JP2010209822A - 微小流量液体ポンプ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑えると共に微小流量の制御を高い精度で行うことができる微小流量液体ポンプ制御装置を提供する。
【解決手段】液面調整器３内における液体の量を測定することによって、液体の減少量やその減少量の平均値などの測定値を得る。微小流量範囲においては送液流量自体が微量であるため直接測定することは困難であるが、ある程度時間が経過すれば合計の送液量は測定可能な程度の量となる。従って、測定値と指令値に基づく演算値とを比較することによって、実際の送液流量と演算上の送液流量との間のずれを把握する。また、両値にずれがあった場合は指令値を補正することによって、流量制御の精度を向上させる。また、ポンプ２の液体を貯留する液面調整器３が高価なポンプや流量測定値に比して非常に安価であり、システム全体のコストが上がってしまうことを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプの制御を行う微小流量液体ポンプ制御装置に関する。

近年、省資源及び地球温暖化抑制の観点から世界的に化石燃料の使用を減らすことが求められており、そのひとつの解決策として燃料電池が開発されている。また、燃料電池の特色を生かすため、その普及は家庭設置型の小型のものが主流となっている。ここで、中大型の燃料電池システムに比べて発電量の小さな燃料電池システムにおいては、燃料や水の時間当たりの送液量が非常に小さくなっている。また、使用する部品の部品単体コストの全体システムのコストに及ぼす影響も小型燃料電池の場合には非常に大きく、高精度であっても高コストな部品はその普及過程においては使用することができず、安価で高精度な送液ポンプの開発が求められていた。そして、従来のポンプとしては、ダイヤフラム型やハイセラ型ポンプや電磁駆動式ポンプを燃料電池システムに適用したものが知られていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１８９５３号公報

しかしながら、ダイヤフラム型、ハイセラ型、電磁ポンプなどのポンプは、いずれも経年劣化などによる流量の変化が懸念されていた。従って、流量精度を向上させるべく流量測定器を接続し、測定した流量により制御を行うこともなされていたが、流量が比較的大きな領域では、オーバル式、ピストン式などの流量測定器を用いることができるが、流量測定器は一般的に高価であり、実用装置のコストを削減する上では大きな問題があった。また、これらの流量測定器では微小流量を測定することが困難なため燃料電池システムに適用するための十分な精度が得られないという問題があった。更に、試験室的に微小流量を送液するためには化学分析機器などで使用されるダブルプランジャ型ポンプ（高速液体クロマトグラムなどで使用）が使用されているが、非常に高価であり燃料電池システムに適用した場合にコストが高くなってしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、コストを抑えると共に微小流量の制御を高い精度で行うことができる微小流量液体ポンプ制御装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る微小流量液体ポンプ制御装置は、目標とする送液流量を指令値としてポンプに出力することによって、ポンプの送液流量を制御する微小流量液体ポンプ制御装置であって、ポンプで送液される液体を貯留する貯留部内の液体の量を測定することによって得られる測定値と、指令値に基づいて演算を行うことによって得られる演算値とを比較することによって、指令値を補正することを特徴とする。

この微小流量液体ポンプ制御装置では、送液される液体を貯留する貯留部内における液体の量を測定することによって、例えば液体の減少量やその減少量の平均値などの測定値を得ることができる。微小流量範囲においては送液流量自体が微量であるため直接測定することは困難であるが、ある程度時間が経過すれば合計の送液量は測定可能な程度の量となる。従って、貯留部の液体を測定することにより得られた測定値と指令値に基づく演算値とを比較することによって、実際の送液流量と演算上の送液流量との間のずれを把握することができる。また、両値にずれがあった場合は指令値を補正することによって、流量制御の精度を向上させることができる。また、ポンプの液体を貯留する貯留部は高価なポンプや流量測定器に比して非常に安価であり、システム全体のコストが上がってしまうことを防止することができる。以上によって、コストを抑えると共に微小流量の制御を高い精度で行うことができる。

また、本発明に係る微小流量液体ポンプ制御装置では、送液流量が１ｇ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、このような微小な範囲の流量を制御した場合に、他の制御装置よりも特に高い精度で流量制御をすることができる。

