JP2019045274A - 流体混合装置及び試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体状態の流体に対して液体状態の流体を混合する際に、液体の供給を容易とする流体混合装置及び試験装置を提供する。【解決手段】気体状態の第１流体の気体流路中に供給口が配置され、供給口に対して液体状態の第２流体を圧送するシリンジポンプ４ａを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、流体混合装置及び試験装置に関するものである。

特定の化学成分を含有する気体を、該化学成分を除去する除去装置を通過させた後、化学成分残留量を計測することにより、該除去装置の除去性能を試験する試験装置がある。例えば、特許文献１には、除去装置に相当する触媒を充填することができる反応容器と、該反応容器の内部に反応ガスを供給する手段と、該反応ガスが前記複数の触媒に接触することにより生成される複数の各々の触媒に対応する生成ガスを個別に吸引することによって分取する分取装置と、前記生成ガスの吸引量を制御することが可能な吸引装置と、前記生成ガスの種類及び濃度に応じた信号を検出する分析器と、前記分取装置と前記分析器と前記吸引装置とが流路切換装置を介して連結されていることを特徴とする触媒性能評価装置が開示されている。

特開２００２−１６８７３８号公報

このような評価装置において、化学成分を含有する気体を作成するために、第１流体に対して液体状態の第２流体を混合させることが考えられる。このような場合、一般的にはバブリング法またはパーミエータ法が用いられる。しかしながら、バブリング法は、第２流体の濃度を安定させるまでに長時間を要する。また、パーミエータ法は、装置の設置コストが高く、設置することが容易ではない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、気体状態の流体に対して液体状態の流体を混合する際に、液体の供給を容易とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、流体混合装置に係る第１の手段として、気体状態の第１流体の流路中に供給口が配置され、上記供給口に対して液体状態の第２流体を圧送するシリンジポンプを備える、という手段を採用する。

本発明では、流体混合装置に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記シリンジポンプは、上記供給口を有する針状の細管と、上記細管が接続される筒体と、上記筒体に貯留された上記第２流体を上記細管に移動可能とするプッシャと、上記プッシャを移動させるアクチュエータとを備える、という手段を採用する。

本発明では、流体混合装置に係る第３の手段として、上記第２の手段において、上記細管の開口端は、上記流路の中心に配置される、という手段を採用する。

本発明では、流体混合装置に係る第４の手段として、上記第２または第３の手段において、上記細管は、開口端が、第１流体の流れ方向下流側に向かうに連れて、上記細管の根元側から離間するように第１流体の流れ方向に対して傾斜している、という手段を採用する。

本発明では、流体混合装置に係る第５の手段として、上記第２〜４のいずれかの手段において、上記細管に接触して設けられると共に、上記流路と上記筒体との間に設けられる放熱板を備える、という手段を採用する。

本発明では、流体混合装置に係る第６の手段として、上記第１〜５のいずれかの手段において、上記供給口を含む領域を加熱するヒータを備える、という手段を採用する。

本発明では、試験装置に係る第１の手段として、第１流体と第２流体とが混合された検査流体を供給する請求項１〜６のいずれか一項に記載された流体混合装置と、上記流体混合装置から供給されて試験対象を通過した検査流体の成分を計測するクロマトグラフ装置とを備える、という手段を採用する。

本発明の流体混合装置によれば、シリンジポンプにより液体状態の第２流体を第１流体に吐出して、混合する。シリンジポンプは、入手が容易であり、かつ液体の流量調節が容易である。このため、第１流体に液体状態の第２流体を混合する際に、バブリング法を用いる場合よりも容易に短時間で濃度調整を行うことが可能である。また、本実施形態における流体混合装置は、パーミエータ装置を設ける必要がなく、容易に気体と液体とを混合させることができる。したがって、本発明は、気体状態の流体に対して液体状態の流体を混合する際に、液体の供給を容易とすることができる。

