Development of Radial Piston type Water Hydraulic Pump for High Pressure Injection

기술해설

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79 고압 인젝션을 위한 소형 레이디얼 피스톤 펌프 개발

Development of Radial Piston type Water Hydraulic Pump for High Pressure Injection

함영복․김종대

Young Bog Ham and Jong Dae Kim

1. 서 론

액체를 고압으로 인젝션하기 위한 장치는 요구에 따라 높은 압력을 지속적으로 생성할 수 있어야 할 뿐만 아니라 안정적으로 작동해야 하기 때문에 레 이디얼 피스톤 펌프가 적합하다.

일반적인 레이디얼 피스톤 펌프는 편심캠 외주가 롤러 베어링으로 되어있고 피스톤 끝단 형상은 평 면으로 피스톤과 선접촉을 이루는 메커니즘으로 피 스톤이 틸팅됨으로써 실린더와 피스톤 사이의 간극 을 통해 누유가 발생할 뿐만 아니라, 피스톤이 실린 더와 고체마찰을 일으켜 마찰 손실을 가져오게 한 다.^1,2)

이 논문에서는 피스톤과 편심캠이 구름접촉으로 동작하며 실린더 보어에 리니어 볼 부싱을 사용하 여 피스톤의 마찰을 줄인 소형 레이디얼 피스톤 펌 프의 구조를 설계하고 제작된 소형 레이디얼 피스 톤 펌프의 성능을 측정하기로 한다.

2. 소형 레이디얼 피스톤 펌프 설계

종래의 레이디얼 피스톤 펌프는 Fig. 1과 같이 편 심캠의 외표면과 각각의 피스톤 단부가 면 접촉 혹 은 선 접촉을 이룬 상태에서 미끄럼운동을 하므로 편심캠과 각각의 피스톤간의 마찰과 마모가 심하게 발생되어 기계적 효율이 저하되고 과도한 소음이 발생되는 문제점이 있다.

center of rotation center of cam

Fig. 1 Typical radial piston type

이러한 마찰을 줄이기 위한 기존의 연구로는 Fig.

2에서 보이는 것과 같이 볼을 이용한 메커니즘이 있다. 편심캠에 볼베어링을 적용하고 편심캠과 접촉 하는 구조와, 피스톤 하단부에 볼이 고정될 수 있는 홈을 가공하여 선접촉이나 면접촉이 아닌 구름접촉 이 발생하도록 구성한 형태이다.

(a) Ball bearing

(b) Ball-piston

Fig. 2 Mechanism of radial piston pump

본 연구에서는 이러한 메커니즘을 적용하여 Fig.

3과 같이 편심캠과 피스톤을 금속소재의 볼로 연결 하여 구름접촉을 할 수 있도록 설계했다. 볼은 피스 톤 하단의 홈에서만 위치하고 편심캠과는 구름접촉 을 하기 때문에 측력이 감소하고, 따라서 볼과 피스 톤이 동심을 이루며 상하운동을 할 수 있다. 누유를 막기 위해 실린더 보어에는 V-ring을 설치하고, 리

groove

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니어 볼 부싱을 장착하여 상하 왕복운동 시 실린더 내경과 피스톤 간 마찰을 줄일 수 있도록 하였다.

피스톤은 세라믹재질로 만들어졌고, 펌프유로 양단 에는 고압을 견딜 수 있는 볼 체크밸브를 설치하여 정해진 방향으로만 액체를 흡입, 토출할 수 있도록 하였다.

Fig. 3 Design of compact radial piston pump

축이나 피스톤의 왕복운동이 이뤄지는 부분의 누 유를 방지하기 위해 설치하는 Seal 은 Fig. 3에서 보 이는 것과 같은 형태의 Gland packing 과 V-packing 이 많이 사용된다. Gland packing 은 Gland와 여러 겹의 Packing 등으로 구성되고 구조는 Fig. 4 (a) 와 같다. V-packing 은 상단과 하단에 Adaptor 가 있고 Adaptor 사이에 여러 개의 Pressure ring 혹은 V-ring 이 겹쳐져 있는 형태로 구성되어 있다. 장착되는 Pressure ring 의 갯수는 사용하는 압력에 따라 다르 다. 본 연구에서는 1개의 V-packing 만으로도 펌프 작동 시 누수와 오염물질의 유입을 충분히 방지할

(a) Structure of gland packing

(b) Gland packing

(c) V-packing (multiple)

(d) V-packing (single)

Fig. 4 Gland packing and V-packing

수 있을 것이라 판단하여 설계하였다. 사용된 V-packing 의 사양은 Table 1과 같다.

Table 1 Specification of V-packing

inner diameter, ϕd [mm] 10 outer diameter, ϕD [mm] 20 height, h [mm] 7.5

material urethane

Fig. 5 Prototype of compact radial piston pump

제작된 소형 레이디얼 피스톤 펌프의 실물과 펌 프를 구동시키는 모터를 결합한 모습은 Fig. 5 와 같다. Table 2 에서 보이는 것과 같이, 피스톤의 직

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경은 10 mm, 편심캠의 편심량은 4 mm 이다. 구동 모터는 MAXON 사의 모터를 사용하였고 분당 회전 수는 무부하시 7740 rpm 이고. 111:1의 감속기어를 사용하여 분당 70 rpm 으로 펌프를 작동시킨다. 본 논문에서 개발된 소형 레이디얼 피스톤 펌프의 배 제용적과 토출유량은 다음 식과 같다.

