JP2017528708A

JP2017528708A - 圧力センサの凍結防止保護

Info

Publication number: JP2017528708A
Application number: JP2017510343A
Authority: JP
Inventors: ヴイカチェンコ，ナターシャ; イーワーグナー，デイビッド; シェ，ウェイジュン
Original assignee: メジャメントスペシャリティーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: WO2016032551A1; EP3186593B1; US20160054192A1; EP3186593A4; KR20170044173A; EP3186593A1; KR101957303B1; JP6220480B2; US9534975B2

Abstract

第１の流体の圧力を測定するための圧力センサアセンブリ。アセンブリは、圧力検知デバイスが内部に配置された第１のハウジングを有する。ダイアフラムが第１のハウジングの表面に配置され、ダイアフラムの第１の側に及ぼされる力を圧力検知デバイスに伝えるように構成される。第２のハウジングが設けられ、第１のハウジングに取り付けられる。第２のハウジングを、ダイアフラムの周りに概ね周方向に配置してもよい。圧縮性要素が設けられ、第２のハウジング内に画成された圧縮性要素空間内に配置される。圧縮性要素は、流体によって及ぼされる力をダイアフラムの第１の側に伝えるように構成される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年８月２５日に提出された、「圧力センサの凍結防止保護」と題する米国特許出願第１４／４６８，０４７号の利益を主張する。その開示全体が、参照により本明細書に組み込まれている。

本開示はセンサに関する。より詳細には、本発明は、流体圧力センサを凍結による損傷から保護するためのシステムおよび方法に関する。

気体および液体の圧力を測定するために、圧力センサ（またはトランスデューサ）が様々な適用例において使用されている。圧力センサの設計は、測定中の要素が対応する温度変化に応じて相変化を受ける（たとえば、測定中の流体が凍結し得る）という可能性を考慮しなければならない。流体凍結の場合、圧力センサ内または圧力センサの周り、および関連する配管インターフェース内に氷が形成されることがある。この氷の形成という体積膨張により、センサの内部と流体に晒されるセンサの外部との両方に大きな力が及ぼされるおそれがある。これらの力はセンサの定格圧力の数百倍から数千倍になり得るため、センサに著しい損傷を与えるおそれがある。

１つの特定の適用例において、尿素注入システムは、触媒反応器に注入される尿素と液体水との混合物を使用して、ディーゼルおよび他の内燃機関の排気中の一窒素酸化物（ＮＯｘ）レベルを低減させる。これを達成するために、ポンプ、圧力センサ、配管などに加えて、尿素の貯蔵タンクを搭載しなければならない。圧力センサは、尿素注入圧力を測定するため、かつ尿素と排気ガスとの混合物を正確に制御するのを助けるために必要である。尿素がシステムの配管内において（通常−１１℃で）凍結すると、特定のシステム幾何形状に応じて著しい圧力（たとえば、１００，０００ｐｓｉ超）が生じることがあり、圧力センサ自体を含む、敏感なシステム部品を破壊するおそれがある。尿素の凍結を抑制するために、初期のシステムは、システムの尿素ラインをパージするためのポンプダウンシーケンスを行っていた。しかしながら、より新しいシステムは、バッテリ切れの場合などパージサイクルが行われない場合に、複数の凍結サイクルについて格付け（rated）される必要がある。

凍結状態に起因する圧負荷（pressure overload）および機械的損傷から圧力センサを保護するための代わりのシステムおよび方法が望まれる。

第１の流体の圧力を測定するための圧力センサアセンブリが提供される。アセンブリは、圧力検知デバイスが内部に配置された第１のハウジングを含む。ダイアフラムが第１のハウジングの表面に配置され、ダイアフラムの第１の側に及ぼされる力を圧力検知デバイスに伝えるように構成される。第２のハウジングが設けられ、第１のハウジングに取り付けられる。第２のハウジングを、ダイアフラムの周りに概ね周方向に配置してもよい。圧縮性要素が、第２のハウジング内に画成された圧縮性要素空間内に配置される。圧縮性要素は、測定される流体によって及ぼされる力をダイアフラムの第１の側に伝えるように構成される。

流体圧力センサの凍結防止アセンブリも提供される。アセンブリは、圧力センサの検知ダイアフラムを覆うように構成されたハウジングを含む。ハウジングは、ハウジングの第１の開放端に近接して配置された圧縮性要素空間と、ハウジングの第２の開放端に近接して配置されたキャビティ空間とを含む内部キャビティを画成する。圧縮性要素は圧縮性要素空間内に配置され、キャビティ空間には接着材料が充填される。

