JP6352537B2 - ダイヤモンド様炭素コーティングを有するシールを備えるプロセス圧力トランスミッタ - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御産業に関する。より具体的には、本発明は、プロセス制御機器をプロセスに結合するために用いられるタイプの分離ダイヤフラム又はシールに関する。

いくつかのタイプのプロセス制御機器、たとえば圧力トランスミッタは、封入液によって分離ダイヤフラムに流体的に結合される圧力センサを有する。分離ダイヤフラムは、「リモートシール」又は「ダイヤフラムシール」と呼ばれるサブアセンブリの一部を含み、圧力センサを、検知されている腐食性のプロセス流体から分離する。圧力は、実質的に非圧縮性であり、かつ両側のキャビティと、毛管（又は、機器に直接装着されている場合には貫通孔）とを充填する封入液を通して、分離ダイヤフラムからセンサに伝送される。管は、通常は可撓性であり、数メートルまで延伸し得る。プロセス媒体は、トランスミッタハウジング内に配設された圧力センサに、加えられた圧力を伝達するリモート分離ダイヤフラムに接触する。

通常、分離ダイヤフラムと、リモートシールの任意のプロセス接液部とは、耐食材料で作られ、それによって、プロセス媒体がダイヤフラムを破損することがないようにする。また、分離ダイヤフラムにコーティングを付与して、プロセス流体との接触に起因する腐食から分離ダイヤフラムを保護することは、当技術分野において既知である。しかし、改善された分離ダイヤフラムの保護に対して、継続した要望がある。

プロセス圧力トランスミッタシステムは、プロセス圧力トランスミッタハウジングと、プロセス圧力トランスミッタハウジング内のプロセス圧力センサと、プロセス圧力トランスミッタハウジング内のフランジ面と、フランジ面上の分離ダイヤフラムとを含む。第１の毛管路は、分離ダイヤフラムからプロセス圧力センサに、第１の封入液を運ぶ。プロセスシールダイヤフラムは、工業用プロセスのプロセス流体に結合する。第２の毛管路は、プロセスシールダイヤフラムから分離ダイヤフラムに、第２の封入液を運ぶ。ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティングは、プロセスシールダイヤフラムをコーティングする。

本概要及び要約は、以下の詳細な説明においてさらに説明される概念の選択を、簡略化された形式で紹介するために提供される。本概要及び要約は、特許請求の範囲に記載された主題の主要な特徴又は不可欠な特徴を特定することが意図されておらず、またそれらは、特許請求の範囲に記載された主題の範囲を決定することの支援として用いられることが意図されてもいない。

本発明による、リモートシールを有するトランスミッタを示す簡略図である。 従来技術のリモートシールの、図２Ｂにおける２Ａ−２Ａで表示された線に沿ってとられた側断表面図である。 図２Ａの従来技術のリモートシールの底表面図である。 図２Ａの従来技術のリモートシールの上表面図である。 リモートシールに結合された圧力トランスミッタを含む圧力トランスミッタシステムを示す簡略図である。 分離ダイヤフラムに付与されたダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティング層の例示の構成を図示する断表面図である。 分離ダイヤフラムに付与されたダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティング層の例示の構成を図示する断表面図である。 分離ダイヤフラムに付与されたダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティング層の例示の構成を図示する断表面図である。 ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティング及び中間層を含むプロセスダイヤフラムの一部を示す、拡大断表面図である。

本発明は、プロセス変数トランスミッタを工業用プロセス流体と結合させるためのダイヤフラムシールである。ダイヤフラムシールは、工業用プロセス流体との接触に起因する破損から分離ダイヤフラムを保護するために、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）でコーティングされた分離ダイヤフラムを含む。図１は、プロセス変数トランスミッタ１１のリモートシール１２を示す。リモートシール１２は、ハウジング１４内のトランスミッタダイヤフラムに接続される。リモートシール１２は、ハウジング１７を含み、プロセス流体１６に結合されるように構成される。

一実施形態に従うと、トランスミッタ１１は、プロセス媒体１６の圧力を測定する。リモートシール１２は、プロセス媒体１６に接触する薄い可撓性ダイヤフラム１８を含む。シール１２は、ダイヤフラム１８とともにキャビティ２０を画定するバックプレート１９をさらに含む。毛管２２は、キャビティ２０を、トランスミッタハウジング１４内に配設された圧力センサ２８に結合し、そのような結合は、トランスミッタハウジングダイヤフラム２５と、ダイヤフラム２５をセンサ２８と接続させるシールされた流体システムとを介してなされる。シールされた流体システムに加えて、キャビティ２０及び毛管２２は、プロセス圧力をセンサ２８に伝送するために好適な流体で充填される。流体は、シリコーン、油、グリセリン及び水、プロピレングリコール及び水、又は好ましくは実質的に非圧縮性である任意の他の好適な流体を含み得る。

