KR20050079557A - 압전펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전성탄성판에 압전소자가 부착되는 다수의 압전액츄에이터가 서로 다른 변위 차를 이루며 순차적으로 연동되게 하여 체크밸브 없이도 유체를 펌핑시킬 수 있는 압전펌프를 제공한다.
유체흡입관(11)이 연결되는 흡입공(21)과 유체토출관(12)이 연결되는 토출공(22)이 형성되는 펌프케이스(20)와, 도전성탄성판(31)에 부착되는 압전소자(34)가 변위를 일으키며 출구측으로 유체를 펌핑시키는 압전액츄에이터(30)를 제어하는 콘트롤러(40)를 포함하는 압전펌프에 있어서, 상기 펌프케이스(20)의 내측에 유로(24)를 공유하는 다수의 유체펌핑실(23)이 설치되고, 각각의 유체펌핑실(23)에는 인접되는 유로(24)를 서로 공유하는 압전액츄에이터(30)가 취부되어 콘트롤러(40)가 각각의 압전액츄에이터(30)들을 순차적으로 제어하여 이들이 서로 다른 변위 차를 이루며 연동하여 동작하도록 구성되고, 상기 콘트롤러(40)에 의해 제어되는 압전액츄에이터(30)가 0°,90°,180°,270°변위 폭(위상차)을 가지도록 설정되는 것을 특징으로 함.

Description

압전펌프 {piezoelectric pump}
본 발명은 소량의 유체를 펌핑하는 압전펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도전성탄성판(plate)에 압전소자가 부착되는 다수의 압전액츄에이터(unimorph 또는 bimorph)가 서로 다른 변위 차를 이루며 순차적으로 연동되는 방식으로 개량하여 체크밸브 없이도 유체를 펌핑시킴으로써 구조가 간단하고, 고장 및 소음도 줄일 수 있는 압전펌프를 제공함에 있는 것이다.
미소(微少) 유체 이송을 위한 소형 펌프로는 다이아후램 펌프가 주로이용되고 있으며, 이는 소형전동기와 소형전동기의 회전운동을 로드의 왕복운동으로 바꾸어 다이아후램에 변위를 주어 체크밸브를 통해 비교적 작은 양의 유체를 펌핑시키도록 구성되고 있다.
종래에는 도1에 나타낸 바와 같이 펌프케이스(30)에 유체 흡입공(21)과 토출공(22)이 구비되어 내측에 도전성탄성판(31:plate) 즉, 심(shim)의 한쪽면에는 인가전압에 따라 변위를 일으키도록 된 압전소자(34)가 부착되는 방식의 유니몰프(unimorph) 압전액츄에이터(30)로 내설되어 상기 유니몰프 압전액츄에이터(30)의 리드선(35a,35b)과 연결되는 콘트롤러의 전계 신호를 통해 기전력을 가하면 극성에 따라 압전소자(34)가 한쪽방향으로 변위를 일으키면서 유체를 유입시킨 후 출구측으로 펌핑(pumping)작용하도록 되어 있다.
또 다른 예로는 도2에서와 같이 도전성탄성판(31)의 양쪽면 모두에 압전소자(34:34a,34b)가 부착되는 바이몰프(bimorph) 압전액츄에이터(30a)가 제안되기도 하였으며, 상기 바이몰프 압전액츄에이터(30a)는 기전력을 가하면 압전소자(34a,34b)가 부착된 양쪽방향으로 변위를 일으키면서 펌핑(pumping) 작용하게 하여 상기한 유니몰프 압전액츄에이터 보다는 더 큰 변위를 일으키면서 유체를 펌핑시키도록 구성되어 있다.
상기한 종래 구조의 압전액츄에이터는 전계 신호에 따라 변위만을 발생하므로 펌핑 유체의 흡입과 토출을 단속하는 별도의 체크밸브(10a,10b)를 필요로 하고 있다.
