KR20110070972A - 압축성 유체 펌핑 장치 - Google Patents

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테리 에이. 버거
킴버 디. 포겔먼
에드윈 이. 윅포스
톰프슨 엘. 3세 슈타츠
사무엘 콜게이트
마이클 에이. 케이슬
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오로라 에스에프시 시스템즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 압축성 유체를 펌핑하는 장치와 방법에 관한 것으로, 유체의 압력을 높이는 제1 펌프; 제1 펌프에 직렬로 연결되어, 제1 펌프에서 압축 유체를 받고 이 유체를 출구로 보내는 제2 펌프; 및 제1 펌프와 제2 펌프 사이에 연결되고, 제2 펌프에 들어가기 전의 압축 유체의 열을 조절하는 열교환기;를 포함하고, 제2 펌프로 들어가는 유체의 입력 압력이 제2 펌프의 출구에서의 유체의 출력 압력과 비슷하게 유지되어, 제2 펌프의 입출구 사이를 이동하는 유체의 밀도변화가 최소화되도록 한다.

Description

압축성 유체 펌핑 장치{A COMPRESSIBLE FLUID PUMPING SYSTEM}
본 발명은 압축성 유체를 펌핑하는 장치와 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 고압에서 압축성 유체를 펌핑하는 것에 관한 것이다.
펌핑 방법은 여러가지가 있지만, 대부분 공정물을 통해 유체나 슬러리를 운반하는데 필요하다. 펌프는 수두압, 계량정확도, 온도, 입자 허용오차, 유체 점도, 가격, 안전성, 서비스요금, 기타 여러 인자에 따라 선택된다. 펌프는 크게 2가지로 분류할 수 있다. 용적형 펌프는 작동유체들을 일정량씩 분리하여 정해진 방향으로 움직인다. 운동펌프는 유속의 국부적 증가를 일으키는 시스템에 운동에너지를 추가하여 작동한다. 운동에너지가 위치에너지, 즉 펌프 출구의 압력으로 바뀌는 것이다.
도 1~3은 여러가지 용적형 펌프를 보여준다. 도 1은 로브펌프로서, 입자부하량이 문제가 될 수 있는 고용적 저압에 사용하는 것이다. 펌프헤드(1)의 회전 로브(2,2')는 물리적 접촉과 마모 방지를 위해 허용오차가 높도록 설계된다. 허용오차가 높으면 압축유체가 저압측으로 되돌아갈 우려가 있다. 이렇게 되면 펌프가 도달하는 압력수두가 20바 미만으로 제한된다. 도 2는 외접기어펌프라고도 하는 로터리펌프로서, 펌핑 동작은 로브펌프와 비슷하지만 허용오차를 임의로 결정할 수 있다. 그 결과, 수백 바 정도의 압력수두를 얻을 수 있고 유체의 점도는 0.05~100000 cP 정도이다. 고압고온에서 기어(3,3')의 마모가 상당하여 저압측으로의 누수를 일으킨다. 두가지 스타일의 로터리펌프 모두 밀폐된 케이스(4)에 격리되고 자기결합 모터로 구동된다. 이 펌프는 유동씰을 사용하지 않고도 외부로의 누수를 방지한다는 점에서 큰 장점을 갖는다. 자기결합은 직접구동보다 낮은 토크제한을 갖지만, 기어펌프는 대개 30~50 바 미만의 차압에만 이용할 수 있다. 로브펌프와 기어펌프의 다른 장점은 연속적이면서 진동이 없다는 것이다.
도 3에 도시된 것과 같은 왕복펌프는 100~1000 바 정도의 고압, 고순도와 1% 미만의 유량변동이 필요한 유체를 펌핑하는 중요한 공업수단이다. 왕복펌프는 기계식/공압식 피스톤펌프, 기계식/유압식 다이아프램 펌프를 포함해 몇가지 종류가 있다. 이런 펌프는 저압 입력측과 고압 출력측 사이에 유체를 전달하는 헤드(5)가 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 펌핑된 유체의 내부용적을 물리적으로 조절하는 수단이 펌프헤드마다 들어있다. 작동 중에, 펌프헤드(5)의 피스톤(7)은 캠(8)으로 구동되고, 캠은 펌프헤드 용적을 늘리면서 입구(5)로부터 유체를 흡입하고, 용적을 줄이면서 출구(7)로 유체를 내보낸다. 대부분의 왕복펌프는 일방향으로만 동작한다. 유동방향은 체크밸브(6',7')에 의해 제어되고, 체크밸브들은 흡입, 배출 과정 동안 펌프헤드와 입출구 압력을 격리한다. 출구압력은 일반적으로 펌프에 의해 조절되는 것이 아니라, 펌프에 의한 작동유의 하류측 저항에 의해 조절된다.
왕복펌프는 헤드의 수에 특징이 있다. 헤드가 하나인 펌프를 단식펌프라 하고, 2개, 3개, 4개인 펌프를 각각 복식, 3중식, 4중식 펌프라 한다. 작동유체가 거의 연속적이려면 하나의 헤드가 흡입하는 동안 다른 헤드가 전달을 해야만 해서 헤드가 2개 이상 필요하다. 그러나, 운동의 특성상 정지가 일어나고 양방향 운동이 제한되기 때문에, 왕복펌프는 연속 로터리펌프를 개략적으로 모방할 수 있을 뿐이다. 일반적으로, 주어진 유량에서 헤드 수가 많을수록 배출 유체의 진동은 낮아진다.
피스톤펌프로 펌핑되는 유체가 상대적으로 비압축성이면, 이런 펌프를 흔히 정량펌프라 하는데, 이는 유체의 용적이 펌프헤드내의 피스톤이나 다이아프램의 기계적 용적변화와 일치하도록 되어있기 때문이다. 왕복펌프의 정량적 사용례의 가장 좋은 예는 주사기가 있는데, 이 경우 유리주사기로 수용액을 흡입하여 하류측 용기에 아주 정확하게 분배한다. 이렇게 2바 미만의 저압에서는 수용액의 압축이 거의 일어나지 않으므로 정확한 이동을 추정할 수 있다.
왕복펌프가 영구기체와 같은 고압축성 유체에 사용될 때는 압축기나 가스부스터라 불리운다. 가스부스터는 펌프의 성능에 미치는 유체압축의 영향의 대표적인 예이다. 이 경우, 일반적으로는 입출구 사이의 기체압력이 증가한다. 가스부스터의 기본적 특징은 압축비에 있다. 압축비는 흡기행정의 피크점에서 펌프헤드가 체크밸브들 사이에서 격리될 수 있는 최대 용적과 송출행정의 끝까지 줄어든 최소 용적의 비이다. 따라서, 압축비 7:1이란 흡입한 총 용적이 송출행정 끝에서의 잔류용적보다 7배 크다는 것이다.
도 4는 가스부스터에서의 펌프헤드의 압축행정이나 송출행정을 보여준다. 펌프헤드(10)는 실린더(12), 피스톤(14) 및 입출구 체크밸브(16,18)로 구성된다. 송출행정에서 실린더 내부는 압축용적(20), 송출용적(22) 및 잔류용적(24)으로 구분된다. 압축행정중에, 용적이 줄어들면서 유체에 열역학적 일이 가해지면서 가열된다. 온도가 상승하고 용적이 줄어들수록 유체 압력은 증가한다. 온도가 상승하면, 유체가 단순한 등온 용적변화로 계산한 것보다 더 빨리 송출압력에 도달한다. 피스톤이나 실린더 벽면으로의 열손실이 없는 단열 상태라면, 주어진 기체에 대한 엔트로피 테이블에서 쉽게 계산할 수 있다. 유체에 생긴 열은 일반적으로 원하는 것보다 상당힌 낮은 밀도에서 기체로 전달되기 때문에 비효율의 원인이 된다. 하류 용기를 압축기체로 좀더 치밀하게 채우기 위해 압축 폐열을 제거하려면 부스팅 과정에서 냉각단계가 필요하다.
송출행정의 끝에 잔류유체가 없도록 펌프헤드를 설계하는 것은 불가능하다. 허용오차를 너무 작게하면 마모율이 커지고 밀봉면이 빨리 망가진다. 도 4에서는 피스톤 행정의 끝에 남아있는 잔류용적을 볼 수 있다. 일반적으로, 기체압력을 높이기 위해서는 용적을 가능한 작게하고 압축비를 크게하는 것이 좋다. 펌프헤드에 고온의 기체가 잔류하면 펌프효율이 더 떨어지는데, 이는 흡입행정 동안 펌프헤드에 새로운 유체가 들어오기 전에 잔류유체가 먼저 입구압력 밑으로 팽창하기 때문이다. 끝으로, 펌프헤드 자체의 압축성 가열은 인입 기체를 저밀도로 가열하여 흡입할 때마다 들어오는 유체의 양을 줄이게 된다.
가스부스터의 배출유량의 검사로 압축성 유체를 펌핑하는 것이 아주 어렵다는 것이 밝혀졌다. 펌프헤드마다, 흡입행정에서는 펌프헤드가 채워질 뿐이고 출구로 유체가 송출되지 않는다. 한편, 송출행정에서 유체가 출구로 송출된다. 피스톤형 가스부스터에서는 피스톤이 전진하면서 유체를 밀어낼 때 온도와 압력은 상승하지만 유체는 출구압력에 이를 때까지 방출되지 않는다. 입구압력이 1바이고 출구압력이 2바이면, 피스톤의 행정길이의 거의 절반은 송출이 시작되기 전에 유체를 압축하는데에만 사용된다. 출구압력이 상승할수록, 송출행정 중의 점점 더 작은 용적이 배출류로 방출된다. 가스부스터에서 출구압력이 7바에 이르고 압축비가 7:1이 될 때까지, 거의 모든 행정길이는 압축에 사용되고 배출류로 방출되는 용적은 거의 없거나 전혀 없다.
흡입행정과 송출행정 시간이 같으면, 압력이 2바일 때 전체 펌프사이클 중의 25%에서만 유체가 송출된다. 복식 부스터펌프일지라도, 그 시간의 50%에서만 유체가 송출된다. 출구압력이 7바에 이를 때까지, 펌프는 상기 시간의 최대 1%만 송출을 한다. 그 결과, 대부분의 부스터 펌프는 압력형이지 유량형이 아니다. 압축 작업때문에 매 행정당 송출량을 정확히 계산할 수 없으므로 이런 사항은 정량펌프에서는 전혀 고려되지 않는다.
경우에 따라서는 고압에서 유체를 연속적으로 정확하게 계량할 수 있는 펌프가 필요할 수 있다. 기체, 액화기체, 액체, 초임계유체를 포함한 어떤 유체라도 압력을 받으면 체적은 줄고 어느정도까지는 온도가 상승한다. 일반적으로, 압축효과는 헬륨과 같은 영구기체, 액체 이산화탄소와 같은 액화기체 및 물과 같은 순수액체 사이에서 크게 다르다. 그러나, 출구압력이 충분히 높다면, 아무리 물이라도 펌프의 배출류에 송출되기 전에 어느정도는 압축되어야 한다.
물은 기본적으로 작용된 압력 단위당 일어나는 용적변화량을 표시하는 힘상수를 갖는 스프링처럼 행동한다. 이런 힘상수는 압축율이라고도 하고 그 단위로는 bar-1을 많이 사용한다. 섭씨 20도의 물의 일반적인 허용 압축율은 46x10-6bar-1이다. 따라서, 1바의 압력을 추가할 때마다 물의 용적이 0.0046%씩 줄어들어 1000바의 압력을 더하면 4.6% 줄어든다. 실제로는 물이 완전히 스프링처럼 행동하지 않고 초고압에서는 압축율이 작아저 4.6%의 용적변화는 과장된 면이 없지 않다. 그럼에도 불구하고, 100~1000 바의 압력에서는 송출펌프 행정의 어느 지점을 물의 압축으로 표시할 수 있어, 표준 복식펌프의 연속류의 중단을 일으킬 수 있다. 물은 비압축액으로 분류된다. 표1은 20℃에서 물과 다른 유기용매의 압축율을 보여주는데, 일반적으로 이런 유기용매의 압축율은 물보다 2~3배 더 압축성이다.
