KR20080041181A

KR20080041181A - 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조

Info

Publication number: KR20080041181A
Application number: KR1020087001431A
Authority: KR
Inventors: 토루 이케다
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-05-09
Also published as: EP1923685A1; US20090260447A1; JP5011110B2; CN101233400A; KR101260271B1; CN101233400B; WO2007018088A1; JPWO2007018088A1; US7802482B2

Abstract

본 발명은 제작 용이하고 비용 상승을 억제하면서 용접 불량 및 열왜곡의 발생을 억제하여 계측 정밀도의 향상을 달성할 수 있는 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조를 제공하는 것이다.

본 발명은 통형상 케이스의 일단 개구측에 유체압 수압용 다이어프램이 팽팽하게 설치되어 있음과 아울러, 이 다이어프램의 수압면과 반대측의 통형상 케이스 내에는 이 다이어프램의 휨 변위를 전기 용량의 변화로서 취출하는 고정측 전극이 설치되어 있는 정전용량형 압력계에 있어서, 상기 다이어프램의 외주연 부분을 중앙 부분보다 두껍게 형성하고, 이 두꺼운 외주연 부분을 열용융시켜 상기 통형상 케이스의 일단 개구 주변의 단면부에 용접하여 고착하였다.

정전용량형 압력계, 다이어프램, 케이스, 변위, 전극, 용접

Description

정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조{DIAPHRAGM MOUNTING STRUCTURE OF ELECTROSTATIC CAPACITANCE TYPE PRESSURE GAUGE}

본 발명은 예컨대 매스 플로 컨트롤러에서의 매스 플로 센서로 사용되는 압력계 등과 같이 통형상 케이스의 일단 개구측에 유체압 수압용 다이어프램이 팽팽하게 설치되어 있음과 아울러, 이 다이어프램의 수압면과 반대측의 통형상 케이스 내에는 이 다이어프램의 휨 변위를 전기 용량의 변화로서 취출하는 고정측 전극이 설치되어 있는 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조에 관한 것이다.

이러한 종류의 정전용량형 압력계의 다이어프램으로는 정밀한 압력 계측을 행할 수 있도록 하기 위하여 통상 25∼125μm 범위에서 전체가 0.1mm 이하인 균일한 두께의 박막이 사용된다. 또한, 그 직경도 1인치(25.4mm) 정도로 매우 작다.

이러한 박막이면서 소직경의 다이어프램을 통형상 케이스에 고정 상태로 부착함에 있어서, 종래 일반적으로는 다이어프램의 얇은 외주연부를 통형상 케이스의 일단 개구 주변의 단면부에 티그(Tig) 용접 등에 의해 직접 고정 장착하는 수단이 채용되고 있었다.

그러나, 상기한 바와 같이 두께가 얇은 외주연부를 통형상 케이스의 단면부에 용접하여 고정 장착하는 일반적인 수단의 경우에는, 용접 고정 장착의 대상인 통형상 케이스의 개선 용적과 다이어프램의 외주연부의 개선 용적과의 차이로 인해 통형상 케이스측이 잘 녹지 않고 다이어프램측이 쉽게 녹기 때문에, 용접 부위의 용융이 불균일해져 용접 불량을 발생하기 쉽고, 그만큼 제품 수율의 악화를 초래하기 쉽다. 또한, 두께가 얇은 다이어프램측에 있어서는 외주연부가 급속하게 열용융되어 용접 열이 다이어프램의 중앙부 쪽으로 진행하게 되는데, 그 용접 열의 진행 상태가 다이어프램의 전체 둘레에서 균일하지 않고 둘레 방향에서 흐트러지기 때문에 용접 외주연부의 내주에 이 외주연부와 비닮음꼴의 환상 주름 등의 열왜곡이 발생하고, 이 열왜곡에 기인하여 다이어프램의 휨 변위량에 악영향을 미치고, 그 결과 소정의 압력 계측 정밀도를 확보할 수 없다는 문제가 있다.

이러한 용접 불량이나 열왜곡의 발생은 용접 숙련기능의 향상에 의해 어느 정도까지 감소시키는 것이 가능하지만, 생산 기술의 관점에서 보면, 수율의 악화나 생산 비용의 상승의 원인이 되고, 또한 정교한 계측 정밀도를 확보하는 데까지는 도저히 이를 수 없다.

