JP4406836B2 - 氷充填量計測方法およびその装置 - Google Patents

Description

この発明は、氷充填量計測方法およびその装置に関し、密閉できる液槽や倉庫などの空間内の氷の充填量を直接計測できるようにしたもので、特にダイナミック形の氷蓄熱槽の氷の充填量の計測に好適なものである。

空間内の氷の充填量を計測する必要がある場合の一つに、氷蓄熱装置における蓄熱槽内の氷がある。

この氷蓄熱装置の形式の一つにダイナミック形のものがあり、蓄熱槽外で製氷して槽内に搬送するようにしている。

例えば冷凍機によって作られた過冷却水を配管によって氷蓄熱槽の上部に吐出させ、吐出の際の衝撃などで過冷却状態を解除し、氷結シャーベット状の氷水として氷蓄熱槽に貯留するようにするものがある。

また、冷凍機によって作られた過冷却水を直後に過冷却解除部で過冷却状態を解除して氷結シャーベット状の氷水とし、氷水の状態で配管によって氷蓄熱槽に貯留するようにするものがある。

このような氷蓄熱槽では、氷の充填量を計測し、蓄熱量を監視・制御することが、効率的な運転に欠かせない重要な要素である。

このため、従来から種々の計測方法や装置が提案されている。
例えば、特許文献1のダイナミック氷蓄熱槽では、導電率計を設けて氷蓄熱槽内の氷スラリーの導電率を計測し、予め求めた導電率と残存氷量との相関関係から残存氷量を算出する。

また、特許文献2の氷の充填率計測装置では、蓄熱槽の底部に設置した音響測深機で氷スラリーの下面までの高さと氷のない液面上端までの高さとを計測し、演算で氷の充填率を算出する。

さらに、特許文献3の氷充填率計測装置では、氷スラリーの一部を分流させ、加熱器で加熱し、加熱部の表面温度を計測することで、予め求めた校正曲線から氷の充填率を求める。
特開平８−２１９６０９号公報 特開平７−１２００１８号公報 特開２０００−１７９９０１号公報

ところが、従来のいずれの計測方法も、氷の充填量を導電率、氷の下面と水面の高さ、加熱時の表面温度などから間接的に氷の充填量を計測することから、計測精度に問題があるとともに、計測点によっては、蓄熱槽全体の状態を代表する値でないなどの問題もある。

また、このような氷蓄熱槽内の氷の充填量だけでなく、密閉された倉庫内の氷の保存量や残存量を高精度に計測できる方法や装置の開発が望まれている。

この発明は、かかる従来技術の問題点と要望に鑑みてなされたもので、氷の充填量などを直接かつ高精度に計測できる氷充填量計測方法およびその装置を提供しようとするものである。

上記従来技術が有する課題を解決するため、この発明の請求項１記載の氷充填量計測方法は、 空間を密閉した状態で計測用の加圧気体を設定圧力まで供給して氷のない状態の初期供給量を計測した初期特性を把握しておき、氷のある状態の前記設定圧力までに供給する前記加圧気体の供給量を計測し、これら初期供給量と供給量との差から氷充填量を算出することを特徴とするものである。

この氷充填量計測方法によれば、空間を密閉した状態で計測用の加圧気体を設定圧力まで供給して氷のない状態の初期供給量を計測した初期特性を把握しておき、氷のある状態の前記設定圧力までに供給する前記加圧気体の供給量を計測し、これら初期供給量と供給量との差から氷充填量を算出するようにしており、氷のある状態とない状態とで密閉空間に設定圧力となるまで供給すべき加圧気体の供給量の差から直接氷の体積を求めることができ、氷の充填量を算出できるようになる。

また、この発明の請求項２記載の氷充填量計測方法は、請求項1記載の構成に加え、前記供給量の計測時にのみ前記空間を密閉し、常時大気開放状態とすることを特徴とするものである。

この氷充填量計測方法によれば、前記供給量の計測時の数秒間にのみ前記空間を密閉し、常時大気開放状態とするようにしており、完全な密閉空間でなくても計測に必要なごく短時間だけ密閉状態にして計測することで、完全な密閉空間にする必要をなくし、広く適用できるようにしている。

