JP5089018B2 - プロセス制御送信機のためのプロセスシール - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御送信機に関する。特に、プロセスシール（封じ装置）を改良したプロセス制御送信機に関する。

圧力を感知する送信機は、少なくとも一つの隔離ダイヤフラムに結合される圧力センサを有する。隔離ダイヤフラムは感知される腐食性処理流体から圧力センサを隔離する。圧力は、通路に収容される実質的に非圧縮隔離流体を通って、隔離ダイヤフラムから感知ダイヤフラムをもつセンサへ伝達される。名称がモジュール圧力送信機の米国特許題５，０９４，１０９号、および名称が張力隔離凹部を有する圧力送信機の米国特許第５，０９４，１０９号はこのタイプの圧力送信機を示している。

送信機のための処理流体シーリング機構は、化学環境、温度領域と張力状態での広い領域、及び広い圧力の範囲で運用されることができる。テフロン（登録商標）およびフルオロカーボンは好ましいシーリング部材に属している。Hastelloy（登録商標）、３１６ステンレス鋼および他の腐食抵抗部材は濡れている表面に用いて好ましい部材である。これらの部材が大変良好な腐食抵抗特性を有する一方、それらの腐食抵抗合金の曲げ強度やシーリング部材の押出に対する抵抗などの機械的特性は不十分である。シーリング部材は高圧と高温を受けると押し出す傾向にある。この理由で、シーリング部材はガスケットとして扱われなければならない。ガスケットで効果的なシールを形成するためには、通常、大きな圧縮に耐える大きな表面積のシーリング部材を入手することが必要である。この圧縮から生ずる変形（stress)は、圧力送信機の隔離ダイヤフラムに機械的に伝達され、最後に感知ダイヤフラムに伝達される。この変形の大きさは、装着ボルトが緩むにつれて、またガスケットシーリング部材が押出するにつれて変化する。これらの変化は圧力センサの出力を不安定にする。

プロセス隔離ダイヤフラムに伝達される変形を最小にするためには、該ダイヤフラムをシーリング機構から分離し、変形を隔離するようにするのが好ましい。しかし、ダイヤフラムを変形から隔離するのは、実際には難しい。工業規格および既存の製品との互換性の要請は、サイズ、ボルトの配置と形状および装置の圧力ポートを規制している。送信機の全体に対する配置はプロセスシーリングガスケットと隔離ダイヤフラムに割り当てなければならない空間を制限する。プロセス隔離ダイヤフラムは、ボルトの型により限定される境界の中にぴったり合わなければならない。シーリングのために使用されるボルトの境界内の空間は一般的に隔離ダイヤフラムに利用できない。隔離ダイヤフラムは小さい程、結合の変形をより大きく受けて、不安定になるので、隔離ダイヤフラムのサイズを低減することは望ましいことではない。

トレードオフが圧力送信機の幾つかの矛盾する要求の中でなされなければならない。この要求は、１）大きく一様なダイヤフラムの要求；２）シーリング機構からの変形を受けないダイヤフラムの要求；３）十分な表面積をもつシーリング機構の要求；４）十分な力で保持される信頼性のあるシーリング機構の要求；５）全ての構造がボルトの型で限定される境界内に適合するという制約である。

これらのことの幾つかに対処する技術は、米国特許第５，９５５，６７５号に記述されている。この米国特許は、プロセス送信機のための自動補力プロセスシールという名称であり、ピーターソンに１９９９年９月２１日に発行されている。この特許には、プロセス圧が、フランジに対してプロセスシールをシーリングする際に、有用的に使用される技術を開示している。プロセスシールはリング形状であり、シーリング部材はその内径に沿って該リングに結合される。該リングは、処理流体が該シールを通って漏れるのを阻止するために、フランジと当接してシーリング部材に力を加えるように構成されている。

本発明は、プロセスシール（封じ装置）を改良したプロセス制御送信機を提供する。このシールは、外径領域と内径を含む。アーチ領域は該内径と外径領域との間に配置される。一つの特徴では、金属シール（metal to metal seal)がプロセス送信機を結合フランジにシーリングするために提供される。

