JP7466232B2 - マイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システム及びその補助潤滑方法 - Google Patents

Description

本発明は水潤滑滑り軸受の技術分野に属し、具体的には、マイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システム及びその補助潤滑方法に関し、微小油滴供給システムは水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭う際のトライボロジー性能の調整に用いられる。

船舶推進システムにおいて、滑り軸受が潤滑油を潤滑媒体として用いる場合、潤滑油が漏れて、汚染が生じ、生態環境をひどく破壊することが発生しやすい。

近年以来、環境保護意識の強化及び環境立法の完全化に伴い、汚染がなくコストが低い水を潤滑剤とする水潤滑軸受は、既に各国が競って研究するホットスポットとなっている。しかしながら、水の粘度が低く、成膜能力が低く、水潤滑軸受の使用中にはなお多くの問題がある。プロペラアームの配置による軸受の非均一な荷重、軸受の起動停止段階の低速回転、外荷重の短時間衝撃等は、いずれも摩擦対偶間の水膜の破裂を引き起こし、軸受が摩耗して故障してしまう恐れがある。上記条件は軸受の鳴音騒音をもたらして、艦船の隠蔽性に影響し、艦載ソナー作用距離及び艦船の対抗能力を低下させるとともに、艦船に乗る快適性にも影響する恐れもある。従って、上記問題をどのように解決するかは水潤滑軸受の研究分野におけるキーポイントである。

潤滑媒体として、潤滑油の性能は水よりも遥かに優れ、且つ潤滑に本当に必要な液体潤滑剤の使用量は非常に少ない。極めて少量の液体潤滑剤を水に加えて接触領域に入れることにより、水潤滑軸受の性能を明らかに向上させることができる。

マイクロフルイディクスは最近数年の新興の学科及び技術として、マイクロチャネル（寸法が数十～数百マイクロメートルである）を利用して微小流体を処理又は操作し、その重要な特徴の１つは、マイクロスケール環境において独特な流体性質、例えば層流及び液滴等を有することである。マイクロチャネルの設計及び流体の流速の制御によって、剪断力、粘力及び表面張力を利用して速度差を発生させ、それにより液流を微小液滴に分解する。

本発明者は、マイクロフルイディクス技術により、潤滑油に水中で油滴を形成させ、それを水潤滑軸受の補助潤滑に応用し、水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭うとき、微量の潤滑油を微小油滴の形で接触領域に一定の速度で断続的に注入して、水潤滑軸受のトライボロジー性能の調整を行い、これにより、水潤滑軸受の支持能力を向上させ、水潤滑軸受の摩擦と摩耗を低減し、危険を一時的に回避する目的を達成する。

本発明の目的は、従来技術の欠陥に対して、マイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システム及びその補助潤滑方法を提供し、該システムは注油量を正確に調整することができ、潤滑油微量供給のニーズを満たす。

上記目的を達成するために、本発明は、マイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法を提供し、具体的には、
水潤滑軸受の軸受ライニングに注油孔を開設し、微小油滴供給システムのマイクロフルイディクスチャネルを注油孔内まで延ばすステップＳ１と、
純水潤滑条件下で、水潤滑軸受の軸心軌跡検出装置を利用して水潤滑軸受の軸心軌跡を測定し、測定された信号を産業用コンピュータの観測制御及びデータ処理システムに入力し、適時な記録、記憶及び分析を行い、それにより軸心軌跡のリアルタイム曲線を取得し、軸心軌跡の測定を実現するステップＳ２と、
水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭い、即ち測定された軸心軌跡の形状が不規則で、大きなリング内に小さなリングが套設される現象が生じ始めるとき、水潤滑軸受の潤滑状態が混合潤滑に変化し始めることを表し、このとき、微小油滴供給システムを起動し、微小油滴供給システムは水相を連続相とし、油相を分散相とし、マイクロフルイディクス技術を利用して水相中に１つ１つの微小油滴を形成し、微小油滴が水の流れとともに注油孔を介して水潤滑軸受の接触領域に流れ込んで油膜を発生させ、脆弱な水膜を代替して、水潤滑軸受の支持能力を向上させ、水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭う際のトライボロジー性能を改善するステップＳ３と、
水潤滑軸受の軸心軌跡が楕円に戻って、改めて幾何学的中心近傍に戻る場合、水潤滑軸受が流体動圧潤滑状態に達し、微量潤滑油供給を行う必要がなくなり、微小油滴供給システムが水潤滑軸受の軸心軌跡検出装置からのフィードバックに基づいて動作を停止するステップＳ４と、を含む。

