特開 2022-183449 流体混合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022183449

(43)【公開日】2022-12-13

(54)【発明の名称】流体混合装置

(51)【国際特許分類】

   B01F 35/83 20220101AFI20221206BHJP

   G01F 1/66 20220101ALI20221206BHJP

   G05D 7/06 20060101ALI20221206BHJP

   B01F 23/10 20220101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

B01F15/04 D

G01F1/66 101

G05D7/06 Z

B01F3/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021090767

(22)【出願日】2021-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松田 正誉

(72)【発明者】

【氏名】名和 基之

(72)【発明者】

【氏名】中林 裕治

(72)【発明者】

【氏名】三好 麻子

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 真人

【テーマコード（参考）】

2F035

4G035

4G037

5H307

【Ｆターム（参考）】

2F035DA09

2F035DA14

4G035AB02

4G035AE03

4G035AE13

4G037BA02

4G037BB06

4G037BC04

4G037BD04

4G037BD10

4G037BE02

4G037EA01

5H307AA20

5H307BB01

5H307DD01

5H307EE02

5H307FF02

(57)【要約】

【課題】広い流量範囲で高精度な流体混合制御を可能とする。
【解決手段】第１の流体と第２の流体の混合前後の流量、音速を計測する第１超音波式流量計１１１ａ及び第２超音波式流量計１１１ｂと、第１の流体及び第２の流体の流量を調整して混合比率を変化させる流量調整弁１２５、１２６と、流量により混合比率を算出する流量式混合比率演算部１３１と、音速により混合比率を算出する音速式混合比率演算部１３２と、混合比率の目標値を設定する目標値設定部と１３３と、流量調整弁１２５、１２６の操作量を演算して操作信号を送る混合制御部１３４と、を備え、流量調整弁１２５、１２６の操作量を、流量式混合比率演算部１３１で計測した混合比率と目標値との差分とするか、音速式混合比率演算部１３２で計測した混合比率と目標値との差分とするか、を第１超音波式流量計１１１ａまたは第２超音波式流量計１１１ｂで計測された流量に基づいて切り替える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の流体と第２の流体を混合させて混合流体を生成する流体混合部と、
第１の流体を前記流体混合部に供給する第１の配管と、
前記流体混合部で生成された前記混合流体を供給する第２の配管と、
前記第１の配管に配置され、前記第１の流体の流量と音速を計測する第１超音波式流量計と、
前記第２の配管に配置され、混合流体の流量と音速を計測する第２超音波式流量計と、
前記第１の流体の流量と前記混合流体の流量に基づいて前記混合流体の混合比率を算出する流量式混合比率演算部と、
前記第１の流体の音速と前記混合流体の音速に基づいて前記混合流体の混合比率を算出する音速式混合比率演算部と、
前記流体混合部に配置され、前記第１の流体と前記第２の流体の混合比率を変化させ得る混合操作部と、
前記混合操作部で変化させる混合比率の目標値を設定する目標値設定部と、
前記混合操作部での操作量を演算して前記混合操作部に操作信号を送る混合制御部と、
を備えた流体混合装置であって、
前記混合制御部が、前記流量式混合比率演算部で計測した混合比率と前記目標値設定部で設定した目標値との差分に基づき前記操作量を演算するか、前記音速式混合比率演算部で計測した混合比率と前記目標値設定部で設定した目標値との差分に基づき前記操作量を演算するか、を前記第１超音波式流量計で計測された流量または前記第２超音波式流量計で計測された流量に基づいて切り替えることを特徴とした流体混合装置。

【請求項2】

前記第１超音波式流量計、及び前記第２超音波式流量計は、それぞれ、
流体が流れる計測流路と、
前記計測流路の上流側に配置された上流側超音波センサと、
前記計測流路の下流側に配置された下流側超音波センサと、
前記上流側超音波センサで発せられた超音波が前記下流側超音波センサで受信されるまでの所要時間である上流伝搬時間と前記下流側超音波センサで発せられた超音波が前記上流側超音波センサで受信されるまでの所要時間である下流伝搬時間を計測する伝搬時間計測部と、
前記上流伝搬時間と前記下流伝搬時間に基づいて流量を演算する流量演算部と、
前記上流伝搬時間と前記下流伝搬時間の平均値に基づいて音速を演算する音速演算部と、を備えた、請求項１に記載の流体混合装置。

