JP2015505943A - 圧力容器および圧力容器にｃｎｇを充填する方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】ＣＮＧの保管および輸送するための圧力容器は、本体を備えており、この本体は、ＣＮＧが保管および輸送される内部容積を画定する。入口が設けられ、それを通して容器の内部容積にＣＮＧを充填することができる。前記入口の端部に、ＣＮＧ膨張セクションが設けられ、ここを通ってＣＮＧが、充填される際に容器内へと膨張する。圧力容器はさらに、容器の内部容積の中のある地点にＣＮＧを注入するためのＣＮＧ充填付属品を備え、これによりＣＮＧの膨張地点と容器の壁との間の空間を拡大させる。【選択図】図２

Description

本発明は、圧力容器および圧力容器に圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を充填する方法に関する。ひとたび充填されたＣＮＧは、圧力容器内に保管される、またはその中で他の場所に輸送されることができる。

ＣＮＧは、天然ガスの形態であり、典型的には生の天然ガスであり、これによりそれは、その圧縮状態において（場合によっては室温（２０℃）で２００から３００バールの間の圧力で、すなわち典型的には２５０バール辺りで）大気圧のガスとしてそれが占める体積のうちの極めて少量を占める体積の範囲内で保管および輸送することができる。典型的には、その体積の削減はおよそ９９％であり、すなわちそれは恐らく大気圧におけるガスとしてそれが占める体積のほんの１％以下を占めるだけである。したがって圧力容器を使用するＣＮＧの輸送は、商業的に実用可能な選択であり、常に長距離を伴う、および／またはパイプラインがその後伸張すべき海洋または海の水深が深いことが多いことに起因して、パイプラインを使用する生の天然ガスの輸送と比べて場合によっては商業的に好ましい選択である。

このような容器への天然ガスの加圧は、ガスが天然の地下坑井で見つかる際、直接その高い圧力を利用して実現することが可能な場合があり得る。このような場合、ガスは、掘削装置に設けられた配管を利用して坑井から直接容器内に注入することができる。坑井の圧力はその後、充填作業に必要な圧力勾配を提供する。しかしながら１つの代替として、容器内への天然ガスの加圧は、代わりに機械的な圧縮機を使用して実現される場合もある。そのような圧縮機は、上記で考察したように天然ガスを所望の保管圧力まで、すなわち２５０バール程まで圧縮することができる。

容器内へのＣＮＧの充填は好ましくは、迅速な工程であり、これは、多くの容器が典型的には、輸送船舶上、例えば船やタンカー上などに在るためである。したがって迅速であるが、確実かつ安全な圧力容器へのＣＮＧの充填は、このような容器を使用するＣＮＧの輸送をより経済的なものにし、充填時間をより迅速にし、船の作業の所要時間をより速くするのに大きく貢献することができる。例えば、１つの船に連続する充填作業を必要とする容器が２００個あり、各々の容器が充填するのに１０分かかる場合、このとき船の全体の所要時間は、３３時間になる。よって充填時間を５分削減することで、輸送効率に大きく貢献することになる。このような理由により、容器は、天然ガスを容器内に速やかに注入することによって充填され、これは容器の充填作業の最初の段階において、供給ラインからの加圧ＣＮＧが急速に、かつ制御されずに膨張して「空の」容器に入るようになることを意味する。このような工程は、スロットリングとして当分野で知られており、これには容器の入口を介する天然ガスの急速で断熱式の膨張が関与している。しかしながらそのように天然ガスが急速に容器の内部で膨張することによって、ガスを急速に冷却させ、これにより容器の入口およびその注入地点を囲む領域もまた冷却することになる。このような冷却効果は、科学文献でよく知られており、記録として残されており、これは「ジュール−トムソン」効果と呼ばれることが多いため、以後ＪＴ効果と呼ぶ。このような天然ガスの冷却作用は、それが圧力容器内に乱流式に膨張することによって生じるため、そのときの圧力変化はその最大値であるため、充填工程の始まりにおいて極めて急速であり得る。結局のところ、「空の」容器は、大気圧である、あるいは少なくとも進入するＣＮＧより大気にずっと近い圧力であり、これにより圧力勾配は最大である。

上記に提示したように、膨張し、冷却された天然ガスは、入口、すなわち容器のネックに加えて、その入口を囲む容器の内壁を冷却させる傾向にある。それらはまた、容器の残りの部分も冷却するが、容器のそのような他の部分が膨張の地点に余り近くないことにより同程度の激しさではない。

入口付近の冷却作用によって、容器の材料が極度な低温に曝されることになり、全体として容器全体にわたって大きな温度勾配につながる可能性がある。これは特に、特定の掘削装置の箇所、またはその年の特定の期間において生じる場合があるため、外の温度が既に非常に冷たい場合、すなわち零下０℃である場合に問題となる可能性がある。入口に最も近い容器の内壁の領域（またはＣＮＧを充填するのに２つ以上が使用される場合は複数の入口）は特に、このような低温に曝されることになり、それらが膨張の地点、すなわちＣＮＧ膨張の最も乱流する部分を有する領域に近接することに起因して容器のより遠位の領域に対する温度勾配を特徴とすることになる。さらにこのような入口範囲は通常、例えばボトルのネックの形状を採り入れるような「ネック」形状であることから、容器の壁全体にわたる温度勾配によって、容器の壁に応力および歪みが生じる可能性があり、相対的により小さな直径のネック部分は、その温度降下に起因して収縮しようとするのに反して、その周りの部分は異なる速度で収縮しようとする。

