[논문]가열식 액체용 질량유량계측기에 관한 이론 및 실험적 연구

김택영; 강창훈; 신윤섭; 김태수; 최선호

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.4.309

가열식 액체용 질량유량계측기에 관한 이론 및 실험적 연구
Analytical and Experimental Study on a Thermal Liquid Mass Flow Meter 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.4 = no.355, 2015년, pp.309 - 316

김택영 (한국산업기술대학교 기계공학과) , 강창훈 (한국산업기술대학교 기계공학과) , 신윤섭 (한국산업기술대학교 기계공학과) , 김태수 (한국산업기술대학교 기계공학과) , 최선호 (한국산업기술대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

가열식 액체용 질량유량계측기(LMFM, Liquid Mass Flow Meter)에 대하여 수치해석적으로 분석하였으며 실험을 통하여 검증하였다. 기존의 기체용 질량유량계측기(GMFM, Gas Mass Flow Meter)와 동일한 구조로 설계하였으나 계측온도차는 기체용에 비하여 정 반대의 특성을 나타낸다. 기체는 열용량이 작아서 계측관벽을 통한 전도열전달이 기체의 유동에 따른 대류열전달에 대응할 정도이므로 이들 상호작용의 결과 상 하류 써미스터의 온도차가 질량유량에 비례한다. 반면, 열용량이 큰 액체의 경우 대류열전달이 지배적이 되어 계측관벽을 통한 전도열전달이 무시되며, 결과적으로 온도차가 질량유량에 반비례한다. 계측관경과 히터의 권선폭은 LMFM 의 중요한 설계인자로서 각각 최적화가 필요하다. 최적화 설계를 통하여 제작한 계측기는 반도체 생산장비의 극소유량 정밀제어 및 공급용으로 사용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical analysis and experimental verification of a thermal liquid mass flow meter (LMFM) were performed. The configuration of the LMFM was the same as a gas mass flow meter (GMFM), but the opposite results in temperature difference between upstream and downstream thermistors occurred. In the case of the gas, the convection depending on the flow of thermal mass was small and comparable to the conduction through the sensor tube wall. The temperature difference was proportional to the mass flow rate due to their interaction. For the liquid flow, the convection overwhelmed the wall conduction because of the large flow of thermal mass caused by high density. The temperature difference in this case was inversely proportional to the mass flow rate. The tube diameter and heater wiring width are important design parameters, and the optimized sensor can be used to measure and control the infinitesimal liquid flow rate.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 계측관의 내·외경과 히터의 권선폭에 대한 설계인자 분석을 수행하였다.
^(3,4) 이에 따라 지속적으로 작동하는 부품이 존재하므로 내구성과 신뢰성이 제작의 중요한 요소이며 구조도 복잡하고 고가이다. 본 연구에서는 신뢰성이 우수한 기존의 GMFM 과 동일한 구조를 적용한 LMFM 에 대하여 수치해석을 수행하고 그 결과를 이론적으로 분석함으로써 실용성을 검토하였으며, LMFM 시작품을 제작하고 실험을 통하여 이론분석 내용을 검증하였다. 본 연구의 대상인 LMFM 은 Fig.

가설 설정

질량유량이 0.1g/min 이상 (a)이면 히터 권선폭이 l_ht=20, 30, 40mm 로 변해도 선형성이 유지된다. 히터의 길이가 짧을수록 유체의 온도가 높아서 비등 문제에서 불리하다.
계측관의 재질은 SUS316L 이고, 사용유체는 순수한 물로 입구에서 T_in=20℃로 주입된다. 물의 물성치는 예측되는 온도범위에서 변화가 작으므로 일정하다고 가정하였다. 기술한 자료를 이용하여 수치해석을 수행하였으며 그 결과를 그래프로 도시하여 분석하였다.
편의상 외피에서 주위로 열손실은 히터 열유속에 비하여 무시할 수 있다고 가정하였다. 식 (11)은 관벽의 열량이 일정할 때의 전형적인 이론해로서 히터구간 입·출구의 온도차는 질량유량에 반비례함을 보여준다.

