JP6411176B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本願は、高温流体の圧力を検出するセンサ装置に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、各種プラントや製造装置等で扱われる流体（ガス）の圧力を検出するセンサ装置が知られている。このセンサ装置は、検出対象のガスが流入する通気路が形成された計測ロッドと、該計測ロッドに取り付けられ、通気路に流入したガスの圧力を検出する圧力センサとを有している。このセンサ装置では、計測ロッドの端部がガスの流通箇所に配置されることにより、ガスが通気路に流入してそのガス圧が圧力センサによって検出される。

特開２０１２−１２１０７０号公報

ところで、一般に圧力センサには使用温度が設定されており、検出対象の流体が高温のものになると、使用温度の高い圧力センサを用いなければならない。そのため、センサ装置のコストが高くなるという問題があった。

そこで、流体の通路（通気路）を螺旋状の通路に形成することが考えられる。螺旋状の通路は、例えば直線状の通路と比べて本体における流体の接触面積を増大させることができる。これにより、流体と本体との熱伝達を促進させることができ、流体の通路において流入口付近では高温の流体であっても圧力センサの連通箇所では流入口付近よりも低い温度の流体にすることができる。しかしながら、本体の内部に螺旋状の通路を形成するのは、例えば直線状の通路を形成する場合と比べて製作コストが懸かる。そのため、センサ装置のコストが高くなってしまう。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部に螺旋状の通路が形成される本体を安価に製作し得るセンサ装置を提供することにある。

本願に開示の技術は、検出対象の流体が流入する流体通路が内部に形成された本体と、上記流体通路に連通して上記本体に設けられ、上記流体通路内の流体圧力を検出する圧力センサとを備えたセンサ装置を前提としている。そして、上記本体は、円柱状の内周面を有する筒状部を有している。さらに、本願のセンサ装置は、螺旋形部材と円柱状の内挿体とを備えている。上記螺旋形部材は、上記筒状部に挿入され、外周部が上記筒状部の内周面に接するものである。上記内挿体は、上記螺旋形部材に挿入されると共に外周面が上記螺旋形部材の内周部に接し、上記筒状部の内周面と上記螺旋形部材と上記外周面とによって螺旋状の上記流体通路を形成するものである。

本願のセンサ装置によれば、本体の筒状部に螺旋形部材を挿入し、さらに螺旋形部材に円柱状の内挿体を挿入して、筒状部の内周面と螺旋形部材と内挿体の外周面とで螺旋状の流体通路を形成するようにした。これにより、例えば本体の内部に螺旋状の通路をくりぬいて作製するよりも安価に螺旋状の通路を作製することができる。よって、内部に螺旋状の通路が形成される本体を安価に製作することができ、センサ装置のコストを抑えることが可能である。

図１は、実施形態１に係るセンサ装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、実施形態１に係るセンサ装置を上側から視て示す図である。 図３は、螺旋通路の作製について説明するための概略図である。 図４は、実施形態１に係るセンサ装置の要部を示す断面図である。 図５は、実施形態２に係るセンサ装置の要部を示す断面図である。 図６は、実施形態２に係るセンサ装置の要部を示す断面図である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
本願の実施形態１について図１〜図４を参照しながら説明する。本実施形態のセンサ装置１は、プラント等において流体が流れる配管に取り付けられて、流体の温度および圧力の２つを検出（測定）するものである。本実施形態において、検出対象（測定対象）である流体は蒸気として説明する。なお、配管内を流れる蒸気の温度は約５００℃である。

図１および図２に示すように、センサ装置１は、本体１０と、温度センサ２０（熱電対）と、圧力センサ３０と、取付部材４０とを備えている。

本体１０の内部には、検出対象の蒸気が流入するガス通路１３が形成されている。このガス通路１３は、本願の請求項に係る流体通路を構成している。具体的に、本体１０は、棒状部１１と頭部１２を有する。棒状部１１は、上下方向（図１において矢印で示す方向）に延びる円筒状に形成されており、本願の請求項に係る筒状部を構成している。棒状部１１は、一端（下端側）が蒸気の流入端を構成し、他端（上端側）に頭部１２が一体形成されている。棒状部１１には螺旋形部材１７が挿入されており、この詳細については後述する。頭部１２は、平面視六角形に形成されている。ガス通路１３は、棒状部１１において形成される螺旋通路１４（螺旋状の通路）と、頭部１２において形成される横通路１６とを有する。螺旋通路１４は、一端である流入口１４ａが棒状部１１の下端面１１ａに開口しており（図４参照）、他端が横通路１６に連通している。つまり、螺旋通路１４の流入口１４ａは、ガス通路１３の流入口でもあり、棒状部１１の軸方向端面に開口している。そして、棒状部１１では螺旋通路１４が軸方向（上下方向）に延びて形成されている。