さらに、材料を冷却する際、その材料特性が変化し、通常、構成要素／壁をより脆弱なものにする。さらにＣＮＧを洋上かつ沿岸で保管および輸送することの経験は、繰り返されるＣＮＧの充填および取出しサイクル、およびこれによりそこから生じるＪＴ効果を通して容器を繰り返し冷却することによって、容器の入口および周辺の壁、すなわち、膨張（およびこのような冷却）ガスに最も曝される領域の緩やかな劣化、または場合によっては脆弱化が生じる場合もあり、これにより、材料の特性が変化する可能性があることを実証している。

金属製の圧力容器の場合、より低い強度、または他の変化した特性によって一般に、微小亀裂、または他の場合によってはより厳しい欠陥の容認性の観点における許容性が低下することになる。結局のところ、それらは、容器の壊滅的な破損につながる可能性があり、すなわち容器が爆発することになる可能性を有し得る。

同様に、金属容器はまた、単に繰り返される容器の充填および取出し作業によって生じるサイクル応力および歪みの結果として生じる疲労によって故障する場合もあり、より低温の環境は疲労寿命を短縮させる。

複合材料の圧力容器の場合、脆弱化の問題は、大規模な亀裂や壊滅的な破損につながる可能性は低いが、依然として亀裂が母材材料（通常はポリマー樹脂）内に最も生じやすい可能性があり、これは典型的には微小な破裂、およびこれにより問題となるＣＮＧの漏出につながることにもなる。しかしながらこのような故障は、容器の入口および／または壁の「ＪＴ脆弱化」として全て分類されており、最も一般的にはその内側領域において最初に発現し、よって容器を交換する必要がある容器の機械的故障であることが分かり、各々の容器が費用のかかる製品であるため費用のかかる工程となる。

したがって機械的および経済的な見地から、容器の充填作業中のＪＴ効果の作用を制御することが、容器の構造上の健全性および寿命にとって恐らく重要であり、ＪＴ効果の存在は、ＣＮＧ圧力容器の充填の工程の避けられない結果であるということは覚えておいて欲しい。

上記で考察した全ての問題からして、本発明は、ＣＮＧの格納、保管および輸送に使用される圧力容器に対するＪＴ効果の影響を抑えることを探求している。詳細には、本発明は、容器のＪＴ脆弱化の発生率を下げ、これにより故障する容器の数を削減し、もとより容器の推定耐用寿命をさらに伸すことも目指している。

本発明によると、ＣＮＧの保管および輸送のための圧力容器が設けられており、これは中でＣＮＧが保管および輸送される内部容積を画定する本体を備えており、本体は、それを通してＣＮＧを容器の内部容積に充填させることができる入口を有し、入口は、容器の内部容積に対して内向きに突出するようにその近位端からその遠位の自由端まで延在する充填付属品を備える。この付属品を有することによって、ガスは、容器に進入する際なおも膨張する。しかしながらそれは、容器のネックや端部壁ではなく、最も急速に付属品を冷却することになる。しかしながらその付属品は、自由に膨張および収縮することが可能であり、容器のネックから離間されており、容器の内側に配置されているため、外からの荷重力に曝されることがない。

好ましくは容器の本体は、２つのキャップを備えた円筒形の部分によって概ね画定され、入口は、キャップの一方の中またはその上に配置される。

好ましくはキャップの少なくとも一方はドーム形状を有する。

好ましくは入口は、容器のドーム形状の上に、例えばキャップの一方の上にドーム形状の軸に対して概ね軸対称の構成で配置される。

好ましくは、ドーム形状は軸方向の深さを有し、充填付属品の伸張部は、ドームの軸方向の深さの２倍に等しい、あるいはおおよそそれと等しい。

別の構成では、ドーム形状は、軸方向の深さを有し、充填付属品の伸長部は、ドームの軸方向の深さの１．５倍に等しい、あるいはおおよそそれと等しい。

好ましくは充填付属品は、容器の軸に概ね沿って延在する。その軸は典型的には、容器が典型的には細長いため、容器の長手方向軸である。

容器は、金属（例えば鋼）容器または複合容器、あるいは例えば鋼と複合体の両方のハイブリッド容器であってよい。

容器は、２ｍを超える長さ、すなわち好ましくは２０ｍまでの長さを有することができる。

容器は、概ね円筒形であってよい、あるいは１ｍ以上の、例えば６ｍの外径を有する概ね円筒形のセクションを有する場合もある。

好ましくは充填付属品は、概ね容器の中央を通って、またはそこに向かって延在する。

充填付属品は、先細の内径を有し、近位端におけるよりもその遠位の自由端に向かって大きくなっている。

充填付属品は、容器に対して別個の構造体として形成されてよく、それは、容器のネック形成部または容器の壁の開口においてあるいはその中で容器に密閉式に結合されてよい。

充填付属品は、容器の中で片持ち梁を形成する場合がある。

付属品の近位端は、容器のネック形成部または壁の開口においてあるいはその中に拘束されることを求める場合がある。

好ましくは充填付属品は、金属製である。好ましくは金属は鋼である。代替の構成は、ポリマー材料で作製された充填付属品を有する場合がある。

付属品は、容器の入口の一部として一体式に形成されてよい。その入口は、その付属品と共に、その後、上記に言及した別個の構造体の一部を形成する。しかしながらあるいは、入口およびその付属品は共に、容器の一部として一体式に形成される場合もある。

