JP5157821B2

JP5157821B2 - 付着物検出装置及び検出方法

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Publication number: JP5157821B2
Application number: JP2008275741A
Authority: JP
Inventors: 信明長尾; 紀子小田切
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-10-27
Also published as: JP2010101840A

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及び検出方法に関する。

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SS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、流速による放熱量が流速変動により変化する場合、付着物による温度の変動と流速による変動との識別が困難であり、安定した計測のためには水流の影響を軽減する必要がある。特に特開平１０−３３２６１０号の計測手段を用いる場合、水の流れが直接計測手段にあたる場合は、水流速の変化の影響を直接受けることとなる。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、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及び検出方法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、該発熱体への通電制御手段と、該測温体の計測温度から該金属管外面への付着物の付着判定を行う判定手段とを備え、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の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付着物検出装置であって、該発熱体に定電流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、該金属管外面への付着物の付着を判定するものであり、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ように構成されており、該発熱体に接続された通電用の１対のリード線のうち、一方のリード線は、該金属管に対し絶縁状態にて該金属管の外に引き出されて前記通電制御手段と導通されており、他方のリード線は、該金属管の内面に接続されており、該金属管に別のリード線が接続され、該別のリード線及び金属管を介して該他方のリード線が該通電制御手段と導通されてい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、該プローブに近接して、かつ該プローブから見て一方のサイドにのみバッフルが配置されてい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、該バッフルは、該プローブと反対側の面が、該プローブから離反方向に凸に湾曲した湾曲面となっており、該プローブ側の面が、該湾曲面の周方向の両端部同士を弦状に繋いだ平坦面となっている半円柱状のものであることを特徴とするものである。

請求項４の付着物検出方法は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の付着物検出装置のプローブを、水流の速度が８ｃｍ／ｓｅｃ以上である水中に配置して付着物の検出を行うことを特徴とするものである。

本発明では、金属管内部に発熱体と測温体を設置したプローブを水中に配置し、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、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。これにより、一つのセンサーで水温と発熱時の内部温度を計測することができる。

また、本発明の付着物検出装置では、流れの上流側にバッフルを設けてプローブに直接流れがあたることを防ぐ事により、水流速の変動による計測温度の変化を軽減する事が可能である。このバッフルの形状を半円柱形又は半筒状形とすることにより、バッフルの裏側のプローブ周辺に適度な乱流を発生させることができる。これにより、プローブ表面の境膜が薄くなり、安定した計測を行うことができる。

このバッフルを設けることにより、プローブからの放熱量は水の温度のみに依存するようになる。このため、通電量をゼロとした（又は少なくした）ときの、水温に依存した内部温度と、通電量を多くしたときの、発熱に依存した内部温度を計測し、この２つの温度の差を算出すれば、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正確に検出することが可能となる。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

第１図は実施の形態に係る付着物検出装置のプローブ付近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１４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。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。

第２図は、このプローブ１を有したセンサの斜視図である。略円筒形のケーシング６の先端面の中心部からプローブ１が突設されている。このプローブ１に近接して、かつプローブ１から見て一方のサイドにのみバッフル７ａ，７ｂが設けられている。第２図（ａ）の形態では、バッフル７ａは一端側が半円筒形（弧の長さが円周の１／２である曲板形）であるバッフル部８ａとしたものであり、他端側の基部９ａにケーシング６を嵌入させて、バッフル部８ａがプローブ１の一方のサイドを囲うように固定されている。バッフル８ａは、プローブ１と平行方向に、かつプローブ１と同様の長さで、ケーシング６の先端から突設されている。バッフル部８ａとプローブ１の中心との距離は、ケーシング６の半径と略等しく、例えばプローブ１の外径の３〜１０倍程度である。バッフル８ａの弧の長さは、円周の１／２に限られないが、弧の長さが大きすぎるとプローブ１の周囲の液が滞留して液の交換が行われないために正確な検出が行えず、小さすぎると流速の影響を十分に抑えることができないため、円周の１／３〜１／２とするのが好ましい。

バッフル部８ａの形状は、半円筒形に限られず、第２図（ｂ）のように、半円柱状としてもよく、平板状（図示せず）としてもよいが、バッフル部８ｂとプローブ１との距離が短すぎるとバッフル部８ｂとプローブ１の間にスライム等の付着物がブリッジングを起こすおそれがあり、距離が長すぎると流速の影響を十分に抑えられないおそれがあるため、第２図（ａ）のように曲板形とするのが好ましい。

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計測ユニットの構成について第３図を参照して説明する。

この計測ユニット１０は、発熱体３に電流を出力する電流出力部１１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１２と、温度入力部１２からの信号を入力して、測温体の温度情報に基づいて電流出力部１１が出力すべき電流値を演算すると共に、スライムの付着判定を行う演算部１３より構成される。この演算部１３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１３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、プローブ１を水系の水中に没するように、かつ、バッフル７が水の流れ方向においてプローブ１よりも上流側となるように配置する。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図のように、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。

水系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つの通電時間ｔ_１開始前の計測温度Ｔ_１と、この通電時間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（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５図に示す伝熱モデルに基づくものである。

第５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、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。

但し、層流境膜伝熱係数を定数と見なすためには、層流境膜の厚みを一定にする必要があり、その為にはセンサが浸漬された水の流速を一定、または層流境膜伝熱係数の変動が無視できる速度値以上とする必要がある。第２図のようにバッフル７を設けると、この層流境膜が薄くなり、精度の高い測定が可能となる。

［センサ製作例１］
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の金属皮膜抵抗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で封じた。このプローブ１を外径１８ｍｍのケーシング６の先端に取り付けてセンサとした。プローブ１のケーシング６の先端からの突出長さは１８ｍｍである。

