JP2011157992A

JP2011157992A - 高圧ガス供給装置

Info

Publication number: JP2011157992A
Application number: JP2010018204A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Tsuchiya; 茂土屋
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】高圧側の配管から低圧側の配管に高圧ガスを供給、充填する際、高圧ガスの導入に伴う断熱圧縮によるガス温度の急激な上昇を抑制することが可能な高圧ガス供給装置を提供する。
【解決手段】開閉弁を有するガス供給用の主配管Ｌ２Ａと、開閉弁の二次側の主配管Ｌ２Ａに、付属機器６Ａを取り付けるために設けられた接続配管Ｌ３Ａと、を備え、接続配管Ｌ３Ａの長さｌが主配管Ｌ２Ａの内径Ｒよりも大きく、接続配管Ｌ３Ａの内径ｒが主配管Ｌ２Ａの内径Ｒよりも小さく設けられていることを特徴とする高圧ガス供給装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧ガス供給装置の改良に関する。

一般的に、酸素及び酸素混合ガス充填工場では、液化ガス貯蔵内の液化ガスを液体ポンプ等の圧縮機で昇圧した後、蒸発器で気化させた高圧ガスを、開閉弁等の複数の弁類を介して酸素ボンベ等の充填容器に所定の圧力で充填する方法が採用されている。

ところで、高圧側から低圧側へ高圧ガスを導入する配管に設けられた上記弁類を介して高圧ガスを供給するとき、すなわち、第１開閉弁類を閉止状態から開放して高圧ガスを供給する際、これらの第１開閉弁の上流側のガス圧力が高く、第１開閉弁の下流側のガス圧力が低いときには、ガス圧力の差圧により、ガスが急激に下流側の配管へ流入する。

ガスが急激に下流側の配管へ流入することで、下流側の配管に接続されている圧力調整弁や開閉弁などの第２開閉弁類、第２開閉弁類近傍配管から分岐した配管で接続されている圧力計や圧力発信器、その他センサー類の機器類部分において断熱圧縮が発生する。これにより、ガス温度が急激に上昇することがあり、高温の状態によるセンサー類の異常や故障が起こる可能性があった。

また、圧力計等のガスケットやパッキン等には、有機材料等で構成されている部材が用いられている。このような機器の接続に用いられている有機材料からなる部材は、ガス漏れを防止するために設けられているものであるが、劣化することによりその機能を十分に発揮する事ができなくなる。これにより、高圧ガスを安全かつ確実に供給することができなくなる。

また、高圧ガスが酸素や空気等を代表とする支燃性ガスの場合、ガスケットやパッキンなどの有機材料からなる部材が、断熱圧縮に伴う急激なガス温度の上昇により自然発火して発火事故に至るケースがある。さらには、急激な温度上昇に伴う発火により爆発を引き起こす可能性も有る。

したがって、酸素及び酸素混合ガスのような支燃性高圧ガスの供給設備において、高圧側の配管と低圧側の配管とを仕切る該第１開閉弁を閉止状態から開放して低圧側配管に高圧ガスを供給するに際して、低圧側の配管内の断熱圧縮に伴うガス温度の急激な上昇を抑制する事が重要である。

ところで、断熱圧縮による急激なガス温度の上昇による発火事故を抑制、防止する方法としては、支燃性高圧ガスを供給するに際し、高圧ガス供給配管に高圧の不活性ガスを充填して供給配管内のガス圧を高めて支燃性高圧ガスを供給することにより発火を防止する方法が知られている（特許文献１）。

また、酸素又は酸素混合ガス等の支燃性高圧ガスを、開閉弁を介して高圧側の配管から低圧側の配管へ供給するに際し、高圧側と低圧側とを仕切るアイソレーションバルブを備えたガス供給管において、供給管の高圧側と低圧側とを連結するバイパスラインを設けて、バイパスラインの弁を緩やかに開き低圧側の供給管内の圧力を高圧側の供給管内の圧力と等しくして高圧ガスを供給する方法が知られている。

ところで、図９は、一般的な酸素充填設備の一例を示す概略系統図である。
図９に示すように、酸素充填設備１１０は、液化ガス貯槽１０１と、液体酸素ポンプ１０２と、蒸発器１０３と、第１の開閉弁１０４とが設けられた配管Ｌ１０１と、第２の開閉弁１０５Ａ，１０５Ｂ、圧力計１０６Ａ，１０６Ｂ、充填容器１０７Ａ，１０７Ｂとがそれぞれ設けられた配管Ｌ１０１から分岐する配管Ｌ１０２Ａ及び配管Ｌ１０２Ｂとから概略構成されている。そして、液化ガス貯槽１０１内の液体酸素は、液体酸素ポンプ１０２で高圧に昇圧された後、蒸発器１０３でガス化される。高圧の酸素ガスは、第１の開閉弁１０４及び第２の開閉弁１０５Ａ，１０５Ｂを経て充填容器１０７Ａ，１０７Ｂへ所定の圧力となるまでそれぞれ充填される。