凍結防止圧力センサを製造する方法も提供される。方法は、圧力センサの本体に、圧力センサの圧力検知面の領域でハウジングを取り付けるステップを含む。圧縮性要素は、圧力センサの圧力検知面と圧縮性要素との間にキャビティを作るようにハウジング内に位置決めされる。キャビティには接着材料が充填される。

本開示の実施形態による圧力センサの断面図である。図１の圧力センサの底面図である。本開示の実施形態による凍結保護機構を示す、図１の圧力センサの断面図である。本開示の実施形態による圧力センサを構成する方法を示すプロセス図である。

本発明の明確な理解のために、本発明の図面および説明を簡略化して関連する要素を示し、かつ明確にするために、圧力センサなどの一般的な検知システムに見られる多くの他の要素を除去していることを理解されたい。しかしながら、そのような要素は当技術分野で周知であり、かつ本発明の十分な理解を促すものでないため、本明細書ではそのような要素の説明を行わない。本明細書の開示は、当業者に公知のそのようなすべての変形例および修正に向けられたものである。

以下の詳細な説明において、本発明を実施することのできる特定の実施形態を例示として示す添付図面を参照する。本発明の様々な実施形態は、相異なるものであったとしても、必ずしも相互に排他的なものではないことを理解されたい。さらに、一実施形態に関連して本明細書に記載される特定の特性、構造、または特徴を、本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態内において実施してもよい。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、開示された各実施形態内の個々の要素の位置または配置を修正してもよいことを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明を限定的な意味でとらえるべきではなく、本発明の範囲は、適切に解釈される添付の特許請求の範囲と、特許請求の範囲によって権利が与えられる均等物の全範囲とによってのみ定義される。図中、いくつかの図面を通して、同様の符号は同一または同様の機能を指す。

本開示の実施形態は、圧力センサを凍結流体に対して保護するためのシステムおよび方法、ならびに凍結保護機能を組み込んだ、または埋め込んだ圧力センサに関する。本開示の実施形態を、非限定的な例として、スプリンクラシステム、都市／民間水道システム、都市／民間下水道システム、および貯水システムにおいて実施することができる。本開示の一実施形態において、流体の圧力を測定するための圧力センサアセンブリが設けられる。センサアセンブリは、トランスデューサなどの圧力検知要素が配置されるセンサ本体またはハウジングを含んでもよい。センサアセンブリは、測定される流体に直接または間接的に晒される、隔離ダイアフラムなどの外側検知面をさらに含んでもよい。ダイアフラムの第１の側に及ぼされる圧力（すなわち、測定される流体からの圧力）を、センサハウジング内に配置されて圧力検知要素と連通する第２の流体に伝えるように、ダイアフラムを構成してもよい。

ダイアフラムを含むセンサ部品が、測定される流体が凍結したとき損傷することから保護するために、シリコーンまたはポリウレタンフォームなどのエラストマー材料から作られた圧縮性要素を、ダイアフラムに装着してもよい。圧縮性要素の組成、サイズ、および向きは、測定される流体により圧縮性要素に及ぼされる圧力によって圧縮または弾性変形するよう要素が構成されるように選択される。このようにして、圧縮性要素は、凍結によって生じる流体の体積変化を吸収することができる。ゲルまたはシリコーン接着剤などの他の概ね柔らかく柔軟な接着剤をエラストマー材料と共に使用して、圧力センサのダイアフラムまたは他の壊れやすい表面を測定される流体から保護および／または隔離してもよい。一実施形態において、エラストマー材料および接着剤をハウジング内に配置してもよく、ハウジングは検知ダイアフラムの領域でセンサに取り付けられる。

