JP5818907B2 - 設備機器及び給湯暖房システム - Google Patents
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Description
したがって、このような設備機器における冷却液漏れによる熱交性能の低下を防止するためには、システムを構成する配管などの金属材料の腐食を抑制する、もしくは冷却液の防食性能が低下しないように腐食抑制剤の濃度を適正に制御する必要がある。
また、高電気絶縁性冷媒を用いた冷却装置の電子機器に使用される金属材料の腐食を抑制するために、冷媒循環路中の電子機器基板上に設けた電極のインピーダンスを測定することで冷却装置の腐食環境を定量化する腐食環境定量装置が提案され、冷媒の液質を容易に高精度高感度で定量化している(たとえば、特許文献2参照)。
また、冷却液に腐食抑制剤を添加する時期を適切に制御し、配管の腐食を未然に抑制する防食性能劣化検知センサーを備えた設備機器及び給湯暖房システムを提供することを第2の目的としている。
また、冷却液に腐食抑制剤を添加する時期を適切に制御し、給湯暖房システム及び設備機器を構成する配管の腐食を未然に抑制することができる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る防食性能劣化検知センサー7を備えた給湯暖房システム100の概要構成の一例を示す図である。図2は、図1に示す防食性能劣化検知センサー及びコントローラーの概要構成の一例を示す図である。なお、図2における点線で囲われた部分は、図1に示す防食性能劣化検知センサー7に、一点鎖線で囲われた部分は図1に示すコントローラー12に対応している。
防食性能劣化検知センサー7は、たとえば給湯暖房システム100のような設備機器に備えられるものである。そして、この設備機器の配管を循環する冷却液5(溶媒)に含まれる腐食抑制剤の濃度を検知するものである。
給湯暖房システム100とは、熱源機で生成される熱を利用して、たとえば風呂、洗面室、及び台所などへの給湯や、部屋の暖房などをすることができるものである。
図1に示すように、給湯暖房システム100は、熱交換器などで構成される冷却対象材15、冷却液5を搬送する循環ポンプ8、冷却液5に含まれる腐食抑制剤の濃度を検知する防食性能劣化検知センサー7、冷却液5が循環する循環路9、循環路9の一部をバイパスして防食性能劣化検知センサー7に接続されるバイパス路10及びバイパス路11、防食性能劣化検知センサー7から冷却液5の防食性能に関わる情報を受け取るコントローラー12、後述の送液ポンプ14に腐食抑制剤を供給する腐食抑制剤投入制御部13、循環路9に腐食抑制剤を供給する送液ポンプ14を有している。これらのうち、冷却液5の循環回路を構成している循環ポンプ8、循環路9、バイパス路10、11及び冷却対象材15は、防食対象物(防食対象材料)である。つまり、冷却液5と接触する可能性があるものが、防食対象物である。
なお、防食性能は、冷却液5に含まれる腐食抑制剤の濃度に対応する。
循環ポンプ8は、循環路9、バイパス路10及びバイパス路11に流れる冷却液5を循環させるものである。循環ポンプ8は、その吸引側が冷却対象材15の流出側に接続され、その吐出側が冷却対象材15の流入側及びバイパス路10を介して防食性能劣化検知センサー7に接続されている。この循環ポンプ8は、たとえば容量制御可能なポンプなどで構成するとよい。
循環路9は、各種機器を接続する配管である。この循環路9は、バイパス路10及びバイパス路11を介して防食性能劣化検知センサー7に接続され、また、送液ポンプ14に接続されている。さらに、循環路9には、冷却対象材15及び送液ポンプ14が接続されている。
バイパス路10及びバイパス路11は、一方が循環路9に接続され、他方が防食性能劣化検知センサー7に接続されており、循環路9の一部をバイパスする配管である。
そして、後述の防食性能劣化検知センサー7の検知電極1は、上記の防食対象物を構成する配管などに使用される金属材料と同材料で構成される。これらの防食対象物の金属材料としては、たとえば銅、アルミ、ステンレス鋼などを採用するとよい。
