JP2003098158A

JP2003098158A - スラリー濃度測定装置及びそれを備えた氷水蓄熱システム

Info

Publication number: JP2003098158A
Application number: JP2001295508A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Ohira; 昭義大平; Michio Yanatori; 美智雄梁取; Hiroshi Aoyama; 博青山; Yoshitaka Sakano; 義孝坂野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】液体中に固形分が混入されたスラリ―中の固
形分の濃度を、スラリー搬送中に測定するに際し、簡単
な構成で、流水中の固形物の流れを阻害することなく、
固形物の流動状態に影響され難い測定結果を得る。【解決手段】氷水スラリーを搬送するパイプ１２の途
中に、上下面が対向する水平面をなす矩形管６３を設
け、矩形管６３の上下面に、互いに対向する一対の超音
波発信子６０と受信子６１を設け、前記発信子から発信
され、矩形管６３と氷水スラリーを通過して、前記受信
子で受信した超音波の減衰量を検知し、受信された超音
波の減衰量と氷の濃度を予め校正しておくことで、矩形
管６３内の輸送中の氷の濃度を間接的に推算する演算部
１４を備えたスラリー濃度測定装置とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスラリー搬送路中の
スラリー濃度を測定する装置に係り、特に、氷水蓄熱シ
ステムにおいて、蓄熱槽から所望の場所へ氷水スラリー
を輸送する際の、輸送中の氷濃度の測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力負荷の平準化のために、氷蓄熱を利
用した空調システムは、ビル用空調などに広まってきて
いる。このような空調システムでは、施工性に優れたダ
イナミック式製氷機により、深夜電力などを利用して氷
を製造し、一旦蓄熱槽に蓄え、蓄熱槽内で氷を解かして
冷水の形で冷熱を所望の場所に供給している。この冷熱
輸送は水の顕熱を利用した顕熱輸送方式であるが、冷房
負荷の大きな大規模設備（半導体工場等）では、冷水輸
送の距離が長くなるため冷水を輸送するのに要する動力
が大きくなり、また配管径も大きくなるので設備費が高
額となり、省エネルギーの観点からも輸送動力の低減が
求められている。

【０００３】そこで、冷熱の輸送動力を低減するため
に、流水中に氷を混合させ、氷水スラリーとして所望の
場所に冷熱を輸送する搬送方式が提案されている。大量
の冷熱を輸送する場合、氷の融解潜熱を併せて利用する
氷水スラリー搬送方式は、顕熱のみを利用した従来方式
よりも配管径を小さくでき、また輸送動力を低減させる
ことができる。しかしながら、流水中に固形物である氷
を混入させるために、氷の混入量が多いと、搬送中に配
管の垂直部やエルボ部などで氷が詰まる恐れが生じる。
従って、輸送中の氷の濃度を監視し、氷の輸送量を制御
することは極めて重要である。

【０００４】氷の濃度測定に関しては、蓄熱槽に充填し
た氷の濃度の静止状態での測定が研究レベルにおいて数
例見られる。これは音波の減衰量や電気抵抗の変化を測
定して、蓄熱槽内の氷濃度を間接的に測定するものであ
るが、流水中の氷の濃度測定に関しては、まだ実例は少
ない。

【０００５】特開平７ー２６０７１１号公報には、配管
中の氷濃度を測定するために、配管の上下管壁に対向し
てマイクロ波の送受波器を取付け、氷水スラリー中の氷
濃度に応じて変化する受波器で受波されたマイクロ波電
力を、基準電力と等しくするように送波器の電力を制御
して、氷濃度を測定する内容が公表されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら特開平７
ー２６０７１１号公報による音波の減衰を利用した氷濃
度の測定は、管内の氷の流動状態による測定誤差を小さ
くするために、同一管断面の同一周上に複数の超音波セ
ンサーを対にして設ける必要があり、構造が複雑で高価
になる問題点があった。

【０００７】氷は水よりも比重が小さいため、水ととも
に流れる氷は上方に偏って流れる。したがって、図３に
示すように、円管内を流動する氷４は、円管上部内壁面
が曲面なので、氷群は円管内壁面に沿うように、三日月
状に分布を持って流れる。このため、円形パイプ１２の
外壁面に超音波発信子（以下、発信子という）６０と超
音波受信子（以下、受信子という）６１を対向して備え
た場合、例えば、発信子６０aと受信子６１a、あるいは
発信子６０bと受信子６１bの設置場所において、氷水ス
ラリー中を透過してきた超音波を受信子で受ける場合、
計測波形が発信子と受信子の設置場所によって異なって
くる。すなわち、同一断面円周上に複数の超音波センサ
ー（発信子、受信子）を設置して計測する必要があり、
一般的に構造が複雑となり、高価になり易い。

【０００８】本発明は、以上のような問題点を解決する
ためになされたもので、流水中に固形分が混入されたス
ラリ―中の固形分の濃度を測定するに際し、簡単な構成
で、流水中の固形物の流れを阻害することなく、固形物
の流動状態に影響され難い測定結果を得ることを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、スラリー
濃度測定部におけるスラリー濃度が、スラリー流れ方向
に直交する水平方向で均一でないことに原因がある。例
えば氷水スラリー中の氷は水より軽いために上方に偏っ
て流れるが、濃度測定部の流路が断面円形であるため
に、氷の厚みも流路断面に沿って変わってしまう。

