(57)【要約】  異物検知装置は、配管に取り付けられ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子と、電気機械変換素子のインピーダンスを測定して、配管の内部に異物が付着したことを検知する異物検知部と、を備え、異物検知部は、電気機械変換素子に電力を供給し、電気機械変換素子を振動させる電源と、電源から電力が供給されたときに電気機械変換素子にかかる素子電圧を測定する電圧測定部と、電源から電力が供給されたときに電気機械変換素子に流れる素子電流を測定する電流測定部と、素子電圧と、素子電流とに基づいて、インピーダンスを演算するインピーダンス演算部と、インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスに基づいて、配管の内部に異物が付着したことを検知する検知部と、を有する。
2016199471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管に取り付けられ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子のインピーダンスを測定して、前記配管の内部に異物が付着したことを検知する異物検知部と、を備え、
前記異物検知部は、
前記電気機械変換素子に電力を供給し、前記電気機械変換素子を振動させる電源と、
前記電源から電力が供給されたときに前記電気機械変換素子にかかる素子電圧を測定する電圧測定部と、
前記電源から電力が供給されたときに前記電気機械変換素子に流れる素子電流を測定する電流測定部と、
前記素子電圧と、前記素子電流とに基づいて、前記インピーダンスを演算するインピーダンス演算部と、
前記インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスに基づいて、前記配管の内部に異物が付着したことを検知する検知部と、を有する
異物検知装置。
【請求項２】
前記異物検知部は、
前記電圧測定部において測定された素子電圧と前記電流測定部において測定された素子電流との位相差を測定する位相測定部を更に有し、
前記インピーダンス演算部は、
前記素子電圧と、前記素子電流と、前記位相測定部において測定された位相差とに基づいて、前記インピーダンスを演算するものである請求項１記載の異物検知装置。
【請求項３】
前記異物検知部は、
前記インピーダンスの変化量と前記異物の付着量との関係を示すテーブルを記憶する記憶部と、
前記インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスの変化量と、前記記憶部に記憶された前記テーブルとを照合して、前記異物の付着量を検知する照合部と、を有するものである請求項１又は２記載の異物検知装置。
【請求項４】
前記異物検知部は、
前記電気機械変換素子の温度を測定する温度測定部を更に有し、
前記記憶部は、
前記温度測定部において測定された温度毎に、前記インピーダンスの変化量と前記異物の付着量との関係を示すテーブルを記憶するものであり、
前記照合部は、
前記インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスの変化量と、前記記憶部に記憶された前記テーブルとを照合して、前記異物の付着量を検知するものである請求項３記載の異物検知装置。
【請求項５】
前記電気機械変換素子として、圧電素子が用いられる請求項１〜４のいずれか１項に記載の異物検知装置。
【請求項６】
前記電源は、
前記電気機械変換素子を、振動周波数が共振周波数の状態で駆動させるものである請求項５記載の異物検知装置。
【請求項７】
前記電源は、
前記電気機械変換素子を、前記振動周波数が複数の共振周波数のうち最も低い共振周波数の状態で駆動させるものである請求項６記載の異物検知装置。
【請求項８】
前記インピーダンス演算部は、
前記電気機械変換素子のインピーダンス測定結果に基づいて、前記電気機械変換素子の共振周波数を測定するものである請求項６又は７記載の異物検知装置。
【請求項９】
前記電源は、
前記電気機械変換素子を、振動周波数が反共振周波数の状態で駆動させるものである請求項５記載の異物検知装置。
【請求項１０】
前記電源は、
前記電気機械変換素子を、前記振動周波数が複数の反共振周波数のうち最も低い反共振周波数の状態で駆動させるものである請求項９記載の異物検知装置。
【請求項１１】
前記インピーダンス演算部は、
前記電気機械変換素子のインピーダンス測定結果に基づいて、前記電気機械変換素子の反共振周波数を測定するものである請求項９又は１０記載の異物検知装置。
【請求項１２】
前記電気機械変換素子の振動周波数のうち共振周波数及び反共振周波数に基づいて、電気機械結合係数を算出する算出部と、
前記算出部において算出された前記電気機械結合係数に基づいて、装置の故障を判断する判断部と、を有する請求項５〜１１のいずれか１項に記載の異物検知装置。
【請求項１３】
前記電源は、
前記電気機械変換素子を、位相差が０°近傍の振動周波数の状態で駆動させるものである請求項５〜１２のいずれか１項に記載の異物検知装置。
【請求項１４】
前記異物検知部は、
実際にインピーダンスを測定するよりも前に、前記電気機械変換素子が取り外されて、前記異物検知部の両電極が開放状態及び短絡状態となっている場合に、インピーダンスを測定するものである請求項１〜１３のいずれか１項に記載の異物検知装置。
【請求項１５】
配管に取り付けられ電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子に電源から電力が供給されたときに、前記電気機械変換素子にかかる素子電圧と、前記電気機械変換素子に流れる素子電流と、を測定するステップと、
前記素子電圧と、前記素子電流とに基づいて、インピーダンスを演算するステップと、
前記インピーダンスに基づいて、前記配管の内部に異物が付着したことを検知するステップと、
を備える異物検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管の内部に付着した異物を検知する異物検知装置及び異物検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
給湯器、温水器及び空気調和機等において、冷媒を用いたヒートポンプ式の熱交換器が使用されている。近年、熱交換器において、熱交換率が高いＣＯ２を冷媒として用いた熱交換システムが普及している。ヒートポンプ式給湯器等の給湯システムは、貯湯タンクに上水（水道水）を貯留し、貯湯タンク内に貯留した水を、熱交換システムに繰り返し循環させて、熱湯を得る。ここで、給湯器等の配管の内部には、使用する水の水質に起因するスケールと呼ばれる異物が発生し、配管の内面に堆積する。スケールは、配管の内部で剥離及び再付着され、配管の流路を閉塞する虞があり、この場合、給湯器等が故障する原因となる。このため、配管の内部に付着したスケールを検知して、スケールに起因する故障を未然に防ぐ必要がある。【０００３】
特許文献１には、配管の外部から内部に向けて照射した超音波の反射波を受信して、配管の内面に付着したスケールの厚さを測定する装置が開示されている。特許文献１は、配管の内部に水を浸し、配管の内壁とスケールとの境界における反射波と、スケールと水との境界における反射波とを受信することによって、スケール等の異物を検知して、異物の厚さを測定しようとするものである。また、特許文献２には、配管に取り付けられた超音波送受信ユニットの検出信号に基づいて、スケールの厚さを測定する装置が開示されている。特許文献２は、２次以上の高次調波スペクトルの強さの変化を検知することによって、スケール等の異物を検知して、異物の厚さを測定しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８７９３７号公報
