용적식 펌프

용적식 펌프{POSITIVE DISPLACEMENT PUMP}

본 발명은 이상 운전을 검출하는 것이 가능한 용적식 펌프에 관한 것이다.

용적식 펌프에서는, 펌프실 내에서 운동 부재(예를 들어, 피스톤이나 로터)가 운동(예를 들어, 왕복 운동이나 회전 운동)하는데 수반해서 유체가 이송된다. 이송 대상의 유체는, 예를 들어 액체로 할 수 있다. 또한, 이하에서는, 이송 대상의 유체를, 간단히 「유체」라고 한다.

이러한 용적식 펌프에서는, 부재의 마모나 손상 등을 방지하는 관점에서, 이상 운전을 검출하는 것이 요망되고 있다. 이상 운전으로서, 예를 들어 공운전, 준공운전, 폐색 운전, 이물 혼입 등이 있다.

공운전이란, 용적식 펌프에 유체를 공급하는 탱크 내가 비어 있게 되는 등에 의해 용적식 펌프에의 유체 공급이 정지하여, 펌프실 내에 유체가 거의 또는 완전히 존재하지 않는 상태에서의 운전을 의미한다. 펌프실 내에 유체가 거의 존재하지 않는 상태란, 예를 들어, 펌프실의 용적(ml)에 대하여 펌프실 내에 존재하는 유체의 체적(ml)이 차지하는 비율이, 수％ 이하의 상태이다. 이 경우, 펌프실 내에는 유체 대신에 탱크 내의 가스(예를 들어, 공기)가 유입되어, 펌프실 내의 대부분 또는 전부에 가스가 존재하는 경우가 있다. 또한, 펌프실 내에 유체 대신에 가스가 유입될 때 펌프실 내의 일부가 진공 상태로 되고, 잔부에 가스가 존재하는 경우도 있다. 이러한 공운전은, 예를 들어 용적식 펌프의 흡입측과 접속된 배관에 이상이 발생한 경우, 용적식 펌프에 유체를 공급하는 장치에 이상이 발생한 경우 등에도 발생한다.

준공운전이란, 펌프실 내에 존재하는 유체의 체적이, 정상 운전시와 비교하여 감소한 상태에서의 운전을 의미한다. 예를 들어, 정상 운전에서 공운전에 이르는 과정에서, 펌프실 내에 존재하는 유체의 체적이 서서히 감소하고 있는 경우가 해당된다.

폐색 운전이란, 용적식 펌프의 토출측과 접속된 노즐이나 배관에 있어서, 유체의 일부가 고화하거나 함으로써, 유로가 좁아진 상태, 또는, 폐색된 상태에서의 운전을 의미한다. 이물 혼입은, 용적식 펌프의 펌프실 내에 유체와 함께 이물이 유입된 상태에서의 운전을 의미한다.

용적식 펌프의 이상 운전의 검출에 관하여, 종래부터 다양한 제안이 이루어져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, 1축 편심 나사 펌프에 있어서의 공운전을 검출하는 수단에 대해서 제안되어 있다. 그 공운전 검출 수단은, 제1 및 제2 공운전 검출 수단으로 이루어진다. 제1 공운전 검출 수단은, 스테이터(아우터 부재)의 온도 검출 센서로부터 신호를 받아, 스테이터의 온도가 설정 온도를 초과했을 때, 공운전이라고 판정한다. 또한, 제2 공운전 검출 수단은, 온도 검출 센서로부터 신호를 받아, 스테이터의 온도 상승 구배가 설정 온도 구배를 초과했을 때, 공운전이라고 판정한다.

또한, 특허문헌 2에는, 펌프용 이상 검출 장치가 제안되어 있다. 그 이상 검출 장치는, 모터의 회전 토크를 검출해서 일정 주기로 저장하고, 그 평균값인 비교 값, 비교 값에 대한 상한측 허용 범위, 및, 비교 값에 대한 하한측 허용 범위를 산출한다. 또한, 비교 값의 설정수보다도 많은 설정수의 회전 토크로부터 평균값을 산출해서 기준값으로 한다. 또한, 상한측 허용 범위 및 하한측 허용 범위로부터, 기준값에 대한 허용 범위를 결정하고, 비교 값이 허용 범위 내에 있는지 여부에 기초하여, 허용 범위 내에 없는 경우에 펌프가 이상이라고 판정한다. 이에 의해, 스테이터가 마모해서 로터(이너 부재)와의 위치 관계가 변화하여, 로터를 회전시키는 모터에 작용하는 부하가 안정되지 않는 상태를 이상으로서 검출할 수 있다.

상술한 바와 같이, 용적식 펌프에서는, 이상 운전을 검출하는 것이 요망되고 있다. 특허문헌 1에서는, 아우터 부재인 스테이터에 온도 센서를 배치하고, 스테이터의 온도 상승에 기초하여 공운전을 판정한다.

그러나, 스테이터는 고무 등의 탄성체 또는 수지로 이루어지므로, 열전도율이 낮다. 이 때문에, 공운전의 상태로 되고 나서 온도 센서의 측정 온도의 상승까지 시간(예를 들어, 10분 정도)을 필요로 하며, 그 동안에 스테이터의 마모가 진행된다. 또한, 공운전뿐만 아니라, 로터(이너 부재)의 회전수의 상승, 펌프 부하의 상승, 유체의 온도 상승 등에 의해서도, 스테이터의 온도가 상승한다. 이들 공운전 이외의 요인에 의해 스테이터의 온도 상승이 발생한 경우, 공운전이라 오판정된다. 오판정을 저감하기 위해서는, 지연 타이머 등을 설치함으로써 일정 시간에 걸쳐서 온도 상승이 계속된 경우에 공운전이라 판정하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 지연 타이머를 설치하면, 공운전의 검출에 필요로 하는 시간도 증대된다.

또한, 유체가 윤활성이 우수한 경우, 공운전의 상태이어도 스테이터 내에 잔존하는 약간의 유체가 윤활제로서 작용하여, 스테이터의 온도 상승이 억제되기 쉽다. 이 때문에, 유체가 윤활성이 우수한 경우, 특허문헌 1에 기재된 검출 수단에서는, 공운전의 검출에 시간을 필요로 할 우려가 있다. 또한, 로터의 회전수가 작은 경우, 스테이터에서는, 방열이 로터와의 마찰열보다도 커진다. 이 때문에, 스테이터의 온도가 변화하지 않아, 특허문헌 1에 기재된 검출 수단에서는, 공운전의 검출에 시간을 필요로 할 우려가 있다.

뿐만 아니라, 특허문헌 1에 기재된 검출 수단은, 공운전을 대상으로 하며, 폐색 운전 및 이물 혼입에 대해서는 검토되어 있지 않다.

한편, 특허문헌 2에 기재된 이상 검출 장치에서는, 공운전이나 폐색 운전, 이물 혼입에 대해서 검토되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 모터의 토크에 기초하여 이상을 검출하는 방법을 공운전의 검출에 적용하는 것도 생각할 수 있다. 여기서, 펌프가 공운전이 되면, 모터의 토크는, 일시적으로 감소한 후에 상승한다. 모터의 토크가 일시적으로 감소하는 것은, 유체로부터의 반력이 감소하는 것에 의한다. 그 상태에서는, 스테이터 내에 잔존하는 약간의 유체가 윤활제로서 작용한다. 그러나, 점차로, 유체의 이송, 마찰열에 의한 유체의 기화 등에 의해 스테이터 내의 유체가 더 감소하므로, 로터와 스테이터의 마찰력에 의해 모터의 토크가 상승으로 전환된다.

이러한 모터의 토크의 변화에 있어서, 토크가 일시적으로 감소하는 단계에서 공운전이라 판정하면, 다른 요인에 의해 토크가 일시적으로 감소한 경우도 공운전으로서 오판정된다. 다른 요인에 의해 토크가 일시적으로 감소한 경우란, 예를 들어 유체의 성질의 변화, 모터의 회전수의 변경, 펌프와 접속하는 배관(경로)의 변경 등에 의해 토크가 일시적으로 감소한 경우가 해당된다. 한편, 모터의 토크가 상승한 단계에서 공운전을 판정하면, 토크가 일시적으로 감소한 후에 상승하므로, 공운전의 검출에 시간을 필요로 하고, 스테이터의 마모가 진행된다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 이상 운전을 정확하면서도 또한 빠르게 검출할 수 있는 용적식 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 형태에 의한 용적식 펌프는, 펌프실과, 상기 펌프실 내에서의 운동에 수반하여 유체를 이송하는 운동 부재와, 이상 운전을 검출하는 이상 운전 검출 수단을 구비한다. 상기 이상 운전 검출 수단은, 마이크로파를 상기 운동 부재를 향해서 송신함과 함께 그 반사파를 수신하는 센서부와, 상기 센서부로부터 출력되는 신호에 기초하여 이상 운전을 판정하는 판정부를 구비한다. 상기 센서부는, 정상 운전에 있어서 상기 센서부와 상기 운동 부재의 사이에 상기 펌프실 내의 상기 유체가 개재되는 상태에서, 상기 마이크로파의 송수신을 행하도록 배치된다.

상기 판정부는, 상기 센서부로부터 출력되는 상기 신호에 기초하여, 상기 운동 부재의 운동과 함께, 상기 펌프실 내의 상기 유체의 상태를 파악하는 것이 바람직하다.

상기 센서부는, 상기 유체와 상기 펌프실의 계면과 수직으로 마이크로파를 조사하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 센서부는, 항상 상기 운동 부재에 상기 마이크로파를 조사하는 것이 바람직하다.

상기 판정부는, 상기 이상 운전으로서 공운전 및 준공운전 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 판정하는 것이 바람직하다. 상기 판정부는, 상기 신호의 파형의 피크값이 제1 역치를 초과하는 경우에 이상 운전이라 판정하는 구성을 채용할 수 있다. 또한, 상기 판정부는, 상기 신호의 파형이 소정의 패턴과 상이한 경우에 이상 운전이라 판정하는 구성도 채용할 수 있다.

상기 센서부는, 도플러 방식의 센서로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 판정부는, 상기 신호의 파형에 포함되는 정현파의 산 및 골짜기 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 출현 횟수를 계수하여, 소정의 시간 내에 계수된 상기 출현 횟수가 제2 역치를 초과하는 경우에 이상 운전이라 판정하는 구성을 채용할 수 있다. 상기 출현 횟수를 판정에 사용하는 경우, 상기 판정부는, 상기 신호의 강도가 제3 역치를 초과하고 나서 다시 상기 신호의 강도가 상기 제3 역치를 초과할 때까지의 동안의 상기 출현 횟수를 계수함과 함께, 상기 신호의 강도가 제4 역치를 초과하는 경우에 상기 출현 횟수를 증가시키는 것이 바람직하다. 상기 제3 역치는, 상기 운동 부재가 상기 센서부에 가장 근접할 때 출력되는 상기 정현파의 상기 산 또는 상기 골짜기만을 검출하도록 설정하면 된다.

