KR20100116515A - 반투과성막을 가진 압력센서 및 그 설치구조 - Google Patents

반투과성막을 가진 압력센서 및 그 설치구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력의 센싱 정밀도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 반투과성막을 가진 압력센서 및 그 설치구조에 관한 것이다.
본 발명에 의한 압력센서는 내부에 중공부가 형성되고, 상기 중공부에는 회로기판 및 압력감지소자가 설치된 하우징; 상기 하우징의 일단에 구비되고, 유체의 유로와 접속하며, 상기 유체가 유입되는 압력도입구를 가진 접속부; 및 상기 하우징의 타단에 구비되는 커넥터;를 포함하고, 상기 접속부의 압력도입구는 그 일단이 외부로 향하고, 그 타단이 상기 하우징의 중공부를 향하며, 상기 압력도입구의 일단에는 반투과성막이 구비되고, 상기 압력도입구의 타단에는 메탈 다이어프램이 구비되는 것을 특징으로 한다.
압력센서, 중공부, 하우징, 압력감지소자, 접속부, 커넥터

Description

반투과성막을 가진 압력센서 및 그 설치구조{PRESSURE SENSOR WITH A SEMI-PERMEABLE MEMBRANE AND MOUNTING STRUCTURE OF THE SAME}
본 발명은 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력의 센싱 정밀도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 반투과성막을 가진 압력센서 및 그 설치구조에 관한 것이다.
널리 주지된 바와 같이, 압력센서는 각종 압력을 측정하는 데 이용되는 측정기구의 일종이다.
압력센서는 자동차, 화학설비, 반도체 제조설비 등에서, 유체가 통과하는 유로 또는 밸브측에 설치되어 유체의 압력을 측정하는 데 주로 많이 이용되며, 예컨대 자동차의 매니폴드 압력, 엔진 유압, 연료전지 차량의 수소가스 또는 공기의 압력, 소음기 내의 배기가스 압력, 그외 기타 일반 산업용 압력계 등에 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 압력 범위를 고정밀도로 측정하는 데 사용된다.
이러한 압력센서는 유체가 유입되는 압력도입구 및 압력도입구에 근접하여 설치된 압력감지소자로 구성되고, 압력감지소자는 반도체칩 또는 스트레인게이지 등과 같이 다양한 소자로 구성될 수 있다. 한편, 압력센서는 유체의 압력을 정밀하 게 센싱하여야 할 뿐만 아니라 그 내구성이 길어야 하고, 특히 외부 온도 조건에 의해 영향을 적게 받도록 설계되어야 한다.
예컨대, 수소가스, 공기, 배기가스 등과 같은 기체상태의 유체가 통과하는 유로 또는 밸브 측에 설치되는 압력센서는 압력도입구 내로 물이나 수증기 등이 쉽게 유입될 수 있고, 이 경우 외부 온도가 영하가 될 경우 그 유입된 수분에 의해 압력도입구 및 압력감지소자가 얼어 압력의 센싱이 불가능해지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 압력 센싱의 정밀성을 향상시킬 뿐만 아니라 내구성을 향상시킬 수 있고, 특히 외부 온도 조건에 의해 영향을 받지 않는 반투과성막을 가진 압력센서 및 그 설치구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력센서는,
내부에 중공부가 형성되고, 상기 중공부에는 회로기판 및 압력감지소자가 설치된 하우징;
상기 하우징의 일단에 구비되고, 유체의 유로와 접속하며, 상기 유체가 유입되는 압력도입구를 가진 접속부; 및
상기 하우징의 타단에 구비되는 커넥터;를 포함하고,
상기 접속부의 압력도입구는 그 일단이 외부로 향하고, 그 타단이 상기 하우징의 중공부를 향하며, 상기 압력도입구의 일단에는 반투과성막이 구비되고, 상기 압력도입구의 타단에는 메탈 다이어프램이 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 압력감지소자는 메탈 다이어프램에 접촉되어 배치되고, 상기 메탈 다이어프램의 압력 변형을 감지할 수 있는 스트레인게이지인 것을 특징으로 한다.
상기 접속부는 몸체부 및 장착부를 가지고, 상기 몸체부는 그 외주면에 복수 의 평탄면이 원주방향으로 연결되어 형성되며, 상기 장착부는 그 외주면에 나사부가 형성되어 있다.
