TW201732183A - 具有整合感測器陣列之旋轉管套 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種旋轉器件，其包括一外殼、一旋轉機器組件、與該旋轉機器組件相關聯之一旋轉構件、鄰近該旋轉構件安置於該外殼內之一非旋轉構件及安置於該外殼中之一感測器陣列。該感測器陣列包括與一控制器件及一無線通信器件整合之複數個感測元件。該無線通信器件經組態以使用電磁波與相對於該外殼遠端定位之一中央控制通信。

Description

具有整合感測器陣列之旋轉管套 【相關申請案之交叉參考】
本申請案主張2016年2月1日申請之美國臨時專利申請案第62/289,659號之權益，該申請案以全文引用之方式併入本文中。
本發明係關於旋轉器件，諸如旋轉管套、迴轉管套、滑環及類似者。
流體耦接器件(諸如旋轉管套)係用於工業應用中，例如，需要將流體介質自固定來源(諸如泵或儲集器)傳輸至旋轉元件(諸如機器工具軸、工件夾持系統或旋轉滾筒或汽缸)中之金屬或塑膠之加工、機件固持、列印、塑膠膜製造、紙張製造及其他工業製程。通常此等應用需要相對較高的介質壓力、流動速率或較高機器工具旋轉速度。
用於此類應用中之旋轉管套輸送供設備使用之流體介質以用於冷卻、加熱或用於致動一或多個旋轉元件。典型的流體介質包括基於水之液體、液壓油或冷卻油、空氣及其他。在某些個例中，例如，當自流體通道抽空介質時，旋轉管套可在真空下操作。使用旋轉管套之機器通常包括昂貴及/或在服務期間難以維修或更換的精密組件，諸如軸承、齒輪、電組件及其他。當在操作過程中暴露於自旋轉管套洩漏或排放之流體時， 此等組件通常經受腐蝕性環境或經受損害。自管套洩漏之流體亦典型地為非所要的。
旋轉管套典型地包括固定構件(有時被稱為外殼)，該固定構件具有用於接收流體介質之入口埠。將非旋轉密封構件安裝於外殼內。旋轉構件(其有時被稱為旋轉器)包括旋轉密封構件及用於將流體遞送至旋轉組件的出口埠。大體上藉由彈簧、介質壓力或其他方法將非旋轉密封構件之密封表面偏壓至與旋轉密封構件之密封表面流體密封嚙合，因此使得密封能夠形成於管套之旋轉組件與非旋轉組件之間。在非旋轉部分與旋轉部分之間無顯著洩漏之情況下，密封准許經由管套傳輸流體介質。流體介質穿過旋轉管套可使經嚙合密封表面潤滑以最小化密封構件之磨損。當旋轉管套與非潤滑介質(諸如乾燥空氣)一起使用或無任何介質時，經嚙合密封表面經歷「乾運行」情況，由於缺少充分潤滑，其造成快速密封磨損。長時間乾運行可對密封構件造成嚴重損害，由此需要昂貴且耗時地更換一個或兩個密封構件。
高速加工設備(諸如電腦數值控制(computer-numerical-control；CNC)銑床、鑽孔機器、車床、傳輸管等)使用旋轉管套以直接地將介質供應至工具之切割邊緣以供在通常被稱為「心軸通冷式(through spindle coolant)」之配置中冷卻且潤滑。心軸通冷式的配置延長成本高的切割工具之使用壽命，藉由允許更高切割速度增加生產率，且將可損害工件或切割工具之材料晶片沖離工具之切割表面。對於最佳生產率及效能，不同工件材料典型地需要不同介質。舉例而言，當加工非常硬的材料時，空氣或浮質介質可提供更佳地熱量控制，而當加工較軟的材 料(諸如鋁)時，液體冷卻劑可提供更佳效能。此外，在無主軸介質之情況下，可更有效地且成本較低地執行某些類型的工作。
各種設計意欲避免在無潤滑介質或無介質為已知之情況下的乾運行。舉例而言，製造具有在存在對置流體壓力時分離之密封表面的旋轉管套(諸如美國專利5,538,292中揭示之配置)可為複雜且昂貴的。製造具有在無介質存在之情況下自動地分離之密封表面的旋轉管套(諸如美國專利4,976,282中揭示之配置)且將其併入於機器中為較不複雜的，但其在使用非潤滑介質時易於嚙合密封表面。針對與氣體之非接觸操作具有特定幾何形狀的密封表面(諸如美國專利6,325,380及6,726,913中揭示之彼等)不提供與液體介質之有效密封。類似地，具有用以均勻分佈介質之特定幾何形狀的密封表面(諸如美國專利6,149,160中揭示之密封配置)在使用非潤滑介質時不提供優勢。始終嚙合密封表面(即使在減小之偏置的情況下)之旋轉管套(諸如美國專利6,929,099中揭示之管套)在較高旋轉速度下易於受乾運行損害。
