(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑油を介して接触しながら相対運動する複数の機械部品と、前記機械部品間の接触面に対向して該機械部品の一方に設けられた超音波プローブと、前記超音波プローブを介して前記接触面に時間間隔をおいて複数回超音波を送信し、前記潤滑油を介して他方の機械部品内を伝播して前記接触面と対向する面で反射し、再び前記潤滑油を介して戻った超音波を受信する送受信手段と、前記複数回の超音波の送受信に対応する複数の反射波信号を記録する記録手段と、予め定義した正常又は／及び異常な前記機械部品間の接触状態における前記複数の反射波信号強度の推移パターンの類型である参照パターンが蓄積されなる参照パターンデータベースと、前記記録手段に記録された複数の反射波の信号強度の推移パターンと前記参照パターンとを比較するパターン比較手段と、前記比較結果に基づいて前記接触面の接触状態の異常を検出する検出手段とを有する接触面の異常検出装置。
【請求項２】
潤滑油を介して接触しながら相対運動する機械部品と、前記機械部品の接触面に対向して該機械部品の一方に設けられた超音波プローブと、前記超音波プローブを介して前記接触面に時間間隔をおいて複数回超音波を送信し、前記潤滑油を介して他方の機械部品内を伝播して前記接触面と対向する面で反射し、再び前記潤滑油を介して戻った超音波を受信する送受信手段と、前記複数回の超音波の送受信に対応する複数の反射波信号を記録する記録手段と、ネット等の通信回線に接続可能な通信装置と、前記記録手段に記録された複数の反射波の信号強度の推移パターンと前記通信回線を介して入力される予め定義した正常又は／及び異常な前記機械部品間の接触状態における前記複数の反射波信号強度の推移パターンの類型である参照パターンとを比較するパターン比較手段と、前記比較結果に基づいて前記接触面の接触状態の異常を検出する検出手段とを有する接触面の異常検出装置。
【請求項３】
前記検出手段の検出結果により前記接触面の接触状態が異常であると判断された場合に、前記機械部品の相対運動速度を低下させ若しくは向上させ、又は前記機械部品の相対運動を一時的に停止する制御部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の接触面の異常検出装置。
【請求項４】
潤滑油を介して接触しながら相対運動する機械部品と、前記機械部品間の接触面に対向して該機械部品の一方に備えられた超音波プローブと、前記超音波プローブを介して前記接触面に時間間隔をおいて複数回超音波を送信し、前記潤滑油を介して他方の機械部品内を伝播して前記接触面と対向する面で反射し、再び前記潤滑油を介して戻った超音波を受信する送受信手段と、前記複数回の超音波の送受信に対応する複数の反射波信号の推移パターンをネット等の通信回線に送信する通信手段と、該通信手段を介して入力される前記推移パターンと予め定義した正常又は／及び異常な前記機械部品間の接触状態における前記複数の反射波信号強度の推移パターンの類型である参照パターンとを比較するパターン比較手段と、前記比較結果に基づいて前記接触面の接触状態の異常を検出する検出手段とを有してなる接触面の異常検出装置。
【請求項５】
前記検出手段の検出結果により前記接触面の接触状態が異常であると判断された場合に、前記通信手段から入力される前記機械部品の相対運動速度を低下させ若しくは向上させ、又は前記機械部品の相対運動を一時的に停止する運転制御命令に応じて当該機械の運転条件を可変設定する制御部を有することを特徴とする請求項４に記載の接触面の異常検出装置。
【請求項６】
ネット等の通信回線との接続装置を有するコンピュータと、潤滑油を介して相互に接触しながら変位する機械部品と、前記機械部品間の接触面に対向して該機械部品の一方に備えられた超音波プローブと、前記超音波プローブを介して前記接触面に時間間隔をおいて複数回超音波を送信し、前記潤滑油を介して他方の機械部品内を伝播して前記接触面と対向する面で反射し、再び前記潤滑油を介して戻った超音波を受信する送受信手段と、前記複数回の超音波の送受信に対応する複数の反射波信号を記録する記録手段と、予め定義した正常又は／及び異常な前記機械部品間の接触状態における前記複数の反射波信号強度の推移パターンの類型である参照パターンが蓄積されなる参照パターンデータベースとを有し、前記コンピュータは前記通信回線を介して入力される前記記録手段に記録された複数の反射波強度の推移パターンと前記参照パターンとを比較し、該比較結果に基づいて前記接触面の接触状態の異常を検出する機能を有する接触面の異常検出システム。
【請求項７】
前記参照パターンに関連付けられた運転制御命令を蓄積してなる運転制御命令データベースを有してなり、前記検出結果に応じて当該反射波強度の推移パターンに係る発信元に前記通信回線を介して選択された運転制御命令を送信することを特徴とする請求項６に記載の接触面の異常検出システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品間の接触面の異常検出方法、装置およびシステムに係り、特に摺動や転がりを伴なって接触しながら相対運動する機械部品間の接触面の異常検出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械部品間の接触面の接触状態を監視し、異常な接触状態を検出することが要望されている。特に、摺動や転動を伴なって接触しながら相対運動する機械部品間の接触面においては、異常磨耗や装置の破損等を未然に防止するため、その接触状態を適切に監視することが要求されている。
【０００３】
このような接触面の一例として、例えば冷凍空調用スクロール圧縮機のオルダム継手におけるオルダムキーとキー溝との摺動面が挙げられる。このようなオルダム継手の摺動面には、摺動面に対し垂直方向以外の様々な方向の力や、回転運動に起因するモーメント力が作用するから、過度な接触圧力や片当り等に起因する異常磨耗が特に問題となる。ここに異常磨耗が発生すると、例えば圧縮機の信頼性低下や、振動の増加、故障停止の原因となりうる。このような接触面の他の例としては、例えば滑り軸受の摺動面や転がり軸受の転動面等が考えられる。
【０００４】
