KR20170055880A - 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법 - Google Patents

압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법 Download PDF

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KR20170055880A
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pump
piezoelectric
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이창섭
구남서
김태흔
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명에 의한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 운전 방법은, 출력유닛; 출력유닛의 작동공간에 작동유체를 안내하는 연결유닛; 작동유체의 유동방향을 전환하는 밸브조립체; 밸브조립체를 사이에 두고 출력유닛에 연결되는 제1 압전펌프 및 제2 압전펌프; 제1, 2 압전펌프를 서로 연결하는 동시에 출력유닛에 연결하는 연결유닛; 및 밸브조립체와 제1 압전펌프 그리고 제2 압전펌프를 제어하는 제어유닛;을 포함하여 구성된다. 이로써, 제1,2 압전펌프를 동시구동 또는 교차구동하여 높은 최대 구동력과 최대 구동속도를 구현할 수 있고 이를 통해 항공기, 로켓 시스템과 같은 분야에 고출력 구동장치를 제공할 수 있다.

Description

압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법{PIEZOELECTRIC PUMP-HYDRULIC ACTUATOR AND METHOD FOR DRIVING THEREOF}
본 발명은 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치에 관한 것으로서, 특히 복수 개의 압전펌프를 이용하여 높은 효율을 얻을 수 있는 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 운전 방법에 관한 것이다.
항공기, 유도무기, 그리고 자동차 등에 사용되고 있는 구동장치는 20세기 초의 기계식으로부터 시작되었다. 최근에는 고성능 유도무기와 같은 소형 비행 시스템의 필요성이 대두됨에 따라, 소형 구동 시스템의 개발이 필요로 하게 되었고, 스마트 재료의 연구가 진행됨에 따라 이를 이용하여 크기를 더 작게 하고 더 큰 성능을 낼 수 있으면서 기존의 유공압 및 전기식 모터를 대체할 수 있는, 고에너지 밀도를 가지는 집접형 하이브리드 구동장치를 개발하려는 시도가 활발히 진행되고 있다.
집적형 하이브리드 구동장치의 일종인 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치는 압전스택으로 구동하는 유압펌프와 유압실린더를 서로 연결한 하이브리드 구동장치이다. 이에 적용되는 압전펌프(piezoelectric pump)는 초소형 경량화, 저가격화, 신뢰성 향상에 매우 유리하며 그 응용분야도 다양하다. 이러한 압전펌프는 크기가 작고 제어가 용이하면서도 큰 구동력과 높은 속도를 동시에 출력할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치의 일례를 보인 계통도이다.이에 도시된 바와 같이 종래의 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치(이하, 압전펌프 구동장치)는, 하나의 압전펌프를 이용하여 구동력을 발생하는 단일 압전펌프 구동방식으로, 출력유닛(10), 연결유닛(20), 밸브조립체(30), 한 개의 압전펌프(40) 및 상기 밸브조립체(30)와 압전펌프(40)를 제어하는 제어유닛(50)으로 이루어져 있다.
출력유닛(10)은 한 개의 실린더(12)에 피스톤(14)이 왕복 가능하게 결합되어 있다. 실린더(12)는 피스톤(14)을 중심으로 양측에 각각 제1 작동공간(12a)과 제2 작동공간(12b)으로 구분되어 있다.
연결유닛(20)은 피스톤(14)을 중심으로 실린더(12)의 제1 작동공간(12a)과 제2 작동공간(12b)을 후술할 밸브조립체에 각각 연결하는 제1,2 연결관(21)(22) 및 후술할 압전펌프(40)를 밸브조립체(30)에 연결하는 제3,4 연결관(23)(24)으로 이루어져 있다.
밸브조립체(30)는 4방밸브로 된 솔레노이드 밸브로 이루어져 있다. 밸브 조립체(30)는 후술할 제어유닛(50)의 밸브용 제어부(52)에 전기적으로 연결되어, 압전펌프(40)의 펌핑공간(42a)에서 배출되는 작동유체의 유동방향을 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(12b) 방향으로 전환시킬 수 있도록 구성되어 있다. 이를 위해, 밸브조립체(30)는 2개의 공통구(31)(32)와 2개의 입출구(33)(34)를 가지며, 2개의 공통구(31)(32)는 실린더(12)의 제1 작동공간(12a) 및 제2 작동공간(12b)과 연결되고, 2개의 입출구(23)(24)는 후술할 압전펌프(40)의 유입구(42b) 및 배출구(42c)와 각각 연결되어 있다. 이로써, 압전펌프(40)의 펌핑공간(42a)에서 배출구(42c)를 통해 배출되는 작동유체는 밸브조립체(30)에 의해 출력유닛(10)의 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(12b)으로 유입되는 반면, 작동유체가 유입되지 않는 반대쪽 작동공간에서는 작동유체가 유출되어 압전펌프(40)의 펌핑공간(42a)으로 유입된다.
압전펌프(40)는 펌프본체(42), 압전스택(44), 복수 개의 체크밸브(45,46)로 이루어져 있다.
펌프본체(42)는 압전펌프의 외형을 형성하며, 내부에는 작동유체를 수용하는 펌핑공간(42a)이 형성되고, 펌핑공간(42a)의 양측에 유입구(42b)와 배출구(42c)가 각각 형성되어 있다.