図１は、本発明の一実施形態による、送信機本体１２、結合フランジ又はマニホルド（manifold)１３およびセンサ本体１４を有する典型的な圧力送信機１０を示す。本発明は、コプラナ（登録商標）フランジで説明されているが、いかなるタイプのフランジ、マニホルド、又は処理流体を受けるのに適した結合手段を用いることができる。センサ本体１４は圧力センサ１６を含み、送信機本体１２は送信機回路２０を含む。センサ回路１８は通信バス２２を通って送信機回路２０に接続される。送信機回路２０は２線プロセス制御ループ２３（又は、回路）のような通信リンクを通って処理流体の圧力に関する情報を送信する。送信機１０は、コントローラ２５により制御ループ２３を経て全部の電力を供給される。

送信機の一実施形態において、圧力センサ１６はフランジ１３の通路２４内の圧力Ｐ１と通路２６内の圧力Ｐ２間の圧力差を測定する。圧力Ｐ１は通路３２を通ってセンサ１６に結合される。通路３２はカップリング３６および管４０を通って延びている。通路３４はカップリング３８および管４２を通って延びている。通路３２と３４はオイルのような比較的非圧縮性の流体で充満されている。カップリング３６と３８はセンサ本体１４の中を貫き、センサ回路１８を備えるセンサ本体の内部と通路２４と２６に収容される処理流体間に、長い火炎鎮圧通路（flame-quenching path）を提供する。

通路２４はセンサ本体１４中の開口２８に隣接して設けられている。通路２６はセンサ本体１４中の開口３０に隣接して設けられている。ダイヤフラム４６は開口２８内に置かれ、通路２４に隣接するセンサ本体１４に結合されている。通路３２はカップリング３６とセンサ本体１４を通りダイヤフラム４６まで延びている。ダイヤフラム５０は通路２６に隣接するセンサ本体１４に結合されている。通路３４はカップリング３８とセンサ本体１４を通りダイヤフラム５０まで延びている。

動作においては、送信機１０がフランジ１３にボルトで留められると、フランジ１３はシール４８と５２に対し圧接する。シール４８は開口２４とダイヤフラム４６に隣接するセンサ本体１４に着座され、通路２４と開口２８とからフランジ１３を通って外部の環境へ処理流体が漏れるのを阻止する。同様に、シール５２は開口２６とダイヤフラム５０に隣接するセンサ本体１４に結合され、通路２６と開口３０とからフランジ１３を通って外部の環境へ処理流体が漏れるのを阻止する。本発明によるシール４８と５２は好ましくは同一である。シール４８は図２−５を参照して、より詳細に説明される。

本発明は次のような点で従来のシーリング技術に勝る効果を提供する。
１）効果的なシールを提供するために必要とされる力を低減する；２）送信機をプロセスフランジに結合するボルトにおける張力（tension）により提供される力に大して依存しないシーリング力を作る；３）プロセス圧力自体を高圧でシーリングする力に使用する；４）改良された腐食特性を有する部材が使用できるように、リングを製作するために優れた機械特性をもつ部材を使用するという要請を緩和する；および５）プロセス流体を非常に高い圧力、例えば１０，０００psiでシールする。

典型的な従来のシール技術では、ＯリングとＰＴＳガスケットのような非金属部分を必要とする。これらの部材は過度の圧力や温度の下では長期間使用するのに適しない。本発明は、非金属によるシールを伴う問題を解決する、プロセス装置に使用して好適な金属シールを提供する。

図２は、シール１００を示す送信機１４とフランジ１３の一部を示す断面図である。図３は、送信機１４に結合するシール１００の詳細な断面図である。シール１００は、処理流体がフランジを通って漏れるのを防止するために、フランジ１３の面に対して配置できるように構成されている。シール１００の平面図である図２の挿入図Ａに示されているように、シール１００は外径１０３と内径１０６を有するリングからなる。金属リングは好ましくは処理流体に曝すことができるように、適当な腐食抵抗を有するスプリング金属で形成される。例えば、冷間加工ステンレス合金または商品名Inconelで販売されている金属、高強度の非磁性鋼を使用することができる。シールリング１００はニッケルのような延性のある部材でメッキされることができる。他の一例の部材は銀である。そのようなメッキは低圧の処理流体のシーリングに使用できる。処理流体の圧力が増すと、リング１００の形状により付加的な圧力がシールに印加されるようになる。これは、フランジ１３と送信機１４を離すように押す圧力により惹起されるボルト予備荷重力の“除去（unloading）”に反する作用をする。図３により詳細に示されているように、リング１００は、荷重が掛けられないまたは自由な時（フランジ１３に結合されない）、フランジ１３の表面を越えて延びるような形状に構成されている。フランジ１３が送信機に装着されると、スプリング力が低い圧力で処理流体の漏れを防止し、一方、自動補力特性（self-energizing feature）が高い圧力で処理流体の漏れを防止する。溶接１１１はリング１００をセンサ本体１４に固定する。いかなる適当な溶接または接着技術が使用可能である。

