JP2014163778A - 回転体の軸方向の移動量を計測する軸方向移動量計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転体に対向する方向から当該回転体の軸方向の微少な移動量を計測することができる軸方向移動量計測システムを提供する。
【解決手段】回転体２１には、回転軸に同心に設けられた円盤状のフランジ部２１ａが設けられている。そして、軸方向移動量計測システム１０は、フランジ部２１ａの一方の外周縁２１ｃに対向して設置された第１の渦電流センサ１１と、フランジ部２１ａの他方の外周縁２１ｄに対向して設置された第２の渦電流センサ１２と、第１の渦電流センサ１１の出力値および第２の渦電流センサ１２の出力値に基づいて回転体の軸方向の移動量を算出する移動量算出手段１３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転体のスラストベアリングの摩耗等による軸方向の僅かな移動量を計測する軸方向移動量計測システムに関する。

遠心圧縮機や電動機のように、中心軸周りに回転する回転体を備えた回転機械において当該回転体がスラストベアリングの摩耗等により軸方向に沿って変位した場合に、不具合が生じるおそれがある。

特に、遠心圧縮機では、回転体に設置されたインペラの吸入側と吐出側との圧力差によって生じる軸方向に沿うスラスト力がスラストベアリングに長期間に亘って加えられる。また、当該スラスト力は運転状態によって変化し、且つ、スラストベアリングには運転時の振動も作用する。これらの要因等にてスラストベアリングが摩耗した場合には、当該回転体が軸方向に沿って変位することになる。この結果、回転体の変位は、インペラと相手静止部材との相対位置の変化をもたらし、当該遠心圧縮機の効率低下や運転点が変化するという不具合が生じるおそれがある。また、変位した回転体が他の静止部材に接触するという不具合が生じるおそれもある。従って、回転体の移動量を精密に計測して回転体の変位量を監視することは重要である。

特許文献１には、回転体の一端側に、当該回転体の軸方向の移動量を測定する測定器が設けられた遠心圧縮機が記載されている。特許文献２には、回転体において、当該回転体の軸に同心に設けられた円盤状の面を有するスラスト板が設けられるとともに、当該円盤状の面に対向して当該回転体の軸方向の移動量を測定する測定器が設けられたスピンドル装置が記載されている。

特許文献１および特許文献２に記載されているように、回転体を備えた従来の機械では、当該回転体の軸方向に沿って設置された測定器が当該回転体の移動量を測定していた。

なお、特許文献３には、モータ側の回転力を弁体の開閉駆動力として伝達する電動弁の開閉量を、螺旋状に溝部が設けられた弁棒の軸方向の移動量によって測定する測定装置が記載されている。

特開平５−２６３７８９号公報 特開平７−２３７０６９号公報 特開２０１２−１８５１４５号公報

特許文献１に記載されている遠心圧縮機では、測定器が回転体の一端側に設けられている。また、特許文献２に記載されているスピンドル装置では、測定器がスラスト板の円盤状の面に対向する位置に設けられている。しかし、一般に、回転体の周囲には配管や他の機器が配置されており、回転体の一端側および他端側に測定器を設置することができず、さらに、スラスト板の円盤状の面に対向する位置にも測定器を設置することができない場合がある。そのような場合に、特許文献１および特許文献２に記載されている技術を適用して、回転体の軸方向への移動量を測定することができない。

また、特許文献３に記載されている測定装置は、特許文献１および特許文献２に記載された技術における回転体に対応する弁棒に対向する位置に設置可能であるが、弁棒に設けられたネジ部６ａの山部６１と谷部３２とが測定対象領域を通過した数にもとづいて弁棒の移動量、すなわち弁体の開閉量を測定するので、スラスト軸受の微少な摩耗量を測定することを目的とするものではなく、弁棒の微少な移動量を測定することができない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回転体の周面に対向する方向から当該回転体の軸方向の微少な移動量を計測することができる軸方向移動量計測システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による軸方向移動量計測システムは、回転体の軸方向の移動量を計測する軸方向移動量計測システムであって、回転体の回転軸に同心に設けられた円盤状のフランジ部と、フランジ部の一方の外周縁に対向して設置された第１の渦電流センサと、フランジ部の他方の外周縁に対向して設置された第２の渦電流センサと、第１の渦電流センサの出力値および第２の渦電流センサの出力値に基づいて回転体の軸方向の移動量を算出する移動量算出手段とを備えたことを特徴とする。

