KR20140077385A - 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치 - Google Patents

유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고가이면서 부피가 크기 때문에 설치장소의 공간적 활용도를 떨어뜨리는 가변주파수구동수단을 적은 부피를 갖고 저렴한 비용으로 설치할 수 있도록 대체할 수 있는 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치에 관한 것이다.

Description

유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치{Optimized pump control system using pressure controller and flow controller}
본 발명은 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고가이면서 부피가 크기 때문에 설치장소의 공간적 활용도를 떨어뜨리는 가변주파수구동수단을 적은 부피를 갖고 저렴한 비용으로 설치할 수 있도록 대체할 수 있는 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치에 관한 것이다.
잠수 가능한 펌프(submersible pump)뿐만 아니라 하수 펌프, 배수 펌프, 및 탈수 펌프와 같이, 가변 주파수 구동 수단(Varible frequency device)을 포함하는 펌프는 예를 들어 건설 현장이나 다른 응용 분야에서, 채굴 샤프트(mining shafts), 웰(well)과 같은 채굴 응용 분야에서 유동체(fluid)를 펌핑하는 데 흔히 사용된다. 통상적으로, 잠수 가능한 펌프는 동작 중이면서 오프-스테이트(off-state)일 때 장시간 동안 전체적으로 또는 부분적으로 침수된다.
일반적으로 펌프에, 특히 잠수 가능한 펌프에 자주 직면하는 문제는 소위 스노링 동작(snoring operation)인데, 이것은 펌프가 액체 및 공기를 부분적으로 흡수한다는 것을 의미한다. 이것은 액체 레벨(liquid level)이 펌프의 필요한 레벨보다 낮게 떨어져서 펌프가 공기를 부분적으로 흡수하기 시작한다는 사실에 기인한다. 이 순간부터 펌프는 더 이상 생산적이지 못하고 에너지를 불필요하게 사용한다. 채굴 샤프트나 웰 내에 물 실트(water silt)가 남아 있고 펌프의 유압 기계에 입자가 정주하여 쌓이게 된다. 펌프가 이러한 스노링 상태에 있는 한, 이러한 입자들이 유압 기계에 계속 있게 되어 임펠러(impeller), 흡입 커버(suction cover), 봉인(seals) 등을 더 마모시킨다. 이러한 비효율적인 펌핑으로 펌프의 전체적인 동작 비용이 상당히 증가한다.
또한, 이 스노링동작은 과열로 인해 펌프 펌프를 손상시킬 수도 있다. 특정의 응용 분야에서는 이러한 스노링 문제를 극복하기 위해, 레벨 스위치와 같은 센서를 사용하여 웰 내의 유동체 레벨을 감지한다. 그렇지만, 이러한 레벨 센서는 예를 들어, 나뭇 가지와 같은 유동체 내의 물질과의 충돌로 인해 차단되거나 레벨 시프트(level shift)를 겪을 수도 있고, 그에 따라 그런 경우에는 오류 신호를 보내게 된다.
US 6,481,973에는 전술한 문제를 일부 해결한 펌프 시스템에 대해 개시되어 있다. 이 펌프 시스템은 가변 주파수 구동 수단을 포함하기는 하지만, 레벨 스위치에 대한 보완(complement)으로서, 액체 레벨이 사전 설정된 레벨 이하로 떨어지는지를 검출하기 위해 다른 제어 방법을 사용한다. 보다 정확하게는, 이 펌프 시스템은 펌프의 속도가 갑작스럽게 증가하는지 또는 모터 토크가 갑작스럽게 하강하는지를 검출한다.
