JP2014503769A - ガス貯蔵容器に充填するための方法 - Google Patents

Abstract

ガス貯蔵容器は、液化ガスを有する低温流体を、前記容器の開口部に据え付けられた流体流れ制御ユニットを介して通路に挿入されたノズルの第１導管構造を介して、ガス貯蔵容器に供給し、前記容器に流出入するガスの通路に対し、前記容器を閉じ、さらに、前記低温流体を前記閉じられた容器内部でガス化させることにより、加圧されたガスを充填することができる。発明は、供給段階の間、放出空気及び／又はガス状低温流体を、前記ノズルの第２導管構造を介して前記容器から放出することを含んでいる。放出空気及び／又はガス状低温流体が第１導管構造の長さ周りの第２導管構造を通って流れる実施形態において、前記流体流れ制御ユニットから前記低温流体への熱伝達は、充填中のノズル内低温流体の蒸発レベルを減じることで抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、加圧ガスをガス貯蔵容器に充填する方法に関する。ガス貯蔵容器は一般に、ガス混合物を含むガスを、圧力下、通常は例えば少なくとも１０ＭＰａ（１００バール）はあるような高圧下で貯蔵、及び／又は供給するガスボンベを指す。

所定量の低温流体をガスボンベに充填し、ボンベに出入するガスの通路に対してガスボンベを閉じ、その後同ボンベを所望の圧力のガスで満たすために低温流体を蒸発させることは既に知られている。そのような充填方法には少なくとも２つの利点があり、まずガスを直接圧縮する方法よりもエネルギー消費量が（例えば、１００倍以下のオーダーで）かなり少ないことと、２番目にその方法が（例えば１、２分のオーダーで）かなり迅速なことである。

残念なことに、そのような直接噴射方法は、鋼から作られ極低温で危険なまでに脆くなってしまう標準的な高圧ボンベの充填には適していない。この問題に対処するため、低温流体をボンベ内にある薄肉の内筒内に噴射することでボンベの壁面から低温流体を隔離することが提案されている。

特許文献１（米国特許第１，４１４，３５９号（１９２２年５月公開））は、液化ガスを受け入れる薄肉補助内筒を含む鋼製ガスボンベを開示している。補助筒の上端部であってバルブヘッドの直下には、内筒内部とボンベ内部の残りの部分との間にガスの流れを可能にする１列の孔が存在する。補助筒はボンベ上部で円錐形ストッパに取り付けるか、或いはボンベ底部に配置された円錐形ストッパに取り付けることができる。補助筒は、ボンベのネック部を介して挿入されかつ空気や油圧によって必要な程度に膨張される、膨張可能な軟質金属の管から形成することが可能である。補助筒のサイズは、複数の鋼製ボンベを圧縮ガスで満たすのに十分な液化ガスを収容できるように選択することができる。ここでは、鋼製ボンベは、ボンベ壁の冷却範囲を制限するために、液化ガスの充填時及びその後の気化時において水槽に入れられることが好ましく、さらには鋼の延性下限値を下回らないようにすべての状況下でボンベの過剰冷却は回避されなければならないと開示されている。

特許文献１（米国特許第１，４１４，３５９号）には、薄肉筒への充填がサイフォンや漏斗によって通常の方法で実行されること、及び筒への充填口は小型のバルブヘッドを緩めることで開口すること、或いはその充填が対応した幅の孔を持った特殊バルブを通ってなされること、が開示されている。

特許文献２（米国特許第３，６４５，２９１号（１９７２年２月公開））には、液化ガスをボンベの壁から隔離して液化ガスの緩慢かつ一層均等な気化を確実にするために、ボンベに充填された液化ガスを受ける内筒をそのキャビティ内に設けたガスボンベが開示されている。内筒には、蒸発したガスを、ボンベのキャビティの残りの部分に通過させるガス出口手段が設けられる。ボンベはネック部を備え、ネック部の下方延長部によって構成される内筒と、さもなければその中に延長部が開口するような閉じられた液化ガス受け筒が設けられる。延長部には、半径方向に延びた少なくとも１つの孔が設けられ、その孔を介してガスがボンベのキャビティの残りの部分に対して流出・入できるようになっている。ここには、内筒が例えばマイラー（登録商標）箔などの極低温許容材料で構成されること、及び、ガスの壁は液化ガスと接触してはならないので、壁材料の極低温要件は内筒の要件よりも幾分以下であること、が開示されている。例示した実施形態では、内筒は、閉じたマイラー（登録商標）バッグを支持するアルミニウム管を有する。またここには、一般的には１２．４ＭＰａ（１，８００ｌｂ／ｉｎ²（１２４バール）の圧力でガスを生成するのに十分な量を以て液体窒素や液体酸素や液化アルゴンがボンベに充填可能なことが開示されている。

特許文献２（米国特許第３，６４５，２９１号）は、内筒に低温流体を充填するためのプローブを受ける第１通路と、該第１通路を開閉するための第１バルブ手段と、ボンベからのガス放出を可能にする第２通路と、該第２通路を通過するガスの速度を制御する第２バルブ手段とを有したガスボンベのネック部内に据え付けられるバルブを開示している。低温流体は、プローブ先端を第１通路内に挿入して第１バルブ手段を開け、一定量の低温流体をプローブを介して流動させることで、内筒に充填される。プローブはその後取り外され、第１バルブ手段を閉じることでボンベは密封される。

特許文献２（米国特許第３，６４５，２９１号）に開示されたシステムは、マイラー（登録商標）バッグの寿命が短いことや頑健性、バッグ不具合の検出などの諸問題のせいで発展段階には至らず現在は既に放棄されたものと考えられている。加えて、バッグ充填そのものにも固有の困難がある。例えば、バッグが低温液体で満たされると液体は沸騰し始め、注入状態にある液体の幾分かがボンベ外へと逆流を余儀なくされてしまう。

