KR101902680B1 - 에어로 포일 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 박리에 의한 와류(vortex)를 안정화하여 정확하고 안정적인 유량 측정이 가능한 에어로 포일 유량계에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예는, 유체가 유입되는 덕트와, 상기 덕트의 내벽면에 구비되어 상기 유체의 정압(static pressure)을 측정하는 복수의 정압 측정부와, 상기 덕트의 내부에 구비되되 상기 정압 측정부의 사이에 배치되어 상기 유체의 전압(total pressure)을 측정하는 전압 측정부 및 상기 정압 측정부와 상기 전압 측정부 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서 상기 정압 측정부 또는 상기 덕트에 설치되는 플레이트를 포함하는 에어로 포일 유량계를 제공한다.

Description

에어로 포일 유량계{Aerofoil flow meter}

본 발명은 에어로 포일 유량계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동 박리에 의한 와류(vortex)를 안정화하여 정확하고 안정적인 유량 측정이 가능한 에어로 포일 유량계에 관한 것이다.

유량계에는 여러 종류가 있으나, 비교적 널리 사용되고 있는 것에는 날개차 유량계, 차압식(差壓式) 유량계, 면적식 유량계 등이 있다. 이 중에서 날개차 유량계가 제일 간단한 것으로 흐름에 의해 날개차를 돌려 그 회전수를 기어의 메커니즘으로 지시한다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 것으로 수도의 미터가 이것을 이용하고 있다.

차압식과 면적식은 주로 공업방면에서 사용된다. 차압식은 관 속에 벤투리관오리피스, 노즐 등의 조리개를 넣어, 그 전후 압력차를 차압계로 측정하여, 그 측정값을 기본으로 유량을 잰다. 면적식은 위쪽으로 올라갈수록 넓어진 수직관 속에 플로트(float)를 넣고, 유체를 아래에서 위로 흘려 보낸다. 유체류에 밀어올려진 플로트의 전후에 생기는 차압에 의한 부력(浮力)과 플로트의 무게를 평형시켜 플로트의 위치에서 유량을 안다. 이 밖에 일정한 부피의 용기로 직접 유체의 양을 측정하는 것도 있으며, 도시가스의 가스미터는 그 일종이다.

종래 차압식 유량계의 일 예가 한국특허등록 제0154205호에 개시되어 있다.

전술한 선행특허에 따르면, 공기의 흐름에 의해 상하로 동작하는 에어 포일이 구비되며, 에어 포일의 위치 변화를 감지해 포텐시오 미터의 전기적 신호 변화량을 공기량으로 환산함으로써 유량을 측정할 수 있다.

일반적으로 에어 포일 또는 에어로 포일(aerofoil)은 항공기 날개의 단면 형상인 익형을 의미하며, 반원형의 리딩 에지부터 뾰족한 트레일링 에지까지 유선형 또는 직선형으로 연결되는 형상이다.

하지만, 종래의 유량계에 있어서, 공기역학적인 요인으로 인해 유량계 노즐 목(유로 면적이 가장 좁은 곳)을 통과하며, 즉 유로 면적이 확대되는 구간에서 유동 박리(flow separation)가 발생하며, 유동 박리로 인한 와류(vortex)가 발생하게 된다.

도 1은 일반적인 에어로 포일 유량계에서 유동 흐름을 도시한 도면, 도 2a 및 2b는 도 1의 에어로 포일 유량계의 유동장을 도시한 도면, 도 3은 도 1의 에어로 포일 유량계에서 정압 측정의 변동량을 나타낸 그래프, 도 4는 도 1의 에어로 포일 유량계에서 측정 차압의 변동량을 나타낸 그래프이며, 도 5는 도 1의 에어로 포일 유량계에서 노즐 목 부근의 속도를 나타낸 도면이다.

특히, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 유량계와 덕트 벽면에서는 발생한 와류가 유량계를 지나면서 더욱 크게 성장하여 거대한 와류 구조를 이루게 되며, 이로 인해 유량계를 통과하는 유동 흐름에 영향을 주게 되어 유량계를 통과한 유동이 덕트 가운데로 몰리는 현상이 발생하게 된다.

이에 따라, 에어로 포일 유량계는 전압과 정압의 차이로 유량을 측정하므로 안정적인 압력 측정이 필수적이나, 상기와 같이 유동박리가 발생하면 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 유량계 측정 압력의 불안정성을 유발하여 압력 측정의 정확도가 낮아지며 궁극적으로 정확한 유량 값을 측정할 수 없고, 특히 유동박리 현상이 일어나는 지점과 정압을 측정하는 부분의 위치가 일치함으로써 도 3에 도시된 바와 같이 정압 측정 시 압력 맥동이 크게 발생하게 된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 정압 측정부의 유속이 낮아 측정되는 정압이 증가함으로써 측정 차압은 감소하며, 차압이 감소할수록 유량계의 분해능은 낮아지게 된다.

한국등록특허공보 제10-0154205호(1998.07.08)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유동 박리에 의한 와류(vortex)를 안정화하여 정확하고 안정적인 유량 측정이 가능한 에어로 포일 유량계를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 유동박리에 의해 큰 와류가 발생하는 유량계 후단부에 플레이트를 설치함으로써 와류 구조를 안정화시킨다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 유체가 유입되는 덕트와, 상기 덕트의 내벽면에 구비되어 상기 유체의 정압(static pressure)을 측정하는 복수의 정압 측정부와, 상기 덕트의 내부에 구비되되 상기 정압 측정부의 사이에 배치되어 상기 유체의 전압(total pressure)을 측정하는 전압 측정부 및 상기 정압 측정부와 상기 전압 측정부 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서 상기 정압 측정부 또는 상기 덕트에 설치되는 플레이트를 포함하는 에어로 포일 유량계를 제공한다.

