(57)【要約】      （修正有）【課題】長時間動作が可能で、過酷な環境下でのセンサ先端部電極の酸化を低減させる、静電センサデバイス、および、その製造方法を提供する。【解決手段】静電容量センサデバイス２４は、少なくとも１つのセンサ先端部の第１の端部に布置される電極、及び電極に結合され、センサ先端部の第２の端部の方に延在する柄部材を含む、少なくとも１つのセンサ先端部を含み、さらに中心導体を含み、中心導体が第２の端部でセンサ先端部に結合される同軸ケーブル、および第１の端部と第２の端部との間でセンサ先端部を支持する絶縁層を含む。絶縁層は、センサ先端部の第２の端部を包囲する一部分上の金属被覆を含む。静電容量センサデバイス２４は、同軸ケーブルの一部分と、金属被覆と、中心導体およびセンサ先端部の結合とを包囲するケーシングを含み、ケーシングと金属被覆との間でろう付け接合部が中空のハーメチックキャビティを形成する。【選択図】図１
2014092544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのセンサ先端部であって、前記少なくとも１つのセンサ先端部の第１の端部に布置される電極、および、前記電極に結合され前記少なくとも１つのセンサ先端部の第２の端部の方に延在する柄部材を備える、少なくとも１つのセンサ先端部、
中心導体を備え、前記中心導体が前記第２の端部で前記少なくとも１つのセンサ先端部に結合される同軸ケーブル、
前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記少なくとも１つのセンサ先端部を支持する絶縁層であって、前記少なくとも１つのセンサ先端部の前記第２の端部を包囲する一部分上の金属被覆を含む絶縁層、ならびに、
前記同軸ケーブルの一部分と、前記絶縁層の前記金属被覆と、前記中心導体および前記少なくとも１つのセンサ先端部の前記結合とを包囲するケーシングであって、ろう付け接合部が中空のハーメチックキャビティを形成するように前記ケーシングと前記金属被覆との間で形成されるケーシング
を備える、静電容量センサデバイス。
【請求項２】
前記中心導体が、溶接接合部を使用して前記少なくとも１つのセンサ先端部の前記第２の端部での陥凹部によって、前記少なくとも１つのセンサ先端部の内面に結合される、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記陥凹部が前記金属被覆と重なる、請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
前記陥凹部の軸方向の長さが前記ろう付け接合部の軸方向の長さより大きい、請求項３記載のデバイス。
【請求項５】
前記少なくとも１つのセンサ先端部および前記中心導体が、白金、白金ロジウム合金、および白金イリジウム合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項６】
前記絶縁層がアルミナを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項７】
前記絶縁層が、アルミノケイ酸塩、ホウケイ酸塩、および安定化ジルコニアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項８】
前記少なくとも１つのセンサ先端部が、ろう付け接合部により前記中心導体に結合される、請求項１記載のデバイス。
【請求項９】
前記少なくとも１つのセンサ先端部が、スポット溶接接合部およびレーザ溶接接合部のうちの１つにより前記中心導体に結合される、請求項１記載のデバイス。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのセンサ先端部がアニールされる、請求項１記載のデバイス。
【請求項１１】
前記金属被覆が、約５０％のモリブデンおよび約５０％のマンガンを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１２】
前記ケーシングがステンレス鋼を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ろう付け接合部が、金、金ニッケル合金、および金銅合金のうちの１つを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１４】
