JP6922910B2 - 気体不感応マスフロー制御システム及び気体不感応マスフロー制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、マスフロー制御システム及びマスフロー制御方法に関する。本発明は特に、しかしこれに限定されないが、気体不感応マスフロー制御のためのシステム及び方法に関する。

典型的なマスフローコントローラ（ＭＦＣ）は、流体（例えば、気体または液体）の流れを設定し、計測し、及び制御する装置である。ＭＦＣの主要な部分は、装置を通って流れる流体の質量流量を計測するセンサである。ＭＦＣは、センサの出力信号を所定の設定値と比較し、気体の質量流量を所定の設定値で維持するために制御弁を調整する。

ＭＦＣのマスフローセンサは、通常は、ＭＦＣセンサの出力信号が精密マスフローメータの計測流量に合致するように調整することを目的として（校正データを使って）、精密マスフローメータに対して校正される。マスフローコントローラの校正は、通常は、校正用気体、典型的には窒素（Ｎ₂ ）を使ってＭＦＣの製造業者によって行われる。しばしば、獲得された校正データは、特に熱式マスフローセンサにおいては、気体に依存する。その結果、ＭＦＣが校正用気体以外の気体で動作すると、ＭＦＣは、校正データに基づいて、所望の設定値に合致しない流量を提供することになる。

制御中の気体が校正用気体と異なるとマスフローコントローラは不正確になる傾向があるので、図７に示されるシステムのようなツール搭載型の確認システムが利用されて、ＭＦＣの計測値と比較される基準流量計測値を与える。これらの流量確認システムはＭＦＣの計測値と比較される。これらの流量確認システムは、ＭＦＣの計測値と比較される定期的な圧力に基づく流量の計測値を利用し得る。例えば、定期的な上昇率の計測値または減衰率の計測値は、制御されている流体の組成の変動のために、ＭＦＣの計測流量が実際の流量からずれているか否かを決定するために利用されることが知られている。

これらの上昇率のシステム及び減衰率のシステムは、参照情報（例えば、警告）を提供するだけであり、制御されている流体の流れを妨げ得る。例えば図７に示すように図示された減衰率システムはマスフローコントローラと同じ流路に配置されているので、制御されている流体の流れを妨げる。さらに、制御されている流体の流量が非常に多い（例えば、毎分１００リットルを超す）場合、流量を正確に計測するために、非常に大きな格納室が図７の減衰システムでは必要となる。よって、上昇率システム及び減衰率システムは多流量のシステムに関連しては通常は使用されない。

図面に示された本発明の典型的な実施形態が下記に要約されている。これらの実施形態及び他の実施形態は、詳細な説明の項でより詳しく記載されている。しかしながら、本発明の概要または詳細な説明に記載された形態に、本発明を限定する意図が無いことを理解されたい。当業者は、特許請求の範囲で表現されるような発明の趣旨及び範囲に含まれる多くの改良物、等価物及び代替構成物が存在することを認識することができる。

ある態様において、マスフロー制御システムは、気体の流れを誘導する一次導管と、気体の一部を一次導管から二次導管へと分流させ、気体の組成が変化すると変化する調整信号を与えるように構成された調整システムとを含む。調整システムは、変化する圧力を有する評価フローを二次導管に発生させる加圧システムと、評価フローの圧力変化率に基づいて、評価フローの流量の第１の測定値を提供する変化率フローメータとを含む。調整システムは、さらに二次導管を通過する評価フローの流量の第２の測定値を提供するために配置されたマスフローメータと、評価フローの流量の第１の測定値と第２の測定値との差異に基づいて調整信号を生成する調整コンポーネントとを含む。マスフローコントローラは、気体の一次流量を制御するために、一次導管に動作的に連結されている。マスフローコントローラは、一次導管を通過する気体の一次流量を制御するために一次導管に配置された弁と、一次導管を通過する気体の一次流量に基づいて計測フロー信号を生成するように構成されたマスフロー計測システムと、計測フロー信号を調整信号で調整して、気体補正済みフロー信号を生成するように構成された補正モジュールと、一次導管を通過する気体の流量が設定値に等しいことを気体補正済みフロー信号が示すように、弁を制御するように構成されたコントローラとを含む。

他の態様において、気体の流量を制御する方法は、マスフローコントローラによって、一次導管を流れる気体の流量を制御し、気体の一部を二次導管に分流し、変化する圧力を有する評価フローを二次導管に発生させ、評価フローの変化する圧力の変化率に基づいて、評価フローの流量の第１の測定値を算出し、気体の組成によって影響される評価フローの流量をマスフローメータで計測し、評価フローの流量の第２の測定値を発生させ、評価フローの流量の第１の測定値と第２の測定値との差異に基づいて調整信号を生成することを含む。マスフローコントローラの計測フロー信号を調整信号で調整して、気体補正済みフロー信号を生成し、一次導管を通過する気体の流量が設定値に等しいことを気体補正済みフロー信号が示すように、マスフローコントローラの弁を制御する。

