KR20210028002A

KR20210028002A - Epm정량펌프

Info

Publication number: KR20210028002A
Application number: KR1020190109186A
Authority: KR
Inventors: 김영선
Original assignee: 김영선
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-03-11

Abstract

본 발명은 EPM(Electro-Permanent Magnetic) 구동방식 정량펌프에 관한 것으로, 자기밀도는 같으나 보자력이 크게 차이나는 두개의 영구자석의 큰 보자력 차이를 이용하여, 보자력이 약한 영구자석(AliCo)에 코일을 감아, 코일에 전류를 흘려, 자성을 없애거나 다시 쓰는 방법에 의해 자기스위치로 작동하도록 하여, 두개의 영구자석으로 부터 생성되는 자기장을 ON/OFF 하는 방법에 의해 펌프를 구동하는 방법에 관한 것이다.

Description

EPM정량펌프{ EPM(Electro-Permanent Magnetic) drive metering pump }

본 발명은 EPM(Electro-Permanent Magnetic) 구동방식 정량펌프에 관한 것이다.

일반적으로 코아에 코일을 감아 코일에 전류를 흘려서 자기장을 발생시켜, 전류제어에 의해 자기장 ON/OFF를 제어하는 솔레노이드 방식을 사용하여 플런저의 왕복운동에 의하여 유체를 송출한다.

그러나, 본 발명은 자기밀도는 같으나 보자력이 다른 두 개의 영구자석의 보자력 차이를 이용하여, 상대적으로 보자력이 아주 약한 영구자석에 코일을 감아 전류를 흘려 자성을 지우거나 다시 자화시키는 방법에 의해 자기스위치로 사용하여 자기장을 ON/OFF하는 원리에 의해 유체를 송출하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 광범위하게 사용되는 정량펌프는 모터의 구동축에 편심축을 형성하여, 편심축과 다이어프램을 커넥팅로드를 사용하여 결합시키는 구조를 채택함으로서 다이어프램으로 강력한 구동력 전달이 가능하고, 다이어프램 왕복주기를 정확하게 구현할 수 있다.

그러나, 기계적 부품이 사용되어 구조가 복잡하고, 소형화, 경량화 및 저전력화에 어려움이 있고, 운전시 소음과 진동이 발생하는 등의 단점으로 인하여 의료용이나 소형시스템에 적용하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 화학 및 의료 분야에서는 액체에 포함되는 성분을 분석하거나, 복수의 액체를 소정 비율량으로 혼합하는 등의 목적으로, 미량의 액체를 공급할 수 있는 액체 공급장치로 솔레노이드 펌프가 사용되어 왔다.

솔레노이드 펌프 역시, 많은 열이 발생하고 높은 소비전력 문제뿐 아니라 웨어러블 의료기기 등에 적용하는데 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같이, 모터에 의해 구동되는 펌프의 기계적 복잡함과 솔레노이드펌프에서의 고전류에 의해 솔레노이드코일에서 생성되는 자기장의 약한 세기와 열과 소음, 소비전력 문제와 소형화의 어려움을 해결하고자 하는데 있다.

본 발명은 솔레노이드나 모터 구동방식이 아닌 EPM(Electro-Permanent Magnetic) 구동방식 정량펌프를 구현하여 상기 문제점을 해결하고자 한다.

상기의 EPM구동방식은 자기밀도는 유사하나 보자력이 서로 현격하게 차이가 나는 두개의 영구자석을 이용하여, 보자력이 약한 영구자석에 코일을 감아 자성을 지우거나, 다시 자화시키는 방법으로 자기스위치를 구현하여, 자기장 ON/OFF를 제어하는 방식이다.

자기밀도가 높은 두개의 영구자석 중에 보자력이 현격히 약한 영구자석을 자기스위치로 사용하기 때문에, 아주 작은 전류로 자기스위치를 제어할 수 있고, 솔레노이드 사용시 고전력 문제를 해결하여 열이나 소음, 소비전력 문제를 해결하면서 높은 자기밀도에 의해 기기의 소형화와 저전력화가 가능해져, 의료기기 및 정밀화학 등, 다양한 분야에 적용할 수 있다.

