JPS596374B2 - ダイアフラム装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般にダイアフラム装置、特にそのダイアフラ
ムが高度に腐蝕性の流体に曝される如きプロセス制御計
器に用いられる装置に係る。

金属ダイアフラム装置は流体圧力を直接に検出する１次
要素として、或いは作用する圧力が他の圧力応動部材に
忠実に伝達される液体充填系における隔離ダイアフラム
として、１年中使用される産業的計装に広く使用されて
いる。

か＼るダイアフラム装置の応用とは、無関係に、この装
置の全性能特性として、ダイアフラムとその取付本体の
間に密封的な、冶金学的に完全な結合がつくられること
が重要である。

大ていのプロセスへの応用において、か５る結合は従来
の技術（融接の如き月こより容易に行われている。

何故ならばダイアフラムと取付本体とは同一金属、通常
はステンレス鋼、からつくられているからである。

しかしながら、多くの高腐蝕性プロセス流体の圧力を測
定すべき場合、ダイアフラムとしては通常タンタルその
他類似した化学的に不活性の高価な金属よりつくられる
。

製造経済の点から、か＼る腐蝕への応用にはステンレス
鋼取付本体の使用が強く望まれる。

当業界において周知のごとく、高度（こ耐腐蝕性金属ダ
イアフラム（例えばタンタル）ともつと化学的に活性な
金属（例えばステンレス鋼）よりつくった取付本体とは
冶金学的に両立しない。

即ちこれら両金属の物理的及び化学的特性は本質的に非
類似であって通常の技術によっては融接し得ない。

こ＼に溶接性とは、例えば２個の冶金学的に両立し得る
溶融金属が溶解により相互に混合されたときに、これら
両金属の間の接触点に沿って完全な、均質な、密封的分
子結合が形成されることを云う。

両立し得ない材料同志を融接しようとする試みは、通常
金属間化合物の不均質帯の形成に終り、これは脆性にな
り易く亀裂を生じ易Ｇ）。

完全な結合を得るという課題は、これらのダイアフラム
装置が広い温度限度間の繰返し温度サイクル（例えば−
４０°から３７１．１°Ｇ）に耐えると同時にその密封
性を保持するよう要求されるという事実のため遥かに複
雑である。

従って、スェージング、プレスはめの如き、他の普通の
接合技術及びプラスチック、接着剤又はろう合金による
接合は大ていの産業上の応用に対して受入れられない。

この課題解決の１つの単純な方法はダイアフラムと同一
の不活性金属を以て取付本体をつくることであるが、既
に述べた如く、これは極端に経費が嵩む。

加えて、か＼る材料を合わせたダイアフラム装置の全体
寸度は特殊な価格状性に合うように減少されるとは限ら
ない。

何故ならば、ダイアフラムの寸度は通常の計器の精度、
応答度、感度及びレンジに関係するからである。

過去において、本課題を解決するため顕著な努力が払わ
れた。

例えば米国特許第３，６７５，５４０号の開示において
は、薄肉のタンタルダイアフラムをステンレス鋼取付体
へ、ダイアプラムの周辺端を該取付体ヘシーム溶接する
ことにより固着することを提案している。

然しこのようなシーム溶接は非類似金属間に完全な、密
封的結合をつくらないで、むしろ金属間化合物を包含し
た組織的に融接結合に劣る結合となり、結局は亀裂によ
る早期破損を受けることは周知である。

この先行特許が明瞭に開示する如く、ダイアフラムの取
付に対する追加の補助手段としてダイアフラムをその支
持取付体の合わせ表面へ収縮又はプレスはめにより緊密
に固着しなければならない。

もつと最近の試みは米国特許第４，０４６．０１０号に
見られ、それはタンタルダイアフラムが圧力変換器のス
テンレス鋼本体へ、ろう付けの形で密封的に接合し得る
ことを示唆している。

このろう付けはステンレス鋼溶接リングを、その融点よ
り上でタンタルダイアフラムのそれより下の温度に加熱
することにより行われ、よって゛溶接″′がステンレス
鋼リングと本体の間に形成され、一方溶けた鋼はダイア
フラムの周辺に沿って流れ、ダイアフラムとステンレス
鋼本体の間の界面に１種のろう付は領域をつくった。

