JP5526936B2

JP5526936B2 - 付着物検出装置

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Publication number: JP5526936B2
Application number: JP2010080887A
Authority: JP
Inventors: 信明長尾
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011214878A

Description

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装置に関する。

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スライム量を計測するゴム板法がある。

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、時間的な間隔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。

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。

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。

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。

特開昭６１−２６８０９号特開平１０−３３２６１０号

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、水温が変動する場合、付着物に起因した計測温度の変動と水温変動に起因した計測温度の変動との識別が困難である。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、水温が変動しても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を提供することを目的とする。

請求項１の付着物検出装置は、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、前記発熱体への通電制御手段と、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差に基づいて該金属管外面への付着物の付着を判定するとともに、水温の変動に応じて該温度差を補正する判定手段とを備えることを特徴とするものである。

請求項２の付着物検出装置は、請求項１において、前記発熱体に定電流ｉ_１を所定時間ｔ_１通電した後、所定時間ｔ_２だけ非通電とするか、または、所定時間ｔ_２だけ定電流ｉ_１よりも小さい定電流ｉ_２とするサイクルを繰り返し行い、該所定時間ｔ_１の開始時または該所定時間ｔ_２の終期における測温体の計測温度Ｔ_１と、該所定時間ｔ_１の終期または該所定時間ｔ_２の開始時における測温体の計測温度Ｔ_２との温度差ΔＴ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とともに、水温の変動に応じて該温度差ΔＴを補正することを特徴とするものである。

請求項３の付着物検出装置は、請求項２において、１つのサイクルにおける温度Ｔ_２の計測時点から所定時間経過後の測温体の計測温度Ｔ_３と、そのサイクルの計測温度Ｔ_１との平均値（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２に基づき、前記温度差ΔＴを
ΔＴ＝Ｔ_２−（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２
にて求まる値とすることを特徴とするものである。

請求項４の付着物検出装置は、請求項３において、該所定時間は前記ｔ_１時間であることを特徴とするものである。

本発明の付着物検出装置では、金属管内部に発熱体と測温体を設置したプローブを用いる。このプローブを被検水と接触させ、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。この計測温度差に基づいてプローブへの付着物の付着状況を検知する。これにより、水系におけるスライムの発生状況等を精度よく検知することが可能となる。

本発明では、プローブからの放熱量はプローブ外面へのスライム等の付着量に依存する。このため、通電量をゼロとした（又は少なくした）ときの測温体の計測温度と、通電量を多くしたときの測温体の計測温度との差を算出すれば、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検出することができる。そして、スライム付着量が多くなるほど、上記の温度差が大きくなるので、この温度差に基づいてスライム付着状況を検知することが可能となる。

ところで、このプローブ周囲の水温が大きく変動すると、スライム付着量に変化がなくても、プローブ内の測温体の計測温度が変化し、その結果スライム付着状況に変化が生じたものと判断する測定誤差が生じることになる。

そこで、本発明では、この測温体の計測温度変化に基づいて、スライム等のプローブ外面への付着を判定する。

具体的には、請求項３，４のように、１つのサイクルにおける温度Ｔ_２の計測時点から所定時間例えばt_１時間経過後の測温体の計測温度Ｔ_３と、そのサイクルの計測温度Ｔ_１との平均値（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２に基づき、前記温度差ΔＴを
ΔＴ＝Ｔ_２−（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２
にて求まる値とする。

また、請求項５のように、（Ｔ_３−Ｔ_１）の値が設定値よりも大きい場合、当該１つのサイクルにおける温度差ΔＴをΔＴ＝Ｔ_２−Ｔ_１にて求まる値とするか、または当該１つのサイクルにおける温度差ΔＴを温度差ΔＴの経時変化の算定に使用しないようにする。

実施の形態に係る付着物検出装置を備えた循環冷却水系の系統図である。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。実施の形態の回路ブロック図である。通電パターン及び温度変化パターン図である。通電パターン及び温度変化パターン図である。通電パターン及び温度変化パターン図である。測定温度を示すグラフである。管壁付近の温度分布図である。温度差ΔＴの補正方法の説明図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

第２図は実施の形態に係る付着物検出装置に用いられているプローブの長手方向の断面図である。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、演算部２３とを有する。演算部２３は、温度入力部２２からの信号を入力し、測温体４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、測温体４の計測温度に基づいて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。

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、水系の被検水をプローブ１と接触させる。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。

第４図は、プローブ周囲の水温に変動がない場合における通電パターン及び温度変化パターン図であり、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Ｔ_１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。