移動量算出手段は、回転体の軸方向の移動量として、第１の渦電流センサの出力値に応じた計測値と第２の渦電流センサの出力値に応じた計測値との和を算出するように構成されていてもよい。

移動量算出手段は、第１の渦電流センサの出力値に応じた計測値と第２の渦電流センサの出力値に応じた計測値との和に基づいて、回転体の移動方向を特定するように構成されていてもよい。

本発明によれば、回転体において軸に同心に設けられた円盤状のフランジ部の一方の外周縁と他方の外周縁とにそれぞれ対向して設置されたそれぞれの渦電流センサの出力値に基づいて回転体の軸方向の移動量を算出するので、回転体の周面に対向する方向から当該回転体の軸方向の移動量を計測することができる。

また、渦電流センサの出力値に基づいて回転体の軸方向の移動量を算出するので、回転体の軸方向の微少な移動量を計測することができる。

本発明の実施形態の軸方向移動量計測システムが搭載された遠心圧縮機の回転体の構成例を示す要部断面図である。 軸方向移動量計測システムの構成例を示すシステム構成図である。 移動量算出手段による移動量の算出結果と出力電圧との関係を示すグラフである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態の軸方向移動量計測システム１０が搭載された遠心圧縮機２０の回転体２１の構成例を示す要部断面図である。図１に示すように、本実施形態の軸方向移動量計測システム１０が搭載される遠心圧縮器２０は、回転体２１に、回転軸に同心に設けられた円盤状のフランジ部２１ａが設けられている。フランジ部２１ａは、回転体２１の周面に沿う外周面２１ｂを有する。

図１に示す遠心圧縮機２０は、回転体２１の回転軸に同心に、円盤状のフランジ部２１ａとともに、複数のインペラ２２が設けられている。そして、回転体２１が回転軸周りに回転すると、吸入口２４から供給された気体（例えば、空気）は、各インペラ２２によって圧縮される。各インペラ２２を出た気体は、各ディフューザ２３を通過し、圧縮されて最終的に吐出口２５から吐出される。また、回転体２１には、各インペラ２２の吸入側と吐出側との圧力差によって回転軸に沿う方向のスラスト力が生じる。そして、回転体２１は、当該スラスト力等によって変位しないようにラジアルスラストベアリング３１に支持されている。

回転体２１の端部近傍に、屈曲部２６ａ，２６ｂを有する棒状の支持部材２６によって、フランジ部２１ａの外周面２１ｂに対向する位置に第１の渦電流センサ１１および第２の渦電流センサ１２が配置される。なお、本実施形態の支持部材２６は、一端が、例えば、ボルト２８によってハウジング２７に設置された固定部材２９を介して当該ハウジング２７に固定されている。そして、支持部材２６の他端に、第１の渦電流センサ１１および第２の渦電流センサ１２が設置されている。

なお、図１に示す例では、第１の渦電流センサ１１および第２の渦電流センサ１２に電線１０ａによって互いに電気的に接続された後述する移動量算出手段１３が遠心圧縮機２０とは離れた場所に設置されている。

図２は、軸方向移動量計測システム１０の構成例を示すシステム構成図である。図２に示すように、軸方向移動量計測システム１０は、フランジ部２１ａの外周面２１ｂに対向する位置に設置された第１の渦電流センサ１１および第２の渦電流センサ１２と、移動量算出手段１３とを含む。そして、図２に示すように、第１の渦電流センサ１１および第２の渦電流センサ１２は、電線１０ａを介して移動量算出手段１３に接続される。なお、本実施形態では、フランジ部２１ａの外周面２１ｂと第１の渦電流センサ１１の測定面１１ａおよび第２の渦電流センサ１２の測定面１２ａとの間の距離は、０．７５ｍｍであるとする。

