流量制御装置
【課題】電磁駆動部により吐出される流量を目標流量通りに確保することが可能な流量制御装置を提供すること。
【解決手段】制御部１４は、温度計９にて測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０にて測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度変化を算出し、当該温度変化に基づいて、液体燃料供給ラインＬ２における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにプロセスポンプ８の吐出流量を補正している。また、制御部１４は、温度計１２にて測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３にて測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化を算出し、当該温度変化に基づいて、バーナ用燃料供給ラインＬ３における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにバーナポンプ１１の吐出流量を補正している。
【解決手段】制御部１４は、温度計９にて測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０にて測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度変化を算出し、当該温度変化に基づいて、液体燃料供給ラインＬ２における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにプロセスポンプ８の吐出流量を補正している。また、制御部１４は、温度計１２にて測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３にて測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化を算出し、当該温度変化に基づいて、バーナ用燃料供給ラインＬ３における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにバーナポンプ１１の吐出流量を補正している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通電により磁力を発生するコイルを有する電磁駆動部によって流体を流路に送出するように構成された流量制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された流量制御装置では、電磁駆動部を備える電磁ポンプが用いられており、流体の流通経路途中に設けられた温度計測手段からの出力に基づいて電磁ポンプの吐出流量を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−０８３４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電磁駆動部の環境温度（例えば、電磁駆動部の周囲温度や流体の温度など）が変化すると、電磁駆動部の温度が変化することとなる。そして、電磁駆動部の温度変化に伴って、電磁駆動部のコイルの抵抗値が変化し、コイルに流れる電流も変化してしまう。このため、電磁駆動部の駆動力が変化し、電磁駆動部により吐出される流量を目標流量通りに確保することは困難となる。一般に、電磁駆動部の温度が上昇すると、電磁駆動部により吐出される流量は目標流量から減少し、電磁駆動部の温度が低下すると、電磁駆動部により吐出される流量は目標流量から増加する。
【０００５】
本発明は、電磁駆動部により吐出される流量を目標流量通りに確保することが可能な流量制御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】
【０００６】
本発明に係る流量制御装置は、通電により磁力を発生するコイルを有する電磁駆動部によって流体を流路に送出するように構成された流量制御装置であって、流路における流量が目標流量となるように電磁駆動部により吐出される流量を制御する制御手段と、電磁駆動部の温度を検出する温度検出手段と、を備え、制御手段は、温度検出手段により検出された温度に基づいて、流路における流量が実際の目標流量となるように電磁駆動部により吐出される流量を補正して制御することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る流量制御装置では、流路における流量が目標流量となるように電磁駆動部により吐出される流量を制御する制御手段が、電磁駆動部の温度を検出する温度検出手段により検出された温度に基づいて、流路における流量が実際の目標流量となるように電磁駆動部により吐出される流量を補正して制御している。これにより、電磁駆動部の吐出流量を目標流量通りに確保することができる。
【０００８】
好ましくは、温度検出手段は、電磁駆動部に設けられた感熱素子を含み、感熱素子の出力に基づいて電磁駆動部の温度を検出する。この場合、電磁駆動部の温度が簡易且つ適切に検出することができる。
【０００９】
好ましくは、温度検出手段は、電磁駆動部の周囲温度を測定する周囲温度測定手段と、流体の温度を測定する流体温度測定手段と、を含み、周囲温度測定手段によって測定される電磁駆動部の周囲温度と流体温度測定手段によって測定される流体の温度とに基づいて電磁駆動部の温度を検出する。この場合、電磁駆動部そのものの温度を測定することなく、電磁駆動部の温度を検出することができる。
【００１０】
好ましくは、電磁駆動部の温度は、上記コイルの温度である。この場合、電磁駆動部の吐出流量の補正を効果的に行なうことができる。
【００１１】
好ましくは、流体が、灯油、水、又は気体である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電磁駆動部により吐出される流量を目標流量通りに確保することが可能な流量制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る水素製造装置を示す構成図である。
