JP2011504590A - パイプの内面温度を計測するための方法および関連デバイス - Google Patents

パイプの内面温度を計測するための方法および関連デバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、パイプ(T)の内面(S)の温度を計測するための新規な方法に関する。本発明によれば、以下のステップが実施される。すなわち、a)少なくとも一つの温度感応要素(8)は、この温度感応要素がパイプ(T)の内面(S)と接触状態となるように、その軸線(XX')に関して半径方向にプローブ(So)から離間するように移動させられ、そして、b)プローブの感応要素(8)と内面との間に加えられる接触力は、それが上記面上のポイントにおいて所定の値に達するまで増大させられる。本発明はまた関連デバイスに関する。

Description

本発明はパイプの内面温度を計測するための新規な方法および関連デバイスに関する。
この新規な方法によって、パイプの内面の温度を、感応要素と当該面との間の接触圧力を制御することによって計測することが可能となる。したがって、本発明による方法によって、かつ、予見される事例に依存して、本発明によるプローブが変位させられる場合には(定置試験の場合)スペース内の離散した温度領域に、あるいは本発明によるプローブ上に存在する感応領域の数に対応する数のポイントでの温度の進展の動きにアクセスすることが可能となる。
パイプの内面上の温度フィールドを得ることで、実験的熱流体研究において重要な情報が提供される。実際、その正確な知識は、正確な交換係数の正確な算定、相(凝結、気化)の変化の領域の検出、変化するかあるいは変更された熱伝達領域の局所化につながる。だが、パイプの内面といった、密封媒体内での表面温度計測を実現することは、特に困難であり、実験者は、たいてい、不完全でかつ特定の情報に縛られる。
現在、温度に関する情報は、スプリングによってパイプ内壁に対して固定された熱電対を備えた可動プローブによって得ている。その結果として加えられる力は計測ポジションと共に変化する。
非特許文献1から、クラッディングの形態の、インコネル(登録商標)からなる、温度感応要素を具備してなるプローブが公知である。こうした感応要素の自然な柔軟性によって、それがスプリングとして機能することが、したがってそれぞれが、その温度が計測されることになるパイプ内面と接触状態となることが可能となる。だが、このプローブは、感応要素とパイプの内面との間の接触力を制御することを可能としない。なぜなら、それは、感応要素の自然な柔軟性にもっぱら依存するからである。
1997年5月26日から30日に開催された「5th International Conference on Nuclear Engineering ICONE5」中に行われたコンファレンスにおいて、ナンバー2428のもと出版された「Heat Transfer Studies With Candu Fuels Simulators」という表題の刊行物
以上が、本発明の一つの目的が、計測面全体にわたる接触抵抗の差異に起因する不確かさを低減しかつ標準化することである理由である。
本発明の他の目的は、同一パイプ内での変位の間、計測のために使用されるプローブの感応要素の接触領域の損耗を低減し、したがってプローブの耐用年数を延ばすことである。
この目的のために、本発明は、前後軸線(XX')のパイプの内面の温度を計測するための方法に関し、この方法では、以下のステップが実施される。
a)温度感応要素がパイプの内面と接触状態となるよう、軸線(XX')に関して半径方向にプローブから離れるように少なくとも一つの温度感応要素を移動させる。
b)プローブの感応要素と内面との間に加えられる接触力を、それが上記面上のあるポイントにおいて所定の値に達するまで増加させる。温度計測が実施されることになる内面S上のいかなるポイントでも、この接触力は一定でありかつ再現可能である。
プローブの「温度感応要素」とは、本明細書では、そして本発明の範囲内では、その構成材料が、接触によってさらされる温度と共に可変である特性(電気抵抗、起電力など)を有するプローブの一部を意味する。
したがって、それは、白金抵抗温度計、半導体素材からなるサーミスタ、熱電対などの一部を含んでいてもよい。