【特許文献２】特開２００７−０１０５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された測定装置は、配管の内部で何度も多重反射した超音波を受信するため、測定精度が低下する。更に、特許文献２に開示された測定装置は、高次調波スペクトルの強さの変化を測定する。このため、柔らかい異物のような音響インピーダンスが低い異物が配管の内部に付着しても、高次調波スペクトルの強さの差が出難い。このように、特許文献２は、音響インピーダンスが低い異物を検知し難い。【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高い測定精度で異物を検知することができる異物検知装置及び異物検知方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る異物検知装置は、配管に取り付けられ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子と、電気機械変換素子のインピーダンスを測定して、配管の内部に異物が付着したことを検知する異物検知部と、を備え、異物検知部は、電気機械変換素子に電力を供給し、電気機械変換素子を振動させる電源と、電源から電力が供給されたときに電気機械変換素子にかかる素子電圧を測定する電圧測定部と、電源から電力が供給されたときに電気機械変換素子に流れる素子電流を測定する電流測定部と、素子電圧と、素子電流とに基づいて、インピーダンスを演算するインピーダンス演算部と、インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスに基づいて、配管の内部に異物が付着したことを検知する検知部と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気機械変換素子のインピーダンスに基づいて、配管の内部に異物が付着したことを検知する。電気機械変換素子のインピーダンスは、質量負荷によって変化する。このように、質量負荷によって異物を検知するため、高い精度で異物を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る異物検知装置１００を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における圧電素子１２を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１における圧電素子１２の印加電圧と振動振幅との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１における圧電素子１２の低周波での動作を可能とした構造を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態１における圧電素子１２の等価回路図である。
【図７】本発明の実施の形態１における圧電素子１２のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態１における圧電素子１２のアドミタンスの周波数特性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１における圧電素子１２の位相差の周波数特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態１におけるインピーダンスＺを示すベクトル図である。
【図１１】本発明の実施の形態１におけるスプリアスが発生したときの圧電素子１２のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態１におけるスプリアスが発生したときの圧電素子１２の位相差の周波数特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態１における圧電素子１２の質量負荷毎のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態１における圧電素子１２の異物２の付着量とインピーダンスとの関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施の形態１における給湯器３１への適用例１を示す回路図である。
【図１６】本発明の実施の形態１における給湯器３１への適用例２を示す回路図である。
【図１７】本発明の実施の形態１における冷却器４０への適用例を示す回路図である。
【図１８】本発明の実施の形態１の第１変形例に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施の形態１の第２変形例に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。
【図２０】本発明の実施の形態１の第３変形例に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。
【図２１】本発明の実施の形態１の第４変形例に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。
【図２２】本発明の実施の形態２に係る異物検知装置２００を示す模式図である。
【図２３】本発明の実施の形態２における圧電素子１２のインピーダンスの変化量と異物２の付着量との関係を示すグラフである。
【図２４】本発明の実施の形態３に係る異物検知装置３００を示す模式図である。
【図２５】本発明の実施の形態３における給湯器３１を示す回路図である。
【図２６】本発明の実施の形態４に係る異物検知装置４００を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る異物検知装置及び異物検知方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る異物検知装置１００を示す模式図である。図１に基づいて、異物検知装置１００について説明する。図１に示すように、異物検知装置１００は、電気機械変換素子４と、異物検知部６とを備えている。電気機械変換素子４は、配管１に取り付けられ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換するものである。電気機械変換素子４として、圧電素子１２、水晶振動子又はフェライト振動子等が使用される。電気機械変換素子４と異物検知部６とは、信号線５によって接続されており、信号線５を介して、互いに信号の送受信が行われる。
【００１２】
図２は、本発明の実施の形態１に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。図２に示すように、異物検知装置１００は、アタッチメント２０を有しており、アタッチメント２０によって、電気機械変換素子４である圧電素子１２が配管１に取り付けられている。なお、圧電素子１２は、電気機械変換素子４の一例である。本実施の形態１では、アタッチメント２０は、直方体状に形成され圧電素子１２に接続する部分と、直方体状に形成され配管１に接続する部分とで構成されている。圧電素子１２の両端面は、振動面１３となっており、いずれの振動面１３にも、電源１０（図３参照）が接続される電極１４が設けられている。そして、圧電素子１２に信号線５が取り付けられている。
【００１３】
図３は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２を示す模式図である。図３に示すように、本実施の形態１では、電気機械変換素子４として、圧電素子１２が用いられる。圧電素子１２は、例えば円柱状に形成されており、両端面が振動面１３となっている。両端面には夫々電極１４が設けられており、両電極１４間に電線１１を介して電源１０から交流電圧が印加される。
【００１４】
図４は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２の印加電圧と振動振幅との関係を示すグラフである。図４において、横軸を印加電圧とし、縦軸を振動振幅とする。図４に示すように、印加電圧が変化すると、振動振幅も変化しており、圧電素子１２は、交流電圧が印加されることによって、収縮運動し、振動面１３が振動して、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。これは、ピエゾ効果と呼ばれている。このとき、圧電素子１２の振動面１３の振動周波数は、交流電圧の周波数によって決定される。一方、圧電素子１２の振動面１３に外力が加わり、振動面１３が振動すると、圧電素子１２に起電力が発生する。これは、逆ピエゾ効果と呼ばれている。このとき、圧電素子１２に発生する起電力の周波数は、圧電素子１２の振動面１３の振動周波数によって決定される。
【００１５】
ここで、圧電素子１２は、広く普及しており、材料として、チタン酸ジルコン酸鉛、又は、樹脂であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が用いられる。圧電素子１２は、耐熱温度が８０℃以上であるため、高温の環境下においても使用することができる。また、圧電素子１２は、小型で取扱いが容易であり、温度特性及び電気的特性が優れている。
【００１６】
圧電素子１２が最も振動し易い周波数は、圧電素子１２の寸法によって決定される。圧電素子１２の伸縮方向の厚さをＴ、最も振動し易い周波数をｆ、圧電素子１２内を通過する音の速さをＣとすると、下記式（１）が成立する。なお、Ｎは自然数である。
【００１７】
［数１］
ｆ＝Ｃ／（２Ｔ）×Ｎ・・・（１）
【００１８】
圧電素子１２は、最も振動し易い周波数ｆで駆動されると、電気エネルギーから機械（振動）エネルギーに変換されるエネルギー変換効率が高くなる。ここで、最も振動し易い周波数ｆは、共振周波数と呼称される。上記式（１）において、Ｎ＝１のときの共振周波数ｆは、基本周波数と呼称される。Ｎ＝１のとき、圧電素子１２の厚さＴと基本周波数の半波長が同じ長さとなり、電気エネルギーから機械エネルギーへのエネルギー変換効率が最大となる。このため、圧電素子１２の振動周波数は、Ｎ＝１として設定されることが好ましい。
【００１９】
