(57)【要約】【課題】簡易な方法によりオイル中に含まれる気泡率を計測する。密閉空間に導入された気泡率が既知の複数のサンプルオイルを、所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する、圧力と体積変化量の積の関係から、それぞれのサンプルオイルの０ｋＰａ時の圧力と体積変化量の積の値を結んだ一次直線を校正線とし求めるステップ、気泡率が未知のサンプルオイルを、所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する、圧力と体積変化量の積の関係から、未知のサンプルオイルの０ｋＰａ時の圧力と体積変化量の積の値を求めするステップ、該値と校正線とを比較して未知のオイルサンプルの気泡率を得るスッテプから構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉空間に導入された気泡混入オイルを圧縮して該オイルの体積弾性係数を測定するステップ、
予め測定した気泡非混入のオイルの体積弾性係数を参照するステップ、
及び前記測定した体積弾性係数と前記参照した体積弾性係数の比に基づいて気泡率を得るステップとを有することを特徴とするオイルの気泡率測定方法。
【請求項２】
密閉空間に導入された気泡率が既知の複数のサンプルオイルを、所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する、圧力と体積変化量の積の関係から、それぞれのサンプルオイルの０ｋＰａ時の圧力と体積変化量の積の値を結んだ一次直線を校正線とし求めるステップ、
気泡率が未知のサンプルオイルを、所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する、圧力と体積変化量の積の関係から、未知のサンプルオイルの０ｋＰａ時の圧力と体積変化量の積の値を求めするステップ、
該値と校正線とを比較して未知のオイルサンプルの気泡率を得るスッテプから構成されるオイルの気泡率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡率の計測方法及び計測装置に関する、特に、自動車の潤滑油などのオイル中に含まれる気泡率を計測する方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
液中の気泡を計測する方法として、コンダクタンス法、キャパシタンス法、ワイヤメッシュ法、レーザ光遮断式、レーザ光散乱式（例えば非特許文献１）、プローブ法（電気抵抗検出法、光電検出法）（例えば、非特許文献２）、画像解析法（例えば非特許文献２）、共振式重量測定法、ラジオグラフィー法などがある。【０００３】
一方、油圧駆動装置の設計時においては、オイルの体積弾性係数を考慮する必要がある。しかし、オイルに気泡が混入した場合、体積弾性係数が変化するので、このことも考慮して設計を行う必要がある。そこで、オイルへの気泡混入時の体積弾性係数の算出方法が提案されている（非特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「ナノ粒子径分布測定装置SALD-7100」（島岡、島津評論  別刷  第63巻  第1,2号）(2006)
【非特許文献２】「単一光ファイバープローブを用いた微小気泡・液滴計測時のプレシグナル／ポストシグナル検知による接触位置判定法」（水嶋ほか、微粒化  Vol.21, No.73）(2012)
【非特許文献３】「エンジン潤滑油中の気泡挙動計測」（木村ほか、社団法人  自動車技術会  学術講演会別刷集  No.147-08）(2008)
【非特許文献４】「混入空気を考慮した油圧作動油の体積弾性係数について」（中川ほか、富山大学工学部紀要, 27: 25-30）(1976)
【特許文献１】特開2007-064820号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した気泡計測方法は装置が複雑で高価なものが多い。また、多くの市販の測定装置では、オイル中の気泡計測に対応できないものも多い。例えば非特許文献１のレーザ光散乱式による計測装置ではオイルを吸収する青紫光が光源に選択されているので、オイル中の気泡測定に適さない。また、非特許文献２のような光プローブ式では、プローブ先端へのオイル付着状態に応じて測定誤差が生じるので、都度較正を行う必要があり、オイル中の気泡測定には適さない。【０００６】
また、非特許文献３のような画像解析法に基づく方法では、気泡が（透明の）壁面から離れている場合、十分な大きさの光量変動を検出することができない、という欠点があると考えられる。【０００７】
