JPH10306286A

JPH10306286A - 低コストの酸素検出プローブを用いる吸熱ガス発生器の自動制御装置

Info

Publication number: JPH10306286A
Application number: JP10075482A
Authority: JP
Inventors: Randall R Conklen; アールコンクレンランダール; Gary D Keil; ディーキールゲアリー; Paul R Luebbers; アールルーバースポール
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 1998-11-17
Also published as: DE19812955A1; US5828582A

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス発生器のための制御システムを開示す
る。【解決手段】制御システムは、生成ガスの酸素含有量
に応じて、信号を発信する自動酸素センサーを含む。自
動式酸素センサーがコントローラに接続されガス発生器
の中に設けられており、センサーの先端部が第１の熱交
換器の下流側で、前記生成ガス内に設けられるようにな
っている。好ましくは、自動センサーの取付けは、生成
ガスが少なくとも４０００°Ｆ（２２０４°Ｃ）の割合
で少なくとも１５００°Ｆ（８１６°Ｃ）に冷却された
地点で行なわれる。コントローラは、酸素センサー信号
に応答して出力信号を発する。トリムバルブは、コント
ローラ出力信号を受信し、これに応答して投入ガスを変
化させ生成ガスの組成を変えるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス発生器に関する。
より詳細には、本発明は、低コストの酸素検出プローブ
を用いるガス発生器の自動制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸熱ガスが、様々な材料の熱処理の保護
的な周囲ガスとして広く用いられており、浸炭のための
キャリヤーガスとしても用いられている。最も一般的に
は、吸熱ガスは、触媒を含む反応レトルト内で炭化水素
ガスと空気を高温で反応させることによって作られ、窒
素４０％、水素４０％、および一酸化炭素２０％からな
る公称組成を有するクラス３００のキャリヤーガスに指
定された一連の雰囲気ガスとして、アメリカ金属協会に
より規定されている。一般的な分析は以下の通りであ
る。４０．４％Ｈ₂ １９．９％ＣＯ３９．０％Ｎ₂ ０−０．４％ＣＨ₄ ０．１−０．４％Ｈ₂Ｏ０．１−０．５％ＣＯ₂ 触媒は、一般的にニッケルを含浸した酸化アルミニウ
ム、すなわち絶縁耐火レンガ（ＩＦＢ）の塊からなる。
一般的に、触媒ベッドの温度は、１８００−２２００°
Ｆ（９８２−１２０４°Ｃ）に維持される。このような
手段で吸熱ガスを生成するための方法が本分野において
知られている。例えば、このような吸熱ガスの生成の所
定の態様を記載する特許の１つが、米国特許第４、８０
５、８８１号である。

【０００３】実際には、１つか２つ以上の吸熱ガス発生
器が共に結合されており、ガスをヘッダーシステムを介
し１つか２つ以上の炉に供給するようになっている。ヘ
ッダーシステムに供給するのに必要とされる吸熱ガスの
総量を、どれだけの炉が作動しているか、あるいは各炉
が作動しているサイクル中のどの段階であるか、によっ
て変えることができる。いくつかの炉では、常時、安定
した状態の流れで作動し、他の炉は、作動中に流れ要求
が変化することがある。例えば、大きな流れが要求さ
れ、これによってドアが開けられ入口の浄化を行なうよ
うになっている。ヘッダー要求のこの変化のために、吸
熱ガス発生器に入る空気と炭化水素ガスの流れが変化す
ることになり、炭化水素ガスと空気との比を制御する必
要性が生じる。

【０００４】吸熱ガスの組成は、投入ガスと空気の比だ
けではなく、投入ガスと空気の組成によって決定される
ことがよく知られている。空気の組成は、空気中の水蒸
気の量に従って変わる。投入ガスの組成も変えることが
できる。吸熱ガス発生器に使用される最も一般的な反応
ガスは天然ガスであり、様々な量のメタン、エタン、プ
ロパン、ブタン、ペンタン、酸素、窒素および別の炭化
水素を有するものとして知られている。天然ガスは、ま
た油領域からガスにより運ばれる少量の油蒸気も含む。
この油は、整備での所定の時間後、試験のときの天然ガ
ス管の内面の油コーティングとして見られることが多
い。多くの場合、油は天然ガスの管に設けられた点滴脚
部内に集積される。冬になり、寒冷前線がくると、共通
の天然ガス供給ヘッダーに接続されたバンク内の複数の
吸熱ガス発生器の全てが、ほぼ同時に吸熱ガス組成に相
当の変化を受けるのが極めて一般的である。これの一因
は、膨大の数の建築用ヒータが作動されると、増大した
天然ガスの流れによって発生する油蒸気の動きである。
所定の領域において、ガス供給物には、冬の間のピーク
シェービングとして、プロパンまたはプロパン／空気の
混合物が補充される。いかなる場合においても、反応ガ
スまたは空気の組成の変化が、依然として生成吸熱ガス
の組成に影響を及ぼす要因となっている。

