JP2019507282A - ギヤポンプ、およびギヤポンプをモニターするための方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】ギヤポンプ、およびギヤポンプをモニターする方法を提供する。【解決手段】本発明のギヤポンプは、少なくとも一つの第一と第二の回転可能な構成要素（１２，１３）を持ち、その第一の回転可能な構成要素（１２）は歯形（１２１）を持ち、それが第二の回転可能な構成要素と共に作動し；またハウジング（２）を有し、その中に、第一および／または第二の回転可能な構成要素（１２、１３）が少なくとも部分的に配置される。本発明においては、ハウジング（２）に配置された、ハウジング（２）に音波を発信する少なくとも一つの送信機（３１）およびハウジング（３）で音波を受信する少なくとも一つの受信機（３２）を備え、受信機（３２）で生成された信号を受信したとき、ギヤポンプおよび／または搬送物の特性を判断する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載されているようなギヤポンプ、および請求項８の前提部に記載されたギヤポンプをモニターする方法に関する。

ギヤポンプ、特にスクリュー・軸ポンプの形式のギヤポンプは、特に容積式ポンプのような方法で液体を搬送するために用いられる。ギヤポンプは、例えば、共に作動する歯車を少なくとも二つ有し、その歯車の歯形とギヤポンプのハウジングとの間にできる搬送室中に搬送物を移動させる。ギヤポンプの現在の状態（例えば、潤滑フィルムの状態）および／または搬送される物質（搬送物）に関する情報をギヤポンプの運転中に判断することは困難である。

本発明の基礎となる問題は、ギヤポンプおよび／または搬送物に関する情報を運転中においても決定できるようにすることである。

この問題は請求項１の特徴を持つギヤポンプおよび請求項８の特徴を持つ方法により解決される。本発明の派生形態は従属請求項で示される。

そのために、ギヤポンプは
―少なくとも一つの第一と第二の回転可能な構成要素と、
―第一の構成要素が、第二の回転可能な構成要素の歯形と共に作動する歯形を有し、
―少なくとも部分的に第一および／または第二の回転可能な構成要素をその中に配置するハウジングと、
―音波をハウジングで発信するためにハウジングに設置された少なくとも一つの送信機と、ハウジングで発信された音波を受信するためにハウジングに設置された少なくとも一つの受信機とを有し、音波受信時に受信機で生成された（電気）信号を評価してギヤポンプおよび／または搬送物の特性を判断することができる。

本発明に基づくギヤポンプは基本的にどのような構造方式のものでもよい。例えば回転可能な構成要素をそれぞれ歯車の形に構成することにより、例えば外接または内接ギヤポンプを作ることができる。

第一および第二の回転可能な構成要素の歯形を、それぞれの軸心に対して傾けることも可能である。例えば、第一および第二の回転可能な構成要素をスクリュー軸のように構成して、スクリュー・軸ポンプの形式のギヤポンプを作り出す。このようなスクリュー・軸ポンプの第一および／または第二の回転可能な構成要素の歯形はそれぞれ、（特に外径ねじの形式の）ねじの輪郭の形に形成される。特に回転可能な構成要素を二つ以上とすることも当然可能である。ギヤポンプ、特にスクリュー・軸ポンプは、基本的に現状の技術で公知であるので、このポンプの詳細についてはここでは取り上げない。

特に送信機は、（例えばラム波、またはラム―レイリー（Lamb-Reyleigh）波の形の）表面音波をハウジングで発信し、それが送信機から受信機へ伝播するように構成する。例えば、送信機（および、例えば受信機も）ハウジング（例えばハウジングの凹みに、例えばそれぞれを孔の中に）配置して、それにより表面音波が発信され、表面音波は第一および／または第二の回転可能な構成要素に向き合うハウジングの内側に伝播する。表面音波の周波数は特に、ハウジングの厚さに応じて選ばれる；例えば、５００ｋＨｚから２ＭＨｚの範囲、または５８０ｋＨｚから１．５ＭＨｚの範囲の発信周波数が用いられる。送信機および／または受信機は特に、ピエゾ変換器、またはインターデジタル変換器の形で構成される。