따라서 종래 정전용량형 압력계의 다이어프램으로서 그 외주연부를 제외한 중앙부를 프레스 가공함으로써 중앙부의 전 영역에 방사형 또는 다중 동심형의 물결이나 주름을 미리 적극적으로 형성한 다이어프램이 제안된 바 있다(예컨대 특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1: 미국 특허 제4,434,203호 명세서

상기 특허 문헌 1에 개시한 바와 같은 다이어프램에 의하면, 그 중앙부에 형성되어 있는 방사형 또는 다중 동심형의 물결이나 주름의 표면적이 충분히 크기 때문에 다이어프램의 외주연부를 통형상 케이스의 단면부에 용접할 때 중앙부 쪽으로 진행하는 용접 열을 효율적으로 방출하여 그 진행을 저지하고, 이에 따라 둘레 방향에서 불균일한 열왜곡의 발생을 억제하는 것이 가능하지만, 개선 용적의 차이로 인한 용접 부위의 용융의 불균일화에 따른 용접 불량의 발생 및 그것을 원인으로 하는 계측 정밀도의 저하는 피할 수 없다. 이에 더하여, 다이어프램 자체에 미리 방사형 또는 다중 동심형의 물결이나 주름을 프레스 가공 등에 의해 형성한다는 복잡한 제작 공정수의 증가와 용접 숙련기능의 향상이 필요 불가결함에 의한 수율의 악화 때문에 정전용량형 압력계 전체의 제작 비용이 고가가 된다는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 제작 용이하고 비용 상승을 억제하면서 용접 불량 및 열왜곡의 발생을 억제하여 계측 정밀도의 향상을 달성할 수 있는 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조는, 통형상 케이스의 일단 개구측에 유체압 수압용 다이어프램이 팽팽하게 설치되어 있음과 아울러, 이 다이어프램의 수압면과 반대측의 통형상 케이스 내에는 이 다이어프램의 휨 변위를 전기 용량의 변화로서 취출하는 고정측 전극이 설치되어 있는 정전용량형 압력계에 있어서, 상기 다이어프램의 외주연 부분을 중앙 부분보다 두껍게 형성하고, 이 두꺼운 외주연 부분을 열용융시켜 상기 통형상 케이스의 일단 개구 주변의 단면부에 용접하여 고착한 것을 특징으로 하는 것이다.

여기서, 본 발명에 있어서, 상기 다이어프램의 두꺼운 외주연 부분을, 이 다이어프램의 두께의 중앙을 대칭의 중심으로 하여 표리 대칭 형상으로 형성하는 것(청구항 2)이 바람직하고, 또한 다이어프램의 외주연 부분을, 용접 대상인 통형상 케이스의 개선 용적과 같거나 대략 같은 용적을 갖는 두께로 형성하는 것(청구항 3)이 바람직하다.

상기와 같은 특징적인 구성을 채용한 본 발명에 따르면, 다이어프램의 외주연 부분의 두께 증가에 의해 충분한 용접값(용융값)을 부여하는 것이 가능하고, 이 외주 부분을 균일하게 용융시켜 낮은 용접 숙련기능 하에서도 실수 없이 용이하고 확실하게 용접할 수 있을뿐만 아니라, 용접열이 다이어프램의 중앙부 쪽으로 진행함에 따른 열왜곡의 발생도 최대한 억제하여 소정의 휨 변위량을 확보할 수 있고, 이에 따라 압력 계측 정밀도의 향상을 달성할 수 있다. 게다가, 다이어프램을 제조함에 있어서는 마스킹 공정과 에칭 공정을 늘리는 것만으로 외주연 부분만이 두꺼워진 박막의 다이어프램을 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 다이어프램의 제조 비용의 저감화와 높은 용접 숙련기능을 요하지 않고도 용접 불량을 발생하지 않고 확실하고 용이하게 용접할 수 있는 것이 상승 작용을 하여 전체적인 제작 비용의 상승을 가능한 한 억제하면서 계측 정밀도가 높은 정전용량형 압력계를 얻을 수 있다는 효과를 이룬다.

