(57)【要約】      （修正有）【課題】クライオポンプに設けられ、極低温環境に曝される加速度計でも加速度信号の飽和が生じず、監視が正確な振動センサを提供する。【解決手段】極低温用振動センサは概して、断熱ブロックの上平面に搭載される極低温用加速度計を具備し、前記断熱ブロックは、物体取り付け用の螺子孔を下平面に有する。また、当該極低温用振動センサを有するクライオポンプも開示される。ポンプ構成要素と加速度計の間に設けた断熱ブロックにより、極低温への曝露による信号飽和が効果的に防止される。より具体的には、断熱ブロックにより、加速度計に生じるような電磁摂動が防止される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオポンプであって、
下部に入口を有する吸引ポットと、
前記吸引ポットの頂部に取り付けられ、キャップが排出口を有するヘッドプレートと、
前記キャップから垂直に吊り下げられ、前記吸引ポット内に配置されたポンプ軸を有し、極低温流体を前記入口から前記排出口へと移動させる遠心ポンプと、
前記クライオポンプの少なくとも１つの構成要素に設けられた少なくとも１つの振動センサであって、下面が前記少なくとも１つの構成要素に直接接触する断熱ブロックと、前記断熱ブロックの上面に結合され、前記少なくとも１つの構成要素に直接接触しない加速度計とを有する振動センサと、を有するクライオポンプ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの構成要素は、前記ヘッドプレートであって、前記振動センサは、前記ヘッドプレートに、前記ポンプ軸の軸回転に対し平行に設けられる、請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項３】
前記断熱ブロックは、ポリテトラフルオロエチレン材料である、請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項４】
前記断熱ブロックは、補強基材と熱硬化性樹脂結合剤とを含む熱硬化性強化プラスチックである、請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項５】
前記補強基材は、ガラス織物、ランダムガラスマット、ガラス繊維、綿カンバス織物、リネン綿織物、紙、アラミド織物、ランダムマットアラミド、グラファイト織物、ランダムマットグラファイトから成る群から選択され、前記熱硬化性樹脂結合剤は、エポキシ、メラミン、フェノール、ポリエステル、シリコーンから選択される、請求項４に記載のクライオポンプ。
【請求項６】
前記断熱ブロックは、ガラス布強化エポキシである、請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項７】
別のポンプ構成要素に取り付けられる追加の振動センサをさらに具備し、前記追加の振動センサは、前記断熱ブロックを介さない請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項８】
前記断熱ブロックは、０．１ミリメートルよりも大きい厚さを有する、請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項９】
前記加速度計は、クォーツシェア圧電トランスデューサである、請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項１０】
極低温用振動センサであって、
断熱ブロックの上平面に搭載される極低温用加速度計を具備し、
前記断熱ブロックは、物体取り付け用の螺子孔を下平面に有する、極低温用振動センサ。
【請求項１１】
前記断熱ブロックは、ポリテトラフルオロエチレン材料である、請求項１０に記載の極低温用振動センサ。
【請求項１２】
前記断熱ブロックは、補強基材と熱硬化性樹脂結合剤とを含む熱硬化性強化プラスチックである、請求項１０に記載の極低温用振動センサ。
【請求項１３】
前記補強基材は、ガラス織物、ランダムガラスマット、ガラス繊維、綿カンバス織物、リネン綿織物、紙、アラミド織物、ランダムマットアラミド、グラファイト織物、ランダムマットグラファイトから成る群から選択され、前記熱硬化性樹脂結合剤は、エポキシ、メラミン、フェノール、ポリエステル、シリコーンから選択される、請求項１０に記載の極低温用振動センサ。
【請求項１４】
前記断熱ブロックは、ガラス布強化エポキシである、請求項１０に記載の極低温用振動センサ。
【請求項１５】
