 펌프 유출 유로를 적어도 부분적으로 형성하는 일체형 재료로 이루어진 토출 블럭을 형성하는 단계와, 토출 블럭과 토출 펌프 피스톤 하우징 사이에 토출 롤링 다이어프램을 장착하는 단계와, 토출 블럭과 공급 펌프 피스톤 하우징 사이에 공급 단 롤링 다이어프램을 장착하는 단계와, 공급 펌프 리드 나사를 매개로 하여 공급 펌프 피스톤을 공급 펌프 모터에 결합하는 단계와, 토출 펌프 리드 나사를 매개로 하여 토출 펌프 피스톤을 토출 펌프 모터에 결합하는 단계와, 공급 모터를 공급 펌프 피스톤 하우징에 결합하는 단계와, 토출 모터를 토출 펌프 피스톤 하우징에 결합하는 단계, 그리고 필터가 토출 챔버 및 공급 챔버와 유통하도록 필터를 토출 블럭에 결합하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 펌프를 포함하는데, 이 펌프는 펌프 유입 유로, 펌프 유출 유로, 펌프 유출 유로 및 펌프 유입 유로와 유통하는 펌프 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 일체형 토출 블럭, 펌프 챔버 내에서 움직일 수 있는 다이어프램, 다이어프램을 이동시키는 피스톤, 및 피스톤을 왕복 운동시키도록 피스톤에 결합된 모터를 포함한다.

본 발명의 여러 실시예는 펌프를 방적(防滴)형으로 만드는 특징부와, 예컨대 PTFE 부품과 금속 부품간의 교차부의 오프셋 등과 같은 특징부와, 액적(液滴)을 전자 기기에서 멀리 떨어진 곳으로 안내하기 위한 특징부, 그리고 여러 시일을 포함할 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 실시예는 열이 펌프 내의 유체에 미치는 영향을 줄이기 위한 특징부를 포함할 수 있다. 예컨대, 열을 발생시키는 전자 부품, 예컨대 솔레노이드 혹은 마이크로칩 등은, 공간적 제약이 허용하는 범위 내에서 토출 블럭으로부터 멀리 떨어지게 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예는 소형 폼 팩터(예컨대, 이전의 다단 펌프 크기의 대략 1/2)를 갖고 더 원만한 유체 취급 특성과 더 넓은 작동 범위를 갖는 다단 펌프를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 다단 펌프는 이전의 다단 펌프에 비해 35% 적은 수의 부품을 가져서, 비용 및 복잡도가 줄어들며, 유압 기기를 필요로 하더라도 그 수가 크지는 않다. 본 발명의 실시예에 따른 다단 펌프는 현장에서 쉽게 유지 보수되며, 토출 공정 동안에 공정 화학 물질을 덜 사용하고, 민감한 화학 반응 동안에 탈기를 줄이며, 더 정확한 제어를 제공한다. 그 밖의 장점으로는 레지스트의 절약이 증대된다는 점과, 가동 시간이 늘어난다는 점과, 생산량이 증대된다는 점, 그리고 유지 보수 비용이 줄어든다는 점 등이 있다. 추가적으로, 본 발명의 실시예에 따른 다단 펌프는 상당한 공간 절약을 제공하고, 이전 펌프와 동일한 크기의 공간에 더 많은 수의 펌프를 설치할 수 있게 한다.

이하의 상세한 설명과 첨부 도면을 함께 고려해 보면, 본 발명의 전술한 양태와 그 밖의 양태를 더 잘 파악하고 이해하게 될 것이다. 본 발명의 여러 실시예와 이들 실시예의 다수의 구체적인 세부 사항을 보여주는 이하의 상세한 설명은 예시를 목적으로 주어진 것이며 제한의 의도는 없다. 다수의 대체, 수정, 추가, 또는 재배열이 본 발명의 범위 내에서 실시될 수 있으며, 본 발명은 이러한 대체, 수정, 추가, 재배열을 모두 포함한다.

유사한 도면 부호로 유사한 구성 요소를 표시하고 있는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조해 보면, 본 발명과 그 장점을 더 완전하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 펌핑 시스템의 일 실시예를 보여주는 모식도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 펌프를 보여주는 모식도.

도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련하여 밸브와 모터의 타이밍을 보여주는 모식도.

도 4a, 도 4b, 도 5a, 도 5c 및 도 5d는 다단 펌프의 여러 실시예를 보여주는 모식도.

도 5b는 토출 블럭의 일 실시예를 보여주는 모식도.

도 6은 다단 펌프의 일 실시예의 부분 조립 상태를 보여주는 모식도.

도 7은 다단 펌프의 다른 실시예의 부분 조립 상태를 보여주는 모식도.

도 8a는 다단 펌프의 일 실시예의 일부분을 보여주는 모식도.

도 8b는 토출 챔버를 포함하는 도 8a에 도시된 다단 펌프의 실시예의 단면을 보여주는 모식도.

도 8c는 도 8b에 도시된 다단 펌프의 실시예의 단면을 보여주는 모식도.

도 9는 밸브 플레이트 및 토출 블럭의 실시예를 사용하여 하나 이상의 밸브를 구성하는 것을 보여주는 모식도.

도 10a는 토출 블럭의 측면도이고, 도 10b는 토출 블럭의 단부면을 보여주는 모식도.

도 11은 밸브 플레이트의 일 실시예를 보여주는 모식도.

도 12는 밸브 플레이트의 일 실시예를 다르게 보여주는 모식도.

도 13은 밸브 플레이트의 실시예를 보여주는 모식도로서, 밸브 플레이트에 형성된 통로를 보여주는 도면.

도 14a는 플랫 밸브 챔버를 구비하는 밸브 플레이트를 보여주는 모식도.

도 14b는 반구형 밸브 챔버를 구비하는 밸브 플레이트를 보여주는 모식도.

도 15는 기밀한 형상의 밸브 챔버가 진공에 기인한 변위 체적의 변동을 어떻게 줄이는가를 예시하는 그래프.

도 16a는 밸브 플레이트의 일부분의 일 실시예를 보여주는 모식도.

도 16b는 밸브 플레이트의 일부분의 다른 실시예를 보여주는 모식도.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 무브러시 DC 모터를 구비하는 모터 조립체를 보여주는 모식도.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 무브러시 DC 모터와 스텝 모터 간의 평균 토크 출력 및 속도의 범위를 비교하여 보여주는 선(線) 도표.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 무브러시 DC 모터와 스텝 모터 간의 평균 모터 전류 및 부하를 비교하여 보여주는 선 도표.

도 20a, 도 20c, 도 20d, 도 20e 및 도 20f는 본 발명의 일 실시예에 따른 여러 단에 있어서의 스텝 모터와 BLDCM(무브러시 DC 모터)의 사이클 타이밍을 예시하는 차트이고, 도 20b는 스텝 모터와 BLDCM의 구성에 관한 일 실시예를 예시하는 차트.

도 21a 내지 도 21c는 롤링 다이어프램과 토출 챔버를 보여주는 모식도.

도 22는 다단 펌퍼의 실시예에 관한 치수를 제공하는 도면.

도 23은 단단 펌프를 보여주는 모식도.

여러 도면에 있어서 유사하고 대응하는 부분을 지시하는 데에 유사한 도면 부호를 사용하고 있는 상기 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예가 예시되어 있다. 제공되는 치수의 범위는 특정 실시에 관한 예로서 제공되는 것이지 제한을 목적으로 제공되는 것이 아니다. 실시예는 다양한 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 실시예는 소형 폼 팩터를 갖는 다중 단("다단") 펌프를 사용하여 유체를 정확하게 토출하는 펌핑 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 반도체 제조에 있어서 포토레지스트 및 그 밖의 감광성 화학 물질을 토출하는데 이용될 수 있다.

도 1은 펌핑 시스템(10)을 보여주는 모식도이다. 펌핑 시스템(10)은 유체를 웨이퍼(25) 상으로 토출하도록 함께 작동하는 유체 공급원(15), 펌프 제어기(20) 및 다단 펌프(100)를 포함할 수 있다. 다단 펌프(100)의 작동은 펌프 제어기(20)에 의해 제어될 수 있는데, 펌프 제어기는 다단 펌프(100)에 내장되거나, 제어 신호, 데이터, 또는 그 밖의 정보를 통신하기 위한 하나 이상의 통신 링크를 통해 다단 펌프(100)에 연결될 수 있다. 추가적으로, 펌프 제어기(20)의 기능은 내장 제어기와 다른 제어기 사이에 분배될 수 있다. 펌프 제어기(20)는 다단 펌프(100)의 작동을 제어하기 위한 제어 명령(30)의 세트가 들어있는 컴퓨터 판독 가능한 매체(27)(예컨대, RAM, ROM, 플래시 메모리, 광디스크, 자기 디스크, 또는 그 밖의 컴퓨터 판독 가능한 매체)를 포함할 수 있다. 프로세서(35)(예컨대, CPU, ASIC, RISC, DSP 또는 그 밖의 프로세서)는 상기 명령을 실행한다. 프로세서의 한 가지 예로는 텍사스 인스트루먼츠(텍사스 인스트루먼츠는 텍사스주 달라스에 소재하는 회사이다)의 TMS320F2812PGFA 16-비트 DSP가 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제어기(20)는 통신 링크(40 및 45)를 통하여 다단 펌프(100)와 통신한다. 통신 링크(40 및 45)는 네트워크(예컨대, 이더넷, 무선 네트워크, 글로벌 네트워크, DeviceNet 네크워크 또는 당업계에 알려져 있거나 계발되고 있는 그 밖의 네트워크), 버스(예컨대 SCSI 버스), 또는 그 밖의 통신 링크일 수 있다. 펌프 제어기(20)는 내장 PCB 기판 혹은 원격 제어기로서 실시되거나, 그 밖의 적절한 방식으로 실시될 수 있다. 펌프 제어기(20)는 다단 펌프(100)와 통신하기 위해 제어기에 적합한 인터페이스(예컨대, 네트워크 인터페이스, I/O 인터페이스, 아날로그-디지털 변환기 및 그 밖의 구성 요소)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 펌프 제어기(20)는 프로세서, 메모리, 인터페이스, 디스플레이 장치, 주변 장치 또는 그 밖 의 컴퓨터 부품 등을 비롯한 당업계에 공지된 다양한 컴퓨터 부품을 포함할 수 있는데, 이러한 컴퓨터 부품들은 도시를 단순화하기 위해 도시되어 있지 않다. 펌프 제어기(20)는 다단 펌프의 여러 밸브 및 모터를 제어하여, 다단 펌프가 저점도 유체(즉, 100 센티푸아즈 미만) 또는 그 밖의 유체 등을 비롯한 유체를 정확하게 토출할 수 있게 한다. Cedrone 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1810호) "펌프 용의 I/O 인터페이스 시스템 및 방법(I/O INTERFACE SYSTEM AND METHOD FOR A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,657호에 기술되어 있는 I/O 인터페이스 커넥터가, 펌프 제어기(20)를 다양한 인터페이스 및 제조 도구에 연결하는데 사용될 수 있는데, 상기 특허 출원은 그 내용 전부가 본원에 참조로 인용되어 있다.

도 2는 다단 펌프(100)를 보여주는 모식도이다. 다단 펌프(100)는 공급 단 부분(105)과 별도의 토출 단 부분(110)을 포함한다. 공정 유체로부터 불순물을 여과하기 위한 필터(120)는, 유체의 흐름의 관점에서 보면 공급 단 부분(105)과 토출 단 부분(110) 사이에 위치한다. 예컨대 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140), 배출 밸브(145) 및 유출 밸브(147) 등을 비롯한 다수의 밸브가 다단 펌프(100)를 통과하는 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 또한, 토출 단 부분(110)은 토출 단(110)에 있어서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서(112)를 더 포함할 수 있다. 압력 센서(112)에 의해 측정된 압력은 후술하는 바와 같이 여러 펌프의 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 압력 센서의 예로는 세라믹, 폴리머, 압전저항형, 용량성 압력 센서 등이 있으며, 이러한 센서로는 독일 코르브 소 재의 Metallux AG에서 제조되는 것이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공정 유체에 접촉하는 압력 센서(112)의 면은 퍼플루오로 폴리머로 이루어진다. 다단 펌프(100)는 추가적인 압력 센서, 예컨대 공급 챔버(155)의 압력을 판독하는 압력 센서 등을 포함할 수 있다.

공급 단(105)과 토출 단(110)은 다단 펌프(100)의 유체를 펌핑하는 롤링 다이어프램 펌프를 포함할 수 있다. 예컨대, 공급 단 펌프(150)["공급 펌프(150)"]는 유체를 수집하기 위한 공급 챔버(155)와, 공급 챔버(155) 내에서 움직여서 유체를 이동시키는 공급 단 다이어프램(160)과, 공급 단 다이어프램(160)을 이동시키기 위한 피스톤(165)과, 리드 나사(170), 그리고 스텝 모터(175)를 포함한다. 리드 나사(170)는 너트, 기어, 또는 에너지를 모터에서 리드 나사(170)로 부여하기 위한 그 밖의 기구를 통하여 스텝 모터(175)에 결합된다. 일 실시예에 따르면, 공급 모터(175)는 너트를 회전시키고, 이 너트가 다시 리드 나사(170)를 회전시키며, 이로 인해 피스톤(165)이 움직이게 된다. 이와 유사하게, 토출 단 펌프(180)["토출 펌프(180)"]는 토출 챔버(185)와, 토출 단 다이어프램(190)과, 피스톤(192)과, 리드 나사(195), 그리고 토출 모터(200)를 포함할 수 있다. 토출 모터(200)는 나사 너트(예컨대 Torlon 또는 그 밖의 재료의 너트)를 통해 리드 나사(195)를 구동시킬 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 공급 단(105)과 토출 단(110)은 공압에 의해 또는 유압에 의해 작동되는 펌프, 유압 펌프, 또는 그 밖의 펌프 등을 비롯한 다양한 다른 펌프일 수 있다. 공압에 의해 작동되는 펌프를 공급 단에 사용하고 스텝 모터 구 동식 유압 펌프를 사용하는 다단 펌프의 한 가지 예가, 발명자 Zagars 등이 2005년 2월 4일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1420-2호) "정밀 펌핑 장치용 펌프 제어기(PUMP CONTROLLER FOR PRECISION PUMPING APPARATUS)"란 명칭의 미국 특허 출원 제11/051,576호에 기술되어 있으며, 이 특허 출원의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 그러나, 공급 단과 토출 단 모두에 모터를 사용한다면, 유압 배관, 제어 시스템 및 유체가 배제되어, 공간과 잠재적 누출부가 줄어든다는 장점이 제공된다.

공급 모터(175)와 토출 모터(200)는 임의의 적절한 모터일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 토출 모터(200)는 영구자석 동기식 모터("PMSM")이다. 토출 모터(200), 제어기 내장 다단 펌프(100), 또는 (예컨대, 도 1에 도시된) 별도의 펌프 제어기에 있어서, PMSM은 필드 지향 제어("FOC") 또는 당업계에 알려진 그 밖의 타입의 위치/속도 제어를 이용하는 디지털 신호 처리기("DSP")에 의해 제어될 수 있다. PMSM(200)은 토출 모터(200)의 위치를 실시간 피드백하기 위한 인코더(예컨대, 미세 라인 회전 위치 인코더)를 더 포함할 수 있다. 도 17 내지 도 19는 PMSM 모터의 일 실시예를 보여준다. 위치 센서를 사용하면 피스톤(192)의 위치가 정확하게 그리고 반복적으로 제어되고, 그 결과 토출 챔버(185)에 있어서의 유체의 운동에 대한 정확하고 반복적인 제어가 이루어진다. 예컨대, 일 실시예에 따라 DSP에 8000 펄스를 제공하는 2000 라인 인코더를 사용하면, 회전 각도를 0.045°단위로 정확하게 측정하고 제어할 수 있다. 또한, PMSM은 저속에서 진동이 거의 없거나 전혀 없는 상태로 작동될 수 있다. 또한, 공급 모터(175)는 PMSM 모터이거나 스텝 모터일 수 있다. 또한, 공급 펌프가 홈 위치에 있는 경우를 나타내는 홈 센 서가 공급 펌프에 포함될 수 있음을 유의하라.

