KR102228576B1

KR102228576B1 - 듀얼 스프링 과채움 리미터를 갖는 다이어프램 펌프

Info

Publication number: KR102228576B1
Application number: KR1020177013488A
Authority: KR
Inventors: 리차드 디. 헴브리
Original assignee: 워너 엔지니어링 인코포레이티드
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2021-03-17
Also published as: CA2966733A1; DK3215740T3; AU2015343119A1; JP6538182B2; ES2877399T3; JP2017534023A; EP3215740A1; WO2016073600A1; RU2017117197A3; KR20170078703A; CA2966733C; CN107407271A; AU2015343119B2; NZ731534A; EP3215740B1; US20160123319A1; RU2690109C2; US9964106B2; CN107407271B; MX2017005882A

Abstract

다이어프램 펌프는 펌핑되는 유체를 수용하는 펌핑 챔버를 구비하는 하우징을 포함한다. 상기 펌프는 작동액을 수용하도록 이루어지는 전달 챔버 및 전달 챔버와 유체 연통하는 작동액 리저버를 구비한다. 펌프 하우징은 실린더 내에서 왕복 운동하도록 슬라이딩하는 피스톤을 갖는 실린더를 형성하고, 피스톤은 피스톤 내부 챔버를 형성한다. 밸브는 피스톤 내부 챔버에 슬라이딩 가능하게 장착되어서 제1위치에서 밸브를 닫고 제2위치에서 밸브를 여는 밸브 스풀을 갖는 피스톤 내부 챔버에 이어진다. 다이어프램은 플런저에 의해 밸브 스풀에 연결된다. 과채움 리미터는 피스톤 내부 챔버에 슬라이딩 가능하게 장착되는 스페이서를 포함한다. 제1스프링은 밸브 스풀 및 스페이서 사이의 피스톤 내부 챔버 내에 위치된다. 제2스프링은 피스톤 내부 챔버의 일단 및 스페이서 사이의 피스톤 챔버 내에 위치되고, 제2스프링은 제1스프링의 스프링 상수 보다 큰 제2 스프링 상수를 가진다.

Description

듀얼 스프링 과채움 리미터를 갖는 다이어프램 펌프{DIAPHRAGM PUMP WITH DUAL SPRING OVERFILL LIMITER}

이 출원은 PCT 국제 특허 출원으로서, 2015년 11월 4일에 출원되었고, 2014년 11월 4일에 출원한 미국특허 가출원 62/075,070호 및 2015년 11월 3일에 출원한 미국 특허출원 14/931,614호로부터 우선권 이익을 주장하는데, 참고문헌에 의해 전체로서 인용된다.

본 발명은 다이어프램 펌프와 관한 것인데, 특히 서로 다른 스프링 상수를 갖는 두 개의 스프링을 활용하는 과채움 리미트 어셈블리(overfill limit assembly)를 갖는 유압으로 구동하는 다이어프램 펌프에 관한 것이다.

다이어프램 펌프는 내부에서 펌프 유체가 다이어프램(diaphragm)에 의해 옮겨지는 펌프이다. 유압으로 구동되는 펌프(hydraulically driven pumps)에 있어, 다이어프램은 다이어프램에 대한 힘에 의한 작동 유체에 의해 변위된다. 이런 펌프들은 가격, 효율성 및 신뢰성의 보다 우수한 조합을 제공하는 것을 입증하였다. 하지만, 이런 펌프들은 작동유 과채움 조건을 방지하기 위한 안전장치를 요구한다. 동기식 고 압력 펌프들(synchronous high pressure pumps)에서, 그러한 조건들은 피스톤이 매니폴드를 때리게되어 다이어프램의 고장을 유발시킬 수 있는 다이어프램에 대한 압력 스파이크를 야기하였다.

그러한 고장을 방지하기 위해, 과채움을 제한하는 시스템들이 개발되었다. 발명자가 레르케(Lehrke) 및 헴브리(Hembree)이고, 미네소타주의 미니애폴리스에 있는 주식회사 워너 엔지니어링(Wanner Engineering, Inc.,)에 양도된 미국 특허 6,899,530호는 과채움을 제한하는 개선된 밸브 시스템을 교시한다. 그 시스템은 종래의 펌프 보다 더 강한 스프링을 사용하고 유압 챔버의 개시(priming)를 허용하는 실린더 내의 송풍구 홈(vent groove)을 또한 구비한다. 하지만, 그러한 시스템들은 초고압(very high pressure)의 압력 스트로크(stroke)에서 적은 양의 오일이 누설될 수 있다. 어떤 장치들에 있어서 그런 작은 누설도 받아들여질 수 없고, 압력 펌프를 낮추기 위해 그러한 시스템의 활용을 제한한다.

