KR20230051266A - 유량 측정 시스템의 유량 감쇠기 - Google Patents

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찰스 에이. 센토판테
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말레마 엔지니어링 코퍼레이션
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Abstract

유체 유동에서 맥동을 감쇠하기 위한 유량 감쇠기는 바디 쉘, 플렉시블 멤브레인 및 두 개의 유동 포트를 포함한다. 바디 쉘은 내부 표면 및 내부 표면에 형성된 세장형 그루브를 가진다. 플렉시블 멤브레인은 바디 쉘의 내부 표면에 밀봉되어 있으며 세장형 그루브를 덮는다. 일부 실시예에서, 플렉시블 멤브레인은 바디 쉘에 오버몰딩 된다. 플렉시블 멤브레인은 세장형 그루브와 함께 유체 유동을 위한 세장형 유동 경로를 형성한다. 플렉시블 멤브레인은 0.5 mm 내지 6 mm 범위의 두께를 가진다. 멤브레인은 유연하기 때문에 유체가 세장형 유동 경로를 통해 유동할 때 진동하고 유체 유동의 에너지를 흡수하여 유체 유동의 맥동을 감쇠시킨다.

Description

유량 측정 시스템의 유량 감쇠기
본 출원은 2020년 8월 16일에 출원된 미국 특허출원 제16/994,611호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 발명에 참조로서 포함된다.
본 발명은 일반적으로 유량 감쇠기(flow dampener)에 관한 것이며, 보다 구체적으로 바디 쉘에 밀봉된 플렉시블 멤브레인(flexible membrane)을 통해 유체 맥동을 감쇠시키는 유량 감쇠기에 관한 것이다.
유동 프로세스 스키드(flow process skid)는 일반적으로 유체 유동에서 맥동을 일으킬 수 있는 장치(예컨대, 펌프)를 포함한다. 유체 유동의 맥동은 유체의 과도한 움직임을 초래하고 프로세스 스키드에서 다른 장치의 작동을 방해할 수 있다. 예컨대, 과도한 움직임은 파이프의 조인트 및 지지대를 손상시킬 수 있다. 또한, 이것은 유량 측정의 부정확성을 초래할 수 있다.
현재 사용 가능한 맥동 감쇠기는 일반적으로 금속으로 제작되기 때문에 일반적으로 무겁고 고가이다. 이러한 감쇠기는 일회용 또는 일회용 어플리케이션에 적합하지 않다. 또한, 살균에 대한 요구 사항이 높은 어플리케이션에는 적합하지 않다. 금속 부품의 살균은 일반적으로 화학 약품을 통해 이루어진다. 이러한 살균은 바이오 제약 또는 제약 프로세스 스키드와 같은 특정 프로세스 스키드에서 사용하기 까다롭고 효과적이지 않을 수 있다. 또한, 현재 사용 가능한 감쇠기는 저유량의 정확한 측정을 위한 충분한 감쇠를 제공하지 못한다. 따라서, 맥동 감쇠를 위한 개선된 기술이 필요하다.
실시예들은 유체 유동의 맥동을 감쇠시키는 유량 감쇠기에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 유량 감쇠기는 두 개의 절반, 두 개의 외부 유동 포트 및 관통 유동 포트를 포함한다. 각 절반은 바디 쉘 및 플렉시블 멤브레인을 포함한다. 바디 쉘은 내부 표면을 가지고, 내부 표면 상에 세장형 그루브가 형성된다. 세장형 그루브는 원형 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 플렉시블 멤브레인은 오버몰딩(over-molding) 등을 통해 바디 쉘의 내부 표면에 밀봉되어 세장형 홈을 덮는다. 세장형 그루브 및 플렉시블 멤브레인에 의해 세장형 유동 경로가 형성된다. 플렉시블 멤브레인의 유연성은 유동의 진동을 감쇠시킨다. 유체가 세장형 유동 경로를 통과함에 따라 플렉시블 멤브레인은 유동와 함께 진동하며 유동의 운동 에너지를 흡수한다. 각 절반의 세장형 유동 경로에는 두 개의 단부가 있다. 각 단부의 세장형 유동 경로의 일 단부는 두 개의 외부 유동 포트 중 어느 하나에 연결된다. 두 개의 세장형 유동 경로의 다른 단부는 관통 유동 포트를 통해 서로 연결된다.
일부 실시예에서, 유량 감쇠기는 하나의 바디 쉘, 하나의 플렉시블 멤브레인 및 두 개의 유동 포트를 포함한다. 바디 쉘 및 플렉시블 멤브레인은 세장형 유동 경로를 형성한다. 두 개의 유동 포트 각각은 세장형 유동 경로의 일 단부에 연결된다.
유량 감쇠기의 일부 또는 모든 구성요소는 폴리머 재료로 제작될 수 있다. 따라서, 유량 감쇠기는 비용이 저렴하여 일회용(single use)/일회용 어플리케이션(disposable applications)에 적합하다. 또한, 화학적 살균보다 효과적인 감마선을 조사하여 살균할 수 있다.
유량 감쇠기는 펌프 및 코리올리 유량 센서를 포함하는 유량 측정 시스템에 사용될 수 있다. 유량 감쇠기는 펌프와 코리올리 유량 센서 사이에 배치된다. 유량 감쇠기는 유체가 코리올리 유량 센서로 유입되기 전에 펌프에 의해 유발되는 유체 유동의 맥동을 감쇠시켜 코리올리 유량 센서의 측정 정확도를 향상시킨다. 일부 실시예에서, 또 다른 유량 감쇠기는 펌프의 입구 측에 사용되어 유체가 어느 하나의 유량 감쇠기로부터 펌프로 유동하고, 펌프에서 배출되어 다른 유량 감쇠기로 유동한 후 코리올리 유량 센서로 유동한다. 펌프의 입구와 출구 측에 배치된 두 개의 유량 감쇠기를 사용하면 더 나은 감쇠 효과를 얻을 수 있다.
