KR101433844B1 - 도전성 마모 카운터페이스와의 이용을 위한 개방 회로 마모 센서 - Google Patents

도전성 마모 카운터페이스와의 이용을 위한 개방 회로 마모 센서 Download PDF

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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

컴포넌트는 전기적 도전성 마모 카운터페이스(50)에 의해 마모되는 표면을 포함한다. 상기 컴포넌트는, 기판(10); 상기 기판(10) 위에 놓이는 하나 또는 그보다 많은 물질층들(32); 상기 하나 또는 그보다 많은 물질층들(32) 위에 놓이는 마모 표면층(16); 상기 기판(10) 내에, 상기 하나 또는 그보다 많은 물질층들(32) 내에, 또는 상기 마모 표면층(16) 내에 배치된, 제 1 쌍의 떨어져 이격되고 전기적으로 개방된 마모 센서 도체들(12/14); 및 제 1 마모 경고를 제공하기 위해 상기 제 1 쌍의 도체들(12/14)과 통신하기 위한 제 1 마모 경고 전기 회로(68/69/70/74)를 포함하며, 상기 마모 카운터페이스(50)가 위에 놓인 층들을 마모시킬 때, 상기 마모 카운터페이스(50)는 상기 제 1 마모 경고 회로(68/69/70/74)를 활성화하도록 상기 제 1 쌍의 도체들(12/14)을 상호접속시킨다.

Description

도전성 마모 카운터페이스와의 이용을 위한 개방 회로 마모 센서 {AN OPEN CIRCUIT WEAR SENSOR FOR USE WITH A CONDUCTIVE WEAR COUNTERFACE}
본 발명은 머신의 접촉 표면들 일측 또는 양측에서 표면 마모를 검출하기 위한 센서들에 관한 것으로, 접촉 표면들 중 적어도 하나는 도전성 물질을 포함한다.
머신(예를 들어, 고성능 머신들 또는 엔진들) 내의 접촉 컴포넌트들 사이의 상대적 움직임은 컴포넌트들 일측 또는 양측의 과도한 마모를 초래할 수 있다. 예를 들어, 고주파 및 저주파 진동들을 겪는 컴포넌트들은 컴포넌트 부속장치(attachment)들 또는 결합(mating) 표면들의 과도한 마모를 초래할 수 있다. 컴포넌트 마모가 검출되지 않고 남아있는 경우, 컴포넌트 마모는 컴포넌트 및 머신 기능불량(malfunction)들을 초래할 수 있다. 예를 들어, 내연 터빈 엔진 내의 스프링 클립들은, 동작 진동들 및 동력(dynamic force)들로 인한 다른 컴포넌트들과의 접촉으로부터의 표면 마모를 경험한다.
일부 애플리케이션들에서, 컴포넌트 마모는 윤활제들을 이용함으로써, 높은 내마모성을 가진 물질들을 이용함으로써, 그리고/또는 컴포넌트 마모를 초래하는 움직임 및 접촉을 제한하는 설계 특징들에 의해, 용인되는 레벨들로 제어될 수 있다. 그러나, 브레이크 라이닝들, 맞물림(meshing) 기어들, 접촉 슬라이더들 및 슬립 핏(slip fit)들에서와 같이, 상대적 움직임이 제거될 수 없는 많은 상황들이 존재하며; 마모는 이러한 애플리케이션들에서 불가피하다.
중요 컴포넌트들의 마모 상태의 인식은 예상치 못한 컴포넌트 장애들로 인한 고장 운전중지(forced outage)들을 회피하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 인식은 또한, 컴포넌트가 수리할 수 없을 정도로 마모될 때까지 또는 비상 정지(shut down)가 요구될 때까지 동작을 지속하기보다는, 편리한 스케줄된 시간에 마모된 컴포넌트들을 수리하기 위해 머신이 정지되는 것을 가능하게 한다. 고장 운전중지들을 회피함으로써 그리고 스케줄된 운전중지가 수행될 때 마모된 부분들이 폐기되는 대신에 수리될 수 있도록 보장함으로써의 양측 모두에 의해, 상당한 비용들이 절약될 수 있다.
지속되는 서비스를 위한 컴포넌트의 적합성 및 마모의 범위는 시각적 검사 및/또는 치수 검사에 의해 결정될 수 있다. 일부 애플리케이션들에서, 마모 표시자들은 접촉 표면들 중 하나 또는 그보다 많은 접촉 표면들 내에 또는 인접하여 임베딩된다. 예를 들어, 브레이크 라이닝들의 상황에서, 마모 제한 노치들(notches) 또는 "스퀼러들(squealers)"은 미리결정된 라이닝 마모량이 발생할 때, 가청 경고를 발생시킨다.
