JP2017082899A - ガス充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス充填装置の充填速度を向上させ、充填時間を短縮化する。【解決手段】発明のガス充填装置は、気相と液相とが混在する状態で液化ガスを貯留する貯槽と、貯槽から供給される液化ガスを昇圧して、昇圧後の圧力に対応する飽和温度よりも低い温度に冷却された液体状態の過剰冷却液化ガスとする過剰冷却器と、過剰冷却器から供給される過剰冷却液化ガスを昇圧して送出する液体ポンプと、昇温部を有し、液体ポンプから送出される過剰冷却液化ガスのうちの一部の過剰冷却液化ガスを昇温して、超臨界状態の超臨界ガスとする第１の流路と、断熱保冷部を有し、一部の過剰冷却液化ガスを除く液体ポンプから送出される過剰冷却液化ガスを保冷して液体状態で流通させる第２の流路と、第１の流路の超臨界ガスと、第２の流路の過剰冷却液化ガスと、を混合する混合部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタンクの気密性検査装置やガスステーション等に備えられるガス充填装置に関する。

従来のガス充填装置は、例えば、特許文献１に記載されているように、貯槽に貯留されている液化ガスを液体ポンプによって流路へ圧送する。流路は、液体ポンプから圧送された液化ガスを昇温して気化したガスとする昇温部を備える第１の流路と、液体ポンプから圧送された液化ガスをそのまま流通させる第２の流路と、を有している。なお、第１の流路に送出された液化ガスは、液体ポンプで昇圧されるとともに、昇温部で昇温されるので、超臨界流体になる。そして、ガス充填装置は、第１の流路を流通する超臨界流体と、第２の流路を流通する液化ガスと、を混合することにより調温したガス（以下、「調温ガス」とも呼ぶ）をガスタンクに充填する。

特開２０１３−２２８０２２号公報 特開２０１３−２２８０２１号公報

しかし、上記ガス充填装置において、第２の流路を流通する液化ガスも液体ポンプによって昇圧されているので、第２の流路の配管からの熱吸収による温度の上昇に伴って、液化ガスが超臨界流体に変化する可能性がある。一般に、超臨界流体は、タンクへの充填速度が遅くなるので、充填時間の長期化が問題となる。このため、タンクへのガスの充填速度を向上させ、充填時間を短縮化することが望まれている。

上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ガス充填装置が提供される。このガス充填装置は、気相と液相とが混在する状態で液化ガスを貯留する貯槽と；前記貯槽から供給される液化ガスを昇圧して、昇圧後の圧力に対応する飽和温度よりも低い温度に冷却された液体状態の過剰冷却液化ガスとする過剰冷却器と；前記過剰冷却器から供給される過剰冷却液化ガスを昇圧して送出する液体ポンプと；昇温部を有し、前記液体ポンプから送出される過剰冷却液化ガスのうちの一部の過剰冷却液化ガスを昇温して、超臨界状態の超臨界ガスとする第１の流路と；断熱保冷部を有し、前記一部の過剰冷却液化ガスを除く前記液体ポンプから送出される過剰冷却液化ガスを保冷して液体状態で流通させる第２の流路と；前記第１の流路の前記超臨界ガスと、前記第２の流路の前記過剰冷却液化ガスと、を混合する混合部と；を備える。
この形態のガス充填装置によれば、液体ポンプから送出される液化ガスを液体状態の過剰冷却液化ガスとして、保冷した状態で第２の流路を流通させるので、第２の流路において液化ガスが超臨界ガスに変化することを抑制することができる。これにより、従来技術のガス充填装置に比べて、ガスの充填速度を向上させ、充填時間を短縮化することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガス充填装置、ガス充填方法などの形態で実現することができる。

比較形態のガス充填装置の概略構成を示す説明図である。 温度と圧力に応じた窒素の状態図である。 実施形態のガス充填装置の概略構成を示す説明図である。 過剰冷却貯槽における液化窒素の過剰冷却について示す説明図である。