なお、厚さＴが２０ｍｍを超える圧電素子１２を製造することは容易ではない。また、圧電素子１２が厚くなると、圧電素子１２自体の重量が重くなり、取り扱い難い。更に、圧電素子１２が厚くなると、振動するためには多くの電気エネルギー、即ち高電圧が必要となる。このため、圧電素子１２の厚さＴは、２０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２０】
図５は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２の低周波での動作を可能とした構造を示す模式図であり、この構造は、ランジュバン型振動子又はボルト締めランジュバン型振動子と呼ばれる。これにより、低電圧で効率良く振動を発生させることができる。
【００２１】
図５に示すように、圧電素子１２の両端面を２個の金属ブロック１５及び金属ブロック１６で挟むことによって、低電圧で、低周波数の振動を発生させることができる。この場合、金属ブロック１５の一端面及び金属ブロック１６の他端面が振動面１３となる。１個の金属ブロック１５の一端部からもう１個の金属ブロック１６の他端部までの長さをＬ、最も振動し易い周波数をｆ、金属ブロック１５内及び金属ブロック１６内を通過する音の速さをＣ´とすると、下記式（２）が成立する。なお、Ｎは自然数である。
【００２２】
［数２］
ｆ＝Ｃ´／（２Ｌ）×Ｎ・・・（２）
【００２３】
ここで、最も振動し易い周波数ｆは、共振周波数である。即ち、長さＬを調整することによって、共振周波数を調整することができ、また、長さＬを長くすることによって低周波数化することもできる。長さＬを長くしても、圧電素子１２の厚さＴは不変であるため、高電圧化することもない。即ち、低電圧で、低周波数の振動を発生させることができる。なお、長さＬを過剰に長くすると、周波数が過剰に低くなり、可聴領域である２０ｋＨｚを下回り、騒音となる虞がある。また、長さＬを過剰に長くすると、異物検知装置１００の大きさが大きくなり、取扱い性が悪化する。よって、２０ｋＨｚ以上の周波数を維持するために、長さＬを２０ｃｍ以下とすることが好ましい。
【００２４】
なお、式（２）に示すように、共振周波数ｆは、音の速さＣ´に比例し、長さＬに反比例する。よって、低周波数の振動を発生させるためには、音速が低い材料を用いること及び長さが長い材料を用いることが好ましい。ここで、金属の音速について例示する。アルミニウムの音速は６３２０ｍ／ｓ、黄銅の音速は４４３０ｍ／ｓ、銅の音速は４６６０ｍ／ｓである。なお、本実施の形態１では、圧電素子１２の両端面が金属ブロック１５で挟まれているが、プラスチックのブロックで挟まれてもよい。ここで、プラスチックの音速について説明する。アクリルの音速は２７３０ｍ／ｓ、エポキシの音速は３０７０ｍ／ｓ、ガラス繊維の音速は２７４０ｍ／ｓである。
【００２５】
また、Ｎ＝１のとき、圧電素子１２の厚さＴと基本周波数の半波長が同じ長さとなり、電気エネルギーから機械エネルギーへのエネルギー変換効率が最大となる。このため、圧電素子１２の振動周波数は、Ｎ＝１として設定されることが好ましい。
【００２６】
圧電素子１２は、周波数が高くなるほど、振動振幅を大きくするために必要なエネルギーが大きくなる。このため、圧電素子１２の駆動周波数を低くして、少ない電気エネルギーで圧電素子１２を駆動することが好ましい。この場合、周波数を５０ＭＨｚ以下とすることが好ましい。
【００２７】
図６は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２の等価回路図である。図６に示すように、圧電素子１２は、コンデンサＣｄ、抵抗Ｒｍ、コイルＬｍ、コンデンサＣｍから構成される電気的等価回路図に変換される。圧電素子１２は、コンデンサＣｄと、直列接続された抵抗Ｒｍ、コイルＬｍ及びコンデンサＣｍとが並列接続された回路で表現される。コンデンサＣｄは、圧電素子１２の両電極１４間の静電容量を示す。なお、圧電素子１２は、圧電材料を２個の電極１４で挟んだ構造であるため、コンデンサとみなすことができる。抵抗Ｒｍは、圧電素子１２が振動するときにかかる負荷であり、機械抵抗と呼称される。抵抗Ｒｍ、コイルＬｍ及びコンデンサＣｍは、圧電素子１２の機械的な定数を電気回路素子に変換したものであり、圧電素子１２の種類、寸法又は材質等によって決定される。
【００２８】
交流電圧が印加された場合、抵抗Ｒｍは電源１０の周波数が変化しても不変であるが、コイルＬｍ及びコンデンサＣｍは電源１０の周波数が変化すると、夫々インピーダンスが変化する。ここで、インピーダンスとは、直流電圧が印加された場合の抵抗に相当する。このように、圧電素子１２のインピーダンスは、電源１０の周波数によって異なる。
【００２９】
図７は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。図７において、横軸を周波数ｆとし、縦軸をインピーダンスＺとする。交流電圧が印加された回路のインピーダンスは、直流電圧が印加された回路の抵抗に相当し、電流の流れ難さを示すものである。図７に示すように、インピーダンスＺは、周波数ｆ１１，ｆ２１，ｆ３１において極小値を示す。即ち、周波数ｆ１１，ｆ２１，ｆ３１において、電流は流れ易い。
【００３０】
このときの周波数ｆ１１，ｆ２１，ｆ３１は、共振周波数と呼ばれる。ｆ１１を基本周波数とすると、ｆ２１はｆ１１の２倍の周波数、ｆ３１はｆ１１の３倍の周波数である。このように、共振周波数は、基本周波数の整数倍の周波数毎に現れる。これは、上記式（１）において、圧電素子１２の厚さＴと周波数ｆの半波長の整数倍が一致するとき、圧電素子１２が振動し易くなることによる。周波数ｆ１１，ｆ２１，ｆ３１では、図６のコイルＬｍ及びコンデンサＣｍによる共振現象が起こる。これは、上記式（１）で示す機械的共振現象であるといえる。
【００３１】
一方、図７に示すように、インピーダンスＺは、周波数ｆ１２，ｆ２２，ｆ３２において極大値を示す。即ち、周波数ｆ１２，ｆ２２，ｆ３２において、電流は流れ難い。このときの周波数ｆ１２，ｆ２２，ｆ３２は、反共振周波数と呼ばれる。ｆ１２を基本周波数とすると、ｆ２２はｆ１２の２倍の周波数、ｆ３２はｆ１２の３倍の周波数である。このように、反共振周波数は、基本周波数の整数倍の周波数毎に現れる。周波数ｆ１２，ｆ２２，ｆ３２では、図６のコイルＬｍ、コンデンサＣｍ及びコンデンサＣｄによる共振現象が起こる。これは、機械的共振現象と電気的共振現象とが複合した共振現象であるといえる。
【００３２】
図８は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２のアドミタンスの周波数特性を示すグラフである。図８において、横軸を周波数ｆとし、縦軸をアドミタンスＹとする。交流電圧が印加された回路のアドミタンスＹは、直流電圧が印加された回路のコンダクタンスに相当し、電流の流れ易さを示すものである。図８に示すように、アドミタンスＹは、周波数ｆ１１，ｆ２１，ｆ３１において極大値を示す。即ち、周波数ｆ１１，ｆ２１，ｆ３１において、電流は流れ易い。これは、図７と同様である。また、アドミタンスＹは、周波数ｆ１２，ｆ２２，ｆ３２において極小値を示す。即ち、周波数ｆ１２，ｆ２２，ｆ３２において、電流は流れ難い。これは、図７と同様である。なお、インピーダンスとアドミタンスとは、逆数の関係にあるため、図８のグラフは、図７のグラフの上下方向を逆にしたものとなっている。
【００３３】
上記のとおり、圧電素子１２は、共振周波数において、電気エネルギーから機械エネルギーに変換される変換効率が最大となる。よって、圧電素子１２は、共振周波数において、少ないエネルギーで振動する。このように、圧電素子１２は、共振周波数において、電気的エネルギーの微細な変化によって、振動振幅が変化し易い。このため、逆ピエゾ効果によって、振動振幅の変化にも反応し易く、圧電素子１２の起電力が変化する。即ち、共振周波数又は反共振周波数では、図６の抵抗Ｒｍの変化によって、インピーダンスが変化し易い。このため、圧電素子１２の振動面１３に、振動を妨げようとする質量負荷が印加されると、図６の抵抗Ｒｍが増加し、インピーダンスが変化する。
【００３４】
これは、共振周波数において顕著であり、電気エネルギーから振動エネルギーへの変換、又は、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換が行われ易い。従って、変換された電気エネルギーによって、圧電素子１２の電気的特性であるインピーダンスが変化する。このように、振動面１３に質量負荷が印加されることによって、共振周波数におけるインピーダンスの変化量が大きくなる。また、圧電素子１２は、周波数が低いほど、少ない電気エネルギーで振動する。
【００３５】
圧電素子１２は、周波数が低いほど、電気エネルギーから振動エネルギーへの変換効率が高い。よって、圧電素子１２は、複数の共振周波数のうち最も低い共振周波数において、振動を妨げようとする質量負荷に対するインピーダンスの変化量が最も大きくなる。なお、圧電素子１２は、複数の反共振周波数のうち最も低い共振周波数においても、振動を妨げようとする質量負荷に対するインピーダンスの変化量が最も大きくなる。
