JP2000193195A - 複槽式低温貯槽及び混合ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 貯蔵温度の差による伝熱が問題となる場合で
も、内槽をより近接して配置できるため小型化が図れ、
しかも安全性が高くコスト的にも有利な複槽式低温貯槽
及びそれを用いた混合ガス供給装置を提供する。 【解決手段】 貯蔵温度が異なる複数の内槽が、外槽１
とは真空断熱された状態でその外槽１内に配置されてい
る複槽式低温貯槽において、隣接する高温側内槽３と低
温側内槽２との間に、前記外槽１の熱を内部に熱伝導す
る熱伝導部材４を配置してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、貯蔵温度が異なる
複数の内槽が、外槽とは真空断熱された状態でその外槽
内に配置されている複槽式低温貯槽、及びそれを用いた
混合ガス供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の複槽式低温貯槽は、一般的に、
混合ガスとして同時に使用されたり、同じ場所で別々に
使用される複数の液化ガスを貯蔵するために用いられ
る。一方、同様の目的で液化ガスの種類に相当する数の
単槽式低温貯槽を設ける方法もあるが、省スペース化や
操作の利便性などを考慮すると、複槽式低温貯槽の方が
有利である。このため、従来より種々の形式の複槽式低
温貯槽が提案されてきた（特開平７−１５１３００号公
報、実登３００３６１６号公報など）。

【０００３】そして、従来の複槽式低温貯槽としては、
例えば特開平７−１５１３００号公報に記載のように、
貯蔵温度がほとんど同じ液化ガスを各々内槽に貯蔵する
ものが通常であった。従って、内槽の間で伝熱が生じる
ことによる弊害が殆どなく、かかる弊害を防止するため
の技術は、これまで存在しなかった。

【０００４】ところが、近年、貯蔵温度が大きく異なる
液化ガスを貯蔵するための複槽式低温貯槽に対する要求
が高まっており、特に、溶接用混合ガスや食品封入用混
合ガス等のように、炭酸ガスを混合成分とする混合ガス
の供給設備に使用可能な複槽式低温貯槽に対する要求が
大きくなっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、炭酸ガ
スのように、相図上、固液平衡線又は固気平衡線が液化
ガスの貯蔵条件（貯蔵圧、貯蔵温度）と接近している場
合、冷却により固化（ドライアイス化）し易いため、事
故防止の観点から、超低温で貯蔵される他の液化ガスと
共に、従来の複槽式低温貯槽で貯蔵するのは困難であっ
た。即ち、混合ガス成分の一例である液化アルゴンガス
等は、超低温（−１８６℃）で貯蔵されるのに対し、液
化炭酸ガスは−３０℃付近で貯蔵されるため、温度差が
非常に大きく、液化炭酸ガスを貯蔵する内槽から、液化
アルゴンガスを貯蔵する内槽への伝熱のために、液化炭
酸ガスが冷却されて部分的な固化が生じ易くなる。固化
が生じると内槽内や周辺の配管部が閉塞して、予期せぬ
昇圧や膨張が生じたり、装置の運転に支障が生じたり、
耐久性に悪影響を与えたりする。

【０００６】これに対して、複数の内槽間の断熱性を更
に高めることにより、上記の如き問題を解消する方法が
考えられる。しかし、複槽式低温貯槽の外槽内は、通
常、パーライト等の無機断熱材が輻射熱の断熱のために
充填された上、真空化（減圧）による断熱が行われてお
り、真空度を高めるなどして更に断熱性を高めるには、
製作コストの増大や装置の大型化などの問題が生じる。
また、単純な方法として、複数の内槽間の距離を大きく
する方法も考えられるが、折角省スペース化のために複
槽式としたにも係わらず、装置が大型化するため、有効
な対策とは言い難かった。

【０００７】一方、安全性を考慮すると、外槽内の真空
に劣化が生じるケースを想定する必要があるが、真空度
を高める方法では、真空劣化時の問題が更に大きくな
り、また、内槽間の距離を大きくする方法では、更に大
きな距離が必要となるため、より実用的でなくなる。

