JP7460388B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
はじめに、本発明の第1の実施の形態である圧力センサ1Aを、図1および図2に基づいて説明する。
先ず、圧力センサ1Aの構成について説明する。この圧力センサ1Aは、図1に示すように、ハウジング10とダイアフラム20と圧力検出素子30とから主に構成されており、さらに、ハウジング10とダイアフラム20との間に介在する断熱部材40、50を備えている。
ハウジング10は、被測定流体Fが流出入する配管Hと接続する連結部材としての機能と、ダイアフラム20の移動を規制する支持部材としての機能と、圧力検出素子30を粉塵等から保護するカバー部材としての機能とを有する要素であって、耐食性の高い金属材料、例えば、ステンレス鋼(SUS)からなる。ハウジング10は、例えば、配管Hと連結する接続部11と、圧力検出素子30を収容する空間を内側に備えるセンサハウジング部12とが一体成形された形で構成されている。また、ハウジング10の下面には、配管Hと対向する端面13が形成されており、この端面13の中央部には、ダイアフラム20が組み込まれる開口部14が形成されている。
ダイアフラム20は、配管Hの内部空間と空洞部15とを非連通状態で隔絶する隔壁部材としての機能と、被測定流体Fの圧力Pを受圧するとその一部がたわむ変形部材としての機能とを備える要素であって、ハウジング10と同じく耐食性が高い材料、例えば、ステンレス鋼(SUS)またはチタンから形成されている。ダイアフラム20は、図2に示すように、その中央部に薄膜部21が形成され、薄膜部21の外側に外周縁部22が形成されている。また、ダイアフラム20の下面(配管Hと対向する側の面)は、被測定流体Fと接する流体接触面20aの少なくとも一部を形成している。
薄膜部21は、受圧面21aを通じて大気よりも高い被測定流体Fの圧力Pが印加されると、外周縁部22と連接する周縁が所定の位置に固定されつつ中央が突出するように変形する。この変形は、センサ保持面21bに載置された圧力検出素子30へと伝達される。
なお、本実施の形態では、後述するように、円筒側壁面14aと外周側壁面22bとの間には、弾性材料からなる断熱部材50が圧入されることとなる。このため、外周側壁面22bは、ダイアフラム20の上記第1の移動が規制される「第1の被支持部」としても機能することとなる。
圧力検出素子30は、ダイアフラム20における薄膜部21の変形を電気信号(例えば電圧信号)として検出する回路を備えた要素であって、例えば図2に示すように、3つの支持部材31を介してダイアフラム20のセンサ保持面21bの上に配設されている。圧力検出素子30は、例えば、Si等の半導体材料から成る基板とこの基板の上面に形成されたホイートストンブリッジ回路からなるひずみゲージとから構成されている。ホイートストンブリッジ回路が備える4つの抵抗素子(例えば拡散抵抗)は、薄膜部21の変形に応じてその長さが変位(伸縮)することで抵抗値が増減するように構成されている。これにより、薄膜部21の変形がホイートストンブリッジ回路の中間点の電圧値の変化として検出される。
断熱部材40は、ハウジング10とダイアフラム20との間、より具体的には、ハウジング10に形成された座面12aとダイアフラム20の一部を構成する外周縁部22に形成された上面22c(第1被支持部)との間に配設され、こられ2つの部位の間の熱移動を抑制する部材(特許請求の範囲に記載の「熱伝導低減構造」を構成する部材)である。断熱部材40は、ハウジング10を形成する材料(例えば、ステンレス鋼(SUS)またはチタン)よりも線膨張率の小さな材料、例えば耐熱性の高い材料(ゴムシート等)、フッ素系(PTFE)、シリコン系の材料からなる。断熱部材40は、例えば平面視円環状の薄板部材からなり、その外径はハウジング10に形成された開口部14の開口径未満であり、かつその内径は、空洞部15の開口径以上に設定されている。
断熱部材50は、ハウジング10とダイアフラム20との間、より具体的には、ハウジング10に形成された開口部14の円筒側壁面14aとダイアフラム20の一部を構成する外周縁部22(第2被支持部)の外周側壁面22bとの間に配設され、こられ2つの部位の間の熱移動を抑制する部材(断熱部材40とともに特許請求の範囲に記載の「熱伝導低減構造」を構成する部材)である。断熱部材50は、断熱部材40と同様に、ハウジング10を形成する材料、例えばステンレス鋼(SUS)またはチタンよりも線膨張率の小さな材料(例えば樹脂材料)からなり、好ましくは、ハウジング10とダイアフラム20との間に形成される上記隙間をシールすべく弾性材料からなる。当該弾性材料からなる断熱部材50は、その外径が開口部14の開口径(円筒側壁面14aの直径)よりも大きく、かつその内径が外周縁部22の外径(外周側壁面22bの直径)よりも小さな円環状の部材、例えばOリングからなる。当該仕様の断熱部材50は、円筒側壁面14aと外周側壁面22bとの間に圧入されることとなる。
