(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動体の流れから同伴粒子を濾過するフィルターエレメントと、
前記流動体の流れがその内部を流通できるよう両端に開孔部が形成されたシェルであって、前記開孔部の第１開孔が前記フィルターエレメントに結合されたシェルと、
前記シェルの内部に可動自在に設置されたシーリングプラグであって、前記フィルターエレメントの通常動作時に第１位置に配置されて前記シェル内を流動体が流通できるようにし、前記フィルターエレメントの故障または破損により流動体の流速が増加すると、当該流動体の流速の増加により第２位置まで移動し、前記開孔部の第２開孔とシーリング接触するシーリングプラグと、
前記シーリングプラグと前記シェルの内側面との間に可動自在に配置された可動部品を有する少なくとも一つの固定用機構とを備え、
前記可動部品は前記シーリングプラグが前記第１位置にある場合に前記シーリングプラグと前記シェルの内側面との隙間に捕捉されることで前記シーリングプラグの前記シェルに対する動きを制限するものであり、前記シーリングプラグの前記第１位置から前記第２位置へ向けた動きによって捕捉状態から解放されると前記シーリングプラグを前記第２位置に固定する固定用位置まで自然に移動するようになっている全流フェールセーフ装置。
【請求項２】
前記可動部品は球体の形を取る請求項１記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項３】
前記シェルの底部内側表面は傾斜し、また前記シーリングプラグが移動すると前記球体は前記シーリングプラグと前記傾斜面の間を固定用位置まで転動し、前記シーリングプラグを前記第２開孔部にシーリング状態に接触固定させる請求項２記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項４】
前記シーリングプラグの底面の周囲に位置するさらに二個の球体を備えた請求項３記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項５】
前記傾斜面に形成されて前記球体の動きを誘導する溝をさらに備えた請求項３記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項６】
前記シーリングプラグの前記球体接触面に形成され、前記フィルターエレメントの通常動作時に前記球体を所定位置に保持する凹部をさらに備えた請求項３記載の装置。
【請求項７】
前記シェルに取り付けられ、前記プラグが前記第２開孔部に接触するよう移動する際にシーリングプラグを前記第２開口部に位置合わせする軸調整ピンをさらに有する請求項１記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項８】
前記シェルとシーリングプラグとによって環状オリフィスが構成され、前記シェルの内部は、フィルターが故障または破損したとき前記シーリングプラグが前記第２開口部へ移動するにつれ前記シーリングプラグへの上向き圧を増大させるような形状になっている請求項１記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項９】
前記第１開口部内に取り付けられたシーリングガスケットをさらに具備する請求項１記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１０】
前記流動体はガスである請求項１記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１１】
前記フィルターエレメントはキャンドルフィルターである請求項１記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１２】
流動体の流れがその内部を流通できるよう両端に開孔部が形成されたシェルであって、前記開孔部の第１開孔はフェールセーフ装置内へ流動体の流れを流入させ、前記開口部の第２開孔は前記流動体の流れが前記フェールセーフ装置から排出できるようにするシェルと、
