JP2024000961A - 水素を含有する媒質内で使用するための圧力トランスデューサおよびそのような圧力トランスデューサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素を含有する液体または気体媒質の圧力を測定するための圧力トランスデューサおよびその製造方法の提供【解決手段】圧力を測定する液体または気体媒質は、水素を含有し、測定チャンバ内に配置され、圧力トランスデューサは、測定チャンバに接して配置され、測定中に最高３５０℃の温度に恒久的にさらされ、圧力トランスデューサは、ダイアフラムおよびトランスデューサ素子を有し、ダイアフラムは、媒質との直接接触からトランスデューサ素子を保護し、圧力は、ダイアフラムを介してトランスデューサ素子に作用し、トランスデューサ素子は、圧力の影響下で測定値を生成し、ダイアフラムは、９．０×１０－６Ｋ－１以下の熱膨張係数を有する金属材料で作られ、金属材料の平均粒径は２０μｍ未満である、圧力トランスデューサが提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、水素含有媒質内で使用するための圧力トランスデューサ、および独立請求項の前文に定義されているような圧力トランスデューサを製造する方法に関するものである。

圧力トランスデューサは、液体または気体の媒質の圧力を測定するために使用される。媒質は、測定チャンバ内に配置される。圧力を測定するために、圧力トランスデューサが測定チャンバに接して配置される。圧力トランスデューサは、例えば、ハウジング、ダイアフラム、トランスデューサ素子などの部品を備えている。トランスデューサ素子は、ハウジング内部に配置される。ハウジングとダイアフラムは、圧力トランスデューサの内部を媒質から密封し、したがってトランスデューサ素子を媒質の直接的な影響から保護する。媒質の圧力は、ダイアフラムを介してトランスデューサ素子に作用する。圧力の影響下で、トランスデューサ素子は測定値を生成する。トランスデューサ素子は、シリコンベースのホイートストンブリッジを備えたピエゾ抵抗トランスデューサ素子、圧電材料で作られた圧電トランスデューサ素子、金属またはプラスチック基板上にホイートストンブリッジを備えたひずみゲージ、金属またはプラスチック基板上にホイートストンブリッジを備えたひずみゲージなどとすることができる。

使用中、圧力トランスデューサは、過酷な測定条件にさらされることがよくある。過酷な測定条件は、高温、水素などの化学的に攻撃的な物質などによって特徴付けられる。過酷な測定条件下でも長い耐用年数と完全な機能を確保するために、媒質と直接接触する圧力トランスデューサの部品（例えば、ハウジング、ダイアフラムなど）は、例えば、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金などの機械的耐性の高い金属材料で作られている。

内燃機関やタービンなどでは、圧力トランスデューサは、最高３５０℃の高温に恒久的にさらされる。そのような高温では、圧力トランスデューサ部品の熱膨張係数間の差が有害になる。異なる熱膨張係数は、ゼロ値（ＴＫ０）に対する温度効果および特性値（ＴＫＥ）に対する温度効果として現れる。ＴＫ０ではゼロシフトがあり、ＴＫＥでは感度の変化がある。どちらの影響も、測定値を偽る。

通常、ピエゾ抵抗トランスデューサ素子は、最高３５０℃の温度で２．０×１０^－６Ｋ^－１の熱膨張係数を示し、圧電トランスデューサ素子は、最高３５０℃の温度で７．５×１０^－６Ｋ^－１の熱膨張係数を有する。

最高３５０℃の温度で圧力を最も正確に測定するには、媒質と直接接触し、金属材料から作られている圧力トランスデューサの部品の熱膨張係数が、最高３５０℃の温度で９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の低い熱膨張係数を有する必要がある。

このような低い熱膨張係数を有する既知の金属材料は、２０～４００℃の温度範囲で５．２×１０^－６Ｋ^－１の平均熱膨張係数を有する、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金と、２０～４５０℃の温度範囲で７．７×１０^－６Ｋ^－１の平均熱膨張係数を有する、ＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金である。

材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金とＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金は両方とも、高いニッケル含有量を特徴としている。したがって、両方の合金は、大部分が面心立方結晶構造のオーステナイト構造を有する。オーステナイト構造は、約１１００℃の高温での熱間成形によって製造され、製造プロセスにより、平均粒径が２０μｍを大幅に超えている。

圧力を測定する際の高感度のために、ダイアフラムは可能な限り薄い。したがって、ダイアフラムは、力の導入に対してほとんど耐性を提供せず、非常に簡単に変形する。多くの場合、ダイアフラムの厚さは、４０～１５０μｍの範囲である。