이때, 상기 전압 측정부는 반원의 형상을 갖는 리딩 에지와, 상기 리딩 에지에 대향되며 쐐기 모양의 단면 형상을 갖는 트레일링 에지를 포함하는 에어로 포일(aerofoil) 형상으로 이루어지며, 상기 정압 측정부는 상기 전압 측정부의 에어로 포일 형상을 길이 방향을 따라 반으로 나눈 반(half) 에어로 포일 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 전압 측정부는 상기 리딩 에지에서 평평하게 연장되는 플랫부를 더 포함할 수 있다.

상기 플레이트는, 상기 정압 측정부의 트레일링 에지 상에 설치될 수 있다.

또한, 상기 플레이트는, 상기 덕트의 내벽면이 상기 정압 측정부의 트레일링 에지의 단부와 만나는 지점에 설치될 수 있다.

상기 플레이트는, 상기 덕트에 내벽면과 수직하게 부착될 수 있다.

상기 플레이트의 높이(H, H2)는 상기 정압 측정부의 높이(h)와 같거나 작게 형성되고 상기 정압 측정부의 높이의 절반(h/2)과 같거나 크게 형성될 수 있다.

상기 플레이트의 길이(L)는 상기 정압 측정부의 길이(l)와 동일하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 플레이트를 지지하기 위한 지지부재를 더 포함할 수 있다.

상기 지지부재는, 상기 플레이트에서 상기 덕트 내로 유입된 유체의 유동과 마주보는 측의 반대측에 설치될 수 있다.

상기 지지부재는, 삼각형 또는 사각형의 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 지지부재는 상기 플레이트와 일체로 형성될 수 있다.

본 발명의 에어로 포일 유량계에 따르면, 정압 측정부와 전압 측정부 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서 정압, 전압 측정부 또는 덕트에 설치되는 플레이트를 포함함으로써 유동 박리에 의한 와류(vortex)를 안정화하여 유량계의 압력변동을 감소시키고 압력 측정의 불안정성을 해소할 수 있다.

또한, 유동 박리에 의한 와류가 안정화되어 와류의 크기가 감소함으로써 유동이 덕트의 가운데로 몰리지 않고 덕트와 평행한 방향으로 균일하게 흘러갈 수 있다.

또한, 정압 측정부를 통과하는 유속이 증가함에 따라 측정되는 정압이 감소함으로써 측정 차압이 증가하고, 차압이 증가함에 따라 유량계의 분해능이 높아지게 된다.

이에 따라 궁극적으로 유량 측정의 정확도가 높아져 정확한 유량값을 산출할 수 있으며, 특히 저유량일 때에도 보다 정확하게 유량값 산출이 가능하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 일반적인 에어로 포일 유량계에서 유동 흐름을 도시한 도면.
도 2a 및 2b는 도 1의 에어로 포일 유량계의 유동장을 도시한 도면.
도 3은 도 1의 에어로 포일 유량계에서 정압 측정의 변동량을 나타낸 그래프.
도 4는 도 1의 에어로 포일 유량계에서 측정 차압의 변동량을 나타낸 그래프.
도 5는 도 1의 에어로 포일 유량계에서 노즐 목 부근의 속도를 나타낸 도면.
도 6a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에어로 포일 유량계와 유동 흐름을 도시한 도면.
도 6b는 도 6a의 사시도.
도 7a 및 7b는 도 6a의 에어로 포일 유량계의 유동장을 도시한 도면.
도 8은 도 6a의 에어로 포일 유량계에서 정압 측정의 변동량을 나타낸 그래프.
도 9는 도 6a의 에어로 포일 유량계에서 측정 차압의 변동량을 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에어로 포일 유량계를 도시한 도면.
도 11은 도 10의 에어로 포일 유량계의 유동장을 도시한 도면.
도 12는 도 10의 에어로 포일 유량계에서 정압 측정의 변동량을 나타낸 그래프.
도 13은 도 10의 에어로 포일 유량계에서 측정 차압의 변동량을 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에어로 포일 유량계를 도시한 도면.
도 15a 및 15b는 도 14에서 플레이트를 제외한 에어로 포일 유량계의 유동장을 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 에어로 포일 유량계를 도시한 도면.
도 17a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 에어로 포일 유량계와 유동 흐름을 도시한 도면.
도 17b는 도 17a의 사시도.
도 18은 도 17a의 에어로 포일 유량계의 유동장을 도시한 도면.
도 19는 도 17a의 에어로 포일 유량계에서 노즐 목 부근의 속도를 나타낸 도면.
도 20은 본 발명의 제6 실시예에 따른 에어로 포일 유량계를 도시한 도면.
도 21은 도 20의 에어로 포일 유량계의 유동장을 도시한 도면.
도 22는 본 발명의 제7 실시예에 따른 에어로 포일 유량계를 도시한 도면.
도 23a는 본 발명의 제8 실시예에 따른 에어로 포일 유량계와 유동 흐름을 도시한 도면.
도 23b는 도 23a의 사시도.

