KR20130087390A - 배터리 동력형 주입 장치 - Google Patents

Abstract

특정 부피의 액체를 분배하기 위한 주입 장치(100)로서, 전자석(111)을 포함하고 그리고 자화 가능한 펌핑 부재(110)를 가지는 펌프(112)를 유지하도록 구성되며, 상기 펌핑 부재는 펌프가 주입 장치에 의해서 유지될 때 전자석의 작용 하에서 변위될 수 있는 것인 주입 장치가 제시된다. 상기 주입 장치는, 반복적인 전류 펄스들에 의해서 전자석으로 에너지를 공급하도록, 그리고 적어도 펄스당 한 차례 전류 세기를 측정하도록 구성된 휴대용 전압 공급원(113)을 포함하는데, 이에 따라 분배하기 위한 특정 부피의 액체에 상응하는 전체 전하량이 공급될 때까지, 각 펄스에서 전하량을 개산(槪算)한다. 자화 가능한 펌핑 부재를 가지는 펌프를 작동시키는 전자석의 펄스형 작동을 포함하는 방법이 또한 개시된다.

Description

배터리 동력형 주입 장치{BATTERY-POWERED DOSING DEVICE}

본원에 개시된 발명은 전체적으로 높은 정확도의, 자기 작동식 전기 펌프들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원 발명은 펌프 작동을 위한 전자석을 포함하는 배터리 동력형 주입 장치(dosing device) 및 그러한 장치의 작동 방법에 관한 것이다.

몇 가지 타입들의 높은 정확도의 액체 주입 장치들이 당업계에 공지되어 있다. 실험실 용도들에서 일반적으로 사용되는 첫 번째 타입은 스텝 모터 구동형 펌프들을 가지는 장치들이다. 제 2 타입의 주입 장치들은 작은 전기 펌프들을 포함하고, 그러한 펌프들의 펌핑 작용은 강자성체 피스톤과 같은 자화 가능한 내부 펌핑 부재의 운동을 초래하여, 양호하게 규정된(well-defined) 양의 액체가 분배될 수 있게 한다. 제 2 타입의 주입 장치들은, 액체들을 위한 분배 컨테이너들에 통합되고 그리고 그러한 컨테이너들과 함께 폐기될 수 있는 저비용 펌프 유닛들로서 구현될 수 있을 것이다. 각각의 펌프 유닛은 액체 컨테이너를 유지하기 위한 (비-일회용) 구조물 내에 배치되는 전자석에 의해서 작동될 수 있을 것이다. 점성 액체들의 분배를 위해서 특별하게 구성된 그러한 주입 장치가 GB 2 103 296 A로부터 공지되어 있으며, 여기에서 펌핑 챔버가 가요성 또는 탄성 원통형 챔버 벽 및 일방향(non-return) 유입구 밸브 및 배출구 밸브들에 의해서 형성된다. 펌핑은 펌핑 챔버의 상단부에 배치된 자화 가능한 원형 요소의 하향 운동에 의한 펌핑 챔버의 일련의 변형에 의해서 이루어진다. 또한, WO 2007/56097 A2는 분배기에 의해서 수용되는 응축물(concentrate) 펌핑 장치를 가지는 카트리지를 개시한다. 이러한 분배기는, 펌핑 장치 내의 분배 튜브 내에서 슬라이딩 가능하게 배치되는 피스톤에 작용하는 권선된 코일을 가지는 전자석을 구비하고, 그에 의해서 응축물이 펌핑 장치의 외부로 강제로 배출된다. 다른 공지된 주입 장치들과 유사하게, 이들 양자 모두는 전기 본선들에 의해서 전력을 공급받는다.

만약, 배터리들과 같은 휴대용 전압 공급원에 의해서 동력을 공급받을 수 있다면, 이러한 특성의 주입 장치들이 보다 널리 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 냉장고 내의 분배기에 저장하고 그 분배기를 작동시키는 것에 의해서 분배되는 음식물 액체의 수명을 연장시킬 수 있을 것이다.

본원 발명의 목적은 정확히 계량된 부피의 액체를 분배하기 위한 휴대용 주입 장치를 제공하는 것이고 그리고 그러한 장치를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본원 발명의 목적은 이러한 타입의 배터리 동력형 주입 장치를 제공하는 것이다.

본원 발명은 독립 청구항들에 의해서 규정되는 특징들을 가지는 장치들 및 방법들을 제공함으로써 이러한 목적을 달성한다. 본원 발명의 실시예들이 종속항들에 의해서 규정된다.

하나의 양태에서, 본원 발명은 휴대용 전압 공급원에 의해서 에너지를 공급받을 수 있는 전자석의 작용 하에서 변위될 수 있는 자화 가능한 펌핑 부재를 포함하는 펌프를 이용하여 특정 부피의 액체를 분배하는 방법을 제공한다. 그러한 방법은,

(i) 특정 부피의 액체에 상응하는 전체 전하량(charge amount)(Q_tot)을 규정하는 단계;

(ⅱ) 펄스 동안에 전압 공급원으로의 접속에 의해서 전자석에 에너지를 공급하는 단계;

(ⅲ) 펄스 동안에 적어도 하나의 전류 측정(I_{m ,n})을 실시하고 그리고 이에 기초하여 공급된 전하량(Q_m)을 개산(槪算; estimate)하는 단계; 그리고

(iv) 전체 전하량이 공급될 때까지 단계(ⅱ) 및 단계(ⅲ)를 반복하는 단계

를 포함한다.