다단 펌프(100)가 작동하는 동안에, 다단 펌프(100)의 밸브가 개폐되어 다단 펌프(100)의 여러 위치로의 유체 흐름을 허용하거나 제한한다. 일 실시예에 따르면, 다단 펌프의 밸브는 정압 혹은 부압(진공)이 인가되는가에 따라 개방되거나 폐쇄되는 공압에 의해 작동되는 (즉, 가스 구동식) 다이어프램 밸브일 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서는 임의의 적절한 밸브가 사용될 수 있다. 도 9 내지 도 16를 참조하여, 밸브 플레이트 및 대응하는 밸브 부품의 일 실시예를 이하에 기술한다.

이하에서는 다단 펌프(100)의 작동의 여러 단계를 개략적으로 기술한다. 그러나, 다단 펌프(100)는 다양한 제어 방식에 따라 제어될 수 있으며, 이러한 제어 방식으로는 발명자 Cedrone 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1800호) "펌프에 있어서 압력을 보상하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE COMPENSATION IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,682호; 발명자 Clarke 등이 2006년 8월 11일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1840호) "침지형 리소그래피 시스템에 있어서 유체 흐름을 제어하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEMS AND METHODS FOR FLUID FLOW CONTROL IN AN IMMERSION LITHOGRAPHY SYSTEM)"이란 명칭의 미국 특허 출원 제11/502,729호; 발명자 Gonnella 등이 출원한(대리인 서류 제ENTG1420-4호) "모터를 이용하여 압력 변동을 보정하는 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR CORRECTING FOR PRESSURE VARIATIONS USING A MOTOR)"이란 명칭의 미국 특허 출원; 발명자 Gonnella 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1630호) "유압의 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF FLUID PRESSURE)"이란 명칭의 미국 특허 출원 제11/292,559호; 발명자 Gonnella 등이 2006년 2월 28일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1630-1호) "펌프의 작동을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING OPERATION OF A PUMP)"이란 명칭의 미국 특허 출원 제11/364,286호; 발명자 Cedrone 등이 출원한(대리인 서류 제ENTG1800-1호) "펌프에 있어서 압력을 보상하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE COMPENSATION IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 특허 출원; 발명자 Cedrone 등이 출원한(대리인 서류 제ENTG1810-1호) "펌프 제어기에 인터페이스를 제공하기 위한 I/O 시스템, 방법 및 장치(I/O SYSTEMS, METHODS AND DEVICES FOR INTERFACING A PUMP CONTROLLER)"란 명칭의 미국 특허 출원에 기술된 것 등이 있지만, 이에 국한되는 것은 아니고, 이들 특허 출원 각각의 전체 내용은 밸브 작동 순서 및 제어 압력과 관련하여 본원에 참조로 인용되어 있다. 일 실시예에 따르면, 다단 펌프(100)는 준비 구간, 토출 구간, 충전 구간, 예비 여과 구간, 여과 구간, 배출 구간, 퍼지 구간, 정적 퍼지 구간을 포함할 수 있다. 공급 구간 동안에는 유입 밸브(125)가 개방되고 공급 단 펌프(150)가 공급 단 다이어프램(160)을 움직여서(예컨대, 당겨서) 유체를 공급 챔버(155) 안으로 끌어들인다. 충분한 양의 유체가 공급 챔버(155)에 채워지면, 유입 밸브(125)가 폐쇄된다. 여과 구간 동안에는 공급 단 펌프(150)가 공급 단 다이어프램(160)을 움직여서 유체를 공급 챔버(155)로부터 옮긴다. 유체가 필터(120)를 지나서 토출 챔버(185)로 유동하는 것을 허용 하도록, 격리 밸브(130)와 차단 밸브(135)가 개방된다. 일 실시예에 따르면, 필터(120)에 있어서 압력이 상승하는 것을 허용하도록 격리 밸브(130)가 먼저 (예컨대, "예비 여과 구간"에서) 개방된 이후에, 유체가 토출 챔버(185)를 향해 유동하는 것을 허용하도록 차단 밸브(135)가 개방될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 격리 밸브(130)와 차단 밸브(135)가 모두 개방될 수 있고, 필터의 토출 측에 있어서 압력을 상승시키도록 공급 펌프가 움직일 수 있다. 여과 구간 동안에, 토출 펌프(180)는 홈 위치에 이르게 될 수 있다. Laverdiere 등이 2004년 11월 23일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1590호) "가변 홈 위치 토출 장치용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/630,384호와, 출원인 엔테그리스, 아이엔씨와 발명자 Laverdiere 등이 2005년 11월 21일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1590-WO호) "가변 홈 위치 토출 장치용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM)"이란 명칭의 PCT 특허 출원 PCT/US2005/042127호에 기술되어 있는 바와 같이, 토출 펌프의 홈 위치는 토출 사이클 동안에 토출 펌프에 가장 큰 가용 체적을 제공하는 위치일 수 있지만, 이 가용 체적은 토출 펌프가 제공할 수 있는 최대 가용 체적보다는 작은데, 상기 두 특허의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 다단 펌프(100) 중에서 사용하지 않은 보유 체적을 줄이기 위해, 토출 사이클과 관련된 여러 파라미터에 기초하여 홈 위치를 선택한다. 이와 마찬가지로, 공급 펌프(150)는 그 최대 가용 체적보다 작은 체적을 제공하는 홈 위치에 이르게 될 수 있다.

배출 구간이 시작될 때, 격리 밸브(130)는 개방되고, 차단 밸브(135)는 폐쇄되며, 배출 밸브(145)는 개방된다. 다른 실시예에서, 차단 밸브(135)는 배출 구간 동안에 개방된 채로 유지되고, 배출 구간이 끝날 때 폐쇄된다. 이러한 기간 동안에, 차단 밸브(135)가 개방되어 있다면, 압력 센서(112)에 의해 측정될 수 있는 토출 챔버의 압력이 필터(120)의 압력에 의해 영향을 받을 것이기 때문에, 압력은 제어기를 통해 알려질 수 있다. 공급 단 펌프(150)는 개방된 배출 밸브(145)를 통하여 기포를 필터(120)로부터 제거하도록 유체에 압력을 인가한다. 배출이 소정의 속도로 일어나게 하여, 배출 시간을 늘리고 배출 속도를 늦추는 것을 허용하며, 이를 통해 배출물의 양을 정확하게 제어하는 것을 허용하도록, 공급 단 펌프(150)를 제어할 수 있다. 공급 펌프가 공압 스타일 펌프인 경우, 유체 유동 저항체가 배출 유로에 설치될 수 있고, 공급 펌프에 인가되는 공기 압력은 "배출" 설정 압력을 유지하도록 증대되거나 감소되어, 달리 제어되지 않는 방법에 대해 약간의 제어를 제공할 수 있다.

퍼지 구간이 시작될 때, 격리 밸브(130)는 폐쇄되고, 차단 밸브(135)는 배출 구간에서 개방되어 있었다면 폐쇄되며, 배출 밸브(145)가 폐쇄되고, 퍼지 밸브(140)가 개방되며, 그리고 유입 밸브(125)가 개방된다. 토출 펌프(180)는 기포를 퍼지 밸브(140)를 통해 배출하도록 토출 챔버(185) 내의 유체에 압력을 인가한다. 정적 퍼지 구간 동안에, 토출 펌프(180)는 정지되지만, 퍼지 밸브(140)는 개방 상태로 유지되어 공기를 계속 배출한다. 퍼지 구간 또는 정적 퍼지 구간 동안에 제거되는 임의의 잉여 유체는 다단 펌프(100)의 밖으로 보내지거나(예컨대, 유 체 공급원으로 되돌려 보내지거나 버려짐) 또는 공급 단 펌프(150)로 재순환될 수 있다. 준비 구간 동안에, 공급 단 펌프(150)가 공급원(예컨대, 공급 용기)의 주변 압력에 이를 수 있도록, 유입 밸브(125), 격리 밸브(130) 및 차단 밸브(135)는 개방되고 퍼지 밸브(140)는 폐쇄될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 준비 구간에서 모든 밸브는 폐쇄될 수 있다.

토출 구간 동안에, 유출 밸브(147)는 개방되고 토출 펌프(180)는 토출 챔버(185) 내의 유체에 압력을 인가한다. 유출 밸브(147)는 토출 펌프(180)보다 느리게 제어에 응답할 수 있기 때문에, 유출 밸브(147)를 먼저 개방하고 예정된 약간의 기간이 지난 이후에 토출 모터(200)를 기동할 수 있다. 이는 토출 펌프(180)가 유체를 부분 개방된 유출 밸브(147)를 통과하게 밀어넣는 것을 방지한다. 또한, 이는 유출 밸브의 개방으로 인해 유체가 토출 노즐을 향해 올라가는 것과, 뒤이어 토출 모터의 작동으로 인해 유체가 전진 운동하는 것을 방지한다. 다른 실시예에서는, 유출 밸브(147)가 개방되면 이와 동시에 토출 펌프(180)에 의해 토출이 시작될 수 있다.

토출 노즐 내의 잉여 유체를 제거하는 추가적인 흡입 구간이 수행될 수 있다. 흡입 구간 동안에, 유출 밸브(147)는 폐쇄될 수 있고, 보조 모터 또는 진공을 이용하여 잉여 유체를 토출 노즐 밖으로 빨아낼 수 있다. 별법으로서, 유출 밸브(147)는 개방 상태로 유지될 수 있고, 상기 유체를 토출 챔버로 돌려보내기 위해 토출 모터(200)를 역회전시킬 수 있다. 흡입 구간은 잉여 유체가 웨이퍼 상으로 적하(滴下)하는 것을 방지하는데 기여한다.

도 3을 간략히 참조해 보면, 이 도면은 도 2에 도시된 다단 펌프(100)의 여러 작동 구간에 있어서 밸브 및 토출 모터의 타이밍을 모식적으로 보여준다. 도 20a와 도 20c 내지 도 20f에는 다른 순서가 도시되어 있다. 구간이 바뀌는 동안에 몇몇 밸브가 일제히 폐쇄되는 것으로 도시되어 있지만, 압력 스파이크를 줄이기 위해 이들 밸브의 폐쇄 타이밍은 약간 구분되게(예컨대, 100 밀리초) 조절될 수 있다. 예컨대, 배출 구간과 퍼지 구간 사이에서는, 배출 밸브(145)를 폐쇄하기 바로 전에 격리 밸브(130)를 폐쇄할 수 있다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예에서는 다른 밸브 타이밍이 이용될 수 있음을 유의하라. 추가적으로, 몇몇 구간은 함께 수행될 수 있다(예컨대, 충전/토출 단계는 동시에 수행될 수 있으며, 이 경우에 유입 밸브와 유출 밸브 모두가 충전/토출 구간에서 개방될 수 있다). 또한, 특정 구간은 매(每) 사이클마다 반복 수행할 필요가 없음을 유의하라. 예컨대, 퍼지 구간과 정적 퍼지 구간은 매 사이클마다 수행되지는 않는다. 이와 마찬가지로, 배출 구간은 매 사이클마다 수행되지는 않는다.

여러 밸브의 개폐는 다단 펌프(100) 내의 유체에 있어서 압력 스파이크를 일으킬 수 있다. 정적 퍼지 구간 동안에 유출 밸브(147)는 폐쇄되어 있기 때문에, 정적 퍼지 구간이 끝날 때 퍼지 밸브(140)를 폐쇄하면, 예컨대 토출 챔버(185)의 압력이 상승하게 될 수 있다. 각 밸브는 폐쇄될 때 소량의 유체를 변위시킬 수 있기 때문에, 이러한 압력 상승이 일어날 수 있다. 구체적으로 말하면, 유체를 다단 펌프(100)로부터 토출할 때에 튐 현상이나 그 밖의 요동 현상이 일어나는 것을 방지하기 위해, 유체를 토출 챔버(185)로부터 토출하기 이전에, 퍼지 사이클 및/또는 정적 퍼지 사이클을 사용하여 공기를 토출 챔버(185)로부터 퍼지하는 경우가 많다. 그러나, 정적 퍼지 사이클이 끝날 때에는, 토출의 시작을 대비하여 토출 챔버(185)를 밀폐하도록 퍼지 밸브(140)가 폐쇄된다. 퍼지 밸브(140)가 폐쇄될 때, 퍼지 밸브는 소정 체적[대략 퍼지 밸브(140)의 보유 체적에 상당함]의 잉여 유체를 토출 챔버(185) 안으로 강제 이동시키며, 그 결과 뒤이어 토출 챔버(185) 내의 유체 압력이 유체의 토출을 위해 정해놓은 기준 압력보다 높게 상승하게 된다. 이러한 (기준 압력보다 높은) 초과 압력은 뒤이은 유체 토출에 있어서 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 문제는 저압 용례에서 악화될 수 있는데, 이는 저압 용례의 경우 토출에 바람직한 기준 압력에 대한 퍼지 밸브(140)의 폐쇄로 인해 야기된 압력 상승의 비율이 더 커지기 때문이다.

더 구체적으로 말하면, 퍼지 밸브(140)의 폐쇄로 인하여 압력의 상승이 일어나기 때문에, 압력이 줄어들지 않는다면 이후의 토출 구간 동안에, 유체의 웨이퍼 상으로의 "스피팅(spitting)", 이중 토출, 또는 그 밖의 바람직하지 못한 유체의 동역학적 특성이 발생할 수 있다. 추가적으로, 상기 압력 상승은 다단 펌프(100)의 작동 중에 일정하지 않을 수 있으므로, 이러한 압력 상승은 뒤이은 토출 구간 동안에 토출되는 유체의 양, 또는 그 밖의 토출 관련 특성의 변동을 야기할 수 있다. 더 나아가, 이와 같은 토출에 있어서의 변동으로 인해 웨이퍼 스크랩의 증가와 웨이퍼의 재가공이 야기될 수 있다. 본 발명의 실시예는, 토출 구간의 시작에 있어서 바람직한 개시 압력을 확보하기 위해 시스템 내의 여러 밸브의 폐쇄로 인한 압력 상승을 해결하고, 거의 모든 기준 압력이 토출 이전에 토출 챔버(185)에서 확 보될 수 있게 함으로써 시스템 간의 수두 압력의 차이와 그 밖의 설비에 있어서의 차이를 해결한다.

일 실시예에서는, 정적 퍼지 구간 동안에 토출 챔버(185) 내의 유체에 있어서 바람직하지 못한 압력 상승을 해결하기 위해, 피스톤(192)을 소정 거리만큼 후퇴시키도록 토출 모터(200)를 역회전시켜서, 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140), 및/또는 토출 챔버(185)에 있어서 압력 상승을 야기할 수 있는 임의의 다른 공급원의 폐쇄에 의해 초래되는 임의의 압력 상승을 보상할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예는 원만한 유체 취급 특성을 갖는 다단 펌프를 제공한다. 토출 구간 이전에 토출 챔버에 있어서의 압력 요동을 보상함으로써, 잠재적으로 유해한 압력 스파이크가 회피되거나 경감될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 압력이 공정 유체에 미치는 유해한 영향을 줄이는데 기여하는 다른 펌프 제어 메카니즘 및 밸브 타이밍을 채용할 수도 있다.

도 4a는 다단 펌프(100)용 펌프 조립체의 일 실시예를 보여주는 모식도이다. 다단 펌프(100)는 토출 블럭(205)을 포함할 수 있는데, 이 토출 블럭은 다단 펌프(100)를 통과하는 복수 개의 유체 유로를 형성하고 공급 챔버(155) 및 토출 챔버(185)를 적어도 부분적으로 형성한다. 일 실시예에 따르면, 토출 블럭(205)은 PTFE, 개질 PTFE, 또는 그 밖의 재료로 이루어진 일체형 블럭일 수 있다. 이러한 재료는 대부분의 공정 유체와 반응하지 않거나 최소의 반응만을 나타내기 때문에, 이러한 재료를 사용하면 유로와 펌프 챔버를 토출 블럭(205)에 직접 가공할 수 있게 되어, 하드웨어의 추가가 최소화된다. 따라서, 토출 블럭(205)은 통합형 유체 매니폴드를 제공함으로써 배관에 대한 필요성을 줄인다.