상기 센서부가, 도플러 방식의 센서로 이루어지는 경우, 상기 판정부는, 소정의 시간분의 상기 신호의 파형을 적분 처리함으로써 적분값을 산출하고, 상기 적분값에 기초하여 이상 운전을 판정하는 구성도 채용할 수 있다.

상기 이상 운전 검출 수단은, 상기 센서부로부터 출력되는 신호에, 고역 통과 필터, 저역 통과 필터, 전파 정류 및 증폭 중 어느 1개 이상의 처리를 실시하여, 상기 판정부에 송출하는 신호 처리부와, 상기 판정부의 판정 결과를 출력하는 출력부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 펌프실은, 내주면이 암 나사형으로 형성된 아우터 부재로 이루어지고, 상기 운동 부재는, 상기 아우터 부재에 대하여 상대적으로 편심 회전하는 수 나사형의 이너 부재인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 아우터 부재는, 횡단면에서의 상기 내주면의 형상이 대략 타원 형상이며, 상기 센서부는, 상기 대략 타원 형상의 타원 방향과 평행한 대칭선 상의 위치로부터 타원 방향을 따라서 상기 마이크로파를 송신하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 센서부는, 상기 이너 부재 중에서 상기 아우터 부재와 함께 항상 폐공간을 형성하는 부위에 상기 마이크로파를 송신하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 「대략 타원 형상」은, 후술하는 도 2의 (a)에 도시한 바와 같은 제1 호 형상부(30c)와 제2 호 형상부(30d)가 직선 형상부(30b)로 이어지는 타원 형상에 한하지 않고, 후술하는 도 9의 (a)에 도시한 바와 같은 제1 호 형상부(30c)와 제2 호 형상부(30d)가 곡선 형상부(30g)로 연결되는 형상, 및 도 9의 (b)에 도시한 바와 같은 타원 형상을 포함한다.

본 발명의 용적식 펌프는, 마이크로파를 송수신하는 센서부에 의해, 펌프실 내의 상태를 직접 파악한다. 이에 의해, 이상 운전 시에, 센서부로부터의 출력 신호가 즉시 변화하므로, 이상 운전을 빠르게 검출할 수 있다. 또한, 유체의 온도 상승이 발생한 경우 등을 이상 운전이라 오판정하지 않아, 이상 운전을 정확하게 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 용적식 펌프의 구성예를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 스테이터의 횡단면에 있어서의 로터의 운동을 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 2의 (a)는 개시 시, 도 2의 (b)는 회전 각도가 90°일 때, 도 2의 (c)는 회전 각도가 180°일 때, 도 2의 (d)는 회전 각도가 270°일 때를 각각 나타낸다.
도 3은 도플러 방식의 센서로부터 출력되는 신호의 파형예를 도시하는 모식도이다.
도 4는 정상 운전에 있어서의 스테이터 내의 상태를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 4의 (a)는 상기 도 1의 AA 위치, 도 4의 (b)는 BB 위치, 도 4의 (c)는 CC 위치에서의 상태를 각각 나타낸다.
도 5는 공운전에 있어서의 스테이터 내의 상태의 일례를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 5의 (a)는 상기 도 1의 AA 위치, 도 5의 (b)는 BB 위치, 도 5의 (c)는 CC 위치에서의 상태를 각각 나타낸다.
도 6은 펄스 레이더 방식 및 FMCW 방식의 센서로부터 출력되는 신호의 파형예를 도시하는 모식도이다.
도 7은 용적식 펌프를 로터리 펌프로 한 경우의 구성예를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 8은 용적식 펌프를 1축 편심 나사 펌프로 한 경우의 센서의 배치 예를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 8의 (a)는 센서부의 마이크로파의 송신 방향이 유체와 스테이터의 계면과 수직인 경우를 나타내고, 도 8의 (b)는 그 송신 방향이 그 계면과 비수직인 경우를 나타낸다.
도 9는 아우터 부재의 내주면의 횡단면 형상 예를 도시하는 모식도이며, 도 9의 (a)는 곡선 형상부를 갖는 경우, 도 9의 (b)는 타원 형상인 경우를 나타낸다.
도 10은 아우터 부재가 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프에 있어서의 구성예를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 10의 (a)는 아우터 로터 케이싱에 센서부를 배치하는 경우, 도 10의 (b)는 아우터 로터에 센서부를 배치하는 경우를 나타낸다.
도 11은 도플러 방식의 센서를 사용하는 경우의, 정현파의 산 및 골짜기를 포함하는 신호의 파형예를 도시하는 모식도이며, 도 11의 (a)는 공운전시, 도 11의 (b)는 정상 운전시를 각각 나타낸다.

이하에, 본 실시 형태의 용적식 펌프에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 본 발명의 용적식 펌프의 구성예를 모식적으로 도시하는 단면도이다. 도 1에 도시하는 용적식 펌프는, 1축 편심 나사 펌프(10)이다. 1축 편심 나사 펌프(10)는, 펌프실이 되는 아우터 부재(30)(이하, 「스테이터」라고도 함)와, 운동 부재인 이너 부재(20)(이하, 「이너 로터」라고도 하며, 간단히 「로터」라고도 함)를 구비한다. 스테이터(30)는, 아우터 부재이며, 그 내주면(30a)이 암 나사형으로 형성되어 있다. 로터(20)는, 수 나사형이며, 동력을 받아서 편심 회전한다. 이러한 로터(20) 및 스테이터(30)는, 케이싱(11)의 내부에 수용되어 있다. 그 케이싱(11)은, 금속제의 통 형상 부재이며, 길이 방향의 선단에 제1 개구부(11a)가 형성되어 있다. 이 제1 개구부(11a)는, 1축 편심 나사 펌프(10)의 토출구로서 기능하고, 그 토출구에는, 노즐, 배관 등이 장착된다.

또한, 케이싱(11)의 외주에는, 제2 개구부(11b)가 형성되어 있다. 제2 개구부(11b)는, 케이싱(11)의 길이 방향의 중간에서 케이싱(11)의 내부 공간과 연결된다. 이러한 제2 개구부(11b)는, 1축 편심 나사 펌프(10)의 흡입구로서 기능하고, 예를 들어 유체가 저류된 탱크와 배관을 통해서 접속된다.

스테이터(30)는, 예를 들어 고무 등의 탄성체 또는 수지로 이루어진다. 스테이터(30)의 내주면(30a)은, n조의 암나사 형상이며, 1개 또는 복수의 나사산을 갖는다. 이에 반해, 로터(20)는, 금속제의 축체이다. 그 로터(20)는, n-1조의 수나사 형상이며, 1개 또는 복수의 나사산을 갖는다.

도 1에 도시하는 1축 편심 나사 펌프(10)에 있어서, 스테이터(30)의 내주면은, 2조의 암나사 형상이며, 복수의 나사산을 갖는다. 그 스테이터(30)의 내주면의 단면 형상은, 길이 방향의 어느 위치에서도 타원 형상이 된다. 한편, 로터(20)는, 1조로 편심된 수나사 형상이며, 그 로터(20)의 단면은, 길이 방향의 어느 위치에서도 진원 형상이 된다. 로터(20)는, 스테이터(30)의 내주면(30a)에 의해 형성되는 공간에 삽입 관통된 상태에서, 편심 회전 가능하게 되어 있다.

로터(20)를 편심 회전 가능하게 하기 위해서, 로터(20)는 제1 자재 조인트(12)를 통해서 로드(13)와 연결되고, 그 로드(13)는 제2 자재 조인트(14)를 통해서 드라이브 샤프트(15)와 연결되어 있다. 드라이브 샤프트(15)는, 상세한 설명은 생략하지만, 케이싱(11)과의 간극을 시일한 상태에서 케이싱(11)에 회전 가능하게 유지되어 있다. 이러한 드라이브 샤프트(15)는, 모터(16)의 주축(16a)과 연결되어 있다. 이 때문에, 모터(16)의 동작에 의해 주축(16a)이 회전하는데 수반하여, 드라이브 샤프트(15)가 회전하고, 자재 조인트(12, 14) 및 로드(13)를 통해서 연결되어 있는 로터(20)가 편심 회전한다.

이렇게 로터(20)를 편심 회전시키면, 로터(20) 및 스테이터(30)의 내주면(30a)에 의해 구획된 공간이, 스테이터(30) 내를 회전하면서 스테이터(30)의 길이 방향으로 진행한다. 이 때문에, 스테이터(30)의 일단부측으로부터 유체를 흡입함과 함께, 흡입한 유체를 스테이터(30)의 타단부측을 향해서 이송해서 토출시키는 것이 가능하다. 도 1에 도시하는 1축 편심 나사 펌프(10)는, 로터(20)를 정 방향으로 회전시킴으로써, 제2 개구부(11b)로부터 흡입한 유체를 이송하여, 제1 개구부(11a)로부터 토출할 수 있다.

계속해서, 로터의 편심 회전 운동에 수반하는, 스테이터의 횡단면에 있어서의 로터의 운동에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 2는, 스테이터의 횡단면에 있어서의 로터의 운동을 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 2의 (a)는 개시 시, 도 2의 (b)는 회전 각도가 90°일 때, 도 2의 (c)는 회전 각도가 180°일 때, 도 2의 (d)는 회전 각도가 270°일 때를 각각 나타낸다. 도 2는, 상기 도 1의 AA 위치에서의 단면도에 상당한다. 또한, 도 2의 (a)의 파선 화살표는, 센서부(41)가 마이크로파를 송신하는 방향을 나타낸다.

도 2에 도시한 바와 같이, 로터(20)는, 단면 형상이 원 형상이다. 또한, 스테이터(30)는, 그 내주면의 단면 형상이 타원 형상이며, 외주면의 형상이 원 형상이다. 스테이터(30)의 내주면의 단면 형상은, 대향하는 직선 형상부(30b)와, 그것들의 단부점을 연결하는 반원의 호 형상부(30c, 30d)를 갖는다. 이러한 내주면의 단면 형상은, 타원 방향(직선 형상부(30b)을 따르는 방향, 도 2의 (a)의 해칭을 실시한 화살표 참조)에 평행한 대칭 선(30e)과, 타원 방향과 수직인 대칭 선(30f)을 갖는다(도 2의 (a) 참조).