マスフロー制御システムの実施形態を示すブロック図である。 図１のマスフロー制御システムに関連して実行され得る方法を示すフローチャートである。 図１に記載のマスフローコントローラの実施形態の詳細をさらに示すブロック図である。 図１のマスフローメータの実施形態を示すブロック図である。 図１のマスフローメータの他の実施形態を示すブロック図である。 図１に示す変化率フローメータの実施形態を示すブロック図である。 本明細書に記載の１または複数の構成要素を実現するために利用され得る物理的な構成要素を示す図である。 従来例の態様を示すブロック図である。

「典型的には」という語は、「一例、具体例、または例証として機能すること」を意味して本明細書にて使用されている。「典型的には」と本明細書に記載の如何なる実施形態も他の実施形態よりも好ましいまたは利点があると解釈される必要はない。

図１を参照して、マスフローコントローラ１０２及び調整システム１０４を含む気体不感応マスフロー制御システム１００が示される。一般に、マスフローコントローラ１０２は、気体を使用する別のシステム（図示せず）（例えば、燃料電池システム）に一次導管１０６を通って与えられる気体の一次流量を制御するために動作する。本明細書でさらに記載するように、マスフローコントローラ１０２のマスフロー計測システム（図１に図示せず）の精度は、制御される気体の組成に基づいて変化する。より詳しくは、気体の化学的組成が例えば気体の汚染などによって変動すると、マスフローコントローラ１０２の制御システムの精度（調整システム１０４からの調整信号１０８がない場合）が変化する。

当業者が容易に認識するように、マスフローコントローラ１０２は校正用気体を用いて精度に関して校正され得るが、制御される気体の組成が校正用気体と異なる場合、マスフローコントローラ１０２内の検知コンポーネントはその気体の流量を不正確に表すフロー信号を提供する。例えばある実施態様において、マスフローコントローラ１０２は熱式マスフローセンサ技術を利用し、その技術は制御される気体の組成の影響を受ける。

マスフローコントローラ１０２が気体の流量のための設定値と正確に合致することができるように、調整システム１０４は通常、気体の組成が変化すると調整信号１０８をマスフローコントローラ１０２に与えるように動作する。図示されるように、調整システム１０４は二次導管１１０を介して一次導管１０６に動作的に結合される。調整システム１０４は、上流弁１１２と、下流弁１１４と、既知容量１２０を含む二次導管１１０の部位１１９を通して評価フロー１１６を発生させるために通常動作する評価フローコントローラ１１５とを含む加圧システムを含む。

調整システム１０４は、評価フロー１１６の圧力の変化率に基づいた評価フロー１１６の流量の第１の測定値１２１（気体の組成に実施的に依存しない）を提供する変化率フローメータ１１８をさらに含む。図１に示された実施形態において、変化率フローメータ１１８は、圧力センサ１２５及び温度センサ１３２を含み、上流弁１１２及び下流弁１１４が既知容量１２０内の気体を加圧するように制御され、かつ評価フロー１１６を生成するために加圧された気体を次いで放出する減衰率フローメータとして配置及び構成され、この評価フロー１１６は、気体が既知容量１２０から排出するにつれて低下する圧力を有する。気体が放出されると、評価フロー１１６は変化率フローメータ１１８及びマスフローメータ１２２の両方によって計測される。

マスフローコントローラ１０２と同様に、本実施形態におけるマスフローメータ１２２の精度も気体の組成の影響を受ける。その結果、マスフローメータ１２２は、気体の組成に依存する評価フロー１１６の流量の第２の測定値１２４を提供する。ある実施態様において例えば、マスフローコントローラ１０２の精度に関する如何なる気体の組成に対する影響もマスフローメータ１２２に反映されるように、マスフローメータ１２２及びマスフローコントローラ１０２は、同じまたは非常に類似した流量検知技術を利用している。ある実施形態において、マスフローコントローラ１０２及びマスフローメータ１２２は熱式のマスフロー検知技術を利用している。

図示されるように、調整コンポーネント１２６は、変化率フローメータ１１８から評価フローの流量の第１の測定値１２１（気体の組成に依存しない測定値）を受信し、マスフローメータ１２２から評価フローの流量の第２の測定値１２４（気体の組成に依存する測定値）を受信し、これに応答して、調整コンポーネント１２６は、調整信号１０８を生成してマスフローコントローラ１０２に出力するように、配置されている。次いで、マスフローコントローラ１０２は調整信号１０８（本明細書でさらに論じられるように）を使用して、マスフローコントローラ１０２の制御ループをより正確にする。

より詳しくは、第１の測定値１２１（気体の組成に依存しない測定値）と第２の測定値１２４（気体の組成に依存する測定値）との間の差異は、気体の組成が変化したことを示し、マスフローメータ１２２及びマスフローコントローラ１０２のいずれも正確な流量の測定値を与えていないことを示す。よって、調整信号１０８は、気体の組成の変化、従って、マスフローメータ１２２の不正確さを示す。気体の組成の変化は、マスフローメータ１２２及びマスフローコントローラ１０２のマスフロー計測システムの両方に同様に影響をおよぼすので、調整信号１０８（マスフローメータ１２２の不正確さに基づいて生成された）は、マスフローコントローラ１０２の不正確さを補正するために使用され得る。

