JP5144773B2 - コンポーネント・ヒーター - Google Patents

Description

本発明は、弁、継ぎ手、またはその他の流体流量の制御に関連した品目、などのコンポーネントを加熱するデバイスに関する。

多数の工業的および商業的プロセスが、タンクや気体シリンダーなどの貯蔵容器から供給される圧縮気体を利用している。貯蔵容器、例えばシリンダー、からの気体の流量は、通常はシリンダーに直接取り付けられた弁によって制御される。圧縮気体が弁などのスロットリング・デバイスを通して自由に膨張することが許されると、気体にJoule-Thomson効果が発生する。これは、一定エンタルピーで（気体から何も仕事が引き出されず、気体への熱の出入りが全くない）自由膨張するときに気体の温度が上昇または下降するプロセスである。

工業用途に用いられるほとんどの気体で、Joule-Thomson効果は、気体がシリンダーから放出されるときに気体を冷却する。この冷却は顕著なものになり、弁の可動部分を収縮させジャムを引き起こして弁を操作不能にすることがある。さらに、弁の内部および周囲の空気中水分が凝結し弁内部および／または表面で凍りつき、やはり弁を操作不能にすることがある。さらに、気体中の水分も弁の通路に凝結して蓄積し、弁からの気体の流れを塞ぐことになる。貯蔵容器からの気体が自由膨張するときの過冷却による弁やその他の流体フロー・デバイスの機能不全を防止するためのデバイスが明らかに必要である。

本発明は、弁などのコンポーネント、またはその他の流量制御コンポーネントを加熱するデバイスに関する。デバイスは、熱貯蔵部を構成する大塊状部分（massive portion)と、該大塊状部分から伸びる表面とを有する熱伝導体を備える。この表面は該コンポーネントと係合可能である。加熱エレメントが該熱伝導体の大塊状部分に取り付けられている。加熱エレメントは、該熱貯蔵部に熱を供給する。該表面は、コンポーネントと係合したときにこの熱を該コンポーネントに伝達する。

ある実施形態では、熱伝導体は金属ブロックを含み、加熱エレメントは電気抵抗ヒーターを含む。この実施形態では、熱伝導体の大塊状部分の内部に空洞が位置している。この空洞が電気抵抗ヒーターを収容し、それが不活性コンパウンドによって空洞内に封止される。これによって電気抵抗ヒーターは周囲から隔離され、爆発性または可燃性気体への点火が防止され、ヒーターを危険な環境で使用することができる。加熱エレメントは、デバイスの温度を制御するために温度センサー、例えば熱電対を含む。熱伝導体のまわりには、断熱シュラウドが配置され、熱が周囲に逃げ出して浪費されることを防ぎ、エネルギーを節約するようになっている。

別の実施形態では、本発明に係わるデバイスは複数の熱伝導体を備える。各熱伝導体は熱貯蔵部を構成する大塊状部分を含む。また各熱伝導体は大塊状部分から伸びて熱を伝達するためにコンポーネントと係合する表面を含む。デバイスは複数の加熱エレメントを含む。少なくとも一つの加熱エレメントが各熱伝導体の大塊状部分の内部に配置されている。加熱エレメントは熱貯蔵部に熱を供給し、表面は、表面とコンポーネントが係合するとその熱をコンポーネントに伝達する。

ある特定の実施形態では、本発明は第一および第二のジョーを備え、それらはそれぞれ対向して配置された第一および第二の対面する表面を有する。ジョーは可動で、これらの表面を互いに近づけたり離したりするように調節して動かすことができる。加熱エレメントが第一のジョーの内部に少なくとも第一の表面を加熱できるように封止された形で配置される。表面は、コンポーネントと接触させて熱伝達を可能にするように動かすことができる。この実施形態は、調節的に締めることができて第一および第二のジョーを互いに結合する固定具を含む。この固定具を調節することによって第一および第二のジョーを互いに近づけたり離したりするように調節して動かすことができる。

コンポーネントを加熱するための本発明に係わるデバイスを示す斜視図である。 図１の線２−２における断面図である。 コンポーネントを加熱するための別の実施形態に係わるデバイスを示す部分切り欠き斜視図である。 コンポーネントを加熱するための別の実施形態に係わるデバイスを示す斜視図である。 コンポーネントを加熱するための制御システムと共に加熱デバイスを使用する仕方を説明するための概略ダイアグラムである。