特許文献３（英国特許第２，２７７，３７０号（１９９４年１０月公開））は、その内面に高密度発泡スチロールなどの断熱材からなるコーティングを施したガスボンベを例示している。ガスボンベは、ひと揃いの充填用空ボンベと流体連通状態になっている。使用時、ライニングが施されたボンベには低温液体が充填され、蒸発することが許される。次いで、そのようにして生成されたガスは、ひと揃いの空ボンベを加圧ガスの状態で満たす。このようにして、容積５０リットル（水）のボンベは断熱処理がなされた状態で約３８リットルの液体窒素を保持することになり、流体静力学的に充分な状態なら、２０ＭＰａ（２００バール）の圧力で３本のボンベ、或いは１０ＭＰａ（１００バール）の圧力で６本のボンベに相当する。

特許文献３（英国特許第２，２７７，３７０号）は、出口と開口したアレージバルブを通る充填処理の間、ボイルオフガスを外に出させることでボンベを液体で満たすことができる三方弁が取り付けられたライニング付きガスボンベを開示している。

特許文献３（英国特許第２，２７７，３７０号）に開示されたシステムはいくつかの欠点がある。例えば、ボンベの内側のライニングには固有の問題を抱えている。加えて、以前の充填物から、ガスや揮発性又は粒子状物質、或いは他の汚染物質を含んだ相当な量の泡がボンベ内に残り、最終的には、ともすると非常に高純度のガスを汚染してしまう可能性がある。

充填処理中の熱伝達の結果として低温流体の一部が沸騰するため、充填機器から低温流体への熱伝達は問題である。沸騰は低温流体の損失をもたらし、結果として容器への液体充填量が目標値よりも低くなり正しい量の流体充填のためにより多くの液体を充填しなければならなくなる可能性がある。加えて、“ボイルオフ”、すなわち蒸発してしまいガス状となった低温流体は、容器に供給されている低温流体の逆流（又は“ブローバック”）や健康や安全性を損なうような低温流体の“吐出”を引き起こす可能性がある。これらの諸問題は、ボイルオフを別のバルブ、例えばカストマー弁やブリード弁を介して放出空気とともに排出したり、熱伝達を最小限にするべく薄肉の機器を使用することで、当該技術ではある程度の処置が施されてきた。しかしながら、これらの問題はこれらの対策によって全部解消されたわけではなく、特にガス貯蔵容器に出入するガス流路が１つしかないガス容器の場合はなおさらである。

米国特許第１，４１４，３５９号 米国特許第３，６４５，２９１号 英国特許第２，２７７，３７０号

本発明の目的は、好ましくは先行技術の諸欠点の１つ、又はそれ以上を解消するような、ガス貯蔵容器に加圧ガスを充填する新規方法を提供することにある。

本発明の好ましい実施形態の目的は、ガス貯蔵容器に充填されている低温流体の沸騰を抑制することにある。

本発明の好ましい実施形態のさらなる目的は、特に容器に出入するガス流れを制御する単一流路だけを有するガス容器において、放出空気及び／又はガス状低温液体の結果としての低温流体のブローバックを抑制することにある。

本発明の好ましい実施形態のその他の目的は、ガス貯蔵容器、特に容器に出入するガス流れを制御する１つ以上の流路だけを有するガス容器に充填する方法を簡略化することにある。

本発明の第１の態様によれば、ガス貯蔵容器に加圧されたガスを充填する方法において、該方法は、
液化ガスを有する低温流体を、前記容器の開口部に据え付けられた流体流れ制御ユニットを介して通路に挿入されたノズルの第１導管構造を介して、ガス貯蔵容器に供給し、
前記容器に流出入するガスの通路に対し、前記容器を閉じ、さらに
前記低温流体を前記閉じられた容器内部でガス化させる、以上の各ステップを有し、前記供給ステップの間、放出空気及び／又はガス状低温流体が前記ノズルの第２導管構造を介して前記容器から放出されることを特徴とする加圧ガス充填方法が提供される。

通常、本方法は、加圧ガスを保持するための内部空間を形成する外筒であって、流体流れ制御ユニットを受容するための開口部を有する外筒、及び該開口部内に据え付けられて前記外筒に出入する流体流れを制御する流体流れ制御ユニットであって、ここを通って容器へ低温流体を供給可能な通路を有する流体流れ制御ユニット、を有するガス貯蔵容器に充填する際に用いられる。前記通路は圧力キャップ又はその類似物を使用し手動で開閉するようにしても良いが、好ましい実施形態としては、通路は、容器内部にある通路端部に位置しかつバネによって閉じ位置に付勢されたバルブを備える。

本方法は、前記圧力キャップを取り外して前記通路を開口し、次いでその開口した前記通路内にノズルを挿入して低温流体を容器内に供給することを有するかもしれない。或いはその代わりとして本方法は、ノズルを挿入してノズル端部によりバネに対抗してバルブを押し開くことで通路を開口させることを有するかもしれない。

一旦、定量の低温流体が容器に供給されたならば、ノズルが前記通路から取り外され、次いで通路はバルブにかかるバネ力によって閉じられるか、或いは圧力キャップを置き換えることで閉じられるかもしれない。

本発明による容器への充填は、低温流体を充填する公知のボンベよりも無駄が少なく簡単かつより信頼性がある。何故なら低温流体注入時、放出空気及び／又はガス状低温流体によって流体流れ制御ユニットの外へと戻ることを強いられる低温流体はほんの少しであるか、或いは皆無であるからである。

