界面活性剤濃度制御装置及びこれを備えた熱搬送システム
【課題】 熱搬送媒体として用いる界面活性剤溶液の濃度を比較的簡単に検出し、界面活性剤溶液の濃度を所定濃度に維持することができる界面活性剤濃度制御装置を提供すること。
【解決手段】 熱供給側システム２と熱利用側システム４との間を循環する界面活性剤溶液を用いて熱を搬送する熱搬送システムにおける界面活性剤溶液の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置。この界面活性剤濃度制御手段は、界面活性剤を供給するための界面活性剤供給手段１２と、界面活性剤供給手段１２から供給される界面活性剤の供給量を制御するための制御手段１４と、循環される界面活性剤溶液の屈折率を検出するための屈折率検出手段２０と、を備え、制御手段１４は、屈折率検出手段２０からの検出信号に基づいて、界面活性剤供給手段１２から界面活性剤溶液に供給される界面活性剤の供給量を制御する。
【解決手段】 熱供給側システム２と熱利用側システム４との間を循環する界面活性剤溶液を用いて熱を搬送する熱搬送システムにおける界面活性剤溶液の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置。この界面活性剤濃度制御手段は、界面活性剤を供給するための界面活性剤供給手段１２と、界面活性剤供給手段１２から供給される界面活性剤の供給量を制御するための制御手段１４と、循環される界面活性剤溶液の屈折率を検出するための屈折率検出手段２０と、を備え、制御手段１４は、屈折率検出手段２０からの検出信号に基づいて、界面活性剤供給手段１２から界面活性剤溶液に供給される界面活性剤の供給量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱搬送システムの熱搬送媒体として用いる界面活性剤溶液の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置及びこれを備えた熱搬送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、地域冷暖房システムにおいては、熱供給側システムと熱利用側システム（例えば、ビルの冷暖房装置）とが供給側流路及び戻り側流路を介して接続され、熱を搬送する熱搬送媒体としての例えば水が、供給側流路及び戻り側流路を通して熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環される。このような地域冷暖房システムにおける供給側流路及び戻り側流路を規定する配管の長さは数ｋｍ以上になり、その水搬送動力はかなり大きく、この水を搬送するために費やすコストは、地域冷暖房システムのランニングコストの約３０〜５０％であるとも言われている。
【０００３】
この水搬送動力を低減させる有効な方法として、粘弾性を示す界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用い、配管との間の流動摩擦抵抗を低減させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４）。この方法では、配管を通して循環する水に特定の陽イオン性界面活性剤とサリチル酸塩との双方がそれぞれ数１０〜数１０００ｐｐｍずつ溶解され、このように溶解させた界面活性剤水溶液では、界面活性剤が水中で、疎水基部を中心に親水基部を外周部に配置してミセルを形成し、そのミセルが棒状の形態をなして高次に絡まって粘弾性を示し、このことに起因して界面活性剤水溶液の流動摩擦抵抗が低減すると言われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−７６３６０号公報
【特許文献２】特公平４−６２３１号公報
【特許文献３】特公平５−４７５３４号公報
【特許文献４】特開平８−３１１４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような効果を示す界面活性剤水溶液の濃度には特定の範囲があることが知られており、摩擦低減効果を得るためには、配管内の界面活性剤水溶液の濃度を常に所望の効果が得られる所定範囲内に保つ必要がある。
【０００６】
しかしながら、長期間熱搬送システムを運転すると、動力ポンプのシール部分からの漏れなどの原因により、熱搬送媒体である界面活性剤水溶液の量が減少し、この減少量を補うために、減少した量だけ例えば膨張タンクから水が補給するようになる。このように水を補給すると、界面活性剤水溶液中の界面活性剤の濃度が下がり、界面活性剤による摩擦低減効果が低下する。この時、界面活性剤水溶液を搬送するポンプ動力が一定であると、界面活性剤による摩擦低減効果の低下により、圧力損失が増大するようになり、その結果、配管内を流れる界面活性剤水溶液の流量が減少する。このように流量が低下すると、熱利用側システムでの熱量が不足し、この熱量不足を解消するためには、動力ポンプの動力を増加しなければならず、熱搬送システムの省エネルギー運転が難しくなる。
【０００７】
そこで、常に摩擦低減効果を維持しながら熱搬送システムを省エネルギー運転するためには、界面活性剤水溶液の濃度を一定に維持する（換言すると、界面活性剤水溶液の濃度が低下する度に界面活性剤を添加する）ようにすればよいが、従来、界面活性剤水溶液の濃度を簡単に且つ正確に検出することができず、このことに起因して、界面活性剤を添加して所定の濃度にするのに手間がかかり、熱搬送システムの運転効率が悪くなる問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、熱搬送媒体として用いる界面活性剤溶液の濃度を比較的簡単に検出し、界面活性剤溶液の濃度を所定濃度に維持することができる界面活性剤濃度制御装置を提供することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、熱搬送媒体の流動摩擦抵抗を低減してその搬送動力を小さくすることができる熱搬送システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、界面活性剤溶液中の界面活性剤の濃度が屈折率と密接な関係にあることに注目し、この界面活性剤の濃度と屈折率との関係を利用して、界面活性剤溶液の屈折率を所定範囲に保つように界面活性剤の供給を制御することによって、その濃度を所定範囲に維持することができ、上記目的が達成されることを見出した。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の界面活性剤濃度制御装置は、熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環する界面活性剤溶液を用いて熱を搬送する熱搬送システムにおける界面活性剤溶液の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置であって、
