JP4468996B2 - 隔膜式圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は圧力計測分野に属し、ブルドン管式圧力計や電気式圧力センサ等の市販の圧力センサを、酸やアルカリ性流体での適応、コンタミを嫌う分野、金属イオン溶出を嫌う分野での適応を可能としたもので、機械、化学、電気（半導体）、食品等々、極めて、多岐に渡る隔膜式圧力センサに関する。

一般に、ハウジング内を受圧膜によって第一室と第二室とに仕切り、前記第一室には圧力伝達媒体を充填すると共に、該第一室には圧力伝達媒体の圧力を計測可能に圧力センサを取り付け、前記第二室には計測対象流体の圧力を供給し、前記受圧膜の変位により変化する圧力伝達媒体の圧力を前記圧力センサで検出して計測対象流体の圧力を計測可能とした隔膜式圧力センサが知られている。
この種の隔膜式圧力センサで、硫酸や塩酸、あるいはアンモニア等の腐食性流体の圧力計測を行う場合には、受圧膜等の接液部に耐食性を有するハステロイ（登録商標）Ｃやタンタル等の特殊な金属を使用し、あるいは、金属イオンの溶出やコンタミを嫌う半導体工業関係等では、受圧膜にテフロン（登録商標）等の樹脂を使用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２７５７０２

しかし、従来の構成では、受圧膜の厚さｔが強度的に「ｔ≧０．５ｍｍ」と厚いため、その質量が大きくなり応答性能に劣る問題があった。
また、ハウジングを第一室側の第一ハウジングと第二室側の第二ハウジングとに分割して構成した場合には、第一ハウジングおよび第二ハウジングの各合わせ面の間に、シール部材として、例えばＯリングを介装しなければならず、従来、これが隔膜式圧力センサの小型化を阻む要因となっていた。
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、厚さが薄い受圧膜を使用できる構成を備えると共に、応答性能に優れ、計測誤差の少ない隔膜式圧力センサを提供することにある。
また、ハウジングを第一、第二ハウジングに分割して構成した場合に、各ハウジングの合わせ面間にＯリング等を介装することなく、合わせ面をシールできる隔膜式圧力センサを提供することにある。

本発明は、ハウジング内を受圧膜によって第一室と第二室とに仕切り、前記第一室には圧力伝達媒体を充填すると共に、該第一室には圧力伝達媒体の圧力を計測可能に圧力センサを取り付け、前記第二室には計測対象流体の圧力を供給し、前記受圧膜の変位により変化する第一室内の圧力伝達媒体の圧力を前記圧力センサで検出して計測対象流体の圧力を計測可能とした隔膜式圧力センサにおいて、前記受圧膜が樹脂製であり、その厚さを０．２ｍｍ以下とすると共に、前記ハウジングを第一室側の第一ハウジングと第二室側の第二ハウジングとに分割して形成し、前記第二ハウジングを耐食性に優れる樹脂材料で形成すると共に、前記第一ハウジングを該樹脂材料よりも硬度の高い材料で形成し、前記第一ハウジングにはＶ字の突起を形成し、前記第二ハウジングには該突起が嵌まるＶ字の溝を形成し、溝のＶ字のなす角度を突起のＶ字のなす角度よりも大きく設定し、前記ハウジングの第一室の内壁、および第二室の内壁の形状を、前記受圧膜が最大変形したときのカテナリー曲線形状と略一致させ、前記圧力センサに通じる前記第一室の内壁には複数の細孔を設け、前記受圧膜が組み付け時に前記内壁の形状と略同一形状に塑性変形されて、前記第二室側に支持され、前記受圧膜の周縁部が前記突起および前記溝間に挟持されていることを特徴とする。

本発明では、ハウジングの第一室の内壁、および第二室の内壁の形状を、受圧膜が最大変形したときの形状と略一致させたため、仮に計測対象流体の圧力が過大で、その圧力が受圧膜に付与されて、該受圧膜が最大変形したとしても、受圧膜は第一室の内壁面に均等に当接するため、受圧膜への応力集中はなく、該膜圧を０．２ｍｍ以下と薄くしても破損せず、強度的に耐え得るものとなる。
また、第一室の内壁には圧力センサに通じる複数の細孔を有するため、仮に、受圧膜が最大変形して、該受圧膜が第一室の内壁に当接しても、該受圧膜には細孔に対応する部分にのみ圧力が加わる。従って、第一室の内壁に圧力センサに通じる大きな孔をあけたものと比較して、受圧膜に加わる圧力が減少し、該膜圧を０．２ｍｍ以下と薄くしても破損せず、強度的に耐え得るものとなる。

