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펄리스탈틱 펌프: 한 번에 두 곳을 막고, 유체에 닿는 밸브는 없다
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Emma

작성자

Emma

27. 9월 2026SE
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펄리스탈틱 펌프: 한 번에 두 곳을 막고, 유체에 닿는 밸브는 없다

두 손가락 사이로 호스를 눌러 닫은 채 손가락을 따라 밀어 보라. 앞쪽의 액체는 앞으로 밀려 나가고, 손가락 뒤의 호스는 원래 모양으로 튕겨 돌아와 다시 채워진다. 이것이 펄리스탈틱 펌프의 원리 전부다. 회전자가 곡선 트랙을 따라 롤러를 돌리면, 각 롤러는 유연한 튜브를 눌러 닫은 채 그 위를 굴러간다. 튜브 안쪽만이 액체와 닿는다. 막힐 밸브도, 샐 씰도 없고, 버리면 되는 튜브 외에는 세척할 것도 없다. 그래서 이 펌프는 혈액, 세포 배양, 수돗물에 화학약품을 주입하는 용도, 콘크리트, 프린터 잉크에 쓰인다. Rufus Porter와 J. D. Bradley는 1855년 이 펌프를 우물 펌프로 특허 등록했고, 모든 펄리스탈틱 펌프가 여전히 따라야 하는 규칙을 적었다. 튜브는 **같은 순간 두 곳에서** 막혀 있어야 한다. 1881년 Eugene Allen은 같은 원리를 혈액 이송에 사용했는데, 혈액이 엉겨 붙을 밸브가 없기 때문이다. 이 단원에서는 스텝 모터를 이용해 이것을 만들어 본다.
중급
약 6시간

안내

1

먼저 튜브를 고르세요 — 나머지 모든 것이 이에 맞춰집니다

튜브가 곧 펌프입니다. 내경은 한 바퀴당 유량을 결정하고, 벽 두께는 롤러가 얼마나 세게 눌러야 하는지를 정하며, 재질은 무엇을 이송할 수 있는지와 수명을 결정합니다. 이번 제작에는 **실리콘** 튜빙을 사용하세요. 실리콘은 누를 때마다 원래의 둥근 형태로 빠르게 복원되는데, 이것이 롤러 뒤쪽 공간을 다시 채우는 역할을 합니다. 투명 PVC 튜빙은 더 저렴하고 더 뻣뻣하며, 복원이 느리고 더 빨리 영구적인 납작한 변형이 생기므로 느리고 가끔 사용하는 용도에만 적합합니다. 버니어 캘리퍼스로 절단한 끝단에서 원 둘레의 여러 지점을 측정하여 내경과 벽 두께를 재세요. 완전히 눌려 납작해진 튜브는 정확히 **벽 두께의 두 배**가 되며, 이것이 롤러와 트랙 사이의 초기 간격입니다. 두 수치를 모두 기록해 두세요 — 다음 단계에서 트랙이 이 값을 기준으로 설계됩니다.

이 단계의 재료:

실리콘 튜브실리콘 튜브1 미터

필요한 도구:

디지털 캘리퍼스 6인치디지털 캘리퍼스 6인치
2

트랙, 로터 및 롤러 출력하기

튜브의 중심선까지 반지름 25 mm의 곡선 트랙이 있는 하우징을 출력하세요. 트랙은 **최소 180도**를 감싸야 합니다. 즉, 한쪽 다리로 튜브가 들어오고 다른 쪽 다리로 나가는 U자 형태입니다. 스테퍼 모터의 5 mm 샤프트에 맞고 육각 볼트(그럽 스크루)로 고정되는 3암 로터를 출력하고, 각 암 끝의 기계 나사에 스케이트보드 베어링을 롤러로 끼우세요. 고정된 핀 대신 구름 베어링을 사용하는 것이 펌프와 튜브 절단기의 차이입니다. 핀은 튜브를 끌고 다니며 결국 튜브를 뚫어버립니다. 트랙을 별도의 부품으로 만들어 슬롯 구멍에 끼운 두 개의 나사로 고정하면 로터 쪽으로 움직일 수 있습니다. 이 조정이 바로 **폐색(occlusion)**, 즉 튜브가 얼마나 세게 눌리는지를 결정하며, 펌프에서 유일한 설정 항목입니다. 트랙 양 끝에서 출력된 클립으로 튜브를 고정하세요. 그렇지 않으면 롤러와 함께 튜브가 계속 돌아가 팽팽하게 당겨져 펌핑이 멈춥니다.