【００１０】発明者等は、測定するセンサー側でこの問
題に対処する代わりに、スラリーの流れを変え、固形分
（氷）が流れの幅方向に均一な分布をして流れることを
考えて本発明に到達した。すなわち、上記課題を解決す
る本発明は、スラリーを輸送する密閉管路の途中に、上
面が管路の幅方向に水平面をなす部分を設けるとともに
この上面に対向する下面も同様に水平面とし、この上面
と下面の互いに対向する位置に、超音波の発信子と受信
子を設けたものである。

【００１１】前記発信子を受信子を兼ねたものとし、濃
度測定部の流路下面側に発信子兼受信子を設置し、流れ
の上部に集まった固形分（氷）の下面から反射される超
音波を受信して氷の下面までの距離を算出することによ
り、固形分（氷）の厚み、すなわち、スラリー濃度を測
定するようにしてもよい。

【００１２】また、濃度測定部の流路の側壁も互いに対
向する垂直な壁面とし、固形分（氷）の分布（厚み）が
流れの幅方向に均一になることを利用して、前記垂直な
壁面に上下方向に複数の発信子と受信子を互いに対向さ
せて配置し、固形分の層（氷の層）を通過した超音波と
搬送液体（水）のみを通過した超音波を識別して固形分
（氷）の厚み、すなわち、スラリー濃度を測定するよう
にしてもよい。

【００１３】さらに、濃度測定部の流路の前記水平な上
下面に設置する発信子と受信子を、平面的な広がりをも
つ領域に超音波を送受信するように配置することで、測
定の精度を向上させることができる。

【００１４】

【発明の実施例の形態】本発明は、氷水蓄熱システム以
外に、食品関連の粒子（穀類など）など搬送媒体である
液体よりも比重が小さい粒子をスラリーとして液体と共
に輸送する際にも応用できる技術であるが、ここでは、
氷水蓄熱システムにおける氷水スラリーを主体にして実
施の形態を説明する。

【００１５】図１は本発明に係るスラリー濃度測定装置
を備えた氷水蓄熱システムの実施の形態を示す断面図で
ある。

【００１６】以下、本実施の形態の構成を説明する。図
示の氷水蓄熱システムは、ダイナミック式製氷機１と、
ダイナミック式製氷機１にパイプ２で連結された蓄熱槽
システム部分と、空調システム部分と、蓄熱槽システム
部分と空調システム部分を接続する管路と、スラリー濃
度測定、制御部分と、を含んで構成されている。

【００１７】蓄熱槽システム部分は、ダイナミック式製
氷機１の下方に配置され前記パイプ２でダイナミック式
製氷機１に接続された蓄熱槽３と、前記蓄熱槽３の外部
に配置されたスラリーポンプ１１と、一端を前記スラリ
ーポンプ１１の吸い込み側に接続し、他端を蓄熱槽３の
計画水面よりも下方になる位置に配置して氷水取水口３
６を設けた氷水取水管８と、氷水取水口３６の下方に配
置された氷収集機５１と、氷水取水管８の蓄熱槽３の計
画水面よりも上になる位置に介装されたバルブ９と、一
端を前記氷水取水管８のバルブ９の下流側に接続し、他
端の開口を蓄熱槽３の計画水面よりも下方になる位置に
配置して網６を装着したパイプ７と、パイプ７の蓄熱槽
３の計画水面よりも上になる位置に介装されたバルブ１
０と、を含んで構成されている。氷収集機５１は、軸線
を上下方向にして配置されたプロペラ４２と、プロペラ
４２の上部に設けた網４１を含んで構成されている。

【００１８】空調システム部分は冷熱供給場所２１に上
下２段に分けて配置されている。上段には、タンク５２
と、タンク５２の水面下になる壁面に接続されたパイプ
３１と、パイプ３１の他端に接続された熱交換器３３
と、前記パイプ３１に吸い込み側をタンク５２側にして
介装されたポンプ２８と、パイプ３１のタンク５２とポ
ンプ２８の間に介装されたバルブ２６と、熱交換器３３
に一端を接続され、他端をタンク５２の上方に位置させ
たパイプ２４と、パイプ２４の他端開口に取りつけられ
た散水管２５と、一端をタンク５２内でその計画水面近
くに開口させ、他端に前記冷熱供給場所２１の外に位置
させたパイプ３４と、を含んで構成されている。

【００１９】下段には、タンク５３と、タンク５３の水
面下になる壁面に接続されたパイプ３０と、パイプ３０
の他端に接続された熱交換器３２と、前記パイプ３０に
吸い込み側をタンク５３側にして介装されたポンプ２９
と、パイプ３０のタンク５３とポンプ２９の間に介装さ
れたバルブ２７と、熱交換器３２に一端を接続され、他
端をタンク５３の上方に位置させたパイプ２２と、パイ
プ２２の他端開口に取りつけられた散水管２３と、一端
をタンク５３内でその計画水面近くに開口させ、他端に
前記冷熱供給場所２１の外に位置させたパイプ３５と、
を含んで構成されている。

