(57)【要約】清潔な環境のための圧力送信機を提供する。【解決手段】清潔な処理環境用の圧力送信機（１４）が開示される。圧力送信機（１４）は、プロセスコネクタ（４８）、溶接リング（４２）、圧力センサモジュール（４６）、フレーム（２６）、およびハウジング（２２）を含む。プロセスコネクタ（４８）は、プロセス流体源（１８）に結合可能であり、圧力センサモジュール（４６）にプロセス流体を導く。プロセスコネクタ（４８）は、プロセス流体を圧力センサ（６０、８０）に結合するために、圧力センサモジュール（４６）に封止される。溶接リング（４２）は、圧力センサモジュール（４６）の周りに配置されて、第２のプロセス流体封止を提供する。圧力センサモジュール（４６）は、圧力センサ（６０、８０）に可動的に結合される隔離ダイアフラム（７６）を含む。圧力センサ（６０、８０）は、充填材（８２）によって互いに離されたダイアフラムの撓みによって変化する電気的特性を提供する要素を有する可撓性センサダイアフラムを含む。充填材（８２）は、ポリウレタンであり得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
清潔な環境用の圧力送信機であって、該圧力送信機は、
プロセス流体源に結合可能なプロセス結合、
プロセス流体と流体的に通信するために、前記プロセス結合に結合され、プロセス流体圧力によって変化する電気的特性を有する圧力センサモジュール、
前記圧力センサモジュールに操作可能に結合され、少なくとも一つの電気的特性の測定に基づく信号を提供するように適合された測定回路、および
前記測定回路に結合され、圧力に関する情報をプロセス制御ループに提供するように適合された通信回路からなり、かつ
前記プロセス結合に溶接されて、前記プロセス流体のために第２の封止を提供するように前記圧力センサモジュールの周りに配置された溶接リングをさらに含み、前記溶接リングは、該溶接リングの外周から外側に延びる圧力送信機。
【請求項２】
前記溶接リングがハウジングに結合するように適合された請求項１の送信機。
【請求項３】
前記溶接リングが、タイプ３１６Ｌ　フェライト　＃３−１０ステンレス鋼で作られる請求項１の送信機。
【請求項４】
清潔な環境用の圧力送信機であって、該圧力送信機は、
プロセス流体源に結合可能なプロセス結合、
プロセス流体と流体的に通信するために、前記プロセス結合に結合され、プロセス流体圧力によって変化する電気的特性を有する圧力センサモジュール、
前記圧力センサモジュールに操作可能に結合され、少なくとも一つの電気的特性の測定に基づく信号を提供するように適合された測定回路、および
前記測定回路に結合され、圧力に関する情報をプロセス制御ループに提供するように適合された通信回路からなり、かつ
さらに、前記圧力センサモジュールが、
前記プロセス流体に接触するように配置された隔離ダイアフラム、
前記圧力センサモジュール内に配置された可撓性センサダイアフラム式圧力センサ、および
前記隔離ダイアフラムと前記センサダイアフラムとの間に配置され、エラストマーで作られる充填材を含む圧力センサモジュールである圧力送信機。
【請求項５】
前記エラストマーがポリウレタンである請求項４の送信機。
【請求項６】
前記ポリウレタン充填材がポリエ−テル芳香族ポリウレタンである請求項５の送信機。
【請求項７】
前記充填材が、ＳＴ−１８９０−９１ポリウレタンである請求項５の送信機。
【請求項８】
前記充填材が、ＳＴ−１８８０−８７ポリウレタンである請求項５の送信機。
【請求項９】
前記充填材が、前記隔離ダイアフラムと前記センサダイアフラムの両方に接着されている請求項４の送信機。
【請求項１０】
圧力送信機用の圧力センサモジュールであって、
ヘッダアセンブリ、
前記ヘッダアセンブリに装着され、ダイアフラムの撓みによって変化する電気的特性を有する該ダイアフラム上に配置された少なくとも一つの要素を有する可撓性センサダイアフラム、
