KR20230083880A

KR20230083880A - 멀티 포트 가스 유량 제어 장치

Info

Publication number: KR20230083880A
Application number: KR1020210172287A
Authority: KR
Inventors: 정광효; 안창근; 김도현; 김승환; 노형욱; 박흰돌; 장용원; 최재훈
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-06-12
Also published as: US12085968B2; US20230176594A1

Abstract

본 발명은 멀티 포트 가스 유량 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명은 하나의 가스 유입 유관을 통해 입력되는 측정가스를 각각 분기하여 공급하는 가스 공급챔버; 일측이 상기 가스 공급챔버와 연결되어 상기 가스 공급챔버를 통해 유입되는 측정가스를 복수의 가스 센서에 각각 전달하는 복수의 가스 분기 유관; 및 상기 복수의 가스 센서를 각각 격납하고, 상기 가스 공급챔버를 통해 분기되는 유출 가스가 상기 격납된 상기 복수의 가스 센서에 각각 전달되고, 상기 복수의 가스 센서를 통해 감지한 유출 가스를 배출하는 가스 측정챔버를 포함한다.

Description

멀티 포트 가스 유량 제어 장치{Apparatus controlling gas flow rates at multi-ports}

본 발명은 가스 센싱을 위한 유량 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동 저항을 조절하여 다수의 가스센서에 각기 다른 유량의 가스를 공급하는 장치에 관한 것이다.

가스의 종류 및 농도 분석을 위하여 다양한 원리가 적용된 가스 센서가 개발되었다.

예컨데, 화학적 가스 센서로 화학저항 센서(Chemoresisitive gas sensor, MOS), 전기화학 센서(Electrochemical gas sensor, EC), 폴리머 센서, 크로마토그래피 센서(Gas chromatography, GC), 화학발광 센서(Chemiluminescence) 등이 있고, 광학식 가스 센서로 광이온 센서(Photoionization detector, PID), 광음향 분광 센서(Photoacoustic spectroscopy), 적외선 분광 센서(IR spectral photometer), 광발광 센서(photoluminescence), 라만 분광 센서(Raman spectrometry, SERS) 등이 있으며, 전기식 가스 센서로 전계효과 트렌지스터 센서(ChemiFET)가 대표적이며, 질량 기반 가스 센서로서 이온 이동성 분광 가스 센서(Ion mobility spectrometry, IMS), 질량 분석법 센서(Mass spectroscopy, MS), 수정진동자 저울 센서(Quartz crystal microbalance, QCM), 마이크로 컨틸레버 센서(Micro cantilever), 표면 음파 센서(Surface acoustic wave sensor, SAW), 정전용량 초음파 변환 센서(CMUT) 등이 있다.

상기 다양한 가스 센서는 각기 다른 구동, 제어 및 측정 신호 변환이 필요하며, 종래 가스 측정을 위하여 각기 독립된 장치로 개발되어 사용되고 있다. 최근에는 기계학습, 인공지능 기술의 발달로 다양한 가스 센서의 측정 결과를 종합적으로 분석하여 가스 측정의 민감도와 특이도를 향상시키는 시도가 진행되고 있다.

특히, 다양한 가스 센서를 하나의 장치에 구비시키는 연구 개발이 이루어지고 있다.

이와 같이, 다양한 가스 센서를 장치 하나에 일원화시키기 위하여, 상기 각기 다른 구동, 제어 및 측정 신호 변환을 통합시키는 방법이 요구된다.

그러나, 상기 다양한 가스 센서는 측정을 위한 최적의 가스 유량 범위가 각기 다를 수 있으며, 다양한 가스 유량의 조절이 요구될 수 있다.

센서별로 다른 다양한 가스 유량을 공급 제어하기 위하여, 현재의 기술로는 가스 센서별로 유량제어기와 펌프가 각기 구비되어야 한다.