プロセス媒体１６からプロセス圧力が与えられると、ダイヤフラム１８は、流体を移動させ、それによって、プレート１９の通路を通して、かつ管２２を通して、リモートシール１２から圧力センサ２８に、測定された圧力を伝送する。結果として得られた、容量ベースの圧力セルであることができる圧力センサ２８に与えられた圧力は、そのような静電容量を、媒体１６における圧力に応じて変化させる。さらに、センサ２８は、他の既知の検知原理で、たとえばひずみゲージ技術で動作することができる。トランスミッタハウジング１４内部の回路機構は、静電容量を、プロセス圧力と関連している対線３０を経由して、線形の４−２０ｍＡトランスミッタ出力信号に電子的に変換する。任意の適切な通信プロトコルを用いてもよく、デジタル情報が４−２０ｍＡ電流上に変調されるＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコル、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎフィールドバス又はＰｒｏｆｉｂｕｓ通信プロトコル等を含む。また、プロセス制御ループ３０は、無線通信手法を用いて実施されてもよい。無線通信手法の一例は、ＩＥＣ６２５９１に準拠した無線ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルである。

図２Ａは、リモートシール５０の側断表面図であり、図２Ｂは、その底表面図であり、図２Ｃは、その上表面図である。リモートシール５０は、「フランジ型面一設計」と称され、シールハウジング５２を含む。リモートシール５０は、作動液（封入液）充填ポート５４と、機器接続部５６と、ＴＩＧ溶接６０によって溶接された可撓性ダイヤフラム５８とをさらに含む。環状形状であり、ダイヤフラム５８の周囲に延伸する表面６２が設けられる。ボルト穴６４は、ハウジング５２を、たとえばプロセス流体で充填されたタンクに結合するために用いられる。

通常、ハウジング５２は、ステンレス鋼から形成され、およそ１インチの厚さを有する。ハウジング５２は、円形の金属ダイヤフラム５８に溶接されるような方法で機械加工される。また、ガスケット表面６２が、ハウジング５２上に機械加工される。ダイヤフラム５８は、通常は、ダイプレスで切削されて形成され得る箔ダイヤフラムである。

図３は、プロセス圧力センサ２８がプロセス圧力トランスミッタハウジング１４内部に位置付けられた、圧力トランスミッタシステム１０を示す簡略ブロック図である。図３に図示されるように、分離ダイヤフラム２５は、ハウジング１４のフランジ面８０上に保持される。第１の毛管路８２は、分離封入液を運び、ダイヤフラム２５から圧力センサ２８に延伸する。プロセスダイヤフラムシール１８は、プロセス流体に結合し、第２の毛管路２２は、第２の封入液を運び、プロセスシールダイヤフラム１８から分離ダイヤフラム２５に延伸する。ダイヤフラム１８に圧力が加えられると、ダイヤフラム１８が曲がる。これによって、圧力が、第２の封入液を通って分離ダイヤフラム２５に伝えられる。次に、分離ダイヤフラム２５が曲がって、毛管路８２内の封入液に圧力が伝えられる。これは、既知の手法に従った圧力センサ２８によって検知されることができる。トランスミッタ電子機器８８を用いて、加えられた圧力を検知し、加えられた圧力に関する情報を、他の場所宛てに通信する。

図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、シール１２の例示の構成を示す側断面図である。図４Ａ及び４Ｂでは、ダイヤフラム１８の外表面に、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティング９０が付与されている。図４Ａの構成では、ＤＬＣコーティング９０は、ダイヤフラム１８のみを被覆している。本構成は、ダイヤフラム１８を摩耗から保護する。そのような構成は、コストを低減させ、製造を簡略にし得る。さらに、本構成では、ダイヤフラム１８をリモートシール１２のフランジ面９４に溶接するために用いられる溶接９２は、コーティング手順が生じた後に行われてもよい。これは、製造プロセスを簡略にする。

図４Ｂは、ＤＬＣコーティング９０が、面９４を含む接液面全体にわたって延伸する別の例示の構成を示す。これは、プロセス流体に接触し得るシール１２の表面のすべてに対して耐食性を提供する。

