KR101408963B1

KR101408963B1 - 플런저 펌프

Info

Publication number: KR101408963B1
Application number: KR1020130024434A
Authority: KR
Inventors: 조희근
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-06-17
Anticipated expiration: 2033-03-07

Abstract

개시된 플런저 펌프는, 동력 회전하며, 회전축에 대해 경사진 플런저 접촉면을 구비하는 경사 캠, 경사 캠의 회전축과 이격된 플런저 접촉면에 접촉되도록 탄성 바이어스(bias)되어 경사 캠이 회전함에 따라 승강하도록 구성된 적어도 하나의 플런저(plunger), 적어도 하나의 플런저를 지지하는 플런저 지지판, 플런저 지지판에 고정되고, 적어도 하나의 플런저가 승강함에 따라 외부에서 유입되는 유체가 가압되는 적어도 하나의 가압 공간을 구비한 펌프실(pump chamber), 외부로부터 유입되는 유체를 펌프실로 유도하는 유입관, 및 펌프실에서 가압된 유체를 외부로 배출하는 유출관을 구비하고, 펌프실은, 플런저가 상승할 때 폐쇄되고, 플런저가 하강할 때 개방되어 가압 공간으로 유체를 유입시키는 유입 밸브와, 플런저가 상승할 때 개방되어 가압 공간에서 가압된 유체를 가압 공간 밖으로 배출하고, 플런저가 하강할 때 폐쇄되는 유출 밸브를 구비한다.

Description

플런저 펌프{Plunger pump}

본 발명은, 예컨대 소형 방제기(small-sized sprayer)에 사용되는, 유체를 고압 송출할 수 있는 플런저 펌프에 관한 것이다.

축사 소독, 농약 살포, 국소 지역 방제 등의 용도로, 휴대할 수 있는 소형 고압 방제기가 필요하며, 이러한 소형 고압 방제기에는 유체를 고압 송출할 수 있는 소형의 플런저 펌프(plunger pump)가 구비된다. 여기서 고압이라 함은 대략 80bar 이상의 압력으로 정의될 수 있다.

소형 고압 방제기에 사용 가능한 소형 플런저 펌프는 모터, 감속기, 경사 캠, 플런저, 펌프실, 유입관, 유출관 등 많은 구성 요소들을 구비하고, 목표로 하는 무게, 유체 송출압, 유체 송출량, 소음, 진동 등의 명세(specification)를 충족하기 위하여 이들 구성 요소들을 개별적으로 개선하여야 한다.

본 발명은, 소형, 경량이며, 유체 송출압과 유체 송출량은 향상되도록 개선된 플런저 펌프를 제공한다. 또한, 작동 중 소음과 진동이 개선되고, 제품의 내구성이 개선된 플런저 펌프를 제공한다.

본 발명은, 동력 회전하며, 회전축에 대해 경사진 플런저 접촉면을 구비하는 경사 캠, 상기 경사 캠의 회전축과 이격된 상기 플런저 접촉면에 접촉되도록 탄성 바이어스(bias)되어 상기 경사 캠이 회전함에 따라 승강하도록 구성된 적어도 하나의 플런저(plunger), 상기 적어도 하나의 플런저를 지지하는 플런저 지지판, 상기 플런저 지지판에 고정되고, 상기 적어도 하나의 플런저가 승강함에 따라 외부에서 유입되는 유체가 가압되는 적어도 하나의 가압 공간을 구비한 펌프실(pump chamber), 외부로부터 유입되는 유체를 상기 펌프실로 유도하는 유입관, 및 상기 펌프실에서 가압된 유체를 외부로 배출하는 유출관을 구비하고, 상기 펌프실은, 상기 플런저가 상승할 때 폐쇄되고, 상기 플런저가 하강할 때 개방되어 상기 가압 공간으로 유체를 유입시키는 유입 밸브와, 상기 플런저가 상승할 때 개방되어 상기 가압 공간에서 가압된 유체를 상기 가압 공간 밖으로 배출하고, 상기 플런저가 하강할 때 폐쇄되는 유출 밸브를 구비하는 플런저 펌프를 제공한다.

상기 펌프실은 상기 유입관으로부터 유체가 유입되는 유입부 채널과, 상기 유출관으로 유체를 배출하는 유출부 채널을 분리하는 격벽을 구비하고, 상기 유입부 채널에 상기 유입 밸브가 배치되고, 상기 유출부 채널에 상기 유출 밸브가 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 플런저 펌프는, 상기 유출관을 통해 유출되는 유체의 맥동압을 저감시키는 오리피스(orifice)를 상기 유출부 채널과 상기 유출관 사이에 구비할 수 있다.

상기 플런저는 일측 말단부에 상기 경사 캠이 회전함에 따라 상기 플런저 접촉면에 접촉하여 구르는 롤러(roller)를 구비할 수 있다.

상기 롤러 및 상기 경사 캠은 탄소강으로 형성될 수 있다.

상기 롤러의 표면 및 상기 플런저 접촉면은 크롬(Cr) 도금 처리될 수 있다.

본 발명의 플런저 펌프는, 상기 경사 캠을 회전시키는 동력을 제공하는 모터와, 상기 모터의 샤프트에 체결되어 상기 모터의 샤프트가 회전하면 상기 모터 측으로 송풍(送風)하는 방열 팬을 더 구비할 수 있다.