前記電極からの所定の距離で前記中心導体を銅の中心導体に移行させるための移行構成要素をさらに備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項１５】
前記移行構成要素が、ばねベースのスプライスおよびメークブレークコネクタのうちの１つを備える、請求項１４記載のデバイス。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのセンサ先端部と前記絶縁層との間に第２のろう付け接合部をさらに備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項１７】
前記ケーシングと前記同軸ケーブルとの間に第３のろう付け接合部をさらに備える、請求項１６記載のデバイス。
【請求項１８】
複数のブレードを有するロータ、
前記複数のブレードを包囲するシュラウド、および、
前記シュラウドに設けられる静電容量センサデバイスを備え、前記静電容量センサデバイスが、
少なくとも１つのセンサ先端部であって、前記少なくとも１つのセンサ先端部の第１の端部に布置される電極、および、前記電極に結合され前記少なくとも１つのセンサ先端部の第２の端部の方に延在する柄部材を備える、少なくとも１つのセンサ先端部、
中心導体を備え、前記中心導体が前記第２の端部で前記少なくとも１つのセンサ先端部に結合される同軸ケーブル、
前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記少なくとも１つのセンサ先端部を支持する絶縁層であって、前記少なくとも１つのセンサ先端部の前記第２の端部を包囲する一部分上の金属被覆を含む絶縁層、ならびに、
前記同軸ケーブルの一部分と、前記絶縁層の前記金属被覆と、前記中心導体および前記少なくとも１つのセンサ先端部の前記結合とを包囲するケーシングであって、ろう付け接合部が中空のハーメチックキャビティを形成するように前記ケーシングと前記金属被覆との間で形成されるケーシング
を備える、ターボ機械。
【請求項１９】
前記静電容量センサデバイスに接続されるクリアランス測定システム、および、
前記静電容量センサデバイスにより生出される信号に基づいて、前記シュラウドと前記複数のブレードとの間のクリアランスを制御するように構成されるクリアランス制御システム
をさらに備える、請求項１８記載のターボ機械。
【請求項２０】
少なくとも１つのセンサ先端部を絶縁層に挿入するステップであって、前記センサ先端部が、前記センサ先端部の第１の端部での電極、および、前記電極から第２の端部の方に突出する柄部材を含み、前記第１の端部および前記第２の端部が前記絶縁層を越えて延在するステップ、
前記少なくとも１つのセンサ先端部を同軸ケーブルの中心導体に結合するステップ、ならびに、
ケーシングを前記絶縁層および前記同軸ケーブルに結合するステップであって、前記ケーシングが、前記絶縁層の少なくとも一部分、前記同軸ケーブルの少なくとも一部分、および前記中心導体への前記少なくとも１つのセンサ先端部の前記結合を包囲し、結合する前記ステップが、前記絶縁層の金属被覆に前記ケーシングをろう付けするステップを含むステップ
を含む、静電容量センサデバイスを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、一般には静電容量センサに関し、より詳細には、２つの物体間のクリアランスを測定するための静電容量センサデバイスおよびそれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプのセンサが、様々な用途において物体間の距離を測定するために使用されている。例えばタービンシステムなどのターボ機械装置用途では、固定的なシュラウドとタービンブレードとの間のクリアランスを、タービン内部に配設されたセンサを使用して測定する場合がある。クリアランスは、タービンが冷えているときが最大であり、タービンが熱くなるにつれて、およびタービンが期待通りの速さで回るにつれて次第に減少する。タービンブレードとシュラウドとの間の間隙すなわちクリアランスは、タービンの安全かつ効果的な動作のために維持されることが望ましい。測定した距離を、シュラウドとタービンブレードとの間の所望の変位を維持するためにシュラウドの動きを管理するために使用する場合がある。