이 단계의 재료:

PETG 필라멘트PETG 필라멘트120 g
볼 베어링볼 베어링3 개
기계 나사기계 나사10 개
스테퍼 모터스테퍼 모터1 개

필요한 도구:

FDM 3D 프린터FDM 3D 프린터
디지털 캘리퍼스 6인치디지털 캘리퍼스 6인치
육각 렌치 세트육각 렌치 세트
무선 드릴무선 드릴
드릴 비트 세트드릴 비트 세트
3

회전당 유량과 두 곳이 닫혀 있다는 규칙

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4

The drive: a stepper, a speed knob and a reverse button

A stepper motor is the right drive for a dosing pump: it turns a known angle per step, so the volume pumped is simply steps counted. This sketch reads a potentiometer for speed and a button to reverse — reversing is how you clear an air lock or empty a line back into its bottle. Set the driver's current limit before connecting the motor; a stepper run at the wrong current either stalls under the tube's resistance or overheats.
peristaltic_drive.inoarduino
/*
  peristaltic_drive.ino -- run a stepper-driven peristaltic pump at a set speed.

  Hardware: a NEMA 17 stepper on an A4988 (or DRV8825) driver board, a 10 k
  potentiometer for speed, and a push button to reverse.
  Wiring:   driver STEP -> D3, DIR -> D4, EN -> D8 (LOW = enabled)
            pot wiper -> A0, pot ends -> 5V and GND
            button    -> D2 and GND (internal pull-up)
  The driver's own VMOT must come from the 12 V supply, with a 100 uF capacitor
  across it at the board, and its current limit set BEFORE the motor is connected.
*/

const int PIN_STEP = 3;
const int PIN_DIR  = 4;
const int PIN_EN   = 8;
const int PIN_BTN  = 2;
const int PIN_POT  = A0;

const long STEPS_PER_REV = 200L * 16L;   // 1.8 deg motor, 1/16 microstepping
const float RPM_MIN = 2.0;
const float RPM_MAX = 150.0;

unsigned long lastStep = 0;
unsigned long interval = 0;              // microseconds between steps
bool forward = true;
bool lastBtn = HIGH;

void setup() {
  pinMode(PIN_STEP, OUTPUT);
  pinMode(PIN_DIR, OUTPUT);
  pinMode(PIN_EN, OUTPUT);
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP);
  digitalWrite(PIN_EN, LOW);
  digitalWrite(PIN_DIR, HIGH);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // speed from the pot, re-read every loop so turning it takes effect at once
  float rpm = RPM_MIN + (RPM_MAX - RPM_MIN) * analogRead(PIN_POT) / 1023.0;
  interval = (unsigned long)(60.0e6 / (rpm * STEPS_PER_REV));

  // reverse on a button press (edge, not level), to clear an air lock
  bool b = digitalRead(PIN_BTN);
  if (b == LOW && lastBtn == HIGH) {
    forward = !forward;
    digitalWrite(PIN_DIR, forward ? HIGH : LOW);
    Serial.println(forward ? F("forward") : F("reverse"));
    delay(30);                           // crude debounce
  }
  lastBtn = b;

  unsigned long now = micros();
  if (now - lastStep >= interval) {
    lastStep = now;
    digitalWrite(PIN_STEP, HIGH);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(PIN_STEP, LOW);
  }
}

/*
  CALIBRATE, don't trust the arithmetic:
   1. Run into a graduated cylinder for exactly 100 rotor turns (count them on
      the serial print, or time them at a known rpm).
   2. Volume / 100 is your mL per turn. Compare it with the notebook's figure.
   3. Repeat with the outlet lifted 1 m higher. If the figure drops, the
      rollers are not closing the tube fully -- raise the occlusion.
*/

이 단계의 재료:

Arduino Uno R3Arduino Uno R31 개
스테퍼 모터 드라이버스테퍼 모터 드라이버1 개
가변저항기가변저항기1 개
점퍼 와이어점퍼 와이어1 세트

필요한 도구:

