JP2001259400A

JP2001259400A - ガス混合装置およびその制御方法

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Publication number: JP2001259400A
Application number: JP2000074279A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Katayama; 裕片山; Yoshisuke Yoshisaka; 佳助美坂; Ryuichi Nakamura; 隆一中村
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2001-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】安価で制御精度の高いガス混合装置およびガス
混合の制御方法を提供する。【解決手段】原料ガスの流量制御を遮断弁の開閉時時間
の制御によって行い、混合後のガスをバッファタンク２
で蓄圧するとともに、混合ガスのガス分析結果に基いて
流量制御の遮断弁８−１〜８−３の開時間を調節する。
制御方法としては、バッファタンク容量、圧力およびガ
ス組成に基いた計算を行って、１回の制御でバッファタ
ンクを充圧する方法、同様の計算を一定周期で繰返し制
御する方法、および各ガス成分の濃度偏差に基いてＰＩ
Ｄ制御を行う方法、がある。原料ガスが混合ガスであっ
てもよい。合成空気の製造にはベースガスを供給しつ
つ、酸素および窒素の流量制御を行ってもよい。遮断弁
前後の差圧を一定化する手段を用いるのが望ましいが、
原料ガス、混合ガスの温度、圧力を検出して、遮断弁の
流量係数を補正してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体製造用ガス、
溶接時の保護ガス、原子力、医療関連分野等で使用され
る混合ガス等を製造、供給するに好適なガス混合装置及
びその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】医療分野では近年問題化している院内感
染を防止するため、手術室、処置室などの空気をきわめ
て清浄度の高い空気にする必要がある。この場合、単に
外気を除塵装置、フィルタなどで清浄化するだけでは不
純物ガス（ＳＯＸやＮＯＸ）が混入して清浄度が不充
分とされるため、液体酸素、液体窒素を大気と同組成と
なるように混合して合成空気とし、手術室等に供給す
る。

【０００３】合成空気の混合制御では混合比率を正確に
保つ必要がある。例えば医療用空気では酸素濃度の許容
範囲は２１．５±０．５％である。これより酸素濃度が
低いと患者が酸欠状態となり、これより高いと酸素中毒
のおそれがある。

【０００４】医療用空気の使用環境としては、手術など
が行われるときは大量に使用し、それ以外は使用しない
か、あるいは要管理患者に２４時間体制で少量ずつ供給
するなど、使用量の変動が大きい。通常の燃焼制御等に
用いる差圧式流量計とポート型制御弁を用いた流量制御
系では、高々最大流量と最小流量の比率（レンジァビリ
ティという）は１０：１程度であって、０〜１００％の
広範囲にわたって精度高く混合制御するのは困難であ
る。このような問題は、半導体製造用ガス、溶接時の保
護ガス、原子力分野のガス製造でも存在する。

【０００５】例えば特開平９−９４４５１号公報には、
原料ガスの供給圧を一定とし、原料ガスを高精度で流量
制御した後混合し、混合後のガス濃度を検出し、前記の
流量制御の設定値を変更して高精度の混合比率を達成す
るガス混合装置が開示されている。同公報に開示された
装置は混合後のガス使用量が大きく変動しても、常時高
精度の混合比を維持できるとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平９−９４４
５１号公報に開示されたガス混合装置は原料ガスの流量
制御精度を高めるため、デジタルマスフローコントロー
ラによる流量制御を用いているが、その設備費用が高価
であるとともに、制御要素の部品点数が多いため信頼
性、耐久性に劣る。また、たとえデジタルマスフローコ
ントローラ直前の原料ガス圧力を一定としても低流量域
では流量検出精度または流量制御弁精度が低下し、レン
ジァビリティは２０：１程度しか得られないため、混合
ガス使用量が低位のときはガス組成値が大きく変動す
る。

【０００７】本発明の課題は、安価で信頼性が高く、か
つ混合精度の高いガス混合装置およびガス混合方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは種々の検討
の結果、下記の知見を得た。

【０００９】(a) ガス混合精度を向上するには、ガス混
合装置にバッファタンクを設け、圧力が低下したときの
み原料ガスを供給するのがよい。これによって原料ガス
の混合制御は高流量の条件下で行えるので流量制御精度
が向上する。

【００１０】(b) 前記のようにバッファタンクを設けた
場合でも、混合ガスの組成を微妙に調節する場合には、
原料ガスを低流量域で制御する場合もある。流量制御に
差圧式または面積式等の一般的な流量計およびポート型
の流量調節弁を用いると、低流量域で流量測定精度が低
下し、調節弁の精度も低下するため制御の乱れが大きく
なることが知られている。

【００１１】この対策として、発明者らは遮断弁の開閉
時間の制御によって流量制御精度を高めることを想到し
た。これは電気制御等で一般的に行われているパルス幅
制御に相当する。さらに最終的に混合ガス組成の安定化
を保証するため、ガス組成を直接測定し、混合比をフィ
ードフォワードまたはフィードバック方式で修正するの
がよい。これにより、前記特開平９−９４４５１号公報
に開示された高精度の機器を用いる流量制御方法に比べ
て、設備費が安価となり、機器の信頼性が向上する。

【００１２】(c) 遮断弁の開閉制御によって、混合直後
のガスの組成がパルス状に変動するが、バッファタンク
を設けることによりガスは均一に混合され安定したガス
組成の分析が可能になる。

【００１３】(d) 遮断弁の前後の圧力条件が一定であれ
ば、遮断弁の開時間とガス流量の比例関係を一定化でき
る。あるいは、遮断弁前後の圧力条件を測定して、一定
の開時間に対するガス流量の変動または遮断弁の流量係
数を補正してもよい。

【００１４】(e) 原料ガス温度を測定することによっ
て、遮断弁を通過するガスの質量流量の温度補正が可能
である。また、バッファタンクガスの温度を測定すれ
ば、バッファタンクのガスの質量を補正することがで
き、供給すべき原料ガス量をより高い精度で算出するこ
とが可能である。

【００１５】(f) 原料ガスが純ガスでなく、他のガス成
分が共存する混合ガスであっても、その組成が既知であ
れば、演算によってそれぞれの原料ガスの供給量を求め
ることができ、遮断弁の制御が可能である。

【００１６】(g) 目標混合比に近い粗混合ガスをベース
ガスとして大量に供給し、純ガスまたは純ガスに近い原
料ガスを微調整用に少量供給する構成とすれば、純ガス
原料供給系統を小型化することができる。その結果、微
調整用の遮断弁は小型で安価なものを用いることがで
き、設備費の低減、信頼性と耐久性の向上および装置の
大容量化が可能になる。

【００１７】(h) 前記粗混合ガスの供給系統に、本発明
の出願人が特開平１１−３３３８２号公報に開示したよ
うな通過面積可変型ガス混合装置を用いれば、流量調節
弁などの可動部の多い機械要素を用いることなく、レン
ジアビリティが広く、安価で信頼性の高い粗混合ガス供
給系統が得られる。

【００１８】(i) ガス混合制御方法の一つとして、バッ
ファタンクのガス組成を分析し、各ガス種ごとの質量を
求め、所定の圧力まで充圧するのに必要な各原料ガス量
を計算する方法がある。この原料ガス量の計算結果に基
づき遮断弁の開時間を制御すると、所定の混合比でバッ
ファタンクに所定圧力で充圧できる。この方法はフィー
ドフォワード制御に相当する。

【００１９】(j) 前項の制御方法において、各遮断弁の
開時間の差異が大きいと、バッファタンクに供給される
ガス組成の変動が大きくなるが、遮断弁の開時間を分割
することによって、これを小さくできる。

【００２０】(k) ガス混合制御の他の方法として、前記
(i) 項の制御を一定周期ごとに繰返せばバッファタンク
のガス組成を逐次反映した制御となるので、制御精度が
高まる。この方法はフィードフォワードとフィードバッ
クを組み合わせた制御に相当する。

【００２１】(l) バッファタンクのガス組成を一定周期
ごとに逐次分析し、ガス組成目標値と実測値との偏差を
ゼロにするように原料ガスを供給することによってフィ
ードバック制御が可能である。この場合、通常のＰＩＤ
制御（比例積分微分制御）またはＰＩ制御（比例積分制
御）手法を用いることができる。ＰＩＤまたはＰＩ制御
の弁開度に相当する操作量は、前記一定周期を１００％
とする遮断弁の開時間の比率（開時間／ΔＴ）で表すこ
とができる。

【００２２】上記の知見に基づいて完成した本発明の要
旨は以下の(1) 〜(11)のとおりである。

【００２３】(1) 複数の原料ガス系統の各々に設けられ
た遮断弁と、各遮断弁を通過後の混合ガスを蓄圧するバ
ッファタンクと、バッファタンクの圧力を検出する圧力
検出手段と、バッファタンク内の各ガスの組成を測定す
る分析計と、各遮断弁の開閉を制御する制御装置とを有
するガス混合装置であって、前記制御装置は、バッファ
タンク圧力を検出してあらかじめ設定された下限圧力以
下となってから、バッファタンクの各ガス成分の濃度の
分析値と目標値との差をなくすように遮断弁の開閉時間
を調整する機能を有するものであることを特徴とするガ
ス混合装置。

【００２４】(2) 原料ガス温度計および／またはバッフ
ァタンクガス温度計を有する前記(1) 項に記載のガス混
合装置。

【００２５】(3) 遮断弁の前後の差圧を一定化する手段
を有する前記(1) 〜(2) 項のいずれかに記載のガス混合
装置。

【００２６】(4) 遮断弁の前後の差圧を測定する手段を
有する前記(1) 〜(2) 項のいずれかに記載のガス混合装
置。

【００２７】(5) 原料ガス系統の内、少なくとも１つが
混合原料ガス系統であることを特徴とする前記(1) 〜
(4) 項のいずれかに記載のガス混合装置。

【００２８】(6) 原料ガス系統が複数種の純ガス系統お
よび前記複数種の純ガスを目標混合比に混合した１系統
の粗混合原料ガス系統からなることを特徴とする前記
(5) 項に記載のガス混合装置。