압전스택(44)은 펌프본체(42)의 펌핑공간(42a) 내에 구비되어 주기적으로 왕복운동을 하면서 펌핑 작용을 행하는 구성요소로서, 적층형 압전스택으로 이루어져 있다. 압전스택(44)은 후술할 펌프용 제어부(54)에 전기적으로 연결되어 있다. 이로써, 펌프용 제어부(54)에 의해 도면의 상하방향(전진 및 후진방향)으로 진동하면서 펌핑공간(42a) 내 작동유체를 유입구(42b)에서 배출구(42c)로 유동하도록 하는 구동원으로 작용한다.
체크밸브(45,465)는 유입구(42b에 설치되는 유입측 밸브(45)와, 배출구(42c)에 설치되는 배출측 밸브(46)로 이루어져 있다. 이로써, 유입측 밸브(45)와 유출측 밸브(46)는 작동유체가 유입구(42b)에서 배출구(42c) 방향으로 유동하도록 유동 흐름을 제어한다.
제어유닛(50)은 밸브조립체(30)에 전기적으로 연결되어 그 밸브조립체(30)를 유동방향을 제어하는 밸브측 제어부(52)와, 압전펌프(40)의 압전스택(44)에 전기적으로 연결되어 그 압전스택(44)의 왕복운동을 제어하는 펌프측 제어부(54)로 이루어져 있다.
상기와 같은 종래의 압전펌프 구동장치는, 압전펌프(40)에 전원이 인가되면 압전스택(44)이 상하로 왕복운동을 하면서 압축(compression), 분출(exhaustion), 팽창(expansion) 및 흡입(intake)의 네 개의 단계를 1 주기로 하는 펌핑운동을 실시하게 된다.
그러면, 압전펌프(40)에서 펌핑되는 작동유체는 밸브조립체(30)에 의해 유동방향이 제1 작동공간 방향 또는 제2 작동공간 방향으로 전환되면서, 실린더(12)의 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(12b)으로 공급된다. 반면, 다른 쪽 작동공간의 작동유체는 밸브조립체(30)에 의해 압전펌프(40)의 펌핑공간(42a)으로 회수되는 일련의 과정을 반복한다. 이때, 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(12b)으로 유입되는 작동유체와 빠져나가는 작동유체에 의해 양쪽 작동공간 사이에는 압력차가 발생되고, 이 압력차에 따라 피스톤(14)이 실린더(12)에서 왕복운동을 하면서 피스톤로드(16)를 통해 외부로 구동력을 전달하게 된다.
그러나, 종래의 압전펌프 구동장치는, 한 개의 압전펌프(40)를 이용하여 출력유닛(10)을 작동시킴에 따라 출력유닛(10)에서 발생되는 최대 구동속도와 최대 구동력을 높이는데 한계가 있다. 따라서, 단일 압전펌프를 이용한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치를 가벼우면서도 고출력을 요구하는 항공기 또는 로켓 시스템에 적용하기에는 한계가 있었다.
본 발명의 목적은, 가볍고 높은 출력을 요구하는 항공기 또는 로켓 시스템에 적용할 수 있도록 최대 구동속도와 최대 구동력을 높일 수 있는 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 운전방법을 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 작동유체가 수용되는 작동공간이 구비되고, 그 작동공간으로 유입되는 작동유체의 압력차에 따라 발생되는 구동력을 외부로 전달하는 출력유닛; 상기 출력유닛에 연결되어 그 출력유닛의 작동공간에 작동유체를 안내하는 연결유닛; 상기 연결유닛의 중간에 결합되어 상기 작동유체의 유동방향을 전환하는 밸브조립체; 상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 연결유닛에 의해 상기 출력유닛에 연결되는 제1 압전펌프; 상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 연결유닛에 의해 상기 출력유닛에 연결되는 동시에 상기 제1 압전펌프에 연결되는 제2 압전펌프; 및 상기 밸브조립체와 제1 압전펌프 그리고 제2 압전펌프를 제어하는 제어유닛;을 포함하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 연결유닛은 상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 출력유닛을 상기 제1 압전펌프 및 제2 압전펌프와 연결하는 복수 개의 메인 연결관과, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프 사이를 연결하는 서브 연결관으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 서브 연결관은 상기 제1 압전펌프의 배출구와 제2 압전펌프의 유입구 사이를 연결할 수 있다.
그리고, 상기 서브 연결관은 상기 제1 압전펌프의 유입구에 연결되는 메인 연결관에서 분관되어 상기 제2 압전펌프의 유입구에 연결되는 제1 서브관과, 상기 제2 압전펌프의 배출구에 연결되는 메인 연결관에서 분관되어 상기 제1 압전펌프의 배출구에 연결되는 제2 서브관으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제어유닛은 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프의 구동을 제어하는 펌프용 제어부를 포함하고, 상기 펌프용 제어부는 상기 제1 압전펌프와 제 압전펌프를 동일 위상을 가지도록 제어할 수 있다.
