KR20170055114A - 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량제어밸브에 의해 유량이 제어되는 질량유량계에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 유량제어밸브 전후로 우회하는 바이패스용 관통홀이 포함되어 저압, 저유량 영역에서도 일정 수준 이상의 유량이 확보될 수 있도록 한 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계에 관한 것이다.
본 발명은 유량검출부와 유량조절부를 갖는 질량유량계에 있어서, 상기 유량조절부는 유량제어밸브이고, 상기 유량제어밸브의 유로 상 전단(11)과 후단(12) 사이에는 유체를 바이패스하는 관통홀(13)이 포함되어, 유량제어밸브가 폐쇄되더라도 일정 수준의 유량이 유량조절부를 지나는 것이 특징인 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계를 제공한다.

Description

바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계{Mass Flow Controller Having a Hole Making Flows to Bypass Valve}

본 발명은 유량제어밸브에 의해 유량이 제어되는 질량유량계에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 유량제어밸브 전후로 우회하는 바이패스용 관통홀이 포함되어 저압, 저유량 영역에서도 일정 수준 이상의 유량이 확보될 수 있도록 한 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계에 관한 것이다.

일반적으로 가스나 기체의 유량을 측정하기 위한 유량계로서 오리피스를 이용한 차압 유량계, 볼텍스 유량계, 터빈 유량계, 초음파 유량계, 면적식 유량계 및 열식 질량유량계 등이 있다.

그 중에서도 열식 질량유량계는 흐르고 있는 유체 중에 가열된 물체를 놓으면 유체와 가열된 물체 사이에 열교환이 이루어져 가열된 물체가 냉각되고 그 냉각율이 유속의 함수가 된다는 원리를 이용하여 가열된 물체의 온도를 측정함으로써 유속과 그에 따른 유량을 구하는 유량계이다.

상기 열식 질량유량계는 고정밀도로 인해 반도체 제조 프로세스에 상당히 활발하게 이용되고 있으며, 최근에는 화학반응공정, 석유화학분야, 환경분야 및 빌딩공조분야에도 효과적으로 응용되고 있다.

도 1에 종래의 열식 질량유량계를 도시하였다.

종래의 열식 질량유량계는 유량을 측정하기 위한 유량검출부와 유량을 조절하기 위한 유량조절부로 구성되는 것이 통상적으로, 유량검출부는 유체가 유입구(1)로 유입되어 세관(細管)을 포함하는 바이패스(3)를 지나면서 층류화되고 중공부(11)로 빠져나가도록 구성된다.

바이패스(3)의 전후로 센서튜브(4)가 연결되어 유체의 일부가 우회하게 되며, 센서튜브(4)에는 히터(5)가 부착되어 우회하는 유체를 가열한다.

한편 히터(5)의 전후에는 저항온도계(6)가 배치되는데, 저항온도계(6)에 온도차가 발생함에 따른 저항 차이를 이용하여 유량검출부의 바이패스(3)를 통과하는 전체 유량을 추산하게 된다.

한편, 중공부(11)를 통과한 유체는 유량조절부를 통과하면서 유량이 조절된다.

종래의 열식 질량유량계의 유량조절부는 유량검출부의 중공부(11)와 유출구(2) 사이에 유량조절용 밸브시트(8)를 포함한다. 밸브시트(8)의 상부에는 밸브디스크(7)가 구비되며, 질량유량계 제어부(미도시)의 전기적 신호에 따라 온오프 작동되는 솔레노이드(9)에 의해 밸브디스크(7)가 이동간(10)과 함께 상하로 이동하며 밸브시트(8)에 형성된 노즐구멍(도 2의 8a)을 단속적으로 막아 유량을 조절한다.

도 2에 종래의 질량유량계에서 밸브디스크(7)가 상측으로 이동하여 밸브시트(8)와 이격된 상황을 도시하였다.

밸브디스크(7)가 솔레노이드(9)에 의해 이동간(10)을 따라 상승하면서 밸브시트(8)의 노즐구멍(8a)이 열려 전체 유로가 완성된다.

유입구(1)의 압력은 유출구(2)의 압력보다 높게 유지되므로, 압력차에 의해 유입구(1)로 들어온 유체는 바이패스(3)를 통과해 중공부(11)를 지나 밸브디스크(7)가 재치된 공간으로 들어가고, 다시 노즐구멍(8a)을 통과해 밸브시트(8)로 들어간다. 밸브시트(8)로 유입된 유체는 밸브시트(8) 하부로 연결된 유도로(12)를 따라 유출구(2)로 빠져나간다.