サニタリー用圧力センサが装着された装置においては、上述したように、清浄性を保つために作動中に蒸気洗浄が実施され、また、高温の被測定流体を測定することがあり得る。このため、ダイアフラムを用いた圧力センサをサニタリー用圧力センサとして使用する場合、作動中にダイアフラムを通じて大きな熱エネルギが圧力センサに入力することが想定される。ここで、従来のダイアフラムを用いたオイルフリー構造の圧力センサにおいては、上述したように、被測定流体と接触するダイアフラムがハウジングの一部分として形成されているため、被測定流体との接触面(ダイアフラムの下面)からハウジング全体に伝熱が妨げられることなく熱エネルギが拡散する。当該事象は、高温の流体にさらされた接触面(ダイアフラムの下面)と外表面が外気にさらされた他の部分との間に連続的な温度分布(温度勾配)を生じさせ、熱変形をもたらす。この温度分布に起因した熱変形は、上述したように、測定誤差をもたらす。これに対し、上記構成のダイアフラムを用いた圧力センサ1Aによれば、以下に示す理由によって、ダイアフラム20およびこれを支持するハウジング10のそれぞれにおいて温度分布が生じることを抑制し、上記熱変形に起因した測定誤差を低減することができる。
つづいて、本発明の第2の実施の形態である圧力センサ1Bを、図3に基づいて説明する。この第2の実施の形態に係る圧力センサ1Bは、断熱部材40を備えておらず、代わりにハウジング10とダイアフラム20との接触面積を低減するためのピラー構造60を具備している点が第1の実施の形態に係る圧力センサ1Aと相違する。なお、これ以外の構成は圧力センサ1Aと同一である。
複数の柱状体61からなるピラー構造を有することで、ダイアフラム20に設けられた「第1の被支持部」とこれに対向するハウジング10に設けられた第1の支持部との接触面積を低減させることができる。これにより、これら2つの部位間の熱移動量(伝熱量)が抑制される。この結果、上記第1の実施の形態と同様に、ハウジング10とダイアフラム20とが、互いに熱的にアイソレーションした状態となり、ハウジング10およびダイアフラム20のそれぞれにおいて、温度分布の発生を抑制することができる。これにより、当該温度分布に起因した測定誤差を抑えることができる。
つぎに、本発明の第3の実施の形態である圧力センサ1Cを、図4に基づいて説明する。この圧力センサ1Cは、断熱部材40を備えておらず、代わりにハウジング10とダイアフラム20との接触面積を低減するための凸状段差部70が設けられている点が第1の実施の形態に係る圧力センサ1Aと相違する。なお、これ以外の構成は圧力センサ1Aと同一である。
凸状段差部70を有することで、ダイアフラム20に設けられた「第1の被支持部(外周縁部22の上面22c)」とこれに対向するハウジング10に設けられた第1の支持部(凸状段差部70の下面70b)との接触面積を低減させることができる。これにより、これら2つの部位間の熱移動量(伝熱量)が抑制される。この結果、上記第1の実施の形態と同様に、ハウジング10とダイアフラム20とが、互いに熱的にアイソレーションした状態となり、ハウジング10およびダイアフラム20のそれぞれにおいて、温度分布の発生を抑制することができる。これにより、当該温度分布に起因した測定誤差を抑えることができる。
つづいて、本発明の第4の実施の形態である圧力センサ1Dを、図5に基づいて説明する。この圧力センサ1Dは、断熱部材40を備えておらず、代わりにハウジング10に真空の空間80が設けられている点が第1の実施の形態に係る圧力センサ1Aと相違する。なお、これ以外の構成は圧力センサ1Aと同一である。
真空の空間80を有することで、ハウジング10に形成された座面12a(第1の被支持部)とダイアフラム20に形成された上面22c(第1の支持部)との間の熱移動量(伝熱量)が抑制される。この結果、上記第1の実施の形態と同様に、ハウジング10とダイアフラム20とが、互いに熱的にアイソレーションした状態となり、ハウジング10およびダイアフラム20のそれぞれにおいて、温度分布の発生を抑制することができる。これにより、当該温度分布に起因した測定誤差を抑えることができる。
つぎに、本発明の第5の実施の形態である圧力センサ1Eを、図6に基づいて説明する。この圧力センサ1Dは、ハウジングが2つの部品に分割されており、こられ2つの部品の間に「熱伝導低減構造」としての断熱部材が配設されている点が第1の実施の形態に係る圧力センサ1Aと異なっている。