これに対し、特開平8-43193号公報には、回転機械の回転部と静止部とが摺動するときに発生する音響または振動によって接触状態を検知することが記載されている。また、特開平8-151992号公報には、いわゆるアコースティックエミッション（ＡＥ）信号を用いて接触状態を検知することが記載されている。また、特開平10-288182号公報には、通電信号を用いて接触状態を検知することが記載されている。また、特開平6-8139号公報には、軸受けに供給する液体に超音波を伝播させ、回転軸を介して検出される超音波信号によって摺動面の接触状態を検知することが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した方法のうち、音響、振動、ＡＥ信号および通電信号を用いるものについては、機械の運転中に様々な理由で発生するノイズの影響を受けやすく、目的とする信号成分のＳ／Ｎ比の確保が困難であるほか、接触面部の材料が樹脂系材料の場合などは使用が制限されるという問題点があった。
【０００６】
一方、軸受けに供給される液体に超音波を伝播させる方法によれば、他のノイズ信号の影響を受けにくいからＳ／Ｎ比を良好にすることはできる。しかし、接触面のうち特定部位の状態を検出することはできないから、例えば片当りの検出等には利用し難い。さらに、液体内に気泡が混入すると、超音波信号が気泡による減衰や共振の影響を受け、正確な検知ができないという問題点があった。
【０００７】
上述した問題点に鑑み、本発明の課題は、接触面の異常を適切に検出することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、潤滑油を介して接触しながら相対運動する複数の機械部品と、機械部品間の接触面に対向して該機械部品の一方に設けられた超音波プローブと、超音波プローブを介して接触面に時間間隔をおいて複数回超音波を送信し、潤滑油を介して他方の機械部品内を伝播して接触面と対向する面で反射し、再び潤滑油を介して戻った超音波を受信する送受信手段と、複数回の超音波の送受信に対応する複数の反射波信号を記録する記録手段と、予め定義した正常又は／及び異常な機械部品間の接触状態における複数の反射波信号強度の推移パターンの類型である参照パターンが蓄積されなる参照パターンデータベースと、記録手段に記録された複数の反射波の信号強度の推移パターンと参照パターンとを比較するパターン比較手段と、比較結果に基づいて接触面の接触状態の異常を検出する検出手段とを有する接触面の異常検出装置によって上述した課題を解決する。
【０００９】
すなわち、潤滑油等の油膜を介して機械部品が接触する場合、この接触面に超音波を照射すると、超音波は油膜を介して反対側の機械部品内に入ってこの中を伝播し、反対側の面において反射する。この反射波は機械部品内を伝播し、再び油膜を介して超音波の照射源に戻る。このとき、接触面の接触強度あるいは接触面圧が高いときには油膜の厚さが小さくなるから、超音波が油膜内を伝播する際の減衰量が小さくなり、その結果強い反射波強度が得られることとなる。
【００１２】
また、反射波強度の推移パターンは超音波プローブが設けられた側の部材にとっては接触面における接触圧力の時間的変動を表わし、一方超音波プローブに対して移動する側の部材にとっては、位置による接触圧力の変動を表わすものである。したがって、例えば偏磨耗や片当たりが生じていると推移パターンが変化することになる。そこで、この推移パターンを、予め定義した正常又は／及び異常な接触状態における推移パターンの類型である参照パターンと比較することによって、相互に接触しながら変位する複数の機械部品相互間の接触面の接触状態の異常を適切に検出することができる。なお、このような接触面は、例えば摺動面や転動面を含む。摺動面としては、例えばスクロール圧縮機のオルダム継手のオルダムキーとキー溝との摺動面や、ジャーナルすべり軸受の摺動面を含み、また転動面としては転がり玉軸受やころ軸受の転動面を含む。
【００１３】
また、上述したパターン比較手段の比較結果に応じて当該機械の運転条件を可変設定する制御部を有する構成としてもよい。これによれば、パターン比較の結果接触状態が異常であると判断された場合に、接触部の状態の悪化を抑制するか、あるいは改善するような運転条件とすることによって装置寿命の延命を図ることができる。
【００１４】
また、参照パターンデータベースを異常検出装置に設けるのではなく、ネット等の通信回線と接続可能な通信装置を有する遠隔のコンピュータに備えつけ、異常検出装置は通信装置を介してこの遠隔の参照パターンデータベースにアクセスし、参照するようなシステムとしてもよい。これによれば、参照パターンデータベースを管理する遠隔の管理者側において随時参照パターンデータベースの更新が可能であり、各異常検出装置を利用するユーザは最新の参照パターンデータベースに基づいた管理サービスを受けられる効果がある。
【００１５】
さらに、パターン比較を遠隔の管理者側のコンピュータに行なわせる構成としてもよい。この場合、異常検出装置は反射波信号の推移パターンを通信回線に送信する通信手段を有する構成とされる。これによれば、パターン比較する機能を管理者側において一元化することができ、各異常検出装置毎にパターン比較手段を設ける必要がないから、異常検出装置の構成を簡単化することができる。この場合において、接触状態が異常であると判断された場合には、当該反射波信号の推移パターンに係る発信元に通信回線を介して運転制御命令を送信するようにしてもよい。この場合、管理者側に参照パターンに関連付けられた運転制御命令を蓄積してなる運転制御命令データベースを有し、比較結果に応じて選択された運転制御命令を送信するようにするとよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の接触面の異常検出装置を適用してなる接触状態検知装置を含んでなる冷凍空調用のスクロール圧縮機の一実施形態について説明する。図１は、スクロール圧縮機の断面図である。このスクロール圧縮機は、周知のように、空調に用いた後低温低圧の冷媒ガスを吸入し、これを圧縮して高温高圧の冷媒ガスとして排出するものである。
【００１７】
図１に示すように、スクロール圧縮機１は、略鉛直方向に延在する円筒状の胴体の上下端をドーム状に形成されたキャップ状の端面によって閉塞して構成された密閉容器３と、容器３の上方に配置され、周知のスクロール圧縮機としての動作により冷媒ガスを圧縮する圧縮機構５と、圧縮機構５の下方の容器３内に配置され、容器３の筒軸上に配置された回転軸７を介して圧縮機構を駆動する電動機９とを有する。また、容器３の下端部に、圧縮機構５を構成する部品や部材間に形成される各摺動面に供給される冷媒混合潤滑油を貯留する潤滑油溜め１１が設けられている。