【００２０】蓄熱槽システム部分と空調システム部分を
接続する管路は、前記スラリーポンプ１１の吐出側に一
端を接続され、他端を前記タンク５２の計画水面位置に
開口させて吐出口３８としたパイプ１２と、パイプ１２
のタンク５２に近い位置に介装されたバルブ１９と、ス
ラリーポンプ１１とバルブ１９の間のパイプ１２に分岐
して設けられ下流端を前記タンク５３の計画水面位置に
開口させて吐出口３９としたパイプ２０と、一端を前記
蓄熱槽３内の計画水面より上に開口させ、他端を前記パ
イプ３４に接続したパイプ４０と、を含んで構成されて
いる。前記パイプ３５も、パイプ４０に接続されてい
る。

【００２１】スラリー濃度測定、制御部分は、スラリー
ポンプ１１とバルブ１９の間のパイプ１２の水平直管部
に配置された濃度測定部１３と、濃度測定部１３に信号
線１５ａ，１５ｂで接続された演算手段である演算部１
４と、を含んで構成され、演算部１４は、濃度測定部１
３から出力される信号に基づいてスラリー濃度を演算す
るとともに、演算結果に基づいて信号線１６，１７，５
０を介して前記バルブ９，１０の開度制御及び前記氷収
集機５１の運転制御を行うようになっている。演算部１
４はまた、図示されていない表示手段を備え、演算によ
り得られたスラリー濃度を表示できるようになってい
る。

【００２２】濃度測定部１３と、濃度測定部１３に信号
線１５ａ，１５ｂで接続された演算部１４と、を含んで
スラリー濃度測定装置が構成される。

【００２３】以下、上記構成の装置の動作を説明する。
深夜電力などを利用してダイナミック式製氷機１で氷４
を作り、ダイナミック式製氷機１で作られた氷４は、パ
イプ２を経て蓄熱槽３内に供給され、水５とともに貯蔵
される。冷熱供給場所２１に冷熱を輸送する際には、ス
ラリーポンプ１１を運転して氷水取水管８の氷水取水口
３６から氷４と水５を同時に吸い込み、タンク５２、タ
ンク５３に氷４と水５をスラリー輸送する。この時バル
ブ９、１８、１９は開け、バルブ１０は閉めておく。蓄
熱槽３内に氷が広く分散している場合は、氷４が氷水取
水口３６にスムーズに吸い込まれるように、氷収集機５
１を運転する。氷収集機５１を運転すると網４１の上に
氷４が集まる。その後氷収集機５１の運転を止めると、
網４１の上に集められた氷４は、浮力により氷水取水管
８内に吸い込まれる。パイプ１２で輸送される氷４の濃
度は、濃度測定部１３において、超音波センサーにより
超音波の減衰量が受信子で測定されるか、あるいは発信
された超音波が、氷群に反射して再びセンサーに戻って
くるまでの時間が測定され、その信号が演算部１４に送
られる。

【００２４】発信された超音波の減衰量から氷の濃度を
推測する場合は、水のみが流れている場合の超音波の減
衰量と、氷水スラリーが流れている場合の超音波の減衰
量を比較し、氷の混入による超音波の減衰量の増加を利
用して行なう。演算部１４では予め求めた超音波の減衰
量と氷量の関係から、氷の濃度を間接的に推算する。

【００２５】また、発信された超音波が氷群に反射して
再度受信されるまでの時間を計測して氷の濃度を測定す
る場合は、濃度測定部において超音波発信子から氷層ま
での距離を変化させ、同一超音波センサー（探触子）で
超音波が再度受信されるまでの経過時間を予め計測し、
濃度測定部における氷の濃度と前記経過時間との関係を
明らかにしておく。演算部１４は、未知の濃度の氷水ス
ラリーが流れている状態で計測した前期経過時間と、前
記予め測定した濃度測定部における氷の濃度と前記経過
時間との関係にもとづいて、輸送中の氷の濃度を間接的
に推算する。

【００２６】この演算によって得られた制御信号は、バ
ルブ９、１０、氷収集機５１に送られ、氷の濃度が予め
設定された範囲を超えて大きく、管内で氷が詰まる恐れ
が予測される場合は、バルブ１０の開度を大きくし、パ
イプ１２に流れる水５の割合を多くして輸送中の氷の濃
度を下げる。あるいは、一時的に氷収集機５１を止め、
バルブ９を閉にしてパイプ１２を流れる氷４の供給を止
めることも可能である。

【００２７】冷熱供給場所２１内のタンク５２、５３に
送り込まれた氷４と水５を用いて、熱交換器３２、３３
で冷熱を発生させる時は、バルブ２６、２７を開け、ポ
ンプ２８、２９を運転して熱交換器３２、３３に冷水を
供給する。熱交換器３２、３３で熱交換し、温度上昇し
た水は、散水管２３、２５からタンク５２、５３に散水
される。温度上昇した水の散布により、タンク５２、５
３内の氷４が融解されて再び水の温度が下がり、タンク
５２、５３内の水はまたパイプ３０、３１から熱交換器
３２、３３へ循環される。熱交換機３２、３３での放熱
が進むに従い、タンク５２、５３内の氷４の量が減って
くるが、その場合はスラリーポンプ１１を運転して蓄熱
槽３からタンク５２、５３に氷４と水５を再び輸送す
る。