【０００８】従って、本発明の目的は、貯蔵温度の差に
よる伝熱が問題となる場合でも、内槽をより近接して配
置できるため小型化が図れ、しかも安全性が高くコスト
的にも有利な複槽式低温貯槽及びそれを用いた混合ガス
供給装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、次の如き本
発明により達成できる。本発明の複槽式低温貯槽は、貯
蔵温度が異なる複数の内槽が、外槽とは真空断熱された
状態でその外槽内に配置されている複槽式低温貯槽にお
いて、隣接する高温側内槽と低温側内槽との間に、前記
外槽の熱を内部に熱伝導する熱伝導部材を配置してある
ことを特徴とする。ここで、真空断熱された状態とは、
真空引きしつつ熱伝導や熱輻射による伝熱を抑制してあ
る状態をさす。

【００１０】上記において、前記熱伝導部材としては、
外槽の熱を内部に熱伝導する機能を有するものであれ
ば、いずれの形状、厚さ、構造のものでも使用可能であ
るが、前記外槽の内周面に固定された金属板であり、そ
の金属板は配管の遊嵌部を有するものが好ましい。

【００１１】また、各内槽に貯蔵する液化ガスの種類
や、配置の仕方は何れでもよいが、前記高温側内槽が液
化炭酸ガスを貯蔵するものであり、その高温側内槽が前
記外槽内の最下部に配置されていることが好ましい。

【００１２】一方、本発明の混合ガス供給装置は、混合
ガスの成分となる複数の液化ガスを内槽に貯蔵する複槽
式低温貯槽と、その内槽内の液化ガスを導入して蒸発さ
せる蒸発器と、蒸発後の複数のガスを混合する混合器を
備える混合ガス供給装置において、前記複槽式低温貯槽
は、上記いずれかに記載の複槽式低温貯槽であることを
特徴とする。

【００１３】［作用効果］本発明の複槽式低温貯槽によ
ると、隣接する高温側内槽と低温側内槽との間に、外槽
の熱を内部に熱伝導する熱伝導部材を配置してあり、高
温側内槽と低温側内槽との間の空間は外槽より低温であ
るため、熱伝導部材を介して外槽から内部への熱伝導が
生じる。このため、その空間の熱伝導部材が配置される
位置で、本来生じるべき温度が、熱伝導によってより高
温になるので、高温側内槽との温度差がより小さくなる
ため、高温側内槽から低温側内槽側への伝熱量を低減す
ることができる。これを図面に基づいて詳述すると、次
のようになる。

【００１４】外槽１と内槽との間の空間は、真空断熱さ
れているが、対流及び輻射熱の遮蔽のため充填された断
熱材を介して、外槽１から内槽側への少量の熱伝導が生
じる。図１（ａ）に示すように、熱伝導部材４を設けな
い場合には、更に、高温側内槽３から低温側内槽２側へ
矢印Ａ１のような熱伝導が生じる（この伝熱量を小さく
する必要がある）。これに対し、図１（ｂ）に示すよう
に、熱伝導部材４を設けると、熱伝導部材４を介して外
槽１から内部へ、矢印Ａ２のような熱伝導が生じる。こ
の熱伝導により、熱伝導部材４が配置された位置Ｐ１の
温度が、図１（ａ）と比較して高温となり、高温側内槽
３との温度差がより小さくなるため、高温側内槽３から
低温側内槽２側への伝熱量が小さくなる。仮に、温度差
が無くなると、伝熱量はゼロになり、熱伝導部材４から
は低温側内槽２側のみへ熱伝導が生じる（この状態が図
１（ｂ）である）。更に位置Ｐ１が高温になると、図１
（ｃ）に示すように、熱伝導部材４から低温側内槽２と
高温側内槽３との両方への熱伝導が生じる。更に、真空
が劣化した場合でも熱伝導部材による熱伝導で、高温側
内槽が冷却されることによる弊害を防止することができ
る。

【００１５】つまり、何らかの原因で真空が劣化した場
合、断熱層の熱伝導率は真空時（０．１Ｔｏｒｒ以下）
の約１０倍になり、図１（ａ）に示すように、熱伝導部
材４を設けない場合には、高温側内槽３から低温側内槽
２側へ矢印Ａ１のような熱伝導が非常に大きくなり、前
述の如き危険性が更に大きくなる（各内槽への外槽から
の伝熱では補えない）。これに対して、熱伝導部材４を
設けて、常時に図１（ｃ）に示すような状態であると、
真空が劣化してもそれに応じた熱が熱伝導部材４を介し
て内部へ供給され、位置Ｐ１の温度が低下しても、図１
（ｂ）の状態に近づくだけであり、高温側内槽３の冷却
による弊害は生じにくい。