さらに、この発明の請求項３記載の氷充填量計測方法は、請求項１または２記載の構成に加え、前記空間を液槽とするとともに、液面を一定に保持した状態で前記初期供給量および前記供給量を計測するようにしたことを特徴とするものである。

この氷充填量計測方法によれば、前記空間を液槽とするとともに、液面を一定に保持した状態で前記初期供給量および前記供給量を計測するようにしており、ダイナミック形の氷蓄熱槽などであっても初期供給量と供給量を常に同一条件で測定でき、高精度に氷の充填量を計測できるようになる。

また、この発明の請求項４記載の氷充填量計測方法は、請求項1〜３のいずれかに記載の構成に加え、前記計測用の加圧気体を圧縮空気または圧縮窒素とすることを特徴とするものである。

この氷充填量計測方法によれば、前記計測用の加圧気体を圧縮空気または圧縮窒素とするようにしており、簡単に入手でき、加圧気体により他の機器へ悪影響を及ぼすことなく計測できるようにしている。

さらに、この発明の請求項５記載の氷充填量計測装置は、密閉可能な空間に計測用の加圧気体を設定圧力まで供給する加圧気体供給手段と、この加圧気体供給手段による加圧気体の供給量を計測する供給量計測手段と、氷のない状態での前記加圧気体の初期供給量と氷のある状態の前記加圧気体の供給量との差から氷充填量を算出する演算手段とを備えることを特徴とするものである。

この氷充填量計測装置によれば、空間を密閉した状態で計測用の加圧気体を加圧気体供給手段で設定圧力まで供給して氷のない状態の初期供給量と氷のある状態の前記設定圧力までに供給する前記加圧気体の供給量を供給量計測手段で計測し、これら初期供給量と供給量との差から氷充填量を演算手段で算出するようにしており、氷のある状態とない状態とで密閉空間に設定圧力となるまで供給すべき加圧気体の供給量の差から直接氷の体積を求めることができ、氷の充填量を算出できるようになる。

また、この発明の請求項６記載の氷充填量計測装置は、請求項５記載の構成に加え、前記空間を液槽で構成するとともに、この液槽の液面を一定に保持する液面保持手段を設けたことを特徴とするものである。

この氷充填量計測装置によれば、前記空間を液槽で構成するとともに、この液槽の液面を一定に保持する液面保持手段を設けるようにしており、ダイナミック形の氷蓄熱槽などであっても液面保持手段で初期供給量と供給量を常に同一条件で測定でき、高精度に氷の充填量を計測できるようになる。

なお、氷蓄熱槽などを加圧することによって変形が発生しても、初期供給圧力と計測時供給圧力が同一であるために、変形量も同一であって計測精度に影響するものではない。

この発明の請求項１記載の氷充填量計測方法によれば、空間を密閉した状態で計測用の加圧気体を設定圧力まで供給して氷のない状態の初期供給量を計測した初期特性を把握しておき、氷のある状態の前記設定圧力までに供給する前記加圧気体の供給量を計測し、これら初期供給量と供給量との差から氷充填量を算出するようにしたので、氷のある状態とない状態とで密閉空間に設定圧力となるまで供給すべき加圧気体の供給量の差から直接氷の体積を求めることができ、氷の充填量を算出することができる。

また、この発明の請求項２記載の氷充填量計測方法によれば、前記供給量の計測時にのみ前記空間を密閉し、常時大気開放状態とするようにしたので、完全な密閉空間でなくても計測に必要なごく短時間だけ密閉状態にして計測することで、完全な密閉空間にする必要をなくし、広く適用して氷の充填量を計測することができる。

さらに、この発明の請求項３記載の氷充填量計測方法によれば、前記空間を液槽とするとともに、液面を一定に保持した状態で前記初期供給量および前記供給量を計測するようにしたので、ダイナミック形の氷蓄熱槽などであっても初期供給量と供給量を常に同一条件で測定でき、高精度に氷の充填量を計測することができる。

また、この発明の請求項４記載の氷充填量計測方法によれば、前記計測用の加圧気体を圧縮空気または圧縮窒素とするようにしたので、加圧気体を簡単に入手でき、加圧気体により他の機器へ悪影響を及ぼすことなく計測することができる。

