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JP4925493B1 - 混合ガス流量制御装置および排ガス浄化触媒評価装置 - Google Patents

混合ガス流量制御装置および排ガス浄化触媒評価装置 Download PDF

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JP4925493B1 JP2011248418A JP2011248418A JP4925493B1 JP 4925493 B1 JP4925493 B1 JP 4925493B1 JP 2011248418 A JP2011248418 A JP 2011248418A JP 2011248418 A JP2011248418 A JP 2011248418A JP 4925493 B1 JP4925493 B1 JP 4925493B1
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Abstract

【課題】混合ガスの濃度および流量を高速かつ正確に制御できる混合ガス流量制御装置を提供する。
【解決手段】各原料ガス供給源1a〜1dに原料ガス供給管路2a〜2dが接続され、原料ガス供給管路にガス混合管路3が接続される。各原料ガス供給管路に第1の流量制御バルブ4a〜4dが設けられる。ガス混合管路に第2の流量制御バルブ5の入口が接続される。ガス混合管路にオーバーフロー管路6が分岐接続される。第2の流量制御バルブの出口に混合ガス供給管路7が接続される。制御部8が、混合ガス供給管路に供給すべき混合ガスの濃度及び流量設定値に従って、第1の流量制御バルブの開度を調整すると同時に、第1の流量制御バルブの開度と第1の流量制御バルブの原料ガスに対するコンバージョンファクタとから算出した第2の流量制御バルブの混合ガスに対するコンバージョンファクタに基づき、第2の流量制御バルブの開度を調整する。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の原料ガス供給源から供給される原料ガスを所定の混合比で混合し、生成した混合ガスの流量を制御する装置、並びに当該装置を備えた排ガス浄化触媒評価装置に関するものである。
排ガス浄化触媒評価装置、燃料電池システムおよび半導体製造装置等は、複数種類の原料ガス(酸素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気等)を所定の混合比で混合し、生成した混合ガスを流量制御しつつ供給する混合ガス流量制御装置を備えている。
この種の混合ガス流量制御装置として、例えば、複数のガス供給源のそれぞれから供給されるガスの流量を所定量に設定する流量設定手段(構成ガス用マスフローコントローラ)と、構成ガス用マスフローコントローラのそれぞれで設定された各ガスの流量を加算した総流量を算出する総流量算出手段と、混合ガスの流量を計測する流量計測手段(マスフローメータ)と、総流量算出手段で算出した総流量と、マスフローメータで計測した混合ガスの流量との相関関係を表す特定係数を参照して混合ガスの流量を調整する流量調整手段(制御装置および混合ガス用マスフローメータ)と、を備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この装置によれば、各ガス供給源から供給されるそれぞれのガスの流量を加算した値(総流量)と、これらのガスを混合して生成した混合ガスの流量との相関関係を表す特定係数を算出し、この特定係数を用いてマスフローメータの流量計測値を補正しつつ、混合ガス用マスフローメータの開度を制御して混合ガスの流量を調整するので、混合ガスの濃度(各ガスの混合比)を変化させても、混合ガスの流量制御を正確に行うことができる。
しかしながら、この混合ガス流量制御装置においては、混合ガスの濃度および流量を変更するとき、その都度、混合ガスの流量が安定するまでマスフローメータによる計測を待ち、計測後に混合ガス用マスフローメータの開度を調整するので、混合ガスの濃度および流量の変更開始後、変更完了までに数秒〜数十秒の時間を要していた。そして、この間は、混合ガス流量制御装置から供給される混合ガスの濃度および流量に不確定さが生じるという問題があった。
また、この混合ガス流量制御装置を備えた従来の排ガス浄化触媒評価装置においては、混合ガス用マスフローメータの出口に混合ガス供給管路の入口が接続され、混合ガス供給管路の出口には、内部に排ガス浄化触媒が収容されたガスセルの入口が接続される。そして、ガスセルの出口には測定ガス供給管路の入口が接続され、測定ガス供給管路の出口にはガス分析計が接続される。さらに、測定ガス供給管路の途中には、余分な測定ガスを排出するオーバーフロー管路が分岐接続される。
