JP3830681B2 - 複槽式低温貯槽及び混合ガス供給装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯蔵温度が異なる複数の内槽が、外槽とは真空断熱された状態でその外槽内に配置されている複槽式低温貯槽、及びそれを用いた混合ガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の複槽式低温貯槽は、一般的に、混合ガスとして同時に使用されたり、同じ場所で別々に使用される複数の液化ガスを貯蔵するために用いられる。一方、同様の目的で液化ガスの種類に相当する数の単槽式低温貯槽を設ける方法もあるが、省スペース化や操作の利便性などを考慮すると、複槽式低温貯槽の方が有利である。このため、従来より種々の形式の複槽式低温貯槽が提案されてきた（特開平７−１５１３００号公報、実登３００３６１６号公報など）。
【０００３】
そして、従来の複槽式低温貯槽としては、例えば特開平７−１５１３００号公報に記載のように、貯蔵温度がほとんど同じ液化ガスを各々内槽に貯蔵するものが通常であった。従って、内槽の間で伝熱が生じることによる弊害が殆どなく、かかる弊害を防止するための技術は、これまで存在しなかった。
【０００４】
ところが、近年、貯蔵温度が大きく異なる液化ガスを貯蔵するための複槽式低温貯槽に対する要求が高まっており、特に、溶接用混合ガスや食品封入用混合ガス等のように、炭酸ガスを混合成分とする混合ガスの供給設備に使用可能な複槽式低温貯槽に対する要求が大きくなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭酸ガスのように、相図上、固液平衡線又は固気平衡線が液化ガスの貯蔵条件（貯蔵圧、貯蔵温度）と接近している場合、冷却により固化（ドライアイス化）し易いため、事故防止の観点から、超低温で貯蔵される他の液化ガスと共に、従来の複槽式低温貯槽で貯蔵するのは困難であった。即ち、混合ガス成分の一例である液化アルゴンガス等は、超低温（−１８６℃）で貯蔵されるのに対し、液化炭酸ガスは−３０℃付近で貯蔵されるため、温度差が非常に大きく、液化炭酸ガスを貯蔵する内槽から、液化アルゴンガスを貯蔵する内槽への伝熱のために、液化炭酸ガスが冷却されて部分的な固化が生じ易くなる。固化が生じると内槽内や周辺の配管部が閉塞して、予期せぬ昇圧や膨張が生じたり、装置の運転に支障が生じたり、耐久性に悪影響を与えたりする。
【０００６】
これに対して、複数の内槽間の断熱性を更に高めることにより、上記の如き問題を解消する方法が考えられる。しかし、複槽式低温貯槽の外槽内は、通常、パーライト等の無機断熱材が輻射熱の断熱のために充填された上、真空化（減圧）による断熱が行われており、真空度を高めるなどして更に断熱性を高めるには、製作コストの増大や装置の大型化などの問題が生じる。また、単純な方法として、複数の内槽間の距離を大きくする方法も考えられるが、折角省スペース化のために複槽式としたにも係わらず、装置が大型化するため、有効な対策とは言い難かった。
【０００７】
一方、安全性を考慮すると、外槽内の真空に劣化が生じるケースを想定する必要があるが、真空度を高める方法では、真空劣化時の問題が更に大きくなり、また、内槽間の距離を大きくする方法では、更に大きな距離が必要となるため、より実用的でなくなる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、貯蔵温度の差による伝熱が問題となる場合でも、内槽をより近接して配置できるため小型化が図れ、しかも安全性が高くコスト的にも有利な複槽式低温貯槽及びそれを用いた混合ガス供給装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、次の如き本発明により達成できる。本発明の複槽式低温貯槽は、貯蔵温度が異なる複数の内槽が、外槽とは真空断熱された状態でその外槽内に配置されている複槽式低温貯槽において、高温側内槽が液化炭酸ガスを貯蔵するものであり、隣接する高温側内槽と低温側内槽との間に、断熱材を介在させつつ、前記外槽の熱を内部に熱伝導する熱伝導部材を配置してあると共に、前記高温側内槽の貯蔵温度をＴｈ、前記熱伝導部材の中央部の温度をＴｃとするとき、常時においてＴｈ＜Ｔｃ＜Ｔｈ＋５０℃の範囲となるように、前記高温側内槽の頂部と前記低温側内槽の底部とを、前記熱伝導部材に対して位置決定してあることを特徴とする。ここで、真空断熱された状態とは、真空引きしつつ熱伝導や熱輻射による伝熱を抑制してある状態をさす。