이하, 본 발명의 에어로 포일 유량계에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 6 내지 도 23을 참조하여 설명하도록 한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

우선, 도 6a 내지 9를 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 에어로 포일 유량계를 설명하도록 한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 에어로 포일 유량계는 덕트(100)와, 상기 덕트(100) 내부에 구비되는 복수의 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 덕트(100)의 일단에는 유량을 측정할 유체가 유입되는 유입부(120)가 구비되고, 타측에는 유입된 유체가 통과해 배출되는 배출부(140)가 구비된다.

상기 덕트(100)의 내측에는 에어로 포일(aerofoil) 형태의 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)가 구비된다. 상기 유입부(120)를 통해 유량을 측정할 공기 등의 유체가 상기 덕트(100) 내부로 유입되며, 상기 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)를 거쳐 상기 배출부(140)를 통해 배출된다.

상기 덕트(100)는 관(tube) 형상으로, 아래에서는 상기 유입부(120)가 형성된 일단을 전단, 상기 배출부(140)가 형성된 타단을 후단으로 정의하여 설명하도록 한다. 에어로 포일 유량계는 다른 차압식 유량계와는 달리 상기 덕트(100)의 전단부와 후단부 사이의 길이가 상대적으로 짧은 특징이 있기 때문에, 공간적 제약이 많은 위치에 설치해 유량을 측정할 수 있다.

상기 전압 측정부(300)는 전압(total pressure, 정압과 동압을 더한 압력)을 측정하는 부분으로, 상기 덕트(100)의 유입부(120) 쪽에 치우치도록 배치될 수 있다.

상기 전압 측정부(300)는 완전한 에어로 포일(aerofoil) 형상을 갖으며, 일반적인 에어로 포일 형상은 반원 형태의 리딩 에지(320)와 상기 리딩 에지(320)에 대향되며 뾰족한 쐐기 모양의 단면 형상을 갖는 트레일링 에지(340)가 유선형 또는 직선형으로 연결되는 형태이다. (도 6a 참조)

이때, 상기 전압 측정부(300)의 리딩 에지(320) 측에서 전압이 측정되어진다.

상기 복수의 정압 측정부(200)는 정압(static pressure, 유체의 흐름과 직각 방향으로 작용하는 압력)을 측정하는 부분이며, 상기 전압 측정부(300)의 완전한 형태의 에어로 포일 형상을 길이 방향을 따라 반으로 나눈 반(half) 에어로 포일의 형상을 갖는다.

구체적으로, 상기 복수의 정압 측정부(200)는 각각 상기 전압 측정부(300)의 리딩 에지(320)를 반으로 자른 형태에 대응하는 리딩 에지(220)와, 상기 전압 측정부(300)의 트레일링 에지(340)를 반으로 자른 형태에 대응하는 트레일링 에지(240)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 전압 측정부(300)는 상기 덕트(100)의 내부에 구비되며, 본 실시예에서는 상기 덕트(100)의 가운데에 1개의 전압 측정부(300)가 구비되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 복수 개 형성될 수도 있다.

상기 복수의 정압 측정부(200)는 상기 덕트(100)의 내벽면에 구비되며, 상기 전압 측정부(300)를 기준으로 양측에 상호 마주보는 형태로 구비된다.

유체는 상기 유입부(120)를 통해 덕트(100)의 내부로 유입되어 상기 정압 측정부(200)와 전압 측정부(300)의 사이를 통과하게 되는데, 이때 정압 및 전압이 측정된다. 이에 따라, 이 차이를 이용해 속도(V)를 구한 후 유체가 통과하는 부분(유로)의 단면적을 곱해 유량을 산출하게 된다.

에어로 포일 유량계에 있어서 정압 측정부와 전압 측정부의 사이를 유체가 통과하는 유로라고 볼 수 있다. 종래의 유량계는 유체가 유입부를 통과한 후 정압 측정부와 전압 측정부의 리딩 에지를 지나가게 되면, 급하게 유로의 단면적이 증가하면서 압력구배가 발생해 유체의 운동량 손실이 발생하고, 유체의 유동 흐름이 바뀌는 와류가 발생한다(유동 박리, 도 1 및 2 참조). 이와 같이 유동 박리가 발생하면 정압 측정 시 측정값이 불안정해지는데, 전압과 정압의 차이로 유량을 측정하는 차압식 유량계에 있어서 이러한 정압 측정의 불안정함은 부정확한 유량 측정의 원인이 된다. 특히, 종래의 유량계는 유동 박리가 일어나는 부분이 정압 측정부와 일치해 정압 측정이 불안정한 문제가 있다(도 3 내지 5 참조).

이에 따라, 본 발명은 상기 정압 측정부(200)와 상기 전압 측정부(300) 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서, 상기 정압 측정부(200), 전압 측정부(300) 및 덕트(100) 중 적어도 어느 하나에 설치되는 플레이트를 포함하는 에어로 포일 유량계를 제공하며, 이에 따라 상기 정압 측정부(200) 쪽에 압력구배 및 와류가 급하게 발생하는 것을 방지하여 안정적인 정압 측정값을 얻을 수 있다.

구체적으로, 본 제1 실시 예에서는 상기 정압 측정부(200)와 상기 전압 측정부(300) 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서, 상기 덕트(100)에 설치되는 플레이트(1400)를 포함한다.