실시예들의 개시 내용은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 쉽게 이해될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 유량 감쇠기를 포함하는 유량 측정 시스템의 사시도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 유량 감쇠기의 사시도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 유량 감쇠기의 단면도이다.
도 2c는 일 실시예에 따른 유량 감쇠기의 분해도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 유량 감쇠기 내의 역회전 세장형 유동 경로를 나타내는 도면이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 상이한 형상의 세장형 유동 경로를 나타내는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 유량 감쇠기의 사시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 유량 감쇠기의 유동 포트용 예시적인 바브 튜빙 어댑터를 나타내는 도면이다.
도면들은 단지 예시적인 목적으로 본 발명의 실시예를 도시한다. 당업자는 여기에서 설명된 구조 및 방법의 대안적인 실시예가 여기에서 설명된 개시 내용의 원리 또는 이점으로부터 벗어나지 않고 채용될 수 있음을 다음의 설명으로부터 쉽게 인식할 것이다.
실시예들은 하나 이상의 바디 쉘 및 하나 이상의 플렉시블 멤브레인을 포함하는 유량 감쇠기에 관한 것이다. 각각의 플렉시블 멤브레인은 세장형 그루브(elongate groove)로 형성된 바디 쉘에 밀봉된다. 플렉시블 멤브레인 및 세장형 그루브는 바디 쉘의 내부 표면에 형성된 세장형 그루브와 함께 세장형 유동 경로를 형성한다. 유체가 세장형 유동 경로를 통해 유동할 때, 플렉시블 멤브레인의 유연성이 유체 유동의 진동을 감쇠시킨다. 바디 쉘 및 플렉시블 멤브레인은 폴리머 재료로 제작될 수 있다. 유량 감쇠기는 코리올리 유량 센서(coriolis flow sensor)와 결합하여 코리올리 유량 센서에 의한 유량 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이러한 유량 감쇠기는 바이오 프로세싱, 바이오 제약 어플리케이션 및 제약 어플리케이션과 같은 일회용/일회용 어플리케이션에 이점을 갖는다. 첫째, 유량 감쇠기는 금속 대신 폴리머 재료로 제작될 수 있기 때문에 기존 유량 감쇠기보다 비용이 저렴하므로, 일회용 어플리케이션 분야에서 더 경제적이다. 둘째, 플렉시블 멤브레인을 사용하면 유량 감쇠기의 효율성이 높아져 더 작은 크기로도 동일하거나 더 나은 감쇠 효과를 얻을 수 있다. 유량 감쇠기는 기존의 유량 감쇠기보다 가볍고 작기 때문에, 사용자가 각 프로세스 후 유량 감쇠기를 쉽게 휴대하고 교체할 수 있다. 셋째, 유량 감쇠기는 저유량(예컨대, 0.05 g/min 내지 5 g/min)에서 유체 유동에 효과적인 감쇠 기능을 제공하여 저유량에서 코리올리 유량 센서의 측정 정확도를 향상시킬 수 있다. 넷째, 감마 살균(gamma sterilization)을 이용하여 유량 감쇠기를 살균할 수 있다. 일부 실시예에서, 유량 감쇠기는 최대 50 kGy까지의 클래스 VI 감마 살균에 호환된다. 기존의 유량 감쇠기는 금속 성분이 감마선을 차단하고 그림자를 만들 수 있기 때문에 감마선으로 살균할 수 없다. 프로세스 스키드의 금속 부품은 일반적으로 화학 물질을 사용하여 살균하는데, 이는 감마선만큼 효과적이지 않다.
도 1은 일 실시예에 따른 유량 감쇠기(120)를 포함하는 유량 측정 시스템(100)의 사시도이다. 유량 측정 시스템(100)은 펌프(110), 코리올리 유량 센서(130), 제어기(140) 및 펌프(110), 유량 감쇠기(120) 및 유량 센서(130)를 연결하는 튜빙(tubing)을 포함한다. 다른 실시예에서, 유량 측정 시스템(100)은 추가적인, 더 적은 또는 상이한 구성요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 유량 측정 시스템(100)은 더 많은 유량 감쇠기, 유량 센서 또는 펌프를 포함할 수 있다. 유량 측정 시스템(100)은 프로세스 스키드, 예를 들어 바이오 제약 또는 제약 스키드의 일부일 수 있다.
펌프(110)는 유량 감쇠기(120)로 유체를 펌핑한다. 일부 실시예에서, 펌프(110)는 연동 펌프, 기어 펌프, 멤브레인 펌프 또는 임의의 유형의 다이어프램 기반 맥동 펌프와 같은 다이어프램 기반 맥동 펌프이다. 펌프(110)의 맥동 동작은 유체 유동에 맥동을 유발하여 유량 측정 시스템(100)에 손상을 초래할 수 있다. 이러한 손상에는 유량 측정 시스템(100)의 구성요소에 대한 물리적 손상뿐만 아니라, 이러한 장치의 부정확성 또는 오작동을 야기하는 유량 측정 시스템(100)의 다른 장치(예컨대, 코리올리 유량 센서(130))의 작동에 대한 간섭을 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프(110)는 코리올리 유량 센서(130)의 공진 주파수와 유사하거나 동일한 주파수에서 작동하여 부정확한 측정을 야기할 수 있다. 이러한 간섭을 상쇄 고조파 간섭(destructive harmonic interference)이라고 한다.