本発明の一つの特徴によると、シール１００は外径１０３と内径１０６との間に設けられた中間部１２０を含む。該中間部１２０はシール１００の形状に合った環状であり、図３の断面に示されているアークを有する。フランジ１３がシール１００と接触するように運ばれると、フランジ１３の面が中間部１２０により形成されるアークの遠位の大部分と接触するように、前記アークはフランジ１３から離れる方向にカーブしている。この接触装着力は中間部１２０が図３に１２２として示されている位置に、すなわち距離ｄだけ偏向するようにする。

シール１００の中間部１２０は、ニッケルのような延性のある部材で被覆されている。例えば、延性部材は、既知の技術を用いてリング１００の上にメッキまたは板金で覆われることができる。延性部材の厚さは装置の期待される寿命以上に使用しても損耗に十分耐えるようにされるべきである。被覆の厚さは０．００１から０．００５インチが好ましい。フランジ１３の面に対する中間部１２０のスプリング荷重力は延性部材がフランジ１３の金属面に対してシールするようにする。例えば、フランジ１３はステンレス合金または他の適当な金属から構成できる。

本発明の他の特徴では、随意のシーリングガスケット部材１３０をリング１００の外側の凹部１３２の周りに延ばすことができる。該外側の凹部１３２は一般的にリング１００の外周に延びている。シーリング部材１３０は例えばガラス充満テフロン（登録商標）、グラファイト充満テフロン（登録商標）、あるいはＯリングなどを作成する技術で既知の他の部材を含むいかなる適当な部材でありうる。

シーリング部材１３０は低いプロセス圧で有効な処理流体に対する予備的なシーリングを提供することができる。また、フランジ１３の面に反抗する中間部１２０により提供される対する金属ー金属シールは、高い圧力で処理流体のシーリングを提供し、一方シーリング部材１３０はより低い圧力で処理流体のシーリングを提供する。

中間部１２０はアークを持つように図示されているが、リング１００の一部がフランジ１３の面の方向に突出し、フランジ１３の面に接触するように形成されている他の形状もまた使用できる。一つの形態では、接触部分は曲線の形状である。

図４Ａおよび４Ｂは、本発明の他の実施形態によるシール２００の断面図である。シール２００は溶接１１１によって送信機本体１４に固定されるリングからなる。シール２００はリング２００の外径から内方に放射状に突出し、柔軟な部材からなる柔軟な内方伸張部２０２で形成される。曲面にされた接触領域２０４はシール２００の直径間に置かれ、フランジ１３に接するような形状に作られている。図４Ｂの断面図では、シール１００は接触領域２０４がフランジ１３との接触によって内方へ動かされるように変形される。これは、接触領域と前記フランジ１３との間に比較的小さな接触面積を提供し、該小さな接触面積はプロセス圧力からの力を該接触領域２０４に沿って集中するようにする。リング２００はスプリングを強化された部材またはスプリング部材で作られ、また所望の応用に合うように、適当な腐食に抵抗性のあるもので作られるのが好ましい。

冷間加工ステンレス合金またはHarvar“超合金”を使用できる。上述のように、延性部材はシール２００の上に特に接触領域２０４に沿って被覆されることができる。該スプリング力はシール２００が低いプロセス圧で流動性のシールを提供するようにする。設計の自動補力形状（self-energizing configuration）はより高い圧力で付加的なシーリング力を提供する。この形状は付加的な非金属シーリング部材を必要としない。この形状は、接触領域２０４に対するスプリング荷重の片持ち梁式の支持を提供する。

図５は、曲面が付けられた接触領域２５４にて終端となるシール２５０の他の実施形態の断面図である。この形状は図４Ａおよび４Ｂに示される形状に似ているが、随意のシーリング部材１３０は低いプロセス圧で付加的なシーリングを提供するのに使用されることができる。延性部材の被覆は図５のシール２５０上に用いられることができる。そのような被覆を使用する場合には、少なくとも領域２５４を覆うべきである。

フランジに対する金属シールの接触領域は好ましくは曲面を付けられた形状をもつ。これは、より良好なシールを提供し、金属接触に対する金属はフランジ１３に損傷を与える可能性を低減する。