【図２】プロセスポンプ及びバーナポンプの制御動作を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態に係る水素製造装置の一変形例を示す構成図である。
【図４】本実施形態に係る水素製造装置の一変形例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る水素製造装置を示す構成図である。本実施形態では、本発明を例えば燃料電池システムに用いられる水素製造装置に適用した例を示している。図１に示されるように、水素製造装置１は、水素を含有する改質ガスを生成する改質装置２と、改質装置２に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫装置３と、を備えている。水素製造装置１では、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、液体燃料として炭化水素系燃料が用いられている。
【００１６】
炭化水素系燃料としては、灯油が挙げられる。本実施形態にて対象としている炭化水素系燃料は、例えば、送液の炭素含有量が８０〜９０質量％であり、１５℃における密度が０．７〜０．９ｇ／ｃｍ３であり、３０℃における動粘度が１．０〜５．０ｍｍ２／ｓであり、送液の全硫黄化合物基準で１０質量ｐｐｍ以下の硫黄化合物を有している。
【００１７】
改質装置２は、液体燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器２ａ、改質器２ａ内に収容された改質触媒を加熱するバーナ２ｂ、水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するシフト反応部（図示せず）、及び選択酸化反応によって一酸化炭素を更に低減する選択酸化反応部（図示せず）などを有している。脱硫装置３は、図示は省略するが、改質装置２に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫触媒を収容する脱硫器を有している。
【００１８】
脱硫装置３には、燃料タンク５に貯留された液体燃料を供給するための液体燃料供給ラインＬ１が接続されている。液体燃料供給ラインＬ１には、燃料タンク５側からタンクフィードポンプ６及び脱硫ポンプ７が設けられている。したがって、燃料タンク５に貯留されている灯油は、タンクフィードポンプ６及び脱硫ポンプ７に圧送されて、脱硫装置３に送られる。
【００１９】
脱硫装置３にて硫黄分を除去された液体燃料は、液体燃料供給ラインＬ２を介して改質装置２（改質器２ａ）に送られる。液体燃料供給ラインＬ２には、プロセスポンプ８が設けられている。脱硫装置３とプロセスポンプ８との間の液体燃料供給ラインＬ２、すなわち液体燃料供給ラインＬ２におけるプロセスポンプ８の前段には、プロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度を測定する温度計（流体温度測定手段）９が設けられている。プロセスポンプ８には、プロセスポンプ８の周囲温度を測定する温度計（周囲温度測定手段）１０が設けられている。
【００２０】
タンクフィードポンプ６と脱硫ポンプ７との間の液体燃料供給ラインＬ１から分岐して、液体燃料の一部を改質装置２のバーナ２ｂに供給するためのバーナ用燃料供給ラインＬ３が設けられている。バーナ用燃料供給ラインＬ３には、バーナポンプ１１が設けられている。バーナ用燃料供給ラインＬ３におけるバーナポンプ１１の前段には、バーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度を測定する温度計（温度測定手段）１２が設けられている。バーナポンプ１１には、バーナポンプ１１の周囲温度を測定する温度計（周囲温度測定手段）１３が設けられている。
【００２１】
プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１は、既知の定流量型の電磁ポンプであり、電磁駆動部として、通電により磁力を発生するコイル部や、コイル部にて発生した磁力により作動するプランジャ部などを含んでいる。プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１に用いられる電磁ポンプは、１ｇ／ｍｉｎの流量を使用流量範囲に含み、０．３〜５ｇ／ｍｉｎの流量範囲において流量値基準で±５％以内の流量精度を有している。また、タンクフィードポンプ６及び脱硫ポンプ７にも、定流量型の電磁ポンプを用いることができる。
【００２２】
プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の作動は、制御部（制御手段）１４により制御される。すなわち、制御部１４は、液体燃料供給ラインＬ２における流量が目標流量となるようにプロセスポンプ８の吐出流量を制御すると共に、バーナ用燃料供給ラインＬ３における流量が目標流量となるようにバーナポンプ１１の吐出流量を制御している。説明を省略するが、制御部１４は、タンクフィードポンプ６及び脱硫ポンプ７も制御している。
【００２３】
制御部１４には、温度計９，１０，１２，１３からの出力がそれぞれ接続されており、プロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度、プロセスポンプ８の周囲温度、バーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度、及びバーナポンプ１１の周囲温度に関する各情報が入力される。制御部１４は、温度計９，１０にて測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及びプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度を算出しており、プロセスポンプ８の温度を検出する機能も有している。また、制御部１４は、温度計１２，１３にて測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及びプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度を算出しており、バーナポンプ１１の温度を検出する機能も有している。