특히, 다이어프램의 외주연 부분을 용접 대상인 통형상 케이스의 개선 용적과 같거나 대략 같은 용적을 갖는 두께로 형성함으로써 용접 부위의 용융량을 균일화 및 안정화시켜 휨 변위량이 안정된 정밀한 정전용량형 압력계를 수율 양호하게 제작하고, 비용의 더 많은 저감을 도모할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 정전용량형 압력계의 일례를 도시한 단면도이다.

도 2 는 상기 정전용량형 압력계의 다이어프램의 확대 종단면도이다.

도 3 은 상기 다이어프램의 평면도이다.

도 4 는 상기 다이어프램 외주연 부분의 용접 상태를 도시한 요부의 확대 단면도이다.

도 5 는 정전용량형 압력계의 다이어프램 외주연 부분의 다른 예를 도시한 요부의 확대 단면도이다.

<부호의 설명>

1 정전용량형 압력계 2 원통형 케이스

2e 개구 주변의 단면부 3 다이어프램

3a 두꺼운 외주연 부분 3b 중앙부분

4 고정측 전극 t 중앙부분의 두께

t1 외주연 부분의 두께 sc. 대칭의 중심

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 정전용량형 압력계의 일례를 도시한 단면도이며, 이 정전용량형 압력계(1)는, 스테인리스 스틸 등의 내부식성 소재로 구성된 원통형 케이스(2)의 일단 개구측에 가스 등의 유체압 수압용 다이어프램(3)이 팽팽하게 설치 되어 있음과 아울러, 이 다이어프램(3)의 수압면과 반대측의 원통형 케이스(2) 내의 중앙부에는 이 다이어프램(3)의 휨 변위를 전기 용량의 변화로서 취출하는 고정측의 전극(4)이 설치되어 있다.

상기 정전용량형 압력계(1)는, 압력계 부착 블록(5)에 형성된 오목형 공간(6) 내에 상기 다이어프램(3)이 유체압 검출 포트(11)에 대향하도록 삽입 배치됨과 아울러, 원통형 케이스(2)의 타단측에 일체 형성되어 외방으로 돌출하는 환상 플랜지부(7)와 상기 오목형 공간(6)의 개구단측 주변부에 형성된 환상 단차부(8) 사이에 금속 개스킷 등의 밀봉 링(9)을 개재시킨 후에, 환상 누름 부재(10) 및 체결 볼트(14)를 통하여 상기 환상 플랜지부(7)를 환상 단차부(8)에 누른 상태에서 압력계 부착 브래킷(5)에 체결 고정하여 사용된다.

그리고, 상기한 사용 형태에 있어서, 상기 유체압 검출 포트(11)의 유체 압력이 다이어프램(3)에 가해져서 이 다이어프램(3)이 유체 압력에 비례하여 휨 변위 하였을 때, 그 휨 변위량이 전기 용량의 변화로서 상기 고정측 전극(4)으로부터 취출되고, 정전용량형 압력계(1)와 별도로 설치된 전기 회로에서 처리되어 가스 등의 유체 압력이 계측된다.

상기와 같이 구성되며, 또한 상기와 같이 사용되는 정전용량형 압력계(1)에서의 다이어프램(3)은, 그 외주연 부분(3a)이 그 중앙부분(3b)보다 두껍게 형성되어 있다. 구체적으로는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 중앙부분(3b)의 두께(t)가 25∼125μm의 범위에서 균일하게 형성되어 있는 데 반해, 외주연 부분(3a)이, 중앙부분(3b)의 두께(t)의 중앙을 대칭의 중심(sc.)으로 하여 표리 대칭 형상 으로 전체의 두께(t1)가 500μm 정도인 두께로 형성되어 있다.

이와 같이 형성된 다이어프램(3)은, 도 4에 명시한 바와 같이, 그 두꺼운 외주연 부분(3a)을 환상의 중간 용재(2)를 통하여 상기 원통형 케이스(2)의 일단 개구 주변의 단면부(2e)에 꽉누를 수 있고, 이 상태에서 도 4의 일점 쇄선으로 에워싼 영역의 전체 둘레를 열용융하도록 티그 용접함으로써 상기 원통형 케이스(2)의 일단 개구 주변의 단면부(2e)에 고정 장착된다.