【０００５】吸熱ガスは、投入作用ガスと空気との比を
変化させることによって固有の濃度レベルに制御され
る。ガスの固有の濃度は、既知の式量により、残余する
２酸化炭素、水蒸気、または吸熱ガスに存在する酸素に
関連する。通常、吸熱ガス発生器に入るガスと空気の比
は、総称的に固定空気／ガス比制御システムといわれる
装置または一連の装置により確立される。一般的に、固
定の空気／ガス比制御システムは、ガスと空気の投入ラ
インの双方上にオリフィスを含む。１つか２つのオリフ
ィスが調整可能であればよいので、オペレータはその比
を所望の作動点に設定することができる。一般的に、空
気ラインに接続された圧力インパルスラインを有する機
械的比制御調整器を炭化水素ガスラインに設けることに
よって、比を自動的に維持する。空気流れの変化が、機
械的比制御調整器により検出され、対応する流れの変化
を炭化水素ガスに対し行なうようになっている。残念な
ことに、これらの機械的な比制御システムでは、炭化水
素と空気の比を発生器の拒絶範囲にわたり完全に維持で
きない。

【０００６】これらの機械的な固定された空気／ガス比
制御システムにおける誤差を補償するために、１つか２
つ以上の残余したガス類が生成吸熱ガス流れの中で測定
されて、整定値と比較される。この比較に基づいて、炭
化水素ガスと空気の比を増大させることによって、吸熱
ガスの濃度をより濃くし、あるいは炭化水素ガスと空気
との比を減少させることによって、より希薄にすること
もできる。従来のシスムにおいて、ガスと空気比におけ
るこの変化は、固定された空気／ガス比制御システムの
手動調整によりなされるか、または生成吸熱ガス内の残
余したガス類を測定し、ガスまたは空気ライン上のトリ
ムバルブに対し排出量の調整を自動的に行なう制御シス
テムを用いることによって自動的に実行される。マラソ
ン・モニター・インク（ＭＭＩ）により市場に出回り、
販売されている、このような自動システムの１つでは、
約２４インチ（約６１ｃｍ）の長さで、作用レトルトの
上部において下方向に挿入され、プローブ先端が触媒の
真上の所定点に存在するようになっている酸素プローブ
を利用する。この位置におけるセンサーは、相当に高温
（１８００−２２００°Ｆ／９８２−１２０４°Ｃ）の
吸熱ガスを受ける。ＭＭＩシステムにおいて、酸素セン
サーがＭＭＩキャルブプロ（ＣａｒｂＰｒｏ）コントロ
ーラへの入力である電圧出力を発信させ、所望の整定点
からガス組成のエラーを計算して、出力信号をトリムバ
ルブへ送信し、ガスと空気の比を変更する。

【０００７】自動制御システムが、従来技術において公
知である。しかし、全てのこのようなシステムでは欠点
を受けることになる。例えば、１つの既知の吸熱ガス制
御システムでは、生成吸熱ガスの二酸化炭素の含有量を
赤外線ガスアナライザで測定する。これらのシステムは
通常極めて正確であるが、高メンテナンスが必要なこ
と、高い分析費用、複雑なガスのサンプリング方式、お
よび規格化された組成のキャリブレーションガスでの頻
繁な校正が必要とされるという欠点を有する。さらに、
いくつかの吸熱ガス発生器に接続されると、サンプル流
れが発生器の間で切り換えられなければならないので、
ＣＯ₂赤外線制御システムはゆっくりとした制御を行な
う。通常、各発生器のガス流れをサンプル化し、分析す
るのに１分から２分を要する。例えば、単一の赤外線制
御システムが６個の吸熱ガス発生器のバンクに接続され
る場合には、制御システムは、分析のみを行い、６分か
ら１２分ごとに１つの発生器に対する制御修正を行な
う。

【０００８】別の既知のシステムでは、製品吸熱ガスの
水蒸気を測定し、この測定値に基づいた固定の空気／ガ
ス比制御システムに対する手動調整を含む。より複雑な
自動水蒸気測定システムが本分野において知られてい
る。手動水蒸気測定システムの重要な欠点は、生成吸熱
ガスの組成が、オペレータの技術と熟練さに極めて依存
することである。自動水蒸気測定システムも多くの欠点
を有する。例えば、これらはサンプルシステムを必要と
し、ＣＯ₂赤外線システムと同一の欠点を有するが、校
正するのは相当に困難である。そのため、最も商業的に
入手可能な自動制御システムでは、生成吸熱ガス流れの
中に残余する酸素を検出するための酸素プローブを利用
する。酸素プローブは連続ＤＣ出力電圧を与え、バルバ
ー・コルマン・モデル５６０のような単一のループコン
トローラに簡単に接続され、次いで、トリムバルブに接
続され、吸気ガス／空気比を修正するようになってい
る。しかし、一般的な酸素センサーは生成吸熱ガス流れ
に達するためには非常に長くなければならないこと、と
生成ガスに伴う高温を受けて、この高温に耐えなければ
ならないことのために、これらのセンサーは、一般的に
かなり高価なものとなる。例えば、ＭＭＩシステムで
は、炉周囲ガスにおける酸素の本質的な測定のために炉
壁を通って挿入されるのに使用されるのとほぼ同一の種
類の高価で（各約１５００ドル）長いタイプの酸素プロ
ーブを用いている。

