KR20040065068A - 이중관 방식의 질량유량측정센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중관 방식의 질량유량측정센서에 관한 것으로, 유로를 통해 흐르는 유체로부터 항상 일정한 비율로 채취된 시료유체가 통과하도록 설치된 시료 유동관과; 상기 시료 유동관의 내부에 시료 유동관의 길이 방향으로 설치되며, 시료 유동관으로부터 일정간격 이격되어 간극을 형성하여 환형 유로가 형성되게끔 비유동구역을 제공하는 내부관과; 시료 유동관의 외부면의 중앙부의 일정구역에 권선되어 시료 유동관의 내부에 유동하는 시료유체를 가열하기 위한 가열코일과; 시료유체의 상류의 온도를 감지하기 위한 제1 감온코일과; 시료유체의 하류의 온도를 감지하기 위한 제2 감온코일로 구성된 이중관 방식의 질량유량측정센서에 있어서, 시료 유동관의 외부면에 쉴드를 설치하고, 내부관의 내부에 코아를 삽입하거나 박막층을 형성시켜, 시료 유동관의 열평형 도달시간을 단축시켜 질량유량측정센서의 응답속도를 향상시킨 것이다.

Description

이중관 방식의 질량유량측정센서{MASS FLOW MEASUREMENT SENSOR HAVING DOUBLE TUBES FOR MASS FLOW CONTROLLER}

본 발명은 이중관 방식의 질량유량측정센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시료 유동관의 외부면에 쉴드를 설치하고 내부관의 내부에 코아를 설치하여, 응답속도 및 선형유량범위를 크게 개선시킨 이중관 방식의 질량유량측정센서에 관한 것이다.

일반적으로 질량유량제어기는 각종 유로에 흐르는 유체의 유량을 측정하고 그 측정치에 따라 유체의 유동을 제어하기 위한 것으로, 반도체산업 등 여러 산업분야의 전반에 걸쳐 보편적으로 사용되고 있다.

이와 같은 유로를 통해 흐르는 유체의 유량을 측정하는 방식은 크게 1)체적유량을 측정하는 방식과, 2)질량유량을 측정하는 방식으로 구분할 수 있다.

일반적으로 유체가 비중이 작고 압축성이 큰 가스인 경우, 체적유량에 의한 방식보다는 질량유량에 의한 측정 방식이 유체의 유동을 보다 정확하게 제어할 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 화학반응장치에서의 유량제어는, 화학반응이 질량을 기준으로 한 반응이므로, 질량유량을 측정하고 제어하는 것이 보다 편리하다.

이와 같은 질량유량측정의 경우, 미소의 질량유량을 측정하기 위한 방식으로는 유체(fluid)에 열을 가하고 그 온도변화를 측정하는 열식(thermal) 측정방식이 보편적으로 사용되고 있다.

도 1은 종래의 열식 측정방식을 이용한 질량유량제어기의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 질량유량제어기(100)는 유로(110)를 통해 흐르는 질량유량을 측정하는 질량유량측정센서(120)와, 유로(110)의 개도를 변화시켜 유로(110)를 통해 흐르는 질량유량을 조절하는 밸브 작동기(160) 및 밸브(130)와, 질량유량측정센서(120)에 의해 측정된 질량유량을 검출하고 유료(110)의 개도를 조절하도록 전기적 신호를 밸브 작동기(160)로 송출하는 제어부(140)로 구성된다.

여기서, 질량유량측정센서(120)는 유로(110)를 통해 흐르는 유체의 일정 부분이 통과하도록 유로(110)에 연결된 시료 유동관(121)과, 전원(170)으로부터 공급되는 전기에너지를 열에너지로 변환하여 시료 유동관(121)을 통해 흐르는 시료유체를 가열하는 열원으로서의 역할을 하도록 시료 유동관(121)의 외주에 감겨 있는 가열코일(122)과, 시료유체의 상류의 온도를 측정하는 온도측정기로서의 역할을 하도록 가열코일(122)의 상류에서 시료 유동관(121)의 외주에 감겨 있는 제1 감온코일(123) 및, 시료유체의 하류의 온도를 측정하는 온도측정기로서의 역할을 하도록 가열코일(122)의 하류에서 시료 유동관(121)의 외주에 감겨 있는 제2 감온코일(124)로 구성된다. 즉, 제1 감온코일(123)에서는 상류의 시료 유체의 온도에 대응하는 전기신호가 얻어지고, 제2 감온코일(124)에서는 하류의 시료유체의 온도에 대응하는 전기신호가 얻어진다.