平均粒径が２０μｍを大幅に超えるため、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金およびＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金のオーステナイト構造は、ダイアフラムの製造には適していない。これは、材料特性が方向に依存する材料特性をもつ異方性であるためであり、これは、使用中に作用する力とモーメントをシミュレートすることによって、ダイアフラムの構造的機械設計を複雑にする。このような方向依存の材料特性は、多大な労力をかけてのみ決定でき、決定の労力を回避する場合、シミュレーションは役に立たない。十分に高い強度を得るには、ダイアフラムの厚さは、平均粒径の少なくとも８倍にする必要がある。

ダイアフラムは、媒質と直接接触している。媒質が水素を含有している場合、水素は、ダイアフラムに浸透する可能性がある。水素含有媒質は、少なくとも１体積％の水素を有する。特に、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金およびＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金のオーステナイト構造の２０μｍを大幅に超える平均粒径の場合、水素は、粒界に沿って比較的容易に圧力トランスデューサの内部に浸透し、圧力トランスデューサの内部に蓄積する。浸透した水素は、圧力トランスデューサの内部圧力を変化させる可能性があり、それは、トランスデューサ素子と化学的に反応する可能性があり、同様にして圧力トランスデューサの機能性に悪影響を与える。

したがって、ダイアフラムの金属材料は、圧力トランスデューサ内部での水素の浸透および蓄積に対する耐性が改善されていることが望ましい。

本発明の第１の目的は、液体または気体媒質の圧力を測定するための圧力トランスデューサであって、圧力トランスデューサは、金属材料のダイアフラムを備え、金属材料は、最高３５０℃の温度で９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の熱膨張係数を含み、媒質は水素を含有し、材料は、水素に対する耐性が向上している、圧力トランスデューサを提供することである。

そして、本発明の第２の目的は、そのような圧力トランスデューサを製造するための低コストの方法を実証することである。

第１の目的は、第１の独立請求項の構成によって解決される。

本発明は、液体または気体の媒質の圧力を測定するための圧力トランスデューサであって、媒質は、水素を含有し、測定チャンバ内に配置され、圧力トランスデューサは、測定チャンバに配置され、測定中に最高３５０℃の温度に恒久的にさらされ、圧力トランスデューサは、ダイアフラムおよびトランスデューサ素子を備え、ダイアフラムは、媒質との直接接触からトランスデューサ素子を保護し、圧力は、ダイアフラムを介してトランスデューサ素子に作用し、トランスデューサ素子は圧力の影響下で測定値を生成し、ダイアフラムは、９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の熱膨張係数を有する金属材料からなり、金属材料の平均粒径は２０μｍ未満である、圧力トランスデューサに関するものである。

結晶粒微細化は通常、金属材料の機械的強化につながる。機械的強化の間、結晶格子内で転位を伴う塑性変形が起こる。これらの転位は、金属材料への水素の浸透を促進し、水素腐食速度の増加をもたらす。水素腐食は水素脆化につながり、水素脆化は、金属材料が負荷を受けると脆性破壊につながる可能性がある。このため、結晶粒微細化は通常、圧力トランスデューサのダイアフラムなど、高い機械的負荷を受ける部品には使用されない。それにもかかわらず、本発明者らは、９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の熱膨張係数を有する金属材料に対して結晶粒微細化を実施し、２０μｍを大幅に下回る平均粒径を達成した。結晶粒微細化は、金属材料の温度制御された熱間成形および冷却の結果である。結晶粒微細化金属材料は、９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の熱膨張係数の要件を満たすだけでなく、ダイアフラム厚さが１５０μｍ以下の薄いダイアフラムの十分な機械的強度のための結晶粒の細かさの要件も満たす。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

従属請求項２～４の金属材料は、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金またはＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金のオーステナイト構造である。材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金またはＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金の非細粒オーステナイト構造は、炭素含有量が低く、水素腐食速度が低い。このような低炭素含有量の金属材料では、残念なことに、結晶粒微細化は、しばしば水素腐食速度の増加を伴う。水素腐食は水素脆化につながり、水素脆化は、オーステナイト構造に応力がかかると脆性破壊につながる可能性がある。しかしながら、驚くべきことに、これは起こらなかった。これら２つの合金の細粒オーステナイト構造は、低い水素腐食速度も示す。