이 경우, 일원화된 장치가 매우 복잡해지고 고가 대형화될 수 있으며, 이를 간단화 시킬 수 있는 기술이 요구되고 있으나, 관련된 선행 기술이 부재하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 하나의 가스 유입 유관을 통해 입력되는 측정가스를 각각 분기하여 공급하는 가스 공급챔버; 일측이 상기 가스 공급챔버와 연결되어 상기 가스 공급챔버를 통해 유입되는 측정가스를 복수의 가스 센서에 각각 전달하는 복수의 가스 분기 유관; 및 상기 복수의 가스 센서를 각각 격납하고, 상기 가스 공급챔버를 통해 분기되는 유출 가스가 상기 격납된 상기 복수의 가스 센서에 각각 전달되고, 상기 복수의 가스 센서를 통해 감지한 유출 가스를 배출하는 가스 측정챔버를 포함한다.

상기 복수의 가스 분기 유관은, 교체 가능하게 설치된다.

상기 복수의 가스 분기 유관은, 유관의 내경이 상이하게 구성된다.

상기 복수의 가스 분기 유관은, 유관의 길이가 상이하게 구성된다.

상기 가스 분기 유관의 내경은, 0.1 내지 1mm이다.

상기 가스 분기 유관의 길이는, 5 내지 100Cm 이다.

상기 가스 공급챔버의 최소 특성 길이는, 5mm 이상이다.

상기 가스 측정챔버 내에는 상기 복수의 가스 센서의 측정면이 일면에 노출되는 가스 측정공간이 설치된다.

상기 가스 측정공간의 최소 특성 길이는, 5mm 이상이다.

상기 가스 측정공간에 복수의 격막 구조체가 설치된다.

상기 가스 공급챔버 이전에 설치되어, 측정 가스를 농축하거나 특정 가스 성분 혹은 수분을 측정 전에 제거하는 전처리 유닛을 더 포함한다.

측정공간을 측정 전 상태로 초기화하기 위하여 측정공간에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 봄베를 더 포함한다.

상기 측정공간은, 상부 구조체와 하부 구조체의 결합에 의해 형성될 수 있다.

본 발명은 가스 유입구 혹은 가스 배출구에 설치된 하나의 펌프를 이용하여 복수의 가스 분기 유관에 유량 변화를 가한다.

본 발명은 멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 다수로 평면상 배치 또는 다수로 적층하여 가스 센서의 개수를 확장할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 하나의 가스 유입 유관을 통해 측정가스를 입력받아 복수의 가스 센서에 각각 분기하여 공급하는 가스 공급챔버; 복수의 가스 센서를 각각 격납하는 복수의 격납홀을 구비한 하부구조체와, 상기 가스 공급챔버를 통해 공급되는 측정가스가 상기 하부구조체에 각각 격납된 복수의 가스 센서에 분기되어 공급될 수 있도록, 상기 가스 공급챔버와 상기 하부구조체의 격납홀을 연결하는 복수의 가스 분기 유관홀이 형성된 상부구조체를 포함하는 가스 측정챔버를 포함한다.

상기 복수의 가스 분기 유관홀은, 유관의 내경이 상이하게 구성된다.

상기 가스 분기 유관홀의 내경은, 0.1 내지 1mm 이다.

상기 가스 공급챔버의 최소 특성 길이는, 5mm 이상이다.

상기 가스 측정공간의 최소 특성 길이는, 5mm 이상이다.

