特表 2024-544379 水素含有流体媒体に使用するためのダイヤフラムおよびこのダイヤフラムを備えるトランスデューサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-29

(54)【発明の名称】水素含有流体媒体に使用するためのダイヤフラムおよびこのダイヤフラムを備えるトランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 19/06 20060101AFI20241122BHJP

【ＦＩ】

G01L19/06 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024533999

(86)(22)【出願日】2022-11-09

(85)【翻訳文提出日】2024-07-10

(86)【国際出願番号】 EP2022081288

(87)【国際公開番号】W WO2023117198

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】21217511.1

(32)【優先日】2021-12-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(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】マストロジャコモ、ジョヴァンニ

(72)【発明者】

【氏名】メルキ、ハンス ベアト

(72)【発明者】

【氏名】カドノー、トマス

【テーマコード（参考）】

2F055

【Ｆターム（参考）】

2F055CC02

2F055FF38

2F055GG15

(57)【要約】

本発明は、水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）。ダイヤフラム（２）は、金属材料（３）を含み、ダイヤフラム（２）は、分子状水素および／または原子状水素の透過性を低減させるコーティング（４）を備え、コーティング（４）は、少なくとも使用中に流体媒体（１３）と接触する領域において、ダイヤフラム（２）の金属材料（３）と流体媒体（１３）との間に配置され、コーティング（４）は、少なくとも１つの非化学量論的酸化物、炭化物、または窒化物を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記ダイヤフラム（２）は、金属材料（３）を含み、
前記ダイヤフラム（２）は、分子状水素および／または原子状水素の透過性を低下させるコーティング（４）を備え、
前記コーティング（４）は、少なくとも使用中に前記流体媒体（１３）と接触する領域において、前記ダイヤフラム（２）の前記金属材料（３）と前記流体媒体（１３）との間に配置される、前記ダイヤフラム（２）において、
前記コーティング（４）は、少なくとも１つの非化学量論的酸化物、炭化物、または窒化物、例えば、酸化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化クロム、窒化クロム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、炭化チタン、窒化チタン、酸化ジルコニウム、または希土類酸化物を含むことを特徴とする、ダイヤフラム（２）。

【請求項2】

請求項１に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記コーティング（４）は、非化学量論的炭化物混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｃかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ，Ｃ＝１、またはＭ＝Ａｌでｘ_Ａｌ，Ｃ＝３／４、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ，Ｃ＝１）、好ましくは非化学量論的炭化チタン（１－ｙ）Ｔｉ－ｙＴｉＣ_ｘ（０＜ｘ＜１かつ０＜ｙ≦１）を含むか、または
前記コーティング（４）は、非化学量論的窒化物混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｎかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ａｌでｘ_Ａｌ，Ｎ＝１、またはＭ＝Ｃｒでｘ_Ｃｒ，Ｎ＝１、またはＭ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ，Ｎ＝４／３、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ，Ｎ＝１）を含むか、または
前記コーティング（４）は、非化学量論的酸化物混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｏかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ａｌでｘ_Ａｌ、Ｏ＝１．５、またはＭ＝Ｃｒでｘ_Ｃｒ、Ｏ＝１．５、またはＭ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ、Ｏ＝２、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ、Ｏ＝２、またはＭ＝Ｚｒでｘ_Ｚｒ、Ｏ＝２、またはＭ＝希土類元素でｘ_{希土類元素、Ｏ}＝１～２）、好ましくは非化学量論的酸化アルミニウム（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（０＜ｘ≦１．５かつ０≦ｙ≦１）を含むことを特徴とする、ダイヤフラム。

【請求項3】

請求項１または２に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記コーティング（４）は、前記コーティング（４）内に傾斜を有する非化学量論的混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘまたは（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘまたは（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘを含み、前記コーティング（３）内では、前記金属材料（３）からの距離が増加するにつれて割合ｙが徐々に増加するか、または
前記コーティング（４）は、前記コーティング（４）内に傾斜を有する非化学量論的混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘまたは（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘまたは（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘを含み、前記コーティング（４）内では、前記金属材料（３）からの距離が増加するにつれて割合ｘが徐々に増加するか、または
前記コーティング（４）は、前記コーティング（４）内に傾斜を有する非化学量論的混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘまたは（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘまたは（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘを含み、前記コーティング（４）内では、前記金属材料（３）からの距離が増加するにつれて割合ｘおよび割合ｙが徐々に増加することを特徴とする、ダイヤフラム。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記コーティング（４）は、前記コーティング（４）内に傾斜を有する非化学量論的混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘまたは（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘまたは（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘを含み、
前記コーティング（４）と前記金属材料（３）との間の界面（１９）から離れた位置で、前記コーティング（４）が炭化物、窒化物、または酸化物の化学量論的混合物に徐々に移行することを特徴とする、ダイヤフラム。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記コーティング（４）は、前記金属材料（３）の厚さよりも薄いか、または
前記コーティング（４）の厚さは、前記ダイヤフラム（２）の厚さの１０％を超えないことを特徴とする、ダイヤフラム。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記コーティング（４）は、熱膨張係数を有し、
前記金属材料（３）は、熱膨張係数を有し、
前記金属材料（３）と前記コーティング（４）との界面（１９）において、前記コーティング（４）の前記熱膨張係数は、前記金属材料（３）の前記熱膨張係数と５０％を超えて異ならないことを特徴とする、ダイヤフラム。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記ダイヤフラム（２）は、少なくとも１つの他のコーティング（４’、４’’、４’’’、…）を備え、
前記他のコーティング（４’、４’’、４’’’、…）は、前記コーティング（４）の前記金属材料（３）とは反対側に配置され、
前記他のコーティング（４’、４’’、４’’’、…）は、化学量論的酸化物、炭化物、または窒化物を含むことを特徴とする、ダイヤフラム。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記コーティング（４）は、熱膨張係数を有し、
前記他のコーティング（４’、４’’、４’’’、…）は、熱膨張係数を有し、
前記金属材料（３）は、熱膨張係数を有し、
前記コーティング（４）の前記熱膨張係数は、前記金属材料（３）の前記熱膨張係数と前記他のコーティング（４’、４’’、４’’’、…）の前記熱膨張係数との間の値を有することを特徴とする、ダイヤフラム。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記ダイヤフラム（２）は、前記ダイヤフラム（２）の前記金属材料（３）からの前記コーティング（４）の剥離を防止する接着促進剤層（５）を備え、
前記接着促進剤層は、前記ダイヤフラム（２）の前記金属材料（３）と前記コーティング（４）との間に配置され、
前記接着促進剤層（５）は、アルミニウム、希土類金属、または、耐火金属を含み、前記耐火金属は、例えば、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタル、モリブデン、またはタングステンなどであり、好ましくはジルコニウムまたはタングステンであることを特徴とする、ダイヤフラム。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
接着促進剤層が少なくとも７５重量％の純度を有するか、または
接着促進剤層が少なくとも９０重量％のジルコニウムまたはタングステンを含むことを特徴とする、ダイヤフラム（２）。

【請求項11】

請求項１～１０のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記ダイヤフラム（２）は、分子状水素および／または原子状水素の透過性を低減するための内部コーティング（２２）を備え、前記内部コーティング（２２）は、前記ダイヤフラム（２）の前記金属材料（３）の前記流体媒体（１３）とは反対側の前記第２の空間（１５）内に配置されていることを特徴とする、ダイヤフラム（２）。