그리고, 상기 제어유닛은 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프의 구동을 제어하는 펌프용 제어부를 포함하고, 상기 펌프용 제어부는 상기 제1 압전펌프와 제 압전펌프를 180도 위상차를 가지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 작동가스의 유동방향을 전환하는 밸브조립체를 통해 한 개의 출력유닛에 연결되는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치에서, 상기 제1 압전펌프의 운전주기와 상기 제2 압전펌프의 운전주기가 동일한 위상을 가지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치의 운전방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 작동가스의 유동방향을 전환하는 밸브조립체를 통해 한 개의 출력유닛에 연결되는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치에서, 상기 제1 압전펌프의 운전주기와 상기 제2 압전펌프의 운전주기가 180도의 위상차를 가지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치의 운전방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 의한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 운전 방법은, 복수 개의 압전펌프를 한 개의 출력유닛에 직렬 또는 복렬로 연결하되, 복수 개의 압전펌프를 동시구동 또는 교차구동함으로써, 높은 최대 구동력과 최대 구동속도를 구현할 수 있고 이를 통해 항공기, 로켓 시스템과 같은 분야에 고출력 구동장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 압전펌프의 일례를 보인 계통도,
도 2는 본 발명에 의한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치의 일실시예를 보인 계통도,
도 3a는 도 2에 따른 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치에서 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 동시구동하는 과정을, 도 3b는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 교차구동하는 과정을 각각 보인 계통도,
도 4는 본 발명에 의한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치의 다른 실시예를 보인 계통도,
도 5a는 도 4에 따른 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치에서 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 동시구동하는 과정을, 도 5b는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 교차구동하는 과정을 각각 보인 계통도.
이하, 본 발명에 의한 고효율 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 운전 방법을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 고효율 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치의 일실시예를 보인 계통도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 압전펌프 구동장치(100)는, 구동력을 외부로 전달하는 출력유닛(110), 출력유닛(110)에 작동유체를 안내하는 연결유닛(120), 연결유닛(120)의 중간에 구비되어 작동유체의 유동방향을 전환하는 밸브조립체(130), 출력유닛(110)에 작동유체를 펌핑하는 복수 개의 압전펌프(140)(150), 밸브조립체(130)와 복수 개의 압전펌프(140)(150)를 제어하여 각 압전펌프에서 펌핑되는 작동유체가 출력유닛(110)의 작동공간으로 교차 공급되도록 제어하는 제어유닛(160)을 포함할 수 있다.
출력유닛(110)은 작동유체가 수용되는 작동공간을 가지는 실린더(111)와, 실린더(111)의 작동공간에서 미끄러지게 결합되어 상기 작동공간에 채워지는 작동유체에 의해 직선으로 왕복운동을 하는 피스톤(115)으로 이루어질 수 있다. 피스톤(115)의 양측에는 외부로 구동력을 전달하도록 외부의 시스템과 결합되는 피스톤로드(116)가 구비될 수 있다.
실린더(111)의 작동공간은 피스톤(115)을 사이에 두고 제1 작동공간(112a)과 제2 작동공간(113a)으로 구분될 수 있다. 제1 작동공간(112a)과 제2 작동공간(113a)은 그 작동공간들 사이의 압력에 따라 움직이는 피스톤(115)에 의해 제1 작동공간(112a)과 제2 작동공간(113a)의 체적이 가변될 수 있다.
또, 실린더(111)의 일측에는 제1 작동공간(112a)에 작동유체가 입 출되는 제1 입출구(112b)가 형성되고, 실린더(111)의 타측에는 제2 작동공간(113a)에 작동유체가 입 출되는 제2 입출구(113b)가 형성될 수 있다. 제1 입출구(112b)와 제2 입출구(113b)는 후술할 제1 메인관(121) 및 제2 메인관(122)의 각 일단이 연결될 수 있다.
여기서, 실린더(111)의 제1 입출구(112b)와 제2 입출구(113b)는 도 2에서와 같이 제1 작동공간(112a)과 제2 작동공간(113a)에 각각 한 개씩만 구비될 수도 있지만, 경우에 따라서는 복수 개씩 구비될 수도 있다. 제1 입출구(112b)와 제2 입출구(113b)가 복수 개씩 구비될 경우에는 밸브조립체(130) 역시 복수 개가 구비되어 각각의 밸브조립체가 한 개씩의 제1 입출구 및 제2 입출구와 한 쌍으로 연결될 수 있다.
연결유닛(120)은 밸브조립체(130)를 사이에 두고 출력유닛(110)과 압전펌프(140)(150)들 사이를 연결하는 메인 연결관과, 후술할 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150) 사이를 연결하는 서브 연결관으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제1 압전펌프(140) 또는 제2 압전펌프(150)에서 압축되어 분출되는 작동유체는 제1 작동공간(112a) 또는 제2 작동공간(113a)으로 이동함으로써 그 작동공간 내 압력을 높여 실린더(111) 내 피스톤(115)을 도면의 좌우 방향으로 왕복 이동시키게 된다.
메인 연결관은 실린더(111)의 제1 입출구(112b)와 후술할 밸브조립체(130)의 제1 공통구(132a) 사이를 연결하는 제1 메인관(121)과, 실린더(111)의 제2 입출구(113b)와 후술할 밸브조립체(130)의 제2 공통구(132b) 사이를 연결하는 제2 메인관(122)과, 후술할 밸브조립체(130)의 제1 입출구(134a)와 제1 압전펌프(140)의 제1 유입구(142b) 사이를 연결하는 제3 메인관(123)과, 후술할 밸브조립체(130)의 제2 입출구(134b)와 후술할 제2 압전펌프(150)의 제2 배출구(152c) 사이를 연결하는 제4 메인관(124)으로 이루어질 수 있다.
서브 연결관은 한 개의 서브관(125)으로 이루어져 제1 압전펌프(140)의 제1 배출구(142c)와 제2 압전펌프(150)의 제2 유입구(152b) 사이를 연결할 수 있다. 이로써, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 직렬 연결되어, 작동유체는 제1 압전펌프(140)의 펌핑공간(142a)에서 제2 압전펌프(150)의 펌핑공간(152a)으로 이동될 수 있다.
