KR102050331B1

KR102050331B1 - 초음파 유량계 제조 방법 및 이것에 의해 제조한 초음파 유량계 및 초음파 유량계를 구비하는 유체제어장치

Info

Publication number: KR102050331B1
Application number: KR1020130126002A
Authority: KR
Inventors: ?이치로 하기하라; 히데노리 에비하라
Original assignee: 아사히 유키자이 가부시키가이샤
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2019-11-29
Also published as: JP2014085255A; US9903744B2; KR20140052866A; JP5995657B2; US20140174561A1; US20180136022A1

Abstract

[과제] 초음파 송수신기가 장착되는 전송체가 측정관과 일체적으로 형성되어 있고 또한 측정 정밀도가 높은 초음파 유량계를 제공한다.
[해결 수단] 초음파 유량계(10)는 내부에 유체를 유통시키는 측정관(1)과, 각각이 전송체(4)에 초음파 진동자를 장착하는 것으로 구성되고 또한 측정관(1)의 외측부에 축선 방향으로 이간되어 배치된 2개의 초음파 진동자를 구비한다. 초음파 유량계(10)는 미리 작성한 측정관(1)을 인서트로서 금형 내에 설치하고, 측정관(1)의 외측부에 측정관(1)의 축선 방향으로 이간되어 2개의 전송체(4)를 측정관(1)과 일체로 되도록 인서트 성형하고, 2개의 전송체(4)에 각각 초음파 진동자를 장착함으로써 제조된다.

Description

초음파 유량계 제조 방법 및 이것에 의해 제조한 초음파 유량계 및 초음파 유량계를 구비하는 유체제어장치{METHOD OF PRODUCING ULTRASONIC FLOWMETER, ULTRASONIC FLOWMETER PRODUCED BY THE METHOD AND FLUID CONTROLLER HAVING THE ULTRASONIC FLOWMETER}

본 발명은 화학 공장, 반도체 제조 분야, 식품 분야, 바이오 분야 등의 각종 산업에서의 유체 수송에 있어서, 유체 중에 초음파 진동을 전반(傳搬)시켜, 흐름의 상류측에서의 초음파 전반시간과 하류측에서의 초음파 전반(傳搬)시간과의 차이로부터 유체의 유속 또는 유량을 계측하는 초음파 유량계의 제조 방법 및 이것에 의해 제조한 초음파 유량계, 및 이러한 초음파 유량계를 구비하는 유체제어장치에 관한 것으로, 특히 미소(微小) 유량의 계측 및 슬러리 유체, 특히 반도체 분야에서 사용되는 CMP 슬러리 유체의 유량의 계측에 적합한 초음파 유량계의 제조 방법 및 이것에 의해 제조한 초음파 유량계, 및 이러한 초음파 유량계를 구비하는 유체제어장치에 관한 것이다.

초음파 전반시간의 차이에 따라, 측정관 내를 흐르는 유체의 유속 또는 유량을 계측하는 초음파 유량계는 2종류로 크게 나눌 수 있다.

제1 타입의 초음파 유량계에서는, 직관(直管) 형상의 측정관의 양단부에 측정관에 대하여 대략 직각이 되도록 유로가 접속되고, 측정관을 끼워서 대면하도록 측정관의 상류 단부(端部) 및 하류 단부에 초음파 송수신기가 배치된다. 이러한 초음파 유량계에서는, 상류측의 초음파 송수신기로부터 발생되는 초음파가 측정관 내의 유체 중을 전반하여 하류측의 초음파 송수신기에 의해 수신되고, 그 후 순간적으로, 하류측의 초음파 송수신기로부터 발생되는 초음파가 측정관 내의 유체에 전반되어 상류측의 초음파 송수신기에 의해 수신된다(특허문헌 1, 특허문헌 2, 특허문헌 3 등을 참조). 그 때, 상류측의 초음파 송수신기로부터 하류측의 초음파 송수신기로의 초음파 전반시간과 하류측의 초음파 송수신기로부터 상류측의 초음파 송수신기로의 초음파 전반시간에 차이가 생기는 것을 이용하여, 측정관 내의 유체의 유속을 구하고, 유량을 계측한다.

제2 타입의 초음파 유량계에서는, 직관 형상의 측정관의 외주부에 설치된 전송체에 2개의 초음파 송수신기가 배치된다. 이러한 초음파 유량계에서는, 한쪽의 초음파 송수신기로부터 발생되는 초음파가 전송체 및 측정관 벽을 통하여 측정관 내의 유체에 전반되고, 측정관의 관벽에서 반사되면서 측정관 내의 유체의 흐름의 방향에 대하여 비스듬하게 전반되고, 다른 쪽의 초음파 송수신기에 의해 수신되고, 그 후 순간적으로, 송신측과 수신측이 변환되고, 마찬가지로 한쪽의 초음파 송수신기로부터 발생되는 초음파가 다른 쪽의 초음파 송수신기에 의해 수신된다(특허문헌 4, 특허문헌 5 및 특허문헌 6 등을 참조). 그 때, 상류측의 초음파 송수신기로부터 하류측의 초음파 송수신기로의 초음파 전반시간과 하류측의 초음파 송수신기로부터 상류측의 초음파 송수신기로의 초음파 전반시간에 차이가 생기는 것을 이용하여, 직관부 내의 유체의 유속을 구하고, 유량을 계측하는 것은 제1 타입의 초음파 유량계와 마찬가지이다.