【請求項3】

前記混合制御部は、第２超音波式流量計で計測された流量が所定の流量閾値を上回っている場合は、前記流量式混合比率演算部で計測した混合比率と前記目標値設定部で設定した目標値との差分に基づき前記操作量を演算し、
前記第２超音波式流量計で計測された流量が所定の流量閾値と同じ、あるいは下回っている場合は、前記音速式混合比率演算部で計測した混合比率と前記目標値設定部で設定した目標値との差分に基づき前記操作量を演算することを特徴とした請求項１または２に記載の流体混合装置。

【請求項4】

前記流量閾値は、前記第２超音波式流量計で所定時間内に計測された流量の標準偏差に基づいて変更されることを特徴とした請求項３に記載の流体混合装置。

【請求項5】

前記混合操作部が、配管に配置された流量調整弁により、前記第１の配管を流れる第１の流体または前記第２の配管を流れる第２の流体の流量を調整することを特徴とした請求項１から４のいずれか１項に記載の流体混合装置。

【請求項6】

前記第１の流体が気体であり、
前記第２の流体が液体であり、
前記流体混合部が、前記第２の流体を内包した容器を備え、前記第２の流体を気化させて前記第１の流体と混合することを特徴とした請求項５に記載の流体混合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異なる流体の混合比率を制御して流体を混合させる流体混合装置の構成に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の流体混合装置では、混合する各流体の流量計測値に基づき、各流体の比率を流量調整弁で制御している（例えば、特許文献１参照）。このような方式は、半導体製造プロセスでのガス混合時や、各純ガスから天然ガスを模擬した混合ガスの生成時に広く用いられている。また、超音波式流量計など湿気条件下での計測に長けた流量計を用いることで、ガスを水分で加湿する加湿装置の湿度や露点を制御することも可能であり、注入ガスに湿気が必要な燃料電池スタックの研究開発時における評価用ガス生成などにも用いられる。

【0003】

図４は、従来の流体混合装置の概略構成を示すものである。図４において、太線は配管を表している。図４において、流体混合装置４０１は、流量測定器４０２、４０３で第１供給ライン４０４を流れる第１の流体の流量と、第２供給ライン４０５を流れる第２の流体の流量をそれぞれ計測し、流量計測値と目標流量値に基づいて、流体制御弁４０６、４０７で第１の流体と、第２の流体の流量をそれぞれ制御し、合流部４０８で混合する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４８５４３４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前記従来の構成では、複数の流体の混合割合をそれぞれの流体の流量値に基づき制御する。流量計測器と流体制御弁により混合割合を制御する場合は、それぞれの流量により混合割合を決定できるため応答性に優れる一方、流量値が少ない場合には一般に流量計の測定精度は悪化するので、低流量時の流体混合において混合割合の精度が落ちる課題を有していた。

【0006】

本発明では、複数の流体を混合する流体混合装置に関して、混合部の上流側に配置した第１の超音波式流量計と、混合部の下流側に配置した同じ方式の第２の超音波式流量計と、流体の混合比率を調整可能な流量調整弁あるいは噴霧部を用いて、流量が多い場合には従来の流量値に基づいた混合制御を行い、流量が少ないあるいは流量のばらつきが大きい場合には超音波伝搬時間に基づいた混合比率計測によって得られる混合比率に基づいた混合制御に切り替えるようにして、従来よりも広い流量範囲において、高精度な流体混合制御が実現可能な流体混合装置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】