【００１８】
圧縮機構５は、渦巻き状またはスパイラル状のラップ１３を有する固定スクロール１５と、固定スクロール１５の下方に設けられ、ラップ１３と噛み合わせられる渦巻き状またはスパイラル状のラップ１７を有する旋回スクロール１９とを有する。固定スクロール１５のラップ１３と旋回スクロール１９のラップ１７とは、相互に噛み合わせられることによって、それらの表面間に挟まれた圧縮室を形成する。そして、旋回スクロール１９を固定スクロール１５に対して自転することなく旋回運動させるように旋回スクロール１９および固定スクロール１５に組み合わされたオルダムリング２１が設けられている。また、固定スクロール１５、旋回スクロール１９およびオルダムリング２１を所定の位置に保持するフレーム２２が設けられている。
【００１９】
固定スクロール１５は旋回スクロール１９に対向する円盤状の鏡板２３を有する。鏡板２３の下面の中心部には円盤状に凹ませて形成された凹部が設けられ、ラップ１３はこの凹部内に設けられている。ラップ１３は容器３の筒軸方向から見るとインボリュート曲線またはこれに近似の曲線状に形成されている。一方、旋回スクロール１９もまた円盤状の鏡板２５を有し、ラップ１７は鏡板２５の上面から突出して形成されている。また、鏡板２５の下面から突出して、回転軸７の上端部の偏心軸部２７が挿入される円筒状のボス２９が形成されている。この旋回スクロール１９の鏡板２５の上面と、固定スクロール１５の鏡板２３の下面とは、鏡板２３の凹部に対応する部分を除いた周縁部において当接し、摺動するように構成されている。
【００２０】
フレーム２２は、その上部を固定スクロール１５の鏡板２３の下部とボルトによって固定され、旋回スクロール１９およびオルダムリング２１を内部に収納する円筒状に形成され、その下部は下窄まりの段状に縮径され、縮径された部分に上部から挿入された転がり軸受け２８を介して回転軸７につながれている。転がり軸受け２８より下方においては、フレーム２２の内面と回転軸７の表面とは、微小な間隔を隔てて対向する構成となっている。また、フレーム２２自体は容器３に対して固定されている。
【００２１】
オルダムリング２１は、矩形断面のリング状に形成され、その上面から突出した矩形断面のキー３０が円周方向対象に２つ、換言すれば円周方向に１８０°離間して設けられている。一方、オルダムリング２１の下面には、上面と同様に円周方向に１８０°離間しかつ下方に突出した２つのキー３１が、上面のキー３０に対して円周方向に９０°ずらして設けられている。そして、旋回スクロール１９の鏡板２５の下面には、オルダムリング２１上面のキー３０とかみ合い、鏡板２５の径方向に延在するキー溝３３が形成されている。一方、フレーム２２の内部には、オルダムリング２１下面のキー３１とかみ合い、フレーム２２の径方向に延在するキー溝３５が形成されている。なお、これらキー溝３３およびキー溝３５は、それぞれ回転軸７の偏心軸部２７に関して対象に設けられている。キー３０、３１はそれぞれ対応するキー溝３３、３５に沿って摺動しながら往復運動し、その結果、オルダムリング２１は、固定スクロール１５に対して偏心運動する旋回スクロール１９を自転させないように構成されている。
【００２２】
また、容器３の上部端面を貫通して、冷媒ガスの吸入管３７が設けられている。この吸入管３７は固定スクロール１５上部の周縁部に垂直方向に開口された吸入口３９から略鉛直に立設されている。一方、固定スクロール１５の中心部には略鉛直方向に開口された吐出口４１が形成され、この吐出口４１が開口された固定スクロール１５の上面と、容器３の上端面との間には空間部である吐出室４３が設けられている。また、旋回スクロール１９の下部には、その鏡板２５の下面とフレーム２２の内面とによって囲まれた円環状の空間部である背圧室４５が形成され、鏡板２５を貫通して背圧室４５と圧縮室とを連通させる細孔４７が設けられている。また、背圧室４５の内部には、フレーム２２に結合され、オルダムリング２１の旋回運動に起因する慣性力を相殺するためのバランスウェイト４６が設けられている。また、容器３の側壁と連通する吐出管４９が容器３の側壁から突出して形成されている。吐出管４９が容器３に取りつけられている位置は略フレーム２２の縮径部分と同程度の高さである。そして、吐出管４９は、上方に向けて曲げられている。
【００２３】
また、回転軸７には軸芯に沿って形成された貫通孔である給油孔５１が設けられ、給油孔５１の上端部はボス２９の内部を介して背圧室４５内に連通し、給油孔５１の下端部は、回転軸７の下端面から略鉛直に下方に向けて突出して形成され、その下端部を潤滑油溜め１１内の潤滑油に浸漬させるように配置された給油管５３に連通している。
【００２４】
つぎに、本発明のスクロール圧縮機１の特徴部である超音波プローブについて説明する。図２は、図１のスクロール圧縮機１のII-II部矢視断面図である。図２に示すように、フレーム２２のキー溝３５には、キー溝３３を略水平方向に挟んで対向する一対の超音波プローブ５５、５７と、キー溝３５の下面に設けられた超音波プローブ５９とを有する。それぞれの超音波プローブは円柱状に形成され、その直径は例えば２ｍｍ程度である。図３は、図２のIII-III部矢視断面図である。図３に示すように、超音波プローブ５５、５７、５９はそれぞれオルダムキー溝の溝面から略鉛直に形成された開口の中に挿入されている。各超音波プローブはそれぞれ圧電素子を有してなり、後述する計測装置から駆動電圧を与えられると振動し、超音波を発生するものである。また、各超音波プローブは、その先端面を、キー溝３５の表面から装置の寿命を考慮して設定された微小な距離だけ奥まって配置されている。それぞれの超音波プローブは絶縁性の接着剤を用いて取り付けられ、その外周は絶縁されている。また、オルダムリング２１のオルダムキー３１とオルダムキー溝３５との間には、図３に示す様に潤滑油がまんべんなく入り込み、油膜６１が形成されている。なお、このようなオルダム継手の摺動部への給油は、フレーム内外の差圧により潤滑油溜めから回転軸の給油孔を通過してフレーム内に油が入り、この油がバランスウェイトにはねかかり飛散することによって行なわれる。
【００２５】