【０００９】一般的に、既知の自動制御システムは、発
生器が複数のレトルトを有していても、発生器ごとに一
個の酸素プローブのみを用いる。本分野の当業者に公知
のように、複数のレトルトが設けられた吸熱ガス発生器
においてレトルトごとに流れが様々である。これらの流
れの変化は、生成吸熱ガスの組成に影響を及ぼす。レト
ルトを通るガスが高速度であるために、吸熱ガスは、レ
トルトが配置される加熱チャンバの作動温度に達するこ
とはないことはよく知られていることである。レトルト
を通る流量が大きくなればなるほど、レトルト内の吸熱
ガスにより得られるピーク温度がより低いものになる。
吸熱ガスにおける全分子種間の平衡関係が温度により影
響を受けるので、ガスの組成は流量とともに変動する。
ＭＭＩシステムのように、制御システムが一個のＯ₂プ
ローブのみを有している場合には、１つのレトルト内の
酸素含有量のみが測定される。このために、レトルト内
の流量変数が異なる場合に、複数のレトルト発生器の全
出力を表すことがない可能性がある。複数の長いタイプ
の酸素プローブとコントローラとを用いるコストの高さ
と複雑さが、レトルトごとに一個の長い酸素プローブを
用いることを法外に高価なものにしている。長いタイプ
の酸素プローブの費用の問題は、生成吸熱ガスの温度の
ために、吸熱ガス発生器の用途において直面するセンサ
ーの寿命の際だった低下によりさらにひどいものにな
る。

【００１０】費用の高い長いタイプの酸素プローブのた
めに、低コストの（各約３０ドル）の自動式酸素センサ
ーを利用する吸熱発生器制御システムの開発が数多く産
出されてきた。このようなシステムの１つが米国特許番
号第５、２１１、８２０号（‘８２０特許とする）と、
同第４、０６０、８０７号（‘８０７特許）に記載され
ている。自動式センサーは、自動車に搭載するコンピュ
ータに使用するのに本来開発されたものであり、最適な
性能とエミッションを低減させるためにエンジン燃料／
空気混合気を制御するようになっている。これらは、４
００°Ｆから１５００°Ｆ（２０４°から８１６°Ｃ）
の周囲空気中の酸素を検出するように設計されており、
最も良い状態で作動するのは８００°Ｆから１２００°
Ｆ（４２７°から６４９°Ｃ）の範囲である。８００°
Ｆ（４２７°Ｃ）以下の温度で、プローブインピーダン
スが劇的に上昇して分極が生じ、極限状態の高い入力イ
ンピーダンスを有する電圧測定装置が使用されるまで、
不正確な電圧読み取りの原因となる。１５００°Ｆ（８
１６°Ｃ）以上の温度では、プローブの寿命が短くな
る。何故ならば、プローブの主本体が平坦な炭素鋼から
製造され、冷却されていない吸熱生成ガスの過酷な環境
に耐えることができないからである。これらの理由のた
めに、自動式のセンサーは使用するのが困難であった。

【００１１】自動酸素センサーに伴う別の深刻な問題
は、検出プローブは長さが極めて短い（１インチ／２．
５４ｃｍ未満）ことである。この制限については、‘８
０７特許において、酸素センサーの先端を吸熱ガスのサ
ンプルにさらすことのできる分離した加熱サンプルチャ
ンバを使用することにより解決している。チャンバは電
気加熱エレメントで約１４００°Ｆ（７６０°Ｃ）に加
熱される。‘８０７特許では、吸熱ガス発生器の用途に
おいて、自動式センサーを使用するための方法を開示し
ているが、‘８２０特許に詳細に記載する多くの欠点を
有する。‘８２０特許に記載するように、最も深刻な欠
点は、センサー先端の中にすすが生成され、センサーの
寿命をかなり短縮させる、すなわち２週間ほどの短さに
してしまうことである。すすの生成については‘８０７
特許に記載されており、プローブセンサーを取り除くこ
とと、ブラッシュでセンサーハウジング管を清浄にする
とことで解決している。センサーの頻繁な取り外しと、
センサーのクリーニングとは、明らかに、時間の浪費で
あり費用もかさむことになる。

【００１２】すすの生成については、本分野において公
知の問題であり、平行な組成のシフトのために９００°
Ｆから１５００°Ｆ（４８２°Ｃから８１６°Ｃ）の範
囲の温度で一般的に発生する。‘８２０特許では、この
問題を９００°Ｆ（４８２°Ｃ）以下で作動させること
によって解決しようと試みている。しかし、これをする
ために、システムは、自動式センサーに関し、ガスを適
切なレベルまで再加熱する専用のサンプルチャンバにサ
ンプル生成ガスを通すための導管を含む、重要な付加的
ハードウェアを必要とする。しかし、‘８２０特許のセ
ンサーは、すすのために詰まり始めてしまう。‘８２０
特許では、直流電圧をセンサー電極に印加することによ
ってセンサー先端から出るすすを燃やすことにより、こ
の欠点を解決する。ＭＭＩ酸素プローブもすすで詰まり
始め、内部空気燃焼システムが設けられている。もちろ
ん、燃焼している間、センサーは有効な信号を発しな
い。従って、酸素センサーを用いる既存のシステムの別
の欠点は、特別なセンサーを燃焼させること、すなわち
クリーニングが周期的になされなければならないことで
あり、これに伴いセンサーが使用できないという損失を
有する。‘８０７特許と‘８２０特許の双方が、分離し
たサンプルチャンバに向けられるサンプル流れを利用す
るので、単一のレトルトの組成物ではなく、全体的に発
生した吸熱生成ガスをサンプリングするＭＭＩシステム
に優る利点がある。しかし、‘８０７特許と‘８２０特
許システムの双方は、自動式プローブセンサーの長さの
物理的制限に適応するように別個のサンプルチャンバを
必要とし、センサーを加熱する手段を組み入れて、適切
なセンサー出力を達成するようになっている。

