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(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】
(24)【登録日】2023-05-01
(45)【発行日】2023-05-12
(54)【発明の名称】燃料ガス吸収カートリッジ
(51)【国際特許分類】
   B01J 20/20 20060101AFI20230502BHJP
   B01J 20/28 20060101ALI20230502BHJP
   F23J 15/00 20060101ALI20230502BHJP
【FI】
B01J20/20 D
B01J20/28 Z
F23J15/00 J
【請求項の数】 6
(21)【出願番号】P 2018111079
(22)【出願日】2018-06-11
(65)【公開番号】P2019171359
(43)【公開日】2019-10-10
【審査請求日】2021-05-12
(31)【優先権主張番号】P 2018058536
(32)【優先日】2018-03-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000001063
【氏名又は名称】栗田工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100108833
【弁理士】
【氏名又は名称】早川 裕司
(74)【代理人】
【識別番号】100162156
【弁理士】
【氏名又は名称】村雨 圭介
(72)【発明者】
【氏名】金子 淳
【審査官】壷内 信吾
(56)【参考文献】
【文献】特開2003-222298(JP,A)
【文献】特開2001-187339(JP,A)
【文献】国際公開第96/033801(WO,A1)
【文献】特開2003-024776(JP,A)
【文献】特開2010-037480(JP,A)
【文献】特開2009-108871(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B01J 20/00-20/28,20/30-20/34
C10L 3/00-3/12
B01D 53/02-53/12
F17C 1/00-13/12
F02B 47/00-47/06,49/00
F02M 25/00-25/14
F23J 13/00-99/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
細粒状炭素系吸収材と、炭素繊維材と、シリカゲルとを有する燃料ガス吸収材、及び、
両端に入口部と出口部とがそれぞれ開口し、燃料ガスが一過式で流通するように構成された筒状の容器を備え、
前記燃料ガス吸収材が、燃料ガスの流入側を基準として、下記(1)又は(2)の構造となるように前記容器に充填されている、
燃料ガス吸収カートリッジ。
(1)前記細粒状炭素系吸収材及び前記シリカゲルにより構成される第一層と、前記炭素繊維材により構成される第二層とからなる二層構造
(2)前記シリカゲルにより構成される第一層と、前記細粒状炭素系吸収材による第二層と、前記炭素繊維材による第三層とからなる三層構造
【請求項2】
前記燃料ガスが、メタンガス、プロパンガス、ブタンガス、またはこれらのガスを主成分とする混合ガスである、請求項1に記載の燃料ガス吸収カートリッジ。
【請求項3】
前記燃料ガスが着臭剤を含有する、請求項1又は2に記載の燃料ガス吸収カートリッジ。
【請求項4】
前記細粒状炭素系吸収材が平均粒径が0.3~5mmで、平均細孔径が10~30Åで、細孔径10Å以上の細孔の細孔容積が0.5mL/g以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の燃料ガス吸収カートリッジ。
【請求項5】
前記細粒状炭素系吸収材が50~94重量%であり、前記炭素繊維材が0.5~20重量%であり、前記シリカゲルが5~30重量%である、請求項1~4のいずれか一項に記載の燃料ガス吸収カートリッジ。
【請求項6】