【００２８】蓄熱槽３からタンク５２、５３に氷４と水
５を送りこむことで、タンク５２、５３の水位が上昇す
るが、所定の水位の位置に前記パイプ３４，３５が接続
されているので、それより水位が上昇すると、溢れた水
は、パイプ３４、３５、及びパイプ４０を経て重力の作
用で蓄熱槽３に戻るようになっている。

【００２９】図２に、本発明のスラリー濃度測定装置の
第１の実施の形態を示す。なお、演算部については図示
を省略してある。本実施の形態では、濃度測定部は、断
面が四角でかつ上下の面が互いに対向する水平面となる
ようにパイプ１２に介装される矩形管６３と、矩形管６
３の鉛直方向外壁面（上下面）に互いに対向して装着さ
れた超音波発信子６０と超音波受信子６１を含んで形成
されている。超音波受信子６０と超音波発信子６１は、
矩形管６３の所定の位置に固定できるよう構造となって
いる。

【００３０】本実施の形態では、スラリー搬送路のう
ち、濃度測定部を矩形管６３とし、かつ上下面を互いに
対向する水平面になるように矩形管６３を設置すること
により、流動中の氷に働く浮力の作用で、矩形管内壁面
上部に、幅方向にほぼ均一な厚みの氷層が形成されて流
れる。矩形管６３の上流側端面から、発信子６０と受信
子６１が対向して設置してある所までの距離は、断面円
形のパイプ１２の中で、三日月状に群を成して流れてい
る氷４を均一化させ、ほぼ一定の氷層の厚みを形成させ
るために必要な距離とする必要がある。

【００３１】上記構成により、超音波が透過する氷層の
厚みを管路の幅方向（流れに直交する水平方向）でほぼ
一定にすることができるので、発信子６０と受信子６１
の設置場所によらず、同一断面円周上に複数の超音波セ
ンサー（送信子、受信子）を設置したり、超音波センサ
ーを移動させながら計測する必要がなくなる。また、矩
形管の場合、超音波センサーを取り付ける際に、外壁面
が平面であるため取り付け易く、超音波が円管の配管部
を通過する際の屈折の影響を小さくでき、氷以外による
超音波の減衰を小さくすることができる。そして、簡単
な構成で、流水中の固形物（氷４）の流れを阻害するこ
となく、固形物の流動状態に影響され難い測定結果を得
ることができる。

【００３２】更に、発信子６０と受信子６１が互いに対
向する平面に設置されているので、超音波が進行する距
離は、超音波センサーの設置場所によらず一定となる。

【００３３】矩形管６３の両端面にはフランジ８１、８
２を設けてあり、ボルトで締め付けることができるよう
に穴９６を備えているので、パイプ１２（既存の円形パ
イプ）に矩形管の濃度測定部１４を取り付ける時には、
必要に応じて脱着できる構造となっている。

【００３４】図４、図５は、濃度測定部１４を構成する
矩形管６３と断面円形のパイプ１２との接続部の例を示
す。矩形管６３の断面が正方形の場合である。

【００３５】図４は、パイプ１２から、矩形管６３（濃
度測定部）へ形状が変化する接続部の詳細を示す。パイ
プ１２の外周面の延長面が、矩形管６３の内壁面に内接
するように、パイプ１２のフランジ８０と矩形管６３の
フランジ８１を、穴９６を利用してボルトで締結する。
氷４は、パイプ１２から矩形管６３へ流れるので、流路
断面積は流れ方向に対して広がる方向にあり、パイプ１
２と矩形管６３との接続部において、氷４が引っかかる
ことはない。

【００３６】図５は、矩形管６３（濃度測定部）から、
パイプ１２へ形状が変化する接続部の詳細を示す。氷４
が流れる方向は、矩形管６３からパイプ１２であるた
め、流路断面積は流れ方向に対して狭まる方向にある。
矩形管６３の内壁面に、パイプ１２の外周面が内接する
ように、矩形管６３のフランジ８２と、パイプ１２のフ
ランジ８３を穴９６を利用してボルトで締結する。矩形
管６３の下流端に、断面が矩形管６３の内側断面と同じ
大きさの正方形からパイプ１２の内径と同じ形の円形に
変化するテーパー部８４を設けることにより、氷４が引
っ掛かり難い構造とする。

【００３７】図６は、受信子６１で受信した計測波形の
一例を、模式的に示したものである。波形７０は氷なし
の場合の計測波形、波形７１は氷が存在する場合の計測
波形である。氷がある場合の波形７１は、矩形管６３内
を流れる氷層の厚さ（氷濃度）によって変化する。氷の
混入による超音波の減衰量は、時間Δt間において、氷
なしの場合の波形７０と、氷ありの場合の波形７１をそ
れぞれ時間で積分し、それらの面積を差し引くことによ
って得た値を、時間Δtで割って求める。矩形管内では
氷が流動しているため、波形７１が時間と共に変動する
が、測定時間を任意に決め、その測定時間内の平均的な
波形７１を求めて、前述のような処理を行う。なお別途
同様の矩形管において、氷層の厚さ（氷濃度）を変化さ
せた時の波形７１を測定し、氷の混入による超音波の減
衰量と氷濃度との関係を予め校正しておく必要がある。