図１における構成要素の記載は本実施形態の機能的態様を示すことを目的とした論理的なものであり、物理的な構成要素の特定の分布を伝達する意図はないことを認識されたい。より詳しくは、記述された構成要素は、個別のハードウェア構成物の一体的な組み合わせによって実現されてもよく、または分布するハードウェア構成物の集合体によって実現されてもよい。例えば、変化率フローメータ１１８、調整コンポーネント１２６、及び評価フローコントローラ１１５の機能は、共通のハードウェアコンポーネントによって（少なくとも一部は）実現されてもよい。この共通のハードウェアは、プロセッサと、メモリと、非一時的なメモリに具体化されるプロセッサによって実行可能な非一時的な命令とを含み得る。他の実施例において、変化率フローメータ１１８、調整コンポーネント１２６、及び評価フローコントローラ１１５は、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路、トランジスタ論理回路及び／またはメモリ及び非一時的なメモリに具現化されるプロセッサによって実行可能な非一時的な命令に関連付けられる１または複数のプロセッサのようなディスクリートハードウェアコンポーネントによって実現され得る。

図１に示される既知容量１２０は、二次導管１１０を占める気体の既知容量を伝達することを意図しており、個別の格納容器を伝達することを必ずしも意図していないことも認識されたい。言い換えれば、既知容量１２０は、気体の分流部分が加圧される二次導管１１０の単に体積であり得る。さらに、当業者は、調整システム１０４の構成要素のいくつかまたは全てがマスフローコントローラ１０２と同じ筐体で実施され得ることを認識するであろう。

多くの実施形態において、マスフローコントローラ１０２は、少なくとも毎分約１００リットルの作動範囲を有し得、ある実施形態においては、毎分約５００リットル超の作動範囲を有し得る。対照的に、調整システム１０４は毎分約８００立方センチメートル以下の作動範囲を有し得る。さらにその他の実施形態において、調整システム１０４は毎分約３００立方センチメートル以下の作動時容量を有する。さらに他の実施形態において、調整システム１０４は、毎分約１００立方センチメートル以下の作動時容量を有する。このような小体積の気体流量での動作によって、調整システム１０４は一次導管１０６を通過する気体の流れを実質的に遮ることなく気体の組成の変化に対して素早い応答時間を呈することが可能となる。つまり、マスフローコントローラ１０２は、調整システム１０４の作動範囲の約１２０〜６０００倍超の作動範囲を有し得る。

本開示のために、用語「約」は、当業界で慣習的な範囲内または製作公差ないし加工精度の大きい方のどちらかの範囲内を意味すると理解されたい。一例として、ある業界において、製作公差の方が小さいこともあるが、＋または−２０％の範囲内が慣習的である。

図１を参照する一方で、図２も同時に参照する。図２は、図１に示されるシステム１００に関連して実行され得る方法を示すフローチャートである。図示されるように、一次導管１０６を通過する気体の流量は、マスフローコントローラ１０２によって制御される（ブロック２００）。上述したように、気体は、燃料電池システムに与えられるメタンガスであり得るが、別の実施形態も確かに考えられる。多くの実施態様において、評価フローコントローラ１１５は、上流弁１１２及び下流弁１１４の両方を閉位置で通常保持し、且つ気体の組成が変化したか否かを判断するために、よってマスフローコントローラ１０２の正確性が変化したか否かを判断するために、上流弁１１２を開くことによって、気体の一部を調整システム１０４へ分流し得る（ブロック２０２）。次に、検証システムは変化する圧力を有する評価フロー１１６を発生する（ブロック２０４）。

変化率フローメータ１１８は上昇率メータまたは減衰率メータのいずれかを使用して実施され得るが、変化率フローメータ１１８が減衰率システムとして動作するように配置されるように、図１に示されるマスフローメータ１２２は既知容量１２０に対して下流側に配置される。図１に実施されるように、加圧システム（上流弁１１２、下流弁１１４及び評価フローコントローラ１１５を含む）は、評価フロー１１６が減少する圧力を有するように、評価フロー１１６を発生するように動作する。

より詳しくは、減衰率システムとして動作するために、下流弁１１４は閉じられる一方、上流弁１１２は開かれることによって、気体の分流部分が二次導管１１０の既知容量１２０を圧力下で占有することを可能にする。上流弁１１２は次いで閉じられ、既知容量１２０内で分流及び加圧された分流気体の一部を一次導管１０６から分離する。次に、評価フローコントローラ１１５は下流弁１１４を開く一方、上流弁１１２を閉じることによって、気体の分流部分が既知容量１２０から解放されるにつれて減少する圧力を有する評価フロー１１６を生成する。