【００１３】吸熱ガス発生器において酸素センサーを用
いる際の別の困難性は、新しい基準空気がセンサーに供
給されなければならないことである。本分野において公
知のように、固体の酸化ジルコニウムまたはチタン電極
を利用する全ての酸素センサーは、電極を通る酸化陰イ
オンを搬送することのために基準空気が減少することに
なる。ＭＭＩプローブのように、商業的に入手可能な、
ほとんどの長いタイプの酸素プローブ上には新鮮な基準
空気をセンサーに供給するたの手段が設けられている。
しかし、自動式酸化プローブは、一般的に同様な能力を
有していない。かわりに自動式プローブは、センサーへ
の新鮮基準空気の流れを制限し、センサーの先端が過度
に冷却されるのを防ぐようになっている。過度の先端冷
却が、‘８２０特許と、米国特許番号第４、１４７、５
１３号（‘５１３特許）の双方により認識される問題で
ある。上述したように、基準空気の流れの制限は、セン
サーエラーを発生させることになる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の１目的は、特
定のサンプルチャンバ、サンプルシステム、またはサン
プル先端を加熱するための手段を必要としない低コスト
の自動式酸素センサーを利用する酸素検出システムを提
供することである。本発明の別の目的は、自動酸素セン
サーを用い、発生器の平均酸素組成を表す単一の出力信
号を与えるような手段で出力信号を組み合わせて、吸熱
ガス発生器の各レトルトの酸素含有量をサンプリングす
る経済的な方法を提供することである。本発明の別の目
的は、特に酸素センサーからのすすをクリーニングする
燃焼サイクルを要しない自動酸素プローブを利用する制
御システムを提供することである。

【００１５】本発明のさらに別の目的は、特別の基準空
気ポンプ、配管、あるいは予熱を必要としないで、セン
サーへの新鮮な基準空気を保証する確実な手段を組み入
れる自動式酸素プローブを用いる方法を提供することで
ある。本発明のこれらの目的、および別の目的と利点
が、図面と請求の範囲に関連した好ましい実施例の詳細
な記載を読むことから本分野の当業者であれば明白にな
るであろう。

【００１６】

【実施例】以下は、本発明を実施するのに最良の形態の
詳細な記載である。本明細書において記載した１つの実
施例が本発明を定義するものではない。本発明は、請求
の範囲内にある実施例と均等例とを全て含むものであ
る。まず図１を参照すると、本発明の制御システムの好
ましい実施例の概略的ブロック線図が、吸熱ガス発生器
１０に使用するものとして図示されている。本発明の制
御システムは、吸熱ガス発生器１０に関連して図示され
ているが、多くの別のタイプのガス発生器にも使用でき
る。例えば、本発明が特に適用可能である別の用途で
は、高温で炭化水素ガスと空気とを反応させる発生器が
ある。発生器１０の作動に関して従来知られているよう
に、吸熱ガスを製造する１つの商業的方法は、空気約
２．５部と炭化水素ガス１部とのガス混合物における化
学的結合を分解することである。本発明では炭化水素ガ
スを用いるが、吸熱ガスを発生させるための別の方法が
知られており、本発明について用いることができる。

【００１７】炭化水素ガスと空気との相対的組成は、生
成吸熱ガスの「濃度」として、本分野において知られて
いる。従って、本分野における当業者は、濃度のより大
きいものとして、別のガスよりも、より大きい炭化水素
ガスと空気との比で発生した吸熱ガスに言及する。同様
に、本分野の当業者は、より濃度が希薄なものとして、
別のガスよりも小さい炭化水素ガスと空気比で発生した
吸熱ガスに言及する。吸熱ガス発生器１０は、特に生成
吸熱ガスが熱処理の用途において使用される場合に、既
知の制御可能な濃度でガスを発生させることが重要であ
る。所望の調和した濃度で吸熱ガスを製造するために、
ガス発生器１０に入るガスと空気の混合物を制御するこ
とが必要である。本発明の好ましい実施例において、既
知の固定空気／ガス比制御システム５０が、炭化水素ガ
スと空気の比を設定するのに使用される。これらのシス
テムは、一般的にオリフィスを使用しており、ガスと空
気の投入ラインを制御するようになっている。１つか、
２つ以上のオリフィスが調整可能であればよく、オペレ
ータは、空気／ガス比を所望の作動点に設定でき、生成
吸熱ガスを所望の濃度に維持しようとするときには、そ
の比となるように、わずかな調整を行なうことができ
る。