상기 가스 측정공간에 복수의 격막 구조체가 설치된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나의 입구에서 공급되는 가스로부터 다수의 센서에 각기 다른 유량으로 가스를 공급하기 위하여, 기존 유량제어장치를 다수 설치함에 따라 장치가 복잡하고 비용 또한 상승할 수 있으나, 본 발명에서는 유관의 형상을 조절하여 유동저항을 달리함으로써, 간단히 유량 조절을 해결할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유관 혹은 유관 형태의 구조체를 교체 적용함으로써, 간편하게 유관 형상 조절을 통한 유동저항의 변경이 가능한 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유량 조절 장치를 간단화시켜 장치의 가격을 낮출 수 있으며, 장치 크기를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치에서 내경이 상이한 가스 분기 유관에 따른 유량을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치에서 길이가 상이한 가스 분기 유관에 따른 유량을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a는 내경이 다른 유관에서의 가스 유량에 대한 전산모사 결과 예 중 유입 유관에 가까운 유체 유관의 내경(D)이 크고 멀어질수록 유체 유관의 내경(D)이 작아지는 예이다.
도 3b는 내경이 다른 유관에서의 가스 유량에 대한 전산모사 결과 예 중 유입 유관에 가까운 유체 유관의 내경(D)이 작고, 멀어질수록 유체 유관의 내경(D)이 커지는 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 길이가 다른 유관에서의 가스 유량에 대한 이론식과 전산모사 결과 비교표이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유관의 내경이 다양하게 변화된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치 단면 예시도이다.
도 6a는 유관의 길이가 변화된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치 예시도이다.
도 6b 측면 채널이 추가 형성된 측정챔버 상부구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6a 및 도 6b의 유관의 길이가 변화된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 평면상 확장 예시도이다.
도 8a는 도 5에서 설명된 측정 챔버 상부 구조체에 유관을 형성시킨 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 분리 사시도이다.
도 8b는 도 5에서 설명된 측정 챔버 상부 구조체에 유관을 형성시킨 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 결합도이다.
도 9a는 도 8a 및 도 8b에 도시된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 다수로 적층한 전방에서의 단면도이다.
도 9b는 도 8a 및 도 8b에 도시된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 다수로 적층한 측방에서의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 실제 구현을 위하여 모듈이 추가된 장치 예시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n), 가스 측정챔버(200) 및 가스 공급챔버(300)로 이루어진다.

복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)은 일측이 가스 공급챔버(300)와 연결되어 가스 공급챔버(300)를 통해 유입되는 측정가스(50)를 복수의 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 각각 전달한다. 즉, 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)은 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)의 한쪽 끝은 유관 입구부(110)로서 가스 공급챔버(300)의 일측면에 고정 설치되고, 이를 통해 측정 가스(50)가 분기되어 흐르고, 가스 분기 유관(100)의 다른 한 쪽 끝은 유관 출구부(120)로서 가스 측정챔버(200)의 상측 천정부에 위치된다.

한편, 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)의 유관 유입부(110)는 가스 공급챔버(300)의 일측벽에 설치되나, 가스 공급챔버(300)의 내부로 삽입되어도 무관하다.

그리고, 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)의 유관 출구부(120)는 가스 측정 챔버(200)의 상측 천정부에 설치되나, 가스 측정 챔버(200)의 내부로 돌출 삽입되어도 무관하다.

가스 측정챔버(200)는 복수의 가스 센서(400-1 내지 400-n)를 각각 격납하고, 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)을 통해 가스 공급챔버(300)로부터 공급되는 측정가스(50)가 격납된 상기 복수의 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 각각 전달되도록 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)과 각각 연결된다. 이후, 가스 측정챔버(200)는 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 의해 감지된 폐기 가스(60)를 통합하여 배출한다.

가스 측정챔버(200)는 상부 구조체(210)와 하부구조체(220)의 결합에 의해 이루어진다.

상부 구조체(210)에는 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)의 유관 출구부(120)가 고정되어 설치되고, 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)을 통해 유입된 측정가스(500)가 유입될 수 있는 측정공간(211)이 형성되며, 측정공간(211)에 유입된 측정가스(50)가 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 의해 측정된 후 배출될 수 있도록 측정공간(211)과 연통된 측면 채널(도 1에 미도시됨, 도 6a 및 도 6b 참조)이 측정공간의 측면에 형성된다.

하부구조체(220)에는 복수의 가스 센서(400-1 내지 400-n)를 격납하기 위한 격납부가 구비된다.

한편, 측정공간(211)은 상부 구조체(210)와 하부구조체(220)의 결합에 의해 형성된다. 그리고, 측정공간(211)에는 하부구조체(220)의 격납부에 격납된 가스 센서(400-1 내지 400-n)의 센서 노출면이 측정공간(211)의 바닥면에 위치하는 것이 바람직하나, 가스 센서(400-1 내지 400-n)의 센서 노출면이 필요에 따라 측정 공간(211)의 내부로 돌출되어도 무관하다.

n개의 유관 출구부(120)에서 유출된 유출 가스는 도 1에 도시된 바와 같이, n개의 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 각각 공급되고, 각 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 의해 가스 센싱이 이루어진 후에는 가스 유출 유관(520)으로 이동하여 폐기된다.

