WO2009088017A1 - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

　本発明の流量制御装置は、流量調整弁（２）を備えた燃料ガスの供給経路（１１）と、この供給経路（１１）に配置された熱式質量流量センサ（３）と、燃料ガスの体積流量（Ｆv）と燃料ガスの単位体積当たりの発熱量（Ｑv）との積で定義される燃料ガスの熱量流量（Ｆc）を熱式センサ（３）からの出力に基づいて算出する算出部（６）と、熱量流量（Ｆc）を制御するための制御目標値（Ｆo）と算出部（６）にて算出された熱量流量（Ｆc）との間の偏差に基づき、流量調整弁（２）の開度を制御する流量制御部（５）とを有する。

Description

流量制御装置

　本発明は、燃料ガスが有する発熱量に着目して、燃料ガスの供給量を制御する流量制御装置に関する。

　燃料ガスがバーナを使用して燃焼される場合、燃料ガスはバーナへの供給に先立ち、空気と混合され、これら燃料ガス及び空気の混合ガスとしてバーナに供給される。この混合ガス、即ち、燃料ガスの燃焼状態を最適化（完全燃焼化）するには、混合気に対する空燃比(A/F)の制御が必要不可欠である。

　このようなA/F制御は、混合ガス中の燃料ガス及び空気の供給量（質量流量）をそれぞれ計測し、これらの計測結果に基づき、ガスの供給量及び／又は空気の供給量を調整することにより、空燃比A/Fを一定の理想空燃比に維持する（例えば特許文献１を参照）。例えば、ガス及び空気の供給量の計測には熱式質量流量計が使用される。

　一方、混合ガスの生成にあたり、その組成が異なる複数種の燃料ガスが使用されたり、また、使用される燃料ガスが同一種であっても、その組成が変化したりすることがある。このような状況下にて、上述のA/F制御を実施するためには、使用される燃料ガスの燃焼熱量又は単位時間当たりの発生熱量が求められ、燃焼熱量又は発生熱量はA/F制御に反映される（例えば特許文献２を参照）。

　更に、混合ガスの生成には空気に加えて酸素もまた使用されることがあり、この場合には、A/F制御及びO_２/F制御（ここでは酸燃比制御と称す）のために燃料ガス、空気及び酸素の各質量流量がそれぞれ計測される（例えば特許文献３を参照）。
特開２００２－２６７１５９号公報 特開２００３－３５６１２号公報 特開２００７－８７０２９号公報

　ところで、上述のバーナがガラス管の封止工程等に使用される場合、混合ガス、即ち、燃料ガスの燃焼量に対して高精度な制御が要求される。即ち、前述したように熱式質量流量計により計測された燃料ガスの質量流量に基づいて燃料ガスの供給量が制御される一方、混合ガス中の燃料ガス、空気及び／又は酸素が理想の混合比をそれぞれ有するように、燃料ガスの供給量に対して空気及び／又は酸素の供給量が制御される。

　しかしながら、このような制御が実施されても、燃料ガスの組成が変化した場合、燃料ガスを含む混合ガスの燃焼熱量や単位時間当たりの発生熱量は所望の管理値に維持されず、一方、混合ガス中の燃料ガスの密度もまた変化することから、燃料ガスに対する空気及び／又は酸素の混合比も理想の値から外れ、この結果、燃料ガスの不完全燃焼を招く。

　本発明の目的は、燃料ガスの組成の違いや変化に拘わりなく、燃料ガスの流量を燃料ガスの発熱量に基づいて制御し、例えば、燃料ガスを一定の発熱量で安定して供給することができる流量制御装置を提供することにある。

　上述した目的は、本発明の流量制御装置によって達成され、この流量制御装置は、燃料ガスの供給経路に配置され、燃料ガスの流量を調整可能な流量調整弁と、供給経路に配置され、燃料ガスの質量流量を計測する熱式質量流量センサと、燃料ガスの体積流量と燃料ガスの単位体積当たりの発熱量との積で定義される燃料ガスの熱量流量を前記熱式質量流量センサからの出力に基づいて算出する算出部と、熱量流量を制御するための制御目標値と算出部にて算出された熱量流量との間の偏差に基づき、流量調整弁の開度を制御する流量制御部とを備える。

