JP3258156B2 - カロリーメータ - Google Patents

カロリーメータ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、カロリーメータに関
し、より詳細には、熱交換器で交換される熱量を測定管
が共振周波数で駆動されるコリオリ流量計を用いて測定
するカロリーメータに関する。
【0002】
【従来の技術】周知のように、熱交換器は、熱媒体を流
通し、外界との熱のやりとりを行い、外界における温度
を所定温度に変化させるときに使用される。これらの熱
交換器は、外界との温度差に基づいて熱の授受を行うも
のであるから、熱交換器内を熱媒体が流れる導管には熱
抵抗の小さい多数のフィンを取り付けて効率を高めてい
る。このような熱交換器は、家庭内での冷暖房等の暖房
器具にも使用されているが、地域冷暖房あるいはビルの
空調等においても使用される。
【0003】このように、広域で熱交換を行う場合、熱
媒体の流量と熱交換器の上下流側間の温度差に熱媒体の
比熱を乗算して変換熱量を演算して、変換された熱量に
応じた熱量価格を算出している。しかし、最近、公害の
少ないLNG(液化天然ガス)を気化して都市ガス等の
燃料として使用されるようになり、更にLNGの使用量
が増加する傾向にある。
【0004】このため、液状のLNGを気化して天然ガ
スとするときの気化熱を利用して製氷し、この氷を粉砕
して水と混合し、シャーベット状の共晶(共融混合物)
として氷のもつ大きい潜熱を利用して、地域冷暖房に供
する蓄熱システムが開発され注目されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、水と氷
との共晶を熱媒体として冷房に供することは無公害であ
り、しかも効率の高い熱交換がなされるが、熱交換器で
交換される熱量の算出は、熱媒体が固液2相であり、従
来の熱量計で主として用いられていたタービンメータと
か容積流量計では、混相流体は測定することができず、
当然ながら熱量の計算に必要な氷の質量を算出すること
が不可能であり、水と氷の共晶を熱媒体とした熱交換器
の熱量算出は不可能であった。
【0006】本発明は、上述の実情に鑑みなされたもの
で、共晶の質量流量と密度とが測定され、共晶の温度検
出可能なコリオリ流量計を用いて、熱交換器による交換
熱量を簡易で正確に演算するカロリー演算器を有するカ
ロリーメータを提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、(1)水と氷との共晶を熱媒体とした熱
交換器において、該熱交換器に流入する共晶の質量流量
1と密度ρ1および温度t1を計測可能な第1のコリオ
リ流量計と、前記熱交換器から流出する共晶の質量流量
2と密度ρ2および温度t2を測定可能な第2のコリオ
リ流量計と、前記第1および第2のコリオリ流量計によ
り計測された各々の共晶の温度判別手段を有し、該温度
判別手段により温度t1とt2とが等しいと判断されたと
き、前記質量流量M1,M2および密度ρ1,ρ2および氷
の単位重量当りの融解熱qを入力し、前記熱交換器内で
融解した氷の質量△MSおよび融解熱を算出するカロリ
ー算出手段を有するカロリー演算器とからなること、更
には、(2)前記(1)において、前記カロリー演算器
がカロリー演算する時間内で温度t1<t2と判断された
とき、該カロリー演算器は共晶に含まれた氷の融解熱
と、前記熱交換器から流出した水の熱量の増加分とを加
算して前記熱交換器の交換熱量を算出することを特徴と
するものである。
【0008】
【作用】予め密度が知られた水と氷との共晶を熱媒体と
する熱交換器の熱媒体の流入側と流出側に共振周波数が
駆動される流管を有するコリオリ流量計を配設して、流
入側,流出側の各々の共晶の質量流量および密度を求め
て熱交換内で融解する氷の質量を算出して、これに氷の
融解熱を乗算して単位時間当りの交換熱量を算出し、こ
れを測定時間で積分する。
【0009】
【実施例】図1は、本発明のカロリーメータを説明する
ための図であり、図中、1,2はコリオリ流量計、3は
熱交換器、4はカロリー演算器、5は流管である。
【0010】図1において、流管5に熱交換器3の上流
側にコリオリ流量計1が接続され、下流側にはコリオリ
流量計2が接続され、コリオリ流量計1と熱交換器3お