【００３６】
図９は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２の位相差の周波数特性を示すグラフである。図９において、横軸を周波数ｆとし、縦軸を位相差とする。次に、共振周波数及び反共振周波数の求め方について説明する。図９に示すように、共振周波数及び反共振周波数において、圧電素子１２にかかる電圧と圧電素子１２に流れる電流との位相差は零である。即ち、共振周波数は、電源１０の周波数を連続的に変化させて、圧電素子１２のインピーダンスを連続的に測定したときに圧電素子１２のインピーダンスが極小値を示し、且つ、電圧と電流との位相差が零となる周波数である。
【００３７】
また、反共振周波数は、電源１０の周波数を連続的に変化させて、圧電素子１２のインピーダンスを連続的に測定したときに圧電素子１２のインピーダンスが極大値を示し、且つ、電圧と電流との位相差が零となる周波数である。なお、共振周波数及び反共振周波数は、異物２が付着していない配管１に異物検知装置１００が設置されたときに求められる。
【００３８】
次に、異物検知部６について説明する。異物検知部６は、電気機械変換素子４のインピーダンスを測定するものであり、図１に示すように、電圧測定部６ａと、電流測定部６ｂと、位相測定部６ｃと、インピーダンス演算部６ｄと、検知部６ｇと、電源６ｅとを有している。
【００３９】
電圧測定部６ａは、電源６ｅから電力が供給されたときに、電気機械変換素子４にかかる素子電圧を測定するものである。電流測定部６ｂは、電源６ｅから電力が供給されたときに、電気機械変換素子４に流れる素子電流を測定するものである。位相測定部６ｃは、電圧測定部６ａにおいて測定された素子電圧と電流測定部６ｂにおいて測定された素子電流との位相差を測定するものである。
【００４０】
図１０は、本発明の実施の形態１におけるインピーダンスＺを示すベクトル図である。インピーダンス演算部６ｄは、素子電圧と、素子電流と、位相測定部６ｃにおいて測定された位相差とに基づいて、インピーダンスを演算するものである。電圧をＶ、電流をＩとすると、インピーダンスＺは、Ｚ＝Ｖ／Ｉという数式から求められる。交流回路解析では、電圧Ｖ及び電流Ｉのいずれもが複素ベクトルとして扱われ、インピーダンスＺも複素ベクトルとなる。そして、インピーダンスＺは、図１０に示すように、Ｚ＝Ｒ＋ｉＸで解析される。ここで、ｉは虚数単位である。なお、インピーダンスＺの大きさ｜Ｚ｜は、｜Ｚ｜＝√（Ｒ２＋Ｘ２）という数式から求められる。また、電圧と電流との位相差φは、図１０に示すように、ＺのＲ成分とＺのベクトルとのなす角度である。
【００４１】
ここで、インピーダンス演算部６ｄは、インピーダンスを演算することに加え、電源６ｅの周波数を変更する毎にインピーダンスを演算することによって、共振周波数又は反共振周波数も測定する。配管１の内部に付着する異物２の種類等によっては、図６に示す抵抗Ｒｍの増加に加えて、コンデンサＣｍ及びコイルＬｍも変化する。このため、測定されるインピーダンスの変化は、抵抗Ｒｍの変化分だけではなくコンデンサＣｍ及びコイルＬｍの変化分も含まれる。従って、異物付着による質量負荷の変化分を精度良く測定することができない。このため、本実施の形態１は、共振周波数又は反共振周波数を測定して、インピーダンスを測定する周波数を共振周波数又は反共振周波数とする。これにより、インピーダンスの変化は、コンデンサＣｍ及びコイルＬｍの変化分を含まず、抵抗Ｒｍの変化分となる。よって、異物付着による質量負荷、即ち抵抗Ｒｍを高精度に測定することができる。検知部６ｇは、インピーダンス演算部６ｄにおいて演算されたインピーダンスに基づいて、配管１の内部に異物２が付着したことを検知するものである。電源６ｅは、電気機械変換素子４に電力を供給し、電気機械変換素子４を振動させるものである。
【００４２】
インピーダンス演算部６ｄは、位相測定部６ｃにおいて測定された素子電圧と素子電流との位相差に基づいて、インピーダンスを演算する。このとき、図２に示す異物検知装置１００のアタッチメント２０の材料及び寸法等によっては、スプリアスと呼ばれる共振が発生する場合がある。スプリアスは、インピーダンスが演算されるときにノイズとなり、異物を検出する上での妨げとなる。
【００４３】
図１１は、本発明の実施の形態１におけるスプリアスが発生したときの圧電素子１２のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。図１１において、横軸を周波数（ｋＨｚ）とし、縦軸をインピーダンスの大きさ（Ω）とする。図１２は、本発明の実施の形態１におけるスプリアスが発生したときの圧電素子１２の位相差の周波数特性を示すグラフである。図１２において、横軸を周波数（ｋＨｚ）とし、縦軸を位相差（°）とする。図１１に示すように、スプリアスが発生すると、本来の異物検知装置１００の共振周波数ｆＭとは異なる周波数ｆＮにおいて、インピーダンスが極小となる。しかしながら、図１２に示すように、インピーダンスが極小となる周波数ｆＮでは、異物検知装置１００の素子電圧と素子電流との位相差は０°ではない。
【００４４】
そこで、本実施の形態１では、インピーダンス演算部６ｄが、位相差に基づいてインピーダンスを演算することによって、スプリアス等のノイズに起因する測定誤差を排除することができる。なお、付着する異物２の種類等によっては、図６に示す圧電素子１２の等価回路のコイルＬｍ及びコンデンサＣｍが変化する場合がある。このため、スプリアス等によってインピーダンスの極小値が複数存在する場合、素子電圧と素子電流との位相差が、０°に近い周波数が共振周波数とされる。また、スプリアス等によってインピーダンスの極大値が複数存在する場合、素子電圧と素子電流との位相差が、０°に近い周波数が反共振周波数とされる。
【００４５】
ここで、インピーダンスは、素子電圧と素子電流と位相差とに基づいて演算されているが、素子電圧と素子電流とに基づいて演算し、更に、インピーダンスに基づいて共振周波数を測定することもできる。しかし、圧電素子１２においては、形状及び寸法等に起因してノイズ成分が発生する場合がある。ノイズが発生すると、本来の共振周波数とは異なる周波数で、インピーダンスが極小値を示す場合がある。このため、位相差を考慮せずにインピーダンスの大きさのみで共振周波数を求めようとすると、共振周波数が正確に把握することができ難い。よって、本実施の形態１では、位相測定部６ｃが位相差を測定することによって、共振周波数を正確に把握している。
【００４６】
電圧測定部６ａ、電流測定部６ｂ、位相測定部６ｃ及び電源６ｅは、信号線５によって接続されている。電圧測定部６ａ、電流測定部６ｂ及び位相測定部６ｃとインピーダンス演算部６ｄとは、伝送線６ｆによって接続されている。なお、インピーダンス演算部６ｄと検知部６ｇとは、伝送線６ｆによって接続されている。
【００４７】
次に、配管１の内部に付着する異物２について説明する。配管１の内部には、使用する水の水質に起因するスケールと呼ばれる異物２が発生し、配管１の内面に堆積する。スケールは、配管１の内部で剥離及び再付着され、配管１の流路を閉塞する虞がある。なお、異物２は、スケールに限らない。異物２は、柔らかい異物であってもよい。
【００４８】
次に、本実施の形態１に係る異物検知方法について説明する。先ず、配管１に取り付けられ電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子４に電源６ｅから電力が供給されたときに、電気機械変換素子４にかかる素子電圧と、電気機械変換素子４に流れる素子電流と、電気機械変換素子４にかかる素子電圧と電気機械変換素子４に流れる素子電流との位相差と、が測定される。その後、電気機械変換素子４にかかる素子電圧と、電気機械変換素子４に流れる素子電流と、位相差とに基づいて、インピーダンスが演算される。そして、インピーダンスに基づいて、配管１の内部に異物２が付着したことが検知される。
【００４９】
図１３は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２の質量負荷毎のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。図１３において、横軸を周波数（ｋＨｚ）とし、縦軸をインピーダンスの大きさ（Ω）とする。図１４は、本発明の実施の形態１における圧電素子１２の異物２の付着量とインピーダンスとの関係を示すグラフである。図１４において、横軸を異物付着量（ｇ）とし、縦軸を共振周波数でのインピーダンスの大きさ（Ω）とする。次に、本実施の形態１に係る異物検知装置１００の作用について説明する。図１３に示すように、周波数が変化するとインピーダンスＺは変化し、共振周波数において極小値を示す。また、質量負荷が大きいほど、圧電素子１２のインピーダンスが増加する。また、これは、共振周波数において、最も顕著である。即ち、圧電素子１２のインピーダンスの変化量は、共振周波数において最も大きくなる。図１３において、共振周波数は例えば８１ｋＨｚである。図１４に示すように、配管１内の異物２の付着量を変化させて圧電素子１２の共振周波数におけるインピーダンスを測定した場合、異物２の付着量が多いほど、インピーダンスは大きくなる。
