JP6670977B2 - 高分子シール付き加工プレッシャー変速機、高分子シール付き加工プレッシャー変速機 - Google Patents
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Description
本発明は、プロセス制御産業に関する。より詳細には、本発明がプロセス制御機器を工業プロセスに結合するために使用されるタイプの隔離ダイアフラムまたはシールに関する。
圧力トランスミッタなどのいくつかのタイプのプロセス制御機器は、充填流体によって隔離ダイアフラムに流体結合された圧力センサを有する。隔離ダイアフラムは「遠隔シール」または「ダイアフラムシール」と呼ばれるサブアセンブリの一部を含み、圧力センサを感知される腐食性プロセス流体から隔離する。プレッシャーは実質的に非圧縮性であり、両側の空洞および毛細管（またはシールが器具に直接取り付けられる場合、スルーホール）を満たす充填流体を通して、隔離ダイアフラムからセンサーに伝達される。遠隔シールの場合、チューブは典型的には可撓性であり、数メートル延びてもよい。プロセス媒体は遠隔隔離ダイアフラムと接触し、遠隔隔離ダイアフラムは、加えられた圧力を送信機ハウジング内に配置された圧力センサに伝達する。
典型的には、隔離ダイアフラムおよび遠隔シールの任意のプロセス湿潤部分がプロセス媒体がダイアフラムを損傷しないように、耐腐食性材料で作られる。分離ダイアフラムをプロセス流体との接触による腐食から保護するために、分離ダイアフラム上にコーティングを設けることも当技術分野で知られている。しかしながら、隔離ダイアフラム保護の改善に対する継続的な必要性が存在する。
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を含む。金属フランジは、プロセス流体を運ぶプロセス容器に取り付けられるように構成される。隔離ダイアフラムが金属フランジに取り付けられ、処理容器の開口を通して処理流体に曝される。絶縁ダイアフラムは、金属フランジの金属面に接合されたポリマーダイアフラムを含む。毛管通路は隔離ダイアフラムから充填流体を運び、それによってプロセス圧力を圧力センサに伝達する。
この概要および要約は、以下の詳細な説明で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。要約および要約は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることも意図していない。
本発明は、圧力トランスミッタをプロセス流体に連結する際に使用するためのポリマーダイアフラムを含む。特定の構成では、ポリマーダイアフラムがタンク、プロセス配管、またはプロセス流体を含む他のプロセス構成要素などのプロセス容器に結合された金属フランジに結合される。
図１は、プロセス変数トランスミッタ１１の遠隔シール１２を示す。遠隔シール１２は、ハウジング１４内の送信機ダイアフラムに接続されている。遠隔シール１２はハウジング（金属フランジ）１７を含み、処理容器１０の開口部を通して処理流体１６に結合するように構成される。
一実施形態によれば、トランスミッタ１１は、プロセス媒体１６の圧力を測定する。遠隔シール１２は、処理媒体１６に接触する薄い可撓性ダイアフラム１８を含む。シール１２はまた、ダイアフラム１８と共にキャビティ２０を画定するバックプレート１９を含む。毛細管２２はキャビティ２０をトランスミッタハウジング１４内に配置された圧力センサ２８に結合し、このような結合は、トランスミッタハウジングダイアフラム２５と、ダイアフラム２５をセンサ２８に接続するシールされた流体システムとを介して行われる。密封された流体システムはキャビティ２０及び毛細管２２と同様に、プロセス圧力をセンサ２８に伝達するのに適した流体で満たされる。流体は、シリコーン、油、グリセリンおよび水、プロピレングリコールおよび水、または好ましくは実質的に非圧縮性である任意の他の適切な流体を含み得る。
プロセス圧力がプロセス媒体１６から加えられると、ダイアフラム１８は流体を押しのけ、それによって測定された圧力を遠隔シール１２からプレート１９内の通路およびチューブ２２を通して圧力センサ２８に伝達する。結果として生じる圧力は、静電容量ベースの圧力セルを含む任意の圧力感知技術に基づくことができる圧力センサ２８に加えられる。静電容量ベースのセンサの場合、印加された圧力は、媒体１６における圧力の関数としてそのような静電容量を変化させる。センサ２８は、歪みゲージ技術などの他の既知の感知原理に基づいて動作することもできる。この実施形態では、トランスミッタハウジング１４内の回路がプロセス圧力に関係するワイヤ対３０を介して、キャパシタンスを線形４〜２０ｍＡのトランスミッタ出力信号に電子的に変換する。デジタル情報が４〜２０ｍＡの電流に変調されるＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコル、Foundation FieldbusまたはＰｒｏｆｉｂｕｓ通信プロトコルなどを含む任意の適切な通信プロトコルが使用されてもよい。プロセス制御ループ３０はまた、無線通信技術を使用して実装されてもよい。無線通信技術の一例は、ＩＥＣ６２５９１に準拠したＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルである。