前記受圧膜が樹脂薄膜により金属薄膜、樹脂製のシール剤、あるいは耐液性を有したグリースのいずれかをサンドイッチして構成されていてもよい。

本発明は、ハウジングの第一室の内壁、および第二室の内壁の形状を、受圧膜が最大変形したときの形状と略一致させたため、仮に計測対象流体の圧力が過大で、その圧力が受圧膜に付与されて、該受圧膜が最大変形したとしても、受圧膜は第一室の内壁面に均等に当接するため、受圧膜への応力集中はなく、該膜圧を０．２ｍｍ以下と薄くしても破損せず、強度的に耐え得るものとなる。
また、第一室の内壁には圧力センサに通じる複数の細孔を有するため、仮に、受圧膜が最大変形して、該受圧膜が第一室の内壁に当接しても、該受圧膜には細孔に対応する部分にのみ圧力が加わる。従って、第一室の内壁に圧力センサに通じる大きな孔をあけたものと比較して、受圧膜に加わる圧力が減少し、該膜圧を０．２ｍｍ以下と薄くしても破損せず、強度的に耐え得るものとなる。

以下、本発明の一実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１Ａにおいて、１はハウジングを示し、このハウジング１は、上部ハウジング（第一ハウジング）３と下部ハウジング５（第二ハウジング）とに分割して構成される。
上部ハウジング３の上部には取り付け孔７が設けられ、取り付け孔７には市販のブルドン管式の圧力センサ９が螺合される。また、上部ハウジング３の両側部には充填孔１１およびニードル弁孔１３が同一軸線上に設けられ、ニードル弁孔１３にはＯリングでシールした状態でニードル弁体１５が軸方向に進退自在に嵌合し、ニードル弁体１５の先端１５Ａは充填孔１１の内端１１Ａを閉塞自在である。

上部ハウジング３の下部には合わせ面３Ａが設けられ、合わせ面３Ａには下部ハウジング５の合わせ面５Ａが当接し、上部ハウジング３と下部ハウジング５とは複数のボルト１７（図１Ｂ）で締結されている。下部ハウジング５はテフロン樹脂製であり、上部ハウジング３は、テフロン樹脂よりも硬度の大きい材質（例えば、ＰＢＴ、ＰＯＭやＰＰＳ樹脂等や、金属）製である。
上部ハウジング３の合わせ面３Ａには、図２に示すように、内周側に一段高くなった合わせ面３Ｂが設けられ、該合わせ面３Ｂには、断面略楔形状の突起２１が環状に形成されている。下部ハウジング５の合わせ面５Ａには、上記合わせ面３Ｂに対応して内周側に一段低くなった合わせ面５Ｂが設けられ、該合わせ面５Ｂには、突起２１が嵌まり合う断面略楔形状の溝２３が環状に形成されている。
下部ハウジング５の下部には接続孔２５が設けられ、接続孔２５には管（図示せず）が接続され、該管を通じて計測対象流体が供給される。

受圧膜３０は、図１に示すように、ハウジング１の内部を第一室３１と第二室３２とに仕切っており、第一室３１および第二室３２のそれぞれの容積は受圧膜３０の変位によって変化する。受圧膜３０は、図２に示すように、中央部３０Ａが、受圧膜３０の最大変形時の形状まで、第二室３２側に予め塑性変形しており、平板状の周縁部３０Ｂが、図１に示すように、合わせ面３Ａ，３Ｂ，５Ａ，５Ｂ、および突起２１と溝２３間に挟持され、これによって、上部ハウジング３および下部ハウジング５間に支持されている。この場合、受圧膜３０が合わせ面３Ａ，３Ｂ，５Ａ，５Ｂ間をシールするため、Ｏリング等のシール部材が不要になる。溝２３のＶ字のなす角度を、突起２１のＶ字のなす角度よりも大きく設定し、締結時の受圧膜３０の破損を防止している。

