JP2020137403A - 熱電発電装置及び振動検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】機器の異常の有無を効率良く診断すること。【解決手段】熱電発電装置は、熱電発電モジュールと、熱電発電モジュールが発生する電力により駆動する振動センサと、振動センサの検出データを送信する無線通信機と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電発電装置及び振動検出システムに関する。

機器の異常の有無を診断するために、機器の運転中に発生する振動を加速度センサで検出する技術が知られている。

特開２００９−０２００９０号公報

加速度センサに電力を供給する場合において、加速度センサと電源とを接続するケーブルが使用される場合、加速度センサの設置位置に制約が発生する可能性がある。一次電池が使用される場合、一定の期間毎に一次電池の交換作業が必要である。二次電池が使用される場合、一定の期間毎に二次電池の充電作業が必要である。ケーブル又は電池が使用される場合、機器の異常の有無を効率良く診断することが困難となる可能性がある。

本発明の態様は、機器の異常の有無を効率良く診断することを目的とする。

本発明の態様に従えば、熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールが発生する電力により駆動する振動センサと、前記振動センサの検出データを送信する無線通信機と、を備える熱電発電装置が提供される。

本発明の態様によれば、機器の異常の有無を効率良く診断することができる。

図１は、第１実施形態に係る熱電発電装置を示す断面図である。 図２は、第１実施形態に係る熱電発電モジュールを模式的に示す斜視図である。 図３は、第１実施形態に係る熱電発電装置を示すブロック図である。 図４は、第１実施形態に係る振動センサの検出データを示す図である。 図５は、第１実施形態に係る振動の最大値及び最小値の算出方法を説明するための図である。 図６は、第２実施形態に係る熱電発電装置を示すブロック図である。 図７は、第３実施形態に係る振動検出システムを示す模式図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。所定面内のＸ軸と平行な方向をＸ軸方向、所定面内においてＸ軸と直交するＹ軸と平行な方向をＹ軸方向、所定面と直交するＺ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面は、所定面と平行である。

［第１実施形態］
＜熱電発電装置＞
第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る熱電発電装置１を示す断面図である。熱電発電装置１は、機器Ｂに設置される。機器Ｂは、例えば工場のような産業施設に設けられる。機器Ｂとして、ポンプを作動させるモータが例示される。機器Ｂは、熱電発電装置１の熱源として機能する。

図１に示すように、熱電発電装置１は、受熱部２と、放熱部３と、周壁部４と、熱電発電モジュール５と、蓄電部１６と、振動センサ６と、温度センサ７と、マイクロコンピュータ８と、無線通信機９と、伝熱部材１０と、基板１１とを備える。

受熱部２は、機器Ｂに設置される。受熱部２は、プレート状の部材である。受熱部２は、アルミニウム又は銅のような金属材料によって形成される。受熱部２は、機器Ｂからの熱を受ける。受熱部２の熱は、伝熱部材１０を介して、熱電発電モジュール５に伝達される。

放熱部３は、間隙を介して受熱部２に対向する。放熱部３は、プレート状の部材である。放熱部３は、アルミニウム又は銅のような金属材料によって形成される。放熱部３は、熱電発電モジュール５からの熱を受ける。放熱部３の熱は、熱電発電装置１の周囲の大気空間に放出される。

受熱部２は、機器Ｂの表面に対向する受熱面２Ａと、受熱面２Ａの反対方向を向く内面２Ｂとを有する。受熱面２Ａは、−Ｚ方向を向く。内面２Ｂは、＋Ｚ方向を向く。受熱面２Ａ及び内面２Ｂのそれぞれは、平坦である。受熱面２Ａ及び内面２Ｂのそれぞれは、ＸＹ平面と平行である。ＸＹ平面内において、受熱部２の外形は、実質的に四角形である。なお、受熱部２の外形は四角形でなくてもよい。受熱部２の外形は円形でもよいし楕円形でもよいし任意の多角形でもよい。

放熱部３は、大気空間に面する放熱面３Ａと、放熱面３Ａの反対方向を向く内面３Ｂとを有する。放熱面３Ａは、＋Ｚ方向を向く。内面３Ｂは、−Ｚ方向を向く。放熱面３Ａ及び内面３Ｂのそれぞれは、平坦である。放熱面３Ａ及び内面３Ｂのそれぞれは、ＸＹ平面と平行である。ＸＹ平面内において、放熱部３の外形は、実質的に四角形である。なお、放熱部３の外形は四角形でなくてもよい。放熱部３の外形は円形でもよいし楕円形でもよいし任意の多角形でもよい。

ＸＹ平面内において、受熱部２の外形及び寸法と、放熱部３の外形及び寸法とは、実質的に等しい。なお、受熱部２の外形及び寸法と、放熱部３の外形及び寸法とは、異なってもよい。

周壁部４は、受熱部２の内面２Ｂの周縁部と放熱部３の内面３Ｂの周縁部との間に配置される。周壁部４は、受熱部２と放熱部３とを連結する。周壁部４は、合成樹脂製である。

ＸＹ平面内において、周壁部４は、環状である。ＸＹ平面内において、周壁部４の外形は、実質的に四角形である。受熱部２と放熱部３と周壁部４とによって、熱電発電装置１の内部空間１２が規定される。周壁部４は、内部空間１２に面する内面４Ｂを有する。受熱部２の内面２Ｂは、内部空間１２に面する。放熱部３の内面３Ｂは、内部空間１２に面する。熱電発電装置１の周囲の大気空間は、熱電発電装置１の外部空間である。