また、図１に示すように、回転軸７の側面とフレーム２２の内面との摺動面にも超音波プローブ６５が設けられている。この超音波プローブ６５は、フレーム２２に形成された開口に埋め込まれて回転軸７との摺動面に対向して配置されている。また、回転軸７の側面とフレーム２２の内面との摺動面にも、油膜６７が形成されている。
【００２６】
また、超音波プローブ６３が転がり軸受２８の内輪下面と、スラスト軸受６４上面との摺動面に設けられ、スラスト軸受６４に形成された開口に埋め込まれて転がり軸受２８の内輪との摺動面に対向して配置されている。そして、この摺動面にも油膜６８が形成されている。
【００２７】
また、固定スクロールの鏡板にも、旋回スクロールの鏡板との摺動面に対向して超音波プローブ６９が設けられている。この摺動面にも油膜７０が形成されている。
【００２８】
また、本実施形態のスクロール圧縮機は、外部に設けられた監視装置を有する。図４は、監視装置の構成を示すブロック図である。図４に示すように、監視装置７１は、超音波プローブ５５等との間で信号の送受信を行なうとともに受信信号である反射波の強度を検出する計測装置７３と、計測装置７３が検出した受信信号を記憶する記憶装置７５と、後述する接触パターンを蓄積してなる接触パターンデータベース７７と、記憶装置７５が出力する接触パターンと接触パターンデータベース７７に蓄積された接触パターンとを比較するパターン比較演算装置７９と、パターン比較演算装置の出力信号に応じて管理者８１に警告を発する警告装置８３とを有してなる。
【００２９】
以下、本実施形態のスクロール圧縮機の特徴部たる超音波プローブを用いた摺動面の監視について説明する。スクロール圧縮機１が動作する際、旋回スクロール１９に旋回運動をさせる周知のオルダム継手を形成するオルダムリング２１のキー３１は、キー溝３５の中を、溝面と摺動しながら往復運動することになる。図５は、運転時のオルダムキーのキー溝に対する動きを示す図である。このような往復運動は、電動機９の運転周波数に依存し、例えば毎秒５０ないし６０回行なわれる。そして、例えば超音波プローブ５５は、スクロール圧縮機１の運転中、超音波パルス信号の送信と受信とを繰り返す。超音波パルス信号の送信は計測装置７３によって超音波プローブ５５の圧電素子に電圧をかけることによって行なわれる。これによって発生した超音波信号は、油膜を介してキー３１内に伝播され、キー３１の対向する面において音響インピーダンスの違いに起因して反射し、この反射波からなるエコー信号は再び超音波プローブ５５に戻る。そして、超音波プローブ５５はエコー信号を電気的な受信信号として出力する。この場合、キー３１のキー溝３５への接触圧力が大きくなるほどキー３１表面と超音波プローブ５５の表面との間に介在する油膜の厚さが小さくなり、超音波が油膜中を伝播するときの減衰の影響が小さくなるから、受信信号の強度は大きくなる。図６は、横軸に時間をとり、縦軸に超音波の信号強度をとって入力信号と反射波との関係を示すグラフである。図６に示すように、超音波信号をキー３１に入力すると、その一部が対抗面において反射して入力面に戻り、入力面に戻った反射波の一部は超音波プローブに入力されて検出され、残部は再び対抗面に向けて反射される。そして、入力から１回目の反射波までの時間間隔と略同じ時間間隔をおいて、２回目の反射波が検出される。２回目の反射波の信号強度は、１回目の反射波の信号強度よりも小さい。そして、図示しない信号処理装置は、１回目の反射波の強度（Ｖ）を、受信時の回転軸７の回転位相（ｒａｄ）と関連付けて記憶する。ちなみに、例えばオルダムキー３１の超音波の伝播方向の幅が約８ｍｍであるときに、超音波パルス信号の送信から反射波の受信までの時間間隔は、例えば約１μｓｅｃである。そして、超音波プローブ５５は、このような送受信を繰り返し、記憶装置は回転軸の各位相に対応する反射波の強度を蓄積する。
【００３０】
図７は、このようにして回転軸の回転位相と関連付けて記録された反射波の信号強度推移パターンの一例であって、キー３１をキー溝３５に対して平行に摺動させたときのものを示すグラフである。このような推移パターンは、微小な時間間隔をおいて複数回求めた受信信号のピーク強度の包絡線をとることによって求められる。横軸は回転軸の回転位相（ｒａｄ）を示し、縦軸は反射波強度（Ｖ）を示している。ちなみに、計測は回転軸の回転位相０からπまで、つまり回転軸の半回転分について行なっている。図７に示すように、この場合略台形の推移パターンが得られる。このことは、超音波プローブ５５の正面をキー３１がさしかかるとともに信号強度が立ちあがり、キー３１が通過中は略一定の反射波強度を保ち、キー３１が超音波プローブの正面を離脱し始めると反射波強度が再び低下することを示している。そして、台形の上底部、つまり信号強度が最大になる領域の反射波強度はこの場合約０．４Ｖである。このように推移パターンの両側、つまり立ち上がりと立下りが傾斜状になるのは、キー３１が超音波プローブ５５の面上を部分的に覆っている状態であるからと考えられる。徐々になお、図中に接触領域演算基準として示したのは、回転軸の回転位相０ないしπ（ｒａｄ）までの計測において得られた超音波の受信強度が最大値の８０％以上となる領域を示したもので、後述する信号強度パターンのパターン認識に利用するものである。このような接触領域演算基準は接触領域の広さに相当し、またこれは繰り返し摺動後の観察により確認された磨耗領域に対応している。仮に接触荷重が等しいと仮定すると、この接触面積が小さい場合、単位面積が負担する接触面圧が大きくなり、換言すれば接触強度が強いことになる。そして、接触面圧が例えば材料固有の物性値である所定の値を超えた場合、激しい磨耗が発生したり、部品が破損してしまうこととなる。なお、このようなデータの検出は、キー３１の１ストロークまたは半ストロークにおいて行なってもよいし、またはキー３１の複数回のストロークにわたって異なる位相のデータを検出し、これらのデータをつなぎ合わせて構成してもよい。また、複数回のストロークのデータの平均値を用いてもよい。
【００３１】
次に、図８に示すようにキー３１に、上から見て時計回り方向のモーメント力を負荷し、キー３１の進行方向側に接触荷重がより多く負荷されるよう意識的に片当り状態を作ったうえで計測したデータを図９に示す。図９に示すように、キー３１が超音波プローブ５５の面上を通過する間の前方３分の１の位相領域において受信強度が特に大きくなるデータが得られた。このときの受信強度は約０．６Ｖであり、その後方における受信強度は、約０．３５Ｖである。ちなみに、この状態で摺動を繰り返したところ、キー３１の摺動面のうち進行方向前方３分の１の領域に顕著な磨耗がみられ、受信波強度が大きい領域の接触状態が厳しくなっていることが確認された。
