KR101682145B1 - 소결필터가 장착된 열식 질량유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량 측정을 위한 열식 질량유량계에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 열식 질량유량계의 센서튜브 입구에 소결필터를 장착함으로써 층류화를 앞당겨 센서튜브의 정확도를 향상시킬 뿐만 아니라 센서튜브로 들어가는 불순물을 여과함으로써 센서튜브가 막히는 것이 방지되는 소결필터가 장착된 열식 질량유량계에 관한 것이다.
본 발명은 히터(5) 및 저항온도계(6)를 포함하는 센서튜브(4)를 이용하여 바이패스(3)를 지나는 유체의 질량을 계측하는 열식 질량유량계에 있어서, 상기 센서튜브(4)의 유동 입구에는 소결필터(19)가 장착되어 센서튜브(4)를 흐르는 유동을 층류화시키고 유체에 포함된 불순물을 제거하는 것이 특징인 소결필터를 장착한 열식 질량유량계를 제공한다.

Description

소결필터가 장착된 열식 질량유량계{Thermal Mass Flow Meter with Sintered Filter}

본 발명은 유량 측정을 위한 열식 질량유량계에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 열식 질량유량계의 센서튜브 입구에 소결필터를 장착함으로써 층류화를 앞당겨 센서튜브의 정확도를 향상시킬 뿐만 아니라 센서튜브로 들어가는 불순물을 여과함으로써 센서튜브가 막히는 것을 방지할 수 있는 소결필터가 장착된 열식 질량유량계에 관한 것이다.

일반적으로 가스나 기체의 유량을 측정하기 위한 유량계로서 오리피스를 이용한 차압 유량계, 볼텍스 유량계, 터빈 유량계, 초음파 유량계, 면적식 유량계 및 열식 질량유량계 등이 있다.

그 중에서도 열식 질량유량계는 흐르고 있는 유체 중에 가열된 물체를 놓으면 유체와 가열된 물체 사이에 열교환이 이루어져 가열된 물체가 냉각되고 그 냉각율이 유속의 함수가 된다는 원리를 이용하여 가열된 물체의 온도를 측정함으로써 유속과 그에 따른 질량유량을 구하는 유량계이다.

상기 열식 질량유량계는 고정밀도로 인해 반도체 제조 프로세스에 상당히 활발하게 이용되고 있으며, 최근에는 화학반응공정, 석유화학분야, 환경분야 및 빌딩공조분야에도 효과적으로 응용되고 있다.

도 1에 종래의 열식 질량유량계를 도시하였다.

종래의 열식 질량유량계는 유량을 측정하기 위한 유량검출부와 유량을 조절하기 위한 유량조절부로 구성되는 것이 통상적으로, 유량검출부는 유체가 유입구(1)로 유입되어 세관을 포함하는 바이패스(3)를 지나면서 층류화되고 중공부(11)로 빠져나가도록 구성된다.

바이패스(3)의 전후로 센서튜브(4)가 연결되어 유체의 일부가 우회하게 되며, 센서튜브(4)에는 히터(5)가 부착되어 우회하는 유체를 가열한다.

한편 히터(5)의 전후에는 저항온도계(6)가 배치되는데, 저항온도계(6)에 온도차가 발생함에 따른 저항 차이를 이용하여 유량검출부의 바이패스(3)를 통과하는 전체 유량을 추산하게 된다.

한편, 중공부(11)를 통과한 유체는 유량조절부를 통과하면서 유량이 조절된다.

종래의 열식 질량유량계의 유량조절부는 유량검출부의 중공부(11)와 유출구(2) 사이에 유량조절용 밸브시트(8)를 포함한다. 밸브시트(8)의 상부에는 밸브디스크(7)가 구비되며, 질량유량계 제어부(미도시)의 전기적 신호에 따라 온오프 작동되는 솔레노이드(9)에 의해 밸브디스크(7)가 이동간(10)과 함께 상하로 이동하며 밸브시트(8)에 형성된 노즐구멍(미도시)을 단속적으로 막아 유량을 조절한다.

