特許 6791571 ガスサンプリング装置およびガスサンプリング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6791571

(24)【登録日】2020年11月9日

(45)【発行日】2020年11月25日

(54)【発明の名称】ガスサンプリング装置およびガスサンプリング方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/00 20060101AFI20201116BHJP

   G01N 1/22 20060101ALI20201116BHJP

   G05D 7/01 20060101ALI20201116BHJP

【ＦＩ】

   G01N1/00 101T

   G01N1/22 B

   G05D7/01 Z

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-31051(P2016-31051)

(22)【出願日】2016年2月22日

(65)【公開番号】特開2017-150839(P2017-150839A)

(43)【公開日】2017年8月31日

【審査請求日】2018年12月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000250421

【氏名又は名称】理研計器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100153497

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 信男

(74)【代理人】

【識別番号】100110515

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 益男

(74)【代理人】

【識別番号】100189083

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 圭介

(74)【代理人】

【識別番号】100078754

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 正彦

(72)【発明者】

【氏名】石黒 智生

【審査官】 島田 保

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１５３５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０４８１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０２−１３５８４３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５８−０６６０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３０４９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０１８３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５３３７５９５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１４５３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０４６３４６２１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ １／００−１／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスサンプリング点である先端部がガス配管内部に達するように設けられ一定の大きさの内径を有するガス流路を構成する減圧／流量調整部材を備えており、
当該減圧／流量調整部材は、当該減圧／流量調整部材に対するガス供給圧力と当該減圧／流量調整部材からのガス吐出流量との関係を示す流量特性データにおいてガス供給圧力の変動によるガス吐出流量の変動割合が他の領域に比して小さくなる領域において当該減圧／流量調整部材に対するガス供給が行われるようガス源からの当該減圧／流量調整部材に対するガス供給圧力の大きさに応じて設定された内径および長さを有するものであることを特徴とするガスサンプリング装置。

【請求項2】

減圧／流量調整部材におけるガス流路が直線状に延びるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスサンプリング装置。

【請求項3】

ガス源に接続されたガスサンプリングラインに一定の大きさの内径を有するガス流路を構成する減圧／流量調整部材をガスサンプリング点である先端部がガス配管内部に達するように設けてガス源からガスを定量採取するガスサンプリング方法であって、
減圧／流量調整部材として、当該減圧／流量調整部材に対するガス供給圧力と当該減圧／流量調整部材からのガス吐出流量との関係を示す流量特性データにおいてガス供給圧力の変動によるガス吐出流量の変動割合が他の領域に比して小さくなる領域において当該減圧／流量調整部材に対するガス供給が行われるようガス源からの当該減圧／流量調整部材に対するガス供給圧力の大きさに応じて設定された内径および長さを有するものが用いられることを特徴とするガスサンプリング方法。

【請求項4】

前記減圧／流量調整部材として、ガス流路が直線状に延びるよう構成されたものが用いられることを特徴とする請求項３に記載のガスサンプリング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一定流量のガスをサンプリングするためのガスサンプリング装置およびガスサンプリング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、被測定対象ガスについての濃度、密度、熱量などの特性値を測定するに際して、当該特性値の測定に用いられるセンサの感度が、被測定対象ガスの流量に影響を受けるものである場合には、要求される測定精度が得られる程度に、被測定対象ガスを定量供給することが必要となる。例えば、一定流量のガスをガス源からサンプリングするに際しては、例えばニードル弁などを用いてガスサンプリングラインに流通されるガスの流量を調整することが行われている。

【0003】

しかしながら、実際には、ガスの生産量、消費量あるいは設備の稼働状況などによっては、ガスサンプリングラインに対するガス供給圧力が変動するため、ガスサンプリングラインに流通されるガス流量が変動することとなる。
このような理由から、例えばダイヤフラム式の減圧弁による調圧機構によって、ガスを定量供給することが行われている。例えば特許文献１には、ガス供給路にダイヤフラム式の調圧弁が設けられたガスシステムが開示されている。このような調圧装置においては、ガス流れ方向上流側位置（ガス入口）と下流側位置（ガス出口）との圧力差が一定の大きさとなるよう、減圧弁におけるガス流路の開閉状態が制御されて流量制御が行われる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−１９８５３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

而して、被測定対象ガスについての特性値を測定するに際しては、被測定対象ガスがガスサンプリングラインを介してガス特性測定機器に導入されることによる被測定対象ガスの到達遅れ時間を例えば１秒間以内にすることが望まれる。
しかしながら、ダイヤフラム式の減圧弁による調圧機構は、ガス源からガス特性測定機器に至るガス流路の容積を大きくする原因となる。また、このような調圧機構においては、ガス流路が屈曲しているという構造上の理由から、ガスが滞留する場所が生じやすい。従って、被測定対象ガスの到達遅れ時間を極力短くするためには、例えば、ガス流路内を流通されるガスの流速を大きくしてガス流量を増やさなければならないなどの問題があった。

