KR101598923B1 - 질량체를 이용한 온도계 보호관 진동방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관상을 흐르는 유체 온도를 측정하는 온도계의 유체에 의한 진동을 방지하는 온도계 보호관 진동방지장치에 관한 것으로, 상기 온도계를 감싸는 온도계 보호관, 및 상기 온도계 보호관의 길이방향을 따라 위치이동가능하게 구비되는 질량체를 포함하여, 온도계 보호관의 고유진동수를 변경시킴으로써 주위에서 발생하는 와류의 주파수에 의해 온도계 보호관 및 온도계가 진동 파괴되는 것을 방지할 수 있게 된다.

Description

질량체를 이용한 온도계 보호관 진동방지장치{ A device for preventing vibration of a thermowell using a mass }

본 발명은 온도계 보호관 진동방지장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배관 내부의 유체 온도를 검출하는 온도계가 진동으로 인해 파괴되는 것을 방지하는 온도계 보호관 진동방지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 배관에 흐르는 유체의 상태를 검출하기 위해 다양한 측정기기들이 구비되는데, 유체의 온도를 측정하는 온도계는 배관의 내측벽에 돌출되어 구비된다.

온도계 보호관은 배관에 설치되는 온도계(백금저항 온도계, PRT)를 보호하기 위한 케이스로, 고온 고압의 환경에서 온도계가 구부러지거나 망가지는 것을 방지하는 역할을 한다. 그런데, 배관을 흐르는 유체의 속도가 일정한 속도 이상으로 증가하면 온도계 보호관 주위에서 와류(vortex)를 발생시키고, 온도계 보호관을 특정한 주파수로 가진시킨다. 만약 와류에 의한 가진 주파수가 온도계 보호관의 공진 주파수와 일치하면, 진동에 의해 온도계 보호관이 파괴될 수 있다. 배관 내에 설치된 온도계 보호관이 파손되면 배관에 연결된 배관 부품들이 손상될 수 있어 자칫하면 위험한 사고로 이어질 수도 있다. 그러므로 온도계 보호관의 공진에 의한 진동 파괴를 방지하기 위한 기술이 필요하다.

종래에는 와류에 의한 가진 주파수가 공진 주파수보다 매우 작거나 매우 크도록 설계하기도 하였다. 예를 들어, 배관 시스템의 운전 조건에서 형성될 수 있는 와류의 가진 주파수가 공진 주파수의 0.8배 이내 또는 0.4배 이내가 되도록 온도계 보호관의 직경이나 길이로 설계하는 것이다.

한편, 종래 온도계 보호관의 진동 파괴를 회피하기 위한 기술의 대부분은 온도계 보호관의 강성을 보강하여 고유 진동수를 높이거나, 온도계 보호관에 진동 센서를 부착하여 유체 와류에 의한 진동 주파수를 측정하는 것이었다.

도 1에 도시된 바와 같이, 최근에는 나선형 띠(helical strake)를 이용한 진동 파괴 회피 기술이 소개되었는데, 이는 해양 구조물의 진동 파괴 회피 기술이 온도계 보호관에 적용된 사례로, 온도계 보호관(110)의 끝에서부터 소정거리 범위에서 세 가닥의 와이어(120)를 일정한 피치 간격으로 감아 용접함으로써 유체 와류가 온도계 보호관을 통과하면서 파괴되도록 한 것이 특징이다.

