KR100791874B1

KR100791874B1 - 열판 및 스프링을 구비한 압력 변환기

Info

Publication number: KR100791874B1
Application number: KR1020037008757A
Authority: KR
Inventors: 포울린제임스엠; 매튜샨티이; 민들린레오니드; 퀴글리클라우디아제이; 블랭큰쉽스티븐디
Original assignee: 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2008-01-07
Also published as: US6612176B2; DE60113722D1; JP4222830B2; KR20030063481A; EP1348111A1; TW513562B; EP1348111B1; JP2004521328A; DE60113722T2; WO2002054034A1; US20020083774A1

Abstract

용량식 압력 변환기가 개시된다. 이 변환기는 히터 쉘(120), 용량식 압력 센서(140), 전자회로 조립체(160) 및 열 배리어(320)를 포함한다. 압력 센서와 전자회로 조립체는 상기 히터 쉘 내에 위치한다. 또한 열 배리어는 히터 쉘 내에서 압력 센서와 전자회로 조립체 사이에 위치한다. 고열전도성 스프링(340)이 판(320) 및 쉘(120)과 접촉한다.

Description

열판 및 스프링을 구비한 압력 변환기 {PRESSURE TRANSDUCER WITH THERMAL PLATE AND SPRING}

본 발명은 용량식 압력 변환기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 열적 특성이 개선된 용량식 압력 변환기에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 가열형 용량식 압력 변환기(100)의 단면도이다. 이 변환기(100)는 외부 쉘(110), 히터 쉘(120), 히터(130), 용량식 압력 센서(140), 전단 전자회로 조립체(160), 히터 제어용 전자회로 조립체(170), 그리고 입출력(I/O) 전자회로 조립체(180)와 같은 주요 구성 요소를 몇 가지 포함한다. 보다 상세히 후술하겠지만, 변환기(100)는 센서(140)에 의해 측정된 압력을 표시하는 출력 신호를 발생시킨다.

예시의 편의상, 센서(140)의 구성과, 센서(140) 및 전자회로 조립체(170, 180)의 실장 상태와 같은 변환기(100)의 많은 기계적 세부 사항은 도 1에서 생략하였다. 그러나, 변환기(100)와 같은 가열형 용량식 압력 변환기는 잘 알려져 있으며, 예를 들면 미국 특허 제5,625,152호(판도르프), 제5,911,162호(데너), 그리고 제6,029,525호(그루지엔)에 기술되어 있다.

간략히 설명하면, 외부 쉘(110)은 하부 엔클로저(112; enclosure), 상부 전 자회로 엔클로저(114), 그리고 이들 엔클로저(112, 114)를 함께 고정시키는 결합구(116)를 포함한다. 히터 쉘(120)은 하부 엔클로저(112) 내에 위치하며, 하부 엔클로저 또는 캔(122)과 커버(124)를 포함한다. 히터(130)는 배럴 히터(132)와 엔드 히터(134)를 포함한다. 배럴 히터(132)는 캔(122)의 외부 원통형 측벽 둘레에 싸여 있으며, 엔드 히터(134)는 캔(122)의 하단에 위치한다. 배럴 히터(132)와 엔드 히터(134)는 와이어(136)를 통해 전기적으로 접속되어 있어서, 이들 두 히터(132, 134)가 단일의 전기 신호에 의해 동시 제어될 수 있다. 센서(140)와 전단 전자회로 조립체(160)는 히터 쉘(120) 내에 위치한다. 마운팅 포스트(162)가 전단 전자회로 조립체(160)를 센서(140) 위로 지지하며, 와이어(164)가 전단 전자회로 조립체(160)와 센서(140)를 전기적으로 접속시킨다. 히터 제어용 전자회로 조립체(170)와 입출력 전자회로 조립체(180)는 상부 전자회로 엔클로저(114) 내에 위치한다. 온도 센서(190; 예를 들면, 서미스터)가 히터 쉘(120)의 내부 표면에 고정되어 있다.

센서(140)는 금속제의 가요성 다이어프램(142)과 압력관(144)을 포함한다. 압력관(144)은 다이어프램과 인접한 구역으로부터 히터 쉘(120)과 하부 센서 엔클로저(112)를 통해 연장된다. 압력관(144)의 하단부 또는 외측 단부는 일반적으로 유체 공급원(도시 생략)에 결합되어 있다. 유체 공급원 내의 유체의 압력은 압력관(144)을 통해 다이어프램(142)의 하부 표면으로 연통되고, 다이어프램(142)은 압력관(144) 내의 압력 변화에 응답하여 상하로 굴곡된다. 센서(140)의 기준 전도판과 다이어프램(142)이 캐패시터를 형성하며, 이 캐패시터의 캐패시턴스는 다이어프 램의 이동 또는 굴곡에 따라 변한다. 따라서, 캐패시터의 캐패시턴스는 압력관(144) 내부 압력의 지표가 된다. 전단 전자회로 조립체(160)와 입출력 전자회로 조립체(180)는 서로 협동하여 센서(140)의 캐패시턴스를 나타내는 출력 신호를 발생시키는데, 이 출력 신호는 물론 압력관(144)의 내의 압력을 나타내는 것이기도 하다. 입출력 전자회로 조립체(180)는 전자회로 커넥터(182)를 통해 상기 출력 신호를 변환기(100) 외부의 환경에서 이용할 수 있게 해 준다.

