JP2010509574A - 高温かつ動的なプロセスにおける測定で用いる圧力センサー - Google Patents

Abstract

本発明は、高温かつ動的なプロセスにおける測定で用いる圧力センサーに関するものである。この圧力センサーは、測定素子２と、少なくとも１つの外側支持部４を有する円形または環状の膜３とが内部に存在する円筒形ハウジング１を含む。外側支持部４は、ハウジング延長部６の背部に偏位してハウジング１に配置されている。測定素子２は、膜３の軸線方向変位によって測定データを得るようになっている。本発明の特徴では、ハウジング延長部６が遮熱体７を有し、該遮熱体は、縁部９を除き、背部に間隙８が存在する。

Description

本発明は、高温かつ動的なプロセスにおける測定で用いる圧力センサーに係わり、該圧力センサーは円筒形ハウジングを含み、該円筒形ハウジング内に、測定素子と、少なくとも１つの外側支持部を有する円形または環状の膜とが配設されており、請求項１に記載されるとおり、前記外側支持部がハウジング延長部の背部に偏位して円筒形ハウジングに設けられている。

高温かつ動的なプロセスにおける測定は、センサー前部の熱変形による測定誤差を生じることが多い。センサー内部の測定素子は、膜の軸線方向変位に基づく測定データを検出するので、膜保持の傾きによって、間違った測定が生じる。

例えばエンジンの燃焼室内での着火は、しばしば２０００Ｋを超える瞬間的な周期的温度ピークをもたらす。そのような燃焼室内の圧力測定を可能にするために、この高温で一時的な温度変動が如何なる測定誤差も生じないことが必須である。そのために、例えばフレーム保護体として作用する金属グリッドがセンサー前部の組立体の孔に挿入される。このようなシステムの欠点は、センサーの取外し時における、前記孔からのそれらのグリッドの取外しに苦労せざるを得ないことである。

本発明の目的は、冒頭に記載した形式の一時的な温度ピークに影響を受けない圧力センサーを提供することである。

この目的は、縁部を除き内部空間を介在させた状態で配設された遮熱体を有するハウジング延長部を設けることによって達成される。この方法では、センサー先端部の加熱が少なく、したがってハウジング延長部の半径方向膨張が少なく、このことが膜の歪みおよび引っ張りを小さくし、結果として測定誤差が少なくなる。

センサー構成部材の熱変形は避けられない。測定誤差を避けるために、測定信号に対する影響をできるだけ避けなければならない。

変形は、事実上２つの現象によって生じる。その第一は、温度によって生じる膜の変形が、支持部に作用してこれを変形させる力を生じさせる。これらの変形が、再び、膜に作用する力を生じさせる。第二は、支持部自体が加熱されて膨張することによって歪みが生じる。

加熱された膜は、支持部によって、その熱膨張を抑制され、したがって、大きな半径方向の力が生じる。この力は、膜が半径方向に正確に整合せしめられているならば、軸線方向に作動する測定素子に対して影響を与えない。しかしながら、測定素子の支持部の通常の構造では、支持部も歪みと、捩じれを生じ、従って同様に膜も歪む。この歪みが、半径方向内側の膜領域と、外部へ向いた膜領域との間に軸線方向の変位を生じさせる。本発明では、このような支持部の歪みを避ける。

以下、図面を見ながら、本発明の細目を説明する。

一方の側で装置に配設された本発明による圧力センサーの断面図。 遮熱体に外ねじを有する本発明による圧力センサーの別例の断面図。 遮熱体で保護された膜上のプランジャーを有する本発明による圧力センサーのさらに別例の断面図。

図１は、装置１６の一方側に組付けられた、高温かつ動的なプロセスにおける測定で用いられる本発明による圧力センサーの断面図を示す。センサーの前部に、本センサーによって圧力を測定される例えば燃焼室１５がある。

このセンサーはハウジング１を含み、ハウジング内に測定素子２、および、外側支持部４を有する円形膜３が配置されている。外側支持部４は、その周囲で膜３が枢動できるヒンジとして考えることができる。測定素子は、膜３の軸線方向変位による測定データを収集できる。したがって、燃焼室１５内の圧力差によって生じることはないが、センサー構成部材の熱膨張によって生じる軸線方向変位が間違った測定値を生じさせる。しかしながら、膜３の半径方向の膨張は測定誤差を生じさせない。

ハウジング１上の外側支持部４は、ハウジング延長部６の背部に偏位して配置されている。このようにして、膜３に対する熱影響は、ハウジング１の前面に膜が配置された場合よりも既に小さくなされている。

本発明によれば、ハウジング延長部６に遮熱体を設けており、この遮熱体は、その縁部９を除く部分で、その背部に間隙８が存在するように配設されている。この遮熱体は、６００℃を超える温度に耐えることのできる材料、例えば鋼で作られる。遮熱体材料に比べて金属の熱伝導率は比較的高いので、熱は素早く消散し、また、外部に導かれる。しかしながら、遮熱体の基本的な作動モードは、熱バリヤ、すなわち非常に小さな熱伝導率しか有しない間隙８を形成することである。したがって、熱は遮熱体から主として輻射によって延長部６に伝えられる。この輻射は、熱伝導による熱伝達よりも数桁小さい。遮熱体７は、縁部９においてのみ、ハウジング１に接している。縁部９の一方は、外側支持部４の直ぐ近くに位置する。他方の縁部９は、ハウジング１の外側に位置する。ハウジング１の外側には、ねじ１２が付されており、このねじは、装置１６の孔に対して段差部密封状態でセンサーを装着できるようにする。このために、センサーが密封状態で当接する凹み１０が存在する。