상기 장착부의 단부에는 돌출부가 형성되고, 상기 압력도입구는 돌출부까지 연장되며, 상기 돌출부의 외주면에는 마감캡이 나사결합되고, 상기 마감캡에 의해 상기 반투과성막은 상기 압력도입구의 개구에 지지된다.
또한, 본 발명에 의한 압력센서의 설치구조는 유체가 통과하는 유로 또는 유체를 수용하는 수용공간을 가진 챔버의 외측에 설치되는 것으로,
상기 챔버는 그 일측에는 장착탭이 고정되고, 상기 장착탭의 내경에는 상기 압력센서의 장착부가 나사결합되며,
상기 압력도입구의 개구가 상기 장착탭의 내경에서 돌출하도록 상기 돌출부가 연장되고, 이에 상기 압력도입구의 개구가 상기 챔버의 수용공간 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 유체가 통과하는 유로 측에 그 접속이 매우 간편하게 이루어질 뿐만 아니라 정밀한 압력센싱을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 수증기 또는 물 등과 같은 습기 성분이 압력도입구 내로 유입됨을 차단할 뿐만 아니라 압력도입구 내외의 습도평형화를 유지할 수 있고, 이에 외부 온도조건에 의한 영향을 받지 않음으로써 동절기에도 압력 센싱을 안정적이고 정밀하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명에 의한 압력센서의 설치구조는 유로 또는 챔버의 장착탭에 설치됨에 있어서, 돌출부에 의해 압력도입구가 유로 또는 챔버 내로 돌출됨에 따라 수분성분이 압력도입구 상에 잔류함을 방지하여 동절기에 수분성분의 동결을 미연에 차단할 수 있고, 이를 통해 압력센서의 정밀하고 안정적인 측정작동을 구현할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반투과성막을 가진 압력센서를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 압력센서(100)는 하우징(10), 상기 하우징(10)의 일단에 구비된 접속부(20), 상기 하우징(10)의 타단에 구비된 커넥터(30)를 포함한다.
하우징(10)은 그 내부에 중공부(11)가 형성되고, 이 중공부(11) 내에는 회로기판(12) 및 압력감지소자(13)가 설치되어 있다. 압력감지소자(13)는 회로기판(12)에 리드선(13a)을 통해 전기적으로 접속된다. 하우징(10)의 중공부(11)는 접속부(20) 및 커넥터(30)에 의해 그 밀폐성이 보장되고, 이에 중공부(11) 내에 위치한 압력감지소자(13)는 정밀한 압력센싱이 용이한 장점이 있다.
또한, 하우징(10)은 그 내주면 또는 외주면에 차폐층(27)이 배치될 수 있고 (도 2에서는 내경면에 배치된 것으로 예시함), 이 차폐층(27)에 의해 내/외부에서 발생하는 전자기파를 차단함으로써 압력감지소자(13)에 의한 보다 정밀한 압력센싱을 구현할 수 있다.
접속부(20)는 튜브, 파이프, 밸브 등과 같이 유체가 통과하는 유로(P) 또는 챔버(50)측에 접속되는 구성으로, 접속부(20)는 헤드부(23)를 가지고, 헤드부(23)는 그 외주면에 복수의 평탄면(23a)이 원주방향으로 연결됨으로써 육각기둥, 오각기둥 등과 같은 다각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 헤드부(23)는 육각볼드 또는 오각 볼트 등과 같은 체결용 볼트의 헤드와 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 이에 의해, 헤드부(23)의 평탄면(23a)에 스패너, 렌치 등을 끼워 회전시킴으로써 접속부(20)를 유로(P)측에 간편하게 설치할 수 있다.
접속부(20)의 헤드부(23)에는 장착부(21)가 연장되고, 이 장착부(21)는 그 외주면에 제1나사부(21a)가 형성된다.
접속부(20)는 연결부(24)를 매개로 하우징(10)에 일체로 연결될 수도 있고, 하우징(10)과 접속부(20)는 연결부(24)에서 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.
그리고, 접속부(20)는 대략 중심부에 유로를 통과하는 유체의 압력을 받는 압력도입구(25)를 가지고, 이 압력도입구(25)를 통해 유체가 유입됨으로써 접속부(20)는 유체의 압력을 받는다.
