2023-94564 水素含有流動媒体に使用するためのダイアフラムを備えたトランスデューサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023094564

(43)【公開日】2023-07-05

(54)【発明の名称】水素含有流動媒体に使用するためのダイアフラムを備えたトランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 19/06 20060101AFI20230628BHJP

【ＦＩ】

G01L19/06 A

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022192767

(22)【出願日】2022-12-01

(31)【優先権主張番号】21217511

(32)【優先日】2021-12-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(31)【優先権主張番号】22203343

(32)【優先日】2022-10-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】502281471

【氏名又は名称】キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジョヴァンニ マストロジャコモ

(72)【発明者】

【氏名】ハンス ベアト メルキ

(72)【発明者】

【氏名】トマス カドノー

【テーマコード（参考）】

2F055

【Ｆターム（参考）】

2F055AA31

2F055BB05

2F055CC02

2F055DD01

2F055EE40

2F055FF38

2F055GG22

2F055HH08

(57)【要約】

【課題】水素による耐食性を改善したダイアフラムを備えたトランスデューサの提供
【解決手段】本発明のトランスデューサ（１）は、水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）であって、水素含有流動媒体（１３）は、第１の空間（１４）内に配置され、トランスデューサ（１）は、流動媒体（１３）に面する圧力側端部（１１）と、第２の空間（１５）を含むハウジング（７）と、測定装置（１６）とを備え、測定装置（１６）は、第２の空間（１５）内に配置され、圧力側端部（１１）において、トランスデューサ（１）は、水素含有流動媒体（１３）を含む第１の空間（１４）を第２の空間（１５）から気密に分離するためのダイアフラム（２）を備え、ダイアフラム（２）は、金属材料（３）を含み、金属材料（３）は、高合金マルテンサイトからなる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）であって、
前記水素含有流動媒体（１３）は、第１の空間（１４）内に配置され、
前記トランスデューサ（１）は、前記流動媒体（１３）に面する圧力側端部（１１）を備え、
前記トランスデューサ（１）は、第２の空間（１５）を含むハウジング（７）を備え、
前記トランスデューサ（１）は、測定装置（１６）を備え、
前記測定装置（１６）は、前記第２の空間（１５）内に配置され、
前記圧力側端部（１１）において、前記トランスデューサ（１）は、前記水素含有流動媒体（１３）を含む前記第１の空間（１４）を前記第２の空間（１５）から気密に分離するためのダイアフラム（２）を備え、
前記ダイアフラム（２）は、金属材料（３）を含む、前記トランスデューサ（１）において、
前記金属材料（３）は、高合金マルテンサイトからなることを特徴とする、トランスデューサ（１）。

【請求項2】

前記ダイアフラム（２）の前記金属材料（３）は、部分的に凝集性または非凝集性の析出物を伴う高合金マルテンサイトからなることを特徴とする、請求項１に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項3】

前記ダイアフラム（２）の前記金属材料（３）は、部分的に凝集性または非凝集性の析出物を伴う高合金ランセットマルテンサイトからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項4】

前記金属材料（３）は、耐水素腐食性があり、
前記金属材料（３）は、原子状水素に対して透過性がなく、水素に対する前記ダイアフラムの漏れ速度が１０^－６ｍｂａｒ・ｌ／ｓ未満であり、
前記ダイアフラムの厚さは、最大で５００μｍであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項5】

前記金属材料（３）中のクロム元素、モリブデン元素、またはニッケル元素のうちの少なくとも１つの質量含有量が、５重量％を超えることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項6】

前記ダイアフラム（２）の前記金属材料（３）は、少なくとも１０重量％のクロム含有量を有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項7】

前記ダイアフラム（２）の前記金属材料（３）の平均粒子サイズが２０μｍ未満であり、それにより、前記金属材料（３）は、幾何学的寸法が５００μｍ未満の薄肉ダイアフラム（２）の製造に適したものになっていることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項8】

前記ダイアフラムの前記金属材料（３）は、３０体積％未満の残留オーステナイト含有量、好ましくは０％～１０％の残留オーステナイト含有量を有することを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項9】

前記ダイアフラムの前記金属材料（３）は、１体積％を超える残留オーステナイト含有量を有することを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項10】

前記ダイアフラム（２）の前記金属材料（３）は、少なくとも６００ＭＰａかつ最大で１５００ＭＰａの降伏強度を有することを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項11】

前記ダイアフラム（２）の前記金属材料（３）は、少なくとも１０重量％のクロム含有量と、少なくとも４重量％のニッケル含有量とを有し、
非金属の重量割合は、０．２０重量％未満であるか、または前記ダイアフラム（２）の金属材料（３）は、降伏強度が室温で９００ＭＰａ以下の焼入れおよび焼戻しグレードの１．４４１８鋼、または降伏強度が１５００ＭＰａ以下の析出硬化グレードの１．４５３４鋼、または降伏強度が１５００ＭＰａ以下の析出硬化グレードの１．４６１４鋼、または降伏強度が１５００ＭＰａ以下のグレードの１．４５４８鋼であり、
前記材料は、２０℃～１００℃の間の温度範囲で、１０・１０^－６Ｋ^－１～１２・１０^－６Ｋ^－１の間、好ましくは１１．３・１０^－６Ｋ^－１の熱膨張係数を有することを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項12】