도 2는 어떻게 용량식 압력 센서(140)가 구성될 수 있는가를 보여주는 일례이다. 도 2에 도시된 형태의 용량식 압력 센서는 미국 특허 제6,029,525호(그루지엔)에 보다 상세히 기재되어 있다. 도 2에 도시된 센서(140)는, 원형이고 전도성이 있으며 금속으로 이루어진 가요성 다이어프램(142)과, 압력관(144)과, 전극(246)을 포함한다. 전극(246)과 다이어프램(142)은 하우징(248) 내에 장착되어 있다. 전극(246)은 세라믹 블록(250)과 전도판(252)을 포함한다. 세라믹 블록(250)은, 그 블록(250)의 하단면이 다이어프램과 간격을 두고 대체로 평행하게 위치하도록 하우징(248)에 강고하게 장착되어 있다. 세라믹 블록(250)의 하단면은 보통 편평하고 원형이다. 전도판(252)은 세라믹 블록(250)의 하단면에 배치되며, 다이어프램과는 간격을 두고 평행하게 위치해 있다. 전도판(252)과 다이어프램(142)은 가변 캐패시터(254)의 두 판을 형성한다. 이 캐패시터(254)의 캐패시턴스는 다이어프램(142)과 전도판(252) 사이의 간격에 의해 부분적으로 결정된다. 다이어프램이 압력관(144) 내의 압력 변화에 응답하여 상하로 굴곡[이 굴곡에 따라 다이어프램(142)과 전도판(252) 사이의 간격이 변화함]되기 때문에, 캐패시터(254)의 캐패시턴스는 압력관(144) 내부 압력의 지표가 된다.

도 2는 용량식 압력 센서(140)를 구성하기 위한 많은 공지된 방법 가운데 단지 하나를 예시한 것에 불과하다. 그러나, 용량식 압력 센서(140)는 가요성의 전도성 다이어프램과 간격을 두고 유지되는 하나 이상의 전도체를 포함하는 것이 일반적이다. 다이어프램과 전도체는 하나 이상의 가변 캐패시터의 판을 형성하며, 이 캐패시터의 캐패시턴스는 압력관(144)의 내부 압력의 함수에 따라 변한다.

용량식 압력 센서는, 도 2에 도시된 바와 같이 관(260) 및 게터(262; getter)와 같은 추가적인 요소를 종종 포함한다. 센서(140)의 제작 시에는, 관(260)이 최초로 개방되어 다이어프램(142) 위에 있는 하우징(248) 부분에 기준 압력(예컨대, 진공)을 형성하는 역할을 한다. 일단 필요한 기준 압력이 형성되면[예컨대, 관(260)에 진공 펌프를 부착함으로써] 관(260)의 상부를 폐쇄, 즉 "핀치 오프(pinch off)"하여, 하우징(248) 상부의 내부가 원하는 기준 압력으로 유지되도록 한다. 관(260)이 핀치 오프된 후에 하우징(248)의 상부로 침투하는 가스 분자를 흡수하기 위하여 게터(262)를 종종 포함시킨다[예컨대, 전극(250)을 탈가스함으로써].

다시 도 1을 참조하면, 작동 시에, 전단 전자회로 조립체(160)는 센서(140)의 캐패시턴스를 측정하여 그 캐패시턴스를 나타내는 전압 신호를 발생시킨다(예컨대, 이 전압 신호는 캐패시턴스의 변화에 따라 선형적으로 변할 수 있다). 입출력 전자회로 조립체(180)는 상기 전압 신호를 증폭하고 추가로 조절하여 변환기(100)의 출력 신호를 발생시키는 것이 전형적이다.

