JPH0763544A - 氷厚計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 氷を用いる蓄熱システムにおいて、冷却され
る部材上に生成される氷の厚さを直接、安定して計測で
きる氷厚計測装置を提供する。 【構成】 振動パルスを発生、検出する振動子１０と、
振動子１０を上部面の一部に固着し、製氷コイル上に配
置する保持体２０、３０と、振動子１０を駆動し、振動
パルスを発生すると共に、製氷コイル上に生成された氷
の境界面から反射された反射パルスを検出し、氷の厚さ
を算出し、それを表示器３１０に表示する信号処理部本
体１０ａとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、氷の厚さを計測する装
置に係り、特に、氷を利用する蓄熱槽内で生成される氷
の厚さを計測する氷厚計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、氷を利用する蓄熱システムの蓄熱
槽（蓄熱ユニット）内に生成される氷の量を測定する方
法としては、例えば、図９に示すように、生成される氷
の全体量によって変化する、蓄熱ユニットに溜められる
水のレベルを測定する方法がある。

【０００３】氷蓄熱システムは、水等の溶液を溜める蓄
熱ユニット１と、蓄熱ユニット１内部に配置され、氷を
生成する製氷コイル７と、製氷コイル７に冷却媒体を還
流させる冷凍機３と、蓄熱ユニット１内の冷却水を撹拌
するための気泡８ａを発生するエアポンプ５および給気
管８と、蓄熱ユニット１に溜められた冷却水を、冷房機
等の冷却負荷２に送り出す冷水ポンプ４と、製氷コイル
７の周囲に生成された氷の量によって変化する水位を検
出するレベルセンサ６とを備える。ここで、冷却コイル
７とは、管状であり、内部に水とエチレングリコールと
の混合液等の冷却媒体を流すものである。

【０００４】この蓄熱システムは、冷房等を必要としな
い期間、すなわち、冷水を必要としない期間に、冷凍機
３を作動し、蓄熱ユニット１内の製氷コイル７上に氷を
生成させる。このとき、水を撹拌して、生成する氷を均
一な状態に保つため、エアポンプ５から給気管８を通し
て、気泡８ａを発生する。氷が所定の厚さに成長したと
ころで、冷凍機３を停止する。

【０００５】冷房等で冷水が必要となった場合、冷水ポ
ンプ４が運転され、冷房機などの冷却負荷２に冷水が送
られる。冷却負荷２から戻ってきた温度の高い水は、蓄
熱ユニット１内に存在する氷の融解熱で冷却され、再び
冷水ポンプ４で、冷却負荷２に送られる。

【０００６】以上の氷蓄熱システムの動作サイクルで
は、電力料金の安い夜間に氷を蓄え、この氷を料金の高
い昼間に用いる。したがって、使用する電力コストを低
減すると同時に、昼間の電力需要ピークにおける電力不
足を補うことができる。

【０００７】このような氷蓄熱システムで、エネルギー
コストを必要最小量とするためには、蓄熱ユニット１内
で生成する氷の厚さを管理し、最適値に維持する必要が
ある。一般的には、氷が製氷コイル７上に成長すること
で、氷全体の量が増えるため上昇する液面の水位を、レ
ベルセンサ６で測定する方法が用いられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の液面上
昇を測定する方法では、液面水位に比例した氷の全量を
監視しているために、蓄熱ユニット１内に、図９に示す
ように、配置される製氷コイル７上の長さ方向（つま
り、蓄熱ユニット上部に配置されるコイルと下部のコイ
ル）における氷の厚さのばらつきを、把握することはで
きない。

【０００９】例えば、一部の製氷コイル７上だけに氷が
速く成長し、隣あった製氷コイル７上の氷同士が付着す
ると、氷の表面積が減少し、冷凍機３の冷却効率を低下
させる。そこで、適宜エアポンプ５を稼働して、水を撹
拌し、氷の成長を均一化する工夫をしている。しかしな
がら、製氷コイル７上の氷の厚さを直接測定できないた
め、実際の蓄熱システムの動作時における氷の状態また
は成長過程を監視することができず、システムの最適化
が容易ではない。