【請求項12】

請求項１～１１のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
内部コーティング（２２）が、非化学量論的炭化物混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｃかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ，Ｃ＝１、またはＭ＝Ａｌでｘ_Ａｌ，Ｃ＝３／４、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ，Ｃ＝１）、好ましくは非化学量論的炭化チタン（１－ｙ）Ｔｉ－ｙＴｉＣ_ｘ（０＜ｘ＜１かつ０＜ｙ≦１）を含むか、または
前記コーティング（４）は、非化学量論的窒化物混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｎかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ａｌでｘ_Ａｌ，Ｎ＝１、またはＭ＝Ｃｒでｘ_Ｃｒ，Ｎ＝１、またはＭ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ，Ｎ＝４／３、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ，Ｎ＝１）を含むか、または
前記コーティング（４）は、非化学量論的酸化物混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｏかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ａｌでｘ_Ａｌ、Ｏ＝１．５、またはＭ＝Ｃｒでｘ_Ｃｒ、Ｏ＝１．５、またはＭ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ、Ｏ＝２、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ、Ｏ＝２、またはＭ＝Ｚｒでｘ_Ｚｒ、Ｏ＝２、またはＭ＝希土類元素でｘ_{希土類元素、Ｏ}＝１～２）、好ましくは非化学量論的酸化アルミニウム（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（０＜ｘ≦１．５かつ０≦ｙ≦１）を含むことを特徴とする、ダイヤフラム（２）。

【請求項13】

請求項１～１２のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記ダイヤフラム（４）は、少なくとも部分的に５００μｍ未満の厚さを有することを特徴とする、ダイヤフラム（２）。

【請求項14】

請求項１～１３のいずれか一項に記載された水素含有流体媒体（１３）を収容する第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ヤフラム（２）であって、
前記金属材料（３）は、マルテンサイト、ベイナイト、ニードルフェライト、ウィドマンシュテッテンフェライト、またはこれらの構造の混合物、特に好ましくは部分的に整合または非整合の析出物を有するマルテンサイトの構造を有する細粒鋼であることを特徴とする、ダイヤフラム（２）。

【請求項15】

水素含有流体媒体（１３）の圧力を測定するためのトランスデューサ（１）であって、
前記トランスデューサ（１）は、前記流体媒体（１３）に面する圧力曝露端部（１１）を備え、
前記トランスデューサ（１）は、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）を備える、トランスデューサ（１）において、
前記トランスデューサ（１）は、請求項１～１４のいずれか一項に記載されたダイヤフラム（２）を備えることを特徴とする、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、水素含有流体媒体に使用するためのダイヤフラム、およびそのダイヤ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】

ダイヤフラムは、第１の空間内の流体媒体を第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、しばしばダイヤフラムを備える。ダイヤフラムは、測定装置（例えば、トランスデューサ要素）を、圧力を決定すべき流体媒体から分離する。流体媒体は、気体媒体および／または液体媒体である。この目的のために、ダイヤフラムは通常、第１の寸法および第２の寸法を有する表面を備え、第１の寸法および第２の寸法は、長手軸線に対して垂直な方向に実質的に延びている。長手軸線に平行に延びる第３の寸法では、ダイヤフラムは、壁厚とも呼ばれる厚さを有する。

【0003】

以下において、流体媒体とは、少なくとも１体積％の水素を含有する水素含有流体媒体を意味するものと理解される。

【0004】

一般的に、ダイヤフラムの表面は、第１の空間内の流体媒体と接触する領域を備える。圧力トランスデューサの場合、ダイヤフラムの領域に作用する流体媒体の圧力は、可能な限り少ない損失で、圧力トランスデューサ要素（略してトランスデューサ要素）に伝達される。流体媒体に直接曝露されるダイヤフラム領域の可撓性は、可能な限り高いか、またはその剛性は、可能な限り低くする必要があり、これにより、トランスデューサ要素を含む測定装置の感度は、ダイヤフラムによってあまり影響されなくなる。しかしながら、この低剛性領域の材料は、測定圧力によって不可逆的に変形されるべきではない。降伏強さが約４００ＭＰａ（メガパスカル）の材料を使用する場合、ダイヤフラムが不可逆的に変形しないように適切な厚さにする必要がある。さらに、ダイヤフラムは、例えばダイヤ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備えていてもよい。より厚い領域は、ダイヤフラムの安定性を向上させる役割も果たす。

【0005】

金属材料の降伏強さは、規格ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６８９２－１によって決定される。それは、Ｒ_{Ｐ ０．２}値に相当する。

【0006】

ダイヤフラムの表面は、実質的に第１の寸法および第２の寸法に沿って延びることができるが、長手軸線の方向に部分的に湾曲していてもよい。

【0007】

ダイヤフラムは、流体媒体を他のタイプのトランスデューサ要素から分離することもでき、例えば、温度トランスデューサでは、温度トランスデューサ要素がダイヤフラムによって流体媒体から分離される。この場合、流体媒体の温度は、ダイヤ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、できるだけ高い熱伝達係数を得るために、ダイヤフラムの壁部をできるだけ薄くする必要がある。

【0008】

一般的に、腐食とは、物質における測定可能な変化を意味すると理解される。様々な物質に曝露されることで腐食が発生する可能性がある。したがって、金属材料の腐食は、様々なアルカリまたは酸、ガス（例えば、水素または酸素）、塩水、およびその他多くの物質に関連してよく知られている。

【0009】

しかしながら、以下では、特に明記しない限り、腐食とは、原子状水素および／または分子状水素によって引き起こされる腐食を指す。

【0010】

流体媒体が水素を含有する場合、ダイヤフラムは、密閉性と原子状水素および／または分子状水素に対する耐性の両方を備えている必要がある。このため、例えば、室温での降伏強さが約４００ＭＰａのオーステナイト鋼１．４４０４（別名３１６Ｌ）、または同じく室温での降伏強さが約４００ＭＰａのニッケル基合金２．４８１９（別名Ｃ－２７６）などの市販の耐水素性多結晶金属が、２００℃を超える耐熱性も備えたダイヤフラムの材料としてしばしば使用される。しかしながら、これらの材料は、平均粒径が２０μｍを超えることを特徴とする。粗粒多結晶金属は、ダイヤフラムの薄壁領域に結晶粒がわずかしか存在せず、これにより材料が等方性挙動を示さない可能性があるため、厚さ５００μｍ未満の薄いダイヤフラムの材料としてはあまり適していない。さらに、結晶粒間の粒界に沿った分子状水素および／または原子状水素の拡散経路は、粗粒領域を通って比較的短い。経路が短いと水素がダイヤフラムを通して容易に拡散する可能性があるため、これは不利である。

【0011】

指定１．４４０４ならびに以下に記載されているその他の材料番号は、ＤＩＮ ＥＮ １００２７－２に対応している。

【0012】

いわゆる水素脆化は、分子状水素および／または原子状水素が金属材料に入り込むと発生する。その結果、材料に応力が加わると、脆性破壊が発生するリスクがある。

【0013】

水素脆化とは、金属または合金の格子構造に水素が侵入し、その後取り込まれることにより、金属または合金の延性および強さが変化することを意味する。その結果、水素関連の割れが発生する可能性があり、水素と接触する用途では影響を受けやすい材料の使用が制限される。

