(57)【要約】【課題】燃料ガスの燃焼効率を向上させることにより、測定精度の向上を図ることができる熱量計を提供する。【解決手段】熱量計２０は、測定対象となる燃料ガスが流れる管材２５と、管材２５の内周面２５ａによって保持され、燃料ガスを接触燃焼させる触媒を担持した多孔質体２６と、多孔質体２６を加熱するコイル２７と、多孔質体２６の温度に応じた信号を出力するシース熱電対２８と、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを燃焼させたときの温度変化に基づいて発熱量を求める熱量計において、
測定対象となる燃料ガスが流れる管材と、
前記管材の内周面によって保持され、燃料ガスを接触燃焼させる触媒を担持した多孔質体と、
前記多孔質体を加熱する発熱源と、
前記多孔質体の温度に応じた信号を出力する温度測定部と、
を有する熱量計。
【請求項２】
前記発熱源は、
前記管材内に配置された前記多孔質体の位置と対応するように前記管材の外周面に設けられたものである
請求項１記載の熱量計。
【請求項３】
前記管材のうち前記多孔質体が設けられる部位、前記多孔質体、前記発熱源及び前記温度測定部を収容する保護容器をさらに有する
請求項１又は２記載の熱量計。
【請求項４】
前記温度測定部により測定された温度に基づいて発熱量を演算する発熱量演算部をさらに有する
請求項１から３のいずれかに記載の熱量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、測定対象となる燃料ガスが流れる管材と、管材の内側に塗布された触媒層と、触媒層が設けられる管材上の部位を加熱するコイルと、当該加熱部位における温度に応じた信号を出力する温度測定部とを備えた熱量計が開示されている。この熱量計によれば、コイルによる加熱環境下において触媒層を利用して燃料ガスを燃焼させる。そして、燃料ガスを連続的に流しながら、燃料ガスを燃焼させ続けることが可能となるので、発熱量を連続測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−７５８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の手法によれば、触媒が管材の内周面に沿って中空状に形成されている。このため、燃料ガスの一部が触媒と反応せずに、未燃焼のまま排出されてしまう可能性がある。未燃焼の燃料ガスが多い場合には、燃料ガスと触媒との反応が少なく、温度上昇幅が小さいことから、測定精度が低くなる可能性がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスの燃焼効率を向上させることにより、測定精度の向上を図ることができる熱量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料ガスを燃焼させたときの温度変化に基づいて発熱量を求める熱量計を提供する。この熱量計は、測定対象となる燃料ガスが流れる管材と、管材の内周面によって保持され、燃料ガスを接触燃焼させる触媒を担持した多孔質体と、多孔質体を加熱する発熱源と、多孔質体の温度に応じた信号を出力する温度測定部と、を有している。
【０００７】
ここで、本発明において、発熱源は、管材内に配置された多孔質体の位置と対応するように管材の外周面に設けることが好ましい。
【０００８】
また、本発明は、管材のうち多孔質体が設けられる部位、多孔質体、発熱源及び温度測定部を収容する保護容器をさらに有することが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明は、温度測定部により測定された温度に基づいて発熱量を演算する発熱量演算部をさらに有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱量計によれば、燃料ガスが未燃焼のまま排出されることを抑制することができる。また、燃料ガスの燃焼効率を向上させることができるので、測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る熱量計が適用された計測システムを示す説明図
