(57)【要約】【課題】弾性伸縮継手の故障前センサ及び方法の提供。【解決手段】伸縮継手は、パイプシステムのフランジに接続するように構成された、各開放端部において結合フランジを有する、中空弾性本体を具備する。中空弾性本体は、弾性材と繊維とを具備する、材料により構成される。伸縮可能なセンサは、中空弾性本体の材料内に配置される。センサは、センサが伸縮して更に劣化されるか又は磨耗する時に、変化する電気特性を提供するように構成される。分析回路は、センサに接続しており、分析回路は、変化する電気的特性を受信して、分析回路により受信された電気特性のレベルに対応する信号を発するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸縮継手であって、
パイプシステムのパイプの開放端部におけるフランジと接続するように構成された、各開放端部においてフランジの形の結合要素を有する流体流通性中空弾性本体であって、弾性体を具備する材料により構成された、中空弾性本体と、
前記中空弾性本体の表面に配置された少なくとも１つの伸縮可能なセンサであって、前記センサが、離間した２つの電極と介在要素とを有しており、前記センサが伸縮して、更に劣化するか又は摩耗し更に電位が前記２つの電極に印加される時に、前記介在要素が変化する電気特性を提供するように構成される、センサと、
前記２つの電極に接続された分析回路であって、前記分析回路は、前記変化する電気特性を受信して、前記分析回路により受信された前記電気特性のレベルに対応する信号を発するように構成される、分析回路と、を具備する伸縮継手。
【請求項２】
前記中空弾性本体の前記弾性体は、ネオプレンゴムと、ブチルゴムと、ニトリルゴムと、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴムと、バイトンゴムと、シリコーンゴムと、ポリウレタンゴムと、ブナゴムと、ポリテトラフルオロエチレンポリマーと、ポリ塩化ビニルゴムと、天然ゴムとの内の少なくとも１つを具備する、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項３】
前記結合要素は、前記中空弾性本体と一体的に形成される、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項４】
複数のセンサは、前記中空弾性本体の材料の上又は内部に配置される、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項５】
前記センサ要素は、電気活性ポリマーを具備する、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項６】
前記変化する電気特性は、前記センサの静電容量を具備する、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項７】
前記静電容量は、前記センサが伸縮し、更に劣化するか又は摩耗するにつれて変化する、請求項６に記載の伸縮継手。
【請求項８】
前記信号は、可聴信号及び可視信号の内の少なくとも一つを具備する、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項９】
前記センサは、前記中空弾性本体の円周の少なくとも４分の１に沿って延びる、長さを具備する、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項１０】
前記分析回路は、前記中空弾性本体が前記伸縮継手の正常な動作状態の最初の円周よりも大きい所定の円周に膨張したことを、前記変化する特性が示す時に、警報信号を発するように構成される、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項１１】
前記分析回路は、前記センサが前記センサの最初の状態よりも大きい所定のレベルまで劣化又は摩耗したことを、前記変化する特性が示す時に、警報信号を発するように構成される、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項１２】
前記センサは、前記中空弾性本体の内面に配置される、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項１３】
前記センサは、前記中空弾性本体の外面に配置される、請求項１に記載の伸縮継手。
【請求項１４】
中空弾性本体の伸縮継手の故障状態を事前に決定する方法であって、この方法が、
