JP5530532B2 - 耐疲労性サーモウェル及び方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示する対象の実施形態は、概略的には、熱電対及びサーモウェルに関し、より具体的には、耐疲労性のある熱電対サーモウェル結合体に関する。

熱電対は、電気測定に基づいて温度を測定するために使用される装置である。熱電対は、今日、様々な産業及び環境で広く使用される。熱電対が使用される様々な産業及び環境により、様々な形態の熱電対を見出すことができる。ここで、一般的な熱電対を図１について説明する。

図１は、電気接続部１０２及び１０４、ハウジング１０６、並びにプローブ（探針としても知られる）１０８を含む熱電対１００を示す。プローブ１０８の先端部１１０は、通常、温度値を測定すべき点の近くに配置される。測定装置（図示せず）は、通常、電圧を読むために、電気接続部１０２及び１０４に接続される。この電圧測定から、プローブ１０８の先端部１１０における温度値を確認する。熱電対１００の使用環境により、温度を測定すべき環境から熱電対１００を保護することが望ましい場合がある。使用する保護部材をサーモウェルとすることができる。

ここで、一般的なサーモウェル２００を図２について説明する。サーモウェル２００は、熱電対１００を保護するために、装置のハウジング２０８に取り付け、又はその中に挿入することができるが、それでも、正確な温度測定値を取得するために、熱電対１００が所望の位置にアクセスすることを可能とする。サーモウェル２００は、ハウジング２０８と結合し、（必要に応じて）それを密封するキャップ部材２０２を含むことができる。サーモウェル２００は、本体２０４、及び熱電対１００のプローブ部分１０８を挿入することができるキャビティ２０６も含む。

通常、熱電対１００及びサーモウェル２００は、しばしば互いに使用する、既製の部品であり、様々な温度取得用途で使用される。しかし、場合によっては、これら既製の部品は、温度取得が望まれる環境条件に耐えることができない。例えば、プローブ１０８は、ハウジング２０８の振動などにより生じる十分な揺れを受けるとき、その基底部で機械的損傷を受ける可能性がある。言い換えれば、熱電対１００とサーモウェル２００との間の機械的接続により、熱電対１００の一部分は、ハウジング２０８と同じ振動数で振動するが、自由に動く、熱電対１００の別の部分、例えば１１０などは、固定部分に連続的な応力を及ぼし、従って、熱電対１００の破損をもたらす。

米国特許第７００４６２６号明細書

従って、様々な動作条件の下でサーモウェルと共に熱電対を使用するためのシステム及び方法が望まれる。

例示的な実施形態によれば、媒体が流れる構造体に入るように構成されるサーモウェルと、サーモウェル内に部分的に提供され、温度を測定するように構成される細長いプローブと、細長いプローブの第１の端部の周りに配置され、サーモウェルと接触することにより細長いプローブの振動を緩衝するように構成される、少なくとも１つのＯリングと、細長いプローブ部分の第２の端部の周りに配置され、サーモウェルと接触することにより細長いプローブの振動を緩衝するように構成されるエラストマとを含む、熱電対システムが存在する。

別の例示的な実施形態によれば、媒体が流れる圧縮機の壁に入るように構成されるサーモウェルと、温度を測定するように提供及び構成される細長いプローブと、細長いプローブの第１の端部の周りに配置され、サーモウェルと接触することにより細長いプローブの振動を緩衝するように構成される、少なくとも１つのＯリングと、細長いプローブ部分の第２の端部の周りに配置され、サーモウェルと接触することにより細長いプローブの振動を緩衝するように構成されるエラストマと、媒体を受け取るように構成される吸入部と、回転し、吸入部から受け取る媒体の圧縮を開始するように構成されるシャフト及びロータ組立体と、媒体を放出するように構成される出口部分とを含む、圧縮機が存在する。