ここで、第１の開閉弁１０４が閉止された状態であり、第１の開閉弁１０４の下流で配管Ｌ１０１から分岐される配管Ｌ１０２Ａ及び配管Ｌ１０２Ｂの内圧が大気圧で、第２の開閉弁１０５Ａ，１０５Ｂが閉止されている場合に、第１の開閉弁１０４を開けると、高圧の酸素ガスが大気圧である配管Ｌ１０２Ａ，Ｌ１０２Ｂ内に急激に流入する。そして、配管Ｌ１０２Ａ,１０２Ｂの末端部となる第２の開放弁１０５と、各配管Ｌ１０２Ａ，Ｌ１０２Ｂに圧力計１０６Ａ，１０６Ｂを接続するためのそれぞれの接続配管Ｌ１０３Ａ，Ｌ１０３Ｂ内とで、断熱圧縮による急激な温度上昇が起こる。それにより、圧力計１０６Ａ，１０６Ｂと接続配管Ｌ１０３Ａ，Ｌ１０３Ｂとの接続部を封止している有機材料系ガスケット等の構成部材を劣化もしくは発火に至らしめる危険性がある。

また、酸素充填工場等の大型設備ではガス流量も多く、配管径も大きいため、主配管で上記現象が起きると、断熱圧縮による温度上昇も大きくなり、危険性も増大する。

しかしながら、上記の特許文献１に開示された方法では、供給ガスが不活性ガスで汚染され、高純度の酸素又は酸素混合ガスを充填容器に充填する方法には適していないという問題があった。
また、上記バイパスラインを設けて高圧ガスを供給する方法では、主バルブの誤操作への対応が十分とはいえないという問題があった。

特許第３４６２０９９号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、高圧側の配管から低圧側の配管に高圧ガスを供給、充填する際、高圧ガスの導入に伴う断熱圧縮によるガス温度の急激な上昇を抑制することが可能な高圧ガス供給装置を提供することを目的とする。

本願の発明は以下の構成を有する。
請求項１に係る発明は、開閉弁を有するガス供給用の主配管と、前記開閉弁の二次側の前記主配管に、付属機器を取り付けるために設けられた接続配管と、を備え、
前記開閉弁を急速に開放して、前記主配管内の一次側の高圧ガスを当該主配管の二次側に供給する高圧ガス供給装置であって、
前記接続配管の長さが前記主配管の内径よりも大きく、
前記接続配管の内径が前記主配管の内径よりも小さく設けられていることを特徴とする高圧ガス供給装置である。

請求項２に係る発明は、前記主配管の内径が１５ｍｍ以下であって、
前記接続配管の長さが２０ｍｍ以上であり、
前記接続配管の内径が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス供給装置である。

本発明の高圧ガス供給装置によれば、接続配管の長さが主配管の内径よりも大きく、接続配管の内径が主配管の内径よりも小さく設けられているため、主配管に設けられた開閉弁を急速に開放して高圧の一次側の配管から低圧の二次側の配管に高圧ガスを供給する際、高圧ガスの導入に伴う断熱圧縮によるガス温度の急激な上昇を抑制することができる。したがって、低圧の二次側の配管において末端となる接続配管と付属機器との接続部近傍における発火を防止することができる。

本発明を適用した一実施形態である高圧ガス供給装置を示す概略系統図である。本発明を適用した一実施形態である高圧ガス供給装置の、主配管と接続配管との関係を説明するための拡大図である。本発明の実施例に用いた模擬発火試験装置の概略系統図である。本発明の実施例に用いた模擬発火試験装置の発火試験ノズルの概略図である。本発明の実施例を説明するための、発火試験ノズルにおける発火頻度の測定結果を示した図である。本発明の実施例を説明するための、発火試験ノズルにおける発火頻度の測定結果を示した図である。本発明の実施例を説明するための、発火試験ノズルにおける発火頻度の測定結果を示した図である。本発明の実施例を説明するための、発火試験ノズルにおける発火頻度の測定結果を示した図である。従来の高圧ガス供給装置を示す概略系統図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である高圧ガス供給装置として酸素充填装置に適用した例について、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１に示すように、本実施形態の酸素充填装置（高圧ガス供給装置）１０は、液化ガス貯槽１と、液体酸素ポンプ（昇圧機）２と、蒸発器３と、第１の開閉弁（開閉弁）４とが設けられたガス供給用の配管Ｌ１と、第２の開閉弁５Ａ、圧力計（付属機器）６Ａ、充填容器７Ａとがそれぞれ設けられた配管Ｌ２Ａと、第２の開閉弁５Ｂ、圧力計（付属機器）６Ｂ、充填容器７Ｂとがそれぞれ設けられた配管Ｌ２Ｂとを備えて概略構成されている。