본 발명의 플런저 펌프는, 상기 경사 캠의 회전 속도를 상기 모터 샤프트의 회전 속도보다 느리게 낮추는 감속기를 더 구비할 수 있다.

상기 감속기는, 상기 모터 샤프트의 말단에 체결되어 상기 모터 샤프트의 회전 속도와 동일한 회전 속도로 회전하는 태양 기어(sun gear), 상기 태양 기어가 중심에 위치하도록 상기 태양 기어를 에워싸는 링(ring) 형상의 부재로서, 내측면에 기어치(gear teeth)가 형성된 링 기어(ring gear), 상기 태양 기어 및 상기 링 기어에 동시에 치합되게 배치되어 상기 태양 기어가 회전하면 상기 태양 기어에 대해 공전(公轉)하는 복수의 피니언 기어(pinion gear), 및 상기 복수의 피니언 기어에 체결되는 복수의 피니언 기어 체결부와, 상기 복수의 피니언 기어 체결부와 일체로 형성되고 상기 경사 캠에 체결되는 캐리어 샤프트(carrier shaft)를 구비하여, 상기 복수의 피니언 기어가 공전(公轉)하면 상기 경사 캠을 그 회전축을 중심으로 회전시키는 캐리어(carrier)를 구비할 수 있다.

본 발명의 플런저 펌프는, 상기 경사 캠과 상기 플런저를 내포하고 외부에 노출되지 않도록 밀봉하는 보디 하우징(body housing), 및, 상기 경사 캠에 체결되어 회전 동력을 전달하는 샤프트와 상기 보디 하우징 사이에 개재되어 상기 경사 캠의 회전을 지지하는 내부 베어링(inner bearing)을 더 구비하고, 상기 내부 베어링은 테이퍼 롤러 베어링(taper roller bearing)일 수 있다.

본 발명의 플런저 펌프는, 상기 유출관을 통해 유출되는 유체의 맥동압을 줄이기 위하여, 상기 유출관과 연결되고 내부의 공기 수용 용적을 변경 가능한 공기실(air chamber)을 더 구비할 수 있다.

상기 경사 캠이 회전함에 따라 상기 플런저 접촉면에 접촉된 플런저가 승강하는 변위가 사이클로이드 곡선(cycloid curve)을 따르도록 상기 플런저 접촉면의 형상이 형성될 수 있다.

상기 경사 캠은, 상기 플런저 접촉면이 상측면이 되도록 경사진 경사판과, 상기 경사판의 강성을 보강하기 위하여 상기 경사판의 외주변에 연결된 외주 리브(rib)와, 상기 플런저 접촉면의 이면(裏面)에 상기 경사판의 강성을 보강하기 위한 내측 리브(rib)를 더 구비할 수 있다.

상기 경사판 외주변의 높이의 중간 높이보다 낮은 경사판 외주변 부분에 연결된 외주 리브는 상기 경사판 외주변 부분보다 높게 돌출될 수 있다.

본 발명에 의하면, 소형, 경량이고, 유체 송출압과 유체 송출량이 향상되는 플런저 펌프를 구현할 수 있다.

또한, 경사 캠의 표면이 사이클로이드 곡선을 따르도록 설계되는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 소위 저어크 현상이 발생하지 않아, 작동 소음과 진동이 줄어든다.

또한, 플런저의 말단에 롤러를 구비하는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 경사 캠의 플런저 접촉면과 플런저 간 마찰이 저감되고 내마모성이 향상되며, 경사 캠과 플런저의 충돌로 인한 소음과 진동이 줄어들어 품질 신뢰도가 향상된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플런저 펌프를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 플런저 펌프에서 유체 입출구 케이스 및 보디 하우징을 제거한 형상을 도시한 측면도이다.
도 3은 도 2의 감속기를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 내부 베어링을 확대 도시한 측면도이다.
도 5 및 도 6은 경사 캠을 각각 다른 방향에서 보고 도시한 사시도이다.
도 7은 플런저 조립체의 일부 분해 사시도이다.
도 8은 도 2의 경사 캠과 그 위에 배치된 롤러를 도시한 평면도이다.
도 9는 도 5의 플런저 접촉면에 대한 수치해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 1의 펌프실(pump chamber)를 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 펌프실 하우징을 아래에서 보고 도시한 사시도이다.
도 12는 도 10의 유입 밸브를 도시한 측면도이다.
도 13은 도 10의 유출 밸브를 도시한 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플런저 펌프를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플런저 펌프를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 플런저 펌프에서 유체 입출구 케이스 및 보디 하우징을 제거한 형상을 도시한 측면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플런저 펌프(10)는, 모터(11), 감속기(20), 보디 하우징(37) 내부의 경사 캠(50)과 플런저 조립체(60), 펌프실(80), 및 유체 입출 케이스(110)를 구비한다. 모터(11)는 플런저 펌프(10)의 하부에 배치되어 경사 캠(50)을 회전시키는 동력을 제공한다. 모터(11)의 샤프트(12)(도 3 참조)에는 방열 팬(14)이 회전 가능하게 체결된다. 방열 팬(14)은 상기 모터 샤프트(12)가 회전하면 모터(11)를 향해 송풍하여 모터(11)의 과열을 방지한다.