레르케(Lehrke) 및 헴브리(Hembree)에 의해 개발되고 주식회사 워너 엔지니어링(Wanner Engineering, Inc.,)에 양도된 추가적인 시스템이 미국 특허 7,090,474호에서 개시된다. 이 특허는 송풍구 홈을 제거하고 비어있을 때에도 다이어프램으로 힘을 인가하는 부드러운 스프링을 사용하는 시스템을 개시한다. 이 구성은 펌프가 송풍구 홈 없이도 개시하도록 허용한다. 하지만, 과채움되는 것을 방지하기 위해서 유압 챔버가 과채움될 때 압력의 증가를 야기하는 밸브 스풀에 이동 리미터(travel limiter)가 활용되었다. 그러므로, 어떤 조건 하에서, 압력은 다이어프램이 과채움될 때 압력이 급격하게 상승할 수 있고 그런 조건에서 다이어프램 상에 응력을 가하도록 야기될 수 있다.

그러므로, 과채움 리미터를 갖는 다이어프램 펌프는 종래의 문제점들을 피하는 것이 요구된다. 그런 시스템은 실린더 내의 송풍구 홈을 요구하지 않는 오일 개시(oil priming)를 허용하는 다이어프램을 가로지르는 낮은 압력 강하를 달성하여야 하고, 과도한 과채움을 또한 방지해야 하고, 강직한 이동 리미터(rigid travel limiter)와 함께 발생할 수 있는 과도한 압력 레벨을 또한 피해야 한다. 게다가, 그러한 펌프 및 시스템은 저렴하여하고, 생산하고 서비스하기가 용이하여야 하며, 높은 신뢰성을 유지하기 위해 다이어프램으로의 응력을 최소화하여야 한다. 본 발명은 전술한 문제들 뿐만 아니라 다이어프램 펌프와 관련된 다른 문제들을 다룬다.

다이어프램 펌프는 펌핑되는 유체를 위한 펌핑 챔버를 구비하는 하우징을 포함한다. 전달 챔버는 다이어프램을 변위시키는 작동액을 함유하도록 이루어지고 유체 리저버(fluid reservoir)와 유체 연통한다. 실린더는 펌프 하우징 내에 들어있고 왕복 운동하도록 슬라이딩하고 작동액을 펌핑하는 피스톤을 포함한다. 피스톤은 피스톤 내부 챔버 및 피스톤 내부 챔버가 작동액 흐름을 제어하도록 야기하는 밸브를 형성하는 포트를 또한 포함한다. 밸브 스풀은 피스톤 내부 챔버에 슬라이딩 가능하게 장착되어서 제1위치에서 밸브를 닫고 제2위치에서 밸브를 연다. 플런저는 밸브 스풀을 다이어프램에 연결한다. 제1스프링은 밸브 스풀 및 스페이서 사이의 피스톤 내부 챔버 내에 위치되고 제1 스프링 상수를 갖는다. 제1스프링의 이동은 피스톤 내부 챔버에 슬라이딩 가능하게 장착된 스페이서에 의해 제한된다. 제2스프링은 피스톤 내부 챔버의 일단 및 스페이서 사이의 피스톤 내부 챔버 내에 또한 위치된다. 제2스프링은 제1 스프링 상수 보다 큰 제2 스프링 상수를 갖는다. 그러므로, 제1스프링이 우선 압축되고 그 후 제2스프링이 압축된다. 과채움 조건에서, 제1 및 제2스프링은 밸브 스풀에 작용하여 밸브 포트를 덮어 추가적인 과채움되는 것을 막는다.

본 발명의 특징인 이런 신규한 특성들 및 다양한 다른 이점들은 여기에 첨부되며 그 일부를 형성하는 청구항에서 상세하게 언급된다. 하지만, 본 발명의 더 나은 이해, 본 발명의 이점들, 및 본 발명의 사용에 의해 얻게되는 목적을 위해, 추가적인 부분을 형성하는 도면 및 동반되는 설명을 참조해야 하는데, 거기에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시되며 설명된다.

이하 도면을 참조하면, 참조 부호 및 문자 등은 몇몇의 도면들을 통해서 대응되는 구조를 가리킨다.
도 1은 제1위치에서의 본 발명의 원리에 따르는 다이어프램 펌프의 측단면도이고;
도 2는 제2위치에서의 도 1에서 보여지는 다이어프램 펌프의 측단면도이고;
도 3은 제3위치에서의 도 1에서 보여지는 다이어프램 펌프의 측단면도이고;
도 4는 제4위치에서의 도 1에서 보여지는 다이어프램 펌프의 측단면도이고; 및
도 5는 도 1에서 보여지는 다이어프램 펌프의 과채움 어셈블리를 위한 스프링 변위(spring deflection) 대비 압력의 그래프이다.