그러나, 예를 들어 시간 및 노동 비용들, 검사 및 검사 정지 시간(down time)으로 인한 동작 중단들의 비용과 같은 요인들로 인해 주기적 검사가 실현 가능하지 않은 많은 애플리케이션들이 존재한다. 부가하여, 가스 터빈 엔진의 내부 컴포넌트들을 모니터링하는 경우에서와 같이, 시각적 또는 가청 경고들이 항상 실현가능한 모니터링 솔루션들은 아니다. 따라서, 컴포넌트가 동작 상태인 동안 컴포넌트 마모를 모니터링할 수 있는 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
마모되는 컴포넌트들 중 일측 또는 양측 모두에 장착된 마모 센서들은 바람직하게, 머신 동작 동안 컴포넌트 마모의 실시간 모니터링을 제공한다. 이들 센서들은 마모되기 쉬운 구역들에서 발생하는 마모의 양을 측정하고, 미리선택된 마모량이 발생할 때 오퍼레이터에게 통지한다. 센서들은 머신 신뢰성을 향상시키고 보다 정확한 유지보수 계획을 가능하게 한다. 이러한 모니터링은 또한, 안정성을 향상시키고 임의의 컴포넌트 손상이 발생하기 전에 유지보수 필요성을 표시함으로써 동작 및 유지보수 비용들을 감소시킨다. 실시간 마모 모니터링은 또한 스케줄되지 않은 운전중지들을 회피한다.
도전성 마모 센서는 "Wear Monitoring System with Embedded Conductors"라는 명칭의, 공동으로-소유된 미국 특허 번호 제7,270,890호에 설명되어 있다. 상기 특허는 카운터페이스가 폐쇄 회로 도전성 트레이스를 통해 마모될 때 개방 회로 상태로 변형되는 폐쇄 회로 도전성 트레이스를 포함하는 센서를 기술한다. 이러한 센서는 많은 애플리케이션들을 갖지만, 종종 마모 커플(즉, 마모 표면을 따라 접촉하는 2개의 컴포넌트들)의 양측 부재들은 전기적 도전성 금속들이다. 이러한 전기적 도전성 컴포넌트들에서 개방 회로는 검출될 수 없다.
본 발명은 아래의 도면들을 고려하여 아래의 설명에서 설명된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 3개의 상이한 실시예들을 도시한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 마모 센서를 기판에 적용하기 위한 프로세스의 연속적인 단계들을 도시한다.
도 8은 본 발명의 마모 센서를 포함하는 기판의 단면도를 도시한다.
도 9 내지 도 11은 마모 카운터페이스의 움직임에 의해 초래되는 기판 표면의 마모 단계들을 도시한다.
도 12는 마모 카운터페이스에 의해 마모된 기판의 단면도를 도시한다.
도 13 내지 도 19는 상이한 애플리케이션들을 위한 마모 센서들의 다양한 실시예들의 단면도들을 도시한다.
본 발명의 다양한 양상들에 따른 도전성 카운터페이스와 함께 이용하기 위한 개방 회로 마모 센서에 관한 특정 방법들 및 장치들을 상세하게 설명하기 전에, 본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 본 발명은 주로 하드웨어 및 방법 단계들의 신규하고 자명하지 않은 조합에 있다는 것이 인지되어야 한다. 따라서, 하드웨어 및 방법 단계들은 도면들에서 종래의 엘리먼트들에 의해 표시되며, 상기 도면들은 본 명세서의 설명의 이익을 갖는 본 기술 분야의 숙련자들에게 용이하게 명백해질 세부사항들에 의해 본 개시내용이 모호해지지 않도록 본 발명에 적절한 특정 세부사항들만을 도시한다.
아래에 설명되는 실시예들은 본 발명의 구조들 또는 방법들의 제한들을 규정하도록 의도되지 않고 단지 예시적인 구성들만을 제공하도록 의도되었다. 실시예들은 필수적이기보다는 관대하며 그리고 총망라하기보다는 예시적이다.
본 발명에 따라, 예를 들어 개방-회로 어레인지먼트 내에 구성된 2개의 인접한 마모 센서 도체들을 포함하는 개방 회로 마모 센서는 유전체 기판 또는 도전성 기판 내에 형성된다. 상기 도전성 기판 애플리케이션에서, 마모 센서 도체들은 도전성 기판으로부터 절연된다. 어느 경우에나, 유전체 층(마모 표면 또는 마모 코팅)은 마모 센서 도체들 위에 형성되고, 마모 표면이 도전성 마모 카운터페이스에 의해 마모될 때, 도체들은 노출되고 카운터페이스는 도체들을 상호접속(브리지)시키거나 또는 도체들을 단락시킨다. 이러한 작용은 회로를 완성하고 마모 표면이 파괴되었다는(breachd) 표시(마모 표시)를 제공한다.
일반적으로, (내마모성 코팅 또는 간단히 마모 코팅으로 또한 지칭되는) 마모 표면은 마모 카운터페이스와 접촉하는 최외측(outermost) 물질층으로 규정된다. 마모 표면의 물질은 도전성 또는 절연성일 수 있다. 이전의 상황에서, 본 발명에 적용된 바와 같이, 마모 센서 도체들은 마모 표면의 도전성 물질로부터 절연된다. 임의의 경우에서, 본 발명의 마모 센서 도체들은 마모 표면 아래에, 마모 표면 내에, 기판 내에, 또는 기판과 마모 표면 사이의 물질층 내에 배치된다.