また、本発明に係る微小流量液体ポンプ制御装置では、電気式液面計で貯留部内の液面を検知することによって、測定値を得ることが好ましい。電気式液面計で液面を検知することによって、高い精度で測定を行うことができ、これによって、流量制御の精度を向上させることができる。

また、本発明に係る微小流量液体ポンプ制御装置では、測定値は貯留部からの液体の減少量であると共に、演算値はポンプで送液される液体の目標送液量であり、指令値を時間積分することによって目標送液量を演算することが好ましく、また、測定値は貯留部からの液体の減少量の時間当たりの平均値であると共に、演算値はポンプで送液される液体の目標送液量の時間当たりの平均値であり、指令値の平均値を求めることによって目標送液量の時間当たりの平均値を演算することが好ましい。

本発明によれば、コストを抑えると共に微小流量の制御を高い精度で行うことができる。

本発明の実施形態に係る微小流量液体ポンプ制御装置を適用したポンプシステムの構成を示す図である。 本実施形態に係る微小流量液体ポンプ制御装置の制御処理を示すフローチャートである。 ポンプに対して出力する指令値の一例を示す線図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る微小流量液体ポンプ制御装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

まず、本発明の実施形態に係る微小流量液体ポンプ制御装置１の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る微小流量液体ポンプ制御装置１を適用したポンプシステム１００の構成を示す図である。図１に示すように、ポンプシステム１００は、微小流量液体ポンプ制御装置１、ポンプ２、液面調整器（貯留部）３を備えて構成されている。このポンプシステム１００は、入力された目標流量にあわせてポンプ２を制御することによって液面調整器３内の液体を所望の流量だけ送液する機能を有している。このポンプシステム１００では、例えばガソリンなどの揮発性の高い液体では使用できないが、水を含む様々な液体に適用することができる。ここで、このポンプシステム１００が最も適しているのは、液体炭素水素燃料や合成燃料などの化石燃料を用いる燃料電池システムであり、炭素含有量８０質量％以上、９０質量％以下の炭化水素燃料を使用することが望ましい。

このポンプシステム１００の送液の密度が変化する場合、容積流量は制御することができるが、密度の変化により重量流量での制御は困難であり、１５℃における密度が０．７ｇ／ｃｍ^３以上、０．９ｇ／ｃｍ^３以下の炭化水素燃料を使用することが望ましい。更に、送液の動粘度はあらゆる種類のポンプの送液性能に影響を与えることが知られており、ポンプシステム１００では、ポンプ２として電磁駆動式ポンプを適用した場合は、その特徴を踏まえ、送液の３０℃における動粘度が１．０ｍｍ^２／ｓ以上、５．０ｍｍ^２／ｓ以下の炭化水素系液体を使用することが望ましい。

燃料電池システムの燃料の送液では、ポンプ、配管部材からの硫黄分の溶出が問題になる場合があるが、本発明ではポンプ２の接液部の材質を適切に選定することにより、送液中の全硫黄化合物基準で１０質量ｐｐｍ以下の硫黄化合物を有する炭化水素系液体を使用することが可能である。

また、ポンプシステム１００では、適用流量範囲の上限値は特に限定されないが、使用流量範囲の流量値基準で±５％以内の流量精度を考慮すると、単一のポンプでは１０ｇ／ｍｉｎ、より好ましくは５ｇ／ｍｉｎとすることが好ましい。そして、適用流量範囲として微小流量範囲である１ｇ／ｍｉｎ以下の範囲では、従来のポンプシステムに比して特に優れた精度で流量を制御することができる。この場合、適用流量範囲の下限値は、０．２ｇ／ｍｉｎ、より好ましくは０．３ｇ／ｍｉｎとすることが好ましい。

ポンプ２は、微小流量液体ポンプ制御装置１からの制御信号を受信することによって、液面調整内の液体を送液する機能を有している。このポンプ２は、特にタイプは問わず、ダイヤフラム型ポンプやハイセラ型ポンプや電磁駆動式ポンプなど、種々のタイプのポンプを用いることができる。このポンプ２は、液面調整器３内の液体に浸漬された入口流路１１から液体を取り込むと共に出力流路１２から液体を供給することができる。