前記シェルの内部に可動自在に設置されたシーリングプラグであって、流動体フロー装置の流動体の通常流通時に第１位置に配置されて前記シェル内を流動体が流通できるようにし、前記流動体フロー装置に破損が生じたことを示す大きさまで流動体の流速が増加することにより第２位置まで移動し、前記開孔部の第２開孔とシーリング接触するシーリングプラグと、
前記シーリングプラグと前記シェルの内側面との間に可動自在に配置された可動部品を有する少なくとも一つの固定用機構とを備え、
前記可動部品は前記シーリングプラグが前記第１位置にある場合に前記シーリングプラグと前記シェルの内側面との隙間に捕捉されることで前記シーリングプラグの前記シェルに対する動きを制限するものであり、前記シーリングプラグの前記第１位置から前記第２位置へ向けた動きによって捕捉状態から解放されると前記シーリングプラグを前記第２位置に固定する固定用位置まで自然に移動するようになっている流動体フロー装置用の全流フェールセーフ装置。
【請求項１３】
前記可動部品は球体の形を取る請求項１２記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１４】
前記シェルの底部内側表面は傾斜し、また前記シーリングプラグが移動すると前記球体は前記シーリングプラグと前記傾斜面の間を固定用位置まで転動し、前記シーリングプラグを前記第２開孔部にシーリング状態に接触固定させる請求項１３記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１５】
前記シーリングプラグの底面の周囲に位置するさらに二個の球体を備えた請求項１４記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１６】
前記傾斜面に形成されて前記球体の動きを誘導する溝をさらに備えた請求項１４記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１７】
前記シーリングプラグの前記球体接触面に形成され、前記流動体フロー装置の通常動作時に前記球体を所定位置に保持する凹部をさらに備えた請求項１４記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１８】
前記シェルに取り付けられ、前記プラグが前記第２開孔部に接触するよう移動する際にシーリングプラグを前記第２開口部に位置合わせする軸調整ピンをさらに有する請求項１２記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項１９】
前記シェルとシーリングプラグとによって環状オリフィスが構成され、前記シェルの内部は、前記増加流速で前記シーリングプラグが前記第２開口部へ移動するにつれ前記シーリングプラグへの上向き圧を増大させるような形状になっている請求項１２記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項２０】
前記流動体はガスである請求項１２記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項２１】
前記流動体は液体である請求項１２記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項２２】
前記シーリングプラグは、その下部に設けられた傾斜面を有する請求項１記載の全流フェールセーフ装置。
【請求項２３】
前記シーリングプラグは、その下部に設けられた傾斜面を有する請求項１２記載の全流フェールセーフ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の属する技術分野）
本発明は、液流制御装置に関し、また、装置内の部品、例えばフィルターや他の部品などに破損や故障が発生した場合に、流体（例えば、ガス流や液流）の流れを阻止する機械的なフェールセーフ装置または遮断装置に関するものである。特に、本発明はフィルターが損傷した時に高温ガス流（例えば、華氏１８００度）の流れを止める装置に関するものである。
【０００２】
（背景および関連技術の説明）
産業装置では、流動体が流通し（例えばガスタービン発電所、液体燃料処理工場、油圧装置、空圧装置など）、通常、ガスから同伴粒子状物質を除去したり、そのような粒子状物質の影響を受け易い装置部品と接触する前にガスを処理するが、そのような産業装置では、不純物を除去するため、及び／又は、装置設計レベルまで流量を制限するために濾過を行う。装置部品、及び／又は、環境への損害を防止するため、こうした装置にはしばしば流量制限機構または遮断バルブ機構が装備されている。フィルター部品の損傷、破損や脱落が発生した時は、こうした遮断機構が装置内の流動体の流通を遮断する。
