KR101501264B1

KR101501264B1 - 주입 압력의 다단 가변형 왕복펌프

Info

Publication number: KR101501264B1
Application number: KR20130138846A
Authority: KR
Inventors: 이주형; 정재형; 이장근
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-03-12

Abstract

본 발명은 별도의 가진장치를 구비하지 않고서도 메인 피스톤이 왕복 운동하는 메인 실린더의 내부를 다단 형태로 구성함으로써, 왕복펌프에서 가해지는 압력의 크기를 주기적으로 변화시킬 수 있는 주입 압력의 다단 가변형 왕복펌프에 관한 것이다.

Description

주입 압력의 다단 가변형 왕복펌프{Reciprocating Pump}

본 발명은 메인 피스톤이 왕복하면서 펌프의 양측으로 압력을 가하는 왕복펌프에 관한 것으로서, 구체적으로는 피스톤의 왕복 운동에 의해 주입재의 연속적인 토출이 가능하며, 별도의 가진장치를 구비하지 않고서도 메인 피스톤이 왕복 운동하는 메인 실린더의 내부를 다단 형태로 구성함으로써, 왕복펌프에서 가해지는 압력의 크기를 주기적으로 변화시킬 수 있는 주입 압력의 다단 가변형 왕복펌프에 관한 것이다.

피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동하면서 실린더의 양측으로 압력을 가하는 왕복펌프의 일예가 대한민국 등록특허 제10-1053856호에 개시되어 있다. 종래의 왕복펌프는 실린더의 내부를 피스톤이 왕복운동하면서, 실린더의 양측으로부터 실린더의 외부로 압력이 가해지도록 하는 구성을 가지고 있다. 이러한 왕복펌프는, 균열이나 공동(空洞)을 메우기 위하여 시멘트 모르타르, 페이스트, 현탁액 등의 그라우트재(주입재)를 가압 주입하는데 이용되고 있다.

이러한 그라우트재의 주입에 의한 그라우팅 작업을 수행함에 있어서, 일정한 압력으로 그라우트재를 주입하는 방식을 이용할 수도 있다. 이렇게 주입압력을 주기적으로 변화시키는 경우, 일정한 압력으로 그라우트재를 주입하는 방식에 비해 주입 대상 지반의 조건이나 주입재의 종류에 따라 주입 시간을 단축시키거나 주입 효율을 높일 수 있다고 보고되고 있다. 그렇지만, 종래의 왕복펌프는, 피스톤이 실린더의 내부를 왕복운동하면서 일정한 압력만을 발생시키게 되므로, 종래의 왕복펌프를 이용하되 펌프로부터 가해지는 주입 압력을 주기적으로 변화시키기 위해서는, 가진장치와 같은 별도의 압력 변화장치를 추가적으로 이용하여야만 하는 단점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1053856호(2011. 08. 03. 공고) 참조.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 발생 압력을 주기적으로 변화시킬 필요가 있는 경우 즉, 예를 들면 주입압력을 주기적으로 변화시키면서 그라우트재를 주입하는 방식으로 그라우팅 작업을 수행하여야 할 필요가 있는 경우에도 가진장치와 같은 별도의 압력 변화장치를 이용하지 않고서도, 발생 압력을 주기적으로 변화시킬 수 있는 왕복펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