好ましくは充填付属品の内部の伸長部は、その中心または長手方向軸に対して容器の内側の最大の半径方向の寸法とおおよそ同じ長さである。

充填付属品の内部伸長部は、その中心または長手方向軸に対して容器の内側の最大の半径方向の寸法より長い場合もあるが、軸の内側の長さより短い場合もある。

付属品は、それが容器の内側の全長にわたって延在していないため、自由端部を有する。したがって充填付属品の内部伸長部は、その中心または長手方向軸に対して容器の内側の最大の直径に沿った寸法の４０％から８０％の間の範囲内に含まれてよい。

好ましくは入口は、円形形状である。

好ましくは充填付属品は概ね管状である。

例えば充填付属品は、その中央を通り、一端から他端まで延在する単一の中心アパーチャによってカニューレ式に挿入されてよい。

充填付属品は、その側壁を貫通して延在する複数のアパーチャを備える場合もある。

充填付属品の遠位端は、ディフューザヘッドを備えることができる。

好ましくはディフューザヘッドは多数のアパーチャを備える。

アパーチャの断面積の総計は、付属品の最小の内側の開放した総断面積におおよそ等しい、あるいはそれを超える場合もある。このことは、付属品が、流体流れが容器の中に膨張する前に不必要にそれをさらに妨げることがないことを保証している。

この総計は、１２インチ（おおよそ３０ｃｍ）の直径を有する円、すなわちその面積は、少なくとも７００ｃｍ２であるべきである円の断面積とおおよそ等しい、あるいはそれを超える場合もある。

この総計は、２４インチ（おおよそ６０ｃｍ）の直径を有する円、すなわちその面積は、少なくとも２８００ｃｍ２であり得る円の断面積とおおよそ等しい、あるいはそれを超える場合もある。

本発明はまた、ＣＮＧを圧力容器に充填する方法を提供しており、この方法は、
ＣＮＧを収容するための内部容積を画定する本体を有する圧力容器を設けるステップを含み、圧力容器はＣＮＧを容器に充填するための入口を有し、入口は、容器の内部容積に対して内向きに突出するようにその近位端からその遠位の自由端まで延在する充填付属品を備え、
ＣＮＧの高圧供給ラインを設け、前記ラインを入口を介して前記容器と結合するステップと、
所望の最終圧力までコンテナをＣＮＧで満たすステップとをさらに含む。

充填ステップの前の内部容積は典型的には、実質的にＣＮＧが空の状態で、または高圧のＣＮＧ供給ラインに対する低圧においてなど単に中にＣＮＧが残っている状態で提供される。その圧力は例えば、大気圧であり得る。しかしながら典型的には、その圧力は、完全にＣＮＧが空になった容器に関する時間効率に起因してそれが異例の状態であるため、大気圧をわずかに超えて上昇することになる。

好ましくは供給ラインは、容器内の圧力を検知するための圧力検知器に接続し、充填ステップは、制御機構において事前設定された所望の最終圧力が検知される際、弁を介して中断する。

この方法で使用される圧力容器は典型的には、本発明の第１の態様によるものである。

本発明のこれらのおよび他の好ましい、または任意選択の特徴が、添付の図面を参照して今後より詳細に記載されるが、これは純粋に例示の目的である。

圧力容器が部分断面図で示される、従来技術の圧力容器にＣＮＧを充填する概略図である。 本発明による圧力容器の、これも部分断面図における概略図である。 ＣＮＧ圧力容器の機械的挙動に対するＪＴ効果の影響を概略的に説明するグラフを概略的に示す図である。 本発明による充填付属品の出口部分を通る断面図を概略的に示す図である。

図１および図２に示されるように、図１は、従来の圧力容器１０であり、図２は、本発明によって修正された圧力容器１００であり、ＣＮＧ輸送容器１０、１００は一般に、円筒形の本体１、１０１を有し、その各々の端部（一方の端部のみが示されている）にはドーム形の端部キャップ２、１０２を備える。そのようなドーム形端部２、１０２は、示されるよりも幾分さらに顕著である場合もあり、すなわちそれらは、図１および図２に示されるように丸みが付いた肩部を備え相対的に平坦であってよい、あるいはそれらは、緩やかな主たる曲線と、より鋭利な丸みが付いた肩部（図示せず）とを備えた相対的に円錐形である場合もある、あるいはそれらは半球形（図示せず）になるように丸みが付けられる場合もある。