【００５０】
以上説明したように、異物検知装置１００は、電気機械変換素子４のインピーダンスに基づいて、配管１の内部に異物２が付着したことを検知する。配管１の内部に異物２が付着すると、その質量負荷によって電気機械変換素子４のインピーダンスが変化する。即ち、異物検知装置１００は、質量負荷の変化によって、異物２の付着を検知している。このため、測定精度が高く、音響インピーダンスが低い異物２も検知することができる。具体的には、異物検知装置１００は、柔らかい異物２であっても検知することができる。また、異物検知装置１００は、異物２を検知する上で、反射波を検知せず、また、高次調波スペクトルの強さの変化を測定しない。このため、短時間で測定することができ、測定精度が高く、音響インピーダンスが低い異物２も検知することができる。
【００５１】
従来のように、配管１の内部に超音波を照射し、その反射波の波形を測定する場合、測定時間が長くなる。また、この場合、配管１の内部で何度も多重反射した超音波を受信するため、測定精度が低下する。これに対し、本実施の形態１では、配管１の内部の質量の変化を、電気機械変換素子４のインピーダンスの変化によって検知する。このため、異物２を短時間で測定することができ、その測定精度が高い。更に、従来のように、スペクトルの変化によって異物２の付着を検知する場合、柔らかい異物２のような音響インピーダンスが低い異物２が配管１の内部に付着すると、スペクトルの強さの差が出難い。このため、異物２の付着を検知し難い。これに対し、本実施の形態１では、柔らかい異物２が付着しても、配管１の内部の質量の変化を、電気機械変換素子４のインピーダンスの変化によって検知する。このため、音響インピーダンスが低い異物２も検知することができる。
【００５２】
また、異物検知部６は、電圧測定部６ａにおいて測定された素子電圧と電流測定部６ｂにおいて測定された素子電流との位相差を測定する位相測定部６ｃを更に有し、インピーダンス演算部６ｄは、素子電圧と、素子電流と、位相測定部６ｃにおいて測定された位相差とに基づいて、インピーダンスを演算するものである。これにより、共振周波数を正確に把握している。
【００５３】
また、電気機械変換素子４として、圧電素子１２が用いられる。そして、電源６ｅは、電気機械変換素子４を、振動周波数が共振周波数の状態で駆動させるものである。これにより、圧電素子１２の振動を妨げるような質量負荷となる配管１の内部に付着した異物２を高精度に検知することができる。また、電源６ｅは、電気機械変換素子４を、振動周波数が複数の共振周波数のうち最も低い共振周波数の状態で駆動させるものである。これにより、インピーダンスの変化量が最も大きくなるため、異物２を更に高精度に検知することができる。なお、インピーダンス演算部６ｄは、電気機械変換素子４のインピーダンス測定結果に基づいて、電気機械変換素子４の共振周波数を測定するものである。これにより、共通のインピーダンス演算部６ｄで、インピーダンス及び共振周波数を測定することができる。
【００５４】
また、電源６ｅは、電気機械変換素子４を、振動周波数が反共振周波数の状態で駆動させるものである。これにより、圧電素子１２の振動を妨げるような質量負荷となる異物２を、高精度に検知することができる。また、電源６ｅは、電気機械変換素子４を、振動周波数が複数の反共振周波数のうち最も低い反共振周波数の状態で駆動させるものである。これにより、インピーダンスの変化量が最も大きくなるため、異物２を更に高精度に検知することができる。なお、インピーダンス演算部６ｄは、電気機械変換素子４のインピーダンス測定結果に基づいて、電気機械変換素子４の反共振周波数を測定するものである。これにより、共通のインピーダンス演算部６ｄで、インピーダンス及び反共振周波数を測定することができる。
【００５５】
電源６ｅは、電気機械変換素子４を、位相差が０°近傍の振動周波数の状態で駆動させるものである。これにより、スプリアス等によってインピーダンスの極値が複数存在した場合でも、ノイズ成分を除去することができる。
【００５６】
また、実際にインピーダンスが測定されるよりも前に、異物検知装置１００の信号線５が電気機械変換素子４から取り外され、信号線５の正側電極と負側電極とが開放状態にされたときのインピーダンス、及び信号線５の正側電極と負側電極とが短絡状態にされたときのインピーダンスがそれぞれ測定されることが好ましい。これにより、信号線５の浮遊容量成分及びインダクタンス成分、即ち測定精度が低下する要因となるノイズ成分が測定される。よって、例えば異物の付着量が少ないとき、実際の測定値からノイズ成分が差し引かれることによって、異物の付着量が少なくても、異物が精度良く検知される。なお、信号線５の正側電極と負側電極との開放状態、及び正側電極と負側電極との短絡状態は、手動又は自動で行われる。
【００５７】
ここで、圧電素子１２を配管１に取り付けるために使用される図２に示すアタッチメント２０は、配管１の表面に接触している。そして、アタッチメント２０において、圧電素子１２と接触する面の面積は、圧電素子１２の振動面１３の面積の等倍〜２倍であることが好ましい。また、圧電素子１２とアタッチメント２０との接触面、及び、アタッチメント２０と配管１との接触部分には、グリス等の油を塗布してもよい。これにより、異物２の検知精度が向上する。なお、アタッチメント２０の長さＬ´は、共振周波数が例えば８１ｋＨｚとなるように設定される。
【００５８】
図１５は、本発明の実施の形態１における給湯器３１への適用例１を示す回路図である。次に、本実施の形態１に係る異物検知装置１００を給湯器３１に適用した例について説明する。図１５に示すように、給湯器３１は、ヒートポンプユニット３３に接続されており、ヒートポンプユニット３３によって生成された温水を、浴室３２に供給する。
【００５９】
給湯器３１は、タンク３１ａと、熱交換器３１ｂと、ポンプ３１ｃと、混合弁３１ｄと、切替弁３１ｊと、異物検知装置１００と、運転制御器３１ｋとを有している。タンク３１ａは、温水を貯留するものであり、ヒートポンプ配管３１ｈによって、ヒートポンプユニット３３に接続されている。熱交換器３１ｂは、浴室３２に設けられた浴槽３２ａを追い焚きする場合に、浴槽３２ａの水とタンク３１ａの温水とを熱交換するものである。熱交換器３１ｂは、熱交換器配管３１ｇによってタンク３１ａに接続され、また、追い焚き用配管３１ｅによって浴槽３２ａに接続されている。ポンプ３１ｃは、追い焚き用配管３１ｅに設置されており、追い焚き用配管３１ｅに流れる水を循環させるものである。
【００６０】
混合弁３１ｄは、タンク３１ａと浴室３２とを接続する温水供給配管３１ｉに設けられており、タンク３１ａからの水と、原水供給部３４から原水供給配管３１ｆを介して供給された水とを混合して、浴室３２に設けられたシャワー３２ｂ及びカラン３２ｃに水を供給する。切替弁３１ｊは、追い焚き用配管３１ｅに設けられており、追い焚き用配管３１ｅに流れる水を、熱交換器３１ｂに供給するかシャワー３２ｂ及びカラン３２ｃに供給するかを切り替えるものである。異物検知装置１００は、熱交換器配管３１ｇにおける熱交換器３１ｂよりも上流側に設置されている。運転制御器３１ｋは、給湯器３１の運転を制御するものであり、制御ケーブル３１ｍによって、ポンプ３１ｃ、混合弁３１ｄ、切替弁３１ｊ及び異物検知装置１００に接続されている。
【００６１】
給湯器３１では、上水が使用されている。上水には、鉄、塩素、シリカ及びカルシウム等の成分が含まれている。給湯器３１の配管１の内面には、上水中に溶解している鉄、塩素、シリカ及びカルシウム等の物質が析出して、スケールと呼ばれる堆積物が形成される場合がある。スケールは、配管１の内面において高温となる部分に顕著に形成される。スケールが形成されると、配管１が詰まり、給湯器３１が故障する虞がある。本実施の形態１では、配管１に異物検知装置１００が設置されており、異物検知装置１００が異物２であるスケールを検知するため、スケールに起因する給湯器３１の故障を抑制することができる。
【００６２】
例えば、給湯器３１の稼働が開始された直後のように、配管１の内面にスケールが付着していないときに、異物検知装置１００は、共振周波数とインピーダンスとを予め測定する。給湯器３１の稼働が開始された後、異物検知装置１００がインピーダンスの変化を検知した場合、配管１の内部にスケールが形成されたことを、給湯器３１の使用者にアラーム等で報知する。また、この場合、給湯器３１において、異物検知装置１００から制御ケーブル３１ｍを介して運転制御器３１ｋに検知信号が送信される。これにより、運転制御器３１ｋは、給湯器３１の運転を停止する等の処置を施すことができる。これにより、給湯器３１の故障を未然に防ぐことができる。
【００６３】
なお、異物検知装置１００は、追い焚き用配管３１ｅ、ヒートポンプ配管３１ｈ等、配管１の内部に付着した異物２を検知する必要がある箇所に適宜設置することができる。例えば、異物検知装置１００は、配管１が詰まり易い部分、汚水が流れる部分等に設置されてもよい。
