KR20130111224A - 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상부측에 있는 작동 유체 분배 모듈에 의해 제어되는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프에 관한 것이다. 돌출 윙을 구비한 피보팅 실링 요소는 작동 유체 분배 모듈의 저 마찰 실 위에서 회전한다. 펌핑 유체 챔버의 인렛 및 아웃렛 포트들은 각 챔버의 프로젝션 부위(projected section) 내에서 서로 다른 레벨에 위치한다.
4개의 체크 밸브 (예를 들어 볼 밸브이나 여기에 한정되지 않는)는 특별한 구성으로 배치된다. 모든 4개의 밸브, 2개의 흡입 체크 밸브와 2개의 배출 체크 밸브는 펌프의 습식 바디의 중앙에 위치하며 습식 바디의 위측으로부터 억세스 가능하다. 2개의 흡입 체크 밸브는 펌프 인렛 가까이에, 샤프트 위에 위치하며, 밸브의 아웃렛은 다이어프램 챔버 안으로 바로 연결된다. 2개의 배출 체크 밸브는 펌프 아웃렛 가까이에, 샤프트 아래에 위치하며, 밸브의 인렛은 다이어프램 챔버로부터 바로 연결된다. 위측으로부터 모두 억세스 가능한 체크 밸브들의 배치는, 펌프를 유체 라인에서 분리하지 않고, 작동 유체 분배 모듈과 체크 밸브 억세스 캡만을 분해하여, 관리를 위해 위에서부터 모든 밸브들이 제거될 수 있게 한다. 이와 유사하게 챔버 커버의 배치는, 펌프를 유체 라인에서 분리하지 않고, 작동 유체 분배 모듈과 챔버 커버만을 분해하여, 관리를 위해 펌프 측으로부터 고정되지 않는 다이어프램이 제거될 수 있게 한다.

Description

중앙 유동 이중 다이어프램 펌프{CENTRAL FLOW DOUBLE DIAPHRAGM PUMP}

본 발명

본 발명은 상부 직접 공기 밸브 모델에 의해 제어되는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프에 관한 것이다. 공기 밸브 모듈은, 다이어프램을 구동하기 위한, 압축 공기 또는 다른 가압 유체일 수 있는, 작동 유체(operating fluid)을 분배하기 위해 돌출 윙(protruding wing)에 피포팅 실링 요소를 이용한다. 이 펌프는 각각의 펌핑 유체(pumped fluid) 챔버들로부터 특별한 배치를 갖는 2개의 인렛 포트(inlet ports)와 2개의 아웃렛 포트(outlet ports)를 포함한다. 이 포트들은 4개의 체크-밸브(예를 들어, 볼 밸브, 그러나 반드시 볼 밸브일 필요는 없다)를 포함하고 또한 이 밸브들도 특별한 배치를 갖는다. 탄성 중합체이고 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌; polytetrafluoroethylene) 층 또는 화학약품 속에 삽입되는 다른 재료들 포함할 수 있는, 다이어프램은 특수한 설계를 갖고 중앙 내부 디스크를 포함한다. 2개의 다이어프램 사이에 있는, 펌프의 샤프트(shaft)는 자유롭게 왕복 운동할 수 있고 상기 다이어프램에 고정되지 않는다. 기존의 유사한 유동률(flow rate)의 펌프들과 비교하면, 동일한 시간 동안 동일한 양의 유체를 펌핑할 때, 본 발명은 작동 유체를 1/3 만큼 작은 양을 사용하고 이에 따라 에너지 소비도 그 만큼 줄어들게 된다.

본 발명이 적용되는 분야

본 발명은 유체 및/또는 서스펜션 및/또는 파우더 형태의 고체와 함께하는 유체 및/또는 탄화수소, 염소화 탄화수소, 산, 베이스 그리고 산업 공정에서 사용되는 다른 화학물질 등과 같이 화학적으로 다루기 위험하거나 어려운 유체를 펌핑하기 위한 산업용 펌핑 제품에 이용될 수 있다.

시장에는 압축 공기 또는 다른 압축된 유체에 의해 구동될 수 있는 많은 이중 다이어프램 펌프들이 있고, 일반적으로 이들 펌프들은 다음 두 가지 세트로 분류될 수 있다.

a) 펌프에서 2개의 가장 바깥쪽 측면에 위치한 2개의 유체 챔버들로부터 교대로 유체를 펌핑하는 주변 유동 펌프(peripheral flow pump). 작동 유체(operating fluid) 챔버들은 다이어프램들에 의해 펌핑 유체(pumped fluid) 챔버들로부터 분리되며, 이 작동 유체 챔버들은 상기 다이어프램들의 내부에 있다.

b) 중앙의 펌프 몸체(바디)의 어느 한 측면에 위치한 2개의 유체 챔버들로부터 교대로 유체를 펌핑하는 중앙 유동 펌프(central flow pump). 작동 유체(operating fluid) 챔버들은 다이어프램들에 의해 펌핑 유체(pumped fluid) 챔버들로부터 분리되며, 이 작동 유체 챔버들은 상기 다이어프램들의 외부에 있다.

다른 펌프 기술과 비교하여 다이어프램 펌프들의 이점은 아래 사항들을 포함한다:

- 예를 들어, 화학적으로 강하거나 거친(aggressive or abrasive) 이유로 인해 유체를 펌핑하기 어려운 경우에도 광범위하게 펌핑할 수 있는 융통성

- 펌핑으로 중간 압력 유체가 이용될 수 있고 또한 펌프의 제어와 동작을 가능하게 하는, 압축 공기와 같은, 작동 유체 압력의 이점을 갖는 것

- 이들의 설계는 누출될 수 있는 로터리 샤프트 펌프들에 이용되는 실링 시스템을 필요로 하지 않는 것.