腐食抑制剤投入制御部13は、循環路9に送液ポンプ14を介して接続され、循環路9内を流れる溶媒(冷却液5)に腐食抑制剤を供給するものである。なお、コントローラー12と腐食抑制剤投入制御部13とは、図1に図示されるように、それぞれ別々の構成として説明したが、いずれかが両方を兼ね備える構成としてもよい。
送液ポンプ14は、循環路9に接続されており、腐食抑制剤投入制御部13から供給される腐食抑制剤を、循環路9に供給(添加)するものである。この送液ポンプ14の運転は、コントローラー12によって制御される。
図2に示すように、防食性能劣化検知センサー7は、交流電源3、交流電源3と電極22を接続するリード線4、及び電極22とリード線4の一部を収納している筐体6を有している。この防食性能劣化検知センサー7は、一対の電極22を有し、給湯暖房システム100の循環路9を流れる冷却液5が流入可能となっている。そして、防食性能劣化検知センサー7は、この電極22に対して交流電圧を印加させ、その電流応答から抵抗成分(インピーダンス)を抽出する電気化学インピーダンス測定を利用して、防食性能劣化に伴う電極表面被膜の状態の変化を検知する。この電極表面被膜の状態の変化を検知することによって、防食性能劣化検知センサー7は腐食抑制剤の濃度を検知できるものである。
検知電極1は、給湯暖房システム100の冷却液5の循環回路(防食対象物)を構成する配管に使用される金属材料と同材料から構成されている。検知電極1は、冷却液5の循環回路を構成する配管に使用される金属材料に応じて銅、アルミ、ステンレス鋼などで構成するとよい。検知電極1は、腐食抑制剤が添加された冷却液5に浸されることにより、表面に厚さ数十nmから数百nm程度の電極表面被膜(電極表面被膜)で覆われる。
対極2は、冷却液5を介して検知電極1に電流を流すための電極である。この対極2は、検知電極1から所定の間隔を隔てて、対向配置されている。また、対極2は、化学的安定性が高く電流が流れても腐食しにくい金属から構成されている。具体的には、対極2は、金、白金、チタン、銅、ステンレス鋼など電気化学的に貴な(自身で化学反応を起こしにくい)金属で構成するとよい。
リード線4は、交流電源3と電極22とを接続するものである。
筐体6は、電極22とリード線4の一部を収納し、かつ密閉空間を保つことにより、周囲から二酸化炭素溶け込みによる導電率上昇等、外乱因子の入らないようにするものである。これにより、防食性能劣化検知センサー7がより正確なインピーダンス測定を行えるようになっている。
印加電圧検出部23は、交流電源3が電極22に印加した交流電圧を検出し、その電圧値を演算部25に送信する。
電流検出部24は、交流電圧に対する電流応答を検出し、その電流値を演算部25に送信する。
演算部25は、印加電圧検出部23および電流検出部24から送信された電圧値および電流値を用いて、電極22のインピーダンスを導出する。
閾値設定部26は、防食性能劣化に関するインピーダンス閾値として上限値および下限値を設定する。防食性能劣化に関する閾値については後述の「防食性能劣化検知センサー7及びコントローラー12の動作説明」に記載する。
制御部27は、演算部25により導出されたインピーダンスと、閾値設定部26から送信された防食性能劣化に関するインピーダンス閾値とを比較判断し、比較結果に応じたON/OFF制御出力29をポンプ14へ送信する。すなわち、制御部27は、インピーダンスが閾値を下回った際に、ON/OFF制御出力29としてON出力をポンプ14へ送信し、インピーダンスが閾値を上回った際に、ON/OFF制御出力29としてOFF出力をポンプ14へ送信する。これにより、制御部27は、腐食抑制剤投入制御部13からの腐食抑制剤の投入停止機会を制御する。
表示部28は、演算部25により導出されたインピーダンスの値を表示する。なお、表示部28は省略しても良い。
給湯暖房システム100には、上記のように、冷却液5を流すための循環路(配管)である循環路9に循環ポンプ8が接続されており、冷却液5が循環している。循環ポンプ8の吐出側から送り込まれる冷却液5の一部は、循環路9の一部をバイパスして接続される防食性能劣化検知センサー7にバイパス路10を介して流れ込み、その後バイパス路11を介して循環路9に再び流れ込む。また、他の一部は、循環路9を流れて、バイパス路11から流れ込む冷却液5と合流する。
