(57)【要約】【課題】付着物を精度良く検出することができる付着物検出装置及び検出方法を提供する。【解決手段】金属管２内に、発熱体３及び測温体４が挿入され、該発熱体３及び測温体４と該金属管２の内面との間に充填材５が充填されてなるプローブ１と、該発熱体３への通電制御手段と、該測温体の計測温度から該金属管外面の付着物の付着判定を行う判定手段とを備える。該発熱体３への通電量を変化させた際に該測温体４で計測される温度の変化に基づいて該金属管２の外面への付着物の付着を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管内に発熱体及び測温体が挿入され、該発熱体及び測温体と該金属管の内面との間に充填材が充填されてなるプローブと、
内部に被検水が通水されるよう構成されており、この被検水と接するように該プローブが設置されたフローセルと、
を備えた付着物検出ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の付着物検出ユニットと、
該付着物検出ユニットの前記発熱体への通電制御手段と、
該付着物検出ユニットの前記測温体の計測温度から該金属管外面への付着物の付着判定を行う判定手段とを備え、
該発熱体への通電量を変化させた際に該測温体で計測される温度の変化に基づいて該金属管外面への付着物の付着を判定することを特徴とする付着物検出装置。
【請求項３】
請求項２において、前記発熱体に定電流ｉ１を所定時間ｔ１通電した後、所定時間ｔ２だけ非通電とするか、または、所定時間ｔ２だけ定電流ｉ１よりも小さい定電流ｉ２とするサイクルを繰り返し行い、該金属管外面への付着物の付着を判定することを特徴とする付着物検出装置。
【請求項４】
請求項３において、該所定時間ｔ１の開始時または該所定時間ｔ２の終期における測温体の計測温度Ｔ１と、該所定時間ｔ１の終期または該所定時間ｔ２の開始時における測温体の計測温度Ｔ２との温度差の経時変化に基づいて、該金属管外面への付着物の付着を判定することを特徴とする付着物検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、前記フローセルに被検水を定量にて通水させるためのポンプを備えたことを特徴とする付着物検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環式冷却水系などの循環水系におけるスライムやスケールの検知に好適に用いられる付着物検出ユニット及び検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却塔等の循環水中に発生する微生物によって熱交換器や配管等の壁面に形成される微生物膜厚さの増加量を検知する方法としては、ゴム板等のスライムが付着しやすい物質を循環水中に浸漬し、定期的にゴム板を引き上げて前記ゴム板に付着するSS量を計測するゴム板法がある。
【０００３】
このゴム板法の場合、前記ゴム板に付着するスライム量の値の信頼度を確保するため、複数のゴム板を循環水に浸漬し、かつ計測時の誤差を低減するために３日間浸漬してスライムの付着がある程度期待できる時点での付着量を計測しているため、最低でも判断までの期間が３日かかる。また、計測の信頼度を確保する上で、一旦引き上げたゴム板は再度計測点に戻すことがないため、経時的な付着量の変化を計測しようとした場合には、複数のゴム板を予め浸漬しておかなければならず、時間的な感覚を短くしようとする場合にはゴム板の枚数も多量となり、計測操作が煩雑となる。
【０００４】
特開昭６１−２６８０９号には、配管内や配管外部に設けた発熱部を発熱させ、配管周囲に設けられた感温部（熱伝対等）で計測した伝熱部の温度と、予め計測された配管内の流体温度から伝熱量を計測し、配管内側壁面に付着した微生物膜（スライム）や析出物（スケール）等による伝熱阻害を前記伝熱量の変化より検出する方法が記載されている。
【０００５】
この特開昭６１−２６８０９号の方法は、配管内側壁面に付着する付着物によって生じる伝熱阻害を配管管肉内部に埋め込んだ測温体の温度上昇によって検出する方法であり、経時的な観察が可能であり、付着の短時間での検出が可能な方法である。しかしながら、(1)水温を計測する計測部を別途用意する必要がある。(2)測温体を埋め込んだ特別な配管を通常の配管以外に別途用意する必要がある。(3)加熱部を前記配管内に埋め込む又は配管外部に固定し、配管側への熱供給量を安定化させるために、配管外への放熱量を一定に保つ（外気温を一定にしたり保温する等）といった操作が必要となるため、計測のための手段の準備は容易ではない。