액체 압축율(x10-6 bar-1)
물 46
THF(Tetrahydrofuran) 93
아세토니트릴 99
벤젠 94-95
클로로포름 97-101
메틸렌 클로라이드 97
카본 테트라클로라이드 103-105
에탄올 110-112
메탄올 121-123
아세톤 123-127
n-헵탄 140-145
n-헥산 150-165
이데틸 에테르 184-187
왕복펌프의 경우, 압축율은 송출압력에 대한 유체압력을 증가시키는데 필요한 피스톤 행정의 일부분이다. 압출율 보정이란 유량 부족기간을 단축하거나, 이런 부족량을 보충하기 위해 유동로에 유량을 추가하는 것을 말한다. 보충하자면, 압축성 유체는 정량펌프를 통과하는 유체의 밀도변화 관점에서정의되어야 하고, 이는 보정을 위해 필요하다. 고압 정량펌프의 경우 작동중인 최대 유량값에 대해 비체적 유량값이 정확한 것이 일반적이다. 펌프라면 더이상의 교정 없이도 기계적 변위가 유체송출량과 일치해야 한다. 따라서, 정밀도가 1%인 펌프라면 피스톤의 송출행정 동안 흡입유량을 1% 이상으로 압축할 수 없다. 압축성 유체는 송출행정 동안의 이런 압축량(그리고 해당 밀도변화)을 넘는 유체이다. 그 결과, 펌프를 작동사양에 맞도록 하는 압축율 보정이 필요하다.
유체가 압축가능한지 여부는 유체의 송출압력에 달려있다. 대기압의 용기로부터 흡수된 1회 유량의 압력은 저압에서는 압축성 유체 임계값보다 낮지만 높은 송출압력에서는 그보다 높다. 예를 들어, 정밀도가 1%인 펌프에서는 압축율이 46x10-6 bar-1인 물은 225바에 이를 때까지는 압축되지 않고, 압축율이 150x10-6 bar-1인 헥산은 65바에서 압축된다. 유체의 압축율이 펌프의 사양보다 높으면, 펌프의 성능을 교정해야만 할수도 있다. 이런 교정행위를 압축율 보정이라 한다.
주어진 액체의 압축율은 온도와 압력에 좌우된다. 일반적으로 압축율은 압력이 높을수록 낮아지고 온도가 상승할수록 높아진다. 액체요 용해된 기체량과 같은 다른 요인도 압축율에 영향을 줄 수 있다. 2가지 이상의 액체를 섞으면 압축율에서 뜻밖의 효과를 볼 수도 있다. 표 2는 20℃에서 물과 메탄올의 혼합물의 비선형 거동을 보여준다.
물:메탄올 혼합물의 압축율
물-에탄올 (v-v) 압축율(x10-6 bar-1)
100-0 46
80-20 40
60-40 46
50-50 52
40-60 56
20-80 86
10-90 117
0-100 121
많은 실험실과 현장에서는 표 1, 2의 리스트와 비슷한 유체를 고압에서 연속 유량으로 필요로 한다. 일례로 유체들을 고압으로 혼합할 수 있지만, 공정류에 대한 주기적인 불연속성으로 인해 국부적인 농도 변동이 일어난다. 이런 변동은 화학적 반응기 안의 반응제들의 비율 불균형이나 부적절한 성분비로 인한 것이다. 실험실 규모에서 연속 고압유량의 일례로는 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)에서 사용되는 고압정량펌프가 있다. 현대의 HPLC 시스템은 공통적으로 2개의 펌프 모듈로 이루어져, 2개의 용매를 한번에 고압으로 혼합하여 크로마토그래픽 용리를 위해 잘 혼합된 이동상을 만든다.
도 5는 종래의 HPLC 펌프의 기본 요소들을 보여준다. HPLC 펌프(30)는 일종의 캠형 전동펌프로서, 모터(32)가 축(34)을 돌려 캠(36,38)을 회전시키면서 펌프헤드(44,46) 내부의 피스톤(40,42)을 왕복운동시킨다. 흡입행정에서는 용기(56)로부터 입구 체크밸브(48,50)를 통해 유체가 흡입된다. 흡입행정 동안 출구 체크밸브(52,54)는 닫혀있다. 송출행정 동안 입구 체크밸브(48,50)는 닫히고 출구 체크밸브(52,54)는 열려 유체가 공정류(58)로 보내진다. 도 5에 도시된 캠 구동방식은 HPLC 펌프의 일례일 뿐이고, 볼스크루, 공압, 유압 방식을 피스톤(40,44)에 결합할 수도 있다. 이 펌프(30)와 비슷한 실험실형 HPLC 펌프의 압축보정을 이용해 유체를 펌핑하는 것에 대해 설명한다.
일반적인 실험실 HPLC 기구에 사용되는 펌프의 조건은 아주 까다롭다. 펌프라면 고압에서 송출할 수 있어야 하는데 예컨대 기존의 HPLC는 최대 400바의 압력에서, 그리고 최근의 초고성능 LC 시스템은 1000바 정도의 높은 압력에서 송출할 수 있어야 한다. 200바의 초고압도 예상된다. HPLC 펌프는 또한 오염 없이 초고순도의 유체를 취급할 수 있어야 한다. 또, 주어진 유량에서 작동 압력범위 전체에서 1% 미만의 좁은 변동범위내에서 송출유량이 일정해야 한다. 끝으로, 1분 정도의 짧은 시간에 최대 10배까지 정밀하게 유량이 변동한다는 것을 예상해야 한다. 이때문에 별도의 펌프로 조절되는 2가지 용매를 총유량을 일정하게 유지하면서도 혼합물을 흐린 것부터 진한 것까지 상대 조성을 체계적으로 조절하는 기울기용리(gradient elution)라 하는 기술이 필요하다.
2가지 용매를 혼합한데서 생기는 흥미로운 효과는 혼합물의 점도가 기울기용리 내내 크게 변한다는 것이다. 점도가 커질수록 크로마토그래픽 시스템의 저항 때문에 압력이 증가한다. 따라서, 기울기용리 과정중에 한쪽 용매의 유량이 줄어들어도, 펌프가 겪는 압력은 상승할 수 있다. 도 6은 2가지 이성분 혼합물의 여러가지 조성의 점도 거동을 보여주는데, 구체적으로는 물:메탄올(62)과 CO2:메탄올(64)의 점도거동을 보여준다. x축은 메탄올의 몰분율, y축(68)은 밀리파스칼-초이다. 일반적인 HPLC의 경우, 물:메탄올 곡선(62)은 전체 조성 범위에 걸쳐 극도로 비선형이다. 각각의 펌프가 기울기 작업중에 출구압력과 유량을 둘다 조절할 수 있어야 한다. 또, 대부분의 장기간 작업을 위해서는 펌프가 HPLC 시스템에 유효한 데이터를 제공하기 위해 유효수명 내내 사양한계내에서 이 성능을 반복해야만 한다.
이런 요구성능 사양을 만족하려면, 현대의 HPLC 펌프는 압축율 문제를 해결해야만 한다. 압축율 문제를 악화시키는 것은 대부분의 표준형 HPLC 펌프들의 압축비가 3:1 미만이라는데 있다. 즉, 피스톤의 전체 행정체적 중에서 펌프헤드 내부용적으로 남는 최소 잔류용적이 50%이다. 이 잔류용적이 매 행정마다 압축팽창되어야만 압축용 보정효과에 최소 50%의 부담을 지울 수 있다. 이때문에 주어진 유량에 대해 효과적으로 펌핑이 가능한 최대압력에 하한이 설정된다.
압축율로 인한 주기적인 유량 불연속성에 대비해, 펌프 제조사들은 부작용을 억제하는 여러가지 기술을 개발했다. 유량의 주기적 불연속성과 관련된 압력요동을 줄이기위해 고압장비에는 보통 펄스댐퍼가 많이 사용된다. 펄스댐버는 시스템의 압력소음은 줄이지만 유량문제를 항상 교정하는 것은 아니다. 고압에서 중간정도의 압축성 액체를 펌핑할 경우를 가정하자. 피스톤은 원하는 유량을 얻기위해 고정된 거리를 움직이도록 설정된다. 행정 중의 압축부는 유량을 보충하지 않고는 유량을 송출하지 않고, 뒤이어 송출부에서 정확한 유량을 송출하므로, 펌프 출구에 부압 진동이 나타난다. 흐름을 원하는 유량으로 맞추는 진동감쇠는 전혀 없다. 이런 진동감쇠는 항상 필요한 것보다 작다. 이런 문제에 대비한 공통적인 기술은 피스톤의 기계식 속도를 높여 평균 유량이 예상 유량과 일치되게 하는 것이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 1행정당 필요한 압축량이 출구압력에 따라 변한다. 그 결과, 모든 유량과 압력에서 이런 교정을 해야만 한다.
평균유량을 개선하려는 간단한 교정작업은 유체 조성의 국부적 변화와 같은 또다른 문제를 방치하기도 한다. 2대의 펌프를 하나의 모듈로 구성한 이중구동펌프에서 2가지 유체의 혼합부의 하류측에 펄스댐퍼 한대를 배치하는 것이 일반적이다. 따라서, 압축으로 인한 불연속성이 일어날 때마다 한개 유동구간마다 어떤 한쪽 유체량이 더 많아진다. 특히 고강도 용리 용매에 이런 국부적 편중현상이 있으면, HPLC에 심각한 섭동현상이 일어난다. 또, 조성변화는 유체의 굴절율도 크게 변화시켜, 유동체계의 어떤 광학탐지기에서도 상당한 노이즈를 볼 수 있다. 이런 노이즈는 유동류에서 아주 소량의 물질도 감지하는 능력을 제한한다.
최근 몇년간 400바 압력의 한계를 넘는 새로운 초고성능 크로마토그래픽 시스템에 많은 초점이 집중되었다. 이런 변화는 펌프성능의 큰 인자로서 압축율에 대한 경각심을 크게 높였다. 고전적인 펌프는 압축비를 개선하는 방향으로 설계를 하였다. 압축교정인자의 비선형성을 고려해 펌프 작동기간 내내 유체의 압축율을 경험적으로 결정하기 위한 특수한 교정알고리즘을 채택했다.
고압 환경에 적합치 않은 분야가 펌핑된 유체에 대해 실행되어야 하는 열역학 작업이다. 최종 압력이 1000바, 심지어 200바에 이르면, 표 1에 열거한 것처럼 아무리 거동이 좋은 유체라도 상당한 압축을 겪는다. 전술한 가스부스터의 경우와 마찬가지로, 특히 압축보정에 필요한 가속도 비율로 압축이 일어나면 유체가 상당히 가열된다. 이런 가열은 유체의 밀도와 압축율에 변화를 일으킨다. 또, 압축과정에서 유체에 생긴 열은 펌프헤드 벽면으로 전달되어 유입되는 유체를 가열하므로 밀도에 더 악영향을 준다. 가변적인 기울기 흐름의 과정중에 이런 인자들이 지속적으로 변하기 때문에, 이중 이동상의 혼합 성분들의 정확한 조성을 결정하기가 극히 어려워진다.
