KR20060108720A - 튜브 조립체 및 방법 - Google Patents

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KR20060108720A
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조셉 씨. 딜레
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에머슨 일렉트릭 컴파니
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Abstract

유량 센서 튜브 조립체는 일반적으로 대향하는 제 1 및 제 2 부분을 갖는 베이스 부재를 포함한다. 개구는 베이스 부재를 통해 확장하고, 유량 센서 튜브의 단부는 개구에 수용된다. 충진재는 개구에 위치하고 베이스 부재의 제 1 부분에 인접하여 유량 센서 튜브를 둘러싸며 튜브를 베이스 부재에 부착시킨다. 유량 센서 튜브는 베이스 부재의 제 2 부분에 인접하여 베이스 부재에 용접된다.

Description

튜브 조립체 및 방법 {TUBE ASSEMBLY AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 튜브 연결에 관한 것이고, 특히 유량 측정 튜브를 베이스 부재에 연결하는 것에 관한 것이다.
유체 흐름의 측정 및 제어는 공정 공업에서 매우 중요하다. 다수의 제조 공정은 유체 전달에서 고도의 정확성 및 반복성을 요구하고, 따라서 공정 유체의 질량 흐름율이 정확하게 측정되고 제어될 것을 요구한다. 다양한 기술이 질량 흐름을 측정하는데 알려져 있다. 예를 들면, 코리올리(Coriolis) 힘의 효과에 기초한 질량 흐름 측정은 질량 흐름의 직접적인 측정을 제공한다. 전형적인 코리올리 힘 유량 센서의 경우에, 유량 감지 튜브를 통해 유체 흐름이 이루어지고, 유량 감지 튜브는 진동한다. 종종 이 튜브는 하나 이상이 루프(loop)의 형태를 가진다. 루프의 형태는 질량 흐름 벡터가 루프의 다른 부분에서 반대 방향으로 향하게 되어 있다. 튜브 루프는 예를 들어 "U"자 형태, 직사각형, 삼각형 또는 "델타" 형태 또는 코일 형태일 수 있다. 특별하게 직선 튜브의 경우에, 질량 흐름 벡터가 한 방향을 향하는 동안 튜브의 정점(anchor point)에 일치하는 두 개의 동시적 각속도 벡터가 있다.
진동하는 시스템에서, 회전 방향이 변하기 때문에 각속도 벡터는 방향을 변 화시킨다. 그 결과 정해진 시간에서, 코리올리 힘은 반대 방향으로 작용하고, 이 경우 질량 흐름 벡터 또는 각 속도 벡터는 반대 방향을 향한다. 각속도 벡터는 진동하는 시스템에 의해 연속적으로 변하기 때문에, 코리올리 힘도 연속적으로 변한다. 그 결과, 동적 비틀림 운동(dynamic twisting motion)이 튜브의 진동하는 운동 위에 가해진다. 비틀림의 정도는 정해진 각 속도에 대한 질량 흐름에 비례한다.
열적 질량 유량계기는 유량 감지 튜브를 통해 유체 흐름의 소부분을 라우팅(routing) 함에 의해 유량을 측정한다. 열은 감지 튜브의 중간 지점에 가해지고, 히터의 양 측부 상에 온도 센서가 있다. 각각의 온도 센서는 개별적인 위치에서 유체의 온도를 측정한다. 제 1 온도 센서는 히터의 상류 온도를 측정한다. 제 2 온도 센서는 히터의 하류 온도를 측정하고, 히터에 의해 가열된 유체에 해당하는 온도를 나타낸다. 히터의 양 측부 상에서 유체의 온도차는 질량 흐름율에 비례한다.
이러한 유량 측정 기구에서의 유량 감지 센서는, 일반적으로 튜브의 입구 및 출구 단부에 또는 그 근처에서, 베이스 부재에 일반적으로 연결된다. 신뢰 가능한 조작을 제공하기 위해, 튜브 연결은 견고하고 누수가 없어야만 한다. 일반적으로 유량 튜브는 베이스 부재에 납땜된다. 납땜은 견고하고 누수 없는 연결을 만들지만, 튜브 재료와 비교할 때 열악한 내식성을 가질 수 있다. 그러나, 공지된 제조 공정 및 허용한계(tolerance)는 만족할만한 용접 튜브 연결 접합을 이루기 어렵고, 이는 특히 낮은 유량의 응용, 즉 매우 작은 유량 감지 센서를 요구하는 응용에서 그러하다.
본 발명은 종래 기술과 관련된 단점을 설명한다.
