KR20200032216A - 소용돌이 유량계 - Google Patents

Abstract

소용돌이 발생체(16)와 유량 계측부(30)를 구비하는 소용돌이 유량계(1)에 있어서, 유량 계측부(30)는, 압전소자(32)와 압전소자 케이스(31)를 가지며, 압전소자 케이스(31)는, 본체 케이스(2)에 감합되는 감합부(312)와, 감합부(312)의 선단면(312a)으로부터 돌출되며, 본체 유로(23) 내에 배치되는 수압부(314)와, 감합부(312)에 압전소자 케이스(31)의 축선방향을 따라 형성되며, 감합부(312)와 수압부(314) 사이를 격리하는 공간부(319)와, 수압부(314)의 내부에 형성되며, 압전소자(32)를 수용하는 슬릿(318)을 갖는다.

Description

소용돌이 유량계

본 발명은, 본체 유로를 구비하는 본체 케이스와, 본체 유로에 배치되는 소용돌이 발생체와, 소용돌이 발생체의 하류측에 배설되고, 소용돌이 발생체에 의해 발생한 카르만 소용돌이를 검출함으로써 유량을 계측하는 유량 계측부를 구비하는 소용돌이 유량계에 관한 것이다.

진공 챔버, 담금질 장치, 레이저 가공기, 칠러 등의 열원은, 냉각수에 의해 냉각된다. 이들 장치에서는, 냉각수의 순환 회로에 유량 센서와 제어 밸브를 배설하고, 냉각수의 유량을 설정 유량으로 제어함으로써 열원의 온도 관리를 하고 있다. 유량 센서에는, 예를 들어, 저렴한 소용돌이 유량계가 이용된다.

예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 본체 케이스에 형성한 본체 유로에, 소용돌이 발생체와 유량 계측부를 배치한 소용돌이 유량계가 개시되어 있다. 본체 케이스는, 유량 계측부를 삽입하는 삽입구멍이, 본체 유로에 연통하도록 형성되어 있다. 유량 계측부는, 본체 케이스의 삽입구멍에 감합되는 감합부와, 감합부의 선단면에 돌설(突設)되어 본체 유로측으로 돌출되는 수압부와, 수압부의 내부에 배치되는 압전소자를 구비한다. 이러한 소용돌이 유량계는, 소용돌이 발생체가 발생하는 카르만 소용돌이의 교번력이 수압부에 작용하여, 수압부가 진동(휨변형)하면, 압전소자가 그 진동(변형)을 전달받아 전압신호를 출력한다.

일본특허 제3456822호 공보 일본특허 제3968769호 공보

그러나, 종래의 소용돌이 유량계는, 수압부가 감합부의 선단면에 돌설되어 짧기 때문에, 피측정 유체가 본체 유로를 저유량으로 흐르는 경우에, 카르만 소용돌이의 교번력이 수압부에 작용하여도, 수압부가 진동하지 않아, 압전소자가 전압신호를 출력할 수 없는 경우가 있었다. 수압부가 감합부의 선단면으로부터 돌출되는 길이가 길어지면, 수압부가 카르만 소용돌이를 받아 진동(변형)하기 쉬워져, 압전소자의 감도가 향상된다. 그러나, 이것으로는, 유량 계측부의 축선방향의 길이가 길어져, 소용돌이 유량계가 대형화된다.

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 사이즈의 대형화를 억제하면서, 유량 측정정밀도를 향상시킬 수 있는 소용돌이 유량계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 태양은, 다음과 같은 구성을 갖고 있다. (1)본체 유로를 구비하는 본체 케이스와, 상기 본체 유로에 배치되는 소용돌이 발생체와, 상기 소용돌이 발생체의 하류측에 배설되고, 상기 소용돌이 발생체에 의해 발생한 카르만 소용돌이를 검출함으로써 유량을 계측하는 유량 계측부를 구비하는 소용돌이 유량계에 있어서, 상기 유량 계측부는, 압전소자와 압전소자 케이스를 갖는 것, 상기 압전소자 케이스는, 상기 본체 케이스에 감합되는 감합부와, 상기 감합부의 본체 유로측에 위치하는 선단면으로부터 돌출되며, 본체 유로 내에 배치되는 수압부와, 상기 감합부에 상기 압전소자 케이스의 축선방향을 따라 형성되며, 상기 감합부와 상기 수압부 사이를 격리하는 공간부와, 상기 수압부의 내부에 형성되며, 상기 압전소자를 수용하는 슬릿을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 구성의 소용돌이 유량계는, 수압부가 감합부의 선단면으로부터 돌출되는 양을 변경하지 않고, 수압부의 길이를 공간부에 의해 길게 할 수 있다. 이에 따라, 피측정 유체가 저유량이고, 카르만 소용돌이의 교번력이 작은 경우여도, 수압부가 소용돌이 발생체에 의해 발생한 카르만 소용돌이를 받아 진동(휨변형)하기 쉬워져, 압전소자가 카르만 소용돌이를 검출할 수 있게 된다. 이와 같이, 상기 구성의 소용돌이 유량계에 따르면, 압전소자 케이스에 공간부를 마련하는 것만으로, 압전소자의 감도가 향상되므로, 사이즈의 대형화를 억제하면서, 유량 측정정밀도를 향상시킬 수 있다.