【００３８】図７に、本発明のスラリー濃度測定装置の
第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、図２に示し
た実施の形態の変形で、濃度測定部である矩形管６３の
外壁面上に、対向して設けた発信子６０と受信子６１の
組を流れ方向に複数設置（図では２個）設置した場合で
ある。矩形管内を流れる氷水スラリー中の氷４は必ずし
も連続体で移動せず、矩形管内を流れ方向に分布を持っ
ている場合があるので、発信子６０と受信子６１を組み
合わせた測定部を、流れ方向に複数設置し、それぞれの
場所で測定を行うことにより測定精度を向上させたもの
である。

【００３９】図８に、本発明のスラリー濃度測定装置の
第３の実施の形態を示す。本実施の形態が前記第１の実
施の形態と異なるのは、矩形管の上下に互いに対向して
配置された発信子６０と受信子６１に代えて、矩形管６
３の上下面に互いに対向して、矩形管水平方向外壁面の
幅方向（流れに直交する水平方向）の長さにほぼ等しく
なるように、該幅方向に長い長方形の発信子６４、受信
子６５を設けた点である。

【００４０】通常、超音波探傷用に用いる探触子（発信
子、受信子）の径は、10ミリ程度の大きさであるものが
多い。超音波の性質として発信子から発信された超音波
は、ほぼ直進して受信子に到達する。従って、超音波が
進行する面積は、探触子の径とほぼ同じ面積であるた
め、通常冷熱輸送用の配管で用いられる直径100ミリ程
度の配管内を、10ミリ程度の測定エリアで内部情報を推
測するのは、得られる情報量が少なく誤差の要因になり
易い。そこで矩形管水平方向外壁面の幅方向（流れに直
交する水平方向）の長さにほぼ等しくなるように、長方
形の発信子６４、受信子６５を設ける。長方形の発信子
６４と受信子６５は、それぞれ大きさ10ミリ程度の複数
の振動子から構成されている場合でも構わない。

【００４１】図２のように、濃度測定部を円形管から矩
形管にすることにより、輸送中の氷は矩形管鉛直方向上
部付近に寄せ集められて氷層を形成し、ほぼ均一厚さの
氷層部を超音波が透過するようになり易いが、一部に空
洞ができる可能性もある。従って、本実施の形態によれ
ば、矩形管６３内を流れる氷４に対して、平面的に広が
りを持った領域に超音波を照射できるようにし、氷が流
れる際の偏流の影響を少なくして、矩形管を流れる氷の
濃度を平均的に測定することができる。

【００４２】本実施の形態においても、超音波が透過す
る氷層の厚みを管路の幅方向（流れに直交する水平方
向）でほぼ一定にすることができるので、同一断面円周
上に複数の超音波センサー（送信子、受信子）を設置し
たり、超音波センサーを移動させながら計測する必要が
なくなる。また、矩形管の場合、超音波センサーを取り
付ける際に、外壁面が平面であるため取り付け易く、超
音波が円管の配管部を通過する際の屈折の影響を小さく
でき、氷以外による超音波の減衰を小さくすることがで
きる。そして、簡単な構成で、流水中の固形物（氷４）
の流れを阻害することなく、固形物の流動状態に影響さ
れ難い測定結果を得ることができる。

【００４３】図９に、本発明のスラリー濃度測定装置の
第４の実施の形態を示す。図２に示す実施の形態では、
発信子６０と受信子６１の２個を組み合わせた超音波セ
ンサー（探触子）を用いて、超音波が氷水スラリー内を
透過した時の電圧（音圧）を測定したが、１つの超音波
センサー（探触子）７３にした場合でも、濃度の計測が
可能である。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異
なるのは、互いに対向して配置された発信子６０と受信
子６１に代えて、発信子と受信子を兼ねた超音波センサ
ー（探触子）７３が、矩形管６３の下面外側に上方に向
けて装着されている点である。

【００４４】超音波センサー７３から発信された超音波
は、矩形管６３内を流動する氷層（氷４）で反射され、
その一部が超音波センサー（探触子）７３に戻り、受信
される。図１０は受信波形７２の一例を、横軸に超音波
が発信されたから受信されるまでの経過時間をとり、縦
軸に受信された超音波の音圧（電圧）をとって模式的に
示したものである。超音波センサー（探触子）７３から
発信された超音波は、氷層（氷４）で反射されて再び超
音波センサー（探触子）７３に戻ってくるが、その現象
が数回繰り返されて、超音波は減衰して行く。従って、
受信波形７２の最大電圧（音圧）を得る時が、超音波セ
ンサー（探触子）７３と氷層（氷４）の間を超音波が最
初に１往復した時の経過時間t1である。受信波形７２の
最大電圧（音圧）を得る経過時間は、図９に示した超音
波センサー（探触子）７３と氷層（氷４）との距離Ｌに
関係してくる。すなわち、図１１のグラフに示すよう
に、距離Ｌが長い場合、すなわち氷層（氷４）が薄い場
合は、超音波センサー（探触子）７３と氷層（氷４）の
間を超音波が最初に１往復する時間は長くなり、逆に距
離Ｌが短い場合、すなわち氷層（氷４）が厚い場合は経
過時間tは短くなる。従って、濃度測定部において超音
波センサーから氷層までの距離Ｌを変化させ、最大電圧
（音圧）を得る時の経過時間tを予め計測し、濃度測定
部における氷の濃度（氷層の厚さ）と経過時間との関係
を明らかにすることにより、輸送中の氷の濃度を間接的
に推算する。

