파카코리아

소형 펌프의 최적화는 휴대용 의료기기 디자인 설계에 결정적인 역할을 합니다.

 

의료기기 및 진단장비용 소형펌프, 파카코리아  엔지니어링 기술 발전에 힘입어, 의료기기 제조사는 제품 포트폴리오에서 보다 더 휴대성을 높인 많은 제품들을 제공하고 있습니다. 하지만, 지속적인 기술의 발전에도 불구하고, 고객이 요구하는 모든 성능을 상대적으로 작은 인클로져에 맞추는 일은 제품 설계자에게 항상 도전적인 일입니다. 파카 하니핀은 의료기기 장비업체와 함께 보다 우수한 제품을 통해 환자가 혜택을 더 빠르게 얻을 수 있도록 휴대성 이점을 살린 제품들로 공급하는 데에 지속적인 노력을 하고 있습니다. 

 
 
 
 
소형펌프, 파카코리아, 의료기기, 진단장비, 파카하니핀
  • 휴대성을 위한 설계

저희 파카하니핀에서 실시한 실험장비 제조업체 및 사용자에 대한 조사 결과, 부품의 소형화는 실험실 공간을 적게 차지하고, 시약을 적게 소비하며, 더 작은 테스트 샘플을 요구 하는 장비에 대한 수요를 충족시키는 데 있어 핵심 요소라는 것을 알 수 있었습니다. 또한 조사에 참가한 응답자는 이러한 요소가 장비의 총 비용을 줄이는데 가장 중요한 부분이라고 한결같이 말하곤 합니다.

  • 최적화된 펌프 설계 선택

앞서 언급한 제품 사이즈 축소 경향은 펌프와 같은 부품을 어떻게 올바르게 선택하느냐에 달려 있습니다. 최적화된 펌프 설계와 제어방법으로 공압 회로의 설치 면적을 줄일 수 있기 때문입니다. 이것은 종종 더 작은 펌프 사용을 위해 고유량 및 저유량 작동의 균형을 맞추는 것에 의해 실행됩니다. 또한 요청하는 수요와 일치하는 수준에서만 펌프를 작동하여 높은 효율성을 달성함으로써 용량이 더 작고 보다 컴팩트한 배터리 사용할 수 있으며 이 모든 요구를 달성하기 위해서는 펌프 속도와 유량을 능동적으로 제어해야 합니다.

 예를 들면, 환경 모니터링 장치는 종종 작업 공간 환경을 샘플링하기 위해 넓은 동적 유량범위 (a wide dynamic air flow range) 를 필요로 합니다.

 이 장치들은 휴대성이 있어야 하며, 배터리의 재충전 없이 하루종일 작동 할 수 있어야 합니다. 싱글 공압 펌프의 적절한 동적 제어는 이것을 가능하게 하고, 효율을 높이면 배터리 사이즈를 줄일 수 있습니다.

 대부분 생명과학 및 의료기기 및 장비 제조사는 보다 개선된 환자 치료법 및 보다 정확한 환자 모니터링을 위해 펌프 가스 유량 발생 (the pump generated gas flow) 에 대해 더 많은 제어를 요구하고 있는데, 이러한 유량 유연성은 대부분의 다이어프램 펌프를 통하여 가능합니다. 그러나 성공적인 구현을 위해서는 OEM 엔지니어 및 펌프 공급업체 어플리케이션 엔지니어간의 긴밀한 협업이 필요합니다.

 

 

  • 속도 제어 방법 & 실행

속도 제어는 모든 파카의 Precision Fluidics (유체 제어) 모터 유형에 일반적으로 사용됩니다 : 아이언 코어 영구 자석 직류 모터 (PMDC), 코어리스 DC 브러시 모터, 및 브러쉬리스 직류 모터 (BLDC)

모터와 펌프 속도를 제어하는 ​​몇 가지 일반적인 방법이 있고, 이러한 제어가 필요할 때 외부 펄스 폭 변조 (PWM) 제어가 더 바람직하지만, 이러한 제어가 요구 될 때 OEM은 특정 응용 프로그램에 가장 적합한 제어 방식을 결정해야 합니다. 다음 설명을 통하여 다양한 접근 방식을 알아보시기 바랍니다.

