JP5554073B2 - 圧力トランスミッタのための溶接ヘッダ - Google Patents

圧力トランスミッタのための溶接ヘッダ Download PDF

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Description

発明の背景
本発明は工業プロセスに関する。より具体的には、本発明は、そのようなプロセスで使用される圧力トランスミッタに関する。
プロセス圧計器において、大気圧にある電子部品と加圧されたセンサとの間で電気フィードスルー接続を提供しながらもプロセス圧を電子回路から圧力隔離するためにヘッダが使用される。本出願で使用される「ヘッダ」とは、気密シールされ、電気絶縁されたリードを支持するベースをいう。ヘッダジョイントをシールするためには、多くの場合、深溶け込み金属溶接が使用される。深溶け込み溶接は、溶接部の気密シールを保証するのに役立つ。この溶接はまた、溶接部の割れを防ぐのに十分な機械的強度を提供する。
深溶け込み溶接を施す場合には多量の熱が発生する。そのような熱が電気フィードスルー接続を損傷するおそれがある。電気フィードスルー接続に対する熱損傷を避けるために、ヘッダは一般に、十分な放熱を提供するのに十分な空間が溶接部とフィードスルーとの間に得られるよう、大きな直径を有する。
圧力感知装置がますます小型化されるにつれ、ヘッダを小型化することが要望される。しかし、熱損傷がヘッダ小型化における十分な進歩を妨げてきた。
特表2008−514963号公報 特表2005−530150号公報 特表2002−544514号公報 特表平11−504710号公報 特表平11−501123号公報 特表平11−501120号公報 特表平10−510358号公報
圧力トランスミッタは、プロセス圧力室を電子部品コンパートメントから分離する金属壁を含む。金属壁は、それを貫通する段付きボアを有する。段付きボアは、プロセス圧力室に対面するボアシェルフを含む。金属ヘッダは、ボアシェルフと接触するヘッダシェルフを備えた段付き外縁を有する。好ましくは、溶接シールが段付き外縁を段付きボアに対してシールする。
加圧されるプロセスパイプに取り付けられた圧力トランスミッタを示す図である。 圧力感知装置の部分断面図である。 ヘッダに取り付けられた圧力センサを備えた圧力感知装置の部分断面図である。 ヘッダ上の複数の段を示す図である。 ヘッダ上のテーパ状段を示す図である。 ヘッダに取り付けられた圧力センサを備えた圧力トランスミッタを示す図である。
詳細な説明
本発明は、ヘッダ溶接部のサイズを減らすことができる、圧力トランスミッタにおける構成を提供する。これは、溶接を形成するために要する熱の量を減らす。
以下に記す実施態様では、段付き外縁を備えた金属ヘッダが圧力トランスミッタに提供される。段付き外縁は、大きい方のリム直径と小さい方のリム直径との間にヘッダシェルフを有する。金属ヘッダは中央プレートを含み、一つ以上のフィードスルー孔がその中央プレートを貫通している。電気接続である金属ピンがフィードスルー孔を貫通している。金属ピンは、ガラス−金属シールによって孔に対してシールされている。フィードスルー孔は、外縁に隣接して配置されている。
金属ヘッダは、圧力トランスミッタの金属隔離壁の段付きボアに嵌る。段付きボアはボアシェルフを含む。段付き外縁は、一つ以上の浅い溶接によって段付きボアに溶接されてシールを提供する。プロセス圧が加わると、金属ヘッダに力が加わる。ヘッダシェルフがボアシェルフを押し、実質的にすべての力を金属隔離壁に伝達する。浅い溶接は、ヘッダに加わる力から解放される。浅い溶接は、少ない熱を使用するだけで形成され、溶接熱からのガラス−金属シールに対する損傷はない。
一つの実施態様において、中央プレートは、プロセス圧センサのための取り付けボスを含む。プロセス圧センサは取り付けボスに取り付けられ、プロセス圧センサを金属ピンに接続するためにボンドワイヤが使用される。もう一つの実施態様において、ボスは、プロセス圧センサの背面への通気路を提供してプロセス圧センサがゲージ圧を感知することを可能にする通路を含む。