Arduino IDE가 설치된 컴퓨터Arduino IDE가 설치된 컴퓨터
직류 전원 장치직류 전원 장치
5

occlusion 설정 및 물기둥에 대한 보정

트랙을 뒤로 물러난 상태에서 시작하여 롤러가 튜브에 거의 닿지 않도록 합니다. 흡입구를 염료 몇 방울이 든 물 비커에 넣고, 배출구를 눈금 실린더로 연결한 뒤 펌프를 천천히 작동시킵니다. 트랙을 조금씩 안쪽으로 이동시킵니다. 처음에는 펌프가 거의 아무것도 전달하지 않습니다. 롤러가 액체를 앞으로 밀어내지만 액체는 롤러를 지나 뒤로 미끄러져 돌아갑니다. 간격이 벽 두께의 약 두 배에 이르면 유량이 갑자기 증가합니다. 이제 배출구를 흡입구보다 1미터 높이 올리고 염료를 관찰하십시오. 롤러가 한 번 지나갈 때마다 염료가 뒤로 기어간다면 트랙을 조금 더 닫으십시오. 염료가 제자리에 머무르는 순간 멈추십시오. 그 이상으로 가지 마십시오. 1mm의 일부라도 더 조이면 매 회전마다 튜브가 눌려 수명이 짧아지고, 유량은 더 늘지 않습니다. 이제 보정하십시오. 튜브에서 100회전을 세어 실린더에 담고, 나눈 뒤 노트에 적힌 수치와 비교합니다. 실제 펌프는 롤러 사이에서 튜브가 원래의 둥근 형태로 완전히 회복되지 않기 때문에 계산값보다 적게 토출합니다. 계산값이 아니라 이렇게 측정한 수치가 정량 펌프가 실제로 따라야 할 기준입니다.

이 단계의 재료:

물물1 리터
식용 색소 (흐름 가시화용 염료)식용 색소 (흐름 가시화용 염료)1 방울

필요한 도구:

눈금 실린더눈금 실린더
스톱워치스톱워치
육각 렌치 세트육각 렌치 세트
줄자줄자
6

펄스와 튜브 마모

Jupyter 노트북 불러오는 중…
7

흐름이 어긋났습니다: 원인을 찾아보세요

연동 펌프(peristaltic pump)의 유량은 튜브와 폐쇄(occlusion) 상태에 따라 좌우됩니다. 다음은 보정된 회전당 밀리리터(mL/turn) 값을 변화시키는 결함들로, 점검해야 할 순서대로 정리했습니다.

Flow

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8

역사와 배경

**미국 특허 12,753호 '탄성관 펌프(Elastic-Tube Pump)', 워싱턴 D.C.의 루퍼스 포터(Rufus Porter)와 버몬트주 브래틀버러의 J. D. 브래들리(J. D. Bradley), 1855년 4월 17일자.** 포터는 *Scientific American*(사이언티픽 아메리칸)의 창립자였다. 이 특허는 당시에는 등장한 지 10년밖에 되지 않은 상용 가황 고무 호스를 원통형 표면에 둘러 고정하고 롤러로 훑어 내려가는 방식을 설명하며, 펌프가 작동하게 하는 조건을 명시한다. 호스는 두 지점에서 *"동시에 막혀야"* 한다. 그들이 제시한 한 가지 방법은 호스를 한 바퀴 온전히 감는 것이었다. **미국 특허 249,285호 '수혈용 기구(Instrument for Transfusion of Blood)', 미시간주 그랜드래피즈의 유진 E. 앨런(Eugene E. Allen), 1881년 6월 23일 출원, 1881년 11월 8일 허가.** 내경이 약 1/8인치인 고무 호스를 작은 황동 상자 안의 고무 쿠션 위에 놓고, 세 개 이상의 유리 롤러를 무한궤도 벨트에 실어 항상 하나가 호스를 눌러 막도록 했다. 앨런은 명세서에서 그 이유를 이렇게 설명한다. 이동하는 압력이 *"모든 흡입 밸브를 불필요하게 만드는데, 혈액의 끈적이고 섬유소를 포함한 성질 때문에 흡입 밸브는 항상 막히고 응혈을 만들기 때문이다"*. 롤러 펌프는 이후 앨런이 제시한 것과 같은 이유로 심장-폐 기계와 투석기에서 혈액을 이동시키는 데 쓰이게 되었다. **솔직한 한계.** 맥동성 흐름을 만든다. 유량은 마모되는 튜브에 의존하므로 점차 변하고 재보정이 필요하다. 압력은 튜브가 밀봉할 수 있는 수준에 의해 제한되며, 일반 실험실용 튜브의 경우 몇 bar 정도다. 또한 마모된 튜브는 서서히 실패하지 않는다. 갑자기 찢어지며, 그 안에 흐르던 내용물이 펌프 헤드 안으로 흘러든다.
단계 8 - Image 1

재료

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