さらに、受信機と送信機は、例えば第一および第二の回転可能な構成要素の軸心に沿って走る線上に沿って配置される。すなわち受信機と送信機は、回転可能な構成要素に関して軸方向に配置される。特に受信機と送信機は、少なくとも二つの回転可能な構成要素の内の同じ一つの構成要素に割り当てられ、受信機と送信機は、例えば、この回転可能な構成要素に関して互に平行に（例えば半径方向に）向けることができる。受信機と送信機を水平に向けるか、すなわち第一の回転可能な構成要素の軸心と第二の回転可能な構成要素の軸心が共に存在する平面に沿うように向けるか、または垂直に、すなわちこの面に対して垂直方向に向けることもできる。

受信機と送信機は、特に軸方向に互に離して配置され、その離間距離は、第一または第二の回転可能な構成要素の輪郭のピッチ（すなわち、二つの最大の輪郭間の距離）の最小でも半分の値とする。もちろん、受信機と送信機の間隔をそれより小さくすることも可能である。

本発明の他の形態においては、受信機と発信機を互に軸方向ではなく、半径方向に配置している。例えば、第一または第二の回転可能な構成要素に対して、送信機は第一の半径方向に、受信機は第一の半径方向と異なる第二の半径方向に向けられ、すなわち送信機と受信機は同じ回転可能な構成要素に割り当てられるが、互いに対してある角度となるように向けられる。

本発明はギヤポンプ、特には先に記載したギヤポンプを、次のステップでモニターする方法に関する：
―少なくとも一つの第一と第二の回転可能な構成要素を備え、その第一の回転可能な構成要素が歯形を持ち、それが回転可能な第二の構成要素と共に作動し、また第一および／または第二の回転可能な構成要素が少なくとも部分的にハウジング中に配置され：
―ハウジングに配置された少なくとも一つの送信機でハウジング内に音波を発信し、ハウジングに設置された受信機によりハウジング内で発信された音波を受信し、また、音波を受信したときに受信機から発生した信号を評価して、ギヤポンプおよび／または搬送物の特性に関する情報を判断する。

例えば、受信機の信号をギヤポンプの作動中に評価して、潤滑フィルム（あるいは、回転する構成要素とハウジングとの間の潤滑の隙間）に関する情報、第一または第二の回転可能な構成要素に加わる負荷および／または第一または第二の回転可能な構成要素の運動に関する情報を判断しおよび／または第一または第二の回転可能な構成要素の不具合を検知する。

受信機の信号の評価には、振幅、周波数スペクトラムおよび／または信号のエンベロープおよび／または信号中の形状の時間間隔の評価を含めることができる。受信機の信号の評価に、例えば受信信号が推移するときのパターンの認識も含む。

本発明のもう一つの実施形態によれば、ハウジング中で音波をパルス化して発信し、受信信号の評価には、ギヤポンプの運転中における伝播時間および／またはパルス化した音波の振幅の測定を含む。伝播時間は、例えばギヤポンプの運転中に周期的に変動し、振幅および／または伝播時間の変動の周期によってギヤポンプおよび／または搬送物の特性を判断することが可能である。

本発明を、以下の実施形態に基づいて、図と関連付けながら詳細に説明する。

本発明の一実施形態によるスクリュー・軸ポンプの斜視図である。 図１によるスクリュー・軸ポンプの運転中の一つの状態を示す縦断面図である。 図１によるスクリュー・軸ポンプの運転中の他の状態を示す縦断面図である。 図１のスクリュー・軸ポンプの運転中における音響パルスの伝播時間を示す波形図である。 測定期間に対するパルス伝播時間の変化を示す波形図である。 本発明の第二の実施形態によるスクリュー・軸ポンプの斜視図である。 本発明の第三の実施形態によるスクリュー・軸ポンプの断面図である。

