JP5860162B2 - 捩れセンサチューブ - Google Patents

Description

本発明は、プロセス中の流体変数を測定するのに用いられるセンサチューブ、例えばサーモウェル（thermowell;保護管）のようなセンサチューブに関する。特に、本発明は、簡単な製造技術を用いて渦の離脱(vortex shedding)を低減するセンサーチューブの構造に関する。

プロセス流体の温度は、プロセスを制御したり監視したりするのによく用いられる重要な物理パラメータである。プロセス流体の温度は、一般的に、温度センサ、例えば抵抗型温度測定装置（ＲＴＤ）、サーモカップル（熱電対）あるいはサーミスタのような温度センサを用いて測定される。温度センサそれ自身は、通常は、プロセス流体と直接接触させることができない。このため、サーモウェルのような、熱伝導性のセンサチューブがプロセス流体とインタフェースする一方で温度センサを保護するために用いられる。プロセス流体はサーモウェルと直接接触しており、プロセス流体からの熱はその中に配置された温度センサにサーモウェルを介して伝導する。このようにして、温度センサは、プロセス流体に直接接触することなくプロセス流体の温度を正確に測定することができる。サーモウェルは、プロセスの密封(process seal)を壊さずに温度センサを交換できるように構成されている。

センサチューブとサーモウェルはプロセス中に直接挿入されているから、それらは多くのストレスを受ける。サーモウェルがパイプ中またはタンク中で使用される時には、それらは渦離脱が原因となって引き起こされる高い応力疲労(fatigue stresses)を受ける。この渦離脱は、ストローハル数(Strouhal Number)から決定される特定の周波数で起こる。このストローハル数は、約０．２２であり、レイノルズ数(Reynolds Number)とは少し異なる。該ストローハル数は、ｆｓｄｍ／Ｖである。ここに、ｆｓは渦周波数、ｄｍは円筒サーモウェルの直径、およびＶは流速である。渦周波数がサーモウェルの固有周波数に近いと、サーモウェルはその固有周波数で激しく振動し、応力疲労限界を超えるであろう。通常、２つの速度が関心事であり、最も大きな応力は、ストローハル数によって与えられる周波数である交差流振動(crossflow vibration)によって引き起こされる。関心事の第２の速度は、ストローハル数により与えられる速度の１／２である。この速度により、サーモウェルは流体にインライン(inline)振動を引き起こす。この速度はサーモウェルの両側から離脱された渦により引き起こされ、離脱周波数(shedding frequency)の２倍の力を発生する。この振動のモードは、通常は、交差流状態よりも小さな応力を生ずるが、それでもなおサーモウェルは疲労による破損を生ずる可能性がある。

サーモウェルの設計は、通常、ASME PTC 19.3 TW-2010の要求によりチェックされ、特定の条件のもとで受容可能な流速が与えられる。インライン振動モードは、サーモウェルの最も低い固有周波数の０．４倍から０．６倍の渦周波数における応力(ストレス)レベルに対してチェックされる。この速度範囲内のいくつかの応用が、応力疲労レベルのために受容できないことになるであろう。この標準は、すべての応用における渦周波数が前記固有周波数の０．８倍以下であることを要求する。

ある環境では、渦離脱力は、応力疲労障害に起因してサーモウェルを破損させるに至り、よって圧力の封じ込めにロスを生じさせ、パイプ中の未結合部分のために下流の要素に潜在的損害を与えるに至る可能性がある。

サーモウェルからの渦離脱を低減するためのいくつかの試みがなされている。例えば、螺旋状の外板（helical strakes）をサーモウェルに取り付けて渦離脱を低減することが知られている。Jeremy Knightによる米国特許公開２００８／０３０７９０１ Ａ１は、また螺旋状の外板を付けたサーモウェルあるいは気体サンプル管を示している。さらに、渦離脱を低減する方法は、M.M.Zdravkovichによる論文「渦離脱を抑制するための色々な空気力学的および流体力学的手段のレビューと分類」（Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7(1981)pp.145-189）にも開示されている。

米国特許公開２００８／０３０７９０１ Ａ１

Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7(1981)pp.145-189「渦離脱を抑制するための色々な空気力学的および流体力学的手段のレビューと分類」

効果的に渦離脱を低減させる手段を備えた簡単に作成できるセンサチューブは、プロセス流体が流れている時あるいは他の動きをしている時のプロセス流体変数を測定する技術に大きな進歩をもたらすであろう。

