JP2018514723A - 電子的調整及び制御による最小連続流量のオイルエア潤滑の方法及びシステム - Google Patents

Abstract

潤滑剤を搬送流体と混合して二相混合物を生成することによって、最小量潤滑用の流体を得る。ここで、潤滑剤及び搬送流体はいずれも、混合される前に流量及び／又は圧力が調整され、潤滑剤はほぼ連続的に供給される。潤滑剤流体の流量は、層流運動で移動している潤滑剤におけるレーザ放射の後方散乱を検知することによって測定される。【選択図】図１

Description

本発明の対象は、主請求項の前提部分に記載の、二相流体による移動により機械ユニットに対する最小潤滑を行う方法である。本発明の対象はまた、主請求項の前提部分に記載の、二相流体による移動により機械ユニットに対する最小潤滑を行うシステムである。

上述の種類のシステムであって、上述のような方法を実施することが可能なシステムが、従来から知られている。例えば、ＤＥ１０２００６０３０６５１号は、工具に（霧化した油による）最小潤滑を行うシステムを記載している。このシステムは、潤滑油及び水を含む第１の流体を、通常は空気である第２の搬送流体が移動する導管内に放出する噴霧器を含む。こうして得られる混合物は、工具に送られて、その部品を潤滑する。潤滑剤流体の流量の検出が行われ、当該流体の噴霧は、検出された流量情報を用いて、この流量が所定の値に維持されるように調整される。

特に、これらの公知のシステムは、例えば、複合工作機械で使用される工作機械の高速マンドレルの転がり軸受、フライス盤、ボーリングマシン、研磨機、ドリル、旋盤センター、及び、高速回転軸を支えるあらゆるロータリー軸受といった、摩擦が作用する機械部品及び要素、並びに、削りくずを除去する工程で使用される工具に対して、霧化された空気と油の混合物による最小潤滑を行うことを可能にするものである。工具に対して潤滑を行う場合、（霧化された）潤滑剤の流量が毎分ミリリットルの単位であれば、効率の良い潤滑効果が得られる。他方、転がり軸受などの機械ユニットに対して潤滑を行う場合、潤滑剤流体は、二相流体（空気と油の混合物）であり、油は、毎分マイクロリットルの流量の場合に液体状態を維持する。後者の場合、潤滑剤は、加圧された導管において筋状の液の形で存在している。

ＥＰ２３３３３９６は、工具に対して（二相混合物ではない）霧化された油による最小潤滑を行う装置を記載している。この装置は、潤滑剤用のタンクと、この潤滑剤を加圧しながら少なくとも１つのモジュール要素に供給する手段とを備える。後者は、流量調整弁及び圧縮空気回路が設置された導管を備える。潤滑剤用導管及び圧縮空気用導管が、空気と潤滑剤の混合手段に結合されている。ＥＰ２３３３３９６は、潤滑剤の流量を測定するためのセンサについては記載していない。

少量の潤滑剤を注入した二相（オイルエア）流体により潤滑を行う公知のシステムでは、この潤滑は、圧縮空気の連続流において、周期的に長時間に亘って行われる。それでもなお、この手順は、潤滑剤の供給に中断を生じさせる。潤滑剤は、当該システムが協働する機械要素を最適に潤滑するためには、当該システムにおいて生じることに反して、最小連続量で分布される必要がある。二相流体による潤滑では、この中断が起こる理由は、上限１０ｍｍ^３（つまり１０μｌ＝１０マイクロリットル）以下の小量の油を注入することが困難であるという点に関連している。このため、圧縮空気の連続流における油の量をこの上限よりも少なくなるように希釈する必要が生じる。この連続流は、周期的に注入される量を分布させて均一化する効果がある。しかしながら、分布させて均一化することは、空気と油の混合物を潤滑対象ユニットまで搬送する導管の長さに関連するため、この導管を十分に長く（少なくとも３ｍ）することが必要になる。しかしながら、このようにすることが常に可能であるとは限らない。

したがって、空気と油の混合物を供給するためのパイプの長さは、潤滑時に潤滑剤の流量を希釈及び規則化する手段を構成するけれども、その一方で、あらゆる公知のオイルエアシステムにおいて実施される潤滑の手順では、潤滑時に供給される潤滑剤の流量に中断が生じる。このため、潤滑されたユニット、例えば、高速心棒に取り付けられる潤滑された転がり軸受の高速性能が制限される。

