KR101360406B1 - 경사 캠, 및 이를 구비한 플런저 펌프 - Google Patents

Abstract

소음과 진동이 줄어들도록 개선된 경사 캠을 구비한 플런저 펌프와, 이에 구비되는 경사 캠이 개시된다. 플런저 펌프에 구비된 경사 캠은, 경사 캠이 회전함에 따라 플런저 접촉면에 접촉된 플런저가 승강하는 변위는 사이클로이드 곡선(cycloid curve)을 따르도록 플런저 접촉면의 형상이 형성된다.

Description

경사 캠, 및 이를 구비한 플런저 펌프{Inclined cam and plunger pump with the same}

본 발명은, 예컨대 소형 방제기(small-sized sprayer)에 사용되는, 유체를 고압 송출할 수 있는 플런저 펌프에 관한 것이다.

축사 소독, 농약 살포, 국소 지역 방제 등의 용도로, 휴대할 수 있는 소형 고압 방제기가 필요하며, 이러한 소형 고압 방제기에는 유체를 고압 송출할 수 있는 소형의 플런저 펌프(plunger pump)가 구비된다. 여기서 고압이라 함은 대략 80bar 이상의 압력으로 정의될 수 있다.

플런저 펌프의 유체 송출 압력을 높이기 위해서는 복수의 플런저를 교번하여 빠르게 승강시켜주는 수단이 필요하며, 이를 구현하기 위하여 원판형태의 경사 캠(cam)이 사용될 수 있다. 그런데, 현재 플런저 펌프에 구비된 경사 캠은 편평한 표면을 갖는 원판을 단순히 기울여 사용하는 수준이어서, 소위 '저어크(jerk) 현상' 이라 불리는, 충격에 의한 소음과 진동이 심하게 발생하였다.

본 발명은, 소음과 진동이 줄어들도록 개선된 경사 캠과, 이를 구비한 플런저 펌프를 제공한다.

또한, 본 발명은 휴대 가능한 소형 방제기에 사용할 수 있도록 경량화되고, 피로 파괴가 방지되고 내구성이 향상된 경사 캠과, 이를 구비한 플런저 펌프를 제공한다.

본 발명은, 플런저 펌프에 구비되어 동력 회전하며, 적어도 하나의 플런저(plunger)를 승강시키도록 회전축에 대해 경사진 플런저 접촉면을 구비하는 경사 캠에 있어서, 상기 경사 캠이 회전함에 따라 상기 플런저 접촉면에 접촉된 플런저가 승강하는 변위는 사이클로이드 곡선(cycloid curve)을 따르도록 상기 플런저 접촉면의 형상이 형성되는 경사 캠을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 경사 캠, 상기 경사 캠의 회전축과 이격되어 상기 플런저 접촉면에 접촉되도록 탄성 바이어스(bias)되어, 상기 경사 캠이 회전함에 따라 승강하는 적어도 하나의 플런저(plunger), 상기 적어도 하나의 플런저를 지지하는 플런저 지지판, 상기 플런저 지지판에 고정되고, 상기 적어도 하나의 플런저가 승강함에 따라 외부에서 유입되는 유체를 가압하는 펌프실(pump chamber), 외부로부터 유입되는 유체를 상기 펌프실로 유도하는 유입관, 및 상기 펌프실에서 가압된 유체를 외부로 배출하는 유출관을 구비하는 플런저 펌프를 제공한다.

본 발명의 경사 캠은, 상기 플런저 접촉면이 상측면이 되도록 경사진 경사판과, 상기 경사판의 강성을 보강하기 위하여 상기 경사판의 외주변에 연결된 외주 리브(rib)를 구비하고, 상기 플런저 접촉면의 이면(裏面)에는 상기 경사판과 상기 외주 리브에 의해 오목홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 경사 캠은, 상기 플런저 접촉면의 이면에 상기 경사판의 강성을 보강하기 위한 내측 리브(rib)를 더 구비할 수 있다.

상기 경사 캠의 외주 경계는 원형일 수 있다.

상기 경사판 외주변의 높이의 중간 높이보다 낮은 경사판 외주변 부분에 연결된 외주 리브는 상기 경사판 외주변 부분보다 높게 돌출될 수 있다.