더 나아가 본 발명은, 발생 압력을 주기적으로 변화시키되 그 변화가 단계적으로 이루어지도록 하는 왕복펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 왕복펌프는 원통형의 메인 실린더와, 상기 메인 실린더 내에서 메인 실린더의 단면을 폐쇄한 상태로 길이 방향으로 왕복운동하는 메인 피스톤과, 상기 메인 피스톤의 양면에 각각 일체로 구비되어 있는 가변단면 보조 피스톤과, 상기 가변단면 보조 피스톤 각각에서 길이 방향으로 길게 연장되어서 그라우트재와 같이 피가압물을 직접 가압하게 되는 가압 피스톤을 포함하며; 메인 실린더 내에는 상기 가변단면 보조 피스톤의 형상에 맞추어서 계단식으로 메인 실린더의 단면이 길이 방향 양단으로 갈수록 좁아지게 만드는 다단 가변 단면부가 구비되어 있는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 왕복펌프가 제공된다.
이러한 본 발명에 있어서, 상기 다단 가변 단면부는 메인 실린더의 내부 단면 형상에 맞추어서 원형 단면을 가지는 부재로 구성되며; 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)의 중앙에는 각각 메인 실린더의 종방향 양단으로 갈수록 그 내경이 계단식으로 좁아지는 중앙 관통부가 형성되어 있으며; 상기 가변단면 보조 피스톤은 다단 가변 단면부의 상기 중앙 관통부의 단차 부분에 대응되는 형상의 단차를 가지고 있는 구성을 가질 수 있으며, 더 나아가 상기 다단 가변 단면부에는 각각 다단 가변 단면부와 메인 피스톤 사이에 만들어지는 공간으로 가압된 작동유체를 주입하기 위한 주입경로가 각각 형성되어 있으며; 상기 다단 가변 단면부에는 각각 다단 가변 단면부와 메인 피스톤 사이에 만들어지는 공간으로부터 작동유체를 배출하기 위한 배출경로가 각각 형성되어 있는 구성을 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 왕복펌프에 의하면, 가압력은 시간에 따라 펄스 형태로 가변되는 형태를 보이게 되므로, 가진장치와 같은 별도의 압력 변화장치를 이용하지 않고서도, 피가압물에 작용하는 가압력을 주기적으로 변화시킬 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

도 1은 본 발명에 따른 왕복펌프의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 왕복펌프에 대한 선 A-A에 따른 개략적인 반단면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 왕복펌프의 도 2에 대응되는 개략적인 반단면 사시도이다.
도 4 내지 도 8은 각각 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 왕복펌프에서 메인 피스톤이 왕복운동하여 압력을 발생시키는 과정을 보여주는 개략적인 단면사시도이다.
도 9는 본 발명의 왕복펌프에서 토출관의 피가압물에 작용하는 가압력(토출압력)의 시간에 따른 변화를 보여주는 그래프도이다.
도 10은 중앙 관통부와 가변단면 보조 피스톤이 복수개의 단차를 가지는 다단 형상을 가지는 도 3에 도시된 실시예에 따른 왕복펌프에서, 각각의 가변단면 보조 피스톤의 단차부가 중앙 관통부의 직경이 다른 부분을 빠져나올 때의 상태를 보여주는 개략적인 단면사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 왕복펌프(100)의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 왕복펌프(100)에 대한 선 A-A에 따른 개략적인 반단면 사시도이다. 도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 왕복펌프(100)의 도 2에 대응되는 개략적인 반단면 사시도이다.

도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 왕복펌프(100)는 원통형의 메인 실린더(1)와, 상기 메인 실린더(1) 내에서 메인 실린더(1)의 단면을 폐쇄한 상태로 길이 방향으로 왕복운동하는 메인 피스톤(2)과, 상기 메인 피스톤(2)의 양면에 각각 일체로 구비되어 있는 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)과, 상기 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b) 각각에서 길이 방향으로 길게 연장되어서 그라우트재와 같이 피가압물을 직접 가압하게 되는 가압 피스톤(4a, 4b)을 포함하며, 상기 메인 실린더(1) 내에는 상기 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)의 형상에 맞추어서 계단식으로 메인 실린더(1)의 단면이 길이 방향 양단으로 갈수록 좁아지게 만드는 다단 가변 단면부(5a, 5b)가 구비되어 있는 구성을 가진다.

구체적으로 메인 실린더(1)는 원통형상의 부재로서, 연장되어 있는 길이방향(편의상 "종방향"이라고 칭한다)의 양쪽 외측면에는 압력이 토출되는 토출관(11a, 11b)이 각각 연결되어 있다. 상기 토출관(11a, 11b)으로는 왕복펌프(100)의 작동에 의해 압력을 받아 펌핑될 피가압물(예를 들면, 그라우트재 등)이 존재한다.