通電時間ｔ_１を、測温体４の検出温度がほぼ平衡温度Ｔ_２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ｔ_１は、予め通電試験を行って決定すればよい。ただし、ｔ_１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ｔ_１として設定すればよい。通常の場合、ｔ_１は５〜６０秒特に５〜２０秒程度が好ましい。

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ｔ_２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Ｔ_１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ｔ_２は、予め通電試験を行って決定すればよい。ただし、ｔ_２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ｔ_２として設定すればよい。通常の場合、ｔ_２は２０〜３００秒特に６０〜３００秒程度が好ましい。

なお、第４図ではｔ_２時間帯では通電量をゼロとしているが、ｔ_１時間帯の通電量ｉ_１に比べて微量の定電流ｉ_２を通電するようにしてもよい。ただし、ｉ_２＝０とするのが好ましい。

プローブ周囲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つの通電サイクルにおける通電時間ｔ_１開始前の計測温度Ｔ_１と、このサイクルにおける通電時間ｔ_１末期の計測温度Ｔ_２とはいずれも経時的に一定である。なお、Ｔ_２とＴ_１との差ΔＴ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。

プローブ１にスライムが付着した状態では、通電時間ｔ_１末期の計測温度Ｔ_２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。

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Ｔ_１，Ｔ_２を経時的に測定し、Ｔ_１とＴ_２との差ΔＴ＝（Ｔ_２−Ｔ_１）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。

上記の温度Ｔ_１，Ｔ_２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８図に示す伝熱モデルに基づくものである。

第８図において、Ｔｗ（水温）はＴ_１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、Ｔ_２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。

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ｒ_１より次式に従って算出することができる。

従って、プローブ周囲の水温に変動がない場合、Ｔ_１とＴ_２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。

ところで、プローブ周囲の水温が大きく変動する場合、上記の温度差ΔＴはこの水温変動にも影響されることになる。これについて第５図及び第６図を参照して説明する。なお、第５図及び第６図における発熱体通電量のパターン及び計測温度（Ａ）のパターンは第４図と同一である。

第５図は、経時的に周囲水温がかなり急速に低下していく場合のプローブ１の測温体４の計測温度のパターンを示している。このように周囲水温が低下していくと、測温体４の計測温度は、計測温度（Ｂ）の通り変化する。この計測温度（Ｂ）は、周囲水温が一定のときの計測温度（Ａ）が、周囲水温の低下に伴って右肩下がり状に低下していったものである。この第５図の通り、周囲水温が低下していくと、計測温度パターン（Ｂ）におけるＴ_１とＴ_２との温度差ΔＴ_Ｂは、水温変動がないときの温度差ΔＴに比べて小さくなる。

また、第６図は、経時的に周囲水温がかなり急速に上昇していく場合のプローブ１の測温体４の計測温度のパターンを示している。このように周囲水温が上昇していくと、測温体４の計測温度は、計測温度（Ｃ）の通り変化する。この計測温度（Ｃ）は、周囲水温が一定のときの計測温度（Ａ）が、周囲水温の上昇に伴って右肩上がり状に上昇していったものである。この第６図の通り、周囲水温が上昇していくと、計測温度パターン（Ｃ）におけるＴ_１とＴ_２との温度差ΔＴ_Ｃは、水温変動がないときの温度差ΔＴに比べて大きくなる。

このように、周囲水温が大きく変動すると、スライム付着状況に変化がないにもかかわらず、プローブ１の測温体４の計測温度差ΔＴが小さくなったり大きくなったりし、スライム付着状況が変化したものと誤判定してしまうことになる。

かかる誤判定を回避するために、本発明では、周囲水温の変動も勘案してスライム等の付着状況を判定する。

本発明の一態様では、第９図の通り、１つのサイクルにおける温度Ｔ_２の計測時点から所定時間例えばt_１時間経過後の測温体の計測温度Ｔ_３と、そのサイクルの計測温度Ｔ_１との平均値（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２に基づき、前記温度差ΔＴを
ΔＴ＝Ｔ_２−（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２
にて求まる値とする。

第９図（ａ）においては、プローブ周囲の水温は直線状に低下し、第９図（ｂ）においては、水温は直線状に上昇しているが、第５，６図に比べてΔＴへの周囲水温の影響を小さくすることができる。

このような周囲水温の変動は、第１図に示す循環冷却水系のピットの水温に見られるところである。

第１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。

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に戻る。冷却塔３０内には充填材３７が配置されている。塔頂には、この充填材３７に大気を吹き付けるようにファン３６が設けられている。冷却塔３０のピットの水と接するように、プローブ１及び水温センサ３８が設置されている。