遮熱体７の縁部９は、ハウジング１に不浸透状態で溶接され、もって燃焼室１５内で燃焼が行われる間に高温ガスが間隙８内に進入しないようにすることが好ましい。漏れが生じやすい箇所は、一方向のガス漏れを生じさせ、その結果、ハウジング延長部６の一方向の加熱と、その非対称膨張とを惹起することになる。このことは、さらに膜の歪みを生じさせて測定誤差をもたらす。

本明細書に記載された全ての特徴は、図１と同じ符号が付された図２、図３の説明にも適用される。

全ての組立体において、測定素子２は、特に圧電式、圧電抵抗式、容量式、誘導式、または光学的な測定素子２または歪みゲージであってよい。図１〜図３に示す組立体は、圧力プレート１４を介して膜３に支持された圧電式測定素子２に対応する。したがって、その他の測定素子を有する圧力センサーも構成できるが、説明したその他の特徴に関して相違はない。特に、それらもまた、外側支持部４と、内部空間を介在させて配設された遮熱体７とを有する膜３を含む。

測定素子２は、ハウジング１の中空空間内に配置された測定素子用の測定インサート（図示せず）内に着座させることが好ましい。この測定インサートは、測定素子に予荷重を与えるブッシングであってよい。それは、膜に接近して、ハウジングに大きな変形が生じない膜支持部の領域に装着される。このようにして、外側支持部４は装着箇所の変形からも保護される。

図２は、センサー装着用のねじ１２が孔１１内に付与された図１に示すような圧力センサーを示し、ねじ１２が直接遮熱体７に付与されている。したがって、遮熱体７は、外側領域が内側領域よりも厚くなされている。このために、遮熱体７は、ハウジング１の外側で凹み１０に向かってさらに後方側に延在している。遮熱体７と装置１６との直接接触は高温部分からの熱消散を改善する。

図３は膜が環状に作られた構造であり、図１に対応する。したがって、膜３はさらに内側支持部５を有し、内側支持部５にプランジャー１３が付されている。このプランジャーは、ハウジング延長部６内に配置され、かつ、前記形式の遮熱体７が付されている。特に、この遮熱体もまた、その縁部を除いて内部空間を介在させた状態で配設されている。この構造では、膜の大部分が、プランジャー１３と遮熱体７によって極めて良好に熱から保護されるので、好ましい。膜の残部は、偏位しており（すなわち、保護されており）、小さく、歪みと引っ張りが少ない。溶接によって、この第２の遮熱体の縁部９を不浸透状態に密封することが特に有利である。

１ ハウジング
２ 測定素子
３ 膜
４ 外側支持部
５ 内側支持部
６ ハウジング延長部
７ 遮熱体
８ 間隙
９ 縁部、取付け側
１０ 凹み
１１ 穴
１２ ねじ
１３ プランジャー
１４ 圧力プレート
１５ 燃焼室
１６ 装置

Claims (7)

1. 円筒形ハウジングを含む、高温かつ動的なプロセスにおける測定で用いる圧力センサーであって、前記ハウジング内に、測定素子（２）と、少なくとも外側支持部（４）を有する円形または環状の膜（３）とが配設されており、前記外側支持部（４）がハウジング延長部（６）の背部に偏位して前記ハウジングに設けられており、かつ、前記測定素子（２）が前記膜（３）の軸線方向変位によって測定データを得るようになされている前記圧力センサーにおいて、
   前記ハウジング延長部（６）に遮熱体（７）が設けられ、該遮熱体（７）は、その縁部（９）を除いて、背後に内部空間である間隙（８）が配置されていることを特徴とする圧力センサー。
2. 前記ハウジング（１）は、段差部密封状態で前記圧力センサーを装着するための凹み（１０）を有することを特徴とする請求項１に記載された圧力センサー。
3. 前記測定素子（２）が、圧電式、圧電抵抗式、容量式、誘導式または光学的な測定素子、または、歪みゲージであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された圧力センサー。
4. 前記遮熱体（７）が、前記圧力センサーを孔（１１）内に装着するためのねじ（１２）を、該遮熱体（７）の外縁部（９）に有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された圧力センサー。
5. 前記膜（３）が、環状であって、内側支持部（５）を有し、該内側支持部（５）にプランジャー（１３）が付され、該プランジャー（１３）は、前記ハウジング延長部（６）内に配置されて遮熱体を設けられ、該遮熱体が、その縁部を除き、内部空間を置いて配設されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された圧力センサー。
6. 前記支持部（４，５）の領域にある前記遮熱体（７）の縁部（９）を除き、前記遮熱体（７）が不浸透状態で溶接されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された圧力センサー。
7. 前記測定素子（２）が測定インサート内に着座せしめられ、該測定インサートが、前記ハウジング（１）の前記外側支持部（４）の領域で前記ハウジング（１）の中空部分に配設されて、予荷重を前記測定素子に加えるようになされていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された圧力センサー。

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