また、公知の解決方法の別の問題は、容積式ポンプ等で実施される注入装置が精度に欠ける点にある。特に高速軸受の分野において、潤滑剤や空気と油からなる潤滑剤混合物の供給に何らかの変動又は異常が起こると、潤滑過剰又は潤滑不足についての問題が生じる。

このため、最も高度化した潤滑システムは、空気と油の混合物を供給するためのパイプに設置される光学センサ（例えば、ＤＥ１０２００６０３０６５１に記載の光学センサ）によって制御される。この光学センサは、ストリークセンサとしても知られ、油又はこれを含む混合物の流量の調整を可能にする。しかしながら、これらの公知のシステムも、例えば、調整可能な潤滑剤の量の最小値、及び、調整されたパイプの最大直径といった、実用的な限界値を有している。

加えて、透明なパイプの中を移動する一筋の潤滑剤を光学的に調整することは、実際のところ、注入された潤滑剤の流量を調整するのではなく、潤滑剤流体供給システムの機能の確認、つまり、搬送流体（空気）中に油が存在するかどうかの確認をするだけである。例えば、ＷＯ２０１０／１２８３８０は、光学センサを用いて、潤滑対象ユニットに搬送される、導管内の空気と油の混合物を検出する、最小潤滑のための方法及び装置を記載している。

例えば、圧電マイクロポンプといった、低粘度流体のマイクロ供給装置も知られている。これらの装置は、約１μｌ／ｓｅｃ（マイクロリットル／秒）の最小限の供給を保証するが、特定の粘度の潤滑油等の流体を１バール（０．９バールすなわち９０ｋＰａ）よりも高い圧力で供給することはできない。したがって、少なくとも５〜６バールの圧力で供給される必要があると共に６バールの加圧値を有し得る圧縮空気用導管に浸される必要がある潤滑剤流体の場合のような高圧流体は、これらの装置では供給できない。

また、この種のマイクロポンプで得られる供給圧力は、常に一定ではなく、特性や、オイルエア潤滑剤供給回路の下流部において生成される逆圧に左右される。

本発明の目的は、公知の手法、システム及び装置により得られるものと比べて改善された、上述の種類の最小潤滑を可能にする方法及びシステムを提供することにある。

特に、本発明の目的は、潤滑剤を最小かつほぼ一定に連続的又は繰り返して注入することを可能にする、すなわち、潤滑剤を、適切に調整された供給圧力において、正確かつ規則的な層流運動で（例えば、１０μｌ／ｍｉｎ、すなわち、マイクロリットル／分で）注入すること、すなわち正確に測定された量の潤滑剤を注入することを可能にする、最小潤滑のためのシステム及び方法を提供することにある。

他の目的は、周期的に注入される比較的大量の１０ｍｍ^３（すなわち１０μｌ）の潤滑剤の希釈／分布のために非常に長いパイプを備える必要を回避しつつ、特に、最小流量の潤滑剤を高効率に測定して調整することを保障する、上述の種類の方法及びシステムを提供することにある。

本発明の他の目的は、空気と油の混合物を潤滑対象の転がり軸受に供給するための導管の可変圧力とは無関係に、潤滑剤を安定的かつ連続的に供給することを可能にする、最小潤滑のためのシステム及び方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、潤滑剤の流量の測定に基づいて制御された潤滑剤を供給する装置を用いて、空気の圧力についても潤滑剤の量についても変更可能な相（オイルエア）の供給により最小潤滑を行うためのシステム及び方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、最小オイルエア潤滑のため、特に転がり軸受の潤滑のためのシステム及び方法であって、潤滑対象の軸受が過熱して動かなくなる機能異常を生じさせ得る、潤滑剤又は空気と油の混合物中の圧力における不備を自動的に明示すように構成された、システム及び方法を提供することにある。

これらの目的及び当業者には明らかである他の目的は、添付の特許請求の範囲に記載の、機械ユニットに最小潤滑を行う方法及びシステムによって実現される。

本発明をより良く理解するために、非限定的な単なる一例として、以下の図面を添付する。
本発明に係るシステムの第１の実施形態を示す図である。 本発明に係るシステムの第２の実施形態を示す図である。 図１及び図２のシステムの一部を示す概略図である。 使用中の、図３の一部を示す概略図である。 搬送導管３内の潤滑剤流体の移動速度が変動する場合の、（自己混合レーザ干渉計によって生成された電気信号の振幅及び周波数に関する）潤滑剤流体流量の測定値を示すグラフである。

