JP2002512680A

JP2002512680A - ドライ軸受け検出装置

Info

Publication number: JP2002512680A
Application number: JP52686098A
Authority: JP
Inventors: ビランジャー、デイヴィッッド・ジェイ; ビーム、パーマー・エイチ; アイラーズ、ジョージ・ジェイ; モーバシャー、ダニエル・アール; ミラー、ダグラス・ピー
Original assignee: サンドストランド・フルイド・ハンドリング・コーポレイション
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2002-04-23
Also published as: US5929336A; WO1998026208A1; EP1012498A1; CA2274810A1; CA2274810C

Abstract

(57)【要約】ドライ軸受け状態を検出する装置は、マイクロプロセッサおよび関連回路によってパルスを特定回数間欠的に発生する超音波トランスジューサ（４０、７０）を利用している。超音波トランスジューサが受け取る戻しパルスの数をマクロプロセッサが検出し、それを利用してドライ軸受け状態の存在の有無を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】ドライ軸受け検出装置技術分野本発明は、概して検出器、特に機械の軸受けがドライ状態にある時を検出する装置に関する。背景技術相対移動可能な部品を有する機械は軸受けを設けている。相対移動する部品間の直接的接触がある状況では、摩耗の問題を考慮しなければならない。一般的に、十分な運用寿命が得られるように、また壊滅的故障の危険性を最小限に抑えるように、軸受け材料の選択および潤滑剤の使用の両方またはいずれか一方が行われる。機械によっては、潤滑が処理流体によって行われる。そのような機械の一例は、周囲環境から隔離しなければならない流体を汲み上げるために使用されるシールレスポンプ（キャンドモータポンプまたは磁気駆動ポンプとも呼ばれる）である。シールレスポンプの一例では、モータステージおよびポンプステージが単一ハウジング内に配置されており、共通のロータがポンプインペラに連結されている。ロータは、処理流体で潤滑された半径方向ジャーナルおよび軸方向スラスト軸受けで支持されている。これらの軸受けは、比較的軟質の炭素または耐摩耗セラミック材料で形成されている。一般的に、処理流体による潤滑は十分とは言えず、間欠的なドライ作動に直面する。実質的な潤滑がなくても短時間の作動には耐えることができるが、ドライ軸受け作動が長期化すると、高コストで潜在的危険がある状態が発生する可能性がある。従来より、モータが消費する電力を測定するために電力計を使用している。処理流体がポンプステージにない場合、モータで消費される電力が低下し、この状態を電圧計で感知することによって、ドライ軸受け状態の可能性が検出される。しかし、処理流体がポンプインペラには存在するが、軸受けの一方に存在しない状況も発生する可能性がある。この場合、電力計ではドライ軸受け状態を表すことができないであろう。発明の概要ドライ軸受け状態を検出する装置は、軸受け内の流体の存在を直接的に検出するため、検出の信頼度が改善される。さらに具体的に言うと、本発明の１つの態様によれば、軸受けハウジング内に配置された軸受けがドライ軸受け状態で作動している時を検出する装置は、軸受けハウジングに向けられた超音波センサと、超音波センサを励起して超音波エネルギーを軸受けハウジングに向けて送らせる励起回路と、軸受けハウジングからの反射超音波エネルギーを検出する検出回路とを備えている。好ましくは、励起回路は、超音波センサに超音波エネルギーのパルスを軸受けハウジングに向けて送らせるマイクロプロセッサを有している。また好ましくは、励起回路はさらに、マイクロプロセッサに接続されたワンショット回路と、このワンショット回路に接続されたドライバ回路とを有している。検出回路は、超音波センサが超音波エネルギーの戻しパルスを受け取ったことを決定する、上記のものと同一か、別のマイクロプロセッサを有することができる。