밸브조립체(130)는 4방밸브로 된 솔레노이드 밸브로 이루어질 수 있다. 밸브조립체(150)는 후술할 밸브용 제어부(162)에 전기적으로 연결되고, 2개씩의 공통구(132a)(132b)와 입출구(134a)(134b), 그리고 상기 공통구와 입출구 사이를 움직이면서 작동유체의 유동방항을 전환하는 전환밸브(136)로 이루어질 수 있다. 제1 공통구(132a)는 제1 메인관(121)을 통해, 제2 공통구(132b)는 제2 메인관(122)을 통해 실린더(112)의 제1 입출구(112b) 및 제2 입출구(113b)에 각각 연결되고, 제1 유입구(134a)는 제3 연결관(123)을 통해, 제2 유입구(134b)는 제4 연결관(124)을 통해 후술할 제1 압전펌프(140)의 제1 유입구(142b) 및 제2 압전펌프(150)의 제2 배출구(152c)에 각각 연결될 수 있다. 이로써, 밸브조립체(130)는 제1 압전펌프(140) 또는 제2 압전펌프(150)의 각 펌핑공간(142a)(152a)에서 배출되는 작동유체의 유동방향을 실린더(111)의 제1 입출구(112b) 또는 제2 입출구(113b) 방향으로 전환시킬 수 있다.
복수 개의 압전펌프는 서로 직렬 연결되는 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)로 이루어질 수 있다. 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)는 동일한 구성을 가지되 서로 다른 용량을 가질 수도 있지만, 출력유닛(110)의 실린더(111) 내에서 피스톤(115)이 좌우방향으로 균일하게 움직일 수 있도록 하기 위해서는 동일한 용량을 가지도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 이하에서는 제1 압전펌프를 대표예로 설명하고, 제2 압전펌프에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제1 압전펌프(140)는 외형을 이루는 제1 펌프본체(142), 제1 펌프본체(142) 내에서 펌핑 동작을 행하는 제1 압전스택(144), 제1 펌프본체(142) 내에서 작동유체의 유동방향을 제어하는 제1 체크밸브(145,146)로 이루어질 수 있다.
제1 펌프본체(142)는 그 내부에 작동유체를 수용하는 제1 펌핑공간(142a)이 형성되고, 제1 펌프본체(142)의 일측에는 제1 펌핑공간(142a)과 연통되는 제1 유입구(142b) 및 제1 배출구(142c)가 관통하여 형성될 수 있다.
제1 압전스택(144)는 후술할 펌프용 제어부(164)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 압전스택(144)는 적층형 압전스택으로 이루어져 제1 펌핑공간(142a)의 내부에 미끄러지게 삽입 결합될 수 있다. 이로써, 제1 압전스택(144)은 펌프용 제어부(164)에 의해 인가되는 전원에 의해 제1 펌핑공간(142a)에서 왕복운동을 하면서 작동유체를 펌핑하게 된다.
제1 체크밸브는 제1 유입구(142b)에 설치되는 제1 유입밸브(145)와, 제1 배출구(142c)에 설치되는 제1 배출밸브(146)로 이루어질 수 있다. 제1 유입밸브(145)는 유입구(142b)와 펌핑공간(11) 사이에 구비되어 유체가 유입되는 방향으로만 개방되도록 구성되며, 제1 배출밸브(145)는 제1 펌핑공간(142b)과 제1 배출구(142c) 사이에 구비되어 유체가 배출되는 방향으로만 개방되도록 구성될 수 있다. 이로써, 제1 펌핑공간(142a)에서의 작동유체는 제1 유입구(142b)에서 제1 배출구(142c) 방향으로 유동하게 된다.
제어유닛(160)은 밸브조립체(130)를 제어하는 밸브용 제어부(162)와, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)의 각 압전스택(144)(154)를 제어하는 펌프용 제어부(164)로 이루어질 수 있다.
밸브용 제어부(162)는 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)에 대한 운전 방식에 관계없이 동일하게 제어될 수 있다. 즉, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 각각 압축, 분출, 팽창, 흡입의 네 단계로 구성되는 1주기 동작을 위상차 없이 동시에 진행하는 "동시구동"은 물론, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 상기 네 단계를 180도의 위상차를 두고 진행하는 "교차구동"시에도 제1,2 압전스택(144)(154)이 1주기 동작을 1회 진행하는 동안 밸브조립체에서도 역시 1회 전환동작을 진행하도록 제어될 수 있다.
펌프용 제어부(164)는 밸브용 제어부(162)와 서로 연동되도록 구성될 수 있다. 즉, 펌프용 제어부(164)는 밸브용 제어부(162)와 함께 작동유체가 제1 작동공간(112a)과 제2 작동공간(113a)으로 교차 유입될 수 있도록 제1 압전스택(144)과 제2 압전스택(154)에 전류를 인가하여 왕복운동을 제어할 수 있다.
도면중 미설명 부호인 152는 제2 펌프본체, 152는 제2 펌핑공간, 152b는 제2 유입구, 152c는 제2 배출구, 155는 제2 유입밸브, 156은 제2 배출밸브이다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 압전펌프 구동장치는, 제1,2 압전펌프(140)(150)에 전원이 인가되면 제1, 2 압전스택(144)(154)이 각 펌핑공간(142a)(152a)에서 각각 상하로 왕복운동을 하면서 압축(compression), 분출(exhaustion), 팽창(expansion) 및 흡입(intake)의 네 개의 단계를 1주기로 하는 펌핑운동을 실시하게 된다.