상기 메인 실린더(1)의 내부에서 종방향의 양단에는 다단 가변 단면부(5a, 5b)가 설치되어 있다. 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)는 메인 실린더(1)의 내부 단면 형상에 맞추어서 원형 단면을 가지는 부재인데, 중앙에는 메인 실린더(1)의 종방향 양단으로 갈수록 그 내경이 계단식으로 좁아지는 중앙 관통부(50)가 존재한다. 즉, 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)는 원기둥 형태의 부재로서 그 중앙에는 중앙 관통부(50)가 형성되어 있는데, 상기 중앙 관통부(50)는 메인 실린더(1)의 종방향 양단으로 갈수록 그 직경이 계단식으로 좁아지는 형상을 가지는 것이다. 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)의 중앙 관통부(50)에서 가장 직경이 작은 부분의 내경은, 토출관(11a, 11b)이 연결되도록 메인 실린더(1)의 길이 방향 양쪽 외측면에 각각 형성된 연통공의 내경과 동일하며, 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)는, 중앙 관통부(50)에서 가장 직경이 작은 부분이 상기 연통공을 통해서 토출관(11a, 11b)과 연통되도록, 메인 실린더(1)의 단부 내측면에 밀착하여 존재한다. 도 2에 도시된 실시예의 경우, 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)는 중앙 관통부(50)가 2개의 서로 다른 내경을 가지는 부분을 가지도록 2단 형태로 이루어져 있으나, 3단 내지 그 이상의 다단으로 형성될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 실시예처럼, 중앙 관통부(50)가 서로 다른 3개의 내경을 가지는 3단 형태로 이루어질 수도 있는 것이며, 4단 내지 그 이상 갯수의 다단으로 형성될 수도 있는 것이다. 그리고 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)가 메인 실린더(1)와 별도의 부재로 이루어져 메인 실린더(1)의 내부에 배치되는 형태로 도시되어 있으나, 메인 실린더(1)를 가공하여 형성할 때, 다단 가변 단면부(5a, 5b)가 메인 실린더(1) 내부에 일체로 만들어지도록 할 수도 있다. 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)의 중앙 관통부(50)에서 각각 내경이 좁아진 부분 즉, 중앙 관통부(50)의 내면에는 각각 밀봉을 위한 밀봉링(R)이 구비되어 있다. 그리고 다단 가변 단면부(5a, 5b)에서 중앙 관통부(50)에서 내경이 좁아지는 부분의 단턱부에는, 외부와 연통되어 부압 발생을 방지하는 부압방지 튜브(V)가 연통되어 연결되어 있다.

상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)에는 각각 다단 가변 단면부(5a, 5b)와 메인 피스톤(2) 사이에 만들어지는 공간으로 가압된 작동유체를 주입하기 위한 주입경로(8a, 8b)가 각각 형성되어 있으며, 상기 주입경로(8a, 8b)는 각각 작동유체 주입관(6)과 연결되어 있다. 물론 메인 실린더(1)에는 상기 주입경로(8a, 8b)와 연통되는 구멍이 형성되어 있어서, 상기 작동유체 주입관(6)은 상기 메인 실린더(1)에 형성된 구멍을 통해서 상기 주입경로(8a, 8b)와 연결된다.

또한 상기 다단 가변 단면부(5a, 5b)에는 각각 다단 가변 단면부(5a, 5b)와 메인 피스톤(2) 사이에 만들어지는 공간으로부터 작동유체를 배출하기 위한 배출경로(9a, 9b)가 각각 형성되어 있으며, 상기 배출경로(9a, 9b)는 각각 작동유체 배출관(7)과 연결되어 있다. 물론 메인 실린더(1)에는 상기 배출경로(9a, 9b)와 연통되는 구멍이 형성되어 있어서, 상기 작동유체 배출관(7)은 상기 메인 실린더(1)에 형성된 구멍을 통해서 상기 배출경로(9a, 9b)와 연결된다.

상기 메인 실린더(1) 내에는 메인 피스톤(2)이 존재하는데, 상기 메인 피스톤(2)은 메인 실린더(1)의 단면을 폐쇄하도록 원형 단면을 가지는 부재로서, 상기 메인 실린더(1) 내에서 길이 방향으로 왕복운동하게 된다. 상기 메인 피스톤(2)의 측면에는 메인 실린더(1)의 내벽 사이의 밀봉을 위하여 밀봉링(R)이 구비된다.