초고성능 크로마토그래픽 시스템에서 생기는 압축율 수준은 지난 20년간 SFC(supercritical fluid chromatography)에서 생기는 것과 아주 비슷하다. SFC는 전통적인 HPLC의 하위개념으로서, 이동상의 한가지 성분으로 액화 CO2를 사용한다. 액화기체인 CO2는 고압으로 펌프헤드에 송출되어야 액체상태를 유지한다. 이를 위해 일반적으로 액체와 증기 CO2 둘다 들어있는 탱크를 열평형상태에서 연결한다. 이 탱크의 액체 CO2와 통하는 딥튜브(dip tube)가 펌프헤드에 바로 연결된다. 일반적으로, 흡입행정 동안 CO2가 액체상태를 유지하려면 펌프헤드의 냉각과 유체의 재냉각이 필요하다. 덜 순수한 CO2의 용해 성분이 이동상의 선명도에 영향을 주는 것을 막기위해 특수 등급의 고순도 CO2를 SFC에 사용한다. CO2와 공통의 유기용매의 혼합물은 물:유기용매 혼합물보다 굴절율의 변화가 더 크므로, 적은 성분 변화라도 광학감지기로 더 감시해야 한다.
전술한 바와 같이, 액체 CO2를 펌프헤드에 연속으로 공급하려면 특별한 주의가 필요하다. 액체 CO2의 압축율은 표 1의 유기액체보다 10배 이상 높기 때문에 주요인자이기도 하다. 또, 탱크압력인 60바와 최대 시스템압력인 400바 사이에서 CO2를 압축하면 유체온도가 25℃ 이상으로 상승할 수 있다. 이런 온도상승은 송출된 유체의 밀도를 크게 변화시켜 펌프의 운전조건에도 고려사항이 된다.
대부분의 상용 SFC 펌프는 HPLC 펌프로 설계변경된다. 어떤 업체가 각종 펌핑 압력에서 유체 압출율을 계산하는데 CO2의 상태방정식을 이용하고, 다른 업체는 시스템의 평균 질량을 결정하고 조절된 평균 질량을 유지하기 위한 펌프 속도를 조절하는데 질량센서를 이용한다. 다른 보고된 기술은 피스톤마다 다른 모터로 작동되는 특수 복식펌프를 이용한다. 압력센서를 사용해 충전중인 펌프헤드의 유체를 출구압력의 90%까지 사전 압축할 수 있다. 3중식 펌프는 유량진동을 더 줄이는 것으로 보고되었다. CO2 부족 부위 바로 옆에 소량의 CO2를 추가한 다음 이 구간을 장기 확산으로 혼합하기 위해 총 압축량을 약간 넘게 펌프를 작동시키는 특별한 알고리즘이 안출되었다. 지금까지, SFC 분석이 표준 HPLC보다 여전히 감도가 낮고 정량한계가 불량한 것으로 여겨진다. 압축율을 완전히 보정하기 위해 채택된 방법에 직접적으로 관련된 베이스라인 노이즈가 더 높은 것이 중요한 원인이다.
대부분의 왕복펌프에서는 압축하는 동안 유량부족을 보충하기 위해 압축행정의 끝에 잉여 유체를 추가한다. 이런 보충이 없으면, 펌프가 부정확한 유량과 조성들을 송출하고, 이때문에 송출과정의 기능이 악화된다. 따라서, 흐름이 없다가 과잉 유동이 일어나곤 한다. 이런 현상은 서로 상쇄되어야 한다. 이런 보정으로 정확한 흐름과 조성은 보장되지만, 단기간의 유동과 압력소음은 증가하여, 감지기의 소음이 증가하고 감지한계가 악화된다. HPLC에 사용되는 일반 액체에 비해 CO2의 압축율이 훨씬 높으면 불연속적이고 과잉 유동 기간이 훨씬 더 길어져, SFC에서 정밀하게 관찰되는 감지기 소음의 악화를 초래한다.
감지 한계의 악화에도 불구하고, SFC는 예비분리와 분석 양쪽 분야에서 아주 인기가 좋다. SFC는 급속히 성장하는 키랄 분리(chiral separation) 분야에서 필수 기술이다. 이 기술은 키랄과 아키랄(achiral) 혼합물들 둘다를 분리하는데 있어 기존의 HPLC보다 2배 내지 5배 빠르기도 하다. 사실상, SFC는 고압, 특수한 분리 컬럼 및 판매자용 소프트웨어 없이 초고성능 크로마토그래픽 시스템이란 최첨단 기술과 선의의 경쟁을 한다. 그 결과, HPLC에서 얻을 수 있는 낮은 정도의 정량에 가깝기만 하면 이 기술은 여전히 많은 관심을 받는다.
피스톤 펌프로 펌핑하는 일반적인 단계는 펌프실에 작동유체를 흡입하고, 이 유체를 펌프 출구압까지 압축하며, 압축된 유체를 출구 배출류에 송출하는 것이다. 이 과정중에, 작동액에 열역학적 작업이 이루어져, 유체의 밀도와 온도가 변한다. 또, 작업량과 유체에 행해진 해당 물리적 변화는 펌프헤드 내부에 필요한 총 압력상승과 유체 자체의 물성 양쪽에 의해 좌우된다. 이런 변동성 때문에 미지의 밀도의 유체를 정량펌핑하기가 곤란하고 교정인자가 필요한데, 교정인자들은 일반적으로 펌프헤드에서 맥동없는 유동을 일으키는데 적당한 것이 아니다. 그 결과, 압축시의 시스템적이면서 국부적인 변동이 2중펌프와 3중펌프의 혼합류에 쉽게 생긴다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 크로마토그래피에서 저소음, 정밀, 연속 고압 펌핑을 제공하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 공정류의 전체적 품질을 악화시키는 변동성 없이 압축성 유체를 계량하는 해법이 필요한데, 이런 변동성은 공정류의 에너지효율이나 속도나 비용을 해치면서 품질을 교정하기 위해 더 많은 성분들을 추가할 것을 요한다.
발명의 요약
본 발명의 바람직한 실시예와 대안 실시예들은 유체의 압축율을 큰 압력범위에 걸쳐 실시간으로 동적으로 보정(보충)하는 개량된 기술을 제시한다. 그 결과, 압축과정중에 작업 유체에 열역학적 일을 하는 기능을 별도의 펌핑 단계에서의 유체의 정확한 계량 기능에서 분리할 수 있다. 펌프들은 직렬연결하는 것이 좋지만, 단일 부스터펌프로부터 공급을 받는 여러대의 정량펌프들을 병렬연결하는 구성도 가능하다. 부스터펌프는 압력제어모드로 동작하여 작업 유체를 2차펌프의 출구압력 가까이 유지한다. 압축단계에서 생긴 잉여 열은 작업유체로부터 2개 펌프 사이의 운송부로 전달된다. 이때문에, 2차펌프에 들어가기 전에 유체를 원하는 물리적 상태로 유지할 수 있다. 2차펌프는 고정밀 정량모드로 동작하고 예비압축되며 열조절된 유체를 받는다. 출력압력이 아주 높음에도 불구하고 2차펌프의 입출력 압력차가 아주 작아, 작업유체는 펌핑단계에서의 압출율이 아주 낮다. 그 결과, 압축율 보상이 없어도 열변화, 밀도변화 또는 유량/압력 노이즈를 최소화하여 계량기능이 아주 정확해진다. 이 기술은 저렴한 기존의 계량펌프를 고압용으로 변환함으로써 압축율이 높은 유체에도 적용할 수 있다.
본 발명에 의하면 아주 낮은 맥동 상태에서 고압에서 용적흐름을 정밀하게 계량할 수 있다. 구체적 예를 들면 SFC 시스템의 CO2와 같은 액화기체의 펌핑과, 초고성능 크로마토그래픽 시스템의 액체의 펌핑이 있다. 또, 압축기능과 계량기능을 분리하여, 아주 적은 범위의 압력과 온도에 걸쳐 계량단계가 일어나도록 한다. 그 결과, 계량단계의 압력과 온도를 측정하여 유체의 밀도를 결정하고 유량을 조절함으로써, 펌프의 실제 유량을 조절할 수 있다. 끝으로, 본 발명은 기어펌프나 로브펌프와 같이 왕복펌프에 비해 맥동이 없는 면에서 우수하기는 해도 원하는 순도 조건에서 높은 압력차를 일으키는 제한된 능력을 갖는 연속 펌프 디자인의 적용도 촉진한다.
도 1은 로터리 로브펌프 헤드의 단면도;
도 2는 외접기어펌프 헤드의 단면도;
도 3은 피스톤펌프 헤드의 단면도;
도 4는 실린더가 압축성 유체로 채워진 펌프의 실린더와 피스톤의 구조를 보여주는 단면도;
도 5는 종래의 고압 HPLC 펌프의 단면도;
도 6은 2개의 이동상 유체들의 몰분율과 점도 관계를 보여주는 그래프;
도 7은 압축성 유체공급을 위해 부스터펌프와 정량펌프가 직렬연결된 바람직한 실시예의 블록도;
도 8은 여러 유체온도에서 알정한 압축을 하는데 필요한 공정압력과 부스터압력의 관계를 보여주는 그래프;
도 9는 계량단계에서의 연속 기어펌프와 부스터 압력 조절을 위한 BPR을 사용하는 대안예의 블록도;
도 10은 한대의 부스터펌프로 정량펌프 여러대에 압축성 유체를 공급하는 대안예의 블록도;
도 11은 도 10의 병렬 흐름의 변형례;
도 12는 종래의 HPLC 시스템의 블록도;
도 13은 고압 크로마토그래픽 시스템의 압축성 유체가 하나인 바람직한 실시예의 응용례의 블록도;
도 14는 고압 크로마토그래픽 시스템의 압축성 유체가 다수인 응용례의 블록도.
도 7은 본 발명의 일례의 블록도이다. 부스터펌프(70)는 용기(72)로부터 압축성 유체를 받는다. 프리칠러(74; prechiller)가 압축성 유체는 물론 부스터펌프(70)의 펌프헤드를 냉각한다. 부스터펌프(70)는 펄스댐퍼(76), 부스터 압력센서(78) 및 열조절기(80)가 들어있는 배출로로 유체를 송출한다. 정량펌프(82)는 부스터펌프(70)의 배출류를 받아 온도센서(84)와 압력센서(86)를 통해 공정류(88)로 보낸다. 컨트롤러(90)는 압력센서(78,86)와 온도센서(84)로부터 신호를 받고, 프리칠러(74)와 열조절기(80)의 열구역과 부스터펌프(70)의 펌핑속도를 조절한다. 컨트롤러(90)는 반드시는 아니지만 정량펌프(82)의 계량속도를 조절하기도 한다.
도 7의 장치는 압력센서(78)가 달린 부스터펌프(70); 열조절기(80); 공정 압력센서(86)가 달린 정량펌프(82); 및 컨트롤러(90)로 이루어진다. 2개의 펌프(70,82)는 직렬로 연결된다. 가장 간단한 동작으로, 초기 작업 상태에서 컨트롤러(90)는 주기적으로 압력센서(86)를 읽고 부스터펌프(70)의 속도를 조절해 부스터 센서(78)의 압력을 압력센서(86) 부근의 일정 범위내로 유지한다. 센서(78,86) 사이의 압력차에 대해서는 추후 설명하겠지만, 더이상 압축되지 않는 유체를 정량펌프(82)에 송출하는 것이 목적이다. 바람직한 압력범위는 0~10바이지만, 두번째 펌프의 출력압력의 10% 이내가 바람직하고, 어느 경우에도 이 차이는 출력압력의 20% 이내이다. 열조절기(80)는 부스터펌프(70)에서의 유체압축으로 인한 온도변화를 제한한다. 끝으로, 정량펌프(82)는 송출압력에 아주 근사한 압력에서 열조절된 유체를 받고, 더이상의 압축 없이 공정류에 유체를 정확하게 공급한다. 그 결과, 거의 모든 유체압축이 부스터펌프(70)에서 이루어지되 압축열은 열조절기(80)에 의해 제거되지만, 정량펌프(82)는 정확하고 정밀하게 작동 유체를 공정류에 송출하면서도 맥동은 아주 적다.
