JP2007144283A - 合成空気の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混合する窒素ガスと酸素ガスの温度を均一化することができ、人体に悪影響を及ぼすおそれのない安全な合成空気を製造し得る合成空気の製造装置を提供することを課題とする。
【解決手段】液化酸素及び液化窒素を気化させる手段５、６と、気化した酸素ガス及び窒素ガスを等温化する手段７と、充填されるべき多数のボンベ１８と共に前記充填ラインに連結される標準混合容器１２と、前記標準混合容器内の充填量相当重量を計測する精密秤１０と、前記充填ラインに接続されて酸素ガスと窒素ガスの充填圧力を計測する精密圧力計１５と、前記精密秤及び／又は精密圧力計による計測結果に基いて充填ガスの切替えと充填動作の開始及び停止の制御を行なう制御手段１１と、前記制御手段に制御されて前記充填ガスの切替え動作と充填動作を行なう切替充填手段１６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンベ詰めするスクーバ潜水呼吸用合成空気の製造装置、より詳細には、液化窒素及び液化酸素を熱交換器で蒸発させてガス化した原料ガスを用い、スクーバ潜水用ボンベに、高圧、且つ、任意の混合比率にて充填し得る合成空気の製造装置に関するものである。

近代医学の発達に伴い、潜水時の高気圧障害である「減圧症」や「窒素酔い」、及び、「酸素中毒」などが医学的理論によりほぼ解明され、その予防法、治療法も確立されている。

現在一般に使用されているボンベ詰め・スクーバ潜水用空気は、駆動部に油潤滑方式を施した圧縮機（オイル潤滑式コンプレッサー）を用い、大気を吸入して、通常２００ｋｇ／ｃｍ^２の高圧に圧縮することにより製造されている。

この製造方法で作られた空気中には、圧縮機の吸入空気の高温暴露で発生する一酸化炭素や二酸化炭素などの不良ガスや、潤滑に利用された油分が蒸気や臭気として残存するので、油水分離器や高性能フィルター、活性炭式脱臭筒などを充填ライン中に配設することにより、吸気した場合に人体に悪影響を及ぼすガスや油分、油蒸気等を吸着・除去している。

しかるに、この場合、充填ライン中の各不純ガス除去部品が故障したり経年劣化することにより、人体に危険なガスをそのまま通過させ、呼吸させてしまう危険性がある。

水中で呼吸した場合に人体に悪影響を及ぼすガス名及び許容濃度（許容分圧）は、文献に明記されている。また、医学・呼吸生理学的見地から、「空気」を呼吸ガスとして用いる潜水は、呼吸するガス（空気）に含有されている窒素ガスの量の影響で、最大６０ｍ位（７絶対気圧）までの水深が許容範囲とされている。

近年、海洋スポーツとしての「スクーバ・ダイビング」が普及し、最大の６０ｍまで潜ることなく、安全潜水範囲とされている水深３０〜４０ｍ位のところで潜水を楽しむ人が増加している。

潜水中、約３０ｍ以深で起きる「窒素酔い」の予防や「減圧時間の短縮化」を目的とした、浅海潜水（０〜４０ｍ）呼吸用のガスとして、窒素と酸素の混合ガスである「ナイトロックス」が開発され、利用者が急増している。

空気も窒素と酸素の混合ガスではあるが、その割合が常に一定であるため、１つのガスとみなし、これを用いての潜水を「空気潜水」と分類しているのに対し、混合するガスの種類、または、混合比率を変えて人工的に作られたガスを呼吸する潜水を総称して、「混合ガス潜水」と呼び、多種ある混合ガス潜水の１つに、窒素と酸素を混合したガスを使用する「ナイトロックス・ダイビング」がある。通常の「ナイトロックス・ダイビング」用混合ガスは、一般空気より窒素成分が少なく、酸素分が多くなっている。