前記極低温用加速度計は、クォーツシェア圧電トランスデューサである、請求項１０に記載の極低温用振動センサ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本開示は、クライオポンプ用振動センサと、それを有するクライオポンプに関する。
【０００２】
クライオポンプは、極低温流体の取り扱い用に設計された遠心ポンプである。当該極低温流体としては、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、液化エチレン、プロピレン、エタン等が挙げられる。このようなポンプは多くの場合、水中で使用可能であり、その他加工業と比較して過酷な環境下で動作する。例えば、−１６１℃の極低温環境で動作するＬＮＧポンプは、液化天然ガス（ＬＮＧ）基地における設備の重要部品の１つである。
【０００３】
用途によっては、この種のポンプはかなりの大きさとなり得る。典型的には、カラム長さが約１５から２０フィート（約４．５から６メートル）以上となり、カラム直径が約３フィート（約１メートル）以上となり得る。したがって、ポンプを構成するいくつかの主要部品はそれぞれ数百ポンドとなり得るため、ポンプの総重量は約１００００から１５０００ポンド（約４５００から６８００キログラム）を超える可能性がある。
【０００４】
クライオポンプは通常、大気に曝されない清潔で非腐食性の環境に設置されるため、信頼性がかなり高いとされる。それでも、多くの場合クライオポンプに予防保全が行われる。気体の大気への流出や漏洩を防止するため、大抵の極低温流体には非常に厳格な格納要件が求められるためである。現在、多くのポンプには振動検知システムが設けられている。当該システムは、通常、加速度計としてポンプ筐体に直接取り付けられ、その計装ケーブルは、電源ケーブルとほぼ同様にして、容器又はタンクから外へ上方へと延びる。これらのシステムは、通常動作用の振動レベルを設定可能であり、振動レベルが警戒設定点を超えるとアラームを発することが可能である。振動システムは、トラブルシュ−ティングにおいても非常に有用となり得る。具体的には、発生している又は発生し得る故障の特定に利用可能な、振動のスペクトル分析を可能とする。
【０００５】
しかしながら、多くのポンプは、振動センサが極低温環境に曝される、又は流れる極低温液体に接触するポンプモータに供給を行う電源ケーブルと並べて設けられるように設計されているため、極低温環境での動作には困難が付きまとう。本出願人は、極低温用加速度計を使用しても、振動センサにより生成される加速度信号の飽和が生じ、監視が不正確となり得ることを見出した。
【発明の概要】
【０００６】
これら及びその他の従来技術の問題及び欠点は、本クライオポンプにより解決され、当該クライオポンプは、下部に入口を有する吸引ポットと、前記吸引ポットの頂部に取り付けられ、キャップが排出口を有するヘッドプレートと、前記キャップから垂直に吊り下げられ、前記吸引ポット内に配置されたポンプ軸を有し、極低温流体を前記入口から前記排出口へと移動させる遠心ポンプと、前記クライオポンプの少なくとも１つの構成要素に設けられた少なくとも１つの振動センサであって、下面が前記少なくとも１つの構成要素に直接接触する断熱ブロックと、前記断熱ブロックの上面に結合され、前記少なくとも１つの構成要素に直接接触しない加速度計とを有する振動センサと、を具備する。
【０００７】
極低温用振動センサは、断熱ブロックの上平面に搭載される極低温用加速度計を具備し、前記断熱ブロックは、物体取り付け用の螺子孔を下平面に有する。
【０００８】
上述の特徴及びその他特徴を、以下の図面及び詳細な説明により例示する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
これら及びその他の特徴を、以下の図面を参照して説明する。
【００１０】
【図１】本開示に係る例示的クライオポンプの側面図。
【００１１】
【図２】図１に示す例示的クライオポンプの上面図。
【００１２】
【図３】目盛付き加振機の表面に直接搭載された加速度計における、周波数と時間に応じた根二乗平均速度を示すグラフ。
【００１３】
【図４】図４の目盛付き加振機の表面に直接搭載された加速度計における、断熱ブロックが加速度計と当該表面との間に設けられた場合の周波数と時間に応じた根二乗平均速度を示すグラフ。
【００１４】
【図５】クライオポンプの表面に直接搭載された加速度計における、周波数と時間に応じた根二乗平均速度を示すグラフ。
【００１５】