防食性能劣化検知センサー7は、このバイパス路10を介して流れ込んだ冷却液5の防食性能をインピーダンス測定から検出している。このインピーダンス測定の詳細については、後述の[防食性能劣化検知センサー7の動作説明]に記載する。
すなわち、冷却液5の防食性能が低下し、防食性能劣化検知センサー7の検知電極1に形成された電極表面被膜が破壊されると、該破壊箇所に電解液(冷却液5)が浸透する。
これにより、抵抗(インピーダンス)が減少したときの抵抗値を抵抗下限値(インピーダンス下限値)とする。この下限値になるとコントローラー12は、送液ポンプ14を運転させて、腐食抑制剤を冷却液5に供給させる。
また、冷却液5に腐食抑制剤が供給されることにより電極表面被膜破壊箇所が修復され、防食性能劣化検知センサー7が検出する抵抗が上昇する。この抵抗上昇は電極表面被膜が完全に修復されるまで継続するので、抵抗上昇が停止したときの抵抗値を抵抗上限値(インピーダンス上限値)とする。抵抗上限値を上回ると、コントローラー12は、送液ポンプ14を停止させて、冷却液5への腐食抑制剤の供給を停止させる。
以上のサイクルにより、給湯暖房システム100は、防食性能劣化検知センサー7の電極22のインピーダンス応答から、冷却液5における腐食抑制剤の濃度を適正に管理し、防食性能を維持することができる。
防食性能劣化検知センサー7は、検知電極1及びその対極2に対して交流電圧を印加させることにより、その電流応答から抵抗成分を抽出する電気化学インピーダンスを測定し、その測定結果から防食性能劣化に伴う電極表面被膜の状態の変化を検知する。すなわち、電極表面の状態の変化を検知することによって、防食性能劣化検知センサー7は腐食抑制剤の濃度を検知できるものである。
電流応答から抽出される抵抗成分は、その印加する交流電圧の周波数の高低によって、その大きさが変化する。ここで言う高周波数領域とは1kHzより高い領域、低周波数領域とは1Hz未満を表し、中周波数領域とはこれらの間を表す。高周波数領域における電流応答から抽出される抵抗成分は、電子の授受を伴わない電気的抵抗成分(溶液抵抗)が検出される。
一方、低周波数領域に移行するにつれ、電流応答から抽出される抵抗成分として、電子の授受を伴う電極反応の抵抗成分(電荷移動抵抗)や、電極表面に到達する反応物質の拡散に依存する化学反応の抵抗成分(ワールブルグインピーダンス)が現れるようになる。
この周波数と抵抗変化の関係については後述の[検出インピーダンスの周波数依存性について]に記載する。
なお、交流電源3は、前述のようにその電圧値を所定の値とする。交流電圧の印加周波数及び交流電圧を所定の値にすることにより、抽出される抵抗値が電極表面の状態に対応する。
一方、腐食抑制剤濃度が低下し電極表面被膜が徐々に破壊され、冷却液5が破壊箇所に侵入する段階(孔食萌芽時期、孔食萌芽状態)では、溶液抵抗より抵抗の大きい電極表面被膜が破壊されているので、腐食抑制時期と比較すると抵抗値が減少する。電極表面被膜の劣化による抵抗減少については後述の[電極表面被膜劣化によるインピーダンス減少について]に記載する。
さらに、電極表面被膜の破壊が進行し孔食が生成する段階(腐食領域)では、検知電極1の電極表面被膜下の芯材が冷却液5に接するようになるため、冷却液5よりも抵抗の小さい金属芯材の抵抗の影響により、孔食萌芽時期と比較すると抵抗値がさらに減少する。
また、コントローラー12は、防食性能が完全に回復した検知ポイントを、抵抗上昇の停止したときとしている。つまり、コントローラー12は、送液ポンプが運転して腐食抑制剤の供給が継続する状態において電極表面被膜の抵抗(インピーダンス)上昇の飽和値を上限値として予め取得する。そして、コントローラー12は、防食性能劣化検知センサー7が検知する抵抗値が上限値となると、送液ポンプ14を停止させて、冷却液5への腐食抑制剤の供給を停止させる。つまり、給湯暖房システム100は、冷却液5に腐食抑制剤が過剰に添加されることを抑制することができる。