부스터펌프(70)는 최소한 최대용량보다 많은 유체를 송출할 수 있어야 한다. 즉, 압축 후에 2개의 펌프 사이에서 일어날 수 있는 밀도변화나 시스템 누수를 고려해 유량을 상당히 과잉되게 송출할 수 있어야 한다. 또, 부스터펌프(70)는 전체 공정에 필요한 압력을 얻을 수 있어야 한다. 또, 공정류 배압이 급속하게 변할 때에도 센서(78,86) 사이의 좁은 범위의 비압력 델타내에서 압력을 유지할 만큼 부스터펌프의 응답이 빨라야 한다.
부스터펌프(70)가 반드시 저맥동펌프일 필요는 없다. 도 7은 흡입행정과 송출행정이 같은 간단한 부스터펌프의 일례를 보여준다. 그 결과, 분배행정만 최대 50% 듀티사이클로 일어난다. 액체 CO2와 같이 압축율이 높은 유체를 펌핑할 때, 불완전한 압축율 보정 때문에 이 행정 중의 송출부가 더 축소된다. 이때문에, 펌프 사이의 유동로에서 비교적 큰 압력변동이 관찰되고, 이는 부스트 압력을 원하는대로 조절하는 것을 더 어렵게 한다. 유동로 자체의 체적은 어느정도의 버퍼링을 제공할 수 있다. 맥동을 더 줄이는 간단한 방법은 2개의 펌프 사이에 펄스댐퍼(76)를 설치하는 것이다. 도면의 압력 그래프(92,94)에 의하면 펄스댐퍼(76)를 통해 맥동을 쉽게 줄일 수 있음을 알 수 있다. 실험실에서는 부스터펌프 기능을 발휘하는 간단한 펌프를 이용해 그래프(92)와 같이 150바 부근의 작동압력에서 12바 이상의 압력변동을 일으켰다. 내부체적이 25㎖ 정도인 고압력용기로 이루어진 간단한 펄스댐퍼를 추가했더니 그래프(94)와 같이 맥동이 2바 이내로 줄었다. 이 경우, 압축성 유체 자체가 완충제 역할을 했다.
부스터펌프(70)에는 프리칠러(74)를 설치하는 것이 좋다. 냉각파워는 냉각된 순환유체와의 열교환, 펠티에르 냉각기와 같은 열전소자, 인입배관 부근에서의 냉매의 직접적인 주울-톰슨 팽창에 의해 공급된다. 프리칠러(74)의 목적은 여러가지지만, 주목적은 부스터펌프의 효율적인 동작을 보장하는데 있다. 작동유체, 특히 액화기체의 온도를 낮추면, 흡입 과정동안의 작동유체의 캐비테이션이나 갑작스런 증발을 방지할 수 있다. 프리칠러(74)는 펌프헤드에 쌓일 수 있는 상당량의 압축열을 제거하기 위해 부스터펌프(70)의 헤드에 직접 설치될 수도 있다.
프리칠러(74)의 다른 중요한 역할은 증기 형태로 부스터에 공급되는 압축유체를 액화시키는 것이다. 이런 기능 때문에 작동유체의 소스가 훨씬 더 다양해진다. 일례로 음용 CO2 용기와 같이 순도가 낮은 소스의 CO2를 액화한다. 탱크에서 액상이 아닌 기상으로 샘플링한 CO2를 증류하여 비휘발성 불순물을 제거한다. CO2 작동유체의 순도는 적어도 10배 이상의 비용이 드는 SFC나 SFE와 같은 종전의 고순도 CO2의 순도보다 훨씬 더 높아진다. 고압실린더에서 샘플링하면, CO2의 압력이 이미 실온의 기액 평형 압력과 아주 가까워진다. 그 결과, 액체 CO2를 형성하는데 증발열만 제거하면 되기 때문에 그램당 몇 와트만 필요하다. 이 때부터 온도를 10℃ 정도 더 낮추면 피스톤 행정 중의 흡입동안의 액체 CO2의 캐비테이션을 충분히 방지할 수 있다.
펌프에 기체 CO2를 송출하는 다른 이점은 고압 액화기체를 송출하는 것과는 반대로 실험실에서나 현장에서 보통 압력의 기체류를 송출하여 비용을 크게 절감하는데 있다. 프리칠러가 CO2를 -20℃ 이하로 냉각할 수 있으면, 대부분의 듀발 실린더와 대형 탱크시설에서 쓸 수 있는 CO2의 압력을 소스로 사용할 수 있게된다. 따라서, 고출력 프리칠러는 CO2의 공급비용을 낮춤은 물론 저압배관을 통한 안전한 운반도 할 수 있다. 대규모 음용 CO2의 상대적 비용도 SFC급 CO2에 비해 파운드당 $7에서 $0.1 이하로 줄어들어 70배 차이가 난다.
부스터 압력센서(78)와 공정 압력센서(86)는 보통 티를 이용해 유체류와 통하도록 설치된 스트레인형 게이지이다. 정밀도 오차가 풀스케일의 0.25% 이하인 센서라면 충분하다. 한쪽 센서의 정밀도가 더 높으면, 나머지는 이를 기준으로 쉽게 교정할 수 있다. 풀스케일 범위는 최적의 정확도를 위해 가능한한 필요한 최대압력에 가깝게 선택해야 한다. 일반적으로 필요한 최고 공정압력보다 3~4배 큰 압력과 0.1%의 정확도가 바람직하다.
열조절기(80)는 부스터펌프(70)와 정량펌프(82) 사이의 유체의 온도를 조절하는데, 주로 정량펌프에 들어가기 전의 유체로부터 부스터펌프에서 생긴 과잉 압출열을 빼앗아 조절한다. 대부분의 경우, 열조절기(80)는 유체의 온도를 정량펌프(82)의 주변온도에 가까운 등온상태로 하려고 하고, 또한 능동적으로나 수동적으로 조절되기도 한다. 적어도 열조절기는 펌프(70,82) 사이에서 복사나 대류에 의해 주변공기와 열전달을 하는 도구이다.
능동형 열조절기를 사용하면 실시예의 성능을 후술하는 여러 작동모드까지 확장할 수 있다. 첫째, 능동 열전달이 주변온도가 잘 통제되지 않는 상황에서도 유체온도를 안정시킬 수 있다. 둘째, 수동형보다 훨씬 큰 규모로 열을 전달할 수 있다. 유량과 압력의 변화가 커서 압축열 변동도 큰 경우, 능동 조절기가 수동형보다 훨씬 신속하게 반응할 수 있다. 그 결과, 공정류의 최대 변동율도 훨씬 QKf라진다. 또, 경우에 따라서는 작동유체를 주변온도와는 동떨어진 온도로 유지해야 할 때도 있다. 이런 경우에는 열조절기가 유체를 가열하거나 냉각함은 물론 정량펌프(82)의 펌프헤드에 직접 접속되어야 한다.
도 7의 정량펌프(82)는 복식 피스톤펌프로서, 양쪽 피스톤이 동일한 구동장치에 연결되고 사실상 도 5의 펌프(30)와 동일하다. 2개 피스톤의 결합은 송출 피스톤이 전기식, 공압식 또는 유압식 구동장치로부터는 물론 흡입 피스톤에 걸린 작동유압으로부터도 동력을 받는 점에서 유리하다. 그 결과, 정량펌프(82)의 구동장치는 공정류의 높은 출력압력까지 작동유체의 압력을 높이는데 필요한 토크 중의 일부분만 전달하면 된다. 또, 작동유체의 캐비테이션도 거의 일어나지 않는다. 정량펌프의 펌프헤드는 높은 출력압력에 맞아야 하고 작동유체를 주변 압력과 절연하는 모든 시일은 누수가 적도록 해야 하며, 유지보수 간격도 길어야 한다. 펌프헤드 성분의 순도가 높아야 하는 것도 필요하다.
정량펌프(82)와 같은 복식펌프를 사용하면 또다른 조건이 부과된다. 이런 펌프에 사용되는 체크밸브가 수동식이고 다른 기계식 덮개나 스프링의 힘을 받지 않는 경우, 부스터펌프(70)의 압력 설정점이 항상 정량펌프 출력압력보다 약간 낮게 조절되어야 한다. 부스터의 압력이 정량펌프 출력압력보다 높으면, 입출구 체크밸브 둘다 동시에 열리고 정량펌프의 유량과 상관없이 흐름이 계속 진행되어, 흐름을 제어하지 못하게 된다. 또, 부스터펌프에서 일어난 압력변동이 공정류로 전달되기도 한다.
정량펌프(82)의 송출행정 동안 입구 체크밸브가 닫혀있으면, 정량펌프는 최종 노이즈필터 역할을 한다. 펌프헤드의 흡입 동안, 정량펌프는 입구 체크밸브를 통해 부스터펌프에 의해 제공된 잠재적 노이즈 유동류와 통한다. 그러나, 송출하는 동안에는 입구 체크밸브가 닫혀있고 작동유체는 이런 노이즈에서 격리된다. 충전하는 동안의 압력요동에 의해 생기는 작동유체의 작은 밀도변동은 송출행정의 시작점에서 1회성의 작은 압축변동을 일으킨다. 그러나, 대부분의 노이즈는 전달되지 않는다. 이 효과가 도 7에 2개의 그래프(94,96)로 비교하여 표시되어 있다. 펄스댐퍼(76)를 이용하면 출구측 정량펌프(82)에 생기는 압축섭동이 아주 작아진다.
온도센서(84)는 다양한 형태를 취할 수 있다. 이 센서의 주목적은 공정류의 최고속 흐름이나 압력변화보다 짧은 응답시간으로 섭씨 1도 이내로 유체의 온도를 정확히 알려주는데 있다. 적당한 센서로는 서모커플, 서미스터, 플래티눔 RTD 프로브, 튜빙 RTD 측정기 등이 있다.
바람직한 실시예의 작동모드
용적형 송출모드
도 7의 바람직한 실시예에서의 유량송출의 기본 모드는 용적송출이다. 등온저압차 환경에서 정량펌프를 최적화하면, 유체송출이 피스톤의 기계적 이동거리와 동일하다는 가정이 유효해진다. 여러가지 공정 과정, 특히 큰 압력변화가 없는 경우, 압축성 유체의 무맥동 용적송출은 기존의 어떤 기술보다 우수한 방식으로 모든 조건을 충족시킨다.
용적송출모드의 한가지 장점은, 정량펌프(82)의 작동에 필요한 소요유량을 알 필요가 없다는 것이다. 펌프(70,82)를 완전히 별도의 컨트롤러로 제어할 수 있고, 컨트롤러 사이에도 압력신호 이외의 어떤 소통도 필요없다. 소요유량이 증가할수록 펌프 사이의 압력은 낮아지고 부스터에 의해 유량은 증가한다. 마찬가지로, 공정류 압력이 높아지고 작동유체의 압축이 더 필요할수록, 부스터의 속도가 증가한다. 도 6의 유량기울기에서 보듯이 압력과 유량이 감소하는 경우에도, 펄스댐퍼(76)내 작동유체가 팽창하면서 압력이 낮아지는데 필요한 것보다 더 부스터펌프(70)의 속도를 줄여 시스템을 제어할 수 있다.