より具体的には、配管Ｌ１は、第１の開閉弁４の二次側において配管Ｌ２Ａと配管Ｌ２Ｂとに分岐されている。本実施形態の酸素充填装置１０では、配管Ｌ１，Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂが主配管を構成する。

また、配管Ｌ２Ａと圧力計６Ａとは、接続配管Ｌ３Ａを介して接続されている。すなわち、接続配管Ｌ３Ａの一端側が配管Ｌ２Ａと連通されるとともに、他端側が圧力計６Ａと接続されている。なお、配管Ｌ２Ｂと圧力計６Ｂとは、同様にして接続配管Ｌ３Ｂを介して接続されている。

本実施形態の酸素充填装置１０を用いて、各充填容器７Ａ，７Ｂへ高圧の酸素ガスを充填するには、先ず、液化ガス貯槽１内の液体酸素を液体酸素ポンプ２により昇圧した後、蒸発器３でガス化する。そして、高圧の酸素ガスを、第１の開閉弁４及び第２の開閉弁５Ａ，５Ｂを順次開放することにより、充填容器７Ａ，７Ｂへ所定の圧力となるまでそれぞれ充填することができる。

ところで、第１の開閉弁４が閉止された状態では、配管Ｌ１の第１の開閉弁４の一次側は高圧となっており、二次側の配管Ｌ１及びこのＬ１から分岐されるＬ２Ａ及びＬ２Ｂの内圧は大気圧となっている。

ここで、第２の開閉弁５Ａ，５Ｂがそれぞれ閉止されている状態で、第１の開閉弁４を開放すると、高圧の酸素ガスが大気圧である配管Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂ内に急激に流入することになる。そして、配管Ｌ２Ａ,Ｌ２Ｂの末端部となる第２の開放弁５Ａ，５Ｂと、各配管Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂに接続されているそれぞれの接続配管Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ内とにおいて、断熱圧縮による急激な温度上昇が起こる。これにより、図９に示すような従来の酸素充填装置では、圧力計等の付属機器と接続配管との接続部を封止している有機材料系ガスケット等の構成部材が劣化もしくは発火に至らしめるおそれがあった。

そこで、図２に示すように、本実施形態の酸素充填装置１０によれば、ガス供給用の主配管を構成するＬ２Ａ（Ｌ２Ｂも同様）と、付属機器である圧力計６Ａを接続するための接続配管Ｌ３Ａとの関係において、接続配管Ｌ３Ａの長さｌが配管Ｌ２Ａ（主配管）の内径Ｒよりも大きくするとともに、接続配管Ｌ３Ａの内径ｒが配管Ｌ２Ａの内径Ｒよりも小さくなるように設けている。すなわち、配管Ｌ２Ａの内径Ｒと、接続配管Ｌ３Ａの長さｌと、接続配管Ｌ３Ａの内径ｒとは、下記式（１）の関係を有することを特徴としている。これにより、圧力計６Ａと接続配管Ｌ３Ａとの接続部Ｓにおけるガス温度の急激な上昇を抑制することができる。
ｌ（接続配管の長さ）＞Ｒ（主配管の内径）＞ｒ（接続配管の内径）・・・（１）

ところで、ガス温度が上昇する際、配管に熱が奪われるとガス温度は下降する。ここで、配管の内径が大きい場合には、配管中心部のガスの熱が配管に伝わるのに時間がかかるため、しばらくは高い温度が維持されると考えられる。一方、配管の内径が小さい場合には、配管の中止部も早めに熱を奪われるため、早く温度が下がることになる。
配管内径の大小は、瞬間的な温度上昇にはあまり影響しないが、温度上昇後、高温がどの程度維持されるかについては、内径が小さい場合、長時間（数十ミリ秒以上）維持されないため、ガスケットの発火が起こりにくくなると考えられる。