유량 감쇠기(120)는 유체 유동의 맥동을 감쇠시킴으로써, 코리올리 유량 센서(130) 상의 펌프(110)로부터의 상쇄 고조파 간섭과 같은 펌프(110)에 의해 야기된 유량 측정 시스템(100)에 대한 손상을 감소시킨다. 유량 감쇠기(120)는 바디 쉘 및 플렉시블 멤브레인을 포함한다. 바디 쉘의 표면에는 세장형 그루브가 형성된다. 멤브레인은 세장형 그루브가 형성된 표면에 밀봉되어 유체가 유동할 수 있는 세장형 채널(이하, “세장형 유동 경로”)을 형성한다. 멤브레인은 오버몰딩, 기계적 고정, 접착제 부작 등을 통해 상기 표면에 밀봉될 수 있다. 세장형 그루브는 지그재그형, 타원형, 원형, 정사각형, 직사각형 등과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 유체가 세장형 유동 경로를 통해 유동할 때, 멤브레인의 유연성이 유체 유동의 진동을 감쇠시킨다. 멤브레인이 유연하기 때문에, 유체 유동의 맥동이 멤브레인을 진동시킨다. 멤브레인의 진동은 유체 유동의 운동 에너지를 열로 전환하는 등의 방식으로 운동 에너지를 흡수하여 유체 유동의 진동을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 하나의 바디 쉘 및 대응하는 멤브레인은 유량 감쇠기(120)의 절반을 구성한다. 유량 감쇠기(120)의 나머지 절반은 세장형 유동 경로를 형성하는 또 다른 바디 쉘 및 멤브레인을 포함한다. 바디 쉘 및 멤브레인 한 쌍을 더 추가한 상태에서 유량 감쇠기(120)에 의해 제공되는 총 유동 경로가 두배로 증가하고 감쇠 효과가 향상된다. 유량 감쇠기(120)는 감쇠 효과를 더욱 향상시키기 위해 더 많은 쌍의 감쇠기 및 멤브레인을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 유량 감쇠기(120)는 유체 유동의 맥동의 적어도 95%를 제거할 수 있다. 유량 감쇠기(120)를 사용하면 0.05 g/min 내지 5 g/min과 같은 저유량에서도 코리올리 유량 센서(130)에 의한 유량 측정 정확도가 약 +/-1%에 달할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유량 감쇠기(120)는 펌프(110)의 출구 측에 배치된다. 유량 감쇠기(120)는 두 개의 외부 유동 포트, 즉 입구 유동 포트(115) 및 출구 유동 포트(117)를 포함한다. 입구 유동 포트(115)는 유량 감쇠기(120)를 통해 유동 경로의 일 단부에 연결되고, 또한 펌프(110)에 의해 제공되는 유동 경로에도 연결되어 유체가 펌프(110)에서 유량 감쇠기(120)로 유동할 수 있도록 한다. 출구 유동 포트(117)는 유체가 유량 감쇠기(120)를 빠져나가 코리올리 유량 센서(130)로 유입될 수 있도록 유량 감쇠기(120)를 통해 유동 경로의 다른 단부 및 코리올리 유량 센서(130)에 대한 유동 경로에 연결된다.
일부 실시예에서, 유량 측정 시스템은 펌프(110)의 입구 측에 배열된 제2 유량 감쇠기를 포함한다. 제2 유량 감쇠기의 출구 유동 포트는 유체가 제2 유량 감쇠기에서 펌프(110)로 유동한 다음 유량 감쇠기(120)로 유동하도록, 펌프(110) 내의 유동 경로에 연결된다. 제2 유량 감쇠기는 유체가 펌프(110)에 유입되기 전에 유체의 맥동을 감쇠시킨다.
코리올리 유량 센서(130)는 유체의 유동 특성(예컨대, 질량 유량, 체적 유량, 유량 밀도 등)을 측정한다. 코리올리 유량 센서(130)는 0.05 g/min 내지 5 g/min, 0.25 g/min 내지 50 g/min, 15 g/min 내지 3kg/min, 90 g/min 내지 20 kg/min, 1 kg/min 내지 250 kg/min 또는 이들의 일부 조합과 같은 다양한 범위의 유량을 측정할 수 있다. 일부 실시예에서, 코리올리 유량 센서(130)는 유동 경로를 제공하는 하나 또는 두 개의 유동 튜브(135)를 포함한다. 유동 튜브(135)는 스테인레스 스틸, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP)으로 구성된 그룹에서 선택된 재료로 제작될 수 있다. 유동 튜브는 예를 들어 자석 및 코일에 의해 구동되는 것처럼 진동할 수 있다. 유체가 유동 튜브(135)를 통해 흐르면 코리올리 힘은 유동 튜브의 비틀림 진동을 생성하여 유동 튜브(135)의 진동의 위상 변이(phase shift)를 발생시킨다. 유체는 유동 튜브(135)의 공진 주파수를 변화시킨다. 코리올리 유량 센서(130)는 공진 주파수의 위상 변이 및/또는 변화를 나타내는 신호, 예를 들어 전기 신호를 생성한다. 상기 신호는 코리올리 유량 센서(130)의 인터페이스 커넥터를 통해 제어기(140)로 전송된다. 도 1의 실시예에서, 코리올리 유량 센서(130)는 U자형 유동 튜브(135)를 포함한다. 다른 실시예에서, 유량 센서는 V자형과 같은 다른 형태의 유동 튜브를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 코리올리 유량 센서(130)는 또한 코리올리 유량 센서(130)에 의해 수행된 유량 측정을 조정하는 데 사용될 수 있는 컬리브레이션 정보(calibration information)를 저장하는 메모리 칩(도 1에 도시되지 않음)을 포함한다. 예를 들어, 컬리브레이션 정보는 하나 이상의 유량 컬리브레이션 계수를 포함할 수 있다. 각 유량 컬리브레이션 계수는 코리올리 유량 센서(130)에 의해 측정된 유량과 기준 유량 간의 차이를 나타내며, 코리올리 유량 센서(130)에서 측정된 유량을 조정하는 데 사용될 수 있다. 컬리브레이션 정보에는 하나 이상의 유량 밀도 컬리브레이션 계수가 포함될 수 있다. 각 유량 밀도 컬리브레이션 계수는 코리올리 유량 센서(130)에 의해 측정된 유량 밀도와 기준 유량 밀도 간의 차이를 나타내며, 코리올리 유량 센서(130)에 의해 측정된 유량 밀도를 조정하는 데 사용될 수 있다. 컬리브레이션 정보는 제조 과정에서 결정될 수 있다.