前記流動媒体（１３）に面する前記金属材料（３）の表面（６）は、波形を有し、
前記波形によって引き起こされるノッチ応力が、１５００ＭＰａ未満であるか、または前記表面（６）は、少なくとも使用中に前記流動媒体と接触する領域に波形を有し、２つの非平行平面間の移行部が、少なくとも１００μｍの半径および／または少なくとも３０μｍのファセットを有することを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項13】

前記ダイアフラム（２）は、少なくとも使用中に前記流動媒体（１３）と接触する領域に、平均粗さ指数Ｒａが０．８μｍ未満の表面品質を有することを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項14】

前記ダイアフラム（２）の前記金属材料は、３８～５０ＨＲＣのロックウェルＣによる硬度を有することを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【請求項15】

前記ハウジング（７）と前記ダイアフラム（２）は、材料結合接続部（８）によって接続され、
前記ダイアフラム（２）は、使用中に前記流動媒体（１３）と接触する第１の領域（９）を有し、
前記ダイアフラム（２）は、使用中に前記流動媒体（１３）と接触しない第２の領域を有し、
前記材料結合接続部部（８）は、前記第２の領域に配置されることを特徴とする、請求項１～１４のいずれか一項に記載の水素含有流動媒体（１３）の圧力を決定するためのトランスデューサ（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素含有流動媒体に使用するためのダイアフラムを備えたトランスデューサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ダイアフラムは、第１の空間に含まれる流動媒体を第２の空間から分離する。圧力測定技術の分野では、トランスデューサは、測定装置（例えば、トランスデューサ要素）を流動媒体（例えば、圧力が決定される気体および／または液体測定媒体）から分離するダイアフラムを備えることが多い。この目的のために、ダイアフラムは通常、第１の寸法と第２の寸法を有する表面を含み、第１および第２の寸法は、長手方向軸に対してほぼ垂直である。ダイアフラムは、長手方向軸に平行に延在する第３の寸法の壁厚とも呼ばれる厚さを有する。

【0003】

以下において、流動媒体は、少なくとも１体積％（体積パーセント）の水素を含む水素含有流動媒体を意味すると理解される。

【0004】

一般的に、ダイアフラムの表面は、第１の空間で流動媒体と接触する領域を含む。圧力トランスデューサの場合、ダイアフラムのこの領域に作用する流動媒体の圧力は、トランスデューサ要素と略称される圧力トランスデューサ要素に可能な限り少ない損失で伝達される。圧力トランスデューサ要素を含む測定装置の感度に対するダイアフラムの影響が大きくなりすぎないことを保証するために、流動媒体に直接さらされるダイアフラムの領域は、可能な限り最も高い程度の弾性または可能な限り最も低い程度の剛性を示す必要がある。しかしながら、剛性の低いこの領域の材料は、測定圧力によって不可逆的に変形しないことが重要である。降伏強度が約４００ＭＰａ（メガパスカル）の材料を使用する場合、ダイアフラムは不可逆的に変形しないように十分な厚さで製造する必要がある。ダイアフラムは、例えば、ダイアフラムがトランスデューサハウジングに接続されるより厚い領域をさらに含むことができる。より厚いこれらの領域は、ダイアフラムの安定性にも寄与し得る。この場合、より厚い領域は、流動媒体の圧力を圧力トランスデューサ要素に伝達するためには使用されない。

【0005】

金属材料の降伏強度は、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６８９２－１規格に従って決定される。それは、Ｒ_{Ｐ０．２．}値に対応している。

【0006】

ダイアフラムの表面は、実質的に第１の寸法および第２の寸法に沿って延在し得るが、長手方向軸の方向に部分的に湾曲し得る。

【0007】

ダイアフラムはまた、流動媒体を他のタイプのトランスデューサ要素、例えば温度トランスデューサ要素がダイアフラムによって流動媒体から分離されている温度トランスデューサなどから分離することができる。この場合、流動媒体の温度は、ダイアフラムを介して温度トランスデューサ要素に伝達される。この場合も、ダイアフラムの壁厚は、可能な限り高い熱伝達係数を得るために、可能な限り薄くする必要がある。

【0008】

流動媒体に水素が含まれている場合、ダイアフラムは水素に対して不透過性であり、かつ耐性がなければならない。したがって、室温で約４００ＭＰａの降伏強度を有するグレード１．４４０４のオーステナイト鋼（グレード３１６Ｌとしても知られる）またはこれもまた室温で約４００ＭＰａの降伏強度を有するニッケル基合金２．４８１９（Ｃ－２７６としても知られる）などの市販の耐水素性の多結晶金属は、２００℃超で耐熱性でもあるダイアフラムによく使用される。これらの材料は、平均粒子サイズが２０μｍを超えるという特徴がある。これらの粗粒の多結晶金属は、降伏強度が低いために薄肉ダイアフラムを製造できないため、厚さが５００μｍ未満の薄いダイアフラムの材料としては役に立たない。薄いダイアフラムは、急速に不可逆的に変形可能となるであろう。また、ダイアフラムの薄肉領域では結晶粒の数が少ないため、材料は等方的な挙動を示さない。さらに、結晶粒間の粒界に沿った分子状および／または原子状水素の拡散経路は、粗粒領域を介して比較的短い。この方法では、水素が短い経路に沿ってダイアフラムを通って容易に拡散する可能性があるため、これは欠点である。