頭部１２には、温度センサ２０および圧力センサ３０が設けられている。温度センサ２０は、蒸気の温度を検出する測温抵抗体または熱電対が内蔵されたシース管２１を有している。シース管２１は、本体１０の棒状部１１に挿入されている。圧力センサ３０は、ガス通路１３の横通路１６に連通する状態で頭部１２に設けられ、横通路１６内（即ち、ガス通路１３内）の蒸気の圧力を検出するものである。つまり、ガス通路１３では螺旋通路１４が流入口１４ａから圧力センサ３０の連通箇所までにおいて形成されている。温度センサ２０および圧力センサ３０では、それぞれ検出された温度および圧力に関する信号が電線２２，３１を通じて外部機器へ送られる。

本体１０の棒状部１１には、センサ装置１を配管に取り付けるための取付部材４０が設けられている。センサ装置１は、棒状部１１の下端側（図１に示す測定対象側）が配管内に挿入された状態で取付部材４０によって配管に固定される。その際、センサ装置１は棒状部１１が上下方向に延びる状態で固定される。なお、取付部材４０は棒状部１１の挿入長さを調節可能に構成されている。こうして固定されたセンサ装置１では、棒状部１１の下端側が配管内の蒸気に曝された状態となり、配管内の蒸気が螺旋通路１４に流入して横通路１６まで流通する。

次に、ガス通路１３の螺旋通路１４についてさらに詳しく説明する。本実施形態では、図３に示すように、螺旋通路１４は、本体１０の棒状部１１に螺旋形部材１７が挿入され、さらに螺旋形部材１７の内側に温度センサ２０のシース管２１が挿入されることによって形成されている。以下、具体的に説明する。

図４にも示すように、棒状部１１の内周面１１ｂは、円柱状に形成されている。棒状部１１には、螺旋形部材１７が挿入されている。螺旋形部材１７は、螺旋状（渦巻状）に上下方向に延びる部材である。また、螺旋形部材１７は、横断面視が四角形に形成されている。なお、横断面視とは、螺旋形部材１７をその軸方向（長さ方向）に対して垂直に切断した断面を意味する。そして、螺旋形部材１７は、外周面１７ａ（外周部）が棒状部１１の内周面１１ｂに接している。つまり、螺旋形部材１７の外径は、棒状部１１の内径と略同じである。なお、螺旋形部材１７として、例えばコイルバネ等が用いられる。なお、コイルバネとしては、断面が四角形の材料で作製された、いわゆる角バネを使用することが好ましい。

螺旋形部材１７の内側には、温度センサ２０のシース管２１が挿入されている。シース管２１は、細長い円柱状に形成されており、外周面２１ａが螺旋形部材１７の内周面１７ｂ（内周部）に接している。つまり、シース管２１の外径は、螺旋形部材１７の内径と略同じである。螺旋形部材１７では、横断面視の四角形の一辺が外周面１７ａとなり、上記一辺に対向する一辺が内周面１７ｂとなっている。

そして、棒状部１１では、その内周面１１ｂと螺旋形部材１７とシース管２１の外周面２１ａとによって上述した螺旋通路１４が形成される。こうして形成された螺旋通路１４は、横断面視が四角形に形成されている。このように、温度センサ２０のシース管２１は、棒状部１１に挿入された螺旋形部材１７の内側に挿入されて、棒状部１１の内周面１１ｂおよび螺旋形部材１７との間で螺旋通路１４を形成する内挿体を構成している。

以上のように、上記実施形態のセンサ装置１によれば、本体１０の棒状部１１に螺旋形部材１７を挿入し、さらに螺旋形部材１７に円柱状の内挿体（シース管２１）を挿入して、棒状部１１の内周面１１ｂと螺旋形部材１７と内挿体の外周面２１ａとで螺旋通路１４（螺旋状の通路）を形成するようにした。これにより、例えば本体の内部に螺旋状の通路をくりぬいて作製するよりも安価且つ容易に螺旋通路１４を作製することができる。よって、内部に螺旋通路１４が形成される本体１０を安価に製作することができ、センサ装置１のコストを抑えることができる。

また、ガス通路１３において螺旋通路１４が形成されることにより、例えば直線状の通路と比べて棒状部１１における蒸気の接触面積を増大させることができる。そのため、蒸気と棒状部１１（本体１０）との熱伝達を促進させることができる。したがって、ガス通路１３において蒸気が流入口１４ａ付近では高温であっても圧力センサ３０の付近では低い温度にすることができる。つまり、ガス通路１３において蒸気は本体１０と熱交換して徐々に温度が低下するところ、蒸気と本体１０との接触面積を増大させたことによって蒸気の温度低下量を増大させることができる。そうすると、検出対象が高温の蒸気（流体）であっても、その温度よりも低く設定された使用温度の圧力センサ３０を用いることができるため、高温対応の圧力センサを用いる必要がなくなり、センサ装置１のコストを抑えることが可能になる。

また、上記実施形態のセンサ装置１では、螺旋形部材１７を横断面視で四角形に形成するようにしたため、螺旋形部材１７の外周部および内周部を棒状部１１と内挿体（シース管２１）とに面接触させることができる。したがって、螺旋形部材１７と棒状部１１および内挿体（シース管２１）との接触部において蒸気が洩れてしまうのを確実に防止することができる。つまり、蒸気の通路として確実に螺旋状の通路を形成することができる。