고성능 변환기의 경우, 전단 전자회로 조립체(160)는 센서(140)의 캐패시턴스의 매우 작은 변화를 구별해낼 수 있어야 한다[예를 들면, 1 Torr 범위에서 압력을 측정하는 센서의 경우, 0.1 Torr의 델타 압력은 센서(140)의 캐패시턴스에서 단지 2 피코패러드(picofarad)의 변화에 해당하는 것이 전형적이다]. 따라서, 센서(140)의 캐패시턴스 측정과 관련하여 어떠한 부유용량(Stray Capacitance)도 최소화하는 것이 중요하다. 이러한 부유용량을 최소화하는 방법 중 하나는, 전단 전자회로 조립체(160)를 센서(140)와 인접하도록 배치하여, 조립체(160)와 센서(140)를 전기적으로 접속시키는 와이어(164)의 길이를 최소화하는 것이다.

변환기(100)의 출력 신호는 압력관(144) 내부 유체의 압력 변화에 따라서만 변하는 것이 이상적이다. 그러나, 변환기(100) 온도의 변화나 변환기(100) 내부의 온도 구배가 출력 신호에 영향을 줄 수 있다. 이것의 주된 원인은 센서(140)의 제작에 사용된 상이한 재료의 열팽창 계수의 차이이다. 부차적인 효과는 전단 전자회로 조립체(160)의 온도에 민감한 성능과 관련된다. 따라서, 변환기(100)의 정확성은 주위 환경의 온도 변화로부터 악영향을 받을 수 있다.

주위 온도 변화로 인한 악영향을 최소화하기 위해서, 변환기(100) 중에서 온도에 민감한 구성품[예를 들면, 센서(140)와 전단 전자회로 조립체(160)]을 히터 쉘(120) 내에 배치하며, 작동 시에 히터(130)는 히터 쉘(120)을 일정한 온도로 제어하면서 가열하려는 시도를 한다. 히터(130)와 히터 쉘(120)은 사실상, 온도에 민감한 구성품의 온도를 미리 선택된 일정한 값으로 유지하려는 시도를 하는 온도 제어식 오븐을 형성한다.

히터(130)로서 사용될 수 있는 히터의 구조는 잘 알려져 있다. 한 가지 바람직한 히터가 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제09/685,154호(대리인 서류 번호 MKS-78)에 기술되어 있다. 간략히 설명하면, 히터(130)는 선택된 전기 저항을 특징으로 하는 와이어 또는 트레이스(예컨대, 구리)를 가요성이 있고 전기 절연성과 열전도성이 있는 쉘에 배치함으로써 형성되는 것이 보통이다. 트레이스는 그 트레이스에 특정 전기 신호가 인가되면 히터 쉘(120)을 미리 선택된 온도로 가열하도록 선택된다. 상기 전기 절연성 및 열전도성이 있는 쉘은 실리콘 고무 또는 캡톤(듀퐁사가 Kapton이란 상표로 시판하는 폴리이미드 고온 필름)의 박층으로 제작되는 것이 통상적이다. 히터(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 히터 쉘(120)의 외부 표면에 영구 접착되는 것이 보통이다.

작동 시에, 히터 제어용 전자회로 조립체(170)가 와이어(172)를 통해서 히터(130)에 전기 신호를 인가한다. 히터 제어용 전자회로 조립체(170)는, 센서(190)를 통해 히터 쉘(120)의 온도를 감시하고 히터(130)에 인가되는 신호를 조정하여 히터 쉘(120)을 일정한 온도로 유지하기 위한 구성품을 포함하는 것이 보통이다.

전술한 바와 같이 히터 쉘(120)과 히터(130)를 사용함에도 불구하고, 용량식 센서(140)에는 열 구배가 여전히 종종 생긴다. 예를 들면, 작동 시에 센서(140)의 상단이 하단보다 약간 더 뜨거워질 수 있다. 그러한 구배는 변환기(100)의 성능에 악영향를 준다. 미국 특허 제5,625,152호(판도르프)에는 용량식 압력 센서에 생기는 열 구배를 감소시키는 경향이 있는 한 가지 구조가 개시되어 있다. 이 특허에 개시된 변환기는 서로 분리되어 있는 2개의 히터 쉘을 포함한다. 이들 히터 쉘 중 하나에는 용량식 센서가 위치하고 나머지에는 전자회로가 위치한다. 각 히터 쉘에는 고유 히터가 장착되어 있으며 이들 2개의 히터 쉘은 상이한 온도로 가열될 수 있다. 이 구조에서 생기는 문제의 하나는, 2개의 분리된 히터 쉘을 마련함에 따라 변환기의 비용이 상승하는 불리한 점이 있다는 것이다. 이 구조의 또 다른 문제는, 센서와 전자회로 사이의 거리가 증가하여, 이들을 접속시키는 와이어의 캐패시턴스가 증가하는 경향이 있다는 점이다.

따라서, 용량식 압력 변환기에서 온도 구배를 저렴하게 감소시킬 수 있는 구조 및 방법을 개발하는 것이 유리할 것이다.