受熱部２、放熱部３、及び周壁部４は、内部空間１２を規定する熱電発電装置１のハウジングとして機能する。以下の説明において、受熱部２、放熱部３、及び周壁部４を適宜、ハウジング２０、と総称する。

受熱部２の内面２Ｂの周縁部と周壁部４の−Ｚ側の端面との間にシール部材１３Ａが配置される。放熱部３の内面３Ｂの周縁部と周壁部４の＋Ｚ側の端面との間にシール部材１３Ｂが配置される。シール部材１３Ａ及びシール部材１３Ｂのそれぞれは、例えばＯリングを含む。シール部材１３Ａは、内面２Ｂの周縁部に設けられた凹部に配置される。シール部材１３Ｂは、内面３Ｂの周縁部に設けられた凹部に配置される。シール部材１３Ａ及びシール部材１３Ｂにより、熱電発電装置１の外部空間の異物が内部空間１２に侵入することが抑制される。

熱電発電モジュール５は、ゼーベック効果を利用して電力を発生する。熱電発電モジュール５は、受熱部２と放熱部３との間に配置される。熱電発電モジュール５の−Ｚ側の端面５１が加熱され、熱電発電モジュール５の−Ｚ側の端面５１と＋Ｚ側の端面５２との間に温度差が与えられることによって、熱電発電モジュール５は電力を発生する。

端面５１は、−Ｚ方向を向く。端面５２は、＋Ｚ方向を向く。端面５１及び端面５２のそれぞれは、平坦である。端面５１及び端面５２のそれぞれは、ＸＹ平面と平行である。ＸＹ平面内において、熱電発電モジュール５の外形は、実質的に四角形である。

端面５２は、放熱部３の内面３Ｂに対向する。熱電発電モジュール５は、放熱部３に固定される。放熱部３と熱電発電モジュール５とは、例えば接着剤により接着される。

なお、図１に示す例においては、熱電発電モジュール５は放熱部３に接触しているが、受熱部２に接触してもよい。

蓄電部１６は、熱電発電モジュール５が発生した電力を蓄える。蓄電部１６として、キャパシタ又は二次電池が例示される。

振動センサ６は、機器Ｂの振動を検出する。振動センサ６は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する。振動センサ６は、内部空間１２に配置される。本実施形態において、振動センサ６は、受熱部２の内面２Ｂに支持される。

振動センサ６として、加速度センサ、速度センサ、及び変位センサが例示される。本実施形態において、振動センサ６は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の３つの方向における機器Ｂの振動を検出することができる。

温度センサ７は、機器Ｂの温度を検出する。温度センサ７は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する。温度センサ７は、内部空間１２に配置される。本実施形態において、温度センサ７は、放熱部３の内面３Ｂに支持される。なお、温度センサ７は、受熱部２の内面２Ｂに支持されてもよい。

マイクロコンピュータ８は、熱電発電装置１を制御する。マイクロコンピュータ８は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する。マイクロコンピュータ８は、内部空間１２に配置される。本実施形態において、マイクロコンピュータ８は、基板１１に支持される。

無線通信機９は、振動センサ６の検出データを送信する。無線通信機９は、温度センサ７の検出データを送信する。無線通信機９は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する。無線通信機９は、内部空間１２に配置される。本実施形態において、無線通信機９は、基板１１に支持される。

伝熱部材１０は、受熱部２と熱電発電モジュール５とを接続する。伝熱部材１０は、受熱部２の熱を熱電発電モジュール５に伝達する。伝熱部材１０は、アルミニウム又は銅のような金属材料によって形成される。伝熱部材１０は、Ｚ軸方向に長い棒状部材である。伝熱部材１０は、内部空間１２に配置される。

基板１１は、制御基板を含む。基板１１は、内部空間１２に配置される。基板１１は、支持部材１１Ａを介して受熱部２に接続される。基板１１は、支持部材１１Ｂを介して放熱部３に接続される。基板１１は、受熱部２及び放熱部３のそれぞれから離れるように、支持部材１１Ａ及び支持部材１１Ｂに支持される。

基板１１は、マイクロコンピュータ８を支持する。振動センサ６の検出データ及び温度センサ７の検出データは、無線通信機９により、熱電発電装置１の外部に存在する管理コンピュータ１００に送信される。

＜熱電発電モジュール＞
図２は、本実施形態に係る熱電発電モジュール５を模式的に示す斜視図である。熱電発電モジュール５は、ｐ型熱電半導体素子５Ｐと、ｎ型熱電半導体素子５Ｎと、第１電極５３と、第２電極５４と、第１基板５１Ｓと、第２基板５２Ｓとを有する。ＸＹ平面内において、ｐ型熱電半導体素子５Ｐとｎ型熱電半導体素子５Ｎとは、交互に配置される。第１電極５３は、ｐ型熱電半導体素子５Ｐ及びｎ型熱電半導体素子５Ｎのそれぞれに接続される。第２電極５４は、ｐ型熱電半導体素子５Ｐ及びｎ型熱電半導体素子５Ｎのそれぞれに接続される。ｐ型熱電半導体素子５Ｐの下面及びｎ型熱電半導体素子５Ｎの下面は、第１電極５３に接続される。ｐ型熱電半導体素子５Ｐの上面及びｎ型熱電半導体素子５Ｎの上面は、第２電極５４に接続される。第１電極５３は、第１基板５１Ｓに接続される。第２電極５４は、第２基板５２Ｓに接続される。