코리올리 유량 센서(130)는 유체의 온도를 측정하는 온도 프로브(도 1에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 측정된 온도는 코리올리 유량 센서(130)에 의해 측정된 유량 및/또는 밀도를 조정하는 데 사용될 수 있다.
제어기(140)는 코리올리 유량 센서(130)로부터 신호를 수신하고, 신호에 기초하여 유동 분석을 수행한다. 유동 분석은 예를 들어 유동 튜브의 위상 변이를 나타내는 신호에 기반한 유량 결정, 유동 튜브의 공진 주파수 변화를 나타내는 신호에 기반한 유량 밀도 결정, 유량 밀도 변화에 기반한 유체 내 버블 감지, 유체의 다른 유동 특성 결정 또는 이들의 일부 조합이 포함된다.
제어기(140)는 코리올리 유량 센서(130)의 메모리 칩으로부터 컬리브레이션 정보를 판독하고 컬리브레이션 정보를 유동 분석에 사용할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 유체의 유량을 결정하기 위해 유량 컬리브레이션 계수를 사용하거나, 유체의 밀도를 결정하기 위해 유량 밀도 컬리브레이션 계수를 사용한다. 또한, 제어기(140)는 온도 프로브로부터 온도 정보를 수신하고 유동 분석을 동적으로 조정하기 위해 온도 정보를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 온도 정보를 모델에 입력하고, 모델은 조정된 유량 및/또는 유량 밀도를 출력할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어기는 유량 트랜스미터(flow transmitter)이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각 유량 센서는 유량 분석을 위해 각각의 제어기에 연결된다. 코리올리 유량 센서(130), 유량 센서의 크래들(cradle)(일반적으로 스테인리스 스틸로 제작됨) 및 제어기(140)는 함께 유량계 또는 유량계 시스템으로 지칭 될 수 있다.
도 1의 유량 측정 시스템(100)에서, 펌프(110), 유량 감쇠기(120) 및 코리올리 유량 센서(130)는 수직으로 배열되어 있고, 유체는 화살표(150)로 표시된 바와 같이 아래에서 위로 유동한다. 유량 측정 시스템은 다른 디자인을 가질 수 있는데, 예를 들어 펌프(110)는 코리올리 유량 센서(130)의 상측에 있는 유량 감쇠기(120)의 상측에 배치된다. 또 다른 예로, 3개의 구성요소 중 임의의 두 개가 나란히 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 유량 감쇠기(120)는 입구 유동 포트가 상측에 위치하고, 출구 유동 포트가 하측에 위치하도록 배치되어 유체의 배수를 용이하게 한다.
도 2a 내지 도 2c는 유량 감쇠기(200)를 도시한다. 도 2a는 일 실시예에 따른 유량 감쇠기(200)의 사시도이다. 도 2b는 일 실시예에 따른 유량 감쇠기(200)의 단면도이다. 도 2c는 일 실시예에 따른 유량 감쇠기(200)의 분해도이다. 유량 감쇠기(200)는 도 1의 유량 감쇠기(120)의 실시예이다. 유량 감쇠기(200)는 두 개의 섹션(도 2a 내지 도 2c의 실시예에서 절반으로 지칭하기도 함)(210A 및 210B), 두 개의 외부 유동 포트(통칭하여 “외부 유동 포트(230)”로 지칭함) 및 관통 유동 포트(250)를 포함한다.