図１は、仮想的な線で示された気体シリンダー１４の弁１２を取り囲む位置にある本発明に係わる加熱デバイス実施形態１０を示している。ヒーター１０は、金属などの熱伝導物質のブロックから構成される一対のジョー１６と１８を有する。アルミニウム、真鍮、銅、および鋼などが、このジョーを形成するのに使用して良好な効果を上げることができる金属の例である。各ジョーは熱伝達表面２０および２２をそれぞれ有する（図２も見よ）。これらの表面は、弁１２またはその他の加熱すべきコンポーネントと係合し、主に伝導によって弁１２への熱伝達を実現する。各ジョー１６と１８は、また、大塊状部分、それぞれ２４と２６、を有し、これらの大塊状部分が熱貯蔵部として働く。この熱貯蔵部は、その質量が比較的大きいので、弁を突然および長時間開いたときに生ずるような突然の急激な熱伝達過渡現象にヒーター１０が対処することができ、しかも電力需要は比較的安定している。熱貯蔵部は、また、大きな温度の振れを減らし、シリンダーからの気体が弁で絞られて流れ出すときの膨張に伴う冷却効果にも関わらず弁１２を比較的一定な温度に維持することを助ける。図１と２に示されているように、熱伝達表面２０と２２は、それぞれの大塊状部分２４と２６から伸びるフィンガー２８と３０上にそれぞれ位置している。

ヒーター１０の熱源は、電気抵抗加熱によって提供される。図１に示されたヒーター実施形態１０では、二つの電気抵抗ヒーター・ユニット３２と３４がある。各ユニットはジョー１６と１８のそれぞれの大塊状部分２４と２６の内部に位置する。各大塊状部分はヒーター・ユニットの一つを収容する空洞３６を有する。ユニットは、ねじ３８によって空洞内に取り付けられ、故障したときには取り替えることができる。各ヒーター・ユニットは、また、専用の温度センサー４０と４２をそれぞれ有することができる。温度センサーは、熱電対、光学的センサー、または温度を示す信号を生ずるその他のトランスジューサーであってもよい。温度センサーは加熱ユニットと一体化して、以下で説明するようなヒーター１０のフィードバック制御のための温度検知能力を提供することができる。ヒーターの低い温度限界と高い温度限界の両方をコントロールすることが望ましい。低い温度限界のコントロールによって弁を動作状態に保ち、高い温度限界のコントロールによって温度に敏感な封止を有する弁の損傷を回避することができる。また、それによってヒーター１０を温度の制約（上限）がある気体と共に使用することができ、温度の制約とは、例えば、それが用いられるプロセスまたは安全上の理由によって設定される。

ヒーター・ユニット３２と３４は、空洞３６の内部に封止的に配置され、ユニット自身はさらにその電気リード線４４が出てゆくところで不活性な“ポッティング（potting）”物質によって封止されている。シリコーンなどのポッティング物質が、高温の酸素にさらされてもすぐには劣化せず、弾性を保ち、広い温度範囲で寸法的に安定しており、耐久性がある気密な封止が得られるので有利である。ジョー１６と１８の内部に加熱ユニットを封止することによって、ヒーター１０を危険な環境、例えば、通常の作業条件下でヒーターが着火性、可燃性、または爆発性の気体または蒸気（例えば、アセチレン、水素、ガソリン、メタン）にさらされる、米国電気安全コードで規定されるClass I Division １の環境、で使用することが可能になる。さらなる安全機構として、リード４４はテフロン（登録商標）または予想される環境に適したその他の絶縁物質によって絶縁される。

図２に最も良く示されているように、ジョー１６と１８は調節可能なねじ固定具４６と４８で（４６が図に示されている）互いに結合されている。固定具はジョー１６と１８の間に伸びて、それを回して熱伝達表面２０と２２を互いに近づく方向へまたは互いから離れる方向へ動かし、それによってヒーター１０を一時的に弁１２に固定することを可能にするクランプ固定作用をもたらす。これにより、ヒーターをいろいろな弁と共に、いろいろな設備で使用することが可能になるので、ある特定の弁または設備でしか使用できないヒーターに比べて汎用性が高められる。熱伝達表面の一方または両方は、弁の形と相補的な特定の形状を有することができることに注意したい。それによって、ヒーターとコンポーネントの間の接触面積が増加して熱伝達が促進され、またヒーターをコンポーネントに固定することが容易になる。ヒーター１０のジョー１６と１８は、断熱シュラウド５０によって囲まれている。シュラウド５０は、熱いヒーターを手で操作することを可能にし、周囲への熱の損失を防止し、電気エネルギーを節約する。シュラウド５０は、例えば内向きの反射表面をグラスファイバーと耐火物質の外側層でカバーしたものを備えることができる。