この構成によれば、ガスセルへの混合ガスの供給量が多く、ガスセルから測定ガス供給管路に、オーバーフロー管路からオーバーフローが生じる程度の流量の測定ガスが供給されるときは、測定ガス供給管路内の測定ガス流量がほぼ一定になり、ガス分析計による測定が正確になされるが、ガスセルへの混合ガスの供給量が減少し、ガスセルから測定ガス供給管路への測定ガスの供給量が減少すると、測定ガス供給管路内の測定ガス流量が変動し、ガス分析計による正確な測定が行えなくなるという問題があった。その結果、自動車排ガスと同等の線速度流量変化を正確にシミュレーションすることができなかった。
特開2007−265684号公報
したがって、本発明の課題は、混合ガスの濃度および流量を高速かつ正確に制御できる混合ガス流量制御装置を提供することにある。
また、本発明の課題は、混合ガスの供給流量を変化させても、正確な測定ができる排ガス浄化触媒評価装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、複数の原料ガス供給源と、前記複数の原料ガス供給源にそれぞれ接続された複数の原料ガス供給管路と、原料ガスを混合するガス混合管路と、を備え、前記複数の原料ガス供給管路が前記ガス混合管路の入口に分岐接続されており、さらに、前記複数の原料ガス供給管路のそれぞれの途中に設けられた第1の流量制御バルブと、入口が前記ガス混合管路の出口に接続された第2の流量制御バルブと、前記ガス混合管路の途中に分岐接続され、余分な混合ガスを排出するオーバーフロー管路と、前記第2の流量制御バルブの出口に接続された混合ガス供給管路と、前記第1の流量制御バルブおよび第2の流量制御バルブを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記混合ガス供給管路に供給すべき混合ガスの濃度および流量設定値に従い、前記第1の流量制御バルブの開度を調整すると同時に、前記第1の流量制御バルブの開度と前記第1の流量制御バルブの前記原料ガスに対するコンバージョンファクタとから算出した前記第2の流量制御バルブの前記混合ガスに対するコンバージョンファクタに基づき、前記第2の流量制御バルブの開度を調整するものであることを特徴とする混合ガス流量制御装置を構成したものである。
また、上記課題を解決するため、本発明は、上記混合ガス流量制御装置を備えた排ガス浄化触媒評価装置であって、入口が前記混合ガス流量制御装置の前記混合ガス供給管路の出口に接続され、内部に試験すべき排ガス浄化触媒が収容されたガスセルと、入口が前記ガスセルの出口に接続された測定ガス供給管路と、前記測定ガス供給管路の出口に接続されたガス分析計と、前記測定ガス供給管路の途中に分岐接続された希釈ガス供給管路と、前記希釈ガス供給管路に接続された希釈ガス供給源と、前記希釈ガス供給管路の前記希釈ガス供給源よりも下流側に設けられ、前記制御部によって制御される第3の流量制御バルブと、前記測定ガス供給管路の前記希釈ガス供給管路との接続部よりも上流側に分岐接続され、余分な測定ガスを排出する第2のオーバーフロー管路と、を備え、前記制御部は、前記希釈ガス供給管路から前記測定ガス供給管路に供給される希釈ガスの流量が一定になり、かつ、前記第2のオーバーフロー管路から余分な前記測定ガスが常時排出され、かつ、前記ガス分析計に供給される、希釈された前記測定ガスの流量が一定になるように、前記第3の流量制御バルブの開度を調整するものであることを特徴とする排ガス浄化触媒評価装置を構成したものである。
この排ガス浄化触媒評価装置において、前記ガスセルが前記第2の流量制御バルブに近接して配置され、前記オーバーフロー管路が前記第2の流量制御バルブの入口の近傍において前記ガス混合管路に分岐接続され、前記第2のオーバーフロー管路が前記ガスセルの出口の近傍において前記測定ガス供給管路に分岐接続されていることが好ましい。
この排ガス浄化触媒評価装置において、また、前記制御部は、前記排ガス浄化触媒の試験のための前記混合ガスの前記濃度および流量設定値の組が格納されたメモリを有しており、前記制御部は、前記排ガス浄化触媒の試験が完了したとき、前記ガス分析計による前記測定ガスの濃度測定値と、前記メモリに格納された前記混合ガスの前記濃度設定値とを比較し、前記濃度設定値と前記測定ガスの濃度測定値との差が所定の基準値以上であるときは、前記濃度設定値が前記測定ガスの濃度測定値に一致するように、前記メモリに格納された前記混合ガスの前記濃度および流量設定値を補正し、補正した前記濃度および流量設定値に従って、前記排ガス浄化触媒の再試験を行うようになっていてもよい。