受圧膜３０は、接液部側の受圧膜材質として、例えば、テフロン系樹脂を用い、圧力センサ９側の受圧膜材質として、金やタンタル、チタン、ＳＵＳ３１６等の金属箔を用い、その上に、ＰＴＦＥや、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＦＴＦＥ樹脂等の薄膜を配置し、２種類以上の受圧膜材料でサンドイッチ構成され、その厚さｔは「ｔ≦０．２ｍｍ」と薄く形成されている。受圧膜３０はサンドイッチ構造に限定されず、樹脂薄膜によって樹脂製のシール剤（例えばニチアス株式会社製のＮＡＦＫＯＮ ＰＡＳＴＥ）、テフロンと同等の耐液性を有したグリース（例えばダイキン工業株式会社製のＤＡＩＦＬＯ ＧＲＥＡＳＥ）等をサンドイッチしてもよい。受圧膜３０を、テフロン系の樹脂薄膜のみで構成した場合には、測定対象流体が通過する可能性を有するが、本構成では金属薄膜、樹脂製のシール剤、あるいは耐液性を有したグリースのいずれかをサンドイッチして構成するため、測定対象流体の通過率を低減でき、安全計測が可能になる。

ハウジング１の第一室３１の内壁３１Ａ、および第二室３２の内壁３２Ａの形状は、受圧膜３０が最大変形したときの形状（例えば、カテナリー曲線の形状）と略一致するよう形成されている。第一室３１の内壁３１Ａには、第一室３１と取り付け孔７とを連通する複数の細孔３３（「径ｄ１≦２ｍｍ」）が形成され、細孔３３は、図３に示すように、取り付け孔７の孔径の範囲内に密に形成される。
また、第二室３２の内壁３２Ａには、第二室３２と接続孔２５とを連通する細孔３４（「径ｄ２≦１ｍｍ」）が形成される。

図１Ａを参照し、上部ハウジング３と下部ハウジング５との間に受圧膜３０を挟み、ハウジング３，５間を締結した後、上部ハウジング３の取り付け孔７に圧力センサ９を連結する。ついで、ニードル弁体１５を後退し、充填孔１１、取り付け孔７、および第一室３１を連通した後に、充填孔１１を通じて第一室３１内にシリコーン・オイル等の圧力伝達媒体を充填する。充填時には、充填孔１１から「真空、充填、真空、充填…」の反復作用を行い、液中の気泡を排除して充填を行う。充填後は、ニードル弁体１５を前進し、該ニードル弁体１５の先端１５Ａで、充填孔１１の内端１１Ａを閉塞する。そして、充填孔１１に閉塞プラグ（図示せず）を螺合する。
ブルドン管式の圧力センサ９は、外部振動や脈動計測に弱く、定期的に交換されることが多い。このような場合、圧力伝達媒体を真空充填し直さなければならないが、従来、充填孔はそのまま開放していたため、充填完了後、プラグを締め付ける際に、圧力伝達媒体の液体中に、空気が再混入し、また、プラグ捻じ込みの際に、内部加圧を生じて、ゼロ点調整の作業がし難かった。
本構成では、ニードル弁体１５で、充填孔１１の内端１１Ａを閉塞した後に、充填孔１１を閉塞プラグで閉塞するため、閉塞プラグ締結時の空気混入、内部加圧を防止でき、高度な調整を実現できる。

上記受圧膜３０を形成する場合、例えば組立時に塑性変形すればよい。この場合、上記のようにサンドイッチ構成した平板状の「１〜複数枚の薄膜」からなる受圧膜の素材を準備し、この平板状の受圧膜を、上部ハウジング３と下部ハウジング５との間に挟み込み、下部ハウジング５の接続孔２５より、任意の圧力を負荷させて放置する。これにより、受圧膜の中央部を、上部ハウジング３の内壁３１Ａに設けた「受圧膜が変形する最大変形状態のカテナリー曲線形状」に密着させて、過大圧力で塑性変形する。この構成では、カテナリー曲線形状を簡単に形成できる。