【００２４】
ここで、制御部１４によるプロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の制御について説明する。図２は、プロセスポンプ及びバーナポンプの制御動作を示すフローチャートである。
【００２５】
図２に示されるように、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の制御が開始されると、制御部１４は、水素製造装置１の運転状態に基づいて、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各目標流量を決定する（Ｓ１０１）。この目標流量は、外気温が所定温度下で水素製造装置１（燃料電池システム）を運転した際の液体燃料の温度が所定温度であり、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各周囲温度が所定温度である条件下で設定されている。例えば、外気温が２５℃であり、液体燃料の温度並びにプロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各周囲温度が４７℃である条件下で設定される。
【００２６】
そして、制御部１４は、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度に基づいて密度補正係数を決定し、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度に基づいて密度補正係数を決定する（Ｓ１０３）。密度補正係数は、液体燃料の密度が液体燃料の温度に応じて変化することによる吐出流量の変化を補正するための係数であり、液体燃料の温度が目標流量を設定した温度よりも高い場合には吐出流量を増やすように、また、液体燃料の温度が目標流量を設定した温度よりも低い場合には吐出流量を減らすように設定されている。
【００２７】
また、制御部１４は、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０によって測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度を算出し、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３によって測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度を算出する（Ｓ１０５）。ここでは、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１のコイルの各温度変化を算出している。
【００２８】
プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１のコイルの各温度変化ΔＴcoilは、例えば、以下のようにして算出することができる。ポンプのコイルでの熱収支は、
Ｑ+a*（Ｔoil-Ｔcoil）＋ｂ*（Ｔenv-Ｔcoil）=０
で表される。ここで、
Ｑ：運転によるコイル発熱量（Ｗ）
Ｔoil：液体燃料の温度（℃）
Ｔcoil：コイル温度（℃）
Ｔenv：ポンプの周囲温度（℃）
である。
【００２９】
目標流量の設定条件が、液体燃料の温度並びにポンプの周囲温度が４７℃である場合、温度変化前のコイル温度Ｔcoilと温度変化後のコイル温度Ｔcoilとは、
Ｔcoil（温度変化前）=Ｑ/（a+ｂ）+ａ/（ａ+ｂ）*４７＋ｂ/（ａ+ｂ）*４７
Ｔcoil（温度変化前）=Ｑ’/（a+ｂ）+ａ/（ａ+ｂ）*Ｔoil＋ｂ/（ａ+ｂ）*Ｔenv
で表される。ここで、
Ｑ≒Ｑ’
とすると、コイルの温度変化ΔＴcoilは、
ΔＴcoil=ａ/（ａ+ｂ）*（Ｔoil-４７）＋ｂ/（ａ+ｂ）*（Ｔenv-４７）
で表される。そして、係数ａ，ｂを実験から適宜設定すると、コイルの温度変化ΔＴcoilは、
ΔＴcoil=０．５０９*（Ｔoil-４７）＋０．４９１*（Ｔenv-４７）
により算出することができる。
【００３０】
そして、制御部１４は、算出したプロセスポンプ８の温度変化に基づいてプロセスポンプ８の温度変化による補正係数を決定し、算出したバーナポンプ１１の温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化による補正係数を決定する（Ｓ１０７）。温度変化による補正係数は、ポンプ８，１１のコイルの抵抗値がポンプ８，１１（コイル）の温度に応じて変化することによる吐出流量の変化を補正するための係数であり、液体燃料の温度及びポンプ８，１１の周囲温度が目標流量を設定した温度よりも高い場合には吐出流量を増やすように、また、液体燃料の温度及びポンプの周囲温度が目標流量を設定した温度よりも低い場合には吐出流量を減らすように設定されている。
【００３１】
そして、制御部１４は、それぞれ決定した密度補正係数及び温度変化による補正係数により目標流量を補正し、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各最終目標流量を決定する（Ｓ１０９）。更に、制御部１４は、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各最終目標流量に基づいて、制御マップなどからプロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の駆動周波数（Ｈｚ）及び駆動パルス幅（ｍｓｅｃ）を決定し、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１に駆動信号として出力する（Ｓ１１１）。これらにより、液体燃料供給ラインＬ２における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにプロセスポンプ８の吐出流量が補正されると共に、バーナ用燃料供給ラインＬ３における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにバーナポンプ１１の吐出流量が補正されることとなる。
【００３２】