전술한 잇점 및 그 밖의 잇점들은 센서와 전단 전자회로 조립체 사이에서 히터 쉘 내부에 배치된 열 배리어(thermal barrier)에 의해 제공된다. 이 열 배리어는 히터 쉘을 하부와 상부로 효과적으로 분할하며, 그 중 하부에 센서가 배치된다. 히터 쉘의 하부와 열 배리어는 센서를 둘러싸는 온도가 균일한 엔클로저를 형성한다.

전자회로 조립체로부터 센서를 향해 흐르는 열은 열 배리어에 의해 차단되어 히터 쉘로 전도됨으로써 센서의 열 구배가 감소된다. 마찬가지로, 히터 쉘의 하단으로부터 상단으로 향하는 열 흐름(예를 들면, 히터의 비대칭적 배치에 의해 생긴 열 흐름)은 열 배리어에 수용되어, 히터 쉘의 하부 내에서의 열 구배가 감소된다.

본 발명의 또 다른 목적과 잇점들은, 단지 본 발명의 최선의 실시 형태에 대 한 예시로서 몇 가지 실시 형태를 예시하고 설명한 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 자명할 것이다. 이해하겠지만, 본 발명은 그 밖의 상이한 실시 형태가 가능하며, 몇몇 세부 사항들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변형될 수 있다. 따라서, 도면과 상세한 설명은 제한이나 한정이 아닌 예시를 위한 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 한정된다.

본 발명의 속성과 목적을 더 상세히 이해하기 위해, 동일하거나 유사한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용한 첨부 도면을 참조하면서 이하의 상세한 설명을 참조하기 바란다.

도 1은 종래 기술의 가열형 용량식 압력 변환기의 단면도이다.

도 2는 종래 기술의 용량식 압력 센서의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 가열형 용량식 압력 변환기의 단면도이다.

도 4a는 본 발명에 따라 구성된 열판의 측면도이다.

도 4b는 도 4a에 도시된 열판의 하단을 4B-4B선 방향에서 바라본 도면이다.

도 4c는 도 4a에 도시된 열판의 상단을 4C-4C선 방향에서 바라본 도면이다.

도 4d는 본 발명에 따라 구성된 열판의 또 다른 실시 형태의 사시도이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따라 구성된 열 스프링의 정면도 및 측면도이다.

도 5c 및 도 5d는 각각 본 발명에 따라 구성된 열 스프링의 또 다른 실시 형태의 정면도 및 측면도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 구성된 가열형 용량식 압력 변환기의 바람직한 실시 형태의 일부의 단면도이다.

도 7은 본 발명에 따라 구성된 비가열형 용량식 압력 변환기의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따라 구성된 가열형 용량식 변환기(300)의 단면도이다. 이 변환기(300)는 (도 1에 도시된 것과 같은) 종래 기술의 변환기(100)와 유사하지만, 변환기(300)는 센서(140)와 전단 전자회로(160) 사이에 위치하는 열 배리어(310)를 더 포함한다. 이 열 배리어(310)는, 센서(140)의 열 구배를 감소시키고 전단 전자회로(160)의 열적 안정성을 보존함으로써 변환기(300)의 성능을 향상시킨다.

열 배리어(310)는 열전도성이 높은 판(320)과 열전도성이 높은 스프링(340)을 포함한다. 이 스프링(340)은 판(320)의 외주와 히터 쉘(120)의 내벽 사이에 위치하여 이들과 기계적 및 열적으로 접촉한다. 따라서, 열 배리어(310)는 히터 쉘(120)의 내부를 하부 포위 공간(352)과 상부 포위 공간(354)으로 분리하는 열전도성 벽을 형성하며, 하부 공간(352)에 센서(140)가 위치하고 상부 공간(354)에 전단 전자회로 조립체(160)가 위치한다. 하부 공간(352)은 열 배리어(310)와, 캔(122) 중에서 열 배리어(310) 아래에 있는 부분(356)에 의해 경계를 이루고 있다. 상부 공간(354)은 열 배리어(310)와, 커버(124)와, 캔(122) 중에서 열 배리어(310) 위에 있는 부분(358)에 의해 경계를 이루고 있다.