図２に示されるように、評価フロー１１６の流量の第１の測定値１２１（気体の圧力の変化率に基づく）及び評価フロー１１６の流量の第２の測定値１２４の両方が得られ（ブロック２０６及び２０８）、調整信号１０８は、評価フロー１１６の流量の第１の測定値１２１及び第２の測定値１２４の差異に基づいて生成される（ブロック２１０）。図１に示される実施形態において、変化率フローメータ１１８は、評価フロー１１６の流量の第１の測定値１２１を気体圧の変化率に基づいて算出し、マスフローメータ１２２は、気体の組成によって影響を受ける評価フロー１１６の流量をセンサで計測して、評価フロー１１６の流量の第２の測定値１２４を発生させる（ブロック２０８）。

次に、調整コンポーネント１２６は、評価フロー１１６の流量の第１の測定値１２１及び第２の測定値１２４間の差異に基づいて調整信号１０８を生成する（ブロック２１０）。例えば一実施形態において、調整コンポーネント１２６は第１の測定値１２１及び第２の測定値１２４の差異を算出し、その差異を第２の測定値１２４（気体の組成に依存する測定値）で割ることによって調整信号１０８を取得し、次いでマスフローコントローラ１０２の制御ループの計測されたフロー信号を補正するために、その調整信号をマスフローコントローラ１０２に出力する。図１に示される実施形態において、マスフローメータ１２２に対する気体の組成の変化の影響は、マスフローコントローラ１０２に対する影響を通常反映している。その結果、マスフローメータ１２２の不正確さに基づいて生成された調整信号１０８は、マスフローコントローラ１０２のエラーを補正するために使用され得る。

図３を参照して、図１を参照して記載されたマスフローコントローラ１０２として利用され得る典型的なマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３０２が示される。しかしながら、ＭＦＣ３０２は、マスフローコントローラ１０２として実施され得る種類のマスフローコントローラの一例に過ぎず、他の種類のマスフローコントローラも図１に示されるシステム１００におけるマスフローコントローラ１０２として利用され得ることを認識されたい。これらの構成要素の図示された配置は論理的なものであり、実際のハードウェア図を意図していないことも認識されたい。従って、構成要素は、実際の実施態様では、結合されること、更に分離されること、除去されること及び／または追加されることが可能である。当業者に認められるように、図３に図示された構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアまたはそれらの組み合わせで実施されてもよい。さらに、本明細書の観点では、個々の構成要素の構成は当業者の技術知識の範囲内である。

図示されるように、ＭＦＣ３０２の基部は、気体が流れて通過するバイパス３１０を含んでいる。バイパス３１０はメインパス３１５及びセンサ管３２０を通過する気体の比率を一定に制御している。結果として、センサ管３２０を通過する流体（例えば、気体または液体）の流量はＭＦＣ３０２のメインパス３１５を通過して流れる流体の流量を示す。

本実施形態では、センサ管３２０は、ＭＦＣ３０２の熱式マスフローセンサ３２５の一部をなす小口径の管である。一般に、熱式マスフローセンサ３２５は、出力信号３３０を出力するように構成されており、その出力信号は、センサ管３２０を通過する流量を示し、よって、ＭＦＣ３０２のメインパス３１５を通過する流量を示すデジタル信号である。当業者に容易に認められるように、横架して配置される抵抗温度計素子（例えば、導電線のコイル）、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）及び熱電対などを含むアナログ処理技術、アナログ−デジタル処理技術、デジタル処理技術に関連する様々な異なる技術が熱式マスフローセンサ３２５を実現するために使用され得る。図示されるように、本実施形態の出力信号３３０は校正コンポーネント３３２によって受信され、校正コンポーネント３３２は、校正用ガス（例えば、窒素）を利用した校正処理（例えば、ＭＦＣ３０２の製造業者によって）中に生成された所定の校正データ３３４を使って、出力信号３３０を調整することにより出力信号３３０を調節し、その結果、計測フロー信号３３６が様々な動作条件（例えば、様々な温度及び設定値）の下で、ＭＦＣ３０２を通過する校正用ガスの流量を正確に表す。

しかしながら、ガスの組成が校正用ガスから変化したとき、計測フロー信号３３６は不正確になり得る。すなわち、計測フロー信号３３６の精度は制御された気体の組成に依存する。その結果、図２に示されるように、本実施形態では、調整システム１０４からの調整信号１０８が補正モジュール３３８によって使用されて、計測フロー信号３３６を調整して、気体補正済みフロー信号３３９を生成する（ブロック２１２）。

本実施形態の熱式マスフローセンサ３２５、校正コンポーネント３３２、及び補正モジュール３３８と共にコントローラ３４０は、設定値信号３５５によって示される流量を提供するために気体補正済みフロー信号３３９に基づいて制御弁３５０の位置を制御するための制御信号３４５を生成するように動作する制御ループの一部である。言い換えれば、コントローラ３４０は、気体補正済みフロー信号３３９が一次導管１０６を通過する気体の流量が設定値であることを示すように（設定値信号３５５で示されるように）、制御弁３５０を制御するように構成される（ブロック２１４）。例えば、流量は、毎分１００リットル超でもよいが、流量は設定値信号３５５によって変動する。制御弁３５０は圧電弁またはソレノイド弁によって実現されてもよく、制御信号３４５は電圧（圧電弁の場合）または電流（ソレノイド弁の場合）でもよい。図示されていないが、コントローラ３４０は、流量をより正確に制御するために温度入力及び圧力入力も利用する。圧力センサ及び温度センサの両方及びマスフローコントローラにおけるそれらに対応する実施態様は、当業者には既知であるので、温度センサシステム及び圧力センサシステムの詳細は本明細書には含まれない。