より具体的には、酸素及び酸素混合ガスの充填工場で使用される充填用の配管（主配管）としては、内径Ｒが１０〜１６ｍｍ程度のものを用いる場合が多い。この場合の接続用配管は、内径ｒが３ｍｍ以下、長さｌが２０ｍｍ以上とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態の酸素充填装置（高圧ガス供給装置）１０によれば、接続配管Ｌ３Ａ（Ｌ３Ｂ）の長さｌが主配管を構成する配管Ｌ２Ａ（Ｌ２Ｂ）の内径Ｒよりも大きく、接続配管Ｌ３Ａ（Ｌ３Ｂ）の内径ｒが配管Ｌ２Ａ（Ｌ２Ｂ）の内径Ｒよりも小さく設けられている。このため、配管（主配管）Ｌ１に設けられた第１の開閉弁（開閉弁）４を急速に開放して高圧の一次側の配管から低圧の二次側の配管に高圧ガスを供給する際、高圧ガスの導入に伴う断熱圧縮によるガス温度の急激な上昇を抑制することができる。したがって、低圧の二次側の配管Ｌ２Ａ（Ｌ２Ｂ）において末端となる接続配管Ｌ３Ａ（Ｌ３Ｂ）と圧力計（付属機器）６Ａ（６Ｂ）との接続部Ｓ近傍における発火を防止することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態では、高圧ガスとして酸素を例にして説明したが、これに限定されるものではなく、他の一般的に高圧ガスとして用いることがある気体についても適用することができる。

以下、具体例を示す。
本発明の効果を説明するために、図３に示す模擬発火試験装置２１０を用いて、急速に開閉バルブを開いた際の末端部での温度上昇の影響につき、主配管の内径と接続用配管の長さとを変えて、末端部に設けた有機化合物からなるガスケットの発火頻度を調べた。

図３に示すように、模擬発火試験装置２１０の主たる構成は、酸素濃度９９．５％以上の酸素ガスが充填された酸素ボンベ２０１、酸素ガス圧縮機２０２、蓄圧容器２０９、圧力調整器２１１、バッファータンク２１２、高速作動バルブ２０４、試験配管Ｌ２０１、熱電対２２１とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるガスケットをセットした発火試験ノズル２２０である。

圧縮機２０２で圧縮された酸素ガスは、一旦、蓄圧容器２０９に充填され、圧力調整器２１１で試験に必要な圧力に調整される。蓄圧容器２０９と開閉弁（高速作動バルブ）２０４との間に、開閉弁２０４を開いた後の圧力低下を極力防ぐために、バッファ―タンク２１２を設けている。

開閉弁２０４の下流側には、内径Ｒが１４．３ｍｍもしくは１０．９ｍｍで、長さが約１ｍのステンレス製の試験配管Ｌ２０１を接続し、その末端に発火試験ノズル２２０を設けた。

図４に示すように、発火試験ノズル２２０は、その内径が試験配管Ｌ２０１の内径Ｒと同一とされるとともに、その内部に内径ｒ且つ長さｌの真鍮製の細径管２２２を装着できるようになっている。また、試験配管Ｌ２０１と接続される側と反対側の末端から挿入したポリテトラフルオロエチレン製の円盤状のガスケット（直径１９ｍｍ、厚さ２ｍｍ）２２３を細径管２２２に密着するようにネジ２２４で固定する構造とした。この発火試験ノズル２２０は、ガスケット２２３が発火しても延焼を防げるようにするため、真鍮製とした。

なお、試験配管Ｌ２０１及び発火試験ノズル２２０の内径Ｒが、本発明の主配管の内径に該当し、真鍮製の細径管２２２の内径ｒ及び長さｌが、本発明の接続配管の内径及び長さに該当するものである。

このような模擬発火試験装置２１０において、開閉弁２１１の上流側に高圧を張ったあと開閉弁２１１を開き、発火試験ノズル２２０に急速に高圧をかける試験を行った。

なお、発火試験では、周囲温度の影響を排除するため、バッファータンク２１２、開閉弁２０４、開閉弁２０４に接続した試験配管Ｌ２０１、発火試験ノズル２２０を、ヒーターで３０℃に加温し、一定温度を保ちながら実施した。

また、開閉弁２０４の下流側となる低圧側配管の圧力を大気圧（０．１ＭＰａ）とし、開閉弁２０４の上流側となる高圧側配管の圧力（供給圧力）を変えて、開閉弁２０４を急速に開けた際のガスケット２２３の発火頻度を測定した。

