WO2016140035A1

WO2016140035A1 - 異常検出装置

Info

Publication number: WO2016140035A1
Application number: PCT/JP2016/054073
Authority: WO
Inventors: 伊藤　浩義
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2016-09-09
Also published as: JP2016161407A

Abstract

　異常検出装置（１）は、温度差によって発電する熱電素子（３）と、熱電素子（３）が発電した電力を使用する電気回路基板（１６）と、ハウジング（２）と、ハウジング蓋（４）と、熱伝導板（１４）と、放熱フィン（２２）と、アンテナ（２０）とを含む。異常検出装置（１）は、内蔵する熱電素子（３）が発電した電力を利用してアンテナ（２０）から無線送信するとともに、発電電力の状態に基づいて装置の異常を検出できる。したがって、外部電源、電源配線、通信線および温度センサなどが不要となる。これにより、電源の確保が不要でかつ設置が容易であり、簡単な構成で機器の異常検出が可能となる。

Description

異常検出装置

　この発明は、異常検出装置に関し、より特定的には温度差によって発電する発電部を含む異常検出装置に関する。

　ポンプやモータなどは、回転部分の部品（たとえば軸受など）が損傷すると、異常発熱や異常振動や異音等を発生し、最悪の場合回転不能となる。特に、水道用ポンプやコンプレッサーや風力発電用発電機，増速機などは、突発的な機能停止は避けなければならい。そこで、装置が機能停止する前に異常を検出して、早期にメンテナンスを行う必要がある。

　特開２００９－４１４６５号公報（特許文献１）は、ポンプを備え付けた状態で水中軸受の摩耗状態を検知できるポンプおよびポンプの点検方法を開示する。

特開２００９－４１４６５号公報

　上記特開２００９－４１４６５号公報では、振動計をポンプ近辺に設置し、配線で検出信号を振動計からモニタリング部に送っている。しかし、配線を引き回すことが容易でない場合もある。また、信号を無線でモニタリング部に送信することも考えられるが、振動計に無線送信部を設けたとしても、無線送信には電源が必要であり、電源を確保する必要がある。電池などを利用する場合には、長期の監視時には、電池交換なども必要となる。このように、構成が複雑になったり、メンテナンスに手間がかかったりすることがある。

　機器の異常を監視する場合には、もっと簡単な構成で異常を検出できることが好ましい。

　この発明の目的は、電源の確保が不要でかつ設置が容易であり、簡単な構成で機器の異常検出が可能な異常検出装置を提供することである。

　この発明は、要約すると、測定対象物に取り付けられ、測定対象物の異常を検出する異常検出装置であって、温度差によって発電を行なう発電部と、発電部から供給された電力を用いて通信を行なう通信部と、発電部から供給された電力を用いて通信部の制御を行なう制御部とを備える。制御部は、発電部の発電状態に基づいて、測定対象物の異常の判定を行ない、測定対象物が異常であると判定された場合に、通信部を用いて報知信号を出力する。

　好ましくは、異常検出装置は、発電部で発電された電力を蓄える蓄電素子をさらに備える。制御部は、蓄電素子の状態が第１状態に達すると、第１状態よりも蓄電量が低い第２状態になるまで蓄電素子から放電を行なうことを繰返し実行し、蓄電素子の充放電の１サイクルあたりの時間長さに基づいて、測定対象物の温度が正常であるか否かを判断する。

　より好ましくは、制御部は、蓄電素子の電圧が第１の電圧になったときには、蓄電素子の電圧が第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまで、蓄電素子の電圧を放電させる。

　より好ましくは、制御部は、蓄電素子の充放電の１サイクルあたりの時間長さが、所定範囲に入らないことが所定回数連続して発生した場合に、測定対象物の温度が異常であると判断し、通信部を用いて無線信号によって異常の発生を報知する。

　好ましくは、異常検出装置は、測定対象物の表面に一方面が接するように取り付け可能であり、他方面が発電部の一方の面に向けて配置された熱伝導板と、発電部の他方の面から放熱できるように配置された放熱フィンとをさらに備える。

　本発明によれば、温度差による発電装置の発電量に基づいて、機器に異常が発生していることを検出することが可能であるので、異常検出のために別途温度センサなどを設ける必要が無く、簡便な構成で機器の異常を検出して外部のモニタ装置に報知することができる。

本発明の実施の形態の異常検出装置の構成を示す平面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図である。電気回路基板１６に搭載される電気回路を説明するための回路ブロック図である。充電電圧の変化を説明するための波形図である。図４に示した異常検出制御を説明するためのフローチャートである。異常監視システム１００の構成の概略を示す図である。