도체들에 접속된 마모 표시자는, 유전체 물질이 파괴되고 마모 센서 도체들이 마모 카운터페이스에 의해 단락되는 경우에만 에너지가 가해진다. 마모 표시자는, 도체들이 개방된 경우에는 에너지가 가해지지 않는다.
마모 센서 도체들은, 임의의 코팅된 또는 코팅되지 않은 기판 물질 위에 또는 상기 임의의 코팅된 또는 코팅되지 않은 기판 물질 내에, 임의의 물질층 위에 또는 상기 임의의 물질층 내에, 또는 마모 층 물질 내에 증착될 수 있다. 예를 들어, 마모 센서 도체들은 상기 물질 내에 형성된 트렌치와 함께 배치될 수 있다. 마모층 또는 기판의 물질이 상술된 바와 같이 도전성 또는 절연성일 수 있지만, 마모 카운터페이스의 물질은, 도체들을 단락시키고 마모 표시자를 활성화하기 위해 전기적으로 도전성이어야만 한다(또는 전기적 도전성 구역을 포함해야만 한다).
도 1은 유전체 기판(10) 및 기판(10)의 상부 표면(10A) 상에 형성된, 마모 센서의 2개의 엘리먼트들인, 정상적으로-개방된 인접한 마모 센서 도체들(12 및 14)의 단면도를 도시한다. 유전체 마모 표면층(16)(마모 표면층은 또한 내마모성 코팅층으로 지칭될 수 있음)은 상부 표면(10A) 및 도체들(12 및 14) 위에 형성된다. 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 마모 카운터페이스(도시되지 않음)는 기판(10)의 동작 동안 마모 표면(16)을 마모시켜, 외부 회로를 폐쇄하고 마모 표시자를 동작시키도록 도체들(12 및 14)을 단락시킨다.
다른 실시예에서, 도체들(12 및 14)은 상부 마모 표면(16A)과 하부 마모 표면(16B) 사이의 마모 표면(16) 내에 배치된다. 도 2를 참조한다. 또 다른 실시예에서, 도체들(12 및 14)은 기판(10)의 상부 표면(10A)과 마모 표면(16)의 하부 마모 표면(16B) 사이에 배치된 물질층 내에, 물질층 위에, 또는 물질층 아래에 배치된다.
도 3은 비-도전성 기판(10) 내에 임베딩된 마모 센서 도체들(12 및 14)을 도시한다. 아래에 설명되는 바와 같이, 도체들이 노출될 때까지 표면(10A)은 마모 카운터페이스에 의해 마모되고, 마모 카운터페이스는 마모 표시자를 활성화하도록 도체들(12 및 14)을 상호접속시키거나 또는 단락시킨다.
도 4는 본 발명에 따라 도전성 기판 상에 또는 상기 도전성 기판 내에, 정상적으로-개방된 회로 마모 센서 도체들을 제조하기 위한 프로세스 단계들을 도시하는 도면들의 시퀀스를 시작한다. 도 4는 기판 위에 놓이는 도전성 기판(30) 또는 도전성 코팅의 노출 표면(30A)을 도시한다. 노출 마모 표면(30A)은 기판의 동작 동안 마모되고, 따라서 마모 센서 도체들은 노출 표면(30A) 상에 형성되거나 또는 상기 노출 표면(30A) 내에 임베딩되고, 도전성 기판으로부터 적합하게 절연된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 유전체 물질 구역(32)은 노출 표면(30A) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 유전체 구역(32)은 약 1-10 mils 두께이다. 도 8의 단면도를 또한 참조한다.
도 6을 참조하여, 2개의 마모 센서 도체들(40 및 42)을 포함하는 마모 센서(38)는 유전체 물질 구역(32)의 상부 표면(32A) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 각각의 도체(40 및 42)를 형성하는 물질의 두께는 약 1-6 mils이다.
(마모 표면층 또는 마모 코팅으로 기능할 수 있는) 유전체 층(46)은 마모 센서 도체들(40 및 42) 위에 그리고 상부 표면(32A)의 노출된 구역들 위에 완전히 또는 부분적으로 형성된다. 도 7 및 도 8을 참조한다. 유전체 층(46)의 두께는, 유전체 층 물질의 내구성(wearability), 마모 카운터페이스의 마모 특징들, 및 동작 동안 유전체 층(46)과 마모 카운터페이스 사이에 전개되는 접촉력(contact force)의 양에 반응하여 선택된다. 바람직하게, 마모 표면층(46)이 원하는 두께를 갖도록 마모 표면층(46)의 물질은 (예를 들어 층(46)을 머시닝 백(machining back)함으로써) 제거될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 유전체 층(46)은 각각의 도체의 구역(40A 및 42A)을 커버하지만, 구역들(40B 및 42B)은, 아래에 설명되는 바와 같은 부가적인 마모 센서 컴포넌트들을 접속시키기 위한 접속 구역들을 형성하도록 노출된다.
