(57)【要約】【課題】装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能である、混合ガス予混合システムや混合ガスＷＩ制御方法等を提供する。【解決手段】混合気ＷＩセンサ２０３からの出力に基づいて混合気ＷＩ演算回路２１０によって混合気のＷＩを演算し、その演算結果に基づいて予混合比制御部２２０が混合気のＷＩの値を制御量として用いるという簡易でありながら根本的に高精度な火炎の制御が可能である制御手法によって、空気の流量を調節してガスと空気との予混合比（空燃比）の精確な制御を行って、火炎長や発熱流量の精確な制御を定常的に継続することを可能とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスの流量を計測する第１の流量センサと、
前記第１のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第１のＷＩセンサと、
前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測する第２の流量センサと、
前記第２のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第２のＷＩセンサと、
前記第１のＷＩセンサからの出力と前記第２のＷＩセンサからの出力と前記第１の流量センサからの出力と前記第２の流量センサからの出力とに基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを演算する混合ガスＷＩ演算手段と
を備えたことを特徴とする混合ガスＷＩ制御装置。
【請求項２】
前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの各々が、ガスを導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスの一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスを押し出して流出させて、前記凹状の空間内のガスの換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスの密度を計測する密度センサとを、備えたものである
ことを特徴とする請求項１記載の混合ガスＷＩ制御装置。
【請求項３】
前記混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスのうち少なくともいずれか一方または両方の流量を制御することによって前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御するガス混合比制御手段とを、さらに備えた
ことを特徴とする請求項１記載の混合ガスＷＩ制御装置。
【請求項４】
第１のガスの流量を計測する第１の流量センサと、
前記第１のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第１のＷＩセンサと、
前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測する第２の流量センサと、
前記第２のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第２のＷＩセンサと、
前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを、前記第１のＷＩセンサからの出力と前記第２のＷＩセンサからの出力と前記第１の流量センサからの出力と前記第２の流量センサからの出力とに基づいて演算する混合ガスＷＩ演算手段と、
前記混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスのうち少なくともいずれか一方または両方の流量を制御することによって前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御するガス混合比制御手段と、
前記ガス混合比制御手段によって流量が制御された前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合するガス混合器と
を備えたことを特徴とするガス混合装置。
【請求項５】
前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの各々が、ガスを導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスの一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスを押し出して流出させて、前記凹状の空間内のガスの換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスの密度を計測する密度センサとを、備えたものである
ことを特徴とする請求項４記載のガス混合装置。
【請求項６】
ガスの流量を計測するガス流量センサと、
前記ガスに予混合される空気の流量を計測する空気流量センサと、
前記ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩ（ウォッベ指数）を計測する混合気ＷＩセンサと、
前記空気流量センサからの出力と前記ガス流量センサからの出力と前記混合気ＷＩセンサからの出力とに基づいて、前記混合気のＷＩを演算する混合気ＷＩ演算手段と
を備えたことを特徴とする混合気ＷＩ制御装置。
【請求項７】
前記混合気ＷＩセンサが、混合気を導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通る混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していた混合気を押し出して流出させて、前記凹状の空間内の混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記混合気の密度を計測する密度センサとを、備えたものである
ことを特徴とする請求項６記載の混合気ＷＩ制御装置。
【請求項８】
前記混合気ＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記空気の流量を制御することによって前記ガスと前記空気との前記予混合比を制御する予混合比制御手段を、さらに備えた
ことを特徴とする請求項６記載の混合気ＷＩ制御装置。
【請求項９】
ガスの流量を計測するガス流量センサと、
前記ガスに予混合される空気の流量を計測する空気流量センサと、
前記ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩ（ウォッベ指数）を計測する混合気ＷＩセンサと、
前記空気流量センサからの出力と前記ガス流量センサからの出力と前記混合気ＷＩセンサからの出力とに基づいて、前記混合気のＷＩを演算する混合気ＷＩ演算手段と、
前記混合気ＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記空気の流量を制御することによって前記ガスと前記空気との前記予混合比を制御する予混合比制御手段と、
前記予混合比制御手段によって流量が制御された前記空気と前記ガスとを予混合する予混合器と
を備えたことを特徴とするガス予混合装置。
【請求項１０】
前記混合気ＷＩセンサが、混合気を導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通る混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していた混合気を押し出して流出させて、前記凹状の空間内の混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記混合気の密度を計測する密度センサとを、備えたものである
ことを特徴とする請求項９記載のガス予混合装置。
【請求項１１】
第１のガスの流量を計測する第１の流量センサと、
前記第１のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第１のＷＩセンサと、
前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測する第２の流量センサと、
前記第２のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第２のＷＩセンサと、
前記第１のＷＩセンサからの出力と前記第２のＷＩセンサからの出力と前記第１の流量センサからの出力と前記第２の流量センサからの出力とに基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを演算する混合ガスＷＩ演算手段と、
前記混合ガスの流量を計測する混合ガス流量センサと、
前記混合ガスに予混合される空気の流量を計測する空気流量センサと、
前記混合ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩ（ウォッベ指数）を計測する混合気ＷＩセンサと、
前記混合ガス流量センサからの出力と前記空気流量センサからの出力と前記混合気ＷＩセンサからの出力とに基づいて、前記混合気のＷＩを演算する混合気ＷＩ演算手段と
を備えたことを特徴とする混合気ＷＩ制御システム。
【請求項１２】
前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサならびに前記混合気ＷＩセンサの各々が、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの場合にはガスを前記混合気ＷＩセンサの場合には混合気をそれぞれ導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスまたは混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスまたは混合気を押し出して流出させて前記凹状の空間内のガスまたは混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスまたは前記混合気の密度を計測する密度センサとを、備えたものである
