KR20020005247A - 자성유체를 이용한 리니어 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자성유체를 이용한 리니어 펌프에 관한 것이다.

종래의 리니어 펌프는 관 주위에 코일을 감아 코일에서 발생되는 자기장을 이용하는 방식으로 유체의 투자율이 낮거나 도전율이 낮은 경우에는 사용이 어렵고, 펌핑 힘을 발생시키기 위해 높은 코일 턴수, 과다 전류가 필요함에 따라 기기의 크기와 무게가 증가하며, 효율이 떨어지는 단점이 있었다.

본 발명은 유체가 이송되는 관과, 관의 내경 안쪽에서 관벽을 둘러싸도록 구비되며 대상유체와 신축부재를 통해 격리되는 자성유체와, 관의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 교호적으로 설치되며 일측면에는 코일이 감겨져 전류 인가시 그 양단으로부터 관 또는 관경 방향으로 자기장을 발생하는 복수의 마그네틱 요크를 포함하는 구조로서, 고 투자율의 마그네틱 요크를 사용하여 코일 턴수를 획기적으로 줄임으로써 기기의 크기와 무게를 줄일 수 있게 하였고, 자기장이 관에 수직하는 방향으로 자성유체에 작용하여 펌핑 효율을 향상시킬 수 있게 하였으며, 자성유체와 대상유체의 격리에 의해 인슐린이나 혈액 등 투자율이나 도전율이 낮은 유체도 펌핑이 가능하게 하였다.

Description

자성유체를 이용한 리니어 펌프{MAGNETIC FLUID LINEAR PUMP}

본 발명은 자성유체를 이용한 리니어 액추에이터(Linear Actuator)에 관한 것으로, 특히 마그네틱 요크(Magnetic yoke)와 자성유체를 이용하여 자기저항을 줄여 효율을 높이고 구조를 단순화함으로써, 소형화에 유리하고 성능이 우수한 리니어 펌프에 관한 것이다.

종래, 산업 현장에서 광범위하게 사용되는 일반적인 펌프는 전동모터의 회전으로 인한 원심력을 이용하여 대상유체를 끌어들이는 원리로 동작하는 것으로서, 회전기기를 선형운동으로 전환시켜주는 밸브 또는 기어와 같은 기계적 부품이 사용되어 구조가 복잡하고, 소형, 경량화에 어려움이 있으며, 운전시 소음, 진동이 발생하는 등의 단점으로 인하여 의료용 등과 같이 소형, 정밀, 무소음, 무진동의 특성이 요구되는 곳에서는 사용이 어렵다.

리니어 펌프는 근래 들어 개발된 것으로, 자기장을 이용하여 대상유체를 펌핑하는 원리로 작동한다. 도 1은 기존에 나와 있는 리니어 펌프를 개략적으로 나타낸 것으로, 이는 관(1)의 외주에 일정한 간격으로 코일(2)이 감겨진 형태로 되어 있으며, 감겨진 코일(2)에 순차적으로 전류를 인가하여 이로부터 발생된 자기장이 대상유체를 이동시킨다. 즉, 코일(2)에 전류가 인가되면 플레밍의 법칙에 따라 코일(2)의 턴 방향과 수직하는 방향으로 자력이 발생되고, 이 자력이 대상유체에 작용하여 유체를 자력 방향으로 이동시키도록 작용한다.

따라서, 여기서는 대상유체가 용융된 금속 등과 같이 인가된 자기장에 의하여 직접 힘을 발생시킬 수 있는 유체에 한정될 수밖에 없고, 예를 들어 의료용 인슐린(Insulin)이나 혈액 등과 같이 유체의 투자율이 낮거나 도전율이 낮은 경우에는 사용이 어렵다.

또한, 기존의 리니어 펌프는 관 주위에 코일을 감아 코일에서 발생되는 자기장을 이용하는 방식으로 자기저항이 크기 때문에 원하는 펌핑 힘(Pumping force)을 발생시키기 위해 높은 코일 턴수, 과다 전류가 필요함에 따라 기기의 크기와 무게를 줄이기 어려울 뿐 아니라, 과전류에 의한 냉각장치가 필요하고, 운전 에너지 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 마그네틱 요크와 자성유체를 사용한 구조로서, 코일 턴수를 획기적으로 줄일 수 있고, 대상유체가 한정되지 않으며, 펌핑속도와 힘, 펌핑 방향을 자유롭게 조절할 수 있는 리니어 펌프를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유체가 이송되는 관과, 관의 내경 안쪽에서 관벽을 둘러싸도록 구비되며 내경 중심부 즉 대상유체와 신축부재를 통해 격리되는 자성유체와, 관의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 교호적으로 설치되며 일측면에는 코일이 감겨져 전류 인가시 그 양단으로부터 관 또는 관경 방향으로 자기장을 발생하는 복수의 마그네틱 요크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 리니어 펌프는 코일에 전류을 인가하면 마그네틱요크에서 형성된 자기장이 관과 수직하는 방향으로 작용하면서 자기장 영역으로 자성유체를 끌어당기게 된다. 이 힘은 관로의 중심부에 위치한 대상유체를 죄어 관로를 따라 밀어내게 되는데, 이때 인접한 코일에 연속하여 전류를 인가함으로써 대상유체를 같은 방향으로 계속적으로 이송시킬 수 있게 된다.