ガス充填装置は、ガスタンクの気密性検査装置やガスステーション等に装備され、対象のガスタンクにガスを充填する装置である。以下では、ガスタンクに充填するガスの対象として窒素を例とする。また、実施形態のガス充填装置の説明を容易にするため、まず、比較形態のガス充填装置について説明する。

図１は、比較形態のガス充填装置の概略構成を示す説明図である。このガス充填装置１０ｒは、貯槽１００と、液体ポンプ３００と、昇温部４００を有する第１の流路ＬＡと、第２の流路ＬＢと、混合部５００と、制御部６００と、を備えている。

制御部６００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、および、ＲＡＭを備えるコンピュータによって構成され、各構成要素の動作を制御する。

貯槽１００は、貯留対象の窒素を、予め定めた貯留圧力において液相と気相とが混在する飽和状態で、液化窒素（液化ガス）として貯留する。図１には、貯槽１００は、貯留圧力（気相圧、飽和圧力）がＰｒ＝０．５ＭＰａ、貯留温度（飽和温度）がＴｒ＝−１７６℃の状態で、液化窒素を貯留している状態が例示されている。

貯槽１００と液体ポンプ３００とは、配管１１０ｒで接続されており、貯槽１００に貯留されている液化窒素は、配管１１０ｒを介して液体ポンプ３００に供給される。ここで、配管１１０ｒは断熱材等による簡易的な断熱が施された配管であるため、液体ポンプ３００に供給される液化窒素は、配管１１０ｒを流通する間に配管１１０ｒの外部からの熱吸収に応じた圧力及び温度に上昇する。図１には、液体ポンプ３００の一次側における液化窒素の圧力はＰｒ１＝０．８ＭＰａ、温度はＴｒ１＝−１７０℃となっている状態が例示されている。

液体ポンプ３００は、貯槽１００から供給される液化窒素を、配管３１０ｒを介して第１の流路ＬＡ及び第２の流路ＬＢへ圧送する。液体ポンプ３００は、配管３１０ｒに配置された圧力センサー３１２によって計測される圧力が、制御部６００によって設定された昇圧圧力となるように制御されて動作する。図１には、液体ポンプ３００は、Ｐｒ１＝０．８ＭＰａで導入される液化窒素の圧力をＰｂ＝９０ＭＰａに昇圧し送出する状態が例示されている。

第１の流路ＬＡは、配管３１０ｒから分岐し、混合部５００の第１の流量制御弁５１０ａに接続される第１の分岐配管３２０ａを備えている。第１の分岐配管３２０ａには、上流側から順に、昇温部４００と、第１の温度センサー３２２ａと、が配置されている。昇温部４００は、液体ポンプ３００から圧送された液化窒素を、その圧力を維持しつつ昇温することができる装置であれば特に限定はない。例えば、通過する流体と熱交換媒体（大気、水蒸気、温水等）との間で熱交換を行なう熱交換器（「蒸発器」あるいは「気化器」とも呼ぶ）を用いることができる。本例では、大気を熱交換媒体とした熱交換器を用いるものとする。液体ポンプ３００から圧送された液化窒素は、昇温部４００においてＰｂ＝９０ＭＰａの圧力を維持しつつ、常温（気温）程度まで昇温される。昇温部４００により昇温された窒素の温度ＴＡは、第１の温度センサー３２２ａによって検出される。

図２は、温度と圧力に応じた窒素の状態図である。窒素の臨界点の圧力（臨界圧力）はＰｃ＝３．３９ＭＰａで、かつ、温度（臨界温度）はＴｃ＝−１４７．１℃であり、この臨界温度及び臨界圧力を超えた圧力及び温度において、窒素は超臨界流体となる。超臨界流体は、非凝縮性高密度流体と定義され、温度と圧力に応じて、気体に近い極めて希薄な密度の状態から、液体に相当する高密度な状態まで連続的に変化する。

