KR20000048347A

KR20000048347A - 멤브레인 압력 센서

Info

Publication number: KR20000048347A
Application number: KR1019990060722A
Authority: KR
Inventors: 토르스텐 세프리드; 요아침 가레우스; 우도 회르닝
Original assignee: 비카 알렉산더 비간드 게엠베하 운트 체오
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2000-07-25
Also published as: JP2000186971A; DE19859507A1; JP3215393B2; TW438968B; US6263739B1; KR100356778B1; DE19859507C2

Abstract

본 발명의 멤브레인 압력 센서는 하우징(1)과 커버(2)의 사이에 형성되는 빈 공간을 가지며, 이 공간에는 서로 평행한 두 개의 멤브레인(6;61,62)에 의해서 측정되어지는 소정 압력의 유체로 영향을 미치게 하기 위한 압력 탐지 공간 또는 리세스(recess)(24), 상기 멤브레인(6;61,62) 사이의 공기 배출 공간, 및 압력 측정장치(10)에 압력을 전달하기 위해 측정 유체로 채워진 압력 출구 공간(13)으로 각각 구분되며, 상기 멤브레인(6;61,62)은 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA; perfluoroalkoxy copolymer)로 만들어지고, 플라스틱 섬유 삽입물(63)의 매개와 형상이 일치되게 설계된다. 본 압력 센서에서, 압력 탐지 측부 상의 멤브레인(61)이 커버(2)와 직접 접촉되며 0-링(3)이 하우징(1)과 커버(2) 사이의 공기 배출 공간을 밀봉하기 위해 제공된다. 상기 하우징(1)과 커버(2)는 플루오르폴리머(fluoropolymer)로 만들어진다. 본 압력 센서는 특히 이질의 금속 이온이 테스트 물질로 들어가는 것을 방지해야 하는 공정에 적합하다.

Description

멤브레인 압력 센서{MEMBRANE PRESSURE SENSOR}

본 발명은 청구항 1의 특징부에 따른 멤브레인 압력 센서(membrane pressure sensor)에 관한 것이다.

멤브레인 압력 센서는 압력 측정 장치(pressure measurement device)가 특정한 이유 때문에 측정되어질 물질과 직접 연결이 되지 않을 때 측정되어질 테스트 물질의 압력을 압력 측정 장치로 전달하는데 사용된다.

종래의 멤브레인 압력 센서는 근본적으로 서로 멤브레인에 의해 구분되는 두개의 공간이나 챔버를 가지고 있으며, 이들 두 개의 공간이나 챔버 중의 어느 하나는 테스트 물질을 수용하도록 설계되며 테스트 물질의 압력에 의해 영향을 받을 수 있다. 멤브레인의 타측부 상의 다른 챔버는 충진 유체로 채워지며 압력 측정장치(pressure measurement arrangement)에 연결되어 있다. 테스트 물질에 가해지는 압력은 해당 멤브레인의 움직임에 의해 유체에 전달되므로 테스트 물질이 직접적으로 압력 측정 장치에 연결되어 있지 않은 상태에서도 테스트 물질의 압력을 탐지할 수 있다.

멤브레인의 손상에 대한 안전이나, 이러한 상태를 감시하기 위하여, 이중 멤브레인 즉, 두 개의 실제적으로 평행한 멤브레인을 사용하는 것이 또한 공지되어 있으며, 이에 의해서 이 사이 공간에는 공기 배출 공간이 형성되어 있다.

종래의 멤브레인 압력 센서는 일반적으로 금속이나 합금에 해당 부식 방지제를 첨가하여 제작된다. 일반적으로, 여기에는 탄성 멤브레인이 사용되고 있으며, 이 탄성 멤브레인의 작업 용적 즉, 멤브레인의 움직임에 의해 비워지는 공간은 상당히 커야한다. 상기의 사항은 특히 물리적인 압력 측정 장치에서 압력을 대표하는 값으로 탐지되고 표시되는 측정 인자들의 변형에 있어서, 최소 작업 용적은 항상 멤브레인에 의해 비워지며 압력 측정 장치측으로 밀린다. 또한, 멤브레인 압력 센서가 또한 일정한 탄성력을 갖는 긴 도관을 지나 압력 측정 장치에 연결되는 경우에도 잘 나타나고 있다.

더욱이 금속 멤브레인은 작업 용적을 크게 유지하기 위해서 동축곡선(concentric waves)의 형태를 유지하며, 즉 이 멤브레인은 방사 횡단면 내에 사인 곡선 형상을 갖는다.

대부분의 경우 멤브레인 압력 센서의 적절한 재료를 선택하는 데 있어서, 문제는 압력 센서의 부식을 방지해야 하는데 있다. 따라서 전체 또는 일부가 플라스틱으로 만들어지는 현재의 멤브레인 압력 센서가 특수한 경우에 사용되기도 한다.

상기의 공지된 플라스틱 압력 센서는 특수한 경우, 특히 반도체 생산이나 플라스틱 생산 또는 공업 유리를 생산하는데 있어서 제한적인 범위 내에서만 사용한다. 왜냐하면 이러한 경우에는 테스트 물질에, 다시 말하면 공정 매체나 공정 물질에 이질 금속 이온의 유입은 상기의 사용에 있어서 엄격히 회피되어야 하기 때문이다.