그리고, 코일에 공급되는 드라이빙 시퀀스 즉, 전류의 인가 순서를 변경하면 대상유체의 진행 방향을 전환시킬 수 있게 되며, 입력모드의 변경으로 유체의 흐름을 단속할 수 있다. 또한, 드라이빙 시퀀스(Driving sequence)의 속도를 조절하면 펌핑 속도를 제어할 수 있으며, 코일에 인가되는 전류의 크기를 조절하여 펌핑 힘을 제어할 수 있다.

도 1은 종래의 리니어 펌프의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 리니어 펌프를 나타내는 정면도,

도 3은 본 발명에 따른 리니어 펌프의 평면도,

도 4는 본 발명에 따른 리니어 펌프의 구조를 나타내는 평단면도,

도 5는 본 발명에 따른 리니어 펌프의 구조를 나타내는 횡단면도,

도 6은 본 발명에 따른 리니어 펌프의 구조를 나타내는 종단면도,

도 7은 본 발명에 따른 리니어 펌프에서 자기장의 분포도,,

도 8은 순방향의 시퀀스 모드를 나타내는 도면,

도 9a 내지 도 9d는 순방향에서의 대상유체의 흐름을 나타내는 도면,

도 10은 역방향의 시퀀스 모드를 나타내는 도면,

도 11a 내지 도 11d는 역방향에서의 대상유체의 흐름을 나타내는 도면,

도 12a, 도 12b는 진행 및 정지 모드에서의 리니어 펌프의 작동 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 관 20 : 마그네틱 요크(Magnetic york)

21 : 코일(Coil) 30 : 자성유체(Magnetic fluid)

31 : 신축부재 32 : 자성유체의 순환로(Return path)

이와 같은 본 발명의 특징적인 구성 및 이에 따른 작용효과는 첨부된 도면을 참조한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해 질 것이다.

도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 리니어 펌프를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 유체가 이송되는 관(10)의 외주에는 코일(21)이 감겨진 마그네틱 요크(20)가 일정한 간격으로 설치되어 있고, 관(10)의 내주에는 관벽을 둘러싸는 형태로 자성유체(30)가 주입되어 있다. 자성유체(30)는 관(10)의 중심부를 흐르는 대상유체와 신축부재(31)를 통해 격리되며, 신축부재(31)는 합성수지 또는 고무 등과 같이 신축과 복원이 자유로운 재질로 제작된다.

마그네틱 요크(20)는 관경 방향에서 보았을 때 대략 'C' 형상을 지니도록 제작되어 그 양단부 사이에 관(10)이 위치하게 된다. 즉, 마그네틱 요크(20)의 양단은 관(10)을 중심으로 상하 또는 좌우 대칭으로 배치되며, 코일(21)은 마그네틱 요크(20)와 관(10)의 사이를 지나가면서 요크(20)의 둘레면을 따라 감겨진다. 이와 같은 코일(21)의 턴 방향은 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석한 도 7에서와 같이, 전류 인가시 마그네틱 요크(20)의 양단으로부터 각각 관경에 수직하는 방향으로 작용하는 자기장을 발생하게 된다. 따라서, 유체의 진행 방향과 같은 방향으로 자기장이 가해지는 종래의 리니어 펌프와는 달리, 진행 방향에 수직으로 자기장이 인가되기 때문에 자성유체(30)가 대상유체를 큰 힘으로 밀어주게 된다.

즉, 코일(21)에 전류을 인가하면 마그네틱 요크(20)의 양단에 자기장이 형성되어 관(10)과 수직하는 방향으로 작용하면서 자성유체(30)를 끌어당기게 된다. 이와 같이 자성유체(30)가 집중됨에 따라 관(10)의 중심부에 위치한 대상유체를 죄어 인접한 공간으로 밀어내게 되며, 이때 인접한 코일(21)에 연속하여 전류를 인가함으로써 연동운동에 의해 대상유체를 펌핑 할 수 있게 된다.

