[논문]연동펌프의 유량맥동 조절과 역류현상을 방지하는 장치에 대한 연구

정유석; 이철수; 이태경

doi:10.5293/kfma.2016.19.5.028

연동펌프의 유량맥동 조절과 역류현상을 방지하는 장치에 대한 연구
A Study for Regulating Flow Fluctuation and Preventing Backflow of Peristaltic Pump 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.19 no.5, 2016년, pp.28 - 34

정유석 (서강대학교 기계공학과) , 이철수 (서강대학교 기계공학과) , 이태경 (서강대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Though a peristaltic pump is a crucial element in miniaturized drug delivery systems, it has some intrinsic disadvantages such as backflow and flow fluctuation. To overcome these limitation, we have developed valve-less peristaltic pump system including orifice and stagnation chamber. we measured flow rate to investigate the performance of rotary peristaltic pump with three rollers and an elastomeric tube pumping a viscous fluid. The flow fluctuations and the backflow happen as a result from the disengagement of the contact interaction between the rollers and the tubes. Stagnation chamber installed in front of orifice plate was composed of rubber tube and gas chamber. By changing orifice hole diameter with stagnation chamber flow rate and pressure in the tube was regulated. The obtained maximum reduction ratio of flow fluctuation is 96.79%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 체내 이식형 약물전달 펌프에 적용할 수 있는 크기의 밸브리스 연동펌프를 제작하고 연동펌프의 단점인 유량맥동의 조절과 역류를 방지하는 장치에 대해 연구하였다. 유량맥동 조절과 역류 방지를 위해 오리피스와 정체실시스템 제작하여 연동펌프에 적용하였으며 유량 측정을 통해 데이터를 도출하였다.
이에 본 논문에서는 체내 이식형 약물전달 펌프에 사용 가능한 밸브리스(valveless) 연동 펌프를 설계 제작하였다. 연동펌프를 구동하며 유량(flow rate)을 측정해 유량의 변화에 대한 데이터를 얻었고 이를 통해 기존 연동펌프의 문제점에 대해서 확인하였다.

가설 설정

10 Comparison of calculated flow rate and measured flow rate. (a) Calculated flow rate is approaching specific flow rate from 0 flow rate when orifice hole diameter is 0.14 mm. (b), (c), (d), (e), (f) are shown calculated and measured flow rate when the flow rate is stable phase.

