JPH09503057A - 圧力伝達装置の隔離ダイアフラム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 伝達装置１０は処理流体の出力を示す出力を提供する。伝達装置１０は、第１のポートから圧力センサ１６へ延びる隔離流体で満たされた通路３２を有する第１の本体１４を具備している。第２の本体１３は処理流体２８を受けるための入り口と第２のポートを具備している。第１と第２のポート間の隔離ダイアフラム４６は、処理流体を隔離流体から分離している。ダイアフラム４６に隣接するシール４８はダイアフラム４６をシールし、ダイアフラム４６を第２の本体１３に結合する。スプリング６６と６８はシール４８にダイアフラム４６と反発する力を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 圧力伝達装置の隔離ダイアフラム 発明の背景 この発明は圧力伝達装置に関する。特に、圧力伝達装置中の隔離ダイアフラム に関する。 圧力伝達装置は、隔離ダイアフラムに結合された圧力センサを具備している。 隔離ダイアフラムは、圧力センサを検知される腐蝕性の処理液から隔離する。圧 力は、隔離ダイアフラムから該センサへ、通路中を運ばれる実質的に圧縮されな い隔離液を通して伝達される。米国特許第４８３３９２２号「モジュール型の圧 力伝達装置」および米国特許第５０９４１０９号「ストレス隔離低減をした圧力 伝達装置」は、このタイプの圧力伝達装置を示している。 該隔離ダイアフラムは処理液にさらされるので、これはその構造を破壊する腐 蝕材料の影響を受ける。サファイアとセラミック材料は、そのざらざらと腐蝕の しにくさのために、隔離ダイアフラムによく適している。しかし、これらの材料 で作られたダイアフラムをシールするために印加される応力(stress)は、ダイア フラムのスティフネスまたは形を変える傾向があり、これがエラーを発生する。 さらに、これらの材料で作られたダイアフラムは、正確な圧力測定を行うために 、十分な量の流体を排除することができなかった。腐蝕されにくい実用的なシー ルは、現在まだ得られていない。 発明の要約 この発明は、処理流体の圧力を示す出力を提供するための伝達装置に関するも のである。この伝達装置は、第１のポートから検知装置に延びる隔離流体で充満 された第１の通路と、処理流体を受取りかつ第２のポートをもつ第２の通路とを 具備している。隔離ダイアフラムは第１のポートを第２のポートから分離し、処 理流体を隔離流体から隔離している。ダイアフラムと隣り合うシールは、該ダイ アフラムを処理流体の圧力に結合する。このシールは腐蝕を受けにくい実質的に 平らなスプリングによって保持される。さらに、ダイアフラムを具備するダイア フラム組立体は、ストレス隔離マウントの中に装着される。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による圧力伝達装置の断面図である。 図２は、図１に示されている隔離ダイアフラムの断面図である。 図３は、シールの断面図である。 実施例の詳細な説明 図１は、本発明による伝達装置本体１２、フランジ１３およびセンサ本体１４ をもつ圧力伝達装置１０を示している。センサ本体１４は圧力センサ１６を含み 、伝達装置本体１２は伝達装置回路２０を含んでいる。センサ回路１８は通信バ ス２２を経て、伝達装置回路２０に結合されている。伝達装置回路２０は処理流 体の圧力に関係する情報を、二線の通信回路に送る。 センサ本体１４は、本発明に従って、アイソレータ装置２４と２６を含んでい る。装置２４は図２により詳細に示されている。圧力センサ１６はフランジ１３ の通路２８中の圧力Ｐ１と通路３０中の圧力Ｐ２との間の圧力差を測定する。圧 力Ｐ１は、アイソレータ装置２４を経、通路３２を通って、センサ１６に結合さ れている。圧力Ｐ２は、アイソレータ装置２６を経、通路３４を通って、センサ １６に結合されている。通路３２は結合部３６および管４０を通って、延びてい る。通路３４は結合部３８および管４２を通って、延びている。通路３２と３４ は、油のような比較的非圧縮性の大きい流体で充満されている。結合部３６と３ ８はセンサ本体１４の中に押し込まれており、センサ回路１８を具備するセンサ 本体の内部と、通路２８と３０に収容されている処理流体との間の長いフレーム 冷却通路を提供している。 アイソレータ装置２４は隔離ダイアフラム４６に好ましくは溶着されたシート ４４を含んでいる。これは、図２にもっと詳細に示されている。シート４４とダ イアフラム４６は、一実施例ではサファイアであり、他の実施例ではセラミック である。通路３２はシート４４を通って、ダイアフラム４６に延びている。ポリ テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シール４８はダイアフラム４６とフランジ １３の間に置かれている。セラミックスプリング５０と５２はＰＴＦＥシール４ ８の中に置かれ、シム(shim)５４によって離されている。