界面活性剤を供給するための界面活性剤供給手段と、前記界面活性剤供給手段から供給される界面活性剤の供給量を制御するための制御手段と、循環される界面活性剤溶液の屈折率を検出するための屈折率検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記屈折率検出手段からの検出信号に基づいて、前記界面活性剤供給手段から界面活性剤溶液に供給される界面活性剤の供給量を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の界面活性剤濃度制御装置では、前記熱供給側システムと前記熱利用側システムとの間には、前記熱供給側システムからの界面活性剤溶液を前記熱利用側システムに供給する供給側流路と、前記熱利用側システムからの界面活性剤溶液を前記熱供給側システムに戻す戻り側流路が設けられており、前記界面活性剤供給手段は前記供給側流路及び前記戻り側流路のいずれか一方に接続され、前記屈折率検出手段はそれらの他方に配設されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載の界面活性剤濃度制御装置では、前記供給側流路及び前記戻り側流路の前記他方には、その一部をバイパスしてバイパス検出流路が設けられ、前記バイパス検出流路に溶液溜め部が設けられ、前記屈折率検出手段は前記溶液溜め部を流れる界面活性剤溶液の屈折率を検出することを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の請求項４に記載の熱搬送システムは、請求項１〜３のいずれかに記載の界面活性剤濃度制御装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１に記載の界面活性剤濃度制御装置によれば、屈折率検出手段は界面活性剤溶液の屈折率を検出し、制御手段はこの屈折率検出手段からの検出信号に基づいて、界面活性剤供給手段から界面活性剤溶液に供給される界面活性剤供給量を制御するので、溶液中の界面活性剤の濃度を所定範囲に維持することができる。その結果、熱搬送システムにおいて熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環する界面活性剤溶液の摩擦抵抗が低減され、熱搬送システムの省エネルギー化が達成される。特に、界面活性剤溶液の屈折率を利用して溶液中の界面活性剤の濃度を検出するので、溶液中のイオンなどの影響を受けずに濃度を検出することができ、例えば水道水に界面活性剤を溶解させた界面活性剤溶液を用いたときにも比較的簡単に且つ正確に界面活性剤の濃度を検出することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に記載の界面活性剤濃度制御装置によれば、界面活性剤供給手段が熱搬送システムの供給側流路（又は戻り側流路）に接続され、屈折率検出手段が熱搬送システムの戻り側流路（又は供給側流路）に配設されているので、界面活性剤の補給箇所と屈折率の検出箇所とが離れており、従って、補給された界面活性剤が溶液中に充分に混合された後に屈折率を検出するようになり、界面活性剤溶液の屈折率（換言すると、界面活性剤の濃度）をより正確に検出することができる。
【００１７】
また、本発明の請求項３に記載の界面活性剤濃度制御装置によれば、熱搬送システムの戻り側流路（又は供給側流路）に、溶液溜め部を有するバイパス流路が設けられているので、この溶液溜め部における界面活性剤溶液の流速は遅くなる。そして、屈折率検出手段はこの溶液溜め部の界面活性剤溶液の屈折率を検知するので、流速の影響を少なくしてその屈折率を正確に検出することができる。
【００１８】
更に、本発明の請求項４に記載の熱搬送システムによれば、上述した界面活性剤濃度制御装置を備えているので、この界面活性剤濃度制御装置によって界面活性剤溶液の濃度を所定範囲に維持することができ、熱搬送システムにおいて熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環する界面活性剤溶液の摩擦抵抗が低減され、省エネルギー化した熱搬送システムが実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に従う熱搬送システムの一実施形態を簡略的に示すブロック図。
【図２】図１の熱搬送システムに装備された界面活性剤濃度制御装置を簡略的に示す簡略図。
【図３】図２の界面活性剤濃度制御装置における屈折率センサの検出原理を説明するための説明図。
【図４】界面活性剤溶液に溶解された界面活性剤の濃度と屈折率の関係を示す図。
【図５】実施例におけるポンプ動力削減率と界面活性剤の濃度及び屈折率との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う界面活性剤濃度制御装置及びこれを備えた熱搬送システムについて説明する。図１は、本発明に従う熱搬送システムの一実施形態を簡略的に示すブロック図であり、図２は、熱搬送システムに装備された界面活性剤濃度制御装置を示す簡略図であり、図３は、界面活性剤濃度制御装置の屈折率センサの検出原理を説明するための説明図である。
【００２１】
図１において、図示の熱搬送システムは、熱供給側システム２と、熱利用側システム４と、これらの間に設けられる供給側流路６及び戻り側流路８とを備え、例えば供給側流路６に送給ポンプ１０が配設され、この送給ポンプ１０の作用によって、供給側流路６及び戻り側流路８を通して熱搬送媒体が循環される。
【００２２】
熱供給側システム２は、例えば暖房用に用いるときには熱搬送媒体を加熱するボイラなどであり、また例えば冷房用に用いるときには熱搬送媒体を冷却するガス吸収冷凍機などであり、また熱利用側システム４はビルの空調装置などである。このような熱搬送システムでは、供給側流路６及び戻り側流路８は、各種形状の配管から構成される。
【００２３】
この形態の熱搬送システムでは、熱搬送媒体として界面活性剤溶液、例えば水（水道水など）に界面活性剤を溶解させた界面活性剤水溶液が用いられる。一般的に、界面活性剤水溶液中の界面活性剤濃度によって、配管との間の摩擦抵抗が大きく変わり、界面活性剤による摩擦低減効果が大きく変わることが知られている。例えば、漏れなどにより界面活性剤水溶液中の界面活性剤の濃度が低下すると、その摩擦低減効果も減少し、配管内を流れる界面活性剤水溶液の圧力損失が増大する。
【００２４】
界面活性剤水溶液濃度の変動に伴う摩擦低減効果の低下を防止するために、この熱搬送システムでは、界面活性剤濃度制御装置１０が設けられている。図示の界面活性剤濃度制御装置１０は、界面活性剤を供給するための界面活性剤供給手段１２と、この界面活性剤供給手段１２から供給される界面活性剤の供給量を制御するための制御手段１４とを備え、界面活性剤供給手段１２は、例えば補給する界面活性剤を貯めるタンク１６と、このタンク１６の排出口を開閉制御する供給制御弁１８から構成される。この形態では、界面活性剤供給手段１２は供給側流路６に接続され、供給制御弁１８が開放されると、タンク１６内の界面活性剤（又は濃い濃度の界面活性剤水溶液）が供給側流路６に供給される。
【００２５】
このような界面活性剤水溶液の濃度は、その屈折率と密接な関係にあり、この密接な関係を利用して界面活性剤濃度制御装置１０によって界面活性剤水溶液の濃度を後述するように所定の濃度に維持する。例えば、界面活性剤としてオレイルトリ（ヒドロキシエチル）アンモニウムサリチレートを用いた場合、その水溶液中の界面活性剤の濃度と屈折率の関係は、図４に示す通りの比例関係にあり、後述する各種界面活性剤においても、その水溶液中の界面活性剤の濃度と屈折率の関係は同様の比例関係にある。
【００２６】
上述した密接な関係を利用して界面活性剤の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置１０は、更に、界面活性剤水溶液の屈折率を検出するための屈折率検出手段２０を備え、この屈折率検出手段２０は例えば屈折率センサ２２から構成される。
【００２７】
