(57)【要約】【課題】二重管における内管と外管の隙間距離及び内管の位置を測定する方法及び装置を提供する。【解決手段】外管外面にスペーサー２３を介して配置した第１磁性体２１と内管内面に配置した第２磁性体２２の間に働く磁気的引力を荷重測定手段２０で測定し、前記荷重測定手段２０で得られた電気信号を演算及び制御手段３で内管と外管の隙間距離に変換し、表示記録手段４で表示または記録する。振動伝達材５及び加振手段６は二重管全体に振動を与え、第２磁性体２２を第１磁性体２１と対向する場所で第１磁性体２１に最も近い位置に移動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外管とその内側に内管が収納されてなる二重管において、
前記外管の外部表面にスペーサーを介して第１磁性体を配置し、前記内管の内面に第２磁性体を前記第１磁性体との間に磁気的引力が働くように配置し、前記第１磁性体に当接した荷重測定手段で前記第１磁性体に働く荷重を測定し、前記荷重に基づいて前記内管と前記外管の隙間の大きさを測定することを特徴とする隙間距離測定方法。
【請求項２】
前記荷重測定手段が前記スペーサーと前記第１磁性体の間に配置した圧力測定手段であることを特徴とする請求項１に記載の隙間距離測定方法。
【請求項３】
前記荷重測定手段が前記第１の磁性体を保持した起歪体に接続したひずみ測定手段であることを特徴とする請求項１に記載の隙間距離測定方法。
【請求項４】
外管とその内側に内管が収納されてなる二重管において、
前記外管の外部表面にスペーサーを介して第１磁性体を配置し、前記内管の内面に第２磁性体を前記第１磁性体との間に磁気的引力が働くように配置し、前記第１磁性体に当接した荷重測定手段で前記第１磁性体に働く荷重を測定し、前記荷重に基づいて前記内管と前記外管の隙間の大きさを測定することを特徴とする隙間距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気的引力を測定することによる、磁石が作用する物体であり離れた物体間の距離を測定する方法及び装置に関し、特に外管とその内側に内管が収容されてなる二重管における内管と外管の隙間の大きさを測定する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器等に用いられる二重管においては、内管と外管が接触している部分は熱交換にほとんど寄与しないと考えられることから、熱交換効率の向上には内管と外管が接触していないこと、さらには内管と外管の中心が一致していることが好ましいと考えられる。このため、内管と外管の位置関係すなわち内管と外管の隙間の大きさを測定することが重要である。しかし内管は外管の外側から観察できないので、その位置を確かめるのは容易ではない。
【０００３】
二重管における内管と外管の位置関係を測定する方法に、内管内または外管から超音波を照射し、その反射波の干渉や受信時間に基づいて、内管と外管の隙間の大きさを測定する技術がある（特許文献１及び特許文献２）。しかし、超音波発生及び受信装置が必要で、素材や形状毎に前もって解析条件を確立しておく必要があるなど、熱交換器を製造している中小事業所において当該装置を検査に用いるには取り扱いが煩雑な面がある。
【０００４】
また、磁気的引力を利用して、強磁性金属素地上の常磁性皮膜の厚さを測る方法に非特許文献１及び非特許文献２が挙げられる。本方法を利用し、二重管の内管内に配置した強磁性金属または永久磁石と、外管の外面に配置した永久磁石との磁気的引力を測定し、その引力に基づいて距離を算出する方法が想定できる。しかしながら、（１）内管内面に配置した強磁性金属または永久磁石の位置によって、測定値が変化しうること、及び（２）内管中心点の断面上のＸＹ座標を算出できないこと、が課題として挙げられる。    