【0014】

強度の大きい金属または合金は、強度の小さい金属よりも水素脆化を起こしやすいことはよく知られている。

【0015】

鋼１．４４０４（別名３１６Ｌ）および合金２．４８１９（別名Ｃ－２７６）という材料は、一般的に耐腐食性があると考えられている。それらは、降伏強さが小さいため、降伏強さが大きい材料よりも小さな力でも高い塑性変形能を示す。この欠点を補うために、ダイヤフラムは、５００μｍを超える厚さで製造されることが多い。しかしながら、厚いダイヤフラムは、慣性質量が大きいため、これは不利である。さらに、厚いダイヤフラムの場合、剛性もより高くなる。

【0016】

既知の一実施形態では、圧力トランスデューサは、流体圧力伝達媒体で満たされたダイヤフラムの後ろに空間を備える。本実施形態では、流体圧力伝達媒体がダイヤフラムの変形に対抗するため、ダイヤフラムが不可逆的な塑性変形を起こすリスクが低くなる。流体圧力伝達媒体（例えば、圧縮率の低い油）は、ダイヤフラムに作用する圧力をダイヤフラムから離間した測定要素に伝達する。さらに、ダイヤフラムは、できるだけ少ない損失で圧力を伝達することが要求され、すなわち、ダイヤフラムは、薄く作られることが有利である。測定対象の流体媒体が水素を含有する場合、時間の経過とともに水素が流体圧力伝達媒体に蓄積され、その体積が増加してダイヤフラムを外側に膨らませる。ダイヤフラムは、ダイヤフラムを通して拡散した水素によって膨張する。これにより、一方ではダイヤフラムが損傷し、他方では測定要素付近の圧力条件が変化する可能性がある。分子状水素および／または原子状水素がダイヤフラムを通って拡散すると、トランスデューサの長期安定性に悪影響を及ぼす。

【0017】

特許文献１には、合金２．４８１９（Ｃ－２７６としても知られる）製のダイヤフラムを備えたトランスデューサが記載されている。材料自体は、耐腐食性があると考えられているが、ダイヤフラムの厚さが薄いため、水素を通さないわけではない。ダイヤフラム上に柔らかい金層を堆積させることにより、分子状水素および／または原子状水素の拡散が防止される。金層は、実質的に化学的に不活性であるため、ダイヤフラムと接触する流体媒体からの分子成分の解離が減少する。流体媒体の分子成分の解離、または表面でのおよび表面とのその他の化学反応により、表面の腐食が発生する可能性がある。しかしながら、金の強度が低いため、柔らかい金層は、傷がつきにくくはなく、したがって使用中に損傷し、その後は水素に対する拡散バリアとしての機能を果たせなくなる可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００５／０１０９１１４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

本発明の目的は、ダイヤフラムを改良して、上述の欠点を軽減することである。本発明のさらなる目的は、原子状水素および／または分子状水素に対するダイヤフラムの耐腐食性を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

【0020】

この目的は、独立請求項の構成によって達成された。

【0021】

本発明は、水素含有流体媒体を収容する第１の空間を第２の空間から気密に分離するためのダイヤフラムに関するものである。ダイヤフラムは、金属材料を含む。ダイヤフラムは、分子状水素および／または原子状水素の透過性を低減するためのコーティングを備え、このコーティングは、ダイヤフラムの金属材料と流体媒体との間に、少なくとも使用中に流体媒体と接触する領域に堆積される。コーティングは、酸化物、炭化物、または窒化物、例えば、アルミニウム酸化物、アルミニウム炭化物、アルミニウム窒化物、クロム酸化物、クロム窒化物、ケイ素酸化物、ケイ素炭化物、ケイ素窒化物、チタン酸化物、チタン炭化物、チタン窒化物、ジルコニウム酸化物、希土類炭化物または窒化物、または希土類酸化物を含む。

【0022】

本発明によれば、コーティングは、少なくとも１つの非化学量論的酸化物、炭化物、または窒化物を含む。

【0023】

好ましくは、コーティングは、非化学量論的混合物を含む。

【0024】

例えば、ダイヤフラムは、流体媒体の圧力を決定するためのトランスデューサ用のダイヤフラムである。

【0025】

好ましくは、金属材料は、少なくとも１つの金属を含む化学元素と、少なくとも１つの他の化学元素とを含む合金である。

【0026】

ダイヤフラムは、水素含有流体媒体を収容する空間を他の空間から分離するためのものである。水素含有流体媒体は、少なくとも１体積％の水素を含み、以下の文章では、腐食剤または腐食性流体媒体とも呼ばれる。

【0027】

ダイヤフラムの金属材料は、金属または合金で構成されている。金属または合金には、例えば、ニッケル基合金（例えば、電気鋳造ニッケル、ニッケル２７０、ニッケル３０１、Ｋ－モネル）、またはチタン基合金（例えば、純チタン、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ、Ｔｉ－１１．５Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎ、アルファ－２ＴｉＡｌ合金、ガンマ－ＴｉＡｌ合金）、または銅基合金（例えば、ＯＦＨＣ銅、アルミニウム青銅、Ｂｅ－Ｃｕ合金、ＧＲＣｏｐ－８４（Ｃｕ－８Ｃｒ－４Ｎｂ）、ＮＡＲｌｏｙ－Ｚ（Ｃｕ－３Ａｇ－０．５Ｚｒ）、７０－３０真鍮）、またはアルミニウム基合金（例えば、１１００－Ｔ０、２０１１、２０２４、５０８６、６０６１－Ｔ６、６０６３、７０３９、７０７５－Ｔ７３）、またはオーステナイト鋼（例えば、ＣＧ－２７、テネロン、Ａ３０２Ｂ、Ａ２８６、２１６、３０４Ｌ、３０４Ｎ、３０４ＬＮ、３０５、３０８Ｌ、３０９Ｓ、３１０、３１６、３２１、３４７、１８－２－１２（Ｎｉｔｒｏｎｉｃ３２）、２１－６－９（Ｎｉｔｒｏｎｉｃ４０）、２２－１３－５（Ｎｉｔｒｏｎｉｃ５０）、１８－１８Ｐｌｕｓ、１８－２－Ｍｎ、１８－３－Ｍｎ）、またはフェライト鋼（例えば、Ａ１０６－Ｇｒ．Ｂ、Ａ２１２－６１Ｔ、Ａ３７２、Ａ５１５－Ｇｒ．７０、Ａ５１６、Ａ５１７－Ｆ（Ｔ－１）、Ａ５３３Ｂ、ＨＹ－８０、ＨＹ－１００、鉄（アームコ）、Ｘ４２、Ｘ５２、Ｘ６０、Ｘ６５、Ｘ７０、Ｘ１００、４３０Ｆ、１０２０、１０８０、Ｃ１０２５、１０４２、４１４０、４３４０）、またはマルテンサイト鋼（例えば、ＡｅｒＭｅｔ１００、Ｄ６ＡＣ、Ｈ－１１、Ｆｅ－９Ｎｉ－４Ｃｏ－０．２０Ｃ、４１０、４４０Ａ、４４０Ｃ、１７－４ＰＨ、１８Ｎｉ－２５０）、またはニッケル基超合金（超合金）（例えば、ＡＦ－１１５、ＡＦ－５６、Ａｓｔｒｏｌｏｙ、ＣＭ ＳＸ－２、ＣＭ ＳＸ－３、ＣＭ ＳＸ－４Ｃ、ＣＭ ＳＸ－４Ｄ、ＣＭ－ＳＸ５、ハステロイ、ヘインズ２３０、ヘインズ２４２、ＩＮ１００、インコネル６２５、インコネル７００、インコネル７０６、インコネル７１３ＬＣ、インコネル７１８、インコネルＸ－７５０、Ｉｎｃｏ ４００５、ＭＡＲ－Ｍ２００、ＭＡＲ－Ｍ２４６、ＭＡ ６０００、ＭＡ ７５４、ＭＥＲＬ ７６、ＮＡＳＡ－ＨＲ１、ＰＷＡ １４８０、ＰＷＡ １４８０Ｅ、Ｒｅｎｅ ４１、Ｒｅｎｅ Ｎ－４、Ｒｅｎｅ ９５、ＲＲ ２０００、Ｕｄｉｍｅｔ ７２０、Ｕｄｉｍｅｔ ７００、ワスパロイ）、または鉄基超合金（例えば、Ａ２８６、インコロイ８０２、インコロイ９０１、インコロイ９０３、インコロイ９０７、インコロイ９０９、ＪＢＫ－７５、ＭＡ ９５６、Ｎｉ－ＳＰＡＮ－Ｃ、）またはコバルト基超合金（例えば、ヘインズ１８８、ＭＰ３５Ｎ、ＭＰ１５９、ＭＰ９８Ｔ、Ｘ－４５）が含まれる。これらの合金については、Ｊ．Ａ．Ｌｅｅ、Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ（水素脆化）、ＮＡＳＡ／ＴＭ－２０１６－２１８６０２、アラバマ州、米国（２０１６）、表２、３、４でさらに詳しく説明されている。 原則として、合金は、材料特性に応じてダイヤフラムの様々な寸法が選択されたダイヤフラムを製造するための金属材料として使用するのに適する。しかしながら、一部の合金は、水素含有流体媒体への直接曝露に部分的にしか適していない。金属材料をコーティングすることにより、専門家は、剛性、熱伝導率、熱膨張係数、または降伏強さなどの適切な物理的特性に応じてダイヤフラムの金属材料を選択できるようになる。コーティングは、金属材料を水素に関連する腐食から保護する。金属材料の耐水素性は有利であるが、必須ではない。