(2) (1)에 기재된 구성에 있어서, 상기 본체 케이스가, 상기 유량 계측부를 삽입되는 삽입구멍이 형성되어 있는 것, 상기 본체 케이스와 상기 유량 계측부 사이를 씰하는 씰부재를 갖는 것, 상기 공간부는, 상기 씰부재가 배치되는 위치의 직경방향 내측에 마련되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구성의 소용돌이 유량계는, 씰부재의 응력이 공간부에 차단되어 수압부에 전달되지 않으므로, 유량 계측부가 씰부재의 응력의 영향을 받지 않고 카르만 소용돌이를 검출할 수 있다.

(3) (1) 또는 (2)에 기재된 구성에 있어서, 상기 압전소자 케이스는, 상기 공간부에 가설되는 한쌍의 리브를 갖는 것, 상기 한쌍의 리브는, 상기 본체 유로의 축심방향을 따라 마련되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구성의 소용돌이 유량계는, 수압부가 카르만 소용돌이를 받아 진동하는 경우에, 한쌍의 리브가 수압부를 인장하여 수압부의 진동의 진폭(변형량)을 억제하므로, 수압부가 공진하는 것을 막아, 유량 계측정밀도를 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 사이즈의 대형화를 억제하면서, 유량 측정정밀도를 향상시킬 수 있는 소용돌이 유량계를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 소용돌이 유량계의 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3은 압전소자 케이스의 정면도이다.
도 4는 도 3의 상면도이다.
도 5는 도 3의 하면도이다.
도 6은 도 3의 B-B단면도이다.
도 7은 도 3의 C-C단면도이다.
도 8은 도 5의 D-D단면도이다.
도 9는 도 1에 나타내는 측온 케이스의 상면도이다.
도 10은 도 9의 E-E단면도이다.
도 11은 실시예를 이용하여 계측된 전압신호의 전압파형을 나타내는 도면이다.
도 12는 비교예를 이용하여 계측된 전압신호의 전압파형을 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명에 따른 소용돌이 유량계의 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 소용돌이 유량계(1)의 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 소용돌이 유량계(1)는, 본체 케이스(2)와 제어부(17)가 케이싱(6)에 수용되어 있다. 본체 케이스(2)는, 대략 직육면체형상을 이루며, 대향하는 제1 면(2a)과 제2 면(2b)에 제1 이음매(12)와 제2 이음매(13)가 O링(14, 15)을 개재하여 접속되어 있다.

소용돌이 유량계(1)는, 입력측(상류측)에 위치하는 제1 이음매(12)에 형성된 제1 포트(12a) 및 제1 유로(12b)와, 본체 케이스(2)에 형성된 제1 노즐부(24), 본체 유로(23), 및, 제2 노즐부(25)와, 출력측(하류측)에 위치하는 제2 이음매(13)에 형성된 제2 포트(13a) 및 제2 유로(13b)가, 동축 상에 마련되어 있다. 본체 케이스(2)는, 본체 유로(23)를 따라 상류측(제1 이음매(12)와 접속하는 측)으로부터 순서대로, 측온체(40)와, 소용돌이 발생체(16)와, 유량 계측부(30)가 마련되어 있다. 한편, 본체 케이스(2)와 케이싱(6)은, 내부식성, 강도가 있는 수지로 형성되어 있다. 제1 이음매(12)와 제2 이음매(13)는, 금속으로 형성되어 있다.

소용돌이 발생체(16)는, 본체 유로(23)의 축심방향(도 1에 있어서 좌우방향)에 대해 직교하는 방향(도 1에 있어서 상하방향)에 기둥상으로 마련되어 있다. 소용돌이 발생체(16)는, 본체 케이스(2)에 일체 성형되어 있다.

도 2는, 도 1의 A-A단면도이다. 소용돌이 발생체(16)는, 본체 유로(23)의 축심방향을 따라 자른 단면의 형상이 육각형형상을 이루며, 입력측(제1 이음매(12)측)으로부터 흘러온 피측정 유체에 카르만 소용돌이(K1, K2)를 비대칭으로 발생시킨다. 유량 계측부(30)는, 카르만 소용돌이(K1, K2)의 교번력이 수압부(314)에 작용함으로써 카르만 소용돌이(K1, K2)를 검출하고, 피측정 유체의 유량을 계측한다.

도 1로 되돌아가서, 본체 케이스(2)는, 제어부(17)가 위치하는 측의 면(도 1에 있어서 상면)에, 제1 삽입구멍(27)과 제2 삽입구멍(26)이 개설되어 있다. 제1 삽입구멍(27)은, 소용돌이 발생체(16)보다 상류측의 위치에, 본체 유로(23)에 연통하도록 형성되어 있다. 측온체(40)는, 본체 유로(23)측에 위치하는 선단면(415)이 본체 유로(23)측으로 돌출되지 않도록 제1 삽입구멍(27)에 삽입되고, 본체 케이스(2)에 나사고정되어 있다. 제2 삽입구멍(26)은, 소용돌이 발생체(16)보다 하류측의 위치에, 본체 유로(23)에 연통하도록 형성되어 있다. 유량 계측부(30)는, 선단부에 마련된 수압부(314)를 본체 유로(23)로 돌출시키도록 제2 삽입구멍(26)에 삽입되고, 본체 케이스(2)에 나사고정되어 있다.