주변 유동 다이어프램 펌프들은 압축 공기로 동작하는 다이어프램 펌프들의 가장 일반적인 종류이다. 이들 펌프들의 설계는, 펌핑 유체는 하나, 또는 최대의 경우 2개의, 90도 경사의 엘보(elbows)를 포함하는 하나의 흡기 다기관 (인렛 매니폴드; inlet manifold)를 맨 먼저 통과해야 한다는 것을 시사한다. 이 매니폴드를 통과한 후에 상기 유체는, 하나, 그리고 최대로 2개의, 90도의 엘보를 또한 포함하는 다른 매니폴드를 통해 배출되는 유체 챔버들 안으로 들어가야 한다. 그래서, 이 디자인은 압력 저하를 야기하며, 이는 이 펌프들의 낮은 에너지 효율의 주요 요소가 된다.

중앙 유동 펌프에서의 유체 경로는 펌프의 외측을 돌아 순환하지 않기에, 관련된 압력 저하를 피할 수 있고 펌프의 효율을 향상시킨다. 그러나, 대부분의 경우 펌핑 챔버들의 밸브로 또는 밸브로부터의 인렛 및 아웃렛 디자인은 복작합 경로를 포함한다. 또한, 흡입 밸브(suction valves)와 챔버 인렛 포트 사이 그리고 챔버 아웃렛 포트와 배출 밸브(discharge valves) 사이에 배관들(ducts)이 존재한다. 이러한 배관들을 최적화하거나 제거하는 펌프 디자인은 효율성을 향상시킬 것이다.

주변 유동 펌프와 중앙 유동 펌프는 모두 하나의 공기 챔버에서 다른 공기 챔버로 작동 유체의 유동을 전환 시키는데에 방향 밸브(directional valve)를 이용한다. 이때 필요한 스위칭 시간으로 인해 다소의 맥동 유동(pulsating flow)이 발생하게 된다. 펌핑 시스템에서는 다양한 이유, 예를 들어, 효율의 저하, 장치의 진동, 유체 공급의 불규칙성, 도우징 정확성의 손실을 피하기 위하는 것 등을 위해 맥동 유동을 제거하는 것이 좋다.

전체적인 펌핑 성능에 관하여, 펌프에 이용될 수 있는 흡입 압력은 : 흡입 압력 = ( 대기 압력(atmospheric pressure) + 인렛에서의 유체 정지 압력(fluid static pressure)) - (펌프가 생성할 수 있는 흡입 압력 (suction pressure that the pump is capable to generate)) 이다. 이러한 이유로 인해, 펌프의 흡입 능력이 조금이라도 향상되는 것은 큰 가치가 있다(배출 성능에서의 0.1 바(bar)의 향상은 = 배출 압력의 5 바에서의 대략 0.1 바이며 = 이는 "단지" 2%의 향상뿐 이지만, 흡입 성능에서의 0.1 바의 향상은 = 흡입 높이의 1 바에서의 대략 0.1 바이고 = 이는 10%의 향상을 뜻한다).

다이어프램과 체크 밸브들은 모든 다이어프램 펌프에서 필수 구성요소이다. 이들은 펌핑 유체와 접촉하기 때문에, 펌프의 적용 범위를 최대화하기 위해 다른 재료들이 사용될 수 있다. 일반적으로 다이어프램들은 나삿니가 있는 연결부와 큰 디스크를 이용하여 펌프의 중앙 샤프트 또는 피스톤에 고정되고, 이는 다이어프램 내부와 외부 양쪽에서 양 다이어프램에 구동력을 번갈아 전달하도록 동작한다.

다이어프램 펌프의 가용 기간(working life) 동안 중요한 요소는 유지비이다. 이 비용에서 중요한 요소는 : 그 수명이 다 되어갈 때 구성요소를 교체하는 비용(예를 들어, 다이어프램, 체크 밸브, 방향 밸브 및 샤프트), 서비스 또는 교체 파트들의 노동 시간, 및 작동하지 않는 정지 시간을 포함한다. 유지 간격을 줄이는 요소는 :

- 화학적으로 강한 유체에 대한 다이어프램, 특히, 각각의 사이클 동안 번갈아 구동함과 이러한 다이어프램의 더 긴 스크로크와 더 짧은 수명으로 인한 빠른 파열의 경향이 있는, PTEE를 이용하는 등의 탄성중합체만에 기초하지 않은 우수한 내화학성을 갖기 위한 디자인을 갖는 다이어프램.

- 펌프 유체 챔브 내의 앙금의 축적으로, 이들 증착물과의 접촉 때문에 다이어프램에 힘이 가해질 때 다이어프램과 샤프트가 마모되고 이들의 스트로크의 완성에 변경을 가져오게 하는 앙금 축적물.

- 큰 흡입 또는 배출 저장에 반해 펌핑할 때 샤프트와 다이어프램에 가해지는 힘.

- 다이어프램과 체크 밸브의 마모 증가를 야기하는 서스펜션에 고체가 포함된 펌핑 유체.

- 공기 밸브의 빠른 마모를 야기하는 오염된 압축 공기.

를 포함한다.

부품의 서비스를 받거나 교체를 위해 요구되는 작업 시간과 고장으로 인한 정지 시간을 증가시키는 중요 요소는 :

- 서비스를 받아야 하거나 교체가 필요한 부품들에 억세스를 할 때, 유체 라인으로부터 펌프를 분리시키는 필요성. 펌프의 인렛 및 아웃렛 매니폴드들은 해제될 필요가 있다.

- 이러한 부품들로의 억세스가 가능하지 않은 디자인 때문에 서비스 또는 교체가 필요한 부품들에 억세스하기 위해 펌프를 해체할 필요성.

- 펌핑 유체가 위험한 유체일 때, 유체 라인의 분리와 관리는 유체가 누출되거나 수리자가 유체에 접촉되는 것을 피하기 위해 특별히 주의하며 수행되어야 한다.

는 것이다.