제안 방법

물의 물성치는 예측되는 온도범위에서 변화가 작으므로 일정하다고 가정하였다. 기술한 자료를 이용하여 수치해석을 수행하였으며 그 결과를 그래프로 도시하여 분석하였다. Fig.
3g/min 이하로 유량이 작을 때는 1hr 로하여 유량계측의 불확실성을 최소화하였다. 또한, 실험의 재현성을 검증하기 위하여 모든 LMFM 에 대한 실험 완료한 후 재시험을 수행하는 방법으로 3 회 반복 실험을 하였다.
본 연구에서는 신뢰성이 우수한 기존의 GMFM 과 동일한 구조를 적용한 LMFM 에 대하여 수치해석을 수행하고 그 결과를 이론적으로 분석함으로써 실용성을 검토하였으며, LMFM 시작품을 제작하고 실험을 통하여 이론분석 내용을 검증하였다. 본 연구의 대상인 LMFM 은 Fig. 1 에 도시한 바와 같이 내경이 0.3mm 정도인 매우 얇은 원관중심부에 선 히터를 감고 히터 상하류에 각각 서미스터를 권선하여, 두 서미스터 사이의 온도차와 유체 질량유량 사이의 상관관계를 이용함으로써 계측한다. 이때 히터는 유체를 직접 가열하지 않고 계측관의 외피를 가열하며, 계측관벽을 통한 전도열전달에 의하여 계측관벽의 온도가 상승한다.
수치해석은 실제제작을 고려한 설계 안을 기준으로 수행하였다. 상하류 서미스터의 권선폭은 5mm 를 적용하였고, 히터 권선폭은 l_ht=20, 30, 40mm 등을 고려하였으며, 이의 변화에 대한 LMFM 의 특성변화를 고찰하였다. 또 다른 중요한 설계인자인 계측관 내경은 유동에 의한 대류열전달을 지배하고 외경과 내경의 차이인 두께는 계측관벽을 통한 축-방향 전도열전달을 지배하므로 본 연구에서는 매우 중요한 검토 대상이다.
격자수는 수치해석의 결과가 오차한계 10^-8 에서 변화가 없는 경우를 고려한 것이다. 수치해석은 실제제작을 고려한 설계 안을 기준으로 수행하였다. 상하류 서미스터의 권선폭은 5mm 를 적용하였고, 히터 권선폭은 l_ht=20, 30, 40mm 등을 고려하였으며, 이의 변화에 대한 LMFM 의 특성변화를 고찰하였다.
또 다른 중요한 설계인자인 계측관 내경은 유동에 의한 대류열전달을 지배하고 외경과 내경의 차이인 두께는 계측관벽을 통한 축-방향 전도열전달을 지배하므로 본 연구에서는 매우 중요한 검토 대상이다. 실제 제작 시에 원하는 관경에 대하여 모두 제작할 수 없으며, 상품화되어 판매되는 모세관을 사용하였으므로 기존에 유통되는 관에 대하여 수치해석을 수행하였다. 모세관의 직경에 대한 자료는 Table 1 에 제시한 바와 같이 Gage 로 구분되며, 본 연구에서도 분류된 관경에 대한 분석하였다.
액체의 극소 질량유량을 정밀하게 측정할 수 있는 열식 계측기에 대하여 수치해석으로써 이론적으로 분석하였고, LMFM 시작품을 제작하여 실험으로써 이론분석 결과를 검증하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
LMFM 에 부과되는 전류와 계측기관부터 도출되는 신호는 실험용으로 제작한 전자보드를 통하여 통제되며, 전자보드는 컴퓨터의 프로그램을 통하여 제어된다. 유량은 미터링밸브를 통하여 소량씩 제어하고, 충분한 시간 동안 액체를 받아서 정밀저울로 측정한 질량을 시간으로 나누어 질량유량을 산정하였다. 저울은 And 사의 GH-202 모델로써 재현성과 산형도가 각각 0.
액체유량이 극도로 줄어들면 대류열전달의 지배력도 감소하여 온도차의 역수에 비선형적인 경향이 나타나기 시작하고, LMFM 에서는 최저유량의 계측한계가 존재한다. 이러한 이론적 분석결과를 토대로 LMFM 시작품을 제작하고 실험을 수행하여 결과를 분석하였다. 실험결과는 이론적인 예측과 매우 잘 일치하였으며 본 연구결과의 타당성을 검증해 준다.
이러한 특성을 수치해석에 모두 반영하는 것은 해석의 복잡성을 유발한다. 이에 따라 본 연구에서는 저자가 기체센서의 해석에서 적용한 값을 사용하였다. 이 때 #= 0.

이와 같이 수치해석을 통하여 LMFM 의 특성과 설계인자에 대하여 이론적으로 분석하고 고찰하였다.

제 2 절에서 수행한 이론적 분석을 검증하기 위하여 LMFM 시작품을 다수 제작하여 실험을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

모세관의 직경에 대한 자료는 Table 1 에 제시한 바와 같이 Gage 로 구분되며, 본 연구에서도 분류된 관경에 대한 분석하였다. 계측관의 재질은 SUS316L 이고, 사용유체는 순수한 물로 입구에서 T_in=20℃로 주입된다. 물의 물성치는 예측되는 온도범위에서 변화가 작으므로 일정하다고 가정하였다.
연구 대상인 계측기의 형상은 Fig. 1 에 도시한 바와 같이 기체 유량계측에 사용되는 전형적인 형상이다. 관의 내경은 약 0.

데이터처리

LMFM 의 또 다른 설계인자인 히터 권선폭에 대하여 수치해석을 통한 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 5 에 도시하였다. 질량유량이 0.
상기에 나열한 지배방정식과 경계조건을 유한차분법으로 해석하였다. 반경-방향 격자계는 유체장에 대하여는 20 개, 계측관벽은 8 개를 고려하였으며, 축-방향으로는 1980 개를 도입하였다.