ここで、図２及び図３を参照して、屈折率検出手段２０に関連する構成について説明すると、戻り側流路８には、その所定部位をバイパスしてバイパス流路２４が設けられ、このバイパス流路２４に、流路容積が拡大した溶液溜め部２６が設けられ、この溶液溜め部２６に屈折率センサ２２が配設されている。バイパス流路２４の流入側はその流出側よりも界面活性剤水溶液の流れ方向（図２において矢印２８で示す）に見て上流側に位置し、戻り管側流路８を流れる界面活性剤水溶液の一部が流入側からバイパス流路２４に流入し、矢印３０で示す方向にバイパス流路２４及び溶液溜め部２６を流れ、流出側から戻り側流路８に戻される。この実施形態では、バイパス流路２４の上流側部、即ち溶液溜め部２６より上流側の部位に、界面活性剤溶液を加熱するための加熱手段３２が配設されている。
【００２８】
次に、屈折率センサ２２の屈折率計測原理について説明すると、屈折率センサ２２は、計測液体Ｌ（この具体例では、溶液溜め部２６を流れる界面活性剤溶液）に向けて光を投射する光源部３４と、この計測液体に接触して投射光の一部を反射させるプリズム３６と、プリズム３６からの反射光を受光する受光部３８とを備えている。このような屈折率センサ２２では、光源部３４からの光は、実線矢印で示すように、プリズム３６と計測液体Ｌとの境界面Ｐに向けて投射され、投射された光は、異なる角度方向の光としてこの境界面Ｐに当たる。光源部３４からの光がこのように投射されると、ある角度方向の光はこの境界面Ｐで全反射し、また他の角度方向の一部の光は部分反射し、ほとんどの光は屈折して計測液体（界面活性剤溶液）に入る。一方、この境界面Ｐにて反射された反射光は受光部３８に向けて反射され、この反射光は、破線矢印で示すように受光部３８に受光される。受光部３８においては、境界面Ｐからの全反射の光は明るい領域ａとして受光され、また境界面Ｐからの部分反射の光は暗い領域ｂとして受光され、暗い領域ｂと明るい領域ａとの間には明確な境界線４０が出現する。この出現する境界線４０に相当する角度は、全反射の臨界角と呼ばれ、この臨界角から屈折率が求められ、この境界線４０が図３において左側に移動する、換言すると暗い領域ｂが大きくなるほど屈折率が大きくなり、図３において右側に移動する、換言すると明るい領域ａが大きくなるほど屈折率が小さくなる。
【００２９】
バイパス流路２４に溶液溜め部２６を設けることによって、この溶液溜め部２６において界面活性剤溶液の流速が一時的に低下し、界面活性剤溶液の屈折率を後述するようにして正確に検出することができる。バイパス流路２４における溶液溜め部２６の形状、容積などは特に限定されるものではないが、計測精度の観点から、そこを流れる界面活性剤水溶液の流速が０．２〜０．５ｍ／ｓになるようにするのが好ましく、界面活性剤水溶液の流速が０．３〜０．４ｍ／ｓにするのが更に好ましい。流速が遅くなると、界面活性剤溶液が溶液溜め部２６において淀むようになり、またその流速が速くなると、流れの影響を受けて正確な屈折率の計測が難しくなる。
【００３０】
加熱手段３２は、各種の加熱ヒータを用いることができるが、バイパス流路２４を規定する配管の外部より設置できるテープ状ヒータから構成するのが好ましい。界面活性剤水溶液の濃度と屈折率の関係は、約２０℃を境にして顕著に変化することを本発明者は確認し、このことより、屈折率計測における温度条件を満たすために、加熱手段３２により、界面活性剤水溶液の温度を２０℃以上（例えば、２０℃）に加温するのが望ましい。戻り側流路８内を流れる界面活性剤水溶液の温度が２０℃以上ある場合、例えば熱供給システム２において加温された界面活性剤水溶液（界面活性剤水溶液が温熱を搬送する）を熱利用側システム４において消費する場合は、加熱手段３２により界面活性剤水溶液を加熱する必要はないが、戻り側流路８内を流れる界面活性剤水溶液の温度が２０℃より低い場合、例えば熱供給側システム２において冷却された界面活性剤水溶液（界面活性剤水溶液が冷熱を搬送する）を熱利用側システム４において消費する場合は、加熱手段３２により界面活性剤水溶液を加熱するのが望ましい。
【００３１】
バイパス流路２４の溶液溜め部２６に配設される屈折率センサ２２は、その屈折率計測部が界面活性剤溶液Ｌ（計測液体）に接触するように配設され、この溶液溜め部２６の下部に位置するように設けるのが好ましい。このように配設することにより、界面活性剤水溶液中に微小な空気泡があった場合にでも、屈折率センサ２２の屈折率計測部にその空気泡が捕捉され、屈折率計測の妨害になることを防止することができる。
【００３２】
また、この屈折率センサ２２は、図２に示すように、界面活性剤水溶液の流れ方向に対して傾斜対向するような角度位置でもって配設させる。このように配設することにより、界面活性剤水溶液中に含まれた微小なゴミが屈折率センサ２２の屈折率計測部に付着することを防止することができる。界面活性剤水溶液の流れ方向に対する屈折率センサ２２の屈折率計測部の傾斜角度α（図２）は、０〜８０度であるのが好ましく、３０〜６０度であるのが更に好ましい。
【００３３】
バイパス流路２４を規定する配管及び溶液溜め部２６を規定する計測容器の材質についても特に制限はなく、鉄、銅、ステンレスなどの金属やポリエチレン、ポリブテン、シリコン、テフロン（登録商標）などの樹脂などを用いることができる。
【００３４】
この形態では、屈折率検出手段２０は戻り側流路８に配設され、戻り側流路８を流れる界面活性剤水溶液の屈折率を検出し、この屈折率検出手段２０からの検出信号は制御手段１４に送給され、制御手段１４はこの検出信号に基づいて供給制御弁１８を後述するように開閉制御する。
【００３５】
この実施形態では、界面活性剤供給手段１２を供給側流路６に接続し、屈折率検出手段２０を戻り側流路８に設けているので、供給側流路６にて後述する如く補給された界面活性剤は熱利用側システム４を流れる間に充分混合され、屈折率検出手段２０にはこの混合された界面活性剤水溶液の屈折率を検出するようになり、かくして界面活性剤水溶液の濃度を正確に検出することができる。上述した構成に代えて、界面活性剤供給手段１２を戻り側流路８に接続し、屈折率検出手段２０を供給側流路６に設けるようにしても、その屈折率を正確に検出することができる。なお、これら界面活性剤供給手段１２及び屈折率検出手段２０の双方を供給側流路６又は戻り側流路８に設けるようにしてもよい。
【００３６】
この熱搬送システムにおける界面活性剤水溶液中の界面活性剤の濃度制御は、例えば次のようにして行われる。戻り側流路８を流れる界面活性剤水溶液の一部がバイパス流路２４を通して流れ、このバイパス流路２４を流れる界面活性剤水溶液が溶液溜め部２６を流れる際に屈折率検出手段２０が界面活性剤水溶液の濃度を検出し、屈折率検出手段２０からの検出信号が制御手段１４に送給される。
【００３７】
界面活性剤水溶液の濃度とその屈折率とは、上述したように図４に示す通りの比例関係にあるので、界面活性剤水溶液の濃度が低下すると、その屈折率も低下する。このようなことから、屈折率検出手段２０の検出屈折率が第１の所定値Ｔ１（例えば、０．１８０Ｂｒｉｘ％）より小さくなると、制御手段１４は供給信号を生成し、この供給信号に基づいて供給制御弁１８を開放する。かくすると、タンク１６内の界面活性剤が供給制御弁１８を通して供給側流路６に供給され、循環する界面活性剤水溶液の濃度が上昇し、それに伴い界面活性剤による摩擦低減効果が回復して圧力損失が減少し、供給側流路６及び戻り側流路８を流れる界面活性剤水溶液の流量も増大する。
【００３８】
このように界面活性剤水溶液の濃度が上昇して屈折率検出手段２０の検出屈折率が、第１の所定値Ｔ１より大きい第２の所定値Ｔ２（例えば、０．３３０Ｂｒｉｘ％）（Ｔ１＜Ｔ２）に達すると、制御手段１４は、屈折率検出手段２０からの検出信号に基づいて供給制御弁１８を閉塞する。かくすると、タンク１６からの界面活性剤の供給が停止し、循環する界面活性剤水溶液の濃度はその濃度に維持される。