다른 양태에서, 본원 발명은 특정 부피의 액체를 분배하도록 구성된 주입 장치를 제공한다. 주입 장치는 전자석을 포함하고 그리고 자화 가능한 펌핑 부재를 가지는 (분리 가능하거나 고정될 수 있는) 펌프를 유지하도록 구성되며, 상기 펌핑 부재의 왕복 변위에 의해서 액체가 펌프로부터 배출되도록 하는 방식으로 상기 펌핑 부재가 배치되며, 상기 자화 가능한 펌핑 부재는, 펌프가 주입 장치에 의해서 유지될 때 전자석의 작용 하에서 변위될 수 있다. 주입 장치는, 반복적인 전류 펄스들에 의해서 전자석으로 에너지를 공급하도록 그리고 적어도 펄스당 한 차례 전류 세기를 측정하도록 구성된 휴대용 전압 공급원을 더 포함하며, 이에 따라 분배하기 위한 특정 부피의 액체에 상응하는 전체 전하량이 공급될 때까지, 각 펄스에서 공급되는 전하량을 개산한다.

주입 장치는 펌프를 유지하기 위한 유지 수단 및/또는 펌프를 수용하도록 구성된 리세스(recess)를 구비할 수 있을 것이다. 유지 수단은 형상-결합형(form-fitting) 기계 요소들, 스프링-로딩형(spring-loaded) 클램프들, 자기 유지 수단들(magnetic retention means), 접착제 조인트들, 벨크로 체결 등일 수 있을 것이다.

펌핑 부재는 피스톤으로서, 조합된 밸브 부재 및 피스톤으로서, (부분적으로) 가요성인 펌핑 챔버 또는 박막을 수축 또는 팽창시키기 위한 요소로서, 고정된 내부 피스톤에 대해서 변위 가능한 중공형 튜브로서, (가능하다면 힌지형일 수 있는) 벨로우즈 측부로서, 또는 선형 및/또는 회전 운동을 액체의 변위로 변환하기 위한 임의의 다른 수단으로 구현될 수 있을 것이다. 펌핑 부재는 적어도 하나의 자화 가능한 재료(예를 들어, 철, 코발트, 니켈, 및 일부 금속 산화물들을 포함하는 기타 강자성 재료들)를 포함하고, 그에 따라 외부 자기장과 상호작용할 것이다. 활성 전자석과, 자화 가능한 재료의 본체 사이의 무접촉 기계식 상호작용이 가능하다는 것은 당업계에 잘 공지되어 있다. 바람직하게, 펌핑 부재는, 예를 들어, 선형 스프링, 비틀림 스프링, 심(shim), 엘라스토머 본체 또는 다른 탄성 부재에 의해서 편향된다. 이에 의해서, 전자석이 펌핑 부재를 일방향으로 변위시키기 위해서만 사용된다면, 펌프는 보다 더 단순한 구조를 가질 수 있게 된다. 예를 들어, 전자석은 권선된 코일(솔레노이드)을 포함할 수 있고, 가능하게는 강자성 코어를 구비할 수 있으며, 직류에 의해서 에너지를 공급받았을 때 길이방향 축선에 이웃하여 실질적으로 균일한 자기장을 생성할 것이다. 주어진 지점에서의 국소적인 자기 플럭스가 자기장을 생성하는 전류에 비례한다는 것이 잘 알려져 있다. 그에 따라, 이러한 모델에서, 펌핑 부재 상에 가해지는 자기력이 전류에 비례한다.

이러한 개시 내용의 목적을 위해서, '펄스'는, 자기장이 발생되도록 그리고 펌핑 부재를 작동시키도록 전자석이 전류에 의해서 에너지를 공급받는 제한된 시간의 기간이다. 바람직하게, 2개의 펄스들은 펌핑 부재가 그 원래의 위치로 복귀될 수 있게 허용하는 간격에 의해서 구분된다. 또한, 만약 화학적 전압 공급원이 이용된다면, 그 간격은 전압 공급원의 원래의 전기적 특성들을 어느 정도 재구성하는 반응들의 실현을 위한 소정 시간을 허용할 것이다.

휴대용 전압 공급원은 배터리 또는 배터리들의 조립체와 같은 화학적 전압 공급원을 포함할 수 있는데, 상기 배터리 각각은 재충전 가능하거나 또는 재충전 불가능하다. 휴대용 전압 공급원은 또한 연료 전지일 수 있을 것이다. 이상적인 전압 공급원과 비교하면, 배터리들은 이하의 2개의 특징적인 성질들을 가진다:

1. 출력 전압은 배터리로부터 인출되는 순간 전류에 따라서 감소되는데, 이러한 거동은 일반적으로 내부 저항의 존재에 의해서 모델링된다.

2. 출력 전압은, 일정한 부하가, 특히 비교적 중부하(heavy load)가 배터리에 인가될 때 시간에 따라서 감소된다. 새로운 배터리의 경우에, 출력 전압은 부하가 제거되거나 감소된 후에 한정된 시간에 원래의 값으로 재구성될 수 있을 것이다. 배터리는 시간 경과에 따라서 점점 더 느리게 회복될 것이다.

본원 발명자들은 이러한 특성들이 배터리 동력형의, 자기적으로 작동되는 주입 장치의 설계 상의 난점을 제기한다는 것을 깨달았는데, 이는 요구되는 전자석 전류가 각각의 펌핑 사이클 전반에 걸쳐 항상 얻어지거나 유지될 수 없기 때문이다. 종래 기술 장치의 전기 본선 공급부가 직접적인 방식으로 배터리에 의해서 대체되는, 가상적인 주입 장치의 정확도는 열등한 정확도를 가지기 쉬울 것이다. 사실상, 배터리의 시간 가변적 특성들로 인해서, 펌핑 부재가 완전한 작업 사이클을 완료하는지의 여부 및 그에 의해서 액체의 설계(또는 공칭) 부피를 변위시킬 수 있는지의 여부에 대해서 확신하지 못하게 될 것이다. 예를 들어, 피스톤 펌프의 경우에, 피스톤이 완전한 행정에 걸쳐 전후로 이동되었는지의 여부 및 그에 따라 액체의 설계 부피를 배출하였는지의 여부를 확신하지 못하게 될 것이다.