【0009】

金属および合金の場合、構造という用語は材料の微細構造を指す。例えば、１つの構造はマルテンサイトである。

【0010】

標示１．４４０４および以下に記載されているその他の材料グレード番号は、ＤＩＮ ＥＮ １００２７－２に対応している。

【0011】

分子状および／または原子状の水素が金属材料に浸透すると、これはいわゆる水素脆化につながる。その結果、負荷がかかると材料は脆性破壊の危険性を受ける可能性がある。

【0012】

水素脆化は、金属または金属合金の格子構造への水素の浸透およびその後の取り込みによる、金属または金属合金の延性および強度の変化を意味すると理解される。その結果、水素誘起の割れが発生する可能性があり、水素と接触する用途での水素脆化を受けやすい材料の使用が制限される。

【0013】

強度の高い金属または金属合金は、強度の低い金属よりも水素脆化しやすいことはよく知られている。

【0014】

グレード１．４４０４鋼（グレード３１６Ｌとしても知られる）と合金２．４８１９（Ｃ－２７６としても知られる）から作製された材料は、一般的に耐食性があると考えられている。それらは低い降伏強度を示すため、降伏強度が高い材料と比較して、より小さな力の印加で塑性変形され得る。この欠点を補うために、ダイアフラムは、５００μｍを超える厚い厚さで製造されることがよくある。しかしながら、これは、厚いダイアフラムの高い慣性質量のために不利である。さらに、厚いダイアフラムは、剛性も高くなる。

【0015】

既知の一実施形態では、圧力センサは、流体圧力伝達媒体で満たされたダイアフラムの背後の空間を含む。この実施形態では、流体圧力伝達媒体がダイアフラムの変形に対抗するので、ダイアフラムの不可逆的な塑性変形のリスクが低くなる。流体圧力伝達媒体（例えば、圧縮性がほとんどない油）は、ダイアフラムに作用する圧力を、ダイアフラムから離れて配置された測定要素に伝達する。この場合も、ダイアフラムは、できるだけ損失を少なくして圧力を伝達する必要があり、つまり、ダイアフラムは有利には薄く設計する必要がある。被測定流動媒体に水素が含まれていると、時間の経過とともに水素が流体圧力伝達媒体内に蓄積し、体積が増加してダイアフラムを外側に膨らませる。ダイアフラムは、ダイアフラムを通って拡散した水素によって膨張する。これは、一方でダイアフラムを損傷する可能性があり、他方で測定要素付近の圧力条件を変化させる。ダイアフラムを介した分子状および／または原子状水素の拡散は、センサの長期安定性に悪影響を及ぼす。

【0016】

特許文献１は、合金２．４８１９（Ｃ－２７６としても知られる）から作製されたダイアフラムを備えたトランスデューサを記載している。材料自体は耐食性があると考えられているが、ダイアフラムの厚さが薄いため、水素に対して不透過ではない。特許文献１は、ダイアフラムをコーティングすることによって不十分な水素に対する耐性を達成することを示唆している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0017】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００５０１０９１１４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

本発明の目的は、上述の欠点が減少するようにダイアフラムを改良することである。本発明の別の目的は、原子状および／または分子状水素による腐食に対するダイアフラムの耐性を改善することである。

【課題を解決するための手段】

【0019】

この目的は、独立請求項の構成によって達成された。

【0020】

本発明は、水素含有流動媒体の圧力を決定するためのトランスデューサに関するものである。水素含有流動媒体は、第１の空間内に配置される。トランスデューサは、流動媒体に面する圧力側端部を備える。トランスデューサは、第２の空間を含むハウジングを備える。トランスデューサは、測定装置を備える。測定装置は、第２の空間内に配置される。トランスデューサは、圧力側端部において、水素含有流動媒体を含む第１の空間を第２の空間から気密に分離するダイアフラムを備える。ダイアフラムは、金属材料を含む。金属材料は、マルテンサイト構造を有する。本発明によれば、ダイアフラムの金属材料は、高合金マルテンサイトから作製される。

【0021】

ダイアフラムは、水素含有流動媒体を含む空間を別の空間から分離するように設計されている。水素含有流動媒体は、少なくとも１体積％の水素を含み、以下、腐食剤または腐食性流動媒体とも呼ばれる。

【0022】

腐食は一般的に、材料の測定可能な変化であると理解されている。腐食は、様々な物質への曝露の結果として発生する可能性がある。このように、金属材料の腐食は、様々なアルカリまたは酸、水素または酸素などのガス、塩水、およびその他多くの物質と関連して発生することが知られている。しかしながら、この説明の目的のために、特に明記しない限り、腐食は、原子状または分子状の水素による腐食を意味すると理解される。本発明に係るダイアフラムは、水素による腐食に対する感受性が低くなければならない。

