JP6022698B2 - 高圧流体カップリング - Google Patents

Description

本発明は、高圧流体カップリングに関する。

プロセス圧力伝送器は、工業プロセス中で用いられるプロセス流体の圧力をモニタするのに用いられている。プロセス圧力伝送器は、典型的にはプロセス流体圧力の変化に応答して電気出力を提供する圧力センサを含んでいる。各プロセス圧力伝送器は、圧力センサの電気出力を受信し処理するための伝送器電子機器を含んでいる。該伝送器電子機器は、典型的には、信号、デジタル、アナログ又はこれらを組み合わせたものを、制御ループ又はネットワークを介して制御室のような中央監視位置に伝送するように構成されている。

圧力伝送器中で用いられている圧力センサは、一般的に、柔軟なセンサ要素(flexible sensor element)、例えば圧力変化に応答して偏向する（又は反る）電極板又はピエゾ抵抗体を含んでいる。該センサ要素は、典型的には隔離システムを介してプロセス流体に流体的に結合されている。隔離システムは、プロセス流体に接触するように構成された金属ダイヤフラムを含む。隔離システムはまた、隔離ダイヤフラムから圧力センサへと延びる封じられた通路を含んでいる。該封じられた通路は、典型的には、シリコンオイルのような実質的に非圧縮の充填流体で充填されている。プロセス流体の圧力が変化するにつれて、隔離ダイヤフラムの位置が変動し、よって圧力の変化が隔離流体を通して圧力センサ要素に伝達される。圧力センサ要素が圧力変化に応答して動く時、圧力センサの電気特性、例えば容量又は抵抗の、対応する変化が同様に起きる。圧力センサ要素の電気特性は圧力伝送器電子機器により測定され、プロセス流体の圧力を演算するのに用いられる。

差圧伝送器は、２つの圧力間の差が測定されなければならない種々の応用分野で用いられている。そのような応用分野の例は、容器中の流体のレベル測定や、差圧発生器、例えばオリフィス板又はベンチュリを横切る流量又は流速測定である。差圧センサは、典型的には、離れているプロセス圧力を一つの差圧センサ要素の両側に搬送するために、二つの隔離システムを必要とする。典型的には、差圧伝送器は、伝送器／マニホルドアセンブリへの圧力を遮断することなしに、伝送器のゼロ校正と伝送器の除去／交換の両方を可能にする一体マニホルド／バルブボディに取り付けられている。伝送器とマニホルド間のインタフェースは、"Mating dimensions between differential pressure (type) measuring instruments and flanged-on shut-off devices up to 413 BAR (41.3MPa)"と名付けられた国際標準ＩＥＣ６１５１８により定義されている。

図１は、上記の国際標準に従ってマニホルド装置に結合されるプロセス流体差圧伝送器の斜視図である。伝送器１０は、マニホルド１２の面１６から伝送器１０中へ延びる４個のボルト(図示されていない)によってマニホルド１２に結合されている。該４個のボルトを用いることにより、アセンブリを結合するための、接続金具(fittings)や付加的な金物(hardware)は不要となる。この構造は、エンドユーザに、簡単なアセンブリの組み立てを提供する。

しばしば、差圧伝送器を極端に高静圧のプロセスに接続することが求められることがある。例えば、深くに侵入している油井はオイルを地表に移送するために大きなライン圧力(line pressure)を必要とする。前記413 バール(bar)以上の用途においては、マニホルドは、該マニホルドを差圧伝送器に結合するインパルスパイプ又はインパルスラインを備える差圧伝送器から間隔をあけられる傾向がある。これは、差圧伝送器が直接マニホルドにボルト付けされたとすると、４個の締め付けボルト上に少なくともある程度のストレス（応力）がかかるためである。もし既知の隔離ダイヤフラムが直径で０．８インチ以上であり、２個のそのような隔離体が差圧測定のために必要であるとするなら、１０，０００ｐｓｉの静圧は該ボルト上に、５，０００ポンドより大きな圧力を発生する可能性がある。