次に図４Ａ及び図４Ｂを参照して、図１を参照して記載されるマスフローメータ１２２を実現するために夫々が利用される典型的なマスフローメータ４２２Ａ及びマスフローメータ４２２Ｂを図示するブロック図が示される。必要ではないが、図１を参照して記載された実施形態において、マスフローメータ４２２Ａ、４２２Ｂのいくつかの態様は、図１に記載のマスフローコントローラ１０２と同じ技術を利用する。より詳しくは、両センサ３２５、４２５は熱式マスフローセンサでもよく、バイパス３１０がマスフローコントローラ３０２のメインパス３１５及びセンサ管３２０を通過する一次気体流の比率を一定に制御しているのと同じ方法で、バイパス４１０がメインパス４１５及びセンサ管４２０を通過する評価フロー１１６の比率を一定に制御している。その結果、マスフローメータ４２２Ａ、４２２Ｂは、マスフローコントローラ３０２のマスフロー計測システム３２８を忠実に表す（図３参照）。よって、気体組成の変化のために起こるマスフローコントローラ３０２の出力信号３３０の変化は、マスフローメータ４２２Ａ、４２２Ｂのセンサ信号４３０にも同様に起こる。

図示されるように、評価フロー１１６の流量の第２の測定値１２４（気体の組成に依存する測定値）である校正フロー信号を与えるために、マスフローメータ４２２Ａ、４２２Ｂは、マスフローコントローラ３０２の校正コンポーネント３３２及び校正データ３３４と同じように機能する校正コンポーネント４３２及び校正データ４３４を有しても良い。

図４Ｂに記載されているマスフローメータ４２２Ｂは、評価フロー１１６の流量がセンサ４２５の範囲内であることを確保し、既知容量１２０内の気体圧に近いセンサ４２５での圧力（調整システム１０４の排気口での圧力と対照的に、真空でもあり得る）を生成するための制限物として動作する制御弁３５０を含む点で図４Ａのマスフローメータ４２２Ａと異なる。マスフローメータ４２２Ｂのコントローラ４４０は、制御弁３５０を開閉するために、評価フローコントローラ１１５からの信号４５５を受信してもよい。従って、制御弁３５０は、下流弁１１４と取り換え可能である。すなわち、制御弁３５０は、評価フロー１１６を発生させるために、下流弁１１４（図１を参照して記載された）と同様に制御され得る。他の実施形態において、フロー制限は、既知容量１２０と調整システム１０４の排気口との間の任意の位置に配置された制御弁（マスフローメータ４２２通って流れるフローを制限する他の任意のフロー制限コンポーネント）によって形成され得る。

図５を参照して、図１に示される変化率フローメータ１１８を実施するために使用され得る変化率フローメータ５１８のブロック図が示される。図示されるように、変化率フローメータ５１８は、評価フロー１１６の流量の第１の測定値１２１（気体の組成に依存しない測定値）を提供するフロー算出コンポーネント５２０を含む。図示されるように、圧力変化率コンポーネント５２２は、圧力信号５２４を圧力センサ１２５から受信し、これに応答して、変化率信号５２８をフロー算出コンポーネント５２０に出力する。さらに、フロー算出コンポーネント５２０は、温度センサ１３２から温度信号５３０を受信する。

図５の構成要素の記載は、変化率フローメータ５１８の機能的な側面を示すための論理的なものであり、ハードウェア表現を意図したものではない。より詳しくは、記載されたフロー算出コンポーネント５２０及び圧力変化率コンポーネント５２２は、ハードウェアまたはソフトウェアに関連付けられたハードウェアによって実現され得る。例えば、当業者に認められるように、圧力変化率コンポーネント５２２は、圧力信号５２４（例えば、電圧信号）を抽出するためのアナログ成分とデジタル成分との組み合わせにより実現されてもよく、既知容量１２０内の圧力の変化率を評価フロー１１６の圧力の経時変化に基づいて算出できるように、圧力信号５２４のデジタル化されたサンプルを格納してもよい。

動作中、フロー算出コンポーネント５２０は、変化率信号５２８、温度信号５３０、及び既知容量１２０に基づいて、評価フロー１１６の流量の第１の測定値１２１（気体の組成に依存しない測定値）を算出する。例えば、フロー算出コンポーネント５２０は、評価フロー１１６の流量を算出するために理想気体の法則を使用してもよい。より詳しくは、評価フロー１１６は以下の式で算出され得る。
ＡＦ=（d（p/T））/dt*（T_s*V）/（P_s*R）
式中で、
ＡＦは、評価フローを示し、
Ｔ及びＰは夫々、気体温度測定値及び気体圧力測定値を示し、
Ｔ_ｓ及びＰ_ｓは夫々、標準温度（２７３．１５K）及び標準圧力（１０１．３ｋＰａ）を示し、
Ｖは、既知容量であり、
Ｒは、気体定数（８．３１４４１ＪＫ^-1）である。

