JP7579751B2 - 組成推定装置及び流体混合システム - Google Patents

Description

本発明は、組成推定装置及び流体混合システムに関する。

工業用炉等に用いられる、ガスバーナ等の種々の燃焼機器は、燃料ガスと燃焼用空気とを所定の混合比率で燃焼させるよう構成されている。また、燃料ガスには、都市ガスの他に、プロパン、水素等を用いることがある。この場合には、燃料ガスの組成が異なることになり、適切な燃焼を行うためには、燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を適宜変更する必要がある。

例えば、特許文献１に記載された燃料供給システムにおいては、ガス燃料の性状が変化した場合であっても好適な燃料供給を行うために、熱式流量計と、ガス燃料の組成に依存せずに流量を計測可能な組成非依存流量計とを用いる。熱式流量計の計測値と組成非依存流量計の計測値との乖離度合が異常状態を示すほどに大きい場合には、燃料供給装置による供給対象へのガス燃料の供給量を調整するよう構成されている。

ＷＯ２０１３／１１１７７６号公報

特許文献１の燃料供給システムにおいては、例えば、燃料ガスの組成（種類）を意図的に異ならせた場合に、流体の組成に応じた熱式流量計における固有係数の違いを利用することによって、燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を適切に変更するための工夫はなされていない。また、特許文献１の燃料供給システムにおいては、燃料ガスの組成（種類）を意図的に異ならせた場合に、燃料ガスの組成を推定するための工夫もなされていない。従って、必要とする組成の混合流体をより適切に生成するためには、更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、必要とする組成の流体をより適切に生成することができる組成推定装置及び流体混合システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
特定組成の基準流体の質量流量を測定するよう設定され、配管を流れる、前記基準流体と異なる測定流体の質量流量を測定する熱式流量計と、
前記配管に前記熱式流量計と直列に並んで配置されるとともに、前記配管を流れる前記測定流体の体積流量を測定する体積流量計と、
前記熱式流量計に設定された前記基準流体の固有係数をａ、前記熱式流量計によって測定される前記測定流体の質量流量をＱａ、前記体積流量計によって測定される前記測定流体の体積流量をＱｂとしたとき、前記測定流体の固有係数ｂを、ｂ＝ａ×Ｑａ／Ｑｂによって求め、前記測定流体の固有係数ｂに基づいて前記測定流体の組成を推定する演算装置と、を備える組成推定装置にある。

本発明の他の態様は、
第１流体と第２流体とが混合された混合流体を生成し、前記混合流体における前記第１流体と前記第２流体との混合比率を目標混合比率にする流体混合システムであって、
前記第１流体が供給される第１配管と、
前記第２流体が供給される第２配管と、
前記第１配管と前記第２配管とが合わさる合流配管と、
前記合流配管に配置されるとともに、特定組成の基準流体の質量流量を測定するよう設定され、かつ、前記合流配管を流れる前記混合流体の質量流量を測定する熱式流量計と、
前記合流配管に前記熱式流量計と直列に並んで配置されるとともに、前記合流配管を流れる前記混合流体の体積流量を測定する体積流量計と、
前記第１流体と前記第２流体との混合比率を調整するための調整弁と、
前記熱式流量計、前記体積流量計及び前記調整弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記第１流体の組成、前記第２流体の組成及び前記目標混合比率の各情報を取得する情報取得部と、
前記第１流体の組成、前記第２流体の組成及び前記目標混合比率が定まるときの前記目標混合比率の前記混合流体についての、前記熱式流量計による質量流量と前記体積流量計による体積流量との関係に基づく目標流量関係又は目標固有係数が設定される関係設定部と、
前記熱式流量計によって測定された測定質量流量と前記体積流量計によって測定された測定体積流量との測定流量関係が前記目標流量関係と一致するように、又は前記測定質量流量、前記測定体積流量及び前記基準流体の固有係数に基づく測定固有係数が前記目標固有係数と一致するように、前記調整弁の開度を調整する開度調整部と、を有する、流体混合システムにある。

（一態様の組成推定装置）
前記一態様の組成推定装置においては、熱式流量計と体積流量計とが配管に直列に配置された構成と、熱式流量計に設定された基準流体の固有係数ａ、熱式流量計によって測定される測定流体の質量流量Ｑａ、及び体積流量計によって測定される測定流体の体積流量Ｑｂを利用して、熱式流量計によって質量流量を測定する測定流体の組成を推定する。熱式流量計における固有係数は、熱式流量計によって質量流量を測定する流体の組成に応じて固有の値を示すものであり、流体の組成に応じて定められるものである。

前記一態様の組成推定装置においては、流体の組成に応じた熱式流量計における固有係数の違いを利用することによって、熱式流量計によって質量流量を測定する測定流体の組成を推定する。具体的には、基準流体の固有係数ａと測定流体の質量流量Ｑａとの積が、測定流体の固有係数ｂと測定流体の体積流量Ｑｂとの積と等価になることに着目し、演算装置は、測定流体の固有係数ｂを、ｂ＝ａ×Ｑａ／Ｑｂによって求め、測定流体の固有係数ｂに基づいて測定流体の組成を推定する。測定流体の固有係数ｂと測定流体の組成との関係は、試験、理論計算等によって求めておけばよい。