図２は、４１３バールのライン圧力を超える用途に適したマニホルドに結合される差圧伝送器の側面図である。差圧伝送器２０は、一対のインパルスライン２４，２６を介してマニホルド２２に結合されている。マニホルド２２とインパルスライン２４，２６との間の流体カップリングおよびインパルスライン２４，２６と差圧伝送器２０との間の流体カップリングは、一般に、高いライン圧力を支えるように構成されている。例えば、そのようなカップリングには、時折、米国特許第３，３６２，７３１号に開示されているタイプのテーパつき接続金具(tapered fittings)が用いられる。

米国特許第３，３６２，７３１号

しかし、現在の高圧力カップリングシステムは、ユーザにマニホルドと差圧伝送器との間にインパルスパイプを設けてルート(route)を作ることと、各インパルスラインの各端部に接続金具を用いることを要求している。短いインパルスパイプの結合をより良く調整することのできる高圧流体カップリングシステムを提供することは、高ライン圧力の用途における差圧伝送器の取付を容易にするであろう。

プロセス流体圧力感知システムは、プロセス流体圧力伝送器とプロセスマニホルドを含む。該プロセス流体圧力伝送器は第１及び第２の圧力吸入口をもち、該第１及び第２の圧力吸入口に印加される圧力に関する測定を行い、該測定に基づいてプロセス変数出力を提供するように構成されている。前記プロセスマニホルドは、プロセス流体に作動的に結合されており、第１及び第２の圧力排出口を有する。第１の高圧流体カップリングはプロセスマニホルドの第１の圧力排出口をプロセス流体圧力伝送器の前記第１の圧力吸入口につなぎ合わせる。第２の高圧流体カップリングはプロセスマニホルドの第２の圧力排出口をプロセス流体圧力伝送器の前記第２の圧力吸入口につなぎ合わせる。前記第１及び第２の高圧流体カップリングは、それぞれの圧力排出口と吸入口との間のミスアライメントを調整するように構成されている。

本発明によれば、接続金具間のミスアライメントをチューブを曲げないで調整できる高圧流体カップリングを提供できる。

図１は、マニホルドアセンブリに結合される差圧伝送器の斜視図である。 図２は、４１３バールのライン圧力を超える用途に適したマニホルドに結合される差圧伝送器の側面図である。 図３は、円錐及びねじ型接続金具(coned and threaded fittings)を用いた既知の高圧流体カップリングの断面図である。 図４は、円錐及びねじ型接続部で結合される２つの装置の部分説明図である。 図５は、本発明の一実施形態による高圧流体カップリングの断面図である。 図６は、本発明の一実施形態により結合される２つの装置の部分説明図である。 図７は、本発明の一実施形態による、プロセスマニホルドに結合される差圧伝送器の断面図である。 図８は、本発明の一実施形態による、高圧流体カップリングの拡大図である。 図９は、本発明の一実施形態による、高圧流体カップリングの断面図である。

本発明の実施形態は一般的に差圧伝送器に関して説明されるが、本発明の実施形態は、流体カップリングの軸アライメント(axial alignment)を正確に行うことが不可能又は困難又は多大な時間のかかるいかなる高圧流体カップリング用途において、大変有用であると当業者は評価するであろう。