【００１０】
上記において、前記熱伝導部材としては、外槽の熱を内部に熱伝導する機能を有するものであれば、いずれの形状、厚さ、構造のものでも使用可能であるが、前記外槽の内周面に固定された金属板であり、その金属板は配管の遊嵌部を有するものが好ましい。
【００１１】
また、各内槽に貯蔵する液化ガスの種類や、配置の仕方は何れでもよいが、前記高温側内槽が液化炭酸ガスを貯蔵するものであり、その高温側内槽が前記外槽内の最下部に配置されていることが好ましい。
【００１２】
一方、本発明の混合ガス供給装置は、混合ガスの成分となる複数の液化ガスを内槽に貯蔵する複槽式低温貯槽と、その内槽内の液化ガスを導入して蒸発させる蒸発器と、蒸発後の複数のガスを混合する混合器を備える混合ガス供給装置において、前記複槽式低温貯槽は、上記いずれかに記載の複槽式低温貯槽であることを特徴とする。
【００１３】
［作用効果］
本発明の複槽式低温貯槽によると、隣接する高温側内槽と低温側内槽との間に、外槽の熱を内部に熱伝導する熱伝導部材を配置してあり、高温側内槽と低温側内槽との間の空間は外槽より低温であるため、熱伝導部材を介して外槽から内部への熱伝導が生じる。このため、その空間の熱伝導部材が配置される位置で、本来生じるべき温度が、熱伝導によってより高温になるので、高温側内槽との温度差がより小さくなるため、高温側内槽から低温側内槽側への伝熱量を低減することができる。これを図面に基づいて詳述すると、次のようになる。
【００１４】
外槽１と内槽との間の空間は、真空断熱されているが、対流及び輻射熱の遮蔽のため充填された断熱材を介して、外槽１から内槽側への少量の熱伝導が生じる。図１（ａ）に示すように、熱伝導部材４を設けない場合には、更に、高温側内槽３から低温側内槽２側へ矢印Ａ１のような熱伝導が生じる（この伝熱量を小さくする必要がある）。これに対し、図１（ｂ）に示すように、熱伝導部材４を設けると、熱伝導部材４を介して外槽１から内部へ、矢印Ａ２のような熱伝導が生じる。この熱伝導により、熱伝導部材４が配置された位置Ｐ１の温度が、図１（ａ）と比較して高温となり、高温側内槽３との温度差がより小さくなるため、高温側内槽３から低温側内槽２側への伝熱量が小さくなる。仮に、温度差が無くなると、伝熱量はゼロになり、熱伝導部材４からは低温側内槽２側のみへ熱伝導が生じる（この状態が図１（ｂ）である）。更に位置Ｐ１が高温になると、図１（ｃ）に示すように、熱伝導部材４から低温側内槽２と高温側内槽３との両方への熱伝導が生じる。更に、真空が劣化した場合でも熱伝導部材による熱伝導で、高温側内槽が冷却されることによる弊害を防止することができる。
【００１５】
つまり、何らかの原因で真空が劣化した場合、断熱層の熱伝導率は真空時（０．１Ｔｏｒｒ以下）の約１０倍になり、図１（ａ）に示すように、熱伝導部材４を設けない場合には、高温側内槽３から低温側内槽２側へ矢印Ａ１のような熱伝導が非常に大きくなり、前述の如き危険性が更に大きくなる（各内槽への外槽からの伝熱では補えない）。これに対して、熱伝導部材４を設けて、常時に図１（ｃ）に示すような状態であると、真空が劣化してもそれに応じた熱が熱伝導部材４を介して内部へ供給され、位置Ｐ１の温度が低下しても、図１（ｂ）の状態に近づくだけであり、高温側内槽３の冷却による弊害は生じにくい。
【００１６】
そして、このよう熱伝導部材４によると、複雑な構造を要せず、また、付帯設備を伴わずに、高温側内槽から低温側内槽側への伝熱の問題を解消でき、内槽をより近接して配置することができる。