【００４５】本実施の形態においても、超音波が透過す
る氷層の厚みを管路の幅方向（流れに直交する水平方
向）でほぼ一定にすることができるので、同一断面円周
上に複数の超音波センサー（送信子、受信子）を設置し
たり、超音波センサーを移動させながら計測する必要が
なくなる。また、矩形管の場合、超音波センサーを取り
付ける際に、外壁面が平面であるため取り付け易く、超
音波が円管の配管部を通過する際の屈折の影響を小さく
でき、氷以外による超音波の減衰を小さくすることがで
きる。そして、簡単な構成で、流水中の固形物（氷４）
の流れを阻害することなく、固形物の流動状態に影響さ
れ難い測定結果を得ることができる。

【００４６】図１２に、本発明のスラリー濃度測定装置
の第５の実施の形態を示す。本実施の形態は、濃度測定
部１４を、両端にフランジ８１，８２を備えた断面円形
のパイプ１２ａと、パイプ１２ａの内周面に外周面が密
着して内接するように挿入された薄肉パイプ１００と、
薄肉パイプ１００の内面に互いに対向する位置に埋め込
まれた発信子６０及び受信子６１と、を含んで構成した
ものである。

【００４７】薄肉パイプ１００の一端にはフランジ８１
と結合されるフランジが設けられ、穴９６を利用してボ
ルトで締結するようになっている。この薄肉パイプ１０
０の鉛直方向上側になる部分と対向して下側になる部分
の流れ方向中央部分には、断面が中心側が平面となる半
月状の部材９４が形成され、この半月状部分の平面側内
周面に、発信子６０及び受信子６１が対向して埋め込ま
れている。半月状の部材９４の流れ方向上流側と下流部
には、内周側の面が次第にパイプ１２ａの内週面に近づ
くテーパー部９３、９５が設けられており、流動状態に
ある氷４が半月状の部材９４付近を通過する際に、スム
ーズに流れるようになっている。対抗して設けた半月状
の部材９４の内周側の面は互いに向き合っており、氷４
が通過する側は平滑面になっている。発信子６０と受信
子６１からの信号線は、薄肉パイプ１００内に埋め込ま
れており、外部に取り出せるようになっている。

【００４８】パイプ１２内では三日月状に群を成して流
れていた氷群は、超音波が発信される領域、すなわち半
月状の部材９４に挟まれた領域に流入すると、幅方向に
ほぼ均一な厚みを持つ氷層となって流れる。したがっ
て、濃度測定部において矩形管にせず円形パイプであっ
ても、パイプ内部に超音波センサーを備えた平滑面部を
持つ薄肉パイプを挿入することにより、同様の効果を得
ることができる。

【００４９】なお、本実施の形態では、パイプ１２の下
側にも断面半月状の部材９４が配置されるが、下側部分
は必ずしも必要ではない。また、発信子６０と受信子６
１の位置は互いに入れ替わってもよい。

【００５０】本実施の形態においても、超音波が透過す
る氷層の厚みを管路の幅方向（流れに直交する水平方
向）でほぼ一定にすることができるので、同一断面円周
上に複数の超音波センサー（送信子、受信子）を設置し
たり、超音波センサーを移動させながら計測する必要が
なくなる。また、矩形管の場合、超音波センサーを取り
付ける際に、外壁面が平面であるため取り付け易く、超
音波が円管の配管部を通過する際の屈折の影響を小さく
でき、氷以外による超音波の減衰を小さくすることがで
きる。そして、簡単な構成で、流水中の固形物（氷４）
の流れを阻害することなく、固形物の流動状態に影響さ
れ難い測定結果を得ることができる。

【００５１】図１３に、本発明のスラリー濃度測定装置
の第６の実施の形態を示す。本実施の形態が前記第１の
実施の形態と異なるのは、濃度測定部を形成する矩形管
に代えて断面円形の管を用い、この管の外周面の一部
と、この部分に対向する外周面を平面に成形し、この互
いに対向する平面に、発信子６０と受信子６１を対向さ
せて配置して濃度測定部１３ａを形成した点である。発
信子６０と受信子６１は、それぞれホルダー９１，９２
で固定されている。濃度測定部１３ａをパイプ１２に結
合する場合、前記平面が水平面となるように結合され
る。本実施の形態では、濃度測定部１３ａを構成する断
面円形の管の相対する外側管壁面の一部をローラーを用
いてプレスして整形し、円管壁面の一部に平面部を持た
せるようにしてあるが、氷水スラリーの配管１２の途中
に円管の濃度測定部１３aを設け、濃度測定部１３aの垂
直方向に相対する外側管壁面の一部をローラーを用いて
プレスして整形し、円管壁面の一部に平面部を持たせる
ようにしてもよい。

