KR20160045763A - 고분자 재료로부터 코리올리 질량 유량율 센서를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

고분자 재료로부터 코리올리 질량 유량계를 제조하는 방법은, 동적 반응 매니폴드가 유량 센서의 유량 민감성 부재와 동일한 재료로 제조되는 것으로 설명할 수 있다. 상기 유량계에는 기계적 조인트들 및 접착제들이 사용되지 않는다. 따라서, 매니폴드 및 유량 민감성 부재는 미끄러지거나 서로에 대한 상대 위치가 변하지 않고, 완전성, 신뢰성, 및/또는 진동하는 유량 민감성 부재의 단부에서 경계 조건의 정확성을 저하시킬 수 있는 열적 팽창의 차이가 발생하지 않게 된다.

Description

고분자 재료로부터 코리올리 질량 유량율 센서를 제조하는 방법{METHOD OF MANUFACTURING A CORIOLIS MASS FLOW RATE SENSOR FROM A POLYMERIC MATERIAL}
본 출원은 2013년 8월 22일에 출원된, 미국출원 제61/868,705호를 기초로 한 우선권 주장 출원이다.
본 발명은 코리올리 원리를 사용하여 유체 질량 유량율을 측정하는 장치에 관한 것으로서, 특히, 고분자 물질로부터 제조되는 코리올리 유량율 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
코리올리 질량 유량계는 밀폐된 도관을 통해 이동하는 유체의 질량 유량율을 측정하는 데에 사용될 수 있다. 종래의 코리올리 유량계는 센서를 통해 이동하는 유체 질량 유량율의 지표에 따라 코리올리 유도 굴절(또는 튜브체의 굴절 효과)이 규정된 방식으로 측정될 수 있도록 진동이 이루어지는 다양한 형태의 (유체의 이동이 가능한) 하나 이상의 튜브체가 이용된다.
종래의 코리올리 유량계의 대다수는 유량 민감성 부품으로서 금속 합금 유량 튜브가 사용되고 있다. 종래 기술에 따르면, 이론적으로는 플라스틱이 유량 튜브체로서 금속을 대신하여 사용됨으로써, 금속을 사용하지 않는 방안에 대하여 교시하고 있다. 미국특허 제7,127,815호 문헌의 두 번째 칼럼의 16-25줄에는, "금속 유량 튜브체를 대신하여 플라스틱 유량 튜브체를 사용함으로써 유량계와 같은 구조물을 제조할 수 있다"라는 문구가 기재되어 있다. 그러나, 이러한 구조물은 유량계가 작동 상태의 유효 범위를 초과하여 작동하게 되면 정확한 출력 정보를 산출하도록 구동되지 못하는 문제가 있었다. 유량계가 플라스틱으로 제조될 수 있다는 단순한 주장은 플라스틱이 금속을 대신할 수 있다는 추상적인 개념에 불과할 뿐이었다. 또한, 플라스틱 유량계는 작동 상태의 유효 범위를 초과하여 작동하게 되면, 어떻게 정확한 정보를 산출할 수 있는지에 대한 정보가 전혀 교시되지 않는다. 이와 유사한 내용이 미국특허 6,776,053호의 첫 번째 칼럼의 58-68줄과 두 번째 칼럼의 1-10줄에 기재되어 있다.
코리올리 유량계의 성공적인 작동을 위한 기초적인 구성은, 고정되고, 안정적이고, 불변의 경계 조건이 진동하는 유량 민감성 부품(예를 들어, 미국특허 제7,127,815호 및 미국특허 6,776,053호 문헌의 튜브체)의 단부에 설정된 상태에서 유량 민감성 부품이 지지 베이스에 고정되게 부착되어야만 한다는 점이다. 미국특허 제7,127,815호 및 미국특허 6,776,053호 문헌에는 시아노아크릴레이트 접착제를 사용하여 금속 지지부에 부착되는 하나 이상의 고분자(예를 들어, PFA(폴리(퍼플루오로알콕시)))로 코리올리 유량계를 제조하는 방법에 관한 내용이 개시되어 있다. 따라서, 조인트의 안정성 및 경계 조건의 우수함은 상기 접착제에 의해 제한될 수 밖에 없고, 이에 따라, 작동이 이루어지는 동안에 그 기능이 저하될 수 있다.
미국특허 제7,127,815호 및 미국특허 6,776,053호에 기재된 접착제 조인트는 금속 베이스에 대한 튜브체의 결합의 완전성이 접착제의 사용으로 인해 보장되지 않고 가변 가능성이 존재한다는 문제점이 있다. 오히려, 이러한 결합력은 접착제 조인트에 크랙 또는 분해 현상을 야기함으로써 튜브체의 연속적인 진동에 의해 시간이 지날수록 더욱 약해지게 된다. 추가로, 부품의 다양한 재료(예를 들어, PFA 튜브, 시아노아크릴레이트 접착제, 금속 베이스) 사이의 시차 열 팽창은 장치의 성능 범위 내에서 예측하기 어려운 진동 특성의 결과로 불안정한 경계 조건이 형성되는 금속 베이스에 대한 튜브체의 결합의 완전성을 손상시킬 수 있다.
미국특허 제7,127,815호 및 미국특허 6,776,053호 문헌은 PFA 튜브체에 대한 시아노아크릴레이트 접착체의 구속이 이루어지도록, 글리콜-디에테르를 함유하는 가열 수조에서 PFA 튜브체를 침지하고 교반하도록 에칭이 이루어지는(미국특허 제7,127,815호 문헌에서 기재된 과정) PFA 튜브체의 특성을 기재하고 있다. 이러한 에칭 과정은 비용이 추가되어야 하고 유량계의 제조를 복잡하게 하며, 일관된 기초 상에서 유량계를 제조하는 데에 적절한 튜브체를 생산하는 것이 어려운 문제가 있었다.