본원 발명은 전자석의 각각의 작업 펄스 동안에 실행된 전류 측정(들)로 인해서 정확하게 계량된 부피를 분배할 수 있게 하는 특별한 목적을 달성한다. 측정된 전류 값들은 각각의 작업 펄스에서 전자석으로 공급되는 전하량을 개산하기 위해서 이용된다. 주어진 부피의 액체의 펌핑은, 전자석에 연산 가능한 전하량을 공급하는 것을 필요로 한다는 것이 입증되었다. 그에 따라, 누적된 전하량을 연산하고 모니터링하는 한편, 미리 규정된 전체 전하량이 공급될 때까지 펄스형 펌핑이 실행된다. 전체 전하량은 분배하고자 하는 액체의 특정 부피의 함수로서 연산되고 그리고 주입 장치의 적절한 제어를 허용한다. 그에 따라, 본원 발명은 또한 휴대용 주입 장치를 제공하기 위한 목적을 달성하는데, 이는 전기 본선 동력 공급이 필요하지 않기 때문이고 그리고 운반이 용이한 유닛을 형성하도록 장치의 모든 다른 부분들이 구현될 수 있기 때문이다.

식으로 표현하면, 본원 발명에 따른 방법은 분배하고자 하는 전체 부피(V_tot)의 함수로서 전체 전하량(Q_tot)을 먼저 연산하는데, 즉, Q_tot = Q_tot(V_tot)이다. 적어도 하나의 전류 값이 각 펄스에서 측정된다. m번째 펄스에서, n개의 전류 값들(I_{m ,1}, I_{m ,2}, ..., I_{m ,n})이 기록되고 그리고 m번째 펄스 동안에 전자석으로 공급되는 전하량(Q_m)을 개산하기 위한 기초를 형성한다. 예를 들어, 평균 전류에 펄스 길이(T_m)를 곱하여 전하량을 개산할 수 있을 것이다; 즉

k 개 펄스들 이후의 누적된 전하량이 다음과 같이 주어지고,

그리고 Q ≥ Q_tot 이 되자마자 펌핑이 중단된다.

하나의 실시예에서, 각 펄스는 미리 규정된 최대 길이(T_max)를 가진다. 이는 전술한 배터리들의 2번째 성질 즉, 부하가 비교적 짧은 부하 펄스들로 인가될 때 배터리가 보다 양호하게 기능한다는 성질을 고려한다. 이러한 작동 모드는 또한 장기간의 배터리 피로의 관점에서도 바람직하다. 미리 규정된 최대 펄스 길이의 적합한 값이 관련 타입의 배터리에 대한 일반적인 실험에 의해서 결정될 수 있다.

일 실시예에서, 만약 측정된 순간 전류 값이 미리 규정된 최소 전류(I_min)보다 더 낮다면, 펄스가 중단된다. 최소 전류 값은 일반적인 실험에 의해서 결정될 수 있을 것이다. 이는, 약한 출력 전류가 피로의 징후이기 때문에, 배터리의 수명을 보존한다. 새로운 또는 약간 오래된 배터리는, 다음 작업 펄스가 시작되기 전에, 정상적인 전기 성질들을 복구할 것이다. 다른 한편으로, 이러한 기준에 따른 반복적인 중단들은, 배터리가 심각하게 오래되었거나 결함을 가지고 그리고 교체 필요성이 있다는 것을 나타낼 것이다. 특히, 최대 길이(T_max) 및 최소의 순간 전류(I_min)의 2가지 기준을 조합할 수 있고, 그에 따라 최소의 순간 전류 기준이 펄스를 조기에 중단시킬 수 있을 것이며, 그에 따라 T_m < T_max 가 된다.

일 실시예에서, 만약 미리 규정된 최대 펄스당 전하량(Q_max)이 공급되었다면, 펄스가 중단된다. 전자석 및 편향된 펌핑 부재의 특별한 조합의 경우에, 펌핑 사이클의 (처음 절반의) 완료는 공급된 특정 전하량과 일치된다. 피스톤과 같이 선형으로 이동 가능한 펌핑 부재의 특별한 경우에, 펌핑 사이클의 완료는 전체 행정에 상응한다. 그 이후에, 펌핑 부재가 편향에 의해서 원래의 위치로 되돌아갈 것이다. 이러한 포인트 이후에, 작동력을 유지하는 데 있어서 펌핑 부재의 임의의 추가적인 변위를 달성하지 않고 에너지를 소비할 수 있는 포인트가 없기 때문에, 여기에서 펄스를 중단하는 것이 에너지-경제적이고 그리고 배터리-보존적이다. 이러한 제어 기준의 결과로서, 전체 전하량에 상응하는(Q_tot > Q_max) 액체의 부피가 하나 초과의 펄스에 의해서 필수적으로 분배된다. 이러한 제어 기준이 최대 펄스 길이(T_max) 및/또는 최소 순간 전류(I_min)의 제어 기준과 용이하게 조합될 수 있을 것이다.

일 실시예에서, 연속적인 펄스들의 최소한의 구분이 관찰된다. 선행하는 부하 펄스로부터 회복하기 위해서 적어도 D_min 시간 단위들의 간격을 배터리에 허용함으로써, 배터리의 유효 수명이 연장된다. 배터리는 또한 다음 펄스 동안에 보다 양호한 기능을 할 수 있을 것이다. 다시, 이러한 제어 기준은 전술한 임의 기준과 유리하게 조합될 수 있다.

일 실시예에서, 누적된 전하(Q)는 각각의 작업 펄스 이후에 연산되나 작업 펄스들 동안에는 연산되지 않는다. 이는, 작업 펄스를 완료한 후에 펌핑 프로세스를 중단시키는 결정이 이루어진다는 것을 의미한다.