【0006】

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、圧力変動等の影響を受けることなく、一定流量のガスを安定してかつ迅速に導入可能なガスサンプリング装置およびガスサンプリング方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のガスサンプリング装置は、ガスサンプリング点である先端部がガス配管内部に達するように設けられ一定の大きさの内径を有するガス流路を構成する減圧／流量調整部材を備えており、
当該減圧／流量調整部材は、当該減圧／流量調整部材に対するガス供給圧力と当該減圧／流量調整部材からのガス吐出流量との関係を示す流量特性データにおいてガス供給圧力の変動によるガス吐出流量の変動割合が他の領域に比して小さくなる領域において当該減圧／流量調整部材に対するガス供給が行われるようガス源からの当該減圧／流量調整部材に対するガス供給圧力の大きさに応じて設定された内径および長さを有するものであることを特徴とする。

【0008】

本発明のガスサンプリング装置においては、減圧／流量調整部材におけるガス流路が直線状に延びるよう構成されていることが好ましい。

【0009】

本発明のガスサンプリング方法は、ガス源に接続されたガスサンプリングラインに一定の大きさの内径を有するガス流路を構成する減圧／流量調整部材をガスサンプリング点である先端部がガス配管内部に達するように設けてガス源からガスを定量採取するガスサンプリング方法であって、
減圧／流量調整部材として、当該減圧／流量調整部材に対するガス供給圧力と当該減圧／流量調整部材からのガス吐出流量との関係を示す流量特性データにおいてガス供給圧力の変動によるガス吐出流量の変動割合が他の領域に比して小さくなる領域において当該減圧／流量調整部材に対するガス供給が行われるようガス源からの当該減圧／流量調整部材に対するガス供給圧力の大きさに応じて設定された内径および長さを有するものが用いられることを特徴とする。

【0010】

本発明のガスサンプリング方法においては、前記減圧／流量調整部材として、ガス流路が直線状に延びるよう構成されたものが用いられることが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ガス供給圧力の変動によるガス流量に対する影響の程度を可及的に小さく抑制することができるので、一定流量のガスを安定してサンプリングすることができる。また、減圧／流量調整部材におけるガス流路を含むガスサンプリングラインのガス流路容積を可及的に小さくすることができると共に、ガス流路においてガスが滞留される箇所を有さないため、ガスサンプリングに使用されるガス消費量（ガス流路に対して供給されるガス流量）を増加させることなく、ガス源からのガスを迅速にサンプリングすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明のガスサンプリング装置の一例における構成の概略を示す配管図である。

【図2】減圧／流量調整部材として微細管を用いた場合における、純メタンガスについての、微細管に対するガス供給圧力と微細管からのガス吐出流量との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明のガスサンプリング装置は、ガスサンプリングラインに対するガス供給圧力が経時的に変動し得るガスサンプリング系において、一定量のガスをサンプリングするために用いられるものである。以下においては、例えば、ガス配管内を流通されるガスを定量採取して当該ガスが消費される例えば各種のガス特性測定計などのガス消費機器に導入する場合を例に挙げて説明する。ここに、ガス配管としては、例えば、天然ガスを燃料ガスとするガスエンジンにおけるＬＮＧ気化器からガスエンジンに至るガス配管などを例示することができるが、特に限定されるものではない。また、ガス源としては、ガスが流通されているものである必要はなく、例えばボンベやタンクなどであってもよい。

【0014】

図１は、本発明のガスサンプリング装置の一例における構成の概略を示す配管図である。
このガスサンプリング装置は、ガス源としてのガス配管Ｇｐにおける所定のサンプリング点Ｓｐからガス配管Ｇｐ内を流通されるガスＧが導入されるガス消費機器Ｅに至るガスサンプリングラインＳＬに介挿された減圧／流量調整機構１０を備えている。

【0015】

減圧／流量調整機構１０は、長さ方向において一定の内径を有するガス流路を構成する減圧／流量調整部材１１を備えている。
減圧／流量調整部材１１は、例えば微細管や、特定の大きさの孔径の微細孔が形成されたガス流路形成部材などにより構成することができる。減圧／流量調整部材１１として微細管が用いられる場合には、肉厚が大きいものが用いられることが好ましい。これにより、微細管を配管接続する際に当該微細管が潰れることによるガス漏れが生ずることを防止することができる。微細管の肉厚の大きさは、例えば０．７５ｍｍである。
減圧／流量調整部材１１によって構成されるガス流路の形状は、特に限定されるものではなく、直線状に延びるよう構成されていても、例えばコイル状に捲回されて構成されていてもよいが、ガス消費機器に対するガスの到達遅れの観点から、直線状に延びるよう構成されていることが好ましい。