加えて、放出空気及び／又はガス状低温流体は、低温流体の容器への供給時、同じ通路を介して容器から排出されるため、本方法は流体流れ制御ユニットを通る通路が１つしかない容器の充填に使用することができる。

さらに、その充填工程は、放出空気及び／又はガス状低温流体のための排出口を提供するためにカストマー弁を別個に開閉する必要がないため、流体流れ制御ユニットを通る２つの（又は、それ以上の）通路を持った容器の場合、一層シンプルである。

好ましくは、容器内部から放出された空気は第１導管構造の長さ周りを流れる。そのような流れは流体流れ制御ユニットから低温流体への熱伝達を抑制する効果がある。この効果は、容器に充填される初期の低温流体が蒸発したり、或いはガス化してガス状低温流体となるような実施形態においては、ガス状低温流体が容器内空気よりもより冷たくなる傾向にあるためにより顕著なものとなる。

第２導管構造は、第１導管構造の長さ周囲に、放出空気及び／又はガス状低温流体が流れるような少なくとも実質的に環状の流路を形成することが好ましい。環状の流路は、放出空気及び／又はガス状低温流体の逆流の熱伝達抑制効果を最大限にする。

好ましい実施形態において、第２導管構造は、放出空気及び／又はガス状低温流体の、第２導管構造の外側の通路を通った放出が防止されるように、流体流れ制御ユニットの通路と係合する。例えば、第２導管構造の寸法（又は、形状）は、一旦ノズルが通路に挿入されたならばノズルと通路壁との間には、仮にあるとしても顕著なほどの間隙がないように、通路の寸法（又は、形状）と適合することが好ましい。通路の壁面は円筒形であっても、又容器の内部に向かってテーパ状であっても良い。

第１導管構造は通常、極低温度で脆化に強い材料から形成される。第２導管構造は、極低温度で脆化に強い材料から形成されることが好ましい。

ノズルは通常、外筒（すなわち、第２導管構造）の中に内筒（すなわち、第１導管構造）有する。内、外筒は一般的には同軸を成している。低温流体は通常、内筒を通って供給されるため、内筒の壁は低温流体に対する熱伝達を減らすため通常は薄くなっている。内筒壁は通常、約１００μｍ〜約２ｍｍ、例えば約１ｍｍの肉厚を有する。内筒は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなポリマー材から形成しても良く、また銅、ステンレス鋼、アルミニウムのような金属から形成しても良い。外筒壁は、一般的に作業者によって取り扱われ、内筒を保護する観点から、通常は若干厚くなっている。外筒は一般的には約１ｍｍ〜約３ｍｍ、例えば約２ｍｍの肉厚を有する。外筒はステンレス鋼のような金属から形成しても良い。

本発明は、例えばガスタンクやその他のガス貯蔵容器など、加圧ガスを貯蔵及び／分配するための如何なるタイプの容器に対しても適用可能である。そのガス貯蔵容器は、一般的に、ガス混合物を圧力下で保持するための内部空間を形成する外筒であって、流体流れ制御ユニットを受容するための開口部を有する外筒、及び該開口部内に据え付けられて前記外筒に出入する流体流れを制御する流体流れ制御ユニット、を有する。

本発明は、例えば、鋼やアルミニウムから作られた高圧ガスボンベといったようなガスボンベに対して特定の用途を有する。いくつかの好ましい実施形態において、容器は単一のガスボンベである。他の好ましい実施形態では、容器は、複数ボンベパックにおいて、複数の “二次的”ボンベと平行なガス連通状態にある中央 の“主要”ボンベである。このような実施形態では、中央ボンベの外筒は通常、アルミニウムから作られ、各二次的ボンベの外筒は通常、鋼から作られる。

ガス貯蔵容器は、断熱材でライニングされた内面を有するボンベであっても良い。このようなボンベの好適な例は、英国特許第２，２７７，３７０号に記載され、その開示は参照により本願明細書に組み込まれる。しかしながら、ガス貯蔵容器はライニングされないことが好ましい。

ガス貯蔵容器はまた、前記内部空間内に少なくとも１つの内筒を有し、前記内筒は、液体固体混合物を前記外筒に対して離間した関係で保持するための前記内部空間の一部分であって、前記内部空間の残りの部分と流体流れ連通状態にある内部空間部分を形成しても良い。

これらの実施形態では、低温流体は第１導管構造を通って容器内部の内筒に送られる。その後、この容器は封止され、次いで低温流体はガス化して容器と、これに連携する任意の二次的容器を加圧ガスで充満する。内筒は、容器の外壁から低温流体を隔離するだけでなく（それによって容器の脆化が回避される）、その薄肉化傾向により沸騰速度を減少させ、より均一なボイルオフをもたらす。

前記内筒は、“ルーズフィッティング”の状態にあることが好ましく、すなわち外筒に対して固定されないことが好ましい。

前記内筒は静水圧だけに曝されるため、“薄肉化”されることが好ましい。前記内筒は通常、低温液体を含む際に内筒自体を支持できるように十分な厚さの基部と包囲壁を有する。基部と包囲壁の厚さは内筒を形成する材料に依存するが、一般的には、内筒の基部と壁は約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの厚さであり、好ましくは約０．２５ｍｍ〜約５ｍｍである。例えば、鋼、アルミニウム、ニッケルなどの金属から内筒を作るような場合、基部と壁の厚さは通常、約２ｍｍ以上にはならず、例えば約１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲である。また、シリコンやポリエステルフィルムなどのポリマー材料から内筒を作る場合には、基部や壁の厚さは、例えば約５ｍｍ未満というように、これより若干増えたものとなり、例えば約１.５ｍｍ〜約４ｍｍの範囲となる。