상기에서 공지된 플라스틱으로 제작되는 멤브레인 압력 센서는 멤브레인을 탄성 중합체(elastomer)로 제작한다. 그러나 예를 들면 비닐이덴 플루오리드-헥사 플루오르프로필렌-고무(FKM)와 같은 고도의 저항성이 있는 탄성 중합체는 테스트 물질을 오염시키는 금속 이온을 침출(leached out)시킨다. 따라서 상기 침출 현상을 감소시키기 위해 탄성 중합체의 멤브레인은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 코팅하여 사용하도록 추천되고 있다.

탄성 중합체에서의 금속 이온 침출을 방지하기 위해, 플라스틱 압력 센서가 알려져 있으며, 고형체의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 물질로 만들어진 구형 세그먼트 형태의 멤브레인을 구비한다. 그러나, 이 멤브레인도 아주 뻣뻣하여 압력의 변화가 적을 경우 정확히 측정하기가 어렵다. 여기에 추가하여, 상기 물질(PTFE)은 굽힘 성향이 강하고 이 결과로 이력 현상(hysteresis)이 강하게 일어나 측정 결과를 왜곡시킨다. 또한 상기의 멤브레인은 또한 측정 결과를 왜곡시키는 온도에 영향을 받는다.

또한, 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA)로 제작되는 플레이트 형태의 멤브레인을 갖는 플라스틱 압력 센서가 있으나 역시 멤브레인의 높은 뻣뻣함 때문에, 작업 용적이 적은 경우 좋지 않은 반응 거동을 나타내고 있다.

단일 멤브레인으로 만들어진 멤브레인 압력 센서는 여기에 멤브레인에 의해 확산 작용이 일어나는 단점을 가지고 있다. 또한 여기서 적어도 부분적으로 금속으로 제작되는 압력 측정 장치로부터 나오는 충진 유체에 용해되는 금속 이온은 충진 유체에 확산될 수 있으며 따라서 테스트 물질에 손상을 주게 된다. 상기 확산 현상은 탄성 중합체에 상당한 정도로 나타난다.

멤브레인을 통한 확산을 피하기 위해, 서로 연속해서 배치되는 고형체의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 만들어진 두 개의 구형 세그먼트 형태의 멤브레인의 압력 센서가 알려져 있다. 간격이 크게 설정되는 멤브레인 사이에는 링 형태의 물체가 역시 고형체의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 제작되어 멤브레인 사이의 힘을 전달하기 위해 끼워진다. 멤브레인은 각 챔버에 대해 0-링에 의해 밀봉된다. 양 멤브레인에 의해 형성되는 사이 공간은 공기가 흡입 및 배출 되도록 하여 확산을 방지한다. 추가적으로 이러한 시스템에서는 멤브레인을 이중으로 설치하여 공정 안전성을 높이도록 한다. 왜냐하면 하나의 멤브레인이 파손되더라도 금속 이온에 의해서 공정 매체가 손상이 없도록 하기 위함이다.

그러나, 상기 공개된 압력 센서는 이중 멤브레인이 아주 뻣뻣하며 물질 조건에 따라 두드러진 언급된 흐름 거동(이력 현상)을 나타내고 있다는 단점이 있다. 온도의 영향을 받기 쉬우며 추가적으로 힘을 전달하는 링 형태의 물체의 무게도 압력 센서의 응답 거동에 또한 심하게 영향을 미치게 되어, 적절한 측정 정확도는 고압력 범위(약 2.5 bar 이상)에 들어서야 얻어질 수 있다. 또한 테스트 물질 측의 챔버는 테스트 물질 측의 멤브레인에 탄성 중합체 0-링을 통해 밀봉되어 있어 금속이온의 침출 현상이 탄성 중합체에서 또한 발생하게 되며 테스트 물질이 오염될 수 있다.

상기 종래 기술과 비교하여 본 발명의 목적은 이질 금속 이온에 의한 오염이 엄격히 회피되어야 하는 테스트 물질 내에서 저압에서도 높은 정확성을 나타나도록 하는 멤브레인 압력 센서를 제공하는 것이다.

본 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 멤브레인 압력 센서에 의해서 성취된다.

본 발명에 따르면, 멤브레인 압력 센서는 하우징과 커버의 사이에 형성되는 빈 공간을 가지되, 상기 빈 공간은 서로 평행한 두 개의 멤브레인에 의해서, 측정되어지는 소정 압력의 테스트 물질에 영향을 미치게 하기 위한 압력 탐지 공간, 상기 멤브레인 사이의 공기 배출 공간, 및 압력 측정 장치에 압력을 전달하기 위해 측정 유체로 채워진 압력 출구 공간으로 각각 구분되며, 상기 멤브레인은 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA)로 제조되며 플라스틱 섬유 삽입물의 매개 및 소정의 형상에 일치되게 설계된다. 멤브레인의 압력 탐지 측부나 테스트 물질 측부는 커버에 직접 접촉되며, 하우징과 커버 사이에는 공기 배출 공간을 밀봉하기 위해 0-링이 제공된다. 하우징과 커버는 플루오르폴리머로 만들어진다.