さらに、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金またはＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金の細粒オーステナイト構造のダイアフラムは、これら２つの合金の非細粒オーステナイト構造のダイアフラムよりも、その厚さにかなり多くの粒界を含む。粒界の数は、約２倍になっている。粒界の数が２倍になると、水素が粒界に沿ってダイアフラムに浸透するのが困難になり、したがって水素が圧力トランスデューサまで浸透し、圧力トランスデューサに蓄積することも困難になる。

第２の目的は、第２の独立請求項の構成によって解決される。

本発明はまた、液体または気体の媒質の圧力を測定するための圧力トランスデューサの製造方法であって、媒質は、水素を含有し、測定チャンバ内に配置され、圧力トランスデューサは、ダイアフラムおよびトランスデューサ素子を備え、圧力トランスデューサは、圧力トランスデューサが測定チャンバに配置された状態で、圧力を最高３５０℃の温度で恒久的に測定するように設計されており、ダイアフラムによって媒質との直接接触からトランスデューサ素子を保護するために、かつダイアフラムを介してトランスデューサ素子に圧力が作用することを可能にするために、トランスデューサ素子は、圧力の影響下で測定値を生成し、製造方法は、９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の熱膨張係数を有する金属材料を提供するステップと、金属材料の結晶粒を微細化するステップであって、結晶粒微細化後、金属材料の平均粒径が２０μｍ未満になる、微細化ステップと、細粒金属材料からダイアフラムを製造するステップとを含む製造方法に関するものである。

このように、圧力トランスデューサは、細粒金属材料のダイアフラムを用いて製造されている。結晶粒微細化により、金属材料の平均粒径は、約半分に減少する。非細粒金属材料と比較して、細粒金属材料は、機械加工がはるかに簡単である。ダイアフラムを工具で機械加工する場合、それに対応して工具の摩耗がより少なくなり、より長期間使用できる。

ダイアフラムの製造に非細粒金属材料を使用する圧力トランスデューサの製造と比較して、本発明に係るプロセスでは、金属材料の結晶粒微細化を伴う追加のステップが行われるが、ダイアフラムの機械加工は、細粒金属材料を使用することで大幅に簡素化される。労力とコストを全体的に考慮すると、本発明のプロセスは、比較して著しく経済的である。

以下において、本発明は、図を参照して例としてより詳細に説明される。

ダイアフラム１２の一面にわたる前方封止を有する圧力トランスデューサ１の第１の実施形態の一部の断面を概略的に示す。 ダイアフラム１２の一面にわたる前方封止およびダイアフラム１２のコーティング１８を有する圧力トランスデューサ１の第２の実施形態の一部の断面を概略的に示す。 ハウジング１１の一面にわたる肩部封止を有する圧力トランスデューサ１の第３の実施形態の一部の断面を概略的に示す。 ハウジング１１の一面にわたる肩部封止と、ハウジング１１およびダイアフラム１２のコーティング１８とを有する、圧力トランスデューサ１の第４の実施形態の一部の断面を概略的に示す。

図中において、同一の符号は、同一の物を示す。

図１～図４に係る４つの実施形態に概略的に示される圧力トランスデューサ１は、測定チャンバ２０に接して配置される。測定チャンバ２０は、内燃機関、タービンなどの燃焼室とすることができる。液体または気体媒質２は、測定チャンバ２０内に配置される。媒質２は、最高１０００バールの圧力Ｐ_２を示す。媒質２は、最高１０００℃の温度Ｔ_２を有する。媒質２は、水素を含有する。水素含有媒質２とは、少なくとも１体積％の水素を含有する媒質２を意味する。水素は、分子および／または原子の形態で存在し得る。測定チャンバ２０は、測定チャンバ壁部２１を備える。測定チャンバ壁部２１は、媒質２が環境４０内に逃げないように保持する。環境４０は、例えば、機械室、テストベンチなどである。環境４０は、実質的に１バールの圧力Ｐ_４０および８０℃以下の温度Ｔ_４０を有する。「実質的に」という形容詞は、「±２５％」の意味を有する。

圧力トランスデューサ１は、環境４０内に配置される。圧力トランスデューサ１は、測定チャンバ壁部２１の壁部開口部２２を介して測定チャンバ２０に接して配置される。圧力トランスデューサ１は、ハウジング１１およびダイアフラム１２を備える。ハウジング１１およびダイアフラム１２は、例えば、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金などの金属材料３０で作られる。金属材料３０は、機械的に耐性がある。以下では、ハウジング１１およびダイアフラム１２は、圧力トランスデューサの金属部品１１、１２とも呼ばれる。ハウジング１１は、中空の円筒形であり、内部１１１を有する。長手方向軸線１０に関して、ハウジング１１は、内部１１１に面する面を有する。ダイアフラム１２は、円盤状である。