図３は、Burbank CAのParker Autoclave Engineers of Erie, PA, and BuTechのような製造業者から商業的に入手できる、既知の円錐及びねじ型接続金具(coned and threaded fittings)を用いる高圧流体カップリングの断面図である。該高圧流体カップリング３０は、典型的には、３つの構成要素つまり、スラストつば(thrust collar)３４を有するチューブ３２、及びチューブ３２を雌型接続金具３８中に保持するためのグランド(gland)３６からなっている。封じ機構は、チューブ３２の端部に機械加工された円錐体（コーン）４０と雌型接続金具３８中に機械加工された円錐体(コーン)４２との間の金属間シール(metal-to-metal seal)３９である。この金属間シール３９は、本質的に、チューブ３２の端部の円錐体４０と雌型接続金具３８中の円錐体４２との交点により形成された線接触である。つば３４とグランド３６は、チューブ３２を雌型接続金具３８の中に保持するだけではなく、チューブ３２が正確な角度で雌型接続金具３８の中に入ることをまた保証している。正確な軸アライメントは、漏れのない接続を保証するために、雄及び雌型カップリング間に必要である。つばとグランドが雌型接続金具内でチューブの正確な角度を維持できなかった場合には、前記線接触は２点となり、ギャップが漏れを起こす原因になるであろう。例えば、円錐型チューブが雌型接続金具の円錐部分の軸に対して５°傾いた場合には、封じ部分は２点からなることになり、約０．００２インチ幅（０．２５０インチＯＤチューブに対して）の２つのギャップが生ずるであろう。このため、円錐及びねじ型カップリングで結合される装置間にミスアライメントがある場合には、チューブ中の曲がりがそのようなミスアライメントを補償するように提供されなければならない。２つの装置が隙間がないほど密接している場合には、適当な曲がりを作るのは困難であり、不可能であるとさえ言うことができる。

図４は、既知の円錐及びねじ型接続部で結合される２つの装置の部分説明図である。装置４４は、装置４６から約１．７４インチだけ離れている。該２つの装置４４、４６は、０．２５"外径チューブ用の、既知の円錐及びねじ型接続部を用いて結合されなければならない。図４に示されているように、チューブ４８が正確に９０°で各装置４４，４６を近づけることを保証するためには、１．７４"スパン当たり０．０９０"の比較的小さなミスアライメントであってさえ、曲がり４８がチューブ３２中に導入されることが必要になる。その曲げ工程は、多大な時間のかかる作業である。さらに、この曲げは、チューブの永久的な変形であるので、不適切な曲げが行われた場合にはチューブにダメージを与える可能性がある。なお、参照数字５０で示されたカップリングは、図３に関して既に説明されたものである。

本発明の実施形態によると、チューブを曲げないでミスアライメントを調整できる高圧流体カップリングが提供される。本発明の実施形態は、金属間接触(metal-to-metal contact)の強固なシールを提供するが、接続金具で完全には軸合わせされない時でさえ、チューブがフィットするようにすることができる。

図５は、本発明の一実施形態による高圧流体カップリングの断面図である。カップリング１００は、雌型接続金具１３８の円錐凹部(conical recess)１４２により受け止められる、球状端部１０４を有するチューブ１０２を含む。円錐凹部１４２は図５に示されているが、適当な線接触が球状端部１０４で形成されることができる限り、ストレートな穴(straight bore)、楕円形、又は球形のような他の（表面）形状が、雌型接続金具１３８の内部の凹部構造に用いられることができる。図示の実施形態では、チューブ１０２は内側にねじの付けられたスラストつば１６２を受け止める外側のねじ部分１６０を有している。しかしながら、少しの軸ミスアライメントを調整するために、グランドナット（パッキン押さえナット；gland nut)１３６の内寸がいくらか大きくされている。特に、内面１６４は、該内面１６４とチューブ１０２の外径１６８との間のギャップ１６６を提供するような大きさの寸法にされた直径を有している。このため、チューブ１０２は、ギャップ１６６の中で動くことができるようになる。同様に、内側にねじを切られたスラストつば１６２は、その外面１６７とグランドナット１３６の内面１７２との間にギャップ１７０を提供するある直径を有する外面１６７を有している。グランドナット／スラストつばの相互作用について工夫されている他のことは、グランドナット／スラストつばの接点(interface)を規定する曲面１７４である。異なる軸ミスアライメントが調整されるように、スラストつば１６２は中心から外れて(off-center)スライドされることができる。図５に示されているこのギャップは、説明を分かりやすくするために、誇張されている。当業者は、頑丈なインタフェース１７４が、球状端部１０４をして、全ての可能なミスアライメントの位置で円錐凹部１４２に対する密閉を、信頼性をもって維持するかぎり、スラストつばの外側直径、グランドナットの内側直径、及びインタフェース１７４の曲率半径を、変更及び調整してもよいことを認識するであろう。