ことを特徴とする請求項１１記載の混合気ＷＩ制御システム。
【請求項１３】
前記混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスのうち少なくともいずれか一方または両方の流量を制御することによって前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御するガス混合比制御手段と、
前記混合気ＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記空気の流量を制御することによって前記混合ガスと前記空気との前記予混合比を制御する予混合比制御手段とを、さらに備えた
ことを特徴とする請求項１１記載の混合気ＷＩ制御システム。
【請求項１４】
第１のガスの流量を計測する第１の流量センサと、
前記第１のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第１のＷＩセンサと、
前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測する第２の流量センサと、
前記第２のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第２のＷＩセンサと、
前記第１のＷＩセンサからの出力と前記第２のＷＩセンサからの出力と前記第１の流量センサからの出力と前記第２の流量センサからの出力とに基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを演算する混合ガスＷＩ演算手段と、
前記混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスのうち少なくともいずれか一方または両方の流量を制御することによって前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御するガス混合比制御手段と、
前記ガス混合比制御手段によって流量が制御された前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合するガス混合器と、
前記混合ガスの流量を計測する混合ガス流量センサと、
前記混合ガスに予混合される空気の流量を計測する空気流量センサと、
前記混合ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩ（ウォッベ指数）を計測する混合気ＷＩセンサと、
前記空気流量センサからの出力と前記混合ガス流量センサからの出力と前記混合気ＷＩセンサからの出力とに基づいて、前記混合気のＷＩを演算する混合気ＷＩ演算手段と、
前記混合気ＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記空気の流量を制御することによって前記混合ガスと前記空気との前記予混合比を制御する予混合比制御手段と、
前記予混合比制御手段によって流量が制御された前記空気と前記混合ガスとを予混合する予混合器と
を備えたことを特徴とする混合ガス予混合システム。
【請求項１５】
前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサならびに前記混合気ＷＩセンサの各々が、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの場合にはガスを前記混合気ＷＩセンサの場合には混合気をそれぞれ導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスまたは混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスまたは混合気を押し出して流出させて前記凹状の空間内のガスまたは混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスまたは前記混合気の密度を計測する密度センサとを、備えたものである
ことを特徴とする請求項１４記載の混合ガス予混合システム。
【請求項１６】
前記混合気ＷＩ演算手段からの出力を前記ガス混合比制御手段へとフィードバックするフィードバックループを、さらに備えた
ことを特徴とする請求項１３記載の混合ガス予混合システム。
【請求項１７】
第１のガスの流量を計測し、前記第１のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測し、前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測し、前記第２のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測し、前記第１のガスのＷＩと前記第２のガスのＷＩと前記第１のガスの流量と前記第２のガスの流量とに基づいて、前記第１のガスと前記第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを演算し、その演算結果に基づいて、前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御する
ことを特徴とする混合ガスＷＩ制御方法。
【請求項１８】
前記第１のガスのＷＩおよび前記第２のガスのＷＩの各々を、ガスを導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスの一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスを押し出して流出させて、前記凹状の空間内のガスの換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスの密度を計測する密度センサとを備えたＷＩセンサによって計測する
ことを特徴とする請求項１７記載の混合ガスＷＩ制御方法。
【請求項１９】
ガスの流量を計測し、前記ガスに予混合される空気の流量を計測し、前記ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩ（ウォッベ指数）を計測し、前記空気の流量と前記ガスの流量と前記混合気のＷＩとに基づいて、前記混合気のＷＩを演算し、その演算結果に基づいて、前記空気と前記ガスとの予混合比を制御する
ことを特徴とする混合気ＷＩ制御方法。
【請求項２０】
前記混合気のＷＩを、混合気を導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通る混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していた混合気を押し出して流出させて、前記凹状の空間内の混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記混合気の密度を計測する密度センサとを備えたＷＩセンサによって計測する
ことを特徴とする請求項１９記載の混合気ＷＩ制御方法。
【請求項２１】
第１のガスの流量を計測し、前記第１のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測し、前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測し、前記第２のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測し、前記第１のガスのＷＩと前記第２のガスのＷＩと前記第１のガスの流量と前記第２のガスの流量とに基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを演算し、その演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスの混合比を制御し、
前記混合ガスの流量を計測し、前記混合ガスに予混合される空気の流量を計測し、前記混合ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩ（ウォッベ指数）を計測し、前記混合ガスの流量と前記空気の流量と前記混合気のＷＩとに基づいて、前記混合気のＷＩを演算し、その演算結果に基づいて、前記空気と前記混合ガスとの予混合比を制御する
ことを特徴とする混合気ＷＩ制御方法。
【請求項２２】
前記第１のガスのＷＩおよび前記第２のガスのＷＩならびに前記混合気のＷＩの各々を、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの場合にはガスを前記混合気ＷＩセンサの場合には混合気をそれぞれ導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスまたは混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスまたは混合気を押し出して流出させて前記凹状の空間内のガスまたは混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスまたは前記混合気の密度を計測する密度センサとを備えたＷＩセンサによって計測する
ことを特徴とする請求項２１記載の混合気ＷＩ制御方法。
【請求項２３】
前記混合気のＷＩを、前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比の制御へとフィードバックする
ことを特徴とする請求項２１記載の混合気ＷＩ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合ガスＷＩ制御装置、ガス混合装置、混合気ＷＩ制御装置、ガス予混合装置、混合気ＷＩ制御システム、混合ガス予混合システム、混合ガスＷＩ制御方法、および混合気ＷＩ制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーナーによる加熱処理や加熱加工では一般に、バーナーの発熱量や火炎長を精確に調節して、所定の火炎の状態を安定的に保つことが必要とされる。