유량 계측부(30)는, 압전소자 케이스(31)에 압전소자(32)를 수용한 것이다. 압전소자(32)는, 단책형상의 압전판(322)의 일단에 전극부(321)를 접속한 것이다. 압전소자(32)는, 압전판(322)의 왜곡변형에 따라 전극부(321)로부터 전압을 출력한다. 압전소자(32)는, 압전소자 케이스(31)의 중앙에 축선방향을 따라 형성된 슬릿(318)에 압전판(322)을 삽입하고, 슬릿(318)의 개구부에 마련된 대경구멍부(317) 내에 전극부(321)를 배치한 상태로, 자외선 경화성 접착제를 이용하여 압전소자 케이스(31)에 접착되어 있다.

압전소자 케이스(31)는, 유리섬유를 포함하지 않는 수지를, 도 3~도 8에 나타내는 형상으로 성형한 것이다. 도 3은, 압전소자 케이스(31)의 정면도이다. 도 4는, 도 3의 상면도이다. 도 5는, 도 3의 하면도이다. 도 6은, 도 3의 B-B단면도이다. 도 7은, 도 3의 C-C단면도이다. 도 8은, 도 5의 D-D단면도이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 압전소자 케이스(31)는, 감합부(312)와, 수압부(314)와, 플랜지부(311)를 구비한다.

도 3 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 감합부(312)는, 원기둥형상을 이룬다. 감합부(312)는, 본체 유로(23)측에 위치하는 단부(도 3에 있어서 하단부)에, 감합부(312)보다 소경인 소경부(312b)를 구비하고, 단차부(312c)가 외주면을 따라 환상으로 형성되어 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 감합부(312)는, 환상의 씰부재(51)가 소경부(312b)에 장착되고, 단차부(312c)에 의해 씰부재(51)의 이동을 제한한다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 수압부(314)는, 감합부(312)의 본체 유로(23)측에 위치하는 선단면(312a)(도 3에 있어서 하단면)으로부터 축선방향을 따라 돌출되어 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 수압부(314)는, 압전소자 케이스(31)의 축선에 대해 직교하는 방향으로 자른 단면이 육각형이 되는 판형상을 이루며, 피측정 유체에 발생하는 저항을 최대한 작게 하도록 본체 유로(23) 내에 배치된다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 감합부(312)는, 선단면(312a)으로부터 압전소자 케이스(31)의 축방향(도 6에 있어서 상하방향)을 따라, 공간부(319)가 형성되어 있다. 공간부(319)는, 수압부(314)의 외주면을 따라 형성되어 있다. 이에 따라, 수압부(314)는, 감합부(312)의 내부에서 감합부(312)에 접속하며, 캔틸레버되어 있다. 수압부(314)의 전체길이(L1)는, 공간부(319)를 형성하지 않고서 감합부의 선단면에 한쪽만 고정되는 종래형의 수압부에 비해, 공간부(319)의 길이(L2)만큼 길고, 기단부(314b)를 기점으로 휨변형(진동)되기 쉽다.

공간부(319)는, 소경부(312b)가 형성되는 영역을 넘는 위치까지, 환언하면, 단차부(312c)로부터 본체 유로(23)(감합부(312)의 선단면(312a))와 반대측인 위치까지 형성되어 있다. 이에 따라, 공간부(319)는, 씰부재(51)를 장착가능한 영역에 걸쳐 형성되고, 씰부재(51)의 응력이 수압부(314)에 작용하지 않도록 하고 있다.

슬릿(318)은, 수압부(314)의 내부에 형성되어 있다. 압전소자 케이스(31)는, 슬릿(318)에 압전소자(32)의 압전판(322)이 삽입되고, 압전판(322)과 슬릿(318)의 내벽이 간극없이 접착된다. 압전소자(32)는, 압전판(322)이 수압부(314)의 변형(진동)을 전달받아 뒤틀림으로써, 카르만 소용돌이(K1, K2)를 검출한다. 따라서, 압전소자(32)의 감도는, 수압부(314)의 진동의 진폭(변형량)이 클수록, 좋아진다.

그러나, 수압부(314)의 진동의 진폭(변형량)이 너무 크면, 공진할 우려가 있다. 압전소자(32)는, 예를 들어 압전판(322)이 100분의 5mm 변형된다면, 진동을 검출할 수 있다. 이에, 도 5 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 압전소자 케이스(31)는, 공간부(319)에 한쌍의 리브(313, 313)를 마련해, 수압부(314)의 변형(진동)을 억제하고 있다. 한쌍의 리브(313, 313)는, 수압부(314)의 가로폭방향(본체 유로(23)의 축심방향, 압전소자 케이스(31)의 축선에 대해 직교하는 방향, 도 5 및 도 8에 있어서 좌우방향)을 따라 대칭으로 마련되며, 공간부(319)를 분할하고 있다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 한쌍의 리브(313, 313)의 주연부는, 본체 유로(23)측(감합부(312)의 선단면(312a)측)에 위치하는 면을 제외하고, 감합부(312)와 수압부(314)에 접속하고 있다. 한쌍의 리브(313, 313)는, 변형되는 수압부(314)를 인장하여, 수압부(314)의 변형량(진동의 진폭)을 규제한다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 수압부(314)는, 본체 유로(23) 내에 배치되는 선단부(314a)의 두께가 기단부(314b)의 두께보다 얇다. 이에 따라, 예를 들어, 소용돌이 유량계(1)의 측정가능범위의 하한값이 저유량이기 때문에, 본체 유로(23)의 유로단면적이 작은 경우여도, 수압부(314)와 본체 유로(23)의 유로면(23a) 사이에 형성되는 간극을 확보하고, 수압부(314)가 카르만 소용돌이(K1, K2)의 교번력을 받아 변형될 수 있도록 하고 있다. 한편, 예를 들어, 소용돌이 유량계(1)의 측정가능범위의 하한값이 대유량이기 때문에, 본체 유로(23)의 유로단면적이 큰 경우에는, 선단부(314a)와 기단부(314b)의 두께가 같아도 된다.