개시 시(회전 각도가 0°일 때), 로터(20)는, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 2개의 호 형상부(30c, 30d) 중에서 제1 호 형상부(30c)와 접하는 상태이다. 이하에서는, 이 상태를 「우측 스트로크 엔드」라고도 한다. 이 경우, 로터(20)가 편심 회전을 개시하면, 스테이터(30)의 횡단면에 있어서, 로터(20)는 타원 방향을 따라서, 내주면(타원)의 제2 호 형상부(30d)를 향해 이동한다. 회전 각도가 90°에 달했을 때, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 내주면(타원)의 제1 및 제2 호 형상부의 중앙에 위치한다. 또한, 회전 각도가 180°에 달했을 때, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이, 내주면(타원)의 제2 호 형상부(30d)와 접하는 상태가 된다. 이하에서는, 이 상태를 「좌측 스트로크 엔드」라고도 한다.

회전 각도가 180°에 달했을 때 로터(20)의 이동 방향이 반전되고, 그 후에는 로터(20)는 타원 방향을 따라서, 내주면(타원)의 제1 호 형상부(30c)를 향해 이동한다. 회전 각도가 270°에 달했을 때, 도 2의 (d)에 도시한 바와 같이, 내주면(타원)의 제1 및 제2 호 형상부의 중앙에 위치한다. 또한, 회전 각도가 360°에 달했을 때, 개시 시(도 2의 (a))와 마찬가지로, 내주면(타원)의 제1 호 형상부(30c)와 접하는 상태가 된다.

이렇게 로터(20)는, 횡단면에 있어서, 스테이터(30)의 타원 형상의 내주면에 의해 형성되는 공간 내를 왕복 운동한다. 또한, 왕복 운동의 방향은, 도 2에 도시한 바와 같은 좌우 방향(수평 방향)에 한하지 않고, 펌프의 배치 방향에 따라 변화한다. 또한, 동일한 펌프라도, 스테이터의 길이 방향의 위치(횡단면의 위치)에 따라 왕복 운동의 방향이 변화한다.

본 실시 형태의 용적식 펌프는, 상기 도 1에 도시한 바와 같이, 이상 운전을 검출하는 수단(40)을 더 구비한다. 그 이상 운전 검출 수단(40)은, 센서부(41)와, 판정부(42)를 포함한다. 센서부(41)는, 마이크로파를 운동 부재(로터)(20)를 향해서 송신함과 함께 그 반사파를 수신한다. 센서부(41)에 의한 마이크로파의 송수신은, 정상 운전에 있어서, 센서부(41)와 운동 부재(로터)(20)의 사이에, 펌프실(스테이터)(30) 내의 유체가 개재되는 상태에서 행한다. 즉, 마이크로파는, 정상 운전 시에, 센서부(41)로부터 운동 부재(로터)(20)를 향하는 도중에, 펌프실(스테이터)(30) 내의 유체를 경유한다.

판정부(42)는, 센서부(41)로부터 출력되는 신호에 기초하여 이상 운전을 판정한다. 동 도면에 나타내는 판정부(42)는, 센서부(41)로부터 출력되는 신호를 수신하기 위해서, 센서부(41)와 케이블을 통해서 접속된다. 또한, 예를 들어 센서부(41)를 무선 발신기와 접속함과 함께, 판정부(42)를 무선 수신기와 접속함으로써, 판정부(42)가, 센서부(41)로부터 출력되는 신호를 무선 통신으로 수신해도 된다.

마이크로파는, 금속제의 부재에서 반사하는 성질을 갖고, 고무나 수지 등에 대해서는 투과율이 크다. 따라서, 마이크로파를 운동 부재로 반사시키고, 그 반사파를 센서부(41)에서 수신하기 위해서, 금속제의 케이싱(11)에만 구멍을 뚫으면, 고무 등으로 이루어지는 스테이터(30)에 구멍을 뚫을 필요는 없다. 이 때문에, 도 1에 도시한 바와 같이, 센서부(41)는, 케이싱(11)에 형성된 관통 구멍에 배치해도 된다.

단, 고무 등으로 이루어지는 스테이터(30)의 재질이나, 그 두께에 따라서는, 스테이터(30)에서 마이크로파가 감쇠된다. 이 경우에는, 예를 들어 스테이터(30)에 적당한 깊이의 구멍을 뚫고, 그 구멍에 센서부(41)를 배치하는 등의 처치를 행하면 된다. 이에 의해, 마이크로파를 운동 부재로 반사시키고, 그 반사파를 센서부(41)에서 수신할 수 있다.

또한, 무선 통신에 의해 판정부(42)가 센서부(41)로부터 출력되는 신호를 수신하는 경우 등은, 후술하는 도 10의 구성예와 같이, 스테이터(30)(아우터 부재)의 내부나 그 외측에 배치되는 부재의 내부에, 센서부(41)를 배치해도 된다.

센서부(41)에는, 도플러 방식의 센서, 펄스 레이더 방식의 센서, 또는, FMCW 방식(연속파 주파수 변조 방식)의 센서를 채용할 수 있다. 이하에, 각 방식의 센서를 사용하는 경우의 이상 운전의 검출에 대해서 각각 설명한다.

도 3은, 도플러 방식의 센서로부터 출력되는 신호의 파형예를 도시하는 모식도이다. 도 3은, 종축이 신호 강도, 횡축이 경과 시간이다. 도 3에는, 정상 운전에서의 신호 강도의 파형과, 공운전(이상 운전)에서의 신호 강도의 파형을 나타낸다. 또한, 도 3에 도시하는 출력 신호의 파형예는, 상기 도 1에 도시하는 구성예에 있어서, 도플러 방식의 센서를 사용한 경우의 출력 신호의 파형이다. 또한, 도 3에 도시하는 신호의 파형예는, 도플러 방식의 센서로부터 출력된 신호에, 고역 통과 필터의 처리(직류 성분을 커트하는 처리)와, 전파 정류의 처리를 그 순서대로 실시한 것이다.

도 3에 도시하는 신호를 출력하는 도플러 방식의 센서는, 마이크로파를 송수신하여, 도플러 주파수에 따른 신호를 출력한다. 여기서, 도플러 주파수는, 송신한 마이크로파의 주파수와 수신한 마이크로파의 주파수의 차이다. 보다 구체적으로는, 도플러 방식의 센서는, 도플러 주파수에 따라, 정현파의 신호를 출력하고, 그 신호의 주파수는 도플러 주파수에 따라서 변화한다. 또한, 신호의 강도(진폭)는 원칙적으로, 반사파의 에너지에 따라서 변화한다. 단, 도플러 주파수가 0(제로)인 경우, 반사파의 에너지와 무관하게, 신호의 강도(진폭)는 0(제로)이 된다.

이러한 도플러 방식의 센서를 사용하는 경우, 정상 운전에서는, 신호 강도가 0으로 평탄한 부분과, 샤프한 산형의 부분 S가 주기적으로 교대로 출현한다. 신호 강도가 0으로 평탄한 부분은, 도플러 방식의 센서가 동체를 검출하지 않은 것을 나타내고, 즉, 마이크로파가 스테이터(펌프실) 내의 유체에 흡수되어 있는 것을 나타낸다. 보다 구체적으로는, 로터(운동 부재)가 우측 스트로크 엔드 이외에 위치하고 있는 것을 나타내고, 상기 도 2의 (b) 내지 (d)에 도시한 바와 같은 상태인 것을 나타낸다. 이것은, 스테이터 내(펌프실 내)의 유체에 진입해서 전진할 때 마이크로파가 유체에 의해 흡수되어, 로터(운동 부재)에의 도달이나 로터(운동 부재)에서의 반사를 방해할 수 있는 것에 의한다.

샤프한 산형의 부분 S는, 도플러 방식의 센서가 동체를 검출하고 있는 것을 나타내고, 즉, 마이크로파가 스테이터(펌프실) 내의 유체에 흡수되지 않고, 운동 부재에서 반사되고 있는 것을 나타낸다. 보다 구체적으로는, 상기 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 로터가 우측 스트로크 엔드를 통과하고 있는 것을 나타낸다. 이것은, 우측 스트로크 엔드에서는, 로터(운동 부재)와 스테이터(펌프실)가 접하고 있으므로, 마이크로파가 스테이터 내(펌프실 내)의 유체에서 흡수되지 않아, 로터(운동 부재)에 도달해서 반사되는 것에 의한다. 또한, 우측 스트로크 엔드의 전후에도, 센서부와 로터(운동 부재)의 사이에 개재되는 유체가 박막 형상이므로, 마이크로파가 스테이터 내(펌프실 내)의 유체를 투과하여, 로터(운동 부재)에 도달해서 반사되는 것에 의한다.

이렇게 도플러 방식의 센서를 사용하는 경우, 정상 운전에서는, 신호 강도가 0으로 평탄한 부분에 기초하여 펌프실 내의 유체의 상태, 즉, 펌프실 내에 유체가 충만되어 있는 것을 파악할 수 있다. 또한, 샤프한 산형의 부분 S에 기초하여 운동 부재의 운동(동작)을 파악할 수 있다.

또한, 신호 강도가 0으로 평탄한 부분에서는, 송신한 마이크로파의 일부가 유체와 스테이터(펌프실)의 계면에서 반사하여, 그 반사파가 수신된다. 이 반사파의 주파수는, 송신한 마이크로파의 주파수와 같으므로, 이 반사파는 출력 신호에 반영되지 않는다.

이에 반해, 공운전에서는, 신호의 파형이 변화된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 신호의 파형은, 신호 강도가 0으로 평탄한 부분이 없다. 즉, 도플러 방식의 센서가 항상 동체(로터)를 검출한다. 도 3에 도시하는 신호의 파형에서는, 브로드한 산형의 부분 B가 주기적으로 출현하고, 이 산형의 부분 B의 피크는, 로터가 우측 스트로크 엔드를 통과하고 있는 것을 나타낸다.

또한, 공운전에서의 브로드한 산형의 부분 B의 피크값은, 정상 운전에서의 샤프한 산형의 부분 S의 피크값에 비해 크다. 이것은, 센서에 의한 마이크로파의 송수신이, 면적을 갖지 않는 점에서 행하여지는 것이 아니라, 일정한 면적을 갖는 영역 내에서 행하여지는 것에 의한다.

도 4는, 정상 운전에 있어서의 스테이터 내의 상태를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 4의 (a)는 상기 도 1의 AA 위치, 도 4의 (b)는 BB 위치, 도 4의 (c)는 CC 위치에서의 상태를 각각 나타낸다. BB 위치 및 CC 위치는, 상기 도 1에 도시한 바와 같이, AA 위치로부터 로터(20)의 길이 방향으로 약간 어긋나고 있고, BB 위치는 제1 개구부(11a)측(토출측), CC 위치는 제2 개구부(11b)측(흡입측)으로 각각 어긋나 있다.

