JP2002054795A - 液化ガスの加圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液化ガスを液状のまま圧縮して運転効率を高
く保持することができる上に、コンパクトに構成するこ
とができる液化ガスの加圧装置の提供を課題とする。 【解決手段】 シリンダー内に吸入した液化ガスを加圧
する装置において、そのシリンダーの少なくとも外周
に、液化ガス又は加圧ガスが流入して断熱膨張すること
により冷却される冷却室を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液化二酸化炭素等の
液化ガスの加圧装置に関するものであり、更に詳しくは
真空断熱された容器等に充填されている液化ガスを液体
状態のまま効率よく加圧して、その容器内以上の高圧の
液化ガスや、更にその加圧された液化ガスを所定の温度
まで加熱して、例えば超臨界状態のガスを得るための装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常使用される二酸化炭素などはボンベ
に常温で加圧充填されたり、あるいは−２０℃程度まで
冷却し、圧力を２ＭＰａ程度まで低下させた真空断熱さ
れた容器（以下、単にボンベ又は貯蔵容器と略称する）
に液化ガスとして充填されて流通している。そして、こ
のような液化二酸化炭素をボンベ貯蔵圧以上の圧力、例
えば１０ＭＰａの液化ガス状態にして使用する場合に
は、その液化二酸化炭素が送液される圧縮機の周囲を低
温冷凍機を用いて、−３０℃付近まで冷却しながら、１
５００〜２０００ｒｐｍのような高速で回転するモータ
ーを用いた多段ポンプによって圧縮するか、複数のピス
トンを使用した往復ポンプをモーターで駆動して圧縮す
る液加圧方式や、ダイヤフラム膜を介して圧縮したりす
る方式を用いていた。また、二酸化炭素を高圧の気体状
態、例えば超臨界状態で使用する場合には、液化二酸化
炭素を臨界温度以上に加熱して気化蒸発させた後、気体
圧縮機（ガスブースター）で圧縮するガス加圧方式が一
般的に採用されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
液加圧方式にあっては、圧縮機内に液化二酸化炭素を吸
い込むときに、二酸化炭素が気化して蒸発し、吸い込み
能力が低下する現象（キャビテーション）を防止するた
め、上記したように、その圧縮機の周辺を別途設置する
冷凍機によって作られた冷媒で、貯蔵容器から取り出し
た液化ガスの温度以下に冷却する必要があり、従って、
設備が大型化し、コストの増加や設置スペースが大きく
なる問題があった。また、ガス加圧方式においては、液
化二酸化炭素を気化蒸発させる蒸発器が必須であり、加
圧源としては、電動機や空気又は油圧を駆動源として使
用するブースターが使われるが、圧縮時の発熱を除去す
る冷却装置が必要であり、一般に効率が低く、コンパク
トで大容量の装置を製作することは困難であった。ま
た、冷却される圧縮機の温度が必要以上に低くなるの
は、経済的にも取り扱う上でも好ましくない。

【０００４】そこで、本発明は液化ガスを液状のまま圧
縮して運転効率を高く保持するとともに、別途冷却装置
を設ける必要をなくして、コンパクトに構成でき、経済
的にも取り扱う上でも非常に有効で、高圧の液化ガスは
もちろん、それを別途設ける加熱手段で加熱して、例え
ば超臨界状態のガスとして取り出すことも可能にした液
化ガスの加圧装置を得ることを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するために、本発明は、次のような液化ガスの加圧装置
を提供するものである。すなわち、シリンダー内に吸入
した液化ガスを加圧する装置において、そのシリンダー
の少なくとも外周に、液化ガス又は加圧ガスが流入して
断熱膨張することにより冷却される冷却室を設けたこと
を特徴とする液化ガスの加圧装置である。なお、前記シ
リンダーは、吸入する液化ガスの温度以下乃至その温度
−１０℃以上に冷却されることを特徴としている。ま
た、前記シリンダーを冷却することにより発生した固体
又は液体を気化させるように構成したことを特徴とする
ものであり、液化ガスが貯蔵されている容器内の気相を
加圧するように構成したことを特徴とするものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例に基づいて説明する。図１は本発明になる
液化ガスの加圧装置の模式図であり、液化ガスとしては
最も好ましい実施態様となる液化二酸化炭素を例にとっ
て説明する。また、図２は二酸化炭素の状態を示すグラ
フ図であり、図３は二酸化炭素の蒸気圧曲線を示すグラ
フ図である。