【００１８】比制御システム５０は、場合によっては、
空気ライン１２に接続された圧力インパルスラインを有
する炭化水素ガスライン１３に設けられる機械的比制御
調整器（図示せず）を含む。機械的比制御調整器が本分
野において知られており、比制御システムは、空気流れ
投入ライン１２における空気流量内で検出された変数に
関し、炭化水素ガス１３の投入量を自動的に調整でき
る。残念なことに、これらの機械的な比制御システム
は、発生器の全拒絶範囲にわたり炭化水素ガスと空気の
比を完全に維持しない。固定比制御システム５０におけ
る誤差を補償するために、トリムバルブ３０がさらに付
け加えられていればよい。トリムバルブ３０は、空気／
ガス投入比を変更して、吸熱ガスの調和性をより確実に
するために使用することができる。いくつかのシステム
においては、第２のトリムバルブ３０ａを用いることが
望まれることがある。

【００１９】本発明の好ましい実施例において、トリム
バルブ３０の制御が、コネクタ２５を通りコントローラ
１５からの出力となる制御信号を介し自動的に実行され
る。従って、発生器１０に入る空気と炭化水素ガスとの
混合物が自動的に制御される。ガス発生器１０内に含ま
れるのは、好ましくはコントローラ１５、第１および第
２の酸素センサー３５、４０、第１および第２の温度セ
ンサー４５、４６を含むガス発生制御システムである。
コントローラ１５は、センサー入力２０、２１を受け取
り、これに応答して制御出力信号２５をトリムバルブ３
０に対し発信する。好ましい実施例において、発生器制
御システムは、単一のトリムバルブ３０を含んでいれば
よい。しかし、図１に図示するように、システムは、空
気入力部１２から空気／ガス比制御システム５０の出力
部１４まで接続された第２のトリムバルブ３０ａを含ん
でいてもよい。本発明の好ましい実施例では、トリムバ
ルブ３０を自動的に制御するが、別の実施例では、トリ
ムバルブ３０の手動作動を含む。本発明の好ましい実施
例において、センサー入力２０、２１は、表示装置（図
示せず）により受け取られる。次いでオペレータは、表
示装置を読み取り、トリムバルブ３０（３０ａ）を手で
調整して投入ガスを調整する。

【００２０】多くの異なる商業的に入手可能なコントロ
ーラ１５を本発明に関連して使用することができる。好
ましい実施例において、コントローラ１５は、ヨーロタ
ーム・コーポレーションにより製造されている商業的に
入手可能なコントローラ、モデル９６３Ｄである。しか
し、本分野における当業者であればわかるように、請求
の範囲により定義された本発明の範囲から逸脱すること
なく、別のコントローラを容易にかつ簡単に使用するこ
とができる。コントローラ１５は、好ましい実施例にお
いて、第１および第２の酸素センサー３５、４０および
第１および第２の温度センサー４５、４６を含むいくつ
かセンサーに接続されている。図１の好ましい実施例で
は、２つの酸素センサーを有する吸熱ガス発生器１０を
図示しているが、別の実施例では、２つ以上であっても
２つ以下であってもよく、請求の範囲によって定義され
るように本発明の範囲内にある。同様に、図１の好まし
い実施例は、２つの温度センサーを有する吸熱ガス発生
器１０を図示しているが、別の実施例では、２つ以上で
あっても２つ以下であってもよく、請求の範囲により定
義されているように本発明の範囲内にある。

【００２１】ガス発生器１０は、一定の割合で空気１２
と炭化水素ガス１３とを混合するガス／空気比制御シス
テム５０を含む。上述したように、発生器により発生し
たガスは、一般的に投入量が空気１部に対し炭化水素ガ
ス２．５部の割合を有する場合に、ほぼ正しい濃度を有
する。比制御システム５０は、初期にその比に設定され
ていても、製品ガスの濃度に影響を及ぼす別の要因があ
る場合がある。これらの要因は、とりわけ、吸熱ガスの
流量、投入炭化水素ガスの組成、および発生器の構成部
分の故障または低下した性能を含む。これらの要因と、
別の要因が、ガスの濃度に影響を及ぼすので、トリムバ
ルブ３０が、これらの原因または別の原因から吸熱ガス
の濃度における変化を考慮してわずかに投入比を修正す
るために含まれている。ガス／空気比コントローラ５０
は、本分野において公知の構成要素である。上述するよ
うに、ポンプ５５に入るガス／空気混合物の比はトリム
バルブ３０を扱うことにより修正でき、システムの変化
または入力ガス組成の変化にも対応できるようになって
いる。このように、ガス発生制御システムは、生成吸熱
ガスの排出量を調和した濃度に維持することができる。