본 발명의 한 태양에서, 유량 센서 튜브 조립체는 일반적으로 대향하고 있는 제 1 및 제 2 부분을 갖는 베이스 부재를 포함한다. 개구는 베이스 부재를 통해 확장하고 유량 센서 튜브의 단부는 개구에 수용된다. 충진재는 개구에 위치하고 베이스 부재의 제 1 부분에 인접한 유량 센서 튜브를 둘러싸며, 튜브를 베이스 부재에 부착시킨다. 그루브는 베이스 부재의 제 1 부분에서 형성될 수 있고 개구를 둘러싸며 납땜 조작을 촉진시키기 위해 개구에 인접한 상승된 보스(boss)를 형성한다. 유량 센서 튜브는 베이스 부재의 제 2 부분에 인접하여 베이스 부재에 부착된다. 예시적 실시예에서 향상된 용접을 이루기 위해, 니플(nipple)이 베이스 부재의 제 2 부분에 의해 형성되고 용접될 부품들의 두께를 잘 맞출 것이다. 또한, 니플은 개구 및 유량 센서 튜브 사이의 갭을 제거하기 위해 유량 센서 튜브 주위에 형성될 수 있다.
제 2 개구는 유량 센서 튜브의 반대 단부를 수용하기 위해 제공될 수 있다. 튜브의 이 단부는 제 1 단부와 동일한 방법으로 베이스 부재에 연결될 수 있고, 충진재는 제 2 개구에 위치하며 베이스 부재의 제 1 부분에 인접한 유량 센서 튜브를 둘러싸고, 유량 센서 튜브의 제 2 단부는 베이스 부재의 제 2 부분에 인접하여 베이스 부재에 용접된다.
튜브를 베이스 부재에 부착시키는 방법은 베이스 부재를 통해 확장하는 개구 안으로 튜브의 단부를 삽입하는 것을 포함하며, 이는 개시되어 있다. 충진재는 베이스 부재의 제 1 부분에 인접한 튜브 주위의 개구에 놓여있고 튜브를 베이스 부재에 연결시킨다. 또한, 튜브는 베이스 부재의 제 2 부분에 인접하여 베이스 부재에 용접된다. 베이스 부재의 제 2 부분은 개구 및 튜브 사이의 갭을 제거하기 위해 튜브 주위로 형성될 수 있다. 일 구현에서, 베이스 부재에 의해 형성된 원뿔형 니플은 틈새 조절기(clearance adjuster) 또는 스웨이지(swage)를 사용하여 형성될 수 있고, 개구 및 튜브 사이의 틈새를 제거한다.
본 발명이 다른 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명을 읽고 도면을 참조하면 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 질량 유량 측정 기구의 일부를 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 태양에 따른 튜브 조립체의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에서 도시된 튜브 조립체의 조립 사시도이다.
도 4는 도 2 및 3에서 도시된 튜브 조립체의 일부를 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 2 및 3에서 도시된 튜브 조립체의 베이스 부재의 저면도이다.
도 6은 여기서 개시된 튜브 조립체의 일부 및 틈새 조절기를 개념적으로 도시하는 단면도이다.
도 7 및 8은 베이스 부재에 관한 예시적 튜브의 일부를 도시하는 튜브 조립체의 단면도이다.
본 발명은 다양한 개조 및 변경 형태가 가능하지만, 구체적 실시예는 도면에 서 예에 의해 도시되었고, 여기서 상세하게 설명되었다. 그러나 여기의 구체적 시시예의 설명은 본 발명을 개시된 특별한 형태에 제한하려는 의도가 아니고, 반대로 본 발명은 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 것처럼 본 발명의 사상 및 범위 내에서 가능한 모든 개조 및 동등물 및 대체물을 포괄할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예가 이하에서 설명된다. 명료함을 위해, 이 개시에서 실제적인 구현의 모든 특징들이 설명되지는 않는다. 물론 이러한 실시예의 개발에서 다양한 특징적 구현 결정이 개발자의 특징적인 목적을 이루도록 만들어져야만 하는 데, 예를 들어 시스템 관련 및 사업 관련 제약에 순응하는 것이며, 이는 하나의 구현으로부터 다른 것으로 변할 것이다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소비적일 수 있음을 이해해야 할 것이나, 그럼에도 불구하고 이러한 개시의 혜택을 받는 당업자에게는 일상적인 일일 것이다.