2개의 펌프를 하나의 컨트롤러로 제어하지 않기 때문에, 본 실시예는 기존의 펌핑시스템에 쉽게 병합될 수 있다. 도 5와 7을 보면, HPLC 펌프(30)가 정량펌프(82)와 거의 동일함을 알 수 있다. 즉, 부스터펌프(70)와 부스터 압력센서(78); 열조절기(80); 공정 압력센서(86); 및 컨트롤러(90)를 포함해 도 7의 나머지 필요한 유량 요소들을 간단히 추가하여 기존의 HPLC 펌프의 성능을 개선할 수 있음을 알 수 있다. 예컨대, 액체 CO2와 같은 고압축성 유체를 펌핑하도록 HPLC 펌프(30)를 쉽게 변환할 수 있고, 그 결과 HPLC 시스템을 SFC로 변환할 수 있는 것이다. 이런 변환은 뒤에 자세히 설명한다.
어느 경우에도 부스터펌프(70)나 정량펌프(82) 바로 상류측의 요소들에서 소량의 누수는 피할 수 없다. 이런 누수가 시스템의 용적계량 성능을 악화시키지는 않는다. 부스터펌프는 정량적 흐름이 아닌 압력을 제공하는데 필요하므로, 약간의 누수는 펌핑속도를 높일 뿐이다. 따라서, 사소한 고장이 있을 때에도 중요한 펌핑작용은 계속될 수 있다. 중요한 펌핑이 있을 때는 시스템을 튼튼하게 해야 한다. 정기점검과 같은 평상시에 시스템의 밀봉성을 평가할 수 있는 진단 소프트웨어가 있으면 좋을 것이다.
질량유량 송출모드
용적송출의 특징중에서 아직 자세히 설명되지 않은 특징은 공정압력이 변할수록 작동유체의 밀도도 크게 변한다는 사실이다. 이는 작동유체가 특정 공정압력 범위내에서 압축성이기 때문이다. 따라서, 넓은 압력범위와 밀도범위에 걸쳐 등온형 용적유량을 송출하는 펌핑시스템에서는 단위시간당 공정류에 전달되는 작동유체의 물리적 질량이 변한다.
이 문제의 해결책이 있을 수 있다. 정량펌프(82)의 출구측에 온도센서(84)를 달면, 컨트롤러(90)가 공정류에 들어가는 작동유체의 현재 압력과 온도 둘다를 알 수 있다. 이들 인자를 상태변수라 하고, 아주 광범위한 온도와 압력 범위에 걸쳐 많은 유체들을 측정하여 밀도, 엔트로피, 엔탈피, 점도, 열용량 등의 기본적 물리적 인자들을 결정했다. 그 결과, 어떤 유체의 온도와 압력의 임계밀도 표로부터 밀도를 추론할 수 있다. 또, 유체에 대한 전체 상태방정식을 알면, 현재의 상태변수 값들을 입력해 밀도를 바로 계산할 수 있다. 심지어는 임계 테이블과 상태방정식과 같은 자료 없이도 콜리올리스 질량유량계와 같은 장치를 통한 직접 교정에 의해 정보를 얻을 수 있다.
데이터 수집 방법과 무관하게, 프로그램된 룩업테이블과 같은 수단을 이용해 컨트롤러(90)에 실시간으로 접속할 수 있으면, 컨트롤러가 정량펌프(82)의 속도를 조절해 원하는 질량을 송출할 수 있다. 이런 제어모드는 앞의 두가지 용적모드와는 아주 다르다. 첫째, 쉽게 측정할 수 있는 상태변수들을 유체밀도로 전환하는 기술로서 펌핑된 유체에 대한 구체적 지식이 필요하다. 둘째, 컨트롤러(90)가 펌프를 둘다 제어하거나 정량펌프의 별도의 컨트롤러가 온도와 압력 데이터 둘다에 접근하여 질량을 제어할 수 있도록 해야한다. 어느 경우에도 기존의 펌프 시스템에서는 없던 정량펌프(82)를 위한 특수한 간섭이 필요하다. 질량유량 제어모드는 저맥동 및 고정밀 유량송출을 포함한 바람직한 실시예의 다른 장점들을 계속 공유한다.
일정밀도 송출모드
경우에 따라서는 질량유량송출이 필요하지만, 정량펌프(82)의 유량을 실시간으로 제어하는 것이 불가능할 수도 있다. 유량이 일정하거나 특정의 유량프로파일을 갖는 펌프는 대개 공업용이다. 이런 경우, 임계밀도 테이블을 구할 수 있는 유체에 대해서는 일정 압력 범위에 걸쳐 질량유량을 제어할 수 있다. 송출압력과 무관하게 정량펌프에 전달되는 작동유체의 밀도를 일정하게 유지하면 질량제어가 가능하다. 앞의 실시예에서, 온도와 압력의 상태변수를 밀도 계산으로 구했고, 이를 통해 적당한 유량을 계산해 특정 질량을 송출할 수 있었다.
이 경우, 열조절기(80)로 유체의 온도를 조절해 현재 압력에서 일정 밀도를 얻으면 펌프의 송출용적과 질량유량 사이에 비례관계가 성립한다. 따라서, 유체의 주변온도 밀도가 높을 것 같은 고압에서 유체온도가 상승하면 컨트롤러에 제공된 룩업값을 기반으로 밀도가 표적값까지 낮아진다. 마찬가지로, 저압에서는 압축성 유체가 실온에서 덜 치밀해질 수 있다. 유체를 주변온도 밑으로 냉각하면 표적밀도를 복구할 수 있다. 이런 제어모드에서, 열조절기(80)를 이용해 정량펌프헤드의 온도를 조절하여 유체가 펌프헤드를 통과할 때의 밀도변화를 막을 수 있다.
일정밀도 송출은 가열과 냉각을 위한 시정수가 중요할 수 있기 때문에 크게 요동하는 공정에는 고려되지 않는다. 그러나, 원하는 질량유량이 없는 경우에 유량제어 대신 할 수 있는 온도제어는 공정압력 범위에 걸쳐 약간의 조절만 필요하다. 이런 제어는 1단 펌핑시스템에는 불가능한데, 이는 압축열로 인한 밀도변화를 보상하기가 쉽지 않기 때문이다.
일정 압축율 모드
또다른 작업모드는 압축율 보정을 자동으로 하는 펌프를 사용해 맥동을 없애도록 일정 압축율의 작동유체를 송출하는 것이다. 전술한 바와 같이, 압축율 인자는 가해진 압력 1바의 밀도변화로 결정된다. 그러나, 압력이 높아지면 유체가 압축에 저항하면서 압축율 인자가 감소한다. 그 결과, 압력변화가 큰 경우에는 주어진 유체에 하나의 압축율 인자만 사용하지 않는다.
정상 작동상태에서는, 정량펌프에서의 유체 압축율을 아주 낮은 레벨까지 낮추어 알아채지 못하게 한다. 어떤 펌프는 캠의 형상이나 피스톤 동작의 프로그래밍을 통해 최소 압축율 보정을 정해놓는다. 여러 온도와 압력에서의 유체의 밀도를 알면 적당한 압축인자를 계산할 수 있다. 예를 들어, 송출량의 0.5%가 압축율로 고정되어있다면, 컨트롤러(90)는 현재의 출력 온도와 압력에서의 유체의 밀도를 결정한 다음 룩업테이블에서 밀도가 0.5% 미만으로 되는 압력을 결정하고 부스터펌프(70)가 이 압력을 공급하도록 센서(78)를 통해 조절할 수 있다. 이런 순서를 공정조건들이 일정하게 변할 때에도 이런 순서를 계속 실행하면 압축율이 전체 행정의 0.5%로 유지된다. 도 8은 여러 유체 온도에서 일정 압축율을 유지하는데 필요한 공정 센서(86)와 부스터센서(78) 사이의 관계를 보여준다.
첫번째 대안
도 9는 본 발명의 대안의 일례를 보여준다. 부스터펌프(100)는 용기(102)로부터 압축성 유체를 받는다. 이 유체는 부스터펌프에 들어가기 전에 프리칠러(104)에서 냉각된다. 이 유체는 부스터펌프를 나가, 펄스댐퍼(106)를 지나 배압조절기(108; BPR)를 지난 다음 정량펌프(114)로 보내지는데, 유량의 일부분은 부스터의 저압측으로 돌아간다. 부스터 압력센서(110)와 열조절기(112)기가 정량펌프의 유동로에 배치되기도 한다. 정량펌프의 출력유량은 유량센서(116), 공정 압력센서(118) 및 공정류(120)로 보내진다. 컨트롤러(122)는 압력센서(110,118)와 유량센서(116)의 신호를 받고, 배압조절기(108)와 프리칠러(104), 또는 부스터펌프(100)나 정량펌프(114)의 유량을 조절하기도 한다.
여기서의 부스터펌프(100)는 단식이 아닌 복식펌프이다. 작업유체의 순도를 유지하면서 유량과 압력 둘다 충분히 공급할 수 있기만 하면 어떤 펌프라도 부스터펌프로 사용할 수 있는데, 이는 본 발명의 예상치못한 결과들 중의 하나이다. 일반적으로 펌프의 노이즈는 적당한 크기의 펄스댐퍼로 충분히 감쇄할 수 있다. 복식펌프를 사용하면 시스템이 더 튼튼해진다. 도 7에서는 대부분의 경우 단식펌프로도 충분함을 알 수 있었다. 복식펌프를 사용해 단식펌프의 유량을 두배로 하면, 각각의 펌프헤드는 절반의 일만 하면 된다. 이를 위해서는 복식펌프의 시일 수명을 상당히 연장해야 한다. 또, 펌프의 한쪽 헤드가 완전히 고장나도 두번째 헤드로 시스템의 압력과 유량을 유지할 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 복식 부스터펌프는 실제로 다수의 펌프로 구성될 수도 있다. 본 실시예에서 복식펌프는 유체를 공급하는 단식펌프 2개를 병렬로 연결한 것처럼 기능한다. 이 경우, 저렴한 펌프를 2개 이상 사용하는 것이 고가의 펌프 하나를 사용하는 것보다 경제적이라는 점에서 유리하다. 이들 펌프는 각자가 일정 유량을 실행하면서 비례적으로 작동하거나, 한쪽 펌프는 유량을 높여 보충하거나 출력압력의 변화를 가속시킬 필요할 때만 작동하는 백업모드로 동작한다. 마찬가지로, 부스터펌프들을 직렬로 연결하여 사용하면 각각의 펌프의 압축비와 같은 제한 때문에 하나의 펌프보다 더 높은 송출압력을 공급할 수 있다. 이후의 설명에서는, 부스터펌프란 정량펌프에 적절한 유압을 공급하기 위해 직렬이나 병렬로 연결된 다수의 펌프를 포함할 수 있다고 본다.
경우에 따라서는, 컨트롤러(122)에 의한 유량 조절을 없애거나 펌핑효율 개선을 위해 부스터펌프를 정속으로 유지하는 것이 좋을 수 있다. 이 경우, 부스터펌프(100)의 펌핑속도는 공정류의 최고 압력에서 최대 유량을 전달하도록 설정해야 한다. 부스터펌프(100)의 유량송출량은 저압에서는 상당히 증가하고 유체의 압축율은 떨어진다. BPR(108)은 정량펌프(114)의 압력을 유지하는데 필요한 유량보다 많은 유량을 방출하는 것으로, 적어도 압력을 필요한 좁은 범위내에서 유지하는 기능을 하는 간단한 온/오프 밸브이다. BPR(108)은 또한 과잉 유체를 펌프의 저압측으로 되돌리기 위한 바이패스 밸브 역할을 하면 좋다. BPR은 전자식으로 조절되고 복귀유량을 위한 가변적인 제약을 만든다. 그 결과, 정량펌프(114)까지의 유동로의 압력을 작동내내 유지할 수 있다. BPR(108)은 시스템을 주기적으로 초기상태로 리셋하는 경우 기울기용리 크로마트그래피와 같은 경우에 압력을 신속하게 재평형상태로 만들 수도 있다.
