(57)【要約】【課題】腐食の発生及びスケールの形成の有無を判定することができる水質センサー及びこれを備えた冷却システムを提供することを目的としている。【解決手段】循環路において熱交換部の上流側に配置される低温側検知電極及び熱交換部の下流側に配置される高温側検知電極を有する検知電極と、検知電極から予め設定された間隔を隔てて配置される対極と、低温側検知電極又は高温側検知電極と対極との間に、周波数可変の交流電圧を印加する交流電源と、検知電極と対極との間のインピーダンス値に基づいて、循環路の腐食発生及び循環路のスケール形成の有無を判定する制御部と、を有するものである。【選択図】図１
2015212623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液媒体が流れる循環路を備え、前記循環路に熱交換部が配置される循環システムに搭載される水質センサーであって、
前記循環路において前記熱交換部の上流側に配置される低温側検知電極及び前記熱交換部の下流側に配置される高温側検知電極を有する検知電極と、
前記検知電極から予め設定された間隔を隔てて配置される対極と、
前記低温側検知電極又は前記高温側検知電極と前記対極との間に、周波数可変の交流電圧を印加する交流電源と、
前記検知電極と前記対極との間のインピーダンス値に基づいて、前記循環路の腐食発生及び前記循環路のスケール形成の有無を判定する制御部と、
を有する
ことを特徴とする水質センサー。
【請求項２】
前記制御部は、
前記交流電源の複数の周波数領域における前記インピーダンス値に基づいて、前記循環路の腐食発生及び前記循環路のスケール形成の有無を判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の水質センサー。
【請求項３】
前記制御部は、
前記交流電源の第１の周波数領域の前記インピーダンス値及び前記第１の周波数領域よりも高い第２の周波数領域の前記インピーダンス値に基づいて、前記循環路の腐食発生及び前記循環路のスケール形成を判定する
ことを特徴とする請求項２に記載の水質センサー。
【請求項４】
前記制御部は、
前記低温側検知電極と前記対極との間における前記第１の周波数領域の前記インピーダンス値に基づいて、前記腐食発生に係る溶存酸素が発生していると判定する
ことを特徴とする請求項３に記載の水質センサー。
【請求項５】
前記制御部は、
前記高温側検知電極と前記対極との間における前記第１の周波数領域の前記インピーダンス値に基づいて、前記腐食発生に係る塩化物イオン及び金属イオンのうちの少なくとも一方が発生していると判定する
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の水質センサー。
【請求項６】
前記制御部は、
前記高温側検知電極と前記対極との間における前記第２の周波数領域の前記インピーダンス値に基づいて、前記スケール形成に係る溶存二酸化炭素が発生していると判定する
ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の水質センサー。
【請求項７】
前記制御部は、
前記第１の周波数領域は、
１Ｈｚ以下の範囲であり、
前記第２の周波数領域は、
１Ｈｚより大きく、１ｋＨｚよりも小さい範囲である
ことを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の水質センサー。
【請求項８】
前記低温側検知電極と前記対極との接続と、前記高温側検知電極と前記対極との接続とを切り替える切替スイッチをさらに有する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の水質センサー。
【請求項９】
前記循環路の腐食発生及び前記循環路のスケール形成を判定する際に利用される前記インピーダンス値の閾値を設定する閾値設定部をさらに有する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の水質センサー。
【請求項１０】
被冷却体を冷却する冷却装置と、
冷却媒体を放熱する放熱器と、
前記冷却装置と前記放熱器との間を冷却媒体が循環するように前記冷却装置及び前記放熱器に接続された配管と、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の水質センサーと、
を備えた
ことを特徴とする冷却システム。
【請求項１１】
前記水質センサーの対極は、
前記冷却装置に配置され、
前記水質センサーの低温側検知電極は、
前記冷却装置に前記冷却媒体が流入する側の前記配管に、前記対極から予め設定された間隔を隔てて配置され、
前記水質センサーの高温側検知電極は、
前記冷却装置から前記冷却媒体が流出する側の前記配管に、前記対極から予め設定された間隔を隔てて配置されている
ことを特徴とする請求項１０に記載の冷却システム。
【請求項１２】
前記水質センサーの低温側検知電極は、
前記冷却装置に前記冷却媒体が流入する側の前記配管の下流側に配置され、
前記水質センサーの高温側検知電極は、
前記冷却装置から前記冷却媒体が流出する側の前記配管の上流側に配置されている
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の冷却システム。
【請求項１３】
前記配管は、
前記低温側検知電極及び前記高温側検知電極が配置された部分の径が大きくなるように形成されている
ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水質センサー及びこれを備えた冷却システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵ、ＬＳＩ、インバータなどの電子機器・パワー半導体などの被冷却体の冷却に適用する冷却装置として、水などの液体を冷却媒体に用いた水冷式冷却装置が知られている。この冷却装置は、熱伝達率の良い金属であるアルミニウムや銅を構成材料とし、冷却媒体が効率よく被冷却体と熱交換するために設計された流路を配置し、その流路の中に冷却媒体を流通させることで、被冷却体を冷却する。
【０００３】
この冷却装置をたとえば車両用電源システムに適用する場合、流れる冷却媒体には、通常は不純物混入の少ないイオン交換水とエチレングリコールなどの凝固点の低い有機溶媒を加えた不凍液からなる混合液を装置メーカー、自動車メーカー、メンテナンスメーカーなどが適用し、管理する。
【０００４】
その一方で、ユーザーが自身で冷却媒体を交換する場合があり、その際に上記イオン交換水ではなく水道水を使用する可能性がある。水道水には、塩化物イオン、金属イオンや溶存酸素などの腐食因子が含まれている。このため、ユーザーが水道水を用いた場合、この腐食因子によって冷却装置、特に冷却媒体流路を構成する金属が腐食されてしまい、流路に貫通孔が形成されてしまったり、腐食性物質が流路に析出してしまったりする。流路に貫通孔が形成されると冷却媒体が冷却装置から漏れ、また、腐食性物質が流路に析出すると冷却装置における熱伝達率の低下及び流路目詰まりに繋がる。
【０００５】
また、水道水にはカルシウムイオンや溶存二酸化炭素などのスケール形成因子も含まれている。スケール形成因子は、冷却媒体の流路の表面にて炭酸カルシウム（スケール）を形成し、流路の表面に付着する。スケールが流路に付着すると、冷却装置における熱伝達率の低下、流路の目詰まりに繋がる。
【０００６】
このように冷却媒体に水道水が使用される場合、金属で構成される流路及び冷却装置に対して液漏れ及び流路目詰りなどが発生し、冷却装置の性能低下、性能不良に繋がるため、冷却媒体の液性を適正に管理する必要がある。
【０００７】