도 3은 도 2의 감속기를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 2의 내부 베어링을 확대 도시한 측면도이다. 도 3을 참조하면, 감속기(20)는 경사 캠(50)(도 2 참조)의 회전 속도를 모터 샤프트(12)의 회전 속도보다 느리게 낮추는 것으로, 태양 기어(sun gear)(21), 링 기어(ring gear)(25), 3개의 피니언 기어(pinion gear)(22), 및 캐리어(carrier)(30)를 구비한다. 태양 기어(21)는 외주면에 기어치(gear teeth)가 형성되고, 모터 샤프트(12)의 상부 말단에 체결되어 모터 샤프트(12)의 회전 속도와 동일한 회전 속도로 회전 가능하다. 링 기어(25)는 태양 기어(21)가 중심에 위치하도록 태양 기어(21)를 에워싸는 링(ring) 형상의 부재로서, 내측면에 기어치(gear teeth)가 형성된다. 링 기어(25)는 보디 하우징(37)(도 1 참조)의 하측 말단에 결합 고정된다.

3개의 피니언 기어(22)는 외주면에 기어치가 형성되고, 태양 기어(21)와 링 기어(25)에 동시에 치합되며 서로 이격되게 배치된다. 따라서, 상기 태양 기어(21)가 회전하면 3개의 피니언 기어(22)는 스스로 자전(自轉)함과 동시에 태양 기어(21)에 대해 공전(公轉)한다. 캐리어(30)는 3개의 피니언 기어 체결부(31)와 캐리어 샤프트(33)가 일체로 형성된 부재이다. 하향 돌출된 3개의 피니언 기어 체결부(31)는 3개의 피니언 기어(22)의 중앙에 형성된 체결공(23)에 하나씩 끼워져 체결된다. 모터 샤프트(12)의 회전축선(SD)을 따라 연장되며 상향 돌출된 캐리어 샤프트(33)는, 경사 캠(50)(도 2 참조)에 체결되는 상단의 경사 캠 체결부(35)와, 내부 베어링(40)(도 2 참조)에 체결되는 상기 경사 캠 체결부(35) 아래의 베어링 체결부(34)로 구분된다.

태양 기어(21)의 회전으로 3개의 피니언 기어(22)가 태양 기어(21)에 대해 공전(公轉)하면 3개의 피니언 기어 체결부(31)도 태양 기어(21)에 대해 공전하므로 캐리어 샤프트(33)가 회전축선(SD)을 중심으로 회전하고, 경사 캠 체결부(35)에 체결되는 경사 캠(50)도 회전축선(SD)을 중심으로 회전한다.

한편 도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 보디 하우징(37)은 경사 캠(50)과 플런저(65)를 내포하고 외부에 노출되지 않도록 밀봉하는 부재로서, 상술한 바와 같이 보디 하우징(37)의 하측 말단은 링 기어(25)(도 3 참조)에 고정 결합되고, 보디 하우징(37)의 상측 말단은 플런저 지지판(61)에 고정 결합된다. 내부 베어링(inner bearing)(40)은 경사 캠(50)에 체결되어 회전 동력을 전달하는 캐리어 샤프트(33)와 보디 하우징(37)의 내측면 사이에 개재되어 경사 캠(50)의 회전을 지지한다. 보디 하우징(37)의 측면에는 윤활유 주입관(39)이 마련되고, 이를 통해 보디 하우징(37)의 밀폐된 내부 공간에 윤활유가 주입된다. 보디 하우징(37) 내부로 주입된 윤활유는 플런저(65), 경사 캠(50), 내부 베어링(40), 및 감속기(20)의 동작이 원활해지도록 서로 마찰되는 부분 간의 마찰과 마모를 줄여 준다.

도 4를 참조하면, 내부 베어링(40)은 상기 캐리어 샤프트(33)(도 3 참조)의 베어링 체결부(34)(도 3 참조)에 끼워져 고정되는 내측 링(41)과, 상기 보디 하우징(37)(도 1 참조)의 내측면에 끼워져 고정되는 외측 링(42)과, 상기 내측 링(41)과 외측 링(42) 사이에 개재된 다수의 롤러(43)를 구비한다. 상기 롤러(43)는 경사진 테이퍼 롤러(taper roller)이다. 내부 베어링(40)은 상기 롤러(43)의 중심축선(SB)이 회전체, 즉 경사 캠(50)(도 2 참조)의 회전축선(SD)에 대해 평행하지 않고 기울어져 있다. 상기 내부 베어링(40)은 경사 캠(50)이 회전함으로 인해 야기되는 래디얼 방향(radial direction) 하중과, 경사 캠(50)이 플런저(65)(도 2 참조)와 충돌함으로 인해 야기되는 스러스트 방향(thrust direction) 하중을 동시에 지지하며, 소위 '테이퍼 롤러 베어링(taper roller bearing)' 이라고 불린다.