【０００７】液化二酸化炭素を圧縮するには、図２で示
す三重点温度を越え、臨界点未満の温度範囲で行うこと
が必要である。この温度範囲の中の適度な温度が、ボン
ベや加圧装置等の耐圧性、経済性等を考慮して決められ
る。液化二酸化炭素は一般に断熱貯蔵容器に冷却されて
充填され、更にボンベ内の二酸化炭素の蒸発潜熱により
冷却されて、図３で示す蒸気圧曲線の温度と圧力を保っ
ている。すなわち、ボンベに取り付けられたリリーフ弁
によりボンベ内圧力を調節して、図３に示す蒸気圧曲線
上の温度、圧力となっており、一般には−２０℃、２Ｍ
Ｐａ程度の液体の状態で貯蔵されている。

【０００８】図１において、（１）はその液化二酸化炭
素を低温加圧充填した真空断熱式のボンベであるが、真
空断熱式ボンベ（１）の代わりに常温の加圧液取出式ボ
ンベも使用可能である。ボンベ（１）内の液化二酸化炭
素は、上記したように、通常温度は−２０℃で、圧力は
２ＭＰａであり、液体の状態で充填されている。（２）
はシリンダー（３）などからなる圧縮機であり、ピスト
ン（４）を備えたシリンダー（３）の周囲には冷却室
（５）が配設されている。ピストン（４）は駆動装置
（６）によって往復動するように構成され、シリンダー
（３）内に吸入した液化二酸化炭素はこのピストン
（４）で圧縮されるが、シリンダー（３）内の液化二酸
化炭素の圧力は、駆動装置（６）の加圧力によって調節
される。

【０００９】なお、本実施例ではピストン（４）によっ
て液化二酸化炭素を圧縮する例を示すが、この他に、ダ
イヤフラム膜の往復動やベーン又はスクリューの回転に
よって圧縮する方法が適用可能である。ダイヤフラム膜
を往復動させるには、ボールネジやクランク機構を原動
機によって往復動させればよく、ベーンやスクリューを
回転させるには、原動機を駆動源として回転駆動すれば
よい。

【００１０】また、冷却室（５）はボンベ（１）内に貯
蔵されている液化二酸化炭素の一部を流入させ、その液
化二酸化炭素を断熱膨張させることによって冷却するよ
うに構成したもので、液化二酸化炭素の代わりに圧縮空
気等の加圧ガスも使用可能である。この冷却室（５）
は、ボンベ（１）内の液化二酸化炭素をシリンダー
（３）に送液して圧縮する場合に、上記したキャビテー
ションを防止するため、ボンベ（１）内の液化二酸化炭
素の温度である−２０℃以下乃至その温度−１０℃以
上、即ち−２０℃〜−３０℃に、そのシリンダー（３）
を冷却するものである。このように、冷却温度が−２０
℃〜−３０℃であると、経済的に好ましいものとなり、
取り扱う上でも好ましいものとなる。

【００１１】一方、（７）は冷却室（５）内に流入させ
た液化二酸化炭素が断熱膨張することによって発生した
固化物、即ちドライアイスや液体が配管経路を閉塞する
のを防止するために、冷却室（５）の排出口側配管に設
置した蒸発器であり、（８）は蒸発器（７）の周囲に配
設された加熱器である。そして、（９）は効率よく蒸発
を促進するためのレンコン状の孔を有する加熱用目皿で
あり、蒸発器（７）は加熱器（８）によって７０℃程度
に加熱される。

【００１２】（１０）は入口側配管、（２０）は出口側
高圧配管であり、（１１）は温度上昇防止用の断熱材で
ある。なお、出口側の配管に設ける断熱材（１１）は、
超臨界状態の二酸化炭素ガスを得る場合には、トレース
ヒーター等の加熱手段（図示しない）と交換される。ま
た、（１２）は元弁、（１３）は入口側逆止弁であり、
（１４）は冷却室（５）に流入させる冷却用液化二酸化
炭素の流量調整弁、（１５）は冷却室（５）に配設され
た自動温度調節器（図示しない）によって開閉する自動
弁である。そして、（１６）は出口側高圧配管（２０）
の安全弁であり、（１７）はリリーフ弁（１８）に通じ
る自動弁、（１９）は出口弁である。なお、この自動弁
（１７）は、運転開始時に、シリンダー（３）内に吸入
した液化二酸化炭素が断熱膨張することによって生成さ
れるドライアイスにより、圧縮機（２）のシール部が損
傷するのを防止するための弁である。