또한, 질량유량측정센서(120)의 시료 유동관(121)은 통상적으로 그 상단이 유로(110)의 측벽을 관통하도록 연결되고, 그 하단은 상단보다 하류에서 유로(110)의 측벽을 관통하도록 연결됨으로써, 시료유체가 상단을 통해 유입된 후 하단을 통해 유출된다. 이 때, 정확한 측정치를 얻기 위해서는 유로(110)를 통해 흐르는 유체로부터 시료유체가 항상 일정한 비율로 채취되는 것이 보장되어야 한다. 이를 위해, 유로(110)의 내측에는 층류기(150)와 같은 유동안내기가 제공되어 시료 유동관(121)을 통과하지 않고 바이패스되는 유체의 유선을 변화시킨다.

이어서, 도 1에 보인 시료 유동관(121)의 상류 및 하류에서 각각 측정한 시료유체의 온도차를 이용하여 질량유량을 측정하는 원리에 대해 설명한다.

도 2에는 도 1에 보인 질량유량측정센서(120)에서 온도차를 이용하여 질량유량을 측정하는 원리가 개략적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 가열코일(122)에 의해 시료유체가 가열된 상태에서, 시료유체가 유동되지 않는 상태일 경우 제1, 제2 감온코일(123, 124)에서는 동일한 온도값에 해당하는 전기신호가 얻어지지만, 시료유체가 유동 상태일 경우 제1, 제2 감온코일(123, 124)에서는 온도차(ΔT)를 갖는 전기신호가 각각 얻어진다.

이러한 온도차(ΔT)는 상류에서 유입된 시료유체가 가열코일(122)부위를 지나면서, 가열코일(122)의 열을 일부분 흡수하면서 가열되어지며, 가열되어진 시료유체는 하류로 이동하기 때문이다. 즉, 시료 유동관내의 시료유체의 이동에 의한 대류현상 때문이다.

시료유체의 온도차(ΔT)는 열원이 제공한 열량(Q : heat flux or heat flow rate) 및 그 열량(Q)에 의해 가열되어지는 시료 유동관(121)을 통과하는 시료유체의 질량유량(m : mass flow rate)과 함수관계를 갖는다. 그러므로, 아래의 수학식 1과 같이, 시료유체의 비열(Cp : specific heat)과, 열원에 의해 가해지는 열량(Q) 및, 제1 및 제2 감온코일(123, 124)로부터의 전기신호에 의해 얻어지는 시료유체의 온도차(ΔT)로부터 시료 유동관(121)를 통해 흐르는 시료유체의 질량유량(m)을 계산할 수 있으며, 유로(110)를 통과하는 총 질량유량은 시료 유동관(121)을 통과하는 시료유체의 질량유량에 층류기(150)를 통과하는 질량유량과의 비율을 곱하여 계산한다.

통상적으로는, 열원에 의해 공급되는 열량을 일정하게 유지하고, 제어부(140)가 제1 및 제2 감온코일(123, 124)로부터의 전기신호에 의해 얻어지는 시료유체의 상류 및 하류의 온도차 또는 저항차에 대응하는 밸브 구동신호를 밸브 작동기(160)로 송출하며, 밸브 작동기(160)가 밸브 구동신호에 따라 밸브(130)를 작동시켜 유로(110)의 개도를 조절함으로써 유로(110)를 통해 흐르는 질량유량을 제어한다.

질량유량측정센서의 시료 유동관은 도 1에 도시된 바와 같이 일반적으로 단일관 방식의 시료 유동관이 많이 사용되고 있으나, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 시료 유동관(50)의 유로가 환형 유로(58)가 형성되도록 시료 유동관(50)의 내부에 시료 유동관(50)의 길이방향으로 평행하게 내부관(51)을 갖는 이중관 방식을 구비함으로써, 단일관 방식의 시료 유동관을 사용할 경우에 비하여 선형유량범위를 크게 확대시킨 이중관 방식의 시료 유동관을 구비한 질량유량측정센서도 사용되고 있다. 도 4 및 도 5에서 도면 부호 55는 가열코일이며, 56 및 57은 감온코일을 각각 나타낸다.

이와 같은 이중관 방식을 이용한 질량유량측정센서는 본 발명의 출원인이 출원한 대한민국 특허출원번호 10-2001-81357, 10-2002-14257, 10-2002-20202, 10-2002-79262에 상세히 기재되어있다.

이와 같은 질량유량제어기는 신속하고 정확한 질량유량의 측정과 제어가 가장 중요하다. 질량유량제어기의 빠른 측정과 제어를 위해서는 질량유량측정센서의 빠른 응답속도가 요구되며, 질량유량측정센서의 빠른 응답 속도을 위해서는 시료 유동관의 빠른 열평형 도달이 필요하다.

