JP6287356B2 - 燃焼熱量測定システム - Google Patents

Description

本発明は、コーンカロリーメータを用いて試験体の燃焼熱量を測定するためのシステムに関するものである。

従来から、コーンカロリーメータを用いた燃焼熱量測定システムが知られている。コーンカロリーメータとは、酸素消費法を用いて、試料の発熱速度又は総発熱量を求めることが可能な装置である。試料が燃焼して酸素が１ｋｇ消費されるときには、その試料の種類に関わらず約１３．１ＭＪの熱エネルギーが放出される。コーンカロリーメータではこの原理を利用して、試料を燃焼させたときの排気の酸素濃度を測定し、基準とした酸素濃度と排気の酸素濃度の差から試料の発熱量を決定している。

ここで、コーンカロリーメータを用いて試料を燃焼させると、設置室内の酸素が消費される。このため、基準となる酸素濃度を大気酸素濃度としている場合には、設置室内の酸素濃度と基準となる酸素濃度との間に差異が生じて測定値にバラつきが生じることがある。

特許文献１には、このような課題に対処するための燃焼熱量測定システムが開示されている。このシステムでは、実質的に閉鎖された試験室内に外気を供給するための室内吸気部を備えることとしている。これにより、試験室内が効率よく外気で満たされるため、測定値のバラつきが抑制される。

特開２００６−３０８２８８号公報 特開２０１１−８９８８１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃焼熱量測定システムでは、外気の酸素濃度が測定中に変化した場合に、試験結果に影響が出てしまう。特に、微小な試料サンプルの場合は消費される酸素量も少ないため、酸素濃度の僅かなずれが、試験結果に大きな影響を与えてしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、コーンカロリーメータによる燃焼試験において、外気の酸素濃度の変化に依らずに高精度に発熱量を測定することのできる燃焼熱量測定システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃焼熱量測定システムは、試験体を燃焼させる加熱炉を備えたコーンカロリーメータを用いて測定を行う燃焼熱量測定システムにおいて、外部空間と隔絶された空間を形成し、形成された空間内に加熱炉が配置された空間形成部と、空間形成部の空間内に規定の酸素濃度の試験用標準ガスを供給する試験用標準ガス供給手段と、空間形成部の空間内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、を備え、試験用標準ガス供給手段は、酸素を供給する酸素供給部と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、酸素供給部から供給される酸素と不活性ガス供給部から供給される不活性ガスとの混合割合を調節して試験用標準ガスを生成するガス濃度調節器と、ガス濃度調節器によって調整された後の試験用標準ガスを空間形成部の内部に供給する吸気部と、を備え、試験用標準ガス供給手段は、試験用標準ガスの酸素濃度が酸素濃度検出手段によって検出された酸素濃度と同濃度となるように、混合割合を調整するものである。

本発明によれば、規定の酸素濃度の試験用標準ガスがコーンカロリーメータの加熱炉の周囲に供給されるので、外気の酸素濃度の変化によらずに高精度に試験体の燃焼熱量を測定することができる。

本発明の実施の形態１における燃焼熱量測定システムの概要を示す図である。 本発明の実施の形態２における燃焼熱量測定システムの概要を示す図である。 本発明の実施の形態３における燃焼熱量測定システムの概要を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。なお、各図では、同一又は相当する部分に同一の符号を付している。また、各図において重複する説明は、適宜簡略化あるいは省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における燃焼熱量測定システムの概要を示す図である。本実施の形態１の燃焼熱量測定システムは、コーンカロリーメータ１０を用いて試験体２０の発熱速度又は総発熱量を測定するシステムとして構成されている。コーンカロリーメータ１０は、本体１１と、試験体２０を加熱するための加熱炉１２と、排気ダクト１３と、排気ブロア１４と、を備えている。加熱炉１２は、試験体２０を設置するための試験体ホルダと、試験体２０を加熱するためのヒータと、を備えている。加熱炉１２の下部には燃焼に必要な空気を取り入れるための開口が設けられている。試験体ホルダに設置されている試験体２０は、ヒータによって加熱されて燃焼する。

排気ダクト１３は、加熱炉１２の上部に配置されており、加熱炉１２で生成された燃焼ガスが流通される。また、排気ブロア１４は排気ダクト１３に設けられ、排気ダクト１３内の燃焼ガスを上方へ排気するためのものである。本体１１は、排気ダクト１３の内部を流れる燃焼ガスの性状を測定するための流量測定部及び酸素分析計を備えている。