플랜지부(311)는, 감합부(312)의 본체 유로(23)와 반대측에 위치하는 후단부(도 3에 있어서 상단부)에 마련되며, 유량 계측부(30)를 제2 삽입구멍(26)에 삽입하는 삽입량을 규정한다. 플랜지부(311)에는, 고정나사를 삽통하기 위한 관통구멍(316, 316)이 형성되어 있다.

도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 플랜지부(311)의 외연부에는, 오목부(315)가 마련되어 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 오목부(315)는, 수압부(314) 및 한쌍의 리브(313, 313)와 동축 상에 마련되며, 본체 유로(23)의 축심방향을 따라 형성되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본체 케이스(2)는, 제2 삽입구멍(26)의 측방에, 가이드부(28)가 마련되어 있다. 가이드부(28)는, 본체 유로(23)의 축심방향에 대해 직교하는 방향(도면 중 상하방향)을 따라 형성되며, 제2 삽입구멍(26)과 평행하게 마련되어 있다. 따라서, 압전소자 케이스(31)는, 오목부(315)를 가이드부(28)에 계합시킴으로써, 수압부(314)를 본체 유로(23)의 축심에 대해 위치결정할 수 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 제2 삽입구멍(26)은, 압전소자 케이스(31)의 감합부(312)가 감합되는 감합 오목부(26a)와, 수압부(314)를 관통하는 연통부(26d)를 구비한다. 감합 오목부(26a)는, 감합부(312)가 감합되는 감합구멍부(26b)와, 소경부(312b)가 감합되는 소경구멍부(26c)를 구비하고, 압전소자 케이스(31)를 2점 지지함으로써 유량 계측부(30)의 흔들림을 억제한다. 압전소자 케이스(31)와 제2 삽입구멍(26)의 내벽 사이의 간극은, 씰부재(51)에 의해 씰되어 있다. 연통부(26d)는, 수압부(314)의 변형가능영역보다 큰 원형 또는 타원형상으로 형성되며, 수압부(314)와 접촉하지 않는다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 측온체(40)는, 측온 케이스(41)에 온도 센서(42)를 수용한 것이다.

도 9는, 도 1에 나타내는 측온 케이스(41)의 상면도이다. 도 10은, 도 9의 E-E단면도이다. 측온 케이스(41)는, 예를 들어 스테인리스 등의 열전도성, 내부식성이 높은 금속으로 형성되어 있다.

도 10에 나타내는 측온 케이스(41)의 감합부(412)는, 원기둥형상을 이룬다. 감합부(412)는, 본체 유로(23)측에 위치하는 단부(도 10에 있어서 하단부)에, 감합부(412)보다 소경으로 마련된 소경부(414)를 구비하며, 단차부(413)가 외주면을 따라 환상으로 형성되어 있다. 측온 케이스(41)는, 씰부재(52)가 소경부(414)에 장착되고, 단차부(413)에 의해 씰부재(52)의 이동을 제한한다. 플랜지부(411)는, 감합부(412)의 본체 유로(23)와 반대측에 위치하는 단부(도 10에 있어서 상단부)에 마련되며, 측온체(40)를 제1 삽입구멍(27)에 삽입하는 삽입량을 규정한다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 플랜지부(411)에는, 고정나사를 삽통하기 위한 관통구멍(416, 416)이 형성되어 있다. 측온 케이스(41)는, 선단면(415)과 반대측의 면(본체 유로(23)와 반대측에 위치하는 면)에 수용구멍(418)이 원기둥형상으로 개설되어 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 온도 센서(42)는, 수용구멍(418)의 내벽(418a)에 접하도록 수용구멍(418)에 삽입되고, 자외선 경화성 접착제에 의해 측온 케이스(41)에 접착되어 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 제1 삽입구멍(27)은, 측온체(40)가 감합하는 감합 오목부(27a)와, 감합 오목부(27a)와 본체 유로(23)를 연통시키는 연통부(27d)를 구비한다. 본체 케이스(2)는, 감합 오목부(27a)의 감합구멍부(27b)와 소경구멍부(27c)에 측온 케이스(41)의 감합부(412)와 소경부(414)를 삽입함으로써, 측온체(40)를 2점 지지하여 측온체(40)의 흔들림을 억제한다. 측온체(40)와 제1 삽입구멍(27)의 내벽 사이는, 씰부재(52)에 의해 씰되어 있다.