電気化学インピーダンス測定では、電極界面を模擬させた電気的等価回路モデルを組み立てて電極の表面状態・電極反応を評価する。電極表面における電極反応を模擬させた一般的な電気的等価回路を図3に示す。図3における電気的等価回路全体のインピーダンスZtotalは、以下に説明する、C、Rs、Rct、Zwが含まれる。Cは電気二重層形成に関する容量であり、表面被膜に蓄えられる電荷の影響を考慮したものである。Rsは溶液抵抗であり、電解液抵抗、銅電極抵抗及び表面被膜抵抗を考慮したものである。Rctは電荷移動抵抗であり、電極反応のうち電子授受に関わる抵抗成分である。Zwはワールブルグインピーダンスであり、電極反応のうち物質移動・拡散移動に関わる抵抗成分である。図3の電気的等価回路に対して交流電圧を印加し、その電流応答からインピーダンスを検出する。この検出したインピーダンスについて、印加する角周波数ωに依存した以下の式が成立する。
検知電極1と対極2の間に流れる冷却液5は、給湯暖房システム100を構成する循環路内を流れる水系溶媒である。そしてこの冷却液5には、上記防食対象物及び検知電極1を構成する金属の腐食を抑制する腐食抑制剤が添加されている。なお、寒冷地では冷却液5が凍らないよう、不凍液が添加される場合がある。
腐食抑制剤には、ベンゾトリアゾール、8−キノリノールなどの沈殿被膜型腐食抑制剤、テトラアルキルアンモニウムなどの吸着被膜型腐食抑制剤、亜硝酸ナトリウム、モリブデン酸ナトリウム、ポリ燐酸ナトリウムなどの酸化被膜型腐食抑制剤が採用される。
腐食抑制剤は、防食対象物を構成する材料に応じて最適な腐食抑制剤を用いることが好ましい。つまり、防食対象物が銅で構成されている際には、腐食抑制剤としてベンゾトリアゾールなどの沈殿被膜型を採用し、防食対象物が鉄で構成されている際には、亜硝酸ナトリウムなどの酸化被膜型の腐食抑制剤を採用するとよい。
そして、検知電極1の表面の電極表面被膜では、検知電極1の溶解反応と生成反応が繰り返されている。これらの反応が平衡状態にある間は、検知電極1からの金属溶出が抑制されるので、検知電極1は安定に存在できる。一方、冷却液5に含まれる腐食抑制剤が分解などによりその濃度が減少する、もしくは検知電極1を腐食させる腐食イオンが混入するなどが生じた場合には、平衡状態が崩れて溶解反応が支配的になり、結果として腐食反応が進行する。
たとえば、防食対象物を構成する配管は銅で構成されており、また、防食性能劣化検知センサー7の検知電極1も、銅で構成しているものとする。さらに、給湯暖房システム100を循環する冷却液5は水系溶媒であり、また冷却液5には不凍液としてのプロピレングリコールと、銅の腐食抑制剤としてのベンゾトリアゾール(BTAH)が添加されているものとする。
ベンゾトリアゾールは、以下の反応により冷却液5中で解離し、陰イオンBTA−となる。そして、冷却液5中に溶解した銅イオンCu+と錯体を形成し、銅表面に無電荷の高分子錯体の沈殿被膜[Cu−BTA]nを形成する。
BTAH → BTA− +H+
nCu+ +nBTA− → −[Cu−BTA]n−
この沈殿被膜が、電極表面被膜となり給湯暖房システムを構成する金属である銅の腐食を抑制する。
腐食抑制剤により形成された電極表面被膜とインピーダンスの相関について、図4に示す電極表面被膜が形成された電極の簡易モデルを用いて説明する。図4に示す簡易モデルは、電極面積Aの電極に対して、誘電率ε、厚みlの誘電体で表される電極表面被膜及び電極表面被膜よりもε値の大きい電解液で構成されている。インピーダンス測定における電極表面被膜の抵抗変化はその容量成分(キャパシタンス)でよく表すことができ、この系のキャパシタンスについては以下の式が成り立つ。
膜厚が減少すると電極表面被膜を表す誘電体の厚みlが減少する。また、被膜多孔化のために表面積が増加する、誘電率の大きい電解液が空孔に浸透すると考えられる。この場合、ε、A共に増大する。いずれにしても、式(4)において系のキャパシタンスCは増大することがわかる。Cが増大すると、式(2)、(3)においてZc、Ztotalは減少する。
すなわち、冷却液の防食性能が低下し電極表面被膜が劣化すると検出インピーダンスは減少することがわかる。
図5は、図2に示す防食性能劣化検知センサー7の検知電極1の被膜形態に対するインピーダンス応答を示す図である。そして、図5は電極表面被膜の被膜形態と、防食性能劣化検知センサー7のインピーダンス応答との相関を確認したものである。なお、電極22には、印加電圧10mV、周波数100Hzの交流電圧を印加し、そのインピーダンス応答を検出している。また、図5では、インピーダンス応答の値について、電極表面被膜A(後述)に対するインピーダンス応答を1とした時の値で表している。