다른 예로서, 플라스틱 유량 튜브체를 구비하는 코리올리 유량계는 다른 문제점을 가지고 있다. 미국특허 제6,450,042호, 미국특허 제6,904,667호 및 미국공개특허 제2002/0139199호 문헌들에는 사출 성형을 통해 코리올리 유량계를 제조하고, 비스무트, 납, 주석, 카드뮴, 및 섭씨 약 47도의 녹는점을 가지는 인듐의 혼합물을 구비하는 낮은 녹는점의 가용성 금속 합금으로부터 제조된 금형 코어에서 유로를 형성하는 방법에 대한 내용이 개시되어 있다. 미국특허 제6,450,042호 문헌의 두 번째 칼럼의 65-67줄에는, "일부 예외가 있겠지만, 유량계는 전체적으로 사출 성형으로 형성된다"는 내용이 기재되어 있다. 이러한 제조 방법은 큰 문제점과 제한들이 존재한다. 사출 성형 과정이 이루어지는 동안에, 뜨거운 플라스틱은 5000psi를 초과하는 압력에서 섭씨 350도를 초과하는 온도로 주형 내에 주입된다. 얇은 벽 또는 작은 직경의 유량 통로가 제조될 때(예를 들어, 2mm 미만의 벽 두께를 가지고 2mm 내지 4mm의 내경을 가지도록 유량 통로가 제조될 때), 이러한 용융 온도와 압력은 상기 장치의 사용이 어렵게 되는 범위에서 유량 통로의 변형 및 오염의 결과를 초래하여, 비교적 좁은 면적을 가지는(유연한) 가용성의 금속 코어(예를 들어, 표면을 녹일 수도 있음)에 손상을 가할 수도 있다.
게다가, 반도체, 약학, 생물 약제학, 또는 다른 순도가 높은 공정 적용 분야에 있어서, 금속 오염을 완전히 피하거나, 적어도 최소화하는 것이 매우 중요한 고려 대상이다. 고형 코어(예를 들어, 스테인리스 스틸)와는 달리, 위의 문헌들에 기재된 비교적 부드러운 가용성 코어는 금속 원자들이 주입된 플라스틱 내에 혼합되고 박힘으로써, 사출 성형 과정이 이루어지는 동안에 국소적으로 녹거나 마모될 수 있게 되고, 이에 따라, 순도가 높은 반도체 제조 분야에서의 적용에 적합하지 않은 장치가 되고, 영구적으로 유량 통로를 오염시키는 문제가 있다.
게다가, 플라스틱 사출 성형 공정에 있어서, 다양하게 주입된 부분들은 유사한 두께를 가지는 것이 바람직하며, 그렇지 않으면, 성형된 부분이 적절하게 형성될 수 없게(냉각이 이루어지는 동안에 부품의 부피 변화 때문에) 된다. 미국특허 제6,450,042호 문헌을 참조하면, 코리올리 유량계의 구조적인 특징(예를 들어, 유량 민감성 부재, 분리 플레이트(또는, 브레이스 바), 유입 및 유출 플랜지, 매니폴드의 벽체 두께)은 모두 유사한 두께를 가진다는 점이다. 그러나, 사출 성형에 의해 형성된 유량계는 구조적 및/또는 동적 디자인 제한을 가지고 유량계 성능에 불리한 영향을 끼칠 수도 있다.
미국특허 제8,404,076호 및 미국공개특허 제2013/0174670호 문헌에는 유량 통로들이 탄성 고분자 재료의 일부분 밖에 형성되도록 고분자 재료로부터 제조된 유량 민감성 부재를 이용한 구조물에 대한 내용이 개시되어 있다. 이러한 유량 통로는 매니폴드에 단일의 고분자 조각을 부착한 이후에, 단일의 고분자 조각에 통로들을 기계식(예를 들어, 천공식)으로 제조한다. 천공이 이루어진 이후에, 천공된 부분으로부터 외부 홀들이 밀봉된다. 다른 예로서, 구조물은 사출 성형에 의해 제조될 수 있고, 유량 통로는 부품이 주형물로부터 제거된 이후에 성형 및/또는 부수 천공 작업을 이용하여 고형 코어와의 혼합물에 의해 형성될 수 있다.
이러한 제조 방법에 따르면, 제조 시의 제한 요소들 때문에, 주형물 내에 고형 코어들을 가지는 유량 통로들을 형성하고 천공하는 작업은 필수적으로 유량 통로의 이상적인 벽 두께를 초과(예를 들어, 1mm 초과)하는 값을 가지도록 이루어지는 문제가 있다. 더욱 두꺼운 벽 두께는 장치의 유연성을 제한하고, 이러한 이유로 낮은 유량율에서 측정 민감도를 제한할 수 있다. 다른 문제점은 인접하는 평판 부분(예를 들어, U자형 또는 삼각형)의 교차시 코너의 존재는 슬러리를 계량할 때에 고형물의 축적 장소가 될 수 있다는 점이다. 이러한 축적은 유량 경로의 굽이진 부분 또는 단절된 부분이 없는 곡선으로 이루어진 구조물과 비교하여 볼 때, 증가된 압력 손실을 야기할 수 있다.
본 발명에 따른 코리올리 질량 유량계는 유량 센서의 유량 민감성 부품과 동일한 재료로 제작되고 기계식 조인트와 접착제가 사용되지 않는 동적 반응 매니폴드를 포함하는 고분자 재료로 제조된다. 이러한 방식으로 제조되는 장치는 진동하는 유량 민감성 부품에 대한 고정된 경계 조건을 제공한다. 따라서, 유량계는 진동하는 유량 민감성 부품들의 단부에서 경계 조건의 장기간 보존성과 신뢰성을 약화시키는 미끄럼 및/또는 시차 열 팽창/축소에 의해 야기된 유량 민감성 부품들 사이 및/또는 유량 민감성 부품과 동적 반응 매니폴드 사이의 상대 위치의 바람직하지 않은 변화나 다양성을 회피할 수 있다.