流動しているプロセス流体中に挿入されたセンサを保護するためのセンサチューブが提供される。該センサチューブは、プロセス管に実装するためのプロセスインタフェース部と、該プロセスインタフェース部からシールされた端部まで延びる延長部とを含む。該延長部は、縦方向の軸を有する捩れ部を含む。該プロセスインタフェース部と延長部は、その中にセンサを収容するように構成されたセンサ穴を画定している。該捩れ部は、少なくとも三つの等しいサイズの壁を有する。ここに、該壁は、捩れ部の縦方向の軸に沿って螺旋を形成する。

本発明によれば、先行技術より、製作が容易でかつ頑丈な、渦離脱を回避するための装置及び方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態による捩れサーモウェルを含むプロセス流体温度測定システムの一部破断斜視図である。 図２は、図１をＡ−Ａ線で切った断面図である。 図３は、本発明の他の実施形態による捩れセンサチューブの一部分の斜視図である。 図４Ａと４Ｂは、本発明の一実施形態による捩れセンサチューブの断面図である。 図５は、本発明の一実施形態によるテーパを付けられた捩れセンサチューブの斜視図である。 図６は、本発明の一実施形態によるステップ(段)を付けられた捩れセンサチューブの斜視図である。

本発明の実施形態は、気体、液体あるいは他の流体の流れの中に挿入されたサーモウェルまたは他の装置上に、渦離脱により発生される力を、除去または効果的に低減する。渦離脱の除去あるいは低減は、一実施形態では、正方形管あるいは棒を用い、該正方形管あるいは棒を捩ることにより、達成される。特に、該棒あるいは正方形管は、螺旋形の正方形管を作るために、正方形の幅の８−１６倍当たり１ターンのピッチ(a pitch of 1 turn per 8-16 widths of the square)、または対角線の幅の５．５−１１倍当たり１ターン(1 turn per 5.5-11 diagonal widths )のピッチで捩られていることが好ましい。この形状は、渦離脱を回避するための先行方法より製作が容易で、かつより頑丈である。

図１は、本発明の一実施形態による捩れサーモウェルを含むプロセス流体温度測定システムの斜視図である。温度測定システム１０は、サーモウェル１２を含み、その中に温度センサ１３が配置されている。上記したように、温度センサ１３はどのような適当なセンサであってもよいが、一般的には、サーモウェル１２内の縦方向の穴に収容される円筒形状を有している。温度センサ１３の導体３０，３４は、温度を測定するために、温度送信機１４内の適当な回路２６に接続されており、その示度をプロセスコントローラあるいは他の適当な装置に提供する。適当な温度送信機の一例は、ミネソタ州のEmerson Process Management of Chanhassenから提供されているModel 644 Head Mount 温度送信機である。

サーモウェル１２は、パイプあるいはタンクのようなプロセス容器に取り付けることができかつシールできるプロセスシールフランジ１６を含むことが好ましい。サーモウェル１２は、図１中ではフランジとして示されているプロセスインタフェース部１６を貫通する円形部(round section)１８を含んでいる。円形部１８は、強度を強くしかつ圧力をシールするためにフランジ１６に溶接されるのが好ましい。サーモウェル１２は、円形部１８からサーモウェル１２のシールされた端部２２まで延びる捩れ部２０を含む延長部を含んでいる。また、温度センサ１３を挿入するためのサーモウェル１２の長さ方向に延びる中央穴あるいは縦穴が設けられている。一実施形態では、捩れ部２０の断面は正方形であり、該捩れ部２０の捩れ率(twist rate)あるいはピッチは、該捩れ部の８−１６幅につき１ターン、あるいは該正方形の５．５−１１対角線幅につき１ターンである。（もし円筒から作られている場合には、該正方形の対角線は円筒の直径になるであろう。）正方形のコーナ（角部）は、流体に晒された時の、虚弱な螺旋形の外板(strakes)に比べ、堅固な面を提供する。該正方形部はフランジを通り抜けることができ、該正方形部がその位置で捩られていない場合には前記フランジに溶接されることができるであろう。フランジに正方形の穴を作ることは大変難しいが、作ることは可能である。代替として、正方形部は機械にかけて丸くされ、フランジに通して溶接されることができる。さらに、捩れ部はインタフェース部からシールされた端部までの全長が、流体の中に延びる必要はない。捩れ部の４０％から１００％が流体中に延びていれば、有効な結果が得られると考えられる。

