KR101530092B1 - 유체 차압 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

유체 차압 센서(10)는 커넥터 부분(12a)을 장착하고 감지 요소 모듈(14)을 리세스에 수용하는 상부 하우징(12)을 구비한다. 감지 요소 모듈은, 오일이 충전된 대체로 U자형 통로(14g)가 제1 및 제2 다이어프램 장착면 각각에 마련되는 개구를 양단부에 갖도록 형성되어 있는 부재이다. 압저항형 감지 요소(15)와 같은 유체 압력 감지 요소는 통로의 개구 중 하나에 배치되며, 공통 방향으로 향하는 감지 요소 모듈의 다이어프램 장착면 각각에 가요성 금속 다이어프램(14m)이 장착된다. 각각의 다이어프램을 위한 제1 및 제2 포트 연결부를 갖는 하부 하우징(18)이 감지 요소 모듈의 저면에 배치된다.
Figure R1020090009831
차압 센서, 유체 특성, 내성, 다이어프램, 압저항

Description

유체 차압 측정 장치{DIFFERENTIAL FLUID PRESSURE MEASUREMENT APPARATUS}
본 발명은 일반적으로는 유체 압력을 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고압력 소스 및 저압력 소스 각각에 유체 연통하게 배치되도록 2개의 다이어프램을 이용하는 매체 분리형 차압 센서를 제공하는 장치에 관한 것이다.
압저항형 압력 감지 요소와 같은 고상 압력 감지 요소는 흔히 이 감지 요소를 보호하도록 감지 대상 매체에 대해 내성(robust)을 갖는 가요성 금속 다이어프램에 의해 감지 대상 매체로부터 분리되어 있다. 통상 실리콘 수지 오일과 같은 비압축성 유체가 다이어프램으로부터 감지 요소에 압력을 전달하는 데에 이용되고 있다. 서로 반대 방향으로 향하는 제1 및 제2 다이어프램을 마련하고 이들 다이어프램 사이에 감지 요소를 배치하는 것이 통상적이다. 센서를 손상시킬 수 있는, 다이어프램 상에 매체로부터 그을음, 물, 응축물과 같은 물질의 축적을 감소시키기 위해, 다이어프램을 중력 및 압력 포트에 대해 배수 가능한 배향으로 배치할 필요가 종종 있다. 예를 들면, 2007년 4월 3일자로 공고된 미국 특허 제7,197,936호에서는 다이어프램의 표면들이 중력 방향에 대해 평행하게 배향된다. 이는 종횡비를 크게 하여, 원하는 강성을 제공하기 위해 그 특허 문헌에서 나타내고 있는 바와 같 은 큰 장착 브래킷의 사용을 필요로 할 수도 있다. 또한, 다이어프램들을 서로 반대 방향을 향하도록 장착함으로써, 각각 감지 대상 매체에 대해 내성을 가져야 하는 별개의 하우징 부재들을 이용해야만 하게 할 수 있다.
본 발명의 목적은, 다이어프램의 표면들이 중력 방향에 대해 직교하도록 용이하게 배향시킬 수 있는 유체 차압 센서를 제공하는 데에 있다. 본 발명의 다른 목적은 컴팩트한 동시에, 통상적으로 요구되는 것보다 저렴한 재료로 이루어질 수 있는 유체 차압 센서를 제공하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 조립 작업의 시간을 절감할 수 있는 구조를 갖는 유체 차압 센서를 제공하는 데에 있다.
간단히 말해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 베이스는 공통 방향으로 향하고 서로 거리를 두고 떨어져 배치된 2개의 다이어프램 장착면에 있는 개구들 사이에서 통로가 연장하게 형성된다. 하나의 개구는 확장되어, 압저항형 감지 요소 조립체와 같은 유체 압력 응답형 감지 요소를 수용한다. 다이어프램 및 통로는 감지 요소에 압력을 전달하도록 비압축성 오일이 채워지는 2개의 챔버를 형성한다.
베이스의 일측에 2개의 다이어프램 모두를 구비함으로써 조립 공정이 간단해진다. 예를 들면, 다이어프램의 부착을 위해 접착제 링을 형성하고 이 링 상에 다이어프램을 배치하여 접착제를 경화시키는 것을 두 다이어프램 모두에 대해 동시에 행할 수 있다.
아래에서 상세하게 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예에서, 감지 요소는 와이어 본드에 의해 단자 핀의 일단부에 연결되며, 이 단자 핀의 타단부는 조정 회로(conditioning circuit)를 갖는 인쇄 회로 기판에 연결되며, 이 회로 기판은 또 한 금속 스프링에 의해 커넥터 단자에 연결된다. 밀봉제가 핀 주위에 배치되어, 핀/베이스 계면을 통한 오일의 누설을 방지한다.