구체적으로, 상기 플레이트(1400)는 상기 덕트(100)의 내벽면이 상기 정압 측정부(200)의 후단부와 만나는 지점, 즉 정압 측정부의 트레일링 에지(240)의 단부와 만나는 지점에 설치될 수 있다. 이에 따라, 도 6a를 기준으로 상측과 하측에 2개의 플레이트(1400)가 설치되고 있다.

상기 플레이트(1400)는 상기 덕트(100)의 내벽면과 일정한 각도를 이루며 형성될 수 있고, 특히 상기 덕트(100)의 내벽면과 수직을 이루도록 설치되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 덕트(100)의 유입부(120)로 유입된 유체의 유동과 수직으로 만나게 된다.

이때, 상기 플레이트의 높이(H)는 상기 정압 측정부의 높이(h)와 같거나 작게 형성되고 상기 정압 측정부의 높이의 절반(h/2)과 같거나 크게 형성될 수 있으며, 본 실시 예에서 상기 플레이트(1400)의 높이(H)는 상기 정압 측정부(200)의 높이(h)와 동일하게 형성되고 있다. 이하에서는, 도 6a의 단면도를 기준으로 상기 덕트(100) 내 유동의 흐름 방향과 수직인 방향을 높이라고 정의하도록 한다.

더욱이, 상기 플레이트(1400)의 길이(L)는 상기 정압 측정부(200)의 길이(l)와 동일하게 형성될 수 있다. 이하에서는, 도 6b의 사시도를 기준으로 상기 덕트(100) 내 유동의 흐름을 가로막는 방향을 길이라고 정의하도록 한다.

이에 따라, 유량계 형상의 공기역학적인 요인으로 인해 유로 면적이 확대되는 구간에서 발생하는 유동 박리에 의한 와류를 가두고 플레이트에 부착시켜 크기가 커지지 않도록 안정화시킬 수 있다.

구체적으로, 도 7 내지 9를 참고하여 종래의 유량계와 비교해보면, 상기 플레이트(1400)가 유동 박리에 의한 와류(vortex)의 크기가 커지는 것을 방지하여 불안정한 와류를 안정화할 수 있으며, 이에 따라 유량계의 압력변동을 감소시키고 압력 측정의 불안정성을 해소할 수 있음을 알 수 있다.

도 7a 및 7b의 유동장을 분석해보면, 도 2a 및 2b와 비교하였을 때 유동 박리에 의한 와류가 안정화되어 와류의 크기가 감소함으로써 유동이 상기 덕트(100)의 가운데로 몰리지 않고 덕트(100)와 평행한 방향으로 균일하게 흘러감을 알 수 있다.

또한, 도 8의 정압 측정 그래프를 살펴보면, 도 3에서 측정 압력, 즉 정압의 떨림(맥동) 현상이 크게 나타나는 것에 비해 압력 변동이 줄어들어 맥동 현상이 완화된 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 압력 측정의 정확도가 높아진다.

더욱이, 도 9의 유량 차압의 변동량 그래프를 도 4와 비교해보면 종래에 대비하여 측정 차압의 불안정성이 완화되어 변동량이 크지 않다는 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 압력 불안정성을 해소하여 정확한 유량값을 산출함에 따라 연소를 제어할 수 있다.

또한, 도 4를 참고하면 종래에는 측정 차압의 평균값이 대략 450Pa에서 460Pa 사이에 형성되는 것에 반해, 도 9를 참고하면 본 발명의 제1 실시 예에 따르면 상기 플레이트(1400)를 설치하여 유동 박리에 의한 와류구조가 안정화됨에 따라 측정 차압의 평균값이 대략 460Pa에서 470Pa 사이에 형성되어 유량계의 분해능이 높아지는 효과를 얻을 수 있다.

즉, 상기 정압 측정부(200)를 통과하는 유속이 증가함에 따라 측정되는 정압이 감소함으로써 측정 차압이 증가하고, 차압이 증가함에 따라 유량계의 분해능이 높아지게 된다.

이에 따라 궁극적으로 유량 측정의 정확도가 높아져 정확한 유량값을 산출할 수 있으며, 특히 저유량일 때에도 보다 정확하게 유량값 산출이 가능하다.

이때, 상기 플레이트(1400)를 설치하더라도 측정 차압의 크기 및 압력손실에 대한 영향은 적다.

다음으로는, 도 10 내지 13을 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 에어로 포일 유량계를 살펴보도록 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 에어로 포일 유량계는 전술한 제1 실시예에 따른 에어로 포일 유량계와 동일하게 덕트(100)와, 복수의 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)를 포함하며, 또한 상기 정압 측정부(200)와 상기 전압 측정부(300) 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서, 상기 덕트(100)에 설치되는 플레이트(2400)를 포함한다.

상기 덕트(100)와, 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)는 전술한 제1 실시 예에서 설명한 것과 다르지 않으므로 이에대한 설명은 생략하며, 상이한 플레이트(2400)를 중심으로 설명하도록 한다.

상기 플레이트(2400)는 또한 전술한 제1 실시 예에 따른 플레이트(1400)와 높이를 제외하고는 모두 동일하다.

즉, 상기 플레이트(2400)는 상기 덕트(100)의 내벽면이 상기 정압 측정부(200)의 후단부와 만나는 지점, 즉 정압 측정부의 트레일링 에지(240)의 단부와 만나는 지점에 설치되며, 도 10을 기준으로 상측과 하측에 2개의 플레이트(2400)가 설치되고 있다.

상기 플레이트(2400)는 상기 덕트(100)의 내벽면과 일정한 각도를 이루며 형성될 수 있고, 특히 상기 덕트(100)의 내벽면과 수직을 이루도록 설치되는 것이 바람직하다.