この解決もまた重大な欠陥を有する。

何故ならば実際の接合界面は依然としてステンレス鋼及
びタンタルの脆い界面であるからである。

この発明の特許出願人はステンレス鋼の溶接部に対し、
ダイアフラムと本体との間の内方円周上にエラストマー
シールを配設して、プロセス流体が、ステンレス鋼リン
グ及び溶接部に接触して破壊することが出来ないように
腐蝕に対する保護をしなければならなかった。

この分野におけるすべての先行開発努力にも不拘、最大
の信頼性、安全性及び費用節約を与える如き、２個の非
類似の金属を完全な分子結合によって接合して成る改良
されたダイアフラム装置への要求が依然存在することは
明らかである。

本発明は新規な改良されたダイアフラム装置を提供する
ものであって、それ（こおいては、１つはプロセス流体
からの腐蝕の攻撃に耐える金属より成るダイアフラムと
して形成され、他は普通に使用され、耐腐蝕性の劣る金
属より成る取付本体の形の、２個の冶金学的に両立し得
ない金属が完全な分子的結合により密封的に接合されて
、プロセス流体との界面に、耐腐蝕性金属のみから成る
障壁をつくる。

以下本発明に係る好ましい実施例について一層詳細１こ
説明する。

そのダイアフラムはメンタル金属であり、取付本体はス
テンレス鋼である。

環状遷移部材はその内方円周に沿ってタンタルリングを
有し、ステンレス鋼の外方リングは該タンタルに爆発結
合によって接合され、ステンレス鋼の外方部分を該ステ
ンレス鋼取付本体に融接し、またタンタルダイアフラム
を同様に遷移部材の内方タンタルリングに溶接し、よっ
てタンタル対タンタルの冶金学的に完全な結合部がプロ
セス流体との界面につくられる。

故にこの結合部は、従来の異種金属の融接接合より生ず
る上記諸欠陥を何等生ずることなく、直接にプロセスに
曝すことが出来る。

本発明に係る好ましい実施例につき第１〜３図を参照し
て説明しよう。

圧力応動ダイアフラム装置１０はステンレス鋼の円形取
付本体１１及び０．１２７ｍｍの厚さのタンタル金属の
回旋状ダイアフラムを含む。

本体１１の前表面１１Ａは僅かに凹んだ領域１２を形成
し、ダイアフラム１５は該凹んだ領域の全周において該
取付本体に独特な方法で固着され、室１７をつくる。

ダイアフラムは該室を超えて前表面のリム１８の上まで
伸びる。

装置を完成するために、２個の通路１３，１４が室と連
通し、室内部を真空にひいた後その全空洞を例えばシリ
コン油の如き適当な油を以て充填する。

既述の如く、ステンレス鋼とタンタル間の化学的物理的
特性の非類似性、特にこれら両金属のそれぞれの融点の
広い相違、並びにタンクルダイアフラムは正確な、繰り
返し性能を与えるために非常に薄くつくらなければなら
ないことが両金属を接合する問題を極端に困難としてい
る。

しかしながら、以下に述べるが、本発明の独特な構造が
、タンタルダイアフラムがその取付本体へ融接によって
密封的に接合されることを可能としている。

さて第２，３図について、概ね矩形断面の円形凹み２２
が凹形領域１２の全周に沿って、但しリム１８の内側に
、機械加工により設けられる。

環状遷移部材２３はステンレス鋼の外方領域２４と接合
点２６に沿って完全な、密封的分子結合により接合され
たタンタルの内方部分２５とより成り、その外径は該円
形凹みより僅かに大きくしてこの凹みの中にプレスはめ
される。

このような、完全な分子結合により接合された２種の冶
金学的に両立し得ない金属をもった遷移部材をつくる技
術は以下に記載する。

遷移部材２３は、凹み２２に挿入した後は、取付本体１
１の１表面２３Ａのみとじまりばめとなる（第３図参照
）。

遷移部材と凹みの両表面の注意深い機械加工によるしま
りはめにより、装置の流体密の溶接が準備され芯合せさ
れる。

遷移部材の挿入を容易にするため、ステンレス鋼外方部
分２４の後部に逃げ２８をつける。

１８ ｏｖして１対の半径方向溝２７Ａが遷移部材に設
けられ、凹部内に捕えられた空気及び残物が通路１３，
１４による排気中に取出され、またそれにより充填流体
が該四部のあらゆる部分に自由に進入し得、正常運転中
の本装置の精度を保持させる。

加えて、該凹部と遷移部材の残りの表面の、”すきまば
め′が温度変動の間両金属の自由な運動を行えることと
し１．かくして何れの部品及び／又は接合部も不当な歪
を受けることはない。