그러나, 나선형 띠를 이용한 방법은 유체 속도에 따라 제어 효과가 변화할 수 있는 수동적인 유체 와류 제어 방법으로, 유체 속도가 변화하면 나선형 띠의 피치(동일 선상에서 측정되는 나사산 간격)가 그에 따라 변화하지 않으므로 특정한 유체 속도에서만 최적의 와류 제어 효과를 기대할 수 있는 문제점이 있었다. 즉, 나선형 띠로 인해 상쇄시킬 수 있는 와류의 세기와 진폭에 한계가 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 온도계 보호관 진동방지장치가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 온도계 보호관의 고유진동수를 변경시킴으로써 주위에서 발생하는 와류의 주파수에 의해 온도계 보호관 및 온도계가 진동 파괴되는 것을 방지할 수 있는 온도계 보호관 진동방지장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 온도계 보호관 진동방지장치는, 배관상을 흐르는 유체의 유속에 온도를 측정하는 온도계의 유체에 의한 진동을 방지하는 온도계 보호관 진동방지장치로서, 상기 온도계를 감싸는 온도계 보호관, 및 상기 온도계 보호관의 길이방향을 따라 위치이동가능하게 구비되는 질량체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치에 있어서, 상기 온도계 보호관의 외주면에 그 길이방향을 따라 수나사부가 형성되고, 상기 질량체에 상기 수나사부에 치합되는 암나사부가 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치에 있어서, 상기 질량체는 상기 온도계 보호관의 외주면의 길이방향을 따라 1쌍이 연속하여 구비될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치에 있어서, 상기 온도계 보호관에 대하여 상기 질량체와 일체로 회전가능하게 구비되고 상기 질량체를 그 길이방향을 따라 슬라이드이동가능하게 수용하는 이송가이드를 더 포함하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치에 있어서, 상기 질량체의 외측에 면취부가 형성되고, 상기 이송가이드에 상기 질량체를 수용하는 가이드홈이 형성되며, 상기 가이드홈의 내측벽에 상기 질량체의 면취부를 슬라이드이동가능하게 지지하는 가이드면이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치에 있어서, 상기 이송가이드를 회전시키는 회전기구를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치에 있어서, 상기 회전기구는 상기 이송가이드의 외주면에 결합되는 종동기어, 상기 종동기어와 기어물림되게 구비되는 구동기어, 및 상기 구동기어를 구동시키는 구동모터를 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 온도계 보호관 진동방지장치에 의하면, 유체의 유속에 따라 질량체의 위치를 이동시켜 온도계 보호관의 고유진동수를 변경시킴으로써 주위에서 발생하는 와류의 주파수에 의해 온도계 보호관 및 온도계가 진동 파괴되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 온도계의 진동방지장치를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치를 나타낸 측단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치를 나타낸 측단면도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치를 나타낸 측단면도,
도 5는 도 4의 A-A선을 따라 절개한 일 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도계 보호관 진동방지장치는, 배관(1)상을 흐르는 유체 온도를 측정하는 온도계(15)를 감싸는 온도계 보호관(10), 및 온도계 보호관(10)의 길이방향을 따라 위치이동가능하게 구비되는 질량체(20)를 포함한다.

온도계(15)는 배관(1)의 내측벽에 외팔보 형상으로 결합되어 일부가 배관(1)의 내부로 노출되게 구비된다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 온도계(15)는 유체가 흐르는 방향(u)을 가로지르는 방향으로 구비되어 유체의 방향과 유속에 영향을 받게 된다. 온도계(15)의 선단에는 온도센서(51)가 구비되어 배관(1)을 흐르는 유체의 온도를 측정하게 된다. 질량체(20)는 온도계(15)의 선단에서 소정거리를 두고 구비됨으로써 온도센서(51)를 벗어난 위치에 구비되고, 그로 인해 온도센서(15)의 측정기능을 방해하지 않게 된다.

온도계 보호관(10)은 온도계(15)의 외측에 구비되고, 온도계 보호관(10)의 외측에 질량체(20)가 위치이동가능하게 결합된다. 질량체(20)는 너트 형상으로 형성되어 온도계 보호관의 외주면에 끼워진다.

온도계 보호관(10)의 외주면에 그 길이방향을 따라 수나사부(11)가 형성되고, 질량체(20)에 수나사부(11)에 치합되는 암나사부(21)가 형성되어 있다. 온도계 보호관(10)은 수나사부(11)로 인해 볼트의 역할을 하고, 질량체(20)는 암나사부(21)로 인해 너트의 역할을 하게 된다. 즉, 수나사부(11)와 암나사부(21)에 의해 질량체(20)가 온도계 보호관(10)의 외주면에 볼트-너트 결합되고, 그로 인해 질량체(20)를 너트와 같이 회전시키게 되면 온도계 보호관(10)의 길이방향을 따라 이동하게 된다.

여기서, 온도계 보호관(10)의 고유진동수는 질량체(20)의 위치에 따라 달라지게 된다. 다시 말하면, 막대 형상의 온도계 보호관(10)이 배관(1)에 외팔보(cantilever) 형상으로 지지된 상태에서는 그 길이방향에서의 질량체(20)의 위치에 따라 온도계 보호관(10)의 무게중심이 달라지게 되고, 유체가 온도계 보호관(10)을 가로지르는 방향(u)으로 온도계 보호관(10)에 외력을 가하게 되므로 무게중심의 위치에 따라 유체에 의해 온도계 보호관(10)에 작용하는 모멘트도 달라지게 되며, 이는 온도계 보호관(10)의 진폭에 변화를 가져오게 된다.

따라서, 질량체(20)를 온도계 보호관(10)의 길이방향을 따라 이동시켜 온도계 보호관(10) 상에서의 위치를 변경시킴으로써 온도계 보호관(10)의 고유진동수를 변경시킬 수 있게 된다.