前記細粒状炭素系吸収材が臭素添着担持活性炭である、請求項1~5のいずれか一項に記載の燃料ガス吸収カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は燃料ガスの吸収材に関し、特に着臭剤を含有する燃料ガスの吸収に好適な燃料ガス吸収材に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、災害時などの都市ガスの代替燃料として、プロパンガスを利用した変換システムが普及しつつある。このプロパンガスによる都市ガスへの変換システムは、基本的に、都市ガスはプロパンガスよりもカロリーが低いため、プロパンガスと空気とを混合して、都市ガスと同等の熱量(カロリー)の混合気を生成し、都市ガスを供給できなくなったときに、この混合気を都市ガス供給ラインを経由して燃焼装置に供給する、というものである。
【0003】
この際、しばらく使用されていないガス配管内には、空気に近い燃焼カロリーの低いガスが充満しており、そのままでは点火できないことが多い。そこで、最初は混合気を都市ガス供給ラインに供給せずに、点火可能な燃焼カロリーに上昇するまで通風し続けているが、その際混合気を予めガス処理することが義務づけられている。
【0004】
また、都市ガスのガス配管の工事を行う際にも同様に、配管中に溜まっていた燃焼ガスが大気解放されてしまわないよう、あらかじめガス処理することが義務づけられている。しかし、LPG業界では、配管の大気放散に関しては、明確な義務付けがされていないのが現状であり、プロパンガスを都市ガスに変換する際への対応が十分ではなかった。このようにプロパンガスを都市ガスに変換する場合のみならず、プロパンガスのタンクからプロパンガスボンベへのガスの移送時や、都市ガスのメータの交換時などにもガス漏洩が生じる懸念がある。
【0005】
このような燃料ガスの移送時などにおけるガス吸収材としては、活性炭を用いたものが周知である(特許文献1、特許文献2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開2005-83475号公報
【文献】特開2009-68627号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、都市ガスやLPGは燃料ガス成分だけでなく、漏洩を検知するために極微量の着臭成分が添加されており、従来の活性炭によるガス吸収材は、この着臭剤成分を吸収する能力が十分でなく、また活性炭は燃料ガス中に微量混入している水分によりガス吸収性能が低下する、という問題点があった。
【0008】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、着臭剤を含有する燃料ガスの吸収に好適な燃料ガス吸収材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】
【0009】
上記課題を解決するために本発明は、細粒状炭素系吸収材と、炭素繊維材と、シリカゲルとを有する、燃料ガス吸収材を提供する(発明1)。
【0010】
かかる発明(発明1)によれば、細粒状炭素系吸収材が燃料ガス成分を好適に吸収することができる。また、シリカゲルにより通気燃料ガス中の水分も吸収することができるので、燃料ガス成分の吸収性能の低下を抑制することができる。さらに、炭素繊維材が残存する微量の燃料ガスを迅速に吸収することができる。これらにより、燃料ガスの吸収材として優れた性能を発揮することができる。
【0011】
上記発明(発明1)においては、前記燃料ガスが、メタンガス、プロパンガス、ブタンガス、またはこれらのガスを主成分とする混合ガスであることが好ましい(発明2)。
【0012】
かかる発明(発明2)によれば、燃料ガスとして一般に流通しているメタンガス、プロパンガス、ブタンガス、またはこれらのガスを主成分とする混合ガスの吸収に好適に対応することができる。
【0013】
上記発明(発明1,2)においては、前記燃料ガスが着臭剤を含有することが好ましい(発明3)。
【0014】
かかる発明(発明3)によれば、燃料ガス成分が着臭剤を含有していても、細粒状炭素系吸収材が燃料ガス成分と着臭剤を、さらに炭素繊維材が残存する微量の燃料ガス成分と着臭剤を吸収することができる。さらにシリカゲルにより通気燃料ガス中の水分も吸収することができるので、燃料ガス成分及び着臭剤の吸収性能の低下を抑制することができる。