【0023】

驚くべきことに、マルテンサイト構造を有する（つまり、マルテンサイトからなる）細粒鋼は、水素脆化に対する感受性が低く、したがって、ある程度の耐水素性を示す。したがって、ダイアフラムの金属材料は、水素腐食に耐性がある。

【0024】

マルテンサイト構造は、平均粒径が２０μｍ未満であることを特徴とするため、厚さが５００μｍ未満の薄肉ダイアフラムの製造に適している。平均粒径が２０μｍ未満であるため、コンポーネントは等方性の物理的特性を示し、ダイアフラムの使用時に有利である。そうでない場合、例えば、ダイアフラムに負荷を掛けたときに、方向性の影響が有害な方法で発生する。また、粗粒材料とは対照的に、ダイアフラムを通る水素の拡散は、細粒材料の多数の粒界によって減少する。水素含有流動媒体との関連でマルテンサイトを使用することは驚くべきことであり、なぜなら、マルテンサイトは、その比較的高い強度のために、水素含有流動媒体と接触して使用するのには一般的に不適切であると考えられているからである。ＶＹＴＶＹＴＳ’ＫＹＩＶＩ：「高圧水素中の鉄、ニッケル、およびチタンに基づく合金の強度（Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｒｏｎ， Ｎｉｃｋｅｌ， ａｎｄ Ｔｉｔａｎｉｕｍ ｉｎ Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）」、ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＳＣＩＥＮＣＥ、ＫＬＵＷＥＲ ＡＣＡＤＥＭＩＣ ＰＵＢＬＩＳＨＥＲＳ－ＣＯＮＳＵＬＴＡＮＴＳ ＢＵＲＥＡＵ、ＮＥ、４０巻、６号、２００４年１１月１日（２００４－１１－０１）、７１７－７３０ページ、ＩＳＳＮ：１５７３－８８５Ｘ、ＤＯＩ：１０．１００７／Ｓ１１００３－００５－０１０８－８には、「水素中の破滅的な劣化」が記載されている。

【0025】

ダイアフラム全体を５００μｍ未満の厚さで製造する必要はないことを理解すべきである。したがって、ダイアフラムは、例えば、ダイアフラムがトランスデューサハウジングに接続されるより厚い領域を有することもできる。より厚い領域は、ダイアフラムの安定性にも寄与する可能性がある。しかしながら、ダイアフラムが剛性の低い薄肉領域を含むことが重要である。

【0026】

有利なことには、ダイアフラムの金属材料は、部分的に凝集性または非凝集性の析出物を伴う高合金マルテンサイトである。

【0027】

「高合金」という用語は、Ｄｕｂｂｅｌ－Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ ｆuｒ ｄｅｎ Ｍａｓｃｈｉｎｅｎｂａｕ（機械工学向けペーパーブック）、第１４版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－Ｖｅｒｌａｇ １９８１、第３．１．４章に従って使用され、合金含有量が５重量％（重量パーセント）を超えるマルテンサイトを意味する。合金含有量は、合金元素の質量含有量である。その結果、トランスデューサは全体的な耐食性が向上する。この文脈において、合金元素は、排他的にＣｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、またはＮｉ（ニッケル）を意味すると理解される。これらの合金元素は、全体的な耐食性を高める。これにより、水素腐食に対する耐性も向上する。

【0028】

部分的に凝集性の析出物を伴うマルテンサイトまたは非凝集性の析出物を伴うマルテンサイトは、いわゆる析出物が熱処理、時効硬化または粒子硬化とも呼ばれる析出硬化、または粒子硬化によって形成されるマルテンサイトを意味すると理解される。本明細書の意味における部分的に凝集性または非凝集性の析出物は、Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｋｕｎｄｅ－Ｓｔａｈｌ－Ｂａｎｄ １、Ｖｅｒｅｉｎ Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ Ｅｉｓｅｎｈｕｔｔｅｎｌｅｕｔｅ （ｅｄｉｔｏｒ）、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ １９８４、またはＰｉｒｌｏｇ、Ｍａｄａｌｉｎａ、およびＰ．Ｋ．Ｐｒａｎｚａｓ、「小角中性子散乱によるＦＥ－ＣＵ合金中の銅析出物の特徴付け（ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮ ＯＦ ＣＯＰＰＥＲ ＰＲＥＣＩＰＩＴＡＴＥＳ ＩＮ ＦＥ－ＣＵ ＡＬＬＯＹＳ ＷＩＴＨ ＳＭＡＬＬ－ＡＮＧＬＥ ＮＥＵＴＲＯＮ ＳＣＡＴＴＥＲＩＮＧ）」に記載される。

【0029】

析出物では、合金元素の原子が凝集体と呼ばれる蓄積を形成する。これには、材料の硬度の変化が伴う。材料の硬度といわゆる熱老化時間との関係はよく知られている。これは、多くの場合、材料の硬度が熱老化時間に対してプロットされた図の形態で示される。最大硬度に達し、その後再び減少するグローバルな最大値まで、硬度は、熱老化時間の増加とともに増加する。熱老化時間は、特定の温度での熱処理の継続時間を示す特定の時間である。材料の最大硬度Ｈ_ｍａｘは、熱老化時間ｔ（最大硬度）で到達する。この最大硬度Ｈ_ｍａｘでは、いわゆる部分的に凝集性の析出物が存在する。熱老化時間が長くなると、非凝集性の析出物が存在する。Ｍｅｔａｌｌｋｕｎｄｅ、Ｅ．ＨｏｒｎｂｏｇｅｎおよびＨ．Ｗａｒｌｉｍｏｎｔ、第４版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ ２００１に記載されているように、優先的に、析出物は材料内の粒界で形成される。