公知のプロセス圧感知及びプロセス圧計測トランスミッタは一般にハウジングを含む。ハウジングは、プロセス圧力室を電子部品コンパートメントから分離する金属隔離壁を含む。金属隔離壁は、電子部品コンパートメント中の電子部品をプロセス圧力室から圧力隔離する。金属隔離壁は、電子部品コンパートメント中の大気圧とプロセス圧力室中のプロセス圧との間の圧力差に耐えるのに十分な強さを有しなければならない。圧力差は、1平方インチあたり数百又は数千ポンドの範囲であることができる。
一般に、プロセス圧力室中にはプロセス圧センサが配置される。プロセス圧センサから金属隔離壁を通して電子部品まで電気リードを送る必要がある。金属隔離壁にはボアが設けられ、金属フィードスルーヘッダがそのボアの中に配置され、深溶け込み円形溶接によってボアに対してシールされ、固定されている。公知のプロセス圧トランスミッタにおいて、溶接は、十分な圧力封じ込めを提供するために、金属フィードスルーヘッダ及び金属隔離壁の両方の中に深く溶け込まなければならない。深溶け込み溶接は、金属フィードスルーヘッダが高い圧力差によってはじき飛ばされたり、時間とともに高い圧力差のサイクリングからの疲労によって割れたりすることを防ぐために、頑丈でなければならない。深溶け込み溶接に伴うこれらの問題は、図1〜6に関して以下に説明する実施態様において回避される。
本明細書で開示される金属ヘッダは、金属フィードスルーヘッダ中のフィードスルー孔を貫通する一つ以上の電気ピンを含む。環状のガラスリングが電気ピンを金属ヘッダから分離する。ガラスリングは、フィードスルー孔を埋めて電気ピンを固定し、圧力閉じ込めを提供する。ガラスリングは、金属ヘッダ及び電気リードに対してシールし、ガラス−金属シールと呼ばれる。
ガラス−金属シールは、急激な温度変化(熱衝撃)によって容易に損傷するおそれがある。深溶け込み溶接によって発生する熱は、近くのガラス−金属シールを損傷又は割れさせるおそれがある。過去、この問題は、深溶け込み溶接がガラス−金属シールから遠く離れるように金属ヘッダの直径又はサイズを増すことによって解決されていた。その結果、サイズが大型化した金属ヘッドができてしまった。過去、金属ハウジング及び壁が大型化ヘッダを収容するのに十分な大きさであったため、この大型化ヘッダサイズは特に問題ではなかった。
しかし、圧力トランスミッタの技術が進歩するにつれ、トランスミッタの重さ及びコストを減らすために圧力センサ、電子部品、電気接続、圧力隔離膜、プロセス接続、ハウジング及び他の部品がますます小型化されている。この小型化の進歩が金属ヘッダの大型化したサイズによって制限される。大型化したサイズは、深溶け込み溶接をガラス−金属シールから分離することに伴う問題によるものである。
ヘッダによって提供される圧力封じ込め及びシールを損なうことなく、また、ヘッダにおけるガラス−金属シールを損なうことなく、金属ヘッダを小型化することが要望される。図1〜3に関して以下に説明するように、段付きボアホール及び段付きヘッダリムを有する実施態様は、圧力封じ込め力を圧縮的に伝達するためのシェルフを有する。ガラス−金属シールの近くの加熱及び熱衝撃を減らすために、ガラス−金属シールに隣接して浅溶け込み溶接が使用される。
図1は、加圧されるプロセスパイプ16に接続された圧力トランスミッタ12を含むプロセス制御システム10の図である。この実施態様において、圧力トランスミッタ12は、HART(登録商標)規格、4−20ミリアンペアアナログ規格又は他の公知のプロセス制御通信規格のような所望のプロトコルにしたがって作動する2線式プロセス制御ループ18に結合されている。2線式プロセス制御ループ18は圧力トランスミッタ12と制御室20との間に延びている。ループ18がHART(登録商標)プロトコルにしたがって作動する実施態様において、ループ18は、感知されたプロセス圧を表す電流Iを運ぶことができる。たとえば、センサ21(圧力トランスミッタ12中)が、ループ18上で送信するための、プロセスパイプ16中のプロセス圧を感知することができる。
圧力トランスミッタ12は、加圧されるプロセスパイプ16から圧力を受け、大気圧にある環境(パイプ16の外)にあるループ18上に出力を提供する。圧力トランスミッタ12は、大気圧にあるトランスミッタ電子部品26からプロセス圧を圧力隔離する金属壁24を含む。ヘッダが金属壁24を貫通して、図2〜3に関して以下さらに詳細に説明するように、センサ21と電子部品26との間の電気接続を形成する。