【００２９】(7) 粗混合原料ガス系統に通過面積可変型
混合装置を有することを特徴とする前記(6) 項に記載の
ガス混合装置。

【００３０】(8) 前記(1) 〜(7) 項のいずれかに記載の
装置を用い、以下の(S1)〜(S3)の制御を行うことを特徴
とするガス混合装置の制御方法。

【００３１】(S1)下限圧力となったとき、制御を開始す
る、(S2)バッファタンク容量、遮断弁の流量係数、原料
ガス組成、バッファタンクのガス組成の分析値、バッフ
ァタンクの下限圧力、バッファタンクの目標圧力、遮断
弁前後の差圧、原料ガス温度、およびバッファタンクガ
ス温度に基づいて遮断弁の開時間を演算する、(S3)前記
演算した開時間で各遮断弁を制御する。

【００３２】(9) 演算した遮断弁の開時間を複数回に分
割して各遮断弁を制御することを特徴とする前記(8) 項
に記載のガス混合装置の制御方法。

【００３３】(10)前記(1) 〜(7) 項のいずれかに記載の
装置を用い、一定周期ごとに以下の(S1)〜(S4)の制御を
行うことを特徴とするガス混合装置の制御方法。

【００３４】(S1)下限圧力となったとき、制御を開始す
る、(S2)バッファタンク容量、遮断弁の流量係数、原料
ガス組成、一定周期ごとのバッファタンクガス組成の分
析値、バッファタンク圧力の実測値、遮断弁前後の差
圧、原料ガス温度、およびバッファタンクガス温度に基
づいて遮断弁の開時間を演算する、(S3)前記演算した開
時間で一定周期ごとに各遮断弁を制御する、(S4)バッフ
ァタンク圧力が目標圧力になったとき制御を終了する。

【００３５】(11)前記(1) 〜(7) 項のいずれかに記載の
装置を用い、一定周期ごとに以下の(S1)〜(S4)の制御を
行うことを特徴とするガス混合装置の制御方法。

【００３６】(S1)下限圧力となったとき制御を開始す
る、(S2)一定周期ごとのガス組成の分析値と目標値の差
からバッファタンクのガス組成の偏差を求め、各原料ガ
ス系統の遮断弁の開時間を比例積分制御演算によって求
める、(S3)一定周期ごとに前記演算した開時間で各遮断
弁を制御する、(S4)バッファタンク圧力が目標圧力にな
ったとき制御を終了する。

【００３７】

【発明の実施の形態】１．装置の構成図１は本発明のガス混合制御方法を実施するためのガス
混合装置の概要図である。同図の符号１は制御装置、２
はバッファタンク、３−１〜３−３は原料ガス配管、４
は混合ガス配管、５はガス供給配管、６は圧力計、７は
分析計、８−１〜８−３は遮断弁、１５−１〜１５−３
は原料ガス温度計、１６はバッファタンク温度計であ
る。

【００３８】圧力計６は上下限を検出する接点も有する
接点つき圧力計が望ましいが、制御装置が常時圧力値を
監視する機能を持つものであれば、接点なしの圧力計で
もよい。請求項８の制御方法に用いるのであれば、圧力
の上下限のみを検出する圧力スイッチ形式のものでもよ
い。

【００３９】分析計７はバッファタンク２内の混合ガス
の組成を測定するものであって、直接的または計算等に
より間接的に測定するものであってもよい。また、１種
のみでなく２種以上の分析計を併用したものでもよい。

【００４０】同図の原料ガス系統は３系統の場合を示し
ているが、本発明は２系統以上の場合に適用可能であ
る。

【００４１】原料ガスは図示しないガス発生装置から原
料ガス配管３−１〜３−３を経由し、遮断弁８−１〜８
−３を通過して後、混合ガス配管４内またはバッファタ
ンク２内で混合され、混合ガスの組成が分析計７で検出
される。

【００４２】以下に制御装置１の制御動作について説明
する。

【００４３】ここで、ガス発生装置のプロセスの変数ま
たは定数を、バッファタンク容量：ＶＴ、バッファタンク圧力目標値：ＰＴｓ、バッファタンク圧力下限値：ＰＴＬ、バッファタンク圧力現在値：ＰＴ、バッファタンク圧力測定値：ＰＴｍ、バッファタンクガス温度：θＴ（Ｋ）、バッファタンク内各ガスの組成目標値（モル濃度）：Ｃ
１ｓ、Ｃ２ｓ、Ｃ３ｓ、バッファタンク内各ガスの組成実測値（モル濃度）：Ｃ
１ｍ、Ｃ２ｍ、Ｃ３ｍ、原料ガス供給圧力：Ｐ１ｓ、Ｐ２ｓ、Ｐ３ｓ原料ガス温度：θ１、θ２、θ３、遮断弁の開時間：ｔ１、ｔ２、ｔ３、遮断弁の流量係数：Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｒ：ボルツマン定数、とする。通常、バッファタンク圧力目標値ＰＴｓは上限
圧力でもある。

【００４４】３種のガスの混合ガスでは、Ｃ１ｓ＋Ｃ２
ｓ＋Ｃ３ｓ＝１、Ｃ１ｍ＋Ｃ２ｍ＋Ｃ３ｍ＝１の関係が
成立つ。

【００４５】２．第１制御方法まず、３種の原料ガスはそれぞれ純ガスとした場合のガ
スの混合比率を制御する方法について述べる。

【００４６】バッファタンク内の圧力が低下したとき、
制御装置１は制御動作を開始する。原料ガス供給後のバ
ッファタンク内のガス組成が目標値：Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓ、
Ｃ３ｓとなり、ガス圧力が目標値ＰＴｓとなるようにす
るという関係から、下記(1)〜(3) の連立方程式を解く
ことによって供給すべき原料ガスのモル量Ｍ１、Ｍ２
、Ｍ３を求めることができる。

【００４７】

【数１】一方、各遮断弁を通過する原料ガスのモル量は、原料ガ
ス供給圧力、弁開時間、遮断弁前後の差圧ΔＰの平方根
および遮断弁の流量係数に比例するので、下記の(4) 〜
(6) 式を導出できる。

【００４８】Ｍ１＝Ｆ１Ｐ１ｓｔ１√（ΔＰ１） (4) Ｍ２＝Ｆ２Ｐ２ｓｔ２√（ΔＰ２） (5) Ｍ３＝Ｆ３Ｐ３ｓｔ３√（ΔＰ３） (6) あるいは、原料ガスの圧力と遮断弁前後の差圧とが超音
速条件等の非線形となるとき、Ｍ１〜Ｍ３は、原料ガ
ス圧力Ｐ１ｓ、Ｐ２ｓ、Ｐ３ｓおよび遮断弁前後の差圧
ΔＰの関数ｆ｛Ｐ，ΔＰ｝として、(7) 〜(9) 式のよう
に表すことができる。

【００４９】Ｍ１＝Ｆ１ｔ１・ｆ{Ｐ１ｓ，(ΔＰ１)} (7) Ｍ２＝Ｆ２ｔ２・ｆ{Ｐ２ｓ，(ΔＰ２)} (8) Ｍ３＝Ｆ３ｔ３・ｆ{Ｐ３ｓ，(ΔＰ３)} (9) (4) 〜(6) 式または(7) 〜(9) 式のいずれにせよ、遮断
弁を通過する原料ガスのモル量は遮断弁の形式、原料ガ
スの種類、原料ガス供給圧力、遮断弁前後の差圧および
遮断弁の開時間によって決る。

【００５０】原料ガス供給中に遮断弁後の圧力（絞り等
がなければバッファタンク圧力ＰＴに相当）は順次上昇
し、遮断弁前後の差圧は順次減少するが、原料ガス供給
圧力Ｐ１ｓ、Ｐ２ｓ、Ｐ３ｓがほぼ一定で、バッファタ
ンク圧力ＰＴに比べて十分に高ければ(4) 〜(6) 式の
差圧ΔＰｉや｛Ｐｉｓ√（ΔＰｉ）｝、または(7) 〜
(9) 式の関数ｆ{ } 内はほぼ一定とみなすことができる
ので、ｔ１、ｔ２、ｔ３を求めることができる。

【００５１】図２は本発明の遮断弁の前後の差圧を一定
に保つ手段を示す概念図で、同図(a) は差圧調整弁によ
る場合、同図(b) は混合点での圧力一定制御を行う場
合、同図(c) はバッファタンク前に絞りを入れる場合で
ある。

【００５２】同図(a) では、遮断弁８の前後の差圧は一
定となる。この場合、差圧を制御装置に入力する必要は
ない。

【００５３】同図(b) では定圧弁１１により混合点１０
での圧力を一定化している。この場合、遮断弁〜原料ガ
スの混合点１０までの若干の圧力降下のため原料ガスの
流量によって遮断弁８の前後の差圧は必ずしも一定では
ないが、この量はわずかであるから、原料ガス供給圧力
が一定であれば遮断弁開時の流量はほぼ一定とみなして
もよい。

【００５４】同図(c) の場合、絞り１２によってバッフ
ァタンク前の圧力を降下させている。ガスの混合点１０
または絞り１２前の圧力は複数の遮断弁の開閉状態によ
って変動するため、厳密には遮断弁前後の差圧は一定と
ならないが、絞り１２の前後の差圧を大きくして、バッ
ファタンク２の圧力上昇の影響を少なくすることができ
るため、遮断弁８前後の差圧の変動を小さくすることが
できる。したがって、原料ガス供給圧力が一定であれ
ば、遮断弁を通過する原料ガスの質量（モル量）は遮断
弁の開時間に比例する。

【００５５】図２(c) のような絞り１２による方法は最
も簡便で安価であるが、原料ガス供給圧力とバッファタ
ンクの下限圧力との差が小さくて絞りによる差圧を大き
くできないときは、図２(b) または図２(a) のような差
圧制御の手段を用いるのが望ましい。このような対策を
実施した場合はΔＰは一定値とみなすことができ、差圧
を制御装置に入力する必要はない。

【００５６】原料ガス供給圧力が変動する場合や、遮断
弁とバッファタンクとがほとんど直結している場合は原
料ガス圧力および／またはバッファタンク圧力を測定し
て前記(4) 〜(6) 式にしたがって、原料ガス量を補正演
算するのが望ましい。