さらに、この発明の請求項５記載の氷充填量計測装置によれば、空間を密閉した状態で計測用の加圧気体を加圧気体供給手段で設定圧力まで供給して氷のない状態の初期供給量と氷のある状態の前記設定圧力までに供給する前記加圧気体の供給量を供給量計測手段で計測し、これら初期供給量と供給量との差から氷充填量を演算手段で算出するようにしたので、氷のある状態とない状態とで密閉空間に設定圧力となるまで供給すべき加圧気体の供給量の差から直接氷の体積を求めることができ、氷の充填量を算出することができる。

また、この発明の請求項６記載の氷充填量計測装置によれば、前記空間を液槽で構成するとともに、この液槽の液面を一定に保持する液面保持手段を設けるようにしたので、ダイナミック形の氷蓄熱槽などであっても液面保持手段で初期供給量と供給量を常に同一条件で測定でき、高精度に氷の充填量を計測することができる。

以下、この発明の一実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
図１は、この発明の氷充填量計測装置の一実施の形態にかかる概略構成図である。

この氷充填量計測装置１０は、例えばダイナミック形の氷蓄熱槽の氷の充填量の計測に用いられ、蓄熱槽内に氷が存在しない状態で、槽内の圧力を規定値まで加圧するために必要な加圧気体の供給量を把握しておき、氷ができて氷の充填量を計測したい時に、氷が存在しない時と同じ圧力まで加圧して、それに必要な加圧気体の供給量の差から水面上に浮遊する氷の体積を算出し、水面上と水中に没している氷の重量を演算するものであり、一般に蓄熱槽などの一定量保有した水を氷結させて氷の量を増減する場合には、水面の変化がなく、水面の変化からは氷の充填量を計測することができない。

そこで、この氷充填量計測装置１０では、氷が充填される空間となる蓄熱槽１１が密閉可能に構成され、保有水の量を一定に保つことができるようにオーバーフロー配管１２とオーバーフローバルブＶ１が設けられるとともに、蓄熱槽１１内を一定の圧力、例えば大気圧状態にするためのブロー配管１３とブローバルブＶ２が設けてあり、これらのバルブＶ１、Ｖ２を閉じることで蓄熱槽１１を密閉状態にできるようにしてある。

このような密閉可能な蓄熱槽１１内の氷の充填量を計測するため、この氷充填量計測装置１０では、圧縮空気または圧縮窒素などの加圧気体を供給する加圧気体供給管１４が蓄熱槽１１上部の空気層に接続されており、流量計FI、圧力計PI１、加圧気体供給バルブＶ３が設けてあり、加圧気体の供給量や供給圧力を検出できるようになっている。

さらに、この氷充填量計測装置１０では、蓄熱槽１１に槽内の空気の温度を計測する温度計ＴＩ１〜ＴＩ３が設けられるとともに、槽内圧力を計測する圧力計ＰＩ２が設けてある。

また、この蓄熱槽１１には、補給水配管１５と補給水バルブＶ４が設けられ、水の補給できるようにするとともに、破裂板ＲＤが設けられ、内圧が過上昇した場合に、破裂させることで蓄熱槽１１を保護するようにしてある。

さらに、この氷充填量計測装置１０では、演算手段として演算装置１６が設けられ、流量計ＦＩ、圧力計ＰＩ１、ＰＩ２、温度計ＴＩ１〜ＴＩ３などの計測結果が入力させるとともに、氷充填量の算出のための演算や電磁弁や電動弁で構成される各バルブＶ１〜Ｖ４などの開閉の制御ができるようにしてある。

次に、このように構成した氷充填量計測装置１０の動作とともに、氷充填量の計測方法について説明する。
この蓄熱槽１１の場合には、まず、氷がない状態としてブローバルブＶ２を開いて槽内を大気圧状態にするとともに、オーバーフローバルブＶ１を開き、保有水量を一定にする。

この場合、保有水量が多い場合には、オーバーフローバルブＶ１を開くだけで良いが、オーバーフローバルブＶ１からオーバーフローがない場合には、補給水バルブＶ４から水を補給して保有水を一定にする。なお、蓄熱槽１１の保有水を一定にするのは、少なくとも氷の充填量の計測の際だけで良く、通常の蓄熱運転中は、必ずしも一定にする必要はなく、蓄熱に支障のない範囲であれば良い。

