JP4508690B2 - スケール抑制方法、配管構造、及び冷却水循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば、吸収式冷温水機の冷却水配管等、水系流体を流通させる配管のスケール発生を抑制する技術に関する。

このようなスケール発生防止装置として、配管内部の少なくとも一部に磁場を形成する磁石を、その配管に取り付けてあるものが用いられている（特許文献１参照）。

このように設けられる磁石は、スケール原因物質を溶解させやすくさせるように、「水を電離させて活性化する」、「水クラスターを小さくして活性化する」、「水素結合に影響を及ぼす」、「水をマイナスイオン化する」等、種々のメカニズムが提唱されているものの、その因果関係について理論的に明確な説明がなされていない場合が多い。

特開２００１−１８７３８３号公報

そのため、上述の磁石を用いる技術によって配管のスケール抑制を図るにも、用いる条件によっては全く効果の出ない場合があり、スケールの発生を、より確実に抑制することができる技術が望まれている。

そこで、本発明の目的は上記実状に鑑み、配管内におけるスケールの発生を、より確実に抑制する技術を提供する点にある。尚、本発明では、特に、熱交換器の伝熱管部や、冷却水配管系統等におけるスケール発生を抑制するのに好適な技術を提供する事を主な目的とする。

本発明者らは鋭意研究の結果、上述の磁石を用いる技術において、磁性体を添加してある水系流体を用いると、スケール抑制効果がより一層確実に発揮されることを新たに見出し、本発明を完成させるに至った。

そこで、本発明のスケール抑制方法の特徴手段は、
配管内部の少なくとも一部に磁場を形成しながら、磁性体を添加してある水系流体を流通させ、前記水系流体のスケールに対する磁性体濃度に基づき、前記水系流体に添加する磁性体量を決定する。

つまり、従来のスケール抑制理論によると、上述のメカニズムにより「生成した赤さびを緻密な黒さびに変える」等の作用が考えられていた。しかし、先の新知見によると、実際には、水系流体の磁性体がスケール抑制効果に何らかの形で関与していることになる。そのため、配管内部に磁場をかけつつ、配管内部に磁性体を含む水系流体を流通させることにより、前記磁性体が磁場の下で何らかの作用を奏し、より確実にスケールが抑制されると考えられる。

この作用については、以下の２つのメカニズムが推定される。尚、本発明はこれらの理論に拘泥されるものではなく、両メカニズムがいずれも作用していたり、他のメカニズムで進行している場合も考えられることはいうまでもない。

第一のメカニズムは、
まず、スケールの原因となる物質（スケール原因物質）は析出の際に、前記磁性体を核として成長する。すると、磁場を通過する際に前記磁性体は一方の極に引き寄せられ、その磁場を形成してある配管内に捕捉される。このとき、スケールの原因物質は、磁性体とともにトラップされるので、水系流体から除去される。そのため、配管内におけるスケールの発生は抑制される、というものである。

第二のメカニズムは、
まず、スケール原因物質は析出の際に、前記磁性体を核として成長する。前記磁性体は磁場を通過するたびに次第に磁化される。これを残留磁場という。磁化された磁性体はスケール原因物質とともに磁力により凝集し、配管に付着するまでに大きな粒子となる。そして、スケールの粒子が大きくなりすぎると、配管に付着しにくくなり、たとえば、冷却水循環装置の場合には、水系流体の流速が遅いクーリングタワー等で沈殿するため、配管内に循環される水系流体からスケール原因物質が除去される。そのため、配管内におけるスケールの発生は抑制される、というものである。