壁部開口部２２の領域において、圧力トランスデューサ１は、ダイアフラム２を介して媒質２と接触している。圧力トランスデューサ１の長手方向軸線１０に関して、ダイアフラム１２は、半径方向外側領域と半径方向内側領域とを有する。長手方向軸線１０に沿って、ダイアフラム１２は、媒質２に面する面と、内部１１１に面する面とを有する。ハウジング１１およびダイアフラム１２は、材料閉鎖部１２１を介して互いに接続されている。材料閉鎖部１２１は、環状の溶接接合であることが有利である。好ましくは、材料閉鎖部１２１は、ハウジング１１を有するダイアフラム１２の半径方向外側領域で行われる。ハウジング１１およびダイアフラム１２は、材料閉鎖部１２１を介してハウジング１１の内部１１１を、壁部開口部２２に対して密封された方法で閉鎖する。「密封された」という用語は、ヘリウムに関して１０^－６ｍｂａｒ×１ｓ^－１未満の漏れ率を意味すると理解される。半径方向内側領域において、ダイアフラム１２は、１５０μｍ以下のダイアフラム厚さ１２２を有する。

図１および図２に係る圧力トランスデューサ１の第１および第２の実施形態では、圧力トランスデューサ１は、ダイアフラム１２のみを介して壁部開口部２２の領域内で媒質２と接触している。壁部開口部２２は、前方封止の形態の封止面２３によって環境４０から閉鎖されている。前方封止には、封止要素２４が使用される。封止要素２４は、測定チャンバ壁部２１とダイアフラム１２との間に配置される。封止要素２４は、ダイアフラム１２の半径方向外側領域に直接接する。封止面２３は、環境４０から壁部開口部２２を密封する。

図３および図４に係る圧力トランスデューサ１の第３および第４の実施形態では、圧力トランスデューサ１は、ハウジング１およびダイアフラム１２を介して、壁部開口部２２の領域内で媒質２と接触している。壁部開口部２２は、肩部封止の形態の封止面２３によって環境４０から閉鎖されている。封止要素２４が、肩部封止のために使用される。封止要素２４は、測定チャンバ壁部２１とハウジング１１との間に配置される。封止面２３は、環境４０に対して密閉して壁部開口部２２を閉鎖する。

好ましくは、封止要素２４は、環状であり、例えば、銅、アルミニウムなどの軟質金属、または例えば、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴムなどのエラストマーで作られる。

動作中、圧力トランスデューサ１は、最高３５０℃の温度Ｔ_１に恒久的にさらされる。媒質２の圧力Ｐ_２および温度Ｔ_２は、ダイアフラム１２の半径方向内側領域に直接作用する。トランスデューサ素子１３は、ハウジング１１の内部１１１に配置される。したがって、特にダイアフラム２およびトランスデューサ素子１３は、動作中に最高３５０℃の温度Ｔ_１に恒久的にさらされる。

図１および図２に係る２つの実施形態では、トランスデューサ素子１３は、予圧ベース１６と予圧スリーブ１７との間で予圧をかけられる。予圧ベース１６および予圧スリーブ１７は、例えば、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金などの金属材料３０で作られる。金属材料３０は、機械的に耐性がある。予圧ベース１６および予圧スリーブ１７は、以下では、圧力トランスデューサ１の金属部品１６、１７とも呼ばれる。予圧スリーブ１７は、１５０μｍ以下の予圧スリーブ厚さ１７２を有する。予圧をかけられたトランスデューサ素子１３は、ダイアフラム１２のすぐ後ろの内部１１１に面するダイアフラム１２の面に接して配置される。

媒質２に向かって、ダイアフラム１２は、半径方向内側領域に一定サイズの表面を有する。媒質２の圧力Ｐ_２は、トランスデューサ素子１３に対する力として表面を介して導入される。これにより、ダイアフラム１２は変形する。トランスデューサ素子１３は、圧力Ｐ_２の影響下で測定値Ｍを生成する。測定値Ｍは、少なくとも１つの測定値用リード線１４を介して環境内に放散される。

圧力トランスデューサ１は、ピエゾ抵抗圧力トランスデューサまたは圧電圧力トランスデューサのいずれかである。図１および図２に係る圧力トランスデューサ１の第１および第２の実施形態では、圧力トランスデューサ１は、圧電圧力トランスデューサである。圧電圧力トランスデューサは、トランスデューサ素子として圧電トランスデューサ素子１３を有する。圧電トランスデューサ素子は、圧電材料でできており、測定値Ｍは、電荷である。