更に、微小油滴供給システムは、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルを用いて油相を微小油滴に剪断し、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルが垂直管及び水平管を備え、垂直管が水平管に垂直に交差し、垂直管の水平管寄り端がテーパー状に小さくなり、垂直管内が油相であり、水平管内が水相であり、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルに接続される配管がいずれもマイクロフルイディクスチャネルである。

更に、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネル及びマイクロフルイディクスチャネルをいずれも超撥油処理する。

更に、ステップ（１）における注油孔が、軸受ライニングの接触領域に近接する位置に設置され、水潤滑軸受の軸受台にねじ穴が開設され、ねじ穴が注油孔と連通し、微小油滴供給システムのマイクロフルイディクスチャネルがねじ穴を介して注油孔内まで延ばされ、マイクロフルイディクスチャネルの末端が注油孔の内側ポートと同一平面である。

更に、水潤滑軸受の軸心軌跡検出装置として、市販されている渦電流変位センサを用い、微量潤滑油供給システムが用いる潤滑油として、市販されている環境に優しい動物油又は植物油を選択する。

本発明は、マイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムを更に提供し、その本体構造は、潤滑油供給システム、水供給システム及びＴ型マイクロフルイディクスチャネルを備え、潤滑油供給システムがマイクロフルイディクスチャネルを介してＴ型マイクロフルイディクスチャネルの垂直管の入口端に接続され、水供給システムがマイクロフルイディクスチャネルを介してＴ型マイクロフルイディクスチャネルの水平管の入口端に接続され、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルの水平管の出口端がマイクロフルイディクスチャネルを介して水潤滑軸受の注油孔に接続される。

従来技術に比べて、本発明の利点は、
１．微量潤滑油供給の補助潤滑システムは、水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭うとき、軸受に潤滑油を微量で離散的な形で断続的に供給することにより、水潤滑軸受の非正常動作状況下での潤滑性能を高め、水潤滑軸受の摩擦と摩耗を低減し、水潤滑軸受の耐用年数を延ばし、
２．マイクロフルイディクス技術は微小油滴の形成に寄与し、連続的な給油が給油量を正確に制御できない欠陥を回避し、より少量の潤滑油でより優れた補助潤滑効果を実現することができ、潤滑油の使用量を減少させ、マイクロフルイディクスチャネルが接触領域に直接延在し、水の逆流及び接触領域の圧力は微小油滴が接触領域に入ることに与える影響を低減することができ、潤滑油が接触領域に入って潤滑に参加することをより容易にし、且つマイクロフルイディクスチャネルの微小寸法が水潤滑軸受システムの応力集中を増加させることがなく、
３．Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルの油入口を収縮状に設計し、潤滑油が水の流れにより剪断されて油滴を形成することをより容易にするとともに、油滴が非静的な動作環境においてマイクロフルイディクスチャネルに粘着されることを防止するために、マイクロフルイディクスチャネルの内面を超撥油処理し、潤滑油をマイクロフルイディクスチャネルにおいて常に油滴の形で存在させ、
４．水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭うときだけに微量の潤滑油で潤滑を補助するため、給油時間が短く、油消費量が少なく、環境に優しい潤滑油環境への汚染が少なく、補助潤滑システムは構造が簡単で、製造コストが低く、市場における大きな将来性を有することにある。

本発明に係る実施例１の微小油滴供給システムの構造の原理模式図である。 本発明に係る実施例１の水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭う際の軸心軌跡図である。 本発明に係るマイクロフルイディクス技術による潤滑油滴の形成原理及び配管の内面の超撥油性薄膜の修飾の模式図である。 本発明に係るＳｔｒｉｂｅｃｋ曲線図である。