本発明の一実施形態における触媒性能試験装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における流体混合装置の詳細構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における流体混合装置の一部拡大図である。 本発明の一実施形態における触媒性能試験装置における測定結果の一例を示すグラフである。 本発明の一実施形態における流体混合装置の変形例を示す一部拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る微粉炭バーナの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１に示すように、本実施形態における触媒性能試験装置１（評価装置）は、気体供給部２と、気体加熱部３と、流体混合装置４と、ガスクロマトグラフ部５とを備えている。

気体供給部２は、窒素ガスを供給する窒素ガスボンベ２ａと、酸素ガスを供給する酸素ガスボンベ２ｂと、気体加熱部３へと流れる窒素ガスの流量を調節する窒素マスフロコントローラ２ｃと、気体加熱部３へと流れる酸素ガスの流量を調節する酸素マスフロコントローラ２ｄと、ガスクロマトグラフ部５へと流れるガスクロマトグラフ装置キャリアガス用マスフロコントローラ２ｅとを備えている。また、窒素ガスボンベ２ａ及び酸素ガスボンベ２ｂには、不図示の減圧弁が接続されており、窒素ガス及び酸素ガスが減圧された状態で窒素マスフロコントローラ２ｃ及び酸素マスフロコントローラ２ｄへと供給される。また、窒素ガスボンベ２ａの窒素ガスの一部は、ガスクロマトグラフ部５へと直接供給される。窒素ガスボンベ２ａと酸素ガスボンベ２ｂとは、窒素マスフロコントローラ２ｃ及び酸素マスフロコントローラ２ｄを介して、配管により接続されている。気体供給部２は、気体加熱部３へと酸素及び窒素のキャリアガス（第１流体）を供給すると共に、ガスクロマトグラフ部５へと窒素を供給している。

気体加熱部３は、管状の加熱炉であり、管部材と、管部材の外周に設けられたヒータとを備えている。また、気体加熱部３は、管部材と接続された不図示の配管により、流体混合装置４と接続されている。気体加熱部３は、気体供給部２から供給されたキャリアガスをヒータにより加熱する装置である。

流体混合装置４は、図１及び図２に示すように、シリンジポンプ４ａと、接続部材４ｂと、セプタム４ｃと、気体混合部４ｄと、放熱板４ｅとを備えている。シリンジポンプ４ａは、筒体４ａ１と、プランジャ４ａ２と、細管４ａ３と、アクチュエータ４ａ４とを備えている。筒体４ａ１は、有底円筒状とされ、底部に開口が形成されている。プランジャ４ａ２は、筒体４ａ１に一部が挿入されると共に、筒体４ａ１の軸方向に沿って移動可能とされる長尺状部材である。プランジャ４ａ２は、アクチュエータ４ａ４に接続されている。

細管４ａ３は、供給口Ｐを有し、中空の針状部材であり、筒体４ａ１の開口に接続されることにより、筒体４ａ１の内部と連通する。細管４ａ３は、供給口Ｐが形成されると共に筒体４ａ１と接続された根元と反対側の端部（開口端）が、根元側から徐々に離間するように傾斜している。そして、細管４ａ３は、接続部材４ｂの側面に接続されており、供給口Ｐが接続部材４ｂ内の気体流路Ｒの中心に配置される。また、細管４ａ３は、図３に示すように、接続部材４ｂ内の気体流路Ｒにおけるキャリアガスの流動方向下流側に向かうに連れて、根元側から徐々に離間するように、開口端が流動方向に対して傾斜した状態となるように配置される。アクチュエータ４ａ４は、プランジャ４ａ２を筒体４ａ１の軸方向において移動させる駆動装置である。

このようなシリンジポンプ４ａは、アクチュエータ４ａ４によりプランジャ４ａ２が筒体４ａ１の底面に向けて押し込まれることにより、筒体４ａ１の内部に貯留された液体状態の有機化合物（第２流体）を、筒体４ａ１から細管４ａ３を介して圧送する装置である。

