KR20200019590A - 용적형 펌프 및 제어 시스템 - Google Patents

용적형 펌프 및 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

펌프 시스템은 다이어프램 펌프와 같은 용적형 펌프, 상기 용적형 펌프에 직접 연결되는 전기 모터 및 상기 전기 모터에 요구되는 전류를 유지하도록 구성된 프로그램 가능한 컨트롤러를 포함한다. 상기 프로그램 가능한 컨트롤러는 상기 모터에의 전류를 감지하고 일정한 전류를 유지하도록 되어 있다. 일정한 전류는 일정한 토크를 제공하고 일정한 토크는 상기 펌프로부터 일정한 유체 배출 압력을 얻는다는 것이 밝혀졌다. 상기 프로그램 가능한 컨트롤러는 요구되는 유체 배출 압력을 위해 필요한 토크를 얻기 위한 정확한 전류를 결정하기 위해 입력된 전력 공식을 이용한다. 상기 프로그램 가능한 컨트롤러는 최소 전류를 갖는 전력 절약 모드를 포함하고, 상기 펌프는 유동 없이 "데드 헤드"되어 있다. 상기 시스템은 전력 절약 모드를 갖는 것뿐만 아니라 일정한 유체 배출 압력을 유지하는 방법으로 작동된다.

Description

용적형 펌프 및 제어 시스템
본 출원은 2017년 9월 15일에 출원된 PCT 국제 특허 출원으로서 2016년 9월 16일자로 출원된 미국 가출원 제62/395,568호에 대해 우선권의 이익을 주장하며, 그 모든 내용은 전체로서 참고 문헌으로 인용된다.
본 발명은 펌프의 제어 시스템, 특히 일정한 유체 압력을 유지하기 위해 전류를 사용하는 컨트롤러에 대한 제어 시스템에 관한 것이다.
다이어프램 펌프는 다양한 목적 및 용도를 위해 사용되며, 변하는 부하 상태 하에서도 일정한 유체 압력을 유지하도록 요구되기도 한다. 다이어프램 펌프는 일반적으로 다이어프램, 펌핑 챔버 및 다이어프램의 일측에서 유압 유체에 작용하고, 다이어프램에 의해 펌핑 챔버로부터 분리된 피스톤을 포함한다. 피스톤 어셈블리는 다이어프램을 작동시키기 위해 제1 위치와 제2 위치 사이에서 왕복 운동하고 이동하도록 조정된다. 피스톤이 다이어프램에서 멀어지도록 이동하면, 다이어프램은 펌핑 챔버로부터 멀어지도록 구부러져(flex) 펌핑 유체가 입구 통로를 통해 펌핑 챔버 내로 유입되는 것을 허용한다. 피스톤이 다이어프램을 향해 이동하면, 다이어프램은 펌핑 챔버를 향해 구부러지고 펌핑 챔버의 유체가 배출 통로를 통해 배출되게 한다.
흔히, 어떤 펌프들은 일정한 유체 압력을 유지하도록 작동된다. 부하가 변해도 유체 압력을 제어하기 위해서는, 펌프 속도를 증가시키거나 감소시킬 필요가 있다. 일반적으로 펌프의 제어는 펌핑 상황이 변함에 따라 유체 배출 압력을 유지하기 위해 배출될 펌핑된 유체를 증가시키거나 감소시키는 피드백을 제공하는 압력 센서를 필요로 한다. 또한, 그러한 제어는 전형적으로 추가적인 압력 센서는 물론 배선을 포함하는 특별한 연결을 필요로 하며, 펌프 속도를 제어하기 위해 공식(formulas)을 갖는 복잡한 컨트롤러를 포함할 것임을 이해할 수 있다. 또한, 기존의 펌프를 개조하여 그러한 일정한 유체 배출 압력을 얻을 수 있게 하는 것은 어렵거나 불가능할 수도 있다.