シム５４はスプリング ５０と５２の両側との流体通信を許すよ うに、水平通路を含んでいる。通路５５は通路２８とセラミックダイアフラム４ ６との間に延びている。シート４４はワッシャ５６とシリコンゴム５８とによっ てセンサ本体から分離されている。 アイソレータ本体２６は隔離ダイアフラム６２に好ましくは溶着されたシート ６０を含んでいる。ＰＴＦＥシール６４はフランジ１３からダイアフラム６２を 分離している。セラミックスプリング６６と６８はＰＴＦＥシール６４の中に置 かれ、典型的にはセラミックからなるシム７０によって離されている。通路７１ はシム７０を通って延び、これによって、セラミックスプリング６６と６８はダ イアフラム６２と通路３０との間に流体通信を提供する。ワッシャ７２とシリコ ンゴム７４は、シート６０をセンサ本体１４から分離している。 処理流体と反応しないという理由で、セラミックまたはサファイアのダイアフ ラムを用いるのが好ましい。さらに、このような脆性材料は、低減されたヒステ リシスを有し、正確さを改善する傾向がある。しかし、そのような構造がもつ主 たる問題は、該構造が、ボルトとシールの応力（ストレス）によって、ダイアフ ラムのスチフネスまたはその形状を変えず、そしてエラーを発生しないようにで きるに十分な応力隔離を提供することができるかどうかということである。本発 明は、隔離ダイアフラム上の接触シール力を最小にする、スプリングが搭載され たＰＴＦＥシールを用いることにより、また、６００ｐｓｉ（ポンド／インチ² ）までの線圧力を許容する ことを必要とするボルト力からの応力隔離を提供することにより、シール応力を 最小にすることによって、これらの問題を解決している。最適の腐蝕抵抗のため に、本発明は腐蝕抵抗スプリングを使用している。 脆性アイソレータは従来の典型的な金属のダイアフラムに比べて、直径に対す る厚さの比がより大きく、またより大きな係数をもっている。これにより、脆性 ダイアフラムは金属のものよりより大きな堅さになっている。一つの問題の解決 方法は波型のダイアフラムを提供することである。しかし、現在の技術を用いて 脆性ダイアフラムに波型を付けるのは不可能である。脆性アイソレータは現在の 技術では実現できない応力隔離を要求している。 アイソレータ装置２４と２６はシリコンゴムシール５８と７４によってセンサ 本体１４から隔離されている。これは、アイソレータ装置２４と２６にかかる応 力を低減している。なぜなら、センサ本体１４への固体接続は、結合部３６と３ ８およびワッシャ５６と７２の回りだけであるからである。さらに、アイソレー タ装置２４と２６は、シール４８と６４によって、フランジ１３から隔離されて いる。一つの実施例では、これらのシールはそのシール特性と腐蝕抵抗のために 、ＰＴＦＥが用いられる。 ＰＴＦＥは“低温流れ(cold flow)”を受けやすい。ＰＴＦＥは、常に、印加 された圧力に応答してその形を変える傾向がある。一つの解決方法は、ＰＴＦＥ シール４８と６４の中に、腐蝕抵抗性のコ イル状の金属スプリングを設けることである。図３は、コイルスプリング８０を 用いたシール４８の断面図である。このスプリングは、より良好な腐蝕抵抗をも つセラミック材で作ることができる。このスプリングは、あらゆる部分の耐性(t olerance)に応じることができるように十分なたわみを提供すべきであり、また 時間と共に発生するＰＴＦＥ中の歪み(creep)を補償すべきである。 本発明は、ＰＴＦＥのような、弾力性のあるまた腐蝕抵抗のある材料から作ら れたシールに、スプリングを設ける技術を提供するものである。セラミックスプ リング５０と５２は、ＰＴＦＥシール４８がその形を保持することを促す。（こ こでは、ダイアフラム装置２４について議論されるけれど、同じ議論がダイアフ ラム装置２６にも当てはまる。）スプリング５２と５０およびシム５４を通る通 路５５は、処理流体が、ダイアフラム４６に作用することを許し、また圧力セン サ１６とセンサ回路１８とによる測定のために、通路２８から通路３２へ圧力Ｐ １が移ることを許可する。セラミックスプリング５０と５２は、あらゆる部分の 耐性に応じることができるように十分なたわみを提供し、また時間と共に発生す るＰＴＦＥ中の歪みを補償する。このスプリングはまたＰＴＦＥがシールされた 表面で不整流を起こすように、十分な力を提供する。 スプリングによって蓄積されるエネルギの量は、次の式によって与えられる。 Ｅ_{スプリング}∝ σ² _max／Ｅ・Ｖ ここに、Ｅ_{スプリング}はスプリングに蓄積されたエネルギ、σ_maxは材料の最大 使用ストレス(working stress)、Ｅは弾性率、およびＶは材料の体積である。セ ラミック等の脆性材料は金属より小さなσ_maxと大きなＥをもつ傾向にある。こ れは、脆性材料のσ_max／Ｅを、金属のそれに比べて１０〜５０倍だけ小さくす る。これを補償するために、本発明では、金属のスプリングよりも、１０〜５０ 倍大きな体積のスプリングを使用している。この発明は、ＰＴＦＥシールの端部 を越えてスプリングを延長することにより、これを達成している。