設置室１は、外部空間から隔絶された空間を形成する空間形成部として機能する。上述したコーンカロリーメータ１０は、当該設置室１の空間内に配置される。これにより、コーンカロリーメータ１０の周囲は、外部空間から隔絶される。設置室１の側壁には開口部２が設けられている。また、設置室１の天面には、排気ブロア１４からの排気を外部空間へ放出するための排気部が設けられている。

さらに、本実施の形態のシステムは、設置室１の側壁に設けられた吸気部４と、試験用標準ガスが充填されたガス充填部としての標準ガスボンベ５とを備えている。吸気部４及び標準ガスボンベは試験用標準ガス供給手段として機能する。より詳しくは、吸気部４は、設置室１の外部に配置された標準ガスボンベ５から設置室１の内部へ試験用標準ガスを供給する供給口として機能するものである。なお、吸気部４は、特に加熱炉１２の周囲が効率よく標準ガスに晒されるように配置されることが好ましい。図１に示す実施の形態のシステムでは、吸気部４は、加熱炉１２に面する側壁の上方に設置されている。試験用標準ガスは、試験に適した規定の酸素濃度のガスである。ここでは、予め作製された試験用標準ガスが標準ガスボンベ５に充填されている。なお、本実施の形態のシステムでは、試験用標準ガスの酸素濃度を基準として、燃焼によって消費された酸素量を算出する。そこで、試験用標準ガスの酸素濃度は、大気中での燃焼を再現して２１％程度とすることが望ましい。

次に、本実施の形態１のシステムの動作について説明する。コーンカロリーメータ１０を用いた燃焼試験を実行する場合には、先ず試験体２０を加熱炉１２において燃焼させる。燃焼時に生成される燃焼ガスは、排気ダクト１３を流通し、排気ブロア１４によって装置上方に放出される。装置上方に放出された燃焼ガスは、設置室１内の空気とともに排気部３から設置室１の外部に排出される。本体１１は、排気ダクト１３の内部を流れる燃焼ガスの性状を測定するための流量測定部及び酸素分析計を備えている。本体１１は、燃焼ガスの酸素濃度と基準となる酸素濃度（設置室１内の酸素濃度）との差から消費された酸素量を算出し、算出された酸素量に基づいて試験体の発熱量を算出する。

このように、コーンカロリーメータは、試験体の燃焼による酸素消費量を検出する。このため、酸素消費量を正確に検出するためには、基準となる酸素濃度を正確に把握しておくことが求められる。しかしながら、燃焼試験が実施されると試験室内の酸素が消費されるため、試験室内の酸素濃度が低下してしまう。そこで、一般的なコーンカロリーメータによる燃焼試験では、試験室内の酸素濃度が変化しないように、試験室内に外気を積極的に取入れることが行われる。しかしながら、上記方法を採用したとしても、装置の操作員又は他の作業者の生命活動、又は試験室への出入り等によって当該装置近傍の酸素濃度が変動して測定結果に影響することがある。また、外気の酸素濃度が変動した場合には、試験室内の酸素濃度も変化してしまう。

そこで、本発明の実施の形態１のシステムでは、上記燃焼試験を実行する場合に、吸気部４から試験用標準ガスを供給することとしている。吸気部４から供給される試験用標準ガスの量は、開口部２から設置室１内に外気が流入しない量とされる。このような状態を実現するためには、例えば、吸気部４からの試験用標準ガスの供給量が、排気部３から排気されるガス量と等しいか又はそれよりも多量となるようにすればよい。これにより、元々設置室１内に存在していた空気は排気部３から排出され、排気部３から排出される空気量と同等またはそれよりも多くの試験用標準ガスが吸気部４から供給される。一定時間が経過すると、設置室１の内部は、標準ガスボンベ５に充填されていた試験用標準ガスで満たされる。これにより、設置室１内の酸素濃度は、試験用標準ガスの酸素濃度と一致する。

設置室１内の酸素濃度が試験用標準ガスの酸素濃度と一致した後、コーンカロリーメータ１０による燃焼試験が実行される。そして、燃焼試験中は、試験用標準ガスが吸気部４から常時吹き込まれるとともに、排気部３からの排気も常時行われる。このような動作によれば、基準となる酸素濃度が変動しないため、微小な試験体サンプルを使用する場合であっても燃焼による酸素濃度を正確に測定することが可能となる。

また、本実施の形態のシステムによれば、外気を遮断した状態で、設置室１内を試験用標準ガスで満たすこととしている。このため、外気の酸素濃度が変動しても試験結果に影響を与えず、高い測定精度で燃焼試験を実施することができる。また、設置室１内の酸素濃度と試験用標準ガスの酸素濃度が等しくされるので、常に同じ条件で試験を行うことができる。これにより、試験の再現性を向上させることができる。

