KR20180043256A - 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 플러싱 가능한 장치 - Google Patents

유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 플러싱 가능한 장치 Download PDF

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Abstract

유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치로서, 유입구(20), 유출구(22), 구동 유닛(24)에 의해 구동되며 그것의 용적형 챔버(36)는 공급 덕트(30)를 통해 유입구(20)에 그리고 배출 덕트(40)를 통해 유출구(22)에 유체적으로 연결되는 용적식 유량계(14), 용적식 유량계(14)가 우회되는 것을 가능하게 하는 바이패스(42), 바이패스(42)에 배치되는 차압 센서(18), 및 차압 센서(18)에 인가된 차압에 따라 구동 가능한 용적식 유량계(14)가 제어되는 것을 가능하게 하는 평가 및 제어 유닛(26)을 포함하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치가 제공된다. 공급 덕트(30) 및 배출 덕트(40)가 유체가 흐르는 방향으로 상승하도록 설계된다.

Description

유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 플러싱 가능한 장치
본 발명은 유체의 유동 과정들(flow processes)을 측정하기 위한 장치로서, 유입구(inlet), 유출구(outlet), 구동 유닛에 의해 구동되는 용적식 유량계(positive displacement flow meter)로서 그것의 용적형 챔버(positive displacement chamber)는 공급 덕트를 통해 유입구에 그리고 배출 덕트를 통해 유출구에 유체적으로 연결되는 용적식 유량계, 용적식 유량계가 우회되는 것을 가능하게 하는 바이패스(bypass), 바이패스에 배치되는 차압 센서(differential pressure sensor), 및 차압 센서에 인가된 차압에 따라 구동 가능한 용적식 유량계가 제어되는 것을 가능하게 하는 평가 및 제어 유닛(evaluation and control unit)을 포함하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
이러한 장치들은 수년간 공지되며 예를 들면 내연기관에서 분사량 측정을 위해 사용된다.
이러한 관류 측정을 위한 장치의 최초 버전은 DE-AS 1 798 080에 기재된다. 이러한 전자적으로 제어되는 유량계는 유입구와 유출구를 갖는 메인 도관을 포함하며, 기어 펌프 형태의 회전 용적식 유량계가 도관에 배치된다. 바이패스(bypass)가 메인 도관에 평행하게 진행하며, 바이패스를 통해 회전 용적식 유량계가 우회되며 그 안에 차압 센서로서 기능하는 피스톤이 측정 챔버 내에 배치된다. 유속(유량)(flow rate)을 측정하기 위해, 측정 챔버에서 피스톤의 운동은 광센서를 사용하여 측정된다. 이 신호에 기초하여, 기어 펌프의 회전 속도가 평가 및 제어 유닛을 통해 계속해서 재조정되며, 재조정은, 가능하다면, 바이패스 내에 단지 작은 유동이 형성되도록, 피스톤이 항상 그 초기 위치로 귀환되도록 하는 것이다. 미리 정의된 시간 간격 내의 유속(유량)은 이러한 방식으로 엔코더에 의해 측정되는 기어 펌프의 회전 또는 부분 회전 수로부터 그리고 회전당 기어 펌프의 공지된 송출량으로부터 계산된다.
이러한 구조의 유량 측정 장치는 DE 103 31 228 B3에 또한 개시된다. 정확한 분사량 프로파일의 측정을 위해, 기어 펌프는 각 분사의 시작에 앞서 일정한 회전 속도로 설정되며, 따라서 피스톤의 운동이 이어서 측정되며 이러한 운동은 분사 프로파일을 측정하기 위해 사용된다. 압력 센서와 온도 센서가 측정 챔버에 추가로 배치되며, 그의 측정값들은 분사량 프로파일의 계산과 보정을 위해 컴퓨팅 유닛에 또한 제공된다.
측정 정확도(measuring accuracy)를 향상시키기 위해, 특히 장치의 시작시, 공기의 압축성 때문에 측정 과정 동안 상당한 측정오차(measuring errors)로 이어지는 장치의 갇힌 공기(entrapped air)(에어 포켓)를 장치에서 없애는 것이 필요하다.
따라서, WO 2014/118045 A1에서는 바이패스 덕트가 차압 센서의 측정 챔버의 경계를 정하는 하우징에 형성되며, 바이패스 덕트를 통해, 피스톤이 측정 챔버의 배출측 단부에서 축방향 정지부에 인접하는(경계를 접하는) 경우, 피스톤의 앞쪽으로부터 피스톤의 뒤쪽까지 연결부가 형성되는, 유량계가 제안된다. 이러한 방식으로, 갇힌 공기가 피스톤의 배출측 표면에 이를 수 있으며, 따라서, 용적식 유량계가 이송되는 경우, 공기는 유출구를 향해 이송된다. 체크 밸브(check valve)가 이러한 바이패스 덕트에 추가로 배치되며, 체크 밸브는 배출측으로부터 공급측으로의, 즉 반대 방향으로의 유동을 방지하여, 플러싱(flushing)이 수행된 후, 시작시 피스톤을 다시 그 중간 위치로 간단히 이동시킬 수 있다.
그러나, 이러한 수단으로, 존재하는 갇힌 공기(air entrapments)은 유량계로부터 완전히 배출될 수 없으며, 이들은 장치의 다른 데드 스페이스(dead space)에 축적되며 언젠가 거기서 떨어지며, 이것은 이어서 측정오차를 야기한다. 특히 고압에서 작동하며 그 용적식 유량계가 사이에 끼운 자기 클러치를 갖는 전기 모터에 의해 구동되는 측정 장치들의 경우, 문제점들이 자기 클러치의 갇힌 공기으로부터 발생한다.