すなわち、腐食抑制剤濃度の高い冷却液5Aに対して電極表面被膜が緻密な電極表面被膜A、濃度の低下した冷却液5Bに対して表面被膜の破壊が開始した状態の電極表面被膜B、さらに濃度の低下した冷却液5Cに対して表面被膜の下から電極芯材が露出した状態の電極表面被膜Cが形成される。
図5から電極表面被膜の形態に対応したインピーダンス応答が検出され、冷却液5中のベンゾトリアゾール濃度が低下して電極表面被膜の破壊が進行するほど電極の抵抗値が減少することがわかる。
防食性能劣化検知センサー7の筐体6内に流れる冷却液5の水質(環境)と、給湯暖房システム100内を循環する冷却液5の水質とは、防食性能劣化検知センサー7に接続されるバイパス路10、バイパス路11、循環ポンプ8、及び筐体6の寸法サイズに応じて変化する。このように、防食性能劣化検知センサー7の筐体6内に流れる冷却液5の水質(環境)と、給湯暖房システム100内を循環する冷却液5の水質とが対応しなくなると、検知電極1の腐食と給湯暖房システム100を構成する循環路の腐食が対応しなくなる。これにより、給湯暖房システム100の循環路に腐食抑制剤を添加する時期を適切に制御し、腐食を未然に抑制することができなくなる恐れがある。
そこで、本実施の形態2に係る給湯暖房システム100は、検知電極1がさらされる環境と、給湯暖房システム100の防食対象物がさらされる環境とを略同様にすることを考慮したものである。
さらに、冷却液5の温度並びに流速に依存する溶存酸素濃度(溶解度)に関しては、上記のように冷却液5の温度並びに流速を調整して、防食対象物がさらされる環境と同様になるように設定している。
冷却液5に含まれる腐食抑制剤の濃度に関しては、紫外吸収スペクトル分析により測定した。
これより、防食性能劣化検知センサー7に接続されるバイパス路10、バイパス路11、循環ポンプ8、及び筐体6の寸法サイズについて、検知電極1と防食対象物を流れる冷却液5の温度及び流れが同じになるよう設定することにより、検知電極1がさらされる環境と、給湯暖房システム100の循環路内の環境とを略同様とすることができる。
上述したように、印加される交流電圧の周波数が低くなるほど、防食性能劣化検知センサー7の電極表面被膜の抵抗成分(インピーダンス)は増加するようになる。印加する交流電圧の周波数が高周波数側から低周波数側に移行するにつれて、検出されるインピーダンスには、電気伝導に対応する抵抗(溶液抵抗、電極内の電導の抵抗を含む)だけでなく、電極における電子授受の速度に応答する電気抵抗(電荷移動抵抗)、電極表面に蓄えられる電荷によって形成される電気二重層容量によるインピーダンス、及び電極界面に到達する反応物質の拡散速度に応答する拡散抵抗(ワールブルグインピーダンス)が現れるからである。このうち、高周波数領域では、電極表面被膜の変化のみならず防食性能劣化検知センサー7の設計すなわち検知電極1と対極2の電極間距離、電極面積、電極間に介在する溶液(冷却液5)の液性によってインピーダンスが変化するため、電極表面被膜の抵抗変化のみの抽出が難しい。さらに、低周波数領域では、電極表面被膜の抵抗変化の他に溶液内の反応物質の拡散速度によってインピーダンスが大きく影響されるため、高周波数領域同様に電極表面被膜の抵抗変化のみの抽出が難しい。これらより、電極表面被膜の抵抗変化を適切に検出するためには、印加する交流電圧の周波数を最適化する必要がある。
そこで、本実施の形態3に係る防食性能劣化検知センサー7及びそれを備えた給湯暖房システム100は、交流電源3から印加する交流電圧の周波数について考慮したものである。
さらに周波数が小さくなり、1Hz未満になると冷却液5Bの増加度合いが大きくなり、再び冷却液5Aとの差が小さくなっている様子が確認された(図示省略)。電極表面被膜の抵抗変化よりもむしろ冷却液中の反応物質の拡散速度を表す拡散抵抗の影響により両者の差が小さくなったものと考えられる。具体的には印加する交流電圧の周波数下限を1Hz以上にすることが好ましい。
