JP6213042B2 - 氷床温度管理システム及び氷床温度管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、氷床温度管理システム及び氷床温度管理方法に関する。

アイススケートリンクでは、フィギュアスケート、ショートトラック及びアイスホッケーなどの様々な競技が行われるが、競技の種類により最適な氷床温度がある。例えば、フィギュアスケートには温度が−４℃〜−３℃の軟らかめの氷床が好ましいとされ、ショートトラックには温度が−６℃〜−５℃の硬めの氷床が好ましいとされ、アイスホッケーにはそれらの中間の温度の氷床が好ましいとされている。

競技者が高いパフォーマンスを実現するためには、アイススケートリンクの全域にわたって氷床温度が均一であることが望ましい。

一般的な人工のアイススケートリンクでは、ブラインクーラーで冷却したブラインと呼ばれる冷却媒体を、氷床の下方に配置された冷却配管内に通流させている。そして、温度センサを用いて氷床温度を測定し、氷床温度が目標温度となるようにブラインの供給量を制御している。

ＷＯ２０１０／１２５７１２ 特開２０００−８１２６２号公報 特開平９−３０３９２０号公報

氷床を常に適切な状態に維持できる氷床温度管理システム及び氷床温度管理方法を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、氷床の底部の温度、前記氷床の中間部の温度、及び前記氷床の表層部の温度を検出する温度センサと、冷却媒体を冷却するブラインクーラーと、前記氷床の底部に配置されて前記冷却媒体が通流する冷却配管と、前記冷却配管に流れる前記冷却媒体の流量を調整可能な流量調整部と、前記氷床の底部の温度及び前記氷床の中間部の温度から前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量を算出し、前記氷床の中間部の温度及び前記氷床の表層部の温度から前記氷床の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量を算出し、その結果に基づいて前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量と前記氷床の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量とが一致するように前記流量調整部を制御する制御装置とを有する氷床温度管理システムが提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、底部に冷却媒体が通流する冷却配管が配置された氷床の底部の温度、中間部の温度、及び表層部の温度を検出する工程と、前記氷床の底部の温度、中間部の温度、及び表層部の温度から、前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量と前記表層部から大気中に流出する冷熱の熱量とを制御装置により計算する工程と、前記冷熱の熱量の計算結果に基づいて流量調整部を制御して前記冷却配管に流れる前記冷却媒体の流量を調整する工程とを有する氷床温度管理方法が提供される。

上記開示の一観点に係る氷床温度管理システム及び氷床温度管理方法によれば、氷床を常に適切な状態に維持できる。

図１は、実施形態に係る氷床温度管理システムの模式構成図である。 図２は、氷床の断面図である。 図３は、実施形態に係る氷床温度管理システムによる氷床温度管理方法を説明するフローチャートである。 図４は、冷却配管から氷床に流入する冷熱の熱量と氷床の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量とを説明するための氷床の模式断面図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

アイススケートリンク（以下、単に「スケートリンク」という）では、場所により氷床にかかる熱負荷が異なる。例えば、スケートリンクの出入り口付近や観客の密度が高い場所では氷床にかかる熱負荷が高くなる。また、屋内であれば照明やスポットライトが当たる場所の熱負荷が高くなり、屋外であれば日向か日蔭かなどによって氷床にかかる熱負荷が異なる。

更に、競技の種類によっても、熱負荷がかかる場所が異なる。例えばスピードスケートではトラック沿いに競技者が集中し、カーリングではレーン中央に競技者が集中するため、それらの競技者が集中する場所の熱負荷が高くなる。

従来のスケートリンクでは、場所毎に異なる熱負荷に対応することが困難である。そのため、氷床にかかる熱負荷が高い場所では、氷床温度が目標温度よりも高くなって氷床に水溜りが発生したり、氷が削れやすくなったりする。また、氷床にかかる熱負荷が低い場所では、氷床温度が目標温度よりも低くなって氷床にヒビが入ったり、スケートのエッジが効き難くなったりする。

以下の実施形態では、氷床を常に適切な状態に維持できる氷床温度管理システム及び氷床温度管理方法について説明する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る氷床温度管理システムの模式構成図である。

本実施形態に係る氷床温度管理システムは、冷凍機１５と、ブラインクーラー１６と、ブラインタンク１７と、温度センサとなる光ファイバ２１と、温度分布測定装置（ＤＴＳ）２２と、計算装置２３と、制御装置２４とを有する。