【０００３】
一部の用途では静電容量プローブセンサが、２つの物体間の距離を測定するために用いられる。典型的にはそのようなセンサが高温環境に配置されるとき、センサの信号処理ユニットは、プローブから距離をおいて周囲環境に位置することが必要とされる。標準的なターボ機械装置は、シュラウド内部に包含されるガス流路からの半径方向の距離とともに低減する温度勾配を有する。腐食性および／または高温のガスの流路中では、そのような既知のセンサは、それらのセンサが設置されるタービンの数千時間になり得る寿命と比較して、例えば１００〜５００時間のわずかな寿命を有する。時間とともに、高温および腐食性のガスの流路が、センサのプローブ先端部および／または絶縁部にひび割れを引き起こす場合があり、そのことによってセンサ先端部のキャビティに湿気が進入し、後に劣化が起こる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２００２４０７３号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、静電容量センサデバイスが提供される。静電容量センサデバイスは、少なくとも１つのセンサ先端部であって、センサ先端部の第１の端部に布置される電極、および、電極に結合されセンサ先端部の第２の端部の方に延在する柄部材を含む、少なくとも１つのセンサ先端部を含む。デバイスは、中心導体を含み、中心導体が第２の端部でセンサ先端部に結合される同軸ケーブル、および、第１の端部と第２の端部との間でセンサ先端部を支持する絶縁層をさらに含む。絶縁層は、センサ先端部の第２の端部を包囲する一部分上の金属被覆を含む。デバイスは、同軸ケーブルの一部分と、金属被覆と、中心導体およびセンサ先端部の結合とを包囲するケーシングであって、ろう付け接合部が中空のハーメチックキャビティを形成するようにケーシングと金属被覆との間で形成されるケーシングをさらに含む。
【０００６】
別の実施形態では、ターボ機械が提供される。ターボ機械は、複数のブレードを有するロータ、複数のブレードを包囲するシュラウド、および、シュラウドに設けられる静電容量センサデバイスを含む。静電容量センサデバイスは、少なくとも１つのセンサ先端部であって、センサ先端部の第１の端部に布置される電極、および、電極に結合されセンサ先端部の第２の端部の方に延在する柄部材を含む、少なくとも１つのセンサ先端部を含む。デバイスは、中心導体を含み、中心導体が第２の端部でセンサ先端部に結合される同軸ケーブル、および、第１の端部と第２の端部との間でセンサ先端部を支持する絶縁層をさらに含む。絶縁層は、センサ先端部の第２の端部を包囲する一部分上の金属被覆を含む。デバイスは、同軸ケーブルの一部分と、金属被覆と、中心導体およびセンサ先端部の結合とを包囲するケーシングであって、ろう付け接合部が中空のハーメチックキャビティを形成するようにケーシングと金属被覆との間で形成されるケーシングをさらに含む。
【０００７】
さらに別の実施形態では、静電容量センサデバイスを製造するための方法が提供される。方法は、少なくとも１つのセンサ先端部を絶縁層に挿入するステップを含む。センサ先端部は、センサ先端部の第１の端部での電極、および、電極から第２の端部の方に突出する柄部材を含み、第１の端部および第２の端部が絶縁層を越えて延在する。方法は、センサ先端部を同軸ケーブルの中心導体に結合するステップ、ならびに、ケーシングを絶縁層および同軸ケーブルに結合するステップをさらに含む。ケーシングは、絶縁層の少なくとも一部分、同軸ケーブルの少なくとも一部分、および中心導体への少なくとも１つのセンサ先端部の結合を包囲する。結合するステップは、絶縁層の金属被覆にケーシングをろう付けするステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の技法の態様を組み込むことが可能である、航空機エンジンタービンなどの例示的な回転機械の斜視図である。
【図２】図１に示す例示的なクリアランスセンサの拡大断面図である。
【図３】図２に示すクリアランスセンサとともに使用することが可能である例示的なセンサ先端部の拡大斜視図である。
