JP4514431B2 - 尿素水溶液製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、尿素水溶液を容易かつ小規模に製造する技術に関する。

排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する排気浄化装置において、ＮＯｘ還元触媒にてＮＯｘと触媒還元反応を起こさせる還元剤として、アンモニアが用いられている。アンモニアは、尿素水溶液を加水分解することによって得られる。この尿素水溶液は、純水と粉末状の尿素とを計量し攪拌して製造している。
一方、特開平９−２８３１３５号公報（特許文献１）には、攪拌容器内に２種類の材料を連続的に供給し、攪拌容器内に設けた攪拌機により材料を攪拌して、連続的に混合物を製造する装置が開示されている。
特開平９−２８３１３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような装置で尿素水溶液を製造すると、尿素水溶液を所望の容量のみ製造することができず、必要以上に尿素水溶液を製造してしまう恐れがある。また、特許文献１に記載されているような装置では、サービスステーション等に設置して小規模に製造することは困難である。
そこで、本発明は、以上のような従来の問題点に鑑み、尿素と純水とを自動計量しつつ攪拌容器に供給して攪拌し、所望の濃度かつ容量の尿素水溶液を容易かつ小規模に製造する尿素水溶液製造装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、攪拌容器と、上水道水から純水を製造し、前記攪拌容器に供給する純水供給装置と、尿素を前記攪拌容器に供給する尿素供給装置と、前記攪拌容器に供給された純水及び尿素を攪拌し尿素水溶液にする攪拌機と、尿素水溶液の濃度及び容量を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された濃度及び容量に対応した純水及び尿素を前記攪拌容器に供給するように、前記純水供給装置及び尿素供給装置を作動制御する供給制御手段と、前記供給制御手段により前記攪拌容器に純水及び尿素を供給させた後に、前記攪拌機を所定時間作動させる攪拌機制御手段と、前記攪拌容器内の純水及び尿素の合計重量を検出する重量センサと、前記設定手段により設定された濃度及び容量から、尿素水溶液の重量を演算する重量演算手段と、前記供給制御手段により前記攪拌容器に純水及び尿素を供給させてから、前記攪拌機制御手段により前記攪拌機を作動させるまでの間に、前記重量センサにより検出された純水及び尿素の合計重量が、前記重量演算手段により演算された尿素水溶液の重量以上になるまで、前記純水供給装置及び尿素供給装置を作動制御して前記攪拌容器に純水及び尿素を補充させる容量補正制御手段と、前記攪拌容器、純水供給装置、尿素供給装置、攪拌機、設定手段、供給制御手段、攪拌機制御手段、重量演算手段、容量補正制御手段及び重量センサを搭載する移動可能なフレームと、を含んで尿素水溶液製造装置が構成されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、前記攪拌容器内の尿素水溶液の濃度を検出する濃度センサと、前記純水供給装置又は尿素供給装置を作動制御して前記攪拌容器に純水又は尿素を補充させるとともに前記攪拌機を所定時間作動させる制御を、前記濃度センサにより検出された尿素水溶液の濃度が、前記設定手段により設定された濃度に略一致するまで繰り返す濃度補正制御手段と、を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、前記濃度センサにより検出された濃度が前記設定手段により設定された濃度に略一致したときに、前記攪拌容器からの尿素水溶液の排出を許可する排出許可手段を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、前記攪拌機制御手段は、前記設定手段により設定された濃度及び容量に基づいて、前記攪拌機の作動時間を制御することを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、前記尿素供給装置は、底板に設けられた開口部から尿素を排出する貯蔵容器を有し、前記底板は、前記開口部に向かって傾斜していることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、設定手段により設定された濃度及び容量に対応した純水及び尿素が攪拌容器に供給された後に、攪拌機によりこの純水と尿素とが攪拌されるので、設定された濃度及び容量の尿素水溶液を容易に製造することができる。
また、攪拌容器、純水供給装置、尿素供給装置、攪拌機、設定手段、供給制御手段、攪拌機制御手段、重量演算手段、容量補正制御手段及び重量センサが移動可能なフレーム上に搭載され、１つのユニットになっているので、フォークリフトやクレーンで容易に搬送することができる。そして、例えばサービスステーション等に設置して、小規模に尿素水溶液を製造することができる。
更に、供給制御手段により攪拌容器に純水及び尿素を供給させてから、攪拌機制御手段により攪拌機を作動させるまでの間に、攪拌容器内の純水及び尿素の合計重量が、設定手段により設定された濃度及び容量から演算された尿素水溶液の重量以上となるまで、純水及び尿素が補充されるので、尿素水溶液の容量の精度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、尿素水溶液の濃度が、設定された濃度に略一致するまで、純水又は尿素を補充して攪拌することが繰り返されるので、尿素水溶液の濃度の精度を向上させることができる。
請求項３に記載の発明によれば、攪拌容器内の尿素水溶液の濃度が設定手段により設定された濃度に略一致するまで、攪拌容器からの尿素水溶液の排出が許可されないので、製造される尿素水溶液の濃度を保証することができる。