こののち、蓄熱槽１１を密閉状態にするため、オーバーフローバルブＶ１やブローバルブＶ２、補給水バルブＶ４などを閉じる。

そして、加圧気体供給バルブＶ３を開き、圧縮空気や圧縮窒素などを供給し、蓄熱槽１１の空気の層の部分を予め設定した圧力、例えば１，０００Ｐａまで加圧し、これに必要とした加圧気体の供給量を初期供給量として記憶しておく。

なお、この初期供給量の計測後は、ブローバルブＶ２を開き、蓄熱槽１１を大気開放状態にする。

こうして氷のない状態の初期供給量を計測した後、氷蓄熱装置を運転し、蓄熱槽１１に氷水の蓄熱を行う。

そして、氷の浮遊状態での蓄熱槽１１の氷の充填量を計測する場合には、氷のない場合と同様に、蓄熱層１１内を大気圧状態とするとともに、保有水量を一定にした後、蓄熱槽１１を密閉状態とする。

この蓄熱槽１１の密閉状態で、加圧気体供給バルブＶ３を開いて圧縮空気や圧縮窒素などの加圧気体を、氷のない場合に設定した圧力と同一の圧力になるまで供給し、その圧力になるまでに供給した加圧気体の供給量を計測し、記憶する。

こうして得られた氷のない場合の初期供給量と氷のある場合の供給量との差は、水面上に浮遊している氷の体積に相当する。

こうして、水面上に浮遊する氷の体積が求められると、演算により氷の浮遊部の重量が求められ、水没している氷の重量を求めて全氷の充填量が求まる。
この結果、氷の充填率ＩＰＦを求めることができる。

このような氷充填量の計測装置１０およびその方法によれば、蓄熱槽１１の浮遊氷が空気の層から排除した体積を直接計測することができ、従来の間接的な測定と校正曲線を用いる場合に比べ、圧力計測、温度計測および流量計測を行うだけであり、非常に高精度に計測することができるとともに、水と氷の比重から演算で氷の全重量を精度良く求めることができる。

また、製氷装置の停止中や運転中、あるいは解氷中のいずれで、氷が蓄熱槽１１内、配管内やポンプ内などのいずれにどのような状態で存在していても、さらに、蓄熱槽１１の水面に波打ちや水滴の飛散、あるいは水中への空気の噛み込みなど、いかなる状態でも同じように精度良く、加圧気体を供給して設定圧力にするまでの短時間で氷の充填量を計測することができ、蓄熱槽の大きさにもよるが、例えば数秒間で計測することができる。

さらに、このような高精度の氷の充填量の計測ができるので、氷蓄熱式空気調和設備では、過剰製氷によるエネルギーの損失や設備の損耗を防止できるとともに、過少製氷による冷熱源不足の問題もなく、最適な状態で蓄熱することができる。

また、この氷充填量計測装置１０およびその方法は、氷蓄熱槽のように、水などの液体に浮遊する氷の全重量を計測できるだけでなく、密閉構造の倉庫などの氷の保存量や残存量を計測する場合にも適用でき、設定圧力になるまでの、氷のない状態での加圧気体の初期供給量と氷のある状態での加圧気体の供給量を計測することで、氷の体積を直接計測でき、高精度に氷の量を求めることができる。

次に、この発明の氷充填量計測装置の具体的な計算例について説明する。
この計算例では、蓄熱槽として、長さ：８ｍ、幅：４．５ｍ、深さ：４．５ｍの大きさものを用い、その水面の高さを４ｍとした。

（計測例０）
蓄熱槽に空気で加圧して計測するために、加圧した際に蓄熱槽が膨張して変形する可能性があるので、それを補正する必要がある。

蓄熱槽の氷充填量が“０”の状態で、蓄熱槽の計測時に加圧する圧力による蓄熱槽の特性は、表１に示すようになる。

すなわち、計測圧力として１，０００Ｐａの内圧を掛けると、蓄熱槽内の空気層が変形して、加圧前には１８．００ｍ³であったものが、０．８６ｋｇの空気が供給されて１８．４８ｍ³まで膨張し、蓄熱槽内の空気の重量は加圧前には２３．２６ｋｇであったものが２４．１２ｋｇとなる。