この構成により、熱式流量計と体積流量計とが直列に配置された配管を用い、流量を測定する測定流体の組成が基準流体の組成と異なる場合に、測定流体の組成を推定することができる。そのため、例えば、測定流体を、燃料ガス、又は既知の燃料ガスと燃焼用空気との混合気とする場合には、燃料ガス又は混合気の組成が推定可能になり、燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を適切にすることができる。

それ故、前記一態様の組成推定装置によれば、測定流体の組成の推定により、必要とする組成の流体をより適切に生成することができる。

（他の態様の流体混合システム）
前記他の態様の流体混合システムにおいては、第１流体と第２流体とが混合された混合流体が流れる合流配管に、熱式流量計と体積流量計とが直列に配置された構成を利用して、熱式流量計に設定された基準流体の組成と異なる組成の混合流体を用いるときの、第１流体と第２流体との混合比率を目標混合比率にする工夫をしている。前記他の態様の流体混合システムにおいては、制御装置は、流体の組成に応じた熱式流量計における固有係数の違いを利用することによって、第１流体の組成及び第２流体の組成の各情報が取得されたときに、調整弁の開度を調整して、第１流体と第２流体との混合比率を目標混合比率にする。

具体的には、制御装置は、情報取得部、関係設定部及び開度調整部を有している。そして、情報取得部によって、第１流体の組成、第２流体の組成及び目標混合比率の各情報が取得され、関係設定部によって、第１流体の組成、第２流体の組成及び目標混合比率が定まるときの目標混合比率の混合流体についての、熱式流量計による質量流量と体積流量計による体積流量との関係に基づく目標流量関係又は目標固有係数が設定される。目標流量関係は、熱式流量計における基準流体の固有係数と、熱式流量計における目標混合比率の混合流体の目標固有係数との関係を反映する。

そして、開度調整部によって、熱式流量計によって測定された測定質量流量と体積流量計によって測定された測定体積流量との測定流量関係が、目標流量関係と一致するように、又は測定質量流量、測定体積流量及び基準流体の固有係数に基づく測定固有係数が、目標固有係数と一致するように、調整弁の開度が調整される。測定流量関係が目標流量関係と許容範囲内で一致するとき、又は測定固有係数が目標固有係数と許容範囲内で一致するときには、目標とする組成の混合流体が生成されていると判断することができる。そのため、例えば、第１流体を燃料ガスとするとともに第２流体を燃焼用空気とする場合には、燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を目標混合比率にすることができる。

それ故、前記他の態様の流体混合システムによれば、目標混合比率の混合流体の生成により、必要とする組成の混合流体をより適切に生成することができる。

図１は、実施形態１にかかる、組成推定装置を示す説明図である。 図２は、実施形態２にかかる、流体混合システムを示す説明図である。 図３は、実施形態２にかかる、体積流量と質量流量との目標流量関係、及び基準流体の固有係数と混合流体の固有係数との関係を示すグラフである。 図４は、実施形態２にかかる、体積流量と質量流量と関係を、実測値及び理論値によって示すグラフである。 図５は、実施形態２にかかる、流体混合システムの制御方法のメインルーチンを示すフローチャートである。 図６は、実施形態２にかかる、流体混合システムの制御方法の第１調整ルーチンを示すフローチャートである。 図７は、実施形態２にかかる、流体混合システムの制御方法の第２調整ルーチンを示すフローチャートである。

前述した組成推定装置及び流体混合システムにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態の組成推定装置１Ａは、図１に示すように、熱式流量計２、体積流量計３及び演算装置４Ａを備える。熱式流量計２は、特定組成の基準流体の質量流量Ｑａを測定するよう設定されており、配管５を流れる、基準流体と異なる測定流体Ｍの質量流量Ｑａを測定するよう構成されている。体積流量計３は、配管５に熱式流量計２と直列に並んで配置されており、配管５を流れる測定流体Ｍの体積流量Ｑｂを測定するよう構成されている。

演算装置４Ａは、熱式流量計２に設定された基準流体の固有係数をａ、熱式流量計２によって測定される測定流体Ｍの質量流量をＱａ、体積流量計３によって測定される測定流体Ｍの体積流量をＱｂとしたとき、測定流体Ｍの固有係数ｂを、ｂ＝ａ×Ｑａ／Ｑｂによって求め、測定流体Ｍの固有係数ｂに基づいて測定流体Ｍの組成を推定するよう構成されている。

以下に、本形態の組成推定装置１Ａについて詳説する。
図１に示すように、組成推定装置１Ａは、燃料ガスと燃焼用空気との混合気の燃焼を行う燃焼機器６へ、必要とする組成の流体としての混合気の供給を可能にするものである。組成推定装置１Ａを構成する配管５は、燃焼機器６に繋がるものであり、燃焼機器６へ測定流体Ｍとしての混合気を供給するためのものである。