한편, 열식 질량유량계의 유량 측정 정확도는 바이패스(3) 및 센서튜브(4)를 지나는 유체의 층류(laminar flow)화 정도에 따라 많은 영향을 받는다.

특히, 센서튜브(4)를 지나는 흐름이 층류가 아닌 난류(turbulent flow)로 남아 있는 경우 바이패스(3) 유량과 센서튜브(4) 유량 간의 비가 일정하지 않게 되어 저항온도계(6)의 온도차로부터 바이패스(3)를 통과하는 전체 유량을 추산하는 과정이 부정확하게 된다.

종래의 열식 질량유량계는 센서튜브(4)의 지름과 길이가 적절하게 설정되지 않는 경우 센서튜브(4)로 인입되는 유동이 저항온도계(6)가 부착된 지점에 이르기까지 난류로 남아 있는 경우가 발생하는 문제점이 있다. 따라서 센서튜브(4)를 결정함에 있어 주의가 필요하며, 가능한 한 센서튜브(4)를 흐르는 유동을 빠르게 층류로 만드는 설계 방안이 필요하다.

이에 더해, 종래의 열식 질량유량계는 유량을 측정하고자 하는 유체에 불순물이 섞여 있는 경우, 센서튜브(4)가 쉽게 막힌다는 문제점이 있다.

통상 센서튜브(4)의 지름은 바이패스(3) 유량과 센서튜브(4) 유량 간의 비를 맞추기 위하여 바이패스(3) 직경보다 절대적으로 작게 설계되는 것이 일반적인바, 아주 미량의 불순물만으로도 막힐 수 있으며 이는 질량유량계 오작동의 주요 원인이 된다.

센서튜브(4)가 불순물로 막혀 정확도가 떨어지면 질량유량계를 전체를 교체해 주어야 하며 이는 일정기간 동안 반도체 제조 프로세스 등을 멈추어야 한다는 것을 의미해 상당한 금전적 손실을 감수해야만 했다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열식 질량유량계의 센서튜브 입구에 소결필터를 장착해 층류화를 앞당기고 센서튜브가 불순물에 의해 막히는 것도 방지함으로써 질량유량계의 측정 정확도를 향상시키고 장기간 사용할 수 있도록 하고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 히터(5) 및 저항온도계(6)를 포함하는 센서튜브(4)를 이용하여 바이패스(3)를 지나는 유체의 질량을 계측하는 열식 질량유량계에 있어서, 상기 센서튜브(4)의 유동 입구에는 소결필터(19)가 장착되어 센서튜브(4)를 흐르는 유동을 층류화시키고 유체에 포함된 불순물을 제거하는 것이 특징인 소결필터를 장착한 열식 질량유량계를 제공한다.

여기서, 상기 소결필터(19)는 금속재질이거나 금속과 세라믹의 복합재질인 것이 바람직하다.

또한, 상기 소결필터(19)는 질량유량계 내를 흐르는 유체와는 반응하지 않는 재질인 것이 바람직하다.

또한, 상기 열식 질량유량계는 센서튜브(4)를 포함하는 상부블럭(14)과 바이패스(3)가 삽입되는 하부블럭(13)이 상호 접합하여 구성되고, 상기 소결필터(19)는 하부블럭(13)과 상부블럭(14) 사이에 위치하는 필터안착부(18)에 삽입되는 것이 유리하다.

이에 더해, 상기 소결필터(19)는 유동방향을 따라 단면 지름이 점점 작아지는 원뿔대의 형태인 것이 더욱 유리하다.

또한, 상기 소결필터(19)는 유동방향을 따라 상류에서 하류로 갈수록 공극의 크기가 점점 작아지는 것이 더욱 유리하다.

더 나아가, 상기 소결필터(19)는 다층으로 구성되고, 상기 공극의 크기는 같은 층에서는 동일한 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 소결필터가 장착된 열식 질량유량계는 센서튜브로 인입되는 유동이 난류에서 빠르게 층류로 전환되어 유량 측정 정밀도가 높아진다.