【００５７】原料ガスの温度θ１〜θ３が著しく変動
する場合は、これらを実測し、(1)〜(3) 式にしたがっ
て、演算するのが望ましい。

【００５８】同様にバッファタンクガス温度θＴが著し
く変動する場合も、これらを実測し、(1) 〜(3) 式にし
たがって、演算するのが望ましい。

【００５９】遮断弁の流量係数Ｆ１〜Ｆ３はメーカの
カタログ値を参照するか、オフラインで他の流量測定手
段を用いて校正する等の方法で求めることができる。

【００６０】(1) 〜(3) 式によってＭ１〜Ｍ３を求め
た場合、いずれかの値が負になることがある。これはバ
ッファタンク内に特定のガス成分が過剰に存在する場合
に相当する。このような場合は、当該原料ガスの供給を
遮断したまま、他の原料ガスを供給しつづけ、所定の目
標組成に近づけるようにしなければならない。しかし、
通常混合制御が適正に行われている場合はこのような現
象が発生することはない。

【００６１】３．第１制御方法図３は、本発明において、求められたｔ１、ｔ２、ｔ
３にしたがって遮断弁の開閉時間を制御する場合のタ
イムチャートである。

【００６２】同図は、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３の例を示し
ており、ｔ１が開状態から閉状態になったときに１サ
イクルの制御が終了する。この方法による制御では、制
御終了時点でバッファタンク圧力は必ずしも目標値ＰＴ
ｓには一致しない。この理由は、遮断弁の開時間の計算
は１回のみ行い、計算誤差や遮断弁前後の差圧が漸次変
化するにもかかわらず、一定であるものとして計算し、
バッファタンク圧力を確認しながら制御していないこと
に起因する。遮断弁前後の差圧一定化の対策を行う場
合、バッファタンクの容量が十分大きい場合、あるいは
バッファタンク圧力目標値ＰＴｓと下限値ＰＴＬとの差
があまり大きくない場合には、制御終了後のバッファタ
ンク圧力ＰＴと目標値ＰＴｓとの誤差を小さくでき
る。しかし、バッファタンク下流の使用先には減圧弁を
介して供給するため、制御終了後のバッファタンク圧力
が目標値に一致しなくても問題はない。

【００６３】遮断弁開閉の応答速度が遅い場合、弁の開
時間とガスの流量との対応精度が低下することが考えら
れる。このような場合は、遮断弁の応答速度に応じて制
御装置から開閉指令を与えるときに補正をすればよい。
あるいは、求められた開時間ｔ１、ｔ２、ｔ３がき
わめて短時間（例えば０．５秒以下）の場合、遮断弁開
の指令を抑制するなどの措置をとることとしてもよい。
以上述べた制御方法を第１制御方法という。

【００６４】４．第１制御方法の改善図３に示す第１制御方法のタイムチャートにおいて、遮
断弁８−３、８−２（図１参照）が順に閉になるにつ
れ、原料ガス１に富んだガスが供給されることになる。
バッファタンクでのガスの拡散混合速度が遅い場合また
はバッファタンクの容量が小さい場合は使用先で混合ガ
ス組成が脈動的に変動する恐れがある。この対策とし
て、原料ガス２および３を一度に供給せず数回に分割し
て供給すれば、よりガス組成の脈動が改善される。

【００６５】図４は本発明に係るガスの混合精度を改善
する方法における遮断弁開閉のタイムチャートである。
同図において、遮断弁８−１が開状態になっている間に
遮断弁８−２および８−３を２回開閉するようになって
おり、図３に示す方法に比較して、混合ガス組成の変動
を１／２にすることができる。一般に開時間をｎ分割す
ると当該成分の濃度変動が１／ｎとなるが、あまりｎを
大きくすると遮断弁が頻繁に動作することになって寿命
を短縮する恐れもあるので、２〜５回程度の適切な回数
に制限するのが望ましい。

【００６６】５．原料ガスが混合ガスの場合の第１制御
方法の適用次に、原料ガスの少なくとも１つが混合ガスである場合
について説明する。

【００６７】原料ガス配管３−１〜３−３から３種のガ
スＡ、Ｂ、Ｃが供給されるものとする。それぞれの原料
ガスの成分１〜３のモル濃度は、原料ガスＡ：Ｃａ１、Ｃａ２、Ｃａ３、原料ガスＢ：Ｃｂ１、Ｃｂ２、Ｃｂ３、原料ガスＣ；Ｃｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３であるとする。ただし、Ｃａ１＋Ｃａ２＋Ｃａ３＝１ (10) Ｃｂ１＋Ｃｂ２＋Ｃｂ３＝１ (11) Ｃｃ１＋Ｃｃ２＋Ｃｃ３＝１ (12) である。ガスの場合、モル濃度は体積比率の濃度でもあ
る。

【００６８】原料ガスＡ〜Ｃの供給すべきモル量をＭａ
、Ｍｂ、Ｍｃとすると、下記(13)式の連立方程式が
成り立つ。

【００６９】〔 Mａ,Mｂ,Mｃ〕〔Ｃｉｊ〕＝〔 M１,M２,M３〕 (13) ただし、

【００７０】

【数２】である。

【００７１】Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は(1) 〜(3) 式によ
って求めることができ、Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃは、(13)式
の連立方程式を解くことにより、〔 Mａ,Mｂ,Mｃ］＝〔 M１,M２,M３〕〔Ｃｉｊ〕−１ (15) として求めることができる。

【００７２】Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃが求められると、(4)
〜(6) 式と同様に、下記の(16)〜(18)式によりｔ１、
ｔ２、ｔ３を求めることができる。

【００７３】Ｍａ＝ＦａＰａｓｔ１√（ΔＰａ） (16) Ｍｂ＝ＦｂＰｂｓｔ２√（ΔＰｂ） (17) Ｍｃ＝ＦｃＰｃｓｔ３√（ΔＰｃ） (18) あるいは、遮断弁前後のガス圧力が超音速条件等の非線
型の場合、(7) 〜(9)式と同様にすれば、下記の(19)〜
(21)によりｔ１、ｔ２、ｔ３を求めることができ
る。

【００７４】Ｍａ＝Ｆａｔ１・ｆ{Ｐａｓ，(ΔＰａ)} (19) Ｍｂ＝Ｆｂｔ２・ｆ{Ｐｂｓ，(ΔＰｂ)} (20) Ｍｃ＝Ｆｃｔ３・ｆ{Ｐｃｓ，(ΔＰｃ)} (21) ただし、Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃは遮断弁８−１〜８−３
の原料ガスＡ〜Ｃに対する流量係数、Ｐａｓ、Ｐｂｓ、
Ｐｃｓは原料ガスＡ〜Ｃの供給圧力である。

【００７５】混合ガスに対する遮断弁の流量係数Ｆａ
、Ｆｂ、Ｆｃは、必ずしも純ガスの流量係数の線形
加算則は成立たないことがあるので、熱力学に準拠した
補正計算または実験により求めるのが望ましい。

【００７６】６．粗混合ガス系統を含む２成分ガス混合
における第１制御方法の適用次に、目的とする混合ガスが、合成空気のように２種の
純ガス成分からなる混合ガスの場合に本発明を適用する
方法について述べる。

【００７７】図５は本発明の合成空気の混合装置を示す
概要図である。同図において、図１と同一要素は同一符
号で示す。符号３１−１、３１−２はそれぞれ酸素、窒
素用の原料ガス配管、３１−３は予め合成空気の組成に
調整した粗混合ガス用の原料ガス配管、８１−１〜８１
−３はそれぞれ、酸素、窒素および予混合ガス用の遮断
弁であり、１３−１、１３−２は粗混合ガスを混合制御
するための酸素、窒素用の流量調節弁である。

【００７８】同図の構成では、原料ガス配管３１−３か
ら供給する粗混合ガスをおおまかな混合比制御によって
大量に供給し、酸素および窒素の原料ガス配管３１−
１、３２−２の系統で精密な制御を行おうとするもので
ある。遮断弁８１−３には大容量のもの、遮断弁８１−
１、８１−２は小容量のものを用いる。この方法の利点
は、小容量の遮断弁を用いることによって装置を安価に
し、耐久性を高くすることができる点にある。

【００７９】図５のようなガス成分が２種、原料ガス系
統が３系統の場合は、本発明の「原料ガスの少なくとも
１つが粗混合ガスである場合」の一例に相当する。

【００８０】図５の場合、ガス成分として２種、原料ガ
スを供給する制御系統が３系統あるから、(13)および(1
4)式で表される連立方程式の解Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃは
不定解となる（解が無数に存在する）。

【００８１】このような場合、バッファタンクの充圧に
必要な原料ガスの例えば９０％を粗混合ガス系統から供
給し、残りを純酸素と純窒素で補うようにすれば制約式
を追加でき、連立方程式を解くことができる。具体的に
は、以下のように計算する。

【００８２】まず、(1) および(2) 式のみを連立させ、
Ｍ３＝０としてＭ１、Ｍ２を求める。ここで、Ｍ１
、Ｍ２はそれぞれバッファタンクを所定のガス組成で
充圧するのに必要な酸素、窒素のモル量である。

【００８３】次いで、純酸素、純窒素、粗混合ガスの供
給量Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃを、Ｍａ＝０．１Ｍ１、Ｍｂ＝０．１Ｍ２、Ｍｃ＝０．９（Ｍ１＋Ｍ２）として求める。上記式の０．９または０．１の係数は、
粗混合ガス系統の遮断弁と純ガス系統の遮断弁を開とし
たときの実測流量比率からおおよその値を決めてもよい
し、各原料ガス系統に適当な絞り弁を設け、上記の数値
になるように絞り弁開度を調整してもよい。Ｍａ、Ｍ
ｂ、Ｍｃが求まれば、遮断弁８１−１〜８１−３の開
時間を求める方法は先に述べたとおりである。

【００８４】以上に述べた方法は、制御可能な原料ガス
の供給系統の数が制御すべき成分数より１つ多く、該１
系統が粗混合原料ガスを供給する場合にも一般化するこ
とができる。