【００６４】
図１６は、本発明の実施の形態１における給湯器３１への適用例２を示す回路図である。次に、異物検知装置１００が、給湯器３１のヒートポンプユニット３３側のヒートポンプ配管３１ｈに設置された例について説明する。図１６に示すように、異物検知装置１００は、ヒートポンプ配管３１ｈにおいて、ヒートポンプユニット３３の下流側に設置されている。また、ヒートポンプ配管３１ｈに流れる水を循環させる循環ポンプ３１ｎが、ヒートポンプ配管３１ｈにおいて、ヒートポンプユニット３３の上流側に設置されている。そして、運転制御器３１ｋは、制御ケーブル３１ｍによって、循環ポンプ３１ｎに接続されている。
【００６５】
循環ポンプ３１ｎによってタンク３１ａ内の上水が、ヒートポンプユニット３３に送液される。ヒートポンプユニット３３に送液された上水は、ヒートポンプユニット３３によって加温されてタンク３１ａに戻され、タンク３１ａ内の上水が加熱される。この場合においても、上水には、鉄、塩素、シリカ及びカルシウム等の成分が含まれているため、給湯器３１のヒートポンプ配管３１ｈの内面には、上水中に溶解している鉄、塩素、シリカ及びカルシウム等の物質が析出して、スケールと呼ばれる堆積物が形成される場合がある。ここで、ヒートポンプユニット３３とタンク３１ａとの間のヒートポンプ配管３１ｈには、高温の水が流れるため、特にスケールが形成され易い。スケールが形成されると、ヒートポンプ配管３１ｈが詰まり、給湯器３１が故障する虞がある。本適用例２では、ヒートポンプ配管３１ｈに設置された異物検知装置１００が、ヒートポンプ配管３１ｈにおける異物２であるスケールを検知するため、スケールに起因する給湯器３１の故障を抑制することができる。
【００６６】
適用例２は、適用例１と同様に、例えば、給湯器３１の稼働が開始された直後のように、ヒートポンプ配管３１ｈの内面にスケールが付着していないときに、異物検知装置１００は、共振周波数とインピーダンスとを予め測定する。給湯器３１の稼働が開始された後、異物検知装置１００がインピーダンスの変化を検知した場合、ヒートポンプ配管３１ｈの内部にスケールが形成されたことを、給湯器３１の使用者にアラーム等で報知する。また、この場合、給湯器３１において、異物検知装置１００から制御ケーブル３１ｍを介して運転制御器３１ｋに検知信号が送信される。これにより、運転制御器３１ｋは、循環ポンプ３１ｎの停止及び給湯器３１の運転を停止する等の処置を施すことができる。これにより、給湯器３１の故障を未然に防ぐことができる。
【００６７】
図１７は、本発明の実施の形態１における冷却器４０への適用例を示す回路図である。次に、本実施の形態１に係る異物検知装置１００を冷却器４０に適用した例について説明する。図１７に示すように、冷却器４０は、ラジエータ４５に接続されており、ラジエータ４５によって加熱された冷媒を、冷却装置４２に供給する。
【００６８】
冷却器４０は、冷却装置４２と、冷媒循環用ポンプ４４と、ラジエータ４５と、異物検知装置１００と、運転制御器４６とを有している。冷却装置４２は、被冷却体４１を冷却するものであり、冷媒と被冷却体４１が発した熱とを効率良く熱交換するために取り付けられたフィンを有している。冷却装置４２は、熱伝達率が良好な金属を材料とするものであり、例えばアルミニウム又は銅等が用いられる。ここで、被冷却体４１は、熱を発するものであり、例えばＣＰＵ、ＬＳＩ、インバータ等の電子機器、パワー半導体等に相当するものである。冷媒循環用ポンプ４４は、冷媒循環用配管４３の内部に密閉された冷媒を循環させるものであり、冷却装置４２の上流側に設けられている。ラジエータ４５は、冷媒と例えば空気等の熱媒体とを熱交換する放熱装置であり、冷媒循環用ポンプ４４の上流側に設けられている。異物検知装置１００ｈは、冷媒循環用配管４３において、ラジエータ４５の上流側であり、冷却装置４２の下流側に設けられている。運転制御器４６は、冷却器４０の運転を制御するものであり、制御線４７によって、冷媒循環用ポンプ４４及び異物検知装置１００に接続されている。
【００６９】
冷却器４０において、冷媒循環用ポンプ４４によって循環される冷媒は、ラジエータ４５に流入して、ラジエータ４５によって例えば空気と熱交換されて冷却される。ラジエータ４５において冷却された冷媒は、冷却装置４２に流入して、冷却装置４２によって被冷却体４１が発する熱と熱交換されて加熱される。このとき、被冷却体４１が冷却される。
【００７０】
冷媒循環用配管４３に流れる冷媒として、凝固点が低い有機溶媒、上水又はイオン交換水等の水といった冷却媒体が用いられる。冷媒として例えば上水が用いられた場合、上水には、鉄、塩素、シリカ及びカルシウム等の成分が含まれているため、冷却器４０の冷媒循環用配管４３の内面には、上水中に溶解している鉄、塩素、シリカ及びカルシウム等の物質が析出して、腐食生成物又はスケール等の堆積物が形成される場合がある。スケールが形成されると、冷媒循環用配管４３が詰まり、冷却器４０が故障する虞がある。本適用例では、冷媒循環用配管４３に設置された異物検知装置１００が、冷媒循環用配管４３における異物２であるスケール等を検知した場合、制御線を介して運転制御器４６に検知信号を送信する。これにより、運転制御器４６は、冷媒循環用ポンプ４４を停止する等の処置を施すことができる。これにより、冷却器４０の故障を未然に防ぐことができる。
【００７１】
なお、給湯器３１及び冷却器４０への適用例に限らず、本実施の形態１に係る異物検知装置１００は、給湯器又は冷却器等の熱交換システムが用いられた製品等の配管に設置することができる。また、異物検知装置１００は、スケールを検知するだけではなく、配管１の内部に析出、凝固又は蓄積等された腐食生成物、鉄さび又は汚れ等の異物を検知することもできる。
【００７２】
（第１変形例）
図１８は、本発明の実施の形態１の第１変形例に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。図１８に示すように、第１変形例では、アタッチメント２２が直方体状に形成されており、アタッチメント２２と配管１とが接触する部分は、配管１の外周縁部の形状に沿って切り抜かれている。第１変形例でも、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００７３】
（第２変形例）
図１９は、本発明の実施の形態１の第２変形例に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。図１９に示すように、第２変形例では、アタッチメント２３が逆三角錐台状に形成されており、アタッチメント２３と配管１とが接触する部分は、配管１の外周縁部の形状に沿って切り抜かれている。第２変形例でも、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００７４】
（第３変形例）
図２０は、本発明の実施の形態１の第３変形例に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。図２０に示すように、第３変形例では、アタッチメント２４が円柱状に形成されており、アタッチメント２４と配管１とが接触する部分は、配管１の外周縁部の形状に沿って切り抜かれている。第３変形例でも、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００７５】
第１変形例、第２変形例及び第３変形例においても、実施の形態１と同様に、圧電素子１２を配管１に取り付けるために使用されるアタッチメントにおいて、圧電素子１２と接触する面の面積は、圧電素子１２の振動面１３の面積の等倍〜２倍であることが好ましい。また、圧電素子１２とアタッチメントとの接触面、及び、アタッチメントと配管１との接触部分には、グリス等の油を塗布してもよい。これにより、異物２の検知精度が向上する。なお、第１変形例、第２変形例及び第３変形例においても、アタッチメントの長さＬ´を調整することによって、共振周波数を変更することができる。
【００７６】
（第４変形例）
図２１は、本発明の実施の形態１の第４変形例に係る異物検知装置１００を示す斜視図である。図２１に示すように、第４変形例では、圧電素子２５を配管１に取り付ける上で、アタッチメント２０が使用されていない。このように、圧電素子２５の振動面２６が配管１の形状に沿った曲面となるように構成されてもよい。これにより、圧電素子２５を配管１に直接取り付けることができる。更に、圧電素子２５の圧電材料としてＰＶＤＦを用いることによって、フレキシビリティを有する圧電素子２５を実現することができる。これにより、圧電素子２５を配管１に直接取り付けることができる。
【００７７】
実施の形態２．
図２２は、本発明の実施の形態２に係る異物検知装置２００を示す模式図である。本実施の形態２は、異物検知部６が記憶部２０３を有している点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００７８】