유량이 불필요한 경우에는 제어부(미도시)의 신호에 따라 솔레노이드(9)를 작동시켜 이동간(10)을 하강시키면 밸브디스크(7)도 같이 하강하여 밸브시트(8)의 노즐구멍(도 2의 8a)을 막히게 된다.

종래의 질량유량계는 유입구(1)와 유출구(2) 사이에 압력이 일정 수준 이상 걸려 압력차가 상당한 경우에는 많은 유량이 발생하므로 유량 조절의 정확도가 비교적 양호한 편이다.

그러나 유입구(1)와 유출구(2) 사이에 걸린 압력이 작은 경우에는 유량이 작아지므로 유량제어밸브의 유량조절이 부정확해지는 문제가 있다.

압력차가 작은 경우에는 유량제어밸브의 밸브디스크(7)를 단속하더라도 노즐구멍(8a)이 열리는 시간에 따라 유량이 선형적(linear)으로 제어되지 않는다.

특히, 종래의 질량유량계의 바이패스(3)는 세관(細管)으로 형성되어 유로저항이 매우 클 뿐만 아니라, 중공부(11)에서 밸브디스크(7)의 재치 공간, 노즐구멍(8a)을 지나 밸브시트(8) 내부로 이어지는 유로가 곡관이 많고 좁아 유로저항이 더욱 커지는바, 저압 하에서 정확한 유량조절은 실질적으로 불가능해진다.

이에 따라, 낮은 압력조건 하에서 일정 수준 이상의 유량을 확보하기 위해 사이즈가 큰 질량유량계를 채택하는 경우도 있으나, 큰 사이즈의 질량유량계를 설치할 수 없는 환경이 있을 수 있고 사이즈를 키우더라도 원하는 만큼의 유량 확보가 쉽지 않을뿐더러 정확도가 떨어져 실질적인 해결책은 아니다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유량제어밸브를 우회하는 바이패스용 관통홀이 포함된 질량유량계를 제공함으로써 저압에서도 일정 수준 이상의 유량이 확보될 뿐만 아니라 제어 정확도도 올릴 수 있도록 하고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유량검출부와 유량조절부를 갖는 질량유량계에 있어서, 상기 유량조절부는 유량제어밸브이고, 상기 유량제어밸브의 유로 상 전단(11)과 후단(12) 사이에는 유체를 바이패스하는 관통홀(13)이 포함되어, 유량제어밸브가 폐쇄되더라도 일정 수준의 유량이 유량조절부를 지나는 것이 특징인 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계를 제공한다.

여기서, 상기 일정 수준의 유량은 관통홀의 크기에 따라 다음 수학식 1에 의해 결정되는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

여기서, Q는 유량

K는 질량유량계의 유량계수

D는 관통홀의 수력직경

g는 중력가속도

ΔP는 질량유량계 입출구의 압력차

ρ는 유체의 밀도

한편, 상기 관통홀(13)에는 관통홀(13)에 맞춰 끼워질 수 있는 삽입관(14)이 더 포함되어, 삽입관(14)이 탈착됨에 따라 상기 일정 수준의 유량이 변경되는 것이 유리하다.

또한, 상기 삽입관(14)은 복수개로서 삽입관(14a)과 또다른 삽입관(14b)이 상호 맞춤식으로 끼워맞추어지는 것이 더욱 유리하다.

이에 더해, 상기 질량유량계의 흐름방향을 따른 제품 전단 또는 후단에는 유량을 완전히 차단할 수 있는 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브(16)가 추가되고, 상기 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브(16)는 질량유량계의 제어부에 의해 같이 제어되는 것이 더더욱 유리하다.

본 발명에서 제공하는 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계를 채택하게 되면 압력차가 낮아 유량 확보가 어려운 상황에서도 일정 수준 이상의 유량은 지속적으로 확보할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계는 일정 수준 이상의 기본적인 유량이 확보된 상태에서 그 유량 대비 상하로 유량 변동분만을 제어하게 되므로 유량제어밸브의 제어 정확도가 상승하는 장점이 있다.

도 1은 종래의 질량유량계의 구조를 설명하기 위한 측단면도
도 2는 종래의 질량유량계의 유량제어 작동상황을 설명하기 위한 측단면도
도 3은 본 발명의 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계를 나타내기 위한 측단면도
도 4는 본 발명의 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계에 의해 제어되는 유량상황을 설명하기 위한 그래프
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계를 설명하기 위한 측단면도
도 6는 본 발명의 제3실시예에 따른 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계를 설명하기 위한 측면사시도

본 발명의 구체적 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계를 나타내기 위한 측단면도이며, 도 4는 본 발명의 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계에 의해 제어되는 유량상황을 설명하기 위한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계를 설명하기 위한 측단면도이다. 한편, 도 6는 본 발명의 제3실시예에 따른 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계를 설명하기 위한 측면사시도이다.