前記ヘッダアセンブリに結合され、プロセス流体に接触するように適合され、可撓性センサダイアフラムに動作可能に結合された隔離ダイアフラム、および
前記隔離ダイアフラムと前記可撓性センサダイアフラムとの間に挿入されたエラストマー充填材からなる圧力センサモジュール。
【請求項１１】
前記エラストマーが、ポリウレタンである請求項１０の送信機。
【請求項１２】
前記ポリウレタン充填材が、ポリエ−テル芳香族ポリウレタンである請求項１０の送信機。
【請求項１３】
前記充填材が、ＳＴ−１８９０−９１ポリウレタンである請求項１２の送信機。
【請求項１４】
前記充填材が、ＳＴ−１８８０−８７ポリウレタンである請求項１２の送信機。
【請求項１５】
前記充填材が、前記隔離ダイアフラムと前記センサダイアフラムとの両方に接着される請求項１０の送信機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、一般的に圧力送信機に関する。より詳細には、本発明は、清潔な環境内で用いられる圧力送信機に関する。
【０００２】
ある産業プロセスは、一般的な製造プロセスに比べて比較的に清潔な処理環境を必要とする。そのような清潔なプロセスの例としては、半導体製造、製薬、および食品処理がある。このような環境では、全ての処理装置が、そのプロセスを汚染することなく、確実にその要求される機能を果たすことができるようにすることが非常に重要になる。
【０００３】
産業処理環境で高度に有用になってきたひとつの装置が圧力送信機である。圧力送信機は、プロセス内の流体圧力を感知し、その圧力を表す電気信号を制御システムに提供する。一般的には、圧力送信機は、そこに加えられる圧力に直接的に応答して湾曲する可撓性ダイアフラムを含む圧力センサを有し、圧力センサは、ダイアフラムの撓み、およびそれによる圧力に応答して、その電気的特性を変えるダイアフラム上に電気的構造を有する。容量式圧力センサを用いる圧力送信機は、一般的には、センサ感度を高めるために圧力センサの容量を増大する誘電性の充填流体で満たされる。しかしながら、センサの漏洩が増大した場合には、時折シリコンオイルである誘電性の充填流体が、システム内部にこぼれ、よって製品を汚染する。したがって、極めて清潔な環境を必要とする産業プロセスは、一般的には、充填流体を用いる圧力センサを許容しない。よって、そのような清潔な環境用に設計された圧力送信機は、一般的には、充填流体を用いることなくプロセス流体圧力を感知することが望まれる。
【０００４】
清潔な環境用の多くの圧力送信機は周知であるが、清潔な環境で用いるための、単純で安価な圧力送信機を提供することが継続的に必要とされている。
【０００５】
発明の概要
清潔な処理環境のための圧力送信機が開示される。圧力送信機は、プロセスコネクタ、溶接リング、圧力センサモジュール、フレーム、およびハウジングを含む。プロセスコネクタは、プロセス流体源に結合可能であり、プロセス流体を圧力センサモジュールに誘導する。プロセスコネクタは、プロセス流体を圧力センサに結合するために、圧力センサモジュールに封止される。溶接リングは、圧力センサモジュールの周りに配置され、二次的なプロセス流体封止を提供する。圧力センサモジュールは、プロセス流体圧力を表すデジタルデータを提供するために、測定回路に電気的に結合される。フレームは、溶接リングに結合され、ハウジングは、所定の位置に固定されたときに、溶接リング上に載るように、フレームおよび溶接リングに結合可能である。
【０００６】
圧力センサモジュールは、圧力センサに操作可能に結合される隔離ダイアフラムを含む。圧力センサは、ダイアフラムの撓みによって変化する電気的特性を提供する要素をその上に有する、可撓性シリコンダイアフラムを含む。隔離ダイアフラムおよび可撓性ダイアフラムは、充填材によって互いに分離される。充填材は、ポリウレタンであってよい。
【０００７】
図面の簡単な説明
図１は、プロセス制御および測定システムの一部の概略図である。