また、スケートリンク１１は、図１に示すように上面視で区画１から区画ｎまでのｎ個の区画に区分けされており、各区画にはそれぞれ個別にブラインが通る冷却配管１２が配置されている。

冷凍機１５はブラインクーラー１６と熱的に接続されており、ブラインクーラー１６内を通るブラインを、制御装置２４に設定された温度まで冷却する。ブラインタンク１７は、ブラインクーラー１６に供給される前のブラインを一時的に貯蔵する。

ブラインクーラー１６のブライン供給口はブライン供給配管１３ａに接続されている。また、ブラインタンク１７には、ブライン戻り配管１３ｂが接続されている。

各区画にそれぞれ敷設された冷却配管１２の一端側はいずれもブライン供給配管１３ａに接続されており、他端側はいずれも流量調整弁１４を介してブライン戻り配管１３ｂに接続されている。

制御装置２４は、それらの流量調整弁１４の開度を個別に制御することにより、各冷却配管１２に流れるブラインの流量を個別に制御することができる。なお、ブラインは冷却媒体の一例であり、流量調整弁１４は流量調整部の一例である。

ところで、本実施形態では、スケートリンク１１の各区画の氷床温度を測定するために、光ファイバ２１を使用している。

図２は、氷床の模式断面図である。この図２に示すように、スケートリンク１１では断熱材２０の上に冷却配管１２を設置しており、断熱材２０及び冷却配管１２の上に氷床１８を形成する。

本実施形態では、氷床１８の底部、中間部及び表層部の温度を個別に測定するために、光ファイバ２１を３層に敷設する。すなわち、１本の光ファイバ２１の一部を１層目の光ファイバ２１ａとして氷床１８の底部に敷設し、他の一部を２層目の光ファイバ２１ｂとして氷床１８の中間部に敷設し、更に他の一部を３層目に光ファイバ２１ｃとして氷床１８の表層部に敷設している。但し、３本の光ファイバを使用して、氷床１８の底部、中間部及び表層部にそれぞれ別箇の光ファイバを敷設してもよい。

例えば、冷却配管１２にブラインを通流させながらスケートリンク１１の全域に水を霧状に散布して冷却配管１２が埋まるまで氷床１８を成長させ、その上に１層目の光ファイバ２１ａを敷設する。その後、更にスケートリンク１１の全域に水を霧状に散布して氷床１８を所望の厚さまで成長させて、その上に２層目の光ファイバ２１ｂを敷設する。

次いで、スケートリンク１１の全域に更に水を霧状に散布して氷床１８を所望の厚さまで成長させ、その上に３層目の光ファイバ２１ｃを敷設する。その後、スケートリンク１１の全域に更に水を霧状に散布して、氷床１８を所望の厚さまで成長させる。各層の光ファイバ２１ａ〜２１ｃは、いずれも全ての区画を通るように敷設する。

図１に示すように、光ファイバ２１の両端は、温度分布測定装置２２に接続される。

温度分布測定装置２２は、レーザ光源と受光部とを有する。レーザ光源から出射されたレーザ光は、光ファイバ２１の端部から光ファイバ２１内に進入する。温度分布測定装置２２は、光ファイバ２１内をレーザ光が通る際に発生する反射光（ラマン散乱光）を受光部で検出し、反射光の強度と時間とから、光ファイバ２１の長さ方向の温度分布を取得する。

計算装置２３は、温度分布測定装置２２から出力される光ファイバ２１の長さ方向の温度分布に対し、伝達関数を用いた補正計算を行う。これにより、光ファイバ２１の長さ方向に沿って１０ｃｍ〜数１０ｃｍの間隔で設定された測定ポイントの温度を精度よく検出することができる。なお、伝達関数を用いた補正計算の詳細は、特許文献１等に記載されている。

制御装置２４には光ファイバ２１の敷設状態のデータが記憶されており、この敷設状態のデータを用いて光ファイバ２１の長さ方向の測定ポイントの位置とスケートリンク１１に敷設されている光ファイバ２１上の測定ポイントの位置とが対応付けされている。

従って、制御装置２４では、計算装置２３から光ファイバ２１の長さ方向の各測定ポイントの温度を取得すると、スケートリンク１１内の所望の測定ポイントの温度を抽出することが可能になる。