【０００３】
例えばガラス加工用バーナーでは、火炎長が一定であること、および熱量変動の極めて少い安定的な燃焼を継続することが、強く要請されている。これは、例えば供給される（バーナーへインプットされる）燃料ガスの熱量変動に伴ってバーナーの火炎長が変化すると、加工対象のガラス製品に深刻なダメージを与えてしまう虞があるためである。
【０００４】
従来の技術では、供給される燃料ガスの流量や圧力を測定すると共に、温度プローブなどによるバーナーの火炎の温度の測定値や、火炎から発せられる光の色温度の測定値などに基づいてバーナーの発熱量を測定し、それに基づいて、供給されるガスの流量の調節やバーナーにおける空燃比の調節を精確に行って、バーナーの発熱量を安定化することによって、上記のようなバーナーの火炎長の調節を行うようにしていた。
【０００５】
また、金属材料の熱処理に使用される雰囲気ガスは複数種類のガスを混合して製造される場合が多いが、Ｈ／Ｃの変化幅が適正値を逸脱すると良好な熱処理を行うことができなくなる虞があるので、ガスの混合比を精確に調節することが強く要請される。あるいは、例えば精密歯車の焼入工程や、金属材料のシンタリング工程などでは、熱処理の際の加熱量の微妙なずれや変化が製品に対して深刻なダメージを与えてしまう虞があるので、このとき熱源として用いられる燃料ガスの燃焼量を精確に調節することが必要とされる。
【０００６】
また、低ＮＯｘ  （窒素酸化物）対応の予混合器付きバーナーの場合、混合済みのガスを空気と予混合してバーナーへとインプットして、燃焼させるようにしているが、ＮＯｘ  の排出量は予混合による空燃比の微妙な変化に因って顕著に変化してしまうので、良好な低ＮＯｘ  排出特性を保つためには、燃焼熱流量に対応して空燃比を最適化する制御を精確かつ頻繁に行うことが必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなバーナーの火炎の温度の測定値や火炎から発せられる光の色温度の測定値などに基づいてバーナーの発熱量を計測するといった従来の技術では、測定時の外気温度や外光などの諸条件が外乱となってバーナーの火炎の温度の測定値や火炎から発せられる光の色温度の測定値に誤差（あるいは不確からしさ）が生じやすく、それに起因してバーナーの発熱流量の精確な計測を定常的に継続することが困難であるため、バーナーの火炎長や発熱量を定常的に精確に調節することが困難であるという問題がある。しかも、上記のようなバーナーの発熱量を計測するための装置の構成およびその動作が極めて繁雑で高コストなものになるという問題がある。
【０００８】
あるいは上記のような従来の技術によってバーナーの火炎長や発熱量を定常的に精確に調節するためには、バーナーの発熱流量の計測値を諸条件に基づいて精確に補正することが必要となるが、そのような補正手段等を付設することで、全体的な装置構成やその動作が、さらに繁雑で高コストなものとなってしまう。
【０００９】
また、低ＮＯｘ  対応の予混合器付きバーナーの場合も混合ガスバーナーの場合と同様の理由から、燃焼熱流量に対応した空燃比の最適化の制御を精確かつ頻繁に行うことが極めて困難であるため、これに起因して良好な低ＮＯｘ  排出特性を定常的に実現することが困難であり、またその装置の構成や動作が極めて繁雑で高コストなものになるという問題がある。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、装置の構成や動作は簡易なものでありながら、火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能である、混合ガスＷＩ制御装置、ガス混合装置、混合気ＷＩ制御装置、ガス予混合装置、混合気ＷＩ制御システム、混合ガス予混合システム、混合ガスＷＩ制御方法、および混合気ＷＩ制御システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による混合ガスＷＩ制御装置は、第１のガスの流量を計測する第１の流量センサと、前記第１のガスのＷＩ（ウォッベ指数）を計測する第１のＷＩセンサと、前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測する第２の流量センサと、前記第２のガスのＷＩを計測する第２のＷＩセンサと、前記第１のＷＩセンサからの出力と前記第２のＷＩセンサからの出力と前記第１の流量センサからの出力と前記第２の流量センサからの出力とに基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを演算する混合ガスＷＩ演算手段とを備えている。
【００１２】
本発明による混合ガスＷＩ制御装置では、混合ガスＷＩ演算手段によって、第１のガスと第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを演算することにより、その混合ガスのＷＩの値に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、混合ガスをバーナーで燃焼させる際の火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。
【００１３】
ここで、上記の本発明による混合ガスＷＩ制御装置においては、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの各々が、ガスを導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスの一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスを押し出して流出させて、前記凹状の空間内のガスの換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて前記ガスの密度を計測する密度センサとを、備えたものであるようにしてもよい。
【００１４】
このようにすることにより、副室の内部のガスを効果的に換気して導通路を流れるガスを常に副室の中に流入させて、その導通路を流れているガスの密度を密度センサによって常にリアルタイムに計測することが可能となる。しかも装置全体の構成およびその動作のさらなる簡易化が達成される。
【００１５】
また、上記の本発明による混合ガスＷＩ制御装置においては、前記混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスのうち少なくともいずれか一方または両方の流量を制御することによって前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御するガス混合比制御手段とを、さらに備えるようにしてもよい。なお、このガス混合比制御手段としては、さらに詳細には、第１のガスや第２のガスの流量を調節するためのバルブの開度を機械的に変化させるサーボ（モータ）系と、そのサーボ系の動作を制御するための制御信号を、混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて出力する制御回路系とを備えたものとしてもよい。あるいは上記の本発明による混合ガスＷＩ制御装置が付設される混合ガスの燃焼システム等が既にバルブやサーボ系を備えているものである場合などには、そのバルブやサーボ系の動作を制御するための制御回路系のみをガス混合比制御手段として備えるようにしてもよい。
【００１６】
本発明によるガス混合装置は、第１のガスの流量を計測する第１の流量センサと、前記第１のガスのＷＩを計測する第１のＷＩセンサと、前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測する第２の流量センサと、前記第２のガスのＷＩを計測する第２のＷＩセンサと、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを、前記第１のＷＩセンサからの出力と前記第２のＷＩセンサからの出力と前記第１の流量センサからの出力と前記第２の流量センサからの出力とに基づいて演算する混合ガスＷＩ演算手段と、前記混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスのうち少なくともいずれか一方または両方の流量を制御することによって前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御するガス混合比制御手段と、前記ガス混合比制御手段によって流量が制御された前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合するガス混合器とを備えている。
【００１７】
本発明によるガス混合装置では、第１のガスと第２のガスとをガス混合器で混合してなる混合ガスのＷＩを、混合ガスＷＩ演算手段によって演算することにより、その混合ガスのＷＩの値に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、ガス混合比制御手段によって混合ガスをバーナーで燃焼させる際の火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。
【００１８】
上記の本発明によるガス混合装置においては、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの各々が、ガスを導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスの一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスを押し出して流出させて、前記凹状の空間内のガスの換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて前記ガスの密度を計測する密度センサとを備えたものとしてもよい。このようにすることにより、副室の内部のガスを効果的に換気して導通路を流れるガスを常に副室の中に流入させて、その導通路を流れているガスの密度を密度センサによって常にリアルタイムに計測することが可能となる。しかも装置全体の構成およびその動作のさらなる簡易化が達成される。