도 5 및 도 6은 경사 캠을 각각 다른 방향에서 보고 도시한 사시도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 경사 캠(50)은 대체로 원형이고 중앙에 샤프트 연결 통공(51)이 형성된 원반 형상의 부재로서, 상술한 바와 같이 감속기(20)(도 3 참조)의 캐리어 샤프트(33)(도 3 참조)가 경사 캠(50)의 샤프트 연결 통공(51)에 체결되고, 모터(11)의 동력에 의해 회전축선(SD)을 중심으로 회전한다.

경사 캠(50)은 경사판(53), 외주 리브(rib)(56), 및 내측 리브(59)를 구비한다. 경사판(53)의 상측면은 3개의 플런저(65)가 접촉되는 플런저 접촉면(55)으로서, 회전축선(SD)에 대해 비스듬히 경사져 있다. 경사 캠(50)이 고속 회전할 때 3개의 플런저(65)가 경사 캠(50)과 연속적으로 충돌하여 그 충격이 경사판(53)에 전달되므로, 경사판(53)의 강성을 보강하기 위하여 외주 리브(56)가 경사판(53)의 외주변에 연결된다. 또한, 경사판(53)의 플런저 접촉면(55)의 이면(裏面)에도 경사판(53)의 강성을 보강하기 위한 복수의 내측 리브(59)가 마련된다. 복수의 내측 리브(59)는 샤프트 연결 통공(51)의 주변부에서 방사 방향으로 연장된다. 이에 따라, 플런저 접촉면(55)의 이면(裏面)에는 경사판(53), 외주 리브(56), 및 내측 리브(59)에 의해 한정되는 오목홈이 형성된다.

이와 같은 경사 캠(50)의 형상은 오목홈이 없이 외주 리브(56)의 높이에 대응되는 두께를 가진 원반 형태의 경사 캠과 비교하여 강성을 약화시키지 않으면서도 무게를 크게 줄일 수 있다. 경사 캠(50)은 예컨대, 탄소강, 보다 구체적으로는 스테인레스스틸을 소재로 하여 형성될 수 있고, 플런저 접촉면(55)에는 마찰 저감 및 내마모성 향상을 위하여 크롬(Cr) 도금층이 형성될 수 있다.

경사 캠(50)은 고속 회전시 관성 모멘트를 줄이기 위하여 상술한 바와 같이 외주 경계를 원형으로 형성한다. 그럼에도 불구하고, 경사판(53)이 회전축선(SD)에 대해 경사져 있기 때문에 고속 회전시 관성 모멘트가 크게 발생하고, 이로 인해 플런저 펌프(10) 작동시 진동과 소음이 확대될 수 있고, 경사 캠(50)의 회전 성능도 저하될 수 있다. 따라서, 경사판(53)의 외주변의 높이의 중간 높이보다 낮은 경사판(53)의 외주변 부분에 연결된 외주 리브(58)는 상기 중간 높이보다 낮은 경사판(53)의 외주변 부분보다 높게 돌출된다. 도 5를 참조하여 예를 들면, 이점 쇄선이 기울어진 경사판(53)의 중간 높이 지점을 연결한 가상의 선이고, 상기 이점 쇄선과 경사판(53)의 외주변이 만나는 지점(HM)이 중간 높이의 경사판 외주변 지점이다. 이 지점보다 낮은 경사판 외주변 부분에 연결된 외주 리브(58)가 상향 돌출된다. 상기 상향 돌출된 외주 리브(58)로 인해 경사 캠(50)의 편심이 완화되어 회전시 관성 모멘트가 줄어든다.

도 7은 플런저 조립체의 일부 분해 사시도이고, 도 8은 도 2의 경사 캠과 그 위에 배치된 롤러를 도시한 평면도이다. 도 2, 도 5 내지 도 8을 참조하면, 플런저 조립체(60)는 3개의 플런저(65)와, 플런저 지지판(61)을 구비한다. 플런저 지지판(61)은 보디 하우징(37)의 상측 개구를 폐쇄하며 보디 하우징(37)에 결합 지지된다. 플런저 지지판(61)에는 3개의 플런저 장착부(63)가 마련되며, 각 플런저 장착부(63)에 플런저(65)가 하나씩 장착 지지된다.

플런저(65)는, 상하 방향으로 연장되며 상기 플런저 장착부(63)에 승강 가능하게 탑재되는 로드(rod)(66)와, 상기 로드(66)에 끼워져 로드(66)의 하단부를 경사 캠(50)의 플런저 접촉면(55)에 접촉되도록 탄성 가압하는 스프링(spring)(74)을 구비한다. 플런저(65)와 상기 플런저 접촉면(55) 간의 접촉 마찰을 줄이기 위하여 플런저(65)의 하측 말단부에는 롤러 샤프트(75)에 체결되어 자유 회전 가능한 롤러(roller)(70)가 구비된다. 상기 롤러(70)는 경사 캠(50)이 회전함에 따라 플런저 접촉면(55)에 접촉하여 구르는 구름 접촉 수단의 일 예로서, 플런저 접촉면(55)과 플런저(65) 간의 마찰을 줄이기 위해 구비된다.

