JP2010007469A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部の状態変動を常時精度良く検出可能とし、正常／異常の判断を的確に行うことができ、二次的な破壊や損傷の発生を未然に防止できるようにした流体機械の保護構造を提供する。
【解決手段】センサ機能を有するセンサ層を予め設けた可動部が組み付けられており、センサ層の出力端子が出力信号取り出し可能に設けられている流体機械。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体機械に関し、とくに、可動部の正常／異常の判断を非破壊や非分解で行うことが可能なセンサ部を自ら備え、その情報に基づいて自身の保護が可能な流体機械に関する。

流体機械はその内部に各種可動部を有しているが、この可動部に異常が生じると、その流体機械は、所定の正常な機能を発揮できなくなったり、異音が発生したり、最悪の場合、局部的にあるいは全体的に破損に至ることもある。したがって、このような流体機械の可動部の異常は、極力初期段階で検出され、重大な事態に至ることが未然に防止されることが望ましい。

例えば、流体機械としての冷媒圧縮機についてみるに、これまでの圧縮機の内部異常の検知においては、例えば、内部に設けられたリード弁（例えば、吐出弁や吸入弁を構成するリード弁）に異常が生じると、圧縮機の表面温度の異常変化、吐出吸入異常、異音等が起こることがあり、これにより冷媒流量の変化が生じた時点で異常を検知するようにしていた。しかし、このような異常検知では、圧縮機内部に生じた異常が明確な形で外部異常として現れた時点で検知することになるので、異常検知のタイミングが遅く、圧縮機の保護としては不十分であるおそれがある。

リード弁の破壊が発生すると、他部品のピストン、斜板、渦巻き等の破壊が二次的に発生するおそれがある。このような不具合の発生に対しては、通常、トルクリミッター、サーマルプロテクト、圧力スイッチ等の動作を介して、例えば圧縮機の駆動源としてのエンジン側の保護を行っているのみである。

圧縮機側の保護としては、例えば、圧縮機の冷媒吐出室内の異常圧力上昇や異常温度上昇から圧縮機を保護するために、圧縮機内に、感温部材を内包した保護装置を組み込んだ圧縮機の保護装置が知られている（特許文献１）。しかし、この特許文献１で提案されている保護装置は、その主要構成が機械的な構成からなっているので、その保護装置を圧縮機内に組み込むと、圧縮機の大型化、重量増加を招くおそれがあり、また、手間のかかる組み込み作業が要求され、生産性が低下するおそれがある。

また、本発明に関連する技術として、例えばエンジンの主軸受部等の高温かつ大きな歪みの発生する部位での圧力測定の精度を向上するために、特定の組成の合金薄膜センサが提案されている（特許文献２）。しかし、この特許文献２で提案されている薄膜センサは、専ら、摺動部の圧力測定等の精度を高めることを目的として使用されるもので、前述したような流体機械の可動部の正常／異常の判断のための可動部の状態検知のためには使用されておらず、かつ、そのような技術思想も開示されていない。
特開２００５−１５５５４３号公報 特開２００１−２８１０７６号公報

そこで本発明の課題は、装置の大型化や重量増加を実質的に招くことなく、流体機械のとくに可動部の状態変動を常時精度良く検出可能とし、僅かな異常についても迅速に検出できるようにして、正常／異常の判断を的確に行うことを可能ならしめるとともに、二次的な破壊や損傷の発生を未然にかつ確実に防止できるようにした流体機械、とくにその保護装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る流体機械は、センサ機能を有するセンサ層を予め設けた可動部が組み付けられており、前記センサ層の出力端子が出力信号取り出し可能に設けられていることを特徴とするものからなる。

このような流体機械においては、可動部はセンサ層が予め設けられた状態で組み付けられているから、流体機械の運転による可動部の状態変動に伴って常時同時にセンサ層も状態変動することになり、センサ層の状態変動によるセンサ層の出力信号が、可動部の状態変動に対応する信号として常時、実質的に可動部の状態変動に対しリアルタイムにて、出力されることになる。そして、この流体機械自身に、センサ層の出力端子が出力信号取り出し可能に設けられているので、上記可動部の状態変動に対応する信号が容易に取り出されることになる。センサ層は可動部に対し一体的に設けられるので、可動部の微少な状態変動も極めて高い応答性をもって精度良く検出される。したがって、可動部に許容レベルよりもはるかに低い僅かな異常が生じた場合にあっても、そのごく僅かな異常が検出可能となり、可動部の正常／異常の判断が、非破壊や非分解の正規運転状態にて、的確に行われるとともに、異常状態が進展することが早期段階で防止されて、二次的な破壊や損傷の発生が未然にかつ確実に防止されるようになる。

上記センサ層は、歪み、温度、圧力、流量の少なくとも一つを検出可能に構成することができる。例えば、上記センサ層を、リード弁表面に圧力センサやピエゾセンサとして形成し、弁動作による弁座圧力をモニターし、通常動作パターンと異なる信号や信号パターンを検知した際に圧縮機を停止し、二次損傷を防止して圧縮機を保護するようにすることができる。

