JP6413359B2 - 機械システムの流体分布計測システム - Google Patents

Description

本発明は機械システムの内部における、陽電子放出核種を含む流体物または流体物から生じた堆積物の分布状態を計測する機械システムの流体分布計測システムに関する。

各種の機械システムにおいては、潤滑オイルなどが用いられ、この分布を非破壊で知りたいという要求がある。

特許文献１には、エンジンを構成するシリンダ内壁面に検出電極を面一に設け、該検出電極とピストンリングとの間隙に形成される計測対象コンデンサの静電容量を検出することにより上記間隙に形成された潤滑オイルのオイル膜厚さを計測する膜厚計測装置が示されている。

特許文献２には、消費量を測定する潤滑オイル中に少なくとも一つの放射性トレーサを定められた量を入れ、エンジンから排出されるガス中に存在する放射性トレーサの量を測定することで、エンジンの潤滑オイル消費量を検出することが示されている。

特開２００９−３００３７６号公報 特表２００５−５３９２１４号公報

特許文献１では、シリンダ内面と面一な電極を製作する。このような改造は、シリンダライナに歪みが生じる可能性があり、それによってオイル挙動が変わってしまうことが考えられる。

特許文献２では、オイル消費量を排気ガス中の単一のガンマ線を計測することで求める。この手法では、計測視野が広く位置分解能が低いため、機械内を循環する流体の特定部位を計測しようとしても、切り分けて計測することが困難である。また、自然放射線の影響を受けるため、低強度の放射線の計測には適さない。

エンジンなどの計測対象ユニットを非改造で、かつ位置分解能と耐ノイズ性の高い計測を行うことが望まれる。

本発明は、機械システムの内部における、陽電子放出核種を含む流体物または流体物から生じた堆積物の分布状態を計測する機械システムの流体分布計測システムであって、前記機械システムの計測対象部位を挟んで対向配置された一対の放射線検出器を含み、前記流体物または流体物から生じた堆積物中の前記陽電子放出核種から放出される陽電子が消滅する際に相対する方向に同時に発せられる一対のガンマ線が前記一対の放射線検出器に入射するというイベントをカウントし、イベントの単位時間当たりのカウント数に基づき計測対象部位における前記流体物または流体物から生じた堆積物の厚みを検出することで、機械システム内部における流体物または流体物から生じた堆積物の分布状態を計測する。

一実施形態では、前記一対の放射線検出器は、前記計測対象部位から１８０±５°の相対位置に配置されている。

他の実施形態では、前記陽電子放出核種またはその親核種に、１日以上の半減期を有する核種を用いる。

さらに、他の実施形態では、前記陽電子放出核種に^２２Ｎａを単体または化合物の形態で用いる。

さらに、他の実施形態では、前記化合物に^２２ＮａＣｌを用いる。

さらに、他の実施形態では、前記流体物は^２２ＮａＣｌの水溶液を含むオイルである。

本発明によれば、流体物または流体物から生じた堆積物中の前記陽電子放出核種から放出される陽電子が消滅する際に相対する方向に同時に発せられる一対のガンマ線を検出することで、流体物などについて高位置分解能で、耐ノイズ性の高い計測を行うことができる。

一実施形態に係る機械システムの計測システムの概略構成が示す模式図である。 陽電子崩壊によるγ線発生を示す模式図である。 計測システムの構成を示す図である。 実験装置の構成を示す図である。 実験によるγ線計測結果を示す図である。 実施形態における線源強度と放射線検出強度の関係を示す図である。 ２つの放射線検出器で独立して検出した場合の放射線強度を示す図である。 放射線源を複数配置した場合の例を示す図である。 図８の例において、２つの放射線検出器で独立して検出した場合の放射線強度を示す図である。 放射線強度の減衰を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

＜全体構成＞
図１には、一実施形態に係る機械システムの計測システムの概略構成が模式的に示されている。この例では、エンジン１０のシリンダ１２内には、ピストン１４が往復動自在に配置されている。ピストン１４の上部にはピストンリング１６が配置されており、ピストンリング１６外周面がシリンダ１２の内壁上を摺動する。シリンダ１２の上部のシリンダヘッド１２ａには吸気弁２０と、排気弁２２が往復動自在に配置され、それぞれに吸気管２４と排気管２６が接続されている。