本形態における測定流体Ｍ及び基準流体は、気体（ガス）としての、燃料ガスと燃焼用空気の混合気である。燃料ガスには、都市ガス、プロパン、水素等がある。燃焼用空気には、空気（フレッシュエア）、空気と排ガスとの混合エア等がある。配管５は、測定流体Ｍの供給源５０に接続されている。

（熱式流量計２）
図１に示すように、熱式流量計２は、気体の質量流量Ｑａ［ｇ／ｓ］を測定するものである。熱式流量計２は、測定流体Ｍの単位時間当たりの移動に伴う熱量の変化に基づいて質量流量Ｑａを検出するものである。熱式流量計２は、ヒータ、ヒータの配置位置の上流側に配置された温度センサ、及びヒータの配置位置の下流側に配置された温度センサ等を有する。熱式流量計２には、ヒータの上流側における流体の温度とヒータの下流側における流体の温度との差に基づいて流量を測定する温度差測定法による方式、ヒータの上流側における流体の温度とヒータの下流側における流体の温度との差が一定になるようにヒータを制御する消費電力測定法による方式等がある。

熱式流量計２は、測定流体Ｍの組成が変化すると、質量流量Ｑａの測定結果に誤差を生じさせるものである。熱式流量計２においては、質量流量Ｑａを正しく測定するために、流体の組成に応じた固有係数が設定されている。熱式流量計２の測定部によって奪われる熱量Ｈ［Ｊ］は、熱式流量計２の質量流量Ｑａ［ｇ／ｓ］、密度ρ［ｇ／ｍ³］、低圧比熱ｃ［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］、熱伝導率λ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］を用いて、Ｈ∝Ｑａ・ρ・ｃ／λによって表される。換言すれば、Ｈは、Ｑａ・ρ・ｃ／λに比例する。そして、質量流量Ｑａ及び熱量Ｈが適宜変化する一方、密度ρ、低圧比熱ｃ及び熱伝導率λによるρ・ｃ／λは、気体としての種々の混合気に応じて固有の値となる。

本形態の組成推定装置１Ａは、測定流体Ｍが、熱式流量計２に設定された基準流体と異なるようにし、熱式流量計２によって測定される質量流量Ｑａに意図的に誤差を生じさせ、この誤差を利用して測定流体Ｍの組成を推定する。この誤差は、測定流体Ｍの組成に応じて、熱式流量計２による測定の係数であるρ・ｃ／λの固有値の違いによって生じる。

（体積流量計３）
図１に示すように、体積流量計３は、気体の体積流量Ｑｂ［ｍ³／ｓ］を測定するものである。体積流量計３は、配管５を流れる測定流体Ｍの体積流量Ｑｂを、測定流体Ｍの単位時間当たりの体積変化に基づいて検出するものである。体積流量計３には、互いに噛み合う２つの楕円状の歯車の回転を利用して流量を測定する容積式流量計、配管５内に生じさせるカルマン渦の周波数（流速）を利用して流量を測定する渦式流量計、羽根車の回転を利用して流量を測定するタービン式流量計等がある。体積流量計３は、測定流体Ｍの組成の違いに拘わらず、測定流体Ｍの流量を適切に測定可能である。

（演算装置４Ａ）
図１に示すように、演算装置４Ａは、シーケンサ（プログラマブルコンピュータ）等のコンピュータによって構成されている。演算装置４Ａは、熱式流量計２から測定流体Ｍの質量流量Ｑａの情報を受け取るとともに、体積流量計３から測定流体Ｍの体積流量Ｑｂの情報を受け取るよう構成されている。また、演算装置４Ａは、熱式流量計２において設定された基準流体の固有係数ａの情報を受け取るよう構成されている。

基準流体の固有係数ａは、基準流体についての密度ρ１、低圧比熱ｃ１及び熱伝導率λ１を用いて、熱式流量計２による測定の係数であるρ１・ｃ１／λ１の固有値によって示される。測定流体Ｍの固有係数ｂは、測定流体Ｍについての密度ρ２、低圧比熱ｃ２及び熱伝導率λ２を用いて、熱式流量計２による測定の係数であるρ２・ｃ２／λ２の固有値によって示される。演算装置４Ａは、測定流体Ｍの組成が基準流体の組成と異なることによって、基準流体のρ１・ｃ１／λ１の固有値である固有係数ａと測定流体Ｍのρ２・ｃ２／λ２の固有値である固有係数ｂとが異なることを利用する。

基準流体の組成は既知である一方、測定流体Ｍの組成は未知である。演算装置４Ａにおいては、種々の気体としての混合気について、ρ・ｃ／λの固有値である固有係数を求めておく。固有係数は、熱式流量計２が配置された配管５に気体を流したときの質量熱量Ｑａを実測して求めてもよく、種々の気体について既知である密度ρ、低圧比熱ｃ及び熱伝導率λの値を用いて計算により求めてもよい。そして、演算装置４Ａは、固有係数に基づいて、種々の気体である測定流体Ｍの組成を推定する。