図３は、本発明に係わるヒーターの別の実施形態５２を示す。ヒーター５２は、熱貯蔵部を構成する大塊状部分５６を有する単一熱伝導体５４を備える。熱伝達表面５８が大塊状部分５６から突出し、この例では大塊状部分に囲まれている。加熱エレメント６０が大塊状部分５６の内部に封止的に取り付けられている。加熱エレメント６０は、陶管に入った電気抵抗ヒーターであり、危険な環境でもヒーター５２が使用できるように構成されているという点で上述した加熱ユニットと同様である。加熱される弁またはその他のコンポーネントは、熱伝達表面５８と対面する関係で大塊状部分の内部に収容される。やはり、熱伝達は主に熱伝導によるが、放射熱伝達も可能である。やはり、断熱シュラウド６２を用いて周囲への熱損失を減らし、エネルギーを節約することができる。

図４は、本発明の別の実施形態に関わるヒーター６４を示す。ヒーター６４はジョー６６と６８を含む。各ジョーは、熱伝達表面７０と７２をそれぞれ有し、それらは熱貯蔵部を構成する大塊状部７４と７６からそれぞれ突出している。ジョーは、ヒンジ８０のまわりで回動可能なハンドル７８に取り付けられ、熱伝達表面を互いに近づけたり遠ざけたりするようになっている。ハンドル７８はバネによって、例えばコイルばね８２によって付勢されてクランプ固定作用をもたらし、ジョーをコンポーネントに強制的に係合させることができる。ジョーの一方または両方は、上述のような電気抵抗加熱ユニット８４を有する。

図５は、本発明に係わるヒーターの動作を説明するための概略図である。ヒーター１０は例として用いられているだけで、図５とそれに関する説明は、本発明のどの実施形態にもあてはまることは言うまでもない。電気リード４４は電源８６に結合され、温度センサー４０と４２からのリード８８はコントローラー９０に、例えば常駐するソフトウエアを有するマイクロプロセッサー、またはプログラム可能なロジックコントローラーに結合される。コントローラー９０は、電源８６を制御してヒーター１０へのパワーの流れを調節する。ジョー内部の温度を表す情報が、温度センサー４０および／または４２からの電気信号という形でリード８８を通じてコントローラーに供給される。コントローラーは、この温度情報に応答して電源８６を制御し、弁とそれが一部になっているプロセスに適切な予め定められた下限よりも温度が低くなるとヒーターにパワーを供給する。逆に、温度信号が、予め定められた温度の上限に達したことを知らせると、パワーを減らすまたはカットしてジョーの温度が所望の上限を超えないようにする。電源の制御は単純なオン−オフ方式であっても、特定用途で要求されるもっと洗練された比例方式であってもよい。

本発明に係わる加熱デバイスは、弁、並びにその他の流体流量制御コンポーネント、例えばオリフィス、膨張部、ストレーナなど、気体の自由膨張による冷却が発生する場合に用いることができる。本発明に係わるヒーターは、弁およびその他のコンポーネントと一体化されている従来のヒーターに比べて、多くの異なる弁デザインで使用できるように容易に適合させられるという点で汎用性に優れている。加熱エレメントが封止されていることは、このヒーターを危険な環境で使用することを可能にし、大塊状部分で構成される熱貯蔵部は温度の安定性を高めることになる。

Claims (10)