第１の渦電流センサ１１は、フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける一方の外周縁２１ｃに対向して設置されている。より具体的には、第１の渦電流センサ１１の測定面１１ａが、フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける一方の外周縁２１ｃに対向している。従って、第１の渦電流センサ１１の測定面１１ａのうち、一部の領域がフランジ部２１ａの外周面２１ｂに対向している。

第２の渦電流センサ１２は、フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける他方の外周縁２１ｄに対向して設置されている。より具体的には、第２の渦電流センサ１２の測定面１２ａが、フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける他方の外周縁２１ｄに対向している。従って、第２の渦電流センサ１２の測定面１２ａのうち、一部の領域がフランジ部２１ａの外周面２１ｂに対向している。

第１の渦電流センサ１１および第２の渦電流センサ１２は、移動量算出手段１３から数ＭＨｚの高周波電流が供給されると、高周波磁界をそれぞれ発生する。

第１の渦電流センサ１１から発生した高周波磁界の磁束が鎖交することで、フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける外周縁２１ｃ側に渦電流が流れる。フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける外周縁２１ｃ側に渦電流が流れると磁界が発生する。

従って、回転体２１が軸方向に沿って移動して第１の渦電流センサ１１の測定面１１ａのうちフランジ部２１ａの外周面２１ｂに対向する領域の面積が変化すると、フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける外周縁２１ｃ側の渦電流が変化して、発生する磁界に変化が生ずる。すると、第１の渦電流センサ１１のインピーダンスが変化する。

また、第２の渦電流センサ１２から発生した高周波磁界の磁束が鎖交することで、フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける外周縁２１ｄ側に渦電流が流れる。フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける外周縁２１ｄ側に渦電流が流れると磁界が発生する。

従って、回転体２１が軸方向に沿って移動して第２の渦電流センサ１２の測定面１２ａのうちフランジ部２１ａの外周面２１ｂに対向する領域の面積が変化すると、フランジ部２１ａの外周面２１ｂにおける外周縁２１ｄ側の渦電流が変化して、発生する磁界に変化が生ずる。すると、第２の渦電流センサ１２のインピーダンスが変化する。

移動量算出手段１３は、第１の渦電流センサ１１の出力値および第２の渦電流センサ１２の出力値に基づいて回転体２１の軸方向の移動量を算出する。具体的には、本実施形態の移動量算出手段１３は、測定した第１の渦電流センサ１１のインピーダンスおよび第２の渦電流センサ１２のインピーダンスにそれぞれ応じた電圧をそれぞれの計測値として決定し、決定したそれぞれの計測値の和を回転体２１の軸方向の移動量として算出し、算出結果に応じた電圧を出力する。

図３は、移動量算出手段１３による移動量の算出結果と出力電圧との関係を示すグラフである。図３には、横軸に回転体２１の移動量Ｓが示されており、縦軸に出力電圧Ｖが示されている。図３に示すように、回転体２１の移動量が０ｍｍであるとき（つまり、回転体２１が所定の位置にあるとき）には、移動量算出手段１３の出力電圧は４．９Ｖ程度である。換言すれば、移動量算出手段１３の出力電圧が４．９Ｖであるときには、回転体２１の移動量は０ｍｍであることがわかる。

そして、回転体２１が軸方向に沿って移動すると、移動方向および移動量に応じて出力電圧が変化する。具体的には、回転体２１が所定の位置から軸方向の一方に移動した場合に、移動量に比例して出力電圧が増加する。図３に示す例では、回転体２１が所定の位置から軸方向の一方への１．５ｍｍの移動（図３において−１．５ｍｍと表示）に比例して、移動量算出手段１３の出力電圧が４．９Ｖ程度から６．５Ｖ程度まで増加する。