【0015】
上記発明(発明1~3)においては、前記細粒状炭素系吸収材が平均粒径が0.3~5mmで、平均細孔径が10~30Åで、細孔径10Å以上の細孔の細孔容積が0.5mL/g以下であることが好ましい(発明4)。
【0016】
かかる発明(発明4)によれば、これらの物性を有することにより、メタンガスやプロパンガスなどの汎用的な燃料ガスを吸収するのに好適なものとすることができる。
【0017】
上記発明(発明1~4)においては、前記細粒状炭素系吸収材が50~94重量%であり、前記炭素繊維材が0.5~20重量%であり、前記シリカゲルが5~30重量%であることが好ましい(発明5)。
【0018】
かかる発明(発明5)によれば、細粒状炭素系吸収材による燃料ガス成分の吸収能と、また、シリカゲルにより通気燃料ガス中の水分の吸収能と、炭素繊維材の微量残存する燃料ガスの迅速な吸収能とをバランスよく発揮することができ、燃料ガスの吸収材として優れたものとすることができる。
【0019】
上記発明(発明1~5)においては、前記細粒状炭素系吸収材が臭素添着担持活性炭であることが好ましい(発明6)。
【0020】
かかる発明(発明6)によれば、このような処理を施した活性炭を用いることにより、燃料ガス成分及び着臭剤を含有する場合にはこの着臭剤を迅速かつ確実に吸収することができる。
【0021】
上記発明(発明1~6)においては、前記細粒状炭素系吸収材及びシリカゲルにより構成される第一層と前記炭素繊維材により構成される第二層とからなる二層構造とすることが好ましい(発明7)。
【0022】
かかる発明(発明7)によれば、第一層で燃料ガス成分、着臭剤を含有する場合にはこの着臭剤及び燃料ガス中に微量含まれる水分を吸収するとともに、この第一層から燃料ガス成分や着臭剤が漏洩したとしても第二層により微量の燃料ガス成分や、着臭剤を含有する場合にはこの着臭剤を迅速に吸収することができるので、燃料ガス成分及び着臭剤が含まれる場合にはこの着臭剤が外部に漏洩するのを防止することが可能となっている。
【0023】
上記発明(発明1~6)においては、前記シリカゲルにより構成される第一層と、前記細粒状炭素系吸収材による第二層と、前記炭素繊維材による第三層とからなる三層構造とすることが好ましい(発明8)。
【0024】
かかる発明(発明8)によれば、第一層で燃料ガス中に微量含まれる水分を吸収するとともに、第二層で燃料ガス成分及び着臭剤を含有する場合にはこの着臭剤を吸収するとともに、この第二層から燃料ガス成分や着臭剤が漏洩したとしても第三層によりこれらを迅速に吸収することができるので、燃料ガス成分や着臭剤が含まれる場合にはこの着臭剤が外部に漏洩するのを抑制することが可能となっている。
【発明の効果】
【0025】
本発明の燃料ガス吸収材は、細粒状炭素系吸収材と、炭素繊維材と、シリカゲルとを有するものであるので、燃料ガス成分を好適に吸収することができる。また、燃料ガス成分が着臭剤を含有する場合には、この着臭剤も好適に吸収することができる。さらに燃料ガス中に微量含まれる水分も吸収することができるので、燃料ガス成分及び着臭剤の吸収性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
図1】実施例1及び実施例2の燃料ガス吸収材のガス吸収能確認装置を示す概略図である。
図2】実施例1の燃料ガス吸収材の図1に示す装置における吸着ユニットの入口と出口の燃焼カロリーを示すグラフである。
図3】実施例2の燃料ガス吸収材の図1に示す装置における吸着ユニットの入口と出口の燃焼カロリーを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明の燃料ガス吸収材について詳細に説明する。
【0028】
〔燃料ガス吸収材〕
本実施形態の燃料ガス吸収材は、細粒状炭素系吸収材と、炭素繊維材と、シリカゲルとからなる。以下、各構成成分について説明する。
【0029】
(細粒状炭素系吸収材)