前記内筒は“開口上部型”又は“開口端部型”のバケツであって、例えば基部と、基部に対して実質上垂直な、通常は円形（必ずしもそうとは限らないが）の包囲壁とを有する容器であることが好ましい。そのような内筒の口は開放端部となる。実施形態によっては前記バケツの開放端部が逆円錐形となる場合がある。

ガス貯蔵容器は、好ましくは外筒に対して離間した関係で内筒を支持するための少なくとも１個の支持具を有する。例えば、内筒用スペーサーアーム及び／又は脚部、或いは内筒が着座する支持基部など、どんな適当な支持具も使用して良い。支持具は（必ずしもそうとは限らないが）内筒に固定された状態でも良い。前記支持具は通常、極低温に強い材料から作られ、一般的には低い熱伝達係数を有する。適当な材料としてはプラスチックやポリマーが挙げられるが、梱包材が使用される場合もある。

容器は、複数の内筒を有しても良い。例えば、各内筒は、閉じられた底端部と口を形成する開口上端部を有する長い薄肉パイプであっても良い。またパイプの直径は、外筒の開口部の直径より大きくても（その場合、パイプは筐体化に先立って外筒の中に導入される）、外筒の開口部の直径よりも小さくても良い（この場合、各パイプはその開口部を介して外筒内部に挿入される）。

好ましい実施形態では、容器は単一の内筒を有する。このような実施形態では、内筒の口は前記開口の直径よりも大きい直径を持つことが好ましい。内筒の口の直径は、開口部の直径よりも少なくとも１００％大きくても良く、少なくとも２００％は大きいことが好ましく、例えば少なくとも４００％大きくても良い。内筒の口の直径は外筒の内径の約９９％まであっても良い。

前記内筒は、低温流体が充填された際にも通常、自己支持型である。内筒は剛性を有し、すなわち、自己支持型であって可能なら変形に対し強くても良い。またこれとは別に、内筒、又は少なくとも１つの内筒は変形できるものでも良い。このような実施形態では、前記内筒は、例えば圧延したり折り畳んだり圧壊することで変形され、次いで外筒の開口部を通って容器の中に挿入されるかもしれない。次いで前記内筒は、ガス圧や水圧を使って容器内で広げられるかもしれない。また、前記内筒が弾力性を有するような実施形態では、内筒は容器内部で人の手を借りることなく元の形状に復帰する。これに関しては、内筒が弾性材料から作られるか、或いは内筒が本質的に弾力性又は“バネ仕掛け”のフレームを有し、容器の基部と壁を形成する変形可能なシート材を支持するかのどちらかである。

低温流体の充填対象であるため、前記内筒は通常、それが露出されることになるような極低温での脆化に対して強い材料から作られる。適合材料としては、例えばアルミ、ニッケルなどの特殊な金属、例えばステンレス鋼などの鋼、例えば触媒硬化型シリコンとポリジメチルシロキサンのようなシリコン類としてのポリマー材料、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴやマイラー（登録商標））などのポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのポリエチレン、及び過フッ化エラストマー（ＰＦＥ）などがある。

内筒は、前記口に加えて、内筒によって形成される内部空間部分と外筒によって形成される内部空間の残りの部分との間に、追加のガス連通状態を提供するための少なくとも１つの開口部を有するかもしれない。そのような場合、開口部は一般的に、容器に充填される低温流体の最大高さ以上の内筒壁に設けられることになる。しかしながら好ましい実施形態としては、上記口は前記内筒における唯一の開口部であることが好ましい。

“離間した関係”という用語は、そこから離れて配置される状態か、或いはそれらの間に間隙があるという意味で使用している。すなわち本発明では、外筒は、内筒に充填された低温流体がそれらの間にある間隙によって外筒から隔離されるように内筒から離れて配置されている。その間隙は通常、１ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上である。

“開口”という用語は、少なくとも完全に閉じられていないという意味で使用している。すなわち本発明では、口は、内部空間の残りの部分に対して、少なくとも完全には閉じられていない状態であって、好ましくは完全に開口した状態にある。好ましい実施形態では、口は、容器の任意部分、特に流体流れ制御ユニットに対して直接取り付けられていない。

前記内筒の口は流体流れ制御ユニットに対して離間した関係にあることが好ましい。

内部空間は、通常、上半分と下半分を有する。内筒が内部空間の下半分又は上半分の中に延びる範囲は、内筒に充填されるべき低温流体の量に依存する。前記内筒は内部空間の下半分から上半分へと延びるかもしれない。例えば、容器が複数ボンベパックの中央の主要ボンベである実施形態では、内筒は、基本的に内部空間の底部付近から上部まで、或いは内部空間長さの９０％まで延びるかもしれない。しかしながら、容器が単一ガスボンベである実施形態では、内筒全体は、内部空間の下半分又は、下３分の１内に設けられることが好ましい。

加圧されたガスを貯蔵及び／又は分配するための特定の好ましい容器は、係属中の欧州特許出願（番号は追って通知される）に開示されおり、ＡＰＣＩ整理番号０７４９２ＥＰＣで確認され、その開示内容は参照することで本願明細書に組み込まれる。

“圧力下”という用語は、そのガスが大気圧を著しく上回る圧力にあること、例えば少なくとも４ＭＰａ（４０バール）の圧力にあることを意味するものである。ガス貯蔵容器は、通常、約５０ＭＰａ（５００バール）の圧力までガスを貯蔵及び／又は分配するのに適している。通常は、容器は、少なくとも１０ＭＰａ（１００バール）、２０ＭＰａ（２００バール）、或いは少なくとも３０ＭＰａ（３００バール）の圧力でガスを貯蔵及び／分配するのに適している。