ｐ型熱電半導体素子５Ｐ及びｎ型熱電半導体素子５Ｎのそれぞれは、例えばＢｉＴｅ系熱電材料を含む。第１基板５１Ｓ及び第２基板５２Ｓのそれぞれは、セラミックス又はポリイミドのような電気絶縁材料によって形成される。

第１基板５１Ｓは、端面５１を有する。第２基板５２Ｓは、端面５２を有する。第１基板５１Ｓが加熱されることによって、ｐ型熱電半導体素子５Ｐ及びｎ型熱電半導体素子５Ｎのそれぞれの＋Ｚ側の端部と−Ｚ側の端部との間に温度差が与えられる。ｐ型熱電半導体素子５Ｐの＋Ｚ側の端部と−Ｚ側の端部との間に温度差が与えられると、ｐ型熱電半導体素子５Ｐにおいて正孔が移動する。ｎ型熱電半導体素子５Ｎの＋Ｚ側の端部と−Ｚ側の端部との間に温度差が与えられると、ｎ型熱電半導体素子５Ｎにおいて電子が移動する。ｐ型熱電半導体素子５Ｐとｎ型熱電半導体素子５Ｎとは第１電極５３及び第２電極５４を介して接続される。正孔と電子とによって第１電極５３と第２電極５４との間に電位差が発生する。第１電極５３と第２電極５４との間に電位差が発生することにより、熱電発電モジュール５は電力を発生する。第１電極５３にリード線５５が接続される。熱電発電モジュール５は、リード線５５を介して電力を出力する。

＜マイクロコンピュータ＞
図３は、本実施形態に係る熱電発電装置１を示すブロック図である。図３に示すように、ハウジング２０の内部空間１２に、熱電発電モジュール５、振動センサ６、温度センサ７、マイクロコンピュータ８、及び無線通信機９が配置される。

マイクロコンピュータ８は、検出データ取得部８１と、処理部８２と、変更部８３とを有する。

検出データ取得部８１は、振動センサ６の検出データを取得する。検出データ取得部８１は、温度センサ７の検出データを取得する。

処理部８２は、検出データ取得部８１により取得された振動センサ６の検出データを処理して処理データを出力する。処理データとは、検出データがデータ処理されることにより生成されるデータをいう。処理部８２は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）のような振動解析方法に基づいて、振動センサ６の検出データを処理して処理データを出力することができる。

処理部８２により生成される処理データは、振動センサ６の検出データから算出される機器Ｂの振動のピーク値、実効値、及び振動数の少なくとも一つを含む。

処理部８２は、振動センサ６の検出データを処理して、機器Ｂの振動のピーク値を算出することができる。振動のピーク値は、振動の最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを含む。振動のピーク値は、加速度のピーク値でもよいし、速度のピーク値でもよいし、変位のピーク値でもよい。

処理部８２は、振動センサ６の検出データを処理して、機器Ｂの振動の実効値（ＲＭＳ：Root Mean Square Value）を算出することができる。振動の実効値は、加速度の実効値でもよいし、速度の実効値でもよいし、変位の実効値でもよい。

処理部８２は、振動センサ６の検出データを処理して、機器Ｂの振動数を算出することができる。なお、処理部８２は、振動センサ６の検出データを処理して、振動のオーバーオール値（Overall Value）を算出してもよい。

変更部８３は、処理部８２による処理に使用する振動センサ６の検出データのサンプリング周波数を変更する。本実施形態において、検出データ取得部８１は、変更部８３により設定されたサンプリング周波数に基づいて振動センサ６から検出データを取得する。変更部８３は、検出データ取得部８１により取得される振動センサ６の検出データのサンプリング周波数を変更する。

本実施形態において、ディップスイッチのような操作装置１５がハウジング２０の外面に設けられる。なお、操作装置１５はハウジング２０の内面に設けられてもよい。作業者は、サンプリング周波数が変更されるように操作装置１５を操作することができる。変更部８３は、操作装置１５が操作されることにより生成された操作データに基づいて、サンプリング周波数を変更する。

無線通信機９は、検出データ取得部８１により取得された振動センサ６の検出データを、熱電発電装置１の外部に存在する管理コンピュータ１００に送信する。また、無線通信機９は、処理部８２により処理された検出データを示す処理データを管理コンピュータ１００に送信する。また、無線通信機９は、検出データ取得部８１により取得された温度センサ７の検出データを管理コンピュータ１００に送信する。

以下の説明においては、振動センサ６の検出データを管理コンピュータ１００に送信するモードを適宜、検出データ送信モード、と称し、処理部８２における処理により生成された処理データを管理コンピュータ１００に送信するモードを適宜、処理データ送信モード、と称する。

＜動作＞
次に、本実施形態に係る熱電発電装置１の動作の一例について説明する。熱電発電装置１は、産業施設に設けられている機器Ｂに設置される。機器Ｂの駆動において、振動センサ６は、機器Ｂの振動を検出し、温度センサ７は、機器Ｂの温度を検出する。

機器Ｂが駆動することにより、機器Ｂは発熱する。機器Ｂの熱は、受熱部２及び伝熱部材１０を介して熱電発電モジュール５に伝達される。熱を受けた熱電発電モジュール５は、発電する。振動センサ６、温度センサ７、マイクロコンピュータ８、及び無線通信機９は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する。検出データ送信モードにおいて、マイクロコンピュータ８は、振動センサ６の検出データ及び温度センサ７の検出データを、無線通信機９を介して、熱電発電装置１の外部に存在する産業施設の管理コンピュータ１００に送信する。熱電発電装置１は、産業施設の複数の機器Ｂのそれぞれに設置される。管理コンピュータ１００は、複数の熱電発電装置１のそれぞれから送信された振動センサ６の検出データ及び温度センサ７の検出データに基づいて、複数の機器Ｂの状態を監視及び管理することができる。管理コンピュータ１００は、熱電発電装置１から送信された振動センサ６の検出データ及び温度センサ７の検出データに基づいて、機器Ｂの異常の有無を診断することができる。