本実施形態において細粒状炭素系吸収材としては、細粒状活性炭、グラファイト、カーボンブラック、フラーレン、ナノカーボン等を用いることができる。これらの中では細粒状活性炭が好ましい。
【0030】
この細粒状炭素系吸収材は、一般に細孔径と極性とによって、吸着可能な分子の選択性を有する。したがって、細孔径と極性を調整することによってメタンガス、プロパンガス、ブタンガスなどの吸着対象の燃料ガスに対して好適なものとすることができる。具体的には細粒状炭素系吸収材は、平均細孔径が10~30Åで、細孔径10Å以上の細孔の細孔容積が0.5mL/g以下であることが好ましい。平均細孔径が30Åより大きいと吸着した燃料ガスを保持するのが困難となる一方、10Åより小さいと燃料ガスを吸着しにくくなる。また、細孔径10Å以上の細孔の細孔容積が0.5mL/gより大きいと細孔径の分布がブロードすぎて燃料ガスの吸収の選択性が悪くなる。なお、細孔径10Å以上の細孔の細孔容積の下限については特に制限はないが、0.1mL/g以下程度とすればよい。なお、この細粒状炭素系吸収材は、0.3mm未満では、燃料ガスを通気した際の圧損が大きくなりすぎる一方、5mmを超えると燃料ガスが透過しやすくなるため、平均粒径0.3~5mmであることが好ましい。
【0031】
また、細粒状炭素系吸収材は、その表面官能基をメタンガス、プロパンガス、ブタンガスなどの燃料ガスを吸着しやすいように調整し、極性を付与したものであることが好ましい。この細粒状炭素系吸収材の表面官能基の調整は、細粒状炭素系吸収材を炭酸ガス、窒素ガス又はアルゴンガスで賦活処理を行うことにより行うことができる。具体的には、未処理(初期状態)の細粒状炭素系吸収材の表面は、カルボキシル基やフェノール系水酸基であるが、炭酸ガスで賦活化することにより、その全部または一部を-CH末端とすることができる。特に細粒状炭素系吸収材の表面に臭素を添着して臭素添着担持活性炭とすることで、燃料ガスの選択的吸着性及び着臭気剤の吸収性を向上させることができて好ましい。
【0032】
この臭素添着担持活性炭は、例えば活性炭を酸素不存在下で500~1000℃で熱処理することにより、活性炭に含まれる水分及び塩化物を除去し、得られた活性炭に臭素を3~20重量%程度添着することにより得ることができる。
【0033】
なお、細粒状炭素系吸収材は、その表面積が700~1400m/g、好ましくは900~1200m/gであることが好ましい。また、細粒状炭素系吸収材の細孔容積は0.3~1.1mL/g、特に0.4~0.6mL/gであることが好ましい。
【0034】
これら比表面積、細孔容積及び平均細孔径は、例えばマイクロトラック・ベル社製「BELSORP-maxII」(商品名)により測定した値である。
【0035】
(炭素繊維材)
本実施形態において炭素繊維材としては、レーヨン系、PAN系、フェノール系等の活性炭素繊維を用いることができる。この活性炭素繊維は、繊維径が10μmと小さく見かけの表面積が大きいので、細粒状炭素系吸収材である活性炭に比べて吸着速度が100~1000倍程度であり、微量の燃料ガスの吸着には効果的である。その一方で、活性炭に比べて単位重量当たりの吸着量が1.5~10倍程度であるものの、活性炭に比べて嵩密度が非常に大きいので多量に用いた場合には、大きな体積が必要となる。これらの活性炭素繊維は、表面積が1500以上のものを適宜選択して用いることができる。
【0036】
(シリカゲル)
本実施形態においてシリカゲルとは、例えばメタケイ酸ナトリウム(NaSiO)の水溶液を放置することによって生じる酸成分の加水分解で得られるケイ酸ゲルを脱水・乾燥した物質であり、SiO・nHOの組成式で表されるものである。
【0037】
(三成分の割合)
上述したような細粒状炭素系吸収材と炭素繊維材とシリカゲルとの割合は、細粒状炭素系吸収材が50~94重量%、特に80~90重量%であり、炭素繊維材が0.5~20重量%、特に1.5~10重量%であり、シリカゲルが5~30重量%、特に5~15重量%であることが好ましい。細粒状炭素系吸収材が50重量%未満では、吸収可能な燃料ガス及び着臭剤成分の量が少なくなる。また、炭素繊維材が0.5重量%未満では、微量の燃料ガスを短時間で吸収する能力を十分に発揮できない一方、20重量%を超えると、得られる燃料ガス吸収材の体積が大きくなってしまう。さらにシリカゲルが5重量%未満では、処理対象となる燃料ガス中に含まれる微量の水分を十分に吸収するのが困難となる一方、30重量%を超えると、他の成分が相対的に少なくなってしまうため。燃料ガスの吸収能が低下する。