以下、図面を参照しながら実施例によって本発明を更に説明する。

本実施例は、マイクロフルイディクス技術に基づき、水潤滑軸受に微小油滴を供給する微小油滴供給システムに関する。微小油滴供給システムの本体構造は、貯水タンク１、揚水ポンプ２、一方向絞り弁３、微量給油ポンプ４、アンロード弁５及びＴ型マイクロフルイディクスチャネル６を備える。貯水タンク１と揚水ポンプ２がマイクロフルイディクスチャネルを介して接続され、一方向絞り弁３の入口端が第１マイクロフルイディクスチャネル７を介して揚水ポンプ２に接続され、一方向絞り弁３の出口端が第２マイクロフルイディクスチャネル１４を介してＴ型マイクロフルイディクスチャネル６の水平管の入口端に接続され、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネル６の垂直管の入口端が第３マイクロフルイディクスチャネル１５を介して微量給油ポンプ４に接続され、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネル６の水平管の出口端が第４マイクロフルイディクスチャネル１６に接続される。第４マイクロフルイディクスチャネル１６が、水潤滑軸受のねじ穴１０を通過して軸受台８と軸受ライニング９との間の凹溝１１に入って注油孔１３まで延び、第４マイクロフルイディクスチャネル１６の末端が注油孔１３の内側ポートと同一平面である。アンロード弁５がマイクロフルイディクスチャネルを介して微量給油ポンプ４に接続されている。水潤滑軸受の本体構造は、軸受台８、軸受ライニング９、ねじ穴１０、凹溝１１、回転軸１２、注油孔１３を備え、軸受台８にねじ穴１０が開けられ、軸受台８内に中空円柱構造の軸受ライニング９が設けられ、軸受ライニング９上に接触領域近傍に注油孔１３が開けられている。注油孔１３は円柱形構造であり、その一端が凹溝１１と連通し、他端が軸受ライニング９内に延在している。凹溝１１は軸受台８と軸受ライニング９との間に周方向に設置され、その一端がねじ穴１０と連通し、他端が注油孔１３と連通しており、凹溝の長さは、ねじ穴１０と注油孔１３との間において短い側の距離である。回転軸１２が軸受ライニング９内に取り付けられ、回転軸１２が軸受ライニング９に対して回転することができる。

前記第１マイクロフルイディクスチャネル７、第２マイクロフルイディクスチャネル１４、第３マイクロフルイディクスチャネル１５、第４マイクロフルイディクスチャネル１６及びＴ型マイクロフルイディクスチャネル６の内面をいずれも超撥油処理し、具体的には、室温で、５ｇのアルコキシシラン官能化ベタイン型両性イオン化合物を９５ｇのアルコール溶剤（溶液Ａ）に溶解するとともに、５ｇの寸法１００ｎｍのナノシリカと９５ｇのメタノール溶剤を混合して溶液Ｂを調製し、１５ｇの溶液Ａ、５ｇの溶液Ｂ及び０．５ｇのイソプロパノール希釈剤、０．１ｇの水と５ｇのメタケイ酸メチルエステルシラン接着剤を混合して均一に撹拌し、第１マイクロフルイディクスチャネル７、第２マイクロフルイディクスチャネル１４、第３マイクロフルイディクスチャネル１５、第４マイクロフルイディクスチャネル１６及びＴ型マイクロフルイディクスチャネル６を混合溶液に浸漬し、８０℃の条件下で１００ｍｉｎ処理して、超撥油性内面（図３に示される）を得て、それによりＴ型マイクロフルイディクスチャネル６において水の流れにより剪断された後の潤滑油が常に油滴の形で存在し得るようにする。

前記貯水タンク１と揚水ポンプ２との間のマイクロフルイディクスチャネル、アンロード弁５と微量給油ポンプ４との間のマイクロフルイディクスチャネル、第１マイクロフルイディクスチャネル７、第２マイクロフルイディクスチャネル１４、第３マイクロフルイディクスチャネル１５、第４マイクロフルイディクスチャネル１６及びＴ型マイクロフルイディクスチャネル６は、いずれも市販されるものであって、ポリテトラフルオロエチレンで製造され、その配管の直径寸法が数十～数百マイクロメートルである。