제어부(17)는, 센서기판(3)과 메인기판(4)과 표시 장치(5)를 구비한다. 센서기판(3)은, 한쌍의 리드선(10)을 개재하여 유량 계측부(30)의 압전소자(32)에 접속되며, 리드선(11)을 개재하여 측온체(40)의 온도 센서(42)에 접속되어 있다. 또한, 센서기판(3)은, 리드선(9)을 개재하여 메인기판(4)에 접속되어 있다. 메인기판(4)은, 표시 장치(5)가 탑재되어 있다. 또한, 메인기판(4)은, 리드선(7)을 개재하여 커넥터(8)에 접속되며, 도시하지 않은 외부 장치와 통신가능하게 접속된다.

이어서, 소용돌이 유량계(1)의 조립수순에 대하여 설명한다. 우선, 본체 케이스(2)에 유량 계측부(30)와 측온체(40)를 부착한다. 구체적으로, 유량 계측부(30)의 소경부(312b)에 환상의 씰부재(51)를 장착한다. 그리고, 유량 계측부(30)의 오목부(315)를 본체 케이스(2)의 가이드부(28)에 계합시키고, 씰부재(51)를 눌러 뭉개면서 유량 계측부(30)를 제2 삽입구멍(26)의 감합 오목부(26a)에 밀어 넣는다. 플랜지부(311)가 본체 케이스(2)에 당접하는 위치까지 유량 계측부(30)를 제2 삽입구멍(26)에 삽입하면, 플랜지부(311)의 관통구멍(316, 316)에 도시하지 않은 고정나사를 삽통하여 본체 케이스(2)에 체결함으로써, 유량 계측부(30)를 본체 케이스(2)에 고정한다. 이것과 동일하게 하여, 측온체(40)를 본체 케이스(2)에 고정한다.

그리고 나서, 유량 계측부(30)에 접속하는 한쌍의 리드선(10)과 온도 센서(42)에 접속하는 리드선(11)을 센서기판(3)에 각각 접속한다. 케이싱(6)의 상부커버(6A)에는, 메인기판(4)과 표시 장치(5)와 커넥터(8)가 부착되어 있다. 리드선(9)을 개재하여 메인기판(4)에 센서기판(3)을 접속하면, 상부커버(6A)를 본체 케이스(2)의 상단연(2d)에 맞도록 씌어서 나사로 고정한 후, 본체 케이스(2)를 케이싱(6)의 하부커버(6B)에 수용한다. 그 후, 본체 케이스(2)와 하부커버(6B)를 일체적으로 계합시킨다.

그 후, O링(14, 15)을 개재하여 본체 케이스(2)에 제1 이음매(12)와 제2 이음매(13)를 나사고정한다. 이에 따라, 소용돌이 유량계(1)의 조립이 완료된다.

소용돌이 유량계(1)는, 본체 케이스(2)에 대해, 유량 계측부(30)와 측온체(40)와 센서기판(3)과 메인기판(4)을 도면 중 상측으로부터 동일방향에 부착할 수 있으므로, 조립하기 쉽다. 또한, 리드선(10, 11)이, 본체 케이스(2)와 케이싱(6) 사이에 형성되는 수용스페이스 내에서 배선되어 있다. 이에 따라, 소용돌이 유량계(1)를 조립하는 경우에, 리드선(10, 11)을 씰할 필요가 없고, O링(14, 15)과 씰부재(51, 52)에 의해 제어부(17)의 방수성을 확보할 수 있으므로, 조립작업이 간단하다. 나아가, 유량 계측부(30)와 측온체(40)를 제2 삽입구멍(26)과 제1 삽입구멍(27)에 삽입할 때에, 씰부재(51, 52)가 단차부(312c, 413)까지 이동하고, 단차부(312c, 413)에 계지된다. 이에 따라, 씰부재(51, 52)의 장착상태가 안정된다.

이어서, 소용돌이 유량계(1)가 유량과 온도를 측정하는 수순을 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 소용돌이 유량계(1)는, 제1 포트(12a)로부터 제1 유로(12b)에 입력한 피측정 유체가, 제1 노즐부(24)에 의해 정류되어 본체 유로(23)를 흐르고, 그 후, 제2 노즐부(25)에 의해 유속이 감속되어 제2 유로(13b)에 유출되고, 제2 포트(13a)로부터 출력된다.

피측정 유체는, 소용돌이 발생체(16)에 의해, 본체 유로(23)의 축심방향을 따라 카르만 소용돌이(K1, K2)를 비대칭으로 발생시켜, 카르만 소용돌이(K1, K2)의 교번력이 유량 계측부(30)의 수압부(314)에 작용한다. 수압부(314)는, 선단부(314a)에 교번력이 작용하면, 기단부(314b)를 기점으로 진동(휨변형)한다. 압전소자(32)는, 수압부(314)로부터 전달되는 진동에 의해 압전판(322)이 휘고, 압전판(322)의 왜곡변형에 따라 전극부(321)로부터 센서기판(3)에 아날로그신호를 출력한다.

센서기판(3)은, 압전소자(32)의 전극부(321)로부터 수신한 아날로그신호를 디지털신호로 변환한다. 즉, 센서기판(3)은, 임계값을 초과하는 아날로그신호는 「1」로, 임계값을 초과하지 않는 아날로그신호는 「0」으로 변환한다. 메인기판(4)은, 소용돌이 유량계(1)의 전원이 ON된 것을 계기로, 마이콘의 프로그램이 실행되어 있다. 메인기판(4)은, 해당 프로그램에 의해, 센서기판(3)으로부터의 디지털신호를 수신하면, 해당 디지털신호의 주파수를 검출하고, 유량을 수치화한다. 표시 장치(5)는, 메인기판(4)으로부터의 수치화된 유량을 수신하여 표시한다.