그러면, 제1,2 압전펌프(140)(150)에서 펌핑되는 작동유체는 밸브조립체(130)에 의해 실린더(111)의 제1 작동공간(112a) 또는 제2 작동공간(113a)으로 유입되는 반면, 작동유체가 유입되지 않는 다른 쪽 작동공간의 작동유체는 밸브조립체(130)에 의해 제1 압전펌프(140) 또는 제2 압전펌프(150)의 펌핑공간(142a)(152)으로 회수되는 일련의 과정을 반복하게 된다. 이때, 제1 작동공간(112a) 또는 제2 작동공간(113a)으로 유입되는 작동유체에 의해 양쪽 작동공간 내 압력차가 발생되고, 이 압력차에 따라 출력유닛(110)의 피스톤(115)이 실린더(111)에서 왕복운동을 하면서 피스톤로드(116)를 통해 외부로 구동력을 전달하게 된다.
한편, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)는 두 압전펌프가 위상차 없이 동일한 위상으로 운전하는 "동시구동"방식으로 작동을 하거나, 또는 두 압전펌프가 180도의 위상차를 두고 운전하는 "교차구동"방식으로 작동을 할 수 있다. 도 3a는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 동시구동하는 과정을, 도 3b는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 교차구동하는 과정을 각각 보인 계통도이다.
먼저, 도 3a와 같이, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 동시구동 방식으로 운전을 하게 되면, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 동시에 압축-분출 단계를 진행함에 따라, 제2 압전펌프(150)의 제2 유입구(152b)에 설치된 제2 유입밸브(155)가 닫힌 상태를 유지하게 된다.
이에 따라, 제1 압전펌프(140)에서 펌핑되는 작동유체가 서브관(125)으로 이동을 하지만, 이 작동유체는 제2 압전펌프(150)의 제2 펌핑공간(152a)으로 유입되지 못하게 된다. 이로써, 제2 압전펌프(150)의 제2 펌핑공간(152a) 내 작동유체만 실린더(111)의 제1 작동공간(112a) 또는 제2 작동공간(113a)으로 이동함에 따라, 실린더(111)의 작동공간측 압력은 단일 압전펌프의 경우와 크게 다르지 않게 된다. 이때, 복수 개의 압전펌프(140)(150)를 적용함에 따라 발생되는 압력 손실 등을 고려하면, 단일 압전펌프를 적용하는 경우보다 실린더 내 압력이 낮아질 수도 있다. 따라서, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 직렬로 연결되어 위상차 없이 동시에 구동하는 소위 "동시구동-직렬연결"되는 압전펌프 구동장치에서 최종 토출 압력과 유량은 아래와 같은 관계식으로 표현할 수 있다. 이하에서는, 제1 압전펌프(140), 제2 압전펌프(150)가 토출하는 압력을 각각 P1, P2라고 하고, 토출하는 유량을 각각 Q1, Q2라고 하며, 총 토출하는 압력과 유량을 Pd, Qd 라고 한다.
[수학식 1]
Pd- syn -series < P1 or P2
[수학식 2]
Qd - syn -series < Q1 or Q2
다음, 도 3b와 같이, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 직렬연결된 상태에서 180도의 위상차를 가지고 운전하는 소위 "교차구동-직렬연결" 방식으로 운전을 하게 되면, 제1 압전펌프(140)의 제1 펌핑공간(142a)과 제2 압전펌프(150)의 제2 펌핑공간(152a)이 팽창-흡입 단계와 압축-분출 단계를 번갈아 진행하게 된다. 이에 따라, 제1 압전펌프(140)의 제1 펌핑공간(142a)에서 펌핑되는 작동유체가 제2 압전펌프(150)의 제2 펌핑공간(152a)으로 이동한 후, 그 제2 압전펌프(150)의 제2 펌핑공간(152a) 내 작동유체와 함께 실린더의 작동공간으로 이동하게 된다. 이에 따라, 실린더(111)의 작동공간(112a)(113a)으로 이동하는 작동유체의 압력은 단일 압전펌프의 경우에 비해 2배 가까이 된다. 다만, 압력손실을 고려하면 단일 펌프에서 토출하는 압력의 2배보다는 작을 수 있고, "교차구동-직렬연결"되는 압전펌프 구동장치의 최종 토출 압력을 식으로 보면 아래와 같다.
[수학식 3]
Pd-cross-series ≤ P1 ＋ P2
이때, "교차구동-직렬연결" 방식에 따른 각 압전펌프에서 배출하는 유량은 베르누이 방정식과 질량보존의 법칙에 의하면 다음과 같다.
[수학식 4]
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서 Cv는 유량계수, A는 유량 통과 면적, ρ는 유체 밀도이다. 만약 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 토출 능력이 같다면 그 관계식은 다음과 같다.