またさらに、マイクロプロセッサは、超音波センサが戻しパルスを受け取ると予想される期間を定めるタイマを有することができる。検出回路はさらに、超音波センサに接続された比較器と、この比較器とマイクロプロセッサとの間に接続されたワンショット回路とを有している。またさらに、好適な実施の形態によれば、超音波センサは、多数の超音波エネルギーパルスを軸受けハウジングに向けて送るように作動し、マイクロプロセッサは、超音波センサが特定数の超音波エネルギー戻しパルスを受け取ったか否かを決定する手段を有している。他の実施の形態によれば、超音波センサは軸受けから半径方向または軸方向に間隔を置いて配置されている。本発明の別の態様によれば、回転軸受けがドライ軸受け状態で作動している時を検出する装置は、軸受け付近に配置されて、軸受けの近傍に向けられたトランスジューサ面を有している圧電トランスジューサと、この圧電トランスジューサを励起して超音波エネルギーを軸受け近傍に向けて送らせる励起回路とを備えている。超音波エネルギーが軸受け近傍から反射されたか否かを検出する検出回路も設けられている。本発明のさらに別の態様によれば、回転軸受けがドライ軸受け状態で作動している時を検出する装置は、軸受け付近に配置されて、電気エネルギーおよび音波エネルギー間の変換を行う手段と、変換手段を励起して超音波エネルギーのパルスを軸受けに向けて送らせる手段と、変換手段に接続されて、超音波エネルギーのパルスが軸受けから反射されたか否かを検出する手段とを備えている。他の特徴および利点は、本出願の明細書および図面から明らかになるであろう。図面では、同一の参照番号は同様の部材を示している。図面の簡単な説明第１図は、本発明を組み込んだシールレスポンプの概略図を含み、第２図は、第１図のシールレスポンプの一部分の拡大破断断面図を含み、これは本発明の第１実施の形態を示しており、第３図は、第２図と同様な図面を含み、これは本発明の第２実施の形態を示しており、第４図は、第３図の４−４線にほぼ沿った第３図のセンサハウジングの立面図を含み、第５図は、第３図の圧電トランスジューサに接続された回路のブロック図を含み、第６ａ図および第６ｂ図は、同一文字を記した線に沿って結合した時、本発明の好適な実施の形態を実施するために第５図のプロセッサによって実行されるフローチャートを含んでいる。好適な実施の形態の説明第１図を参照すると、シールレスポンプ１０は、モータステージ１２と、ポンプステージ１４と、ロータ構造部１６とを備えている。図示のポンプ１０では、ロータ構造部１６はステージ１２および１４に共通であって、モータステージ部分１８とポンプステージ部分２０とを含み、ポンプステージ部分２０はポンプ１０のポンプ入口２４に流入する処理流体を加圧するインペラ２２を備えている。加圧された処理流体はポンプ出口２６から送り出される。ロータ構造部１６は、それぞれ前後軸受け２８、３０に回転運動のために取り付けられている。処理流体は、軸受け２８、３０の近傍に導き入れられてそれらを潤滑する。モータステージ１２のステータ構造部３２が、外側ハウジング３４と内側スリーブ３６との間に封入されて、ステータ構造部を処理流体から隔離できるようにしている。ポンプ１０は第１図に示されている構造である必要はないことに注意されたい。例えば、ポンプ１０は、完全に分離したモータおよびポンプステージを軸で相互に連結するようにしてもよい。実際に、本発明は、機械式軸受けの潤滑および液体の存在（の有無）の検出の両方またはいずれか一方が必要である環境で有用性が認められる限り、まったく異なった機械にも使用できるであろう。第２図は、圧電素子４０の形態の超音波トランスジューサが後軸受け３０の半径方向外側に配置されている第１実施の形態を示している。本実施の形態では、素子４０はパッド４２に固着されており、このパッド４２は今度は内側スリーブ３６に設けられたリセス４４内に取り付けられている。パッド４２は、接着剤または他の適当な手段で素子４０が固着される平坦な上表面と、リセス４４の底面にはめ付けられる形状の湾曲下表面とを有している。