이러한 펌프의 동작은, 가변 주파수 구동 수단으로부터 펌프로 연장하는 AC 출력 링크에 접속되어 있는 센서에 의해 감시된다. 그렇지만, 이 펌프 시스템은 큰 단점을 안고 있다. 펌프 속도의 증가가 느린 경우에, 이 펌프 시스템은 펌프의 건조 작동(dry running)의 표시와 같은 변화를 인식하지 못할 수도 있다. 다른 경우, 펌프시스템은 펌프의 기동 시 물 레벨이 펌프 동작을 하기에 충분히 높은지를 검출하지 못하는 데, 왜냐하면 이 상태에서는, 펌프 속도의 갑작스런 증가나 모터 토크의 갑작스런 강하가 있을 수 없기 때문이다. 이에 의해, 펌프는 과열로 인해 스위치 오프 될 때까지 상당한 시간 동안 작동할 것이므로, 심각한 손상을 입게 될 위험이 있다.
특히 펌프가 매우 장시간 동안 오프-스테이트에 있을 때 자주 발생하는 다른 문제는 흡입구 및/또는 임펠러의 막힘(clogging)인데, 이것은 흡입구 및 임펠러 내에 침전하여 비교적 굵거나 단단한 경도(solid consistency)를 갖는 실트가 생기는 주로 유동체 내의 입자들에 의해 발생한다. 이것은 차례로, 펌프 임펠러의 회전을 기동하기 위해 펌프 펌프의 큰 기동 토크를 필요로 한다는 것을 수반한다.
회전을 기동하기 위해서는 최대 기동 토크가 필요하기까지 하며 펌프는 상당한 기간 동안 최대 토크에서 동작해야만 한다. 이로 인해 대량의 에너지가 소비되고 또한 펌프 임펠러 및 펌프를 마모시킨다. 펌프가 장기간 동안 오프-스테이트에 있을 때에는 최대 기동 토크조차도 충분하지 않을 수 있으며 이러한 경우에는 펌프를 수작업으로 청소해야만 한다. 또한, 펌프는 작동하는 동안, 예를 들어 임펠러에 흡입된 입자들에 의해 막힐 수도 있다. 그러므로 이러한 환경에서 동작하는 펌프의 신뢰성은 낮다.
US 6,481,973에 따른 전술한 펌프 시스템도 마찬가지로 이러한 문제점을 해결하고 있다.
그렇지만, 이 방법은 펌프가 막힌 것으로 판단되어도 펌프를 계속 오작동시키도록 한다. 보다 정확하게는, 펌프의 모터의 회전 속도에 있어서 수용할 수 없을 정도의 높은 모터 토크가 검출되면, 펌프 시스템은 모터의 속도를 낮추는 동시에 수용 가능한 모터 토크의 레벨을 증가시킬 것이다. 이 목적은 고체 물질의 강도를 극복하 수 있는 더욱 강한 펌프를 얻기 위한 것이지만, 딱딱한 오염물질과 결합되는 더 강한 펌프는 임펠러, 임펠러 시트, 펌프 하우징 등에 손상을 줄 수 있다.
종래의 가변 주파수 구동 수단을 포함하는 펌프의 또 다른 공지의 문제점은 이 가변 주파수 구동 수단이 통상적으로 그라운드보다 높은 건조한 위치(dry location)에서 펌프로부터 멀리 떨어져 장착된다는 점이다. 보다 정확하게는, 이것은 가변 주파수 구동 수단으로부터 펌프에 이르는 긴 전력 케이블을 필요로 하여, 종래의 가변 주파수 구동 수단에 전자기 간섭으로 인한 심각한 문제를 야기할 수 있다. Struthers에 허여된 US 6,481,973에서, 가변 주파수 구동 수단은 펌프 케이스 내에 장착되는 데, 보다 정확하게는 펌프에 연결된 플레이트 위에 장착되어 있다. 그렇지만, 이 경우 가변 주파수 구동 수단의 동작은 펌프에서 방출되는 열에 의해 악영향을 받으며, 이에 의해 가변 주파수 구동 수단의 오동작을 일으킬 수 있다.