接続部材４ｂは、第１管部４ｂ１と、第１管部４ｂ１に直交するように第１管部４ｂ１の側周面に接続される第２管部４ｂ２とを有するＴ字状の管状部材である。接続部材４ｂは、第１管部４ｂ１の両端が気体配管に連通しており、内部に気体流路Ｒが形成されている。また、接続部材４ｂの第２管部４ｂ２には、細管４ａ３の開口端が挿し込まれ、セプタム４ｃにより封止されている。セプタム４ｃは、略円柱状とされ、第２管部４ｂ２を封止すると共に、中央において細管４ａ３が貫通している。

気体混合部４ｄは、接続部材４ｂよりも下流側に設けられた気体配管よりも流路径の大きい管状部材である。検査流体は、気体混合部４ｄを通過することにより流速が上がり、含有する有機化合物が完全に気化した状態となり、さらに、キャリアガスと有機化合物とが良く混合される。放熱板４ｅは、細管４ａ３に貫通されると共に、筒体４ａ１とセプタム４ｃとの間に設けられる板状の部材であり、キャリアガスの熱が筒体４ａ１に貯留される液体状態の有機化合物に伝わることを防いでいる。

ガスクロマトグラフ部５は、気体供給部２及び流体混合装置４と接続された六方バルブ５ａと、六方バルブ５ａに接続される検量管５ｂと、ガスクロマトグラフ装置５ｃとを備えている。六方バルブ５ａは、触媒Ｘを通過した検査流体と、窒素ガスボンベ２ａから供給される窒素ガスとをガスクロマトグラフ装置５ｃへと供給するバルブである。検量管５ｂは、六方バルブ５ａの対向する２つの接続部に両端が接続された管状部材である。検量管５ｂは、流体を内部に貯留することにより、六方バルブ５ａの内容量を拡大させる。

ガスクロマトグラフ装置５ｃは、恒温槽５ｃ１と、カラム５ｃ２と、検出器５ｃ３とを備えている。恒温槽５ｃ１は、不図示のヒータを有し、温度が一定に保持された箱体である。カラム５ｃ２は、細長な配管に充填剤が充填された部材であり、恒温槽５ｃ１に収容されている。サンプルガスは、カラム５ｃ２の充填剤の間を通過することにより、含有する物質ごとに分離される。検出器５ｃ３は、カラム５ｃ２の下流側に接続され、物質ごとに分離されたサンプルガスの各物質の濃度を検出する装置である。また、検出器５ｃ３から吐出されたサンプルガスは、排気として処理される。

このような触媒性能試験装置１は、キャリアガスに有機化合物を混合させて気化させた検査流体に、有機化合物を除去する効果を有する触媒Ｘ（試験対象物）を通過させ、ガスクロマトグラフ装置５ｃにより、検査流体中の有機化合物成分の残存量を計測する装置である。なお、触媒Ｘは、気体混合部４ｄと六方バルブ５ａとの間に設けられる。

このような本実施形態における触媒性能試験装置１の動作を、図１を参照して説明する。
まず、窒素ガスボンベ２ａ及び酸素ガスボンベ２ｂから供給された窒素ガス及び酸素ガスは、窒素マスフロコントローラ２ｃ及び酸素マスフロコントローラ２ｄを通過後に合流してキャリアガスとなり、気体加熱部３へと供給される。キャリアガスは、気体加熱部３を通過することにより、例えば１００℃〜２００℃程度に加熱され、流体混合装置４へと供給される。

流体混合装置４において、接続部材４ｂ内の気体流路Ｒを流れるキャリアガスは、気体流路Ｒの中心に配置される細管４ａ３から吐出される液滴状の有機化合物と接触する。流体混合装置４においては、アクチュエータ４ａ４が駆動してプランジャ４ａ２により筒体４ａ１内の有機化合物を押し込み、細管４ａ３へと有機化合物が押し出されることにより、細管４ａ３の先端に有機化合物の液滴が形成される。細管４ａ３の先端に形成された有機化合物の液滴は、気体流路Ｒを流れるキャリアガスと接触し、細管４ａ３から離れ、キャリアガスにより気体流路Ｒの下流方向へと押し流される。同時に、気体流路Ｒ中の有機化合物の液滴は、加熱されたキャリアガスと接触することにより徐々に気化し、気体混合部４ｄにおいて気体状態となり、さらにキャリアガスと十分に混合され、検査流体となる。