 

1. 입력전압 PWM (브러쉬 또는 BLDC)

 전압을 조정하면 모터 속도가 비례하여 변경됩니다. 예를 들면, 12Vdc 펌프의 유량은 6Vdc 에서 천천히 작동시켜 줄일 수 있습니다. (어플리케이션에 따라 다를 수 있음)

전압을 조정하는 것과 마찬가지로, 모터의 속도는 더 낮은 유효 전압으로 감소됩니다. 고정된 입력 전압을 빠른 속도 (종종 20 kHz) 로 끄면 더 낮은 전압이 시뮬레이션 됩니다.

온 / 오프 타임 (on-time, off-time) 비율 (duty cycle) 은 모터에 적용되는 유효 전압을 결정하며, “2-wire” PWM 이라고 하는 이 기술은 장치에서 펌프 속도를 제어하는 가장 간단한 방법 중 하나 입니다.

고객 디바이스의 기본 요구사항은 마이크로컨트롤러와 파워 트랜지스터로부터 생성되는 PWM 신호입니다. 모터 평균 전력을 감소시키기 위해 모터 입력전압은 고주파수에서 켜지고 꺼집니다.

아래의 그림은 속도를 줄이기 위해 “고객 PCBA“에 의해 모터 접지가 전환되는 저 측면 (low side)” PMW 드라이버의 예를 보여 줍니다.2-wire PWM design, miniature pump, life science

 브러쉬 모터의 경우, 2-wire PWM 이 가장 일반적 제어 방법이며 매우 효과적입니다. BLDC 모터에서도 효과적이긴 하나, 몇 가지 한계도 나타납니다.

대부분의 BLDC 모터는 적절히 작동하기 위해 반드시 최소 전압을 유지해야 하는 내부 컨트롤러가 있습니다. PWM 사이클을 입력전압에 적용할 때, 컨트롤러 전자 장치에 대한 유효 전압 또한 감소합니다. 이는 사용 가능한 속도 제어 범위를 제한합니다. 외부 PWM 제어를 사용하면 이러한 상황에서 더 많은 범위를 제공할 수 있습니다.

 

2. 외부 PWM (BLDC 전용)

 모터의 첫 두 전선에 대한 입력 전압은 고정되어 있으며 변경되지 않습니다. 속도는 제 3 전선에 PWM 신호를 인가함으로써 조정되며, 낮은 전류 신호는 고주파에서 외부 접지로 바뀝니다. (시스템 컨트롤러에 의해)

내부 BLDC 모터 컨트롤러는 신호 듀티 사이클 (duty cycle) 에 비례하여 속도를 감소 시키며, 가능한 경우 BLDC 다이어프램 펌프의 속도 제어를 위해 권장되는 방법입니다.

이 방법은 펌프의 가장 동적인 제어를 제공하며, 스위칭 신호에 저전류 트랜지스터가 필요하기 때문에 엔지니어의 전기 회로를 단순화 할 수 있습니다.

 

An external PWM set-up, diaphragm pump, life science

 외부 PWM 이 있는 대부분의 다이어플램 펌프는 PWN 신호를 제공하기 위해 OEM 엔지니어의 장치에 “오픈 드레인 (open-drain)” 또는 “오픈 컬렉터 (open-collector)” 회로가 필요 합니다.

BLDC 모터는 내부 풀업(pull-up) 저항이 있어 오픈 드레인 (open-drain) 또는 오픈 컬렉터 (open-collector) 회로가 PWM 신호의 낮은 부분에 대해 이 전압을 접지로 활성화 합니다.