다이어프램 펌프의 스크로크 방향 변환 속도를 증가시키고 사이클링 주기를 증가시키는 것이 가능하다면, 이는 유체 맥동에 의한 부정적 효과를 줄이고 유동률(flow rate)을 감소시키지 않고 (유동률 = 사이클 주기 × 사이클당 펌핑되는 양), 스트로크 길이를 줄이는 것이 가능하며, 이에 따라 다이어프램 수명을 증가시킬 수 있게 된다. 그러나 이것은 더 빠른 방향 밸브를 필요로 한다. 방향 밸브의 많은 디자인(설계)은 공기 누수 및/또는 펌프를 시작하거나 끝낼 때의 열악한 동작 신뢰성 등의 문제를 줄이도록 발전되어 왔다. 그러나 공기 누수를 줄이기 위해 이용되는 밀봉(실; seal)과 윤활유는, 불행하게도, 오염될 수 있고 방향 밸브가 끈적거리게 만들 수 있고, 이는 펌프가 시동이 안되게 하거나 원하지 않는 펌프 중단을 야기할 수 있다. 따라서 공기를 누수시키지 않고 신뢰할만한 펌프 시동과 지속적인 펌핑을 가져오는 새로운 방향 밸브가 필수적이다.

앞서 언급한 특성을 갖는, 다양한 중앙 유동 펌프들이 존재하며, 그 예로, FLOTRONICS AG가 소유하는 EP-0823023 / EP-1029185 그리고 특필할만한 펌프 EP-0132913이 있다. 이러한 펌프들은 2 개의 챔버와 4개의 체크 밸브 그리고 다이어프램들을 푸쉬하는 1개의 샤프트를 포함한다. 그러나 아래와 같은 본 발명의 특징을 모두 포함하는 펌프는 알려진 바 없다 :

- 위에서부터 억세스 가능한 펌프의 중앙에 위치한 체크 밸브로, 이 체크 밸브는 서로 다른 레벨을 갖는 배출 밸브와 흡입 밸브를 갖는다.

- 샤프트 위 그리고 챔버 안에 위치한 챔버로의 유체 인렛 포트, 그리고 샤프트 아래 그리고 챔버 안에 위치한 챔버로부터의 유체 아웃렛 포트.

- 공기의 특정한 돌출 윙(protruding wing)이 펌프의 대칭적인 기능을 파괴(break)하는, 상기 공기를 분산시키는 피보팅 실링 요소(pivoting sealing member)로, 이를 통해 상기 피보팅 실링 요소를 보호하고, 그 결과 펌프가 동작이 중단되는 것을 방지한다.

- 특별한 다이어프램 디자인.

- 샤프트에 어떠한 고정도 필요 없이 자유롭게 조립되는 다이어프램.

그 결과, 본 발명에서 설명되는 모든 혁신들과 기능적인 이점들을 동시에 모두 제공할 수 있는 다른 펌프는 알려진 바가 없다.

본 발명의 설명

본 발명에서는 아래의 용어가 사용된다.

- 공기 / 압축 공기 = 압축된 공기 또는 압력을 가한 다른 작동 유체.

- 유체 (fluid) = 액체일 수 있는 펌핑 유체, 현탁액의 입자(particles in suspension)를 갖는 액체 또는 현탁액의 입자를 갖는 공기,

- 공기 분배 모듈 = 돌출 윙(protruding wing)을 갖는 저 마찰 피보팅 실링 요소를 이용하여 압축 공기를 분배하기 위한 상부 모듈.

- 피봇 밸브 = 돌출 윙을 갖는 피보팅 실링 요소.

- 볼 밸브 = 본 발명에서 볼 밸브로 제공되는 2개의 흡입 밸브와 2개의 배출 밸브, 그러나 이 밸브들은 체크 밸브의 다른 어떤 종류의 플랩 밸브(flap valve) 또는 플랫 밸브(flat valve)일 수 있다.

본 발명은 특별한 설계를 갖는 이중 다이어프램 펌프이며, 유사한 유동률(flow rate)의 펌프와 비교하여, 동일한 양의 유체를 펌핑할 때, 최대 1/3 작은 양의 압축 공기를 사용하고 이에 따라 에너지 소비를 줄일 수 있다. 이 펌프는 공기 누출을 없애고, 중단이나 실속(stalling) 없이 신뢰도를 갖고 시동하며, 더 작은 맥동 유동(pulsing flow)을 만들며, 다이어프램의 가동 수명을 증가시킨다. 다이어프램과 볼 밸브(또는 다른 형태의 체크 밸브)의 청소와 교체는 직접적으로, 단순하고 빨리 할 수 있는데, 이는 유체 라인을 분리하거나 펌프를 완전히 분해할 필요가 없기 때문이다. 이에 따라, 필요한 시간이 감소함에 따라 이러한 관리는 좀 더 경제적으로 된다.

본 발명은 유체 인렛 매니폴드(16)와 유체 아웃렛 매니폴드(17), 그리고 각각 공기 챔버(1.1 및 1.2)와 유체 챔버(1.2 및 2.2)를 포함하는 2개의 외부 측변 챔버(1 및 2), 이들 챔버들 사이에 위치한 중앙 몸체(바디)로 특별하게 구성된 중앙 유동 더블 다이어프램 펌프를 포함한다.

각 측면 챔버는 공기 챔버들(1.1 및 1.2)를 유체 챔버들(2.1 및 2.2)로부터 분리시키는 다이어프램(4)을 포함한다. 공기 챔버들은 가장 바깥쪽 측면에 있고 챔버 커버(14)로 닫힌다. 압축 공기는 돌출 윙을 갖는 피보팅 실링 요소에 의해 제어되어 다이어프램들이 상기 압축 공기에 의해 번갈아 대체된다(displaced). 중앙 샤프트(6)가 대체되고(displaced) 다이어프램의 중심은 스트로크 센서(5)의 각 끝단에 접촉한다. 따라서, 번갈아 하는 전후 운동은 흡입 유체를 각 챔버의 습식 면(wetted side)으로 들어가게 하고 배출 유체를 각 챔버의 습식 면으로부터 나오게 한다.