【図４】図１および図２に示すクリアランスセンサを製造する例示的な方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明は、例としてであり限定としてではなく、本発明の実施形態を例示するものである。本発明の実施形態は、工業用、商業用、および住宅用の用途でのクリアランス測定の分析的および方法に関する実施形態に対する全般的な用途を生み出すことが企図される。
【００１０】
本明細書では、単数形で記載し数詞を有していない要素またはステップは、複数の要素またはステップを除外しないと、そのような除外が明示的に記載されていない限りは理解すべきである。さらに本発明の「一実施形態」に対する言及は、記載した特徴をやはり組み込む、追加的な実施形態の存在を除外すると解釈されることは意図されない。
【００１１】
図１は、本発明のデバイスの態様を組み込むことが可能である、航空機エンジンタービン１０などの例示的な回転機械の斜視図である。しかしながらここでは本発明のデバイスを、蒸気タービンおよびガスタービンなどの、ただしそれらに限定されない任意の他の回転機械で使用することが可能であることに留意されたい。例示的な実施形態ではタービン１０は、シャフト１４上に装着されたロータ１２を含む。複数のタービンブレード１６が、ロータ１２に付着されている。動作中、ブレード１６は高温高圧での流体１８を受け、流体１８がブレード１６上にまさに仕事し、流体１８によってブレード１６は軸２０を中心に回転する。ブレード１６は定置のハウジングすなわちシュラウド２２の内部で回転し、シュラウド２２は、ブレード１６の周囲に近似的に放射状に、および円周方向に布置される。ブレード１６とシュラウド２２との間には、ブレード１６とシュラウド２２との間での作動流体の過剰な漏出を防止するために、比較的小さなクリアランスが存在する。理想的な無損失システムではクリアランスは存在すべきでなく、その結果すべての流体がブレード１６上のみに仕事することになる。しかしながらその構成では、ブレード１６とシュラウド２２との間の抵抗に起因して、またはブレード１６とシュラウド２２との間の摩擦を妨げるために、ブレード１６の動きを不可能にすることになる。ゼロクリアランスのシステムは、振動および加速される部品摩耗の理由でやはり非実用的である。
【００１２】
一実施形態では１つまたは複数の静電容量センサデバイス２４が、シュラウド２２の内部に、およびシュラウド２２の周囲に円周方向に配設される。例示的な実施形態では、クリアランスセンサ２４は静電容量プローブセンサ２４である。クリアランスセンサ２４は、クリアランスの表現として可変静電容量を与える。一部の実施形態ではクリアランスセンサ２４は、マイクロ波ベースのセンサ、光学センサ、または渦電流センサを含む。各々のセンサ２４は、それらのそれぞれの円周方向の場所で、シュラウド２２に対するブレード１６の半径方向および／または軸方向の位置を指示する信号を発生させるように構成される。センサ信号２６は、クリアランスを測定するためのクリアランス測定システム２８に伝送される。さらにクリアランス測定システム２８によるクリアランス測定は、クリアランス制御システム３０によってシュラウド２２とブレード１６との間のクリアランスを制御するために使用される。
【００１３】
図２は、図１に示す例示的なクリアランスセンサ２４の拡大断面図である。例示的な実施形態ではクリアランスセンサ２４は、少なくとも１つのセンサ先端部２００、少なくとも１つの同軸ケーブル２０２、絶縁層２０４、およびケーシング２０６を含む。
【００１４】
図３は、図２に示すクリアランスセンサ２４とともに使用することが可能である例示的なセンサ先端部２００の拡大斜視図である。図２および図３を参照すると例示的な実施形態では、クリアランスセンサ２４は２つのセンサ先端部２００を含む。しかしながらクリアランスセンサ２４は、クリアランスセンサ２４が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の数のセンサ先端部２００を含み得る。例示的な実施形態ではセンサ先端部２００は、第１の端部２０８および第２の端部２１０を含む。第１の端部２０８では、センサ先端部２００は平坦な平面電極２１２を含む。円筒形の柄部材２１４が、電極２１２から直角をなして突き出た形となり、第２の端部２１０の方に延在する。第２の端部２１０では陥凹部２１６が、柄部材２１４の軸方向の長さに沿って画定される。陥凹部２１６は、クリアランスセンサ２４が組立てられるときに、外側の要素がクリアランスセンサ２４に入る可能性がないように、ハーメチックであるように設計される。外側の要素（すなわち湿気）がセンサ先端部２００の柄部材２１４にさらされるならば、センサ先端部２００の電気特性が変えられる場合があり、そのことが、クリアランスセンサ２４の較正および／または動作への悪影響を引き起こす。