そこで、金属材料の劣化度合いを抑制するため、金属材料と同材料の電極のインピーダンスを測定し、その電極に接する冷却媒体の液性を把握することにより、冷却媒体の腐食に関する液性変化を検知する技術が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、スケールについては、熱交換器にて温度と電気抵抗を測定することにより温度による電気抵抗特性の変化を管理することにより、熱交換器表面へのスケール形成を検知する技術が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−１０３６８７号公報
【特許文献２】特表２００９−５２８５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の技術では、鋼管材料が腐食することについては検知することができるが、スケールの形成については検知することができない。また、特許文献２に記載の技術では、鋼管材料にスケールが形成することについては検知することができるが、腐食については検知することができない。
【００１１】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、腐食の発生及びスケールの形成の有無を判定することができる水質センサー及びこれを備えた冷却システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る水質センサーは、液媒体が流れる循環路を備え、循環路に熱交換部が配置される循環システムに搭載される水質センサーであって、循環路において熱交換部の上流側に配置される低温側検知電極及び熱交換部の下流側に配置される高温側検知電極を有する検知電極と、検知電極から予め設定された間隔を隔てて配置される対極と、低温側検知電極又は高温側検知電極と対極との間に、周波数可変の交流電圧を印加する交流電源と、検知電極と対極との間のインピーダンス値に基づいて、循環路の腐食発生及び循環路のスケール形成の有無を判定する制御部と、を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る水質センサーによれば、上記構成を有しているため、腐食の発生及びスケールの形成の有無を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水質センサー及びこれを備えた冷却システムの概要構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る水質センサーの検知電極の表面における電極反応を模擬させた一般的な電気的等価回路を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るスケール形成により形成された電極表面被膜とインピーダンスの相関に係る簡易モデルを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る冷却システムの性能劣化現象の検出領域を検知電極の曝される温度と検知電極に印加する交流電圧の周波数によって整理した図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る水質センサーの診断動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１に係る検知電極のインピーダンス応答について腐食イオン混入プロセスを経時変化として示した図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る検知電極のインピーダンス応答についてカルシウムイオン及び二酸化炭素混入プロセスを経時変化として示した図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る検知電極のインピーダンス応答について酸素混入各プロセスを経時変化として示した図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る検知電極のインピーダンス応答について腐食反応とスケール形成反応に関係のない外乱因子の混入プロセスを経時変化として示した図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る高温検知電極のインピーダンス応答について鉄イオン混入プロセスを経時変化として示した図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る高温検知電極のインピーダンス応答についてカルシウムイオン及び二酸化炭素混入プロセスを経時変化として示した図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る冷却媒体の流速とスケール形成速度の相関を示したグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る検知電極を組み込んだ冷却装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る水質センサー及びこれを備えた冷却システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る水質センサー５０及びこれを備えた冷却システム１００の概要構成の一例を示す図である。
本実施の形態１に係る水質センサー５０は、腐食の発生及びスケールの形成の有無を判定することができる改良が加えられたものである。
【００１７】
＜冷却システム１００について＞
冷却システム１００は、被冷却体９を冷却する冷却装置３と、冷却装置３に接続された循環用配管６及び循環用配管８と、冷却媒体４（液媒体）を搬送するのに利用される循環ポンプ５と、循環用配管６及び循環用配管８に接続されたラジエーター７（放熱器）と、を有している。また、冷却システム１００は、冷却装置３、循環用配管８、循環ポンプ５、ラジエーター７及び循環用配管６が接続されて形成された、冷却媒体４が循環する循環路Ｆを有している。さらに、冷却システム１００は、循環路Ｆを流れる冷却媒体４に含まれる腐食因子及びスケール形成因子により、循環路Ｆに腐食が発生すること及び循環路Ｆにスケールが形成（付着）されることを検知する水質センサー５０を有している。
【００１８】
ここで、被冷却体９は、たとえば、ＣＰＵ、ＬＳＩ、インバータなどの電子機器、パワー半導体などに対応するものである。また、腐食因子とは、冷却システム１００を構成する冷却装置３などの金属材料を腐食するものであり、たとえば、塩化物イオン、溶存酸素、鉄イオン、銅イオンなどに対応するものである。また、スケール形成因子とは、冷却システム１００を構成する冷却装置３などに析出するスケールのもととなるものであり、たとえば、溶存二酸化炭素、カルシウムイオンなどに対応するものである。
【００１９】
冷却システム１００は、たとえば車両用電源システムといった冷却媒体が循環する循環系を有するシステムに用いられるものである。なお、本実施の形態１では、冷却システム１００について説明するが、それに限定されるものではなく、各種の循環システムに適用することもできる。たとえば、給湯暖房システム、空調システムなどといった熱媒体が循環する循環路を有するシステムに適用することができる。
【００２０】
水質センサー５０は、循環路Ｆに腐食が発生すること及び循環路Ｆにスケールが形成されることの両方を検知して判定することができるものである。水質センサー５０は、後述するように、電極などを有するセンサー部１と、センサー部１の電気的信号が出力されるコントローラー部２とを有している。水質センサー５０は、検知電極３０と検知電極３０に対向配置される対極１３を有し、これらの電極がたとえば、循環用配管６及び循環用配管８と冷却装置３との接続部に配置されるものである。水質センサー５０の詳細については、後述する。
【００２１】
冷却装置３を含む冷却システム１００を流れる冷却媒体４は、循環ポンプ５の駆動力により循環用配管（下流側）６を経由してラジエーター７に流れる。ラジエーター７内にて冷却媒体４は放熱操作により冷却され、温度の低い冷却媒体となり循環用配管８を経由して冷却装置３へと流れる。