변환기(300)의 작동 중에, 전단 전자회로 조립체(160)는 종종 쉘(120) 내에 위치한 가장 고온인 구성품이 된다. 그 이유는, 전단 전자회로 조립체(160)에서 사용되는 전기가 열을 발생시키는 반면, 센서(140)와 같은 쉘(120) 내부의 다른 구성품은 열을 발생시키지 않는 수동적 장치이기 때문이다. 종래 기술의 변환기(100)에서는, 전단 전자회로 조립체(160)에서 발생한 열이 아래로 이동하여 센서(140)의 상단을 가열할 수 있었으며, 그 결과 센서(140)의 상단이 하단보다 고온으로 되어 센서(140)에 바람직하지 않은 열 구배가 발생하는 일이 있었다. 이에 반하여, 본 발명의 변환기(300)에서는 전단 전자회로 조립체(160)에서 생겨나 센서(140)를 향해 아래로 전파되는 열(대류와 복사 모두에 의한 열)이 열 배리어(310)에 의해 차단되고, 열 배리어(310)에 의해 캔(122)의 벽으로 전도된다. 그렇게 되면, 센서(140)에서의 열 구배가 최소화되고, 센서(140)를 둘러싸는 균일한 온도의 엔클로저[열 배리어(310)와 캔(122)의 하부(356)에 의해 형성됨]가 생겨나는 잇점이 있다.

종래 기술의 변환기(100)의 센서(140)에 온도 구배가 생기게 하는 또 다른 원인은 히터(130)의 배치와 관련이 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 히터(132, 134)는 히터 쉘(120)의 측벽과 하단에 위치하는데, 히터 쉘(120)의 상단에는 히터가 위치하지 않는다. 이러한 히터 구성 때문에, 히터 쉘의 상단은 나머지 부분보다 더 저온일 수 있으며, 그러면 히터 쉘(120)에 온도 구배가 형성된다. 이렇게 온도 구배가 형성되면 센서(140)에도 온도 구배가 생겨나 센서(140)의 하단이 상단보다 더 고온으로 된다.

변환기(300)는 변환기(100)에 사용되는 것과 동일한 구성의 히터를 사용하기 때문에, 변환기(300)의 히터 쉘(120)에 온도 구배가 생길 수 있다[즉, 히터 쉘(120)의 상단(124)이 하단보다 더 저온일 수 있다]. 그러나, 종래 기술과는 달리, 변환기(300)의 경우에는 히터 쉘 내부의 그러한 구배로 인하여 센서(140)에 온도 구배가 발생하지 않으며, 발생한다 하더라고 감소된 온도 구배가 발생한다. 변환기(300)에서는, 캔(122)의 하단으로부터 커버(124)를 향해 히터 쉘(120)의 벽 내부를 이동하는 열이 열 배리어(310)에 의해 수용되고 전도된다. 그 결과, 히터 쉘(120) 내부의 어떠한 열 구배라도 열 배리어(310) 상부의 구역으로 한정되고, 히터 쉘(120) 중에서 열 배리어(310) 하부에 있는 부분으로부터는 어떠한 열 구배라도 제거 또는 감소되는 경향이 생긴다.

요약하면, 변환기(300) 내에서 생기는 열적 불균형의 특정 원인과는 상관 없이, 열 배리어(310)의 존재는 온도가 균일한 엔클로저[열 배리어(310)와, 히터 쉘(120) 중 열 배리어(310) 아래에 있는 부분으로 형성됨]가 센서(140)를 효과적으로 둘러싸게 하며, 그렇게 되면 센서(140)로부터 열 구배가 감소 내지 제거되는 잇점이 있다.

열 배리어(310)의 그 밖의 잇점으로는, (1) 센서(140)와 전단 전자회로 조립체(160) 사이의 거리를 증가시킬 필요가 없이 센서(140)의 온도 제어가 개선된다는 점과, (2) 온도가 제어되는 환경[커버(124)와, 열 배리어(310)와, 캔(122) 중에서 열 배리어(310)보다 위에 있는 부분에 의해 경계가 이루어짐]으로 전단 전자회로 조립체(160)가 포위되어, 전단 전자회로 조립체(160)의 온도에 민감한 성능으로 인한 악영향이 감소된다는 점이 있다.

도 4a는 판(320)의 한 가지 실시 형태의 측면도이다. 도 4b는 도 4a에 도시된 판(320)의 하단을 4B-4B선 방향에서 바라본 도면이다. 도 4c는 도 4a에 도시된 판(320)의 상단을 4C-4C선 방향에서 바라본 도면이다. 도 4d는 판(320)의 사시도이다.