【０００６】
特開平１０−３３２６１０号には、平板上に白金等の抵抗体をパターン状に形成したヒーターを発熱させた時の抵抗変化から、前記平板上に形成されたスライムによって阻害される放熱量の減少を、計測温度の上昇（抵抗値の増加）によって計測する方法が記載されている。この方法によれば、小型の計測部を循環水系に浸漬することができ、ゴム板法や特開昭６１−２６８０９号の方法に比べて計測操作は容易になる。しかしながら、特開平１０−３３２６１０号では、水温や水流速度を計測していないために、水温や流速の変動による放熱量の変化と、スライム付着による放熱量の変化の区別が不可能であり、前記水温や流速の変化を別途計測する手段を設ける必要があった。
【特許文献１】特開昭６１−２６８０９号
【特許文献２】特開平１０−３３２６１０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特開昭６１−２６８０９のように、ヒーターを発熱させた時の配管に埋め込んだ測温体の出力と、予め計測された配管内を流れる流体の温度から放熱量を計測する方法により、配管壁面等への付着物を常時検出することは可能である。また、特開平１０−３３２６１０号によれば、小型で特別な配管を必要としない計測手段を実現することは可能である。しかし、これらの方法は、流速による放熱量が流速変動により変化する場合、付着物による温度の変動と流速による変動との識別が困難であり、安定した計測のためには水流の影響を軽減する必要がある。特に特開平１０−３３２６１０号の計測手段を用いる場合、水の流れが直接計測手段にあたる場合は、水流速の変化の影響を直接受けることとなる。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、付着物を精度良く検出することができる付着物検出ユニット及び検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の付着物検出ユニットは、金属管内に発熱体及び測温体が挿入され、該発熱体及び測温体と該金属管の内面との間に充填材が充填されてなるプローブと、内部に被検水が通水されるよう構成されており、この被検水と接するように該プローブが設置されたフローセルとを備えたものである。
【００１０】
請求項２の付着物検出装置は、請求項１に記載の付着物検出ユニットと、該付着物検出ユニットの前記発熱体への通電制御手段と、該付着物検出ユニットの前記測温体の計測温度から該金属管外面への付着物の付着判定を行う判定手段とを備え、該発熱体への通電量を変化させた際に該測温体で計測される温度の変化に基づいて該金属管外面への付着物の付着を判定することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の付着物検出装置は、請求項２において、前記発熱体に定電流ｉ１を所定時間ｔ１通電した後、所定時間ｔ２だけ非通電とするか、または、所定時間ｔ２だけ定電流ｉ１よりも小さい定電流ｉ２とするサイクルを繰り返し行い、該金属管外面への付着物の付着を判定することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４の付着物検出装置は、請求項３において、該所定時間ｔ１の開始時または該所定時間ｔ２の終期における測温体の計測温度Ｔ１と、該所定時間ｔ１の終期または該所定時間ｔ２の開始時における測温体の計測温度Ｔ２との温度差の経時変化に基づいて、該金属管外面への付着物の付着を判定することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５の付着物検出装置は、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記フローセルに被検水を定量にて通水させるためのポンプを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の付着物検出ユニット及び装置では、金属管内部に発熱体と測温体を設置したプローブをフローセルに設置している。このフローセル内に被検水を通水してプローブと接触させ、一定時間毎に該発熱体への通電電流量を増減させる。そして、通電量をゼロとした又は少なくしたときに水温に依存した温度を計測し、また、通電量を多くしたときに発熱量に依存した温度を計測する。これにより、一つのセンサーで水温と発熱時の内部温度を計測し、これに基づいてプローブへの付着物の付着状況を検知し、水系におけるスライムの発生状況を精度よく検知することが可能となる。