処理データ送信モードにおいて、マイクロコンピュータ８は、処理部８２により生成された処理データを、無線通信機９を介して、熱電発電装置１の外部に存在する産業施設の管理コンピュータ１００に送信する。管理コンピュータ１００は、複数の熱電発電装置１のそれぞれから送信された処理データに基づいて、複数の機器Ｂの状態を監視及び管理することができる。管理コンピュータ１００は、熱電発電装置１から送信された処理データに基づいて、機器Ｂの異常の有無を診断することができる。

＜検出データ送信モード＞
検出データ送信モードについて説明する。図４は、本実施形態に係る振動センサ６の検出データを示す図である。図４に示すグラフにおいて、縦軸は振動センサ６により検出された加速度を示し、横軸は時間を示す。図４に示すように、検出データ取得部８１により取得される振動センサ６の検出データのサンプリング周波数が、変更部８３により変更される。変更部８３は、サンプリング周波数を、第１サンプリング周波数及び第２サンプリング周波数の一方から他方に変更することができる。第１サンプリング周波数は、第２サンプリング周波数よりも大きい。以下の説明においては、第１サンプリング周波数が１０００Ｈｚであり、第２サンプリング周波数が１００Ｈｚであることとする。

変更部８３によりサンプリング周波数が第１サンプリング周波数（１０００Ｈｚ）に設定された場合、検出データ取得部８１は、第１サンプリング周波数で振動センサ６の検出データを取得する。これにより、検出データ取得部８１は、図４のラインＬａで示すような振動波形データを取得することができる。

変更部８３によりサンプリング周波数が第２サンプリング周波数（１００Ｈｚ）に設定された場合、検出データ取得部８１は、第２サンプリング周波数で振動センサ６の検出データを取得する。これにより、検出データ取得部８１は、図４のラインＬｂで示すような振動波形データを取得することができる。

検出データ取得部８１は、振動センサ６の検出データを第１規定時間の期間において取得する。一例として、第１規定時間は、０．１秒間である。なお、第１規定時間は、０．０１秒間以上１０秒間以下における任意の値でもよい。第１規定時間は、例えばマイクロコンピュータ８の性能に基づいて定められる。

第１規定時間が０．１秒間である場合において、第１サンプリング周波数が１０００Ｈｚである場合、検出データ取得部８１は、第１規定時間において１００点の検出データを取得する。第１規定時間が０．１秒間である場合において、第２サンプリング周波数が１００Ｈｚである場合、検出データ取得部８１は、第１規定時間において１０点の検出データを取得する。

無線通信機９は、検出データ取得部８１により取得された振動センサ６の検出データを管理コンピュータ１００に送信する。無線通信機９は、第２規定時間毎に、振動センサ６の検出データを管理コンピュータ１００に送信する。一例として、第２規定時間は、２０秒間である。なお、第２規定時間は、１０秒間以上５００秒間以下における任意の値でもよい。無線通信機９は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する。熱電発電モジュール５が発生した電力は、蓄電部１６に蓄えられる。蓄電部１６に蓄えられた電力が所定量を超えたときに、無線通信機９は、検出データを送信する。そのため、第２規定時間は、例えば熱電発電モジュール５が発生する電力に基づいて定められる。

第１サンプリング周波数で取得された検出データのデータ量は大きい。例えば通信回線のデータ通信能力により、第１サンプリング周波数で取得された検出データを熱電発電装置１から管理コンピュータ１００に円滑に送信することが困難となる可能性がある。変更部８３は、通信回線のデータ通信能力に基づいて、サンプリング周波数を第１サンプリング周波数よりも小さい第２サンプリング周波数に設定することができる。

通信回線のデータ通信能力が良好であり、第１サンプリング周波数で取得された検出データを熱電発電装置１から管理コンピュータ１００に円滑に送信することができる状況である場合、変更部８３は、サンプリング周波数を第１サンプリング周波数（１０００Ｈｚ）に設定する。これにより、データ量が大きい振動センサ６の検出データが管理コンピュータ１００に送信される。管理コンピュータ１００は、熱電発電装置１から送信された、データ量が大きい振動センサ６の検出データに基づいて、機器Ｂの異常の有無を精度良く診断することができる。

通信回線のデータ通信能力が不良であり、第１サンプリング周波数で取得された検出データを熱電発電装置１から管理コンピュータ１００に円滑に送信することが困難な状況である場合、変更部８３は、サンプリング周波数を第２サンプリング周波数（１００Ｈｚ）に設定する。これにより、データ量が小さい振動センサ６の検出データが管理コンピュータ１００に送信される。管理コンピュータ１００は、熱電発電装置１から送信された、データ量が小さい振動センサ６の検出データに基づいて、機器Ｂの異常の有無を円滑に診断することができる。

＜処理データ送信モード＞
次に、処理データ送信モードについて説明する。上述のように、処理部８２により生成される処理データは、振動のピーク値、実効値、及び振動数の少なくとも一つを含む。以下の説明においては、処理データとして、振動のピーク値を送信する例について説明する。処理データ送信モードにおいては、振動センサ６の検出データは送信されない。

処理部８２は、検出データ取得部８１により取得された振動センサ６の検出データを処理して、処理データとして振動のピーク値（最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌ）を算出することができる。無線通信機９は、処理部８２から出力された処理データである最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを管理コンピュータ１００に送信することができる。