図６は、本発明の一実施形態により結合される２つの装置の部分説明図である。装置２００は、高圧流体カップリングを介して装置２０２に結合されている。一方、図６の装置間間隔と軸ミスアライメントとは、図４のそれらと同じである。図６は、円錐凹部２１０，２１２の各々に受け入れられる球状端部２０６，２０８を有するチューブ２０４を含む。このように、図６に示されている２つの流体接続部のそれぞれは、図５に関して示されているものと同じであるということができる。しかしながら、２°のミスアライメントは、曲がりをチューブ２０４中に設けなくても本発明の流体カップリングにより調整することができる。このように、全体の流体接続は、図４に示されているものより、少ない時間と労力で、完成されることができる。

上記のように、本発明の実施形態は、厳格な軸アライメントが難しいあるいは不可能なさまざまな用途において、高圧流体カップリングを提供し使用されることができるという利点を有している。しかしながら、本発明の実施形態は、差圧伝送器を流体マニホルドに結合するのに特に有用である。本発明の実施形態は、インパルスライン接続に用いられることができる一方、４１３バールを超える圧力用のプロセスマニホルドに差圧伝送器を直接結合することもまた可能にする。

図７は、本発明の一実施形態によるプロセスマニホルドに結合されたプロセス流体圧力伝送器の断面図である。差圧伝送器２５０は、プロセスマニホルド２５６と結合する複数の高圧流体カップリング２５２，２５４を有している。説明を分かりやすくするために、伝送器２５０とマニホルド２５６の内部の詳細は図示されていない。各カップリングは、既知の高圧カップリング、例えば内部の円錐凹部を提供する既知のAutoclave FC-250インタフェースと同じである雌型インタフェースを含むことができる。典型的には、そのような内部の円錐凹部は、対応する雄型円錐面に結合するであろう。しかしながら、該カップリングの雄型部分は、雌型接続金具の内部の円錐凹部に対して封じをする球状面(図８に示されている)を含んでいる。この装置は強固な金属間シールを提供することができるが、あまり厳しくない製造許容範囲(manufacturing tolerances)と表面仕上げを受け入れることができる。有利なことに、全体のアセンブリはまだ（ＩＥＣ６１５１８インタフェースと同様に）４本のボルトで結合されることができる。それにもかかわらず、ボルト付けされたアセンブリは４１３バールをかなり超える圧力にまで適用できると評価されている。

図８は、図７に示されている矩形部分２５８の拡大図である。雌型コネクタ部２６０は、既知のものと同じもの、例えば内部円錐凹部２６２をもつものであることができる。各々のコネクタ部２６０は、典型的な円錐及びねじ型接続金具の中に用いられているグランド上の雄型ねじと合うように作られた雌型接続金具２６０のねじ切り部分２６４をまた含んでいる。アライメント機構２６７は、チューブ２６６を接続金具２６０の中央に置くためにねじ山２６４を用いて、チューブが各々の内部円錐凹部２６２と接触するようにする。よく分かっているように、２又は３個のそのような高圧流体カップリングが要求される時に、各接続金具の正確なアライメントを保証することは大変困難なことである。しかしながら、球状端部２６８を有する封じチューブ(seal tube)を用いると、封じチューブ２６６をわずかな角度で雌型接続金具の中に入れることが可能になり、よって、差圧伝送器とプロセスマニホルドの両方の各個の接続金具に対して緩い許容範囲で製造することを可能になる。本発明の実施形態により提供される他の利点は、少なくとも１つには、チューブの端部の小さな表面積と該チューブの硬い性質によるものである。特に、フランジが付いたＩＥＣ６１５１８接続に用いられている同様のボルトとトルクは、はるかに高い圧力下で、差圧伝送器をプロセスマニホルドに固定するのに用いられることができる。さらに、全体の伝送器／マニホルドは、なお４個のボルトと同じ小ささでボルト付けされることができる。これはエンドユーザに簡単なアセンブリを提供するだけでなく、高圧下でもなお動作する完成したアセンブリを提供する。