本発明によるガス貯蔵容器は、純ガスやガス混合物を貯蔵及び／又は分配するのに適している。その容器は、液化することが可能な純ガス、或いは少なくとも主要成分が液化可能であって内筒に液化ガスからなる低温流体の形で充填することができるようなガス混合物、を貯蔵及び／又は分配するにあたって特定の用途を有する。

適切なガスには永久ガスが含まれる。適合するガス例としては、酸素（О₂）、水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、メタン（ＣＨ₄）がある。適合するガス混合物の例としては、溶接ガス（例えば、二酸化炭素（ＣＯ₂）と、オプションとしてのＯ₂と一緒にＮ₂又はＡｒを含むガス混合物）、呼吸ガス（例えば、空気）、“ニトロックス”（Ｏ₂＋Ｎ₂）、“トリミックス”（Ｏ₂＋Ｎ₂＋Ｈｅ）、“ヘリオックス”（Ｈｅ＋Ｏ₂）、“ヘリエアー”（Ｏ₂＋Ｎ₂＋Ｈｅ）、“ハイドレリオックス”（Ｈｅ＋Ｏ₂＋Ｈ₂）、“ハイドロックス”（Ｈ₂＋Ｏ₂）、“ネオノックス”（Ｏ₂＋Ｎｅ）、例えば、Ｏ₂ と亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）からなるガス混合物であるような麻酔ガス、そして“ビール”ガスや加圧型の金属たるからビールを注ぐのを補助するためにパブやバーで使用されるガス、例えばＣＯ₂とＮ₂からなるガス混合物が挙げられる。

“低温流体”は液化ガスを有し、それは液化された純ガス、液化ガスの混合物、又は液化した第１ガスと固化した第２ガスを有し、通常は極低温スラリーやスラッシュの形の液体固体混合物であっても良い。

いくつかの好ましい実施形態において、低温流体は、例えば液体酸素（ＬОＸ）、液体水素、液体窒素（ＬＥＳＴ）、液体ヘリウム、液体アルゴン（ＬＡＲ）、液体ネオン、液体クリプトン、液体キセノン、液体メタンなどの低温液体、或いは特定のガス混合物を生成するのに必要なこれら液体同士の適当な混合物である。

他の好ましい実施形態では、低温流体は液化した第１ガスと固化した第２ガスを有する液体固体混合物である。液化した第１ガスは、上に掲げた低温液体の内の１つ又はそれ以上であっても良いし、固化した第２ガスは、特定ガス混合物を成すため必要に応じ、通常、個体のＣО₂やＮ₂Оである。

適切な液体固体混合物は、通常、例えば約０．１ＭＰａ（１バール）〜約０．２ＭＰａ（２バール）の周囲圧力で少なくとも１０分間、好ましくは少なくとも３０分間、より好ましくは１時間まで安定状態にある。これに関連して“安定”という用語は、その混合物が周囲圧力において、その成分の１つ又はそれ以上の重大な損失なしに扱うことができるということを意味する。

液体固体混合物は、通常、注ぐことができ、導管に沿って圧送／配管でき、そして弁でその流れを調整できる流体である。液化ガスと固化ガスの相対的な割合により、混合物の粘稠度及び外観は、ドロっとしたクリーミーな物質（ホイップクリームや白色ワセリンと大して違わないもの）からサラサラな乳状物質まで及ぶ範囲のものであっても良い。混合物の粘度範囲は、通常、約１ｃＰｓ（サラサラ乳状混合物）から約１０，０００ｃＰｓ（ドロっとしたクリーミー混合物）までである。粘度は約１，０００〜約１０，０００ｃＰｓでも良い。混合物は、液相中に浮遊した状態の微粉化した固体粒子から構成されることが好ましい。液体固体混合物は極低温スラリー又はスラッシュとして記載されるかもしれない。

本発明者らは、液体アルゴン／固体二酸化炭素からなる混合物を大気温度に温めた場合には、液体アルゴンが最初、相当量の固体二酸化炭素を残した状態で気化し、その後に徐々に昇華が始まることを観察した。均一に混合されたアルゴン／二酸化炭素からなる混合物は、容器内でのガスの拡散によって生成される。本発明者らは、固体二酸化炭素を含有する他の液体固体混合物は同じように振舞うであろうと予期している。

混合物中の液体・固体成分の相対的割合は、所望のガス混合物によって決定され、また混合物に対し流体特性を持たせようとする要望によって決定される。好ましい実施形態にでは、約４０重量％〜約９９重量％の液体成分と、約１重量％〜約６０重量％の固体成分とが存在する。

第１、第２ガスが何であるかは、容器を充填するガス混合物によって決定されることになる。本発明での使用に適したガス混合物の例としては、溶接ガス、“ビール”ガス、麻酔ガス、火災消火ガス、などがある。

適切な溶接ガスとしては、窒素／二酸化炭素の混合物（例えば、約８０重量％〜約９５重量％の窒素と約５重量％〜約２０重量％の二酸化炭素）、及びアルゴン／二酸化炭素の混合物（例えば、約８０重量％〜約９５重量％のアルゴンと約５重量％〜約２０重量％の二酸化炭素）がある。そのような溶接ガス混合物において、酸素を、幾分かの窒素やアルゴンガスと置き換えることも可能である。すなわち、溶接ガスは０重量％〜約５重量％の酸素を含有する場合もある。

特に好適な溶接ガスは約８０重量％〜約９０重量％のアルゴン、０重量％〜約５重量％の酸素、及び約５重量％〜約２０重量％の二酸化炭素を含有する。適切な溶接ガスの例としては、アルゴン（約７７.５重量％〜９０.５重量％）で調和した状態の約２.５重量％の酸素と約７重量％〜約２０重量％の二酸化炭素を含有する。