そして、水系流体に含まれる磁性体が、スケール原因物質に作用して水系流体からそのスケール原因物質を除去するものであると考えられることから、前記スケール原因物質と、前記磁性体との量関係によって、核となるべき磁性体が不足してスケール原因物質を十分に成長させられないことで、配管にスケールが大量に析出してしまったりするという現象が起きる可能性がある。そこで、実際に発生しているスケールに対する磁性体濃度を求めれば、前記磁性体量が十分であるかどうかを知ることができる。また、スケールの発生に伴い、水系流体の磁性体は、スケール原因物質とともに析出するため、減少する。前記スケールに含まれる磁性体濃度に基づき前記水系流体に添加する磁性体量を決定すると、前記水系流体の磁性体量を適正に維持することができる。
また、用いられる水系流体の水源が不変であるような場合、水系流体に含まれる磁性体濃度の適正値は変化しないものと考えられるから、水系流体に含まれる磁性体濃度によっても、同様の判断を行うことができる。
従って、水系流体そのものや、水系流体から生じるスケールに含まれる磁性体濃度に基づき磁性体量を決定することができ、これらの磁性体濃度を「水系流体のスケールに対する磁性体濃度」と称する。

本発明の配管構造の特徴構成は、水系流体を循環させる循環路を形成する配管に、前記配管の内部の少なくとも一部に磁場を形成する磁石を設け、磁性体を添加してある前記水系流体を前記配管内部に流通させ、前記配管に、前記水系流体に磁性体を添加する磁性体添加部を設けてある点にある。

つまり、磁場の形成に磁石を用いると、永久磁石、電磁石のいずれであっても、汎用的な構成を適用することができ、先述の従来のスケール抑制方法を行うための構成を利用することが可能である。その上で、磁性体を添加してある水系流体を流通させるから、従来は有効とは限らなかった磁石によるスケール抑制作用を、確実に発揮させられるようになった。

また、本発明の冷却水循環装置の特徴構成は、水系流体として冷却水を循環させる循環路を形成する配管に、前記配管内部の少なくとも一部に磁場を形成する磁気処理部を設けるとともに、前記冷却水に磁性体を添加してあり、前記配管に前記水系流体に磁性体を添加する磁性体添加部を設けてある点にある。

循環路において循環させられる冷却水は、前記循環路を循環しつつ、加熱、冷却作用を受ける。この際に、前記冷却水には磁性体を添加してあるから、スケール原因物質は、磁性体を核として析出しやすい。ここで析出したスケール原因物質は、循環しつつ磁気処理部に達する。すると、前記磁性体が磁極に付着したり、磁化されて集合したりする作用を受けつつ、前記循環路から除去される。すると、前記循環路におけるスケール原因物質の濃度は低下するため、スケールが発生しにくくなる。そのため、このような循環路における水系流体を対象とすると、初期状態で前記磁性体を適正量添加してあれば、以後、前記冷却水に磁性体を追加しなくても、循環水を循環させるだけで上述のスケール抑制方法を定常的に実施可能な構成となり、効率よくスケール抑制が行える。

そして、前記スケール原因物質が析出するに従って、前記循環路の磁性体量が減少したとしても、前記磁性体添加部から磁性体を添加すると、前記循環路の磁性体濃度を適正量に維持することができるようになる。また、冷却水の循環路においては、冷却水自体の減少、交換の必要性から前記循環路内に新たな冷却水を追加する場合もあるが、追加された冷却水量に対応する量の磁性体を前記磁性体添加部から添加することによって、上述のスケール抑制方法を定常的に行えるようになる。

前記磁性体添加部としては、たとえば、磁性体粉末や磁性体溶液を前記冷却水に添加自在に形成した磁性体投入口を設けても良いし、前記冷却水循環路内に、鉄などの磁性体材料を電気化学的に溶解させる磁性体溶出部を設けてもよい。

また、上述の冷却水循環装置の構成に加えて、前記配管に前記水系流体のスケールに対する磁性体濃度を測定する磁性体濃度測定部を設けてあることが好ましい。

つまり、磁性体濃度測定部において、前記冷却水や、前記循環路内部での水系流体に対する磁性体濃度がわかると、先述のスケール抑制方法を行うに当たり、磁性体が現状でどの程度過不足の状態にあるのかを知ることができる。そのため、前記冷却水循環装置におけるスケール抑制効果を高く維持するのに役立てることができる。