다만, 상기 플레이트의 높이(H2)는 상기 정압 측정부의 높이(h)와 같거나 작게 형성되고 상기 정압 측정부의 높이의 절반(h/2)과 같거나 크게 형성될 수 있으며, 본 실시 예에서 상기 플레이트(2400)의 높이(H2)는 상기 정압 측정부(200)의 높이(h)와 동일하지 않으며, 상기 정압 측정부 높이의 절반, 즉 1/2의 길이(h/2)를 갖도록 형성된다.

이에 따라, 도 11 내지 13에 도시된 바와 같이 전술한 제1 실시 예와 동일하게 유동장, 정압 측정시 변동량 및 유량 차압의 변동량을 모두 분석해보았으며, 종래의 유량계와 비교해보면, 상기 플레이트(2400)가 유동 박리에 의한 와류(vortex)의 크기가 커지는 것을 방지하여 불안정한 와류를 안정화할 수 있으며, 이에 따라 유량계의 압력변동을 감소시키고 압력 측정의 불안정성을 해소할 수 있음을 알 수 있다. 이에 따라 궁극적으로 유량 측정의 정확도가 높아져 정확한 유량값을 산출할 수 있다.

하지만, 상기 플레이트의 높이가 상기 정압 측정부 높이의 절반보다 작게 형성될 경우에는 와류의 안정화 효과를 충분히 얻을 수 없고, 이에 따라 상기 플레이트의 높이는 상기 정압 측정부의 높이(h)와 같거나 작게 형성되고 상기 정압 측정부의 높이의 절반(h/2)과 같거나 크게 형성되는 것이 바람직하다.

특히, 변동량의 완화 정도 등을 종합적으로 고려할 때 본 발명의 제1 실시 예와 같이 플레이트의 높이가 정압 측정부의 높이와 동일하게 형성되는 에어로 포일 유량계가 가장 효율적이라는 것을 알 수 있다.

다음으로, 도 14 내지 15를 참고하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계를 살펴보도록 한다.

본 발명의 제3 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계는 전술한 제2 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계와 동일하게 덕트(100)와, 복수의 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)를 포함하며, 또한 상기 정압 측정부(200)와 상기 전압 측정부(300) 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서, 상기 덕트(100)에 설치되는 플레이트(2400)를 포함한다.

상기 덕트(100)와, 정압 측정부(200)와, 전압 측정부(300) 및 플레이트(2400)는 전술한 제2 실시 예에서 설명한 것과 다르지 않으며, 다만 상기 전압 측정부(300)는 상기 전압 측정부의 리딩 에지(320)에서 평평하게 연장되는 플랫부(360)를 더 포함한다.

상기 정압 측정부(200) 또한 상기 전압 측정부의 플랫부(360)와 대향하며, 상기 정압 측정부의 리딩 에지(220)에서 평평하게 연장되는 플랫부(260)를 더 포함하게 된다. 상기 플랫부(260)에서 정압을 측정할 수 있으며, 상기 정압 측정부의 플랫부(260) 위치는 상기 전압 측정부의 플랫부(360) 위치에 대응하도록 형성되고, 또한 상기 정압 측정부의 플랫부(260)와 전압 측정부의 플랫부(360)는 동일한 길이로 형성되어 사이 간격이 일정하게 마주보는 형태로 배치된다.

구체적으로, 상기 정압 측정부 및 전압 측정부의 각 플랫부(260, 360)는 도 14에 도시된 바와 같이 폭이 상기 플랫부의 높이(C)를 기준으로 0.4~0.6C의 범위로 형성되며, 상기 리딩 에지에서 상기 플랫부의 시작점까지의 길이가 C/2로 형성되고, 상기 플랫부 이후 상기 트레일링 에지까지의 길이는 2.5C로 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 각 플랫부(260, 360)를 형성함에 따라 유량계의 유동장 흐름이 도 15a 및 15b에 도시된 바와 같이 달라진다는 것을 알 수 있다. 즉, 플랫부가 형성되지 않은 종래 도 2a 및 2b의 유량계의 유동장과 비교하였을 때, 노즐 목 부근의 유동 박리 및 후단부 와류가 크게 감소된 것을 볼 수 있으며, 압력 맥동이 감소함에 따라 유동이 상기 덕트(100)의 가운데로 덜 치우쳐져 흘러간다는 것을 알 수 있다.

따라서, 상기와 같이 플랫부(260, 360)가 형성된 경우에는 상기 플레이트의 높이(H2)가 상기 정압 측정부의 높이(h)와 동일하게 형성되는 것보다 h/3 내지 h/2의 높이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

더욱이, 전술한 제1 내지 제3 실시 예에 한정되는 것은 아니며 플레이트는 상기 정압 측정부(200)의 트레일링 에지(240) 상에 설치될 수도 있다. 즉, 유동박리에 의한 와류를 안정화시키기 위한 곳이라면 어느 곳이든 설치될 수 있으며, 예를 들어 상기 정압 측정부(200)의 트레일링 에지(240) 상에 상기 트레일링 에지(240)의 표면과 수직 또는 일정한 각도를 이루도록 상측과 하측에 각각 단수 혹은 복수개의 플레이트가 설치될 수 있다.

또한, 도 16을 참고하여 본 발명의 제4 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계를 살펴보면, 제1 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계에서 상기 플레이트(1400)를 지지하기 위한 지지부재(1500)를 더 포함하고 있다.

