JP2001507435A - 加圧下で容器を充填する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、加圧下でガスを容器に充填する方法であって、所定量のガスを中間コンテナ（３）に導入する工程、冷凍流体との熱移動（１０）により、前記中間コンテナ内の前記所定量のガスを徐々に液化する工程、熱源（１５）との熱的接触により前記中間コンテナ内の前記所定量のガスを加熱する工程、前記中間コンテナ内の圧力が前記容器の圧力よりも高くなるときに、前記中間コンテナと前記容器を流体的に連結させる工程を具備することを特徴とする加圧下でガスを容器に充填する方法に関する。本発明の装置は、それが収容する所定量のガスを液化および加熱する手段を有する中間受け器（３）により構成される、少なくとも１つの熱コンプレッサーを具備することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 加圧下で容器を充填する方法および装置 発明の分野 本発明は、加圧下で容器を充填する方法および装置に関する。 発明の背景 宇宙の用途において、衛星のプラズマ推進力のためのキセノンが充填された容 器を用いることが知られている。そのような容器は、安全性の理由から、衛星を 打ち上げる直前に充填されなければならない。この容器は、１８０バールのオー ダーの圧力で充填される。時に、「充填そり」と呼ばれる、そのような充填を可 能とする装置は、発射装置の近傍の発射台に輸送されるため、軽量で小型でなけ ればならない。 容器にキセノンを高圧で充填するために、幾つかの公知の方法がある。汚染を 避けるために、好ましくは隔膜型のメカニカルコンプレッサーにより充填を行う ことが出来る。隔膜型コンプレッサーは、非常に重く、低流量のガスを許容する に過ぎず、そのため、容器の充填には非常に長時間を要する。また、水圧過充填 器を用いて充填を行うことも可能である。しかし、そのような過充填器は、ある 用途、特に宇宙の分野では許されない、ガスの汚染の危険を持っている。キセノ ンを液化するために液体窒素の浴中に浸漬しつつ、容器を充填することが出来る 。この方法は、例えば衛星のような構造体に既に組み込まれた容器ではなく、複 合した、または鋼平板を有する容器には不適切である。ガスのマスター容器を加 熱することもまた含み得るが、この方法は、充填される容器の容積がマスターシ リンダーのそれよりもかなり小さい時にのみ、適用可能である。 本発明は、上述の従来技術の欠点を解決し、キセノンを汚染する危険なしに、 発射台に用いることが出来る、信頼し得る充填を可能とする、加圧下で容器を充 填する方法および装置を提供することを目的とする。 発明の要旨 この目的に対し、本発明は、加圧下でガスを容器に充填する方法であって、 所定量のガスを中間受け器に導入する工程、 冷凍流体との熱交換により、前記中間受け器内の前記所定量のガスを液化する 工程、 加温源との熱交換により、前記中間受け器内の前記所定量のガスを再加熱し、 気化する工程、 前記中間受け器内の圧力が前記容器の圧力よりも高くなるときに、前記中間受 け器と前記容器を流体的に連結させる工程 を具備することを特徴とする。 本発明によると、中間受け器は熱コンプレッサーとして役立ち、即ちマスター シリンダーのような源内のその圧力に対するガスの圧力を上昇させる。この熱コ ンプレッサーは、軽量であり、他の解決法に関し有効であり、可動部を持たず、 それは良好な信頼性の基準である。 本発明の第１の好ましい態様によると、このプロセスはまた、中間受け器と容 器とを流体的に連結させた後に、中間受け器内の所定量のガスを加熱する工程を 具備する。本発明のこの態様によると、中間受け器と容器とが連結状態に置かれ たとき、続行する加熱の維持は、中間受け器内の所定量のガスの加温に導き、そ れは、高圧下にあるこの所定量のガスを容器に向かって連続的に排出することを 可能とする。 他の好ましい態様によると、中間受け器から容器へのガスの移動は、実質的に 一定の圧力下で生ずる。 本発明の方法に使用される冷凍液は、好ましくは、その製造が周知である液体 窒素である。 