본 발명에 따른 용도를 통해, 소정 형상의, 예를 들면 곡선 형태, 특히 동축의 곡선 형태로 처리되는 퍼플루오르알콕시 공중합체(PFA) 멤브레인은 화학적으로 중성이며 금속 이온이 없고 열 적으로도 변경이 가능한, PFA 물질이 가지고 있는 양호한 물질 특성을 나타낸다. 그럼으로써 멤브레인의 형상을 통해, 주 평면의 방향으로 양호하게 변형되어 소량의 응답 압력에서도 작업 용적이 커지게 된다.

플라스틱의 E-모듈 값이 작으므로, 그 탄성 변형 범위가 일반적으로 작다. 소정의 형상, 예를 들면 사인 파 형상의 동축 물결 모양의 형태에 의해, 평평한 멤브레인에서 변형에 요구되는 물질 팽창은 곡률 지점에서 굽힘 부하로 전환된다. 상응하는 형상의 굽힘 수, 즉 멤브레인의 주 평면 방향의 멤브레인의 상대적으로 긴 길이에 의해, 신축에 의한 멤브레인의 변형 시 길이가 길어지거나 굽힘이 적은 쪽으로 다수의 곡률 지점으로 세분화되며, 그 결과 작업 용적이 큼에도 불구하고 멤브레인 물질 내부의 변형이 적게 된다. 그에 따라서, 멤브레인의 변형은 사용되는 플라스틱의 탄성 범위 내에 남게 되며 이력 현상(Hysteresis effect)이 회피될 수 게 된다.

PFA 물질의 열 변형성 때문에, 멤브레인은 열 스탬핑(hot stamped)되는 것이 바람직하며, 다시 말하면 가열된 암(female)/수(male) 다이의 적절한 조합에 의해 압착되며, 따라서 멤브레인이 미리 결정된 형태로 영구적으로 변형될 수 있다. 또한, 멤브레인을 사출 성형 공정으로도 생산할 수 있으며, 적절한 공정의 선택은 원하는 멤브레인의 치수와 생산 량, 및 이와 유사한 것에 달려 있다.

멤브레인을 통해 확산을 방지하고 멤브레인이 파손되는 경우 테스트 물질의 오염에 대해 안전성을 높이기 위해, 본 발명에 따라서 2개의 곡선 형태의 멤브레인이 플라스틱 섬유 층의 매개에 일치하도록 제공된다. 양 멤브레인 사이에는 공기 배출 공간이 형성된다. 플라스틱 섬유 층은 양 멤브레인의 내부 접촉을 방지하므로, 멤브레인을 통한 양호한 압력 전달 과정 동안 공기 배출 공간은 항상 유체의 흐름이 지속될 수 있고, 다시 말하면 양 멤브레인의 정확한 평행 운동이 적절하게 유지되는 것을 의미한다. 멤브레인 사이에 제공되는 섬유 층은 아주 가볍고, 굽힘이 쉬워서 섬유 층의 무게, 및 경우에 따라 매개 층에 의해 발생될 수 있는 뻣뻣해짐 현상이 압력 센서의 응답 거동에 영향을 미치지 않는 것으로 나타나고 있다.

물질이 각각 마주 놓여 있는 멤브레인에 도착하기 전에 공기 배출 공간에 의해 멤브레인에 의해 확산되었을 수 있는 물질을 제거할 수 있다. 그럼으로써 압력탐지 챔버와 압력 배출 챔버 사이의 물질 교환이 방지된다. 부가적으로 멤브레인의 하나가 파손되는 경우에도 타 멤브레인이 테스트 물질과 충진 유체의 사이에 차단 부로 기능하는 테스트 물질의 오염 방지 비상 안전 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 압력 센서에 있어서 테스트 물질 측의 멤브레인은 이와 관련된 커버와 직접 접촉된다. 그럼으로써 테스트 물질에 노출되는 탄성 밀봉 없이도 가능하다.

예를 들면, 반원 형태의 횡단면을 갖는 링 형태의 비드(bead)가 커버 상에 형성되는 것이 바람직하며, 그 결과로 멤브레인을 위한 좁은 접촉면이 형성된다. 따라서, 비교적 높은 표면 압력을 개선된 밀봉에 따라 상응하게 발생시킨다. 추가적으로 링 형태의 비드는 멤브레인에 있어서 지지부로서 작용하며, 상기 지지부는 좁은 접촉 표현 때문에, 멤브레인의 변형 운동에 대해 거의 저항이 없다.

탄성 중합체는 이미 서두에서 언급하였듯이, 금속 이온의 침출을 나타내고 있다. 본 발명에 따른 멤브레인을 커버에 직접 배치하는 것은 이 연결 지점을 통해 금속 이온이 테스트 물질로 전혀 들어가지 않도록 보장한다. 커버에 멤브레인의 추가적 결합은 선택적으로 접착이나 적절한 물질을 합성하여 예를 들면, PFA 멤브레인/PFA 커버 등의 용접에 의해 영구적으로 수행되었다. 여기에는 가열 용접, 냉간 용접 또는 초음파 용접이 고려된다.