【００３９】
かくの通りであるので、界面活性剤水溶液の濃度は、屈折率の第１の所定値Ｔ１に対応する第１の濃度値と屈折率の第２の所定値Ｔ２に対応する第２の濃度値との間に保たれ、かくして界面活性剤水溶液の濃度を所定範囲（例えば、４００〜８００ｐｐｍ）に保ってその流動摩擦抵抗を低減して熱搬送システムの搬送動力を小さくすることができる。
【００４０】
上述した形態では、屈折率の第２の所定値Ｔ２（界面活性剤の供給を停止する値）を第１の所定値Ｔ１（界面活性剤の供給を開始する値）よりも大きい値に設定して、界面活性剤水溶液の濃度制御の安定化を図っているが、上記第１の所定値と上記第２の所定値とを同じ値に設定するようにしてもよい。熱搬送媒体として用いる界面活性剤水溶液中の界面活性剤の種類については、特に制限されるものではなく、例えば、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、セチルトリメチルアンモニウムサリチレート、セチルトリメチルアンモニウムナフトエート、ステアリルトリメチルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメチルアンモニウムサリチレート、ステアリルトリメチルアンモニウムナフトエート、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウムクロライド、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウムサリチレート、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウムナフトエートなどを用いることができる。この界面活性剤の濃度は、少ないと摩擦低減効果が発現せず、また多すぎると粘度が増大し、これもまた摩擦低減効果が発現しない。このようなことから、その濃度は、２００〜４０００ｐｐｍが好ましく、３００〜２５００ｐｐｍがより好ましい。
【実施例】
【００４１】
本発明の効果を確認するために、ビル空調の冷房ラインを用い、この冷房ラインに図２に示す形態の界面活性剤濃度制御装置を取り付けて次の通りの実験を行った。この実験では、３階建ての事務所ビル（延床面積約２９００ｍ２）の冷房ラインに、摩擦低減効果のある界面活性剤を添加した。冷房システムでは、冷房能力５２８ｋＷのガス吸収冷凍機を用い、熱搬送媒体として、水に界面活性剤（以下、「摩擦低減剤」ともいう）としてオレイルトリ（ヒドロキシエチル）アンモニウムサリチレートを溶解させた水溶液（以下、「摩擦抵抗低減水溶液」ともいう）を用いた。摩擦抵抗低減水溶液の冷凍機出口温度は、冷凍機の定格値である７℃に制御した。また、摩擦抵抗低減水溶液を循環させるポンプの動力は定格（６０Ｈｚ）で１５ｋＷであり、インバーター制御を行うことにより、ポンプ動力の調整を行うことができるものであった。更に、屈折率検出手段２０により計測される摩擦抵抗低減水溶液（即ち、バイパス流路の溶液溜め部を流れる摩擦抵抗低減水溶液）の水温を２０℃となるように加熱手段で加熱した。
【００４２】
まず、摩擦抵抗低減水溶液の流量をポンプの定格流量値（９１ｍ３／ｍｉｎ）で一定になるように、ポンプ動力をインバーター制御した。このように制御すると、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度が低下して摩擦低減効果が減少すると、この循環流路内を流れる摩擦抵抗低減水溶液の流量が減少する。一般に、ポンプ動力はインバーター周波数の３乗に比例するので、ポンプ動力低減率は、｛１−（インバーター周波数／６０）３｝×１００で求められ、これより算出したポンプ動力低減率と摩擦低減剤の濃度との関係は、図５に示す通りであった。図５には、予め計測した摩擦低減剤の濃度に対応する屈折率値も示してある。図５から明らかな通り、摩擦低減剤の濃度が３００ｐｐｍ以下ではポンプ動力低減率が低く、２５０ｐｐｍ以下では殆どポンプ動力低減効果がないことが分かる。次に、ポンプ動力を、ポンプ動力低減率が３５％になるインバーター周波数５３．５Ｈｚに固定してガス吸収冷凍機の運転を行った。まず、界面活性剤を熱搬送媒体に注入したすぐ後、即ち界面活性剤の濃度が低下していない状態での屈折率を記録した。この実験においてこのときの屈折率は０．３２０Ｂｒｉｘ％であった。この運転状態を継続し、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度が低下して摩擦低減効果が減少すると、循環流路内を流れる摩擦抵抗低減水溶液の流量が減少し、このとき、界面活性剤水溶液の屈折率も減少し、屈折率が０．１８０Ｂｒｉｘ％（界面活性剤の濃度：４００ｐｐｍ）に低下すると、制御手段から界面活性剤供給手段（栗田工業株式会社製、製品名「クリフィーダーＣＳ−３１」）に供給信号を送り、自動的に循環流路内に摩擦低減剤（界面活性剤薬液）を注入した。摩擦低減剤を注入すると、摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度が上昇し、それに伴って摩擦低減効果が回復して圧力損失が減少し、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液の流量が増加し、これと同時に摩擦抵抗低減水溶液の屈折率値も上昇した。そして、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液の屈折率値が０．３３０Ｂｒｉｘ％（界面活性剤の濃度：８００ｐｐｍ）に達すると、制御手段から界面活性剤供給手段に供給停止信号を送り、摩擦低減剤の注入を停止させた。
【００４３】
上述した運転を行うことにより、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度が低下しても、摩擦低減剤を循環流路内に自動的に供給することで、常に摩擦低減効果を維持することができ、摩擦抵抗低減水溶液の屈折率値を０．１８０〜０．３３０Ｂｒｉｘ％に維持した時、ガス吸収冷凍機のポンプ動力を３６％削減できた。
【符号の説明】
【００４４】
２ 熱供給側システム
４ 熱利用側システム
６ 供給側流路
８ 戻り側流路
１０ 界面活性剤濃度制御装置
１２ 界面活性剤供給手段
１４ 制御手段
２０ 屈折率検出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱搬送システムの熱搬送媒体として用いる界面活性剤溶液の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置及びこれを備えた熱搬送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、地域冷暖房システムにおいては、熱供給側システムと熱利用側システム（例えば、ビルの冷暖房装置）とが供給側流路及び戻り側流路を介して接続され、熱を搬送する熱搬送媒体としての例えば水が、供給側流路及び戻り側流路を通して熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環される。このような地域冷暖房システムにおける供給側流路及び戻り側流路を規定する配管の長さは数ｋｍ以上になり、その水搬送動力はかなり大きく、この水を搬送するために費やすコストは、地域冷暖房システムのランニングコストの約３０〜５０％であるとも言われている。
【０００３】