また、センサ層が可動部（例えば、リード弁）に負荷を与えず、かつ、動作検出信号にもノイズを発生させない構造とするために、センサ層を化学的または物理的手法により薄膜に形成することが好ましい。薄膜厚さは、例えば数μｍ程度に抑えても、充分に機能性を発揮することが可能であるため、圧縮機に実質的に負荷は与えず、しかも、可動部の大型化も招かない。このような薄膜のセンサ層を形成するために、センサ層は、例えば蒸着またはイオンプレーティングによって形成することができる。

また、上記センサ層による検出信号の信頼性を向上し、ノイズを低減するために、センサ層と可動部との間に絶縁層が介在されている構造とすることもできる。例えば、上記のような薄膜センサ層とリード弁素地の間に絶縁層を形成した多層構造とすることにより、絶縁性と耐久性、信号精度を併せ持った高品質、高信頼性システムを構築可能である。例えば、センサ層からの信号を、リード弁と弁座に接点を形成し弁板から圧縮機外部にリード弁の状態変動信号として送信するシステムである。薄膜センサ層の素材としては、センサ機能を発揮可能な導体や圧電体であればどのような材料を用いても実現可能である。

流体機械内の状態変動検出の対象となる可動部は、センサ層と一体的に変動可能な部位であればいかなる部位も対象となり得る。典型的には、可動部がリード弁からなる形態であり、リード弁に対しては、容易に、予め所望のセンサ層を形成しておくことが可能である。

また、本発明に係る流体機械においては、上記センサ層の出力信号の正常／異常判断手段を備えていることが好ましい。上述の如く、センサ層により僅かな可動部の状態変動でも検出可能であるので、この正常／異常判断手段により、可動部の状態変動が極めて的確にかつ重大な事態に至るまでに事前に極めて精度良く検出されることになる。

この正常／異常判断手段は、各種システムとして構築することが可能である。例えば、正常／異常判断手段が、予め定めた許容値と上記センサ層の出力信号とを比較することにより正常／異常の判断を行う手段からなる構成、あるいは、正常／異常判断手段が、予め取得され記憶されているデータ（例えば、予め試験によって取得されたデータ）と上記センサ層の出力信号とを比較することにより正常／異常の判断を行う手段からなる構成等である。上記データとしては、ある値を有するデータはもちろんのこと、データ列等のパターンデータも含む概念である。例えば上述したリード弁の動作は周期性を持つため、実際の複合動作パターンを事前にデータベース化しておくことで、どのような異常動作が発生しているかを非破壊で簡便にしかも的確に精度良く認識できるようになる。

また、上記正常／異常判断手段は、流体機械自体に付設されている構成とすることが可能である。もちろん、正常／異常判断手段を流体機械とは別に構成、あるいは流体機械とは離れた場所に設置し、センサ層の出力信号をその正常／異常判断手段に送信可能な構成を採用することもできる。

また、上記正常／異常判断手段には、その判断結果を表示する表示手段または／および判断結果に応じて警報を発する警報発信手段を接続することも可能である。これら表示手段や警報発信手段は、必要に応じて設ければよい。

このような本発明に係る流体機械の構成は、基本的にはいかなる場合にも適用可能である。代表的には、例えば、使用流体が冷媒である場合が挙げられ、中でも、高圧で使用される場合、例えば、冷媒が二酸化炭素である場合に、本発明は好適なものである。

また、本発明に係る流体機械の構成は、基本的にはいかなる流体機械に対しても適用可能であるが、とくに圧縮機に好適なものである。また、とくに、大型化やコスト上昇を伴うことなく流体機械の保護が要求される、車両用に使用される流体機械に本発明は好適であり、中でも、車両用空調装置の冷凍回路に組み込まれる圧縮機に好適なものである。

このように、本発明に係る流体機械によれば、可動部の状態変動を的確に精度よく検知して流体機械（例えば、圧縮機）の損傷に繋がるような不具合の発生を未然に防止でき、流体機械自体を確実に保護できるようになる。また、この検知を介して流体機械の駆動源（例えば、自動車のエンジン）の保護機能も実現できるため、従来の保護装置であるトルクリミッタ等を削減することが可能になる。トルクリミッタ等を削減により、圧縮機等の流体機械の大幅な軽量化につながるとともに低コストの流体機械が実現可能となる。本発明によるセンサ層を備えた保護装置は、前述のようなリード弁以外にも流体機械内の各種機構部品への適用が可能であり、リード弁を例にとって説明した上述の作用効果と同様の作用効果が得られる。