【００２２】
冷却装置３の流路内に入った冷却媒体４は、冷却装置３に取り付けられた被冷却体９と熱交換することにより被冷却体９を冷却し、自身は温められて冷却装置３の出口へと流れる。温められた冷却媒体４は、再度、循環ポンプ５の駆動力により循環用配管８を経由してラジエーター７内へと送り込まれる。水質センサー５０は、この循環サイクルを運転している間に動作し、循環路Ｆの腐食発生及びスケール形成（スケール付着）の有無を判定している。なお、循環ポンプ５が停止して循環サイクルの運転が停止しているときに、水質センサー５０が循環路Ｆの腐食発生及びスケール形成の有無を判定していてもよい。
【００２３】
循環路Ｆに性能劣化因子（腐食因子及びスケール形成因子）が混入すると、水質センサー５０で算出されるインピーダンス値が変化する。そこで、水質センサー５０は、電気化学インピーダンス測定を利用して、冷却媒体４に混入した性能劣化因子に起因する、循環路Ｆの腐食発生及びスケール形成の有無を判定している。
【００２４】
なお、冷却システム１００の運転時の冷却媒体４の温度については、被冷却体９の種類によっても異なる。たとえば、車載用電源システムの場合には、通常運転では６５℃程度である。冷却装置３の入口と出口とにおける冷却媒体４の温度差は、それぞれ１５℃程度である。すなわち、冷却装置３の入口では冷却媒体４の温度が５０℃程度であり、冷却装置３の出口では冷却媒体４の温度が８０℃程度である。そして、冷却装置３内の流路では、この流路の最上流側（入口）から最下流側（出口）に向かって５０℃から８０℃程度の温度勾配を形成する。
【００２５】
＜水質センサー５０の構成＞
図１に示すように、水質センサー５０は、冷却システム１００の循環路に設置されるセンサー部１と、センサー部１の検出結果に基づいて循環路を循環する液媒体中の腐食イオン及びスケールを形成する溶存ガスの発生を判定するコントローラー部２とを有している。センサー部１とコントローラー部２とは電気的に接続されている。
【００２６】
センサー部１は、交流電源１２と、低温側検知電極１０及び高温側検知電極１１を有する検知電極３０と、検知電極３０に対向配置される電極である対極１３と、交流電源１２、検知電極３０及び対極１３などを接続するリード線１４と、低温側検知電極１０及び高温側検知電極１１の接続を切り替える切替スイッチ１５と、センサー部１の回路電流を検知する電流計２９とを有している。
そして、センサー部１は、交流電圧に対する電流応答から抵抗成分（インピーダンス）を抽出する電気化学インピーダンス測定を利用し、腐食イオン及びスケールを形成する溶存ガスなどに起因する循環路Ｆの腐食発生及びスケール発生を検知するためのものである。すなわち、センサー部１は、検知電極３０及び対極１３に対して交流電源１２の交流電圧を印加し、冷却システム１００の性能劣化と関連する検知電極３０及び対極１３の抵抗成分に係る出力をコントローラー部２に与えるものである。そして、コントローラー部２は、センサー部１からの出力に基づいてインピーダンスを演算し、循環路Ｆへの性能劣化因子の混入に起因する循環路Ｆの腐食発生及びスケール形成の有無を判定している。
【００２７】
検知電極３０は、自身の抵抗成分を含めた対極１３間におけるインピーダンスを測定するのに利用される電極である。検知電極３０は、冷却装置３の上流側に配置される低温側検知電極１０と、冷却装置３の下流側に配置される高温側検知電極１１とを有している。検知電極３０は、冷却システム１００の冷却装置３、循環用配管６及び循環用配管８に使用される金属材料と同材料から構成されている。
検知電極３０は、冷却装置３、循環用配管６及び循環用配管８に使用される金属材料に応じて銅、アルミ、ステンレス鋼などで構成するとよい。対極１３は、冷却媒体４を介して検知電極３０に電流を流すための電極である。対極１３は、検知電極３０から予め設定された間隔を隔てて対向配置されているものである。また、対極１３は、化学的安定性が高く電流が流れても腐食しにくい金属から構成されている。具体的には、対極１３は、金、白金、チタン、銅、ステンレス鋼など電気化学的に貴な（自身で化学反応を起こしにくい）金属で構成するとよい。
【００２８】
交流電源１２は、検知電極３０及び対極１３に対して交流電圧を印加するものである。交流電源１２は、たとえばインバータなどを有し、周波数が可変になっているものである。この交流電源１２は、リード線１４を介して検知電極３０及び対極１３に接続されている。交流電源１２で印加する交流電圧の値については、電圧が高いほど電流応答の感度がよくなるが、一方で電極反応が進行しやすくなるため、最適化するとよい。電流応答の感度と電極反応の進行の抑制とを両立させるためには、交流電源１２の印加電圧は、たとえば１０ｍＶ以上１００ｍＶ以下とするとよい。
【００２９】
コントローラー部２は、印加電圧検出部１６、電流検出部１７、演算部１８、閾値設定部１９、制御部２０、及び、表示部２１を有している。
印加電圧検出部１６は、交流電源１２が検知電極３０に印加した交流電圧を検出し、その電圧値を演算部１８に出力するものである。電流検出部１７は、交流電圧に対する電流応答を検出し、その電流値を演算部１８に出力するものである。演算部１８は、印加電圧検出部１６及び電流検出部１７から出力された電圧値及び電流値に基づいて、検知電極３０におけるインピーダンス値を演算するものである。
【００３０】
閾値設定部１９は、性能劣化因子が発生したとの判定に関するインピーダンス値の閾値を設定するものである。なお、この閾値については後述の「水質センサー５０の動作説明」に記載する。
【００３１】
制御部２０は、演算部１８により演算されたインピーダンス値と、閾値設定部１９から出力された冷却システム１００の性能劣化に関するインピーダンス閾値とを比較して、循環路Ｆの腐食の発生及び循環路Ｆのスケールの形成の有無を判定するものである。また、制御部２０は、この判定結果に係るデータを表示部２１に出力する。表示部２１は、制御部２０から出力されたデータに基づいて、循環路Ｆの腐食の有無及びスケールの形成の有無の判定結果を表示し、ユーザーに知らせる。
【００３２】
電流計２９は、検知電極３０、対極１３、切替スイッチ１５及びリード線１４などを有する回路に交流電圧を印加した時に回路を流れる電流を検出するためのものである。
【００３３】
＜検知電極３０上での表面反応について＞
ここでは冷却媒体４に対して性能劣化因子が混入した際の腐食反応とスケール形成反応について説明する。
本実施の形態１に係る冷却システム１００の循環用配管６及び循環用配管８を構成する金属材料には、密度、機械特性そして加工性などの観点から、たとえばアルミニウムが使用される。アルミニウムを利用して循環路Ｆの一部を構成し、その流路中を冷却媒体４が流れる場合、冷却媒体４中に循環路Ｆの性能劣化因子が混入すると腐食反応などが進行する。腐食反応の進行により、循環用配管６及び循環用配管８に貫通孔が形成され冷却媒体４が漏れる、あるいは腐食生成物が循環路Ｆ内に堆積し、結果として目詰りが生じるなどの現象により冷却システム１００の冷却性能が低下する。
【００３４】
冷却システム１００の性能劣化因子として腐食イオン、すなわち冷却装置３に接続されるラジエーター７などを構成する金属イオン（鉄イオン、銅イオン）、塩分由来の塩化物イオンが冷却媒体４中に混入し、アルミニウム表面に到達するとアルミニウムの腐食反応が進行する。
さらに、冷却媒体４中に溶存する酸素によってもアルミニウムの酸化反応、腐食反応が促進される。その腐食反応の進行速度は系の温度に依存し、高温ほど上記腐食イオンの活性度が上昇し、腐食反応の進行速度は大きくなる。その進行速度と温度相関については、以下に示すアレーニウスの反応速度式が成り立つ。
【００３５】
すなわち注目する反応の反応速度定数ｋについて、
ｋ＝Ａｅｘｐ（−Ｅａ／ＲＴ）