【0038】
(燃料ガス吸収材の構造)
上述したような三成分からなる本実施形態の燃料ガス吸収材は、それぞれの成分を混合して、両端が開口しているかあるいは入口部と出口部とがそれぞれ開口した円筒状や矩形筒状の容器に充填して一層構造の燃料ガス吸収カートリッジとして用いてもよいが、以下に説明するように二層もしくは三層構造となるように容器に充填して二層もしくは三層構造の燃料ガス吸収カートリッジとするのが好ましい。
【0039】
二層構造の燃料ガス吸収材
燃料ガス吸収材は、対象となる燃料ガスの流入側を基準として、細粒状炭素系吸収材及びシリカゲルを混合した第一層と、炭素繊維材により構成される第二層とからなる二層構造となるように、両端が開口しているかあるいは入口部と出口部とがそれぞれ開口した円筒状や矩形筒状の容器に充填して燃料ガス吸収カートリッジとすることができる。このような構成を採用することにより、第一層の細粒状炭素系吸収材が燃料ガス成分及び着臭剤を吸収するとともにシリカゲルがその吸収能を阻害する水分を吸収することにより、細粒状炭素系吸収材の吸収能を好適に維持することができる。そして、この第一層の細粒状炭素系吸収材が破過したり、燃料ガスの流入量が過剰となったりして、第一層から燃料ガス成分や着臭剤がリークしたとしても、第二層に炭素繊維材が配置されており、この炭素繊維材は吸着速度が非常に速いので、リークした燃料ガス成分や着臭剤などを外部環境に漏洩するのを未然に防止することが可能となっている。
【0040】
三層構造の燃料ガス吸収材
燃料ガス吸収材は、処理対象となる燃料ガスの流入側を基準として、シリカゲルにより構成される第一層と、細粒状炭素系吸収材による第二層と、炭素繊維材による第三層とからなる三層構造となるように、両端が開口しているかあるいは入口部と出口部とがそれぞれ開口した円筒状や矩形筒状の容器に充填して燃料ガス吸収カートリッジとすることができる。このような構成を採用することにより、第一層のシリカゲルが燃料ガス中の水分を吸収し、この水分が除去された燃料ガスが細粒状炭素系吸収材による第二層を通過することにより燃料ガス成分及び着臭剤を吸収する。このとき燃料ガス中の水分が除去されているので、細粒状炭素系吸収材の吸収能を好適に維持することができる。そして、この第二層の細粒状炭素系吸収材が破過したり、燃料ガスの流入量が過剰となったりして、第二層から燃料ガス成分や着臭剤がリークしたとしても、第三層に炭素繊維材を配置しており、この炭素繊維材は吸着速度が非常に速いので、リークした燃料ガス成分や着臭剤などを外部環境に漏洩するのを未然に防止することが可能となっている。
【0041】
上述したような一層構造、二層構造もしくは三層構造に充填した燃料ガス吸収材は、燃料ガスを一過式で流通することにより、目的とする燃料ガスを選択的に吸収することができるが、吸収容量分の燃料ガスを吸収すると破過する。そこで、この使用後の燃料ガス吸収材に対し、減圧脱気処理を施すことにより、その燃料ガス吸収能を回復させて再利用することができる。具体的には、一層構造、二層構造もしくは三層構造に燃料ガス吸収材を充填した燃料ガス吸収カートリッジを回収して、両端あるいは入口部と出口部の両方から吸引するか、一方の開口部を閉鎖して他方の開口部から吸引することで、減圧脱気処理すればよい。この減圧脱気処理の圧力としては、例えば-30~-300kPa、特に-50~-200kPa程度の減圧条件とすればよい。この際の吸引手段としては、真空ポンプなどを用いればよい。
【0042】
(燃料ガス)
本実施形態において、吸収対象となる燃料ガスとしては、メタンガス、プロパンガス、ブタンガスなどの炭化水素系のガス、またはこれらのガスを主成分とする混合ガスであり、特に安全性のために着臭剤を含有しているものに対して好適に適用することができる。
【0043】