適切な“ビール”ガスとしては、窒素／二酸化炭素の混合物（例えば、約４０重量％〜約７０重量％の窒素及び約３０重量％〜約６０重量％の二酸化炭素）がある。

適切な麻酔ガスとしては、酸素／窒素酸化物の混合物（例えば、約６５重量％〜約７５重量％の酸素及び約２５重量％〜約３５重量％の亜酸化窒素）がある。

適切な消火ガスとしては、窒素／二酸化炭素の混合物（１:１の重量比）がある。

従って、第１ガスは窒素、アルゴン、酸素からなるグループから選択しても良い。他に適切なガスとしては、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン及びメタンがある。

第２ガスは、通常、周囲圧力では固体の形で安定状態にある。これに関連して“安定”という用語は、固体状態にある第２ガスが、その固体の形がこれらの条件下で容易に取り扱うことができるように、周囲圧力で過度に急速に気体状（昇華又は溶融・蒸発のどちらかによって）にならないことを意味する。第２ガスは、通常、二酸化炭素及び亜酸化窒素からなるグループから選択される。

液体固体混合物は、液化ガスと固化ガスからなる二元混合物であっても良い。とはいえ、液体固体混合物が、複数種の液化ガスと１つの固化ガスからなる混合物、或いは１つの液化ガス又は複数種の固化ガスからなる混合物であるかもしれない。いくつかの好ましい実施形態では、液体固体混合物が第３の液化ガスを有する。第３の液化ガスは、第１液化ガスと非混和性であっても良いが、好ましい実施形態としては、液化した第１ガスと第３ガスは互いに対し混和性を有する。

ガス貯蔵容器が溶接ガスで充満される好ましい実施形態では、液化した第１ガスは液体アルゴンであり、固化した第２ガスは固体二酸化炭素である。このような実施形態では、液体固体混合物はまた、液体アルゴンと混和する液体酸素を有しても良い。したがって、液体固体混合物は、約８０〜約９０重量％の液体アルゴン、０〜約５重量％の液体酸素及び約５〜約２０重量％の固体二酸化炭素を有するかもしれない。

適切な低温液体と固体の混合物は、係属中の欧州特許出願（番号は追って通知される）に開示されおり、ＡＰＣＩ整理番号０７４９３ＥＰＣで確認され、その開示内容は参照することで本願明細書に組み込まれる。

単一の容器の内筒への低温流体の充填は、通常、１分以上はかからず１０〜２０秒ですむことになるかもしれない。容器は通常、１時間未満で純ガスによる完全加圧状態となる。

当業者にとっては容易に理解されるだろうが、ガス貯蔵容器を加圧された純ガスで満たすべき場合、内筒に供給又は充填されることになる低温液体の量は、理想気体の状態方程式、すなわち、
ＰＶ＝ｎＲＴ
を使って計算することができる（但し、Ｐ：容器内のガスの所望の圧力、Ｖ：容器の体積、ｎ：気体のモル数、Ｒ：気体定数であり、Ｔ：絶対温度）。

一旦、特定の容器が選択されたならば、Ｒや大気温度と同じようにＶや最大Ｐは既知のものなる。その際、ｎの値は、以下の式で計算することができる。
Ｎ＝ＰＶ／ ＲＴ

その後、このモル数ｎは、これに分子量Ａを掛けることで、グラム（ｇ）表示のガス質量Ｍに変換される。
Ｍ＝ｎＡ

例えば５ＭＰａ（５０バール）以上の実在気体に対しては、この基本的な計算式に追加すべき補正があり、それは分子間の吸引・反発力や分子の有限かつ異なるサイズに依存する。これらの補正は、以下の式、
ＰＶ＝ｎＲＴＺ
にあるように、因子Ｚ、すなわちガスの“圧縮性”を含めることで考慮することができる。

多くのガスに対しては広い圧力範囲・温度範囲にわたって一覧表があり、いくつかのガスに対しては複雑な近似式が存在する。

その計算式は、ガス貯蔵容器を加圧ガス混合物で充填するにあたって必要とされる、２種以上の低温液体からなる混合物の量、或いは第１液化ガスと第２固化ガスからなる液体固体混合物の量を決定するために、必要に応じて用いられるかもしれない。

容器に供給される低温流体の量は様々な方法で制御可能である。例えば、（重量又は容積のいずれかによって）容器に加えられた所定量の流体を測るようにしても良い。そのような方法は、一般的には、単一ボンベを充填するような小規模な処理に使用されるかもしれない。或いはこれとは別に、必要な量がボンベに送られて容器への流れが停止されたり、中断される地点まで、容器への低温流体の流れを（流量計を使った容積、又は秤を使った重量のどちらかにより）計量するようにしても良い。そのような方法は一般的には、複数ボンベへの連続した充填のような大規模な処理に使われるかもしれない。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様で定義されや方法において使用されるノズルが提供される。そのノズルは、ガス貯蔵容器にある開口部に据え付けられた流量制御ユニットを通る通路への挿入に適しており、容器へ低温流体を供給する第１導管構造と、容器から放出空気及び／又はガス状低温流体を排出するための第２導管構造とを有する。

本発明の第３の態様によれば、ガス貯蔵容器に加圧されたガスを充填する装置が提供される。その装置は、液化ガスを有する低温流体の供給源、前記容器の開口部に据え付けられた流体流れ制御ユニットを通り、通路を介して、ガス貯蔵容器内に低温流体を供給するノズル、及び前記供給源から前記ノズルへと低温流体を供給する導管構造を有する。前記ノズルは、低温流体を前記容器に供給する第１導管構造と、放出空気及び／又はガス状低温流体を前記容器から放出する第２導管構造と、を有する。