ここで、Ａは温度に無関係な定数である頻度因子、Ｅａは１ｍｏｌあたりの活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは温度である。
【００３６】
上記のように、腐食反応の反応速度定数は温度上昇に伴い増加する。結果として腐食反応の進行速度はアレーニウスの反応速度式にしたがって大きくなる。一方、溶存酸素濃度と温度の関係に注目する。気体である酸素の溶解度は温度上昇とともに小さくなることから、系の温度が上昇すると溶存酸素による腐食反応の進行速度は小さくなる。
【００３７】
冷却システム１００の性能劣化因子として、塩化物イオン、金属イオンなどの腐食因子による金属材料の腐食進行とともに金属材料表面へのスケール形成が挙げられる。スケールの付着は冷却媒体４中に含まれる成分のうち、溶存している二酸化炭素が系にて飽和濃度に達して気体となったときにその二酸化炭素ガス（溶存ガス）と同じく系に含まれるカルシウムイオンとが反応して、スケールが形成され成長する。このスケール形成反応についても温度依存性を有する。温度が高いほど溶存する二酸化炭素は減少するため、気体としての二酸化炭素は増加する。気体としての二酸化炭素が増加すると、カルシウムイオンと反応してスケールが形成される反応が促進される。すなわち、検知電極３０の曝される雰囲気について温度が高いほどスケール形成反応は促進される。
【００３８】
上述の腐食反応とスケール形成反応は温度によってその進行が変わるため、冷却装置３を搭載した冷却システム１００内に検知電極３０を配置する際に、温度分布を考慮しておくことは重要である。検知電極３０は冷却装置３の入口側と出口側とにそれぞれ設置されている。すなわち、低温側検知電極１０は、冷却装置３に冷却媒体４が流入する側の配管である循環用配管８の最下流側に寄るように配置されている。また、高温側検知電極１１は、冷却装置３から冷却媒体４が流出する側の配管である循環用配管６の最上流側に寄るように配置されている。冷却装置３内にて被冷却体９と熱交換するためにラジエーター７で冷やされた冷却媒体４は、冷却装置３内にて被冷却体９によって温められ冷却装置３の出口から流出する。したがって、冷却装置３内の温度と比較した際に、検知電極３０の温度を上限下限とする温度範囲内に冷却装置３の温度が収まることになる。すなわち、低温側検知電極１０の位置が、冷却システム１００内にて最も温度の低くなる部分であり、高温側検知電極１１の位置が、冷却システム１００内にて最も温度の高くなる部分である。すなわち、冷却装置３から流出したばかりの冷却媒体４の温度が一番高い。また、ラジエーター７を通過して放熱し、循環用配管８を通ってさらに放熱し、冷却装置３に流入する手前の冷却媒体４の温度が一番低い。
【００３９】
このように、検知電極３０は、腐食反応及びスケール形成反応が促進されやすい位置に配置されているため、水質センサー５０は、より高感度に冷却システム１００の腐食発生及びスケール形成の有無を検知することができるようになっている。
【００４０】
＜検知電極３０のインピーダンス応答について＞
図２は、本実施の形態１に係る水質センサー５０の検知電極３０の表面における電極反応を模擬させた一般的な電気的等価回路を示す図である。ここでは性能劣化因子混入に伴うインピーダンス応答への影響について記載する。
電気化学インピーダンス測定では、電極界面を模擬させた電気的等価回路モデルを組み立てて電極の表面状態・電極反応を評価する。図２における電気的等価回路全体のインピーダンスＺｔｏｔａｌは、以下に説明する、Ｃ、Ｒｓ、Ｒｃｔ、Ｚｗが含まれる。Ｃは電気二重層形成に関する容量であり、表面被膜に蓄えられる電荷の影響を考慮したものである。Ｒｓは溶液抵抗であり、電解液抵抗、電極の電子抵抗を考慮したものである。Ｒｃｔは電荷移動抵抗であり、電極反応のうち電子授受に関わる抵抗成分である。Ｚｗはワールブルグインピーダンスであり、電極反応のうち物質移動・拡散移動に関わる抵抗成分である。
【００４１】
図２の電気的等価回路に対して交流電圧を印加し、その電流応答からインピーダンスを検出する。この検出したインピーダンスについて、印加する角周波数ωに依存した以下の式（１）及び式（２）が成立する。
【００４２】
【数１】
2015212623.tif 000003
【００４３】
【数２】
2015212623.tif 000004
【００４４】
式（１）及び式（２）により、以下の式（３）が成立する。
【００４５】
【数３】
2015212623.tif 000005
【００４６】
この式（３）において、ω⇒∞とするとＺｔｏｔａｌはＲｓに、ω⇒０とするとＺｔｏｔａｌはＲｓ+Ｒｃｔ+Ｚｗに近づく。高周波数領域では、溶液抵抗Ｒｓに関する情報であり、印加する交流電圧の極性反転が速いために電極反応に関係のない電子抵抗がインピーダンスとして現れる。低周波数領域では、溶液抵抗に加えて電荷移動抵抗とワールブルグインピーダンスに関する情報が加わり、印加する交流電圧の極性反転が遅いために電極表面での反応、ここでは腐食反応が進行し、その進行速度が大きいほど抵抗が小さくなる。
【００４７】
そして、中周波数領域では溶液抵抗、電荷移動抵抗、ワールブルグインピーダンスの他に電気二重層形成のための容量成分に関する情報が得られ、電気二重層容量は電極表面に形成された表面被膜、ここではスケール形成反応に対応する。スケール形成による電気二重層容量の変化、それに伴うインピーダンス変化について説明する。
【００４８】
図３は、本実施の形態１に係る水質センサー５０のスケール形成により形成された電極表面被膜とインピーダンスの相関に係る簡易モデルを示す図である。図３に示す簡易モデルは、電極面積Ａの電極に対して、誘電率ε、厚みｌの誘電体で表される電極表面被膜が挟まれている。インピーダンス測定における電極表面被膜の抵抗変化は、上述の式（２）から容量成分（キャパシタンス）で表すことができ、この系のキャパシタンスについては以下の式が成り立つ。
【００４９】
【数４】
2015212623.tif 000006
【００５０】
図３に示す電極−スケール形成モデルにおいて、スケール形成様子が変化すると容量成分が変化する。具体的には、電極表面にスケールが形成され成長した場合、スケール厚みは増大し、式（４）において系のキャパシタンスＣは減少することがわかる。Ｃが減少すると、上述した式（２）、（３）においてＺｃ、Ｚｔｏｔａｌはそれぞれ増加する。すなわち、電極表面にスケールが形成され、成長すると、容量成分を表す中周波数領域のインピーダンスが増加する。
【００５１】
＜インピーダンス応答の周波数依存性・温度依存性＞
ここでは交流電圧印加時の周波数と検知電極の温度による電極表面反応、それに伴うインピーダンス応答への影響について記載する。塩化物イオンや金属イオンなどの腐食イオン混入により腐食反応が進行すると電極表面での反応抵抗が減少、上記式（１）及び式（３）の電荷移動抵抗Ｒｃｔ及びワールブルグインピーダンスＺｗが減少する。これは、低周波数領域で現れる抵抗成分であり、かつ高温ほど腐食イオンの活性度が高くなるためにその影響（抵抗の減少度合い）が大きい。冷却媒体４に酸素が溶け込んだ場合においても、腐食反応が進行すると同様に低周波数領域にて表れる反応抵抗成分が減少する。
【００５２】
酸素は高温ほど溶解度が低下するので、高温ほど冷却媒体中の酸素濃度は低く腐食反応は進みにくい。結果として、インピーダンス変化（減少度合い）は小さい。一方、冷却媒体４に含まれるカルシウムイオン及び二酸化炭素混入によりスケールが付着した場合、電極表面に炭酸カルシウムを主成分とするスケールが表面被膜として形成され、電極のインピーダンスは増加する。スケール形成反応は高温ほど促進されるため、そのインピーダンス応答も追随して増加する。
【００５３】
性能劣化因子を検知するインピーダンス応答の周波数領域について記載する。腐食因子もしくは酸素による腐食反応を検知するインピーダンス応答の「低周波数領域」としては、１Ｈｚ以下が好ましい。スケール形成を検知するインピーダンス応答の「中周波数領域」としては、１Ｈｚよりも大きく、１ｋＨｚよりも小さいことが好ましい。低周波数領域は、第１の周波数領域に対応し、中周波数領域は、第１の周波数領域よりも高い第２の周波数領域に対応している。