본 발명에서 제공하는 소결필터가 장착된 열식 질량유량계는 센서튜브로 인입되는 유동에 포함된 불순물이 소결필터에 의해 미리 제거되므로 센서튜브가 막히지 않아 장기간 사용할 수 있고 교체가 필요하지 않다는 장점이 있다.

본 발명에서 제공하는 소결필터가 장착된 열식 질량유량계는 소결필터가 금속재질로 되어 있어 필요한 경우 쉽게 세척이 가능하고 재사용할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에서 제공하는 소결필터가 장착된 열식 질량유량계는 소결필터가 흐름방향으로 원뿔대 형태로 되어 있어 불순물에 의해 쉽게 막히지 않아 장기간 사용할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에서 제공하는 소결필터가 장착된 열식 질량유량계는는 소결필터가 흐름방향으로 갈수록 작은 공극을 갖도록 다층으로 구성되어 있어 불순물에 의해 쉽게 막히지 않아 장기간 사용할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 질량유량계의 구조를 설명하기 위한 측단면도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열식 질량유량계의 블록 접속부를 나타내는 측단면도
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열식 질량유량계의 블록 접속부를 나타내는 측단면도
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 열식 질량유량계에 채용되는 소결필터를 나타내는 측단면도

본 발명의 구체적 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열식 질량유량계의 블록 접속부를 나타내는 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열식 질량유량계의 블록 접속부를 나타내는 측단면도이며, 도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 열식 질량유량계에 채용되는 소결필터를 나타내는 측단면도이다.

종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 발명의 기술적 사상을 이해하는데 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

(제1실시예)

먼저 도 2를 이용하여 본 발명의 제1실시예에 따른 소결필터를 장착한 열식 질량유량계를 자세히 설명한다.

본 발명의 소결필터를 장착한 열식 질량유량계는 바이패스(3)와 센서튜브(4)를 포함하는 열식 질량유량계에 있어서, 상기 센서튜브(4)의 유동 입구에는 소결필터(19)가 장착되어 있는 것이 특징이다.

상기 소결필터(19)는 센서튜브(4)의 입구에서 유동 내에 포함된 불순물을 제거하고 유동이 빠르게 층류화 되도록 유도한다.

본 발명에서 채용하는 소결필터(19)는 분말 형태의 고체를 성형틀 속에 넣고 프레스로 적절히 압착하여 단단하게 한 다음 고체물질의 녹는 점 근처의 온도로 가열하여 하나의 덩어리로 성형한 통상의 소결필터를 말한다.

소결필터(19)는 구상의 분말을 소정의 입도로 분류한 후 필요한 형태로 성형, 소결의 공정을 거쳐 제조되는데, 구상의 분말들이 상호 층상으로 싸여 다량의 공극이 형성되므로 유동이 소결필터(19)를 통과하게 되면 유동이 층류로 안정되는 효과를 나타내며 상기 공극보다 사이즈가 큰 불순물은 여과되는 효과를 가진다.

본 발명의 소결필터(19)는 필요에 따라 금속재질로 할 수 있다. 상기 금속은 티타늄, 구리, 청동, 신주, INCONEL600, 스테인레스 스틸 중 어느 하나일 수 있다.

금속재질의 경우 불순물이 많이 끼어 있는 경우 다시 빼내어 세척할 수 있고 재사용이 가능하여 활용도가 높다. 또한, 금속 소결필터는 다른 여타 필터 소재에 비해 고온, 고압의 상태에서도 충격에 강하고 용접 및 접합이 용이하여 기계의 정밀성, 내구성이 좋아진다는 장점을 가진다.

본 발명의 소결필터(19)는 필요에 따라 금속과 세라믹이 혼합된 복합재료로 하는 것도 바람직하다.