そして、検査流体は、触媒Ｘを通過し、六方バルブ５ａへと供給され、検量管５ｂを通過して排気される。次に、六方バルブ５ａが回転されることにより、窒素ガスボンベ２ａから供給される窒素が、検量管５ｂを通過して六方バルブ５ａを介してガスクロマトグラフ装置５ｃのカラム５ｃ２に供給される。検量管５ｂには、検査流体が残存しているため、窒素ガスにより押し出された検査流体が、カラム５ｃ２へと供給される。

また、窒素ガスボンベ２ａから供給される窒素ガスの一部がガスクロマトグラフ装置５ｃの恒温槽５ｃ１に供給され、恒温槽５ｃ１には、窒素ガスが充満した状態となる。さらに、不図示のヒータにより、恒温槽５ｃ１は、所定の温度に保持される。一方、カラム５ｃ２に供給された検査流体は、充填剤を通過することにより、徐々に成分ごとに分離された状態となり、カラム５ｃ２の下流に設けられた検出器５ｃ３を通過することで、成分ごとの濃度が計測される。そして、検出器５ｃ３を通過した検査流体は、排出される。

このような触媒性能試験装置１における触媒Ｘの評価試験を行うことにより、例えば、図４に示すような検出結果を得ることができる。縦軸はカラム５ｃ２出口における検査流体中の有機化合物のピーク面積を示し、横軸は時間を示している。有機化合物の触媒Ｘにおける吸着特性の違いにより、有機化合物ごとに検出にかかる時間が異なっている。このような検出結果を評価することで、触媒Ｘの特性や性能を評価することができる。

このような本実施形態における流体混合装置４によれば、シリンジポンプ４ａにより液体状態の有機化合物をキャリアガスに吐出し、混合する。シリンジポンプ４ａは、流量の調節が容易である。このため、キャリアガスに液体を混合する際に、バブリング法を用いる場合よりも容易に短時間で有機化合物の濃度を調節することが可能である。また、本実施形態における流体混合装置４は、パーミエータ装置を設ける必要がなく、比較的安価かつ容易に気体と液体とを混合させることができる。

また、本実施形態における流体混合装置４によれば、針状の細管４ａ３により有機化合物をキャリアガスに供給することができる。したがって、気体流路Ｒ中に有機化合物の液滴を供給することができ、効率的にキャリアガスと有機化合物とを接触させることができる。

さらに、本実施形態における流体混合装置４によれば、細管４ａ３の先端が気体流路Ｒの中心に配置されている。したがって、細管４ａ３から吐出される有機化合物の液滴は、より多くのキャリアガスと接触し、気化しやすくなる。

また、本実施形態における流体混合装置４によれば、細管４ａ３は、接続部材４ｂ内の気体流路Ｒにおけるキャリアガスの流動方向下流側に向かうに連れて、根元側から徐々に離間するように、開口端が流動方向に対して傾斜した状態となるように配置される。これにより、細管４ａ３の供給口Ｐの面積が広がると共に、キャリアガスの流れ方向に向かうように有機化合物の液滴が形成されるため、有機化合物がよりキャリアガスと接触し、気化しやすくなる。

また、本実施形態における流体混合装置４によれば、放熱板４ｅを設けることにより、筒体４ａ１に貯留された液体状態の有機化合物がキャリアガスの熱により気化することを防止している。これにより、シリンジポンプ４ａは、正確な液量で有機化合物をキャリアガスに供給することができる。