液面調整器３は、ポンプ２の上流側に配置されて当該ポンプ２で送液される液体を貯留する機能を有している。一般的に液面調整器は、ポンプの吸引圧力を安定化させるために組み込まれるものであり、フロートに機械的に連動されたバルブによって、低液面になった場合にバルブを開いて液体を充填し、一定液面になった再にフロートを上昇させて、連動したバルブを閉じることによって液体の充填を停止する機構を備えている。このような液面調整器は、従来流量の比較的大きな範囲のポンプシステムに用いられるものであり、微小流量のポンプシステムには用いられていなかった。しかしながら、本発明では、ポンプ２の吸引圧力安定化のみならず、実際の送液流量を測定することを目的とし、従来の液面調整器に新たに液面検知機構４を備えた液面調整器３を適用する。

具体的に、液面調整器３内には、液体の液面ＦＬの液面を検知するための液面検知機構４が設けられている。この液面検知機構４には電気式液面計が適用されており、例えば、液面ＦＬの上位液面位置ＬＴに設置されたフロートスイッチ１４と、液面ＦＬの下位液面位置ＬＤに設置されたフロートスイッチ１５によって構成されている。フロートスイッチ１４は、液面ＦＬが上位液面位置ＬＴに達したときに微小流量液体ポンプ制御装置１に電気信号を出力する機能を有し、フロートスイッチ１５は、液面ＦＬが下位液面位置ＬＤに達したときに微小流量液体ポンプ制御装置１に電気信号を出力する機能を有している。なお、電気式液面計は、フロートタイプのセンサを用いたものに限定されず、例えば、光学式のものを用いてよい。このように、電気式液面計で液面を検知することによって、高い精度で測定を行うことができ、これによって、流量制御の精度を向上させることができる。

なお、液面調整器３の底面側には、液面調整器３に液体を供給するためのフィードポンプ５が取り付けらており、フィードポンプ５と液面調整器３とフィードポンプ５との間には、バルブ７が設けられており、微小流量液体ポンプ制御装置１からの制御信号に従ってバルブ７を開閉することによって、液面調整器３内の液体量を調節する。具体的には、ポンプ２の運転によって液面ＦＬが低下して所定の下限位置に達したときにバルブ７を開けて液体を供給し、液面ＦＬが上昇して所定の上限位置に達したときにバルブ７を閉めて液体の供給を中止する。

微小流量液体ポンプ制御装置１は、目標とする送液流量を指令値としてポンプ２に制御信号を出力することによって、ポンプ２の送液流量を制御する機能を有しており、液面調整器３の液体の量を測定することによって得られる測定値と、指令値に基づいて演算を行うことによって得られる演算値とを比較することによって、指令値を補正する機能を有している。具体的には、微小流量液体ポンプ制御装置１は、外部装置からの信号や入力信号を受信することによって目標流量を設定するとともに、その目標流量を得るための指令値を設定する機能を有している。また、フロートスイッチ１４及びフロートスイッチ１５からの電気信号が出力された時刻を取得し、これらの時刻に基づいて、ポンプ２の送液によって液面調整器３内の液体の量が減少して液面ＦＬが上位液面位置ＬＴから下位液面位置ＬＤまで移動するまでに要する時間を演算する機能を有している。

微小流量液体ポンプ制御装置１は、比較する値として、液面調整器３からの液体の減少量を測定値として採用すると共に、ポンプ２で送液される液体の目標送液量を演算値として採用することができる。この場合は、指令値を時間積分することによって目標送液量を演算する。なお、指令値の時間積分を行う場合の時間として、液面ＦＬが上位液面位置ＬＴと下位液面位置ＬＤとの間を移動する時間を採用した場合、測定値としての液面調整器３からの液体の減少量は、上位液面位置ＬＴと下位液面位置ＬＤとの間の液体の量を測定した値（以下の説明においては、「規定量」と称する）となる。この規定量は、予め測定しておいてメモリなどに記憶しておき、演算時に適宜読み出すことによって取得してもよい。