よびコリオリ流量計2とは直列に接続されている。流管
5には、図2に示すように、水6aと微細な粒状の氷6
bとからなるシャーベット状の共晶6が矢印Q方向に流
れている。
【0011】コリオリ流量計1,2は同一構造のもので
あることが好ましく、コリオリ流量計1からは共晶6が
熱交換器3に流入する以前の質量流量M1,密度ρ1およ
び温度t1が出力される。また、コリオリ流量計2から
は熱交換器3から流出した共晶6の質量流量M2,密度
ρ2および温度t2が出力され、各々の質量流量M1
2,密度ρ1,ρ2,および温度t1,t2はカロリー演
算器4に入力され、熱交換器3で交換された熱量が演算
される。
【0012】図3は、本発明に適用されるコリオリ流量
計の一例を説明するための斜視図であり、図中、11は
マニホールド、12,13はフランジ、14,15は支
切板、16は測定管、17は支持板、18は加振器、1
9は検出器、20は測温抵抗体である。
【0013】コリオリ流量計1は、流管に接続されるフ
ランジ12,13を有するマニホールド11内を支切板
14,15で支切られて、マニホールド11の外壁に固
着され、U字状に曲げられた平行な2本の測定管16に
等流量流れるようにしている。測定管16は、軸O−O
に対称な形をしており、マニホールド11の取付部近傍
で支持板17,17に固着され、支持板17,17を結
ぶ軸W−Wを節部として加振器18で音叉状に共振周波
数で互いに反対位相で駆動される。
【0014】加振器18の駆動により、測定管16に
は、軸O−Oに関し、対向する支持板17側で互いに反
対向きのコリオリの力が発生する。このコリオリの力
は、測定管16に変位を与えるので、この変位を検出器
19,19間の位相差信号として検出される。この位相
差信号は質量流量Mに比例する量である。
【0015】また、測定管16は、軸W−Wまわりに共
振周波数で駆動されるが、共振周波数f0は、測定管の
質量mと、密度ρの関数としての流体質量mLの和M
と、測定管のばね定数Kとの比の関数で与えられるの
で、測定管16内を流れる流体の密度ρが変化すると共
振周波数f0が変化するので、逆に、この共振周波数f0
から流体の密度ρが測定できる。
【0016】また、測定管16には、測温抵抗体20が
固着されているので、測温抵抗体20の抵抗値から流体
温度を検出することができる。
【0017】上述のように、コリオリ流量計1からは熱
交換器3に流入する前の共晶6の質量流量M1,密度ρ1
および温度t1が測定される。同様に、コリオリ流量計
2からは熱交換器3から流出する質量流量M2,密度ρ2
および温度t2が測定され、これらの測定値信号はカロ
リー演算器4に入力される。
【0018】次に、カロリー演算器4によるカロリー演
算の原理について述べる。まず、コリオリ流量計1を流
れる水の質量流量をML1、密度をρ L 、比熱をCLとし、
氷の質量流量をMS1、密度をρS、比熱をCSとする。ま
た、コリオリ流量計1内を流れる共晶の質量流量は
1、密度はρ1であるから、この状態での氷の質量流量
S1と水の質量流量ML1は、 MS1=((ρ1−ρL)/(ρS−ρL))M1 …(1) ML1=((ρS−ρ1)/(ρS−ρL))M1 …(2) で与えられる。
【0019】一方、コリオリ流量計2を流れる水の質量
流量をML2、密度をρ L 、氷の質量流量をMS2とする。
コリオリ流量計2内を流れる共晶の質量流量はM2、密
度はρ2であるから、 S2 =((ρ2−ρL)/(ρS−ρL))M2 …(3) L2 =((ρS−ρ2)/(ρS−ρL))M2 …(4) である。
【0020】コリオリ流量計1を流れる共晶の質量流量
1とコリオリ流量計2を流れる共晶の質量流量M2とは
等しくM1=M2で、共晶においては、温度t1=t2であ
るから、この状態で熱交換器4により融解した氷の量Δ
Sは ΔMS=MS1−MS2=((ρ1−ρ2)/(ρS−ρL))M1 …(5) である。氷の単位重量当りの融解熱をqとすると、q=
79.7cal/g(カロリ/グラム)であり、熱交換器4で
交換された単位時間当りの熱量Q0は、 Q0=((ρ1−ρ2)/(ρS−ρL))M1・q …(6) であり、時間τ1からτ2までの間では熱量Qは
【0021】
【数1】
【0022】で求められる。
【0023】次に、熱交換器4での交換熱量Qが、MS1