【００１０】本発明の目的は、上記のような蓄熱システ
ムにおいて、冷却される部材上に生成される氷の厚さを
直接、安定して計測できる氷厚計測装置を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、液体中に配置された冷却された部材上に生成され
る、氷の厚さを測定する氷厚計測装置において、当該部
材上に取付けられ、液体と氷との境界面方向へ当該部材
側から振動パルスを送出すると共に、当該振動パルスが
氷の内部を通過して、境界面から反射された反射パルス
を検出し、信号を出力する振動送受部と、振動送受部
へ、当該振動パルスを発生させるための駆動電圧を出力
する駆動回路と、振動送受部から出力される信号の中か
ら、氷の境界面で反射された反射パルスを識別する反射
パルス識別回路と、振動パルス発生時から、識別された
反射パルスの検出時までの時間間隔を算出するととも
に、この時間間隔と氷の音速とを用いて、氷の厚さを算
出する演算部とを有することを特徴とする氷厚計測装置
が提供される。

【００１２】

【作用】本発明は、氷を利用した蓄熱システムにおけ
る、水や溶液等を溜める蓄熱ユニット内部に配置される
製氷コイル等の、冷却される部材上に生成される氷の厚
さを測定する氷厚計測装置において、振動送受部は、そ
の冷却される部材上に取付けられ、水または溶液と氷と
の境界面方向へ、当該部材側から振動パルスを送出す
る。ここで、振動パルスを発生させるため、駆動回路が
駆動電圧を発生し、振動送受部へ出力する。

【００１３】この送出された振動パルスは、氷の内部を
通過して、氷と水との境界面で反射される。振動送受部
は、この反射パルスを検出して、出力する。反射パルス
識別回路は、振動授受部からの検出信号の中から、冷却
される部材上に生成された氷の境界面から反射された反
射パルスを、その検出時間や強度に関し条件ずけること
によって識別する。

【００１４】この識別された反射パルスを用いて演算部
は、振動パルス発生時から、反射パルスの検出時までの
時間間隔を算出する。振動パルスの伝搬経路と、測定し
ようとする氷の厚さとの関係を、予め求めておけば、算
出された時間間隔と氷の音速とを用いて、氷の厚さを算
出することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照して説明する。

【００１６】本発明を適用した氷厚計測装置では、前述
した図９に示すような、蓄熱システムの製氷コイル７上
に生成される氷の厚さの計測に、好適な形態を有する氷
厚計測装置を示す。また、以下の実施例では、発生する
振動パルスとして超音波を用いている。

【００１７】本発明を適用した氷厚計測装置の一実施例
の構成は、図１０に示すように、振動パルスを発生する
と共に、氷と水の境界面から反射された反射パルスを受
け取るプローブ部と、プローブ部を駆動すると共に、プ
ローブ部からの信号を受け取り、氷の厚さを算出し、表
示する信号処理部とから構成される。ここで、図９の蓄
熱システムにおいて、プローブ部は氷が生成される製氷
コイル７上に、信号処理部は蓄熱ユニット１外部に配置
されるものである。

【００１８】本実施例のプローブ部は、図１および図１
０に示すように、超音波パルスを発生および検出する圧
電体から成る超音波振動子１０と、振動子１０と電気信
号を授受するケーブル６０と、振動子１０とケーブル６
０とを接続するリード線５０とを有する。ここで、振動
子１０は氷の成長を、できるだけ妨げないように薄い厚
さの圧電体を使用するのが望ましい。また、用いる振動
周波数は、測定しようとする氷の厚さ、その氷における
音速、達成しようとする測定精度等を考慮することによ
り、最適の値を選択する。なお、７は、図９に示す蓄熱
システムの製氷コイルである。

【００１９】プローブ部は、さらに、振動子１０を製氷
コイル７上に配置するための、保持体２０および保持体
３０と、ケーブル６０を保持体２０上に固定するバンド
７０とを有する。ここで、保持体２０、３０およびバン
ド７０は、製氷コイル７上における氷の生成を妨げず、
さらに低温でもある程度の強度を保つ事ができる材料に
より形成される。この材料としては、熱伝導率が高い金
属、例えば、銅や銅合金を用いる。

【００２０】保持体２０は、その上部に水平に削られた
部分を有し、振動子１０を固定しやすい形状を有する。
振動子１０は、この水平部分に、例えば、接着剤で固定
される。保持体２０、３０には、それぞれ、ねじ孔２０
ａが設けられており（図１０参照）、ねじ３０ａおよび
ナット３０ｂで製氷コイル７上に固定される（図１参
照）。

【００２１】また、保持体２０および３０を用いる代わ
りに、図８（ａ）のように、これら保持体を一体化した
保持体２１を用いても良い。

【００２２】本実施例の信号処理部は、図１０に示すよ
うに、処理結果である氷の厚さを表示する表示器３１０
を有する信号処理部本体１０ａと、信号処理部本体１０
ａとケーブル６０とを接続する接続部６０ａとを有す
る。