【００８５】図６は本発明の粗混合ガスの供給を本出願
人の提案による特開平１１−３３３８２号公報に開示さ
れた通過面積可変型混合装置で行う場合のガス混合装置
を示す概要図である。同図において図５と同一要素は同
一符号で示す。通過面積可変型混合装置１４は内部に微
細気孔持つ混合素子を有し、２種のガスが混合素子を通
過するときの面積比を可変として混合比制御を行う装置
である。通過面積可変型混合装置１４に対して定圧弁１
１−１および１１−２によって酸素および窒素を一定か
つ同一圧力で供給し、粗混合ガスの混合比を一定化す
る。図５のように流量調節弁１３−１、１３−２で流量
制御を行うと、低流量域での流量検出精度および調節弁
の制御精度の低下のため、高精度のガス混合比制御は期
待できないが、図６のように通過面積可変型混合装置１
４を用いた構成にすると、低流量域でも混合比制御精度
が低下せず高精度の混合制御が可能で、しかも安価に実
現できる。

【００８６】７．第２制御方法これまで述べた第１制御方法による混合制御は、バッフ
ァタンク圧力の低下時に、バッファタンク容量、バッフ
ァタンク圧力、およびバッファタンクの混合ガス組成に
基づき、１サイクルの原料ガス供給によって、目標圧力
まで充圧する方法であった。つまり、バッチ型のフィー
ドフォワード制御である。

【００８７】以下に述べる方法は、バッファタンクを目
標圧力まで充圧するまでに一定周期ΔＴで制御を行う方
法である。

【００８８】前述の(1) 〜(3) 式において、ＰＴｓは充
圧後のバッファタンク圧力の目標値であるが、一定周期
で混合制御を行う場合、ΔＴ秒後のバッファタンク圧力
に相当する。１サイクルの時間がバッファタンク容量と
混合ガス流用で定まる時定数より十分小さければ、バッ
ファタンク圧力は１サイクルの前後でほとんど同じとみ
なすことができ、下記(22)〜(24)のように表すことがで
きる。

【００８９】

【数３】 (22)〜(24)式および式(4) 〜(6) または(7) 〜(9) から
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が求められ、ｔ１、ｔ２、ｔ３
を求めることができる。原料ガスが複数成分の混合ガス
の場合にも前述した計算に準じてｔ１、ｔ２、ｔ３
を求めることができる。このとき求められたｔ１、ｔ
２、ｔ３は負になることもある。その場合は当該遮断
弁は全閉（ｔｉ＝０）とする。ｔ１、ｔ２、ｔ３の
内、最長の開時間は通常一定周期ΔＴより長い。従っ
て、実際の遮断弁開時間ｔ１ｒ、ｔ２ｒ、ｔ３ｒは、最
長の遮断弁開時間（例えばｔ１ ≧ｔ２ ≧ｔ３の場
合、ｔ１）を基準に、ｔ１ｒ＝ΔＴ、ｔ２ｒ＝ΔＴ・ｔ２／ｔ１、ｔ３ｒ＝ΔＴ・ｔ３／ｔ１、として遮断弁の開時間を求める。

【００９０】図７は本発明の３成分ガスの混合制御を一
定周期で行う場合の遮断弁の開閉状態を示すタイムチャ
ートである。同図において、バッファタンク圧力が目標
値ＰＴｓに達したとき制御が終了する。遮断弁８−１
（図５参照）は１サイクルごとに、ごく短時間閉となっ
ているが、これは制御装置が分析計、圧力計のデータ読
み込みおよび計算に要する時間に相当する。遮断弁の開
閉回数をできるだけ少なくするために、１サイクルが終
了する前にデータ先読み込みと計算を行い、次のサイク
ルで再び開となる遮断弁はサイクル終了時に閉としない
ようにするのがよい。これによって遮断弁の開閉回数を
減らすことができる。

【００９１】この制御方法の特徴は、制御装置が一定周
期ごとにバッファタンク圧力ＰＴｍ、バッファタンクの
ガス組成Ｃ１ｍ、Ｃ２ｍ、Ｃ３ｍを測定し、一連の計算
を行うことであり、フィードフォワード＋フィードバッ
ク型制御の制御である。制御周期ΔＴを大きくする方が
遮断弁の寿命の面では有利であるが、過渡状態の制御精
度は低下する。通常、制御周期ΔＴは、バッファタンク
容量、原料ガスの供給可能流量、使用流量などから決る
時定数に対して、その０．０５〜０．８倍程度とするの
がよい。後述する実施例の規模のガス混合装置では、Δ
Ｔは１０〜１５０秒程度である。以上に述べたフィード
フォワード＋フィードバック型制御方法を第２制御方法
という。

【００９２】第２制御方法では、制御が終了したときバ
ッファタンク圧力は目標値ＰＴｓに到達する。図７の例
は、バッファタンク圧力が目標値を超えても、一定周期
の制御を完了してから制御終了するものとしており、バ
ッファタンク圧力は多少目標値を超えている。しかし、
制御周期が短い場合には、バッファタンク圧力が目標値
に到達したときに原料ガス供給を中止するようにしても
よい。第２制御方法に用いる圧力計６（図１参照）は連
続的に読み込み可能なもの（アナログ型）でなければな
らない。

【００９３】８．粗混合ガス系統を含む２成分ガス混合
における第２制御方法の適用図５または図６に示す合成空気のガス混合装置の場合、
フィードフォワード＋フィードバック制御を適用する方
法は、例えば以下のようにして実現できる。

【００９４】まず、(22)、(23)式のＭ３を０としてＭ
１、Ｍ２を求める。次いで、先と同様に、Ｍａ＝０．１Ｍ１、Ｍｂ＝０．１Ｍ２、Ｍｃ＝０．９（Ｍ１＋Ｍ２）として、Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃを求め、(16)〜(18)式ま
たは(19)〜(21)式からｔ１、ｔ２、ｔ３を求める。
上記式の０．９または０．１等の係数の定め方は前記の
とおりである。

【００９５】次に、ｔ１、ｔ２の内、大きい方（仮に
ｔ１とする）に対して、ｔ１ｒ＝ΔＴ、ｔ２ｒ＝ΔＴ・ｔ２／ｔ１、ｔ３ｒ＝ΔＴとして、遮断弁８１−１〜８１−３の開閉制御を行う。
ｔ１ｒ、ｔ２ｒの内、負になるものがあれば遮断弁は閉
とする。すなわち、粗混合ガスは常時開であり、酸素不
足の場合（ｔ１＞ｔ２に相当）は酸素の遮断弁８１−
１が常時開、窒素の遮断弁８１−２がわずかな時間開ま
たは全閉となる。

【００９６】図５または図６の合成空気の混合制御にお
いては粗混合ガスは供給原料ガスの大部分を占める。前
述のフィードフォワード制御と比較して、このフィード
フォワード＋フィードバック制御の特徴は、バッファタ
ンクのガス組成制御が遮断弁８１−１と８１−２とが一
方が開のとき他方が閉となるように（シーソー的または
プッシュプル的）行われることである。

【００９７】９．第３制御方法次に、ＰＩＤ制御に相当する第３制御方法について説明
する。第１および第２制御方法が(1) 〜(3) 式の連立方
程式の解を求めることに基づくのに対し、第３制御方法
は混合ガス組成の目標値と実測値の偏差に基づいて原料
ガスの流量制御を行うもので、第１制御方法や第２制御
方法のように、連立方程式を解く必要はない。

【００９８】通常のプロセス制御では微分制御を用いる
ことは少ないので、以下の説明はＰＩ制御（比例積分制
御）について述べる。

【００９９】この制御方法は、バッファタンク圧力が下
限値ＰＴＬ以下になったときから制御を開始し、目標値
ＰＴｓに至ったときに終了する。制御は一定周期ΔＴを
１サイクルとした制御である。

【０１００】バッファタンクの各ガス成分１〜３につい
て、濃度の偏差ｅ１〜ｅ３を、ｅ１＝Ｃ１ｍ−Ｃ１ｓ (25) ｅ２＝Ｃ２ｍ−Ｃ２ｓ (26) ｅ３＝Ｃ３ｍ−Ｃ３ｓ (27) として表す。

【０１０１】これらの偏差に対して、通常の流量調節弁
を用いた制御系では、時刻ｔ（ｉ番目の制御サイクルの
時刻：ｔ＝ｉ×ΔＴ）における制御弁の開度出力ｙ１
（ｔ）〜ｙ２（ｔ）、すなわちｙ１ｉ〜ｙ３ｉは、それ
ぞれの原料ガス系統について、(28)〜(30)のように表す
ことができる。

【０１０２】

【数４】ここで、ＰＢ１〜ＰＢ３は比例帯（制御ゲインの逆
数）、ＴＩ１〜ＴＩ３は積分時間である。また、Σｅ
１ｉ〜Σｅ３ｉは偏差の積分項であり、制御開始：ｔ＝
０からｉサイクル目の現時点：ｔ＝ｉ×ΔＴまでの偏差
ｅ１〜ｅ３の和である。

【０１０３】また、(25)〜(27)式より、ｅ１＋ｅ２＋ｅ３＝Ｃ１ｍ＋Ｃ２ｍ＋Ｃ３ｍ−Ｃ１ｓ−
Ｃ２ｓ−Ｃ３ｓ＝１−１＝０の関係および(28)〜(30)式から、ｙ１ｉ＋ｙ２ｉ＋ｙ３
ｉ＝０となるため、例えばｙ３ｉ＝−（ｙ１ｉ＋ｙ２
ｉ）として求めてもよい。

【０１０４】本発明においては、弁開度ｙ１ｉ、ｙ２
ｉ、ｙ３ｉに相当するのは、制御周期ΔＴに対する遮断
弁の開時間であるから、各遮断弁の開時間ｔｐ１〜ｔｐ
３は、ｔｐ１＝ｙ１ｉΔＴｔｐ２＝ｙ２ｉΔＴｔｐ３＝ｙ３ｉΔＴとして求められる。ｙ１ｉ〜ｙ３ｉの中には、負になる
場合または１．００（１００％）を超える場合がある。
負の場合は０、１．００を超える場合は１．００とす
る。