본 발명의 예시적인 실시예를 도면에서 도시하고 상세한 설명에서 설명한다.
본 발명에 따른 유체 차압 센서 장치에 있어서, 감지 요소 모듈의 일측에 2개의 다이어프램 모두를 구비함으로써 조립 공정이 단순해져 시간 절감을 가져온다. 또한, 유체 차압 센서는 컴백트하면서도, 통상적으로 요구되는 것보다 저렴한 재료로 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따라 구성된 유체 차압 센서 조립체(10)는 PEI(폴리에테르이미드)와 같은 적절한 성형 가능 재료로 이루어진 상부 하우징(12)을 포함하며, 이 상부 하우징(12)에는 3개의 삽입 성형 단자(12b)(그 중 하나가 도 2에 도시되어 있음)를 갖는 커넥터 부분(12a)이 형성되어 있다. 상부 하우징(12)에는 모니터링될 저유체압력 소스 및 고유체압력 소스의 포트를 갖는 지지체에 차압 센서 조립체를 장착하기 위한 금속 부싱(16)들 사이에 감지 요소 모듈(14)을 수용하는 리세스가 형성되어 있다. PEI와 같은 적절한 성형 가능 재료로 이루어진 하부 하우징(18)은 도 2에 도시한 바와 같이 상부 하우징(12)의 리세스 내에서 압력 감지 모듈의 아래에 수용된다.
상부 하우징(12)과 감지 요소(14)의 상면 사이에 형성된 회로 챔버(12c)에 형성된 시트에 주변 O링(20)이 배치된다. 회로 기판(22)이 감지 요소 모듈(14)의 위에서 회로 챔버(12c) 내에 배치된다. 접점 스프링(24)이 도 2에서 그러한 스프링 중 하나로 나타낸 바와 같이 상부 하우징(12)의 벽 내의 적절한 보어 내에서 단자(12b)들의 각각의 단부(12d)와 회로 기판(22) 사이에 연장한다. 보어는 조립 및 기기보정(calibration) 후에 RTV와 같은 적절한 재료로 밀봉된다.
감지 요소 모듈(14)은 아래에서 더 상세하게 설명하는 나란히 배치된 대체로 원형의 제1 및 제2 금속 디스크(14a, 14b)가 장착되는 본체를 포함한다. 하부 하우징(18)에는 O링(26)을 수용하도록 각 금속 디스크(14a, 14b)와 정렬되는 O링 시트가 형성되어 있다. 각각의 포트(18a, 18b)에는 바람직하게는 유체 흐름이 통과할 수 있도록 개구를 획정하는 크로스 바아(도 2의 단면도는 바아 중 하나를 통과해 취한 것임)와 같은 그릴(grill)형 구조가 형성되어 있다. 하부 하우징(18)의 저면에서 각 포트(18a, 18b)의 둘레의 적절한 O링 시트에 외부 O링(28)이 배치되어, 고유체압력 소스 및 저유체압력 소스를 수용하는 하우징(도시 생략)과 센서 조립체(10) 간에 유체 밀봉을 제공한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 가요성 금속 다이어프램이 설치되기 전의 감지 요소 모듈(14)이 도시되어 있다. 감지 요소 모듈(14)은 편평한 저면(14c)을 구비하는 PPS(폴리페닐렌 설파이드)와 같은 적절한 재료로 이루어진 솔리드 플레이트형 베이스로서 대체로 형성된다. 저면(14c)에는 금속 디스크(14a, 14b)의 저면들이 동일 방향으로 향하고 바람직하게는 공통 평면에 위치하게 금속 디스크(14a, 14b)를 수용하도록 구성된 리세스(14d)가 형성된다. 금속 디스크(14a, 14b)에는 각각의 디스크를 관통하는 윈도우(14f)가 형성되며, 리세스(14d)는 각각의 윈도우 내로 연장하여 각 윈도우의 주변부의 전체 둘레에 걸쳐 선택된 깊이를 갖는 채널(14e)을 형성하도록 구성되며, 이 채널은 오일 누설을 방지하도록 엘라스토머 밀봉제로 채워진다.
감지 요소 모듈의 베이스를 통과해 금속 디스크(14a)의 윈도우(14f) 내의 저면(14c)의 개구에서부터 금속 디스크(14b)의 윈도우(14f) 내의 저면(14c)의 개구에 이르는 대체로 U자형 통로(14g)가 형성된다. 제1 실시예의 특징에 따르면, U자형 통로의 중간부는 황동 또는 기타 적절한 재료로 된 튜브(14h)로 형성된다. 금속 디스크(14b)의 윈도우(14f) 내에 있는 U자형 통로의 일단부에는 확장 개구(14k)가 마련되어, 도 5 및 도 6에서 보다 명확하게 확인할 수 있는 압저항 요소(15)와 같은 압력 감지 요소를 실리콘 수지계 접착제 또는 기타 적절한 접착제(15a)에 의해 확장 개구(14k)의 플랜지(14j)에 부착함으로써 배치하도록 되어 있다. 압력 감지 요소(15)와 각각의 전기 단자 핀(15d) 사이에는 와이어(15c)가 접합된다. 단자 핀과 그 주변의 플라스틱 사이에 내압 밀봉(pressure tight seal)을 제공하도록 접착제 및 겔이 사용된다.