일반적으로 질량유량측정센서의 시료 유동관은 내부식성이 강한 스테인리스관으로 되어있다. 시료 유동관의 빠른 열평형 도달을 위해서는 직경이 작고 두께가 얇은 스테인리스관이 사용되어야 한다.

그러나, 스테인리스관을 가늘고 얇게 만드는 데는 제작상의 한계가 있으며, 또한 가늘고 얇은 스테인리스관을 사용할 경우 질량유량제어기의 정확도와 신뢰성을 저하시키는 등의 문제점이 있었다.

특히, 이중관 방식의 질량유량측정센서의 경우 시료 유동관과 내부관이 동시에 열평형에 도달하여야하므로 질량유량측정센서의 응답속도가 느리다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 질량유량측정센서에서 시료 유동관의 열평형 도달 시간을 단축시켜 질량유량측정센서의 응답속도를 향상시키기 위한 이중관 방식의 질량유량측정센서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 질량유량측정센서의 시료 유동관의 외부면에 설치된 가열코일과 감온코일을 외부환경의 변화로부터 보호될 수 있도록 하는 이중관 방식의 질량유량측정센서를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 단일관 방식의 질량유량제어기의 개략적인 구성도.

도 2는 종래의 단일관 방식의 질량유량측정센서의 시료 유동관에서 질량유량의 변화에 따른 온도분포의 변화를 개략적으로 도시한 그림.

도 3은 종래의 이중관 방식의 질량유량제어기의 개략적인 구성도.

도 4는 종래의 이중관 방식의 질량유량측정센서의 개략적인 구성도.

도 5는 도 4의 V-V' 선을 따라 절취한 종래의 이중관 방식의 질량유량측정센서의 횡단면도.

도 6은 본 발명의 첫 번째 실시 예에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서의 개략적인 구성도.

도 7은 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서의 개략적인 구성도.

도 8은 종래의 이중관 방식의 질량유량측정센서에서 비유동시 시료 유동관의 길이에 따른 온도분포특성을 개략적으로 도시한 그림.

도 9는 본 발명에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서에서 비유동시 시료 유동관의 길이에 따른 온도 분포특성을 개략적으로 도시한 그림.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

60 : 시료 유동관 61 : 내부관

62 : 가열코일 63, 64 : 감온코일

65 : 중공부 66 : 쉴드

67 : 코아 67a : 박막층

이상과 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이중관 방식의 질량유량측정센서에 있어서, 시료 유동관의 외부면에 쉴드를 설치함으로써, 가열코일과 감온 코일을 외부환경의 변화로부터 보호하고, 시료 유동관의 상류와 하류의 열균형을 이룰 수 있게 하는 열전달 매체(heat bridge)의 역할을 하도록 하여 시료 유동관의 열평형 영역을 단축시키고 시료 유동관의 열평형 도달 시간을 단축시키도록하여 질량유량측정센서의 응답속도를 향상시키고자한다.