以上のように、本実施形態では、制御部１４は、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０によって測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度変化を算出し、算出した温度変化に基づいて、液体燃料供給ラインＬ２における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにプロセスポンプ８の吐出流量を補正して制御している。また、制御部１４は、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３によって測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化を算出し、算出した温度変化に基づいて、バーナ用燃料供給ラインＬ３における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにバーナポンプ１１の吐出流量を補正して制御している。これにより、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の吐出流量を目標流量通りに確保することができる。
【００３３】
特に、燃料電池システムの水素製造装置１におけるプロセスポンプ８及びバーナポンプ１１に用いられる電磁ポンプは、小型で且つ吐出流量が低く、外的要因を受け易い。したがって、本実施形態における電磁ポンプ（コイル）の温度変化による目標流量の補正制御は、小型で且つ吐出流量が低い電磁ポンプに対して極めて有用である。
【００３４】
本実施形態では、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０によって測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度変化が算出され、また、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３によって測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化が算出されている。これにより、各ポンプ８，１１そのものの温度を測定することなく、各ポンプ８，１１の温度変化を検出することができる。
【００３５】
本実施形態では、各ポンプ８，１１の温度として、各ポンプ８，１１のコイル温度を用いている。これにより、各ポンプ８，１１の吐出流量の補正を効果的に行なうことができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００３７】
本実施形態では、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０によって測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度変化を算出し、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３によって測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化を算出しているが、各ポンプ８，１１の温度変化の算出手法はこれらに限られない。
【００３８】
例えば、図３に示されるように、温度計１０，１３を設けることなく、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度に基づいてのみプロセスポンプ８の温度変化を算出し、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度に基づいてのみバーナポンプ１１の温度変化を算出してもよい。各ポンプ８，１１の周囲温度は、各ポンプ８，１１を流れる液体燃料の温度の影響を受ける。すなわち、各ポンプ８，１１の周囲温度は液体燃料の温度と相関が高い。したがって、各ポンプ８，１１の周囲温度を用いることなく、各ポンプ８，１１の温度変化を算出することができる。この場合、コストダウン及びシステムの簡素化を図ることができる。
【００３９】
また、図４に示されるように、プロセスポンプ８の本体温度を直接測る感温素子１５をプロセスポンプ８に設けると共に、バーナポンプ１１の本体温度を直接測る感温素子１６をバーナポンプ１１に設け、感温素子１５，１６からの出力信号に基づいて、各ポンプ８，１１の温度変化を検出してもよい。
【００４０】
本実施形態では、本発明を燃料電池システムの水素製造装置１に用いられる電磁ポンプ（プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１）の流量制御装置に適用した例を示したが、これに限られない。本発明は、電磁駆動部によって流体を流路に送出するものであれば適用が可能であり、例えば、流体が灯油である石油ファンヒータに用いられる電磁ポンプの流量制御装置、流体が水である燃料電池用水ポンプの流量制御装置、若しくは流体が気体である燃料電池用ダイヤフラム式エアポンプ、ファン、又はブロアの流量制御装置などに適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…水素製造装置、２…改質装置、３…脱硫装置、５…燃料タンク、６…タンクフィードポンプ、７…脱硫ポンプ、８…プロセスポンプ、９，１０，１２，１３ …温度計、１１…バーナポンプ、１４…制御部、１５，１６…感温素子、Ｌ１…液体燃料供給ライン、Ｌ２…液体燃料供給ライン、Ｌ３…バーナ用燃料供給ライン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通電により磁力を発生するコイルを有する電磁駆動部によって流体を流路に送出するように構成された流量制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された流量制御装置では、電磁駆動部を備える電磁ポンプが用いられており、流体の流通経路途中に設けられた温度計測手段からの出力に基づいて電磁ポンプの吐出流量を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−０８３４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電磁駆動部の環境温度（例えば、電磁駆動部の周囲温度や流体の温度など）が変化すると、電磁駆動部の温度が変化することとなる。そして、電磁駆動部の温度変化に伴って、電磁駆動部のコイルの抵抗値が変化し、コイルに流れる電流も変化してしまう。このため、電磁駆動部の駆動力が変化し、電磁駆動部により吐出される流量を目標流量通りに確保することは困難となる。一般に、電磁駆動部の温度が上昇すると、電磁駆動部により吐出される流量は目標流量から減少し、電磁駆動部の温度が低下すると、電磁駆動部により吐出される流量は目標流量から増加する。