上記したように、昇温部４００を通過後の窒素は、臨界圧力Ｐｃよりも大きい圧力（Ｐｂ＝９０ＭＰａ）および臨界温度Ｔｃより高い温度（ＴＡ＝常温）となっているので、超臨界流体となる。なお、本例のように、圧力がＰｂ＝９０ＭＰａで温度がＴＡ＝常温の場合、昇温部４００を通過後の窒素は、気体に近い状態の超臨界流体となる。以下では、超臨界流体を「超臨界状態の超臨界ガス」あるいは単に「超臨界ガス」とも呼ぶ。

第２の流路ＬＢは、配管３１０ｒから分岐し、混合部５００の第２の流量制御弁５１０ｂに接続される第２の分岐配管３２０ｂｒを備えている。第２の分岐配管３２０ｂには、流通する窒素の温度を検出する第２の温度センサー３２２ｂが配置されている。第２の分岐配管３２０ｂｒには、液体ポンプ３００から圧送された液化窒素のうち、第１の流路ＬＡへ分流された液化窒素を除く液化窒素が、保冷されつつ流通する。但し、配管３１０ｒと第２の分岐配管３２０ｂｒにおける保冷は、配管１１０ｒと同様に、簡易的な断熱によるものである。このため、配管３１０ｒ，３２０ｂｒの熱吸収による温度上昇によって、第２の分岐配管３２０ｂｒを流通する窒素の温度は上昇する。図１には、第２の分岐配管３２０ｂｒを流通する窒素の温度は、ＴＢ＝−１３８℃となっている状態が例示されている。

混合部５００は、３つの流量制御弁５１０ａ，５１０ｂ，５４０と、合流配管５３０と、を備えている。液体ポンプ３００から圧送されて、第１の流路ＬＡの第１の分岐配管３２０ａを流通する窒素と、第２の流路ＬＢの第２の分岐配管３２０ｂｒを流通する窒素とは、合流配管５３０で混合され、出力配管５５０を介してガスタンクへ供給される。ガスタンクへ供給される窒素の量は、第３の流量制御弁５４０の開度を調整することによって調節することができる。また、第１の流路ＬＡを流通する窒素の量と、第２の流路ＬＢを流通する窒素の量は、第１の流量制御弁５１０ａ及び第２の流量制御弁５１０ｂの開度によって調節することができる。すなわち、ガス充填装置１０ｒは、第１の流量制御弁５１０ａと第２の流量制御弁５１０ｂの開度を調節することによって、第１の分岐配管３２０ａを流通した窒素と、第２の分岐配管３２０ｂｒを流通した窒素との混合比率を変化させて、出力配管５５０を流通する窒素の温度を調節することができる。例えば、第１の分岐配管３２０ａの窒素の流量を減らし、第２の分岐配管３２０ｂｒの窒素の流量を増やすことによって、出力配管５５０を流通する窒素の温度を低下させることができる。混合された窒素の温度は合流配管５３０に配置された第３の温度センサー５３２によって検出される。図１には、混合された窒素の温度は、Ｔｍ＝−３５℃となっている状態が例示されている。

ここで、第２の分岐配管３２０ｂｒを流通する窒素の圧力は、第１の分岐配管３２０ａを流通する窒素と同様に、液体ポンプ３００によって昇圧された圧力Ｐｂ＝９０ＭＰａである。このため、第２の分岐配管３２０ｂｒを流通する窒素も、第１の流路ＬＡの昇温部４００を通過後の窒素と同様に、臨界圧力（Ｐｃ＝３．３９ＭＰａ）よりも大きく臨界温度（Ｔｃ＝−１４１．７℃）よりも高い温度（ＴＢ＝−１３８℃）となっており、液体の状態から超臨界流体（超臨界ガス）の状態の窒素となる（図２参照）。従って、混合部５００では、第１の流路ＬＡからの超臨界流体の状態の窒素と第２の流路ＬＢからの超臨界流体の状態の窒素とが混合されて、ガスタンクへ供給する超臨界流体の状態の窒素が生成される。課題で説明したように、超臨界流体の充填速度は遅くなるので、比較形態のガス充填装置１０ｒのように、第１の流路ＬＡからの超臨界流体の状態の窒素と第２の流路ＬＢからの超臨界流体の状態の窒素とを混合した窒素のガスタンクへの充填速度は遅くなり、充填時間が長くなる。