本発明によれば、一つの(複数の)小型温度計が、計測される面上を変位させられる。こうした温度計(熱電対、白金抵抗温度計、サーミスタ)は、プローブによって一体化され、かつ、接触力を、したがって熱的接触抵抗を制御しながら、直にあるいはその熱的慣性が制限された特定の接触要素を介して、パイプの内面に対して接続される。この接触要素を製造するために採用される素材は、プローブの温度安定時間を低減するために、可能な限り高い熱伝導性を有するべきである。プローブが電位下で使用される場合、素材はさらに電気的絶縁性を有している必要がある。好ましくは、それはダイアモンドであってもよい。それはまた、窒化アルミニウムあるいは窒化ホウ素であってもよい。
計測器具の変位を可能とすることによって、より完全なおよび/または良好に局限された情報を得ることが可能となる。接触力の制御は熱的接触抵抗の減衰に、したがって計測の不確実さの低減につながる。変位中の計測されるパイプに対する接触の排除は、接触要素およびパイプの損耗に関する摩擦の作用を解消し、この結果、熱的抵抗の経時変化および計測表面の変質を制限する。
本発明によれば、感応要素の接触圧力は円筒体上で制御されるが、その温度領域が計測される。本発明は、プローブのフレームを形成するために選択された素材を適合させることによって、いかなる直径のパイプにも、熱電対、白金抵抗プローブあるいはサーミスタによる計測の影響を受けやすい、いかなる温度条件にも適応可能である。
主ゲインは、一方では接触抵抗を基準化することによる、そして経時的に他方では、損耗の低減による(プローブ/壁接触はパイプ内での変位の段階中排除される)、表面の一ポイントから他に至る温度計測の再現性に関する。
好ましくは、プローブがパイプ内で変位させられるとき、パイプの内面に対して感応要素によって加えられる力は緩和される。加えられた力の緩和は、プローブの感応要素とパイプの内面との間の接触状態が存続しないようなものであることが有利である。
本発明はまた、前後軸線(XX')のパイプの内面の温度を計測するためのデバイスに関し、このデバイスは、
・当該軸線と平行に延在する自由端部を備えた少なくとも一つの温度感応要素を具備してなるプローブと、
・感応要素の自由端部を上記軸線に関して半径方向に離間移動させるための手段と、
・半径方向に離間移動させられた感応要素の自由端部に所定の力を加えるための手段であって、温度計測が実施されることになる内面S上のいかなるポイントでも接触力は一定でありかつ再現可能であるような手段と、を具備してなる。
好ましい実施形態によれば、本デバイスは、互いに離間し、かつ、それぞれに関して、上記軸線と平行なその自由端部を備えた複数の感応要素を具備してなる。
プローブは好ましくは中空体を具備してなり、かつ、感応要素は好ましくは複数のフレキシブルな金属ワイヤの形態である。これら要素のそれぞれは中空体内で固定された一端部を有すると共に、他端部は自由でありかつ外側に向かって湾曲している。
有利な実施形態によれば、フレキシブルな金属ワイヤを離間移動させると共にその自由端部に所定の力を加える手段は、
・ピストンを形成する、幅Lのプレートであって、それを貫通してワイヤが延在しているプレートと、
・加圧デバイスと連通状態となるよう構成された密封エンクロージャを、それと協働で形成することによって、ピストンに対してかつ中空体に対して固定されたベローズと、
・フレキシブルなスプラインであって、それぞれに関して、一端部が距離Lだけ互いに離間するように中空体に対して固定され、かつ、一自由端部がワイヤの自由端部と外的にかつストッパーと内的に一体であるフレキシブルなスプラインと、を具備してなる。したがって、本発明によれば、計測段階を実行するために、加圧デバイスは密封エンクロージャを所定の圧力まで加圧する。これによって、ベローズに対して固定されたピストンの軸方向の変位が、したがってストッパー上のピストンの当接部に対応するポジションまでのスプラインの自由端部およびワイヤの自由端部から離間する付随する半径方向の動きが引き起こされる。したがって、これによって、所定の圧力が実現されるまでそれと一体である、ストッパーおよびスプラインの外側部分を介して、ワイヤの自由端部に伝達されるピストンに対して加えられる力の増大がもたらされる。
有利なことには、ピストンを形成するプレートおよびストッパーは相補的テーパー形状のものである。