図３および図４に係る圧力トランスデューサ１の第３および第４の実施形態では、圧力トランスデューサ１は、ピエゾ抵抗圧力トランスデューサまたは伸縮変形のトランスデューサである。ピエゾ抵抗圧力トランスデューサは、トランスデューサ素子としてピエゾ抵抗トランスデューサ素子１３を備える。ピエゾ抵抗トランスデューサ素子は、シリコンベースのホイートストンブリッジからなり、測定値Ｍは、電圧である。伸縮変形のトランスデューサは、トランスデューサ素子１３として金属またはプラスチック基板上にホイートストンブリッジを有する歪みゲージを備え、測定値Ｍは、電圧である。

好ましくは、金属材料３０は、材料３０の平均粒径３１が２０μｍよりも小さい少なくとも２０重量％のニッケルを含有するオーステナイト構造である。ニッケルは、金属材料３０の低い熱膨張係数に対して決定的である。２０重量％未満のニッケルを含むオーステナイト構造と比較して、少なくとも２０重量％のニッケルを含むオーステナイト構造の金属材料３０は、９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の低い熱膨張係数α_３０を有する。

好ましくは、金属材料３０は、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金であり、２０μｍ未満の平均粒径３１と、２０～４００℃の温度範囲で５．２×１０^－６Ｋ^－１の平均熱膨張係数α_３０とを有する。これは、最高３５０℃の圧力トランスデューサ１の温度Ｔ_１で、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金の熱膨張係数α_３０が、ピエゾ抵抗トランスデューサ素子の２．０×１０^－６Ｋ^－１の非常に小さい熱膨張係数α_１３よりも少し大きく、圧電トランスデューサ素子の７．５×１０^－６Ｋ^－１の熱膨張係数α_１３よりも小さいという利点を有する。したがって、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金は、３５０℃の圧力トランスデューサ１の高温Ｔ_１においてさえ、少なくとも１つの金属部品１１、１２、１６、１７の熱膨張とトランスデューサ素子１３の熱膨張との間に不利な差が生じることなく、ピエゾ抵抗トランスデューサ素子を有する圧力トランスデューサ１にも、圧電トランスデューサ素子を有する圧力トランスデューサ１にも使用することができる。

好ましくは、金属材料３０は、ＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金であり、材料３０の平均粒径３１は、２０μｍ未満であり、２０～４５０℃の温度範囲での平均熱膨張係数は、７．７×１０^－６Ｋ^－１である。これは、最高３５０℃の圧力トランスデューサ１の温度Ｔ_１において、ＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金の熱膨張係数α_３０が、７．５×１０^－６Ｋ^－１の圧電トランスデューサ素子の熱膨張係数α_１３とほぼ同じであるという利点を有する。このように、圧力トランスデューサ１が３５０℃の高温Ｔ_１であっても、少なくとも１つの金属部品１１、１２、１６、１７の熱膨張と圧電トランスデューサ素子の熱膨張との間に差は生じない。

好ましくは、金属材料３０は、材料３０の平均粒径３１が２０μｍ未満であり、降伏強度Ｒ_Ｐ０．２が１０００ＭＰａ以上であるＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金である。Ｒ_Ｐ０．２降伏強度は、ＥＮ ＩＳＯ ６８９２－１に従って２０℃の温度で測定される。したがって、少なくとも１つの金属部品１１、１２、１６、１７は、最高１０００バールの媒質２の高圧Ｐ_２の下でも、塑性的に変形せず、弾性的にのみ変形する。塑性変形を回避することによって、トランスデューサ素子１３に対するダイアフラム１２の位置が変化する可能性はなく、圧力Ｐ_２の測定を誤らせる可能性がない。

金属部品１１、１２、１６、および１７は、少なくとも２０重量％のニッケルを含むオーステナイト構造、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金、またはＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金などの金属材料３０で作ることができる。

図１および図２に係る圧力トランスデューサ１の第１および第２の実施形態では、圧力トランスデューサ１は、ダイアフラム１２のみを介して壁部開口部２２の領域内で媒質２と接触し、媒質２の水素が圧力トランスデューサ１の内部に浸透することが困難になり、そこに蓄積することができるために、ダイアフラム１２の少なくとも金属材料３０は、少なくとも２０重量％のニッケルを含むオーステナイト構造、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金、またはＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金からなる。