測定流体Ｍの組成が基準流体の組成と異なっていれば、熱式流量計２によって測定される質量流量Ｑａの値は、体積流量計３によって測定される体積流量Ｑｂの値と異なることになる。そして、演算装置４Ａは、基準流体の固有係数ａ、質量流量Ｑａ及び体積流量Ｑｂを用い、測定流体Ｍの固有係数ｂを、ｂ＝ａ×Ｑａ／Ｑｂによって求め、測定流体Ｍの固有係数ｂに基づいて測定流体Ｍの組成を推定することが可能になる。

（作用効果）
本形態の組成推定装置１Ａにおいては、基準流体の固有係数ａ、測定流体Ｍの質量流量Ｑａ及び測定流体Ｍの体積流量Ｑｂを利用して、測定流体Ｍの組成を推定する。熱式流量計２における固有係数は、熱式流量計２によって質量流量Ｑａを測定する流体の組成に応じて固有の値を示すものであり、流体の組成に応じて定められるものである。

本形態の組成推定装置１Ａにおいては、流体の組成に応じた熱式流量計２における固有係数の違い、換言すれば、基準流体の固有係数ａと測定流体Ｍの質量流量Ｑａとの積が、測定流体Ｍの固有係数ｂと測定流体Ｍの体積流量Ｑｂとの積と等価になることを利用して、測定流体Ｍの固有係数ｂを、ｂ＝ａ×Ｑａ／Ｑｂによって求め、測定流体Ｍの固有係数ｂに基づいて測定流体Ｍの組成を推定する。この構成により、流量を測定する測定流体Ｍの組成が基準流体の組成と異なる場合に、測定流体Ｍの組成を推定することができる。そのため、例えば、測定流体Ｍを、燃料ガス、又は既知の燃料ガスと燃焼用空気との混合気とする場合には、燃料ガス又は混合気の組成が推定可能になり、燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を適切にすることができる。

それ故、本形態の組成推定装置１Ａによれば、測定流体Ｍの組成の推定により、必要とする組成の流体をより適切に生成することができる。

＜実施形態２＞
本形態は、熱式流量計２及び体積流量計３が直列に配置された配管５を利用して、目標混合比率の混合流体Ｍ１を得る流体混合システム１Ｂについて示す。本形態の流体混合システム１Ｂは、第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２とが混合された混合流体Ｍ１を生成し、混合流体Ｍ１における第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２との混合比率を目標混合比率にするものである。

流体混合システム１Ｂは、図２に示すように、第１配管５Ａ、第２配管５Ｂ、合流配管５Ｃ、熱式流量計２、体積流量計３、調整弁５１，５２及び制御装置４Ｂを備える。第１配管５Ａは、第１流体Ｒ１が供給されるものである。第２配管５Ｂは、第２流体Ｒ２が供給されるものである。合流配管５Ｃは、第１配管５Ａと第２配管５Ｂとが合わさったものである。熱式流量計２は、合流配管５Ｃに配置されるとともに、特定組成の基準流体の質量流量Ｑａを測定するよう設定されており、かつ、合流配管５Ｃを流れる混合流体Ｍ１（測定流体Ｍ）の質量流量Ｑａを測定するよう構成されている。

体積流量計３は、合流配管５Ｃに熱式流量計２と直列に並んで配置されるとともに、合流配管５Ｃを流れる混合流体Ｍ１（測定流体Ｍ）の体積流量Ｑｂを測定するよう構成されている。調整弁５１，５２は、第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２との混合比率を調整するためのものである。制御装置４Ｂは、熱式流量計２、体積流量計３及び調整弁５１，５２を制御するよう構成されている。

制御装置４Ｂは、情報取得部４１、関係設定部４２及び開度調整部４３を有する。情報取得部４１は、第１流体Ｒ１の組成、第２流体Ｒ２の組成及び目標混合比率の各情報を取得するよう構成されている。関係設定部４２は、第１流体Ｒ１の組成、第２流体Ｒ２の組成及び目標混合比率が定まるときの目標混合比率の混合流体Ｍ１についての、熱式流量計２による質量流量Ｑａと体積流量計３による体積流量Ｑｂとの関係に基づく目標流量関係が設定されるよう構成されている。なお、関係設定部４２は、目標混合比率の混合流体Ｍ１についての、質量流量Ｑａと体積流量Ｑｂとの関係に基づく目標固有係数ｂ_rが設定されるよう構成されていてもよい。

開度調整部４３は、熱式流量計２によって測定された測定質量流量Ｑａと体積流量計３によって測定された測定体積流量Ｑｂとの測定流量関係が、目標流量関係と一致するように、調整弁５１，５２の開度を調整するよう構成されている。なお、開度調整部４３は、測定質量流量Ｑａ、測定体積流量Ｑｂ及び基準流体の固有係数ａに基づく測定固有係数ｂ_mが、目標固有係数ｂ_rと一致するように、調整弁５１，５２の開度を調整してもよい。

以下に、本形態の流体混合システム１Ｂについて詳説する。
図２に示すように、流体混合システム１Ｂは、燃料ガスと燃焼用空気との混合気の燃焼を行う燃焼機器６へ、目標混合比率の混合流体Ｍ１としての混合気を供給するものである。合流配管５Ｃは、燃焼機器６に繋がるものであり、燃焼機器６へ混合流体Ｍ１としての混合気を供給するためのものである。第１配管５Ａは、燃料ガスの供給源５３Ａに接続されており、第２配管５Ｂは、ファン等の燃焼用空気の供給源５３Ｂに接続されている。