도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 로터(20)가 우측 스트로크 엔드에 위치하면, 로터(20)와 스테이터(30)의 사이에 유체(60)가 개재되지 않고, 로터(20)와 스테이터(30)가 직접 접촉한다. 이 경우, 마이크로파는 로터(20)에 도달해서 반사되고, 그 반사파는 센서부(41)에서 수신된다. 한편, 위치가 로터(20)의 길이 방향으로 약간 어긋나면, 도 4의 (b) 및 (c)에 도시한 바와 같이, 로터(20)와 스테이터(30)의 사이에 유체가 개재된다. 이러한 경우, 마이크로파는, 유체(60) 내를 전진할 때 흡수되어, 로터(20)에의 마이크로파의 도달이나 로터(20)에서의 마이크로파의 반사를 방해할 수 있다. 그 결과, AA 위치의 반사파만이 센서부에서 수신되게 되어, 반사파의 에너지가 약해진다.

도 5는, 공운전에 있어서의 스테이터 내의 상태의 일례를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 5의 (a)는 상기 도 1의 AA 위치, 도 5의 (b)는 BB 위치, 도 5의 (c)는 CC 위치에서의 상태를 각각 나타낸다. 공운전에서는, 어느 위치에서도, 도 5의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 스테이터(30) 내에 유체가 존재하지 않는다. 이 때문에, 로터(20)의 길이 방향의 위치에 무관하게, 마이크로파는 로터(20)에 도달해서 반사되고, 그 반사파는 센서부(41)에서 수신된다. 그 결과, 반사파의 에너지가 강해진다.

이렇게 도플러 방식의 센서를 사용하는 경우, 공운전에서는, 신호 강도가 0이며 평탄한 부분이 존재하지 않는 것에 기초하여, 펌프실 내의 유체의 상태, 즉, 펌프실 내에 유체가 대부분 또는 완전히 존재하지 않는 것을 파악할 수 있다. 또한, 브로드한 산형의 부분에 기초하여 운동 부재의 운동(동작)을 파악할 수 있다.

준공운전에서는, 펌프실 내에 존재하는 유체의 체적이 감소한다. 이 때문에, 정상 운전과 비교하여, 신호 강도가 0이며 평탄한 부분의 비율이 감소하고, 샤프한 산형의 부분의 비율이 증가한다. 또한, 샤프한 산형의 부분에서의 피크값이 커진다. 이것들에 기초하여, 준공운전에서도, 운동 부재의 운동과 함께, 펌프실 내의 유체의 상태를 파악할 수 있다.

폐색 운전에서는, 스테이터(펌프실 내)에 과잉으로 유체가 유입된 상태가 된다. 이 때문에, 우측 스트로크 엔드에서, 스테이터와 로터의 사이에 유체가 개재되는 영역의 면적이 증가한다. 반대로 말하면, 마이크로파를 반사 가능한 영역의 면적이 감소한다. 따라서, 신호 파형이 변화하여, 정상 운전에 비해, 샤프한 산형의 부분에서의 피크값이 작아진다. 이것에 기초하여, 폐색 운전에서도, 운동 부재의 운동과 함께, 펌프실 내의 유체의 상태를 파악할 수 있다.

이물 혼입에서는, 이물로서, 유체와는 유전율이나 표면에서의 반사율이 상이한 물질(예를 들어, 금속)이 혼입되면, 신호 파형이 변화한다. 이물로서, 예를 들어 유전율이 유체와 비교해서 작은 액체가 혼입된 경우, 마이크로파의 흡수율이 감소함으로써, 신호 파형이 변화한다. 이것에 기초하여, 이물 혼입에서도, 운동 부재의 운동과 함께, 펌프실 내의 유체의 상태를 파악할 수 있다.

도 6은, 펄스 레이더 방식 및 FMCW 방식의 센서로부터 출력되는 신호의 파형예를 도시하는 모식도이다. 도 6은, 종축이 펄스 레이더 방식 또는 FMCW 방식의 센서로부터 출력되는 신호의 강도, 횡축이 경과 시간이다. 도 6에는, 정상 운전에서의 신호 강도의 파형과, 공운전(이상 운전)에서의 신호 강도의 파형을 나타낸다. 또한, 도 6에 나타내는 출력 신호의 파형예는, 상기 도 1에 도시하는 구성예에서, 펄스 레이더 방식 또는 FMCW 방식의 센서를 사용한 경우의 출력 신호의 파형이다.

도 6에 도시하는 신호를 출력 가능한 펄스 레이더 방식의 센서는, 마이크로파 펄스를 송수신하고, 마이크로파 펄스의 송신부터 수신까지 필요한 시간에 따른 신호를 출력한다. 이 출력 신호로부터, 센서와 로터(운동 부재)의 거리를 산출할 수 있다.

FMCW 방식의 센서는, 마이크로파의 연속파를 송수신하고, 그 연속파는 주파수가 소정의 주기 및 형상으로 변화한다. 또한, FMCW 방식의 센서는, 수신 신호와 송신 신호를 혼합한 비트 신호를 생성한다. 이 출력 신호로부터, 센서와 로터(운동 부재)의 거리를 산출할 수 있다.

이러한 펄스 레이더 방식 및 FMCW 방식의 센서를 사용하는 경우, 정상 운전에서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 신호 강도가 변화하는 부분 C와, 신호 강도가 일정한 부분이 교대로 출현한다. 이하에, 그 이유를 설명한다.

센서부(41)와 운동 부재(로터)(20)의 사이에 스테이터(펌프실) 내의 유체가 개재되지 않고, 운동 부재에서 반사하는 경우, 구체적으로는, 상기 도 2의 (a)에 도시한 바와 같은 우측 스트로크 엔드의 경우, 로터(운동 부재)에서의 반사파에 기초하여 센서부와 로터(운동 부재)의 거리에 따른 신호가 센서부로부터 출력된다. 또한, 센서부(41)와 로터(운동 부재)(20)의 사이에 박막 형상의 유체가 개재되는 경우, 구체적으로는, 우측 스트로크 엔드의 전후인 경우, 마이크로파가 스테이터 내(펌프실 내)의 유체를 투과하여, 로터에 도달한다. 로터에 도달한 마이크로파는, 반사해서 센서부에 도달한다. 이 때문에, 로터에서의 반사파에 기초하여, 센서부와 로터의 거리에 따른 신호가 센서부로부터 출력된다. 이러한 우측 스트로크 엔드나 그 전후에 있어서의 출력 신호에 의해, 신호 강도가 변화하는 부분 C가 출현한다. 또한, 신호 강도가 변화하는 부분 C의 파형은, 반사파의 에너지가 미약하므로, 불명료해지기 쉽다.

센서부(41)와 로터(운동 부재)(20)의 사이에 소정의 두께 이상의 유체가 개재되는 경우, 구체적으로는, 상기 도 2의 (b) 내지 (d)에 도시한 바와 같이, 센서부(41)와 로터(운동 부재)(20)의 거리가 소정의 거리 이상인 경우, 센서부(41)와 로터(운동 부재)(20)의 사이에 개재되는 유체에 의해, 마이크로파의 로터(운동 부재)에의 도달이나 로터(운동 부재)에서의 반사를 방해할 수 있다. 이 때문에, 유체와 스테이터(펌프실)의 계면에서의 반사파에 기초하여 센서와 유체의 거리에 따른 신호가 센서로부터 출력된다. 이 출력 신호에 의해, 신호 강도가 일정한 부분이 출현한다.

이렇게 펄스 레이더 방식 및 FMCW 방식의 센서를 사용하는 경우, 정상 운전에서는, 신호 강도가 일정한 부분이 존재하는 것에 기초하여, 펌프실 내의 유체의 상태, 즉, 펌프실 내에 유체가 충만되어 있는 것을 파악할 수 있다. 또한, 우측 스트로크 엔드나 그 전후에서 마이크로파가 로터에 도달해서 반사되고, 그 반사파에 기초하는 신호가 센서로부터 출력되므로, 운동 부재의 운동(동작)을 파악할 수 있다.

이에 반해, 공운전에서는, 스테이터 내(펌프실 내)에 가스가 유입되어 있으므로, 유체와 스테이터(펌프실)의 계면에서의 반사가 발생하지 않는다. 또한, 유체에 의한 마이크로파의 흡수도 발생하지 않는다. 이들로부터, 로터(운동 부재)의 위치에 무관하게, 로터(운동 부재)에서 반사한 마이크로파에 기초하는 신호가 출력된다. 즉, 센서와 로터(운동 부재)의 거리에 따른 신호가 출력된다. 이 때문에, 신호의 파형이 변화하고, 도 6에 도시한 바와 같이, 산부와 골짜기부가 교대로 출현한다.

이렇게 펄스 레이더 방식 및 FMCW 방식의 센서를 사용하는 경우, 공운전에서는, 신호 강도가 일정한 부분이 존재하지 않는 것에 기초하여, 펌프실 내의 유체의 상태, 즉, 펌프실 내에 유체가 대부분 또는 완전히 존재하지 않는 것을 파악할 수 있다. 또한, 교대로 출현하는 산부 및 골짜기부에 기초하여, 운동 부재의 운동(동작)을 파악할 수 있다.

준공운전에서는, 펌프실 내에 존재하는 유체의 체적이 감소한다. 이 때문에, 정상 운전과 비교하여, 신호 강도가 일정한 부분의 비율이 감소하고, 신호 강도가 변화하는 부분의 비율이 증가한다. 또한, 신호 강도가 변화하는 부분에서의 피크값이 커진다. 이것들에 기초하여, 준공운전에서도, 운동 부재의 운동과 함께, 펌프실 내의 유체의 상태를 파악할 수 있다.

이러한 이상 운전에 의한 파형의 변화를, 본 실시 형태의 용적식 펌프에서는, 판정부에서, 센서부로부터 출력되는 신호에 기초해서 검지하여, 이상 운전에 대해 판정한다.

여기서, 종래의 스테이터의 온도에 기초하는 공운전의 검출에서는, 펌프실 내의 유체의 상태를 직접 파악하지 않고, 스테이터의 온도에 기초하여 펌프실 내의 상태를 간접적으로 파악한다. 또한, 종래의 모터 토크에 기초하는 이상 운전의 검출도, 펌프실 내의 유체의 상태를 직접 파악하지 않고, 모터의 토크에 기초하여 펌프실 내의 상태를 간접적으로 파악한다.

이에 반해, 본 실시 형태의 용적식 펌프는, 센서부(41)에 의해 펌프실 내의 유체의 상태를 직접 파악할 수 있다. 이에 의해, 이상 운전 시에, 상기 도 3 및 도 6에 도시한 바와 같이, 센서부에서의 출력 신호가 즉시 변화한다. 이 때문에, 이상 운전을 빠르게 검출할 수 있고, 예를 들어 5초 이내에 검출할 수 있다.