【００２３】信号処理部本体１０ａは、図４に示すよう
に、クロック信号を発生するクロックパルス発信回路３
２０と、クロック信号を用いて予め定めた周波数に分周
する分周器３３０と、分周器３３０からの信号をトリガ
パルスとして、所定の励振信号を含むパルス信号を発生
するパルス発生回路２２０と、パルス発生回路２２０で
発生されたパルス信号を所定の電圧まで増幅し、その電
気信号パルスを振動子１０に出力する増幅器２００とを
有する。

【００２４】信号処理部本体１０ａは、さらに、振動子
１０からの出力信号のうち、ある一定以上の強度を有す
る信号の強度を制限する、例えば、ダイオードで構成さ
れるリミッタ回路２３０と、リミッタ回路２３０を通っ
てきた信号を増幅する増幅器２１０と、増幅器２１０か
らの出力に含まれる反射パルス信号を受信する、ＡＧＣ
回路２４０および検波器２５０とを有する。ここで、Ａ
ＧＣ回路は、入力される信号を、時間とともに予め定め
た率（例えば、充放電曲線で表わされる率）で増加する
ゲインにより、増幅して出力するものである。

【００２５】信号処理部本体１０ａは、さらに、検波器
２５０からの出力パルスが予め定めたスレシホールド
（しきい値）以上かどうかを比較するコンパレータ２６
０と、トリガパルス発生時から、そのしきい値以上のパ
ルス信号を検出した時点までの間隔を示すゲートパルス
を発生する測時ゲート回路２７０とを有する。

【００２６】信号処理部本体１０ａは、さらに、このゲ
ートパルスおよびクロックパルスを入力としてゲートパ
ルス中に含まれる、クロックパルス列を出力するＡＮＤ
回路２８０と、このクロックパルス列に含まれるクロッ
クパルスを計数するカウンタ２９０と、カウンタ２９０
からの出力を用い、後述する演算処理によって氷の厚さ
を算出するメモリを備えた演算器３００と、得られた氷
厚を表示する表示器３１０とを有する。なお、演算器３
００の出力信号は、外部出力線３１０ａを介して、その
まま、外部のデータ処理装置等へ出力することもでき
る。

【００２７】次に、本実施例の作用を、図２から図５を
参照して説明する。

【００２８】本実施例の信号処理部本体１０ａ（図４参
照）では、周波数ｆｃのクロックパルス発信回路３２０
の出力を、分周器３３０でｆｄに分周し、周期１／ｆｄ
毎にトリガとして、パルス発生回路２２０に入力する。
ここで、クロックの発信周波数ｆｃは、例えば、１μｓ
に設定され、分周器３３０の出力周波数ｆｄは、例え
ば、１ｍｓに設定されているものとする。

【００２９】パルス発生回路２２０からは、図５（ａ）
に示すように、周期１／ｆｄ毎にパルスが出力され、増
幅器２００で増幅され、振動子１０に印加される。信号
パルスが印加されると、振動子１０から超音波の振動パ
ルスが送出される。この振動パルスは、氷と水との境界
面等で反射され、エコーとして再び、振動子１０で検出
される。

【００３０】本実施例における振動子１０は、図２
（ａ）に示すように、製氷コイル７上に成長する氷１０
０内部に存在する。そのため、振動パルスが振動子１０
で発生されと、そのパルスは氷の境界面等で反射され
て、振動子１０によって検出される。この検出された振
動は、信号に変換、検波されると、例えば、図２（ｂ）
に示すような形態を示す。これは、発生した振動パルス
が、複数の地点から反射され、それらの反射パルス（以
下エコーと言う）が検出されるためである。

【００３１】本実施例の場合、発生された振動パルスが
反射されるのは、主に、図２（ａ）に示すように、氷と
水との境界面（Ｓ０）、保持体２０と製氷コイル７との
境界面（Ｓ１）、および、製氷コイル７の内面（Ｓ２）
である。すなわち、図２（ｂ）に示されるエコーのう
ち、始めに検出されるＢ１、Ｂ２、Ｂ３…で示されるエ
コーは、境界面Ｓ１またはＳ２と、振動子１０との間
で、複数回繰返し反射された多重エコーである。