제1 타입의 초음파 유량계에서는, 측정관의 양단부에 곡부(曲部)가 형성되어 있기 때문에, 특히 측정관 내를 흐르는 유체가 슬러리인 경우, 슬러리가 곡부에 퇴적, 고착(固着)되어 초음파 진동의 전반가 방해되어, 정확한 유량의 계측을 할 수 없다는 문제가 생긴다. 이에 대하여, 제2 타입의 초음파 유량계에서는, 측정관의 양단부에 곡부를 형성할 필요가 없기 때문에, 상기와 같은 문제가 생기기 어렵다는 이점이 있다.

일본특허공개 2000-146645호 공보 일본특허공개 2006-337059호 공보 일본특허공개 2007-58352호 공보 일본특허공개 2005-188974호 공보 일본특허공개 2008-275607호 공보 일본특허공개 2011-112499호 공보 일본특허공개 2012-42243호 공보

그런데 , 제2 타입의 초음파 유량계에서는, 측정관의 외주부에 전송체를 설치할 필요가 있다. 측정관과 별도 공정으로 제작한 전송체를 접착제나 용착(溶着) 등으로 측정관에 나중에 부착되는 경우, 작업자의 숙련도에 따라, 측정관에 대한 전송체의 위치나 전송체 사이의 거리 등에 편차가 생기기 쉽고, 측정 정밀도의 악화의 원인이 된다. 또한, 접착제의 도포량, 접착제의 건조 시간, 접착제의 도포의 균일성 등이 초음파 유량계의 성능의 편차를 일으키기 때문에, 초음파 유량계의 성능을 보증하기 위해서는 이들을 관리할 필요가 생긴다. 또한, 소경(小徑)의 측정관을 사용하는 경우, 측정관과 전송체와의 조립이 곤란해진다는 문제도 생긴다. 사출성형에 의해 측정관과 전송체를 일체 성형 하면, 접착제를 이용할 필요가 없지만, 측정관의 내경(內徑)에 빼기 구배를 마련할 필요가 생기고, 측정관 내의 유체의 유속이 일정하게 되지 않게 되므로, 특히 소경의 측정관의 제작에는 적합하지 않다. 이 때문에, 전송체와 측정관을 일체적으로 제작하는 경우, 절삭 가공이 이용되는 것이 많다.

그러나, 절삭 가공에서는, 특히 작은 관 직경의 측정관의 경우, 제작이 곤란한데다가, 측정관의 내주면의 품질의 관리가 곤란하고, 측정관의 내주면에 미소한 요철이 형성되어, 미세 기포가 부착되기 쉬워진다. 이 미세 기포는 표면에서 초음파 진동을 반사시켜 버리기 때문에, 특히 초음파 진동이 측정관 내에서 반사하면서 전반되는 제2 타입의 초음파 유량계에서는, 출력 신호 강도를 저하시키는 원인이나 측정 정밀도를 악화시키는 원인이 된다.

이러한 측정관 내의 미세 기포의 문제를 해소하기 위해서, 특허문헌 7에 기재한 직관식 초음파 유량계에서는, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 케이스(101)의 측정공간(102) 내에 설치된 측정부(103)가 측정용 유체를 흐르게 하는 직관의 측정용 관체(104)와, 측정용 관체(104)의 외주에 축선 방향으로 소정의 간격을 두고 배치 설치된 한쌍의 진동자(105)를 구비하고, 측정용 관체(104)의 하류측에 설치된 축경부(縮徑部), 즉 기포붕괴부(106)에 의해, 소유량시에 발생하여 내벽면 근방에 모이는 작은 기포를 붕괴시키고 있다. 그러나, 기포붕괴부(106)로서 설치한 축경부에 의해 압력 손실이 생김과 함께, 이물질이 부착 및 퇴적하기 쉬워진다. 또한, 축경부에 의해 통상의 크기의 기포가 통과하기 어렵게 되고, 오히려 측정 정밀도를 악화시키는 원인이 될 수 있다.

따라서, 본 발명은 종래 기술에 존재하는 문제를 해소하여, 초음파 송수신기가 장착되는 전송체가 측정관과 일체적으로 형성되어 있고, 또한 측정 정밀도가 높은 초음파 유량계를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 감안하여, 본 발명은 내부에 유체를 유통시키는 측정관과, 그 측정관의 외측부에 축선 방향으로 이간되어 배치된 2개의 초음파 송수신기를 구비하는 초음파 유량계를 제조하기 위한 초음파 유량계 제조 방법으로서, 미리 제작한 측정관을 인서트로서 금형내에 설치하고, 상기 측정관의 외측부에 상기 측정관의 축선 방향으로 이간되어 2개의 전송체를 상기 측정관과 일체로 되도록 인서트 성형하고, 상기 2개의 전송체에 각각 초음파 송수신기를 설치하도록 한 초음파 유량계 제조 방법을 제공한다.