図３は、実施形態のガス充填装置の概略構成を示す説明図である。このガス充填装置１０は、比較形態のガス充填装置１０ｒ（図１参照）と比較して、以下の点が異なっている。すなわち、貯槽１００と液体ポンプ３００との間に過剰冷却器２００が配置されている点が異なっている。また、図３に破線で示された配管１１０，２２０ａ，２２０ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２６０，３１０，３２０ｂに、簡易的な断熱配管ではなく、真空断熱配管が用いられている点が異なっている。また、配管２６０に、補助ポンプ２８０が配置されている点が異なっている。なお、補助ポンプ２８０は、過剰冷却器２００から液体ポンプ３００へ供給される液化窒素の圧力を、液体ポンプ３００のサクション圧に対応する圧力まで上昇させるために設けられるものであり、過剰冷却器２００から配管２６０を介して液体ポンプ３００へ供給される液化窒素の圧力を、過剰冷却器２００においてサクション圧に対応する圧力まで上昇させる場合には、省略可能である。

貯槽１００に貯留されている液化窒素は、比較形態においては（図１参照）、貯留圧力（飽和圧力）をＰｒ＝０．５ＭＰａとして温度（飽和温度）がＴｒ＝−１７６℃であったのに対して、後述する過剰冷却器２００における昇圧のために、貯留圧力をＰｒ＝０．２ＭＰａに下げて、温度をＴｒ＝-１９０℃に下げた状態としている。

過剰冷却器２００は、２つの過剰冷却貯槽２３０ａ，２３０ｂと、２つの流路切替弁２１０，２５０と、を備えている。過剰冷却貯槽２３０ａ，２３０ｂは、加圧蒸発器２３２を有しており、加圧蒸発器２３２によって貯槽内の圧力（気相圧、飽和圧力）を上昇させることにより、貯槽内の液化窒素を過剰冷却する。

図４は、過剰冷却貯槽２３０ａ，２３０ｂにおける液化窒素の過剰冷却について示す説明図である。図４は、横軸を圧力とし縦軸を温度として窒素の飽和曲線（飽和蒸気圧曲線）を示している。加圧蒸発器２３２による貯槽内の圧力の昇圧により、貯槽内における窒素の気相圧（飽和圧力)を上昇させることができる。本例では、貯槽１００における液化窒素の貯留圧力がＰｒ＝０．２ＭＰａ（図３参照）であるのに対して、過剰冷却貯槽２３０ａ，２３０ｂにおける貯槽圧力（飽和圧力）を、Ｐｅ＝０．７ＭＰａに昇圧させている。なお、液体ポンプ３００のサクション圧が、例えば、０．６〜０．８ＭＰａの範囲であるとする。この場合、補助ポンプ２８０による昇圧は行う必要はないので、そのままの圧力で液体ポンプ３００へ送出される。

ここで、気体は加圧により発生する熱に応じて温度上昇し易いが、液体は温度上昇し難い。このため、過剰冷却貯槽２３０ａ，２３０ｂの貯槽内を昇圧しても、貯槽内の液化窒素の温度Ｔｅは貯槽圧力（飽和圧力）Ｐｅに対応する飽和曲線上の飽和温度Ｔｓよりも低い温度（以下、「過剰冷却温度」とも呼ぶ）となる。なお、図３には、過剰冷却温度はＴｅ=−１８５℃となっている状態が例示されている。このように、飽和温度Ｔｓよりも低い過剰冷却温度Ｔｅに過剰冷却した液化ガスとしての液化窒素（以下、「過剰冷却液化窒素（過剰冷却液化ガス）」とも呼ぶ）は、液体ポンプ３００で昇圧された後、配管からの熱吸収によって温度が上昇したとしても、飽和温度Ｔｓと過剰冷却温度Ｔｅとの温度差分だけ、温度上昇に余裕があり、超臨界流体になり難い液体状態にある。これにより、液体ポンプ３００から第２の流路ＬＢの第２の分岐配管３２０ｂへ圧送された液化窒素を、液体の状態で維持させることが可能である。なお、過剰冷却器２００は、昇圧とともに冷却を行なっても良く、昇圧のみで冷却しなくても良い。