즉, 종래의 상기 펌프제어시스템은 상술한 바와 같이 메인파이프를 통하여 이송되는 유류의 공급 및 리싸이클링을 위하여 고가인 가변주파수 구동수단을 적용하고 있으나 오동작의 위험이 있고, 또한 상기 가변주파수 구동수단은 고가의 장비로 그 부피가 상당하여 좁은 선체 내의 공간에서 많은 영역을 차지하고 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유량계와 압력계를 이용하여 메인파이프에 연결되는 재순환파이프를 개폐시키는 컨트롤밸브를 구비하여 가변 주파수 구동수단 없이 펌프를 제어할 수 있는 압력계와 유량계를 이용한 펌프제어장치를 제공함에 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함하였다.
본 발명의 제1실시예는부하에 유류를 공급되는 메인파이프와, 상기 메인파이프에서 압력용기로 연결되어 상기 메인파이프에서 공급되는 유류를 압력용기로 회귀시키는 재순환파이프; 상기 메인파이프의 압력을 발생시키는 펌프; 상기 메인파이프의 압력을 표시하는 압력계; 상기 메인파이프를 통하여 이송되는 유량을 표시하는 유량계; 상기 유량계와 압력계에서 표시되는 압력과 유량을 통하여 상기 메인파이프의 압력을 측정하고, 설정된 압력과 측정된 압력을 비교하여 상기 메인파이프에서 연결되는 상기 재순환파이프의 개폐를 제어하는 센서부; 및 상기 센서부의 제어에 의하여 유류를 이송하는 메인파이프에서 압력용기로 연결되는 재순환파이프를 개방 또는 차단시키는 컨트롤밸브를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 고가의 주파수가변수단 대신에 센싱로직으로 구성되는 센서부를 구비하여 메인파이프의 압력부족을 감지하여 메인파이프의 이상상태를 개선할 수 있도록 함에 따라서 가격절감 및 공간의 활용도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치를 도시한 블럭도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치를 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 유량계와 압력계를 이용한 펌프제어장치는 유류를 저장 및 공급하는 압력용기(10)와, 상기 압력용기(10)에서 이송되는 유류를 부하에 전달하는 메인파이프(61)와, 상기 메인파이프(61)에서 전달되는 유량과 압력을 각각 감지하는 유량계(20)와 압력계(30)와, 상기 메인파이프(61)에서 부하측사이에 연결되어 다시 압력용기(10)로 연결되는 재순환파이프(63)와, 상기 재순환파이프를 개방 또는 차단시키는 컨트롤밸브(40)와, 상기 유량계(20)와 압력계(30)에서 감지되는 유량과 압력을 각각 측정하여 상기 컨트롤밸브(40)를 제어하는 센서부(50)를 포함한다.
상기 압력용기(10)는 상기 메인파이프(61)와 재순환파이프(63)에 각각 연결되어 내측에 저장된 유류를 상기 메인파이프(61)를 통하여 공급하고, 상기 재순환파이프(63)에서 귀환 되는 유류를 다시 저장한다.
상기 펌프(70)는 상기 메인파이프(61)의 압력을 발생시킨다. 여기서 상기 펌프는 모터의 고정된 회전수에 따라서 구동되어 상기 메인파이프(61)에서 이송되는 유류의 압력을 발생시킨다.
상기 유량계(20)는 상기 메인파이프(61)에서 이송되는 유량을 표시하고, 상기 압력계(30)는 상기 메인파이프(61)에서 이송되는 유류의 압력을 표시한다.
상기 컨트롤밸브(40)는 상기 메인파이프(61)에서 부하측으로 연결되는 연결파이프(62)와 상기 압력용기(10)로 순환 연결되는 재순환파이프(63) 사이에서 상기 메인파이프(61)에서 이송되는 유류의 경로를 설정한다. 즉, 상기 컨트롤밸브(40)는 상기 센서부(50)의 제어에 의하여 상기 메인파이프(61)와 부하측의 경로를 개폐하거나 또는 메인파이프(61)와 재순환파이프(63) 및 압력용기(10)로 연결되는 경로를 선택적으로 개폐시킨다.