상기 초음파 유량계 제조 방법에서는, 미리 제작한 측정관을 인서트로서 배치하고, 그 외측부에 전송체를 인서트 성형에 의해 일체적으로 형성한다. 따라서, 측정관과 전송체를 별도 공정으로 작성할 수 있고, 측정관의 내주면의 평활성을 향상시키는 것이 용이하고, 소구경(小口徑)의 측정관의 제조에도 용이하게 대응할 수 있다. 또한, 상기 초음파 유량계 제조 방법에 의하면, 접착제를 이용하여 측정관과 전송체를 일체화할 필요가 없기 때문에, 접착제의 사용에 기인한 초음파 유량계의 성능 편차의 문제의 발생을 회피할 수 있어, 소경(小徑)의 측정관의 제작도 용이하게 된다. 또한, 거의 편차도 없고, 측정관의 외측부의 미리 정해진 위치에 정확하게 전송체를 형성할 수 있어, 작업자의 숙련에 따르지 않고, 일정 레벨의 측정 정밀도를 보증하는 것이 용이하게 된다.

상기 초음파 유량계 제조 방법에서는, 상기 측정관을 압출성형에 의해 제작하는 것이 바람직하다. 압출성형에 의해 제작된 측정관은 내주면의 표면 거칠기가 작기 때문에, 측정관의 내주면에 미세 기포가 부착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 압출성형에서는, 사출성형과 같이 측정관의 내주면에 빼기 구배를 마련할 필요가 없어, 빼기 구배가 측정에 주는 것을 방지할 수 있고, 소구경의 측정관의 제조도 용이하고, 폭넓은 구경의 측정관의 제조에 대응할 수 있다. 또한, 측정관을 성형할 때에, 한 번 열이 가해져 있으므로, 측정관을 이용하여 인서트 성형을 행하여도 열적인 안정성, 생산성이 뛰어나다. 상기 측정관의 내주면의 산술 평균 거칠기 Ra가 0㎛＜Ra≤0.2㎛인 것이 더 바람직하다. 측정관의 내주면을 이러한 산술 평균 거칠기로 하면, 측정관의 내주면에 미세 기포가 부착되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 측정관의 내경 D는 0.5mm≤D≤10mm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 측정관과 상기 전송체가 같은 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 측정관과 상기 전송체가 불소계 수지로 형성되어 있는 것이 더 바람직하다.

상기 초음파 유량계 제조 방법에서는, 상기 측정관의 상류측 및 하류측의 적어도 한쪽에, 인서트 성형에 의해 상기 측정관과 일체로 되도록 유로(流路) 또는 이음부를 형성할 수도 있다.

또한, 본 발명은 상기한 초음파 유량계 제조 방법에 의해 제조된 초음파 유량계를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 초음파 유량계와, 그 초음파 유량계로부터의 출력에 따라 기기의 제어를 행하는 제어부를 구비하는 유체제어장치를 제공한다.

본 발명의 초음파 유량계 제조 방법에 의하면, 인서트 성형에 의해 측정관과 전송체를 일체적으로 형성하므로, 작업자의 숙련을 필요로 하는 일 없이 또한 접착제를 이용하는 일 없이, 측정관의 외측부의 정확한 위치에 측정관과 일체적으로 전송체를 형성할 수 있어, 초음파 유량계의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 측정관의 내주면의 평활성을 향상시켜서, 측정관의 내주면에의 미세 기포의 부착을 억제하는 것이 용이하게 되어, 미세 기포에 의한 측정에의 영향을 받기 어려운 측정 정밀도가 높은 초음파 유량계를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 초음파 유량계 제조 방법에 따라 제조되는 제1 실시형태의 초음파 유량계의 전체 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1에 도시되어 있는 초음파 유량계의 제1 변형형태를 나타내는 종단면도이다.
도 3은 도 1에 도시되어 있는 초음파 유량계의 제2 변형형태를 나타내는 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 초음파 유량계 제조 방법의 순서를 나타내는 설명도이다.
도 5는 초음파 유량계의 측정관의 내주면에 부착된 미세 기포의 영향을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 본 발명에 의한 제2 실시형태의 초음파 유량계를 나타내는 종단면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 제3 실시형태의 초음파 유량계를 나타내는 종단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 초음파 유량계 제조 방법에 따라 제조된 초순파 유량계를 이용한 유체제어장치의 전체 구성도이다.
도 9는 초음파 유량계의 측정관의 내주면의 표면 거칠기가 측정 정밀도 및 출력 신호 강도에 주는 영향을 조사하기 위한 실험 설비의 전체 구성을 나타내는 개략도이다.
도 10은 종래 기술의 초음파 유량계의 예를 부분적으로 단면으로 나타내는 측면도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 초음파 유량계 제조 방법 및 이것에 의해 제조된 초음파 유량계, 및 이러한 초음파 유량계를 이용한 유체제어장치의 실시형태를 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명에 의한 초음파 유량계 제조 방법에 따라 제조되는 초음파 유량계(10)의 전체 구성을 설명한다.

초음파 유량계(10)는 측정 대상의 유체가 내부를 만수(滿水) 상태로 흐르도록 되어 있는 측정관(1)과, 제1 전송체(2a)와 제2 전송체(2b)로 이루어지는 한쌍의 전송체(2)와, 한쌍의 전송체(2)의 각각에 장착되는 초음파 송수신기로서의 초음파 진동자(3)를 구비한다.