하지만 체크밸브(10a,10b)는 그 내측에 유로를 단속하는 볼(ball)과, 상기 볼이 안착되는 씨트(sheet)를 형성하고 있어 상기 체크밸브(10)가 제대로 동작하지 않을 경우 누설이 발생하여 펌핑 성능을 저하시키는 단점이 있다.
또한, 체크밸브(10a,10b)는 유로 단속을 위해 볼을 이용하는 관계로 펌핑 중에 소음을 발생할 뿐만 아니라, 부품수가 많아져서 구성이 복잡하다는 등의 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 감안 해결하고자 하는 것으로, 본 발명은 체크밸브를 이용하지 아니하면서도 다수의 압전액츄에이터만으로도 펌핑 작용을 수행할 수 있도록 개선된 체크밸브가 필요없는 압전펌프를 제공함으로써 체크밸브를 이용하는 따른 펌핑 성능이 저하 및 소음이 발생되는 것을 예방하는데 그 목적이 있는 것이다.
또한, 본 발명은 압전펌프의 구조가 간단하면서도 콤펙트하게 구성하여 작은 양의 유체 이송에 적합하여 다양한 의료장비나 가전제품 등에서 아주 유용하게 사용되어질 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 하고 있다.
상기한 목적 달성을 위해 본 발명에서는 압전액츄에이터가 수용되는 내측 유체펌핑실에 유체흡입관과 연결되는 흡입공 및 유체토출관이 연결되는 토출공이 형성되는 펌프케이스와, 도전성탄성판에 부착되는 압전소자가 변위를 일으키며 펌프케이스의 흡입공으로 유입된 유체를 출구측 토출공으로 펌핑하도록 된 압전액츄에이터와, 상기 압전액츄에이터를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 압전펌프에 있어서, 상기 펌프케이스의 내측에 유로를 공유하는 다수의 유체펌핑실이 설치되고, 각각의 유체펌핑실에는 인접되는 유로를 서로 공유하는 압전액츄에이터가 취부되어 콘트롤러가 각각의 압전액츄에이터들을 순차적으로 제어하여 이들이 서로 다른 변위 차를 이루며 연동하여 동작하도록 구성되고, 상기 콘트롤러는 하나의 압전액츄에이터와 인접되는 또 다른 압전액츄에이터가 서로 다른 변위( 0°,90°,180°,270°변위) 폭(위상차)을 가지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 압전펌프를 제공한다.
또한, 본 발명은 압전액츄에이터가 수용되는 내측 유체펌핑실에 흡입공과 토출공이 형성되는 펌프케이스와, 도전성탄성판에 부착되는 압전소자가 변위를 일으키며 펌프케이스의 흡입공으로 유입된 유체를 출구측 토출공으로 펌핑하도록 된 압전액츄에이터와, 상기 압전액츄에이터를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 압전펌프에 있어서, 상기 펌프케이스는 그 상,하부측으로 또 다른 펌프케이스가 다수 적층되고, 각각의 펌프케이스에 조립되는 압전액츄에이터의 흡입공과 토출공은 그 상부측으로 적층되는 펌프케이스의 토출공과 흡입공에 서로 연결되고, 최상부측 펌프케이스에는 가장 하부측에 위치한 펌프케이스의 흡입공과 직접 연결되는 유체흡입관과 최상부측 펌프케이스의 토출공과 연결되는 유체토출관이 함께 병설되고, 상기 펌프케이스의 일측면에 가이드홈이 형성되어 상기 가이드홈으로 조립되는 가이드블럭에 의해 ,상,하로 적층되는 펌프케이스를 고정 및 분리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전펌프를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 디스크형 압전액츄에이터의 예시도를 나타낸 것으로, 압전액츄에이터(30)는 도전성탄성판(31)의 한쪽면에 압전소자(34)가 부착되고, 상기 도전성탄성판(31)와 압전소자(34)에는 납땜 연결되는 리드선(35:35a,35b)이 구비되어 콘트롤러(40)가 상기 리드선(35)을 통해 압전액츄에이터(30)에 기전력을 가하여 전계 신호를 발생시키면 압전소자(34)가 한쪽방향으로 변위를 일으키며 펌프케이스(20)의 흡입공(21)으로 유입된 유체를 출구측 토출공(22)으로 유체를 펌핑(pumping) 시키는 디스크 형태로 구성되고 있다.