そのような端部キャップ２、１０２内に、またはそこから、容器１０、１００のネック３、１０３が形成される。容器１０、１００に充填するために、ＣＮＧがネック３、１０３を通って容器１０、１００の内部容積へと注入される。このような注入によって、それが容器１０、１００に進入する際、ガスの乱流式の膨張８が生じる。膨張８は、図１に概略的に示されている。この膨張によってＪＴ効果が生じ、これは、特に充填／取出しサイクルを繰り返した後に容器１０、１００の組織のＪＴ脆弱化につながる可能性がある。

図１において、ＪＴ脆弱化に最も曝される容器１０の領域は、ガス入口６を特徴として備える端部キャップ２の内側の面７上に位置する、すなわちネック３のところ、またはネック３付近に位置する。充填する前の容器１０の圧力は、容器の初期圧力ＬＰである。これは典型的には、相対的に低い圧力であり、それは周辺の大気圧と同じ低さである可能性があり、すなわち、圧力容器１０が、全ての残りのＣＮＧが実質的に空になったときなど公称では１バールであってよい。しかしながら典型的には、初期圧力ＬＰは、それよりも高くなり、例えば恐らく３０から５０バールなどである。それは、容器１０からＣＮＧを取り出した後、残ったＣＮＧが、容器１０の中に残されたままであるためである。

これは、多くの場合、圧力容器１０からＣＮＧを完全に取り出すことは実現不可能であるという事実に起因するものであるが、それは充填効率を維持するには余りに長い時間がかかってしまうためである。２番目に、容器１０内に残圧が残されることによって、高圧ＣＮＧ源から容器に補充する際の圧力勾配が、さほど過酷なものではないため、ＪＴ効果の重大さが少なくともある程度抑えられる。したがってそのような残りのＣＮＧは一般に、送達または配給地点においてＣＮＧを取り出した後でも容器１０内に残ったままである。

図１に示されるように、ＣＮＧの充填作業は、ＣＮＧ送達ラインまたは導管５を容器１０に結合することによって始まる。この結合作業は、送達導管５と圧力容器１０の間に高圧シール６が形成されるようなものである。送達ラインを介して送達されたＣＮＧ９は、高圧ＨＰであり、これは数百バール程である可能性があり、典型的には２００から３００バールの間である。

多くの用途において、送達圧力は、おおよそ２５０バールに設定される。

送達ライン５と容器１０の内部容積４との圧力勾配からすると、ＣＮＧ９は、それが容器１０に進入する際に８に膨張する。同時に、容器１０の圧力が上昇し始める。しかしながらこの膨張は、それでもなおＪＴ効果を招くことになる。

上記で考察したように、端部キャップ２の内側の面７に加えてネック３は、ＪＴ効果によって最も影響を受ける領域である。その場所での任意の所与の地点における膨張の速度を緩めるために、ネック３は、端部キャップ２と合体する際、幾分外向きに先細になることが分かる。これにより、ガスがわずかにより緩やかにまたは制御されて膨張することが可能になり、また供給導管５の圧力より低い圧力で容器の内部容積の比較的制限されない自由空間にそれを進入させる。またこれにより、容器の壁およびネックに対するＪＴ効果に対する作用を別の位置に移す。それにもかかわらず、そのような作用は、依然として容器のネックの周りで、および端部キャップ２の内側の面７上で最も感じられる。

充填工程の最終段階において、供給導管と容器１０の内部容積との間の圧力勾配は、さほど重大なものではなくなり、ＣＮＧの流れは、容器が完全に充填されたと思われるまで継続する。その時点で、弁によって供給は遮断され、送達導管５は閉鎖される。同様に、容器は、従来のやり方で閉鎖させることができる。送達導管５は、その後容器１０から切り離すことができる。

センサを使用して、容器内の圧力を測定することができ、それは、最適な遮断地点を判定するのに使用することもできる。

圧力容器はその後輸送することができ、中に保管されたＣＮＧは、所定の目的地で降ろすことが可能になる。

この措置は、その後繰り返すことができ、新たなＣＮＧが、空の容器１０の中に再充填される。

このような充填および取出しサイクルは、圧力容器の寿命にわたって何度も行なわれ、容器の耐用年数において恐らく何百回、または何千回も行なわれる。したがって容器は、充填／取出し措置の繰り返される熱によるおよび機械的な応力ならびに歪みに構造的に対処することが可能である必要がある。さらに、充填および取出し作業が、厳しい環境で、例えば砂漠や極地環境における極端に低いまたは高い温度の下で行なわれることが多いという事実からすると、かつ容器は素早く取り扱われるため、恐らく最大の配慮や注意がないため、それらはまた、特に圧力勾配が、そのピークにあるとき、すなわち充填作業の開始時においても強靱な状態のままであり、そのような処置の最悪の時点でも破損することなく、そのような処置を受けることが可能である必要がある。

容器がこのような極限状態により対処し易いように、図２に示されるように、本発明は、容器１００のネック１０３の中に充填付属品１１０を付加的に設けており、付属品１１０は、容器１００内へと延出している。この付属品は、圧力容器１００内へのＣＮＧ膨張の望ましくないＪＴ効果を緩和させるのに役立っている。