遷移部材の最終組立は、該部材のステンレス鋼外方領域
を取付本体にそれらの接触点２９Ａに沿って電子ビーム
溶接を行うことにより完了する。

遷移部材２３は第４図示の管状部材４０からつくられる
。

これは内方管２５Ａ及びステンレス鋼の外方管２４Ａを
含む。

これら２個の冶金学的に両立し得ない金属（即ち、タン
タル及びステンレス鋼）は完全な、密封的分子結合によ
り接合され、爆発結合により２個の管の隣接表面の領域
２６Ａに沿って均質に伸展する。

非類似金属を接合する爆発結合の技術及びそれにより出
来た接合部の完全さは当業界に周知である。

この問題に関する一層詳細な論議については、ジョージ
アール コーワン及びアーノルド エイチ ホルツマ
ンによるジャーナル オブ アプライド フィジックス
の３４巻、４号（パート１）、１９６３年４月号、９２
８頁−９３９頁の記事゛フロー コンフィギユレーショ
ン イン ザ コライディング プレーツ：エクスプロ
ーシイヴ ボンディング″及び米国特許第３，１４０，
５３７号を参照され度い（” Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｆｉｇ
ｕｒａｔｉｏｎ ｉｎ ＣＣｏ１１ｉｄｉｎ Ｐｅａ
−ｔｅｓ ： Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ”
ｂｙ Ｇｅｏｒｇｅ Ｒ。

Ｃｏｗａｎ ａｎｄ Ａｒｎｏｌｄ Ｈ，Ｈｏｌｔｚｍ
ａｎ 、 ｉｎ ｔｈｅＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐ
ｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ 、 Ｖｃ、ｆｕｍｅ ３４
。

Ｎｕｍｂｅｒ ４ （Ｐａｒｔ １ ）、 １９６３
Ｐａｇｅｓ ９２８−９３９）。

正確に寸度を与え機械加工された遷移部材２３は、凹み
２２中への挿入及び取付本体１１への溶接のために、管
状部材４０から切り出される。

次にタンタルダイアフラム１５は該取付本体の前表面１
１Ａの上方に配置され、遷移部材のタンタル部分２５ヘ
タンタル溶接リング３０により電子ビーム溶接される。

かように、この実施例のダイアフラム装置は、プロセス
流体が、冶金学的に完全な、高度に信頼性あるメンタル
対タンタル結合部に直接曝されるという独特の構造を与
える。

かくして、本装置は、強腐蝕性環境及び少くとも一４０
℃から＋３７１．１℃の繰返し温度サイクルに於て使用
することができ、而も同時に両金属間の接合部において
、１５ＰＳＩＧの加圧下で２Ｘ１０−８ＣＣ／Ｓを超え
ないヘリウム漏洩を許すという効果的な密封を維持し得
るものである。

好ましい実施例を上に詳細に記載したけれど、当業者に
とって、本発明の上記実施例１こ対する変形をつくり得
ることは極めて明瞭である。

例えば、特殊な使用条件によっては、ダイアフラム材料
として、チタン又はニオブの如き他の耐腐食性金属の使
用が望ましいこともある。

か＼る金属は、例えばニッケルの如き、耐腐蝕性の低い
本体に完全に接合して本発明の原理に従ったダイアフラ
ム装置を形成することができる。

各構成部品の形状及び寸度の変更による明らかな変形は
別として、当業者にとって、遷移部材２３を構成する非
類似金属は拡散結合又は熱間等静圧結合（ｈｏｔ １ｓ
ｏｓｔａ −ｔｉｃ ｐｒｅｓｓ ｂｏｎｄｉｎｇ ）
その他非類似金属間に完全な分子結合を与える同様なプ
ロセスによって効果的ｔこ接合してよいことは明らかで
あろう。

他の変形として第５，６図を参照され度い。

第１−３図の実施例の構造に対応する部分には同じ参照
番号を付した。

本発明のこの変形は例えばタンクレベル計測への応用の
如く、ダイアフラム装置の重要な部分がプロセスの中へ
突入したような応用に特に適する。

それ故に、ステンレス鋼取付本体１１を化学的攻撃から
保護することが必要となる。

前例の如き円形凹みの代りに、切欠き５０を取付本体１
１の周に沿って加工し、遷移部材２３のタンタル部分２
５をステンレス鋼の部分２４の外側に配設する。

かくして遷移部材は溶接部２９によって取付本体に接合
され、タンタルダイアフラム１５は取付本体の外周まで
伸展し、そこで、前例と同様に遷移部材のタンタル部分
に溶接される。