図２は、本発明の一つの実施例による圧力送信機の分解斜視図である。
図３は、本発明の一つの実施例による圧力送信機のシステムブロック図である。
図４は、本発明の一つの実施例によるセンサモジュールの側断面図である。
図５は、閉端プロセスコネクタの斜視図である。
図６ａおよび６ｂは、本発明の実施例による圧力送信機の斜視図である。
図７は、本発明の一つの実施例による溶接リングの斜視図である。
【０００８】
好ましい実施例の詳細な説明
図１は、プロセス通信ループ１６を介して高純度圧力送信機１４（ＨＰＴ）に結合されたコントローラ１２を含むプロセス制御および測定システム１０の一部の概略図である。図示されるように、ＨＰＴ１４は流体源１８に結合されており、プロセス流体を受け取り、流体圧力の表示を提供する。プロセス流体源１８からの流体は、ＨＰＴ１４を貫流するので、ＨＰＴ１４は、フロースルー（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ）設計で示される。流体がＨＰＴを貫流しないような他の実施例は、本明細書中に後述される。コントローラ１２をＨＰＴ１４に結合する一対の導線が概略的に図示されているが、任意の適当な数の導線が用いられてもよい。さらに、例えば、ハイウェイ−アドレサブル−リモート−トランスデューサ（Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＨＡＲＴ（登録商標））、ファンデーション（ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ：商標）フィールドバス、あるいは他の適当なプロトコルを含む、あらゆる適当なプロセス通信プロトコルが、ＨＰＴ１４とコントローラ１２との間の通信に用いられ得る。本質的に、ＨＰＴ１４は、そこを貫流するプロセス流体の圧力の表示をコントローラ１２へ提供する。ＨＰＴ１４は、そこを貫流するプロセス流体を汚染するというリスクのない方法でそのような測定を実行する。
【０００９】
図２は、本発明の実施例によるＨＰＴ１４の分解斜視図である。図示されているように、ＨＰＴ１４はファスナ２０を外すことにより、ハウジング２２を持ち上げてＨＰＴ１４の内部を露出することができる。コネクタ２４は、フレーム２６に結合されており、囲い２２が持ち上げられるときに、その貫通穴２８の下側に残る。コネクタ２４は、ベンディックス（Ｂｅｎｄｉｘ：商標）コネクタであるのが好ましい。フレーム２６は、端部３２と３４との間に延びる一対のアーム３０を含む。スタンドオフ３６は、ＨＰＴ１４に関連する様々な回路を搭載する複数のプリント回路基板３８、４０を支持する。フレーム２６は、タイプ３１６Ｌフェライト（ｆｅｒｒｉｔｅ）＃３−１０ステンレス鋼で作られるのが好ましい溶接リング４２に固定される。溶接リング４２は、ハウジング２２が十分に下がって密封されるときに、ハウジング２２の底表面４５に接触する環状の縁４４を含む。溶接リング４２は、プロセスコネクタ４８の頂部に、センサモジュール４６を取り囲んで固定する。
【００１０】
ＨＰＴ１４の全ての部品は、半導体装置および材料の国際標準（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ：ＳＥＭＩ）の要件に従って選択されるのが好ましい。例えば、プロセスコネクタ４８は、タイプ３１６Ｌステンレス鋼の真空アーク再溶解物（Ｖａｃｕｕｍ Ａｒｃ Ｒｅｍｅｌｔ：ＶＡＲ）であるのが好ましい。さらに、センサモジュール４６内のダイアフラム（図示されず）は、同じ材料で作られるのが好ましい。ハウジング２２は、タイプ３０４ステンレス鋼で作られるのが好ましく、フレーム２６は、アルミニウムあるいはプラスチックで作られるのが好ましい。同業者は、多くの材料がＳＥＭＩに従って選択され得ること、および前記の材料は、単にその一つの特徴的な組み合わせであることを理解するであろう。
【００１１】