然而，即使使用經改良的密封及機制以避免管套之乾運行，任何管套將最終需要維修或更換。一些機器運營商可定期更換管套以防止效能之急劇損失，或可操作具有需要更換之管套的機器。此類及其他量測典型地具有成本高的後果。對管套之週期性檢查亦為費時的且成本高的，此係因為管套典型地存在於機器內且需要技術員努力接近其且分析其情況。
在一個態樣中，本發明描述經建構以用於輸送流體的旋轉管 套。旋轉管套包括：外殼，其中具有介質通道，該外殼進一步具有凹穴，該凹穴與介質通道流體地隔離；旋轉機器組件，其可旋轉地支撐於外殼中；旋轉密封構件，其與旋轉機器組件相關聯；非旋轉密封構件，其可滑動地且密封地安置於鄰近旋轉密封構件的外殼內；及感測器陣列，其安置於凹穴中，該感測器陣列包括與控制器件及通信器件整合之複數個感測元件。當非旋轉密封構件與旋轉密封構件接觸以形成機械面密封時感測器陣列與介質通道流體地隔離。
在另一態樣中，本發明描述旋轉器件。旋轉器件包括：由非金屬材料製成之外殼、可旋轉地支撐於外殼中之旋轉機器組件、與旋轉機器組件相關聯之旋轉構件、鄰近旋轉構件安置於外殼內之非旋轉構件及安置於外殼中之感測器陣列。感測器陣列包括與控制器件及無線通信器件整合之複數個感測元件。無線通信器件經建構以使用電磁波與相對於外殼遠端定位之中央控制通信。該無線通信器件經配置以針對外殼相對於感測器陣列及中央控制之任何安裝定向保持與中央控制通信。
在又一態樣中，本發明描述一種用於操作旋轉器件的方法。該方法包括提供由非金屬材料製成且包括凹穴之外殼。該方法進一步包括可旋轉地支撐外殼中之可旋轉機器組件，該可旋轉機器組件具有與此相關聯之可旋轉構件，鄰近旋轉構件在外殼內安裝非旋轉構件，且在凹穴中提供感測器陣列，該感測器陣列包括與控制器件及無線通信器件整合之複數個感測元件。該方法亦包括在凹穴內流體地隔離感測器陣列，用感測器陣列監測複數個操作參數且使用電磁波將該等操作參數無線地傳達至相對於外殼遠端定位之中央控制。無線通信與外殼相對於感測器陣列及中央控制 之定向無關。
圖1為根據本發明的旋轉管套之透視圖。
圖2為圖1中所示之旋轉管套之截面視圖。
圖3為透視圖；且圖4A為根據本發明的密封件之經放大細節視圖；圖4B為用於根據本發明之密封件之套環之替代性實施方式的經放大細節視圖。
圖5及圖6為根據本發明的感測器模組之不同視圖。
圖7為根據本發明的組件之管套監測系統或配置之示意圖。
圖8至圖10為根據本發明的方法之流程圖。
圖11及圖12為根據本發明的旋轉管套之透視圖。
在形成本說明書之部分的圖式中，圖1展示旋轉管套100之透視圖，且圖2展示穿過旋轉管套100說明各種內部組件的截面視圖。應瞭解，在本文中所展示之例示性實施方式中，說明旋轉管套，但本發明中描述之系統及方法同樣適用於包括彼此滑動接觸的固定及完全或部分可旋轉組件的任何旋轉器件。因此，旋轉器件之實例可包括旋轉管套或迴轉接頭，其用於經由完全或部分可旋轉接頭或組件輸送流體，且可亦包括用於跨完全或部分可旋轉介面(諸如滑環)連接電導線之器件。參看本文中所說明之例示性旋轉管套，旋轉管套100包括旋轉密封構件102及相對於外殼106可軸向地移動之非旋轉密封構件104。分段管道或介質通道112延伸穿過外 殼106，且亦分別穿過旋轉及非旋轉密封構件102及104。
當嚙合旋轉及非旋轉密封構件102及104時，將介質通道112之部分界定於旋轉管套100之不同組件中以提供穿過旋轉管套100之流體通路。當旋轉及非旋轉密封構件102及104彼此嚙合時，介質通道112可經選擇性地配置以密封地圍封流體，且當旋轉及非旋轉密封構件102及104不嚙合時，開啟介質通道以用於向大氣排氣。
旋轉密封構件102(在本文中將其實施為附接至旋轉機器組件108之密封環，但其可替代地與旋轉機器組件108整合)可為任何類型的機器組件，諸如CNC銑床上之主軸。在旋轉密封構件102與非旋轉密封構件104嚙合時產生之機械面密封將介質通道112密封以用於將流體介質自外殼106之流體入口110傳輸至形成於旋轉機器組件108的末端處之出口111，如本領域中所已知的。旋轉機器組件108具有界定介質通道112之一部分的孔109。
將非旋轉密封構件104可滑動地且密封地安置於外殼106之孔128內。允許非旋轉密封構件104相對於非旋轉機器組件110滑動之結構配置使得非旋轉密封構件104與旋轉密封構件102能夠選擇性的嚙合及分離，且補償可存在於旋轉機器組件108與外殼106之間的軸向位移。