멤브레인의 하나가 파손되는 경우에, 공기 배출 공간으로부터 유체의 배출을 방지는 0-링은 두 개의 멤브레인 중의 하나가 파손될 경우 상기 공기 배출 공간을 제한하기 위해 하우징에 대해 커버를 밀봉하도록 제공된다. 그와 동시에, 0-링은 이질 물질이 테스트 물질로 유입되는 것을 방지하는데, 왜냐하면 0-링은 먼지나 이와 유사한 것들이 공기 배출 공간으로 유입되는 것을 충분히 방지 할 수 있기 때문이며, 배출 공간의 내용물은 테스트 물질 측의 멤브레인이 파손되는 경우 테스트 물질 쪽으로 흘러 내려갈 수 있기 때문이다. 0-링은 그 자체로 이질의 금속 이온을 방출하지 않는 물질로 만들어지는 것이 바람직하다.

화학적 그리고 열 적 저항성 때문에, 커버는 본 발명에 따라 멤브레인의 물질(PFA)에 대한 양호한 양립성을 갖는 플루오폴리머로 만들어진다. 하우징은 압력 배출 챔버, 즉 충진 유체 측부와 공기 배출 챔버로만 제한되지만, 테스트 물질 측의 멤브레인이 파손되는 경우, 본 발명에 따른 하우징은 플르오르폴리머로 또한 만들어지며, 멤브레인이 파손되는 이러한 경우, 테스트 물질이 하우징과 달리 접촉할 수 있으며 이질 금속 이온이 유입될 수 있다.

반도체 산업이나 플라스틱 산업에서, 특정한 공정 물질은 전형적인 테스트 물질이며, 다음에는 이러한 전형적인 사용을 위해 멤브레인 압력 센서를 위한 특히 몇 가지 선호되는 물질의 합성물이 기술되었다.

본 발명에 따른 멤브레인 압력 센서의 사용에 있어서, 압력 탐지 공간이 고농도의 산에 노출되며, 하우징과 커버의 제작에 사용되는 플루오르폴리머는 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 및 폴리비닐이덴플루오리드(PVDF)의 그룹으로부터 선택된다. 이 경우에, 0-링은 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP)로 코팅된 비닐이덴 플루오리드-헥사플루오르프로필렌 고무(상표명: "Viton")로 만들어지는 것이 바람직하다.

이 합성물은 공정 물질(테스트 물질)로서 고 농도의 산(HF+HCl+H₂O)을 포함하는 원료 실리케이트 덩어리를 클리닝하는데 특히 적합하다.

본 발명에 따른 멤브레인 압력 센서의 사용에 있어서, 고도로 정화된 물이 압력 탐지 공간에 있는 경우 하우징과 커버에 사용되는 플루오르폴리머는 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 및 폴리비닐이덴플루오리드(PVDF)의 그룹으로부터 선택되며, 이로써 0-링은 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP)로 코팅된 비닐이덴 플루오리드-헥사플루오르프로필렌 고무(상표명: "Viton"), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오르메틸비닐 에테르-공중합체(TFE-PMVE, 상표명: "Kalrez"), 및 폴리실리콘의 그룹으로부터 선택된 물질로 만들어진다.

이 합성물은 특히 분쇄된 실리케이트 파편의 플로팅 공정(Floating)에 적합하며, 이로써, 공정 물질(테스트 물질)은 고도로 정화된 물이다.

본 발명에 따른 멤브레인 압력 센서의 사용에 있어서, 알라칼리성 가수 분해를 위해 압력 탐지 공간에 염이 존재하는 경우, 하우징과 커버에 사용되는 플루오르폴리머는 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA), 및 고 밀도 고 품질의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 그룹으로부터 선택되며, 이에 반해 0-링은 고 품질의 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE)으로 코팅된 비닐이덴 플루오리드-헥사플루오르프로필렌 고무(FKM, 상표명: "Viton"), 및 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오르메틸비닐에테르-공중합체(TFE-PMVE, 상표명: "Kalrez")의 그룹으로부터 선택된 물질로 만들어진다.

이 알칼리성 가수 분해의 경우, 언급된 공정 물질 및 테스트 물질은 특히 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)이지만, 다른 염기를 또한 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 멤브레인 압력 센서의 사용에 있어서, 산 촉매의 중합 반응(Polymerization)을 위해 압력 탐지 공간에 광물질을 포함하는 산 또는 전이 금속 산이 존재하는 경우, 하우징과 커버에 사용되는 플루오르폴리머는 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA), 및 고 밀도 고 순도의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 그룹으로부터 선택된다. 여기에 적합한 0-링은 고 순도의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 코팅된 비닐이덴 플루오리드-헥사플루오르프로필렌 고무(FKM, 상표명: "Viton"), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오르메틸비닐 에테르-공중합체(TFE-PMVE, 상표명: "Kalrez"), 및 폴리실리콘의 그룹으로부터 선택된 물질로 만들어진다.

상기 경우에 있어서, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 된 플라스틱 섬유가 첨가되는 것이 바람직하다. 이것은 이러한 섬유로 제조된 네트(net), 짜여진 섬유(직포) 또는 짜여지지 않은 섬유(부직포)이어도 무방하다.

본 발명에 따를 멤브레인 압력 센서의 유익한 설계의 실시예는 하우징 통해 지나는 단계적인 구멍을 갖는 것이다. 이 구멍은 하우징에 순차적으로 다음의 단면, 즉:

커버를 수용하기 위한 나사선 단면, 커버 상에 제공되는 0-링으로 밀봉하기위한 커버 밀봉 단면, 압력 배출 챔버 단면, 삽입되어질 압력 측정 장치에 제공되는 0-링으로 밀봉하기 위한 밀폐 단면, 및 압력 측정 장치를 수용하기 위한 나사선 단면을 형성하고 있다.