また、微小流量液体ポンプ制御装置１は、比較する値として、液面調整器３からの液体の減少量の時間当たりの平均値（すなわち、平均流量）を測定値として採用すると共に、ポンプ２で送液される液体の目標送液量の時間当たりの平均値（すなわち、目標平均流量）を演算値として採用することができる。この場合は、指令値の平均値を求めることによって目標送液量の平均値を演算する。なお、指令値の平均値を求める場合の時間の区間として、液面ＦＬが上位液面位置ＬＴと下位液面位置ＬＤとの間を移動する時間を採用した場合、測定値としての平均流量は、上位液面位置ＬＴと下位液面位置ＬＤとの間の液体の量を測定した値である規定量を上位液面位置ＬＴから下位液面位置ＬＤとの間を移動する時間で割ったものとなり、式（１）で与えられる。なお、この規定量は、予め測定しておいてメモリなどに記憶しておき、演算時に適宜読み出すことによって取得してもよい。

［平均流量］＝［規定量］／［上位液面位置ＬＴから下位液面位置ＬＤとの間を移動する時間］ …式（１）

また、微小流量液体ポンプ制御装置１は、測定値と演算値を比較して、測定誤差が所定の閾値よりも大きい場合は、指令値を補正することによって、実際の送液流量を目標流量に近づけることができる機能を有している。具体的には、測定値と演算値を比較して得られた測定誤差が予め設定した閾値以上である場合は、新たに出力する指令値に式（２）で与えられる補正係数を乗ずることによって流量の補正を行う。

［補正係数］＝［目標送液量］／［規定量］…式（２）

次に、本発明の微小流量液体ポンプ制御装置１による制御処理について、図２を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る微小流量液体ポンプ制御装置１の制御処理を示すフローチャートである。この処理は、ポンプ２が運転している間、微小流量液体ポンプ制御装置１において所定のタイミングで実行される。以下においては、図２に示す処理の制御処理の一例として、図１に示すポンプシステム１００におけるポンプ２に対して図３に示すような指令値を出力し、液面ＦＬが上位液面位置ＬＴと下位液面位置ＬＤとを通過した後に指令値の妥当性を検討すると共に、必要な場合にその補正を行う場合における処理について説明する。なお、以下に示す制御処理は流量を制御する方法の一例に過ぎず、他の方法で設定してもよい。また、図３に示す指令値も一例にすぎず、所定の目標流量の範囲内で必要に応じてランダムに変動させて制御を行ってもよい。

図２に示すように、微小流量液体ポンプ制御装置１は、目標流量を得るための指令値を取得する（ステップＳ１００）。具体的には、図３に示すように、液面ＦＬが上位液面位置ＬＴを通過した時刻ｔ１と液面ＦＬが下位液面位置ＬＤを通過した時刻ｔ２との間における指令値データを取得する。なお、液面ＦＬが上位液面位置ＬＴを通過した時刻と液面ＦＬが下位液面位置ＬＤを通過した時刻との間における指令値データは、制御処理直前の一回分のデータのみを取得してもよい。あるいは、液面ＦＬが下位液面位置ＬＤを下回るたびにフィードポンプ５で新たに液体を供給することによって、上位液面位置ＬＴから下位液面位置ＬＤまでの液面ＦＬの移動を複数回繰り返した場合は、複数の指令値データを取得してもよい。

次に、Ｓ１００で取得した指令値を時間積分することによってポンプ２が時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に送液する目標送液量を算出する（ステップＳ１１０）。具体的には、Ｓ１００で取得した指令値を時刻ｔ１から時刻ｔ２で時間積分することによって演算する。なお、Ｓ１００で複数回の指令値データを取得した場合は、各指令値データの積分値をそれぞれ取得し、それらの積分値の平均値を目標送液量としてもよい。