도 1은 코리올리 기초 질량 유량 센서의 일부를 개념적으로 도시한다. 단순화를 위해, 이 개시의 일부는 콜리올리 질량 유량 측정 기구에서 구현되는 것으로 나타날 것이나, 본 개시는 안전하고 유체-밀봉(fluid-tight) 튜브 연결이 필요한 다른 기구에 응용이 가능하다. 예를 들면 이러한 개시의 혜택을 받는 당업자가 개시된 개념을 열적 질량 유량 측정 기구와 같은 다른 유량 측정 기구에 적용하는 것은 일상적인 일일 것이다.
도 1에서 도시된 코리올리 질량 유량 센서(10)는 유량 센서 튜브(12)를 포함하고, 드라이브(drive) 기구(14)는 튜브(12)를 진동시키기 위해 거기에 대응하여 위치한다. 픽오프(pick-off) 기구(16)는 코리올리 힘에 의한 튜브(10)의 뒤틀림을 측정하기 위해 튜브(10)에 대응하여 위치하고 있다. 유량 센서 튜브(10)의 단부는, 기구의 입구 및 출구 연결을 갖는 베이스 하우징(18)에 위치한 베이스 부재에 부착된다. 도 1에서 도시된 예시적 유량 센서 튜브(10)는 일반적으로 "U" 형태이지만, 델타(delta) 형태, 직사각형, 코일 형태 또는 직선 튜브와 같은 다른 형태의 튜브도 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 태양에 따른 예시적 유량 센서 튜브 조립체(100)의 분해 사시도이다. 센서 튜브 조립체(100)는 베이스 부재(110) 및 유량 센서 튜브(112)를 포함한다. 베이스 부재(110)는 유량 센서 튜브(112)의 단부를 수용하고 이를 통해 연장하는 개구(114)를 갖는다. 일반적으로 유량 센서 튜브(112)의 일 단부는 입구이고, 반대 단부는 출구이며, 이에 의해 유체 흐름이 유량 센서 튜브(112)에서 형성될 수 있고 흐름율이 측정된다. 도 3은 유량 센서 튜브(112)의 단부들이 개구(114)에 수용된 유량 센서 튜브 조립체(100)를 도시한다.
도 4는 베이스 부재(110)에서 개구(114)에 수용된 유량 튜브(112)의 단부를 도시하는 단면도이다. 충진재(filler material, 120)는 개구(114)에 위치하고 베이스 부재(110)의 제 1 부분(도 4에서 상부로 도시됨)에 인접한 유량 센서 튜브(112)를 둘러싸고, 튜브(112)를 베이스 부재(110)의 제 1 부분, 즉 상부에 인접하여 베이스에 부착시킨다. 예시적 실시예에서, 저온 합금 재료가 베이스 부재(110)의 상부에 인접하여 납땜(brazed) 연결을 이루는데 사용된다. 다른 실시예에서, 에폭시와 같은 접착제 또는 땜납(solder)이 충진재로 사용되고, 이에 의해 유량 센 서 튜브(112)가 베이스 부재(110)의 제 1 부분에 인접하여 부착된다.
또한, 유량 센서 튜브(112)는 제 2 부분(도 4에서 바닥부로 도시됨)에서 제 2 조인트(joint, 122)에 연결되고, 이 경우 베이스 부재(110)에 용접된다. 베이스 부재(110)에 대한 유량 센서 튜브(112)의 이중 조인트 부착은 안전하고 누수 없는 부착을 제공한다. 용접 부착(122)은 유체 시일(seal)을 제공하고, 납땜 조인트(120)는 구조상(structural) 부착을 제공한다.
예시적 실시예에서, 개구(114)는 두 구획(114a, 114b)을 갖고, 이는 각각 제 1 및 제 2 지름을 형성한다. 제 1 구획(114a)의 지름은 제 2 구획(114b)의 지름보다 더 크고, 이에 의해 방사상 갭이 튜브(112) 주위에 형성되며, 이로써 충진재(120)를 위한 공간을 제공한다. 납땜 충진재를 사용하는 일 실시예에서, 유도 가열(induction heating)이 납땜 조인트를 이루기 위해 사용되는데, 왜냐하면 이는 적절한 국부적인 열을 제공하고 튜브(112)를 손상시키지 않기 때문이다. 납땜 공정을 촉진시키기 위해, 베이스 부재(110)의 상부는 원형의 그루브(groove, 150)를 형성하고, 이는 상승된 보스(boss, 152)를 만들며, 이 보스는 납땜 조인트를 이루기 위한 유도 가열 도구를 위치시킨다.