【００３２】また、Ｒ１は、氷１００と水との境界面Ｓ
０で反射されたエコーである。Ｒ２は、このＲ１のエコ
ーが振動子１０で反射され、さらに境界面Ｓ０で再度反
射された、より強度の低いエコーである。反射波Ｒ１以
降に示すエコーは、前述した多重エコーに、Ｒ１が引き
起こす、新たな多重エコーが加わった状態を示してい
る。

【００３３】これらのエコーを単純化し、直線で示した
のが図３（ａ）である。このエコー群の中で、始めに検
出されるエコーは、多重エコーであるため、時間と共に
指数関数的に低下する。本実施例では、これらのエコー
を、後述するように、ＡＧＣ回路２４０で処理する。

【００３４】ここで、ＡＧＣ回路２４０では、時間とと
もに増加するゲイン（例えば、指数関数的に増加するゲ
イン）により、入力した信号を増幅する。すると、増幅
された信号は、図３（ｂ）のように、指数関数的に減衰
する多重エコーの信号強度の振幅を、ほぼ一様に揃える
ことができる。

【００３５】一方、氷の境界面Ｓ０からの反射パルス
は、ある程度の時間が経ってから検出されるため、ＡＧ
Ｃ回路２４０でのゲインは大きく、図３（ｂ）のよう
に、多重エコーよりも大きな強度で示される。これに対
して、適切なしきい値（スレシホールド）を設定するこ
とで、図３（ｃ）に示すように、反射パルスの検出まで
のゲートパルスを出力することができる。

【００３６】つまり、振動子１０によって検出された反
射パルスは、電気信号に変換され、リミッタ２３０を介
して、増幅器２１０に入力される。ここで、リミッタ２
３０から出力される信号は、図５（ｂ）に示すような形
態となる。ここで、Ｂ１、Ｂ２…は、境界面Ｓ１、Ｓ２
で反射された多重エコーを示し、Ｒ１は氷の境界面Ｓ０
で反射された信号を示す。また、Ｔは、増幅器２００か
らの送信出力の一部が、リミッタ２３０を通過してきた
信号である。

【００３７】このような受信信号は、増幅器２１０によ
り所定のゲインで増幅され、ＡＧＣ回路２４０および検
波器２５０により処理されると、図３（ｂ）に示したよ
うな波形となる。コンパレータ２６０は、この信号を、
予め定めたしきい値と比較することで、検出信号の中か
ら、氷の境界面からの反射パルスを識別する。この識別
された反射パルスと分周器３３０から出力された信号と
から、測時ゲート回路２７０は、図３（ｃ）に示すよう
な、振動パルス発生時から反射パルスＲ１検出時までの
時間間隔を表わすゲートパルスを発生する。

【００３８】クロックパルス発信回路３２０の出力（図
５（ｃ））と、このゲートパルス（図３（ｃ）、図５
（ｄ））とを入力として、ＡＮＤ回路２８０は、ゲート
パルス時間幅、つまり、振動子１０により発生された振
動波が氷を往復するのに要した時間ｔに相当するクロッ
クパルス列（図５（ｅ））を出力する。カウンタ２９０
は、このクロックパルス列を入力として、クロックパル
ス数Ｎを計数する。これは、図２（ａ）に示すように、
本実施例の振動子１０と氷の境界面との位置関係におい
ては、振動子１０から送出された振動パルスは、振動子
１０真上の地点で氷の境界面Ｓ０から反射される。つま
り、識別された反射パルスの伝搬距離は、氷の厚さｄの
２倍となる。

【００３９】したがって、氷の厚さｄは、演算器３００
により、カウンタ２９０の計数結果Ｎを用いて、次の式
によって算出することができる。

【００４０】 ｄ＝Ｃ（Ｎ／ｆｃ）／２・・・・・・・・・・・・・（１） ここで、Ｃは氷の音速、ｆｃはクロックパルス周波数で
ある。ただし、氷の音速Ｃは、予め実測などで知られて
いるもので、演算器３００に含まれるメモリに記憶され
ているものとする。

【００４１】最後に、得られた氷の厚さは、表示器３１
０に表示される。また、外部出力３１０ａにより、外部
データ処理装置等に出力することもできる。

【００４２】本実施例が考慮している蓄熱システムにお
いて、測定対象となる氷の厚さは、例えば、５０ｍｍで
ある。したがって、超音波振動子１０が超音波の振動パ
ルスを発生してから、そのパルスが氷と水との境界面か
ら反射されて検出されるまでの時間は、氷の音速を３８
００ｍ／ｓとすると、約２６μｓである。