第１の流路切替弁２１０は、貯槽１００に接続された配管１１０の接続先を、第１の過剰冷却貯槽２３０ａに接続された第１の導入配管２２０ａと、第２の過剰冷却貯槽２３０ｂに接続された第２の導入配管２２０ｂのいずれか一方に切り替えるとともに、その流量を制御する。第２の流路切替弁２５０は、液体ポンプ３００に接続された配管２６０の接続元を、第１の過剰冷却貯槽２３０ａに接続された第１の導出配管２４０ａと、第２の過剰冷却貯槽２３０ｂに接続された第２の導出配管２４０ｂのいずれか一方に切り替えるとともに、その流量を制御する。具体的には、第１の流路切替弁２１０と第２の流路切替弁２５０は、貯槽１００に接続された配管１１０が接続される過剰冷却貯槽２３０と、液体ポンプ３００が接続される過剰冷却貯槽２３０とが異なるように切り替えられる。これにより、いずれか一方の過剰冷却貯槽２３０へ液化窒素を供給することと、他方の過剰冷却貯槽２３０から過剰冷却液化窒素を液体ポンプ３００へ供給することと、を交互に切り替えて、液化窒素を過剰冷却して液体ポンプ３００へ供給するのに要する時間の短縮化を図るとともに、液体ポンプ３００への過剰冷却液化窒素の供給を連続的にスムーズに実行することができる。なお、３つ以上の過剰冷却貯槽を用いて、よりスムーズに連続的に過剰冷却液化窒素の供給を可能とするようにしても良い。

第２の流路ＬＢの第２の分岐配管３２０ｂは、上記したように真空断熱配管を用いて構成されているので、第２の分岐配管３２０ｂを流通する窒素の温度が比較形態のように配管からの熱吸収によって上昇することを抑制することができる。なお、第２の分岐配管３２０ｂが本発明の「断熱保冷部」に相当する。また、液体ポンプ３００から第２の分岐配管３２０ｂへ圧送される窒素は、上記したように過剰冷却器２００で過剰冷却された液化窒素（過剰冷却液化窒素）である。従って、第２の分岐配管３２０ｂを流通する窒素の温度の上昇は小さい。図３には、第２の分岐配管３２０ｂを流通する窒素の温度は、ＴＢ＝−１８０℃となっている状態が示されている。この温度は、窒素の臨界温度（Ｔｃ＝−１４７．１℃）よりも低い（図２参照）。このため、比較形態のように超臨界流体（超臨界ガス）とならずに、密度の高い液化窒素の状態のまま第２の分岐配管３２０ｂを流通する。これにより、混合部５００では、合流配管５３０で液化窒素と超臨界流体（超臨界ガス）の窒素とを混合して、調温された窒素のガスをガスタンクへ供給することができる。なお、図１には、混合された窒素の温度は、Ｔｍ＝−５０℃となっている状態が例示されている。