代替例によれば、上記デバイスは、孔を備えたカウンターウエイトを具備してなり、その中には感応要素の自由端部が配置され、カウンターウエイトの素材は、それと接触状態にある部分と上記感熱要素との間の熱的連続性を保証する。カウンターウエイトの素材はさらに、好ましくは上記部分と感応要素との間の電気的絶縁を保証する。
本発明は、核燃料ペンシルからの出力の漏れを直接ジュール効果によってシミュレートする実験設備パイプの内面の温度を計測するための上記デバイスの使用法に関する。(たとえばインコネル(登録商標)からなる)上記実験設備パイプは、核燃料ペンシルのクラッディングのそれと同じ寸法特徴を有する。
概して、本発明によれば、その内面にアクセス可能なパイプ内での全ての温度計測用途が予見できる。
本発明のその他の特徴ならびに利点は、図面を用いた以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
本発明による温度計測デバイスの一実施形態のプローブ部分の概略縦断面図である。 本発明による温度計測デバイスの一実施形態のプローブ部分の縦断面図である。 本発明による温度計測デバイスの一実施形態のプローブ部分の斜視図である。
図1には、パイプT内に垂直姿勢で導入されかつ120°の規則的な角度ピッチで配置された三つの感応要素を備えた、本発明に基づくプローブSoを縦断面で示している。図示されたパイプTは、前後軸線XX'の核燃料ペンシルシミュレータである。それは発熱していることも、していないこともある。
プローブSoは、主として、中空体1,2,3と、温度感応要素8と、計測ヘッド4,5,6,7,9を具備してなる。
熱的および/または電気的絶縁リング10が、図示する実施形態には設けられている。この絶縁リング10は、本体1を、その導入およびその内でのその変位中に、本体1がパイプTの内面Sと接触しないように保護する。プローブSoの機能はまた、短絡を回避すること(パイプTが電位状態にある場合)およびパイプTからプローブSoへの熱の漏れを制限することである。
プローブSoの中空体1は、図示する実施形態では、二つの部分、すなわち本体2と、この本体の内部に封止状態で固定された円筒形態の補助体3とからなる。
図示するように、本体2は、以下の機能を同時に保証するパイプである。
・変位デバイス(図示せず)から動きの伝達
・以下で説明する温度感応要素8のリターンガイド
・プローブ内での加圧容積の生成
図示するように、補助体3は、本体2の内部に封止状態で固定された円筒体である。この補助体3は、以下の機能を同時に保証する。
・以下で詳しく説明するピンニングスプライン5を固定するためのプローブSoの本体のサイズの低減
・以下で詳しく説明するコンタクトカウンターウエイト7を適所に配置するための十分な空間の除去
・以下で詳しく説明する支持ベローズ6の封止固定のための基準面の適所への配置
中空体1は、その下側部分において、以下で詳しく説明する計測ヘッド4,5,6,7,9に対して、かつ、その上側部分において、加圧デバイス(図示せず)に対して、接続されている。
計測ヘッドを構成する部分は、まず、ポジショニングクラウン4を具備してなる。図示するように、クラウンは、補助体3に固定されかつ心出しされた円筒体4である。ピンニングスプライン5がクラウン4に固定されている。各感応要素8に関して、ポジションは、可能な限り最良の精度を伴って知られるべきである。実際に、目標とする計測値は、温度表面領域のそれであり、それゆえ、三つの計測値、すなわち温度だけでなく(検査される験用機器を装備したパイプ上の所与の基準に関する)軸方向ポジションおよび(検査される験用機器を装備したパイプ上の所与の基準に関する)角ポジションが制御される必要がある。ピンニングスプライン5による、カウンターウエイトのポジショニングはしたがって重要なパラメータである。角ポジショニングは、
・図1の実施形態におけるリング4の外径によって、
・図2Aおよび図2Bの実施形態におけるリング11に形成された孔111によって、与えられる。