調整弁５１，５２には、第１配管５Ａに配置された第１調整弁５１と、第２配管５Ｂに配置された第２調整弁５２とがある。熱式流量計２及び体積流量計３は、実施形態１に示すものと同様である。

本形態の熱式流量計２は、特定組成の基準流体として、都市ガスと燃焼用空気（フレッシュエア）との混合気の質量流量Ｑａを測定するよう設定されている。換言すれば、熱式流量計２においては、都市ガスと燃焼用空気との混合気についての固有係数が設定されている。本形態においては、第１流体Ｒ１は、都市ガスとは組成が異なる、プロパン、水素等の気体（ガス）とし、第２流体Ｒ２は、燃焼用空気とする。なお、第１流体Ｒ１及び第２流体Ｒ２は、いずれも燃料ガスとしてもよい。例えば、第１流体Ｒ１及び第２流体Ｒ２は、都市ガス及び水素、プロパン及び水素としてもよい。

（情報取得部４１）
図２に示すように、制御装置４Ｂの情報取得部４１は、第１流体Ｒ１としてのプロパンの組成、第２流体Ｒ２としての燃焼用空気の組成、及び第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２との目標混合比率の各情報を取得するよう構成されている。目標混合比率は、プロパンと燃焼用空気とが失火を生じることなく安定して燃焼可能な空気比（空気過剰率）又は空燃比として設定する。情報取得部４１には、流体混合システム１Ｂの管理者による入力操作によって、第１流体Ｒ１の種類、第２流体Ｒ２の種類及び目標混合比率の各情報が入力される。また、情報取得部４１においては、第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１と第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２とが取得される。これらの固有係数ｂ１，ｂ２は、第１調整弁５１又は第２調整弁５２の開度を大きくするか、小さくするかを決定するために用いられる。

（関係設定部４２）
図２に示すように、制御装置４Ｂの関係設定部４２においては、種々の第１流体Ｒ１及び第２流体Ｒ２の種類が設定され、第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２との混合比率が適宜変化したときの、熱式流量計２による質量流量Ｑａと体積流量計３による体積流量Ｑｂとの目標流量関係が設定されている。また、本形態の関係設定部４２においては、第１流体Ｒ１の組成及び第２流体Ｒ２の組成が定まる場合に、第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２との混合比率が変化したときの目標流量関係が設定されている。合流配管５Ｃに流れる混合流体Ｍ１の組成が変化すると、体積流量計３による体積流量Ｑｂに変化がない一方、熱式流量計２による質量流量Ｑａは変化する。そして、混合流体Ｍ１の組成の変化に応じて、体積流量計３による体積流量Ｑｂに対する熱式流量計２による質量流量Ｑａの比率が変化する。

図３に示すように、目標流量関係は、第１流体Ｒ１の組成、換言すれば燃料ガスの種類が決められた場合に、第１流体Ｒ１の流量に対する第２流体Ｒ２の流量の割合を変更したときの、体積流量Ｑｂと質量流量Ｑａとの関係、又は基準流体の固有係数ａと混合流体Ｍ１（測定流体Ｍ）の固有係数ｂとの関係として示される。体積流量Ｑｂと質量流量Ｑａとの関係は直線的な比例関係となり、基準流体の固有係数ａと混合流体Ｍ１（測定流体Ｍ）の固有係数ｂとの比としても示される。

本形態においても、実施形態１と同様に、基準流体の固有係数ａと質量流量Ｑａとの積は、測定流体Ｍの固有係数ｂと体積流量Ｑｂとの積と等価である関係を利用する。この関係は、ａ・Ｑａ＝ｂ・Ｑｂとして表され、書き換えれば、Ｑｂ＝（ａ／ｂ）・Ｑａとして表される。体積流量Ｑｂと質量流量Ｑａとの関係は、ａ／ｂの勾配を有する直線によって表される。

目標混合比率の混合流体Ｍ１についての質量流量Ｑａ_rと体積流量Ｑｂ_rとの目標流量関係Ｑａ_r／Ｑｂ_rは、ｂ_r＝ａ・（Ｑａ_r／Ｑｂ_r）の式、及び基準流体の固有係数ａは既知であることに基づき、目標混合比率の混合流体Ｍ１の固有係数ｂ_rとしても表される。この固有係数ｂ_rは、目標混合比率の混合流体Ｍ１についての密度ρ、低圧比熱ｃ及び熱伝導率λを用いて、ｂ_r＝ρ・ｃ／λの固有値によって示される。

また、この場合には、測定質量流量Ｑａと測定体積流量Ｑｂとの測定流量関係Ｑａ／Ｑｂは、ｂ_m＝ａ・（Ｑａ／Ｑｂ）の式、及び基準流体の固有係数ａは既知であることに基づき、測定された混合流体Ｍ１の測定固有係数ｂ_mとしても表される。この測定固有係数ｂ_mは、基準流体の固有係数ａ、測定質量流量Ｑａ及び測定体積流量Ｑｂを用いて計算される。