【００５４】
以上より、冷却システム１００の性能劣化として挙げられる腐食反応及びスケール形成は、検知電極３０の曝される温度と検知電極３０に印加する交流電圧の周波数とで区別されることがわかる。図４は、本実施の形態１に係る冷却システム１００の性能劣化現象の検出領域を検知電極３０の曝される温度と検知電極３０に印加する交流電圧の周波数によって整理した図である。
【００５５】
図４に示すように高温かつ低周波数領域では腐食因子（塩化物イオン及び金属イオンなど）による腐食反応が検出される領域、高温かつ中周波数領域ではスケール形成因子（カルシウムイオン及び溶存二酸化炭素など）によるスケール形成反応が検出される領域である。また、低温かつ低周波数領域では腐食因子（溶存酸素）による腐食反応が検出される領域である。なお、図４の低温かつ中周波数領域における外乱因子の影響については、後段の「外乱因子の影響」にて記載する。また、それぞれ検出領域の選別に注目して、水質センサー５０を制御すればよく、これらの最適化は後述の「水質センサー５０の動作説明」にて記載する。
【００５６】
＜外乱因子の影響＞
水質センサー５０では、検知電極３０に対して交流電圧を印加し、その電流応答を測定することによりインピーダンス応答を監視する。印加する交流電圧が１０〜１００ｍＶと微小であり、それに対する電流応答もμＡオーダーと微小であることから、検出されるインピーダンス応答は磁気、電界などの外乱因子の影響を受けやすい。外乱因子の影響を除去するためにノイズフィルターを回路に組み込む、遮蔽板を取り付ける、などの対策が取られるが、外乱因子の影響をより高い基準にて除去しようとするといずれの対策についても設備機器を新しく整える場合が多く、コスト上昇に繋がる。ここでは、インピーダンス応答変化について性能劣化因子の混入検知と外乱因子を選別する方法について記載する。
【００５７】
外乱因子によるインピーダンス応答の変化は、高温側検知電極１１及び低温側検知電極１０のいずれの周波数領域にも表れ、その変化は可逆的である。高温側検知電極１１の中周波数領域及び低周波数領域と、低温側検知電極１０の低周波数領域とは、それぞれ性能劣化因子の検出に使用されている。そこで、これらの領域以外の領域である、低温側検知電極１０の中周波数領域におけるインピーダンス応答の変化を利用する。低温側検知電極１０の中周波数領域におけるインピーダンス応答は、塩化物イオンなどの腐食イオン及び溶存酸素などによる腐食反応、溶存二酸化炭素などによるスケール形成反応のいずれに対しても変化せず、外乱（ノイズ）のみに応答する。
したがって、制御部２０は、低温側検知電極１０の中周波数領域にて検知したインピーダンス値の変化が経時と共に検知前の状態に復帰した場合には、外乱因子が混入したという判定をする。たとえば、予め高温側検知電極１１における低周波領域のインピーダンス応答が減少（変化）していても、制御部２０は、外乱因子に混入によるインピーダンス応答の変化のために、腐食イオンが発生しているとは判定しない。
【００５８】
＜水質センサー５０の動作説明＞
上述のように温度及び印加交流電圧の周波数によって、検知できる冷却装置３の性能劣化因子の混入と劣化現象を選別できることが分かった。さらに外乱因子によるインピーダンス応答への影響についても除去でき、上述の性能劣化因子を正確に検知できることが分かった。ここでは、各性能劣化因子混入に対して効率よく検知するための水質センサー５０の検知動作について説明する。
【００５９】
図１にて、冷却装置３入口側にはラジエーター７にて冷却された冷却媒体４が流入し、冷却装置３にて被冷却体９と熱交換し、高温となった冷却媒体４が冷却装置３出口から流出する。冷却装置３出口に取り付けられた高温側検知電極１１は低温側検知電極１０と比較すると高温となり、冷却装置３入口に取り付けられた低温側検知電極１０は高温側検知電極１１と比較すると低温となる。高温側検知電極１１では腐食イオンによる腐食とスケール形成が促進され、低温側検知電極１０では冷却媒体４への溶存酸素の溶け込み量増加により腐食が促進される。
【００６０】
上述のように配置された検知電極３０の動作について説明する。図５は、本実施の形態１に係る水質センサー５０の診断動作を示すフローチャートである。コントローラー部２は、切替スイッチ１５を制御して交流電源１２と高温側検知電極１１とが接続されるように切替スイッチ１５の接続を切り替える（ステップＳ１）。
コントローラー部２は、低周波数領域のインピーダンスに関する出力をセンサー部１より受け付ける（ステップＳ２）。次に、コントローラー部２は、中周波数数領域のインピーダンスに関する出力をセンサー部１より受け付ける（ステップＳ３）。
【００６１】
高温側検知電極１１にて各周波数領域におけるインピーダンス応答を測定した後に、コントローラー部２は、切替スイッチ１５を制御して高温側検知電極１１側から低温側検知電極１０側へ接続を切り替える（ステップＳ４）。
コントローラー部２は、低周波数領域のインピーダンスに関する出力をセンサー部１より受け付ける（ステップＳ５）。次に、コントローラー部２は、中周波数領域のインピーダンスに関する出力をセンサー部１より受け付ける（ステップＳ６）。
【００６２】
コントローラー部２は、ステップＳ２及びステップＳ３で得られた高温側検知電極１１の各周波数領域におけるインピーダンス応答のデータと、ステップＳ５及びステップＳ６で得られた低温側検知電極１０の各周波数領域におけるインピーダンス応答のデータとに基づいて表１に示すようなインピーダンス応答結果テーブルを作成する（ステップＳ７）。表１では、たとえば高温側検知電極１１についての低周波数領域のインピーダンス値が、閾値設定部１９の設定した閾値よりも低くなった場合の例を示しており、それを受けて「減少」と表示される。このインピーダンス応答結果テーブルの作成により、インピーダンス応答のデータを整理することができる。
【００６３】
【表１】
2015212623.tif 000007
【００６４】
コントローラー部２は、表１に示すインピーダンス応答結果テーブルと、表２に示す冷却システム１００の性能劣化判定テーブルとを比較し、メンテナンス作業の要否を判定する（ステップＳ８）。表２に示す性能劣化判定テーブルは、コントローラー部２に予め記憶されている。
なお、表２に示す性能劣化判定テーブルの外乱因子の列は、低温側検知電極１０の中周波数領域のインピーダンス応答が変化している場合を示している。つまり、高温側検知電極１１の低周波数及び中周波数領域と低温側検知電極１０の低周波数流域のインピーダンス応答は低温側検知電極１０の中周波数領域のインピーダンス応答に追随して変化するため、かっこ書きで記載している。
【００６５】
【表２】
2015212623.tif 000008
【００６６】
表１の例では、コントローラー部２は、インピーダンス応答結果テーブル及び性能劣化判定テーブルに基づいて、腐食の発生によりメンテナンス作業が必要であると判定する。
【００６７】
このように、水質センサー５０では、低温側検知電極１０及び高温側検知電極１１の各周波数領域におけるインピーダンス応答の変化から、塩化物イオン、金属イオンなどの腐食イオン、溶存酸素、及び溶存二酸化炭素などが循環路Ｆの冷却媒体４に混入したことに起因する腐食発生及びスケール形成の有無の判定をする。
【００６８】
コントローラー部２は、メンテナンス作業が必要であると判定すると表示部２１に表示する（ステップＳ９）。ユーザーは、これらの混入物の有無の判定から冷却媒体４の交換、冷却システム１００を構成する配管の洗浄や部品交換により冷却媒体４のメンテナンスを行えばよい。
【００６９】