본 실시예의 정량펌프(114)는 외부 기어펌프로 도시되었다. 구체적으로는 펌프헤드를 자기결합형으로 하여 주변에 대한 누수를 충분히 방지하는 것이 좋다. 일반적으로 자기결합은 구동장치가 미끄럼 없이 일으킬 수 있는 최대 토크 때문에 30~50 바 정도의 압력차의 한계를 지닌다. 본 실시예에서는 훨씬 낮은 압력차가 예상된다. 외부 덮개가 최대 작동압력을 견딜 수 있으면, 펌핑방법도 가능하다. 밀봉특성상, 기어펌프헤드의 밀봉상태는 유지보수가 불필요하다. 압력차가 낮으면, 기어의 마모와 이로인한 누수도 최소화해야 한다. 기어펌프와 같은 로터리 펌프헤드는 보수간격이 아주 길 때의 대안이 된다. 또, 기어펌프의 연속 작업은 펌핑 시스템에 의한 모든 압력맥동 노이즈를 줄일 수 있다.
유량센서(116)는 피드백 수단으로 제시된 것으로서, 교정형 열센서나 코리올리스형 질량센서일 수도 있다. 정량펌프로 기어펌프(114)를 사용할 경우, 유량센서를 정량펌프의 어느쪽에도 설치할 수 있는데, 이는 누수가 일어나지 않기 때문이다.
본 대안 실시예와 바람직한 실시예의 차이는 본 발명의 성능에 거의 영향을 미치지 않는다. 당업자라면 본 대안을 쉽게 취할 수 있을 것이다.
두번째 대안
도 10의 본 발명의 두번째 대안은 공정류를 여러개로 확장한 것이다. 여기서는 하나의 부스터펌프(124)가 압축유체 공급원(152)의 압축된 작동유체를 다수의 정량펌프(126,128,130)에 공급하고, 이들 정량펌프는 부스터펌프(124)와는 직렬로, 서로간에는 병렬로 연결된다. 압축유체 공급원(152)과 부스터펌프(124) 사이에는 캐비테이션 방지를 위해 유입되는 압축기체를 공급온도 밑으로 냉각하는 한편 부스터펌프의 헤드도 냉각하는 프리칠러를 설치한다. 펄스댐퍼(132), 부스터 압력센서(134) 및 열조절기(136)와 같은 다른 장치들은 부스터와 모든 병렬 정량펌프들 사이에 직렬로 배치된다. 각각의 정량펌프는 공정 압력센서(138,140,142)를 통해 각각의 공정류(144,146,148)에 작동유체를 공급한다. 컨트롤러는 도 10에 도시되지 않았다.
이 실시예의 조건은, 부스터펌프가 정확한 계량을 위해 충분히 작은 압력차를 유지할 수 있도록 하는 임계범위로 공정 압력을 유지하는 것이다. 모든 병렬처리에 변화가 있는 한 각 정량펌프의 유량은 물론 압력도 변할 수 있다. 부스터펌프가 펌프 캐비테이션을 방지할만큼 높게 입력 공급압력을 상승시킬 수도 있지만, 입력압력을 이와같이 출력압력까지 높이는 기술은 당업자의 입장에서 보아도 정량펌프의 정확한 송출을 보장하는 우수한 방식이다.
세번째 대안
도 11은 도 10의 병렬 흐름의 변형례이다. 여기서는 각개 정량펌프(126~130)가 단일구동 다출력형 정량펌프(156)로 대체되었다. 이 정량펌프(156)는 유성기어펌프 구조를 취하고, 입력부는 하나이고 출력부는 여러개로 균등하게 배분한다. 한편, 그외에도 여러 쌍의 대향 피스톤들이 레이디얼 방향으로 배치된 레이디얼 피스톤펌프도 고려할 수 있다. 이 경우, 대향 피스톤들은 동일한 공정류에 결합되어 맥동없이 유량을 출력한다.
정량펌프(156)의 입력단에 유량센서(154)를 설치하면, 여러 과정들에 골고루 분포되는 총 유량을 표시할 수 있다. 압력센서(158~166)는 각각의 출력단의 압력을 감시하여 부스터펌프(124)의 컨트롤러에 피드백한다. 각각의 출력단에서 각각의 공정류(168~174)에 유체를 공급하고, 공정류는 서로 병렬로 배치된다.
바람직한 실시예와 대안 실시예의 응용
HPLC-SFC 변환
HPLC 시스템은 낮은 맥동으로 정확하고 정밀한 유량을 송출하는데 전통적으로 왕복형 정량펌프에 의존한다. 이런 성능은 모든 비슷한 도구들로부터 각종 화합물의 재현가능한 리텐션(retention) 시간들을 일정하게 얻고 크로마토그래픽 분리과정 동안 현대적인 전자식 감지신호에서 변칙적인 노이즈를 방지하는데 필요하다. 기울기용리 HPLC 방법과 같이 여러가지 이동상 조성들을 생성하는데 다수의 펌프가 자주 사용된다.
크로마토그래피에서, "리텐션"이란 화합물과 크로마트고리팩 시스템 사이의 기본적인 관계이다. HPLC에서의 리텐션이란 분리컬럼내에서 액체의 이동상 대 고체의 고정상을 위한 샘플 혼합물에 용해된 화합물의 상대적 친밀도이다. 고정상과 더 강하게 작용하는 화합물은 약하게 작용하는 화합물보다 컬럼에서 나중에 나타난다. 상대적 리텐션은 각각의 화합물의 정체를 식별하기 위한 기본일 수 있다. 실제 유량이나 이동상의 조성이 통제불가능한 방식으로 변하면, 리텐션과 정체의 기본적 특성이 상실된다. 리텐션 특성을 도구에서 도구로, 그리고 실험실에서 실험실로 재현하는 능력은 HPLC 방식이 유효하게 과학적으로 인정받는 근본이다.
각각의 크로마토그래픽 시스템의 기본적 장점은 화합물마다의 검출한계(즉 특정 디텍터를 사용해 감지할 수 있는 최소량)에 있다. 검출한계가 낮을수록 유용한 기술이다. 과잉 유동노이즈는 노이즈 디텍터신호로 바뀌는데, 이 신호는 고정상으로부터의 최소량의 화합물의 출현을 디텍터에 표현하는 순수 신호들을 혼란시킬 수 있다. 데이터 시스템은 소량의 용리중인 화합물로부터의 실제신호조차 감지하지 못할 수 있다.
또, 검출한계가 낮다는 것은 동적인 검출범위가 크다는 것을 의미하고, 여러가지 화합물로부터 아주 큰 신호와 아주 작은 신호가 하나의 크로마토그래피에서 왜곡없이 동시에 나타나도록 하는 것도 다른 바람직한 특성이다. 과잉 노이즈는 디텍터의 동적 범위를 축소시켜, 디텍터가 선형이나 교정가능한 신호를 제공하는 농도범위를 축소한다. 노이즈는 측정되는 리텐션 시간을 왜곡하여, 식별하기 어렵게 한다. 유동노이즈와 이로인한 디텍터 노이즈를 최소화하는 것은 크로마토그래픽 펌프 분야의 오랜 목표였다.
전술한 바와 같이, 고성능 액체 크로마토그래피는 압력과 유동 변동에 관해 펌핑시스템에 아주 큰 조건들을 부과한다. 초임계 유체 크로마토그래피와 최근의 초고성능 크로마토그래피 시스템의 도래로, 기존의 HPLC 디자인들은 유체의 압축율은 물론 고압에 필요한 토크를 높이도록 재설계되어야 했다. 그 결과, 기존의 HPLC 펌핑 시스템은 현대식 시스템이 자리를 차지하면서 더이상 쓸모가 없어졌다. 지금까지는 압축율 문제를 해결하려는 시도가 압축효과를 단축하기 위한 펌핑시스템의 기계식 가속에 집중되었고, 열역학적 압축열로 인해 피스톤 내부에 생기는 열로 인한 계량변동을 고려한 해결방안은 거의 없었다.
표준 HPLC 압력에서 고압축성 액체 CO2를 펌핑하기 위한 SFC와, 상당히 더 높은 압력에서 표준 HPLC 용매의 더 큰 범위의 압축율을 처리하기 위한 초고성능 LC에 대한 특수펌프가 개발되었다. SFC 펌프의 경우, 송출을 위해 CO2를 압축하는 펌프 성능을 크게 확장하기 위한 전용 펌웨어는 물론 캐비테이션 방지를 위해 유입되는 CO2를 냉각하는 프리칠러를 추가했다. SFC 시스템은 HPLC에 공통족인 광학 디텍터를 통과하는 CO2를 액체로 유지하기 위해 배압을 조절할 것을 요한다. 배압조절은 유량과 이동상의 조성이 변하는 동안에도 일정하게 유지되어야 한다.
CO2와 유기 개질제의 혼합물은 HPLC 조성물보다 점도변화에 훨씬더 잘 대응하는 경향이 있다. 도 6으로 돌아가보면, CO2 혼합물의 점도와 유기 몰분율 사이에 선형관계가 있음을 쉽게 알 수 있다. 이것은 순수 시약의 레벨을 크게 벗어나 변하는 HPLC 곡선에 비해 크게 대조적이다.
도 6에 의하면, CO2 혼합물의 점도는 대응 HPLC 조성물보다 크게 낮다. 점도는 액체상태에서 분자들이 상대적으로 움직일 수 있는 능력의 척도이다. 점도가 낮을수록 1~10 미크론 사이즈 범위의 입자들로 채워진 분리 컬럼들에서 압력강하가 줄어든다. 끝으로, 점도가 낮으면 확산율이 커져, 용해된 샘플성분과 고정상 사이의 평형 속도가 가속된다. 그 결과 SFC에서 분리가 더 빨리 일어난다. 기울기용리는 더 짧은 기간에 실행될 수 있다. 이동상은 더 높은 유량으로 펌핑된다. 이들 모든 인자는 SFC에 초고성능 펌프들이 사용될 필요성을 심화시킨다.
CO2의 압축율은 HPLC에 공통적인 용매보다 4~20배 높다. 이 범위는 대부분의 표준 HPLC 펌프의 보정범위를 크게 벗어난다. 따라서, 입력유체와 펌프헤드를 사전냉각하는 외에도, CO2 펌프(124)의 펌핑 알고리즘에 특히 집중해야 한다. 압축율은 1바의 압력을 상승시키는데 필요한 용적변화율일 뿐이다. 압축율은 경험적으로 결정될 수 있으므로, 압축율 테이블을 만들 수 있다. 유체의 초기압력과 최종압력과 온도를 알면 상태방정식에서 압축율을 계산할 수 있다. 많은 HPLC 펌프의 사용자들은 유체의 압력을 송출압력까지 급속 상승시키는데 필요한 이동율을 위한 압축율을 입력할 수 있다. 압축이 단열과정이므로, 압축한 뒤의 유체의 실제 온도는 냉각제어온도보다 훨씬 높을 수 있으므로, 등온압축보다 덜 압축해야 한다. 최신 펌프에서는 최적의 경험적 압축율을 제어시스템이 자동으로 검색하여 정확한 유량을 송출하고 유동노이즈를 억제하도록 한다.