図３および図４に係る圧力トランスデューサ１の第３および第４の実施形態では、圧力トランスデューサ１は、ハウジング１およびダイアフラム１２を介して壁部開口部２２の領域内で媒質２と接触しており、媒質２の水素が圧力トランスデューサ１の内部に浸透するのをより困難にして、そこに蓄積するために、ハウジング１１およびダイアフラム１２の少なくとも金属材料３０は、少なくとも２０重量％のニッケルを含むオーステナイト構造、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金、またはＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金から作られる。

図２および図４に係る圧力トランスデューサ１の第２および第４の実施形態では、ダイアフラム１２は、コーティング１８を有する。コーティング１８は、媒質２の水素に対するダイアフラム１２の透過性を低下させる。好ましくは、コーティング１８は、媒質２に面するダイアフラム１２の面に付けられる。したがって、コーティング１８は、ダイアフラム１２と媒質２との直接接触を防止する。したがって、水素は。ダイアフラム１２に到達することさえできない。

コーティング１８は、ダイアフラム厚さ１２２よりもかなり薄い。好ましくは、コーティング１８の厚さは、ダイアフラム厚さ１２２のせいぜい１０％である。好ましくは、コーティング１８の厚さは、１μｍから５μｍの範囲である。したがって、圧力トランスデューサ１の熱膨張係数α_３０および降伏強度Ｒ_Ｐ０．２は、主に、少なくとも１つの金属部品１１、１２、１６、１７の金属材料３０によって決定される。

コーティング１８は、酸化物、炭化物、窒化物などを含む。例えば、コーティング１８は、酸化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化クロム、窒化クロム、酸化エルビウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、炭化チタン、窒化チタン、酸化ジルコニウム、希土類炭化物、希土類窒化物、希土類酸化物などを含むことができる。

好ましくは、コーティング１８は、酸化アルミニウムを含む。酸化アルミニウムは、業界では化学的に不活性な材料として知られている。さらに、酸化アルミニウムは、希土類またはジルコニウムに比べて比較的安価である。これもまたほぼ化学的に不活性であり、ビッカース硬さが１００ＨＶ１０未満である金とは対照的に、酸化アルミニウムは、１５００ＨＶ１０を超えるビッカース硬さを有し、したがって、材料３０のコーティング１８として、金のコーティングと比較して増加した機械的耐性を示す。ビッカース硬さとは、試験荷重１０キロポンドでのビッカース硬さ、いわゆるＨＶ１０を意味する。ビッカース硬さの試験は、規格ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６５０７－１：２０１８～ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６５０７－４：２０１８に記載されている。

好ましくは、コーティング１８は、炭化チタンからなる。炭化チタンは、工業分野で広く使用されており、良好で化学的にほぼ不活性な材料として知られている。炭化チタンは、２５００ＨＶ１０を超えるビッカース硬さを有し、したがって、比較として、金属材料３０のコーティング１８として、金のコーティングよりも高い機械的耐性を示す。

好ましくは、ダイアフラム１２は、接着促進剤層１９を有する。接着促進剤層１９は、金属材料３０とコーティング１８との間に提供される。その結果、温度誘起の機械的応力は、金属材料３０と接着促進剤層１９との間の第１の境界層、および接着促進剤層１９とコーティング１８との間のさらなる境界層に分割される。したがって、温度によって誘発される機械的応力が減少し、金属材料３０のコーティング１８の層間剥離および亀裂が防止される。接着促進剤層１９は、例えば、耐熱金属、アルミニウム、希土類金属などの、酸素に対して高い親和性を有する金属である。耐熱金属には、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタル、モリブデン、タングステン等が含まれる。

好ましくは、接着促進剤層１９は、少なくとも９０重量％のジルコニウムまたはタングステンからなる。ジルコニウムまたはタングステンは、コーティングとして簡単に付けられる。

好ましくは、コーティング１８は、非化学量論的アルミナ（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（０＜ｘ≦１．５かつ０≦ｙ≦１）からなる。非化学量論的酸化アルミニウムのコーティング１８の熱膨張係数α_１８は調整可能である。好ましくは、コーティング１８の熱膨張係数は、実質的に金属材料３０の熱膨張係数α_３０である。これにより、熱応力下でのコーティング１８の層間剥離および亀裂が防止される。この場合、接着促進剤層は必要ない。

好ましくは、非化学量論的アルミナ（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（ここで、０＜ｘ≦１．５かつ０≦ｙ≦１）のコーティング１８は、コーティング１８内で勾配を示す。割合ｙは、金属材料３０からの距離が増加するにつれてコーティング１８内で徐々に増加し、割合ｘもまた、金属材料３０からの距離が増加するにつれてコーティング１８内で徐々に増加する。