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８６４３号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５７１８０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＪＩＳ  Ｈ  ８４０１「溶射皮膜の厚さ試験方法」
【非特許文献２】ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−１−７（塗料一般試験法  第１部：通則  第７節：膜厚）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、外管とその内側に内管が収納されてなる二重管において、内管内面に配置した磁性体と外管の外部表面に配置した磁性体との間に働く磁気的引力を測定して、前記磁気的引力に基づいて前記内管と前記外管の隙間の大きさを測定する方法に関し、内管内の前記磁性体の位置を測定に好ましい位置に設定できる技術に関し、外管の外周上の２点において前記隙間の大きさを測定することで内管中心点の断面上のＸＹ座標を算出する方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明は、
（１）外管とその内側に内管が収納されてなる二重管において、前記外管の外部表面にスペーサーを介して第１磁性体を配置し、前記内管の内面に第２磁性体を前記第１磁性体との間に磁気的引力が働くように配置し、前記第１磁性体に当接した荷重測定手段で前記第１磁性体に働く荷重を測定し、前記荷重に基づいて前記内管と前記外管の隙間の大きさを測定することを特徴とする隙間距離測定方法であって、
（２）前記荷重測定手段が前記スペーサーと前記第１磁性体の間に配置した圧力測定手段であることを特徴とする（１）に記載の隙間距離測定方法であって、
（３）前記荷重測定手段が前記第１の磁性体を保持した起歪体に接続したひずみ測定手段であることを特徴とする（１）に記載の隙間距離測定方法であって、
（４）外管とその内側に内管が収納されてなる二重管において、前記外管の外部表面にスペーサーを介して第１磁性体を配置し、前記内管の内面に第２磁性体を前記第１磁性体との間に磁気的引力が働くように配置し、前記第１磁性体に当接した荷重測定手段で前記第１磁性体に働く荷重を測定し、前記荷重に基づいて前記内管と前記外管の隙間の大きさを測定することを特徴とする隙間距離測定装置である。
【発明の効果】
【０００９】
二重管の製造現場において、簡便に内管と外管の隙間距離を測定する方法及び装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明における第１の測定形態。
【図２】本発明における第２の測定形態。
【図３】本発明における内管中心点のＸＹ座標を算出する方法の説明図。
【図４】本発明における実施例７の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（発明を実施するための第１の測定形態）
本発明における第１の測定形態を図１に示す。本測定形態は外管１１に接触したスペーサー２３と荷重測定手段２０と第１磁性体２１と内管１０内に配置された第２磁性体２２と演算及び制御手段３と表示記録手段４と振動伝達材５と加振手段６で構成される。第１磁性体２１と第２磁性体２２間に働く磁気的吸引力を前記荷重測定手段２０で検出する。前記演算及び制御手段３は前記荷重測定手段２０から得られる電気特性値から前記第１磁性体２１と前記第２磁性体２２間の距離及び内管と外管の隙間距離を算出し、表示記録手段４で前記隙間距離を表示及び／または記録する。
【００１２】
（発明を実施するための第２の測定形態）
本発明における第２の測定形態を図２に示す。本形態は外管１１に接触したスペーサー２３と起歪体２５とひずみ測定手段２６と第１磁性体２１と内管１０内に配置された第２磁性体２２と演算及び制御手段３と表示記録手段４と振動伝達材５と加振手段６で構成される。前記第１磁性体２１と前記第２磁性体２２間に働く磁気的吸引力によって、前記第１磁性体２１を保持した前記起歪体２５に生じる歪みを、前記起歪体２５に接続した前記ひずみ測定手段２６によって検出する。前記演算及び制御手段３は前記ひずみ測定手段２６から得られる電気特性値から前記第１磁性体２１と前記第２磁性体２２間の距離及び内管と外管の隙間距離を算出し、前記表示記録手段４で前記隙間距離を表示及び／または記録する。