図１に示すスクリュー・軸ポンプ１の形をしたギヤポンプは、反対方向に回転するスクリュー軸１１―１３の形をした三つの回転可能な構成要素を有し、そのスクリュー・軸ポンプ１はスクリュー・軸ポンプ１の内部の詳細が見えるように、二つの外側の軸の内の一つ（軸１３）の部分で断面図にして図示する。軸１１−１３は、それぞれ外径ねじのような輪郭（横断面）１１１，１２１，１３１を有し、外側の軸１１，１３の輪郭１１１，１３１はそれぞれが、中央の軸１２の輪郭１２１とかみ合って、共に作動する。外側の軸１１，１３の輪郭１１１，１３１と中央のスクリュー・軸ポンプ１２の輪郭１２１との間に空洞（搬送室）ができて、その中に搬送物が運ばれる。軸１１−１３（少なくとも中央のスクリュー・軸ポンプ１２）は、例えば電動モーター３により駆動される。なお、このようなスクリュー・軸ポンプの原理そのものについては公知である。

軸１１−１３はスクリュー・軸ポンプ１のハウジング中に収納され、ハウジング２の内側２１で、軸１１−１３の輪郭１１１，１２１，１３１の間に形成された搬送室を仕切る。ハウジング２の孔２２，２３（図２Ａと２Ｂも参照のこと）にはハウジング２中に音波を発信させる送信機３１と、ハウジング２で発信した音波を受信する受信機３２が配置されている。

図１より、受信機３１と送信機３２は外側の軸１３に割り当てられ、それらは軸１３の軸心に沿って相前後して配置される。ここでは送信機と受信機３１，３２は軸１３に対して同じ垂直の半径方向に向き、すなわち、それらの発信または受信方向は軸１１−１３の軸心が含まれる面に対してほぼ垂直に傾いて延びる。送信機および受信機３１，３２の前記方向をその他の方向、例えば傾きのない水平方向に向けることも当然可能である。

送信機と受信機３１，３２を二つの異なる軸１１，１２に割り当てることも当然可能である。さらに、複数の送信機と受信機があって、送信機―受信機のペア（センサー）をそれぞれの軸に割り当てる場合も考えられる。例えば３組の送信機―受信機のペアがある場合は、軸１１から１３にそれぞれ一つのペアを割り当てる。また、例えば送信機は一つのみとし、複数の受信機を使うことも可能である。

ハウジング２中に伝播した音波を受信したときに、受信機３１により生成された信号により、スクリュー・軸ポンプ１および／または搬送された搬送物に関する特性を判断できる。特には（例えばレーレイ波の形の）表面音波がハウジング２で発生し、それが少なくとも部分的に、軸１１−１３の方を向いたハウジング２の内側２１に伝播する。

このような表面音波の伝播は、ハウジング２の内側２１および内側２１の周辺部の性状によって変わる。そのため内側２１に沿って伝播する音波はハウジング２の内側２１に隣接する材料の影響を受ける。例えば、音波が伝播する速度と振幅は内側２１と隣接する材料の種類によって変わる。特に、軸１３のねじ輪郭１３１の隆起部分１３１１（例えば先端）が、内側２１の表面音波が通過する区域（すなわち測定区域）に隣接している（図２Ａ）場合の方が、搬送室１３２（すなわち搬送物）の大部分が測定区域に隣接している場合（図２Ｂ）よりも早く伝播する。そのために音波の伝播時間は軸１３の位置によって変わり、スクリュー・軸ポンプ１の作動中の伝播時間は周期的に変動する（図３参照）。

さらに、搬送物が内側２１に（内側２１の音波が横切る区域に）隣接しているとき、表面音波の大部分はハウジング２から分離される。そのため、受信信号の振幅も内側２１にある物質によって変わる。従って、スクリュー・軸ポンプの作動中、受信信号の振幅も周期的に変動する。

音響測定区域（送信機３１と受信機３２との間の区域）は、ハウジング２の区域（特には内側２１を含む）、軸１３とハウジング２との間の潤滑フィルムおよび軸１３の部分で構成される多層システムとみなすことができる。その多層システムに伝播する表面音波の速度は、先に説明したように、積層システムの構成に依存する；先にあげた図２Ａおよび２Ｂを参照のこと。その図では両極端のケース、すなわち積層システムに厚い金属層（軸１３の区域１３１１）がある場合（図２Ａ）、あるいは，搬送物で構成される厚い層を含む場合（図２Ｂ）を示す。