【００１３】また、（２１）は液化二酸化炭素の圧縮機
（２）への送液が均一になるようにする配管（以下、均
一管という）、（２２）は減圧弁、（２３）はボンベ
（１）内の圧力以上に配管圧力が上昇した場合に備える
安全弁、（２４）はボンベ（１）との接続弁であり、配
管内の圧力変動や温度変動、使用量の変動によって、圧
縮機（２）への液化二酸化炭素の送液が不安定になるの
を防止するようにしている。すなわち、液化二酸化炭素
が貯蔵されているボンベ（１）と圧縮機（２）とを均一
管（２１）で接続し、圧縮機（２）によって加圧された
液化二酸化炭素を加熱して得られた二酸化炭素ガスの一
部を減圧弁（２２）により所定の圧力をかけてボンベ
（１）内に圧入し、ボンベ（１）から圧縮機（２）への
液化二酸化炭素の送液が均一になるようにして、安定し
た加圧作業が行えるようにしている。

【００１４】また、このように、加圧された二酸化炭素
ガスの一部をガス状のままボンベ（１）内に圧入する
と、ボンベ（１）内の気相が加圧され、ボンベ（１）か
ら圧縮機（２）へ送液する液化二酸化炭素の沸点が上昇
するので、沸点が上昇した後の液化二酸化炭素が、その
沸点以下乃至その沸点−１０℃以上、好ましくはその沸
点以下乃至その沸点−５℃以上の温度に冷却された圧縮
機（２）で加圧されることになり、加圧装置の運転が、
より高い温度で実施できることになる。こうして、液化
二酸化炭素の通常温度である−２０℃よりも高い温度で
運転することができるようになれば、加圧装置を取り扱
う上でも経済的にも非常に好ましいものとなる。

【００１５】本発明の加圧装置は、以上のような構成に
なっており、次に、その作用を説明する。まず、流量調
整弁（１４）と自動弁（１５）を開いて、ボンベ（１）
内の−２０℃の液化二酸化炭素を冷却室（５）に流入さ
せる。冷却室（５）に流入した液化二酸化炭素は断熱膨
張してシリンダー（３）の周囲の熱を奪い、シリンダー
（３）を冷却する。このときのシリンダー（３）内の温
度は、吸入する液化二酸化炭素の温度以下乃至その温度
−１０℃以上、つまり、−２０℃〜−３０℃である。こ
のシリンダー（３）の冷却温度は自動温度調節器にて開
閉する自動弁（１５）によって調節される。その後、元
弁（１２）を開き、ボンベ（１）内の−２０℃の液化二
酸化炭素をシリンダー（３）内に吸入し、ピストン
（４）によってその液化二酸化炭素を圧縮する。

【００１６】こうして、ボンベ（１）内の圧力以上に加
圧された高圧液化二酸化炭素は出口弁（１９）を開くこ
とにより取り出され、目的の用途に供される。ちなみ
に、本実施例では、ボンベ（１）の内圧が２ＭＰａの液
化二酸化炭素を加圧して、２０ＭＰａ以上の高圧液化二
酸化炭素を容易に得ることができた。また、図示の加圧
装置では加圧後に取り出すものは液体となっているが、
超臨界状態の二酸化炭素を得ることが目的の場合には、
上記したように出口側配管にヒーターを配設するか、出
口側高圧配管（２０）の取出部側に加熱器（図示しな
い）を設置すればよく、このような加熱手段によって臨
界点以上に加熱すれば、容易に超臨界二酸化炭素を取り
出すことが可能となる。また、こうして得られる二酸化
炭素の一部はボンベ（１）内に圧入され、ボンベ（１）
内の気相を加圧して、圧縮機（２）へ送液される液化二
酸化炭素の沸点を上昇させるのに利用される。

【００１７】何れにしても、本発明は、別途設ける付属
冷凍機から供給される冷媒で冷却するのではなく、液化
ガスを加圧する圧縮機のシリンダーの外周壁に冷却室を
設け、その冷却室内に液化ガスの一部又は圧縮空気等の
加圧ガスを流入させ、その液化ガス又は加圧ガスを断熱
膨張させることによってシリンダーを冷却し、吸入する
液化ガスの温度以下乃至その温度−１０℃以上に、その
圧縮機を冷却するものであり、液化ガスの吸入経路及び
排出経路に断熱材を付設して温度上昇を防止するように
したものである。そして、更に、その断熱膨張によって
発生した固体又は液体を加熱して気化させる蒸発器や加
熱器を設けて、排出経路の閉塞を防止するようにしたも
のであり、液化ガスが貯蔵されている容器と圧縮機とを
配管で接続して、その容器内の気相を圧縮機から送出さ
れる加圧ガスにより加圧し、圧縮機へ送液する液化ガス
の沸点を上昇させるようにしたものである。