【００１３】
（測定対象）
本発明における測定対象である二重管の素材は、強磁性体以外であれば制限はないが、銅、アルミニウム、チタン、オーステナイト系ステンレス、ガラス、樹脂等を用いることができ、熱交換器として用いられる銅、アルミニウムがより好ましい。二重管を構成する外管及び内管の外径に関しては特に制限はないが、実用的には１０ｍｍ以上２００ｍｍの範囲が好ましく、１５ｍｍ以上１２０ｍｍ以下の範囲がより好ましい。また、外管と内管の隙間距離は５０ｍｍ以下が好ましく、３０ｍｍ以下がより好ましく測定できる。
【００１４】
（スペーサー）
スペーサー２３は第１磁性体２１と外管１１の間に一定距離を確保しつつ前記第１磁性体２１を保持する部材である。第１磁性体２１と外管１１の間の距離は短いほど好ましいが、実用的には０．３ｍｍ以上４ｍｍの範囲が好ましく、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下がより好ましい。前記スペーサー２３の素材は、強磁性体以外であれば制限はないが、例えば銅、アルミニウム、チタン、ガラス、オーステナイト系ステンレス、樹脂等を好ましく用いることができる。
【００１５】
（磁性体）
第１磁性体２１または第２磁性体２２には、永久磁石であるネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石などを用いることができる。また第２磁性体２２には、これらに加えて強磁性体である鉄、炭素鋼、軟鋼などを用いることができる。第２磁性体２２には重力に逆らって内管内面に自立接触できる磁気的引力が作用する必要があることから、第１磁性体２１と第２磁性体２２の間に働く磁気的引力は１０ｇｆ以上が望ましく、このため第１磁性体２１及び第２磁性体２２には残留磁束密度が大きいネオジム磁石が最も好ましい。第１磁性体２１及び第２磁性体２２には磁気的引力を増すヨークを備えていても好ましく用いることができる。第２磁性体２２の形状は球形が好ましいが、その他の形状として、円柱形の磁性体と半球形で強磁性体以外の素材のスペーサーを接続して用いても良い。
【００１６】
（荷重測定手段）
荷重測定手段２０には、抵抗変化型の感圧インクを用いたシート状圧力センサなど、乗せたときの荷重を電気特性値（電気抵抗値等）に変換できるセンサ類を好ましく用いることができる。
【００１７】
（ひずみ測定手段）
ひずみ測定手段２６には、第１磁性体２１を保持した起歪体２５の微小な湾曲や伸びに伴う歪みを検出し、電気特性値（電気抵抗値等）に変換できるひずみゲージ等を好ましく用いることができる。また、起歪体とひずみゲージを一体化したロードセルを用いても良い。
【００１８】
（電気特性値の隙間距離への変換）
荷重測定手段２０またはひずみ測定手段２６で得られた電気特性値から隙間距離を算出する手続きを以下に述べる。電気特性値として電圧値Ｖが得られた場合、例えば式（１）で隙間距離ｇ（ｍｍ）を算出することができる。ここで、ａはスペーサー２３の高さや外管１１及び内管１０の肉厚などによって定まる値で、ｂは第１磁性体２１及び第２磁性体２２における残留磁束密度や磁石の大きさ等の磁力の強さや荷重測定手段２０またはひずみ測定手段２６及び起歪体２５の特性などによって定まる値で、ｃは第１磁性体２１及び第２磁性体２２の形状などによって定まる値である。前記ａ、ｂ及びｃは隙間距離の異なる４箇所以上における測定結果をもとに算出することができる。
【００１９】
（数１）
Ｌｏｇ１０（ｇ＋ａ）＝−（Ｌｏｇ１０Ｖ−ｂ）／ｃ  …（１）
【００２０】
（演算及び制御手段）