そして、本実施形態では、ピストン１４が上死点に位置した場合におけるピストントップリング１６ａの上側、すなわち燃焼室内となる領域Ａのシリンダ内壁に付着したオイル量を測定する。

このために、一対の放射線検出器３０−１，３０−２が領域Ａを挟んで対向配置されており、一対の放射線検出器３０−１，３０−２の内側には、入射放射線を限定するコリメータ３２−１，３２−２が配置されている。

そして、エンジン１０に供給するエンジンオイルには、陽電子崩壊を起こす放射性同位元素、すなわち陽電子放出核種が含まれている。図２に示すように、陽電子崩壊を起こす放射性同位元素は、陽電子を原子核から放出する。陽電子は、電子と衝突する際に確率的に対消滅を起こし、これによって質量分のエネルギー５１１ｋｅＶの一対のγ線を対消滅が起こった箇所から１８０度方向（相対する方向）に放出する。

本実施形態において、２つの放射線検出器３０−１，３０−２がピストン１４の上死点近傍に配置されている。そして、コリメータ３２−１，３２−２の窓を通過した放射線（エネルギー５１１ｋｅＶのγ線）であって同時に入射する放射線を、放射線検出器３０−１，３０−２で計測する。さらに、エネルギー５１１ｋｅＶの一対のγ線であって、２つの放射線検出器３０−１，３０−２で同時検出されたものに限定することで、オイル中の陽電子放出核種から放出された陽電子の対消滅によって生じた放射線を選択して検出することができる。コリメータ３２−１，３２−２により、放射線検出器３０−１，３０−２に入射する放射線を１８０度±５度のものに限定すると共に、エネルギーおよび同時検出による選別を行うことで、計測対象の位置精度が高く、領域Ａから相対する方向に放出された放射線に限定して検出することができる。

＜計測システム＞
図３に、図1における放射線検出器３０−１，３０−２を含む放射線計測システムについての構成を示す。

放射線検出器３０−１，３０−２は、γ線が入射すると、それを光信号に変換するシンチレータ（ＮａＩシンチレータ）から構成される。入射したγ線は放射線検出器３０−１，３０−２で光信号に変換され、得られた光信号がその後段の光電子増倍管４０−１，４０−２で電気信号に変換される。放射線検出器３０−１，３０−２および光電子増倍管４０−１，４０−２には、高圧電源４２−１，４２−２からの電力が供給されている。

光電子増倍管４０−１，４０−２からの電気信号は、増幅器４４−１，４４−２において増幅され、その後波高弁別器４６−１，４６−２に基づく電気信号のみに限定される。

波高弁別器４６−１において検出した、５１１ｋｅＶ近傍のエネルギーのγ線に基づく電気信号は、そのまま時間差波高変換器５０に供給され、波高弁別器４６−２において検出した、５１１ｋｅＶ近傍のエネルギーのγ線に基づく電気信号は、ナノ秒遅延器４８を介し、時間差波高変換器５０に供給される。時間差波高変換器５０では、波高弁別器４６−２の出力についてはナノ秒遅延器４８において若干遅延されており、一対の放射線検出器３０−１，３０−２に入射するγ線の時間差を計測しやすくなっている。時間差波高変換器５０では、計測した時間差がマイクロ秒オーダーの一対のγ線（同時入射のγ線）に基づく電気信号のみを選別する。

時間差波高変換器５０で選別された電気信号が多重波高分析器５２に供給され、５１１ｋｅＶ近傍のエネルギーのγ線であって一対が同時入射した場合のイベントがカウントされ、その結果がコンピュータ５４に供給される。

コンピュータ５４には、イベントのカウント数と、計測対象であるオイルの厚みなどの関係の検量線を予め記憶しており、この検量線に従ってオイル膜厚が算出できる。すなわち、オイルの体積当たりにどのくらいの陽電子放出核種が存在するかは予めわかっており、膜厚を変更した場合の単位時間当たりのイベント数を調べることで膜厚とイベント数の関係を予め決定できる。