상기 플런저와 상기 경사 캠의 접촉 마찰을 줄이기 위하여, 상기 플런저는 상기 플런저 접촉면에 접촉되는 말단부에 롤러(roller)를 구비하고, 상기 경사 캠과 상기 롤러는 탄소강으로 형성될 수 있다.

본 발명의 플런저 펌프에 의하면, 플런저 접촉면의 프로파일(profile)이 사이클로이드 곡선을 따르도록 설계되어, 소위 저어크 현상이 발생하지 않는다. 따라서, 작동 소음과 진동이 줄어들고, 펌프 부품의 피로 파괴가 방지되고 내구성이 향상된다.

또한, 경사 캠을 구조 강성을 약화시키지 않는 범위 내에서 경량화 설계하여 플런저 펌프 자체를 경량화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플런저 펌프를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 플런저 펌프에서 유체 입출구 케이스 및 보디 하우징을 제거한 형상을 도시한 측면도이다.
도 3 및 도 4는 경사 캠을 각각 다른 방향에서 보고 도시한 사시도이다.
도 5는 플런저 조립체의 일부 분해 사시도이다.
도 6은 도 3의 플런저 접촉면에 대한 수치해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1의 펌프실(pump chamber)를 도시한 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 경사 캠과, 이를 구비한 플런저 펌프를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플런저 펌프를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 플런저 펌프에서 유체 입출구 케이스 및 보디 하우징을 제거한 형상을 도시한 측면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플런저 펌프(10)는, 모터(11), 감속기(20), 보디 하우징(37) 내부의 경사 캠(50)과 플런저 조립체(60), 펌프실(80), 및 유체 입출 케이스(110)를 구비한다. 모터(11)는 플런저 펌프(10)의 하부에 배치되고, 모터(11)의 샤프트(미도시)의 회전 속도는 감속기(20)에 의해 감속된다. 모터(11)의 샤프트에는 방열팬(14)이 회전 가능하게 연결되어 상기 모터 샤프트가 회전할 때 모터(11)를 향해 송풍하여 과열을 방지한다.

도 3 및 도 4는 경사 캠을 각각 다른 방향에서 보고 도시한 사시도이다. 도 1 내지 도 4을 참조하면, 감속기(20)의 샤프트는 보디 하우징(37)을 관통하여 내부의 경사 캠(50)의 샤프트 연결 통공(51)에 체결된다. 베어링(40)은 상기 감속기 샤프트를 보디 하우징(37) 내부에서 회전 가능하게 지지한다. 경사 캠(50)은 대체로 원형이고 중앙에 샤프트 연결 통공(51)이 형성된 원반 형상의 부재로서, 모터(11)의 동력에 의해 샤프트 연결 통공(51)을 관통하는 회전축(S)을 중심으로 회전한다.

경사 캠(50)은 경사판(53), 외주 리브(rib)(56), 및 내측 리브(59)를 구비한다. 경사판(53)의 상측면은 3개의 플런저(65)가 접촉되는 플런저 접촉면(55)으로서, 회전축(S)에 대해 비스듬히 경사져 있다. 경사 캠(50)이 고속 회전할 때 3개의 플런저(65)가 경사 캠(50)과 연속적으로 충돌하여 그 충격이 경사판(53)에 전달되므로, 경사판(53)의 강성을 보강하기 위하여 외주 리브(56)가 경사판(53)의 외주변에 연결된다. 또한, 경사판(53)의 플런저 접촉면(55)의 이면(裏面)에도 경사판(53)의 강성을 보강하기 위한 복수의 내측 리브(59)가 마련된다. 복수의 내측 리브(59)는 샤프트 연결 통공(51)의 주변부에서 방사 방향으로 연장된다. 이에 따라, 플런저 접촉면(55)의 이면(裏面)에는 경사판(53), 외주 리브(56), 및 내측 리브(59)에 의해 한정되는 오목홈이 형성된다.

이와 같은 경사 캠(50)의 형상은 오목홈이 없이 외주 리브(56)의 높이에 대응되는 두께를 가진 원반 형태의 경사 캠과 비교하여 강성을 약화시키지 않으면서도 무게를 크게 줄일 수 있다. 경사 캠(50)은 예컨대, 탄소강, 보다 구체적으로는 스테인레스스틸을 소재로 하여 형성될 수 있고, 플런저 접촉면(55)에는 마찰 저감 및 내마모성 향상을 위하여 크롬(Cr) 도금층이 형성될 수 있다.