さらに別の例示的な実施形態によれば、熱電対システムの振動を緩衝するための方法が存在する。本方法は、ハウジング部材内にエラストマを提供することであって、エラストマが熱電対システムの細長いプローブ部分の第１の端部を取り囲み、細長いプローブ部分が温度を測定するように構成されることと、熱電対システムの細長いプローブ部分の第２の端部の周りに少なくとも１つのＯリングを配置することと、細長いプローブ部分が提供されるサーモウェルのハウジング内に緩衝用流体を容れることと、熱電対の細長いプローブ部分をサーモウェルに挿入することとを含む。エラストマ、少なくとも１つのＯリング、及び緩衝用流体が、熱電対の振動を低減する。

添付の図面は、例示的な実施形態を示す。

従来の熱電対を示す図である。 従来のサーモウェルを示す図である。 例示的な実施形態によるオイルフリースクリュー圧縮機を示す図である。 例示的な実施形態による熱電対システムを示す図である。 例示的な実施形態による別の熱電対システムを示す図である。 例示的な実施形態によるサーモウェルを示す図である。 例示的な実施形態によるサーモウェルを示す図である。 例示的な実施形態によるサーモウェルを示す図である。 例示的な実施形態による、振動を緩衝するための方法のフローチャートである。

例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面の同じ参照番号は、同じ又は同様の要素を特定する。それに加えて、図面は、必ずしも正しいスケールで描いていない。さらに、以下の詳細な説明は、本発明を限定しない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により規定される。

本明細書を通して、「一実施形態」又は「実施形態」といえば、開示する対象の少なくとも１つの実施形態に含まれる実施形態に関連して説明する、特定の特徴、構造、又は特性を意味する。従って、本明細書を通して様々な場所において語句「一実施形態では」又は「実施形態では」が現れるとき、必ずしも同じ実施形態を指さない。さらに、特定の特徴、構造、又は特性は、１つ又は複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。

背景技術セクションで説明したように、熱電対は、それが単独で使用されない様々な環境で温度測定値を取得するために、サーモウェルと共に使用することができる。しかし、いくつかの実施形態では、これら既製の部品は、破損し、例えば、熱電対プローブの機械的破損を受ける。従って、例示的な実施形態によれば、困難な環境で、熱電対システム、すなわちサーモウェルと共に使用される熱電対の破損を防ぐためのシステム及び方法が、望まれ、次に説明するように実現可能である。熱電対サーモウェル結合体が破損することが知られている困難な環境の一例は、例えば３００＋／−５０ｐｓｉ（２０．６８＋／−３．４５ｂａｒ）の高動圧を有する環境である。あるいは、例えば＋／−５００ｐｓｉ（＋／−３４．５ｂａｒ）の他の高動圧範囲を使用する可能性がある。圧力範囲は、動作条件に依存する可能性がある。この高動圧は、振動を発生させ、熱電対システムに新たな振動を発生させる振動数となる可能性がある構造的共振をもたらす場合があり、ひいては熱電対の機械的破損をもたらす。

例示的な実施形態によれば、図３に示すオイルフリースクリュー圧縮機３００は、高動圧を示す可能性がある。オイルフリースクリュー圧縮機３００は、圧縮室３０４に空気（又は他の媒体）を導くための空気ガス吸入部３０２、及びシャフト３０８に結合するモータドライバ３０６を含む。圧縮室３０４は、スクリュー３１４も含み、スクリューの一方は、圧縮を開始するためにシャフト３０８に結合する。それに加えて、圧縮空気ガス排出部３１０は、圧縮室からの圧縮空気ガスの排出、及び熱電対システム３１２での温度測定を可能とする。矢印３１６は、空気ガス進行方向を示す。参照符号「Ｘ」３１８は、サーモウェル内の従来の熱電対が高動圧を伴うこのタイプのシステム内で使用されるとき、機械的破損が生じる点、すなわち、（従来の熱電対１００及び従来のサーモウェル２００を使用して）圧縮ガス排出部３１０内へのサーモウェル２００の貫通穴にほぼ対応するプローブ部分１０８とキャップ部材２０２との接続部で熱電対１００が機械的に破損する傾向がある点を示す。それに加えて、熱電対１００及びサーモウェル２００は、任意の接続点及び熱電対プローブ部分１０８で破損する可能性がある。