請求項４に記載の発明によれば、設定手段により設定された濃度及び容量に基づいて、攪拌機の作動時間が制御されるので、例えば、濃度が低く、かつ容量が少ないときに、攪拌機の作動時間を短く設定すれば、尿素水溶液を製造する時間を短縮することができる。
請求項５に記載の発明によれば、尿素供給装置の貯蔵容器の底板が開口部に向かって傾斜しているので、尿素をスムーズに開口部から排出させることができるとともに、尿素の残量が少なくなっても貯蔵容器内に残らずに開口部から排出させることができる。

本発明の尿素水溶液製造装置は、図１に示すように、移動可能なフレーム１上に、攪拌容器２、純水器３、尿素供給装置４、攪拌機５、制御盤６が搭載され、１つのユニットになっている。
純水器３には、外部より上水道水が供給され、イオン交換により純水が製造される。純水器３により製造された純水は、供給管７を介して攪拌容器２内に供給される。供給管７には、流量センサ８が介装されている。流量センサ８は、供給管７内を通過する純水の流量を検出することによって、攪拌容器２内に供給される純水の流量を検出する。流量センサ８の下流側の供給管７には、常閉式の電磁開閉弁９が介装されており、供給管７を開通または遮断する。なお、純水器３、供給管７、流量センサ８、電磁開閉弁９が、純水供給装置に該当する。

尿素供給装置４は、攪拌容器２の鉛直上方に設けられており、攪拌容器２に尿素を落下させて供給する。尿素供給装置４は、図２に示すように、貯蔵容器２０と、振動発生器２１と、常閉式の電磁開閉弁２２、２３と、筒体２４と、重量センサ２５と、を含んで構成されている。貯蔵容器２０には、粉末状の尿素が貯蔵されている。貯蔵容器２０の底板２０ａには開口部２０ｂが設けられており、この開口部２０ｂから貯蔵された尿素を鉛直方向下方へ落下して排出可能になっている。電磁開閉弁２２は、開口部２０ｂを開閉する。筒体２４は、鉛直上下方向の両端が開口しており、その上端の開口部２４ａと貯蔵容器２０の開口部２０ｂとが連通するように、底板２０ａに固定されている。電磁開閉弁２３は、筒体２４の下端の開口部２４ａを開閉する。重量センサ２５は、筒体２４に設けられ、筒体２４に収容された尿素の重量を検出する。振動発生器２１は、貯蔵容器２０に設けられており、貯蔵容器２０を振動させることによって、貯蔵容器２０に貯蔵された尿素をスムーズに開口部２０ｂから筒体２４へ排出させる。

攪拌機５は、攪拌容器２内の純水及び尿素を攪拌し尿素水溶液にする。
攪拌容器２には、攪拌容器２内の純水及び尿素の合計重量を検出する重量センサ３０が設けられている。攪拌容器２の下端近傍の側壁には、攪拌容器２から尿素水溶液を排出する排出口２ａが設けられているとともに、排出口２ａを開閉する電磁開閉弁３１（排出許可手段）が設けられている。電磁開閉弁３１には、排出口２ａ近傍の攪拌容器２内の尿素水溶液の濃度を検出する濃度センサ３２が設けられている。排出口２ａには、手動開閉弁３３が設けられており、攪拌容器２内の尿素水溶液は、電磁開閉弁３１、手動開閉弁３３を通過して外部へ排出する。

制御盤６には、尿素水溶液の製造開始を指示するスタートスイッチ６ａ、尿素水溶液の容量を設定する容量設定装置６ｂ、尿素水溶液の濃度を設定する濃度設定装置６ｃが設けられている。なお、容量設定装置６ｂ及び濃度設定装置６ｃは、設定手段に該当する。また、制御盤６にはコンピュータが内蔵されており、スタートスイッチ６ａ、容量設定装置６ｂ、濃度設定装置６ｃ、流量センサ８、重量センサ２５、３０、濃度センサ３２からの信号を入力し、攪拌機５、電磁開閉弁９、２２、２３、３１、振動発生器２１の作動を制御する。

ここで、図３を用いて、制御盤６における制御手順を詳述する。
容量設定装置６ｂ及び濃度設定装置６ｃにより尿素水溶液の容量及び濃度を設定した後に、スタートスイッチ６ａをＯＮにすることにより、制御を開始する。なお、以下の説明では、設定された容量及び濃度を夫々設定容量及び設定濃度という。
始めにステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、電磁開閉弁３１を閉作動させる。