【００１９】
本発明による混合気ＷＩ制御装置は、ガスの流量を計測するガス流量センサと、前記ガスに予混合される空気の流量を計測する空気流量センサと、前記ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩを計測する混合気ＷＩセンサと、前記空気流量センサからの出力と前記ガス流量センサからの出力と前記混合気ＷＩセンサからの出力とに基づいて、前記混合気のＷＩを演算する混合気ＷＩ演算手段とを備えている。
【００２０】
本発明による混合気ＷＩ制御装置では、混合気ＷＩ演算手段によって混合気のＷＩを演算することにより、その演算結果に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、空気の流量を制御してガスと空気との予混合比（空燃比）の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。
【００２１】
上記の混合気ＷＩ制御装置においては、前記混合気ＷＩセンサが、混合気を導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通る混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していた混合気を押し出して流出させて、前記凹状の空間内の混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて前記混合気の密度を計測する密度センサとを備えたものとしてもよい。このようにすることにより、副室の内部のガスを効果的に換気して導通路を流れるガスを常に副室の中に流入させて、その導通路を流れているガスの密度を密度センサによって常にリアルタイムに計測することが可能となる。しかも装置全体の構成およびその動作のさらなる簡易化が達成される。
【００２２】
また、前記混合気ＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記空気の流量を制御することによって前記ガスと前記空気との前記予混合比を制御する予混合比制御手段をさらに備えるようにしてもよい。なお、この予混合比制御手段としては、さらに詳細には、第１のガスや第２のガスの流量を調節するためのバルブの開度を機械的に変化させるサーボ（モータ）系と、そのサーボ系の動作を制御するための制御信号を、混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて出力する制御回路系とを備えたものとしてもよい。あるいは上記の本発明による混合気ＷＩ制御装置が付設される混合ガスの燃焼システム等が既にバルブやサーボ系を備えているものである場合などには、そのバルブやサーボ系の動作を制御するための制御回路系のみを予混合比制御手段として備えるようにしてもよい。
【００２３】
本発明によるガス予混合装置は、ガスの流量を計測するガス流量センサと、前記ガスに予混合される空気の流量を計測する空気流量センサと、前記ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩを計測する混合気ＷＩセンサと、前記空気流量センサからの出力と前記ガス流量センサからの出力と前記混合気ＷＩセンサからの出力とに基づいて、前記混合気のＷＩを演算する混合気ＷＩ演算手段と、前記混合気ＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記空気の流量を制御することによって前記ガスと前記空気との前記予混合比を制御する予混合比制御手段と、前記予混合比制御手段によって流量が制御された前記空気と前記ガスとを予混合する予混合器とを備えている。
【００２４】
上記のガス予混合装置においては、前記混合気ＷＩセンサが、混合気を導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通る混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していた混合気を押し出して流出させて、前記凹状の空間内の混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて前記混合気の密度を計測する密度センサとを備えたものとしてもよい。このようにすることにより、副室の内部のガスを効果的に換気して導通路を流れるガスを常に副室の中に流入させて、その導通路を流れているガスの密度を密度センサによって常にリアルタイムに計測することが可能となる。しかも装置全体の構成およびその動作のさらなる簡易化が達成される。
【００２５】
本発明による混合気ＷＩ制御システムは、第１のガスの流量を計測する第１の流量センサと、前記第１のガスのＷＩを計測する第１のＷＩセンサと、前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測する第２の流量センサと、前記第２のガスのＷＩを計測する第２のＷＩセンサと、前記第１のＷＩセンサからの出力と前記第２のＷＩセンサからの出力と前記第１の流量センサからの出力と前記第２の流量センサからの出力とに基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを演算する混合ガスＷＩ演算手段と、前記混合ガスの流量を計測する混合ガス流量センサと、前記混合ガスに予混合される空気の流量を計測する空気流量センサと、前記混合ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩを計測する混合気ＷＩセンサと、前記混合ガス流量センサからの出力と前記空気流量センサからの出力と前記混合気ＷＩセンサからの出力とに基づいて、前記混合気のＷＩを演算する混合気ＷＩ演算手段とを備えたものである。
【００２６】
本発明による混合気ＷＩ制御システムでは、混合ガスＷＩ演算手段によって、第１のガスと第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを演算することにより、その混合ガスのＷＩの値に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、混合ガスをバーナーで燃焼させる際の火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。そしてそれに加えて、混合気ＷＩ演算手段によって混合気のＷＩを演算することにより、その演算結果に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、空気の流量を制御してガスと空気との予混合比（空燃比）の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。その結果、システムとして最終的にバーナーで燃焼される火炎の発熱量や火炎長の、トータルな制御を精確かつ定常的に継続することが可能となる。
【００２７】
ここで、このような混合気ＷＩ制御システムにおいても、上記のような単体のガス混合装置やガス予混合装置の場合と同様に、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサならびに前記混合気ＷＩセンサの各々が、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの場合にはガスを前記混合気ＷＩセンサの場合には混合気をそれぞれ導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスまたは混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスまたは混合気を押し出して流出させて前記凹状の空間内のガスまたは混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスまたは前記混合気の密度を計測する密度センサとを備えたものとすることが望ましい。
【００２８】
また、上記の混合気ＷＩ制御システムにおいては、前記混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスのうち少なくともいずれか一方または両方の流量を制御することによって前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御するガス混合比制御手段と、前記混合気ＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記空気の流量を制御することによって前記混合ガスと前記空気との前記予混合比を制御する予混合比制御手段とを、さらに備えるようにしてもよい。
【００２９】