압력도입구(25)는 그 일단에 유체의 유로와 소통하는 개구(25a)를 가지고, 이 압력도입구(25)의 개구(25a)에는 반투과성막(28, semi-permeable membrane)이 설치된다. 반투과성막(28)은 테프론 등과 같이 5㎛이하의 미세기공을 가진 재질로 구성되고, 이 반투과성막(28)에 의해 물이나 수증기, 기타 고형 이물질 등이 압력도입구(25) 내로 유입됨이 차단되고, 수소기체 또는 공기 등과 같은 기체 상태의 유체만이 반투과성막(28)을 통과하여 압력도입구(25) 내로 유입될 수 있다.
이에, 본 발명은 반투과성막(28)에 의해 수증기 또는 물 등과 같은 습기 성분이 압력도입구(25) 내로 유입됨을 차단할 뿐만 아니라 반투과성막(28)의 삼투압원리에 의해 압력도입구(25) 내외의 습도평형화를 일정하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 외부 온도조건에 의한 영향을 받지 않음으로써 동절기에도 압력 센싱을 안정적이고 정밀하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
장착부(21)의 단부에는 돌출부(22)가 형성되고, 압력도입구(25)는 돌출부(22)의 단부까지 연장된다. 돌출부(22)의 외주면에는 나사부(22a)가 형성되고, 나사부(22a)에는 마감캡(29)이 나사결합되며, 마감캡(29)의 내경면과 돌출부(22)의 나사부(22a) 사이에는 반투과성막(28)의 가장자리가 끼워짐에 따라 반투과성막(28)은 압력도입구(25)의 개구(25a)에 안정적으로 설치된다.
이와 같이, 반투과성막(28)은 그 가장자리가 마감캡(29) 및 돌출부(22)의 나사결합되는 부분 사이에 개재됨으로써 견고하게 결합될 수 있고, 또한 반투과성막(28)이 돌출부(22)의 단부에 기밀하게 밀착됨으로써 반투과성막(28)의 주변에 습도성분이 잔류할만한 공간을 주지 않아 빙결 내지 동결의 가능성을 미연에 차단할 수 있다.
압력도입구(25)의 타단은 하우징(10)의 중공부(11)를 향하며, 이 압력도입구(25)의 타단에는 메탈 다이어프램(26)이 구비됨으로써 폐쇄된다.
메탈 다이어프램(26)은 압력도입구(25)를 통해 유입된 수소가스 또는 공기 등과 같은 유체에 의해 변형이 발생한다. 이 메탈 다이어프램(26)의 이면에는 압력감지소자(13)가 설치되며, 압력감지소자(13)는 메탈 다이어프램(26)의 압력변형을 감지할 수 있는 스트레인게이지로 구성됨이 바람직하다.
한편, 접속부(20) 및 메탈 다이어프램(26)은 스테인레스, 알루미늄 등과 같이, 고온/고압에 대한 안정성이 우수하고, 수소가스 등이 접촉할 경우 그 화학작용에 의한 취성이 발생하지 않도록 내화학성이 뛰어나며, 압력에 의한 변형 후에 그 복원성이 뛰어난 다양한 금속재질로 구성됨이 바람직할 것이다.
커넥터(30)는 하우징(10)의 타단에 결합되고, 커넥터(30)가 하우징(10)의 타단에 결합됨으로써 하우징(10)의 중공부(11)는 밀폐될 수 있다. 커넥터(30)는 단자부재(31)를 가지고, 단자부재(31)는 하우징(10)의 회로기판(12)에 전기적으로 접속된다.
그리고, 커넥터(30)의 외주면에는 결합후크(33)가 형성될 수 있고, 커넥터(30)의 단자부재(31)에 플러그(40)가 접속될 경우 플러그(40)의 걸림부(43)가 커넥터(30)의 결합후크(33)에 걸림결합됨으로써 플러그(40)와 커넥터(30)의 접속상태를 견고하게 유지시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명은, 접속부(20)의 몸체부(23) 및 장착부(21)에 의해 유로의 유로(P) 측에 보다 간편하게 접속될 수 있고, 하우징(10) 내의 중공부(11)가 접속부(20) 및 커넥터(30)에 의해 완전히 밀폐된 구조로 형성됨으로써 압력감지소자(13)의 센싱 정밀도가 향상되는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 압력센서는 반투과성막(28)에 의해 수증기 또는 물 등과 같은 수분 성분이 압력도입구(25) 내로 유입됨을 차단할 뿐만 아니라 반투과성막(28)의 삼투압원리에 의해 압력도입구(25) 내외의 습도평형화를 일정하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 외부 온도조건에 의한 영향을 받지 않음으로써 동절기에도 압력 센싱을 안정적이고 정밀하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서의 설치구조를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 압력센서(100)는 유체가 통과하는 파이프, 튜브 등과 같은 유로(P)측에 설치될 수 있다. 압력센서(100)의 장착부(21)는 유로(P)측에 설치되고, 장착부(21)의 제1나사부(21a)가 유로(P)의 체결공에 나사결합됨으로써 압력센서(100)의 견고한 결합을 유지할 수 있다.