この水搬送動力を低減させる有効な方法として、粘弾性を示す界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用い、配管との間の流動摩擦抵抗を低減させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４）。この方法では、配管を通して循環する水に特定の陽イオン性界面活性剤とサリチル酸塩との双方がそれぞれ数１０〜数１０００ｐｐｍずつ溶解され、このように溶解させた界面活性剤水溶液では、界面活性剤が水中で、疎水基部を中心に親水基部を外周部に配置してミセルを形成し、そのミセルが棒状の形態をなして高次に絡まって粘弾性を示し、このことに起因して界面活性剤水溶液の流動摩擦抵抗が低減すると言われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−７６３６０号公報
【特許文献２】特公平４−６２３１号公報
【特許文献３】特公平５−４７５３４号公報
【特許文献４】特開平８−３１１４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような効果を示す界面活性剤水溶液の濃度には特定の範囲があることが知られており、摩擦低減効果を得るためには、配管内の界面活性剤水溶液の濃度を常に所望の効果が得られる所定範囲内に保つ必要がある。
【０００６】
しかしながら、長期間熱搬送システムを運転すると、動力ポンプのシール部分からの漏れなどの原因により、熱搬送媒体である界面活性剤水溶液の量が減少し、この減少量を補うために、減少した量だけ例えば膨張タンクから水が補給するようになる。このように水を補給すると、界面活性剤水溶液中の界面活性剤の濃度が下がり、界面活性剤による摩擦低減効果が低下する。この時、界面活性剤水溶液を搬送するポンプ動力が一定であると、界面活性剤による摩擦低減効果の低下により、圧力損失が増大するようになり、その結果、配管内を流れる界面活性剤水溶液の流量が減少する。このように流量が低下すると、熱利用側システムでの熱量が不足し、この熱量不足を解消するためには、動力ポンプの動力を増加しなければならず、熱搬送システムの省エネルギー運転が難しくなる。
【０００７】
そこで、常に摩擦低減効果を維持しながら熱搬送システムを省エネルギー運転するためには、界面活性剤水溶液の濃度を一定に維持する（換言すると、界面活性剤水溶液の濃度が低下する度に界面活性剤を添加する）ようにすればよいが、従来、界面活性剤水溶液の濃度を簡単に且つ正確に検出することができず、このことに起因して、界面活性剤を添加して所定の濃度にするのに手間がかかり、熱搬送システムの運転効率が悪くなる問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、熱搬送媒体として用いる界面活性剤溶液の濃度を比較的簡単に検出し、界面活性剤溶液の濃度を所定濃度に維持することができる界面活性剤濃度制御装置を提供することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、熱搬送媒体の流動摩擦抵抗を低減してその搬送動力を小さくすることができる熱搬送システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、界面活性剤溶液中の界面活性剤の濃度が屈折率と密接な関係にあることに注目し、この界面活性剤の濃度と屈折率との関係を利用して、界面活性剤溶液の屈折率を所定範囲に保つように界面活性剤の供給を制御することによって、その濃度を所定範囲に維持することができ、上記目的が達成されることを見出した。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の界面活性剤濃度制御装置は、熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環する界面活性剤溶液を用いて熱を搬送する熱搬送システムにおける界面活性剤溶液の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置であって、
界面活性剤を供給するための界面活性剤供給手段と、前記界面活性剤供給手段から供給される界面活性剤の供給量を制御するための制御手段と、循環される界面活性剤溶液の屈折率を検出するための屈折率検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記屈折率検出手段からの検出信号に基づいて、前記界面活性剤供給手段から界面活性剤溶液に供給される界面活性剤の供給量を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の界面活性剤濃度制御装置では、前記熱供給側システムと前記熱利用側システムとの間には、前記熱供給側システムからの界面活性剤溶液を前記熱利用側システムに供給する供給側流路と、前記熱利用側システムからの界面活性剤溶液を前記熱供給側システムに戻す戻り側流路が設けられており、前記界面活性剤供給手段は前記供給側流路及び前記戻り側流路のいずれか一方に接続され、前記屈折率検出手段はそれらの他方に配設されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載の界面活性剤濃度制御装置では、前記供給側流路及び前記戻り側流路の前記他方には、その一部をバイパスしてバイパス検出流路が設けられ、前記バイパス検出流路に溶液溜め部が設けられ、前記屈折率検出手段は前記溶液溜め部を流れる界面活性剤溶液の屈折率を検出することを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の請求項４に記載の熱搬送システムは、請求項１〜３のいずれかに記載の界面活性剤濃度制御装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１に記載の界面活性剤濃度制御装置によれば、屈折率検出手段は界面活性剤溶液の屈折率を検出し、制御手段はこの屈折率検出手段からの検出信号に基づいて、界面活性剤供給手段から界面活性剤溶液に供給される界面活性剤供給量を制御するので、溶液中の界面活性剤の濃度を所定範囲に維持することができる。その結果、熱搬送システムにおいて熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環する界面活性剤溶液の摩擦抵抗が低減され、熱搬送システムの省エネルギー化が達成される。特に、界面活性剤溶液の屈折率を利用して溶液中の界面活性剤の濃度を検出するので、溶液中のイオンなどの影響を受けずに濃度を検出することができ、例えば水道水に界面活性剤を溶解させた界面活性剤溶液を用いたときにも比較的簡単に且つ正確に界面活性剤の濃度を検出することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に記載の界面活性剤濃度制御装置によれば、界面活性剤供給手段が熱搬送システムの供給側流路（又は戻り側流路）に接続され、屈折率検出手段が熱搬送システムの戻り側流路（又は供給側流路）に配設されているので、界面活性剤の補給箇所と屈折率の検出箇所とが離れており、従って、補給された界面活性剤が溶液中に充分に混合された後に屈折率を検出するようになり、界面活性剤溶液の屈折率（換言すると、界面活性剤の濃度）をより正確に検出することができる。
【００１７】
また、本発明の請求項３に記載の界面活性剤濃度制御装置によれば、熱搬送システムの戻り側流路（又は供給側流路）に、溶液溜め部を有するバイパス流路が設けられているので、この溶液溜め部における界面活性剤溶液の流速は遅くなる。そして、屈折率検出手段はこの溶液溜め部の界面活性剤溶液の屈折率を検知するので、流速の影響を少なくしてその屈折率を正確に検出することができる。