【００１８】本発明になる加圧装置を効率良く運転さ
せ、安定した加圧動作を行うには、吸い込み時のキャビ
テーションを防止するために、シリンダーの温度を、吸
入する液化ガスの温度付近まで冷却することが重要であ
り、液化二酸化炭素のように、断熱膨張させたときに固
化物（ドライアイス）が発生する場合には、そのドライ
アイスが排出口を閉塞しないように、加熱された目皿を
有するコンパクトな蒸発器を排出口側に設置して気化す
るようにし、その二酸化炭素ガスを効率よく排出して、
排出口を閉塞しないようにすることが重要である。こう
して、閉塞の状態がなくなれば、安定した圧縮が実現さ
れ、例えば５０ＭＰａ以上の高圧化が容易に実現でき
る。なお、シリンダーの外周壁に冷却室を設けるのでは
なく、電子冷却素子を設けて冷却するように構成しても
よい。また、本実施例では、液化二酸化炭素を加圧する
ことについて説明をしたが、本発明はこれに限定される
ものではなく、加圧することにより、効率が上がる他の
液化ガス、例えば自己冷却用に使用した後、大気に放出
しても差し支えないメタン、エタン、プロパンなどの液
化炭化水素等にも充分採用することが可能である。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、シリンダー内に吸入し
た液化ガスを加圧する装置において、そのシリンダーの
少なくとも外周に、液化ガス又は加圧ガスが流入して断
熱膨張することにより冷却される冷却室を設けたので、
従来の液圧縮方式に不可欠な付属冷凍装置が不要とな
り、設置スペースを小さくできてコンパクト化が図れ、
設備コストの低減化が図れる。しかも、そのシリンダー
は、吸入する液化ガスの温度以下乃至その温度−１０℃
以上に冷却されるので、安定した圧縮が実現できるとと
もに経済的であり、シリンダー内に吸入する液化ガスの
冷熱により、自己冷却用液化ガスの消費量が極めて少量
で済むため、運転開始後のコストもきわめて低減するこ
とができる。また、そのシリンダーを冷却することによ
り発生した固体又は液体を気化させるように構成したの
で、配管経路が閉塞するようなことはなく、液化ガスが
貯蔵されている容器内の気相を加圧するように構成すれ
ば、経済性、取り扱い性を更に向上させることができ
る。

【００２０】また、本発明は、液体の状態にて加圧、圧
縮する液圧縮方式であるため、気体の状態で加圧する場
合に生じる圧縮熱は殆ど発生せず、効率よく、急速に、
かつ容易に大容量の高圧化が実現でき、加圧能力の大幅
な向上を図ることができて、装置全体の運転効率を高め
ることができる。そして、装置の動作回数（往復動回数
や回転数）もガス圧縮方式に比較して低減できるので、
運転が静かであり、事務所脇などに設置しても防音対策
が不要であり、適用範囲を拡大することが可能となる。
したがって、本発明の当業界に及ぼす効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる液化ガスの加圧装置の模式図

【図２】二酸化炭素の状態を示すグラフ図

【図３】二酸化炭素の蒸気圧曲線を示すグラフ図

【符号の説明】

１ ボンベ ２ 圧縮機 ３ シリンダー ４ ピストン ５ 冷却室 ６ 駆動装置 ７ 蒸発器 ８ 加熱器 ９ 目皿 １０ 配管 １１ 断熱材 １２ 元弁 １３ 逆止弁 １４ 流量調整弁 １５ 自動弁 １６ 安全弁 １７ 自動弁 １８ リリーフ弁 １９ 出口弁 ２０ 配管 ２１ 均一管 ２２ 減圧弁 ２３ 安全弁 ２４ 接続弁

フロントページの続き (72)発明者 山木 宏 神奈川県川崎市川崎区夜光１丁目３番１号 旭化成工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3E072 DA01 DB03 GA30 3L044 BA09 CA02 CA12 DB03 KA01 KA05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダー内に吸入した液化ガスを加圧
   する装置において、該シリンダーの少なくとも外周に、
   液化ガス又は加圧ガスが流入して断熱膨張することによ
   り冷却される冷却室を設けたことを特徴とする液化ガス
   の加圧装置。
2. 【請求項２】 前記シリンダーは、吸入する液化ガスの
   温度以下乃至その温度−１０℃以上に冷却されることを
   特徴とする請求項１に記載の液化ガスの加圧装置。
3. 【請求項３】 前記シリンダーを冷却することにより発
   生した固体又は液体を気化させるように構成したことを
   特徴とする請求項１又は２に記載の液化ガスの加圧装
   置。
4. 【請求項４】 液化ガスが貯蔵されている容器内の気相
   を加圧するように構成したことを特徴とする請求項１乃
   至３の何れかに記載の液化ガスの加圧装置。