例示的な実施形態によれば、高動圧環境に耐える熱電対システム３１２を、図４及び５について以下に説明する。また、図３にオイルフリースクリュー圧縮機３００を示したが、例えば、容積式圧縮機及び往復圧縮機などの、高動圧を有する他の圧縮機（及び他の装置）をこれらの例示的な実施形態で使用することができる。それに加えて、オイルフリースクリュー圧縮機３００に他の部品を含むことができるが、簡略化するため、図には示していない。

例示的な実施形態によれば、図４に示す熱電対システム３１２は、高動圧環境で使用することができる。熱電対システム３１２は、熱電対４０２及びサーモウェル４０４を含む。熱電対４０２は、細長いプローブ部分４０６、並びに電気接続部４０８及び４１０を含む。サーモウェル４０４は、圧縮空気排出部３１０に取り付けられ、内壁４１４、キャビティ４１６、キャップ部分４２６、及びステム部分４２８を有する堅牢シェル（又はハウジング）４１２を含む。Ｏリング４１８は、それが内壁４１４と接触するように細長いプローブ部分４０６上に配置することができるが、流体がキャビティ４１６内に存在するとき、流体が通過できるように接触部は十分緩く、すなわち、Ｏリング４１８は、細長いプローブ部分４０６と内壁４１４との間を流体密封しない。Ｏリング４１８は、細長いプローブ４０６の先端部４２０のほぼ近くに配置されるが、別の例示的な実施形態では、他の場所に配置することができる。エラストマ４２２は、細長いプローブ部分４０６の周りに配置することができ、キャップ部分４２６と接触する。それに加えて、緩衝用流体４２４をキャビティ４１６内に容れることができる。ステム部分４２８は、１０．１６ｃｍから５３．３５ｃｍの間の長さ及び０．６３５ｃｍから１．２７ｃｍの間の内径を有することができるが、熱電対４０２及び要望の環境に応じて、他のサイズを使用することができる。

上述のように、圧縮機３００の動作は、振動を発生させる可能性がある。この振動は、プローブ部分又はサーモウェルの切断などの機械的破損につながる可能性がある、熱電対／サーモウェルの揺れを発生させる。この振動は、システム内の高動圧／音響的共振により、又は、熱電対システム３１２の振動数範囲内であるとき、熱電対４０２もしくはサーモウェル組立体４０４の振動を増大させる構造的共振により発生する可能性がある。図４に示す例示的な熱電対システム３１２は、圧縮機３００の高動圧環境で破損する可能性が低い。この例示的な熱電対システム３１２は、細長いプローブ部分４０６及び他の構造的要素と接触することにより振動を低減する、Ｏリング４１８及びエラストマ４２２の使用を含む。エラストマ４２２は、振動を緩衝するために細長いプローブ部分の周りに十分強固に配置されるが、圧縮機３００の構造的共振を細長いプローブ部分４０６に直接伝達するほど強固ではない。言い換えれば、エラストマ４２２は、圧縮機から熱電対４０２に伝達される振動数を変化させ、又はその振動数を緩衝することができる。

それに加えて、Ｏリング４１８及びエラストマ４２２のプローブ部分４０６への追加は、熱電対４０２の振動数が、新たな振動を誘発する、圧縮機３００により生成される振動数の範囲外となるように、熱電対４０２の振動数を変化させる。Ｏリング４１８及びエラストマ４２２の追加は、プローブ部分４０６が依然として共振振動数であるとき、振動数の加振を低減するように緩衝することもできる。それに加えて、振動をさらに低減するために、緩衝用流体４２４を加えることができる。例えば、緩衝用流体４２４は、サーモウェル４０４のステム部分４２８のキャビティの体積の１／２を満たすことができる。この緩衝用流体４２４は、高熱伝導率、及び予想動作温度よりも高い引火点、例えば１７６．７℃よりも高い引火点を有するオイルとすることができる。しかし、他の量及びタイプの緩衝用流体４２４を使用することができる。