 

3. 0–5 Vdc 아날로그 속도 입력 (BLDC 전용)

 여기에서, 모터의 첫 번째 두 전선에 대한 입력전압은 고정되어 변경되지 않습니다. 속도는 제3 전선에 인가된 외부 공급 DC 전압을 사용하여 조정됩니다.

내부 BLDC 모터 컨트롤러는 이 신호에 응답하여 입력전압과 선형으로 속도를 감소시킵니다. 예를 들어, 5Vdc 는 100% 속도, 2.5Vdc 는 50%, 0 Vdc 에서는 모터가 작동을 중지 하며, 일부 어플리케이션에서 PWM 신호가 가능하지 않거나, 시스템 설계자가 선호하지 않는 경우도 있습니다.

또한, 많은 BLDC 모터는 외부 아날로그 DC 신호 입력을 제공합니다. 이 경우, 모터에 직유 전압을 공급하여 작동시키지만, 별도의 저전류 0 to 5 Vdc 입력은 펌프의 속도를 제어하며. 실제 제어 전압 범위는 모터에 따라 다를 수 있지만, 개념은 동일합니다. :  0 Vdc 신호는 모터를 비활성화 하고, 5 Vdc 는 최재 속도를 나타내며, 0 ~ 5Vdc 범위에서 펌프의 속도를 조정합니다.

 

4. 속도 모니터링- 타코미터

 많은 BLDC 모터는 타코미터 신호를 출력 할 수 있어 엔지니어의 장치가 실제 펌프 속도를 모니터링 할 수 있습니다. 신호는 펌프의 속도를 결정하는데 사용할 수 있는 디지털 펄스 신호이며, 이는 펌프가 매우 천천히 작동해야 하는 경우에 유용합니다. 이 정보로 만약 펌프가 작동을 멈추기 시작하면 장치 컨트롤러가 속도를 높일 수 있습니다. 또한 적절한 시스템 기능을 확인하기 위한 추가적인 안전 및 진단 피드백을 제공합니다.

Tachometer output signal, diaphragm pump, life science

5. 제어입력 대 속도

 모터에 대한 속도 제어 신호는 유량을 감소 또는 증가 시킵니다. 그러나 직접적인 선형 관계는 아닙니다. 따라서, 고정된 50% PWM 신호에서 펌프의 속도는 감소하지만 정확히 50% 는 아닙니다. 또한, 펌프의 부하가 변함에 따라, PWM 신호가 고정되는 동안에도 펌프의 속도는 변경됩니다. 최대 모터 속도는 펌프 구성 또는 어플리케이션에서 압력/진공 부하에 의해 감소 되어 질 수 있습니다. 토크와 속도는 선형 관계가 있으며, 펌프를 작동시키는 데 더 많은 토크가 필요 할 때, 모터는 느려 집니다.

 

6. 모터 멈춤

 펌프가 작동을 멈출 때 펌프 모터는 손상을 입을 수 있습니다. 모터의 로터가 이 위치에 잠겨있고 전원이 모터에 공급되면 열이 증가하여 내부 컨트롤러에 손상이 발생 될 수 있습니다. 속도를 감소 시키기 위해 속도 제어를 사용할 때, 모터 멈춤이 발생할 가능성이 있으므로, 면멸히 모니터링 해야 합니다. 시스템 설계자는 펌프에 전원을 공급하기 위해 안전 전류 제한 또는 퓨즈 장치를 하는 것이 좋습니다. 이는 멈춤 현상이 발생할 경우 펌프 모터 및 시스템의 손상을 방지 하는 데 도움이 됩니다.