한편, 측정공간(211)에는 격막 구조체(250)가 설치될 수 있다. 이는 다수의 유관 출구부를 공간적으로 분리되도록 하여 각각의 가스 센서(400)에 독립적인 공간을 부여하여 인접한 가스의 유동에 영향을 최소화하기 위하여 마련될 수 있다.

격막으로 분리된 측정공간(211)에 유입된 유출 가스는 측정공간(211)의 측면에 추가로 설치된 측면 채널(도 1에 미도시됨, 도 6a 및 도 6b 참조) 등을 통해 가스 유출 유관(520)으로 이동될 수 있다.

가스 공급챔버(300)는 하나의 가스 유입 유관(510)을 통해 측정가스(50)를 입력받아 복수의 가스 센서에 각각 분기하여 가스 측정챔버(200)에 격납된 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 측정가스(50)를 공급한다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치에서 내경이 상이한 가스 분기 유관에 따른 유량을 설명하기 위한 개념도이다.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치에서 길이가 상이한 가스 분기 유관에 따른 유량을 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)은 유관의 내경을 상이하게 구성하거나 유관의 길이를 상이하게 구성한다.

도 1에 도시된 바와 같이, n개의 가스 센서(400-1 내지 400-n)는 최적의 측정결과를 얻기 위하여 가스 유량 범위가 각기 다를 수 있으며, 이에 따라 n개의 유관 출구부(120)에서의 가스 유량을 제어할 필요가 있다.

일반적으로 가스 유량을 정밀하게 제어하기 위하여 가스 분기 유관(100)의 중간에 가스 유량 조절 장치, 예를 들면, 질량 유량 조절기(MFC, mass flow controller)가 설치되나, 조절 대상인 유관의 수가 다수인 경우 다수로 설치되어야 하므로, 장치의 가격 및 부피가 커지는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 유관의 유동 저항을 조절하여 가스 유량을 조절하는 방법을 적용한다.

즉, 도 2a를 참조하면, 하나의 가스 공급챔버(300)에서 분기된 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)의 길이는 L로 동일하나 내경(D)이 각기 다른 n개의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)에서의 유량 Q를 도시하였다.

도 2b를 참조하면, 하나의 가스 공급챔버(300)에서 분기된 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)의 내경(D)은 동일하나 길이(L)가 각기 다른 n개의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)에서의 유량(Q)를 도시하였다.

일반적으로, 원형 단면을 가지는 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)에서의 압력 강하(ΔP)는 유동이 층류 유동(laminar flow)인 경우 다음의 [수학식 1]과 같이 표현된다.

[수학식 1]

여기서, ΔP는 유동의 압력 강하, D는 유관의 내경, V는 유체의 속도, L은 유관의 길이, μ는 유체의 점성계수다.

[수학식 1]에서 압력 강하는 속도와 길이에 비례하고, 내경의 제곱에 반비례한다. 즉, 가스 분기 유관의 내경이 작은 경우 혹은 길이가 긴 경우, 큰 압력 강하가 발생된다.

본 발명의 일 실시에서는 유관의 유량을 제어하기 위하여, 가스의 유동 경로에서 압력 강하가 대부분 유관에서 발생되도록 하여 멀티 포트에서 가스의 유량을 예측할 수 있다.

즉, 다수의 유관이 분기되는 가스 공급챔버(300)와 유관이 합류되는 측정공간(211)의 크기에 비하여, 유관의 단면적이 매우 작은 경우를 만들어서, 대부분의 압력 강하가 유관에서 발생되도록 하여 다수의 유관에서의 유량에 차이를 둘 수 있다.

이를 위하여, 가스 분기 유관의 내경은 0.1 내지 1mm 인 경우가 적당하다. 이에 비하여, 상기한 바와 같이 압력 강하가 대부분 가스 분기 유관에서 발생될 수 있도록 가스 공급챔버(300)과 측정공간(211)의 최소 특성 길이(가스 측정챔버의 높이 등)는 5mm 이상인 경우가 바람직하다.

또한, 가스 분기 유관의 길이는 5 내지 100 cm인 경우가 바람직하나, 가스 센서 및 유관의 개수에 따라 조정될 수 있다.