소용돌이 유량계(1)는, 유량 측정 외에, 피측정 유체의 온도를 측온체(40)에 의해 계측한다. 피측정 유체의 일부는, 소용돌이 발생체(16)의 상류측에서 제1 삽입구멍(27)에 흘러 들어오고, 측온체(40)의 측온 케이스(41)에 접촉한다. 측온 케이스(41)는, 열전도성이 좋은 금속으로 형성되어 있으므로, 피측정 유체와 동일한 온도로 가열된다. 온도 센서(42)는, 측온 케이스(41)에 접촉하여 온도를 계측한다. 따라서, 측온체(40)는, 외기온 등의 영향을 받지 않고서, 피측정 유체의 온도를 반응좋게 검출할 수 있다. 센서기판(3)은, 온도 센서(42)로부터 피측정 유체의 온도에 관한 정보를 수신하면, 메인기판(4)에 그 정보를 송신한다. 메인기판(4)은, 센서기판(3)으로부터 수신한 정보에 기초하여, 표시 장치(5)에 피측정 유체의 온도를 표시시킨다.

압전소자(32)도 온도 센서(42)도, 압전소자 케이스(31)와 측온 케이스(41)에 각각 접착되어 있다. 이에 따라, 소용돌이 유량계(1)는, 사용기간이나 부착자세에 따라, 압전소자(32)와 압전소자 케이스(31) 사이나, 온도 센서(42)와 측온 케이스(41) 사이에, 간극이 생기는 일 없이, 유량 계측기능과 온도 계측기능의 신뢰성을 장기간 유지할 수 있다.

한편, 표시 장치(5)는, 소용돌이 유량계(1)의 부착자세에 따라, 유량이나 온도의 표시방향(예를 들어, 세로(縱書き), 가로(橫書き))을 변경할 수 있게 하면, 사용자가 표시내용을 보기 쉬워져, 편리하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 형태의 소용돌이 유량계(1)는, 소용돌이 발생체(16)와, 소용돌이 발생체(16)의 하류측에 배설되고, 소용돌이 발생체(16)에 의해 발생한 카르만 소용돌이(K1, K2)를 검출함으로써 유량을 계측하는 유량 계측부(30)를 구비하는 소용돌이 유량계(1)에 있어서, 금속제의 측온 케이스(41)에 온도 센서(42)를 접착제에 의해 접착한 측온체(40)와, 소용돌이 발생체(16)가 배설되는 본체 유로(23)와, 측온체(40)를 삽입하는 제1 삽입구멍(27)을 가지며, 본체 유로(23)와 제1 삽입구멍(27)이 연통되어 있는 본체 케이스(2)와, 측온체(40)와 제1 삽입구멍(27)의 내벽 사이를 씰하는 씰부재(52)를 갖는 것, 제1 삽입구멍(27)에 삽입된 측온체(40)는, 본체 유로(23)측에 위치하는 선단면(415)이, 본체 유로(23)의 유로면(23a)으로부터 본체 유로(23)의 직경방향 외측의 위치에, 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성을 갖는 소용돌이 유량계(1)는, 측온체(40)가 본체 유로(23) 내에 돌출되지 않도록 본체 케이스(2)에 부착되며, 소용돌이의 발생이나 검출에 영향을 미치기 어려우므로, 측온체(40)를 본체 유로(23) 상에 배치하여도, 유량 계측기능에 주는 영향을 억제할 수 있다. 또한, 소용돌이 유량계(1)는, 금속제의 측온 케이스(41)에 온도 센서(42)를 접착제로 접착함으로써, 장기간 사용되어도, 온도 센서(42)와 측온 케이스(41) 사이에 간극이 생기기 어렵고, 측온체(40)가 피측정 유체의 온도를 반응좋게 검출하므로, 측온기능의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 형태의 소용돌이 유량계(1)에 있어서, 측온 케이스(41)에는, 온도 센서(42)를 수용하는 수용구멍(418)이 측온 케이스(41)의 축선방향에 형성되어 있는 것, 온도 센서(42)를 수용구멍(418)의 내벽(418a)에 접촉시킨 상태로 온도 센서(42)와 수용구멍(418)의 내벽(418a)이 접착되어 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 소용돌이 유량계(1)는, 온도 센서(42)를 본체 유로(23)에 최대한 가까이 배치할 수 있으므로, 피측정 유체의 온도를 반응좋게 검출할 수 있다. 또한, 온도 센서(42)와 수용구멍(418)의 내벽(418a)이 접착제로 접착되어 있으므로, 측온체(40)의 사용기간이나 소용돌이 유량계(1)의 부착자세 등에 따라 온도 센서(42)와 측온 케이스(41) 사이에 간극이 생기는 것을 회피할 수 있다.

또한, 본 형태의 소용돌이 유량계(1)는, 측온체(40)는, 소용돌이 발생체(16)의 상류측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 소용돌이 유량계(1)에 따르면, 측온체(40)가, 카르만 소용돌이(K1, K2)의 발생이나 검출에 영향을 주지 않으므로, 측온체(40)를 구비하지 않는 소용돌이 유량계와 동일한 유량 계측정밀도를 얻을 수 있다.