【００１７】
その結果、貯蔵温度の差による伝熱が問題となる場合でも、内槽をより近接して配置できるため小型化が図れ、しかも安全性が高くコスト的にも有利な複槽式低温貯槽を提供することができた。
【００１８】
前記熱伝導部材が前記外槽の内周面に固定された金属板であり、その金属板は配管の遊嵌部を有するものである場合、金属板は安価で加工が容易な熱伝導部材であり、これを外槽の内周面に固定することで、外槽内周面からの熱伝導が可能となる。また、複槽式低温貯槽は、断熱性や全体構造を考慮して、外槽内に配管を通過させる構造をとるのが一般的であるが、そのとき金属板が配管の遊嵌部を有すると、その配管を通過させるのに支障がなく、また遊嵌状態とすることができるため、接触部を介した外槽からの熱伝導を防止することができる。更に、その遊嵌部を通過させてパーライト等の粒状断熱材（粒度１．２〜０．１５ｍｍ程度）を外槽内に充填することができる。なお、同様の目的で、金属板に別途、粒状断熱材の通過部を設けてもよい。
【００１９】
前記高温側内槽が液化炭酸ガスを貯蔵するものであり、その高温側内槽が前記外槽内の最下部に配置されている場合、前述のように液化炭酸ガスは、他の液化ガス成分と貯蔵温度が大きく異なると共に、固化し易いため、上記の作用効果を有する本発明が、特に有用なものとなる。更に、その高温側内槽が外槽内の最下部に配置されているため、その高温側内槽からの配管を、より低温の低温側内槽の近傍を通過させる必要がなくなるので、配管と内槽との熱伝導による配管内での固化を防止できる。
【００２０】
一方、本発明の混合ガス供給装置によると、上記いずれかに記載の複槽式低温貯槽を用いているため、上記の如き作用効果を奏することができる。その結果、貯蔵温度の差による伝熱が問題となる場合でも、内槽をより近接して配置できるため小型化が図れ、しかも安全性が高くコスト的にも有利な混合ガス供給装置を提供することができた。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、複槽式低温貯槽、混合ガス供給装置の順で説明する。
【００２２】
（複槽式低温貯槽）
本発明の複槽式低温貯槽は、図２に示すように、貯蔵温度が異なる複数の内槽が、外槽１とは真空断熱された状態でその外槽１内に配置されているものである。本実施形態では、高温側内槽３が液化炭酸ガスを、低温側内槽２が液化アルゴンガスを貯蔵する２槽型式の複槽式低温貯槽であって、高温側内槽３が外槽１内の下側に配置されている例を示す。
【００２３】
外槽１と低温側内槽２又は高温側内槽３との間の空間には、パーライト等の粒状断熱材が輻射熱の断熱のために充填され、更に、真空引きによる断熱が行われている。真空引きは、図示を省略した真空引き用配管から内部の気体を排気することで行われ、真空計に基づき所定の圧力（例えば０．１Ｔｏｒｒ以下）に調整される。なお、粒状断熱材は外槽１の頂部に設けられた充填口５から導入される。また、外槽１は支持脚１１により、地上に立設できるようになっている。
【００２４】
低温側内槽２と高温側内槽３には、液化ガスを充填するため、又は圧力調整回路に液化ガスを導くための液化ガス充填管６ａ，６ｂと、液化ガスを取り出すためのサイホン液取出管７ａ，７ｂと、ガスを導入するためのガス導入管８ａ，８ｂとが接続されている。また、図示は省略したが、内槽の頂部には大気に連通し得る大気放出管と、内槽の頂部と底部には液面計に連通する液面計管とが接続されている。なお、内槽は伝熱量の小さい支持部材９で外槽１の内周面に支持されている。
【００２５】
低温側内槽２に接続する配管と、高温側内槽３に接続する配管とは、互いに反対側に設けられており、これにより両者の配管での伝熱による弊害を防止している。また、通常、混合ガスの組成との関係で、液化炭酸ガスを貯蔵する高温側内槽３は、低温側内槽２より体積が小さいため、その分だけ高温側内槽３の外径を小さくすることにより、低温側内槽２に接続する配管と高温側内槽３との伝熱量を小さくすることができる。