그리고, 제1나사부(21a)의 일측에는 오링 등과 같은 밀봉부재(21b)가 구비되며, 이 밀봉부재(21b)에 의해 접속부(20)는 유로(P)에 밀봉적으로 결합된다.
한편, 본 발명의 압력센서(100)는 돌출부(22)가 장착부(21)에서 돌출된 구조로 인해 압력도입구(25)의 개구(25a)가 유로(P)의 내부공간으로 돌출될 수 있고, 이를 통해 압력도입구(25)의 개구(25a)는 유로(P)의 내부공간을 통과하는 유체의 압력을 정밀하게 감지할 수 있다. 또한, 압력센서(100)의 압력도입구(25)의 개구(25a)가 유로(P)의 내부공간으로 돌출된 구조로 인해, 유체(P) 내의 수분 성분이 잔류할만한 영역을 제거함으로써 동절기 시에 유체의 동결을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력센서의 설치구조를 측단면도로서, 본 발명의 압력센서가 챔버 측에 설치된 상태를 도시한 도면이다. 이러한 챔버는 유로 상에 설치되고, 챔버의 내부에는 일시 저장되거나 통과하는 유체를 수용하는 수용공간이 형성된다. 이렇게 유체가 수용되는 수용공간을 가진 챔버측에 압력센서를 설치함으로써 유체의 압력을 매우 간편하게 측정할 수 있다.
도 4의 챔버는 연료전지 차량의 수소공급용 챔버(50)를 예시하고 있으며, 연료전지 차량은 연료와 공기의 화학적 반응을 통해 전기에너지를 발생시켜 그 전기에너지로 차량을 구동하는 차량으로, 이러한 연료전지 차량의 연료로는 수소가 이용되고 있다.
한편, 연료전지 차량의 연료전지시스템은, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(stack), 연료전지 스택 내로 수소를 공급하는 수소공급계(FPS; Fuel Process System), 연료전지 스택 내로 산화제인 산소를 공급하는 산소공급계(APS; Air Process System), 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다. 수소공급계(FPS)는 수소재순환모듈, 수소공급라인 및 재순환라인, 저압레귤레이터, 수소탱크, 수소공급용 매니폴드 등을 구비한다.
이러한 연료전지 차량의 수소공급계를 통해 공급되는 수소가스는 그 압력 상태가 정밀하게 감지되어야 하고, 이를 통해 연료전지 차량의 안정적인 전력생산을 구현할 수 있다.
도 4의 수소공급용 챔버(50)는 수소공급계(FPS)의 수소공급라인과 재순환라 인 상에 설치되고, 수소공급용 챔버(50)의 내부에는 수소가스가 수용되는 수용공간(51)이 형성된다. 그리고, 수소공급용 챔버(50)의 외측벽에는 하나 이상의 인렛피팅, 아웃렛피팅, 재순환용 피팅 등이 설치되어 있다.
수소공급용 챔버(50)의 일측 벽면에는 장착탭(55)이 고정되고, 이 장착탭(55)은 그 내경면에 암나사부(55a)가 형성되며, 이 암나사부(55a)에는 장착부(21)의 제1나사부(21a)가 나사결합됨으로써 본 발명의 압력센서가 장착탭(55)에 장착되고, 압력센서(100)는 챔버(50) 내의 수소가스 압력을 고정밀도로 측정하는 데 이용된다. 특히, 장착탭(55)이 챔버(50)의 벽면에 용접 등을 통해 고정됨에 따라 챔버(50)는 벽면의 두께를 감소시켜 수용공간(51)의 체적을 상대적으로 증대시킬 수 있다.