図2は、本発明の一つの実施態様の圧力トランスミッタ100の部分断面図を示す。圧力トランスミッタ100は、プロセス圧力室104を電子部品コンパートメント106から分離する金属壁102を含む。一つの実施態様において、金属壁は、圧力トランスミッタ100の金属ハウジングの一部であるダイカスト(又は精練)金属壁を含む。金属ハウジングは、ステンレス鋼、アルミニウム又は適用環境に適した他の金属で形成することができる。金属ハウジングは、プロセス圧力室104のためのプロセス圧入口及び電子部品コンパートメント106のためのねじ込み式ワイヤリング導管挿入・アクセスカバーのような形体を含む。金属壁102は、それを貫通する段付きボア108を有する。段付きボア108は、プロセス圧力室104に対面する環状ボアシェルフ110を含む。
圧力トランスミッタ100はさらに金属ヘッダ112を含む。金属ヘッダ112は、ヘッダシェルフ116を備えた段付き外縁114を有する。ヘッダシェルフ116は接触ライン111でボアシェルフ110と接触する。金属ヘッダ112は中央金属プレート又は部材120を含む。中央金属プレートは、段付き外縁114に隣接する、ガラス−金属シール126、128を備えたフィードスルーピン122、124を有する。一つの実施態様において、金属プレート120は、ガラス−金属シール126、128に使用されているガラスの熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する金属合金で形成されている。膨張率の差が、作業温度範囲にわたって金属プレートとガラスとの間に所望の圧縮力を維持する。一つの実施態様において、ガラスは、フィードスルーピン122、124の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する。フィードスルーピンは、コバール、合金52又は所望の温度係数及びシール特性を有する他の金属で形成することができる。一つの実施態様において、ガラス−金属シール126、128は、シールが高い気密性を有するようにヘッダ112中で溶融ガラスを冷まし、固化させることによって定位置に形成される。
この実施態様にしたがって、プロセス圧力室104中では第一の溶接シール130が段付き外縁114を段付きボア108に対してシールする。電子部品コンパートメント106中では第二の溶接シール132が段付き外縁114を段付きボア108に対してシールする。絶対圧中及びシールされたゲージ圧感知用途では、第二の溶接132は省略可能である。加圧されたプロセス流体からのプロセス圧Pがプロセス圧力室104に提供される。プロセス圧Pは加圧荷重力F(図2に示す)を金属ヘッダ112に加える。ヘッダシェルフ116とボアシェルフ110との間の接触ライン111での接触を介して加圧荷重力Fの実質すべてが金属壁102に伝達される。シェルフ110、116を介する加圧荷重力の伝達が溶接シール130、132を加圧荷重力Fの実質すべてから解放する。溶接シール130、132にはごくわずかな力しか加わらないため、プロジェクション溶接、TIG溶接、レーザー溶接、シーム溶接、フィラー溶接、摩擦溶接、ろう付け及びはんだ接合などの多様な溶接タイプを使用することができる。
一つの実施態様において、接触ライン111におけるヘッダシェルフ116とボアシェルフ110との接触は溶接を含む。接触ライン111における溶接は、好ましくは、電気抵抗溶接である。接触ライン111における溶接は、連続的でなくてもよく、接触ライン111に沿ってシールを形成しなくてもよい。
圧力センサ140(ブロック図形態で示す)がプロセス圧力室104中に配置されている。圧力センサ140は、プロセス圧力室104中のプロセス圧Pを感知する。一つの実施態様において、圧力センサ140は、複数の層の少なくとも一つの中にシリコン感知ダイアフラムを含む多層センサを含む。もう一つの実施態様において、圧力センサ140は、シリコン感知ダイアフラムの動きを感知するひずみゲージを含む。さらに別の実施態様において、圧力センサ140は、シリコン感知ダイアフラムの動きを感知する可変キャパシタンスを含む。