어느 하나의 절반(210A)은 바디 쉘(260A) 및 플렉시블 멤브레인(270A)을 포함한다. 바디 쉘(260A)은 평평할 수 있는 내부 표면(263A) 및 내부 표면(263A) 상에 형성된 세장형 그루브(265A)를 갖는다. 바디 쉘(260A)은 폴리머 재료 또는 금속으로 제작될 수 있다. 폴리머 재료는 경질 열가소성 재료(예컨대, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리카보네이트, 나일론, 아세테이트, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 및 폴리염화비닐(PVC), PTFE, 변성 PTFE(TFM), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA) 등) 또는 경질 열경화성 재료(예컨대, 에폭시, 페놀, 실리콘 등)일 수 있다. 금속은 예를 들어, 주철, 탄소강, 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄 등일 수 있다. 일부 실시예에서, 바디 쉘(260A)은 사출 성형, 압축 성형, 트랜스퍼 성형, 주조 또는 기계 가공을 통해 형성된다. 바디 쉘(260A)은 원형 또는 다른 형상, 예컨대 직사각형, 타원형, 정사각형 등의 형상을 가질 수 있다. 바디 쉘(260A)은 다양한 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 바디 쉘(260A)의 직경은 0.5 내지 36 인치 범위이다. 세장형 그루브(265A)는 직사각의 나선형, 레이스트랙(racetrack)형, 지그재그형, 원 나선형, 직사각형, 서펜틴(serpentine)형, 반원형, 정사각형, 장방형 또는 다른 기하학적 형상과 같은 다양한 형상일 수 있다. 세장형 그루브(265A)가 원형인 일부 실시예에서, 그 반경은 대략 1/8 인치 이상이다. 세장형 그루브(265A)가 정사각형인 일부 실시예에서, 정사각형의 각 변은 대략 1/8 인치 이상이다. 일부 실시예에서, 그루브(265A)는 최대 2 인치의 폭 및/또는 1 인치 내지 4 피트 범위의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 세장형 그루브(265A)의 깊이는 필요한 감쇠 수준에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 세장형 그루브(265A)는 더 많은 감쇠를 위해 더 깊다.
플렉시블 멤브레인(270A)은 내부 표면(263A)에 밀봉되고, 세장형 그루브(265A)를 덮는다. 일부 실시예에서, 플렉시블 멤브레인(270A)은 내부 표면(263A) 상에 오버몰딩 된다. 일부 또 다른 실시예에서, 플렉시블 멤브레인(270A)은 접착제(예컨대, 글루), 기계적 고정 또는 다른 방법을 통해 내부 표면(263A)에 결합된다. 플렉시블 멤브레인(270A)은 세장형 그루브(265A)와 함께 세장형 유동 경로(267A)를 형성한다. 세장형 유동 경로(267A)는 두 개의 단부를 갖는다. 일 단부는 바디 쉘(260A)의 중앙 근처 또는 중앙에 위치하고(중앙 단부로 지칭함), 다른 단부는 바디 쉘(260A)의 가장자리 근처에 위치한다(가장자리 단부로 지칭함). 일부 또 다른 실시예에서, 세장형 유동 경로(267A)의 단부는 상이한 위치에 있을 수 있다. 세장형 유동 경로(267A)는 세장형 그루브의 형상에 의해 규정되는 형상을 갖는다. 세장형 유동 경로는 원형 또는 다른 형상, 예를 들어 도 4에 도시된 형상들을 가질 수 있다.
플렉시블 멤브레인(270A)의 유연성은 세장형 유동 경로를 통한 유체 유동의 진동을 감쇠시킨다. 일부 실시예에서, 플렉시블 멤브레인(270A)의 경도계 쇼어 A 스케일 경도는 45 A 내지 90 A 범위에 있다. 특정 어플리케이션의 경우, 플렉시블 멤브레인(270A)의 경도계는 대략 70 A이다. 플렉시블 멤브레인(270A)의 두께는 0.5 mm 내지 12 mm 범위이다. 일부 실시예에서, 플렉시블 멤브레인(270A)의 두께는 펌프에 의해 유발되는 유동의 맥동을 감쇠하기 위해 유량 감쇠기(200)가 부착된 펌프의 압력 정격에 기초하여 결정된다. 플렉시블 멤브레인(270A)은 열가소성 폴리우레탄(TPU), 열가소성 엘라스토머(TPE), 폴리염화비닐(PVC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 변성 PTFE, 퍼플루오로알콕시알칸 또는 실리콘과 같은 유연한 열경화성 재료로 제작될 수 있다. 플렉시블 멤브레인(270A)은 사출 성형, 압축 성형, 트랜스퍼 성형, 주조 또는 기계 가공에 의해 제작될 수 있다. 플렉시블 멤브레인(270A)은 세장형 유동 경로(267A)의 가장자리 단부에 대응하는 위치에 포트(275A)를 포함한다. 포트는 유동 감쇠기의 다른 절반(210B)으로 유체의 유동을 용이하게 하기 위해 플렉시블 멤브레인(270A)을 관통하는 홀을 포함한다.
나머지 절반(210B)은 유사한 디자인을 가지며, 또한 바디 쉘(260B) 및 플렉시블 멤브레인(270B)을 포함한다. 바디 쉘(260B)은 상술한 바디 쉘(260A)과 유사하거나 동일할 수 있다. 두 개의 바디 쉘(260A, 260B)은 예를 들어 볼트에 의해 서로 고정된다. 플렉시블 멤브레인(270B)은 상술한 플렉시블 멤브레인(270A)과 유사하거나 동일할 수 있다. 일부 실시예에서, 플렉시블 멤브레인(270B)은 상술한 플렉시블 멤브레인(270A)과 상이한 부드러움을 갖는다. 예를 들어, 플렉시블 멤브레인(270B)은 상술한 플렉시블 멤브레인(270A)보다 더 부드럽다. 이러한 디자인은 두 개의 플렉시블 멤브레인(270)이 동일하거나 유사한 부드러움을 갖는 디자인에 비해 더 넓은 범위의 주파수를 감쇠할 수 있도록 한다. 플렉시블 멤브레인(270B)은 세장형 유동 경로(267B)의 가장자리 단부에 대응하는 위치에 홀을 포함하는 포트(275B)를 갖는다. 바디 쉘(260B) 및 플렉시블 멤브레인(270B)은 또 다른 세장형 유동 경로(267B)를 형성한다. 세장형 유동 경로(267B)는 전술한 세장형 유동 경로(267A)에 대해 역회전 할 수 있다. 세장형 유동 경로에 대한 더 상세한 내용은 도 3과 함께 아래에 설명되어 있다.