図４においては、基準流体が都市ガス及び燃焼用空気の混合気として設定された熱式流量計２を用い、プロパン及び燃焼用空気の混合気を混合流体Ｍ１として、熱式流量計２によって質量流量Ｑａを測定するとともに体積流量計３によって体積流量Ｑｂを測定した場合の、体積流量Ｑｂと質量流量Ｑａとの関係を第１直線Ｌ１として示す。また、図４においては、基準流体の固有係数ａと混合流体Ｍ１（測定流体Ｍ）の固有係数ｂとの比から求めた、計算上の体積流量Ｑｂと質量流量Ｑａとの関係を第２直線Ｌ２として示す。第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２との間には、若干の違いがある。目標流量関係及び目標固有係数ｂ_rは、実測値と理論値との間の校正を行って決定すればよい。

目標流量関係を設定する際には、理論値の関係である第２直線Ｌ２が、実測値の関係である第１直線Ｌ１に近くなるよう補正係数を求める。そして、目標流量関係は、第２直線Ｌ２を補正係数によって補正した補正後の目標流量関係とする。

一方、実測値の関係である第１直線Ｌ１が、理論値の関係である第２直線Ｌ２に近くなるよう補正係数を求めてもよい。この場合には、開度調整部４３は、測定質量流量Ｑａと測定体積流量Ｑｂとの測定流量関係を補正係数によって補正した、補正後の測定流量関係が、目標流量関係と一致するように調整弁５１，５２を調整する。

（開度調整部４３）
図に示すように、開度調整部４３は、第１調整弁５１の開度を調整して、燃焼に用いる第１流体Ｒ１としての燃料ガスの供給量を決定し、その後、第２調整弁５２の開度を調整して、燃焼に用いる第２流体Ｒ２としての燃焼用空気の供給量を決定するよう構成されている。そして、開度調整部４３は、測定流量関係が目標流量関係と一致するように第２調整弁５２を調整して、目標混合比率の混合流体Ｍ１としての、燃焼機器６に供給する混合気の空気比を決定するよう構成されている。

（流体混合システム１Ｂの制御方法）
以下に、流体混合システム１Ｂの制御方法について、図５～図７のフローチャートを参照して説明する。また、各フローチャートにおいては、関係設定部４２において、目標流量関係の代わりに目標固有係数ｂ_rを用いる場合について示す。

図５のメインルーチンにおいて、制御装置４Ｂは、情報取得部４１によって、第１流体Ｒ１に用いる燃料ガスの種類、第２流体Ｒ２には燃焼用空気を用いること、及び第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２との目標混合比率の各情報を取得する（図５のステップＳ１０１）。このとき、第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１と第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２とが取得される。これらの固有係数ｂ１，ｂ２は、情報取得部４１におけるデータベースに基づいて求められる（ステップＳ１０２）。また、制御装置４Ｂは、関係設定部４２において、目標混合比率を有する、燃料ガスと燃焼用空気との混合気（混合流体Ｍ１）の目標固有係数ｂ_rを求め、これを設定する（ステップＳ１０３）。

次いで、制御装置４Ｂは、開度調整部４３によって、第１調整弁５１の開度を調整して、第１配管５Ａから合流配管５Ｃへ流れる第１流体Ｒ１としての燃料ガスの流量を決定する（ステップＳ１０４）。次いで、制御装置４Ｂは、開度調整部４３によって、第２調整弁５２の開度を調整して、第２配管５Ｂから合流配管５Ｃへ流れる第２流体Ｒ２としての燃焼用空気の流量を変更する（ステップＳ１０５）。

次いで、制御装置４Ｂは、熱式流量計２によって混合気の質量流量Ｑａを測定するとともに、体積流量計３によって混合気の体積流量Ｑｂを測定する（ステップＳ１０６）。そして、制御装置４Ｂは、基準流体の固有係数ａ、測定された測定質量流量Ｑａ及び測定された測定体積流量Ｑｂを用いて、測定された混合気の測定固有係数ｂ_mを求める（ステップＳ１０７）。

次いで、制御装置４Ｂは、測定された混合気の測定固有係数ｂ_mが、目標混合比率を有する混合気の目標固有係数ｂ_rの許容範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。目標固有係数ｂ_rの許容範囲は、ｂ_r±αとして表される。測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲内にある場合には、混合気における、第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２との混合比率が、目標混合比率の許容範囲内にあると判断し、第２調整弁５２の開度を固定する（ステップＳ１０９）。

一方、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲内にない場合には、制御装置４Ｂは、第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１が第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１１０）。第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１が第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２よりも大きい場合には、制御装置４Ｂは、第１調整ルーチンを実行する（ステップＳ１１１）。

図６の第１調整ルーチンにおいては、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過であるか否かを判定する（図６のステップＳ２０１）。測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過である場合には、第２調整弁５２の開度を所定量大きくする（ステップＳ２０２）。一方、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過でない場合には、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲未満であると判断し、第２調整弁５２の開度を所定量小さくする（ステップＳ２０３）。