코아에 코일을 감아 코일에 전류를 흘려서 자기장을 발생시키는 솔레노이드것이 아니라, 자기밀도는 같으나 보자력이 다른 영구자석의 보자력 차이를 이용하여, 보자력이 작은 영구자석에 코일을 감아 자극을 바꾸는 스위치로 동작하게 하여 자기장을 ON/OFF 시키는 방법으로 밸브의 개폐를 제어한다.

본 발명의 EPM구동 정량펌프는 한 실험에 의하면, 0.2g의 EPM 디바이스의 최대 홀딩력이 4.4N, 5mJ의 에너지를 사용하여 300usec의 스위칭 속도를 보여준다.

상기와 같은 EPM 특성의 장점으로 정확한 량의 유체를 송출할 수 있다.

본 발명의 EPM(Electro-Permanent Magnetic) 구동방식 정량펌프는 초소형화, 저전력소비 등이 가능해져 배터리 구동도 가능하여, 가정용, 사무용 뿐 아니라, 정밀화학 등의 산업분야와 웨어러블 의료기기 및 헬스케어 분야등에도 적용될 수 있다.

도1. 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프 개념도
도2. 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프 구동부의 EMP부 구성도
도3. 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프 구동부의 기동부 상세 구성도
도4. 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프의 펌프부 리턴스프링을 탄성막으로 대체한 구성도
도5. 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프의 제어회로 구성도

도1은 본 발명의 EPM(Electro-Permanent Magnetic) 구동방식 정량펌프 개념도 이다.

본 발명의 EPM정량펌프(100)는 EPM부(210)와 기동부(220)로 구성되어 있는 구동부(200)와 펌프부(300)로 구성되어 있다.

EMP부(210)는 두개의 영구자석 중 하나를 자기스위치로 동작하도록 하여 자기장을 ON/OFF 제어하여, 기동부(220)에 작용하는 자기장에 의한 인력과 척력을 펌프부(300)로 전달하여 유체를 송출하도록 한다.

본 발명의 도1은 자기장 OFF시, 척력으로 작동하는 리턴스프링(306)이 도시되어 있고, 도1의 (a)에서 도시된 바와 같이 다이어프램(310)이 기동부(220)에 작용하는 자기장의 힘에 의해 인력이 작용시, 유입구(301a)의 체크밸브(302)가 열리고,

펌프챔버(305)로 유체가 유입되고, 도1의 (b)에서 도시된 바와 같이, 자기장 OFF시, 리턴스프링(306)의 척력에 의해, 다이어프램(310)에 의해 펌프챔버(305)의 유체가 배출구(301b)로 송출되게 된다.

도2는 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프 구동부의 EMP부 구성도 이다.

EMP부(210)는 두개의 자극단자(214) 사이에 하드자기코아(211)와 세미하드자기코아(212)에 연결되어 있고, 하드자기코아(211)에 비해 보자력이 아주 약한 세미하드자기코아(212)에 코일(213)을 감아 코일단자(213T1, 213T2)를 통해

전류를 흘려, 세미하드자기코아(212)의 자성을 제거하거나 다시 자화시키는 자기스위치 방식에 의해 자기장 ON/OFF를 제어하여, 기동부(220)를 통해 펌프부(300)를 작동시켜 유체를 흡입, 배출한다.

여기서, 하드자기코아(211)는 네오디움(NdFeB) 영구자석을 사용할 수 있고, 자기스위치로 활용하는 세미하드자기코아(211)는 알니코(AlNiC0) 영구자석을 사용한다.

네오디움(NdFeB) 영구자석과 알니코(AlNiCo) 영구자석은 잔류자기밀도(약 1.3T)는 큰 차이가 없으나, 네오디움(NdFeB)영구자석의 순수 보자력(Coercivity)이 1120kA/m 인데 반해, 알니코(AlNiCo)는 50kA/m의 아주 낮은 보자력을 갖는다.

이런 특성으로 인해, 알니코(AlNiCo)로 구성한 세미하드자기코아(212)의 코일(213)에 현재의 자기장 방향과 반대 방향으로 전류를 흘려 자성을 지우거나, 다시 자화시키는 방법으로 자기스위치로 동작시킬 수 있다.

세미하드자기코아(212)를 다시 자화 시키는 경우, 경우는 세미하드자기코아(212)의 보자력에 3~5배의 전류를 흘려야 한다.