도체들(40 및 42)의 단부 구역들(40C 및 42C)은, 유전체 물질 구역(32)의 인접한 단부 구역들을 종결시키는 것처럼 도 7에 도시되지만, 다른 실시예들에 따라, 도체들은, 상기 도체들이 접촉할 수 있는 임의의 기판 도전성 물질로부터 적합하게 절연될 때, 기판(30)의 단부 구역들로 연장된다. 이들 실시예들에서, 도체들은 마모 센서(38)의 경계들을 지나서 연장하는 것으로 고려될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 마모 센서의 동작을 도시한다. 도 9는 마모 센서(38) 및 기판(30)을 도시한다. 마모가 발생하기 전에, (마모 표면층 또는 마모 코팅으로서 또한 기능할 수 있는) 유전체 층(46)은 온전하다(intact).
도 10은 화살표머리(52)에 의해 표시되는 마모 움직임의 방향 및 기판(30)에 대한 전기적 도전성 마모 카운터페이스(50)의 배향을 도시한다. 원통형 마모 카운터페이스가 도시되지만, 마모 카운터페이스가 임의의 형상, 예를 들어 원통 또는 평평한 표면을 가질 수 있으므로, 상기 원통형 마모 카운터페이스가 요구되는 것은 아니다. 동작 동안 단지 유일하게 요구되는 것은, 기판(30) 및 마모 카운터페이스(50)가 라인 또는 면(plane)을 따라 접촉하는 것이다. 구(sphere)가 평평한 표면에 접촉하는 것과 같은 포인트-마모 접촉은, 구가 마모 센서 도체들과 접촉 및 상호접속할 수 없을 수 있으므로, 본 발명의 원하는 기능을 제공하지 않을 수 있다. 라인 또는 면 접촉 계면(interface)은, 마모 카운터페이스(50)가 도체들(40 및 42) 양측 모두에 동시에 접촉하는 것을 (그리고 함께 단락시키는 것을) 가능하게 한다.
도 11 및 도 12를 참조하여, 유전체 마모 표면층(46)이 관통하여 마모될 때, 각각의 마모 센서 도체들(40 및 42)의 구역들(40D 및 42D)은 전기적 도전성 마모 카운터페이스(50)에 의해 노출되고 동시에 접촉된다. 이러한 작용은 전원(70) 및 마모 표시자(74)를 포함하는 회로를 완성한다. 에너지가 가해질 때, 마모 표시자(74)는, 유전체 마모 표면층(46)의 마모가 마모 센서 도체들(40 및 42)의 깊이에 도달했음을 표시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 전원(70) 및 마모 표시자(74)와 연관된 도체들(68 및 69)은 각각의 도체들(40 및 42)의 구역들(40B 및 42B)에 접속된다.
다른 실시예에 따라, 마모 도체들(40 및 42)이 마모 카운터페이스에 의해 단락될 때 무선 신호를 전송하기 위해 무선 송수신기가 구역들(40B 및 42B)에 접속되므로, 도체들(68 및 69)은 요구되지 않는다. 마모 표시자를 활성화하기 위한 신호는 외부 수신기에 의해 수신된다.
기판(30)의 물질은 상술된 바와 같이 유전체 또는 금속, 또는 세라믹 또는 세라믹 매트릭스 복합체(ceramic matrix composite)와 같은 다른 물질을 포함할 수 있다. 이들 기판 물질들 상에 마모 센서 도체들을 형성하기 위한 적합한 증착 프로세스는 본 기술 분야에 알려진 바와 같이 그에 맞게 선택될 수 있다.
도전성 층(104)(도 13 참조)이 기판(30) 위에 증착되는 애플리케이션에서, 마모 센서 도체들(40 및 42)은 유전체 층(106) 내에 (즉, 유전체 층(106) 내의 트렌치 내에) 형성되거나 또는 (도 13에 도시된 바와 같이) 유전체 층(106) 위에 형성되며, 상기 유전체 층(106)은 마모 센서 도체들(40 및 42)을 도전성 층(104)으로부터 절연시킨다. 마모 표면(46)은 마모 센서 도체들(40 및 42) 위에 형성된다. 상술된 실시예들에서와 같이, 마모 표면(46)은 마모 카운터페이스(도 13에 도시되지 않음)와의 접촉에 의해 마모되어 없어진다(wear away).
도 14는 기판(130) 및 마모 표면(134) 양측 모두가 전기적 도전성 물질을 포함하는 애플리케이션을 도시한다. 유전체 층(138) 및 유전체 층(140)은 기판(130)과 마모 표면(134) 사이에 개재(interpose)된다. 마모 센서 도체들(40 및 42)은 유전체 층(138) 위에 그리고 유전체 층(140) 내에 배치된다. 유전체 층(138)은 도체들(40 및 42)을 도전성 기판(130)으로부터 절연시킨다. 유전체 층(140)은 도체들(40 및 42)을 도전성 마모 표면(134)으로부터 절연시킨다. 다른 제시된 실시예들에서와 같이, 마모 카운터페이스는 마모 표면(134) 및 유전체 층(140)을 마모시켜, 마모 표시를 제공하도록 마모 센서 도체들(40 및 42) 사이의 회로를 완성한다.