커버는 그의 주변 일부분에, 하우징과 맞물리기 위한 나사선 단면을 가지며 조립된 위치의 하우징과 접하는 그의 단부에, 링 형태의 모서리에 의해 둘러싸이는 리세스(recess)를 갖는다. 상기 리세스는 테스트 물질 측의 압력 탐지 챔버를 형성하며 커버가 축 방향으로 통과하는 상호 접촉 구멍과 연결되어 있다. 이중 멤브레인은 링 형태의 모서리에 부착되며, 좁은 링형의 비드가 제공되는 것이 바람직하며, 이에 의해서 테스트 물질 측의 멤브레인은 커버에 직접 접촉되어 밀봉된다. 모서리와 나사선 단면 사이의 커버의 축 방향으로, 안착 그루브가 커버 밀봉 단면에 대향된 0-링을 수용하도록 형성된다.

하우징에 있어서, 압력 배출 챔버 단면이 충진 유체 측부에 또한 형성되며 이 단면은 멤브레인의 형상에 대해 실제적으로 평평하거나 대안적으로 맞아진다. 챔버의 형상으로 과도한 압력에 대해 저항을 증대시키는 것이 가능하다. 챔버 단면은 충진 유체 측의 멤브레인을 밀봉하도록 0-링을 위한 관통 구멍의 축 방향에 수직하게 이어지는 실제적으로 평평한 지지 단면을 가지고 있다. 멤브레인이 커버의 링형 모서리 주의의 0-링에 대해 팽팽하게 되어 축 방향의 압축으로 인한 밀봉을 가능하게 한다. 이와 대조적으로, 커버와 하우징 사이의 밀봉은 0-링에 의해 이루어지며 이 링에 의해서 커버와 하우징의 방사 방향으로 밀봉이 이루어진다. 이 밀봉 작업은 아주 신뢰할 만한 것으로 커버의 팽팽한 토크와 무관하다.

다음에 하우징의 관통 구멍에 있어서, 삽입되어질 압력 측정 장치를 위한 밀봉 단면이 형성되어 있다. 밀봉 단면의 지름은 압력 측정 장치의 연장선 상에 있는 그루브에 바람직하게 배치된 0-링이 방사 방향의 미리 설정해 놓은 표면 압력을 갖는 구멍에 대해 압축된다. 따라서, 압력 측정 장치는 압력 측정 장치가 나사선의 단면에 설치된 경우, 나사선의 깊이나 팽팽한 토크와 무관하여 신뢰할 만한 밀봉이 달성된다.

특히, 본 발명에 따른 하우징의 물질 흐름은 가능하다. 따라서, 상기는 압력이 나사의 팽팽한 토크에 좌우되는 축 방향으로 작용하는 밀봉을 가능하게 하며 압력 측정 장치는 나사선 범위에서 두께가 얇아지는 물질들의 흐름을 통해 작동이 느슨해질 수 있으며 축 방향 밀봉의 연결부는 누출이 발생될 수 있다. 상기 실시예에서, 0-링의 압력이 두께가 넓은 재료 범위에 적용되며 그 결과 하우징의 물질 흐름이 실제적으로 아주 낮은 정도로 발생된다.

또 다른 유익한 실시예가 종속항에 기재되어 있다.

본 발명은 도면을 참조로 한 바람직한 실시예를 이용하여 다음에 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 멤브레인 압력 센서의 하우징을 도시하는 횡단면도.

도 2는 본 발명에 따른 실시예의 조립된 멤브레인 압력 센서를 도시하는 횡단면도.