低温流体供給源はそのようなタイプの流体溜めであっても良い。例えば、小規模な処理の場合、供給源は小タンクやバケツのような小型容器であっても良く、或いは注ぎ口の周りにスリーブを据え付けた変形漏斗のホッパであっても良い。大規模処理の場合、供給源は大型タンクでも良い。そのような大規模処理では、低音流体は、ポンプや静水頭を用い、タンクから導管に沿ってノズルへと汲み上げるようにしても良い。

前記装置の好ましい実施形態において、第１導管構造の少なくとも一部分は第２導管構造の中に位置する。好ましくは、第２導管構造は第１導管構造の長さ周りに少なくとも実質的に環状の流路を形成する。

第２導管構造の外側にある通路を介した放出空気及び／又はガス状低温流体の排出が回避されるように、第２導管構造はその通路と係合することが好ましい。

第１導管構造は、容器の内側にある内筒の中にまで延びることが好ましい。

以下の説明は、ほんの一例として添付図面を参照した、本発明の現時点で好ましいとされる実施形態に関するものである。まず図面に関して説明する。

本発明に係るノズルの一実施形態の縦断面図である。 線Ａ−Ａで示した面に沿う、図１Ａのノズルの横断面図である。 ガス貯蔵容器で使用される図１のノズルの概略的断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに関し、ノズル２は、ガス貯蔵容器（図示せず）に、液化ガスを有した低温流体を供給する第１通路６を形成する第１導管４を有している。その第１導管４は第２導管８の中で同軸状に設けられることで、第１導管４と第２導管８の間に、低温流体充填時、ガス貯蔵容器（図示せず）からの放出空気及び／又はガス状低温流体を排出するための環状通路１０を形成する。

第１導管４はＰＴＦＥ管である。第１導管４は、使用の際、管壁から低温流体への熱伝達が減少するように薄肉化される。第４導管の管壁の厚さは約１ｍｍである。第２導管８は、約２ｍｍの肉厚を有するステンレス管である。第１導管４と第２導管８は、一連の連結具１１を用いて接続される。

使用時の図１Ａ、１Ｂのノズル２を図２に示す。ガスボンベ１２は、加圧ガスを保持するための内部空間１６を形成する外筒１４を備えている。外筒１４は鋼から作られ、ボンベ１２内外への流体の流れを制御するための流体流量制御ユニット２０を受ける開口部１８を備えている。流体流れ制御ユニット２０は、流体充填入口２２と、制御弁２８を有するカストマー出口２６を有する。流体充填入口２２は流体流量制御ユニット２０を通る通路であって、ボンベ１２の内側に位置する通路の端部は、バネによって閉じ位置に付勢されたバルブ２４によって閉じられている。流体流制御ユニット２２は、一般的に、圧力逃がし弁（図示せず）を備える。

アルミニウム製の内筒３０は全体が内部空間１６の下半分に設けられている。内筒３０は、外筒１４に対して離間した関係で低温流体３６を保持するための内部空間１６部分３４を形成する。支持具３８によって内筒３０と外筒１４の間に離間した関係が作られる。内筒３０は、ノズル２の第１導管４を介して流体流れ制御ユニット２０からの低温流体を受ける口４０を備える。第１導管４の端部４２は内筒３０の口４０の下まで延びることで、導管４からの噴霧が内筒３０によって確実に捕捉される。導管４の端部４２は、通常は、内筒３０への流体充填後の状態で、導管端部がその低温流体３６の表面の下方になるほど内筒３０の口４０の下方に延びることはない。

口４０は内部空間１６の残りの部分に対して開口することで、内筒３０と内部空間１６の残りの部分との間に流体連通状態ができる。

ボンベ１２は、流体流量制御ユニット２０の流体入口２２にノズル２を挿入することによって充填される。第１導管４の端部４２は、バネに逆らってバルブ２４を押し開き、ノズル２は、第２導管８が流体入口２２の通路に係合するまでシリンダ１２内に押し込まれる。第１導管４の端部４２は、内筒３０の口４０より下方に位置する。低温流体は流路６を介して第１導管４を落下して内筒３０内に供給される。低温流体は内筒３０に接触するや否や、熱移動により蒸発及び／又は昇華（流体の性質にも依存するが）を開始する。放出空気はガス状の低温流体で冷却された状態で、図中の矢印で示すように第２導管８によって形成され環状通路１０を通ってボンベ１２から排出される。

ボンベ１２に供給される低温流体の量、例えば、体積や質量は、ボンベ内の目標ガス圧（しかるに、ボンベの容積、低温液体とガスの各密度）に基づいて計算され、ボンベへの送りが制御されることで確実に正確な量の低温流体が加えられる。

必要な量の低温液体がボンベ１２に加えられたならば、ノズル２を流体入口２２から取り外すことで、バルブ２４は閉じた状態となる。低温流体は、その後、蒸発や場合によっては昇華によってガスとなり、ボンベ２を所望の圧力のガスで満たすこととなる。

例
大きなネック部（４０ｍｍ）を持った２３．５リットルの鋼製ガスボンベには、液体充填口とチューブを持った流体流れ制御ユニット、カストマー弁及び安全逃し弁が装備された。マイラー（登録商標）バッグが液体充填チューブに接続されてボンベ内部に設けられた。その結果できたボンベと内部は米国特許第３，６４５，２９１号に記載されているものと同様であった。