판(320)은 전체적으로 디스크 형상이며 원형의 상부면(321)과 원형의 하부면(322)을 형성한다. 도 4c 및 도 4d에 가장 잘 도시된 바와 같이, 판(320)에는 5개의 개구(331, 332, 333, 334, 335)가 형성되어 있는데, 이들 개구는 모두 상부면(321)으로부터 하부면(322)까지 판(320)을 관통하여 연장된다. 판(320)이 변환기(300)에 설치되었을 때에는 2개의 마운팅 포스트(162)가 개구(331, 332)를 통해 연장된다. 이들 마운팅 포스트(162)는 전단 전자회로 조립체(160)를 센서(140)에 고정된 상태로 유지시킨다. 또한, 판(320)이 변환기(300)에 설치되었을 때, 전기 와이어 또는 피드스루(feedthrough)(164)가 개구(333)를 통해 연장된다. 이들 와이어(164)는 센서(140)를 조립체(160)에 전기적으로 접속시킨다. 와이어(164)가 개구(333)를 통해 연장됨으로써 와이어는 판(320)으로부터 전기적으로 절연된다. 판(320)에 개구(334, 335)가 마련되어, 도 2에 도시된 바와 같은 관(260) 및 게터(262)와 같이, 센서(140)에 흔히 존재하는 그 밖의 구성 요소들을 수용한다.

판(320)에는, 하부면(322)으로부터 하향 연장되는 2개의 원통형 보스(336, 337)도 형성되어 있다. 보스(336)는 개구(332)의 주변을 중심으로 위치하고, 보스(337)는 개구(331)의 주변을 중심으로 위치해 있다. 판(320)이 변환기(300)에 설치되면, 보스(333, 337)의 하단은 센서(140)의 상부면에 안착된다. 보스(336, 337)는 정렬 또는 위치 조정 기능을 행하는 것이 바람직하다. 환언하면, 변환기(300)의 바람직한 실시 형태에서는 보스(336, 337)가 센서(140)의 상부면에 마련된 2개의 돌출부(도시 생략) 위에 끼워진다. 보스(336, 337)가 돌출부 위에 끼워지도록 판(330)이 정렬되면, 판(330)의 개구도 마운팅 포스트, 와이어 및 개구를 통해 연장되는 그 밖의 구성 요소들과 정렬된다. 또한, 보스(336, 337)는 판(330)과 센서(140)를 분리(또는 격리)하여 판(330)의 대부분과 센서(140) 사이에 공기 공간이 마련된다. 이에 따라서, 보스(336, 337)는 판(330)과 센서(140) 사이의 접촉 면적을 감소시킨다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 상부면(321)과 하부면(322) 외에, 판(320)에는 그 판(320)의 외주를 중심으로 연장되는 측벽(323)도 형성되어 있다. 이 측벽(323)은 상부면(321)과 하부면(322) 사이에 오목부(326)를 형성한다. 이 오목부의 존재로 인하여, 상부면(321) 및 하부면(322)에서의 판(320)의 외경(OD1)은, 상부면(321)과 하부면(322) 사이 지점에서의 판(320)의 외경(OD2)보다 크다.

한 가지 바람직한 실시 형태에서, OD1은 약 2.185 인치이고, OD2는 약 2.085 인치이며, 상부면(321)과 하부면(322) 사이에서의 판(320)의 두께(T1)는 약 0.190 인치이고, 상부면(321)과 보스(336, 337)의 하단부 사이에서의 판의 두께(T2)는 약 0.265 인치이다. 판(320) 및 히터 쉘(120)의 제작에 바람직한 재료는 알루미늄과 같이 열전도성이 높은 재료이다.

도 4d에 도시된 실시 형태에서, 판(320)에는 그 판(320)의 외주를 중심으로 위치한 3개의 개구 또는 노치(327)가 추가로 형성되어 있다. 비록 추가적인 위치 조정용 요소를 제공하기 위해 노치(327)가 포함될 수 있지만. 판(320)의 바람직한 실시 형태는 노치(327)를 포함하지 않는다. 노치(327)가 포함된 것을 제외하고, 도 4d는 판(320)의 바람직한 실시 형태를 도 4a 내지 도 4c보다 더욱 정확하게 도시하고 있다. 구체적으로 말하면, 도 4d에는 5개의 개구(331-335)와 2개의 보스(336, 337)의 바람직한 위치가 도 4a 내지 도 4c보다 더 정밀하게 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 변환기(300)가 조립되었을 때 스프링(340)은 히터 쉘(120)과 판(320) 사이에 위치한다. 보다 구체적으로, 스프링(340)은 판(320)의 측벽(323)에 형성된 오목부(326)에 안착된다.