이하 도면들 특히, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 일반적으로 명시되는 다이어프램 펌프(10)가 보여진다. 다이어프램 펌프(10)는 펌프 하우징(12)을 포함한다. 펌프 하우징(12)은 왕복 피스톤(16)을 수용하는 실린더(14)를 형성한다. 다이어프램(18, diaphragm)은 내부에서 오일이 다이어프램에 작용하는 전달 챔버 및 펌핑되는 유체를 슈용하는 펌핑 챔버(20) 사이의 벽을 형성한다. 다이어프램(18)은 왕복하는 방식으로 변위되어 유체를 펌핑한다.

플런저(26)는 피스톤(18) 내에서 밸브 스풀(30)로부터 연장되어 다이어프램(18)에 연결된다. 플런저(26)는 중공(hollow)으로 이루어질 수 있고 전달 챔버 내에서 오일의 보충이 필요할 때 오일 유동을 제공하도록 형성된 홀(28)을 구비할 수 있다. 밸브 스풀(30)은 피스톤(16)의 내부에 형성된 캐비티(34) 내부의 피스톤(16)의 이동 방향을 따라서 길이 방향으로 움직인다. 밸브 포트(32)는 피스톤(16)의 측부에 형성되고 밸브 스풀(30)에 의해 덮여져서 정상 동작 상태(normal operating conditions)에서 작동유(hydraulic oil)의 통로를 개폐한다. 피스톤(16)의 일단은 작동유 리저버로부터의 작동액(hydraulic fluid)의 유동을 제어하는 볼 타입의 체크 밸브(50) 및 유입구(52)를 포함한다. 밸브 스풀(30)은 제1스프링(40), 제1스프링(40) 보다 강성이 큰 제2스프링(42), 및 과채움된 리미터로서 기능하도록 구성되는 이동 가능한 스페이서(44)를 또한 포함한다.

도 3을 참조하면, 작동유가 넣어지지 않은 채로 운전개시된 펌프(10)가 도시된다. 피스톤(16)은 상사점 위치(top dead center position)에 있다. 하지만, 작동유 없이, 다이어프램(18)은 제1스프링(40)에 의해 하사점에 있게 된다. 이 위치에서, 밸브 스풀(30)은 밸브 포트(32)를 덮지 않는다. 제1스프링(40)은 대략 1인치의 변위로서 설치되는 동안에 압축되어서 시작 위치에서 제1스프링(40)은 예를 들면 2 psi의, 작은 압력을 가하게 된다. 스프링들(40 및 42)은 서로 다른 스프링 상수를 갖는데, 제2스프링(42)은 제1스프링(40) 보다 강성이 크고 보다 높은 스프링 상수를 갖는다. 제2스프링(42)은 대략 100 psi를 발생시키는 스프링 상수를 구비할 수 있는 반면, 제1스프링(40)의 일반적인 스프링 상수는 다이어프램(18)을 가로질러서 대략 10 psi일 것이다. 제1스프링(40)이 작용될 때, 보여지는 실시예에서 1.96 인치의 변위는 4 psi의 압력을 제공한다. 도 3에 보여지는 건조한 운전개시(dry startup)로부터, 스프링들(40 및 42)은 1 내지 4 psi 사이의 압력을 생산하여 펌프(10)에 작동유를 넣는 것을 도와준다. 보여진 실시예와 도 3의 시작 구성에서, 제1스프링(40)은 설치 동안 압축되어 시작 압력은 대략 2 psi이다.

도 1을 참조하면, 하사점 위치(bottom dead center position)의 피스톤(16)을 갖는 펌프(10)가 보여진다. 이 위치에서, 다이어프램(18)은 외부로 변위되기 보다는 전달 챔버 내로 끌어 당겨진다. 이 위치에서, 밸브 스풀(30)은 밸브 포트(32)의 대부분을 덮지만 밸브 포트(32)를 밀봉하지 않는다. 이는 펌프(10)가 개시되고 디자인된 바와 같이 동작할 때의 정상적인 동작 위치이다.

도 2를 참조하면, 피스톤(16)은 상사점 위치에 있다. 다이어프램(18)은 밖으로 변위되어 펌핑되는 유체에 동작한다. 밸브 스풀(30)은 밸브 포트(32)가 약간 개방되도록 위치된다. 이는 펌프(10)가 개시되고 디자인된 바와 같이 동작할 때의 정상적인 동작 위치이다.