パッド４２は、いずれかの適当な方法で、例えば溶接で内側スリーブ３６に取り付けられている。スリーブ３６への素子４０およびパッド４２の取り付けは、超音波エネルギーが適当な大きさでスリーブ３６を通って軸受け３０の近傍に伝達されるようにして行われる必要がある。さらに、素子４０をスリーブ３６の形状に合わせて湾曲させてもよく、その場合、素子をそれに直接的に固着できるため、パッド４２を省くことができることに留意されたい。穴４６が軸受けハウジング４８に貫設されており、超音波エネルギーを後軸受け３０の近傍に向けて伝える。軸受け３０は、軸受けハウジング４８の端面５４にボルトで固定された端部プレート５２によって軸受けハウジング４８に固定されている。内側軸受けスリーブ５６が、適当な方法でロータ軸５８に固着されている。ポンプ１０の正常作動中、処理流体がロータ構造部と内側スリーブ３６との間の環状空間に流れ込んで外側室５９に入る。流体は次に軸受け３０と内側軸受けスリーブ５６との間の環状隙間を通って端部室６０に流入する（わかりやすくするために、図面では軸受け３０とスリーブ５６との間の環状隙間が誇張されている）。次に、処理流体はポート６２に入り、ロータ軸５８内の内孔６４を通ってポンプステージ部分２０に戻る。第３図および第４図の実施の形態は、圧電素子７０の形態の超音波トランスジューサが後軸受け３０から軸方向に間隔を置いて配置されている点で、第２図の実施の形態と異なっている。素子７０は、中央スリーブ７６に形成されたリセス７４の下表面７２に接着剤または他の適当な手段で取り付けられている。中央スリーブ７６は、適当な手段で外側プレート部材７８内に固着されている。外側プレート部材７８は、適当な手段（ボルト等）でステータ構造部３２に固着されており、これによって円筒形内側部材８０の環状フランジをステータ構造部３２に当接した固定位置に締め付けることができる。従って、中央スリーブ７６および部材７８、８０はステータ構造部３２に固く固定されて、共に軸受けハウジング８２を形成しており、これに後軸受け３０が適当な方法で固着されている。第４図に示されているように、円筒形内側部材８０の壁に拡大リセス８６が設けられており、これによって、素子７０で発生して中央スリーブ７６を通って伝達された超音波エネルギーが軸受け３０に到達することができる。第３図および第４図の実施の形態は、素子７０が平坦面に取り付けられており、従ってパッドまたは他の介在部材を必要としないため、第２図の実施の形態より好ましい。第５図は、上記実施の形態のいずれにも使用可能な回路のブロック図を示している。マイクロプロセッサ９０が制御パルスを発生し、これはワンショット回路すなわちパルス発生器９２に与えられる。後者の回路は適当な持続時間のパルスを発生してドライバ回路９４に送り、このドライバ回路９４は、今度は適当な大きさおよび波形のトリガパルスを圧電素子４０または７０に送る。これに応答して、素子４０または７０は超音波パルスをそれぞれ軸受けハウジング４８または８２に向ける。素子４０または７０の初期励起から生じる超音波エネルギーは反射超音波エネルギーと共に、素子４０または７０によって電気信号（後者は戻し信号とも呼ばれる）に戻される。素子４０または７０の初期励起によって発生する信号の振幅を制限する振幅制限回路９８が設けられている。利得／フィルタ回路１００と整流器／フィルタ回路１０２とが戻し信号を調整し、これによって得られた信号が比較器１０４で基準電圧Ｖ_REFと比較される。調整戻し信号が基準電圧Ｖ_REFを超える毎に、パルス発生器すなわちワンショット回路１０６が特定の持続時間のパルスを発生する。ワンショット回路１０６の出力はマイクロプロセッサ９０によって検出される。第６ａ図および第６ｂ図は、本発明を実施するために第５図のマイクロプロセッサ９０が実行するプログラミングを示している。プログラミングはブロック１１０で始まり、ここでループカウンタＩが１に設定され、マイクロプロセッサカウンタＣＯＵＮＴが０に設定される。次に、ブロック１１２でトリガパルスが発生して、第５図の回路９２および９４に送られ、そこから素子４０または７０に送られるため、超音波エネルギーのパルスが後軸受け３０の近傍に向けて伝達される。