次いで図６を参照して、図１を参照して記載された気体不感応マスフロー制御システム１００を実現するために利用され得る物理的な構成要素を図示するコンピュータシステム６００のブロック図が示される。図示されるように、表示部６１２及び不揮発性メモリ６２０は、バス６２２に接続されており、バス６２２はさらに、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）６２４、処理部（Ｎ個の処理コンポーネントを含む）６２６、アナログ出力の集合６２８、及びアナログ入力の集合６３０にも接続されている。図６に記載の構成要素は物理的な構成要素を表現しているが、記載されているコンピュータシステムは、図１に示される構成要素を実施するために再現及び配置され得ることを認識されたい。

表示部６１２は通常、ユーザに内容を提示するために動作し、いくつかの実施態様において、ディスプレイはＬＣＤまたはＯＬＥＤによって実現される。不揮発性メモリ６２０は通常、データと、図１に示される機能的な構成要素に関連付けられたプロセッサによる実行が可能な非一時的なコードを含む実行可能コードとを格納する（例えば、持続的に格納する）ように機能する。ある実施形態において例えば、不揮発性メモリ６２０は、ブートストラップコード、ソフトウェア、オペレーティングシステムコード、ファイルシステムコード、及び図２を参照して記載された方法を容易にするコードを含む。

多くの実施態様において、不揮発性メモリ６２０はフラッシュメモリ（例えば、ＮＡＮＤメモリまたはＯＮＥＮＡＮＤメモリ（登録商標））によって実現されるが、その他の種類のメモリも利用可能であると確かに考えられる。不揮発性メモリ６２０からコードを実行することは可能であるが、不揮発性メモリ６２０の実行可能コードは、通常ＲＡＭ６２４にロードされ、処理部６２６の１または複数のＮ個の処理コンポーネントによって実行される。

ＲＡＭ６２４に関連するＮ個の処理コンポーネントは通常、図１に示される機能的な構成要素を実行するために、不揮発性メモリ６２０に格納された命令を実行するように動作する。例えば、評価フローコントローラ１１５と、変化率フローメータ１１８、マスフローコントローラ１０２、マスフローメータ１２２、調整コンポーネント１２６の論理的な側面とは、ＲＡＭ６２４から実行されるプロセッサによる読み取りが可能な非一時的なコードに関連する１または複数のＮ個の処理コンポーネントによって実現されてもよい。校正データ３３４、４３４は、不揮発性メモリ６２０に格納されてもよい。

インターフェースコンポーネント６３２は通常、ユーザが気体不感応マスフロー制御システム１００と連動可能にする１または複数の構成要素を表す。インターフェースコンポーネント６３２は例えば、キーパッド、タッチスクリーン及び１または複数のアナログまたはデジタル制御を含んでもよく、インターフェースコンポーネント６３２は、ユーザからの入力を設定値信号３５５に翻訳するために使用されてもよい。通信コンポーネント６３４は通常、気体不感応マスフロー制御システム１００を、外部ネットワーク及び外部処理コンポーネントを含む装置（例えば、燃料電池システム）と通信可能にする。当業者であれば、通信コンポーネント６３４は、様々な無線（例えば、ＷｉＦｉ）及び有線（例えば、イーサネット（登録商標））通信を可能にするコンポーネント（例えば、内蔵されまたは分散される）を含み得ることを認識するであろう。

典型的な燃料電池への応用
燃料電池は、酸素または他の酸化剤との化学反応によって燃料からの化学エネルギーを電気に変換する装置である。燃料電池は、化学反応を維持するための継続的な燃料源を必要とする点で電池とは異なるが、電池に関しては、電池の中にある化学物質が互いに反応し合って起電力を生成する。燃料電池は燃料が供給される限り電気を発生させることができる。

典型的なマスフローコントローラは、燃料の流量を設定値に近似して維持するために使用され得る。しかし実際には、供給気体の化学的な組成は例えば気体の汚染などのために変動し、燃料電池の効率に悪影響を及ぼす。これらの変動に対応していない典型的なマスフローコントローラは、最適化エネルギー出力未満の結果となる。エネルギー出力の変化に取り組むために、燃料電池業界は通常、燃料電池エネルギーの出力を計測し、この計測値に基づいて気体配送流を調整することに限られている。このプロセスは、供給気体の組成の変化に応答する際、遅延を生じるので、燃料電池のエネルギー効率を最大化しない。

先行技術の燃料電池システムにおいては、一次気体が汚染し、燃料電池のエネルギー出力に悪影響を及ぼした場合、該システムは使用不能とされ、再度校正される。この手法によって、システムに望ましくない非効率を招くことになる。これらの欠点を克服するために、気体不感応マスフロー制御システム１００は、気体の種類に不感応なシステムとして使用され得る。有利には、システム１００は、プラントの稼働を妨げることなくプロセスガスの変化に応答してマスフローコントローラ１０２の設定値（設定値信号３５５を使って）を調整する能力を有する燃料電池オペレータを提供する。