다른 실시예들에 있어서, 펄스에서 이제까지 획득된 전류 값들을 기초로 개산된 증분들을 연속적으로 합산함으로써, 누적된 전하량(Q)이 연속적으로 연산된다. 이는, 펌핑이 펄스 내에서 중단될 수 있기 때문에, 보다 정확한 분배를 제공한다.

일 실시예에서, 선형 수치 관계를 이용하여 전체 전하량(Q_tot)이 연산되며, 그에 따라 Q_tot = Q_tot(V_tot) = K x V_tot 가 되는데, 여기에서 K 는 펌프의 기하학적 형태, 전자석의 성질들, 펌핑되는 액체의 점도 및 관련 인자들에 의존하는 상수이다. 그러나, K 는 전압 공급원의 성질들, 특히 내부에 구성된 배터리의 실제 피로 레벨의 성질들에 실질적으로 무관한 것으로 가정된다. 전하량과 분배된 부피 사이의 이러한 선형 관계를 기초로 전술한 특성들을 이용하여 주입 장치를 작동시키는 것이 적절하다. 사실상, 펌핑되는 액체가 비압축성이라고 가정하고 그리고 펌핑 부재의 운동역학적인 관성을 무시한다면, 펌핑 부재의 변위는 변위의 속도에 실질적으로 비례하는 힘을 반대로 받을 것이다. 반대되는 힘은, 특히 좁은 통로들에서, 내부 마찰, 점성력들, 탄성력들에 대항하는 또는 중력장 방향을 따른 액체의 변위 등의 결과이다. 이러한 가정들로부터, 펌프로부터 방출되는 액체의 순간 유동이 전자석에 의해서 가해지는 힘에 비례하고, 이는 - 자기장이 자석 부재의 변위 경로를 따라서 국소적으로 균질하다고 가정하면 - 다시 순간 전류에 비례하고, 환언하면,

이때, i(t)는 순간 전자석 전류이다. 이러한 관계에 의해서, 펄스 동안에 분배되는 부피는 펄스 동안에 공급되는 전하량에 비례한다. 전체 부피를 분배하기 위해서 필요한 전체 시간 간격에 걸쳐 관계식을 적분하면, Q_tot = K x V_tot 를 얻는다. 상수 K 는, 결과적인 펌핑 부피를 측정하면서 기지의 전류 세기에서 기지의 길이의 펄스들 동안에 펌프가 작동되는 교정 과정에 의해서 적절하게 결정된다. 전하량과 분배된 부피 사이의 선형 관계로까지 이어지는 상기 유도식은 경험적으로 그리고 가설들을 단순화하여 이루어졌으나, 그럼에도 불구하고 주입 장치를 제어하기 위한 기초로서의 유용성은, 보다 복잡한 분석으로부터 초래될 수 있는 보다 더 정확한 관계들과 무관하게, 경험적으로 입증되었다는 점은 주목할 만하다.

일 실시예에서, 전류 측정들은 각각의 사이클의 후속 부분들의 시간에서 일련의 균일하게 또는 불균일하게 이격된 포인트들에서 실행된다. 측정된 값들은 출력 전류가 시간의 함수로서 개산될 수 있게 한다. 예를 들어, 일련의 전류 측정들이 개시되기에 앞서서, 전압 공급원이 미리 결정된 대기 간격(latency interval; T_lat) 동안 전자석에 접속될 수 있을 것이다. 이러한 것이 주입 장치의 경제적인 작동 방식이 되는데, 이는 초기 전류 측정치들이 배터리의 실제 피로 레벨에 대략적으로 무관하기 때문이고 그리고 새로운 배터리의 초기 전류 값에 의해서 근사될 수 있기 때문이다. 배터리의 성능은 일반적으로 대기 간격(T_lat) 이후에만 명확해진다. 대기 간격이 일반적으로, 일련의 측정들에서의 2개의 연속되는 전류 측정들을 구분하는 통상적인 간격보다, 몇 배 더 길다는 것을 이해할 수 있을 것이고, 그리고 수십 배 더 길 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

일 실시예에서, 본원 발명은 몇 개의 컨테이너들(파우치들)로부터 액체를 주입하기 위한 분배기 조립체를 제공한다. 분배기 조립체는 전압 공급원 및 하나 이상의 분배 유닛으로 이루어진다. 각각의 분배 유닛은 전자석, 및 배출구에 배치된 펌프를 가지는 액체 컨테이너를 수용하기 위한 유지부를 포함한다. 펌프는 전술된 실시예들 중 하나의 구조를 가지고 그리고 동일한 방식으로 전자석에 의해서 작동된다. 전압 공급원은, 상응하는 컨테이너로부터 액체를 분배하기 위해서 전자석들 중에서 선택된 하나의 전자석에 에너지를 공급하도록 구성된다. 하나의 전압 공급원이 하나의 전자석 또는 몇 개의 전자석들에 대해서 서비스할 수 있을 것이다. 만약 몇 개의 전압 공급원들이 제공된다면, 하나 초과의 전압 공급원에 의해서 액세스될 수 있도록, 배터리 또는 배터리들을 포함하는 적어도 한 부분을 공유 방식으로 구현하는 것이 바람직할 것이다.

앞서서 개략적으로 설명된 둘 또는 셋 이상의 실시예들로부터의 특징들은, 다른 명백한 언급이 없다면, 추가적인 실시예들에서 조합될 수 있을 것이다. 2개의 특징들이 다른 청구항에 기재된다는 사실은 그들이 바람직하게 함께 조합될 수 있다는 것을 배제하는 것은 아니다. 유사하게, 추가적인 실시예들에서는 또한 희망하는 목적을 위해서 필수적이지 않은 또는 본질적이지 않은 특정 특징들을 생략할 수 있을 것이다.

본원 발명에 따르면, 정확히 계량된 부피의 액체를 분배하기 위한 휴대용 주입 장치 및 그러한 장치를 작동시키는 방법을 얻을 수 있다. 특히, 본원 발명에 따르면, 이러한 타입의 배터리 동력형 주입 장치를 얻을 수 있다.