또한, 이상 운전을 검출할 때 스테이터(펌프실)의 온도를 사용하지 않으므로, 유체의 온도 상승이 발생한 경우에, 이상 운전이라 오판정하는 일이 없다. 또한, 이상 운전을 검출할 때 모터의 토크(구동 장치의 부하)를 사용하지 않으므로, 유체의 성질 변화나, 모터의 회전수의 변경, 펌프와 접속하는 배관(경로)의 변경 등의 경우에, 이상 운전이라 오판정하는 일이 없다. 따라서, 본 실시 형태의 용적식 펌프는, 이상 운전을 정확하게 검출할 수 있다.

본 실시 형태의 용적식 펌프는, 센서부(41)에, 상술한 도플러 방식의 센서, 펄스 레이더 방식의 센서, 또는, FMCW 방식(연속파 주파수 변조 방식)의 센서를 채용할 수 있다. 또한, 센서부(41)가 송신하는 마이크로파의 주파수는, 예를 들어 0.3GHz 내지 3THz로 할 수 있다.

판정부(42)는, 센서부(41)로부터 출력되는 신호에 기초하여, 운동 부재(20)의 운동과 함께, 펌프실(30) 내의 유체 상태를 파악하는 것이 바람직하다. 운동 부재(20)의 운동을 파악하면, 예를 들어 이상 운전시뿐만 아니라, 정상 운전 시에도, 운동 부재의 회전수 등을 구해서 활용할 수 있다. 또한, 운동 부재(20)의 운동을 파악함으로써, 운동 부재(20)의 동작이 정상 또는 이상인지를 검출할 수도 있다. 운동 부재(20)의 동작이 이상이라는 것은, 예를 들어 조인트의 파손, 모터의 불량, 컨트롤러의 불량 등에 의한 운동 부재의 이상 동작이 해당된다.

또한, 운동 부재(로터)나 펌프실(스테이터)의 마모에 의해 스트로크 엔드에서 센서부와 운동 부재(로터)의 위치 관계가 변화하면, 그에 따라 신호가 변화하는 경우가 있다. 구체적으로는, 산형의 피크값이 작아지거나, 피크값을 검출할 수 없게 되거나 하는 것을 생각할 수 있다. 이 신호의 변화를 이용하면, 운동 부재(로터)나 펌프실(스테이터)의 마모의 검출도 가능하게 된다. 뿐만 아니라, 펌프 정지 시에 있어서의 운동 부재(20)의 위치 제어에 이용할 수도 있고, 예를 들어 펌프 정지 시에 있어서의 로터의 회전 각도를 일정하게 제어할 수도 있다.

상기 도 2에 도시하는 스테이터(30)(아우터 부재)의 외주면의 횡단면 형상은 원 형상이었지만, 아우터 부재의 외주면의 횡단면 형상을 다각형 형상으로 해도 된다. 또한, 상기 도 2에 도시하는 스테이터(30)(아우터 부재)의 내주면의 횡단면 형상은, 타원 형상이었지만, 아우터 부재의 내주면의 횡단면 형상을, 후술하는 도 9에 도시한 바와 같은 형상으로 해도 된다.

도 9는, 아우터 부재의 내주면의 횡단면 형상 예를 도시하는 모식도이며, 도 9의 (a)는 곡선 형상부를 갖는 경우, 도 9의 (b)는 타원 형상인 경우를 나타낸다. 도 9의 (a)에 도시하는 아우터 부재의 내주면의 횡단면 형상은, 상기 도 2에 도시하는 아우터 부재와 마찬가지로, 제1 및 제2 반원의 호 형상부(30c, 30d)를 갖는다. 도 9의 (a)에 도시하는 아우터 부재의 내주면의 횡단면 형상은, 상기 도 2에 도시하는 아우터 부재와 달리, 제1 호 형상부(30c)와 제2 호 형상부(30d)가 2개의 곡선 형상부(30g)로 연결된다. 그 곡선 형상부(30g)는, 모두 내측으로 볼록한 형상이며, 타원 방향과 수직인 대칭 선(30f)에 근접함에 수반하고, 내주면의 폭(W)이 좁아진다. 또한, 곡선 형상부(30g)는, 모두 내측으로 오목한 형상으로 해도 된다. 이 경우, 타원 방향과 수직인 대칭 선(30f)에 근접함에 수반하여, 내주면의 폭(W)이 넓어진다.

도 9의 (b)에 도시하는 아우터 부재의 내주면의 횡단면 형상은, 타원 형상이다. 이렇게 횡단면 형상이 타원 형상인 경우, 타원 방향은 장축(30h)과 평행한 방향으로 하고, 타원 방향과 평행한 대칭 선은 장축(30h)으로 한다.

상기 도 1에 도시하는 구성예에서는, 용적식 펌프를 아우터 부재가 회전 불가능한 1축 편심 나사 펌프로 했지만, 본 실시 형태의 용적식 펌프는, 이 타입의 1축 편심 나사 펌프에 한정되지 않는다. 즉, 펌프실 및 마이크로파를 반사 가능한 운동 부재를 구비하는 용적식 펌프라면 적용할 수 있다. 예를 들어, 아우터 부재가 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프, 로터리 펌프, 피스톤 펌프 등에 적용할 수도 있다.

아우터 부재가 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프에서는, 아우터 부재로서 스테이터 대신에 아우터 로터가 사용된다. 아우터 로터는, 상기 도 1에 도시하는 스테이터와 마찬가지로, 고무 등의 탄성체 또는 수지로 이루어지고, 아우터 로터의 내주면은, n조의 암나사 형상이다. 이 아우터 로터는, 상기 도 1에 도시하는 스테이터와 달리, 예를 들어 미끄럼 베어링, 구름 베어링 등에 의해 회전 가능하게 유지된다. 보다 구체적으로는, 아우터 로터는, 금속제의 아우터 로터 케이싱에 고정되고, 그 아우터 로터 케이싱이 베어링 등에 의해 회전 가능하게 유지된다. 이 경우, 아우터 로터와 아우터 로터 케이싱은, 일체가 되어서 회전한다.

또한, 이너 로터는, 상기 도 1에 도시하는 이너 로터(20)와 마찬가지로, 금속제의 축체이며, 수나사 형상이다. 이너 로터는, 상기 도 1에 도시하는 이너 로터(20)와 달리, 예를 들어 자재 조인트 및 로드를 개재되지 않고 모터의 주축과 직접 연결함으로써 회전 가능하다. 또한, 이너 로터를 아우터 로터에 대하여 상대적으로 편심 회전시키기 위해서, 이너 로터의 회전축은, 아우터 로터의 회전축과 소정의 거리를 두고 배치된다.

이러한 아우터 부재가 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프에서는, 모터의 회전에 의해, 그것과 연결된 이너 로터가 회전한다. 그 이너 로터의 회전에 연동하여, 아우터 로터의 회전축과 이너 로터의 회전축이 편심된 상태에서 아우터 로터가 이너 로터의 1/2의 회전수로 회전한다. 이와 같이 하여 이너 로터가, 아우터 로터에 대하여 상대적으로 편심 회전한다. 아우터 부재가 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프에서는, 이너 로터(모터)가 720° 회전(2회전)하는 동안에, 아우터 로터의 횡단면의 대략 타원 형상의 공간을 이너 로터가 1 왕복한다.

도 10은, 아우터 부재가 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프에 있어서의 구성예를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 10의 (a)는 아우터 로터 케이싱에 센서부를 배치하는 경우, 도 10의 (b)는 아우터 로터에 센서부를 배치하는 경우를 나타낸다. 도 10의 (a) 및 도 10의 (b)에 도시하는 1축 편심 나사 펌프는, 케이싱(11)과, 미끄럼 베어링(18)과, 아우터 로터 케이싱(17)과, 아우터 로터(31)와, 이너 로터(20)를 구비한다. 이러한 아우터 부재가 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프에서는, 아우터 부재가 회전 불가능한 1축 편심 나사 펌프와 마찬가지로, 아우터 로터(31)(아우터 부재)가 펌프실이 되고, 아우터 로터(31)에 대하여 상대적으로 편심 회전하는 이너 로터(20)가 운동 부재가 된다.

도 10의 (a) 및 도 10의 (b)에 도시하는 1축 편심 나사 펌프는, 상기 도 1에 도시하는 구성예와 마찬가지로, 이상 운전 검출 수단(40)을 더 구비한다. 그 이상 운전 검출 수단(40)은, 센서부(41)와, 판정부(42)를 구비한다. 판정부(42)는, 센서부(41)로부터 출력되는 신호를 무선 통신으로 수신한다.

도 10의 (a)에 도시하는 구성예에서는, 센서부(41)는, 아우터 로터 케이싱(17)의 내부에 배치되고, 보다 구체적으로는, 아우터 로터 케이싱(17)에 형성된 관통 구멍에 배치된다. 한편, 도 10의 (b)에 도시하는 구성예에서는, 센서부(41)는, 아우터 로터(31)의 내부에 배치되고, 보다 구체적으로는, 아우터 로터(31)에 형성된 비관통 구멍에 배치된다. 이러한 센서부(41)는, 도 10의 (a) 및 도 10의 (b)에 도시하는 어떤 구성예에서도, 아우터 로터(31) 및 아우터 로터 케이싱(17)과 함께 일체로 회전한다.

도 7은, 용적식 펌프를 로터리 펌프로 한 경우의 구성예를 모식적으로 도시하는 단면도이다. 도 7에 도시하는 로터리 펌프(50)는, 케이싱(51)과, 회전 방향이 상이한 2개의 로터(52)를 구비한다. 이러한 로터리 펌프(50)는, 케이싱(51)이 펌프실이 되고, 회전 운동하는 금속제의 로터(52)가 운동 부재가 된다.

도 7에 도시하는 로터리 펌프(50)는, 상기 도 1에 도시하는 구성예와 마찬가지로, 이상 운전 검출 수단(40)을 더 구비한다. 그 이상 운전 검출 수단(40)은, 센서부(41)와, 판정부(42)를 구비한다. 또한, 센서부(41)에 의해 마이크로파를 송수신하기 위해서, 금속제의 케이싱(51)에 관통 구멍(51a)이 형성된다. 로터리 펌프(50)는, 관통 구멍(51a)을 밀봉하는 시일 부재(53), 및, 그 시일 부재(53)를 케이싱(51)에 가압하는 누름판(54)을 구비한다. 시일 부재(53)는, 예를 들어 마이크로파를 투과 가능한 고무로 이루어진다.

피스톤 펌프는, 예를 들어 원통 형상의 실린더와, 피스톤을 구비한다. 이러한 피스톤 펌프는, 실린더가 펌프실이 되고, 그 실린더 내를 왕복 운동하는 피스톤이 운동 부재가 된다.