さらに、これらのインピーダンス応答に変化があった際に、同時に低温側検知電極１０の中周波数領域におけるインピーダンス応答にて変化があった場合には、外乱因子の混入と判定する。先程の低温側検知電極１０及び高温側検知電極１１にて検知した性能劣化因子混入の検知と分別して液性の管理判定プロセスへと移行する。液性の管理判定後、再度切替スイッチ１５により高温側検知電極１１側の検知に移行し、上述のデータ取得、混入診断、そして液性管理判定サイクルを繰り返す。すなわち、上述したステップＳ２、ステップＳ３及びステップＳ５において、腐食発生及びスケール形成に対応するインピーダンス応答があったとしても、ステップＳ６において外乱因子の混入に対応するインピーダンス応答があった場合には、腐食発生及びスケール形成があるとの判定をせず、再度、ステップＳ１に戻って液性管理判定サイクルを繰り返す。
【００７０】
以上のように、高温側検知電極１１及び低温側検知電極１０におけるインピーダンス応答の周波数依存性を測定することにより、腐食反応及びスケール形成反応の要因となる性能劣化因子から検知に対する外乱因子を除去した上で、それぞれの因子の混入有無を診断し、その結果から冷却媒体４の液性を管理することが可能となる。
【００７１】
さらに、冷却装置３内の冷却媒体の温度は、入口側に配置された低温側検知電極１０の冷却媒体よりも高く、出口側に配置された高温側検知電極１１の冷却媒体よりも低い。温度が高いほど腐食イオンによる腐食反応及びスケール形成反応が促進され、温度が低いほど溶存酸素による腐食反応が促進されることを考慮すると、検知電極３０での反応が最も促進されている場所であり、検知電極３０よりも冷却装置３内にて性能劣化が進むことがないと考えられる。すなわち検知電極３０でのインピーダンス応答を測定すれば、冷却装置３内の性能劣化を早期に検知することができる。
【００７２】
＜各性能劣化因子及び外乱因子におけるインピーダンス応答＞
図６〜図９は、図１に示す水質センサー５０の検知電極３０にて冷却装置３に対する各性能劣化因子あるいは外乱因子が冷却媒体４に混入した際のインピーダンス応答について各プロセスを経時変化として示した図である。また、図６〜図９では、インピーダンス応答の値について、監視する４つのインピーダンス応答のうち高温側検知電極１１における中周波数領域のインピーダンス応答を１とした時の値で表している。各プロセスについて図６〜図９を用いながら説明する。
【００７３】
（腐食因子：腐食イオン）
検知電極３０の各周波数領域におけるインピーダンス応答の監視と共に冷却媒体４の循環を開始する。冷却システム１００への性能劣化因子混入がない場合、いずれのインピーダンス応答も変化がなく、一定値を示している。
【００７４】
ここで、冷却システム１００の運転に伴い、冷却装置３に対する性能劣化因子として、ラジエーター７に起因の鉄イオンあるいは塩分由来の塩化物イオンなどの腐食イオンが混入した場合に注目し、検知電極３０のインピーダンス応答の経時変化を図６に示す。これらの腐食イオンが冷却媒体４と共に冷却装置３に到達すると、高温側検知電極１１において電極表面の腐食反応が促進される。
【００７５】
高温側検知電極１１におけるインピーダンス応答の周波数依存性をコントローラー部２にて取得した際に、低周波数領域にてこの腐食反応の促進によるインピーダンス値の低下を検知する。水質センサー５０では、このインピーダンス値の減少をもって、腐食発生を検知する。
さらに、中周波数領域、並びに、切替スイッチ１５にて低温側検知電極１０側での監視に切り替えた後に低温側検知電極１０におけるインピーダンス応答の低周波数領域、中周波数領域いずれにおいても運転初期からの変化は検出されず、鉄イオンあるいは塩化物イオンによる腐食反応が発生していることを表示部２１に出力する。この表示に基づいて冷却媒体の液性を管理、たとえば交換を行えばよい。
【００７６】
なお、検知するインピーダンスの低下度合の閾値としては、初期値に対して５％以上であることが好ましく、１０％以上であればなお好ましい。さらに測定する時間間隔としては、連続的に測定を行う場合と冷却システム１００のメンテナンス時期を考慮した定期的な測定を行う場合が挙げられる。それぞれの取得データについて図６に実線及び丸印によるプロットで示す。いずれの場合も腐食因子混入時期を検出できることがわかる。
【００７７】
（スケール形成因子：カルシウムイオンなど）
次に、冷却システム１００の運転に伴い、冷却装置３に対する性能劣化因子として、カルシウムイオン及び二酸化炭素が混入した場合に注目し、検知電極３０のインピーダンス応答の経時変化を図７に示す。カルシウムイオン及び二酸化炭素が冷却媒体４と共に冷却装置３に到達すると、高温側検知電極１１の表面に炭酸カルシウムを主成分とするスケール形成反応が進行し、さらに、高温側検知電極１１が高温に曝されることによりその反応が促進される。インピーダンス応答としては中周波数領域にてその容量成分が減少するために結果として増加する。水質センサー５０では、このインピーダンス増加をもって、スケール形成を検知する。
【００７８】
さらに低周波数領域、並びに、切替スイッチ１５にて低温側検知電極１０側での監視に切り替えた後に低温側検知電極１０におけるインピーダンス応答の低周波数領域、中周波数領域いずれにおいても運転初期からの変化は検出されず、カルシウムイオン及び二酸化炭素混入によるスケール形成反応が進行していることを表示部２１に出力する。この表示に基づいて冷却媒体４の液性を管理、たとえば交換を行えばよい。
【００７９】
なお、検知するインピーダンスの増加度合の閾値としては、初期値に対して５％以上であることが好ましく、１０％以上であればなお好ましい。先ほど同様、測定間隔について、連続測定の場合を実線、定期的に測定の場合を丸印プロットにて図７に示す。いずれの場合もスケール形成因子の混入時期を検出できることがわかる。
【００８０】
（腐食因子：酸素）
次に、冷却システム１００の運転に伴い、冷却装置３に対する性能劣化因子として冷却システム１００を構成する金属の腐食因子である酸素が混入した場合に注目し、検知電極３０のインピーダンス応答の経時変化を図８に示す。冷却媒体４中の溶存酸素が冷却装置３に到達すると低温側検知電極１０において電極表面の腐食反応が促進される。
【００８１】
したがって、高温側検知電極１１におけるインピーダンス応答では運転初期と比較して低周波数領域、中周波数領域ともに変化がない。しかし、切替スイッチ１５により切り替えられた低温側検知電極１０側におけるインピーダンス応答では、低周波数領域にて減少することがわかる。中周波数領域では高温側検知電極１１同様、変化が認められない。
【００８２】
以上より、コントローラー部２では、酸素の混入があると判定し、表示部２１にその旨を表示する。この判定もしくは表示に基づいて冷却媒体４の液性を管理、たとえば液の交換あるいは脱気を行えばよい。なお、検知するインピーダンスの低下度合の閾値としては、初期値に対して５％以上であることが好ましく、１０％以上であればなお好ましい。先ほど同様、測定間隔について、連続測定の場合実線、定期的に測定の場合を丸印プロットにて図８に示す。いずれの場合もスケール形成因子の混入時期を検出できることがわかる。
【００８３】
（外乱因子）
冷却システム１００の性能劣化因子としては以上であるが、性能劣化因子とは関係のない外乱因子についても留意する必要がある。たとえば、冷却システム１００の傍にて大電流を取り扱う装置が稼働した場合、あるいは熱源があった場合に、それらが発する電磁気、熱によって検知電極３０のインピーダンス応答は変化する。この電磁気、熱などによるインピーダンス応答に基づいて腐食発生の検知をしてしまうと、誤検知に繋がる。
【００８４】
ここでは、性能劣化因子とは関係のない外乱因子が検知電極３０のインピーダンス応答に影響を与える場合について注目し、検知電極３０のインピーダンス応答の経時変化を図９に示す。冷却装置３の性能劣化因子と関係のない外乱因子が検知電極３０に到達した場合、検知電極３０におけるインピーダンス応答の低周波数領域、中周波数領域いずれにも変化を同じ値だけ影響を及ぼし、外乱因子到達前の状態に復帰する。これらをコントローラー部２にて監視し、外乱因子の混入と診断し、性能劣化因子と区別する。