따라서, 본 형태에 따르면, 유량 계측기능에 주는 영향을 억제하면서, 측온기능의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 소용돌이 유량계를 실현할 수 있다.

또한, 본 형태의 소용돌이 유량계(1)는, 본체 유로(23)를 구비하는 본체 케이스(2)와, 본체 유로(23)에 배치되는 소용돌이 발생체(16)와, 소용돌이 발생체(16)의 하류측에 배설되고, 소용돌이 발생체(16)에 의해 발생한 카르만 소용돌이(K1, K2)를 검출함으로써 유량을 계측하는 유량 계측부(30)를 구비하는 소용돌이 유량계(1)에 있어서, 유량 계측부(30)는, 압전소자(32)와 압전소자 케이스(31)를 갖는 것, 압전소자 케이스(31)는, 본체 케이스(2)에 감합되는 감합부(312)와, 감합부(312)의 본체 유로(23)측에 위치하는 선단면(312a)으로부터 돌출되며, 본체 유로(23) 내에 배치되는 수압부(314)와, 감합부(312)에 압전소자 케이스(31)의 축선방향을 따라 형성되며, 감합부(312)와 수압부(314) 사이를 격리하는 공간부(319)와, 수압부(314)의 내부에 형성되며, 압전소자(32)를 수용하는 슬릿(318)을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 구성의 소용돌이 유량계(1)는, 수압부(314)가 감합부(312)의 선단면(312a)으로부터 돌출되는 양을 변경하지 않고, 수압부(314)의 길이(L1)를 공간부(319)에 의해 길게 할 수 있다. 이에 따라, 피측정 유체가 저유량이고, 카르만 소용돌이(K1, K2)의 교번력이 작은 경우여도, 수압부(314)가 소용돌이 발생체(16)에 의해 발생한 카르만 소용돌이(K1, K2)를 받아 진동(휨변형)하기 쉬워져, 압전소자(32)가 카르만 소용돌이(K1, K2)를 검출할 수 있게 된다. 이와 같이, 본 형태의 소용돌이 유량계(1)에 따르면, 압전소자 케이스(31)에 공간부(319)를 마련하는 것만으로 압전소자(32)의 감도가 향상되므로, 사이즈의 대형화를 억제하면서, 유량 측정정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 형태의 소용돌이 유량계(1)는, 본체 케이스(2)가, 유량 계측부(30)를 삽입하는 제2 삽입구멍(26)이 형성되어 있는 것, 본체 케이스(2)와 유량 계측부(30) 사이(감합부(312)의 외주면과 제2 삽입구멍(26)의 내벽 사이)를 씰하는 씰부재(51)를 갖는 것, 공간부(319)는, 씰부재(51)가 배치되는 위치의 직경방향 내측에 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성의 소용돌이 유량계(1)는, 씰부재(51)의 응력이 공간부(319)에 차단되어 수압부(314)에 전달되지 않으므로, 유량 계측부(30)가 씰부재(51)의 응력의 영향을 받지 않고 카르만 소용돌이(K1, K2)를 검출할 수 있다.

또한, 본 형태의 소용돌이 유량계(1)에서는, 압전소자 케이스(31)는, 공간부(319)에 가설되는 한쌍의 리브(313, 313)를 갖는 것, 한쌍의 리브(313, 313)는, 본체 유로(23)의 축심방향을 따라 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성의 소용돌이 유량계(1)는, 수압부(314)가 카르만 소용돌이(K1, K2)를 받아 진동하는 경우에, 한쌍의 리브(313, 313)가 수압부(314)를 인장하여 수압부(314)의 진동의 진폭(변형량)을 억제하므로, 수압부(314)가 공진하는 것을 막아, 유량 계측정밀도를 향상시킬 수 있다.

여기서, 발명자들은, 본 형태의 소용돌이 유량계(1)에 상당하는 실시예와, 종래의 소용돌이 유량계(100)에 상당하는 비교예에 대하여, 센서특성을 조사하는 시험을 행하였다.

실시예는, 압전소자 케이스(31)의 형상을 제외하고, 비교예와 구성이 동일하다. 실시예의 압전소자 케이스(31)는, 감합부(312)와 수압부(314) 사이에 공간부(319)를 구비하고 있는데 반해, 비교예의 압전소자 케이스는, 감합부와 수압부 사이에 공간부를 구비하고 있지 않다. 이 점을 제외하고, 비교예의 압전소자 케이스는, 실시예의 압전소자 케이스(31)와 구성이 동일하다. 시험은, 유량제어 밸브와, 유량 센서와, 소용돌이 유량계와, 제어장치로 구성하였다. 그리고, 제어장치를 이용하여, 유량 센서의 계측값을 0.4L/min에 일치시키도록 유량제어 밸브를 제어하고, 실시예와 비교예의 센서기판(3)에 의해 정돈된 전압신호(디지털신호)를 계측하였다. 도 11에 실시예를 이용하여 계측된 전압신호의 전압파형을 나타내고, 도 12에 비교예를 이용하여 계측된 전압신호의 전압파형을 나타낸다. 도 11 및 도 12에 있어서, 세로축은 전압을 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다.