防食性能劣化検知センサー7が検知するインピーダンスは印加する交流電圧の値はある所定の値まではほとんど変化しないが、それ以上に大きくなると変化する。印加電圧により、電極表面に接する電解質(本実施の形態の場合は冷却液)中の反応物質が電極表面に引き寄せられる駆動力が発生する。印加電圧が大きくなるとこの駆動力が大きくなるために電極反応が起こりやすくなり、結果として反応抵抗が小さくなる。従って、印加する交流電圧の電圧値に上限を設ける必要がある。また、インピーダンスを検知するためには所定の電圧を系に印加し、その電圧値に対して応答する電流を検知することにより、系のインピーダンスを算出する。印加する交流電圧の電圧値が小さいと、インピーダンスは変化しないが、インピーダンスを検知するためのこの電流値が小さくなり、この電流を検知するための増幅器を増設するためにコストがかかる、微小なノイズが混入するために正確な測定が出来ないという不具合が生じる。従って、印加する交流電圧の電圧値に下限を設ける必要がある。
そこで本実施の形態4に係る防食性能劣化検知センサー7及びそれを備えた給湯暖房システム100は、印加する交流電圧の電圧値について上限値及び下限値の範囲について考慮したものである。
なお、本実施の形態4では、実施の形態1〜3との相違点を中心に説明するものとする。
一方、電圧値の下限について10mV未満であると、上述のように検知電流が小さくなり、時にはμA以下のオーダーの電流を検出する必要に迫られる可能性がある。μA以下の電流を検知するためには、新たに増幅装置を設置する必要や、微小なノイズを拾う可能性があり、コストのかからない高精度な検知センサーの装置化に関する問題点が発生する。従って、コストのかからない高精度な検知センサーを装置化するための電圧値の下限としては、10mV以上であることが好ましい。
防食性能劣化検知センサー7の電極表面被膜の抵抗値は、対極2に対する検知電極1の表面積に応じて変化する。つまり、防食性能劣化検知センサー7の検知電極1において、電極面積を最適化することで、電極表面抵抗変化をより高精度高感度に検出することができる。
そこで、本実施の形態5に係る防食性能劣化検知センサー7及びそれを備えた給湯暖房システム100は、対極2に対する検知電極1の表面積について考慮したものである。
サイズ1.対極2よりも110%表面積が大きい検知電極1。
サイズ2.対極2よりも105%表面積が大きい検知電極1。
サイズ3.対極2と同表面積の検知電極1。
サイズ4.対極2よりも表面積が95%小さい検知電極1。
サイズ5.対極2よりも表面積が90%小さい検知電極1。
なお、対極2との距離及び冷却液5温度は一定となるように設計することにより、検知電極1と対極2間の冷却液5の溶液抵抗を一定に制御している。そして、このように制御された状態にて、5種類の電極に交流電圧を印加しその電流応答から電極表面被膜の抵抗値を導出した。なお、図8における検知電極1の表面積(電極サイズ)は対極2の表面積を100とした時の値で、また、電極表面抵抗はサイズ1の検知電極1の抵抗を1とした時の値で表す。
なお、本実施の形態5では、実施の形態1〜4との相違点を中心に説明するものとする。
このような構成とすることにより、検知電極1に形成される電極表面被膜の状態の変化を、高精度及び高感度で検知することができる。これにより、腐食抑制剤の劣化(濃度の減少)を高精度及び高感度で検知することができる。したがって、たとえば不凍液などが添加されて抵抗が小さくなっている冷却液においても、防食性能の劣化を検知することができることは言うまでもない。
検知電極1と対極2の間の冷却液5の溶液抵抗は、検知電極1の表面積、冷却液5の導電率及び検知電極1と対極2間の距離によって決まる。検知電極1の表面積及び冷却液5の導電率は、所定の値に設定可能である。そこで、検知電極1と対極2間の距離を最適化することにより冷却液5の溶液抵抗を制御することができる。そこで、本実施の形態6に係る防食性能劣化検知センサー7及びそれを備えた給湯暖房システム100は、検知電極1と対極2間の距離について考慮したものである。なお、電極間距離の設定については検知電極の相当直径に対する割合で規格化した。相当直径は電極の形が円でない場合に円の直径の代わりに用いられる電極の代表径であり、以下の式で表すことができる。
ここで、Deは電極の相当直径、Aは電極面積、Lpは電極周辺長さである。この相当直径Deにより電極間距離を制御した。