また、本実施形態における触媒性能試験装置１によれば、上述した流体混合装置４を備えている。このため、触媒性能試験装置１において、短時間かつ安定的に液体状態の有機化合物をキャリアガスに混合させ、さらに気化させることができる。したがって、触媒性能試験装置１は、容易に液体状態のサンプルをキャリアガスに混合させて試験を実施することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、シリンジポンプ４ａの細管４ａ３は、開口端が平滑とされているが、本発明はこれに限定されない。細管４ａ３の開口端は、図５に示すように、例えば、複数個所において規則的に突起が形成されることにより、山型と谷型とが繰り返された形状または波形であるものとしてもよい。この場合、上記実施形態における細管４ａ３の開口端形状と比較して、より細管４ａ３の開口端の表面積が増加するため、有機加工物の液滴も表面積が増加し、よりキャリアガスと接触しやすくなる。

また、接続部材４ｂの外周を帯状に形成されたリボンヒータで覆うことにより、気体流路Ｒを外側から加熱する構成とすることも可能である。気体流路Ｒを加熱することにより、キャリアガスの温度を上昇させ、接触した有機化合物を気化させやすくすることができる。

また、上記実施形態においては、シリンジポンプ４ａの細管４ａ３は、開口端が気体流路Ｒの流れ方向に対して斜めに形成されているものとしたが、本発明はこれに限定されない。シリンジポンプ４ａの細管４ａ３は、細管４ａ３の軸方向に対して開口端が平行となるように形成され、開口端が気体流路Ｒの流れ方向に平行となるように配置されるものとしてもよい。この場合、細管４ａ３の開口端における有機化合物が、キャリアガスにより筒体４ａ１に押し戻す方向にかかる力が小さくなる。
さらに、シリンジポンプ４ａの細管４ａ３は、細管４ａ３の軸方向に対して開口端が平行となるように形成され、さらに、上述の山型と谷型とが繰り返された形状または波形であるものとしてもよい。

１ 触媒性能試験装置
２ 気体供給部
２ａ 窒素ガスボンベ
２ｂ 酸素ガスボンベ
２ｃ 窒素マスフロコントローラ
２ｄ 酸素マスフロコントローラ
２ｅ ガスクロマトグラフ装置キャリアガス用マスフロコントローラ
３ 気体加熱部
４ 流体混合装置
４ａ シリンジポンプ
４ａ１ 筒体
４ａ２ プランジャ
４ａ３ 細管
４ａ４ アクチュエータ
４ｂ 接続部材
４ｂ１ 第１管部
４ｂ２ 第２管部
４ｃ セプタム
４ｄ 気体混合部
４ｅ 放熱板
５ ガスクロマトグラフ部
５ａ 六方バルブ
５ｂ 検量管
５ｃ ガスクロマトグラフ装置
５ｃ１ 恒温槽
５ｃ２ カラム
５ｃ３ 検出器

Claims (7)

1. 気体状態の第１流体の流路中に供給口が配置され、前記供給口に対して液体状態の第２流体を圧送するシリンジポンプを備えることを特徴とする流体混合装置。
2. 前記シリンジポンプは、
   前記供給口を有する針状の細管と、
   前記細管が接続される筒体と、
   前記筒体に貯留された前記第２流体を前記細管に移動可能とするプランジャと、
   前記プランジャを移動させるアクチュエータと
   を備えることを特徴とする請求項１記載の流体混合装置。
3. 前記細管の開口端は、前記流路の中心に配置されることを特徴とする請求項２記載の流体混合装置。
4. 前記細管は、開口端が、第１流体の流れ方向下流側に向かうに連れて、前記細管の根元側から離間するように第１流体の流れ方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項２または３に記載の流体混合装置。
5. 前記細管に接触して設けられると共に、前記流路と前記筒体との間に設けられる放熱板を備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の流体混合装置。
6. 前記供給口を含む領域を加熱するヒータを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体混合装置。
7. 第１流体と第２流体とが混合された検査流体を供給する請求項１〜６のいずれか一項に記載された流体混合装置と、前記流体混合装置から供給されて試験対象を通過した検査流体の成分を計測するガスクロマトグラフ装置とを備えることを特徴とする試験装置。

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