【図２】熱量計の構成を模式的に示す説明図
【図３】保護容器の詳細を示す構成図
【図４】排ガス中のメタン濃度の測定結果を示す図
【図５】本実施形態に係る熱量計に関する温度上昇特性を示す説明図
【図６】温度変化と発熱量との関係を示す説明図
【図７】比較例に関する排ガス中のメタン濃度の推移を示す説明図
【図８】比較例に関する温度上昇特性を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本実施形態に係る熱量計２０を計測システム１に適用して説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る熱量計２０が適用された計測システム１を示す説明図である。図２は、熱量計２０の構成を模式的に示す説明図である。図３は、保護容器２９の詳細を示す説明図である。図３において、（ａ）は保護容器２９の構成を模式的に示す説明図、（ｂ）は保護容器２９を示す前面図、（ｃ）は保護容器２９を示す後面図、（ｄ）は保護容器２９を示す上面図である。
【００１３】
計測システム１は、ガス混合装置１０によって熱量計２０に燃料ガスを供給し、熱量計２０にて燃料ガスを燃焼させて発熱量を測定するものである。計測システム１は、ガス混合装置１０と、熱量計２０とを備えている。
【００１４】
ガス混合装置１０は、可燃ガスと空気とを混合し、混合ガスを燃料ガスとして熱量計２０に供給する。ガス混合装置１０は、第１配管１１、第２配管１２及び第３配管１３、第１流量計１４ａ及び第２流量計１４ｂ、第１バルブ１５ａ及び第２バルブ１５ｂ、並びに混合器１６を有している。
【００１５】
第１配管１１は、上流側のレギュレーターＲ１と混合器１６とを接続する配管である。第１配管１１は、レギュレーターＲ１を介して流れてくる可燃ガスを混合器１６まで導く。第１配管１１上には、第１流量計１４ａ、及び第１流量計１４ａの下流に第１バルブ１５ａが設けられている。第１流量計１４ａは、第１配管１１を流れる可燃ガスの流量を計測する。第１バルブ１５ａは、混合器１６に流れる可燃ガスの流量を調整する流量調整バルブであり、例えばニードルバルブである。
【００１６】
第２配管１２は、上流側のレギュレーターＲ２と混合器１６とを接続する配管である。第２配管１２は、レギュレーターＲ２を介して流れてくる空気を混合器１６まで導く。第２配管１２上には、第２流量計１４ｂ、及び第２流量計１４ｂの下流に第２バルブ１５ｂが設けられている。第２流量計１４ｂは、第２配管１２を流れる空気の流量を計測する。第２バルブ１５ｂは、混合器１６に流れる空気の流量を調整する流量調整バルブであり、例えばニードルバルブである。
【００１７】
混合器１６は、第１配管１１を流れてくる可燃ガスと第２配管１２を流れてくる空気とを混合する。混合器１６には、第３配管１３が接続されている。第３配管１３は、混合器１６において混合された混合ガスを、燃料ガスとして熱量計２０に供給する。
【００１８】
熱量計２０は、燃料ガスを燃焼させたときの温度変化に基づいて発熱量を求めるものであり、燃焼機能部２１と、定電圧源（電圧源）２２と、データロガー２３と、演算装置（発熱量演算部）２４とを備えている。
【００１９】
燃焼機能部２１は、ガス混合装置１０からの燃料ガスを、定電圧源２２からの電圧を利用して燃焼させる。燃焼機能部２１は、管材２５、多孔質体２６、コイル２７、及びシース熱電対２８を備えている。
【００２０】
管材２５は、測定対象となる燃料ガスが流れる配管であり、上述した第３配管１３が接続されている。管材２５は、例えばセラミック管（材質はアルミナ）により構成されている。ただし、セラミックに限らず、コイル２７の加熱に耐え得る素材であれば、他の素材であってもよい。
【００２１】
多孔質体２６は、管材２５の後端側（燃焼ガスの流れ方向における下流側）に配置され、当該管材２５の内周面２５ａによって保持されている。多孔質体２６の外周形状は、管材２５の内周形状と概ね対応している。また、多孔質体２６の外形サイズは、管材２５の内形サイズと同等、又はこれよりも若干小さなサイズに設定されている。すなわち、多孔質体２６は、管材２５の中空部を埋めるような格好で、管材２５内に配置されている。