　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

　図１は、本発明の実施の形態の異常検出装置の構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図である。図１、図２に示される異常検出装置１は、測定対象物３０の表面に取り付けられる。測定対象物３０は、代表的には、回転体を含む装置であり、水道用ポンプやコンプレッサーや風力発電用発電機，増速機などである。回転体が回転すると、摩擦や空気抵抗によって回転部に熱が発生する。異常検出装置１は、この熱を利用して、測定対象物３０の異常を検出する。

　図１、図２を参照して、異常検出装置１は、温度差によって発電する発電部６と、発電部６が発電した電力を使用する電気回路基板１６とを含む。発電部６は、低温側セラミック基板８と高温側セラミック基板１０との間に配置された熱電半導体１２からなる、熱電素子３（ペルチェ素子のゼーベック効果を利用した素子）を有する。

　異常検出装置１は、さらに、ハウジング２と、ハウジング蓋４と、熱伝導板１４と、放熱フィン２２と、アンテナ２０とを含む。

　ハウジング２は、使用状態において、測定対象物３０の表面に取り付けられる。熱伝導板１４が露出するように、ハウジング２の底面の一部には穴が設けられている。熱伝導板１４の上には、高温側セラミック基板１０が配置されている。低温側セラミック基板８の上部には放熱フィン２２が配置される。

　熱伝導板１４は、測定対象物３０の表面に一方面が接するように取り付け可能であり、他方面が発電部６の一方の面（高温側のセラミック基板１０）に向けて配置される。放熱フィン２２は、発電部６の他方の面（低温側のセラミック基板８）から放熱できるように配置される。

　放熱フィン２２は、空気中に熱を放出する。熱を空気中に放出しやすいように、ハウジング蓋４には放熱フィン２２を露出させるための穴が設けられている。

　なお、電気回路基板１６の搭載の説明の便宜のため、ハウジング蓋４の半分は、カットされた状態で示されているが、実際にはハウジング蓋４によって電気回路基板１６がおおわれている。

　図３は、電気回路基板１６に搭載される電気回路を説明するための回路ブロック図である。図３を参照して、異常検出装置１は、発電部６と電源回路２６と制御回路２７と駆動部９０と無線送信回路２８と抵抗９４とを含む。

　発電部６は、高温側と低温側の温度差によって発電するモジュールである。発電部６は、測定対象物３０と空気との間に生じる温度差によって発電を行なう。測定対象物３０は、一例では、回転体を含む装置であり、回転摩擦などによって発熱する。

　電源回路２６は、発電部６の電圧を昇圧する昇圧コンバータ８２と、発電部６で発電された電気エネルギを昇圧コンバータ８２を経由して蓄電する蓄電部８６と、蓄電部８６の電圧ＶＣを昇圧して負荷に供給する昇圧コンバータ８５とを含む。なお、蓄電部８６に使用するコンデンサは、電気二重層コンデンサを使用することができる。

　制御回路２７は、発電部６の発電状態に基づいて異常を検出する動作を制御するための制御部であって、制御プログラムが保持されるプログラム記憶部およびこのプログラム記憶部と接続され制御プログラムを実行する演算部（マイコン）とを含む。

　より具体的には、制御回路２７は、データ処理装置２７ａと、コンパレータ２７ｂとを含む。データ処理装置２７ａは、電圧ＶＣの値をデータとして取り込むためのＡ／Ｄコンバータ２７ｄと、電圧ＶＣの値の変化に関するデータを不揮発的に記憶するメモリ２７ｃとを含む。なお、Ａ／Ｄコンバータ２７ｄ、メモリ２７ｃは、データ処理装置２７ａに内蔵されていても良く、データ処理装置２７ａの外部に設けられていても良い。

　コンパレータ２７ｂは、電圧ＶＣが所定電圧に到達したことを検出すると、割り込み信号を出力する。データ処理装置２７ａは、コンパレータ２７ｂから割り込み信号を受けると、スリープ状態から起動して無線送信回路２８または抵抗９４を用いて蓄電部８６の電気エネルギを放電する。このときに、データ処理装置２７ａは、抵抗９４を用いた放電を所定回数行なった後に無線送信回路２８を駆動させて、測定対象物３０の状態を示す信号Ｓｏｕｔを離れた位置に配置されているモニタリング装置に送信する。

　駆動部９０は、無線送信回路２８と抵抗９４のいずれか一方に通電できるようにスイッチ９１，９２を含む。なお、駆動部９０と無線送信回路２８とを一つにまとめても良い。

　本実施の形態の異常検出装置は、軸受や歯車などの回転部品を内蔵する機械部品のハウジングや静止軸等に、発電部６の高温側平面を接触させ、低温側平面を大気側となる様に固定される。データ処理装置２７ａは、発電部６による発電電力を蓄積する蓄電部８６の電圧ＶＣの変化を確認する。