【0028】

冒頭で述べたように、前述の金属材料の中には、粗粒の多結晶構造を持つものがあり、これらは、水素含有流体媒体と直接接触する厚さ５００μｍ未満の薄いダイヤフラムの材料としてはあまり適していない。しかしながら、ダイヤフラムをコーティングすることにより、この欠点が解消され、したがってダイヤフラムの金属材料として使用できる材料の選択肢が比較的広くなる。

【0029】

好ましくは、ダイヤフラムは、少なくとも特定の領域において、厚さが５００μｍ未満である。これは、流体媒体の圧力を第１の空間から第２の空間に配置された測定装置にできるだけ少ない損失で伝達する点で有利である。さらに、厚さが５００μｍ未満のダイヤフラムは、厚さが厚いダイヤフラムよりも低い慣性を示す。これは、トランスデューサが加速されたときに、ダイヤフラムの不活性質量によって測定装置にごく小さな力しか作用しないため、圧力測定が加速の影響を受けないか、またはわずかしか影響を受けないため、有利である。

【0030】

特に好ましくは、金属材料は、マルテンサイト、ベイナイト、ニードルフェライト、ウィドマンシュテッテンフェライト、またはこれらの構造の混合物の構造を有する細粒鋼である。一般的に、これらは、耐水素性があるとは考えられていないが、驚くべきことに、比較的細粒構造のため、水素脆化の傾向が低くなる。細粒構造により拡散経路が長くなり、これが、水素がこれらの材料を通して短距離で拡散できない理由である。したがって、金属材料は、水素に対して一定の耐性を持っている。ベイナイト、ニードルフェライト、およびウィドマンシュテッテンフェライトも、中間構造として知られている。中間構造には、マルテンサイトとパーライトとの間の構造が含まれる。ニードルフェライトとは、英語で針状フェライトと呼ばれる材料を意味することが意図される。

【0031】

マルテンサイト、ベイナイト、ウィドマンシュテッテンフェライト、ニードルフェライト、またはこれらの構造の混合物の構造は、平均粒径が２０μｍ未満であることが特徴であり、そのため、厚さ５００μｍ未満の薄壁ダイヤフラムの製造に特に適している。平均粒径が小さいため、この部品は、等方性の物理的特性を示し、これは、ダイヤフラムの使用時に有利である。

【0032】

特に好ましくは、構造は、Ｍｅｔａｌｌｋｕｎｄｅ、Ｅ．Ｈｏｒｎｂｏｇｅｎ ａｎｄ Ｈ．Ｗａｒｌｉｍｏｎｔ、第４版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ ２００１に記載されているように、好ましくは材料内の粒界に、部分的に整合したまたは非整合な析出物を含むマルテンサイトを含む。 この説明の意味における部分的に整合または非整合な析出物については、Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｋｕｎｄｅ－Ｓｔａｈｌ－第１巻、Ｖｅｒｅｉｎ Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ Ｅｉｓｅｎｈuｔｔｅｎｌｅｕｔｅ（編）、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ １９８４、またはＰｉｒｌｏｇ， Ｍａｄａｌｉｎａ， ａｎｄ Ｐ． Ｋ． Ｐｒａｎｚａｓ． “ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮ ＯＦ ＣＯＰＰＥＲ ＰＲＥＣＩＰＩＴＡＴＥＳ ＩＮ ＦＥ－ＣＵ ＡＬＬＯＹＳ ＷＩＴＨ ＳＭＡＬＬ－ＡＮＧＬＥ ＮＥＵＴＲＯＮ ＳＣＡＴＴＥＲＩＮＧ（小角中性子散乱によるＦｅ－Ｃｕ合金中の銅析出物の特性評価）”に記載されている。

【0033】

非整合および部分的に整合な析出物は、水素シンクとして機能する。水素は、水素シンクに蓄積される。これにより、蓄積された水素が材料内にさらに浸透するのを防ぐ。整合析出物は、粒子内に位置するため、整合析出物を含む材料と比較すると水素の移動度は低下するが、水素は、好ましくは材料内の粒界に沿って移動する。

【0034】

コーティングは、ダイヤフラムの一部である。本発明によれば、ダイヤフラムの金属材料は、コーティングを含む。コーティングは、流体媒体に面するダイヤフラムの金属材料の側に配置される。