【0016】

而して、本発明のガスサンプリング装置においては、ガス配管Ｇｐの所定のサンプリング点Ｓｐにおける当該減圧／流量調整部材１１に対するガス供給圧力の大きさとの関係において、減圧／流量調整部材１１から吐出されるガスの流速が亜音速となる内径および長さを有する減圧／流量調整部材１１が選択されて用いられる。具体的には、減圧／流量調整部材１１としては、０．１０〜０．２０ｍｍの範囲内で選択された大きさの内径および１００〜２０００ｍｍの範囲内で選択された大きさの長さを有するものが用いられる。また、ガス供給圧力は例えば１ＭＰａ以下の範囲内である。

【0017】

減圧／流量調整部材１１の選択方法について具体的に説明すると、種々の大きさの内径および長さを有する複数種の減圧／流量調整部材１１について、減圧／流量調整部材１１におけるガス流路に対するガス供給圧力と当該ガス流路から吐出されるガス吐出流量との関係を示す流量特性データを予め取得しておく。減圧／流量調整部材１１におけるガス供給圧力とガス吐出流量との関係を示す流量特性データの一例を図２に示す。

【0018】

図２は、減圧／流量調整部材１１として微細管を用いた場合における、純メタンガスについての、微細管に対するガス供給圧力と微細管からのガス吐出流量との関係を示す図である。この流量特性データは、常温常圧環境下（２５℃、大気圧）において測定されたものである。
例えば、内径がφ０．１５ｍｍ、長さが１００ｍｍである微細管について測定されたデータ（図２における塗りつぶした菱形印（◆）で示す流量特性データ）に着目すると、ガス供給圧力を０．１〜０．９５ＭＰａの範囲内で徐々に大きくしていったとき、微細管から吐出されるガスの流速がメタンガスについての音速付近の大きさ（亜音速）に到達するガス供給圧力の範囲（例えば０．３〜０．４Ｍｐａ）においては、ガス供給圧力の変動によるガス吐出流量の変動割合が小さくなる現象が生ずる。以下、本明細書において、このような現象が生ずる領域（図２において破線で示される近似直線によって近似される領域）を「遷移領域」という。なお、図２においては、内径がφ０．１５ｍｍである微細管についての、微細管から吐出されるガスの流速が音速に到達するときの理論的なガス吐出流量の値を二点鎖線で示してある。
また、内径がφ０．１５ｍｍ、長さが２００ｍｍである微細管（図２における塗りつぶした丸印（●）で示すデータ）、内径がφ０．１５ｍｍ、長さが３００ｍｍである微細管（図２における白抜きの菱形印（◇）で示すデータ）、内径がφ０．１５ｍｍ、長さが５００ｍｍである微細管（図２における塗りつぶした四角印（■）で示すデータ）、および、内径がφ０．１５ｍｍ、長さが１０００ｍｍである微細管（図２における塗りつぶした四角印（▲）で示すデータ）の各々についても同様に、当該微細管から吐出されるガスの流速が亜音速となるガス供給圧力の範囲において、遷移領域を有している。

【0019】

従って、減圧／流量調整部材１１のガス流路に対するガス供給圧力の大きさ（圧力範囲）に基づいて、当該ガス供給圧力が流量特性データの遷移領域に係る圧力範囲に含まれる特定の内径および特定の長さを有する減圧／流量調整部材１１が選択される。
また、図２に示されるように、ガス供給圧力が例えば０．４〜０．５ＭＰａである場合において、内径がφ０．１５ｍｍである微細管を用いるとすると、長さが２００ｍｍ（塗りつぶした丸印のプロット）および３００ｍｍ（白抜きの菱形印のプロット）であるものが、当該ガス供給圧力の圧力範囲に遷移領域を有している。従って、実際上は、ガスサンプリングラインＳＬに接続される例えばガス特性測定機器において必要とされる設定ガス流量に応じて、これらの微細管のうちから最適なものが選択される。これにより、ガス特性測定機器による測定結果に高い信頼性が得られる。

【0020】

また、ガス供給圧力とガス吐出流量との関係を示す流量特性データにおける遷移領域に係るガス供給圧力の範囲は、例えばガス種によって異なる。従って、本発明のガス供給装置においては、ガス種に対応した流量特性データが設定されていることが好ましい。