토출 블럭(205)은 복수 개의 외부 입구 및 출구를 포함할 수 있는데, 이러한 입구 및 출구로는, 예컨대 수용되는 유체가 통과하는 입구(120), 배출 구간 동안에 유체를 배출하기 위한 배출 출구(215), 및 토출 구간 동안에 토출되는 유체가 통과하는 토출 출구(220) 등이 있다. 도 4a의 예에서는 (도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이) 퍼지된 유체가 공급 챔버로 돌려 보내지므로, 토출 블럭(205)은 외부 퍼지 출구를 포함하지 않는다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서 유체는 외부로 퍼지될 수 있다. Iraj Gashgaee가 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1760호) "O-링이 없는 슬림형 연결구와 그 조립(O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND ASSEMBLY THEREOF)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,667호는, 토출 블럭(205)의 외부 입구 및 출구를 유체 라인에 연결하는데 사용될 수 있는 연결구의 실시예를 기술하고 있으며, 이 특허의 내용 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다.

토출 블럭(205)은 유체를 공급 펌프, 토출 펌프 및 필터(120)로 보낸다. 펌프 커버(225)는 공급 모터(175) 및 토출 모터(200)를 손상으로부터 보호할 수 있는 한편, 피스톤 하우징(227)은 피스톤(165) 및 피스톤(192)에 대한 보호를 제공할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 피스톤 하우징은 폴리에틸렌 또는 그 밖의 폴리머로 형성될 수 있다. 밸브 플레이트(230)는 유체의 흐름을 다단 펌프(100)의 여러 부품으로 향하게 하도록 구성될 수 있는 밸브 시스템[예컨대, 도 2에 도시된 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140) 및 배출 밸 브(145)]을 위한 밸브 하우징을 제공한다. 일 실시예에 따르면, 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140) 및 배출 밸브(145) 각각은 밸브 플레이트(230)에 적어도 부분적으로 통합되며, 해당 다이어프램에 정압 혹은 부압이 인가되는가에 따라 개방되거나 폐쇄되는 다이어프램 밸브이다. 다른 실시예에서, 몇몇 밸브는 토출 블럭(205)의 외부에 있거나, 추가적인 밸브 플레이트에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 밸브 플레이트(230)와 토출 블럭(205) 사이에 PTFE 시트를 개재하여 여러 밸브의 다이어프램을 형성한다. 밸브 플레이트(230)는 해당 다이어프램에 정압 또는 부압을 인가하기 위해 밸브 각각에 대한 밸브 제어용 입구를 포함한다. 예컨대, 입구(235)는 차단 밸브(135)에 해당하고, 입구(240)는 퍼지 밸브(140)에 해당하며, 입구(245)는 격리 밸브(130)에 해당하고, 입구(250)는 배출 밸브(145)에 해당하며, 그리고 입구(255)는 유입 밸브(125)에 해당한다[이 경우에 유출 밸브(147)는 외부에 있다]. 이들 입구에 정압 또는 부압을 선택적으로 인가하면, 해당 밸브가 개폐된다.

밸브 제어용 공급 라인(260)을 통하여 밸브 제어 가스 및 진공이 밸브 플레이트(230)에 제공되는데, 이 밸브 제어용 공급 라인은 [상부 커버(263) 또는 하우징 커버(225) 아래의 영역에서] 밸브 제어용 매니폴드로부터 토출 블럭(205)을 통과하여 밸브 플레이트(230)까지 연장된다. 밸브 제어 가스의 공급 라인(265)은 밸브 제어용 매니폴드에 가압 가스를 제공하고, 진공 입구(270)는 밸브 제어용 매니폴드에 부압(또는 저압)을 제공한다. 밸브 제어용 매니폴드는 가압 가스 또는 부압을 공급 라인(260)을 통하여 밸브 플레이트(230)의 적절한 입구로 보내어 해당 밸브(들)를 작동시키는 3방향 밸브의 역할을 한다. 도 9 내지 도 16을 참조하여 후술하는 바와 같이, 밸브의 보유 체적을 감소시키고, 진공의 요동으로 인한 체적의 변동을 없애며, 진공 요건을 줄이고, 그리고 밸브 다이어프램에 작용하는 응력을 줄이는, 밸브 플레이트가 사용될 수 있다.

도 4b는 다단 펌프(100)의 다른 실시예를 보여주는 모식도이다. 도 4b에 도시된 특징부의 대부분은 앞서 도 4a를 참조하여 설명한 것과 유사하다. 그러나, 도 4b의 실시예는 유체 방울이 전자 기기를 수용하고 있는 다단 펌프(100)의 영역에 들어가는 방지하기 위한 몇몇 특징부를 포함한다. 예를 들어, 조작자가 튜브를 입구(210), 배출 출구(215), 또는 토출 출구(220)에 대해 연결 혹은 연결 해제할 때, 유체의 적하가 일어날 수 있다. "방적(防滴) 특징부"는 잠재적으로 유해한 화학 물질의 방울이 펌프에, 특히 전자 기기 챔버에, 들어가는 것을 방지하도록 구성되어 있으며, 펌프가 반드시 "방적형(예컨대, 누출의 발생 없이 유체에 침지 가능한)"이어야 하는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 펌프는 완전히 밀폐될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 토출 블럭(205)은 수직 돌출 플랜지 또는 립(272)을 포함할 수 있는데, 이 립은 상부 커버(263)와 맞닿는 토출 블럭(205)의 에지로부터 외측으로 돌출하는 것이다. 일 실시예에 따르면, 상측 에지에 있어서 상부 커버(263)의 상면은 립(272)의 상면과 동일 평면상에 위치한다. 이로 인해, 토출 블럭(205)과 상부 커버(263) 간의 상측 계면 부근에 있어서 액적이 계면을 통과하는 것이 아니라 토출 블럭(205) 위로 흐르는 경향을 갖게 된다. 그러나, 측면에 있어 서 상부 커버(263)는 립(272)의 베이스와 동일 평면상에 위치하거나, 그렇지 않으면 립(272)의 외면으로부터 내측으로 오프셋된다. 이로써, 액적은 상부 커버(263)와 토출 블럭(205) 사이로 흐르는 것이 아니라 상부 커버(263)와 립(272)에 의해 형성된 코너로 흘러내리는 경항을 갖게 된다. 추가적으로, 액적이 상부 커버(263)와 뒷판(271) 사이로 스며드는 것을 방지하기 위해, 상부 커버(263)의 상측 에지와 뒷판(271) 사이에는 고무 시일이 설치된다.

토출 블럭(205)은 또한 경사부(273)를 포함할 수 있는데, 이 경사부는 전자 기기를 수용하는 펌프(100)의 영역으로부터 멀어지면서 아래로 경사지는 토출 블럭(205)에 형성된 경사면을 포함한다. 그 결과, 토출 블럭(205)의 상부 부근에 있어서 액적은 전자 기기로부터 멀어지게 안내된다. 추가적으로, 펌프 커버(225)는 또한 토출 블럭(205)의 외측 에지로부터 약간 안쪽으로 오프셋될 수 있고, 그 결과 펌프(100)의 측부로 흘러내리는 액적은 펌프 커버(225)와 펌프(100)의 다른 부분 간의 계면을 흘러 지나가는 경향이 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 커버와 토출 블럭(205)이 서로 접하는 모든 지점에서, 금속 커버의 수직면이 토출 블럭(205)의 대응 수직면으로부터 약간(예컨대, 1/64 인치 또는 0.396875 밀리미터) 안쪽으로 오프셋될 수 있다. 추가적으로, 다단 펌프(100)는 시일과, 경사부, 그리고 전자 기기를 수용하는 다단 펌프(100)의 부분에 액적이 들어가는 것을 막기 위한 그 밖의 특징부를 포함할 수 있다. 또한, 도 5a에서 도시되어 있고 후술하는 바와 같이, 뒷판(271)은 "방적형" 다단 펌프(100)를 조성하기 위한 특징부를 포함할 수 있다.

도 5a는 토출 블럭을 통과하게 형성된 유체 유로를 보여주기 위해 토출 블럭(205)을 투명하게 도시한 다단 펌프(100)의 일 실시예의 모식도이다. 토출 블럭(205)에는 다단 펌프(100) 용의 챔버 및 유체 유로가 복수 개 형성되어 있다. 일 실시예에 따르면, 공급 챔버(155)와 토출 챔버(185)는 토출 블럭(205)에 직접 가공될 수 있다. 추가적으로, 복수 개의 유로는 토출 블럭(205)에 가공될 수 있다. (도 5c에 도시된) 유체 유로(275)는 입구(210)와 유입 밸브 사이를 연통한다. 유체 유로(280)는 유입 밸브와 공급 챔버(155) 사이를 연통하여, 입구(210)에서 공급 펌프(150)에 이르는 펌프 유입 경로를 완성한다. 밸브 플레이트(230) 내의 유입 밸브(125)는 입구(210)와 공급 펌프(150) 사이의 흐름을 조절한다. 유로(285)는 공급 펌프(150)에서 나온 유체를 밸브 플레이트(230) 내의 격리 밸브(130)로 보낸다. 격리 밸브(130)의 유출물은 다른 유로(도시 생략)에 의해 필터(120)로 보내진다. 이러한 흐름 경로는 필터(120)에 이르는 공급 단 유출 유로의 역할을 한다. 유체는 필터(120)에서 나와서 필터(120)를 배출 밸브(145) 및 차단 밸브(135)에 연결하는 유로를 통과한다. 배출 밸브(145)의 유출물은 배출 흐름 경로가 끝나는 배출 출구(215)로 보내어지고, 차단 밸브(135)의 유출물은 유로(290)를 경유하여 토출 펌프(180)로 보내진다. 따라서, 필터(120)에서 차단 밸브(135)에 이르는 유로와 유로(290)는 공급 단 유입 경로의 역할을 한다. 토출 펌프는 토출 구간 동안에 유체를 유로(295)(예컨대, 펌프 유출 유로)를 경유하여 토출 출구(220)에 이르게 내보낼 수 있거나, 퍼지 구간 시에 유체를 유로(300)를 통과하여 퍼지 밸브에 이르게 내보낼 수 있다. 퍼지 구간 동안에, 유체는 유로(305)를 통하여 공급 펌 프(150)로 복귀될 수 있다. 따라서, 유로(300)와 유로(305)는 유체를 공급 챔버(155)로 돌려보내는 퍼지 흐름 경로의 역할을 한다. 유체 유로는 PTFE(또는 그 밖의 재료) 블럭에 직접 형성될 수 있기 때문에, 토출 블럭(205)은 다단 펌프(100)의 여러 부품 사이에 있어서 공정 유체에 대한 배관으로서의 역할을 할 수 있고, 추가적인 배관에 대한 필요성을 배제시키거나 혹은 줄일 수 있다. 다른 경우에서는, 유체 유로를 형성하기 위해 배관이 토출 블럭(205)에 삽입될 수 있다. 도 5b는 토출 블럭 내에 있는 복수 개의 유로를 보여주기 위해 투명하게 도시한, 일 실시예에 따른 토출 블럭(205)의 모식도를 제공한다.

도 5a를 참조하면, 도 5a는 또한 공급 단 모터(190)를 포함하는 공급 펌프(150)와, 토출 모터(200)를 포함하는 토출 펌프(180), 그리고 밸브 제어 매니폴드(302)를 보여주기 위해 펌프 커버(225)와 상부 커버(263)가 제거된 상태의 다단 펌프(100)를 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공급 펌프(150), 토출 펌프(180) 및 밸브 플레이트(230)의 일부분들은 토출 블럭(205) 내의 대응 공동에 삽입되는 바아(예컨대, 금속 바아)를 이용하여 토출 블럭(205)에 결합될 수 있다. 각 바아는 나사를 수용하기 위한 하나 이상의 나사 구멍을 포함할 수 있다. 예컨대, 토출 모터(200)와 피스톤 하우징(227)은, 토출 블럭(205) 내의 나사 구멍을 통과하여 바아(316) 내의 대응 구멍에 나사 결합되는 하나 이상의 나사[예컨대, 나사(312) 및 나사(314)]를 통해 토출 블럭(205)에 장착될 수 있다. 부품을 토출 블럭(205)에 결합하기 위한 이러한 메카니즘은 예로서 주어진 것이며 임의의 적절한 부착 메카니즘이 사용될 수 있다는 것을 유의하라.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 뒷판(271)은 안쪽으로 연장되는 탭[예컨대, 브라켓(274)]을 포함할 수 있는데, 이 탭에는 상부 커버(263)와 펌프 커버(225)가 장착된다. 상부 커버(263)와 펌프 커버(225)는 브라켓(274)과 [예컨대, 상부 커버(263)의 하측 에지 및 후방 에지와, 펌프 커버(225)의 상측 에지 및 후방 에지에서] 중첩되기 때문에, 상부 커버(263)의 하측 에지와 펌프 커버(225)의 상측 에지 사이에 있거나 또는 커버(253)의 후방 에지와 펌프 커버(225)의 후방에 있는 임의의 간극에서 액적이 전자 기기 영역으로 흘러들어가는 것이 방지된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 매니폴드(302)는 선택적으로 정압/부압을 밸브 플레이트(230)에 안내하는 솔레노이드 밸브의 세트를 포함할 수 있다. 특정 솔레노이드가 온 상태가 되어 부압 또는 정압을 실시 조건에 따라 밸브에 안내할 때, 솔레노이드가 열을 발생시킬 것이다. 일 실시예에 따르면, 매니폴드(302)는 [도 5c에 잘 도시되어 있는 바와 같이 뒷판(271)에 장착되는] PCB 기판의 아래에 토출 블럭(205), 특히 토출 챔버(185)에서 멀리 장착되어 있다. 매니폴드(302)는 브라켓에 장착될 수 있고, 뒤이어 브라켓은 뒷판(271)에 장착되거나, 또는 다른 방식으로 뒷판(271)에 결합될 수 있다. 이는 매니폴드(302) 내의 솔레노이드에서 나오는 열이 토출 블럭(205) 내의 유체에 영향을 미치는 것을 방지하는데 도움을 준다. 뒷판(271)은 스테인레스강, 가공 알루미늄, 또는 매니폴드(302) 및 PCB로부터의 열을 소산시킬 수 있는 그 밖의 재료로 제조될 수 있다. 달리 말하면, 뒷판(271)은 매니폴드(302) 및 PCB 용의 열 소산 브라켓의 역할을 할 수 있다. 또한, 다단 펌프(100)는 열이 뒷판(271)을 매개로 하여 전도될 수 있는 표면 혹은 다른 구조물에 장착될 수 있다. 따라서, 뒷판(271)과, 뒷판이 부착되는 구조물은 매니폴드(302) 및 다단 펌프(100)의 전자 기기에 대한 히트 싱크의 역할을 한다.

