JP7333261B2

JP7333261B2 - 熱量計

Info

Publication number: JP7333261B2
Application number: JP2019231344A
Authority: JP
Inventors: 尚史小澤; 辰行奥野; 良春名川; 辰志南; 香那子倉橋
Original assignee: Yazaki Energy System Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Yazaki Energy System Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: JP2021099269A

Description

本発明は、熱量計に関する。

従来、測定対象となる燃料ガスが流れる管材と、管材の内側に塗布された触媒と、触媒が設けられる管材上の部位を加熱するコイルと、当該加熱部位における温度に応じた信号を出力する温度測定部とを備えた熱量計が開示されている（例えば特許文献１参照）。この熱量計は、コイルによる加熱環境下において触媒を利用して燃料ガスを燃焼させ、燃焼時における温度上昇に基づいて発熱量を算出する。

特開２０１７－７５８８２号公報

しかし、特許文献１に記載の熱量計は、温度上昇により触媒のシンタリングが進み、触媒が劣化して温度上昇幅ΔＴが低下することから、発熱量の算出精度が低下してしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、発熱量の算出精度を向上させることができる熱量計を提供することにある。

本発明の熱量計は、燃料ガスを燃焼させたときの温度上昇に基づいて発熱量を求めるためのものである。熱量計は、燃焼機能部と発熱量算出部とを備えている。燃焼機能部は、前端から後端に向けて測定対象となる燃料ガスが流れる管材と、管材の中空部を埋めるように管材の内側に設けられ燃料ガスを燃焼させるための触媒が担持された多孔質体と、触媒を加熱する発熱源と、発熱源によって加熱された触媒と燃料ガスとの反応による温度上昇に応じた信号を出力すると共に管材の後端側から挿入状態とされ先端が多孔質体の略中心部に位置したシース熱電対とを備えている。発熱量算出部は、燃焼機能部の累積使用時間を計測し、予め求められている累積使用時間と補正量との関係を示すデータと、計測した累積使用時間とから累積使用時間に応じた補正量を求める。さらに、発熱量算出部は、当該補正量をシース熱電対からの信号に基づく温度上昇幅に対して加算して発熱量を算出する。

この熱量計によれば、温度測定部からの信号に基づく温度上昇幅に対して燃焼機能部の累積使用時間に応じた補正量を加算して発熱量を算出する。このため、累積使用により低下する温度上昇幅に対して補正値が加算されることとなり、発熱量の算出精度を向上させることができる。

本発明によれば、発熱量の算出精度を向上させることができる熱量計を提供することができる。

本発明の実施形態に係る熱量計を含む計測システムを示すブロック図である。図１に示した熱量計の構成を示す構成図である。図２に示した構成の一部拡大図である。温度上昇幅の低下を示すグラフである。補正された温度上昇幅を示すグラフである。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係る熱量計を含む計測システムを示すブロック図である。図１に示す計測システム１は、ガス混合装置１０と、熱量計２０とを備え、ガス混合装置１０による可燃ガスと空気との混合によって得られた混合ガスを燃料ガスとして熱量計２０に供給し、熱量計２０にて燃料ガスを燃焼させて発熱量を測定するものである。

このような計測システム１においてガス混合装置１０は、第１～第３配管１１～１３と、第１及び第２流量計１４ａ，１４ｂと、第１及び第２バルブ１５ａ，１５ｂと、混合器１６とを備えている。

第１配管１１は、上流側のレギュレーターＲ１と混合器１６とを接続する配管であって、レギュレーターＲ１を介して流れてくる可燃ガスを混合器１６まで導くものである。第１流量計１４ａは、第１配管１１上に設けられ、第１配管１１を流れる可燃ガスの流量を計測するものである。第１バルブ１５ａは、第１配管１１の第１流量計１４ａの下流側に設けられたニードルバルブである。

第２配管１２は、上流側のレギュレーターＲ２と混合器１６とを接続する配管であって、レギュレーターＲ２を介して流れてくる空気を混合器１６まで導くものである。第２流量計１４ｂは、第２配管１２上に設けられ、第２配管１２を流れる空気の流量を計測するものである。第２バルブ１５ｂは、第２配管１２の第２流量計１４ｂの下流側に設けられたニードルバルブである。

混合器１６は、第１及び第２配管１１，１２を通じて流れてくる可燃ガスと空気とを混合するものである。第３配管１３は、混合器１６による混合によって得られた混合ガスを、燃料ガスとして熱量計２０に供給するための配管である。

図２は、図１に示した熱量計２０の構成を示す構成図であり、図３は、図２に示した構成の一部拡大図である。図２に示すように、熱量計２０は、燃料ガスを燃焼させたときの温度変化に基づいて発熱量を求めるものであり、燃焼機能部２１と、定電圧源２２と、データロガー２３と、演算装置（発熱量算出部）２４とを備えている。