そのシステムは、充填前にＬＩＮによって予備冷却された。予冷後、図１Ａ、１Ｂで示したように、同軸流路を持ったノズルにある中央のチューブを経て、４リットルのＬＩＮがバッグに注入された。ＬＩＮ注入時はカストマー弁は開放され、その後、ＬＩＮ注入後にカストマー弁と液体充填口の双方が閉じられた。その際、ボンベの圧力と温度は経時的に記録された。約２８分後、実質上全てのＬＩＮが沸騰した。

実験は、その後、図１に示すタイプの２３．５リットル鋼鉄製ガスボンベを用いて繰り返された。内筒２２は触媒硬化型シリコンから作られた。内筒２２は丸められ首部を介してボンベ内に挿入された。挿入後、内筒２２は人の手を借りることなく元の形状に戻った。内筒２２は、ボンベ壁と基部との接触を回避する上で、いくらかの梱包材上に着座した。以前のように、ボンベの圧力と温度が経時的に記録され、発明者らは約３７分後に実質上全てのＬＩＮが沸騰したことを確認した。

実験はその後、液体アルゴン／固体二酸化炭素のスラリーを充填した内バッグを含むボンベを用いて繰り返された。液体アルゴンの通気タンクの表面上にノズルから液体二酸化炭素を噴霧することにより９７重量％の液体アルゴン／ ７重量％の固体二酸化炭素のスラリーが用意された。十分な二酸化炭素が添加されて得られたスラリーは、その自由流動特性や色について確認された。不透明な白色の水のような液体が得られた。

そのシステムは、充填前にＬＩＮによって予備冷却された。予冷後、約４．２リットル（ブローバックや液だれなどによる１．８リットルの損失を含む、総計６リットル）の混合物がノズルを通ってバッグに注入された。混合物注入時、カストマー弁は開放され、その後、混合物の注入後にカストマー弁と液体充填口の双方が閉じられた。その際、ボンベの圧力と温度は経時的に記録された。７％の平衡値に戻るまで、二酸化炭素の含有量が数日間にわたって数時間ごとに測定された。

発明者らは、ブローバックや液だれなどによる混合物の損失は、仮に混合物がボンベの基部内にある内バケツに充填された場合、かなり低減されるだろうと期待している。

本発明の利点としては、
・放出空気による容器供給中の低温流体のブローバックの抑制、それによる充填安全性及び充填精度の向上、無駄の減少、
・充填時の流体流れ制御ユニットから低温流体への熱伝達の抑制、それによる低温流体のブローバックの更なる減少、
・単一流体流路を有する容器への簡単かつ効果的充填の達成、及び
・放出空気及び／又はガス状低温流体を排出するためにその他のバルブを作動させる必要がなく、１つ以上の流体流路を有する容器の充填作業が簡単になること、がある。

本発明は好ましい実施形態を引用して上述した詳細な説明に限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義した本発明の精神や範囲を逸脱することなく、様々な修正や変形が可能であることを理解されたい。

Claims (14)

1. ガス貯蔵容器に加圧されたガスを充填する方法において、
   該方法は、
   液化ガスを有する低温流体を、前記容器の開口部に据え付けられた流体流れ制御ユニットを介して通路に挿入されたノズルの第１導管構造を介して、ガス貯蔵容器に供給する段階と、
   前記容器に流出入するガスの通路に対し、前記容器を閉じする段階と、
   前記低温流体を前記閉じられた容器内部でガス化させる段階とを有し、
   前記ガス貯蔵容器に供給する段階の間、放出空気及び／又はガス状低温流体が前記ノズルの第２導管構造を介して前記容器から放出されることを特徴とする加圧ガス充填方法。
2. 前記放出空気及び／又はガス状低温流体は、前記第１導管構造の長さ周りを流れ、前記流体流れ制御ユニットから前記低温流体への熱伝達を抑制することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２導管構造は、前記第１導管構造の前記長さ周りに，少なくとも実質的に環状の流路を形成することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記第２導管構造は、放出空気及び／又はガス状低温流体の、前記第２導管構造の外側にある前記通路を通る放出が防止されるように、前記通路と係合することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の方法。
5. 前記低温流体は、前記第１導管構造を介して前記容器内部の少なくとも１つの内筒に送り込まれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記低温流体は、液化された第１のガスと固化された第２のガスを有する液体固体混合物であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 液化された前記第１のガスは、窒素（Ｎ₂）、アルゴン（Ａｒ）、酸素（О₂）及びその化合物なるグループから選択されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 固化された前記第２のガスは、二酸化炭素（ＣО₂）及び亜酸化窒素（Ｎ₂О）からなるグループから選択されることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の方法。
9. 前記液体固体混合物は、最終成分に基づき、
   約８０〜約９０重量％の液化アルゴンと、
   ０重量％〜約５重量％の液体酸素と、
   約５重量％〜約２０重量％の固体二酸化炭素とを有することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. ガス貯蔵容器に加圧されたガスを充填する装置において、
    該装置は、
    液化ガスを有する低温流体の供給源と、
    前記容器の開口部に据え付けられた流体流れ制御ユニットを通り、通路を介して、ガス貯蔵容器内に低温流体を供給するノズルと、
    前記供給源から前記ノズルへと低温流体を供給する導管構造とを有し、
    前記ノズルは、低温流体を前記容器に供給する第１導管構造と、放出空気及び／又はガス状低温流体を前記容器から放出する第２導管構造とを有することを特徴とする装置。
11. 前記第１導管構造の少なくとも一部分は、前記第２導管構造内にあることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記第２導管構造は前記第１導管構造の長さ周りに、少なくとも実質的に環状の流路を形成することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 前記第２導管構造は、放出空気及び／又はガス状低温流体の、前記通路を介した第２導管構造外部への放出が防止されるように、前記通路と係合することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記第１導管構造は、前記容器の内側にある内筒の中に延びることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置。

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