【００１８】
更に、本発明の請求項４に記載の熱搬送システムによれば、上述した界面活性剤濃度制御装置を備えているので、この界面活性剤濃度制御装置によって界面活性剤溶液の濃度を所定範囲に維持することができ、熱搬送システムにおいて熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環する界面活性剤溶液の摩擦抵抗が低減され、省エネルギー化した熱搬送システムが実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に従う熱搬送システムの一実施形態を簡略的に示すブロック図。
【図２】図１の熱搬送システムに装備された界面活性剤濃度制御装置を簡略的に示す簡略図。
【図３】図２の界面活性剤濃度制御装置における屈折率センサの検出原理を説明するための説明図。
【図４】界面活性剤溶液に溶解された界面活性剤の濃度と屈折率の関係を示す図。
【図５】実施例におけるポンプ動力削減率と界面活性剤の濃度及び屈折率との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う界面活性剤濃度制御装置及びこれを備えた熱搬送システムについて説明する。図１は、本発明に従う熱搬送システムの一実施形態を簡略的に示すブロック図であり、図２は、熱搬送システムに装備された界面活性剤濃度制御装置を示す簡略図であり、図３は、界面活性剤濃度制御装置の屈折率センサの検出原理を説明するための説明図である。
【００２１】
図１において、図示の熱搬送システムは、熱供給側システム２と、熱利用側システム４と、これらの間に設けられる供給側流路６及び戻り側流路８とを備え、例えば供給側流路６に送給ポンプ１０が配設され、この送給ポンプ１０の作用によって、供給側流路６及び戻り側流路８を通して熱搬送媒体が循環される。
【００２２】
熱供給側システム２は、例えば暖房用に用いるときには熱搬送媒体を加熱するボイラなどであり、また例えば冷房用に用いるときには熱搬送媒体を冷却するガス吸収冷凍機などであり、また熱利用側システム４はビルの空調装置などである。このような熱搬送システムでは、供給側流路６及び戻り側流路８は、各種形状の配管から構成される。
【００２３】
この形態の熱搬送システムでは、熱搬送媒体として界面活性剤溶液、例えば水（水道水など）に界面活性剤を溶解させた界面活性剤水溶液が用いられる。一般的に、界面活性剤水溶液中の界面活性剤濃度によって、配管との間の摩擦抵抗が大きく変わり、界面活性剤による摩擦低減効果が大きく変わることが知られている。例えば、漏れなどにより界面活性剤水溶液中の界面活性剤の濃度が低下すると、その摩擦低減効果も減少し、配管内を流れる界面活性剤水溶液の圧力損失が増大する。
【００２４】
界面活性剤水溶液濃度の変動に伴う摩擦低減効果の低下を防止するために、この熱搬送システムでは、界面活性剤濃度制御装置１０が設けられている。図示の界面活性剤濃度制御装置１０は、界面活性剤を供給するための界面活性剤供給手段１２と、この界面活性剤供給手段１２から供給される界面活性剤の供給量を制御するための制御手段１４とを備え、界面活性剤供給手段１２は、例えば補給する界面活性剤を貯めるタンク１６と、このタンク１６の排出口を開閉制御する供給制御弁１８から構成される。この形態では、界面活性剤供給手段１２は供給側流路６に接続され、供給制御弁１８が開放されると、タンク１６内の界面活性剤（又は濃い濃度の界面活性剤水溶液）が供給側流路６に供給される。
【００２５】
このような界面活性剤水溶液の濃度は、その屈折率と密接な関係にあり、この密接な関係を利用して界面活性剤濃度制御装置１０によって界面活性剤水溶液の濃度を後述するように所定の濃度に維持する。例えば、界面活性剤としてオレイルトリ（ヒドロキシエチル）アンモニウムサリチレートを用いた場合、その水溶液中の界面活性剤の濃度と屈折率の関係は、図４に示す通りの比例関係にあり、後述する各種界面活性剤においても、その水溶液中の界面活性剤の濃度と屈折率の関係は同様の比例関係にある。
【００２６】
上述した密接な関係を利用して界面活性剤の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置１０は、更に、界面活性剤水溶液の屈折率を検出するための屈折率検出手段２０を備え、この屈折率検出手段２０は例えば屈折率センサ２２から構成される。
【００２７】
ここで、図２及び図３を参照して、屈折率検出手段２０に関連する構成について説明すると、戻り側流路８には、その所定部位をバイパスしてバイパス流路２４が設けられ、このバイパス流路２４に、流路容積が拡大した溶液溜め部２６が設けられ、この溶液溜め部２６に屈折率センサ２２が配設されている。バイパス流路２４の流入側はその流出側よりも界面活性剤水溶液の流れ方向（図２において矢印２８で示す）に見て上流側に位置し、戻り管側流路８を流れる界面活性剤水溶液の一部が流入側からバイパス流路２４に流入し、矢印３０で示す方向にバイパス流路２４及び溶液溜め部２６を流れ、流出側から戻り側流路８に戻される。この実施形態では、バイパス流路２４の上流側部、即ち溶液溜め部２６より上流側の部位に、界面活性剤溶液を加熱するための加熱手段３２が配設されている。
【００２８】
次に、屈折率センサ２２の屈折率計測原理について説明すると、屈折率センサ２２は、計測液体Ｌ（この具体例では、溶液溜め部２６を流れる界面活性剤溶液）に向けて光を投射する光源部３４と、この計測液体に接触して投射光の一部を反射させるプリズム３６と、プリズム３６からの反射光を受光する受光部３８とを備えている。このような屈折率センサ２２では、光源部３４からの光は、実線矢印で示すように、プリズム３６と計測液体Ｌとの境界面Ｐに向けて投射され、投射された光は、異なる角度方向の光としてこの境界面Ｐに当たる。光源部３４からの光がこのように投射されると、ある角度方向の光はこの境界面Ｐで全反射し、また他の角度方向の一部の光は部分反射し、ほとんどの光は屈折して計測液体（界面活性剤溶液）に入る。一方、この境界面Ｐにて反射された反射光は受光部３８に向けて反射され、この反射光は、破線矢印で示すように受光部３８に受光される。受光部３８においては、境界面Ｐからの全反射の光は明るい領域ａとして受光され、また境界面Ｐからの部分反射の光は暗い領域ｂとして受光され、暗い領域ｂと明るい領域ａとの間には明確な境界線４０が出現する。この出現する境界線４０に相当する角度は、全反射の臨界角と呼ばれ、この臨界角から屈折率が求められ、この境界線４０が図３において左側に移動する、換言すると暗い領域ｂが大きくなるほど屈折率が大きくなり、図３において右側に移動する、換言すると明るい領域ａが大きくなるほど屈折率が小さくなる。
【００２９】
バイパス流路２４に溶液溜め部２６を設けることによって、この溶液溜め部２６において界面活性剤溶液の流速が一時的に低下し、界面活性剤溶液の屈折率を後述するようにして正確に検出することができる。バイパス流路２４における溶液溜め部２６の形状、容積などは特に限定されるものではないが、計測精度の観点から、そこを流れる界面活性剤水溶液の流速が０．２〜０．５ｍ／ｓになるようにするのが好ましく、界面活性剤水溶液の流速が０．３〜０．４ｍ／ｓにするのが更に好ましい。流速が遅くなると、界面活性剤溶液が溶液溜め部２６において淀むようになり、またその流速が速くなると、流れの影響を受けて正確な屈折率の計測が難しくなる。
【００３０】