本発明によれば、混合ガス供給管路に供給すべき混合ガスの濃度および流量設定値に従って、第1の流量制御バルブの開度を調整すると同時に、第1の流量制御バルブの開度および第1の流量制御バルブの原料ガスに対するコンバージョンファクタから算出した第2の流量制御バルブの混合ガスに対するコンバージョンファクタに基づいて第2の流量制御バルブの開度を調整するようにしたので、混合ガスの濃度および流量設定値の変更後、瞬時に、当該設定値に対応する濃度および流量の混合ガスを混合ガス供給管路に供給することができる。
また、本発明によれば、測定ガス供給管路における第2のオーバーフロー管路の下流測に希釈ガス供給管路を分岐接続し、希釈ガス供給管路から測定ガス供給管路に供給される希釈ガスの流量が一定になり、かつ、第2のオーバーフロー管路から余分な測定ガスが常時排出され、かつ、ガス分析計に供給される測定ガスの流量が一定になるようにしたので、ガスセルに対する混合ガスの供給流量が変化しても、ガス分析計には、常に、一定濃度に希釈された測定ガスを一定の流量で供給することができ、それによって、常に正確な測定が行える。
本発明の1実施例による混合ガス流量制御装置の構成を示すブロック図である。 図1に示した混合ガス流量制御装置を備えた排ガス浄化触媒評価装置の構成を示すブロック図である。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図1は、本発明の1実施例による試験ガス流量制御装置の概略構成を示すブロック図である。
図1を参照して、本発明による混合ガス流量制御装置は、複数の原料ガス供給源1a〜1dと、これらの原料ガス供給源1a〜1dにそれぞれ接続された複数の原料ガス供給管路2a〜2dと、原料ガスを混合するガス混合管路3を備えている。複数の原料ガス供給管路2a〜2dはガス混合管路3の入口3aに分岐接続されている。
複数の原料ガス供給管路2a〜2dのそれぞれの途中に第1の流量制御バルブ4a〜4dが設けられ、ガス混合管路3の出口3bに第2の流量制御バルブ5の入口5aが接続される。この実施例では、第1の流量制御バルブ4a〜4dおよび第2の流量制御バルブ5は、いずれもマスフローコントローラからなっている。
第1の流量制御バルブ4a〜4dおよび第2の流量制御バルブ5は、制御部8によって制御される。
ガス混合管路3の途中には、余分な混合ガスを排出するオーバーフロー管路6が分岐接続される。さらに、第2の流量制御バルブ5の出口5bに混合ガス供給管路7が接続される。
制御部8は、混合ガス供給管路7に供給すべき混合ガスの濃度および流量設定値に従って、第1の流量制御バルブ4a〜4dの開度を調整すると同時に、第1の流量制御バルブ4a〜4dの開度と第1の流量制御バルブ4a〜4dの原料ガスに対するコンバージョンファクタとから算出した第2の流量制御バルブ5の混合ガスに対するコンバージョンファクタに基づき、第2の流量制御バルブ5の開度を調整する。
第2の流量制御バルブ5の混合ガスに対するコンバージョンファクタの算出法は、次のとおりである。
すなわち、n種類の原料ガスを混合する場合を考え、第1の流量制御バルブ4a〜4dの第1の原料ガス、第2の原料ガス、・・・、および第nの原料ガスに対するコンバージョンファクタを、それぞれ、CF、CF、・・・、およびCFとし(各原料ガスに対するコンバージョンファクタは、例えば、窒素のCF値=1、酸素のCF値=0.98、二酸化炭素のCF値=0.74、一酸化炭素のCF値=1等、既知である。)、第1の原料ガスの濃度X(vol%)、第2の原料ガスの濃度X(vol%)、・・・、第nの原料ガスの濃度X(vol%)の割合で混合するとき、第2の流量制御バルブ5の混合ガスに対するコンバージョンファクタCFは、
Figure 0004925493
となる。
よって、例えば、酸素を5vol%、二酸化炭素を12vol%、一酸化炭素を6vol%、窒素を77vol%混合して混合ガスを生成する場合、混合ガスのCF値は、0.958となる。
本発明の混合ガス流量制御装置によれば、混合ガス供給管路7に供給すべき混合ガスの濃度および流量設定値に従って、第1の流量制御バルブ4a〜4dの開度が調整されると同時に、第1の流量制御バルブ4a〜4dの開度と第1の流量制御バルブ4a〜4dの原料ガスに対するコンバージョンファクタから算出された第2の流量制御バルブの混合ガスに対するコンバージョンファクタに基づいて第2の流量制御バルブの開度が調整される。
そして、混合ガスの濃度および流量設定値が変更された場合には、瞬時に、当該設定値に対応する濃度および流量の混合ガスが混合ガス供給管路に供給される。
図2は、図1に示した混合ガス流量制御装置を備えた排ガス浄化触媒評価装置の構成を示すブロック図である。