【０００５】
本発明は、電磁駆動部により吐出される流量を目標流量通りに確保することが可能な流量制御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】
【０００６】
本発明に係る流量制御装置は、通電により磁力を発生するコイルを有する電磁駆動部によって流体を流路に送出するように構成された流量制御装置であって、流路における流量が目標流量となるように電磁駆動部により吐出される流量を制御する制御手段と、電磁駆動部の温度を検出する温度検出手段と、を備え、制御手段は、温度検出手段により検出された温度に基づいて、流路における流量が実際の目標流量となるように電磁駆動部により吐出される流量を補正して制御することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る流量制御装置では、流路における流量が目標流量となるように電磁駆動部により吐出される流量を制御する制御手段が、電磁駆動部の温度を検出する温度検出手段により検出された温度に基づいて、流路における流量が実際の目標流量となるように電磁駆動部により吐出される流量を補正して制御している。これにより、電磁駆動部の吐出流量を目標流量通りに確保することができる。
【０００８】
好ましくは、温度検出手段は、電磁駆動部に設けられた感熱素子を含み、感熱素子の出力に基づいて電磁駆動部の温度を検出する。この場合、電磁駆動部の温度が簡易且つ適切に検出することができる。
【０００９】
好ましくは、温度検出手段は、電磁駆動部の周囲温度を測定する周囲温度測定手段と、流体の温度を測定する流体温度測定手段と、を含み、周囲温度測定手段によって測定される電磁駆動部の周囲温度と流体温度測定手段によって測定される流体の温度とに基づいて電磁駆動部の温度を検出する。この場合、電磁駆動部そのものの温度を測定することなく、電磁駆動部の温度を検出することができる。
【００１０】
好ましくは、電磁駆動部の温度は、上記コイルの温度である。この場合、電磁駆動部の吐出流量の補正を効果的に行なうことができる。
【００１１】
好ましくは、流体が、灯油、水、又は気体である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電磁駆動部により吐出される流量を目標流量通りに確保することが可能な流量制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る水素製造装置を示す構成図である。
【図２】プロセスポンプ及びバーナポンプの制御動作を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態に係る水素製造装置の一変形例を示す構成図である。
【図４】本実施形態に係る水素製造装置の一変形例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る水素製造装置を示す構成図である。本実施形態では、本発明を例えば燃料電池システムに用いられる水素製造装置に適用した例を示している。図１に示されるように、水素製造装置１は、水素を含有する改質ガスを生成する改質装置２と、改質装置２に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫装置３と、を備えている。水素製造装置１では、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、液体燃料として炭化水素系燃料が用いられている。
【００１６】
炭化水素系燃料としては、灯油が挙げられる。本実施形態にて対象としている炭化水素系燃料は、例えば、送液の炭素含有量が８０〜９０質量％であり、１５℃における密度が０．７〜０．９ｇ／ｃｍ３であり、３０℃における動粘度が１．０〜５．０ｍｍ２／ｓであり、送液の全硫黄化合物基準で１０質量ｐｐｍ以下の硫黄化合物を有している。
【００１７】
改質装置２は、液体燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器２ａ、改質器２ａ内に収容された改質触媒を加熱するバーナ２ｂ、水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するシフト反応部（図示せず）、及び選択酸化反応によって一酸化炭素を更に低減する選択酸化反応部（図示せず）などを有している。脱硫装置３は、図示は省略するが、改質装置２に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫触媒を収容する脱硫器を有している。
【００１８】
脱硫装置３には、燃料タンク５に貯留された液体燃料を供給するための液体燃料供給ラインＬ１が接続されている。液体燃料供給ラインＬ１には、燃料タンク５側からタンクフィードポンプ６及び脱硫ポンプ７が設けられている。したがって、燃料タンク５に貯留されている灯油は、タンクフィードポンプ６及び脱硫ポンプ７に圧送されて、脱硫装置３に送られる。
【００１９】
脱硫装置３にて硫黄分を除去された液体燃料は、液体燃料供給ラインＬ２を介して改質装置２（改質器２ａ）に送られる。液体燃料供給ラインＬ２には、プロセスポンプ８が設けられている。脱硫装置３とプロセスポンプ８との間の液体燃料供給ラインＬ２、すなわち液体燃料供給ラインＬ２におけるプロセスポンプ８の前段には、プロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度を測定する温度計（流体温度測定手段）９が設けられている。プロセスポンプ８には、プロセスポンプ８の周囲温度を測定する温度計（周囲温度測定手段）１０が設けられている。