종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 발명의 기술적 사상을 이해하는데 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

(제1실시예)

먼저 도 3를 이용하여 본 발명의 제1실시예에 따른 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계를 자세히 설명한다.

본 발명의 질량유량계는 유량검출부와 유량조절부를 갖는 질량유량계에 있어서, 상기 유량조절부는 유량제어밸브(7, 8, 9, 10)이고, 상기 유량제어밸브의 유로 상 전단(11)과 후단(12) 사이에는 유체를 바이패스하는 관통홀(13)이 포함되어, 유량제어밸브가 폐쇄되더라도 일정 수준의 유량(Q2, 이하 본 출원에서 “기준유량”이라 한다)이 유량조절부를 지나는 것이 특징이다.

본 발명에서는 상기 관통홀(13)의 수력직경(hydraulic diameter)의 크기를 조절하여 기준유량(Q2)을 설계치로 맞출 수 있다.

예를 들어, 질량유량계의 유입구(1)와 유출구(2) 사이의 압력차가 ΔP라고 할 때 유량은 다음의 수학식 1로 결정되므로 관통홀의 크기 즉, 수력직경 D의 크기를 조절하여 유량을 조절하게 된다.

[수학식 1]

여기서, Q는 유량

K는 질량유량계의 유량계수

D는 관통홀의 수력직경

g는 중력가속도

ΔP는 질량유량계 입출구의 압력차

ρ는 유체의 밀도

본 발명에서 질량유량계를 통과하는 전체 유량(Q)는 관통홀(13)에 의한 기준유량(Q2)과 유량제어밸브 즉, 밸브디스크(7)와 밸브시트(8)의 단속에 의해 조절되는 유량(Q1, 이하 본 출원에서 “변화유량”이라 한다)으로 구성된다.

도 4에 본 발명의 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계에 의한 총 유량(Q)의 변화를 도시하였다.

본 발명에서 밸브디스크(7)가 닫혀 있을 때는 관통홀(13)을 통해 기준유량(Q2)만 흘러간다.

이 상태에서 더 많은 유량이 요구되는 경우(도 4의 t1 시점), 제어부(미도시)의 제어신호에 따라 솔레노이드(9)가 동작하여 밸브디스크(7)가 상승하게 되고, 이에 따라 밸브시트(8)의 노즐구멍(8a)이 열려 유체가 흘러가게 되는 바, 변화유량(Q1)이 추가되어, 전체 유량(Q)은 관통홀(13)에 의한 기준유량(Q2)와 유량제어밸브에 의한 변화유량(Q1)의 합이 된다.

상기 기준유량(Q2)은 통상적으로 변화유량(Q1)보다는 크게 설정된다.

관통홀(13)을 통해서는 많은 유량(Q2)이 흐르도록 하고, 유량제어밸브를 통해서는 적당한 양(Q1)이 흐르도록 할 수 있어, 제품 사이즈가 작더라도 낮은 압력조건 하에서도 대유량을 제어할 수 있다.

본 발명에서 총 유량(Q)의 크기는 센서튜브(4), 히터(5) 및 한 조의 저항온도계(6)로 구성되는 유량검출부에 의해 감지되기 때문에 총유량의 제어에는 문제가 발생하지 않는다.

다시 기준유량(Q2)만 요구되는 경우(도 4의 t2 시점)에는 제어부(미도시)의 신호에 따라 솔레노이드(9)를 작동시켜 밸브디스크(7)를 하강시켜 노즐구멍(8a)을 막으면 변화유량(Q1)은 0이 되고 총 유량(Q)는 기준유량(Q2)로 환원된다.

(제2실시예)

본 발명의 제2실시예에서 관통홀(13)의 수력직경, D는 삽입관(14)에 의해서 변경된다.

도 5를 이용하여 본 발명의 제2실시예에 따른 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계의 구조를 자세히 설명한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 질량유량계에서 관통홀(13)에는 삽입관(14)이 추가로 끼워질 수 있다.

도 5b에 도시한 바와 같이 삽입관(14)은 다양한 직경으로 상호 끼워맞춤되게 구비되어 요구되는 기준유량(Q2)에 따라 탈착 가능하다.