경사 캠(50)의 회전 방향과 롤러(70)의 구름 방향이 합치되도록 롤러 샤프트(75)의 길이 방향을 따라 연장된 3개의 롤러(70)의 회전축선(SR)은 각각 경사 캠(50)의 회전축선(SD)과 교차한다. 또한, 3개의 플런저(65)는 경사 캠(50)의 회전축선(SD)을 중심으로 등각도 간격, 즉 120° 간격으로 배열된다. 따라서, 경사 캠(50)이 등각속도로 회전할 때 3개의 플런저(65)는 일정한 시간 간격으로 상승하고, 송출되는 유체는 규칙적으로 맥동(脈動)한다.

플런저(65) 하측 말단의 롤러(70)가 플런저 접촉면(55)의 일 부분에 의해 위로 가압되면 플런저(65)의 상측 말단부(72)가 플런저 지지판(61)의 위로 돌출되고, 경사 캠(50)의 회전으로 상기 플런저 접촉면(55)의 일 부분보다 높이가 낮은 다른 일 부분이 롤러(70) 아래로 오면 스프링(74)에 의해 플런저(65)가 아래로 탄성 바이어스되어 상기 플런저(65)의 상측 말단부(72)는 하강한다. 경사 캠(50)이 고속으로 회전하는 동안 롤러(70)가 수없이 플런저 접촉면(55)에 밀려 상승하고 스프링(74)의 탄성력에 의해 하강하며, 롤러(70)와 플런저 접촉면(55)의 충돌로 인한 소음과 진동이 발생한다.

서로 접촉하는 롤러(70)와 경사 캠(50)은 탄소강, 더욱 구체적으로 예를 들면 스테인레스스틸(stainless steel) 소재로 형성된다. 롤러(70)와 경사 캠(50)의 충돌에 견딜 수 있는 강성(剛性)을 가지기 위함이다. 또한, 서로 접촉 및 충돌하는 플런저(56)의 표면과 플런저 접촉면(55)은 크롬(Cr) 도금 처리되어 크롬층이 형성된다. 마찰을 줄이고, 마찰로 인한 마모를 억제하여 부품의 내구성을 향상시키기 위함이다. 상기한 실시예와 달리 롤러(70)와 경사 캠(50) 중 하나만 탄소강 소재로 형성될 수도 있고, 롤러(70)와 경사 캠(50) 중 하나만 크롬(Cr) 도금 처리될 수도 있다.

종래의 플런저 펌프에서는 평면을 기울인 경사면을 경사 캠의 플런저 접촉면으로 사용하였다. 이에 따라 경사 캠이 고속의 등각속도로 회전할 때 한바퀴, 즉 360° 회전 시 0° 와 180° 에서 가속도의 미분값이 무한대로 발산한다. 가속도의 미분값은 관성력의 시간에 따른 변화율의 척도이며 충격의 정도를 나타낸다. 기계 요소에 가해지는 충격은 소음을 일으키며 표면의 마모나 연관된 부품에 피로를 유발시켜 기계의 수명을 단축시킨다. 이러한 현상을 '저어크(jerk)' 라고 한다. 따라서, 경사 캠을 설계함에 있어 특히 고속의 경우 가 발생하지 않도록 설계하여야 진동 및 소음을 줄일 수 있으며 기계의 피로 파괴를 방지할 수 있고, 내구성을 향상시킬 수 있다.

상기 경사 캠(50)에서는 플런저 접촉면(55)의 프로파일(profile)이 사이클로이드 곡선(cycloid curve)를 따르도록 플런저 접촉면(55)의 형상을 형성한다. 구체적으로, 플런저 접촉면(55)의 프로파일은 경사 캠(50)이 회전함에 따라 플런저 접촉면(55)에 접촉된 플런저(65)가 승강하는 변위와 같으며, 기준 지점으로부터의 각도를 가로 좌표로 지정하고, 플런저(65)의 승강 높이를 세로 좌표로 지정하여 플로팅(plotting)하여 나타낼 수 있다. 여기서, 사이클로이드 곡선이란 원판 위의 특정 점을 기준으로 하고, 이 원판이 평면 위를 굴러갈 때 상기 원판 위의 특정 점이 그리는 곡선을 의미한다.

도 9는 도 5의 플런저 접촉면에 대한 수치해석 결과를 나타낸 그래프로서, 경사 캠(50)의 반바퀴 회전 시(β=180°) 나타나는 결과이다. 도 9를 참조하면, 플런저 접촉면의 프로파일이 사이클로이드 곡선인 때 저어크의 크기가 유한하며, 이는 저어크가 무한대로 발산하는 종래의 경우보다 크게 개선되어 실제 플런저 펌프(10)(도 1 참조)의 작동 소음과 진동이 크게 줄어들 것임을 예측 가능케 한다. 도 9의 그래프에서, 'displacement' 는 플런저(65)와 접촉되는 플런저 접촉면(55)의 일 지점의 높이(level)로서 사이클로이드 곡선을 따르며, 'velocity' 는 플런저(65)와 접촉되는 플런저 접촉면(55)의 일 지점의 속도이고, 'acceleration' 은 플런저(65)와 접촉되는 플런저 접촉면(55)의 일 지점의 가속도이며, 'jerk'는 플런저(65)와 접촉되는 플런저 접촉면(55)의 일 지점의 가속도 미분값이다.