경사 캠(50)은 고속 회전시 관성 모멘트를 줄이기 위하여 상술한 바와 같이 외주 경계를 원형으로 형성한다. 그럼에도 불구하고, 경사판(53)이 회전축(S)에 대해 경사져 있기 때문에 고속 회전시 관성 모멘트가 크게 발생하고, 이로 인해 플런저 펌프(10) 작동시 진동과 소음이 확대될 수 있고, 경사 캠(50)의 회전 성능도 저하될 수 있다. 따라서, 경사판(53)의 외주변의 높이의 중간 높이보다 낮은 경사판(53)의 외주변 부분에 연결된 외주 리브(58)는 상기 중간 높이보다 낮은 경사판(53)의 외주변 부분보다 높게 돌출된다. 도 3을 참조하여 예를 들면, 이점 쇄선이 기울어진 경사판(53)의 중간 높이 지점을 연결한 가상의 선이고, 상기 이점 쇄선과 경사판(53)의 외주변이 만나는 지점(HM)이 중간 높이의 경사판 외주변 지점이다. 이 지점보다 낮은 경사판 외주변 부분에 연결된 외주 리브(58)가 상향 돌출된다. 상기 상향 돌출된 외주 리브(58)로 인해 경사 캠(50)의 편심이 완화되어 회전시 관성 모멘트가 줄어든다.

도 5는 플런저 조립체의 일부 분해 사시도이다. 도 2, 도 3, 및 도 5를 참조하면, 플런저 조립체(60)는 3개의 플런저(65)와, 플런저 지지판(61)을 구비한다. 플런저 지지판(61)은 보디 하우징(37)의 상측 개구를 폐쇄하며 보디 하우징(37)에 결합 지지된다. 플런저 지지판(61)에는 3개의 플런저 장착부(63)가 마련되며, 각 플런저 장착부(63)에 플런저(65)가 하나씩 장착 지지된다.

플런저(65)는 상하 방향으로 연장되며 상기 플런저 장착부(63)에 승강 가능하게 탑재되는 로드(rod)(66)와, 상기 로드(66)에 끼워져 로드(66)의 하단부를 경사 캠(50)의 플런저 접촉면(55)에 접촉되도록 탄성 가압하는 스프링(spring)(74)을 구비한다. 플런저(65)와 상기 플런저 접촉면(55) 간의 접촉 마찰을 줄이기 위하여 플런저(65)의 하측 말단부에는 자유 회전 가능한 롤러(roller)(70)가 구비된다.

플런저(65) 하측 말단의 롤러(70)가 플런저 접촉면(55)의 일 부분에 의해 위로 가압되면 플런저(65)의 상측 말단부(72)가 플런저 지지판(61)의 위로 돌출되고, 경사 캠(50)의 회전으로 상기 플런저 접촉면(55)의 일 부분보다 높이가 낮은 다른 일 부분이 롤러(70) 아래로 오면 스프링(74)에 의해 플런저(65)가 아래로 탄성 바이어스되어 상기 플런저(65)의 상측 말단부(72)는 하강한다. 경사 캠(50)이 고속으로 회전하는 동안 롤러(70)가 수없이 플런저 접촉면(55)에 밀려 상승하고 스프링(74)의 탄성력에 의해 하강하며, 롤러(70)와 플런저 접촉면(55)의 충돌로 인한 소음과 진동이 발생한다.

서로 접촉하는 롤러(70)와 경사 캠(50)은 탄소강, 더욱 구체적으로 예를 들면 스테인레스스틸 소재로 형성된다. 플런저(56)와 플런저 접촉면(55) 간의 접촉 충격으로 인한 내구성 약화를 억제하기 위하여 플런저(56)의 표면과 플런저 접촉면(55)은 크롬(Cr) 도금 처리될 수 있다.