상기 지지부재(1500)는 상기 플레이트(1400)에서 상기 덕트(100) 내로 유입된 유체의 유동과 마주보는 측의 반대측에 설치될 수 있으며, 삼각형 또는 사각형의 형상으로 이루어질 수 있다.

본 실시 예에서, 상기 지지부재(1500)는 삼각형의 형상으로 이루어져 상기 플레이트(1400)의 후단에 부착되고 있으며, 상기 덕트(100) 내에서 유체가 유동하는 방향으로 상기 덕트(100)의 내벽면을 향해 기울어지도록 부착되었다.

또한, 본 실시 예에서 상기 지지부재(1500)는 상기 플레이트(1400)에 부착되는 별도의 부재로 이루어지고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 플레이트(1400)와 일체로 형성되어 상기 플레이트(1400) 자체가 삼각형의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.

따라서, 상기 지지부재(1500)는 상기 플레이트(1400)를 견고하게 지지 및 보강하여 상기 플레이트(1400)가 상기 덕트(100) 내 유동으로 인해 흔들리거나 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 더욱이 부가적인 효과로 상기 플레이트(1400)의 후단에서 유동 박리에 의한 와류가 부착될 수 있는 공간을 막아 보다 효과적으로 와류가 안정화되는 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 도 17a 내지 19를 참고하여 본 발명의 제5 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계를 설명하도록 한다.

본 발명의 제5 실시예에 따른 에어로 포일 유량계는 전술한 제1 실시예에 따른 에어로 포일 유량계와 동일하게 덕트(100)와, 상기 덕트(100) 내부에 구비되는 복수의 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.

다만, 전술한 제1 내지 제4 실시 예와는 다르게 제5 실시 예에서는 상기 정압 측정부(200)와 상기 전압 측정부(300) 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서, 상기 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)에 설치되는 복수의 플레이트(3400)를 포함한다.

구체적으로, 상기 복수의 플레이트(3400)는 상기 정압 측정부(200)의 트레일링 에지(240)와 상기 전압 측정부(300)의 트레일링 에지(340) 상에 각각 다수 개가 나란하게 형성된다. 이때, 상기 플레이트(3400)는 길게 형성되며, 상기 덕트(100)의 유입부(120)를 통해 유입되는 유체의 유동과 대향하도록 배치된다. 이에 따라, 도 17a에서 볼 수 있듯이 상기 정압 측정부의 각 트레일링 에지(240) 표면과 상기 전압 측정부의 트레일링 에지(340) 양측 표면에 각각 다수개의 플레이트(3400)가 나란하게 설치됨을 알 수 있다.

특히, 상기 플레이트(3400)는 상기 정압 측정부의 트레일링 에지(240)의 표면 또는 상기 전압 측정부의 트레일링 에지(340)의 표면과 일정한 각도를 이루며 설치될 수 있되 수직(90°)을 이루며 상기 덕트(100) 내의 유동과 수직으로 만나도록 설치되는 것이 바람직하고, 또한 일정한 간격으로 나란하게 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 플레이트(3400)의 길이는 상기 정압 측정부(200) 또는 상기 전압 측정부(300)의 길이와 동일하게 형성됨으로써 상기 덕트(100)의 내부를 통과하는 유체가(유동이) 어느 위치에서든 후술할 상기 플레이트(3400)에 의한 효과를 동일하게 얻을 수 있도록 할 수 있다.

상기와 같이 플레이트(3400)를 설치함에 따라, 상기 플레이트(3400)를 지나는 유체의 난류강도가 증가하고, 유체가 벽면에 부착되거나 유량계 형상의 공기역학적인 요인으로 인해 유로 면적이 확대되는 구간에서 발생하는 유동 박리에 의한 와류를 상기 다수의 플레이트(3400) 사이에 형성되는 오목부(cavity)에 가두어 크기가 커지지 않도록 안정화시킬 수 있다.

구체적으로, 도 18 및 19를 참고하여 종래의 유량계와 비교해보면, 상기 플레이트(3400)가 유동 박리에 의한 와류(vortex)의 크기가 커지는 것을 방지하여 불안정한 와류를 안정화할 수 있으며, 이에 따라 유량계의 압력변동을 감소시키고 압력 측정의 불안정성을 해소할 수 있음을 알 수 있다.

도 18의 유동장을 분석해보면, 도 2a 및 2b와 비교하였을 때 유동 박리에 의한 와류가 안정화되어 와류의 크기가 감소함으로써 유동이 상기 덕트(100)의 가운데로 몰리지 않고 덕트(100)와 평행한 방향으로 균일하게 흘러감을 알 수 있다.

또한, 도 19의 노즐 목 부근, 즉 상기 정압 측정부(200)와 전압 측정부(300) 사이의 유로가 가장 좁은 곳에서의 유체 속도를 나타낸 도면을 참고하면, 상기 정압 측정부(200)에서 압력 측정이 이루어지는 부분(tap)을 통과하는 유속이 증가함에 따라 측정되는 정압이 감소함으로써 측정 차압이 증가하고, 차압이 증가함에 따라 유량계의 분해능이 높아지게 된다는 것을 알 수 있다.