【0030】

非凝集性および部分的に凝集性の析出物は、水素シンクとして機能する。水素は、水素シンクに蓄積する。これにより、蓄積された水素がさらに材料に浸透するのを防ぐ。凝集性の析出物は、粒子内に位置するが、水素は好ましくは、材料中の粒界に沿って移動できるので、水素の移動度は、凝集性の析出物を伴う材料と比較して減少する。

【0031】

ダイアフラムの材料が、部分的に凝集性および／または非凝集性の析出物を伴う高合金ランセットマルテンサイトからなることが特に好ましい。ランセットマルテンサイトは、Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｋｕｎｄｅ－Ｓｔａｈｌ－Ｂａｎｄ １、Ｖｅｒｅｉｎ Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ Ｅｉｓｅｎｈｕｔｔｅｎｌｅｕｔｅ（ｅｄｉｔｏｒ）、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ １９８４、第Ｂ６．４．４章、またはＭｅｔａｌｌｋｕｎｄｅ、Ｅ．ＨｏｒｎｂｏｇｅｎおよびＨ．Ｗａｒｌｉｍｏｎｔ、第４版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ ２００１、第１５．２章に記載されている材料を意味すると理解されている。その構造において、ランセットマルテンサイトは、層状に配置された平らなランセットを含む。ランセットマルテンサイトは、ブロックマルテンサイトまたはマッシブマルテンサイト、または「ラスマルテンサイト」または「ブロッキーマルテンサイト」または「マッシブマルテンサイト」としても知られている。ランセットマルテンサイトにおける水素の移動度は、ランセットなしのマルテンサイトと比較してさらに低下することが示されている。

【0032】

有利なことには、ダイアフラムの金属材料は、クロム含有量が少なくとも１０重量％であり、ニッケル含有量が少なくとも４重量％である。これらの元素の各々の含有量が少ない金属材料は、全体的な腐食に対する耐性が低くなる。非金属の重量割合は、有利には０．２０重量％未満である。これは、非金属の重量比率が高くなるとマトリックス欠陥が生じ、材料がより脆くなるため、有利である。これは、ダイアフラムの製造にとって不利である。脆性材料は、不安定な亀裂伝播に対する耐性が低い。

【0033】

有利なことには、ダイアフラムの金属材料は、少なくとも６００ＭＰａかつ最大で１５００ＭＰａの降伏強度を有する。６００ＭＰａを超える高い降伏強度は、金属材料の不可逆的な塑性変形を防ぐ。ダイアフラムの剛性を低く保つために、金属材料の降伏強度は、５００μｍ未満の厚さのダイアフラムの所与の幾何学的形状に対して１５００ＭＰａを超えてはならない。通常、圧力トランスデューサのダイアフラムの典型的な直径は、２．０ｍｍ～２０ｍｍである。

【0034】

有利なことには、ダイアフラムの金属材料は、３８～５０ＨＲＣのロックウェルＣ硬度を示す。より低い硬度では、材料は、凝集性の析出物を含む。硬度が高すぎると、水素脆化に対する感受性が再び増加する。

【0035】

特に明記しない限り、例えば、降伏強度、剛性、引張強度、硬度などのすべてのパラメータは室温で与えられる。室温とは、２０℃の温度を意味すると理解されている。

【0036】

ダイアフラムの金属材料は、平均粒子サイズが２０μｍ未満であることが有利である。その結果、材料は繊細な構造でも等方的な物性を示す。また、粒界に沿った拡散経路は、平均粒子サイズが２０μｍを超える粗粒構造を有する材料と比較してかなり長くなる。その結果、水素は粒界に沿って材料にほとんど浸透しないか、拡散経路が長いために材料を通って拡散する可能性がある。粒子サイズが小さいため、この材料は薄肉ダイアフラムの製造に適している。さらに、厚さが５００μｍ未満の薄い構造でも数層の粒子を有するため、金属材料はまた、水素に対して密閉されている。同じ理由で、薄い構造は等方的な物理特性を示す。

【0037】

密閉されるという用語は、１０^－６ｍｂａｒ・ｌ／ｓ（ミリバールリットル／秒）未満のヘリウムの漏れ速度を意味することを意図している。

【0038】

ダイアフラムの金属材料が３０体積％（体積パーセント）未満の残留オーステナイト含有量を有する場合、上記の金属材料から作製されたダイアフラムの利点が存在し続けることが示されている。０体積％～１０体積％の間の金属材料の残留オーステナイト含有量が好ましい。残留オーステナイト含有量は、規格ＡＳＴＭ Ｅ ９７５に従って決定される。