マスフローコントローラ１０２は、調整信号１０８に応答しており、一次気体Ｇ_p （例えば、メタン）の流量を設定値の０．５％以内の精度に制御し得る。よって、システム１００は、ブタン及び他の炭化水素を含む不純物が一次気体Ｇ_p に導入されている問題を克服する。この応答性は、燃料電池システムの効率を最大にし、新しい気体の種類に応答して、マスフローコントローラ１０２を校正するために燃料電池処理を停止する必要をなくす。

例えば、起動時に、マスフローコントローラ１０２の校正データ３３４が生成されて、メタンガスに対してマスフローコントローラ１０２を校正してもよい。しかしながら、起動後、メタンの供給は不純物で汚染され得、新しい気体の種類を一次気体Ｇ_p として効率的に生成し、マスフローコントローラ１０２の不具合のためでなく、マスフローコントローラ１０２を通過する流体の種類が変化するために、マスフローコントローラ１０２の測定値を不正確にさせる。

本明細書に記載の調整システム１０４を使用することにより、制御されている燃料の組成が期待または所望の組成からずれると、調整信号１０８の変化が促進される。マスフローコントローラ１０２は次いで調整信号１０８に応答して（上述したように）、不純物を補う。

上述の調整処理は継続してまたは定期的に、所望に反復され得ることを理解されたい。例えば、一次流体または一次気体Ｇ_p が格納容器から引き込まれている場合、オペレータは、一次流体または一次気体Ｇ_p が経時的に変化していないとみなすことがあり、密閉された格納容器をオンラインで当初から設けるときの単一の調整ステップだけが必要となる。対照的に、一次流体または一次気体Ｇ_p が公共のユーティリティ配管から引き込まれる場合、オペレータは、一次流体または一次気体Ｇ_p が経時的に頻繁に変化しているとみなして、例えば数分ごと、数時間ごと、数日ごとに定期的な確認ステップ及び調整ステップが必要となり得る。他の例としては、燃料電池エネルギーの生成処理が一次流体または一次気体Ｇ_p の変動に対して特に感応的である場合には、オペレータは、燃料電池エネルギー生成の効率性を最大化するために連続的に調整することを望み得る。

調整システム１０４はマスフローコントローラ１０２よりもかなり小さな容量または室を有し得ることを念押しされたい。特に、マスフローコントローラ１０２及び一次導管１０６は、少なくとも毎分約１００リットルの作動時容量、ある実施形態においては、少なくとも毎分約５００リットルの作動時容量を有しており、調整システム１０４は毎分約８００立方センチメートル以下の作動時容量を有している。

ある実施形態において、評価フロー１１６は下流弁１１４を通過後、大気または空の室に放出される一方、他の実施形態において、評価フロー１１６は一次導管１０６に戻される。

本明細書に開示された実施形態に関連して記載された種々の例証的な論理ブロック、モジュール及び回路は、図６に記載のＲＡＭ及び非一時的なメモリに関連付けられた汎用プロセッサ及び／または本明細書に記載の機能を実行するために設計された任意の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラマブルな論理デバイス、ディスクリートゲートまたはトランジスタ論理回路、ディスクリートなハードウェアコンポーネントまたはそれらの任意の組み合わせによって実施または実行されてもよい。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよい。その代わりに、プロセッサは任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシーンでもよい。プロセッサは、演算デバイスの組み合わせとして実施されてもよい。例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）及びマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサの組み合わせ、ＤＳＰコアと連結した一または複数のマイクロプロセッサの組み合わせ、または任意の他のこのような構成であるとして実施されてもよい。

本明細書に開示されている実施形態に関連して記載された方法のステップまたはアルゴリズムは、直接にハードウェアによって、プロセッサ（例えば、図６に示す）で実行されたソフトウェアモジュールによって、またはそれら２つの組み合わせによって具体化され得る。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭまたは当該技術で既知の記憶媒体の任意の他の形態のような、プロセッサによる読み取りが可能な非一時的な媒体に存在し得る。典型的な記憶媒体は、記憶媒体から情報を読み出し、情報を書き込み可能なプロセッサに連結される。その代わりに、記憶媒体は、プロセッサに一体化されてもよい。プロセッサ及び記憶媒体はＡＳＩＣに存在してもよい。

開示された実施形態のこれまでの記述は、如何なる当業者でも本発明を作成または使用できるようにするために提供されている。これらの実施形態に対する種々の変更は、当業者にとって容易に明らかになるであろう。また、本明細書で定義された包括的な原則は発明の趣旨または範囲から外れることなく他の実施形態に適用され得る。従って、本発明は、本明細書で示された実施形態に限定されることを意図されたものではないが、本明細書で開示された原則及び新規の特徴と矛盾しない最大の範囲に一致することを意図されたものである。