【０００３】
特に、ＰＦＢＣおよびＩＧＣＣ石炭系発電所の商業化を成功させるには高温高圧バリアフィルター装置は不可欠である。現在最も商業的に対応できているバリアフィルター装置はキャンドルフィルター技術に基づくものである。一般に、これらのバリアフィルター装置では複数の多孔質キャンドルフィルターを個々に、並列に配置して用いる。
【０００４】
試験規模のキャンドルフィルター系装置は、良好な稼働状態では1 ＰＰＭ（１００万分の1）濃度まで粒状物質を除去できることが分かっている。しかしながら、1個のフィルターエレメントが破損しても、フィルター装置からの排出ダスト量が増大し、これによりタービン翼が破損したり、後工程を汚染したり、発電装置の稼働率を抑えてしまう危険性がある。フィルター故障安全装置は、故障したフィルターエレメントの部位を通過する粒子含有ガスの流れを止め、後段装置への損傷の危険性を最小限に抑え、ダスト排出量を最小限にし、都合良くまたは予定通りに停止されるまで発電所を稼働し続けるフィルター故障安全装置を構築できる。
【０００５】
従来からさまざまな種類の流量制限・遮断機構が知られている、例えば米国特許5242581,3261146、2892512、2833117、2687745、2680451.2635629.1983791などである。これらの機構は、複雑な構造、多数の稼働部品、設置の困難性、限られた動作温度範囲、及び／または、遮断機能を起動するための同伴粒子への依存性などがその特徴として挙げられる。
【０００６】
従来から、機械的液流遮断装置の構造の改良が要望されている。
【０００７】
（発明の開示）
本発明は、従来技術を改良して、全流フェールセーフ装置を提供するもので、本装置は、一実施態様によれば、流動体の流れから同伴粒子を濾過するフィルターエレメントと、前記流動体の流れがその内部を流通できるよう両端に開孔部が形成されたシェルであって、前記開孔部の第１開孔が前記フィルターエレメントに結合されたシェルと、前記シェルの内部に可動自在に設置されたシーリングプラグであって、前記フィルターエレメントの通常動作時に第１位置に配置されて前記シェル内を流動体が流通できるようにし、前記フィルターエレメントが故障または破損すると、増加した流速により第２位置まで移動し、前記開孔部の第２開孔とシーリング接触するシーリングプラグと、前記シーリングプラグを前記第１位置に支持し、前記シーリングプラグの動きに応じて前記シーリングプラグを前記第２位置に固定する固定用位置まで移動する少なくとも一個の固定用機構とを備えた全流フェールセーフ装置である。
【０００８】
（好適な実施態様の詳細な説明）
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る機械的全流フェールセーフ装置は、キャンドルフィルター１１０を具備したキャンドルフィルター装置に具体的に適用されている。このようなキャンドルフィルター装置を、例えば発電所に利用し、発電所の装置のさまざまな段階を流通する最高温度が華氏約１，６５０度のガスから、ダストやその他の固形粒状汚染物質を除去する。
【０００９】
ダストがキャンドル型フィルター装置の浄化側に到達する理由は大きく二つある。一つには、間違ったガスケット部品を使用したり、不適切な取り付け方をすることにより、フィルターエレメントガスケットやシール部分にわずかながら漏れが存在しているためである。この場合、チューブシート３０２から漏れるダスト含有ガスの流路が、キャンドルフィルターエレメント１１０とその安全装置を迂回する。この種の障害を治す方法は、ガスケット材の品質を制御したり、取り付け工程を制御する他ない。
【００１０】
第二の理由は、一または複数のキャンドルフィルターエレメント１１０に致命的な損傷または破損が発生し、その結果固体粒子によりチューブシート３０２が破壊される場合である。この種の故障はパイロット規模や実証規模の熱風浄化（ＨＧＣＵ）フィルター装置では良く発生するもので、本発明が取り組む装置信頼性に関する大きな課題となっている。
【００１１】