また、油圧駆動装置に係る関連技術分野においては、例えば非特許文献４に代表されるように気泡混入時のオイル特性について様々な検討がなされている。しかし、気泡率を算出する方法について言及した文献は見受けられない。【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な方法でオイル中に含まれる気泡率を計測する方法等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本第１発明の気泡率測定方法は、
密閉空間に導入された気泡混入オイルを圧縮して該オイルの体積弾性係数を測定するステップ、
予め測定した気泡非混入のオイルの体積弾性係数を参照するステップ、
及び前記測定した体積弾性係数と前記参照した体積弾性係数の比に基づいて気泡率を得るステップとにより、オイルの気泡率を測定することを特徴とする。【００１０】
上記課題を解決するための本第２発明の気泡率測定方法は、
密閉空間に導入された気泡率が既知の複数のサンプルオイルを、所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する、圧力と体積変化量の積の関係から、それぞれのサンプルオイルの０ｋＰａ時の圧力と体積変化量の積の値を結んだ一次直線を校正線とし求めるステップ、
気泡率が未知のサンプルオイルを、所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する、圧力と体積変化量の積の関係から、未知のサンプルオイルの０ｋＰａ時の圧力と体積変化量の積の値を求めするステップ、
該値と校正線とを比較して未知のオイルサンプルの気泡率を得るスッテプから構成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な方法でオイル中に含まれる気泡率を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係るオイル気泡率測定装置の概略構成図である。
【図２】オイル中の気泡の挙動を示す模式図である。
【図３】気泡率を得るための較正線を示す図である。
【図４】初期状態と圧縮後の気泡混入エンジンオイルの概念図を示す。
【図５】シリンダ内圧力と体積変化量の関係を示すグラフである。
【図６】各サンプルオイルの測定した圧力に対する圧力とサンプルオイル中の気体として振る舞う空気体積との積の関係を示すグラフである。
【図７】各サンプルオイルの圧力に対する圧力と空気体積との積の変化率の関係を示すグラフである。
【図８】各サンプルオイルの圧力に対する圧力と空気体積との積の圧力に依存しない項の変化を示すグラフである。
【図９】所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する圧力と体積変化量の積の関係を示すグラフである。
【図１０】各サンプルオイルの圧力に対する圧力と空気体積との積の圧力に依存しない項の変化を示すグラフであり、実施形態２の校正線である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００１４】
＜実施形態１＞
図１を参照して、本発明のオイル気泡率測定方法が適用されるオイル気泡率測定装置は、シリンダ（注射器）１と、バルブ３と、フォースセンサ４と、ピエゾアクチュエータ５と、ピエゾコントローラ６と、パーソナルコンピュータ７と、温度センサ８を有する。この測定装置では、エンジンオイル流路２を流れるオイルをシリンダ１に導入し、シリンダ１のピストン１１をピエゾアクチュエータ５により押圧してシリンダ１内のオイルを圧縮する。この測定装置では、この圧縮時におけるオイルの体積弾性係数を測定することで、オイル中の気泡率を算出する。算出方法は後述する。
【００１５】
バルブ３は、エンジンオイル流路２とシリンダ１間の開閉を行う。フォースセンサ４は、ピストン１１を押圧する力の大きさを測定する。ピエゾコントローラ６は、パーソナルコンピュータ７に格納した制御プログラムの指示に基づき、ピエゾアクチュエータ５を駆動するための電気信号等を生成する。温度センサ８は、シリンダ１内のオイルの温度を測定する。また、フォースセンサ４の出力、ピエゾアクチュエータ５からの位置情報出力はパーソナルコンピュータ７に伝送され、上記の制御プログラムはこれらの情報に基づいてピエゾアクチュエータ５の制御を行う。
【００１６】
ここで、温度Ｔにおけるオイルの体積弾性係数ＫＴＢは、数式１に基づいて算出することができる。
【数１】