게다가, 아래와 같은 제조 방법을 사용하여 고분자 재료로부터 제조된 유량계는 다른 방법들을 사용하여 제조된 고분자 유량계로부터 발생하는 문제점들을 회피할 수 있다. 예를 들어, 유량 통로들(유량계의 다른 부품들)은 고분자 튜브들을 사출 또는 제작하는 방식으로 제조된다. 이러한 방식은 금속 원자를 가지는 유량 통로를 영구적으로 오염시킬 수 있는 저 용융점의 가용성 금속 합금의 사용을 회피하게 한다. 따라서, 고 순도 반도체 제조 과정에 있어서 바람직하지 않은 장치를 사용하여야만 하는 위험을 회피할 수 있게 된다.
또한, 기계식 제작이 이루어진 이후에 유동 통로를 제조할 필요성이 없어지기 때문에, 유량 민감성 부재들은 비교적 얇은 벽(≤1mm)을 가지는 곡선 형상의 고분자 관체로부터 제작될 수 있다. 곡선 형상과 얇은 벽체는 저 유량율에서 향상된 측정 민감도를 가지게 한다. 또한, 곡선 형상은 고형 슬러리가 축적되는 장소가 될 가능성이 높은, 유량 통로의 내측 코너 부분을 제거할 수 있게 한다. 이러한 축적을 피하는 것에 의해, 본 발명에 따른 유량계는 오염 원인을 회피할 수 있고, 유량 통로 내로 재료가 축적됨으로써 유도되는 압력 하강 현상을 회피할 수 있다.
본 발명은 동적 반응 매니폴드가 유량 센서의 유량 민감성 부재들과 동일한 재료로 제조되고 기계식 조인트와 접착제에 구속되지 않도록, 고분자 재료로부터 코리올리 질량 유량계를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에 따른 유량계를 제조하는 것은 진동하는 민감성 부재용 동적 반응 매니폴드에 대한 고정된 경계 조건을 제공하고, 측정 감도를 개선시키는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 동적 반응 매니폴드는 유량계의 유량 민감성 부재와 동일한 재료로 제조된다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 매니폴드는 접착제 및 다른 기계식 조인트(즉, 예를 들어, 접착제, 클램프, 조임쇠, 호스, 풀무 등에 의해 결합되는 두 개의 물리적으로 구분되는 부품 사이의 조인트)에 구속되지 않는다. 기계식 조인트와 접착제를 회피함으로써, 매니폴드 및 유량 민감성 부품들은 서로에 대한 위치가 변화하지 않게 되고, 진동하는 유량 민감성 부품들의 단부에서 경계 조건의 완전성, 신뢰성 및/또는 정확성을 저하시키는 열 팽창의 차이가 발생하지 않게 된다.
또한, 본 발명은 동적 반응 매니폴드와 이에 대응하는 유량 민감성 부품들이 저 용융점의 가용성 금속 합금을 사용하지 않고도 제조되는 방법에 대하여 설명하고 있다. 이러한 방법에 따른 효과는 (예를 들어, 고 순도 반도체 제조 분야 또는 생물 약제학 공정과 같은 분야)에 적용되기에 적합하지 않은 장치가 될 여지가 있는, 금속 원자를 가지는 유량 통로의 오염 위험을 제거할 수 있다.
게다가, 이하에서 설명하는 실시 예들은 매니폴드 및 동일한 고분자 재료로부터 이에 대응하는 유량 민감성 부품들을 제조하는 데에 사용된다. 몇몇 실시 예에 있어서, 유량 민감성 부품들은 비교적 얇은 벽체(≤1mm)를 가지는 곡선 형상으로 형성되는 고분자 튜브체로부터 제조된다. 이러한 특징들의 효과는 유량계가 심지어 낮은 유량율에서도, 개선된 측정 강도를 가진다는 점이다. 게다가, 몇몇 경우에 있어서, 유량 민감성 부재들은 뾰족한 코너 부분 또는 갑작스러운 방향 변화가 없는 곡선 형상으로 구성된 상업적으로 이용 가능한 고분자 튜브체로부터 제조된다. 이에 따른 효과는 고형 슬러리가 축적 가능한 장소(증가된 압력을 떨어뜨리거나 입자의 오염을 유발)는 제작된 구조체로부터 제거될 수 있다는 점이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고분자 재료로부터 제작된 동적 반응 매니폴드 구조물을 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고분자 재료로부터 제조된 동적 반응 매니폴드 및 한 쌍의 "U"자형 유량 튜브들을 보여주는 유량 감지 구조의 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동적 반응 매니폴드에 결합된 "U"자형 튜브체를 보여주는 코리올리 유량 센서 보조 조립체의 사시도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동적 반응 매니폴드에 결합된 코리올리 유량 민감성 부재들의 다양한 튜브 형상들을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일의 고분자 재료로부터 코리올리 유량계를 제조하는 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접이 이루어지는 동안에 고분자 재료가 유량 민감성 부재로 진입하는 것을 차단하도록 유량 민감성 부재 내에 핀이 삽입되어 있는 모습을 보여주는 도면이다.