에폭시 또는 실리콘 수지계 재료로 이루어진 적절한 접착제(14l)가 도 3에 도시한 바와 같이 금속 디스크(14a, 14b)의 외면에 윈도우(14f)를 지나 원형 링 또는 기타 원하는 기하학적 형상으로 분배 또는 등사(stencilling)됨으로써 도포되고, 이어서 가요성 금속 다이어프램(14m)이 금속 디스크(14a, 14b)의 각각의 장착면에 부착된다.
도 4에서 확인할 수 있는 바와 같은 감지 요소의 상면을 도시하고 있는 도 7 을 참조하면, 오일 충전 구멍(14n)이 베이스 및 각각의 금속 디스크(14a, 14b)를 관통해 형성된다. 통로는 오일 충전 구멍(14n)을 통해 비워져 실리콘 수지 오일과 같은 비압축성 유체로 채워지고, 이어서 각각의 금속 디스크(14a, 14b)에 용접되는 도 8의 볼(14o)에 의해 밀봉되어 도 9에 도시한 조립체를 제공한다.
전술한 바와 같이 베이스의 일측에 2개의 다이어프램 모두를 구비함으로써 조립 공정을 단순화시킨다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 접착제 링을 형성하고 다이어프램을 배치하여 접착제를 경화시키는 것을 두 다이어프램 모두에 대해 동시에 행할 수 있다. 원하는 경우, 추가적인 공정 단순화를 위해, 2개의 분리된 다이어프램 피스보다는 단일 피스의 금속이 이용될 수 있다. 장기간의 신뢰성을 위해, 사용되는 다이어프램은 감지 대상 매체(유체)에 대해 불투과성이고 내성을 가질 필요가 있다. 예를 들면, 산성 배기 가스 매체에 대해 이용하는 경우, 적절한 재료는 탄탈, 니오브, 티타늄, 및 스테인레스강을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 센서 조립체(10)는 다이어프램 표면이 중력에 대해 직교하는 평면 내에 배치된 상태로, 즉 도 2에 도시한 바와 같이 장착될 수 있다. 이로 인해, 종래 기술에서 사용되었던 금속 브래킷의 필요성이 덜 할 수 있는 보다 컴팩트한 센서 조립체가 얻어진다. 본 발명의 센서 장치는 단지 하나의 하우징 부품, 즉 하부 하우징(18)만이 감지 대상 매체에 대해 내성을 가지면 되어, 다른 부품을 저렴한 재료를 이용하여 제조할 수 있다.
원하는 경우, 감지 요소 모듈은 도 4의 성형 가능 플라스틱 이외의 다른 재료로 형성될 수 있다. 제2 바람직한 실시예에 따르면, 감지 요소 모듈은 도 10 내 지 도 12에 도시한 바와 같이 스테인레스강과 같은 적절한 금속으로 이루어질 수 있다. 도 10에서, 감지 요소 모듈(140)은 스테인레스강 440으로 이루어진 베이스 부재를 포함하고 평탄한 표면(144) 상으로 개방된 대체로 U자형 통로(142)를 구비하여, 다이어프램을 표면(144)에 직접 부착할 수 있게 되어 있다. 통로(142)는 감지 요소 모듈(140)에 용접될 수 있는 스테인레스강 440 등으로 이루어진 플레이트 부재(148)에 의해 상면(146)에서 폐쇄된 트렌치로 형성된다. 통로(142)의 한쪽 개구는 도 1 및 도 2의 감지 요소(15)에 상응하는 압저항형 감지 요소를 수용하도록 확장되어 있다. 단자 핀(152)은 유리 시일(glass seal)(154)에 의해 장착 및 절연되어 있다. 오일 충전 구멍(156)은 도 7의 오일 충전 구멍(14n)에 상응한다.