好ましくは、非化学量論的アルミナ（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（０＜ｘ≦１．５かつ０≦ｙ≦１）のコーティング１８は、金属材料３０から定義された距離での割合ｙが１に等しくなり、また金属材料３０から定義された距離での割合ｘが１．５に等しくなり、非化学量論的アルミナが化学量論的Ａｌ_２Ｏ_３に変化する勾配をコーティング１８内で示す。

１ 圧力トランスデューサ
２ 媒質
１０ 長手方向軸線
１１ ハウジング
１２ ダイアフラム
１３ トランスデューサ素子
１４ 測定値ライン
１６ 予圧ベース
１７ 予圧スリーブ
１８ コーティング
１９ 接着促進剤
２０ 測定チャンバ
２１ 測定チャンバ壁部
２２ 壁部開口部
２３ 封止面
２４ 封止要素
３０ 金属材料
３１ 平均粒径
４０ 環境
１１１ 内部
１２１ 材料閉鎖部
１２２ ダイアフラム厚さ
１７１ 材料閉鎖部
１７２ 予圧スリーブの厚さ
α_１３、α_１８、α_３０ 熱膨張係数
Ｍ 測定値
Ｐ_２、Ｐ_４０ 圧力
Ｒ_Ｐ０．２ 降伏強度
Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_４０ 温度

Claims (15)

