민감한 장치에 다이어프램 펌프가 작동하는 방법

2020년 3월 19일 낸시 크로티(Nancy Crotti)

다이어프램 펌프는 자전거 펌프처럼 작동하며 구동 모터의 회전당 흡입 및 출력 주기가 1회이며 본질적으로 박동성 흐름을 생성합니다. Dynaflo는 미군을 위해 이러한 효과를 사실상 제거하는 제품을 개발했습니다.

로렌조 메인, 다이나플로

(다이나플로 이미지)

다이어프램 펌프는 가스와 유체의 이동이 필요한 제품 설계자에게 유용할 수 있는 다양한 기능을 제공합니다. 상대적으로 저렴합니다. 이동식 또는 고정식 응용 분야에 적합한 흐름, 압력 및 진공 수준이 가능합니다. 슬라이딩 씰 없이 구성 가능하고 효율적이며 내구성이 뛰어납니다.

이 펌프는 환기에 사용되며 비펄싱 입력이 필요한 다른 압축기 응용 분야에서 작동할 수 있습니다. 가장 큰 장점 중 하나는 유체 경로가 환경으로부터 완전히 밀봉되어 민감한 가스 및 유체를 처리하는 데 이상적이라는 것입니다. 가장 작은 펌프는 길이가 약 30mm(1")이고 손바닥에 맞으며 소량의 공기나 가스를 이동하거나 샘플링하는 데 무게가 12g(0.5온스 미만)에 불과합니다. 견고한 산업용 다이어프램 펌프는 무게가 나갈 수 있습니다. 화학 물질, 유체 및 가스와 관련된 공정 응용 분야의 경우 수백 파운드입니다.

작동 방식은 매우 간단합니다. 가변 속도 전기 모터는 자동차 크랭크샤프트와 같이 중심에서 벗어난 위치에서 커넥팅 로드를 구동하고 커넥팅 로드를 피스톤으로 구동하여 회전 운동을 선형(펌핑) 운동으로 변환합니다. 커넥팅 로드 자유단의 결과적인 변위는 단단한 상자의 유연한 벽을 밀고 당기는 것과 마찬가지로 탄성 다이어프램을 밀고 당기는 데 사용됩니다.

이 상자는 일반적으로 펌프의 "헤드"라고 합니다. 다이어프램의 움직임은 헤드의 체적 변화를 일으키고 따라서 다이어프램이 바깥쪽으로 당겨질 때 진공이 생성되고 안쪽으로 밀 때 압력이 교대로 생성됩니다. 흡입 밸브는 다이어프램이 바깥쪽으로 향하는 동안 가스나 유체가 헤드로 들어가는 것을 보장합니다. 안쪽 스트로크에서는 가스나 유체가 배기 밸브에서 나옵니다. 따라서 이러한 펌프는 배관 방식에 따라 진공 또는 압력을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 그들은 또한 본질적으로 자기 프라이밍을 합니다.

다이어프램 펌프는 커피 메이커부터 의료용 흡인기, 공기 샘플링 시스템 및 혈압 측정 장비에 이르기까지 광범위한 용도로 사용됩니다. 그러나 단점도 있습니다.

대부분의 응용 분야에서 흐름의 박동성 특성은 문제가 되지 않지만, 스스로 호흡할 수 없는 환자를 돕는 의료용 인공호흡기에서는 문제가 발생합니다. Dynaflo는 다이어프램 펌프의 장점을 가지면서도 맥동이 없고, 광범위한 인공호흡 환자에게 적합하도록 광범위한 출력 유량에 걸쳐 작동할 수 있는 인공호흡기용 압축기를 설계해야 하는 과제에 직면했습니다.

해결책은 중앙의 공통 편심에서 구동되는 방사형 펌프 12개가 있는 다중 헤드 다이어프램 펌프였습니다. 이 접근 방식을 사용하면 단일 헤드 펌프에서처럼 각 펌프가 회전당 한 번씩 일반적인 주기를 거치게 됩니다. 그러나 12개의 헤드가 직렬로 연결되어 있으면 12개의 펌프 중 하나가 어느 시점에서든 이웃 펌프와 30도만 떨어져 있어 출력 흐름에 12점 평균 효과가 생성됩니다. 대칭적이고 균형잡힌 디자인은 사실상 진동을 제거하고 모터에 상대적으로 일정한 토크 부하를 제공합니다.

펌프의 방사형 12개 헤드는 필요한 출력 유량과 압력(각각 140l/min(4.9cfm) 및 140mbar(~2psi))에 맞게 최적화되었습니다. 이 방사형 대칭 설계는 맥동 및 진동 문제를 효과적으로 해결하고 모터 구현을 더 쉽게 만들었습니다. 즉, 광범위한 속도에서 작동할 수 있는 로우 프로파일, 긴 수명의 브러시리스 DC 모터입니다. 또한 모터의 대칭 로딩을 통해 단일 또는 이중 헤드 설계의 고르지 않은 로딩에 비해 모터가 더 효율적으로 작동할 수 있습니다.

펌프의 비맥동 출력 유량 및 압력은 또한 폐쇄 루프 제어를 더 쉽게 만들어줍니다. 여기서 하류 유량 또는 압력 센서를 제어 회로에 대한 입력으로 사용하여 환자의 인공호흡 방법을 주의 깊게 제어할 수 있습니다. 여기에 가벼운 무게(1.5lbs./0.7kg)가 추가되어 배터리 구동 장치가 가능한 한 오래 지속되어야 하는 모바일 애플리케이션, 특히 인공호흡기와 같은 현장 기반 의료 장치에 이상적입니다.