本発明による混合ガス予混合システムは、第１のガスの流量を計測する第１の流量センサと、前記第１のガスのＷＩを計測する第１のＷＩセンサと、前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測する第２の流量センサと、前記第２のガスのＷＩを計測する第２のＷＩセンサと、前記第１のＷＩセンサからの出力と前記第２のＷＩセンサからの出力と前記第１の流量センサからの出力と前記第２の流量センサからの出力とに基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを演算する混合ガスＷＩ演算手段と、前記混合ガスＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスのうち少なくともいずれか一方または両方の流量を制御することによって前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御するガス混合比制御手段と、前記ガス混合比制御手段によって流量が制御された前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合するガス混合器と、前記混合ガスの流量を計測する混合ガス流量センサと、前記混合ガスに予混合される空気の流量を計測する空気流量センサと、前記混合ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩを計測する混合気ＷＩセンサと、前記空気流量センサからの出力と前記混合ガス流量センサからの出力と前記混合気ＷＩセンサからの出力とに基づいて、前記混合気のＷＩを演算する混合気ＷＩ演算手段と、前記混合気ＷＩ演算手段から出力された演算結果に基づいて、前記空気の流量を制御することによって前記混合ガスと前記空気との前記予混合比を制御する予混合比制御手段と、前記予混合比制御手段によって流量が制御された前記空気と前記混合ガスとを予混合する予混合器とを備えている。
【００３０】
本発明による混合ガス予混合システムでは、混合ガスＷＩ演算手段によって、第１のガスと第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを演算することにより、その混合ガスのＷＩの値に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、混合ガスをバーナーで燃焼させる際の火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。そしてそれに加えて、混合気ＷＩ演算手段によって混合気のＷＩを演算することにより、その演算結果に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、空気の流量を制御してガスと空気との予混合比（空燃比）の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。その結果、システムとして最終的にバーナーで燃焼される火炎の発熱量や火炎長のトータルな制御を精確かつ定常的に継続しながら混合ガスを最適な空燃比で予混合することが可能となる。
【００３１】
上記の本発明による混合ガス予混合システムにおいても、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサならびに前記混合気ＷＩセンサの各々が、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの場合にはガスを前記混合気ＷＩセンサの場合には混合気をそれぞれ導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスまたは混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスまたは混合気を押し出して流出させて前記凹状の空間内のガスまたは混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスまたは前記混合気の密度を計測する密度センサとを、備えたものであるようにすることが望ましい。
【００３２】
ここで、上記の本発明による混合ガス予混合システムにおいては、前記混合気ＷＩ演算手段からの出力を前記ガス混合比制御手段へとフィードバックするフィードバックループを、さらに備えたものとすることも可能である。このようにすることにより、複数種類のガスのそれぞれの流量とＷＩと空気の流量とに基づいた混合気のＷＩおよび空燃比の実質上のフィードフォワード的な制御に加えて、混合ガスと空気とを予混合してなる混合気のＷＩに基づいた複数種類のガスのそれぞれの流量のフィードバック的な制御を併せて行うことが可能となり、その結果、火炎長や発熱量の制御のさらなる高精度化が達成される。
【００３３】
本発明による混合ガスＷＩ制御方法は、第１のガスの流量を計測し、前記第１のガスのＷＩを計測し、前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測し、前記第２のガスのＷＩを計測し、前記第１のガスのＷＩと前記第２のガスのＷＩと前記第１のガスの流量と前記第２のガスの流量とに基づいて、前記第１のガスと前記第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを演算し、その演算結果に基づいて、前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比を制御する、というものである。
【００３４】
本発明による混合ガスＷＩ制御方法では、第１のガスと第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを演算することにより、その混合ガスのＷＩの値に基づいた簡易な手法によって、混合ガスをバーナーで燃焼させる際の火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に行うことが可能となる。
【００３５】
ここで、本発明による混合ガスＷＩ制御方法においては、ガスを導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスの一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスを押し出して流出させて、前記凹状の空間内のガスの換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて前記ガスの密度を計測する密度センサとを備えたＷＩセンサによって、前記第１のガスのＷＩおよび前記第２のガスのＷＩの各々を計測するようにしてもよい。
【００３６】
本発明による混合気ＷＩ制御方法は、ガスの流量を計測し、前記ガスに予混合される空気の流量を計測し、前記ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩを計測し、前記空気の流量と前記ガスの流量と前記混合気のＷＩとに基づいて、前記混合気のＷＩを演算し、その演算結果に基づいて、前記空気と前記ガスとの予混合比を制御する、というものである。
【００３７】
本発明による混合気ＷＩ制御方法では、混合気のＷＩに基づいた簡易な手法によって、空気の流量を制御してガスと空気との予混合比（空燃比）の精確な制御を定常的に行うことが可能となる。
【００３８】
ここで、本発明による混合気ＷＩ制御方法においては、前記混合気のＷＩを、混合気を導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通る混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していた混合気を押し出して流出させて、前記凹状の空間内の混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記混合気の密度を計測する密度センサとを備えたＷＩセンサによって計測するようにしてもよい。
【００３９】
本発明による他の混合気ＷＩ制御方法は、第１のガスの流量を計測し、前記第１のガスのＷＩを計測し、前記第１のガスとは独立して供給される第２のガスの流量を計測し、前記第２のガスのＷＩを計測し、前記第１のガスのＷＩと前記第２のガスのＷＩと前記第１のガスの流量と前記第２のガスの流量とに基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩを演算し、その演算結果に基づいて、前記第１のガスおよび前記第２のガスの混合比を制御し、前記混合ガスの流量を計測し、前記混合ガスに予混合される空気の流量を計測し、前記混合ガスに前記空気を予混合してなる混合気のＷＩを計測し、前記混合ガスの流量と前記空気の流量と前記混合気のＷＩとに基づいて、前記混合気のＷＩを演算し、その演算結果に基づいて、前記空気と前記混合ガスとの予混合比を制御する、というものである。
【００４０】
本発明による他の混合気ＷＩ制御方法では、第１のガスと第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを演算することにより、その混合ガスのＷＩの値に基づいた簡易な手法によって、混合ガスをバーナーで燃焼させる際の火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。そしてそれに加えて、混合気のＷＩを演算することにより、その演算結果に基づいた簡易な手法によって、空気の流量を制御してガスと空気との予混合比（空燃比）の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。その結果、最終的にバーナーで燃焼される火炎の発熱量や火炎長の、トータルな制御をさらに精確に、かつ定常的に、行うことが可能となる。
【００４１】
本発明による他の混合気ＷＩ制御方法においても、前記第１のガスのＷＩおよび前記第２のガスのＷＩならびに前記混合気のＷＩの各々を、前記第１のＷＩセンサおよび前記第２のＷＩセンサの場合にはガスを前記混合気ＷＩセンサの場合には混合気をそれぞれ導通させる導通路と、前記導通路の内壁面から凹状に奥まった空間を形成する形状で、前記導通路に面した位置に前記導通路を通るガスまたは混合気の一部を前記凹状の空間に対して流入させることで、その空間内に存在していたガスまたは混合気を押し出して流出させて前記凹状の空間内のガスまたは混合気の換気を行うように所定の大きさの開口が設けられた隔壁を備えた副室と、前記副室の内部に設けられて、前記ガスまたは前記混合気の密度を計測する密度センサとを備えたＷＩセンサによって計測することが望ましい。
【００４２】