＜実験＞
図４は、図１に対応するシステムの実験の概略を示す平面図およびコリメータの側面図である。まず、陽電子崩壊を起こす核種を含んだγ線の計測対象線源６０を設け、この計測対象線源６０の両側に一対のアルミの遮蔽材６２−１，６２−２を配置する。この遮蔽材６２−１，６２−２は、エンジンブロックに相当する。遮蔽材６２−１，６２−２の外側には視野をコリメートするコリメータ３２−１，３２−２が設けられている。この例では、コリメータ３２−１，３２−２は、複数の鉛ブロックを組み合わせて構成され、図４（Ｂ）に示すように、中央部に開口３２ａを有する。コリメータ３２−１，３２−２により、入射してくるγ線は開口３２ａを通過するものに限定される。

コリメータ３２−１，３２−２の開口３２ａの外側には放射線検出器３０−１，３０−２が配置される。コリメータ３２−１，３２−１の開口３２ａの大きさを所定のものにして、２つのコリメータ３２−１，３２−２の開口３２ａが計測対象線源６０を挟んで対向するように配置することで、計測対象線源６０から相対する方向（１８０度方向）に放出されたγ線であって２つの開口３２ａを通過するものが放射線検出器３０−１，３０−２に入射する。

特に、２つのコリメータ３２−１，３２−２により、２つの放射線検出器３０−１，３０−２に入射するγ線を１８０±５°の相対位置のものに限定することで、陽電子消滅時に発生する一対のγ線以外のγ線を効果的に排除することができ、検出精度を向上することができる。

ここで、陽電子と電子が対消滅する際には、エネルギー保存の法則と運動量保存の法則を満たすように、それぞれの質量に相当する５１１ｋｅＶのγ線が２つ１８０°方向に放出される。しかし、厳密にはそれぞれ、運動エネルギーや運動量を持っており、１８０°からずれる。特に、軌道電子の場合無視できない程度の運動量を持っているため、これがγ線の放出角のばらつきとして現れる。この放出角の揺動幅（フェルミエネルギー１０ｅＶのとき）は、理論的には６ｍｒａｄ（約０．３°）であるとされている。検出システムの誤差なども考慮し、±５°とすることで一対のγ線を効果的に検出することができる。

この放射線検出器３０−１，３０−２からの信号処理については、上述した図２に示す通りである。

また、この実験において、計測対象はエンジンシリンダー内壁面に付着したオイルであるが、オイルはオイルパン、エンジンヘッド等エンジン内の様々な部位を循環する。そのため、計測対象付近に計測対象外のオイルが存在することが考えられる。

そこで、かき上げオイルを想定した０．３ＭＢｑの計測対象線源６０を中央に配置し、中央から３０ｍｍ離れたところにエンジン他部位に存在するオイルを想定した２．５ＭＢｑの妨害線源６４を配置し、妨害線源６４の有無により同時計数に及ぼす影響を調査した。なお、放射線検出器３０−１，３０−２間の距離は５００ｍｍ、コリメータ３２−１，３２−２の開口３２ａは、横７５ｍｍ×縦２５ｍｍとした。

図５に、計測結果を示す。多重波高分析器５２から出力されるチャンネル（図中横軸）は２つの検出器に入射するγ線の時間差を示す。７１０チャンネルを中心に時間差に幅を有するが、これは放射線検出器３０−１，３０−２の他各要素の性能に由来する時間分解能であり、半値幅は１０ｎｓｅｃ程度である。

計測対象線源６０のみ（図中白丸）の場合と、計測対象線源６０＋妨害線源６４（図中黒丸）の場合において、同時計数値はプロットが揃っていることから同程度である。このことから、本実験の装置では、妨害線源６４の影響を受けていないことがわかる。