또한, 시료 유동관의 내부관의 내부에는 봉 형태의 코아를 삽입하여 내부관의 열평형 도달을 빨리 이룰 수 있게 하여, 이중관 방식의 질량유량측정센서의 응답속도를 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서의 구성 및 동작을 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서의 개략적인 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서는, 유로를 통해 흐르는 유체로부터 항상 일정한 비율로 채취된 시료유체가 유동하는 시료 유동관(60)과; 시료 유동관(60)의 내부에 시료 유동관(60)의 길이 방향으로 설치되며, 시료 유동관(60)의 내면으로부터 일정간격 이격되어 간극을 형성하여 환형 유로가 형성되도록 비유동구역을 제공하기 위한 내부관(61)과; 시료 유동관(60)의 외부면의 중앙부의 일정구역에 권선되어 시료 유동관(60)의 내부에 유동하는 시료유체를 가열하기 위한 가열코일(62)과; 시료유체의 상류의 온도를 감지하기 위하여 시료 유동관(60)의 외부면에 가열코일(62)을 기준으로 상류부분의 일정구역에 설치된 제1 감온코일(63)과; 시료유체의 하류의 온도를 감지하기 위하여 시료 유동관(60)의 외부면에 가열코일(62)을 기준으로 하류부분의 일정구역에 설치된 제2 감온코일(64)과; 시료 유동관(60)의 상류와 하류에서부터 접지되어 가열코일(62)과 감온코일(63,64)을 사면에서 감싸도록 연장 형성되며, 가열코일(62)과 감온코일(63,64)을 외부환경으로부터 보호하도록 중앙부에 중공부(65)를 형성하며, 시료 유동관(60)의 상류와 하류의 열균형을 이룰 수 있도록 열전달 매체(heat bridge)의 역할을 하도록 형성된 쉴드(66)와; 내부관(61)의 내부에 삽입되어 내부관(61)의 빠른 열평형을 이루기 위한 봉 형태의 코아(67)로 구성된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서의 개략적인 구성도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서는 유로를 통해 흐르는 유체로부터 항상 일정한 비율로 채취된 시료유체가 유동하는 시료 유동관(60)과; 시료 유동관(60)의 내부에 시료 유동관(60)의 길이 방향으로 설치되며, 시료 유동관(60)의 내면으로부터 일정간격 이격되어 간극을 형성하여 환형 유로가 형성되도록 비유동구역을 제공하는 내부관(61)과; 시료 유동관(60)의 외부면의 중앙부의 일정구역에 권선되어 시료 유동관(60)의 내부에 유동하는 시료유체를 가열하기 위한 가열코일(62)과; 시료유체의 상류의 온도를 감지하기 위하여 시료 유동관(60)의 외부면에 가열코일(62)을 기준으로 상류부분의 일정구역에 설치된 제1 감온코일(63)과; 시료유체의 하류의 온도를 감지하기 위하여 시료 유동관(60)의 외부면에 가열코일(62)을 기준으로 하류부분의 일정구역에 설치된 제2 감온코일(64)과; 시료 유동관(60)의 상류와 하류에서부터 접지되어 가열코일(62)과 감온코일(63,64)을 사면에서 감싸도록 연장 형성되며, 가열코일(62)과 감온코일(63,64)을 외부환경으로부터 보호하도록 중앙부에 중공부((65)를 형성하며, 시료 유동관(60)의 상류와 하류의 열균형을 이룰 수 있도록 열전달 매체(heat bridge)의 역할을 하도록 형성된 쉴드(66)와; 내부관(61)의 내부 표면에 내부관(61)의 빠른 열평형을 이룰 수 있도록 형성된 박막층(67a)으로 구성된다.

여기서, 내부관(61)의 내부 표면에 형성된 박막층(67a)은 내부관(61)의 내부에 봉 형태의 코아(67)를 삽입할 때와 유사한 열전달 특성을 가지며, 내부관(61)의빠른 열평형을 이룰 수 있게 한다. 또한, 박막층(67a)은 코팅, 도금, 도포에 의하거나 화학 증착법을 이용하여 형성하는 것도 가능하다.

또한, 시료 유동관(60)에 설치되는 쉴드(66)나, 도 6에 도시된 바와 같은 내부관(61)의 내부에 삽입되는 봉 형태의 코아(67)나, 도 7에 도시된 바와 같이 코아(67)를 대신하여 형성되는 박막층(67a)의 재료는, 시료 유동관으로 사용되는 스테인리스보다 열전달 성능이 우수한 (즉, 열확산 계수: Thermal Diffusivity 값이 더 큰) 재료인 알루미늄, 구리, 금, 은과 같은 재질인 것이 바람직하다.

도 8은 종래의 이중관 방식의 질량유량측정센서의 시료 유동관에 쉴드와 코아를 사용하지 않은 경우에 대한 온도 분포 특성을 나타내고 있다. 도 8에 나타난 바와 같이 시료 유동관이 열평형에 도달하기 위해서는 시료 유동관과 내부관의 전체가 열평형에 도달하여야 하므로, 열평형 도달 시간이 오래 걸리게되어 질량유량측정센서의 응답속도가 느리게 진행되는 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 이중관 방식의 질량유량측정센서의 시료 유동관에 쉴드와 코아를 사용한 경우에 대한 온도 분포 특성을 나타내고 있다. 도 9에 나타난 바와 같이 시료 유동관의 외부면에 설치된 쉴드는, 쉴드와 접촉된 상류 부위의 시료 유동관과 쉴드가 접촉된 하류 부위의 시료 유동관 사이의 열전달 매체(heat bridge)로서의 역할을 하여 상류와 하류의 열균형을 맞추어주며, 쉴드와 접촉될 상류 부위의 시료 유동관과 쉴드와 접촉된 하류 부위의 시료 유동관의 온도를 동일하게 형성하도록 하여 준다. 따라서, 질량유량측정을 위한 시료 유동관의 열평형 영역이 쉴드에 의하여 형성된 중공부(65)의 내부구간으로 제한됨으로서 시료 유동관의 열평형 영역이 짧게 형성되며 시료 유동관의 열평형 도달 시간이 단축되어 질량유량측정센서의 응답속도를 빠르게 한다. 또한 내부관의 내부에 삽입되어진 코아는 내부관의 온도분포를 크게 이완시켜주며 시료 유동관의 빠른 열평형 도달을 이룰 수 있게 한다.