첨부된 도면들은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다양한 실시 예들을 설명하기 위하여 도시된 도면들이다. 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 후술하는 설명을 통해 본 발명의 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 구조와 방법의 다른 실시 예들을 용이하게 도출할 수 있을 것이고, 이러한 실시 예들은 본 발명의 범위 내에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방법을 사용하여 제조된 동적 반응 매니폴드(110)를 보여주는 도면이다. 상기 매니폴드(110)는 바디(115), 관형 포트 연장부(120A ~ 120D)(총괄 도면부호 120), 매니폴드 유체 통로(125A ~ 125D)(총괄 도면부호 125) 및 분리 플레이트(130A ~ 130D)(총괄 도면부호 130)를 포함한다.
상기 바디(115)에는 상기 관형 포트 연장부(120)와 분리 플레이트(130)가 연결되고 유량이 측정되는 유체가 통과하는 구조물이 제공된다. 본 발명의 일 실시 에에 있어서, 상기 바디(115)는 고분자 재료의 단일 조각으로부터 기계 가공 방식으로 CNC(컴퓨터 수치 제어)에 의해 고분자 재료로 제작된다. 다른 예로서, 상기 바디(115)는 사출 성형 또는 다른 성형 작업에 의해 고분자 재료로부터 제조된다. 후자의 경우에, 매니폴드 유량 통로(125)는 제자리에서 성형되거나 또는 상기 바디의 제조 이후에 분리된 기계식 작업을 통해 천공식으로 성형된다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 바디(115)와 관형 포트 연장부(120), 매니폴드 유체 통로(125) 및 분리 플레이트(130)들은 고분자 재료의 단일 조각으로부터 기계 가공 방식으로 CNC를 사용하거나 또는 성형 방식을 통해, 일체로 제조될 수 있다. 종래의 코리올리 유량계들은 상기 바디와 상기 분리 플레이트를 구분되게 제조하고, 그 후에 상기 바디와 상기 분리 플레이트를 서로 결합하였다. 상기 바디(115)(상기 바디와 함께 제조되는 동적 반응 매니폴드(110)의 부품들)는 수많은 고분자 재료 중 어느 하나로부터 제조될 수 있고, 상기 고분자 재료는 상업적으로 이용 가능한 고분자 재료(예를 들어, PFA, 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK), 폴리(비닐리덴 불화물)(PVDK), 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE), 폴리(플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌)(FEP) 또는 주문 제작된 고분자와 고분자 혼합체)일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 관형 포트 연장부(120)는 상기 바디(115)와 상기 분리 플레이트(130)에 연결되고, 최종적으로 유량 민감성 부재(140)에 연결된다. 이러한 방식으로 조립된 관형 포트 연장부(120)는 유량 민감성 부재에 연속적으로 연장됨으로써 함께 진동한다. 각각의 관형 포트 연장부(120)의 결합면(용접면)(122)은 대응하는 유량 민감성 부재의 개방 단부(도 2에 도시됨)에 연결되고, 이에 따라, 유체가 대응하는 매니폴드 유체 통로(125)와 소통되게 하는 위치에 유량 민감성 부재가 배치된다. 상기 관형 포트 연장부(120)들은 동일한 외경과 내경을 가지고, 유량 민감성 부재들과 동일한 치수 공차, 일반적으로 +/-0.2mm를 가진다. 이러한 공차는 유량 민감성 부재에 대한 관형 포트 연장부의 정밀한 정렬 및 용접 결합을 가능하게 한다. 상기 관형 포트 연장부(120)는 상기 바디(115)와 일체로 형성(기계 가공식 또는 사출 성형식 중 어느 하나의 방식으로)된다. 즉, 상기 관형 포트 연장부(120)들은 상기 바디(115)와 함께 형성되고, 이에 따라, 상기 관형 포트 연장부들과 상기 바디 사이에 분리 또는 구분되는 기계적인 연결 흔적 없이, 즉, 단일의 구조체로서 이음새 없이 상기 바디에 연결된다. 이하에서 설명하는 것처럼, 용접 결합은 유량 민감성 부재와 같은 부품들이 상기 바디(115)와 일체로 형성되도록, 추가 부품들(즉, 유량 민감성 부재들)을 사용하게 한다.
상기 관형 포트 연장부(120)들에 연결되는 동적 반응 매니폴드(110)의 분리 플레이트(130)들은, 진동이 측정되는 고정 좌표를 제공함으로써 유량 민감성 부재(140)들의 진동에 대한 경계 조건을 설정한다. 상기 분리 플레이트(130)들은 유량계의 동적 주파수 반응 특성에 영향을 미친다. 예를 들어, 코리올리 유량계가 작동할 때, 두 개의 유량 민감성 부재(140)들이 소리 굽쇠의 주파수와 동작이 유사하게 이루어지도록, 고유 주파수에서 반대 위상(즉, 역 위상)으로 서로의 반대 편으로 진동하게 된다. 다른 예로서, 두 개의 유량 민감성 부재(140)들은 한결같이 대칭되는 동상으로 진동이 이루어질 수도 있다. 상기 유량 민감성 부재(140)들과 상기 바디(115)들 사이의 연결 강도 및 상기 유량 민감성 부재(140)들의 재료와 치수에 따라, 동상의 진동에 대한 고유 주파수는 역 위상 진동의 주파수에 인접(다만, 동일하지는 않음)할 수 있다. 두 개의 주파수가 더욱 인접할수록, 진동 자극 에너지는 동상과 역 위상의 두 개의 진동 모드들 사이에 불규칙적으로 분배됨으로써 유량계의 불안정성에 대한 위험이 더욱 커지게 된다. 고유 주파수로 코리올리 유량계가 작동할 때, 모든 진동 모드의 고유 주파수는 센서의 동작을 방해하지 않게 하기 위하여 충분히 분리되어야만 한다.