【0035】

本発明によれば、ダイヤフラムは、コーティングを備える。コーティングは、流体媒体の原子または分子成分、特に分子状水素および／または原子状水素に対するダイヤフラムの透過性を低減する役割を果たす。コーティングは、少なくとも使用中に流体媒体と接触する領域において、ダイヤフラムの金属材料と流体媒体との間に配置される。コーティングは、酸化物、炭化物、または窒化物を含む。酸化物、炭化物、または窒化物は、例えば、アルミニウム酸化物、アルミニウム炭化物、アルミニウム窒化物、クロム酸化物、クロム窒化物、ケイ素酸化物、ケイ素炭化物、ケイ素窒化物、チタン酸化物、チタン炭化物、チタン窒化物、ジルコニウム酸化物、または希土類酸化物である。コーティングにより、ダイヤフラムの金属材料と流体媒体との間の直接接触が防止される。コーティングにより、流体媒体からの分子および／または原子成分がダイヤフラムの金属材料に直接吸着されるのを防止する。前述の酸化物、窒化物、炭化物は、冒頭で述べた鋼、合金、金属材料に比べて実質的に化学的に不活性であるため、金属材料のコーティングにより、このようにコーティングされたダイヤフラムの表面での成分の化学反応または解離が低減される。コーティングなしのダイヤフラムに比べて、ダイヤフラムの耐食性がさらに向上する。

【0036】

コーティングは、金属材料の厚さよりも薄い。好ましくは、コーティングの厚さは、膜の全厚さの最大１０％である。一般的なコーティングの厚さは、１μｍ～５μｍである。したがって、膜の剛性と降伏強さは、主に金属材料によって決定される。

【0037】

通常、金属材料の熱膨張係数は、２０℃～１００℃の温度範囲で５・１０^－６Ｋ^－１～１５・１０^６Ｋ^－１である。金属材料とコーティング間の不一致は、エピタキシャル効果によってある程度補償される。エピタキシャルプロセスを使用してコーティングが付けられると、エピタキシャル効果によって金属材料へのコーティングの接着が促進される。

【0038】

コーティングには熱膨張係数もある。好ましくは、コーティングの熱膨張係数は、金属材料の熱膨張係数と５０％を超えて異ならない。これは、熱応力下でのコーティングの剥離および亀裂の形成を防止する。

【0039】

熱応力または温度変化は、ダイヤフラムの少なくとも一部の領域の温度が、以前の任意の時点の温度と比較して１０℃を超えて増加または減少した場合に発生する。期間は任意であり、最大数日間になる場合がある。

【0040】

有利には、ダイヤフラムは、接着促進剤層を備える。接着促進剤層は、金属材料からのコーティングの剥離を防ぐ役割を果たす。したがって、温度変化時に発生する機械的応力は、金属材料と接着促進剤層の界面と、接着促進剤層とコーティングの別の界面との間で有利に分散される。これにより、局所的な機械的応力が軽減され、機械的応力または熱応力下での亀裂の発生が防止される。有利には、接着促進剤層は、酸素親和性が強い金属（例えば、耐火金属、アルミニウム、または希土類金属）である。耐火金属は、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタル、モリブデン、またはタングステンである。接着促進剤層の純度は、少なくとも７５重量％である。純度が少なくとも７５％重量であるとは、接着促進剤層の７５重量％が金属からなることを意味する。

【0041】

好ましくは、接着促進剤層は、少なくとも９０重量％のジルコニウムまたはタングステンからなる。ジルコニウムまたはタングステンは、層の形で容易に付けられる。

【0042】

本発明に係る実施形態においては、ダイヤフラムは、非化学量論的酸化物、非化学量論的窒化物、または非化学量論的炭化物から作られたコーティングを備える。

【0043】

酸化物、窒化物、または炭化物は、化学元素がそれぞれの混合物に最適な比率で存在しない場合、非化学量論的である。通常、化学量論的酸化物、窒化物、または炭化物の場合、最適な比率は、最も安定した化合物である。

【0044】

化学量論的炭化物は、例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ａｌ_４Ｃ_３（炭化アルミニウム）、またはＴｉＣ（炭化チタン）である。

【0045】

非化学量論的炭化物は、混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｃかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ，Ｃ＝１、またはＭ＝Ａｌでｘ_Ａｌ，Ｃ＝３／４、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ，Ｃ＝１）である。定数ｘ_Ｍ，Ｃは、炭化物Ｃの元素Ｍに依存する。ｘ_Ｍ，Ｃでは、炭素Ｃと組み合わせたそれぞれの元素Ｍの化学量論比に達する。Ｍに対して、他の元素も使用できる。炭化物の化学量論比は、技術文献から得ることができる。

【0046】

化学量論的窒化物は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＣｒＮ（窒化クロム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＴｉＮ（窒化チタン）である。

【0047】

非化学量論的窒化物は、混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｎかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ａｌでｘ_Ａｌ，Ｎ＝１、またはＭ＝Ｃｒでｘ_Ｃｒ，Ｎ＝１、またはＭ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ，Ｎ＝４／３、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ，Ｎ＝１）である。定数ｘ_Ｍ，Ｎは、窒化物Ｎの元素Ｍに依存する。ｘ_Ｍ，Ｎでは、窒素Ｎと組み合わせたそれぞれの元素Ｍの化学量論比に達する。Ｍに対して、他の元素も使用できる。窒化物の化学量論比は、技術文献から得ることができる。

【0048】

化学量論的酸化物は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ_２（酸化ケイ素）、ＴｉＯ_２（酸化チタン）、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、Ｃｒ_２Ｏ_３（酸化クロム）、または希土類酸化物の場合は、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｐｒ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｐｍ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、ＥｕＯ、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３である。

【0049】

希土類元素は、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｐｍ（プロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｌｕ（ルテチウム）である。

【0050】

非化学量論的酸化物は、混合物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｏかつ０＜ｙ≦１、ただし、Ｍ＝Ａｌでｘ_Ａｌ、Ｏ＝１．５、またはＭ＝Ｃｒでｘ_Ｃｒ、Ｏ＝１．５、またはＭ＝Ｓｉでｘ_Ｓｉ、Ｏ＝２、またはＭ＝Ｔｉでｘ_Ｔｉ、Ｏ＝２、またはＭ＝Ｚｒでｘ_Ｚｒ、Ｏ＝２、またはＭ＝希土類元素でｘ_{希土類元素、Ｏ}＝１～２）である。定数ｘ_Ｍ，Ｏは、酸化物Ｏに対する元素Ｍに依存する。ｘ_Ｍ，Ｏでは、酸素Ｏの組み合わせたそれぞれの元素Ｍの化学量論比に達する。Ｍに対して他の元素も使用できる。酸化物の化学量論比は、技術文献で他の元素Ｍに対して得ることができる。

【0051】

非化学量論的酸化物、非化学量論的窒化物、または非化学量論的炭化物で作られたコーティングは、非化学量論的酸化物、窒化物、または炭化物の熱膨張係数を調整できるため有利である。好ましくは、コーティングの熱膨張係数は、金属材料の熱膨張係数と５０％を超えて異ならない。これは、熱応力下でのコーティングの剥離および亀裂の形成を防止する。本実施形態では、接着促進剤層を省略することができる。

【0052】

炭化物、窒化物、および酸化物に関する「または」という単語は、排他的な「または」として理解されるべきではない。したがって、炭化物を含むコーティングは、窒化物も含み得る。いわゆる炭窒化物は、炭化物含有コーティングと窒化物含有コーティングの両方に含まれるものとして明示的に開示されている。例としては、炭化チタンと窒化チタンの混合物（炭窒化チタン）、炭化ジルコニウムと窒化ジルコニウムの混合物（炭窒化ジルコニウム）、または炭化クロムと窒化クロムの混合物（炭窒化クロム）が挙げられる。実質的に化学的に不活性な別の材料である金は、ビッカース硬さが１００ＨＶ１０未満であるのに対し、例示的な酸化物、窒化物、および炭化物は、ビッカース硬さが１００ＨＶを超える。したがって、金属材料に対するコーティングの機械的耐性は、従来技術で知られている金コーティングと比較して向上する。