処理部８２は、第１サンプリング周波数（１０００Ｈｚ）で取得された検出データ、及び第２サンプリング周波数（１００Ｈｚ）で取得された検出データのそれぞれから、振動の最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを算出することができる。

以下の説明において、第１サンプリング周波数（１０００Ｈｚ）で取得された検出データから算出される振動の最大値Ｐｈを適宜、最大値Ｐｈａ、と称し、最小値Ｐｌを適宜、最小値Ｐｌａ、と称する。また、第２サンプリング周波数（１００Ｈｚ）で取得された検出データから算出される振動の最大値Ｐｈを適宜、最大値Ｐｈｂ、と称し、最小値Ｐｌを適宜、最小値Ｐｌｂ、と称する。

第１サンプリング周波数で取得された検出データが処理されることにより、最大値Ｐｈａ及び最小値Ｐｌａは、高精度に算出される。第２サンプリング周波数で取得された検出データが処理されることにより、最大値Ｐｈｂ及び最小値Ｐｌｂを算出するときの処理部８２の演算負荷が緩和される。

無線通信機９は、処理部８２から出力された処理データである最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを管理コンピュータ１００に送信する。処理データ（最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌ）のデータ量は、検出データ（生データ）のデータ量よりも小さい。処理データが送信されることにより、通信回線のデータ通信能力が不良でも、無線通信機９は、熱電発電装置１から管理コンピュータ１００に処理データを円滑に送信することができる。管理コンピュータ１００は、熱電発電装置１から送信された処理データに基づいて、機器Ｂの異常の有無を診断することができる。例えば、ピーク値が予め定められている閾値を超える場合、管理コンピュータ１００は、機器Ｂに異常が発生したと診断することができる。

図４に示すように、最大値Ｐｈａと最大値Ｐｈｂとは、異なる可能性がある。同様に、最小値Ｐｌａと最小値Ｐｌｂとは、異なる可能性がある。すなわち、サンプリング周波数が小さい場合、ピーク値を高精度に算出することが困難となる可能性がある。

本実施形態において、サンプリング周波数が第２サンプリング周波数に設定された場合、検出データ取得部８１は、検出データを第１規定時間の期間において取得し、処理部８２は、第１規定時間における振動の最大値Ｐｈ_ｉ及び最小値Ｐｌ_iを算出する。

図５は、本実施形態に係る振動の最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌの算出方法を説明するための図である。図５に示すグラフにおいて、縦軸は振動センサ６により検出された加速度を示し、横軸は時間を示す。

検出データ取得部８１は、第１回目の検出データの取得処理として、振動センサ６の検出データを第２サンプリング周波数（１００Ｈｚ）で第１規定時間（０．１秒間）だけ取得する。処理部８２は、第１回目の処理データの算出処理として、第１回目の取得処理で取得された第１規定時間における振動の最大値Ｐｈ_1及び最小値Ｐｌ_1を算出する。

検出データ取得部８１は、第２回目の検出データの取得処理として、振動センサ６の検出データを第２サンプリング周波数（１００Ｈｚ）で第１規定時間（０．１秒間）だけ取得する。処理部８２は、第２回目の処理データの算出処理として、第２回目の取得処理で取得された第１規定時間における振動の最大値Ｐｈ_2及び最小値Ｐｌ_2を算出する。

検出データ取得部８１は、第ｉ回目の検出データの取得処理として、振動センサ６の検出データを第２サンプリング周波数（１００Ｈｚ）で第１規定時間（０．１秒間）だけ取得する。処理部８２は、第ｉ回目の処理データの算出処理として、第ｉ回目の取得処理で取得された第１規定時間における振動の最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_iを算出する。

検出データ取得部８１は、第Ｎ回目の検出データの取得処理として、振動センサ６の検出データを第２サンプリング周波数（１００Ｈｚ）で第１規定時間（０．１秒間）だけ取得する。処理部８２は、第Ｎ回目の処理データの算出処理として、第Ｎ回目の取得処理で取得された第１規定時間における振動の最大値Ｐｈ_N及び最小値Ｐｌ_Nを算出する。

以上のように、処理部８２は、第１規定時間における振動の最大値Ｐｈ_ｉ及び最小値Ｐｌ_iを算出する処理をＮ回（複数回）実行する。処理部８２により、Ｎ数の最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_iが算出される。処理部８２により算出されたＮ数のＮ数の最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_iが、無線通信機９から管理コンピュータ１００に送信される。

管理コンピュータ１００は、取得されたＮ数（複数）の最大値Ｐｈ_iのうち最も大きい値を、異常の有無の診断に使用する最大値Ｐｈとして決定する。管理コンピュータ１００は、Ｎ数（複数）の最小値Ｐｌ_iのうち最も小さい値を、異常の有無の診断に使用する最小値Ｐｌとして決定する。

このように、本実施形態において、処理部８２は、第２規定時間（２０秒間）において取得された振動センサ６の検出データにおける振動のピーク値（最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_i）の算出処理を複数回実行する。管理コンピュータ１００は、複数の算出処理から取得された複数のピーク値（最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_i）から、異常の有無の診断に使用するピーク値（最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌ）を決定する。