図４Ｃは、ＤＬＣコーティング９０がダイヤフラム１８の内表面に設けられた、別の例示の構成である。本構成は、ダイヤフラム１８を通した水素透過を防止するために有用である。そのような構成では、コーティング９０は、ダイヤフラム１８をフランジ面９４に溶接する前に、ダイヤフラム１８に付与される。

ＤＬＣコーティング９０は、任意の適切な手法を用いて蒸着させることができる。たとえば、コーティングは、物理的蒸着手法を用いて蒸着させることができる。たとえば、フィルタ型カソーディック真空アーク（ＦＣＶＡ）蒸着器を用いて、ＤＬＣコーティング９０を蒸着させることができる。そのようなデバイスでは、カソード材料に電気的アークを与えて、材料の蒸発及び電離を発生させる。磁気フィルタ場を用いて、蒸気をろ過し、磁気集束場を用いて、結果として得られた炭素プラズマを、真空チャンバ内のダイヤフラム１８の表面上に集束させる。さまざまなタイプのダイヤモンド様炭素を、所望のように蒸着させてもよい。

図５は、ダイヤフラム１８の一部の拡大断面図である。図５に図示されるように、中間層１００は、ダイヤフラム１８とＤＬＣ層９０との間に蒸着される。中間層は、ＤＬＣ層９０のダイヤフラム１８への付着を促進するように選択されることができる。中間層１００は、ダイヤフラム１８の表面粗さを改善することに加えて、ダイヤフラム１８の熱膨張係数とＤＬＣコーティング９０との間の熱膨張係数を有する遷移層を提供するように構成されることができる。さらに、中間層１００は、蒸着プロセス中にダイヤフラム１８の材料を保護し、最終的な構造体の耐食性を改善させることができる。たとえば、ＤＬＣ層９０は、ピンホールが現れる場合がある。同様に、蒸着プロセス中に、ダイヤフラム１８にピンホールが現れる場合がある。中間層１００は、このプロセス中のダイヤフラム１８を保護する。中間層１００は、所望のように選択してもよい。１つの構成では、層１００は、チタンで構成される。しかし、別の材料の例は、タンタル、クロム、又はセラミック材料を含む。

異なるタイプのダイヤモンド様炭素コーティングを用いて、層９０を製造してもよい。実施形態の一例では、ＤＬＣ層９０は、ａ−Ｃ：Ｈダイヤモンド様炭素で構成されるダイヤモンド様炭素コーティングを含む。別の好ましい実施形態では、コーティングは、ｔａ−ＣＤＬＣで構成される。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更がなされてもよいことが認識されよう。リモートシールは、本明細書で特に例証されたもの以外の構成であってもよい。例には、面一型フランジシール、延伸型フランジシール、又は平型シール等のフランジシールタイプが含まれる。他の構成は、ねじ式シール（ＲＴＷ）、ユニオン接続シール、ケミカルティーシール、ねじ式パイプマウントシール、サドル及びフロースルーシール等を含む。毛管路２２は、たとえば図１に図示されるもののように長くされてもよく、又は、別の例の構成では、比較的短くして、それによってトランスミッタがシールに直接装着されるようにしてもよい。１つの構成では、ダイヤフラム１８は、ステンレス鋼で構成される。別の例の材料は、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）、タンタル、チタン、ニッケル２００／２０１、合金４００（Ｍｏｎｅ（商標））、合金６２５及び６００（Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標））、スーパー二相ステンレス鋼２５０７、ジルコニウム、金、銀、プラチナ、ニッケル基合金、耐熱金属、及び貴金属を含む。１つの構成では、ＤＬＣコーティングを蒸着する前に、任意の溶接が行われる。このことは、溶接プロセスによってＤＬＣコーティングを破損することがないことを保証する。ＤＬＣコーティングの厚さは、所望のように選定してもよい。たとえば、厚さは、０．５〜５μｍの間でもよい。いくつかの構成では、適用要件を満たす限りにおいて、より薄い層が好ましい。単一の中間層が図示されているが、任意の数の中間層を所望のように用いてもよい。

Claims (28)