【0039】

ダイアフラムは、１体積％を超える残留オーステナイト含有量を有する金属材料を含むことが特に有利である。粒界で金属材料を通って拡散する水素は、残留オーステナイトに優先的に蓄積することが示されている。したがって、残留オーステナイトは、水素が保持され、そこから逃げることができない水素シンクである。したがって、残留オーステナイトに保持された水素は、金属材料内により深く拡散することができない。残留オーステナイト含有量が１体積％を超えると、水素の移動度が低下する。これにより、ダイアフラムの耐食性が向上する。ダイアフラムの金属材料内の水素の移動度が低下すると、原子状または分子状の水素の漏れ速度も低下する。

【0040】

ダイアフラムは、原子状または分子状の水素に対して透過性がない材料から作製される。この説明の目的のために、この材料から作製された厚さ５００μｍのダイアフラムが、原子状水素または分子状水素に対して１０^－６ｍｂａｒ・ｌ／ｓ未満の漏れ速度を有し、ダイアフラムの厚さが最大５００μｍである場合、材料は透過性ではない。ダイアフラムの表面サイズは、少なくとも１ｍｍ^２である。これは、水素が第２の空間に蓄積するのを防止するので有利である。第２の空間に水素が蓄積すると、ダイアフラムが膨らむ可能性がある。これはダイアフラムを破損する恐れがある。また、水素富化は、測定要素の周囲の圧力条件を変える第２の空間内の圧力の増加につながる可能性がある。これにより、圧力測定が正しくない可能性がある。

【0041】

金属材料として使用するのに特に有利なのは、室温で９００ＭＰａ以下の降伏強度を有する、焼入れおよび焼き戻しされたグレード１．４４１８鋼である。降伏強度が１５００ＭＰａ以下の析出硬化グレード１．４５３４鋼も、金属材料として使用するのに特に有利である。さらに金属材料として使用するのに特に有利なのは、１５００ＭＰａ以下の降伏強度を有する析出硬化グレード１．４６１４鋼である。さらに有利なのは、１５００ＭＰａ以下の降伏強度を有するグレード１．４５４８鋼である。

【0042】

典型的には、金属材料は、２０℃～１００℃の間の温度範囲において、１０・１０^－６Ｋ^－１～１２・１０^－６Ｋ^－１の間の熱膨張係数を有する。

【0043】

有利なことには、金属材料は、流動媒体に面し、流動媒体の吸着傾向を低く保つために、窪み、穿孔、穴、またはリブがない表面を含む。これにより、表面の欠陥（いわゆる、表面欠陥）が吸着を促進するため、結果的にダイアフラムへの流動媒体の吸着が悪くなる。利点は、流動媒体による表面腐食に対する耐性が向上することである。

【0044】

流動媒体に面する金属材料の表面が波形を示し、この波形によって引き起こされるノッチ応力が１５００ＭＰａ未満である場合、特に有利である。

【0045】

波形は、表面の隣接するサブセクションの平面からの表面のサブセクションの平面の逸脱として定義される。使用中に流動媒体と直接接触する領域に円形の表面を有するダイアフラムの場合、ダイアフラムの表面の同心円形波形は、ダイアフラムの弾性を増加させることが知られている。しかしながら、選択した半径によっては、そのような波形は材料にノッチ応力をもたらす。ノッチ応力の文脈におけるノッチは、尖っている必要はなく、丸みを帯びた表面、断面の変化、穴などによっても与えられる。したがって、ノッチ応力は、ダイアフラムまたはノッチの幾何学的寸法にそれぞれ依存し、ダイアフラムの金属材料に依存する。ノッチ応力は、幾何学的寸法と材料パラメータ（例えば、引張強度、弾性率、ヤング率、降伏強度（Ｒ_ｐ０．２）など）を使用した有限要素解析によって決定される。この決定は、例えば、「機械部品の強度の数学的証明－ＦＫＭガイドライン（Ｒｅｃｈｎｅｒｉｓｃｈｅｒ Ｆｅｓｔｉｇｋｅｉｔｓｎａｃｈｗｅｉｓ ｆuｒ Ｍａｓｃｈｉｎｅｎｂａｕｔｅｉｌｅ－ＦＫＭ－Ｒｉｃｈｔｌｉｎｉｅ）」、ＶＤＭＡ－Ｖｅｒｌａｇ発行、第７版 ２０２０年、または「ＦＥＭによる構造強度：迅速な理解と適用（Ｂｅｔｒｉｅｂｓｆｅｓｔｉｇｋｅｉｔ ｍｉｔ ＦＥＭ： ｓｃｈｎｅｌｌ ｖｅｒｓｔｅｈｅｎ ＆ ａｎｗｅｎｄｅｎ）」、Ｓｔｅｆａｎ ＥｉｎｂｏｃｋおよびＦｌｏｒｉａｎ Ｍａｉｌａｎｄｅｒ、２０１８年に記載されている。金属材料のノッチ応力が高いと、亀裂が形成されやすくなる。ノッチまたは亀裂は、表面の耐食性に悪影響を及ぼす。流動媒体の腐食性要素は、亀裂を通って材料構造に有害な方法で浸透し、亀裂に沿って材料を損傷する可能性がある。これは、応力腐食割れとも呼ばれる。