制御装置２４は、計算装置２３から各測定ポイントの温度を取得すると、氷床１８の底部の温度、すなわち１層目の光ファイバ２１ａの測定ポイントの温度を抽出し、区画毎に氷床１８の底部の平均温度Ｔk1（以下、単に「温度Ｔk1」ともいう）を算出する。また、制御装置２４は、氷床１８の中間部の温度、すなわち２層目の光ファイバ２１ｂの測定ポイントの温度を抽出し、区画毎に氷床１８の中間部の平均温度Ｔk2（以下、単に「温度Ｔk2」ともいう）を算出する。

更に、制御装置２４は、氷床１８の表層部の温度、すなわち３層目の光ファイバ２１ｃの測定ポイントの温度を抽出し、区画毎に氷床１８の表層部の平均温度Ｔk3（以下、単に「温度Ｔk3」ともいう）を算出する。

そして、制御装置２４は、それらの区画毎の氷床１８の底部の温度Ｔk1、中間部の温度Ｔk2及び表層部の温度Ｔk3に基づいて、流量調整弁１４の開度を区画毎に調整する。

以下、本実施形態に係る氷床温度管理システムによる氷床温度管理方法について、図３のフローチャート及び図４の氷床１８の模式断面図を参照して説明する。

但し、ここでは、予め制御装置２４に氷床１８の表層部の目標温度Ｔtgt及びその許容範囲ΔＴallow及び限界温度差ΔＴlimitが設定されているものとする。限界温度差ΔＴlimitは、流量調整弁１４の開度だけで調整できる温度差の最大値である。また、制御装置２４は、図３のフローチャートに示す処理を、区画毎に実行する。

まず、ステップＳ１１において、制御装置２４は、計算装置２３から各測定ポイントの温度を取得する。

次に、ステップＳ１２において、制御装置２４は、計算装置２３から取得した測定ポイントの温度と光ファイバ２１の敷設状態のデータとを使用して、氷床１８の底部の平均温度Ｔk1、中間部の平均温度Ｔk2、及び表層部の平均温度Ｔk3を算出する。

次に、ステップＳ１３に移行し、制御装置２４は、目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴを計算する。そして、ステップＳ１４において、制御装置２４は、目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴが予め設定された許容範囲ΔＴallow以内か否かを判定する。

ステップＳ１４において、目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴが許容範囲ΔＴallowから外れていると判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５において制御装置２４は、目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴが限界温度差ΔＴlimitよりも小さいか否かを判定する。目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴが限界温度差ΔＴlimit以上であると判定した場合（ＮＯの場合）はステップＳ１７に移行し、目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴが限界温度差ΔＴlimitを超えないように冷凍機１５の出力を調整する。

また、ステップＳ１５で目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴが限界温度差ΔＴlimitよりも小さいと判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ１６に移行する。そして、目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴが許容範囲ΔＴallow以下となるように、流量調整弁１４の開度を調整する。

すなわち、表層部の温度Ｔk3が目標温度Ｔtgtよりも低い場合、制御装置２４は流量調整弁１４の開度を小さくして、冷却配管１２のブライン流量を減少させる。また、表層部の温度Ｔk3が目標温度Ｔtgtよりも高い場合、制御装置２４は流量調整弁１４の開度を大きくして、冷却配管１２のブライン流量を増加させる。その後、ステップＳ１１に戻って処理を継続する。

一方、ステップＳ１４において目標温度Ｔtgtと表層部の温度Ｔk3との差ΔＴが許容範囲内ΔＴallowであると判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１８において、制御装置２４は、氷床１８の底部の温度Ｔk1、中間部の温度Ｔk2、及び表層部の温度Ｔk3から、氷床１８の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量Ｑkoutと、冷却配管１２から氷床１８に流入する冷熱の熱量Ｑkinとを計算する。

ここで、図４に示すように、氷床１８のうち底部から中間部までの間の熱容量をＣk12とし、中間部から表層部までの間の熱容量をＣk23とする。そうすると、冷却配管１２から氷床１８に流入する冷熱の熱量Ｑkin、及び表層部から大気中に流出する冷熱の熱量Ｑkoutは、下記（１）式及び（２）式により表わされる。