このように、コリメータ３２−１，３２−２により視野を絞り、波高弁別器４６−１，４６−２においてエネルギーにより弁別し、時間差波高変換器５０において時間差で分別することで、計測対象線源６０から同時発生する一対のγ線のみに限定し、妨害線源６４の影響を排除可能であることが示された。

ここで、図８に示すように、放射線源をＡ〜Ｅの５つ設け、これを横方向にＡ，Ｂ，Ｃの順で並べ、Ｂの上にＤ、Ｂの下にＥを配置した。そして、Ａの左側に放射線検出器３０−１、Ｃの右側に放射線検出器３０−２を配置し、２つの放射線検出器３０−１，３０−２において、入射するγ線をすべて検出した。その結果を図９に示す。このように、２つの放射線検出器３０−１，３０−２において、それぞれ放射線源Ｄ，Ｅについても、γ線を検出している。

本実施形態によれば、２つの放射線検出器３０−１，３０−２からの検出結果から相対する方向に同時に放出されたγ線のみを検出することで、位置精度を向上することができる。

＜実機模擬実験＞
実機模擬試験として、かき上げオイルを模擬した線源（外径Φ７４．５ｍｍ、内径Φ６４．５ｍｍ、厚さ５ｍｍの円環容器に陽電子放出核種として、^２２ＮａＣｌを含有した水溶液を封じ込めたもの）をピストン上死点近傍に配置し、線源強度を変化させた時の検出強度を求めた。

図６に線源強度（ｋＢｑ）と放射線検出強度（ｃｐｓ：count per second）の関係を示す。このように、線源強度と、放射線検出強度には１対１の関係があり、また強度の非常に小さいところでもよい相関が保たれている。本実施形態の手法では、自然放射線によるバックグラウンドによる影響はなく、約０．０３ｋＢｑの低線量まで判別することができることがわかる。

２つの放射線検出器で個別に検出した場合（従来法）の、線源強度と放射線検出強度の関係を図７に示す。線源強度１０ｋＢｑ以上では、線源強度と放射線検出強度に相関があるが、バックグラウンドの影響が強く、１０ｋＢｑ以下では判別がつかないことがわかる。

ここで、本実施形態において、線源強度「０．０３」、「１０」ｋＢｑはオイル量換算でそれぞれ「９」、「３０００」ｍｍ^３に相当し、オイル膜高さを６ｍｍとした時のオイル膜厚さはそれぞれ「６」、「２０５０」μｍ程度に相当する。

シリンダ内壁に付着するオイル量は多くとも１０μｍ程度である。従って、従来法では付着の有無を捉えることができないのに対して、本実施形態の手法では計測可能となる。

例えば、^２２ＮａＣｌの水溶液を１ｐｐｂ〜１．０重量％の範囲で含むオイルを用いることで、エンジンのシリンダ内などのオイルの分布状態を効果的に検出できる。

ここで、^２２ＮａＣｌの水溶液の濃度は３．７ＴＢｑ／ｇであり、オイル量：３Ｌ、オイル密度：０．８ｃｍ^３／ｇとしたときに、^２２ＮａＣｌの濃度と線源強度の関係は、１ｐｐｂ：８．９ｋＢｑ、１．０％：８９ＧＢｑのようになる。

なお、線源強度を高めることで、その最小分解能を小さくすることができる。しかし、放射線強度はあまり高くすることはできず、なるべく低い方がよい。そこで、数倍から数十倍の分解能向上は可能であるものの、作業者の安全性を確保するため、１０００倍といった大量の放射性同位体を扱うことは不適である。

＜放射線検出器の多チャンネル化や移動による計測対象物の分布測定＞
上記実施形態では、固定した一対の放射線検出器３０−１，３０−２を用いた。しかし、これに限定されるものではなく、医療用のＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置と同様に、対となる検出器数を増やしたり、検出器を移動して計測することで分布状態を計測することも可能である。

例えば、図２に示した計測システムを基に、一対の放射線検出器３０−１，３０−２とは異なる高さ位置に別の一対の放射線検出器を設置することで、高さ方向のオイル分布を同時に計測することができる。