한편, 가스 분기 유관에서 발생되는 유동의 경우, 레이놀즈 수(Re)가 2300이하에서 층류유동이 발생한다. 여기서, 레이놀즈 수는 아래 [수학식 2]와 같이 표현된다.

[수학식 2]

여기서 Re는 레이놀즈 수이고, ρ는 가스의 밀도이며, V는 유체의 속도이고, D는 유관의 내경이며 μ는 유체의 점성계수이다.

본 발명에서와 같이 유체 유관에서의 압력 강하를 높이기 위하여 유체 유관의 내경을 작게 한 경우, 레이놀즈 수(Re)는 층류유동 범위에 들게 되어 상기 [수학식 1]의 이론적 예측의 적용이 가능하다.

가스 분기 유관에서의 유량은 [수학식 1]을 참조하면, 아래 [수학식 3]과 같이 표시된다.

[수학식 3]

여기서, Q는 유량, V는 유체의 속도이고, A는 유관의 단면적이고, D는 가스 분기 유관의 내경이며, L은 가스 분기 유관의 길이이고, ΔP는 유동의 압력 강하이다.

[수학식 3]을 참조하면, 유출 유량은 같은 압력 강하에 대하여 길이(L)에 반비례하고, 유관의 내경(D)의 네제곱에 비례한다. 즉, 유관의 내경이 같은 경우(도 2b의 경우), 길이가 2배인 경우 유량은 1/2이 된다.

또한, 같은 길이의 유관의 경우(도 2a의 경우), 내경이 1/2배인 경우, 유량은 1/16이 된다. 이를 이용하여, 유관의 길이 혹은 내경을 달리하여, 다수의 유관에 다양한 유량을 형성시킬 수 있다.

한편, 상기한 바와 같이, 본 발명에서는 유관의 크기를 작게 하여 압력 강하가 대부분 유관에서 발생되도록 가스 공급챔버(300) 및 측정공간(211)의 크기를 유관에 비하여 상대적으로 큰 특성길이로 형성시키게 되면, 모든 유관에 대하여 거의 같은 압력 강하가 발생하게 되어, 상기 [수학식 3]의 유량 예측이 적용될 수 있다.

도 3a는 내경이 다른 유관에서의 가스 유량에 대한 전산모사 결과 예 중 유입 유관에 가까운 유체 유관의 내경(D)이 크고 멀어질수록 유체 유관의 내경(D)이 작아지는 예이고, 도 3b는 내경이 다른 유관에서의 가스 유량에 대한 전산모사 결과 예 중 유입 유관에 가까운 유체 유관의 내경(D)이 작고 멀어질수록 유체 유관의 내경(D)이 커지는 예이다.

이론식에서 예측한 바와 같이 유관의 내경이 큰 경우 가스 유량이 증가함을 확인할 수 있으며, 측정공간(211)와 가스 공급챔버(300)의 크기가 가스 분기 유관의 내경에 비해 큰 경우 대부분의 압력 강하가 가스 분기 유관에서 발생한 결과를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 길이가 다른 유관에서의 가스 유량에 대한 이론식과 전산모사 결과 비교표이다.

하나의 가스 공급챔버에 일정한 유량의 가스를 공급하고, 가스 공급챔버로부터 분기된 4개의 길이가 다른 유관(50~200mm)을 통해 유출되는 가스의 유량 Q를 얻었으며, 길이가 50mm인 경우(Q50)를 기준으로 유관의 길이가 길어진 경우 상대적인 유량비(Q/Q50)를 이론식과 전산모사 결과를 비교한 표다. 전산모사에 이용한 유관은 단면 1mm*1mm의 사각 채널이며, 가스는 암모니아를 이용하여 해석한 결과다.