例えば、第１流体Ｒ１がプロパンである場合には、密度ρ、低圧比熱ｃ及び熱伝導率λを用いたρ・ｃ／λによって算出される固有係数ｂ１は、０．２０４２となる。また、第２流体Ｒ２としての燃焼用空気（フレッシュエア）についての、ρ・ｃ／λによって算出される固有係数ｂ２は、０．０５３８となる。第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１が第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２よりも大きい場合であって、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過である場合は、第２流体Ｒ２としての燃焼用空気が不足していると判断され、第２調整弁の開度を所定量大きくする。一方、第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１が第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２よりも大きい場合であって、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過でない場合は、第２流体Ｒ２としての燃焼用空気が過剰であると判断され、第２調整弁の開度を所定量小さくする。

次いで、第１調整ルーチンからメインルーチンに戻り、制御装置４Ｂは、熱式流量計２によって混合気の質量流量Ｑａを再び測定するとともに、体積流量計３によって混合気の体積流量Ｑｂを再び測定する（図５のステップＳ１０６）。そして、制御装置４Ｂは、基準流体の固有係数ａ、測定された測定質量流量Ｑａ及び測定された測定体積流量Ｑｂを用いて、測定された混合気の測定固有係数ｂ_mを再び求める（ステップＳ１０７）。

ステップＳ１１０において、第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１が第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２よりも大きくない（小さい）場合には、制御装置４Ｂは、第２調整ルーチンを実行する（ステップＳ１１２）。図７の第２調整ルーチンにおいては、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過であるか否かを判定する（図７のステップＳ３０１）。測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過である場合には、第２調整弁５２の開度を所定量小さくする（ステップＳ３０２）。一方、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過でない場合には、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲未満であると判断し、第２調整弁５２の開度を所定量大きくする（ステップＳ３０３）。

例えば、第１流体Ｒ１が水素である場合には、固有係数ｂ１は、０．００７６となる。また、第２流体Ｒ２としての燃焼用空気（フレッシュエア）についての固有係数ｂ２は、０．０５３８となる。第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１が第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２よりも小さい場合であって、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過である場合は、第２流体Ｒ２としての燃焼用空気が過剰であると判断され、第２調整弁の開度を所定量小さくする。一方、第１流体Ｒ１の固有係数ｂ１が第２流体Ｒ２の固有係数ｂ２よりも小さい場合であって、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲超過でない場合は、第２流体Ｒ２としての燃焼用空気が不足していると判断され、第２調整弁の開度を所定量大きくする。

次いで、第２調整ルーチンからメインルーチンに戻り、制御装置４Ｂは、熱式流量計２によって混合気の質量流量Ｑａを再び測定するとともに、体積流量計３によって混合気の体積流量Ｑｂを再び測定する（図５のステップＳ１０６）。そして、制御装置４Ｂは、基準流体の固有係数ａ、測定された測定質量流量Ｑａ及び測定された測定体積流量Ｑｂを用いて、測定された混合気の測定固有係数ｂ_mを再び求める（ステップＳ１０７）。

その後、測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rの許容範囲内になるまで、ステップＳ１０６～Ｓ１１２を繰り返し行う。そして、混合気の混合比率が目標混合比率の許容範囲内になったときには、第２調整弁５２の開度を固定する（ステップＳ１０９）。こうして、燃焼機器６に供給される混合気の混合比率（空気比）が目標混合比率の許容範囲内に設定される。

本形態の流体混合システム１Ｂの制御方法においては、第１流体Ｒ１を燃料ガスとし、第２流体Ｒ２を燃焼用空気とする場合について示した。これ以外にも、第１流体Ｒ１及び第２流体Ｒ２は、互いに組成の異なる種々の燃料ガスとしてもよい。

（作用効果）
本形態の流体混合システム１Ｂにおいては、制御装置４Ｂは、流体の組成に応じた熱式流量計２における固有係数の違いを利用することによって、第１流体Ｒ１の組成及び第２流体Ｒ２の組成の各情報が取得されたときに、調整弁５１，５２の開度を調整して、第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２との混合比率を目標混合比率にする。

具体的には、制御装置４Ｂは、情報取得部４１、関係設定部４２及び開度調整部４３を有している。そして、情報取得部４１によって、第１流体Ｒ１の組成、第２流体Ｒ２の組成及び目標混合比率の各情報が取得され、関係設定部４２によって、第１流体Ｒ１の組成、第２流体Ｒ２の組成及び目標混合比率が定まるときの目標混合比率の混合流体Ｍ１についての、熱式流量計２による質量流量Ｑａと体積流量計３による体積流量Ｑｂとの関係に基づく目標流量関係又は目標固有係数ｂ_rが設定される。目標流量関係は、熱式流量計２における基準流体の固有係数ａと、熱式流量計２における目標混合比率の混合流体Ｍ１の目標固有係数ｂ_rとの関係を反映する。