【００５２】円管壁面に一定区間の平面部を設けること
により、濃度測定部に矩形管を用いた場合と同様の効果
を得ることができる。図１３のA―A断面図に示すよう
に、濃度測定部１３aの上部内壁水平面には、氷４は浮
力により均一に氷層をなして流動するようになり、精度
の高い濃度計測が行えるようになる。

【００５３】本実施の形態においても、超音波が透過す
る氷層の厚みを管路の幅方向（流れに直交する水平方
向）でほぼ一定にすることができるので、同一断面円周
上に複数の超音波センサー（送信子、受信子）を設置し
たり、超音波センサーを移動させながら計測する必要が
なくなる。また、超音波センサーを取り付ける際に、外
壁面が平面であるため取り付け易く、超音波が円管の配
管部を通過する際の屈折の影響を小さくでき、氷以外に
よる超音波の減衰を小さくすることができる。そして、
簡単な構成で、流水中の固形物（氷４）の流れを阻害す
ることなく、固形物の流動状態に影響され難い測定結果
を得ることができる。

【００５４】図１４に、本発明のスラリー濃度測定装置
の第７の実施の形態を示す。本実施の形態は、氷水スラ
リーの搬送管路が、上部開放型の矩形管の場合とした例
であり、図１４は、濃度測定部１３の平面図を示したも
のである。本実施の形態の濃度測定部１３は、上部開放
型矩形配管の途中に設けられ、濃度測定部１３と氷水ス
ラリーの搬送管路の接続は、A―A断面図に示すように、
濃度測定部１３の両端に設けたフランジ９７により穴９
６を利用してボルトで締結する構造になっている。濃度
測定部１３は、氷水スラリーの搬送管路と同様に、上部
開放型矩形管で構成され、その流れ方向中央部分の一方
の側壁に、テーパー部８５、８７と平滑面８６を持つ部
材１０１が固着されている。この部材１０１の固着によ
り、濃度測定部１３の流れ方向中央部分の流路の幅が、
前記平滑面８６の流れ方向長さ部分だけ、狭められてい
る。発信子６０は前記平滑面８６に埋めこんで装着さ
れ、受信子６１は平滑面８６に対向する側壁外面の前記
発信子６０に対向する位置に埋めこまれている。発信子
６０と受信子６１は、それぞれホルダー９１，９２で固
定されている。ここで用いる発信子６０と受信子６１
は、濃度測定部１３の流路深さ方向の測定を考慮し、矩
形管上下方向に対して長めの形状を用いる。

【００５５】上部開放型矩形管で構成された氷水スラリ
ーの搬送管路を、平面的に分散した状態で流れてきた氷
群は、濃度測定部１３に流入すると、テーパー部８５に
よって流路が次第に狭められるため、次第に寄せ集めら
れる。平滑面８６と平滑面８６に対向する壁面の間の、
発信子６０と受信子６１とを結ぶ位置を通過する際に
は、氷群はほぼ均一の氷層を形成するように流れる。氷
層の厚み部分よりも下方になった発信子から発振された
超音波とそれより上の位置の発信子から発振された超音
波とでは、受信子が受信する超音波の音圧が異なり、そ
れにより、氷層の厚み、すなわち、氷水スラリーの氷濃
度の検出が可能になる。

【００５６】本実施の形態においても、超音波が透過す
る氷層の厚みを管路の幅方向（流れに直交する水平方
向）でほぼ一定にすることができるので、同一断面円周
上に複数の超音波センサー（送信子、受信子）を設置し
たり、超音波センサーを移動させながら計測する必要が
なくなる。また、超音波センサーを取り付ける際に、外
壁面が平面であるため取り付け易く、超音波が円管の配
管部を通過する際の屈折の影響を小さくでき、氷以外に
よる超音波の減衰を小さくすることができる。そして、
簡単な構成で、流水中の固形物（氷４）の流れを阻害す
ることなく、固形物の流動状態に影響され難い測定結果
を得ることができる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によると、簡単な構成で、流水中
の固形物の流れを阻害することなく、固形物の流動状態
に影響され難い測定結果を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る氷水蓄熱システムの実施の形態を
示す系統図である。