タンタル製管状スリーブ１９は腐蝕性攻撃に曝される取
付部分の全体を包囲し、タンタルリング２５の中の溶接
部３３）こよって固定される。

上記した本発明の好ましい形態の詳細な説明にかんがみ
、及びそれへの上述した修正にかんがみ、当業者には其
他の変形、修正、利益及び用途は明らかであろう。

従って、以上の記載及び修正は単に１例として示したも
のであって、本発明の真の精神及び範囲は特許請求の範
囲により定義されたものであることを諒解すべきである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る実施例のダイアフラム装置の、一
部切除した透視図、第２図は第１図の実施例の垂直断面
図、第３図は第２図示の構造の一端の拡大図、第４図は
本発明に係る遷移部材をつくる、２個の非類似金属より
成る管状部材の、一部切除した図、第５図は第２図と同
様な、別の実施例の断面図、第６図は第５図示の構造の
一端の拡大図である。 １１は取付本体、１５はダイアフラム、１７は室、１９
は管状スリーブ、２３は遷移部材、２４はステンレス鋼
部分、２５はタンタル部分、３０は溶接リング、４０は
管状部材、５０は切欠きである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高度に腐蝕性のプロセス流体に使用するダイアフラ
   ム装置であって； 内部に室を形成する手段を包含する金属本体にして該本
   体の金属が上記流体によって腐蝕を受は得る金属本体と
   ： 上記本体と上記高度に腐蝕性のプロセス流体との間に位
   置するよう上記本体上に位置決めされたダイアフラムに
   して、上記流体の腐蝕に抵抗しかつ冶金学的に上記金属
   本体の金属と両立し得ない金属より形成されまた上記室
   ｔこ対向して配置されたダイアフラムと； 上記室を取り巻き前記ダイアフラムによっておおわれた
   遷移部材にして、上記本体の金属と冶金学的に両立し得
   る金属の第１部分を有し、該第１部分は上記本体に隣接
   して配置されており、また上記ダイアフラムの金属と冶
   金学的に両立し得る別の金属の第２部分を有し、該第２
   部分は上記ダイアフラムに隣接して配置されており、更
   に上記第１及び第２部分が互に密封的に結合されている
   遷移部材と；を備え、 上記ダイアフラム及び遷移部材ｌこよって上記金属本体
   が上記腐蝕性の流体から保護されるよう上記第１部分が
   上記本体に融接されまた上記第２部分が上記ダイアフラ
   ムに融接されることを特徴とするダイアフラム装置。 ２ 上記遷移部材の上記第１部分が上記本体と同一金属
   より成り、上記遷移部材の上記第２部分が上記ダイアフ
   ラムと同一金属より成ることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のダイアプラム装置。 ３ 上記第１部分がステンレス鋼であり、上記第２部分
   がタンタルであることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載のダイアフラム装置。 ４ 上記第１及び第２部分が爆発結合により分子的に１
   体に結合されたことを特徴とする特許請求の範囲第３項
   記載のダイアフラム装置。 ５ 上記本体の上記室の周囲に一般に矩形断面の円形凹
   み手段を有し、上記遷移部材が上記凹みの内部に位置す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のダイア
   フラム装置。 ６ 上記凹みが上記室に直接隣接して上記本体の周囲か
   ら内方へ配設されたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載のダイアフラム装置。 ７ 上記遷移部材の上記ステンレス鋼部分が該部材の外
   周に沿って配設されたことを特徴とする特許請求の範囲
   第６項記載のダイアフラム装置。 ８ 上記遷移部材が上記凹みの外方表面にのみプレスは
   めされ、よって温度サイクルの間上記装置の各金属の自
   由な運動を可能とすることを特徴とする特許請求の範囲
   第７項記載のダイアフラム装置。 ９ 上記凹みが上記本体の外周に沿って配設されたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載のダイアフラム
   装置。 １０ 上記遷移部材の上記ステンレス鋼部分が該部材
   の内周に沿って配設されたことを特徴とする特許請求の
   範囲第９項記載のダイアフラム装置。 １１ 上記本体を包囲し、上記遷移部材の上記タンタ
   ル部分へ融接により固着されたタンタル製の管状スリー
   ブを包含することを特徴とする特許請求の範囲第１０項
   記載のダイアフラム装置。