온도계 보호관(10)이 설치된 위치에서 발생하는 와류의 주파수(진동수)를 검출한 후 온도계 보호관(10)의 고유진동수가 안정적인 값을 가지도록 질량체(20)의 위치를 결정한다. 질량체(20)의 무게를 변경시켜 온도계 보호관(10)의 고유진동수를 변경시킬 수도 있다.

도 2를 참조하여 온도계 보호관(10)의 고유진동수 공식을 유도하면, 고유진동수는

에서

이다.

여기서, k는 유체력을 질량체(20)의 변위로 나눈 스프링 상수로

,

는 유체력이 질량체(20)에 가하여 나타나는 구조물의 변위로

, I는 단면이차모멘트로서 도넛형상의 단면을 가진 질량체에 대해

이다.

따라서,

이다.

m : 질량체의 질량 (kg)

R : 질량체의 외경 (m)

r : 질량체의 내경 (m)

L : 온도계 보호관의 길이 (m)

P : 유체에 의해 가해지는 힘 (N)

E : 영률 (Pa)

질량체(20)의 질량(m)이 온도계 보호관(10)의 질량보다 크고 질량체(20)가 온도계 보호관(10)의 길이방향을 따라 이동하는 경우, L은 온도계 보호관(10)의 길이가 아니라 질량체(20)의 위치를 의미하게 된다. 따라서, L을 조절하면 질량체(20)의 위치에 따른 고유진동수의 변화를 예측할 수 있게 된다.

질량체(20)의 위치가 결정되면 용접 등의 방법으로 질량체(20)를 온도계 보호관(10)의 외주면에 고정시키는 것도 가능하다. 그러나, 질량체(20)를 용접 등의 방법으로 고정시키게 되면 질량체(20)의 위치를 재설정하고자 하는 경우에는 용접을 제거해야 하는 불편함이 있게 된다.

도 3을 참조하면, 온도계 보호관(10)의 외주면의 길이방향을 따라 1쌍의 질량체(20)(20')가 연속하여 구비되어 있다. 이 경우에는 1쌍의 질량체(20)(20')의 합이 온도계 보호관(10)에 가중된다.

1쌍의 질량체(20)(20')를 맞대어 서로 반대방향으로 회전시키게 되면 1쌍의 질량체(20)(20')가 잠금되어 그 위치가 고정되고, 반대로 어느 하나의 질량체(20)를 고정시킨 상태에서 다른 질량체(20')를 풀림방향으로 회전시키게 되면 잠금이 해제된다. 따라서, 1쌍의 질량체(20)(20')를 풀거나 조임으로써 간편하게 잠금을 해제하여 질량체(20)(20')의 고정위치를 변경시킬 수 있게 된다.

온도계 보호관(10)은 주로 고온의 환경에 설치되므로 열전도율(열팽창계수)이 낮은 재질로 제조되는 것이 바람직하다. 열전도율이 낮은 금속을 낮은 순서대로 나열하면 스테인레스강, 납, 주철, 탄소강, 청동, 백금, 철, 니켈, 텅스텐, 알루미늄, 금, 구리, 은(순수한 은)의 순이다.

또한, 질량체(20)는 적어도 온도계 보호관(10)의 열전도율보다 낮거나 동일한 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 질량체(20)의 열전도율이 온도계 보호관(10)보다 더 높게 되면 온도 상승에 따라 온도계 보호관(10)의 부피팽창보다 질량체(20)의 부피팽창이 더 커지고, 그로 인해 온도계 보호관(10)과 질량체(20)에 형성된 나사산(수나나부 및 암나사부)의 간극이 벌어져 질량체(20)가 온도계 보호관(10)으로부터 이탈될 우려가 있기 때문이다.

한편, 온도계 보호관(10)은 열전도율뿐만 아니라 파손방지를 위한 높은 강성과 내부식성 등의 조건을 동시에 만족시켜야 하므로 스테인레스(SUS-304) 재질로 형성하는 것이 가장 바람직하다.

도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예는 온도계 보호관(10)에 대하여 질량체(20)와 일체로 회전가능하게 구비되는 이송가이드(30), 이송가이드를 회전시키는 회전기구를 더 포함하여 구성된다.

질량체(20)의 외측에는 면취부(22)가 형성되어 전체적으로 너트 형상을 이루고 있다. 이송가이드(30)에 질량체(20)를 수용하는 가이드홈(31)이 형성되며, 가이드홈(31)의 내측벽에 질량체(20)의 면취부(22)를 슬라이드이동가능하게 지지하는 가이드면(32)이 형성되어 있다.