이제, 첨부 도면들을 참조하여 본원 발명의 실시예들을 설명할 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본원 발명의 3개의 실시예들에 따른 주입 장치들을 (부분적으로 개략적으로) 도시한다.
도 2는 본원 발명의 다른 실시예에 따른 분배 조립체를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 다양한 작동 단계들에서 전자석 전류 세기를 시간의 함수로서 도시하고, 그리고 또한 본원 발명의 실시예에 따른 전류 측정 기술을 도시한다.

도 1a는 컨테이너(114)로부터 정확히 계량된 부피의 액체를 분배하기 위한 주입 장치(100)의 개략적인 도면이다. 주입 장치는, 실린더(112) 내에서 슬라이딩식으로 배치되고 그리고 실질적으로 실린더 내에 액밀식으로 조립되는 자화 가능한 피스톤(110)을 포함한다. 전자석(111)은 실린더(112)의 중앙 영역 내에서 즉, 피스톤(110)이 위치할 수 있는 공간의 모든 지점들에서 자기장을 생성하도록 작동될 수 있다. 피스톤(110)이 우측으로 이동할 때, 액체가 유입구 체크 밸브(115)를 통해서 실린더(112)의 좌측 부분 내로 인출된다. 피스톤(110)이 좌측으로 이동할 때, 액체가 배출구 체크 밸브(116)를 통해서 실린더(112)로부터 배출된다. 각각의 이동 동안에, 피스톤(110)은 피스톤(110)에 부착된 선형 스프링(117)과 기계적인 에너지를 교환한다. 바람직하게, 스프링(117)의 다른 단부 지점은 실린더(112)에 대해서 정지된 요소에 부착된다. 스프링이 좌측을 향하는 이동에서 에너지를 받고 그리고 우측을 향하는 이동에서 그 에너지를 공급하는지의 여부 또는 그 반대의 여부는, 스프링의 이완된 위치에 따라 좌우된다. 스프링(117)은 스프링의 이완을 제한하는 정지부(도시하지 않음) 또는 받침부의 제공에 의해서 프리로딩될(preloaded) 수 있을 것이며, 그에 의해서 상대적으로 보다 일정한 스프링힘이 획득된다.

이러한 실시예의 전자석(111)은 권선된 코일(도시하지 않음)을 포함하며, 전류가 코일을 통해서 흐를 때 그 중심에서 실질적으로 균질한 자기장이 발생된다. 이러한 영역 내에서 자기 플럭스는 전류 세기에 따라서 선형적으로 변화되는데, 정확한 관계는 코일의 기하학적 형태에 의해서 그리고 자석 코어가 제공되는 경우에 자석 코어의 특성에 의해서 결정된다. 전자석(111)은 전압 공급원(113)으로부터 전류를 공급 받으며, 상기 전압 공급원은 바람직하게는 휴대용 유닛으로 구성되고 그리고 재충전 가능한 배터리 또는 재충전 불가능한 배터리와 같은 화학적 전압 공급원을 포함할 수 있을 것이다. 잘 알려진 바와 같이, 몇 가지 화학적 전압 공급원들이 직렬로 접속되어 보다 큰 출력 전압을 제공할 수 있고, 그에 따라 전자석(111)이 구동될 때 전자석은 적합한 강도의 자기장을 제공할 것이다. 이러한 실시예에서, 전압 공급원(113)이 스위치에 의해서 전자석(111)의 코일에 접속되고 코일로부터 차단된다. 배터리와 관련하여 전술한 바와 같이, 전압 공급원(113)의 단기 피로 및 장기 피로의 결과로서, 코일 전류가 시간에 걸쳐 변화될 수 있을 것이다.

도 1b는 컨테이너(136)로부터 특정 부피의 액체를 분배하기 위한 추가적인 주입 장치(120)를 도시한다. 그러한 주입 장치는 가요성 벽 세그먼트(139)를 가지는 펌핑 챔버(132)를 포함한다. 상기 펌핑 챔버는 자화 가능한 펌핑 부재(130)에 의해서 작동될 수 있을 것이고, 상기 펌핑 부재는 전자석(131)에 의해서 생성되는 자기장의 작용 하에서 변위될 수 있다. 컨테이너(136)로부터의 액체가 제 1 체크 밸브(137)를 통해서 펌핑 챔버(132) 내로 유입되고 그리고 가요성 벽(139)의 압축 시에, 제 2 체크 밸브(138)를 통해서 배출된다. 전자석(131)은 전압 공급원(133)에 의해서 에너지를 공급받을 수 있고, 상기 전압 공급원은 직렬로 접속된 5개의 배터리들(135) 그리고 조합된 제어 유닛 및 전압 부스터(voltage booster; 134)를 포함한다. 조합된 제어 유닛 및 전압 부스터(134)는, 한편으로, 전술한 바와 같이 배터리들(135)과 전자석(131) 사이의 펄스형 전기 접속을 형성하도록 구성되고, 다른 한편으로, 출력 배터리 전압을 증가시키도록 구성된다. 저전압 입력을 기초로 고전압 출력을 전달하는 것을 일반적인 목적으로 하는 전압 부스팅 장치들이 당업계에 잘 알려져 있으며, 그리고 예를 들어 저전압 입력으로부터 인출된 고주파 진동 전류에 의해서 여기되도록 구성된 인덕턴스 구성요소로 이루어질 수 있을 것이다. 이어서, 고전압 진동 전류가 고전압 직류로 평활화된다. 이러한 실시예에서, 조합된 제어 유닛 및 전압 부스터(134)는 스위칭 회로망에 더하여 전압 부스팅 장치로서 작용하기 위한 필수 회로망을 포함한다.