【００２０】
タンクフィードポンプ６と脱硫ポンプ７との間の液体燃料供給ラインＬ１から分岐して、液体燃料の一部を改質装置２のバーナ２ｂに供給するためのバーナ用燃料供給ラインＬ３が設けられている。バーナ用燃料供給ラインＬ３には、バーナポンプ１１が設けられている。バーナ用燃料供給ラインＬ３におけるバーナポンプ１１の前段には、バーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度を測定する温度計（温度測定手段）１２が設けられている。バーナポンプ１１には、バーナポンプ１１の周囲温度を測定する温度計（周囲温度測定手段）１３が設けられている。
【００２１】
プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１は、既知の定流量型の電磁ポンプであり、電磁駆動部として、通電により磁力を発生するコイル部や、コイル部にて発生した磁力により作動するプランジャ部などを含んでいる。プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１に用いられる電磁ポンプは、１ｇ／ｍｉｎの流量を使用流量範囲に含み、０．３〜５ｇ／ｍｉｎの流量範囲において流量値基準で±５％以内の流量精度を有している。また、タンクフィードポンプ６及び脱硫ポンプ７にも、定流量型の電磁ポンプを用いることができる。
【００２２】
プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の作動は、制御部（制御手段）１４により制御される。すなわち、制御部１４は、液体燃料供給ラインＬ２における流量が目標流量となるようにプロセスポンプ８の吐出流量を制御すると共に、バーナ用燃料供給ラインＬ３における流量が目標流量となるようにバーナポンプ１１の吐出流量を制御している。説明を省略するが、制御部１４は、タンクフィードポンプ６及び脱硫ポンプ７も制御している。
【００２３】
制御部１４には、温度計９，１０，１２，１３からの出力がそれぞれ接続されており、プロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度、プロセスポンプ８の周囲温度、バーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度、及びバーナポンプ１１の周囲温度に関する各情報が入力される。制御部１４は、温度計９，１０にて測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及びプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度を算出しており、プロセスポンプ８の温度を検出する機能も有している。また、制御部１４は、温度計１２，１３にて測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及びプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度を算出しており、バーナポンプ１１の温度を検出する機能も有している。
【００２４】
ここで、制御部１４によるプロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の制御について説明する。図２は、プロセスポンプ及びバーナポンプの制御動作を示すフローチャートである。
【００２５】
図２に示されるように、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の制御が開始されると、制御部１４は、水素製造装置１の運転状態に基づいて、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各目標流量を決定する（Ｓ１０１）。この目標流量は、外気温が所定温度下で水素製造装置１（燃料電池システム）を運転した際の液体燃料の温度が所定温度であり、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各周囲温度が所定温度である条件下で設定されている。例えば、外気温が２５℃であり、液体燃料の温度並びにプロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各周囲温度が４７℃である条件下で設定される。
【００２６】
そして、制御部１４は、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度に基づいて密度補正係数を決定し、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度に基づいて密度補正係数を決定する（Ｓ１０３）。密度補正係数は、液体燃料の密度が液体燃料の温度に応じて変化することによる吐出流量の変化を補正するための係数であり、液体燃料の温度が目標流量を設定した温度よりも高い場合には吐出流量を増やすように、また、液体燃料の温度が目標流量を設定した温度よりも低い場合には吐出流量を減らすように設定されている。
【００２７】
また、制御部１４は、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０によって測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度を算出し、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３によって測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度を算出する（Ｓ１０５）。ここでは、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１のコイルの各温度変化を算出している。
【００２８】
プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１のコイルの各温度変化ΔＴcoilは、例えば、以下のようにして算出することができる。ポンプのコイルでの熱収支は、
Ｑ+a*（Ｔoil-Ｔcoil）＋ｂ*（Ｔenv-Ｔcoil）=０
で表される。ここで、
Ｑ：運転によるコイル発熱量（Ｗ）
Ｔoil：液体燃料の温度（℃）
Ｔcoil：コイル温度（℃）
Ｔenv：ポンプの周囲温度（℃）
である。
【００２９】
目標流量の設定条件が、液体燃料の温度並びにポンプの周囲温度が４７℃である場合、温度変化前のコイル温度Ｔcoilと温度変化後のコイル温度Ｔcoilとは、
Ｔcoil（温度変化前）=Ｑ/（a+ｂ）+ａ/（ａ+ｂ）*４７＋ｂ/（ａ+ｂ）*４７
Ｔcoil（温度変化前）=Ｑ’/（a+ｂ）+ａ/（ａ+ｂ）*Ｔoil＋ｂ/（ａ+ｂ）*Ｔenv
で表される。ここで、
Ｑ≒Ｑ’
とすると、コイルの温度変化ΔＴcoilは、
ΔＴcoil=ａ/（ａ+ｂ）*（Ｔoil-４７）＋ｂ/（ａ+ｂ）*（Ｔenv-４７）
で表される。そして、係数ａ，ｂを実験から適宜設定すると、コイルの温度変化ΔＴcoilは、
ΔＴcoil=０．５０９*（Ｔoil-４７）＋０．４９１*（Ｔenv-４７）
により算出することができる。
【００３０】
そして、制御部１４は、算出したプロセスポンプ８の温度変化に基づいてプロセスポンプ８の温度変化による補正係数を決定し、算出したバーナポンプ１１の温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化による補正係数を決定する（Ｓ１０７）。温度変化による補正係数は、ポンプ８，１１のコイルの抵抗値がポンプ８，１１（コイル）の温度に応じて変化することによる吐出流量の変化を補正するための係数であり、液体燃料の温度及びポンプ８，１１の周囲温度が目標流量を設定した温度よりも高い場合には吐出流量を増やすように、また、液体燃料の温度及びポンプの周囲温度が目標流量を設定した温度よりも低い場合には吐出流量を減らすように設定されている。
【００３１】
そして、制御部１４は、それぞれ決定した密度補正係数及び温度変化による補正係数により目標流量を補正し、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各最終目標流量を決定する（Ｓ１０９）。更に、制御部１４は、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の各最終目標流量に基づいて、制御マップなどからプロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の駆動周波数（Ｈｚ）及び駆動パルス幅（ｍｓｅｃ）を決定し、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１に駆動信号として出力する（Ｓ１１１）。これらにより、液体燃料供給ラインＬ２における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにプロセスポンプ８の吐出流量が補正されると共に、バーナ用燃料供給ラインＬ３における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにバーナポンプ１１の吐出流量が補正されることとなる。
【００３２】
以上のように、本実施形態では、制御部１４は、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０によって測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度変化を算出し、算出した温度変化に基づいて、液体燃料供給ラインＬ２における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにプロセスポンプ８の吐出流量を補正して制御している。また、制御部１４は、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３によって測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化を算出し、算出した温度変化に基づいて、バーナ用燃料供給ラインＬ３における液体燃料の流量が実際の目標流量となるようにバーナポンプ１１の吐出流量を補正して制御している。これにより、プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１の吐出流量を目標流量通りに確保することができる。
【００３３】
特に、燃料電池システムの水素製造装置１におけるプロセスポンプ８及びバーナポンプ１１に用いられる電磁ポンプは、小型で且つ吐出流量が低く、外的要因を受け易い。したがって、本実施形態における電磁ポンプ（コイル）の温度変化による目標流量の補正制御は、小型で且つ吐出流量が低い電磁ポンプに対して極めて有用である。
【００３４】
本実施形態では、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０によって測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度変化が算出され、また、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３によって測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化が算出されている。これにより、各ポンプ８，１１そのものの温度を測定することなく、各ポンプ８，１１の温度変化を検出することができる。
【００３５】
本実施形態では、各ポンプ８，１１の温度として、各ポンプ８，１１のコイル温度を用いている。これにより、各ポンプ８，１１の吐出流量の補正を効果的に行なうことができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００３７】