図２２に示すように、異物検知部６は、記憶部２０３と照合部２０２とを有している。
【００７９】
図２３は、本発明の実施の形態２における圧電素子１２のインピーダンスの変化量と異物２の付着量との関係を示すグラフである。図２３において、横軸を共振周波数でのインピーダンスの変化量ΔＺとし、縦軸を異物の付着量（ｇ）とする。図２３において、共振周波数でのインピーダンスの変化量ΔＺが大きくなることに比例して異物の付着量も多くなる。記憶部２０３は、インピーダンスの変化量と異物２の付着量との関係を示すテーブルを記憶するものである。図２３に示すように、テーブルは、例えば共振周波数におけるインピーダンスの変化量ΔＺと異物２の付着量との関係を示す検量線データである。異物検知装置２００は、共振周波数でのインピーダンスの変化量ΔＺと配管１の内部の異物２付着量との検量データを予め測定し、それを記憶部２０３に記憶する。これにより、共振周波数でのインピーダンスの変化量ΔＺが分かれば、異物の付着量が求まる。記憶部２０３は、伝送線２０１によって照合部２０２に接続されている。なお、記憶部２０３は、異物検知部６の外部に設けられてもよい。
【００８０】
照合部２０２は、インピーダンス演算部６ｄにおいて演算されたインピーダンスの変化量と、記憶部２０３に記憶されたテーブルとを照合して、異物２の付着量を検知するものである。照合部２０２は、伝送線２０１によってインピーダンス演算部６ｄに接続されている。なお、照合部２０２は、異物検知部６の外部に設けられてもよい。
【００８１】
本実施の形態２では、異物検知部６は、インピーダンスの変化量と異物２の付着量との関係を示すテーブルを記憶する記憶部２０３と、インピーダンス演算部６ｄにおいて演算されたインピーダンスの変化量と、記憶部２０３に記憶されたテーブルとを照合して、異物２の付着量を検知する照合部２０２と、を有するものである。このため、インピーダンスの変化量から異物２の付着量を検知することができる。共振周波数でのインピーダンスの変化量ΔＺが大きくなることに比例して異物の付着量も多くなるというテーブルが記憶部２０３に記憶されていれば、インピーダンスの変化量が分かれば、テーブルを参照して、異物２の付着量を求めることができる。そして、異物２の付着量を検知することによって、配管１の内部に付着した異物２の厚さを認識することができる。
【００８２】
なお、運転に支障をきたし、故障に繋がる可能性があるほどの異物２の付着量を閾値として予め設定し、異物２の付着量が閾値を超えたときに、アラームを出すようにしてもよい。これにより、運転に支障をきたさない程度の異物２が配管１の内部に付着した場合にまでアラームが出されることを抑制することができる。また、予め複数の閾値を設定し、異物２の付着量が各閾値を超える毎に、アラーム音等を大きくし、警告度を変更することもできる。これにより、配管１の交換による運転停止期間を短縮することができる。また、配管１が過剰に交換されることを防止することによって、配管１の交換に必要なコストを削減することができる。更に、警告度に基づいて、配管１の内部に付着した異物２の付着状況を認識することができる。
【００８３】
実施の形態３．
図２４は、本発明の実施の形態３に係る異物検知装置３００を示す模式図である。本実施の形態３は、異物検知部６が温度測定部３０２を有している点で、実施の形態２と相違する。本実施の形態３では、実施の形態１，２と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１，２との相違点を中心に説明する。
【００８４】
図２４に示すように、異物検知部６は温度測定部３０２を有している。温度測定部３０２は、電気機械変換素子４の温度を測定するものである。記憶部３０３は、温度測定部３０２において測定された温度毎に、インピーダンスの変化量と異物２の付着量との関係を示すテーブルを記憶するものである。
【００８５】
照合部２０２は、インピーダンス演算部６ｄにおいて演算されたインピーダンスの変化量と、記憶部３０３に記憶されたテーブルとを照合して、異物２の付着量を検知するものである。
【００８６】
ここで、インピーダンス演算部６ｄは、周波数伝送線３０１によって電源６ｅに接続されている。電気機械変換素子４は、温度が変化すると、その共振周波数が変化する。よって、配管１の内部に異なる温度の流体３が流れる場合、流れる流体３の温度毎に、共振周波数が変化する。インピーダンス演算部６ｄは、測定した共振周波数を、周波数伝送線３０１を介して電源６ｅに送信する。これにより、電源６ｅは、配管１の内部に流れる流体３の温度に応じた共振周波数に変更する。
【００８７】
本実施の形態３では、異物検知部６は、電気機械変換素子４の温度を測定する温度測定部３０２を更に有し、記憶部３０３は、温度測定部３０２において測定された温度毎に、インピーダンスの変化量と異物２の付着量との関係を示すテーブルを記憶するものであり、照合部２０２は、インピーダンス演算部６ｄにおいて演算されたインピーダンスの変化量と、記憶部３０３に記憶されたテーブルとを照合して、異物２の付着量を検知するものである。よって、配管１の内部に流れる流体３の温度が変わっても、各温度において、インピーダンスが最も変化し易い共振周波数で、インピーダンスの変化量を検知することができる。従って、配管１の内部に付着した異物２の厚さを認識することができる。
【００８８】
図２５は、本発明の実施の形態３における給湯器３１を示す回路図である。次に、本実施の形態３に係る異物検知装置３００を給湯器３１に適用した例について説明する。本実施の形態３における給湯器３１は、図２５に示すように、異物検知装置３００が追い焚き用配管３１ｅに設けられている点で、実施の形態１における給湯器３１と相違する。
【００８９】
浴槽３２ａの浴水の設定温度は、季節又は個人の嗜好等に応じて変化する。また、湯を張ったあとに時間が経過すると、浴槽３２ａの浴水の温度は徐々に下がる。本実施の形態３は、このように、変化する浴水が追い焚き用配管３１ｅに流れても、各温度において、インピーダンスが最も変化し易い共振周波数で、インピーダンスの変化量を検知することができる。従って、配管１の内部に付着した異物２の厚さを認識することができる。
【００９０】
実施の形態４．
図２６は、本発明の実施の形態４に係る異物検知装置４００を示す模式図である。本実施の形態４は、異物検知部６が算出部４０２と判断部４０３とを有している点で、実施の形態３と相違する。本実施の形態４では、実施の形態１，２，３と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１，２，３との相違点を中心に説明する。
【００９１】
図２６に示すように、異物検知部６は、算出部４０２と判断部４０３とを有している。
【００９２】
算出部４０２は、電気機械変換素子４の振動周波数のうち共振周波数及び反共振周波数に基づいて、電気機械結合係数を算出するものである。なお、共振周波数及び反共振周波数は、インピーダンス演算部６ｄによって測定される。算出部４０２は、伝送線４０１によってインピーダンス演算部６ｄに接続されている。なお、算出部４０２は、異物検知部６の外部に設けられてもよい。
【００９３】
電気機械結合係数は、電気機械変換素子４に与えた電気エネルギーと、電気機械変換素子４で発生した機械エネルギーとの比率である。即ち、電気機械結合係数が高いほど、エネルギー変換効率が高い。電気機械結合係数は、電気機械変換素子４の種類、電気機械変換素子４に使用する材料、電気機械変換素子４の製造方法等によって異なる。なお、フェライト素子及び圧電素子の電気機械結合係数は、約０．６以上であり、水晶振動子の電気機械結合係数は、約０．３以上である。本実施の形態４において、電気機械変換素子４の電気機械結合係数は、０．３以上であることが好ましい。ここで、共振周波数をｆ１、反共振周波数をｆ２、電気機械結合係数をｋとすると、下記式（３）が成立する。
【００９４】
［数３］
ｋ＝π／２・［（ｆ２−ｆ１）／ｆ１］＾（１／２）・・・（３）
【００９５】
判断部４０３は、算出部４０２において算出された電気機械結合係数に基づいて、装置の故障を判断するものである。電気機械結合係数は、電気機械変換素子４の使用によって、徐々に低下する。そこで、判断部４０３は、例えば、電気機械結合係数が、予め設定された閾値以下となったときに、装置の故障を判断する。この場合、閾値は、例えば０．５である。また、使用前に電気機械結合係数を予め測定しておき、電気機械結合係数が使用前の半分にまで低下したときに故障と判断するようにしてもよい。例えば、電気機械結合係数の初期値が０．７である場合、閾値を０．３５とする。更に、経過時間に対する電気機械結合係数の低下率を測定し、異物検知装置４００の交換時期を予測してもよい。判断部４０３は、伝送線４０１によって算出部４０２に接続されている。なお、判断部４０３は、異物検知部６の外部に設けられてもよい。
【００９６】