【００２２】好ましい実施例において、コントローラ１
５は、入力ライン２０上の酸素センサー３５、４０と、
ライン２１上の温度センサー４５、４６によって発せら
れた信号を読み取ることによって、生成吸熱ガスの酸素
含有量を推定し、生成吸熱ガスの濃度を計算する。本分
野において公知のように、変化する排出流れの状況で作
動する吸熱ガス発生器は、流れの変化に応じて可変酸素
センサー出力を作り出す。従って、センサー出力変化
は、反応ガスの組成の変化、空気組成の変化または別の
固定反応比システムエラーに加え流量の変化の結果によ
るものである。従って、生成ガス組成を正確に測定する
ために、コントローラ１５は、流量を修正しなければな
らない。現在のプロセスコントローラは、一般的にプロ
セス設計者が複数の入力を与え、様々な入力信号を用い
た計算に基づいてプロセス信号を修正できる。このよう
な１つのコントローラには、ヨーロタームモデル９６３
Ｄがある。本出願の発明の好ましい実施例において、コ
ントローラ１５は、第１および第２の温度センサー４
５、４６を用いて生成ガス流れを修正する。好ましい実
施例において、第１および第２の温度センサー４５、４
６はサーモカップルを含む。しかし、別の温度検出装置
も用いることができる。本分野の当業者に公知のよう
に、ガス発生器レトルトを出るガスの温度と、該レトル
トを通るガスの流れの間には直接的な関係がある。従っ
て、コントローラ１５は、測定温度からレトルトを通る
ガス流れを計算できる。好ましい実施例では、レトルト
を通るガス流れを求めるために温度センサーを用いる
が、請求の範囲により定義されているように本発明の範
囲から逸脱することなく別の流れ検出法を用いることが
できる。例えば、圧力センサーを用いてもよい。さら
に、好ましい実施例において、レトルトを通る流量は、
重要な要因ではないことがあり、温度センサーから排除
できる。

【００２３】図２は、流量の関数として、一定の０．１
５％の二酸化炭素レベルで作動され吸熱ガス発生器に関
する修正されていないプローブ電圧信号の変化を示す。
流れが７５００立方フート／時間（ｃｆｈ）の最高流量
から約５５００ｃｆｈまで減少するときプローブ信号は
一定のままであることがわかる。５５００ｃｆｈから最
低流量３５００ｃｆｈまで、プローブ信号は約１１６５
ｍｖに下降する。流量入力信号として酸素センサーの先
端近くの吸熱ガスの温度を使用することによって、酸素
センサープロセス値が、１１７６ｍｖの目標値の±１／
２ｍｖ内で３５００から５５００ｃｆｈの範囲の流量に
関し修正される。コントローラ１５は、図２のグラフに
図示された関係を用いて、流量の酸素センサー出力を修
正するようになっている。図２のチャートは、好ましい
実施例に使用された特定の発生器に関するものである。
しかし、本分野の当業者であれば、同一のチャートを、
別の発生器、あるいは異なる熱交換器のような異なる構
成部分を備えた同一の発生器に関し容易にかつ簡単に展
開することができる。好ましい実施例において、修正
が、グラフ上のサンプル点から二次方程式の適合度によ
って求められる二次方程式としてコントローラに表され
る。図示した特定の実施例の二次方程式は、：ＰＶ_CORR＝３２８．０８−１．２３５３Ｔ＋０．００１
１５６７Ｔ² ４２５°Ｃ≦Ｔ≦５００°ＣＰＶ_CORRは、生成ガス流量に関し修正された酸素センサ
ー電圧である。センサー読み取り値２０、２１で、コン
トローラ１５が修正センサー電圧と所望のセンサー設定
電圧と比較する。所望電圧と修正電圧との間に変化があ
る場合には、コントローラ１５は、出力信号２５をトリ
ムバルブ３０に発信し、ガスポンプ５５に投入させるガ
スの組成を変更するようになっている。このように、コ
ントローラは投入混合物を変更し、発生器１０の出力で
吸熱ガスの調和濃度をより確実にする。所定の実施例に
おいて、例えば、投入ガスと空気が十分な圧力を受けて
いる場合、ガスポンプ５５が不要な可能性がある。

【００２４】ガスポンプ５５は、第１および第２の分散
オリフィス６０ａ、６０ｂに接続されているのが好まし
く、これらオリフィスは新しく入ってくるガス混合物が
第１および第２のレトルト６５ａ、６５ｂに均等に分散
され、各レトルトを通る流量が大体同じであることを確
実にすることの助けとなる。ガス発生器１０は、単一の
レトルトまたは２つ以上のレトルトを本発明の請求され
た範囲から逸脱することなく使用できるが、本発明の好
ましい実施例においては、２つレトルト６５ａと６５ｂ
とを含む。本分野の当業者に公知のように、各レトルト
６５ａ、６５ｂは、新しく入ってくるガスの分解促進す
る触媒７０を含む。発生器１０は、新しく入ってくるガ
スを加熱して分解を発生できるようにする加熱手段７５
を備えている。