ブロック１１４で、マイクロプロセッサ９０の第１タイマＴＩＭＥＲ１を初期化して開始する。次に、第１タイマーの限度に達するまで、制御はブロック１１６で一時中断する。第１タイマーの限度は、素子４０または７０が戻しパルスを受け取ると予想されるまでの最短時間を表す。第１タイマー限度に達すると、ブロック１１８でマイクロプロセッサ９０は捕捉作動モードに入り、ここでマイクロプロセッサ９０はワンショット回路１０６の出力を検出する。マイクロプロセッサ９０がパルスを受け取ると、マイクロプロセッサ内の捕捉レジスタに非ゼロ値をロードする。ブロック１２０で（素子４０または７０が戻しパルスを受け取る最長時間を表す）第２タイマ限度に達したと決定されるまで、マイクロプロセッサは捕捉モードのままである。ブロック１２０に続いて、ブロック１２２で、捕捉レジスタが非ゼロ値であるか否かを決定するチェックが行われる。そうである場合、ブロック１２４でカウンタＣＯＵＮＴが増分される。そうでない場合、ブロック１２４をスキップする。次に、制御は第６ｂ図のブロック１２６に進み、ここでループカウンタＩが増分される。ブロック１２８で、Ｉの現在値が特定値Ｉ_L、好適な実施の形態では１００より小さいか否かを決定するチェックが行われる。そうであることがわかった場合、制御は第６ａ図のブロック１１２に戻る。そうでない場合、素子４０または７０がＩ_Lの値で表される特定数のパルスを発生したと決定されて、制御はブロック１３０に進む。ブロック１３０で、ＣＯＵＮＴの現在値が閾値ＴＨＲより小さいか否かが決定される。そうでない場合、素子４０または７０にＩ_Lのトリガパルスを与えた結果としてそれらが実際に受け取った戻しパルスの数は、軸受けがドライ軸受け状態にないことを表していると決定される。従って、ブロック１３２で、マイクロプロセッサ９０が制御しているドライ軸受けインジケータを使用不能にして、マイクロプロセッサタイマＴＩＭＥＲ２を不作動化する。次に、制御は第６ａ図のブロック１１０に戻る。ブロック１３０でＣＯＵＮＴの現在値がＴＨＲより小さいと決定された場合、受け取られた戻しパルスの数がドライ軸受け状態を表していると決定される。従って、ブロック１３４で、タイマＴＩＭＥＲ２が作動中か否かを決定するチェックが行われる。そうでない場合、タイマＴＩＭＥＲ２を初期化して開始させ、ドライ軸受けインジケータを作動させる。タイマＴＩＭＥＲ２がすでに作動中である場合、プログラミングの先回のパスでドライ軸受け状態が検出されており、従ってブロック１３６および１３８をスキップする。次に、制御はブロック１４０に渡り、ここでタイマＴＩＭＥＲ２の時間限度に到達しているか否かを決定する。否の場合、制御は第６ａ図のブロック１１０に戻る。達している場合、ドライ軸受け状態が許容できない時間長さにわたって継続的に存在していると決定されて、従ってブロック１４２でアラームの作動およびポンプ１０の作動停止の両方またはいずれか一方の形の保護動作が実行される。いずれの実施の形態の単一の超音波トランスジューサ４０または７０も、所望ならば個別の受信および送信超音波トランスジューサに代えることもできることに注意されたい。また、単一のマイクロプロセッサ９０の代わりに、それぞれトランスジューサ４０または７０にパルスを発生させ、戻しパルスを供給する別の単一または複数の回路か、個別の第１および第２マイクロプロセッサ（または他の個別回路）を用いてもよい。以上の説明を鑑みて、当業者には多くの本発明の変形例および他の実施の形態が明らかになるであろう。従って、本記載は単に説明的として解釈されるべきであり、本発明を実施する最良の態様を当業者に教示するためのものである。本発明の精神から逸脱することなく構造の詳細を大幅に変更することもでき、添付の請求の範囲に入るすべての変形例の排他的使用を確保している。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年７月９日（１９９８．７．９）【補正内容】請求の範囲１．