また、本実施の形態のシステムによれば、設置室１内の酸素濃度が、吸気部４から供給される試験用標準ガスの酸素濃度と一致してから試験が開始される。これにより、基準となる酸素濃度を正確に把握した上で試験を行うことができるので、正確な発熱量を算出することができる。

なお、設置室１内の酸素濃度は、作業者の呼吸又は出入りなどによって極僅かに変動してしまうことも想定される。この点、本実施の形態のシステムによれば、室内空気は排気部３から常時排出されると同時に試験用標準ガスが吸気部４から常時供給されている。このため、一定時間が経過すれば、呼気又は外気は外部へ排出されて設置室１内は試験用標準ガスで満たされる。このように、設置室１内の酸素濃度が極僅かに変動した場合であっても、設置室１内の酸素濃度を再度試験用標準ガスの酸素濃度と等しくすることができる。

また、上述したように、試験作業者の呼吸又は設置室１への出入りなどによっても酸素濃度は変動してしまう。そこで、試験体２０のセッティング等が必要なとき以外は設置室１外で作業することが望ましい。この場合、装置操作用ＰＣを設置室１外に配置するとよい。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、設置室１の天面に排気部３を配置することとしているが、排気部３を吸気部４の近傍に配置すると、吸気部４から供給される試験用標準ガスが設置室１内に行き渡る前に排気部３から排出されてしまう。そこで、吸気部４は排気部３とできるだけ距離を離して配置することが好ましい。これにより、設置室１内を満遍なく標準ガスで満たすことができる。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、試験用標準ガスの酸素濃度を２１％に設定したが、試験用標準ガスの酸素濃度は試験の条件に応じて適宜最適な値に設定することができる。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、標準ガスボンベ５に充填された試験用標準ガスを吸気部４から供給することとしているが、試験用標準ガスを供給する試験用標準ガス供給手段の構成はこれに限られない。すなわち、規定の酸素濃度の試験用標準ガスを供給可能であれば、供給源は標準ガスボンベ５に限らず、他の供給源からでもよい。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における燃焼熱量測定システムの概要を示す図である。以下、本実施の形態２の説明では、実施の形態１との相違点を中心に説明する。また、実施の形態１と共通する要素には同じ符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態２のシステムは、設置室６の内部にコーンカロリーメータ１０が配置されている。設置室６の天面には、排気部３が設けられている。また、本実施の形態２のシステムは、コーンカロリーメータ１０の加熱炉１２の周囲を覆う燃焼部７が設けられている。燃焼部７は、設置室６内に隔絶された空間を形成する空間形成部として機能するものである。これにより、コーンカロリーメータ１０の加熱炉１２の周囲は、排気ブロア１４が配置されている空間から隔絶される。燃焼部７の側壁には開口部８が設けられている。さらに、本実施の形態のシステムは、標準ガスボンベ５が設置室６内に配置されるとともに、燃焼部７の側壁に吸気部４が設けられている。

本発明の実施の形態２のシステムでは、燃焼試験を実行する場合に、吸気部４から試験用標準ガスが供給される。なお、吸気部４から供給される試験用標準ガスの量は、開口部８から燃焼部７内に室内空気が流入しない量とされる。このような状態を実現するためには、例えば、吸気部４からの試験用標準ガスの供給量が、排気ブロア１４から排気される燃焼ガスの量と等しいか又はそれよりも多量となるようにすればよい。これにより、燃焼部７内に存在していた空気は排気ダクト１３を介して排気ブロア１４から排出され、排気ブロア１４から排出される空気量と同等またはそれよりも多くの試験用標準ガスが吸気部４から供給される。一定時間が経過すると、燃焼部７の内部は試験用標準ガスで満たされる。このことは、上述した実施の形態１の設置室１の場合と同様であるが、燃焼部７は、設置室１よりもその空間が小さいため、多量の試験用標準ガスを必要としない点において優れている。

燃焼部７内の酸素濃度が試験用標準ガスの酸素濃度と一致すると、コーンカロリーメータ１０による燃焼試験が実行される。そして、燃焼試験中は、試験用標準ガスが吸気部４から常時吹き込まれるとともに、排気ダクト１３を介した燃焼ガスの排気も常時行われる。このような動作によれば、燃焼部７内の酸素濃度が変動しないため、微小な試験体サンプルを使用する場合であっても燃焼による酸素濃度を正確に測定することが可能となる。