本実施の形態４では、電気機械変換素子４の振動周波数のうち共振周波数及び反共振周波数に基づいて、電気機械結合係数を算出する算出部４０２と、算出部４０２において算出された電気機械結合係数に基づいて、装置の故障を判断する判断部４０３と、を有する。このため、装置の故障を認識することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１  配管、２  異物、３  流体、４  電気機械変換素子、５  信号線、６  異物検知部、６ａ  電圧測定部、６ｂ  電流測定部、６ｃ  位相測定部、６ｄ  インピーダンス演算部、６ｅ  電源、６ｆ  伝送線、６ｇ  検知部、１０  電源、１１  電線、１２  圧電素子、１３  振動面、１４  電極、１５，１６  金属ブロック、２０，２２，２３，２４  アタッチメント、２５  圧電素子、２６  振動面、３１  給湯器、３１ａ  タンク、３１ｂ  熱交換器、３１ｃ  ポンプ、３１ｄ  混合弁、３１ｅ  追い焚き配管、３１ｆ  原水供給配管、３１ｇ  熱交換器配管、３１ｈ  ヒートポンプ配管、３１ｉ  温水供給配管、３１ｊ  切替弁、３１ｋ  運転制御器、３１ｍ  制御ケーブル、３１ｎ  循環ポンプ、３２  浴室、３２ａ  浴槽、３２ｂ  シャワー、３２ｃ  カラン、３３  ヒートポンプユニット、３４  原水供給部、４０  冷却器、４１  被冷却体、４２  冷却装置、４３  冷媒循環用配管、４４  冷媒循環用ポンプ、４５  ラジエータ、４６  運転制御器、４７  制御線、１００  異物検知装置、２００  異物検知装置、２０１  伝送線、２０２  照合部、２０３  記憶部、３００  異物検知装置、３０１  周波数伝送線、３０２  温度測定部、３０３  記憶部、４００  異物検知装置、４０１  伝送線、４０２  算出部、４０３  判断部。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年8月9日(2016.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明に係る異物検知装置は、配管に取り付けられ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子と、電気機械変換素子のインピーダンスを測定して、配管の内部に異物が付着したことを検知する異物検知部と、を備え、異物検知部は、電気機械変換素子に電力を供給し、電気機械変換素子を振動周波数が共振周波数の状態で駆動させる電源と、電源から電力が供給されたときに電気機械変換素子にかかる素子電圧を測定する電圧測定部と、電源から電力が供給されたときに電気機械変換素子に流れる素子電流を測定する電流測定部と、素子電圧と、素子電流とに基づいて、インピーダンスを演算するインピーダンス演算部と、インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスに基づいて、配管の内部に異物が付着したことを検知する検知部と、を有する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管に取り付けられ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子のインピーダンスを測定して、前記配管の内部に異物が付着したことを検知する異物検知部と、を備え、
前記異物検知部は、
前記電気機械変換素子に電力を供給し、前記電気機械変換素子を振動周波数が共振周波数の状態で駆動させる電源と、
前記電源から電力が供給されたときに前記電気機械変換素子にかかる素子電圧を測定する電圧測定部と、
前記電源から電力が供給されたときに前記電気機械変換素子に流れる素子電流を測定する電流測定部と、
前記素子電圧と、前記素子電流とに基づいて、前記インピーダンスを演算するインピーダンス演算部と、
前記インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスに基づいて、前記配管の内部に異物が付着したことを検知する検知部と、を有する
異物検知装置。
【請求項２】
前記異物検知部は、
前記電圧測定部において測定された素子電圧と前記電流測定部において測定された素子電流との位相差を測定する位相測定部を更に有し、
前記インピーダンス演算部は、
前記素子電圧と、前記素子電流と、前記位相測定部において測定された位相差とに基づいて、前記インピーダンスを演算するものである請求項１に記載の異物検知装置。
【請求項３】
前記異物検知部は、
前記インピーダンスの変化量と前記異物の付着量との関係を示すテーブルを記憶する記憶部と、
前記インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスの変化量と、前記記憶部に記憶された前記テーブルとを照合して、前記異物の付着量を検知する照合部と、を有するものである請求項１又は２に記載の異物検知装置。
【請求項４】
前記異物検知部は、
前記電気機械変換素子の温度を測定する温度測定部を更に有し、
前記記憶部は、
前記温度測定部において測定された温度毎に、前記インピーダンスの変化量と前記異物の付着量との関係を示すテーブルを記憶するものであり、
前記照合部は、
前記インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスの変化量と、前記記憶部に記憶された前記テーブルとを照合して、前記異物の付着量を検知するものである請求項３に記載の異物検知装置。
【請求項５】
前記電気機械変換素子として、圧電素子が用いられる請求項１〜４のいずれか１項に記載の異物検知装置。
【請求項６】
前記電源は、
前記電気機械変換素子を、前記振動周波数が複数の共振周波数のうち最も低い共振周波数の状態で駆動させるものである請求項５に記載の異物検知装置。
【請求項７】
前記インピーダンス演算部は、
前記電気機械変換素子のインピーダンス測定結果に基づいて、前記電気機械変換素子の共振周波数を測定するものである請求項６に記載の異物検知装置。
【請求項８】
配管に取り付けられ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子のインピーダンスを測定して、前記配管の内部に異物が付着したことを検知する異物検知部と、を備え、
前記異物検知部は、
前記電気機械変換素子に電力を供給し、前記電気機械変換素子を振動周波数が反共振周波数の状態で駆動させる電源と、
前記電源から電力が供給されたときに前記電気機械変換素子にかかる素子電圧を測定する電圧測定部と、
前記電源から電力が供給されたときに前記電気機械変換素子に流れる素子電流を測定する電流測定部と、
前記素子電圧と、前記素子電流とに基づいて、前記インピーダンスを演算するインピーダンス演算部と、
前記インピーダンス演算部において演算されたインピーダンスに基づいて、前記配管の内部に異物が付着したことを検知する検知部と、を有する
異物検知装置。
【請求項９】
前記電源は、
前記電気機械変換素子を、前記振動周波数が複数の反共振周波数のうち最も低い反共振周波数の状態で駆動させるものである請求項８に記載の異物検知装置。
【請求項１０】
前記インピーダンス演算部は、
前記電気機械変換素子のインピーダンス測定結果に基づいて、前記電気機械変換素子の反共振周波数を測定するものである請求項８又は９に記載の異物検知装置。
【請求項１１】
前記電気機械変換素子の振動周波数のうち共振周波数及び反共振周波数に基づいて、電気機械結合係数を算出する算出部と、
前記算出部において算出された前記電気機械結合係数に基づいて、装置の故障を判断する判断部と、を有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の異物検知装置。
【請求項１２】
前記電源は、
前記電気機械変換素子を、位相差が０°近傍の振動周波数の状態で駆動させるものである請求項１〜１１のいずれか１項に記載の異物検知装置。
【請求項１３】
前記異物検知部は、
実際にインピーダンスを測定するよりも前に、前記電気機械変換素子が取り外されて、前記異物検知部の両電極が開放状態及び短絡状態となっている場合に、インピーダンスを測定するものである請求項１〜１２のいずれか１項に記載の異物検知装置。
【請求項１４】
配管に取り付けられ電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する電気機械変換素子に電源から電力が供給されて前記電気機械変換素子を振動周波数が共振周波数の状態又は反共振周波数の状態で駆動させるステップと、
前記共振周波数の状態又は前記反共振周波数の状態の前記電気機械変換素子にかかる素子電圧と、前記電気機械変換素子に流れる素子電流と、を測定するステップと、
前記素子電圧と、前記素子電流とに基づいて、インピーダンスを演算するステップと、
前記インピーダンスに基づいて、前記配管の内部に異物が付着したことを検知するステップと、
を備える異物検知方法。
【国際調査報告】
2016199471.tif 000029
2016199471.tif 000030
2016199471.tif 000031
2016199471.tif 000032