（計測例１）
この計測例１では、蓄熱槽の加圧圧力を１，０００Ｐａ（ｇ）とし、氷浮遊時の加圧空気の供給量が０．８３ｋｇであった場合の計測例として表１中に示してある。

この場合には、計測例０の氷のない状態での初期空気供給量と計測例１の氷浮遊状態での空気供給量の差から、氷浮遊部の体積が２．０４ｍ³となり、演算により全氷の体積が２５．４８ｍ³となり、全氷の充填量が２３．４３９ｋｇと算出することができる。
したがって、この場合の氷充填率ＩＰＦは、演算結果から１６％となる。

（計算例２）
この計算例２では、蓄熱槽の加圧圧力を１，０００Ｐａ（ｇ）とし、氷浮遊時の加圧空気の供給量が０．７９ｋｇであった場合の計測例として表１中に示してある。

この場合には、計算例０の氷のない状態での初期空気供給量と計測例２の氷浮遊状態での空気供給量の差から、氷浮遊部の体積が４．７８ｍ³となり、演算により全氷の体積が５９．７８ｍ³となり、全氷の充填量が５４．９９６ｋｇと算出することができる。
したがって、この場合の氷充填率ＩＰＦは、演算結果から３８％となる。

以上のように、計測に用いる加圧気体の氷のない場合の初期供給量と、氷のある場合の加圧気体の供給量をそれぞれ仮定した場合の計測例を示したように、これらの供給量を計測することで、浮遊部の氷の体積を直接計測でき、これらの値から、全氷充填量を演算し、氷充填率を求めることができることが分かる。

また、これらの計測例では、加圧空気の弁口径を２０ｍｍ、放出空気の弁口径を３２ｍｍとした場合には、計測時の加圧に要する時間が４〜５秒、計測後の放出に要する時間が５５〜５９秒であり、短時間に計測し、元の大気に戻すことができる。

この発明の氷充填量計測装置の一実施の形態にかかる概略構成図である。

符号の説明

１０ 氷充填量計測装置
１１ 蓄熱槽（液槽）
１２ オーバーフロー配管
１３ ブロー配管
１４ 加圧気体供給管
１５ 補給水配管
１６ 演算装置
Ｖ１ オーバーフローバルブ
Ｖ２ ブローバルブ
Ｖ３ 加圧気体供給バルブ
Ｖ４ 補給水バルブ
ＦＩ 流量計
ＰＩ１，ＰＩ２ 圧力計
ＴＩ１〜ＴＩ３ 温度計
ＲＤ 破裂板

Claims (6)

1. 空間を密閉した状態で計測用の加圧気体を設定圧力まで供給して氷のない状態の初期供給量を計測した初期特性を把握しておき、氷のある状態の前記設定圧力までに供給する前記加圧気体の供給量を計測し、これら初期供給量と供給量との差から氷充填量を算出することを特徴とする氷充填量計測方法。
2. 前記供給量の計測時にのみ前記空間を密閉し、常時大気開放状態とすることを特徴とする請求項1記載の氷充填量計測方法。
3. 前記空間を液槽とするとともに、液面を一定に保持した状態で前記初期供給量および前記供給量を計測するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の氷充填量計測方法。
4. 前記計測用の加圧気体を圧縮空気または圧縮窒素とすることを特徴とする請求項1〜３のいずれかに記載の氷充填量計測方法。
5. 密閉可能な空間に計測用の加圧気体を設定圧力まで供給する加圧気体供給手段と、
   この加圧気体供給手段による加圧気体の供給量を計測する供給量計測手段と、
   氷のない状態での前記加圧気体の初期供給量と氷のある状態の前記加圧気体の供給量との差から氷充填量を算出する演算手段とを備えることを特徴とする氷充填量計測装置。
6. 前記空間を液槽で構成するとともに、この液槽の液面を一定に保持する液面保持手段を設けたことを特徴とする請求項５記載の氷充填量計測装置。
   
   

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