한편, 관(10)을 중심으로 마그네틱 요크(20)의 반대측에는 관의 일측 단부로부터 반대측 단부로 연결되는 자성유체(30)의 순환로(32)가 마련되며, 이 순환로(32)는 자성유체(30)와 대상유체를 격리하는 신축부재(31)의 양단이 관(10)의 외주 방향으로 연결됨으로써 관(10)의 외주면과 신축부재(31) 사이의 공간에 형성된다. 따라서, 관(10)의 끝부분으로 이동한 자성유체(30)는 순환로(32)를 따라 다시 반대편으로 보내지게 되며, 이와 같이 순환로(32)가 설치됨으로써 자성유체의 회기 저항을 줄일 수가 있고, 따라서 펌핑 효율을 높여 소모되는 전기에너지를 줄일 수가 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 리니어 펌프를 작동시키는 방법은 다음과 같다. 여기서, 코일이 감겨진 마그네틱 요크(20)는 편의상 관(10)의 좌측 방향으로부터 순서를 정하면 관의 좌측에 있는 요크가 1번이 되고, 우측에 있는 요크가 7번이 된다. 이때, 요크의 수는 관의 길이에 따라 변동될 수 있다.

도 8은 관의 우측 방향으로 대상유체를 펌핑하는 경우의 드라이빙 시퀀스를 나타낸 것으로, 전류는 a-b-c의 순서로 코일에 인가되고, 이를 반복하면 도 9a 내지 도 9d에서 나타낸 바와 같이 대상유체는 관(10)의 우측 방향으로 진행하게 된다.

대상유체의 진행 방향을 반대로 할 경우, 드라이빙 시퀀스는 도 10에 나타낸 바와 같은 순서로 코일에 인가되고, 이를 반복하면 도 11a 내지 도 11d에 나타낸 바와 같이 대상유체는 역방향으로 진행하게 된다.

그리고, 도 12a, 도 12b에서와 같이 입력을 가하게 되면 유체의 흐름을 단속(斷續)할 수가 있고, 드라이빙 시퀀스의 주기를 짧게 하면 대상유체의 진행속도를 조절할 수 있으며, 인가되는 전류의 크기를 크게 하면 대상유체의 흐름을 방해하는 펌핑 저항을 이기는 힘을 발생시킬 수가 있다.

이와 같은 본 발명에 의한 리니어 펌프는 고 투자율의 마그네틱 요크를 사용하여 코일 턴수를 획기적으로 줄임으로써 기기의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있고, 전기에너지의 소모가 적으므로 기기의 발열에 대한 냉각장치를 필요로 하지 않게 된다. 또한, 종래의 구조가 자기장의 방향이 관의 방향과 같은 성분으로 인하여 자성유체의 조임을 크게 하기 어려우나 본 발명에서는 자기장의 방향이 관에 수직인 방향으로 설정되어 자성유체의 조임이 크게 늘어나서 펌핑 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 자성유체의 순환로(return path)가 설치됨으로써 펌핑 저항을 줄일 수가 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 자성유체를 이용한 리니어 펌프는 자기장이 자성유체에 작용하여 대상유체를 죄는 힘을 발생시키고, 자성유체와 대상유체는 격리되므로 인슐린이나 혈액 등 투자율이나 도전율이 낮은 유체도 펌핑이 가능하다.

또한, 종래의 모터를 이용한 펌프와는 달리 회전기기를 선형운동으로 전환시켜주는 기어와 같은 부품이 필요 없게 되므로 구조가 간단하여 소형, 경량의 기기를 만들 수 있으며, 기계적 부품이 없으므로 운전시 소음, 진동이 발생하지 않게 된다.

Claims (4)

1. 유체가 이송되는 관(10)과,

   상기 관(10)의 내경 안쪽에서 관벽을 둘러싸도록 구비되고, 내경 중심부와는 신축부재(31)를 통해 격리되는 자성유체(30)와,

   상기 자성유체(30)에 자기장을 가하기 위한 것으로, 상기 관(10)의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 교호적으로 설치되며, 일측면에는 코일(21)이 감겨져 전류 인가시 그 양단으로부터 관 또는 관경 방향으로 자기장을 발생하는 복수의 마그네틱 요크(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 리니어 펌프.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 자성유체(30)는 상기 관(10)의 외주측에 상기 관(10)의 일측 단부로부터 반대측 단부로 연결되는 순환로(32)를 가지는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 리니어 펌프.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 순환로(32)는 신축부재(31)의 양단이 관(10)의 외주측을 통해 연결됨으로써 상기 관(10)의 외주면과 상기 신축부재(31) 사이에 형성되는 것을 특징으로 자성유체를 이용한 리니어 펌프.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 마그네틱 요크(20)는 대략 'C' 형상으로 이루어져 그 양단부 사이에 상기 관(10)이 위치되게 한 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 리니어 펌프.