前記中空弾性本体の材料に伸縮可能なセンサ要素を提供する手順であって、前記センサが伸縮して更に劣化又は摩耗して更に電位が２つの電極に印加される場合に、前記センサ要素が変化する電気特性を提供するように構成される、提供する手順と、
電位を前記２つの電極に印加する手順と、
前記センサ要素の前記電気特性のレベルを測定する手順と、
分析回路により受信された前記電気特性のレベルに対応する信号を発する手順と、を具備する方法。
【請求項１５】
前記中空弾性本体の少なくとも一部が、前記伸縮継手のための正常な動作状態下で予想される程度よりも大きいか又は小さい程度まで膨張したことを、前記変化する特性レベルが示す時に、警報信号が、前記分析回路により発せられる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記センサが前記センサの最初の状態よりも大きい所定の程度まで劣化又は摩耗したことを、前記変化する特性レベルが示す時に、警報信号が前記分析回路により発せられる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に関する相互参照
本出願は、２０１４年１１月２４日に米国特許商標庁に出願された、米国出願第１４／５５１，８６８号からの一部継続出願であり、その全ての開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、弾性伸縮継手に係り、特には、弾性伸縮継手の故障前の状態を判定するためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
弾性（ゴム）伸縮継手は、長年にわたって配管の動きに対応し、効率的なシステムを保証するように特定されてきた。弾性継手は、運動応力を緩和し騒音を減少し振動を遮断し誤整列を補正する、効率的な方法を提供するように広く使用される。
【０００４】
特定の種類の弾性伸縮継手は、特許文献１（米国特許第５，２７３，３２１号明細書）に開示されており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００５】
弾性伸縮継手は多くの利点を提供するが、時間が経過すると、継手の弾性材料が弱まって、硬くなるか又は膨張し始め、最終的に、継手の破裂による継手の故障につながる。
【０００６】
稼働時間の測定に基づいて、継手は、故障の前に継手を積極的に交換可能であろうが、しかしその様な測定は、多くの場合、新しい継手及び交換するための労務費だけでなく、継手が一部である配管システムの不稼働時間によってもまた、かなりの費用において継手の時期尚早の交換をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，２７３，３２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
継手の日常的な交換を可能にするような故障時間の十分前に、しかし使用可能な継手の時期尚早の交換であるようなそれ程事前ではなく、もし伸縮継手の近づく故障状態を判定するための機構が提供されれば、そのことは、当技術分野の改善となるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、継手の日常的な交換を可能にするがしかし使用可能な継手の時期尚早の交換であるようなそれ程事前ではなく、故障時間の十分前に、伸縮継手の近づく故障状態に関する情報を提供し且つ判定するための機構を提供する。
【００１０】
本発明の一実施の形態において、パイプシステムの結合要素に接続するように構成された、各開放端部において結合要素を有する中空弾性本体を具備する、伸縮継手が提供される。中空弾性本体は、弾性材とおそらく強化繊維とを具備する、材料により構成されてもよい。伸縮可能なセンサは、中空本体の材料内に配置されるか、又は中空本体の内部又は外部に取り付けられる。センサ要素は、２つの離間した電極と介在要素とを有しており、センサが伸縮して更に電位が電極に印加される時に、要素は、変化する電気特性を提供するように構成される。もしセンサの一部を物理的に磨耗させてもよい、研磨性スラリー（懸垂濁液）等の、中空本体を介して流れる流体により、センサが劣化した場合に、センサ要素はまた、変化する電気特性を提供する。分析回路は、電極に接続しており、分析回路は、変化する電気特性を受信して、分析回路により受信された電気特性のレベル（程度）に対応する信号を発するように構成される。このデータは、後で収集及びアクセス（呼び出し）及び/又は分析されてもよいか、あるいはデータは、所定の特性レベルが分析回路により受信されている時に、警報信号を発するように使用されてもよい。
【００１１】