以下、本発明のスケール抑制方法を、たとえば吸収冷凍機に対する冷却水循環装置における配管構造に適用したものを例に、図面に基づいて説明する。

本発明の冷却水循環装置は、図１に示すように、吸収冷凍機１に冷却水を供給する冷却水供給管２を設け、前記吸収冷凍機１から排出される冷却水排出管３を設け、冷却水排出管３から排出された高温の冷却水を空冷する冷却塔４を設け、前記冷却塔４で冷却された冷却水を前記冷却水供給管２に送る供給ポンプ５を設けた配管から循環路を構成してある。

前記循環路は主に金属管から形成されているが、前記冷却水供給管２の一部に、ポリエチレン管等の樹脂管から構成される部分を形成しておく、図２に示すように、前記樹脂管の外周部に磁石６１を設けて、冷却水供給管２の内部に磁場を形成する磁気処理部６を形成してある。また、前記冷却水には所定濃度の磁性体を混入してあり、前記冷却塔４の下流側には、冷却水に含まれる磁性体の濃度や、スケールに含まれる磁性体濃度を、冷却水のスケールに対する磁性体濃度として分析可能に構成してある磁性体濃度測定部７を設けてある。また、前記磁気処理部の上流側には、前記冷却水に磁性体を添加する磁性体添加部８を設けてある。

尚、前記循環路における一部を延設して内部に磁石６１を設けた磁気処理装置を介することも出来るし、前記循環路を形成する配管の金属管部分であっても、配管の内部に磁石を設けて、配管内部に磁場を形成することも出来る。また、前記磁性体濃度測定部７や磁性体添加部８の位置は、上記に限らず種々変更することが出来、例えば、前記磁性体濃度測定部７を前記冷却塔の上流側に設けることも出来る。

前記磁性体は、強磁性体粒子、フェリ磁性体粒子等、磁着可能な物質であれば良く、前記強磁性体粒子としては、金属の鉄、コバルト、ニッケル等、合金のＦｅ−Ｎｉ（パーマロイ）、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ（アルニコ磁石）、オーステナイトを除くステンレス鋼、ＭｎＡｌ磁石等、その他化合物として、ＳｍＣｏ₅（サマリウム磁石）、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ（ネオジウム磁石）等、酸化物として、ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９（バリウム磁石）等が挙げられる。フェリ磁性体としては、、Ｆｅ_３Ｏ_４（マグネタイト）、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３（マグヘマイト）、δ−ＦｅＯＯＨが代表的である。また、これらの物質は、微細粒子状で用い、懸濁状態で前記冷却水に添加しても良い。またさらに、硫酸鉄、塩化鉄、硝酸鉄等の化合物を水溶状態で用いても良く、これらの化合物は磁性体として析出し、スケール原因物質の析出する核となるので、磁性体として扱う。

前記磁性体濃度測定部７においては、前記循環路に流通される冷却水の一部を所定量取り出し、その冷却水に含まれる磁性体量あるいは、その冷却水から得られるスケールに含まれる磁性体量（具体的に、ここでは鉄分含有量）を測定する。前記冷却水に添加しておくべき磁性体の濃度は、前記冷却水として用いられる水の水質に応じて固有の適正値を有するが、測定された磁性体量から求められる冷却水の磁性体濃度が前記適正値を下まわっている場合には、前記磁性体添加部８より、前記冷却水に磁性体粒子等を添加し、前記適正値を目標濃度として維持するように制御する。

このような冷却水循環装置は、前記磁気処理部６と前記冷却塔４においてスケールが発生するものの、他の配管部分においてスケールの発生が極めて効率よく抑制されている。従って、前記冷却塔４内部のスケールや、前記磁気処理部６に発生するスケールを定期的に点検、保守により取り除くだけの簡単な管理で冷却水循環装置を安定的に運用することができる。