本発明はまた、本発明の方法を実施することを可能とする装置に関し、特に、 ガス源と容器の間に配置された中間受け器により構成される、少なくとも１つの 熱コンプレッサーを具備する装置に関する。この熱コンプレッサーは、中間受け 器への導入の過程において、所定量のガスを冷却することによる液化手段と、中 間受け器内の所定量のガスを加熱する手段とを具備している。 第１の好ましい態様によると、液化手段は、特に液体窒素のような冷却液の循 環のための管を具備する。これらの液化手段は、それ自体公知であり、比較的容 易に使用出来る。 本発明の他の好ましい態様によると、中間受け器内に含まれる所定量のガスの 加熱手段は、電気加熱素子を具備する。電気加熱素子の使用は、中間受け器内に 含まれる所定量のガスの急速の加熱を可能とし、従って、従来技術に対する、充 填操作のためのサイクル時間の実質的な減少を可能とする。 他の好ましい態様によると、循環管および電気加熱素子が中間受け器内に配置 されている。このように、熱コンプレッサーの厚さの小部分のみが、含まれる流 体の関数として減少または増加し、そのため、コンプレッサーの熱慣性が減少す る。 好ましくは、中間受け器は、その下部にガス入口を、その上部にガス出口を備 えている。このことは、ガス温度が最高である中間受け器の部分からのガスの排 出を可能とする。 本発明の好ましい他の態様によると、中間受け器は、液化ガスを受ける皿を収 容することが出来、この皿は、中間受け器の内壁から隔てられている。本発明の この態様によると、コンプレッサーの熱慣性が同様に減少する。 本発明はまた、対抗して動作するように設えられている２つの熱コンプレッサ ーを具備する装置に関し、一方は所定量のガスを液化するように働き、他方は他 の所定量のガスを気化−圧縮するように働く。このことは、液化操作を重ねた形 で行うことを可能とし、従って、容器の充填操作のトータルの時間を減少させる 。 本発明は、添付図面を参照した実施例により、より良好に理解され、その利点 は、その原理およびその実施のプロセスに従った容器の充填装置の一態様を伴う 説明から明らかとなろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の充填装置のフローダイヤグラム。 図２は、図１の装置に使用される熱コンプレッサーの縦断面図。 発明を実施するための最良の形態 図１において、マスターシリンダー１は、２０℃で６０バールのオーダーの圧 力の下で、所定量、例えば５０ｋｇのキセノンを収容している。この装置の目的 は、約８０〜３００バール、例えば１８０バールのオーダーの圧力で、衛星によ り支持されるように設えられている、チタン、鋼またはカーボンの容器２を充填 することである。 この目的に対し、この装置は、中間受け器３を備え、その入口３ａは、バルブ ５を介して導管４によって、マスターシリンダー１に接続されている。同様に、 導管６は、バルブ７を介して中間受け器３の出口３ｂを容器２に接続している。 容器３は、容器３の、数リットルのオーダーの、例えば４リットルの内部容積３ｄ を定義するチャンバー３ｃを備えている。この内部容積３ｄ内には、トウ巻ビ ンのような液体窒素源１１から液体窒素を循環させる管１０が配置されている。 源１１からの管１０の供給を制御するために、バルブ１２が設けられている。管 １０を循環した後、液体またはガス状窒素を受けるために、回収部材１３が設け られている。 例えば加熱抵抗１５のような電気再加熱器が、容積３ｄ内に配置され、スイッ チ１７により制御される電源１６に接続されている。 図２から明らかにわかるように、管１０が、実質的に垂直軸にらせん状に巻回 されており、一方加熱素子１５も、容積３ｄ内において同一の軸の回りをらせん 状に巻回されている。 管１０の周囲の中間受け器３内には、スペーサー２１によってチャンバー３ｃ の内壁から所定距離を維持しつつ、皿２０が配置されている。この皿２０は、液 化ガスを受けるように設えられており、そのため、液化ガスは、チャンバー３ｃ から所定距離を維持されており、それは熱交換を減少させ、従って受け器３の熱 慣性を減少させる。 中間受け器３の下端には、キセノンの入口３ａが配置され、上部には出口３ｂ が配置されている。 