在旋轉管套100之操作期間，介質通道112內之流體壓力之選擇性變化產生經施用以促使可移動非旋轉密封構件104相對於外殼106移動的淨水壓，使得密封嚙合可沿旋轉密封構件102與非旋轉密封構件104之間的介面114發生。密封構件104相對於外殼106之延伸及在旋轉密封構件102及非旋轉密封構件104之對置面處形成之對應密封表面的嚙合產生沿 介質通道112之流體通路。尤其當密封嚙合存在於旋轉密封構件102與非旋轉密封構件104之間時，可將非旋轉密封構件104鍵合至外殼106中之其接收孔中以防止其旋轉。
外殼106密封地嚙合非旋轉密封構件104，且針對旋轉及非旋轉密封構件102及104之間的選擇性嚙合在外殼中界定各種液壓腔室。更特定言之，外殼106包括容納於其中且密封地嚙合擴展密封件118之一端的階梯孔部分116，其經形成具有安置於直線部分122之間的伸縮部分120(亦參見圖3及圖4A及圖4B中所示之經放大細節部分)。擴展密封件118可由彈性材料(諸如橡膠、TPE、氟彈性體及其他材料)形成，且包括沿直線部分122之剛性套環124。擴展密封件118在一端處嚙合階梯孔部分116且在另一端處嚙合形成於非旋轉密封構件104中之凹口126。當藉由水壓促使非旋轉密封構件104朝向與旋轉密封構件102嚙合移動時，隨著伸縮部分120沿擴展密封件118之中心線128增加長度，擴展密封件118在軸向方向上擴展，其在所說明之實施方式中具有與旋轉機器組件108及旋轉密封構件102同心地安置之大體上圓柱形形狀。
如在圖4A及圖4B中可所見，階梯孔部分116及凹口126面對擴展密封件118形成圓形或倒角邊緣以幫助將密封保留在適當的位置且亦以避免在使用期間對密封材料的可能損害或撕裂。特定言之，在圖4A及圖4B中表示為邊緣130之此等邊緣具有曲率半徑R，該曲率半徑通常與擴展密封件118上之直線部分122與伸縮部分120之間的介面132之曲率半徑R'匹配(參見圖3)。在介面132與邊緣130之間的接觸區域處之半徑之相容性確保擴展密封件118、外殼106及非旋轉密封構件104之移動或變形 部分之間的低應力接觸。
在旋轉管套100之操作期間，將可擴展密封件118大體上保持在適當的位置，此係因為其藉由外殼106及非旋轉密封構件104在兩端處軸向地受限。亦經由嚙合直線部分122之外部圓柱形表面與階梯孔部分116之內部圓柱形表面來將可擴展密封件118徑向地保持在適當位置。在無內部壓力或正壓之操作期間，此類嚙合可足以將可擴展密封件118維持在適當位置。然而，若將介質通道112暴露於負壓(真空)，諸如可用於排出介質通道112內之流體，則可存在可擴展密封件可至少暫時地，且尤其在沿與直線部分122的徑向外部圓柱形接觸介面中之區域中彈性地變形的可能性。
為確保沿直線部分存在連續性接觸，將套環124內部地插入直線部分122中。每一套環124形成軸部分134，該軸部分具有中空的圓柱形形狀，且可視情況亦包括凸緣135(展示於圖4B中)，該凸緣相對於軸部分徑向地朝外延伸。凸緣135可相對於軸部分134徑向地朝外延伸至大於介質通道112之典型內徑138或至少圍繞可擴展密封件118(諸如非旋轉密封構件104及外殼中之開口140)之組件之內徑的外徑。
當插入至每一直線部分122中時，可定向每一套環以使得將凸緣135安置於伸縮部分120之側面上。在所說明之實施方式中，在不包括凸緣的情況下，將套環124完全地插入至每一各別直線部分122中以使得其在軸向方向上完全地覆蓋直線部分122與外殼或非旋轉密封構件之嚙合區。當將可擴展密封件118安裝於旋轉管套100中且套環124在適當位置時，每一套環124經設定大小以將預選徑向向外及壓縮力施加至可擴展密 封件118之直線部分122中以提供可擴展密封件118之兩個末端與各別嚙合組件之間的密封嚙合，如圖4A及圖4B中可見其包括外殼106及非旋轉密封構件104。當潤滑劑用於介質通道112時，其可沿可擴展密封件118與其中所安裝之組件之間的介面進入，軸向力可意欲相對於其嚙合組件軸向地推動密封件之任一末端。為限制此類滑動情況，套環124用以限制直線部分122之軸向運動。