제안 방법

오리피스의 D₂의 변경을 통해 유속을 조절하면 탄성 튜브 내 유동에 대한 압력을 조절할 수 있게 된다. 가스실(gas chamber)를 구성하여 고무로 된 탄성 튜브에 가해지는 압력을 추가적으로 조절할 수 있지만 본 실험에서는 가스실을 활용하지 않고 대기압 상태로 실험을 진행하였다.⁽¹⁷⁾ 체내이식형 약물전달 펌프에 적용 가능한 크기인 30 mm×10 mm×10 mm를 맞추어 제작하였다.
그래프의 데이터를 토대로 직경의 범위 0.11 mm ≤ D2 ≤ 0.31 mm에서 Cf(D2)를 오리피스가 설치된 상태의 유량에 대한 선형 계수를 정하였다.
일반적으로 사용되는 연동펌프는 로터에 2개의 롤러가 있는 튜브형 펌프이다. 대용량의 연동펌프에서는 롤러와 하우징이 맞물리는 면적이 크지만 상대적으로 마이크로 유량을 송출하는 펌프에서는 맞물리는 면적이 적으므로 본 논문에서는 로터에 3개의 롤러가 있도록 설계를 하였다.⁽¹⁰⁾ 연동펌프가 구동되는 원리를 순서대로 보면 먼저 입구(inlet) 부분의 롤러가 Fig.
먼저 오리피스와 정체실이 설치되지 않은 연동펌프를 구동하여 유량(flow rate) 측정을 통해 유량맥동과 역류 현상 확인에 대한 실험을 진행하였다. 이 후 오리피스와 정체실이 설치된 연동펌프를 구동하여 유량 측정을 통해 유량맥동과 역류 현상에 어떤 변화가 생겼는지 확인하였다.
연동펌프를 구동하며 유량(flow rate)을 측정해 유량의 변화에 대한 데이터를 얻었고 이를 통해 기존 연동펌프의 문제점에 대해서 확인하였다. 문제점을 해결하기 위해 오리피스(orifice)와 정체실(stagnation chamber)을 체내 이식형 펌프에 사용 가능하도록 소형화하여 제작해 연동펌프에 적용하였다. 오리피스와 정체실을 통해 유량맥동의 조절과 역류를 방지할 수 있는지 유량 측정을 통해 확인하였다.
오리피스와 정체실을 통해 유량맥동의 조절과 역류를 방지할 수 있는지 유량 측정을 통해 확인하였다. 실험은 체외실험(in vitro test)를 통해서 진행되었다.
이에 본 논문에서는 체내 이식형 약물전달 펌프에 사용 가능한 밸브리스(valveless) 연동 펌프를 설계 제작하였다. 연동펌프를 구동하며 유량(flow rate)을 측정해 유량의 변화에 대한 데이터를 얻었고 이를 통해 기존 연동펌프의 문제점에 대해서 확인하였다. 문제점을 해결하기 위해 오리피스(orifice)와 정체실(stagnation chamber)을 체내 이식형 펌프에 사용 가능하도록 소형화하여 제작해 연동펌프에 적용하였다.
문제점을 해결하기 위해 오리피스(orifice)와 정체실(stagnation chamber)을 체내 이식형 펌프에 사용 가능하도록 소형화하여 제작해 연동펌프에 적용하였다. 오리피스와 정체실을 통해 유량맥동의 조절과 역류를 방지할 수 있는지 유량 측정을 통해 확인하였다. 실험은 체외실험(in vitro test)를 통해서 진행되었다.
이 후 오리피스와 정체실이 설치된 연동펌프를 구동하여 유량 측정을 통해 유량맥동과 역류 현상에 어떤 변화가 생겼는지 확인하였다. 오리피스의 구멍 직경(D₂) 변화에 따른 유량 측정을 통해 유량맥동의 조절이 가능한지에 대해 검증하였다.
본 논문에서는 체내 이식형 약물전달 펌프에 적용할 수 있는 크기의 밸브리스 연동펌프를 제작하고 연동펌프의 단점인 유량맥동의 조절과 역류를 방지하는 장치에 대해 연구하였다. 유량맥동 조절과 역류 방지를 위해 오리피스와 정체실시스템 제작하여 연동펌프에 적용하였으며 유량 측정을 통해 데이터를 도출하였다.
먼저 오리피스와 정체실이 설치되지 않은 연동펌프를 구동하여 유량(flow rate) 측정을 통해 유량맥동과 역류 현상 확인에 대한 실험을 진행하였다. 이 후 오리피스와 정체실이 설치된 연동펌프를 구동하여 유량 측정을 통해 유량맥동과 역류 현상에 어떤 변화가 생겼는지 확인하였다. 오리피스의 구멍 직경(D₂) 변화에 따른 유량 측정을 통해 유량맥동의 조절이 가능한지에 대해 검증하였다.
롤러의 높이가 정해져 있기 때문에 튜브가 정해진 경로를 지나지 않는다면 롤러와 하우징이 튜브를 막아주지 못하게 되어 펌프가 제 기능을 하지 못하게 된다. 이를 튜브 가이드(tube guide)를 통해 튜브가 정해진 위치에 고정되어 있도록 하여 튜브의 이탈을 방지하였다.
최대 유량과 최소 유량의 차이를 통해 유량맥동의 폭(Fluctuation range)을 구하였고 이 수치를 오리피스와 정체실이 설치되지 않은 연동펌프 실험에서 얻은 유량맥동의 폭과 비교하여 감소율(Reduction ratio)를 얻었다. 이 감소율은 유량맥동을 조절할 수 있는가에 대한 지표로 사용 되었다.

대상 데이터

2의 A지점부터 B지점까지로 180°이기 때문에 롤러나 하우징의 제작오차나 회전축의 오차 등을 통해 완전히 튜브를 막아주지 못하는 상황이 생길 수 있다. 이를 방지하기 위해서 3개의 롤러를 가진 로터를 설계하였다.
4의 (b)처럼 탄성 튜브 내에 유체가 저장되면 탄성력에 의해 튜브내의 유체에 걸리는 압력은 높아지게 된다. 탄성 튜브의 재질로는 실리콘 고무(silicon rubber)를 사용하였다. 오리피스의 D₂의 변경을 통해 유속을 조절하면 탄성 튜브 내 유동에 대한 압력을 조절할 수 있게 된다.