充填付属品１１０は、容器１００の完全に内側に設けられており、ネック１０３が容器１００の一部を形成している。付属品１１０は、容器１００のネック１０３内に部分的に受け入れられており、残りの部分は、容器１００の内部容積１０４へと延出している。

付属品１１０の公称外径は、一定であるように示されている。同様に公称内径も一定であるように示されている。

ネック１０３のところで、付属品１１０の公称直径は、容器１００のネック１０３の公称内径とおおよそ同じである。締まり嵌めによって、および当分野で既知の方法を使用する適切な密閉作用によって、付属品１１０は、ネック１０３と密閉する。しかしながら容器の内部にこのような性質の付属品を接着する他の方法もまた可能である。例えば、それはその場所に一体式である場合もある。

付属品１１０はまた、容器１００のネック１０３から容器１００の中央に向かってその中で片持ち梁のように作られるように示されており、これにより容器１００の内部に延出する自由な長さを有する。

付属品１１０は、導管の管状の長さによってこの基本的な実施形態において提供されている。それは、ＣＮＧがその中を通過することを可能にするＣＮＧ入口１１１と、ＣＮＧ出口１１２とを有する。

入口１１１は、付属品の近位端部に構成されており、それは、例えば当分野で既知のものなどＣＮＧ送達ラインまたは導管５に接続するためのコネクタに永久にまたは解放可能に結合されるためのものである。例えば図１を参照されたい。

付属品１１０の自由端、すなわち遠位端には、ＣＮＧ出口１１２が位置しており、これは容器１００のネック１０３から離間されている。結果として、それはＣＮＧがネック１０３と、容器の端部キャップ１０２の内側の面１０７、すなわち、ネック（またはＣＮＧ入口）を囲繞する端部キャップの両方から容器１００内部容積１０４へと放出される地点を遠ざけるように機能している。ＣＮＧはよって、容器１００の内部でさらに遠くで放出され、これによりネックおよび内側の面１０７に対する急速な冷却作用は、さほど顕著ではなくなる。代わりに付属品１１０が、最もひどいそのような冷却作用を受ける。これは、そのような付属品が、容器の側壁において有意な負荷を生じさせることがないため、好ましい構成である。同様に、それは外からの力によって作用を受けることがない。

この実施形態において、付属品１１０の自由な長さ、およびその端部の開口は、容器の軸方向内向きに延在している。しかしながら異なる幾何学形状も可能である。付属品１１０によって、ネック１０３および容器１００の内側の面１０７の両方から十分に離してＣＮＧを容器１００内に放出させることを可能にすることで、容器１００のそのような構造上極めて重大な要素に対するＪＴ効果を最小限にすることが単に好ましいに過ぎない。

次に充填付属品の寸法的な態様に注目すると、片持ち梁式の充填付属品１１０の自由な長さは、圧力容器１００の端部キャップ１０２の軸方向の深さＬのおおよそ１．５倍を計測することを図２に見ることができる。それは、その長さより長い場合もあり、例えば軸方向の長さＬの２倍、またはそれよりさらに長い場合もある。

他の実施形態において、充填付属品１１０の自由な長さは、容器の円筒形の本体の内径の割合として、例えば容器の円筒形の本体の内径Ｄのおよそ４０％を計測することができ、すなわちそれは、容器の円筒形の本体の内半径よりおよそ１０％小さく計測する場合もあり、あるいは示されるように、それは示される内径のおよそ６０％長い場合もあり、あるいはそれより長い場合もあり、すなわちその半径より長い場合もある。

別の実施形態において、長さは、前記内径Ｄの８０％ほどもある場合もある。

好ましい構成では、充填付属品のインサートの自由な長さは、容器の直径Ｄの４０％から８０％の間である。しかしながらさらに他の実施形態では、充填付属品の自由な長さは、容器１００の内側の長さの１０％から８０％の間である場合もあり、それは容器の全体の内側の長さにわたって延在する必要はなく、好ましくは容器の内側の長さよりずっと短く、すなわち好ましくはその長さの半分に過ぎない、あるいはその長さの１／４に過ぎない。

充填付属品が、容器のドームの内壁から十分に離れた地点で容器内へのガスの入口を設けるように設計されることから、充填付属品の自由な長さは、容器の内径Ｄの半分までである、またはそれと等しい（すなわちＤの５０％）ことが好ましい。自由な長さをそれより長くすることは、以下で説明するように端部を容器の壁から離すという観点において最小限の付加的な利点を提供するが、それにより、まずその増大した長さの結果として、次に、例えば輸送の振動によりそれがその後曝される増大した片持ち式の力を補償するためにそれを作製するのに付加的な材料を必要とすることになる。したがって、そのコストが増大する。

端部を容器の壁から離すという観点において付加的な利点が欠如する理由は、追加の長さが単に、その長さが容器の直径の５０％であっても、あるいはその直径の６０％であっても、容器の円筒形の部分の最も近い側壁に一貫して近接した状態を保持することになることである。しかしながら端部１０２の半球状のドームを併せたとしても、それを直径の５０％までにすることは、自由端部から容器の最も近い側壁までの距離を最大限にすることで、側壁のいかなる部分も、またはネックも、ＪＴ効果から生じる冷却作用の極度の集中にもはや曝されることがないという利点を有する。換言すると、任意の付加的な長さは入口をネックからさらに遠ざけるような働きをするが、それは、円筒の壁からそれをさらに遠ざけることはない。