도 3은 도 2의 X 부분을 도시하는 확대된 도면

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1: 하우징 2: 커버

3,4,5: 0-링 6;61,62: 멤브레인

7: 센서 8: 배출 마개

10: 압력 측정 장치 11,15,101: 나사선 단면

16,17: 공기 배출 구멍 18:나사선 구멍

2l: 커버 22: 연결 구멍

23: 커버 나사선 24: 리세스

25: 링형 모서리 63: 섬유 층

81: 구멍 82: PTFE 멤브레인

102: 비틀림 차단부 121,141: 경사부

도 1은 상부로부터 하부로 지나는 단계적인 관통 구멍을 갖는 하우징(1)을 도시하고 있다. 상기 관통 구멍은 도 1에서 하부로부터 상부로 보았을 때 하나의 나사선 단면적(11)을 가지며 여기에 경사부(121)에 의해 연결되는 커버 밀봉단면(12)에 연결되어 진다. 커버 밀봉 단면 연결부에 뒤이어서, 챔버 단면(13)이 형성되며 여기에 밀봉 단면(14)이 다시 연결된다. 밀봉 단면(14)은 경사부(141)를 거쳐 연결 나사선 단면(15)으로 이어진다. 관통 구멍에 수직한 나사선이 각각 제공되며 또한 하우징(1) 내에 만들어지는 공기 배출 구멍(16,17)이 있다. 또한 하우징(1)은 연결부 전면 위에 포켓 구멍처럼 설계되는 나사선 구멍(18)을 갖는다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같이 하우징에 장착되는 조립된 멤브레인 압력 센서의 실시예를 나타내고 있다. 도 2에서, 커버(2)가 하우징(1)에 하부로부터 삽입된다. 커버 나사선(23)은 도 1에 도시된 커버 나사선 단면(11)과 맞물린다. 커버(2)는 공정 고정물에 연결하기 위해 종래의 나사선이 제공되는 연결 구멍(22)을 갖는다. 그러나 접착, 용접 또는 이와 유사한 다른 형태의 연결 방식도 가능하다. 커버(2)는 적절한 공구를 가지고 커버를 나사 체결할 수 있는 다수의 포켓 구멍(21)을 또한 갖는다. 커버(2)는 예를 들면 육각 나사와 같이 나사 체결을 위해 기타 적절한 수단이 또한 제공될 수 있다. 또한 포켓 구멍의 이러한 형태는 특별한 공구(스터드 드라이버)가 요구되기 때문에 의도하지 않게 나사가 풀리는 것을 방지하는데 큰 역할을 하고 있다. 더욱이, 하우징(1)과 커버(2)의 동일한 높이의 연결을 달성하는 것이 가능하다.

커버(2)는 커버 밀봉 단면(12)과 접촉하며 안착 그루브에 고정되는 0-링(3)으로 하우징(1)에 대해 밀봉된다. 커버(2)는 하우징(1)의 조립된 전면 위치 내에 링 형태의 모서리(25)에 의해 둘러싸이는 리세스(24)를 갖는다. 상기 리세스(24)는 테스트 물질 측 상에 압력 탐지 챔버를 형성하며 연결 구멍(22)과 연결되어 있다. 이중 멤브레인(6)은 링 형태의 모서리(25)에 부착되며, 이에 의해서 테스트 물질 측의 멤브레인은 커버(2)에 직접 접촉되어 밀봉된다.

충진 유체 측의 멤브레인(6)(압력 배출 측부)과 하우징 사이의 연결부를 밀봉하기 위하여 또는 멤브레인(3)을 링 형태의 모서리에 대해 압축하기 위해, 멤브레인(6)과 하우징(1)의 사이에 0-링(5)이 제공된다. 상기 0-링(5)은 커버(2)의 모서리(25)에 의해 커버(2)의 축 방향으로 작동되어지며, 멤브레인(6)과 충진 유체 측의 챔버 단면(13)의 사이에서 죄어진다. 이 0-링(5)은 0-링(5,3), 하우징(1), 및 커버(2)의 사이에 제한되는, 공기 배출 공간에 대해 압력 배출 챔버(13)(충진 유체측)를 밀봉한다.

0-링(5)은 충진 유체의 물질로 하여금 어떤 금속 이온이 테스트 물질로 들어 갈 수 없게 하도록 충진 유체에만 노출된다. 그러나 0-링(5)의 물질은 충진 유체에 저항성이 있으며 및 유지 온도 범위 내에서 안정한 물질로 선택해야 한다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 0-링(5)과 챔버 단면(13)의 치수는 0-링(5)이 챔버 단면(13)을 방사 방향으로 제한하는 하우징(1)의 벽에 대해 압축되도록 선택된다. 따라서, 0-링(5)이 멤브레인(6) 또는 커버(2)의 링형 모서리(25)에 대해 언제나 적절하게 위치될 수 있기 때문에 상기는 조립 공정을 단순화시킨다.

도 1에 도시한 바와 같이, 하우징(1)에는 관통 구멍에 대해 수직하게 확장하며 커버(2)의 0-링(3)과 커버(2)의 링형 모서리(25) 사이의 커버 밀봉 단면(12)에 인접하게 개방되는 두 개의 공기 배출 구멍(16,17)이 제공된다.

하나의 공기 배출 구멍(17)에는 구멍(17)으로 밀봉되게 나사 체결되는 공기 배출 마개(8)가 제공된다. 이 밀봉은 나사선 자체에 의해서 제공되며, 여기에서 밀봉 나사선(NTP 나사선)이 사용되는 것이 바람직하다. 마개(8)는 마개를 통과하는 구멍(81)을 가지며 상기 구멍(81)은 다공성 PTFE 멤브레인(82)에 의해 밀봉된다. 상기 PTFE 멤브레인(82)은 가스가 통과 가능하나 유체는 통과할 수 없다. 이러한 방법으로 멤브레인 압력 센서가 노출되는 온도가 높아지거나 낮아지더라도 공기 배출 챔버 내의 가스 압력의 평형은 멤브레인(82)을 통해 발생할 수 있으며, 그 결과 멤브레인(6) 사이의 가스 쿠션(gas cushion)의 압력 변화에 의해서 측정 결과에 좋지 않은 영향은 전혀 발생하지 않는다.

또한, 센서(7)가 다른 공기 배출 구멍(16)(NTP 나사선 방식으로) 안에 밀봉되게 나사 체결될 수 있으며 공기 배출 공간에 연결되게 된다. 센서(7)는 공기 배출 공간 내에 있는 적은 양의 유체를 탐지할 수 있는 용량 센서이며, 그 결과 양 멤브레인 중 하나가 파손되는 경우 유체의 방출이 이 센서(7)에 의해 신속히 탐지될 수 있다.