また、上記実施形態のセンサ装置１によれば、圧力センサ３０だけでなく温度センサ２０も備えるようにしたため、１台のセンサ装置１で蒸気の圧力および温度の２つを検出（測定）することができる。しかも、棒状部１１に挿入する内挿体として温度センサ２０のシース管２１を用いるようにしたため、内挿体を別途設ける必要がなくなり、部品点数の削減および装置のコンパクト化を図ることができる。

（実施形態２）
本願の実施形態２について図５および図６を参照しながら説明する。本実施形態は、上記実施形態１における螺旋通路１４の構成（形状）を変更するようにしたものである。ここでは、上記実施形態１と異なる点について言及する。

図５に示すように、本実施形態の螺旋通路１４は、途中に下方へ傾斜する下り部１４ｃを有している。具体的に、本実施形態の螺旋形部材１７は、圧力センサ３０の連通箇所（即ち、横通路１６）へ向かうに従って上方へ傾斜する上り部（図５において破線で示す部分）と、圧力センサ３０の連通箇所へ向かうに従って下方へ傾斜する下り部（図５において二点鎖線で示す部分）とを交互に有している。この螺旋形部材１７の構成により、螺旋通路１４では上下方向において上り部１４ｂ（図５において破線で示す部分）と下り部１４ｃ（図５において二点鎖線で示す部分）とが交互に形成される。

本実施形態のセンサ装置１では、図６に示すように、螺旋通路１４内または横通路１６内における蒸気凝縮により発生したドレン水を下り部１４ｃから上り部１４ｂへと連続する部分に溜めることができる。螺旋通路１４において蒸気は本体１０との熱交換によって凝縮してドレン水になる場合があるが、そのドレン水を螺旋通路１４の途中に貯留させることができる。こうして螺旋通路１４の途中に液体であるドレン水を介在させることにより、流入口１４ａ付近の高温がガス通路１３を通じて圧力センサ３０に伝達されるのを抑制することができる。つまり、一般に液体（ドレン水）は気体（蒸気）よりも熱伝達率が低いところ、ガス通路１３の一部に液体を介在させることによってガス通路１３における熱伝達を阻害することが可能になる。これによっても、使用温度が低い圧力センサ３０を用いることができ、このため、センサ装置１のコストをより一層抑えることができる。その他の構成、作用および効果は上記実施形態１と同様である。

なお、本実施形態の螺旋通路１４では、下り部１４ｃを複数設けているが、本願に開示の技術はこれに限らず、下り部１４ｃを１つだけ設けるようにしてもよい。

なお、上記の各実施形態の螺旋形部材１７は、横断面視が四角形以外のものでもよく、例えば横断面視が円形や楕円形のものであってもよい。

また、上記の各実施形態において温度センサ２０を省略するようにしてもよい。その場合、円柱状の部材が棒状部１１に挿入されることにより本体１０の内部に螺旋通路が形成される。

また、上記実施形態１のセンサ装置１では、検出対象が蒸気である場合について説明したが、本願の請求項に係る検出対象は蒸気以外のガスや液体であってもよい。また、上記実施形態２のセンサ装置１では、検出対象が蒸気以外のガスであってもよい。

本願に開示の技術は、流体の圧力を検出する圧力センサを備えたセンサ装置について有用である。

１ センサ装置
１０ 本体
１１ 棒状部（筒状部）
１１ｂ 内周面
１３ ガス通路（流体通路）
１４ 螺旋通路（螺旋状の通路）
１４ｃ 下り部
１７ 螺旋形部材
１７ａ 外周面（外周部）
１７ｂ 内周面（内周部）
２０ 温度センサ
２１ シース管（内挿体）
２１ａ 外周面
３０ 圧力センサ

Claims (3)

1. 検出対象の流体が流入する流体通路が内部に形成された本体と、上記流体通路に連通して上記本体に設けられ、上記流体通路内の流体圧力を検出する圧力センサとを備えたセンサ装置であって、
   上記本体は、円柱状の内周面を有する筒状部を有しており、
   上記筒状部に挿入され、外周部が上記筒状部の内周面に接する螺旋形部材と、
   上記螺旋形部材に挿入されると共に外周面が上記螺旋形部材の内周部に接し、上記筒状部の内周面と上記螺旋形部材と上記外周面とによって螺旋状の上記流体通路を形成する円柱状の内挿体とを備え、
   上記螺旋形部材は、上下方向に延びており、上記圧力センサの連通箇所へ向かうに従って下方へ傾斜する下り部を有している
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   上記螺旋形部材は、横断面視が四角形に形成され、その四角形の一辺が上記外周部となり、上記一辺に対向する一辺が上記内周部となっている
   ことを特徴とするセンサ装置。
3. 請求項１または２に記載のセンサ装置において、
   上記流体の温度を検出する測温抵抗体または熱電対が内蔵された円柱状のシース管を有する温度センサを備えており、
   上記シース管は、上記内挿体を構成している
   ことを特徴とするセンサ装置。

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