【００１５】
例示的な実施形態ではセンサ先端部２００は、最高９９．９９％の純度を有する白金ロジウム合金組成物を使用して製造される。白金ロジウム合金組成物は、約９０％の白金および約１０％のロジウムを含むが、このことは、異なる高温のターボ機械装置に対してセンサ先端部２００を最適化するために調整することが可能である。代替実施形態では、より低温の腐食性のターボ機械装置用途（例えば蒸気タービン）に対して、最高９９．９９％の純白金または白金イリジウムを使用して、センサ先端部２００を製造することが可能である。
【００１６】
センサ先端部２００を、機械加工、鍛造、または鋳造などの既知の方法を使用して形成することが可能である。一実施形態ではセンサ先端部２００は、形成後にアニールされる。アニーリングは、延性を誘起しセンサ先端部２００の内部応力を緩和して、センサ先端部２００の構造欠陥および／またはひび割れの可能性を低下させる。
【００１７】
センサ先端部２００は、中空の陥凹部２１６を含む。陥凹部２１６は、典型的には少なくとも５０％の金属被覆の長さにより規定される、絶縁層２０４にセンサ先端部２００を結合するろう付け接合部の軸方向の長さより大きな軸方向の長さを有する。この空間が、センサ先端部２００の内部応力を軽減して、センサ先端部２００の構造欠陥および／またはひび割れの可能性を低下させる。
【００１８】
例示的な実施形態では形成後、センサ先端部２００は絶縁層２０４に挿入される。例示的な実施形態では絶縁層２０４は円筒形であり、セラミック材料で作製される。より詳細には例示的な実施形態では絶縁層２０４は、９４％から９９％の純度を有するアルミナで作製される。アルミナ金属被覆は、約５０％のモリブデンおよび約５０％のマンガンを含む。他の実施形態では絶縁層２０４を、アルミノケイ酸塩、ホウケイ酸塩、安定化ジルコニア、およびそれらの任意の組み合わせで作製することが可能である。センサ先端部２００は、絶縁層２０４へのセンサ先端部２００の挿入を容易にするために、絶縁層２０４の開口部より小さい、またはその開口部と実質的に等しい直径を有する。挿入に続いてセンサ先端部２００の第２の端部２１０が、センサ先端部２００が絶縁層２０４から外され得ないように機械的に変形される、またはすそ広がりにされる。このことによって、ガス流路中に先端部が単体で分離することを許し得ない、システムのために必要とされる機械的保持力がもたらされる。
【００１９】
例示的な実施形態では絶縁層２０４およびセンサ先端部２００は、クリアランスセンサ２４が組立てられるときに、外側の要素またはガスがクリアランスセンサ２４に入る可能性がないように、ろう付け密封部２１８により結合されてハーメチックな設計を形成する。上記で考察したように外側の要素（すなわち湿気）が、センサ先端部２００の劣化を引き起こし、クリアランスセンサ２４の誤りを含む較正を引き起こす場合がある。
【００２０】
同軸ケーブル２０２は、センサ先端部２００とクリアランス測定システム２８（図１に示す）の電子部品との間の通信を可能にするためにセンサ先端部２００に結合される。より詳細にはケーブル２０２は中心導体２２０を含み、中心導体２２０がセンサ先端部２００との電気的接触を有するように、中心導体２２０は柄部材２１４の陥凹部２１６によってセンサ先端部２００に結合される。例示的な実施形態ではクリアランスセンサ２４は、２つの同軸ケーブル２０２を含む。しかしながらクリアランスセンサ２４は、クリアランスセンサ２４が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の数の同軸ケーブル２０２を含み得る。
【００２１】
中心導体２２０を、白金、白金ロジウム、および／または白金イリジウムを含む、ただしそれらに限定されない、適した白金合金材料で作製することが可能である。白金合金の中心導体２２０は、充分な高温性能、耐酸化性、低い電気抵抗率、およびセンサ先端部２００に対する高い接着信頼性を示す。