図１および図２は、本開示の実施形態による例示的な圧力センサアセンブリを示す。図示した圧力センサアセンブリ１００は、内部に含まれる流体２５０の圧力を測定するための例示的な流体リザーバまたは導管２００を通って形成された開口部または穴２０２内に設置されている。圧力センサアセンブリ１００は、キャビティ空間１０８を内部に画成するセンサ本体またはハウジング１０２を含む。キャビティ空間１０８は、空であるかまたは流体が充填され、カバー１０４により封止され得る。圧力検知ダイ１１０がキャビティ空間１０８内に配置される。当業者が理解するように、圧力検知ダイ１１０をシリコンなどの半導体材料から形成してもよい。圧力検知ダイ１１０を薄くして、キャビティおよび対応するダイアフラムを作製する。ダイアフラムを形成する薄い半導体材料にある歪みに比例する抵抗を示す抵抗要素を、圧力検知ダイ１１０の表面に形成してもよい。検知ダイ１１０は、通常、熱膨張などの圧力とは無関係の歪みの発生源から圧力検知ダイ１１０を隔離するための支持構造１１１に取り付けられる。検知ダイ１１０および支持構造１１１を、ヘッダとも呼ばれるセンサハウジング１０２に、接着剤により接着してもよい。

圧力検知デバイス１００は、圧力検知ダイ１１０を保護しながら圧力測定を行うために、センサハウジング１０２内の囲まれた流体体積と流体２５０との間に配置された、隔離圧力検知ダイアフラムを含んでもよい。たとえば、開口部１０７がセンサハウジング１０２を通って設けられ、隔離または圧力検知ダイアフラム１１２の上面とセンサハウジング１０２、および検知ダイ１１０と連通する開口部１０６との間の空間に隔離流体（たとえばシリコーン油）を充填する。充填されると、たとえば溶接部１０９により開口部１０７を封止することができる。ダイアフラム１１２を、ステンレス鋼、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）、またはチタンなどの耐食金属から形成してもよく、これらは損傷することなく、測定される刺激の強い流体に接触することができる。動作中、流体２５０によりダイアフラム１１２の下側に圧力が及ぼされる。ダイアフラム１１２は、この力の印加に応じて偏向して、同等の力を上記の囲まれた体積内の油に伝え、次いでこの力を検知ダイ１１０に伝えて圧力を測定するように構成される。このようにして、流体２５０と検知ダイ１１０またはセンサハウジング１０２内の他の電気部品とが接触することなく、流体２５０により及ぼされる圧力が検知ダイ１１０に伝達される。

圧力検知デバイス１００は、流体２５０と連通する二次ハウジングまたはプラグ１２０を含む凍結保護アセンブリ１０１を含む。プラグ１２０をダイアフラム１１２上に配置してセンサハウジング１０２に封止可能に取り付け（たとえば接着または溶接し）、プラグ１２０が概ねダイアフラム１１２を覆うようにする。一実施形態において、プラグ１２０は、ステンレス鋼、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）、またはチタンから構成される。プラグ１２０は任意の適切な形状を含んでよいが、例示的な実施形態において、プラグ１２０は内壁１２５および外壁面１３５を有する全体として環状の壁を含む。プラグ１２０は、流体２５０に晒される第１の端部に形成された第１の開口部１２６と、概ねダイアフラム１１２上に配置される第２の端部に形成された第２の開口部１２７とを含む。内壁１２５は、キャビティ空間１２３と圧縮性要素空間１３３とを含む概ね中空の内部空間を画成する。図示したように、図１および図３において方向付けされた通り、キャビティ空間１２３を一般に圧縮性要素空間１３３より上に画成してもよい。外壁面１３５は、穴２０２と圧力検知デバイス１００との間に封止を形成する封止要素１１４（たとえば、封止Ｏリング）を受け入れるための環状凹部をさらに画成してもよい。

圧縮性要素空間１３３は、内部に配置された圧縮性要素１３０を収容するようにサイズ決めされる。図示したように、例示的な圧縮性要素１３０は、圧縮性要素空間１３３の外形に対応する全体として円筒形の形状を含んでよく、圧縮性要素１３０を通って形成された１つまたは複数のアパーチャ１３１を画成してもよい。図示した実施形態において、アパーチャ１３１は中心に位置し、測定される流体に接触するように構成された圧縮性要素１３０の第１の端部から、キャビティ空間１２３と連通する圧縮性要素１３０の第２の端部へ延びる。圧縮性要素１３０を、単に非限定的な例として、シリコンまたはポリウレタンフォームなどのエラストマー材料から形成してもよい。圧縮性要素１３０は、弾性変形可能であって、十分な力が圧縮性要素１３０に及ぼされるときにサイズを圧縮するように構成されるべきである。プラグ１２０は、内壁１２５に対して半径方向内方に延びる環状面またはリップ１２１をさらに含んで、設置後に圧縮性要素１３０を圧縮性要素空間１３３内に保持してもよい。