【０１０５】このＰＩＤ制御における比例帯、積分時間
（微分動作を行う場合は微分時間）は通常の制御系のチ
ューニングと同様の手法で行うことができる。

【０１０６】１０．原料ガスが混合ガスの場合の第３制
御方法の適用原料ガスの１種以上が混合ガスの場合は、混合原料ガス
系統Ａ〜Ｃに対して、(13)、(15)式に基づき、〔ｅａ,ｅｂ,ｅｃ〕〔Ｃｉｊ〕＝〔ｅ１,ｅ２,ｅ３〕 (31) 〔ｅａ,ｅｂ,ｅｃ ]＝[ ｅ１,ｅ２,ｅ３ ][Ｃｉｊ]−１ (32) として、ｅ１〜ｅ３をｅａ〜ｅｃに変換し、さら
に、ｅａ〜ｅｃに対して、

【０１０７】

【数５】の各式から原料ガス系統Ａ〜Ｃの遮断弁開度（開時間／
ΔＴ）を求め、さらに上記と同様の方法で遮断弁の開時
間ｔｐａ〜ｔｐｃを求めることができる。

【０１０８】図５または図６に示す合成空気のガス混合
装置の場合、フィードフォワード＋フィードバック制御
の場合と同様、粗混合ガスの遮断弁８１−３は常時開と
する制御がよい。

【０１０９】その場合、制御式は(28)、(29)式のみを用
いるが、ｅ１ｉ＋ｅ２ｉ＝０の関係から、ｙ１ｉ＝−ｙ
２ｉとなるため、独立した式は(28)、(29)のうち一つの
式だけである。また、酸素の遮断弁８１−１（図５参
照）が開となる制御周期では、窒素の遮断弁８１−２は
閉となる。

【０１１０】図８は本発明の合成空気の混合制御をＰＩ
Ｄ制御（フィードバック制御）で行う場合の遮断弁の開
閉状態を示すタイムチャートである。

【０１１１】同図に示すように、粗混合ガスの遮断弁８
１−３（図５参照）は制御中常時開であり、酸素の遮断
弁８１−１が開となる制御周期では窒素の遮断弁８１−
２は常時閉となっている。

【０１１２】本発明のＰＩＤ制御において、バッファタ
ンク圧力が低下したとき制御を開始し、充圧が完了した
ときに制御を終了するが、制御オフの時間帯で(28)〜(3
0)式または(33)〜(35)式の積分項Σｅｉが累積する
と、制御を再開したとき、弁開度ｙｉの計算値が大き
な値（１００％超または−１００％未満）となって、積
分項が消滅するまで続くことがある。本発明の遮断弁の
開閉時間の制御ではいずれかの原料ガス供給系統が常時
開または常時閉となる。これでは、制御開始時点の当該
ガス濃度の偏差の大小にかかわらず、原料ガスを一方的
に供給または供給停止することになり、制御の乱れをも
たらす。これを防止する方法として、通常のアナログ型
の制御と同様、アンチリセットワインドアップ機能、す
なわち、制御オフの状態では各原料ガス系統の積分項Σ
ｅｉを０とする機能を持たせるのが望ましい。

【０１１３】

【実施例】図９は本発明の効果確認試験に用いた装置の
概要を示し、同図(a) は本発明例、同図(b) は比較例の
装置の概要図である。図１、５、６と同一要素は同一符
号で示す。

【０１１４】同図(a) においては制御装置１によって、
本発明の第１〜第３制御方法を切替えながら実施する。

【０１１５】同図(b) の比較例における制御方式は、通
常のカスケード制御である。ガス分析値の偏差に対応し
て各原料ガス系統の流量設定値を与え、流量調節弁１７
−１〜１７−３と面積式流量計（図示省略）で構成され
る流量制御ループでＰＩ制御する方式である。同図(b)
において、制御装置１は各原料ガス系統ごとにＤＤＣ
（Direct Digital Control）によりアナログ型の調節計
と同等の連続制御を行うが、制御ループの詳細は略記し
ている。また、絞り１２によって遮断弁または流量調節
弁前後の差圧均一化をはかっている。

【０１１６】図９(a) および(b) の試験装置の仕様は以
下のとおりである。

【０１１７】・原料ガスの混合比：３成分制御の場合：Ｏ２ (21.5%)、Ｎ２ (70.0%)、Ｃ
Ｏ２ ( 8.5%) 合成空気制御の場合：Ｏ２(21.5%)、Ｎ２：(78.5%)、粗
混合空気（Ｏ２約21.5%) ただし、各％は体積％を意味するが、気体であるためモ
ル％でもある（以下、同様）。

【０１１８】・原料ガス供給圧：各９００ｋＰａ・バッファタンク容
量：２ｍ３、・バッファタンク使用圧力：下限５５０〜上限６５０ｋ
Ｐａ（無使用時のバッファタンクの充圧時間は約３０秒）・分析計赤外線分析計（ＣＯ２）およびセラミック酸素計（Ｏ
２）・混合ガス使用量（標準状態）最大５０ｍ３/hr、原料ガス供給率：８０ｍ３/hr ・制御弁仕様本発明例：電磁式遮断弁従来例：制御用定率ポート弁・原料ガス配管内径酸素用：１２mm、窒素用：２０mm、炭酸ガス用：９mm、粗混合空気用：２０mm、なお、図８(a) 、(b) とも原料ガス配管３−１は酸素、
３−２は窒素、３−３は３成分ガスの制御の場合は炭酸
ガス、合成空気制御の場合は粗混合空気の配管を示す。

【０１１９】（実施例１）本発明例による装置を用い第
１制御方法による制御、および比較例の装置を用いた連
続ＰＩ制御により、Ｏ２、Ｎ２、ＣＯ２の３成分制
御の試験を行った。

【０１２０】制御結果を表１に示す。

【０１２１】

【表１】表１に示すように、本発明例の混合ガス組成の変動は比
較例に対して約１／２０〜１／１５となった。本発明例
において、実用上は問題はないが、各制御サイクルの終
了時にバッファタンク圧力が目標圧力に到達しないこと
があった。これは、第１制御方法が圧力低下を検出した
とき、１回のフィードフォワード制御のみを行うことに
よるものであって、比較例のように、目標圧力に到達す
るまで制御を継続していないためである。

【０１２２】比較例の装置は本発明例と同様にバッファ
タンクを有しており、混合直後のガス組成の変動に対し
てバッファタンクで測定するガス分析値は平滑化されて
いるため、流量制御単独の組成変動より少なくなってい
ると推定できる。

【０１２３】（実施例２）次に、第１制御方法を用いた
本発明例の装置および連続ＰＩ制御を用いた比較例の装
置による合成空気の混合制御を試験した。本発明例にお
いては、粗混合空気（Ｏ２：21.5％、Ｎ２：78.5％）
の酸素濃度の変動を模擬するため、原料粗混合ガスには
フィルタで清浄化した大気に１０秒間Ｏ２混入、１０
秒間Ｎ２混入、１０秒間無混入の繰返しでＯ２濃度に
±１％の変動を与えた。また、本発明例においてはＯ２
、Ｎ２、粗混合空気の原料ガス配管に絞りを設け（図
示省略）、粗混合空気の流量が標準状態換算で７２％
（原料ガスの供給量の９０％）になるように調整した。

【０１２４】比較例の試験は、図９(b) に示す原料ガス
配管３−３は常時閉とし、酸素、窒素のみを混合した。

【０１２５】試験結果を表２に示す。

【０１２６】

【表２】表２に示すように、合成空気の酸素濃度の変動は比較例
に対して約１／２０であった。本発明例において、実用
的には問題はないがバッファタンクの到達圧力は実施例
１と同様、１サイクルの制御終了後、目標圧力に到達し
ないことがあった。

【０１２７】（実施例３）本発明例による装置を用い、
第２制御方法による制御試験を行った。制御周期ΔＴを
３０秒とした。試験結果を表３に示す。比較例は実施例
１と同じ試験であるが、対比のため同じ表に再記した。

【０１２８】

【表３】表３に示すように、本発明例では比較例に対してガス組
成の変動は１／３０〜１／２０となった。また、本発明
例の第２制御方法は、バッファタンク圧力が目標圧力に
なるまで制御するため、制御終了後のバッファタンク圧
力は比較例と同様、所定の目標圧力（上限値）に到達し
た。

【０１２９】（実施例４）次に、第２制御方法を用いた
本発明例の装置による合成空気の混合制御を試験した。
本発明例の粗混合空気の供給条件は実施例２と同様であ
る。

【０１３０】試験結果を表４に示す。比較例の試験は、
実施例２と同じものであるが、対比のため同じ表に再記
した。

【０１３１】

【表４】表４に示すように、合成空気の酸素濃度変動は比較例に
対して約１／３０以下であった。

【０１３２】（実施例５）本発明例による装置を用い、
第３制御方法による制御試験を行った。試験結果を表３
に示す。比較例は実施例１と同じものであるが、対比の
ため同じ表に再記した。

【０１３３】

【表５】表５に示すように、本発明例では比較例に対してガス組
成の変動は１／３０〜１／２０となり、第２制御方法と
同等の制御精度が得られた。

【０１３４】本発明例の第３制御方法は、第２制御方法
と同様、バッファタンク圧力が目標圧力になるまで制御
するため、制御終了後のバッファタンク圧力は比較例と
同様、所定の目標圧力（上限値）に到達した。

【０１３５】（実施例６）次に、第３制御方法を用いた
本発明例の装置による合成空気の混合制御を試験した。
本発明例の粗混合空気の供給条件は実施例２と同様であ
る。

【０１３６】試験結果を表６に示す。比較例の試験は、
実施例２と同じものであるが、対比のため同じ表に再記
した。

【０１３７】

【表６】表６に示すように、合成空気の酸素濃度変動は比較例に
対して約１／３０以下であった。

【０１３８】

【発明の効果】本発明のガス混合制御装置およびガス混
合制御方法により、安価な装置で広い流量範囲にわたっ
て制御精度の高い混合ガスが得られる。本発明のガス混
合制御装置およびガス混合制御方法は特に医療用合成空
気の製造に適する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス混合制御方法を実施するためのガ
ス混合装置の概要図である。

【図２】本発明の遮断弁の前後の差圧を一定に保つ手段
を示す概念図で、同図(a) は差圧調整弁による場合、同
図(b) は混合点での圧力一定制御を行う場合、同図(c)
はバッファタンク前に絞りを入れる場合である。