【００１５】
本発明では、ポンプによってフローセルに被検水を定量的に通水させることにより、プローブからの放熱量は水の温度のみに依存するようになる。このため、通電量をゼロとした（又は少なくした）ときの、水温に依存した内部温度と、通電量を多くしたときの、発熱に依存した内部温度を計測し、この２つの温度の差を算出すれば、スライム付着による伝熱阻害により上昇する内部温度上昇を正確に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００１７】
第１図は実施の形態に係る付着物検出ユニットの断面図、第２図はこのユニットに用いられているプローブの長手方向の断面図である。
【００１８】
まず、第２図を参照してプローブの構成について説明する。このプローブ１は、基端側が開放し先端側が閉じた真鍮、ステンレス等の耐食性金属よりなる金属管２と、該金属管２内に配置した発熱体３及び測温体４と、金属管２の内周面と該発熱体３及び測温体４との間のスペースに充填された電気絶縁性かつ熱良導性の酸化マグネシウム（マグネシア）粒子などの充填材５等を有する。プローブ１の基端側はエポキシ樹脂等の樹脂６で封止されている。
【００１９】
金属管２の肉厚は０．０５〜０．５ｍｍ程度が好適である。金属管２の直径は２〜５ｍｍ程度が好適である。
【００２０】
発熱体３としては、絶縁性基板上に白金薄膜を形成したものなどが好適である。測温体４としては、熱電対やサーミスタ等が好適である。ただし、発熱体３及び測温体４としてはこれら以外のものを用いてもよい。
【００２１】
発熱体３は、金属管２の軸心部に配置されるのが好ましい。測温体４は、発熱体３と金属管２の内周面との間において金属管２の内周面と接するように設けられるのが好ましい。
【００２２】
発熱体３への通電用リード線３ａ，３ｂのうち、一方のリード線３ａはプローブ１外にまで延在し、他方のリード線３ｂは金属管２に半田付け等により接続され、金属管２を介してリード線３ｃに導通しているが、リード線３ｂもリード線３ａと同様にプローブ１外にまで延在してもよい。なお、リード線３ｃは金属管２の基端に半田付け等により接続されている。測温体４からの２本のリード線４ａ，４ｂは、プローブ１外に引き出されている。これらのリード線には絶縁被覆が施されている。
【００２３】
第１図は、このプローブ１をフローセル１１に設けた付着物検出ユニット１０の断面図である。このフローセル１１は、直管状の主管部１２と、該主管部１２の長手方向の途中から側方に突設された短管状の枝管部１３とを有する。この主管部１２の後端部から管状ホルダ１４が差し込まれており、このホルダ１４の先端に前記プローブ１が取り付けられている。プローブ１の金属管２がホルダ１４の先端からフローセル１１内に突出している。プローブ１は主管部１２内の軸心位置に配置されている。
【００２４】
このホルダ１４は、パッキン１５及びナット１６によってフローセル１１に固定されている。プローブ１の金属管２の先端は、枝管部１３よりも主管部１２の前端側（第１図の上端側）に位置している。枝管部１３にはホルダ１４が対面している。
【００２５】
枝管部１３の主管部１２と接続された側とは逆側の先端に被検水の流入口１７が設けられ、主管部１２の前端側に被検水の流出口１８が設けられている。
【００２６】
付着物検出装置は、このプローブ１の発熱体３への通電制御手段と、測温体４の出力信号を処理して付着物の付着状況の判定を行う判定手段とを有する。この付着物検出装置の回路の構成について第３図を参照して説明する。
【００２７】