상기 메인 피스톤(2)의 양면 즉, 길이 방향의 양면에는 각각 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)이 구비되어 있고, 상기 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b) 각각에서 길이 방향으로 길게 연장되어 가압 피스톤(4a, 4b)이 일체로 구비되어 있다. 상기 가압 피스톤(4a, 4b)은 원기둥 형상의 부재로서, 상기 가압 피스톤(4a, 4b)은 상기 중앙 관통부(50)에서 가장 직경이 작은 부분에 끼워져서 연통공을 지나 토출관(11a, 11b)에 끼워져 있으며, 상기 토출관(11a, 11b)에 끼워진 가압 피스톤(4a, 4b)의 단부면이 피가압물을 가압하여 밀어내게 된다. 이와 같이 가압 피스톤(4a, 4b)이 상기 중앙 관통부(50)의 중앙 관통부(50)에서 가장 직경이 작은 부분에 끼워지므로, 상기 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)은 다단 가변 단면부(5a, 5b)의 상기 중앙 관통부(50)에서 가장 직경이 작은 부분을 제외한 단차 부분에 대응되는 형상의 단차를 가지고 있다. 즉, 도 2에 예시된 실시예에서는 중앙 관통부(50)가 2개의 서로 다른 내경을 가지는 부분을 가지도록 2단 형태로 이루어져 있으므로, 상기 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)은 중앙 관통부(50)의 제1단에 끼워지도록 단순한 원기둥 형태로만 이루어져 있으모, 상기 중앙 관통부(50)의 제2단 즉, 가장 작은 직경을 가진 부분에는 가압 피스톤(4a, 4b)이 끼워진다. 그러나 도 3에 예시된 실시예처럼 중앙 관통부(50)가 3개의 서로 다른 내경을 가지는 부분을 가지도록 3단 형태로 이루어져 있는 경우, 상기 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)은 상기 메인 실린더(1)의 길이 방향 단부로 갈수록 그 외경이 줄어드는 형태로 중앙 관통부(50)의 2개 단에 대응되는 형상의 단차를 가지게 된다. 그리고 도 3에 예시된 실시예의 경우에도, 다단 가변 단면부(5a, 5b)에서 중앙 관통부(50)에서 내경이 좁아지는 부분의 각 단턱부에, 외부와 연통되어 부압 발생을 방지하는 부압방지 튜브(V)가 형성되어 있다.

도 4 내지 도 7은 각각 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 왕복펌프(100)에서 메인 피스톤이 왕복운동하여 압력을 발생시키는 과정을 보여주는 개략적인 단면사시도인데, 이를 참조하여 본 발명에 따른 왕복펌프(100)의 작동 과정을 설명한다. 이에 앞서 도면부호에서 영어 소문자 a가 덧붙여진 도면부호는, 도면에 도시된 실시예에서 메인 실린더(1)의 일측에 존재하는 부재를 의미하며, 영어 소문자 b가 덧붙여진 도면부호는, 도면에 도시된 실시예에서 메인 실린더(1)의 타측에 존재하는 부재를 의미한다. 즉, 도면부호 3a가 붙여진 가변단면 보조 피스톤(3a), 도면부호 4a가 붙여진 가압 피스톤(4a), 도면부호 5a가 붙여진 다단 가변 단면부(5a), 도면부호 8a가 붙여진 주입경로(8a), 도면부호 9a가 붙여진 배출경로(9a) 및 도면부호 11a가 붙여진 토출관(11a)은 모두 메인 실린더(1)의 일측에 존재하는 것을 의미하며, 이와 달리 가변단면 보조 피스톤(3b), 가압 피스톤(4b), 다단 가변 단면부(5b), 주입경로(8b), 배출경로(9b) 및 토출관(11b)은 모두 메인 실린더(1)의 타측에 존재하는 부재들이다. 그리고 도면에서 주입경로로 작동유체가 주입되는 것이 붉은색 화살표로 도시되어 있으며, 배출경로로 작동유체가 배출되는 것은 푸른색 화살표로 도시되어 있다.

우선 도 2에 도시된 것처럼, 메인 피스톤(2)이 메인 실린더(1)의 일측으로 치우쳐 있고, 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)이 일측의 다단 가변 단면부(5a)에 형성된 중앙 관통공(50)에 끼워져 있어서, 일측의 가압 피스톤(4a)이 일측의 토출관(11a)에 끼워져 있는 상태에서부터 시작하는 것으로 설명한다.