그리고 압전액츄에이터(30)를 수용하는 펌프케이스(20)는 유체흡입관(11)이 연결되는 유체 흡입공(21)과 유체토출관(12)이 연결되는 토출공(22)이 형성되고, 그 내측에는 압전액츄에이터(30)가 수납되는 유체펌핑실(23)이 구비되어 있다.
상기 펌프케이스(30)의 유체펌핑실(23)에 취부되어 유체를 펌핑시키는 압전액츄에이터(30)는 이를 제어하는 콘트롤러(40)와 연결되어 상기 콘트롤러(40)의 전계 신호에 따라 압전액츄에이터(30)가 변위를 일으키면 유체를 출구측으로 펌핑시키도록 구성된다.
상기 펌프케이스(20)는 압전액츄에이터(30)가 수용되는 내측 유체펌핑실(23)에 유체흡입관(11)이 연결되는 흡입공(21)과 유체토출관(12)이 연결되는 토출공(22)이 형성되는 펌프케이스(20)를 형성하되, 상기 펌프케이스(20)의 내측에 유로(24)를 공유하는 다수의 유체펌핑실(23:231,232,233,234,235)이 설치되어 각각의 유체펌핑실(23)에는 인접되는 유로(24)를 서로 공유하는 다수의 압전액츄에이터(30:301,302,303,304,305)가 취부된다.
이들은 각각 콘트롤러(40)에 연결되어 상기 콘트롤러(40)가 각각의 압전액츄에이터(30)들을 순차적으로 제어하여 이들이 서로 다른 변위 차를 이루며 연동하여 동작할 수 있도록 한다.
상기 콘트롤러(40)에 의해 제어되는 각각의 압전액츄에이터(30)는 이들이 서로 연동하여 순차적으로 동작할 수 있도록 0°,90°,180°,270°변위 폭(위상차)을 가지도록 차례로 설정된다.
한편, 본 발명에서는 일실시예로 하나의 펌프케이스(20)에 일렬로 나란하게 다수의 압전액츄에이터(30)가 부설되어 하나의 유체흡입입구를 통해 유입되는 유체를 그와 마주하는 유체토출구를 통해 토출되는 구성으로 되는 압전펌프를 도시하고 설명하였으나, 또 다른 실시예는 도7내지 도9에 나타낸 바와 같이 압전펌프를 부피가 작고 콤펙트화된 구조로 형성할 수 있다.
도7은 본 발명의 또 다른 구성에 의한 압전 펌프케이스의 예시도이고, 도8은 다수의 펌프케이스가 상,하로 적층되는 구조를 갖는 압전펌프의 예시도이고, 도9는 압전펌프의 단면도,
이에 도시된 바와 같이 압전액츄에이터(30)가 수용되는 내측 유체펌핑실(23)에 흡입공(21)과 토출공(22)이 형성되는 펌프케이스(20)와, 도전성탄성판(31)에 부착되는 압전소자(34)가 변위를 일으키며 펌프케이스(20)의 흡입공(21)으로 유입된 유체를 출구측 토출공(22)으로 펌핑하도록 된 압전액츄에이터(30)와, 상기 압전액츄에이터(30)를 제어하는 콘트롤러(40)를 포함하는 압전펌프에 있어서, 상기 펌프케이스는 그 상,하부측으로 또 다른 펌프케이스(201,202,203,204)가 다수 적층되고, 각각의 펌프케이스(20)에 조립되는 압전액츄에이터(30)의 흡입공(21)과 토출공(22)은 그 상부측으로 적층되는 펌프케이스(202)의 토출공(22)과 흡입공(21)에 서로 연결되고, 최상부측 펌프케이스(204)에는 가장 하부측에 위치한 펌프케이스(201)의 흡입공(21)과 직접 연결되는 유체흡입관(11)과 최상부측 펌프케이스(204)의 토출공(22)과 연결되는 유체토출관(12)이 함께 병설된다.