図９は、本発明の一実施形態による高圧流体カップリングの断面図である。図９は、図５と類似する部分を有しており、同様の部品には同じ符号が付されている。高圧カップリング３００は、装置３１０中の雌型接続金具３０８の球状面３０６に接触する円錐凹状端部３０４を有するチューブ３０２を含む。カップリング３００は、図５に関して説明されたカップリングと大変よく似ているスラストつば１６２とグランドナット１３６を含む。このように配置されているので、チューブ３０２は雌型接続金具３０８と少し軸ミスアライメントしても、高圧封じ（シール）をまだ維持することができる。球状の面３０６は適当な方法で製造または提供されることができる。例えば、面３０６は装置３１０の一部として成形されることができる、又は面３０６はそこを通って装置３１０に溶接されている通路を有するボール(ball)により提供されることができる。代替的には、球状の面３０６は、装置３１０の穴の中で溶接される金属射出成型インサート(metal-injection molded (MIM) insert)の一部であることができる。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなしに形状及び細部を変更することができることを認識しているであろう。

１００，２５２，２５４・・・流体カップリング、１０２，２０４・・・チューブ、１０４，２０６，２０８・・・球状端部、１４２，２１０，２１２・・・円錐凹部、２５０・・・差圧伝送器、２５６・・・プロセスマニホルド。

Claims (19)