圧縮性要素１３０のキャビティ空間１２３およびアパーチャ１３１に、シリコンゲルなどのシーラントまたは接着材料１２２、１２４を充填してもよい。材料１２２、１２４は、圧縮性要素１３０に作用する圧力をダイアフラム１１２に伝える媒体を提供することに加えて、流体２５０を圧力検知ダイ１１０およびダイアフラム１１２からさらに隔離して、これらの敏感な部品を損傷および腐食および他の環境危険から保護する。たとえば、材料１２２、１２４は封止機能をもたらし、流体２５０がキャビティ空間１２３に入るのを防ぐことにより、流体２５０が凍結した場合にダイアフラム１１２の損傷を防ぐ。他の実施形態において、アパーチャ１３１およびキャビティ空間１２３の一方または両方が実質的に空いていてもよく、流体が圧力をダイアフラム１１２に（またはダイアフラム１１２に近接する点で）直接及ぼしてもよい。アパーチャ１３１を圧縮性要素１３０に形成することは、キャビティ空間１２３に送達される接着材料１２２の導管を提供することに加えて、センサアセンブリにより行われる圧力測定の精度および一貫性を高めることがわかっている。

圧力検知デバイス１００の正常動作中、流体２５０により開口部１２６を介して圧縮性要素１３０および材料１２２の露出端部に及ぼされる圧力が、圧縮性要素１３０および材料１２２、１２４を通してダイアフラム１１２の下側に伝えられる。ダイアフラム１１２は、この圧力により屈曲するように構成され、ダイアフラム１１２の上面より上で検知ダイ１１０と連通する開口部１０６内に配置された、囲まれた油体積に同等の力を印加する。前述したように、検知ダイ１１０は従来のように作用し、そのダイアフラムの表面に形成された圧電抵抗素子を通して電気信号を生成する。これらの電気信号は検知ダイ１１０の表面に印加される力を表し、ボンドワイヤを介して外部電気接続部１４０（図２）に伝えられてもよい。

図３は、流体２５０が凍結状態に遷移するときの圧力検知デバイス１００の動作を示す。凍結時に、流体２５０の膨張は圧縮性要素１３０を圧縮するように作用する。より詳細には、図１に示すように、流体２５０が所与の圧力で液体状態にあるときに、圧縮性要素１３０は第１の体積によって画成される。流体２５０が凍結し、その体積が膨張すると、圧縮性要素１３０は圧縮され、第２のより小さい体積によって画成される。このようにして、圧縮性要素１３０の圧縮は、普通ならダイアフラム１１２を含む圧力検知デバイス１００の一部を損傷させるはずの、流体２５０の体積変化を引き起こす。

図４は、本開示の実施形態によるセンサを製造するための例示的な方法４００を示す。第１のステップ４１０において、圧縮性要素を、図１〜図３に示す二次ハウジングまたはプラグ１２０などのハウジングの対応するサイズのキャビティに挿入、位置決め、または供給する。その後、ステップ４２０で、ハウジングを圧力センサハウジングまたは本体に取り付けることができる。より詳細には、二次ハウジングを、圧力センサの可撓性ダイアフラム、または圧力センサの他の検知面またはポートに装着して、たとえば接着剤によりセンサの本体にしっかりと取り付けることができる。ステップ４３０では、ハウジング内の圧縮性要素の位置を調節して、センサのダイアフラムと圧縮性要素との間に確実にキャビティを作ることができる。最後に、ステップ４４０で、シーラントまたはゲルを使用して、キャビティの残りの体積を充填することができる。一実施形態において、圧縮性要素は貫通孔またはアパーチャを含み、アパーチャを介してシーラントをキャビティに導入してもよい。また、シーラントを使用してアパーチャを充填し、測定される流体がセンサのダイアフラムから確実に隔離されたままであるようにしてもよい。

本開示の実施形態を、隔離ダイアフラムを使用する例示的な圧力センサに適用するものとして図示し説明したが、本開示の範囲から逸脱することなく、実施形態を任意の他のタイプの圧力センサと共に使用してよいことを理解すべきである。本開示の実施形態は、前述した凍結保護部品を使用するように本来構成されたセンサアセンブリを含んでもよいことも理解すべきである。たとえば、センサハウジング１０２（およびダイアフラム１１２）を、プラグ１２０に取り付けるように特に構成してもよい。同様に、本開示の実施形態を既存のセンサに後付けするように構成してもよい。これらの実施形態において、適切な寸法のプラグ１２０および対応する圧縮性要素１３０を、修正の必要なく既存のセンサ本体に（たとえば接着剤により）取り付けてもよい。