좀 더 구체적으로 본 발명은 아래 구성요소를 포함한다:

1. - 제어 및 동작 시스템에 대하여

- 돌출 윙을 갖는 저 마찰 피보팅 실링 요소(8). 돌출 윙(protruding wing)을 갖는 피보팅 실링 요소는 작동 유체 분배 모듈(7)에 포함된다. 피보팅 실링 요소(8)는 2개의 인렛 각각에 대해 실링 립(sealing lip)을 구비한 인렛 실링 실린더(8.1), 끝이 잘린 구체 표면(truncated spherical surface)을 구비한 돌출부(ptotrusion)(8.2), 2개의 아웃렉 각각에 대한 실링 립(sealing lip)을 구비한 아웃렛 실링 실린더(8.4) 그리고 그 끝단이 들어오는 작동 유체의 유동을 맞이하는 돌출 윙(8.5)을 포함한다. 돌출부(8.2)는 분배 모듈의 저 마찰 실(8.3)에 대한 피봇(pivots)과 실(seals)에 의해 지지된다. 피보팅 실링 요소는 최소한의 마찰로 그 끝이 잘린 구체 돌출부 주변을 자유롭게 움직이고, 이는 매우 빠른 속도로 위치 변화가 가능하게 한다. 끝이 잘린 구체 돌출부와 저 마찰 실 사이의 실은 작동 유체의 누수 및 이에 따른 불필요한 에너지 사용을 방지한다. 예를 들어, 펌프가 펌핑 유체 배출 라인 내의 밸브를 이용하여 제어될 때, 가압된 작동 유체와 펌핑 유체를 갖는 펌프가 어떤 작동 유체의 누수나 어떤 움직임이 없도록 하게 할 수 있다.

- 스로틀 밸브( throttle vlave ; 9). 스로틀 밸브는 단 하나의 작동 유체 채널 내에 포함되어, 펌프의 대칭적인 기능을 깨뜨려 펌프가 멈추거나 실속하지 않게 한다. 이것은 돌출 윙(8)을 구비한 피보팅 실링 요소의 기능을 강화시킨다..

- 2개의 센서 밸브(5). 센서 밸브는 2개의 챔버 커버(14) 각각에 포함되고 그 각각의 다이어프램의 스트로크 끝단에서 작동된다. 센서 밸브는, 센서 샤시(sensor chassis; 5.1), 가스켓(5.2), 작동 버튼(actuation button; 5.3), 볼 밸브 시트(ball valve seat; 5.4), O-링 실(5.5) 그리고 볼 밸브(5.6)를 포함한다.

2. - 펌핑 유체 챔버에 대하여:

중앙 펌프 몸체(바디)(3), 이 중앙 펌프 몸체(바디)는 펌핑 유체 챔버들을 포함하며, 습식 몸체(바디)(wetted bdy)라고도 알려져 있으며, 특수한 구성의 체크 밸브를 포함하고, 볼 밸브나 다른 종류의 체크 밸브 일 수 있으며, 체크 밸브 하우징과 펌핑 유체 챔버의 흡입 인렛과 배출 아웃렛 포트 사이의 즉각적인 연결을 가능하게 한다. 매니폴드는, 본 발명 이전에, 체크 밸브와 펌핑 유체 챔버 사이를 연결하기 위해 공기 작동 더블 다이어프램 펌프들에 일반적으로 이용되었으며, 이에 따라 여기서는 필요하지 않다. 흡입 및 배출 성능은 펌핑 유체 챔버 연결로의 즉각적은 체크 밸브를 통해 현저하게 향상된다.

- 4개의 밸브, 예를 들어, 볼 밸브. 2개의 흡입 밸브(10)와 2개의 배출 밸브(11)는 챔버들 사이 그리고 다이어프램의 프로젝션 부위(projection of the section) 내에서 중앙 몸체(바디)의 중심에 하우징된다. 2개의 흡입 밸브들(10)은 2개의 배출 밸브들(11) 위의 수평면 상에 위치한다. 이 밸브들은 펌핑 유체 챔버 인렛(12)과 아웃렛(13) 포트와 바로 연결된다.

- 1개의 인렛 포트(12) 그리고 1개의 아웃렛 포트(13)로, 이들은 펌핑 유체 챔버 양쪽에 있다. 체브 밸브의 하우징은 인렛과 아웃렛 포트를 형성한다. 인렛 포트(12)는 중앙 샤프트(6) 위에 있고, 아웃렛 포트(13)은 중앙 샤프트 아래에 있다. 이러한 배치는 위에서 아래 방향으로의 유체가 유동하게 하고 제로 존(zones of zero)을 방지하며 매우 낮은 유동 속도를 막고, 이에 따라 유체 챔버 내에서의 현탁액으로 운반되는 고체 입자의 퇴적을 방지한다. 현탁액 입자(particles in suspension)는 아웃렛 포트(13)를 통해 배출된다. 이는 다이어프램과 샤프트의 수명을 증가시킨다. 만일 그렇지 않고 입자가 퇴적된다면 입자의 증착에 의해 야기되는 마모와 기계적 뒤틀림으로 인해 다이어프램과 샤프트를 손상시킬 것이다.

본 발명은, 펌핑 유체의 인렛과 아웃렛 포트가 서로 다른 레벨에 그리고 챔버의 챔버의 프로젝션 부위(projected section)에 위치시켜, 퇴적에 의해 야기되는 기존의 문제점들을 해결한다. 따라서, 흡입 인렛이 배출 아웃렛 보다 더 높은 레벨에 있어 펌프에서 고형물들을 방출시킨다. 이는 종래의 펌프들과 비교되며, 여기서 유체 챔버 흡입 포트는 챔버의 바닥쪽으로 향한다.

또한 본 발명은 펌핑 유체 인렛 매니폴드를 2개로 나눔에 따라 2개 유체의 동시 흡입을 가능하게 한다. 펌핑 유체 인렛 매니폴드는 2개의 펌핑 유체들을 서로 다른 펌핑 유체 챔버의 각 인렛 포트로 전환시킨다. 2개의 유체들은 펌핑 유체 아웃렛 매니폴드 안에서 혼합된다.