前記Ｔ型マイクロフルイディクスチャネル６は垂直管及び水平管を備え、垂直管が水平管に垂直に交差し、垂直管の水平管寄り端がテーパー状に小さくなり、即ち、潤滑油が垂直管から水平管へ流れるとき、配管の直径が大から小さくなり、潤滑油が水平管に入る際の配管の直径が最も小さく、潤滑油が水の流れにより剪断されることをより容易にする。

更に、第１マイクロフルイディクスチャネル７、第２マイクロフルイディクスチャネル１４、第３マイクロフルイディクスチャネル１５、第４マイクロフルイディクスチャネル１６、貯水タンク１と揚水ポンプ２との間のマイクロフルイディクスチャネル、アンロード弁５と微量給油ポンプ４との間のマイクロフルイディクスチャネル、並びにＴ型マイクロフルイディクスチャネル６の垂直管及び水平管の直径はいずれも同じであり、水潤滑軸受の凹溝１１の直径は第４マイクロフルイディクスチャネル１６の直径よりも少々大きく、凹溝１１の直径の大きさは第４マイクロフルイディクスチャネル１６に凹溝を通らせることができるだけでなく、第４マイクロフルイディクスチャネル１６を固定することもできる。Ｔ型マイクロフルイディクスチャネル６及び凹溝１１の構造をより良く顕在化させるために、図１を拡大処理する。

本実施例に係るマイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法は、
典型的なＳｔｒｉｂｅｃｋ曲線に基づいて、水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭うとき、軸受内部の水膜が破裂し、軸受摩擦対偶間の潤滑状態が流体動圧潤滑から混合潤滑ひいては境界潤滑になって、水潤滑軸受のひどい摩耗故障をもたらし、これを基に、異なる潤滑状態での軸心軌跡を測定し、軸心軌跡が幾何学的中心近傍の長軸及び短軸のうちのより小さな１つの楕円に位置し、且つ再現性が高い場合、水潤滑軸受が流体動圧潤滑状態にあり、軸心軌跡の形状が不規則で、大きなリング内に小さなリングが套設される現象が生じ始めるとき（図２に示される）、水潤滑軸受の潤滑状態が混合潤滑に変化し始めることを表すステップＳ１と、
純水潤滑条件下で、水潤滑軸受が水環境に位置し、渦電流変位センサを利用して水潤滑軸受の軸心軌跡を測定し、測定された信号を産業用コンピュータの観測制御及びデータ処理システムに入力し、適時な記録、記憶及び分析を行い、それにより軸心軌跡のリアルタイム曲線を取得し、軸心軌跡の測定を実現するステップＳ２と、
水潤滑軸受が突然に起動停止段階の低速回転、外荷重の短時間衝撃等の可変荷重又は可変速度等の過酷な動作状況に遭うと、微小油滴供給システムは、水潤滑軸受の軸心軌跡が変化するフィードバックに基づいて、揚水ポンプ２が先に動作し始め、揚水ポンプ２が貯水タンク１内の水を一方向絞り弁３により水潤滑軸受内の環境水圧よりも大きな圧力でＴ型マイクロフルイディクスチャネル６に押し込み、軸受ライニング９と軸受台８との間に埋められた第４マイクロフルイディクスチャネル１５に流れ込ませ、第４マイクロフルイディクスチャネル１５内の水の流れが安定化した後、微量給油ポンプ４が動作し始め、微量給油ポンプ４が潤滑油を一定の流動性で第３マイクロフルイディクスチャネル１５内に押し込み、潤滑油の流速が具体的な水潤滑軸受の応用構造に関連し、具体的な状況に応じて調整可能であり、微量の潤滑油がＴ型マイクロフルイディクスチャネル６内に到達した後、収縮口及び水の剪断力の存在により微小な油滴を形成し、水の流れとともに第４マイクロフルイディクスチャネル１６に流れ込み、第４マイクロフルイディクスチャネル１６内の潤滑油滴が注油孔１３を通過して接触領域に入って油膜を発生させ、脆弱な水膜を代替して、水潤滑軸受の支持能力を向上させ、水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭う際のトライボロジー性能を改善するステップＳ３と、
軸受の軸心軌跡が楕円に戻って、改めて幾何学的中心近傍に戻る場合、水潤滑軸受が流体動圧潤滑状態に達し、微量潤滑油供給を行う必要がなくなり、微小油滴供給システムが渦電流変位センサに基づいてフィードバックし、アンロード弁５が微量給油ポンプ４をリリーフし、微小油滴供給システムが動作を停止するステップＳ４と、を含む。