측정관(1)의 내주면(1a)의 표면 거칠기는 미세 기포가 부착되기 어려워지도록, 절삭 가공으로 작성된 것보다 작게 되어 있다. 상세하게는, 측정관(1)의 내주면(1a)의 산술 평균 거칠기 Ra는 절삭 가공의 경우(일반적으로 0.4㎛ 정도)보다 작은, 즉 O㎛＜Ra＜0.4㎛로 되어 있고, 바람직하게는, 0㎛＜Ra≤0.2㎛, 더 바람직하게는, 0㎛＜Ra≤0.02㎛로 되어 있다. 측정관(1)은 내주면(1a)의 표면 거칠기를 작게 하여 평활하게 하기 위해서, 압출성형에 의해서 제작된 것인 것이 바람직하다. 측정관(1)의 재질은 압출성형에 적합되어 있는 것이므로, 페르플루오로알콕시 불소 수지(PFA), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리염화비닐(PVC), 폴리프로필렌(PP) 등의 합성수지로 작성되는 것이 바람직하다. 그러나, 측정관(1)의 재질은 초음파를 전반할 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 듀랄민, 알루미늄, 알루미늄 합금, 티탄, 하스테로이, 스텐레스강(SUS) 등의 금속, 유리, 석영 등으로 제작해도 좋다. 또한, 측정관(1)의 외경은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 초음파 진동의 전반를 용이하게 하기 위해서, 측정관(1)의 관벽의 두께는 얇은 쪽이 바람직하다. 또한, 측정관(1)의 내경 D는 0.5mm≤D≤10mm인 것이 바람직하다. 내경이 0.5mm이상이면, 인서트로서 사용 가능하고, 또한 측정관(1)으로서 사용 가능한 관을 특별한 제조 방법에 따르지 않고 제조 가능하고 범용성이 있어, 입수가 용이하기 때문이다. 또한, 내경이 10mm이하인 측정관에서는, 특히 미세 기포의 부착의 영향이 크고, 본 발명에 의한 제조 방법을 이용하여 초음파 유량계를 제조하였을 때에, 측정관(1)의 내주면(1a)에의 미세 기포의 부착을 방지하는 효과의 혜택이 커지기 때문이다.

한쌍의 전송체(2)의 제1 전송체(2a)와 제2 전송체(2b)는 측정관(1)의 외측부에, 측정관(1)의 축선 방향으로 이간되어 설치되고, 측정관(1)과 일체로 되도록 융착부(4)에서 융착되어 있다. 제1 전송체(2a) 및 제2 전송체(2b)의 각각은 바람직하게는, 도 1에 도시되어 있는 실시형태와 같이, 정점(頂点)측으로부터 저면측을 향함에 따라 확경(擴徑)되어 가는 대략 원추형을 이루고 있고, 측정관(1)의 주위를 둘러싸는 제1 전송체(2a) 및 제2 전송체(2b)의 관통구(貫通口)의 내주면과 측정관(1)의 외주면이 융착부(4)에서 전체에 걸쳐 일체로 되도록 융착되어 있다. 또한, 제1 전송체(2a) 및 제2 전송체(2b)는, 그 정점측이 서로 가까운 쪽을 향하고, 또한 저면측이 서로로부터 먼 쪽을 향하도록, 대향하여 배치되어 있고, 측정관(1)의 축선 방향에 대하여 수직 방향으로 뻗는 단면(端面)을 저면측에 갖고 있다.

그러나, 전송체(1)의 형상은 도 1에 도시되어 있는 실시형태의 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 1에 도시되어 있는 실시형태에서는, 전송체(2)(제1 전송체(2a) 및 제2 전송체(2b))의 각각이 대략 원추형으로 이루어져 있고, 측정관(1)의 주위를 둘러싸는 관통구의 내주면과 측정관(1)의 외주면이 전체에 걸쳐 일체로 되도록 융착부(4)에서 융착되어 있지만, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 관통구의 저면측이 정점측보다 확경되어 있고, 융착부(4)가 관통구의 내주면의 정점측의 일부에만 형성되고, 관통구의 내주면의 나머지 부분이 측정관(1)의 외주면으로부터 이간된 상태로 되도록 해도 좋다. 이 경우, 각 전송체(2)로부터 측정관(1)으로 초음파가 전반되기 쉽도록, 각 전송체(2)의 관통구의 내주면의 적어도 1/3이 일체로 되도록 융착되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 각 전송체(2)는, 평면 부분이 측정관(1)의 축선에 대하여 수직으로 되도록 배치된 반구(半球) 형상, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 측정관(1)의 축선에 대하여 비스듬하게 뻗는 원기둥 형상 등, 비(非)원추 형상으로 할 수도 있다. 또한, 각 전송체(2)는 측정관(1)의 전체 둘레를 둘러싸고 있을 필요는 없고, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 측정관(1)의 전체 둘레의 일부에만 설치되어 있어도 좋다.

전송체(2)의 재질은 인서트 성형 가능한 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 전송체(2)는 페르플루오로알콕시 불소 수지(PFA), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리염화비닐(PVC), 폴리프로필렌(PP) 등의 합성수지로 작성해도 좋고, 듀랄민, 알루미늄, 알루미늄 합금, 티탄, 스텐레스강(SUS) 등의 금속 등으로 제작해도 좋다. 그러나, 전송체(2)는 초음파 진동의 전반성을 양호하게 하기 위해서, 측정관(1)과 같은 재질로 제작되는 것이 바람직하다.