【0021】

而して、上記のガスサンプリング装置においては、減圧／流量調整部材１１から吐出されるガスの流速が音速に達していれば、ガス吐出流量は圧力変動に拘わらず一定の大きさとなる。しかしながら、実際上は、減圧／流量調整部材１１から吐出されるガスの流速が音速に達することはなく、ガスの流速が音速に近似した亜音速（減圧／流量調整部材１１のガス流路内のガスの流れが亜音速流れ）になっているものと考えられる。然るに、本発明者らは、減圧／流量調整部材１１から吐出されるガスの流速が亜音速となる状態においては、ガス供給圧力の変動によるガス流量の変動割合が小さくなる現象が生ずることを見出した。
従って、本発明のガスサンプリング装置においては、減圧／流量調整部材１１が、ガス源からの減圧／流量調整部材１１に対するガス供給圧力の大きさとの関係において選択された、減圧／流量調整部材１１から吐出されるガスの流速が亜音速となる内径および長さを有するものであることにより、ガス供給圧力が変動した場合であっても、当該圧力変動によるガス吐出流量に対する影響の程度を可及的に小さくすることができる。すなわち、減圧／流量調整部材１１からのガス吐出流量はほぼ一定の大きさとなり、一定流量のガスをガス消費機器Ｅに対して安定して導入することができる。

【0022】

また、減圧／流量調整部材１１におけるガス流路を含むガスサンプリングラインＳＬのガス流路容積を可及的に小さくすることができ、また、ガスサンプリングラインＳＬにおいてガスが滞留する箇所を有さないため、ガスサンプリングに使用されるガス消費量（ガス流路に対して供給されるガス流量）を増加させることなく、ガスの到達遅れ時間を短く、例えば１秒間以内の時間とすることができる。従って、ガス消費機器Ｅに対してガスを迅速に導入することができる。具体的には例えば、内径φ０．１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの微細管を用い、当該微細管に対するガス供給圧力を０．３５ＭＰａとしたとき、ガス消費機器Ｅに対するガスの到達遅れ時間を０．００２７秒とすることができる。

【0023】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、図２に示す流量特性データは純メタンガスに係るものであるが、本発明のガスサンプリング装置は、純メタンガスに限らず、例えば、天然ガス（ＬＮＧを気化させたものを含む。）などについても、適用することができる。

【0024】

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。

【0025】

＜実験例１＞
内径がφ０．１５ｍｍ、長さが２００ｍｍの直管状の（ＳＵＳ製）微細管を用い、常温常圧環境下において、純メタンガスについて、当該微細管に対するガス供給圧力の大きさを０．３４〜０．４６ＭＰａの圧力範囲内で経時的に変更しながら、微細管からのガス吐出流量を測定したところ、平均値に対する流量変動量が±２．５％の範囲内の大きさであることが確認された。

【0026】

＜比較実験例１＞
ニードル弁を備えたガス配管を構成し、ニードル弁の開閉状態を、ガス供給圧力を０．４Ｍｐａとしたときのガス流量が上記実験例１において得られる流量（平均値）と同等の大きさとなるよう、調整した状態において、常温常圧環境下において、純メタンガスについて、当該ガス配管に対するガス供給圧力の大きさを０．３４〜０．４６ＭＰａの圧力範囲内で経時的に変更しながら、ガス配管からのガス吐出流量を測定したところ、平均値に対する流量変動量が±１２．３％の範囲内の大きさであることが確認された。

【0027】

＜実験例２＞
内径がφ０．１５ｍｍ、長さが３００ｍｍの直管状の（ＳＵＳ製）微細管を用い、常温常圧環境下において、純メタンガスについて、当該微細管に対するガス供給圧力の大きさを０．４４〜０．５６ＭＰａの圧力範囲内で経時的に変更しながら、微細管からのガス吐出流量を測定したところ、平均値に対する流量変動量が±２．７％の範囲内の大きさであることが確認された。

【0028】

以上の結果より明らかなように、ガスサンプリングラインに対するガス源からのガス供給圧力の大きさに基づいて、当該ガス供給圧力が流量特性データの遷移領域に係る圧力範囲に含まれる特定の内径および長さを有する微細管（減圧／流量調整部材）が用いられることにより、一定流量のガスを安定してサンプリングすることができることが確認された。
また、実験例１および実験例２においては、微細管のガス流路容積によるガスの到達遅れ時間を１秒間以内の時間とすることができ、ガスを迅速に導入することができることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0029】

本発明のガスサンプリング装置は、例えば、ガスエンジンの燃料ガスとして用いられる天然ガスの熱量やメタン価などの特性を測定する装置などに対するガス定量供給に好適に用いられる。

【符号の説明】

【0030】

１０ 減圧／流量調整機構
１１ 減圧／流量調整部材
Ｅ ガス消費機器
Ｇｐ ガス配管
ＳＬ ガスサンプリングライン

【図1】

【図2】