도 5c는 정압 또는 부압을 밸브 플레이트(230)에 제공하기 위한 공급 라인(260)을 보여주는 다단 펌프(100)의 모식도이다. 도 4와 관련하여 논의된 바와 같이, 밸브 플레이트(230) 내의 밸브는 유체가 다단 펌프(100)의 여러 부품으로 유동할 수 있게 하도록 구성될 수 있다. 밸브의 작동은 정압 또는 부압을 각각의 공급 라인(260)으로 안내하는 밸브 제어 매니폴드(302)에 의해 제어된다. 각각의 공급 라인(260)은 작은 오리피스를 구비하는 연결구(연결구의 일례가 도면 부호 318로 나타내어져 있음)를 포함할 수 있다. 이 오리피스는 연결구(318)가 부착되는 대응 공급 라인(260)의 직경보다 작은 직경으로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 오리피스의 직경은 대략 0.010 인치일 수 있다. 따라서, 연결구(318)의 오리피스는 공급 라인(260)에 저항체를 배치하는 역할을 할 수 있다. 각 공급 라인(260)의 오리피스는 공급 라인에 정압과 부압이 인가되는 사이에 나타나는 강렬한 압력 차이의 영향을 완화하는데 기여하고, 따라서 밸브에 정압과 부압이 인가되는 사이에 나타나는 상태 변화를 누그러뜨릴 수 있다. 다시 말하면, 오리피스는 압력 변화가 하류측 밸브의 다이어프램에 미치는 영향을 줄이는데 기여한다. 이로써 밸브를 더 원활하게 그리고 더 천천히 개폐할 수 있게 되는데, 이는 시스템 내에서 밸브의 개폐에 의해 야기될 수 있는 압력 변화를 더 누그러뜨릴 수 있고, 실제로 밸브 자체의 수명을 늘릴 수 있다.

또한, 도 5c는 PCB(397)를 예시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 매니 폴드(302)는 솔레노이드를 개폐시키는 신호를 PCB 기판(397)으로부터 수신하여, 부압/정압을 여러 공급 라인(260)으로 안내함으로써, 다단 펌프(100)의 밸브를 제어한다. 게다가, 도 5c에 도시된 바와 같이, 매니폴드(302)는 토출 블럭(205)으로부터 멀리 떨어져 있는 PCB(397)의 단부에 배치되어, 열이 토출 블럭(205) 내의 유체에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 추가적으로, PCB 설계 및 공간 제약을 기초로 한 실현 가능한 범위 내에서, 열 발생 부품은 토출 블럭(205)으로부터 멀리 떨어져 있는 PCB의 측부에 설치될 수 있다. 매니폴드(302) 및 PCB(397)로부터의 열은 뒷판(271)에 의해 소산될 수 있다. 한편, 도 5d는 매니폴드(302)가 토출 블럭(205)에 직접 장착되어 있는 다단 펌프(100)의 실시예의 모식도이다.

도 6은 다단 펌프(100)의 일 실시예의 부분 조립 상태를 예시하는 모식도이다. 도 6에서, 밸브 플레이트(230)는 전술한 바와 같이 이미 토출 블럭(205)에 결합되어 있다. 공급 단 펌프(150)의 경우에는 리드 나사(170)를 구비한 다이어프램(160)이 공급 챔버(155)에 삽입될 수 있는 반면에, 토출 펌프(180)의 경우에는 리드 나사(195)를 구비하는 다이어프램(190)이 토출 챔버(185)에 삽입될 수 있다. 피스톤 하우징(227)은 공급 챔버와 토출 챔버 상에 배치되는데, 이때 상기 리드 나사는 이들 챔버를 통과한다. 이러한 경우에, 일체형 블럭이 토출 단 피스톤 및 공급 단 피스톤을 위한 피스톤 하우징의 역할을 하지만, 각 단이 별도의 하우징 요소를 구비할 수도 있다. 토출 모터(200)는 리드 나사(195)에 결합되어, 회전 암나사 너트를 매개로 하여 선형 운동을 리드 나사(195)에 가할 수 있다. 이와 마찬가지로, 공급 모터(175)는 리드 나사(170)에 결합되어, 역시 회전 암나사 너트를 매개 로 하여 선형 운동을 리드 나사(170)에 가할 수 있다. 스페이서(319)를 사용하여 토출 모터(200)를 피스톤 하우징(227)으로부터 오프셋시킬 수 있다. 도 5와 관련하여 전술한 바와 같이, 도시된 실시예에서 나사는 토출 블럭(205)에 삽입되는 나사 구멍을 구비한 바아를 이용하여 공급 모터(175)와 토출 모터(200)를 다단 펌프(100)에 부착한다. 예컨대, 나사(320)를 바아(322)의 나사 구멍에 나사 결합하고, 나사(325)를 바아(330)의 나사 구멍에 나사 결합하여, 공급 모터(175)를 부착할 수 있다.

도 7은 다단 펌프(100)의 일 실시예의 부분 조립 상태를 더 예시하는 모식도이다. 도 7은 필터 연결구(335, 340 및 345)를 토출 블럭(205)에 부가하는 것을 예시한다. 필터 연결구(335, 340, 345)를 유지시키는데 너트(350, 355, 360)를 사용할 수 있다. Iraj Gashgaee가 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1760호) "O-링이 없는 슬림형 연결구와 그 조립(O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND ASSEMBLY THEREOF)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,667호는, 필터(120)와 토출 블럭(205) 사이에 사용될 수 있는 슬림형 연결구의 실시예를 기술하고 있으며, 이 특허의 내용 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다. 그러나, 임의의 적절한 연결구가 사용될 수 있고, 예시된 연결구는 예로서 주어진 것이라는 점을 유의하라. 각 필터 연결구는 유로 중 하나와 공급 챔버, 배출 출구, 또는 토출 챔버[모든 경우 밸브 플레이트(230)를 경유하여] 사이를 연통한다. 압력 센서(112)는 토출 블럭(205)에 삽입될 수 있고, 이때 압력 감지면은 토출 챔버(185)에 노출된다. O-링(365)은 압력 센서(112)와 토출 챔버(185) 사이의 계면을 밀봉 한다. 압력 센서(112)는 너트(367)에 의해 적소에 고정 유지된다. 밸브 제어 라인(도시 생략)은 밸브 매니폴드[예컨대, 밸브 매니폴드(302)]의 출구로부터 시작되어 개구(375)에서 토출 블럭(205) 안으로 들어가고 (도 4에 도시된 바와 같이) 토출 블럭(205)의 밖으로 나와 밸브 플레이트(230)에 이른다. 다른 실시예에서, 압력 센서는 공급 챔버의 압력을 판독하도록 배치될 수 있거나, 또는 복수 개의 압력 센서가 공급 챔버, 토출 챔버, 또는 펌프의 다른 곳에서의 압력을 측정하는데 사용될 수 있다.

도 7에는 또한 펌프 제어기[예컨대, 도 1의 펌프 제어기(20)]와의 통신을 위한 복수 개의 인터페이스가 예시되어 있다. 압력 센서(112)는 하나 이상의 와이어(도면 부호 380으로 표시됨)를 통해 압력 판독값을 펌프 제어기(20)에 전한다. 토출 모터(200)는 토출 모터(200)를 작동시키는 펌프 제어기(20)로부터 신호를 수신하기 위해 모터 제어 인터페이스(385)를 포함한다. 추가적으로, 토출 모터(200)는 (예컨대, 위치 라인 인코더로부터의) 위치 정보 등을 비롯한 정보를 펌프 제어기(20)에 전할 수 있다. 이와 마찬가지로, 공급 모터(175)는 펌프 제어기(20)로부터 제어 신호를 수신하고 펌프 제어기에 정보를 전하기 위한 통신 인터페이스(390)를 포함할 수 있다.

도 8a는 토출 블럭(205), 밸브 플레이트(230), 피스톤 하우징(227), 리드 나사(170) 및 리드 나사(195)를 포함하는 다단 펌프(100)의 일부분에 대한 사시도이다. 도 8b는 토출 블럭(205), 토출 챔버(185), 피스톤 하우징(227), 리드 나사(195), 피스톤(192) 및 토출 다이어프램(190)을 보여주는 도 8a에 도시된 다단 펌프의 단면도이다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 토출 챔버(185)는 적어도 부분적으로 토출 블럭(205)에 의해 형성될 수 있다. 리드 나사(195)가 작동될 때, 피스톤(192)이 (도 8b에 도시된 정렬 상태에 관련하여) 위로 이동하여 토출 다이어프램(190)을 변위시킬 수 있고, 이로써 토출 챔버(185) 내의 유체가 유출 유로(295) 또는 퍼지 유로(300)를 통해 토출 챔버를 빠져나가게 된다. 다른 실시예에서, 리드 나사(195)가 상하로 이동할 때 회전할 수 있다. 유로의 입구 및 출구는 토출 챔버(185)에 다양하게 설치될 수 있다는 점을 유의하라. 또한, 도 22b는 퍼지 유로(300)가 토출 챔버(185)의 상부를 빠져나가는 실시예를 보여준다. 도 8c는 도 8b에 도시된 다단 펌프의 일부분을 예시한다. 도 8c에 도시된 실시예에서, 토출 다이어프램(190)은 토출 블럭(205)의 홈(400)에 끼워 맞춰지는 설형부(395)를 포함한다. 따라서, 이러한 실시예에서는 토출 다이어프램(190)의 에지가 피스톤 하우징(227)과 토출 블럭(205)의 사이에서 밀봉된다. 일 실시예에 따르면, 토출 펌프 및/또는 공급 펌프(150)는 롤링 다이어프램 펌프일 수 있다.

도 1 내지 도 8c와 관련하여 전술한 다단 펌프(100)는 예로서 주어진 것이고 한정의 의도는 없으며, 본 발명의 실시예는 다른 다단 펌프 형태에 맞게 실시될 수 있다는 점을 유의하라.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140) 및 배출 밸브(145)를 형성하는데 사용되는 여러 구성 요소의 일 실시예를 보여준다. 이 실시예에서 유출 밸브(147)는 펌프의 외부에 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 토출 블럭(205)은 다이어프램(1002)이 위에 놓이는 단부면(1000)을 구비한다. O-링(1004)은 단부면(1000) 상의 대응 링과 정렬되고, 다이어프램(1002)을 부분적으로 토출 블럭(205)의 링에 압입한다. 또한, 밸브 플레이트(230)는 O-링(1004)이 적어도 부분적으로 안치되는 대응 링을 포함한다. 밸브 플레이트(230)는 와셔(1008) 및 나사(1006)를 사용하여 토출 블럭(205)에 연결된다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 각 밸브의 본체는 토출 블럭(또는 펌프 본체의 다른 부품) 및 밸브 플레이트 등과 같은 복수 개의 부재로 형성될 수 있다. 다이어프램(1002)으로서 예시된 엘라스토머 재료로 이루어진 시트는, 밸브 플레이트(230)와 토출 블럭(205) 사이에 개재되어, 여러 밸브의 다이어프램을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다이어프램(1002)은 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140) 및 배출 밸브(145) 각각을 위해 사용되는 단일 다이어프램일 수 있다. 다이어프램(1002)은 PTFE, 개질 PTFE, 서로 다른 타입의 층으로 이루어진 복합 재료, 또는 공정 유체와 반응하지 않는 그 밖의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 다이어프램(1002)의 두께는 대략 0.013 인치일 수 있다. 다른 실시예에서는 각 밸브별로 별도의 다이어프램이 사용될 수 있고, 다른 타입의 다이어프램이 사용될 수 있다는 점을 유의하라.

도 10a는 단부면(1000)을 구비하는 토출 블럭(205)의 일 실시예의 측면도이다. 도 10b는 토출 블럭(205)의 단부면(1000)의 일 실시예를 예시한다. 도시된 실시예에서, 단부면(1000)은 각 밸브에 대한 환형 링을 포함하고 O-링은 다이어프램의 일부분을 환형 링 안으로 밀어 넣는다. 예컨대, 링(1010)은 유입 밸브(125)에 대응하는 것이고, 링(1012)은 격리 밸브(130)에 대응하는 것이며, 링(1014)은 차단 밸브(135)에 대응하는 것이고, 링(1016)은 퍼지 밸브(140)에 대응하는 것이며, 링(1018)은 배출 밸브(145)에 대응하는 것이다. 또한, 도 10b는 각 밸브에 대한 유입/유출 유로를 예시한다. 유로(1020)는 (도 4에 도시된) 입구(210)와 유입 밸브(125) 사이를 연통하는 것이고 유로(280)는 유입 밸브(125)와 공급 챔버 사이를 연통하는 것이며; 격리 밸브(130)의 경우, 유로(305)는 공급 챔버와 격리 밸브(130) 사이를 연통하는 것이고 유로(1022)는 격리 밸브(130)와 필터 사이를 연통하는 것이며; 차단 밸브(135)의 경우, 유로(1024)는 필터와 차단 밸브(135) 사이를 연통하는 것이고 유로(290)는 차단 밸브(135)와 토출 챔버 사이를 연통하는 것이며; 퍼지 밸브(140)의 경우, 유로(300)는 토출 챔버로부터 연장되는 것이고 유로(305)는 공급 챔버로 통하는 것이며; 그리고 배출 밸브(145)의 경우, 유로(1026)는 필터로부터 연장되는 것이고 유로(1027)는 펌프 밖으로 [예컨대, 도 4에 도시된 배출 출구(215)의 밖으로] 연장되는 것이다. 전술한 유로 중 몇몇이 토출 블럭(205)을 관통하게 연장된다는 것을 도 5a 내지 도 5d에서 확인할 수 있다.

도 11은 밸브 플레이트(230)의 일 실시예의 외부를 나타내는 모식도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 밸브 플레이트(230)는 (예컨대, 도면 부호 1028로 나타내어진) 복수 개의 구멍을 포함하고, 밸브 플레이트(230)를 토출 블럭(205)에 부착하기 위해 나사가 상기 구멍을 통해 삽입될 수 있다. 또한, 대응하는 다이어프램에 정압 또는 부압을 인가하는 각 밸브에 대한 밸브 제어용 입구가 도 11에 더 도시되어 있다. 예컨대, 입구(235)는 차단 밸브(135)에 대응하는 것이고, 입구(240)는 퍼지 밸브(140)에 대응하는 것이며, 입구(245)는 격리 밸브(130)에 대응하는 것 이고, 입구(250)는 배출 밸브(145)에 대응하는 것이며, 그리고 입구(255)는 유입 밸브(125)에 대응하는 것이다. 이들 입구에 정압 또는 부압을 선택적으로 인가하는 것을 통해, 대응 밸브가 개폐된다.

도 12는 밸브 플레이트(230)의 내면[즉, 토출 블럭(205)에 면하는 표면]을 보여주는 밸브 플레이트(230)의 모식도이다. 밸브 플레이트(230)는 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140) 및 배출 밸브(145) 각각에 대한 밸브 챔버를 적어도 부분적으로 형성하는데, 밸브가 개방될 때 다이어프램[예컨대, 다이어프램(1002)]이 밸브 챔버를 향해 변위된다. 도 12의 예에서 챔버(1025)는 유입 밸브(125)에 대응하는 것이고, 챔버(1030)는 격리 밸브(130)에 대응하는 것이며, 챔버(1035)는 차단 밸브(135)에 대응하는 것이고, 챔버(1040)는 퍼지 밸브(140)에 대응하는 것이며, 챔버(1045)는 배출 밸브(140)에 대응하는 것이다. 각 밸브 챔버는 밸브 챔버의 가장자리로부터 밸브 챔버의 중앙에 이르는 아치형의 밸브 시트(valve seat)를 구비하는 것이 바람직하고, 다이어프램은 상기 밸브 시트를 향해 변위된다. 예컨대, 밸브 챔버의 가장자리가 (도 12에 도시된 바와 같이) 원형이고 아치형 표면의 반경이 일정한 경우, 밸브 챔버는 반구 형상을 가질 것이다.

다이어프램이 밸브에 대한 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 변위되도록 밸브 제어용 가스/부압 혹은 그 밖의 압력을 인가하기 위해, 각 밸브에는 유로가 형성되어 있다. 예컨대, 유로(1050)는 밸브 플레이트(230) 상에 있는 입구와 퍼지 밸브 챔버(1040)의 아치형 표면에 있는 대응 개구 사이를 연통한다. 유로(1050)를 통하 여 부압 또는 낮은 압력을 선택적으로 인가하면, 다이어프램(1002)은 퍼지 밸브 챔버(1040)를 향해 변위될 수 있고, 이로 인해 퍼지 밸브(140)는 개방하게 된다. 각 밸브 챔버 둘레에 마련된 환형 링은 O-링(1004)과 함께 밀봉을 제공한다. 예컨대, 환형 링(1055)은 O-링을 부분적으로 수용하여 퍼지 밸브(140)를 밀봉하는데 사용된다. 도 13은 각 밸브에 정압 또는 부압을 인가하기 위한 유로(1050) 등을 비롯한 유로를 보여주기 위해 투명하게 도시한 밸브 플레이트(230)의 모식도이다.