[수학식 5]
Figure pat00004
즉, 이상적인 상태에서 본 실시예에 따른 압전펌프 구동장치의 "교차구동-직렬연결" 방식에서 총 토출 압력은 단일 압전펌프 구동장치에서 토출되는 압력의 거의 2배 가까이 되고 유량은 약 1.4배가 될 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따른 더블 압전펌프 구동장치에서 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 직렬로 연결되는 경우, 두 압전펌프(140)(150)를 동시에 구동하는 동시구동 방식에서는 압전펌프에서 배출되는 작동유체의 압력과 유량이 종래의 단일 압전펌프 구동장치에 비해 향상되지 않는다. 하지만, 두 압전펌프를 일정 위상차를 두고 구동하는 교차구동 방식에서는 압전펌프에서 배출되는 작동유체의 압력과 총유량이 각각 최대 2배 및 1.4배 증가되는 것을 알 수 있다. 따라서, 두 개의 압전펌프를 직렬로 연결하더라도 운전 방식에 따라서는 더블 압전펌프 구동장치의 성능이 크게 개선될 수 있다.
한편, 본 발명에 발명에 의한 더블 압전펌프 구동장치에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 직렬 연결되는 것이었으나, 본 실시예는 도 4에서와 같이 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 병렬 연결되는 것이다.
이 경우, 더블 압전펌프 구동장치를 이루는 구성요소들은 대부분 동일하게 이루어진다. 다만, 서브연결관은 전술한 실시예와 달리 제1 서브관(126)과 제2 서브관(127)으로 이루어져, 제1 서브관(126)은 제3 메인관(123)의 중간에서 분관되어 제2 압전펌프(150)의 제2 유입구(152b)에 연결되고, 제2 서브관(127)은 제4 메인관(124)의 중간에서 분관되어 제1 압전펌프(140)의 제1 배출구(142c)에 연결될 수 있다.
상기와 같이 병렬 연결된 더블 압전펌프 구동장치의 경우에도 전술한 실시예와 같이 동시구동을 하거나 또는 교차구동할 수 있다. 도 5a는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 동시구동하는 과정을, 도 5b는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 교차구동하는 과정을 각각 보인 계통도이다.
먼저, 도 5a와 같이, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 "동시구동-병렬연결" 방식으로 운전을 하게 되면, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 동시에 압축-분출 단계를 진행함에 따라 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)에서 각각의 작동유체가 실린더(111)의 제1 작동공간(112a) 또는 제2 작동공간(113a)으로 이동을 하게 된다. 이에 따라, 실린더(111)의 작동공간으로 이동하는 작동유체의 압력은 단일 압전펌프 구동장치에서의 압력과 동일하지만, 유량은 2배 정도가 되거나 에너지 손실 등을 감안하면 2배보다 약간 적을 수 있다. 이와 같이 "동시구동-병렬연결" 방식에서의 최종 토출 압력과 유량을 식으로 보면 다음과 같다.
[수학식 6]
Pd- syn - paral < P1 or P2
[수학식 7]
Qd - syn - paral < Q1 ＋ Q2
다음, 도 4b와 같이, 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 "교차구동-병렬연결" 방식으로 운전을 하게 되면, 제1 압전펌프(140)의 제1 펌핑공간(142a)과 제2 압전펌프(150)의 제2 펌핑공간(152a)이 팽창-흡입 단계와 압축-분출 단계를 번갈아 진행하게 된다. 이에 따라, 제1 압전펌프(140)의 제1 펌핑공간(142a) 내 작동유체와 제2 압전펌프(150)의 제2 펌핑공간(152a) 내 작동유체는 독립적으로 실린더(111)의 작동공간으로 이동하게 되어, 실린더(111)의 작동공간으로 유입되는 작동유체의 압력은 단일 압전펌프의 경우와 대략 동일할 수 있다. 다만, 이 경우에는 제4 메인관(124)과 제2 서브관(127)이 분관되는 지점에서 병목구간이 발생되어, 제1 압전펌프(140)에서 분출되는 작동유체와 제2 압전펌프(150)에서 분출되는 작동유체가 만나게 되고, 이로 인해 작동유체의 압력손실이 발생하여 최종 압력은 단일 압전펌프 구동장치의 경우와 같거나 낮아질 수 있다.
같은 원리로 "교차구동-병렬연결" 방식에서 더블 압전펌프 구동장치가 토출하는 유량은 단일 압전펌프 구동장치의 경우에 비해 대략 2배 정도가 될 수 있지만, 에너지 손실로 유량은 단일 압전펌프 구동장치의 경우에서의 유량보다 2배보다 작게 될 수 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 "동시구동-병렬연결" 방식의 경우에는 도 5a에서와 같이 제1 압전펌프(140)의 출구에서 충돌이 생기므로 "동시구동-병렬연결" 방식의 압력 및 유량은 "교차구동-병렬연결" 방식에서의 토출 압력 및 유량보다 작을 수 있다. 이를 식으로 보면 다음과 같다.
[수학식 8]
Pd- syn - paral < Pd-cross- paral ≤ P1 or P2
[수학식 9]
Qd - syn - paral < Qd -cross- paral ≤ Q1 ＋ Q2
상기와 같은 본 실시예에 따른 더블 압전펌프 구동장치에서 제1 압전펌프(140)와 제2 압전펌프(150)가 병렬로 연결되는 경우, 두 압전펌프를 동시에 구동하는 동시구동 방식에서는 압전펌프에서 배출되는 작동유체의 유량은 종래의 단일 압전펌프 구동장치에 비해 2배 가까이 향상되지만 압력은 동일하거나 낮아질 수 있다. 하지만, 또, 두 압전펌프를 일정 위상차를 두고 구동하는 교차구동 방식에서도 전술한 "동시구동-병렬연결"의 경우와 같이 압전펌프에서 배출되는 작동유체의 압력은 동일하거나 낮아질 수 있으나 실린더로 유입되는 작동유체의 유량은 2배 가까이 증가될 수 있다. 따라서, 두 개의 압전펌프를 병렬로 연결하는 경우는 운전 방식에 관계없이 작동유체의 유량이 증가되는 것을 알 수 있다.