【００２２】
例示的な実施形態では中心導体２２０は、スポット溶接接合部２２２によりセンサ先端部２００に結合される。他の実施形態では中心導体２２０を、ろう付け接合、レーザ溶接接合、または同様の金属を結合する任意の他の適した方法を使用してセンサ先端部２００に結合することが可能である。ケーブル２０２にセンサ先端部２００をろう付け接合する２つの主な欠陥モードは、むらのあるろう材の流れに起因する開回路、ならびに、センサ先端部２００内で増大した剛性およびひび割れを引き起こす、陥凹部２１６が充塞されることに起因するハーメチックシールの喪失である。中心導体２２０およびセンサ先端部２００は同様の白金ベースの材料で作製されるので、高い動作温度での金属拡散の可能性が著しく減少する。同様の金属群は、経時的な金属マイグレーションおよび／または金属間化合物成長に起因する物理的な金属の特質の変化もまた低減する。
【００２３】
代替実施形態ではセンサ先端部２００を、蒸気タービンなどでの、温度の両極値および製品寿命の間の累積周期がより小さな場合に、適した金属バリアめっきを有する銅の中心導体の先端部に結合することが可能である。例えば、適した金属バリアめっきはニッケルを含み得る。バリアは、白金と銅との間の金属マイグレーションを防止し、白金の中心導線に対する低コストの代替案となる。バリア金属は、化学めっきまたは他の同様の方法によって、露出した中心導体に局所的に付与される薄いめっきであり得る。中心導体２２０を、ろう付け接合、レーザ溶接接合、またはバリア金属を使用する銅にセンサ先端部２００を結合する任意の他の適した方法を使用してセンサ先端部２００に結合することが可能である。
【００２４】
クリアランス測定システム２８（図１に示す）の電子部品（図示せず）は、タービン１０（図１に示す）の高い動作温度に耐えることが可能でなく、したがって典型的にはクリアランスセンサ２４から約２０フィートの距離だけ離れて布置される。したがってケーブル２０２は、センサ先端部２００をクリアランス測定システム２８と通信可能に結合するのに十分な長さを有する。
【００２５】
代替実施形態では、中心導体２２０用に白金合金を使用することから銅を使用することへの移行を行うことが可能である。ターボ機械装置用途では、シュラウド２２（図１に示す）からの距離が増大するにつれて温度は急激に低下する。したがってシュラウドからのケーブル２０２の出口部の距離が増大するにつれて、銅の中心導体の同軸ケーブルに移行することが受け入れられるものとなる。移行することによって、クリアランスセンサ２４に関するいくつかの利点がもたらされる。この移行の１つの利点は、白金が銅より約６倍大きな抵抗率を有し、このことが、特に高周波数でより高い伝送損失を引き起こす場合があるということである。この移行によって、ギガヘルツ範囲内の高周波数の無線周波数（ＲＦ）信号を使用することが可能になる。そのような高周波数のＲＦ信号によって、帯域幅および検知の忠実度を増大することが容易になる。別の利点は、銅が白金よりはるかに経済的であるということである。さらなる利点は、移行することによって異なる直径のケーブル２０２の使用が可能になるということである。第２の端部２１０で使用される白金のケーブル２０２は、センサ先端部２００の電線の出口部のサイズにより直径が制限される。白金のケーブル２０２は、シュラウド２２での装着構造によりさらに制約される。より大きな導体のケーブルに移行することは、ケーブル２０２での電気損失を低減するのに役立つ。
【００２６】
移行を、高温ばねベースのスプライスまたは高温メークブレークコネクタによって行うことが可能である。ばねベースのスプライスが使用される場合、ばねのタイプは、移行場所での温度および／または振動の条件によって決まる。そのような移行は、市販で入手可能なものである。この移行が、移行なしのクリアランスセンサより長さが短い、ろう付けされたクリアランスセンサ２４に付加される。センサ先端部２００の第１の端部２０８からの移行の場所は、移行構成要素がそれらの温度限界より低く維持されるように算出される。短いセンサ２４をろう付けする１つの利点は、複数のサンプルを、小さな真空のろう付けチャンバ内でバッチ処理することが可能であることである。短いケーブルは長い長さのケーブルほど多く気体を放出せず、そのことによってろう付け作業中の収率が向上する。さらに、短いケーブルによって、ケーブル、ろう付け材料、ケーシング、センサ先端部、および絶縁体の機械的な固定が簡単にされるとともに、プローブの軸が垂直方向にあり、重力がろう材の流れの助力となることを可能にするように、短いセンサ２４をろう付けする能力が提供される。代替実施形態では小さなコイルを、最高３フィートのわずかにより長いケーブルの長さを可能にするために、真空のろう付けチャンバでのケーブル接続の際に作製する場合がある。