도 14a는 다이어프램(1002)에 인가되는 압력의 크기에 따라 밸브의 변위 체적이 변화하는 밸브 플레이트 구성의 모식도이다. 퍼지 밸브의 실시예가 도 14a에 도시되어 있다. 도 14a의 예에서, 밸브 플레이트(1060)는 토출 블럭(205)에 연결된다. 다이어프램(1002)은 밸브 플레이트(1060)와 토출 블럭(205) 사이에 개재되어 있다. 밸브 플레이트(1060)는 밸브 챔버(1062)를 형성하고, 유로(1065)를 통하여 부압이 인가될 때 다이어프램(1002)은 밸브 챔버를 향해 변위된다. 밸브 챔버를 둘러싸는 환형 링(1070)에는 O-링(1004)이 안치된다. 밸브 플레이트(1060)가 토출 블럭(205)에 부착될 때, O-링(1004)은 다이어프램(1002)을 환형 링(1016)에 압입하고, 더 나아가 퍼지 밸브를 밀봉한다.

도 14a의 실시예에서, 밸브 챔버(1062)는 모따기된 측부를 구비하는데, 다이어프램(1002)은 (도면 부호 1067로 나타내어진) 실질적으로 평평한 표면을 향해 변위된다. 부압이 유로(1065)를 통해 다이어프램(1002)에 인가되는 경우, 다이어프램(1002)은 거의 반구 형상으로 표면(1067)을 향해 변위된다. 이는 약간의 무용 공간(즉, 사용되지 않는 공간)이 다이어프램(1002)과 밸브 플레이트(1060) 사이에 존재할 것이라는 것을 의미한다. 이와 같이 사용되지 않은 공간은 영역(1070)으로 나타내어져 있다. 유로(1065)를 통해 인가되는 당김 힘의 크기가 (즉, 부압의 증대를 통해) 증가됨에 따라, 무용 공간이 줄어들지만, 다이어프램(1002)이 완전히 바닥에 닿게 되지는 않는다. 그 결과, 다이어프램(1002)을 변위시키는데 사용되는 압력에 따라, 다이어프램(1002)의 변위 체적이 변화한다[예컨대, 도면 부호 1072로 나타내어진 다이어프램 중의 접시 모양의 체적 크기가 변화한다].

정압이 유로(1065)를 통해 인가되는 경우, 다이어프램(1002)이 이동하여 입구 및 출구를 밀폐한다[이러한 경우에 유로(300)는 토출 챔버로부터 연장되고 유로(305)는 공급 챔버로 통한다]. 따라서, 영역(1072)에 있는 소정 체적의 유체는 퍼지 밸브(140) 밖으로 이동하게 될 것이다. 이는 토출 챔버(또는 유체가 이동하게 되는 다른 고립된 공간)에 있어서 압력 스파이크를 야기할 것이다. 밸브에 의해 변위되는 유체의 양은 얼마만큼의 체적이 밸브 내에 유지되어 있는가에 따라 결정될 것이다. 이러한 체적은 인가되는 압력의 크기에 따라 변화하기 때문에, 구성은 동일하지만 서로 다른 부압을 이용하여 작동되는 서로 다른 펌프가 토출 챔버 또는 다른 고립된 공간에서 서로 다른 압력 스파이크를 나타낼 것이다. 또한, 다이어프램(1002)은 플라스틱이기 때문에, 소정의 부압에 있어서 다이어프램(1002)의 변위는 온도에 따라 다를 것이다. 그 결과, 사용되지 않는 영역(1070)의 체적은 온도에 따라 바뀔 것이다. 도 14a에 도시된 밸브의 변위 체적은 인가되는 부압과 온도에 따라 바뀌기 때문에, 펌프의 개폐로 인한 체적 변위를 정확하게 보상하기가 곤란하다.

본 발명의 실시예는 평평한 표면을 갖는 밸브 챔버와 관련이 있는 문제를 감소시키거나 없앤다. 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 플레이트 구성을 사용하는 퍼지 밸브의 일 실시예의 모식도이다. 퍼지 밸브(140)의 실시예가 도 14b에 도시되어 있다. 도 14b에 도시된 예에서, 밸브 플레이트(230)는 토출 블럭(205)에 연결된다. 다이어프램(1002)은 밸브 플레이트(230)와 토출 블럭(205) 사이에 개재되어 있다. 밸브 플레이트(230)는 밸브 챔버(1040)를 형성하는데, 다이어프램(1002)은 유로(1050)를 통해 인가되는 부압(또는 낮은 압력)에 기초하여 밸브 챔버를 향해 변위될 수 있다. 밸브 챔버(1040)를 둘러싸고 있는 환형 링(1055)에는 O-링(1004)이 안치된다. 밸브 플레이트(230)가 토출 블럭(205)에 부착된 경우, O-링(1004)은 다이어프램(1002)을 환형 링(1016)에 압입하여, 퍼지 밸브(140)를 추가적으로 밀폐한다. O-링은 시일을 형성하고 다이어프램(1002)을 고정한다. 일 실시예에 따르면, 토출 블럭(205)은 PTFE 또는 개질 PTFE로 이루어질 수 있고, 다이어프램(1002)은 PTFE 또는 개질 PTFE로 이루어질 수 있으며, 밸브 플레이트(230)는 가공 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 다른 적절한 재료도 사용될 수 있다.

도 14b에 도시된 실시예에서, 다이어프램(1002)이 향하게 되는 밸브 챔버(1040)의 영역은 반구 형상이다. 부압이 유로(1050)를 통해 다이어프램(1002)에 인가될 때, 다이어프램(1002)은 반구형 표면을 향해 반구 형상으로 변위된다. 밸브 챔버(1040)의 반구형 영역을 적절한 크기로 형성하면, 다이어프램(1002)에 의해 형성되는 반구형 부분이 밸브 챔버(1040)의 형상과 꼭 들어맞을 것이다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 이는 다이어프램(1002)의 반구형 부분과 밸브 챔버의 표면 사이의 무용 공간[예컨대, 도 14a에 도시된 영역(1070)]이 없어진다는 것을 의미한다. 또한, 다이어프램(1002)은 밸브 챔버(1040)의 반구 형상에 상응하게 반구 형상으로 변위되기 때문에, 다이어프램(1002)은 변위된 위치(이 위치는 도 14b에 예시되어 있고 이하에서 설명함)에서 항상 동일한 형상을, 더 나아가 동일한 변위 체적을 가질 것이다. 그 결과, 퍼지 밸브(140)의 보유 체적의 크기는 (밸브의 작동 범위에서) 인가되는 부압 또는 온도의 크기와는 무관하게 거의 동일할 것이다. 따라서, 퍼지 밸브(140)가 폐쇄된 경우에 변위되는 유체의 체적은 동일하다. 이로써, 퍼지 밸브의 폐쇄시에 변위된 유체의 체적에 기인한 압력 스파이크를 수정하는 체적 수정을 일정하게 수행할 수 있게 된다. 추가적인 장점으로서, 밸브 챔버가 반구 형상이면, 밸브 챔버가 더 얕아지게 될 수 있다. 또한, 다이어프램은 밸브 시트의 형상에 맞춰지기 때문에, 다이어프램에 작용하는 응력이 줄어든다.

밸브 챔버는 유체가 입구로부터 유출 경로로[예컨대, 도 5b에 도시된 유로(300)로부터 유로(305)로] 유동하는 것을 허용하도록 다이어프램이 충분하게 변위될 수 있게 하는 크기로 형성될 수 있다. 추가적으로, 밸브 챔버는 변위 체적을 줄이면서 압력 강하를 최소화하는 크기로 형성될 수 있다. 예컨대, 밸브 챔버가 지나치게 얕게 만들어지면, 다이어프램(1002)은 특정 용례의 경우 개방 상태의 유로(305)를 과도하게 협착시킬 수 있다. 그러나, 밸브 챔버가 깊어지면, 다이어프램을 그 완전 개방 위치(즉, 다이어프램이 밸브 챔버를 향해 완전히 변위되는 위치)로 변위시키기 위한 최저 부압이 커지며, 그 결과 다이어프램에 응력이 더 가해 지게 된다. 밸브 챔버는 밸브의 유동 특성과 다이어프램에 작용하는 응력 간의 형평을 맞추는 크기로 형성될 수 있다.

또한, 정압/부압을 다이어프램에 인가하기 위한 유로(1050)는 밸브 챔버의 중앙에 놓일 필요는 없으며, 중앙에서 벗어나 있을 수 있다[이는 예컨대 도 12의 차단 밸브 챔버(1035)에 도시되어 있음]는 것을 유의하라. 추가적으로, 밸브로의/밸브로부터의 유입 유로 및 유출 유로는, 밸브의 개방시에는 유체가 유입 유로와 유출 유로 사이에서 유동하는 것을 허용하고 밸브의 폐쇄시에는 상기 유동을 제한하는 임의의 위치에 배치될 수 있다. 예컨대, 밸브의 폐쇄시에 특정 통로를 통과하여 변위되는 유체의 체적이 줄어들도록, 밸브로의 유입 유로 및 유출 유로가 배치될 수 있다. 도 14b에서, 공급 챔버로의 유출 유로(305)는 토출 챔버로부터의 유입 유로(300)에 비해 밸브 챔버의 중앙(즉, 반구의 중앙)으로부터 더 멀리 있기 때문에, 밸브의 폐쇄시에 유로(305)를 통해 변위되는 유체의 양은 유로(300)를 통해 변위되는 유체의 양보다 작다.

그러나, 다른 실시예에서 밸브에 대한 이들 유로의 위치 설정은, 퍼지 밸브(140)의 폐쇄시에 공급 챔버로 옮겨가는 유체에 비해 토출 챔버로 되돌아가는 유체가 더 적도록, 정반대로 이루어지거나 또는 다른 방식으로 바뀔 수 있다. 한편, 유입 밸브(125)의 경우에는 유입 밸브(125)의 폐쇄시에 공급 챔버로 옮겨가는 유체에 비해 유체 공급원으로 되돌아가는 유체가 더 많도록, 유입 유로가 중앙에 더 가까이 위치할 수 있다[즉, 유입 밸브(125)가 도 14b에 도시된 유입 유로/유출 유로 배치 관계를 가질 수 있다]. 또한, 본 발명의 여러 실시예에 따르면, 여러 밸브 [예컨대, 차단 밸브(135), 유출 밸브(147)]에 대한 입구 및 출구는, 밸브의 폐쇄시에 토출 챔버 안으로 밀려 들어가는 유체의 양을 줄이도록 배치될 수 있다.

또한, 다른 형태의 유입 유로 및 유출 유로도 이용될 수 있다. 예컨대, 밸브에 대한 유입 유로 및 유출 유로가 모두 중앙에서 벗어나 있을 수 있다. 다른 예에서는, 하나의 유로가 더 좁고, 나아가 밸브의 폐쇄시에 두 유로 중 하나(예컨대, 더 넓은 유로)를 통해 유체가 더 많이 변위되게 하는데 기여하도록, 유입 유로와 유출 유로의 폭을 서로 다르게 할 수 있다.

도 15는 여러 밸브 구조의 변위 체적을 예시하는 차트이다. 선(1080)은 평평한 표면과 0.030 인치의 깊이를 갖는 밸브 챔버를 구비한 밸브 구조(예컨대 도 14a에 도시된 밸브)에 관한 것이고, 선(1082)은 반구형 표면과 0.022 인치의 깊이를 갖는 밸브 챔버를 구비한 밸브 구조에 관한 것이며, 선(1084)은 반구형 표면과 0.015 인치의 깊이를 갖는 밸브 챔버를 구비한 밸브 구조(예컨대, 도 14b에 도시된 밸브)에 관한 것이고, 선(1086)은 반구형 표면과 0.010 인치의 깊이를 갖는 밸브 챔버를 구비한 밸브 구조에 관한 것이다. 도 15에 도시된 차트는 밸브 제어 압력이 35 psi에서 진공으로 전환될 때 밸브에 의해 변위되는 유체 체적의 양을 나타낸다. x축은 인가되는 부압의 크기(inHg : 수은 인치)이고, y축은 변위 체적(mL)이다. 밸브를 개방하는 데에는 10 inHg의 최저 부압이 사용된다.

도 15로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 평평한 표면을 갖는 밸브 챔버는 인가되는 부압의 크기에 따라 상이한 변위 체적을 갖는다(즉, 10 inHg가 인가된 경우 변위 체적은 대략 0.042 mL인 반면에, 20 inHg가 인가된 경우 변위 체적은 대략 0.058 mL이다). 한편, 다이어프램이 향하여 변위하게 되는 반구 형상의 밸브 챔버를 갖는 밸브는, 인가되는 부압과는 무관하게 거의 일정한 변위를 나타낸다. 이 예에서, 깊이가 0.022 인치인 반구형 밸브는 0.047 mL를 변위시키고[선(1082)으로 나타내어짐], 깊이가 0.015 인치인 반구형 밸브는 0.040 mL를 변위시키며[선(1084)으로 나타내어짐], 깊이가 0.010 인치인 반구형 밸브는 0.030 mL를 변위시킨다[선(1086)으로 나타내어짐]. 따라서, 도 15에서 확인할 수 있는 바와 같이, 반구형 밸브 챔버를 구비한 밸브 플레이트는, 밸브에 인가되는 부압이 바뀔 때, 동일한 변위 체적을 거듭 제공한다.

밸브 플레이트(230)의 밸브들은 서로 다른 치수를 가질 수 있다. 예컨대, 퍼지 밸브(140)가 나머지 밸브보다 작을 수 있거나, 또는 다른 방식으로 밸브의 치수가 정해질 수 있다. 도 16a는 퍼지 밸브(140)의 일 실시예에 대한 치수의 예를 제공하는 것으로서, 다이어프램이 향하여 변위하게 되는 반구형 표면(1090)을 보여준다. 도 16a에 도시된 바와 같이, 밸브 챔버는 반경이 3.630 인치인 구체에 대응하는 0.015 인치의 구면 깊이를 갖는 반구형 표면을 구비한다. 도 16b는 일 실시예에 있어서 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135) 및 배출 밸브(145)의 치수의 예를 제공한다. 이 실시예에서, 밸브 챔버는 반경이 2.453 인치인 구체에 대응하며 그 구면 깊이가 0.022 인치이다.

각 밸브의 크기는 밸브에 있어서의 압력 강하를 최소화하려는 요구(즉, 개방 위치에서 밸브에 의해 야기되는 제한을 최소화하려는 요구)와 밸브의 보유 체적의 크기를 최소화하려는 요구 간의 형평을 맞추도록 선택될 수 있다. 즉, 밸브의 치 수는 최저 수준의 제한을 받는 유동에 대한 요구와 밸브의 개방/폐쇄시에 압력 스파이크를 최소화하려는 요구 간의 형평을 맞추도록 정해질 수 있다. 도 16a 및 도 16b의 예에서는, 퍼지 밸브(140)의 폐쇄시에 토출 챔버로 되돌아가는 보유 체적의 크기를 최소화하기 위해, 퍼지 밸브(140)가 가장 작은 밸브이다. 추가적으로, 밸브는 임계 부압이 인가될 때 완전 개방되도록 그 치수가 정해질 수 있다. 예컨대, 도 16a의 퍼지 밸브(140)는 10 inHg의 부압이 인가될 때 완전 개방되도록 그 치수가 정해져 있다. 부압이 증대됨에 따라, 퍼지 밸브(140)는 더 이상 개방되지 않을 것이다. 도 16a 및 도 16b에 제공된 치수는 특정 실시에 대한 예로서만 주어진 것이고, 한정을 의도로 하여 주어진 것이 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 밸브는 광범위한 치수를 가질 수 있다. 또한, 발명자 Gashgaee 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1770호) "밸브 플레이트 시스템 및 방법(VALVE PLATE SYSTEM AND METHOD)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/742,147호와, 발명자 Gashgaee 등이 출원한(대리인 서류 제ENTG1770-1호) "체적 고정형 밸브 시스템(FIXED VOLUME VALVE SYSTEM)"이란 명칭의 미국 특허 출원에는, 밸브 플레이트의 예가 기술되어 있으며, 이들 특허 출원은 그 전체 내용이 본원에 참조로 인용되어 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공급 펌프(150)는 스텝 모터에 의해 구동될 수 있는 반면에, 토출 펌프(180)는 무브러시 DC 모터 또는 PMSM 모터에 의해 구동될 수 있다. 이하에서는 도 17 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 여러 실시예에 따라 사용 가능한 모터의 실시예를 설명한다. 발명자 Gonnella 등 이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1750호) "펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,660호와, 발명자 Gonnella 등이 2006년 9월 1일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1750-1호) "펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/841,725호에는, 모터에 대한 제어 방식의 예가 기술되어 있으며, 이들 특허 출원은 그 전체 내용이 본원에 참조로 인용되어 있다.