그리고 상기 펌프케이스(20)의 일측면에 가이드홈(26)이 형성되어 상기 가이드홈(26)으로 조립되는 가이드블럭(27)에 의해 ,상,하로 적층되는 펌프케이스(20)를 고정 및 분리하도록 구성되고, 상기 가이드블럭(27)의 내측면에는 각각의 압전액츄에이터(30)에 납땜 연결되는 리드선(35)을 외부로 인출시키도록 그 내측면에 요함부로 형성되는 리드선인출통로(271)를 형성하여 상기 가이드블럭(27)을 통해 인출되는 리드선(35)을 콘트롤러(40)에 연결하도록 되어있다.
이처럼 상,하로 적층되는 구성을 갖는 압전펌프는 각각의 압전액츄에이터의 토출공이 인접되는 또 다른 펌프케이스의 유입포트에 연결되도록 조립하면 제1펌프케이스(201)를 통해 펌핑되는 유체는 제2펌프케이스(202)로 유입되어질 수 있게되고, 제2펌프케이스(202)로 유입된 유체는 또 다른 제3, 4펌프케이스(203,204)를 순차적으로 경유하면서 순차적으로 펌핑작용을 하게 된다.
그리고 유체의 유입과 펌핑된 유체를 원하는 영역으로 토출시키기 위해서는 최상부측에 위치한 펌프케이스(204)에는 상기 압전펌프에 유체를 공급하는 유체공급관(11) 및 토출구를 통해 펌핑되는 유체를 이송하는 유체배출관(12)이 함께 설치되며, 상기 유체공급관(11)은 맨아랫쪽에 위치한 펌프케이스(201)의 유체 흡입공에 직접 연결된다.
이와 같이 구성된 본 발명은 펌프케이스의 내측에 유니몰프형 압전액츄에이터를 다수개 배치하고, 각각의 압전액츄에이터는 펌프케이스(20)의 흡입공(21)으로 유입된 유체를 출구측 토출공(22)으로 펌핑시키도록 이들이 서로 연동하여 동작되도록 전계를 인가함으로써, 체크밸브 없이도 흡입 측으로 유입된 유체가 출구 측으로 진행되도록 다수의 압전 액츄에이터를 순차적으로 펌핑시킬 수 있게 된다.
상기 압전액츄에이터에 기전력을 가하면 한쪽방향으로 변위를 일으킬 때 펌프케이스에 형성된 흡입포트과 연결되는 압전액츄에이터의 흡입 측으로부터 첫번째 압전엑츄에이터가 변위를 일으켜 유체를 흡입하면, 90°위상지연으로 두 번째 압전 엑츄에이터가 변위를 시작하고, 180°지연으로 세번째 압전엑츄에이터가 변위를 시작하게 하면서 각 액츄에이터 변위에 의해 발생된 공간에 유체가 유입되어 출구 측으로 토출하는 펌핑동작을 반복하게 된다.
이상에서 설명한 바와같이, 본 발명은 펌프케이스에 부설되는 다수의 압전액츄에이터를 사용하여 이들이 서로 연동하여 동작되도록 전계를 인가함으로써, 체크 밸브 없이도 흡입 측으로 유입된 유체를 출구 측으로 펌핑 작동이 가능하여 부품수가 작고, 구조도 간단하여 고장이나 수리가 자주 발생하지 않을 뿐만 아니라 체크밸브에 의한 소음이 없으므로 저소음화를 실현할 수 있는 장점을 갖는 매우 유용한 발명인 것이다.