1. 圧縮気体流体流量スロットリングコンポーネントを加熱するデバイスであって：
   熱貯蔵部を構成する大塊状部分および前記大塊状部分から伸びて前記コンポーネントと係合可能である表面を有する熱伝導体；
   前記熱伝導体の前記大塊状部分に取り付けられ前記熱貯蔵部に熱を供給する加熱エレメント；
   前記デバイスの温度を制御するために前記熱伝導体に取り付けられた温度センサー；および
   前記熱伝導体の前記大塊状部分の内部に位置する空洞を備え、
   前記熱伝導体が金属ブロックを含み、前記熱伝導体がそのまわりに断熱シュラウドを有し、前記表面が前記コンポーネントと係合したときに前記熱を前記コンポーネントに伝達し、前記加熱エレメントが電気抵抗ヒーターを含み、前記温度センサーが熱電対を含み、前記空洞が前記電気抵抗ヒーターを封止係合的に収容し、それにより前記電気抵抗ヒーターを周囲から隔離するデバイス。
2. 圧縮気体流体流量スロットリングコンポーネントを加熱するデバイスであって、複数の熱伝導体と複数の加熱エレメントと温度センサーと前記熱伝導体の各々の内部に位置する空洞とを備え：
   各前記熱伝導体は熱貯蔵部を構成する大塊状部分を有し、各前記熱伝導体は前記大塊状部分から伸びる表面を有し、各前記熱伝導体がそのまわりに断熱シュラウドを有し、各前記表面は前記コンポーネントと係合可能であり、前記熱伝導体が前記表面を前記コンポーネントと係合させたり離したりするように互いに可動に結合されており、前記熱伝導体が金属ブロックを含み、前記熱伝導体が複数のねじ固定具（threaded fasteners）によって互いに結合され、前記固定具を回すことで前記熱伝導体が互いに近づくまたは離れるようにして前記表面を前記コンポーネントと係合するように動かし；
   前記加熱エレメントの少なくとも一つが前記熱伝導体の前記大塊状部分の各々の内部に位置し、前記加熱エレメントが前記熱貯蔵部に熱を供給し、前記表面が前記コンポーネントと係合したときに該コンポーネントに前記熱を伝達し、前記加熱エレメントが電気抵抗ヒーターを含み；
   前記温度センサーは前記デバイスの温度を制御するために前記熱伝導体の少なくとも一つに取り付けられ；および
   前記空洞の各々が少なくとも一つの前記電気抵抗ヒーターを封止係合的に収容し、それによって前記電気抵抗ヒーターを周囲から隔離するデバイス。
3. 前記温度センサーが熱電対を含む、請求項２に記載のデバイス。
4. 圧縮気体流体流量スロットリングコンポーネントを加熱するデバイスであって、第一および第二のジョーと加熱エレメントと空洞とを備え：
   前記ジョーは対向して配置されたそれぞれ第一および第二の対面する表面を有し、前記ジョーは前記表面を互いに近づいたり離れたりするように調節して動かすことができ、前記第一のジョーが、熱貯蔵部として働く金属ブロックを含み、前記第二のジョーが、第二の熱貯蔵部として働く第二の金属ブロックを含み、各ジョーがそのまわりに断熱シュラウドを有し、；
   前記加熱エレメントは少なくとも前記第一の表面を加熱するために前記第一のジョーの内部に封止的に配置され、前記表面は前記コンポーネントに接触して熱伝達を実現するように動かすことができ、ここで前記加熱エレメントが前記デバイスの温度を制御するための温度センサーを含み、前記加熱エレメントが電気抵抗ヒーターを含み；および
   前記空洞は前記金属ブロック内部に位置し、前記空洞が前記電気抵抗ヒーターを封止係合的に収容し、それによって前記電気抵抗ヒーターを周囲から隔離するデバイス。
5. 調節的に締めることができて前記第一および第二のジョーを互いに結合する固定具を備え、前記固定具の調節によって前記第一および第二のジョーが互いに近づいたり離れたりするように調節して動かすことができる、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記固定具が、前記第一および第二のジョーの間で伸びるねじ固定具を含む、請求項５に記載のデバイス。
7. さらに、前記第二の表面を加熱するために前記第二のジョーの内部に封止的に配置された第二の加熱エレメントを備える、請求項６に記載のデバイス。
8. さらに、前記第二のブロック内部に位置する第二の空洞を備え、前記第二の空洞が前記第二の電気抵抗ヒーターを封止係合的に収容し、それによって前記第二の電気抵抗ヒーターを周囲から隔離する、請求項７に記載のデバイス。
9. さらに、ヒンジを備え、前記ヒンジは前記第一および第二のジョーの間の位置でそれらに取り付けられて前記ジョーを互いに回動できるように結合する、請求項４に記載のデバイス。
10. さらに、一対のハンドルを備え、各前記ハンドルは前記ジョーの一つに取り付けられ、前記ハンドルが前記ジョーを互いに近づけたり遠ざけたりする回動運動を容易にする、請求項９に記載のデバイス。

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