Ｑkin＝Ｃk12×（Ｔk2−Ｔk1） …（１）
Ｑkout＝Ｃk23×（Ｔk3−Ｔk2） …（２）
氷の比熱及び単位体積当たりの質量が一定であるとすると、熱容量Ｃk12は１層目の光ファイバ２１ａと２層目の光ファイバ２１ｂとの間の氷の厚さｔ１に比例し、熱容量Ｃk23は２層目の光ファイバ２１ｂと３層目の光ファイバ２１ｃとの間の氷の厚さｔ２に比例する。

ここでは、説明を簡単にするために、１層目の光ファイバ２１ａと２層目の光ファイバ２１ｂとの間の氷の厚さｔ１と、２層目の光ファイバ２１ｂと３層目の光ファイバ２１ｃとの間の氷の厚さｔ２とが同じであるとする。

この場合、（Ｔk2−Ｔk1）−（Ｔk3−Ｔk2）の値がマイナスならば、冷却配管１２から氷床１８に流入する熱量Ｑkinが、表層部から大気中に流出する熱量Ｑkoutよりも多いということになる。従って、この場合、制御装置２４は、ステップＳ１９において、冷却配管１２から氷床１８に流入する熱量Ｑkinと表層部から大気中に流出する熱量Ｑkoutとが等しくなるように流量調整弁１５の開度を小さくして、冷却配管１２のブライン流量を減少させる。

一方、（Ｔk2−Ｔk1）−（Ｔk3−Ｔk2）の値がプラスならば、冷却配管１２から氷床１８に流入する熱量Ｑkinのほうが、表層部から大気中に流出する熱量Ｑkoutよりも多いということになる。従って、この場合、制御装置２４は、ステップＳ１９において、冷却配管１２から氷床１８に流入する熱量Ｑkinと表層部から大気中に流出する熱量Ｑkoutとが等しくなるように流量調整弁１５の開度を大きくして、冷却配管１２のブライン流量を増加させる。

なお、１層目の光ファイバ２１ａと２層目の光ファイバ２１ｂとの間の熱容量Ｃk12と２層目の光ファイバ２１ｂと３層目の光ファイバ２１ｃとの間の熱容量Ｃk23とが異なる場合は、熱容量Ｃk12，Ｃk23の値を制御装置２４に記憶させておくことが好ましい。

このようにしてステップＳ１７で流量調整弁１５の開度を調整した後、ステップＳ１１に戻って処理を継続する。

以上説明したように、本実施形態では、スケートリンク１１を複数の区画に区分けし、区画毎に氷床１８の温度を測定して、その測定結果に応じて区画毎にブライン流量を制御する。これにより、氷床１８にかかる熱負荷が区画毎に異なっていても、スケートリンク１１の全域にわたって氷床１８を所望の温度に維持できる。

また、本実施形態では、氷床１８の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量Ｑkoutと、冷却配管１２から氷床１８に流入する冷熱の熱量Ｑkinとの差に基づいて冷却配管１２に流れるブラインの流量を調整する。これにより、氷床１８にかかる熱負荷の変化に迅速に対応することができる。

これらの理由により、本実施形態によれば、スケートリンク１１の氷床を、常に競技に応じた適切な状態に維持することができ、競技者に良質かつ公正な競技条件を提供できる。また、区画毎に適切な熱量（冷熱）を供給できるので、供給熱量の無駄がなくなり、スケートリンク１１の運用コストを低減できるという効果も奏する。

なお、本実施形態では氷床１８の温度を検出する温度センサとして光ファイバを使用する場合について説明したが、その他の温度センサを使用して氷床１８の温度を測定するようにしてもよい。

また、ブラインクーラー１６から供給されるブラインの温度を測定する温度センサと、ブライン流量を検出する流量計とを設けてもよい。これにより、ブラインの温度と流量とから、ブラインクーラー１６から供給する冷熱の熱量を計算することができる。

例えば、区画毎の流出熱量（熱量Ｑkout）の総計とブラインクーラー１６から供給する冷熱の熱量とが同じになるように冷凍機１５の設定温度やブラインクーラー１６のブライン供給量を調整することにより、ブラインを過剰に冷却することが回避でき、より一層の省電力化が達成できる。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）冷却媒体を冷却するブラインクーラーと、
氷床の底部に配置されて前記冷却媒体が通流する冷却配管と、
前記冷却配管に流れる前記冷却媒体の流量を調整可能な流量調整部と、
前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量と前記氷床の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量とが一致するように前記流量調整部を制御する制御装置と
を有することを特徴とする氷床温度管理システム。