도 2에 도시된 상태에서, 가압펌프(도시를 생략함)로부터 공급된 작동유체가 작동유체 주입관(6)을 통해서 일측의 다단 가변 단면부(5a)에 형성된 주입경로(8a)로 가압 주입되면, 상기 작동유체는 일측의 다단 가변 단면부(5a)와 메인 피스톤(2)의 일측면 사이의 공간에 채워지면서 메인 피스톤(2)을 타측 방향으로 밀어주게 된다. 이 때 주입경로(8a)를 통해 가압 주입된 작동유체에 의한 압력은 메인 피스톤(2)의 일측면에서 가변 단면 보조 피스톤(3a)이 차지하고 있는 부분을 제외한 면에만 작용하게 된다.

가압펌프에 의한 작동유체의 주입이 계속되면, 메인 피스톤(2)과 양측의 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b), 그리고 가압 피스톤(4a, 4b)은 함께 메인 실린더(1)의 타측 방향으로 움직이게 되고, 그에 따라 타측의 토출관(11b)에 끼워져 있던 타측의 가압 피스톤(4b)은 타측의 토출관(11b)에 존재하던 피가압물을 밀어내게 된다. 이 때, 메인 피스톤(2)의 타측면과 타측 다단 가변 단면부(5b) 사이에 존재하던 작동유체는 타측 배출경로(9b)를 거쳐 작동유체 배출관(7)을 통해 배출된다. 따라서 메인 피스톤(2) 및 이에 결합된 부재가 메인 실린더(1)의 타측 방향으로 이동하는 것이 원활하게 진행된다. 물론 이와 같이 메인 피스톤(2) 및 이에 결합된 부재가 메인 실린더(1)의 타측 방향으로 이동하는 과정에서, 타측 다단 가변 단면부(5b)에 형성된 타측 주입경로(8b)는 폐쇄된 상태에 있게 되며, 일측 다단 가변 단면부(5a)에 형성된 일측 배출경로(9a) 역시 폐쇄상태에 있게 된다. 이와 같이 주입경로 및 배출경로가 필요에 따라 개방되고 폐쇄된 상태에 있도록 하기 위하여 작동유체 주입관(6) 및 작동유체 배출관(7)에 각각 체크밸브가 구비되거나 또는 배출경로 및 주입경로에 각각 체크밸브 기능의 밸브장치가 구비될 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 상태에 후속하여 이와 같이 메인 피스톤(2), 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b) 및 가압 피스톤(4a, 4b)이 메인 실린더(1)의 타측 방향으로 움직이는 것을 보여주는 것이다. 이러한 메인 피스톤(2)의 이동이 이루어는 과정에서, 일측 다단 가변 단면부(5a)의 중앙 관통공(50)에 끼워져 있던 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)은 중앙 관통공(50)에서 빠져 나오게 된다. 도 4는 이렇게 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)은 중앙 관통공(50)에서 빠져 나온 직후의 상태를 보여주는 것이다. 다단 가변 단면부(5a, 5b)에서 중앙 관통부(50)에서 내경이 좁아지는 부분의 단턱부에 부압방지 튜브(V)가 구비되어 있으므로, 이와 같이 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)은 중앙 관통공(50)에서 빠져 나올 때, 상기 부압방치 튜브(V)를 통해서 외부로부터 작동유체가 공급되므로 부압의 발생 없이 용이하게 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)이 중앙 관통공(50)에서 빠져 나오게 된다.

이와 같이 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)이 중앙 관통공(50)에서 빠져 나오게 되면, 주입경로(8a)로 가압 주입되어 일측의 다단 가변 단면부(5a)와 메인 피스톤(2)의 일측면 사이의 공간에 채운 작동유체에 의한 압력은 다단 가변 단면부(5a)에도 작용하게 된다. 즉, 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)이 중앙 관통공(50)에 아직 삽입되어 있을 때(도 2에 도시된 상태)에는, 작동유체에 의한 압력이 메인 피스톤(2)에서 가변 단면 보조 피스톤(3a)이 차지하고 있는 부분을 제외한 면에만 작용하고 있지만, 도 4에 도시된 것처럼 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)이 중앙 관통공(50)에서 빠져 나온 후에는, 작동유체에 의한 압력이 메인 피스톤(2) 뿐만 아니라 가변 단면 보조 피스톤(3a)이 차지하고 있는 부분의 면에도 작용하게 되므로, 메인 피스톤(2)의 이동에 의해 타측 가압 피스톤(4b)이 타측 토출관(11b)의 피가압물에 가하고 있던 가압력이 갑자기 더 증가하게 된다. 즉, 피가압물에 대한 토출압력이 증가하게 되는 것이다.