このように、本実施の形態のシステムによれば、設置室６内へ外気が侵入しても、燃焼部７内の酸素濃度へは影響を与えないので、設置室６の窓の開放、及び作業者の出入りが可能となる。また、装置操作用ＰＣも設置室６内に配置することができるため、試験体を見ながら手動で計測する着火時間又は燃焼時間の測定が行い易くなる。

また、本実施の形態における燃焼熱量測定システムは、加熱炉１２を内包している燃焼部７内に試験用標準ガスを供給して酸素濃度を一定に保っている。このため、何らかの理由により加熱炉１２付近の酸素濃度が変動した場合でも、迅速に試験用標準ガスと等しい酸素濃度に戻すことが可能となる。その結果、標準ガスの使用量を削減することができるとともに、試験の再開までの待ち時間を削減することができる。

ところで、上述した実施の形態２のシステムでは、燃焼部７の内部に加熱炉１２が配置されることとしたが、燃焼部７によって覆われる部位は加熱炉１２に限られない。すなわち、少なくとも加熱炉１２を含む範囲が覆われ、且つ排気ブロア１４が配置された空間と隔絶されるのであれば、他の部位を含んで覆われてもよい。

また、上述した実施の形態２のシステムでは、標準ガスボンベ５に充填された試験用標準ガスを吸気部４から供給することとしているが、試験用標準ガスを供給する試験用標準ガス供給手段の構成はこれに限られない。すなわち、規定の酸素濃度の試験用標準ガスを供給可能であれば、供給源は標準ガスボンベ５に限らず、他の供給源からでもよい。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３における燃焼熱量測定システムの概要を示す図である。以下、本実施の形態３の説明では、実施の形態１との相違点を中心に説明する。また、実施の形態１と共通する要素には同じ符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態３のシステムでは、吸気部４から設置室１内へガスを供給するために、酸素を充填した酸素供給部としての酸素ガスボンベ１６と、不活性ガスを充填した不活性ガス供給部としての不活性ガスボンベ１７と、これら二種類のガスの混合割合を調整するガス濃度調節器１８と、を有している。酸素ガスボンベ１６と不活性ガスボンベ１７は、ガス濃度調節器１８に接続されている。ガス濃度調節器１８は吸気部４に接続されている。

ガス濃度調節器１８は、酸素ガスボンベ１６からの酸素ガスと不活性ガスボンベ１７からの不活性ガスとの混合割合を調節することで、設置室１内の酸素濃度と同じ酸素濃度に調節された試験用標準ガスを生成することができる。生成された試験用標準ガスは、吸気部４から設置室１内へ供給される。

なお、不活性ガスは燃焼に影響を与えないガスであればよい。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガスを用いることができる。吸気部４、酸素ガスボンベ１６、不活性ガスボンベ１７及びガス濃度調節器１８は、試験用標準ガス供給手段として機能する。

本発明の実施の形態３のシステムでは、燃焼試験を実行する場合に、設置室１内の酸素濃度と同濃度の試験用標準ガスが吸気部４から供給される。より詳しくは、先ず、設置室１内の酸素濃度が本体１１の酸素分析計（酸素濃度検出手段）によって検出される。そして、ガス濃度調節器１８は、混合後の試験用標準ガスが設置室１内の酸素濃度と等しくなるように、酸素ガスと不活性ガスとを混合する。例えば、設置室１内の酸素濃度が２０．９０％であった場合、ガス濃度調節器１８では酸素ガスと不活性ガスとを混合して２０．９０％の混合ガスを生成する。

また、作業者の設置室１内への出入り等により、設置室１の内部全体の酸素濃度が変動することがある。この場合には、変動後の設置室１内の酸素濃度に合わせた試験用標準ガスを、ガス濃度調節器１８において再度調節して設置室１内へ供給する。例えば、作業者の出入り、又は扉の開放などによって設置室１内の酸素濃度が２０．８０％に低下した場合は、ガス濃度調節器１８においてガスの混合比を変えて２０．８０％の混合ガスを生成し室内に供給する。

なお、吸気部４から供給される試験用標準ガスの量は、開口部２から設置室１内に外気が流入しない量とされる。このような状態を実現するためには、例えば、吸気部４からの試験用標準ガスの供給量が、排気部３から排気されるガスの量と等しいか又はそれよりも多量となるようにすればよい。そして、燃焼試験中は、試験用標準ガスが吸気部４から常時吹き込まれるとともに、排気部３からの排気も常時行われる。このような動作によれば、排気部３又は開口部２から設置室１内へ新たに外気が取り入れられることはない。