燃焼機能部２１は、ガス混合装置１０からの燃料ガスを、定電圧源２２からの電圧を利用して燃焼させるものであり、図２及び図３に示すように、管材２５、多孔質体２６、ヒータ（発熱源）２７、及びシース熱電対（温度測定部）２８を備えている。

管材２５は、測定対象となる燃料ガスが流れる配管であり、図１に示した第３配管１３が接続されている。管材２５は、例えばセラミック管（材質はアルミナ）により構成されている。なお、管材２５は、セラミックに限らず、ヒータ２７の加熱に耐え得る素材であれば、他の素材であってもよい。

多孔質体２６は、内部に多数の気孔を有する構造体であり、本実施形態では金属材料（例えばステンレス）によって形成されて金属多孔質体となっている。また、多孔質体２６は、燃料ガスを燃焼させるために、パラジウムや白金等の触媒２６ａを担持している。触媒２６ａは、ディップコーティング等の手法により、ペースト状にされたうえで含浸させられることにより多孔質体２６に担持されている。

このような多孔質体２６は、管材２５の内側のうち後端側（燃焼ガスの流れ方向における下流側）に設けられている。本実施形態において多孔質体２６は、外周形状が管材２５の内周形状と概ね対応しており、管材２５の中空部を埋めるように管材２５内に配置されている。

ヒータ２７は、管材２５内に配置された多孔質体２６を加熱するものである。ヒータ２７は、管材２５の外周面２５ｂのうち多孔質体２６が設けられる位置と対向して取り付けられている。ヒータ２７は、定電圧源２２から電圧が印加されて発熱し、管材２５及び多孔質体２６を所定の温度（例えば４００℃）に加熱する。

シース熱電対２８は、多孔質体２６の温度に応じた信号を出力するものである。シース熱電対２８は、保護管であるシース内に熱電対素線を納め、絶縁物で充填密封して一体化したものであり、ゼーベック効果を利用して温度を測定する。シース熱電対２８は、管材２５の後端側から管材２５内に挿入されて、先端が多孔質体２６の略中心部まで挿入されている。なお、本実施形態においてはシース熱電対２８を用いているが、これに限らず、他の温度計測機器を用いてもよい。

ここで、ヒータ２７により多孔質体２６が昇温されており、多孔質体２６（管材２５内）に燃料ガスが供給された場合、多孔質体２６において燃料ガスが燃焼する。このとき、多孔質体２６の温度は上昇することとなる。シース熱電対２８は、このような温度に応じた信号を出力することとなる。

データロガー２３は、シース熱電対２８から出力される信号、すなわち、多孔質体２６の温度を記録するものである。演算装置２４は、例えば例えばＰＣ（Personal Computer）によって構成され、データロガー２３の記録内容に基づいて燃焼機能部２１に供給された燃料ガスの発熱量を演算するものである。この演算装置２４は、例えば温度上昇幅ΔＴと発熱量との相関を示すデータを記憶しており、この相関データに基づいて発熱量を算出する。なお、演算装置２４は、発熱量を演算するにあたり、第１流量計１４ａ及び第２流量計１４ｂの計測値も入力する。

さらに熱量計２０は保護容器２９を備えている。保護容器２９は、管材２５の後端側を収納する断熱性の筐体である。この保護容器２９は、例えば風の影響によりシース熱電対２８による検出温度が変動してしまう事態を防止している。

ここで、上記のような熱量計２０は、図３に示すように、温度上昇により触媒２６ａのシンタリングが進み、触媒２６ａが劣化した結果、温度上昇幅ΔＴが低下することから、発熱量の算出精度が低下してしまう。

図４は、温度上昇幅ΔＴの低下を示すグラフである。なお、図４に示す例においては触媒２６ａにパラジウムが用いられている。

図４に示すように、或る燃料ガスが管材２５に導入された場合において、燃焼機能部２１が未使用（累積使用時間がゼロ）である場合の温度上昇幅ΔＴは約９０℃である。しかし、この温度上昇幅ΔＴは、燃焼機能部２１の累積使用時間が大きくなるに従って低下していく傾向があり、具体的に累積使用時間が１００ｈｒで約７５℃となり、２００ｈｒで約７０℃となり、３００ｈｒで約６８℃となり、４００ｈｒで約６６℃となってしまう。

ここで、本件発明者らは、この温度上昇幅ΔＴの低下の一因として、触媒活性とは無関係である、ベース温度の低下が存在することを見出した。ベース温度が低下してしまうと、連続計測ではその計測時点でのベース温度が測定できず、燃焼時の温度しか測定できないため、温度上昇幅ΔＴの算出時には例えば初期のベース温度が利用され、結果として、温度上昇幅ΔＴが小さく算出されてしまう（低下してしまう）。表１は、累積使用時間によるベース温度の変化を示す表である。