종래의 플런저 펌프에서는 평면을 기울인 경사면을 경사 캠의 플런저 접촉면으로 사용하였다. 이에 따라 경사 캠이 고속의 등각속도로 회전할 때 한바퀴, 즉 360° 회전 시 0° 와 180° 에서 가속도의 미분값이 무한대로 발산한다. 가속도의 미분값은 관성력의 시간에 따른 변화율의 척도이며 충격의 정도를 나타낸다. 기계 요소에 가해지는 충격은 소음을 일으키며 표면의 마모나 연관된 부품에 피로를 유발시켜 기계의 수명을 단출시킨다. 이러한 현상을 '저어크(jerk)' 라고 한다. 따라서, 경사 캠을 설계함에 있어 특히 고속의 경우 저어크가 발생하지 않도록 설계하여야 진동 및 소음을 줄일 수 있으며 기계의 피로 파괴를 방지할 수 있고, 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 경사 캠(50)에서는 플런저 접촉면(55)의 프로파일(profile)이 사이클로이드 곡선(cycloid curve)를 따르도록 플런저 접촉면(55)의 형상을 형성한다. 구체적으로, 플런저 접촉면(55)의 프로파일은 경사 캠(50)이 회전함에 따라 플런저 접촉면(55)에 접촉된 플런저(65)가 승강하는 변위와 같으며, 기준 지점으로부터의 각도를 가로 좌표로 지정하고, 플런저(65)의 승강 높이를 세로 좌표로 지정하여 플로팅(plotting)하여 나타낼 수 있다. 여기서, 사이클로이드 곡선이란 원판 위의 특정 점을 기준으로 하고, 이 원판이 평면 위를 굴러갈 때 상기 원판 위의 특정 점이 그리는 곡선을 의미한다.

도 6은 도 3의 플런저 접촉면에 대한 수치해석 결과를 나타낸 그래프로서, 경사 캠(50)의 반바퀴 회전 시(β=180°) 나타나는 결과이다. 도 6을 참조하면, 플런저 접촉면의 프로파일이 사이클로이드 곡선인 때 저어크의 크기가 유한하며, 이는 저어크가 무한대로 발산하는 종래의 경우보다 크게 개선되어 실제 플런저 펌프(10)(도 1 참조)의 작동 소음과 진동이 크게 줄어들 것임을 예측 가능케 한다. 도 6의 그래프에서, 'displacement'는 플런저(65)와 접촉되는 플런저 접촉면(55)의 일 지점의 높이(level)로서 사이클로이드 곡선을 따르며, 'velocity' 는 플런저(65)와 접촉되는 플런저 접촉면(55)의 일 지점의 속도이고, 'acceleration' 은 플런저(65)와 접촉되는 플런저 접촉면(55)의 일 지점의 가속도이며, 'jerk' 는 플런저(65)와 접촉되는 플런저 접촉면(55)의 일 지점의 가속도 미분값이다.

도 7은 도 1의 펌프실(pump chamber)를 도시한 사시도이다. 도 1, 도 2, 및 도 7을 참조하면, 플런저 펌프(10)는 펌프실(80)과, 유입관(112)과 유출관(115)을 구비한 유체 입출 케이스(110)를 더 구비한다. 펌프실(80)은 플런저 지지판(61)의 상측에 고정되며, 3개의 플런저(65)가 승강함에 따라 유입관(112)을 통해 외부에서 펌프실(80) 내부로 유입된 유체를 가압한다. 유체 입출 케이스(11)는 펌프실(80) 상측에 고정된다. 유입관(112)을 통해서는 외부로부터 유체가 유입되고, 유출관(115)을 통해서는 펌프실(80)에서 가압된 유체가 외부로 배출된다. 유체는 예컨대, 농약, 소독약, 물 등일 수 있다.

구체적으로, 펌프실(80)은 대략 삼각 기둥 형상의 밸브 하우징(81), 3개의 유입 방향 원웨이 밸브(one-way valve)(90), 3개의 유출 방향 원웨이 밸브(95), 및 오리피스(105)를 구비한다. 밸브 하우징(81)의 상측면은 삼각형을 따라 돌출된 격벽(82)에 의하여 격벽(82) 바깥의 유입부 채널(channel)(85)과, 격벽(82) 내측의 유출부 채널(86)로 분리된다. 유입부 채널(85)에 상기 3개의 유입 방향 원웨이 밸브(90)가 3개의 플런저(65)와 상하 방향으로 정렬되게 배치된다. 유출부 채널(90)에는 상기 3개의 유출 방향 원웨이 밸브(95)가 배치된다. 상기 오리피스(105)는 유출부 채널(86) 위에 탑재되고, 유출관(115)과 연결된다.