- 2개의 다이어프램(4)으로, 각각 2개의 챔버 커버(14)의 윤곽과 2개의 펌핑 유체 챔버들(1.2 및 2.2)의 외부 측면에 맞는 윤곽을 갖는다. 이러한 다이어프램의 설계는 아래 2가지 기능을 완수한다.

1. 다이어프램이 펌핑 유체 챔버와 꼭 맞음으로 인해 누수 방지 실 기능을 한다.

2. 다이어프램은, 다이어프램들이 그 초기 또는 이완 상태(relaxed state)에 있을 때, 챔버 커버(14)의 윤곽에 맞는 형태로 탄성중합체로 만들어진다. 배출 사이클 동안 다이어프램은 작동 유체로부터 탄성 에너지를 저장한다. 그런 다음, 흡입 사이클 동안, 다이어프램은 그 에너지를 방출하여 펌프의 흡입 사이클을 보조한다. 또한 흡입 사이클 동안 흡입 다이어프램은, 양 다이어프램으로부터 자유롭게 움직이는 중앙 샤프트에 의해 밀려져, 샤프트와 다이어프램의 수명을 단축시키는 어떠한 힘도 생성시키지 않는다. 이것은, 캐비테이션(cavitation), 건식 구동(dry running) 기간, 그리고 마모에 의해, 동작이 샤프트 운동으로 들어오는 샤프트의 수명 내내 등, 최악의 상황에도 적용된다. 돌출 윙을 구비한 피보팅 실링 요소는, 기존의 셔틀 밸브보다 더 빠른 스트로크 방향 전환과 더 빠른 주기 스위칭(frequency switching)을 가능하게 하여, 더 짧은 스트로크로 다이어프램이 구동되게 할 수 있다. 더 빠른 스트로크 방향 전환은 맥동을 감소시키고 더 짧은 스트로크는 다이어프램 수명을 증가시킨다. 또한 맥동을 최소화하여 펌프 내의 유동 저항을 감소시키고 이에 따라 에너지 소비의 현저한 절감을 달성시킬 수 있다.

본 발명은, 앞서 언급한 2개의 체크 밸브(2개의 흡입 밸브(10)와 2개의 배출 밸브(11)) 이외에, 작동 유체 분배 모듈 아래에서, 펌프의 동일 측면에서 모두 억세스 가능한 체크 밸브 억세스 캡(15)들을 포함한다. 체크 밸브 억세스 캡은 밸브의 청소나 교체를 위해 체크 밸브로의 직접적이고 단순한 억세스를 가능하게 한다. 따라서, 이러한 조작이 필요한 경우 언제든지, 관리를 위한 펌프 정지 시간은 최소한으로 줄일 수 있고, 이는 밸브에 닿기 위해서 작동 유체 분배 모듈과 체크 밸브 억세스 캡만을 분해하는 것만이 필요하기 때문이다. 따라서, 체크 밸브 관리 동안 펌프는 유체 라인과 연결된 상태로 유지될 수 있다; 즉 펌핑 유체 흡입 및 배출 호스를 분리할 필요가 없는 것이다.

이와 유사하게, 챔버 커버들과 다이어프램들의 설계와 측면 배치는 다이어프램이 챔버 커버를 분해하고, 샤프트에 고정되지 않는, 다이어프램을 교체하는 것만을 통해 교체될 수 있게 한다. 또한, 펌프는 유체 라인에 연결된 상태로 유지될 수 있다; 즉 펌핑 유체 흡입 및 배출 호스를 분리할 필요가 없는 것이다.

펌프를 유체 라인으로부터 분리하지 않고 체크 밸브나 다이어프램을 교체가능 한 점은 이들 펌프가 화학적으로 강한 유체를 펌핑하려고 이용될 때 매우 중요한 점이 된다. 정지 시간과 교체 시간을 최소한으로 줄일 수 있다는 점 이외에, 이러한 유체를 관리하는 것과 관련된 보건 및 안전 위험요소도 줄일 수 있다. 값 비싼 펌핑 유체의 경우, 관리 보수 동안 버려지는 유체의 양도 최소화시킬 수 있을 것이다.

본 펌프의 특별한 디자인은 유체 라인에서 펌프를 분리하지 않고도 다이어프램(4)과 체크 밸브(예를 들어 볼 밸브(10 및 11) 일 수 있으나, 반드시 여기에 한정되지는 않음)를 교체할 수 있다. 체크 밸브에 다다르거나 챔버 커버(14)를 제거하기 위해서는 단지 작동 유체 분배 모듈(7)을 분해하고 체크 밸브 억세스 캡(15)만을 제거하여 어떤 방법으로도 고정되지 않은 다이어프램을 교체할 수 있다.

본 발명의 설명을 완성하고, 본 발명의 특성을 좀 더 잘 이해시키기 위해, 다음과 같은 도면 세트가 포함된다. 이들 도면은 예시적인 것이며 제한적인 내용이 아니다.
도 1은 펌프의 기능적인 도해도이다.
도 2는 작동 유체 분배 모듈, 볼 밸브, 체크 밸브 억세스 캡, 그리고 중앙 펌프 몸체(바디)를 도시하며, 피보팅 실링 요소의 구체적인 모습을 포함한다.
도 3은 펌프의 전면의 단면도이다.
도 4는 중앙 펌프 몸체(바디)의 측면을 나타내며, 펌핑 유체 챔버 인렛 및 아웃렛 포트를 포함한다.
도 5는 펌프의 측면 단면도를 나타내며, 볼 밸브의 위치를 포함한다.
도 6은 펌프의 부분적인 전면의 자세한 단면을 나타내며, 센서 밸브와 센서 밸브의 자세한 분해도를 나타낸다.
도 7은 펌프의 전면의 단면을 나타내며, 도 7에서 좌측 다이어프램(4.1)은 여기 상태로 되돌아가고, 우측 다이어프램(4.2)는 작동 유체 가압 상태로 이동하는, 다이어프램의 구체적인 모습을 나타낸다.
도 8은 챔버 커버를 제거하여 다이어프램으로 직접 억세스 하는 모습을 나타낸다. 또한 작동 유체 분배 모듈을 상부측에서 그리고 체크 밸브 억세스 캡(15)을 제거함으로써, 체크 밸브로 직접 억세스 하는 모습이 도 8과 도 2에 도시된다.