図2を参照して、本発明による排ガス浄化触媒評価装置は、入口10aが混合ガス流量制御装置の混合ガス供給管路7の出口7bに接続され、内部に試験すべき排ガス浄化触媒16が収容されたガスセル10を備えている。
ガスセル10の出口10bには測定ガス供給管路11の入口11aが接続され、測定ガス供給管路11の出口11bにはガス分析計12が接続される。また、測定ガス供給管路11の途中には、希釈ガス供給管路13が分岐接続され、希釈ガス供給管路13に希釈ガス供給源14が接続される。
希釈ガス供給管路13の希釈ガス供給源14よりも下流側には、第3の流量制御バルブ15が設けられる。この実施例では、第3の流量制御バルブ15として、マスフローコントローラが用いられるが、マスフローコントローラ以外の任意の公知の流量制御バルブが使用可能である。第3の流量制御バルブ15は、制御部8によって制御されるようになっている。
また、測定ガス供給管路11の希釈ガス供給管路13との接続部よりも上流側には、余分な測定ガスを排出する第2のオーバーフロー管路17が分岐接続される。
この場合、ガスセル10が第2の流量制御バルブ5に近接して配置され、オーバーフロー管路6が第2の流量制御バルブ5の入口5aの近傍においてガス混合管路3に分岐接続され、第2のオーバーフロー管路17がガスセル10の出口10bの近傍において測定ガス供給管路11に分岐接続されていること、要するに、オーバーフロー管路6のガス混合管路3との接続部9および第2のオーバーフロー管路17の測定ガス供給管路11との接続18間の距離ができるだけ短くなっていることが好ましい。
それによって、混合ガスの濃度および流量設定値の変化を、希釈ガスによる希釈前の測定ガスに正確に反映させることができる。
制御部8は、希釈ガス供給管路13から測定ガス供給管路11に供給される希釈ガスの流量が一定になり、かつ、第2のオーバーフロー管路17から余分な測定ガスが常時排出され、かつ、ガス分析計12に供給される、希釈された測定ガスの流量が一定になるように、第3の流量制御バルブ15の開度を調整する。
すなわち、例えば、排ガス浄化触媒16の試験が、ガスセル10への混合ガスの供給量を5リットル/分〜30リットル/分の範囲内で変化させ、その間に、ガス分析計12に対して測定ガスを10リットル/分の一定流量で供給されるような条件下で実施される場合には、制御部8は、第3の流量制御バルブ15の開度を、希釈ガス供給源14から希釈ガスが6リットル/分の一定流量で測定ガス供給管路11に供給されるように調整する。それによって、ガスセル10への混合ガスの供給量が変化しても、ガス分析計12に対しは、常に、混合ガスの濃度の0.4倍の濃度の測定ガスが、4リットル/分の一定流量で供給される。
本発明の排ガス浄化触媒評価装置は上述の混合ガス流量制御装置を備えているので、本発明の排ガス浄化触媒評価装置によれば、この混合ガス流量制御装置による作用効果が得られることは言うまでもないが、さらに、測定ガス供給管路11における第2のオーバーフロー管路17の下流測に希釈ガス供給管路13を分岐接続し、希釈ガス供給管路13から測定ガス供給管路11に供給される希釈ガスの流量が一定になり、かつ、第2のオーバーフロー管路17から余分な測定ガスが常時排出され、かつ、ガス分析計12に供給される測定ガスの流量が一定になるようにしたので、混合ガス供給管路7からガスセル10への混合ガスの供給流量が変化しても、ガス分析計12には、常に、一定濃度に希釈された測定ガスを一定の流量で供給することができる。それによって、ガスセル10への混合ガスの供給流量が変化しても、常にガス分析計12による正確な測定を行うことができる。
こうして、本発明の排ガス浄化触媒評価装置によれば、自動車排ガスと同等の線速度流量変化を正確にシミュレーションすることができる。
上述の排ガス浄化触媒評価装置においては、希釈ガス供給管路13から測定ガス供給管路11に希釈ガスを一定流量で供給し、余分な測定ガスを第2のオーバーフロー管路17から常に排出する構成としているが、この構成に起因して、オーバーフロー管路6の接続部9および第2のオーバーフロー管路17の接続部18の間の領域において、混合ガスの濃度および流量設定値の変化が正確に反映されない場合がある。
このような場合には、排ガス浄化触媒16の試験のための混合ガスの濃度および流量設定値の組を予め制御部8のメモリに格納しておき、排ガス浄化触媒16の試験が完了したとき、制御部8が、ガス分析計12による測定ガスの濃度測定値と、メモリに格納された混合ガスの前記濃度設定値とを比較し、濃度設定値と測定ガスの濃度測定値との差が所定の基準値以上であるときは、濃度設定値が測定ガスの濃度測定値に一致するように、メモリに格納された混合ガスの前記濃度および流量設定値を補正し、補正した濃度および流量設定値に従って、排ガス浄化触媒の再試験を行うようにすればよい。