図２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内に配置さ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２に示すように、隔離ダイアフラム２５はハウジング１４のフランジ面８０に支持されている。第１の毛細管通路８２は隔離充填流体を運び、ダイアフラム２５から圧力センサ２８まで延びる。プロセスダイアフラムシール１８はプロセス流体に連結し、第２の毛管通路２２は第２の充填流体を運び、プロセスシールダイアフラム１８から隔離ダイアフラム２５まで延びる。圧力がダイアフラム１８に加えられると、ダイアフラム１８は撓む。これにより、圧力は第２の充填流体を介して隔離ダイアフラム２５に伝達される。次に、隔離ダイアフラム２５が撓み、圧力が毛管通路８２内の充填流体に伝達される。これは、既知の技術に従って圧力センサ２８によって感知することができる。送信機電子回路８８は加えられた圧力を感知し、加えられた圧力に関する情報を別の場所に伝えるために使用される。
図３Ａは側面断面図であり、図３Ｂは底面図であり、図３Ｃは遠隔シール１２の上面図である。遠隔シール１２は、「フランジ付きフラッシュ設計」と呼ばれ、シールハウジング（金属フランジ）１７を含む。遠隔シール１２はまた、油圧流体（充填流体）充填ポート５４、器具接続５６、および可撓性ダイアフラム１８（これは、以下でより詳細に議論される結合部６０によって結合される）を含む。面６２は環状であり、ダイアフラム１８の周囲に延びている。ボルト穴６４はハウジング１７を、例えば、プロセス流体で満たされたタンクまたは他のプロセス容器に連結するために使用される。
典型的には、ハウジング１７がステンレス鋼から形成され、約１インチの厚さを有する。ハウジング１７は、円形ポリマーダイアフラム１８に接合されるように機械加工される。ガスケット表面６２もハウジング１７上に機械加工される。
背景技術の節で論じたように、ある種のプロセス流体は、ダイアフラム１８などの隔離ダイアフラムを損傷する可能性がある。例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）および水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）は、遠隔シール用途において典型的に使用される金属ダイアフラムの腐食を引き起こし得る。このようなダイアフラムは、典型的にはＴＩＧ溶接、ＲＳＥＷ(抵抗シーム溶接）またはろう付けによって金属本体（またはフランジ）に接合される金属シートから製造される。特定のプロセス媒体に基づいて選択することができる多くの異なる種類の金属が利用可能である。しかし、耐食性の高い多くの金属は性能が低下し、時間が経つにつれて腐食する。例えば、合金４００（約６７％のＮｉと２３％のＣｕの合金）は、フッ化水素酸に耐えるより経済的な金属である。しかしながら、合金４００でさえも、特により高い温度において、延長された腐食の後に腐食する。他のより高価な代替物は、金および白金を含む。
このような腐食に対処する１つの従来技術は、ポリマーダイアフラムアセンブリを使用することである。ポリマーダイアフラムは、２つの金属フランジの間に挟まれ、２つのＯリングによってシールされる。次に、ボルトを使用して、フランジを互いに取り付け、Ｏリングシールを付勢する。次に、ダイアフラムの背後の領域にオイルが充填される。しかし、このシステムは分解することができず、機械的な固定および密封構造は、金属ダイアフラムで使用される溶接技術よりも信頼性が低い。
別の従来技術は、金属ダイアフラム上に配置される耐腐食性材料で作られたダイアフラムカバーを使用することである。カバーは、ＰＦＡ(パーフルオロアルコキシアルカン）またはＦＥＰ(フッ素化エチレンプロピレン）などのフルオロポリマーから製作することができる。カバーは、例えばグリースを用いて金属ダイアフラムに接着することができる。カバーは、金属ダイアフラムがプロセス流体によって腐食されないように保護する働きをする。しかし、カバーは、プロセス流体によって加えられる圧力に対するダイアフラムの感度を低下させ、不正確な測定につながる可能性がある。また、真空測定には適していない。
