JP6095852B2 - 産業プロセスにおいて用いられる圧力トランスミッタ用シール - Google Patents

Description

本発明はプロセス制御機器に関する。特に、プロセス圧力に結合する圧力トランスミッタに関する。

圧力を検知するトランスミッタは通常少なくとも一つの隔離ダイヤフラムに結合された圧力センサを有する。トランスミッタは通常フランジに取り付けられ、フランジの通路からプロセス流体を受け容れるように配列された開口部を備える。隔離ダイヤフラムは開口部に配置され、検知される腐食性のプロセス流体からプロセスセンサを隔離する。圧力は隔離ダイヤフラムから、通路内に運ばれた実質的に非圧縮性の隔離流体を経由して測定ダイヤフラムを有するセンサに伝送される。特許文献１，２に、このタイプの圧力トランスミッタが開示されている。

圧力トランスミッタには隔離ダイヤフラムを取り囲むよう開口部内に設置された溶接リングが高頻度で備えられている。溶接リングはトランスミッタ本体および隔離ダイヤフラムに溶接され、これにより隔離ダイヤフラムをトランスミッタ本体に固定させることができる。溶接リングはОリングのようにシールをサポートするのにも用いられる。トランスミッタが、例えばボルト締めによって加えられるような取付力によってプロセスフランジに取り付けられると、シールと溶接リングはプロセス流体が開口部から漏れるのを防ぐためにフランジに対して押し付けられる。このような溶接リングの例は特許文献３，４に開示され、いずれもローズマウント社に譲渡されている。

米国特許第4,833,922号明細書 米国特許第5,094,109号明細書 米国特許第5,922,965号明細書 米国特許第6,055,863号明細書

溶接リングとの関連で用いられるシールのいくつかのタイプは特に維持するのが難しい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から成るシールはシールとして用いることができる。しかし、ポリテトラフルオロエチレンはコールドフローの性質を持ち、時間とともにその形を失う。これはシールに加わる初期加重を減らし、これによってシールの効果を弱めることができる。

産業プロセスにおけるプロセス流体の圧力を測定する圧力トランスミッタシステムは圧力センサを有する圧力トランスミッタを備える。円形型開口部を有するプロセス流体通路は、圧力センサにプロセス流体の圧力を結合するように構成されている。円形型開口部の周囲に拡がった同心状のシール支持構造体は環状凹部を含む。環状加重集中部は環状凹部から放射状に内側に配置されている。シール材料は環状凹部を満たし、少なくとも環状加重集中部の一部と接する。

本発明の溶接リングと支持表面を有する圧力トランスミッタの断面図である。 加重集中部を備えるシール支持構造体の一実施形態を示す部分断面図である。 隆起型の加重集中部の他の実施形態を示す断面図である。 ２つの凹部の間に形成された加重集中部を有するシール支持構造体を示す実施形態である。 内部に形成されたシール支持構造体を有するプロセスコンポーネントの外面の斜視図である。 図５のシール支持構造体の部分断面図である。 内部に鋸歯状の縁を有するシール支持構造体の他の実施形態を示す断面図である。

本発明は、同心状のシール支持構造体を利用する産業プロセス制御圧力トランスミッタに使用するシールを提供する。シール支持構造体は、円形型開口部の周囲に拡がって開口部をシールするように構成される。支持構造体は凹部エリアと加重集中部分を備える。シール材料は凹部エリア内に留置する構成となっており、また加重集中部分はプロセス面にシール材料を押し付ける構成とされることによってプロセス面から円形型開口部をシールする。

図１は、本発明におけるトランスミッタ本体１２、フランジ（又は共面マニホールド）１３およびセンサ本体１４を有する圧力トランスミッタ１０を示している。本発明は共面フランジを用いる場合を例にして示されるが、本発明ではプロセス流体を受け容れるように適応されたあらゆるタイプのフランジ、マニホールドあるいは他の結合部材が用いられてもよい。センサ本体１４は圧力センサ１６を備え、トランスミッタ本体１２はトランスミッタ回路２０を備える。センサ回路１８は通信バス２２を通ってトランスミッタ回路２０に結合される。トランスミッタ回路２０は二線式４−２０ｍＡプロセス制御ループ２３を介してプロセス流体の圧力に関係する情報を送る。トランスミッタ１０はプロセス流体圧力に関係する情報をプロセス制御ループ２３に結合された制御ルーム６０又は他のデバイス（図示省略）に送信する。プロセス制御ルーム６０は電源６２および抵抗６４によって形成されている。トランスミッタ１０はループ２３から供給される電力によって完全に駆動される。プロセス制御ループ２３は、ハート（登録商標）プロトコルによってデジタル情報を送信するばかりでなく、無線ハート（登録商標）のような無線通信技術を採用する制御ループを備えるあらゆるタイプのプロセス制御ループであり得る。しかし、本発明はこれらの通信技術に限定されない。