〔実施例〕
水系溶媒に対する前記磁性体の添加によるスケール抑制効果について実験した。
（ビーカ実験）
水槽に、銅管を収容し、純水１．５ＬにＣａＣＯ_３を１ｇ溶解させた硬度６６０の水（スケール原因物質濃度０．０７％の水）に浸漬した状態で、前記銅管を７０℃に加熱し、室温下で、１２ｍＴの磁場存在下で５０時間放置したところ、前記銅管には０．５３ｇのスケールが付着した。
ところが、前記水にマグネタイトを０．６ｇ（０．０４％相当）添加して、同様の条件でスケールの付着量を求めたところ、０．２３ｇとなり、スケール付着量が極めて少なくなっていることがわかった。つまり、磁性体の添加によりスケール抑制効果が発揮されていることがわかる。

（実機での実験）
冷却水循環装置として種々の吸収冷凍機の冷却水系統の配管に水系流体としての冷却水を循環させたときに発生したスケールを分析したところ、前記スケール中の磁性体濃度が７〜９％の場合には高いスケール抑制効果を発揮することがわかり、逆に前記スケール中の磁性体濃度が０．５〜０．７％の場合には、あまりスケール抑制効果が見られないことがわかった。また、前記スケール中の磁性体濃度が７〜９％の場合に発生したスケールは、容易に磁着することがわかった。つまり、水系流体そのものの磁性体濃度では、スケール抑制効果が発揮されない場合であっても、その水系流体に対する磁性体の添加により、十分な効果を発揮させることができることがわかった。

〔別実施例〕
尚、前記冷却水に含まれる磁性体量あるいは、その冷却水から得られるスケールに含まれる磁性体量に代えて、これら磁性体の磁化度によっても、同様に前記磁性体の有効量を知ることができるので、前記磁性体の磁化度に基づいて、前記磁性体添加部８からの磁性体添加量を決定しても良い。

磁性体を核として析出したスケ−ル原因物質が互いに凝集する作用の大きさは、前記磁性体の磁化度に依存する。従って、前記水系流体から発生したスケールに対する磁性体濃度に代えて、前記水系流体から発生したスケールの磁化度に基づき、前記水系流体に添加する磁性体量を決定することもできるのである。

先の実施の形態では、冷却水供給管２に磁性体粒子等を添加する磁性体添加部８を設けてあったが、前記冷却水供給管２の一部等に鉄等の磁性体金属から形成される磁性体部を設け、その磁性体部に、通電するなどして前記磁性体部自体が電気化学的に水系溶媒に溶解するように構成し、あるいは自然に腐食溶解するように構成し、前記磁性体部から溶解した磁性体が水系溶媒に添加される構成にしてあっても良い。

また、先の実施の形態では、吸収冷凍機に対する冷却水循環装置に適用した例を示したが、種々用途の冷却水循環装置で適用でき、冷却水配管系統や熱交換器の伝熱部分におけるスケールを抑制できるほか、温水配管、散水用配管等に用いることができる。

冷却水循環装置の概略図 磁気処理部の概略図

符号の説明

２ 冷却水供給管
３ 冷却水排出管
６ 磁気処理部
７ 磁性体濃度測定部
８ 磁性体添加部

Claims (4)

1. 配管内部の少なくとも一部に磁場を形成しながら、磁性体を添加してある水系流体を前記配管内部に流通させるスケール抑制方法であって、前記水系流体のスケールに対する磁性体濃度に基づき、前記水系流体に添加する磁性体量を決定するスケール抑制方法。
2. 水系流体を循環させる循環路を形成する配管に、前記配管の内部の少なくとも一部に磁場を形成する磁石を設け、磁性体を添加してある前記水系流体を前記配管内部に流通させ、前記配管に、前記水系流体に磁性体を添加する磁性体添加部を設けてある配管構造。
3. 水系流体として冷却水を循環させる循環路を形成する配管に、前記配管内部の少なくとも一部に磁場を形成する磁気処理部を設けるとともに、前記冷却水に磁性体を添加してある冷却水循環装置であって、
   前記配管に、前記水系流体に磁性体を添加する磁性体添加部を設けてある冷却水循環装置。
4. 前記配管に前記水系流体のスケールに対する磁性体濃度を測定する磁性体濃度測定部を設けてある請求項３に記載の冷却水循環装置。

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