本発明の流体混合装置は、流体が流れる配管と、第１の流体と第２の流体を混合させて混合流体を生成する流体混合部と、流体混合部の上流側で第１の流体の流量と音速を計測する第１超音波式流量計と、流体混合部の下流側で混合流体の流量と音速を計測する第２超音波式流量計と、第１の流体の流量と混合流体の流量に基づいて混合流体の混合比率を演算する流量式混合比率演算部と、第１の流体の音速と混合流体の音速に基づいて混合流体の混合比率を演算する音速式混合比率演算部と、流体混合部に配置され、第１の流体と第２の流体の混合比率を変化させ得る混合操作部と、前記混合操作部で変化させる混合比
率の目標値を設定する目標値設定部と、前記混合操作部での操作量を演算して前記混合操作部に操作信号を送る混合制御部と、を備えた流体混合装置であって、前記混合制御部が、前記流量式混合比率演算部で演算した混合比率と前記目標値設定部で設定した目標値との差分を前記操作量とするか、前記音速式混合比率演算部で演算した混合比率と前記目標値設定部で設定した目標値との差分を前記操作量とするか、を第１超音波式流量計で計測された流量または第２超音波式流量計で計測された流量に基づいて切り替えることを特徴としたものである。

【発明の効果】

【0008】

本発明は、流体混合前後の流量と音速を超音波式流量計でそれぞれ計測し、流体混合制御方法を流量に基づいて切り替えるようにすることで、従来よりも広い流量範囲で高精度な流体混合制御が実現可能な流体混合装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１における超音波式流量計の構成図

【図2】実施の形態１における流体混合装置の構成図

【図3】実施の形態１における流体混合装置の処理を説明するフローチャート

【図4】従来の流体混合装置における概略構成図

【発明を実施するための形態】

【0010】

（本発明の基礎となった知見等）
燃料電池が効率良く動作するためには、スタック内を高湿に保ち水素イオンの導電性を高めることが必要である。燃料電池の研究開発時には、この湿度とスタック動作性能の相関を調べるために、予め定めた湿度の加湿ガスをスタックに投入し、性能評価を行うことがある。この加湿ガスを所望の湿度で生成するために、加湿前のガス流量と加湿後のガスの流量を超音波式流量計などで計測し、その比から水分含有率を算出し、流量調整弁で混合率を制御する方法が用いられている。

【0011】

しかしながら、温度が低い環境での評価の場合、水蒸気が飽和状態になったとしても加湿前後での水分含有率の変化がわずかであり、加湿分の流量変化分が流量計測のばらつきと同程度になった場合には湿度制御の精度が悪化する。さらに総流量が低い場合には、一般的に流量計はフルスケールに対して低い流量域になるほど精度維持が難しくなるため、湿度制御精度はさらに悪化する。発明者らはその課題を解決するために、本発明の主題を構成するに至った。

【0012】

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

【0013】

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本発明を十分に理解する為に提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0014】

（実施の形態１）
以下、図１～図３を用いて、実施の形態１を説明する。

【0015】

［１－１．構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態における第１超音波式流量計１１１ａまたは第２超音波式流量計１１１ｂの構成を示すブロック図及び断面図である。構成及び動作は、第１超音波式流量計１１１ａと第２超音波式流量計１１１ｂで同一である為、各構成要素の第１、第２を省略して説明する。

【0016】

図１において、計測流路１には、上流側超音波センサ２と、下流側超音波センサ３とが配置され、さらに、計測流路１には、計測流路１を流れる流体の温度を計測する温度センサ４が配置されてセンサ部を構成している。また、上流側超音波センサ２と、下流側超音波センサ３を用いて超音波計測を制御する計測制御部１１、超音波センサを駆動するための駆動信号を送信する送信部１２と、駆動信号と超音波センサでの受信信号の送り先を交互に切り替える切換部１３と、受信信号を受信する受信部１４と、計測制御部１１で駆動信号を発した時から受信部１４で受信信号を受信した時までのカウンタ値に基づき、上流側超音波センサ２から下流側超音波センサ３まで超音波が伝搬する所要時間である上流伝搬時間と、下流側超音波センサ３から上流側超音波センサ２までの超音波が伝搬する所要時間である下流伝搬時間を計測する伝搬時間計測部１５と、得られた上流伝搬時間と下流伝搬時間に基づいて公知の伝搬時間差法或いは伝搬時間逆数差法によって計測流路１を流れる流体の流量を計測する流量演算部１６と、得られた上流伝搬時間と下流伝搬時間の平均値に基づいて計測流路１を流れる流体の音速を演算する音速演算部１７と、温度センサ４で得られた温度に基づいて音速を所定温度での音速に標準化する音速補正部１８が、センサ信号処理部２０として構成されている。流量演算部１６で演算された流量は流量式混合比率演算部１３１へ、音速補正部１８で演算された音速は音速式混合比率演算部１３２へ送られる。