【００３２】
一方、図９とは逆にキー３１に、上から見て反時計回りのモーメント力を負荷し、キー３１の進行方向の後方側に接触荷重がより多く負荷されるように片当たり状態を作ったうえで計測したデータを図１０に示す。図１０に示すように、キー３１が超音波プローブ５５の面上を通過する間の後方３分の１の位相領域において受信強度が特に大きくなるデータが得られた。このときの受信強度は約０．６Ｖであり、その前方における受信強度は約０．３５Ｖである。図８の場合と同様にこの状態で摺動を繰り返したところ、キー３１の摺動面のうち進行方向に対し後方の３分の１の領域に顕著な磨耗がみられ、やはり受信強度が大きい領域の接触状態が厳しくなっていることが確認された。
【００３３】
ところで、図９の場合と図１０の場合とのキー３１の磨耗状態を比較すると、図９の場合、つまりキー３１を上から見て時計回りのモーメント力を負荷し、進行方向に対し前方の接触強度を強くしたほうが磨耗の深さは大きかった。このことは、接触領域が同等と見られるばあいであっても、接触の形態によって磨耗に与える影響が異なっていたことを示している。
【００３４】
次に、キー３１の超音波プローブ５５に対向する摺動面において、進行方向に対し中心部分の３分の１の領域を、人為的に０．２ｍｍの深さだけ凹むように切除し、この摺動面をキー溝３５の超音波プローブ５５が備えられた面に対し垂直に荷重をかけながら平行に摺動させた場合の反射波強度の推移を図１１に示す。図１１に示すように、切除した部分に対応する反射波強度が約０．２５Ｖであったのに対し、接触基準演算領域たる切除しなかった部分に対応する反射波強度は約０．５Ｖと大きかった。
【００３５】
次に、キー３１の超音波プローブ５５に対向する摺動面において、進行方向に対し、前端部および後端部のそれぞれ３分の１づつをそれぞれ０．２ｍｍの深さだけ中央の３分の１の部分より引込むように切除し、中央部３分の１が凸になるようにして、この摺動面を上述したようにして摺動させた場合の反射波強度の推移を図１２に示す。図１２に示すように、反射波強度は、切除した両端部の領域においては約０．２Ｖであり、これに対し接触領域演算基準たる切除しなかった中央部の領域においては約０．６Ｖと大きかった。
【００３６】
次に、キー３１の超音波プローブ５５に対向する摺動面を、キー３１の進行方向に対して中央部を凸とする円弧状に形成して同様の実験を行なった結果を図１３に示す。この場合反射波強度は、図１３に示すように上底部が約０．３Ｖの台形状の推移パターンの中央部から、約０．７Ｖの突出したピークが形成されており、中央部の狭い領域において接触強度が著しく大きくなっているものとみられる。
【００３７】
以上の各データからも実証されるように、回転軸の回転位相、換言すれば受信時間に対して反射波強度が推移するパターンに基づいて、摺動面の接触状態が把握できることがわかる。そこで、本実施形態のスクロール圧縮機においては、予め摺動面の接触状態が正常な場合および異常な場合のこのようなパターンの類型を参照パターンのデータベースとして蓄積し、超音波プローブを介して実測したパターンと比較照合し、接触状態が正常か異常か、判断する機能を設けている。
【００３８】
記憶装置７５は、計測装置７３が検出した反射波強度を回転軸の回転位相と関連付けて記憶し、図９ないし１３において説明したような反射波強度パターンのデータを構成してパターン比較演算装置７９に入力する。次に、パターン比較演算装置７９は、接触パターンデータベース７７に予め蓄積された参照パターンの中から、入力されたパターンと近似するパターンをパターン認識によって選択する。そして、選択されたパターンが異常な場合を示す参照パターンである場合には、警告装置８３を介して管理者８１に警告を与える。なお、このような参照パターンの定義は、例えば接触領域演算基準の幅や、その回転軸の回転位相に対する範囲、あるいは接触領域演算基準の範囲における反射波強度等によって行なわれる。
【００３９】
また、超音波プローブ５５以外の超音波プローブについても、同様の処理が行なわれる。
【００４０】
なお、監視装置７１には計測対象に応じて回転軸の位相の設定がなされており、計測装置７３、パターン比較演算装置７９、接触パターンデータベース７７は素の設定された位相に基づいて計測時間、取得データ数、使用する参照パターンデータ、演算基準等を変化させる。回転軸が一定回転する圧縮機に関しては予め回転周波数を入力しておいてもよいが、別途設置した回転位相検出装置あるいは回転周波数検出装置からの出力を随時監視装置７１に入力するようにすると、インバータ等を用いて変速運転するものにも適用でき、変速時に発生しやすい接触状態の変動を詳細に監視することが可能となるため、より精度と信頼性の高い監視が可能となる。
【００４１】
以上のように、本実施形態によれば、超音波プローブから対象となる摺動面に対して超音波を送信し、その反射波強度に基づいて接触面の異常を検出しているから、接触面の異常を適切に検出することができる。
【００４２】
また、実測された反射波強度の推移するパターンを予め蓄積された参照パターンと比較しているから、摺動する接触面の偏磨耗や偏り、片当たりといった異常を適切に検出することができる。特に反射波の強度そのものだけでなく、その変化パターンを考慮することによって接触の形態を分類することが可能となっているから、接触領域の広さや反射波強度が同等であるてもその磨耗への影響の違いを詳細に把握することができる。
【００４３】
さらに、上述した異常が検出された場合に、接触面の状態の悪化を抑制し、あるいは改善する制御を行なっているから、装置の延命化を図り、管理者が適切な措置をとるための時間を確保できる効果がある。
【００４４】
次に、本発明の接触面の異常検出装置を適用してなるスクロール圧縮機の第２の実施形態について説明する。本実施形態は上述した第1の実施形態と類似するので、同一の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。図１４は、本実施形態のスクロール圧縮機のオルダムキーとキー溝との摺動部の要部断面図である。図１４に示すように、本実施形態においては、超音波プローブ５５’が、摺動面に露出しないことを特徴とする。すなわち、キー溝３５のキー３１と摺動しない背面側から貫通しない穴が形成され、超音波プローブ５５はその先端面を穴の突端部に形成された平面に密着させて配置されている。