上記構成の圧力センサ1Eにおいては、薄膜部21と外周縁部22のみから構成された熱容量の小さいダイアフラム20が、断熱部材40、50を通じてハウジング10Eとの間で熱的にアイソレーションされることで、第1の実施の形態に係る圧力センサ1Aと同様の効果がもたらされる。
また、上記構成の圧力センサ1Eにおいては、ハウジング10Eが接続ハウジング11Eとセンサハウジング12Eとに分割され、かつ互いが断熱部材90を通じて熱的にアイソレーションされているため、これら2つの部材ごとに均熱化が促進される。これにより、ハウジング10Eに温度分布が生じることを効果的に抑制することができる。この結果、温度分布に起因した測定誤差を、より確実に抑えることができる。
最後に、本発明の第6の実施の形態に係る圧力センサ1Fを、図7に基づいて説明する。この圧力センサ1Fは、断熱部材40、50を備えておらず、代わりにハウジング10とダイアフラム20との間に真空の空間100が配設されている点が第1の実施の形態に係る圧力センサ1Aと相違する。なお、これ以外の構成は、圧力センサ1Aと同一である。
真空の空間100を有することで、ハウジング10に形成された座面12a(第1の被支持部)とダイアフラム20に形成された上面22c(第1の支持部)との間、およびハウジング10に形成された開口部14を画成する円筒側壁面14a(第2の支持部)とダイアフラム20を構成する外周縁部22の外周側壁面22b(第2の被支持部)との間の熱移動量(伝熱量)が抑制される。この結果、上記第1の実施の形態と同様に、ハウジング10とダイアフラム20とが、互いに熱的にアイソレーションした状態となり、ハウジング10およびダイアフラム20のそれぞれにおいて、温度分布の発生を抑制することができる。これにより、当該温度分布に起因した測定誤差を抑えることができる。
Claims (8)
- 被測定流体が流出入する配管と対向する端面に開口部が形成されたハウジングと、
前記開口部を塞ぐように配設されるとともに、前記被測定流体の圧力を受けて変形する薄膜部が中央部に形成されたダイアフラムと、
前記変形を電気信号として検出するために前記薄膜部の表面に載置された圧力検出素子と、
を備え、
前記ダイアフラムは、前記薄膜部の外周縁部に形成された被支持部を介して自身の移動が規制されるように前記ハウジングに支持され、この被支持部と前記ハウジングとの間に、相互間の熱移動を抑制する熱伝導低減構造が設けられ、
前記ハウジングは、内側に形成された空洞部に前記圧力検出素子を収容するセンサハウ
ジングと前記配管と接続する接続ハウジングとに分割されてなり、前記熱伝導低減構造を
備える前記被支持部が、前記センサハウジングおよび前記接続ハウジングの少なくとも一つに設けられている圧力センサ。 - 請求項1に記載の圧力センサにおいて、
前記被支持部は前記被測定流体の圧力が印加される方向の移動が規制される第1の被支持部と前記方向に対して垂直な面内の移動が規制される第2の被支持部とから構成され、
前記第1の被支持部および前記第2の被支持部の少なくとも1つが前記熱伝導低減構造を備える圧力センサ。 - 請求項1または2に記載の圧力センサにおいて、
前記センサハウジングと前記接続ハウジングとの間に相互の熱移動を抑制する熱伝導低減構造がさらに設けられている圧力センサ。 - 請求項1ないし3のいずれか1つに記載の圧力センサにおいて、
前記熱伝導低減構造の少なくとも一部は、前記ハウジングを形成する材料よりも熱伝導率の小さな材料からなる断熱部材が前記ダイアフラムと前記ハウジングとの間に介在することにより構成されている圧力センサ。 - 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の圧力センサにおいて、
前記熱伝導低減構造の少なくとも一部は、前記ダイアフラムと前記ハウジングとの接触面積を低減する構造からなる圧力センサ。 - 請求項5に記載の圧力センサにおいて、
前記接触面積を低減する構造は、前記ダイアフラムおよび前記ハウジングの少なくとも一方に突設された複数の柱状体を介して前記ダイアフラムと前記ハウジングとが接するピラー構造である圧力センサ。 - 請求項5に記載の圧力センサにおいて、
前記接触面積を低減する構造は、前記ダイアフラムおよび前記ハウジングの少なくとも一方に設けられた凸状段差部を介して前記ダイアフラムと前記ハウジングとが接する構造である圧力センサ。 - 請求項1ないし7のいずれか1つに記載の圧力センサにおいて、
前記熱伝導低減構造の少なくとも一部は、前記ダイアフラムと前記ハウジングとの間に形成された真空の空間によって構成される圧力センサ。
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