도 10은 도 1의 펌프실(pump chamber)를 도시한 사시도이고, 도 11은 도 10의 펌프실 하우징을 아래에서 보고 도시한 사시도이며, 도 12는 도 10의 유입 밸브를 도시한 측면도이고, 도 13은 도 10의 유출 밸브를 도시한 측면도이다. 도 1, 도 2, 도 10, 및 도 11을 참조하면, 펌프실(80)은 플런저 지지판(61)의 상측에 고정되며, 3개의 플런저(65)가 승강함에 따라 유입관(112)을 통해 외부에서 펌프실(80) 내부로 유입된 유체를 가압한다. 유체 입출 케이스(110)는 펌프실(80) 상측에 고정된다. 유입관(112)을 통해서는 외부로부터 유체가 유입되고, 유출관(115)을 통해서는 펌프실(80)에서 가압된 유체가 외부로 배출된다. 유체는 예컨대, 농약, 소독약, 물 등일 수 있다.

구체적으로, 펌프실(80)은 대략 삼각 기둥 형상의 펌프실 하우징(81), 3개의 유입 밸브(90), 3개의 유출 밸브(95), 및 오리피스(105)를 구비한다. 펌프실 하우징(81)의 상측면은 삼각형 형상으로 돌출된 격벽(82)에 의하여 격벽(82) 바깥의 유입부 채널(channel)(85)과, 격벽(82) 내측의 유출부 채널(86)로 분리된다. 유입관(112)으로부터 유입부 채널(85)로 유체가 유입되고, 유출부 채널(86)에서 유출관(115)을 향하여 유체가 배출된다. 유입부 채널(85)에 상기 3개의 유입 밸브(90)가 3개의 플런저(65)와 상하 방향으로 정렬되게 배치된다. 유출부 채널(90)에는 3개의 유출 밸브(95)가 배치된다. 오리피스(105)는 유출부 채널(86) 위에 탑재되고, 유출관(115)과 연결된다.

펌프실 하우징(81)의 하측면은 3개의 플런저(65)의 상측 말단부(72)(도 7 참조)가 상승하여 삽입 가능하도록 아래로 개방된 3개의 가압 공간(87)과, 상기 가압 공간(87)에서 유출부 채널(86)을 향해 연장되는 배출 통로(88)가 마련된다. 참조 번호 '83'은 유입부 채널(85)과 가압 공간(87)을 연결하는 개구로서, 유입 밸브(90)에 의해 선택적으로 개폐되는 유입 밸브 탑재 개구이다. 도시되진 않았으나, 배출 통로(88)와 유출부 채널(86)을 연결하는 개구로서, 유출 밸브(95)에 의해 선택적으로 개폐되는 유출 밸브 탑재 개구도 형성되어 있다.

플런저 펌프(1) 외부의 탱크(미도시)에 수용된 유체는 유입관(112)을 통해 유입부 채널(85)로 유입되고, 3개의 유입 밸브(90)가 개방되면 3개의 가압 공간(87)으로 유입된다. 3개의 가압 공간(87)에서 3개의 플런저(65)의 상측 말단부(72)(도 7 참조)가 교번하여 승강하며 유체를 가압하고, 가압된 유체는 유출 밸브(95)가 개방되면 배출 통로(88)를 통해 유출부 채널(86)로 이동한다.

유출부 채널(86)로 이동한 고압의 유체는 오리피스(105)를 통과하고 유출관(115)을 통해 배출된다. 3개의 플런저(65)가 일정 간격을 두고 순차적으로 상승할 때마다 유체가 압축되므로 압축되는 유출되는 고압 유체에는 맥동압(pulsatile pressure)이 형성되는데, 오리피스(105)는 이 맥동압을 저감시킨다.

맥동압을 감소시켜 유출관(115)을 통해 송출되는 고압 유체의 유량을 균일하게 유지하기 위해 플런저 펌프(10)는 공기실(air chamber)(120)를 더 구비한다. 맥동압의 최저 압력과 최대 압력 간 압력 변동이 적을수록 공기실(120) 내부의 공기 수용 용적이 커져야 한다. 공기실(120)은 그 내부의 공기 수용 용적을 다이얼(118)을 돌려 변경 가능하게 구성되며, 작업자는 다이얼(118)을 돌려 공기실(121) 내부의 공기 수용 용적을 조절함으로써 맥동압을 줄일 수 있다.

한편, 유입 밸브(90)와 유출 밸브(95)는 유체가 일 방향으로 가압될 때에만 개방되고, 반대 방향으로 가압될 때에는 폐쇄되는, 소위 '원웨이 밸브(one-way valve)' 구체적으로, 유입 밸브(90)는 플런저(65)의 상측 말단부(72)가 상승하면 폐쇄되고 상기 상측 말단부(72)가 하강하면 개방되어 유체를 유입부 채널(85)에서 가압 공간(87)으로 유입시킨다. 반면, 유출 밸브(95)는 상기 상측 말단부(72)가 하강하면 폐쇄되고 상기 상측 말단부(72)가 상승하면 개방되어 가압 공간(87)에서 가압된 유체를 유출부 채널(86)로 배출한다.