【図３】本発明のガス混合装置の遮断弁の開閉時間を示
すタイムチャートである。

【図４】本発明のガスの混合精度を改善する方法におけ
る遮断弁開閉のタイムチャートである。

【図５】本発明の合成空気の混合装置を示す概要図であ
る。

【図６】本発明の粗混合ガスの供給を特開平１１−３３
３８２号公報に開示された通過面積可変型混合装置で行
う場合のガス混合制御装置を示す概要図である。

【図７】本発明の３成分ガスの混合制御を一定周期で行
う場合の遮断弁の開閉状態を示すタイムチャートであ
る。

【図８】本発明の合成空気の混合制御をＰＩＤ制御で行
う場合の遮断弁の開閉状態を示すタイムチャートであ
る。

【図９】本発明の効果確認試験に用いた装置の概要を示
し、同図(a) は本発明例の装置、同図(b) は比較例の装
置の概要図である。

【符号の説明】

１：制御装置２：バッファタンク３−１〜３−３：原料ガス配管３１−１〜３１−３：原料ガス配管４：混合ガス配管５：混合ガス供給配管６：圧力計７：分析計８、８−１〜８−３：遮断弁８１−１〜８１−３：遮断弁９：差圧調節弁１０：混合点１１、１１−１、１１−２：定圧弁１２：絞り１３−１、１３−２：流量調節弁１４：通過面積可変型混合装置１５−１〜１５−３：原料ガス温度計１６；バッファタンク温度計１７−１〜１７−３：流量調節弁

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年６月２１日（２０００．６．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】ガス混合装置およびその制御方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【従来の技術】医療分野では近年問題化している院内感
染を防止するため、手術室、処置室などの空気をきわめ
て清浄度の高い空気にする必要がある。この場合、単に
外気を除塵装置、フィルタなどで清浄化するだけでは不
純物ガス（ＳＯ_X やＮＯ_X ）が混入して清浄度が不充分
とされるため、液体酸素、液体窒素を大気と同組成とな
るように混合して合成空気とし、手術室等に供給する。

【０００６】

【０００８】

【００３７】

【００４３】ここで、ガス発生装置のプロセスの変数ま
たは定数を、バッファタンク容量：Ｖ_T、バッファタンク圧力目標値：Ｐ_Ts、バッファタンク圧力下限値：Ｐ_TL、バッファタンク圧力現在値：Ｐ_T、バッファタンク圧力測定値：Ｐ_Tm、バッファタンクガス温度：θ_T（Ｋ）、バッファタンク内各ガスの組成目標値（モル濃度）：Ｃ
_1s、Ｃ_2s、Ｃ_3s、バッファタンク内各ガスの組成実測値（モル濃度）：Ｃ
_1m、Ｃ_2m、Ｃ_3m、原料ガス供給圧力：Ｐ_1s、Ｐ_2s、Ｐ_3s 原料ガス温度：θ₁、θ₂、θ₃、遮断弁の開時間：ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃、遮断弁の流量係数：Ｆ₁、Ｆ₂、Ｆ₃、Ｒ：ボルツマン定数、とする。通常、バッファタンク圧力目標値Ｐ_Tsは上限圧
力でもある。

【００４４】３種のガスの混合ガスでは、Ｃ_1s＋Ｃ_2s＋
Ｃ_3s＝１、Ｃ_1m＋Ｃ_2m＋Ｃ_3m＝１の関係が成立つ。

【００４６】バッファタンク内の圧力が低下したとき、
制御装置１は制御動作を開始する。原料ガス供給後のバ
ッファタンク内のガス組成が目標値：Ｃ_1s、Ｃ_2s、Ｃ_3s
となり、ガス圧力が目標値Ｐ_Tsとなるようにするという
関係から、下記(1) 〜(3) の連立方程式を解くことによ
って供給すべき原料ガスのモル量Ｍ₁ 、Ｍ₂ 、Ｍ₃ を求
めることができる。

【００４７】

【００４８】Ｍ₁＝Ｆ₁Ｐ_1sｔ₁√（ΔＰ₁） (4) Ｍ₂＝Ｆ₂Ｐ_2sｔ₂√（ΔＰ₂） (5) Ｍ₃＝Ｆ₃Ｐ_3sｔ₃√（ΔＰ₃） (6) あるいは、原料ガスの圧力と遮断弁前後の差圧とが超音
速条件等の非線形となるとき、Ｍ₁〜Ｍ₃ は、原料ガス
圧力Ｐ_1s、Ｐ_2s、Ｐ_3sおよび遮断弁前後の差圧ΔＰの関
数ｆ｛Ｐ，ΔＰ｝として、(7) 〜(9) 式のように表すこ
とができる。

【００４９】Ｍ₁＝Ｆ₁ｔ₁・ｆ{Ｐ_1s，(ΔＰ₁)} (7) Ｍ₂＝Ｆ₂ｔ₂・ｆ{Ｐ_2s，(ΔＰ₂)} (8) Ｍ₃＝Ｆ₃ｔ₃・ｆ{Ｐ_3s，(ΔＰ₃)} (9) (4) 〜(6) 式または(7) 〜(9) 式のいずれにせよ、遮断
弁を通過する原料ガスのモル量は遮断弁の形式、原料ガ
スの種類、原料ガス供給圧力、遮断弁前後の差圧および
遮断弁の開時間によって決る。

【００５０】原料ガス供給中に遮断弁後の圧力（絞り等
がなければバッファタンク圧力Ｐ_Tに相当）は順次上昇
し、遮断弁前後の差圧は順次減少するが、原料ガス供給
圧力Ｐ_1s、Ｐ_2s、Ｐ_3sがほぼ一定で、バッファタンク圧
力Ｐ_T に比べて十分に高ければ(4) 〜(6) 式の差圧ΔＰ
_i や｛Ｐ_is√（ΔＰ_i ）｝、または(7) 〜(9) 式の関数
ｆ{ } 内はほぼ一定とみなすことができるので、ｔ₁ 、
ｔ₂ 、ｔ₃ を求めることができる。

【００５７】原料ガスの温度θ₁ 〜θ₃ が著しく変動す
る場合は、これらを実測し、(1) 〜(3) 式にしたがっ
て、演算するのが望ましい。

【００５８】同様にバッファタンクガス温度θ_Tが著し
く変動する場合も、これらを実測し、(1) 〜(3) 式にし
たがって、演算するのが望ましい。

【００５９】遮断弁の流量係数Ｆ₁ 〜Ｆ₃ はメーカのカ
タログ値を参照するか、オフラインで他の流量測定手段
を用いて校正する等の方法で求めることができる。

【００６０】(1) 〜(3) 式によってＭ₁ 〜Ｍ₃ を求めた
場合、いずれかの値が負になることがある。これはバッ
ファタンク内に特定のガス成分が過剰に存在する場合に
相当する。このような場合は、当該原料ガスの供給を遮
断したまま、他の原料ガスを供給しつづけ、所定の目標
組成に近づけるようにしなければならない。しかし、通
常混合制御が適正に行われている場合はこのような現象
が発生することはない。

【００６１】３．第１制御方法図３は、本発明において、求められたｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃
にしたがって遮断弁の開閉時間を制御する場合のタイム
チャートである。

【００６２】同図は、ｔ₁ ＞ｔ₂ ＞ｔ₃ の例を示してお
り、ｔ₁ が開状態から閉状態になったときに１サイクル
の制御が終了する。この方法による制御では、制御終了
時点でバッファタンク圧力は必ずしも目標値Ｐ_Tsには一
致しない。この理由は、遮断弁の開時間の計算は１回の
み行い、計算誤差や遮断弁前後の差圧が漸次変化するに
もかかわらず、一定であるものとして計算し、バッファ
タンク圧力を確認しながら制御していないことに起因す
る。遮断弁前後の差圧一定化の対策を行う場合、バッフ
ァタンクの容量が十分大きい場合、あるいはバッファタ
ンク圧力目標値Ｐ_Tsと下限値Ｐ_TLとの差があまり大きく
ない場合には、制御終了後のバッファタンク圧力Ｐ_T と
目標値Ｐ_Tsとの誤差を小さくできる。しかし、バッファ
タンク下流の使用先には減圧弁を介して供給するため、
制御終了後のバッファタンク圧力が目標値に一致しなく
ても問題はない。

【００６３】遮断弁開閉の応答速度が遅い場合、弁の開
時間とガスの流量との対応精度が低下することが考えら
れる。このような場合は、遮断弁の応答速度に応じて制
御装置から開閉指令を与えるときに補正をすればよい。
あるいは、求められた開時間ｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ がきわめ
て短時間（例えば０．５秒以下）の場合、遮断弁開の指
令を抑制するなどの措置をとることとしてもよい。以上
述べた制御方法を第１制御方法という。

【００６７】原料ガス配管３−１〜３−３から３種のガ
スＡ、Ｂ、Ｃが供給されるものとする。それぞれの原料
ガスの成分１〜３のモル濃度は、原料ガスＡ：Ｃ_a1、Ｃ_a2、Ｃ_a3、原料ガスＢ：Ｃ_b1、Ｃ_b2、Ｃ_b3、原料ガスＣ；Ｃ_c1、Ｃ_c2、Ｃ_c3 であるとする。ただし、Ｃ_a1＋Ｃ_a2＋Ｃ_a3＝１ (10) Ｃ_b1＋Ｃ_b2＋Ｃ_b3＝１ (11) Ｃ_c1＋Ｃ_c2＋Ｃ_c3＝１ (12) である。ガスの場合、モル濃度は体積比率の濃度でもあ
る。

【００６８】原料ガスＡ〜Ｃの供給すべきモル量をＭ
_a 、Ｍ_b 、Ｍ_c とすると、下記(13)式の連立方程式が成
り立つ。

【００６９】〔 M_a,M_b,M_c 〕〔Ｃ_ij〕＝〔 M₁,M₂,M₃ 〕 (13) ただし、

【００７０】

【数２】である。

【００７１】Ｍ₁ 、Ｍ₂ 、Ｍ₃ は(1) 〜(3) 式によって
求めることができ、Ｍ_a 、Ｍ_b 、Ｍ _c は、(13)式の連立
方程式を解くことにより、〔 M_a,M_b,M_c 〕＝〔 M₁,M₂,M₃ 〕〔Ｃ_ij〕^-1 (15) として求めることができる。