한편, 연료전지 차량의 수소공급계를 통해 공급되는 수소가스에는 용이한 화학반응을 위하여 수분에 의해 일정한 가습상태를 유지하도록 구성된다. 이에, 압력센서(100)의 돌출부(22)가 충분히 돌출되지 않을 경우에는 압력센서(100)의 압력도입구(25)의 개구(25a)는 장착탭(55)의 내경에 위치하게 되고, 이렇게 압력도입구(25)의 개구(25a)가 장착탭(55)의 내경에 위치할 경우 가습상태에서 수증기 또는 물과 같은 수분성분이 압력도입구(25)의 개구(25a)와 장착탭(55)의 내경 사이에 잔류하고, 이렇게 잔류한 수분성분은 동절기에 빙결되어 압력도입구(25) 및 장착탭(55)의 내부를 막아 센서의 파손 및 오동작 등을 초래할 수 있는 위험이 있다.
따라서, 본 발명에 의한 압력센서의 설치구조는, 압력도입구(25)의 개구(25a)가 장착탭(55)의 내경에서 돌출하도록 돌출부(22)가 연장되고, 이에 압력도 입구(25)의 개구(25a)가 챔버(50)의 수용공간(51) 내에 위치하는 것을 특징으로 한다. 특히, 돌출부(22)는 장착부(21) 보다 길거나 동일한 길이로 연장될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 의한 압력센서의 설치구조는, 압력도입구(25)의 개구(25a)와 장착탭(55)의 내경 사이에 수분성분이 잔류할 만한 공간을 주지않음으로써 수분성분의 잔류를 방지할 수 있고, 이를 통해 동절기에 수분성분의 빙결을 방지할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 압력센서(100)는 챔버(50)의 장착탭(55)에 설치되는 경우 돌출부(22)에 의해 압력도입구(25)가 챔버(50)의 수용공간(51) 내로 돌출됨에 따라 수분성분이 압력도입구(25) 및 장착탭(55) 상에 잔류함을 방지하여 동절기에 수분성분의 동결을 미연에 차단할 수 있고, 이를 통해 압력센서(100)의 정밀하고 안정적인 측정작동을 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반투과성막을 가진 압력센서를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반투과성막을 가진 압력센서를 도시한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서의 설치구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서의 설치구조를 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 하우징 11: 중공부
13: 압력감지소자 20: 접속부
21: 장착부 23: 헤드부
30: 커넥터

Claims (6)

  1. 내부에 중공부가 형성되고, 상기 중공부에는 회로기판 및 압력감지소자가 설치된 하우징;
    상기 하우징의 일단에 구비되고, 유체의 유로와 접속하며, 상기 유체가 유입되는 압력도입구를 가진 접속부; 및
    상기 하우징의 타단에 구비되는 커넥터;를 포함하고,
    상기 접속부의 압력도입구는 그 일단에 유로와 소통하는 개구를 가지고, 그 타단이 상기 하우징의 중공부를 향하며, 상기 압력도입구의 일단에는 반투과성막이 구비되고, 상기 압력도입구의 타단에는 메탈 다이어프램이 구비됨로써 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 반투과성막을 가진 압력센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력감지소자는 메탈 다이어프램에 접촉되어 배치되고, 상기 메탈 다이어프램의 압력 변형을 감지할 수 있는 스트레인게이지인 것을 특징으로 하는 반투과성막을 가진 압력센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접속부는 몸체부 및 장착부를 가지고, 상기 몸체부는 그 외주면에 복수의 평탄면이 원주방향으로 연결되어 형성되며, 상기 장착부는 그 외주면에 나사부 가 형성되는 것을 특징으로 하는 반투과성막을 가진 압력센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장착부의 단부에는 돌출부가 형성되고, 상기 압력도입구는 돌출부의 단부까지 연장되며, 상기 돌출부의 외주면에는 마감캡이 나사결합되고, 상기 반투과성막은 상기 마감캡에 의해 상기 압력도입구의 개구에 설치되는 것을 특징으로 하는 반투과성막을 가진 압력센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 내주면 및 외주면 중에서 어느 일측에는 차폐층이 구비되는 것을 특징으로 하는 반투과성막을 가진 압력센서.
  6. 유체가 통과하는 유로 또는 유체를 수용하는 수용공간을 가진 챔버의 외측에 제4항에 의한 압력센서가 설치되는 구조에 관한 것으로,
    상기 챔버는 그 일측에는 장착탭이 고정되고, 상기 장착탭의 내경에는 상기 압력센서의 장착부가 나사결합되며,
    상기 압력도입구의 개구가 상기 장착탭의 내경에서 돌출하도록 상기 돌출부가 연장되고, 이에 상기 압력도입구의 개구가 상기 챔버의 수용공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 설치구조.
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