（付記２）前記氷床の底部の温度、前記氷床の中間部の温度、及び前記氷床の表層部の温度を検出する温度センサを有し、
前記制御装置は、前記氷床の底部の温度及び前記氷床の中間部の温度から前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量を算出し、前記氷床の中間部の温度及び前記氷床の表層部の温度から前記氷床の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量を算出することを特徴とする付記１に記載の氷床温度管理システム。

（付記３）前記氷床が、上面視で複数の区画に区分けされ、区画毎に前記冷却配管と前記流量調整部とが設けられていることを特徴とする付記２に記載の氷床温度管理システム。

（付記４）前記温度センサが、光ファイバであることを特徴とする付記２又は３に記載の温度管理システム。

（付記５）前記光ファイバに接続されて前記光ファイバの長さ方向の温度分布を測定する温度分布測定装置と、
前記温度分布測定装置で測定した温度分布に対し伝達関数を用いた補正を行う計算装置とを有し、
前記制御装置は前記計算装置を介して前記表層の底部の温度、前記氷床の中間部の温度、及び前記氷床の表層部の温度を取得することを特徴とする付記４に記載の温度管理システム。

（付記６）底部に冷却媒体が通流する冷却配管が配置された氷床の底部の温度、中間部の温度、及び表層部の温度を検出する工程と、
前記氷床の底部の温度、中間部の温度、及び表層部の温度から、前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量と前記表層部から大気中に流出する冷熱の熱量とを制御装置により計算する工程と、
前記冷熱の熱量の計算結果に基づいて流量調整部を制御して前記冷却配管に流れる前記冷却媒体の流量を調整する工程と
を有することを特徴とする氷床温度管理方法。

（付記７）前記氷床は上面視で複数の区画に区分けされ、前記冷却配管及び前記流量調整部が区画毎に設けられていることを特徴とする付記６に記載の氷床温度管理方法。

（付記８）前記氷床の底部の温度、中間部の温度、及び表層部の温度を、光ファイバにより検出することと特徴とする付記６又は７に記載の氷床温度管理方法。

１１…スケートリンク、１２…冷却配管、１３ａ…ブライン供給配管、１３ｂ…ブライン戻り配管、１４…流量調整弁、１５…冷凍機、１６…ブラインクーラー、１７…ブラインタンク、１８…氷床、２０…断熱材、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…光ファイバ、２２…温度分布測定装置、２３…計算装置、２４…制御装置。

Claims (4)

1. 氷床の底部の温度、前記氷床の中間部の温度、及び前記氷床の表層部の温度を検出する温度センサと、
   冷却媒体を冷却するブラインクーラーと、
   前記氷床の底部に配置されて前記冷却媒体が通流する冷却配管と、
   前記冷却配管に流れる前記冷却媒体の流量を調整可能な流量調整部と、
   前記氷床の底部の温度及び前記氷床の中間部の温度から前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量を算出し、前記氷床の中間部の温度及び前記氷床の表層部の温度から前記氷床の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量を算出し、その結果に基づいて前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量と前記氷床の表層部から大気中に流出する冷熱の熱量とが一致するように前記流量調整部を制御する制御装置と
   を有することを特徴とする氷床温度管理システム。
2. 前記氷床が、上面視で複数の区画に区分けされ、区画毎に前記冷却配管と前記流量調整部とが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の氷床温度管理システム。
3. 底部に冷却媒体が通流する冷却配管が配置された氷床の底部の温度、中間部の温度、及び表層部の温度を検出する工程と、
   前記氷床の底部の温度、中間部の温度、及び表層部の温度から、前記冷却配管から前記氷床に流入する冷熱の熱量と前記表層部から大気中に流出する冷熱の熱量とを制御装置により計算する工程と、
   前記冷熱の熱量の計算結果に基づいて流量調整部を制御して前記冷却配管に流れる前記冷却媒体の流量を調整する工程と
   を有することを特徴とする氷床温度管理方法。
4. 前記氷床は上面視で複数の区画に区分けされ、前記冷却配管及び前記流量調整部が区画毎に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の氷床温度管理方法。

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