取決於可擴展密封件118沿其中心線之未經壓縮長度，可擴展密封件118亦可用於將預負載或預張力提供至旋轉及非旋轉密封構件102及104。可藉由彈簧136以靜態方式增大或補充此類預張力，該彈簧說明於圖4A之例示性實施方式中且經展示為壓縮彈簧。更特定言之，在某些旋轉管套可包括意欲推動密封構件使其彼此接觸之彈簧的情況下，如在所說明之實施方式中，若可擴展密封件118之長度經選擇大於所提供之密封件的軸向開口，則可藉由可擴展密封件118消除及替換或輔助彈簧及其他二級密封件，該可擴展密封件在非旋轉密封構件104相對於外殼106移動時起到維持流體密封的作用，且亦可經選擇以使得其起到預拉緊密封構件，亦即以彈性方式朝向彼此朝向密封嚙合方向推動密封構件的作用。動態地，當正性錶壓下之流體存在於介質通道112中時，可藉由意欲擴展密封件之液壓力進一步增大可擴展密封件118之偏置力。在所說明之實施方式中，可擴展密封件118包括具有兩個捲積之伸縮軟管或大體上為M形之伸縮軟管，但可使用單個或多於兩個捲積。
現返回參考圖1及圖2，旋轉管套100進一步包括安置於外殼106與旋轉機器組件108之間的兩個滾筒軸承總成142。更特定言之，外 殼106形成容納一或多個軸承146之軸承區144，該等軸承中之兩者展示於所說明之實施方式中。軸承146經展示為滾珠軸承，其各自包括外座圈148、內座圈152及安置於其間之複數個滾珠154。每一外座圈148及內座圈152形成為環，其中外座圈148徑向地嚙合外殼106之軸承區144的內部大體上圓柱形表面156，且其中內座圈152嚙合旋轉機器組件108之外部大體上圓柱形表面158。在所說明之實施方式中，軸承區144之內部表面156形成於插入且連接至其他塑膠外殼106的金屬插入件159中。
軸承146藉由C環160在內部大體上圓柱形表面156內軸向地受限。當依序移除C環160時，可經由前部開口162自外殼106移除旋轉及非旋轉組件及密封構件之整個總成以有利地促進旋轉管套100之組裝、拆卸及維護。內部C環160經安置更接近非旋轉密封構件104且沿其內徑嚙合在旋轉機器組件108周圍。經安置更接近前部開口162的外部C環160沿其外徑嚙合在外殼106之軸承區144之內部大體上圓柱形表面156內。外殼106進一步鄰近旋轉密封構件102與非旋轉密封構件104之間的密封介面形成一或多個排水開口164。
軸向地佔據軸承區144之內部軸承146與環狀末端面之間的空間的旋轉器166具有大體上圓盤形狀且圍繞旋轉機器組件108之內末端經安置。旋轉器166包括圍繞其周邊以規則角度間隔安置之一或多個磁體168。在與軸承146及旋轉器166合作時，形成於旋轉機器組件108上之外部凸緣170有助於相對於外殼軸向地限定及可旋轉地安裝旋轉機器組件108及旋轉器166。
可藉由各種方法製造及組裝本文所描述之旋轉管套100。在 所說明之實施方式中，藉由使用塑膠材料製造旋轉管套100之主要組件(諸如外殼106、旋轉機器組件108及可能地旋轉器166)，其可以任何適合的方式形成，包括藉由使用三維印刷機形成。金屬插入件107可添加在外殼106之流體介面處。替代地，且取決於旋轉管套之操作環境、將不時佔據介質通道112之流體的類型及溫度，可使用不同材料(諸如金屬)及不同製造方法來製造此等及其他組件中之一些或全部。
與本發明有關，旋轉管套100進一步包括安置於界定於外殼106中之凹穴202中且藉由外罩204圍封之感測器陣列200，如(例如)圖1及圖2中所展示。在所說明之實施方式中，當旋轉及非旋轉密封構件102及104接觸時，凹穴202經展示與介質通道流體地分離或隔離。另外，感測器陣列200具有自凹穴突出且與排水開口164中之一者以及旋轉及非旋轉密封環102及104之介面軸向地重疊之部分。所說明之實施方式中之感測器陣列200為包括配置於基板上之一或多個感測器之全操作感測器陣列，其亦包括電源及通信器件。一般而言，可使用任何類型的全操作或單獨感測器陣列。自圖5及圖6中之兩側展示駐留在電路板206中之感測器陣列200之例示性說明。參看圖5，其展示陣列200之前側，該感測器陣列包括各種組件，包括天線206、射頻連接件208、加速計209、兩個紅外(infrared；IR)溫度感測器210及211、運動感測器212、濕度感測器213、微控制單元(micro-control unit；MCU)214，但可使用其他感測器及器件。如所展示，第一IR溫度感測器210經安置以量測外殼106之溫度，且第二IR溫度感測器211經安置鄰近非旋轉密封構件104且經建構以量測旋轉及/或非旋轉密封構件102及104之溫度。額外感測器可包括流體壓力感測器、應變計及用 於直接地或間接地偵測存在於介質通道中之流體介質之壓力的其他感測器。