なお、上記のような本発明による他の混合気ＷＩ制御方法においては、前記混合気のＷＩを、前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比の制御へとフィードバックするようにしてもよい。このようにすることにより、複数種類のガスそれぞれの流量とＷＩと空気の流量とに基づいた混合気のＷＩおよび空燃比の実質上のフィードフォワード的な制御に加えて、混合ガスと空気とを予混合してなる混合気のＷＩに基づいたフィードバック的な制御を併せて行うことが可能となり、その結果、火炎長や発熱量の制御のさらなる高精度化が達成される。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４４】
図１は本発明の一実施の形態に係る混合ガス予混合システムにおけるガス混合装置の概要構成を表したものであり、図２は本発明の一実施の形態に係る混合ガス予混合システムにおける予混合装置の概要構成を表したものである。なお、図１および図２では、ガスの流れと信号の流れとの区別を明確に表現するために、ガスの流れを太い矢線で表すと共に、信号の流れを細い矢線で表してある。
【００４５】
ここで、ガス混合装置および予混合装置をはじめとして、混合ガスＷＩ制御装置、混合気ＷＩ制御装置、混合気ＷＩ制御システムは、本発明の実施の形態に係る混合ガス予混合システムの構成の一部分であり、また混合ガスＷＩ制御方法または混合気ＷＩ制御方法は、本発明の実施の形態に係る混合ガス予混合システムの動作または作用によって具現化されるものであるから、以下、それらを併せて説明する。ここで、図示および説明の繁雑化を避けるために、ガスの流量を計測する流量センサなどの一般的な機能を果たす部分の個別の詳細な説明については省略してある。
【００４６】
この混合ガス予混合システムは、ガス混合装置１００と、予混合装置２００とからその主要部が構成されている。
【００４７】
ガス混合装置１００は、図１に示したように、第１の流量センサ１０１と、第２の流量センサ１０２と、第１のＷＩセンサ１０３と、第２のＷＩセンサ１０４と、混合ガスＷＩ演算回路１１０と、ガス混合比制御部１２０と、ガス混合器１３０とを、その主要部として備えている。
【００４８】
第１の流量センサ１０１は、外部から供給される第１のガスの流量を計測するものである。第２の流量センサ１０２は、第１のガスとは独立して異なった配管を介して外部から供給される第２のガスの流量を計測するものである。
【００４９】
一般に、第１のガスおよび第２のガスは互いに異なった種類のガスであり、その第１のガスと第２のガスは後述するガス混合器１３０にて混合される。例えば第１のガスが都市ガスで第２のガスがＬＰ（液化プロパン）ガスというような組み合わせで、所定の混合比となるように混合される。
【００５０】
これら第１の流量センサ１０１および第２の流量センサ１０２の流量計測方式としては、後述するようにＷＩ（ウォッベ指数）の計測値と併せて、混合ガスのＷＩの値を算出する際に用いられるので、ＷＩの物理量としてのディメンジョンである［ＭＪ／ｍ３  ］に適合しやすいように、体積流量（［ｍ３  ／ｈ］）とすることが望ましい。但し、これのみには限定されないことは言うまでもない。この他にも、第１の流量センサ１０１や第２の流量センサ１０２では質量流量（［ｋｇ／ｈ］など）を測定し、その測定値を体積流量に換算して用いることなども可能である。
【００５１】
第１のＷＩセンサ１０３は、第１のガスのＷＩを計測する。また第２のＷＩセンサ１０４は、第２のガスのＷＩを計測する。これら第１のＷＩセンサ１０３および第２のＷＩセンサ１０４としては、例えば、計測対象のガスの燃焼発熱量（これをＱとする。以下同様）とガスの比重（Ｈ）とを測定し、その測定値に基づいて、ＷＩ＝Ｑ／Ｈ１／２なる演算を行ってＷＩの値を算出するようにしてもよいが、次に述べるような密度センサを用いたＷＩセンサを用いることで、その構成の簡易化および動作の迅速化ならびに計測結果の高精度化が実現できる。
【００５２】
すなわち、そのような密度センサを用いたＷＩセンサは、図３にその概要構成を示したように、ガスを導通させる導通路１に面して開口１２が設けられている副室２と、その副室２の内部に設けられた密度センサ３とをその主要部として備えている。
【００５３】
副室２は、図４に示したように、導通路１の内壁面１３から凹状に奥まった空間を形成しているもので、その導通路１の内壁面１３とほぼ同一面内に（換言すれば導通路１に面して）は所定の大きさの開口１２が設けられた隔壁１１を備えている。この副室２では、ガスの主流路である導通路１を通るガスの一部分が、隔壁１１の開口１２から副室２の内部の凹状の空間へと流入し、その空間内に存在していたガスを押し出して流出させることで、その副室２の内部空間内のガスの換気が行われる。しかもこのとき、副室２が、凹状に所定の奥行きに亘って奥まった、底面２１を有するほぼ円筒状のもので、その副室２の内部の換気によるガスの流れがガスの密度の測定に対して実質的な影響を与えない位置に、後述するような密度センサ３が設けられていると共に、開口１２の大きさについても、密度センサ３によるガスの密度の測定に対して実質的な悪影響を与えない程度の遅い穏やかなガスの流れが出入りする（流入および流出）ような大きさに設定されている。
【００５４】
従って、その温度センサ３２を通って導通路１との間で出入りするガスの流れが密度センサ３によるガスの密度の測定に対して誤差や不確からしさあるいは測定のばらつき等を引き起こすことがないようになっている。しかも、従来の熱量計のような密度計測専用の支管等を導通路から分岐して設けるといった繁雑な配管の付加などが不要で、構造も極めて簡易であり、またそれ故に、密度センサ３によるガスの密度の測定の時間的なずれ等についても、ほとんど生じないものとなっている。
【００５５】
このような機能を必要十分に果たすことができる円筒状の副室２の内径や奥行きや隔壁１１の開口１２の直径などの寸法については、計測対象であるガスの種類や、その粘性や流れのレイノルズ数などに対応して適宜に設定することが望ましいことは言うまでもないが、いずれにしても、底面２１を有する円筒状の副室２と、その副室２が導通路１に面している位置に、例えば円形の孔状の開口１２を備えた隔壁１１とを設け、その副室２の凹状の空間内でガスの流れが密度センサ３によるガスの密度の測定に対して実質的な影響を与えない位置に密度センサ３を配置することで、導通路１を流れるガスの密度を、ほぼリアルタイムで正確に、密度センサ３によって計測することができる。
【００５６】
因みに、本発明者らは種々の形状や構造の副室２について実験を行った結果、隔壁１１を全く設けない場合には、副室２の内部に出入りするガスの流れの速さやその向きあるいはそれによって二次的に引き起こされる乱流等に起因して、密度センサ３によるガスの密度の計測結果に無視できないほどの誤差やばらつきが生じることを確認している。しかし、上記のような構造の副室２および隔壁１１を採用した場合には、そのような密度の計測値の誤差やばらつきは生じないことを確認している。
【００５７】
密度センサ３は、副室２の内部に設けられて、導通路１から副室２へと流入して来たガスの密度を計測するものである。この密度センサ３は、さらに詳細には、例えば図５に一例を示したように、所定の熱を発する発熱源３１と、その発熱源３１から所定の距離を隔てた位置に配置された温度センサ３２とを備えており、温度センサ３２で測定された温度に基づいて、ガスの密度を計測するものである。
【００５８】
このような密度センサ３のハードウェアとしては、例えば一般的な熱式流量センサを流用することが可能である。但し、それを使用する（機能させる）手法としては、一般的な熱式流量センサの動作とは異なっている。すなわち、発熱源３１から所定の能率で発せられる熱は、その周囲に拡散されて行き、図６に一例を模式的に示したような発熱源３１（図６ではＲと表記）を中心としたほぼ線対称または点対称の温度分布を形成するが、このときの温度分布の様相はガスの密度に対応して変化する。そこで、そのようなガスの密度に対応して定まる温度分布の様相を示すパラメータとして、所定位置に配置された温度センサ３２（図６ではＳ１  ，Ｓ２  と表記）でその位置の温度を測定し、その測定された温度に基づいて、ガスの密度（ρ）を計測することができる。
【００５９】
このように、本実施の形態の密度センサ３では、所定位置に配置された温度センサ３２でその位置の温度の値を測定し、その温度の値に対応した密度の値を求めるという動作を行う。これは、異なった地点で測定される温度の差に基づいて流速または流量を計測するという一般的な熱式流量センサの場合の動作とは根本的に異なっているものである。但し、一般的な熱式流量センサが備えている発熱源３１および温度センサ３２を、本実施の形態の密度センサ３のハードウェアとして流用することは可能である。そして、図５に一例を示したような一般的な熱式流量センサの場合には、一つの発熱源３１に対して、例えば縦横にそれぞれ２個で１組ずつ合計４個の温度センサ３２が設けられていることが多いので、それらに各々独立して温度を測定させ、その複数の計測値に基づいて、そのときの温度の計測結果の誤差やばらつきなどを補正あるいは校正することなども可能である。
【００６０】
あるいは、本実施の形態の密度センサ３としては、最低限、１個の発熱源３１と、それに対して所定の距離を隔てて配置された１個の温度センサ３２とがあればよい。従って、密度センサ３の構成を最も簡易なものとするためには、例えば図７に示したように、１個の発熱源３１と１個の温度センサ３２のみとを組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００６１】
なお、副室２の凹状の空間の形状が底面２１を有する円筒状であり、複数個の温度センサ３２がその副室２の内部に用いられる場合には、その副室２の内部の空間の円筒のほぼ中心線上に発熱源３１を配置すると共に、その発熱源３１から放射状に所定距離を隔てた位置に、複数個の温度センサ３２を配設することなどが可能である。あるいは、図８に一例を示したように、発熱源３１を副室２の底面のほぼ中心部に設けると共に、温度センサ３２を副室２の底面２１近くの円筒壁面２２に設けるようにしてもよい。このようにすることにより、複数個の温度センサ３２が発熱源３１に対して等距離に位置することになり、その複数の温度センサ３２による計測値に基づいて、そのときの温度の計測結果の誤差やばらつきなどを、さらに精確に補正あるいは校正することができる。