도 1c는 본원 발명의 다른 실린예에 따른 제 3의 주입 장치(140)를 도시한다. 주입 장치가 직립 위치에서 작동된다면 그러한 주입 장치(140)의 펌핑 작용이 중력에 의해서 부가되고, 상기 도면에서 위쪽 방향은 중력장에서의 상향 방향과 대략적으로 상응한다. 주입 장치(140)는 자화 가능한 피스톤(150)을 포함하고, 상기 피스톤의 상류에는 펌핑하고자 하는 액체가 위치된다. 피스톤(150)은 펌프 실린더(152)의 내측 벽과 협력하나, 그 벽을 따라서 이동될 수 있고 그리고 상향 방향으로 스프링-편향(spring-biased)된다. 피스톤(150)의 휴지 위치는 실린더(152) 내의 중앙에 배치된 밸브 시트에 대해서 이웃하는 밀봉 헤드(157)에 의해서 규정되며, 그에 의해서 피스톤(150)의 상향 이동성이 제한된다. 이전의 실시예들과 유사하게, 피스톤(150)은 실린더(152)에 견고하게 부착되고 그리고 피스톤(150)의 영역 내에 배치된 전자석(151)에 의해서 생성된 자기장의 환경(medium)을 통해서 작동될 수 있다. 바람직하게 자기장의 작용은 스프링을 가압하는 하향력이다. 전자석(151)에는 직렬로 커플링된 휴대용 전압 공급원들(155)의 세트로부터 인출된 전류가 공급되고, 상기 공급원은 스위치(154)에 의해서 전자석(151)에 접속될 수 있다. 스위치(154) 및 배터리들(155)은 함께 전압 공급 유닛(153)을 형성한다. 행업(hang-up)을 방지하기 위해서 그리고 밸브 시트가 제공되는 실린더(152)의 하단부에 도달한 직후에 피스톤(150)을 편향 스프링이 상향으로 밀어내 수 있게 허용하기 위해서, 좁은 통로(156)가 피스톤(150)을 통해서 제공된다. 통로(156)는 상향 운동 동안에 피스톤(150) 하류의 공간 내로 액체가 유동할 수 있게 허용한다. 피스톤(150)이 실린더(152)의 하단부로부터 분리된 후에, 액체는 또한 피스톤(150)과 수직 실린더 벽 사이에서 유동할 수 있을 것이다.

이제까지 도시된 3개의 펌프들은 편향된 펌핑 부재를 포함하나, 그러한 펌핑 부재는 본원 발명의 본질적인 특징을 나타내지 않는다. 일부 실시예들에서, 탄성 요소에 연결되지 않은, 자유롭게 이동 가능한 피스톤과 같은 비-편향형 펌핑 부재가 제공될 수 있을 것이다. 이때, 전자석은 피스톤을 전방으로 밀어내고 그리고 후방으로 끌어당기는 양 작용을 모두 담당한다. 이러한 해결방식은 편향된 펌핑 부재를 이용하는 것과 비교할 때 분명하게 에너지-중립적이나, 다른 한편으로 전자석에 의해서 생성된 자기장이 약간 더 큰 공간적 범위를 가질 것을 요구하고, 이는 그러한 실시예들에서 주입 장치의 구조를 더욱 더 복잡하게 만드는 데 기여할 수 있다.

본원 발명은 도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 주입 장치들에서 보여지는 것과 다른 펌프 타입들과 관련하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미 인용된 참조들 즉, GB 2 103 296 A 및 WO 2007/56097 A2에 개시된 펌프들이 본원 발명의 교시내용들에 따라서 작동될 수 있을 것이다.

본원 발명의 예상 가능한 용도들에는 시럽들의 희석에 의해서 준비되는 조미된 물들과 같은 가정용 사후-혼합 음료 시스템이 포함된다. 그러한 시럽들은, 정확하게 제어된 양으로 주입되어야 하는, 조미제들, 착색제들 및 보존제들, 또한 비타민들 및 무기 영양소들과 같은 영양 첨가제들을 포함할 수 있을 것이다. 본원 발명은 1:10의 부피로, 예를 들어 1:100 또는 1:250 또는 1:1000의 부피로 희석하고자 하는 고농축 시럽들과 관련하여 특히 유리하다. 음료 잔 또는 피쳐에 대해서 필요한 시럽의 부피가 통상적으로 1.00 ml일 수 있을 것이다. 일반적으로, 10%의 상대적인 오류는 상당한 맛의 변화 또는 영양상 변화를 초래할 것이고, 그에 따라 허용 가능한 최대 절대치 오류가 0.10 ml 미만이 된다. 이러한 정도의 부피를 분배하기 위해서 사용될 때, 요건들을 충족시키기에 충분한 절대적 정확도를 제공하는 본원 발명에 따른 주입 장치가 바람직하다. 또한, 펌핑되는 부피가 적절하기 때문에, 장치를 구동하는 휴대용 전압 공급원이 임의의 상당한 피로를 겪지 않을 것이다.

도 2는 분배기 조립체(200)인 본원 발명의 실시예를 도시하며, 그러한 분배기 조립체는 자기장의 작용에 의해서 무접촉 방식으로 작동될 수 있는 펌프들(204)이 내부에 배치된 몇 개의 착탈식 액체 컨테이너들(203)을 위한 유지부들(202)을 포함한다. 컨테이너(203)가 유지부(202)에 의해서 유지될 때, 그 펌프(204)가 유지부(202)와 연관된 전자석(201)의 영역 내에 있게 된다. 펌프(204)는 전술한 바와 같이 자화 가능한 피스톤(205)을 포함한다. 각각의 전자석(201)은 펄스들에 의해서 전기 에너지를 전자석(201)에 펄스 형태로 공급하기 위한 제어 유닛(206)에 의해서 제어된다. 또한, 제어 유닛(206)은 전술한 바와 같은 전압 부스팅 기능을 가질 수 있을 것이다.