図２において、矢印ＬＮ₂は、窒素の循環の方向を示し、矢印Ｘ_eは、キセノン の循環の方向を示し、矢印Ｑ_eは、抵抗１５に供給される電気量を示す。 装置の操作は、以上の説明から生ずる。キセノンを収容するトウ巻ビン１容器 ２を充填することが望まれるときには、バルブ７は閉ざされ、バルブ５は開かれ て、マスターシリンダー１および中間受け器３と連通状態に置かれ、そのためガ スはシリンダー１から容器３に向かって排出される。容器３内のガスの到達中に は、ガスは、約−１８０℃の液体窒素を循環する管１０との接触により液化され る。管１０の径およびこの管内の液体窒素の流速は、液体窒素の消費量が大きす ぎず、かつ窒素が、キセノンの飽和温度、即ち１バールの下で１６５°Ｋの温度 で中間受け器３を出るように、計算される。実際には、管１０内の窒素の流速は 、２〜２０ｇ／ｓである。 このように、中間受け器３内の皿２０に回収された所定量の液化窒素が得られ る。 次いで、バルブ５およびスイッチ１７が閉ざされ、抵抗１５内の電流の循環が 、容器３に収容されたキセノンの温度の急激な上昇をもたらす。このことは、液 化ガスの気化、次いで容器３内のこのガスの圧縮に導き、この圧縮は１８０バー ルのオーダーの圧力の急速な達成を可能とする。このように、中間受け器３は、 ガスの温度の上昇を可能とし、可動部を持たない「熱コンプレッサー」を構成す る。 １８０バールの圧力に達したとき、中間受け器３および容器２と流体的に連結 するように、バルブ７が開かれる。このように、ガスは容器２に放出される。 スイッチ１７の閉鎖が維持され、そのため中間受け器３内の加熱が続行され、 それは容器２の内圧を増加させる傾向となり、ガスは急速に排気される。このよ うに、中間受け器３から容器２へのガスの排出が生じ、一方、中間受け器３内の 圧力は、実質的に一定に維持されるか、またはすこし増加しさえする。 試験が行われ、それは、中間受け器３における加熱による所定量のガスの等容 圧縮中において、キセノンの温度が約２１０°Ｋから約２４５°Ｋに上昇するこ とを示している。バルブ７を開いた後、加熱を続行することにより、気化したキ セノンの温度が約２４５°Ｋから約３１０°Ｋに増加することを可能とする。 高熱慣性交換器２２が、導管６の回りに配置されている。アルミニウムのブロ ックにより構成され得る、この交換器は、その入口において−３０℃〜４０℃の ガスを受け、その出口において約５℃のガスを放出するように設えられている。 このことは、容器２の中、または容器の外面における凝縮の危険を避けるために 、５℃を越える温度で容器２に供給することを可能とする。 更に、受け器３が容器２と連通するときの連続加熱は、熱コンプレッサー内の 大きな温度勾配の形成に導き、最も熱いガスは、上部に位置する出口３ｂの近く に蓄積する傾向を有し、それは、それの容器２への移動を促進する。 熱コンプレッサーまたは中間受け器３は、ガスが液化したとき低温を保持し得 なければならないばかりか、容器２が充填されねばならない温度の関数として寸 法が定められなければならない。コンプレッサーの熱勾配は、プロセスの性能、 特にサイクル時間を悪化させないように、出来るだけ低くなければならない。 コンプレッサーの容積は、その中に管１０および加熱素子１５を置くのを許容 するに十分に大きくなければならないが、熱勾配を制限するのに十分に小さくな ければならない。数リットル、特に４〜６リットルの容積は、数１０サイクルに おいて数１０リットルの容器の充填を許容する。この場合、熱コンプレッサー３ の壁は、約１０ｍｍのオーダーの厚さを有し、そのトータルの質量は、約３０ｋ ｇのオーダーである。 好ましくは、コンプレッサーは、装置の良好な操作を確実にするために、図示 しない圧力検出器および温度検出器を備えていろ。同じ目的のため、熱コンプレ ッサーを、バランスをとって設置することが出来る。 加熱素子１５により消費される電力は、サイクルごとに加熱されねばならない 流体の量が比較的小さいので、必ずしも非常に大きくはない。実際、数キロワッ トのオーダー、例えば２〜４ｋＷのわずかな電力で充分である。 更に、装置のトータルの流量を増加させるために、幾つかのコンプレッサーを 並列に用いることが出来る。