본 발명의 바람직한 실시예

본 펌프는 다음의 서브-시스템 및 구성요소의 상호작용을 통해 기능한다:

- 제어 및 작동 서브ㅡ시스템에서:

● 돌출 윙(8)을 구비한 피보팅 실링 요소를 갖는 작동 유체 분배 모듈(7)

● 스로틀 밸브(9)을 구비한 작동 유체 채널

● 스트로크 센서 밸브(5)의 끝단

- 펌핑 유체 서브-시스템에서:

● 다이어프램(4)

● 샤프트(6)

● 체크 밸브, 예를 들어, 볼 밸브(10, 11)일 수 있으나 반드시 여기에 한정되지는 않는다.

● 펌핑 유체 인렛(12) 및 아웃렛(13) 포트를 구비한 펌프의 습식 몸체(바디)

● 펌핑 유체 인렛 매니폴드(16)와 아웃렛 매니폴드(17)를 구비한 펌프의 습식 몸체(바디)

작동 유체 분배 모듈에 연결된 작동 유체 라인이 가압될 때, 돌출 윙(8)을 구비한 피보팅 실링 요소는 작동 유체의 유동 방향을 대응하는 다이어프램(4)과 챔버 커버(14) 사이에 형성된 작동 유체 챔버(1.1)들 중 하나로 향하도록 하게 한다. 그런 다음, 그 끝단들 중 하나 위에서 작동 유체에 의해 가압되는, 다이어프램은, 아래 운동의 결과로 펌프의 중앙을 향해 움직이기 시작한다.

a) 작동 유체에 의해 가압되는 챔버(1.1)의 다이어프램은 이웃한 유체 챔버(1.2) 내의 펌핑 유체를 가압하기 시작한다. 펌핑 유체는 체크 밸브(예를 들어, 볼 밸브(11) 일 수 있으나 반드시 여기에 한정되지는 않는다)가 열린 챔버 아웃렛 포트(13)를 통해 배출된다. 이 밸브는 펌핑 유체가 펌프로부터 배출되게 하지만, 펌핑 유체가 반대 방향으로 펌프로 들어가는 것을 막는다. 펌프의 샤프트 아래에 있는, 펌핑 유체 챔버 아웃렛 포트의 위치는, 펌핑 유체 내의 현탁액으로 존재할 수 있는 모든 고체 입자들이 챔버(1.2)에서 용이하게 배출되게 한다.

b) 반면, 다른 다이어프램 스트로크는 반대의 경로를 따른다: 유체 챔버(2.2)가 그 흡입 사이클을 시작하면, 챔버 아웃렛 포트(13)가 닫힌 동안, 챔버 인렛 포트(12)의 체크 밸브(예를 들어, 볼 밸브이나 반드시 여기에 한정되지는 않는다)를 연다. 펌핑 유체 인렛 매니폴드에 연결된 유체는 챔버 안으로 유동하기 시작한다. 이 다이어프램은, 두 챔버들 사이에 위치한 샤프트를 밀어, 작동 유체에 의해 가압되는, 다른 챔버의 다이어프램 때문에, 다이어프램의 변형(deformation) 이전 동안 저장된 탄성 에너지를 분출하도록 움직인다.

c) 상술한 기능 시퀀스 동안, 센서 밸브(5)는, 가압되는 작동 유체 챔버에 반대쪽 다이어프램이 그 스트로크 끝단에 도달하고 그 대응하는 센서 밸브(5)를 활성화 시킬 때까지, 닫힌 상태로 유지된다.

센서 밸브(5)가 작동되면(열리면) 다른 일련의 동작들이 유발되어 펌프를 제어하는 돌출 윙(8)을 구비한 피보팅 실링 요소에 영향을 미친다. 센서 밸브(5)가 작동되면 센서 밸브는 챔버 커버 안의 작동 유체 매니폴드를 통해 피보팅 실링 요소(8)의 인렛 실링 실린더로 작동 유체를 보낸다. 이 작동 유체 충격량(impuse)은 돌출 윙(8)을 구비한 피보팅 실링 요소가 그 위치를 변경시키도록 한다. 그 새로운 위치에서, 상기 피보팅 실링 요소는, 가압되는 작동 유체 챔버(1.1)가 주변(ambient)으로 배기되도록 하고, 작동 유체가 다른 작동 유체 챔버(2.1)로 들어가 가압되도록 하게 한다. 피보팅 실링 요소의 위치 변화는 한 측면이 모떼기된(chamfered) 돌출 윙에 의해 지지되어 상기 피보팅 실링 요소가 한 측면으로 힘을 가하도록 하고 펌프의 대칭 기능을 깨뜨리는 스로틀 밸브(9)에 의해 보강되어 펌프가 중단되거나 실속되는 것을 방지한다. 스로틀 밸브와 피보팅 실링 요소의 돌출 윙 없이 상기 펌프는 상기 피보팅 실링 요소가 균형잡힌 위치에 도달할 때마다 매번 멈추게 될 것이고 펌프를 다시 가동하기 위한 추가적인 동작이 요구될 것이다.

이 시점에서, 반대 방향으로, 위에서 설명한 바와 같은 최초 스트로크와 유사한 방법으로 펌프의 스트로크가 다시 가동되어 펌프의 펌핑 사이클을 완성한다. 이러한 사이클은 매우 빨라 초당 여러 번의 사이클을 수행한다.

이러한 방법으로, 다이어프램들에 의해 담겨있는 펌핑 유체 챔버는 기존의 다이어프램 펌프보다 더 큰 사이클 주기로 펌핑 유체를 번갈아가며 흡입하고 배출하여, 계속적으로, 기존의 다이어프램 펌프에 비해 더 적은 맥동 유동을 펌프 아웃렉으로 전달시키는 것을 가능하게 한다.