이 때, 다이어프램(3)의 외주연 부분(3a)이 충분한 용융값을 갖는 두께로 형성되어 있기 때문에, 용접 부위의 전체 둘레에 걸쳐 균일한 용융량을 안정적으로 확보하는 것이 가능하고, 이에 따라 용접 불량을 발생시키지 않고 확실하고 용이하게 용접하여 고정 장착할 수 있음과 아울러, 용접 열이 두께가 얇은 중앙부분(3b) 쪽으로 진행하는 것도 거의 없어 열왜곡의 발생을 억제 가능하며, 이에 따라 중앙부분(3b)의 휨 변위량을 소정과 같이 확보하여 압력 계측 정밀도의 향상을 달성할 수 있다.

특히, 다이어프램(3)의 외주연 부분(3a)을, 도 4에도 도시한 바와 같이, 용접 대상인 원통형 케이스(2)의 일단 개구 주변의 단면부(2e) 근처의 외주면부에 형성되는 V자형의 개선홈(13)보다 일단 개구측의 개선 용적과 같거나 대략 같은 용적을 가질 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 다이어프램(3)의 외주연 부분(3a)과 원통형 케이스(2)의 단면부(2e)와의 용접 부분의 용융이 균등해지고, 용융량이 전체 둘레에 걸쳐 안정되기 때문에 열왜곡의 발생이 보다 저감되어 압력 계측 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 다이어프램(3)의 외주연 부분(3a)의 두께 증가는 큰 박판재로부터 마스킹과 에칭으로 복수의 다이어프램(3)을 뽑아낸다는 일반적인 제조에 있어 마스킹 공정과 에칭 공정을 늘리는 것만으로 가능하며, 전술한 특허 문헌 1에 개시한 바와 같은 다이어프램에 비하여 제조가 용이하고 제조 비용 저감을 도모할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 다이어프램(3)의 외주연 부분(3a)을, 중앙부분(3b)의 두께(t)의 중앙을 대칭의 중심(sc.)으로 하여 표리 대칭 형상으로 형성한 것으로 개시하였으나, 도 5에 도시한 바와 같이, 중앙부분(3b)의 표리 한쪽에만 두께를 증가시킨 비대칭 형상으로 형성한 것일 수도 있다.

본 발명에 따른 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조는, 제작이 용이하고 비용 상승을 억제하면서 용접 불량 및 열왜곡의 발생을 억제하여 계측 정밀도의 향상을 달성할 수 있으므로, 예컨대 매스 플로 컨트롤러에서의 매스 플로 센서로 사용되는 압력계 등과 같이 통형상 케이스의 일단 개구측에 유체압 수압용 다이어프램이 팽팽하게 설치되어 있음과 아울러, 이 다이어프램의 수압면과 반대측의 통형상 케이스 내에는 이 다이어프램의 휨 변위를 전기 용량의 변화로서 취출하는 고정측 전극이 설치되어 있는 정전용량형 압력계에 적용할 수 있다.

Claims

통형상 케이스의 일단 개구측에 유체압 수압용 다이어프램이 팽팽하게 설치되어 있음과 아울러, 이 다이어프램의 수압면과 반대측의 통형상 케이스 내에는 이 다이어프램의 휨 변위를 전기 용량의 변화로서 취출하는 고정측 전극이 설치되어 있는 정전용량형 압력계에 있어서,

상기 다이어프램의 외주연 부분을 중앙 부분보다 두껍게 형성하고, 이 두꺼운 외주연 부분을 열용융시켜 상기 통형상 케이스의 일단 개구 주변의 단면부에 용접하여 고착한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 다이어프램의 두꺼운 외주연 부분이 이 다이어프램의 두께의 중앙을 대칭의 중심으로 하여 표리 대칭 형상으로 형성되어 있는 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 다이어프램의 외주연 부분이 용접 대상인 통형상 케이스의 개선 용적과 같거나 대략 같은 용적을 갖는 두께로 형성되어 있는 정전용량형 압력계의 다이어프램 부착 구조.