【００２６】
上記において、低温側内槽２の貯蔵温度は、約−１９６℃（以下、「Ｔｌ」という）であり、高温側内槽３の貯蔵温度は、約−３０℃（以下、「Ｔｈ」という）である。なお、両者の伝熱平均温度をＴａｖとする。
【００２７】
本発明では、上記の如き複槽式低温貯槽において、隣接する高温側内槽３と低温側内槽２との間に、外槽１の熱を内部に熱伝導する熱伝導部材４を配置してある。本実施形態では、熱伝導部材４として外槽１の内周面に固定された金属板を使用する例を示す。
【００２８】
熱伝導部材４は、平面図である図３が示すように、低温側内槽２に接続された液化ガス充填管６ａ、サイホン液取出管７ａ、ガス導入管８ａ等を通過させるための配管の遊嵌部４ａを有する。更に、円周を４等分する位置の残り３箇所には、粒状断熱材の通過部４ｂが設けられている。遊嵌部４ａの内周面と配管との間には、粒状断熱材が通過できる隙間が存在するため、その隙間と通過部４ｂとによって、粒状断熱材を上方から下方へ通過させて、下側に配置された高温側内槽３の周囲の空間に充填することができる。
【００２９】
熱伝導部材４は、外槽１の内周面に溶接等で接合された金属製の支持リング１０により、内周面にほぼ内接した状態で支持固定されている。このようにリング状に支持すると、金属製の支持リング１０を介して、熱伝導部材４の全周から均一な熱伝導を行うことができる。支持リング１０と熱伝導部材４とは、単に載置して支持させるだけでもよいが、ボルト締め等を行ってもよい。
【００３０】
熱伝導部材４と、高温側内槽３の頂部と、低温側内槽２の底部との位置関係は、熱伝導部材４を介する外槽１からの熱伝導による高温側内槽３の冷却防止効果と、その熱伝導により内槽が加温される弊害とを比較考量して決定するのが望ましい。例えば、熱伝導部材４と低温側内槽２の底部との間に十分な距離があると（例えば外槽１内周面と低温側内槽２外周面との距離）、両者間の伝熱量は問題の無いレベルに達する。この関係は熱伝導部材４と高温側内槽３の頂部との位置関係についても同様である。
【００３１】
一方、低温側内槽２の底部を熱伝導部材４に接近させていくと、熱伝導部材４の中央部の温度（以下、「Ｔｃ」という）が徐々に低下すると共に、低温側内槽２への熱伝導による弊害が大きくなる。そして、ＴｃがＴａｖより低温になると、高温側内槽３の頂部から熱伝導部材４への熱伝導による冷却の弊害が大きくなる。他方、高温側内槽３の頂部を熱伝導部材４に接近させていくと、両者間の伝熱量は大きくなるが、ＴｃがＴｈより高温であれば、冷却の弊害は生じない。従って、高温側内槽３の頂部と低温側内槽２の底部とをより接近して配置させる場合、熱伝導部材４の熱伝導率や形状、厚みにもよるが、Ｔｈ＜Ｔｃ＜Ｔｈ＋５０℃の範囲となるように位置関係を決定するのが望ましい。
【００３２】
上記は真空劣化を考慮しない場合（常時）であるが、真空劣化時の安全性を特に考慮すると次のようになる。例えば、熱伝導部材４と内槽との間に、外槽１内周面と低温側内槽２外周面との距離に相当する距離が存在する場合、常時には熱伝導部材４を介する熱伝導の影響は小さいが、真空劣化時には、断熱層の熱伝導率が大きくなり各内槽への伝熱量が大きくなるため、熱伝導部材４の配置が非常に有効になる。この状態では、Ｔｃもかなり低下するため、真空劣化時を考慮すると、常時においてＴｈ＋３０℃＜Ｔｃ＜Ｔｈ＋５０℃の範囲とするのが好ましい。
【００３３】
金属板を用いる場合、その厚みや材質により、伝熱量を調節することができる。上記において、熱伝導により低温側内槽２が加温される弊害を少なくするには、金属板の厚みを薄くして、伝熱量を小さくすればよい。
【００３４】
（複槽式低温貯槽の他の実施形態）
（１）先の実施形態では、熱伝導部材として図３に示すような金属板を設ける例を示したが、金属網、金属多孔板、金属スリット体など設けてもよい。このように開口率の大きい部材を用いると、伝熱量が低下するため、開口率により伝熱量を調整することができる。また、開口部を介して粒状断熱材を充填することができる。特に金属網や金属多孔板を設ける場合、熱伝導が比較的均一に行われ易いので好ましい。