도1은 종래 유니몰프(unimorph) 압전액츄에이터를 이용한 압전펌프의 예시도,
도2은 종래 바이몰프(bimorph) 압전액츄에이터를 이용한 압전펌프의 예시도,
도3은 종래 압전펌프의 작동관계를 설명하는 선도,
도4는 본 발명이 적용된 디스크형 압전액츄에이터의 예시도,
도5는 본 발명이 적용된 압전펌프의 일 예시도,
도6은 본 발명에 따른 압전펌프의 작동에 다른 유체의 흐름을 표현한 참고도,
도7은 본 발명의 또 다른 구성에 의한 압전 펌프케이스의 예시도,
도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전펌프의 예시도,
도9는 도8에 나타낸 압전펌프의 단면도,
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 유체흡입관 12: 유체토출관
20: 펌프케이스 21: 흡입공
22: 토출공 23: 유체펌핑실
24: 유로 30: 압전액츄에이터
31: 도전성탄성판 34: 압전소자
40: 콘트롤러

Claims (4)

  1. 압전액츄에이터(30)가 수용되는 내측 유체펌핑실(23)에 유체흡입관(11)이 연결되는 흡입공(21)과 유체토출관(12)이 연결되는 토출공(22)이 형성되는 펌프케이스(20)와, 도전성탄성판(31)에 부착되는 압전소자(34)가 변위를 일으키며 펌프케이스(20)의 흡입공(21)으로 유입된 유체를 출구측 토출공(22)으로 펌핑시키는 압전액츄에이터(30)와, 상기 압전액츄에이터(30)를 제어하는 콘트롤러(40)를 포함하는 압전펌프에 있어서,
    상기 펌프케이스(20)의 내측에 유로(24)를 공유하는 다수의 유체펌핑실(23)이 설치되고, 각각의 유체펌핑실(23)에는 인접되는 유로(24)를 서로 공유하는 압전액츄에이터(30)가 취부되어 이들이 서로 다른 변위를 이루며 연동하여 동작하도록 콘트롤러(40)가 각각의 압전액츄에이터(30)들을 순차적으로 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 콘트롤러(40)에 의해 제어되는 각각의 압전액츄에이터(30)는 0°,90°,180°,270°의 변위 폭(위상차)을 이루며 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
  3. 압전액츄에이터(30)가 수용되는 내측 유체펌핑실(23)에 흡입공(21)과 토출공(22)이 형성되는 펌프케이스(20)와, 도전성탄성판(31)에 부착되는 압전소자(34)가 변위를 일으키며 펌프케이스(20)의 흡입공(21)으로 유입된 유체를 출구측 토출공(22)으로 펌핑하도록 된 압전액츄에이터(30)와, 이를 제어하는 콘트롤러(40)를 포함하는 압전펌프에 있어서,
    상기 펌프케이스(20)는 그 상,하부측으로 또 다른 펌프케이스(201,202,203,204)가 다수 적층되고, 각각의 펌프케이스(20)에 조립되는 압전액츄에이터(30)의 흡입공(21)과 토출공(22)은 그 상부측으로 적층되는 펌프케이스(202)의 토출공(22)과 흡입공(21)에 서로 연결되며 최상부측 펌프케이스(204)에는 가장 하부측에 위치한 펌프케이스(201)의 흡입공(21)과 직접 연결되는 유체흡입관(11)과 최상부측 펌프케이스(204)의 토출공(22)과 연결되는 유체토출관(12)이 함께 병설되고, 상기 펌프케이스(20)에 취부되는 각각의 압전액츄에이터(30)는 이들이 서로 다른 변위를 이루며 연동하여 동작하도록 콘트롤러(40)가 순적으로 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전펌프는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
  4. 제3항에 있어서, 상기 펌프케이스(20)의 일측면에는 가이드홈(26)이 형성되고, 상기 가이드홈(26)에는 리드선인출통로(271)가 형성된 가이드블럭(27)이 구비되어 상,하로 적층되는 펌프케이스(20)를 고정 및 분리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전펌프.
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