가압펌프에 의한 작동유체의 주입이 계속되어, 메인 피스톤(2)과 양측의 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b), 그리고 가압 피스톤(4a, 4b)의 이동이 진행된다. 도 5는 이렇게 메인 피스톤(2) 등의 이동이 진행되는 상태를 보여준다.

후속하여 도 6에 도시된 것처럼, 타측의 가변 단면 보조 피스톤(3b)은 타측 다단 가변 단면부(5a)에 형성된 중앙 관통공(50)에 끼워지게 되며, 이러한 상태로 계속하여 타측 토출관(11b)으로의 피가압물에 대한 가압 토출 작동이 진행된다.

메인 피스톤(2)과 양측의 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b), 그리고 가압 피스톤(4a, 4b)의 타측 토출관(11b) 방향으로의 진행이 종료된 상태가 도 7에 도시되어 있는데, 이와 같이 메인 피스톤(2)과 양측의 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b), 그리고 가압 피스톤(4a, 4b)의 타측 토출관(11b) 방향으로의 진행이 종료된 후에는, 앞서 설명한 것과 반대 방향으로의 메인 피스톤(2) 및 그와 일체로 된 부재들의 일측 토출관(11a) 방향으로의 이동 및 그에 따른 일측 토출관(11a)으로의 피가압물에 대한 가압 토출 작동이 진행된다. 이러한 일측 토출관(11a)으로의 피가압물에 대한 가압 토출 작동이 진행은 앞서 설명한 것과 메인 피스톤(2)의 이동 방향만이 상이할 뿐이며, 구체적인 과정은 앞서 설명한 것과 동일하다.

도 7에 도시된 상태에서, 가압펌프로부터 공급된 작동유체가 작동유체 주입관(6)을 통해서 타측의 다단 가변 단면부(5b)에 형성된 주입경로(8b)로 가압 주입되어 타측의 다단 가변 단면부(5b)와 메인 피스톤(2)의 타측면 사이의 공간에 채워지면서 메인 피스톤(2)을 일측 방향으로 밀어주게 되고, 이러한 작동유체의 가압 주입이 진행되면서 메인 피스톤(2)과 양측의 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b), 그리고 가압 피스톤(4a, 4b)은 함께 메인 실린더(1)의 일측 방향으로 움직이면서 일측의 토출관(11a)에 끼워져 있던 일측의 가압 피스톤(4a)이 일측의 토출관(11a)에 존재하던 피가압물을 가압하여 밀어내게 되는 것이다.

이러한 과정에서도 타측의 가변단면 보조 피스톤(3b)이 중앙 관통공(50)에서 빠져 나올 때, 부압방치 튜브(V)를 통해서 외부로부터 작동유체가 공급되므로 부압의 발생이 예방되는 작동과, 메인 피스톤(2)의 일측면과 일측 다단 가변 단면부(5a) 사이에 존재하던 작동유체는 일측 배출경로(9a)를 거쳐 작동유체 배출관(7)을 통해 배출되는 작동이 이루어지게 되고, 그에 따라 메인 피스톤(2) 및 이에 결합된 부재가 메인 실린더(1)의 일측 방향으로 이동하는 것이 원활하게 진행된다.