在其背側上，如圖6中所示，感測器陣列200包括記憶體儲存器件216、磁性拾取感測器218、電力儲存器件220及其他器件。此等各種器件及感測器可用於有利地偵測、追蹤、監測、警告、通知及推斷可用於判定操作狀態的旋轉管套之各種操作參數及可用於判定旋轉管套100及旋轉管套100正在其中運行之機器之「健康狀態」的通用操作參數。所收集之資料亦可用於比較、分析及最佳化操作。
在一個所預期之實施方式中，沿旋轉器166安置之磁體168可用於在管套100之操作期間產生旋轉磁場，該旋轉磁場可用於在線圈處產生電力以為電力儲存器件220充電或(一般而言)對感測器陣列200供電。可與磁性拾取感測器218或另一等效電組件一起實施之線圈可提供用於對感測器陣列200供電以及對電池進行再充電的解決方案，從而消除定期更換電池的需求。沿著此等線，可使用其他電源，諸如操作以在管套振動時產生電勢之壓電元件、用於其中管套暴露於自然或人工照明之應用的光伏電池及類似者。在一替代實施方式中，電力儲存器件220可體現為電池，其在電力耗盡時可被替換，或其亦可為用於自外部來源有線供應電力之連接。
更特定言之，指示旋轉管套及其周圍環境之實體情況之各種信號可由感測器陣列200中之各種感測器產生且傳達至MCU 214以用於處理及/或傳輸至外部接收器以供轉送至機器操作員或監測者。在展示且描述於本發明中之例示性實施方式中，天線206及/或射頻連接件208可用於實 現至感測器陣列及來自該感測器陣列之資訊的無線通信，如下文相對於圖7將描述。關於可用於判定或監測旋轉管套健康狀態之各種感測器信號，溫度感測器210可用於監測作為旋轉及非旋轉密封構件102及104之情況之指示的旋轉管套100之溫度或緊密地圍繞旋轉管套之空間或材料。另外，此或其他感測器或感測器陣列可用於監測及記錄工作中介質之流體壓力及/或流體溫度。就此而言，在操作期間，密封介面處之乾運行或過量摩擦將相對於外殼升高密封構件之溫度，且因此加熱旋轉管套中之環結構，其將使得由溫度感測器211感測之溫度升高，該溫度升高將反映在作為可用於判定密封故障的溫度差提供至MCU 214之溫度信號中。
類似地，其他感測器可用於判定旋轉管套100之操作狀態。濕度感測器213可用於感測濕度之存在或增大，其可為密封洩漏之指示。在一個實施方式中，為避免假陽性洩漏信號，在穿過潮濕環境中之介質通道112之冷流體之存在下，MCU 214可自冷凝檢測濕度且不傳信洩漏，除非提供洩漏之額外指示，例如，密封介面之加熱及穿過排水開口中之至少一者的流體運動。磁性拾取感測器218可在磁體168(圖2)經過感測器218時感測該等磁體，同時旋轉管套100操作且旋轉器166(圖2)旋轉以提供對旋轉速度以及旋轉管套所經歷之轉數數目的指示，其與計數器結合可提供旋轉管套100之使用壽命之指示。加速計209可感測旋轉管套100中之振動以提供平衡及(因此)旋轉管套100內之旋轉組件及連接至管套之彼等組件之結構狀態的指示，從而偵測與旋轉管套100或其中安裝有旋轉管套100之機器相關聯的結構問題。亦可使用其他感測器來監測及記錄流體介質之流動速率及/或壓力。
可實時地或至少在旋轉管套100之操作期間將由如上文所論述之感測器產生之各種操作參數信號及由其他感測器產生之可能地額外或不同信號連續地傳輸至控制中心300，如中圖7中所示之示意圖所展示。圖7展示用於旋轉管套100與(特定言之)感測器陣列200及控制中心300之間的資訊之無線通信的眾多其他可能的實施方式中之兩個。在所說明之例示性實施方式中展示兩個選項。
在第一選項中，展示於圖7之左側上，安裝於機器301中之旋轉管套100之天線206(展示於圖5中)經建構以經由適當無線網路及/或經由有線連接傳輸且接收資訊。在所說明之實施方式中，將區域網路(local area network；LAN)304用於與行動計算器件302通信，但可使用任何其他無線網路，諸如廣域網路(wide area network；WAN)或直接wifi連接。行動計算器件302可實施於任何已知類型之器件中，包括智慧型電話、平板電腦、攜帶型電腦或無線信號閘道器器件。行動計算器件可為手持式器件或可替代地為與較大機器或較大機器之部分整合之器件，諸如旋轉管套100安裝於其中且操作的機器301。除至網路304之無線連接以外，行動計算器件進一步包括將行動計算器件302連接至網際網路308之網際網路連接306。網際網路連接306可為直接的(例如，經由蜂巢式資料連接)或間接的(諸如經由wifi)。在一個實施方式中，控制中心300之功能性可在本端地整合至行動計算器件302中，從而避免進一步連接之需求。如可瞭解，網際網路308可為全球資訊網之部分，或替代地為在同時跨多個位置之雲端組態中操作之分散式網路。在此配置中，控制中心300經建構以藉由使用專用連接310經由網際網路308與旋轉管套100交換資訊。由於某些類型 之網路之範圍侷限性以及使用行動計算器件之可撓性，第一選項可較適合其中少數機器301相對緊密地接近彼此安裝的較小設施。對於較大設施，可使用第二選項，其展示於圖7之右側上。