관통 유동 포트(250)는 세장형 유동 경로(267A, 267B)의 가장자리 단부들 사이에 유동 경로를 제공한다. 관통 유동 포트(250)는 플렉시블 멤브레인(270A, 270B)의 포트(275A, 275B)에 연결될 수 있다. 도 2a 내지 2c의 실시예에서, 관통 유동 포트는 튜브 형상이다. 이는 예를 들어, 접착제 또는 나사에 의해 플렉시블 멤브레인(270A, 270B) 각각에 형성된 포트에 연결될 수 있다. 일부 또 다른 실시예에서, 관통 유동 포트는 플렉시블 멤브레인(270A, 270B)과 통합된다. 관통 유동 포트는 각각의 플렉시블 멤브레인(270A, 270B)을 관통하는 홀과 홀 사이에 채널을 제공하는 튜빙을 포함한다. 세장형 유동 경로(267A, 267B)는 서로 다른 방향을 가질 수 있다.
두 개의 외부 유동 포트(230)는 유체가 유량 감쇠기(200)에 유입되고 배출될 수 있도록 세장형 유동 경로(267A, 267B)에 연결된다. 예를 들어, 외부 유동 포트(230A)는 세장형 유동 경로(267A)의 중앙 단부에 연결되고, 외부 유동 포트(230B)는 세장형 유동 경로(267B)의 중앙 단부에 연결된다. 또 다른 실시예에서, 각각의 외부 유동 포트(230)는 세장형 유동 경로(267A, 267B)의 가장자리 단부에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 두 개의 외부 유동 포트(230)는 동일하다. 다른 실시예에서, 이들은 유량 감쇠기(200)에 연결된 상이한 유형 또는 크기의 튜빙을 수용하기 위해 상이하다.
두 개의 외부 유동 포트(230) 각각은 대응하는 바디 쉘(260A, 260B)을 관통하는 홀을 포함한다. 외부 유동 포트(230)는 나사 연결, 테이퍼 연결(tapered connection), 오링을 통한 연결과 같은 튜빙(연질 또는 경질)에 대한 다양한 연결을 지원할 수 있다. 바브 튜빙 어댑터는 외부 유동 포트(230)를 튜빙에 연결하기 위해 외부 유동 포트(230) 상에 장착될 수 있다. 바브 튜빙 어댑터에 대한 상세한 내용은 도 6과 함께 아래에 설명되어 있다. 일부 실시예에서, 푸쉬-인 피팅(push-in fitting)은 외부 유동 포트(230)를 통해 튜빙에 연결하는 데 사용된다.
외부 유동 포트(230)는 유량 감쇠기(200)의 대향하는 측면에 장착된다. 두 개의 외부 유동 포트(230) 중 하나는 입구 유동 포트로서 기능하고, 다른 하나는 출구 유동 포트로서 기능한다. 예를 들어, 외부 유동 포트(230) 중 어느 하나는 바디 쉘(260A)에 장착되고, 다른 하나는 바디 쉘(260B)에 장착된다. 일부 실시예에서, 외부 유동 포트(230)를 통한 유동 경로는 동일선상에 있다. 일부 다른 실시예에서, 유동 경로는 직각이다.
유량 감쇠기(200)는 유량 측정 시스템에서 수직을 향하도록 배치될 수 있는데, 이는 외부 유동 포트(230) 중 어느 하나(예를 들어, 입구 유동 포트로서 기능하는 것)가 유량 감쇠기(200)의 상측에 있고, 다른 하나(예를 들어, 출구 유동 포트로서 기능하는 것)가 유량 감쇠기(200)의 하측에 있다는 것을 의미한다. 이러한 방향은 중력 하에서 유체의 배수를 용이하게 한다. 이러한 방향으로 자체 배수로 충분할 수 있다. 일부 실시예에서, 유체는 유량 감쇠기(200)에서 흐를 때 어떠한 금속과도 접촉하지 않는다. 일부 실시예에서, 유량 감쇠기(200)는 일회 사용 후 폐기된다.
도 3은 일 실시예에 따른 유량 감쇠기(200) 내의 역회전 세장형 유동 경로(350, 360)를 도시한다. 도 3은 유량 감쇠기의 두 개의 바디 쉘(310, 320)의 평단면도를 도시한다. 일부 실시에에서, 유량 감쇠기는 작동 중에 수직을 향하도록 배치되고 바디 쉘(310)은 바디 쉘(320)의 상측에 위치한다. 도 3에서의 시점들은 모두 바디 쉘(310, 320)을 내려다보고 있는 것이다. 유동 포트(330)는 바디 쉘(310)에 장착되어 입구 유동 경로를 제공한다. 유동 포트(330)는 바디 쉘(310)의 중앙을 관통하는 홀을 포함한다. 유동 포트(340)는 바디 쉘(320)의 중앙을 관통하는 홀을 포함한다. 유동 포트(340)는 출구 유동 경로를 제공한다. 이러한 디자인이 주어지면, 유체는 바디 쉘(310)의 중앙을 통해 유량 감쇠기의 상측으로 유입되고, 바디 쉘(320)의 중앙을 통해 유량 감쇠기의 하측으로 배출된다. 도 3에 도시된 화살표와 같이, 바디 쉘(310) 및 이에 대응하는 플렉시블 멤브레인(도 3에 도시되지 않음)은 시계 방향의 세장형 유동 경로(350)를 제공하는 반면, 바디 쉘(320) 및 이에 대응하는 플렉시블 멤브레인(도 3에 도시되지 않음)은 시계 반대 방향의 세장형 유동 경로(360)를 제공한다. 즉, 두 개의 세장형 유동 경로(350, 360)는 역회전한다.