【００１６】そして、このよう熱伝導部材４によると、
複雑な構造を要せず、また、付帯設備を伴わずに、高温
側内槽から低温側内槽側への伝熱の問題を解消でき、内
槽をより近接して配置することができる。

【００１７】その結果、貯蔵温度の差による伝熱が問題
となる場合でも、内槽をより近接して配置できるため小
型化が図れ、しかも安全性が高くコスト的にも有利な複
槽式低温貯槽を提供することができた。

【００１８】前記熱伝導部材が前記外槽の内周面に固定
された金属板であり、その金属板は配管の遊嵌部を有す
るものである場合、金属板は安価で加工が容易な熱伝導
部材であり、これを外槽の内周面に固定することで、外
槽内周面からの熱伝導が可能となる。また、複槽式低温
貯槽は、断熱性や全体構造を考慮して、外槽内に配管を
通過させる構造をとるのが一般的であるが、そのとき金
属板が配管の遊嵌部を有すると、その配管を通過させる
のに支障がなく、また遊嵌状態とすることができるた
め、接触部を介した外槽からの熱伝導を防止することが
できる。更に、その遊嵌部を通過させてパーライト等の
粒状断熱材（粒度１．２〜０．１５ｍｍ程度）を外槽内
に充填することができる。なお、同様の目的で、金属板
に別途、粒状断熱材の通過部を設けてもよい。

【００１９】前記高温側内槽が液化炭酸ガスを貯蔵する
ものであり、その高温側内槽が前記外槽内の最下部に配
置されている場合、前述のように液化炭酸ガスは、他の
液化ガス成分と貯蔵温度が大きく異なると共に、固化し
易いため、上記の作用効果を有する本発明が、特に有用
なものとなる。更に、その高温側内槽が外槽内の最下部
に配置されているため、その高温側内槽からの配管を、
より低温の低温側内槽の近傍を通過させる必要がなくな
るので、配管と内槽との熱伝導による配管内での固化を
防止できる。

【００２０】一方、本発明の混合ガス供給装置による
と、上記いずれかに記載の複槽式低温貯槽を用いている
ため、上記の如き作用効果を奏することができる。その
結果、貯蔵温度の差による伝熱が問題となる場合でも、
内槽をより近接して配置できるため小型化が図れ、しか
も安全性が高くコスト的にも有利な混合ガス供給装置を
提供することができた。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら、複槽式低温貯槽、混合ガス供
給装置の順で説明する。

【００２２】（複槽式低温貯槽）本発明の複槽式低温貯
槽は、図２に示すように、貯蔵温度が異なる複数の内槽
が、外槽１とは真空断熱された状態でその外槽１内に配
置されているものである。本実施形態では、高温側内槽
３が液化炭酸ガスを、低温側内槽２が液化アルゴンガス
を貯蔵する２槽型式の複槽式低温貯槽であって、高温側
内槽３が外槽１内の下側に配置されている例を示す。

【００２３】外槽１と低温側内槽２又は高温側内槽３と
の間の空間には、パーライト等の粒状断熱材が輻射熱の
断熱のために充填され、更に、真空引きによる断熱が行
われている。真空引きは、図示を省略した真空引き用配
管から内部の気体を排気することで行われ、真空計に基
づき所定の圧力（例えば０．１Ｔｏｒｒ以下）に調整さ
れる。なお、粒状断熱材は外槽１の頂部に設けられた充
填口５から導入される。また、外槽１は支持脚１１によ
り、地上に立設できるようになっている。

【００２４】低温側内槽２と高温側内槽３には、液化ガ
スを充填するため、又は圧力調整回路に液化ガスを導く
ための液化ガス充填管６ａ，６ｂと、液化ガスを取り出
すためのサイホン液取出管７ａ，７ｂと、ガスを導入す
るためのガス導入管８ａ，８ｂとが接続されている。ま
た、図示は省略したが、内槽の頂部には大気に連通し得
る大気放出管と、内槽の頂部と底部には液面計に連通す
る液面計管とが接続されている。なお、内槽は伝熱量の
小さい支持部材９で外槽１の内周面に支持されている。

【００２５】低温側内槽２に接続する配管と、高温側内
槽３に接続する配管とは、互いに反対側に設けられてお
り、これにより両者の配管での伝熱による弊害を防止し
ている。また、通常、混合ガスの組成との関係で、液化
炭酸ガスを貯蔵する高温側内槽３は、低温側内槽２より
体積が小さいため、その分だけ高温側内槽３の外径を小
さくすることにより、低温側内槽２に接続する配管と高
温側内槽３との伝熱量を小さくすることができる。