一実施の形態において、中空弾性本体は、一方がもう一方の上に重ね合わされた、複数の交互の弾性層と繊維層とから構成されており、高温高圧において成形工程を介して接合される。センサ要素は、弾性層と繊維層とのいずれかの間に配置されてもよく、例えば、最も外側の弾性層と最も外側の繊維層との間に配置されてもよい。
【００１２】
警報信号は、可聴信号及び可視信号の内の少なくとも１つであってもよい。
【００１３】
センサの変化する特性が、伸縮継手の正常な動作状態の最初の円周よりも大きい所定の円周に弾性本体が膨脹したことを示し、弾性材料の弱体化又は弾性本体の内部の圧力が増大された時に所定の程度まで膨張し損なったことを示し、弾性材料の硬化を示した時に、解析回路は、警報信号を発するように構成されてもよい。
【００１４】
本発明はまた、以下の手順を具備する、中空弾性本体伸縮継手の近づく故障状態を事前に判定する方法を具備してもよい。
【００１５】
中空弾性本体の材料の上又は内部に伸縮可能なセンサ要素を提供する手順であって、センサ要素は、２つの離間した電極と介在要素とを有しており、センサ要素は、センサが伸縮するか又は物理的に侵食されるか又は劣化しており更に電位が電極に印加される時に、変化する電気特性を提供するように構成される、
電極に電位を印加する手順と、
センサ要素の電気的特性のレベルを測定する手順と、
分析回路により受信された電気的特性のレベルに対応する信号を発する手順。
【００１６】
新規であると考えられる本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲に詳細に記載される。本発明は、更なる目的及び利点と共に、添付の図面と併せて採用される以下の説明を参照することにより最も良好に理解されてもよく、幾つかの図面において、同様の参照番号は、同様の要素を識別する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の原理を具体化する弾性伸縮継手及び関連する回路の側断面概略図である。
【図２】図２は、本発明の原理を具体化する弾性伸縮継手及び関連する回路の第２の実施の形態の側断面及び概略図である。
【図３】図３は、本体の材料の層の間に配置された複数のセンサを有する弾性本体の部分断面図である。
【図４】図４は、独立した状態でのセンサの実施の形態の斜視図である。
【図５】図５は、センサと分析回路と関連する装置との概略図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態におけるセンサの円周方向範囲を示す弾性本体を通る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本体部材の開口部２５に隣接する各端部において、フランジ、開口部又は別の接続部等の、一体型結合要素２４を備えた円筒形又は球形を有してもよい、流体流通性可撓性中空本体部材２２により構成される、弾性伸縮継手２０を示す。結合フランジ２６等の環状支持部材は、可撓性本体部材２２の対向する端部に設置され、結合要素２４上の所定の位置に保持されてもよい。結合フランジ２６は、配管システム３６のフランジ３４において通路３２を介して延びる、結合ボルト３０を受容することに適した、複数の通路２８を備えてもよい。これとは別に、一体型結合要素２４は、結合ボルト３０を受容するための通路を有してもよい。もし配管システム３６が、パイプの開放端部においてフランジ３４を具備しないがしかし、代わりに異なる結合要素を使用する場合には、可撓性本体部材２２のための別の結合構成が、当技術分野で知られるように提供されてもよい。
【００１９】
可撓性本体部材２２は、中でも、ネオプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、バイトンゴム、シリコーンゴム、ポリウレタンゴム、ブナゴム、ポリテトラフルオロエチレンポリマー（重合体）、ポリ塩化ビニルゴム、天然ゴム等の天然又は合成弾性材により形成されており、それらは、バイアスプライタイヤコード（索）等の様々な強化繊維と組み合わされてもよい。特定の実施の形態において、可撓性本体部材２２は、弾性材料３６Ａ、３６Ｃと繊維材料３６Ｂとの一連の組立て層３６（図３）により形成されてもよく、あるいは弾性材料及び繊維材料は、一緒に混合されてもよい。混合されるか又は層状の材料が、金型に挿入されてもよく、そして熱及び圧力が、弾性材料を硬化させて、本体部材２２を形成するように加えられてもよい。使用される特定の材料及び本体部材２２の製造方法は、特定の機械的及び/又は化学的条件、並びに可撓性接続部２０が曝されるべき温度及び圧力条件の要件に最も良好に合致するように選択される。