 

7. 감소된 속도로 재가동

 속도 제어 방법을 사용하면 모터 유효전력이 감소합니다. 재가동 중에 속도가 감소하면, 시동 토크가 감소합니다. 설계자는 속도가 감소될 때 모든 조건 (예, 압력 부하 및 작동환경 온도에서) 에서 펌프를 재가동 할 수 있어야 합니다

 

8. 권장 주파수

 PWM 속도 제어 방법 사용시, 권장 주파수는 20kHz 입니다. 20kHz 미만의 주파수는 윙윙 거리는 소리를 낼 수 있습니다. 더 높은 주파수 사용 시 트랜지스터 상승 및 하강 시간으로 제어 범위가 제한 될 수 있습니다. 트랜지스터가 충분히 빠르게 스위칭 할 수 없기 때문에 0% 또는 100% 로 낮거나 높은 듀티 사이클 (duty cycle) 신호를 나타나도록 빨리 전환 할 수 있습니다. 또한 일부 모터 및 제어 회로의 경우, 20kHz 보다 큰 PWM 주파수로 인해 효율이 저하 될 수 있습니다.

 

 이번 포스팅에서 보셨다싶이, 엔지니어링 및 제품 설계에 관련된 많은 분야에서는 뛰어난 OEM 엔지니어와 고유한 전문 기술을 가진 부품 공급 업체의 긴밀한 협력을 필요로 합니다. 이것은 곧 제품 디자인 측면에 더 나은 결과를 가져오는 핵심적인 부분이기 때문입니다. 

 따라서, 가장 최적화된 펌프 선택을 해야만이 더 작고 효율적이며, 휴대성이 높은 의료 및 생명 과학 장비를 생산 할 수 있습니다. 모터 및 펌프 설계 분야에서 오랜 기간 축적된 파카(Parke Hannifin) 의 지식과 전문성은 고객 맞춤화 및 프로토 타입 생산 속도를 높여 엔지니어링 시간 및 비용을 줄이는 데 도움을 드릴 것 입니다.

 

체외 진단 장비에 적용되는 펌프 및 메디컬 솔루션은 홈페이지에서 확인 가능합니다.

 

카테고리
작성자별

빅테이터 활용 인버터 드라이브 기술 인버터 드라이브 기술, 이미 지난 기술인가? 숨은 미래의 영웅인가?

   인버터 드라이브는 지난 20년 동안 많이 변화했을까요? 언뜻 보기에는 그렇지 않습니다.     기본 드라이브 기술에 있어서는 의미 있는 도약이 이뤄지지 않다고 보는 이유는, 업계에서는 여전히 IGBT가 사용되고 있고, 몇 세대에 걸쳐 진화해 오긴 했지만 이것은 근본적으로 동일한 기술에 기반하고 있기 때문입니다.  하지만 이러한 명백한 진화 부족은...

한층 더 진보한 서보 드라이브 기술, 파카코리아 PSD와 PAC을 이용한 새로운 서보 솔루션 개발

 산업 현장에서 기계 제조 업체에 대한 요구사항은 계속 늘어나고 있습니다. 다양한 생산 공정에 맞추어 기계를 유연하게 운영할 수 있어야 하며, 공정을 멈추지 않고도 설비의 설정 변경 및 조정이 가능해야 합니다. 또한 생산성 향상을 위한 사이클 타임(cycle time)은 단축 되어야 합니다.  더불어 기계 및 시스템 장비의 자동화 단계가 높아지면서 서보...

압착 방식으로 10초만에 동 파이프를 연결, 무용접 피팅 ZoomLock 동영상

 지난 번 포스팅에서 무용접 피팅 ZoomLock을 소개 드린 적이 있습니다.   ​ ​ZoomLock의 가장 큰 특징은 최대 700 psi의 냉난방공조 시스템의 압력을 견딜 수 있도록 특허 받은 압착 연결 방식이라는 것입니다. 따라서 동 파이프를 연결할 때 용접 작업이 필요 없고 기존 작업시간을 60%까지 절감시켜 드립니다.  ​그래서 슈퍼마켓, 병원,...
의견

댓글 소형 펌프의 최적화는 휴대용 의료기기 디자인 설계에 결정적인 역할을 합니다.

댓글남기기





Captcha