図３は、ハウジング２で、特にその内側２１で送信機３１を使って発信された音響パルスＡＰの伝播時間および振幅に対する、軸１３の回転による影響を示す。その図によると、軸１３のねじ輪郭１３１の隆起部分１３１１がハウジング２の内側２１に隣接しているとき（受信信号ＥＰ１）の方が、搬送室１３２(すなわち搬送物)がそこにあるとき（受信信号ＥＰ２）よりも、音波は送信機３１から受信機３２へより速く伝播する。そのためスクリュー・軸ポンプ１の運転時に、伝播時間の周期的な変動が起きる。

このような伝播時間の周期的な変動を検出するために、例えば音波を連続的に発信し、送信機３１から受信機３２までのそれぞれの伝播時間を測定する。このように測定された伝播時間（信号の伝播時間）は時間（計測期間）に対してプロットされ（図４参照）、そのパターン認識によって評価される。特に、伝播時間の周期的な推移から、スクリュー・軸ポンプ１の状態および／または搬送物の状態に関する情報が得られる。同じようにパルスの振幅も測定でき、（同じように周期的な）パルスの振幅の推移を評価して、スクリュー・軸ポンプ１の状態および／または搬送物に関する情報を判断する。

例えば、図４に示す伝播時間の推移（“伝播時間の測定信号”）の周波数から軸の周波数が決定される。さらに伝播時間の測定信号の平均値は搬送物の音速と相関する。また伝播時間の測定信号の振幅は搬送物の量によって変わるので、搬送物の量に関する情報も推定できる。例えば、わずかな量の搬送物しか搬送されないとき、伝播時間は少しだけ変化する（すなわち伝播時間の測定信号の振幅が減少する）。これによって、ポンプのドライランの発生、あるいはその恐れがあることを認識することができる。

軸の輪郭とハウジングとの間に塗布された潤滑フィルムが薄くなり、軸の輪郭とハウジングの内側とが一時的にでも接触するようになったことを検出することもできる。このような場合には、ハウジングの内側に別の（軸の輪郭の形をした）金属の区域が隣接し、その結果表面音波の速度が変わって伝播時間の測定信号の低下が起きる。このような低下は潤滑フィルムが薄いほど、また不均一なほどより頻繁に発生する。

さらに、搬送物中の混入物（例えば気泡）またはその他の搬送物中の異物が測定信号で認識可能となるため、それらを上記の方法を用いて検出することが可能となる。

図５は図１のスクリュー・軸ポンプの変形例に関する。ここでは、送信機３１と受信機３２は、同じように軸１３に割り当てられ、軸１３の軸心に沿って軸方向に前後して配置されるが、送信機と受信機３１，３２の互いの間隔が大きくなるように配置している。例えば、その間隔は、最小でも軸１３の外側輪郭のピッチの半分となるようにしている。

また、送信機と受信機３１，３２を軸方向ではなく、半径方向に配置することも可能である。この場合、送信機３１と受信機３２は、同じように、軸１１―１３の一つに割り当てられるが、それらは軸に対してそれぞれ異なる半径方向に沿って向けられる。これは図６で示される。そこでは送信機３１は、軸１３に対して第一の半径方向に沿って、また受信機３２は第一の半径方向とは別の第二の半径方向に沿って向けられる。さらに、送信機３１０と受信機３２０がもう一つの外側の軸１１に割り当てられ、それらはそれぞれ同様に半径方向に向けられる

前述の実施形態の構成要素を互に組み合わせて使用することもできる。従って、送信機と受信機を一つの同じ軸に、軸方向と半径方向に配置する組み合わせも当然可能である。例えば、第一の軸方向に配置した送信機―受信機のペアを外側の軸１３に、第二の半径方向を向いた送信機―受信機のペアをもう一つの外側の軸１１に割り当てることができる。

１ スクリュー・軸ポンプ
２ ハウジング
３ 電気モーター
１１，１２，１３ 軸
２１ 内側
２２，２３ 孔
３１，３１０ 送信機
３２，３２０ 受信機
１１１，１２１，１３１ 歯形
１３２ 搬送室
１３１１ 隆起部分

Claims (13)