隔膜式圧力センサでは、圧力伝達媒体（充填液体）が、圧力センサ９と圧力平衡状態にある場合に、例え、その圧力が１００ＭＰａという過大圧力状態であっても、鉄筋コンクリート壁に押し付けられた「紙」のように、受圧膜３０の厚さｔが１μｍであっても破損することはない。このような考えで、受圧膜３０として、「ｔ≦０．２ｍｍ」の膜を使用した。このような従来を越える薄い受圧膜３０の適用により、質量の削減による運動エネルギー軽減が図れ、圧力計測の応答性能が大幅に向上し、その結果、応答性能に優れる電気式のトランスデューサーの適用を可能とした。
受圧膜３０の運動エネルギーＥは、その質量をｍ、速度をＶとすると、Ｅ＝ｍＶ²／２で表される。圧力を受ける有効面積をＡ、受圧膜の厚さをｔ、受圧膜材質の比重量をγとすると、Ｅ＝（Ａ・ｔ）γ・Ｖ²／２で表される。
作動圧力（≒誤差圧力）を一定とすると、圧力を受ける有効面積Ａの小型化は困難である。一方の厚さｔについては、市販のテフロン・ゴム（ＦＰＭ）製ダイアフラムの厚さ「ｔ＝０．５ｍｍ」を、例えば「ｔ＝０．１ｍｍ」とすれば、応答性能を、凡そ「０．５／０．１＝５」倍向上できる。

また、過大圧力が負荷された場合でも、受圧膜が破損しないように、第一室３１の内壁３１Ａの形状を、受圧膜３０が最大変形したときの形状（例えば、カテナリー曲線の形状）と略一致させた。そのため、過大圧力が付与されて、受圧膜３０が最大変形した場合には、第一室３１の内壁３１Ａに均等に当接する。要するに、過大圧力が受圧膜に負荷された場合でも、内壁３１Ａに保持・密着され、受圧膜３０への応力集中がなく、「ｔ≦０．２ｍｍ」の薄い受圧膜でも膜が破損しない。
受圧膜３０を支持するハウジングにおいて、圧力センサ９と受圧膜３０との間を連通する流路を、複数個の細孔３３としたため、過大圧力が負荷されても、該受圧膜３０には細孔３３に対応する部分にのみ圧力が加わる。
細孔３３の内径を、例えば１μｍとした場合、１ＭＰａの過大圧力時に、該細孔３３に負荷される力Ｆは、Ｆ≒π・１０（ｋｇ／ｃｍ²）（１／１００００）２／４≒７．９×１０^-2ｍｇと、受圧膜３０には微小な力しか作用しない。従って、第一室３１の内壁３１Ａに圧力センサ９に通じる大きな孔をあけたものと比較して、「ｔ≦０．２ｍｍ」の薄い受圧膜でも破損せず、安全に計測可能とした。第一室３１の内壁３１Ａの細孔３３が、「径ｄ１≦２ｍｍ」であるため、「ｔ≦０．２ｍｍ」の薄い受圧膜３０に、例えば１０ＭＰａ以上の過大圧力が負荷されても膜が破損しない。

接液部である下部ハウジング５に、テフロン系材料を用いると共に、非接液部である上部ハウジング３には、強度的に強い材料を用い、しかも、剛性が高い上部ハウジング３の合わせ面に突起２１を設けたことで、両ハウジング３，５の締結時には、上部ハウジング３のＶ字形状の突起２１が、受圧膜３０を介して、下部ハウジング５のＶ字形状の溝２３に食い込み、漏洩のない確実なシールを機能させて、Ｏリング等のシール材を不要にして、計測器の小型化が図られる。
また、テフロンやポリエチレン等の樹脂製受圧膜３０は、気体を透過するため、長時間、受圧膜３０に圧力を負荷させていると、受圧膜３０を介して圧力伝達媒体（充填液体）に、負荷気体が溶出し、負荷圧力がゼロとなっても、溶出気体の圧力により、圧力センサ９のゼロ点が移動する恐れがある。
本構成では、受圧膜３０においては、接液側にテフロン系薄膜を使用し、圧力センサ９側には芯材として、例えば金、タンタル、チタン、ＳＵＳ３１６等の金属箔を配置し、更には、その上に、テフロン系薄膜を配置してサンドイッチ構造としたため、計測対象流体として例えば気体が、接液側のテフロン系薄膜を浸透しても、芯材により阻止され、それが第一室３１に至ることがない。

圧力センサ９が、容積変化の大きい「ブルドン管式圧力計」である場合、受圧膜３０が平板であれば、受圧膜３０の外径を大きくせざるを得ない。
この構成では、受圧膜３０の中央部３０Ａが、該受圧膜３０の最大変形時の形状まで、第二室３２側に予め塑性変形し、計測対象流体の圧力が付加された場合には、第一室３１側に反転し変位するため、平板状の膜と比較して、受圧膜３０の外径を大きくすることなく、大きい容積変化を実現できる。