이러한 관계를 도 3에 도시하였으며 여기에는 이중 멤브레인(6)의 확대 단면이 나타나 있다. 도 3은 도 2에 도시된 조립 상태의, 테스트 물질 측부 상의 멤브레인을 형성하는 1차 멤브레인(61)과, 충진 유체 측부 상의 멤브레인을 상응하게 형성하는 2차 멤브레인(62)을 도시한다. 양 멤브레인, 특히 0-링(5)과 모서리(25) 사이의 멤브레인의 죄임 부분에서 밀봉 접촉을 방지하기 위해, 그리고 그럼에도 불구하고 테스트 물질 측부의 멤브레인에 힘을 전달하기 위해, 멤브레인 사이의 공기 배출 공간에는 언제나 유체가 흐를 수 있게 하는 반면에, 멤브레인을 통해 양호한 압력 전달, 즉 양 멤브레인의 정확한 평행 운동이 유지되도록, 양 메브레인의 사이에는 섬유 층(63)이 삽입된다.

공기 배출 공간에 배치되는 섬유 층(63)은 네트, 직포 또는 부직포일 수 있으며, 멤브레인의 파손 시 흘러나오는 유체가 센서(7)에 도달할 수 있도록 보조한다. 따라서, 멤브레인의 파손을 신속하게 알 수 있다. 섬유 층(63)의 섬유는 일반적으로 화학적으로 불활성인 고 순도의 PTFE로 만들어지며 여기에는 높은 강도의 요구 조건이 전혀 필요하지 않다.

섬유 층(63)은 공기 배출 마개(8)를 통한 주변과의 가스 교환을 보조한다. 멤브레인(61,62)의 밀봉 접촉 또는 서로의 접착을 방지하기 때문이다.

또한 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 압력 측정 장치(10)가 압력 센서 내에 사용된다. 압력 측정 장치(10)는 압력 센서에 사용을 위한 끼워 맞춤부를 갖는다. 상기 끼워 맞춤부는 0-링(4)을 수용하기 위한 그루브를 갖는다. 설치된 상태에서, 즉 압력 측정 장치(10)의 나사선 단면(101)이 연결 나사선 단면(15)에 나사 체결될 때, 0-링(4)은 경사부(141)를 지난 후 하우징(1)의 밀봉 단면(14)과 접촉된 된다. 상기 밀봉의 실시예에서, 0-링(4)의 압축력은 0-링(4)의 치수 및 밀봉 단면(14)에 의해 명확히 결정된다. 물론, 0-링의 두께, 뻣뻣함 등도 당연히 고려되어야 한다. 상기의 경우에 있어서 압축력은 압력 측정 장치(10)의 나사선 단면(101)을 연결 나사선 단면(15)으로 나사 체결함에 의해 발생되는 축방향 힘(axial force)에 좌우되지 않는다는 것이 필수적이다.

따라서, 한편으로 압력 측정 장치(10)를 갖는 압력 센서의 연결부의 오랜 기간의 밀봉 특성은 사용되는 플라스틱 물질의 나사 형성부, 특히 재료의 작은 두께를 갖는 나사선에서 발생되는 물질의 흐름이 밀봉력에 전혀 영향을 주지 않기 때문에 향상되는 이점이 있다. 밀봉력을 수용하는 하우징(1)의 단면은 큰 재료 두께를 가지며, 그 결과 낮은 물질 부하 때문에 흐름이 거의 발생되지 않는다. 따라서 상기 방사 방향의 밀봉은 오랜 시간에 걸쳐 우수한 크리프(creep) 강도를 갖는다.

선택된 방사 방향의 밀봉에 의해, 압력 측정 장치는 볼트(9)를 이용한 비틀림 차단부(102)가 나사선 구멍(18) 내에서 회전되지 않게 고정될 수 있는 추가적인 이점을 달성한다. 방사 방향의 밀봉에 의하여, 압력 측정 장치(10)의 정확한 각도 설정 없이 압력 측정 장치를 밀봉되게 나사 체결하는 것이 가능하며, 다시 말하면 나사를 정확히 조일 필요가 없으며, 그 결과로 팽팽한 토크가 전혀 발생되지 않아야 한다.

압력 측정 장치(10)가 나사 체결될 때, 상기 압력 측정 장치(10)는 비틀림 차단부(102)의 구멍들이 압력 측정 장치의 원하는 측정 위치의 나사선 구멍(18)에 마주할 때까지 회전될 수 있다. 그런 후 볼트(9)가 끼워지며 압력 측정 장치(10)가 의도하지 않게 또는 기타 다른 이유로 하여 풀어지지 않도록 한다. 밀봉 단면(14)의 상응하는 길이로, 즉 1회전하는데 나사의 피치 또는 나사선 길이 보다 긴 경우, 이러한 방법으로 압력 측정 장치는 360°로 임의의 측정 위치에 위치될 수 있으며, 이로써 밀봉이 보장된다.