本発明の一好適実施態様に係る機械的フェールセーフ装置１００は、直径約３インチ及び約４〜５インチの円筒形シェル１０１を有する。開孔部１０２及び１０３が、シェル１０１の上部中央および下部中央に形成されており、通常状態では濾過煙道ガスは装置内部を矢印１０４で示す上方向へ流れることができ、またフェールセーフ装置に損傷のない使用可能なフィルターエレメント１１０を取り付けると、パルスクリーニングガスは装置内を反対下方向へ流れることが可能である。
【００１２】
円筒形シール１０１の内部にはシーリングプラグ１０５が設けられている。シーリングプラグ１０５は略半球状で下側の平坦面側が、この半球部と直径が等しい、円錐部の平坦面側に接合されている。シーリングプラグ１０５は、シーリングプラグの円錐部のまわりに好ましくは互いに１２０度ずつ離間配置されている三つの係止用球体１０７（簡略化のためその一つのみを図示）によってシェル内部に保持されている。該球体はシェル内部の円錐面１０８に形成された溝または経路１０９内に載置されており、またシェル１０１の内側傾斜面３１１に接触している。図３に示すように、溝１０９は球体１０７の下側で面１０８に切り込まれ、後に説明するように、機械的フェールセーフが起動されると球体の運動を誘導する。また、図４に示すように、シーリングプラグの下面２０１の円周に沿って図１に示すように、球体と接触する位置に連続した凹部２０２が形成され、設置の際や通常動作の際にフィルター容器に生じることのある振動の発生中にシーリングプラグを非動作位置に保持するのを補助する。
【００１３】
球体１０７の直径、シェル１０１、シーリングプラグ１０５、円錐面１０８、２０１、開孔部１０２，１０３、及び、シェル１０１の内面とシーリングプラグ１０５の最大部分との間の環状間隙３０４の各寸法は、フィルターエレメント１１０が無傷な場合に、通常流量で濾過ガスがフェールセーフ装置内を上方へ流通している状態で、シーリングプラグ１０５に加わる上向き圧力によってシーリングプラグ１０５が球体１０７上の静止位置から浮き上がらない程度とする。シーリングプラグ１０５の重量は、内部容積３０３の大きさを調整しながら設計時に選択できる、すなわち、シーリングプラグの内側の一部を固形化し、実装しようとする装置の特定の流量変数に対して、通常動作時に球体上のプラグの安定性が適宜確保される最適重量とする。
【００１４】
図１，２，４に示す好適実施態様において、プラグの半球部３１２は、円錐部３１３とは別の部材となっている。このため内部容積３０３の容量は製造段階で、円錐部３１３の内容量を変化させて製造するか、あるいはシーリングプラグ１０５の重量調整用の適量な好適材料で内部容積３０３を充填させることで選択できる。次に３１０と３１３の部材を接合する。このため図１に示すように螺合接合部３１４が形成されているが、他の方法も同様に利用可能である。シーリングプラグの重量は、シーリングプラグを押し上げてフェールセーフ装置を（図２に示すように）起動させるために、上昇フローが増大しなくてはならない度合で決めることもある。図１に示すような特定のバリアフィルタを装着する場合、フィルタエレメントの故障時に発生する流量だけでシーリングプラグを持ち上げてフェールセーフを起動させるのに十分となるように、シーリングプラグの重量と間隙３０４の大きさを設定する。
【００１５】
図１に示すように、フェールセーフ装置１００は、取付ブラケットまたはフランジ１１４によりチューブシート３０２に固着されている。チューブシートの設計によっては、他の取付機構を用いてもよい。フェールセーフ装置とフィルターの間にはガスケット１０６ａが設けられており、フィルターエレメント１１０とチューブシート３０２の間にさらにもう一つのガスケット１０６ｂを設けてもよい。ガスケット１０６ａと１０６ｂはＮｅｘｔｅｌ（登録商標）や他の同様の材料で作製してもよい。
【００１６】
シェル１０１は、２個の部品をフランジ３０７を介して接合するか、他の同様の接合手段で接合し、シーリングプラグと固定用球体を着脱自在としてもよい。
【００１７】
開孔部１０２，１０３と環状間隙３０４の大きさは、フィルター処理あるいはパルスクリーニング処理の際に、濾過済み煙道ガスやパルスクリーニングガスの流路としてフェールセーフ装置内に十分な流路が維持され、装置に加わる流体抵抗がフェールセーフ装置で最小になるような大きさにする。