도 4에서, 펌프(10)는 피스톤(16)이 상사점에 있는 과채움 조건에 있게 된다. 그러한 조건에서, 밸브 스풀(30)은 스페이서(44)에 접촉하도록 이동하여 보다 낮은 스프링 상수를 갖는 제1스프링(40)을 완전히 압축한다. 제1스프링(40)이 더 이상 압축될 수 없을 때 그 하중은 제2스프링(42)을 또한 압축한다. 밸브 스풀(30)은 이 조건에서 밸브 포트(32)가 밸브 스풀(30)에 의해 완전히 덮여지도록 이동된다. 제2스프링(42)의 보다 높은 스프링 상수로 인해 더 이상의 과채움을 막기 위해 보통 제2스프링(42)의 아주 악한 변위가 요구된다고 이해될 수 있다. 제1 및 제2스프링(40 및 42)은 이전의 시스템에서 요구하는 특별한 채널, 콘딧 또는 피스톤(16) 및/또는 실린더(14)로의 다른 수정들 없이 매우 간단한 구성으로 과채움을 제한하도록 구성되어야 하는 점이 이해될 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템은 펌프(10)에 대한 손상으로부터 보호하기 위해 자동적인 과채움 제한을 제공하는 반면에 신뢰할 수 있고, 상대적으로 저렴하게 생산한다.

이하 도 5를 참조하면, 스프링들(40 및 42) 상의 압력 및 그것의 효과가 이해될 수 있다. 보여지는 실시예에서, 펌프는 4.9 평방 인치의 피스톤 영역을 갖는데, 이는 다이어프램(18)의 등가 영역(equivalent area)이다. 그러므로, 등가 영역에 의해 나누어지는 다이어프램에 의해 인가되는 힘은 공식 P=F/A에 따라서 다이어프램(18)을 가로질러서(across the diaphragm(18)) 압력을 제공하는데, P는 압력, F는 힘 및 A는 면적이다. 100 psi의 스프링 상수를 갖는 제1스프링은 4.9 평방 인치에 대해 이분의 일인치 변위될 때, 대략 10 psi의 압력을 받는다. 정상 동작(normal operation)에서, 스프링들(40 및 42)은 2 내지 5 psi 사이값을 생산한다. 추가적인 압력은 다이어프램(18)에 응력을 가하여 고장의 결과를 일으킬 수 있음이 이해될 수 있다. 보다 적은 압력은 개시를 어렵게 만들고 요구되는 유효 흡입 헤드(NPSHR, net positive suction head rquired)를 증가시킨다. 게다가, 보여지는 구성에서 피스톤(16)이 상사점에서 과채움 위치에 있고 다이어프램(18)이 매니폴드에 접촉하도록 접근할 때 압력은 대략 10 내지 15 psi 사이에 있는 점이 보여질 수 있다. 작동유를 챔버로 구동시키는 압력을 대기압(대략 해수면에서 14.7 psi) 이하로 유지시켜서 실제로 펌프(10)가 보통 10 psi의 진공을 생산하는 것이 바람직한데, 15 psi까지는 보통 수용할 수 있다.

본 발명이 간단하고 신뢰할만한 과채움 리미터를 갖는 신뢰할만한 다이어프램 펌프(10)를 제공하는 것으로 이해될 수 있다. 과채움 리미터는 간단하고 신뢰할만하며 자동적으로 기능한다. 게다가 상기 펌프(10)는 과채움 리미터 시스템을 위해 간단한 변경만을 요구한다.

하지만, 본 발명의 수많은 특징 및 장점이, 본 발명의 상세 구조 및 기능과 함께, 앞선 설명 부분에서 서술되고, 개시가 설명되었음에도 불구하고, 특히 본 발명의 원리 내에서 첨부된 청구항에서 표현된 용어의 넓은 일반적인 의미에 의해 지시된 전체 범위로 형상, 크기 및 부품들의 배치에서 상세히 변화될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