용접시, 용접되는 두 부품의 두께를 맞추는 것이 요구된다. 베이스 부재(110)는 일반적으로 튜브(112)보다 상당히 두껍고, 이는 특히 매우 작은 튜브를 사용하는 낮은 유량 응용에서 그러하다. 튜브(112)의 벽에 대해 플레이트의 두께를 베이스 부재(110)의 두께로 더욱 꼭 맞게 맞추기 위해, 니플(nipple, 130)이 베이스 부재(110)의 바닥부 안으로 형성된다. 도 5는 베이스 부재(110)에 의해 형성된 니플(130)을 도시하는 베이스 부재(110)의 저면 사시도이다.
예시적 유량 튜브 조립체에서, 베이스 부재(110)는 약 0.330인치의 두께이고, 유량 센서 튜브(112)는 약 0.001인치 두께의 벽을 갖는다. 이러한 예시적 실시예에서, 니플(130)의 단부는 약 0.001인치(튜브의 벽의 두께와 동일함)로 뾰족해지고, 여기서 용접이 수행된다.
용접될 부품의 두께를 맞추는 것뿐만 아니라, 부품들의 두께의 약 10% 정도로 이들 사이의 갭을 줄이는 것이 바람직하다. 제 2 구획(114b) 및 튜브(112)의 지름 사이의 제조 허용한계는, 일관성 있는 용접 및 유체-밀봉 조인트를 이루기 위해 유량 튜브 센서(112) 및 베이스 부재(110) 사이에 요구되는 밀접한 접촉을 이루는 것을 어렵게 할 수 있다. 상기에서 인용된 예시적 실시예의 경우에, 튜브(112)는 0.001인치의 벽 두께를 갖고, 수용 가능한 갭은 0.0001인치일 것이다. 그러나, 유량 센서 튜브(112)의 외부 지름에 대한 일반적인 허용한계는 ±0.0002인치일 것이고, 이로써 수용 불가능한 0.0004인치 갭이라는 결과가 초래된다.
제조 허용한계에 불구하고 밀접한 접촉을 이루기 위해, 개구(114) 안으로 튜브(112)를 삽입한 후, 베이스 부재(110)는 튜브(112) 및 개구(114)의 제 2 구획(114b) 사이의 갭을 제거하도록 형성될 수 있다. 도 4에서 도시된 것처럼, 개구(114)의 제 2 구획(114b)의 일부는 니플(130)에 위치한다. 예시적 실시예에서 틈새 조절기(clearance adjuster), 또는 스웨이지(swage, 140)는 니플(130) 위로 프레스되고, 제어된 힘이 개구(114) 및 유량 센서 튜브(112) 사이의 갭을 차단한다. 도 6은 예시적 튜브 조립체에서 튜브(112) 주위에 베이스 부재(110)를 형성하기 위 한 스웨이징 공정을 개념적으로 도시한다. 도 6은 베이스 부재(110)를 거꾸로 도시하고, 이에 의해 베이스 부재(110)의 바닥부에 의해 형성된 니플(130)이 도면에서 도시된 것처럼 위를 향하고 있다. 예시적 실시예에서, 니플(130)은 일반적으로 원뿔형태이며, 약 62°로 뾰족함을 형성한다. 틈새 조절기(140)는 약 60°의 뾰족함(142)을 갖고, 이에 의해 힘이 튜브(112) 주위의 개구(114)를 스웨이지 하기 위해 틈새 조절기(140)에 가해질 때 니플(140)과 충돌하며, 이로써 이들 사이의 틈새를 제거한다.
도 7 및 8은 다른 튜브 위치/용접 결합 구조를 도시한다. 도 7에서, 튜브(114)는 튜브(114)의 단부가 일반적으로 니플(130)과 동일한 높이에 있도록 위치한다. 이러한 상황에서 용접은 베이스 부재(110)에 수직하게 이루어질 것이다. 도 8에서, 튜브(114)는 베이스 부재(110)로부터 내밀고 나와있다. 이러한 상황에서, 용접은 각을 이루며 이루어질 것이다.
상기에서 개시된 특별한 실시예는 오직 예시적인 것이고, 본 발명은 개조될 수 있고, 이와 다르나 동등한 방법들로 수행될 수 있음은 이 명세서의 분야의 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 여기서 도시된 구성 및 설계의 상세한 설명에 대한 어떠한 제한도 의도되지 않았으며, 이하의 청구 범위에서 설명된 경우도 마찬가지이다. 따라서 상기에서 개시된 특별한 실시예는 변경 또는 개조될 수 있음이 명백하고, 모든 이러한 변경은 본 발명의 범위 및 사상 내에서 고려된다. 따라서 여기서 요구되는 보호는 이하의 청구 범위에서 설명되는 것과 같다.