試験用標準ガスの酸素濃度を調整する機能を有していないシステムでは、設置室１内の空気が排気部３から全て排出されて、設置室１内が規定の試験用標準ガスで満たされるまで燃焼試験を開始することができなかった。しかしながら、本実施の形態３のシステムでは、設置室１内の酸素濃度と等しい酸素濃度の混合ガスを吸気部４から供給して室内の酸素濃度を一定に保つこととしている。このため、システムの稼働前又は、出入り等により室内全体の酸素濃度が変動してしまった場合であっても、即座に燃焼試験を開始することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態３では、本体１１の酸素分析計によって加熱炉１２付近の酸素濃度を測定することとしている。しかしながら、設置室１内の酸素濃度分布は均一ではない可能性がある。そこで、設置室１内の酸素濃度を確認するために、設置室１内に酸素濃度検出手段としての酸素濃度計を複数設置して計測してもよい。この場合、設置室１内に設置した酸素濃度計、本体１１に付属の酸素分析計、および供給する試験用標準ガスガスの酸素濃度が等しくなってから燃焼試験を開始することとすればよい。これにより、設置室１内の酸素濃度が均一になるので、燃焼試験時の僅かな酸素濃度の変動が抑えられる。

また、上述した実施の形態３のシステムでは、設置室１が大きい場合は使用する試験用標準ガスも多量になってしまうため、設置室１はできるだけ小さいほうが好ましい。

また、上述した実施の形態３のシステムでは、酸素ガスボンベ１６に充填された酸素ガス及び不活性ガスボンベ１７に充填された不活性ガスを吸気部４から供給することとしているが、これらのガスを供給する試験用標準ガス供給手段の構成はこれに限られない。すなわち、酸素ガス及び不活性ガスをそれぞれ供給可能であれば、供給源はこれらのガスボンベに限らず、他の供給源からでもよい。

また、上述した実施の形態３のシステムでは、設置室１内の酸素濃度と同じ酸素濃度に調節された試験用標準ガスを生成することとしたが、試験条件に応じた任意の酸素濃度の試験用標準ガスを生成して提供することとしてもよい。

１ 設置室、２ 開口部、３ 排気部、４ 吸気部、５ 標準ガスボンベ（ガス充填部）、６ 設置室、７ 燃焼部、８ 開口部、１０ コーンカロリーメータ、１１ 本体、１２ 加熱炉、１３ 排気ダクト、１４ 排気ブロア、１６ 酸素ガスボンベ（酸素供給部）、１７ 不活性ガスボンベ（不活性ガス供給部）、１８ ガス濃度調節器、２０ 試験体

Claims (4)

1. 試験体を燃焼させる加熱炉を備えたコーンカロリーメータを用いて測定を行う燃焼熱量測定システムにおいて、
   外部空間と隔絶された空間を形成し、形成された空間内に前記加熱炉が配置された空間形成部と、
   前記空間形成部の空間内に規定の酸素濃度の試験用標準ガスを供給する試験用標準ガス供給手段と、
   前記空間形成部の空間内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、を備え、
   前記試験用標準ガス供給手段は、
   酸素を供給する酸素供給部と、
   不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
   前記酸素供給部から供給される酸素と前記不活性ガス供給部から供給される不活性ガスとの混合割合を調節して試験用標準ガスを生成するガス濃度調節器と、
   前記ガス濃度調節器によって調整された後の試験用標準ガスを前記空間形成部の内部に供給する吸気部と、を備え、
   前記試験用標準ガス供給手段は、前記試験用標準ガスの酸素濃度が前記酸素濃度検出手段によって検出された酸素濃度と同濃度となるように、前記混合割合を調整する燃焼熱量測定システム。
2. 前記空間形成部は、前記コーンカロリーメータが内部に配置された設置室として構成され、
   前記コーンカロリーメータから排気される燃焼ガスを前記設置室の外部へ排気する排気部を備え、
   前記試験用標準ガス供給手段は、前記排気部によって排気されるガス量と同量またはそれ以上の前記試験用標準ガスを供給するように構成されて成る請求項１に記載の燃焼熱量測定システム。
3. 前記空間形成部は、前記コーンカロリーメータの排気ブロアを内包せずに配置された燃焼部として構成されて成る請求項１に記載の燃焼熱量測定システム。
4. 前記試験用標準ガス供給手段は、前記排気ブロアによって排気されるガス量と同量またはそれ以上の前記試験用標準ガスを供給するように構成されて成る請求項３に記載の燃焼熱量測定システム。

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