図１を参照すると、本発明に係る、機械ユニットに最小オイルエア潤滑を行うシステムが、全体を符号１で示されている。このシステムは、第１の流体、つまり、潤滑剤又は油を収容するタンク２を含む。このタンク２から第１の導管３が伸びており、第１の導管３は、第２の流体つまり搬送流体が移動する第２の導管５（混合用のもの）に、一方向弁４によって接続されている。これらの導管３及び５が直角に配置されている構成は、本発明の非限定的な単なる一例であり、これらの導管は、別の角度で配置されていてもよい。

タンク２は、圧力調整器７に接続されている。圧力調整器７は、タンク２内に圧力を生成して、パイプ３内の第１の流体又は潤滑剤を所定の流量にする。圧力調整器は、好ましくはマイクロプロセッサを備える命令及び制御ユニット８に接続されている。命令及び制御ユニット８は、システム１の機能を制御する。

この命令及び制御ユニットはまた、タンク２内の潤滑剤の圧力を検出する圧力センサ１０と、第２の導管５の、通常は空気である第２の搬送流体の移動方向における、弁４よりも下流側に位置付けられた圧力センサ１２とに接続されている。特に、この圧力センサ１２は、第２の導管に沿って配置されており、第２の導管における、これら２つの流体、すなわち油と空気とが混合される箇所に対応して配置されている。圧力センサ１２は、オイルエア混合物の圧力を検出する。

第２の導管５は、圧縮空気ネットワークから何らかの公知の方法で収集される第２の流体（圧縮空気）用の電子圧力調整器１３に接続されている。この空気は、明らかに、タンク２に存在する（１７として示される）油の表面１５上に圧力を生成して、第１の導管３の中に入るように油を加圧する要素でもある。タンク２の中に浸された第１の導管３の端部３Ａは、一方向弁２０を備えている。

第１の導管には、流量センサ２１が設けられている。本発明によれば、これは、レーザ光線による生成流量センサであり、第１の導管３内の流量を極めて正確に検出可能である。この圧力センサ２１は、命令及び制御ユニット８に接続されており、命令及び制御ユニット８は、当該センサ、並びに、圧力センサ１０及び１２から受け取ったデータに基づき、二相流体の機械ユニットへの供給を調整する。

本発明によれば、上述のセンサ又は流量検出手段は、公知の自己混合干渉計（図３及び図４を参照）である。これは、レーザ光線２１Ｂの発光源２１Ａが（通常はキャピラリー管によって規定される）第１の導管３に直接接触して又はその直近に、第１の導管３に設けられている。この位置は、第１の導管３に対して直角であろうと（様々な傾斜角で）傾斜していようと、注入される潤滑剤の量を制御するために最適な位置である。この発光源は、通常、レーザダイオードであることが好ましい。

公知のように、自己混合干渉計は、半導体レーザによって放射されたわずかな光が遠隔ターゲットから後方散乱される時に誘起される外乱の測定に基づいている。一種の一貫した放射の発現が、レーザ発振器により、放出されたパワーが干渉波形によって変調されるように行われる。干渉波形は、後方散乱された場の位相φ＝２ｋｓの周期関数である。ここで、ｋは２π／λであり、設定波長λにおける波数であり、ｓはレーザ光線の発光源とターゲットとの間の距離である。

本発明では、干渉信号は、圧力センサ２１の電子回路２１Ｃにおける監視用フォトダイオードによって発せられる。光生成された電圧信号では、ターゲットがλ／２変位した時はいつでも、干渉フリンジが生成される。

レーザダイオード又はレーザ発光源２１Ａは、油が流れている第１の導管３の外表面に単純に支持されている（又は、これの直近に配置されている）。これによって、光学素子の使用を回避し、したがって、複雑な位置合わせ及び組立てを回避する。なぜなら、図４に示されるように、測定用ドップラー信号２１Ｅが、レーザダイオード２１Ａの固有発散角（典型的には１０°と３０°との間）によって生成されるからである。

自己混合干渉計２１Ａは、油の中を移動している様々な拡散体によって誘起される一種の信号寄与の合計を生成する。粘性潤滑剤流体の場合、これらの拡散体は、含有されるのが好ましい染料粒子である。出力部では、信号が観察され、その周波数展開は、油の流速によって決まる。

なお、最小潤滑の分野では、潤滑剤の特徴は、特に清浄で良好にフィルタ処理（例えば３μｍ）されているという点であり、換言すると、流体は、汚染粒子を含んでおらず、均一性の欠如を含んでおらず、又は、均一性の欠如を生じさせることになる汚染を含んでいない。これは、本発明に係るシステムが十分に機能するための基本的な特徴である。これによって、潤滑された機械ユニットの最大限に信頼性を有する使用及び長い耐用年数が保障される。このため、流体の移動を検出するには、公知の着色された潤滑剤又は着色活性色素を使用するとよい。