Claims

펌핑되는 유체를 수용하는 펌핑 챔버를 구비하는 하우징;
작동액을 수용하도록 이루어지는 전달 챔버, 및 상기 전달 챔버와 유체 연통하는 작동액 리저버;
실린더;
상기 실린더 내에서 왕복 운동하도록 슬라이딩하고, 일단을 구비하는 피스톤 내부 챔버를 형성하는 피스톤;
상기 피스톤 내부 챔버에 이어지는 밸브;
상기 피스톤 내부 챔버에 슬라이딩 가능하게 장착되고, 제1위치에서 상기 밸브를 닫고 제2위치에서 상기 밸브를 여는 밸브 스풀;
상기 밸브 스풀 및 상기 피스톤 내부 챔버의 일단 사이에서 상기 피스톤 내부 챔버에 슬라이딩 가능하게 장착되는 가동 스페이서;
플런저에 의해 상기 밸브 스풀에 연결되고 상기 하우징에 의해 지지되는 다이어프램;
제1 스프링 상수를 가지며, 상기 밸브 스풀 및 상기 가동 스페이서의 제1측을 맞물리게 하는 상기 피스톤 내부 챔버 내에 위치되는 제1스프링; 및
상기 제1 스프링 상수 보다 큰 제2 스프링 상수를 가지며, 상기 피스톤 내부 챔버의 일단 및 상기 가동 스페이서의 제2측을 맞물리게 하는 상기 피스톤 챔버 내에 위치되는 제2스프링을 포함하며,
상기 다이어프램은 펌핑 챔버측부 및 전달 챔버측부를 형성하고, 상기 펌핑 챔버측부는 적어도 부분적으로 상기 펌핑 챔버를 형성하고 상기 전달 챔버측부는 적어도 부분적으로 상기 전달 챔버를 형성하는 다이어프램 펌프.
제1항에 있어서,
상기 밸브는 상기 피스톤 내의 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이어프램 펌프.
제1항에 있어서,
상기 제1스프링은 건조한 운전개시에 상기 스프링들은 1 내지 4 psi의 압력을 가하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이어프램 펌프.
제1항에 있어서,
상기 플런저는 상기 리저버로부터 상기 전달 챔버로 유체 연통 경로(fluid communication path)를 형성하는 중공축을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이어프램 펌프.
제1항에 있어서,
상기 제2스프링은 대기압 보다 적은 압력을 가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다이어프램 펌프.
삭제
제1항에 있어서,
상기 피스톤을 구동시키는 동력을 제공하는 모터를 더 포함하는 다이어프램 펌프.
제1항에 있어서,
상기 제1스프링 및 제2스프링은 건조한 운전개시에서 상기 스프링들은 1 내지 4 psi의 압력을 가하도록 이루어지고;
정상 동작 위치(normal operation position)에서 상기 스프링들은 2 내지 5 psi의 압력을 가하도록 이루어지며; 및
과채움된 조건(over-filled condition)에서, 상기 스프링들은 10 내지 15 psi의 압력을 가하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이어프램 펌프.
펌핑되는 유체를 수용하는 펌핑 챔버를 구비하는 하우징;
작동액을 수용하도록 이루어지는 전달 챔버, 및 상기 전달 챔버와 유체 연통하는 작동액 리저버;
실린더;
상기 실린더 내에서 왕복 운동하도록 슬라이딩하고, 일단을 구비하는 피스톤 내부 챔버를 형성하는 피스톤;
상기 피스톤 내부 챔버에 이어지는 밸브;
상기 피스톤 내부 챔버에 슬라이딩 가능하게 장착되고, 제1위치에서 상기 밸브를 닫고 제2위치에서 상기 밸브를 여는 밸브 스풀;
상기 밸브 스풀 및 상기 피스톤 내부 챔버의 일단 사이에서 상기 피스톤 내부 챔버에 슬라이딩 가능하게 장착되는 가동 스페이서;
플런저에 의해 상기 밸브 스풀에 연결되고 상기 하우징에 의해 지지되는 다이어프램;
제1 스프링 상수를 가지며, 상기 밸브 스풀 및 상기 가동 스페이서의 제1측을 맞물리게 하는 상기 피스톤 내부 챔버 내에 위치되는 제1스프링; 및
상기 피스톤 내부 챔버의 일단 및 상기 가동 스페이서의 제2측을 맞물리게 하는 상기 피스톤 챔버 내에 위치되는 제2스프링을 포함하고,
상기 다이어프램은 펌핑 챔버측부 및 전달 챔버측부를 형성하고, 상기 펌핑 챔버측부는 적어도 부분적으로 상기 펌핑 챔버를 형성하고 상기 전달 챔버측부는 적어도 부분적으로 상기 전달 챔버를 형성하고,
상기 제1스프링 및 제2스프링은 건조한 운전개시에 상기 스프링들이 1 내지 4 psi의 압력을 가하도록 이루어지고,
정상 동작 위치에서 상기 스프링들이 2 내지 5 psi의 압력을 가하도록 이루어지며,
과채움된 조건에서, 상기 피스톤이 상사점에 있을 때, 상기 스프링들은 10 내지 15 psi의 압력을 가하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이어프램 펌프.