시료 유동관의 외부면에 설치된 쉴드의 또 다른 역할은, 시료 유동관의 외부면의 중앙부에 설치되어 시료유체를 가열하는 가열코일과, 시료유체의 상류와 하류의 온도를 감지하기 위한 한 쌍의 감온코일을 외부 환경과 단절시켜줌으로서 온도편차가 발생하는 외부환경의 변화로부터 이들을 보호하여주는 역할도 한다.

이상에서는 본 발명의 이중관 방식의 질량유량측정센서에 있어서, 가열코일과 감온코일의 대표적인 배치 형태에 대하여 적용한 본 발명의 일 실시 예에 관하여 설명하였지만, 여러 경우의 가열코일과 감온코일의 배치 유형에 따라 쉴드와 코아 및 박막의 구성을, 그 작용과 원리를 벗어남이 없이 변형하여 적용할 수 있는 것은 명백한 사실이다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 쉴드 및 코아를 장착한 이중관 방식의 질량유량측정센서에 따르면 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 종래의 이중관 방식의 질량유량측정센서에 열전달 성능이 우수한 재료를 사용하여 시료 유동관의 외부면에 쉴드를 설치함으로서 시료 유동관의 열평형 영역을 짧게 형성하며 열평형 도달 시간을 단축시켜, 이중관 방식의 질량유량측정센서의 응답속도를 크게 향상시킬 수 있다.

둘째, 내부관의 내부에 열전달 성능이 우수한 재료로 형성된 코아을 삽입하거나 내부관의 내부에 박막층을 형성하여 내부관의 열전달 성능을 향상시킴으로서 내부관의 온도분포를 이완시켜주며 선형유량범위를 크게 증대시킬 수 있다.

셋째, 시료 유동관의 외부면에 설치된 쉴드에 의하여 가열코일과 감온코일을 외부환경과 단절시켜줌으로서 외부환경의 변화에 따른 질량유량측정센서의 영향을 최소화시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 유로를 통해 흐르는 유체로부터 항상 일정한 비율로 채취된 시료유체가 유동하는 시료 유동관과;

   상기 시료 유동관의 내부에 상기 시료 유동관의 길이 방향으로 설치되며, 상기 시료 유동관의 내면으로부터 일정간격 이격되어 간극을 형성하여 환형 유로가 형성되도록 비유동구역을 제공하는 내부관과;

   상기 시료 유동관의 외부면의 중앙부의 일정구역에 권선되어 상기 시료 유동관의 내부에 유동하는 시료유체를 가열하기 위한 가열수단과;

   상기 시료유체의 상류부분의 온도를 감지하기 위한 제1 감온수단과;

   상기 시료유체의 하류부분의 온도를 감지하기 위한 제2 감온수단과;

   상기 시료 유동관의 상류와 하류에서부터 접지되어 상기 가열수단과 제1 및 제2 감온수단을 사면에서 감싸도록 연장 형성되며, 상기 가열수단과 제1 및 제2 감온수단을 외부환경으로부터 보호하도록 중앙부분에 중공부를 형성하며, 상기 시료유동관의 상류와 하류의 열균형을 이룰 수 있도록 열전달 매체(heat bridge)의 역할을 하는 쉴드로 구성된 것을 특징으로 하는 이중관 방식의 질량유량측정센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 내부관의 내부에 빠른 열평형 도달을 이룰 수 있게 하기 위하여 봉 형태의 코아를 더 구비한 것을 특징으로 하는 이중관 방식의 질량유량측정센서.
3. 제 1항에 있어서, 상기 내부관의 내부에 빠른 열평형 도달을 이룰 수 있게 하기 위하여, 상기 내부관의 내부 표면에 박막층을 더 구비한 것을 특징으로 하는 이중관 방식의 질량유량측정센서.
4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 상기 시료 유동관의 외부에 설치되는 쉴드나, 상기 내부관의 내부에 삽입되는 봉 형태의 코아나, 상기 박막층의 재료는 상기 시료 유동관으로 사용되는 재료보다 열확산 계수값이 더 큰 재료를 사응하는 것을 특징으로 하는 이중관 방식의 질량유량측정센서.
5. 제 3항에 있어서, 상기 내부관의 내부면에 형성된 박막층은, 코팅이나 도금, 도포에 의하거나, 화학 증착기법 등을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이중관 방식의 질량유량측정센서.