1a〜1d 原料ガス供給源
2a〜2d 原料ガス供給管路
3 ガス混合管路
3a 入口
3b 出口
4a〜4b 第1の流量制御バルブ
5 第2の流量制御バルブ
5a 入口
5b 出口
6 オーバーフロー管路
7 混合ガス供給管路
7a 入口
7b 出口
8 制御部
9 接続部
10 ガスセル
10a 入口
10b 出口
11 測定ガス供給管路
11a 入口
11b 出口
12 ガス分析計
13 希釈ガス供給管路
14 希釈ガス供給源
15 第3の流量制御バルブ
16 排ガス浄化触媒
17 第2のオーバーフロー管路
18 接続部

Claims (4)

  1. 複数の原料ガス供給源と、
    前記複数の原料ガス供給源にそれぞれ接続された複数の原料ガス供給管路と、
    原料ガスを混合するガス混合管路と、を備え、前記複数の原料ガス供給管路が前記ガス混合管路の入口に分岐接続されており、さらに、
    前記複数の原料ガス供給管路のそれぞれの途中に設けられた第1の流量制御バルブと、
    入口が前記ガス混合管路の出口に接続された第2の流量制御バルブと、
    前記ガス混合管路の途中に分岐接続され、余分な混合ガスを排出するオーバーフロー管路と、
    前記第2の流量制御バルブの出口に接続された混合ガス供給管路と、
    前記第1の流量制御バルブおよび第2の流量制御バルブを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記混合ガス供給管路に供給すべき前記混合ガスの濃度および流量設定値に従い、前記第1の流量制御バルブの開度を調整すると同時に、前記第1の流量制御バルブの開度と前記第1の流量制御バルブの前記原料ガスに対するコンバージョンファクタとから算出した前記第2の流量制御バルブの前記混合ガスに対するコンバージョンファクタに基づき、前記第2の流量制御バルブの開度を調整するものであることを特徴とする混合ガス流量制御装置。
  2. 請求項1に記載の混合ガス流量制御装置を備えた排ガス浄化触媒評価装置であって、
    入口が前記混合ガス流量制御装置の前記混合ガス供給管路の出口に接続され、内部に試験すべき排ガス浄化触媒が収容されたガスセルと、
    入口が前記ガスセルの出口に接続された測定ガス供給管路と、
    前記測定ガス供給管路の出口に接続されたガス分析計と、
    前記測定ガス供給管路の途中に分岐接続された希釈ガス供給管路と、
    前記希釈ガス供給管路に接続された希釈ガス供給源と、
    前記希釈ガス供給管路の前記希釈ガス供給源よりも下流側に設けられ、前記制御部によって制御される第3の流量制御バルブと、
    前記測定ガス供給管路の前記希釈ガス供給管路との接続部よりも上流側に分岐接続され、余分な測定ガスを排出する第2のオーバーフロー管路と、を備え、前記制御部は、前記希釈ガス供給管路から前記測定ガス供給管路に供給される希釈ガスの流量が一定になり、かつ、前記第2のオーバーフロー管路から余分な前記測定ガスが常時排出され、かつ、前記ガス分析計に供給される、希釈された前記測定ガスの流量が一定になるように、前記第3の流量制御バルブの開度を調整するものであることを特徴とする排ガス浄化触媒評価装置。
  3. 前記ガスセルが前記第2の流量制御バルブに近接して配置され、前記オーバーフロー管路が前記第2の流量制御バルブの入口の近傍において前記ガス混合管路に分岐接続され、前記第2のオーバーフロー管路が前記ガスセルの出口の近傍において前記測定ガス供給管路に分岐接続されていることを特徴とする請求項2に記載の排ガス浄化触媒評価装置。
  4. 前記制御部は、前記排ガス浄化触媒の試験のための前記混合ガスの前記濃度および流量設定値の組が格納されたメモリを有しており、前記制御部は、前記排ガス浄化触媒の試験が完了したとき、前記ガス分析計による前記測定ガスの濃度測定値と、前記メモリに格納された前記混合ガスの前記濃度設定値とを比較し、前記濃度設定値と前記測定ガスの濃度測定値との差が所定の基準値以上であるときは、前記濃度設定値が前記測定ガスの濃度測定値に一致するように、前記メモリに格納された前記混合ガスの前記濃度および流量設定値を補正し、補正した前記濃度および流量設定値に従って、前記排ガス浄化触媒の再試験を行うことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の排ガス浄化触媒評価装置。
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