【００２６】上記において、低温側内槽２の貯蔵温度
は、約−１９６℃（以下、「Ｔｌ」という）であり、高
温側内槽３の貯蔵温度は、約−３０℃（以下、「Ｔｈ」
という）である。なお、両者の伝熱平均温度をＴａｖと
する。

【００２７】本発明では、上記の如き複槽式低温貯槽に
おいて、隣接する高温側内槽３と低温側内槽２との間
に、外槽１の熱を内部に熱伝導する熱伝導部材４を配置
してある。本実施形態では、熱伝導部材４として外槽１
の内周面に固定された金属板を使用する例を示す。

【００２８】熱伝導部材４は、平面図である図３が示す
ように、低温側内槽２に接続された液化ガス充填管６
ａ、サイホン液取出管７ａ、ガス導入管８ａ等を通過さ
せるための配管の遊嵌部４ａを有する。更に、円周を４
等分する位置の残り３箇所には、粒状断熱材の通過部４
ｂが設けられている。遊嵌部４ａの内周面と配管との間
には、粒状断熱材が通過できる隙間が存在するため、そ
の隙間と通過部４ｂとによって、粒状断熱材を上方から
下方へ通過させて、下側に配置された高温側内槽３の周
囲の空間に充填することができる。

【００２９】熱伝導部材４は、外槽１の内周面に溶接等
で接合された金属製の支持リング１０により、内周面に
ほぼ内接した状態で支持固定されている。このようにリ
ング状に支持すると、金属製の支持リング１０を介し
て、熱伝導部材４の全周から均一な熱伝導を行うことが
できる。支持リング１０と熱伝導部材４とは、単に載置
して支持させるだけでもよいが、ボルト締め等を行って
もよい。

【００３０】熱伝導部材４と、高温側内槽３の頂部と、
低温側内槽２の底部との位置関係は、熱伝導部材４を介
する外槽１からの熱伝導による高温側内槽３の冷却防止
効果と、その熱伝導により内槽が加温される弊害とを比
較考量して決定するのが望ましい。例えば、熱伝導部材
４と低温側内槽２の底部との間に十分な距離があると
（例えば外槽１内周面と低温側内槽２外周面との距
離）、両者間の伝熱量は問題の無いレベルに達する。こ
の関係は熱伝導部材４と高温側内槽３の頂部との位置関
係についても同様である。

【００３１】一方、低温側内槽２の底部を熱伝導部材４
に接近させていくと、熱伝導部材４の中央部の温度（以
下、「Ｔｃ」という）が徐々に低下すると共に、低温側
内槽２への熱伝導による弊害が大きくなる。そして、Ｔ
ｃがＴａｖより低温になると、高温側内槽３の頂部から
熱伝導部材４への熱伝導による冷却の弊害が大きくな
る。他方、高温側内槽３の頂部を熱伝導部材４に接近さ
せていくと、両者間の伝熱量は大きくなるが、ＴｃがＴ
ｈより高温であれば、冷却の弊害は生じない。従って、
高温側内槽３の頂部と低温側内槽２の底部とをより接近
して配置させる場合、熱伝導部材４の熱伝導率や形状、
厚みにもよるが、Ｔｈ＜Ｔｃ＜Ｔｈ＋５０℃の範囲とな
るように位置関係を決定するのが望ましい。

【００３２】上記は真空劣化を考慮しない場合（常時）
であるが、真空劣化時の安全性を特に考慮すると次のよ
うになる。例えば、熱伝導部材４と内槽との間に、外槽
１内周面と低温側内槽２外周面との距離に相当する距離
が存在する場合、常時には熱伝導部材４を介する熱伝導
の影響は小さいが、真空劣化時には、断熱層の熱伝導率
が大きくなり各内槽への伝熱量が大きくなるため、熱伝
導部材４の配置が非常に有効になる。この状態では、Ｔ
ｃもかなり低下するため、真空劣化時を考慮すると、常
時においてＴｈ＋３０℃＜Ｔｃ＜Ｔｈ＋５０℃の範囲と
するのが好ましい。

【００３３】金属板を用いる場合、その厚みや材質によ
り、伝熱量を調節することができる。上記において、熱
伝導により低温側内槽２が加温される弊害を少なくする
には、金属板の厚みを薄くして、伝熱量を小さくすれば
よい。