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ここでは、等温変化を仮定している。Ｐ０は初期シリンダ内圧力であり、ここでは大気圧とする。Ｖｌ０は初期エンジンオイル体積であり、Ｖｇ０は初期全気泡体積である。ＫＴ０は、気泡が混入していない状態の温度Ｔにおけるエンジンオイルの体積弾性係数であり、ここでは予め測定されたものを用いる。Ｐはピストンを力Ｆで押した場合のシリンダ内の圧力である。なお、数式１の導出過程は上述した非特許文献４で記述されているので、その詳細説明は省略する。
【００１７】
また、シリンダ内の容積Ｖが、エンジンオイル体積Ｖｌと、全気泡体積Ｖｇの和であるとし、気液二相流体の圧縮／膨張は，ほとんど気相の圧縮・膨張によるとみなせば（図２参照）、数式２が成立する。
【数２】
2017078060.tif 000004
つまり、ピストン１１の変位Δｘ（図２参照）を計測すればシリンダ１内のオイル内の気泡の体積ＶＧの変動分が特定できるので、これにより数式１の圧力Ｐを算出することができる。
【００１８】
また、例えば、初期状態において、シリンダ１を大気圧下に配置し、ピストン１１に力Ｆを押圧しない状態にすれば、初期シリンダ内圧力Ｖ０（前述のＶｌ０とＶｇ０の和）が特定できる。この状態からピストン１１に力Ｆを押圧していき、これ以上ピストン１１を押すことが困難となった場合、そのときのオイル気泡体積は、オイル溶液と比較して十分に小さいと看做すことでＶｌｏの大きさも特定できる。
【００１９】
つまり、少なくとも、初期圧でのピストン１１の位置と、これ以上ピストン１１を押すことができなくなったときのピストン１１の位置情報をパーソナルコンピュータ７に伝送すれば、パーソナルコンピュータ７は、予め制御プログラム中に格納された系線式に基づいてオイルの体積弾性係数ＫＴＢを計算することができる。
【００２０】
また、本実施形態では、オイルの圧縮率がエンジンオイルの体積弾性係数の逆数で表現できることに着目し、シリンダ内の圧力Ｐを徐々に変化させた場合の温度Ｔにおけるシリンダ１内のエンジンオイルの圧縮率βＴＢと、温度Ｔにおける気泡が混入していない状態のエンジンオイルの圧縮率βＴＯの比率をモニタリング（測定）することで気泡率（ボイド率）を測定する。ここで、上記の圧縮率の比βＴＢ／βＴＯは数式３で表すことができる。
【数３】
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【００２１】
つまり、ピストン１１を一定の力Ｆで押圧することでシリンダ１１内が等温変化となるようにしつつ、圧力Ｐを徐々に変化させ、その際の圧縮率の比を数式３に基づき算出（モニタリング）する。その結果得られた圧縮率の比と圧力の関係曲線が、予め測定した較正線（図３参照）のどれに合致するかに基づいて気泡率（ボイド率）を特定する。ここで、較正線は、予め気泡率が分かっているオイルの圧縮率の比を測定して得たものである。例えば、気泡を抜いた状態のオイルをシリンダ１に導入した後、既知量の空気をシリンダ１内のオイルに導入して、ピストン１１を徐々に変位させて圧力Ｐを変化させたときの圧縮率の比βＴＢ／βＴＯが較正曲線となる。なお、βＴＯは上述したＫＴＯの逆数であり、予め測定しておいたオイルの体積弾性係数に基づいて得られるものである。
【００２２】
以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲に記載された発明に基づいて定められるものであり、上記実施形態に限定されるべきものではない。
【００２３】
例えば、特許請求の範囲では、オイルの体積弾性係数に基づいてオイルの気泡率を測定するものとして記載しているが、上記実施形態のように、オイルの体積弾性係数の逆数であるオイルの圧縮率を計測してオイルの気泡率を得ることも本発明の技術的範囲に属する。
【００２４】
また、上記実施形態では、エンジンオイル流路２にバルブ３を介して接続されたシリンダ１を用いてオイルの気泡率を測定しているが、例えば、オイルパン等に溜まったオイルをシリンダ（注射器）で抽出して、シリンダ内のオイルを封止してから、シリンダのピストンを押圧してオイル圧縮率を得て、気泡率を特定するようにしても良い。
【００２５】
また、簡便にオイルの気泡率を得る方法としては、単純に上記のようにして得たＶＬＯとＶＧｏの比率を以てオイルの気泡率とみなすようにしても良い。
【００２６】
＜実施形態２＞
【００２７】
実施形態２の気泡率計測方法では、
前提１：気泡混入エンジン油を圧縮した場合の体積変化は気泡として含まれている空気の体積変化に等しい。すなわち、液体の体積は変化しない。
前提２：油中気泡は空気から成る。
前提３：空気は理想気体とみなせる。
前提４：エンジン油の蒸発は無視できる。