【００２２】
多孔質体２６は、内部に多数の気孔を有する構造体であり、本実施形態では金属材料、例えばステンレスから形成されている（金属多孔質体）。また、多孔質体２６は、燃料ガスを燃焼させるために、パラジウムや白金等の触媒を担持している。触媒は、ディップコーティング等の手法を用いて、ペースト状にした触媒を含浸させることにより多孔質体２６に担持されている。
【００２３】
コイル２７は、管材２５内に配置された多孔質体２６を加熱するヒーター（発熱源の一例）である。具体的には、コイル２７は、管材２５の外周面２５ｂに巻回されており、その位置は、管材２５内に配置された多孔質体２６の位置と対応している。コイル２７には、定電圧源２２から電圧が印加されており、コイル２７は電圧に応じて発熱する。これにより、管材２５及び多孔質体２６が所定の温度（例えば４００℃）で加熱される。
【００２４】
シース熱電対２８は、多孔質体２６の温度に応じた信号を出力する温度測定部である。シース熱電対２８は、保護管であるシース内に熱電対素線を納め、絶縁物で充填密封して一体化したものであり、ゼーベック効果を利用して温度を測定する。シース熱電対２８は、管材２５の後端側から管内に挿入されて、多孔質体２６の中心部まで挿通されている。なお、シース熱電対２８は、温度測定部の一例であり、燃焼機能部２１は、シース熱電対２８の代わりに他の温度計測機器を温度測定部として用いてもよい。
【００２５】
コイル２７により多孔質体２６が加熱された状態で燃料ガスが供給された場合には、多孔質体２６の触媒において燃料ガスが燃焼する。このとき、多孔質体２６の温度は上昇する。そのため、シース熱電対２８は、燃料ガスの燃焼により上昇した温度に応じた信号を出力する。
【００２６】
データロガー２３は、シース熱電対２８から出力される信号、すなわち、多孔質体２６の温度を記録する。
【００２７】
演算装置２４は、データロガー２３の記録内容に基づいて燃焼機能部２１に供給された燃料ガスの発熱量を演算する。発熱量を演算するに際し、演算装置２４には、第１流量計１４ａ及び第２流量計１４ｂの計測値も入力される。演算装置２４としては、例えばＰＣ（Personal Computer）を用いることができる。
【００２８】
図３に示すように、熱量計２０は、保護容器２９を備えている。保護容器２９は、管材２５の後端側、多孔質体２６、コイル２７、シース熱電対２８を収容する断熱性の筐体である。保護容器２９は、例えば風の影響により、シース熱電対２８の測定温度が変動することを抑制している。
【００２９】
保護容器２９内には、支持部２９ａが設けられている。支持部２９ａは、例えば底面（底板２９ｂ）から上方に向けて突き出した部材であり、その先端において管材２５を支持する。
【００３０】
また、保護容器２９は、平板状の底板２９ｂと、底面並びに前後面が開口した箱体２９ｃとを備えている。また、保護容器２９の前面（燃料ガスの流れ方向における上流側）には、底板２９ｂと箱体２９ｃとによって形成される開口を閉塞する第１閉塞板２９ｄが設けられている。この第１閉塞板２９ｄは、上下に分割可能な第１板２９ｄ１と第２板２９ｄ２とで構成されている。第１板２９ｄ１及び第２板２９ｄ２には、半円状の切り欠き２９ｅ１，２９ｅ２がそれぞれ形成されている。個々の切り欠き２９ｅ１，２９ｅ２は互いに隣接して形成されており、第１板２９ｄ１と第２板２９ｄ２とを上下に組み合わせた際に、一つの開口を形成する。この開口は、管材２５の挿入口として機能する。さらに、保護容器２９の後面（燃料ガスの流れ方向における下流側）には、底板２９ｂと箱体２９ｃとによって形成される開口を閉塞する第２閉塞板２９ｆが設けられている。この第２閉塞板２９ｆは、１枚の板材によって構成されている。なお、第１板２９ｄ１及び第２板２９ｄ２に形成される切り欠き２９ｅ１，２９ｅ２の形状は、半円に限らず、他の形状であってもよい。
【００３１】
保護容器２９の上面、すなわち、箱体２９ｃにおいて底板２９ｂと対向する面には、開口部２９ｇが形成されている。この開口部２９ｇには、金網２９ｈが設けられている。この金網２９ｈを介して、燃焼によって発生した排ガスが保護容器２９外に排出される。