加熱手段３２は、各種の加熱ヒータを用いることができるが、バイパス流路２４を規定する配管の外部より設置できるテープ状ヒータから構成するのが好ましい。界面活性剤水溶液の濃度と屈折率の関係は、約２０℃を境にして顕著に変化することを本発明者は確認し、このことより、屈折率計測における温度条件を満たすために、加熱手段３２により、界面活性剤水溶液の温度を２０℃以上（例えば、２０℃）に加温するのが望ましい。戻り側流路８内を流れる界面活性剤水溶液の温度が２０℃以上ある場合、例えば熱供給システム２において加温された界面活性剤水溶液（界面活性剤水溶液が温熱を搬送する）を熱利用側システム４において消費する場合は、加熱手段３２により界面活性剤水溶液を加熱する必要はないが、戻り側流路８内を流れる界面活性剤水溶液の温度が２０℃より低い場合、例えば熱供給側システム２において冷却された界面活性剤水溶液（界面活性剤水溶液が冷熱を搬送する）を熱利用側システム４において消費する場合は、加熱手段３２により界面活性剤水溶液を加熱するのが望ましい。
【００３１】
バイパス流路２４の溶液溜め部２６に配設される屈折率センサ２２は、その屈折率計測部が界面活性剤溶液Ｌ（計測液体）に接触するように配設され、この溶液溜め部２６の下部に位置するように設けるのが好ましい。このように配設することにより、界面活性剤水溶液中に微小な空気泡があった場合にでも、屈折率センサ２２の屈折率計測部にその空気泡が捕捉され、屈折率計測の妨害になることを防止することができる。
【００３２】
また、この屈折率センサ２２は、図２に示すように、界面活性剤水溶液の流れ方向に対して傾斜対向するような角度位置でもって配設させる。このように配設することにより、界面活性剤水溶液中に含まれた微小なゴミが屈折率センサ２２の屈折率計測部に付着することを防止することができる。界面活性剤水溶液の流れ方向に対する屈折率センサ２２の屈折率計測部の傾斜角度α（図２）は、０〜８０度であるのが好ましく、３０〜６０度であるのが更に好ましい。
【００３３】
バイパス流路２４を規定する配管及び溶液溜め部２６を規定する計測容器の材質についても特に制限はなく、鉄、銅、ステンレスなどの金属やポリエチレン、ポリブテン、シリコン、テフロン（登録商標）などの樹脂などを用いることができる。
【００３４】
この形態では、屈折率検出手段２０は戻り側流路８に配設され、戻り側流路８を流れる界面活性剤水溶液の屈折率を検出し、この屈折率検出手段２０からの検出信号は制御手段１４に送給され、制御手段１４はこの検出信号に基づいて供給制御弁１８を後述するように開閉制御する。
【００３５】
この実施形態では、界面活性剤供給手段１２を供給側流路６に接続し、屈折率検出手段２０を戻り側流路８に設けているので、供給側流路６にて後述する如く補給された界面活性剤は熱利用側システム４を流れる間に充分混合され、屈折率検出手段２０にはこの混合された界面活性剤水溶液の屈折率を検出するようになり、かくして界面活性剤水溶液の濃度を正確に検出することができる。上述した構成に代えて、界面活性剤供給手段１２を戻り側流路８に接続し、屈折率検出手段２０を供給側流路６に設けるようにしても、その屈折率を正確に検出することができる。なお、これら界面活性剤供給手段１２及び屈折率検出手段２０の双方を供給側流路６又は戻り側流路８に設けるようにしてもよい。
【００３６】
この熱搬送システムにおける界面活性剤水溶液中の界面活性剤の濃度制御は、例えば次のようにして行われる。戻り側流路８を流れる界面活性剤水溶液の一部がバイパス流路２４を通して流れ、このバイパス流路２４を流れる界面活性剤水溶液が溶液溜め部２６を流れる際に屈折率検出手段２０が界面活性剤水溶液の濃度を検出し、屈折率検出手段２０からの検出信号が制御手段１４に送給される。
【００３７】
界面活性剤水溶液の濃度とその屈折率とは、上述したように図４に示す通りの比例関係にあるので、界面活性剤水溶液の濃度が低下すると、その屈折率も低下する。このようなことから、屈折率検出手段２０の検出屈折率が第１の所定値Ｔ１（例えば、０．１８０Ｂｒｉｘ％）より小さくなると、制御手段１４は供給信号を生成し、この供給信号に基づいて供給制御弁１８を開放する。かくすると、タンク１６内の界面活性剤が供給制御弁１８を通して供給側流路６に供給され、循環する界面活性剤水溶液の濃度が上昇し、それに伴い界面活性剤による摩擦低減効果が回復して圧力損失が減少し、供給側流路６及び戻り側流路８を流れる界面活性剤水溶液の流量も増大する。
【００３８】
このように界面活性剤水溶液の濃度が上昇して屈折率検出手段２０の検出屈折率が、第１の所定値Ｔ１より大きい第２の所定値Ｔ２（例えば、０．３３０Ｂｒｉｘ％）（Ｔ１＜Ｔ２）に達すると、制御手段１４は、屈折率検出手段２０からの検出信号に基づいて供給制御弁１８を閉塞する。かくすると、タンク１６からの界面活性剤の供給が停止し、循環する界面活性剤水溶液の濃度はその濃度に維持される。
【００３９】
かくの通りであるので、界面活性剤水溶液の濃度は、屈折率の第１の所定値Ｔ１に対応する第１の濃度値と屈折率の第２の所定値Ｔ２に対応する第２の濃度値との間に保たれ、かくして界面活性剤水溶液の濃度を所定範囲（例えば、４００〜８００ｐｐｍ）に保ってその流動摩擦抵抗を低減して熱搬送システムの搬送動力を小さくすることができる。
【００４０】
上述した形態では、屈折率の第２の所定値Ｔ２（界面活性剤の供給を停止する値）を第１の所定値Ｔ１（界面活性剤の供給を開始する値）よりも大きい値に設定して、界面活性剤水溶液の濃度制御の安定化を図っているが、上記第１の所定値と上記第２の所定値とを同じ値に設定するようにしてもよい。熱搬送媒体として用いる界面活性剤水溶液中の界面活性剤の種類については、特に制限されるものではなく、例えば、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、セチルトリメチルアンモニウムサリチレート、セチルトリメチルアンモニウムナフトエート、ステアリルトリメチルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメチルアンモニウムサリチレート、ステアリルトリメチルアンモニウムナフトエート、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウムクロライド、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウムサリチレート、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウムナフトエートなどを用いることができる。この界面活性剤の濃度は、少ないと摩擦低減効果が発現せず、また多すぎると粘度が増大し、これもまた摩擦低減効果が発現しない。このようなことから、その濃度は、２００〜４０００ｐｐｍが好ましく、３００〜２５００ｐｐｍがより好ましい。
【実施例】
【００４１】
本発明の効果を確認するために、ビル空調の冷房ラインを用い、この冷房ラインに図２に示す形態の界面活性剤濃度制御装置を取り付けて次の通りの実験を行った。この実験では、３階建ての事務所ビル（延床面積約２９００ｍ２）の冷房ラインに、摩擦低減効果のある界面活性剤を添加した。冷房システムでは、冷房能力５２８ｋＷのガス吸収冷凍機を用い、熱搬送媒体として、水に界面活性剤（以下、「摩擦低減剤」ともいう）としてオレイルトリ（ヒドロキシエチル）アンモニウムサリチレートを溶解させた水溶液（以下、「摩擦抵抗低減水溶液」ともいう）を用いた。摩擦抵抗低減水溶液の冷凍機出口温度は、冷凍機の定格値である７℃に制御した。また、摩擦抵抗低減水溶液を循環させるポンプの動力は定格（６０Ｈｚ）で１５ｋＷであり、インバーター制御を行うことにより、ポンプ動力の調整を行うことができるものであった。更に、屈折率検出手段２０により計測される摩擦抵抗低減水溶液（即ち、バイパス流路の溶液溜め部を流れる摩擦抵抗低減水溶液）の水温を２０℃となるように加熱手段で加熱した。