_{   × }



^

×_ (1)

_ _ (2)

윗 식에서 _ 는 펌프의 이론배제용적이고

_는 이론유량,  는 편심캠의 편심량이고 

는 펌프의 피스톤 수,  은 모터의 분당 회전수 이다.

Table 2 Design specifications of developed pump eccentricity,  [mm] 4 piston diameter,  [mm] 10 number of piston,  [EA] 1 rotation speed, N [rpm] 70 volumetric displacement, _ [cc/rev] 0.63

3. 실험 및 결과

3.1 실험장치 구성

제작한 소형 레이디얼 피스톤 펌프의 성능을 측 정하기 위해 구성한 실험장치는 Fig. 6와 같다. 구동 모터에 전력을 공급하여 펌프가 작동되면 저수조에 서 물을 흡입 및 토출하고 토출압력은 디지털압력 센서에서 측정되어 인디케이터에서 표시된다. 토출 압력은 릴리프밸브를 사용하여 대기압에서 200 bar 까지 단계적으로 조절하고 토출된 물은 디지털저울 로 무게를 측정하여 유량으로 환산한다. 각각의 구 성장치들은 SUS재질의 튜브로 연결되고 물이 역류 하는 것을 방지하기 위해 구성장치들 사이에 3개의 체크밸브를 추가했다. 펌프를 구동시키기 위한 구동 모터는 24 V의 DC파워서플라이에서 전력을 공급받 아 작동한다. 구성한 실험장치들을 도식화한 회로도 는 Fig. 7 과 같다.

Fig. 6 Apparatus of experimental equipment

Fig. 7 Test circuit for developed pump

3.2 실험결과

제작한 소형 레이디얼 피스톤 펌프의 토출실험 결과는 Fig. 8 에서 나타나는 것과 같다. 릴리프밸브 를 사용하여 토출압력을 대기압에서부터 200 bar까 지 20 bar씩 단계적으로 증가시키며 토출되는 유량 을 측정했다. 부하압력을 가하지 않은 상태에서 측 정되는 토출유량은 25 ml/min 로 나타났다. 릴리프 밸브로 부하압력을 가하기 시작하면 20 bar까지 14 ml/min로 급감하였지만, 이후로는 부하압력이 20 bar 씩 단계적으로 증가함에 따라 토출유량이 아주 천천히 감소하는 경향을 보였다, 토출유량이 감소함 에 따라 체적효율 또한 서서히 감소하는 경향을 나 타냈다. 펌프의 성능실험 중 누수는 발생하지 않았 고, 피스톤이 왕복운동을 하는 부분에서의 누수 또 한 발생하지 않았다.

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4. 결 론

액체의 고압 인젝션을 위한 소형 레이디얼 피스 톤 펌프를 설계하고 시작품을 제작하였다. 피스톤과 편심캠 간의 마찰을 줄이기 위해 볼을 사용하여 구 름접촉을 할 수 있게 하고 실린더 보어에 리니어 볼 부싱을 적용했다. 피스톤이 왕복운동을 하는 부 분에는 V-ring을 적용하여 누유와 오염물질의 유입 을 방지할 수 있도록 설계했다. 제작된 펌프는 실험 을 통해 성능을 확인했고 결론은 다음과 같다.

1) 무부하시의 유량은 25 ml/min이고 부하압력을 20 bar로 가할 시 토출유량은 14 ml/min으로 급감하 지만, 이후로는 압력이 증가함에 따라 아주 천천히 감소했다. 200 bar 에서의 유량은 약 13 ml/min으로 20 bar에서의 유량과 큰 차이가 없었다.

2) 본 연구를 통해서 인젝션을 위한 소형 레이디얼 피스톤 펌프의 토출성능을 확인했고, 차후 연구에서 는 펌프효율을 향상시킬 방안을 도출할 계획이다.

References

1) J. S. Gu, D. M. Kim, Y. B. Ham and S. D. Kim,

“A study on Characteristic of Compact Radial Ball Piston Pump”, Spring Conference of KSME, pp.

301～304, 2011.

2) Y. B. Ham, J. G. Cha, D. M. Kim, T. W. Kong, et al. “Development of piston contact mechanism for piston pump”, KFPS, pp. 48～52, 2010.

3) Y. B. Ham, T. W. Kong, K. Y. Ahn, B. S.

Kweon, “Development of Radial Piston Oil Compensating Pump”, Spring Conferense of KHNES, pp. 37～41, 2008.

4) Y. S. Jang, S. M. Chun, Y. C. Rhim, “A Characteristic Study of Efficiency in Radial Piston Pump”, Journal of KSTLE, vol.16 No.4, pp. 259～

265, 2000.

[저자 소개]

함영복

E-mail : [email protected] Tel : 042-868-7157

2003년 금오공과대학교 기계공학과 박 사. 2004년 일본 동경공대 및 야마나시 대 객원연구원. 1990년～현재 한국기계 연구원 극한에너지기계연구실 책임연구 원. 유압 피스톤 펌프 및 모터, 수압 피스톤 펌프, 압전 액추 에이터를 적용한 펌프, 디스펜서, 약물 인젝션 디바이스 연구 에 종사. 대한기계학회, 한국정밀공학회, 한국동력기계공학회, 유공압건설기계학회의 회원. 공학박사

김종대

E-mail : [email protected] Tel : 042-868-7168

2013년 한국교통대학교 기계공학과 학 사, 2016년 현재 충남대학교 기계공학과 석사 과정. 유공압건설기계학회 회원