軸受けハウジング内に配置された軸受けの作動状態を検出する装置であって、軸受けハウジングに向けられ、且つそれより間隔を置いて配置された超音波センサと、該超音波センサを励起して超音波エネルギーを軸受けハウジングに向けて送らせる励起回路と、超音波エネルギーが軸受けハウジングに向けて送られ且つドライ軸受け状態の表示を発生した後のある期間中超音波センサが反射超音波エネルギーを受けなかったか否かを決定する検出回路とを備えている装置。２．前記励起回路は、前記超音波センサに超音波エネルギーのパルスを軸受けハウジングに向けて送らせるマイクロプロセッサを有している請求の範囲第１項に記載の装置。３．前記励起回路はさらに、前記マイクロプロセッサに接続されたワンショット回路と、該ワンショット回路に接続されたドライバ回路とを有している請求の範囲第１項に記載の装置。４．前記検出回路は、前記超音波センサが超音波エネルギーの戻しパルスを受け取ったことを決定するマイクロプロセッサを有している請求の範囲第１項に記載の装置。５．前記マイクロプロセッサは、前記超音波センサが戻しパルスを受け取ると予想される期間を定めるタイマを有している請求の範囲第４項に記載の装置。６．前記検出回路はさらに、前記超音波センサに接続された比較器と、該比較器と前記マイクロプロセッサとの間に接続されたワンショット回路とを有している請求の範囲第５項に記載の装置。７．前記超音波センサは、多数の超音波エネルギーパルスを軸受けハウジングに向けて送るように作動し、前記マイクロプロセッサは、前記超音波センサが特定数の超音波エネルギー戻しパルスを受け取ったか否かを決定する手段を有している請求の範囲第６項に記載の装置。８．前記超音波センサは、軸受けから半径方向に間隔を置いて配置されている請求の範囲第１項に記載の装置。９．前記超音波センサは、軸受けから軸方向に間隔を置いて配置されている請求の範囲第１項に記載の装置。１０．回転軸受けの作動状態を検出する装置であって、軸受けから間隔を置いて配置されて、軸受けの近傍に向けられたトランスジューサ面を有している圧電トランスジューサと、該圧電トランスジューサを励起して超音波エネルギーを、軸受け流体を受けるようになされた空間を横切って軸受け近傍に向けて送らせる励起回路と、前記空間の軸受け流体の不足で起きたドライ軸受け状態により超音波エネルギーが軸受け近傍に向けて送られた後のある期間中前記圧電トランスジューサが反射超音波エネルギーを受けなかったか否かを表示する回路とを備えている装置。１１．前記圧電トランスジューサは、軸受けから半径方向に間隔を置いて配置されている請求の範囲第１０項に記載の装置。１２．前記圧電トランスジューサは、軸受けから軸方向に間隔を置いて配置されている請求の範囲第１０項に記載の装置。１３．前記励起回路は、前記圧電トランスジューサに超音波エネルギーのパルスを軸受けに向けるマイクロプロセッサを有している請求の範囲第１２項に記載の装置。１４．前記検出回路は、前記圧電トランスジューサが超音波エネルギーの戻しパルスを受け取ったことを決定するマイクロプロセッサを有している請求の範囲第１２項に記載の装置。１５．前記マイクロプロセッサは、前記圧電トランスジューサが戻しパルスを受け取ると予想される期間を定めるタイマを有している請求の範囲第１４項に記載の装置。１６．回転軸受けの作動状態を検出する装置であって、軸受けから間隔を置いて配置されて、電気エネルギーと音波エネルギーとの間の変換を行う手段と、該変換手段を励起して超音波エネルギーのパルスを、作動流体を受けるようになされた空間を横切る軸受けに向ける手段と、前記変換手段に接続されて、前記空間の作動流体の不足で起きたドライ軸受け状態により超音波エネルギーが軸受けハウジングに向けて送られた後のある期間中前記変換手段が反射超音波エネルギーを受けなかったか否かを表示する手段とを備えている装置。１７．前記変換手段は、圧電素子を有している請求の範囲第１６項に記載の装置。１８．前記励起手段は、マイクロプロセッサを有している請求の範囲第１７項に記載の装置。１９．前記マイクロプロセッサは、前記圧電素子が戻しパルスを受け取ると予想される時間長さを定めるタイマを有している請求の範囲第１８項に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アイラーズ、ジョージ・ジェイアメリカ合衆国、コロラド州、エヴァーグリーン、ダブリュ・メドー・ロード 1110 (72)発明者モーバシャー、ダニエル・アールアメリカ合衆国、コロラド州、レイクウッド、リー・ストリート 890 (72)発明者ミラー、ダグラス・ピーアメリカ合衆国、コロラド州、レイクウッド、エス・フィグ・ストリート 2264