【００２７】
例示的な実施形態ではケーシング２０６が、高い動作温度からの追加的な保護のために絶縁層２０４の周りに設けられる。ケーシング２０６は、絶縁層２０４、センサ先端部２００、およびケーブル２０２を受け入れるために、円筒形および中空である。例示的な実施形態ではケーシング２０６は、ステンレス鋼などの高耐熱性および耐食性の金属で作製される。ろう付け接合部２２４がケーシング２０６を絶縁層２０４に結合し、ろう付け接合部２２６がケーシングをケーブル２０２に結合する。
【００２８】
ろう付け密封接合部２１８、２２４、および２２６は、センサ先端部２００、絶縁層２０４、ケーブル２０２、およびケーシング２０６の間で形成されるキャビティにおいてハーメチックシールを生成する。例示的な実施形態ではろう付け用に使用される材料は、９９．９％の純金、または、ニッケルもしくは銅−金合金などの金合金である。ろう付け接合部２１８、２２４、および２２６は、ろう付け材料の温度能力より低く維持されるように、センサ先端部２００の第１の端部２０８から十分な距離をおいて位置する。一実施形態ではケーシング２０６は、クリアランスセンサ２４内部のろう付け作業に続いてのハーメチック性試験を可能にする小さな孔２２８（図２に示す）を含む。孔２２８は、孔２２８が電極２１２の近くで生成される高温および過酷な環境から十分な距離だけ離れて位置するようなケーシング２０６上の位置に布置される。孔２２８によって、ケーシング２０６の内部に導入されることになる圧力差を生成する真空テストが可能になる。次いでヘリウム流が導入され、圧力差と組み合わせて、ろう付けされた密封部に何らかの漏出が存在するかどうかを決定することが可能である。漏出試験の完了後、孔２２８は溶接を使用して閉じた状態に密封される。
【００２９】
図４は、図２に示すクリアランスセンサ２４などのクリアランスセンサを製造する例示的な方法のフローチャート４００である。別段の指定がない限り同様の構成要素は、図２で使用した同じ参照番号を用いて図４において識別される。例示的な実施形態では、少なくとも１つのセンサ先端部２００が形成される（４０２）。センサ先端部２００は、第１の端部２０８での電極２１２、および、電極２１２から第２の端部２１０の方に突出する柄部材２１４を含み、柄部材２１４は第２の端部２１０で陥凹部２１６を画定する。例示的な実施形態ではセンサ先端部２００は、最高９９．９９％の純度を有する白金ロジウム合金組成物を使用して形成される。白金ロジウム合金組成物は、約９０％の白金および約１０％のロジウムを含む。次いでセンサ先端部２００は、延性を誘起しセンサ先端部２００の内部応力を緩和して、センサ先端部２００の構造欠陥および／またはひび割れの可能性を低下させるためにアニールされる（４０４）。
【００３０】
次いでアニールされたセンサ先端部２００は、センサ先端部２００の電極２１２の一部分のみが絶縁層２０４から突出するように、絶縁層２０４内部に布置される（４０６）。例示的な実施形態では絶縁層２０４は円筒形であり、セラミック材料で作製される。より詳細には例示的な実施形態では絶縁層２０４は、９４％から９９％の純度を有するアルミナで作製される。アルミナ金属被覆は、約５０％のモリブデンおよび約５０％のマンガンを含む。センサ先端部２００は、センサ先端部２００と絶縁層２０４との間のいかなる空間もハーメチックシールするように絶縁層２０４に結合される（４０８）。一実施形態ではろう付け接合部が、センサ先端部２００および絶縁層２０４を結合するために使用される。
【００３１】