플런저 펌프(1) 외부의 탱크(미도시)에 수용된 유체는 유입관(112)을 통해 유입부 채널(85)로 유입되고, 3개의 유입 방향 원웨이 밸브(90)를 통과하여 펌프실(80) 내부로 유입된다. 펌프실(80) 내부에서 3개의 플런저(65)의 상측 말단부(72)(도 5 참조)가 교번하여 승강하며 유체를 가압하고, 가압된 유체는 3개의 유출 방향 원웨이 밸브(95)를 통과하여 유출부 채널(86)로 이동한다. 상기 플런저(65)의 상측 말단부(72)가 하강하면 상기 유입 방향 원웨이 밸브(90)가 개방되고 상기 유출 방향 원웨이 밸브(95)를 폐쇄되며, 상기 상측 말단부(72)가 상승하면 상기 유입 방향 원웨이 밸브(90)는 폐쇄되고 상기 유출 방향 원웨이 밸브(95)는 개방된다.

유출부 채널(86)로 이동한 고압의 유체는 오리피스(105)를 통과하고 유출관(115)을 통해 배출된다. 3개의 플런저(65)가 일정 간격을 두고 순차적으로 상승할 때마다 유체가 압축되므로 압축되는 유출되는 고압 유체에는 맥동압(pulsatile pressure)이 형성되는데, 오리피스(105)는 이 맥동압을 저감시킨다.

맥동압을 감소시켜 유출관(115)을 통해 송출되는 고압 유체의 유량을 균일하게 유지하기 위해 플런저 펌프(10)는 공기실(air chamber)(120)를 더 구비한다. 맥동압의 최저 압력과 최대 압력 간 압력 변동이 적을수록 공기실(120) 내부의 공기 수용 용적이 커져야 한다. 작업자는 다이얼(118)을 돌려 공기실(121) 내부의 공기 수용 용적을 조절함으로써 맥동압을 줄일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 플런저 펌프 11: 모터
20: 감속기 50: 경사 캠
53: 경사판 55: 플런저 접촉면
56: 외주 리브 65: 플런저
70: 롤러 80: 펌프실
112: 유입관 115: 유출관

Claims (7)

1. 플런저 펌프에 구비되어 동력 회전하며, 적어도 하나의 플런저(plunger)를 승강시키도록 회전축에 대해 경사진 플런저 접촉면을 구비하는 경사 캠에 있어서,
   상기 경사 캠이 회전함에 따라 상기 플런저 접촉면에 접촉된 플런저가 승강하는 변위는 사이클로이드 곡선(cycloid curve)을 따르도록 상기 플런저 접촉면의 형상이 형성되는 것을 특징으로 하는 경사 캠.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 경사 캠은, 상기 플런저 접촉면이 상측면이 되도록 경사진 경사판과, 상기 경사판의 강성을 보강하기 위하여 상기 경사판의 외주변에 연결된 외주 리브(rib)를 구비하고,
   상기 플런저 접촉면의 이면(裏面)에는 상기 경사판과 상기 외주 리브에 의해 오목홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 경사 캠.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 플런저 접촉면의 이면에 상기 경사판의 강성을 보강하기 위한 내측 리브(rib)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 경사 캠.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 경사 캠의 외주 경계는 원형인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 경사 캠.
5. 제2 항에 있어서,
   상기 경사판 외주변의 높이의 중간 높이보다 낮은 경사판 외주변 부분에 연결된 외주 리브는 상기 경사판 외주변 부분보다 높게 돌출된 것을 특징으로 하는 경사 캠.
6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항의 경사 캠;
   상기 경사 캠의 회전축과 이격되어 상기 플런저 접촉면에 접촉되도록 탄성 바이어스(bias)되어, 상기 경사 캠이 회전함에 따라 승강하는 적어도 하나의 플런저(plunger);
   상기 적어도 하나의 플런저를 지지하는 플런저 지지판;
   상기 플런저 지지판에 고정되고, 상기 적어도 하나의 플런저가 승강함에 따라 외부에서 유입되는 유체를 가압하는 펌프실(pump chamber);
   외부로부터 유입되는 유체를 상기 펌프실로 유도하는 유입관; 및,
   상기 펌프실에서 가압된 유체를 외부로 배출하는 유출관;을 구비하는 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 플런저와 상기 경사 캠의 접촉 마찰을 줄이기 위하여, 상기 플런저는 상기 플런저 접촉면에 접촉되는 말단부에 롤러(roller)를 구비하고,
   상기 경사 캠과 상기 롤러는 탄소강으로 형성된 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
   

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