表１に示すように、パラジウムを触媒２６ａとする燃焼機能部２１について、開始時（すなわち累積使用時間０ｈｒ）においては、ベース温度が３９９．０８℃であるが、終了時（すなわち累積使用時間４１３ｈｒ）においては、ベース温度が３８８．０８℃まで低下してしまう。

そこで、本実施形態に係る演算装置２４は、シース熱電対２８からの信号に基づく温度上昇幅ΔＴに対して、燃焼機能部２１の累積使用時間が長くなるに従って大きな値となる補正量を加算して発熱量を算出する機能を備えている。

具体的に演算装置２４は、Ｔ_Ｂ（０）を初期のベース温度とし、Ｔ_Ｂ（ｔ_１）を任意の累積使用時間ｔ１時点のベース温度とし、現時点の累積使用時間をｔとした場合、補正量を

なる式から算出する。ここで、例えば累積使用時間ｔ１を例えば４１３ｈｒとした場合、上記表１との関係から式（１）は１１×ｔ／４１３となる。よって、演算装置２４は、例えば累積使用時間が４００ｈｒである場合、補正量を約１０．７℃（１１×４００／４１３）と算出する。

具体的には補正がない場合において累積使用時間が４００ｈｒであるとき、初期からの温度変化量（温度上昇幅ΔＴの低下）は－２８．６℃となってしまい、劣化により初期と比べて３０．６％ΔＴが低下しているように見えてしまう。これに対して、上記式（１）により、触媒活性の低下とは無関係な温度変化量に相当する補正量を加算することで、初期からの温度変化量（温度上昇幅ΔＴの低下）は－１７．９℃（１９．２％）と、劣化に相当する温度低下を正しく算出できる。このように、或る累積使用時間tのときのベース温度を上手く推測し、そのベース温度を基に温度上昇幅ΔＴを算出すると、誤差が少なく熱量算出できる。よって、熱量計算値として、低めに算出される値を、より正しい値に補正できる。

なお、図４に示すように、温度上昇幅ΔＴの低下は累積使用時間の増加に応じて略比例的となっている。このため、補正量については上記式（１）の比例式（一次式）によって算出することができるが、特に一次式に限らず、二次以上の式によって算出されてもよい。

図５は、補正された温度上昇幅ΔＴを示すグラフである。なお、図５に示すグラフは図４に示したものと同じ条件での温度上昇幅ΔＴ（補正済み）を示している。図５に示すように、補正された温度上昇幅ΔＴは少なくとも７５℃程度を維持している。このため、ベース温度の低下による見かけ上の温度上昇幅ΔＴの低下が補正され、実際の温度上昇幅ΔＴに近い値が算出されており、発熱量の算出精度を向上させることができる。

さらに、本件発明者らは、温度上昇幅ΔＴの低下の一因として触媒劣化による触媒活性の低下が存在することを見出した。触媒活性が低下すると、燃焼時に温度が上昇し難くなって、燃焼時温度の低下を招く。このため、本実施形態に係る演算装置２４は、累積使用時間に対する燃焼時温度の低下量のデータを記憶しており、この累積使用時間に応じた低下量を補正量として加算することとなる。これによっても、温度上昇幅ΔＴの低下を考慮して発熱量が算出され、発熱量の算出精度を向上させることができる。

次に、本実施形態に係る熱量計２０の動作を説明する。

まず、データロガー２３は、燃料ガスが供給されていない時点でシース熱電対２８からの信号に基づいてベース温度（すなわちヒータ２７によって加熱される多孔質体２６の温度）を記録する。次いで、ガス混合装置１０による可燃ガスと空気との混合によって得られた燃料ガスが熱量計２０に供給される。

燃料ガスは、管材２５内の多孔質体２６まで至り触媒２６ａと反応する。触媒２６ａとの反応によって多孔質体２６は温度上昇する。データロガー２３は、シース熱電対２８からの信号に基づいて、このような上昇した温度を記録する。

ここで、演算装置２４は、燃焼機能部２１について累積使用時間を計測しており、現在の累積使用時間に基づいて補正量（ベース温度の低下に基づく補正量、及び、触媒活性の低下に基づく補正量）を算出する。次に、演算装置２４は、上昇後の温度からベース温度を差し引くと共に補正量を加算して、補正された温度上昇幅ΔＴを算出する。次いで、演算装置２４は、補正された温度上昇幅ΔＴと予め記憶される相関データとに基づいて発熱量を算出する。

このようにして、本実施形態に係る熱量計２０によれば、シース熱電対２８からの信号に基づく温度上昇幅ΔＴに対して燃焼機能部２１の累積使用時間が長くなるに従って大きな値となる補正量を加算して発熱量を算出する。このため、累積使用時間が長くなるほど進行するベース温度の低下や触媒２６ａのシンタリングによる触媒活性低下に応じた補正値を加算することとなり、発熱量の算出精度を向上させることができる。