この冷却塔においては、循環水の水温を一定に管理するため、水温上昇に応じてファン３６が制御される。冷却水温が上昇すると、ファンが起動し、これにより水温が低下する。水温が所定温度まで低下するとファン３６は停止する。

この時の循環水（冷却水）の温度変動とセンサ出力の変化の一例を第７図（ａ）に示す。第７図（ａ）では、ファンは水温が約２８℃を超えると起動し、水温が約２２℃を下回ると停止する。なお、後述の第７図（ｂ），（ｃ）でも同様である。第７図（ａ）〜（ｃ）では、実線は水温センサ３８による実際の水温であり、１３：０８〜１３：１８の１０分間で４℃の水温上昇、１４：０８〜１４：１８の１０分間で７℃の水温低下が起こっている。

第７図（ａ）では、水温が大きく低下する１４：１０頃及び１５：２０頃にΔＴが大きく低下している。そこで、この１４：１０頃及び１５：２０頃において上述のようにΔＴ＝Ｔ_２−（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２の演算を施した。その結果、第７図（ｂ）のΔＴａのように、１４：１０頃及び１５：２０頃における温度差ΔＴの変動幅が小さくなる。

本発明の別の一態様では、Ｔ_３−Ｔ_１の値が所定値よりも大きいまたは小さい場合、１つのサイクルにおける温度差ΔＴをＴ_１とＴ_３の平均値による補正を行わず、温度差ΔＴを（Ｔ_２−Ｔ_１）とする。第７図（ｃ）のΔＴ_ｂがこの態様に相当する。第７図（ｃ）では、水温変動Ｔ_３−Ｔ_１が０よりも小さい場合、すなわち水温低下時にはΔＴ_ｂをＴ_２−Ｔ_１とし、それ以外の場合にはΔＴ_ｂ＝Ｔ_２−（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２としたときの態様である。

なお、冷却水系では、第７図（ａ）のようにピット水温は上昇速度よりも下降速度の方が急速である。そのため、温度下降時にＴ_１とＴ_３の平均値による補正を行わず、ΔＴ＝Ｔ_２−Ｔ_１とするのが好ましい。さらには、Ｔ_３−Ｔ_１の値が所定値よりも大きいまたは小さい場合、そのサイクルにおける温度差ΔＴを、ΔＴの経時変化の算定に採用しない態様もとることができる。すなわち、急激な水温変動があった場合には、その際のΔＴを付着物の付着判定に用いないようにすることにより、正確な判定が可能である。

［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を第１図のように冷却塔３０に取り付け、プローブ１の発熱体３に対し、ｔ_１＝６０ｓｅｃ，ｔ_２＝６０ｓｅｃ、通電時の電流値ｉ＝４０ｍＡにて通電した。Ｔ_２−Ｔ_１の経時変化は第７図（ａ）に示す通りである。この場合のΔＴの補正を行った結果が第７図（ｂ），（ｃ）である。

なお、３日間連続して計測したところ、ΔＴ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／ｄｍ^２増加した。この結果より、ΔＴ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。

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
３０冷却塔
３４熱交換器

Claims

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、
前記発熱体への通電制御手段と、
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差に基づいて該金属管外面への付着物の付着を判定するとともに、水温の変動に応じて該温度差を補正する判定手段とを備えることを特徴とする付着物検出装置。
請求項１において、前記発熱体に定電流ｉ_１を所定時間ｔ_１通電した後、所定時間ｔ_２だけ非通電とするか、または、所定時間ｔ_２だけ定電流ｉ_１よりも小さい定電流ｉ_２とするサイクルを繰り返し行い、該所定時間ｔ_１の開始時または該所定時間ｔ_２の終期における測温体の計測温度Ｔ_１と、該所定時間ｔ_１の終期または該所定時間ｔ_２の開始時における測温体の計測温度Ｔ_２との温度差ΔＴ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とともに、水温の変動に応じて該温度差ΔＴを補正することを特徴とする付着物検出装置。
請求項２において、１つのサイクルにおける温度Ｔ_２の計測時点から所定時間経過後の測温体の計測温度Ｔ_３と、そのサイクルの計測温度Ｔ_１との平均値（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２に基づき、前記温度差ΔＴを
ΔＴ＝Ｔ_２−（Ｔ_１＋Ｔ_３）／２
にて求まる値とすることを特徴とする付着物検出装置。
請求項３において、該所定時間は前記ｔ_１時間であることを特徴とする付着物検出装置。