プロセスコネクタ４８は、最小表面粗度１０Ｒａを獲得するために、研磨加工され、滑らかにされている。センサモジュール４６および溶接リング４２は、溶接プロセスの前か後で、電気研磨されるセンサ／溶接リングアセンブリを形成するように、一緒に溶接される。これにより、７Ｒａより低い表面仕上げが確実に達成され、さらに、その表面上に確実に所望の冶金が出現する。フレーム２６は、それから溶接リング４２に固定され、その後回路基板３８、４０がフレーム２６上に装着される。基板３８、４０が、一旦そのように装着されると、センサモジュール４６と回路基板３８、４０との間に電気的な結合がもたらされる。前述の電気結合は可撓性ケーブルを介するのが好ましい。次に、コネクタ２４は、フレーム２６の頂部上に配置され、多芯電気ケーブル（ｍｕｌｔｉ−ｗｉｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃａｂｌｅ）を介して回路基板３８、４０に電気的に結合される。コネクタ２４が、一旦そのように結合されると、ハウジング２２が組み合わされ、ねじ２０が、ハウジング２２とコネクタ２４とをフレーム２６にしっかりと固定するために用いられる。
【００１２】
図３は、本発明によるＨＰＴ１４のシステムブロック図である。ＨＰＴ１４は、それぞれプロセス通信ループ１６に結合するように適合された電源モジュール５０およびループ通信機５２を含む。電源モジュール５０は、ループ１６からエネルギを受け取り、「全部品へ」と記された矢印５４で示されるようにＨＰＴ１４のすべての部品に電力を提供する。また、ループ通信機５２は、プロセス通信ループ１６に結合可能であり、ループ１６を介する双方向通信用に適合される。ループ通信機５２は、コントローラ５６に結合されて、ループ１６から受信されたプロセス通信信号を表すデータをコントローラ５６に提供することができる。反対に、ループ通信機５２は、コントローラ５６からデータを受信し、ループ１６上に適当なプロセス通信信号を生成することができる。コントローラ５６は、測定回路５８に結合され、測定回路５８はセンサ６０に結合される。好ましい実施例では、センサ６０は、ダイアフラムの撓みと共に変化する電気的特性を有するピエゾ抵抗（ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子である。センサ６０のより詳細な説明は、図４に関して述べられる。測定回路５８は、センサ６０の変動する電気的特性を測定するための適当な回路を含み、プロセス流体圧力を表すデータをコントローラ５６に提供する。測定回路５８は、センサ６０に作用する圧力を表す電圧を、コントローラ５６に送信するのに適したデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器を含むのが好ましい。
【００１３】
図４は、本発明の一つの実施例によるセンサモジュール４６の側断面図である。センサモジュール４６は、結合支柱７４が貫通するのを可能にするために、それを貫通して延びる複数の孔７２を有するヘッダアセンブリ７０を含む。センサモジュール４６は、ヘッダアセンブリ７０に結合されるリング部材７８に溶接される隔離ダイアフラム７６を含む。隔離ダイアフラム７６は、タイプ３１６Ｌ　ＶＡＲステンレス鋼で作られるのが好ましい。隔離ダイアフラム７６は、充填材８２を介してセンサ８０に結合される。プロセス流体は、隔離ダイアフラム７６に対して矢印８４の方向に作用する。このように、圧力は、充填材８２を通って伝えられて、センサ８０を偏向させる。センサ８０は、少なくとも一つの表面上に配置され、センサの撓みに応答して変化する電気的特性を有するような１つ以上のピエゾ抵抗を有する、可撓性シリコンダイアフラムを含むのが好ましい。このようなピエゾ抵抗は、同業者には周知である。貫通コネクタ７４は、ボンディングワイヤ８６に結合されるので、センサ８０上に配置されるピエゾ抵抗に電気的にアクセスすることが可能である。センサモジュール４６は、最初にセンサ８０の反対側と流体的に通じるチューブ８８も含む。チューブ８８を大気圧に開くことによって、センサモジュール４６は、基準圧力（ｇａｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を感知するように構成される。さらに、ある実施例では、チューブ８８に真空が結合されて、永続的な真空がセンサモジュール４６内に存在するようにチューブ８８が封止される。これによって、センサモジュール４６は絶対圧力センサに変わる。