도 4는 일 실시예에 따른 상이한 형상의 세장형 유동 경로(410, 420)를 도시한다. 도 4는 도 2 및 3의 나선형 유동 경로와 상이한 형상을 갖는 두 개의 세장형 유동 경로(410, 420)를 포함한다. 세장형 유동 경로(410)는 직사각 나선 형상을 갖는다. 세장형 유동 경로(430)는 레이스트랙 형상을 갖는다. 비록 도 4에 도시되지 않았으나, 세장형 유동 경로는 지그재그형, 원 나선형, 직사각형, 서펜틴형 등과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 일부 형상이 선호된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 세장형 유동 경로(410)가 모서리를 갖기 때문에 세장형 유동 경로(420)가 세장형 유동 경로(410)보다 유리할 수 있다. 유체 유동은 모서리에 압력(예컨대, 수격(water hammer))을 유발할 수 있으며 유체의 물질(예컨대, 유기 세포)이 모서리에 쌓일 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 세장형 유동 경로(410)가 더 길기 때문에, 세장형 유동 경로(410)는 세장형 유동 경로(420)보다 선호될 수 있다. 나선형 디자인은 더 나은 감쇠를 달성할 수 있도록, 유동 감쇠기 내의 세장형 유동 경로(410)의 길이를 최대화할 수 있다. 세장형 유동 경로의 형상은 대응하는 바디 쉘에 형성된 세장형 그루브의 형상에 의해 결정된다. 즉, 특정 형상의 세장형 그루브를 형성함으로써 특정 형상의 세장형 유동 경로를 얻을 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 유량 감쇠기(500)의 사시도이다. 유량 감쇠기(500)는 도 1의 유량 감쇠기(120)의 일 실시예이다. 유량 감쇠기(500)는 바디 쉘(560), 플렉시블 멤브레인(570) 및 두 개의 외부 유동 포트(530, 540)를 포함한다. 다른 실시예에서, 유량 감쇠기(500)는 더 적거나 더 많은 구성요소를 포함할 수 있다.
바디 쉘(560)은 유량 감쇠기(500)의 외부 커버 역할을 한다. 바디 쉘(560)은 내부 표면을 갖는다. 내부 표면에는 세장형 그루브가 형성된다. 일부 실시예에서, 바디 쉘(560)은 도 2a 내지 2c와 함께 위에서 설명한 바디 쉘(260A, 260B)과 유사하거나 동일하다. 플렉시블 멤브레인(570)은 바디 쉘(560)의 내부 표면에 밀봉되고 세장형 그루브를 덮어 세장형 유동 경로를 형성한다. 플렉시블 멤브레인(570)의 유연성은 세장형 유동 경로를 통과하는 유체 유동의 맥동을 감쇠시킨다. 일부 실시예에서, 플렉시블 멤브레인(570)은 도 2a 내지 2c와 함께 위에서 설명한 플렉시블 멤브레인(270A, 270B)과 유사하거나 동일하다.
두 개의 외부 유동 포트(530, 540)는 세장형 유동 경로에 연결된다. 예를 들어, 외부 유동 포트(530)는 세장형 유동 경로의 중앙 단부에 연결되고, 외부 유동 포트(540)는 세장형 유동 경로 바디 쉘의 가장자리 단부에 연결된다. 외부 유동 포트(530)는 바디 쉘(560)을 관통하는 홀을 갖고, 외부 유동 포트(540)는 플렉시블 멤브레인(570)을 관통하는 홀을 갖는다. 일부 실시예에서, 외부 유동 포트(530)는 유량 감쇠기(500)에 대한 입구 유동 경로를 제공하고, 외부 유동 포트(540)는 유량 감쇠기(500)에 대한 출구 유동 경로를 제공한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 외부 유동 포트(530, 540)는 유량 감쇠기(500)의 대향하는 측면에 장착된다. 일부 실시예에서, 유량 감쇠기(500)는 외부 유동 포트(530)가 상측에 위치하고, 외부 유동 포트(540)가 하측에 위치하도록 배치되어 유체의 배수를 용이하게 한다.
도 6은 일 실시예에 따른 유량 감쇠기의 유동 포트용 바브 튜빙 어댑터를 도시한다. 도 6은 6개의 바브 튜빙 어댑터를 도시하며, 각 어댑터는 서로 다른 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 바브 튜빙 어댑터의 내경은 1/16 인치에서 2 인치 범위이다. 바브 튜빙 어댑터는 음파 용접(sonic welding), 트라이 클램프(tri clamp), 글루(예컨대, FDA 승인 클래스 VI 에폭시) 또는 기타 방법을 통해 외부 유동 포트의 내부 표면에 접착될 수 있다. 일부 실시예에서, 바브 튜빙 어댑터는 호스 바브 피팅(hose barbed fitting), 트라이-클램프 피팅 및/또는 ¼-28 피팅과 같은 피팅이다.
본 명세서에서 사용된 언어는 주로 가독성 및 설명의 목적을 위해 선택되었으며, 발명의 주제를 기술하거나 한정하기 위해 선택되지 않았을 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 본 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라, 본 명세서에 기초하여 출원된 청구범위에 의해 제한되는 것이 바람직하다. 따라서, 실시예의 개시는 다음의 청구범위에 기재된 개시의 범위를 예시하기 위한 것이지 제한하기 위한 것이 아니다.