【0053】

ビッカース硬さとは、１０キロポンドまたは１０ｋｇｆ（キログラム力）の試験力下でのビッカース硬さ、いわゆるＨＶ１０を指す。ビッカース硬さ試験は、規格ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６５０７－１：２０１８～－４：２０１８に記載されている。

【0054】

好ましくは、コーティングは、非化学量論的アルミニウム酸化物または非化学量論的チタン炭化物を含む。酸化アルミニウムは、業界では化学的に不活性な材料として知られている。また、酸化アルミニウムは、希土類元素またはジルコニウムに比べて比較的安価である。炭化チタンも業界で広く使用されており、コスト効率が高く、実質的に化学的に不活性な材料として知られている。実質的に化学的に不活性な別の材料である金のビッカース硬さは、１００ＨＶ１０未満であるが、酸化アルミニウムのビッカース硬さは、１５００ＨＶ１０を超えるため、金属材料のコーティングとして使用した場合、金で作られたコーティングに比べて機械的耐性が向上する。炭化チタンのビッカース硬さは、２５００ＨＶ１０を超えており、金属材料のコーティングとして使用した場合、金で作られたコーティングに比べて機械的耐性が向上する。

【0055】

好ましい一実施形態では、ダイヤフラムは、非化学量論的酸化アルミニウム（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（０＜ｘ＜１．５かつ０＜ｙ≦１）のコーティングを備える。非化学量論的酸化アルミニウムの熱膨張係数を調整できることは、利点である。好ましくは、コーティングの熱膨張係数は、金属材料の熱膨張係数と５０％を超えて異ならない。これは、熱応力下でのコーティングの剥離および亀裂の形成を防止する。本実施形態では、接着促進剤層を省略することができる。

【0056】

一実施形態では、ダイヤフラムは、コーティング内に傾斜を有する非化学量論炭化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｃかつ０＜ｙ≦１）のコーティング、またはコーティング内に傾斜を有する非化学量論窒化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｎかつ０＜ｙ≦１）のコーティング、またはコーティング内に傾斜を有する非化学量論酸化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｏかつ０＜ｙ≦１）のコーティングを備える。すでに説明したように、定数ｘ_Ｍ，Ｃ、ｘ_Ｍ，Ｎ、ｘ_Ｍ，Ｏは、炭化物Ｃ、窒化物Ｎ、酸化物Ｏの元素Ｍに依存し、炭素Ｃ、窒素Ｎ、または酸素Ｏと関連したそれぞれの元素Ｍの化学量論比に相当する。コーティング内で、金属材料からの距離が増加するにつれて、割合ｙが徐々に増加する。あるいはまた、コーティング内で、金属材料からの距離が増加するにつれて、割合ｘが徐々に増加する。しかしながら、コーティング内で、金属材料からの距離が増加するにつれて、割合ｘと割合ｙも徐々に増加し得る。これには、比率ｘとｙを適切に選択することによって、コーティングと金属材料との間の界面でコーティングを金属材料に特に適合させることが可能になるという利点がある。この適合により、界面での応力を最小限に抑えることができる、および／または調整された熱膨張係数とすることができる。コーティング内に傾斜を作製すると、コーティング内の物理的特性も徐々に変化するため有利である。これにより、応力または亀裂の形成がコーティング内で発生することが防止される。流体媒体と接触する表面では、特性が流体媒体に適合される場合がある。したがって、コーティングは、水素以外の流体媒体内の他の物質にも曝露される可能性があり、比率ｘとｙを適切に選択することにより、アルカリ性または酸性の気体または液体などの他の物質に対する耐性を高めることができる。

【0057】

有利には、金属材料とコーティングとの間の界面におけるコーティング内の傾斜を有する非化学量論的酸化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘ、非化学量論的窒化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘ、または非化学量論的炭化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘのコーティングの熱膨張係数は、金属材料の熱膨張係数と５０％以下しか異ならない。

【0058】

特に好ましくは、非化学量論的酸化アルミニウム（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（０＜ｘ＜１．５かつ０＜ｙ≦１）のコーティングは、コーティング内に傾斜を含む。コーティング内で金属材料からの距離が増加するにつれて、割合ｙは、徐々に増加する。あるいはまた、コーティング内で金属材料からの距離が増加するにつれて、割合ｘは、徐々に増加する。しかしながら、コーティング内で金属材料からの距離が増加するにつれて、割合ｘと割合ｙも徐々に増加し得る。金属材料とコーティングとの間の界面におけるコーティングの熱膨張係数は、金属材料の熱膨張係数と５０％を超えて異ならない。

【0059】

コーティング内に傾斜がある場合とない場合の両方で、非化学量論的酸化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＯ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｏおよび０＜ｙ≦１）または非化学量論的窒化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＮ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｎおよび０＜ｙ≦１）または非化学量論的炭化物（１－ｙ）Ｍ－ｙＭＣ_ｘ（０＜ｘ＜ｘ_Ｍ，Ｃおよび０＜ｙ≦１）から作られたコーティングを有するダイヤフラムの一実施形態では、ダイヤフラムは、少なくとも１つの他のコーティングを備える。他のコーティングは、コーティングの金属材料とは反対側に配置される。他のコーティングは、化学量論的酸化物、化学量論的炭化物、または化学量論的窒化物を含む。有利には、コーティングの熱膨張係数は、金属材料の熱膨張係数と他のコーティングの熱膨張係数の中間である。この場合、コーティングは、部分的に接着促進剤層として機能するが、分子状水素および／または原子状水素に対するダイヤフラムの透過性を低下させる役割も依然として果たす。他のコーティングにより、分子状水素および／または原子状水素に対するダイヤフラムの透過性がさらに低下する。化学量論的酸化物、化学量論的窒化物、化学量論的炭化物の耐薬品性は、非化学量論的酸化物、非化学量論的窒化物、非化学量論的炭化物に比べて高く、特に化学的に不活性である。コーティング内の傾斜は、コーティング内の物理的特性が徐々に変化するため有利である。これは、コーティングの応力または亀裂の形成を防止する。他のコーティングと接触する表面では、熱応力下でもひずみを最小限に抑えるようにｘとｙの比率を選択できる。他のコーティングは、特に化学的に不活性な化学量論的組成を有する。

【0060】

また、コーティングと金属材料との間に、前記のような接着促進剤層を設けることもできる。

【0061】

傾斜を有する非化学量論的酸化物、窒化物、または炭化物のコーティングを有するダイヤフラムの特殊な変形例では、コーティングと金属材料との間の界面から一定の距離を置いて、コーティングが化学量論的酸化物、窒化物、または炭化物に遷移する。

【0062】

傾斜を有する非化学量論的酸化物、窒化物、または炭化物のコーティングを有するダイヤフラムの別の特殊な変形例では、コーティングと金属材料との間の界面から一定の距離を置いて、コーティングがそれぞれの化学量論的酸化物、窒化物、または炭化物に転移する。