【００７２】Ｍ_a 、Ｍ_b 、Ｍ_c が求められると、(4) 〜
(6) 式と同様に、下記の(16)〜(18)式によりｔ₁ 、ｔ
₂ 、ｔ₃ を求めることができる。

【００７３】Ｍ_a＝Ｆ_aＰ_asｔ₁√（ΔＰ_a） (16) Ｍ_b＝Ｆ_bＰ_bsｔ₂√（ΔＰ_b） (17) Ｍ_c＝Ｆ_cＰ_csｔ₃√（ΔＰ_c） (18) あるいは、遮断弁前後のガス圧力が超音速条件等の非線
型の場合、(7) 〜(9)式と同様にすれば、下記の(19)〜
(21)によりｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ を求めることができる。

【００７４】Ｍ_a＝Ｆ_aｔ₁・ｆ{Ｐ_as，(ΔＰ_a)} (19) Ｍ_b＝Ｆ_bｔ₂・ｆ{Ｐ_bs，(ΔＰ_b)} (20) Ｍ_c＝Ｆ_cｔ₃・ｆ{Ｐ_cs，(ΔＰ_c)} (21) ただし、Ｆ_a 、Ｆ_b 、Ｆ_c は遮断弁８−１〜８−３の原
料ガスＡ〜Ｃに対する流量係数、Ｐ_as、Ｐ_bs、Ｐ_csは原
料ガスＡ〜Ｃの供給圧力である。

【００７５】混合ガスに対する遮断弁の流量係数Ｆ_a 、
Ｆ_b 、Ｆ_c は、必ずしも純ガスの流量係数の線形加算則
は成立たないことがあるので、熱力学に準拠した補正計
算または実験により求めるのが望ましい。

【００８０】図５の場合、ガス成分として２種、原料ガ
スを供給する制御系統が３系統あるから、(13)および(1
4)式で表される連立方程式の解Ｍ_a 、Ｍ_b 、Ｍ_c は不定
解となる（解が無数に存在する）。

【００８２】まず、(1) および(2) 式のみを連立させ、
Ｍ₃ ＝０としてＭ₁ 、Ｍ₂ を求める。ここで、Ｍ₁ 、Ｍ
₂ はそれぞれバッファタンクを所定のガス組成で充圧す
るのに必要な酸素、窒素のモル量である。

【００８３】次いで、純酸素、純窒素、粗混合ガスの供
給量Ｍ_a 、Ｍ_b 、Ｍ_c を、Ｍ_a ＝０．１Ｍ₁ 、Ｍ_b ＝０．１Ｍ₂ 、Ｍ_c ＝０．９（Ｍ₁ ＋Ｍ₂ ）として求める。上記式の０．９または０．１の係数は、
粗混合ガス系統の遮断弁と純ガス系統の遮断弁を開とし
たときの実測流量比率からおおよその値を決めてもよい
し、各原料ガス系統に適当な絞り弁を設け、上記の数値
になるように絞り弁開度を調整してもよい。Ｍ_a 、Ｍ
_b 、Ｍ_c が求まれば、遮断弁８１−１〜８１−３の開時
間を求める方法は先に述べたとおりである。

【００８８】前述の(1) 〜(3) 式において、Ｐ_Tsは充圧
後のバッファタンク圧力の目標値であるが、一定周期で
混合制御を行う場合、ΔＴ秒後のバッファタンク圧力に
相当する。１サイクルの時間がバッファタンク容量と混
合ガス流用で定まる時定数より十分小さければ、バッフ
ァタンク圧力は１サイクルの前後でほとんど同じとみな
すことができ、下記(22)〜(24)のように表すことができ
る。

【００８９】

【数３】 (22)〜(24)式および式(4) 〜(6) または(7) 〜(9) から
Ｍ₁ 、Ｍ₂ 、Ｍ₃ が求められ、ｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ を求め
ることができる。原料ガスが複数成分の混合ガスの場合
にも前述した計算に準じてｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ を求めるこ
とができる。このとき求められたｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ は負
になることもある。その場合は当該遮断弁は全閉（ｔ_i
＝０）とする。ｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ の内、最長の開時間は
通常一定周期ΔＴより長い。従って、実際の遮断弁開時
間ｔ_1r、ｔ_2r、ｔ_3rは、最長の遮断弁開時間（例えばｔ
₁ ≧ｔ₂ ≧ｔ₃ の場合、ｔ₁ ）を基準に、ｔ_1r＝ΔＴ、ｔ_2r＝ΔＴ・ｔ₂／ｔ₁ 、ｔ_3r＝ΔＴ・ｔ₃／ｔ₁、として遮断弁の開時間を求める。

【００９０】図７は本発明の３成分ガスの混合制御を一
定周期で行う場合の遮断弁の開閉状態を示すタイムチャ
ートである。同図において、バッファタンク圧力が目標
値Ｐ _Tsに達したとき制御が終了する。遮断弁８−１（図
５参照）は１サイクルごとに、ごく短時間閉となってい
るが、これは制御装置が分析計、圧力計のデータ読み込
みおよび計算に要する時間に相当する。遮断弁の開閉回
数をできるだけ少なくするために、１サイクルが終了す
る前にデータ先読み込みと計算を行い、次のサイクルで
再び開となる遮断弁はサイクル終了時に閉としないよう
にするのがよい。これによって遮断弁の開閉回数を減ら
すことができる。

【００９１】この制御方法の特徴は、制御装置が一定周
期ごとにバッファタンク圧力Ｐ_Tm、バッファタンクのガ
ス組成Ｃ_1m、Ｃ_2m、Ｃ_3mを測定し、一連の計算を行うこ
とであり、フィードフォワード＋フィードバック型制御
の制御である。制御周期ΔＴを大きくする方が遮断弁の
寿命の面では有利であるが、過渡状態の制御精度は低下
する。通常、制御周期ΔＴは、バッファタンク容量、原
料ガスの供給可能流量、使用流量などから決る時定数に
対して、その０．０５〜０．８倍程度とするのがよい。
後述する実施例の規模のガス混合装置では、ΔＴは１０
〜１５０秒程度である。以上に述べたフィードフォワー
ド＋フィードバック型制御方法を第２制御方法という。

【００９２】第２制御方法では、制御が終了したときバ
ッファタンク圧力は目標値Ｐ_Tsに到達する。図７の例
は、バッファタンク圧力が目標値を超えても、一定周期
の制御を完了してから制御終了するものとしており、バ
ッファタンク圧力は多少目標値を超えている。しかし、
制御周期が短い場合には、バッファタンク圧力が目標値
に到達したときに原料ガス供給を中止するようにしても
よい。第２制御方法に用いる圧力計６（図１参照）は連
続的に読み込み可能なもの（アナログ型）でなければな
らない。

【００９４】まず、(22)、(23)式のＭ₃ を０としてＭ
₁ 、Ｍ₂ を求める。次いで、先と同様に、Ｍ_a ＝０．１Ｍ₁ 、Ｍ_b ＝０．１Ｍ₂ 、Ｍ_c ＝０．９（Ｍ₁ ＋Ｍ₂ ）として、Ｍ_a 、Ｍ_b 、Ｍ_c を求め、(16)〜(18)式または
(19)〜(21)式からｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ を求める。上記式の
０．９または０．１等の係数の定め方は前記のとおりで
ある。

【００９５】次に、ｔ₁ 、ｔ₂ の内、大きい方（仮にｔ
₁ とする）に対して、ｔ_1r＝ΔＴ、ｔ_2r＝ΔＴ・ｔ₂／ｔ₁ 、ｔ_3r＝ΔＴとして、遮断弁８１−１〜８１−３の開閉制御を行う。
ｔ_1r、ｔ_2rの内、負になるものがあれば遮断弁は閉とす
る。すなわち、粗混合ガスは常時開であり、酸素不足の
場合（ｔ₁ ＞ｔ₂に相当）は酸素の遮断弁８１−１が常
時開、窒素の遮断弁８１−２がわずかな時間開または全
閉となる。

【００９９】この制御方法は、バッファタンク圧力が下
限値Ｐ_TL以下になったときから制御を開始し、目標値Ｐ
_Tsに至ったときに終了する。制御は一定周期ΔＴを１サ
イクルとした制御である。

【０１００】バッファタンクの各ガス成分１〜３につい
て、濃度の偏差ｅ₁ 〜ｅ₃ を、ｅ₁＝Ｃ_1m−Ｃ_1s (25) ｅ₂＝Ｃ_2m−Ｃ_2s (26) ｅ₃＝Ｃ_3m−Ｃ_3s (27) として表す。

【０１０１】これらの偏差に対して、通常の流量調節弁
を用いた制御系では、時刻ｔ（ｉ番目の制御サイクルの
時刻：ｔ＝ｉ×ΔＴ）における制御弁の開度出力ｙ₁
（ｔ）〜ｙ₂（ｔ）、すなわちｙ_1i〜ｙ_3iは、それぞれ
の原料ガス系統について、(28)〜(30)のように表すこと
ができる。

【０１０２】

【数４】ここで、ＰＢ₁ 〜ＰＢ₃ は比例帯（制御ゲインの逆
数）、ＴＩ₁ 〜ＴＩ₃ は積分時間である。また、Σｅ_1i
〜Σｅ_3iは偏差の積分項であり、制御開始：ｔ＝０から
ｉサイクル目の現時点：ｔ＝ｉ×ΔＴまでの偏差ｅ₁ 〜
ｅ₃ の和である。

【０１０３】また、(25)〜(27)式より、ｅ₁＋ｅ₂＋ｅ₃＝Ｃ_1m＋Ｃ_2m＋Ｃ_3m−Ｃ_1s−Ｃ_2s−Ｃ_3s
＝１−１＝０の関係および(28)〜(30)式から、ｙ_1i＋ｙ_2i＋ｙ_3i＝０
となるため、例えばｙ_3i＝−（ｙ_1i＋ｙ_2i）として求め
てもよい。