운동 부재는, 편심 회전 운동이나 회전 운동, 왕복 운동한다. 그 운동 과정의 적어도 일부에서, 센서부가 운동 부재를 향해 마이크로파를 송신할 수 있으면 된다.

도 8은, 용적식 펌프를 1축 편심 나사 펌프로 한 경우의 센서의 배치 예를 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 8의 (a)는 센서부의 마이크로파의 송신 방향이 유체와 스테이터의 계면과 수직인 경우를 나타내고, 도 8의 (b)는 그 송신 방향이 그 계면과 비수직인 경우를 나타낸다. 도 8은, 상기 도 1의 AA 위치에서의 단면도에 상당한다. 또한, 도 8의 파선 화살표는, 센서부가 마이크로파를 송신하는 방향을 나타낸다.

센서부는, 예를 들어 도 8의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 배치할 수 있다. 또한, 로터리 펌프의 경우에는, 상기 도 7에 화살표 A로 지시하는 위치에 센서부를 배치할 수 있다. 이러한 경우, 운동 과정의 일부에서, 센서부가 운동 부재를 향해 마이크로파를 송신할 수 없다. 그러나, 운동 부재의 운동에 수반하여, 센서부와 운동 부재의 사이에 펌프실 내의 유체가 개재되지 않고, 마이크로파가 운동 부재에서 반사하는 상태가 주기적으로 발생한다. 그때, 정상 운전과 이상 운전에서, 상기 도 3 및 도 6을 사용해서 설명한 바와 같이, 출력 신호의 파형이 변화하므로, 이상 운전을 검출할 수 있다.

이상 운전의 검출 효율을 향상시키는 관점에서, 운동 부재의 운동 과정에서 항상, 센서부가 운동 부재를 향해 마이크로파를 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 센서부와 운동 부재의 사이에 운동 부재 내의 유체가 개재되지 않는 상태에서 운동 부재가 마이크로파를 항상 반사하는 위치에 센서부를 배치하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상기 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 1축 편심 나사 펌프라면, 제1 및 제2 호 형상부(30c, 30d) 중에서 어느 한쪽의 호 형상부측에 배치하는 것이 바람직하다(상기 도 2 참조). 또한, 상기 도 7에 도시한 바와 같은 로터리 펌프라면, 로터(52)의 회전 중심을 향해서 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 센서부에 의해 유체와 스테이터(펌프실)의 계면과 비수직으로 마이크로파를 조사할 수 있지만, 도 2의 (a) 또는 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 센서부가 유체와 스테이터(펌프실)의 계면과 수직으로 마이크로파를 조사하는 것이 바람직하다. 이렇게 센서부를 배치하면, 센서부의 마이크로파의 송신 방향이 유체와 펌프실의 계면과 수직이 되어, 펌프실과 그 펌프실 내의 가스나 유체와의 계면에서 마이크로파의 일부가 굴절되는 것을 방지할 수 있고, 센서부에서 고강도의 반사파를 수신할 수 있다. 또한, 펌프실과 그 펌프실 내의 가스나 유체와의 계면에서 마이크로파의 일부가 반사하는 것을 저감할 수 있고, 이것에 의해서도 센서부에서 고강도의 반사파를 수신할 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 1축 편심 나사 펌프에 있어서, 센서부를 호 형상부(30c, 30d)측에 배치하는 것이라면, 센서부의 마이크로파의 송신 방향을 호 형상부(30c, 30d)의 중심을 향하도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 센서부를 직선 형상부(30b)측에 배치하는 것이라면, 센서부의 마이크로파의 송신 방향을 타원 방향과 수직인 대칭 선(30f)과 평행하게 배치하는 것이 바람직하다.

센서부는, 상기 도 2의 (a) 및 상기 도 7에 도시한 바와 같이, 운동 부재가 마이크로파를 항상 반사하는 위치이며, 센서부의 마이크로파의 송신 방향이 유체와 펌프실의 계면과 수직이 되는 위치에 배치되는 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 이상 운전의 검출 효율을 향상시킬 수 있음과 함께, 센서부에서 고강도의 반사파를 수신할 수 있다.

판정부(42)는, 이상 운전으로서 공운전, 준공운전, 폐색 운전 및 이물 혼입 중 1개 이상을 검출한다. 공운전을 검출하는 경우, 종단부 검지 제어에 응용할 수도 있다. 여기서, 종단부 검지 제어란, 유체의 이송 완료 시에, 펌프를 정지시키는 제어이다. 공운전을 검출하는 경우, 공운전의 검출시를 유체의 이송 완료시라 판정하고, 펌프를 정지시키면, 종단부 검지 제어를 실현할 수 있다. 또한, 준공운전을 검출하면, 정상 운전에서 준공운전을 거쳐서 공운전에 이르는 경우에, 공운전을 미연에 방지할 수 있다.

이상 운전의 판정은, 예를 들어 출력 신호의 파형 피크값을 구하는 처리와, 그 피크값이 역치를 초과하는 경우를 이상 운전이라 판정하는 처리로 구성할 수 있다. 출력 신호의 강도는, 예를 들어 스테이터 또는 시일 부재의 재질이나 그 두께, 이송해야 할 유체의 조성에 따라 변화한다. 이러한 조건에 따라, 역치는 적절히 설정할 수 있다.

역치를 사용하는 판정에는, 피크값이 역치를 상회하는 경우에 이상 운전이라 판정하는 형태, 및, 피크값이 역치를 하회하는 경우에 이상 운전이라 판정하는 형태가 있다. 어떤 형태를 채용할지는, 출력 신호의 처리 방식에 따라 적절히 설정할 수 있다. 피크값이 역치를 상회하는 경우에 이상 운전이라 판정하는 형태는, 예를 들어 상기 도 3에 도시하는 파형예와 같이, 고역 통과 필터의 처리(직류 성분을 커트하는 처리)와, 전파 정류의 처리를 그 순서대로 실시하는 출력 신호의 처리 방식에 채용할 수 있다. 또한, 고역 통과 필터, 전파 정류, 저역 통과 필터 및 비반전 증폭의 처리를 그 순서대로 행하는 방식에도 채용할 수 있다. 한편, 피크값이 역치를 하회하는 경우에 이상 운전이라 판정하는 형태는, 예를 들어 고역 통과 필터, 전파 정류, 저역 통과 필터 및 반전 증폭의 처리를 그 순서대로 행하는 방식에 채용할 수 있다.

또한, 판정부(42)는, 출력 신호의 파형이 소정의 패턴과 상이한 경우에 이상 운전이라 판정해도 된다. 이 경우, 사전에 정상 운전의 출력 신호의 파형 패턴을 준비한다. 이상 운전의 판정 시에는, 출력 신호의 일부를 소정의 패턴과 마찬가지의 주기로 발취하는 처리와, 발취한 파형과 패턴 파형을 화상 해석 소프트에 의해 비교하여, 상이한 경우에 이상 운전이라 판정하는 처리를 행하면 된다. 발취한 파형과 패턴 파형을 비교해서 판정하는 처리에서는, 예를 들어 출력 신호의 파형 형상이나 면적을 기준으로 할 수 있다. 또한, 패턴 파형을 사용하는 형태와, 상술한 역치를 사용하는 형태를 병행해서 실시해도 된다.

여기서, 고점도의 유체(예를 들어, 페이스트, 탈수 케이크, 간 고기 등)를 이송하는 경우, 정상 운전이라도 유체의 흡입량이 부족하고, 펌프실 내의 일부에 가스가 유입되는 경우나, 펌프실 내의 일부가 진공이 되는 경우가 있다. 이러한 경우, 가스 또는 진공의 부분이 마이크로파의 경로 상에 우연히 위치하면, 마이크로파가 거의 감쇠되지 않으므로, 피크값이 일시적으로 변화한다. 피크값이 역치를 초과하는 경우를 이상 운전이라 판정하는 형태에서는, 그 변화를 이상 운전이라고 잘못 판정할 우려가 있다.

또한, 기포를 포함하는 유체(예를 들어, 휘핑크림)를 이송하는 경우, 정상 운전이라도 기포의 부분이 마이크로파의 경로 상에 우연히 위치하면, 마이크로파가 거의 감쇠되지 않으므로, 피크값이 일시적으로 변화한다. 피크값이 역치를 초과하는 경우를 이상 운전이라 판정하는 형태에서는, 그 변화를 이상 운전이라고 잘못 판정할 우려가 있다.

그런데, 도플러 방식의 센서는, 상술한 바와 같이, 도플러 주파수에 따른 정현파의 신호를 출력하므로, 실제의 신호 파형은, 정현파의 산 및 골짜기를 포함하고 있다. 그 정현파의 주기는, 운동 부재(로터)의 왕복 운동의 주기보다도 짧다. 또한, 상기 도 3에 도시하는 도플러 방식의 센서로부터 출력되는 신호의 파형예에서는, 주기가 짧은(미시적인) 정현파의 산 및 골짜기를 생략하고, 운동 부재(로터)의 왕복 운동의 주기와 동일 정도인(거시적인) 신호 강도의 변화만을 추출해서 나타내고 있다.

도 11은, 도플러 방식의 센서를 사용하는 경우의, 정현파의 산 및 골짜기를 포함하는 신호의 파형예를 도시하는 모식도이며, 도 11의 (a)는 공운전시, 도 11의 (b)는 정상 운전시를 각각 나타낸다. 도 11에 도시하는 출력 신호의 파형예는, 상기 도 1에 도시하는 구성예에 있어서, 도플러 방식의 센서를 사용한 경우의 출력 신호의 파형이다. 또한, 도 11에 도시하는 신호의 파형예는, 도플러 방식의 센서로부터 출력된 신호에, 고역 통과 필터의 처리(직류 성분을 커트하는 처리)와, 증폭의 처리와, 저역 통과 필터의 처리를 그 순서대로 실시한 것이다.

정상 운전에서는, 상기 도 3을 사용해서 설명한 바와 같이, 거시적으로는, 동체(로터)를 검출하지 않은 평탄한 부분과, 동체를 검출한 산형의 부분 S가 주기적으로 교대로 출현한다. 또한, 동체를 검출한 산형의 부분 S는, 로터가 우측 스트로크 엔드를 통과하고 있는 것을 나타낸다. 도플러 방식의 센서는, 정현파의 신호를 출력하므로, 도 11의 (b)에 도시한 바와 같이, 동체를 검출한 산형의 부분 S는, 미시적으로는, 정현파의 산(P1, P2) 및 골짜기(T1)에 의해 형성된다. 도 11의 (b)에서는, 동체를 검출한 산형의 부분 S가, 2개가 미시적인 산(P1, P2)과, 1개의 미시적인 골짜기(T1)에 의해 형성된다.