【００４２】
まず、摩擦抵抗低減水溶液の流量をポンプの定格流量値（９１ｍ３／ｍｉｎ）で一定になるように、ポンプ動力をインバーター制御した。このように制御すると、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度が低下して摩擦低減効果が減少すると、この循環流路内を流れる摩擦抵抗低減水溶液の流量が減少する。一般に、ポンプ動力はインバーター周波数の３乗に比例するので、ポンプ動力低減率は、｛１−（インバーター周波数／６０）３｝×１００で求められ、これより算出したポンプ動力低減率と摩擦低減剤の濃度との関係は、図５に示す通りであった。図５には、予め計測した摩擦低減剤の濃度に対応する屈折率値も示してある。図５から明らかな通り、摩擦低減剤の濃度が３００ｐｐｍ以下ではポンプ動力低減率が低く、２５０ｐｐｍ以下では殆どポンプ動力低減効果がないことが分かる。次に、ポンプ動力を、ポンプ動力低減率が３５％になるインバーター周波数５３．５Ｈｚに固定してガス吸収冷凍機の運転を行った。まず、界面活性剤を熱搬送媒体に注入したすぐ後、即ち界面活性剤の濃度が低下していない状態での屈折率を記録した。この実験においてこのときの屈折率は０．３２０Ｂｒｉｘ％であった。この運転状態を継続し、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度が低下して摩擦低減効果が減少すると、循環流路内を流れる摩擦抵抗低減水溶液の流量が減少し、このとき、界面活性剤水溶液の屈折率も減少し、屈折率が０．１８０Ｂｒｉｘ％（界面活性剤の濃度：４００ｐｐｍ）に低下すると、制御手段から界面活性剤供給手段（栗田工業株式会社製、製品名「クリフィーダーＣＳ−３１」）に供給信号を送り、自動的に循環流路内に摩擦低減剤（界面活性剤薬液）を注入した。摩擦低減剤を注入すると、摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度が上昇し、それに伴って摩擦低減効果が回復して圧力損失が減少し、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液の流量が増加し、これと同時に摩擦抵抗低減水溶液の屈折率値も上昇した。そして、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液の屈折率値が０．３３０Ｂｒｉｘ％（界面活性剤の濃度：８００ｐｐｍ）に達すると、制御手段から界面活性剤供給手段に供給停止信号を送り、摩擦低減剤の注入を停止させた。
【００４３】
上述した運転を行うことにより、循環流路内の摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度が低下しても、摩擦低減剤を循環流路内に自動的に供給することで、常に摩擦低減効果を維持することができ、摩擦抵抗低減水溶液の屈折率値を０．１８０〜０．３３０Ｂｒｉｘ％に維持した時、ガス吸収冷凍機のポンプ動力を３６％削減できた。
【符号の説明】
【００４４】
２ 熱供給側システム
４ 熱利用側システム
６ 供給側流路
８ 戻り側流路
１０ 界面活性剤濃度制御装置
１２ 界面活性剤供給手段
１４ 制御手段
２０ 屈折率検出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環する界面活性剤溶液を用いて熱を搬送する熱搬送システムにおける界面活性剤溶液の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置であって、
界面活性剤を供給するための界面活性剤供給手段と、前記界面活性剤供給手段から供給される界面活性剤の供給量を制御するための制御手段と、循環される界面活性剤溶液の屈折率を検出するための屈折率検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記屈折率検出手段からの検出信号に基づいて、前記界面活性剤供給手段から界面活性剤溶液に供給される界面活性剤の供給量を制御することを特徴とする界面活性剤濃度制御装置。
【請求項２】
前記熱供給側システムと前記熱利用側システムとの間には、前記熱供給側システムからの界面活性剤溶液を前記熱利用側システムに供給する供給側流路と、前記熱利用側システムからの界面活性剤溶液を前記熱供給側システムに戻す戻り側流路が設けられており、前記界面活性剤供給手段は前記供給側流路及び前記戻り側流路のいずれか一方に接続され、前記屈折率検出手段はそれらの他方に配設されていることを特徴とする請求項１記載の界面活性剤濃度制御装置。
【請求項３】
前記供給側流路及び前記戻り側流路の前記他方には、その一部をバイパスしてバイパス検出流路が設けられ、前記バイパス検出流路に溶液溜め部が設けられ、前記屈折率検出手段は前記溶液溜め部を流れる界面活性剤溶液の屈折率を検出することを特徴とする請求項２に記載の界面活性剤濃度制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の界面活性剤濃度制御装置を備えたことを特徴とする熱搬送システム。
【請求項１】
熱供給側システムと熱利用側システムとの間を循環する界面活性剤溶液を用いて熱を搬送する熱搬送システムにおける界面活性剤溶液の濃度を制御する界面活性剤濃度制御装置であって、
界面活性剤を供給するための界面活性剤供給手段と、前記界面活性剤供給手段から供給される界面活性剤の供給量を制御するための制御手段と、循環される界面活性剤溶液の屈折率を検出するための屈折率検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記屈折率検出手段からの検出信号に基づいて、前記界面活性剤供給手段から界面活性剤溶液に供給される界面活性剤の供給量を制御することを特徴とする界面活性剤濃度制御装置。
【請求項２】
前記熱供給側システムと前記熱利用側システムとの間には、前記熱供給側システムからの界面活性剤溶液を前記熱利用側システムに供給する供給側流路と、前記熱利用側システムからの界面活性剤溶液を前記熱供給側システムに戻す戻り側流路が設けられており、前記界面活性剤供給手段は前記供給側流路及び前記戻り側流路のいずれか一方に接続され、前記屈折率検出手段はそれらの他方に配設されていることを特徴とする請求項１記載の界面活性剤濃度制御装置。
【請求項３】
前記供給側流路及び前記戻り側流路の前記他方には、その一部をバイパスしてバイパス検出流路が設けられ、前記バイパス検出流路に溶液溜め部が設けられ、前記屈折率検出手段は前記溶液溜め部を流れる界面活性剤溶液の屈折率を検出することを特徴とする請求項２に記載の界面活性剤濃度制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の界面活性剤濃度制御装置を備えたことを特徴とする熱搬送システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１８５６７１（Ｐ２０１１−１８５６７１Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４９５００（Ｐ２０１０−４９５００）
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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