従って、移動量算出手段１３の出力電圧が４．９Ｖより大きい値に増加したときには、回転体２１が、軸方向の一方へ出力電圧に応じた移動量分変位したことがわかる。また、移動量算出手段１３の出力電圧が増加した場合には、出力電圧の増加分に応じた移動量分回転体２１が軸方向の一方へ変位したことがわかる。

また、回転体２１が所定の位置から軸方向の他方に移動した場合に、移動量に比例して出力電圧が減少する。図３に示す例では、回転体２１が所定の位置から軸方向の他方への１．５ｍｍの移動（図３において１．５ｍｍと表示）に比例して、移動量算出手段１３の出力電圧が４．９Ｖ程度から３．０Ｖ程度まで減少する。

従って、移動量算出手段１３の出力電圧が４．９Ｖ未満に減少したときには、回転体２１が、軸方向の他方へ出力電圧に応じた移動量分変位したことがわかる。また、移動量算出手段１３の出力電圧が減少した場合には、出力電圧の減少分に応じた移動量分回転体２１が軸方向の他方へ変位したことがわかる。

従って、本実施形態では、回転体２１が、所定の位置を中心に軸方向の一方から他方に亘る３．０ｍｍの範囲で、回転体２１の移動量を精密に計測することができる。そして、回転体２１の変位量を精密に監視することができる。従って、回転体２１の変位によって生じる遠心圧縮機２０の効率の低下や運転点の変化を未然に防ぐことができる。また、変位した回転体２１等（具体的には、例えば、インペラ２２）が他の部材（具体的には、例えば、ディフューザ２３）に接触するという不具合の発生を未然に防ぐことができる。また、さらに広い範囲で、回転体２１の移動量を精密に計測するように構成することも可能である。

なお、一般に、渦電流センサ１１，１２が設置されるハウジング２７内には潤滑油が飛散している。具体的には、回転体２１の回転により、フランジ部２１ａの周囲には潤滑油が微粒子化して浮遊している場合（オイルミスト雰囲気中の場合）がある。そのような場合に、光センサを用いて回転体２１の移動量を計測しようとしても、微粒子化した潤滑油によって精密な計測は困難である。

それに対して、本実施形態によれば、第１の渦電流センサ１１の出力値および第２の渦電流センサ１２の出力値に基づいて回転体２１の軸方向の移動量を算出するので、回転体２１の周囲に潤滑油が微粒子化して浮遊している場合であっても、回転体２１の移動量を精密に計測することができる。

１０ 軸方向移動量計測システム
１１ 第１の渦電流センサ
１２ 第２の渦電流センサ
１３ 移動量算出手段
２１ 回転体
２１ａ フランジ部
２１ｃ 一方の外周縁
２１ｄ 他方の外周縁

Claims (3)

1. 回転体の軸方向の移動量を計測する軸方向移動量計測システムであって、
   前記回転体の回転軸に同心に設けられた円盤状のフランジ部と、
   前記フランジ部の一方の外周縁に対向して設置された第１の渦電流センサと、
   前記フランジ部の他方の外周縁に対向して設置された第２の渦電流センサと、
   前記第１の渦電流センサの出力値および前記第２の渦電流センサの出力値に基づいて前記回転体の軸方向の移動量を算出する移動量算出手段とを備えた
   ことを特徴とする軸方向移動量計測システム。
2. 前記移動量算出手段は、前記回転体の軸方向の移動量として、前記第１の渦電流センサの出力値に応じた計測値と前記第２の渦電流センサの出力値に応じた計測値との和を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸方向移動量計測システム。
3. 前記移動量算出手段は、前記第１の渦電流センサの出力値に応じた計測値と前記第２の渦電流センサの出力値に応じた計測値との和に基づいて、前記回転体の移動方向を特定する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軸方向移動量計測システム。

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