상기 분리 플레이트(130)들은 유량 민감성 부재(140)들의 다른 부분들(서로 다른 질량과 관성 모멘트)이 동상과 역 위상의 진동에 속하게 함으로써, 동상과 역 위상 모드의 주파수가 분리되도록 효과적으로 규정된 진동 경계 조건을 만들게 된다. 상기 분리 플레이트(130)들의 치수와 두께는 유량계의 주파수 반응에 영향을 미치게 되고, 상기 분리 플레이트(130)들은 단지 역 위상 모드에서 진동하는 유량 민감성 부재(140)들의 강성에 영향을 미치게 된다. 또한, 상기 분리 플레이트(130)들은 센서의 주파수 반응 특성이 만족스러운 성능으로 작동하는 데에 영향을 미친다. 상기 유량 민감성 부재(140)들의 개방 단부 근처에 분리 플레이트(130)들을 부착하는 기계적인 제한 및 어려움 때문에, 이러한 부품들은 관형 포트 연장부(120)들을 통해 매니폴드에 부착된다.
물리적으로 구분되는 분리 플레이트들(소위 "브레이스 바"라고 명명됨)과 관형 포트 연장부들 또는 유량 민감성 부재들을 부착(예를 들어, 위에서 설명한 것처럼 접착제를 사용)하는 종래 기술에 따른 코리올리 유량계들과는 달리, 본 발명에 따른 분리 플레이트(130)들은 매니폴드(110) 및 바디(115)와 관형 포트 연장부(120)들이 함께 일체로 제작(즉, 서로 다른 부품들을 가지는 단일 구조물을 제공하기 위해 이음새 없이 연결되도록 제작)된다. 이러한 일체적 구조체의 효과는 제작이 더욱 간소화되고 우수한 강성을 가질 수 있으며, 튜브 형상에 관계없이 관형 유량 민감성 부품의 진동을 종료하기 위한 불변의 경계 조건을 가지게 된다. 또한, 매니폴드에 통합된 분리 플레이트(130)들을 가지는 유량계를 제조하는 것은 분리 플레이트들과 튜브들을 구분되게 부착하지 않고도 동적 반응 매니폴드에 용접 결합되는 다양한 튜브 형상이 구성될 수 있도록 더욱 우수한 디자인적인 유연성(예를 들어, 분리 플레이트의 두께와 분리)이 이루어지게 한다.
또한, 상기 분리 플레이트(130)들은 외부 요인들(예를 들어, 동적 반응 매니폴드(110)가 장착된 구조)로부터의 진동 절연성을 제공하고, 동상 또는 역 위상 모드에서 진동하는지 여부에 관계없이, 두 개의 유량 민감성 부재들의 동상과 역 위상 모드 사이의 주파수 분리가 이루어지게 한다. 만약, 이러한 두 개의 모드들 사이의 적절한 주파수 분리가 존재하지 않는다면, 센서는 작동이 이루어지는 동안에 불안정한 상태가 된다. 이에 불구하고, 동적 반응 매니폴드(110)는 상기 바디(115)와 일체로 제조되는 관형 포트 연장부(120)들과 분리 플레이트(130)들을 포함하는 단일의, 이음새가 없는 구조물을 포함한다.
도 2는 코리올리 유량 센서 하위 조립체(200)의 분해도이다. 위에서 설명한 동적 반응 매니폴드(110)의 부품들에 더하여, 도 2는 유량 민감성 부재(140A, 140B)(총괄하여 도면부호 140)들과, 탭(160A ~ 160D)(총괄하여 도면부호 160)들을 도시하고 있다.
동적 반응 매니폴드(110)의 후부에 형성되는 배관 연결체(도시되지 않음)들은 유체가 상기 매니폴드 유체 통로(125)들을 통해 연속 수압식 또는 평행한 방식으로 각각의 유량 민감성 부재(140)들을 통과하게 한다. 유량 민감성 부재(140A)의 개방 단부(150A, 150C)들은 각각 관형 포트 연장부(120A, 120C)들의 대응하는 결합면(122)에 용접 결합한다. 이와 유사하게, 튜브(140B)의 개방 단부(150B, 150D)들은 각각 관형 포트 연장부(120B, 120D)들의 대응하는 결합면(122)에 용접 결합한다. 대응하는 관형 포트 연장부들에 각각의 유량 민감성 부재들을 용접 결합하는 작업은, 동시에 이루어진다. 이러한 제조 방법은 도 5의 도면과 후술하는 설명을 통해 상세하게 설명될 것이다.
또한, 도 2는 유량 민감성 부재(140)들에 가동 반응 장치(도시되지 않음)들을 장착할 수 있게 하는, 탭(160A ~ 160D)(총괄하여 도면부호 160)들을 도시하고 있다. 상기 탭(160)들은 클램프 형태 또는 상기 유량 민감성 부재(140)들에 부착되는 다른 형태로 제작되어 슬라이딩 이동할 수 있다. 또한, 상기 탭(160)들은 고분자 재료로부터 제조되지만, 동적 반응 매니폴드(110)의 다른 부품들을 제조하는 데에 사용되는 재료와 동일한 재료일 필요는 없다. 예를 들어, 상기 탭(160)들을 제조하는 데에 사용되는 재료는 유량 민감성 부재(140)의 재료와 다를 수 있고, 상기 유량 민감성 부재를 제조하는 데에 사용되는 재료의 열 팽창 계수에 비해 작은 값의 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 이에 따른 효과는, 상기 탭(160)들이 시스템의 온도 변화에 따라 유량 민감성 부재(160)들과 접촉을 유지할 수 있게 되고, 측정의 정확도가 유지될 수 있게 된다.