초음파 송수신기로서 사용되는 초음파 진동자(3)는 초음파를 발생할 수 있는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 티탄산지르콘산납(PZT) 등의 압전재료를 이용하여 제작되고, 전압을 인가하였을 때에 축선 방향으로 신축함으로써 초음파를 발생하는 초음파 진동자를 초음파 진동자(3)로서 사용할 수 있다. 각 초음파 진동자(3)는 한쪽의 초음파 진동자(3)로 발생된 초음파가 측정관(1) 내의 유체를 통하여 다른 쪽의 초음파 진동자(3)에 전반되도록, 각 전송체(2)에 장착된다. 도 1에 도시되어 있는 실시형태에서는, 초음파 진동자(3)는 도너츠 형상, 즉 구멍 있는 원판 형상을 갖고 있고, 초음파 진동자(3)의 축선 방향 단면이 각 전송체(2)의 저면측 단면에 접착제 등에 의해 장착되어 있다. 초음파 진동자(3)의 내경은 각 전송체(2)의 저면측 관통구와 대략 같은 직경이고, 그 내주면은 측정관(1)의 외주면으로부터 이간된 상태로 되도록 한다. 그러나, 초음파 진동자(3)의 형상은 구멍 있는 원판 형상에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 반원 형상이나 부채 형상으로 하는 것도 가능하다.

다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명에 의한 초음파 유량계 제조 방법에 따라, 도 1에 도시되어 있는 초음파 유량계(10)를 제조하는 순서를 설명한다. 먼저, 도 4(a)에 도시되어 있는 바와 같이, 절삭 가공에 의해 제작되는 경우보다 작은 산술 평균 거칠기 Ra(0㎛＜Ra<0.4㎛)의 측정관(1)을 미리 제작한다. 측정관의 내주면에 미소 기포가 부착되기 어렵게 되도록, 측정관(1)의 내주면의 산술 평균 거칠기 Ra는 0㎛＜Ra≤0.2㎛로 하는 것이 바람직하고, 0㎛＜Ra≤0.02㎛로 하는 것이 더 바람직하다. 특히, 0.2㎛의 표면 거칠기의 내주면(1a)의 측정관(1)을 용이하게 제작할 수 있으므로, 압출성형에 의해 측정관(1)을 제작하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 4(b)에 도시되어 있는 바와 같이, 미리 제작된 측정관(1) 내에 스트레이트 핀(straight pin)(5)을 삽입한 후, 도 4(c)에 도시되어 있는 바와 같이, 스트레이트 핀(5)을 삽입한 상태의 측정관(1)을 인서트로서 금형(6) 내에 세팅하고, 전송체(2)를 형성하는 재료를 금형(6) 내에 사출하여 인서트 성형을 행한다. 전송체(2)의 재료의 사출성형을 대신하여 압축성형을 이용하여 인서트 성형을 행해도 좋다. 성형재료가 냉각되어 성형부(7)가 측정관(1)과 일체화한 상태로 고화(固化)되면, 도 4(d)에 도시되어 있는 바와 같이, 금형(6) 내로부터, 일체화한 측정관(1) 및 성형부(7)를 꺼내, 성형부(7)로부터 런너 부분(7a)을 절삭에 의해 제거하여 전송체(2)로 한다.

이와 같이 하여, 인서트 성형에 의해, 한쌍의 전송체(2)가 측정관(1)의 외측부의 미리 정해진 위치에, 서로 측정관(1)의 축선 방향으로 미리 정해진 거리만큼 이간된 상태에서, 측정관(1)과 일체적으로 형성된 후, 각 전송체(2)의 단면(端面)에 초음파 진동자(3)를 접착제 등으로 부착함으로써, 도 1에 도시되어 있는 초음파 유량계(10)가 제작된다.

접착제를 이용하여, 측정관(1)과 한쌍의 전송체(2)를 일체화하는 경우, 접착제의 도포량, 접착제의 건조시간, 접착제의 도포의 균일성 등이 초음파 유량계(10)의 성능에 영향을 주어, 작업자의 숙련도가 수율(yield)에 영향을 주었었다. 이 때문에, 편차를 방지하기 위해서, 접착제의 도포량이나 건조 시간 등을 관리할 필요가 생겨, 비용 상승으로 이어졌다. 또한, 초음파 유량계의 크기가 작아져, 측정관(1)이 소경(小徑)으로 될수록, 조립이 곤란하다는 문제가 발생하였다. 그러나, 본 발명의 초음파 유량계 제조 방법에 의하면, 측정관(1)과 한쌍의 전송체(2)를 일체화하기 위해 접착제를 이용할 필요가 없어, 상기와 같은 문제의 발생을 회피할 수 있다. 또한, 측정관(1)의 재질로서 PFA나 PVDF와 같은 불소계 수지를 이용하는 경우, 측정관(1)에의 한쌍의 전송체(2)의 고정으로는, 접착제에 의한 접착이 적합하지 않고, 본 발명에 의한 초음파 유량계 제조 방법의 이용이 적합하다.

또한, 본 발명의 초음파 유량계 제조 방법에 의하면, 별도 공정으로 미리 측정관(1)을 제작하므로, 측정관(1)의 내주면의 표면 거칠기를 작게 하는 것이 용이하고, 미세 기포가 측정관(1)의 내주면에 부착되기 어려운 초음파 유량계를 용이하게 제조할 수 있다. 특히, PFA나 PVDF와 같은 불소계 수지에 의해 측정관(1)을 제작하는 경우, 불소계 수지의 표면장력은 크고, 기포가 부착되기 쉬우므로, 본 발명의 초음파 유량계 제조 방법의 적용의 효과가 크다. 또한, 본 발명의 초음파 유량계 제조 방법에 의하면, 인서트 성형에 의해 측정관(1)과 한쌍의 전송체(2)를 일체적으로 형성하므로, 작업자의 숙련에 따르는 일 없고, 거의 편차도 없이, 측정관(1)의 외측부의 미리 정해진 위치에 한쌍의 전송체(2)를 형성할 수 있다. 이에 의해, 측정 정밀도가 높은 초음파 유량계(10)를 용이하게 제공할 수 있다.