特に、一方は所定量のガスの液化に働き、他方は所 定量のガスの気化−圧縮に働く、反対に動作する２つの熱コンプレッサーを用い ることが出来る。 本発明の変形例（図示せず）によると、加熱素子１５を、水交換器または他の 高い熱容量を有する流体と置換することが出来るであろう。もちろん、管１０の 入口および出口、並びに加熱素子の入口および出口の配列と同様に、入口３ａお よび３ｂの配列は、変形することが出来るであろう。同様に、２００°Ｋに近い 気化温度を有する流体は、液体窒素を収容する管１０の代わりに用いることが出 来るであろう。 本発明は、容器にキセノンを充填する装置との関連で説明された。もちろん、 本発明は、比較的高い臨界温度を有する他のガス、特にクリプトンに適用可能で ある。 本発明の特定の用途は、純度９９．９９５％を有するキセノンの容器に基づく 充填である。このキセノンは、衛星のプラズマ推進に用いられる。本発明の装置 は、これらの衛星の発射台に容易に移動可能な、軽量でコンパクトなアセンブリ ーを構成し得る。 本発明は、例えばランプ産業における、キセノンまたはクリプトンの回収装置 にも適用可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．加圧下でガスを容器に充填する方法であって、 所定量のガスを中間受け器（３）に導入する工程、 冷凍流体との熱交換（１０）により、前記中間受け器内の前記所定量のガスを 液化する工程、 前記中間受け器に熱を供給することにより、前記中間受け器内の前記所定量の ガスを再加熱し、気化する工程、 前記中間受け器内の圧力が前記容器の圧力よりも高くなるときに、前記中間受 け器と前記容器を流体的に連結させる工程 を具備することを特徴とする加圧下でガスを容器に充填する方法。 ２．中間受け器（３）と容器（２）とを流体的に連結させた後に、中間受け器 への熱の供給を一時的に延長することを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記中間受け器（３）から容器（２）へのガスの移動は、実質的に一定の 圧力下で生ずることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。 ４．前記中間受け器（３）内を循環する液体窒素との熱交換が生ずることを特 徴とする請求項１ないし３のいずれかの項に記載の方法。 ５．前記ガスはキセノンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか の項に記載の方法。 ６．ガスの源（１）および容器（２）に接続され得る中間受け器（３）により 構成される、少なくとも１つの熱コンプレッサーを具備し、この熱コンプレッサ ーは、閉鎖容器（３ｃ）内において、前記中間受け器に導入された所定量の前記 ガスを冷却することによる液化手段と、前記中間受け器内の所定量のガスを加熱 する手段とを具備することを特徴とするガスによる加圧下で容器を充填する装置 。 ７．前記液化手段は、冷却流体の循環のための回路（１０）を具備することを 特徴とする請求項６に記載の装置。 ８．前記加熱手段は、電気加熱素子（１５）を具備することを特徴とする請求 項６または７に記載の装置。 ９．前記循環回路（１０）および電気加熱素子（１５）は、中間受け器内にお いて同心円状に配置されていることを特徴とする請求項７または８に記載の装置 。 １０．前記中間受け器は、その下部において、前記ガスの源（１）への接続の ための入口（３ａ）を、その上部に容器への接続のための通路（３ｂ）を備えて いろことを特徴とする請求項６ないし９のいずれかの項に記載の装置。 １１．前記中間受け器は、液化ガスを受ける皿（２０）を収容し、この皿は、 前記中間受け器（３）の閉鎖容器（３ｃ）の内壁から隔てられていることを特徴 とする請求項６ないし１０のいずれかの項に記載の装置。 １２．一方は所定量のガスを液化するように働き、他方は他の所定量のガスを気 化−圧縮するように働く、対抗して動作するように設えられている２つの熱コン プレッサーを具備することを特徴とする請求項６ないし１０のいずれかの項に記 載の装置。