본 발명의 소결필터(19)는 열식 질량유량계 내를 흐르는 유체와는 반응하지 않는 재질로 선택하는 것이 바람직하다.

도 2를 이용하여 본 발명에서 소결필터가 장착되는 구조를 좀 더 자세히 설명한다.

본 발명의 제1실시예에서 열식 질량유량계의 유량검출부는 센서튜브 조립체(12)를 포함하는 상부블럭(14)과 바이패스(3)가 삽입되는 하부블럭(13)이 상호 접합되어 구성된다.

상기 상부블럭(14)에는 유체가 센서튜브 조립체(12)의 센서튜브(4)로 인입될 수 있도록 센서튜브 인입구(15)가 형성되어 있다.

상기 하부블럭(13)에는 바이패스(3) 직전의 유동 일부를 상기 인입구(15)로 흐르게 하는 바이패스 인출구(16)가 형성되어 있다.

상기 상부블럭(14)과 하부블럭(13) 사이로서 센서튜브 인입구(15)와 바이패스 인출구(16)가 접속되는 부위에는 오링(17)이 개재되어 유체가 새어나가는 것을 방지한다.

본 발명의 제1실시예에서 상기 소결필터(19)는 상기 하부블럭(13)의 바이패스 인출구(16)와 동심으로 형성된 필터안착부(18)에 삽입된다.

상기 상부블럭(14)과 하부블럭(13)이 오링(17)을 사이로 상호 긴밀하게 밀착되면서 상기 소결필터(17)는 센서튜브 인입구(15)에서 고정되어 바이패스 인출구(16)에서 센서튜브 인입구(15)로 흘러가는 유동을 빠르게 층류화시키고 불순물을 제거한다.

상기 소결필터(19)는 유동 저항이 크지 않으면서도 층류화 효과가 충분히 나타나도록 적절한 높이로 설정되어야 한다.

상기 필터안착부(18)는 필요에 따라 상기 상부블럭(14)의 센서튜브 인입구(15) 측에 형성될 수도 있다.

본 발명의 제1실시예와 같이 상기 소결필터(19)가 상부블럭(14)과 하부블럭(13)의 사이로 센서튜브 인입구(15) 또는 바이패스 인출구(16)에 장착되면서 필요에 따라 상기 상부블럭(14)과 하부블럭(13)을 분리하여 소결필터(19)를 세척하거나 교체하는 것이 가능하게 된다.

(제2실시예)

다음으로 도 3을 이용하여 본 발명의 제2실시예에 따른 소결필터를 장착한 열식 질량유량계를 자세히 설명한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 소결필터를 장착한 열식 질량유량계는 제1실시예와 상부블럭(14)과 하부블럭(13)간의 접합구조 등은 동일하나, 상기 소결필터(19)가 원뿔대의 형태로 되어 있는 것이 특징이다.

바이패스 인출구(16)를 통과한 유동이 센서튜브 인입구(15)로 흘러가면서 유체 내에 포함된 불순물이 걸러지는데, 상기 불순물은 유동방향을 따라 상기 소결필터(19)의 상류측부터 쌓여나가게 되므로 소결필터(19)가 불순물로 인해 쉽게 막히지 않도록 하기 위해 상기 소결필터(19)의 상류측을 하류측보다 넓은 유동면적을 갖도록 할 필요가 있다.

본 발명의 제2실시예에서는 상기 소결필터(19)를 원뿔대 형태로 상류측(도 3에서는 소결필터의 하부)을 하류측보다 넓게 만들어 불순물로 상기 소결필터(19)가 막히는 것을 방지한다.

본 발명의 제2실시예에서 상기 소결필터(19)가 안착되는 필터안착부(18)는 상부블럭(14)의 센서튜브 인입구(15) 측에 형성하는 것이 바람직하다.

상기 소결필터(19)가 하부블럭(13)에 접하게 되는 하부면의 지름은 상기 바이패스 인출구(16)의 지름보다 크게 하여 소결필터(19)가 바이패스 인출구(16)로 빠지는 것을 방지하고, 유동이 소결필터(19) 주위로 우회하여 불순물이 걸러지지 않고 센서튜브(4)로 흘러들어가는 것을 방지한다.