【0046】

あるいはまた、厚さが５００μｍ未満の円形ダイアフラムの場合、ダイアフラムの表面は、少なくとも使用中に流動媒体と接触する領域において、有利には、少なくとも１００μｍの半径および／または少なくとも３０μｍのファセットを有する２つの非平行な平面間で移行するような波形に設計することができる。これにより、２つの非平行な平面間の移行部の寸法が小さいダイアフラムと比較して、応力腐食割れが減少する。

【0047】

有利なことには、ダイアフラムは、少なくとも使用中に流動媒体と接触する領域において、平均粗さ指数Ｒａが０．８μｍ未満の表面品質を示す。平均粗さ指数Ｒａは、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ １３０２に従って決定される。表面がより高い平均粗さ指数を示す場合、より低い平均粗さ指数を有する表面と比較して、流動媒体の原子または分子が吸着し得る流動媒体にさらされる領域が大きくなる。さらに、０．８μｍ未満の平均粗さ指数を示す表面は、より高い平均粗さ指数を有する表面と比較して、金属材料の結晶格子内の表面欠陥が少ない。欠陥は表面での吸着と化学反応を促進し、表面の腐食を早める。したがって、０．８μｍ未満の低い平均粗さ指数は、表面の耐食性を高める。

【0048】

好ましくは、ダイアフラムの金属材料は、無拡散変態によってオーステナイトから生成される。

【0049】

ダイアフラムは、流動媒体に面する側にコーティングを有してもよい。ダイアフラムの様々な実施形態における、ダイアフラムの（特に、金属材料および表面の）特性および特徴に関する前述の説明は、それによってコーティングとはっきりと適合している。コーティングにより、ダイアフラムの耐食性がさらに向上し得る。

【0050】

ダイアフラムは、内側コーティングを含むのに適している。内側コーティングは、流動媒体と接触していないため、ダイアフラムの流動媒体に面する側に存在し得るコーティングとは、物理的および化学的パラメータが異なり得る。したがって、例えば、内側コーティングは、電気的に絶縁するように設計することができる。また、ダイアフラムの流動媒体に面する側のコーティングは、内側コーティングが示す必要のない他の物質に対する耐性を有することもできる。

【0051】

流動媒体の圧力を決定するための測定装置は、例えば、ダイアフラムに加えられた圧力の関数として圧電電荷を生成する少なくとも１つの圧電結晶である。一実施形態では、圧電結晶は、圧電結晶に予圧を加える予圧スリーブ内に配置される。このようにして、負圧と正圧の両方の変化を検出できる。あるいはまた、測定装置は、静電容量の変化として機械的変形を検出する静電容量測定要素を含むこともできる。

【0052】

あるいはまた、測定装置は、電気抵抗の変化として機械的変形を検出する、ピエゾ抵抗型測定要素または歪みゲージストリップ（歪みゲージとも呼ばれる）を備えることもできる。流動媒体の圧力を決定するためのトランスデューサで使用される他の測定装置が当業者には知られている。

【0053】

ダイアフラムは、ハウジングの圧力側端部に配置され、測定装置を流動媒体から気密に分離する。ハウジングとダイアフラムは、材料結合接続部で接続されている。材料結合接続部は、例えば、溶接接続部またははんだ接続部である。接着剤による材料結合接続部も考えることができる。

【0054】

ダイアフラムは、使用中に流動媒体と接触する第１の領域を含む。ダイアフラムは、使用中に流動媒体と接触しない第２の領域を含む。材料結合接続部は、第２の領域に配置される。はんだ付けまたは溶接接合の形態での材料結合接続部には、通常、より多くの数の亀裂または孔がある。材料結合接続部が接着剤によって達成される場合でも、接着剤は流動媒体によって損傷を受ける可能性がある。したがって、接着剤による接続部は、流動媒体にさらされていない第２の領域に有利に配置される。

【0055】

ダイアフラムがコーティングを有する場合、コーティングは、少なくとも第１の領域全体にわたって配置されるが、第２の領域にわたって少なくとも部分的に延在することもできる。

【0056】

本明細書で定義されるように、第２の領域における流動媒体の腐食性成分の濃度が第１の領域における腐食性成分の濃度の１％以下に相当する場合、第２の領域は流動媒体と接触していない。

【0057】

第１および第２の領域は、例えばシール要素によって互いに分離することができる。温度および圧力範囲に関するトランスデューサの用途に応じて、金属シール（例えば、銅シール、１．４４０４または１．４３０１グレードの鋼から作製されたシール）、金属合金から作製されたシール要素、または金属合金から作製された金属コーティングシールを使用することができる。特定の温度および圧力範囲では、（例えば、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロエラストマー、またはニトリル化合物から作製された）プラスチックシールも知られている。シール要素には他の材料を使用することもできる。

【0058】

本トランスデューサは、好ましくは、流動媒体が腐食性であり、従来のトランスデューサを使用できない場合に、流動媒体の圧力を決定するために使用される。

【0059】

分子状水素または原子状水素の少なくとも一部を含む流動媒体の圧力を決定するために、本トランスデューサを使用することが特に好ましい。水素は、多くの金属材料でいわゆる水素脆化を引き起こすことが知られており、水素脆化と、熱的および／または機械的応力下での降伏強度の低下につながる。上記のトランスデューサは、これらの欠点を著しく軽減する。