１つの例示的構成において、本発明は、シールの金属フランジに直接接合されるポリマーダイアフラムを使用することによって、上述した従来技術の欠点に対処する。ポリマーダイアフラムは、任意の適切な技術を用いて金属ハウジングに接合することができる。
図４Ａおよび４Ｂは、ポリマーダイアフラム１８を金属フランジ１７に接合するための１つの例示的な技術を示す断面図である。従来の溶接技術は、ポリマーが普通の金属よりもはるかに低い融点を有するので、ポリマーを金属に接合するために使用することができない。溶接温度は、ポリマー材料の熱分解を引き起こす。しかし、レーザ接合方法を実施してもよい。図４Ａは、レーザビーム１００がポリマーダイアフラム１８を通って金属フランジ１７に向かって導かれるレーザ伝送方法を示す。このような構成では、ポリマーダイアフラムが金属フランジ１７がレーザビーム１００から実質的なエネルギーを吸収するように、照射されるレーザビーム１００の波長に対して十分に光学的に透明でなければならない。これにより、レーザビーム１００はポリマーダイアフラムを通過し、金属フランジ１７を加熱する。したがって、ポリマーダイアフラム１８は、レーザビーム１００が向けられる領域で加熱および溶融され、溶接部または接合部１０２が形成される。図４Ｂは、レーザビーム１００が金属フランジ１７に照射される関連構成を示す。これは、レーザビーム１００が金属フランジ１７の裏側を加熱する熱伝導接合を提供する。ポリマーダイアフラム１８は、熱伝導によって加熱および溶融され、結合１０２を形成する。この接合方法は、レーザービーム１００に対して透明でないポリマーダイアフラム１８に対して適切である。さらに、フランジ１７は、フランジ１７とダイアフラム１８との間の界面のより正確な加熱（または加熱の「集束」）を可能にするために十分に薄くなければならない。
高分子ダイアフラム１８の金属フランジ１７への結合を容易にするために、金属フランジ１７の表面を表面構造化することができる。研究により、金属表面の適切な微細構造化が、金属表面をポリマー材料に接合する際の剪断強度の改善につながり得ることが示された。さらに、ポリマーと金属の重なり合い接合は、典型的にはいかなる表面処理もなしには不可能である。レーザは、金属表面上に微細構造を作り出すために使用することができる。
図５は、金属フランジ１７の表面１０８にレーザビーム１０６が照射された状態で予め構造化されている金属フランジ１７の側面断面図である。印加されたレーザビーム１０６は表面１０８の昇華および溶融を引き起こし、材料除去をもたらし、それによって、穴１１０が表面１０８に形成される。このプロセスは、表面１０８上の接合領域を横切って繰り返される。このような予備構造化は、ダイアフラム１８を形成するために使用されるポリマー材料の強度の範囲の結合強度で結合を形成することを可能にする。金属フランジ１７の表面１０８におけるこのような構造化により、ポリマーダイアフラム１８は、上述したようなレーザー接合によって接合することができる。超音波ベースの接合技術および誘導ベースの接合技術などの他の接合技術も使用することができる。このような事前構造化は例えば、Trumph Inc.(Farmington、ＣＴ）から入手可能なＴｒｕＭｉｃｒｏ７０５０または７２４０を用いて行うことができる。
図６は、ポリマーダイアフラム１８と金属フランジ１７との間の結合を示す遠隔シール１２の側断面図である。図６に示すように、高分子ダイアフラム１８は金属フランジ１７を覆って延び、ガスケット表面領域１２０を形成する。金属フランジ１７の表面には、レーザ構造化接合領域１２２が形成されている。ポリマーダイアフラム１８が金属フランジ１７に接合されるのは、この領域である。
ポリマーダイアフラム１８は、真空成形および射出成形を含む任意の成形技術を用いて形成することができる。これは、複雑な形成色素および機械的形成圧力の適用を必要とする金属ダイアフラムとは対照的である。これは、応力集中を引き起こし、金属ダイアフラムに破損を引き起こす可能性がある。さらに、１つの構成では、ポリマーダイアフラム１８がその直径にわたって変化する厚さを有する。例えば、ダイアフラム１８は中央領域においてより薄く構成され、それにより、加えられる圧力に対する感度を増加させ、ガスケット表面領域１２０においてより厚くされ、さらなる強度を提供し得る。このような構成は、金属ダイアフラムを形成するのに必要な技術を用いて製造するのが困難である。