유리하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 착탈 가능한 액체 컨테이너(203)를 비롯한 분배기 조립체(200) 내의 모든 구성요소들은 개구들을 가지는 배리어(208)의 일 측부 상에 배치되고, 상기 개구들은 펌프들(204) 또는 펌프들(204)로부터 분배되는 액체가 빠져나갈 수 있게 허용한다. 만약 배리어(208)가 단열된다면, 액체 컨테이너들(203)이 경제적인 방식으로 냉장되어 유지될 수 있을 것이다. 그러나, 조립체의 휴대성으로 인해서 그리고 전기 본선 연결부들이 존재하지 않기 때문에, 사용자는 냉장된 공간 내에서 전체 조립체(200)를 저장하도록 마찬가지로 잘 선택할 수 있을 것이다.

도 3a는 배터리에 접속된 전자석의 전류 세기의 통상적인 시간 거동을 도시한다. 라벨들(t₁, t₃ 및 t₅)은 전자석에 대해 배터리의 접속이 이루어지는 시점들을 나타내고, 그리고 라벨들(t₂, t₄, t₆)은 차단 시점들을 나타낸다. 펄스들은 일정한 길이를 가진다. 도면에 도시된 바와 같이, 각 전류 펄스의 뒤쪽 부분은 배터리 피로로 인해 초래되는 감소 부분을 포함한다. 그에 따라, 펄스의 전하량은 펄스 지속시간에 초기 전류 세기를 곱한 것보다 작다. 시간-의존성 효과들을 무시한 단순한 모델에 의해서, 전자석이 순수 저항체인 것으로 간주하고 그리고 배터리가 개방-회로 전압으로 전달하는 것으로 간주하는 오옴(Ohm)의 법칙에 의해 초기 전류 밀도가 주어진다.

도 3b는 본원 발명의 실시예에 따른 특별한 제어 조건의 적용에 의해서 획득된 4개의 일련의 전류 펄스들을 도시한다. 그 조건들은 다음과 같다.

(i) 만약 펄스가 지속시간(T_max) 동안 지속된다면, 펄스가 중단된다.

(ⅱ) 만약 전류 세기가 최소 문턱값 전류(I_min) 미만이라면, 펄스가 중단된다.

(ⅲ) 만약 전체 전하량(Q_tot)이 공급되었다면, 펄스가 중단된다.

상부의 쇄선형 수평 라인은 배터리에 의해서 전자석에 공급되는 초기 전류를 나타낸다. 하부의 쇄선형 수평 라인은 최소 문턱값 전류(I_min)를 나타낸다. 이러한 조건들을 적용하면, 지점(t₇)과 지점(t₈) 사이에서 연장되는 제 1 펄스가 최대 지속시간(T_max)을 가진다. 지점(t₉)과 지점(t₁₀) 사이의 제 2 펄스는 조건 (ⅱ)와 관련하여 중단되는데, 이는 전류 세기가 최소 문턱값 전류 아래로 떨어지기 때문이다. 배터리 피로의 결과로서 다소 조기에만, 지점(t₁₁)과 지점(t₁₂) 사이의 제 3 펄스가 이러한 조건을 기초로 또한 중단된다. 지점(t₁₃)과 지점(t₁₄) 사이의 제 4 펄스의 중단이 조건 (ⅲ)에 의해서, 즉 전체 전하량으로 인해서, 그리고 그에 따라 특정 양의 액체가 공급되는 것으로 인해서, 트리거링된다. 만약 배터리가 보다 뚜렷한 시효를 겪었다면, 주입 장치는 조건 (ⅱ) 하에서 다소간 조기에 각각의 펄스를 중단시켰을 것이고, 그리고 특정 부피의 액체가 보다 더 많은 수의 펄스들로 공급될 수 있을 것이다. 피로가 충분히 진행된 후에, 배터리 또는 배터리들이 교환되거나 재충전될 때까지, 조건 (ⅲ)으로 인해서, 장치가 작동될 수 없을 것이다.

특정 부피를 분배하기 위해서 달성되는 정확한 수의 펄스들은 펌프 크기에 따라 좌우된다. 적합하게는, 조기 배터리 피로를 피하기 위해서 주입 장치는 펄스들의 수가 적게 유지될 수 있도록 하는 치수들을 가진다. 분명하게, 펌프 크기, 배터리(패키지) 전압 및 배터리 용량은 조합하여 고려되어야 하는 설계 인자들이다.

도 3b의 예에 도시된 바와 같이, 전류 펄스들이 시간적으로 동일하게 구분될 필요가 없다는 것을 주목하여야 한다.

도 3c는 본원 발명의 실시예에 따른 전하량 개산 기술을 도시하는데, 이에 의해서 순간 전류 세기의 측정(샘플링)은 초기 대기 기간(T_lat) 후에만 시작된다. 이러한 기술은 유리한데, 이는 전류 펄스의 초기 부분이 펄스들 사이에서 크게 다르지 않기 때문이다. 초기 부분에서, 전류 세기는 시간에 걸쳐 일정할 수 있고 그리고 초기 전류 세기(I₀)와 동일할 수 있을 것이다. 전류 세기는 또한 선형적으로 감소될 수 있고, 또는 선형 감소 함수에 의해서 양호한 정확도로 근사될 수 있을 것이다. 도 3c에 도시된 예들에서, 전하량은 다음과 같이 근사될 수 있을 것이다. 즉,

이며,

이때, Δt는 전류 샘플들 사이의 간격이다. 전술한 부피-대-전하 관계 Q = K x V에서 비례 상수 K를 교정함으로써, 이러한 근사법에서 시스템 오류들의 영향이 저감될 수 있을 것이다. 보다 더 정교한 근사법에서는, 대기 기간 동안에 공급된 전하량을 나타내는 항이

에 의해서 대체될 수 있는데, 이는, 대기 기간 동안에 발생하는 전류 감소를 고려한다.