・qを越えると、水の温度t2は上昇し、(7)式はそ
のまま適用することができない。カロリー演算器4は温
度t1と温度t2とを比較する比較器(図示せず)を有し
ており、時間τ1とτ2の間の時間τ3で温度t1<t2
判断されたとき、次の式により交換熱量Q1の演算がな
される。
【0024】
【数2】
【0025】上述のように、氷と水の総質量は上記
(1)〜(4)式から算出されるが、水と氷との共晶流
体の温度範囲はほぼ零度近辺であり、せいぜい0〜4℃
の温度範囲であると想定できる。従って、理科年表に記
述されているごとく、氷の密度はρ S =0.197(g
/cm 3 )で一定とすることが出来る。また、水の密度
も0〜4℃ではρ L =1(g/cm 3 )としてもその誤差
は最大0.016%(0℃時)であるので、これまた一
定とすることが出来る。また、氷の融解熱は79.7c
al/gで一定である。従って、これらの値とコリオリ
流量計から出力されるρ 1 ,ρ 2 及びM 1 から(7)式の
熱量Qを算出できる。また、融解した氷の質量ΔM s
(5)式で計算でき、溶解熱Q 0 は(6)式で計算でき
る。即ち、M 1 ,M 2 1 ,ρ 2 ,t 1 ,t 2 がコリオリ流量
計からカロリー演算器への変数出力で、ρ S ,ρ L ,qは
カロリー演算器で定数設定値となり、演算器の中で
(1)〜(8)式に基づく演算を行えば消費カロリーが
演算できる。 以上に説明したように、水と氷との共晶を
熱媒体とした熱交換器では、共振駆動されるコリオリ流
量計2台と、カロリー演算器1台とで正確に測定するこ
とができる。なお、上記カロリーメータは、熱交換器4
で交換される熱量を熱媒体として、水と氷との共晶を用
いているが、水と氷とに限らず、共晶、すなわち、不変
系での共融混合物である場合は、同様の原理に基づいて
カロリー演算することができる。
【0026】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、無公害の水と氷とからなる共晶を熱媒体とす
る熱交換器により交換される熱量を共振駆動される測定
管を有する2台のコリオリ流量計と1台カロリー演算器
とにより計測でき、従来、不可能であったカロリー演算
を可能とすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のカロリーメータを説明するための図
である。
【図2】 本発明に係る水と氷との共晶が流れている状
態を説明するための図である。
【図3】 本発明に適用されるコリオリ流量計の一例を
説明するための斜視図である。
【符号の説明】
1,2…コリオリ流量計、3…熱交換器、4…カロリー
演算器、5…流管、6…共晶、6a…氷、11…マニホ
ールド、12,13…フランジ、14,15…支切板、
16…測定管、17…支持板、18…加振器、19…検
出器、20…測温抵抗体。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水と氷との共晶を熱媒体とした熱交換器
    において、該熱交換器に流入する共晶の質量流量M1
    密度ρ1および温度t1を計測可能な第1のコリオリ流量
    計と、前記熱交換器から流出する共晶の質量流量M2
    密度ρ2および温度t2を測定可能な第2のコリオリ流量
    計と、前記第1および第2のコリオリ流量計により計測
    された各々の共晶の温度判別手段を有し、該温度判別手
    段により温度t1とt2とが等しいと判断されたとき、前
    記質量流量M1,M2および密度ρ1,ρ2および氷の単位
    重量当りの融解熱qを入力し、前記熱交換器内で融解し
    た氷の質量△MSおよび融解熱を算出するカロリー算出
    手段を有するカロリー演算器とからなることを特徴とす
    るカロリーメータ。
  2. 【請求項2】 前記カロリー演算器がカロリー演算する
    時間内で温度t1<t2と判断されたとき、該カロリー演
    算器は共晶に含まれた氷の融解熱と、前記熱交換器から
    流出した水の熱量の増加分とを加算して前記熱交換器の
    交換熱量を算出することを特徴とする請求項1記載のカ
    ロリーメータ。
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