도 3은 조립된 코리올리 유량 센서의 하위 조립체(300)를 보여주는 도면이다. 도 3은 위에서 명확한 설명을 위해 분류한 것처럼, 바디(115), 관형 포트 연장부(120A), 분리 플레이트(130A, 130B)들 및 유량 민감성 부재(140A)를 포함하는 부품들을 도시하고 있다. 이러한 위에서 설명한 부품들에 더하여, 도 3은 고분자 조인트(고분자 용접 결합체)(305A)를 추가로 도시하고 있다. 상기 고분자 조인트(305A)는 상기 관형 포트 연장부(120A)와 상기 유량 민감성 부재(140A)의 개방 단부(150A) 사이의 접착제가 사용되지 않는 연결체이다. 또한, 도 3은 다른 관형 포트 연장부(120)들과 이에 대응하는 유량 민감성 부재의 개방 단부들 사이의 다른 고분자 조인트(305B ~ 305D)들에 대하여 도시하고 있다. 도면부호 305는 상기 고분자 조인트들을 총괄하여 지칭하는 도면부호이다.
위에서 설명한 것처럼, 고분자 조인트(305)는 동일한 고분자 재료로부터 제조된 부품들을 연결하고, 동적 반응 매니폴드(110)와 유량 민감성 부재(140)들의 다양한 부품들은 모두 동일한 고분자 재료로부터 제조 또는 성형된다. 따라서, 상기 관형 포트 연장부(120)들과 상기 유량 민감성 부재(140)들의 개방 단부(150)들은 단지 용접 온도 범위(사용되는 고분자 재료에 따라 결정됨) 내에서 가열될 필요가 있고, 고분자 조인트(305)를 형성하기 위해 서로 접촉하게 된다. 이에 따라, 상기 모든 개방 단부(150)들은 상기 모든 관형 포트 연장부(120)들에 동시에 용접 결합하게 된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 유량 민감성 부재들의 관성 모멘트가 충분히 균형잡힌 상태를 이룰 수 있는 유량계를 제공하게 된다. 만약 용접품이 분리되게 제조된다면, 결합 시의 치수 공차(+/-0.2mm)를 충족시키기가 어렵고, 이에 따라, 유량 민감성 부재들의 길이(진동 구조물로 구성됨)가 서로 달라지기 때문에 균형잡힌 관성 모멘트를 가지지 못하는 진동 구조물이 제조되는 문제점이 있었다.
각각의 유량 민감성 부재의 관성 모멘트의 불균등함은 유량계의 정확도에 불리한 영향을 미치는(제로-플로우 상쇄 안정성), 동적으로 불균형한 구조물을 제공하는 결과를 초래한다. 예를 들어, 불균형한 구조물은 유체와 주위 온도 변화 및 외부 진동에 더욱 민감하게 반응할 수 밖에 없고, 이에 따라, 측정치의 정확도가 떨어지고 정교하지 못한 결과물을 얻게 되어 신뢰성이 하락하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 이하에서는 균형있는 관성 모멘트를 가지는 유량 민감성 부재들을 제공하기 위한 제작 방법에 대하여 설명한다.
도 4a 내지 도 4e는 동적 반응 매니폴드(110)(개략적으로 직사각형 블록으로 도시됨)에 결합할 수 있는 유량 민감성 부재(140)들의 다양한 형상(405 ~ 425)들의 평면도이다. 도시된 튜브 형상(405 ~ 425)들은 특정 유량 측정치의 요구를 만족하기 위한 디자인의 선택적인 문제에 불과할 뿐이다. 본 발명에 따른 동적 반응 매니폴드(110)를 제조하는 것의 효과는 전적으로 새로운 매니폴드(110)를 형성하지 않더라도 유량 민감성 부재들로서 사용되는 다양한 튜브 형상들의 일부를 통합시키는 것이 가능하다는 점이다.
예시적인 코리올리 유량계의 제조 방법
도 5는 본 발명에 따른 코리올리 유량계를 제조하기 위한 예시적인 방법(500)을 도시하고 있다. 상기 매니폴드(110)는 CNC 기계식 가공 또는 성형(예를 들어, 사출 성형) 방식 중 어느 하나를 통해 단일 고분자 재료로부터 제조된다. 위에서 설명한 것처럼, 제조된 매니폴드(110)는 상기 바디(115) 뿐만 아니라, 분리 플레이트(130)들과 관형 포트 연장부(120)들을 포함한다. 사용된 고분자는 다양한 상업적으로 이용 가능한 고분자들(예를 들어, PFA, PEEK, PVDF, PTFE, FEP) 또는 주문 제작된 고분자 또는 고분자 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 상기 바디(115)를 통과하는 상기 매니폴드 유량 통로(125)들은 단일 단계로 상기 매니폴드와 함께 제조되거나 또는 상기 매니폴드 바디(115)의 제조 이후에 형성(또는 제조)된다.
그리고, 상기 유량 민감성 부재들이 제조된다(510). 상기 유량 민감성 부재들은 매니폴드를 제조하는 데에 사용된 고분자 재료와 동일한 재료가 사용된다(505). 일 예로서, 상기 유량 민감성 부재들은 특정 형상(예를 들어, 도 4에 도시된 형상) 내에 형성된 상업적으로 이용 가능한 튜브들일 수 있다. 형상 제조 단계는 고분자의 유리 전이 온도 근처(또는 약간 초과하는 온도)로 튜브체를 가열하는 단계와, 상기 튜브를 바람직한 형상(예를 들어, 플레이트 또는 다른 성형기구를 사용하여 바람직한 형상으로 가공)으로 가공하는 단계와, 제조된 튜브 내의 특정 기계적인 응력을 제거하기 위한 온도를 유지하는 단계와, 규정된 방식으로 유량 민감성 부재를 냉각하는 단계를 포함한다. 형상 제조 과정이 이루어지는 동안에 수행되는 가열 단계는 어닐링 방식의 가열 냉각 방식으로 가열하는 단계로 알려져 있으며, 제품의 온도는 사용된 고분자 재료에 따라 변화할 수도 있다.