【００２０】
少なくとも１つの伸縮可能なセンサ４０は、本体部材２２の材料の上又は内部において、あるいは材料の外面又は内面に設置される。もし本体部材２２の材料が弾性材料と繊維との混合物である場合には、センサ４０は、成形工程が完了する前に、材料の外面の下に単に配置されてもよいので、センサは、本体部材２２内の所定位置に成形される。もし本体部材２２の材料が弾性材料と繊維との交互層３６により構成される場合には、センサ４０は、弾性材料の最外層３６Ａの下及び繊維３６Ｂの最外層の上等の、弾性材料と繊維との任意の２層の間に挿入されてもよいので、センサは、成形工程が実施される場合に、弾性材料により覆われてもよい。これとは別に、センサ４０は、接着又は別の取り付け構成等により、本体部材２２の外面又は内面に取り付けられもよいので、センサは、本体部材が伸縮するにつれて伸縮する。もしセンサ４０が、研磨性又は腐食性材料を輸送するためのパイプラインにおいて等の、本体部材２２が摩耗又は劣化に曝される用途において、あるいは本体部材が腐食性気体又は液体により囲まれる環境において使用されている場合には、その場合に、少なくとも１つのセンサ４０は、それ（センサ４０）が研磨性又は腐食性材料に曝されるであろう、本体の内面に設置されるべきである。前記材料が本体部材２２を通り流れると、それ（材料）は、本体部材よりも早くセンサ４０を劣化させて、センサ４０により正常範囲外の変化する電気特性を提供しており、それ（正常範囲外の変化する電気特性）は、本体部材２２の実際の故障が発生する前に、本体部材を交換する必要があることを示すように、以下に説明される分析回路によりその後検出可能である。
【００２１】
各センサ４０は、２つの離間した電極４２と、介在要素４４と、（図４）を有する。要素４４は、センサ４０が引き伸ばされ、電極４４に電位が印加されると、変化する電気特性を提供するように構成される。電位は、電極４２への直接有線式接続を介して、又はセンサ４０を囲む電場の形成により、印加されてもよい。もし電位が直接有線式接続を介して印加される場合には、適切な電気接続部又は電線に後で接続されるように外層３６Ａから外へ延びる短いリード線が提供されてもよい。
【００２２】
一実施の形態において、センサ４０は、介在要素４４として電気活性ポリマー（ＥＡＰ）を具備する。電極４２及び介在要素４４は、弾性的に伸縮可能であり、本体部材２２内の流体の圧力が変化する際に、本体部材２２の材料が伸縮するにつれて伸縮する。
【００２３】
センサ４０が本体部材２２と共に伸張する（収縮する）につれて、その面積は増加（減少）し、更にその静電容量等の電気特性は、増加（減少）等により変化する。この種類の特定のセンサ４０は現在、パーカーハニフィン社（Parker Hannifin Corp）により製造される。
【００２４】
図５に示されるように、分析回路５０は、電極４２に接続する。分析回路５０は、センサ４０の変化する電気特性を受信し、分析回路により受信された電気特性のレベルに対応する信号を発信するように構成される。このデータは、後でアクセス及び/又は分析されるように、収集され更に記憶ユニット（装置）５１に保存されてもよい。データは、所定の特性レベルが分析回路により受信されている時に、警報装置５２を介して警報信号を発するように使用されてもよい。分析は、コンピュータ又はコンピュータシステム５３の一部であってもよいか、又は収集されたデータを分析し、警報信号を発するかどうかを判定するようにプログラムされてもよい、コンピュータ又はコンピュータシステムに接続されてもよい。
【００２５】
警報装置５２は、ブザーのブザー音又は警報器の響く音等の可聴警報信号、あるいは光の輝き等の視覚警報信号のいずれかを提供するように構成されてもよい。警報装置５２はまた、配管システムを利用する任意のプロセス（方法）の動作を終了するように、又はコンピュータ端末において可視又は可聴信号を提供するように、コンピュータ又はコンピュータシステム５３等の別の装置５４に信号を送信してもよい。
【００２６】
図６に示されるように、センサ４０は、本体部材２２の円周Ｃの少なくとも一部の周りで延びる、長さＬを有する。例えば、センサの長さＬは、本体部材２２の円周Ｃの４分の１の周りで延びてもよいか、又はセンサの長さＬは、それより短いか又は長いことができ、更にセンサの長さは、本体部材２２の全周の周りで延びることができる。この様にして、センサ４０は、本体部材２２の円周又は直径の増加の測定値であるとして解釈できる、信号を提供する。
【００２７】