【００２５】次いで、高温吸熱ガスは、第１の熱交換器
８０ａ、８０ｂに入り、生成ガスを約１２００°Ｆ（６
４９°Ｃ）に急速に冷却する。ガスが、第１の熱交換器
８０ａ、８０ｂから通路８２ａ、８２ｂを通って第２の
熱交換器８５ａ、８５ｂまで通る。図１に示すように、
第１と第２の酸素センサー３５、４０と、第１および第
２の温度センサー４５、４６が通路８２ａ、８２ｂ内に
設けられているのが好ましい。冷却吸熱ガスが第２の熱
交換器８５ａ、８５ｂから出て、発生器１０の出口に進
む。本発明の好ましい実施例では、１つのレトルトあた
り２つの熱交換器８０、８５を含むが、別のガス発生器
システムでは単一の熱交換器を用いてもよく、請求の範
囲に定義されるような本発明の範囲内にあるものであ
る。上述するように、測定されるべきガスが約８００か
ら１５００°Ｆ（４２７から８１６°Ｃ）の温度範囲内
であるときに、自動式酸素センサーはより正確である。
触媒ベッドの真上の生成吸熱ガスの温度は、一般的に約
１８００から２２００°Ｆ（９８２から１２０４°Ｃ）
であり、適切な測定範囲に冷却されなければならない。

【００２６】自動式酸素センサーを用いる前述の発生器
制御において、生成吸熱ガスは多量のすすを発生する。
本件出願の発明者は、すすの生成が生成吸熱ガスの冷却
率の関数であることを発見した。従って、すすの量は、
上限１８００から２２００°Ｆ（９８２から１２０４°
Ｃ）から測定範囲の８００から１５００°Ｆ（４２７か
ら８１６°Ｃ）の所望の測定値まで温度が下降する冷却
の割合を制御することによって制御することができる。
本発明の発明者は、ガスの冷却率が少なくとも４０００
Ｆ（２２０４°Ｃ）度／秒であるときにすすの発生が最
低であることを発見した。従って、好ましい実施例にお
いて、少なくとも４０００Ｆ（２２０４Ｃ）度／秒の割
合で冷却された後に、温度が約８００から１５００°Ｆ
（４２７°Ｃ−８１６°Ｃ）の範囲である点で、自動式
酸素センサーを生成吸熱ガス流れの中に配置することが
重要である。従って、酸素センサー３５、４０の適切な
配置が、本発明を適切に機能させるために重要である。
上述したように、本分野の当業者であれば、すすの発生
が酸素センサーの性能をかなり低下させることがわかる
であろう。上述したように自動式酸素センサーを攻略的
に配置することによって、すすによって発生するセンサ
ーの故障が回避されることになる。

【００２７】図１の発生器の構成において、酸素センサ
ー３５、４０の適切な配置（すなわち、検出された生成
ガスが上述の要求に適合する）が、通路８２ａ、８２ｂ
内に位置付けられる。しかし、別の発生器の構造におい
て、酸素センサー３５、４０の適切な配置が別の物理的
な配置でもよい。例えば、熱交換器の１つの既知の種類
のものが、一般的にシェルおよびチューブ熱交換器４０
１といわれる。図４は、酸素センサー４０の適当な配置
の点で取られたシェルおよびチューブ熱交換器の横断面
図を表す。横断面図では、生成吸熱ガスが進行するシェ
ル領域４１０を囲む熱交換器シェル４００を図示してい
る。横断面図では、シェル領域４２０内部の水冷却チュ
ーブ４１０が図示されている。図１に図示したように、
第１および第２の酸素センサー３５、４０が平行に接続
されている。同様に、第１および第２の温度センサー４
５、４６が平行に接続されている。本分野の当業者によ
り知られているように、センサーを平行に接続すること
によって、コントローラ１５の各入力に与える電圧が各
個々のセンサーの電圧の平均を表すことになる。従っ
て、センサーが平行に接続されているために、コントロ
ーラは平均化を行なう必要がなく、コントローラ入力チ
ャネルの数を少なくできる。

【００２８】図３を参照すると、本発明の接続に使用さ
れた自動式酸素センサー１００の好ましい実施例が図示
されている。自動式酸素センサー１００が、図１に示す
ように第１および第２酸素センサー３５、４０として使
用されるのが好ましい。好ましい実施例において、自動
式センサーは、パーツ番号２５１０６１６９としてジェ
ネラル・モータズ・カンパニーから入手できる。別の酸
素センサーも、パーツ番号２５１０５１０７号としてジ
ュネラル・モーターズ・カンパニーにより製造されてい
る単一ワイヤセンサーである。しかし、自動式酸素セン
サーの別のモデルも使用することができる。図３を参照
すると、本発明の発明者は、センサー１００の本体１１
０内の基準空気開口部１０５を機械加工することにより
自動式センサー１００を修正した。好ましい実施例にお
いて、基準空気開口部１０５はスロット形状である。自
動式の用途において製造されるようなセンサー１００が
十分な基準空気の流れをセンサーの基準側に流すことが
できないために、これらの基準空気開口部１０５が望ま
れる。センサー１００内の基準空気開口部１０５が、セ
ンサーの基準側にアクセスしてより大きな基準空気を発
生させるので、酸素陰イオンの減少のために、センサー
が莫大な読み取り値を与えることがなくなる。図３の実
施例では、センサー１００の本体内で機械加工されたス
ロット１０５を示しているが、孔又は別の形状も本発明
の範囲から逸脱することなく本体１１０から切断するで
きる。本体の最小スロット面積は、十分な基準空気をセ
ンサーの基準側上に循環させることができるためには、
０．００１平方インチ（０．０２５平方ミリメートル）
でなければならない。基準空気開口部の最大の大きさと
数のみが、本体１０５の構造により制限を受ける。本発
明の好ましい実施例において、センサー本体上のスロッ
ト面積は約０．０３平方インチ（０．７６平方ミリメー
トル）である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の吸熱ガス発生器の好ましい実施例の概
略図である。