サンプリング周波数が小さい場合、第１規定時間（０．１秒間）では正確な最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを算出することが困難でも、最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_iを第１規定時間毎（０．１秒間毎）に算出する算出処理が複数回実行され、算出された複数の最大値Ｐｈ_iの中から最大値Ｐｈが決定され、複数の最小値Ｐｌ_iの中から最小値Ｐｌが決定されることにより、正確な最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを決定することができる。すなわち、最大値Ｐｈ_iの算出処理が複数回実行されることにより、複数の最大値Ｐｈ_iの中から、真の最大値と同一の最大値Ｐｈ又は真の最大値に近似する最大値Ｐｈを取得できる確率が高くなる。同様に、最小値Ｐｌ_iの算出処理が複数回実行されることにより、複数の最小値Ｐｌ_iの中から、真の最小値と同一の最小値Ｐｌ又は真の最小値に近似する最小値Ｐｌを取得できる確率が高くなる。そのため、管理コンピュータ１００は、正確な最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを決定することができる。

なお、本実施形態においては、複数の算出処理から取得された複数のピーク値（最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_i）から、異常の有無の診断に使用するピーク値（最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌ）が決定される例について説明した。上述のように、上述のように、処理部８２により生成される処理データは、振動のピーク値、実効値、及び振動数の少なくとも一つを含む。振動のピーク値、実効値、及び振動数を含む処理データから、異常の有無の診断に使用する処理データが決定されてもよい。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、熱電発電モジュール５と、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する振動センサ６と、振動センサ６の検出データを送信する無線通信機９と、を備える熱電発電装置１が機器Ｂに設置される。熱電発電モジュール５は、受熱部２と放熱部３との温度差により発電することができる。振動センサ６は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する。検出データ送信モードにおいて、無線通信機９は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動して、振動センサ６の検出データを送信する。これにより、振動センサ６と電源とを接続するケーブル又は電池を使用することなく、振動センサ６及び無線通信機９が駆動される。機器Ｂに熱電発電装置１が設置されるだけで、管理コンピュータ１００に振動センサ６の検出データが送信される。管理コンピュータ１００は、振動センサ６の検出データに基づいて、機器Ｂの異常の有無を効率良く診断することができる。産業施設に機器Ｂが複数存在する場合においても、複数の機器Ｂのそれぞれに熱電発電装置１が設置されるだけで、管理コンピュータ１００は、複数の機器Ｂのそれぞれの異常の有無を効率良く診断することができる。

マイクロコンピュータ８は、振動センサ６の検出データを処理する処理部８２を備える。処理部８２により生成された処理データのデータ量は、検出データ取得部８１により取得された検出データのデータ量よりも小さい。通信回線のデータ通信能力が不良でも、無線通信機９は、データ量が小さい処理データを管理コンピュータ１００に円滑に送信することができる。

管理コンピュータ１００に送信される処理データは、振動のピーク値（最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌ）を含む。管理コンピュータ１００は、振動の最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌに基づいて、機器Ｂの異常の有無を診断することができる。管理コンピュータ１００は、振動の最大値Ｐｈが予め定められている上限閾値を上回る場合、又は振動の最小値Ｐｌが予め定められている下限閾値を下回る場合、機器Ｂに異常が発生したと診断することができる。また、管理コンピュータ１００は、振動の実効値又は振動数に基づいて、機器Ｂの異常の有無を診断することができる。

マイクロコンピュータ８は、処理部８２による処理に使用する振動センサ６の検出データのサンプリング周波数を変更する変更部８３を備える。これにより、変更部８３は、通信回線のデータ通信能力又は処理部８２の演算負荷を考慮して、適切なサンプリング周波数を設定することができる。

処理データ送信モードにおいて、処理部８２は、第１規定時間において取得された振動センサ６の検出データにおける振動のピーク値（最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_i）の算出処理を複数回実行し、管理コンピュータ１００は、複数の算出処理から取得された複数のピーク値（最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_i）から、異常の有無の診断に使用するピーク値（最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌ）を決定する。これにより、サンプリング周波数が小さく、第１規定時間では正確な最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを算出することが困難でも、最大値Ｐｈ_i及び最小値Ｐｌ_iを算出する算出処理が複数回実行されることにより、管理コンピュータ１００は、正確な最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを決定することができる。

熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する温度センサ７が設けられ、温度センサ７の検出データが管理コンピュータ１００に送信される。これにより、管理コンピュータ１００は、振動センサ６の検出データ及び温度センサ７の検出データの両方に基づいて、機器Ｂの異常の有無を精度良く診断することができる。機器Ｂに異常が発生する場合、異常発生直後においては振動の変化のみが検出され、時間経過とともに温度の上昇が検出されることが多い。振動センサ６の検出データ及び温度センサ７の検出データの両方が取得されることにより、機器Ｂの異常の有無をより精度良く診断することができる。

熱電発電モジュール５、振動センサ６、温度センサ７、マイクロコンピュータ８、及び無線通信機９は、１つのハウジング２０に収容される。これにより、例えば振動センサ６の検出データ又は温度センサ７の検出データに対するノイズの影響が低減される。

＜変形例＞
なお、上述の実施形態において、サンプリング周波数の変更は、操作装置１５の操作に基づいて実施されることとした。サンプリング周波数の変更は、管理コンピュータ１００から送信された変更指令に基づいて実施されてもよい。無線通信機９は、管理コンピュータ１００から送信された変更指令を受信する。無線通信機９は、受信した変更指令を処理部８２に送信する。処理部８２は、変更指令に基づいて、処理に使用する検出データのサンプリング周波数を変更する。なお、管理コンピュータ１００は、サンプリング周波数を変更する変更指令のみならず、検出データの処理に係る設定を変更する種々の変更指令を出力することができる。検出データの処理に係る設定の変更は、処理部８２による処理に使用する検出データのサンプリング周波数の変更、無線通信機９と管理コンピュータ１００との間の無線通信の周波数の変更、及び無線通信機９から管理コンピュータ１００に送信される検出データの単位時間当たりの送信回数の変更の少なくとも一つを含む。