在第二選項中，安裝於機器311中之旋轉管套100之天線206(展示於圖5中)經建構以在專用低功率、區域網路312中或(在一替代實施方式中)在廣域網路中無線地傳輸且接收資訊。區域網路312為以無線控制及監測應用中之較長電池壽命器件之廣泛研發為目標的低成本、低功率、無線網狀網路標準。可藉由專用閘道器器件314管理網路312上之資訊，該專用閘道器器件可為操縱在同一或多個機器311中操作之一或多個旋轉管套100的獨立器件。自網路312至網際網路連接216之閘道訊務資訊連接至網際網路308且因此至控制中心300。替代地，至控制中心300之連接可直接地與能夠直接網際網路連接之管套組態中之旋轉管套100進行。除此等兩個選項之外，額外實施方式可包括直接wifi連接、有線網路或旋轉管套100與控制中心300之間的蜂巢式資料網路連接。
在圖7中所展示之資訊交換系統中，可實現相對於旋轉管套100之各種診斷及監測功能。舉例而言，在行動計算器件302中操作之定製化行動應用或在位於控制中心300處之電腦中操作之特定電腦應用可用於監測特定旋轉管套100之操作以本端地或遠端地分析其操作狀態。此類應用可提供其他優勢，諸如使旋轉管套重新排序自動化以藉由使用此等系統更換經判定接近其使用壽命的管套，針對藉由感測器陣列200偵測之異常操作情況提供故障處理引導，且甚至在遭遇問題時經由聊天或電話連接向客戶或技術專家提供實況連接。
用於操作旋轉管套之方法的流程圖展示於圖8中。該方法包括在402處在機器中操作旋轉管套。根據本發明，旋轉管套包括與旋轉管套整合之感測器陣列且包括無線通信能力。在一視情況選用之實施方式中，操作旋轉管套包括在404處使用管套之旋轉運動以產生電力從而操作感測器陣列。操作管套之方法進一步包括在406處使用感測器陣列中之一或多個感測器來感測旋轉管套之一或多個操作參數。在408處一或多個感測器中之每一者產生感測器信號，在410處藉由控制單元接收及/或處理該感測器信號。在412處，控制單元410實現將一或多個感測器信號傳輸至控制中心。在一個實施方式中，控制單元410經進一步建構以使用機載記憶體儲存器件儲存感測器信號。亦可包括印時戳、日期及其他資訊的經儲存感測器信號可用於稍後自控制單元檢索。此外，控制中心412可為用於一或多個管套之居中定位之處理中心，且另外或替代地，永久地或暫時地在操作員經過攜載行動電氣器件之旋轉管套時(例如，在管套之操作狀態之實況測試期間)，其可為實體接近旋轉管套而存在之行動電子器件。
在416處，控制中心接收且處理一或多個感測器信號414以判斷旋轉管套之操作狀態。在418處判定之不正常操作情況之情形下，控制中心可在420處起始緩解處理，該緩解處理包括(但不限於)將不正常操作情況告知機器操作員，或取決於操作員之偏好，自動向操作員建議及/或在具有機器操作員之預先授權的情況下自動地起始更換旋轉管套之裝運。此外，在418處之判定可自動促使或起始對用戶的警告之創建及傳輸，告知訂戶管套之操作狀態。
用於偵測旋轉器件中之密封故障之方法的流程圖展示於圖 9中。該方法包括在502處操作器件，其包括操作至少兩個溫度感測器及控制器。在504處，第一溫度感測器經建構以(例如)藉由量測旋轉及/或非旋轉構件之體溫來量測與旋轉構件與非旋轉構件之間的機械介面相關聯之溫度。當旋轉器件實施為滑環時，該等構件可為密封環或可替代地為電連接環。在一個實施方式中，使用IR感測器獲得504處之溫度。在506處，第二溫度感測器經建構以量測與旋轉器件之外殼相關聯之溫度，例如，塊狀外殼材料溫度。在508處，控制器接收第一及第二溫度讀數，且在510處將體溫與機械介面溫度進行比較。在512處，當第一及第二溫度彼此的預定範圍內時，繼續監測。當在514處第一溫度超出第二溫度一預定量時，控制器可在516處傳信故障。