예를 들어, 대유량의 기준유량(Q2)이 요구되는 환경에서는 삽입관(14)을 끼우지 않을 수 있고, 비교적 중 수준의 기준유량(Q2)이 필요한 경우 하나의 삽입관(14a)을 관통홀(13)에 맞게 끼워넣을 수 있으며, 비교적 저유량의 기준유량(Q2)이 요구되는 경우에는 두 개의 삽입관(14a, 14b)을 같이 맞추어 관통홀(13)에 끼워넣어 유량을 조절하게 된다.

본 발명의 제2실시예의 제공에 따라 단일 규격의 관통홀(13)을 갖는 질량유량계를 대량으로 제조하였다가, 필요한 경우 다양한 크기의 삽입관(14)을 이용하여 여러 설계환경에 적용할 수 있는 장점이 발생하고 자연스럽게 제조단가를 줄일 수 있다.

(제3실시예)

본 발명의 제3실시예는 바이패스용 관통홀을 갖는 질량유량계 제품 전단 또는 후단에 메인 제어용 온오프(on/off) 솔레노이드밸브(16)가 추가된다.

도 6을 이용하여 본 발명의 제3실시예에 따른 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계의 구조를 자세히 설명한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 질량유량계는 유체 흐름방향을 따라 제1 또는 제2실시예에 따른 질량유량계 유출구(2)의 후단에 필요에 따라 유량을 완전히 차단할 수 있는 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브(16)가 긴밀하게 접속된다.

추가된 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브(16)는 질량유량계의 제어부(미도시)의 신호에 따라 제2솔레노이드(15)의 작동으로 질량유량계의 질량유량, Q를 완전히 차단할 수 있다. 이 경우 관통홀(13)을 통해 흐르던 기준유량(Q2) 조차도 완전히 영(zero)으로 떨어진다.

본 발명의 제3실시예에 따른 질량유량계를 통해 유체를 흐르게 하고자 하는 경우, 본 발명의 제어부(미도시)는 먼저 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브(16)를 열어 기준유량(Q2)을 유통시킨 후에 기존 솔레노이드(9)에 의한 밸브디스크(7)와 밸브시트(8)의 상호작용을 통해 유량제어에 들어간다.

상기 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브(16)은 필요에 따라 도 6과는 다르게 유체 흐름방향을 따라 질량유량계 유입구(1)의 전단에 부착될 수도 있다.

본 발명의 제3실시예에 따른 질량유량계의 제공에 따라 사용자는 질량유량계가 적용된 설비의 점검 등 필요한 때에 유량을 완전히 차단할 수 있어 활용도가 훨씬 높아진다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용 범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1 : 유입구 2 : 유출구
3 : 바이패스 4 : 센서튜브
5 : 히터 6 : 저항온도계
7 : 밸브디스크 8 : 밸브시트
8a : 노즐구멍 9 : 솔레노이드
10 : 이동간 11 : 중공부
12 : 유도로 13 : 관통홀
14 : 삽입관 15 : 제2솔레노이드
16: 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브

Claims (5)

1. 유량검출부와 유량조절부를 갖는 질량유량계에 있어서,
   상기 유량조절부는 유량제어밸브이고, 상기 유량제어밸브의 유로 상 전단(11)과 후단(12) 사이에는 유체를 바이패스하는 관통홀(13)이 포함되어, 유량제어밸브가 폐쇄되더라도 일정 수준의 유량이 유량조절부를 지나는 것이 특징인 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 일정 수준의 유량은 관통홀(13)의 크기에 따라 다음 수학식 1에 의해 결정되는 것이 특징인 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계
   
   [수학식 1]
   

   

   
   
   여기서, Q는 유량
   K는 질량유량계의 유량계수
   D는 관통홀의 수력직경
   g는 중력가속도
   ΔP는 질량유량계 입출구의 압력차
   ρ는 유체의 밀도
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 관통홀(13)에는 관통홀(13)에 맞춰 끼워질 수 있는 삽입관(14)이 더 포함되어, 삽입관(14)이 탈착됨에 따라 상기 일정 수준의 유량이 변경되는 것이 특징인 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 삽입관(14)은 복수개로서 삽입관(14a)과 또다른 삽입관(14b)이 상호 맞춤식으로 끼워맞추어지는 것이 특징인 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질량유량계의 흐름방향을 따른 제품 전단 또는 후단에는 유량을 완전히 차단할 수 있는 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브(16)가 추가되고, 상기 메인 제어용 온오프 솔레노이드밸브(16)는 질량유량계의 제어부에 의해 같이 제어되는 것이 특징인 바이패스용 관통홀을 구비하는 질량유량계

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