したがって、干渉計又は圧力センサ２１は、第１の導管３内の油の流量を正確に測定可能であり、油は、この手段により、（制御されて）連続的に第２の導管５に供給される。これは、この油が、（最小流量であっても）層流運動で移動し、最小粘度を有し、その清浄さのお蔭で、着色された色素の判定が可能だからであり、また、長期に亘って均一性を有するというその特徴によるからである。層流運動の特性は、自己混合干渉計を、流量測定器として使用することを特徴付ける。なぜなら、後者は、層流運動の場合にのみ信頼性を有する表面的な速度測定を行うものだからである。染料の使用は、油を「符号化」することを可能にするので、本システムは信頼性があり繰り返し使用可能である。

図５は、流体の速度が変化する測定例を幾つか示している。この図では、曲線Ａはベース信号又はノイズを示し、曲線Ｂは流量が０．４滴／秒の場合に関し、曲線Ｃは流量が１滴／秒の場合に関し、曲線Ｄは流量が２滴／秒の場合に関し、曲線Ｅは流量が３滴／秒の場合に関する。

一実施形態によれば、図５の曲線に係る信号に基づいて、発展アルゴリズムが生成される。このアルゴリズムに従って命令及び制御ユニット８は動作する。この方法により、この命令及び制御ユニットは、ノイズベースを減算した後に、対数スペクトルの一種の重心を求める。重心の周波数は、以下のように算出される。

ここで、積分は、信号が予め設定された閾値（例えば１ｄＢ）のノイズベースを超える周波数に対応して、ｆ_{ｎｏｉｓｅ}まで拡張される。このアルゴリズムに、上記式の左辺の下記の値を流量に関連付ける実験で得られる較正係数を加算して、リアルタイムの測定を行う。

したがって、このアルゴリズムは、直接、流量測定を提供するものである。

この手段を用いて、第１の導管３内の潤滑剤１７の流量の正確な値を得ることによって、流量を長期に亘って一定に保ちながら正確に（かつ連続的に）調整することが可能であり、これによって機械ユニットを連続的に潤滑することが可能である。

図１はまた、混合用導管５内に設置された空気流量調整弁４０を示している。加えて、図１は潤滑剤用の精密フィルタ（３μｍ）を示している。

図２は、本発明の別の実施形態を示しており、ここでは、図１の部材に対応する部材は同じ参照符号で示されている。この図は、システム１を示している。システム１は、ポンプ３０に接続された油タンク２を含む。ポンプ３０は、このポンプ用のモータ３１で駆動され、油１７を公知の容積式注入要素３３の方に押しやる。容積式注入要素３３からは第1の導管３が伸びており、ここには、自己混合干渉計流量センサ２１が設置されている。

自己混合干渉計流量センサは、命令及び制御ユニット８に接続されている。命令及び制御ユニット８は、自己混合干渉計流量センサによって検出された流量データ、及び、圧力センサ１２によって検出されたデータに基づいて、ポンプ３０のモータ３１に介入すると共に、圧力調整器１３に介入し、搬送流体又は空気である第２の流体の中に導入される潤滑剤の連続流を得る。

図２はまた、混合用導管５に設置された空気流量調整弁４０を示している。図２はまた、潤滑剤用の精密（３μｍ）フィルタを示している。

本発明によれば、最小量の潤滑剤を機械ユニットに供給することが可能である。これは、時間帯が少なくとも１〜２秒のペースで非常に近接し合っている場合でも、ほぼ一定の量の潤滑剤を繰り返して（頻度は変更可能である）供給することにより可能である。潤滑剤は、所定の供給圧力で、規則的かつ正確な層流運動において移動する。この所定の供給圧力も、正確に調整かつ制御される。これにより、十分に少ない量の油（又は第１の流体若しくは潤滑剤流体）を空気（又は第２の流体若しくは搬送流体）の中に最適に混合することを可能にし、従来技術に係る解決策において実施されているような、周期的に注入される比較的大量（例えば１０ｍｍ^３すなわち１０μｌ）の油を希釈するために非常に長いパイプを備える必要はなくなる。