도 17은 모터(3030)와 이 모터에 결합된 위치 센서(3040)를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 조립체(3000)의 개략도이다. 도 17에 도시된 예에서, 다이어프램 조립체(3010)는 리드 나사(3020)를 통하여 모터(3030)에 연결된다. 일 실시예에서, 모터(3030)는 영구자석 동기식 모터("PMSM")이다. 브러시 DC 모터의 경우, 전류의 극성은 정류자 및 브러시에 의해 변경된다. 그러나, PMSM의 경우, 극성의 역전은 전력 트랜지스터를 회전자의 위치와 동기식으로 스위칭하는 것을 통해 수행된다. 따라서, PMSM은 "브러시가 없는" 것을 특징으로 할 수 있고, 브러시 DC 모터보다 믿을만한 것으로 고려된다. 추가적으로, PMSM은 회전자의 자석을 이용하여 회전자 자속을 발생시킴으로써 효율이 향상될 수 있다. PMSM의 다른 장점으로는 진동 감소, (브러시의 제거를 통한) 소음 감소, 효율적인 열 소산, 작은 점유 공간 및 작은 회전자 관성 등이 있다. 회전자의 운동에 의해 고정자 내에 유도되는 역자기력은, 고정자가 권취되는 방식에 따라 서로 다른 프로파일을 가질 수 있다. 어느 한 프로파일은 사다리꼴 형상을 가질 수 있고, 다른 프로파일은 사인파 모양을 가질 수 있다. 본원에서 용어 "PMSM"은 모든 타입의 무브러시 영구자석 모터를 대표하는 것으로서 사용되고 있으며, 용어 "무브러시 DC 모터(BLDCM)"와 서로 바꿔서 사용될 수 있다.

PMSM(3030)을 전술한 바와 같이 공급 모터(175) 및/또는 토출 모터(200)로서 이용할 수 있다. 일 실시예에서, 다단 펌프(100)는 스텝 모터를 공급 모터(175)로서 이용하고 PMSM(3030)을 토출 모터(200)로서 이용한다. 적절한 모터 및 관련 부품은 미국 뉴햄프셔주 도버에 소재하는 EAD Motors와 같은 곳으로부터 입수할 수 있다. 작동시에 BLDCM(3030)의 고정자는 고정자 자속을 일으키고 회전자는 회전자 자속을 일으킨다. 고정자 자속과 회전자 자속 간의 상호작용은 BLDCM(3030)의 토크, 더 나아가 속도를 형성한다. 일 실시예에서, 디지털 신호 처리기(DSP)는 모든 필드 지향 제어(FOC)를 수행하는데 사용된다. FOC 알고리즘은 컴퓨터 판독 가능한 매체에 수록되는 컴퓨터 실행 소프트웨어 명령으로 구현된다. BLDCM(3030)을 제어하고 FOC 알고리즘을 수 마이크로초 내에 완전히 실행하는 계산 능력, 속도 및 프로그램 가능성을 갖는 디지털 신호 처리기를, 현재는 비교적 미미한 부가 비용을 들여서 온칩 하드웨어 주변기기와 함께 사용할 수 있다. 본원에 개시된 발명의 실시예를 구현하는데 이용될 수 있는 DSP의 한 가지 예로는 텍사스주 달라스 소재의 텍사스 인스트루먼츠 인크에서 시판하는 16-비트 DSP(부품 번호 TMS320F2812PGFA)가 있다.

BLDCM(3030)은 실제 회전자 위치를 감지하는 적어도 하나의 위치 센서를 포 함할 수 있다. 일 실시예에서, 위치 센서는 BLDCM(3030)의 외부에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 위치 센서는 BLDCM(3030)의 내부에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, BLDCM(3030)은 센서를 구비하지 않을 수 있다. 도 17에 도시된 예에서, 위치 센서(3040)는 BLDCM(3030)의 실제 회전자 위치를 실시간으로 피드백하기 위해 BLDCM(3030)에 결합되어 있는데, DSP는 상기 BLDCM(3030)의 실제 회전자 위치를 사용하여 BLDCM(3030)을 제어한다. 위치 센서(3040)를 구비한 구성은, 기계식 피스톤[예컨대, 도 2의 피스톤(192)]의 위치에 대한 매우 정확하고 반복적인 제어가 이루어져서, 토출 펌프[예컨대, 도 2의 토출 펌프(180)]의 피스톤 변위 시에 유체의 이동 및 토출량에 대하여 매우 정확하고 반복적인 제어가 확실하게 이루어진다는 추가적인 이점이 있다. 일 실시예에서, 위치 센서(3040)는 미세 라인 회전 위치 인코더이다. 일 실시예에서, 위치 센서(3040)는 2000 라인 인코더이다. 8000 펄스를 DSP에 제공하는 2000 라인 인코더를 사용하면, 회전 각도를 0.045°단위로 정확하게 측정하고 제어할 수 있다.

BLDCM(3030)은 매우 낮은 속도로 작동될 수 있으면서도 등속도를 유지할 수 있는데, 이는 진동이 거의 없거나 전혀 없다는 것을 의미한다. 스텝 모터 등과 같은 다른 기술에서는, 저속 작동시에 항상 진동이 펌프 시스템에 유발되었는데, 이러한 진동은 취약한 등속도 제어에 기인한 것이었다. 이러한 속도 변동은 토출 성능을 악화시킬 것이고, 그 결과 작동의 윈도우 영역이 매우 좁아진다. 추가적으로, 진동은 공정 유체에 유해한 영향을 미칠 수 있다. 표 1과 도 18 및 도 19는 스텝 모터와 BLDCM을 비교하고, BLDCM(3030)을 다단 펌프(100)의 토출 모터(200)로 서 이용할 때 나타나는 많은 장점을 입증한다.

항목	스텝 모터	BLDCM
부피 분해능(㎕/스텝)	1	0.1 (10배 향상)
기본 동작	작동, 멈춤, 대기, 작동, 대기 멈춤; 저속에서 모터의 진동과 "토출의 플리커링"을 야기함	연속 동작, 멈추지 않음
모터 전류, 전력	최대 조건에 관한 전류를 세팅하고, 요구되는 바와는 관계없이 전력 소비	부하에 적응 가능
토크 전달	낮음	높음
속도 성능	10∼30x	30,000x

표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 스텝 모터에 비해 BLDCM은 상당히 증대된 분해능과 더불어, 연속적인 회전 동작, 낮은 전력 소비, 높은 토크 전달율 및 넓은 속도 범위를 제공할 수 있다. BLDCM의 분해능은 스텝 모터에 의해 제공되는 분해능에 비해 대략 10배 이상일 수 있다는 점을 유의하라. 이러한 이유로, BLDCM에 의해 제공될 수 있는 증분의 최소 단위는, 스텝 모터와 관련하여 일반적으로 사용되는 용어인 "스텝"과는 구분되게 "모터 증분"이라 한다. 이러한 모터 증분은 연속 동작을 제공할 수 있는 일 실시예에 따른 BLDCM에 있어서 측정 가능한 최소의 운동 단위인 반면에, 스텝 모터는 불연속적인 스텝으로 작동한다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDCM과 스텝 모터의 평균 토크 출력 및 속도 범위를 비교하여 보여주는 도표이다. 도 18에 예시된 바와 같이, BLDCM은 모든 속도에서 거의 일정하게 높은 토크 출력을 유지할 수 있다. 또한, BLDCM의 가용 속도 범위는 스텝 모터에 비해 더 넓다(예컨대, 1000배 이상). 이와는 대조적으로, 스텝 모터는 낮은 토크 출력을 갖는 경향이 있고 이러한 토크 출력도 속도의 증가시에 바람직하지 못하게 하락하는 경향이 있다(즉, 토크 출력이 고속에서 줄어든다).

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDCM과 스텝 모터의 평균 모터 전류 및 부하를 비교하여 보여주는 도표이다. 도 19에 예시된 바와 같이, BLDCM은 시스템에 걸리는 부하에 적응 및 순응할 수 있고, 부하를 감당하는데 필요한 전력만을 사용한다. 이와는 대조적으로, 스텝 모터는 요구되는 바와는 관계없이, 최대 조건에 맞춰 세팅된 전류를 사용한다. 예컨대, 스텝 모터의 피크 전류는 150 밀리암페어(mA)이다. 1 lb 부하를 움직이는 데에는 10 lb 부하의 경우만큼의 전류를 필요로 하지 않음에도, 1 lb 부하뿐만 아니라 10 lb 부하를 움직이는 데에도 150 mA의 전류가 동일하게 사용된다. 그 결과, 스텝 모터는 작동 시에 부하와 상관없이 최대 조건에 관한 전력을 소비하고, 이는 에너지의 비효율적이고 비경제적인 사용을 초래한다.

BLDCM의 경우에는, 부하가 증가하거나 감소함에 따라 전류가 조절된다. 임의의 특정 시점에 있어서, BLDCM은 자기(自己) 보상을 하고, BLDCM 자체를 요구 속도로 회전시키는데 필요한 전류량을 BLDCM 자체에 공급하며, 부하를 움직이기 위한 힘을 필요한 만큼만 일으킬 것이다. 모터가 움직이지 않는 경우 전류는 매우 낮을 수 있다(mA보다 낮은 단위). BLDCM은 자기 보상 타입이므로(즉, 시스템에 걸리는 부하에 따라 그에 맞게 전류를 조절할 수 있으므로), 모터가 움직이지 않는 경우라도 항상 켜져 있다. 이와는 대조적으로, 용례에 따라서 스텝 모터는 움직이지 않을 때 꺼질 수 있다.

위치 제어를 유지하려면, BLDCM에 관한 제어 방식을 매우 자주 운용할 필요가 있다. 일 실시예에서, 제어 루프는 30 kHz로 운용된다. 따라서, 33 ㎲마다 제어 루프는 BLDCM이 제 위치에 있는가를 체크한다. 만약 제 위치에 있다면, 어떠한 동작도 시도하지 않는다. 만약 제 위치에 있지 않다면, 전류를 조절하고 BLDCM을 제 위치로 보내려는 시도를 한다. 이와 같은 신속한 자기 보상 동작에 의해 매우 정확한 위치 제어가 가능해지며, 이는 몇몇 용례에서 매우 바람직하다. 제어 루프를 통상적인 경우(예컨대, 10 kHz)에 비해 고속(예컨대, 30 kHz)으로 운용한다는 것은, 시스템에서 열이 과잉 발생한다는 것을 의미한다. 이는 BLDCM이 전류의 전환을 더 자주 행할수록 열 발생 기회가 더 많아지기 때문이다.

본 발명의 한 가지 양태에 따르면, 몇몇 실시예에서 BLDCM은 열 발생을 감안하여 구성된다. 구체적으로, 제어 루프는 단일 사이클 동안에 2가지 서로 다른 속도로 운용되도록 구성된다. 사이클 중 토출 구간 동안에, 제어 루프는 고속(예컨대, 30 kHz)으로 운용된다. 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에, 제어 루프는 저속(예컨대, 10 kHz)으로 운용된다. 이러한 구성은 토출 구간 동안의 매우 정확한 위치 제어가 중요한 용례에서 특히 유용할 수 있다. 예를 들면, 토출 기간 동안에 제어 루프는 30 kHz로 운용된다. 이러한 운용은 약간의 과잉 열을 일으킬 수 있지만, 뛰어난 위치 제어를 제공한다. 나머지 기간에는 속도가 10 kHz로 되돌아간다. 이와 같이 함으로써 온도를 크게 낮출 수 있다.

사이클 중 토출 구간은 용례에 따라 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 토출 시스템은 20초 사이클을 수행할 수 있다. 한 번의 20초 사이클에서, 5초는 토출을 위한 것일 수 있고, 나머지 15초는 로깅(logging) 또는 재충전을 위한 것일 수 있다. 사이클과 사이클 사이에는, 15∼20초의 준비기간이 있을 수 있다. 따라서, BLDCM의 제어 루프는 사이클 중 작은 비율(예컨대, 5초)을 고주파수(예컨대, 30 kHz)로 운용하고, 사이클 중 큰 비율(예컨대, 10초)을 저주파수(예컨대, 10 kHz)로 운용할 것이다.

당업자라면 전술한 파라미터(예컨대, 5초, 15초, 30 kHz, 10 kHz 등)가 예시적인 것이고 한정의 의도가 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 작동 속도와 시간은 본원에 개시된 본 발명의 범위 및 정신 내에서 적합하게 조절되거나 또는 다른 방식으로 맞춰질 수 있다. 전술한 파라미터를 결정하는 데 경험적 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 10 kHz는 매우 통상적인 BLDCM 구동 주파수이다. 다른 속도를 사용할 수도 있지만, BLDCM의 제어 루프를 10 kHz보다 느리게 운용하면, 위치 제어를 상실할 위험에 처할 수 있다. 일반적으로 위치 제어를 회복하기가 어렵기 때문에, BLDCM은 위치를 유지하는 것이 바람직하다.

본원에 개시된 실시예에서, 위치 제어의 수준을 바람직하지 못하게 낮추는 일 없이 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에 속도를 최대한 낮추는 것은, BLDCM에 관한 제어 방식을 통해 수행될 수 있다. 이 제어 방식은, 토출 등과 같은 중요한 기능에 대하여 약간 과잉의/강화된 위치 제어를 확보하기 위해, 주파수를 (예컨대, 30 kHz로) 증대시키도록 되어 있다. 또한, 상기 제어 방식은 중요하지 않은 기능이 낮은 주파수(예컨대, 10 kHz)에서 운용될 수 있게 함으로써 열 발생을 줄이도록 되어 있다. 추가적으로, 애호되는 상기 제어 방식은 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에 저주파수로 운용되어 야기되는 임의의 위치 제어 상실을 최소화하도록 되어 있다.

상기 제어 방식은 압력에 의해 특징 지워질 수 있는 바람직한 토출 프로파일을 제공하도록 되어 있다. 이러한 특징화는 압력 신호의 편차를 기초로 할 수 있다. 예컨대, 평탄한 압력 프로파일은 원활한 동작, 작은 진동, 더 나아가 양호한 위치 제어를 암시할 것이다. 이와는 대조적으로, 기준에서 벗어난 압력 신호는 열악한 위치 제어를 암시할 것이다. 위치 제어에 관한 한, BLDCM을 10 kHz로 운용하는 것과 15 kHz로 운용하는 것의 차이는 미미할 수 있다. 그러나, 속도가 10 kHz 아래로 (예컨대, 5 kHz로) 떨어진다면, 이 속도는 위치 제어를 유지하기에 불충분할 수 있다. 예컨대, BLDCM의 일 실시예는 유체를 토출하도록 구성되어 있다. 위치 제어 루프가 1 ㎳ 미만(즉, 약 10 kHz 이상)으로 운용되는 경우, 눈으로 볼 수 있는 유체의 변화는 없다. 그러나, 위치 제어 루프의 운용 시간이 1, 2, 또는 3 ㎳ 범위까지 올라가면, 유체의 변화를 눈으로 볼 수 있게 된다. 다른 예를 들면, 밸브의 타이밍이 1 ㎳ 미만으로 바뀌는 경우, 눈이나 다른 공정 모니터로 확인할 수 있는 유체의 변화는 없다. 그러나, 밸브의 타이밍이 1, 2, 또는 3 ㎳ 범위로 바뀐다면, 유체의 변화를 확인할 수 있다. 따라서, 상기 제어 방식은 시간 제약적 기능(예컨대, 모터, 밸브 등의 타이밍)을 약 10 kHz 이상으로 운용하는 것이 바람직하다.