　具体的には、燃料ガスは、例えば都市ガスや天然ガスのようなメタン、エタン、プロパン、ブタン等を含む炭化水素系の燃焼可能なガスである。

　算出部は、熱式質量流量センサの出力と燃料ガスの熱量流量との関係を予め求めることで作成されたマップを含んでいる。この場合、算出部は、マップから熱式質量流量センサの出力に応じた燃料ガスの熱量流量を求めることができる。

　好ましくは、本発明の流量制御装置は、燃料ガスの単位体積当たりの算出発熱量を算出する別の算出部と、基準状態にある燃料ガスの単位体積当たりの基準発熱量に対する算出発熱量の比を演算する演算部とを更に備えることができる。

　具体的には、別の算出部は、燃料ガスの流れが停止した状態にあるときに熱式センサの出力に基づいて算出発熱量を算出するか、又は、算出発熱量を算出するための別の熱式センサを含んでいる。

　更に、別の算出部は、熱式センサの駆動条件が２段階に変化されたとき、各段階での熱式センサからの出力をそれぞれ求め、これら出力に基づき算出発熱量を算出するものであってもよい。

　本発明の流量制御装置は、燃料ガスの体積流量と燃料ガスの単位体積当たりの発熱量との積により定義される熱量流量を熱式質量流量センサの出力に基づいて求め、求めた熱量流量を制御目標値に一致させるべく流量調整弁の開度を制御するので、燃料ガスの供給量は制御目標値に対応した一定の熱量流量を有する。

　この結果、燃料ガスの組成（種類）が所望の組成（種類）と異なっていたり、又は、燃料ガスの組成自体が変化していたりする場合であっても、本発明の流量制御装置は、燃料ガスの発熱量に着目して該燃料ガスの熱量流量を制御するので、燃料ガスを一定の発熱量で安定に効果的に供給することができる。

　上述のマップが予め準備されていれば、熱式質量流量センサの出力から燃料ガスの熱量流量を簡単に求めることができ、燃料ガスの燃焼制御を実施するにあたり、本発明の流量制御装置の負荷は軽減される。

　更に、上述した発熱量の比が算出されれば、本発明の流量制御装置は、燃料ガスにおける発熱量の変化を容易に捉えることができ、ひいては燃料ガスの組成の変化を検出することも可能である。

本発明の一実施例の流量制御装置を概略的に示すブロック図である。 図１の流量制御装置の構造を示す図である。 炭化水素系の燃料ガスに関して、燃料ガスの密度と熱拡散率αの逆数［１／α］との関係を示したグラフである。 炭化水素系の燃料ガスに関し、燃料ガスの密度と燃料ガスの単位体積当たりの発熱量との関係を示したグラフである。 燃料ガスの熱量流量と熱式センサの出力との関係を示したグラフである。 本発明の流量制御装置を含む燃料供給装置の概略を示したブロック図である。 燃料ガスの発熱量を算出する算出部の変形例を示した図である。

符号の説明

　１　供給経路
　２　流量調整弁（バルブ）
　３　熱式センサ
　４　駆動回路
　５　制御演算器
　６　算出部
　７　算出部
　８　演算部
１１　管部材（供給経路）

　図１に示されるように、一実施例の流量制御装置２１は燃料ガスの供給経路１に配置されている。流量制御装置２１は基本的に、供給経路１内の燃料ガスの流量を調整する流量調整弁（以下、単にバルブと称す）２と、燃料ガスの質量流量を検出する熱式質量流量熱式センサ（以下、センサと称する）３と、バルブ２の開度を調整すべくバルブ２を駆動する駆動回路４と、駆動回路４を制御する制御演算器５とを含む。

　より詳しくは、制御演算器５は、後述するようにセンサ３からの出力（質量流量）から求めた熱量流量と、制御演算器５に設定された制御目標値（熱量流量）との間の偏差がなくなるように、駆動回路４を介してバルブ２の開度をフィードバック制御し、燃料ガスの熱量流量を調整する。