なお、管理コンピュータ１００は、１つのコンピュータにより構成されてもよいし、複数のコンピュータにより構成されてもよい。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

上述の第１実施形態においては、１つのハウジング２０に、熱電発電モジュール５、振動センサ６、温度センサ７、マイクロコンピュータ８、及び無線通信機９が収容されることとした。

図６は、本実施形態に係る熱電発電装置１を示すブロック図である。図６に示すように、熱電発電モジュール５が第１ハウジング２１に収容され、振動センサ６、温度センサ７、マイクロコンピュータ８、及び無線通信機９が第２ハウジング２２に収容されてもよい。図６に示す例において、蓄電部１６は、第１ハウジング２１と第２ハウジング２２との間に配置される。第１ハウジング２１と第２ハウジング２２とは別のハウジングである。第１ハウジング２１と第２ハウジング２２とはケーブル２３で接続される。第１ハウジング２１及び第２ハウジング２２の両方が機器Ｂに設置される。熱電発電モジュール５が発生した電力は、ケーブル２３及び蓄電部１６を介して、第２ハウジング２２に収容されている振動センサ６、温度センサ７、マイクロコンピュータ８、及び無線通信機９のそれぞれに供給される。

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図７は、本実施形態に係る振動検出システム２００を示す模式図である。図７に示すように、振動検出システム２００は、機器Ｂに設置される複数の熱電発電装置１を備える。上述の実施形態で説明したように、熱電発電装置１は、熱電発電モジュール５と、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する振動センサ６と、振動センサ６の検出データを送信する無線通信機９とを備える。無線通信機９は、振動センサ６の検出データを無線送信する。無線通信機９は、上述の実施形態で説明したような、処理データを送信することができる。また、熱電発電装置１は、温度センサ７を備える。上述の第１実施形態で説明したように、熱電発電モジュール５、振動センサ６、温度センサ７、マイクロコンピュータ８、及び無線通信機９は、１つのハウジング２０に収容されてもよい。上述の第２実施形態で説明したように、熱電発電モジュール５が第１ハウジング２１に収容され、振動センサ６、温度センサ７、マイクロコンピュータ８、及び無線通信機９が第２ハウジング２２に収容されてもよい。

機器Ｂは、産業施設に複数設けられる。機器Ｂとして、ポンプを作動させるモータが例示される。機器Ｂは、例えば下水道に利用されるポンプを作動させるモータでもよい。機器Ｂは、地下に設置されてもよい。本実施形態において、熱電発電装置１は、１つの機器Ｂに複数設置される。機器Ｂは、熱電発電装置１の熱源として機能する。

振動検出システム２００は、複数の熱電発電装置１のそれぞれから送信された振動センサ６の検出データを受信して、管理コンピュータ１００に送信する通信機２１０と、熱電発電装置１と通信機２１０とを中継する中継器２２０とを有する。中継器２２０は、複数設けられる。中継器２２０と通信機２１０とは、無線通信する。通信機２１０と管理コンピュータ１００とは、無線通信してもよいし有線通信してもよい。

機器Ｂが作動し、機器Ｂが発熱すると、受熱部２と放熱部３とに温度差が与えられる。熱電発電モジュール５は、受熱部２と放熱部３との温度差により発電することができる。振動センサ６は、熱電発電モジュール５が発生する電力により駆動する。また、熱電発電モジュール５が発生した電力は、熱電発電装置１が有する蓄電部１６に蓄えられる。蓄電部１６に蓄えられた電力が所定量を超えたときに、無線通信機９は、振動センサ６の検出データを送信する。無線通信機９は、検出データを周期的に送信する。

無線通信機９からの振動センサ６の検出データは、中継器２２０を介して通信機２１０に送信される。通信機２１０には、複数の熱電発電装置１のそれぞれから検出データが送信される。通信機２１０には、複数の熱電発電装置１のそれぞれから送信された検出データを所定のフォーマットに処理した後、管理コンピュータ１００に送信する。管理コンピュータ１００は、複数の熱電発電装置１のそれぞれから送信された振動センサ６の検出データに基づいて、複数の機器Ｂの状態を監視及び管理することができる。管理コンピュータ１００は、複数の熱電発電装置１のそれぞれから送信された振動センサ６の検出データに基づいて、機器Ｂの異常の有無を診断することができる。

複数の熱電発電装置１のそれぞれからの検出データは、通信機２１０により集約された後、管理コンピュータ１００に送信される。複数の熱電発電装置１は、独立して検出データを送信することができる。すなわち、熱電発電装置１は、他の熱電発電装置１の影響を受けることなく、検出データを送信することができる。

例えば、機器Ｂ及び熱電発電装置１が地下に存在し、通信機２１０及び管理コンピュータ１００が地上に存在する場合、中継器２２０が設けられることにより、熱電発電装置１から送信された振動センサ６は、管理コンピュータ１００に円滑に送信される。