다른 고려 사항으로는 토출 시스템의 내부 순환이 있다. 토출 시스템이 1 kHz 정도로 느리게 운용되도록 세팅된다면, 1 ㎳의 경우보다 나은 분해능은 나타나지 않고, 1 ㎳의 경우보다 나을 필요가 있는 계산은 수행될 수 없다. 이러한 경우에, 10 kHz는 토출 시스템에 있어서 실용적인 주파수이다. 전술한 바와 같이, 전술한 수치는 예시적인 것이다. 10 kHz 미만(예컨대, 5 kHz 또는 심지어 2 kHz)의 속도를 세팅하는 것도 가능하다.

이와 마찬가지로, 성능 요건을 충족시킨다면, 30 kHz를 초과하는 속도도 세팅 가능하다. 본원에 개시된 예시적인 토출 시스템은 다수의 라인(예컨대, DSP에 8000 펄스를 제공하는 2000 라인)을 갖는 인코더를 사용한다. 각 라인 사이의 간격이 속도이다. BLDCM이 매우 느리게 작동되더라도, 라인 간의 간격이 매우 미세하므로, 매우 신속하게 다음 라인에 도달할 수 있고, 이에 기초하여 인코더에 펄스를 발생시킨다. BLDCM이 1 rps로 구동된다는 것은, 1초 내에 2000 라인을 지나고, 더 나아가 8000 펄스를 발생시킨다는 것을 의미한다. 펄스의 폭이 바뀌지 않는다면(즉, 펄스의 폭이 목표 폭에서 벗어나 있지 않고 거듭 동일하게 유지된다면), 이는 속도 제어가 매우 양호함을 암시한다. 펄스의 폭에 동요가 나타난다면, 이는 시스템 설계(예컨대, 공차) 및 용례에 따라 반드시 나쁜 것은 아니지만 취약한 속도 제어를 암시한다.

다른 고려 사항은 디지털 신호 처리기(DSP)의 처리 능력의 실제 한계에 관한 것이다. 예를 들어, 1회의 사이클에서 토출을 위해, 위치 제어기, 전류 제어기 등에 대한 모든 필요한 계산을 수행하는데 거의 20 ㎳가 걸릴 수 있다. 30 kHz의 운용은 약 30 ㎳가 걸리는데, 이는 전술한 계산을 행하면서 남은 시간으로는 제어기에서 모든 나머지 처리를 행하기에 충분한 시간이다. 30 kHz보다 빠른 속도로 운용될 수 있는 더 강력한 프로세서를 사용하는 것도 가능하다. 그러나, 30 ㎳보다 빠른 속도의 작동은 한계 효용 감소를 초래한다. 예컨대, 50 kHz의 운용은 겨우 약 20 ㎳가 걸린다(1/50000 Hz = 0.00002 s = 20 ㎲). 이러한 경우에, 50 kHz에서 더 나은 속도 성능이 확보될 수 있지만, 시스템이 갖는 시간은 제어기를 구동시키는데 필요한 모든 처리를 수행하기에는 부족하고, 그에 따라 처리 문제가 야기된다. 게다가 50 kHz로 운용하면 전류의 전환이 훨씬 더 빈번하게 이루어질 것이고, 이는 전술한 열 발생 문제의 원인이 된다.

요컨대, 열 방출을 줄이기 위한 한 가지 해법은, 토출 공정 동안에는 고주파수(예컨대, 30 kHz)로 운용되고 토출 이외의 공정(예컨대, 재충전) 동안에는 저주파수(예컨대, 10 kHz)로 떨어지거나 되돌아가도록 BLDCM을 구성하는 것이다. 애호되는 제어 방식과 관련 파라미터를 구성하는데 있어서 고려하는 인자로는, 위치 제어 성능, 프로세서의 처리 능력과 관련이 있는 계산 속도, 및 계산 이후에 전류가 전환되는 횟수와 관련이 있는 열 발생 등이 있다. 전술한 예에서는, 토출 이외의 공정 동안에 행해지는 10 kHz 운용에 있어서 위치 제어 성능의 손실이 미미하고, 토출 공정 동안에 행해지는 30 kHz 운용에 있어서 위치 제어가 뛰어나며, 그리고 열 발생이 상당히 줄어든다. 열 발생을 줄이는 것을 통해, 본 발명의 실시예는 온도의 변화가 토출되는 유체에 영향을 미치지 못하게 한다는 기술적인 장점을 제공할 수 있다. 이는 민감한 및/또는 값비싼 유체의 토출 단계를 수반하는 용례에 있어서 특히 유용할 수 있는데, 이러한 경우에는 열 또는 온도 변화가 유체에 영향을 미칠 수 있는 모든 가능성을 배제시키는 것이 매우 바람직할 것이다. 또한, 유체를 가열하는 것도 토출 공정에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 영향 중 하나를 자연적인 액 잘림(suck back) 효과라 한다. 액 잘림 효과는, 토출 공정이 유체를 가온하여 유체를 노즐 밖으로 팽창시킬 때 유체가 냉각하기 시작하고, 유체가 냉각하기 시작할 때 유체를 조금 잃을 수 있다는 것을 설명한다. 토출 공정이 철회될 때, 노즐에 있는 유체는 부피가 증가하기 시작한다. 따라서, 액 잘림 효과로 인하여, 부피가 정확하지 않을 수 있고 일정하지 않을 수 있다.

도 20a는 본 발명의 일 실시예 따른 여러 단계에 있어서 스텝 모터 및 BLDCM의 사이클 타이밍을 예시하는 차트이다. 전술한 예에 따라, 공급 모터(175)는 스텝 모터로 구현되고, 토출 모터(200)는 BLDCM으로 구현된다. 도 20a에서 음영 영역은 모터가 작동 상태임을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스텝 모터와 BLDCM은 여과 사이클 동안의 압력 제어를 용이하게 하는 방식으로 구성될 수 있다. 스텝 모터와 BLDCM의 압력 제어 타이밍의 일례가 도 20b에 주어져 있는데, 이 도면에서 음영 영역은 모터가 작동 상태임을 나타낸다.

도 20b는 공급 모터(175)와 토출 모터(200)의 예시적인 구성을 예시한다. 구체적으로, 일단 압력 신호의 설정점에 도달하면 BLDCM[즉, 토출 모터(200)]은 프로그램된 여과 속도로 역회전하기 시작할 수 있다. 그 사이에, 스텝 모터[즉, 공급 모터(175)]의 속도는 압력 신호의 설정점을 유지하기 위해 바뀐다. 이러한 구성은 몇 가지 장점을 제공한다. 예컨대, 유체에 압력 스파이크가 일어나지 않고, 유체의 압력이 일정하며, 점도 변동에 관한 조절이 필요치 않고, 시스템 간의 차이가 없으며, 유체 상에 진공이 나타나지 않을 것이다.

도 20c 내지 도 20f는 다른 예시적인 밸브 및 모터 타이밍에 대한 도표이다. 밸브의 경우, 음영 섹션은 밸브가 토출 사이클의 여러 구간에서 개방되어 있음을 나타낸다. 토출 모터 및 공급 모터의 경우, 음영 섹션은 모터가 정회전 상태이거나 역회전 상태라는 것을 나타낸다. 30 구간 토출 사이클의 예를 사용하여, 도 20c와 도 20e는 구간 1∼16 동안의 모터 및 밸브 타이밍의 예를 나타내고, 도 20d와 도 20f는 구간 17∼30 동안의 모터 및 밸브 타이밍의 예를 나타낸다. 다단 펌프는 다른 밸브 및 모터 타이밍과, 더 많거나 더 적은 수의 구간, 그리고 다른 제어 방식을 이용할 수 있음을 유의하라. 또한, 구간들은 서로 다른 분량의 시간을 가질 수 있음을 유의하라. 발명자 Gonnella 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1740호) "펌프에 있어서 밸브의 작동 순서를 정하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR VALVE SEQUENCING IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/742,168호과, 발명자 Gonnella 등이 출원한(대리인 서류 제ENTG1740-1호) "펌프에 있어서 밸브의 작동 순서를 정하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR VALVE SEQUENCING IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 특허 출원은 밸브 및 모터 타이밍의 다양한 실시예를 기술하고 있으며, 이들 특허는 본원에 그 전체 내용이 참조로 인용되어 있다.

본 발명의 여러 실시예에 따른 다단 펌프는 종래의 다단 펌프보다는 상당히 작으면서도, 더 원만한 유체 취급 특성과 더 넓은 작동 범위를 제공할 수 있다. 이러한 다단 펌프의 여러 특징부는 크기를 줄이는데 기여한다.

종래의 몇몇 펌프 구성은 공정 챔버 및 토출 챔버 내에서 움직여서 공정 유체에 압력을 가하는 평평한 다이어프램에 의존하였다. 유압 유체는 대개 다이어프램의 일측에 압력을 가하여 다이어프램을 이동시키고, 이를 통해 공정 유체를 변위시키는데 사용되었다. 유압 유체는 공압 피스톤 또는 스텝 모터 구동식 피스톤에 의해 압력을 받게 될 수 있다. 토출 펌프가 필요로 하는 변위 체적을 획득하기 위해, 상기 다이어프램은 비교적 큰 표면 면적과, 그에 따른 큰 직경을 가져야만 하였다.

한편, 도 21a 내지 도 21c를 참조하여 전술한 바와 같이, 토출 펌프(180)의 다이어프램(190)과 공급 펌프(150)의 다이어프램(160)은 롤링 다이어프램일 수 있다. 롤링 다어이프램을 사용하면, 평평한 다이어프램을 사용하는 것에 비해 공급 챔버(155) 및 토출 챔버(185)의 필요 직경이 상당히 줄어든다. 또한, 롤링 다이어프램은 유압 유체에 의해 이동되는 것이 아니라, 모터 구동식 피스톤에 의해 직접 이동될 수 있다. 이로써 공급/토출 챔버를 기준으로 보았을 때 다이어프램의 앞면 측에 유압 챔버를 설치할 필요성과 관련 유압 라인의 설치 필요성이 없어진다. 따라서, 롤링 다이어프램을 사용하면, 공급 챔버 및 토출 챔버가 훨씬 더 좁아지고 얕아질 수 있으며, 유압 기기의 필요성이 없어진다.

예컨대, 10 ㎖의 변위를 달성하기 위해 평평한 다이어프램을 사용하는 종래의 펌프는, 단면적이 4.24 in²(27.4193 ㎠)인 펌프 챔버를 필요로 하였다. 롤링 다이어프램을 사용하는 펌프 챔버는 1.00 in²(6.4516 ㎠)의 다이어프램을 사용하여 유사한 변위를 달성할 수 있다. 롤링 다이어프램이 롤링하기 위한 피스톤과 챔버 벽 사이의 공간과, 밀봉 플랜지를 감안하더라도, 롤링 다이어프램 펌프는 1.25 in²(8.064 ㎠)의 점유 공간만을 필요로 한다. 추가적으로, 다이어프램은 평평한 다이어프램에 비해 습한 표면 영역이 작기 때문에 훨씬 더 큰 압력을 취급할 수 있다. 따라서, 롤링 다이어프램 펌프는 평평한 다이어프램의 경우 보강을 필요로 하는 압력을 취급하는 데에도, 금속 용기에 넣는 것과 같은 보강을 필요로 하지 않는다.

추가적으로, 롤링 다이어프램을 사용하면 공급 챔버(155) 및 토출 챔버(185)로의 유로와 이들 챔버로부터의 유로가 유익하게 배치되어 크기를 줄일 수 있다. 예컨대, 도 21c를 참조하여 전술한 바와 같이, 토출 챔버(185)로부터의 퍼지 유로, 유입 유로 및 유출 유로에 대한 개구는 챔버 내의 어느 곳에든지 배치 가능하다. 또한, 롤링 다이어프램을 사용하면 유압 기기의 배제를 통해 펌프의 비용이 줄어든다는 점을 유의하라.

본 발명의 실시예에 있어서 크기를 줄이는 다른 특징부는, 입구로부터 출구에 이르는 여러 유로뿐만 아니라 펌프의 챔버를 형성하는 일체형 토출 블럭을 사용한다는 것이다. 이전에는, 유로 및 챔버를 형성하는 복수 개의(예컨대, 5개 이상) 블럭이 존재하였다. 토출 블럭(205)은 일체형 블럭이기 때문에, 시일이 줄어들고 조립의 복잡도가 낮아진다.

본 발명의 실시예에 있어서 크기를 줄이는데 기여하는 또 다른 특징부는, 모든 펌프 밸브(예컨대, 유입 밸브, 격리 밸브, 차단 밸브, 배출 밸브 및 퍼지 밸브)가 단일 밸브 플레이트 내에 있다는 것이다. 이전에는, 밸브들이 여러 밸브 플레이트와 여러 토출 블럭에 분배되어 있었다. 이는 유체의 누출을 야기할 수 있는 계면을 더 제공하였다.

도 22는 최대 10 mL의 토출을 일으킬 수 있는 예시적인 치수의 다단 펌프의 실시예를 보여준다.

또한, 종래의 펌프에서, 여러 PTFE 플레이트는 서로 클램핑되거나 나사 결합되는 외부 금속 플레이트들에 의해 결합되었다. PTFE는 비교적 약한 재료이기 때문에, 부품을 PTFE에 나사 결합하거나 또는 다른 방식으로 부착하기가 곤란하다. 본 발명의 실시예는 도 5 및 도 6을 참조하여 기술되어 있는 바와 같이 바아(예컨대, 인서트)를 수직 암나사 구멍과 함께 사용함으로써 이러한 문제점을 해결한다. 바아는 금속의 강도를 갖는 다른 부품에 나사 결합하기 위한 메카니즘을 제공한다.

다단 펌프에 관하여 기술하였지만, 본 발명의 실시예는 단단 펌프에도 채용될 수 있다. 도 23은 펌프(4000)용 펌프 조립체의 일 실시예를 보여주는 모식도이다. 펌프(4000)는 전술한 다단 펌프(100)의 하나의 단, 즉 토출 단과 유사할 수 있으며, 스텝 모터, 무브러시 DC 모터, 또는 그 밖의 모터에 의해 구동되는 롤링 다이어프램을 포함할 수 있다. 펌프(4000)는 펌프(4000)를 통과하는 여러 유로를 형성하고 펌프의 챔버를 적어도 부분적으로 형성하는 토출 블럭(4005)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 토출 블럭(4005)은 PTFE, 개질 PTFE, 또는 그 밖의 재료로 이루어진 일체형 블럭일 수 있다. 이러한 재료는 다수의 공정 유체와 반응하지 않거나 최소의 반응만을 나타내기 때문에, 이러한 재료를 사용하면 추가 하드웨어를 최소화하면서 유로 및 펌프 챔버를 토출 블럭(4005)에 직접 가공할 수 있게 된다. 따라서, 토출 블럭(4005)은 통합형 유체 매니폴드를 제공함으로써 배관에 대한 필요성을 줄인다.