図４において、横軸は、圧力センサ９をハウジング１に装着し、圧力を負荷したときの圧力センサ９の計測値を示し、縦軸は、圧力センサ９をハウジング１に装着せずに、直接、圧力を負荷したときの圧力センサ９の計測値を示す。このハウジング１に設けた受圧膜３０の厚さｔは、「ｔ＝０．１ｍｍ」である。図４から明らかなように、両者の相関係数Ｒは「Ｒ²＝１」と完全一致し、比例常数は、「０．９９９７」と、０．００３の差異があるが、この差異は、圧力センサ９の精度から個体差と考えられるため、ハウジング１装着による誤差は「ゼロ」であった。

図５は、別の実施の形態を示す。なお、図５において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、その説明を省略する。厚さ「ｔ≦０．２ｍｍ」の受圧膜３０を適用し、応答性能をよくした結果、図５に示すように、圧力センサに、応答性能に優れる脈動計測可能な電気式圧力センサ「電気式トランスデューサー」９Ａを用いることが可能となった。応答性能重視の場合は、計測部位に連通する流路３６の内径ｄ２が、「ｄ２≧８ｍｍ」に形成される。また、細孔３３の内径ｄ１が、「ｄ１≧２ｍｍ」に形成される。ところで、図２に示すように、脈動やウォーター・ハンマー現象に弱いブルドン管式の圧力センサ９を使用した場合、圧力センサ９が破損する恐れがある。そこで、図２に示す構成では、脈動平滑化のため、細孔３４の径が、「ｄ２≦１ｍｍ」に絞られ、脈動抑制が図られる。計測部の細孔３４を「ｄ２≦１ｍｍ」とすることにより、脈動圧力の平均圧力計測を可能とし、ウォーター・ハンマー現象時でも、圧力計の損傷を回避して、高精度・高耐久性能を実現できた。この結果、図２または図５に示すように、径ｄ２の異なる２種類の下部ハウジング５を用いることにより、ブルドン管式の圧力センサを含む、市販のあらゆる圧力センサの適用が可能となった。

Ａは、本発明の一実施の形態を示す断面図、Ｂは底面図である。 ハウジングの断面図である。 上部ハウジングの底面図である。 隔膜式圧力センサの計測精度を示す図である。 Ａは、本発明の別実施の形態を示す断面図、Ｂは底面図である。

符号の説明

１ ハウジング
３ 上部ハウジング（第一ハウジング）
５ 下部ハウジング（第二ハウジング）
９ 圧力センサ
１１ 充填孔
１３ ニードル弁孔
１５ ニードル弁体
２１ 突起
２３ 溝
３０ 受圧膜
３１ 第一室
３２ 第二室

Claims (2)

1. ハウジング内を受圧膜によって第一室と第二室とに仕切り、前記第一室には圧力伝達媒体を充填すると共に、該第一室には圧力伝達媒体の圧力を計測可能に圧力センサを取り付け、前記第二室には計測対象流体の圧力を供給し、前記受圧膜の変位により変化する第一室内の圧力伝達媒体の圧力を前記圧力センサで検出して計測対象流体の圧力を計測可能とした隔膜式圧力センサにおいて、
   前記受圧膜が樹脂製であり、その厚さを０．２ｍｍ以下とすると共に、
   前記ハウジングを第一室側の第一ハウジングと第二室側の第二ハウジングとに分割して形成し、前記第二ハウジングを耐食性に優れる樹脂材料で形成すると共に、前記第一ハウジングを該樹脂材料よりも硬度の高い材料で形成し、前記第一ハウジングにはＶ字の突起を形成し、前記第二ハウジングには該突起が嵌まるＶ字の溝を形成し、
   溝のＶ字のなす角度を突起のＶ字のなす角度よりも大きく設定し、
   前記ハウジングの第一室の内壁、および第二室の内壁の形状を、前記受圧膜が最大変形したときのカテナリー曲線形状と略一致させ、
   前記圧力センサに通じる前記第一室の内壁には複数の細孔を設け、
   前記受圧膜が組み付け時に前記内壁の形状と略同一形状に塑性変形されて、前記第二室側に支持され、前記受圧膜の周縁部が前記突起および前記溝間に挟持されていることを特徴とする隔膜式圧力センサ。
2. 前記受圧膜が樹脂薄膜により金属薄膜、樹脂製のシール剤、あるいは耐液性を有したグリースのいずれかをサンドイッチして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の隔膜式圧力センサ。

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