자기스위치 방법을 사용함으로서, 아주 작은 전류로도 큰 자기장밀도를 갖는 자기장을 발생 시킬 수 있고, 이에 따라, 정량펌프(100)의 저전력화, 초소형화가 가능해 진다.

본 발명의 도2의 (b)는 도2의 (a)의 단면 A를 도시한 것이다. 도2의 (c)는 자기장이 OFF인 상태이고, 도2의 (d)는 자기장이 ON된 상태가 도시되어 있다.

도3은 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프 구동부의 기동부 상세 구성도이다.

본 발명의 EPM정량펌프(100) 구동부(220)의 구현 실시예에서는 구동부상부하우징(230)과 구동부하부하우징(250) 사이에 기동자(240)가 있고, 기동자(240)는 커넥팅로드(244)를 통해 펌프부(300)의 다이어프램(310)에 연결되어 있다.

자극단자(214)와 접촉하는 기동자(240)의 상단 접촉면(240U)에 기동접점(241)을 형성하고, 자극단자(214)와 기동접점(241)이 접촉시, 충격을 흡수하고 소음을 완화시키기 위한 고분자 중합체 패턴(231, 232)을 기동부상부하우징(230)의 기동자

접촉면(230D)과 기동자상단면(240U) 어느 하나에 형성하게 되는데, 도3의 (e)에 도시된 바와 같이 기동부상부하우징(230)의 기동자접촉면(230D)에 고분자 중합체 패턴(231, 232)이 형성되어 있다.

또한, 기동부하부하우징(250)의 상단면(250U)과 기동자 하단면(240D)이 접촉시, 충격을 흡수하고 소음을 완화시키기 위한 고분자 중합체 패턴(251,252)을 기동부하부하우징(250) 상단면(250U)과 기동자(240) 하단면(240D)의 어느 한 면에 형성하게 되는데, 도3의 (f)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 기동부하부하우징(250) 상단면(250U)에 패턴(251, 252)이 형성되어 있다.

도3의 (e)에 도시된 바와 같이, 고분자 중합체는 접점스위치단자(233,234)에 연결된 두 개의 분리된 패턴(231, 232)으로 형성된 전도성실리콘접점(231, 232)과 기동자(240) 상단면(240U)에 전극(242)을 형성하여, 기동자(240) 상단면(240U)과 기동부상부하우징(230)의 기동자(250) 접촉면(230D)와의 접촉 상태를 검출할 수 있는 스위치(ON_SW)로 작동된다.

도3의 (f)에 도시된 바와 같이 기동부하부하우징(250)의 상단면(250U)과 기동자(240)의 하단 접촉면(240D)과의 접촉상태를 검출할 수 있는 스위치(OFF_SW)는 접점스위치단자(253, 254)에 연결된 전도성실리콘접점(251, 252)와 기동자(240)

하단면(240D)에 형성된 전극(243)에 의해 구현된다.

상기, 전도성실리콘접점(231,232, 251, 252)은 모두 충격흡수와 소음완화 효과를 높이기 위해, 가운데가 비어있는 형태이다.

기동자(240)의 기동접점(241)은 고무자석으로 구성될 수 있고, 자극단자(214)와 기동접점(241) 사이에 자기장에 의한 인력이 작용되도록 배치한다.

또한, 기동자(240)의 기동접점(241)을 플라스틱자석으로 구성할 수 있다.

도4는 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프의 펌프부 리턴스프링을 리턴탄성막으로 대체한 구성도 이다.

본 발명의 도4는 도1에 도시된 바와 같이, 기동자(240)의 왕복운동을 위한 척력을 제공하기 위한 리턴스프링(306)을 탄성막(306’)으로 대체하였다.

이렇게 리턴스프링(306)을 탄성막(306’)으로 대체하면, 시스템을 더 소형화 하기 용이하게 함이다.

상기 탄성막(306’)은 탄성중합체로서 실리콘고무를 사용할 수 있다.

도5는 본 발명의 EPM 구동방식 정량펌프의 제어회로 구성도 이다.

제어연산처리부(501)의 제어로 펄스전류 발생회로(505)에서 EPM정량펌프(100)의 자기장 ON/OFF 제어를 위한 펄스전류를 생성하여 코일단자(213T1, 213T2)를 통해 전달한다.