1. 液体または気体の媒質（２）の圧力（Ｐ_２）を測定するための圧力トランスデューサ（１）であって、
   前記媒質（２）は、水素を含有し、測定チャンバ（２０）内に配置され、
   前記圧力トランスデューサ（１）は、測定チャンバ（２０）に接して配置され、測定中には最高３５０℃の温度（Ｔ_１）に恒久的にさらされ、
   前記圧力トランスデューサ（１）は、ダイアフラム（１２）およびトランスデューサ素子（１３）を有し、
   前記ダイアフラム（１２）は、前記媒質（２）との直接接触から前記トランスデューサ素子（１３）を保護し、
   前記圧力（Ｐ_２）は、前記ダイアフラム（１２）を介して前記トランスデューサ素子（１３）に作用し、前記トランスデューサ素子（１３）は、前記圧力（Ｐ_２）の影響下で測定値（Ｍ）を生成し、
   前記ダイアフラム（１２）は、９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の熱膨張係数（α_３０）を有する金属材料（３０）で作られている、前記圧力トランスデューサ（１）において、
   前記金属材料（３０）の平均粒径（３１）が２０μｍよりも小さいことを特徴とする、圧力トランスデューサ（１）。
2. 前記金属材料（３０）は、少なくとも２０重量％のニッケルを含有するオーステナイト構造であることを特徴とする、請求項１に記載の圧力トランスデューサ（１）。
3. 前記金属材料（３０）は、材料番号１．３９８１の鉄－ニッケル－コバルト合金であり、２０～４００℃の温度範囲で５．２×１０^－６Ｋ^－１の平均熱膨張係数（α_３０）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力トランスデューサ（１）。
4. 前記金属材料（３０）は、ＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金であり、２０～４５０℃の温度範囲で７．７×１０^－６Ｋ^－１の平均熱膨張係数（α_３０）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力トランスデューサ（１）。
5. 前記金属材料（３０）は、ＵＮＳ番号Ｎ１９９０９の鉄－ニッケル－コバルト合金であり、１０００ＭＰａ以上の耐力（Ｒ_Ｐ０．２）を有することを特徴とする、請求項１、２、または４に記載の圧力トランスデューサ（１）。
6. 前記測定チャンバ（２０）は、測定チャンバ壁部（２１）を備え、
   前記圧力トランスデューサ（１）は、測定チャンバ壁部（２１）の壁部開口部（２２）に配置され、
   前記媒質（２）は、最高１０００バールの圧力（Ｐ_２）を示し、
   前記圧力トランスデューサ（１）は、周囲圧力（Ｐ_４０）が略１バールの環境（４０）内に配置され、
   前記圧力トランスデューサ（１）はハウジング（１１）を備え、
   前記ハウジング（１１）および前記ダイアフラム（１２）は、材料閉鎖部（１２１）を介して接続され、
   前記ハウジング（１１）および前記ダイアフラム（１２）は、前記材料閉鎖部（１２１）を介して前記壁部開口部（２２）に対して密封された方法で前記ハウジング（１１）の内部（１１１）を封止し、前記内部（１１１）には、前記トランスデューサ素子（１３）が配置されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の圧力トランスデューサ（１）。
7. 前記圧力トランスデューサ（１）は、前記ダイアフラム（１２）のみを介して前記壁部開口部（２２）の領域内で前記媒質（２）と接触しており、
   少なくとも前記ダイアフラム（１２）は、前記金属材料（３０）で作られていることを特徴とする、請求項６に記載の圧力トランスデューサ（１）。
8. 封止面（２３）が、前記環境（４０）に対して密閉して壁部開口部（２２）を閉鎖し、
   前記封止面（２３）は、前記測定チャンバ壁部（２１）と前記ダイアフラム（１２）との間に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の圧力トランスデューサ（１）。
9. 前記圧力トランスデューサ（１）は、前記ハウジング（１１）および前記ダイアフラム（１２）を介して前記壁部開口部（２２）の前記領域内で前記媒質（２）と接触しており、
   前記ハウジング（１１）および前記ダイアフラム（１２）の両方が、前記金属材料（３０）で作られていることを特徴とする、請求項６に記載の圧力トランスデューサ（１）。
10. 封止面（２３）が、前記環境（４０）から前記壁部開口部（２２）を密封し、
    前記封止面（２３）は、前記測定チャンバ壁部（２１）と前記ハウジング（１１）との間に配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の圧力トランスデューサ（１）。
11. 前記ダイアフラム（１２）は、１５０μｍ以下のダイアフラム厚さ（１２２）を有し、
    前記ダイアフラム厚さ（１２２）は、前記金属材料（３０）の平均粒径（３１）の８倍を超え、それに対応して前記ダイアフラム厚さ（１２２）に沿った多数の粒界によって、前記媒質（２）の水素が前記ハウジング（１１）の前記内部（１１１）に浸透して前記ハウジング（１１）の前記内部（１１１）に蓄積することがより困難になっていることを特徴とする、請求項６～１０のいずれか一項に記載の圧力トランスデューサ（１）。
12. 前記ハウジング（１１）および／または前記ダイアフラム（１２）は、前記媒質（２）の水素に対する透過性を低下させるためのコーティング（１８）を有し、前記コーティング（１８）は、酸化アルミニウムまたは炭化チタンを含むことを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載の圧力トランスデューサ（１）。
13. 前記ダイアフラム（１２）は、接着促進剤層（１９）を有し、前記接着促進剤層（１９）は、前記ダイアフラム（１２）の前記金属材料（３０）と、前記コーティング（１８）との間に付けられることを特徴とする、請求項１２に記載の圧力トランスデューサ（１）。
14. トランスデューサ素子（１３）が予圧ベース（１６）と予圧スリーブ（１７）との間で予圧をかけられ、
    前記予圧ベース（１６）および前記予圧スリーブ（１７）は、金属材料（３０）からなることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載の圧力トランスデューサ（１）。
15. 液体または気体の媒質（２）の圧力（Ｐ_２）を測定するための圧力トランスデューサ（１）の製造方法であって、
    前記媒質（２）は、水素を含有し、測定チャンバ（２０）内に配置され、
    前記圧力トランスデューサ（１）は、ダイアフラム（１２）およびトランスデューサ素子（１３）を備え、
    前記圧力トランスデューサ（１）は、前記圧力トランスデューサ（１）が前記測定チャンバ（２０）に配置された状態で、前記圧力（Ｐ_２）を最高３５０℃の温度（Ｔ_１）で連続的に測定するように設計されており、前記ダイアフラム（１２）によって前記媒質（２）との直接接触から前記トランスデューサ素子（１３）を保護し、前記ダイアフラム（１２）を介して前記トランスデューサ素子（１３）に前記圧力（Ｐ_２）が作用することを可能にし、前記トランスデューサ素子（１３）は、前記圧力（Ｐ_２）の影響下で測定値（Ｍ）を生成し、
    前記製造方法が、
    ９．０×１０^－６Ｋ^－１以下の熱膨張係数（α_３０）を有する金属材料（３０）を提供するステップを含む、前記製造方法において、
    前記金属材料（３０）の結晶粒を微細化するステップであって、結晶粒の微細化後に、前記金属材料（３０）の平均粒径（３１）が２０μｍ未満になる、微細化ステップと、
    微細化された前記金属材料（３０）から前記ダイアフラム（１２）を製造するステップと、
    を含むことを特徴とする、製造方法。