空気潜水では３０ｍ以浅で、若干の個人差はあるが、誰でも窒素麻酔作用（窒素酔い）にかかり易く、一般空気成分より窒素分を少なくし、酸素分を増やした混合比率の窒素／酸素混合ガス（ナイトロックス）を使用した場合には、空気潜水時の同一潜水深度における場合と比べ、窒素麻酔作用が軽減される。但し、酸素成分が一般空気より多いので、潜水深度によっては、酸素中毒の危険性が非常に高くなる。また、酸素分圧にも充分な注意を払うことが重要となる。

「ナイトロックス・ダイビング」潜水法では、酸素成分量（含有量％）によって定められた最大深度（酸素分圧）、最大潜水時間（暴露時間）、及び、１日の最大暴露時間を厳守する必要がある。なお、空気に酸素を加え、酸素分圧を上げた混合ガスが主に使用されるので、「エンリッチ エアーナイトロックス」と呼ばれることもある。

この潜水呼吸用の窒素・酸素混合ガスの製造方法には、低圧で窒素ガスと酸素ガスを混合し、高圧に昇圧する低圧混合法、高圧空気に酸素ガスを添加する高圧混合法、機能性高分子膜を使用するメンブレン法の３種があるが、このうち高圧混合法が主流となっている。

この高圧混合法の場合、混合する複数のガスの温度を均一化することが理想であるが、そのようにすることは容易ではないため、混合誤差が大きくなってしまうという欠点がある。
特開平９−２０３４９８号公報 特開平１１−２２１４２０号公報

本発明は上記従来の高圧混合法における問題を解決するためになされたもので、混合する窒素ガスと酸素ガスの温度を均一化することができ、人体に悪影響を及ぼすおそれのない安全な合成空気を製造し得る合成空気の製造装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、液化酸素及び液化窒素を気化させる手段と、気化した酸素ガス及び窒素ガスを等温化する手段と、充填されるべき多数のボンベと共に前記充填ラインに連結される標準混合容器と、前記標準混合容器内の充填量相当重量を計測する精密秤と、前記充填ラインに接続されて酸素ガスと窒素ガスの充填圧力を計測する精密圧力計と、前記精密秤及び／又は精密圧力計による計測結果に基いて充填ガスの切替えと充填動作の開始及び停止の制御を行なう制御手段と、前記制御手段に制御されて前記充填ガスの切替え動作と充填動作を行なう切替充填手段とを有することを特徴とする合成空気の製造装置である。

好ましくは、前記制御手段は、前記精密秤からの計測結果を優先的に用い、前記精密圧力計からの計測結果を補助的に用いるようにし、また、前記精密秤には予め所望の充填量相当重量を設定記憶させ、前記精密圧力計には予め所望の充填圧力を設定記憶させ、それぞれ計測値が設定値に達したところで、前記制御手段に充填完了信号を送出するようにする。

前記等温化手段は、熱交換器を備えた水槽であって、そこに酸素ガスパイプと窒素ガスパイプとが引き込まれる。

本発明は上記構成であって、酸素ガスパイプと窒素ガスパイプを等温化水槽に通すことにより、混合する窒素ガスと酸素ガスの温度を均一化することができ、精密秤及び／又は精密圧力計によって各ガスを、確実に所望の充填量だけ充填することができ、以て人体に悪影響を及ぼすおそれのない安全な合成空気を製造し得る効果がある。

本発明を実施するための好ましい実施の形態について、添付図面に依拠して説明する。図１は本発明に係る合成空気の製造装置の概要図で、図中１は液化窒素タンク、２は液化酸素タンクを示す。この液化窒素タンク１及び液化酸素タンク２には、タンク・ローリー等から、各々の液化ガスが供給充填される。

各タンク１、２には、それぞれ、マイナス１９５．８℃以下の超低温での運転が可能な液化窒素ポンプ３ないし液化酸素ポンプ４が接続されると共に、液化窒素気化蒸発器５ないし液化酸素気化蒸発器６が設置される。通例これらの気化蒸発器５、６はアルミフィン製で、液化窒素及び液化酸素を熱交換により大気温まで昇熱させる機能を果たすもので、常用の最高使用圧力に十分耐え得る構造のものである。