１つの構成では、ダイアフラム１８が複数の層から形成される。このような層は腐食を低減し、プロセス流体がダイアフラムを通って漏れるのを防止し、または他の所望の特性を提供するために使用することができる。バリアポリマーの例としては、ＥＶＯＨ(エチレンビニルアルコール）、ＬＣＰ(液晶ポリマー）、ＰＥＴ(ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ(ポリエチレンナフタレート）、ＰＶＤＣ(ポリ塩化ビニリデン）などが挙げられる。これらの材料はダイアフラム１８が多層組成を有するように、ベースポリマー／プラスチック材料に積層することができる。
別の構成例では、ダイアフラム１８がポリマー層に接合された下にある金属層を備える。例えば、下にある金属層は金または他の金属を含むことができ、ダイアフラムを通る水素透過を低減するために使用することができる。このような構成では、例えば、金属層をポリマー層にスパッタリングすることができるなど、任意の適切な接合技法を使用することができる。
本発明はまた、他のシール構成にも適用可能である。例えば、図７は、延長部分１５４を担持するフランジ１５２を有する延長フランジシール(EFS:extended flange seal)１５０を示す。ダイアフラム１５６は、延長部分の遠位端に配置され、毛細管１５８内に運ばれる充填流体を通して、加えられた圧力を伝達する。これは、上述したように圧力センサに適用することができる。このような構成では、ポリマーシールド１６０が延長フランジシール１５０を形成する金属に接合することができる。この結合は、延長部分１５４およびフランジ１５２の内面に沿った任意の場所で行うことができる。一構成では、上述したようにポリマーダイアフラム１５６が使用される。別の構成例では、その上に結合されたポリマーコーティングを有する金属ダイアフラム１５６が使用される。
本発明は好ましい実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく形状および細部になされてもよいことは認識できる。リモートシールは、本明細書で具体的に示されたもの以外の構成であってもよい。例としては、フラッシュフランジシール、延長フランジシールまたはパンケーキシールなどのフランジシールタイプが挙げられる。他の構成としては、ねじ付きシール（ＲＴＷ）、ユニオン接続シール、ケミカルティーシール、ねじ付きパイプマウントシール、サドルおよびフロースルーシールなどが挙げられる。毛細管通路２２は図１に示すような細長いものであってもよいし、別の構成例では、比較的短いものであってもよく、それにより、トランスミッタがシールに直接取り付けられる。ポリマーダイアフラムは、シールの耐食性を改善する。１つの構成では、ポリマーダイアフラムが溶接された遠隔シールが内部の機械的締結およびシール構造が必要とされないように、単一の構成要素として設置することができる。このような構成は加えられた圧力信号に対する感度も改善し、真空測定に使用することができる。一構成では、金属フランジはステンレス鋼で形成される。ポリマーダイアフラムは、その片側または両側にコーティングを含むことができる。コーティングは所望の特性（例えば、バリアまたはプロセス流体からのさらなる保護を提供する）に依存して、いずれかの側にあり得る。コーティングは、金属でも非金属でもよい。１つの構成では、ダイヤモンドライクカーボン(diamond-like carbon)(DLC)コーティングがポリマーダイアフラム上に提供される。本明細書で論じられるダイアフラム構成は、遠隔シール構成で使用されてもよく、または圧力トランスミッタ上に隔離ダイアフラムを提供するために使用されてもよい。
Claims (24)
- プロセス圧力トランスミッタシステムであって、
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、
プロセス流体を運ぶプロセス容器に取り付けるように構成された金属フランジと、
金属フランジに取り付けられ、プロセス容器の開口部を通じてプロセス流体に曝される隔離ダイアフラムであって、金属フランジの金属面上の構造化接合領域に結合されたガスケット表面領域を含むポリマーダイアフラムを備える隔離ダイアフラムと、
充填流体を隔離ダイアフラムから運び、プロセス圧力を圧力センサに伝達する毛管通路と、
を備えるプロセス圧力トランスミッタシステム。 - 前記金属フランジは、遠隔シールを含む、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。
- 前記ポリマーダイアフラムは、前記金属フランジの前記金属面に溶接される、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。