Claims (21)

  1. 유량 감쇠기로서,
    두 개의 섹션;
    두 개의 외부 유동 포트들; 및
    관통 유동 포트를 포함하고,
    상기 각 섹션은,
    내부 표면과, 상기 내부 표면 상에 형성된 세장형 그루브를 갖는 바디 쉘; 및
    상기 바디 쉘의 상기 내부 표면에 밀봉되고, 상기 세장형 그루브를 덮고, 상기 세장형 그루브와 함께 세장형 유동 경로를 형성하는 플렉시블 멤브레인을 포함하고,
    상기 세장형 유동 경로는 두 개의 단부를 가지고,
    상기 멤브레인의 유연성은 상기 세장형 유동 경로를 통과하는 유체의 유동에서 진동을 감쇠시키고,
    어느 하나의 외부 유동 포트는 각 섹션의 상기 세장형 유동 경로의 일 단부와 연결되고,
    상기 관통 유동 포트는 상기 세장형 유동 경로들의 다른 단부들 사이에 유동 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 섹션의 상기 바디 쉘들은 서로 고정되는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 외부 유동 포트 각각은 어느 하나의 섹션의 바디 쉘을 관통하는 홀을 포함하고,
    상기 관통 유동 포트는 각 섹션의 상기 플렉시블 멤브레인을 관통하는 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 어느 하나의 섹션의 상기 바디 쉘은 열가소성 재료, 열경화성 재료 및 금속으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 섹션의 상기 플렉시블 멤브레인은 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 엘라스토머, 폴리염화비닐, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 변성 PTFE, 퍼플루오로알콕시알칸(PFA) 및 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제작되는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  6. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 섹션의 상기 플렉시블 멤브레인은 상기 섹션의 상기 바디 쉘에 오버몰딩 되는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 섹션의 상기 플렉시블 멤브레인은 0.5 mm 내지 6 mm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 외부 유동 포트들을 통한 유동 경로는 동일선상에 있는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 섹션에서의 상기 세장형 유동 경로들은 역회전 하는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 섹션 중 어느 하나의 상기 플렉시블 멤브레인은 다른 섹션의 상기 플렉시블 멤브레인보다 부드러운 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유량 감쇠기는 일회용인 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  12. 유량 감쇠기로서,
    내부 표면과, 상기 내부 표면 상에 형성된 세장형 그루브를 가지는 바디 쉘;
    상기 바디 쉘의 상기 내부 표면에 밀봉되고, 상기 세장형 그루브를 덮고, 상기 세장형 그루브와 함께 세장형 유동 경로를 형성하는 플렉시블 멤브레인; 및
    상기 세장형 유동 경로에 연결되는 두 개의 유동 포트를 포함하고,
    상기 멤브레인의 유연성은 상기 세장형 유동 경로를 통과하는 유체의 유동에서 맥동을 감쇠시키고,
    상기 두 개의 유동 포트 각각은 상기 세장형 유동 경로의 어느 하나의 단부에 연결되는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 2개의 유동 포트는 상기 유량 감쇠기의 대향하는 측면들에 장착되는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유동 포트들 중 어느 하나는 상기 바디 쉘을 관통하는 홀을 포함하고,
    다른 하나의 유동 포트는 상기 플렉시블 멤브레인을 관통하는 홀을 포함하는 유량 감쇠기.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 바디 쉘은 상기 유량 감쇠기의 외부 커버로 제공되는 유량 감쇠기.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 플렉시블 멤브레인은 0.5 mm 내지 6 mm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 플렉시블 멤브레인은 상기 바디 쉘에 오버몰딩 되는 것을 특징으로 하는 유량 감쇠기.
  18. 유동 시스템으로서,
    코리올리 유량 센서에 의해 제공되는 유동 경로를 통해 흐르는 유체의 하나 이상의 유동 특성을 측정하도록 구성된 코리올리 유량 센서; 및
    유량 감쇠기를 포함하고,
    상기 유량 감쇠기는,
    내부 표면과, 상기 내부 표면 상에 형성된 세장형 그루브를 가지는 바디 쉘;
    상기 바디 쉘의 상기 내부 표면에 밀봉되고, 상기 세장형 그루브를 덮고, 상기 세장형 그루브와 함께 세장형 유동 경로를 형성하는 플렉시블 멤브레인;
    입구 유동 포트; 및
    출구 유동 포트를 포함하고,
    상기 세장형 유동 경로는 제1 단부와, 제2 단부를 가지고,
    상기 멤브레인의 유연성은 상기 세장형 유동 경로를 통과하는 유체의 유동에서 맥동을 감쇠시키고,
    상기 입구 유동 포트는 상기 세장형 유동 경로의 상기 제1 단부와 연결되고,
    상기 출구 유동 포트는 상기 세장형 유동 경로의 상기 제2 단부와, 상기 코리올리 유량 센서에 의해 제공되는 상기 유동 경로에 연결되는 것을 특징으로 하는 유동 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 유동 시스템은 펌프를 더 포함하고,
    상기 유량 감쇠기의 상기 입구 유동 포트는 상기 펌프에 의해 제공되는 유동 경로에 연결되는 것을 특징으로 하는 유동 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 유동 시스템은 제2 유량 감쇠기를 더 포함하고,
    상기 제2 유량 감쇠기는 상기 펌프에 제공된 상기 유동 경로에 연결된 출구 유동 포트를 포함하는 유동 시스템.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 유량 센서는 0.05 g/min 내지 5 g/min 범위의 질량 유량을 측정하도록 구성되는 유동 시스템.
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