새롭고 개선된 펌프 제어 시스템이 필요하다는 것을 알 수 있다. 그러한 시스템은 변하는 부하 상태 하에서도 일정한 유체 압력을 유지하기 위해 펌프를 제어해야 한다. 또한, 그러한 시스템은 신뢰할 수 있고, 간단하며 비싸지 않아야 한다. 그러한 시스템은 특별한 부속품(fittings)이나 부착물(attachment) 없이 기존의 설비에 쉽게 적응해야 한다. 본 발명은 이들뿐만 아니라 펌프, 펌프 제어 시스템 및 일정한 유체 압력을 유지하는 것을 다룬다.
본 발명은 다이어프램 펌프와 같은 용적형 펌프, 용적형 펌프에 직접 연결되는 전기 모터 및 전기 모터에 요구되는 전류를 유지하도록 구성된 프로그램 가능한 컨트롤러를 포함하는 펌프 시스템에 관한 것이다. 프로그램 가능한 컨트롤러는 모터에의 전류를 감지하고 일정한 전류를 유지하도록 되어 있다. 컨트롤러는 가변 주파수 구동 컨트롤러일 수 있다. 일정한 전류는 일정한 토크를 제공하고, 일정한 토크는 펌프로부터 일정한 유체 배출 압력을 얻는다는 것이 밝혀졌다. 프로그램 가능한 컨트롤러는 요구되는 유체 배출 압력을 위해 필요한 토크를 얻기 위한 정확한 전류를 결정하기 위해 입력된(absorbed) 전력 공식을 이용한다. 프로그램 가능한 컨트롤러는 최소 전류를 갖는 전력 절약 모드를 포함하고, 펌프는 유동 없이 "데드 헤드(dead headed)"되어 있다. 전력 절약 모드에서 요구가 다시 시작되면, 프로그램 가능한 컨트롤러는 전력 절약 모드에서 가속을 감지하고 요구되는 전류를 인가하도록 작동 가능하게 구성된다. 시스템은 오로지 모터에 대한 전류 연결 및 펌프에 대한 유체 연결만으로 외부 장치(application)에 연결하도록 구성된다.
시스템을 제어하는 방법은 최소 전류 및 토크를 갖고 펌프에 유동이 없는 전력 절약 모드로 시스템을 제어하기 위해 컨트롤러를 프로그램하는 단계를 포함한다. 입력된 전력 공식을 사용하고 요구되는 펌프 유체 배출 압력을 설정하면, 요구되는 일정한 유체 압력을 위한 전류 및 토크 요건이 결정된다. 그러면 컨트롤러는 요구되는 일정한 유체 압력을 위한 토크에 상응하는 일정한 전류를 모터에 공급한다. 컨트롤러는 상응하는 토크 및 유체 배출 압력을 위한 전류를 유지한다. 컨트롤러는 요구가 끝나면 시스템을 전력 절약 모드로 되돌리게 프로그램되어 있을 수 있다. 또한, 펌프에 요구가 있으면 토크가 전력 절약 모드에서 자동적으로 가속됨에 따라, 프로그램 가능한 컨트롤러는 가속을 감지하고, 요구되는 일정한 유체 배출 압력을 위한 전류로 되돌린다.
본 발명을 특징 짓는 새롭고 다양한 다른 이점들의 이러한 특징들은 본 명세서에 첨부되고 본 명세서의 일부를 형성하는 청구범위에서 구체적으로 지적된다. 그러나, 본 발명, 그 이점 및 그 사용에 의해 얻어지는 목적의 더 나은 이해를 위해, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시되고 설명되는, 본 명세서의 또 다른 부분을 형성하는 도면 및 동반하는 설명 부분을 참조해야 한다.
이제 도면을 참조하면, 동일한 도면 부호 및 숫자는 여러 도면에 걸쳐 상응하는 구조를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 펌프, 모터 및 제어 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템을 작동시키기 위한 플로 다이어그램이다.
도 3은 도 1에 도시된 시스템용 다이어프램 펌프의 측단면도이다.
도 4는 토크 대 전류의 그래프이다.
이제 도면, 특히 도 1을 참조하면, 일반적으로 칭해지는 펌프, 구동 및 제어 시스템(10)이 나타나 있다. 시스템(10)은 다이어프램 펌프(20)와 같은 용적형 펌프를 포함한다. 펌프는 전기 모터(12)에 의해 구동된다. 프로그램 가능한(programmable) 논리 컨트롤러(16)를 갖는 인버터(14)는 시스템(10)의 전체 제어를 제공한다. 컨트롤러(16)는 가변 주파수 구동 컨트롤러일 수 있다. 시스템(10)은 일정한 유체 압력을 제공하고 유지하는데 특히 적합하다는 것을 이해할 수 있다.