【００８５】
診断プロセスとしては、高温側検知電極１１におけるインピーダンス応答の周波数依存性取得時に低周波数領域もしくは中周波数領域のインピーダンス変化を検知した際に、切替スイッチ１５により、低温側検知電極１０でのインピーダンス応答の監視へと移行する。同様に、コントローラー部２は、インピーダンス応答の変化が中周波数領域にてあると判定すれば、外乱因子の混入と診断し、表示部２１に出力する。
【００８６】
この場合は、性能劣化因子の混入ではないので冷却媒体４の液性を管理せず、検知電極３０におけるインピーダンス応答の測定を続ければよい。外乱因子の場合の測定間隔としてはその応答が可逆的であるため、連続測定ではその変化をそのまま検知することが可能であるが、メンテナンスなどで定期的に測定する場合、１回の測定では定常状態からの変化を検知することはできない。
【００８７】
メンテナンス時にその場で２回以上好ましくは３回以上、さらに好ましくは一定時間連続的に測定することにより定常状態と変化した状態を比較することによって外乱因子の混入を検知する。図９に連続測定の場合を実線にて、定期的に測定 （メンテナンス時にその場で３回測定）の場合を丸印プロットにて示す。いずれの場合も外乱因子の混入時期を検出できることがわかる。
【００８８】
実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１と共通する構成については同一符号を付し、相違点について中心に説明する。実施の形態２では、低周波数領域を１Ｈｚ以下とし、中周波数領域を１Ｈｚよりも大きく、１ｋＨｚよりも小さいことが好ましいことについて調査した結果を説明する。
【００８９】
実施の形態１で説明したように、腐食因子もしくは酸素による腐食反応を検知するインピーダンス応答の「低周波数領域」としては、１Ｈｚ以下が好ましい。スケール形成を検知するインピーダンス応答の「中周波数領域」としては、１Ｈｚよりも大きく、１ｋＨｚよりも小さいことが好ましい。なお、水質センサー５０の構成については実施の形態１における図１と同じであるので図１を用いて説明する。
【００９０】
検知電極３０のインピーダンス応答が変化する場合としては、まず冷却システム１００における性能劣化現象として溶存酸素による腐食反応と、塩化物イオン及び金属イオンなどの腐食イオンによる腐食反応と、溶存二酸化炭素及びカルシウムイオンによるスケール形成反応とが挙げられる。また、検知電極３０のインピーダンス応答が変化する場合としては、性能劣化現象とは関係のない外乱因子によるものが挙げられる。このように、検知電極３０のインピーダンス応答が変化する場合としては、４つの反応、因子が挙げられる。
【００９１】
このうち性能劣化現象とは関係のない外乱因子は可逆的であり、いずれの周波数にも同じように影響するものであり、周波数によるインピーダンス応答に特有の影響を与えないため、今回の調査の対象からは外すこととした。また、溶存酸素による腐食反応と腐食イオンによる腐食反応は要因は異なっていても電極の腐食反応であることには変わりなく、いずれも低周波数領域のインピーダンス応答にて同様の変化を示す。
すなわち、インピーダンス応答の周波数依存性を考える場合、これらの反応は同じ反応として考慮することができる。以上より、ここではインピーダンス応答の周波数依存性を調査するにあたり、腐食反応とスケール形成反応に対するインピーダンス応答を考慮する。
【００９２】
腐食反応によるインピーダンス応答変化は上述のとおり、低周波数領域において顕著となる。高温側検知電極１１にて意図的に金属イオンとして鉄イオンを混入させた後のインピーダンス応答の周波数依存性を図１０に示す。図のインピーダンス値（縦軸）については、混入前を１００としたときの値としている。図１０より、２Ｈｚ以上のインピーダンス応答では鉄イオンを混入させても変化はほとんどなく、検知時期を検出することができなかったのに対して、１Ｈｚ以下になるとインピーダンス応答が減少している様子を確認した。
【００９３】
この減少度は周波数が小さくなるほど顕著となり、低周波数化は検知精度の向上につながるが、一方で周波数が小さくなるとその逆数である周期は長くなる、すなわち計測に費やす時間が長くなる。周波数の最適化にあたっては、検知精度と計測時間を両立することが好ましく、具体的な周波数範囲としては、０．１Ｈｚ以上、１Ｈｚ以下であることが好ましい。
【００９４】
スケール形成反応によるインピーダンス応答変化は上述のとおり中周波数領域において顕著となる。低温側検知電極１０にて意図的にカルシウムイオン及び二酸化炭素を混入させた後のインピーダンス応答の周波数依存性を図１１に示す。
図１１のインピーダンス応答（縦軸）については、混入前のインピーダンス値を１００としたときの値としている。図１１より、１ｋＨｚ以上あるいは１Ｈｚ以下のインピーダンス応答では二酸化炭素を混入させても変化はほとんどなく、カルシウムイオン及び二酸化炭素混入時期を明確に検知することができなかった。一方、１Ｈｚより大きく、１ｋＨｚより小さい領域でのインピーダンス応答の変化により混入時期を検知できることがわかった。この増加度については、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下にてより顕著となった。
【００９５】
このように、水質センサー５０では、低周波数領域が１Ｈｚ以下に設定され、中周波数領域が１Ｈｚよりも大きく、１ｋＨｚよりも小さく設定されているため、腐食発生及びスケール形成を高精度に検知することができる。
【００９６】
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１、２と共通する構成については同一符号を付し、相違点について中心に説明する。実施の形態１では、低温側検知電極１０は、循環用配管８の最下流側に寄るように配置され、高温側検知電極１１は、循環用配管６の最上流側に寄るように配置されているため、腐食反応などが促進されていた。本実施の形態３では、冷却システム１００Ａの循環用配管６Ａ及び循環用配管８Ａのうちの検知電極３０Ａが配置されている部分の径を大きくしている。これにより、さらに腐食反応及びスケール形成反応を促進させ、腐食発生及びスケール形成について早期の発見を実現できるようになっている。また、径を大きくした分、検知電極３０Ａの大きさも検知電極３０より大きくしている。
【００９７】
冷却装置３内を流れる冷却媒体４の流速が性能劣化に繋がる腐食反応とスケール形成反応の反応速度に影響を及ぼす。冷却媒体の流速とスケール形成速度との相関についてまとめたグラフを図１２に示す。図１２より、冷却媒体の流速が小さいほどその反応速度は大きいことが分かる。
【００９８】
この特性を生かすため、本実施の形態３に係る水質センサー５０Ａでは、循環用配管６Ａ及び循環用配管８Ａのうちの検知電極３０を設置する配管部の断面積（管径）を大きくする。すなわち、本実施の形態３に係る冷却システム１００Ａの水質センサー５０Ａでは、検知電極３０Ａを配置する配管部の断面積を大きくし、検知電極３０Ａにてより腐食反応及びスケール形成反応を促進させているものである。図１３に示すように、循環用配管６Ａ及び循環用配管８Ａのうちの検知電極３０Ａが配置されている部分の断面積は、その他の部分の断面積よりも大きくなっており、その分、冷却媒体の流速は小さくなる。
【００９９】
図１２からもわかるように、流速が小さいほど腐食反応及びスケール形成反応の反応速度は大きくなるため、早期に冷却システム１００Ａの性能劣化を検知電極３０Ａにて判定することができる。循環用配管６Ａ及び循環用配管８Ａのうちの検知電極３０Ａが配置されている部分の断面積の大きさについては、その他の部分よりも大きければ大きいほど冷却媒体４の流速を小さくすることができるため、装置設計との兼ね合いからその大きさを決定するとよい。
【０１００】
実施の形態４.