본 펌프의 특별한 디자인은 유체 라인에서 펌프를 분리하지 않고도 다이어프램(4)과 체크 밸브(예를 들어 볼 밸브(10 및 11) 일 수 있으나, 반드시 여기에 한정되지는 않음)를 교체할 수 있다. 체크 밸브에 다다르거나 챔버 커버(14)를 제거하기 위해서는 단지 작동 유체 분배 모듈(7)을 분해하고 체크 밸브 억세스 캡(15)만을 제거하여 어떤 방법으로도 고정되지 않은 다이어프램을 교체할 수 있다.

Claims (11)

1. 2개의 외부 측면 챔버(1 및 2)와 상기 챔버들 사이에 있는 중앙 바디(body; 3)를 포함하는 중앙 펌프 바디 안에 포함되는 펌핑 유체 인렛 매니폴드(16)와 아웃렛 매니폴드(17)를 구비한 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프에 있어서,
   각 챔버는 펌핑 유체 챔버들(1.2 및 2.2)와 작동 유체 챔버들(1.1 및 2.1)를 분리하는 다이어프램(4)를 포함하며, 상기 작동 유체 챔버들은 챔버 커버들(14)로 닫혀있고, 상기 커버들은 작동 유체가 작동 유체 챔버들과 연락(communicate)하기 위한 매니폴드를 포함하며, 사용될 수 있는 가장 일반적인 작동 유체는 압축 공기이나, 다른 가압된 작동 유체도 이용될 수 있으며,
   상기 펌프는:
   a) 돌출 윙(8.5)을 구비한 피보팅 실링 요소(8)을 갖는 펌프의 상부면 위에 있는 작동 유체 분배 모듈(7). - 상기 작동 유체 분배 모듈은 상기 작동 유체를 상기 작동 유체 챔버(1.1 및 2.1)로 번갈아 분배하며, 상기 피보팅 실링 요소(8)는 2개의 인렛 각각에 실링 립(sealing lip)을 구비한 인렛 실링 실린더(8.1), 및 끝이 잘린 구체 표면을 구비한 돌출부(8.2)를 포함한다. 상기 돌출부(8.2)는 분배 모듈의 저 마찰 실(8.3)에 대한 피봇들(pivots)과 실들(seals)에 의해 지지된다. 상기 피봇 실링 요소는, 수평면 상에서, 시계 방향과 반 시계 방향 번갈아 가면서, 상기 분배 모듈의 저 마찰 실에 부착된 채 유지되는 상기 돌출부(8.2) 주변을 회전한다.
   b) 상기 작동 유체 분배 모듈의 한 측면에서 상기 작동 유체 인렛 채널들 중 하나 안에 있는 스로틀 밸브(9).
   c) 각 다이어프램의 끝단에서 작동되는 2개의 센서 밸브(5).
   d) 각각 샤프트(6)를 기준으로 다른 레벨에 있고, 상기 펌핑 유체 챔버의 프로젝션 부위(projection of the section) 내에 있는 유체 인렛 포트(12)와 아웃렛 포트(13). - 상기 펌핑 유체 챔버 인렛 매니폴드(16)는 상기 유체 챔버 인렛 포트(12) 아래에 있으며, 상기 펌핑 유체 챔버 아웃렛 매니폴드(17)는 상기 유체 챔버 아웃렛 포트(13) 위에 있다.
   e) 4 개의 체크 밸브(예를 들어 볼 밸브, 그러나 볼 밸브에 한정되지 않는다). - 2개의 흡입 밸브(10)와 2개의 배출 밸브(11)를 포함하며, 펌프의 습식 바디 중앙 내부, 챔버들 사이 그리고 펌핑 유체 챔버들의 프로젝션 부위(projection of the section) 내에 하우징된다. 볼 밸브의 경우, 상기 볼 밸브는 상기 유체 인렛 및 아웃렛 유동에 직각 방향으로 수직 운동 동작을 한다. 상기 2개의 흡입 밸브(10)는 상기 펌프 샤프트(6) 위의 수평면에 위치한다. 상기 2개의 배출 밸브(11)는 상기 흡입 밸브의 수평면 아래 그리고 상기 펌프 샤프트(6) 아래에 위치한다. 이들 밸브들은 상기 펌핑 유체 챔버 인렛 포트(12) 및 아웃렛 포트(13)과 바로 연락(commnunicate)된다.
   f) 그 흡입 스트로크 끝에서, 상기 챔버 커버들(14)의 윤곽에 딱 맞으며, 그 배출 스트로크 끝에서, 상기 펌프 바디(3)의 챔버들의 측면 윤곽에 딱 맞는, 기복이 있는 윤곽(undulating profile)의 디자인을 갖는 2개의 다이어프램(4). - 상기 다이어프램은 상기 다이어프램 커버와 상기 펌프 바디 사이의 플렌지 실(flange seal)을 만든다.
   g) 상기 펌프의 인렛(16) 및/또는 아웃렛(17)과 상기 체크 밸브 하우징 사이에서 독립적인 결합을 갖고 상기 펌핑 유체 챔버 인렛(12)과 아웃렛 포트 그리고 상기 체크 밸브 하우징 사이에서 독립적인 결합을 갖는 체브 밸브 억세스 캡(15).
   h) 각각이 상기 중앙 펌프 바디에 고정된 챔버 커버(14)로, 다른 챔버 커버에서 독립적으로, 상기 펌프 중앙 바디에 포함된 상기 펌프 인렛(16) 및 아웃렛 매니폴드(17)에서 독립적으로 고정된 챔버 커버(14). - 상기 각 챔버 커버는 상기 작동 유체가 그들의 대응되는 챔버와 연락될 수 있도록 하는 매니폴드를 포함한다.
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 작동 유체 분배 모듈(7)은, 끝단이 들어오는 작동 유체 유동을 향하고 한 측면에 모떼기된(chamfered) 돌출 윙(8.5)을 구비한 저 마찰 피보팅 실링 요소(8)을 구비하며, 상기 작동 유체가 적용되면, 상기 실링 요소는 균형잡힌 위치를 갖지 않게 되며, 상기 피보팅 실링 요소는 2개의 인렛 각각에 대해 실링 립(sealing lip)을 구비한 인렛 실링 실린더(8.1)와 끝이 잘린 구체 표면(truncated spherical surface)을 구비한 돌출부(8.2), 상기 2개의 아웃렛 각각에 대한 실링 립(sealing lip)을 구비한 아웃렛 실링 실린더(8.4)를 포함하고, 상기 돌출부(8.2)는 상기 분배 모듈의 저 마찰 실(8.3)에 대한 피봇과 실에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 2개의 챔버 커버 각각의 센서 밸브(5)의 사용에서,