세라믹과 관련하여, 도 13 및 도 14의 감지 요소 모듈(240)은 예를 들면 알루미나로 이루어질 수 있고, 감지 요소 모듈(140)에서와 동일한 방식으로 저면(244)을 통해 개방되는 상응하는 U자형 통로(242)가 형성될 수 있다. 이 통로는 유리에 의해 감지 요소 모듈(240)에 부착될 수 있는 알루미나 등으로 이루어진 커버(246)에 의해 폐쇄된다. 오일 충전 구멍(256)은 제2 실시예의 오일 충전 구멍(156)에 상응한다. 본 실시예의 경우, 오일 충전 구멍은 플라스틱 마개로 밀봉될 수 있다. 유리(254)에 의해 장착된 단자 핀이 본 실시예에서도 이용될 수 있다.
전술한 구성에 있어서 다양한 변경이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있기 때문에, 전술한 상세한 설명에 포함되거나 첨부된 도면에 도시된 모든 사항은 한정적인 의미로서가 아니라 예시로서 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따라 구성된 센서 조립체의 평면도이고,
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 취한 단면도이며,
도 3은 도 2의 조립체에 도시한 감지 요소 모듈을 금속 다이어프램의 설치 전의 상태로 도시한 저면도이고,
도 4는 감지 요소 모듈을 통과하게 형성된 통로를 통해 취한 도 3의 감지 요소 모듈의 단면도이며,
도 5는 감지 요소 조립체의 세부 구성을 나타내는 도 3의 일부분의 확대도이고,
도 6은 도 5의 선 6-6을 따라 취한 단면도이며,
도 7은 감지 요소 모듈을 축소하여 도시하는 평면도이고,
도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취한 단면도이며,
도 9는 다이어프램이 부착되고 오일 챔버가 채워진 후를 나타내고 있는 도 4와 유사한 확대 단면도이고,
도 10은 변형된 감지 요소 모듈의 저면도이며,
도 11은 도 10의 선 11-11을 따라 취한 단면도이고,
도 12는 도 10의 선 12-12를 따라 취한 단면도이며,
도 13은 다른 변형된 감지 요소 모듈의 저면도이고,
도 14는 도 13의 선 14-14를 따라 취한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 유체 차압 센서 장치 12 : 상부 하우징
12a : 커넥터 부분 12b : 단자
14, 140, 240 : 감지 요소 모듈 14a, 14b : 금속 디스크
14c : 저면 14d : 리세스
14e : 채널 14f : 윈도우
14g : U자형 통로 14h : 튜브
14k : 확장 개구 14m : 금속 다이어프램
15 : 압력 감지 요소 15d, 152 : 단자 핀
16 : 금속 부싱 18 : 하부 하우징
18a, 18b : 포트 20, 26, 28 : O링
22 : 회로 기판 24 : 접점 스프링

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되는 감지 요소 모듈로서, 제1 및 제2 금속 다이어프램 장착용 디스크가 장착되고, 각각의 디스크는 평탄한 다이어프램 장착면을 구비하며, 이들 제1 및 제2 장착면은 공통 방향으로 향하고, 윈도우가 장착면을 관통하게 각각의 디스크를 통해 형성되고, 통로가 감지 요소 모듈 내에서 각각의 윈도우 사이에 연장하게 형성되어 있는 것인 감지 요소 모듈과,
    상기 제1 및 제2 장착면 각각에 유체 밀봉 관계로 장착되고 각각의 윈도우 위에서 연장하는 가요성 금속 다이어프램과,
    상기 통로에 채워져 밀봉되고 상기 다이어프램과 접촉하는 비압축성 유체와,
    하나의 디스크의 윈도우에서 상기 통로 내에 압력 수신 연통 상태로 배치되어, 각각의 다이어프램에 의해 전달되는 유체 압력의 차에 응답하는 압력 응답형 감지 요소와,
    상기 압력 응답형 감지 요소에 작동적으로 연결되는 전기 신호 조정 회로와,
    상기 제1 및 제2 다이어프램 각각과 유체 연통 상태로 상기 하우징 상에 장착되는 제1 및 제2 유체 압력 연결부
    를 포함하고,
    상기 감지 요소 모듈은 성형 가능 플라스틱으로 이루어지고, 상기 통로는 2개의 다리부와 이들 사이의 중간부를 갖는 대체로 U자 형상을 하며, 상기 중간부는 금속 튜브를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 유체 압력 연결부는 감지 요소 모듈에 인접하게 배치된 다른 하우징의 일부이고, 이 다른 하우징은 유체 차압 센서 장치에 의해 모니터링되는 유체 매체에 대해 내성을 갖는 재료로 이루어지는 것인 유체 차압 센서 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서, 상기 감지 요소 모듈은 금속으로 이루어지는 것인 유체 차압 센서 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 감지 요소 모듈은 세라믹으로 이루어지는 것인 유체 차압 센서 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 압력 응답형 감지 요소는 압저항 요소인 것인 유체 차압 센서 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 디스크의 다이어프램 장착면들은 공통 평면에 위치하는 것인 유체 차압 센서 장치.
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