【００４５】
本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果に加えて、超音波プローブのセンサ面が摺動面に露出しないので、接触面の異常検出装置の耐久性を高くできる効果がある。
【００４６】
次に、本発明の接触面の異常検出装置を適用してなる冷凍空調用のロータリー圧縮機の一実施形態について説明する。図１５は、本実施形態のロータリー圧縮機の断面図である。図１５に示すように、ロータリー圧縮機１００は、略鉛直方向に立設されなる密閉容器３’と、密閉容器３’内で冷媒ガスを圧縮する圧縮機構５’と、圧縮機構５’の上方の密閉容器３’内に設けられた電動機９’と、圧縮機構５’と電動機９’とを連結する回転軸７’とを有して構成されている。圧縮機の下方には圧縮機構を構成する部品や部材の摺動面に供給される冷媒混合潤滑油の油溜め１１’が設けられている。圧縮機構５’は、回転軸７’の下端部に形成された偏心軸部１０１と、この偏心軸部１０１によって偏心回転が与えられるローラ１０３と、偏心軸部１０１およびローラ１０３を収納するシリンダ１０５と、シリンダ１０５の上蓋となるとともに回転軸７’を支持するジャーナルすべり軸受を含む主軸受部材１０７と、シリンダ１０５の下蓋となるとともに回転軸７’の先端部を支持し、ジャーナルすべり軸受を含む副軸受部材１０９とを有して構成されている。そして、油溜め１１’に貯留された冷媒混合潤滑油は、回転軸７’の軸芯に沿って形成された軸芯孔１１１と、軸芯孔１１１からそれぞれ略水平方向に形成された分岐孔１１３および１１５を通じて主軸受部材１０７と副軸受部材１０９とのそれぞれのすべり軸受の摺動面に供給される。なお、ローラ１０３の外周面とシリンダ１０５の内周面とに挟まれて形成される空間部はロータリー圧縮機の圧縮室１１３として働く。
【００４７】
そして、主軸受部材１０７には、略水平方向に形成された通孔を介して回転軸７’の外周面に対向する超音波プローブ１１６と１１７とが設けられている。超音波プローブ１１６と１１７とは上下方向に離間して超音波プローブ１１６のほうが上方に配置されている。一方、副軸受部材１０９にも超音波プローブ１１９と１２１とがそれぞれ回転軸７’の下端部の外周面に対向して設けられている。超音波プローブ１１９と１２１とは、回転軸７’を介して対向して配置されている。そして、超音波プローブ１１９は副軸受部材１０９の外周面から略水平方向に穿設され、貫通しない孔に挿入され、その先端面を孔の先端面に密着させて配置されている。これに対し、超音波プローブ１２１は、副軸受部材１０９の内周面から外周面に略水平方向に貫通して形成された孔内に配置され、その先端面を直接回転軸７’に対向させている。
【００４８】
図１６は図１５のXVI-XVI部矢視断面図であり、回転軸７’の外周面と副軸受部材１０９の内周面との隙間は説明の便宜上実際よりも誇張して図示している。図１５に示すように回転軸７’の外周面と副軸受部材１０９の内周面との間には潤滑油が充填され、油膜１２３が形成されている。そして、回転軸７’は、圧縮機構５’の偏心運動による反力に起因して副軸受部差在１０９の内周面内をその軸芯自体が旋回しながら自転する挙動を示す。つまり、回転軸７’が回転すると、超音波プローブ１１９近傍の面には周期的に回転軸７’が圧着されるようになる。
【００４９】
そして、本実施形態においては、各超音波プローブから、各軸受部材と回転軸７’との摺動面または接触面に超音波を周期的に照射し、この超音波が回転軸７’の筒軸方向に向かって伝播し、軸芯孔１１１の面に反射して各超音波プローブに戻った反射波の強度を回転軸７’の回転位相と関連付けて検出し、記録することを特徴とする。この場合にも上述した各実施形態と同様に接触面の接触面圧が高いときには反射波強度が大きくなる。しかし、このようなジャーナル軸受における反射波は、上述した略平面どうしの接触面と比較して一般に反射波強度が小さくなる傾向がある。一方、ジャーナル軸受の場合には接触荷重を増加させると接触領域演算基準により求められる接触領域が大きくなる傾向がある。換言すれば、反射波が受信される回転位相の範囲が広がる傾向がある。この関係を利用すれば、ジャーナル軸受における接触荷重を推測できる。
【００５０】
次に、本発明の接触状態の異常検出装置を適用してなるスクロール圧縮機の第３の実施形態について説明する。上述した第１の実施形態と同様の要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図１７は、本実施形態のスクロール圧縮機の監視装置の構成を示すブロック図である。図１７に示すように、本実施形態の監視装置７１’は、パターン比較演算装置７９の出力信号に応じて電動機９の運転を制御する制御装置１２５を含むことを特徴とする。この制御装置１２５は、パターン比較演算装置７９により算出された接触形態、接触領域、反射波強度等とその異常判定結果に基づいて電動機９の運転周波数を制御するものである。具体的には、圧力負荷が過大であると判断された場合には、回転周波数を下げて負荷を軽減するように制御する。なお、図示しない冷凍サイクルが圧力負荷の検出機構を有するものであり、接触状態の以上の原因が圧力負荷ではないと判断できる場合には、電動機の運転周波数を向上して摺動面への潤滑油の供給を増やし、油膜の形成を促進する場合もある。また、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力をそれぞれ検出する図示しない圧力センサを設けてもよい。この場合、接触状態が異常と判断された場合であって、吐出圧力と吸入圧力との圧力差が小さい場合には、時摺動面への潤滑油の供給が十分でないことが接触状態の悪化の原因であると推定される。そこで、このような場合には、電動機の運転周波数を向上して圧力差を大きくするようにするとよい。また、接触面の状態が異常と判断された場合に、電動機の運転を一時的に停止させるようにしてもよい。
【００５１】
以上のように、本実施形態によれば、接触状態の異常の進展を抑制できるから、装置が破損する前に管理者が対策を講じるための時間を確保することが可能となり、また装置の寿命を延長することができる効果がある。
【００５２】