따라서 본 발명의 목적은 시작시 장치로부터 가능한 완전히 갇힌 공기을 제거함에 의해 측정 결과가 개선되는 유체의 유동 과정을 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 이 목적을 위해, 가능하다면, 추가적인 부품들이 사용되거나 연결될 필요가 없다. 상응하는 플러싱은 외부로부터 추가적인 플러싱 라인들(flushing lines)을 연결할 필요 없이 수행되도록 의도된다. 추가로, 예를 들면 기어 유량계의 기어들이 움직일 수 없게 된 경우(jammed), 액체의 비상 배출(emergency discharge)이 가능할 것이다.
상기 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치에 의해 달성된다.
공급 덕트와 배출 덕트가 유체의 유동 방향으로 상승하도록 설계된다는 사실로 인해, 덕트 또는 용적식 유량계 내에 존재하는 공기는 신뢰 가능하게 배출된다. 공기가 축적되는 데드 스페이스가 방지된다. 대신에, 공기는 자동적으로 공급 덕트로부터 이송 챔버 내로 상승하며, 측정 유체와 함께 배출 포트로 이송되며, 그 낮은 밀도로 인해, 유출구를 향해 배출 덕트를 따라 다시 상승한다. 따라서, 측정 결과를 손상시키는 갇힌 공기은 시작시 신뢰 가능하게 제거된다.
측정 결과의 추가 개선을 위해 바이패스 덕트(bypass duct)가 차압 센서(differential pressure sensor)에 형성되며, 이것은 차압 센서의 측정 챔버(measuring chamber)의 내부로부터 구동 유닛(drive unit)의 회전자 챔버(rotor chamber) 내로 개방되는 플러싱 라인(flushing line) 내로 연장된다. 이러한 측정에 의해, 피스톤의 전방부의 공기는 바이패스 덕트와 플러싱 라인을 통해 구동 유닛의 회전자 챔버를 향해 배출될 수 있다.
보충적인 수단으로서, 공급 포트(supply port)가 바람직하게는 측지학적으로 하부 부분의 회전자 챔버에 형성되며 바이패스는 공급 포트 내로 개방되며, 배출 포트가 측지학적으로 상부 부분에 형성되며 배출 포트는 유출구에 유체적으로 연결된다. 따라서, 플러싱 과정(flushing process) 동안, 측정 챔버 또는 회전자 챔버 내에 존재하는 모든 공기는 그 전부가 유출구로 이송되며 장치로부터 상응하게 완전히 제거된다.
그 발전예에서, 피스톤이 축방향 변위를 위해 측정 챔버 내부에 배치되며 피스톤은 측정 챔버에서 바이패스 덕트로의 바이패스 포트(bypass port)를 폐쇄(closing)하거나 소통(clearing)시키며, 바이패스 포트는 피스톤에 의해 소통(개방)되며, 유출측에서, 피스톤이 피스톤 운동의 축방향 범위를 정하는 정지부에 인접하는 경우, 측정 챔버 내로의 공급 포트와 바이패스 덕트 사이의 유체 연결부(fluidic connection)가 이에 의해 형성된다. 따라서, 용적식 유량계의 정지시, 액체는 플러싱을 위해 시스템 내로 도입되며, 이에 의해 피스톤이 바이패스 포트가 개방되며 측정 챔버 내에 존재하는 공기가 회전자 챔버를 향해 배출되기까지 변위된다.
발전된 유리한 실시형태에서 측정 챔버가 중공 실린더에 의해 범위(경계)가 정해지며 그것의 반경방향 범위를 정하는 셸 표면(shell surface)의 축방향 대향 단부들에서 차압 센서의 대향 단부들에서 바이패스 덕트 내로 개방되는 공급 포트와 배출 포트가 형성되며, 바이패스 포트는 셸 표면에 형성되며 체크 밸브(check valve)가 바이패스 내에 배치된다. 따라서, 바이패스 포트는 피스톤의 운동에 의해 개방(소통)된다. 체크 밸브는 반대 방향으로의 유체와 공기의 흐름을 방지하며, 따라서 공기는 항상 단지 바이패스 덕트를 통해 회전자 챔버를 향해 흐를 수 있다. 대부분 플랩(flap)으로서 설계되는 체크 밸브의 목적은 플러싱 과정 후 그 단부 위치로부터 피스톤의 해제(release)를 용이하게 하는 것이다.
플러싱 라인은 유리하게는 바이패스 덕트로부터 차압 센서가 배치되는 피스톤 하우징을 통해 그리고 용적식 유량계가 배치되는 용적형 하우징(positive displacement housing)을 통해 회전자 챔버의 공급 포트로 연장된다. 따라서, 통기(ventilation)를 위해 추가적인 라인들이 제공되거나 장착될 필요가 없다.
용적형 하우징의 덕트 섹션의 특히 간단한 구현은 용적형 하우징의 수용 개구부에 배치되는 슬리브에 용적형 챔버를 형성하며, 용적형 하우징을 통해 연장되는 플러싱 라인 섹션이 슬리브의 보어에 의해 형성되는 것에 의해 제공된다.
바람직하게는, 플러싱 라인은 체크 밸브의 하류에서 바이패스 덕트로부터 분기되며, 이에 의해 플러싱 라인으로부터 공기의 귀환 흐름이 방지된다.