【００３４】（複槽式低温貯槽の他の実施形態） （１）先の実施形態では、熱伝導部材として図３に示す
ような金属板を設ける例を示したが、金属網、金属多孔
板、金属スリット体など設けてもよい。このように開口
率の大きい部材を用いると、伝熱量が低下するため、開
口率により伝熱量を調整することができる。また、開口
部を介して粒状断熱材を充填することができる。特に金
属網や金属多孔板を設ける場合、熱伝導が比較的均一に
行われ易いので好ましい。

【００３５】（２）先の実施形態では、２槽型式の複槽
式低温貯槽の例を示したが、３槽式やそれ以上のもので
あってもよい。その場合、特に貯蔵温度の差による伝熱
が問題となる隣接内槽間に、前記の熱伝導部材を配置す
ればよい。

【００３６】（３）先の実施形態では、液化炭酸ガスと
液化アルゴンガスとを貯蔵する例を示したが、液化アル
ゴンガスの他に、液化酸素、液化窒素との組み合わせで
も、液化アルゴンガスの場合と同様に、本発明が有効に
なる。

【００３７】（４）先の実施形態では、内槽からの配管
に接続される付帯設備を設けない例を示したが、後述す
る混合ガス供給装置に使用される圧力調整回路、各種の
弁類、蒸発器、混合器（ミキサー）、バッファータン
ク、及び分析計等を付帯設備として更に設けてもよい。

【００３８】（混合ガス供給装置）本発明の混合ガス供
給装置は、図４に示すように、混合ガスの成分となる複
数の液化ガスを内槽に貯蔵する複槽式低温貯槽と、その
内槽内の液化ガスを導入して蒸発させる蒸発器１５，１
６と、蒸発後の複数のガスを混合する混合器１９を備え
る。本発明は、このような混合ガス供給装置において、
複槽式低温貯槽として、前述のものを用いることを特徴
とするものであり、その他の構成は、従来公知のものが
いずれも採用できる。従って、概要についてのみ以下に
説明する。本実施形態では、各内槽を加圧して一定圧に
調整するための圧力調整回路を備える例を示す。

【００３９】各々の圧力調整回路は、液化ガスを導入を
許容する加圧蒸発器入口弁１３ａ，１４ａと、液化ガス
を蒸発させる加圧蒸発器１３ｃ，１４ｃと、蒸発したガ
スの圧力を一定圧に調整する圧力調整器１３ｂ，１４ｂ
とで構成される。

【００４０】蒸発器１５，１６の上流側には、液化ガス
取出し弁２０，２１が設けられ、下流側には混合器１９
に供給するガスの圧力を調節するための減圧弁１７，１
８が設けられている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明するための模式図

【図２】本発明の複槽式低温貯槽の一例を示す概略構成
図

【図３】本発明における熱伝導部材の一例を示す平面図

【図４】本発明の混合ガス供給装置の一例を示す概略構
成図

【符号の説明】

１ 外槽 ２ 低温側内槽 ３ 高温側内槽 ４ 熱伝導部材 ４ａ 配管の遊嵌部 １４ 蒸発器 １５ 蒸発器 １９ 混合器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 貯蔵温度が異なる複数の内槽が、外槽と
   は真空断熱された状態でその外槽内に配置されている複
   槽式低温貯槽において、 隣接する高温側内槽と低温側内槽との間に、前記外槽の
   熱を内部に熱伝導する熱伝導部材を配置してあることを
   特徴とする複槽式低温貯槽。
2. 【請求項２】 前記熱伝導部材が、前記外槽の内周面に
   固定された金属板であり、その金属板は配管の遊嵌部を
   有するものである請求項１記載の複槽式低温貯槽。
3. 【請求項３】 前記高温側内槽が液化炭酸ガスを貯蔵す
   るものであり、その高温側内槽が前記外槽内の最下部に
   配置されている請求項１又は２記載の複槽式低温貯槽。
4. 【請求項４】 混合ガスの成分となる複数の液化ガスを
   内槽に貯蔵する複槽式低温貯槽と、その内槽内の液化ガ
   スを導入して蒸発させる蒸発器と、蒸発後の複数のガス
   を混合する混合器を備える混合ガス供給装置において、 前記複槽式低温貯槽は、請求項１〜３いずれかに記載の
   複槽式低温貯槽であることを特徴とする混合ガス供給装
   置。