圧力センサ140は、ボンドワイヤ142、144によってフィードスルーピン122、124に接続されている。フィードスルーピン122、124は、リード146、148によって電子部品ハウジング中の電子部品150に接続している。電子部品150は、プロセス圧Pを表す出力152を提供する。
図2に示すように、ガラス−金属シール126、128が溶接130、132に近接している。溶接130、132は浅溶け込み溶接である。浅溶け込み溶接法は、ガラス−金属シール126、128を損傷するほどの熱を発生させない。ヘッダ112のサイズは縮小し、圧力トランスミッタ100のより進んだ小型化が達成される。一つの実施態様においては、シェルフ110、116を使用して加圧荷重を負担することにより、ガラス−金属シールと溶接との間隔は、直径2.4mmのワイヤボンドフィードスルーピンの場合で2.4mm(0.094インチ)まで減らされる。直径2mmのワイヤボンドフィードスルー型ピンを使用するもう一つの実施態様において、間隔は2mm(0.077インチ)まで減らされる。ワイヤボンディングに耐える必要のないフィードスルーピンの場合、さらに小径のフィードスルーワイヤ及び間隔を使用することができる。
図3は、圧力トランスミッタ200の部分断面図を示す。圧力感知装置200は、プロセス圧力室204を電子部品コンパートメント206から分離する金属壁202を含む。金属壁202は、それを貫通する段付きボア208を有する。ボア208は、プロセス圧力室204に対面するボアシェルフ210を含む。
圧力トランスミッタ200は金属ヘッダ212を含む。金属ヘッダ212は、ヘッダシェルフ216を有する段付き外縁214を有する。ヘッダシェルフ216は接触ライン211でボアシェルフ210と接触する。金属ヘッダ212は中央金属プレート220を含む。中央金属プレート220は、段付き外縁214に隣接する、ガラス−金属シール(たとえばシール228)を備えたフィードスルーピン(たとえばピン222、224)を有する。
第一の溶接シール230が接触ライン211に沿って段付き外縁214を段付きボア208に対してシールする。電子部品コンパートメント206中では第二の溶接シール232が段付き外縁214を段付きボア208に対してシールする。
プロセス圧Pが金属壁202中の通路260を介してプロセス圧力室204に提供される。プロセス圧Pは加圧荷重力Fを金属ヘッダ212に加える。接触ライン211における溶接230を介して加圧荷重力Fの実質すべてが金属壁202に伝達される。シェルフ210、216を介する加圧荷重力の伝達が溶接シール230、232を加圧荷重力Fの実質すべてから解放する。溶接シール230における荷重力は圧縮力である。接触ライン211における溶接230は、好ましくは、電気抵抗溶接又は摩擦溶接である。接触ライン211における溶接は連続的であり、接触ライン211に沿って溶接シールを形成する。圧力センサ240が、プロセス圧力室204中、プロセス圧力室204の取り付け面268に取り付けられている。圧力センサ240は、プロセス圧力室204中のプロセス圧Pを感知する。
一つの実施態様において、圧力センサ240は、取り付け面268に隣接する背面通気口を有する。圧力センサ268の背面通気口は、ボア264及びボア262によって大気通気圧Vに通気される。ボア264とボア262とが異なる半径方向位置にあるとき、周方向の溝266がボア264とボア262との間で圧力伝達を提供する。圧力センサ240は、プロセス圧と大気圧との差、すなわちゲージ圧を感知する。
圧力センサ240は、ボンドワイヤ242、244(図3を参照)によってフィードスルーピン222、224(図3を参照)に接続されている。フィードスルーピン222、224は、リード246、248によって電子部品コンパートメント206中の電子部品250に接続されている。電子部品250は、ゲージ圧Pを表す出力252を提供する。ガラス−金属シール、たとえばシール228が、過熱を受けることなく、溶接に近接して配置されている(図2の説明に関して上記したとおり)。
金属プレート270がプロセス圧力室204を閉塞している。金属プレート270を金属壁202に対して溶接するために深溶け込み溶接272が使用されている。深溶け込み溶接272とシール228との間の大きな間隔がシール228への損傷を防止する。