한편, 출력유닛에서 피스톤이 실린더 내에서 왕복운동을 함에 따라 피스톤의 왕복운동은 전체 시스템의 성능을 결정하게 된다. 따라서, 실린더의 직경은 시스템의 구동력과 구동 속도에 많은 영향을 끼치게 된다.
실린더의 적정 직경은 아래와 같은 수학적 모델링을 통해 얻을 수 있다. 본 실시예에서 수학적 모델링은 주로 압전 펌프와 유압 실린더에서 도출된 공식들을 사용하였다. 유체의 유효한 체적 탄성률의 공식은 아래와 같다.
[수학식 10]
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서, βeff는 유효 체적탄성률, βfluid 및 βair는 유체 및 공기의 체적탄성률, △P는 압력변화량, △V는 체적변화량, x는 공기 함유량 백분율, t는 유관의 두께, D는 유관의 직경, E는 유관의 탄성률을 나타낸다.
높은 유체탄성률은 유체 강성과 공진 주파수를 증가시키고 압력손실을 감소시킨다. 시스템의 체적탄성률이 줄어드는 주요 원인은 시스템 내부에 있는 공기를 완전히 제거하지 못하였기 때문이다. 이를 감안하여, 본 실시예에서는 내부 공기 등을 고려하여 체적탄성률을 0.2GPa로 설정하였다. 펌프본체의 유체 강성은 아래식으로 표현할 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00007
여기서, β는 체적탄성률, Achamber은 펌핑공간의 면적, Lchamber는 펌핑공간의 길이이다. 압전스택을 펌프본체에 넣을 때 실제 압전스택의 변위와 힘은 아래식으로 표시할 수 있다.
[수학식 12]
Figure pat00008
[수학식 13]
FO = Fb - δO ×Kstack
여기서, Kstack과 Kchamber은 압전스택과 펌프본체의 강성, δO는 하중상태에서 압전스택의 변위, δfree는 무하중 상태에서의 최대 변위, FO는 실제 펌핑공간 안에서 생성한 힘, Fb는 압전스택이 최대 힘이다. 따라서 단일펌프가 생성하는 압력은 아래식으로 표시할 수 있다.
[수학식 14]
Figure pat00009
실린더의 구동력과 속도는 각각 아래식으로 표시할 수 있다.
[수학식 15]
Fext = Ppump × Aext
[수학식 16]
Figure pat00010
여기서, Qpump 는 단일 펌프에서 토출하는 유량이다. 여기서 Aext는 실린더의 내부 횡단면적이며 아래식으로 표현 할 수 있다.
[수학식 17]
Aext = 0.25 × π(d2 cylinder - d2 shaft)
여기서 dcylinder과 dshaft는 각각 실린더와 피스톤로드의 직경이다. 유체의 점성, 관성, 마찰에 의한 손실 및 밸브에 의한 압력 손실은 고려하지 않았다.
이를 통해, 기타 조건이 일정할 때, [수학식 15] 및 [수학식 16]에서 실린더의 내부 횡단면적이 클수록 구동장치의 구동력이 커지고, 구동속도는 작아진다. 이를 통해 실린더의 직경이 시스템의 성능에 아주 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있다.
한편, "교차구동-직렬연결"의 경우 이상적인 조건에서 두 펌프(140)(150)가 토출하는 압력은 아래의 식으로 표현할 수 있다.
[수학식 18]
Pd = 2×Ppump
여기서 Pd는 2개의 압전펌프를 적용한 압전펌프-유압 하이브리드 구동 장치(이하, 더블 압전펌프 구동장치)의 토출 압력이다.
이는, 1개의 압전펌프를 적용한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치(이하, 단일 압전펌프 구동장치)의 결과를 바탕으로 직경이 21mm인 실린더를 사용하면 더블 압전펌프 구동장치의 구동력이 단일 압전펌프 구동장치에 비해 두 배 정도가 될 수 있슴을 알 수 있다.
또, 교차구동-병렬연결에서 이상적인 조건하에 두 펌프가 토출하는 유량은 아래의 식으로 표현할 수 있다.
[수학식 19]
Qd = 2 × Qpump
더블 압전펌프 구동장치에서 실린더의 속도가 단일 압전펌프 구동장치에서의 실린더 속도와 같다고 가정하면 다음 식을 얻을 수 있다.
[수학식 20]
Figure pat00011
[수학식 21]
Aext1 = 2×AAext
[수학식 22]
Aext1 = 0.25 ×π×(d2 cylinder1 - d2 shaft)
여기서 Aext1과 dcylinder1는 큰 실린더의 내부 횡단면적과 직경이다. [수학식 21], [수학식 22] 및 [수학식 17]를 이용하면 큰 실린더의 직경을 계산할 수 있는데 29.1mm 정도가 된다. 제작상의 편이를 위해 큰 실린더의 직경을 30mm로 설정할 수 있다.