演算及び制御手段３は、荷重測定手段２０またはひずみ測定手段２６の電気特性値（電圧値）などを入力し、測定に先立って取得した電気特性値と隙間距離の対応関係（式（１）など）を参照して、隙間距離を算出するものである。電気特性値の入力手段を備えたＰＩＣマイコン、ＡＶＲマイコン、Ｈ８マイコン等のマイコン類や演算機能を備えたデジタルマルチメーターや電気特性値の入力手段を備えたパーソナルコンピュータを好ましく用いることができる。
【００２１】
（表示記録手段）
表示記録手段４は、演算及び制御手段３で算出された隙間距離を液晶ディスプレイ等に表示する機能及び／またはＳＤメモリーカードなどのフラッシュメモリー等に記録する機能を有する装置を用いることができる。
【００２２】
（振動伝達材及び加振手段）
振動伝達材５及び前記振動伝達材５に接続した加振手段６は二重管全体に振動を与え、第２磁性体２２を第１磁性体２１と対向する場所で、第１磁性体２１に最も距離が近い最適位置に移動させるために用いる。加振手段６には、振動モーター、リニアモーター、振動フィーダーなどを用いることができる。第２磁性体２２を前記最適位置に移動させることができれば、振動の範囲に特に制限はないが、実用的には振動の振幅は０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましく、振動の周波数は３Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下が好ましい。
【００２３】
（ＸＹ座標の算出）
内管１０の中心点の断面上の座標すなわちＸＹ座標は、外周上の２点において隙間距離を測定することによって算出することができる。以下にその手順を述べる。図３に示す外半径Ｒｏの外管内に外半径Ｒｉの内管が収納されてなる二重管において、外管外面の２箇所であって、外周長さがＬだけ離れたＰ１（ＸＹ座標＝（０，０））及びＰ２（ＸＹ座標＝（Ｄ，０））で得られた隙間距離をｇ１及びｇ２とする。点Ｐ１及びＰ２から内管の中心点Ｃｉまでの距離ｄ１及びｄ２は式（２）及び（３）で表される。ここで、ｔｏは外管の肉厚である。また、点Ｐ１とＰ２が外管の中心となす角θは式（４）で表される。またＤとθとは式（５）の関係がある。
【００２４】
（数２）
ｄ１＝ｇ１＋ｔｏ＋Ｒｉ    …（２）
【００２５】
（数３）
ｄ２＝ｇ２＋ｔｏ＋Ｒｉ  …（３）
【００２６】
（数４）
θ＝Ｌ／Ｒｏ …（４）
【００２７】
（数５）
Ｄ＝Ｒｏ（２−２ｃｏｓθ）１／２  …（５）
【００２８】
∠ＣｉＰ１Ｐ２をθ１とすると、ｃｏｓθ１は余弦定理より式（６）で表される。点ＣｉのＸ及びＹ座標Ｃｉｘ及びＣｉｙはそれぞれ式（７）及び（８）で算出できる。以上より、外管外面で外周長さＬだけ離れた２箇所における隙間距離ｇ１及びｇ２を測定することで、内管中心点Ｃｉの座標Ｃｉｘ及びＣｉｙを算出することが可能である。
【００２９】
（数６）
ｃｏｓθ１＝（Ｄ２＋ｄ１２−ｄ２２）／（２Ｄ・ｄ１）  …（６）
【００３０】
（数７）
Ｃｉｘ＝ｄ１ｃｏｓθ１  …（７）
【００３１】
（数８）
Ｃｉｙ＝ｄ１（１−ｃｏｓ２θ１）１／２  …（８）
【００３２】
（実施例１）
図１の測定形態において、外径４０．１ｍｍで厚さ２．１ｍｍの銅製外管１１の内部に外径３２ｍｍで厚さ２．１ｍｍの銅製内管１０が収納されてなる二重管において、第１磁性体２１には外径９ｍｍで高さ４ｍｍの円柱形ネオジム磁石を用い、第２磁性体２２には外径１０ｍｍの球形フェライト磁石を用い、荷重測定手段２０には、抵抗変化型の感圧インクを用いたシート状圧力センサを用い、スペーサー２３には外管外面に一様に接触するポリ乳酸樹脂製スペーサー（中心部厚さ０．８ｍｍ）を用い、演算及び制御手段３及び表示記録手段４にはキャラクタ液晶ディスプレイを備えたＡＶＲマイコンを用い、振動伝達材５及び加振手段６には振動モーターを用いて周波数５０Ｈｚで振幅０．５ｍｍの振動を与えた後に、内管と外管の隙間距離を０から３．９ｍｍに変化させたときの前記シート状圧力センサの抵抗値を出力電圧Ｖ（Ｖ）に変換した結果は表１のとおり、３．１３Ｖから２．０５Ｖに変化した。前記表１の結果より、式（１）のａ、ｂ及びｃはそれぞれ０．１９６２、０．３９４９及び０．１４２４と算出された。なお、荷重測定手段２０の上に質量１０ｇのオーステナイト系ステンレス製分銅を乗せたときの出力電圧は１．７７Ｖであった。本実施例は、対向させた永久磁石間に働く磁気的引力を外管外面であって永久磁石の下面に配置した圧力センサの抵抗変化から変換された電圧値として計測することで、隙間距離を算出することが可能であることを示す例である。