대안적인 실시예에서, 마모 센서 도체들은 유전체 층(138) 내에 형성된 트렌치 내에 배치된다.
본 발명의 마모 센서 도체들은 기판 상에, 또는 내마모성층(예를 들어, 금속, 세라믹, 또는 서멧(cermet) 코팅) 또는 예를 들어, 플라즈마 스프레잉, 전자 빔 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착, 펄스형 레이저 증착, 미니-플라즈마, 콜드 스프레이, 직접-인쇄, 미니 고속 산소-연료, 또는 용액 플라즈마 스프레잉과 같은 박막 증착 프로세스를 이용한 다른 물질층 내에 증착될 수 있다.
본 발명의 특정 애플리케이션들에서, 기판은 고정되지만 마모 카운터페이스는 기판과의 접촉 동안 움직인다. 마모 카운터페이스가 정지 기판 내에 배치된 2개의 마모 센서 도체들 사이의 도전성 경로를 폐쇄하기 때문에, 움직이는 마모 카운터페이스 내에 (수반되는 도체들과 함께) 전기 회로를 구성하고 상기 회로를 외부 전기 디바이스들(예를 들어 전원 및 마모 표시자)에 접속시킬 필요가 없다. 따라서, 본 발명은 움직이는 또는 회전하는 엘리먼트(예를 들어, 브러시들 및 슬립 링들)에 전기적으로 접속하기 위해 통상적으로 이용되는 엘리먼트들의 이용을 회피한다. 마모 센서 도체들에 관한 모든 설치 및 유지보수 작용들은 정지 기판 상에서 수행된다.
본 명세서에 기술된 다양한 센서 도체들은 다음과 같이 형성될 수 있다.
1. Al2O3와 같은 절연 세라믹과 마찬가지로 기판이 높은 유전 상수를 갖는 경우, 센서 도체들은 도 1에 도시된 바와 같이 기판 상에 직접적으로 증착될 수 있다.
2. 기판이 충분히 높은 유전 상수를 나타내지 않는 경우, 전기적 절연층 또는 유전체 층은, 높은 유전/절연 특성들을 갖는 산화 세라믹, 예를 들어 Al2O3, 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ), 및 MgAl2O4와 같은 물질을 이용하여 기판 표면 상에 형성된다.
3. 단계 1 또는 단계 2의 완료 후에, 센서 도체들은, 카운터페이스와 기판의 동작 온도에서 높은 내산화성을 갖는 전기적 도전성 물질을 이용하여 증착된다. 예를 들어, Ni-Cr은 전기적으로 도전성이고, 약 500°F(260℃)의 동작에 적합하다. 그러므로 이러한 물질은 500°F 임계치 미만에서 동작하는 가스 터빈 연소실(combustor) 스프링 클립 어셈블리와의 이용을 위해 적합하다. 이러한 애플리케이션에서, 예시적인 센서 도체 두께는 약 10-50 microns의 범위 내에 있고, 일 실시예에서 10-25 microns는 바람직한 두께이다. 마모 센서 도체들은, 예를 들어 스프레잉에 의한 전기적 도전성 물질들의 적용 또는 도전성 표면의 감산 에칭에 의해 형성될 수 있다.
4. 선택적으로 Cr2C3-NiCr 또는 WC-Co의 합금, 또는 Stellite 6B 또는 T800으로 알려진 상업적 제품들과 같은 마모 코팅이 센서 도체들 위에 증착된다.
다른 실시예에서, 트렌치 또는 그루브(160)는 마모 센서 도체들(170 및 172)을 수용하기 위해 마모 기판(162) 내에 형성된다. 도 15를 참조한다. 마모 기판(162)은 마모 표면(174)을 더 포함한다. 마모 기판(162) 및 마모 표면(174)의 마모 거동에 최소한으로 영향을 미치기 위해 트렌치 또는 그루브(160)의 폭(W1)은 마모 표면(174)의 폭(W2)보다 작다.
마모 기판(162)이 도전성 물질을 포함하는 경우에, 트렌치 바닥 구역(160A) 및 트렌치 측벽 구역들(160B 및 160C)은, 마모 센서 도체들(170 및 172)을 서로로부터 그리고 도전성 기판(162)으로부터 절연시키는 전기적 절연 물질(166)을 포함한다.
도 16에서, 도전성 마모 코팅층(180)은 마모 기판(162) 위에 놓이고 이때 마모 코팅층(180)의 노출된 표면은 마모 표면(174)을 형성한다. 트렌치 또는 그루브(160)는 도시된 바와 같이 마모 코팅층(180) 내에 배치된다. 이 실시예에서, 마모 코팅층(180)의 마모 거동에 대한 영향을 최소화하기 위해 트렌치(160)의 깊이(D1)는 마모 코팅층(180)의 두께(T1)보다 작다.