前提５：気泡内の圧力は、圧力センサで測定した圧力と等しいとみなす。
前提６：サンプル中の空気とエンジン油の温度は等しい。
前提７：気泡混入エンジン油の圧縮は準静的状態を保ちながら行われる。
の７つの前提の基に、一定温度下で初期状態において気泡率が既知の気泡混入エンジン油体積のサンプルから校正線を作り、未知の気泡率の気泡混入エンジン油のサンプルを圧縮し、その間の圧力と体積変化から気泡率を導出するものである。
【００２８】
具体的には、初期状態と圧縮後の気泡混入エンジン油の概念図（図４参照）から、実施形態２で用いる測定原理の基礎式である、気体の状態方程式（数式４、数式５）物質量保存則（数式６）Ｈｅｎｒｙの法則（数式７）は、以下の通りとなる。なお、図４は、気泡としてエンジンオイル中に分散して存在している空気をまとめて気相と液相に分離した状態の図にしている。
【数４】
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【数５】
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【数６】
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【数７】
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ここで、それぞれの記号は、
Ｖ０：初期状態の全体積
Ｖ１：圧縮した状態の全体積
Ｐ０：初期状態の圧力
Ｐ１：圧縮した状態の圧力
Ｔ：温度（一定）
Ｒ：気体定数
Ｖｏｉｌ：エンジン油の体積
Ｖａｉｒ０：初期状態の気泡の総体積
Ｖａｉｒ１：圧縮した状態の気泡の総体積
ｎall：サンプル中の全空気の総物質量
ｎｂ０：初期状態の気泡の総物質量
ｎｂ１：圧縮した状態の気泡の総物質量
ｎ０：初期状態のエンジン油に溶解している空気の総物質量
ｎ１：圧縮した状態のエンジン油に溶解している空気の総物質量
ΔＶ：体積変化量
を意味する。
【００２９】
次に、気泡率とサンプルの圧力、体積の関係を考察する。サンプルの初期状態の気泡率をｘ（０＜ｘ＜１）とするとエンジン油の体積Ｖｏｉｌは次のように表せる。
Ｖｏｉｌ＝Ｖ０−Ｖａｉｒ０＝Ｖ０−ｘ・Ｖ０＝（１−ｘ）Ｖ０
また、初期状態のエンジン油に溶解している空気の体積割合をａ（０＜ａ＜１）とすると、ｎ０は数式８のようになる。
【数８】
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【００３０】
数式５に数式６〜数式８を代入することで、サンプルを圧力Ｐ１まで圧縮した時の気泡の状態方程式は、初期状態における圧力Ｐ０、サンプルの体積Ｖ０、気泡率ｘ、エンジンオイル中の溶解空気の体積割合ａを用いて数式９のように表すことができる。
【数９】
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【００３１】
また、Ｐ１Ｖａｉｒ１は、初期状態におけるサンプルの体積、気泡率と初期状態からの体積変化量ΔＶで書き換えると
Ｐ１Ｖａｉｒ１＝Ｐ１（Ｖａｉｒ０−ΔＶ）＝Ｐ１（ｘＶ０−ΔＶ）
で表すことができる。この式と数式９から次の数式１０を導くことができる。
【数１０】
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【００３２】
数式１０の右辺第１項のＰ１の係数及びその他のＰ１に依存しない項は、それぞれ気泡率ｘの１次式となる。これによって、一定温度下で初期状態において気泡率が既知の気泡混入エンジン油体積のサンプルから校正線を作ることで、未知の気泡率の気泡混入エンジン油のサンプルを圧縮し、その間の圧力と体積変化から気泡率を導出することができる。以下、サンプルからの校正線の作成について述べる。
【００３３】
サンプルからの校正線は、図１に示す装置に、複数の既知の気泡率のオイルサンプル（本実施形態においては、気泡率１７．３％、２３．６％、３０．０％のサンプルを使用する）を用いて実験（以下、サンプル試験という）を行うことで作成する。
【００３４】
まず、３種のサンプルについて、圧縮と初期状態復帰とを繰り返し、１０回測定した平均からシリンダ内圧力と体積変化量の関係を求める。図５は、その結果を示し、初期の空気体積が大きいサンプルほど同一圧力での体積変化量が大きいことが確認できる。
【００３５】
次に、シリンダ内圧力と体積変化量の関係を求めたときと同様に、圧縮と初期状態復帰とを繰り返し、１０回測定した平均から圧力に対する圧力とサンプル中の気体として振る舞う空気体積との積（以下、ＰＶａｉｒという）の関係を求める。図６は、その結果を示し、この結果から、各サンプルのＰＶａｉｒは、圧力の増加とともに減少することがわかる。