- 前記ポリマーダイアフラムは、レーザ接合を用いて前記金属面に接合される、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。
- 前記レーザ接合がレーザ透過ボンドを含む、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。
- 前記レーザ接合がレーザ熱伝導ボンドを含む、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。
- 前記ポリマーダイアフラムは、超音波接合によって前記金属フランジの前記金属面に接合される、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。
- 前記ポリマーダイアフラムは、誘導結合によって前記金属フランジの前記金属面に結合される、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。
- 前記金属フランジの金属面が、前記ポリマーダイアフラムと前記金属面との間の結合を促進するように構成された構造化接合領域を含む、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。
- 前記構造化接合領域は、微細構造処理によって製造される、請求項９に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記微細構造処理は、レーザ処理を含む、請求項１０に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記構造化接合領域は、レーザ構造化領域を含む、請求項９に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記レーザ構造化領域が微細構造を含む、請求項１２に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記ポリマーダイアフラムは、変化する厚さを有する、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。
- 前記ポリマーダイアフラムの厚さは、前記ポリマーダイアフラムの中央領域付近でより薄く、前記ポリマーダイアフラムのエッジ領域付近でより厚い、請求項１４に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記ポリマーダイアフラムが積層ポリマーダイアフラムを含む、請求項１５に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記ポリマーダイアフラムが多層複合ダイアフラムを含む、請求項１６に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記ポリマーダイアフラムが金属膜でコーティングされている、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。
- 金属膜が、前記ポリマーダイアフラムの少なくとも一方の側にコーティングされる、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。
- 前記金属膜がスパッタ層を含む、請求項１８に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記金属膜が金を含む、請求項１８に記載のプロセス圧力トランスミッタシステム。
- 前記ポリマーダイアフラムがバリア層を含む、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。
- 充填流体が、第２の充填流体を介して圧力センサに結合された第２のダイアフラムにプロセス圧力を伝達する、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。
- 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に連結する方法であって、
プロセス容器に結合するように構成された金属フランジであって構造化接合領域を含む金属フランジを得ることと、
ガスケット表面領域を含むポリマーダイアフラムを得ることと、
ポリマーダイアフラムのガスケット表面領域を金属フランジの構造化接合領域に取り付けることと、
プロセス容器内に運ばれるプロセス流体の圧力をポリマーダイアフラムに加えることと、
ポリマーダイアフラムに加えられた圧力を毛管通路を用いて圧力センサに結合する圧力センサでプロセス圧力を測定すること、
を含む、方法。
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