　図２は、流量制御装置の具体的な構造を示す。
　流量制御装置は管部材１１を有し、この管部材１１は供給経路１の一部を形成し、入口１１i及び出口１１oを有する。センサ３は、管部材１１の軸線方向でみて、その中央に取付けられ、管部材１１内の燃料ガスに晒される検出面を有する。

　バルブ２はバルブケーシング２ａを含み、このバルブケーシング２ａは管部材１１の出口１１oの近傍にて、管部材１１の外周面に取付けられている。バルブケーシング２ａはその内部に規定されたバルブ通路２ｂを有し、このバルブ通路２ｂは管部材１１の内部流路の一部を形成する。また、バルブケーシング２ａ内には弁体２ｃが配置されており、弁体２ｃはソレノイド機構１２により作動され、バルブ通路２ｂ、即ち、バルブ２の開度を調整する。ソレノイド機構１２はバルブケーシング２ａの外側に取付けられている。

　流量制御装置は制御ユニット１３を更に含む。この制御ユニット１３もまた管部材１１の外側に配置され、前述した制御演算器５や駆動回路４等を有する。

　管部材１１、バルブ２及び制御ユニット１３は共通のハウジング（図示しない）に収容されており、流量制御装置は１つのモジュールとして形成されている。

　なお、上述した流量制御装置の基本的な構造の詳細は前述の特許文献３等から公知である。

　本発明の流量制御装置２１は、熱式質量流量センサ３の出力（質量流量）が燃料ガスの熱量流量に比例することに着目して開発されている。

　詳しくは、燃料ガスの質量流量Ｆmの検出に使用されるセンサ３は、例えばその検出面近傍の燃料ガス（流体）を加熱するヒータと、加熱された燃料ガスの温度分布を検出する２つの温度センサとを含み、これらの温度センサにより検出される温度差を質量流量Ｆmとして検出して出力する。温度差はセンサ近傍の流体の温度分布が、流体の流れによって変化することにより生じる。またこの温度分布は、燃料ガスの熱拡散率αと、燃料ガスの流速（体積流量Ｆv）とによって変化する。

　なお、燃料ガスの熱拡散率αは下式(1)によって求められる。
　α＝λ／（ρ×Ｃp）   …(1)
　ここで、λは燃料ガスの熱伝導率、ρは燃料ガスの密度、そして、Ｃpは燃料ガスの比熱を表す。

　一方、燃料ガスの熱エネルギ量は、燃料ガスの単位体積当たりの発熱量Ｑvとして表すことができ、この発熱量Ｑvは燃料ガスの組成（種類）によって異なる。例えば、一般的な燃料ガスとして使用される炭化水素系の燃料ガス及びこれら燃料ガスの発熱量Ｑvは以下の表１に示されている。ここで、単位体積は、燃料ガスが基準状態（例えば０℃）にあるときの体積を指す。

　表１から明らかなように燃料ガスの発熱量Ｑvは燃料ガスの種類、即ち、その組成によって異なる。このような発熱量Ｑvの相違は主として、燃料ガスの組成によって決定される密度ρの違いに起因する。従って、センサ３の検出対象である燃料ガスの組成が変化したときには、燃料ガスの密度ρもまた変化される。それ故、このような密度ρの変化は、センサ３によって検出されるべき質量流量Ｆmを変化させる。

　一方、図３は、炭化水素系の燃料ガスの密度ρと前述した熱拡散率αの逆数（＝１／α）との間の関係を示している。図３から明らかなように、燃料ガスの密度ρは熱拡散率αの逆数に比例している。即ち、密度ρと熱拡散率αの逆数との関係は下式(2)により表される。
　１／α＝Ｋ1×ρ       …(2)
　なお、Ｋ1は比例定数である。
　(2)式の比例関係は、炭化水素系の燃料ガスの組成の相違に拘わらず、当て嵌まる。