전산모사 결과, 길이가 50mm인 유관에서의 유속을 기준으로 계산된 레이놀즈 수는 160(위)과 15(아래)로 나타났으며, 상대적인 유량비를 살펴볼 때, 유관의 길이 변화에 따른 유량의 변화를 설명하는 [수학식 3]의 이론적 예측이 전산모사 결과에 근접함을 보여준다. 또한, 비교표는 레이놀즈 수가 작을수록 유량의 변화에 대한 이론식 [수학식 3]과 전산모사 결과가 더욱 일치함을 보여준다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전산모사 해석 결과와 이론식의 비교를 통하여, 상기 분기된 다수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)에서 가스 유량에 대한 이론적 예측이 가능하며, 이를 통해 유관의 길이 혹은 내경의 변화를 통해 다양한 유량의 유동을 간단히 구현할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 가스 유량이 유관의 길이에 반비례함을 이용하여 다양한 유량의 가스 유동을 얻도록 하는 장치이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유관 입구부(110)와 유관 출구부(120)는 별도의 체결 수단(미도시)을 구비하여 가스 측정 챔버(200)와 가스 공급챔버(300)에 연결되는 가스 분기 유관을 분리한 후 길이 또는 내경이 다른 가스 분기 유관으로 교체할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 설명하기 위한 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 도 1과 달리, 유관의 길이(L)는 일정하나 내경(D)이 각기 다른 장치에 대하여 예를 들어 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 가스 분기 유관의 내경의 네제곱에 비례함을 이용하여 다양한 유량의 가스 유동을 얻도록 하는 장치이다.

도 1의 예에서 측정 챔버 상부 구조체(210)는 유관 출구부(120)가 고정 설치되는 용도로 이용되었으나, 본 발명의 다른 실시예인 도 5에서는 가스 분기 유관을 따로 설치하지 않고, 측정 챔버 상부 구조체(210)에 천공을 통해 유관이 형성된다.

본 발명의 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 도 1과 도 5에서의 예시에서와 같이, 유관의 길이 및 내경을 변화시키기 위하여 다양한 구조적 설계를 적용할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에서는 유관의 길이 및 내경을 동시에 변화시키는 설계가 적용될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 유관의 크기 변화는 도시한 예시에 한정되지 않는다.

도 6a는 유관의 길이가 변화된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치 예시도이이고, 도 6b 측면 채널이 추가 형성된 측정 챔버 상부구조체를 설명하기 위한 도면이다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 사각챔버 형태의 가스 공급챔버(300)에 16개의 유관(100-1 내지 100-16)이 분기되어, 16개의 가스 센서(400)로 서로 다른 유량의 가스를 공급한다.

상기 설명한 바와 같이, 도 6a를 참조하면, 가스 센서(400-1 내지 400-16)의 필요 유량에 따라 유관의 길이를 변화시켜 서로 분리된 측정공간(211)으로 측정가스(500)를 공급할 수 있다.

측정 가스는 각각의 측정공간(211)에 격납된 가스 센서에 서로 다른 유량으로 공급된 후, 측면에 형성된 측면 채널(230)로 합류되어 외부로 유출된다.

도 7은 도 6a 및 도 6b의 유관의 길이가 변화된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 평면상 확장 예시도로써, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 평면상으로 4개를 연결한 경우로서, 80개의 가스 센서에 동시에 가스 유량을 조절하여 공급할 수 있다.

이에, 가스 유입 유관(510)에 연결된 가스 공급챔버(300)의 바닥면에 80개의 유관을 모아서 부착시키고, 평면상에 배치된 가스 센서(400)에 유관을 분배한 경우다.

가스 분기 유관(100)의 길이는 가스 공급챔버(300)와 가스 센서(400)의 거리 이상이 되어야 하므로, 긴 가스 분기 유관(100)이 필요한 가스 센서(400)를 외관에 배치하는 설계가 필요하다.

도 8a는 도 5에서 설명된 측정 챔버 상부 구조체(210)에 유체 유관을 형성시킨 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 분리 사시도이고, 도 8b는 도 5에서 설명된 측정 챔버 상부 구조체(210)에 유관을 형성시킨 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 결합도이다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 가스 공급챔버(300)와 가스 측정챔버(200)로 이루어진다.

가스 공급챔버(300)는 하나의 가스 유입 유관(510)을 통해 측정가스(50)를 입력받아 가스 측정챔버(200)에 격납된 복수의 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 각각 분기하여 공급한다.