   상기 인렛으로부터의 상기 작동 유체의 압력은 상기 밸브들에 지속적으로 가해지며, 상기 밸브들은 그 각각의 다이어프램 스트로크의 끝에서 구동될 때 열리고, 이 지점에서 상기 밸브들은 대응하는 챔버 커버의 매니폴드를 통해 상기 작동 유체가, 상기 작동 유체 분배 모듈의 상기 피보팅 실링 요소로 흐르게 하여, 상기 피보팅 실링 요소가 그 위치를 변경하도록 하게 하며,
   각 센서 밸브는, 센서 샤시(5.1), 가스켓(5.2), 작동 버튼(5.3), 볼 밸브 시트(5.4), O-링 실(5.5) 및 볼 밸브(5.6)을 포함하며,
   상기 펌프는 한 쪽 측면으로 인렛 채널에만 있는 스로틀 밸브(9)를 포함하여, 돌출부를 구비한 피보팅 실링 요소의 기능을 보강하여 상기 펌프의 대칭적인 기능을 깨뜨려 상기 피보팅 실링 요소와 상기 펌프가 중단되거나 실속하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 4개의 체크 밸브(예를 들어 볼 밸브, 그러나 여기에 한정되지는 않는다)는, 흡입 밸브로 작동하는 2개의 밸브(10)와 배출 밸브로 작동하는 2개의 밸브(10)를 포함하고, 펌프의 습식 바디의 중앙에 하우징되며, 4개 밸브 모두 펌프의 상부측으로부터 억세스 가능하며,
   상기 흡입 밸브들은 상기 중앙 샤프트(6) 위에 있고 상기 배출 밸브들은 상기 중앙 샤프트(6) 아래에 있어, 상기 흡입 밸브들은 배출 밸브와 다른 레벨 상에 있는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 펌핑 유체 챔버 인렛 포트(12)들과 아웃렛 포트(13)들은 상기 중앙 샤프트를 기준으로 다른 레벨 상에 있으며 상호간에 대체적으로 반대편에 있으며,
   상기 인렛 포트는 상기 중앙 샤프트 위에서 각 유체 챔버의 상부 주변부를 향하고 상기 아웃렛 포트는 상기 중앙 샤프트 아래에서 각 유체 챔버의 하부 주변부를 향하며,
   펌핑 유체 인렛 매니폴드(16)는 상기 펌핑 유체 챔버 인렛 포트들(12) 아래에 위치하고, 펌핑 유체 아웃렛 매니폴드(17)는 상기 펌핑 유체 챔버 아웃렛 포트들(13) 위에 위치하며,
   이러한 배치는 유체 유동이 확실하게 위에서 아래로 흐르게 하여 상기 유체 챔버들 내에서 일어날 수 있는 퇴적이 생길 수 있는 매우 낮은 유동 속도나 제로 존(zones of zero)을 없애는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   4개의 체크 밸브(예를 들어 볼 밸브이나 반드시 여기에 한정되지는 않는다)의 하우징은, 흡입 밸브(10)의 경우, 상기 샤프트 위에 위치한 상기 펌핑 유체 챔버 인렛 포트들(12)을 형성하고, 배출 밸브(11)의 경우, 상기 샤프트 아래에 위치한 상기 펌핑 유체 챔버 아웃렛 포트들(13)을 형성하며,
   이러한 배치는 상기 체크 밸브와 상기 펌핑 유체 챔버 인렛 및 아웃렛 포트들 사이의 매니폴드들의 필요성을 없애는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 펌프의 4개의 체크 밸브(예를 들어 볼 밸브이나 반드시 여기에 한정되지는 않는다)는 상기 펌핑 유체 인렛 및/또는 아웃렛 매니폴드들과 상기 체크 밸브 하우징들 사이에서 독립적인 결합을 갖고 상기 펌핑 유체 챔버 인렛 및 아웃렛 포트들과 상기 체크 밸브 하우징 사이에서 독립적인 결합을 갖는 억세스 캡(15)을 포함하며,
   상기 체크 밸브 억세스 캡들은, 상기 펌프를 상기 유체 라인에서 분리하지 않고, 즉 상기 펌핑 유체 인렛 또는 상기 펌핑 유체 아웃렛 매니폴드를 분해할 필요 없이, 상기 작동 유체 분배 모듈(7)을 제거한 후, 상기 펌프의 위쪽으로부터 억세스 가능한 것을 특징으로 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   각각 상기 2개의 각 펌핑 유체 챔버들로 공급되는, 2개의 독립적인 흡입 인렛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프는, 상기 샤프트에 고정되지 않고, 그 이완 상태의 형태가, 각 챔버들의, 흡입 스트로크 끝과 일치하는 탄성 다이어프램(4)을 이용하며,
   다이어프램이 그 초기(이완) 위치로 회복되면, 상기 다이어프램은 이전의 변형을 통해 저장된 탄성 에너지를 반환하여 펌프의 흡입 사이클을 보조하고,
   이러한 방법으로 상기 펌프의 맥동(pulsation)과 내부 저항이 최소화되어 현격한 에너지 절감을 달성할 수 있는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이어프램의 챔버 커버(14)는 고정되지 않으며, 상기 펌핑 유체 인렛 및 아웃렛 매니폴드들로부터 독립적인 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    작동과 제어를 위해, 자동화된 외부 제어 및/또는 집적화된 제어를 이용하는 것을 특징으로 하는 중앙 유동 이중 다이어프램 펌프.
    

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