ピンニングスプライン5は、それぞれ、ポジショニングクラウン4上に固定された弾性変形可能なフレキシブルなストリップからなる。その役割は、一方では、計測段階中にピストン9からコンタクトカウンターウエイト7へと支持力を伝達し、そして他方では、カウンターウエイト7の外面とパイプTの内面との間に接触が存在しない状態で、プローブSoの変位段階中にパイプTの中央スペースまでコンタクトカウンターウエイトを戻すことである。スプライン5は120°の角度だけ互いに離間している(図1および図2A、図2B)。
以下で説明するように、力の伝達は、その上にピストン9が載っているストッパー52と、コンタクトカウンターウエイト7のシート70とによって保証される。
計測ヘッドはまた、中空体2,3および以下で詳しく説明するピストン9によって形成された密封エンクロージャの変形可能要素を構成するベローズ6を具備してなる。計測段階中、この密封エンクロージャは、以下で詳しく説明するように、それと連通状態にある適当な加圧デバイスによって加圧される。加圧は、ピストン9の変位を、したがってパイプT上でのコンタクトカウンターウエイト7のピンニング力を伴う。
既に言及したコンタクトカウンターウエイト7は、プローブの感応要素8が、パイプTすなわちペンシルの内壁と接触した状態を維持する。カウンターウエイト7の素材は、プローブの感応要素8とパイプTとの間の熱的連続性を保証することを可能とする。必要ならば、カウンターウエイト7の素材は、これら同要素8およびT間の電気的絶縁を保証することを可能とする。カウンターウエイトの材質はダイアモンドであることが有利である。それはまた、窒化ホウ素あるいは窒化アルミニウムから形成されてもよい。
図示するように、各カウンターウエイトは、感応要素8の自由端部80がその中に配置される孔700を具備してなる。
図示するカウンターウエイト7のそれぞれは、内部孔を備えた円筒クラウン形状を有する。この形状によって、温度計測がなされることになる、表面Sのいかなるポイントにおいても、同一の面接触が可能となる。図1ならびに図2Aおよび図2Bの特定の実施形態では、軸方向の熱勾配は小さく(10℃/mすなわち0.01℃/mm未満)、円筒形接触要素(カウンターウエイト7)の構成によって接触面を増大することが、したがって、計測精度を著しく乱すことなく、カウンターウエイト7の温度安定化時間を低減することが可能となる。
上述したように、計測ヘッドはまた、互いに離間すると共にそれぞれが長手方向軸線XX'と平行に延在する自由端部を備えた感応要素8を具備してなる。図示するように、感応要素8は、それぞれに関して、一端部81が主中空体2内に固定されかつ一自由端部80が外側に向かって湾曲した複数のフレキシブルな金属ワイヤの形態である。
計測ヘッドは、最終的に、ピストン9を具備してなるが、これは、以下の機構を保証する。
・プローブSoの内側部分の加圧によって、その上面上で得られた力の、スプライン5およびそのストッパー52を介した、コンタクトカウンターウエイト7への伝達
・加圧密封エンクロージャの連続性。図示するように、ピストン9とストッパー52とは相補的テーパー形状のものである。
計測を実施するために、図示するプローブSoの操作は以下のとおりである。密封エンクロージャは、所定の圧力まで、加圧デバイスによって加圧される。これによって、ベローズ6に固定されたピストン9の軸方向変位が、したがって、ストッパー52上のピストン9の当接部に対応するポジションまでのスプライン5の自由端部50およびワイヤ8のそれら80から離間する半径方向の付随動作が引き起こされる。この場合、ピストン9に加えられる力が増大するが、これは、予め規定された圧力に達するまで、ストッパー52と、それと一体のスプライン5の外側部分とを介して、ワイヤ8の自由端部80まで伝達される(図1)。予め規定された圧力は、プローブの寸法、パイプの内部寸法などの関数として予め較正される。検査されるパイプに沿った温度T°が計測されることになる、いかなるポイントにおいても、予め規定された圧力は同一である。さらに、それが接触状態の表面(図中のカウンターウエイト7/内面S)間にコーキングを生じるような圧力を有するのを避ける必要がある。
このようにしてコンタクトカウンターウエイト7とパイプTの内面Sとの間に加えられる接触力は一定であり、かつ、制御される。すなわち、それは、直接的に、中空体と連通状態にある加圧デバイスによってもたらされる予め規定された圧力に比例する。したがって、温度計測が実施されることになる、内面Sのいかなるポイントにおいても、接触力は一定でありかつ再現可能である。言い換えれば、本発明によれば、表面Sのあるポイントから他のポイントに至る計測の不確実さは接触力の制御によって低減されるが、これは熱的接触抵抗の減衰につながる。