도 15 및 도 16 실시예들 양측 모두에서, 트렌치 또는 그루브(160)가 형성된 후에, 바닥 표면(160A) 및 측벽 표면들(160B 및 160C)을 코팅하기 위해 열 스프레이, 용액 스프레이, 직접-인쇄, 기상 증착, 또는 슬러리 캐스팅과 같은 본 기술분야의 숙련자들에게 알려진 임의의 수단에 의해, 유전체 물질이 트렌치(160) 내에 형성된다. 도전성 트레이스들은 마모 센서 도체들(170 및 172)로서 기능하도록 형성되고, 부가적인 유전체 물질은 도전성 트레이스들 위에 형성된다. 유전체 물질의 노출된 표면은 마모 표면(174)과 동일 높이로 머시닝 될 수 있다.
도 15 및 도 16의 실시예들에서, 마모 기판(162) 및/또는 마모 코팅층(180)이 전기적으로 도전성이 아닌 경우에, 물질(166)이 전기적 절연 물질을 포함하는 것이 요구되지 않는다.
또 다른 실시예에서, 마모 센서들(170 및 172)은 도 17에 도시된 바와 같이 기판(162) 내의 개별 트렌치들(190 및 192) 내에 형성된다.
또 다른 실시예에서, 마모 센서들(170 및 172)은 도 18에 도시된 바와 같이 마모 코팅층(180) 내의 개별 트렌치들(193 및 194) 내에 형성된다.
또 다른 실시예에서, 마모 센서는 2개의 쌍들의 마모 센서 도체들을 포함하며, 각각의 도체 쌍은 기판의 표면 또는 코팅의 표면 아래에 상이한 깊이로 형성된다. 도 19를 참조한다.
제 1 또는 최상부 도체 쌍(202 및 204) 위의 물질층(200)이 파괴될 때, 카운터페이스는 제 1 도체 쌍(202 및 204)을 단락시키거나 또는 상호접속시키고, 물질층(200)이 깊이(d1)로 마모되었다는 것을 표시하는 제 1 마모 표시자를 작동시키도록 전기 회로를 폐쇄시킨다. 물질층(208)의 최상부 표면(208A)은 이제 노출된다. 마모 카운터페이스가 제 1 도체 쌍(202 및 204)을 마모시키는 경우 및 제 2 도체 쌍(222 및 224) 위의 물질층(208)의 일부분을 마모시키는 경우, 마모 카운터페이스가 도체들(222 및 224)을 상호접속시킬 때, 상이한 전기 경로가 완성된다. 이러한 작용은 물질층(208)이 깊이(d2)로 마모된 것을 표시하는 제 2 마모 표시자에 에너지를 가한다. 부가적인 도체들은 마모 깊이의 등급화된 표시를 제공하기 위해 상이한 깊이들에 배치될 수 있다. 상이한 유지보수 작용들은 물질 마모의 깊이에 따라 수행될 수 있다.
본 발명의 교시들은 또한, 2개의 접촉하는 또는 인접한 컴포넌트들이 진동하는 경우에 이용될 수 있으며, 진동들은 2개의 컴포넌트들의 접촉을 초래하고 컴포넌트들 중 일측 또는 양측 모두에 마모를 가져온다.
본 발명의 교시들은 또한, 2개의 컴포넌트들이 정상 동작 동안 밀접하게 인접한 관계에 있는 시스템에서 이용될 수 있다. 동작 이상들(anomalies)은 2개의 컴포넌트들이 접촉하도록 초래할 수 있으며, 상기 2개의 컴포넌트들이 접촉하는 것은 동작 곤란성들을 초래할 수 있다. 본 발명의 도전성 센서들은 컴포넌트들 중 제 1의, 하나의 컴포넌트 내에 형성되며, 제 2 컴포넌트에 의해 접촉될 때, 도전성 센서들은 단락되고 경보가 활성화된다. 이 애플리케이션에서, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이 하나의 트렌치 내에, 또는 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이 2개의 트렌치들 내에 도전성 센서들을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 도전성 센서들의 최상부 표면이 마모되어 없어짐에 따라, 부가적인 도전성 센서 물질이 접촉 경보를 제공하기 위해 이용가능하다.
또 다른 실시예에서, 도체 센서들의 물질의 임의의 스미어링(smearing)을 불가능하게 하기 위해, 마모 도체 센서들을 마모 카운터페이스의 움직임의 방향에 관하여 배향시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 스미어링은 도체들 사이의 갭을 브리지할 수 있어서, 도체들을 단락시키고 마모 카운터페이스의 단락 기능을 제거한다.
두께 치수들은 본 명세서에서 물질층들 중 특정한 층들을 위해 설정된다. 그러나, 이들 치수들은 본 발명의 기능에 대해 중요하지 않다는 것이 인식된다. (도체들이 마모에 의해 완전히 파괴되기 전에 도체들의 두께에 의해 결정되는 바와 같이) 단락의 지속 기간이 단락의 표시를, 그리고 이에 의해 마모 표면이 마모되어 없어졌다는 경고를 제공하기에 충분히 길어야만 한다는 점을 제외하고, 마모 센서 도체들(예를 들어, 도체들(40 및 42))의 두께는 또한 본 발명의 기능에 중요하지 않다.