圧力センサ１６は絶対又は差動圧力センサとすることができる。圧力センサ１６が差動圧力センサである場合の実施形態において、センサ１６は通路２４内の圧力P1とフランジ１３の通路２６内の圧力P2との差を計測する。この実施形態においては、圧力P1は通路３２を介してセンサ１６に結合される。圧力P2は通路３４を介してセンサ１６に結合される。通路３２は結合部３６およびチューブ４０を通って延びている。通路３４は結合部３８およびチューブ４２を通って延びている。通路３２、３４はオイルのような相対的に非圧縮性の流体で満たされる。結合部３６、３８はセンサ本体１４に取り付けられ、センサ回路を備えるセンサ本体の内部と通路２４、２６内に収容されるプロセス流体との間に長いフレーム急冷用の通路を提供する。

通路２４はセンサ本体１４内の開口部２８に隣接して配置される。通路２６はセンサ本体１４内の開口部３０に隣接して配置される。ダイヤフラム４６は開口部２８内に配置され、通路２４に隣接してセンサ本体１４に結合される。通路３２は結合部３６とセンサ本体１４を通ってダイヤフラム４６まで延びている。ダイヤフラム５０は通路２６に隣接してセンサ本体１４に結合される。通路３４は結合部３８とセンサ本体１４を通ってダイヤフラム５０まで延びている。

溶接リング４８は開口部２８内に配置され、センサ本体１４の支持表面４９に溶接される。溶接リング５２は開口部３０内に配置され、センサ本体１４の支持表面５３に溶接される。溶接リング４８、５２は通常実質的に同一であり、また環状型が好ましく、隔離ダイヤフラム４６、５０を取り囲むように開口部２８、３０内に配置される。いくつかの好ましい実施形態として、溶接リングをセンサ本体１４に取り付けるために用いられる接合部は、それぞれ隔離ダイヤフラムをセンサ本体にも取り付ける。溶接リング４８、５２は、プロセス流体が通路２４、２６から漏れるのを防ぐために開口部２８、３０を密閉するシールを支持するためにも用いることもできる。例示するように、溶接リング４８、５２はシール５４、４６をそれぞれ支持する。

動作中においては、トランスミッタ１０がフランジ１３にボルトで固定されると、フランジ１３の表面５８は溶接リング４８、５２およびシール５４、５６に押し付けられる。溶接リングとシールに加えられる締付力または取付力はシールを押圧し、それによってプロセス流体が通路２４、２６および開口部２８、３０から漏れるのを防ぐ。取付力も溶接リング４８、５２を変形させる。隔離ダイヤフラム４６、５０は、いずれも対応する溶接リング４８と表面４９との間、溶接リング５２と表面５３との間に部分的に配置されるか、或いは溶接リングとセンサ本体支持表面との間には配置されることなく溶接リングに直接隣接する。