1. プロセス圧力トランスミッタハウジングと、
   前記プロセス圧力トランスミッタハウジング内のプロセス圧力センサと、
   前記プロセス圧力トランスミッタハウジング内のフランジ面と、
   前記フランジ面上の分離ダイヤフラムと、
   前記分離ダイヤフラムから前記プロセス圧力センサに第１の封入液を運ぶ第１の毛管路と、
   工業用プロセスのプロセス流体に結合するように構成されたリモートシールのプロセスシールダイヤフラムと、
   前記プロセスシールダイヤフラムを前記リモートシールのフランジ面に取り付ける溶接部と、
   前記プロセスシールダイヤフラムから前記分離ダイヤフラムに第２の封入液を運ぶ第２の毛管路と、
   前記プロセスシールダイヤフラム及び前記溶接部をコーティングするダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティングと、
   を含む、プロセス圧力トランスミッタシステム。
2. 前記ダイヤモンド様炭素が、ｔａ−Ｃを含む、請求項１に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
3. 前記ダイヤモンド様炭素が、ａ−Ｃ：Ｈを含む、請求項１に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
4. 前記ＤＬＣコーティングと前記プロセスシールダイヤフラムとの間の中間層を含む、請求項１に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
5. 前記中間層が、チタンを含む、請求項４に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
6. 前記中間層が、タンタルを含む、請求項４に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
7. 前記中間層が、クロムを含む、請求項４に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
8. 前記中間層が、セラミックを含む、請求項４に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
9. 前記ＤＬＣコーティングが、前記プロセスシールダイヤフラムの外表面に付与される、請求項１に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
10. 前記ＤＬＣコーティングが、前記プロセスシールダイヤフラムの内表面に付与される、請求項１に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
11. 前記プロセスシールダイヤフラムが、リモートシールに保持され、前記ＤＬＣコーティングが、前記リモートシールの前記フランジ面にわたって延伸する、請求項１に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
12. プロセス圧力トランスミッタを、工業用プロセス流体の圧力と結合させる方法であって、
    プロセスシールダイヤフラムをプロセス圧力トランスミッタのリモートシールのフランジ面に取り付ける溶接部を付与することと、
    前記プロセスシールダイヤフラム及び前記溶接部に、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティングを付与することと、
    前記プロセスシールダイヤフラムを、工業用プロセス流体と接触させて配置することと、
    前記工業用プロセス流体から前記プロセスシールダイヤフラムに加えられた圧力を、毛管路を通して分離ダイヤフラムと結合させることと、
    前記分離ダイヤフラムに加えられた前記圧力を、第２の毛管路を用いて圧力センサと結合させることと、
    前記圧力センサを用いて、前記プロセス圧力を測定することと、
    を含む、方法。
13. 前記ダイヤモンド様炭素が、ｔａ−Ｃを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ダイヤモンド様炭素が、ａ−Ｃ：Ｈを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記ＤＬＣコーティングと前記プロセスシールダイヤフラムとの間の中間層を含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記中間層が、チタンを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記中間層が、タンタルを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記中間層が、クロムを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記中間層が、セラミックを含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記ＤＬＣコーティングが、前記プロセスシールダイヤフラムの外表面に付与される、請求項１２に記載の方法。
21. 前記ＤＬＣコーティングが、前記プロセスシールダイヤフラムの内表面に付与される、請求項１２に記載の方法。
22. プロセス圧力トランスミッタをプロセス流体と結合させるためのリモートシールであって、
    工業用プロセスの前記プロセス流体と結合するように構成されたプロセスシールダイヤフラムと、
    前記プロセスシールダイヤフラムをリモートシールのフランジ面に取り付ける溶接部と、
    前記プロセスシールダイヤフラムから遠位端に封入液を運ぶ毛管路と、
    前記プロセスシールダイヤフラム及び前記溶接部をコーティングするダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティングと、
    を含む、リモートシール。
23. 前記ダイヤモンド様炭素が、ｔａ−Ｃを含む、請求項２２に記載のリモートシール。
24. 前記ＤＬＣコーティングと前記プロセスシールダイヤフラムとの間の中間層を含む、請求項２２に記載のリモートシール。
25. 前記中間層が、チタンを含む、請求項２４に記載のリモートシール。
26. 前記ＤＬＣコーティングが、前記プロセスシールダイヤフラムの外表面に付与される、請求項２２に記載のリモートシール。
27. 前記ＤＬＣコーティングが、前記プロセスシールダイヤフラムの内表面に付与される、請求項２２に記載のリモートシール。
28. ＤＬＣコーティングが、前記リモートシールのフランジ面にわたって延伸する、請求項２２に記載のリモートシール。

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