【００３３】
【表１】
2017167074.tif 000003
【００３４】
（実施例２）
図２の測定形態において、スペーサー２３には、外管に接触する１対のアルミニウム製丸棒と、それに接続されたアルミニウム製のブロックと板を用い、前記アルミニウム製のブロックには起歪体２５として厚さ１ｍｍのアルミニウム板が接続され、前記起歪体２５にはひずみ測定手段２６のひずみゲージ及び先端部に第１磁性体２１が接続されている。外径４０．１ｍｍで厚さ２．１ｍｍの銅製外管１１の内部に外径３２ｍｍで厚さ２．１ｍｍの銅製内管１０が収納されてなる二重管において、第１磁性体２１に外径１０ｍｍで高さ５ｍｍの円柱形ネオジム磁石を用い、第２磁性体２２には外径１０ｍｍの球形フェライト磁石を用い、ひずみ測定手段２６には、長さ５ｍｍでゲージ率２．１６のひずみゲージを用い、前記ひずみゲージを演算及び制御手段３のひずみゲージアンプに接続し、振動伝達材５及び加振手段６には振動モーターを用いて、周波数２０Ｈｚで振幅１ｍｍの振動を与えた後に、前記ひずみゲージアンプの出力電圧Ｖ（ｍＶ）をデジタルマルチメーターで測定した。内管と外管の隙間距離を０から３．９ｍｍに変化させたときの前記出力電圧は表２のとおり、３７．５５ｍＶから２３．９４ｍＶに変化した。前記表２の結果より、式（１）のａ、ｂ及びｃはそれぞれ４．５０２６、２．０４８９及び０．７２５８と算出された。なお、起歪体２５の上であって第１磁性体２１と対向する位置に質量１０ｇのオーステナイト系ステンレス製分銅を乗せたときの出力電圧は１３．７０ｍＶであった。本実施例は、対向させた永久磁石間に働く磁気的引力を、外管外面から一定の距離に保持した第１磁性体２１が取り付けられた起歪体２５に接続したひずみゲージの抵抗値から変換される電圧値として計測することで、隙間距離を算出することが可能であることを示す例である。
【００３５】
【表２】
2017167074.tif 000004
【００３６】
（実施例３）
実施例１において、第２磁性体２２のみ直径８ｍｍの鉄球に変更したときの測定結果を表３に示す。隙間距離を０ｍｍから３．９ｍｍに変えたとき、出力電圧は２．５９Ｖから２．０７Ｖに変化した。本実施例は、発明を実施するための第１の測定形態において第２磁性体２２に強磁性体を用いても測定できることを示す例である。
【００３７】
【表３】
2017167074.tif 000005
【００３８】
（実施例４）
実施例２において、第１磁性体２１に鉄ヨークを取り付けた外径１６ｍｍで高さ８ｍｍの円柱形ネオジム磁石を用い、第２磁性体２２には外径１０ｍｍの球形ネオジム磁石を用いたときの測定結果を表４に示す。隙間距離を０ｍｍから３．９ｍｍに変えたとき、出力電圧は６０．８１ｍＶから２９．４２ｍＶに変化した。本実施例は、発明を実施するための第２の測定形態において、鉄ヨークを取り付けた磁石を第１磁性体２１に用いても測定できることを示す例である。
【００３９】
【表４】
2017167074.tif 000006
【００４０】
（実施例５）
実施例４において、第２磁性体２２のみ直径１０ｍｍの鉄球に変更したときの測定結果を表５に示す。隙間距離を０ｍｍから３．９ｍｍに変えたとき、出力電圧は１７．２５ｍＶから１４．３８ｍＶに変化した。本実施例は、発明を実施するための第２の測定形態において第２磁性体２２に強磁性体を用いても測定できることを示す例である。
【００４１】
【表５】
2017167074.tif 000007
【００４２】
（実施例６）