更に、微小油滴供給システムが用いる潤滑油は市販されている環境に優しい動物油又は植物油を選択する。

Claims (6)

1. マイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法であって、具体的には、
   水潤滑軸受の軸受ライニングに注油孔を開設し、微小油滴供給システムの管状のマイクロチャネルであるマイクロフルイディクスチャネルを注油孔内まで延ばすステップＳ１と、
   純水潤滑条件下で、水潤滑軸受の軸心軌跡検出装置を利用して水潤滑軸受の軸心軌跡を測定し、測定された信号を産業用コンピュータの観測制御及びデータ処理システムに入力し、適時な記録、記憶及び分析を行い、それにより軸心軌跡のリアルタイム曲線を取得し、軸心軌跡の測定を実現するステップＳ２と、
   水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況、即ち、測定された軸心軌跡の形状が不規則で、大きなリング内に小さなリングが形成される現象が生じ始めるとき、水潤滑軸受の潤滑状態が混合潤滑に変化し始めることを表し、このとき、微小油滴供給システムを起動し、微小油滴供給システムは水相を連続相とし、油相を分散相とし、マイクロフルイディクス技術を利用して水相中に１つ１つの微小油滴を形成し、微小油滴が水の流れとともに注油孔を介して水潤滑軸受の接触領域に流れ込んで油膜を発生させ、脆弱な水膜を代替して、水潤滑軸受の支持能力を向上させ、水潤滑軸受が突然に過酷な動作状況に遭う際のトライボロジー性能を改善するステップＳ３と、
   水潤滑軸受の軸心軌跡が楕円に戻って、改めて幾何学的中心近傍に戻る場合、水潤滑軸受が流体動圧潤滑状態に達し、微量潤滑油供給を行う必要がなくなり、微小油滴供給システムが水潤滑軸受の軸心軌跡検出装置からのフィードバックに基づいて動作を停止するステップＳ４と、を含むことを特徴とするマイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法。
2. 微小油滴供給システムは、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルを用いて油相を微小油滴に剪断し、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルが垂直管及び水平管を備え、垂直管が水平管に垂直に交差し、垂直管の水平管寄り端がテーパー状に小さくなりであり、垂直管内が油相であり、水平管内が水相であり、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルに接続される配管がいずれもマイクロフルイディクスチャネルであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法。
3. Ｔ型マイクロフルイディクスチャネル及びマイクロフルイディクスチャネルをいずれも超撥油処理することを特徴とする請求項２に記載のマイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法。
4. ステップＳ１における注油孔が軸受ライニングの接触領域に近接する位置に設置され、軸受ライニングは水潤滑軸受の軸受台の内面に形成され、軸受台にねじ穴が開設され、ねじ穴が注油孔と連通し、微小油滴供給システムのマイクロフルイディクスチャネルを構成する配管が、ねじ穴を通っていて、配管の端部が、注油孔内の内側端面と同一平面であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法。
5. 水潤滑軸受の軸心軌跡検出装置は渦電流変位センサであり、微量潤滑油供給システムが用いる潤滑油は市販されている動物油又は植物油を選択することを特徴とする請求項１に記載のマイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法。
6. 微小油滴供給システムの本体構造は潤滑油供給システム、水供給システム及びＴ型マイクロフルイディクスチャネルを備え、潤滑油供給システムがマイクロフルイディクスチャネルを介してＴ型マイクロフルイディクスチャネルの垂直管の入口端に接続され、水供給システムがマイクロフルイディクスチャネルを介してＴ型マイクロフルイディクスチャネルの水平管の入口端に接続され、Ｔ型マイクロフルイディクスチャネルの水平管の出口端がマイクロフルイディクスチャネルを介して水潤滑軸受の注油孔に接続されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロフルイディクス技術に基づく微小油滴供給システムの補助潤滑方法。