【図２】本発明の発生器制御装置の好ましい実施例にお
いて使用された温度修正のグラフ図である。

【図３】本発明の実施例に関し使用された典型的な自動
酸素センサーである。

【図４】酸素センサーとサーモカップラとを備えたシェ
ルおよびチューブ熱交換器の断面図である。

【符号】

１０ガス発生器１２空気ライン１３炭化水素ガスライン１５コントローラ３０トリムバルブ３５第１酸素センサー４０第２酸素センサー４５第１温度センサー４６第２温度センサー５０比制御システム５５ポンプ６５ａ第１レトルト６５ｂ第２レトルト７０触媒８０ａ第１熱交換器８０ｂ第２熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ゲアリーディーキールアメリカ合衆国イリノイ州 61529 エルムウッドアールアール２ (72)発明者ポールアールルーバースアメリカ合衆国イリノイ州 61615 ピオーリアウェストハイメドーレーン 5424 アパートメントティーエイチ２

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投入ガスに接続された混合制御装置と、
トリムバルブと、レトルトと、触媒と、加熱手段および
第１および第２熱交換器と、を含むガス発生器の自動制
御装置であって、コントローラと、第１の熱交換器の下流側に接続されており、該第１の熱
交換器から流れるガスの酸素含有量に応答して信号を発
する自動式酸素センサーと、を備え、前記コントローラ
が前記信号を受信して、制御信号を発するようになって
おり、前記コントローラにより発せられた出力信号に応答する
トリムバルブが設けられた自動制御装置。
【請求項２】第２の熱交換器を含んでおり、前記酸素センサーが前記第１および第２の熱交換器との
間に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記
載の自動制御装置。
【請求項３】第２の熱交換器と、前記第１および第２の熱交換器を接続する通路と、を備え、前記酸素センサーが前記通路内に設けられていることを
特徴とする請求項１に記載の自動制御装置。
【請求項４】検出温度に応答した出力を有する、前記
第１の熱交換器の下流側に取り付けられた温度センサー
を含んでおり、前記コントローラは、前記温度センサー出力を受け取
り、該出力に基づいて流量補償係数を計算するようにな
っていることを特徴とする請求項１に記載の自動制御装
置。
【請求項５】前記自動式酸素センサーは、該センサー
の本体内に基準空気開口部を含むことを特徴とする請求
項１に記載の自動制御装置。
【請求項６】前記自動式酸素センサーは、該センサー
の本体内に基準空気開口部を含むことを特徴とする請求
項４に記載の自動制御装置。
【請求項７】投入ガスに接続された混合制御装置と、
トリムバルブと、レトルトと、触媒と、加熱手段および
第１および第２熱交換器と、を含むガス発生器の自動制
御装置であって、生成ガスの流れの酸素含有量に応答して出力を作り出
し、前記生成ガスが少なくとも４０００Ｆ（２２０４
Ｃ）度／秒の割合で測定温度に冷却される場合に、触媒
の下流側の一点において、前記生成ガスの流れの中で前
記ガス発生器に設けられた酸素センサーと、該酸素センサー出力を受け取り、トリムバルブ制御信号
を発するコントローラと、を含む自動制御装置。
【請求項８】前記混合物制御装置に組み合わされてお
り、前記トリムバルブ制御信号に応答するようになった
トリムバルブを含むことを特徴とする請求項７に記載の
自動制御装置。
【請求項９】検出温度を表す出力を有し、前記触媒の
下流側の前記生成ガスの温度を検出するようになってい
る温度センサーを含んでおり、前記コントローラは、前記温度センサー出力に応じて酸
素測定補償を行なうようになっていることを特徴とする
請求項７に記載の自動制御装置。
【請求項１０】前記自動酸素センサーは、該センサーの
本体内に基準空気開口部を含むことを特徴とする請求項
７に記載の自動制御装置。
【請求項１１】前記自動酸素センサーは、該センサーの
本体内に基準空気開口部を含むことを特徴とする請求項
９に記載の自動制御装置。
【請求項１２】前記測定温度は１５００°Ｆ（８１６°
Ｃ）未満であることを特徴とする請求項７に記載の自動
制御装置。
【請求項１３】前記測定温度は１５００°Ｆ（８１６°
Ｃ）未満であることを特徴とする請求項９に記載の自動
制御装置。
【請求項１４】前記測定温度は１５００°Ｆ（８１６°
Ｃ）未満であることを特徴とする請求項１１に記載の自
動制御装置。
【請求項１５】前記熱交換器は、シェル領域とチューブ
領域とを有するシュルおよびチューブ熱交換器を含んで
おり、前記生成ガスが前記シェル領域を通って前記冷却
媒体が前記チューブ領域を通るようになっており、前記酸素センサーが、前記熱交換器の前記シェルを介し
て前記生成吸熱ガス流れの中に設けられていることを特
徴とする請求項７に記載の自動制御装置。