パイプT内でのプローブSoの変位の間、中空体2,3および可動ベローズ6/ピストン9アセンブリによって構成される密封エンクロージャ内の圧力は低下し、この結果、カウンターウエイト7と内面Sとは接触しなくなる。さらに、本発明によれば、表面Sとの不注意による接触のリスクを冒さないよう、プローブSoの変位の間、カウンターウエイト7の互いの近接程度が十分なものであることを保証するために注意が払われる。カウンターウエイトの、したがってプローブSoの耐用年数は、こうして増加させられる。
図2Aおよび図2Bの実施形態に示すように、本発明による計測ヘッドは、第一に、好ましくはステンレススチールからなると共に中空円筒の形態の本体1を具備してなる。その機能は、基本的に、案内および電位のガードを保証することである。
本体1の周囲には、同軸状に、好ましくはアルミナセラミックからなるリング10が配置されている。本体1の端部には、リング10の移動を確実に阻止するリング11が取り付けられている。この一体リング11は、図1の実施形態の二つの部品3および4と有利に交換可能である。
ベローズ6はこのリング11上に取り付けられている。この取り付けは、リング11と中空体1とのそれと同様、たとえばロウ付け技術によって密封様式で実現される。こうして得られたシーリングは、加圧デバイス、中空体1の内面、リング11のそれ、およびベローズ6のそれによって形成された加圧チャンバーのそれである。
図2Aおよび図2Bに示すように、ピストン9はベローズ6の一体部分を形成しているが、これによって、図1の実施形態に比べて部品数が低減される。さらに、感応要素の通路(図2Aおよび図2Bには示していない)は、リング11(貫通孔111参照)およびリング10(孔111と対向する貫通孔は示していない)の周縁に形成された孔によって確保される。したがって、図1の実施形態と比較して、感応要素とピストン9との間に形成されることになるシーリングが存在しないが、これはピストン9が当該要素と交差しないからである。
図2Aおよび図2Bの実施形態では、ピストンストッパー52すなわちシートは、その高さの一部にわたって感応要素のさらなる案内を実施することを可能とする発現孔520を具備してなる。言うまでもなく、本実施形態によれば、検査されるパイプTの内面Sと上記ストッパー52との間の非接触状態が生じ得る。さらに、本実施形態によれば、カウンターウエイトシート70とストッパー52とを一つに結合するために付加的な結合部品53が設けられる。この付加的部品53の素材は、これら二つの部品間の熱的ブリッジを回避するために慎重に選択される。
その他の代替例は本発明の範囲を逸脱することなく実施可能である。たとえば、本発明によるデバイスは、以下の特徴を別個にあるいは組み合わせて備えていてもよい。
・複数の感応要素8(断面で見て2個)と共に図示しているが、本発明によるプローブは単一の感応要素8を備えていてもよい。
・図1では互いに固定された二つの別個の部品の形態で示されているが、本製造方法によれば、ピンニングスプライン5/クラウン4アセンブリは一体部品であってもよい。
・プローブSoの性質、寸法およびそれを構成する素材しだいで、カウンターウエイト7をアセンブリから省略できる。
・プローブSoの感応要素8の性質は可変であってもよい(熱電対、白金抵抗温度計、サーミスタなど)。
So プローブ
S 内面
T パイプ
1 中空体
2 本体
3 補助体
4 ポジショニングクラウン
5 ピンニングスプライン
6 支持ベローズ
7 コンタクトカウンターウエイト
8 温度感応要素
9 ピストン
10 絶縁リング
11 リング
52 ストッパー
70 シート
80,81 端部
111 貫通孔
700 孔

Claims (11)

  1. パイプ(T)の内面(S)の温度を計測するためのデバイスであって、
    軸線(XX')と平行に延在する自由端部(80)を備えた少なくとも一つの温度感応要素(8)を具備してなる回転軸線(XX')のプローブ(So)と、
    前記感応要素(8)の前記自由端部(80)を前記軸線に関して半径方向に離間移動させるための手段(5,50,52,6,7,70)と、