【００４３】本実施例での保持体２０の厚さ、製氷コイ
ル７の管の厚さを数ｍｍ程度と仮定できるが、これらの
構造体が金属等で構成されているため、そこでの音速
は、氷のそれに比べ大きい。そのため、図５（ｂ）に示
される、保持体２０と製氷コイル７との境界面Ｓ１や、
製氷コイル７の下面Ｓ２で反射されるエコーＢ１、Ｂ２
等の検出までに時間は、１μｓ程度である。したがっ
て、氷の境界面からの反射パルスＲ１と、エコーＢ１、
Ｂ２等とは、容易に識別することができる。

【００４４】また、本実施例においては、プローブ部と
信号処理部とが、それぞれ一つづつ備えられているが、
複数のプローブ部を設けて、信号処理部で、それらを順
次走査することもできる。これにより、複数の地点で氷
の厚さを計測し、氷の成長に関するバラツキを、広い範
囲にわたって監視することができる。

【００４５】また、本実施例では、振動パルスの発生と
検出を同じ振動子を用いているが、振動パルス発生用の
振動子と、検出用の振動子を別々に設けても良い。この
場合、振動子の配置関係は、氷の厚さと振動パルスの伝
搬経路とを、予め検討し、氷の境界面以外からのエコー
が、できるだけ検出されないようなものとする。

【００４６】本発明の利点をより明かにするために、本
発明に類似しているが、本発明の特徴とする構成要件を
含まない氷厚計測装置の例を、以下に検討し、その問題
点を示す。

【００４７】例えば、振動子１０を氷の外部に配置した
以外は、上記実施例と同じ構成を有する装置を考える。
この装置は、図１１に示すように、振動子１０を、製氷
コイル７から一定距離Ｌ１だけ離して、生成された氷１
００の外部（水中）に保持体２０で配置したものであ
る。製氷コイル７上に生成された氷１００の表面から、
反射され戻ってくる反射パルスを検出するまでの時間ｔ
を測定することで、水の音速Ｃｗを用いて、氷１００ま
での距離Ｌ２（＝Ｃｗ・ｔ／２）を算出し、氷の厚さｄ
（＝Ｌ１−Ｌ２）を求めることができる。

【００４８】しかし、この装置では、振動子１０が製氷
コイル７上に配置されておらず、水中に配置されている
ため、距離の計算において、水の音速を用いる必要があ
る。ここで、考慮している蓄熱システムの水中において
は、気泡８ａや、水から氷が析出する際に発生する気泡
など、多くの気泡が存在し、循環している。

【００４９】そのため、水の音速Ｃｗは、時として２０
〜３０％程度の誤差を生じ、安定した測定が困難であ
る。さらに、この装置において、振動子１０を固定する
保持体２０や支柱など設置する必要があるが、これらの
構造体は、蓄熱ユニット１内の水や気泡の循環を妨げ、
氷の一様な成長を阻害することがあった。

【００５０】一方、上記実施例に具体的に示されるよう
に、本発明によれば、図２に示すように、振動パルスは
氷１００内部を往復するため、反射パルスを検出するま
での時間と、氷の音速とから、氷１００の厚さを算出す
ることができる。氷は、本来、気泡を追い出しながら成
長するので、氷中に含まれる気泡の含有率は、水よりも
小さく、変動が少ない。したがって、氷の音速値におけ
る誤差は、高々２〜３％であると推定される。さらに、
水中の気泡と異なり、氷に閉じ込められた気泡は動かな
いため、測定精度が安定している。

【００５１】さらに、本発明では、振動子１０を直接、
氷を生成する製氷コイル７上に配置するため、水や気泡
の循環を妨げることがない。また、製氷コイル７上であ
れば、任意の場所に取付けることができるので、製氷コ
イル７全体にわたる監視が可能となる。

【００５２】次に、本発明を適用した他の実施例につい
て、図６、７を参照して説明する。

【００５３】上記実施例では、氷の音速を既知としてい
たが、実際には、氷の温度と、氷に含まれる気泡などの
不純物の存在によって数％変化する。したがって、本実
施例では、高精度の測定が必要な場合に好適な、氷の音
速を直接測定し、その音速値を用いて、氷の厚さを計測
する氷厚計測装置を示す。

【００５４】本実施例は、図１２に示すように、上記実
施例のプローブ部および信号処理部（図１０参照）に加
え、さらに、氷の音速を測定する音速測定プローブ部を
有するものである。ただし、本実施例の信号処理部に含
まれる信号処理部本体１０ａは、図７に示す構成を有す
る。