７は、コンピュータ１１により制御される熱交換器を備えた大型の等温化水槽で、高圧窒素と高圧酸素の２本の高圧ガスパイプ８、９が引き込まれ、そこにおいて高圧ガスパイプ８、９内のガス温度の等温化が行われる。

１０はコンピュータ１１に回線接続された精密秤で、その上に、標準混合容器（ボンベ）１２が載せられる。標準混合容器１２は、フレキシブル・ホース１３等を介して充填ライン１４に接続される。充填ライン１４は、後述する電磁弁で構成される切替弁１６及び温度センサ１７を介し、ガスパイプ８、９に接続される。コンピュータ１１には、標準混合容器１２の水容積と、充填比率から計算して求めた充填予定の窒素・酸素両ガスの質量及び／又は充填圧力を予め記憶させる。

コンピュータ１１には更に、精密圧力計１５と切替弁１６と温度センサ１７とが回線で結ばれる。精密圧力計１５は充填ライン１４に接続し、酸素ガスの充填圧力と窒素ガスの充填圧力として、例えば酸素ガスの充填圧力４０ｋｇ／ｃｍ^２と、窒素ガスの充填圧力２００ｋｇ／ｃｍ^２とを記憶させる。切替弁１６は、コンピュータ１１に制御されて、高圧ガスパイプ８と高圧ガスパイプ９の流路の切替えを行ない、いずれかの高圧ガスパイプ８、９を充填ライン１４に接続し、また、充填ライン１４への流路を開閉する。温度センサ１７は、等温化水槽７を経た高圧ガスパイプ８、９内のガス温度を検出し、温度信号をコンピュータ１１に送出する。

１８は、潜水呼吸用合成空気を充填するボンベで、多数充填台上にセットされ、それぞれ充填ライン１４から延びるフレキシブル・ホース等の充填連結管１９が連結される。

上記構成において、精密秤１０の質量目盛りをゼロにセットし、また、切替弁１６を高圧ガスパイプ９側が開状態となるようにしておいて、先ず、液化酸素ポンプ４を動作させ、液化酸素タンク２から液化酸素を供出させて液化酸素気化蒸発器６に送り込み、気化させる。そして、気化した酸素ガスは、等温化水槽７内を通る高圧ガスパイプ９に流されることにより、所定温度に下げられた後、切替弁１６、温度センサ１７を経て充填ライン１４に送られ、そこから各ボンベ１８に一斉に充填される。

その充填量は、合成空気の場合の酸素ガスは２０％であるので、酸素濃度２０％相当重量（圧力では４０ｋｇ／ｃｍ^２）となるまでであり、当該重量値は、予め精密秤１０に記憶される。上記各ボンベ１８への充填操作に伴い、酸素ガスは、同時に標準混合容器１２へも流入し、精密秤１０において、標準混合容器１２内への酸素ガス充填量が計測される。その計測値が所定の２０％相当重量に至ると、充填完了信号がコンピュータ１１に送られ、この信号に基づいてコンピュータ１１が液化酸素ポンプ４を制御してその動作を停止させ、以て充填ライン１４からの各ボンベ１８への酸素ガス供給が自動停止する。

次いで、切換弁１６が高圧ガスパイプ９側を閉じて高圧ガスパイプ８側を開くように動作すると共に、液化窒素ポンプ３が始動すると、液化窒素タンク１から液化窒素が供出されて液化窒素気化蒸発器５に送り込まれ、そこにおいて気化される。そして、気化した窒素ガスは、等温化水槽７を通る高圧ガスパイプ８内に流されることにより酸素ガスと等温にされた後、切替弁１６、温度センサ１７を経て、充填ライン１４から各ボンベ１８及び標準混合容器１２に、所定の濃度８０％相当重量（圧力では２００ｋｇ／ｃｍ^２）に至るまで充填される。

即ち、精密秤１０において標準混合容器１２の重量計測が行われ、その計測値が８０％相当重量に至ったところで精密秤１０から充填完了信号が送出され、この信号に基いてコンピュータ１１が液化窒素ポンプ３を制御してその動作を停止させる。また同時に、切替弁１６が動作して、充填ライン１４への流路を閉鎖する。