次に図面の図３を参照すると、ＣＮＧの充填に応じたＣＮＧ圧力容器の機械的な挙動が記載され、簡潔に分析されている。

図３のグラフは、容器の降伏強さσ_ｙ（または、複合構造の場合、極限強さ）、増大する内圧によって容器内に生成される応力σ_ｏｐおよび容器内の内部温度Ｔの挙動を時間ｔの関数として例示している。

容器の内圧は、ＣＮＧが、容器内に充填される際に上昇する。容器の壁によって支持される応力σ_ｏｐは、これにしたがって増大する。しかしながらＣＮＧが、容器内に充填される際、ガスの温度Ｔは最初、ＪＴ効果によって低下する。温度Ｔはその後、時点ｔ^＊において最小値に達する。その後容器内のガスの温度Ｔは、容器内の圧力が上昇する際ＪＴ効果が最小限になるため上昇し、温度勾配はより小さなものである。

冷却されたＣＮＧと接触する容器の内壁の温度も同様に、この最初の期間において低下するが、熱慣性により若干遅れる（ガスは、その温度が降下する間、容器の内壁より速く冷却される）。容器の内壁のそのような温度降下によって、容器の壁の降伏強さ（または極限強さ）σ_ｙも同様に低下し（ＪＴ脆弱化）、その温度および降伏（または極限）強さσ_ｙは、時間ｔ^＊＊において最小値に達することになる。これは、時点ｔ^＊より後に生じる。それは、ガスが容器の内側の面より低温になり、ガスが再度温まり始めたときでも、それは一時的に容器の内側の面より低温になり、これによりガスは、そのわずかな期間にわたって壁の温度を低下させ続けるためである。しかしながら結局のところ、ガスが、それが壁の温度を超える温度に達するとすぐに、壁は再び暖まり始め、降伏強さが再び増大する。

容器の材料の内側部分の冷却の度合いおよび速度は、生じる可能性のある容器のＪＴ脆弱化の大きさを判定する。機械的観点において、ＪＴ脆弱化によって、材料の降伏（または極限）強さσ_ｙが低下することになり、これは、示されるように容器の温度がこれより低いことに起因した瞬間的な作用であり得る。しかしながら、それは蓄積作用でもある可能性があり、これにより繰り返される充填および取出し作用によって、降伏（または極限）強さが、より低い初期値において開始することになり、これにより低い最小値に到達する。

σ_ｙ、σ_ｏｐとｔ^＊＊との間の関係は、１）中のＣＮＧの圧力に起因する側壁に対する負荷、および２）発生する任意のＪＴ脆弱化に起因する容器の故障の可能性を判定する。そのような点において、降伏（または極限）強さσ_ｙを容器の壁によって支持される応力σ_ｏｐを下回るまで降下させないことが重要である。よって壁内の温度降下が大きすぎることは望ましくなく、したがってそのような降下を最小限にすることが好ましい。そのような働きをするのが、本発明の付属品であり、すなわち容器の最も温度の低い部分、すなわち付属品は、変わらず容器の圧力を担持しない要素のままであり、流入するガスの最も低温の部分は、容器の圧力を担持する側壁／端部からできるだけ離して維持される。

最後に、図４は、付属品２１３の修正形態を示しており、これにより、より長い付属品２１３を設けることが可能になり、より大きな全体の開口断面積と併せて、高圧供給導管からのＣＮＧのより制御された膨張を可能にする。

充填付属品のこの実施形態は、ＣＮＧディフューザヘッドを備える。ディフューザヘッドは、複数のアパーチャＡ１からＡ５を備える。多くのこのようなアパーチャを設けることができる。

この図面には５つのアパーチャが示されている。アパーチャは、単に単一の出口から膨張するのではなく、ガスが複数のアパーチャを通って拡散することができるように設けられている。

図４の実施形態では、充填付属品２１３のアパーチャは、多数のガスの出口を提供し、それらは全て、付属品の遠位端に向けて配置させることができ、これは、片持ち梁の形態を採る（それは、これまでの通り容器の端部キャップに装着されている）。この場合もやはり、それは容器のネック内で支持することができるが、これは図４には示されていない。

ディフューザヘッドは、ＪＴ効果の影響を抑えるのに貢献している。これは、ディフューザヘッドによって、ガスが、それが付属品の単なる挿管のものと比べて、容器に進入する際により大きな開口の断面積を通過することが可能になるためである。その結果、ガスは、容器のより大きな割合の容積にわたって膨張することになり、これにより膨張は、その箇所が特定されなくなる。それにもかかわらず、付属品を通過する高圧ガスの量は、ガスが容器内にできるだけ迅速に充填されることを保証するためにフルパワーで維持することができる。

さらにＣＮＧは、たった１つの開口の代わりに複数の開口を通過することができるため、それは、容器に進入する際にさほど乱流式に膨張しない、および／またはより散らばることになり、これにより各々の開口を通過するガスの体積がより小さくなるという利点を有し、またこれにより、壁の特有の領域とのその直接的な相互作用の観点においてその激しさはさほど集中しなくなる。