図4は、ヘッダ400上の複数の環状ヘッダシェルフ402、404の部分断面図を示す。複数のヘッダシェルフ402、404は複数の環状ボアシェルフ406、408と係合する。複数の環状ボアシェルフ406、408はプロセス圧力室410に対面している。複数の環状ボアシェルフ406、408及び複数のヘッダシェルフ402、404の使用は、重複溶接の使用を可能にし、加圧による応力を二つの環状シェルフ接点の間で分散させる。
図5は、ヘッダ50上のテーパ状環状ヘッダシェルフ502を示す。テーパ状環状ヘッダシェルフ502はテーパ状環状ボアシェルフ504と係合する。テーパ状環状ボアシェルフ504はプロセス圧力室506に対面している。一つの実施態様において、複数のテーパ状ヘッダシェルフ及びボアシェルフが互いに組み合わせて設けられる。テーパ状シェルフの使用は、ドリルビットを用いる穿孔を使用するボアの最適な機械加工を可能にし、ボアシェルフ504を形成するためのフライス作業の必要性を回避する。
図6は、ヘッダ604に取り付けられた圧力センサ602を備えた圧力トランスミッタ600を示す。圧力トランスミッタ600は、プロセス圧力室608を電子部品コンパートメント630から分離する金属壁606を含む。金属壁606は、それを貫通する段付きボア610を有する。ボア208は、プロセス圧力室608に対面するボアシェルフ612を含む。
圧力トランスミッタ600は金属ヘッダ604を含む。金属ヘッダ604は、ヘッダシェルフ616を備えた段付き外縁を有する。通気口620が圧力センサ602の背面を大気に通気する。金属壁606、金属ヘッダ604及び圧力センサ602の配置は、一般に、図3に関して上記したとおりである。電子部品622がヘッダ中のピンに接続されている(一般に、図3に関して上記したとおり)。電子部品は、プロセス圧力室608中のゲージプロセス圧を表す圧力トランスミッタ電気出力をリード624に提供する。ゲージ圧とは、局所的大気圧(通気口620によって提供される)とプロセス圧(プロセス圧力室608によって提供される)との間の圧力差をいう。リード624は、トランスミッタワイヤリングコンパートメント中のねじ込み端子626に接続している。フィールドループワイヤリング628がねじ込み端子に接続している。フィールドワイヤリングは、出力を離れた場所、たとえば制御室に送信するために使用される。
圧力トランスミッタ600が例示的な小型化圧力トランスミッタであり、段付きヘッダを使用することによって他の圧力トランスミッタ構造を使用し、小型化することもできることが当業者によって理解されよう。
好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の真意及び範囲を逸することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを理解するであろう。

Claims (24)

  1. 工業プロセスで使用するための圧力トランスミッタであって、
    金属壁を有し、その金属壁が、それを貫通する段付きボアを含み、前記段付きボアのボアシェルフがプロセス圧力室に対面しているハウジング、
    前記ボアシェルフに対面するヘッダシェルフを備えた段付き外縁を有する金属ヘッダ、
    前記プロセス圧力室中の圧力センサ、
    前記金属壁を前記金属ヘッダに対してシールする溶接シール、
    前記金属ヘッダを介して前記圧力センサに接続され、プロセス圧を表す出力を提供する電子部品、及び
    前記段付き外縁に隣接し、前記ヘッダシェルフの位置を超えて前記金属ヘッダを通過する孔に挿通された導電体をシールするガラス−金属シール
    を含み、
    前記ヘッダシェルフが、前記溶接シールとは別に、突起によって形成される接触ラインに沿って前記ボアシェルフと接触し、前記電子部品が前記導電体を介して前記センサに接続している圧力トランスミッタ。