【0017】

図２は、本発明の第１の実施の形態における流体混合装置の構成を示す概略構成図で、流体混合装置１０１は、第１の流体（気体）が流れる配管１０２（第１の配管）と、配管１０２に接続され、液化状態にある第２の流体を気化させて第１の流体と混合することで混合流体（気体）を生成する流体混合部１０３と、流体混合部１０３と接続され、混合後の混合流体が流れる配管１０４（第２の配管）と、配管１０２に配置され、第１の流体の流量と音速を計測する第１超音波式流量計１１１ａと、配管１０４に配置され、第１の流体と第２の流体の混合流体の流量と音速を計測する第２超音波式流量計１１１ｂとを備えている。

【0018】

流体混合部１０３は、配管１０２と接続される流入部１０３ａと、配管１０４と接続される流出部１０３ｂと、流入部１０３ａと流出部１０３ｂとを接続する配管１２２と、流入部１０３ａから流入した第１の流体が分岐部１２２ａで分岐して流れる配管１２１と、配管１２１に接続され、液化した第２の流体７が内包された容器１２３と、容器１２３に接続され、さらに配管１２２と分岐部１２２ｂで接続する配管１２４と、配管１２２の分岐部１２２ａと分岐部１２２ｂの間に配置された流量調整弁１２５と、配管１２４に配置された流量調整弁１２６で構成される。

【0019】

さらに、第１超音波式流量計１１１ａと第２超音波式流量計１１１ｂで計測された流量に基づいて第１の流体と第２の流体の混合比率を計算する流量式混合比率演算部１３１と、第１超音波式流量計１１１ａと第２超音波式流量計１１１ｂで計測された音速に基づいて混合流体における第１の流体の混合比率を演算する音速式混合比率演算部１３２と、第１の流体と第２の流体の混合制御における混合比率の目標値を設定する目標値設定部１３３と、混合操作部である流量調整弁１２５、１２６を駆動して混合比率を制御する混合制御部１３４とを備えている。

【0020】

ここでの混合制御部１３４は、第２超音波式流量計１１１ｂで計測された流量に基づいて、前記混合比率か前記混合比率のどちらを出力値とするか選択をする出力値選択部１３５と、目標値設定部１３３で設定された目標値と出力値選択部１３５で選択された出力値との差分に基づいて、流量調整弁１２５、１２６を駆動する操作量を演算し流量調整弁１２５、１２６に伝達する操作信号演算部１３６、及び、全体の制御を行う、マイクロコンピュータ等で構成された制御部１３７で構成される。

【0021】

［１－２．動作］
次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施の形態における流体混合装置の動作を説明する。

【0022】

先ず、制御部１３７は、混合制御の実行間隔であるサンプリング周期かどうかを判断（Ｓ１０１）し、サンプリング周期である場合（処理Ｓ１０１でＹｅｓ）、別途定められた流体混合の目標混合比率である目標値ｒを設定する（Ｓ１０２）。サンプリング周期でない（処理Ｓ１０１でＮｏ）と判断されれば処理を抜ける。

【0023】

次に、第１超音波式流量計１１１ａおいて、伝搬時間計測部１５で計測される上流側伝搬時間、下流側伝搬時間、温度センサ４で計測される温度に基づいて流量演算部１６で演算した流量Ｑ１及び音速補正部１８で演算した音速Ｃ１を時系列で保存する（Ｓ１０３）。また、第２超音波式流量計１１１ｂにおいても同様に、流量Ｑ２と音速Ｃ２を時系列で保存する（Ｓ１０４）。