예를 들어, 도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같이, 실시예는, 비교예보다, 출력전압의 파형이 균일하고, 단위시간당 출력전압의 검출횟수가 많다. 즉, 도 11에 나타내는 바와 같이, 실시예는, 카르만 소용돌이(K1, K2)의 교번력이 압전소자 케이스(31)의 수압부(314)에 작용할 때마다, 압전소자(32)로부터 출력되는 아날로그신호가 센서기판(3)의 임계값을 초과하기 때문에, 환언하면, 아날로그신호가 임계값을 초과하지 않는 경우가 없게 되기 때문에, 센서기판(3)에 의해 정돈된 전압신호(디지털신호)의 전압파형이 주기적이 된다. 이에 반해, 도 12에 나타내는 바와 같이, 비교예는, 카르만 소용돌이(K1, K2)의 교번력이 압전소자 케이스의 수압부에 작용하여도, 압전소자로부터 출력되는 아날로그신호가 센서기판의 임계값을 초과하지 않는 경우가 발생하여, 센서기판에 의해 정돈된 전압신호(디지털신호)의 전압파형이 불균일해진다. 이 점들은, 실시예는, 비교예보다, 압전소자 케이스(31)의 수압부(314)가 카르만 소용돌이(K1, K2)의 교번력을 받아 변형되기 쉽고, 압전소자(32)의 반응이 좋은 것을 의미한다. 따라서, 압전소자 케이스(31)에 공간부(319)를 마련함으로써, 소용돌이 유량계(1)의 감도가 향상되는 것을 알게 되었다.

따라서, 본 형태에 따르면, 사이즈의 대형화를 억제하면서, 유량 측정정밀도를 향상시킬 수 있는 소용돌이 유량계(1)를 실현할 수 있다.

한편, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 일 없이, 여러가지 응용이 가능하다.

(1) 예를 들어, 상기 실시형태에서는, 소용돌이 발생체(16)를 단면육각형형상으로 형성하였으나, 카르만 소용돌이(K1, K2)를 발생시킬 수 있다면, 예를 들어 소용돌이 발생체(16)의 상류측과 하류측에 위치하는 양단부를 원호형으로 하거나, 소용돌이 발생체(16)의 단면을 다른 형상(예를 들어 단면오각형형상)으로 해도 된다.

(2) 예를 들어, 압전소자 케이스(31)는, 유리섬유를 포함하고 있을 수도 있다. 단, 유리섬유를 포함하지 않는 압전소자 케이스(31)는, 유리섬유를 포함하는 압전소자 케이스에 비해 부드러워, 쉽게 휜다. 그러므로, 유리섬유를 포함하지 않는 압전소자 케이스(31)는, 저유량의 피측정 유체가 발생하는 카르만 소용돌이(K1, K2)를 받아 변형되기 쉽고, 유량 계측부(30)의 감도상승에 기여한다.

(3) 상기 형태에서는, 측온체(40)의 선단면(415)이 본체 유로(23)의 유로면(23a)으로부터 본체 유로(23)의 직경방향 외측에 위치하도록 제1 삽입구멍(27)에 삽입되어 있으나, 선단면(415)이 본체 유로(23)의 유로면(23a)과 면일의 위치가 되도록 제1 삽입구멍(27)에 삽입해도 된다. 이 경우, 선단면(415)은, 본체 유로(23) 내에 돌출되지 않도록, 유로면(23a)의 형상에 맞춘 형상으로 하는 것이 바람직하다.

(4) 예를 들어, 한쌍의 리브(313, 313)를 마련하지 않아도 된다.

1 소용돌이 유량계
2 본체 케이스
16 소용돌이 발생체
26 제2 삽입구멍
30 유량 계측부
31 압전소자 케이스
32 압전소자
312 감합부
313 리브
314 수압부
319 공간부
51 씰부재

Claims (3)

1. 본체 유로를 구비하는 본체 케이스와, 상기 본체 유로에 배치되는 소용돌이 발생체와, 상기 소용돌이 발생체의 하류측에 배설되고, 상기 소용돌이 발생체에 의해 발생한 카르만 소용돌이를 검출함으로써 유량을 계측하는 유량 계측부를 구비하는 소용돌이 유량계에 있어서,
   상기 유량 계측부는,
   압전소자와 압전소자 케이스를 갖는 것,
   상기 압전소자 케이스는,
   상기 본체 케이스에 감합되는 감합부와,
   상기 감합부의 본체 유로측에 위치하는 선단면으로부터 돌출되며, 본체 유로 내에 배치되는 수압부와,
   상기 감합부에 상기 압전소자 케이스의 축선방향을 따라 형성되며, 상기 감합부와 상기 수압부 사이를 격리하는 공간부와,
   상기 수압부의 내부에 형성되며, 상기 압전소자를 수용하는 슬릿을 갖는 것
   을 특징으로 하는 소용돌이 유량계.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 본체 케이스가, 상기 유량 계측부를 삽입하는 삽입구멍이 형성되어 있는 것,
   상기 본체 케이스와 상기 유량 계측부 사이를 씰하는 씰부재를 갖는 것,
   상기 공간부는, 상기 씰부재가 배치되는 위치의 직경방향 내측에 마련되어 있는 것
   을 특징으로 하는 소용돌이 유량계.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 압전소자 케이스는, 상기 공간부에 가설되는 한쌍의 리브를 갖는 것,
   상기 한쌍의 리브는, 상기 본체 유로의 축심방향을 따라 마련되어 있는 것
   을 특징으로 하는 소용돌이 유량계.

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