1. ―少なくとも第一および第二の回転可能な構成要素（１２，１３）を持ち、
   ―前記第一の回転可能な構成要素（１２）が、歯形（１２１）を有して、それが前記第二の回転可能な構成要素（１３）の歯形（１３１）と共に作動し；
   ―内側に、前記第一および／または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）が、少なくとも部分的に配置されるハウジング（２）を有するギヤポンプにおいて、
   前記ハウジング（２）に配置されて前記ハウジング（２）内で音波を発信する少なくとも一つの送信機（３１）と、前記ハウジング（２）に配置されて前記ハウジング（２）で発信された音波を受信する少なくとも一つの受信機（３２）とを持ち、
   前記音波を受信したとき、前記受信機（３２）で生成された信号を評価して、ギヤポンプおよび／または搬送物の特性に関する情報を判断することを特徴とするギヤポンプ。
2. 請求項１のギヤポンプにおいて、前記第一および第二の回転可能な構成要素（１２，１３）の前記歯形（１２１，１３１）がそれぞれの回転可能な前記構成要素（１２，１３）の軸心に対して傾いていること特徴とするギヤポンプ。
3. 請求項２に記載のギヤポンプにおいて、前記ギヤポンプをスクリュー・軸ポンプ（１）とし、前記第一または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）の前記歯形（１２１，１３１）が、それぞれねじの輪郭のように形成されていることを特徴とするギヤポンプ。
4. 請求項２または３のギヤポンプにおいて、前記送信機（３１）および前記受信機（３２）が互に離れて配置され、その距離が最大でも、前記第一および／または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）の前記歯形（１２１，１３１）のピッチの半分であることを特徴とするギヤポンプ。
5. 請求項２または３のギヤポンプにおいて、前記送信機（３１）および前記受信機（３２）が互に離れて配置され、その距離が最小でも、前記第一および／または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）の前記歯形（１２１，１３１）のピッチの半分であることを特徴とするギヤポンプ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のギヤポンプにおいて、前記送信機（３１）と前記受信機（３２）が前記第一および／または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）の軸心に平行に走る線に沿って配置されることを特徴とするギヤポンプ。
7. 請求項４に記載のギヤポンプにおいて、前記第一の回転可能な構成要素（１２）か、または前記第二の回転可能な構成要素（１３）のどちらかに対して、前記送信機（３１）が第一の半径方向に向けられ、前記受信機（３２）が、第一の半径方向と異なる第二の半径方向に向けられることを特徴とするギヤポンプ。
8. ギヤポンプ、特に請求項１から７のいずれか一項に記載のギヤポンプをモニタリングする方法であって：
   ―少なくとも第一と第二の回転可能な構成要素（１２，１３）を設け、前記第一の回転可能な構成要素（１２）が歯形（１２１）を有し、それを前記第二の回転可能な構成要素（１３）の歯形（１３１）と共に作動させ、前記第一および／または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）を少なくとも部分的にハウジング（２）内に配置するというステップを備えた方法において、
   前記ハウジング（２）中に配置された少なくとも一つの送信機（３１）で前記ハウジング（２）内に音波を発信し、前記ハウジング（２）内に発信された音波を、前記ハウジング（２）に配置された受信機（３２）で受信し、また、音波受信時に前記受信機（３２）で生成された信号を評価して、ギヤポンプおよび／または搬送物の特性に関する情報を判断することを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法において、前記ギヤポンプの作動中に、前記受信機（３２）の前記信号を評価して、潤滑フィルム、前記第一および／または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）の一つに働く負荷および／または前記第一および／または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）の運動に関する情報が判断されおよび／または前記第一または第二の回転可能な構成要素（１２，１３）の不具合が検知されることを特徴とする方法。
10. 請求項８または９の方法において、前記受信機（３２）の前記信号の評価に、振幅、周波数スペクトラム、および／または前記信号のエンベロープおよび／または信号の形状の時間間隔の評価を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法において、前記受信機（３２）の前記信号の評価に、伝播中の受信された前記信号が推移するときのパターン認識を含むことを特徴とする方法。
12. 請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法において、前記ハウジング（２）中にパルス化された音波（ＡＰ）が発信され、ギヤポンプの運転中におけるパルス化された音波（ＡＰ）の伝播時間、および／または振幅の測定を前記受信信号の評価に含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記伝播時間および／または前記振幅がギヤポンプの運転中に周期的に変動し、前記伝播時間の変動の振幅により前記ギヤポンプおよび／または搬送物の特性に関する情報を判断することを特徴とする方法。

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