또한 이와 같이 메인 피스톤(2) 및 이에 결합된 부재가 메인 실린더(1)의 일측 방향으로 이동하는 과정의 경우도, 앞서 타측 방향의 이동과 마찬가지로, 타측의 가변단면 보조 피스톤(3b)이 중앙 관통공(50)에 아직 삽입되어 있을 때에는, 작동유체에 의한 압력이 메인 피스톤(2)에서 가변 단면 보조 피스톤(3b)이 차지하고 있는 부분을 제외한 면에만 작용하고 있지만, 타측의 가변단면 보조 피스톤(3b)이 중앙 관통공(50)에서 빠져 나온 후에는, 작동유체에 의한 압력이 메인 피스톤(2) 뿐만 아니라 가변 단면 보조 피스톤(3b)이 차지하고 있는 부분의 면에도 작용하게 되어, 메인 피스톤(2)의 이동에 의해 일측 가압 피스톤(4a)이 일측 토출관(11a)의 피가압물에 가하고 있던 가압력이 갑자기 더 증가하는 "피가압물에 대한 토출압력의 증가 효과"가 발휘되는 것이다.

도 8에는 이와 같이 토출관(11a, 11b)의 피가압물에 작용하는 가압력(토출압력)의 시간에 따른 변화를 보여주는 그래프도가 도시되어 있는데, 도 8에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 왕복펌프에 의하면, 가압력은 시간에 따라 펄스 형태로 가변되는 형태를 보이게 된다. 즉, 본 발명에 의하면, 가진장치와 같은 별도의 압력 변화장치를 이용하지 않고서도, 피가압물에 작용하는 가압력을 주기적으로 변화시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따른 왕복펌프에서 상기 작동유체는 오일(oil)과 같은 비압축성 액체일 수도 있고, 가압 공기와 같은 기체일 수도 있다.

한편, 도 9에는 앞서 도 3에 예시된 것처럼, 중앙 관통부(50)와 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)이 복수개의 단차를 가지는 다단 형상을 가지고 있을 때, 각각의 가변단면 보조 피스톤의 단차부가 중앙 관통부(50)의 직경이 다른 부분을 빠져나올 때의 상태를 보여주는 개략적인 단면사시도가 도시되어 있다.

도 9에 도시된 것처럼 중앙 관통부(50)와 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)이 복수개의 단차를 가지는 다단 형상을 가지고 있을 때, 각각의 가변단면 보조 피스톤의 단차부가 중앙 관통부(50)의 직경이 다른 부분을 빠져나올 때마다, 작동유체의 압력이 가해지는 면적이 변화되므로, 그에 따라 메인 피스톤(2)과 가변단면 보조 피스톤을 이동시키도록 가해지는 가압력이 변화하게 된다. 즉, 중앙 관통부(50)와 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)의 단차 개수만큼 가압력의 변화가 발생하게 되는 것이다.