【００３６】
図７は、図６で示した各測定データを圧力の一次式として最小二乗近似し，それぞれの圧力項の係数を平均して求めた各サンプルの圧力に対するＰＶａｉｒの変化率の関係を示す。換言すると、図６に示す、各サンプルの傾きを示したものである。
【００３７】
図８は、サンプル試験から求まった各サンプルの圧力に対するＰＶａｉｒの圧力に依存しない項の変化を示す。また、ＰＶａｉｒの圧力に依存しない項は、数式１０の右辺第２項から初期状態のボイド率ｘの関数として次のように表すことができる。
ｆ（ｘ）＝Ａｘ＋Ｂ
Ａ≡Ｐ０Ｖ０・（１−ａ）
Ｂ≡ａ・Ｐ０Ｖ０
これより、ａとＰ０Ｖ０を求めると
ａ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）
Ｐ０Ｖ０＝Ａ＋Ｂ
となる。
サンプル試験から求めたＡ及びＢの値はそれぞれ、Ａ＝０．２８４７３７、Ｂ＝０．０１６７１であり、初期状態のエンジン油に溶解している空気の体積割合をａは、約６ｖｏｌ％程度と推定される。同様に、初期状態における圧力とサンプル体積の積は（Ｐ０Ｖ０）は、約０．３Ｐａ・ｍ３となり、サンプル試験における初期圧力及び初期体積から求めた値と若干の誤差があるものの一致した。これにより、サンプル試験結果と計算式から求める値に相関関係を認めることができた。この初期状態のエンジン油に溶解している空気の体積割合であるａを計算により瞬時に求められることも本試験における新たな知見である。
【００３８】
次に、図５、図６に示すサンプル試験で得られた結果から、圧力Ｐ１に圧縮した場合の、圧力と体積変化量の積（以下、ＰΔＶという）の関係を図９に示す。ＰΔＶは圧力に対して直線関係であることがわかる。これは上述した場合と同様、数式１０の右辺第２項から初期状態のボイド率ｘの関数として次のように表すことができる。
ｇ（ｘ）＝Ｃｘ＋Ｄ
Ｃ≡−Ｐ０Ｖ０・（１−ａ）
Ｂ≡−ａ・Ｐ０Ｖ０
この１次関数をグラフで表したものが図１０である。図１０は、各サンプルの圧力０ｋＰａのときのＰΔＶの値（図９の細線で示すｙ軸切片の値）である。これが実施形態２の校正線となる。そして、未知の気泡率（ボイド率）であるサンプルオイルをシリンダ１に導入し、所定圧力（Ｐ）を加えたときの体積変化量（ΔＶ）から、図９に示す圧力と体積変化量の積のグラフ（ＰΔＶ）を作成し、０ｋＰａのＰΔＶを得ることで、図１０に示す校正線から瞬時にその気泡率を知ることができる。
【００３９】
以上、実施形態２の気泡率計測方法は、密閉空間に導入された気泡率が既知の複数のサンプルオイルを、所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する、圧力と体積変化量の積の関係から、それぞれのサンプルオイルの０ｋＰａ時の圧力と体積変化量の積の値を結んだ一次直線を校正線とし求めるステップ、気泡率が未知のサンプルオイルを、所定圧力に圧縮した場合の圧力に対する、圧力と体積変化量の積の関係から、未知のサンプルオイルの０ｋＰａ時の圧力と体積変化量の積の値を求めするステップ、その値と校正線（図１０）とを比較して未知のオイルサンプルの気泡率を得るスッテプから構成される。
【００４０】
これは、図１に示す、オイル気泡率測定装置の各センサから制御装置（パーソナルコンピュータ７やマイコン）に伝送され、制御プログラムによって瞬時に計算がなされ、未知のオイルの気泡率を知ることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１    シリンダ（注射器）
２    エンジンオイル流路
３    バルブ
４    フォースセンサ
５    ピエゾアクチュエータ
６    ピエゾコントローラ
７    パーソナルコンピュータ
８    温度センサ
１１  ピストン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017078060.tif 000019
【図８】
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【図９】
2017078060.tif 000021
【図１０】
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【国際調査報告】
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2017078060.tif 000024
2017078060.tif 000025
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