【００５５】音速測定プローブ部は、図６に示されるよ
うに、プローブ部と同様に、製氷コイル７上に配置さ
れ、第２の超音波振動子１１と、振動子１１からの出力
信号を信号処理部へ接続するリード線５０およびケーブ
ル６０とを有する。ここで、図示されていないが、ケー
ブル６０を固定するためのバンドを備えている。また、
振動子１１の振動周波数としては、プローブ部（図１０
参照）の振動子１０に用いられたものと同じ振動周波数
を用いる。

【００５６】音速測定プローブ部は、さらに、振動子１
１を固定する保持部１２、および、振動子１１の表面か
ら予め定めた距離Ｌ０だけ離して設けられた振動パルス
を反射する板状の反射部１３を備える保持体２０と、ね
じ３０ａおよびナット３０ｂにより保持体２０と接続さ
れる保持体３０とを有する。保持部１２および反射部１
３は、計測を希望する氷の厚さの範囲によって、高さを
制限することが必要である。また、保持体２０、３０を
構成する部材には、氷の成長を妨げないような、熱伝導
率の高い、銅等の金属を用いる。

【００５７】本実施例の信号処理部は、図１２に示すよ
うに、上記実施例の構成（図１０参照）に加え、さら
に、音速測定プローブ部からのケーブル６０と信号処理
部本体１０ａとを接続する接続部６０ｂを有する。な
お、３１０は処理結果である氷の厚さを表示する表示器
である。

【００５８】本実施例の信号処理部本体１０ａは、図７
に示されるように、上記実施例の信号処理本体１０ａの
構成（図４参照）に加え、プローブ部の振動子１０と音
速測定プローブ部の振動子１１とを切り替える切り替え
回路をさらに有している。なお、図７下方に示される１
３は、振動子１１からの振動パルスを反射する保持体２
０に設けられた反射部を示すものである。

【００５９】切り替え回路は、インバータ４００および
アナログスイッチ４１０から構成される。切り替え信号
として、分周器３３０からの出力を用いる。また、分周
器３３０からの出力は、演算器３００にも入力される。
これは、カウンタ２９０から入力される信号が、どちら
の振動子からのものかを指定するためである。

【００６０】次に、本実施例の作用を説明する。

【００６１】本実施例では、音速測定プローブを用い
て、氷の音速を測定し、この音速を用いて、上記実施例
と同様に氷の厚さを算出するものである。

【００６２】氷の音速を測定するには、音速測定プロー
ブ（図６参照）において、振動子１１から振動パルスを
発生し、その振動パルスが反射部１３から反射された反
射パルスを検出するまでの時間Ｔ０を測定する。ここ
で、反射部１３および振動子１１は、製氷コイル７上に
生成された氷１００内部に存在するものとすると、反射
部１３は、振動子１１から距離Ｌ０離れた位置に設けら
れているため、以下の式より氷の音速Ｃが算出される。

【００６３】 Ｃ＝２Ｌ０／Ｔ０・・・・・・・・・・・（２） 具体的には、図７の信号処理部本体１０ａにおいて、周
波数ｆｃのクロックパルス発信回路３２０の出力を、分
周器３３０でｆｄに分周し、周期１／ｆｄ毎にトリガと
して、パルス発生回路２２０に入力する。パルス発生回
路２２０からは、周期１／ｆｄ毎にパルスが出力され、
増幅器２００で増幅される。

【００６４】インバータ４００とアナログスイッチ４１
０とから構成される切り替え回路は、分周器３３０から
の周期信号を用いて、増幅器２００からのパルスが印加
される振動子を、１／ｆｄ毎に切り替える。

【００６５】アナログスイッチ４１０により、振動子１
１に信号パルスが印加されると、振動子１１から超音波
の振動パルスが送出される。この振動パルスは、反射部
１３（図６参照）から反射され、エコーとして、振動子
１１で検出され、電気信号として出力される。検出され
る振動としては、反射部１３からのエコーの他に、振動
子１１の保持部１２の内部で反射される多重エコーも含
まれる。

【００６６】この検出された振動による信号は、上記実
施例と同様に、リミッタ２３０、増幅器２１０により処
理され、ＡＧＣ回路２４０、検波器２５０により検波さ
れる。さらに、コンパレータ２６０では、検出された信
号と予め定めたしきい値とを比較し、上記実施例におけ
る氷の境界面からのエコーを識別するのと同様に、反射
部１３からのエコーを識別する。