보충적으로, 플러싱 라인은 배출 포트로부터 용적형 하우징과 피스톤 하우징을 통해 유출구로 연장되며 이들 덕트 섹션들 또한 별개의 덕트들로서 제공될 필요가 없으며, 유체 연결부가 하우징 부품들의 조립시 어떤 추가적인 조립 단계 없이 형성된다.
유리하게는, 장치의 제1 작동 위치에서, 바이패스 포트가 측정 챔버의 측지학적으로 최고점에 형성되며, 이에 의해 갇힌 공기(air entrapments)가 바이패스 포트에 이를 수 있으며 배출될 수 있다.
바람직한 실시형태에서 제1 바이패스 덕트는 전적으로 회전자 챔버를 통해 측정 챔버의 배출 포트에 유체적으로 연결된다. 따라서, 플러싱 라인을 통한 흐름은 존재하는 압력 조건들, 및 바이패스 덕트의 기능과는 독립적인 것이 보장되며, 즉 유체 흐름의 가능한 배출이 예를 들면 용적식 유량계가 움직일 수 없게 되는(jammed) 경우에도 계속 유지되는 것이 보장된다.
회전자 챔버가 예를 들면 나사에 의해 용적형 하우징에 고정될 수 있는 캔(can)에 의해 반경방향으로 범위가 정해지는 경우 특히 간단한 밀봉 및 조립이 달성된다.
또 다른 발전된 유리한 실시형태에서, 캔(can)은 캔드 모터(canned motor)의 외부 고정자로부터 내부 회전자를 분리시킬 수 있다. 이러한 설계에서는, 추가적인 클러치들이 더 이상 필요없게 된다. 대신에 캔드 모터를 통한 임펠러의 직구동(direct drive)이 구현될 수 있으며, 이에 의해 조립 및 추가 부품들을 위해 발생되는 비용들이 상당히 감소된다.
본 발명의 대안적인 실시형태에서 캔은 자기 클러치의 외부 자기 회전자로부터 내부 회전자를 분리시킨다. 이 실시형태에서, 표준 전기 모터가 구동을 위해 사용될 수 있으며, 모터는 유체와 접촉되지 않으며 따라서 간단히 교체된다.
바람직하게는 제2 바이패스 포트가 측정 챔버에 제공되며, 이것은 유입구 및 유출구를 향하며 배출측에서 측정 챔버 내로 개방되는 제2 바이패스 덕트 내로 개방된다. 이 바이패스 덕트에 의해 측정 챔버의 통기가 유입구 및 유출구가 상향으로 지향되는 제2 장착 위치에서 보장된다.
이 목적을 위해, 바이패스 배출 덕트가 측정 챔버에 유출측에서 형성되며, 이 덕트는 측정 챔버로부터 배출 덕트 내로 연장되며, 따라서 플러싱 동안 이송되는 공기 또는 용적식 유량계의 막힘의 경우 존재하는 액체가 유출구로 배출될 수 있다.
제2 바이패스 포트는 바람직하게는 제1 바이패스 포트보다 더 작다. 이러한 방식으로 회전자 챔버를 통한 흐름이 추가적으로 수행되며, 따라서 이것은 또한 제2 장착 위치에서 신뢰 가능하게 통기될 수 있다.
또한, 유리하게는 비상 작동 라인(emergency operation line)이 제1 바이패스 덕트로부터 분기되며, 비상 작동 라인은 배출 덕트로 직접 개방되거나 바이패스의 배출부를 통해 개방된다. 예를 들면 용적식 유량계의 기어들의 재밍(jamming)으로 인한 급격한 고압 상승의 경우 비상 작동 라인은 유체의 추가적인 배출의 기능을 하며, 장치의 손상을 방지한다.
바람직하게는, 압력 제한 밸브(pressure limiting valve)는 비상 작동 라인에 배치되며 따라서 이 비상 작동 라인은 정의된 초과 압력이 장치 내에 우세할 때 단지 개방된다.
이러한 비상 작동 라인은 바람직하게는 플러싱 라인의 하류에서 제1 바이패스 덕트로부터 분기되며 따라서 낮은 압력에서 장치로부터 액체가 비상 작동 라인에 공급되지 않는다.
따라서, 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 장치가 작동하는 경우 2개의 장착 위치들에서 신속하고 완전한 통기(venting)를 보장한다. 여기서, 회전자 챔버를 포함하는, 그를 통해 유체가 흐르는 장치의 모든 부품들은 통기된다. 또한, 급격한 압력 피크에 의해 야기되는 장치에 대한 손상은 신뢰 가능하게 회피된다. 따라서, 이러한 장치는 전체 수명에 걸쳐 매우 정확한 측정 결과들을 얻는 것을 가능하게 하며 따라서 또한 시간 분해 유동 과정들이 오랜 시간 기간에 걸쳐 높은 정밀도로 측정될 수 있다. 장치는 제조 및 조립이 간단하며 따라서 추가 기능에도 불구하고 상당한 추가 비용이 발생하지 않는다.
본 발명은 시작시 장치로부터 가능한 완전히 갇힌 공기을 제거함에 의해 측정 결과가 개선되는 유체의 유동 과정을 측정하기 위한 장치를 제공한다.
유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 본 발명의 장치는 도면에 도시된 비제한적 실시형태를 참조로 이하에서 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 장치의 외측부의 사시도이다.
도 2는 내부에 형성되며 파선으로 도시된 덕트들을 갖는 그리고 단면으로 도시된 도 1의 본 발명의 장치의 피스톤 하우징의 사시도이다.