以上、本発明の燃料ガス吸収材について説明してきたが、本発明は前記実施形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、燃料ガスの移送、低カロリー燃料ガスへの変換など種々の用途に適用可能である。
【実施例
【0044】
以下の具体的実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【0045】
(試験装置)
燃料ガス吸収材のガス吸収能確認装置として、図1に示す試験装置を用意した。ガス吸収能確認装置1は、LPGの燃料ガス供給装置2と、この燃料ガス供給装置2から噴出する燃料ガスを移送する20mの長さで内径25mmΦの配管3とを備え、この配管3は燃焼側配管3Aと吸着側配管3Bとに分枝していて、燃焼側配管3Aには燃焼バーナ4が設けられている一方、吸着側配管3Bには吸収材を充填した吸収ユニット5が設けられていて、吸収ユニット5の入口側及び出口側にはそれぞれ流量計6A及び6Bが設けられている。そして、この吸収ユニット5の出口側の配管は、熱量計7側と開放側とに分枝している。なお、8A、8Bは燃焼バーナ4と吸収ユニット5側とに流路を切り替える切替バルブであり、9A、9Bは、熱量計6側と開放側とに流路を切り替える排出路切替バルブである。また、10A、10Bは圧力計である。なお、吸収ユニット5の入口側にも図示しない熱量計が設けられている。
【0046】
(実施例1)
臭素添着担持活性炭(平均粒径2.5mm、平均細孔径18Å、細孔径10Å以上の細孔の細孔容積が0.5mL/g以下)とシリカゲルとを混合して第一層とし、活性炭繊維(レーヨン系炭素繊維)を第二層として燃料ガス吸収材を構成した。臭素添着担持活性炭と、シリカゲルと、高機能活性炭繊維との配合割合は表1に示すとおりである。
【0047】
この燃料ガス吸収材を図1に示すガス吸収能確認装置1の吸収ユニット5に充填した。ガス吸収能確認装置1は、ガス吸収能確認装置1の切替バルブ8Aを閉鎖し、切替バルブ8Bを開成するとともに、吸収ユニット5側に流路を形成し、排出路切替バルブ9Aを開成するとともに、排出路切替バルブ9Bを閉鎖して熱量計7側に流路を形成した状態とし、初期状態では配管3内を空気に置換した状態としてある。そして、燃料ガス供給装置2から着臭剤としてエチルメルカプタンを微量含有するプロパンガス(LPGガス)を表1に示す流速で供給し、吸収ユニット5の入口側及び出口側を流通する燃焼ガスの熱量を計測した。結果を図2に示す。
【0048】
【表1】
【0049】
図2から明らかなとおり、臭素添着担持活性炭とシリカゲルと活性炭繊維とからなる実施例1の燃料ガス吸収材は、105分プロパン成分を吸収することができることがわかる。そして、着臭剤成分(エチルメルカプタン)の濃度をGASTEC検知菅(メルカプタン類No.70L)で測定したところ117分まで検出限外(ND)であり、着臭成分の吸収性能を有することも確認できた。なお、図2において、吸収ユニット5の入口側の燃料ガスのカロリーが“0”と低い状態にあるには、配管3内を空気に置換した状態であるためである。
【0050】
(実施例2)
実施例1において、組成を表2に示すように変更して二層構造の燃料ガス吸収材を構成し、着臭剤としてエチルメルカプタンを微量含有するプロパンガス(LPGガス)を表1に示すように実施例1の5倍の流速で供給し、吸収ユニット5の入口側及び出口側を流通する燃焼ガスの熱量を計測した。結果を図3に示す。
【0051】
図3から明らかなとおり、臭素添着担持活性炭とシリカゲルと活性炭繊維とからなる実施例2の燃料ガス吸収材は、10L/分の過酷な条件であっても約16分プロパン成分を吸収することができることがわかる。そして、着臭剤成分(エチルメルカプタン)の濃度をGASTEC検知菅(メルカプタン類No.70L)で測定したところ18分まで検出限外(ND)であり、着臭成分の吸収性能を有することも確認できた。
【符号の説明】
【0052】
1 ガス吸収能確認装置
2 燃料ガス供給装置
3 配管
3A 燃焼側配管
3B 吸着側配管
4 燃焼バーナ
5 吸収ユニット
6A,6B 流量計
7 熱量計
8A,8B 切替バルブ
9A,9B 排出路切替バルブ
10A,10B 圧力計
図1
図2
図3