上記したように、トランスミッタ１０のような特定の圧力トランスミッタは、着脱自在のフランジ１３にシールされる。以前はОリングタイプのシールが用いられていた。最近では、これらはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)をベースとしたシールに取って代わられている。このようなシールではしばしば、構造体のあるタイプは、PTFEシールの形を維持しようとする「充填されたシール」の形を取る。シール材料は溝部又はその他の凹部に強制的に過剰充填される。次いで、初期加重がボルト等を用いているシールに加わると、シール面が相互に接近し、シール材料が凹部に押し出される（コールドフロー）。ボルトの締付力によってシール面は固く保持され、温度的にも圧力的にも適度にシールされる。しかし、PTFE（又はガラス入りのPTFE）はコールドフローを引き起こす傾向がある。PTFEのこのコールドフローによってシールは時間と共に変形し、それによってシールの効果が減退する。このようなコールドフローおよび押し出しを防ぐために様々な制限方法が用いられ、これによってシール面に初期荷重力を維持しようとする。代表的な設計のガイドラインにおいては、荷重が特定ジョイント上に予定される無負荷時の荷重の２倍であることが義務づけられている。したがって、シールへの最初の荷重ばかりでなく、荷重を維持するその性能は、そのようなシールの性能を決定づける重要な要因となる。これらの制限は、最大作動圧力、プロセス温度の作動限界、温度／圧力のサイクル変動におけるシールの信頼性といった性能パラメータでしばしば表される。さらに、シールに用いられるコンポーネントのシール範囲、ボルトサイズ、表面、その他の仕様は標準化され、シールの特異性を改善するためにシール表面を再設計する機会はほとんどない。従って、いくつかの設計においては、PTFEのコールドフローが要因となって、取付力が温度サイクルによりその最初の初期加重の３０％程度が失われる。いくつかの例では、さらにより大きな損失がコンポーネントの収縮と不整合な膨張により起こる場合がある。

図２は、本発明の一実施形態を示す溶接リング５２の部分断面図である。溶接リング５２は溶接１００によりセンサ本体１４に結合される。しかし、どのような取付技術を用いてもよい。溶接リング５２は外周壁１０６内の反転角(reverse angle)１０４によって形成された加重集中部１０２を備える。加重集中部１０２は、通路２６に面してプロセス流体に接触する溶接リング５２の外周拡張部１１０に形成される。図２に示すように、溶接リング５２は環状の第１凹部１２０を含む同心状のシール支持体を備える。加重集中部１０２は、環状内側凹部１２２を形成する外周壁１０６と共に環状加重集中部を備える。凹部１２０、加重集中部１０２、内側凹部１２２およびセンサ本体１４の間の領域にはPTFEのようなシール材料が提供されている（シール材料は図１の５４、５６に図示されている）。圧力がプロセス流体および取り付けボルトから加えられると、加重集中部１０２は、シール材料をフランジ１３に押し付け、コールドフローを減らすか、或いは防止するためのシール材料を含む荷重集中領域を提供する。具体的には、凹部１２２内のシール材料は、加えられたプロセス圧力によって加重集中部１０２に押し付けられる。加重集中部１０２は、シール材料への荷重がシールを維持するためにそこへ集中することを保証する。

図３は、内側環状凹部１０４となる切欠きを備えるように構成された加重集中部１０２を備える溶接リング５２のもう一つの実施形態を示す拡大断面図である。図２と同様に、図３でも加重集中部１０２によって内側環状凹部が第１環状凹部１２０から離間される。図３に示すように、シール材料１３２によって加重集中部１０２とフランジ１３との間のエリアにある凹部１０４、１２０が満たされる。集中部１０２は機械加工のような材料除去プロセスによって形成され得る。

図４は、加重集中部１０２が凹部領域１４０と共に凹部領域１０４を構成するもう一つの実施形態を示している。加重集中部１０２は、例えば、材料除去プロセス、材料追加プロセスあるいは傾斜等を作り出す製造技術を含む所望の技術を用いて形成されてもよいことに留意すべきである。図４において、加重集中部１０２は溶接リング５２の内周に環状の頂上部として形成される。

上記の説明では、加重集中部１０２は溶接リングに形成されている。しかし、本発明はこのような構成に限定されない。いくつかの実施例では、加重集中部１０２はプロセスコンポーネントのシール面に形成されている。例えば、図５では、本発明の同心状のシール支持構造体１６４を提供するシール面１６２を有するプロセス接合部１６０について例示する。図６は、内側環状リップ１７２と外側環状リップ１７４との間にそれぞれ形成された放射状の内側および外側の加重集中部１７０Ａ、Ｂを備えるシール支持構造体１６４を示すプロセス結合部１６０およびフランジ本体１９０の断面図である。シール材料１８０は、支持構造体１６４に備えられた内側環状凹部１８２および第１の環状凹部１８４が受け容れる構造となっている。上記の説明と同様に、加重集中部１７０は、荷重圧力と共にプロセス流体から圧力を受け、シール材料１８０を取り込んでプロセスコンポーネントの表面にシール材料を押し付けるのを補助する構造となっている。図７には、環状鋸歯部１９０、１９２がシール材料内で加重を集中させるために備えられ、コールドフローを減少させる類似の構成が示されている。鋸歯部１９０、１９２は、それぞれ放射状の内側、外側加重集中部の他の実施形態である。