この付着物検出装置は、発熱体３に電流を出力する電流出力部２１と、測温体４からの温度信号を入力してデジタル信号に変換する温度入力部２２と、温度入力部２２からの信号を入力して、測温体の温度情報に基づいて電流出力部２１が出力すべき電流値を演算すると共に、スライムの付着判定を行う演算部２３より構成される。この演算部２３はマイクロコンピュータ（μ−ＣＰＵ）や大規模集積回路（ＬＳＩ）によって構成された演算処理回路である。演算部２３は、発熱体３への通電電流値を周期的に変動させながら、測温体４からの温度データに基づき、プローブ１の表面に付着する付着物によって発生する伝熱抵抗の上昇から付着物の付着状況を判定する。
【００２８】
この付着物検出装置を用いて水系のスライム発生状況を観察するには、水系からの被検水をポンプ等によって定流速にてフローセル１１内に通水する。そして、第４図のように発熱体３にパルス状に通電を行い、測温体４の計測温度を検出し、この結果に基づいてプローブ１へのスライムの付着量を判定し、水系におけるスライムの発生状況（発生し易さ）を判定する。
【００２９】
第４図のように、発熱体３に通電を開始すると、発熱体３の発熱が測温体４に伝熱することにより、測温体４の検出温度がＴ１から上昇を開始する。測温体４の検出温度は、発熱体３からの発熱量と、プローブ１の表面からの放熱量とがバランス（平衡）するまで上昇する。
【００３０】
通電時間ｔ１を、測温体４の検出温度がほぼ平衡温度Ｔ２に達するのに十分な時間となるように選定しておく。この時間ｔ１は、予め通電試験を行って決定すればよい。ただし、ｔ１を過度に長くすると、測定のリアルタイム性が乏しくなるので、実質的に平衡温度とみなせる温度（例えば、最終的な平衡温度との差が０．１℃以内となる温度）まで昇温するのに要する時間をｔ１として設定すればよい。通常の場合、ｔ１は５〜６０秒特に５〜２０秒程度が好ましい。
【００３１】
発熱体３への通電を停止すると、プローブ１から周囲の水中に放熱することにより、測温体４の検出温度が低下し始める。通電停止時間ｔ２を、プローブ１にスライムが付着している場合でも測温体４の検出温度が周囲水温とほぼ等しい平衡温度Ｔ１に達するのに十分な時間となるように選定しておく。この時間ｔ２は、予め通電試験を行って決定すればよい。ただし、ｔ２を過度に長くすると、測定のリアルタイム性が乏しくなるので、実質的に平衡温度とみなせる温度（例えば、水温との差が０．１℃以内となる温度）まで低下するのに要する時間をｔ２として設定すればよい。通常の場合、ｔ２は２０〜３００秒特に６０〜３００秒程度が好ましい。
【００３２】
なお、第４図ではｔ２時間帯では通電量をゼロとしているが、ｔ１時間帯の通電量ｉ１に比べて微量の定電流ｉ２を通電するようにしてもよい。ただし、ｉ２＝０とするのが好ましい。
【００３３】
水系の水温が変動しない場合、プローブ１にスライムが付着していない状態では、１つの通電時間ｔ１開始前の計測温度Ｔ１と、この通電時間ｔ１末期の計測温度Ｔ２とはいずれも経時的に一定である。なお、Ｔ２とＴ１との差が５〜２０℃程度となるように発熱体３への通電量を設定するのが好ましい。
【００３４】
プローブ１にスライムが付着した状態では、通電時間ｔ１末期の計測温度Ｔ２は、プローブ１にスライムが付着してないときに比べて高い温度となる。これは、スライムによってプローブ１から水への伝熱が阻害されるからであり、詳しいメカニズムについては次に述べる。
【００３５】
従って、第４図に示すパルス通電を繰り返し行いながら温度Ｔ１，Ｔ２を経時的に測定し、Ｔ１とＴ２との差（Ｔ２−Ｔ１）の経時的変化からプローブ１へのスライムの付着の有無及び付着量を検知することができる。
【００３６】
上記の温度Ｔ１，Ｔ２からスライムの付着厚さを求める算出式は下記の数１の通りである。なお、この式は、第５図に示す伝熱モデルに基づくものである。
【００３７】
【数１】
2010101841.tif 000003
【００３８】
第５図において、Ｔｗ（水温）はＴ１である。Ｔｓ（センサ表面温度）は、センサ内部の熱伝導度がｋｆに比べて無視できる程度に小さい値であるときには、Ｔ２に等しい値とすることができる。また、Ｔｗ、Ｔｓ以外の右辺の項目は、センサの形状、発熱体の抵抗値及び通電量などより求められる定数である。
【００３９】
例えば、熱流束ｑについては、発熱体３の電気抵抗値Ｒ、発熱体３への通電電流値ｉ，発熱体３のプローブ長手方向の長さＬ、金属管２の半径ｒ１より次式に従って算出することができる。