【００６２】
混合ガスＷＩ演算回路１１０は、第１のガスおよび第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩの値を、第１のＷＩセンサ１０３からの出力と第２のＷＩセンサ１０４からの出力と第１の流量センサ１０１からの出力と第２の流量センサ１０２からの出力とに基づいて演算するものである。
【００６３】
さらに詳細には、この混合ガスＷＩ演算回路１１０では、第１のＷＩセンサ１０３と第２のＷＩセンサ１０４とにそれぞれ設けられている密度センサ３によって各々計測されたガスの密度に基づいて、第１のガスのＷＩおよび第２のガスのＷＩをそれぞれ個別に演算するが、このとき、密度センサ３によって計測されたガスの密度の値（ρ）を用いて、ａ，ｂ，ｋをそれぞれ独立した定数として、ＷＩ＝（ａρ＋ｂ）／（ρ／ｋ）１／２なる計算式で表される演算を行うことによって、第１のＷＩセンサ１０３と第２のＷＩセンサ１０４とにそれぞれ設けられている導通路１を流れるガスのＷＩの演算を各々行うことができる。
【００６４】
この混合ガスＷＩ演算回路１１０では、密度センサ３によって計測されたガスの密度の値（ρ）を用いて、従来のような熱量の値（Ｈ）や比重の値（Ｇ；空気のＧ＝１と定義）を用いなくとも上記の式に基づいてＷＩの値を得ることができる。これは、熱量の値（Ｈ［ｋｃａｌ／Ｎｍ３  ］）と密度の値（ρ）との関係が、Ｈ＝ａρ＋ｂであり、比重の値（Ｇ）と密度の値（ρ）との関係が、Ｇ＝（ρ／ｋ）１／２であり、ＨおよびＧとＷＩとの関係が、ＷＩ＝Ｈ／Ｇ１／２であることから、ＷＩはＨやＧの値を用いなくとも、密度の値（ρ）のみを用いて、ＷＩ＝（ａρ＋ｂ）／（ρ／ｋ）１／２で算出することができるからである。実際に本発明者らは種々に異なったガスの密度に対する燃焼熱量（［ｋｃａｌ］で計測）の実験を行って、このようなガスのＷＩの値と密度（ρ）の値との間には明確で強い線形的相関関係があることを確認した。
【００６５】
ここで、このようにガスの密度の値（ρ）を用いてそのときのＷＩの値をリアルタイムで正確に算出するためには、その演算に用いられるガスの密度の測定値（ρ）がリアルタイムで正確に得られていなければならないが、すでに説明したように、本実施の形態の副室２およびその内部に設けられた密度センサ３によれば、そのようなガスの密度の測定値（ρ）をリアルタイムで正確に計測することができる。従って、混合ガスＷＩ演算回路１１０によって算出されるＷＩの値は、導通路１を流れるガスの測定タイミングの時間的なずれなどが極めて少ない、リアルタイムで正確な計測値となる。
【００６６】
混合ガスＷＩ演算回路１１０は、上記のようにして計測された第１のガスのＷＩの値および第２のガスのＷＩの値と、既述の第１の流量センサ１０１で計測された第１のガスの流量の値および第２の流量センサ１０２で計測された第２のガスの流量の値とを用いて、第１のガスおよび第２のガスを混合してなる混合ガスのＷＩの値を算出する。さらに詳細には、このときの演算則としては、第１のガスのＷＩの計測値をＷＩ１  、第２のガスのＷＩの計測値をＷＩ２  、混合ガスのＷＩの値をＷＩ１＋２、第１のガスの密度の計測値ρ１  の平方根をｒρ１  、第２のガスの密度の計測値ρ２  の平方根をｒρ２  、混合ガスの密度の値ρ１＋２  の平方根をｒρ１＋２  、第１のガスの流量の計測値をＦ１  、第２のガスの流量の計測値をＦ２  とすると、ＷＩ１＋２＝｛（ＷＩ１  ×ｒρ１  ）×Ｆ１  ＋（ＷＩ２  ×ｒρ２  ）×Ｆ２  ｝／｛（Ｆ１  ＋Ｆ２  ）×（ｒρ１＋２  ）｝を用いることができる。ここで、混合ガスの密度の値ρ１＋２  は、近似的にはρ１＋２  ＝（ρ１  ×Ｆ１  ＋ρ２  ×Ｆ２  ）／（Ｆ１  ＋Ｆ２  ）で算出することが可能であるから、混合ガスの密度の値ρ１＋２  については、その混合ガスの密度の値を実際に計測しなくとも、第１のガスの密度の計測値ρ１  と第２のガスの密度の計測値ρ２  とから算出するようにしてもよい。あるいは混合ガスの密度の値を実際に計測し、その計測値を用いるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００６７】
なお、図３に示したような密度センサを用いたＷＩセンサを備えた、本実施の形態で主に説明する構成以外にも、例えばバーナーにおける火炎の発熱量（Ｑ）をより直接的に測定すると共に、その発熱量（Ｑ）と混合ガスの比重（Ｈ）を計測する構成を採用する場合（図示省略）には、それらの計測値（Ｑ，Ｈ）を用いて、ＷＩ＝Ｑ／Ｈ１／２なる演算式によってＷＩの値を求めることなども可能であることは言うまでもない。但し、そのような構成の場合には、装置の全体的な構成が繁雑になることや誤差が生じやすくなるなどのデメリットが生じる傾向にあることは既述の通りである。
【００６８】
ガス混合比制御部１２０は、混合ガスＷＩ演算回路１１０から出力された演算結果に基づいて、第１のガスおよび第２のガスの両方の流量を個別に制御して、第１のガスと第２のガスとの混合比を制御するすることによって、それら第１のガスと第２のガスとを混合して形成された混合ガスのＷＩを所定の値の範囲内に制御するものである。このガス混合比制御部１２０は、さらに詳細には、混合ガスＷＩ演算回路１１０から出力された演算結果に基づいて制御信号を出力するガス混合比制御回路１２５と、そのガス混合比制御回路１２５から出力される制御信号を受けて、第１のバルブ１２１の開度を変化させて第１のガスの流量を制御する第１のサーボ系１２３および第２のバルブ１２２の開度を変化させて第２のガスの流量を制御する第２のサーボ系１２４とを備えている。
【００６９】
なお、このガス混合比制御部１２０におけるガス混合比制御回路１２５は、例えばパーソナルコンピュータのような汎用情報処理装置を用いて構築するようにしてもよいことは言うまでもない。また、ガス混合装置１００が、第１のバルブの開度を変化させて第１のガスの流量を制御する第１のサーボ系および第２のバルブの開度を変化させて第２のガスの流量を制御する第２のサーボ系を既に備えているものであり、後付けでこのガス混合比制御部１２０を設置する場合などには、このガス混合比制御部１２０としてはガス混合比制御回路１２５のみを、ガス混合装置１００内に追加するようにすればよいことは言うまでもない。
【００７０】
ここで、上記のように混合前の第１のガスおよび第２のガスの両方のＷＩの値を計測値し、それに基づいて混合後の混合ガスのＷＩを制御するという制御ループが形成されるので、このガス混合装置１００で行われる制御はフィードフォワード制御（予測制御）として分類されるものであると言えるが、このようなフィードフォワードループにさらに加えて、後述するような予混合装置２００で計測された混合気のＷＩの値をこのガス混合比制御部１２０へとフィードバックするフィードバックループを、さらに備えるようにしてもよい。
【００７１】
ガス混合器１３０は、混合チャンバー（図示省略）等を備えて、ガス混合比制御部１２０によって流量を制御されて送られて来る第１のガスおよび第２のガスを混合して、後段の予混合装置２００へと送出するものである。
【００７２】
次に、予混合装置２００は、図２に示したように、混合気流量センサ２０１と、空気流量センサ２０２と、混合気ＷＩセンサ２０３と、混合気ＷＩ演算回路２１０と、予混合比制御部２２０と、予混合器２３０とを、その主要部として備えている。
【００７３】
予混合器２３０は、ガス混合装置１００から送られて来た混合ガスに対して空気を予混合して、バーナーで燃焼させるための混合気を形成するものである。その混合気の形成方式（構成およびその動作の種類）としては、例えばバーナーの火炎ノズルの直前に設けられて混合ガスに空気を予混合する方式のものや、いわゆるプレミックスバーナーと呼ばれる雰囲気ガス発生装置用としても用いられることが可能な方式のものなど、予混合を行う機能を備えたものであれば、種々の方式の一般的なものが適用可能である。
【００７４】
混合気流量センサ２０１は、予混合器２３０によって予混合された混合気の流量を計測するものである。空気流量センサ２０２は、混合ガスに対して予混合される空気の流量を計測するものである。これら混合気流量センサ２０１および空気流量センサ２０２は、第１の流量センサ１０１や第２の流量センサ１０２と同様に、流量計測方式としては、体積流量とすることが望ましいが、質量流量を測定して、その測定値を体積流量に換算して用いてもよい。
【００７５】
混合気ＷＩセンサ２０３は、ガス混合装置１００から送られて来た混合ガスに対して予混合器２３０にて空気を予混合して形成された混合気のＷＩを計測するもので、第１のＷＩセンサ１０３および第２のＷＩセンサ１０４と同様に、図３に概要構成を示したような密度センサを備えた構成のものを好適に用いることができる。
【００７６】
混合気ＷＩ演算回路２１０は、混合気流量センサ２０１からの出力と空気流量センサ２０２からの出力と混合気ＷＩセンサ２０３からの出力とに基づいて、予混合器２３０にて混合ガスに対して空気を予混合して形成された混合気のＷＩの値を演算するものである。
【００７７】
さらに詳細には、この混合気ＷＩ演算回路２１０では、混合気ＷＩセンサ２０３に設けられている密度センサ３によって計測された混合気の密度の値と、混合気流量センサ２０１で計測された混合気の流量の値と、空気流量センサ２０２で計測された空気の流量の値とに基づいて混合気のＷＩの値を演算するが、このとき、密度センサ３によって計測されたガスの密度の値（これをρｍｉｘとする）を用いて、ｃ，ｄ，ｈをそれぞれ独立した定数として、ＷＩ＝（ｃρｍｉｘ＋ｄ）／（ρｍｉｘ／ｈ）１／２なる計算式で表される演算を行うことによって、混合気ＷＩセンサ２０３に設けられている導通路１を流れて行く混合気のＷＩの値を得ることができる。このとき得られる混合気のＷＩの値は、混合ガスの場合のような、混合される前の第１のガスと第２のガスとからそれぞれ個別に測定された密度の値に基づいて算出されたものではなく、予混合された後の混合気について実測された密度の値に基づいて算出されたものであることから、この混合気ＷＩ演算回路２１０で算出されたＷＩに基づいて混合気のＷＩを制御する予混合装置２００で行われる制御はフィードバック的なものであると言える。