ここで、ガスケットの発火頻度とは、発火試験を実施した際の発火した割合であり、「発火した回数／実験回数」である。

前記試験配管Ｌ２０１の内径Ｒは、１４．３ｍｍと１０．９ｍｍのものを用い、それぞれ細径管２２２を５ｍｍ、３ｍｍとしたもの、長さｌを１０と２０ｍｍとしたもので、下表１に示す発火試験を実施した。

図５は、内径Ｒが１０．９ｍｍの試験配管を用い、発火試験ノズルに長さｌが１０ｍｍの細径管を挿入して、細径管の内径ｒを３ｍｍ、５ｍｍとし、高圧側の圧力を、１０〜２５ＭＰａと変えて実施した場合の発火頻度を測定した結果である（試験例１，２）。なお、比較のため、発火試験ノズルに細径管を挿入せず、内径１０．９ｍｍのままとした場合の測定結果も示している。

図５に示すように、細径管を挿入しない場合、高圧側の圧力が２０ＭＰａになると急激に発火頻度が上昇し、２５ＭＰａでは、約６割の確率で発火が見られた。一方、細径管を挿入した場合、２０ＭＰａでは、内径に拘わらず１割程度に抑えられ、内径が３ｍｍの場合では、２５ＭＰａであっても、発火頻度は約１割程度まで低減された。

図６は、試験例１，２と同様に、内径Ｒが１０．９ｍｍの試験配管を用い、発火試験ノズルに挿入する細径管の長さｌを２０ｍｍのものに替えた場合での測定結果である（試験例３、４）。比較のため、発火試験ノズルに細径管を挿入せず、内径１０．９ｍｍのままとした場合の測定結果も示す。

図６に示すように、細径管の長さｌを２０ｍｍにすると、高圧側が２５ＭＰａの圧力のときでも、細径管内径３ｍｍの場合は発火が起こらなかった。また、細径管内径５ｍｍでも、細径管がない場合に比べて発火頻度はかなり下がることがわかる。

図７は、内径Ｒが１４．３ｍｍの試験配管を用い、発火試験ノズルに長さｌが１０ｍｍの細径管を挿入して、細径管の内径ｒを３ｍｍ、５ｍｍとした場合の発火頻度を測定した結果である（試験例５，６）。比較のため、発火試験ノズルに細径管を挿入せず、内径１４．３ｍｍのままとした場合の測定結果も示す。

図７に示すように、細径管を挿入せず、配管径を変えない場合は、高圧側の圧力を２５ＭＰａの場合、発火頻度は８割となるが、内径５ｍｍの細径管を挿入した場合、約２割に抑制され、内径３ｍｍの細径管では、ほとんど発火しなかった。

図８は、試験例５，６と同様に、内径Ｒが１４．３ｍｍの試験配管を用い、発火試験ノズルに挿入する細径管の長さｌを２０ｍｍのものに替えた場合での測定結果である（試験例７，８）。比較のため、発火試験ノズルに細径管を挿入せず、内径１４．３ｍｍのままとした場合の測定結果も示す。

図８に示すように、細径管を挿入すると、試験例１〜６の場合と同様、発火頻度は抑制され、内径３ｍｍの細径管を挿入した場合は２５ＭＰａでも発火せず、内径５ｍｍの細径管を挿入した場合でも１５ＭＰａであれば発火は確認できなかった。

１・・・液化ガス貯槽
２・・・液体酸素ポンプ（昇圧機）
３・・・蒸発器
４・・・第１の開閉弁（開閉弁）
５Ａ，５Ｂ・・・第２の開閉弁
６Ａ，６Ｂ・・・圧力計（付属機器）
７Ａ，７Ｂ・・・充填容器
１０・・・酸素充填装置（高圧ガス供給装置）
Ｌ１・・・ガス供給用の配管
Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂ・・・配管
Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ・・・接続配管

Claims

開閉弁を有するガス供給用の主配管と、前記開閉弁の二次側の前記主配管に、付属機器を取り付けるために設けられた接続配管と、を備え、
前記開閉弁を急速に開放して、前記主配管内の一次側の高圧ガスを当該主配管の二次側に供給する高圧ガス供給装置であって、
前記接続配管の長さが前記主配管の内径よりも大きく、
前記接続配管の内径が前記主配管の内径よりも小さく設けられていることを特徴とする高圧ガス供給装置。
前記主配管の内径が１５ｍｍ以下であって、
前記接続配管の長さが２０ｍｍ以上であり、
前記接続配管の内径が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス供給装置。