Claims (19)

  1. 유량 센서 튜브 조립체에 있어서,
    일반적으로 대향하는 제 1 및 제 2 부분을 가지는 베이스 부재;
    상기 베이스 부재의 제 2 부분에 의해 형성되는 니플(nipple);
    상기 니플 및 상기 베이스 부재를 통해 확장하는 개구;
    상기 개구에 수용되는 단부를 가지고 상기 베이스 부재의 제 2 부분에 인접하여 상기 베이스 부재에 용접되는 유량 센서 튜브; 및
    상기 베이스 부재의 제 1 부분에 인접한 상기 유량 센서 튜브를 둘러싸고 상기 개구에 위치하는 충진재(filler material);를 포함하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구가 각각 제 1 및 제 2 지름을 형성하는 제 1 및 제 2 구획을 가지고, 상기 제 1 지름이 상기 제 2 지름보다 큰 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 충진재가 상기 개구의 상기 제 1 구획에 위치하고, 상기 유량 센서 튜브를 둘러싸는 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 개구의 상기 제 2 구획이 상기 니플에 일부분 이상에 위치하는 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구에 인접한 상기 베이스 부재의 상기 제 2 부분이 상기 개구 및 상기 유량 센서 튜브 사이의 갭을 제거하기 위해 상기 유량 센서 튜브 주위에 형성되는 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 니플이 상기 개구 및 상기 유량 센서 튜브 사이의 갭을 제거하기 위해 상기 유량 센서 튜브의 주위에 형성되는 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량 센서 튜브의 일부가 상기 베이스 부재의 제 2 부분으로부터 확장 하는 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 부재를 통해 확장하는 제 2 개구;
    상기 제 2 개구에 수용되고, 상기 니플에 용접되는 상기 유량 센서 튜브의 제 2 단부; 및
    상기 베이스 부재의 제 1 부분에 인접한 상기 유량 센서 튜브를 둘러싸고, 상기 제 2 개구에 위치한 충진재;를 추가로 포함하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구에 인접한 상승된 보스(raised boss)를 형성하고 상기 개구를 둘러싸는, 상기 베이스 부재의 제 1 부분에 형성된 그루브(groove)를 추가로 포함하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재가 납땜 재료(braze material)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재가 땜납(solder)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재가 에폭시(epoxy)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    유량 센서 튜브 조립체.
  13. 튜브를 베이스 부재에 형성된 니플에 부착시키는 방법에 있어서,
    상기 니플을 통해 확장하는 개구 안으로 상기 튜브를 삽입하는 단계;
    상기 베이스 부재의 제 1 부분에 인접한 상기 개구 안에서 상기 튜브 주위로 충진재를 위치시키는 단계; 및
    상기 니플에 상기 튜브를 용접하는 단계;를 포함하는,
    튜브를 베이스 부재에 형성된 니플에 부착시키는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 개구가 각각 제 1 및 제 2 지름을 형성하는 제 1 및 제 2 구획을 가지고, 상기 제 1 지름이 상기 제 2 지름보다 크며, 상기 충진재를 위치시키는 단계는 상기 개구의 제 1 구획 내에서 상기 튜브 주위로 상기 충진재를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    튜브를 베이스 부재에 형성된 니플에 부착시키는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 베이스 부재의 제 2 부분을 상기 튜브로 스웨이징(swaging) 하는 단계를 추가로 포함하는,
    튜브를 베이스 부재에 형성된 니플에 부착시키는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 베이스 부재의 제 2 부분을 스웨이징 하는 단계는 상기 베이스 부재의 제 2 부분으로부터 상기 튜브로 연장하는 상기 니플을 스웨이징 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    튜브를 베이스 부재에 형성된 니플에 부착시키는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 튜브가 상기 개구 안으로 삽입되어 상기 튜브의 일부가 상기 베이스 부재의 제 2 부분으로부터 확장하는 것을 특징으로 하는,
    튜브를 베이스 부재에 형성된 니플에 부착시키는 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 니플을 통해 확장하는 제 2 개구 안으로 상기 튜브의 제 2 단부를 삽입 하는 단계;
    상기 베이스 부재의 제 1 부분에 인접한 상기 제 2 개구에서 상기 튜브의 제 2 단부 주위로 충진재를 위치시키는 단계; 및
    상기 니플에 상기 튜브의 제 2 단부를 용접하는 단계;를 포함하는,
    튜브를 베이스 부재에 형성된 니플에 부착시키는 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 충진재가 납땜 재료를 포함하고, 상기 개구에 위치한 상기 납땜 재료를 유도적으로 가열하는 단계를 추가로 포함하는,
    튜브를 베이스 부재에 형성된 니플에 부착시키는 방법.
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