공운전에서는, 상기 도 3을 사용해서 설명한 바와 같이, 도플러 방식의 센서가 항상 동체를 검출하므로, 거시적으로는, 브로드한 산형의 부분 B가 주기적으로 출현한다. 또한, 브로드한 산형의 부분 B의 피크는, 로터가 우측 스트로크 엔드를 통과하고 있는 것을 나타낸다. 도플러 방식의 센서는, 정현파의 신호를 출력하므로, 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이, 동체를 검출한 브로드한 산형의 부분 B는, 미시적으로는, 주기가 짧은 복수의 정현파의 산(P1 내지 P7) 및 골짜기(T1 내지 T7)로 형성된다. 도 11의 (a)에서는, 동체를 검출한 브로드한 산형의 부분 B가, 7개의 미시적인 산(P1 내지 P7) 및 골짜기(T1 내지 T7)로 형성된다.

준공운전에서는, 도시를 생략하지만, 펌프실 내의 유체량이 감소하므로, 정상 운전과 비교하여, 로터를 검출 가능한 범위가 넓어진다(거리가 길어진다). 이 때문에, 준공운전의 신호 파형은, 도 11의 (b)에 도시하는 정상 운전의 신호 파형과 비교하여, 동체를 검출하지 않은 평탄한 부분이 출현하는 시간이 짧아짐과 함께, 동체를 검출한 산형의 부분 S가 출현하는 시간이 길어진다. 이에 따라, 미시적으로는, 동체를 검출한 산형의 부분 S에 포함되는 산 및 골짜기의 수가 각각 증가하고, 상기 도 11에 도시하는 케이스라면, 산 및 골짜기의 수가 3개 또는 4개 정도로 각각 증가한다.

이 정현파의 산과 골짜기가 신호의 파형에 포함되는 수를 이상 운전의 판정에 사용해도 된다. 이 형태는, 예를 들어 소정의 시간 범위 내의 신호 파형을 해석해서 정현파의 산 및 골짜기 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 출현 횟수를 계수하는 처리와, 구한 출현 횟수가 역치(이하, 특히 「판정용 역치」라고도 함)를 초과하는 경우를 이상 운전이라 판정하는 처리로 구성할 수 있다.

여기서, 출현 횟수를 계수해야 할 소정의 시간(이하, 「평가 시간」이라고도 함), 및, 판정용 역치의 설정 방법에 대해서, 상기 도 1에 도시하는 아우터 부재가 회전 불가능한 1축 편심 나사 펌프를 예로 들어 설명한다. 상술한 바와 같이, 도플러 방식의 센서는, 도플러 주파수에 따른 정현파의 신호를 출력하고, 그 도플러 주파수(fd(Hz))는 일반적으로 하기 (1)식에 의해 근사할 수 있다.

fd=2×v×fs/c … (1)

단, v는 동체의 속도(m/s), c는 광속(약 3×10 ⁸ m/s), fs는 송신되는 마이크로파의 주파수(단위: Hz, 이하, 「송신 주파수」라고도 함)이다.

아우터 부재가 회전 불가능한 1축 편심 나사 펌프에서는, 상기 도 2를 사용해서 설명한 바와 같이, 로터(20)(모터)가 360° 회전(1 회전)하는데 수반하여, 스테이터(30)의 횡단면의 대략 타원 형상의 공간을 1 왕복한다. 그때의 로터(20)의 평균 속도(vr(m/s))는 하기 (2)식에 의해 산출할 수 있다.

vr=2×s×N/60 … (2)

단, s는 로터의 스트로크량(상기 도 2의 (a) 참조), N은 모터의 회전수(min ^-1 )이다.

또한, 도플러 방식의 센서가 출력하는 신호의 파형에 있어서, 운동 부재가 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간 내의 산 또는 골짜기의 출현 횟수(A)(이하, 「1 사이클당 출현 횟수」라고도 함)는 하기 (3)식에 의해 산출할 수 있다. 또한, 마이크로파의 감쇠가 없는 것으로 하고, 즉, 공운전의 상태로 한다. 여기서, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간이란, 1축 편심 나사 펌프와 같이 운동 부재가 왕복 운동하는 경우, 1 왕복에 필요로 하는 시간을 의미하고, 상술한 로터리 펌프와 같이 운동 부재가 회전 운동하는 경우, 1 회전에 필요로 하는 시간을 의미한다.

A=60×fd/N … (3)

단, fd는 도플러 주파수(Hz), N은 모터의 회전수(min ^-1 )이다.

상기 (3)식의 도플러 주파수(fd)를 상기 (1)식으로 치환하고, 또한 상기 (1)식의 동체 속도(v)를 상기 (2)식의 로터 평균 속도로 치환하면, 하기 (4)식이 유도된다.

A=4×fs×s/c … (4)

상기 (4)식 중에서 로터의 스트로크량(s)은, 펌프의 고유값이며, 광속(c)은 상수이다. 이 때문에, 송신 주파수를 일정하게 하면, 1 사이클당 출현 횟수(A)는, 모터의 회전수 등에 영향받지 않고 일정하다. 공운전과 마찬가지로, 정상 운전의 경우도, 1 사이클당 출현 횟수(A)는, 모터의 회전수 등에 영향받지 않고 일정해진다.

따라서, 평가 시간은, 예를 들어 로터(20)와 같은 운동 부재가 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간에 따라서 적절히 설정하면 되고, 보다 구체적으로는, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간에 정수를 곱한 시간으로 하면 된다. 이상 운전을 조기에 검출하는 관점에서는, 평가 시간은, 짧은 것이 바람직하기 때문에, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간으로 하는 것이 바람직하다.

상기 (4)식에 나타낸 바와 같이, 1 사이클당 출현 횟수(A)는, 스트로크량(펌프 사이즈)이나 송신 주파수에 따라서 변화한다. 또한, 평가 시간당 출현 횟수는, 평가 시간의 길이에 따라서도 변화한다. 이것들에 따라서 판정용 역치는, 적절히 설정하면 된다.

예를 들어, 상기 도 11에 도시하는 신호 파형의 조건(s=24mm, fs=24.2GHz)에서는, 상기 (4)식에 의하면, 1 사이클당 출현 횟수(A)가 약 7.7이 된다. 실제의 신호 파형에서는, 상기 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이, 모터가 1 회전하는 시간 내에 7개의 산(P1 내지 P7) 및 골짜기(T1 내지 T7)가 확인되었다. 이 경우, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간을 평가 시간으로서 설정하고, 산 및 골짜기 중 어느 한쪽의 출현 횟수를 계수하는 것이라면, 판정용 역치를 3 내지 6의 임의의 값으로 설정하면 된다. 예를 들어, 이송해야 할 유체가 고점도의 유체나 기포를 포함하는 유체라면, 정상 운전의 상태에서 계수되는 출현 횟수가 증가하므로, 판정용 역치를 큰 값 A(예를 들어 6)로 설정하면 된다. 유체가 중점도 또는 저점도이며, 기포를 포함하지 않는 유체라면, 판정용 역치를 값 A보다도 작은 값 B(예를 들어 5)로 설정하면 된다.

또한, 준공운전을 검출하고 싶다면, 판정용 역치를 공운전의 값 A 또는 값 B보다 작은 값 C(예를 들어 3 또는 4)로 설정하면 된다. 이렇게 준공운전을 검출하면, 정상 운전에서 준공운전을 거쳐서 공운전에 이르는 경우에, 공운전을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 판정용 역치를 복수 설정해도 된다. 예를 들어, 판정용 역치를, 공운전의 값 A 또는 값 B와 준공운전의 값 C의 2단계로 설정하면, 복수의 이상 운전, 즉 준공운전과 공운전을 검출하는 것이 가능하다.

또한, 계수되는 출현 횟수에 기초하여, 펌프실 내의 유체량을 파악할 수도 있다. 예를 들어, 계수된 출현 횟수를, 공운전의 상태에서 계수되는 출현 횟수 또는 정상 운전의 상태에서 계수되는 출현 횟수와 비교함으로써, 펌프실 내의 유체량을 추정하면 된다.

출현 횟수의 계수는, 예를 들어 신호의 강도가 역치(V1)(이하, 특히 「계수용 역치」라고도 함)를 초과하는 경우에 출현 횟수를 증가시킴으로써 행하면 된다.

평가 시간은, 모터의 회전수로부터 산출해도 된다. 예를 들어, 아우터 부재가 회전 불능인 1축 편심 나사 펌프라면, 모터가 1 회전하는 시간을 평가 시간으로서 설정할 수 있다. 또한, 아우터 부재가 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프라면, 모터가 2 회전하는 시간을 평가 시간으로서 설정할 수 있다.

또는, 신호의 파형에 기초하여 계수를 개시 및 종료함으로써 평가 시간을 규정해도 된다. 신호의 파형에 기초하여 계수를 개시 및 종료하는 형태에서는, 운동 부재가 센서부에 가장 근접할 때 출력되는 정현파에 있어서, 산이 가장 높아짐과 함께 골짜기가 가장 깊어지는 현상을 이용하면 된다.

이 형태에서는, 예를 들어 사전에, 운동 부재가 센서부에 가장 가까워질 때 출력되는 정현파의 산 또는 골짜기만을 검출하도록, 역치(V2)(이하, 특히 「리셋용 역치」라고도 함)를 설정한다. 또한, 신호의 강도가 리셋용 역치(V2)를 초과한 경우에 출현 횟수를 0(제로)으로 치환하는 처리와, 신호의 강도가 계수용 역치(V1)를 초과한 경우에 출현 횟수를 증가시키는 처리와, 출현 횟수가 판정용 역치를 초과하는 경우에 이상 운전이라 판정하는 처리를 반복해서 행하면 된다. 이러한 신호의 파형에 기초하여 계수를 개시 및 종료하는 형태에서는, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간을 보다 정확하게 파악하여, 이상 운전의 검출 정밀도를 높일 수 있다.

정상 운전에서 공운전에 이르는 과정에서, 신호 파형에 포함되는 정현파의 산 및 골짜기의 수가 변화함에 수반하여, 신호 파형의 적분값도 변화한다. 여기서, 신호 파형의 적분값이란, 신호 파형을 적분 처리함으로써 구해지고, 상기 도 11에 도시하는 신호 파형이라면, 횡축과 신호 파형(곡선) 사이에 끼워진 영역의 면적이 해당된다. 이러한 적분값에 기초하여 이상 운전을 검출할 수도 있다.