【００１４】
センサ８０は、台座９０の近くに配置される。台座９０の頂部は、接着剤９２を介してヘッダアセンブリ７０に結合されるのが好ましい。スペーサ９４もセンサモジュール４６内に配置される。
【００１５】
充填材８２の選択は、センサモジュール４６が長期間有効であるためには比較的に重要である。例えば、部材８２が硬すぎると、プロセス流体の圧力を、ある程度相殺し、それによってセンサモジュール４６の感度が低下する。さらに、充填材８２とセンサ８０との間、あるいは充填材８２と隔離ダイアフラム７６との間の粘着性の接着が離れるか、あるいは、さもなければ、薄くはがれるようなことがあれば、そのような状態は、不所望な誤差を招く。なぜなら、隔離ダイアフラム７６の撓みは、必ずしもセンサ８０を適切に撓ませなくなるであろうからである。さらに、充填材８２の機械的な特性が、圧力測定に不所望な変化をもたらさないように、ＨＰＴ１４の熱の保証動作範囲中にわたって比較的に安定していることが重要である。最後に、製造コストを下げる一方、高い生産性が達成できるように、センサモジュール４６が迅速で大量に製造されるのを容易にするように、充填材８２を選択しなければならない。
【００１６】
多数の異なるエラストマー（ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）が充填材８２として試されてきた。このような材料は、（ニューヨーク州オリーン（Ｏｌｅａｎ）のコナップ（Ｃｏｎａｐ）社から入手可能な）Ｃｏｎａｔｈａｎｅ　ＤＰＥＮ−１５６３１　Ｂｌｕｅ；ＲＴＶＳ　２７；（ニューヨーク州ウォーターフォード（Ｗａｔｅｒｆｏｒｄ）のジーイーシリコン（ＧＥ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）から入手可能な）ＧＥ６３０；（マサチューセッツ州サウス　イーストン（Ｓｏｕｔｈ Ｅａｓｔｏｎ）のレジン　テクノロジー　グループ　エルエルシー（Ｒｅｓｉｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ ＬＬＣ）の）Ｏｘｙ−Ｂｏｎｄ１２１４；（ニュージャージー州ハッケンサック（Ｈａｃｋｅｎｓａｃｋ）のマスターボンド（ＭａｓｔｅｒＢｏｎｄ）社から入手可能な）Ｍａｓｔｅｒ　Ｂｏｎｄ　ＥＰ３０−ＦＬ；（ニューヨーク州プレインビュー（Ｐｌａｉｎｖｉｅｗ）のパーマギル　インダストリーズ（Ｐｅｒｍａｇｉｌｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）社から入手可能な）Ｉｎｓｕｌｃａｓｔ　７８１；（パーマギル　インダストリーズ社から入手可能な）Ｉｎｓｕｌｇｅｌ　５０；（コナップ社の）Ｃｏｎａｔｈａｎｅ　ＥＮ−１１；（コナップ社から入手可能な）Ｃｏｎａｔｈａｎｅ　ＥＮ−７；（コロラド州コマース　シティ（Ｃｏｍｍｅｒｃｅ Ｃｉｔｙ）のロクタイト（Ｌｏｃｔｉｔｅ）社から入手可能な）Ｂｉｗａｘ　８２１０５１；および（コナップ社から入手可能な）Ｃｏｎａｔｈａｎｅ　ＥＮ−２５２３を含む。しかしながら、二つの特徴的な物質が充填材８２の機能にとって優秀であることが判明した。特に、ほぼ９１ショア（Ｓｈｏｒｅ）Ａのジュロメータ（硬さ）を有するポリエ−テル芳香族ポリウレタンが、優秀であることが判明した。