구성 요소들이 모듈식 구성을 가지며 더 큰 유체 시스템에 적용될 수 있는 것을 이해할 수 있고, 모터(12)를 위한 전력과 펌프(20)를 위한 유체만을 위해 필요한 그런 연결과 "플러그 앤드 플레이(plug and play)" 연결을 제공한다. 따라서 본 발명의 시스템(10)은 기존 시스템에 쉽게 적용되고 장착된다. 모터(12)는 유리한 작동을 위해 강제 냉각을 포함할 수 있는 것을 이해할 수 있다. 시스템은 펌핑된 유체를 수용하는 시스템에 특별한 개조를 요구하지 않고 도구(tool)에 일정한 압력을 제공하는 것과 같은 여러 다른 시스템에 적용될 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 일반적으로 칭해지는, 유압으로 구동되는 다이어프램 펌프(20)와 같은 용적형 유체 펌프가 도시되어 있다. 다이어프램 펌프(20)는 크랭크실(crankcase, 22)에 장착된 크랭크 축(crankshaft, 36)에 의해 구동된다. 매니폴드(26)는 입구 통로(76)와 배출 통로(74)를 포함한다. 매니폴드(26)는 또한 하나 이상의 입구 체크 밸브(72)와 하나 이상의 배출 체크 밸브(70)를 포함한다.
도시된 실시예에서, 펌프(20)는 다이어프램 펌프이고 밸브 스템(valve stem, 44) 상에 장착된 다이어프램(46)을 포함한다. 다이어프램 펌프(20)는 정확한 유동률(flow rate)을 얻기 위해 신뢰할 수 있는 정밀한 입구 및 배출 밸브를 요구하는 매우 낮은 유동을 갖는 계량 펌프일 수 있다. 그러나 본 발명은 체크 밸브를 사용하는 많은 다른 유형의 펌프에 사용할 수 있음을 이해할 수 있다. 다이어프램(46)은 커넥팅 로드(38) 상의 슬라이더(40)에 연결된 플런저(42)에 의해 크랭크 축(36)에 유압식으로 구동된다. 다이어프램 시스템은 오버필(overfill) 체크 밸브(48)와 언더필(underfill) 체크 밸브(50)를 포함한다.
다이어프램(46)은 펌핑 챔버(34) 내의 유체를 수용하고, 다이어프램이 연장된(extended) 위치와 완전히 오그라든(retracted) 위치 사이에서 전후 방향으로 편향(deflect)되는 동안 유체가 펌핑된다. 매니폴드(26)는 분리된 입구 체크 밸브(72)와 배출 체크 밸브(70)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 펌프 축에서의 토크는 모터 전류에 의해 제어된다. 입력된 전력 공식은 다른 전류와 관련하여 토크를 측정하기 위해 사용된다. 토크는 배출 압력에 직접적으로 비례하는 것으로 밝혀졌다. 따라서 토크가 또한 전류에 선형적으로 비례하기 때문에, 모터(12)에 일정한 전류를 제공함으로써 간단하고 신뢰할 수 있는 제어가 달성되며, 일정한 배출 유체 압력이 얻어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 일정한 배출 압력을 얻는 것은 "데드 헤드(dead headed)" 작동 상태에서 펌프로 시작할 수 있다. 그러한 모드에서, 매우 작은 전류만이 제공되며, 이 모드에서 시스템(10)은 단지 150와트만을 요구할 것으로 예상된다. 일정한 유체 배출 압력을 얻기 위해서, 필요한 토크와 그에 따라 필요한 전류가 계산된다. 이들 파라미터가 입력된 후, 컨트롤러(16)는 일정한 배출 유체 압력을 얻기 위해 필요한 토크로 펌프(20)를 구동하기 위해 모터(12)에 전류를 인가한다. 그러면 논리 컨트롤러(16)는 유체 압력을 얻기 위해 적당한 전류를 유지한다. 펌핑 작동이 끝나면, 프로그램 가능한 컨트롤러(16)는 다시 전류를 감소시켜 매우 경미한 세류 전류(trickle current)가 사용되게 한다.