さらに、エネ ルギの蓄積容量に関する問題のために、セラミックと他の脆性材料からなるコイ ルを小形化することは困難である。もしも、セラミック材料がダイアフラム４６ と６２を形成するために使用されるなら、処理流体はアイソレータ装置２４と２ ６中のいかなる腐蝕性材料とも接触しない。 脆性アイソレータ装置は堅いという傾向がある。この堅さを変えると、圧力装 置にエラーが発生する。堅さの変動を最小にするために、この発明はアイソレー タ装置を処理流体の圧力で囲んでいる。これは、処理流体の圧力にほぼ等しい静 水圧力を発生する弾性支持体（シリコンゴム）を用いることによって、達成する ことができる。この弾性支持体は、温度変化によって、過度に突出したり膨脹し たりしないように、十分に薄くされていなければならない。これは、 スプリングの容量を越えることができる。 この発明はまた、ダイアフラムを接着するために、ろう付け材料よりはむしろ 融解接着を用いている。融解接着(fusion bond)は腐蝕またはひずみに対して良 好に反応しない。 本発明のダイアフラムは、隔離流体に対して小さな変位を要求し、また圧力の 測定を行うために、流体の全体の膨脹を最小にするべく小さな体積をもつ圧力セ ンサ中に使用されるのが好ましい。低減された隔離流体変位を提供するセンサは 、１９９３年９月２０日に出願された、番号０８／１２３，７２９の「吊された ダイアフラム圧力センサ」に記述されている。 この発明は好ましい実施例により記述されたが、当業者はこの発明の精神から 逸脱しない範囲で変更することができることは明らかである。例えば、サファイ アのような他の材料がスプリングとして使用されることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧力に関連する出力を提供するために、第１のポートからセンサ手段へ延び る隔離流体で充満された第１の通路と、処理流体を運ぶ第２の通路とをもつ本体 と、 前記第２の通路から第１の通路を分離し、処理流体が前記第１の通路に入るこ とを妨げる隔離ダイアフラムと、 該ダイアフラムをシールし、該ダイアフラムに処理流体圧力を結合させるため のシール手段とを具備し、前記隔離ダイアフラムが脆性腐蝕抵抗材料からなるこ とを特徴とする処理流体の圧力を示す出力を提供するための伝達装置。 ２．シールがＰＴＦＥからなることを特徴とする請求項１記載の伝達装置。 ３．シール手段に隣接するスプリングがセラミックからなることを特徴とする請 求項１記載の伝達装置。 ４．シール手段に隣接するスプリングがサファイアからなることを特徴とする請 求項１記載の伝達装置。 ５．第１のスプリングと隣接する第２のスプリングを含み、第１のスプリングと 協働して機能することを特徴とする請求項１記載の伝達装置。 ６．第１と第２のスプリングとの間にシムを設けたことを特徴とする請求項５記 載の伝達装置。 ７．前記隔離ダイアフラムはダイアフラム本体の中に設けられ、該 ダイアフラム本体は実質的に胴部から隔離されていることを特徴とする請求項１ 記載の伝達装置。 ８．隔離ダイアフラムはダイアフラム本体の中に装着され、実質的に処理流体の 圧力を受けることを特徴とする請求項１記載の伝達装置。 ９．シール手段に隣接するコイルスプリングを含むことを特徴とする請求項１記 載の伝達装置。 １０．隔離ダイアフラムがセラミックからなることを特徴とする請求項１記載の 伝達装置。 １１．隔離ダイアフラムがサファイアからなることを特徴とする請求項１記載の 伝達装置。 １２．圧力に関連する出力を提供するために、第１のポートからセンサ手段へ延 びる隔離流体で充満された第１の通路と、処理流体を運ぶ第２の伝達装置の通路 とをもつ本体と、 前記第２の通路から第１の通路を分離し、処理流体が前記第１の通路に入るこ とを妨げるアイソレータ装置と、 該ダイアフラムをシールし、該ダイアフラムに処理流体圧力を結合させるため のシール手段と、 前記アイソレータ装置を胴部に結合するストレス隔離装着部とを具備したこと を特徴とする処理流体の圧力を示す出力を提供するための伝達装置。 １３．シール手段がダイアフラムと反発する力を生成するように、 該シール手段に隣接する第１の長く延びるスプリングを含むことを特徴とする請 求項１２記載の伝達装置。 １４．前記スプリングがセラミックからなることを特徴とする請求項１３記載の 伝達装置。 １５．前記スプリングがサファイアからなることを特徴とする請求項１３記載の 伝達装置。 １６．第１のスプリングと隣接する第２の長く延びるスプリングを含み、第１の スプリングと協働して機能することを特徴とする請求項１４記載の伝達装置。 １７．第１と第２のスプリングとの間にシムを設けたことを特徴とする請求項１ ６記載の伝達装置。 １８．前記ストレス隔離装着部がダイアフラム本体と胴部との間に、弾性層を具 備することを特徴とする請求項１２記載の伝達装置。 １９．前記アイソレータ装置がセラミック隔離ダイアフラムを含むことを特徴と する請求項１２記載の伝達装置。 ２０．前記アイソレータ装置がサファイア隔離ダイアフラムを含むことを特徴と する請求項１２記載の伝達装置。