【００３２】
このような構成の熱量計２０において、演算装置２４は、シース熱電対２８により測定された温度（すなわちデータロガー２３に記録された温度）に基づいて、発熱量を演算する。演算装置２４には、多孔質体２６における温度変化と発熱量との相関関係を示す相関データが記憶されており、演算装置２４は、発熱量を演算するにあたり、相関データを利用する。
【００３３】
具体的には、第１バルブ１５ａ及び第２バルブ１５ｂを制御して可燃ガスと空気とを第１及び第２配管１１，１２に流し、混合器１６にて混合することで、所定濃度の可燃ガスを含む燃料ガスを生成する。そして、燃料ガスは第３配管１３を通じて熱量計２０に供給される。この際、第１流量計１４ａ及び第２流量計１４ｂは、第１配管１１及び第２配管１２を流れるそれぞれの気体流量を計測しており、この情報は演算装置２４に出力される。
【００３４】
定電圧源２２はコイル２７に電圧を印加しており、多孔質体２６の温度は４００℃程度となる。この状態において、燃料ガスの燃焼熱によって多孔質体２６の温度が上昇する。シース熱電対２８は、多孔質体２６の温度に応じた信号をデータロガー２３に送信し、データロガー２３はこれを記憶する。
【００３５】
演算装置２４は、予め取得しておいた相関データと、データロガー２３の記憶内容と、第１流量計１４ａ及び第２流量計１４ｂのデータとから、発熱量を演算する。
【００３６】
燃焼により発生した排ガスは、保護容器２９の上面の金網２９ｈを介して外部に排出される。
【００３７】
以下、本実施形態に係る熱量計２０の燃焼特性について説明する。所定濃度のメタンガス（可燃ガス）を含む燃料ガスを供給して熱量計２０により発熱量の計測を行い、管材２５の後端から排出される排ガス中に含まれるメタン濃度を測定した。
【００３８】
以下に示す表１は、メタン濃度２．０％及びメタン濃度４．０％の燃料ガスをそれぞれ供給した際の排ガス中のメタン濃度の測定結果であり、各々の濃度について全部で３回分の計測結果を示している。各回の計測結果は、一定時間に亘り排ガス中のメタン濃度の計測を行い、その中で最大となるメタン濃度を特定したものである。
【表１】
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【００３９】
図４は、表１の測定結果を示す図である。この測定結果から分かるように、排ガス中のメタン濃度は、最大でも７４ｐｐｍとなっている。
【００４０】
図５は、本実施形態に係る熱量計２０に関する温度上昇特性を示す説明図である。図５は、所定濃度のメタンを含む燃料ガスを第１期間及び第２期間に亘り連続的に熱量計２０に供給した状態で、各期間における多孔質体２６の温度変化（Δ温度）を測定したものである。熱量計２０に供給される燃料ガスは、第１期間においてメタン濃度１．５％であり、第２期間においてメタン濃度３．０％である。第１期間における温度変化の平均は、７５．３℃であり、第２期間における温度変化の平均は、１４７．４℃である。
【００４１】
ここで、図６は、図５の測定結果に示す温度変化（Δ温度）と発熱量との関係を示すものある。
【００４２】
＜比較例＞
比較例では、本実施形態に係る熱量計２０と基本的に同じ構成を採用しつつ、多孔質体に代えて、管材の内周面に触媒層を設けた熱量計を用いた。
【００４３】
図７は、比較例に関する排ガス中のメタン濃度の推移を示す説明図である。具体的には、メタンガスを含む燃料ガス（メタン濃度４％）を供給して熱量計により発熱量の計測を行い、保護容器の金網から排出される排ガス中のメタン濃度を２０秒毎に測定した。図７に示す測定結果では、１５０秒を経過した時に、最大値で約３５００ｐｐｍのメタン濃度が認められる。
【００４４】
図８は、比較例に関する温度上昇特性を示す説明図である。図８は、所定濃度のメタンを含む燃料ガスを第１期間及び第２期間に亘り連続的に熱量計に供給した状態で、各期間における燃焼部（触媒層に対応する管材外周）の温度変化（Δ温度）を測定したものである。熱量計に供給される燃料ガスは、第１期間においてメタン濃度２．０％であり、第２期間においてメタン濃度４．０％である。第１期間における温度変化の平均は、３５．３℃であり、第２期間における温度変化の平均は、７１．６℃である。