距離1.検知電極1の相当直径に対して110%の距離に設定。
距離2.検知電極1の相当直径に対して105%の距離に設定。
距離3.検知電極1の相当直径と同長の距離に設定。
距離4.検知電極1の相当直径に対して95%の距離に設定。
距離5.検知電極1の相当直径に対して90%の距離に設定。
なお、測定にあたっては、検知電極1の表面積を対極2よりも大きく設計することにより、検知電極1の電極表面被膜の抵抗を小さくし、電極間の溶液抵抗の変化をより検知しやすくするようにした。この状態において、検知電極1と対極2間について5種の距離におけるインピーダンスを測定した。なお、図9における電極間距離は、検知電極1の相当直径を100とした時の値で、また、各インピーダンス応答の値は、電極間距離を距離1とした時のインピーダンス応答を1とした時の値で表している。なお、本実施の形態6では、実施の形態1〜5との相違点を中心に説明するものとする。
このような構成とすることにより、検知電極1に形成される電極表面被膜の状態の変化を、高精度及び高感度で検知することができる。これにより、腐食抑制剤の劣化(濃度の減少)を高精度及び高感度で検知することができる。したがって、たとえば不凍液などが添加されて抵抗が小さくなっている冷却液においても、防食性能の劣化を検知することができることは言うまでもない。
上記実施の形態1〜6では、検知電極1に対して、対極2に適当な材料を用意し、インピーダンス測定による防食性能劣化を検知したが、既存の配管の一部を対極2として利用する、すなわち、循環路9もしくはバイパス路10、11を利用することも可能である。
本実施の形態7に係る防食性能劣化検知センサー7では検知電極1に対して対極2としてバイパス路10の一部を用いた場合のインピーダンス応答を評価する。
また、給湯暖房システム100は、防食性能劣化検知センサー7が、検知電極1に形成される電極表面被膜の状態の変化から腐食抑制剤の劣化(濃度の減少)を高精度及び高感度で検知することができるので、冷却液5の抵抗変化を検知しながら防食性能を管理したり、冷却液5の温度に対応した抵抗補償機能を別に取り付けたりする必要がない。つまり、防食性能を管理したり、冷却液5の温度に対応した抵抗補償機能を別に取り付けたりすることによってコストアップをしてしまうことがない。
また、本発明は、冷却水などの溶媒が循環する他の設備機器に適用することもできる。
例えば、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器等を配管で接続し冷媒を循環させる冷凍サイクルを備えた空調システム等の設備機器に適用してもよい。
Claims (11)
- 防食対象材料の腐食を抑制する腐食抑制剤が添加された溶媒が配管内を循環する設備機器において、
前記腐食抑制剤の濃度変化を検知する防食性能劣化検知センサーと、
前記配管内に前記腐食抑制剤を供給する送液ポンプの動作を制御するコントローラーとを備え、
前記防食性能劣化検知センサーは、
前記溶媒に溶解した前記腐食抑制剤と反応し、表面に腐食を抑制する電極表面被膜が形成される検知電極と、
前記検知電極から所定の間隔を隔てて対向配置される対極と、
前記検知電極と前記対極との間に、所定周波数及び所定電圧の交流電圧を印加する交流電源とを有し、
前記コントローラーは、前記検知電極と前記対極との間に1kHzより低く1Hzより高い周波数の交流電圧が印加された際の、前記検知電極の表面に形成された前記電極表面被膜の状態が腐食抑制時期から孔食萌芽状態へ変化するときにおける前記電極表面被膜のインピーダンスを下限値として予め取得し、
前記検知電極と前記対極との間に前記交流電圧が印加された際の、前記電極表面被膜のインピーダンスの値が、前記下限値を下回った場合、前記配管内に前記腐食抑制剤を供給する送液ポンプを運転させる
ことを特徴とする設備機器。 - 前記交流電圧の所定周波数は、100Hz以下である
ことを特徴とする請求項1記載の設備機器。 - 前記交流電圧の所定電圧は、上限を100mV、下限を1mVとした範囲内の電圧である
ことを特徴とする請求項1又は2記載の設備機器。 - 前記検知電極は、