상기 관형 민감성 부재들은 특정 유량 측정 장치의 디자인 요구들을 만족시키고 매니폴드의 고분자 재료와 조화되기 위하여 상업적으로 이동 가능한(또는 주문 제작된) 고분자 튜브체(PFA, PEEK, PVDF, PTFE, FEP를 포함하는 튜브체, 다만 이에 제한되지는 않음)로부터 제조될 수 있다. 유량 민감성 부재들(그리고, 이에 대응하는 튜브체 포트 연장부들)의 내경과 외경이 특정 값들을 가질 수 있지만, 이러한 직경들(및/또는 벽 두께)의 치수 공차들은 바람직하게 몇십 밀리미터의 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 공차들은 용접 결합이 이루어지는 동안에 분리 플레이트들과 관형 포트 연장부들과 함께 유량 민감성 부재들의 정확한 정렬을 가능하게 한다.
유량 민감성 부재들의 개방 단부들은 관형 포트 연장부들의 용접면들에 용접 결합한다(515). 상기 관형 포트 연장부들의 개방 단부들과 상기 유량 민감성 부재들의 개방 단부들은 선택된 고분자의 역할을 하도록 용접 온도 범위 내에서 가열된다. 이러한 과정은, 예를 들어, 상기 관형 포트 연장부들의 물리적으로 인접한 결합 면들과 유량 민감성 부재들의 개방 단부들 사이에 삽입되는 저항성 가열 부품(예를 들어, 세라믹 또는 금속 가열 부품)을 사용하여 수행될 수 있고, 이에 따라 상기 용접면들이 용접 결합되도록 국소적으로 가열된다. 상기 용접면들과 개방 단부들이 바람직한 온도에 도달할 때, 가열 부품들이 제거되고 상기 개방 단부들과 용접면들이 서로 동시에 접촉하게 된다. 위에서 설명한 것처럼, 동시 결합의 효과는 유량계가 사용될 때, 유량 민감성 부재들이 동일(또는 거의 동일)한 관성 모멘트를 가지기 위해, 유량 민감성 부재들의 길이가 거의 동일해질 수 있다는 점이다. 이와 유사하게, 동시 용접 결합은 유량 민감성 부재들의 위치에 기초하는 치수들이 +/-0.2mm에 속하도록, 유량 민감성 부재들의 적절한 배치를 가능하게 한다. 또한, 내경과 외경들과 같은, 다른 치수들은 목표 치수 범위인 +/-0.2mm 범위에 속하는 것이 바람직하다. 용접 결합의 다른 효과는 용접 시의 양측으로부터 고분자 이동이 이루어짐으로써, 유량 민감성 부재(140)들이 유량계 성능을 저하시킬 수 있는 분리된 기계식 조인트를 사용하지 않고도, 이음새 없이 상기 관형 포트 연장부(120)들과 통합될 수 있다는 점이다.
특정 설비가 동시에 그리고 정확한 용접 결합이 가능하도록 유량 민감성 부재들을 고정하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 치수 공차들의 범위를 충족시키기 위하여, 관형 포트 연장부들의 용접면들에 대해 정밀하게 유량 민감성 부재들의 개방 단부들을 배치하도록 유량 민감성 부재들은 상기 특정 설비 내에 선택적으로 위치된다. 또한, 이러한 설비는 상기 유량 민감성 부재를 정밀하게 제어된 방식으로 옮기는 것이 가능하도록 형성된다. 이러한 설비들의 예시들은 공지된 평면(예를 들어, 0.0001 인치 내의 평면)을 가지는 전동 공부들에 사용된 이동 테이블들을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 하나 이상의 핀들은 고분자 조인트에 대응(도 3에 부품(305)로 도시됨)하는 유량 민감성 부재와 관형 포트 연장부 내의 위치에서 바디(115)의 매니폴드 유체 통로(125)를 통해 삽입될 수 있다. 도 6에 도시된 것처럼, 상기 핀(610)은 고분자 조인트(605)에 대응하는 위치에서 관형 포트 연장부(620)와 유량 민감성 부재(640) 내에 배치된다. 종래 기술에 따른 핀(610)은 관형 포트 연장부(620)와, 유량 민감성 부재(640)와 고분자 조인트(605)의 내면에 긴밀하게 접촉할 수 있다. 그러나, 상기 핀(605)과 이러한 면들 사이의 구분이 도 6에 명확하게 도시되어 있다. 매니폴드와 유량 민감성 부재들을 제조하는 데에 사용되는 고분자의 용접 결합 온도 범위에서 기계적, 화학적으로 안정된 특정 비 오염 재료로부터 제조되는 핀은, 고분자 조인트(305)로부터 유량 통로의 내부까지 고분자의 압출 또는 이동을 차단하도록 사용된다. 이에 따라, 정확한 측정이 필요한 유량 통로의 연속성이 확보될 수 있다. 그리고, 상기 핀은 상기 고분자 조인트(305)의 응결 이후에 제거된다.
조립된 매니폴드(110)는 이전 단계 중 어느 하나의 단계가 진행되는 동안에 발생된 기계적인 응력들을 제거하기 위해 제어된 방식으로 냉각된다(520). 이러한 냉각 시의 온도 및 온도와 시간의 상관관계는 조립된 유량계를 제조하기 위해 사용된 폴리머(고분자)의 기능에 따라 달라진다.
가열냉각(어닐링) 과정의 다른 효과는 과도한 고분자 이동의 위험을 줄이고 제어되지 않은 냉각 과정 또는 과한 냉각 속도가 형성되는 동안에 관형 부품들에 대한 과도한 열적 구배에 의하여 뒤틀림이 발생할 위험을 줄일 수 있다. 이러한 과정은 수천 인치 내에서 관형 부품의 치수 제어가 이루어지게 한다. 또한, 이러한 과정은 진동하는 유량 민감성 부재 각각에 대한 실질적으로 동일한 관성 모멘트를 보존하게 한다.