가스 측정챔버(200)는 복수의 가스 센서(400-1 내지 400-n)를 각각 격납하는 복수의 격납홀을 구비한 하부구조체(220)와, 가스 공급챔버(300)를 통해 공급되는 측정가스(50)가 하부구조체(220)에 각각 격납된 복수의 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 분기되어 공급될 수 있도록, 가스 공급챔버(300)와 하부구조체(220)의 격납홀을 연결하는 구멍 형태의 복수의 가스 분기 유관홀(100)이 형성된 상부구조체(210)가 결합되어 이루어진다.

상부 구조체(210)에는 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)의 유관 출구부(120)가 고정되어 설치되고, 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n)을 통해 유입된 측정가스(50)가 유입될 수 있는 측정공간(211)이 형성되며, 측정공간(211)에 유입된 측정가스(50)가 가스 센서(400-1 내지 400-n)에 의해 측정된 후 배출될 수 있도록 측정공간(211)과 연통된 채널(230)이 측면에 형성된다.

도 8a에 도시된 바와 같이, 신호처리보드(450)에 다수의 가스 센서(400)가 설치되고, 측정 챔버 하부구조체(220)의 격납홀에 삽입되어 가스 센서(400)의 상부 측정부가 격막이 없는 2개의 측정공간(211)의 바닥에 노출된 형태의 예이다.

이와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치는 16개의 유관의 내경을 달리하여 각각의 가스 센서에 서로 다른 유량의 측정 가스가 공급될 수 있다. 도 8b는 도 8a의 다층 구조체를 결합시킨 결합도이며, 가스의 누수가 없도록 결합되어야 한다.

도 9a는 도 8a 및 도 8b에 도시된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 다수로 적층한 전방에서의 단면도이다.

도 9b는 도 8a 및 도 8b에 도시된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 다수로 적층한 측방에서의 단면도이다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 멀티 포트 가스 유량 제어 장치에서의 가스 센서의 개수는 16개이며, 이를 확장하기 위하여 도 8a 및 도 8b의 구조체를 평면상에서 혹은 높이 방향으로 다수 배치할 수 있다.

이는 설계 편의 및 장치의 공간 요구 조건에 따라 다변화할 수 있다. 도 9a 및 도 9b에서는 도 8a 및 도 8b의 구조체를 높이 방향으로 5개의 층으로 적층한 예로서, 전방 및 측방에서의 단면도를 나타냈다.

이와 같은 방식으로, 가스 센서의 개수를 늘릴 수 있으며, 하나의 입구로부터 공급되는 측정 가스를 다수의 가스 센서에 다양한 유량으로 공급할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치에 관한 것으로, 도 10을 참조하여 설명하기로 한다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 실제 구현을 위하여 모듈이 추가된 장치 예시도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n) 및 가스 측정챔버(200) 및 가스 공급챔버(300)와 전처리 유닛(330), 흡입 펌프(600), 측정 가스 봄베(610) 및 퍼지 가스 봄베(620)를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수의 가스 분기 유관(100-1 내지 100-n), 가스 측정챔버(200) 및 가스 공급챔버(300)는 일 실시예의 기능을 동일하게 수행하는 것으로 본 발명의 또 다른 실시예에서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정 가스 봄베(610)는 측정 가스를 저장하고, 저장된 측정 가스를 가스 측정챔버(300)에 공급하는 역할을 한다.

그리고, 전처리 유닛(330)는 측정 가스를 농축하거나 특정 가스 성분 혹은 수분을 측정 전에 제거하기 위하여 측정 가스 붐베(610)와 가스 공급챔버(300) 사이에 설치된다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 전처리 가스 챔버(350)가 전처리 유닛(300)과 가스 공급챔버(300) 사이에 설치될 수 있다.

이러한 전처리 가스 챔버(350)는 전처리된 가스 혹은 측정 가스 봄베의 측정 가스를 일정한 용량으로 저장하여 가스 공급챔버(300)에 공급하는 역할을 한다.

그리고 본 발명의 또 다른 실시예에서는 퍼지 가스 봄베(620)가 더 포함될 수 있다.

퍼지 가스 봄베(620)는 측정공간(211)을 측정 전 상태로 초기화하기 위하여, 측정공간(211)의 일측에 연결하여 설치하여 퍼지 가스를 공급할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 가스 유출 유관(520)의 종단에 흡입 펌프(600)를 설치하여, 감지가 완료된 가스를 흡입할 수 있고, 가스 흡입 유로의 개폐를 위한 밸브(650)가 더 배치될 수 있다.