특히, 압출성형에 의해 측정관(1)을 제작하면, 산술 평균 거칠기 Ra가 0.02㎛이하의 내주면의 측정관(1)을 용이하게 제작할 수 있다, 또한, 압출성형에 의해 측정관(1)을 제작하는 경우, 사출성형으로 측정관(1)을 제작하는 경우와 같이 측정관(1)의 내주면에 빼기 구배를 마련할 필요가 없다. 측정관(1)의 내주면에 빼기 구배를 마련하면, 내부의 유체의 유속이 위치에 따라 변화하게 되어, 측정에 영향을 주고, 특히 소구경의 측정관(1)에서는, 그 영향이 커진다. 또한, 내경이 5mm이하이면서 길이가 30mm이상인 측정관(1)의 경우, 사출성형에 의해 제작하는 것이 특히 곤란해진다. 그러나, 압출성형에 의해 측정관(1)을 작성하면, 그러한 문제를 방지할 수 있고, 소구경의 측정관(1)의 제조도 용이하다. 따라서, 미세 기포가 측정관(1)의 내주면에 미세 기포를 부착되기 어렵게 하고, 소유량의 측정도 가능하며, 측정 정밀도가 높은 초음파 유량계를 제조하는 것이 가능해진다. 또한, 측정관(1)을 압출성형에 의해 제작하고 있는 경우, 측정관(1)의 제작시에 한 번 열이 가해지고 있으므로, 측정관을 이용하여 인서트 성형을 행해도 열적인 안정성, 생산성이 뛰어나다는 이점도 있다.

측정관(1)과 한쌍의 전송체(2)를 사출성형에 의해 일체 성형 하는 것도 가능하지만, 미세 기포의 부착을 억제하기 위해서는 측정관(1)의 내주면의 표면 거칠기를 작게 할 필요가 있으므로, 금형의 설계나 성형 조건의 관리가 어렵고, 소구경(측정관(1)의 내경이 2mm이하)의 측정관(1)에서는, 특히 문제가 된다. 그러나, 압출성형에 의해 측정관(1)을 제작하면, 표면 거칠기가 작은 측정관(1)을 용이하게 제작할 수 있어, 위에서 설명한 문제도 생기지 않는다.

다음으로, 이와 같이 하여 제조된 초음파 유량계(10)의 동작을 설명하는 초음파 유량계(10)에서는, 유체의 흐름에 대하여 상류측에 위치하는 초음파 진동자(3)에 변환기(도시하지 않음)로부터 전압 펄스 또는 주파수 성분을 갖지 않는 전압이 인가되면, 초음파 진동자(3)에는, 그 두께 방향(즉, 전압을 인가하는 방향) 및 직경 방향(즉, 전압 인가 방향과 수직한 방향)에 진동이 발생하는 전송체(2)의 저면측 단면, 즉 축선 방향 단면과 초음파 진동자(3)의 축선 방향 단면을 고착시킨 다음 초음파 진동자(3)의 양축선 방향 단면 사이에 전압을 인가함으로써, 초음파로서 진동 에너지의 큰 두께 방향의 초음파 진동을 전송체(2)의 저면측 단면에 전반 시키고 있다. 이와 같이 하여, 전송체(2)에 전반된 초음파 진동은 전송체(2) 및 측정관(1)의 관벽을 더 통하여 측정관(1) 내의 유체 중에 전해져, 측정관(1)의 외주면에서 반사되는 것을 반복하면서 측정관(1) 내의 유체 중을 전반한 후, 초음파 진동이 하류측에 대향하여 위치되는 전송체(2)를 통하여 이것에 고착되는 초음파 진동자(3)에 전반되어, 전기신호로 변환되고, 이 전기신호가 변환기로 출력된다.

초음파 진동이 상류측의 초음파 진동자(3)로부터 하류측의 초음파 진동자(3)로 전해져 수신되면, 순간적으로 변환기 내에서 송수신이 변환되고, 하류측에 위치되는 초음파 진동자(3)에 전압 펄스 또는 주파수 성분을 갖지 않는 전압이 변환기로부터 인가된다. 그러면, 상류측의 초음파 진동자(3)와 마찬가지로 초음파 진동이 발생하고, 이 초음파 진동이 전송체(2)를 통하여 측정관(1) 내의 유체에 전반 되고, 다시 상류측에 대향하여 위치되는 전송체에 고착되는 초음파 진동자(3)에 수신되면, 전기신호로 변환되고, 이 전기신호가 변환기로 출력된다. 이 때, 초음파 진동은 측정관(1) 내의 유체의 흐름에 거슬러 전반하여 나가므로, 상류측의 초음파 진동자(3)로부터 발신된 초음파 진동을 하류측의 초음파 진동자(3)로 수신하였을 때에 비교하여 유체 중에서의 초음파 진동의 전반 속도가 늦어, 전반시간이 길어진다.

변환기 내에서는, 상류측 초음파 진동자(3)로부터 하류측 초음파 진동자(3)로의 초음파 진동의 전반시간과 하류측 초음파 진동자(3)로부터 상류측 초음파 진동자(3)로의 초음파 진동의 전반시간이 각각 계측되고, 그 차이에 기초하여 유속 및 유량이 연산되어, 고정밀의 유량의 계측을 행할 수 있다.