　また、図４は、炭化水素系の燃料ガスの密度ρと発熱量Ｑvとの間の関係を示している。図４から明らかなように、発熱量Ｑvは燃料ガスの密度ρに比例している。即ち、発熱量Ｑvと密度ρとの関係は下式(3)により表される。
　Ｑv＝Ｋ2×ρ           …(3)
　なお、Ｋ2は比例定数である。
　(3)式の比例関係もまた燃料ガスの組成の相違に拘わらず、当て嵌まる。

　(2),(3)式から明らかなように、熱拡散率αの逆数と発熱量Ｑvとは相関関係にあることから、センサ３の近傍における燃料ガス（流体）の温度分布は、燃料ガス（流体）の体積流量Ｆvと、発熱量Ｑvとによって変化するとも言うことができる。

　このことは、炭化水素系の燃料ガスの組成に拘わらず、センサ３の出力（質量流量Ｆm）が燃料ガスの発熱量Ｑvに比例し、また同時に燃料ガスの流速（体積流量）Ｆvにも比例することを示す。

　ここで、熱量流量Ｆcを燃料ガスの発熱量Ｑvと流速（体積流量）Ｆvとの積として定義したとき、本発明者は、熱量流量Ｆcと熱式質量流量センサ３の出力（質量流量Ｆm）とが図５に示されるような一体の関係にあることを見出した。

　それ故、図１に示されるように本発明の流量制御装置２１は、センサ３の出力として燃料ガスの質量流量Ｆmを求めるだけでなく、センサ３の出力（質量流量Ｆm）に基づいて燃料ガスの熱量流量Ｆcを算出する算出部６を更に備えている。具体的には、算出部６は、図５に示されるようなマップを格納したメモリを有し、センサ３からの出力（質量流量Ｆm）に基づき、この出力に対応する熱量流量Ｆcを読み出し、読み出した熱量流量Ｆcを前述した制御演算器５に供給する。なお、図５のマップは、センサ３の出力（質量流量Ｆm）に対する熱量流量Ｆcを予め求めることで、作成されている。

　制御演算器５には制御目標値Ｆoが予め与えられており、この制御目標値Ｆoは燃焼機器、具体的にはバーナに与えるべき熱量を直接的に管理するために使用され、本発明では前記熱量に対応した熱量流量である。制御演算器５は、制御目標値Ｆoと算出部６から供給された熱量流量Ｆcと間の偏差を求め、この偏差がゼロとなるように駆動回路４を介してバルブ２の開度を制御する。

　それ故、仮に燃料ガスの組成が変化しても、流量制御装置２１は制御目標値Ｆoに一致すべく燃料ガスの流量（発熱量Ｑv）を制御し、燃料ガスをバーナに所望の熱量流量Ｆcで安定して供給することができる。

　より詳しくは、従来の一般的な流量制御装置は、センサ３の出力（質量流量Ｆm）に基づいて燃料ガスの質量流量を制御する。しかしながら、本発明の流量制御装置２１は、燃料ガスが有する発熱量Ｑvに着目し、センサ３の出力に基づいて熱量流量Ｆcを求め、燃料ガスの熱量流量（発熱量）自体を直接制御する。それ故、燃料ガスの質量流量及び／又はその組成が変化されても、本発明の流量制御装置２１はバルブ２の開度を制御することにより、バーナ２６に供給される燃料ガスの熱量流量Ｆc（発熱量）を一定にすることができる。

　この結果、本発明の流量制御装置２１にとっては、センサ３の出力に変化を及ぼした要因が燃料ガスの質量流量の変化であるのか、又は、燃料ガスの組成の変化であるのかを判断する必要がなく、流量制御装置２１は上述した燃料ガスの流量制御を安定に実行可能である。

　ところで、上述した燃料ガスを安定に完全燃焼させるには、燃料ガスに空気又は酸素を適切な割合で混合した混合ガスを作ることが必要となる。炭化水素系の燃料ガスが完全燃焼されるとき、混合ガスの理想空燃比(A/F)又は理想酸燃比(O₂/F)は、次の表２に示される通りである。