　図４は、蓄電部８６の充電電圧の変化を説明するための波形図である。図３、図４を参照して、蓄電部８６の電圧ＶＣが一定の値ＶＨになった時点で、抵抗９４などに放電させることで、一旦蓄電部８６の電圧ＶＣをＶＬまで低下させる。その後、発電部６は、温度差によって蓄電部８６の電圧ＶＣが再び一定の値ＶＨになるまで充電及び蓄電し、そのサイクルを繰返す。

　図４（ａ）に示したのは、温度差が小さい環境で正常時の充放電サイクルが実行された場合の電圧ＶＣの変化を示す波形である。温度差が小さいため、発電部６の発電量が小さいので、サイクルタイムｔ１は長くなる。温度差が小さい環境は、たとえば、回転体を含む測定対象物３０の温度上昇が小さい場合や、密閉空間などで周囲の空気が高温になってしまい、放熱フィン２２による放熱効果が小さい場合などが考えられる。

　図４（ｂ）に示したのは、温度差が大きい環境で正常時の充放電サイクルが実行された場合の電圧ＶＣの変化を示す波形である。温度差が大きいため、発電部６の発電量が増加するので、サイクルタイムｔ２は短くなる。たとえば、回転速度が高く、回転体を含む測定対象物３０の温度上昇が大きい場合や、周囲の空気が低温である場合などが考えられる。

　ここで、例えば測定対象物３０の軸受の回転異常が発生した場合、発熱が大きくなるため、熱電素子の高温側の温度が正常時と比較して高くなり、温度差が大きくなる。

　熱電素子両面の温度差が大きい場合と、小さい場合とを比較すると、大きい場合（図４（ｄ）に示す異常時）の方が充電電圧のサイクルタイムｔ４が短くなり、小さい場合（図４（ａ）、図４（ｂ）に示す正常時）はサイクルタイムｔ１，ｔ２は、サイクルタイムｔ４と比べると長くなる。

　そこで、ｔ２とｔ４の中間の時間をしきい値時間ｔ３に設定する。データ処理装置２７ａは、充放電サイクル時間が時間ｔ３よりも短くなると異常であると判断する。

　たとえば、データ処理装置２７ａは、充放電サイクル時間がｔ３以上であれば、測定対象物３０は正常であると判断する。一方、データ処理装置２７ａは、充放電サイクル時間がｔ３より短ければ、測定対象物３０は異常であると判断する。

　しかし、異常である場合のみモニタリング装置に報知し、正常である場合には報知しないのでは、異常検出装置の無線送信機能が正常に機能しているのかわからない場合がある。また、一度の判定で異常であるとすると、誤判定である場合も考えられる。

　したがって、図４（ｃ）に示すように、正常サイクルが所定数Ｎ（たとえば４回）連続して観測された場合には、正常である旨の信号を送信し、また、図４（ｄ）に示すように、異常サイクルが所定数Ｍ（たとえば３回）連続して観測された場合には、異常である旨の信号を送信すると良い。なお、異常情報を送信する時は、蓄電部８６の蓄電電力をより多く使用するため、抵抗９４に放電した時の低下電圧よりも低くなり、電圧ＶＬ２に電圧が低下する。

　なお、図４に示した電圧ＶＨ，ＶＬ，ＶＬ２および通信する間隔である所定数のサイクル数は、通信間隔が適切な値となるように、測定対象物に生じる温度差に基づいて適宜設定を変更可能に構成しても良い。

　図５は、図４に示した異常検出制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて図３のデータ処理装置２７ａによって実行される。

　図５を参照して、まず、データ処理装置２７ａは、ステップＳ１において、充放電サイクルを計測する。続いて、ステップＳ２において、データ処理装置２７ａは、ステップＳ１で計測した充放電サイクルが正常範囲であるか否かを判断する。正常範囲は、図４のｔ３より長い範囲であればよい。なお、全く充放電が行なわれないような異常が発生する場合も考慮して、時間ｔ１よりも十分長い判定しきい値をｔ５として、充放電サイクルｔが、ｔ３＜ｔ＜ｔ５の範囲内であれば正常と判断すると良い。

　ステップＳ２において、充放電サイクルが正常範囲内であればステップＳ３に処理が進められ、充放電サイクルが正常範囲内でなければステップＳ５に処理が進められる。

　ステップＳ３では、正常サイクルがＮ回（たとえば図４の場合にはＮ＝４）連続したか否かが判断される。ステップＳ３において、正常サイクルがＮ回連続していない場合には、ステップＳ７に処理が進められ、制御はメインルーチンに移される。一方、ステップＳ３において、正常サイクルがＮ回連続していた場合には、ステップＳ４に処理が進められ、無線送信回路２８が起動され測定対象物３０が正常である旨が無線で送信され、その後ステップＳ７に処理が進められ、制御はメインルーチンに移される。

