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능동형 체크 밸브를 이용한 고출력 압전 마이크로펌프
High-output Piezoelectric Micropump Using Active Check Valves 원문보기

대한기계학회 2003년도 추계학술대회, 2003 Nov. 05, 2003년, pp.1864 - 1869  

박중호 (일본 동경공업대학 정밀공학연구소, 한국기계연구원(KIMM) Brain Pool) ,  요시다 카즈히로 (일본 동경공업대학 정밀공학연구소) ,  요코타 신이치 (일본 동경공업대학 정밀공학연구소) ,  함영복 (한국기계연구원(KIMM) 정보장비그룹) ,  윤소남 (한국기계연구원(KIMM) 정보장비그룹)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A novel piezoelectric micropump using active check valves in place of conventional passive check valves in inlet and outlet has been proposed and investigated. It actively controls open/close motion of check valves using piezoelectric actuator for expansion/contraction of pump chamber. In this paper...

AI 본문요약
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제안 방법

  • 정밀하게 조립하면 토출유량 특성이 향상될 수 있으나, 본 연구에서의 실험 여건상 시제품 펌프를 사용할 수 밖에 없는 상황이었다. 다음에 흡입측과 토출측의 인가전압 위상차를 180°로 고정하고, 펌프실 구동 전압파형에 대하여 흡입 측 능동형 체크 밸브의 개/폐 타이밍을 제어하여 실험을 하였다. 그 결과 흡입측에서 15°, 토출 측에서 195°의 위상을 지연시켰을 때에 구동 주파수 2.
  • 압전 액쥬에이터를 이용한 능동형 체크 밸브는 밸브장착 서브 플레이트에 접촉하는 원판형상의 밸브 액츄에이터의 직경을 크게 함으로써 밸브 개구면적의 확대를 꾀하고 있고, 압전 액츄에이터가 작동유체에 직접 접촉하는 것을 방지하기 위하여 벨로우즈를 사용하여 밀봉하고 있다. 또한 능동형 체크 밸브의 상부측은 나사에 의해서 높이의 조정이 가능하도록 하였고, 압전액츄에이터가 최대변위가 되었을 때에 체크 밸브가 흡입포트 혹은 토출포트를 완전히 닫을 수 있도록 설정하였다.
  • 나타낸다는 점 등을 확인하였다. 또한 얻어진 실험결과에 기초하여 흡입측 및 토출측 능동형 체크 밸브의 밸브 액츄에이터를 일체화한 능동형 셔틀 밸브를 제안함과 동시에 소형화를 꾀한 10x10x10mm3 크기의 새로운 동작 원리의 마이크로 펌프를 설계, 제작하여 특성실험을 하였다. 본 연구에서 수행되어진 고출력 마이크로펌프와 같은 새로운 유체기계요소는 마이크로 공작기계와 인간 친화형 지능로봇 등의 분산 유체동력원으로서의 응용이 기대되어진다.
  • 부하압력은 토출포트에 연결된 가변교축기를 조정하여 인가하고 압력계로 측정한다. 무부하시의 주파수-유량 특성에 있어서는가변교축기가 완전히 열린 상태에서 유량은 단위 시간당 유출한 물의 질량을 밀도로 나누어 구하였다.
  • 본 연구에서는, 상기 펌프의 밸브 개/폐 타이밍 제어에 대한 부하 특성 및 양방향 유량 특성을 상세한 실험적 검토로 수행하였으며, 또한 얻어진 결과에 기초하여 흡입측 및 토출측 체크 밸브의 밸브 액츄에이터(가동부)를 일체화한 능동형 셔틀밸브를 제안함과 동시에 소형화를 의도한 10X10X10mm3 크기의 새로운 마이크로 펌프를 설계, 제작하여 특성실험을 수행하였다.
  • 부하압력에 대한 토출유량 특성을 구하였다. 구동주파수는 무부하시의 특성실험에서 최적으로 구해진 2.
  • 상기 문제점의 대책으로써, 압전 액츄에이터에의해 능동적으로 체크 밸브의 개/폐 타이밍을 제어하는 능동형 (active) 체크 밸브를 제안하여, 유효사이즈 17x8x11mm3 의 펌프를 제작하였다. 제작된 펌프는 무부하시 토출유량 특성실험을 통하여 밸브 개/폐 타이밍 제어에 의한 유효성은 입증되었으나(9), 부하압력에 대한 토출 유량 특성과 양방향 유량 특성 분석이 이루어지지 않아 여전히 연구과제로서 해결이 필요한 상태이며, 전술한 바와 같은 마이크로머신이나 마이크로팩토리 분야에 적용을 위해서도 상세한 해석이 필요하다.
  • 5x5 mm3,5, 5pm@150V)이다. 신호발생기로부터 출력된 전압을 컴퍼레이터 (comperator)와 D 플립플롭(flip-flop) 소자를 이용한 위상천이용 전자회로를 통해서 일본 ㈜MESTEK 의 고출력증폭기(M-2643, 3 채널모드시 출력 1.5A)로 150Vp-p 까지 증폭하여 3 개의 압전 액츄에이터에 각각 인가한다. 펌프실 구동용 전압 파형에 대해서 흡입측 능동형 체크 밸브에서는 -90°에서 +90°까지, 토출측 능동형 체크 밸브에서는 +90°에서 +270°까지 독립적으로 위상을 변화시킴으로써, 능동적으로 밸브 개/폐 타이밍 제어를 수행한다.
  • 이상의 결과에 기초하여 능동형 체크 밸브를 최적으로 구동할 수 있는 위상차를 구하기 위하여 흡입 측 또는 토출측 능동형 체크 밸브의 위상차를 15° 또는 195°로 고정하여 토출측 혹은 흡입측 인가전압의 위상을 각각 변화시켜서 실험을 하였다. 이 두개의 결과를 종합하여 Fig.
  • 저자의 일부는, 벨로우즈와 압전소자 등으로 구성되는 펌프 구동부의 공진에 의한 고출력 화를 위해 간단한 메카니즘의 압전 마이크로펌프를 제안하여 시제품을 제작하였고, 실험적 검토를 통해서 타당성과 유효성을 실증하였다(6). 그러나마이크로머신으로의 응용이 기대되는 균일계ER(Electro-rheological) 유체(7)와 같은 비교적 점도가 높은 액체의 펌핑 및 마이크로팩토리 내부의 각 공작기계와 반송장치의 구동에는 보다 향상된 마이 크로펌 프로 고출력 화가 요구되어 진다.
  • 전술한 실험결과에 기초하여, 흡입측 및 토출 측 능동형 체크 밸브의 밸브 액츄에이터를 일체화한 새로운 구동원리의 능동형 셔틀 밸브를 제안한다. Fig.
  • 제안한 능동형 셔틀 밸브를 이용하여 소형화를 목적으로 새로운 마이크로펌프를 제작하였다. 펌프의 개 략도를 Fig.
  • 주파수-유량 특성의 실험결과를 Fig. 3 에 나타낸 바와 같이, 처음에는 흡입측 능동형 체크 밸브의 개/폐 타이밍을 펌프실 구동의 수축/신장 타이밍에 일치시켜 실험을 하였고, 흡입측과 토출측 능동형 체크 밸브에 인가하는 전압의 위상차는 180°로 고정하였다. Fig.