図２は、図１をＡ−Ａ線で切った断面図である。捩れ部２０は正方形の断面を持つものとして示されている。正方形の辺は、円形部１８の直径より少し短く延びている。穴３６は、プロセスインタフェース部１６と捩れ部２０とにより規定され、その中に、センサ、例えば温度センサを収容するように構成されている。穴３６は、好ましくは、センサを収容するために、捩れ部２０内の中央部および円形部１８の中央部に設けられるのがよい。穴３６は、捩れ部２０がシールされる端部２２（図１参照）まで延びている。

図３は、本発明の他の実施形態による捩れセンサチューブの一部の斜視図である。センサチューブ１２０は、図１に示されている実施形態より厚みのあるコーナ１２２を有している。追加された厚みは、該コーナをより堅固にし、長期間にわたってより長持ちさせることができる。

図４Ａおよび４Ｂは、本発明の一実施形態による捩れセンサチューブの断面図である。図４Ａは、円筒部２２４とぴったり合う径の曲線を有するコーナ２２２を備えたセンサチューブ２２０の捩れ部の断面図を示す。この実施形態は、矩形の捩れ部が最初は円筒部材から機械加工で形成できるという利点がある。該捩れ部は、該円筒から捩られた形に機械加工されることができる、または最初に機械加工され、その後捩られることができる。各コーナ２２２は、渦離脱の低減を助ける一方でコーナをより堅固にする、一対のエッジ２２６，２２８を有している。図４Ｂは図４Ａに似ているが、コーナ３２２は、捩れ部が捩られる前に、単純に所定の径になされている。

図５は、本発明の一実施形態の、テーパを付けられた捩れセンサチューブの斜視図である。センサチューブ４００は、その断面積が４０２から遠端４０４まで減少するようにテーパが付けられている。センサチューブ４００はまたただ一部のみが捩られているように示されている。図は正確に表わされたものではないが、捩れ部４０６は、長さＬの約４０％の割合を占めている。

図６は、本発明の一実施形態によるステップ(段)を付けられた捩れセンサチューブの斜視図である。センサチューブ４５０は、その断面積が位置４５２と４５４で減ずるようにステップ付けされている。前記と同様に、長さＬの一部のみ、例えば４０％が、符号４５６で示されているように、捩られている。本発明の一実施形態は捩られた正方形のサーモウェルに関して説明されたが、適当な３つ以上の辺があるものであれば用いられることができる。例えば、捩れ三角形、捩れ五角形、捩れ六角形もまた本発明の実施形態として用いられることができる。しかしながら、辺の数が増加するにつれて、全体の形が円筒にますます近くなるので、渦離脱を低減することについての捩れ部の効果は小さくなるであろう。

上記した実施形態では、捩れセンサチューブ又はサーモウェルは一般的に金属で形成されている。金属は簡単に機械加工することができるので特に有用である。特に正方形の金属サーモウェルは上記した構成にたやすく捩られることができる。しかしながら、金属のみが本発明の実施形態に有用である材料ではない。特に、金属が適しないいくつかの応用、例えば、極度に腐食性が強い環境、あるいは非常に高温の応用等がある。そのような場合には、セラミックのような他の材料を用いることができる。このような材料は金属のように機械加工するのには適していないが、これらもまた上記した形状に作られることができる。例えば、捩られた正方形のセラミックサーモウェルは、該セラミックを窯で焼く前や硬化させる前に、所望の形状や構造に簡単にモールドすることができる。有機材料のプラスチックが用いられる場合には、適当な製造方法、例えば射出成型が用いられることができる。

多くの実施形態は捩れ部について説明されたが、その語は、現実の捩り行為を要求することを意図するものではない。それは、断面が多角形をとどめる一方で、該多角形のエッジが捩れ部の長さ方向に螺旋になるという意味であることを意図している。このため、捩れ部は、モールドされたセラミック、射出成型されたプラスチック、鋳物等でも作られることができる。捩れ部は、単に少なくとも三つの壁を含む断面を持っていればよい。ここに、該壁は、好ましくは同じサイズであり、捩れ部の長さ方向に螺旋状である。

本発明の実施形態は、多くの効果とシナージ（相乗効果）を提供する。特に、捩れ部の壁は、一般に脆弱で製造が困難な外板(strake)より頑丈である。さらに、多角形のサーモウェルを用いると、通常、流体の流れに対して特定の方向性をもつであろう。しかしながら、多角形部は捩られるから、それは無指向性を呈する。このため、流れの方向に関していかなるアライメント(alignment)も必要としない。さらに実質的に一体構造であるため、いかなる追加部品や可動部品を必要としない。最後に、多角形のエッジは乱流を促進する。このため、時定数、自己発熱およびサーモウェルを具現化するための伝導エラーを低減することができる、熱伝導を増大する。