図１に示す水質センサー５０により冷却システム１００において適正に液性を管理することが可能である。本実施の形態４では、車両用電源システムの運転モードにおける温度サイクルと起動停止の組み合わせを模擬した循環試験を実施し、その効果を検証する。
以下に循環試験の詳細について説明する。本実施の形態に係る水質センサー５０及びそれを搭載した冷却システム１００については、実施の形態１における図１と同様であるので図１を用いて説明する。
【０１０１】
図１においてラジエーター７は放熱部すなわち冷却部であり、被冷却体９は熱源であることから、冷却システム１００の稼働時には、冷却媒体４は系内の場所によって温度分布を持つ。被冷却体９を搭載する冷却装置３に対して、循環用配管（下流側）６に取り付けられた高温側検知電極１１では冷却システム１００の中で最も高温となり、循環用配管（上流側）８に取り付けられた低温側検知電極１０では冷却システム１００の中で最も低温となる。
【０１０２】
また、熱源となる冷却装置３の中心部近傍及び冷却部となるラジエーター７の中心部近傍の冷却媒体４温度はどちらも両検知電極温度の中間値を取ることになる。本実施の形態４に係る循環系では冷却装置３の中心部近傍及びラジエーター７の中心部近傍での冷却媒体４温度は６５℃、高温側検知電極１１における冷却媒体４温度は８０℃、低温側検知電極１０における冷却媒体４温度は５０℃となった。
【０１０３】
一方、冷却システム１００の停止時は被冷却体９及びラジエーター７においても熱の授受はなく、結果として、冷却システム１００における冷却媒体４温度はどの場所においても均一となり外気温に等しくなる。本実施の形態に係る冷却システム１００停止時において、冷却媒体４温度はどの場所においても均一で２０℃となった。
【０１０４】
このように冷却システム１００の起動と停止により、各場所における冷却媒体４温度が変化することが分かる。本実施の形態４に係る車両用電源システムの運転モードにおける起動停止組み合わせを模擬した循環試験として、冷却システム１００の起動時間を８時間、停止時間を１６時間とした起動停止サイクルを２０００サイクル実施し、水質センサー５０を起動させた場合と起動させない場合をそれぞれ比較してその機能について確認した。
【０１０５】
水質センサー５０を起動させた場合については、センサーが腐食因子混入を検知した際に冷却媒体４を交換する操作をメンテナンスとして組み込んだ。起動させない場合については、交換操作なしにて対応した。冷却媒体４としては、脱気させた水道水模擬水を使用した。
【０１０６】
その結果、水質センサー５０を起動させない場合については２５０サイクル過ぎた時点で循環ポンプ５が機能しなくなり、冷却システム１００の運転が停止した。冷却システム１００停止後の系内を調査した結果、低温側検知電極１０及びその近傍の配管表面にてスケール形成により流路が閉塞している様子を確認した。また、高温側検知電極１１にて貫通には至っていないが塩化物イオン及び金属イオンが付着したことによる局部腐食が発生していることを確認した。（図示せず）一方、水質センサー５０を起動させた場合、２０００サイクル経過後についても循環試験が止まることなく、また腐食による水漏れもなく良好に運転が継続されている様子を確認した。以上より、水質センサー５０を起動させることにより冷却媒体４の液性が適正に管理されていることが確認できた。
【０１０７】
実施の形態５.
本実施の形態５では、実施の形態１、２で説明した冷却システム１００を車両用電源システムに適用し、水質センサー５０を実際に起動させて、その性能劣化抑制効果について調べた。具体的な動作を以下に記載する。
【０１０８】
車両用電源システムにて水質センサー５０を起動させるにあたって、自動車整備工場などで車両外部に配置した測定装置により検知電極のインピーダンスを測定する場合と車両に測定装置を組み込んで検査頻度を高める場合を考える。
【０１０９】
前者の場合、自動車の定期点検にて中周波数及び低周波数の交流電圧を印加し、その電流応答を検知し、その印加電圧と電流応答からインピーダンスを算出しデータとして集積できる測定装置を検知電極３０及び切替スイッチ１５に接続することによって冷却システム１００の性能劣化診断を行う。
【０１１０】
後者の場合、水質センサー５０及びコントローラー部２は自動車制御部、たとえばＩＰＵなどの制御コンピューターに交流電源１２及びコントローラー部２を組み込んだ形とする。この場合は、制御部２０にて、常時インピーダンス応答データの取得が可能であるので、運転パネル部などに警告表示機能を搭載すればより精度の高いメンテナンスが可能となる。
【０１１１】
以上、水質センサー５０を起動させて冷却媒体４の液性を管理した結果、冷却システム１００を開放して溶存酸素を混入させる、塩化物イオン及び金属イオンを混入させる、二酸化炭素を混入させるといった操作を行うと、水質センサー５０が正常に機能し、冷却装置３の性能劣化を抑制するために冷却媒体４の液性を管理できることを確認した。
【符号の説明】
【０１１２】
１  センサー部、２  コントローラー部、３  冷却装置、４  冷却媒体、５  循環ポンプ、６  循環用配管、６Ａ  循環用配管、７  ラジエーター、８  循環用配管、８Ａ  循環用配管、９  被冷却体、１０  低温側検知電極、１１  高温側検知電極、１２  交流電源、１３  対極、１４  リード線、１５  切替スイッチ、１６  印加電圧検出部、１７  電流検出部、１８  演算部、１９  閾値設定部、２０  制御部、２１  表示部、３０  検知電極、３０Ａ  検知電極、５０  水質センサー、５０Ａ  水質センサー、１００  冷却システム、１００Ａ  冷却システム、Ａ  電極面積、Ｃ  キャパシタンス、Ｆ  循環路、Ｒｃｔ  電荷移動抵抗、Ｒｓ  溶液抵抗、Ｚｔｏｔａｌ  インピーダンス、Ｚｗ  ワールブルグインピーダンス、ｋ  反応速度定数、ｌ  厚み、ε  誘電率、ω  角周波数。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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