각종 초고성능 크로마토그래피 시스템들은 SFC의 펌핑 압축율과 관련해 많은 문제를 직면한다. 이런 시스템의 독점적 구현에는 특수한 펌프는 물론 특수한 컬럼 하드웨어와 인젝터가 필요하다. 상당히 높은 작동압력을 이용하고 더 짧은 시간에 분리를 하는데는 일반적으로 더 작은 입자들이 이용된다. 이런 시스템의 펌프는 일반적으로 기존의 HPLC 펌프보다 유동범위가 더 낮고, 지금까지 이 기술이 제조용 크로마트그래피와 같은 대량유동 시스템에까지 확장될 수 있는지는 증명되지 않았다. 확장성을 제한하는 주요 인자는 모터가 이런 고압에서 유체를 송출하도록 하는 극히 높은 토크이다. 이런 모터는 보통 아주 좁은 속도범위에서만 최대 토크에 도달하기 때문에, 그 응용이 제한된다.
도 12는 종래의 HPLC 시스템의 블록도이다. 이 시스템의 복식펌프(182)는 물과 같은 액체를 용기(180)로부터 받는다. 두번째 복식펌프(178)는 고압축율의 용매를 용기(176)로부터 받는다. 이들 2개의 유동류는 티에서 혼합된 다음 펄스댐퍼(184)와 출력 압력센서(186), 확산튜브(188), 인젝터 밸브(190), 분리 컬럼(192), 디텍터(194) 및 BPR(196)를 통과해 제조장치의 다른 처리단계로 가거나 폐기된다. 도 12에 도시되지 않은 컨트롤러가 시스템의 동작을 감독한다.
작동중에, 도 12의 HPLC 시스템의 각각의 펌프는 이동상의 특정 조성을 내는 초기 유량으로 설정된다. 이동상은 분리 컬럼과 평형을 이루도록 된다. 디텍터는 이런 초기상태에서 생긴 신호를 "베이스라인" 값으로 인식하도록 조절된다. 실제 분리를 시작하기 위해, 인젝터 밸브(190)의 샘플 루프는 용해된 성분들의 혼합물을 함유한 액체로 채워진다. 인젝터 밸브는 이동상이 샘플구간을 분리 컬럼위로 밀어올리도록 작동된다. 샘플 혼합물의 각개 성분은 분리 컬럼에서 각각의 리텐션 시간을 겪고 각각 다른 시간에 나타난다. 디텍터는 이들 성분을 감지하고 베이스라인과는 다른 전자신호를 생성하는데, 이런 신호는 뒤에 성분형으로 변억되거나 컨트롤러에 의해 정량화된다. 배압조절기(196)는 디텍터의 방해로 이동상 요소들에서 기체를 빼내지 못하도록 하기에 충분한 배압을 공급한다.
초기 이동상 성분이 적시에 샘플의 모든 성분들을 분리하기에 충분하다면, 초기 이동상 성분이 분리기간 내내 유지된다. 이를 등용매 분리라 한다. 샘플의 몇개 성분은 흡착력이 너무 강해 초기 유동성 조성이 혼합물을 용리하기에는 과도하게 긴 경우가 흔하다. 이 경우에는 기울기용리란 기술을 이용한다. 기울기용리에 의하면, 약하게 보유된 성분들의 초기 분리는 초기조건에서 일어나도록 한 다음, 더 강하게 보유된 성분들을 용리하기 위해 용매의 조성을 더 높은 용도의 더 진한 용매까지 증가시킨다. 그와 동시에, 2성분 혼합물 중의 흐린 용매의 유량을 줄여 총 유량을 일정하게 유지한다.
현대식 HPLC 펌프는 흔히 로컬 컨트롤러를 구비한다. 이렇게 되면 시스템 컨트롤러가 펌핑시스템의 실시간 컨트롤을 하지 않고, 시스템 상태와 감지신호를 감시해 그 결과값을 그래픽으로 사용자에게 제공하는데 전념할 수 있다. 시스템 컨트롤러로부터의 1회의 스타트신호로 펌프에 다운로드된 명령을 시작한다. 로컬 컨트롤러들은 서로간에 통신을 하여, 펌핑작업을 동기화하고 에러가 발생하면 신호를 낼 수 있다.
HPLC 시스템은 일반적으로 아력 0~400 바와 유량 0~10 ㎖/min의 범위에서 동작하도록 설계된다. 이 범위는 분리성능이 좋은 3㎛ 정도의 입자들로 된 분리 컬럼들을 통해 수성-유기 혼합물드을 펌핑하기에 적당하다. 이런 펌의 주요 설계제한인자는 구동모터의 최대 토크이다.
일반적으로, 펌프의 노이즈는 정상 HPLC 액체의 압력범위 중의 후반부에서 크게 증가한다. 압축을 하는 동안의 큰 유동 단속을 고려해 유량 보충을 증가시켜야 한다. 이런 유량/압력 변동은 감지성능을 악화시키는 감지신호의 노이즈로 바뀌어, 피크디텍션과 정량화를 둘다 어렵게한다. 일반적인 HPLC 시스템은 보충유량이 많이 필요한 SFC나 초고성능 LC의 조건들을 취급하기에 불충분하다.
도13은 본 발명의 바람직한 실시예로서, 도 12의 기존의 HPLC 시스템을 SFC 시스템으로 변환하는 방법을 보여준다. 부스터펌프(70), 프리칠러(74), 펄스댐퍼(80) 외에도 새로운 로컬 컨트롤러를 달아 이전의 HPLC 시스템이 CO2를 펌핑하면서 정상 제어모드를 실행하도록 하였다. 또, BPR(196)은 최소 400바의 압력범위를 갖고 컨트롤러에 의해 제어되도록 전기기계식으로 업그레이드되었다.
부스터펌프(70)는 고압실린더와 같은 용기(152)로부터 CO2와 같은 압축성 유체를 받는다. 가능한 다른 유체로는 극저온 드와(dewar)나, 70~100 바의 압력범위에서 저압기체를 고압 액체 CO2로 변환하는 장치의 액체 CO2가 있다. 또, 부스터펌프의 유량조건을 만족하기에 충분한 용적을 액화하기에 충분한 동력을 프리칠러(74)가 갖고있으면, CO2 증기도 사용할 수 있다.
작동 중에, 컨트롤러는 센서(142)의 압력을 추적해, 센서(78)의 압력이 1~10 바 수준으로 유지되도록 부스터펌프(70)의 유량을 조절한다. BPR(196)의 최소 작동압력이 100바이고 최대는 400바이면, 부스터펌프(70)가 90~400 바에서 유량을 공급할 수 있어야 한다. 부스터펌프(70)의 정상 유량은 부스터펌프 밀봉부에서 일어날 수 있는 적은 누수와 입력 유체의 저밀도를 충분히 보충하기 위해 최대 시스템 유량보다 상당히 커야 한다.
HPLC 펌프(182)는 바람직한 실시예의 계량 역할만 하도록 격하된다. 이런 역할에 의해, 펌프에 따라서는 펌프의 보충 용량 중의 상당량이 이용되지 않아 축소되거나 비활성화된다. 또, 높은 예비압력 때문에, 펌프(182)는 아주 낮은 압력차로 펌핑을 하고 사양보다도 훨씬 낮은 토크를 필요로 한다. 이렇게 낮은 압축이 필요하다는 것은, 유동 불연속과 보충 유량이 거의 없어서, 유동/압력/디텍터 노이즈가 훨씬 낮아짐을 의미한다. 따라서, 압축성 유체조차도 아주 낮은 노이즈로 정확하게 송출된다.
성공적 변환을 위한 다른 시스템 변화는 별로 없다. BPR(196)의 동적 범위는 조절할 필요가 있고, 로컬이나 시스템 컨트롤러에 의한 능동적 설계로 변환하는 것이 좋다. 디텍터는 고압으로 업그레이드할 필요가 있다. 요컨대, 원래의 HPLC 시스템이 거의 바뀌지 않고, HPLC 분리가 필요하다면 변환은 쉽게 반전될 수 있다. CO2 를 애체로 바꾸기 위한 능동 스위칭밸브를 하나 이상 추가하면 이런 변환을 자동화할 수 있고, 바람직한 실시예의 변화 없이도 듀얼모드 HPLC/SFC 시스템을 구현할 수 있다.
끝으로, 바람직한 실시예를 HPLC 시스템으로 구현하는데 원래의 HPLC 시스템의 시스템 컨트롤러를 전혀 바꿀 필요 없다. 그러나, 가능하다면 바람직한 실시예의 세트포인트의 컨트롤을 HPLC 시스템의 유저 인터페이스에 넘기는 것이 바람직하다.
이런 응용례의 경제적 영향은 산업계와 학계의 실험실과 현장에서 사용되는 대략 250,000대의 기존의 HPLC 시스템의 업그레이드 가능성을 고려할 때 아주 대단하다. 기존 장비를 폐기하기보다는 가능한한 저렴한 비용으로 SFC 시스템으로 업그레이드할 수 있다. 폐기를 방지하면 구형장비를 매립하지 않게되어 친환경적이기도 하다. 또, SFC는 HPLC에 비해 용매를 적게 사용하고 폐기물도 적게 발생시켜 "녹색기술"로 간주되기도 한다. 그 결과, 현대산업에서 지속적으로 관심의 대상이 되어온 "탄소발자국(carbon footprint)"을 낮추는데 도움이 된다.
도 13의 SFC 시스템은 확장축소가 가능하다. 기존의 HPLC의 용량범위는 0.5~2 ㎖/min이다. SFC의 용량범위는 보통 2~10 ㎖/min이다. 범위가 훨씬 높고 낮은 크로마트그래피 시스템은 다른 경우를 위한 것이다. 포장된 모세관 HPLC는 축소형으로서 용매의 이용을 줄이려고 한 것이다. 이 시스템은 일반적으로 하나의 실린지 펌프를 사용하고, 이 펌프에 전체 용리에 충분한 용매를 채운다. 이 기술은 용리 동작중에 심각한 압축을 겪는 고압축성 유체를 포함하도록 확장할 수 있다는 점에서 본 발명과 같은 장점을 보인다.
대규모의 제조 크로마토그래피 시스템은 20~2000 ㎖/min의 유체를 송출한다. 이런 시스템은 HPLC와 SFC 둘다를 위해 존재한다. 바람직한 실시예의 경우 대형 시스템에서 이상적으로 실행하는 분석적 레벨 방법을 개발하는 시스템을 제공한다. 열조절기(80)를 통해 상당량의 열에너지를 분산시키는 국부적 기술을 제공하기도 한다. 수집시스템의 CO2의 최종 증발단계에서 이 열을 이용하면 크게 이득이 된다. SMB(simulated moving bed) 분리기와 같은 다른 대형 제조 시스템들은 효과적인 분리를 최적화하는 임계 유량과 타이밍에 크게 의존한다. 바람직한 실시예의 질량유량 모드가 이런 시스템에 특히 유용하다.
초고성능 크로마트그래피 시스템에 HPLC 펌프 디자인을 결합
도 14는 바람직한 실시예의 또다른 응용례이다. 이 경우, 두번째 HPLC 펌프(178)를 지원하는 두번째 부스터펌프(198)를 시스템에 추가한다. 펄스댐퍼(202), 압력변환기(204) 및 열조절기(206)도 추가된다. 그 결과, 최대 2000바의 압력에서 작동할 수 있는 초고성능 크로마토그래픽 시스템을 위한 새로운 개념이 생긴다.