도 3은 유출구의 영역에서 도 2의 피스톤 하우징을 통한 단면도이다.
도 4는 차압 센서의 측정 챔버를 통한 부분 단면도와 용적형 하우징에 대한 도시를 보여준다.
도 5는 측정 챔버의 외측부의 사시도이다.
도 6은 기어들과 슬리브가 아직 장착되지 않은 용적형 하우징의 사시도이다.
도 7은 용적형 하우징에 연결되도록 적응된 구동 유닛의 캔을 도시한다.
도 8은 용적형 하우징에 장착된 구동 유닛을 통한 단면도이다.
도 1은 시간 분해 유동 과정들(time-resolved flow processes)을 측정하기 위한 본 발명의 장치의 외측부를 도시한다. 본 발명의 장치는 양분형 구조(bipartite structure)의 하우징(10)을 포함하며, 용적식 유량계(positive displacement flow meter)(14)가 용적형 하우징(positive displacement housing)(12)으로서 기능하는 제1 하우징 부품에 배치되며, 차압 센서(differential pressure sensor)(18)가 피스톤 하우징(16)으로서 기능하는 제2 하우징 부품에 형성된다. 또한, 유입구(20)와 유출구(22)가 피스톤 하우징(16)에 형성된다. 용적식 유량계(14)의 구동 유닛(24)과 평가 및 제어 유닛(26)이 커버(28) 내부에 배치되며, 피스톤 하우징(16)과 같이, 제1 하우징 부품(12)에 고정된다.
도 2는 피스톤 하우징(16)을 도시한다. 연료는 유입구(20)를 통해 공급 덕트(30) 내로 흐르며 공급 덕트(30)는 피스톤 하우징(16)을 통해 그것의 정면 경계를 정하는 벽(32)까지 연장된다. 복수의 또 다른 덕트들이 이러한 벽(32)에 밀링가공된다. 공급 덕트(30)는 먼저 신장 형상(kidney-shaped) 디자인을 갖는 용적식 유량계(14)의 제1 공급 포트(supply port)(34) 내로 개방되며 용적식 유량계(14)의 용적형 챔버(positive displacement chamber)(36) 내로 이어지며 이것은 도 4 및 도 6에서 볼 수 있다. 또한, 용적형 챔버(36)로부터의 배출 포트(38)는 벽(2)에 형성되며, 포트는 또한 신장 형상을 가지며 배출 덕트(40) 내로 이어지며 배출 덕트(40)는 피스톤 하우징(16)을 통해 연장되며 유출구(22) 내로 개방된다. 또한, 유입구(41)로서 기능하는 바이패스(42)의 제1 섹션은 공급 덕트(30)의 단부로부터 연장되며 차압 센서(18)의 측정 챔버(44) 내로 이어진다. 유출구(45)로서 기능하는 바이패스(42)의 제2 섹션은 측정 챔버(44)에 변위 가능하게 배치된 피스톤(46)의 측부로부터 측정 챔버(44)에서 연장되며 상기 측부는 바이패스(42)의 제1 섹션에 대해 반대편에 있으며 배출 덕트(40) 내로 개방된다. 피스톤(46)은 측정 유체와 동일한 비중을 가지며 측정 챔버(44)와 같이 형상이 원통형이며; 따라서 측정 챔버(44)는 피스톤(46)의 외경에 실질적으로 대응하는 내경을 갖는다. 도 3에서, 피스톤(46)은 측정 챔버(44)로부터 단지 더 좋은 구별을 위해 더 작게 도시된다.
또한, 축방향 그루브(groove)(48)가 정면 벽(32)에 형성되며, 상기 그루브는 피스톤 하우징(16)에 형성된 덕트들을 둘러싸며 조립 후 용적형 하우징(12)에 인접하는 도시되지 않은 밀봉부(seal)를 수용하는 기능을 하며, 따라서 2개의 하우징 부품들(12, 16)이 단단히(tightly) 연결된다.
도 4 및 도 6은 이에 의해 용적형 하우징(12)이 전방측에서 용적형 챔버(36)의 경계를 정하는 피스톤 하우징(16)의 벽(32)에 인접하는 정지면(stop surface)(50)에 대한 도시로 용적형 하우징(12)을 도시한다. 수용 개구부(receiving opening)(52)가 용적형 하우징(12) 내에 형성되며, 수용 개구부 내로 용적식 유량계(14)의 구동 유닛의 구동 샤프트(54)가 돌출한다. 슬리브(56)가 수용 개구부(52) 내로 셋팅되며, 이것은 용적형 챔버(36)의 반경방향 경계를 정하며 상응하게 구동 가능한 임펠러(58)로서 그리고 또한 용적식 유량계(14)의 내부 치형 외측 기어(60)로서 기능하는 내측 기어를 수용한다. 본질적으로 포트(pot) 형상인 슬리브(56)는 상응하게 후방 측에서 용적형 챔버(36)의 경계를 정하는 그 후방 벽(66)에 개구부(64)를 포함하며, 드라이브 샤프트(54)는 보어(bore)를 통해 용적형 챔버(36) 내로 돌출한다.
슬리브(56)의 반경방향으로 경계를 정하는 외벽(66)에는 2개의 그루브들(68)이 외측 둘레에 형성되며, 이들 그루브들(68)에 연결된 2개의 보어들이 후방 벽(62)에 형성되며, 상기 보어들을 통해 공급 덕트(30) 또는 배출 덕트(40)는, 각각, 용적식 유량계(14)의 제2 신장 형상 공급 포트(70) 또는 제2 신장 형상 배출 포트(72)에 연결되며, 따라서 이것에는 양 전방 단부면들로부터 측정 유체가 공급된다.