【００６７】この識別された反射パルスと分周器３３０
からの信号とから、測時ゲート回路２７０は、発生され
た振動パルスから、この識別されたエコー検出までの時
間間隔を表わすゲートパルスを発生する。クロックパル
ス発信回路３２０の出力と、このゲートパルスとを入力
として、ＡＮＤ回路２８０は、ゲートパルス時間幅、に
相当するクロックパルス列を出力する。カウンタ２９０
は、このクロックパルス列を入力として、クロックパル
ス数Ｎ０を計数する。

【００６８】演算器３００は、この結果から、次の式に
より氷の音速Ｃを算出する。

【００６９】 Ｃ＝２Ｌ０・（ｆｃ／Ｎ０）・・・・・・・（３） 算出された氷の音速Ｃは、演算器３００のメモリに記憶
され、次の周期において、振動子１０からの信号を用い
た氷の厚さの算出時に使用される。

【００７０】振動子１１に振動パルスが印加された後、
次の周期（１／ｆｄ）では、アナログスイッチ４１０が
切り替えられ、振動パルスが振動子１０に印加され、振
動パルスが振動子１０から送出される。

【００７１】振動子１０からの振動パルスは、上記実施
例で説明されたものと同じように、検出され、最終的に
は、氷の厚さが算出され、表示器３１０に表示される。
ただし、本実施例では、氷の音速として、上述のように
実測に基づいて算出された値を用いる。

【００７２】本実施例によれば、氷の音速を実測により
求めているため、より精度の高い氷厚測定が実施でき
る。

【００７３】また、本実施例において、氷の音速を算出
する代わりに、カウンタの計数結果Ｎ０と、振動子１１
から反射部１３までの距離Ｌ０とを用いて、以下の式で
算出することもできる。

【００７４】 ｄ＝Ｌ０（Ｎ／Ｎ０）・・・・・・・・・（４） また、本実施例のように振動子を２個用いる代わりに、
プローブ部を図８（ｂ）または図１３のような形状にす
ることもできる。これらは、保持体２０の一部、氷の成
長する方向に反射部１３を設けるか（図８（ｂ））、ま
たは、Ｌ字型の反射板１３を保持体２０に装着する（図
１３）ものである。ここで、反射部１３は、振動子１０
の全面を覆わないようにする。これにより、振動子１個
だけで氷の音速を実測するとともに、氷の厚さを算出す
ることができる。ただし、この場合は、反射部１３から
のエコーと、氷の境界面からのエコーとを識別するため
に、例えば、それぞれのエコーに対応した２種類のしき
い値を設けた、コンパレータ回路を備える必要がある。

【００７５】以上では、図９に示す蓄熱システムでの氷
の厚さの計測に用いることのできる氷厚計測装置につい
て説明した。しかし、本発明は、上記の実施例に限ら
ず、使用される蓄熱システムにおける製氷部（図９では
製氷コイル７）に対応して、超音波振動子や、保持部の
種類や形態を変えることができる。

【００７６】

【発明の効果】本発明によれば、冷却される部材上に成
長する氷の厚さを、直接、安定して測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）図１０に示す実施例のプローブ部が、蓄
熱システムの製氷コイル上に装着された状態を、コイル
軸方向から見た図、（ｂ）（ａ）と同じプローブ部を製
氷コイルの軸方向と垂直な方向から見た図。

【図２】（ａ）図１０の実施例において、振動パルスが
振動子から発生され、検出される作用を説明する図、
（ｂ）（ａ）において検出される反射パルスを示すグラ
フ。

【図３】（ａ）図１０の実施例で検出される反射パルス
を単純化して示したグラフ、（ｂ）（ａ）の反射パルス
信号をＡＧＣ回路で処理したグラフ、（ｃ）氷の境界面
からの反射パルス検出時までのゲートパルスを示すグラ
フ。