受熱部２と放熱部３との温度差が大きいほど、熱電発電モジュール５が発生する電力は、大きくなる。すなわち、受熱部２と放熱部３との温度差が大きいほど、熱電発電モジュール５が発生する電力は、蓄電部１６に短時間で蓄えられる。そのため、受熱部２と放熱部３との温度差が大きいほど、無線通信機９が検出データを送信する周期は短くなる。機器Ｂに異常が発生した場合、機器Ｂの発熱量は大きくなる可能性が高い。すなわち、機器Ｂに異常が発生した場合、受熱部２と放熱部３との温度差が大きくなる可能性が高い。そのため、機器Ｂに異常が発生した場合、無線通信機９が検出データを送信する周期は短くなる。機器Ｂに異常が発生した場合、熱電発電装置１から管理コンピュータ１００に送信される検出データのデータ量が多くなるので、管理コンピュータ１００は、機器Ｂに異常が発生したか否かを効率良く解析することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、振動検出システム２００は、複数の機器Ｂのそれぞれに設置される複数の熱電発電装置１と、複数の熱電発電装置１のそれぞれから送信された検出データを受信して、管理コンピュータ１００に送信する通信機２１０とを備える。そのため、管理コンピュータ１００は、複数の機器Ｂの状態を監視及び管理したり、複数の機器Ｂの異常の有無を診断したりすることができる。また、熱電発電モジュール５が電源として機能し、無線通信機９は検出データを無線送信するので、例えば産業施設にケーブルを配設することなく、機器Ｂに熱電発電装置１を設置するだけで、振動センサ６の検出データを簡単に収集することができる。

［その他の実施形態］
上述の実施形態において、変更部８３は、熱電発電装置１に設けられた操作装置１５が操作されることにより、サンプリング周波数を変更することとした。管理コンピュータ１００からサンプリング周波数を変更する変更指令が変更部８３に送信されてもよい。例えば、管理コンピュータ１００に接続されている入力装置が管理者に操作されることにより、管理コンピュータ１００が変更指令を出力してもよい。入力装置として、コンピュータ用キーボード、タッチパネル、及びマウスが例示される。

上述の実施形態において、処理部８２の機能が管理コンピュータ１００に設けられてもよい。振動センサ６の検出データが無線通信機９を介して管理コンピュータ１００に送信され、管理コンピュータ１００が処理データを生成してもよい。また、管理コンピュータ１００の機能がマイクロコンピュータ８に設けられてもよい。例えば、処理部８２が、異常の有無を診断するための振動の最大値Ｐｈ及び最小値Ｐｌを算出してもよい。

１…熱電発電装置、２…受熱部、２Ａ…受熱面、２Ｂ…内面、３…放熱部、３Ａ…放熱面、３Ｂ…内面、４…周壁部、４Ｂ…内面、５…熱電発電モジュール、５Ｐ…ｐ型熱電半導体素子、５Ｎ…ｎ型熱電半導体素子、６…振動センサ、７…温度センサ、８…マイクロコンピュータ、９…無線通信機、１０…伝熱部材、１１…基板、１１Ａ…支持部材、１１Ｂ…支持部材、１２…内部空間、１３Ａ…シール部材、１３Ｂ…シール部材、１５…操作装置、１６…蓄電部、２０…ハウジング、２１…第１ハウジング、２２…第２ハウジング、２３…ケーブル、５１…端面、５１Ｓ…第１基板、５２…端面、５２Ｓ…第２基板、５３…第１電極、５４…第２電極、５５…リード線、８１…検出データ取得部、８２…処理部、８３…変更部、１００…管理コンピュータ、２００…振動検出システム、２１０…通信機、２２０…中継器、Ｂ…機器。

Claims (12)

1. 熱電発電モジュールと、
   前記熱電発電モジュールが発生する電力により駆動する振動センサと、
   前記振動センサの検出データを送信する無線通信機と、を備える、
   熱電発電装置。
2. 前記検出データを処理する処理部を備え、
   前記無線通信機は、前記処理部により処理された前記検出データを示す処理データを送信する、
   請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記処理データは、振動のピーク値、実効値、及び振動数の少なくとも一つを含む、
   請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記処理部による処理に使用する前記検出データのサンプリング周波数を変更する変更部を備える、
   請求項３に記載の熱電発電装置。
5. 前記無線通信機は、前記処理部による処理に使用する前記検出データのサンプリング周波数を変更する変更指令を受信し、
   前記処理部は、前記変更指令に基づいて、前記検出データのサンプリング周波数を変更する、
   請求項３に記載の熱電発電装置。
6. 前記処理部は、第１規定時間において取得された前記検出データにおける振動のピーク値の算出処理を複数回実行し、
   複数の前記算出処理から取得された複数の前記ピーク値から、診断に使用するピーク値が決定される、
   請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
7. 前記ピーク値、前記実効値、及び前記振動数の少なくとも一つを含む処理データから、診断に使用する処理データが決定される、
   請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
8. 前記熱電発電モジュールが発生する電力により駆動する温度センサを備え、
   前記無線通信機は、前記温度センサの検出データを送信する、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
9. 前記熱電発電モジュール、前記振動センサ、及び前記無線通信機は、１つのハウジングに収容される、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
10. 前記無線通信機は、前記処理部による検出データの処理に係る設定を変更する変更指令を受信し、
    前記処理部は、前記変更指令に基づいて、前記設定を変更し、
    前記設定の変更は、前記処理部による処理に使用する前記検出データのサンプリング周波数の変更、前記無線通信機の無線通信の周波数の変更、及び前記無線通信機から送信される前記検出データの単位時間当たりの送信回数の変更の少なくとも一つを含む、
    請求項２に記載の熱電発電装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の熱電発電装置を複数備え、
    前記複数の熱電発電装置のそれぞれから送信された前記検出データを受信して、管理コンピュータに送信する無線通信機と、を備える、
    振動検出システム。
12. 前記熱電発電装置と前記無線通信機とを中継する中継器を備える、
    請求項１１に記載の振動検出システム。

Images