  2. 前記金属ヘッダに加わる加圧荷重力が、前記ヘッダシェルフと前記ボアシェルフとの接触によって前記金属壁に伝達される、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  3. 前記ヘッダシェルフと前記ボアシェルフとの接触が溶接を含む、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  4. 前記圧力センサがプロセス圧を感知する、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  5. 前記金属壁が複数のボアシェルフを含み、前記金属ヘッダが、前記複数のボアシェルフと接触する複数のヘッダシェルフを含む、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  6. 前記ボアシェルフ及び前記ヘッダシェルフが円錐形を有する、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  7. 前記段付きボアが円環形を有する、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  8. 前記金属ヘッダが、前記プロセス圧力室に隣接するセンサ取り付け面を含み、前記圧力センサが前記センサ取り付け面に載る、請求項4記載の圧力トランスミッタ。
  9. 前記金属ヘッダがさらに、前記センサ取り付け面で前記圧力センサに結合された通気路を含む、請求項8記載の圧力トランスミッタ。
  10. 前記圧力センサと前記導電体との間に接続されたボンドワイヤを含む、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  11. 前記圧力センサが、複数の層の少なくとも一つの中にシリコン感知ダイアフラムを含む多層センサを含む、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  12. 前記シリコン感知ダイアフラムの動きを感知するひずみゲージを含む、請求項11記載の圧力トランスミッタ。
  13. 前記シリコン感知ダイアフラムの動きを感知する可変キャパシタンスを含む、請求項11記載の圧力トランスミッタ。
  14. 前記圧力センサがプロセス流体と接触する、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  15. 前記圧力センサが、前記プロセス流体によって加圧される絶縁流体と接触する、請求項1記載の圧力トランスミッタ。
  16. 圧力センサが配置されたプロセス圧力室を、電子部品コンパートメントから分離する金属壁であって、それを貫通する段付きボアを含み、前記段付きボアが、前記プロセス圧力室に対面するボアシェルフを有する前記金属壁、
    前記ボアシェルフと対面するヘッダシェルフを備えた段付き外縁を有する金属ヘッダ、
    前記段付き外縁を前記段付きボアに対してシールする溶接シール、及び
    前記段付き外縁に隣接し、前記ヘッダシェルフの位置を超えて前記金属ヘッダを通過する孔に充填されたガラス−金属シールを備えた少なくとも一つの電気フィードスルーを備えた中央金属プレート
    を含み、
    前記ヘッダシェルフが、前記溶接シールとは別に、突起によって形成される接触ラインに沿って前記ボアシェルフと接触する圧力トランスミッタ。
  17. 前記金属ヘッダに加わる加圧荷重力が、前記ヘッダシェルフと前記ボアシェルフとの接触によって前記金属壁に伝達される、請求項16記載の圧力トランスミッタ。
  18. 前記圧力センサがプロセス圧を感知する、請求項16記載の圧力トランスミッタ。
  19. 前記中央金属プレートが、前記プロセス圧力室に隣接するセンサ取り付け面を含み、前記圧力センサが前記センサ取り付け面に載る、請求項16記載の圧力トランスミッタ。
  20. 前記圧力センサと、前記電気フィールドスルーを通るフィードスルーピンとの間に接続されたボンドワイヤを含む、請求項16記載の圧力トランスミッタ。
  21. 前記センサ取り付け面が、前記圧力センサの背面を通気する通路を含む、請求項19記載の圧力トランスミッタ。
  22. 前記プロセス圧力室が、加圧されたプロセス流体を受ける、請求項16記載の圧力トランスミッタ。
  23. 前記プロセス圧力室が、加圧されたプロセス流体によって加圧される絶縁流体を受ける、請求項16記載の圧力トランスミッタ。
  24. 前記プロセス圧が、前記金属壁中の通路を通って前記プロセス圧力室に提供される、請求項16記載の圧力トランスミッタ。
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