유동 과정을 측정하기 위한 장치의 작동에서 측정 유체로서 기능하는 연료가 고압 펌프 및 하나 또는 복수의 분사 밸브를 통해 유입구(20)에 이르며 공급 덕트(30)를 통해 2개의 공급 포트들(34, 70)로 흘러 용적형 챔버(36) 내로 흐르며, 이에 의해 챔버는 전방 및 후방 양측으로부터 채워진다. 피동 임펠러(58)의 회전에 의해 이송된 후, 연료는 2개의 배출 포트들(38, 72)을 통해 용적형 챔버(36)를 떠나며 배출 덕트(40)를 통해 다시 유출구(22)로 흐른다.
용적식 유량계(14)에 의해 이송된 연료로 인해, 연료의 유입구(20)로의 분사로 인해, 유입구(20)와 피스톤(46)의 전방측과의 유체 연결로 인해, 그리고 바이패스(42)를 통한 유출구(22)와 피스톤(46)의 후방측과의 연결로 인해, 차압이 피스톤(46)의 전방측과 후방측 사이에 형성될 수 있으며 이것은 그 휴지 위치(rest position)로부터 피스톤(46)의 운동을 야기할 수 있다. 따라서, 피스톤(46)의 운동은 우세한 차압의 척도이다. 따라서, 경로 센서(path sensor)가 측정 챔버(44)에 배치되며, 경로 센서는 피스톤(46)에 작동적으로 연결되며 피스톤(46)의 운동은 운동의 크기의 함수인 전압을 발생시킨다. 측정 챔버(44)에 장착된 경로 센서는 특히 자기저항센서(magneto-resistive sensor)이며, 이에 의해 이에 작용하는 자기장의 세기가 전압으로 변환된다. 경로 센서로서 광센서를 사용하는 것이 또한 가능하다.
경로 센서가 평가 및 제어 유닛(26)에 연결되며 평가 및 제어 유닛은 경로 센서로부터 측정값을 받아 상응하는 제어 신호를 구동 유닛(24)에 전송하며 구동 유닛은 바람직하게는 피스톤(46)이 항상 정의된 초기 위치에 있도록 제어된다. 따라서 회전식(rotary) 용적식 유량계(14)는 분사된 유체에 의해 피스톤(46)에서 야기된 차압이 이송에 의해 연속적인 방식으로 대략 상쇄되는 방식으로 구동된다. 또한, 압력 센서 및 온도 센서가 측정 챔버(44) 내에 배치되며, 이것은 이 영역에서 우세한 압력 및 온도를 연속적으로 측정하며 또한 이들을 평가 및 제어 유닛(26)에 전송하여 밀도 변화가 계산에 고려될 수 있다.
측정의 과정은, 측정될 전체 유량(flow rate)이 평가 및 제어 유닛(26)에서 계산되는 경우, 피스톤(46)의 위치 또는 운동 및 측정 챔버(44) 내에서 이에 의해 변위되는 용적에 의해 발생되는 바이패스(42) 내의 유량과 정의된 시간 간격 동안의 용적식 유량계(14)의 실제 유량이 둘 다 고려되며, 양 유량들은 전체 유량을 계산하기 위해 합산되도록 하는 것이다.
피스톤(46)에서 유량의 측정은 예를 들면 경로 센서에 연결된 평가 및 제어 유닛(26)에서 피스톤(46)의 운동이 미분되며 이어서 피스톤(46)의 기부 표면에 의해 곱해져 이 시간 간격에서의 바이패스(42) 내의 체적 유량이 수득되도록 수행된다.
용적식 유량계(14)에서 직접 측정되거나 또는 구동 유닛(24)에서 예를 들면 광학식 엔코더 또는 자기저항센서에 의해 측정되는 경우 수득된 제어 데이터로부터 또는 회전 속도에 의해 용적식 유량계(14)를 통한 유량이 측정될 수 있다.
본 발명에 따르면 특히 도 2 및 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 공급 덕트(30)와 배출 덕트(40)가 경사지며(inclined) 따라서 측정 유체의 유동 방향으로 슬로프(slope)가 2개의 장착 위치들에 대해 존재한다. 첫번째 가능한 장착 위치 또는 작동 위치는 각각 도면들에 도시된 위치에 대응하며, 반면에 유입구 및 유출구는 제2 작동 위치에서 상향으로 향한다. 이러한 경사진 설계는 연료 내의 에어버블들(air bubbles)이 유입구로부터 용적형 챔버(36)로 그리고 용적형 챔버(36)로부터 유출구(22)를 향해 항상 이송되며 데드 스페이스(dead space)에 정착 및 축적될 수 없는데, 왜냐하면 심지어 능동 이송(active conveying)이 없는 경우에도 공기가 그 낮은 밀도로 인해 연료 내에서 상승하기 때문이다. 이것은 특히 장치가 장치의 라인들 및 모든 집합체들로부터 공기를 신뢰 가능하게 제거하기 위하여 플러싱되어야 하는 장치의 시작시 유리하며, 이러한 공기는 그렇지 않으면 측정값들을 손상시킬 수도 있다.