例示的な実施形態では、中心導体２２０を有する同軸ケーブル２０２が用意される（４１０）。一方の端部では同軸ケーブル２０２は、センサ先端部２００の第２の端部２１０に結合される。他方の端部では同軸ケーブル２０２は、クリアランス測定システム２８（図１に示す）に結合される。より詳細には中心導体２２０は、電気的接続を形成するために、センサ先端部２００の陥凹部２１６に挿入され（４１２）、センサ先端部２００の内壁に隣接して布置される（４１４）。例示的な実施形態では、次いで中心導体２２０は、溶接接合部を使用してセンサ先端部２００に結合される（４１６）。中心導体２２０を、白金、白金ロジウム、および／または白金イリジウムを含む、ただしそれらに限定されない、適した白金合金材料で作製することが可能である。代替実施形態では、白金合金の中心導体２２０を銅の中心導体２２０に移行させる移行が提供される場合がある。他の実施形態では中心導体が、銅で作製され、銅−センサ先端部接続でバリア金属を有する場合がある。
【００３２】
例示的な実施形態ではケーシング２０６が、センサ先端部２００、絶縁層２０４、および同軸ケーブル２０２により形成される組立体の周りに布置される（４１８）。ケーシング２０６は、ケーシング２０６が絶縁層２０４の少なくとも一部分および同軸ケーブル２０２の少なくとも一部分を取り囲むように組立体に結合される（４２０）。例示的な実施形態ではケーシング２０６は、ろう付け接合部等々を使用して組立体に結合される。
【００３３】
２つの物体間のクリアランスを測定するためのクリアランスセンサデバイスおよび製造の方法の上記で説明した実施形態は、過酷な環境条件に遭遇する構成要素の従来は困難な領域で処理パラメータを監視する、コスト効果および信頼性の高い手段を提供する。より詳細には本明細書で説明したクリアランスセンサデバイスおよび製造の方法は、数千時間の間適正かつ正確に動作することが可能である。加えて上記で説明したクリアランスセンサデバイスおよび製造の方法によって、過酷な環境で繰り返される周期動作にわたってセンサ先端部電極の酸化を低減することが容易になり、配線の出口部を与える導体の酸化を低減することがさらに容易になる。さらにセンサ先端部を中心導体と同じ金属タイプで接続するによって、開回路を有する可能性が低減する。最後に本明細書で説明したクリアランスセンサデバイスおよび製造の方法は、より短いクリアランスセンサを製造し、ケーブルの長い長さを付加する能力を提供する。結果として本明細書で説明したクリアランスセンサデバイスおよび製造の方法によって、コスト効果および信頼性の高い様式で高温構成要素を動作させることが容易になる。
【００３４】
記述した本説明では、最良の形態を含めて本発明の実施形態を開示するために、さらには、任意のデバイスまたはシステムを作製かつ使用すること、および任意の組み込んだ方法を遂行することを含めて、本発明を実践することを当業者ならば誰でも可能にするために例を使用する。本発明の特許的な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、それらの例が、特許請求の範囲の文字通りの文言と異ならない構造要素を有するならば、またはそれらの例が、特許請求の範囲の文字通りの文言と実質的な違いのない等価の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００３５】
１０  タービン
１２  ロータ
１４  シャフト
１６  ブレード
１８  流体
２０  軸
２２  シュラウド
２４  静電容量センサデバイス
２６  センサ信号
２８  クリアランス測定システム
３０  クリアランス制御システム
２００  センサ先端部
２０２  同軸ケーブル
２０４  絶縁層
２０６  ケーシング
２０８  第１の端部
２１０  第２の端部
２１２  電極
２１４  柄部材
２１６  陥凹部
２１８  ろう付け密封接合部
２２０  中心導体
２２２  スポット溶接接合部
２２４、２２６  ろう付け接合部
２２８  孔
４００  フローチャート
４０２  形成される
４０４  アニールされる
４０６  布置される
４０８  結合される
４１０  用意される
４１２  挿入される
４１４  布置される
４１６  結合される
４１８  布置される
４２０  結合される
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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