次に、本発明の接触面の異常検出装置を含んでなるスクロール圧縮機の接触面の異常検出システムの第１の実施形態について説明する。上述した各実施形態と同様の要素については同一の符号を付して説明を省略する。図１８は、本実施形態の異常検出システムの構成を示すブロック図である。図１８に示すように、本実施形態の監視装置７１ａは、接触パターンデータベース７７を有しておらず、遠隔に設けられたコンピュータを有する端末１２７ａとインターネット等の電気通信回線を介して通信するための通信装置１２９を有する点で異なる。また、端末１２７ａは、監視装置７１ａと通信するための通信装置１３１と、通信装置１３１にそれぞれつながれた接触パターンデータベース７７’と、警告装置８３’とを有する。これらはそれぞれ上述した接触パターンデータベース７７および警告装置８３と同様の機能を有する。
【００５３】
本実施形態においては、パターン比較演算装置は７９は、通信装置１２９を介し、電気通信回線を通じて遠隔の端末１２７ａ内の接触パターンデータベース７７’から参照接触パターンを読み出す。そして、接触状態が異常であると判断した場合、パターン比較演算装置７９は、電気通信回線を介して警告装置８３’を動作させ、遠隔の管理者８１’に警告を発するとともに、上述したスクロール圧縮機の第３の実施形態と同様にして制御装置１２５によって電動機９’の運転を制御する。なお、本実施形態において、１つの端末１２７ａに対して複数の圧縮機１の監視装置８１’を設けた構成としてもよい。
【００５４】
以上のように、本実施形態によれば、上述したスクロール圧縮機の第３の実施形態と同様の効果に加え、遠隔にいる管理者側の端末に接触パターンデータベースを有しているから、管理者は逐次新たな参照接触パターンを加える等して接触パターンデータベースをアップグレードすることができ、各圧縮機１のユーザは新しい接触パターンデータベースに基づいた異常検出サービスを受けることができる効果がある。また、圧縮機から実測された接触パターンを管理者が知得することができるから、上述したデータベースの更新に有用な情報が得られる効果がある。また、管理者側に専門家を配置することにより、既存の参照パターンに当てはまらない未知のパターンが発生した場合に適切に対処することができる。さらに、ユーザ側の異常検出装置から接触パターンデータベースを省けるから装置の簡単化を図ることができる。このようなシステムは、例えば複数の空調用や冷凍用の圧縮機を同じ管理者のもとで一元管理したり、遠方漁業をする漁船の冷凍設備の圧縮機を地上側の管理者によって管理する場合に特に有用である。
【００５５】
次に、本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第２の実施形態について説明する。図１９は、本実施形態の異常検出システムの構成を示すブロック図である。図１９に示すように、本実施形態は上述した第１の実施形態と類似するが、監視装置７１ｂは制御装置を持たず、端末１２７ｂは警告装置を持たない点で相違する。すなわち、本実施形態においては接触状態が異常であると判断された場合は、端末７１ｂを介し管理者８１’に伝達される。
【００５６】
次に、本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第３の実施形態について説明する。図２０は、本実施形態の異常検出システムの構成を示すブロック図である。図２０に示すように、本実施形態の監視装置７１ｃは、計測装置７３と、制御装置１２５と、通信装置１２９とを有して構成されている。一方、遠隔の端末１２７ｃは、通信装置１３１と、通信装置１３１につながれた記憶装置７３’と、接触パターンデータベース７７’と、記憶装置７３’および接触パターンデータベース７７’につながれたパターン比較演算装置７９’と、警告装置８３’とを有して構成されている。
【００５７】
本実施形態においては、圧縮機側の監視装置７１ｃは計測結果をそのまま通信装置１２９を介して遠隔の端末１２７ｃに入力する。そして、計測結果の記憶による接触状態パターンの生成、参照パターンとの比較参照を端末１２７ｃ側において行なっている。そして、接触状態の異常を検出した場合は、パターン比較演算装置７９’は、警告装置８３’を介して管理者８１’に警告を発するとともに、通信装置１３１を介して異常情報を装置側の監視装置７１ｃに送る。異常情報は通信装置１２９を介して制御装置１２５に入力され、ここで上述した運転制御が行なわれる。
【００５８】
以上のように、本実施形態によれば、上述した異常検出システムの第１の実施形態が有する効果に加え、パターン比較演算装置を遠隔の管理者側に集約できるので、各圧縮機に付随する監視装置の構成を簡単化できる効果がある。また、パターン比較演算装置を管理者側に備えることにより、パターン認識の方法等を逐次更新することができる効果がある。
【００５９】
次に、本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第４実施形態について説明する。図２１は、本実施形態の異常検出システムの構成を示すブロック図である。図２１に示す様に、本実施形態においては、圧縮機側の監視装置７１ｄは計測装置７３と、記憶装置７５と、パターン比較演算装置７９と、通信装置１２９と、制御装置１２５とを有して構成されている。通信装置１２９は、パターン比較演算装置７９につながれている。一方、遠隔の端末１２７ｄは、通信装置１３１と、警告装置８３’とを有して構成されている。本実施形態においては、パターン比較演算処理およびその結果に基づく電動機の制御は全て圧縮機側の監視装置７１ｄにおいて行なわれており、遠隔の管理者８１’側の端末は、パターン比較演算装置７５が異常を検出したときに警告装置８３’によって管理者８１’に警告を発する機能のみ有する。
【００６０】
最後に、本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第５の実施形態について説明する。図２２は、本実施形態の異常検出システムの構成を示すブロック図である。図２２に示すように、本実施形態は上述した第４の実施形態と類似するが、監視装置７１ｅは制御装置を持たず、端末１２７ｅは警告装置を持たない点で相違する。すなわち、本実施形態においては接触状態が異常であると判断された場合は、端末７１ｅを介し管理者８１’にその旨が伝達される。
【００６１】