또한, 특히 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 측정 챔버(44)의 특별 설계가 이 목적을 위해 선택된다. 측정 챔버(44)를 형성하는 중공 실린더(74)는 덕트로서 기능하는 그 반경방향으로 경계를 정하는 셸 표면(76)에 또는 그 안에 보어들 및 밀링절삭부들(millings)을 가지며, 밀링절삭부들은 덕트를 형성하기 위해 주위 피스톤 하우징(16)에 의해 폐쇄된다. 개구부들이 중공 실린더(74)의 축방향 대향 단부들에 형성되며, 그 중 하나의 개구부는 공급 포트(78)로서 기능하며 축방향으로 반대편 개구부는 배출 포트(80)로서 기능하며, 공급 포트(78)는 바이패스(42)의 공급부(41)에 연결되며 배출 포트(80)는 바이패스(42)의 배출부(45)에 연결된다. 상부측에는, 측정 챔버(44)의 반경방향으로 경계를 정하는 셸 표면(76)에는 중공 실린더(74)의 배출부측 단부에서 정지부(84)로부터 축방향으로 떨어져있는 제1 바이패스 포트(82)가 형성되며, 정지부는 피스톤의 축방향으로의 운동의 경계를 정하며, 거리는 대략 피스톤(46)의 축방향 길이에 대응하며, 따라서 도 4에 도시된 바와 같이 피스톤(46)이 정지부(84)에 놓이는 경우 바이패스 포트(82)는 소통(개방)된다. 바이패스 포트(82)는 축방향으로 연장되는 바이패스 덕트(86) 내로 이어지며 바이패스 포트(82)에 배치된 체크 밸브(88)에 의해 폐쇄될 수 있으며, 체크 밸브는 전적으로 측정 챔버(44)로부터 바이패스 덕트(86) 내로 흐를 수 있지만, 그 반대 방향으로는 흐를 수 없는 것을 보장한다. 플러싱 라인(flushing line)(90)은 바이패스 덕트(86)로부터 분기되며, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 플러싱 라인은 먼저 측정 챔버(44)로부터 피스톤 하우징(16)을 통해 연장된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 플러싱 라인(90)은 슬리브(56) 내의 축방향 통로 보어(92)의 형태로 용적형 하우징(12) 내에서 이어진다. 통로 보어(92)는 용적형 하우징(12)의 후방 벽(62)의 그루브(94) 내로 개방된다. 후방 벽(62)에는 구동 유닛(24)이 배치되는 개구부(64)가 형성된다. 도 6에서 개구부(64)의 반경방향 경계를 정하는 벽(98)에 리세스(recess)(100)가 형성되며, 리세스는 그루브(94)를 축방향으로 연장한다. 도 7에 도시된, 구동 유닛(drive unit)(24)의 캔(can)(104)의 칼라(collar)(102)는 반경방향으로 경계를 정하는 벽(98)에 대해 반경방향 내부측에 인접하며, 칼라는 그 하부 부분에 캔(104)의 내부에 형성된 회전자 챔버(rotor chamber)(108) 내로 이어지는 보어 형태의 유입 포트(inflow port)(106)가 형성되며, 이러한 유입 개구부(inflow opening)(106)는 리세스(100)에 바로 인접하여 형성되며 따라서 플러싱 라인(90)이 회전자 챔버(108)의 하부 영역 내로 이어진다.
캔드 모터(canned motor)(111)로서 설계된 전기 모터의 회전자(110)는 회전자 챔버(108)에 배치되며, 회전자는 영구 자석을 지니며 구동 샤프트(54)에 고정되며 그 자체가 공지된 방식으로 캔(104)의 외부에 반경방향으로 배치되며 로터(110)를 둘러싸는 고정자(stator)(112)에 대응하며, 회전자는 고정자(112)의 활성화에 대응하여 구동된다. 캔(104)은 고정자(112) 방향으로 회전자 챔버(108)를 외부에 대해 타이트하게(tightly) 밀폐시킨다. 상응하여, 구동 샤프트(54)를 지지하기 위한 2개의 베어링들(114)은 캔(104)의 칼라(102) 내부에 배치되거나 또는 축방향 반대측에서 캔(104)의 베어링 시트(116)에 각각 배치된다. 캔(104), 그리고 그것과 함께 캔드 모터(111)로서 설계되는 전기 모터는 개구부(64) 내로 돌출하는 칼라(102)에 반경방향으로 바로 인접하여 연장하는 플랜지 플레이트(118)를 통해 용적형 하우징(12)에 고정된다.
회전자 챔버(108)로부터 반경방향 외향으로 이어지는 유출 포트(120)가 캔(104)의 칼라(102)의 상부측에 형성되며, 유출 포트는 개구부(64)의 반경방향 경계를 정하는 용적형 하우징(12)의 벽(98)의 또 다른 리세스(122) 내로 개방된다. 개구부(64) 주위에서 부분적으로 연장하는 그루브(124)는 배출 덕트(40)에 유체적으로 연결되는 슬리브(56)의 그루브(68) 내로 개방되는 슬리브(56)의 축방향 보어(126)까지 리세스(122)를 연장한다. 상응하여, 회전자 챔버(108)를 통한 장치의 유출구(22)와 플러싱 라인(90)과의 유체 연결이 있다. 바이패스 덕트(86)와 배출 포트(80)와의 직접 연결은 없다. 따라서, 제1 바이패스 포트(82)가 개방되는 경우 회전자 챔버(108)를 통한 강제 유동이 형성된다.
