JP2011117536A - ガス供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮ガスを安定した状態で減圧して供給することができ、経済性や安全性にも優れたガス供給装置を提供する。
【解決手段】圧縮ガス供給源（高圧ガス容器１１）から供給されるガスを減圧手段（圧力調整器２１、３１）で減圧して供給するガス供給装置において、前記減圧手段のガス流れ方向上流側に、該減圧手段に導入されるガスと温水供給源（温水循環ユニット１５）から供給される温水とを熱交換させて前記ガスを加温する熱交換器２２，３２を設けるとともに、前記減圧手段に、前記温水の一部によって該減圧手段を加温するための温水流路５３を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス供給装置に関し、詳しくは、圧縮ガスを減圧して供給するガス供給装置に関する。
４７リットルの容器や大型容器からの圧縮ガスを供給する際には、圧力調整設備、減圧弁、コントロール弁などの減圧手段によって指定された圧力に減圧して供給するようにしている。このとき、減圧手段で減圧されたガスは、断熱膨張及びジュールトムソン効果によってガス温度が低下するため、減圧手段の外面による結露や着霜が発生してガス圧力の調整が困難になったりすることがある。このため、減圧手段の上流側配管（一次側配管）を加熱したり、減圧手段を加熱したりすることで、減圧後のガス温度の低下を抑制することが行われている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
特開２００６−２８３８１２号公報 特許第３５９２４４６号公報 特公平６−３３８５８号公報
しかし、可燃性ガスを供給する装置の配管や減圧手段を加熱するための加熱源として電気ヒーターを用いることは、万一ガス漏れが発生したときに発火の危険性があるため好ましいものではない。また、加熱用の流体が流れる加熱用配管をガス配管の周囲に巻回したものでは、ガス配管内のガスを十分に昇温させるためには熱伝達面積を極めて大きくしたり、加熱用配管内を流れる流体温度を高温にする必要があり、設備コストや運転コストの上昇を招いてしまう。
一方、（ＳｉＨ４）や三フッ化窒素（ＮＦ３）は、臨界圧力が充填圧力に非常に近く、臨界温度も比較的室温に近いため、臨界点近傍で充填された状態からの供給となる。そして、標準沸点が高いため、断熱膨張によるガス温度の低下が大きく、ガスが液化しやすく、減圧手段への結露や着霜も多くなりやすい。さらに、モノシランは可燃性、自然性を有し、三フッ化窒素も支燃性を有しているため、電気ヒーターの使用は避けることが望ましい。
そこで本発明は、圧縮ガスを安定した状態で減圧して供給することができ、経済性や安全性にも優れたガス供給装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明のガス供給装置は、圧縮ガス供給源から供給されるガスを減圧手段で減圧して供給するガス供給装置において、前記減圧手段のガス流れ方向上流側に、該減圧手段に導入されるガスと温水供給源から供給される温水とを熱交換させて前記ガスを加温する熱交換器を設けるとともに、前記減圧手段に、前記温水の一部によって該減圧手段を加温するための温水流路を設けたことを特徴としている。
さらに、本発明のガス供給装置は、前記温水を３０〜４０℃の温度に加温して前記熱交換器及び前記減圧手段の温水流路に供給する温水循環手段を備えていること、前記減圧手段が直列又は並列に複数配置され、各減圧手段のガス流れ方向上流側に前記熱交換器がそれぞれ配置されていること、前記ガスがモノシラン又は三フッ化窒素であることを特徴としている。
本発明のガス供給装置によれば、温水を加熱源とする熱交換器でガスを加温するので、配管内を流れるガスを効率よく確実に加温することができ、減圧手段も温水によって加温することで減圧後のガスが液化することを確実に防止できる。また、加熱源を温水とすることにより、電気ヒーターに比べて安全性を高めることができる。さらに、温水温度を４０℃以下とすることで、ガス温度が高くなりすぎることがなく、加温に要するエネルギーも少なくすることができる。また、減圧手段を直列又は並列に複数設けることにより、各減圧手段における減圧度を最適に設定することができるので、減圧手段や配管系に結露や着霜を発生させずに、より効率よく減圧ガスを供給することができ、特に、モノシランや三フッ化窒素のようなガスも安全に安定した状態で供給することができる。
本発明のガス供給装置の第１形態例を示す系統図である。 本発明のガス供給装置で使用する熱交換器の一例を示す断面図である。 本発明のガス供給装置で使用する圧力調整器の一例を示す断面図である。