EPM정량펌프(100) 동작상태를 검출하기 위한 스위치단자(233, 234, 253, 254)가 제어연산처리부(501)에 연결되어 있다.

전원부(502)는 인가된 외부전원(506)을 전원승압회로(504)를 통해 승압하여, 펄스전류발생회로(505)로 공급한다.

본 발명의 EPM정량펌프(100)는 배터리(503)로 구동될 수 있다.

본 발명의 EPM정량펌프(100)는 사용자 인터페이스(520)을 통해 직접 송출할 유량을 조정할 수 있다.

또한, 유무선통신부(530)을 통해, 외부 인터넷 망이나 휴대단말기(541)를 통해 원격조작이 가능하고, 결과를 원격서버시스템(542)에 저장하거나, 데이터를 활용할 수 있다.

센서입력부(510)를 통해, 외부 센서데이터를 읽고, 그 센서데이터에 의해 EPM정량펌프(100)를 제어할 수 있다.

100 : EPM정량펌프
200 : 구동부
210 : EPM부
211 : 하드자기코아
212 : 세미하드자기코아
213 : 코일
213T1, 213T2 : 코일단자
214 : 자극단자
220 : 기동부
230 : 기동부 상부하우징
231,232 : ON_SW_전도성실리콘접점
240 : 기동자
241 : 기동접점
242 : ON_SW전극
243 : OFF_SW전극
244 : 커넥팅로드
250,250’ : 기동부 하부하우징
251,252 : OFF_SW_전도성실리콘접점
300,300’ : 펌프부
306 : 리턴스프링
306’: 리턴탄성막
310 : 다이어프램
500 : EPM정량펌프 제어회로

Claims

두 개의 자극단자 사이에 하드자기코아와 상대적으로 보자력이 약한 세미하드자기코아를 위치시키고, 코일을 감아 코일에 흐르는 전류에 의해 세미하드자기코아의 자성을 제거하거나, 다시 자화 시키는 자기스위치 방식에 의해 자기장 ON/OFF를 제어하여 유체를 흡입, 배출함을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 1의 자기장 ON/OFF에 따른 유체의 흡입, 배출을 제어하는데 있어서,
자기스위치 방식에 의한 자기장 ON/OFF를 제어하는 EPM부;와
자기장 ON/OFF 상태에 따라 자극단자와의 인력과 척력에 의해 왕복운동 하는 기동자를 구비한 기동부;
상기 EPM부와 기동부로 구성된 구동부에 의해 구동되는 펌프부로 유체를 흡입, 배출함을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 2항에 있어서, EPM부 자극단자와 접촉하는 기동자의 상단 접촉면에 기동접점을 형성하고, 자극단자와 기동접점이 접촉시, 충격을 흡수하고 소음을 완화시키기 위한 고분자 중합체 패턴을 기동부상부하우징의 기동자 접촉면과 기동자 상단면 어느 하나에 형성함을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 2항에 있어서, 기동부하부하우징의 상단면과 기동자 하단면이 접촉시, 충격을 흡수하고 소음을 완화시키기 위한 고분자 중합체 패턴을 기동부하부하우징 상단면과 기동자 하단면의 어느 하나에 형성함을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 3항과 4항에 있어서, 고분자 중합체는 접점스위치단자에 연결된 두 개의 분리된 패턴으로 형성된 전도성실리콘접점으로, 반대위치의 어느 한 면에 전극을 설치하여 스위치로 구성 함으로서, 두 면의 접촉상태에 의해 펌프의 동작 상태를 검출함을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 5항에 있어서, 전도성실리콘은 충격흡수와 소음완화 효과를 높이기 위해, 가운데가 비어있는 형태임을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 3항에 있어서, 기동접점이 고무자석으로 구성되고, 자극단자와 기동접점 사이에 인력이 작용되도록 배치됨을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 3항에 있어서, 기동접점이 플라스틱자석으로 구성되고, 자극단자와 기동접점 사이에 인력이 작용되도록 배치됨을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 2항에 있어서, 기동자의 왕복운동을 위한 척력을 제공하는 리턴스프링을 탄성막으로 구성함을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 9항에 있어서, 탄성막은 탄성중합체임을 특징으로 하는 EPM정량펌프.
청구항 10항에 있어서, 탄성중합체는 실리콘고무임을 특징으로 하는 EPM정량펌프.