他の例として、「ナイトロックス３２」の場合は、酸素ガス濃度が３２％（圧力では６４ｋｇ／ｃｍ^２）であるので、先ず酸素ガスが３２％相当重量分充填され、次いで窒素ガスが６８％相当重量分（最高充填圧力２００ｋｇ／ｃｍ^２）充填される。この場合も、それらの充填重量値を予め精密秤１０に記憶させておくことは言うまでもない。

上記精密秤１０による計測と同時に、精密圧力計１５による充填圧力の計測が行なわれる。故障等により精密秤１０からの充填完了信号が適正に送出されない場合は、精密圧力計１５からの充填圧力計測信号が活用される。即ち、精密圧力計１５からも、その計測値が、予め設定した充填圧力に達することにより充填完了信号がコンピュータに送出されるので、一次的には精密秤１０からの充填完了信号に基いてコンピュータ１１による制御が行なわれ、二次的に精密圧力計１５からの充填完了信号に基いての制御が行なわれる。

上述した例では精密秤１０を優先させ、精密圧力計１５を補助的に用いているが、これを逆にすることもでき、また、何れかからの先行信号を優先させるようにすることもできる。

精密圧力計１５からの計測された充填圧力値を含む充填完了信号と、精密秤１０からの計測された充填率相当重量値を含む充填完了信号がそれぞれコンピュータ１１に送出されると、予めコンピュータ１１に記憶させた設定値と比較され、その比較結果に基き、液化窒素ポンプ３と液化酸素ポンプ４の始動又は停止、並びに、切替弁１６の切替動作の制御がなされる。

また、温度センサ１７から送出される高圧ガスパイプ８、９内のガス温度の計測データ信号に基き、コンピュータ１１による等温化水槽７の熱交換器の制御がなされ、以て等温化水槽７を経た高圧ガスパイプ８、９内のガスの等温化が図れる。

この発明をある程度詳細にその最も好ましい実施形態について説明してきたが、この発明の精神と範囲に反することなしに広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は添付請求の範囲において限定した以外はその特定の実施形態に制約されるものではない。

本発明に係る合成空気の製造装置の全体構成図である。

符号の説明

１ 液化窒素タンク
２ 液化酸素タンク
３ 液化窒素ポンプ
４ 液化酸素ポンプ
５ 液化窒素気化蒸発器
６ 液化酸素気化蒸発器
７ 等温化水槽
８、９ 高圧ガスパイプ
１０ 精密秤
１１ コンピュータ
１２ 標準混合容器
１３ フレキシブル・ホース
１４ 充填ライン
１５ 精密圧力計
１６ 切替弁
１７ 温度センサ
１８ ボンベ
１９ 充填連結管

Claims (4)

1. 液化酸素及び液化窒素を気化させる手段と、気化した酸素ガス及び窒素ガスを等温化する手段と、充填されるべき多数のボンベと共に前記充填ラインに連結される標準混合容器と、前記標準混合容器内の充填量相当重量を計測する精密秤と、前記充填ラインに接続されて酸素ガスと窒素ガスの充填圧力を計測する精密圧力計と、前記精密秤及び／又は精密圧力計による計測結果に基いて充填ガスの切替えと充填動作の開始及び停止の制御を行なう制御手段と、前記制御手段に制御されて前記充填ガスの切替え動作と充填動作を行なう切替充填手段とを有することを特徴とする合成空気の製造装置。
2. 前記制御手段は、前記精密秤からの計測結果を優先的に用い、前記精密圧力計からの計測結果を補助的に用いる請求項１に記載の合成空気の製造装置。
3. 前記精密秤には予め所望の充填量相当重量を設定記憶させ、前記精密圧力計には予め所望の充填圧力を設定記憶させ、それぞれ計測値が設定値に達したところで、前記制御手段に充填完了信号を送出するようにした請求項１又は２に記載の合成空気の製造装置。
4. 前記等温化手段は、熱交換器を備えた水槽であって、そこに酸素ガスパイプと窒素ガスパイプとが引き込まれる請求項１乃至３のいずれかに記載の合成空気の製造装置。

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