Claims

하우징(1)과 커버(2)의 사이에 형성되는 빈 공간을 가지는 멤브레인 압력 센서로서, 상기 빈 공간은 서로 평행한 두 개의 멤브레인(6;61,62)에 의해서, 측정되어지는 소정 압력의 유체로 영향을 미치게 하기 위한 압력 탐지 공간(24), 상기 멤브레인(6;61,62) 사이의 공기 배출 공간, 및 압력 측정 장치(10)에 압력을 전달하기 위해 측정 유체로 채워진 압력 배출 공간(13)으로 각각 구분되는, 상기 멤브레인 압력 센서에 있어서,

상기 멤브레인(6;61,62)은 퍼플루오르알콕시-공중합체(PFA; Perfluoroalkoxy-Copolymer)로 만들어지고, 플라스틱 섬유 삽입물(63)의 매개와 일치되게 형상이 이루어지며, 압력 탐지 측부 상의 상기 멤브레인(61)이 상기 커버(2)와 직접 접촉되며, 0-링(3)이 상기 하우징(1)과 상기 커버(2)의 사이에 공기 배출 공간을 밀봉하도록 제공되며, 상기 하우징(1)과 상기 커버(2)가 플루오르폴리머(Fluoropolymer)로 만들어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항에 있어서, 상기 압력 탐지 공간(24)이 노출되는 고 농도의 산과 사용되게 하기 위해, 상기 하우징(1)과 상기 커버(2)의 플루오르폴리머가 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; Polytetrafluoroethylen), 및 폴리비닐이덴플루오리드(PVDF; Polyvinylidenfluorid)의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항에 있어서, 상기 압력 탐지 공간(24)에 고 순도의 물을 사용하기 위해, 상기 하우징(1)과 상기 커버(2)의 플루오르폴리머가 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 및 폴리비닐이덴플루오리드(PVDF)의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항에 있어서, 알칼리성(alkaline) 가수 분해를 위해 상기 압력 탐지 공간(24) 내에 염(base)이 존재하는 상태로 사용하기 위해, 상기 하우징(1)과 상기 커버(2)의 플루오르폴리머가 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA), 및 고 밀도 고 품질의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항에 있어서, 산 촉매의 중합 반응(Polymerization)을 위해 상기 압력 탐지 공간(24) 내에 광물성 산 또는 전이 금속 산이 존재하는 상태로 사용하기 위해, 상기 하우징과 상기 커버를 위한 플루오르폴리머가 퍼플르오르알콕시-공중합체(PFA), 및 고 밀도 고 품질의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 2항에 있어서, 상기 0-링(3)이 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌-공중합체(FEP)로 코팅된 비닐이덴 플루오리드-헥사플루오르프로필렌 고무로 만들어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 3항에 있어서, 상기 0-링(3)이 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌-공중합체(FEP)로 코팅된 비닐이덴 플루오리드-헥사플루오르프로필렌 고무(FKM), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오르메틸비닐 에테르-공중합체(TFE-PMVE), 및 폴리실리콘의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 4항에 있어서, 상기 0-링(3)이 고 품질의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 코팅된 비닐이덴 플루오리드-헥사플루오르프로필렌 고무(FKM), 및 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오르메틸비닐 에테르-공중합체(TFE-PMVE)의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 5항에 있어서, 상기 0-링(3)이 고 품질의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 코팅된 비닐이덴 플루오리드-헥사플루오르프로필렌 고무(FKM), 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오르메틸비닐 에테르-공중합체(TFE-PMVE), 폴리실리콘의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 섬유 삽입물이 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE)으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항에 있어서, 상기 하우징(1)은 상기 하우징을 통과하며, 상기 커버(2) 상의 나사선(23)과 맞물리기 위한 나사선 단면(11)을 갖는 단계적인 구멍, 0-링(3)을 위한 밀봉 단면(12), 압력 배출 챔버 단면(13), 상기 압력 배출 챔버 단면(13)에 장착되어질 압력 측정 장치(10)로 향하는 통로, 상기 압력 측정 장치(10)를 위한 밀봉 단면(14), 및 상기 압력 측정 장치(10)를 위한 고정 단면(15)을 구비하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항에 있어서, 상기 멤브레인(61,62) 사이의 공기 배출 공간은 상기 하우징(1) 내의 공기 배출 구멍(17)에 연결되며, 상기 공기 배출 구멍(17)은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 만들어지는 멤브레인(82)을 구비하는 공기 배출 마개(8)에 의해 유체는 밀봉시키나 가스는 통과시키는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 12항에 있어서, 상기 멤브레인(61,62) 사이의 상기 공기 배출 공간은 상기 하우징(1) 내의 누출 구멍(16))에 연결되어 있고, 상기 하우징(1)에는 멤브레인(61,62)의 파손을 탐지하도록 유체 탐지용으로 센서(7)가 끼워지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 13항에 있어서, 상기 센서(7)는 용량 센서인 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 측정 장치(10)를 위한 밀봉 단면(14)은 경사부(141)를 갖는 원통형 표면이며, 상기 원통형 표면은 상기 압력 측정 장치(10) 상의 방사상 밀봉 0-링(4)과 일치되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 15항에 있어서, 상기 압력 측정 장치(10)와 맞물리며 볼트(9)에 의해 상기 하우징(1)에 부착되는, 비틀림 차단부(102)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(1)의 압력 배출 공간 단면(13)이 적어도 부분적으로 이를 향하는 멤브레인(6)의 표면 형상과 일치하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 압력 센서.
제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인의 형상은 사인-형상의 동축 곡선(concentric wave)인 것을 특징으로 하는 압력 센서.