別の例示的な実施形態による、別の熱電対システム５００は、図５に示され、高動圧環境に使用することができる。熱電対システム５００は、熱電対５０２及びサーモウェル５０４を含む。細長いプローブ部分５０６、電気接続部５０８及び５１０、キャップ部分５１２、並びに緩衝部分５１４を含む。キャップ部分５１２は、例えばねじ部を介して、熱電対５０２をサーモウェル５０４に取り付けるために使用される。例示的な実施形態では、キャップ部分５１２が熱電対５０２をサーモウェル５０４に取り付けるが、プローブ部分５０６は、サーモウェル５０４に直接接触しない。緩衝部分５１４は、細長いプローブ部分５０６の周りに配置され、細長いプローブ部分５０６及び緩衝部分５１４のどちらにも接触するエラストマ５２４を含む。サーモウェル５０４は、圧縮機３００の圧縮気排出部３１０などの、媒体の温度を測定すべき構造体に取り付けられ、内壁５１８、キャビティ５２０、キャップ部分４２６、及び取付部分５２２を有する堅牢シェル（又はハウジング）５１６を含む。Ｏリング５２６、５２８、５３０、及び５３２は、細長いプローブ部分５０６がわずかに揺れるとき特に、Ｏリング５２６、５２８、５３０、及び５３２が内壁５１８と接触することができるように細長いプローブ部分５０６上に配置される。しかし、接触部が存在すれば、接触部は、流体がキャビティ５２０内に存在するとき、流体が通過できるように接触部は十分緩く、すなわち、Ｏリング５２６、５２８、５３０、及び５３２は、細長いプローブ部分５０６と内壁５１８との間を流体密封しない。Ｏリング５２６、５２８、５３０、及び５３２は、細長いプローブ部分に沿って離間し、細長いプローブ部分５０６の機械的破損をもたらす、細長いプローブ部分５０６の余分な揺れを防止する。図５には４つのＯリング５２６、５２８、５３０、及び５３２を示すが、より多い又はより少ないＯリングを使用することができる。この例示的な熱電対システム５００は、図４に示す熱電対システム３１２に関して上述したものと同様な方法で、振動を低減し、熱電対５０２の振動数を変化させる。

例示的な実施形態によれば、図６〜８に示すように、様々なタイプのサーモウェルを上述の例示的な熱電対システムに使用することができる。例示的な一実施形態によれば、図６に示すように、フランジ付サーモウェル６０２を使用することができる。フランジ付サーモウェル６０２は、ハウジング部分６０６が貫通する圧縮空気排出部３１０などにつながる表面と結合し、それを密封するためのフランジ部分６０４を含む。別の例示的な実施形態によれば、ねじ付サーモウェル７０２は、ハウジング部分６０６が貫通する圧縮空気排出部３１０などにつながる表面と結合し、それを密封するための、キャップ部分７０８及びねじ付部分７０４を含む。さらに別の例示的な実施形態によれば、挿入溶接用サーモウェル８０２は、キャップ部分８０４及びハウジング８０６を含む。挿入溶接用サーモウェル８０２は、温度を測定すべき場所に溶接され、貫通穴表面も密封する溶接を介して取り付けられる。

例示的な実施形態による上述の例示的なシステムを利用して、振動を緩衝するための方法を図９のフローチャートに示す。熱電対システム内の振動を緩衝するための方法は、ステップ９０２でハウジング部材内にエラストマを提供し、エラストマが熱電対システムの細長いプローブ部分の第１の端部を取り囲み、細長いプローブ部分が温度を測定するように構成されることと、ステップ９０４で熱電対システムの細長いプローブ部分の第２の端部の周りに少なくとも１つのＯリングを配置することと、ステップ９０６でプローブが提供されるサーモウェルのハウジング内に緩衝用流体を容れることと、ステップ９０８で熱電対の細長いプローブ部分をサーモウェルに挿入し、エラストマ、少なくとも１つのＯリング、及び緩衝用流体が熱電対の振動を低減することとを含む。

上述の例示的な実施形態は、あらゆる点で、本発明を限定するのではなく、例示するものとする。従って、本発明は、当業者が本明細書に含まれる説明から導き出すことができる、詳細な実施形態の多くの変形形態が実現可能である。そうしたすべての変形形態及び変更形態は、以下の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲及び技術的思想内であるとみなされる。本発明の用途の説明に使用される要素、動作、又は命令は、別途明白に述べない限り、本発明にとって重要又は不可欠なものとみなすべきでない。さらに、本明細書に使用する冠詞「１つの（ａ）」は、１つ又は複数の物品を含むものとする。