上記の構成は２つの平面をシールする方法と装置を提供する。シールは環状の構成であり、加重集中部はシール材料を含んでプロセス面にシール材料を押し付けるために備えられている。シール材料はどんな最適材料であってもよい。例えば、シール材料はPTFEとグラファイトを含む。本発明は溶接リングにより構成され、又はプロセスインターフェイスの表面に直接構成され得るシール支持構造体を用いて実現される。支持構造体の製造は鋳造技術、材料加減技術、或いはその他所望の方法をベースにすることができる。加重集中部が加重をより小さなエリアに集中させることによってシール材料とプロセスフェイスとの間のシールが強化される。

本発明が好ましい実施形態により説明されたが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形式及び細部に変更を加えうることを理解されたい。本発明の加重集中部は、プロセスコンポーネントの表面にシール材料によって加えられる単位面積当たりの圧力を増幅させるように構成されている。ここで用いられる「溶接リング」の用語には、溶接以外の技術を使ってプロセストランスミッタや別のプロセスコンポーネントに結合されるリングが含まれる。

１０…圧力トランスミッタ、１２…トランスミッタ本体、１３…フランジ、１４…センサ本体、１６…圧力センサ、３０…円形型開口部、１０２…加重集中部、１２０…環状凹部

Claims (19)

1. 産業プロセスにおけるプロセス流体の圧力を測定するための圧力トランスミッタシステムにおいて、
   圧力センサを有する圧力トランスミッタと、
   プロセス流体の圧力を圧力センサに結合するように構成された円形型開口部を有するプロセス流体通路と、
   環状凹部、当該環状凹部から放射状に内側に配置された環状加重集中部および前記環状凹部を満たして前記環状加重集中部の少なくとも一部に接するシール材料を含み、前記円形型開口部の周囲に拡がった同心状のシール支持構造体とを含む圧力トランスミッタシステム。
2. 前記同心状のシール支持構造体が、前記環状加重集中部から放射状に内側に配置された環状内側凹部を備え、前記シール材料が前記環状内側凹部の少なくとも一部を満たすことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
3. 前記加重集中部が、前記円形型開口部に初期加重を加えることを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
4. 前記加重集中部が、前記同心状のシール支持構造体から材料を除去することによって製造されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
5. 前記環状加重集中部が、前記同心状のシール支持構造体内の傾斜によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
6. 前記シール材料が、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から構成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
7. 前記シール材料がグラファイトから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
8. 前記同心状のシール支持構造体が、前記圧力トランスミッタの表面に取り付けられた溶接リングに形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
9. 前記同心状のシール支持構造体が、プロセスコンポーネントの表面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
10. 前記プロセスコンポーネントが、前記圧力トランスミッタを前記プロセス流体に結合するために用いられる結合部を構成することを特徴とする請求項９に記載の圧力トランスミッタシステム。
11. 前記シール支持構造体が、前記シール材料のコールドフローを減らすように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
12. 前記環状加重集中部は、前記シール材料に加わる単位面積当たりの圧力が増幅するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
13. 前記同心状のシール支持構造体が、前記圧力トランスミッタ本体に溶接されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
14. 前記環状加重集中部が、前記シール材料のコールドフローを減らすように構成された鋸歯状部を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
15. 前記環状凹部から放射状に外側に配置された外側環状加重集中部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
16. 前記外側環状加重集中部が、前記シール材料のコールドフローを減らすように構成された鋸歯状部を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタシステム。
17. 圧力センサを有するプロセス変数トランスミッタをプロセス流体にシールする方法において、
    プロセス結合部の周囲に拡がる環状加重集中部を提供し、
    前記環状加重集中部から放射状に外側に配置された前記加重集中部の周囲に環状凹部を提供し、
    前記加重集中部とプロセス面との間の前記環状凹部内にシール材料を配置し、
    前記プロセス面に対して前記シール材料を押し付ける初期加重を加えることを含むプロセス変数トランスミッタをシールする方法。
18. 材料除去プロセスを用いて前記環状加重集中部を製造することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 傾斜加工のプロセスを用いて前記環状加重集中部を形成することを特徴とする請求項１７に記載の方法。