이러한 설명 및 도면들이 구성요소들, 물질들, 부피 범위들, 전류 범위들 등의 선택을 포함하는 실시예들 및 예들을 개시하지만, 본원 발명은 이러한 구체적인 예들로 제한되지 않는다. 첨부된 청구항들에 의해서 규정된 본원 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 여러 가지 변경 및 변형이 이루어질 수 있다.

100 : 주입 장치
110 : 피스톤
111 : 전자석
112 : 실린더
113 : 공급원
114 : 컨테이너
115 : 유입구 체크 밸브
116 : 배출구 체크 밸브
117 : 스프링

Claims (15)

1. 휴대용 전압 공급원(113; 133; 153)에 의해서 에너지를 공급받을 수 있는 전자석(111; 131; 151)의 작용 하에서 변위될 수 있는 자화 가능한 펌핑 부재(110; 130; 150)를 포함하는 펌프(112; 132; 152)를 이용하여 특정 부피(V_tot)의 액체를 분배하는 방법으로서,
   (i) 특정 부피의 액체에 상응하는 전체 전하량(Q_tot)을 규정하는 단계;
   (ⅱ) 펄스 동안에 전압 공급원으로의 접속에 의해서 전자석에 에너지를 공급하는 단계;
   (ⅲ) 펄스 동안에 적어도 하나의 전류 측정(I_{m ,n})을 실시하고 그리고 이에 기초하여 공급된 전하량(Q_m)을 개산하는 단계; 그리고
   (ⅳ) 상기 전체 전하량이 공급될 때까지 단계(ⅱ) 및 단계(ⅲ)를 반복하는 단계
   를 포함하는, 특정 부피의 액체를 분배하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 각각의 펄스는 미리 규정된 최대 지속시간(T_max)을 가지는 것인, 특정 부피의 액체를 분배하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 전류가 미리 규정된 최소 문턱값 전류(I_min) 미만인 경우에 펄스가 조기에 중단되는 것인, 특정 부피의 액체를 분배하는 방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 미리 규정된 최대 펄스당 전하량(Q_max)이 공급된 경우에 펄스가 조기에 중단되는 것인, 특정 부피의 액체를 분배하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 연속적인 펄스들 사이의 간격이 미리 규정된 최소 지속시간(D_min)을 가지는 것인, 특정 부피의 액체를 분배하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 전하량을 규정하기 위해서 단계(i)에서 선형적 수치 관계가 이용되는 것인, 특정 부피의 액체를 분배하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(ⅲ)은 초기 대기 간격(T_lat) 후에 개시되는 복수의 순간 전류 측정들을 실행하는 것을 포함하는 것인, 특정 부피의 액체를 분배하는 방법.
8. 특정 부피의 액체를 분배하기 위한 주입 장치(dosing device; 100; 120; 140)로서, 상기 주입 장치는 전자석(111; 131; 151)을 포함하고 그리고 자화 가능한 펌핑 부재(110; 130; 150)를 가지는 펌프(112; 132; 152)를 유지하도록 구성되며, 상기 펌핑 부재의 왕복 변위에 의해서 액체가 펌프로부터 배출되도록 하는 방식으로 상기 펌핑 부재가 배치되며, 상기 자화 가능한 펌핑 부재는 펌프가 주입 장치에 의해서 유지될 때 전자석의 작용 하에서 변위될 수 있는 것인, 주입 장치에 있어서,
   반복적인 전류 펄스들에 의해서 전자석으로 에너지를 공급하도록, 그리고 적어도 펄스당 한 차례 전류 세기를 측정하도록 구성된 휴대용 전압 공급원(113; 133; 153)을 포함하며, 이에 따라 분배하기 위한 특정 부피의 액체에 상응하는 전체 전하량이 공급될 때까지, 각 펄스에서 공급되는 전하량을 개산하는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 전압 공급원은,
   미리 규정된 최대 지속시간을 초과하는 펄스;
   미리 규정된 최소 문턱값 전류 미만인 전류;
   미리 규정된 최대의 펄스당 전하량을 초과하는, 현재 펄스에서 공급되는 전하량; 또는
   전체 전하량을 초과하는, 누적된 공급 전하량
   중 하나 이상에 응답하여 전류 펄스를 중단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 휴대용 전압 공급원이 배터리(135; 155)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 휴대용 전압 공급원은 미리 규정된 최소 지속시간에 의해서 2개의 연속적인 전류 펄스들이 구분되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 휴대용 전압 공급원은, 선형적 수치 관계식에 의해서, 분배하고자 하는 특정 부피의 액체로부터 전체 전하량을 유도하는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 휴대용 전압 공급원은 초기 대기 간격 후에 펄스에서 전류 세기 측정들을 개시하는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 편향된, 자화 가능한 펌핑 부재를 가지는 펌프를 유지하도록 구성되는 주입 장치.
15. 특정 부피의 액체를 분배하기 위한 적어도 하나의 분배 유닛을 포함하는 분배기 조립체(200)로서,
    전자석(201); 및
    왕복 변위에 의해 펌프로부터 액체가 배출되게 하는 방식으로 배치되고 그리고 전자석의 작용 하에서 변위될 수 있는, 자화 가능한 펌핑 부재(205)를 가지는 펌프(204)를 구비한 액체 컨테이너(203)를 수용하기 위한 유지부(202)
    를 포함하는, 분배기 조립체에 있어서,
    반복된 전류 펄스들에 의해서 적어도 하나의 분배 유닛들 내의 전자석으로 에너지를 공급하도록, 그리고 펄스당 적어도 한 차례 전류 세기를 측정하도록 휴대용 전압 공급원(205)을 구성하여, 분배하고자 하는 특정 부피의 액체에 상응하는 전체 전하량이 공급될 때까지, 각 펄스에서 공급된 전하량을 개산하는 것을 특징으로 하는 분배기 조립체.

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