상응하여, 시작시, 용적식 유량계(14)가 작동하지 않는 동안, 측정 유체가 유입구를 통해 공급 덕트(30) 내로 이송된다. 이것은 피스톤(46)에 걸쳐 압력차를 형성하여, 바이패스 포트(82)가 개방되고 플러싱 흐름이 프러싱 라인(90)과 회전자 챔버(108)를 통해 유출구(22)에 도달할 때까지 피스톤이 변위된다. 에어버블들(air bubbles)이 축적될 수 있는 부품들은 하부 영역에 각각의 공급 포트들(78, 106)을 가지며 상부 영역에 대응 배출 포트들(80, 120)을 가지기 때문에, 시스템에 존재하는 공기는 이들 챔버들(44, 108)로부터 완전히 제거된다. 용적식 유량계(14)가 그 다음 활성화되는 경우, 용적형 챔버(36) 내에 어쩌면 아직 존재하는 공기가 경사진 배출 덕트(40)를 통해 또한 신뢰 가능하게 배출되며 따라서 시스템은 공기로부터 완전히 자유롭게 된다.
유입구(20) 및 유출구(22)가 상향으로 배향되는 장치의 제2 작동 위치에 대해, 제2 바이패스 덕트(128)가, 제2 바이패스 포트(120)를 통해, 측정 챔버(44)의 반경방향 경계를 정하는 셸 표면(76)에서 측정 챔버(44)와 연결된다. 피스톤(46)이 배출측 단부에서 정지부(84)에 놓이는 경우 이 바이패스 포트(120)는, 또한, 개방된다. 바이패스 덕트(18)는 바이패스 포트(130)로부터 축방향으로 측정 챔버(44)의 배출측 축방향 단부로 연장되며 이 단부에서 그루브(129)를 가지며, 따라서 배출 포트(80)에 대한 유체 연결이 존재한다. 또한, 상기 배출측 단부에는 피스톤 하우징(16)에 형성되며 바이패스 배출 덕트(132)로서 기능하는 보어로 이어지는 또 다른 그루브(131)가 제공되며, 상기 보어를 통해 측정 챔버(44)의 배출측 단부는 장치의 배출 덕트(40)에 직접 연결된다. 설계시, 제2 바이패스 덕트(128)가 플러싱 라인(90)보다 상당히 더 작게 하여 양 장착 위치들에서 회전자 챔버(108)의 플러싱(flushing)이 수행되는 것이 보장되도록 주의하여야 한다. 상응하여, 제2 장착 위치에서, 공기가 측정 챔버(44)로부터 주로 제2 바이패스 덕트(18)를 통해, 즉 바이패스 배출 덕트(132)와 바이패스(42)의 배출부(45) 양자를 통해 유출구를 향해 강제(추진)된다.
특히 용적식 유량계가 움직일 수 없게 된 경우(jammed) 발생할 수 있는 플러싱 라인(90) 내의 압력이 지나치게 상승하는 경우, 비상 작동 라인(134)이 유동 방향으로 볼 때 플러싱 라인(90)의 하류에서 제1 바이패스 덕트(86)로부터 분기된다. 압력 제한 밸브(136)가 비상 작동 라인(134)에 배치되며, 압력 제한 밸브는 예를 들면 약 0.4 bar의 압력이 초과되는 경우 개방된다. 이러한 압력이 초과되는 경우, 측정 유체가 피스톤 하우징(16)을 통해 바이패스 라인(42)의 배출부(45)로 안내되는 비상 작동 라인(134)을 통해 유출구(22)로 배출될 수 있으며, 장치에 대한 손상이 방지된다.
따라서 유동 과정들을 측정하기 위한 본 발명의 기술된 장치는 2개의 상이한 장착 위치들 또는 작동 위치들에서, 공기의 압축성으로 인해 에어버블이 작동 중 용적형 챔버 또는 측정 챔버의 회전자 챔버로부터 풀리게(loose)되자마자 측정 결과들을 손상시킬 수도 있는 공기로부터 신뢰 가능하게 그리고 완전히 자유로울 수 있다. 덕트 내의 공기의 축적이 또한 이들의 상대 위치에 의해 신뢰 가능하게 회피된다. 상응하여, 개선된 측정값들이 수득된다. 또한, 예를 들면 특히 용적식 유량계의 막힘 또는 또 다른 고장시 발생할 수 있는 압력 피크 발생의 경우에 장치에 대한 손상이 회피된다. 이들 이점들은 플러싱(flushing)을 위한 추가적인 라인들을 장착할 필요없이 수득된다. 따라서, 본 발명의 장치의 구조 및 조립은 경제적으로 유지된다.
본 발명이 기술된 실시형태에 한정되지 않고 주요 청구항의 보호 범위 내에서 다양한 변형들이 가능하다는 것은 명확하다. 덕트들 및 하우징 부품들의 배치는 변형될 수 있으며 또한 예를 들면 이중 기어 펌프 또는 베인 펌프로 설계될 수 있는 용적식 유량계의 설계도 변형될 수 있다. 또한, 슬리브 대신에, 리세스에 용적식 유량계를 직접 배치하는 것이 가능하며, 또는 슬리브를 그 자체의 후방 벽 없이 설계하고 용적식 하우징 자체에 덕트를 상응하게 형성하는 것이 가능하다. 기술된 캔드 모터 대신에, 로터 챔버에서 자기 클러치를 사용하는 것이 또한 가능하며, 내부 회전자는 캔 안에 배치되며 전기 모터에 의해 구동되는 외부 회전자는 고정자 외부에 배치된다. 주요 청구항의 보호 범위 내에서 또 다른 구조 변경들을 또한 생각할 수 있다.