도 12를 참조하면, 유입 밸브(90)는 밸브 스터드(valve stud)(91)와 스프링(92)을 구비한다. 밸브 스터드(91)는, 유입 밸브 탑재 개구(83)(도 11 참조)에 끼워지는 원뿔 형태의 헤드(91a)와, 헤드(91a)에서 상향 연장된 몸통(91b)과, 몸통(91b)의 상단에서 래디얼 방향(radial direction)으로 확장된 플랜지(flange)(91c)를 구비하고, 스프링(92)은 상기 플랜지(91c)와 상기 유입 밸브 탑재 개구(83) 주변의 펌프실 하우징(81) 사이에 개재된다. 이에 따라 플런저(65)(도 7 참조)의 상측 말단부(72)(도 7 참조)가 하강하여 가압 공간(87)의 압력이 유입부 채널(85)의 압력보다 낮아지면 스프링(92)이 압축되며 밸브 스터드(91)가 하강하여 유입 밸브 탑재 개구(83)가 개방된다. 그러나, 상기 상측 말단부(72)가 상승하여 가압 공간(87)의 압력이 유입부 채널(85)의 압력보다 높아지면 스프링(92)이 복원되며 밸브 스터드(91)가 상승하여 유입 밸브 탑재 개구(83)가 폐쇄된다.

도 13을 참조하면, 유출 밸브(95)는 밸브 스터드(96)와 스프링(97)을 구비한다. 밸브 스터드(96)는, 유출 밸브 탑재 개구(미도시)에 끼워지는 원뿔 형태의 헤드(96a)와, 헤드(91a)에서 하향 연장된 몸통(96b)을 구비하고, 스프링(97)은 상기 헤드(96a)와 오리피스(105)(도 1 참조)의 케이스(106) 사이에 개재된다. 이에 따라 플런저(65)(도 7 참조)의 상측 말단부(72)(도 7 참조)가 상승하여 가압 공간(87)의 압력이 유출부 채널(86)의 압력보다 높아지면 스프링(97)이 압축되며 밸브 스터드(96)가 상승하여 유출 밸브 탑재 개구가 개방된다. 그러나, 상기 상측 말단부(72)가 하강하여 가압 공간(87)의 압력이 유출부 채널(86)의 압력보다 낮아지면 스프링(97)이 복원되며 밸브 스터드(96)가 하강하여 유출 밸브 탑재 개구가 폐쇄된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 플런저 펌프 11: 모터
20: 감속기 50: 경사 캠
55: 플런저 접촉면 60: 플런저 조립체
61: 플런저 지지판 65: 플런저
70: 롤러 80: 펌프실
112: 유입관 115: 유출관