［測温試験例１］
水温を３０℃に保った水道水を張った水深３１０ｍｍの水槽の中央部に、上記センサのプローブ１を水面から３０ｍｍ差し込んで設置し、水槽端部の底面からのエアレーションにより水槽内の水を循環させた。プローブ１付近での水平方向の流速を電磁流量計（アレック電子株式会社製、２成分電磁流量計ＡＣＭ２５０−Ａ）により計測しながら、エアレーションの強度を調整して流速１ｃｍ／ｓｅｃとした。

発熱体３にｔ_１＝６０ｓｅｃ、ｔ_２＝６０ｓｅｃ、通電時の電流値ｉ＝４０ｍＡにて通電した。また、エアレーションの強さを徐々に強くすることにより、３６時間かけて、プローブ１付近での水平方向の流速を１ｃｍ／ｓｅｃから５ｃｍ／ｓｅｃまで増加させた。

このときの側温体４によるセンサ出力値（Ｔ_２−Ｔ_１）の経時変化を第６図（ａ）に示す。

［センサ製作例２及び測温試験例２］
上記センサ製作例１において、プローブ１と平行にバッフル７ａを設けた。このバッフル７ａは一端に外径２４ｍｍ、内径１８ｍｍ、板厚３ｍｍ、長さ１８ｍｍの半円筒形のバッフル部８ａを有し、他端に外径２４ｍｍ、内径１８ｍｍ、長さ１７ｍｍの基部９ａを有している。この基部９ａに外径１８ｍｍのケーシング６を嵌入して固定されている。

上記測温試験例１と同一条件で通水及び温度計測を行った。測温体４の出力の経時変化を第６図（ｂ）に示す。

第６図（ａ）及び（ｂ）の対比から明らかなように、バッフルを設けた第６図（ｂ）の場合は、バッフルを設けなかった第６図（ａ）の場合に比べて半分の温度変動しか生じておらず、流速の影響が軽減されることが認められる。

［測温試験例３，４］
上記測温試験例１，２において、流速を５，１０又は１５ｃｍ／ｓｅｃとして測温体４により計測した結果を第７図に示す。バッフルを設けていないセンサでは低流速から高流速にかけてセンサ出力（Ｔ_２−Ｔ_１）は流速の依存性が高く安定しないが、バッフルを付けると、高流速の部分でセンサ出力値が安定することがわかった。これはバッフルを設けることにより、バッフルからセンサプローブへ巻き込まれる乱流によりプローブ表面の境膜の厚みが薄く安定するためであると推測される。

［測温試験例５，６］
測温試験例１，２において、ｔ_１＝６０ｓｅｃ，ｔ_２＝６０ｓｅｃ、通電時の電流値ｉ＝２０ｍＡにて通電した。通水速度は８〜１５ｃｍ／ｓｅｃの間で第８図にプロットした値とした。Ｔ_２−Ｔ_１の経時変化を第８図に示す。

［測温試験例７，８］
測温試験例５，６において、ｉ＝４０ｍＡとしたこと以外は同一条件として測定した結果を第８図に示す。

第８図の通り、いずれの場合も流速８cｍ／ｓｅｃ以上においてセンサ出力値が安定しており、センサを流速８ｃｍ／ｓｅｃ以上の箇所に設置すれば流速の影響を受けることなく測定できることがわかった。

［実水系への適用例］
製作例２のセンサを保有水量３００ＲＴＮの循環冷却塔のピット（平均水温３０℃）に設置し、ｔ_１＝ｔ_２＝６０秒、ｉ＝４０ｍＡとして４日間測定を行った後、センサを取り出してスライム付着量を計測した。その結果、４日間にわたってＴ_２−Ｔ_１は０．０５℃／ｄａｙの割合で上昇した。スライムは４日間で１２ｍｇ／ｄｍ^２増加した。この結果より、Ｔ_２−Ｔ_１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。

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。実施の形態に係る付着物検出装置のセンサの斜視図である。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。管壁部分における温度分布図である。測定温度の経時変化を示すグラフである。測定温度の経時変化を示すグラフである。測定温度差と流速との関係を示すグラフである。

符号の説明

１プローブ
２金属管
３発熱体
４測温体
５充填材
７バッフル

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、
該発熱体への通電制御手段と、
該測温体の計測温度から該金属管外面への付着物の付着判定を行う判定手段とを備え、
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の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付着物検出装置であって、
該発熱体に定電流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、該金属管外面への付着物の付着を判定するものであり、
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ように構成されており、
該発熱体に接続された通電用の１対のリード線のうち、一方のリード線は、該金属管に対し絶縁状態にて該金属管の外に引き出されて前記通電制御手段と導通されており、他方のリード線は、該金属管の内面に接続されており、該金属管に別のリード線が接続され、該別のリード線及び金属管を介して該他方のリード線が該通電制御手段と導通されていることを特徴とする付着物検出装置。
請求項１において、該プローブに近接して、かつ該プローブから見て一方のサイドにのみバッフルが配置されていることを特徴とする付着物検出装置。
請求項２において、該バッフルは、該プローブと反対側の面が、該プローブから離反方向に凸に湾曲した湾曲面となっており、該プローブ側の面が、該湾曲面の周方向の両端部同士を弦状に繋いだ平坦面となっている半円柱状のものであることを特徴とする付着物検出装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の付着物検出装置のプローブを、水流の速度が８ｃｍ／ｓｅｃ以上である水中に配置して付着物の検出を行うことを特徴とする付着物検出方法。