이 형태에서는, 예를 들어 적분값이 역치를 초과하는 경우에 이상 운전이라 판정하면 된다. 보다 구체적으로는, 이상 운전의 판정 처리를, 신호 파형 중에서 소정의 시간 범위 내를 적분해서 적분값을 산출하는 처리와, 정상 운전 시보다 적분값이 작은 경우를 폐색 운전이라 판정하는 처리와, 정상 운전 시보다 약간 적분값이 큰 경우를 준공운전이라 판정하는 처리와, 준공운전 시보다 적분값이 큰 경우를 공운전이라 판정하는 처리로 구성할 수 있다. 이렇게 이상 운전의 판정에 적분값을 사용하면, 폐색 운전도 검출할 수 있다. 또한, 이 판정의 기준이 되는 적분값(역치)은, 예를 들어 유체의 조성 등의 조건에 따라 적절히 설정할 수 있다. 또한, 상기의 구성예에서는, 폐색 운전, 준공운전 및 공운전의 전부를 판정했지만, 그들 중 1개 이상을 판정해도 된다.

적분값에 기초하여 이상 운전을 검출하는 형태에서는, 적분값이 불규칙하게 변동되는 경우를 이물 혼입이라 판정해도 된다. 이 이물 혼입을 판정하는 처리는, 상술한 폐색 운전, 준공운전 및 공운전을 판정하는 처리와 함께 행해도 된다. 이물 혼입을 판정하는 처리에서는, 예를 들어 소정 개수의 아주 가까운 적분값을 사용해서 표준 편차를 산출하고, 그 표준 편차가 역치를 초과하는 경우에 이물 혼입이라 판정하면 된다. 보다 구체적으로는, 이물 혼입을 판정하는 처리를, 산출된 적분값을 순차 기억하는 처리와, 기억된 적분값으로부터 아주 가까운 적분값을 소정 개수 불러내어, 표준 편차를 산출하는 처리와, 그 표준 편차가 역치를 초과하는 경우에 이물 혼입이라 판정하는 처리로 구성할 수 있다. 이렇게 이상 운전의 판정에 적분값을 사용하면, 이물 혼입도 검출할 수 있다. 또한, 이 판정의 기준이 되는 역치는, 예를 들어 유체의 조성 등의 조건에 따라 적절히 설정할 수 있다.

신호 파형의 적분값을 사용하는 형태에서는, 소정의 시간분의 신호 파형을 적분 처리함으로써 적분값을 산출한다. 이 소정의 시간(이하, 「적분 처리 시간」이라고도 함)은 출현 횟수를 판정에 사용하는 형태의 평가 시간과 마찬가지로, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간에 정수를 곱한 시간으로 할 수 있다. 이상 운전을 조기에 검출하는 관점에서는, 적분 처리 시간은, 짧은 것이 바람직하며, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 적분 처리 시간은, 평가 시간과 마찬가지로, 모터의 회전수로부터 산출해도 되고, 신호의 파형에 기초하여 개시점 및 종료점을 결정함으로써 적분 처리 시간을 규정해도 된다.

적분 처리 시간은, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간보다도 짧게 설정할 수도 있다. 즉, 1 사이클의 운동에 따라 출력되는 신호의 파형으로부터 일부를 발취해서 적분값을 산출해도 된다. 예를 들어, 적분 처리 시간을, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간의 1/n 등으로 설정해도 된다. 이 경우, 발취의 개시 위치를, 1 사이클의 운동에 필요로 하는 시간에 정수를 곱한 시간마다 설정한다. 또는, 상기 도 11의 신호 파형이라면, 도 11의 (b)의 P1 및 P2의 산 부분만 발취해서 적분값을 산출함과 함께, 거기에 대응하는 도 11의 (a)의 P1 및 P7의 산 부분만 발취해서 적분값을 산출해도 된다. 이 형태는, 폐색 운전이나 이물 혼입의 검지 정밀도의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 적분값을 사용하는 형태를, 상술한 출현 횟수를 사용하는 형태와 병행해서 실시해도 된다.

이상 운전 검출 수단은, 신호 처리부(43)와, 출력부(44)를 더 구비하고, 판정부(42)는, 신호 처리부(43)에서 처리된 신호에 기초하여 이상 운전을 판정하는 것이 바람직하다. 여기서, 신호 처리부(43)는, 고역 통과 필터, 저역 통과 필터, 전파 정류 및 증폭 중 어느 1개 이상의 처리를, 센서부(41)로부터 출력되는 신호에 실시한다. 또한, 출력부(44)는, 판정부의 판정 결과를 표시 또는 출력한다. 판정부(42), 신호 처리부(43) 및 출력부(44)는, 각각 케이블을 통해서 신호를 송수신해도 되고, 무선 통신에 의해 신호를 송수신해도 된다.

출력부(44)는, 예를 들어 판정 결과를 용적식 펌프의 컨트롤러에 출력하고, 그 컨트롤러는 이상 운전이라 판정된 경우에 용적식 펌프를 정지함과 함께 메시지를 디스플레이에 표시한다. 또는, 출력부(44)는, 이상 운전이라 판정된 경우에 회전 등을 동작시킴으로써, 이상 운전의 발생을 출력해도 된다. 출력부(44)는, 이상 운전이라 판정된 경우에 경고음을 발함으로써, 이상 운전의 발생을 출력해도 된다. 이러한 출력부(44)에 의해, 검출한 이상 운전의 정보를 유효하게 활용할 수 있다.

출력 신호의 강도는, 상술한 바와 같이, 아우터 부재 또는 시일 부재의 재질이나 그 두께, 이송해야 할 유체의 조성에 따라 변화한다. 신호 처리부(43)를 구비하면, 출력 신호의 강도의 변화를 흡수할 수 있어, 안정되게 이상 운전을 검출할 수 있다. 또한, 역치를 사용해서 판정하는 경우, 역치의 조정을 불필요하게 할 수 있다.

용적식 펌프는, 아우터 부재가 회전 불가능 또는 회전 가능한 1축 편심 나사 펌프로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 펌프실은, 내주면이 암 나사형으로 형성된 아우터 부재(스테이터 또는 아우터 로터)로 이루어지고, 운동 부재는, 아우터 부재에 대하여 상대적으로 편심 회전하는 수 나사형의 이너 부재(로터)로 이루어진다. 1축 편심 나사 펌프라면, 아우터 부재가 고무 등의 탄성체 또는 수지로 이루어지기 때문에, 공운전 시에 마모되기 쉽고, 또한 아우터 부재의 내주면이 타서 눌러붙는 경우가 있다. 이 마모나 눌러붙음을, 본 실시 형태의 용적식 펌프에 의해 효과적으로 방지할 수 있다.

용적식 펌프가 회전 가능 또는 회전 불능인 아우터 부재를 구비하는 1축 편심 나사 펌프이며, 아우터 부재(30)의 내주면의 횡단면 형상이 대략 타원 형상인 경우, 상기 도 2에 도시한 바와 같이, 센서부(41)는, 타원 방향과 평행한 대칭 선(30e) 상의 위치로부터, 타원 방향을 따라서 마이크로파를 송신하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 센서부(41)와 로터(20)의 사이에 아우터 부재(30) 내의 유체가 개재되지 않는 상태에서, 운동 부재의 로터(20)가 마이크로파를 항상 반사할 수 있고, 이상 운전의 검출 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 아우터 부재(30)와 내주면의 유체의 계면에서 마이크로파의 일부가 굴절되는 것을 방지할 수 있어, 센서부(41)에서 반사파를 안정되게 수신할 수 있다. 또한, 아우터 부재(30)와 아우터 부재(30) 내의 가스 또는 유체와의 계면에서 마이크로파의 일부가 반사하는 것을 저감할 수 있고, 이것에 의해서도 센서부(41)에서 반사파를 안정되게 수신할 수 있다.

여기서, 아우터 부재(30)의 두께는 주위 방향에서 변화하여, 타원 방향과 평행한 대칭 선(30e) 상의 부위가 가장 얇아진다. 이 때문에, 센서부(41)를 타원 방향과 평행한 대칭 선(30e) 상에 배치하면, 스테이터(30)에 센서부(41)를 매립하기 위한 구멍 등을 형성하지 않고, 센서부(41)를 간편하게 설치할 수 있다.

센서부(41)는, 로터(20) 중에서 아우터 부재(30)와 함께 항상 폐공간을 형성하는 부위에 마이크로파를 송신하는 것이 바람직하다. 즉, 로터(20) 중에서 아우터 부재(30)와 함께 형성하는 공간이 로터(20)의 편심 회전 운동의 과정에서 일시적으로 개방 공간이 되는 부위를 제외하고 마이크로파를 송신하는 것이 바람직하다. 상기 도 1에 도시하는 1축 편심 나사 펌프에서는, 로터(20)의 양단으로부터 나사산 수(단수)가 1.5인 위치까지의 부위가 형성하는 공간은, 로터(20)의 회전 운동의 과정에서 일시적으로 개방 공간이 된다. 이 양단의 부위를 제외하고, 로터(20)의 길이 방향의 중간 부위에 마이크로파를 송신하면, 항상 폐공간을 형성하는 부위에 마이크로파를 송신하게 된다.

로터(20)의 양단 부위에서는, 그 상류측이나 하류측의 상황에 따라 부위 내의 유체의 상태가 변화되기 쉬운 것에 반해, 로터(20)의 중간 부위에서는, 그 상류측이나 하류측의 상황에 의한 부위 내의 유체의 상태 변화가 완화되는 경향이 된다. 이 때문에, 이상 운전을 적확하게 판정할 수 있다.

본 발명의 용적식 펌프는, 이상 운전을 정확하면서도 또한 빠르게 검출할 수 있다. 이 때문에, 이상 운전에 의한 고장을 방지할 수 있고, 그 결과, 고장 발생률의 삭감이나 가동률 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한, 빠르게 이상을 통지할 수 있으므로, 예를 들어 용적식 펌프를 제조 라인에서의 유체 도포에 사용하는 경우에, 이상이 발생했을 때의 후속 공정의 불량률을 저감하여, 품질 향상에 기여할 수 있다.

10 : 1축 편심 나사 펌프(용적식 펌프) 11 : 케이싱
11a : 제1 개구부 11b : 제2 개구부
12 : 제1 자재 조인트 13 : 로드
14 : 제2 자재 조인트 15 : 드라이브 샤프트
16 : 모터(구동 수단) 16a : 모터의 주축
17 : 아우터 로터 케이싱 18 : 미끄럼 베어링
20 : 이너 로터(운동 부재)
30 : 스테이터(아우터 부재, 펌프실)
30a : 내주면 30b : 직선 형상부
30c : 제1 호 형상부 30d : 제2 호 형상부
30e : 타원 방향과 평행한 대칭 선
30f : 타원 방향과 수직한 대칭 선 30g : 곡선 형상부
30h : 장축 31 : 아우터 로터(아우터 부재)
40 : 이상 운전 검출 수단 41 : 센서부
42 : 판정부 43 : 신호 처리부
44 : 출력부 50 : 로터리 펌프
51 : 케이싱(펌프실) 51a : 관통 구멍
52 : 로터(운동 부재) 53 : 시일 부재
54 : 누름판 60 : 유체