【0024】

次に、時系列に保存された流量Ｑ１、Ｑ２から、所定時間内の流量Ｑ１の標準偏差Ｓｑ１、流量Ｑ２－Ｑ１の標準偏差Ｓｑ２を算出し、保存する（Ｓ１０５）。

【0025】

次に、予め設定した流量閾値αにそれぞれ標準偏差Ｓｑ１、Ｓｑ２を加え、測定ばらつきを考慮した流量閾値α１、α２を算出し、保存する（Ｓ１０６）。

【0026】

次に、流量Ｑ１及び流量Ｑ２－Ｑ１が流量閾値α１、α２よりそれぞれ大きいかどうかを判断（Ｓ１０７）し、どちらも大きい場合（処理Ｓ１０７でＹｅｓ）、流量値に基づいた混合比率Ｍ＝Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２）を算出し（Ｓ１０８）、引数を目標値ｒと混合比率Ｍとの差分（ｒ－Ｍ）とした制御関数ｆから弁を駆動するための操作量ｕを算出する（Ｓ１０９）。流量Ｑ１及び流量Ｑ２－Ｑ１のいずれか或いは両方が流量閾値α１、α２より小さい或いは等しい場合（Ｓ１０７でＮｏ）、音速値と混合比率の既知の相関関係に基づいて混合比率Ｎを算出し（Ｓ１１０）、引数を目標値ｒと混合比率Ｎとの差分（ｒ－Ｎ）とした制御関数ｆから弁を駆動するための操作量ｕを算出する（Ｓ１０９）。

【0027】

次に、処理Ｓ１０９または処理Ｓ１１１で算出した操作量ｕに基づき、流量調整弁１２５及び流量調整弁１２６に駆動信号を送信する（Ｓ１１２）。

【0028】

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、流体混合装置１０１は、第１の流体が流れる配管１０２（第１の配管と、配管１０２に接続され、第１の流体と第２の流体が混合して混合流体となる流体混合部１０３と、流体混合部１０３と接続され、混合後の混合流体が流れる配管１０４（第２の配管）と、配管１０２に配置され、第１の流体の流量と音速を計測する第１超音波式流量計１１１ａと、配管１０４に配置され、第１の流体と第２の流体の混合流体の流量と音速を計測する第２超音波式流量計１１１ｂとを備えており、ここでの流体混合部１０３は、配管１０２に接続され、第１の流体が分岐して流れる２つの配管１２１、１２２と、配管１２１に接続され、液化した第２の流体７が内包された容器１２３と、容器１２３に接続され、さらに配管１２２と配管１０４を接続する配管１２４と、配管１２２に配置された流量調整弁１２５と、配管１２４に配置された流量調整弁１２６と、を備える。

【0029】

これにより、混合制御部１３４は、流体の流量が十分な場合には流量比率に基づいて応答性の高い流体混合をし、流体の流量が少ない場合には音速に基づいた流体混合に切り替えることにより、広い流量範囲において高精度な流体混合をすることができる。

【0030】

なお、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示する為のものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0031】

以上のように、本発明にかかる流体混合装置によると従来よりも広い流量範囲で高精度な流体混合制御が実現可能であるので、水蒸気を含む水素など混合ガスを所望の混合比率及び流量に調整でき、これにより燃料電池スタックの動作制御や性能評価を適切に行える。また、医療用、および工業化学用など、流体混合における信頼性を必要とする流体混合装置として応用が可能となる。

【符号の説明】

【0032】

１ 計測流路
２ 上流側超音波センサ
３ 下流側超音波センサ
４ 温度センサ
２０ センサ信号処理部
１１１ａ 第１超音波式流量計
１１１ｂ 第２超音波式流量計
１３１ 流量式混合比率演算部
１３２ 音速式混合比率演算部
１０１ 流体混合装置
１０２ 配管
１０３ 流体混合部
１０４ 配管
１２１ 配管
１２２ 配管
１２３ 容器
１２４ 配管
１２５、１２６ 流量調整弁（混合操作部）
１３４ 混合制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】