【００３５】
（２）先の実施形態では、２槽型式の複槽式低温貯槽の例を示したが、３槽式やそれ以上のものであってもよい。その場合、特に貯蔵温度の差による伝熱が問題となる隣接内槽間に、前記の熱伝導部材を配置すればよい。
【００３６】
（３）先の実施形態では、液化炭酸ガスと液化アルゴンガスとを貯蔵する例を示したが、液化アルゴンガスの他に、液化酸素、液化窒素との組み合わせでも、液化アルゴンガスの場合と同様に、本発明が有効になる。
【００３７】
（４）先の実施形態では、内槽からの配管に接続される付帯設備を設けない例を示したが、後述する混合ガス供給装置に使用される圧力調整回路、各種の弁類、蒸発器、混合器（ミキサー）、バッファータンク、及び分析計等を付帯設備として更に設けてもよい。
【００３８】
（混合ガス供給装置）
本発明の混合ガス供給装置は、図４に示すように、混合ガスの成分となる複数の液化ガスを内槽に貯蔵する複槽式低温貯槽と、その内槽内の液化ガスを導入して蒸発させる蒸発器１５，１６と、蒸発後の複数のガスを混合する混合器１９を備える。本発明は、このような混合ガス供給装置において、複槽式低温貯槽として、前述のものを用いることを特徴とするものであり、その他の構成は、従来公知のものがいずれも採用できる。従って、概要についてのみ以下に説明する。本実施形態では、各内槽を加圧して一定圧に調整するための圧力調整回路を備える例を示す。
【００３９】
各々の圧力調整回路は、液化ガスを導入を許容する加圧蒸発器入口弁１３ａ，１４ａと、液化ガスを蒸発させる加圧蒸発器１３ｃ，１４ｃと、蒸発したガスの圧力を一定圧に調整する圧力調整器１３ｂ，１４ｂとで構成される。
【００４０】
蒸発器１５，１６の上流側には、液化ガス取出し弁２０，２１が設けられ、下流側には混合器１９に供給するガスの圧力を調節するための減圧弁１７，１８が設けられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を説明するための模式図
【図２】本発明の複槽式低温貯槽の一例を示す概略構成図
【図３】本発明における熱伝導部材の一例を示す平面図
【図４】本発明の混合ガス供給装置の一例を示す概略構成図
【符号の説明】
１ 外槽
２ 低温側内槽
３ 高温側内槽
４ 熱伝導部材
４ａ 配管の遊嵌部
１４ 蒸発器
１５ 蒸発器
１９ 混合器

Claims (4)

1. 貯蔵温度が異なる複数の内槽が、外槽とは真空断熱された状態でその外槽内に配置されている複槽式低温貯槽において、
   高温側内槽が液化炭酸ガスを貯蔵するものであり、隣接する高温側内槽と低温側内槽との間に、断熱材を介在させつつ、前記外槽の熱を内部に熱伝導する熱伝導部材を配置してあると共に、
   前記高温側内槽の貯蔵温度をＴｈ、前記熱伝導部材の中央部の温度をＴｃとするとき、常時においてＴｈ＜Ｔｃ＜Ｔｈ＋５０℃の範囲となるように、前記高温側内槽の頂部と前記低温側内槽の底部とを、前記熱伝導部材に対して位置決定してあることを特徴とする複槽式低温貯槽。
2. 前記熱伝導部材が、前記外槽の内周面に固定された金属板であり、その金属板は配管の遊嵌部を有するものである請求項１記載の複槽式低温貯槽。
3. 前記高温側内槽が液化炭酸ガスを貯蔵するものであり、その高温側内槽が前記外槽内の最下部に配置されている請求項１又は２記載の複槽式低温貯槽。
4. 混合ガスの成分となる複数の液化ガスを内槽に貯蔵する複槽式低温貯槽と、その内槽内の液化ガスを導入して蒸発させる蒸発器と、蒸発後の複数のガスを混合する混合器を備える混合ガス供給装置において、
   前記複槽式低温貯槽は、請求項１〜３いずれかに記載の複槽式低温貯槽であることを特徴とする混合ガス供給装置。

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