본 발명은 기어 박스 없이 펌프(20)에 모터(12)의 직접 구동을 이용한다. 또한, 초기 파라미터와 관계가 결정된 후 압력 센서는 요구되지 않는다. 일정한 유체 압력은 프로그램 가능한 논리 컨트롤러(12)의 간단한 작동으로 유지된다.
프로그램 가능한 논리 컨트롤러(12)는 다른 제어 소프트웨어와의 계량(metering)/투여(dosing) 제어도 제공하는 것을 이해할 수 있다. 논리 컨트롤러(12)는 유동이 없는 데드 헤드된 펌프(20)와 작동할 수 있고, 에너지 절약을 위해 전류가 최소한으로 감소된 절전(sleep) 또는 전력 절약(power saving) 모드로 진입할 수 있다. 또한, 유동 요구가 있을 때, 최소 토크는 자동적으로 검출된 가속을 야기하고, 따라서 토크는 컨트롤러(16)에 의해 요구되는 수준으로 다시 인가됨을 이해할 수 있다. 컨트롤러(16)는 일반적으로, 요구되는 유동률을 달성하기 위해 펌프(20)를 구동하도록 모터(12)를 설정하고 유지하기 위한 입력된 전력 공식을 이용한다.
본 발명의 많은 특성 및 이점이 본 발명의 구조 및 기능의 세부 사항들과 함께 전술한 기재에서 설명되었지만, 이 개시는 단지 예시일 뿐이고, 변경은 첨부된 청구 범위가 표현되는 넓은 일반적인 의미에 의해 지시되는 최대한으로, 본 발명의 원리 내에서, 특히 부품의 형상, 크기 및 배치에 관해서 상세하게 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (11)

  1. 용적형 펌프;
    상기 용적형 펌프에 직접 연결되는 전기 모터; 및
    상기 전기 모터에 요구되는 전류를 유지하도록 구성된 프로그램 가능한 컨트롤러를 포함하는, 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 컨트롤러는 전류 센서를 포함하는, 펌프 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용적형 펌프는 다이어프램 펌프를 포함하는, 펌프 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 컨트롤러는 입력된 전력 공식에 따라 전류를 제어하는, 펌프 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 컨트롤러는 전력 절약 모드를 포함하는, 펌프 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 컨트롤러는 상기 전력 절약 모드에서 가속을 감지하고, 상기 요구되는 전류를 인가하도록 작동 가능하게 구성된, 펌프 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 가변 주파수 구동 컨트롤러를 포함하는, 펌프 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 오로지 상기 모터에 대한 전류 연결 및 상기 펌프에 대한 유체 연결로 유체 시스템에 연결하도록 구성되는, 펌프 시스템.
  9. 요구되는 일정한 유체 배출 압력을 얻기 위해 전기 모터 및 프로그램 가능한 컨트롤러를 포함하는 시스템으로 용적형 펌프를 제어하는 방법으로서,
    유동이 없는 상기 펌프에 대해 최소 전류와 토크를 갖는 전력 절약 모드로 상기 시스템을 제어하도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 단계;
    상기 요구되는 일정한 유체 압력을 위한 전류와 토크 요건을 결정하는 단계;
    상기 요구되는 일정한 유체 압력을 위한 토크에 상응하는 일정한 전류를 상기 모터에 공급하는 단계; 및
    토크와 유체 배출 압력에 상응하는 전류를 유지하는 단계를 포함하는, 용적형 펌프를 제어하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    요구가 끝나면 상기 시스템을 전력 절약 모드로 되돌리는 단계를 더 포함하는, 용적형 펌프를 제어하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 펌프에 요구가 있으면 상기 토크가 자동적으로 가속되고, 상기 프로그램 가능한 컨트롤러는 상기 가속을 감지하여 상기 요구되는 일정한 유체 배출 압력을 위한 상기 전류로 되돌아가는, 용적형 펌프를 제어하는 방법.
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