　燃料ガスの種類又はその組成が異なる場合、A/F及びO₂/Fもまた変化することから、燃料ガス、即ち、混合ガスを完全燃焼させるためには、混合ガス中の燃料ガスの組成及び流量に応じて、混合ガス中の空気及び／又は酸素の流量を調整する必要がある。

　例えば、図６は、バーナ２６に混合ガスを供給する供給システムの概略的に示す。この供給システムは、前述した燃料ガスの供給経路１に加えて、空気の供給経路９及び酸素の供給経路１０を含む。供給経路１は供給経路９に混合器２４を介して接続され、この混合器２４は混合ガスの供給経路１５を介してバーナ２６に接続されている。一方、供給経路１０は混合器２５を介して供給経路１５に接続されている。

　供給経路１には前述した流量制御装置２１が配置され、また、供給経路９，１０にも流量制御装置２１と同様な流量制御装置２２，２３がそれぞれ配置されている。これら流量制御装置２２，２３は空気及び酸素の流量をそれぞれ制御するために使用される。それ故、図６の供給システムは、燃料ガス、空気及び酸素からなる混合ガスを作り出し、作り出した混合ガスをバーナ２６に供給する。

　本発明の流量制御装置２１が上述の供給システムに使用される場合、図１に示されるように流量制御装置２１は流量制御装置２２，２３と異なり、算出部７及び演算部８を更に含んでいる。なお、これらの流量制御装置２１，２２，２３は、同じ構成のものであっても良い。

　算出部７は、燃料ガスの流れが停止した状態にあるときに、センサ３の出力に基づき燃料ガスの単位体積当たりの発熱量Ｑvを算出する。それ故、算出部７が発熱量Ｑvを算出するに先立ち、バルブ２は閉じられ、燃料ガスの流れを停止させる。この状態で、算出部７はセンサ３から出力の供給を受け、この出力に基づいて、燃料ガスの質量、即ち、その密度ρを求める。詳しくは、前記した式(3)から明らかなように、燃料ガスの密度ρ及び発熱量Ｑvは比例関係にあることから、この比例関係に基づき、算出部７は密度ρに基づき、発熱量Ｑvを算出することができる。

　一方、演算部８は、算出部７にて算出された発熱量Ｑvと既知の発熱量Ｑsとの比、即ち、Ｑv／Ｑsを演算する。発熱量Ｑsは、燃料ガスが基準状態（例えば０℃）にあるときの単位体積当たりの発熱量を示す。

　具体的には、燃料ガスの種類毎の発熱量Ｑsが予め求められており、これら発熱量Ｑsは、演算部８のメモリ（図示しない）にテーブルとして格納されている。それ故、演算部８は、テーブルから制御対象の燃料ガスに対応した発熱量Ｑsを選択し、この選択した発熱量Ｑsに基づいて比Ｑv／Ｑsを求めることができる。

　このような比Ｑv／Ｑsは、算出された発熱量Ｑvが発熱量Ｑsからどの程度変化しているかを示す指標となる。なお、発熱量Ｑvが変化する要因は主として、燃料ガスの組成の変化である。

　燃料ガスの組成が変化したき、燃料ガスを完全燃焼させるための理想空燃比A/Fや、理想酸燃比O₂/Fもまた変化する。それ故、流量制御装置２１が求めた比Ｑv／Ｑsは流量制御装置２２，２３に供給され、これら流量制御装置２２，２３は比Ｑv／Ｑsを考慮して、空気及び酸素の流量を制御する。この結果、理想空燃比A/F又は理想酸素燃比O₂/Fの観点からみて、バーナ２６に供給される混合ガスに含まれる空気及び酸素の割合がそれぞれ最適化され、混合ガス、即ち、燃料ガスの完全燃焼が可能となる。

　本発明は、上述の一実施例に制約されず、種々の変形が可能である。
　例えば、図６に示されているように流量制御装置２２，２３は、比Ｑv／Ｑsの代わりに、流量制御装置２１にて算出された熱量流量Ｆcに基づき、混合ガスに含まれる空気及び酸素の割合を制御することもできる。