その表面積が、前記対極の表面積より小さくなるように構成されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の設備機器。 - 前記検知電極は、
その表面積が、前記対極の表面積の95%以下となるように構成されている
ことを特徴とする請求項4記載の設備機器。 - 前記検知電極と前記対極との電極間距離は、
下記式で表される前記検知電極の相当直径(De)より短い
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の設備機器。
De=4A/Lp
ここで、Aは前記検知電極の表面積、Lpは前記検知電極の電極周囲長さである。 - 前記検知電極と前記対極の電極間距離は、
前記検知電極の相当直径(De)の95%以下とした
ことを特徴とする請求項6記載の設備機器。 - 溶媒に溶解した腐食抑制剤と反応し、表面に腐食を抑制する電極表面被膜を形成する検知電極と、
前記検知電極から所定の間隔を隔てて対向配置される対極と、
前記検知電極と前記対極との間に、所定周波数及び所定電圧の交流電圧を印加する交流電源とを有し、
前記検知電極と前記対極との間に所定周波数及び所定電圧の交流電圧が印加された際の、前記検知電極の表面に形成された前記電極表面被膜のインピーダンスの変化に基づいて、前記溶媒中における前記腐食抑制剤の濃度変化を検知する防食性能劣化検知センサーと、
溶媒によって加熱又は冷却される冷却対象材と、
前記溶媒を循環させる循環ポンプと、
前記冷却対象材と前記循環ポンプとが接続され前記溶媒が循環する循環路と、
前記循環路の一部をバイパスして前記防食性能劣化検知センサーに接続されるバイパス路と、
前記循環路及び前記バイパス路を構成している防食対象材料の腐食を抑制する腐食抑制剤を、前記循環路に供給する送液ポンプと、
前記防食性能劣化検知センサーの検知結果に基づいて、前記送液ポンプの動作を制御するコントローラーと
を備え、
前記コントローラーは、
前記検知電極と前記対極との間に所定周波数及び所定電圧の交流電圧が印加された際の、前記検知電極の表面に形成された電極表面被膜の状態が腐食抑制時期から孔食萌芽状態へ変化するときにおける前記電極表面被膜のインピーダンスを下限値として予め取得し、
前記検知電極と前記対極との間に前記所定周波数及び前記所定電圧の交流電圧が印加された際の、前記電極表面被膜のインピーダンスの値が、前記下限値を下回った場合、前記送液ポンプを運転させる
ことを特徴とする給湯暖房システム。 - 前記コントローラーは、
前記送液ポンプが運転状態における前記検知電極の電極表面被膜のインピーダンス上昇の飽和値を上限値として予め取得し、
前記検知電極と前記対極との間に所定周波数及び所定電圧の交流電圧が印加された際の、前記検知電極の表面に形成された前記電極表面被膜のインピーダンスが、前記上限値に達すると、前記送液ポンプを停止させる
ことを特徴とする請求項8記載の給湯暖房システム。 - 前記対極は、前記バイパス路の配管の一部により構成され、
前記検知電極は、前記配管内の中央に配置された
ことを特徴とする請求項8又は9記載の給湯暖房システム。 - 溶媒が循環する循環路と、
前記循環路を構成している防食対象材料の腐食を抑制する腐食抑制剤を、前記循環路に供給する送液ポンプと、
前記溶媒に溶解した前記腐食抑制剤と反応し、表面に腐食を抑制する電極表面被膜を形成する検知電極と、
前記検知電極から所定の間隔を隔てて対向配置される対極と、
前記検知電極と前記対極との間に、所定周波数及び所定電圧の交流電圧を印加する交流電源と、
前記検知電極の表面に形成された前記電極表面被膜のインピーダンスの変化に基づいて、前記送液ポンプの動作を制御するコントローラーと
を備え、
前記コントローラーは、前記検知電極と前記対極との間に所定周波数及び所定電圧の交流電圧が印加された際の、前記電極表面被膜の状態が腐食抑制時期から孔食萌芽状態へ変化するときにおけるインピーダンスを下限値として予め取得し、
前記検知電極と前記対極との間に前記所定周波数及び前記所定電圧の交流電圧が印加された際の、前記電極表面被膜のインピーダンスの値が、前記下限値を下回った場合、前記送液ポンプを運転させる
ことを特徴とする設備機器。
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