질량체(20)의 외측은 다수개의 면취부(22)를 구비한 다각형상으로 형성되고 이송가이드(30)의 가이드홈(31)도 다수개의 가이드면(32)을 구비한 다각형상으로 형성되어 있다. 도 5의 실시예에서는 질량체(20)의 외측과 가이드홈(31)이 육각형상을 이루고 있다.

질량체(20)는 이송가이드(30)의 가이드홈(31)에 삽입되고 면취부(22)가 가이드면(32)에 접촉된 상태로 이송가이드(30)의 길이방향을 따라 슬라이드이동할 수 있게 된다. 또한, 질량체(20)의 면취부(22)가 이송가이드(30)의 가이드면(32)에 접촉됨으로써 이송가이드(30)가 질량체(20)와 함께 일체로 회전하게 된다.

즉, 질량체(20)는 이송가이드(30)에 대해서는 상대적으로 회전이 저지되고 길이방향으로만 슬라이드이동할 수 있게 된다. 이송가이드(30)는 제자리에서 회전하게 되고 질량체(20)는 이송가이드(30)와 함께 회전함과 동시에 가이드홈(31)을 따라 직선이동하게 되는 것이다.

회전기구는 이송가이드(30)의 외주면에 결합되는 종동기어(41), 종동기어(41)와 기어물림되게 구비되는 구동기어(42), 및 구동기어(42)를 구동시키는 구동모터(44)를 포함하여 구성된다. 구동기어(42)와 종동기어(41) 사이에는 아이들기어(43)가 구비되어 있다.

구동모터(44)에 전원을 인가하게 되면 구동기어(42)와 아이들기어(43) 및 종동기어(41)가 순차적으로 회전하면서 이송가이드(30)가 회전하게 된다. 이송가이드(30)가 회전하게 되면 질량체(20)가 이송가이드(30)와 함께 일체로 회전하면서 온도계 보호관(10)의 길이방향을 따라 이동하게 된다. 구동모터(44)에 인가되는 전류의 극성을 변경시키게 되면 이송가이드(30)의 회전방향이 역전되면서 질량체(20)의 이송방향도 역전된다.

배관(1)을 흐르는 유체가 변경되거나 유속이 변경되는 등으로 인해 와류의 진동수가 변경될 때 회전기구를 구동시켜 질량체(20)의 위치를 간편하게 변경시킴으로써 온도계 보호관(10)의 고유진동수를 가변시켜 와류의 파괴 주파수를 회피하도록 조절할 수 있게 되는 것이다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 : 온도계 보호관
11 : 수나사부
15 : 온도계
16 : 온도센서
20,20' : 질량체
21 : 암나사부
22 : 면취부
30 : 이송가이드
31 : 가이드홈
32 : 가이드면
41 : 종동기어
42 : 구동기어
43 : 아이들기어
44 : 구동모터

Claims (8)

1. 배관상을 흐르는 유체 온도를 측정하는 온도계의 유체에 의한 진동을 방지하는 온도계 보호관 진동방지장치에 있어서,
   외주면에 그 길이방향을 따라 수나사부가 형성되고, 상기 온도계를 감싸는 온도계 보호관;
   상기 온도계 보호관의 수나사부에 치합되는 암나사부가 형성되고, 상기 온도계 보호관의 길이방향을 따라 위치이동가능하게 구비되는 질량체; 및
   상기 온도계 보호관에 대하여 상기 질량체와 일체로 회전가능하게 구비되고, 상기 질량체를 그 길이방향을 따라 슬라이드이동가능하게 수용하는 이송가이드;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도계 보호관 진동방지장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 질량체는,
   상기 온도계 보호관의 외주면의 길이방향을 따라 1쌍이 연속하여 구비된 것을 특징으로 하는 온도계 보호관 진동방지장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 질량체의 외측에 면취부가 형성되고, 상기 이송가이드에 상기 질량체를 수용하는 가이드홈이 형성되며, 상기 가이드홈의 내측벽에 상기 질량체의 면취부를 슬라이드이동가능하게 지지하는 가이드면이 형성된 것을 특징으로 하는 온도계 보호관 진동방지장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 이송가이드를 회전시키는 회전기구;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도계 보호관 진동방지장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 회전기구는,
   상기 이송가이드의 외주면에 결합되는 종동기어;
   상기 종동기어와 기어물림되게 구비되는 구동기어; 및
   상기 구동기어를 구동시키는 구동모터;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도계 보호관 진동방지장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 질량체는,
   상기 온도계 보호관의 열전도율보다 낮거나 동일한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 온도계 보호관 진동방지장치.

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