その結果、本発明は、特に流体質量流量を制御するためのシステムと方法とを提供する。本明細書に記載の実施形態によって実現される結果と実質的に同じ結果を実現するために、本発明にあっては、多数の改良及び代替が、その用途において及びその構成において可能であることを当業者は容易に認識し得る。従って、本発明を開示された典型的な形態に限定する意図は何らない。様々な変更、改良及び代替的な構成は、請求項により表現される開示された発明の範囲と趣旨の範囲内である。

Claims (8)

1. 気体の流れを誘導する一次導管と、
   二次導管を介して前記一次導管に連結され、前記気体の一部を前記一次導管から前記二次導管へと分流させ、前記気体の組成が変化すると変化する調整信号を提供するように構成された調整システムと、を備えるマスフロー制御システムであって、
   前記調整システムは、
   変化する圧力を有する評価フローを前記二次導管に発生させる加圧システムと、
   前記評価フローの圧力変化率に基づいて、前記評価フローの流量の第１の測定値を提供する変化率フローメータと、
   前記二次導管を通過する前記評価フローの流量の第２の測定値を提供するために配置されたマスフローメータと、
   前記評価フローの流量の前記第１の測定値と前記第２の測定値との差異に基づいて前記調整信号を生成する調整コンポーネントと、
   前記気体の一次流量を制御するために、前記一次導管に動作的に連結されたマスフローコントローラと、を含み、
   前記マスフローコントローラは、
   前記一次導管を通過する前記気体の前記一次流量を制御するために前記一次導管に配置された弁と、
   前記一次導管を通過する前記気体の前記一次流量に基づいて計測フロー信号を生成するように構成されたマスフロー計測システムと、
   前記計測フロー信号を前記調整信号で調整して、気体補正済みフロー信号を生成するように構成された補正モジュールと、
   前記一次導管を通過する前記気体の前記一次流量が設定値に等しいことを前記気体補正済みフロー信号が示すように、前記弁を制御するように構成されたコントローラと、を含む
   マスフロー制御システム。
2. 前記マスフローコントローラは、少なくとも毎分１００リットルの作動範囲を有する請求項１に記載のマスフロー制御システム。
3. 前記加圧システムは、前記二次導管内に配置された上流弁及び下流弁を含み、
   前記マスフローメータ及び前記変化率フローメータは、前記上流弁及び前記下流弁の間に配置され、
   前記加圧システムはさらに、
   前記気体の一部を前記一次導管から前記二次導管へ分流するために前記上流弁を開け、前記気体を加圧するために前記下流弁を閉じ、
   前記下流弁が閉じられて、加圧された気体を、既知容量を含む前記二次導管の一部に閉じ込める間、前記上流弁を閉じ、
   前記上流弁が閉じられて、変化する圧力を有する前記評価フローを発生させる間、前記下流弁を開けるように構成される、評価フローコントローラを含む
   請求項１に記載のマスフロー制御システム。
4. 前記評価フローコントローラは、前記評価フローを発生させるために、前記上流弁及び前記下流弁を開閉するための命令がプロセッサによって実行可能なコードとして非一時的メモリに格納されている請求項３に記載のマスフロー制御システム。
5. 前記評価フローコントローラは、前記評価フローを発生させるために、前記上流弁及び前記下流弁を開閉するためのハードウェアを含み、
   前記ハードウェアは、１または複数のＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、プログラム化できる論理デバイス、及びディスクリートゲートまたはトランジスタ論理デバイスを含む
   請求項３に記載のマスフロー制御システム。
6. 気体の流量を制御する方法であって、
   マスフローコントローラによって、一次導管を流れる前記気体の流量を制御し、
   前記気体の一部を二次導管に分流し、
   変化する圧力を有する評価フローを前記二次導管に発生させ、
   前記評価フローの圧力変化率に基づいて、前記評価フローの流量の第１の測定値を算出し、
   前記気体の組成によって影響される前記評価フローの流量をマスフローメータで計測し、前記評価フローの流量の第２の測定値を発生させ、
   前記評価フローの流量の前記第１の測定値と前記第２の測定値との差異に基づいて調整信号を生成し、
   前記マスフローコントローラの計測フロー信号を前記調整信号で調整して、気体補正済みフロー信号を生成し、
   前記一次導管を通過する前記気体の流量が設定値に等しいことを前記気体補正済みフロー信号が示すように、前記マスフローコントローラの弁を制御する、方法。
7. 前記一次導管を通過する前記気体の流量を前記マスフローコントローラで制御することは、前記気体の流量を少なくとも毎分１００リットルに制御することを含む請求項６に記載の方法。
8. 前記評価フローを発生させることは、
   前記二次導管にある上流弁を開けて、前記気体の一部を前記一次導管から前記二次導管へ分流し、下流弁を閉じて前記気体を加圧し、
   前記下流弁を閉じて、加圧された気体を、既知容量を含む前記二次導管の一部に閉じ込める間、前記上流弁を閉じ、
   前記上流弁が閉じて、変化する圧力を有する前記評価フローを発生させる間、前記下流弁を開けることを含む
   請求項６に記載の方法。

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