この記載した説明は、任意の装置又はシステムを作成し、それらを使用し、組み込んだ任意の方法を実施することを含めて、当業者が同じものを実施することができるように開示する対象の例を使用する。対象の特許範囲は、特許請求の範囲により規定され、当業者が想起する他の例を含むことができる。そうした他の例は、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。

１００ 熱電対
１０２ 電気接続部
１０４ 電気接続部
１０６ ハウジング
１０８ プローブ
１１０ プローブの先端部
２００ サーモウェル
２０２ キャップ部材
２０４ サーモウェル本体
２０６ キャビティ
２０８ ハウジング
３００ オイルフリースクリュー圧縮機
３０２ 空気ガス吸入部
３０４ 圧縮室
３０６ モータドライバ
３０８ シャフト
３１０ 圧縮空気ガス排出部
３１２ 熱電対システム
３１４ スクリュー
３１６ 空気ガス進行方向
３１８ 機械的破損が発生しやすい点
４０２ 熱電対
４０４ サーモウェル
４０６ 細長いプローブ部分
４０８ 電気接続部
４１０ 電気接続部
４１２ 堅牢シェル（ハウジング）
４１４ 内壁
４１６ キャビティ
４１８ Ｏリング
４２０ 細長いプローブ部分の先端部
４２２ エラストマ
４２４ 緩衝用流体
４２６ キャップ部分
４２８ ステム部分
５００ 熱電対システム
５０２ 熱電対
５０４ サーモウェル
５０６ 細長いプローブ部分
５０８ 電気接続部
５１０ 電気接続部
５１２ キャップ部分
５１４ 緩衝部分
５１６ 堅牢シェル（ハウジング）
５１８ 内壁
５２０ キャビティ
５２２ 取付部分
５２４ エラストマ
５２６ Ｏリング
５２８ Ｏリング
５３０ Ｏリング
５３２ Ｏリング
６０２ フランジ付サーモウェル
６０４ フランジ部分
６０６ ハウジング部分
７０２ ねじ付サーモウェル
７０４ ねじ付部分
７０６ ハウジング部分
７０８ キャップ部分
８０２ 挿入溶接用サーモウェル
８０４ キャップ部分
８０６ ハウジング

Claims (20)