計測対象物の時間変化が少ない場合には、検出器を移動させることでも分布状態を解析することができる。

さらに、本実施形態においては、水平方向の面内において、対向する方向に放出される一対のγ線を検出した。しかし、一対の放射線検出器を結ぶ直線上において対向する方向に放出されるγ線を検出すれば、その直線におけるオイルの膜厚などを検出できる。検出対象とするオイルの部位はわかっており、この検出対象部位を挟むようにして放射線検出器を対向配置し、γ線の同時動検出をカウントすることで、オイルの存在量を検出することができる。

＜陽電子線放出核種＞
陽電子放出核種は、前述した^２２Ｎａに限定されるものではなく、流体物に含有させ、その流体物の機械システム内での分布を計測するために１日以上の半減期を有するものが好適である。すなわち、機械システム内でオイルなどの流体物が定常的な状態になるにはある程度の時間が掛かり、その後に放射線（γ線）を検出したいからである。流体物の堆積にはさらに時間が掛かるため、堆積物の計測の場合には、半減期が１００日以上のものが好ましい。

例えば、^２２Ｎａ（半減期２．６年）、^６５Ｚｎ（半減期２４４日）、^１２４Ｉ（半減期４．２日）などがあげられる。また、^６８Ｇｅは半減期２７１日であり、その娘核である^６８Ｇａの半減期は６８分で陽電子を放出する。陽電子放出核種（この場合は娘核）自体の半減期は短くても、その親核種が１日以上の半減期を有していれば、親核種をオイル等の流体物に含有させて使用することができる。

このように、その陽電子放出核種およびその親核種を含む分子（化合物）が流体物に可溶あるいは均一分散する（均一に含有可能な）ものであれば、その種類は限定されない。

＜適用例＞
前述した実施形態は、エンジンシリンダー内壁に付着したオイルの検出を目的とした。しかし、本実施形態に係る陽電子消滅を利用した計測システムの適用はこれに限定されるものではない。

例えば、その内部に流体物を保有または封入する機械システムとして、エンジンを採用し、そのシリンダ内のオイル分布を計測した。このエンジンに関しても、流体物であるオイルの分布を計測するのみならず、ピストンやピストンリング、シリンダ内壁に堆積するオイル起因のデポジット量を計測することも可能である。

エンジンオイル中の添加剤には、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、亜鉛、リン、シリコンといった無機成分が含まれ、これらは燃焼によって灰成分となり、堆積物生成の要因となる。例えば、前述した陽電子放出核種の^２２Ｎａを含有したオイルを用いて運転することで、他のオイル添加剤の無機成分と同様に、^２２Ｎａが含有されたデポジット（堆積物）が生じる。そこで、長時間運転したエンジンをピストンが特定部位に位置するようクランク角で停止させ、付着したオイルが落下するよう十分に放置した後で、放出されるγ線強度を計測することで、エンジンを分解することなく堆積したデポジット量を計測できる。

この場合、計測対象は、流体物たるオイルのデポジットであって、もはや流体物ではない。また、このようなデポジットの測定は、どのような期間におけるデポジット量を測定したいかによって異なるが、その期間で十分陽電子崩壊を維持できるものをオイル等に含有させる必要がある。例えば、^２２Ｎａ（半減期２．６年）、^６５Ｚｎ（半減期２４４日）などがあげられる。また、^６８Ｇｅ（半減期２７１日）などを利用するとよい。

さらには、計測対象の機械システムはエンジンに限ることなく、自動車部品を対象としても、変速機内、ディファレンシャルギヤユニット内、ブレーキや操舵装置のオイル圧システム、燃料やオイルのポンプ内、オイル圧コントロールバルブユニット内、ショックアブソーバー内、冷却水タンク、冷却水ポンプと配管内など、様々なものに適用できる。

すなわち、前記機械システムとしては、内燃機関、オイルポンプ、オイルインジェクタ、熱交換器、冷却水ポンプ、燃料ポンプ、燃料インジェクタ、変速機、変速機用のオイルポンプ、オイル圧バルブユニット、すべり軸受、または転がり軸受などが考えられる。