Claims

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동력 회전하며, 회전축에 대해 경사진 플런저 접촉면을 구비하는 경사 캠;
상기 경사 캠의 회전축과 이격된 상기 플런저 접촉면에 접촉되도록 탄성 바이어스(bias)되어 상기 경사 캠이 회전함에 따라 승강하도록 구성된 적어도 하나의 플런저(plunger);
상기 적어도 하나의 플런저를 지지하는 플런저 지지판;
상기 플런저 지지판에 고정되고, 상기 적어도 하나의 플런저가 승강함에 따라 외부에서 유입되는 유체가 가압되는 적어도 하나의 가압 공간을 구비한 펌프실(pump chamber);
외부로부터 유입되는 유체를 상기 펌프실로 유도하는 유입관; 및,
상기 펌프실에서 가압된 유체를 외부로 배출하는 유출관;을 구비하고,
상기 펌프실은, 상기 플런저가 상승할 때 폐쇄되고, 상기 플런저가 하강할 때 개방되어 상기 가압 공간으로 유체를 유입시키는 유입 밸브와, 상기 플런저가 상승할 때 개방되어 상기 가압 공간에서 가압된 유체를 상기 가압 공간 밖으로 배출하고, 상기 플런저가 하강할 때 폐쇄되는 유출 밸브를 구비하며,
상기 펌프실은 상기 유입관으로부터 유체가 유입되는 유입부 채널과, 상기 유출관으로 유체를 배출하는 유출부 채널을 분리하는 격벽을 구비하고, 상기 유입부 채널에 상기 유입 밸브가 배치되고, 상기 유출부 채널에 상기 유출 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제2 항에 있어서,
상기 유출관을 통해 유출되는 유체의 맥동압을 저감시키는 오리피스(orifice)를 상기 유출부 채널과 상기 유출관 사이에 구비하는 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제2 항에 있어서,
상기 플런저는 일측 말단부에 상기 경사 캠이 회전함에 따라 상기 플런저 접촉면에 접촉하여 구르는 롤러(roller)를 구비하는 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제4 항에 있어서,
상기 롤러 및 상기 경사 캠은 탄소강으로 형성된 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제5 항에 있어서,
상기 롤러의 표면 및 상기 플런저 접촉면은 크롬(Cr) 도금 처리된 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제2 항에 있어서,
상기 경사 캠을 회전시키는 동력을 제공하는 모터와, 상기 모터의 샤프트에 체결되어 상기 모터의 샤프트가 회전하면 상기 모터 측으로 송풍(送風)하는 방열 팬을 더 구비한 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제7 항에 있어서,
상기 경사 캠의 회전 속도를 상기 모터 샤프트의 회전 속도보다 느리게 낮추는 감속기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제8 항에 있어서,
상기 감속기는, 상기 모터 샤프트의 말단에 체결되어 상기 모터 샤프트의 회전 속도와 동일한 회전 속도로 회전하는 태양 기어(sun gear);
상기 태양 기어가 중심에 위치하도록 상기 태양 기어를 에워싸는 링(ring) 형상의 부재로서, 내측면에 기어치(gear teeth)가 형성된 링 기어(ring gear);
상기 태양 기어 및 상기 링 기어에 동시에 치합되게 배치되어 상기 태양 기어가 회전하면 상기 태양 기어에 대해 공전(公轉)하는 복수의 피니언 기어(pinion gear); 및,
상기 복수의 피니언 기어에 체결되는 복수의 피니언 기어 체결부와, 상기 복수의 피니언 기어 체결부와 일체로 형성되고 상기 경사 캠에 체결되는 캐리어 샤프트(carrier shaft)를 구비하여, 상기 복수의 피니언 기어가 공전(公轉)하면 상기 경사 캠을 그 회전축을 중심으로 회전시키는 캐리어(carrier);를 구비한 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제8 항에 있어서,
상기 경사 캠과 상기 플런저를 내포하고 외부에 노출되지 않도록 밀봉하는 보디 하우징(body housing); 및,
상기 경사 캠에 체결되어 회전 동력을 전달하는 샤프트와 상기 보디 하우징 사이에 개재되어 상기 경사 캠의 회전을 지지하는 내부 베어링(inner bearing);을 더 구비하고,
상기 내부 베어링은 테이퍼 롤러 베어링(taper roller bearing)인 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제2 항에 있어서,
상기 유출관을 통해 유출되는 유체의 맥동압을 줄이기 위하여, 상기 유출관과 연결되고 내부의 공기 수용 용적을 변경 가능한 공기실(air chamber)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
동력 회전하며, 회전축에 대해 경사진 플런저 접촉면을 구비하는 경사 캠;
상기 경사 캠의 회전축과 이격된 상기 플런저 접촉면에 접촉되도록 탄성 바이어스(bias)되어 상기 경사 캠이 회전함에 따라 승강하도록 구성된 적어도 하나의 플런저(plunger);
상기 적어도 하나의 플런저를 지지하는 플런저 지지판;
상기 플런저 지지판에 고정되고, 상기 적어도 하나의 플런저가 승강함에 따라 외부에서 유입되는 유체가 가압되는 적어도 하나의 가압 공간을 구비한 펌프실(pump chamber);
외부로부터 유입되는 유체를 상기 펌프실로 유도하는 유입관; 및,
상기 펌프실에서 가압된 유체를 외부로 배출하는 유출관;을 구비하고,
상기 펌프실은, 상기 플런저가 상승할 때 폐쇄되고, 상기 플런저가 하강할 때 개방되어 상기 가압 공간으로 유체를 유입시키는 유입 밸브와, 상기 플런저가 상승할 때 개방되어 상기 가압 공간에서 가압된 유체를 상기 가압 공간 밖으로 배출하고, 상기 플런저가 하강할 때 폐쇄되는 유출 밸브를 구비하며,
상기 경사 캠이 회전함에 따라 상기 플런저 접촉면에 접촉된 플런저가 승강하는 변위가 사이클로이드 곡선(cycloid curve)을 따르도록 상기 플런저 접촉면의 형상이 형성된 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
동력 회전하며, 회전축에 대해 경사진 플런저 접촉면을 구비하는 경사 캠;
상기 경사 캠의 회전축과 이격된 상기 플런저 접촉면에 접촉되도록 탄성 바이어스(bias)되어 상기 경사 캠이 회전함에 따라 승강하도록 구성된 적어도 하나의 플런저(plunger);
상기 적어도 하나의 플런저를 지지하는 플런저 지지판;
상기 플런저 지지판에 고정되고, 상기 적어도 하나의 플런저가 승강함에 따라 외부에서 유입되는 유체가 가압되는 적어도 하나의 가압 공간을 구비한 펌프실(pump chamber);
외부로부터 유입되는 유체를 상기 펌프실로 유도하는 유입관; 및,
상기 펌프실에서 가압된 유체를 외부로 배출하는 유출관;을 구비하고,
상기 펌프실은, 상기 플런저가 상승할 때 폐쇄되고, 상기 플런저가 하강할 때 개방되어 상기 가압 공간으로 유체를 유입시키는 유입 밸브와, 상기 플런저가 상승할 때 개방되어 상기 가압 공간에서 가압된 유체를 상기 가압 공간 밖으로 배출하고, 상기 플런저가 하강할 때 폐쇄되는 유출 밸브를 구비하며,
상기 경사 캠은, 상기 플런저 접촉면이 상측면이 되도록 경사진 경사판과, 상기 경사판의 강성을 보강하기 위하여 상기 경사판의 외주변에 연결된 외주 리브(rib)와, 상기 플런저 접촉면의 이면(裏面)에 상기 경사판의 강성을 보강하기 위한 내측 리브(rib)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.
제13 항에 있어서,
상기 경사판 외주변의 높이의 중간 높이보다 낮은 경사판 외주변 부분에 연결된 외주 리브는 상기 경사판 외주변 부분보다 높게 돌출된 것을 특징으로 하는 플런저 펌프.