図４は、充填付属品２１３の遠位端に位置する全部で５つのディフューザアパーチャを示している。１つの好ましい円形アパーチャＡ３は、容器の長手方向軸と一列に並んで開口しており、前記軸に直交するディフューザヘッドの壁上に配置されている。アパーチャは、充填付属品と同軸であるように示されており、これにより好ましくは容器とも同軸である。他の４つのアパーチャ、示されるようにディフューザの頂部側にある２つと、ディフューザの下方側にある２つは、このような軸に対して横向きに開口している。

別のアパーチャ（図示せず）が、この頁に見え隠れするように延在する可能性がある。

図４において、アパーチャは、示されるように容器の軸を通過する水平方向面に対して対称的に配置されており、すなわち各々の一方は、前記面を基準として別のアパーチャと対向するように配置されている。これは、均一な拡散に有利であるが、本発明の基本的な特徴ではない。

充填する際のＣＮＧの拡散を高めるために、アパーチャのサイジングに関して特定の判定基準を以下に続けることができる。アパーチャの断面積の総計は、容器のネックを通って（あるいは、それより小さい場合、付属品を通って）延在するアパーチャの断面の面積より大きくなるべきである。

この実施形態において、容器のネックは、１８インチ（およそ４５ｃｍ）のアパーチャを提供し、その面積の総計は、およそ１８インチ（およそ４５ｃｍ）の直径を有する円の面積、すなわち容器のネックを通るガス入口の面積より大きい、あるいはおおよそそれと等しい。

ＣＮＧ圧力容器の入口ネックに関する別の好ましい公称直径は、２４インチ（およそ６０ｃｍ）である。アパーチャのサイジングに関する同様の判定基準を適用することができ、すなわち、開放した面の面積の総計は、およそ２４インチ（およそ６０ｃｍ）の直径を有する円の面積と等しいまたはそれを超える場合がある。

その機能からすると、充填付属品は、異なる材料によって作製される可能性がある。付属品に使用することができる材料の一例は金属であり、詳細には、ＣＮＧ用途において使用するための関連するＩＳＯ標準によって既に認可された金属、特定のグレードの炭素鋼などである。しかしながらこのような充填付属品は、アルミニウムで作製される場合もあり、これは鋼より軽量であり、優れた耐腐食性を有する。炭素鋼は、コストを低く抑える場合に好ましい。ポリマーまたは強化ポリマー材料もまた、充填付属品に対して実用的であり、このような材料は概ね、耐腐食性であり、より安価であり、金属より軽量である。それらはまた、目下のところ溶接作業を必要としており、それらはより簡単に組立てるように適合させることができる。それらが軽量であることから、ポリマーまたは強化ポリマー材料もまた、特に、使用する際に水平な状態に維持される場合、過度な片持ち式の力を生じることなく、より長くすることができる。

本発明を利用する圧力容器は、ボア坑井からそのままの生ガスなど多様なガスを運搬することが可能である場合があり、これには生の天然ガス、例えば圧縮される際、例えば、１４％モルまでのＣＯ_２許容量を有する、１，０００ｐｐｍまでのＨ_２Ｓ許容量を有する、あるいはＨ_２およびＣＯ_２ガス不純物または他の不純物あるいは腐食種を有する、生のＣＮＧまたはＲＣＮＧ、あるいはＨ_２またはＣＯ_２、または加工された天然ガス（メタン）、あるいは生のまたは一部が加工された天然ガスが含まれる。しかしながら好ましい利用は、ＣＮＧの輸送であり、それは生のＣＮＧ、一部が加工されたＣＮＧまたは不純物の混じらないＣＮＧ、すなわちエンドユーザに標準的に提供することができるように加工された、例えば商業的に、工業的にまたは住居用に加工されたＣＮＧである。

ＣＮＧは、一部はそれぞれのガス相において、それ以外は液体相において、あるいは両方の組み合わせにおいて可変の混合比で種々の可能な成分の一部を含む可能性がある。このような成分の一部は典型的には以下の化合物：Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_５Ｈ_１２、Ｃ_６Ｈ_１４、Ｃ_７Ｈ_１６、Ｃ_８Ｈ_１８、Ｃ_９＋炭化水素、ＣＯ_２およびＨ_２Ｓに加えて、場合によっては液体状態のトルエン、ディーゼル油およびオクタンならびに他の不純物／種のうちの１つまたは複数を有する。

本発明は、純粋に一例として上記で記載されてきた、ここに添付される特許請求の範囲の範囲において本発明に詳細な修正を行なうことができる。

Claims (35)