上記の実施形態を参照して前述の発明について説明したが、本発明の精神から逸脱することなく様々な修正および変更を行ってもよい。したがって、そのような修正および変更はすべて、添付の特許請求の範囲内に含まれるものと考えられる。したがって、本明細書および図面は限定的な意味ではなく例示的なものとみなされるべきである。本明細書の一部を形成する添付図面は、主題を実施することのできる特定の実施形態を、限定ではなく例示として示す。図示した実施形態は、当業者が本明細書に開示された教示を実施できるように十分に詳細に説明される。他の実施形態を使用および導出してもよく、構造的および論理的な置換および変更を、本開示の範囲から逸脱することなく行ってもよい。したがって、この詳細な説明を限定的な意味でとらえるべきではなく、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲と、そのような特許請求の範囲によって権利が与えられる均等物の全範囲とによってのみ定義される。

本発明の主題のそのような実施形態は、単に利便性のために、かつ２つ以上が実際に開示された場合に任意の単一の発明または発明の概念に本出願の範囲を自発的に限定する意図なく、本明細書で「発明」という用語によって個々におよび／または集合的に表すことができる。したがって、特定の実施形態について本明細書で図示し説明したが、同じ目的を達成するために推測される任意の配置を、図示した特定の実施形態の代わりとしてもよいことを理解すべきである。本開示は、様々な実施形態の変形例のありとあらゆる適応を含むことを意図する。上記実施形態の組合せ、および本明細書で特に説明しなかった他の実施形態は、上記の説明を検討すれば当業者に明らかになろう。

Claims

流体の圧力を測定するための圧力センサアセンブリであって、
第１のハウジングと、
前記第１のハウジング内に配置された圧力検知デバイスと、
前記第１のハウジングの表面に配置されたダイアフラムであって、ダイアフラムの第１の側に及ぼされる力を前記圧力検知デバイスに伝えるように構成されたダイアフラムと、
前記第１のハウジングに取り付けられ、前記ダイアフラムの周りに概ね周方向に配置された第２のハウジングであって、測定される流体と連通されるように構成された第１の開放端と、前記ダイアフラムに近接して方向付けされた第２の開放端とを含む第２のハウジングと、
前記第２のハウジング内に画成された圧縮性要素空間内に配置された圧縮性要素とを含み、
前記圧縮性要素は、前記測定される流体によって及ぼされる力を前記ダイアフラムの前記第１の側に伝えるように構成される、圧力センサアセンブリ。
前記第２のハウジングは、前記圧縮性要素空間と前記ダイアフラムとの間に配置されたキャビティ空間をさらに画成する、
請求項１に記載のセンサアセンブリ。
前記キャビティ空間に接着材料が充填される、
請求項２に記載のセンサアセンブリ。
前記接着材料は、前記ダイアフラムを前記測定される流体から隔離するように構成される、
請求項３に記載のセンサアセンブリ。
前記圧縮性要素の第１の端部が、測定される流体と連通して配置されるように構成される、
請求項１に記載のセンサアセンブリ。
前記圧縮性要素は、内部を通って形成されたアパーチャを画成し、前記アパーチャは、前記測定される流体と連通して配置されるように構成された第１の端部と、前記キャビティ空間と連通する第２の端部とを有する、
請求項１に記載のセンサアセンブリ。
前記アパーチャに接着材料が充填されて、前記測定される流体が前記アパーチャに入ることを防ぐ、
請求項６に記載のセンサアセンブリ。
前記圧縮性要素は全体として円筒形の形状を含み、前記アパーチャは前記圧縮性要素の中心軸に概ね沿って形成される、
請求項６に記載のセンサアセンブリ。
凍結防止圧力センサを製造する方法であって、
ハウジングを圧力センサの圧力検知ダイアフラム上に取り付けるステップと、
圧縮性要素を前記ハウジングに挿入するステップと、
前記圧縮性要素を前記ハウジング内に位置決めして、前記圧力センサの前記圧力検知ダイアフラムと前記圧縮性要素との間にキャビティを作るステップと、
前記キャビティに接着材料を充填するステップとを含む方法。
前記圧縮性要素を通ってアパーチャを形成するステップをさらに含む、
請求項９に記載の方法。
前記アパーチャに接着材料を充填するステップをさらに含む、
請求項１０に記載の方法。