다양한 실시예들에 따라 상술된 다양한 물질층들은, 열 배리어층, 기판 층, 유전체 층, 마모 코팅층(내마모성 코팅 또는 마모 표면), 도전성 층, 세라믹 층, 또는 본 기술분야에 알려진 임의의 다른 층들을 포함할 수 있다. 이들 층들의 각각의 물질은 애플리케이션, 유사한 물질들, 및 마모 카운터페이스의 예상되는 마모 영향들에 기초하여 선택될 수 있다. 또한, 마모 표면 아래의 물질층들은 애플리케이션 및 유사한 층 물질들에 기초하여 선택된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어들 "개방" 및 "단락"은, 전기 회로들에 적용시, 각각의 무한 저항 및 제로 저항을 요구하지 않는다. 상기 용어들은, 전류가 거의 흐르지 않는 매우 높은 저항(예를 들어, 약 수 메가-옴보다 큼) 또는 상당한 전류가 흐르는 매우 낮은 저항(예를 들어, 약 100 옴보다 적음)을 제안하도록 의도되었다. 임의의 특정 애플리케이션에서의 저항 및 전류의 실제 값들은 도체들, 기판, 및 마모 카운터페이스를 포함하는 물질들 그리고 전기 회로의 구성에 따른다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "상호접속"은 전류가 흐를 수 있는 2개의 도체들 사이의 접속을 필요로 한다. 상호접속은 단락 회로를 반드시 필요로 하지는 않는다.
본 발명을 위한 하나의 애플리케이션은, 둘러싸는 슈라우드(shroud)를 마모시킬 수 있는 회전 터빈 블레이드들을 갖는 가스 터빈을 포함한다. 슈라우드를 포함하는 물질층들에 본 발명의 마모 센서를 장착하는 것은, 슈라우드가 블레이드들에 의해 마모 센서의 깊이로 마모될 때 마모 경고를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본 명세서에서 도시되고 설명되지만, 이러한 실시예들은 단지 예시로서 제공된다는 것이 명백할 것이다. 많은 변형들, 변경들 및 대체들이 여기서 본 발명으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 단지 첨부된 청구항들의 범위 및 사상에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (26)

  1. 전기적 도전성 마모 카운터페이스(counterface)에 의해 마모되는 표면을 포함하는 마모 센서로서,
    기판;
    상기 기판 위에 놓이는 하나 또는 그보다 많은 물질층들;
    상기 하나 또는 그보다 많은 물질층들 위에 놓이는 마모 표면층;
    도전성 물질 증착 프로세스에 의해 형성된, 떨어져 이격된 동일 평면상의 제 1 및 제 2 마모 센서 도전성 패드들 ― 상기 제 1 및 제 2 패드들은 전기적으로 서로 절연되고 각각 제 1 및 제 2 영역들을 포함하며, 각각의 제 1 영역은 상기 기판 내에, 상기 하나 또는 그보다 많은 물질층들 내에, 또는 상기 마모 표면층 내에 배치되고, 각각의 제 2 영역은 상기 마모 센서의 표면을 따라 노출됨 ―;
    상기 제 2 영역들에 연결된 마모 경고 전기 회로
    를 포함하며,
    상기 마모 카운터페이스가 위에 놓인 층들을 마모시킬 때, 상기 마모 카운터페이스는 상기 마모 경고 전기 회로를 활성화하도록 상기 제 1 영역들에 접촉하는,
    마모 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역들과 상기 마모 카운터페이스는 라인 또는 평면(plane)을 따라 접촉하는,
    마모 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도전성 패드들이 도전성 물질 내에 배치될 때, 상기 마모 센서는 상기 제 1 및 제 2 도전성 패드들을 상기 도전성 물질로부터 절연시키는 하나 또는 그보다 많은 절연 영역들을 더 포함하는,
    마모 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 고정되고 상기 마모 카운터페이스는 상기 기판에 대하여 움직이는,
    마모 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전성 패드들은 상기 마모되는 표면 아래에 제 1 깊이로 배치되고,
    상기 제 2 도전성 패드들은 상기 마모되는 표면 아래에 제 2 깊이로 배치되며, 상기 제 2 깊이는 상기 제 1 깊이와 상이한,
    마모 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마모 카운터페이스는 상기 기판에 대하여 진동들을 겪는,
    마모 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도전성 패드들은, 상기 제 1 및 제 2 도전성 패드들 중 하나의 도전성 패드의 물질의 상기 제 1 및 제 2 도전성 패드들 중 다른 하나의 도전성 패드를 향하는 방향으로의 스미어링(smearing)을 제한하기 위해, 상기 마모 카운터페이스의 움직임에 대하여 배향되는,
    마모 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 마모 카운터페이스가 제 1 영역들에 접촉할 때, 마모를 표시하는 신호를 전송하기 위한 무선 송신기를 더 포함하는,
    마모 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 패드들이 상기 기판 내에 형성된 트렌치 내에, 상기 하나 또는 그보다 많은 물질층들 내에 형성된 트렌치 내에, 또는 상기 마모 표면층 내에 형성된 트렌치 내에 배치되는,