Claims (20)

  1. 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치로서,
    유입구(20),
    유출구(22),
    구동 유닛(24)에 의해 구동되며 그것의 용적형 챔버(36)는 공급 덕트(30)를 통해 유입구(20)에 그리고 배출 덕트(40)를 통해 유출구(22)에 유체적으로 연결되는 용적식 유량계(14),
    용적식 유량계(14)가 우회되는 것을 가능하게 하는 바이패스(42),
    바이패스(42)에 배치되는 차압 센서(18), 및
    차압 센서(18)에 인가된 차압에 따라 구동 가능한 용적식 유량계(14)가 제어되는 것을 가능하게 하는 평가 및 제어 유닛(26)을 포함하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치에 있어서,
    공급 덕트(30) 및 배출 덕트(40)가 유체가 흐르는 방향으로 상승하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    바이패스 덕트(86)가 차압 센서(18)에 형성되며, 바이패스 덕트는 차압 센서(18)의 측정 챔버(44)의 내부로부터 구동 유닛(24)의 회전자 챔버(108) 내로 개방되는 플러싱 라인(90) 내로 연장되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    유입 포트(106)가 측지학적으로 하부 부분의 회전자 챔버(108)에 형성되며, 유입 포트 내로 플러싱 라인(90)이 개방되며, 유출 포트(120)가 측지학적으로 상부 부분에 형성되며, 유출 포트는 유출구(22)에 유체적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    피스톤(46)이 측정 챔버(44) 내부에 배치되어 축방향으로 이동 가능하며, 이에 의해 측정 챔버(44)에서 바이패스 덕트(86)로의 바이패스 포트(82)가 폐쇄 가능하거나 소통 가능하며, 바이패스 포트(82)가 피스톤(46)에 의해 소통(개방)되며, 유출측에서, 피스톤(46)이 축방향으로 피스톤 운동의 범위를 정하는 배출측 정지부(84)에 놓이는 경우, 측정 챔버(44)로의 공급 포트(78)와 바이패스 덕트(86) 사이의 유체 연결부가 이에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    측정 챔버(44)가 중공 실린더(74)에 의해 범위가 정해지며 그것의 반경방향 경계를 정하는 셸 표면(76)의 축방향 대향 단부들에 공급 포트(78)와 배출 포트(80)가 형성되며 이들 포트들은 차압 센서(18)의 축방향 대향 단부들에서 바이패스(42) 내로 개방되며, 바이패스 포트(82)는 셸 표면(76)에 형성되며 체크 밸브(88)는 바이패스 덕트(86)에 배치되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  6. 제2항 내지 제5항들 중 어느 한 항에 있어서,
    플러싱 라인(90)은 바이패스 덕트(86)로부터 차압 센서(18)가 그 안에 배치되는 피스톤 하우징(16)을 통해 그리고 용적식 유량계(14)가 그 안에 배치되는 용적형 하우징(12)을 통해 회전자 챔버(108)의 유입 포트(106)로 연장되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    용적형 챔버(36)가 용적형 하우징(12)의 수용 개구부(52)에 배치되는 슬리브(62)에 형성되며, 용적형 하우징(12)을 통해 연장되는 플러싱 라인(90)의 섹션이 슬리브(56)의 보어(92)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  8. 제4항 내지 제7항들 중 어느 한 항에 있어서,
    플러싱 라인(90)은 체크 밸브(88)의 하류에서 바이패스 덕트(86)로부터 분기되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  9. 제3항 내지 제8항들 중 어느 한 항에 있어서,
    플러싱 라인(90)은 회전자 챔버(108)의 유출 포트(120)로부터 용적형 하우징(12)과 피스톤 하우징(16)을 통해 유출구(22)로 연장되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  10. 제4항 내지 제9항들 중 어느 한 항에 있어서,
    장치의 제1 작동 위치에서, 바이패스 포트(82)가 측정 챔버(44)의 측지학적으로 최고점에 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  11. 제5항 내지 제10항들 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 바이패스 덕트(86)는 전적으로 회전자 챔버(108)를 통해 측정 챔버(44)의 배출 포트(80)에 유체적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  12. 제2항 내지 제10항들 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자 챔버(108)는 캔(104)에 의해 반경방향으로 범위가 정해지는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    캔(104)은 캔드 모터(111)의 외부 고정자(112)로부터 내부 회전자(110)를 분리하는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    캔(104)은 자기 클러치의 외부 자기 회전자로부터 내부 회전자를 분리하는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  15. 제5항 내지 제14항들 중 어느 한 항에 있어서,
    유입구(20) 및 유출구(22)를 향해 배향되는 제2 바이패스 포트(130)가 측정 챔버(44)에 형성되며, 제2 바이패스 포트는 배출측에서 측정 챔버(44) 내로 개방되는 제2 바이패스 덕트(128) 내로 개방되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    바이패스 배출 덕트(132)가 유출측에서 측정 챔버(44)에 형성되며, 바이패스 배출 덕트는 측정 챔버(44)로부터 피스톤 하우징(16)을 통해 배출 덕트(40) 내로 연장되는 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    제2 바이패스 포트(130)는 제1 바이패스 포트(82)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  18. 제2항 내지 제16항들 중 어느 한 항에 있어서,
    비상 작동 라인(134)이 제1 바이패스 덕트(86)로부터 분기되며, 이것은 배출 덕트(40)로 직접 개방되거나 바이패스(42)의 배출부(45)를 통해 개방되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    압력 제한 밸브(136)가 비상 작동 라인(134)에 배치되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    비상 작동 라인(134)은 플러싱 라인(90)의 하류에서 제1 바이패스 덕트(86)로부터 분기되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동 과정들을 측정하기 위한 장치.
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