대상 데이터

  • 8mm 이다. 능동형 셔틀 밸브의 밸브 액츄에이터의 재질은 스테인리스이고 폭3.2mm, 길이 3.62mm, 두께 0.2mm 이다. 간단한 계산에 의해서 구해진 고유 진동수는 38kHz 이고 펌프실의 용적변화에 고응답으로 추종 가능하다고생각되어진다.
  • 2 에 나타낸다. 시제품 펌프에 사용된 압전 액츄에이터 (펌프 구동부: 1 개, 흡입 및 토출측 능동형 체크 밸브부: 2 개)는, 독일 PIEZOMECHANIK 의 PSt150/2x3/5 (3x4.5x5 mm3,5, 5pm@150V)이다. 신호발생기로부터 출력된 전압을 컴퍼레이터 (comperator)와 D 플립플롭(flip-flop) 소자를 이용한 위상천이용 전자회로를 통해서 일본 ㈜MESTEK 의 고출력증폭기(M-2643, 3 채널모드시 출력 1.
  • 펌프실 구동용 전압 파형에 대해서 흡입측 능동형 체크 밸브에서는 -90°에서 +90°까지, 토출측 능동형 체크 밸브에서는 +90°에서 +270°까지 독립적으로 위상을 변화시킴으로써, 능동적으로 밸브 개/폐 타이밍 제어를 수행한다. 작동유체에는 기포를 제거한 수도수(tap water)를 사용하였다. 부하압력은 토출포트에 연결된 가변교축기를 조정하여 인가하고 압력계로 측정한다.
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