また、二相混合物（オイルエア）の供給は、当該混合物を機械ユニットに供給するための導管内に存在する可変圧力とは無関係に得られる。

以上、本発明の異なる実施形態について説明した。しかし、他にも、例えば、レーザセンサ２１は、干渉計すなわち自己混合ユニットとは異なるセンサであってもよく、安定した光学特性を有し、規則的かつ層流的に運動する流体を検出するために、同じ方法を使用してもよい。これらの変形例は、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲に含まれると解釈され得る。

例えば、圧電マイクロポンプといった、低粘度流体のマイクロ供給装置も知られている。これらの装置は、約１μｌ／ｓｅｃ（マイクロリットル／秒）の最小限の供給を保証するが、特定の粘度の潤滑油等の流体を１バールよりも高い圧力で供給することはできない。したがって、少なくとも５〜６バールの圧力で供給される必要があると共に６バールの加圧値を有し得る圧縮空気用導管に浸される必要がある潤滑剤流体の場合のような高圧流体は、これらの装置では供給できない。

図１はまた、混合用導管５内に設置された空気流量調整弁４０を示している。加えて、図１は潤滑剤用の精密フィルタ（３μｍ）５０を示している。

図２はまた、混合用導管５に設置された空気流量調整弁４０を示している。図２はまた、潤滑剤用の精密（３μｍ）フィルタ５０を示している。

Claims (10)

1. 二相混合物の移動により機械ユニットに最小潤滑を行う方法であって、前記方法は、第１の液相又は潤滑剤流体（１７）を第２の相又は搬送流体相の中に供給することを含み、これらの相の流量及び／又は圧力は調整及び制御され、これらの相は、混合用導管（５）において混合物として前記機械ユニットに供給され、前記第１の相又は潤滑剤流体（１７）は、実質的に調整されてかつ連続的に前記搬送流体相の中に供給される方法において、
   第１の導管（３）における前記第１の相又は潤滑剤流体の流量は、前記流体が前記混合用導管（５）に到達する前に検出及び調整され、前記混合用導管（５）には前記第２の相又は搬送流体も到達し、前記流量の検出及び調整は、前記第１の導管（３）に対応して配置されたレーザ発光装置（２１Ａ）によって放射されたレーザ光線（２１Ｂ）が前記潤滑剤流体から検出部に対して後方散乱することによって行われ、前記潤滑剤流体は層流運動で移動することを特徴とする、方法。
2. 前記レーザ光線（２１Ｂ）は、自己混合干渉計によって放射されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザ発光装置（２１Ａ）は、前記第１の相又は潤滑剤流体（１７）が移動する前記第１の導管（３）に接触して配置されている、又は、前記第１の導管（３）の直近に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の相又は潤滑剤流体は、前記流体が加圧されるタンク（２）から供給され、前記タンクは圧力調整器（７）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の相又は潤滑剤流体は、ポンプ（３０）に接続された容積式注入要素（３３）から得られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記潤滑剤流体（１７）には、染料の粒子が導入されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 二相混合物の移動により機械ユニットに最小潤滑を行うシステムであって、前記システムは、第１の液相又は潤滑剤流体（１７）を第２の相又は搬送流体内に供給する手段を備え、これらの相の流量及び／又は圧力を調整する手段、及び、これらの相を制御して、混合用導管（５）において混合物として前記機械ユニットに供給する手段が備えられたシステムにおいて、
   レーザ光線を検出して第１の導管（３）内を移動する前記第１の相又は潤滑剤流体の流量を自己混合検出する手段（２１）が、前記第１の導管（３）が第２の導管又は混合用導管に接続されるよりも前の箇所に備えられており、前記検出手段は、前記第１の相又は潤滑剤流体の流量を制御及び調整する手段（８）に接続されており、前記手段（８）は、前記第１の導管（３）内の検出された前記第１の相の流量に応じて、前記第１の相又は潤滑剤流体（１７）を前記第１の導管（３）内に移動させる手段（７，３０）に介入することが可能であり、この介入により、前記第１の導管（３）における前記第１の相又は潤滑剤流体（１７）の流量をほぼ一定に維持することが可能であることを特徴とする、システム。
8. 前記検出手段は、自己混合干渉計（２１）であり、前記自己混合干渉計（２１）は、前記第１の導管（３）の直近に、又は、接触して配置されているレーザ発光装置（２１Ａ）を有し、前記レーザ発光装置（２１Ａ）は、前記導管（３）に対して直角又は傾斜していることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第１の相又は潤滑剤流体を移動させる手段は、電子圧力調整器（７）又はポンプであることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
10. 前記制御及び調整する手段（８）は、好ましくはマイクロプロセッサを備える命令及び制御ユニット（８）であることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。

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