추가 고려사항
본 발명의 실시 예들은 발명의 목적을 달성하기 위한 예들을 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니다. 또한, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 내용을 기초로 다양한 수정 및 변경을 수행할 수 있다.
결국, 위의 설명에서 사용되는 용어들은 원칙적으로 본 발명의 용이한 설명을 위해 선택된 용어인 것으로서, 본 발명의 권리범위가 이러한 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이러한 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라, 후술하는 청구범위에 의하여 규정된다고 볼 수 있다. 또한, 본 발명의 권리범위는 첨부된 도면에 의하여 제한되는 것은 아니고, 후술하는 청구범위에 의하여 규정된다고 볼 수 있다.

Claims (18)

  1. 단일의 고분자 재료로부터 코리올리 유량계를 제조하는 방법으로서,
    바디, 상기 바디와 일체로 제조되고 각각 용접면을 구비하는 네 개 이상의 관형 포트 연장부 및 상기 바디와 상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부와 일체로 제조되는 하나 이상의 분리 플레이트를 포함하는 동적 반응 매니폴드를, 제1 고분자 재료로부터 제조하는 단계;
    상기 제1 고분자 재료로부터 각각 두 개의 개방 단부를 구비하는 두 개 이상의 유량 민감성 부재를 제조하는 단계; 및
    상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재의 개방 단부 각각을 상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부 중 어느 하나에 대응하는 용접면에 용접 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재의 개방 단부 각각을 상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부 중 어느 하나에 대응하는 용접면에 용접 결합하는 단계는 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 용접 결합 단계는,
    상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부 각각의 용접면을 상기 제1 고분자 재료의 용접 온도 범위 내에서 국소적으로 가열하는 단계;
    상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재의 개방 단부 각각을 상기 제1 고분자 재료의 용접 온도 범위 내에서 국소적으로 가열하는 단계; 및
    각각의 용접면과 각각의 개방 단부가 상기 제1 고분자 재료의 용접 온도 범위 내에 속하는 동안에 각각의 개방 단부를 대응하는 용접면에 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 관형 포트 연장부와 상기 유량 민감성 부재는 거의 동일한 외경을 가지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 외경의 공차는 -0.2mm 내지 +0.2mm인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 용접 결합은 접착제 비사용 연결체를 형성하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    용접 결합이 이루어지는 동안에, 유량 민감성 부재들과 이에 대응하는 관형 포트 연장부의 내부 위치에서, 고분자 조인트에 대응하는 위치에 핀을 임시로 삽입하는 단계를 더 포함하고,
    상기 핀은 고분자가 상기 고분자 조인트로부터 상기 유량 민감성 부재로 이동하는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 바디, 상기 바디와 일체로 제조되고 각각 용접면을 구비하는 네 개 이상의 관형 포트 연장부 및 상기 바디와 상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부와 일체로 제조되는 하나 이상의 분리 플레이트를 포함하는 동적 반응 매니폴드를, 제1 고분자 재료로부터 제조하는 단계;
    상기 제1 고분자 재료로부터 제조되고 각각 두 개의 개방 단부를 구비하는 두 개 이상의 유량 민감성 부재를 제공하는 단계; 및
    상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재의 개방 단부 각각을 상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부 중 어느 하나에 대응하는 용접면에 용접 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재의 개방 단부 각각을 상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부 중 어느 하나에 대응하는 용접면에 용접 결합하는 단계는 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 용접 결합 단계는,
    상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부 각각의 용접면을 상기 제1 고분자 재료의 용접 온도 범위 내에서 국소적으로 가열하는 단계;
    상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재의 개방 단부 각각을 상기 제1 고분자 재료의 용접 온도 범위 내에서 국소적으로 가열하는 단계; 및
    각각의 용접면과 각각의 개방 단부가 상기 제1 고분자 재료의 용접 온도 범위 내에 속하는 동안에 각각의 개방 단부를 대응하는 용접면에 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 관형 포트 연장부와 상기 유량 민감성 부재는 거의 동일한 외경을 가지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 외경의 공차는 -0.2mm 내지 +0.2mm인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 용접 결합은 접착제 비사용 연결체를 형성하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  14. 제8 항에 있어서,
    용접 결합이 이루어지는 동안에, 유량 민감성 부재들과 이에 대응하는 관형 포트 연장부의 내부 위치에서, 고분자 조인트에 대응하는 위치에 핀을 임시로 삽입하는 단계를 더 포함하고,
    상기 핀은 고분자가 상기 고분자 조인트로부터 상기 유량 민감성 부재로 이동하는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  15. 제1 고분자 재료의 바디;
    상기 바디와 일체로 제조되는 상기 제1 고분자 재료의 네 개 이상의 관형 포트 연장부;
    상기 바디 및 상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부와 일체로 제조되는 상기 제1 고분자 재료의 하나 이상의 분리 플레이트;
    각각 상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부 중 어느 하나에 대응하는 제1 단부와 제2 단부를 구비하는 상기 제1 고분자 재료의 두 개 이상의 유량 민감성 부재; 및
    각각 상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재의 제1 단부 중 어느 하나 또는 제2 단부 중 어느 하나와, 이에 대응하는 네 개 이상의 관형 포트 연장부 중 어느 하나를 연결하는 네 개 이상의 고분자 용접 결합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 네 개 이상의 관형 포트 연장부 각각의 벽 두께와 상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재 각각의 벽 두께는 1mm 미만인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 유량 민감성 부재의 내경은 2mm 내지 4mm의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  18. 제15 항에 있어서,
    네 개 이상의 고분자 용접 결합체 각각의 치수 공차는 0.2mm 이하인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
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