本形態例に示すガス供給装置は、所定の高圧状態で圧縮ガスを充填した圧縮ガス供給源となる高圧ガス容器１１から供給するガスの圧力を低下させるための減圧手段として２個の圧力調整器２１、３１を直列に設けたもので、ガス流れ方向上流側の第１の圧力調整器２１で高圧のガスをあらかじめ設定した減圧度で減圧して中圧のガスとし、下流側の第２の圧力調整器３１で中圧のガスをあらかじめ設定した減圧度で減圧することにより、供給先の要望に応じた圧力の低圧ガスを供給するように形成されている。例えば、充填圧力が９ＭＰａ（絶対圧、以下同じ）の圧縮ガスを大気圧近くまで減圧して供給する場合、第１の圧力調整器２１で４ＭＰａ程度の中圧に減圧した後、第２の圧力調整器３１で４ＭＰａから大気圧に近い供給圧力に減圧して供給する。
ガス供給装置と高圧ガス容器１１との間には、高圧弁１２と圧力検出器１３とが設けられ、ガス供給装置と供給先との間には低圧弁１４が設けられている。そして、各圧力調整器２１、３１のガス流れ方向上流側（一次側）には、熱交換器２２，３２と遮断弁２３，３３とが設けられ、各圧力調整器２１、３１のガス流れ方向下流側（二次側）には、圧力検出器２４，３４がそれぞれ設けられている。また、本形態例に示すガス供給装置には、前記圧力調整器２１、３１及び前記熱交換器２２，３２に加温用の温水をそれぞれ循環供給するための温水循環ユニット１５が、前記圧力調整器２１、３１や熱交換器２２，３２などを配置した装置本体部１６とは隔離された状態で設けられている。
図２に示すように、前記熱交換器２２，３２には、上方が開口した有底の容器４１内に金属製のコイル管４２を収納した構造（シェルアンドコイル構造）のものが用いられ、容器４１の上部開口には、コイル管４２の入口管４２ａと出口管４２ｂとを挿通した蓋体４３が着脱可能に取り付けられている。また、容器４１の対向する側壁の一方には温水導入口４４が設けられ、他方の側壁には温水導出口４５が設けられるとともに、容器４１の内部には、温水導入口４４から容器４１内に流入した温水をコイル管４２と効率よく接触させるための複数の邪魔板（バッフル板）４６がコイル管４２に干渉しないようにして設けられている。温水導入口４４から容器４１内に流入した温水は、邪魔板４６の作用で容器４１内を蛇行しながら流れることによってコイル管４２の外面に満遍なく接触し、コイル管４２の管壁を介してコイル管４２の内部を流れるガスと熱交換することによりガスを加温した後、温水導出口４５から導出される。
図３に示すように、前記圧力調整器２１、３１には、中央のガス流路５１，５２の周囲を囲むようにして温水流路５３が設けられた保温機能付きのものが用いられている。該温水流路５３の一端には温水導入口５４が、他端には温水導出口５５がそれぞれ設けられており、温水導入口５４から温水流路５３に流入した温水は、ガス流路５１の周囲に形成された入口側環状流路５３ａを通り、該入口側環状流路５３ａから弁箱部分の周囲に設けられた弁箱外周流路５３ｂを通って出口側環状流路５３ｃに流入し、これらの各流路を流れる際に圧力調整器２１、３１を加温した後、温水導出口５５から導出される。
温水循環ユニット１５は、任意の熱エネルギーを用いてあらかじめ設定された温度の温水を生成する温水生成器１７と、該温水生成器１７と前記装置本体部１６内の加温対象とを接続する温水供給管１８及び温水戻り管１９とを備えている。温水生成器１７は、例えば電気ヒーターによって３０〜４０℃の温度に加温した温水を生成してポンプで供給するものであって、温水生成器１７で生成した温水は、温水供給管１８を通って熱交換器２２，３２や圧力調整器２１、３１にそれぞれ対応する導入側分岐管１８ａに別れ、熱交換器２２，３２や圧力調整器２１、３１から導出された温水は、各導出側分岐管１９ａから温水戻り管１９に合流して温水生成器１７に循環して再利用されるように形成されている。
温水生成器１７から供給する温水の温度は、供給するガス流量や熱交換器２２，３２の熱交換効率、圧力調整器２１、３１における加温効率などの条件によって任意に設定することが可能であるが、漏洩時の安全性を考慮すると、４０℃以下に設定することが好ましく、ガスの加温効果を考慮すると、３０℃以上、特に３５℃以上が最適である。温水流量も、熱交換器２２，３２におけるガス流量や熱交換効率などに応じて適宜設定することが可能であるが、例えば、熱交換器２２，３２において、コイル管４２内のガスと向流方向の流れで熱交換を行うことによって温度が低下した温水の温度、すなわち、温水導出口４５における温水温度が、温水導入口４４における温水温度に対して−５℃未満、好ましくは−２℃未満となるように設定することが好ましい。
一方、コイル管４２には、供給先が要望するガス流量と、該コイル管４２を通るガス圧力とに応じた径や肉厚のパイプが用いられる。このコイル管４２の長さは、コイル管４２を長くすることによって熱交換後のガス温度を温水温度に近付けることはできるが、使用するパイプのコスト上昇に見合う十分な効果を期待できないため、温水との熱交換により加温されたガス温度が、温水温度に対して−５℃未満、好ましくは−３℃未満になるように設定することが好ましい。