次に、微小流量液体ポンプ制御装置１は、液面調整器３の上位液面位置ＬＴと下位液面位置ＬＤとの間の液体の量、すなわち規定量を取得する（ステップＳ１２０）。この規定量は、メモリから予め測定しておいた値を読み出すことによって取得することができる。規定量を取得した後、当該規定量とＳ１１０で演算した指定値の積分値、すなわち目標送液量とを比較することによって（ステップＳ１３０）、規定量に対する目標送液量の測定誤差を算出すると共に、当該測定誤差が予め設定した閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。予め設定する閾値は、例えば−５〜５％である。

Ｓ１４０において、測定誤差が閾値以上であると判定された場合は、指令値の補正が必要な場合であると判断して、新たな指令値を設定するために補正係数を演算する（ステップＳ１５０）。具体的には、式（２）によって補正係数を算出する。

Ｓ１５０で補正係数を算出すると、当該補正係数を指令値に乗ずることにより、補正された新たな指令値を設定する。そして、新たに設定した指令値を出力してポンプ２を制御することによって、精度を高めて流量制御を行う（ステップＳ１６０）。Ｓ１６０の処理が終了すると、図２の制御処理は終了し、再びＳ１００から処理をスタートする。

一方、Ｓ１４０の処理において、測定誤差が閾値よりも小さいと判定された場合は、指令値が実際の流量との誤差が少ない正確な制御がなされる場合であると判断して、新たな指令値を設定することなく引き続き現状の指令値を出力して制御を続行する（ステップＳ１６０）。Ｓ１６０の処理が終了すると、図２の制御処理は終了し、再びＳ１００から処理をスタートする。

以上によって、本発明の実施形態に係る微小流量液体ポンプ制御装置１によれば、送液される液体を貯留する液面調整器３内における液体の量を測定することによって、液体の減少量（図２の制御においては規定量）やその減少量の平均値などの測定値を得ることができる。微小流量範囲においては送液流量自体が微量であるため直接測定することは困難であるが、ある程度時間が経過すれば合計の送液量は測定可能な程度の量となる。従って、液面調整器３の液体を測定することにより得られた測定値と指令値に基づく演算値とを比較することによって、実際の送液流量と演算上の送液流量との間のずれを把握することができる。また、両値にずれがあった場合は指令値を補正することによって、流量制御の精度を向上させることができる。また、ポンプ２の液体を貯留する液面調整器３は高価なポンプや流量測定値に比して非常に安価であり、システム全体のコストが上がってしまうことを防止することができる。以上によって、コストを抑えると共に微小流量の制御を高い精度で行うことができる。

ここで、本発明に係る微小流量液体ポンプ制御装置１でポンプ２を制御した場合の実施例について説明する。本実施例では、図１に示す構成を有するポンプシステムを用いて、液面調整器３の液面ＦＬが上位液面位置ＬＴから下位液面位置ＬＤまで移動するまでの間の指令値の積分値を複数回求め、それぞれの積分値の平均値を目標送液量とし、規定量に対する測定誤差を演算すると共に、測定誤差が閾値を超えた場合に指令値の補正を行うこととする。

まず、実施例１について検討する。この実施例１のポンプシステムでは、未使用の新品のポンプ２が使用され、規定量が８２ｇに設定され、計測誤差の閾値が４％に設定される。また、目標流量を０．５〜２．８ｇ／ｍｉｎの間で必要に応じてランダムに変動させて指令値を出力した。このポンプシステムでは液面ＦＬの上位液面位置ＬＴから下位液面位置ＬＤまでの移動を５回繰り返し、それぞれの規定値データの積分値を算出し、その平均値を算出する。その結果を表１に示す。更に指令値の積分値の規定量（８２ｇ）に対する測定誤差を算出する。その結果を表２に示す。

表１に示されるように、指令値の積分値の平均値は８２．２ｇとなり、表２に示されるように、規定量との測定誤差は０．３％となった。これは閾値よりも小さい値であるため、指令値の補正を行う必要がなく、引き続き現状の制御を維持できる結果となった。