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、本発明の精神および範囲内から逸脱することなく形態および細部において変更できることを認識するであろう。例えば、本発明の実施形態はセンサチューブに関して説明されたが、これらは自動車のアンテナ、大規模な海中での配管および橋脚、あるいは渦離脱を低減することが望まれる他のコンテキストに適用することができる。このため、センサあるいは他の構造体を流体（液体または気体）中に挿入あるいは入れなければならない時、流体とセンサまたは他の構造体との間で相対的な動きがある時、および渦離脱が望まれない時には、いつでも、本発明の実施形態は有用である。

１０・・・温度測定システム、１２・・・サーモウェル、１３・・・温度センサ、１４・・・温度送信機、１６・・・プロセスシールフランジ、２０・・・捩れ部、２２・・・シールされた遠端部、３６・・・穴、１２０・・・センサチューブ、１２２・・・コーナ。

Claims (20)

1. 流動するプロセス流体中に挿入されたセンサを保護するためのセンサチューブであって、
   プロセスの容器に実装するためのプロセスインタフェース部と、
   該プロセスインタフェース部からシールされた端部へと延び、縦方向の軸の回りに捩られている捩れ部を含む伸長部とを含み、
   前記プロセスインタフェース部と前記伸長部とは、その中にセンサを収容するように構成されたセンサ穴を画定されており、
   前記捩れ部は、少なくとも三つの等しいサイズの壁を含む断面を有し、該壁は、前記捩れ部の縦方向の軸に沿って螺旋を形成する、センサチューブ。
2. 前記センサチューブがサーモウェルである、請求項１に記載のセンサチューブ。
3. 前記断面が正方形である、請求項１に記載のセンサチューブ。
4. 前記センサチューブが金属で形成されている、請求項１に記載のセンサチューブ。
5. 前記センサチューブがセラミックで形成されている、請求項１に記載のセンサチューブ。
6. 前記センサチューブがプラスチックで形成されている、請求項１に記載のセンサチューブ。
7. さらに、前記センサ穴の中に、プロセス変数と共に変化する電気特性を有するセンサを含む、請求項１に記載のセンサチューブ。
8. 前記センサが温度センサであり、さらに該センサに結合されている温度送信機を含む、請求項７に記載のセンサチューブ。
9. 前記捩れ部は、前記等しいサイズの壁の一つの幅の８−１６倍（8-16 widths）につき約１ターンであるピッチをもつ、請求項１に記載のセンサチューブ。
10. 前記壁は、円形のコーナになっている、請求項１に記載のセンサチューブ。
11. 前記センサチューブは、テーパが付けられたセンサチューブである、請求項１に記載のセンサチューブ。
12. 前記センサチューブは、ステップが付けられたセンサチューブである、請求項１に記載のセンサチューブ。
13. 前記伸長部は、前記捩れ部を含む、請求項１に記載のセンサチューブ。
14. 前記断面は、四つの等しいサイズの壁を含む、請求項１に記載のセンサチューブ。
15. 縦方向の軸を有し、ある挿入長まで、プロセス流体容器中に挿入できるサーモウェルであって、
    該プロセス流体容器の壁を通り抜け、該プロセス流体容器にシールするためのプロセスインタフェース部と、
    該プロセスインタフェース部に接続され、前記縦方向の軸の回りに捩られている多角形の断面を有する捩れ部とを有し、
    前記多角形の断面は、少なくとも三つの隣り合う壁を含む、サーモウェル。
16. 前記多角形のコーナは、曲率半径を持つ、請求項１５に記載のサーモウェル。
17. 前記捩れ部は、前記挿入長の約４０％と１００％との間の長さである、請求項１５に記載のサーモウェル。
18. 前記捩れ部は、前記サーモウェルの遠端から延びている、請求項１７に記載のサーモウェル。
19. センサチューブの製造方法であって、
    プロセス容器に実装するためのプロセスインタフェース部を提供することと、
    前記プロセスインタフェース部からシールされた端部まで延び、少なくとも三つの隣り合う壁を含む多角形の断面を有する伸長部を、前記プロセスインタフェース部に結合することと、
    前記プロセスインタフェース部に関して、該伸長部の前記端部を捩ることにより、前記伸長部中に捩れ部を形成することとを含む、センサチューブの製造方法。
20. 前記捩れ部を形成することが、前記プロセスインタフェース部に対して前記捩れ部を物理的に捩ることを含む、請求項１９に記載のセンサチューブの製造方法。

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