    半径方向に離間移動させられた前記感応要素の前記自由端部に所定の力を加えるための手段(5,50,52,6,7,70)と、を具備してなり、
    温度計測が実施されることになる内面S上のいかなるポイントでも、接触力は一定でありかつ再現可能となっていることを特徴とするデバイス。
  2. 互いに離間した複数の感応要素(8)を具備してなり、それぞれが前記軸線(XX’)と平行なその自由端部(80)を有することを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記プローブ(So)は中空体(2,3)を具備してなると共に、前記感応要素(8)は、それぞれに関して、一端部(81)が前記中空体内に固定され、かつ、一端部(80)が自由であると共に外側に向かって湾曲した状態の複数のフレキシブルな金属ワイヤの形態であることを特徴とする請求項2に記載のデバイス。
  4. 前記フレキシブルな金属ワイヤ(8)を離間移動させると共に、その自由端部(81)に所定の力を加えるための前記手段は、
    ・ピストンを形成する、幅Lのプレート(9)であって、前記ワイヤ(8)がそれを貫通して延在しているプレート(9)と、
    ・前記ピストン(9)および前記中空体(2,3)に対して固定されたベローズ(6)であって、それと協働で、加圧デバイスと連通状態となるよう構成された密封エンクロージャを形成するベローズ(6)と、
    ・フレキシブルなスプライン(5)であって、それぞれに関して、一端部(51)が距離Lだけ互いに離間するように前記中空体(1)に対して固定され、かつ、一自由端部(50)がワイヤの前記自由端部(81)と外的にかつストッパー(52)と内的に一体であるフレキシブルなスプライン(5)と、
    を具備してなることを特徴とする請求項3に記載のデバイス。
  5. 前記ピストンを形成するプレート(9)と前記ストッパー(52)とは相補的なテーパー形状を有することを特徴とする請求項4に記載のデバイス。
  6. 孔(700)を具備してなるカウンターウエイト(7)を具備してなり、前記孔(700)内には感応要素(8)の前記自由端部(80)が配置されており、前記カウンターウエイト(7)の材質が、それと外部接触状態にある部分(T)と前記感応要素との間の熱的連続性を保証するようになっていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のデバイス。
  7. 前記カウンターウエイト(7)の材質は、さらに、前記部分(T)と前記感応要素(8)との間の電気的絶縁を保証するようになっていることを特徴とする請求項6に記載のデバイス。
  8. パイプ(T)の前記内面(S)の温度を計測するための方法であって、以下のステップ、すなわち
    a)温度感応要素が前記パイプの前記内面(S)と接触状態となるよう、少なくとも一つの温度感応要素(8)を、その軸線(XX')に関して半径方向に、プローブ(So)から離間するように移動させることと、
    b)前記プローブの前記感応要素(8)と前記内面との間に加えられる接触力を、それが前記面のあるポイントにおいて、所定の値に達するまで増大させることと、
    を実施し、
    前記接触力は、温度計測が実施されることになる内面S上のいかなるポイントでも一定であり、かつ、再現可能であることを特徴とする方法。
  9. 前記プローブが前記パイプ内で変位させられるとき、前記パイプの内面に対して前記感応要素によって加えられる力は緩和されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 加えられた力の緩和は、前記プローブの前記感応要素と、前記パイプの前記内面との間の接触状態が存続しないようなものであることを特徴とする請求項9に記載の方法。
  11. 核燃料ペンシルからの出力の漏れを直接ジュール効果によってシミュレートする実験設備のパイプ(T)の内面(S)の温度を計測するための請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のデバイスの使用法。
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