ステップ２では、設定濃度かつ設定容量の尿素水溶液を製造するために必要な尿素及び純水の目標供給量を夫々演算するとともに、その尿素水溶液の重量である目標重量を演算する。なお、ステップ２における目標重量の演算は、重量演算手段に該当する。
ステップ３では、電磁開閉弁９を開作動させ、純水器３から攪拌容器２へ純水を供給する。そして、流量センサ８により検出された純水の流量を積算して、この積算値が純水の目標供給量に達したときに電磁開閉弁９を閉作動させる。これにより、純水器３から攪拌容器２に目標供給量の純水が供給される。

ステップ４では、まず、電磁開閉弁２２を開作動させるとともに、振動発生器２１を作動させる。これにより、貯蔵容器２０から筒体２４に尿素がスムーズに落下する。次に、電磁開閉弁２２を閉作動させ、重量センサ２５から筒体２４内の尿素の重量を読み込む。その後、電磁開閉弁２３を開作動させ、攪拌容器２に筒体２４内の尿素を落下させる。そして、所定時間経過した後、電磁開閉弁２３を閉作動させる。この一連の制御を、重量センサ２５から読み込んだ尿素の重量を積算した積算値が、尿素の目標供給量になるまで繰り返す。これにより、攪拌容器２に目標供給量の尿素が供給される。なお、ステップ２〜４の一連の制御は、供給制御手段に該当する。

ステップ５では、重量センサ３０から純水及び尿素の合計重量（以下、実重量という）を読み込む。
ステップ６では、実重量が、目標重量以上であるか否かを判定する。実重量が目標重量以上であるときには、ステップ８へ進む。実重量が目標重量以上でないときには、ステップ７へ進む。

ステップ７では、実重量を目標重量に近付けるために必要な尿素及び純水の補充量を、尿素及び純水の目標供給量として演算する。そして、ステップ３へ戻る。なお、ステップ５〜７の一連の制御は、容量補正制御手段に該当する。
ステップ８では、攪拌機５を作動させ、攪拌容器２内の純水及び尿素を攪拌する。これにより、攪拌容器２内の純水及び尿素は尿素水溶液になる。

ステップ９では、攪拌機５を作動してから所定時間以上経過したか否かを判定する。所定時間以上経過したときには、ステップ１０へ進む。所定時間以上経過していないときには、ステップ９を繰り返す。
ステップ１０では、攪拌機５を停止させる。なお、ステップ８〜１０の一連の制御は、攪拌機制御手段に該当する。

ステップ１１では、濃度センサ３２から尿素水溶液の濃度（以下、実濃度という）を読み込む。
ステップ１２では、実濃度が、設定濃度と略一致しているか否か判定する。これは、実濃度が設定濃度を中心とした所定幅を有する所定範囲内であるか否かを判定すればよい。略一致しているときには、ステップ１５へ進む。略一致していないときには、ステップ１３へ進む。

ステップ１３では、実濃度を設定濃度に近付けるために必要最小限の純水又は尿素の補充量を演算する。
ステップ１４では、ステップ３又はステップ４と同様にして、ステップ１３にて演算された補充量の純水又は尿素を攪拌容器２に補充する。そして、ステップ８へ戻る。なお、ステップ８〜１４の一連の制御は、濃度補正制御手段に該当する。

ステップ１５では、電磁開閉弁３１を開作動させ、制御を終了する。
以上のようにして、容量設定装置６ｂ及び濃度設定装置６ｃにて濃度及び容量を設定し、スタートスイッチ６ａを押すだけで、純水と尿素とが自動計量されつつ攪拌容器２に供給される。そして、この純水と尿素とが攪拌されて、所望の濃度及び容量の尿素水溶液が自動的に製造される。更に、純水と尿素とが攪拌容器２に供給されてから攪拌されるまでの間に、実重量が目標重量以上になるまで、純水と尿素とが自動計量されつつ補充されるので、尿素水溶液の容量の精度を向上させることができる。

また、実濃度が設定濃度に略一致するまで、純水又は尿素を自動計量しつつ補充して攪拌することが繰り返されるので、製造される尿素水溶液の濃度の精度を向上させることができる。
電磁開閉弁３１は、尿素水溶液の製造を開始したときに排出口２ａを閉じる一方、実濃度が設定濃度と略一致するまで開かないので、尿素水溶液の製造途中で手動開閉弁３３を開いても、尿素水溶液が排出されることがない。これにより、尿素水溶液の濃度を保証することができる。なお、排出された尿素水溶液は、例えば運搬可能な容器に収容すればよい。