Claims

【特許請求の範囲】１．軸受けハウジング内に配置された軸受けがドライ軸受け状態で作動している時を検出する装置であって、軸受けハウジングに向けられた超音波センサと、該超音波センサを励起して超音波エネルギーを軸受けハウジングに向けて送らせる励起回路と、軸受けハウジングからの反射超音波エネルギーを検出する検出回路とを備えている装置。２．前記励起回路は、前記超音波センサに超音波エネルギーのパルスを軸受けハウジングに向けて送らせるマイクロプロセッサを有している請求の範囲第１項に記載の装置。３．前記励起回路はさらに、前記マイクロプロセッサに接続されたワンショット回路と、該ワンショット回路に接続されたドライバ回路とを有している請求の範囲第１項に記載の装置。４．前記検出回路は、前記超音波センサが超音波エネルギーの戻しパルスを受け取ったことを決定するマイクロプロセッサを有している請求の範囲第１項に記載の装置。５．前記マイクロプロセッサは、前記超音波センサが戻しパルスを受け取ると予想される期間を定めるタイマを有している請求の範囲第４項に記載の装置。６．前記検出回路はさらに、前記超音波センサに接続された比較器と、該比較器と前記マイクロプロセッサとの間に接続されたワンショット回路とを有している請求の範囲第５項に記載の装置。７．前記超音波センサは、多数の超音波エネルギーパルスを軸受けハウジングに向けて送るように作動し、前記マイクロプロセッサは、前記超音波センサが特定数の超音波エネルギー戻しパルスを受け取ったか否かを決定する手段を有している請求の範囲第６項に記載の装置。８．前記超音波センサは、軸受けから半径方向に間隔を置いて配置されている請求の範囲第１項に記載の装置。９．前記圧電トランスジューサは、軸受けから軸方向に間隔を置いて配置されている請求の範囲第１項に記載の装置。１０．回転軸受けがドライ軸受け状態で作動している時を検出する装置であって、軸受け付近に配置されて、軸受けの近傍に向けられたトランスジューサ面を有している圧電トランスジューサと、該圧電トランスジューサを励起して超音波エネルギーを軸受け近傍に向けて送らせる励起回路と、超音波エネルギーが軸受け近傍から反射されたか否かを検出する検出回路とを備えている装置。１１．前記圧電トランスジューサは、軸受けから半径方向に間隔を置いて配置されている請求の範囲第１０項に記載の装置。１２．前記圧電トランスジューサは、軸受けから軸方向に間隔を置いて配置されている請求の範囲第１０項に記載の装置。１３．前記励起回路は、前記圧電トランスジューサに超音波エネルギーのパルスを軸受けに向けるマイクロプロセッサを有している請求の範囲第１２項に記載の装置。１４．前記検出回路は、前記圧電トランスジューサが超音波エネルギーの戻しパルスを受け取ったことを決定するマイクロプロセッサを有している請求の範囲第１２項に記載の装置。１５．前記マイクロプロセッサは、前記圧電トランスジューサが戻しパルスを受け取ると予想される期間を定めるタイマを有している請求の範囲第１４項に記載の装置。１６．回転軸受けがドライ軸受け状態で作動している時を検出する装置であって、軸受け付近に配置されて、電気エネルギーと音波エネルギーとの間の変換を行う手段と、該変換手段を励起して超音波エネルギーのパルスを軸受けに向ける手段と、前記変換手段に接続されて、超音波エネルギーが軸受けから反射されたか否かを検出する手段とを備えている装置。１７．前記変換手段は、圧電素子を有している請求の範囲第１６項に記載の装置。１８．前記励起手段は、マイクロプロセッサを有している請求の範囲第１７項に記載の装置。１９．前記マイクロプロセッサは、前記圧電素子が戻しパルスを受け取ると予想される時間長さを定めるタイマを有している請求の範囲第１８項に記載の装置。