本実施形態では、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度及び温度計１０によって測定されたプロセスポンプ８の周囲温度に基づいてプロセスポンプ８の温度変化を算出し、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度及び温度計１３によって測定されたバーナポンプ１１の周囲温度に基づいてバーナポンプ１１の温度変化を算出しているが、各ポンプ８，１１の温度変化の算出手法はこれらに限られない。
【００３８】
例えば、図３に示されるように、温度計１０，１３を設けることなく、温度計９によって測定されたプロセスポンプ８に吸引される液体燃料の温度に基づいてのみプロセスポンプ８の温度変化を算出し、温度計１２によって測定されたバーナポンプ１１に吸引される液体燃料の温度に基づいてのみバーナポンプ１１の温度変化を算出してもよい。各ポンプ８，１１の周囲温度は、各ポンプ８，１１を流れる液体燃料の温度の影響を受ける。すなわち、各ポンプ８，１１の周囲温度は液体燃料の温度と相関が高い。したがって、各ポンプ８，１１の周囲温度を用いることなく、各ポンプ８，１１の温度変化を算出することができる。この場合、コストダウン及びシステムの簡素化を図ることができる。
【００３９】
また、図４に示されるように、プロセスポンプ８の本体温度を直接測る感温素子１５をプロセスポンプ８に設けると共に、バーナポンプ１１の本体温度を直接測る感温素子１６をバーナポンプ１１に設け、感温素子１５，１６からの出力信号に基づいて、各ポンプ８，１１の温度変化を検出してもよい。
【００４０】
本実施形態では、本発明を燃料電池システムの水素製造装置１に用いられる電磁ポンプ（プロセスポンプ８及びバーナポンプ１１）の流量制御装置に適用した例を示したが、これに限られない。本発明は、電磁駆動部によって流体を流路に送出するものであれば適用が可能であり、例えば、流体が灯油である石油ファンヒータに用いられる電磁ポンプの流量制御装置、流体が水である燃料電池用水ポンプの流量制御装置、若しくは流体が気体である燃料電池用ダイヤフラム式エアポンプ、ファン、又はブロアの流量制御装置などに適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…水素製造装置、２…改質装置、３…脱硫装置、５…燃料タンク、６…タンクフィードポンプ、７…脱硫ポンプ、８…プロセスポンプ、９，１０，１２，１３ …温度計、１１…バーナポンプ、１４…制御部、１５，１６…感温素子、Ｌ１…液体燃料供給ライン、Ｌ２…液体燃料供給ライン、Ｌ３…バーナ用燃料供給ライン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により磁力を発生するコイルを有する電磁駆動部によって流体を流路に送出するように構成された流量制御装置であって、
流路における流量が目標流量となるように前記電磁駆動部により吐出される流量を制御する制御手段と、
前記電磁駆動部の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、流路における流量が実際の目標流量となるように前記電磁駆動部により吐出される流量を補正して制御することを特徴とする流量制御装置。
【請求項２】
前記温度検出手段は、前記電磁駆動部に設けられた感熱素子を含み、前記感熱素子の出力に基づいて前記電磁駆動部の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記温度検出手段は、前記電磁駆動部の周囲温度を測定する周囲温度測定手段と、流体の温度を測定する流体温度測定手段と、を含み、前記周囲温度測定手段によって測定される前記電磁駆動部の周囲温度と前記流体温度測定手段によって測定される流体の温度とに基づいて前記電磁駆動部の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記電磁駆動部の温度は、前記コイルの温度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の流量制御装置。
【請求項５】
流体が、灯油、水、又は気体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の流量制御装置。
【請求項１】
通電により磁力を発生するコイルを有する電磁駆動部によって流体を流路に送出するように構成された流量制御装置であって、
流路における流量が目標流量となるように前記電磁駆動部により吐出される流量を制御する制御手段と、
前記電磁駆動部の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、流路における流量が実際の目標流量となるように前記電磁駆動部により吐出される流量を補正して制御することを特徴とする流量制御装置。
【請求項２】
前記温度検出手段は、前記電磁駆動部に設けられた感熱素子を含み、前記感熱素子の出力に基づいて前記電磁駆動部の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記温度検出手段は、前記電磁駆動部の周囲温度を測定する周囲温度測定手段と、流体の温度を測定する流体温度測定手段と、を含み、前記周囲温度測定手段によって測定される前記電磁駆動部の周囲温度と前記流体温度測定手段によって測定される流体の温度とに基づいて前記電磁駆動部の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記電磁駆動部の温度は、前記コイルの温度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の流量制御装置。
【請求項５】
流体が、灯油、水、又は気体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の流量制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２０９８５１（Ｐ２０１０−２０９８５１Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５８５２６（Ｐ２００９−５８５２６）
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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