【００４５】
比較例との対比から明らかなように、本実施形態に係る熱量計２０においては、排ガス中に含まれる燃料ガスの濃度が著しく低下しており、未燃焼の燃料ガスの排出が抑制されている。このことから、多孔質体２６において燃料ガスが効率的に燃焼されていると考えられる。特に、図５の温度上昇特性に現れるように、燃焼に伴う温度上昇幅が大きく、多孔質体２６において燃料ガスが効率的に燃焼されていることが実験的に示されている。
【００４６】
このように本実施形態において、熱量計２０は、測定対象となる燃料ガスが流れる管材２５と、管材２５の内周面２５ａによって保持され、燃料ガスを接触燃焼させる触媒を担持した多孔質体２６と、多孔質体２６を加熱するコイル２７と、多孔質体２６の温度に応じた信号を出力するシース熱電対２８と、を備えている。
【００４７】
この構成によれば、管材２５の内周面２５ａによって多孔質体２６が保持されているので、管材２５を流れる燃料ガスが多孔質体２６を通過する。このため、多孔質体２６を通過する過程において、燃料ガスが万遍なく触媒と接触するので、燃料ガスを効率的に燃焼することとなる。その結果、供給される燃料ガスの大部分が多孔質体２６（触媒）において燃焼されるため、未燃焼のまま排出される燃料ガスを抑制することができる。また、燃料ガスと触媒との反応が増えるため、温度上昇幅が大きくなり、高い精度で測定を行うことができる。
【００４８】
また、本実施形態において、発熱源は、管材２５内に配置された多孔質体２６の位置と対応するように管材２５の外周面２５ｂに配置され、定電圧源２２からの電圧が印加されて発熱するコイル２７である。
【００４９】
この構成によれば、発熱源が、多孔質体２６の位置に合わせて配置されているので、多孔質体２６を適切に加熱することができる。これにより、多孔質体２６において燃料ガスを効率的に反応させることができる。
【００５０】
また、本実施形態において、熱量計２０は、管材２５のうち多孔質体２６が設けられる部位、多孔質体２６、コイル２７及びシース熱電対２８を収容する保護容器２９をさらに有している。
【００５１】
この構成によれば、測定環境を安定させることができるので、高い精度で測定を行うことができる。
【００５２】
以上、本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の範囲において変更を加えてもよい。
【００５３】
例えば、上述の実施形態において、熱量計は保護容器を備えているが、これを備えない構成であってもよい。また、多孔質体が管材の後端側（燃料ガスの流れにおいて下流側）に設けられているが、これに限らず、管材の長手方向の中間部（燃料ガスの流れにおいて上流側）に設けられていてもよい。
【００５４】
さらに、本実施形態においてはコイルを発熱源として説明した。しかしながら、発熱源は、他のヒーター等（例えば管材の外周面に貼り付け可能なラバーヒーター）であってもよい。また、発熱源は、ヒーター以外にも、管材の外周面を加熱する熱風等を送り込む手段等であってもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１        計測システム
２０      熱量計
２１      燃焼機能部
２２      定電圧源（電圧源）
２３      データロガー
２４      演算装置（発熱量演算部）
２５      管材
２５ａ    内周面
２５ｂ    外周面
２６      多孔質体
２７      コイル（発熱源、ヒーター）
２８      シース熱電対（温度測定部）
２９      保護容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020060471.tif 000008
【図６】
2020060471.tif 000009
【図７】
2020060471.tif 000010
【図８】
2020060471.tif 000011