【００７８】
但し、この予混合装置２００で行うことが可能な制御としては、このようなフィードバック的なもののみには限定されないことは言うまでもなく、この他にも、例えば、供給されて来たが未だ空気と予混合される前の混合ガスのＷＩの値と、その供給されて来た混合ガスの流量の値と、そのとき混合ガスに予混合される空気の流量の値とに基づいて、そのときの混合ガスと空気とを混合した後に想定される混合気のＷＩの値を推量的に算出することなども可能である。なお、この場合には、供給されて来た混合ガスの流量を計測する混合ガス流量センサ（図示省略）をさらに付設することが必要であることは言うまでもない。
【００７９】
また、上記のガス混合装置１００において混合ガスの流量を計測する混合ガス流量センサが設けられている場合には（仮定上の構成なので混合ガス流量センサは図示省略）、その混合ガス流量センサによって計測された混合ガスの流量の値と空気流量センサ２０２によって計測された空気の流量の値との和を演算して混合気の流量の推量値を得るようにして、混合気流量センサ２０１およびそれによる混合気の流量の計測については省略してもよい。
【００８０】
予混合比制御部２２０は、混合気ＷＩ演算回路２１０から出力された演算結果に基づいて空気の流量を制御することによって、混合ガスと空気との予混合比（予混合によって調節される空燃比）を所定の値の範囲内に制御することによって、最終的な混合気のＷＩの値を所定の値の範囲内に精確に制御するものである。このような最終的な混合気の空燃比およびＷＩの値の精確な制御は、低ＮＯｘ  排出特性に対応可能な環境対策特性に優れた燃焼機器、金属材料の熱処理装置用の燃焼機器や雰囲気ガスの発生装置、あるいはガラスの精密加工用の燃焼機器などに、特に好適なものである。
【００８１】
なお、この予混合比制御部２２０は、さらに詳細には、混合気ＷＩ演算回路２１０から出力された演算結果に基づいて制御信号を出力する予混合比制御回路２２５と、その予混合比制御回路２２５から出力される制御信号を受けて、空気取入用ダンパーまたは空気流入調節用バルブなどの空気バルブ２２１の開度を変化させて空気の流量を制御する空燃比調節用サーボ系２２２とを備えている。
【００８２】
なお、この予混合比制御部２２０における予混合比制御回路２２５は、例えばパーソナルコンピュータのような汎用情報処理装置を用いて構築するようにしてもよいことは言うまでもない。また、この予混合装置２００が、空気バルブ２２１および空燃比調節用サーボ系２２２を既に備えていて、後付けで予混合比制御部２２０を設置する場合などには、この予混合比制御部２２０としては予混合比制御回路２２５のみを予混合装置２００内に追加するようにすればよいことは言うまでもない。
【００８３】
以上のように、本実施の形態による混合ガス予混合システムでは、構造が簡易でかつＷＩの値の高精度な計測が可能である図３に示したような密度センサ等を備えた概要構成の第１のＷＩセンサ１０３および第２のＷＩセンサ１０４を用いて、それらのＷＩセンサで計測されて出力された計測値に基づいて、第１のガスと第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを混合ガスＷＩ演算回路１１０によって演算することにより、その混合ガスのＷＩの値に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、混合ガスをバーナーで燃焼させる際の火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。そしてそれに加えて、図３に示したような密度センサ等を備えた概要構成の混合気ＷＩセンサ２０３で計測されて出力された計測値に基づいて、混合気のＷＩを混合気ＷＩ演算回路２１０によって演算することにより、その演算結果に基づいて、装置の構成や動作は簡易なものとしながらも、空気の流量を制御してガスと空気との予混合比（空燃比）の精確な制御を定常的に継続することが可能となる。その結果、システムとして最終的にバーナーで燃焼される火炎の発熱量や火炎長のトータルな制御を精確かつ定常的に継続しながら混合ガスを最適な空燃比で予混合して最終的な燃焼に提供される混合気を形成し、それをバーナーへとインプット（供給）することで、バーナーにおける火炎長や発熱流量の精確な調節や雰囲気ガスとして用いられる混合ガスや混合気の組成成分の厳密な管理等を実現することが可能となる。
【００８４】
なお、上記のガス混合装置１００と予混合装置２００は、それぞれ独立した個々の装置として別々に用いるようにしてもよいことは言うまでもない。例えば赤火バーナー（図示省略）のような実質的に空気を予混合する必要のない（あるいは元より予混合を行わないように設定されている）バーナーで燃焼される混合ガスのＷＩを制御するといった場合には、ガス混合装置１００のみを用いることも可能である。あるいは、例えばガスと空気とを混合する予混合比のみを制御すればよい場合には、予混合装置２００のみを用いることも可能である。但し、一般に、混合ガスに対して所定の空燃比で空気を予混合して混合気を形成し、その混合気をバーナーに供給して燃焼させたり、その混合気を製品加工用のチャンバーなどに導入して雰囲気ガスとして利用することが多いので、上記のガス混合装置１００と予混合装置２００とを、図１に示したように組み合わせて用いることが望ましい場合が多い傾向にある。
【００８５】
また、ガス混合装置１００から供給される混合ガスの流量を予混合装置２００で調節するバルブ（図示省略）を予混合装置２００に備えて、予混合装置２００において、混合気のＷＩに対応して空気の流量を制御すると共に混合ガスの流量を制御するようにしてもよい。
【００８６】
また、上記の実施の形態では、ガス混合器１３０と予混合器２３０とを別に設けた場合について説明したが、これらガス混合器１３０と予混合器２３０とは一つの混合用チャンバー（図示省略）として１つに纏めるようにすることも可能である。
【００８７】
その他、例えばＷＩを制御するさらに詳細な制御手法（例えば目標値設定の精度やフィードバックループのゲインの設定等）などについては、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々に変更や設定の最適化等が可能であることは言うまでもない。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし３のいずれかに記載の混合ガスＷＩ制御装置または請求項４または５記載のガス混合装置または請求項６ないし８のいずれかに記載の混合気ＷＩ制御装置または請求項９または１０記載のガス予混合装置または請求項１１ないし１３のいずれかに記載の混合気ＷＩ制御システムまたは請求項１４ないし１６のいずれかに記載の混合ガス予混合システムまたは請求項１７または１８記載の混合ガスＷＩ制御方法または請求項１９ないし２３記載の混合気ＷＩ制御方法によれば、第１のガスと第２のガスとを混合してなる混合ガスのＷＩを演算することにより、その混合ガスのＷＩの値を制御量として用いるという簡易でありながら根本的に高精度な火炎の制御が可能である制御手法によって、混合ガスをバーナーで燃焼させる際の火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することが可能となり、また混合気のＷＩを演算し、その演算結果に基づいて混合気のＷＩの値を制御量として用いるという簡易でありながら根本的に高精度な火炎の制御が可能である制御手法によって、空気の流量を調節してガスと空気との予混合比（空燃比）の精確な制御を定常的に継続することが可能となるようにしたので、最終的にバーナーで燃焼される火炎の発熱量や火炎長の制御を精確かつ定常的に行うことが可能となり、延いては装置の構成や動作あるいは制御や混合の方法等は簡易なものとしながら、火炎長や発熱量の精確な制御を定常的に継続することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る混合ガス予混合システムにおけるガス混合装置の概要構成を表した図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る混合ガス予混合システムにおける予混合装置の概要構成を表した図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る混合ガス予混合システムに用いられるＷＩセンサの概要構成を表した図である。
【図４】図３のＷＩセンサの副室および隔壁の構造を表した図である。
【図５】図３のＷＩセンサに用いられる密度センサの概要構成を表した図である。
【図６】図５の密度センサにおける発熱源を中心として形成される温度分布の一例を表した図である。
【図７】１個の発熱源と１個の温度センサのみとを組み合わせて用いた密度センサの一例を表した図である。
【図８】発熱源を副室の底面のほぼ中心部に設けると共に、温度センサを副室の底面近くの円筒壁面上に設けた場合の密度センサおよび副室の概要構成を表した図である。
【符号の説明】
１…導通路、２…副室、３…密度センサ、２１…底面、２２…円筒壁面、３１…発熱源、３２…温度センサ、１００…ガス混合装置、１０１…第１の流量センサ、１０２…第２の流量センサ、１０３…第１のＷＩセンサ、１０４…第２のＷＩセンサ、１１０…混合ガスＷＩ演算回路、１２０…ガス混合比制御部、１３０…ガス混合器、２００…予混合装置、２０１…混合気流量センサ、２０２…空気流量センサ、２０３…混合気ＷＩセンサ、２１０…混合気ＷＩ演算回路と、２２０…予混合比制御部、２３０…予混合器
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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