1: 메인 실린더
2: 메인 피스톤

Claims

원통형상을 가지며, 길이 방향 양쪽 외측면에는 토출관(11a, 11b)이 연결되는 연통공이 형성되어 있는 메인 실린더(1)와;
메인 실린더(1) 내에서 메인 실린더(1)의 단면을 폐쇄한 상태로 길이 방향으로 왕복운동하는 메인 피스톤(2)과;
메인 피스톤(2)의 양면에 각각 일체로 구비되어 있는 가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)과;
가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)의 각각에서 길이 방향으로 길게 연장되도록 구비되어서 토출관(11a, 11b)에 삽입됨으로써, 피가압물을 직접 가압하게 되는 가압 피스톤(4a, 4b)을 포함하며;
중앙 관통부(50)를 가지는 다단 가변 단면부(5a, 5b)가, 메인 실린더(1)의 길이방향 양쪽 단부 내측에 각각 형성되어 있고;
다단 가변 단면부(5a, 5b)의 중앙 관통부(50) 각각은, 메인 실린더(1)의 길이 방향 양단으로 갈수록 단면의 내경이 계단식으로 좁아져서, 메인 실린더(1)의 길이방향 양단 내면에는 복수개의 단턱부가 형성되어 있으며;
다단 가변 단면부(5a, 5b)의 중앙 관통부(50)에서 가장 직경이 작은 부분의 내경은 메인 실린더(1)의 연통공 내경과 동일하여, 다단 가변 단면부(5a, 5b)의 중앙 관통부(50)에서 가장 직경이 작은 부분은 메인 실린더(1)의 연통공을 통해서 토출관(11a, 11b)과 연통되며;
다단 가변 단면부(5a, 5b)의 중앙 관통부(50)에서 내경이 좁아지는 부분의 각 단턱부에는, 외부와 연통되어 부압 발생을 방지하는 부압방지 튜브(V)가 연통되어 연결되어 있으며;
다단 가변 단면부(5a, 5b)에는, 다단 가변 단면부(5a, 5b)와 메인 피스톤(2) 사이에 만들어지는 공간으로 가압된 작동유체를 주입하기 위한 주입경로(8a, 8b)가 형성되어 있으며;
주입경로(8a, 8b)는 각각 작동유체 주입관(6)과 연결되어 있고;
다단 가변 단면부(5a, 5b)에는 ,다단 가변 단면부(5a, 5b)와 메인 피스톤(2) 사이에 만들어지는 공간으로부터의 작동유체를 배출하기 위한 배출경로(9a, 9b)가 각각 형성되어 있으며;
배출경로(9a, 9b)는 각각 작동유체 배출관(7)과 연결되어 있고;
가변단면 보조 피스톤(3a, 3b)은, 다단 가변 단면부(5a, 5b)의 복수개의 단턱부가 형성되어 있는 중앙 관통부(50)의 형상에 대응되도록, 메인 실린더(1)의 길이 방향 양단부로 갈수록 그 외경이 계단식으로 줄어드는 형상의 단차를 가지고 있는 구성을 가지고 있으며;
작동유체가 메인 실린더(1)의 일측 다단 가변 단면부(5a)에 형성된 주입경로(8a)로 가압 주입되면, 작동유체가 일측의 다단 가변 단면부(5a)와 메인 피스톤(2)의 일측면 사이의 공간에 채워지면서 작동유체에 의한 압력이 메인 피스톤(2)의 일측면에 작용하여, 메인 피스톤(2)이 메인 실린더(1)의 타측 방향으로 움직이게 되어, 타측의 토출관(11b)에 끼워져 있던 타측의 가압 피스톤(4b)이 타측의 토출관(11b)에 존재하던 피가압물을 밀어내게 됨과 동시에, 메인 피스톤(2)의 타측면과 타측 다단 가변 단면부(5b) 사이에 존재하던 작동유체는 타측 배출경로(9b)를 거쳐 작동유체 배출관(7)을 통해 배출되는데, 작동유체에 의한 압력이 메인 피스톤(2)의 일측면에 가해질 때, 일측의 다단 가변 단면부(5a)의 계단식 단턱부에 끼워져 있던 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)의 단차가 순차적으로 빠져 나오면서 일측의 가변단면 보조 피스톤(3a)에서 작동유체의 압력이 작용하는 면적도 순차적으로 증가되어, 메인 피스톤(2)을 길이방향 타측으로 이동시키는 가압력도 순차적으로 증가되며;
작동유체가 메인 실린더(1) 타측의 다단 가변 단면부(5b)에 형성된 주입경로(8b)로 가압 주입되면, 작동유체가 타측의 다단 가변 단면부(5b)와 메인 피스톤(2)의 타측면 사이의 공간에 채워지면서 작동유체에 의한 압력이 메인 피스톤(2)의 타측면에 작용하여, 메인 피스톤(2)이 메인 실린더(1)의 일측 방향으로 움직이게 되어, 일측의 토출관(11a)에 끼워져 있던 일측의 가압 피스톤(4a)이 일측의 토출관(11a)에 존재하던 피가압물을 밀어내게 됨과 동시에, 메인 피스톤(2)의 일측면과 일측의 다단 가변 단면부(5a) 사이에 존재하던 작동유체는 일측 배출경로(9a)를 거쳐 작동유체 배출관(7)을 통해 배출되는데, 작동유체에 의한 압력이 메인 피스톤(2)의 타측면에 가해질 때, 타측의 다단 가변 단면부(5b)의 계단식 단턱부에 끼워져 있던 타측의 가변단면 보조 피스톤(3b)의 단차가 순차적으로 빠져 나오면서 타측의 가변단면 보조 피스톤(3b)에서 작동유체의 압력이 작용하는 면적도 순차적으로 증가되어, 메인 피스톤(2)을 길이방향 일측으로 이동시키는 가압력도 순차적으로 증가되는 방식으로;
메인 실린더(1)의 길이 방향 양쪽으로 메인 피스톤(2)이 왕복 운동하는 것을 특징으로 하는 왕복펌프.