そして、開度調整部４３によって、熱式流量計２によって測定された測定質量流量Ｑａと体積流量計３によって測定された測定体積流量Ｑｂとの測定流量関係が、目標流量関係と一致するように、又は測定質量流量Ｑａ、測定体積流量Ｑｂ及び基準流体の固有係数ａに基づく測定固有係数ｂ_mが、目標固有係数ｂ_rと一致するように、調整弁５１，５２の開度が調整される。測定流量関係が目標流量関係と許容範囲内で一致するとき、又は測定固有係数ｂ_mが目標固有係数ｂ_rと許容範囲内で一致するときには、目標とする組成の混合流体Ｍ１が生成されていると判断することができる。そのため、第１流体Ｒ１を燃料ガスとするとともに第２流体Ｒ２を燃焼用空気とする場合には、燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を目標混合比率にすることができる。

それ故、本形態の流体混合システム１Ｂによれば、目標混合比率の混合流体Ｍ１の生成により、必要とする組成の混合流体Ｍ１をより適切に生成することができる。

本形態の流体混合システム１Ｂにおける、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の組成推定装置１Ａの構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

＜その他の実施形態＞
第１流体Ｒ１及び第２流体Ｒ２は、組成が異なる燃料ガスとし、混合流体Ｍは、複数種類の燃料ガスが混合されたものとしてもよい。また、流体混合システム１Ｂは、２段階に構成し、第１流体Ｒ１、第２流体Ｒ２及び第３流体の３種類の流体が混合された、目標混合比率の混合流体を生成するために用いてもよい。この場合には、１段目の流体混合システム１Ｂによって、第１流体Ｒ１と第２流体Ｒ２とが目標混合比率で混合された混合流体Ｍを生成し、２段目の流体混合システム１Ｂによって、混合流体Ｍと第３流体とが目標混合比率で混合された最終的な混合流体を生成すればよい。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。

１Ａ 組成推定装置
１Ｂ 流体混合システム
２ 熱式流量計
３ 体積流量計
４Ａ 演算装置
４Ｂ 制御装置
４１ 情報取得部
４２ 関係設定部
４３ 開度調整部
５ 配管
５Ａ 第１配管
５Ｂ 第２配管
５Ｃ 合流配管
５１ 第１調整弁
５２ 第２調整弁
６ 燃焼機器
Ｑａ 質量流量
Ｑｂ 体積流量
Ｍ 測定流体
Ｒ１ 第１流体
Ｒ２ 第２流体
Ｍ１ 混合流体

Claims (3)

1. 特定組成の基準流体の質量流量を測定するよう設定され、配管を流れる、前記基準流体と異なる測定流体の質量流量を測定する熱式流量計と、
   前記配管に前記熱式流量計と直列に並んで配置されるとともに、前記配管を流れる前記測定流体の体積流量を測定する体積流量計と、
   前記熱式流量計に設定された前記基準流体の固有係数をａ、前記熱式流量計によって測定される前記測定流体の質量流量をＱａ、前記体積流量計によって測定される前記測定流体の体積流量をＱｂとしたとき、前記測定流体の固有係数ｂを、ｂ＝ａ×Ｑａ／Ｑｂによって求め、前記測定流体の固有係数ｂに基づいて前記測定流体の組成を推定する演算装置と、を備える組成推定装置。
2. 第１流体と第２流体とが混合された混合流体を生成し、前記混合流体における前記第１流体と前記第２流体との混合比率を目標混合比率にする流体混合システムであって、
   前記第１流体が供給される第１配管と、
   前記第２流体が供給される第２配管と、
   前記第１配管と前記第２配管とが合わさる合流配管と、
   前記合流配管に配置されるとともに、特定組成の基準流体の質量流量を測定するよう設定され、かつ、前記合流配管を流れる前記混合流体の質量流量を測定する熱式流量計と、
   前記合流配管に前記熱式流量計と直列に並んで配置されるとともに、前記合流配管を流れる前記混合流体の体積流量を測定する体積流量計と、
   前記第１流体と前記第２流体との混合比率を調整するための調整弁と、
   前記熱式流量計、前記体積流量計及び前記調整弁を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記第１流体の組成、前記第２流体の組成及び前記目標混合比率の各情報を取得する情報取得部と、
   前記第１流体の組成、前記第２流体の組成及び前記目標混合比率が定まるときの前記目標混合比率の前記混合流体についての、前記熱式流量計による質量流量と前記体積流量計による体積流量との関係に基づく目標流量関係又は目標固有係数が設定される関係設定部と、
   前記熱式流量計によって測定された測定質量流量と前記体積流量計によって測定された測定体積流量との測定流量関係が前記目標流量関係と一致するように、又は前記測定質量流量、前記測定体積流量及び前記基準流体の固有係数に基づく測定固有係数が前記目標固有係数と一致するように、前記調整弁の開度を調整する開度調整部と、を有する、流体混合システム。
3. 前記関係設定部においては、前記第１流体の組成及び前記第２流体の組成が定まる場合に、前記第１流体と前記第２流体との混合比率が変化したときの、前記目標流量関係又は前記目標固有係数が設定されている、請求項２に記載の流体混合システム。
   

Images