次に、実施例２について検討する。この実施例２のポンプシステムでは、ポンプ２として運転時間が２０００時間経過した後のポンプ（実施例１と同タイプのポンプ）を使用したこと以外は実施例１と同様なポンプシステムを利用し、規定量が８２ｇに設定され、計測誤差の閾値が４％に設定され、目標流量を０．５〜２．８ｇ／ｍｉｎの間で必要に応じてランダムに変動させて指令値を出力した。このポンプシステムでは液面ＦＬの上位液面位置ＬＴから下位液面位置ＬＤまでの移動を５回繰り返し、それぞれの規定値データの積分値を算出し、その平均値を算出する。その結果を表３に示す。更に指令値の積分値の平均値の規定量（８２ｇ）に対する測定誤差を算出する。その結果を表４に示す。

表３に示されるように、指令値の積分値の平均値は８６．９ｇとなり、表４に示されるように、規定量との測定誤差は５．７％となった。これは閾値以上の値であるため、指令値の補正を行う必要がある。次に、補正前の指令値の積分値の平均値８６．９ｇと規定量８２ｇを式（２）に代入することによって補正係数を算出し、指令値に乗ずることによって新たな指令値を設定し、再び５回の指令値データに基づいて積分値を求めた。その結果を表５に示す。更に、指令値の積分値の平均値の規定量（８２ｇ）に対する測定誤差を算出する。その結果を表６に示す。

表５に示されるように、指令値の積分値の平均値は８１．４ｇとなり、表６に示されるように、規定量との測定誤差は−０．７％となった。このように、本発明に係る制御処理を行うことによって、測定誤差を５．７％から−０．７％に低減し、流量制御の精度を大幅に改善できることが理解される。

次に、比較例について説明する。一般的に燃料電池システムに用いられている流量測定器Ｂの保証精度及びその流量測定器Ｂよりも更に精度のよい流量測定器Ａの保証精度を表７に示す。

表７に示すように、精度の高い流量測定器Ａであっても底流量時の精度は±１０％ＲＤ（測定値の±１０％）しか保証されておらず、特に１ｇ／ｍｉｎ以下の微小流量については測定保障外とされている。更に、流量測定器Ａについて、測定保証外とされている流量範囲における精度を検証し、その結果を表８に示す。

表８から分かるように、０．５ｇ／ｍｉｎの底流量時では誤差が大幅に大きくなってしまうことが理解される。従って、このように誤差が大きくなってしまう流量測定器の測定結果を用いて微小流量範囲において流量制御を精度よく行うことができないことは明らかである。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、液面検知機構４は２つのフロートスイッチによって構成されていたが、更に数を増やしてもよい。数を増やすことによって更に精度のよい流量制御を行うことが可能となる。また、フロートスイッチタイプの電気式液面計に代えて連続式の液面計を使ってもよい。これによって、流量制御が行いやすくなる。

１…微小流量液体ポンプ制御装置、２…ポンプ、３…液面調整器（貯留部）、１４，１５…フロートスイッチ（電気式液面計）。

Claims (5)

1. 目標とする送液流量を指令値としてポンプに出力することによって、前記ポンプの送液流量を制御する微小流量液体ポンプ制御装置であって、
   前記ポンプで送液される液体を貯留する貯留部内の前記液体の量を測定することによって得られる測定値と、前記指令値に基づいて演算を行うことによって得られる演算値とを比較することによって、前記指令値を補正することを特徴とする微小流量液体ポンプ制御装置。
2. 前記送液流量が１ｇ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項１記載の微小流量液体ポンプ制御装置。
3. 電気式液面計で前記貯留部内の液面を検知することによって、前記測定値を得ることを特徴とする請求項１または２記載の微小流量液体ポンプ制御装置。
4. 前記測定値は前記貯留部からの前記液体の減少量であると共に、前記演算値は前記ポンプで送液される前記液体の目標送液量であり、
   前記指令値を時間積分することによって前記目標送液量を演算することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の微小流量液体ポンプ制御装置。
5. 前記測定値は前記貯留部からの前記液体の減少量の時間当たりの平均値であると共に、前記演算値は前記ポンプで送液される前記液体の目標送液量の時間当たりの平均値であり、
   前記指令値の平均値を求めることによって前記目標送液量の時間当たりの平均値を演算することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の微小流量液体ポンプ制御装置。

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