【図２】本発明に係るスラリー濃度測定装置の第１の実
施の形態を示す断面図である。

【図３】円形パイプに超音波センサーを備えた例を示す
断面図である。

【図４】図２に示す実施の形態における濃度測定部とそ
の上流側のスラリー搬送路との接続部の例を示す断面図
である。

【図５】図２に示す実施の形態における濃度測定部とそ
の下流側のスラリー搬送路との接続部の例を示す断面図
である。

【図６】図２に示す実施の形態における受信子で受信し
た計測波形の例を示す概念図である。

【図７】本発明に係るスラリー濃度測定装置の第２の実
施の形態を示す断面図である。

【図８】本発明に係るスラリー濃度測定装置の第３の実
施の形態を示す断面図である。

【図９】本発明に係るスラリー濃度測定装置の第４の実
施の形態を示す断面図である。

【図１０】図９に示す実施の形態における受信波形の例
を示す概念図である。

【図１１】図９に示す実施の形態における距離と超音波
の到達時間の関係を示す概念図である。

【図１２】本発明に係るスラリー濃度測定装置の第５の
実施の形態を示す断面図である。

【図１３】本発明に係るスラリー濃度測定装置の第６の
実施の形態を示す断面図である。

【図１４】本発明に係るスラリー濃度測定装置の第７の
実施の形態を示す平面図である。

【符号の説明】

１ダイナミック式製氷機２、１２、１２a パイプ３蓄熱槽４氷５水６、４１網７、２０、２２、２４、３０、３１、４０パイプ８氷水取水管９、１０、１８、１９、２６、２７バルブ１１スラリーポンプ１３濃度測定部１４演算部１５ａ、１５ｂ、１６、１７、５０信号線２１冷熱供給場所２３、２５散水管２８、２９ポンプ３２、３３熱交換器３４、３５パイプ３６氷水取水口３８、３９吐出口４２プロペラ５１氷収集機５２、５３タンク６０、６０a、６０b、６４発信子６１、６１a、６１b、６５受信子６２超音波６３矩形管７０計測波形（氷なし）７１計測波形（氷あり）７２受信波形７３超音波センサー（探触子）８１、８２フランジ８５、８７テーパー部８６平滑面９１、９２ホルダー９３、９５テーパー部９４半月状の部材９６穴１００薄肉パイプ１０１部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山博茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者坂野義孝茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所産業機械システム事業部内Ｆターム(参考） 2G047 AA02 BC02 BC15 GA03 GA13 3L044 AA03 BA09 CA02 DB02 DC01 KA01 KA04 KA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密閉されたスラリー搬送路の鉛直方向上
下に互いに対向して配置された超音波発信子と超音波受
信子からなる超音波センサーと、前記超音波センサーの
出力信号を入力として、予め測定されたスラリー搬送路
中のスラリー濃度とそのスラリーが流れる搬送路を通過
した超音波の強さとの関係に基づいて、前記出力信号に
対応するスラリー濃度を算出する演算手段と、を有して
なり、前記超音波センサーは、スラリー搬送路の上下面
が、互いに対向する水平面をなしている位置に配置され
ていることを特徴とするスラリー濃度測定装置。
【請求項２】請求項１記載のスラリー濃度測定装置に
おいて、スラリー搬送路の一部が着脱可能な、断面矩形
の管路で構成され、前記超音波発信子と超音波受信子
は、前記断面矩形の管路の互いに対向する壁面に装着さ
れていることを特徴とするスラリー濃度測定装置。
【請求項３】密閉されたスラリー搬送路の鉛直方向下
方の壁面に配置された超音波発信子と超音波受信子を兼
ねた超音波センサーと、前記超音波センサーの出力信号
を入力として、予め測定されたスラリー搬送路中のスラ
リー濃度とそのスラリーが流れる搬送路に前記超音波セ
ンサーから超音波が入射されてからその超音波が前記ス
ラリー中の固形分で反射され、該超音波センサーで受信
されるまでの経過時間との関係に基づいて、前記出力信
号に対応するスラリー濃度を算出する演算手段と、を有
してなり、前記超音波センサーは、スラリー搬送路の上
下面が、互いに対向する水平面をなしている位置に配置
されていることを特徴とするスラリー濃度測定装置。
【請求項４】請求項３記載のスラリー濃度測定装置に
おいて、スラリー搬送路の一部が着脱可能な、断面矩形
の管路で構成され、前記超音波センサーは、前記断面矩
形の管路の互いに対向する壁面の一方に装着されている
ことを特徴とするスラリー濃度測定装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載のス
ラリー濃度測定装置において、超音波センサーは、配置
されている平面部の、流れに対して垂直方向の長さにほ
ぼ等しい長さの超音波発信部、及び受信部を有するもの
であることを特徴とするスラリー濃度測定装置。
【請求項６】請求項１〜４のいずれか１項に記載のス
ラリー濃度測定装置において、超音波センサーは、スラ
リー流れ方向に複数設置されていることを特徴とするス
ラリー濃度測定装置。
【請求項７】自由液面をもつスラリー搬送路を挟んで
互いに水平方向に対向して配置された超音波発信子と超
音波受信子からなる超音波センサーと、前記超音波セン
サーの出力信号を入力として、予め測定されたスラリー
搬送路中のスラリー濃度とそのスラリーが流れる搬送路
を通過した超音波の強さとの関係に基づいて、前記出力
信号に対応するスラリー濃度を算出する演算手段と、を
有してなり、前記超音波センサーは、スラリー搬送路の
鉛直方向壁面に上下方向に長い超音波発信部、及び受信
部を有して装着され、かつ、超音波センサーは、スラリ
ー搬送路の流路に直交する水平方向幅が、上流側及び下
流側よりも狭くなっている位置に配置されていることを
特徴とするスラリー濃度測定装置。
【請求項８】氷を水とともに溜めておく蓄熱槽と、該
蓄熱槽と冷熱供給場所とを結び前記蓄熱槽の氷を氷水ス
ラリーとして搬送する冷熱輸送手段を具備した配管と、
該配管途中に設けたスラリー濃度測定装置と、を含んで
なる氷水蓄熱システムにおいて、前記スラリー濃度測定
装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のスラリー
濃度測定装置であることを特徴とする氷水蓄熱システ
ム。