스프링(340)은 열전도성이 높은 재료로 제작되는 것이 바람직하며, 히터 엔클로저(120)의 캔(122)과 판(320) 사이를 열적으로 접촉시킨다. 스프링(340)을 구현할 수 있는 한 가지 선택은 코일형 와이어를 사용하는 것이다. 도 5a 및 도 5b는 각각 스프링(340)의 코일형 와이어 실시 형태의 정면도 및 측면도이다. 도 5c 및 도 5d는 스프링(340)의 또 다른 코일형 와이어 실시 형태의 각각 정면도 및 측면도이다. 도 5a 내지 도 5d에 도시된 형태의 스프링은 미국 캘리포니아주 산타 아나에 소재하는 Bal Seal Engineering Comapny, Inc가 시판 중이다. 코일형 와이어의 대안으로서, 스프링(340)은 탄성 코어를 중심으로 연장되는 금속 메쉬를 사용하여 구현될 수 있다. 그러한 스프링은, 예를 들면 미국 뉴저지주에 소재하는 Tecknit USA로부터 시판되고 있다.

스프링(340)은 두 가지 역할을 하는 것이 바람직하다. 첫째로, 히터 엔클로저(120)와 판(320) 사이에 양호한 열 전도를 제공한다. 따라서, 스프링(340)은 양호한 열 전도체(예를 들면, 구리 또는 열 전도성이 높은 합금)로 제작되는 것이 바람직하다. 둘째로, 스프링(340)은 히터 쉘(120)의 내부와 판(320)의 측벽(323) 사이에 비교적 약한 스프링 힘을 제공한다. 스프링(340)이 제공하는 스프링 힘은, 열 배리어(310)가 히터 쉘(120) 내에 장착되었을 때 변환기(300) 내에서 판(320)이 이동하는 것을 방지할 정도로 충분히 강해야 한다. 또한, 스프링(340)이 제공하는 스프링 힘은, 스프링(340)이 히터 엔클로저(120)에 상당한 기계적 응력을 인가하는 것을 방지할 수 정도로 충분히 약해야 한다. 열 배리어(310)가 변환기(300) 내에 설치되었을 때 스프링(340)이 제공하는 스프링 힘을 위한 바람직한 선택은 인치 둘레당 2 내지 15 그램(즉, 매 인치 둘레당 2 내지 15 그램)의 범위에 있다. 스프링(340)은, 필요한 정도의 열전도성과 원하는 스프링 힘을 제공하는 한, 탄성 코어를 둘러싸는 코일형 와이어 또는 금속 메쉬가 아닌 다른 구조로도 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 4a에 도시된 실시 형태에서는, 측벽(323)이 상부면(321)에 위치하는 돌출부(324)와, 하부면(322)에 위치하는 돌출부(325)를 포함하며, 이들 돌출부(324, 325) 사이에 오목부(326)가 형성되어 있다. 오목부(326)는 단지 스프링(340)의 위치를 결정하거나, 스프링(340)을 판(320)과 히터 쉘(120) 사이에 억류시키기에 편리한 장소를 제공한다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 오목부(326)는 다양한 형상으로 구성될 수 있으며, 판(320)은 도 4a에 도시된 바와 같이 돌출부(324, 325)를 포함할 필요가 없다. 예를 들면, 다른 실시 형태에서는 측벽(323)이 전체적으로 C자 형상일 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 변환기(300)의 일부의 한 가지 바람직한 실시 형태의 단면도이다. 보다 상세히 말하면, 도 6a 및 도 6b에는 압력관(144), 히터 쉘(120), 그리고 이 히터 쉘(120) 내에 위치하는 구성품이 도시되어 있다. 명확을 기하기 위해, 히터 쉘(120) 외부에 있는 [외부 쉘(110)과 같은] 구성품과 스프링(340)은 도 6a 및 도 6b에 도시하지 않았다.

도 7은 본 발명에 따라 구성된 용량식 압력 변환기(700)의 또 다른 실시 형태를 도시한 도면이다. 변환기(700)는 비가열식 유닛이다. 따라서, 변환기(300)와는 달리, 변환기(700)는 히터 쉘(120) 또는 히터(130)를 포함하지 않는다. 그러나, 히터 쉘(120) 및 관련 구성품이 없다는 점을 제외하면, 변환기(700)는 변환기(300)와 유사하다.

도 7에 도시된 바와 같이, 변환기(700)는 센서(140)와 전단 전자회로 조립체(160) 사이에 위치한 열 배리어(310)를 포함한다. 변환기(700)에 사용되는 열 배리어(310)의 치수는 변환기(300)에 사용되는 열 배리어와는 다소 상이하다. 보다 상세히 말하면, 열 배리어의 외경은 열 배리어(310)가 변환기(700)의 외부 쉘(110)와 접촉하도록 확장되는 것이 바람직하다.