【００１８】
非動作（すなわち、通常）状態では、濾過済み煙道ガスの上昇フロー１０４によりフェールセーフ装置１００の下部の圧力が増大し、その大きさはベルヌーイの条件式1/2ρｖ2からガス速度ｖと密度ρで決まる。この圧力の大部分は環状間隙３０４で消滅する。環状間隙内のくびれ部分がガス流に対して環状オリフィスとして作用するため、この環状オリフィスが小さくなるほどそこをガスが通過する際により多くの圧力が消滅することになる。
【００１９】
逆方向にガスパルスを印加してフィルタエレメントを洗浄する際、または下向き方向が通常の流通方向であるような場合に、こうしたパルスあるいはフローによる流れ３０５からプラグへ加わる下向き圧力は、球体１０７を介してシェルの内壁３１１と傾斜内面１０８へと伝わる。
【００２０】
図２に示すようにフィルターエレメント３０１が破損すると、機械的フェールセーフ装置１００の近傍で二つの条件が変化する。第一は、破損したフィルターエレメントの残存部と機械的フェールセーフ装置を通過するガスの上方向速度が、破損時に発生したチューブシート（不図示）での圧力低下により急激に押し上げられ、増大する。第二は、粒子含有の、あるいは未濾過または未処理のガスが、フィルターエレメント３０１の破損点からキャンドルフィルタエレメントの頂部や機械的フェールセーフ装置１００の方向へ流入する。フェールセーフ装置は、フィルタエレメントの故障時に発生する上向方向のガス速度の急激な増大に対応して、望ましくは、略瞬間的に起動するため、フェールセーフ装置が完全に起動してガス流が遮断されるまでに、フェールセーフ装置の頂部から粒子含有ガスや未処理ガスが排出されることはないか、または殆どないと考えられる。
【００２１】
フィルターエレメントが破損した場合は、機械的フェールセーフ１００内を流れるガスの速度が増大し、シーリングプラグの周囲に設けられた環状オリフィスで圧力低下が著しく増大し、このためシーリングプラグ自体に加わる上向き圧力が著しく増大する。機械的フェールセーフ装置に流入するガスの速度がフィルターエレメントの故障により増大する程度は、主にチューブシートでの圧力低下とチューブシートにくっついたままの破損フィルターエレメントの部分の大きさによる。計算によれば、フィルターエレメントの破損に続いて、機械的フェールセーフ装置内のガス速度は、十倍以上に増大する（それに伴うシーリングプラグの上方向の圧の増大は百倍以上にもなる）。
【００２２】
フィルターエレメント３０１の破損時に生じるように、シーリングプラグ周囲の環状オリフィスで十分な圧力低下が発生すると、シーリングプラグに加わる上方向の圧が増加し、シーリングプラグを球体上の停止位置から押し上げる。プラグは、図２に示すように上側開孔部１０２周囲の上側シーリング面３０６に接触するまで上へ移動し続ける。上側シーリング面の直径はシーリングプラグの半球面の直径に等しく、そのため図２のように動作状態では、これら２つの面が互いに接触して高品質シールが形成される。
【００２３】
図１に示すように、シェル１０１の内面は、プラグがシェル１０１の頂部のシーリング面３０６に近づくにつれ環状間隙を小さくすることで、プラグが上へ移動するとシーリングプラグの最も幅広い部分に隣接する環状オリフィスでの圧力が増加するような形状にする。
【００２４】
一旦シーリングプラグがシェルの頂部に到達してシーリング面３０６に十分に接触すれば、ガス流は完全に遮断され、上向きの力はゼロになる。この直前、球体１０７は、図２に示すように、溝１０９に沿って傾斜面１０８をまっすぐに転がり落ち始め、シーリングプラグ１０５の底部の位置３１９で、プラグとシェル傾斜面の溝１０９との間で締めつけられるようになる。この点に関して、球体、シェル及びシーリングプラグの大きさは、シェルの底部にある開孔部１０３から落ちないよう設計する（図１参照）。図２に示すように球体が最終位置に到達すると、球体は、シェルの上部開孔部１０２のシーリング面３０６にシーリングプラグを固定するロックとして機能し、ダスト、及び／または、未処理ガスがフェールセーフ装置から流出するのを防ぐと共に、逆流ガス洗浄パルスからの圧力でシーリングプラグがシェルの中へ押し戻されるのを防ぐ。
【００２５】