유체의 단열발열을 해결하지 못하는 급속압축행정을 이용해 단순히 압축보정을 확장하는 대신, 바람직한 실시예에서는 압축열을 다루는 새로운 수단을 이용한다. 이경우 초고압 계량기능이 공지의 단계에서 생기고 통제불능 변수를 없앨 수 있다. 개조되지 않은 HPLC 펌프는 최대압력에 대한 성분 사양 때문에 충분하지 못하다. 그러나, 밀봉, 센서, 배관 및 펌웨어를 업그레이드하면, 현대식 펌프의 기본디자인만으로서 필요한 초고압에 이르기에 아주 충분하다. 본 발명의 낮은 델타압력 때문에, 계량을 위한 모터 크기를 줄일 수 있지만, 이 경우 피스톤의 강도의 개량이 필요할 수 있다.
일반적으로, 펌핑 기술분야의 당업자라면 이상 설명한 본 발명의 개념을 아주 넓게 응용할 수 있을 것이다. 예컨대 의약품 알약을 균일하게 코팅하는 분야에도 적용할 수 있다. 본 발명은 기본적으로 특별한 수단 없이도 정량적 이송을 하기에는 너무 압축율이 크다고 생각되는 아주 광범위한 유체들을 고도로 정밀하게 송출하기 위해 펌프를 개량한 것이다. 본 발명의 기술로도 전반적인 성능개선을 도모할 수 있다. 본 발명은 기존의 펌프 컨트롤러에 의한 감지나 제어가 없이도 구현할수 있다는 점에서 경제적이기도 하다.

Claims (41)

  1. 압축성 유체의 압축펌핑장치에 있어서:
    유체의 압력을 높이는 제1 펌프;
    제1 펌프에 직렬로 연결되어, 제1 펌프에서 압축 유체를 받고 이 유체를 출구로 보내는 제2 펌프; 및
    제1 펌프와 제2 펌프 사이에 연결되고, 제2 펌프에 들어가기 전의 압축 유체의 열을 조절하는 열교환기;를 포함하고,
    제2 펌프로 들어가는 유체의 입력 압력이 제2 펌프의 출구에서의 유체의 출력 압력과 비슷하게 유지되어, 제2 펌프의 입출구 사이를 이동하는 유체의 밀도변화가 최소화되는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 펌프의 출구에서의 유체 압력을 감지하는 제1 압력센서;
    제2 펌프의 출구에서의 유체 압력을 감지하는 제2 압력센서; 및
    제1 및 제2 압력센서들과 제1 펌프에 연결되어 제1 펌프를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하고;
    제1 압력센서의 압력값과 제2 압력센서의 압력값을 컨트롤러에서 분석하며;
    상기 컨트롤러는 제1 센서의 압력값을 제2 센서의 압력값과 비슷하게 유지하도록 제1 펌프를 작동시키는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 컨트롤러가 제2 펌프를 작동시키는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  4. 제1항에 있어서, 제2 펌프에서 받은 유체의 입력 압력이 제2 펌프의 출구에서의 유체의 출력압력의 2~10 바의 압력범위내에 유지되는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  5. 제1항에 있어서, 제2 펌프에서 받은 유체의 입력 압력이 제2 펌프의 출구에서의 유체의 출력압력의 0.1~2 바의 압력범위내에 유지되는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  6. 제1항에 있어서, 제2 펌프에서 받은 유체의 입력 압력이 제2 펌프의 출구에서의 유체의 출력압력의 0.1~10 %의 압력범위내에 유지되는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  7. 제1항에 있어서, 제2 펌프에서 송출된 유체의 출력 압력이 20~2000 바인 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  8. 제1항에 있어서, 제2 펌프의 출구에서의 유체의 밀도변화가 제2 펌프의 입구에서의 유체의 밀도의 0.01~2.00 %인 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 펌프들이 각각 용적형 펌프이고, 제1 펌프에 의한 유체의 펌프노이즈가 제2 펌프의 출구에서 감쇄되는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 펌프가 왕복형 펌프를 포함하고, 제1 펌프에대해 압축보상이 불필요한 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 펌프가 실린더 2개 이상의 왕복형 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2 펌프가 기어펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  13. 제1항에 있어서, 150x10-6 bar-1 보다 작은 압축보상값이 제2 펌프의 유체의 보상을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  14. 제1항에 있어서, 초고성능 크로마트그래픽 시스템이나 초임계유체 크로마토그래피 시스템 중의 하나를 위한 유량을 생성하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제2 펌프가 단열가열을 하지 않는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  16. 제1항에 있어서, 유체의 압력 진동을 없애고 제2 펌프로부터의 간헐적 요구를 취급하기 위한 펄스댐퍼를 제2 펌프와 제2 펌프 사이에 연결하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  17. 제1항에 있어서, 유체에 열을 가감하기 위한 온도조절기를 제1 펌프와 제2 펌프 사이에 연결하고; 제2 펌프의 입구에서의 유체의 등온 온도가 정확한 용적흐름을 위해 온도조절기에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  18. 제1항에 있어서, 유체에 열을 가감하기 위한 온도조절기를 제1 펌프와 제2 펌프 사이에 연결하고; 압축변화에 대한 응답으로 온도를 변화시켜 제2 펌프의 입구에서의 유체의 밀도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  19. 제17항에 있어서, 제2 펌프의 출력압력에 대한 응답으로 입력압력을 변화시켜 제2 펌프의 입구에서의 유체의 압축율을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  20. 제2항에 있어서, 컨트롤로에 연결된 온도센서를 제2 펌프의 출구의 하류에 배치하고, 이 온도센서가 유체의 온도신호를 컨트롤러에 전송하며, 출구에서의 유체의 온도와 압력을 이용해 상기 컨트롤러가 제2 펌프의 용적량을 조절하여 유량계를 사용하지 않고도 정확한 유량제어를 하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  21. 제1항에 있어서, 제2 펌프 출구의 하류에 BPR(배압조절기; back pressure regulator)와 BPR 컨트롤러를 연결하여, 제2 펌프의 하류의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  22. 제1항에 있어서, 제1 펌프의 상류에 프리칠러를 연결해 유체를 냉각하고, 압축펌핑장치가 초임계 유체 크로마토그래피 시스템의 압축성 유체의 압력원 역할을 하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  23. 제22항에 있어서, 공급유체가 기체상이고, 기체상의 공급유체는 제1 펌프로 들어가기 전에 프리칠러에 의해 액체상태로 응축되는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  24. 제1항에 있어서,
    제1 펌프와 제2 펌프 사이에 연결되어, 제2 펌프에 들어가는 유체의 압력을 조절하는 중간류 BPR; 및
    제1 펌프와 BPR을 조절하는 시스템 컨트롤러;를 더 포함하고,
    제1 펌프가 유량모드에서는 항상 제2 펌프의 소비량보다 많은 유량을 송출하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 제2 펌프가 여러대이고, 각각의 제2 펌프는 제1 펌프의 출구로부터 서로 독립적으로 유체를 흡입하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  26. 제1항에 있어서, 상기 제2 펌프가 한대의 구동모터로 동작하는 다수의 독립적인 펌프헤드들을 구비하여, 제2 펌프의 다수의 출구를 통한 유체의 흐름을 병렬화하는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  27. 제1항에 있어서, 상기 제1 펌프 여러대가 상기 제2 펌프의 공통으로 연결되어, 제2 펌프의 용량이 다수의 제1 펌프의 합산 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  28. 제1항에 있어서, 상기 제1 펌프가 여러대의 펌프를 직렬로 연결하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압축펌핑장치.
  29. HPLC 크로마토그래픽 시스템을 SFC 크로마토그래픽 시스템으로 변환하는 방법에 있어서:
    압축성 유체를 압축하는 제1 펌프를 HPLC 시스템에 제공하는 단계;
    제1 펌프에 직렬로 연결된 HPLC 시스템을 제2 펌프로 사용해, 제1 펌프로부터 압축된 유체를 받고 이 유체를 제2 펌프의 출구로 보내는 단계;
    제1 펌프와 제2 펌프 사이에 연결되어 제2 펌프로 들어가기 전의 압축 유체의 열을 조절하는 열교환기를 HPLC 시스템에 제공하는 단계; 및
    상기 HPLC 시스템의 크로마토그래피 컬럼의 하류에 연결된 BPR을 HPLC 시스템에 제고하는 단계;를 포함하고,
    제2 펌프에서 받은 압축 유체의 입력압력이 제2 펌프의 출구에서의 유체의 출구압력과 비슷하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 하나 이상의 액체 용기에 연결된 다른 HPLC 펌프를 이용하는 단계를 더 포함하고, 상기 펌프의 출구가 공통의 출력흐름에 연결되어 유동성 조성을 2개, 3개 또는 그 이상으로 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제29항에 있어서, 원래의 HPLC 시스템에 연결된 시스템 컨트롤러, 제1 펌프에 연결된 SFC 컨트롤러, 및 제1 펌프의 출력압력을 조절하는 BPR을 HPLC 시스템에 더 제공하고, 상기 시스템 컨트롤러와 SFC 컨트롤러는 서로 독립적으로 작동하는 를 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제29항에 있어서, 원래의 HPLC 시스템에 연결된 시스템 컨트롤러, 제1 펌프에 연결된 SFC 컨트롤러, 및 제1 펌프의 출력압력을 조절하는 BPR을 HPLC 시스템에 더 제공하고, 상기 시스템 컨트롤러와 SFC 컨트롤러는 서로 협조적으로 작동하는 를 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 초고성능 크로마토그래픽 시스템을 만드는 방법에 있어서:
    유체를 압축하는 제1 펌프를 제공하는 단계;
    제2 펌프를 제1 펌프에 직렬로 연결하여, 제1 펌프로부터 압축된 유체를 받고 이 유체를 제2 펌프의 출구로 보내는 단계;
    제1 펌프와 제2 펌프 사이에 연결되어 제2 펌프로 들어가기 전의 압축 유체의 열을 조절하는 열교환기를 제공하는 단계; 및
    HPLC 펌프의 하류에 샘플 인젝터를 연결하고, 분리 컬럼을 상기 샘플 인젝터에 연결하며, 디텍터를 샘플 인젝터의 하류에 연결하는 단계;를 포함하고,
    제2 펌프에서 받은 압축 유체의 입력압력이 제2 펌프의 출구에서의 유체의 출구압력과 비슷하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 시스템이 제2 펌프의 출구에서 측정된 1~2000 바의 압력범위에서 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 시스템의 크로마토그래피 컬럼의 하류에 BPR을 연결하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제33항에 있어서, 상기 시스템의 제1 펌프의 상류에 프리칠러를 연결하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제33항에 있어서, 상기 제1 펌프, 열조절기 및 제2 펌프를 여러대 배치하고, 제2 펌프 각각의 출구를 공통의 출력흐름에 연결하여 유동성 조성을 2개, 3개 또는 그 이상으로 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제33항에 있어서, 상기 제1 펌프에 시스템 컨트롤러를 연결하여 제1 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제38항에 있어서, 상기 시스템 컨트롤러에 로컬 컨트롤러를 연결하여, 제1 펌프, 제2 펌프, 열조절기, 인젝터 및 디텍터 중의 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제33항에 있어서, 상기 시스템에서 사용되는 유체가 응축성 증기, 액체, 액화기체 또는 초임계 유체 상태로 시스템 입구에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제36항에 있어서, 상기 시스템에서 사용되는 유체가 응축성 증기, 액체, 액화기체 또는 초임계 유체 상태로 시스템 입구에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020117001719A 2008-06-24 2009-06-23 압축성 유체 펌핑 장치 KR20110070972A (ko)

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