더하여, 밸브(650)는 측정 가스 봄베(610)과 전처리 유닛(330) 사이, 전처리 유닛(330)과 전처리 가스 챔버(350) 사이, 전처리 가스 챔버(350)과 가스 공급챔버(300) 사이, 퍼지 가스 봄베(620)과 가스 측정챔버(200) 사이, 가스 유출 유관(520)에 구비될 수 있다.

상기 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 구현하기 위한 추가된 모듈은 필요에 따라 한 개 혹은 다수로 설치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치의 실제 구현의 예시로서, 하나의 입구에서 공급되는 측정 가스로부터 다수의 센서에 각기 다른 유량으로 가스를 공급하기 위한 장치의 사용 용도 및 적용 방법에 따라 도시된 모듈이 생략되거나 도시되지 않은 모듈이 추가될 수 있다.

이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

하나의 가스 유입 유관을 통해 입력되는 측정가스를 복수로 분기하여 공급하는 가스 공급챔버;
일측이 상기 가스 공급챔버와 연결되어 상기 가스 공급챔버를 통해 유입되는 측정가스를 복수의 가스 센서에 각각 전달하는 복수의 가스 분기 유관; 및
상기 복수의 가스 센서를 각각 격납하고, 상기 가스 공급챔버를 통해 분기되는 유출 가스가 상기 격납된 상기 복수의 가스 센서에 각각 전달되고, 상기 복수의 가스 센서를 통해 감지한 유출 가스를 배출하는 가스 측정챔버를 포함하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 가스 분기 유관은,
교체 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 가스 분기 유관은,
유관의 내경이 상이하게 구성된 것을 특징으로 하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 분기 유관의 내경은,
0.1 내지 1mm 인 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 분기 유관의 길이는,
5 내지 100Cm 인 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 공급챔버의 최소 특성 길이는,
5mm 이상인 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 측정챔버 내에는 상기 복수의 가스 센서의 측정면이 일면에 노출되는 가스 측정공간이 설치되는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 측정공간의 최소 특성 길이는,
5mm 이상인 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 가스 측정공간에 복수의 격막 구조체가 설치되는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 공급챔버 이전에 설치되어, 측정 가스를 농축하거나 특정 가스 성분 혹은 수분을 측정 전에 제거하는 전처리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
측정공간을 측정 전 상태로 초기화하기 위하여 측정공간에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 봄베를 더 포함하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 측정공간은,
상부 구조체와 하부 구조체의 결합에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
가스 유입구 혹은 가스 배출구에 설치된 하나의 펌프를 이용하여 복수의 가스 분기 유관에 유량 변화를 가하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,
멀티 포트 가스 유량 제어 장치를 다수로 평면상 배치 또는 다수로 적층하여 가스 센서의 개수를 확장하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
하나의 가스 유입 유관을 통해 측정가스를 입력받아 복수로 분기하여 공급하는 가스 공급챔버;
복수의 가스 센서를 각각 격납하는 복수의 격납홀을 구비한 하부구조체와, 상기 가스 공급챔버를 통해 공급되는 측정가스가 상기 하부구조체에 각각 격납된 복수의 가스 센서에 분기되어 공급될 수 있도록, 상기 가스 공급챔버와 상기 하부구조체의 격납홀을 연결하는 복수의 구멍 형태의 가스 분기 유관홀이 형성된 상부구조체를 포함하는 가스 측정챔버를 포함하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제15항에 있어서,
상기 복수의 가스 분기 유관홀은,
유관의 내경이 상이하게 구성된 것을 특징으로 하는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제15항에 있어서,
상기 가스 분기 유관홀의 내경은,
0.1 내지 1mm 인 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제15항에 있어서,
상기 가스 공급챔버의 최소 특성 길이는,
5mm 이상인 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제15항에 있어서,
상기 가스 측정챔버 내에는 상기 복수의 가스 센서의 측정면이 일면에 노출되는 가스 측정공간이 설치되는 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.
제15항에 있어서,
상기 가스 측정공간의 최소 특성 길이는,
5mm 이상인 멀티 포트 가스 유량 제어 장치.