【図６】図５のクライオポンプの表面に直接搭載された加速度計における、断熱ブロックが加速度計と前記表面との間に設けられた場合の周波数と時間に応じた根二乗平均速度を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示は概して、クライオポンプと共に使用される振動センサに関する。当該センサは、クライオポンプの構成要素に取り付けられる。以下により詳細に説明するように、振動センサは概して、断熱ブロックに取り付けられた極低温用加速度計を有する。断熱ブロックは所望のポンプ構成要素の表面への取り付け用である。本開示に係る振動センサは、極低温へ急速冷却中のクライオポンプの任意の表面に取り付け可能であり、精確な測定が可能である。例えば、０ケルビンから１２５ケルビン以上の間の温度の液体水素、液体窒素、液化天然ガス等の極低温流体を圧送すると、いくつかのポンプ構成要素及びその表面が大幅に冷却される。振動センサは、使用中のポンプ振動を監視するため前記表面に取り付け可能であり、振動レベルが警戒設定点を超えるとアラームを発する。
【００１７】
図１及び図２に、例示的クライオポンプ１００を示す。振動センサを有する例示的クライオポンプは特定の種類及び／又は構成に限定されるものではない。例えば、クライオポンプは水中使用可能型、長軸型、真空筐体型等であってもよく、いずれであっても液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体窒素、液体ヘリウム等の生成及び運搬に供されるものである。本明細書に記載の通り、本開示に係る振動センサは、極低温流体を圧送する際に急速冷却されるクライオポンプの任意の表面に取り付け可能である。振動センサはその動作中に、当該表面が極低温、即ち１２５ケルビンを下回ろうとも、振動を精確に測定する。多くの実施形態では、振動センサは、以下に説明するように、ポンプ軸の軸回転と略平行の表面に配置される。
【００１８】
例示的クライオポンプ１００は、支持リング１１２及び支持アーム１１４に主に支持される吸引ポット１１０を有する。吸引ポット１１０の頂部には、キャップ１１６（本明細書ではヘッドプレートとも称する）が取り付けられる。吸引ポット１１０内で、キャップ１１６から遠心ポンプ（不図示）が吊り下げられる。多くの遠心吸引ポンプは通常、少なくとも一組の羽根を坦持し、垂直に垂下するポンプ軸を有する。一組の羽根は、公知の方法で、向心力により流体を圧送する。動作中、１つ以上の供給ポンプ（不図示）からの、圧送される液体又は供給される圧縮液体内に、入口ノズル１１８が浸される。液体は、各組を一段とした、１組又は複数組の羽根（又はインペラ）を通過する。圧送室の頂部に、排出管１３０が設けられる。当該管を通じて流体は排出口１３２に送られる。このようにして、流体は吸引ポット１１０の底部１１８から流入し、排出管１３０を通じて吸引ポット１１０の上部で排出される。動作中、ポンプ軸は電気モータにより駆動され、複数組の羽根を動かす。電気モータへの電力は、ブレーカパネル１２４を有し得る管１２２を通じて配線される電源ケーブルにより送られる。
【００１９】
図示のクライオポンプ１００はさらに、封止通気孔１３４、通気ノズル１２６、充填／排出ノズル１２８、上下液面ノズル、各種パージ孔等の更なる通気孔及びノズルを有してもよい。図示のクライオポンプは、その外部及び／又は内部に配置可能な、断熱ブロックを有さない追加の振動センサをさらに有してもよい。
【００２０】
本開示の振動センサ１４０は、図では吸引ポット１１０のヘッドプレート１１６に結合されており、軸受故障又はその他クライオポンプ関連故障を示唆する異常振動の検出に利用される。図ではヘッドプレートに結合されている振動センサは、例えば吸引ポット、ポンプ筐体、軸受筐体等、その他の部位に結合されてもよい。通常、修理が必要な際に比較的作業しやすい部位及び／又は振動検出するように近傍部位に設けられることが好ましい。振動センサ１４０は、極低温用加速度計１４２と、前述の通りキャップ面と加速度計との間の断熱ブロック１４４とを有する。断熱ブロックは、鋲によりキャップ面に取り付け可能で、第２の鋲により加速度計に取り付け可能である。または、接着剤を使用してもよい。極低温用加速度計は、センサ又はトランスデューサである。センサ又はトランスデューサは、ポンプ軸に直交して付与される加速（又は減速）に応じて電気信号を生成するよう設計される。適切な極低温用加速度計としては、ＰＣＢ  Ｐｉｅｚｏｔｒｏｎｉｃｓ社から市販されている型番３５１の圧電センサが挙げられる。
【００２１】
断熱ブロックは、特定の材料に限定されるものではなく、極低温環境での使用に適する材料であればよい。例えば、断熱ブロックは、ポリテトラフルオロエチレン、超高分子量ポリエチレン、各種熱硬化性プラスチック工業用積層品、Ｇ１０  ＦＲ４ガラスエポキシ等から作製可能である。断熱ブロックの厚さは、通常、０．１ミリメートルより大きい。信号が検出できれば、当該厚さは特に限定されるものではない。断熱ブロックは、特定の形状に限定されることはなく、円柱形、矩形等であってもよい。通常、断熱ブロックは、平坦な上下面を有し、加速度計とポンプ構成要素の取り付け面に沿うようになっており、その寸法は通常、加速度計が断熱ブロックへ取り付けられる表面以上であり、誘電率は少なくとも８００Ｖ／ｍｉｌである。