성능/효과

계산된 수치에서 오리피스 구멍의 크기가 작아질수록 유량변동의 폭은 감소함을 보였다. 오리피스와 정체실을 설치하지 않았을 때의 유량변동 폭 65.
이와 더불어 오리피스 구멍의 직경을 조절하여 유량맥동 폭의 감소 및 최대, 최소 유량이 조절 가능함을 입증하였다. 본 논문에서 사용된 오리피스를 통해서는 측정값으로 최대 96.79%의 유량맥동 폭 감소율을 얻을 수 있었다.
오리피스 구멍 직경 변화에 따른 감소율의 변화는 Table 3을 통해 확인 가능하다. 실험에 사용된 가장 작은 오리피스 구멍 직경(D₁ = 0.11 mm)에서 감소율은 96.79%로 오리피스와 정체실이 설치되지 않은 연동펌프에 비해 일정한 유량을 가지게 됨을 확인하였다. 오리피스 구멍 직경이 작아짐에 따라 감소율이 증가하였다.
오리피스와 정체실을 적용하여 연동펌프를 동작하였을 때 실험에 사용된 가장 큰 오리피스 구멍 직경(D2 = 0.31 mm)에서 최소 유량이 15 μL/min으로 역류현상이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
제작된 연동펌프를 구동하여 측정한 유량 데이터를 통해 기존의 연동펌프의 문제점에 대해 파악하였으며 오리피스와 정체실 시스템을 적용하여 역류가 방지됨을 확인하였다. 이와 더불어 오리피스 구멍의 직경을 조절하여 유량맥동 폭의 감소 및 최대, 최소 유량이 조절 가능함을 입증하였다. 본 논문에서 사용된 오리피스를 통해서는 측정값으로 최대 96.
제작된 연동펌프를 구동하여 측정한 유량 데이터를 통해 기존의 연동펌프의 문제점에 대해 파악하였으며 오리피스와 정체실 시스템을 적용하여 역류가 방지됨을 확인하였다. 이와 더불어 오리피스 구멍의 직경을 조절하여 유량맥동 폭의 감소 및 최대, 최소 유량이 조절 가능함을 입증하였다.
69%이었다. 측정된 수치에서는 96.79%로 상대적으로 낮은 감소율을 보였다.

후속연구

이 부분은 튜브를 사용하는 연동펌프의 한계점으로 로터를 회전시키는 힘을 강하게 하고 로터와 하우징의 맞물림(occlusion)을 강화시키면 해결할 수 있다. 하지만 이는 튜브의 수명과 전력량 증가로 의한 약물전달 펌프의 구동 기간 단축에 영향을 미치게 되므로 추가적인 연구가 진행될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	체내 이식형 약물주입기는 무엇으로 구성되어 있는가	체내 이식형 약물주입기는 기본적으로 약물을 저장하는 레져버(reservoir), 리필 포트, 액츄에이터, 내장형 베터리가 밀폐형 구조 안에 구성되어 있다.(3) 액츄에이터의 경우 펌프 및 밸브가 이용되며 정량 토출(constant delivery)이 중요한 기능이다.
	체내 이식형 약물전달 펌프는 어떠한 효과를 가지는가	암 환자 및 만성통증환자의 통증완화 및 치료를 목적으로 체내 이식형 약물전달 펌프를 많이 사용한다. 약물주입기를 체내에 이식하여 통증 전달 신경 경로인 척수에 직접적으로 약물을 투여함으로써 기존에 사용되던 체외에서 주입하는 정맥, 경구 투여보다 높은 효과를 가지게 된다.(1)
	연동펌프의 단점은 무엇인가	연동펌프는 로터부의 롤러와 외부 하우징 사이에서 튜브를 압착하고 로터가 회전하면서 생기는 튜브 내부 압력을 통해 유체를 흡입 송출되게 된다. 하지만 이 과정에서 유량맥동(flow fluctuation), 역류(backflow), 로터와 하우징 사이의 맞물림(occlusion)이 완벽하지 않아 유량에 영향을 주는 현상 등의 단점이 존재한다. 이러한 현상은 송출되는 유량이 불안정해지는 결과를 내며 정량토출이 되지 않는 원인을 제공한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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