【0060】

トランスデューサについて説明したすべての実施形態は、圧力伝達媒体が第２の空間に配置される一実施形態として設計することができる。しかしながら、説明したすべての実施形態は、第２の空間に圧力伝達媒体を配置せずに設計することもできる。

【0061】

本発明は、流動媒体の温度を決定するためのトランスデューサも含む。トランスデューサは、流動媒体に面する圧力側端部を備える。トランスデューサは、ハウジングを備える。トランスデューサは、流動媒体の温度を決定するための測定装置を備える。測定装置は、ハウジング内部に配置される。トランスデューサは、上記の実施形態のいずれかに従って設計されたダイアフラムを備える。

【0062】

以下において、本発明は、図面を参照して例としてより詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0063】

【図1】本発明に係るダイアフラムの一実施形態を有するトランスデューサの一実施形態の概略断面図を示す。>

【図2】壁に配置された図１に係るダイアフラムを有するトランスデューサの断面図の概略部分図を示す。>

【図3】所与の温度での材料の熱老化時間に対して硬度をプロットした図の概略表現を示す。

【発明を実施するための形態】

【0064】

図１および２はそれぞれ、ダイアフラム２を備えるトランスデューサ１の一実施形態の概略断面図を示す。トランスデューサ１は、流動媒体１３の圧力を決定するのに適している。トランスデューサ１は、流動媒体に面する圧力側端部１１を備える。トランスデューサ１は、ハウジング７を備える。測定装置１６は、ハウジング７の内部に配置される。

【0065】

ダイアフラム２は、トランスデューサ１の圧力側端部１１に配置され、測定装置１６を流動媒体１３から気密に分離する。

【0066】

一定の縮尺で描かれていない図１の表現では、金属材料３の任意選択のコーティングが一点鎖線として示されている。

【0067】

図２は、ダイアフラムの別の一実施形態を示す。両方の図において、ダイアフラム２の厚さは、より明確にするために一定の縮尺で描かれていない。

【0068】

図１および図２のダイアフラム２は、金属材料３を含み、第１の空間１４を第２の空間１５から気密に分離する。第１の空間１４には流動媒体１３が配置されており、流動媒体１３の少なくとも１つの物理変数を決定することができる。物理変数は、例えば、圧力および／または温度である。

【0069】

ダイアフラム２は、ダイアフラム２の使用時に流動媒体１３と接触する第１の領域９を含む。ダイアフラム２は、図１および図２に示すように、使用中に流動媒体１３と接触しない第２の領域１０を含む。

【0070】

使用中に流動媒体１３と直接接触するダイアフラム２の表面６は、有利には波形を有し、この波形によって引き起こされるノッチ応力は１５００ＭＰａ未満である。ダイアフラムの表面は、図１および図２に示される。平行でない２つの平面間の移行部は、少なくとも１００μｍの半径１８および／または少なくとも３０μｍのファセット１８を有する。

【0071】

トランスデューサ１のハウジング７とダイアフラム２は、材料結合接続部８によって接続される。ダイアフラム２は、使用中に流動媒体１３と接触する第１の領域９を含む。ダイアフラム２は、使用中に流動媒体１３と接触しない第２の領域１０を含む。第１の領域９および第２の領域１０は、トランスデューサ１の使用時に、シール要素１２によって互いに分離される。図示される実施形態の各々において、材料結合接続部８は、第２の領域１０に配置される。

【0072】

しかしながら、ダイアフラム２の使用時に流動媒体１３と接触する領域に材料結合接続部８を配置することも考えられる。この場合、材料結合接続部８は、コーティング４（図示せず）によって完全に覆われていることが有利である。

【0073】

図２は、壁１７に挿入された流動媒体１３の圧力を決定するためのトランスデューサ１を示す。壁１７は、例えば、流動媒体１３用の貯蔵タンク、圧縮機、ヒートポンプ、冷凍機、流動媒体１３用のパイプ、内燃機関の燃焼室、またはガスタービンの壁１７とすることができる。

【0074】

図３は、金属材料（例えば、析出硬化マルテンサイト）と、特定の時効温度での熱時効時間ｔとの間の関係を概略的に示している。

【0075】

もちろん、本明細書に開示されたトランスデューサ１またはダイアフラム２の実施形態を互いに組み合わせることが可能である。本明細書には、本明細書に記載された実施形態の構成の組み合わせを含む実施形態も明示的に含まれる。

【符号の説明】

【0076】

１ トランスデューサ
２ ダイアフラム
３ 金属材料
６ 表面
７ ハウジング
８ 材料結合接続部
９ 第１の領域
１０ 第２の領域
１１ 圧力側端部
１２ シール要素
１３ 流動媒体
１４ 第１の空間
１５ 第２の空間
１６ 測定装置
１７ 壁部
１８ フェーズ（面）／ファセット／曲率
２１ 薄肉領域

【図1】

【図2】

【図3】

【外国語明細書】