また、本実施形態の尿素水溶液製造装置は、構成機器がフレーム７上に搭載され、１つのユニットになっているので、フォークリフトやクレーンで容易に搬送することができる。そして、例えばサービスステーション等に設置して、小規模に尿素水溶液を製造することができる。
なお、尿素供給装置４の貯蔵容器２０の底板２０ａを開口部２０ｂに向かって傾斜させることが望ましい。このようにすれば、貯蔵容器２０に貯蔵されている尿素をスムーズに筒体２４に排出させることができるとともに、尿素の残量が少なくなっても貯蔵容器２０内に残らずに筒体２４に排出させることができる。

また、攪拌容器２に尿素を供給するときに、合わせて安定剤を供給することが望ましい。この安定剤は、尿素水溶液中の尿素を沈殿しにくくさせるものである。このようにすれば、尿素水溶液の製造後に尿素が沈殿することによって尿素水溶液の濃度が変化することを抑制できる。
なお、設定濃度及び設定容量に応じて、攪拌機５を作動させる所定時間を設定するようにしてもよい。例えば、設定濃度が低く、かつ設定容量が少ないときに、攪拌機５の作動時間を短くすることによって、尿素水溶液を製造する時間を短縮することができる。

また、以上の実施形態では、粉末状の尿素を使用したが、高濃度の尿素水溶液を使用してもよい。このようにすれば、尿素供給装置４の構造を、純水供給装置と同様に簡単にすることができる。

本発明の尿素水溶液製造装置の実施形態の構造図 同上における尿素供給装置の構造図 同上における制御盤の制御手順を示すフローチャート

符号の説明

１ フレーム
２ 攪拌容器
２ａ 排出口
３ 純水器
４ 尿素供給装置
５ 攪拌機
６ 制御盤
６ｂ 容量設定装置
６ｃ 濃度設定装置
７ 供給管
８ 流量センサ
９ 電磁開閉弁
２０ 貯蔵容器
２０ａ 底板
２０ｂ 開口部
３０ 重量センサ
３１ 電磁開閉弁
３２ 濃度センサ

Claims (5)

1. 攪拌容器と、
   上水道水から純水を製造し、前記攪拌容器に供給する純水供給装置と、
   尿素を前記攪拌容器に供給する尿素供給装置と、
   前記攪拌容器に供給された純水及び尿素を攪拌し尿素水溶液にする攪拌機と、
   尿素水溶液の濃度及び容量を設定する設定手段と、
   前記設定手段により設定された濃度及び容量に対応した純水及び尿素を前記攪拌容器に供給するように、前記純水供給装置及び尿素供給装置を作動制御する供給制御手段と、
   前記供給制御手段により前記攪拌容器に純水及び尿素を供給させた後に、前記攪拌機を所定時間作動させる攪拌機制御手段と、
   前記攪拌容器内の純水及び尿素の合計重量を検出する重量センサと、
   前記設定手段により設定された濃度及び容量から、尿素水溶液の重量を演算する重量演算手段と、
   前記供給制御手段により前記攪拌容器に純水及び尿素を供給させてから、前記攪拌機制御手段により前記攪拌機を作動させるまでの間に、前記重量センサにより検出された純水及び尿素の合計重量が、前記重量演算手段により演算された尿素水溶液の重量以上になるまで、前記純水供給装置及び尿素供給装置を作動制御して前記攪拌容器に純水及び尿素を補充させる容量補正制御手段と、
   前記攪拌容器、純水供給装置、尿素供給装置、攪拌機、設定手段、供給制御手段、攪拌機制御手段、重量演算手段、容量補正制御手段及び重量センサを搭載する移動可能なフレームと、を含んで構成されることを特徴とする尿素水溶液製造装置。
2. 前記攪拌容器内の尿素水溶液の濃度を検出する濃度センサと、
   前記純水供給装置又は尿素供給装置を作動制御して前記攪拌容器に純水又は尿素を補充させるとともに前記攪拌機を所定時間作動させる制御を、前記濃度センサにより検出された尿素水溶液の濃度が、前記設定手段により設定された濃度に略一致するまで繰り返す濃度補正制御手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の尿素水溶液製造装置。
3. 前記濃度センサにより検出された濃度が前記設定手段により設定された濃度に略一致したときに、前記攪拌容器からの尿素水溶液の排出を許可する排出許可手段を有することを特徴とする請求項２に記載の尿素水溶液製造装置。
4. 前記攪拌機制御手段は、前記設定手段により設定された濃度及び容量に基づいて、前記攪拌機の作動時間を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の尿素水溶液製造装置。
5. 前記尿素供給装置は、底板に設けられた開口部から尿素を排出する貯蔵容器を有し、
   前記底板は、前記開口部に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の尿素水溶液製造装置。

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