更に、複数のセンサ４０が、異なる伸び及び経年変化特性を受けてもよい、本体部材２２上の異なる位置に設置されてもよい。１つ以上のセンサ４０は、本体部材２２の最大の円周に沿って配置されてもよい一方で、１つ以上のセンサ４０は、首領域において又は本体部材２２の結合要素２４の近くにおいて等の、様々な応力を受けてもよい、様々な領域に配置されてもよい。センサ４０はまた、本体を介して流れる流体の特性による劣化又は摩耗を検出するように、本体部材２２の内面に適用されてもよい。センサ４０はまた、本体部材を取り囲む大気又は液体の特性による劣化又は摩耗を検出するように、本体部材２２の外面に適用されてもよい。
【００２８】
本体部材２２の正常な動作中において、それ（本体部材２２）は、加圧された流体の存在及び／又は流れに曝される傾向がある。その弾性的な及び弾力のある組成により、本体部材２２の直径及び円周は、配管システム３６内の流体の予想される圧力及び温度において、その様な正常な動作条件の間において既知の又は測定可能な量だけ増加及び／又は減少する。
【００２９】
しかしながら、本体部材２２が経年変化するにつれて、及びかなりの時間が経過した後に、本体部材が曝される条件に部分的に依存して、弾性材料の完全性が低下し始めて、本体部材を、それ（本体部材）の中の流体の所与の温度及び圧力において、より大きく膨張させるか、又はそれ（本体部材）は、流体の所与の温度及び圧力において硬化して正常な程度まで膨張し損なってもよい。センサ４０及び分析回路５０は、本体部材２２の材料のこの伸張及び／又は収縮を検出可能である。この情報は、収集及び分析されて、本体部材２２の状況及び／又は状態を決定してもよい。上述のように、複数のセンサ４０は、本体部材２２の異なる部分の状態に関する情報を提供するように使用されてもよい。
【００３０】
更に、もしセンサ４０が本体部材２２の内面又は外面に配置されて摩耗又は劣化を検出する場合には、センサの電気特性は、摩耗又は劣化により影響されており、そして分析回路５０は、この摩耗又は劣化、及びその程度を検出可能であろう。
【００３１】
また、例えば、分析回路５０は、一旦、材料の検出された伸び、劣化又は摩耗（センサ４０の変化する電気特性により示されるような）が特定の所定のレベルに達してしまうと、警報信号を発するように構成され得る。例えば、弾性伸縮継手２０の配置に関して予想される所定の温度及び圧力における本体部材２２の円周Ｃは、基準線測定値として使用可能である。分析回路は、一旦変化する電気特性が、基準線測定値の所定量、例えば１２０％、の本体部材２２の円周の増加を示すであろう、レベルに達すると、警報信号を発するように構成可能である。警報信号の開始のための基準線測定値を超える特定の増加は、本体部材２２の寸法と本体部材の材料及び構造と別の経験的決定要因とに応じて、特定の伸縮継手２０に対して決定可能である。また、もし複数のセンサ４０が使用される場合には、警報信号を発動するための異なるレベルが、本体部材２２上の異なる位置に配置される、センサに使用されてもよく、そして感知されるレベルは、本体部材における流体の所与の圧力と温度とに対して正常であろうものに比べて、より大きな又はより小さな本体部材の伸張、劣化又は摩耗のいずれかを示してもよい。
【００３２】
従って、本発明は、継手の実際の故障の前に、中空弾性本体伸縮継手２０の故障状態を事前に判定する方法を提供する。その様な方法は、以下の手順を具備する。
【００３３】
中空弾性本体２２の材料上又は材料内に、伸縮可能なセンサ４０を設ける手順。センサ要素は、２つの離間した電極４２と介在要素４４とを有してもよい。要素は、センサ４０が引き伸ばされるか、劣化するか、又は摩耗して更に電位が電極４２に印加される時に、変化する電気特性を提供するように構成されてもよい。
【００３４】
電極４２に電位を印加する手順。
【００３５】
センサ４０の電気的特性のレベルを測定する手順。
【００３６】
分析回路により受信された電気的特性のレベルに対応する信号を発する手順。
【００３７】
前述の明細書から明らかなように、本発明は、前出の明細書及び説明において記載されたものとは特に異なってもよい、様々な変更及び修正により具体化されることが可能である。当該技術分野への発明者の貢献の範囲内に合理的に且つ適切に存在するような全てのその様な修正を、本明細書において保証される特許の範囲内において具体化することが望まれることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020030209.tif 000007
【図６】
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【外国語明細書】
2020030209000001.pdf