そのようなポリウレタンの例としては、（どちらも、マサチューセッツ州ホリオケ（Ｈｏｌｙｏｋｅ）のスティーブンス　ウレタン（Ｓｔｅｖｅｎ’ｓ Ｕｒｅｔｈａｎｅ）から入手可能な）ＳＴ−１８９０−９１およびＳＴ−１８８０８７がある。一般的にシートの形状で出荷される、充填材８２として好ましいポリウレタンを用いると、隔離ダイアフラムアセンブリが装着される前に、モジュール４６内に正確にぴったり合うように、割り当て部分が切り取られる。続いて、圧力が隔離ダイアフラム７６に加えられ、センサモジュール４６がほぼ摂氏２００度に熱せられてポリウレタンを流動化する。充填材８２は、冷えるにつれて、センサ８０と隔離ダイアフラム７６とを接合する。加熱プロセスの間中、１インチ平方あたり約２０ポンドの圧力が隔離ダイアフラム７６に加えられるのが好ましい。結果的に、充填材８２は、広範な温度範囲にわたって安定し、センサの寿命を確実に長くすることになる。
【００１７】
図５は、閉端プロセスコネクタ９６の斜視図である。圧力測定装置を通過する流体が必要とされない実施例に対しては、閉端プロセスコネクタ９６が、流体貫通プロセスコネクタ４８の代わりに使用される。その結果が、図６Ａおよび６Ｂに示されるアセンブリである。異なるプロセスコネクタを除き、図６Ａおよび６Ｂに示される送信機は、図１に示される送信機と同じである。
【００１８】
図６Ａおよび６Ｂは、図５に示される閉端プロセス流体コネクタ９６を含む送信機を示す。モジュラコネクタのような他のプロセス流体コネクタも本発明の実施例に用いられ得ることは注意されるべきである。図６Ａおよび６Ｂに示されるように、送信機は、ＶＣＲ取り付け部品（図６Ａの雄型および６Ｂの雌型）を含む。しかしながら、様々な他の適当なプロセス取り付け部品も用いられることができる。
【００１９】
図７は、溶接リング４２の斜視図である。図７でわかるように、溶接リング４２は、ハウジング２２の底表面４５がその上に載る環状の縁部４４を含む。さらに、図７は、その上にフレーム２６を取り付けるのを容易にする、複数の取り付け穴９８を図示する。図示されるように、溶接リング４２は、センサモジュール４６を覆ってぴったり合うような大きさに作られた内径１００を含む。さらに、溶接リング４２は、環状の縁部４４に向かって溶接リング４２の外径１０４から張り出すフレア（ｆｌａｒｅ）部分１０２も含む。フレア部分１０２を提供することによって、溶接リング４２は、第２のプロセス流体封止を作り出す機能を提供し、また、同時に、ハウジング２２が取り付けられる表面を提供する。
【００２０】
本発明を好ましい実施例によって説明してきたが、本発明の精神や範囲を逸脱することなく詳細や形式上の変更が可能なことを当業者は理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
プロセス制御および測定システムの一部の概略図である。
【図３】
本発明の一つの実施例による圧力送信機のシステムブロック図である。
【符号の説明】
１４……高純度圧力送信機、２０……ファスナ、２２……ハウジング、２４……コネクタ、２６……フレーム、２８……貫通穴、３０……アーム、３２，３４……端部、３６……スタンドオフ、３８，４０……プリント回路基板、４２……溶接リング、４４……環状の縁、４５……底表面、４６……センサモジュール、４８……プロセスコネクタ
【図１】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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2004503744.tif 000028
2004503744.tif 000029
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004503744.tif 000030
2004503744.tif 000031
【国際調査報告】
2004503744.tif 000032
2004503744.tif 000033