즉, 종래에는 측정 차압의 평균값이 대략 450Pa에서 460Pa 사이에 형성되는 것에 반해, 본 발명의 제5 실시 예에 따르면 상기 플레이트(3400)를 설치하여 유동 박리에 의한 와류구조가 안정화됨에 따라 측정 차압의 평균값이 대략 460Pa에서 470Pa 사이에 형성되어 유량계의 분해능이 높아지는 효과를 얻을 수 있다.

이에 따라 궁극적으로 유량 측정의 정확도가 높아져 정확한 유량값을 산출할 수 있으며, 특히 저유량일 때에도 보다 정확하게 유량값 산출이 가능하다.

더욱이, 전술한 제1 내지 제4 실시 예에서와 동일하게 측정 압력, 즉 정압의 떨림(맥동) 현상이 줄어들고, 종래에 대비하여 측정 차압의 불안정성이 완화되어 압력 측정의 정확도가 높아지는 효과를 얻을 수 있다.

다음으로는, 도 20 및 21을 참고하여 본 발명의 제6 실시예에 따른 에어로 포일 유량계를 살펴보도록 한다.

본 발명의 제6 실시예에 따른 에어로 포일 유량계는 전술한 제5 실시예에 따른 에어로 포일 유량계와 동일하게 덕트(100)와, 복수의 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)를 포함하며, 또한 상기 정압 측정부(200)와 상기 전압 측정부(300) 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서, 상기 정압 측정부(200)에 설치되는 플레이트(3400)를 포함한다.

상기 덕트(100)와, 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)는 전술한 제5 실시 예에서 설명한 것과 다르지 않으므로 이에대한 설명은 생략하며, 상기 플레이트(3400) 또한 전술한 제5 실시 예와 대비하여 동일한 구조를 갖고 있으나, 상기 정압 측정부(200)와 전압 측정부(300)에 모두 설치되는 제5 실시 예와는 달리 상기 정압 측정부(200)의 각 트레일링 에지(240) 상에만 형성되는 차이가 있다.

이에 따라, 도 21에 도시된 바와 같이 제6 실시 예에 따른 유량계의 유동장을 분석하였으며, 종래의 유량계와 비교해보면, 전술한 제5 실시 예에서와 동일하게 상기 플레이트(3400)가 유동 박리에 의한 와류(vortex)의 크기가 커지는 것을 방지하여 불안정한 와류를 안정화할 수 있으며, 이에 따라 유량계의 압력변동을 감소시키고 압력 측정의 불안정성을 해소할 수 있음을 알 수 있다. 이에 따라 궁극적으로 유량 측정의 정확도가 높아져 정확한 유량값을 산출할 수 있다.

하지만, 유동이 상기 덕트(100)의 가운데로 치우쳐 흘러가는 현상의 완화 정도, 압력 변동량의 완화 정도 등을 종합적으로 고려할 때 본 발명의 제5 실시 예와 같이 플레이트(3400)가 상기 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)에 모두 설치되는 것이 가장 효율적이라는 것을 알 수 있다.

또한, 도 22를 참고하여 본 발명의 제7 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계를 살펴보면, 제5 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계에서 상기 복수의 플레이트(3400)를 지지하기 위한 복수의 지지부재(3500)를 더 포함하고 있다.

상기 지지부재(3500)는 상기 각 플레이트(3400)에서 상기 덕트(100) 내로 유입된 유체의 유동과 마주보는 측의 반대측에 설치될 수 있으며, 삼각형 또는 사각형의 형상으로 이루어질 수 있다.

본 실시 예에서, 상기 지지부재(3500)는 삼각형의 형상으로 이루어져 상기 각 플레이트(3400)의 후단에 부착되고 있으며, 상기 덕트(100) 내에서 유체가 유동하는 방향으로 상기 정압 측정부 또는 전압 측정부의 트레일링 에지의 표면을 향해 기울어지도록 부착되었다.

또한, 본 실시 예에서 상기 지지부재(3500)는 상기 플레이트(3400)에 부착되는 별도의 부재로 이루어지고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 플레이트(3400)와 일체로 형성되어 상기 플레이트(3400) 자체가 삼각형의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.

따라서, 상기 지지부재(3500)는 상기 각 플레이트(3400)를 견고하게 지지 및 보강하여 상기 플레이트(3400)가 상기 덕트(100) 내 유동으로 인해 흔들리거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.

다음으로는, 도 23a 및 23b를 참고하여 본 발명의 제8 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계를 설명하도록 한다.

본 발명의 제8 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계는 전술한 제1 실시 예에 따른 에어로 포일 유량계와 동일하게 덕트(100)와, 상기 덕트(100) 내부에 구비되는 복수의 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.

다만, 전술한 제1 실시 예와는 다르게 제8 실시 예에서는 상기 정압 측정부(200)와 상기 전압 측정부(300) 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서, 상기 정압 측정부(200) 및 전압 측정부(300)에 설치되는 복수의 플레이트(4400)를 포함한다.

구체적으로, 상기 플레이트(4400)는 일정한 두께를 갖고 상기 정압 측정부(200) 또는 전압 측정부(300)의 길이 방향으로, 즉 상기 덕트(100) 내부의 유동 방향과 대향하도록 다수의 홈이 길게 형성되며, 각 플레이트가 상기 정압 측정부(200)의 트레일링 에지(240)와 상기 전압 측정부(300)의 트레일링 에지(340) 상에 설치된다. 이에 따라, 도 23a에서 볼 수 있듯이 상기 정압 측정부의 각 트레일링 에지(240) 표면과 상기 전압 측정부의 트레일링 에지(340) 양측 표면에 상기 다수의 홈이 길게 형성된 플레이트(4400)가 하나씩 설치됨을 알 수 있다.