このとき、コイル管４２内を流れるガスと、コイル管４２の周囲を流れる温水とは、コイル管４２の管壁を介して熱交換を行い、ガス配管の周囲に温水配管を巻回する従来の場合のように、２本のパイプの管外面同士が線接触したり、管同士の間に空気層が介在したりすることがないので、コイル管４２の内外の各表面積、管壁の厚さ、内外の温度差、比熱などの各種条件を設定することにより、熱交換後のガス温度などを計算によって容易に求めることができる。したがって、従来のようにガス温度を十分に上昇させることができなくなったり、ガス温度が不安定になったりすることがなく、下流側の圧力調整器２１、３１に流入するガスを所定温度に確実に加温することができる。
また、圧力調整器２１、３１では、減圧後のガス温度と温水の加温効果とを考慮して各圧力調整器２１、３１における減圧度をそれぞれ設定することが好ましく、熱交換器２２，３２に供給する温水温度で、圧力調整器２１、３１の外面に結露が生じない程度に圧力調整器２１、３１の外面を加温できれるように温水流量や温水流路５３の構造、形状を設定すればよい。
さらに、前記温水温度や前記温水循環ユニット１５の温水供給能力、熱交換器２２，３２の熱交換能力、圧力調整器２１、３１の加温能力は、一般的に、供給するガスの最大流量に対応させて設定することになるが、最大流量の継続時間が短時間で、そのときの圧力調整器２１、３１への結露量が無視できる程度ならば、最大流量より少ないガス流量に対応させて各能力を設定することができる。
本形態例に示すように、圧縮ガスの減圧を複数段階で行うことにより、各減圧段階における減圧度を小さくすることができるとともに、減圧手段（圧力調整器２１、３１）に導入する圧縮ガスを高温に加熱する必要がなくなり、４０℃以下の温水を用いた熱交換器２２，３２でガスを加温することで減圧手段でのガスの液化や減圧手段外面への結露を防止することができる。特に、温水によるガスの加温を熱交換器で行うことにより、ガスを所定温度に効率よく加温することができ、４０℃以下の温水を用いることにより、電気ヒーターで配管などを加熱する場合に比べて安全性を確保することができる。また、圧縮ガスが流れる配管系を備えた装置本体部１６と、温水を生成する温水生成器１７とを隔壁などを介して隔離した状態で設置することにより、温水生成器１７の加熱源に電気ヒータを用いても、圧縮ガスと電気ヒーターとが隔離されているため、安全性を大幅に向上させることができる。また、温水を用いることによって、熱水やスチームを用いた場合に比べて加温に要するエネルギーの低減が図れ、配管系からの熱ロスも少なくなり、万一、温水が漏洩しても火傷などの危険はない。
なお、減圧後の低圧ガスを供給先に連続供給する場合には、前記装置本体部１６と温水循環ユニット１５とを備えたガス供給装置を複数設置してもよいが、一つの温水循環ユニット１５を複数の装置本体部１６に対応させることもできる。また、断熱膨張によるガス温度の低下が比較的小さく、減圧度が小さな圧縮ガスを減圧して供給する場合には、減圧手段及び熱交換器を一つずつだけ設けるようにすることができる。
１１…高圧ガス容器、１２…高圧弁、１３…圧力検出器、１４…低圧弁、１５…温水循環ユニット、１６…装置本体部、１７…温水生成器、１８…温水供給管、１８ａ…導入側分岐管、１９…温水戻り管、１９ａ…導出側分岐管、２１、３１…圧力調整器、２２，３２…熱交換器、２３，３３…遮断弁、２４，３４…圧力検出器、４１…容器、４２…コイル管、４２ａ…入口管、４２ｂ…出口管、４３…蓋体、４４…温水導入口、４５…温水導出口、４６…邪魔板、５１，５２…ガス流路、５３…温水流路、５３ａ…入口側環状流路、５３ｂ…弁箱外周流路、５３ｃ…出口側環状流路、５４…温水導入口、５５…温水導出口

Claims (4)

  1. 圧縮ガス供給源から供給されるガスを減圧手段で減圧して供給するガス供給装置において、前記減圧手段のガス流れ方向上流側に、該減圧手段に導入されるガスと温水供給源から供給される温水とを熱交換させて前記ガスを加温する熱交換器を設けるとともに、前記減圧手段に、前記温水の一部によって該減圧手段を加温するための温水流路を設けたことを特徴とするガス供給装置。
  2. 前記温水を３０〜４０℃の温度に加温して前記熱交換器及び前記減圧手段の温水流路に供給する温水循環手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のガス供給装置。
  3. 前記減圧手段が直列又は並列に複数配置され、各減圧手段のガス流れ方向上流側に前記熱交換器がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガス供給装置。
  4. 前記ガスがモノシラン又は三フッ化窒素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のガス供給装置。
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