1. プロセス流体圧力感知システムであって、
   第１及び第２の圧力吸入口を有し、該第１及び第２の圧力吸入口に印加される圧力に関する測定をするように構成され、該測定に基づいてプロセス変数出力を提供するプロセス流体圧力伝送器と、
   プロセス流体に結合され、第１及び第２の圧力排出口を有するプロセスマニホルドと、
   前記プロセスマニホルドの前記第１の圧力排出口を前記プロセス流体圧力伝送器の第１の圧力吸入口につなぎ合わせる第１の高圧カップリングであって、前記第１の圧力排出口と第１の圧力吸入口との間のミスアライメントを調整するように構成された第１の高圧カップリングと、
   前記プロセスマニホルドの前記第２の圧力排出口を前記プロセス流体圧力伝送器の第２の圧力吸入口につなぎ合わせる第２の高圧カップリングであって、前記第２の圧力排出口と第２の圧力吸入口との間のミスアライメントを調整するように構成された第２の高圧カップリングとを具備し、
   前記第１及び第２の高圧カップリングのうち少なくとも一方は、
   凹部をもつ雌型接続金具と、
   球状端部をもつ雄型接続金具を有するチューブと、
   前記雄型接続金具に近接する前記チューブに固定されるスラストつばと、
   前記スラストつばに隣接して配置されたグランドナットであって、該グランドナットの内面と前記スラストつばの外面とでギャップを画定することにより前記雄型接続金具と前記雌型接続金具との間の軸ミスアライメントを許容する前記グランドナットとを具備し、
   前記雄型金具の球状部分と前記雌型接続金具の前記凹部は金属間シールを提供する、プロセス流体圧力感知システム。
2. 前記第１の高圧カップリングが金属間シールを提供する、請求項１に記載のプロセス流体圧力感知システム。
3. 前記第１の高圧カップリングは、前記金属間シールを提供するために、円錐凹部に受け止められる少なくとも１つの球状端部を有するチューブを含む、請求項２に記載のプロセス流体圧力感知システム。
4. 前記チューブは、一対の金属間シールを提供するために、個々の円錐凹部に受け止められる球状の一対の端部を有する、請求項３に記載のプロセス流体圧力感知システム。
5. 前記プロセス流体圧力伝送器が前記プロセスマニホルドにボルト付けされている、請求項４に記載のプロセス流体圧力感知システム。
6. 前記プロセス流体圧力伝送器が４個のボルトで前記プロセスマニホルドにボルト付けされている、請求項５に記載のプロセス流体圧力感知システム。
7. 前記第１の高圧カップリングは、前記金属間シールを提供するために、球状部を受け止める少なくとも１つの円錐凹部を有するチューブを含む、請求項２に記載のプロセス流体圧力感知システム。
8. 前記第２の高圧カップリングは金属間シールを提供する、請求項２に記載のプロセス流体圧力感知システム。
9. 前記第２の高圧カップリングは、前記金属間シールを提供するために、円錐凹部に受け止められる球状端部を有するチューブを含む、請求項８に記載のプロセス流体圧力感知システム。
10. 前記プロセス流体圧力伝送器は前記プロセスマニホルドから離されており、前記第１及び第２の高圧カップリングは真っ直ぐなチューブを含む、請求項１に記載のプロセス流体圧力感知システム。
11. 前記プロセス流体圧力伝送器が軸を持つ雌型接続金具を有し、
    前記真っ直ぐなチューブの内の１つがチューブ軸を有し、かつ前記雌型接続金具に結合される雄型接続金具を含み、
    前記チューブ軸は前記雌型接続金具の軸とミスアライメントしている、請求項１０に記載のプロセス流体圧力感知システム。
12. 前記ミスアライメントが１°を超えている、請求項１１に記載のプロセス流体圧力感知システム。
13. 前記プロセス流体圧力伝送器は１．０インチと２．０インチの間の距離だけ前記プロセスマニホルドから離されている、請求項１０に記載のプロセス流体圧力感知システム。
14. 高圧流体カップリングであって、
    凹部をもつ雌型接続金具と、
    球状端部をもつ雄型接続金具を有するチューブと、
    前記雄型接続金具に近接する前記チューブに固定されるスラストつばと、
    前記スラストつばに隣接して配置されたグランドナットであって、該グランドナットの内面と前記スラストつばの外面とでギャップを画定することにより前記雄型接続金具と前記雌型接続金具との間の軸ミスアライメントを許容する前記グランドナットとを具備し、
    前記雄型金具の球状部分と前記雌型接続金具の前記凹部は金属間シールを提供する、高圧流体カップリング。
15. 前記凹部は円錐凹部である、請求項１４に記載の高圧流体カップリング。
16. 前記グランドナットは、曲面に触れて前記スラストつばを受け止める、請求項１４に記載の高圧流体カップリング。
17. 前記カップリング内の流体圧力は４１３バールを超える、請求項１４に記載の高圧流体カップリング。
18. 前記軸ミスアライメントは１°を超える、請求項１４に記載の高圧流体カップリング。
19. プロセス流体圧力感知システムであって、
    少なくとも１つの圧力吸入口を有し、少なくとも１つの圧力吸入口に印加される圧力に関する測定を行い、前記測定に基づいてプロセス変数出力を提供するプロセス流体圧力伝送器と、
    プロセス流体に結合され、少なくとも一つの圧力排出口を有するプロセスマニホルドと、
    前記プロセスマニホルドの少なくとも１つの圧力排出口を前記プロセス流体圧力伝送器の少なくとも１つの圧力吸入口につなぎ合わせ、前記少なくとも１つの圧力排出口と前記少なくとも１つの圧力吸入口との間のミスアライメントを調整するように構成された高圧カップリングとを具備し、
    前記高圧カップリングは、
    凹部をもつ雌型接続金具と、
    球状端部をもつ雄型接続金具を有するチューブと、
    前記雄型接続金具に近接する前記チューブに固定されるスラストつばと、
    前記スラストつばに隣接して配置されたグランドナットであって、該グランドナットの内面と前記スラストつばの外面とでギャップを画定することにより前記雄型接続金具と前記雌型接続金具との間の軸ミスアライメントを許容する前記グランドナットとを具備し、
    前記雄型金具の球状部分と前記雌型接続金具の前記凹部は金属間シールを提供する、プロセス流体圧力感知システム。