本実施形態では、真空断熱配管で構成された第２の分岐配管３２０ｂに過剰冷却液化窒素を流通させることにより、第２の分岐配管３２０ｂを流通する窒素が液体の状態から超臨界流体（超臨界ガス）の状態に変化することを抑制することができる。これにより、ガスタンクへ供給される窒素のガスは、第１の流路ＬＡからの超臨界流体（超臨界ガス）と、第２の流路ＬＢからの液化窒素とを混合して生成された超臨界流体（超臨界ガス）の窒素となる。この結果、比較形態のように、第１の流路ＬＡからの超臨界流体（超臨界ガス）と、第２の流路ＬＢからの超臨界流体(超臨界ガス)とを混合する場合に比べて、ガスタンクへの窒素の充填速度を向上させ、充填時間の短縮化を図ることが可能である。また、充填時間の短縮化に応じて、液体ポンプ３００等の各装置における消費電力の低減が可能である。また、過剰冷却した液化窒素を液体ポンプ３００で圧送することにより、液体ポンプ３００（及び補助ポンプ２８０）の予冷時間や、配管２６０，３１０，３２０ｂの予冷時間、及び、これらの予冷のために消費される充填に寄与しない窒素の消費量を低減することができる。

上記した第２の流路ＬＢの第２の分岐配管３２０ｂを流通する窒素の温度（Ｔｅ＝−１８０℃）は、臨界温度（Ｔｃ＝-１４７．１℃）よりも低い温度の一例であり、これに限定されるものではない。第２の分岐配管３２０ｂを流通する窒素が、臨界圧力（Ｐｃ＝３．３９ＭＰａ）以上の圧力で、臨界温度（Ｔｃ＝-１４７．１℃）よりも低い温度の運転領域（図４の矩形枠で示す領域）となるように設定されていれば良く、過剰冷却器２００において過剰冷却された液化窒素の温度が、昇圧後の圧力（飽和圧力）に対応する飽和温度よりも低い温度に設定されていれば良い。また、これに応じて、各部の温度および圧力が設定されていれば良い。なお、この条件の下、真空断熱配管を用いて構成した各配管を、簡易的な断熱配管としても良い。但し、効率の点を考慮した場合、温度上昇による損失は少ないほうが好ましく、簡易的な断熱配管よりも真空断熱配管等の断熱性の高い配管を用いた方が好ましい。

上記実施形態では、充填するガスとして窒素を例として説明したが、水素等の他のガスを充填するガス充填装置においても同様に適用可能である。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…ガス充填装置、１０ｒ…ガス充填装置、１００…貯槽、１１０…配管、１１０ｒ…配管、２００…過剰冷却器、２１０…流路切替弁、２２０ａ…導入配管、２２０ｂ…導入配管、２３０ａ…過剰冷却貯槽、２３０ｂ…過剰冷却貯槽、２３２…加圧蒸発器、２４０ａ…導出配管、２４０ｂ…導出配管、２５０…流路切替弁、２６０…配管、２８０…補助ポンプ、３００…液体ポンプ、３１０…配管、３１０ｒ…配管、３１２…圧力センサー、３２０ａ…分岐配管、３２０ｂ…分岐配管、３２０ｂｒ…分岐配管、３２２ａ…温度センサー、３２２ｂ…温度センサー、４００…昇温部、５００…混合部、５１０ａ…流量制御弁、５１０ｂ…流量制御弁、５３０…合流配管、５３２…温度センサー、５４０…流量制御弁、５５０…出力配管、６００…制御部、ＬＡ…第１の流路、ＬＢ…第２の流路

Claims (1)

1. ガス充填装置であって、
   気相と液相とが混在する状態で液化ガスを貯留する貯槽と、
   前記貯槽から供給される液化ガスを昇圧して、昇圧後の圧力に対応する飽和温度よりも低い温度に冷却された液体状態の過剰冷却液化ガスとする過剰冷却器と、
   前記過剰冷却器から供給される過剰冷却液化ガスを昇圧して送出する液体ポンプと、
   昇温部を有し、前記液体ポンプから送出される過剰冷却液化ガスのうちの一部の過剰冷却液化ガスを昇温して、超臨界状態の超臨界ガスとする第１の流路と、
   断熱保冷部を有し、前記一部の過剰冷却液化ガスを除く前記液体ポンプから送出される過剰冷却液化ガスを保冷して液体状態で流通させる第２の流路と、
   前記第１の流路の前記超臨界ガスと、前記第２の流路の前記過剰冷却液化ガスと、を混合する混合部と、
   を備える、ガス充填装置。

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