(제3실시예)

다음으로 도 4를 이용하여 본 발명의 제3실시예에 따른 소결필터를 장착한 열식 질량유량계를 자세히 설명한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 소결필터를 장착한 열식 질량유량계는 제2실시예와 상부블럭(14)과 하부블럭(13)간의 접합구조 및 소결필터(19)의 형상 등은 동일하나, 상기 소결필터(19)가 다층으로 구성되어 있는 것이 특징이다.

본 발명의 제3실시예에서 소결필터(19)는 공극의 크기가 구분되는 별도의 필터층이 유동의 흐름방향으로 쌓여 다층으로 구성된다.

예를 들어, 유체의 흐름방향으로 최상류에는 공극이 큰 소결필터층(19c)이 배치되고 그 하류에는 공극이 중간 사이즈의 소결필터층(19b)가 배치되며, 최하류에는 공극이 가장 작은 소결필터층(19a)이 배치될 수 있다.

최상류측에 공극이 큰 소결필터층(19c)이 배치되고 흐름방향으로 갈수록 공극이 작아짐에 따라 비교적 사이즈가 큰 불순물은 최상류측에서 걸러지고, 작은 불순물들은 일단 공극을 통과하였다가 공극이 비교적 작은 하류측에서 걸러지면서 소결필터(19)의 불순물 제거 기능이 고르게 유지된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용 범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

12 : 센서튜브 조립체 13 : 하부블럭
14 : 상부블럭 15 : 센서튜브 인입구
16 : 바이패스 인출구 17 : 오링
18 : 필터안착부 19 : 소결필터

Claims (7)

1. 히터(5) 및 저항온도계(6)를 포함하는 센서튜브(4)를 이용하여 바이패스(3)를 지나는 유체의 질량유량을 계측하는 열식 질량유량계에 있어서,
   상기 센서튜브(4)의 유동 입구에는 소결필터(19)가 장착되어 센서튜브(4)를 흐르는 유동을 층류화시키고 유체에 포함된 불순물을 제거하되, 상기 소결필터(19)는 유동방향을 따라 단면 지름이 점점 작아지는 원뿔대의 형태인 것이 특징인 소결필터를 장착한 열식 질량유량계
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소결필터(19)는 금속재질이거나 금속과 세라믹의 복합재질인 것이 특징인 열식 질량유량계
3. 제 1 항에 있어서, 상기 소결필터(19)는 질량유량계 내를 흐르는 유체와는 반응하지 않는 재질인 것이 특징인 소결필터를 장착한 열식 질량유량계
4. 히터(5) 및 저항온도계(6)를 포함하는 센서튜브(4)를 이용하여 바이패스(3)를 지나는 유체의 질량유량을 계측하는 열식 질량유량계에 있어서,
   상기 센서튜브(4)의 유동 입구에는 소결필터(19)가 장착되어 센서튜브(4)를 흐르는 유동을 층류화시키고 유체에 포함된 불순물을 제거하되, 상기 열식 질량유량계는 센서튜브(4)를 포함하는 상부블럭(14)과 바이패스(3)가 삽입되는 하부블럭(13)이 상호 접합하여 구성되고, 상기 소결필터(19)는 하부블럭(13)과 상부블럭(14) 사이에 위치하는 필터안착부(18)에 삽입되는 것이 특징인 소결필터를 장착한 열식 질량유량계
5. 삭제
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결필터(19)는 유동방향을 따라 상류에서 하류로 갈수록 공극의 크기가 점점 작아지는 것이 특징인 소결필터를 장착한 열식 질량유량계
7. 제 6 항에 있어서, 상기 소결필터(19)는 다층으로 구성되고, 상기 공극의 크기는 같은 층에서는 동일한 것이 특징인 소결필터를 장착한 열식 질량유량계

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