제8 실시 예에 따른 상기 플레이트(4400)는 너비에 비하여 높이가 크게 형성되어 상기 정압 측정부(200) 또는 전압 측정부(300)에 대하여 세워지는 전술한 플레이트들과 상이하게 다수의 홈이 형성되기 위하여 높이에 비해 너비가 크게 형성되며 상기 정압 측정부(200) 또는 전압 측정부(300)의 에지 상의 평평한 평면에 납작하게 부착될 수 있다.

상기 플레이트(4400)에 형성되는 다수의 홈은 일정한 간격으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 정압 측정부(200) 또는 전압 측정부(300)의 길이 방향을 따라 길게 형성되되, 상기 정압 측정부(200) 또는 전압 측정부(300)의 길이와 동일한 길이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하며, 이로 인해 상기 덕트(100)의 내부를 통과하는 유체가(유동이) 어느 위치에서든 후술할 상기 플레이트(4400)에 의한 효과를 동일하게 얻을 수 있다.

상기와 같이 플레이트(4400)를 설치함에 따라, 전술한 제5 실시 예에서 각 트레일링 에지 표면에 복수의 플레이트가 나란히 설치되는 것과 같이 요철 형상을 이루게 되어, 상기 플레이트(4400)를 지나는 유체의 난류강도가 증가하고, 유체가 벽면에 부착되거나 유량계 형상의 공기역학적인 요인으로 인해 유로 면적이 확대되는 구간에서 발생하는 유동 박리에 의한 와류를 상기 플레이트(4400)에 형성되는 다수의 홈(cavity)에 가두어 크기가 커지지 않도록 안정화시킬 수 있는 효과 또한 동일하게 얻을 수 있다.

구체적으로, 도면에 도시되지는 않았으나 전술한 제5 실시 예와 동일하게 상기 플레이트(4400)가 유동 박리에 의한 와류(vortex)의 크기가 커지는 것을 방지하여 불안정한 와류를 안정화할 수 있으며, 이에 따라 유동이 상기 덕트(100)의 가운데로 몰리지 않고 덕트(100)와 평행한 방향으로 균일하게 흘러갈 수 있고, 유량계의 압력변동을 감소시키며 압력 측정의 불안정성을 해소할 수 있다.

이에 따라 궁극적으로 유량 측정의 정확도가 높아져 정확한 유량값을 산출할 수 있으며, 특히 저유량일 때에도 보다 정확하게 유량값 산출이 가능하다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

100: 덕트 120: 유입부
140: 배출부 200: 정압 측정부
220: 정압 측정부의 리딩 에지 240: 정압 측정부의 트레일링 에지
260: 정압 측정부의 플랫부 300: 전압 측정부
320: 전압 측정부의 리딩 에지 340: 전압 측정부의 트레일링 에지
360: 전압 측정부의 플랫부
1400, 2400, 3400, 4400: 플레이트
1500, 3500: 지지부재

Claims (12)

1. 유체가 유입되는 덕트;
   상기 덕트의 내벽면에 구비되어 상기 유체의 정압(static pressure)을 측정하는 복수의 정압 측정부;
   상기 덕트의 내부에 구비되되 상기 정압 측정부의 사이에 배치되어 상기 유체의 전압(total pressure)을 측정하는 전압 측정부; 및
   상기 정압 측정부와 상기 전압 측정부 사이의 유로가 확대되는 구간에 있어서 상기 정압 측정부 또는 상기 덕트에 설치되는 플레이트;를 포함하며,
   상기 전압 측정부는 반원의 형상을 갖는 리딩 에지와, 상기 리딩 에지에 대향되며 쐐기 모양의 단면 형상을 갖는 트레일링 에지를 포함하는 에어로 포일(aerofoil) 형상으로 이루어지며, 상기 정압 측정부는 상기 전압 측정부의 에어로 포일 형상을 길이 방향을 따라 반으로 나눈 반(half) 에어로 포일 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 전압 측정부는,
   상기 리딩 에지에서 평평하게 연장되는 플랫부;
   를 더 포함하는 에어로 포일 유량계.
4. 제1항에 있어서,
   상기 플레이트는, 상기 정압 측정부의 트레일링 에지 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
5. 제1항에 있어서,
   상기 플레이트는, 상기 덕트의 내벽면이 상기 정압 측정부의 트레일링 에지의 단부와 만나는 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
6. 제5항에 있어서,
   상기 플레이트는, 상기 덕트에 내벽면과 수직하게 부착되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
7. 제6항에 있어서,
   상기 플레이트의 높이(H, H2)는 상기 정압 측정부의 높이(h)와 같거나 작게 형성되고 상기 정압 측정부의 높이의 절반(h/2)과 같거나 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
8. 제7항에 있어서,
   상기 플레이트의 길이(L)는 상기 정압 측정부의 길이(l)와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
9. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 플레이트를 지지하기 위한 지지부재;
   를 더 포함하는 에어로 포일 유량계.
10. 제9항에 있어서,
    상기 지지부재는, 상기 플레이트에서 상기 덕트 내로 유입된 유체의 유동과 마주보는 측의 반대측에 설치되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
11. 제10항에 있어서,
    상기 지지부재는, 삼각형 또는 사각형의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
12. 제11항에 있어서,
    상기 지지부재는 상기 플레이트와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 에어로 포일 유량계.
    

Images