【0063】

さらなる一実施形態では、非化学量論的コーティング上に化学量論的な他のコーティングが付けられる。この場合、コーティングの熱膨張係数は、金属材料の熱膨張係数と他のコーティングの熱膨張係数との間にあるのが有利である。

【0064】

さらなる一実施形態では、ダイヤフラムは、少なくとも１つの他のコーティングを備え、第１の他のコーティングは、流体媒体に面するコーティングの側に配置され、各々の追加の他のコーティングは、流体媒体に面する前の他のコーティングの側に配置される。少なくとも１つの他のコーティングは、前記のコーティングと同様に、非化学量論的な炭化物、窒化物、または酸化物を含む。しかしながら、他のコーティングの化学組成は、コーティングの化学組成とは異なる。例えば、コーティングが酸化チタン、窒化チタン、または炭化チタンである場合、他のコーティングは、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、または炭化アルミニウムとすることができる。したがって、隣接する追加のコーティングも異なる化学組成を有する。これには、流体媒体と接触する他のコーティングが流体媒体に適合され、例えば流体媒体に含まれる他の物質に対する耐性を提供することができるという利点がある。コーティングは、金属材料に合わせて調整することもできる。

【0065】

コーティング内に傾斜がある場合とない場合の両方で、非化学量論的酸化アルミニウム（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（０＜ｘ＜１．５かつ０＜ｙ≦１）のコーティングを有するダイヤフラムの特定の一実施形態では、ダイヤフラムは、少なくとも１つの他のコーティングを備える。他のコーティングは、コーティングの金属材料とは反対側に配置される。追加のコーティングは、化学量論的酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３を含む。コーティングの熱膨張係数は、金属材料の熱膨張係数と、他のコーティングの熱膨張係数との間にある。この場合、コーティングは、部分的に接着促進剤層として機能するが、分子状水素および／または原子状水素に対するダイヤフラムの透過性を低下させる役割も依然として果たす。他のコーティングにより、分子状水素および／または原子状水素に対するダイヤフラムの透過性がさらに低下する。

【0066】

傾斜を有する非化学量論的酸化アルミニウム（１－ｙ）Ａｌ－ｙＡｌＯ_ｘ（０＜ｘ＜１．５かつ０＜ｙ≦１）のコーティングを有するダイヤフラムの特殊な変形例では、コーティングと金属材料との間の界面から一定の距離で、コーティングが化学量論的Ａｌ_２Ｏ_３に転移する。

【0067】

一実施形態では、ダイヤフラムは、分子状水素および／または原子状水素の透過性を低減するための内部コーティングを備える。内部コーティングは、ダイヤフラムの金属材料の第２の空間内の流体媒体とは反対側に配置される。本実施形態では、内部コーティングは、非化学量論的酸化物、窒化物、または炭化物を含む。コーティングに関してすでに説明したのと同じ酸化物、炭化物、または窒化物が、この目的に対して有利である。これは、コーティングの場合と同じ方法で堆積を実行できることを意味する。内部コーティングは、流体媒体を含む第１の空間からダイヤフラムによって分離された第２の空間が閉じた容積である場合に特に有利である。閉じた容積とは、例えば、トランスデューサのハウジングの内部であり得る。追加の内部コーティングにより、ダイヤフラムを通る分子状水素または原子状水素の拡散がさらに低減し、したがって第２の空間内における水素の蓄積が減少する。これにより、圧力伝達媒体が閉じた容積内に配置された場合にダイヤフラムが膨張するなどの、前記の悪影響が回避される。

【0068】

一実施形態では、内部コーティングは、コーティングの化学組成と同一の化学組成を有し得ないことが可能である。コーティングは、流体媒体と接触するが、内部コーティングは接触しないため、異なるコーティングを選択することができる。例えば、内部コーティングまたはコーティングは、電気的に絶縁されるようにしてもよい。コーティングは、内部コーティングには必要のない他の物質に対する耐性も有し得る。

【0069】

コーティングと同様に、内部コーティングとダイヤフラムの金属材料との間に接着促進剤を任意選択で配置してもよい。

【0070】

本発明はまた、流体媒体の圧力を決定するためのトランスデューサも包含する。トランスデューサは、流体媒体に面する圧力曝露端部を備える。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、測定装置を備える。測定装置は、ハウジングの内部に配置される。トランスデューサは、上記の実施形態のいずれかに係るダイヤフラムを備える。第２の空間は、ハウジングの内部の容積に対応する。

【0071】

流体媒体の圧力を決定するための測定装置は、例えば、ダイヤフラムに作用する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、圧電結晶にプレストレスを加えるプレストレススリーブ内に配置される。したがって、負圧と正圧の両方の変化を検出することができる。あるいはまた、測定装置には、静電容量の変化の形で機械的変形を検出する静電容量測定要素も含まれ得る。

【0072】

あるいはまた、測定装置は、電気抵抗の変化の形で機械的変形を検出する、圧電抵抗測定素子またはひずみゲージ（ストレインゲージとも呼ばれる）を含むこともできる。当業者は、流体媒体の圧力を決定するためにトランスデューサで使用される他の測定装置を認識している。

【0073】

ダイヤフラムは、ハウジングの圧力曝露端部に配置され、測定装置を流体媒体から気密に分離する。ハウジングとダイヤフラムは、材料間結合によって接続されている。材料間結合は、例えば、溶接接続またははんだ付け接続である。接着剤による材料間結合も考えられる。

【0074】

ダイヤフラムは、使用中に流体媒体と接触する第１の領域を備える。ダイヤフラムは、使用中に流体媒体と接触しない第２の領域を備える。材料間結合は、第２の領域内にある。はんだ付け接続または溶接接続として作られた材料間結合では、通常、より多くの亀裂または細孔が発生する。接着剤による材料間結合の場合でも、液体媒体によって接着剤が損傷を受ける可能性がある。したがって、材料間結合は、流体媒体に曝露されない第２の領域内に配置されることが好ましい。

【0075】

コーティングを備えるダイヤフラムの場合、コーティングは、少なくとも第１の領域全体に配置されるが、第２の領域にわたって少なくとも部分的に延びることもできる。

【0076】

第２の領域における流体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最大１％である場合、第２の領域は、本明細書の意味において流体媒体と接触していない。

【0077】

第１領域と第２領域は、例えばシール要素によって互いに分離され得る。温度範囲と圧力範囲の観点からトランスデューサが使用されるアプリケーションに応じて、銅製ガスケット、１．４４０４または１．４３０１鋼製のガスケット、合金のシール要素、または金属コーティングされた合金ガスケットなどの金属ガスケットが使用され得る。プラスチックシールもまた、特定の温度範囲および圧力範囲に対して知られており、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で作られたシールがある。シール要素には他の材料も使用できる。

【0078】

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

【0079】

特に好ましくは、トランスデューサは、少なくとも一定量の分子状水素および／または原子状水素を含む流体媒体の圧力を決定するために使用される。水素は、多くの金属材料において、いわゆる水素脆化を引き起こすことが知られており、熱応力および／または機械的応力を受けると水素脆化と降伏強さの低下につながる。上記のトランスデューサは、これらの欠点を大幅に軽減する。

【0080】

説明したトランスデューサのすべての実施形態は、第２の空間内に配置された圧力伝達媒体を含む実施形態として可能である。しかしながら、説明した実施形態はすべて、第２の空間に圧力伝達媒体を配置せずに実行することもできる。