비록 변환기(700)는 가열되지는 않지만, 변환기(300)의 경우와 마찬가지로 열 배리어(310)가 유사한 역할을 한다. 예를 들면, 만약 열 배리어(310)가 변환기(700)에 존재하지 않는다면, 전자회로 조립체(160)에서 발생한 열로 센서(140)의 상단이 가열될 수 있으며, 그러면 센서(140)에 열 구배가 발생하여 변환기의 성능에 악영향을 미치게 된다. 그러나, 변환기(700)에서, 전자회로 조립체(160)로부터 센서(140)를 향해 전파되는 열은 열 배리어(310)에 의해 차단되며, 센서(140)로부터 쉘(110)을 통해 주위 환경으로 전도된다.

본 발명의 잇점을 얻는 것은 비교적 용이하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 열 배리어(310)는 본 발명의 양수인이 시판 중인 압력 변환기 모델 번호 627 및 622에 쉽게 포함될 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 실시 형태에 대한 수정 및 변형을 포함한다는 것도 이해할 것이다. 예를 들면, 열 배리어(310)로부터 스프링(340)을 제거할 수 있다. 스프링이 없는 그러한 실시 형태에서는, 판의 측벽이 변환기의 히터 쉘 또는 외부 엔클로저와 접촉하거나 거의 접촉하도록 판(320)의 치수가 확장되는 것이 바람직하다. 또한, 스프링이 없는 그러한 실시 형태에서는 판(320)에 노치(326)가 필요 없다. 또 다른 예로서, 앞에서는 판(320)이 전체적으로 디스크 형상(예를 들면, 상하단면이 원형)인 것으로 설명하였지만, 판(320)의 형상은 그 밖의 기하학적 형상(예컨대, 정사각형)을 이용하는 변환기에 맞도록 쉽게 변형할 수 있다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 전술한 장치에 변화를 가할 수 있으므로, 전술한 설명에 포함되어 있거나 첨부 도면에 예시되어 있는 모든 대상은 단지 예시를 위한 것일 뿐 제한하기 위한 것이 아니다.

Claims

(A) 열전도성 히터 쉘;

(B) 상기 히터 쉘 내에 위치하는 용량식 압력 센서로서, 가요성 다이어프램과 전도체를 포함하고, 이들 다이어프램과 전도체 간의 캐패시턴스가 상기 다이어프램 상의 압력을 표시하는 것인 용량식 압력 센서;

(C) 상기 히터 쉘 내에 위치하는 전자회로 조립체로서, 상기 압력 센서에 전기적으로 접속되고, 상기 캐패시턴스를 나타내는 신호를 발생시키는 것인 전자회로 조립체;

(D) 상기 히터 쉘 내에서 상기 압력 센서와 전자회로 조립체 사이에 위치하는 열전도성 판, 그리고

(E) 상기 히터 쉘 내에 위치하여 상기 히터 쉘 및 열전도성 판의 외주와 접촉하는 열전도성 스프링

을 포함하는 압력 변환기.
제1항에 있어서, 상기 히터 쉘에 내부 공간이 형성되고, 상기 열전도성 판 및 스프링이 그 내부 공간을 상부 구역과 하부 구역으로 분할하며, 그 중 하부 구역에는 상기 압력 센서가 위치하고, 상부 구역에는 상기 전자회로 조립체가 위치하는 것인 압력 변환기.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 판에 하나 이상의 개구가 형성되어 있는 것인 압력 변환기.
제3항에 있어서, 상기 압력 센서와 전자회로 조립체를 전기적으로 접속시키기 위한 하나 이상의 와이어를 더 포함하고, 이 하나 이상의 와이어는 상기 하나 이상의 개구를 통해 연장되는 것인 압력 변환기.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 판은 알루미늄을 포함하는 것인 압력 변환기.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 스프링은 코일형 와이어를 포함하는 것인 압력 변환기.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 스프링은 와이어 메쉬를 포함하는 것인 압력 변환기.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 스프링은 구리를 포함하는 것인 압력 변환기.
제1항에 있어서, 상기 히터 쉘에 대해 고정되는 히터를 더 포함하는 것인 압 력 변환기.
(A) 엔클로저;

(B) 상기 엔클로저 내에 위치하는 용량식 압력 센서로서, 가요성 다이어프램과 전도체를 포함하고, 이들 다이어프램과 전도체 간의 캐패시턴스가 상기 다이어프램 상의 압력을 표시하는 것인 용량식 압력 센서;

(C) 상기 엔클로저 내에 위치하는 전자회로 조립체로서, 상기 압력 센서에 전기적으로 접속되고, 상기 캐패시턴스를 나타내는 신호를 발생시키는 것인 전자회로 조립체;

(D) 상기 엔클로저 내에서 상기 압력 센서와 전자회로 조립체 사이에 위치하는 열전도성 판, 그리고

(E) 상기 엔클로저 내에 위치하여 상기 엔클로저 및 열전도성 판의 외주와 접촉하는 열전도성 스프링

을 포함하는 압력 변환기.