図２の測定形態において、スペーサー２３には、外管に接触する１対のアルミニウム製丸棒と、それに接続されたアルミニウム製のブロックと板を用い、前記アルミニウム製のブロックには起歪体２５として厚さ１．２ｍｍのアルミニウム板が接続され、前記起歪体２５にはひずみ測定手段２６のひずみゲージ及び先端部に第１磁性体２１が接続されている。外径１３０ｍｍで厚さ５ｍｍのアルミニウム製外管１１の内部に外径９０ｍｍで厚さ３ｍｍのアルミニウム製内管１０が収納されてなる二重管において、第１磁性体２１に外径１３ｍｍ、高さ１０ｍｍのネオジム磁石を用い、第２磁性体２２には外径１０ｍｍの球形ネオジム磁石を用い、ひずみ測定手段２６には、長さ５ｍｍでゲージ率２．１６のひずみゲージを用い、前記ひずみゲージを演算及び制御手段３のひずみゲージアンプに接続し、振動伝達材５及び加振手段６には振動モーターを用いて、周波数１０Ｈｚで振幅３ｍｍの振動を与えた後に、前記ひずみゲージアンプの出力電圧Ｖ（ｍＶ）をデジタルマルチメーターで測定した。内管と外管の隙間距離を０ｍｍから３０ｍｍに変化させたときの前記出力電圧は表６のとおりで、５４．８５ｍＶから１４．９６ｍＶに変化した。なお、起歪体２５の上であって第１磁性体２１と対向する位置に質量１０ｇのオーステナイト系ステンレス製分銅を乗せたときの出力電圧は１４．７４ｍＶであった。本実施例は、隙間距離０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲において、対向させた永久磁石間に働く磁気的引力を、外管外面から一定の距離に保持した第１磁性体２１が取り付けられた起歪体２５に接続したひずみゲージの抵抗値から変換される電圧値として計測することで、隙間距離を算出することが可能であることを示す例である。
【００４３】
【表６】
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【００４４】
（実施例７）
実施例４において、図４のように外管外周上における２点、Ｐ１及びＰ２を、Ｐ１と外管の中心を結ぶ直線とＰ２と外管の中心を結ぶ直線のなす角度が９０°となるようにとった。このときのＰ１とＰ２間の距離Ｄは式（５）より２８．３５ｍｍと算出された。Ｐ１及びＰ２における隙間距離を測定したところ、それぞれ０．２ｍｍ（＝ｇ１）及び１．４ｍｍ（＝ｇ２）であった。Ｐ１を原点としたときの内管の中心座標を、式（６）、（７）及び式（８）より算出したところ、Ｘ座標（Ｃｉｘ）は１３．３８ｍｍ、Ｙ座標（Ｃｉｙ）は−１２．４９ｍｍであった。本実施例は、外管外周上の２点において隙間距離を測定することで、内管中心点のＸＹ座標の算出が可能であることを示す例である。
【００４５】
（比較例１）
実施例２において、第１磁性体２１を直径９ｍｍで高さ３ｍｍの円柱形フェライト磁石に、第２磁性体２２を外径８ｍｍの鉄球に変更したときの測定結果を表７に示す。なお起歪体２５の上であって第１磁性体２１と対向する位置に質量１０ｇのオーステナイト系ステンレス製分銅を乗せたときの出力電圧は１３．７０ｍＶであった。本比較例では、隙間距離が３．２１ｍｍ以上のとき、第２磁性体２２が内管内面に自立接触しないため測定値が得られなかった。本比較例は、第１磁性体２１と第２磁性体２２の間に働く磁気的引力が１０ｇｆ未満では測定できないことを示す例である。
【００４６】
【表７】
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【符号の説明】
【００４７】
３  演算及び制御手段
４  表示記録手段
５  振動伝達材
６  加振手段
１０  内管
１１  外管
２０  荷重測定手段
２１  第１磁性体
２２  第２磁性体
２３  スペーサー
２５  起歪体
２６  ひずみ測定手段
【図１】
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【図２】
2017167074.tif 000011
【図３】
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【図４】
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