【００４０】
【数２】
2010101841.tif 000004
【００４１】
従って、Ｔ１とＴ２を計測することにより、スライム（センサ表面付着物）の厚みを計測することができる。
【００４２】
但し、層流境膜伝熱係数を定数と見なすためには、層流境膜の厚みを一定にする必要があり、その為には定量ポンプ等によってフローセル１０内に水を定流速にて通水するのが好ましい。なお、流速を層流境膜伝熱係数の変動が無視できる速度値以上としてもよい。定量ポンプの代わりに、流量を定流量とするための制御弁などを用いてもよい。
【００４３】
第６図はこの付着物検出装置を備えた開放式循環冷却水系の系統図である。
【００４４】
冷却塔３０内の水が配管３１、ポンプ３２、配管３３、熱交換器３４及び配管３５を通って冷却塔３０に戻り、冷却塔３０のピットの水が、採取用配管３６、定量ポンプ３７を介して付着物検出ユニット１０の流入口１７からフローセル１１内に導入される。この水は、プローブ１と接触した後、流出口１８、配管３８を経てピットに返送される。このプローブ１の検出温度Ｔ１，Ｔ２によって、この循環冷却水系におけるスライム発生状況が検出される。
【実施例】
【００４５】
［センサ製作例］
直径３．０ｍｍ、肉厚０．１ｍｍ、長さ３５ｍｍのステンレス製の金属管２内の先端部に、発熱体３として、φ１．７×４．０ｍｍの金属被膜抵抗１２０Ωを設置した。また、この発熱体３に近接して、測温体４として熱電対を金属管２の内周面に接するように配置した。金属管２の内周面と発熱体３及び測温体４との間に、平均粒径約１００μｍの酸化マグネシウム粉体を充填した。金属管２の基端はエポキシ樹脂６で封じた。このプローブ１をホルダ１４の先端に取り付けた。プローブ１のホルダ１４からの突出長さは１８ｍｍである。
【００４６】
このホルダ１４を第１図のようにフローセル１１に取り付け、第３図の如く結線した。フローセル１１の主管部１２の内径は２０ｍｍ、長さは１２０ｍｍ、枝管部１３の内径は２０ｍｍ、長さは３０ｍｍ、ホルダ１４の外径は１８ｍｍである。
【００４７】
このプローブ１付きのフローセル１１を第６図のように冷却塔３０に配管及び定量ポンプ３７を介して接続し、通水量４００ｃｍ３／ｍｉｎにて通水した。この通水により、プローブ１の金属管２の表面に沿う被検水の流れは乱流となり、金属管２の表面からは均一に熱が水に伝達する。
【００４８】
プローブ１の発熱体３に対し、ｔ１＝６０ｓｅｃ，ｔ２＝６０ｓｅｃ、通電時の電流値ｉ＝４０ｍＡにて通電した。Ｔ２−Ｔ１の経時変化を第７図に示す。
【００４９】
第７図の通りＴ２−Ｔ１は０．０５℃／ｄａｙの割合で上昇した。この測定と併行して、ゴム板をピット内の冷却水に浸漬し、スライム付着量を測定したところ、スライム付着量は３日間で１０ｍｇ／ｄｍ２増加した。この結果より、Ｔ２−Ｔ１の経時変化に基づいてスライム付着量を定量的に検出可能であることが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施の形態に係る付着物検出装置のフローセルの断面図である。
【図２】実施の形態に係る付着物検出装置のプローブの断面図である。
【図３】実施の形態の回路ブロック図である。
【図４】通電パターン及び温度変化パターン図である。
【図５】管壁付近の温度分布図である。
【図６】循環冷却水系の系統図である。
【図７】測定温度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１  プローブ
２  金属管
３  発熱体
４  測温体
５  充填材
１０  付着物検出ユニット
１１  フローセル
１２  直管部
１３  枝管部
１４  ホルダ
１５  パッキン
１７  流入口
１８  流出口
３０  冷却塔
３４  熱交換器
３７  定量ポンプ
【図１】
2010101841.tif 000005
【図２】
2010101841.tif 000006
【図３】
2010101841.tif 000007
【図４】
2010101841.tif 000008
【図５】
2010101841.tif 000009
【図６】
2010101841.tif 000010
【図７】
2010101841.tif 000011