    마모 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 트렌치는 유전체 물질 내에 형성되는,
    마모 센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 트렌치는 도전성 물질 내에 형성되고,
    상기 마모 센서는 상기 도전성 물질로부터 상기 제 1 및 제 2 패드들을 절연시키는 유전체 물질을 더 포함하는,
    마모 센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 마모 센서 도전성 패드는 제 1 트렌치 내에 배치되고, 상기 제 2 마모 센서 도전성 패드는 제 2 트렌치 내에 배치되며, 상기 제 1 및 제 2 트렌치들은 상기 기판 내에 형성되거나, 상기 하나 또는 그보다 많은 물질층들 내에 형성되거나, 또는 상기 마모 표면층 내에 형성되는,
    마모 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 트렌치들은 유전체 물질 내에 형성되는,
    마모 센서.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 트렌치들은 도전성 물질 내에 형성되고,
    상기 마모 센서는, 상기 도전성 물질로부터 상기 제 1 패드를 절연시키는 제 1 유전체 물질 및 상기 도전성 물질로부터 상기 제 2 패드를 절연시키는 제 2 유전체 물질을 더 포함하는,
    마모 센서.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 패드들의 두께는 원하는 지속 기간 동안 상기 마모 경고 전기 회로를 활성화하도록 선택되는,
    마모 센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 마모 경고 전기 회로는 상기 마모 센서 외부에 있는,
    마모 센서.
  17. 마모 센서로서,
    마모 표면이 마모의 방향으로 마모되도록, 마모 카운터페이스와 적어도 간헐식 접촉(intermittent contact)되는 마모 표면;
    도전성 물질 증착 프로세스에 의해 형성된, 상기 마모 표면 아래의, 떨어져 이격된 동일 평면상의 제 1 및 제 2 도전성 패드들 ― 상기 제 1 및 제 2 도전성 패드들은 전기적으로 서로 절연되고 각각 제 1 및 제 2 영역들을 포함하며, 각각의 제 2 영역은 상기 마모 센서의 표면을 따라 노출됨 ―; 및
    상기 제 2 영역들에 연결된 회로 ― 상기 회로는 상기 마모 카운터페이스가 상기 제 1 영역들에 접촉하고 상기 회로를 활성화시키도록 상기 마모 표면을 충분히 마모시킬 때, 마모의 표시를 제공하기 위한 것임 ―,
    를 포함하는,
    마모 센서.
  18. 제 17 항에 있어서,
    기판;
    상기 마모 표면을 규정하기 위한 상기 기판 상의 마모 코팅; 및
    상기 마모 코팅 내에 형성된 상기 제 1 및 제 2 패드들
    을 더 포함하는,
    마모 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 패드들은 상기 기판의 표면 상에 배치되고, 상기 마모 코팅은 상기 기판의 상기 표면 위에 놓이는,
    마모 센서.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 패드들은, 상기 기판의 표면 위에 놓이는 유전체 층의 표면 상에 또는 상기 유전체 층 내에 배치되는,
    마모 센서.
  21. 전기적 도전성 마모 카운터페이스에 의해 마모되는 마모 표면을 포함하는 마모 센서로서,
    전기적 도전성 기판 내에 형성된 적어도 하나의 트렌치를 갖는 전기적 도전성 기판 ― 상기 기판의 노출 표면은 마모 표면을 포함함 ―;
    상기 적어도 하나의 트렌치 내에 그리고 상기 마모 표면 아래에 배치된, 떨어져 이격된 제 1 및 제 2 도전성 패드들 ― 상기 제 1 및 제 2 패드들은 전기적으로 서로 절연되고 도전성 물질 증착 프로세스에 의해 형성되며, 상기 도전성 패드들 각각은 동일 평면상의 제 1 및 제 2 영역들을 포함하고, 상기 제 2 영역들은 상기 마모 센서의 표면을 따라 노출됨 ―;
    상기 제 1 도전성 패드와 트렌치 표면들 사이에 그리고 상기 제 2 도전성 패드와 트렌치 표면들 사이에 배치된 유전체 물질; 및
    상기 제 2 영역들에 연결된 마모 경고 전기 회로
    를 포함하며,
    상기 마모 카운터페이스가 상기 제 1 및 제 2 패드들 각각의 제 1 영역을 노출시키도록 상기 마모 표면을 마모시킬 때, 상기 마모 카운터페이스는 상기 마모 경고 전기 회로를 활성화하도록 상기 제 1 및 제 2 패드들의 제 1 영역에 접촉하는,
    마모 센서.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트렌치는, 단일 트렌치 내에 배치된 상기 제 1 및 제 2 패드들을 갖는 단일 트렌치를 포함하는,
    마모 센서.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트렌치는 제 1 및 제 2 트렌치를 포함하며,
    상기 제 1 패드는 제 1 트렌치 내에 배치되고, 상기 제 2 패드는 제 2 트렌치 내에 배치되는,
    마모 센서.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
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