図２に示すように、軸調整ピン２０５をシェルの頂部に任意に取り付け、緊密なガイドホール３０８を通してシーリングプラグの本体内部へ延長させ、さらに本体から第二ガイドホール３０９へと挿入させてもよい。図５に示すように、調整ピンは、螺合接続部３１８を介してフレーム３１６とともにシェルの頂部に取り付けてもよい。フレーム３１６はネジ３１７でシェルに取り付けてもよい。あるいは、調整ピンをシーリングプラグに取り付けてシェル内のガイドホールの中まで延ばしてもよい。調整ピン２０５はシーリング面３０６に対して適切にシーリングプラグを取り付ける助けとなる。
【００２６】
さらに、フィルター容器内に設置する際、少量のパラフィンを用いて球体の接触面に塗布してシェル内の適当な位置にシーリングプラグと球体を保持してもよい。フィルター装置の立ち上げ処理の際にフィルター装置が予熱されるとパラフィンは溶融焼失する。フィルターエレメントの故障でフェールセーフ装置を作動させた後にフェールセーフ装置を取り外し、再調整、再設置を行わない限りパラフィンの再塗布は不要である。
【００２７】
本発明の機械的全流フェールセーフ装置は、フローガス内の同伴粒子を利用してシールを形成するフェールセーフ装置よりも多くの利点がある。こうした同伴粒子を利用したシールの形成は徐々に行われるのに対して、本発明の機械的フェールセーフ装置は、フィルターが損傷すると略瞬時に粒子含有ガスの流れを遮断する。機械的フェールセーフ装置の有効性はこのように粒子濃度とは無関係である。また、同伴粒子で流路を詰まらせるシールは、逆流クリーニングガスパルスを周期的に印加する場合には危うくなる。これに対して、本発明のフェールセーフ装置は、こうしたクリーニングパルスの力に抗して確実にシールを形成する。クリーニングパルスの印加の際に故障が発生しても、再度正常な方向に流動体が流れると、フェールセーフ装置は即座に作動する。
【００２８】
作動したフェールセーフ装置の再調整は至って簡単である。部品は全て、洗浄、乾燥、非動作状態で再配列、再設置が可能な（ＨＧＣＵフィルターへの応用に適合した３１０ＳＳ鋼材のように）適切な材料で作製するのが望ましい。
【００２９】
機械的全流フェールセーフ装置の基本原理は、ＨＧＣＵ粒子フィルター以外にも他の応用例にも適用できる。例えば、大型の同様の装置をオイルパイプラインやガスパイプラインに使用してもよい。こうしたパイプラインに一定間隔で、垂直方向に流れる短い垂直流通部にフェールセーフ装置を配置する。パイプラインが破損した場合は、液流はフェールセーフ装置の上流側で増加し、フェールセーフ装置を作動させて流れを遮断し、こうして安全や環境のみならず流動体の損失も最小限にする。
【００３０】
本発明の他の実施例は、少ない上向き方向の流動体でも装置が作動するよう構成することができる。そうした実施例は流動体の通常の流れが下方向であるような装置での逆流を防止するのに役立つ。
【００３１】
上述のように、本発明をその趣旨及び範囲から逸脱することなく様々に変更できることは当業者には自明であろう。従って、こうした変更は全て以下の請求項で包括されるものである。
【図面の簡単な説明】
添付図面を併用することで、以下の詳細な説明により本発明をさらに十分に理解することができる。これらの図面は説明だけを目的としたものであり、本発明を制限するものではない。
【図１】  図１は、本発明の好適実施態様における機械的全流フェールセーフ装置１００の非動作状態（流動体の通常の流通はできる）での断面図である。
【図２】  図２は、本発明の＜稼働状態の＞機械的全流フェールセーフ装置の動作状態を示し、損傷したフィルターエレメント３０１を通る流体の流れを遮断する様子を示した断面図である。
【図３】  図３は、フェールセーフシェルの傾斜底部表面で、球体1０７（1個のみを図示）をロックする溝１０９の様子を示す上面図である。
【図４】  図４は、半球状シーリング面３１０を備えたシーリングプラグ１０５の側面図、及び非動作状態において球体１０７を所定位置に固定保持する凹部２０２を示す円錐面２０１の拡大断面図である。
【図５】  図５は、調整ピン２０５をシェル１０１に固定し、調整ピンを適当に位置決めするフレーム３１６の上面図である。
【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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