以下に、本発明について、実施の形態とともに、より具体的に説明する。
図１および図２は、本発明の一実施態様に係る流体機械を示しており、とくに、圧縮機の弁板部に設けられた可動部としてのリード弁に対して本発明におけるセンサ層を設けた場合の概略構成例を示している。図１において、１は圧縮機の弁板を示しており、弁板１上には、吐出弁あるいは吸入弁を構成するリード弁２が配置されている。リード弁２は、図２に示すように、複数の気筒に対応して設けられており、このリード弁２上に、本発明におけるセンサ機能を有するセンサ層３が予め設けられており、その状態でリード弁２が所定形態に組み込まれている。センサ層３は、例えば前述したように、蒸着またはイオンプレーティングによって形成できる。本実施態様では、リード弁２とセンサ層３との間に絶縁層４が介在されており、絶縁層４が先に形成されてその上にセンサ層３が蒸着やイオンプレーティングによって形成されている。

センサ層３の出力端子５が、センサ層３により検出した、リード弁２の状態変動に対応する（リード弁２の状態変動と一体的に変動する）センサ層３自体の状態変動の出力信号を取り出し可能に、圧縮機外面に現れるように設けられている。この出力端子５に信号配線６が接続され、本実施態様ではＡ／Ｄコンバータ７を介して、状態変動検出出力信号がデジタル信号としてマイクロコントローラ８に入力されるようになっている。このマイクロコントローラ８には、予め試験によって取得された正常運転時のデータが正常運転パターンとして記憶されており、上記Ａ／Ｄコンバータ７を介して送られてくるセンサ層３からの出力信号パターン（図示例では、異常運転パターンとして表記されている）が実質的にリアルタイムに比較されるので、このマイクロコントローラ８は本発明で言う正常／異常判断手段を構成している。この正常／異常判断手段による判断において異常発生が検地されたら、必要に応じて圧縮機停止信号９が発信されるようになっている。

このように、リード弁２に薄膜層からなるセンサ層３を予め設けておきその状態でリード弁２を組み込み、リード弁２とセンサ層３を一体的に状態変動させてリード弁２の状態変動の検出信号をリード弁２の状態変動に対しリアルタイムに出力できるようにしたので、ごく微少な状態変動であっても、極めて高い応答性をもって迅速にかつ極めて精度良く検出、出力されることになる。したがって、可動部としてのリード弁２につき、上記正常運転パターンに比較して、異常の予兆ともいうべき極めて僅かな異常変動が生じた場合にあっても、そのごく僅かな異常変動が検出可能となる。その結果、異常発生が極めて初期あるいは低レベルの段階にて確実に検出され、その異常状態がより高いレベルに進展することで発生する可能性のある二次的な破壊や損傷の発生が未然にかつ確実に防止されることになる。

本発明に係る流体機械の構成は、可動部を備えたあらゆる流体機械に適用可能であり、とくに、高圧使用の流体機械や、車両用空調装置に組み込まれる圧縮機に好適なものである。

本発明の一実施態様に係る流体機械としての圧縮機の弁板部に設けられたリード弁に対して本発明を適用した場合の概略構成図である。 図１のリード弁装置の全体平面図である。

符号の説明

１ 弁板
２ 可動部としてのリード弁
３ センサ層
４ 絶縁層
５ 出力端子
６ 信号配線
７ Ａ／Ｄコンバータ
８ 正常／異常判断手段を構成するマイクロコントローラ
９ 圧縮機停止信号

Claims (14)

1. センサ機能を有するセンサ層を予め設けた可動部が組み付けられており、前記センサ層の出力端子が出力信号取り出し可能に設けられていることを特徴とする流体機械。
2. 前記センサ層は、歪み、温度、圧力、流量の少なくとも一つを検出可能に構成されている、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記センサ層は、蒸着またはイオンプレーティングによって形成されている、請求項１または２に記載の流体機械。
4. 前記センサ層と前記可動部との間に絶縁層が介在されている、請求項１〜３のいずれかに記載の流体機械。
5. 前記可動部がリード弁からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の流体機械。
6. 前記センサ層の出力信号の正常／異常判断手段を備えている、請求項１〜５のいずれかに記載の流体機械。
7. 前記正常／異常判断手段が、予め定めた許容値と前記センサ層の出力信号とを比較することにより正常／異常の判断を行う手段からなる、請求項６に記載の流体機械。
8. 前記正常／異常判断手段が、予め取得され記憶されているデータと前記センサ層の出力信号とを比較することにより正常／異常の判断を行う手段からなる、請求項６に記載の流体機械。
9. 前記正常／異常判断手段が流体機械に付設されている、請求項６〜８のいずれかに記載の流体機械。
10. 前記正常／異常判断手段に、判断結果を表示する表示手段または／および判断結果に応じて警報を発する警報発信手段が接続されている、請求項６〜９のいずれかに記載の流体機械。
11. 使用流体が冷媒である、請求項１〜１０のいずれかに記載の流体機械。
12. 前記冷媒が二酸化炭素である、請求項１１に記載の流体機械。
13. 圧縮機である、請求項１〜１２のいずれかに記載の流体機械。
14. 車両用に使用される流体機械である、請求項１〜１３のいずれかに記載の流体機械。

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