また、流体物としては、オイル、冷却水、燃料、グリース、または水系潤滑剤が考えられ、これら流体物から生じた残渣物である、流体物の堆積物も対象となる。

＜経過時間による補正＞
図１０には、放射線強度Ｎの経過時間ｔに伴う減衰について示してある。時間０における放射線強度Ｎ＝Ｎ_０とし、Ｎ＝Ｎ_０／２となる半減期をＴとすると、放射線強度Ｎは、次のように表せる。なお、ｌｎ（２）は底を２とした対数である。
Ｎ＝Ｎ_０×ｅｘｐ（−ｌｎ（２）（ｔ／Ｔ）

オイルなどに陽電子放出核種を含ませた場合において、オイルから放出される放射線強度は、時間によって変化する。そこで、検出した放射線強度からオイルの量に換算する際には、経過時間に応じて、上式を用いて補正するとよい。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、機械システム内の流体物の分布状態を非分解で計測することができる。例えば、エンジンにてピストンが上下動する中、燃焼室内となるシリンダ内壁上部に堆積するオイル量を計測することができ、オイル消費の発生要因や燃焼に及ぼすオイル混入の影響などを解析することができる。これによって、信頼性の高いエンジンの設計・開発に貢献できる。

特に、一対の放射線検出器３０−１，３０−２で検出する放射線を１８０±５°の相対方向に入射してくるものに限定することで、計測視野を限定して計測することができ、他の部位からの放射線を除外して、測定の位置精度を向上することができる。

計測するγ線のエネルギーを電子および陽電子の質量に対応する５１１ｋｅＶ近傍でウィンドウを設けることにより、自然放射線の影響を除去することができる。また、自然放射線の多くは単一の放射線であることから、一対のγ線が同時に入射するときのみを信号とすることで、自然放射線の影響を除去することができる。

１０ エンジン、１２ シリンダ、１４ ピストン、１６ ピストンリング、２０ 吸気弁、２２ 排気弁、２４ 吸気管、２６ 排気管、３０ 放射線検出器、３２ コリメータ、４０ 光電子増倍管、４２ 高圧電源、４４ 増幅器、４６ 波高弁別器、４８ ナノ秒遅延器、５０ 時間差波高変換器、５２ 多重波高分析器、５４ コンピュータ、６０ 計測対象線源、６２ 遮蔽材、６４ 妨害線源。

Claims (6)

1. 機械システムの内部における、陽電子放出核種を含む流体物または流体物から生じた堆積物の分布状態を計測する機械システムの流体分布計測システムであって、
   前記機械システムの計測対象部位を挟んで対向配置された一対の放射線検出器を含み、
   前記流体物または流体物から生じた堆積物中の前記陽電子放出核種から放出される陽電子が消滅する際に相対する方向に同時に発せられる一対のガンマ線が前記一対の放射線検出器に入射するというイベントをカウントし、イベントの単位時間当たりのカウント数に基づき計測対象部位における前記流体物または流体物から生じた堆積物の厚みを検出することで、機械システム内部における流体物または流体物から生じた堆積物の分布状態を計測する機械システムの流体分布計測システム。
2. 請求項１に記載の機械システムの流体分布計測システムであって、
   前記一対の放射線検出器は、前記計測対象部位から１８０±５°の相対位置に配置されている、機械システムの流体分布計測システム。
3. 請求項１または２に記載の機械システムの流体分布計測システムであって、
   前記陽電子放出核種またはその親核種に、１日以上の半減期を有する核種を用いる、機械システムの流体分布計測システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の機械システムの流体分布計測システムであって、
   前記陽電子放出核種に^２２Ｎａを単体または化合物の形態で用いる機械システムの流体分布計測システム。
5. 請求項４に記載の機械システムの流体分布計測システムであって、
   前記化合物に^２２ＮａＣｌを用いる機械システムの流体分布計測システム。
6. 請求項５に記載の機械システムの流体分布計測システムであって、
   前記流体物は^２２ＮａＣｌの水溶液を含むオイルである、機械システムの流体分布計測システム。