1. 媒体が流れる構造体に入るように構成されるサーモウェルと、
   前記サーモウェル内に部分的に提供され、温度を測定するように構成される細長いプローブと、
   前記細長いプローブの第１の端部の周りに配置され、前記サーモウェルと接触することにより前記細長いプローブの振動を緩衝するように構成される、少なくとも１つのＯリングと、
   前記細長いプローブ部分の第２の端部の周りに配置され、前記サーモウェルと接触することにより前記細長いプローブの振動を緩衝するように構成されるエラストマとを含む、熱電対システム。
2. 前記サーモウェルは、フランジ付サーモウェル、挿入溶接用サーモウェル、及びねじ付サーモウェルを含む群から選択される、請求項１記載の熱電対システム。
3. 前記第１の端部から離間させて提供される第２のＯリングをさらに含む、請求項１記載の熱電対システム。
4. 前記サーモウェル内に容れられ、前記少なくとも１つのＯリングを通過するように構成される緩衝用流体をさらに含む、請求項１記載の熱電対システム。
5. 前記サーモウェルは、前記媒体と接触するステム部分を含むハウジングにおいて、前記ステム部分が、１０．１６〜５３．３５ｃｍの範囲の長さ及び０．６３５〜１．２７ｃｍの範囲の内径を有する、ハウジングをさらに含む、請求項１記載の熱電対システム。
6. 前記ステム部分内に容れられる緩衝用流体の量が、前記プローブが前記ハウジングに挿入された後の前記ステム部分内の体積の約１／２を満たす、請求項５記載の熱電対システム。
7. 前記緩衝用流体は、１７６．７℃を超える引火点を有する熱伝導性オイルである、請求項６記載の熱電対システム。
8. 前記エラストマを介して、前記細長いプローブを前記サーモウェルに接続するように構成され、その結果、前記熱電対の振動数が前記構造体の共振振動数と異なる、キャップ部分をさらに含む、請求項１記載の熱電対システム。
9. 媒体が流れる圧縮機の壁に入るように構成されるサーモウェルと、
   温度を測定するように提供及び構成される細長いプローブと、
   前記細長いプローブの第１の端部の周りに配置され、前記サーモウェルと接触することにより前記細長いプローブの振動を緩衝するように構成される、少なくとも１つのＯリングと、
   前記細長いプローブ部分の第２の端部の周りに配置され、前記サーモウェルと接触することにより前記細長いプローブの振動を緩衝するように構成されるエラストマと、
   前記媒体を受け取るように構成される吸入部と、
   回転し、前記吸入部から受け取る前記媒体の圧縮を開始するように構成されるシャフト及びロータ組立体と、
   前記圧縮媒体を放出するように構成される出口部分とを含む、圧縮機。
10. 前記サーモウェルは、フランジ付サーモウェル、挿入溶接用サーモウェル、及びねじ付サーモウェルを含む群から選択される、請求項９記載の圧縮機。
11. 前記第１の端部から離間させて提供される第２のＯリングをさらに含む、請求項９記載の圧縮機。
12. 前記サーモウェルは、前記媒体と接触するステム部分を含むハウジングにおいて、前記ステム部分が、１０．１６〜５３．３４ｃｍの範囲の長さ及び０．６３５〜１．２７ｃｍの範囲の内径を有する、ハウジングをさらに含む、請求項９記載の圧縮機。
13. 前記ステム部分内に容れられる緩衝用流体の量が、前記プローブが前記ハウジングに挿入された後の前記ステム部分内の体積の約１／２を満たし、前記緩衝用流体は、前記少なくとも１つのＯリングを通過するように構成される、請求項１２記載の圧縮機。
14. 前記緩衝用流体は、３５０°Ｆ（１７６．７℃）を超える引火点を有する熱伝導性オイルである、請求項１３記載の圧縮機。
15. 前記エラストマを介して、前記細長いプローブを前記サーモウェルに接続するように構成され、その結果、前記熱電対の振動数が前記構造体の共振振動数と異なる、キャップ部分をさらに含む、請求項９記載の圧縮機。
16. 熱電対システムの振動を緩衝するための方法であって、
    ハウジング部材内にエラストマを提供することであって、前記エラストマが前記熱電対システムの細長いプローブ部分の第１の端部を取り囲み、前記細長いプローブ部分が、前記熱電対システムと接触する媒体の温度を測定するように構成されることと、
    前記熱電対システムの前記細長いプローブ部分の第２の端部の周りに少なくとも１つのＯリングを配置することと、
    前記細長いプローブ部分が提供されるサーモウェルのハウジング内に緩衝用流体を容れることと、
    前記熱電対の前記細長いプローブ部分を前記サーモウェルに挿入し、前記エラストマ、前記少なくとも１つのＯリング、及び前記緩衝用流体が、前記熱電対の振動を低減することとを含む、方法。
17. フランジ付サーモウェル、挿入溶接用サーモウェル、及びねじ付サーモウェルを含む群から前記サーモウェルを選択することをさらに含む、請求項１６記載の方法。
18. 前記第１のＯリングから離間させて前記細長いプローブ部分上に第２のＯリングを提供することをさらに含む、請求項１６記載の方法。
19. 前記ハウジング部分は、前記媒体と接触するステム部分を含み、前記ステム部分は、１０．１６〜５３．３４ｃｍの範囲の長さ及び０．６３５〜１．２７ｃｍの範囲の内径を有する、請求項１６記載の方法。
20. 前記熱電対の振動数が、前記サーモウェルを取り付ける構造体の共振振動数と異なるように、前記熱電対システムの振動数を変化させることをさらに含む、請求項１６記載の方法。