用於檢測漏泄之方法(其避免假陽性漏泄指示)的流程圖展示於圖10中。該方法包括在602處操作旋轉器件，其包括操作漏泄感測器、濕度感測器、流體溫度感測器、外殼溫度感測器及視情況運動感測器以及IR溫度感測器。漏泄感測器在604處監測排水通路處之流體的存在，濕度感測器在606處監測環境濕度，流體溫度監測存在於介質通道中之流體介質溫度608，外殼溫度感測器在610處量測外殼之溫度，且IR溫度感測器量在612處測旋轉與非旋轉密封構件之間的介面處之溫度。運動感測器可視情況量測旋轉管套之振動。將所有信號提供至控制器，其在614處將各種感測器信號組合成集合，且在616處將該集合與存在於記憶體中之情況的一或多個預定義集合進行比較。當該集合匹配存在於記憶體中之漏泄情況集合時，控制器在618處傳信故障或以其他方式如先前所描述繼續監測各種參數。
歸因於操作效果，即使漏泄感測器提供漏泄指示，存在於記憶體中之集合亦包括經判定為假陽性之集合。舉例而言，在用冷流體(其亦冷卻外殼)操作之管套之較高環境濕度下，冷凝可在不存在實際漏泄之情況下圍繞漏泄感測器形成。儲存於記憶體中之預定義集合可(例如)指示在操作期間管套之溫度是否低於給定環境濕度之露點，在此情況下，在無故障之另一指示之情況下，可假定液態水冷凝在管套上而非自管套內洩漏。因此，可僅在亦存在另一故障指示時才在冷凝環境下提供漏泄信號，例如，過熱密封介面、管套之過量振動及類似者。
本文所引用之所有參考(包括公開案、專利申請案及技術資料及使用者手冊、專利及其他材料)均以相同程度以全文引用之方式併入本文中，如同每一參考單獨地且特定地指示為以引用之方式併入且在本文中闡述全文。
除非本文中另外指明或上下文中明顯矛盾，否則在描述本發明之上下文中(尤其在以下申請專利範圍之上下文中)所使用之術語「一(a)」與「一(an)」及「該」及相似指示物均應解釋為涵蓋單數及複數。除非另外說明，否則術語「包含」、「具有」、「包括」及「含有」應解釋為開放的術語(亦即，意謂「包括(但不限於)」)。除非在本文中另外指明，否則對本文中之值範圍之列舉僅意欲充當單獨指代處於該範圍內之每一個別值的速記方法，且將每一個別值併入於本說明書中，如同其係單獨地敍述於本文中。除非本文中另外指示或另外與上下文明顯矛盾，否則本文中所描述之所有方法可以任何適合之次序執行。除非另外主張，否則使用本文所提供之任何及所有實例或例示性語言(例如，「諸如」)僅意欲較佳地 闡明本發明而不對本發明之範疇造成限制。本說明書中之語言不應被視作將任何未主張之要素指示為對於實踐本發明而言必不可少。
本文描述之本發明之較佳實施方式，包括本發明者所已知的惡用於進行本發明之最佳模式。在閱讀前文描述之後，彼等較佳實施方式之變化對於一般技術者而言可變得顯而易見。本發明人期望熟習此項技術者視需要採用該等變化，且本發明人意欲以不同於本文中所特定描述之方式來實踐本發明。因此，本發明包括如由適用法律所准許之隨附在此之申請專利範圍中所敍述之標的物的所有修改及等效物。此外，除非本文另外指明或者與上下文明顯矛盾，否則本發明涵蓋上述要素在其所有可能變化中之任何組合。

Claims (20)

  1. 一種經建構以用於傳輸一流體的旋轉管套，該旋轉管套包含：一外殼，其中具有一介質通道，該外殼進一步具有一凹穴，該凹穴與該介質通道流體地隔離；一旋轉機器組件，其可旋轉地支撐於該外殼中；一旋轉密封構件，其與該旋轉機器組件相關聯；一非旋轉密封構件，其鄰近該旋轉密封構件可滑動地且密封地安置於該外殼內；及一感測器陣列，其安置於該凹穴中，該感測器陣列包括與一控制器件及一通信器件整合之複數個感測元件；其中當該非旋轉密封構件與該旋轉密封構件接觸以形成一機械面密封時，該感測器陣列與該介質通道流體地隔離。
  2. 如申請專利範圍第1項之旋轉管套，其中該外殼係由一塑膠材料製成，且其中該通信器件為包括一天線之一無線通信器件。
  3. 如申請專利範圍第2項之旋轉管套，其中該控制器件自該複數個感測器中之至少一者接收關於該旋轉管套之一操作狀態之資訊，且經由該無線通信器件將該資訊實時傳達至一中央控制。
  4. 如申請專利範圍第1項之旋轉管套，其中該複數個感測器包括一加速計、一溫度感測器、一運動感測器、一濕度感測器及一磁性拾取感測器。
  5. 如申請專利範圍第1項之旋轉管套，其進一步包含：一可擴展密封件，其安置於該非旋轉密封構件與該外殼之間且密封地嚙 合該非旋轉密封構件及該外殼中之每一者；其中該可擴展密封件包括：兩個末端部分，將該兩個末端部分中之一者與該非旋轉密封構件嚙合且將該兩個末端部分中之另一者與該外殼嚙合；及一可擴展部分，其軸向地安置於該兩個末端部分之間，該可擴展部分具有基於存在於該介質通道中之該流體之一壓力而變化的一軸向長度。