また、本件発明者らは触媒２６ａの劣化とは無関係にベース温度が低下し、これが温度上昇幅ΔＴの低下の一因となっていることを見出した。そこで、演算装置２４が現時点の累積使用時間に基づく現時点のベース温度の低下量を加味した補正量を加算することで、発熱量の算出精度を向上させることができる。

また、本件発明者らは触媒２６ａのシンタリングの進行に応じて触媒活性が低下し、これが温度上昇幅ΔＴの低下の一因となっていることを見出した。そこで、演算装置２４が現時点の累積使用時間に基づく触媒活性の低下による燃焼時温度の低下を加味した補正量を加算することで、発熱量の算出精度を向上させることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、本実施形態において熱量計２０は保護容器２９を備えているが、特にこれに限らず、備えない構成であってもよい。また、本実施形態において触媒２６ａは多孔質体２６に担持されているが、これに限らず、単に触媒２６ａのみが管材２５の内周面に設けられていてもよい。加えて、多孔質体２６は管材２５の後端側を塞ぐように設けられているが、これに限らず、中央部開口を有するなど塞ぐように設けられていなくともよい。さらに、多孔質体２６（触媒２６ａ）は管材２５の後端側に限らず、管材２５の長手方向中央あたりに設けられていてもよい。

さらに、本実施形態においてはヒータ２７を発熱源として説明したが、これに限らず、可能であれば特定部位を加熱する熱風等を送り込む手段などであってもよい。加えて、ヒータ２７は、管材２５を加熱することで間接的に触媒２６ａを加熱するものであるが、これに限らず、触媒２６ａ（多孔質体２６）を直接加熱するように配置されていてもよい。

加えて、本実施形態に係る演算装置２４は温度上昇幅ΔＴに対して、燃焼機能部２１の累積使用時間が長くなるに従って大きな値となる補正量を加算して発熱量を算出するが、補正量は累積使用時間が長くなるに従って大きな値となるものでなくともよい。例えば、管材２５の素材の問題等により、例えば累積使用時間が或る時間に達したときに過渡的に大きな温度上昇幅ΔＴが得られる等の事情がある場合には、その累積使用時間に達したときの補正量は小さくされてもよい。また、例えば特定の触媒２６ａを使用した場合に、或る累積使用時間以上では温度上昇幅ΔＴについて低下が殆ど見られなくなる等の事情がある場合には、その累積使用時間以上においては補正量が一定値とされてもよい。すなわち、補正量は累積使用時間が長くなるに従って大きな値となるものに限らず、種々の事情等を考慮して、累積使用時間に応じて定められたものであってもよい。

１：計測システム
１０：ガス混合装置
１１：第１配管
１２：第２配管
１３：第３配管
１４ａ：第１流量計
１４ｂ：第２流量計
１５ａ：第１バルブ
１５ｂ：第２バルブ
１６：混合器
２０：熱量計
２１：燃焼機能部
２２：定電圧源
２３：データロガー
２４：演算装置（発熱量算出部）
２５：管材
２５ｂ：外周面
２６：多孔質体
２６ａ：触媒
２７：ヒータ（発熱源）
２８：シース熱電対（温度測定部）
２９：保護容器
ΔＴ：温度上昇幅
Ｒ１，Ｒ２：レギュレーター

Claims

燃料ガスを燃焼させたときの温度上昇に基づいて発熱量を求めるための熱量計であって、
前端から後端に向けて測定対象となる燃料ガスが流れる管材と、前記管材の中空部を埋めるように前記管材の内側に設けられ燃料ガスを燃焼させるための触媒が担持された多孔質体と、前記触媒を加熱する発熱源と、前記発熱源によって加熱された前記触媒と燃料ガスとの反応による温度上昇に応じた信号を出力すると共に前記管材の後端側から挿入状態とされ先端が前記多孔質体の略中心部に位置したシース熱電対と、を備えた燃焼機能部と、
前記シース熱電対からの信号に基づく温度上昇幅から発熱量を算出する発熱量算出部と、を備え、
前記発熱量算出部は、前記燃焼機能部の累積使用時間を計測し、予め求められている累積使用時間と補正量との関係を示すデータと、計測した累積使用時間とから累積使用時間に応じた補正量を求め、当該補正量を前記シース熱電対からの信号に基づく温度上昇幅に対して加算して発熱量を算出する
ことを特徴とする熱量計。
前記発熱量算出部は、現時点の累積使用時間に基づく現時点のベース温度の低下量を加味した前記補正量を加算する
ことを特徴とする請求項１に記載の熱量計。
前記発熱量算出部は、現時点の累積使用時間に基づく触媒活性の低下による燃焼時温度の低下を加味した前記補正量を加算する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の熱量計。