　一方で、ステップＳ２において、充放電サイクルが正常範囲内で無いと判断された場合には、ステップＳ５に処理が進められる。ステップＳ５では、異常サイクルがＭ回連続したが否かが判断される（たとえば図４の場合にはＭ＝３）。

　ステップＳ５において、正常サイクルがＭ回連続していない場合には、ステップＳ７に処理が進められ、制御はメインルーチンに移される。一方、ステップＳ５において、異常サイクルがＭ回連続していた場合には、ステップＳ６に処理が進められ、無線送信回路２８が起動され測定対象物３０が異常である旨が無線で送信され、その後ステップＳ７に処理が進められ、制御はメインルーチンに移される。

　なお、上記の異常検出装置で検出した測定対象物の異常を、遠隔地に連絡する異常監視システムを構築することも可能である。

　図６は、異常監視システム１００の構成の概略を示す図である。図６を参照して、異常監視システム１００は、監視対象装置５００と、データ収集装置６００と、データ管理装置７００と、データ解析装置８００とを含む。監視対象装置５００には、上記した異常検出装置１が取り付けられている。

　図６に示すように、装置の異常を判定した情報は、監視対象装置５００に設置された異常検出装置の無線送信回路から発信され、必要に応じて中継基地などを経由して、データ管理装置（サーバー）７００などに記録されたりデータ解析装置８００などに伝送されたりする。

　以上説明したように、異常検出装置１は、内蔵する熱電素子３が発電した電力を利用してアンテナ２０から無線送信するとともに、発電電力の状態に基づいて装置の異常を検出できる。したがって、外部電源、電源配線、通信線および温度センサなどが不要となる。

　さらに、軸受などの異常発熱を検出して装置の異常を早期に発見することができるため、突発的な装置の停止を未然に防ぐことができ、装置の信頼性が向上する。

　以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

　１　異常検出装置、２　ハウジング、３　熱電素子、４　ハウジング蓋、６　発電部、８　低温側セラミック基板、１０　高温側セラミック基板、１２　熱電半導体、１４　熱伝導板、１６　電気回路基板、２０　アンテナ、２２　放熱フィン、２６　電源回路、２７　制御回路、２７ａ　データ処理装置、２７ｂ　コンパレータ、２７ｃ　メモリ、２７ｄ　Ａ／Ｄコンバータ、２８　無線送信回路、３０　測定対象物、８２，８５　昇圧コンバータ、８６　蓄電部、９０　駆動部、９１，９２　スイッチ、９４　抵抗、１００　異常監視システム、５００　監視対象装置、６００　データ収集装置、７００　データ管理装置、８００　データ解析装置。

Claims

　測定対象物に取り付けられ、前記測定対象物の異常を検出する異常検出装置であって、
　温度差によって発電を行なう発電部と、
　前記発電部から供給された電力を用いて通信を行なう通信部と、
　前記発電部から供給された電力を用いて前記通信部の制御を行なう制御部とを備え、前記制御部は、前記発電部の発電状態に基づいて、前記測定対象物の異常の判定を行ない、前記測定対象物が異常であると判定された場合に、前記通信部を用いて報知信号を出力する、異常検出装置。
　前記発電部で発電された電力を蓄える蓄電素子をさらに備え、
　前記制御部は、前記蓄電素子の状態が第１状態に達すると、前記第１状態よりも蓄電量が低い第２状態になるまで前記蓄電素子から放電を行なうことを繰返し実行し、前記蓄電素子の充放電の１サイクルあたりの時間長さに基づいて、前記測定対象物の温度が正常であるか否かを判断する、請求項１に記載の異常検出装置。
　前記制御部は、前記蓄電素子の電圧が第１の電圧になったときには、前記蓄電素子の電圧が前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまで、前記蓄電素子の電圧を放電させる、請求項２に記載の異常検出装置。
　前記制御部は、前記蓄電素子の充放電の１サイクルあたりの時間長さが、所定範囲に入らないことが所定回数連続して発生した場合に、前記測定対象物の温度が異常であると判断し、前記通信部を用いて無線信号によって異常の発生を報知する、請求項２に記載の異常検出装置。
　前記測定対象物の表面に一方面が接するように取り付け可能であり、他方面が前記発電部の一方の面に向けて配置された熱伝導板と、
　前記発電部の他方の面から放熱できるように配置された放熱フィンとをさらに備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の異常検出装置。