【００２２】
熱硬化性プラスチック工業用積層品は、典型的には、２つ以上の構成要素を備える積層構造を有する。その第１構成要素は、ガラス織物、ランダムガラスマット、ガラス繊維、綿カンバス織物、リネン綿織物、紙、アラミド織物、ランダムマットアラミド、グラファイト織物、ランダムマットグラファイト等の補強基材である。第２構成要素は、一体構造が得られるよう、補強基材の層同士を互いに貼り付けるための熱硬化性樹脂結合剤である。樹脂結合剤としては、エポキシ、メラミン、フェノール、ポリエステル、シリコーン等が挙げられる。例えば、適切な熱硬化性プラスチック積層体は、ＮＥＭＡグレードＧ１０及びＦＲ４ガラス布強化エポキシである。典型的には、加速度計部１４２は、ＰＣＢ  Ｐｉｅｚｏｔｒｏｎｉｃｓ社（郵便番号１４０４３、ニューヨーク州ドピュー、ウォールデンアヴェニュー３４２５）から市販されている、クォーツシェア構造極低温用加速度計（型番３５１）である。
【実施例】
【００２３】
本実施例では、目盛付き加振機と極低温用加速度計を使用したクライオポンプとにより、断熱ブロックがある場合とない場合とで振動が測定された。加速度計としては、接地絶縁された、１００ｍＶ／ｇ、１から２ｋＨｚ、１０−３２サイドコネクタ（華氏−３２０から＋２５０度／摂氏−１９６から＋１２１度）の、ＰＣＢ  Ｐｉｅｚｏｔｒｏｎｉｃｓ社から型番Ｊ３５１Ｂ４１で市販されている、極低温用クォーツシェアＩＣＰ（登録商標）加速度計を使用した。断熱ブロックとしては、Ｇ１０−ＦＲ４により作製された円柱形ブロックであって、高さ１．２５インチ、直径１．２５インチの、エポキシ樹脂が積層された連続的ガラス織物を使用した。断熱ブロックは、ブロックと目盛付き加振機又はクライオポンプの鋲との間に１つ、ブロックと加速度計との間に１つ設けられた、２つの鋲を収容するための２つの螺子孔を含む。振動センサをクライオポンプへの取り付けの際、図１及び図２に示したものと同様の位置においてキャップに取り付けた。クライオポンプは、Ｎｉｋｋｉｓｏ  Ｃｒｙｏ社から市販されている、液化天然ガス供給用の、吸引ポットを搭載した１３段高圧浸水性モーターポンプを使用した。
【００２４】
図３及び図４に示すように、目盛付き加振機上の振動センサによる加速度計測定は、室温であれば断熱ブロックの有無により信号が変化しない。この結果は、周波数及び時間に応じた根二乗平均速度は実質的に不変であり、断熱ブロックが加速度計の信号品位に無関係であることを示している。一方、外表（即ち表面）温度が華氏−２５６度まで下がるような極低温環境におけるクライオポンプに使用された振動センサの場合、図５に示すように、加速度計とポンプとの間に断熱ブロックがあれば良好な信号が得られ、図６に示すように、断熱ブロックがなければたとえ加速度計が極低温用であっても、全ての信号が使用不能となった。このように、断熱ブロックにより、極低温への曝露による信号飽和が効果的に防止された。より具体的には、断熱ブロックにより、加速度計に生じるような電磁摂動が防止された。さらに、加速度計は接地絶縁されていたが、結果には無関係であった。
【００２５】
好適な実施形態を参照に本開示を説明したが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な変更や、要素の均等物との交換が実施可能であることが理解されよう。本明細書で使用される第１や第２のような用語は、重要度や配置の順序を示唆するものではなく、ただある要素をその類似物と区別するために使用されている。さらに、本開示の教示に特定の状況や材料を適用するため、本発明の本質的範囲から逸脱することなく、多数の変形を加えてもよい。即ち、本開示は、本開示を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるように意図されておらず、添付の請求の範囲内の全ての実施形態を含むものである。
【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】
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【図６】
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【外国語明細書】
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