초음파 유량계(10)의 측정관(1)의 내주면(1a)에 미세 기포가 부착되어 있으면, 미세 기포의 표면에서 초음파를 반사시켜 버린다. 미세 기포의 영향을 받지 않는 초음파 진동은 도 5(a)에서 화살표 A로 나타내는 바와 같이, 측정관(1)의 외주면에서 반사되는 것을 반복하면서 측정관(1) 내를 전반하여 나간다. 그러나, 측정관(1)의 내주면(1a)에 미세 기포가 부착되어 있으면, 도 5(a)에서 화살표 B로 나타내는 바와 같이, 발신측의 초음파 진동자(3)로부터 전송체(2) 및 측정관(1)으로 전반된 초음파 진동이 측정관(1)과 미세 기포와의 경계, 즉 측정관(1)의 내주면(1a)부근에서 반사되어 측정관(1) 내의 유체에 전반되지 않거나, 측정관(1) 내의 유체내를 전반되는 초음파 진동이 측정관(1) 내의 유체와 기포와의 경계에서 반사되어 수신측의 초음파 진동자(3)에 입사되지 않거나 하여, 수신측의 초음파 진동자(3)에 도달하는 초음파량이 감소되기 때문에, 신호 강도의 저하를 초래한다. 또한, 도 5(b)에 도시되어 있는 바와 같이, 미세 기포의 영향을 받지 않는 초음파 진동은 화살표 A로 나타내는 바와 같이, 측정관(1)의 외주면에서 반사되는 것을 반복하면서 측정관(1) 내를 전반하여 나가는 것에 대하여, 측정관(1)의 내주면(1a)에 미세 기포가 부착되어 있으면, 화살표 B로 나타내는 바와 같이, 미세 기포와 주위와의 경계면에서 초음파 진동이 반사되어 버려, 초음파 진동의 전반경로에 차이가 생기고, 전반시간에도 영향을 미쳐, 측정 정밀도를 악화시킨다.

본 발명에 의한 초음파 유량계 제조 방법에 따라, 초음파 유량계(10)를 제조하면, 초음파 유량계(10)의 측정관(1)의 내주면(1a)의 표면 거칠기를 작게 하여 평활하게 하는 것이 용이하게 되므로, 미세 기포가 측정관(1)의 내주면(1a)에 부착되는 것을 억제하여, 미세 기포에 의한 신호 강도의 저하나 측정 정밀도의 악화를 방지하는 것이 가능하게 된다.

이상, 도 1에 도시되어 있는 제1 실시형태의 초음파 유량계(10)를 예로 하여, 본 발명에 의한 초음파 유량계 및 그 제조 방법을 설명하였지만, 본 발명의 적용은 제1 실시형태의 초음파 유량계(10)의 구성에 한정되는 것은 아니다. 도 1에 도시되어 있는 제1 실시형태의 초음파 유량계(10)에서는, 측정관(1)의 외주면과 전송체(2)의 관통구의 내주면이 융착부(4)에서 일체로 되도록 융착되어 있지만, 전송체(2)는 측정관(1)의 외측부에 측정관(1)과 일체로 되도록 설치되어 있으면 좋고, 예를 들면, 도 6에 도시되어 있는 제2 실시형태의 초음파 유량계(10')와 같이 측정관(1)의 외측에, 한쌍의 전송체(2)를 구비한 외측 측정관부(8)를 인서트 성형하고, 측정관(1)의 외주면과 외측 측정관부(8)의 내주면이 융착부(4)에서 일체가 되도록 융착되도록 해도 좋다. 또한, 제1 실시형태의 초음파 유량계(10)에서는, 측정관(1)과 한쌍의 전송체(2)가 인서트 성형에 의해 일체적으로 형성되어 있지만, 도 7에 도시되어 있는 제3 실시형태의 초음파 유량계(10")와 같이 인서트 성형시에, 측정관(1)의 상류측 및 하류측에 각각 입구유로(9a) 및 출구유로(9b)를 측정관(1)과 일체가 되도록 형성해도 좋다. 또한, 인서트 성형에 의해 형성되는 입구유로(9a) 및 출구유로(9b)에, 이음부(9c)나, 초음파 유량계(10")를 하우징(도시하지 않음)에 유지하기 위한 유지부(9d)를 설치하는 것도 가능하다.

도 8은 본 발명에 의한 초음파 유량계를 이용한 유체제어장치를 나타내고 있다. 유체제어장치(20)는 초음파 유량계(21)와, 유체의 유량, 유속, 압력 등을 조정하기 위한 유체요소(22)와, 초음파 유량계(21)로부터의 출력 신호를 처리하여 제어를 행하는 전장부(電裝部)(25)를 구비한다. 초음파 유량계(21)로서는, 예를 들면 도 1에 나타나는 제1 실시형태의 초음파 유량계(10)나, 도 2 및 도 3에 도시되어 있는 초음파 유량계(10)의 변형형태, 도 6에 도시되어 있는 제2 실시형태의 초음파 유량계(10'), 도 7에 도시되어 있는 제3 실시형태의 초음파 유량계(10") 등 본 발명에 의한 초음파 유량계 제조 방법에 따라 제조된 초음파 유량계가 사용된다.