【０１０４】本発明においては、弁開度ｙ_1i、ｙ_2i、ｙ
_3iに相当するのは、制御周期ΔＴに対する遮断弁の開時
間であるから、各遮断弁の開時間ｔ_p1〜ｔ_p3は、ｔ_p1＝ｙ_1iΔＴｔ_p2＝ｙ_2iΔＴｔ_p3＝ｙ_3iΔＴとして求められる。ｙ_1i〜ｙ_3iの中には、負になる場合
または１．００（１００％）を超える場合がある。負の
場合は０、１．００を超える場合は１．００とする。

【０１０６】１０．原料ガスが混合ガスの場合の第３制
御方法の適用原料ガスの１種以上が混合ガスの場合は、混合原料ガス
系統Ａ〜Ｃに対して、(13)、(15)式に基づき、 [ｅ_a,ｅ_b,ｅ_c ][Ｃ_ij]＝[ｅ₁,ｅ₂,ｅ₃ ] (31) [ｅ_a,ｅ_b,ｅ_c ]＝[ ｅ₁,ｅ₂,ｅ₃ ][Ｃ_ij]^-1 (32) として、ｅ₁ 〜ｅ₃ をｅ_a 〜ｅ_c に変換し、さらに、ｅ
_a 〜ｅ_c に対して、

【０１０７】

【数５】の各式から原料ガス系統Ａ〜Ｃの遮断弁開度（開時間／
ΔＴ）を求め、さらに上記と同様の方法で遮断弁の開時
間ｔ_pa〜ｔ_pcを求めることができる。

【０１０９】その場合、制御式は(28)、(29)式のみを用
いるが、ｅ_1i＋ｅ_2i＝０の関係から、ｙ_1i＝−ｙ_2iとな
るため、独立した式は(28)、(29)のうち一つの式だけで
ある。また、酸素の遮断弁８１−１（図５参照）が開と
なる制御周期では、窒素の遮断弁８１−２は閉となる。

【０１１２】本発明のＰＩＤ制御において、バッファタ
ンク圧力が低下したとき制御を開始し、充圧が完了した
ときに制御を終了するが、制御オフの時間帯で(28)〜(3
0)式または(33)〜(35)式の積分項Σｅ_i が累積すると、
制御を再開したとき、弁開度ｙ_i の計算値が大きな値
（１００％超または−１００％未満）となって、積分項
が消滅するまで続くことがある。本発明の遮断弁の開閉
時間の制御ではいずれかの原料ガス供給系統が常時開ま
たは常時閉となる。これでは、制御開始時点の当該ガス
濃度の偏差の大小にかかわらず、原料ガスを一方的に供
給または供給停止することになり、制御の乱れをもたら
す。これを防止する方法として、通常のアナログ型の制
御と同様、アンチリセットワインドアップ機能、すなわ
ち、制御オフの状態では各原料ガス系統の積分項Σｅ_i
を０とする機能を持たせるのが望ましい。

【０１１３】

【０１１７】・原料ガスの混合比：３成分制御の場合：Ｏ₂ (21.5%)、Ｎ₂ (70.0%)、ＣＯ
₂ ( 8.5%) 合成空気制御の場合：Ｏ₂(21.5%)、Ｎ₂：(78.5%)、粗混
合空気（Ｏ₂ 約21.5%) ただし、各％は体積％を意味するが、気体であるためモ
ル％でもある（以下、同様）。

【０１１８】・原料ガス供給圧：各９００ｋＰａ・バッファタンク容量：２ｍ³ 、・バッファタンク使用圧力：下限５５０〜上限６５０ｋ
Ｐａ（無使用時のバッファタンクの充圧時間は約３０秒）・分析計赤外線分析計（ＣＯ₂ ）およびセラミック酸素計（Ｏ
₂ ）・混合ガス使用量（標準状態）最大５０ｍ³/hr、原料ガス供給率：８０ｍ³/hr ・制御弁仕様本発明例：電磁式遮断弁従来例：制御用定率ポート弁・原料ガス配管内径酸素用：１２mm、窒素用：２０mm、炭酸ガス用：９mm、粗混合空気用：２０mm、なお、図８(a) 、(b) とも原料ガス配管３−１は酸素、
３−２は窒素、３−３は３成分ガスの制御の場合は炭酸
ガス、合成空気制御の場合は粗混合空気の配管を示す。

【０１１９】（実施例１）本発明例による装置を用い第
１制御方法による制御、および比較例の装置を用いた連
続ＰＩ制御により、Ｏ₂ 、Ｎ₂ 、ＣＯ₂ の３成分制御の
試験を行った。

【０１２０】制御結果を表１に示す。

【０１２１】

【０１２３】（実施例２）次に、第１制御方法を用いた
本発明例の装置および連続ＰＩ制御を用いた比較例の装
置による合成空気の混合制御を試験した。本発明例にお
いては、粗混合空気（Ｏ₂ ：21.5％、Ｎ₂ ：78.5％）の
酸素濃度の変動を模擬するため、原料粗混合ガスにはフ
ィルタで清浄化した大気に１０秒間Ｏ₂ 混入、１０秒間
Ｎ₂ 混入、１０秒間無混入の繰返しでＯ₂ 濃度に±１％
の変動を与えた。また、本発明例においてはＯ₂ 、Ｎ
₂ 、粗混合空気の原料ガス配管に絞りを設け（図示省
略）、粗混合空気の流量が標準状態換算で７２％（原料
ガスの供給量の９０％）になるように調整した。

【０１２５】試験結果を表２に示す。

【０１２６】

【０１２８】

【０１３１】

【０１３３】

【０１３７】

【０１３８】

【図面の簡単な説明】

【符号の説明】１：制御装置２：バッファタンク３−１〜３−３：原料ガス配管３１−１〜３１−３：原料ガス配管４：混合ガス配管５：混合ガス供給配管６：圧力計７：分析計８、８−１〜８−３：遮断弁８１−１〜８１−３：遮断弁９：差圧調節弁１０：混合点１１、１１−１、１１−２：定圧弁１２：絞り１３−１、１３−２：流量調節弁１４：通過面積可変型混合装置１５−１〜１５−３：原料ガス温度計１６；バッファタンク温度計１７−１〜１７−３：流量調節弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村隆一和歌山県和歌山市湊1850番地共同酸素株式会社内Ｆターム(参考） 4G035 AB01 AB02 AB54 AC48 AE03 AE13 4G037 BA02 BC05 BD01 BD06 BD09 BE02 5H309 AA16 BB01 CC04 CC05 CC07 CC20 DD01 DD04 DD08 DD16 EE04 FF03 GG01 GG06 HH01 HH02 HH18 JJ02 JJ08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の原料ガス系統の各々に設けられた遮
断弁と、各遮断弁を通過後の混合ガスを蓄圧するバッフ
ァタンクと、バッファタンクの圧力を検出する圧力検出
手段と、バッファタンク内の各ガスの組成を測定する分
析計と、各遮断弁の開閉を制御する制御装置とを有する
ガス混合装置であって、前記制御装置は、バッファタン
ク圧力を検出してあらかじめ設定された下限圧力以下と
なってから、バッファタンクの各ガス成分の濃度の分析
値と目標値との差をなくすように遮断弁の開閉時間を調
整する機能を有するものであることを特徴とするガス混
合装置。
【請求項２】原料ガス温度計および／またはバッファタ
ンクガス温度計を有する請求項１に記載のガス混合装
置。
【請求項３】遮断弁の前後の差圧を一定化する手段を有
する請求項１〜２のいずれかに記載のガス混合装置。
【請求項４】遮断弁の前後の差圧を測定する手段を有す
る請求項１〜２のいずれかに記載のガス混合装置。
【請求項５】原料ガス系統の内、少なくとも１つが混合
原料ガス系統であることを特徴とする請求項１〜４のい
ずれかに記載のガス混合装置。
【請求項６】原料ガス系統が複数種の純ガス系統および
前記複数種の純ガスを目標混合比に混合した１系統の粗
混合原料ガス系統からなることを特徴とする請求項５に
記載のガス混合装置。
【請求項７】粗混合原料ガス系統に通過面積可変型混合
装置を有することを特徴とする請求項６に記載のガス混
合装置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の装置を用
い、以下の(S1)〜(S3)の制御を行うことを特徴とするガ
ス混合装置の制御方法。 (S1)下限圧力となったとき、制御を開始する、 (S2)バッファタンク容量、遮断弁の流量係数、原料ガス
組成、バッファタンクのガス組成の分析値、バッファタ
ンクの下限圧力、バッファタンクの目標圧力、遮断弁前
後の差圧、原料ガス温度、およびバッファタンクガス温
度に基づいて遮断弁の開時間を演算する、 (S3)前記演算した開時間で各遮断弁を制御する。
【請求項９】演算した遮断弁の開時間を複数回に分割し
て各遮断弁を制御することを特徴とする請求項８に記載
のガス混合装置の制御方法。
【請求項１０】請求項１〜７のいずれかに記載の装置を
用い、一定周期ごとに以下の(S1)〜(S4)の制御を行うこ
とを特徴とするガス混合装置の制御方法。 (S1)下限圧力となったとき、制御を開始する、 (S2)バッファタンク容量、遮断弁の流量係数、原料ガス
組成、一定周期ごとのバッファタンクガス組成の分析
値、バッファタンク圧力の実測値、遮断弁前後の差圧、
原料ガス温度、およびバッファタンクガス温度に基づい
て遮断弁の開時間を演算する、 (S3)前記演算した開時間で一定周期ごとに各遮断弁を制
御する、 (S4)バッファタンク圧力が目標圧力になったとき制御を
終了する。
【請求項１１】請求項１〜７のいずれかに記載の装置を
用い、一定周期ごとに以下の(S1)〜(S4)の制御を行うこ
とを特徴とするガス混合装置の制御方法。 (S1)下限圧力となったとき制御を開始する、 (S2)一定周期ごとのガス組成の分析値と目標値の差から
バッファタンクのガス組成の偏差を求め、各原料ガス系
統の遮断弁の開時間を比例積分制御演算によって求め
る、 (S3)一定周期ごとに前記演算した開時間で各遮断弁を制
御する、 (S4)バッファタンク圧力が目標圧力になったとき制御を
終了する。