토출 블럭(4005)은 복수 개의 외부 입구 및 출구, 예컨대 유체를 받아들이는 입구(4010)와, 유체를 퍼징/배출하기 위한 퍼지/배출 출구(4015), 그리고 토출 구간 동안에 유체가 토출되는 토출 출구(4020) 등을 포함할 수 있다. 도 23의 예에서는, 펌프가 단 하나의 챔버를 구비하기 때문에, 토출 블럭(4005)은 외부 퍼지 출구(4015)를 포함한다. Iraj Gashgaee가 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1760호) "O-링이 없는 슬림형 연결구와 그 조립(O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND ASSEMBLY THEREOF)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,667호와, 발명자 Iraj Gashgaee가 출원한(대리인 서류 제ENTG1760-1호) "O-링이 없는 슬림형 연결구와 연결구 조립(O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND FITTING ASSEMBLIES)"이란 명칭의 미국 특허 출원은, 토출 블럭(4005)의 외부 입구 및 출구를 유체 라인에 연결하는데 사용될 수 있는 연결구의 실시예를 기술하고 있으며, 이들 특허의 내용 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다.

토출 블럭(4005)은 유체를 입구로부터 [예컨대, 적어도 부분적으로 밸브 플레이트(4030)에 의해 형성되는] 유입 밸브로, 유입 밸브로부터 펌프 챔버로, 펌프 챔버로부터 퍼지/배출 밸브로, 그리고 펌프 챔버로부터 출구(4020)로 보낸다. 펌프 커버(4225)는 펌프 모터를 손상으로부터 보호할 수 있는 한편, 피스톤 하우징(4027)은 피스톤에 대한 보호를 제공할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 피스톤 하우징은 폴리에틸렌 또는 그 밖의 폴리머로 형성될 수 있다. 밸브 플레이트(4030)는 유체의 흐름을 펌프(4000)의 여러 부품으로 향하게 하도록 구성될 수 있는 밸브 시스템(예컨대, 유입 밸브와, 퍼지/배출 밸브)을 위한 밸브 하우징을 제공한다. 밸브 플레이트(4030)와 대응 밸브는 밸브 플레이트(230)와 관련하여 전술한 방식과 유사하게 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유입 밸브와 퍼지/배출 밸브 각각은 밸브 플레이트(4030)에 적어도 부분적으로 통합되며, 해당 다이어프램에 정압 혹은 부압이 인가되는가에 따라 개방되거나 폐쇄되는 다이어프램 밸브이다. 다른 실시예에서, 몇몇 밸브는 토출 블럭(4005)의 외부에 있거나, 추가적인 밸브 플레이트에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 밸브 플레이트(4030)와 토출 블럭(4005) 사이에 PTFE 시트를 개재하여 여러 밸브의 다이어프램을 형성한다. 밸브 플레이트(4030)는 해당 다이어프램에 정압 또는 부압을 인가하기 위해 밸브 각각에 대한 밸브 제어용 입구(도시 생략)를 포함한다.

다단 펌프(100)와 마찬가지로, 펌프(4000)는 유체 방울이 전자 기기를 수용하고 있는 펌프(4000)의 영역에 들어가는 방지하기 위한 몇몇 특징부를 포함할 수 있다. "방적 특징부"는 돌출 립, 경사부, 부품 간의 시일, 금속/폴리머 계면의 오프셋, 및 전자 기기를 액적으로부터 격리시키기 위한 전술한 다른 특징부를 포함할 수 있다. 전자 기기, 매니폴드 및 PCB 기판은 펌프 챔버 내의 유체에 열이 미치는 영향을 줄이도록 전술한 방식과 유사하게 구성될 수 있다.

따라서, 다단 펌프에서 폼 팩터를 줄이고 열의 영향을 줄이며 유체가 전자 기기의 하우징에 들어가는 것을 방지하는 데 사용되는 유사한 특징부가, 단단 펌프에도 사용될 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조로 하여 본원에 상세히 서술되었지만, 이러한 서술 내용이 단지 예로서 주어진 것이고 한정의 의미를 갖는 것으로 해석되지 않음은 물론이다. 따라서, 전술한 본 발명에 따른 실시예의 세부 사항에 있어서의 많은 변화와 본 발명의 추가적인 실시예가 본 명세서를 참조로 한 당업자에게 명백할 것이고, 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다. 이러한 모든 변화와 추가적인 실시예는 청구된 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려된다.

Claims

펌프 유입 유로;

펌프 유출 유로;

펌프 유입 유로와 유통하는 공급 펌프로서,

공급 챔버 내에서 움직일 수 있는 공급 단(段) 다이어프램;

상기 공급 단 다이어프램을 이동시키는 공급 피스톤;

공급 피스톤을 왕복 운동시키도록 공급 피스톤에 결합된 공급 모터;

상기 공급 챔버와 유통하는 공급 단 유출 유로;

토출 챔버와 유통하는 토출 단 유입 유로; 및

공급 단 펌프로부터 토출 펌프로 유동하는 유체가 필터를 통과하도록 공급 단 유출 유로 및 토출 단 유입 유로와 유통하는 필터

를 구비하고, 상기 공급 단 다이어프램은 공급 단 롤링 다이어프램인 것인 공급 펌프;

공급 펌프 및 펌프 유출 유로와 유통하는 토출 펌프로서,

토출 챔버 내에서 움직일 수 있는 토출 다이어프램;

토출 다이어프램을 이동시키는 토출 피스톤;

토출 피스톤을 왕복 운동시키도록 토출 피스톤에 결합된 토출 모터

를 구비하는 토출 펌프;

상기 공급 챔버의 적어도 일부와 상기 토출 챔버의 적어도 일부를 형성하는 일체형 재료로 이루어진 토출 블럭;

선택적으로 유체의 흐름이 다단 펌프를 통과할 수 있게 하는 밸브의 세트; 및

토출 챔버의 압력을 판독하도록 배치된 압력 센서;

를 포함하고, 상기 토출 다이어프램은 토출 롤링 다이어프램으로 구성되는 것인 다단 펌프.
제1항에 있어서, 상기 토출 챔버와 유통하는 퍼지 유로를 더 포함하는 다단 펌프.
제2항에 있어서, 펌프 유입 유로의 제1 부분은 입구와 유입 밸브 사이를 연통하고, 펌프 유입 유로의 제2 부분은 유입 밸브와 공급 챔버 사이를 연통하며;

공급 단 유출 유로의 제1 부분은 공급 챔버와 격리 밸브 사이를 연통하고, 공급 단 유출 유로의 제2 부분은 필터로 통하며;

토출 단 유입 유로의 제1 부분은 필터와 차단 밸브 사이를 연통하고, 토출 단 유입 유로의 제2 부분은 차단 밸브와 토출 챔버 사이를 연통하며;

배출 유로의 제1 부분은 필터와 배출 밸브 사이를 연통하고, 배출 유로의 제2 부분은 배출 밸브와 배출 출구 사이를 연통하며;

퍼지 유로의 제1 부분은 토출 챔버와 퍼지 밸브 사이를 연통하고, 퍼지 유로의 제2 부분은 퍼지 밸브와 공급 챔버 사이를 연통하는 것인 다단 펌프.
제3항에 있어서, 전자 기기 하우징;

이 전자 기기 하우징 내에 배치되는 매니폴드; 및

매니폴드와 연통하고 전자 기기 하우징을 통과하는 적어도 하나의 공급 라인

을 더 포함하고, 상기 매니폴드는 유입 밸브, 배출 밸브, 격리 밸브, 차단 밸브 및 퍼지 밸브와 유통하며, 상기 매니폴드는 하나 이상의 솔레노이드 밸브를 포함하는 것인 다단 펌프.
제4항에 있어서, 전자 기기 하우징의 일부분이 토출 블럭의 표면에 의해 형성되고, 매니폴드는 전자 기기 하우징에 있어서 토출 블럭의 표면으로부터 먼 위치에 배치되는 것인 다단 펌프.
제1항에 있어서, 다단 펌프는 전자 기기 하우징을 더 포함하고, 토출 블럭은 액적을 전자 기기 하우징으로부터 멀어지게 안내하는 경사부를 포함하는 것인 다단 펌프.
제6항에 있어서, 하나 이상의 커버를 더 포함하고, 하나 이상의 커버 각각의 수직 표면이 토출 블럭의 대응 수직 표면으로부터 안쪽으로 오프셋되어 있는 것인 다단 펌프.
제1항에 있어서, 상기 다단 펌프는 상기 토출 블럭에 연결되는 밸브 플레이트를 더 포함하고, 상기 밸브 플레이트는 유입 밸브, 격리 밸브, 차단 밸브, 퍼지 밸브 및 배출 밸브에 대한 밸브 챔버를 부분적으로 형성하는 것인, 다단 펌프.
펌프 유입 유로;

펌프 유출 유로;

펌프 유출 유로와 유통하는 토출 챔버의 적어도 일부분 및 펌프 유입 유로와 유통하는 공급 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 일체형 토출 블럭;

공급 챔버 및 토출 챔버와 유통하는 필터;

공급 챔버 내에서 움직일 수 있는 공급 단 다이어프램;

공급 단 다이어프램을 이동시키는 공급 피스톤;

공급 피스톤을 왕복 운동시키도록 공급 피스톤에 결합된 공급 모터;

토출 챔버 내에서 움직일 수 있는 토출 다이어프램;

토출 다이어프램을 이동시키는 토출 피스톤; 및

토출 피스톤을 왕복 운동시키도록 토출 피스톤에 결합된 토출 모터

를 포함하는 다단 펌프.
제9항에 있어서, 상기 토출 블럭은 펌프 유입 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 공급 단 유출 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 토출 단 유입 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 배출 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 퍼지 유로의 제1 부분 및 제2 부분, 그리고 펌프 유출 유로의 적어도 일부분을 더 형성하는 것인 다단 펌프.
제10항에 있어서, 펌프 유입 유로의 제1 부분은 입구와 유입 밸브 사이를 연통하고, 펌프 유입 유로의 제2 부분은 유입 밸브와 공급 챔버 사이를 연통하며;

공급 단 유출 유로의 제1 부분은 공급 챔버와 격리 밸브 사이를 연통하고, 공급 단 유출 유로의 제2 부분은 필터로 통하며;

토출 단 유입 유로의 제1 부분은 필터와 차단 밸브 사이를 연통하고, 토출 단 유입 유로의 제2 부분은 차단 밸브와 토출 챔버 사이를 연통하며;

배출 유로의 제1 부분은 필터와 배출 밸브 사이를 연통하고, 배출 유로의 제2 부분은 배출 밸브와 배출 출구 사이를 연통하며;

퍼지 유로의 제1 부분은 토출 챔버와 퍼지 밸브 사이를 연통하고, 퍼지 유로의 제2 부분은 퍼지 밸브와 공급 챔버 사이를 연통하는 것인 다단 펌프.
제11항에 있어서, 유입 밸브, 격리 밸브, 차단 밸브 및 퍼지 밸브용 밸브 챔버를 형성하는 토출 블럭과 밸브 플레이트 사이에 결합되는 엘라스토머 재료로 이루어진 시트를 더 포함하는 다단 펌프.
제9항에 있어서, 토출 챔버의 압력을 판독하도록 배치된 압력 센서를 더 포함하는 다단 펌프.
공급 챔버, 토출 챔버, 펌프 유입 유로 및 펌프 유출 유로를 적어도 부분적으로 형성하는 일체형 재료로 이루어진 토출 블럭을 형성하는 단계;

토출 블럭과 토출 펌프 피스톤 하우징 사이에 토출 롤링 다이어프램을 장착하는 단계;

토출 블럭과 공급 펌프 피스톤 하우징 사이에 공급 단 롤링 다이어프램을 장착하는 단계;

공급 펌프 리드 나사를 매개로 하여 공급 펌프 피스톤을 공급 펌프 모터에 결합하는 단계;

토출 펌프 리드 나사를 매개로 하여 토출 펌프 피스톤을 토출 펌프 모터에 결합하는 단계;

공급 모터를 공급 펌프 피스톤 하우징에 결합하는 단계;

토출 모터를 토출 펌프 피스톤 하우징에 결합하는 단계; 및

필터가 토출 챔버 및 공급 챔버와 유통하도록 필터를 토출 블럭에 결합하는 단계

를 포함하는 다단 펌프 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 토출 블럭은 펌프 유입 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 공급 단 유출 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 토출 단 유입 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 배출 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 퍼지 유로의 제1 부분 및 제2 부분, 그리고 펌프 유출 유로의 적어도 일부분을 더 형성하는 것인 다단 펌프 제조 방법.
제15항에 있어서, 펌프 유입 유로의 제1 부분은 입구와 유입 밸브 사이를 연통하고, 펌프 유입 유로의 제2 부분은 유입 밸브와 공급 챔버 사이를 연통하며;

공급 단 유출 유로의 제1 부분은 공급 챔버와 격리 밸브 사이를 연통하고, 공급 단 유출 유로의 제2 부분은 필터로 통하며;

토출 단 유입 유로의 제1 부분은 필터와 차단 밸브 사이를 연통하고, 토출 단 유입 유로의 제2 부분은 차단 밸브와 토출 챔버 사이를 연통하며;

배출 유로의 제1 부분은 필터와 배출 밸브 사이를 연통하고, 배출 유로의 제2 부분은 배출 밸브와 배출 출구 사이를 연통하며;

퍼지 유로의 제1 부분은 토출 챔버와 퍼지 밸브 사이를 연통하고, 퍼지 유로의 제2 부분은 퍼지 밸브와 공급 챔버 사이를 연통하는 것인 다단 펌프 제조 방법.
제16항에 있어서, 하나 이상의 밸브를 적어도 부분적으로 형성하는 밸브 플레이트를 토출 블럭에 결합하는 단계를 더 포함하는 다단 펌프 제조 방법.
제17항에 있어서, 상기 밸브 플레이트는 유입 밸브, 배출 밸브, 격리 밸브, 차단 밸브 및 퍼지 밸브를 부분적으로 형성하는 것인 다단 펌프 제조 방법.
제18항에 있어서, 유입 밸브, 배출 밸브, 격리 밸브, 차단 밸브 및 퍼지 밸브에 부압을 선택적으로 안내하는 단계를 더 포함하는 다단 펌프 제조 방법.
제14항에 있어서, 금속 로드의 세트를 나사 구멍을 이용하여 토출 블럭에 삽입하는 단계와, 하나 이상의 부품을 토출 블럭에 결합하도록 나사를 나사 구멍에 나사 결합하는 단계를 포함하고, 나사 구멍은 각 금속 로드가 금속 로드의 나사 구멍에 나사 결합되는 나사와 직각을 이루도록 정렬되는 것인 다단 펌프 제조 방법.
펌프 유입 유로;

펌프 유출 유로;

펌프 유출 유로 및 펌프 유입 유로와 유통하는 펌프 챔버의 적어도 일부분을 형성하는 일체형 토출 블럭;

상기 토출 블럭에 결합되는 밸브 플레이트;

상기 밸브 플레이트와 토출 블럭 사이에 결합되는 엘라스토머 재료로 이루어진 시트;

펌프 챔버 내에서 움직일 수 있는 다이어프램;

다이어프램을 이동시키는 피스톤; 및

피스톤을 왕복 운동시키도록 피스톤에 결합된 모터

를 포함하고, 상기 밸브 플레이트와 토출 블럭은 유입 밸브와 퍼지 밸브를 위한 밸브 챔버를 형성하는 것인 펌프.
제21항에 있어서, 상기 토출 블럭은 펌프 유입 유로의 제1 부분 및 제2 부분과, 퍼지 유로의 제1 부분 및 제2 부분, 그리고 펌프 유출 유로의 적어도 일부분을 더 형성하는 것인 펌프.
제22항에 있어서, 펌프 유입 유로의 제1 부분은 입구와 유입 밸브 사이를 연통하고, 펌프 유입 유로의 제2 부분은 유입 밸브와 펌프 챔버 사이를 연통하며;

퍼지 유로의 제1 부분은 펌프 챔버와 퍼지 밸브 사이를 연통하고, 퍼지 유로의 제2 부분은 퍼지 출구로 통하는 것인 펌프.
제21항에 있어서, 상기 펌프는 전자 기기 하우징을 더 포함하고, 토출 블럭은 액적을 전자 기기 하우징으로부터 멀어지게 안내하는 경사부를 포함하는 것인 펌프.
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