　一実施例の流量制御装置２１の場合には、燃料ガスの発熱量Ｑvが算出されるとき、バルブ２の閉作動、即ち、供給経路１内の燃料ガスの流れを停止することが要求される。

　しかしながら、流量制御装置２１は、管部材１１内に形成され、燃料ガスに流れを生じさせることなく燃料ガスを溜める溜まり室と、上述のセンサ３とは別に、溜まり室に配置された熱式センサ３ａ（図１参照）を更に含むことができる。この場合、燃料ガスが流れている状態で、前述した算出部７はセンサ３ａの出力に基づき、燃料ガスの単位体積当たりの発熱量Ｑvを算出することができる。

　また、図７に示されるように流量制御装置は、算出部７に代えて、センサ３の駆動条件であるヒータの温度制御パラメータ（燃料ガスの温度とヒータ温度との差）を２段階に切り換え可能なパラメータ制御部３０と、これらの駆動条件下におけるセンサ３からの出力に基づき、発熱量Ｑvを算出する算出部３２とを含むことができる。

　また、例えば特表２００４－５１４１３８号公報に開示されるように、ヒータの温度を一定に保ったときのヒータ駆動電力から質量流量Ｆmを求めるタイプの熱式質量流量センサを用いる場合には、ヒータ温度を２段階に変えたときの、各段階におけるセンサ３からの出力に基づき、発熱量Ｑvを算出するようにしても良い。

　具体的には、算出部３２は、センサ３の出力の差に基づいて燃料ガスの熱伝導率λを求め、この熱伝導率λと燃料ガスの密度ρとの比例関係に従い発熱量Ｑvを算出する（前記の(3)式参照）。

　更に、本発明の流量制御装置は、算出部６にて求められた熱量流量Ｆcと、センサ３の出力（質量流量Ｆm）とを並列的に出力することも可能である。また、本発明の流量制御装置は、熱量流量Ｆcに基づいた燃料ガスの流量制御と、質量流量に基づいた燃料ガスの流量制御との何れかを選択可能であってもよい。

　更にまた、本発明の流量制御装置は、燃料ガスの温度に関し、周知の温度補正機能を発揮する手段等を適宜含んでいてもよい。
 

Claims (7)

1. 　燃料ガスの供給経路に配置され、前記燃料ガスの流量を調整可能な流量調整弁と、
   　前記供給経路に配置され、燃料ガスの質量流量を計測する熱式質量流量センサと、
   　前記燃料ガスの体積流量と前記燃料ガスの単位体積当たりの発熱量との積で定義される前記燃料ガスの熱量流量を前記熱式質量流量センサの出力に基づいて算出する算出部と、
   　熱量流量を制御するための制御目標値と前記算出部にて算出された熱量流量との間の偏差に基づき、前記流量調整弁の開度を制御する流量制御部と
   を具備した流量制御装置。
2. 　前記燃料ガスは炭化水素系の燃焼可能なガスである、請求項１に記載の流量制御装置。
3. 　前記算出部は、前記熱式質量流量センサの出力と前記燃料ガスの熱量流量との関係を予め求めることで作成されたマップを含む、請求項１に記載の流量制御装置。
4. 　前記燃料ガスの単位体積当たりの算出発熱量を算出する別の算出部と、
   　基準状態にある燃料ガスの単位体積当たりの基準発熱量に対する前記算出発熱量の比を演算する演算部とを更に備える、請求項１に記載の流量制御装置。
5. 　前記別の算出部は、前記燃料ガスの流れが停止した状態にあるときに前記熱式質量流量センサの出力に基づいて前記算出発熱量を算出する、請求項４に記載の流量制御装置。
6. 　前記別の算出部は、前記算出発熱量を算出するための熱量センサを含む、請求項４に記載の流量制御装置。
7. 　前記別の算出部は、前記熱式質量流量センサの駆動条件が２段階に変化されたとき、各段階での前記熱式質量流量センサからの出力をそれぞれ求め、これら出力に基づき前記算出発熱量を算出する、請求項４に記載の流量制御装置。
    

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