그러면, "교차구동-직렬연결"에서는 더 큰 구동력을 얻기 위해 직렬연결에 직결 30mm의 실린더를 사용할 경우, 두 펌프를 연결하는데 사용하는 서브 연결관에서의 손실을 고려하면 [수학식 5], [수학식 19]에서처럼 직렬연결에서는
Figure pat00012
배, 병렬연결에서는 2배의 속도가 되지 않음을 알 수 있다. 수치해석을 통하여 손실을 고려하고 최종 구동 속도를 계산하기 위해 직렬연결과 병렬연결을 도 2 및 도 4와 같이 형성하고, 상용 프로그램인 Ansys CFX 13을 사용하여 해석을 수행하였으며, 격자는 Tetrahedrons이며 Patch Conforming 알고리즘을 사용하였다. 병렬은 약 200만 개, 직렬은 약 150만 개의 격자로 구성하였다. 입구에서의 초기 속도는 1m/s이며 작동유체는 DTE24로 설정하였다. 난류 해석 모델은 Shear Stress Transfer를 선정하였다.
해석 결과, 연결 방식에 따라 손실도 달라지는 것을 알 수 있었다. 최종속도는 직렬연결의 경우 0.85m/s, 병렬연결의 경우 0.81m/s이다. 직렬연결에서는 15%, 병렬연결에서는 19%의 손실이 발생함을 알 수 있었다. 이는 직렬연결보다 병렬연결의 파이프가 더 길기 때문인 것으로 추측된다.
상기 작동 모드의 성능은 위와 같은 수학적 모델링을 기반으로 LabVIEW 소프트웨어를 이용하여 예측하였다. 또, 단일 압전펌프의 결과를 이용, 보정하여 더블 압전펌프 구동장치의 성능을 예측할 수 있다. 아래의 [표 1]은 구동력과 구동속도의 성능예측 표이다. 예측 결과 교차구동-직렬연결-실린더직경21mm에서 최대 구동력은 1614N, 최대속도는 65.5mm/s로 계산되었고, 교차구동-병렬연결-실린더직경30mm에서의 최대 구동력은 1718N, 최대 구동속도는 42.1mm/s이며, 교차구동-직렬연결-실린더직경30mm의 최대구동력은 3444N, 최대 구동속도는 34mm/s임을 알 수 있다.
종류
 최대 구동력(N) 최대 구동속도(mm/s)
예측 실험 보상 예측 실험 보상
단일펌프(결과) 1691 807 40 54.0
교차-직렬(21mm) 3383 1614 57 65.5
교차-병렬(30mm) 3609 1718 38 42.1
교차-직렬30mm) 7212 3444 31 34.0
110 : 출력유닛 111 : 실린더
115 : 피스톤 120 : 연결유닛
121~124 : 제1~제4 메인관 125 : 서브연결관
126,127 : 제1,2 서브관 130 : 밸브조립체
132a,132b : 제1,2 공통구 134a,134b : 제1,2 입출구
140 : 제1 압전펌프 142 : 제1 펌프본체
142a : 제1 펌핑공간 142b : 제1 유입구
142c : 제1 배출구 144 : 제1 압전스택
150 : 제2 압전펌프 152 : 제2 펌프본체
152a : 제2 펌핑공간 152b : 제2 유입구
152c : 제2 배출구 160 : 제어유닛

Claims (8)

  1. 작동유체가 수용되는 작동공간이 구비되고, 그 작동공간으로 유입되는 작동유체의 압력차에 따라 발생되는 구동력을 외부로 전달하는 출력유닛;
    상기 출력유닛에 연결되어 그 출력유닛의 작동공간에 작동유체를 안내하는 연결유닛;
    상기 연결유닛의 중간에 결합되어 상기 작동유체의 유동방향을 전환하는 밸브조립체;
    상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 연결유닛에 의해 상기 출력유닛에 연결되는 제1 압전펌프;
    상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 연결유닛에 의해 상기 출력유닛에 연결되는 동시에 상기 제1 압전펌프에 연결되는 제2 압전펌프; 및
    상기 밸브조립체와 제1 압전펌프 그리고 제2 압전펌프를 제어하는 제어유닛;을 포함하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결유닛은 상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 출력유닛을 상기 제1 압전펌프 및 제2 압전펌프와 연결하는 복수 개의 메인 연결관과, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프 사이를 연결하는 서브 연결관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 서브 연결관은 상기 제1 압전펌프의 배출구와 제2 압전펌프의 유입구 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 서브 연결관은 상기 제1 압전펌프의 유입구에 연결되는 메인 연결관에서 분관되어 상기 제2 압전펌프의 유입구에 연결되는 제1 서브관과, 상기 제2 압전펌프의 배출구에 연결되는 메인 연결관에서 분관되어 상기 제1 압전펌프의 배출구에 연결되는 제2 서브관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프의 구동을 제어하는 펌프용 제어부를 포함하고,
    상기 펌프용 제어부는 상기 제1 압전펌프와 제 압전펌프를 동일 위상을 가지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프의 구동을 제어하는 펌프용 제어부를 포함하고,
    상기 펌프용 제어부는 상기 제1 압전펌프와 제 압전펌프를 180도 위상차를 가지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치.
  7. 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 작동가스의 유동방향을 전환하는 밸브조립체를 통해 한 개의 출력유닛에 연결되는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치에서,
    상기 제1 압전펌프의 운전주기와 상기 제2 압전펌프의 운전주기가 동일한 위상을 가지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치의 운전방법.
  8. 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 작동가스의 유동방향을 전환하는 밸브조립체를 통해 한 개의 출력유닛에 연결되는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치에서,
    상기 제1 압전펌프의 운전주기와 상기 제2 압전펌프의 운전주기가 180도의 위상차를 가지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 압전펌프-유압 하이브리드형 구동장치의 운전방법.
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