1. ＣＮＧが保管および輸送される内部容積を画定する本体を備えるＣＮＧの保管および輸送のための圧力容器であって、前記本体は、それを介して前記ＣＮＧを前記容器の前記内部容積に充填させることができる入口を有し、前記入口は、前記容器の前記内部容積に対して内向きに突出するようにその近位端からその遠位の自由端まで延在する充填付属品を備える圧力容器。
2. 前記容器の前記本体は、２つのキャップを備えた円筒形の部分によって概ね画定されており、前記入口は、前記キャップ一方の中またはその上に配置される、請求項１に記載の圧力容器。
3. 前記キャップの少なくとも一方がドーム形状を有する、請求項２に記載の圧力容器。
4. 前記入口は、前記容器のドーム形状の上に、前記ドーム形状の軸に対して概ね軸対称の構成で配置される、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
5. 前記ドーム形状が軸方向の深さを有し、前記充填付属品の伸張部は、前記ドームの前記軸方向の深さの２倍に等しい、あるいはおおよそそれと等しい、請求項３または４に記載の圧力容器。
6. 前記ドーム形状は、一定の軸方向の深さを有し、前記充填付属品の前記伸長部は、前記ドームの前記軸方向の深さの１．５倍に等しい、あるいはおおよそそれと等しい、請求項３または４に記載の圧力容器。
7. 前記充填付属品は、前記容器の軸に概ね沿って延在する、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
8. 前記充填付属品は、概ね前記容器の中央を通って、またはそこに向かって延在する、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
9. 前記充填付属品は、先細の内径を有し、近位端におけるよりもその遠位の自由端に向かって大きくなる、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
10. 前記充填付属品は、前記容器に対して別個の構造体として形成され、前記容器のネック形成部または壁の開口において、あるいはその中で前記容器に密閉式に結合される、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
11. 前記充填付属品は、前記容器の中で片持ち梁を形成し、その近位端は、前記容器のネック形成部または壁の開口において、あるいはその中に拘束される、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
12. 前記充填付属品は金属製である、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
13. 前記金属は鋼である、請求項１２に記載の圧力容器。
14. 前記充填付属品は、ポリマー材料で作製される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の圧力容器。
15. 前記付属品は、前記容器の前記入口の一部として一体式に形成される、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
16. 前記充填付属品の内部伸長部は、その中心または長手方向軸に対して前記容器の内側の最大の半径方向の寸法とおおよそ同じ長さである、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
17. 前記充填付属品の前記内部伸長部は、その中心または長手方向軸に対して前記容器の内側の最大の半径方向の寸法より長い、しかしながらその軸の内側の長さより短い、請求項１から１５のいずれか一項に記載の圧力容器。
18. 前記充填付属品の前記内部伸長部は、その中心または長手方向軸に対して前記容器の内側の最大の直径に沿った寸法の４０％から８０％の間の範囲内に含まれる、請求項１から１５のいずれか一項に記載の圧力容器。
19. 前記入口は円形形状である、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
20. 前記充填付属品は概ね管状である、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
21. 前記充填付属品は、単一の中心アパーチャによってカニューレ式に挿入される、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
22. 前記充填付属品は、その側壁を貫通して延在する複数のアパーチャを備える、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
23. 前記充填付属品の遠位端は、ディフューザヘッドを備える、前記請求項のいずれか一項に記載の圧力容器。
24. 前記ディフューザヘッドは多数のアパーチャを備える、請求項２１に記載の圧力容器。
25. 前記アパーチャの断面積の総計は、前記付属品の最小の内側の開放した総断面積に等しい、あるいはそれを超える、請求項２２または２４に記載の圧力容器。
26. 前記総計は、１２インチ（おおよそ３０ｃｍ）の直径を有する円の断面積と等しい、あるいはそれを超える、請求項２５に記載の圧力容器。
27. 前記総計は、２４インチ（おおよそ６０ｃｍ）の直径を有する円の断面積と等しい、あるいはそれを超える、請求項２５に記載の圧力容器。
28. 図２から図４の任意の１つまたは複数を参照して実質的に先に記載された圧力容器。
29. ＣＮＧを圧力容器に充填する方法であって、
    前記ＣＮＧを収容するための内部容積を画定する本体を有する圧力容器を設けるステップを含み、前記圧力容器はＣＮＧを前記容器に充填するための入口を有し、前記入口は、前記容器の前記内部容積に対して内向きに突出するようにその近位端からその遠位の自由端まで延在する充填付属品を備え、
    ＣＮＧの高圧供給ラインを設け、前記ラインを前記入口を介して前記容器と結合するステップと、
    所望の最終圧力までコンテナをＣＮＧで満たす充填ステップとをさらに含む方法。
30. 前記内部容積は、前記充填ステップの前に、実質的にＣＮＧが空の状態で、または高圧のＣＮＧ供給ラインに対する低圧においてＣＮＧが残っている状態で提供される、請求項２９に記載の方法。
31. 前記供給ラインは、前記容器内の圧力を検知するための圧力検知器に接続し、前記充填ステップは、制御機構において事前設定された所望の最終圧力が検知される際、弁を介して中断する、請求項２９または請求項３０の方法。
32. 前記圧力容器は、請求項１から２８のいずれか一項によるものである、請求項２９、請求項３０または請求項３１の方法。
33. 図２から図４の任意の１つまたは複数を参照して実質的に先に記載した圧力容器にＣＮＧを充填する方法。
34. 図２から図４の任意の１つまたは複数を参照して実質的に先に記載したＣＮＧ圧力容器のための充填付属品。
35. 請求項１から２８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの圧力容器を備える船。

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