本発明は好ましい実施形態に関して説明されたが、当業者は本発明の精神と範囲を逸脱することなしに形状及び細部を偏向できることを認識するであろう。

本発明の一実施形態によるプロセスシールを有する圧力送信機の断面および破断図である。 図１中の送信機のフランジ部分の断面図とシールを示す図である。 図２に示されるシールのより詳細な断面図である。 本発明の他の実施形態によるシールの断面図である。 本発明の他の実施形態によるシールの断面図である。 随意のガスケットを含むように構成された本発明によるシールの断面図である。

符号の説明

１０……圧力送信機
１２……送信機本体
１３……結合フランジ（マニホルド）
１４……センサ本体
１６……圧力センサ
１８……センサ回路
２０……送信機回路
２２……通信バス
２４、２６……通路
２８、３０……開口
３２、３４……通路
３６、３８……カップリング
４０、４２……管
４６、５０……ダイヤフラム
４８、５２……シール

Claims (15)

1. 処理流体で充満されるように構成された通路をもつ金属フランジに取り付けられるプロセス制御装置であって、
   前記通路からの処理流体を受け入れるための前記通路に隣接する開口を有する本体と、
   前記本体の開口の周辺に結合され、かつ前記金属フランジに圧接して配置されるリング状の金属シールと、
   前記金属フランジに対してシールするように設計されたリング状のガスケット部材とを具備し、
   前記金属シールは前記金属フランジに接触するように設計された接触領域を含み、前記ガスケット部材は前記接触領域から間隔をおいて配置され、前記金属シールは前記処理流体が前記金属フランジを通って漏れるのを阻止することを特徴とするプロセス制御装置。
2. 前記接触領域は曲面にされていることを特徴とする請求項１に記載のプロセス制御装置。
3. 前記接触領域は、延性部材で被覆されることを特徴とする請求項２に記載のプロセス制御装置。
4. 前記延性部材は、ニッケルからなることを特徴とする請求項３に記載のプロセス制御装置。
5. 前記金属シールは、前記本体の開口の周辺に溶接で結合されることを特徴とする請求項１に記載のプロセス制御装置。
6. 前記金属フランジを前記本体に結合するシーリング力は、無荷重状態から前記金属シールを変形する力であることを特徴とする請求項１に記載のプロセス制御装置。
7. 前記変形は、前記金属フランジの表面から離れる方向であることを特徴とする請求項６に記載のプロセス制御装置。
8. 前記金属シールは前記金属フランジに接触するように設計された接触領域を含み、該金属シールの一部が流体圧によって曲げられ、前記接触領域に付加的な圧力が印加するように構成され、前記金属シールが前記金属フランジの面を押圧することを特徴とする請求項１に記載のプロセス制御装置。
9. 処理流体で充満されるように構成された第１の通路をもつ金属フランジに取り付けられる送信機であって、
   前記第１の通路からの処理流体を受け入れるように適合された前記第１の通路に隣接する開口を有すると共に、該処理流体の圧力に関する出力を提供するために、第１の流体で充満され、前記開口に隣接する位置から感知手段まで延びる第２の通路を有する本体と、
   該本体の開口中に置かれ、該開口と該第１の通路を該第２の通路から分離し、よって処理流体が前記第２の通路に入るのを阻止するように構成された隔離ダイヤフラムと、
   前記本体の開口の周辺に結合され、かつ前記金属フランジに圧接して配置されるリング状の金属シールと、
   前記金属フランジに対してシールするように設計されたリング状のガスケット部材とを具備し、
   前記金属シールは前記金属フランジに接触するように設計された接触領域を含み、前記ガスケット部材が前記接触領域から間隔をおいて配置され、前記本体を前記金属フランジに結合する力が、前記金属フランジに対する前記金属シールの接触領域に力を及ぼすことを特徴とする送信機。
10. 前記接触領域は、延性部材で被覆されることを特徴とする請求項９に記載の送信機。
11. 前記延性部材は、ニッケルからなることを特徴とする請求項１０に記載の送信機。
12. 前記接触領域は、曲面にされていることを特徴とする請求項９に記載の送信機。
13. 前記金属シールは、前記本体の開口の周辺に溶接で結合されることを特徴とする請求項９に記載の送信機。
14. 前記金属フランジを前記本体に結合するシーリング力は、無荷重状態から前記金属シールを変形する力であることを特徴とする請求項９に記載の送信機。
15. 前記変形は、前記金属フランジの表面から離れる方向であることを特徴とする請求項１４に記載の送信機。

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