성능/효과

질량유량이 0.01g/min (a)로 극소량이면 계측관 벽과 유체의 단면평균 온도가 비선형적으로 증가하고, 특히, 히터 구간 10mm 를 지나면서 온도기울기가 급격히 감소하고, 히터 구간에서도 온도가 하강하여 기울기가 음(-)인 구역이 5mm 정도 존재한다. 이러한 온도분포는 유체유동에 의한 대류열전달과 축-방향 전도열전달이 복합적으로 작용하여 나타난 것으로 판단된다.
이는 이론해석에서 예측한 유량계측 최저한계가 존재함을 보여준다. 수치해석에서 분석한 바와 같이 최저한계는 관경이 클수록 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 관경이 작으면 유체의 최고온도가 상승하며, 이는 수치해석 결과와 일치한다.
실험결과로부터 이론적으로 예측한 LMFM 의 특성을 모두 검증할 수 있었으며, 본 연구에서 제시한 LMFM 을 액체의 극소 질량유량의 계측에 활용할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

계측관 내·외경과 히터 권선폭은 가열에 따른 액체의 온도상승에 영향을 미치고, 결과적으로 비등문제와 관련되므로 최적화가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 생산공정에서 기체유량의 정밀계측을 위해 무엇을 사용하는가?	반도체 생산공정 중 기체와 액체유량의 정밀 계측 및 공급제어는 매우 중요하며, 한 공정라인에 100 개가 넘는 질량유량제어기(MFC, Mass Flow Controller)를 사용한다. 일반적으로 반도체 생산공정에서 기체유량의 정밀계측을 위하여 가열식 질량유량계(1~3)를 사용하고, 액체에 대하여는 코리올리 힘을 이용하여 계측하는 유량계(4~6)를 사용한다. 코리올리 방식은 유체가 흐르는 얇은 관을 지속적으로 진동시키고, 가진 주파수의 원 위상과 액체유동으로 인하여 발생하는 위상변화의 차를 측정함으로써 질량유량을 계측한다.
	질량유량제어기는 무엇을 제어하는가?	반도체 생산공정 중 기체와 액체유량의 정밀 계측 및 공급제어는 매우 중요하며, 한 공정라인에 100 개가 넘는 질량유량제어기(MFC, Mass Flow Controller)를 사용한다. 일반적으로 반도체 생산공정에서 기체유량의 정밀계측을 위하여 가열식 질량유량계(1~3)를 사용하고, 액체에 대하여는 코리올리 힘을 이용하여 계측하는 유량계(4~6)를 사용한다.
	코리올리 방식의 질량유량계가 고가인 이유는 무엇인가?	코리올리 방식은 유체가 흐르는 얇은 관을 지속적으로 진동시키고, 가진 주파수의 원 위상과 액체유동으로 인하여 발생하는 위상변화의 차를 측정함으로써 질량유량을 계측한다.(3,4) 이에 따라 지속적으로 작동하는 부품이 존재하므로 내구성과 신뢰성이 제작의 중요한 요소이며 구조도 복잡하고 고가이다. 본 연구에서는 신뢰성이 우수한 기존의 GMFM 과 동일한 구조를 적용한 LMFM 에 대하여 수치해석을 수행하고 그 결과를 이론적으로 분석함으로써 실용성을 검토하였으며, LMFM 시작품을 제작하고 실험을 통하여 이론분석 내용을 검증하였다.

참고문헌 (8)

Toda, K., Maeda, Y., Sanemasa, I., Ishikawa, K. and Kimura, N., 1998, "Characteristics of a Thermal Mass-Flow Sensor in Vacuum Systems," Sensors and Actuators A, Vol. 69, pp. 62-67.

상세보기
Tison, S. A., 1996, "A Critical Evaluation of Thermal Mass Flow Meters," J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 14, No. 4, pp. 2582-2591.
Kim, S. J. and Jang, S. P., 2001, "Experimental and Numerical Analysis of Heat Transfer Phenomena in a Sensor Tube of a Mass Flow Controller," Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 44, pp. 1711-1724.

상세보기
Henry, M. P., Clark, C., Duta, M., Cheesewright, R. and Tombs, M., 2003, "Response of a Coriolis Mass Flow Meter to Step Changes in Flow Rate," Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 14, pp. 109-118.

상세보기
Cheesewright, R., Clark, C., Belhadj, A. and Hou, Y. Y., 2003, "The Dynamic Response of Coriolis Mass Flow Meters," Journal of Fluid Structures, Vol. 18, pp. 165-178.

상세보기
Clark, C., Wang, S. and Cheesewright, R., 2006, "The Performance Characteristics of a Micro-machined Coriolis Flow Meter: An Evaluation by Simulation," Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 17, pp. 325-333.

상세보기
Viswanathan, M., Kandaswamy, A., Sreekala, S. K. and Sajna, K. V., 2002, "Development, Modeling and Certain Investigations on Thermal Mass Flow Meters," Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 12, pp. 353-360.

상세보기
Kim, D. K., Han, I. Y. and Kim, S. J., 2007, "Study on the Steady-state Characteristics of the Sensor Tube of a Thermal Mass Flow Meter," Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 50, pp.1206-1211.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증