  6. 如申請專利範圍第5項之旋轉管套，其中該可擴展部分包括至少一個伸縮軟管。
  7. 如申請專利範圍第5項之旋轉管套，其中該可擴展密封件係由一橡膠、四-氟基-乙烯或氟基-彈性體材料中之至少一者製成。
  8. 一種旋轉器件，其包含：一外殼，其由一非金屬材料製成；一旋轉機器組件，其可旋轉地支撐於該外殼中；一旋轉構件，其與該旋轉機器組件相關聯；一非旋轉構件，其鄰近該旋轉構件安置於該外殼內；及一感測器陣列，其安置於該外殼中，該感測器陣列包括與一控制器件及一無線通信器件整合之複數個感測元件；其中該無線通信器件經建構以使用電磁波與相對於該外殼遠端定位之一中央控制通信；及其中該無線通信器件經配置以針對該外殼相對於該感測器陣列及該中央控制之任何安裝定向保持與該中央控制通信。
  9. 如申請專利範圍第8項之旋轉器件，其中該外殼係由一塑膠材料製成。
  10. 如申請專利範圍第8項之旋轉器件，其中該控制器件自該複數個感測器中之至少一者接收關於該旋轉器件之一操作狀態之資訊，且將該資訊實時傳達至該中央控制。
  11. 如申請專利範圍第8項之旋轉器件，其中該複數個感測器包括一加速計、至少一個溫度感測器、一運動感測器、一濕度感測器及一磁性拾取感測器。
  12. 如申請專利範圍第8項之旋轉器件，其中該旋轉器件為一旋轉管套，且其中該旋轉管套進一步包含：一可擴展密封件，其安置於該非旋轉密封構件與該外殼之間且密封地嚙合該非旋轉密封構件及該外殼中之每一者；其中該可擴展密封件包括：兩個末端部分，將該兩個末端部分中之一者與非旋轉密封構件嚙合且將該兩個末端部分中之另一者與該外殼嚙合；及一可擴展部分，其軸向地安置於該兩個末端部分之間，該可擴展部分具有基於存在於該介質通道中之該流體之一壓力而變化的一軸向長度。
  13. 如申請專利範圍第12項之旋轉器件，其中該可擴展部分包括至少一個伸縮軟管，且該可擴展部分係由一橡膠、四-氟基-乙烯或氟基-彈性體材料中之至少一者製成。
  14. 如申請專利範圍第8項之旋轉器件，其中將該感測器陣列安置於界定在該外殼內之一凹穴中，該凹穴與該介質通道流體地分離及隔離。
  15. 一種用於操作一旋轉器件的方法，該方法包含：提供由一非金屬材料製成且包括一凹穴的一外殼； 可旋轉地支撐該外殼中之一可旋轉機器組件，該可旋轉機器組件具有與此相關聯之一可旋轉構件；在該外殼內鄰近該旋轉構件安裝一非旋轉構件；及在該凹穴中提供一感測器陣列，該感測器陣列包括與一控制器件及一無線通信器件整合之複數個感測元件；流體地隔離該凹穴內之該感測器陣列；用該感測器陣列監測複數個操作參數；及使用電磁波將該等操作參數無線地傳達至相對於該外殼遠端地定位之一中央控制；其中該無線通信與該外殼相對於該感測器陣列及該中央控制之一定向無關。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中提供該外殼包括由一塑膠材料模製該外殼及該凹穴。
  17. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該複數個感測器包括一加速計、一溫度感測器、一運動感測器、一濕度感測器及一磁性拾取感測器。
  18. 如申請專利範圍第15項之方法，其進一步包含藉由以下操作可滑動地且密封地安裝該非旋轉密封構件：提供安置於該非旋轉密封構件與該外殼之間且密封地嚙合該非旋轉密封構件及該外殼中之每一者的一可擴展密封件；其中該可擴展密封件包括：兩個末端部分，該兩個末端部分中之一者與非旋轉密封構件嚙合且該兩個末端部分中之另一者與該外殼嚙合；及一可擴展部分，其軸向地安置於該兩個末端部分之間，該可擴展部分具有 基於存在於該外殼中之一流體之一壓力而變化的一軸向長度。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該可擴展部分包括至少一個伸縮軟管，且該可擴展部分係由一橡膠、四-氟基-乙烯或氟基-彈性體材料中之至少一者製成。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其進一步包含在該流體之一流體壓力下藉由使該可擴展密封件彈性地變形而在該非旋轉構件上提供一偏置力。
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