なお、上述した各実施形態においては、反射波強度の絶対値に基づいて処理しているが、超音波の減衰率、すなわち、反射波強度を入力波強度で割って１との差を求めた値に基づいて処理するようにしてもよい。これによれば、入力波の強度のばらつきに関わらず良好な検出を行なえる効果がある。
【００６２】
また、上述した各実施形態は、スクロール圧縮機及びロータリー圧縮機に係るものであるが、本発明はレシプロ圧縮機やスクリュー圧縮機の摺動部に適用してもよい。また、冷凍空調用の圧縮機に限らず、その他の機械における摺動部にも適用可能である。特に、接触荷重の方向や大きさが変化するような摺動部に対しては有効である。このような摺動部として、例えば、自動車用エンジンのクランクシャフトの軸受部や、変速機の伝達軸における軸受部、搬送装置の往復摺動機構、プレス加工における金型摺動面などが挙げられる。この場合、超音波プローブの設置や接触パターンデータベースおよびパターン比較演算装置の設定をそれぞれの装置に適応するように変更するとよい。
【００６３】
ところで、例えばスクロール圧縮機の寿命中において、オルダム継手の摺動面の接触状態は、図２３に示すように、新品時から初期は片当たり状態であるものが徐々に改善されて平行当たり状態となるまでなじみ、最終的には急激に片当たり状態になって寿命に至るという履歴を示す。そこで、各超音波プローブについて、パターン比較演算装置への入力信号、演算内容およびパターン比較演算装置からの出力信号を、例えば検出対象の接触面部の寿命に相当する程度の長期にわたって記録する記録手段を設けてもよい。これによれば、接触面における接触状態の変化、接触領域の変化等を継続的に記録して判断することができ、その変化から将来発生しうる異常を予測したり、接触面部の余命を予測することが可能となる。そして、例えば冷凍空調圧縮機においては、予測に基づいた圧縮機の運転制御を行なうことによって装置の寿命を延ばすことができ、また管理者は早期に保守保全に着手して突然の故障停止を回避することが可能となる効果がある。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、摺動面の接触状態を適切に監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した接触状態検知装置を含んでなる冷凍空調用スクロール圧縮機の一実施形態の断面図である。
【図２】図１の圧縮機のII-II部矢視断面図である。
【図３】図２の圧縮機のIII-III部矢視断面図である。
【図４】図１の圧縮機の監視装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図１の圧縮機の運転時のオルダムキーの動作を示す図である。
【図６】図１の圧縮機の超音波プローブの送信信号と反射波との関係を示すグラフである。
【図７】図１の圧縮機の回転軸の回転位相と反射波強度との相関の一例を示すグラフである。
【図８】図１のスクロール圧縮機のキーに対し上から見て時計回りのモーメント力をかけた状態を示す図である。
【図９】図８の状態でキーを摺動させたときの回転軸の回転位相と反射波強度との相関を示すグラフである。
【図１０】図１のスクロール圧縮機のキーに対し上から見て反時計回りのモーメント力をかけてキーを摺動させたときの回転軸の回転位相と反射波強度との相関を示すグラフである。
【図１１】キーの中心部を凹にしたときの回転軸の回転位相と反射波強度との相関を示すグラフである。
【図１２】キーの中心部を凸としたときの回転軸の回転位相と反射波強度との相関を示すグラフである。
【図１３】キーの表面を円弧状の凸面としたときの回転軸の回転位相と反射波強度との相関を示すグラフである。
【図１４】本発明の接触面の異常検出装置を適用してなるスクロール圧縮機の第２の実施形態のオルダムキーとキー溝の要部断面図である。
【図１５】本発明の接触面の異常検出装置を適用してなるロータリー圧縮機の一実施形態の断面図である。
【図１６】図１５のロータリー圧縮機のXVI-XVI部矢視断面図である。
【図１７】本発明の接触面の異常検出装置を適用してなるスクロール圧縮機の第３の実施形態の監視装置の構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２０】本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２２】本発明を適用してなる接触面の異常検出システムの第５の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２３】スクロール圧縮機のオルダムキーとキー溝との接触状態の履歴の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  スクロール圧縮機
３  容器
１５  固定スクロール
１９  旋回スクロール
２１  オルダムリング
３５  キー溝
５５  超音波プローブ
５７  超音波プローブ
５９  超音波プローブ
【図１】
0003988033.tif 000002
【図２】
0003988033.tif 000003
【図３】
0003988033.tif 000004
【図４】
0003988033.tif 000005
【図５】
0003988033.tif 000006
【図６】
0003988033.tif 000007
【図７】
0003988033.tif 000008
【図８】
0003988033.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003988033.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0003988033.tif 000013
【図１３】
0003988033.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0003988033.tif 000016
【図１６】
0003988033.tif 000017
【図１７】
0003988033.tif 000018
【図１８】
0003988033.tif 000019
【図１９】
0003988033.tif 000020
【図２０】
0003988033.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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