유체요소(22)로서는, 예를 들면 전기 구동식 또는 공기 구동식의 핀치 밸브를 사용할 수 있다. 그러나, 유체요소(22)는 유체의 유량, 유속, 압력 등을 조정하기 위한 기기이면, 전기 구동식 또는 공기 구동식의 핀치 밸브에 한정되는 것은 아니다.

전장부(25)는 초음파 유량계(21)(초음파 유량계(10, 10' 또는 10"))의 초음파 진동자로부터의 출력 신호를 증폭하는 앰프부(23)와, 앰프부(23)에 의해 증폭된 신호에 기초하여 제어를 행하는 제어부(24)를 포함하고, 제어부(24)로부터의 제어 신호에 기초하여, 유체요소(22)의 동작을 제어하여, 유체 제어를 행한다.

유체제어장치(20)에 의하면, 본 발명에 의한 초음파 유량계(21)를 이용하고 있으므로, 유체의 유량을 고정밀도로 측정하는 것이 가능하고, 정밀한 유체 제어가 가능하게 된다.

도 9는 표면 거칠기에 의한 미세 기포의 부착이 측정 정밀도나 신호 강도에 주는 영향을 확인하기 위한 실험장치를 나타내고 있다. 실험에서는, 탈기장치(33)에 의해 탈기된 순수(純水)(31)를 모아 둔 탱크(38) 내에 공기(32)를 공급하고, 30분간의 버블링(bubbling)을 행함으로써, 미세 기포를 포함하는 순수를 준비하고, 밸브(35)로 유량을 조정하면서, 미세 기포를 포함하는 순수를 펌프(34)로 탱크(38)로부터 초음파 유량계(36)에 공급하고, 초음파 유량계(36)(상세하게는, 그 수신측 초음파 진동자)로부터의 출력 신호를 오실로스코프(37)로 관찰하였다. 또한, 실험에서는, 초음파 유량계(36)의 측정관의 크기는 길이 40mm, 외경 3mm, 내경 2mm로 통일하고, 주파수 600kHz, 진폭 ±5V의 직사각형파의 전압 펄스를 송신측 초음파 진동자에 인가하였다.

이러한 조건하에서, 초음파 유량계(36)로서, 절삭 가공에 의해 측정관 및 전송체를 일체적으로 제작한 종래의 초음파 유량계를 이용하였을 때의 수신측 초음파 진동자로부터의 출력 신호의 피크간 전압(피크 투 피크 전압(peak to peak voltage)) Vp-p와, 초음파 유량계(36)로서 본 발명에 의한 초음파 유량계(10, 10' 또는 10")를 이용하였을 때의 수신측 초음파 진동자로부터의 출력 신호의 피크간 전압(피크 투 피크 전압) Vp-p를 비교하였다. 절삭 가공에 의해 전송체와 일체적으로 제작된 측정관의 내주면의 산술 평균 거칠기 Ra는 0.4㎛이며, 이것을 이용한 초음파 유량계를 초음파 유량계(36)로서 이용하였을 때의 초음파 유량계로부터의 출력 신호는 40∼75mVp-p이었다. 이에 대하여, 초음파 유량계(10, 10' 또는 10")로 사용되는 압출성형에 의해 제작된 측정관(1)의 내주면(1a)의 산술 평균 거칠기 Ra는 0.2㎛이며, 이것을 이용한 초음파 유량계(10, 10' 또는 10")로부터의 출력 신호는 100∼170mVp-p가 되어, 수신 신호 강도가 증가되고, 미세 기포의 영향이 감소되었음이 확인되었다. 또한, 측정 정밀도의 향상의 효과도 얻어졌다.

1 : 측정관
2 : 전송체
2a : 제1 전송체
2b : 제2 전송체
3 : 초음파 진동자
10, 10', 10" : 초음파 유량계
20 : 유체제어장치
22 : 유체요소
24 : 제어부

Claims

내부에 유체를 유통시키는 측정관과, 그 측정관의 외측부에 축선 방향으로 이간하여 배치된 2개의 초음파 송수신기를 구비하는 초음파 유량계를 제조하기 위한 초음파 유량계 제조 방법으로서,
미리 압출성형에 의해 불소계 수지로 제작한 측정관을 인서트로서 금형 내에 설치하고, 상기 측정관의 주위를 둘러싸고 또 상기 측정관과 일체로 되도록, 상기 측정관과 동일한 재료로 형성된 2개의 전송체를 상기 측정관의 외측부에 상기 측정관의 축선 방향으로 이간하여 인서트 성형하고, 상기 2개의 전송체에 각각 초음파 송수신기를 장착하도록 한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 측정관의 내주면의 산술 평균 거칠기 Ra가 0㎛＜Ra≤0.2㎛인, 초음파 유량계 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 측정관의 내경 D가 0.5mm≤D≤10mm인, 초음파 유량계 제조 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 측정관의 내경 D가 0.5mm≤D≤10mm인, 초음파 유량계 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 측정관의 상류측 및 하류측 중 적어도 한쪽에, 인서트 성형에 의해 상기 측정관과 일체로 되도록 유로 또는 이음부를 형성하는, 초음파 유량계 제조 방법.
청구항 1에 기재된 초음파 유량계 제조 방법에 의해 제조된 초음파 유량계.
청구항 6에 기재된 초음파 유량계와, 그 초음파 유량계로부터의 출력에 따라 기기의 제어를 행하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 유체제어장치.
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