상기 센서부(50)는 로직으로 구성되어 상기 유량계(20)와 압력계(30)에서 표시되는 상기 메인파이프(61)의 유량과 압력을 측정하여 상기 메인파이프에서 유류를 이송하기에 적절한 설정압력과 비교하여 설정압력과 측정압력에 차이가 발생되면, 상기 컨트롤밸브(40)를 구동시켜 상기 메인파이프와 부하간이 경로를 차단하고, 상기 재순환파이프(63)를 통하여 상기 메인파이프(61)의 유류를 압력용기로 회귀시킨다.
본 발명은 상기와 같은 구성을 포함하며, 이하에서는 상기와 같은 구성을 통하여 달성되는 작용을 상세히 설명한다.
먼저, 작업자는 상기 펌프(70)를 구동시켜 상기 압력용기(10)에 저장되는 유류를 상기 메인파이프(61)를 통하여 부하에 공급한다. 이때 상기 펌프(70)는 고정된 회전수로서 구동된다. 이때, 상기 재순환파이프(63)와 압력용기(10) 간의 경로는 폐쇄되어 있다.
따라서 유량계(20)와 압력계(30)는 상기 메인파이프(61)를 통하여 이송되는 유류의 유량과 압력을 측정하여 표시한다. 상기 센서부(50)는 상기 압력계(30)와 유량계(20)에서 표시되는 유량과 압력을 실시간으로 측정하여 상기 메인파이프에서 이송되는 유량 및 압력을 확인한다.
이때 상기 센서부(50)는 상기 유량계(20)와 유량제어기의 설정유량값을 기본으로 펌프 및 컨트롤밸브(40)을 제어하게 되며. 이 경우 유량 제어용 컨트롤밸브(40)의 기능을 하게 된다. 설정 유량보다 배관 내 유량측정값이 더 클 경우, 상기 메인파이프(61)의 유류는 재순환파이프(63)와 컨트롤밸브(40)을 통해 펌프 상부의 압력용기(10)로 순환된다.
단, 상기 센서부(50)는 메인파이프(61) 하부 쪽의 외란(밸브 막힘이나 수요처측의 필요유량 감소현상 등)이 발생하여 압력계(30)와 압력제어기의 설정압력을 초과할 경우, 상기 컨트롤밸브(40)는 압력 제어용 컨트롤밸브의 기능을 하게 된다.
이와 같이, 컨트롤밸브(40)는 시스템 내 외란이 발생할 경우, 이를 적절히 제어하여 상기 재순환파이프(63)와 컨트롤밸브(40)를 통해 상기 메인파이프(61)에서 재순환파이프 사이를 개방시킨다.
즉, 본 발명은 종래에서 고가의 가변 주파수 구동수단 대신에 유량계(20)와 압력계(30) 및 컨트롤밸브(40)를 통하여 메인파이프의 이송압력을 조절할 수 있고, 가변주파수구동수단에 비하여 적은 부피를 갖기 때문에 잠수함 또는 기타 선박내의 공간 활용도를 높일 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 압력용기 20 : 유량계
30 : 압력계 40 : 컨트롤밸브
50 : 센서부 61 : 메인파이프
62 : 연결파이프 63 : 재순환파이프
70 : 펌프

Claims (1)

  1. 부하에 유류를 공급되는 메인파이프와, 상기 메인파이프에서 압력용기로 연결되어 상기 메인파이프에서 공급되는 유류를 압력용기로 회귀시키는 재순환파이프;
    상기 메인파이프의 압력을 발생시키는 펌프;
    상기 메인파이프의 압력을 표시하는 압력계;
    상기 메인파이프를 통하여 이송되는 유량을 표시하는 유량계;
    상기 유량계와 압력계에서 표시되는 압력과 유량을 통하여 상기 메인파이프의 압력을 측정하고, 설정된 압력과 측정된 압력을 비교하여 상기 메인파이프에서 연결되는 상기 재순환파이프의 개폐를 제어하는 센서부; 및
    상기 센서부의 제어에 의하여 유류를 이송하는 메인파이프에서 압력용기로 연결되는 재순환파이프를 개방 또는 차단시키는 컨트롤밸브를 포함하는 유량계 및 압력계를 이용한 펌프제어장치.

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