【図４】図１０の実施例における信号処理部本体の構成
を示すブロック図。

【図５】図４の信号処理本体の回路の一部における信号
を示すグラフ。

【図６】本発明を適用した他の実施例における音速測定
プローブ部を示す図。

【図７】本発明を適用した他の実施例における信号処理
本体の構成を示すブロック図。

【図８】（ａ）、（ｂ）本発明を適用した他の実施例に
おける保持体の形状を示す図。

【図９】従来の氷蓄熱システムにおける蓄熱ユニットに
おける氷の量の測定方法を説明する図。

【図１０】本発明を適用した一実施例の構成を示す斜視
図。

【図１１】図１０の実施例と類似する、本発明の特徴と
する構成要件を備えない氷厚計測装置の測定原理を説明
する図。

【図１２】本発明を適用した他の実施例の構成を示すブ
ロック図。

【図１３】本発明を適用した他の実施例における保持体
の形状を示す図。

【符号の説明】 １…蓄熱ユニット、２…冷却負荷、３…冷凍機、４…冷
水ポンプ、５…エアポンプ、６…レベルセンサ、７…製
氷コイル、８…給気管、８ａ…気泡、１０…振動子、１
０ａ…信号処理部本体、１１…第２の振動子、１２…保
持部、１３…反射部、２０…保持体、２０ａ…ねじ孔、
３０…保持体、５０…リード線、６０…ケーブル、７０
…バンド、２００、２１０…増幅器、２２０…パルス発
生回路、２３０…リミッタ、２４０…ＡＧＣ回路、２５
０…検波回路、２６０…コンパレータ、２７０…測時ゲ
ート回路、２８０…ＡＮＤ回路、２９０…カウンタ、３
００…演算器、３１０…表示器、３１０ａ…外部出力、
３２０…クロックパルス発信回路、３３０…分周器。

フロントページの続き (72)発明者 神谷 隆志 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内 (72)発明者 瀧本 智明 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体中に配置された冷却された部材上に生
   成される、氷の厚さを測定する氷厚計測装置において、 当該部材上に取付けられ、液体と氷との境界面方向へ当
   該部材側から振動パルスを送出すると共に、当該振動パ
   ルスが氷の内部を通過して境界面から反射された反射パ
   ルスを検出し、その振動強度に応じた信号を出力する振
   動送受部と、 振動送受部へ、当該振動パルスを発生させるための駆動
   電圧を出力する駆動回路と、 振動送受部から出力される信号の中から、氷の境界面で
   反射された反射パルスを識別する反射パルス識別回路
   と、 振動パルス発生時から、識別された反射パルスの検出時
   までの時間間隔を算出するとともに、この時間間隔と氷
   の音速とを用いて、氷の厚さを算出する演算部とを有す
   ることを特徴とする氷厚計測装置。
2. 【請求項２】請求項１において、さらに、 前記演算部で算出された氷の厚さを表示する表示部を有
   することを特徴とする氷厚計測装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記振動送受部は、 励振電圧を印加されることにより振動を発生すると共
   に、振動を検出し、その振動強度に応じた電気信号を出
   力する振動体と、 振動体が上面に固着され、前記冷却された部材上に取付
   けられる保持部材と、 振動体と、前記駆動回路および前記反射パルス識別回路
   とを電気的に接続する接続部とを有することを特徴とす
   る氷厚測定装置。
4. 【請求項４】請求項１において、さらに、 前記冷却された部材上に生成される氷の音速を測定する
   音速測定部を有し、 前記演算部は、得られた氷の音速を用いて、氷の厚さを
   算出するものであり、 音速測定部は、 生成された氷の内部で、励振電圧を印加されることによ
   り、振動を発生すると共に、振動を検出し、振動強度に
   応じた電気信号を出力する第２の振動体と、 第２の振動体が固着され、前記冷却された部材上に取付
   けられる第２の保持部材と、 第２の振動体に印加するパルス状の駆動電圧を発生する
   第２の駆動回路と、 生成された氷の内部で第２の振動体に対抗して配置さ
   れ、第２の振動体から発生された振動パルスを反射する
   反射部材と、 第２の振動体から出力される信号の中から、発生された
   振動パルスが、反射部材で反射された反射パルスを識別
   する第２の反射パルス識別回路と、 振動パルス発生時から、識別された反射パルスの検出時
   までの時間間隔を算出すると共に、この時間間隔と、第
   ２の振動体から反射部材までの直線距離とから、氷の音
   速を算出する第２の演算部と、 第２の振動体と、第２の駆動回路および第２の反射パル
   ス識別回路とを電気的に接続する接続部とを有すること
   を特徴とする氷厚測定装置。
5. 【請求項５】請求項３において、前記保持部材は、前記
   冷却される部材に直接取付けられる主保持部材を有し、 主保持部材は、前記冷却される部材の熱伝導率以上の熱
   伝導率を有する材料により形成されることを特徴とする
   氷厚測定装置。
6. 【請求項６】請求項４において、前記第２の保持部材
   は、前記冷却される部材に直接取付けられる主保持部材
   を有し、 主保持部材は、前記冷却される部材の熱伝導率以上の熱
   伝導率を有する材料により形成されることを特徴とする
   氷厚測定装置。