【0081】

本発明はまた、流体媒体の温度を決定するためのトランスデューサも包含する。トランスデューサは、流体媒体に面する圧力曝露端部を備える。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、流体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、ハウジングの内部に配置されている。トランスデューサは、上記の実施形態のいずれかに係るダイヤフラムを備える。

【0082】

以下、本発明を、図面を参照して例を挙げてさらに詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0083】

【図1】本発明に係るダイヤフラムの一実施形態を備えたトランスデューサの一実施形態の概略断面図を示し、任意選択のコーティングが一点鎖線で示されている。

【図2】ダイヤフラムの一実施形態の概略断面図を示す。

【図3】ダイヤフラムのさらなる一実施形態の概略断面図を示す。

【図4】ダイヤフラムのさらなる一実施形態の概略断面図を示す。

【図5】図３に係るダイヤフラムを備え、壁内に配置されたトランスデューサの一部の概略断面図である。

【図6】図２に係るダイヤフラムを備え、壁内に配置されたトランスデューサの一部の概略断面図を示す。

【図7】ダイヤフラムのさらなる一実施形態の概略断面図を示す。

【図8】ダイヤフラムのさらなる一実施形態の概略断面図を示す。

【図9】ダイヤフラムのさらなる一実施形態の概略断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0084】

図１は、本発明に係るダイヤフラム２の一実施形態を備えたトランスデューサ１の一実施形態の概略断面図を示しており、任意選択のコーティング４が一点鎖線で示されている。

【0085】

縮尺通りに描かれていない図１の図示において、金属材料３の任意選択のコーティング４が一点鎖線で示されている。図２～図６は、図１に示された図示とは異なる以下のダイヤフラム２のコーティングを示す。

【0086】

図２～図９のさらなる実施形態では、同じまたは均等な要素には、符号が一貫して使用されている。

【0087】

図２～図４は、ダイヤフラム２のさらなる実施形態を示す。ダイヤフラム２の厚さとコーティング４の厚さは、わかりやすくするために正確な縮尺で描かれていない。

【0088】

図５～図６は、ダイヤフラム２を備えたトランスデューサ１のさらなる実施形態を示す。ダイヤフラム２の厚さとコーティング４の厚さは、わかりやすくするために正確な縮尺で描かれていない。

【0089】

図１～図６のダイヤフラム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内に存在する流体媒体１３に対して、少なくとも１つの物理変数を決定することができる。物理変数とは、例えば圧力および／または温度である。

【0090】

ダイヤフラム２の表面６は、流体媒体１３に面している。ダイヤフラム２は、ダイヤフラム２が使用されているときに流体媒体１３と接触する第１の領域９を備える。ダイヤフラム２は、図１～図６に示されるように、使用時に流体媒体１３と接触しない第２の領域１０を備える。

【0091】

有利には、ダイヤフラム２は、薄壁領域２１を備える。薄壁領域２１は、流体媒体１３の圧力を第１の空間１４から第２の空間１５にできるだけ少ない損失で伝達するために、５００μｍ未満の厚さを有することが好ましい。

【0092】

図１～図６に示される実施形態では、ダイヤフラム２は、分子状水素または原子状水素の透過性を低減するためのコーティング４を備えており、このコーティング４は、ダイヤフラム２の金属材料３と流体媒体１３との間に、少なくとも使用中に流体媒体１３と接触する領域に配置されている。図１でコーティングを表す一点鎖線は、コーティングが任意選択であることを示している。

【0093】

図３および図５に示される実施形態では、ダイヤフラム２は、ダイヤフラム２の金属材料３からのコーティング４の剥離を防止するための接着促進剤層５を備える。

【0094】

図４に係る実施形態では、ダイヤフラム２は、コーティング４の金属材料３とは反対側に配置された他のコーティング４’を備える。

【0095】

図９に係る実施形態では、ダイヤフラム２は、コーティング４の金属材料３とは反対側に配置された少なくとも１つの他のコーティング４’、４’’、４’’’、…を備える。他のコーティング４’、４’’、４’’’、…は、上記のコーティング４と同様の非化学量論的炭化物、窒化物、または酸化物を含む。

【0096】

図７に係る実施形態では、ダイヤフラム２は、例えば、金属材料３の流体媒体１３に面する側のコーティング４に加えて、内部コーティング２２を備える。内部コーティング２２は、ダイヤフラム２の金属材料３の流体媒体１３とは反対側の第２の空間１５内に配置される。図には示されていないが、他の実施形態でも内部コーティング２２が設けられる場合がある。

【0097】

図８に係る実施形態では、ダイヤフラム２は、ダイヤフラム２の金属材料３の流体媒体１３に面する側にコーティング４と接着促進剤層５とを備える。ダイヤフラム２の本実施形態は、金属材料３の流体媒体１３とは反対側に堆積された接着促進剤層５をさらに備え、この接着促進剤層５は、内部コーティング２２を金属材料３に接合する。

【0098】

図１および図５～図６は、流体媒体１３の圧力を決定するためのトランスデューサ１に導入されたダイヤフラム２の一実施形態をそれぞれ示している。トランスデューサ１は、流体媒体１３に面した圧力曝露端部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。ハウジング７内には測定装置１６が配置されている。図１、図５、または図６に係るトランスデューサ１の各々の実施形態は、本発明に係るダイヤフラム２を表す。

【0099】

ダイヤフラム２は、トランスデューサ１の圧力曝露端部１１に配置され、測定装置１６を流体媒体１３から気密に分離する。ハウジング７とダイヤフラム２とは、材料間結合８によって互いに接合されている。ダイヤフラム２は、ダイヤフラム２が使用されているときに流体媒体１３と接触する第１の領域９を備える。ダイヤフラム２は、使用時に流体媒体１３と接触しない第２領域１０を備える。トランスデューサ１が使用されているとき、第１領域９と第２領域１０は、シール要素１２によって互いに分離されている。図示した実施形態の各々では、材料８間の結合は、第２の領域１０に配置されている。

【0100】

しかしながら、材料８間の結合を、流体媒体１３と接触する領域９、１０に配置することも考えられる。この場合、材料８間の結合は、コーティング４によって完全に覆われるのが有利である。

【0101】

図５および図６は、壁部１７に挿入された流体媒体１３の圧力を決定するために使用されるトランスデューサ１を示す。例えば、壁部１７は、流体媒体１３を保持するタンク、コンプレッサ、ヒートポンプ、冷凍機、流体媒体１３を輸送するライン、内燃機関の燃焼室、またはガスタービンの壁部１７であってもよい。

【0102】

もちろん、本明細書で開示されたダイヤフラム２またはトランスデューサ１の実施形態を互いに組み合わせることも可能である。さらに、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、本明細書に明示的に包含される。

【符号の説明】

【0103】

１ トランスデューサ
２ ダイヤフラム
３ 金属材料
４ コーティング
４’ コーティング
５ 接着促進剤層
６ 表面
７ ハウジング
８ 材料の結合
９ 第１の領域
１０ 第２の領域
１１ 圧力曝露端部
１２ シール要素
１３ 流体媒体
１４ 第１の空間
１５ 第２の空間
１６ 測定装置
１７ 壁部
１９ 界面
２１ 薄壁領域
２２ 内部コーティング

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】